JP3701694B2

JP3701694B2 - Illumination optics

Info

Publication number: JP3701694B2
Application number: JP03738294A
Authority: JP
Inventors: 卓司佐藤; 寿和芳野; 敏樹奥村; 幸次中嶋
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1994-03-08
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2020-10-05
Also published as: JPH07248462A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、主に液晶素子及び半導体素子を製造するために使用する、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の寸法がｘ_L、ｙ_L（ｘ_L≠ｙ_L）である領域（以下において、矩形領域という）を均一に照明する照明光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
（１）
従来、半導体製造装置において、縦横比が１以外の原図すなわちマスク上の領域、例えば円弧形状を含む領域を照明し、これを半導体チップ上に投影して、大きな寸法の対象物に収差の少ない像を投影する方式が提案されている。
このような半導体製造装置の照明光学系は、例えば特開昭５３−４１０９７号公報に開示されている。本半導体製造光学系は、光源として円弧形ランプを使用しているが、円弧形ランプは特殊で入手が困難な上、輝度が通常の超高圧水銀灯に比較して低く所望の高い像面照度を得ることができない問題がある。
円弧形状の領域を照明する半導体製造装置の照明光学系は、特開昭５４−１２３８７６号公報にも開示されている。本照明光学系においては、実質上点状の超高圧水銀灯のアーク光源の像を、複数の球面鏡を組み合わせて使用して円弧状に結像する。本照明光学系は、構造原理上、照明むらを低減するために、集光特性を有する多数の光学素子を光軸と垂直方向に並べて束ねて形成されるインテグレーターを使用することができないという問題がある。
（２）
半導体や液晶の露光装置は、露光領域内の各位置の露光光量のむら、すなわち光量むらの許容値が小さく、通常は数％以下である。これを達成するために、マスク内の各位置が高度に均一化された光量で照明されていることが必要である。
【０００３】
この均一化照明の簡単な方法としては、広い領域を照明する光学系を形成し、その中心部分のみを使用する方法である。しかし、半導体や液晶の生産性を高めるためには露光光量の損失を小さく抑えなくてはならず、光量損失の大きいこの方法は実用的でない。
正方形あるいは円形の領域を光量むらを少なくして照明するための方法として、顕微鏡によく使用されるケーラー照明光学系を採用することが考えられる。ケーラー照明光学系においては、光量むらが光源の配光特性で決定されるが、光源の利用効率を高くするためには配光特性の低い領域まで使用しなくてはならず、これも実用的でない。
正方形あるいは円形の領域を光量むらを少なくして照明するための他の方法として、インテグレーターと呼ばれる光学系を使用することが考えられる。インテグレーターを構成する各光学素子においては、クリティカル又はケーラー照明光学系が成立し、照明領域において各光学素子が形成する像を重ね合わせることによって照明領域内の各点の光量を平均化する。
また、一定領域を光量むらを少なくして照明するための方法として、インテグレーター及びコンデンサーレンズを使用する照明光学系が、特開平１−３１１５０２号公報に開示されている。本照明光学系は、図１７及び図１８示に示すように、複数の光学素子５０２を有するインテグレーター５００と、コンデンサーレンズ５０４とを有する。光学素子５０２においては、入射面５０６が前側焦点位置であり、射出面１０８が後側焦点位置である。
【０００４】
ｘ_1i 光学素子５０２のＸ軸方向の寸法
ｙ_1i 光学素子５０２のＹ軸方向の寸法
ｆ_1i インテグレーター５００の焦点距離
ｆ_1c コンデンサーレンズ５０４の焦点距離
とする。本照明光学系はテレセントリック光学系となっているため、インテグレーター５００の射出面とコンデンサーレンズ５０４の前側焦点とが一致する。コンデンサーレンズ５０４の後側焦点付近が照明領域５２０となり、また、インテグレーター５００の入射面５０６の像が照明領域５２０に結像する。
ｍ_l 照明光学系の投影倍率
ｘ_1L 照明領域５２０のＸ軸方向の寸法
ｙ_1L 照明領域５２０のＹ軸方向の寸法
とすると、以下の関係がある。
ｍ_l＝（ｆ_1c）／（ｆ_1i）
ｘ_1L＝ｍ_l×ｘ_1i＝（ｆ_1c×ｘ_1i）／（ｆ_1i）
ｙ_1L＝ｍ_l×ｙ_1i＝（ｆ_1c×ｙ_1i）／（ｆ_1i）
全体の断面が正方形のインテグレーター及びアナモフィックレンズを使用して矩形領域を照明する照明光学系が、特開平５−４５６０４号公報に開示されている。この照明光学系において、
ｆ_2xc アナモフィックレンズのＸ軸方向の焦点距離
ｆ_2yc アナモフィックレンズのＹ軸方向の焦点距離
ｍ_2x アナモフィックレンズのＸ軸方向の投影倍率
ｍ_2y アナモフィックレンズのＹ軸方向の投影倍率
とする。
【０００５】
ｘ_2L 照明面における結像のＸ軸方向の寸法
ｙ_2L 照明面における結像のＹ軸方向の寸法
は、以下の式で示される。
ｍ_2x＝ｆ_2xc／ｆ_2i
ｍ_2y＝ｆ_2yc／ｆ_2i
ｘ_2L＝ｍ_2X ×ｘ_2i＝（ｆ_2xc×ｘ_2i）／ｆ_2i・・・・・・（１）
ｙ_2L＝ｍ_2y ×ｙ_2i＝（ｆ_2yc×ｙ_2i）／ｆ_2i・・・・・・（２）
これらの式を使用して所望の縦横比の長方形領域を照明する。本照明光学系においおては、各光学素子による結像を重ね合わせることによって所定領域を光量むらを少なくしているが、照明領域内の各点に入射する各入射角度・入射方向の開口数が一定でないという問題がある。開口数等については、後に詳説する。
【０００６】
【発明の目的】
照明光学系と投影光学系を組み合わせた光学装置においては、両光学系の開口数によって光学装置全体の解像力が決定される。同一投影光学系を使用する場合、照明光学系の開口数が小さいと、結像のコントラストが高くなり、分解能が低下する。照明光学系の開口数が大きいと、逆に結像のコントラストが低くなり、分解能が高くなる。該光学装置の結像位置に配置されるレジストは、ある程度の高さのコントラストがないと解像できない。該レジストの特性、光学装置の所望解像力、使用波長等を考慮するとき、照明光学系の開口数は投影光学系の開口数の５０％ないし８０％であることが望ましい。
さらに、上記照明光学系においては、コントラストを一定にするために照明領域内の各点において開口数を一定にすることに加えて、各点に入射する各入射方向の開口数を一定にすることが必要である。
本発明は、上述した照明光学系に関する条件に鑑み、矩形形状の領域や円弧形状の領域について、各点に入射する各入射方向の開口数を一定にして領域全体を均一な光量で照明する照明光学系を提供することを目的とする。
【０００７】
【発明の構成】
本発明は、
Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の寸法がｘ_L 、ｙ_L （ｘ_L ≠ｙ_L ）である領域を照明する複数の光学素子の集合体であるインテグレーターとアナモフィック光学系を包含する照明光学系において、
該照明光学系が包含するインテグレーターは、各光学素子の前側焦点が各入射面と略一致するよう形成し、かつ、該インテグレーターの入射面に入射した光束を該インテグレーター及び上記アナモフィック光学系を介して、インテグレーター全体の入射面と照明面とを共役な関係で投影し、
上記インテグレーターの個々の光学素子の入射面のＸ軸方向の寸法、Ｙ軸方向の寸法をｘ_i 、ｙ_i とし、該インテグレーター全体の入射面のＸ軸方向の寸法とＹ軸方向の寸法の比を、インテグレーターの上記入射面と上記照明面との間のＸ軸方向の投影倍率とＹ軸方向の投影倍率の比（ｘ_L ／ｘ_i ）：（ｙ_L ／ｙ_i ）と等しくして、上記照明面をＸ軸方向からでも、Ｙ軸方向からでも、略均一な開口数で照明することを特徴とする照明光学系である。
【０００８】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。
〔第１実施例〕
照明光学系１は、図１に示すように、微小な発光領域をもつ光源２から射出された光束が、楕円鏡４で反射され、バンドパスフィルター６を通過した後、インテグレーター１０の入射面１２の近傍で１次光源像を形成する。インテグレーター１０の射出面１６から射出された光束は、図３及び図４に示すように、凹シリンダーレンズ１８及び凸シリンダーレンズ２０によって形成されるエキスパンダー光学系２２、及びコンデンサーレンズ２３を通過した後、マスク等の照明対象物２４を照明する。エキスパンダー光学系２２とコンデンサーレンズ２３とでアナモフィック光学系２５が形成される。
インテグレーター１０の各光学素子１１の射出面１６の前側焦点は、図３及び図４に示すように、インテグレーター１０の各光学素子１１の入射面１２と一致するように形成されている。エキスパンダー光学系２２は、図３及び図４に示すように、水平面内すなわちＸ軸方向においてはアフォーカル光学系を形成し、垂直面内すなわちＹ軸方向においては全くパワーを有しない。従って、エキスパンダー光学系２２は、Ｘ軸方向においてのみ光束径の拡大作用を行う。
【０００９】
コンデンサーレンズ２３は、その後側焦点位置が照明対象物２４に一致するように配置され、Ｘ軸方向においてもＹ軸方向においても、インテグレーター１０の入射面１２に形成された１次光源像の２次光源像が照明対象物２４上に形成される。すなわち、照明対象物２４上においては、インテグレーター１０の各光学素子１１を通過した光束が独立して光源像を形成し、これらがすべて重ね合わされて２次光源像となる。
投影光学系５０は、図１に示すように、投影レンズ５２を有する。従って、照明対象物２４から射出された光束は、Ｘ軸方向においてもＹ軸方向においても、投影レンズ５２により、レジン等が配置された投影露光面５４上に照明対象物２４の投影像６０を結像する。
次に、照明光学系１の開口数ＮＡについて説明する。図３及び図４において、破線は各光束のマージナル光線すなわち最も外側の光線を示す。開口数ＮＡは、マージナル光線が光軸と交わる角度θの正弦に、その環境の屈折率ｎを乗じたもの（ｎ× sinθ）となる。
ｘ_2A インテグレーター１０全体のＸ軸方向の寸法
ｙ_2A インテグレーター１０全体のＹ軸方向の寸法
ｆ_2xc アナモフィック光学系２５のＸ軸方向内の焦点距離
ｆ_2yc アナモフィック光学系２５のＹ軸方向内の焦点距離
とするとき、
α_2X 照明光学系１のＸ軸方向の開口数
α_2y 照明光学系１のＹ軸方向の開口数
は、以下のように算出される。
【００１０】
α_2x＝ｘ_2A／（２・ｆ_2xc）・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
α_2y＝ｙ_2A／（２・ｆ_2yc）・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
（１）式と（２）式の比から以下の式が得られる。
ｘ_2L／ｙ_2L＝（ｆ_2xc×ｘ_2i）／（ｆ_2yc×ｙ_2i）・・・・・・（５）
一方、本発明が目的としているＸ軸方向においてもＹ軸方向においても開口数ＮＡが等しいという条件α_2x＝α_2yと、（３）式と（４）式とから、以下の関係が求められる。
ｘ_2A／（２・ｆ_2xc）＝ｙ_2A／（２・ｆ_2yc）・・・・・・・・・（６）
（５）式と（６）式から、次の関係が求められる。
ｘ_2A：ｙ_2A＝ｆ_2xc：ｆ_2yc
＝ｘ_2L×ｙ_2i：ｙ_2L×ｘ_2i
＝（ｘ_2L／ｘ_2i）：（ｙ_2L／ｙ_2i）
＝ｍ_2x：ｍ_2y ・・・・・・・・（７）
すなわち、
ｘ_2L：ｙ_2L ・・・照明領域の縦横比
ｘ_2i：ｙ_2i ・・・インテグレーター１０の各光学素子１１の縦横比
ｍ_2x：ｍ_2y ・・・照明光学系の投影倍率の縦横比
とし、インテグレーターの全体形状の縦横比を照明光学系の投影倍率の縦横比又はアナモフィック光学系の焦点距離の縦横比
（ｘ_2L／ｘ_2i）：（ｙ_2L／ｙ_2i）
と同じくすることによって、照明対象物において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の開口数を一致させることができる。ここで、光束の通過しない光学素子は無視できるから、インテグレーター１０の全体形状とは、有効な光学素子の部分の形状を意味する。
【００１１】
一般的に、インテグレーターの素子の断面は正方形に近いほど製作しやすい。しかし、アナモフィック光学系の焦点距離の縦横比ｆ_2xc：ｆ_2ycを１：１から大きく外すことは、シリンダーレンズやトロイダルレンズを多用することになり、製造コストや調整の問題がある。従って、照明領域の縦横比が大きく隔っている場合には、インテグレーターの各光学素子の縦横比とアナモフィック光学系の焦点距離の縦横比とのバランスを取って設計することになる。
なお、第１実施例においては、図５及び図６に示すように、エキスパンダー光学系２２をインテグレーター１０側から凸シリンダーレンズ９０、凹シリンダーレンズ９１の順に配置することによって、光束径を縮小するエキスパンダー光学系２２を形成することができる。
〔第２実施例〕
第２実施例の照明光学系は、照明領域での開口数を略等しくすることに加えて、さらにｘ、ｙ軸方向の射出瞳位置を一致させた照明光学系である。第１実施例の照明光学系では、射出瞳の位置がＸ軸方向及びＹ軸方向において相違している。射出瞳の位置は、軸外の点の主光線が光軸と交わる位置であり、図３に示すＸ軸方向においては、射出瞳位置は照明領域の後方の有限位置であるが、図４に示すＹ軸方向においては、射出瞳位置は光源側の無限遠である。このように、照明光学系の射出瞳のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置が相違すると、視野が広い光学系では口径蝕が生じて、光量むらが生じ易くなる。
【００１２】
第２実施例の照明光学系の説明において、第１実施例と同一の構成については同一の符号を付して、その説明を省略する。第２実施例の照明光学系は、図７及び図８に示すように、エキスパンダー光学系の構成要素である第１実施例の凹シリンダーレンズ１８を、凸シリンダーレンズ１００と凹シリンダーレンズ１０２の２群によって構成し、Ｙ軸方向の射出瞳位置のみならずＸ軸方向の射出瞳位置も、光源側の無限遠となるようにする。すなわち、凸シリンダーレンズ１００と凹シリンダーレンズ１０２の２群を配置することによって、エキスパンダー光学系２２から射出された光束の主光線が、あたかもコンデンサーレンズ２３の前側焦点から射出したかのごとく構成される。
図５及び図６に示した第１実施例の変形例においても、Ｘ軸方向に対して開口数ＮＡを縮小するとともに、エキスパンダー光学系２２から射出された光束の主光線が、あたかもコンデンサーレンズ２３の前側焦点から射出したかのごとく構成して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の射出瞳位置を一致させることが可能である。
なお、第２実施例の照明光学系の後段に投影光学系を配置する場合には、照明光学系の射出瞳と投影光学系の入射瞳とを一致させれば投影像の明るさむらを除去でき、より望ましい。
〔第３実施例〕
第３実施例の照明光学系には、図９に示すように、インテグレーター２００として、これを構成する光学素子２０２の光軸が照明光学系の光軸に対し収束させたインテグレーターを使用する。各光学素子２０２は、寸法の異なる２枚の平凸レンズを、平面を向かえ合わせて間隔をおいて配置してなる。
【００１３】
インテグレーター２００とコンデンサーレンズ２０４の間には、光束幅を変更するためのエキスパンダー光学系の代わり、光束の収束の度合を変える変倍光学系２０６を配置する。従って、コンデンサーレンズ２０４には平行光束が入射せず、本照明光学系の開口数α_x，α_yは、コンデンサーレンズ２０４の焦点距離ｆ_cによって算出できず、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの倍率から以下のように演算される。すなわち、
ｘ_A・・・インテグレーター２００全体のＸ軸方向の寸法
ｙ_A・・・インテグレーター２００全体のＹ軸方向の寸法
ｍｘ・・・インテグレーター２００の入射面と照明面との間のＸ軸方向の投影倍率
ｍｙ・・・インテグレーター２００の入射面と照明面との間のＹ軸方向の投影倍率
ｅ・・・インテグレーター２００の入射面から射出面までの換算面間隔、すなわちインテグレーターを構成する媒質の寸法をその媒質の屈折率で割った値の総和
とするとき、
ｘ_A：ｙ_A＝ｍｘ：ｍｙ＝（ｘ_2L／ｘ_2i）：（ｙ_2L／ｙ_2i）・・・（８）
α_x＝ｘ_A／２・ｍｘ・ｅ
α_y＝ｙ_A／２・ｍｙ・ｅ
〔第４実施例〕
第４実施例は、矩形の入射面を有するインテグレーターを効率よく照明する照明光学系を示す。従来、インテグレーターの照明には、図１０、図１１に示すように一つの光源１からの光を楕円鏡で反射させ光源の像をインテグレーター５００の入射面に形成する光学系が使用される。
【００１４】
しかし、一般に光源の形状は略円形のもの多く、インテグレーターの全体形状の縦と横の寸法が異なるとき、全てのインテグレーターを１個の照明光源によって照明すると照明効率が落ちる。
第４実施例においては、図１２及び図１３に示すように、２個の光源によってインテグレーターを分割して照明する。光源を上記の方法で複数にした場合、１個の光源による照明領域が円形あるいは正方形であるから、インテグレーターの全体の縦横比は、整数であることが望ましい。この場合、インテグレーター各素子の断面形状が正方形の場合、縦横の開口数を一致させると、照明領域も縦横比が整数比となる。円弧型投影露光装置にこの光学系を用いる場合、投影露光光学系で要求される円弧の外径の縦横比が照明領域の縦横比と一致しないと、光源の利用効率が落ちる。この場合、インテグレーター各素子の断面形状を、図１４に示すように、六角形にすると、図１５の示すような照明領域が得られ、光量の利用効率が高くなる。
図１６は、円弧上に照明されたマスクを基板に投影する反射ミラー及び屈折レンズで構成したカタデオプトリック投影光学系を示す。この投影光学系では、基板とマスクとを同期させて移動させ、円弧の長手方向の幅のマスクを投影する。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１及び２に記載の発明によれば、照明領域を略同一の開口数ＮＡで照明することができる効果を有する。
請求項３記載の発明によれば、さらに、照明光学系の射出瞳のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置が等しくして、口径蝕及び光量むらのない照明を行うことができる効果を有する。
請求項４及び５に記載の発明によれば、さらに、上記インテグレーターを無駄なく照明して高い照明効率を得ることができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の照明光学系のＹ軸方向の光学図である。
【図２】本発明の第１実施例の照明光学系のＸ軸方向の光学図である。
【図３】本発明の第１実施例の照明光学系のＸ軸方向の光束説明図である。
【図４】本発明の第１実施例の照明光学系のＹ軸方向の光束説明図である。
【図５】本発明の第１実施例の変形例の照明光学系のＹ軸方向の光束説明図である。
【図６】本発明の第１実施例の変形例の照明光学系のＸ軸方向の光束説明図である。
【図７】本発明の第２実施例の照明光学系のＸ軸方向の光束説明図である。
【図８】本発明の第２実施例の照明光学系のＹ軸方向の光束説明図である。
【図９】本発明の第３実施例に使用する照明光学系のＸ軸方向の光束説明図である。
【図１０】従来のインテグレーターの照明状態を示した光束説明図である。
【図１１】従来のインテグレーターの照明状態を示した光束説明図である。
【図１２】本発明の第４実施例の照明光学系のＹ軸方向の光束説明図である
【図１３】本発明の第４実施例の照明光学系のＸ軸方向の光束説明図である。
【図１４】本発明の第４実施例のインテグレーターの正面図である。
【図１５】本発明の第４実施例のインテグレーターの光学素子と照明領域の関係を示す説明図である。
【図１６】本発明の照明光学系に適した投影光学系の斜視図である。
【図１７】従来の照明光学系のＹ軸方向の光学図である。
【図１８】従来の照明光学系のＸ軸方向の光学図である。
【符号の説明】
１照明光学系
２光源
４楕円鏡
６バンドパスフィルター
１０インテグレーター
１１光学素子
１２入射面
１６射出面
１８凹シリンダーレンズ
２０凸シリンダーレンズ
２２エキスパンダー光学系
２３コンデンサーレンズ
２４照明対象物
２５アナモフィック光学系
５０投影光学系
５２投影レンズ
５４投影露光面
６０投影像
９０凸シリンダーレンズ
９１凹シリンダーレンズ
１００シリンダーレンズ
１０２凹シリンダーレンズ
２００インテグレーター
２０２光学素子
２０４コンデンサーレンズ
２０６変倍光学系[0001]
[Industrial application fields]
The present invention is an area (hereinafter referred to as a rectangular area) whose dimensions in the X-axis direction and the Y-axis direction are x _L and y _L (x _L ≠ y _L ), which are mainly used for manufacturing liquid crystal elements and semiconductor elements. It is related with the illumination optical system which illuminates uniformly.
[0002]
[Prior art and its problems]
(1)
2. Description of the Related Art Conventionally, in a semiconductor manufacturing apparatus, an original drawing having an aspect ratio other than 1, that is, an area on a mask, for example, an area including an arc shape, is projected onto a semiconductor chip, and an image with little aberration is projected on a large-sized object. A method of projecting is proposed.
An illumination optical system of such a semiconductor manufacturing apparatus is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 53-41097. This semiconductor manufacturing optical system uses an arc-shaped lamp as a light source, but the arc-shaped lamp is special and difficult to obtain and has a lower brightness than a normal ultra-high pressure mercury lamp and a desired high image surface. There is a problem that illuminance cannot be obtained.
An illumination optical system of a semiconductor manufacturing apparatus for illuminating an arc-shaped region is also disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 54-123876. In this illumination optical system, an image of an arc light source of a substantially spot-like ultrahigh pressure mercury lamp is formed in an arc shape by using a combination of a plurality of spherical mirrors. This illumination optical system has a problem that due to the structural principle, it is impossible to use an integrator formed by bundling a large number of optical elements having condensing characteristics in a direction perpendicular to the optical axis in order to reduce uneven illumination. is there.
(2)
Semiconductor and liquid crystal exposure apparatuses have a small amount of exposure light amount unevenness at each position in the exposure region, that is, a tolerance value of the light amount unevenness, and is usually several percent or less. In order to achieve this, each position in the mask needs to be illuminated with a highly uniform light quantity.
[0003]
As a simple method of this uniform illumination, an optical system that illuminates a wide area is formed, and only the central portion thereof is used. However, in order to increase the productivity of semiconductors and liquid crystals, the loss of exposure light amount must be kept small, and this method with large light amount loss is not practical.
As a method for illuminating a square or circular region with less unevenness in the amount of light, it is conceivable to employ a Koehler illumination optical system often used in a microscope. In the Koehler illumination optical system, the amount of light unevenness is determined by the light distribution characteristics of the light source, but in order to increase the light source usage efficiency, it is necessary to use even areas with low light distribution characteristics, which is also practical. Not.
As another method for illuminating a square or circular area with less unevenness in the amount of light, it is conceivable to use an optical system called an integrator. In each optical element constituting the integrator, a critical or Koehler illumination optical system is established, and the amount of light at each point in the illumination area is averaged by superimposing images formed by the respective optical elements in the illumination area.
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 1-311502 discloses an illumination optical system using an integrator and a condenser lens as a method for illuminating a certain region with less unevenness in the amount of light. As shown in FIGS. 17 and 18, the present illumination optical system includes an integrator 500 having a plurality of optical elements 502 and a condenser lens 504. In the optical element 502, the incident surface 506 is the front focal position, and the exit surface 108 is the rear focal position.
[0004]
x _1i optical element 502 X axis direction dimension y _1i optical element 502 Y axis direction dimension f _1i focal length f _1c condenser lens 504 focal length Since this illumination optical system is a telecentric optical system, the exit surface of the integrator 500 and the front focal point of the condenser lens 504 coincide. The vicinity of the rear focal point of the condenser lens 504 is an illumination area 520, and an image of the entrance surface 506 of the integrator 500 is formed in the illumination area 520.
_{Assuming that} the projection magnification x _1L illumination area 520 of the m _l illumination optical system is the dimension in the X axis direction of the y _1L illumination area 520, the dimension in the Y axis direction of the _{1 L} illumination area 520 is as follows.
m _l = (f _1c ) / (f _1i )
_{_{_{x 1L = m l × x 1i}}} = (f 1c × x 1i) / (f 1i)
_{_{_{y 1L = m l × y 1i}}} = (f 1c × y 1i) / (f 1i)
An illumination optical system for illuminating a rectangular region using an integrator and an anamorphic lens having a square overall cross section is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-45604. In this illumination optical system,
The focal length of the f _2xc anamorphic lens in the X-axis direction f _2yc The focal length of the anamorphic lens in the Y-axis direction m _2x The projection magnification in the X-axis direction of the anamorphic lens m _2y The projection magnification in the Y-axis direction of the anamorphic lens.
[0005]
Dimension in the X-axis direction of image _{formation on the} x _2L illumination surface The dimension in the Y-axis direction of image _{formation on the} y _2L illumination surface is expressed by the following equation.
m _2x = f _2xc / f _2i
m _2y = f _2yc / f _2i
_{_{_{x 2L = m 2X × x 2i}}} = (f 2xc × x 2i) / f 2i ······ (1)
_{_{_{y 2L = m 2y × y 2i}}} = (f 2yc × y 2i) / f 2i ······ (2)
These equations are used to illuminate a rectangular area with the desired aspect ratio. In this illumination optical system, unevenness in the amount of light is reduced in a predetermined area by superimposing the images formed by the respective optical elements, but the numerical aperture in each incident angle and incident direction incident on each point in the illumination area. There is a problem that is not constant. The numerical aperture and the like will be described in detail later.
[0006]
OBJECT OF THE INVENTION
In an optical device that combines an illumination optical system and a projection optical system, the resolving power of the entire optical device is determined by the numerical aperture of both optical systems. When the same projection optical system is used, when the numerical aperture of the illumination optical system is small, the contrast of the image formation becomes high and the resolution is lowered. When the numerical aperture of the illumination optical system is large, on the contrary, the contrast of image formation is lowered and the resolution is increased. The resist arranged at the imaging position of the optical device cannot be resolved without a certain level of contrast. In consideration of the characteristics of the resist, the desired resolving power of the optical device, the wavelength used, etc., it is desirable that the numerical aperture of the illumination optical system be 50% to 80% of the numerical aperture of the projection optical system.
Furthermore, in the illumination optical system, in order to make the contrast constant, in addition to making the numerical aperture constant at each point in the illumination area, making the numerical aperture in each incident direction incident on each point constant. is necessary.
In view of the above-described conditions concerning the illumination optical system, the present invention illuminates the entire region with a uniform light quantity with a constant numerical aperture in each incident direction incident on each point of a rectangular region or an arc-shaped region. An object is to provide an optical system.
[0007]
[Structure of the invention]
The present invention
In an illumination optical system including an integrator and an anamorphic optical system that are aggregates of a plurality of optical elements that illuminate a region in which the dimensions in the X-axis direction and the Y-axis direction are x _L and y _L (x _L ≠ y _L ),
The integrator included in the illumination optical system is formed so that the front focal point of each optical element substantially coincides with each incident surface, and the light beam incident on the incident surface of the integrator is passed through the integrator and the anamorphic optical system. , Project the incident surface and illumination surface of the whole integrator in a conjugate relationship,
The X-axis dimension and Y-axis dimension of the incident surface of each optical element of the integrator are x _i and y _i, and the ratio of the X-axis dimension to the Y-axis dimension of the entire incident surface of the integrator Is made equal to the ratio (x _L / x _i ) :( y _L / y _i ) of the projection magnification in the X-axis direction and the projection magnification in the Y-axis direction between the entrance surface and the illumination surface of the integrator, An illumination optical system that illuminates the illumination surface with a substantially uniform numerical aperture from both the X-axis direction and the Y-axis direction.
[0008]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
[First embodiment]
In the illumination optical system 1, as shown in FIG. 1, a light beam emitted from a light source 2 having a minute light emitting region is reflected by an elliptical mirror 4, passes through a bandpass filter 6, and then enters an incident surface 12 of an integrator 10. A primary light source image is formed in the vicinity of. As shown in FIGS. 3 and 4, the light beam emitted from the exit surface 16 of the integrator 10 passes through the expander optical system 22 formed by the concave cylinder lens 18 and the convex cylinder lens 20, and the condenser lens 23. The illumination object 24 such as a mask is illuminated. The expander optical system 22 and the condenser lens 23 form an anamorphic optical system 25.
As shown in FIGS. 3 and 4, the front focal point of the exit surface 16 of each optical element 11 of the integrator 10 is formed so as to coincide with the incident surface 12 of each optical element 11 of the integrator 10. As shown in FIGS. 3 and 4, the expander optical system 22 forms an afocal optical system in the horizontal plane, that is, in the X-axis direction, and has no power in the vertical plane, that is, in the Y-axis direction. Therefore, the expander optical system 22 performs the light beam diameter expanding action only in the X-axis direction.
[0009]
The condenser lens 23 is disposed so that the rear focal position thereof coincides with the illumination object 24, and the secondary light source image secondary formed on the incident surface 12 of the integrator 10 in both the X-axis direction and the Y-axis direction. A light source image is formed on the illumination object 24. That is, on the illumination object 24, the light beams that have passed through the respective optical elements 11 of the integrator 10 independently form a light source image, which are all superimposed to form a secondary light source image.
The projection optical system 50 has a projection lens 52 as shown in FIG. Therefore, the light beam emitted from the illumination object 24 forms a projection image 60 of the illumination object 24 on the projection exposure surface 54 on which the resin or the like is arranged by the projection lens 52 in both the X-axis direction and the Y-axis direction. Form an image.
Next, the numerical aperture NA of the illumination optical system 1 will be described. 3 and 4, the broken lines indicate the marginal rays, that is, the outermost rays of the respective light fluxes. The numerical aperture NA is obtained by multiplying the sine of the angle θ at which the marginal ray intersects the optical axis by the refractive index n of the environment (n × sin θ).
x _2A integrator 10 overall X-axis dimension y _2A integrator 10 overall Y-axis dimension f _2xc anamorphic optical system 25 focal distance in X-axis direction f _2yc anamorphic optical system 25 focal distance in Y-axis direction And when
The numerical aperture in the X-axis direction of the α _2X illumination optical system 1 The numerical aperture in the Y-axis direction of the α _2y illumination optical system 1 is calculated as follows.
[0010]
α _2x = x _2A _{/(2.f 2xc} ) (3)
α _2y = y _2A / (2 ・ f _2yc ) (4)
From the ratio of the formulas (1) and (2), the following formula is obtained.
x _2L / y _2L = (f _2xc × x _2i ) / (f _2yc × y _2i ) (5)
On the other hand, the following relationship is obtained from the condition α _2x = α _2y that the numerical aperture NA is equal in both the X-axis direction and the Y-axis direction, which is the object of the present invention, and Equations (3) and (4). .
x _2A / (2 · f _2xc ) = y _2A / (2 · f _2yc ) (6)
From the equations (5) and (6), the following relationship is obtained.
_{_{_{x 2A: y 2A = f 2xc}}} : f 2yc
= _X2L * _y2i : _y2L * _x2i
= (X _2L / x _2i ) :( y _2L / y _2i )
= _M _2x : m _2y (7)
That is,
x _2L : y _2L ... Aspect ratio of illumination area x _2i : y _2i ... Aspect ratio of each optical element 11 of integrator 10 m _2x : m _2y ... _Aspect ratio of projection magnification of illumination optical system, The aspect ratio of the overall shape of the integrator is the aspect ratio of the projection magnification of the illumination optical system or the aspect ratio of the focal length of the anamorphic optical system (x _2L / x _2i ): (y _2L / y _2i )
By doing the same, the numerical apertures in the X-axis direction and the Y-axis direction can be matched in the illumination object. Here, since the optical element through which the light beam does not pass is negligible, the overall shape of the integrator 10 means the shape of the effective optical element portion.
[0011]
In general, the closer the cross section of the integrator element is to a square, the easier it is to manufacture. However, if the aspect ratio f _2xc : f _2yc of the focal length of the anamorphic optical system is greatly _deviated from 1: 1, a cylinder lens and a toroidal lens are _frequently used, and there are problems of manufacturing cost and adjustment. Therefore, when the aspect ratio of the illumination area is largely separated, the design is performed with a balance between the aspect ratio of each optical element of the integrator and the aspect ratio of the focal length of the anamorphic optical system.
In the first embodiment, as shown in FIGS. 5 and 6, the expander optical system 22 is arranged in the order of the convex cylinder lens 90 and the concave cylinder lens 91 from the integrator 10 side to expand the beam diameter. The optical system 22 can be formed.
[Second Embodiment]
The illumination optical system of the second embodiment is an illumination optical system in which the exit pupil positions in the x and y axis directions are made to coincide in addition to making the numerical apertures in the illumination region substantially equal. In the illumination optical system of the first example, the position of the exit pupil is different in the X-axis direction and the Y-axis direction. The position of the exit pupil is the position where the principal ray of the off-axis point intersects the optical axis. In the X-axis direction shown in FIG. 3, the exit pupil position is a finite position behind the illumination area, but in FIG. In the Y-axis direction shown, the exit pupil position is at infinity on the light source side. As described above, when the positions of the exit pupil of the illumination optical system in the X-axis direction and the Y-axis direction are different, vignetting occurs in an optical system with a wide field of view, and light amount unevenness is likely to occur.
[0012]
In the description of the illumination optical system of the second embodiment, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. As shown in FIGS. 7 and 8, the illumination optical system of the second embodiment is configured by replacing the concave cylinder lens 18 of the first embodiment, which is a component of the expander optical system, with the convex cylinder lens 100 and the concave cylinder lens 102. It is constituted by a group so that not only the exit pupil position in the Y-axis direction but also the exit pupil position in the X-axis direction is at infinity on the light source side. That is, by arranging the two groups of the convex cylinder lens 100 and the concave cylinder lens 102, the principal ray of the light beam emitted from the expander optical system 22 is configured as if it is emitted from the front focal point of the condenser lens 23. .
Also in the modification of the first embodiment shown in FIGS. 5 and 6, the numerical aperture NA is reduced with respect to the X-axis direction, and the chief ray of the light beam emitted from the expander optical system 22 is as if it is a condenser lens 23. It is possible to make the exit pupil positions in the X-axis direction and the Y-axis direction coincide with each other as if they were emitted from the front focal point.
When the projection optical system is arranged after the illumination optical system of the second embodiment, unevenness in brightness of the projection image is eliminated by matching the exit pupil of the illumination optical system with the entrance pupil of the projection optical system. It is possible and more desirable.
[Third embodiment]
In the illumination optical system of the third embodiment, as shown in FIG. 9, an integrator in which the optical axis of the optical element 202 constituting the integrator 200 is converged with respect to the optical axis of the illumination optical system is used. Each optical element 202 is formed by arranging two plano-convex lenses having different dimensions with a plane facing each other and spaced from each other.
[0013]
Between the integrator 200 and the condenser lens 204, a variable magnification optical system 206 that changes the degree of convergence of the light beam is disposed instead of the expander optical system for changing the light beam width. Thus, the parallel light flux is not incident to the condenser lens 204, aperture of alpha _x of the illumination optical system, alpha _y may not be calculated by the focal length f _c of the condenser lens 204, the respective X-axis and Y-axis directions Is calculated from the magnification of That is,
x _A ... dimension of the integrator 200 in the X-axis direction y _A ... dimension of the integrator 200 in the Y-axis direction mx ... projection magnification in the X-axis direction between the incident surface of the integrator 200 and the illumination surface my ... Projection magnification in the Y-axis direction between the entrance surface and the illumination surface of the integrator 200 e ... The conversion surface interval from the entrance surface to the exit surface of the integrator 200, that is, the dimension of the medium constituting the integrator When summing up the values divided by the refractive index of the medium,
x _A : y _A = mx: my = (x _2L / x _2i ) :( y _2L / y _2i ) (8)
α _x = x _A / 2 · mx · e
α _y = y _A / 2 · my · e
[Fourth embodiment]
The fourth embodiment shows an illumination optical system that efficiently illuminates an integrator having a rectangular incident surface. Conventionally, for the illumination of the integrator, as shown in FIGS. 10 and 11, an optical system that reflects light from one light source 1 with an elliptical mirror and forms an image of the light source on the incident surface of the integrator 500 is used.
[0014]
However, in general, the shape of the light source is often substantially circular, and when the vertical and horizontal dimensions of the overall shape of the integrator are different, illumination efficiency decreases when all the integrators are illuminated by a single illumination light source.
In the fourth embodiment, as shown in FIGS. 12 and 13, the integrator is divided and illuminated by two light sources. When a plurality of light sources are used in the above method, the illumination area of one light source is circular or square, and therefore the overall aspect ratio of the integrator is preferably an integer. In this case, when the cross-sectional shape of each element of the integrator is square, the aspect ratio of the illumination area also becomes an integer ratio when the numerical apertures in the horizontal and vertical directions are made to coincide. When this optical system is used in an arc type projection exposure apparatus, if the aspect ratio of the outer diameter of the arc required in the projection exposure optical system does not match the aspect ratio of the illumination area, the light source utilization efficiency decreases. In this case, if the cross-sectional shape of each element of the integrator is a hexagon as shown in FIG. 14, an illumination area as shown in FIG. 15 is obtained, and the light usage efficiency is increased.
FIG. 16 shows a catadioptric projection optical system composed of a reflecting mirror and a refractive lens that projects a mask illuminated on an arc onto a substrate. In this projection optical system, the substrate and the mask are moved in synchronization to project a mask having a width in the longitudinal direction of the arc.
[0015]
【The invention's effect】
According to the first and second aspects of the present invention, the illumination area can be illuminated with substantially the same numerical aperture NA.
According to the third aspect of the present invention, the X-axis direction and Y-axis direction positions of the exit pupil of the illumination optical system are made equal to each other, and illumination without vignetting and unevenness in the amount of light can be performed.
According to invention of Claim 4 and 5, it has the effect which can obtain high illumination efficiency by further illuminating the said integrator without waste.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an optical diagram in the Y-axis direction of an illumination optical system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an optical diagram in the X-axis direction of the illumination optical system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a light beam in the X-axis direction of the illumination optical system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a light beam in the Y-axis direction of the illumination optical system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of light flux in the Y-axis direction of an illumination optical system according to a modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of light flux in the X-axis direction of an illumination optical system according to a modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining a light beam in the X-axis direction of the illumination optical system according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram for explaining a light beam in the Y-axis direction of the illumination optical system according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory view of a light beam in the X-axis direction of an illumination optical system used in the third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory view of a light beam showing an illumination state of a conventional integrator.
FIG. 11 is an explanatory view of a light beam showing an illumination state of a conventional integrator.
FIG. 12 is a diagram illustrating a light beam in the Y-axis direction of the illumination optical system according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 13 is a diagram illustrating a light beam in the X-axis direction of the illumination optical system according to the fourth embodiment of the present invention. .
FIG. 14 is a front view of an integrator according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a relationship between an optical element and an illumination area of an integrator according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a perspective view of a projection optical system suitable for the illumination optical system of the present invention.
FIG. 17 is an optical diagram in the Y-axis direction of a conventional illumination optical system.
FIG. 18 is an optical diagram in the X-axis direction of a conventional illumination optical system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Illumination optical system 2 Light source 4 Elliptical mirror 6 Band pass filter 10 Integrator 11 Optical element 12 Incident surface 16 Ejection surface 18 Concave cylinder lens 20 Convex cylinder lens 22 Expander optical system 23 Condenser lens 24 Illumination target object 25 Anamorphic optical system 50 Projection optics System 52 Projection lens 54 Projection exposure surface 60 Projected image 90 Convex cylinder lens 91 Concave cylinder lens 100 Cylinder lens 102 Concave cylinder lens 200 Integrator 202 Optical element 204 Condenser lens 206 Variable magnification optical system

Claims

In an illumination optical system including an integrator and an anamorphic optical system that are aggregates of a plurality of optical elements that illuminate a region in which the dimensions in the X-axis direction and the Y-axis direction are x _L and y _L (x _L ≠ y _L ),
The integrator included in the illumination optical system is formed so that the front focal point of each optical element substantially coincides with each incident surface, and the light beam incident on the incident surface of the integrator is passed through the integrator and the anamorphic optical system. , Project the incident surface and illumination surface of the whole integrator in a conjugate relationship ,
The dimensions of the incident surface of each optical element of the integrator in the X-axis direction and the Y-axis direction are xi and yi. It made equal to the X-axis direction of the projection magnification and the Y-axis direction ratio of the projection magnification between the incident surface and the illumination plane of the integrator _{_{(x L / x i) :(}} y L / y i), the illumination An illumination optical system that illuminates a surface with a substantially uniform numerical aperture from both the X-axis direction and the Y-axis direction .

When the optical axes of the integrator are arranged in parallel, the ratio of the dimensions of the entrance plane of the whole integrator in the X-axis direction and the Y-axis direction is expressed as the focal length of the anamorphic optical system in the X-axis direction and the Y-axis direction. The illumination optical system according to claim 1, wherein the illumination optical system is configured to be substantially equal to the ratio.

The anamorphic optical system includes at least one spherical lens system, a positive cylindrical lens system, and a negative cylindrical lens system. At least one of the positive cylindrical lens system and the negative cylindrical lens system includes a positive cylindrical lens and a negative cylindrical lens system. 3. The illumination optical system according to claim 2, wherein the illumination optical system is composed of a negative cylindrical lens, and the positions of the exit pupil of the illumination optical system in the X-axis direction and the Y-axis direction are equal.

3. An illumination optical system according to claim 1, wherein a plurality of light sources for illuminating the integrator are provided, and illumination light from each light source is configured to illuminate different parts of the integrator.

3. The illumination optical system according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of each optical element of the integrator is a hexagon.

In the illumination optical system, a primary light source image is formed on the entrance surface of the integrator by the light flux from the light source, and then a secondary light source image is formed on the illumination surface via the integrator and the anamorphic optical system. 3. The illumination optical system according to claim 1, wherein the illumination optical system is configured as described above.