JP4051473B2 - Illumination optical apparatus and exposure apparatus provided with the illumination optical apparatus - Google Patents

Illumination optical apparatus and exposure apparatus provided with the illumination optical apparatus Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は照明光学装置および該照明光学装置を備えた露光装置に関し、特に半導体デバイス等をリソグラフィー工程で製造するための露光装置に好適な照明光学装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の露光装置において、光源から射出された光束はフライアイレンズに入射し、その後側焦点面に多数の光源像からなる二次光源を形成する。二次光源からの光束は、フライアイレンズの後側焦点面の近傍に配置された開口絞りを介して制限された後、コンデンサーレンズに入射する。開口絞りは、所望の照明条件(露光条件)に応じて、二次光源の形状または大きさを所望の形状または大きさに制限する。
【0003】
コンデンサーレンズにより集光された光束は、所定のパターンが形成されたマスクを重畳的に照明する。マスクのパターンを透過した光は、投影光学系を介してウエハ上に結像する。こうして、ウエハ上には、マスクパターンが投影露光(転写)される。なお、マスクに形成されたパターンは高集積化されており、この微細パターンをウエハ上に正確に転写するにはウエハ上において均一な照度分布を得ることが不可欠である。
【0004】
近年においては、フライアイレンズの射出側に配置された開口絞りの開口部の大きさを変化させることにより、フライアイレンズにより形成される二次光源の大きさを変化させて、照明のコヒーレンシィσ(σ=開口絞り径/投影光学系の瞳径)を変化させる技術が注目されている。また、フライアイレンズの射出側に配置された開口絞りの開口部の形状を輪帯状や四つ穴状に設定することにより、フライアイレンズにより形成される二次光源の形状を輪帯状や四つ穴状に制限して、投影光学系の焦点深度や解像力を向上させる技術が注目されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来技術では、二次光源の形状を輪帯状や四つ穴状に制限して変形照明(輪帯変形照明や4極変形照明)を行うために、フライアイレンズにより矩形状に形成された比較的大きな二次光源からの光束を輪帯状や四つ穴状の開口部を有する開口絞りによって制限している。換言すると、従来技術における輪帯変形照明や4極変形照明では、二次光源からの光束の相当部分が開口絞りで遮蔽され、照明(露光)に寄与することがない。その結果、開口絞りにおける光量損失により、マスクおよびウエハ上での照度が低下し、露光装置としてのスループットも低下するという不都合があった。
【0006】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、開口絞りにおける光量損失を良好に抑えつつ輪帯照明や4極照明のような変形照明を行うことのできる照明光学装置および該照明光学装置を備えた露光装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の第1発明では、光束を供給するための光源手段と、該光源手段からの光束に基づいて多数の光源からなる第1多数光源を形成するための第1オプティカルインテグレータと、該第1オプティカルインテグレータにより形成される第1多数光源からの光束に基づいてより多数の光源からなる第2多数光源を形成するための第2オプティカルインテグレータと、該第2オプティカルインテグレータにより形成される第2多数光源からの光束を集光して被照射面を照明するためのコンデンサー光学系とを備えた照明光学装置において、
前記第2多数光源として輪帯状の光源または基準光軸から偏心した複数の光源を形成するために、前記光源手段からの光束を前記基準光軸に対してほぼ対称に斜め方向から前記第1オプティカルインテグレータへ入射する光束に変換するための斜め光束形成手段が配置されていることを特徴とする照明光学装置を提供する。
【0008】
第1発明の好ましい態様によれば、前記斜め光束形成手段は、前記光源手段からの光束を実質的に輪帯状の光束または前記基準光軸に対して偏心した複数の光束に変換するための光束形状変更部材と、該光束形状変更部材により形状変更された光束を前記基準光軸に対してほぼ対称に斜め方向から前記第1オプティカルインテグレータへ重畳的に入射させるために前記光束形状変更部材により形状変更された光束を集光する集光光学系とを有する。この場合、前記光束形状変更部材は、照明光路に対して挿脱自在に構成された複数のプリズム部材または複数の回折光学素子を有することが好ましい。
【0009】
また、第1発明の好ましい態様によれば、前記集光光学系は、前記第2多数光源として形成される輪帯状の光源の輪帯比または前記第2多数光源として形成される複数の光源の各々の光量重心の位置を変更するために、倍率が可変な第1の変倍光学系を有する。さらに、前記第1オプティカルインテグレータと前記第2オプティカルインテグレータとの間の光路中には、前記第1オプティカルインテグレータにより形成される第1多数光源からの光束を集光して前記第2オプティカルインテグレータへ導くためのリレー光学系が配置され、前記リレー光学系は、前記第2多数光源の大きさを変更するために、倍率が可変な第2の変倍光学系を有することが好ましい。
【0010】
また、本発明の第2発明では、第1発明の照明光学装置と、前記被照射面上に配置されたマスクのパターンを感光性基板に投影露光するための投影光学系とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。
さらに、第3発明では、第1発明の照明光学装置を用いて、前記被照射面上に配置されたマスクのパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光方法を提供する。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明では、光源手段と第1オプティカルインテグレータとの間の光路中に斜め光束形成手段が配置されている。この斜め光束形成手段は、光源手段からの光束を基準光軸に対してほぼ対称に斜め方向から第1オプティカルインテグレータへ入射する光束に変換する。具体的には、斜め光束形成手段は、たとえば円錐プリズムや角錐プリズムのような光束形状変更部材と、たとえばアフォーカル光学系のような集光光学系とから構成されている。
【0012】
光源手段からの光束は、光束形状変更部材を介して、実質的に輪帯状の光束または基準光軸に対して偏心した複数の光束に変換される。この場合、光束形状変更部材として円錐プリズムを用いると実質的に輪帯状の光束に変換され、角錐プリズムを用いると基準光軸に対して偏心した複数の光束に変換される。なお、円錐プリズムや角錐プリズムに代えて、これと同等の作用を有する回折光学素子を用いることもできる。
【0013】
光束形状変更部材により形状変更された光束は、集光光学系を介して集光され、基準光軸に対してほぼ対称に斜め方向から第1オプティカルインテグレータへ重畳的に入射する。こうして、第1オプティカルインテグレータにより第1多数光源が形成される。第1多数光源からの光束は、リレー光学系を介して集光され、第2オプティカルインテグレータへ導かれる。その結果、第2オプティカルインテグレータによる第2多数光源すなわち二次光源として、輪帯状の光源または基準光軸から偏心した複数の光源を形成することができる。
【0014】
ここで、光束形状変更部材として円錐プリズムを用いると輪帯状の光源が形成され、角錐プリズムを用いると基準光軸から偏心した複数の光源が形成される。特に、角錐プリズムとして4角錐プリズム(以下、単に「角錐プリズム」という)を用いると、基準光軸から対称的に偏心した4つの光源からなる二次光源、すなわち4極状の二次光源が形成される。このように第2オプティカルインテグレータにより形成された輪帯状または4極状の二次光源からの光束は、二次光源の大きさおよび形状に応じた開口部を有する開口絞りによって制限された後に被照射面を照明する。
【0015】
このように、本発明では、光源手段からの光束に基づいて、ほとんど光量損失することなく、輪帯状または4極状の二次光源を形成することができる。その結果、二次光源からの光束を制限する開口絞りにおける光量損失を良好に抑えつつ、輪帯変形照明や4極変形照明を行うことができる。なお、斜め光束形成手段を照明光路から退避させることにより光量損失を良好に抑えつつ通常の円形照明を行うことができることはいうまでもない。
【0016】
また、本発明では、集光光学系を倍率が可変の変倍光学系として構成し、この変倍光学系の倍率を変化させることにより、第2多数光源として形成される輪帯状の光源の輪帯比または第2多数光源として形成される複数の光源の各々の光量重心の位置を変更することができる。さらに、第1オプティカルインテグレータと第2オプティカルインテグレータとの間の光路中に配置されるリレー光学系を倍率が可変の変倍光学系として構成し、この変倍光学系の倍率を変化させることにより、第2多数光源の大きさを変更することができる。
【0017】
以上のように、本発明の照明光学装置では、二次光源を制限する開口絞りにおける光量損失を良好に抑えつつ、輪帯変形照明や4極変形照明のような変形照明および通常円形照明を行うことができる。加えて、簡単な変倍操作により、開口絞りでの光量損失を良好に抑えつつ変形照明のパラメータ(制限された二次光源の大きさおよび形状)を変化させることができる。したがって、本発明の照明光学装置を組み込んだ露光装置では、変形照明の種類およびパラメータを適宜変化させて、露光投影すべき微細パターンに適した投影光学系の解像度および焦点深度を得ることができる。その結果、高い露光照度および良好な露光条件のもとで、スループットの高い良好な投影露光を行うことができる。また、本発明の照明光学装置を用いて被照射面上に配置されたマスクのパターンを感光性基板上に露光する露光方法では、良好な露光条件のもとで投影露光を行うことができるので、良好な半導体デバイスを製造することができる。
【0018】
本発明の実施例を、添付図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の第1実施例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
図1において、感光性基板であるウエハ13の法線方向に沿ってZ軸を、ウエハ面内において図1の紙面に平行な方向にY軸を、ウエハ面内において図1の紙面に垂直な方向にX軸をそれぞれ設定している。
【0019】
図1の露光装置は、露光光(照明光)を供給するための光源1として、たとえば248nmまたは193nmの波長の光を供給するエキシマレーザー光源を備えている。光源1からZ方向に沿って射出されたほぼ平行な光束は、X方向に沿って細長く延びた矩形状の断面を有し、一対のシリンドリカルレンズ2aおよび2bからなるビームエキスパンダー2に入射する。各シリンドリカルレンズ2aおよび2bは、図1の紙面内(YZ平面内)において負の屈折力および正の屈折力をそれぞれ有し、光軸AXを含んで紙面と直交する面内(XZ平面内)において平行平面板として機能する。したがって、ビームエキスパンダー2に入射した光束は、図1の紙面内において拡大され、所定形状の断面を有する光束、たとえば正方形状の断面を有する光束に整形される。
【0020】
整形光学系としてのビームエキスパンダー2を介した光束は、折り曲げミラー3でY方向に偏向された後、円錐プリズム4に入射する。円錐プリズム4のマスク側の面(図中右側の面)は、光軸AXに垂直な平面状に形成されている。また、円錐プリズム4の光源側の面(図中左側の面)は、光源側に向かって円錐凹面状に形成されている。さらに詳細には、円錐プリズム4の光源側の屈折面は、光軸AXに関して対称な円錐の円錐面(底面を除く側面)に相当している。したがって、円錐プリズム4に入射した光束は、光軸AXを中心として等角度であらゆる方向に沿って偏向された後、アフォーカルズームレンズ5に入射する。このように、円錐プリズム4は、光源手段からの光束を実質的に輪帯状の光束に変換するための光束形状変更部材を構成している。
【0021】
なお、図1では円錐プリズム4の円錐凹面が光源側を向いているが、円錐凹面がマスク側を向くように円錐プリズム4を配置してもよい。また、円錐プリズム4は、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ他の光束形状変更部材としての角錐プリズム4aと切り換え可能に構成されている。角錐プリズム4aの構成および作用については後述する。
また、アフォーカルズームレンズ5は、アフォーカル系(無焦点光学系)を維持しながら所定の範囲で倍率を連続的に変化させることができるように構成されている。
ここで、円錐プリズム4と角錐プリズム4aとの切り換えおよび照明光路からの退避は、制御系21からの指令に基づいて動作する光束形状変更部材駆動系22により行われる。また、アフォーカルズームレンズ5の倍率変化は、制御系21からの指令に基づいて動作する変倍駆動系23により行われる。
【0022】
アフォーカルズームレンズ5に入射した光束は、その瞳面にリング状(円環状)の光源像を形成する。リング状の光源像からの光は、ほぼ平行な光束となってアフォーカルズームレンズ5から射出され、第1オプティカルインテグレータとしての第1フライアイレンズ6に入射する。このとき、第1フライアイレンズ6の入射面には、光軸AXに対してほぼ対称に斜め方向から光束が入射する。換言すると、光軸AXを中心として等角度であらゆる方向に沿って光束が斜め入射する。
第1フライアイレンズ6は、たとえば断面が正方形状で正の屈折力を有する多数のレンズエレメントを光軸AXに沿って縦横配列することによって構成されている。なお、各レンズエレメントの入射側の面は入射側に凸面を向けた球面状に形成され、射出側の面は平面状に形成されている。
【0023】
したがって、第1フライアイレンズ6に入射した光束は多数のレンズエレメントにより二次元的に分割され、各レンズエレメントの後側焦点面にはそれぞれ1つのリング状の光源像が形成される。第1フライアイレンズ6の後側焦点面に形成された多数のリング状光源像からの光束は、ズームレンズ7を介した後、第2オプティカルインテグレータとしての第2フライアイレンズ8を重畳的に照明する。なお、ズームレンズ7は、所定の範囲で焦点距離を連続的に変化させることのできるリレー光学系であって、第1フライアイレンズ6の後側焦点面と第2フライアイレンズ8の後側焦点面とを光学的にほぼ共役に結んでいる。また、ズームレンズ7は、後側にテレセントリックな光学系を構成している。上述の共役関係およびテレセントリシティを満足するために、ズームレンズ7は、少なくとも3つのレンズ群が独立に移動可能な多群ズームレンズとして構成されている。ズームレンズ7の焦点距離変化は、制御系21からの指令に基づいて動作する変倍駆動系24により行われる。
【0024】
したがって、第2フライアイレンズ8の入射面には、第1フライアイレンズ6の各レンズエレメントの断面形状に相似な正方形状の照野を光軸AXから等距離の位置に無限の数だけ配置した形状の照野、すなわち光軸AXを中心とした輪帯状の照野が形成される。
第2フライアイレンズ8は、第1フライアイレンズ6と同様に、正の屈折力を有する多数のレンズエレメントを光軸AXに沿って縦横配列することによって構成されている。しかしながら、第2フライアイレンズ8を構成する各レンズエレメントは、マスク上において形成すべき照野の形状(ひいてはウエハ上において形成すべき露光領域の形状)と相似な矩形状の断面を有する。また、第2フライアイレンズ8を構成する各レンズエレメントの入射側の面は入射側に凸面を向けた球面状に形成され、射出側の面は射出側に凸面を向けた球面状に形成されている。
【0025】
したがって、第2フライアイレンズ8に入射した光束は多数のレンズエレメントにより二次元的に分割され、光束が入射した各レンズエレメントの後側焦点面には第1フライアイレンズ6のレンズエレメントの数の多数の光源像がそれぞれ形成される。こうして、第2フライアイレンズ8の後側焦点面には、第2フライアイレンズ8への入射光束によって形成される照野と同じ輪帯状の多数光源(以下、「二次光源」という)が形成される。
第2フライアイレンズ8の後側焦点面に形成された輪帯状の二次光源からの光束は、その近傍に配置された開口絞り9に入射する。この開口絞り9は、光軸AXに平行な所定の軸線回りに回転可能なターレット(回転板:図1では不図示)上に支持されている。
【0026】
図2は、複数の開口絞りが円周状に配置されたターレットの構成を概略的に示す図である。
図2に示すように、ターレット基板400には、図中斜線で示す光透過域を有する8つの開口絞りが円周方向に沿って設けられている。ターレット基板400は、その中心点Oを通り光軸AXに平行な軸線回りに回転可能に構成されている。したがって、ターレット基板400を回転させることにより、8つの開口絞りから選択された1つの開口絞りを照明光路中に位置決めすることができる。なお、ターレット基板400の回転は、制御系21からの指令に基づいて動作するターレット駆動系25により行われる。
【0027】
ターレット基板400には、輪帯比の異なる3つの輪帯開口絞り401、403および405が形成されている。ここで、輪帯開口絞り401は、r11/r21の輪帯比を有する輪帯状の透過領域を有する。輪帯開口絞り403は、r12/r22の輪帯比を有する輪帯状の透過領域を有する。輪帯開口絞り405は、r13/r21の輪帯比を有する輪帯状の透過領域を有する。
【0028】
また、ターレット基板400には、輪帯比の異なる3つの4極開口絞り402、404および406が形成されている。ここで、4極開口絞り402は、r11/r21の輪帯比を有する輪帯状領域内において4つの偏心した円形透過領域を有する。4極開口絞り404は、r12/r22の輪帯比を有する輪帯状領域内において4つの偏心した円形透過領域を有する。4極開口絞り406は、r13/r21の輪帯比を有する輪帯状領域内において4つの偏心した円形透過領域を有する。
さらに、ターレット基板400には、大きさ(口径)の異なる2つの円形開口絞り407および408が形成されている。ここで、円形開口絞り407は2r22の大きさの円形透過領域を有し、円形開口絞り408は2r21の大きさの円形透過領域を有する。
【0029】
したがって、3つの輪帯開口絞り401、403および405のうちの1つの輪帯開口絞りを選択して照明光路内に位置決めすることにより、3つの異なる輪帯比を有する輪帯光束を正確に制限(規定)して、輪帯比の異なる3種類の輪帯変形照明を行うことができる。また、3つの4極開口絞り402、404および406のうちの1つの4極開口絞りを選択して照明光路内に位置決めすることにより、3つの異なる輪帯比を有する4つの偏心光束を正確に制限して、輪帯比の異なる3種類の4極変形照明を行うことができる。さらに、2つの円形開口絞り407および408のうちの1つの円形開口絞りを選択して照明光路内に位置決めすることにより、σ値の異なる2種類の通常円形照明を行うことができる。
【0030】
図1では、第2フライアイレンズ8の後側焦点面に輪帯状の二次光源が形成されるので、開口絞り9として3つの輪帯開口絞り401、403および405から選択された1つの輪帯開口絞りが用いられている。ただし、図2に示すターレットの構成は例示的であって、配置される開口絞りの種類および数はこれに限定されることはない。また、ターレット方式の開口絞りに限定されることなく、光透過領域の大きさおよび形状を適宜変更することの可能な開口絞りを照明光路内に固定的に取り付けてもよい。
【0031】
輪帯状の開口部(光透過部)を有する開口絞り9を介した二次光源からの光は、コンデンサー光学系10の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたマスク11を重畳的に均一照明する。マスク11のパターンを透過した光束は、投影光学系12を介して、感光性基板であるウエハ13上にマスクパターンの像を形成する。こうして、投影光学系12の光軸AXと直交する平面(XY平面)内においてウエハ13を二次元的に駆動制御しながら一括露光またはスキャン露光を行うことにより、ウエハ13の各露光領域にはマスク11のパターンが逐次露光される。
【0032】
なお、一括露光では、いわゆるステップ・アンド・リピート方式にしたがって、ウエハの各露光領域に対してマスクパターンを一括的に露光する。この場合、マスク11上での照明領域の形状は正方形に近い矩形状であり、第2オプティカルインテグレータの各レンズエレメントの断面形状も正方形に近い矩形状となる。
一方、スキャン露光では、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式にしたがって、マスクおよびウエハを投影光学系に対して相対移動させながらウエハの各露光領域に対してマスクパターンをスキャン露光する。この場合、マスク11上での照明領域の形状は短辺と長辺との比がたとえば1:3の矩形状であり、第2オプティカルインテグレータの各レンズエレメントの断面形状もこれと相似な矩形状となる。
【0033】
図3は、円錐プリズム4から第1フライアイレンズ6の入射面までの構成を概略的に示す図であって、アフォーカルズームレンズ5の作用を説明する図である。
図3(a)に示すように、円錐プリズム4により光軸AXを中心として角度αの等角度であらゆる方向に沿って偏向された光束は、倍率m1のアフォーカルズームレンズ5を介した後、第1フライアイレンズ6の入射面に光軸AXを中心として角度θ1の等角度であらゆる方向に沿って斜め入射する。このときに、第1フライアイレンズ6の入射面に形成される照野の大きさはd1である。
ここで、図3(b)に示すように、アフォーカルズームレンズ5の倍率をm1からm2へ変化させると、円錐プリズム4により光軸AXを中心として角度αの等角度であらゆる方向に沿って偏向された光束は、倍率m2のアフォーカルズームレンズ5を介した後、第1フライアイレンズ6の入射面に光軸AXを中心として角度θ2の等角度であらゆる方向に沿って斜め入射する。このときに、第1フライアイレンズ6の入射面に形成される照野の大きさはd2である。
【0034】
ここで、第1フライアイレンズ6の入射面への光束の入射角度θ1およびθ2、並びに第1フライアイレンズ6の入射面に形成される照野の大きさd1およびd2と、アフォーカルズームレンズ5の倍率m1およびm2との間には、次の式(1)および(2)に示す関係が成立する。
θ2=(m1/m2)・θ1 (1)
d2=(m2/m1)・d1 (2)
式(1)を参照すると、アフォーカルズームレンズ5の倍率mを連続的に変化させることにより、第1フライアイレンズ6の入射面への光束の入射角度θを連続的に変化させることができることがわかる。
【0035】
図4は、第1フライアイレンズ6から開口絞り9までの構成を概略的に示す図であって、第1フライアイレンズ6の入射面に斜め入射した光束が第2フライアイレンズ8の入射面に輪帯状の照野を形成する様子を示す図である。
図4(a)において実線で示すように、第1フライアイレンズ6の入射面に対して所定の方向から所定の角度で斜め入射した光束は、各レンズエレメントを介して結像した後も角度を保持しながらズームレンズ7へ斜め入射し、第2フライアイレンズ8の入射面において光軸AXから所定の距離だけ偏心した位置に所定の幅を有する照野を形成する。
【0036】
実際には、図4(a)において破線で示すように、第1フライアイレンズ6の入射面には光軸AXに対してほぼ対称に斜め方向から光束が入射する。換言すると、光軸AXを中心として等角度であらゆる方向に沿って光束が斜め入射する。したがって、第2フライアイレンズ8の入射面には、図4(b)に示すように、光軸AXを中心とした輪帯状の照野が形成されることになる。また、第2フライアイレンズ8の後側焦点面には、入射面に形成された照野と同じ輪帯状の二次光源が形成されることになる。一方、上述したように、第2フライアイレンズ8の後側焦点面の近傍に配置された輪帯開口絞り9には、輪帯状の二次光源に対応する輪帯状の開口部(図4(c)中白抜きの部分)が形成されている。
こうして、光束形状変更部材として円錐プリズム4を用いる場合、光源1からの光束に基づいてほとんど光量損失することなく輪帯状の二次光源を形成することができ、その結果二次光源からの光束を制限する開口絞り9においてほとんど光量損失することなく輪帯変形照明を行うことができる。
【0037】
図5は、円錐プリズム4から第2フライアイレンズ8の入射面までの構成を概略的に示す図であって、アフォーカルズームレンズ5の倍率およびズームレンズ7の焦点距離と第2フライアイレンズ8の入射面に形成される輪帯状の照野の大きさおよび形状との関係を説明する図である。
図5において、円錐プリズム4から光軸AXを中心として角度αで射出された光束の中心光線は、倍率mのアフォーカルズームレンズ5を介した後、光軸AXに対して角度θで第1フライアイレンズ6に入射する。第1フライアイレンズ6は、サイズがaで焦点距離がf1のレンズエレメントから構成されている。第1フライアイレンズ6のレンズエレメントから角度θで射出された中心光線は、焦点距離frのズームレンズ7を介して第2フライアイレンズ8の入射面に達する。このとき、第2フライアイレンズ8の入射面における光束の入射範囲は、光軸AXからyの高さを中心として幅bを有する範囲となる。すなわち、図4(b)に示すように、第2フライアイレンズ8の入射面に形成される照野、ひいては第2フライアイレンズ8の後側焦点面に形成される二次光源は、光軸AXからの高さyを有し且つ幅bを有することになる。
【0038】
ここで、円錐プリズム4からの射出角度αと第1フライアイレンズ6への入射角度θとの間には、次の式(3)で示す関係が成立する。
θ=(1/m)・α (3)
また、輪帯状の二次光源の高さyおよびその幅bは、次の式(4)および(5)でそれぞれ表される。
y=fr・ sinθ (4)
b=(fr/f1)・a (5)
【0039】
したがって、輪帯状の二次光源の内径φi と外径φo との比で規定される輪帯比Aは、次の式(6)で表される。
【数1】

Figure 0004051473
また、輪帯状の二次光源の外径φo は、次の式(7)で表される。
φo =2y+b=fr{2 sin( α/m)+a/f1} (7)
【0040】
式(7)を変形すると、次の式(8)に示す関係が得られる。
fr=φo /{2 sin( α/m)+a/f1} (8)
こうして、式(3)および(4)を参照すると、ズームレンズ7の焦点距離frが変化することなくアフォーカルズームレンズ5の倍率mだけが変化すると、輪帯状の二次光源の幅bが変化することなくその高さyだけが変化することがわかる。すなわち、アフォーカルズームレンズ5の倍率mだけを変化させることにより、輪帯状の二次光源の幅bを変化させることなくその大きさ(外径φo )およびその形状(輪帯比A)をともに変更することができる。
【0041】
また、式(4)および(5)を参照すると、アフォーカルズームレンズ5の倍率mが変化することなくズームレンズ7の焦点距離frだけが変化すると、輪帯状の二次光源の幅bおよびその高さyがともに焦点距離frに比例して変化することがわかる。すなわち、ズームレンズ7の焦点距離frだけを変化させることにより、輪帯状の二次光源の形状(輪帯比A)を変化させることなくその大きさ(外径φo )だけを変更することができる。
さらに、式(6)および(8)を参照すると、一定の大きさの外径φo に対して式(8)の関係を満たすようにアフォーカルズームレンズ5の倍率mとズームレンズ7の焦点距離frとを変化させることにより、輪帯状の二次光源の大きさ(外径φo )を変化させることなくその形状(輪帯比A)だけを変更することができることがわかる。
【0042】
以下、具体的な数値例にしたがって、輪帯状の二次光源の大きさ(外径φo )を変化させることなくその形状(輪帯比A)だけを変更する場合のアフォーカルズームレンズ5の倍率mとズームレンズ7の焦点距離frとの変化について説明する。
この第1数値例では、円錐プリズム4による偏向角度αを7度とし、第1フライアイレンズ6の各レンズエレメントのサイズaを2.5mmとし、各レンズエレメントの焦点距離f1を50mmとしている。そして、輪帯状の二次光源の外径φo を96mmで一定に保持しながらその輪帯比Aを約0.24〜約0.95まで変化させるのに必要なアフォーカルズームレンズ5の倍率mおよびズームレンズ7の焦点距離frをそれぞれ求めている。次の表(1)には、第1数値例におけるアフォーカルズームレンズ5の倍率mと、輪帯状の二次光源の輪帯比Aと、ズームレンズ7の焦点距離frとの対応関係を示している。
【0043】
【表1】
Figure 0004051473
Figure 0004051473
【0044】
表(1)を参照すると、第1数値例では、輪帯比Aを約0.5から約0.69まで変化させるには、アフォーカルズームレンズ5の倍率mを約0.9から約1.6まで変化させるとともに、ズームレンズ7の焦点距離frを約474mmから約300mmまでさせればよいことがわかる。
前述したように、円錐プリズム4は、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ角錐プリズム4aと切り換え可能に構成されている。以下、円錐プリズム4に代えて角錐プリズム4aを照明光路中に設定した場合、および円錐プリズム4を照明光路から退避させた場合について説明する。
【0045】
角錐プリズム4aでは、マスク側の面が光軸AXに垂直な平面状に形成されている。また、角錐プリズム4aの光源側の面は、4つの屈折面からなり、光源側に向かって全体的に角錐凹面状に形成されている。さらに詳細には、4つの屈折面は、光軸AX上の一点を頂点し且つX軸およびZ軸に沿って4つの稜線を有する正四角錐の角錐面(底面を除く側面)に相当している。すなわち、4つの屈折面は、光軸AXに関して対称な正四角錐の角錐面に相当している。なお、円錐プリズム4の場合と同様に、角錐凹面がマスク側を向くように角錐プリズム4aを配置してもよい。
【0046】
したがって、制御系21の指令に基づいて光束形状変更部材駆動系22の作用により円錐プリズム4に代えて角錐プリズム4aを照明光路中に位置決めした場合、角錐プリズム4aに入射した光束は、光軸AXを中心として等角度で特定の4つの方向に沿って偏向された後、アフォーカルズームレンズ5に入射する。このように、角錐プリズム4aは、光源1からの光束を光軸AXに対して偏心した4つの光束に変換するための光束形状変更部材を構成している。アフォーカルズームレンズ5に入射した光束は、その瞳面に4つの点状の光源像を形成する。この場合、4つの点状の光源像を結ぶ四角形は、光軸AXを中心としてX軸およびZ軸に平行な辺を有する正方形となる。4つの点状光源像からの光は、ほぼ平行な光束となってアフォーカルズームレンズ5から射出され、第1フライアイレンズ6に入射する。ここで、第1フライアイレンズ6の入射面には、光軸AXに対してほぼ対称に斜め方向から光束が入射する。さらに詳細には、光軸AXを中心として等角度で特定の4つの方向に沿って光束が斜め入射する。
【0047】
したがって、第1フライアイレンズ6の各レンズエレメントの後側焦点面にはそれぞれ4つの点状の光源像が形成される。第1フライアイレンズ6の後側焦点面に形成された多数の点状光源像からの光束は、ズームレンズ7を介した後、第2フライアイレンズ8を重畳的に照明する。したがって、第2フライアイレンズ8の入射面には、第1フライアイレンズ6の各レンズエレメントの断面形状に相似な正方形状の照野を光軸AXから4つの対称放射方向に沿って等距離だけ偏心(平行移動)した4つの照野、すなわち光軸AXを中心とした4極状の照野が形成される。その結果、第2フライアイレンズ8の後側焦点面にも、図6(a)に示すように、入射面に形成された照野と同じ4極状の二次光源(図6(a)中斜線で示す部分)が形成される。
【0048】
なお、円錐プリズム4から角錐プリズム4aへの切り換えに対応して、輪帯開口絞り9から開口絞り9aへの切り換えが行われる。開口絞り9aは、3つの4極開口絞り402、404および406から選択された1つの4極開口絞りである。4極開口絞り9aには、図6(b)に示すように、4極状の二次光源を構成する4つの正方形状の光源にほぼ内接するような大きさを有する4つの円形開口部(図6(b)中白抜きで示す部分)が形成されている。また、開口絞り9aとして、図6(c)に示すような1/4円状の4つの開口部(図6(c)中白抜きで示す部分)を有する4極開口絞りを用いることもできる。
このように、光束形状変更部材として角錐プリズム4aを用いる場合も、光源1からの光束に基づいてほとんど光量損失することなく4極状の二次光源を形成することができ、その結果二次光源からの光束を制限する開口絞り9aにおける光量損失を良好に抑えつつ4極変形照明を行うことができる。
【0049】
そして、アフォーカルズームレンズ5の倍率mだけを変化させることにより、4極状の二次光源を構成する4つの正方形状の光源の光量重心の位置を変更することができる。換言すると、4極状の二次光源の幅を変化させることなくその大きさおよびその形状をともに変更することができる。ここで、図6(a)において破線で示すように、4極状の二次光源の大きさおよび形状を輪帯状の二次光源と同様に定義することができる。すなわち、4極状の二次光源を構成する4つの正方形状の光源に内接する4つの円を想定する。そして、4つの円が外接する小円の直径φi と4つの円が内接する大円の直径φo との比率φi /φo に基づいて4極状の二次光源の形状すなわち輪帯比を規定し、大円の直径φo に基づいて4極状の二次光源の大きさを規定することができる。この場合、4極状の二次光源の幅bは、大円の直径φo と小円の直径φi との差の1/2として規定される。
また、ズームレンズ7の焦点距離frだけを変化させることにより、4極状の二次光源の形状(輪帯比)を変化させることなくその大きさだけを変更することができる。さらに、所定の関係を満たすようにアフォーカルズームレンズ5の倍率mとズームレンズ7の焦点距離frとを変化させることにより、4極状の二次光源の大きさを変化させることなくその形状だけを変更することができる。
【0050】
一方、円錐プリズム4を照明光路から退避させた場合、アフォーカルズームレンズ5には光軸AXに沿って正方形状の断面を有する光束が入射する。アフォーカルズームレンズ5に入射した光束は、その倍率に応じて拡大または縮小され、正方形状の断面を有する光束のまま光軸AXに沿ってアフォーカルズームレンズ5から射出され、第1フライアイレンズ6に入射する。したがって、第1フライアイレンズ6の各レンズエレメントの後側焦点面にはそれぞれ1つの点状の光源像が形成される。また、第2フライアイレンズ8の入射面には、第1フライアイレンズ6の各レンズエレメントの断面形状に相似な正方形状の照野が光軸AXを中心として形成される。その結果、第2フライアイレンズ8の後側焦点面にも、光軸AXを中心とした正方形状の二次光源が形成される。
【0051】
なお、円錐プリズム4の照明光路からの退避に対応して、輪帯開口絞り9から円形開口絞り9bへの切り換えが行われる。円形開口絞り9bは、2つの円形開口絞り407および408から選択された1つの円形開口絞りであり、正方形状の二次光源にほぼ内接するような大きさの開口部を有する。
このように、円錐プリズム4を照明光路から退避させることにより、光源1からの光束に基づいてほとんど光量損失することなく正方形状の二次光源を形成し、二次光源からの光束を制限する開口絞りにおける光量損失を良好に抑えつつ通常円形照明を行うことができる。
この場合、アフォーカルズームレンズ5の倍率mまたはズームレンズ7の焦点距離frを変化させることにより、正方形状の二次光源の大きさを適宜変更することができる。
【0052】
以下、第1実施例における光束形状変更部材および開口絞りの切り換え動作などについて具体的に説明する。
まず、ステップ・アンド・リピート方式またはステップ・アンド・スキャン方式にしたがって順次露光すべき各種のマスクに関する情報などが、キーボードなどの入力手段20を介して制御系21に入力される。制御系21は、各種のマスクに関する最適な線幅(解像度)、焦点深度等の情報を内部のメモリー部に記憶しており、入力手段20からの入力に応答して光束形状変更部材駆動系22、変倍駆動系23、変倍駆動系24およびターレット駆動系25に適当な制御信号を供給する。
【0053】
すなわち、最適な解像度および焦点深度のもとで輪帯変形照明する場合、光束形状変更部材駆動系22は制御系21からの指令に基づいて円錐プリズム4を照明光路中に位置決めする。そして、第2フライアイレンズ8の後側焦点面において所望の大きさおよび輪帯比を有する輪帯状の二次光源を得るために、変倍駆動系23は制御系21からの指令に基づいてアフォーカルズームレンズ5の倍率を設定し、変倍駆動系24は制御系21からの指令に基づいてズームレンズ7の焦点距離を設定する。また、光量損失を良好に抑えた状態で輪帯状の二次光源を制限するために、ターレット駆動系25は制御系21からの指令に基づいてターレットを回転させ、所望の輪帯開口絞りを照明光路中に位置決めする。
こうして、光源1からの光束に基づいてほとんど光量損失することなく輪帯状の二次光源を形成することができ、その結果二次光源からの光束を制限する開口絞りにおいてほとんど光量損失することなく輪帯変形照明を行うことができる。
【0054】
さらに、必要に応じて、変倍駆動系23によりアフォーカルズームレンズ5の倍率を変化させたり、変倍駆動系24によりズームレンズ7の焦点距離を変化させることにより、第2フライアイレンズ8の後側焦点面に形成される輪帯状の二次光源の大きさおよび輪帯比を適宜変更することができる。この場合、輪帯状の二次光源の大きさおよび輪帯比の変化に応じてターレットが回転し、所望の大きさおよび輪帯比を有する輪帯開口絞りが選択されて照明光路中に位置決めされる。
こうして、輪帯状の二次光源の形成およびその制限においてほとんど光量損失することなく、輪帯状の二次光源の大きさおよび輪帯比を適宜変化させて多様な輪帯変形照明を行うことができる。
【0055】
また、最適な解像度および焦点深度のもとで4極変形照明する場合、光束形状変更部材駆動系22は制御系21からの指令に基づいて角錐プリズム4aを照明光路中に位置決めする。そして、第2フライアイレンズ8の後側焦点面において所望の大きさおよび形状(輪帯比)を有する4極状の二次光源を得るために、変倍駆動系23は制御系21からの指令に基づいてアフォーカルズームレンズ5の倍率を設定し、変倍駆動系24は制御系21からの指令に基づいてズームレンズ7の焦点距離を設定する。また、光量損失を良好に抑えた状態で4極状の二次光源を制限するために、ターレット駆動系25は制御系21からの指令に基づいてターレットを回転させ、所望の4極開口絞りを照明光路中に位置決めする。
こうして、光源1からの光束に基づいてほとんど光量損失することなく4極状の二次光源を形成することができ、その結果二次光源からの光束を制限する開口絞りにおいて光量損失を良好に抑えつつ4極変形照明を行うことができる。
【0056】
さらに、必要に応じて、変倍駆動系23によりアフォーカルズームレンズ5の倍率を変化させたり、変倍駆動系24によりズームレンズ7の焦点距離を変化させることにより、第2フライアイレンズ8の後側焦点面に形成される4極状の二次光源の大きさおよび形状を適宜変更することができる。この場合、4極状の二次光源の大きさおよび形状の変化に応じてターレットが回転し、所望の大きさおよび形状を有する4極開口絞りが選択されて照明光路中に位置決めされる。
こうして、4極状の二次光源の形成およびその制限において光量損失を良好に抑えた状態で、4極状の二次光源の大きさおよび形状を適宜変化させて多様な4極変形照明を行うことができる。
【0057】
さらに、最適な解像度および焦点深度のもとで通常の円形照明をする場合、光束形状変更部材駆動系22は制御系21からの指令に基づいて円錐プリズム4または角錐プリズム4aを照明光路から退避させる。そして、第2フライアイレンズ8の後側焦点面において所望の大きさを有する正方形状の二次光源を得るために、変倍駆動系23が制御系21からの指令に基づいてアフォーカルズームレンズ5の倍率を設定するか、あるいは変倍駆動系24が制御系21からの指令に基づいてズームレンズ7の焦点距離を設定する。また、光量損失を良好に抑えた状態で正方形状の二次光源を制限するために、ターレット駆動系25は制御系21からの指令に基づいてターレットを回転させ、所望の円形開口絞りを照明光路中に位置決めする。
こうして、光源1からの光束に基づいてほとんど光量損失することなく形成された二次光源からの光束を制限する開口絞りにおいて光量損失を良好に抑えつつ通常円形照明を行うことができる。
【0058】
さらに、必要に応じて、変倍駆動系23によりアフォーカルズームレンズ5の倍率を変化させたり、変倍駆動系24によりズームレンズ7の焦点距離を変化させることにより、第2フライアイレンズ8の後側焦点面に形成される正方形状の二次光源の大きさを適宜変更することができる。この場合、正方形状の二次光源の大きさの変化に応じてターレットが回転し、所望の大きさの開口部を有する円形開口絞りが選択されて照明光路中に位置決めされる。
こうして、正方形状の二次光源の形成およびその制限において光量損失を良好に抑えつつ、σ値を適宜変化させて多様な通常円形照明を行うことができる。
【0059】
図7は、本発明の第2実施例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。また、図8および図9は、第2実施例における回折光学素子の作用を具体的に説明する図である。ただし、以下の実施例および変形例に関する図(図7、図11および図12)において、入力手段20、制御系21、光束形状変更部材駆動系22、変倍駆動系23および24、並びにターレット駆動系25(図12では存在しない)の図示を省略している。
第2実施例は、第1実施例と類似の構成を有する。しかしながら、第1実施例では光束形状変更部材として円錐プリズムや角錐プリズムを用いているが、第2実施例では光束形状変更部材として回折光学素子を用いていることだけが基本的に相違している。したがって、図7において、第1実施例の構成要素と同様の機能を有する要素には図1と同じ参照符号を付している。以下、第1実施例との相違点に着目して第2実施例を説明する。
【0060】
第2実施例において、整形光学系としてのビームエキスパンダー2を介した光束は、折り曲げミラー3でY方向に偏向された後、回折光学素子4bに入射する。回折光学素子4bは、ガラス基板に露光光(照明光)の波長程度のピッチを有する段差を形成することによって構成され、入射ビームを所望の角度に回折する作用を有する。具体的には、図8(a)に示すように、回折光学素子4bに光軸AXに沿って垂直入射した細いビームは、光軸AXを中心として等角度であらゆる方向に沿って回折され、リング状のビームとなる。したがって、この回折光学素子4bに光軸AXに沿って正方形断面の平行ビームが入射すると、図8(b)に示すように輪帯状のビームとなる。このように、回折光学素子4bは、光源1からの光束を実質的に輪帯状の光束に変換するための光束形状変更部材を構成している。
【0061】
すなわち、回折光学素子4bは、光軸AXに沿って垂直入射したビームを光軸AXを中心として等角度であらゆる方向に沿って偏向させるという点で第1実施例における円錐プリズム4と同等の作用をする。しかしながら、第1実施例における円錐プリズム4では入射光束の全体を光軸AXを中心として等角度であらゆる方向に沿って偏向させるのに対し、第2実施例の回折光学素子4bでは入射光束を構成する各ビームをその入射軸線(光軸AXに平行)を中心として等角度であらゆる方向に沿って偏向させる。したがって、第2実施例では、アフォーカルズームレンズ5は、回折光学素子4bと第1フライアイレンズ6の入射面とを光学的にほぼ共役に結ぶように構成されている。
【0062】
こうして、第2実施例においても第1実施例と同様に、アフォーカルズームレンズ5の瞳面には、リング状の光源像が形成される。そして、アフォーカルズームレンズ5から射出されたほぼ平行な光束は、第1フライアイレンズ6の入射面に光軸AXを中心として等角度であらゆる方向に沿って斜め入射する。その結果、第2フライアイレンズ8の後側焦点面には、光源1からの光束に基づいて、ほとんど光量損失することなく輪帯状の二次光源が形成される。また、第2フライアイレンズ8の後側焦点面の近傍に配置された開口絞り9においても光量損失はほとんど発生しない。さらに、アフォーカルズームレンズ5の倍率mやズームレンズ7の焦点距離frを適宜変化させることにより、輪帯状の二次光源の大きさや形状(輪帯比)を変更することができる点は第1実施例と同様である。
【0063】
なお、第2実施例では、回折光学素子4bは、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ他の回折光学素子4cと切り換え可能に構成されている。回折光学素子4bを照明光路から退避させた場合、第1実施例において円錐プリズムや角錐プリズムを退避させた場合と同様に通常の円形照明を行うことができる。以下、回折光学素子4bに代えて回折光学素子4cを照明光路中に設定した場合について説明する。
【0064】
光束形状変更部材として回折光学素子4cを用いる場合、図9(a)に示すように、光軸AXに沿って垂直入射した細いビームは光軸AXを中心として等角度で特定の4つの方向に沿って回折され、4つの細いビームとなる。したがって、この回折光学素子4bに光軸AXに沿って正方形断面の平行ビームが入射すると、図9(b)に示すように4極状のビームとなる。このように、回折光学素子4cは、光源1からの光束を光軸AXに対して偏心した4つの光束に変換するための光束形状変更部材を構成している。したがって、アフォーカルズームレンズ5の瞳面には、第1実施例で角錐プリズム4aを用いた場合と同様に、4つの点状の光源像が形成される。
【0065】
そして、アフォーカルズームレンズ5から射出されたほぼ平行な光束は、第1フライアイレンズ6の入射面に光軸AXを中心として等角度で特定の4つの方向に沿って斜め入射する。その結果、第2フライアイレンズ8の後側焦点面には、光源1からの光束に基づいて、ほとんど光量損失することなく4極状の二次光源が形成される。また、この4極状の二次光源は、第2フライアイレンズ8の後側焦点面の近傍に配置された開口絞り9aによって光量損失を良好に抑えつつ制限される。さらに、アフォーカルズームレンズ5の倍率mやズームレンズ7の焦点距離frを適宜変化させることにより、4極状の二次光源の大きさや形状を変更することができる。
【0066】
図10は、第2実施例の第1変形例にかかる照明光学装置の要部構成を概略的に示す図であって、(b)は(a)の状態よりもアフォーカルズームレンズ5の倍率を拡大した状態を示している。
第1変形例では、第1オプティカルインテグレータとしてマイクロレンズアレイを用いている点だけが第2実施例と相違しており、他の構成は第2実施例と同じである。
【0067】
図10に示す第1変形例では、第1フライアイレンズ6に代えてマイクロレンズアレイ6aを用いている。マイクロレンズアレイ6aは、縦横に配列された多数のマイクロレンズ(微小レンズ)からなる光学素子であり、たとえば平行平面ガラス板にエッチング処理を施して微小レンズ群を形成することによって構成される。したがって、各マイクロレンズはフライアイレンズを構成する各レンズエレメントよりも微小であるが、正屈折力を有するレンズエレメントが縦横に配置されている点でフライアイレンズと同じである。したがって、マイクロレンズアレイ6aは、第1フライアイレンズ6と同様の作用を奏する。
【0068】
以下、回折光学素子4bおよびマイクロレンズアレイ6aを用いた第1変形例において、輪帯状の二次光源の大きさ(外径φo )を変化させることなくその形状(輪帯比A)だけを変更する場合のアフォーカルズームレンズ5の倍率mとズームレンズ7の焦点距離frとの変化について具体的な数値例にしたがって説明する。
この第2数値例では、回折光学素子4bによる回折角度(偏向角度)αを7度とし、マイクロレンズアレイ6aの各マイクロレンズのサイズaを0.5mmとし、各マイクロレンズの焦点距離f1を10mmとしている。そして、輪帯状の二次光源の外径φo を96mmで一定に保持しながらその輪帯比Aを約0.24〜約0.95まで変化させるのに必要なアフォーカルズームレンズ5の倍率mおよびズームレンズ7の焦点距離frをそれぞれ求めている。次の表(2)には、第2数値例におけるアフォーカルズームレンズ5の倍率mと、輪帯状の二次光源の輪帯比Aと、ズームレンズ7の焦点距離frとの対応関係を示している。
【0069】
【表2】
Figure 0004051473
Figure 0004051473
【0070】
表(1)と表(2)とを比較参照すると、アフォーカルズームレンズ5の倍率mと輪帯比Aとズームレンズ7の焦点距離frとの対応関係が第1数値例と第2数値例とで一致していることがわかる。これは、第1フライアイレンズ6に代えてマイクロレンズアレイ6aを用いる場合、各マイクロレンズのサイズaおよび焦点距離f1を適当に設定することにより、第1フライアイレンズ6と数値的にも同等の作用を発揮させることが可能をあることを示している。
【0071】
図11は、第2実施例の第2変形例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
第2変形例では、アフォーカルズームレンズ5を取り除き回折光学素子4bと第1フライアイレンズ6の入射面とを近接配置している点だけが第2実施例と相違しており、他の構成は第2実施例と同じである。したがって、図11において、第2実施例の構成要素と同様の機能を有する要素には図7と同じ参照符号を付している。以下、第2実施例との相違点に着目して第2変形例を説明する。
【0072】
前述したように、第2実施例において、アフォーカルズームレンズ5は、回折光学素子4bと第1フライアイレンズ6の入射面とを光学的にほぼ共役に結んでおり、第1フライアイレンズ6の入射面への入射光束の角度を変化させる機能を有する。したがって、アフォーカルズームレンズ5を照明光路から取り除いて、回折光学素子4bと第1フライアイレンズ6の入射面とを近接配置しても、第1フライアイレンズ6の入射面への入射光束の角度が回折光学素子4bの回折角度によって固定的に規定されるだけである。したがって、第2変形例では、ズームレンズ7の焦点距離を変化させることによって、第2フライアイレンズ8の後側焦点面に形成される輪帯状の二次光源の大きさを変更することはできるが、その輪帯比を変更することはできない。
【0073】
図12は、本発明の第3実施例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
第3実施例は、第1実施例と類似の構成を有する。しかしながら、第1実施例では第2オプティカルインテグレータとしてフライアイレンズを用いているが、第2実施例では第2オプティカルインテグレータとしてロッド型のオプティカルインテグレータ(以下、単に「ロッド型インテグレータ」という)を用いていることだけが基本的に相違している。したがって、図12において、第1実施例の構成要素と同様の機能を有する要素には図1と同じ参照符号を付している。以下、第1実施例との相違点に着目して第3実施例を説明する。
【0074】
第3実施例では、第2フライアイレンズ8に代えてロッド型インテグレータ8aを用いることに対応して、ズームレンズ7とロッド型インテグレータ8aとの間の光路中にコンデンサーレンズ7aを付設し、コンデンサー光学系10に代えて結像光学系10aを設置するとともに、二次光源の制限のための開口絞りを取り除いている。ここで、ズームレンズ7とコンデンサーレンズ7aとからなる合成光学系は、第1フライアイレンズ6の後側焦点面とロッド型インテグレータ8aの入射面とを光学的にほぼ共役に結んでいる。また、結像光学系10aは、ロッド型インテグレータ8aの射出面とマスク11とを光学的にほぼ共役に結んでいる。
【0075】
ロッド型インテグレータ8aは、石英ガラスや蛍石のような硝子材料からなる内面反射型のガラスロッドであり、内部と外部との境界面すなわち内面での全反射を利用して集光点を通りロッド入射面に平行な面に沿って内面反射数に応じた数の光源像を形成する。ここで、形成される光源像のほとんどは虚像であるが、中心(集光点)の光源像のみが実像となる。すなわち、ロッド型インテグレータ8aに入射した光束は、内面反射により角度方向に分割され、集光点を通りその入射面に平行な面に沿って多数の光源像からなる二次光源が形成される。第3実施例の場合、光束形状変更部材として円錐プリズム4が用いられているときには輪帯状の二次光源が形成され、角錐プリズム4aが用いられているときには4極状の二次光源が形成される。
【0076】
ロッド型インテグレータ8aによりその入射側に形成された二次光源からの光束は、その射出面において重畳された後、結像光学系10aを介して所定のパターンが形成されたマスク11を均一照明する。上述したように、結像光学系10aは、ロッド型インテグレータ8aの射出面とマスク11(ひいてはウエハ13)とを光学的にほぼ共役に結んでいる。したがって、マスク11上には、ロッド型インテグレータ8aの断面形状と相似な矩形状の照野が形成される。
【0077】
このように、第3実施例においても第1実施例と同様に光量損失を良好に抑えつつ、光束形状変更部材として円錐プリズム4を用いることにより輪帯変形照明を行うことができ、光束形状変更部材として角錐プリズム4aを用いることにより4極変形照明を行うことができ、光束形状変更部材を照明光路から退避させることにより通常の円形照明を行うことができる。また、アフォーカルズームレンズ5の倍率mやズームレンズ7の焦点距離frを適宜変化させることにより、二次光源の大きさや形状を変更することができる。
【0078】
以上のように、上述の実施例および変形例では、二次光源を制限するための開口絞りにおける光量損失を良好に抑えつつ、輪帯変形照明や4極変形照明のような変形照明および通常円形照明を行うことができる。加えて、簡単な変倍操作により、開口絞りでの光量損失を良好に抑えつつ変形照明のパラメータを変化させることができる。したがって、変形照明の種類およびパラメータを適宜変化させて、露光投影すべき微細パターンに適した投影光学系の解像度および焦点深度を得ることができる。その結果、高い露光照度および良好な露光条件のもとで、スループットの高い良好な投影露光を行うことができる。
【0079】
各実施例および変形例の露光装置による露光の工程(フォトリソグラフィ工程)を経たウエハは、現像する工程を経てから、現像したレジスト以外の部分を除去するエッチングの工程、エッチングの工程後の不要なレジストを除去するレジスト除去の工程等を経てウエハプロセスが終了する。そして、ウエハプロセスが終了すると、実際の組立工程にて、焼き付けられた回路毎にウエハを切断してチップ化するダイシング、各チップに配線等を付与するボンディング、各チップ毎にパッケージングするパッケージング等の各工程を経て、最終的にデバイスとしての半導体装置(LSI等)が製造される。
【0080】
なお、以上の説明では、投影露光装置を用いたウエハプロセスでのフォトリソグラフィ工程により半導体素子を製造する例を示したが、露光装置を用いたフォトリソグラフィ工程によって、半導体デバイスとして、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド、撮像素子(CCD等)を製造することができる。
こうして、本発明の照明光学装置を用いて半導体デバイスを製造する露光方法の場合、良好な露光条件のもとで投影露光を行うことができるので、良好な半導体デバイスを製造することができる。
【0081】
なお、上述の実施例および変形例において円形開口照明を行うにあたっては、光束形状変更部材を照明光路中から退避させることが望ましい。光束形状変更部材(4、4a、4b)を退避させることにより、特開昭58−147708号公報に記載されているような、いわゆるダブルフライアイシステムの構成とすることができる。
この際、図1、図7および図12に例示したような構成の装置においては、アフォーカルズームレンズ5を同時に退避させてもよい。また、図11に例示したような構成の装置においては、第1フライアイレンズ6を同時に退避させ、かわりに照明条件に対して適切な別のフライアイレンズを第1フライアイレンズとして照明光路中に挿入してもよい。
また、上述の実施例および変形例では、円錐プリズムとして円錐凹面を有するプリズムを用いているが、円錐凸面を有するプリズムを用いることもできる。角錐プリズムについても同様に、角錐凸面を有するプリズムを用いることもできる。
【0082】
また、上述の実施例および変形例では、照明光学装置を備えた投影露光装置を例にとって本発明を説明したが、マスク以外の被照射面を均一照明するための一般的な照明光学装置に本発明を適用することができることは明らかである。
さらに、以上の実施例および変形例では、248nmの波長光を供給するKrFエキシマレーザや193nmの波長光を供給するArFエキシマレーザ等を光源として用いた例を示したが、これ以外の光源を備えた装置にも本発明を適用できることは言うまでもない。例えば、157nmの波長光を供給するF2 レーザ等のレーザ光源、あるいは所定の波長の光を供給するレーザ光源とそのレーザ光源からの光を200nm以下の短波長の光に変換する非線型光学素子との組合せ等からなる光源ユニット等を本発明の光源手段として用いることも可能である。
【0083】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の照明光学装置では、二次光源を制限するための開口絞りにおける光量損失を良好に抑えつつ、輪帯変形照明や4極変形照明のような変形照明および通常円形照明を行うことができる。加えて、簡単な変倍操作により、開口絞りでの光量損失を良好に抑えつつ変形照明のパラメータを変化させることができる。
【0084】
したがって、本発明の照明光学装置を組み込んだ露光装置では、変形照明の種類およびパラメータを適宜変化させて、露光投影すべき微細パターンに適した投影光学系の解像度および焦点深度を得ることができる。その結果、高い露光照度および良好な露光条件のもとで、スループットの高い良好な投影露光を行うことができる。また、本発明の照明光学装置を用いて被照射面上に配置されたマスクのパターンを感光性基板上に露光する露光方法では、良好な露光条件のもとで投影露光を行うことができるので、良好な半導体デバイスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図2】複数の開口絞りが円周状に配置されたターレットの構成を概略的に示す図である。
【図3】円錐プリズム4から第1フライアイレンズ6の入射面までの構成を概略的に示す図であって、アフォーカルズームレンズ5の作用を説明する図である。
【図4】第1フライアイレンズ6から開口絞り9までの構成を概略的に示す図であって、第1フライアイレンズ6の入射面に斜め入射した光束が第2フライアイレンズ8の入射面に輪帯状の照野を形成する様子を示す図である。
【図5】円錐プリズム4から第2フライアイレンズ8の入射面までの構成を概略的に示す図であって、アフォーカルズームレンズ5の倍率およびズームレンズ7の焦点距離と第2フライアイレンズ8の入射面に形成される輪帯状の照野の大きさおよび形状との関係を説明する図である。
【図6】第2フライアイレンズ8の後側焦点面に形成される4極状の二次光源およびその近傍に配置される4極開口絞りの構成を示す図である。
【図7】本発明の第2実施例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図8】第2実施例における回折光学素子4bの作用を具体的に説明する図である。
【図9】第2実施例における回折光学素子4cの作用を具体的に説明する図である。
【図10】第2実施例の第1変形例にかかる照明光学装置の要部構成を概略的に示す図であって、(b)は(a)の状態よりもアフォーカルズームレンズ5の倍率を拡大した状態を示している。
【図11】第2実施例の第2変形例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図12】本発明の第3実施例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
1 光源
2 ビームエキスパンダー
3 折り曲げミラー
4 円錐プリズム
4a 角錐プリズム
4b、4c 回折光学素子
5 アフォーカルズームレンズ
6 第1フライアイレンズ
6a マイクロレンズアレイ
7 ズームレンズ
7a コンデンサーレンズ
8 第2フライアイレンズ
8a ロッド型インテグレータ
9 開口絞り
10 コンデンサー光学系
10a 結像光学系
11 マスク
12 投影光学系
13 ウエハ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an illumination optical apparatus and an exposure apparatus provided with the illumination optical apparatus, and more particularly to an illumination optical apparatus suitable for an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device or the like by a lithography process.
[0002]
[Prior art]
In this type of exposure apparatus, the light beam emitted from the light source enters the fly-eye lens, and forms a secondary light source composed of a large number of light source images on the rear focal plane. The light beam from the secondary light source is limited through an aperture stop disposed in the vicinity of the rear focal plane of the fly-eye lens, and then enters the condenser lens. The aperture stop limits the shape or size of the secondary light source to a desired shape or size depending on the desired illumination conditions (exposure conditions).
[0003]
The light beam condensed by the condenser lens illuminates the mask on which a predetermined pattern is formed in a superimposed manner. The light transmitted through the mask pattern forms an image on the wafer via the projection optical system. Thus, the mask pattern is projected and exposed (transferred) onto the wafer. The pattern formed on the mask is highly integrated, and it is essential to obtain a uniform illuminance distribution on the wafer in order to accurately transfer this fine pattern onto the wafer.
[0004]
In recent years, the size of the secondary light source formed by the fly-eye lens can be changed by changing the size of the aperture of the aperture stop arranged on the exit side of the fly-eye lens, so that the coherency of illumination can be improved. A technique for changing σ (σ = aperture stop diameter / pupil diameter of the projection optical system) has attracted attention. In addition, by setting the shape of the aperture of the aperture stop arranged on the exit side of the fly-eye lens to be an annular shape or a four-hole shape, the shape of the secondary light source formed by the fly-eye lens is an annular shape or a four-hole shape. A technology that improves the depth of focus and resolution of the projection optical system by limiting the shape to a hole is drawing attention.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the prior art, the shape of the secondary light source is limited to an annular shape or a four-hole shape to perform deformed illumination (annular deformation illumination or quadrupole deformed illumination). The light beam from the relatively large secondary light source formed in the above is limited by an aperture stop having an annular or four-hole opening. In other words, in the annular deformation illumination and the quadrupole deformation illumination in the prior art, a substantial part of the light beam from the secondary light source is shielded by the aperture stop and does not contribute to illumination (exposure). As a result, there is an inconvenience that the illuminance on the mask and the wafer is reduced due to the loss of light quantity at the aperture stop, and the throughput of the exposure apparatus is also reduced.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an illumination optical device capable of performing modified illumination such as annular illumination or quadrupole illumination while suppressing light loss at the aperture stop well, and the illumination optics An object of the present invention is to provide an exposure apparatus including the apparatus.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, in the first invention of the present invention, a first light source means for forming a first multiple light source comprising a light source means for supplying a light flux and a plurality of light sources based on the light flux from the light source means. A first optical integrator, a second optical integrator for forming a second multiple light source comprising a larger number of light sources based on light beams from the first multiple light source formed by the first optical integrator, and the second optical integrator. In the illumination optical apparatus comprising a condenser optical system for illuminating the irradiated surface by condensing light beams from the second multiple light sources formed by
In order to form a ring-shaped light source or a plurality of light sources decentered from the reference optical axis as the second multiple light sources, the light beam from the light source means is substantially symmetrical with respect to the reference optical axis from the oblique direction. An illumination optical device is provided, characterized in that oblique light beam forming means for converting into a light beam incident on an integrator is arranged.
[0008]
According to a preferred aspect of the first invention, the oblique light beam forming means converts the light flux from the light source means into a substantially annular light flux or a plurality of light fluxes decentered with respect to the reference optical axis. A shape changing member and a shape changed by the light beam shape changing member so that the light beam changed in shape by the light beam shape changing member is incident on the first optical integrator in a superimposed manner from an oblique direction substantially symmetrically with respect to the reference optical axis. And a condensing optical system for condensing the changed light flux. In this case, it is preferable that the light beam shape changing member includes a plurality of prism members or a plurality of diffractive optical elements configured to be detachable with respect to the illumination optical path.
[0009]
According to a preferred aspect of the first invention, the condensing optical system includes an annular ratio of an annular light source formed as the second multiple light source or a plurality of light sources formed as the second multiple light source. In order to change the position of the center of gravity of each light amount, the first variable magnification optical system having a variable magnification is provided. Further, in the optical path between the first optical integrator and the second optical integrator, the light beam from the first multiple light source formed by the first optical integrator is condensed and guided to the second optical integrator. In order to change the size of the second multiple light source, the relay optical system preferably includes a second variable magnification optical system having a variable magnification.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the illumination optical apparatus according to the first aspect of the present invention and a projection optical system for projecting and exposing a mask pattern disposed on the irradiated surface onto a photosensitive substrate. An exposure apparatus characterized by the above is provided.
Furthermore, in the third invention, there is provided an exposure method characterized in that a pattern of a mask arranged on the irradiated surface is exposed on a photosensitive substrate using the illumination optical apparatus of the first invention.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, the oblique light beam forming means is disposed in the optical path between the light source means and the first optical integrator. The oblique light beam forming unit converts the light beam from the light source unit into a light beam that is incident on the first optical integrator from an oblique direction substantially symmetrically with respect to the reference optical axis. Specifically, the oblique light beam forming means includes a light beam shape changing member such as a conical prism or a pyramid prism and a condensing optical system such as an afocal optical system.
[0012]
The light beam from the light source means is converted into a substantially annular light beam or a plurality of light beams decentered with respect to the reference optical axis through the light beam shape changing member. In this case, when a conical prism is used as the light beam shape changing member, it is converted into a substantially annular light beam, and when a pyramid prism is used, it is converted into a plurality of light beams that are decentered with respect to the reference optical axis. Note that a diffractive optical element having the same function can be used instead of the conical prism or the pyramid prism.
[0013]
The light beam whose shape has been changed by the light beam shape changing member is condensed through the condensing optical system, and is incident on the first optical integrator in a superimposed manner from an oblique direction almost symmetrically with respect to the reference optical axis. In this way, the first multiple light sources are formed by the first optical integrator. The light flux from the first multiple light source is condensed via the relay optical system and guided to the second optical integrator. As a result, a ring-shaped light source or a plurality of light sources decentered from the reference optical axis can be formed as the second multiple light sources, that is, secondary light sources by the second optical integrator.
[0014]
Here, when a conical prism is used as the light beam shape changing member, an annular light source is formed, and when a pyramid prism is used, a plurality of light sources decentered from the reference optical axis are formed. In particular, when a quadrangular pyramid prism (hereinafter simply referred to as “pyramidal prism”) is used as the pyramidal prism, a secondary light source composed of four light sources symmetrically decentered from the reference optical axis, that is, a quadrupole secondary light source is formed. Is done. The luminous flux from the annular or quadrupolar secondary light source formed by the second optical integrator in this manner is irradiated after being limited by an aperture stop having an opening according to the size and shape of the secondary light source. Illuminate the surface.
[0015]
As described above, in the present invention, an annular or quadrupolar secondary light source can be formed with almost no light loss based on the light flux from the light source means. As a result, it is possible to perform annular deformation illumination or quadrupole deformation illumination while satisfactorily suppressing light loss at the aperture stop that restricts the luminous flux from the secondary light source. Needless to say, normal circular illumination can be performed while the loss of light quantity is suppressed satisfactorily by retracting the oblique light beam forming means from the illumination optical path.
[0016]
Further, in the present invention, the condensing optical system is configured as a variable magnification optical system having a variable magnification, and a ring-shaped light source ring formed as a second multiple light source by changing the magnification of the variable magnification optical system. The band ratio or the position of the center of light quantity of each of the plurality of light sources formed as the second multiple light sources can be changed. Furthermore, the relay optical system arranged in the optical path between the first optical integrator and the second optical integrator is configured as a variable magnification optical system with variable magnification, and by changing the magnification of the variable magnification optical system, The size of the second multiple light source can be changed.
[0017]
As described above, the illumination optical device according to the present invention performs modified illumination such as annular deformation illumination and quadrupole deformation illumination, and usually circular illumination while favorably suppressing light loss at the aperture stop that restricts the secondary light source. be able to. In addition, it is possible to change the parameters of the modified illumination (the size and shape of the limited secondary light source) while satisfactorily suppressing the light loss at the aperture stop by a simple zooming operation. Therefore, in the exposure apparatus incorporating the illumination optical apparatus of the present invention, the resolution and depth of focus of the projection optical system suitable for the fine pattern to be exposed and projected can be obtained by appropriately changing the type and parameters of the modified illumination. As a result, good projection exposure with high throughput can be performed under high exposure illuminance and good exposure conditions. In the exposure method in which the mask pattern arranged on the irradiated surface is exposed on the photosensitive substrate using the illumination optical device of the present invention, projection exposure can be performed under good exposure conditions. A good semiconductor device can be manufactured.
[0018]
Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a drawing schematically showing a configuration of an exposure apparatus provided with an illumination optical apparatus according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, the Z-axis is along the normal direction of the wafer 13 which is a photosensitive substrate, the Y-axis is parallel to the paper surface of FIG. 1 in the wafer surface, and the wafer surface is perpendicular to the paper surface of FIG. The X axis is set for each direction.
[0019]
The exposure apparatus of FIG. 1 includes an excimer laser light source that supplies light having a wavelength of 248 nm or 193 nm, for example, as the light source 1 for supplying exposure light (illumination light). A substantially parallel light beam emitted from the light source 1 along the Z direction has a rectangular cross section extending along the X direction, and enters a beam expander 2 including a pair of cylindrical lenses 2a and 2b. Each cylindrical lens 2a and 2b has a negative refracting power and a positive refracting power in the plane of FIG. 1 (in the YZ plane), and is in a plane orthogonal to the plane of the paper (in the XZ plane) including the optical axis AX. Functions as a plane parallel plate. Therefore, the light beam incident on the beam expander 2 is expanded in the plane of FIG. 1 and shaped into a light beam having a predetermined cross section, for example, a light beam having a square cross section.
[0020]
The light beam that has passed through the beam expander 2 as the shaping optical system is deflected in the Y direction by the bending mirror 3 and then enters the conical prism 4. The mask side surface (the right side surface in the figure) of the conical prism 4 is formed in a planar shape perpendicular to the optical axis AX. Further, the light source side surface (the left surface in the figure) of the conical prism 4 is formed in a conical concave surface toward the light source side. More specifically, the refracting surface on the light source side of the conical prism 4 corresponds to a conical surface (a side surface excluding the bottom surface) that is symmetrical with respect to the optical axis AX. Therefore, the light beam incident on the conical prism 4 is deflected along all directions at an equal angle with the optical axis AX as the center, and then enters the afocal zoom lens 5. Thus, the conical prism 4 constitutes a light beam shape changing member for converting the light beam from the light source means into a substantially annular light beam.
[0021]
In FIG. 1, the conical concave surface of the conical prism 4 faces the light source side, but the conical prism 4 may be arranged so that the conical concave surface faces the mask side. The conical prism 4 is configured to be detachable with respect to the illumination optical path, and is configured to be switchable with a pyramid prism 4a as another light beam shape changing member. The configuration and operation of the pyramid prism 4a will be described later.
The afocal zoom lens 5 is configured to continuously change the magnification within a predetermined range while maintaining an afocal system (non-focus optical system).
Here, switching between the conical prism 4 and the pyramid prism 4a and withdrawal from the illumination optical path are performed by a light beam shape changing member drive system 22 that operates based on a command from the control system 21. Further, the magnification change of the afocal zoom lens 5 is performed by a variable power drive system 23 that operates based on a command from the control system 21.
[0022]
The light beam incident on the afocal zoom lens 5 forms a ring-shaped (annular) light source image on the pupil plane. Light from the ring-shaped light source image is emitted from the afocal zoom lens 5 as a substantially parallel light beam, and is incident on a first fly-eye lens 6 as a first optical integrator. At this time, the light beam enters the incident surface of the first fly-eye lens 6 from an oblique direction almost symmetrically with respect to the optical axis AX. In other words, the light flux is obliquely incident along all directions at an equal angle around the optical axis AX.
The first fly-eye lens 6 is configured, for example, by arranging a large number of lens elements having a square cross section and having a positive refractive power along the optical axis AX. The surface on the incident side of each lens element is formed in a spherical shape with a convex surface facing the incident side, and the surface on the exit side is formed in a flat shape.
[0023]
Therefore, the light beam incident on the first fly-eye lens 6 is two-dimensionally divided by a large number of lens elements, and one ring-shaped light source image is formed on the rear focal plane of each lens element. Light beams from a large number of ring-shaped light source images formed on the rear focal plane of the first fly-eye lens 6 pass through the zoom lens 7 and then superimpose on the second fly-eye lens 8 as a second optical integrator. Illuminate. The zoom lens 7 is a relay optical system capable of continuously changing the focal length within a predetermined range, and the rear focal plane of the first fly-eye lens 6 and the rear side of the second fly-eye lens 8. The focal plane is optically almost conjugate. The zoom lens 7 constitutes a telecentric optical system on the rear side. In order to satisfy the above conjugate relationship and telecentricity, the zoom lens 7 is configured as a multi-group zoom lens in which at least three lens groups can move independently. The change of the focal length of the zoom lens 7 is performed by a zoom drive system 24 that operates based on a command from the control system 21.
[0024]
Accordingly, an infinite number of square illumination fields similar to the cross-sectional shapes of the lens elements of the first fly-eye lens 6 are arranged on the incident surface of the second fly-eye lens 8 at an equal distance from the optical axis AX. The illumination field having the above-described shape, that is, an annular illumination field centering on the optical axis AX is formed.
Similar to the first fly-eye lens 6, the second fly-eye lens 8 is configured by vertically and horizontally arranging a large number of lens elements having positive refractive power along the optical axis AX. However, each lens element constituting the second fly-eye lens 8 has a rectangular cross section similar to the shape of the illumination field to be formed on the mask (and thus the shape of the exposure region to be formed on the wafer). The incident-side surface of each lens element constituting the second fly's eye lens 8 is formed in a spherical shape with a convex surface facing the incident side, and the exit-side surface is formed in a spherical shape with the convex surface facing the exit side. ing.
[0025]
Accordingly, the light beam incident on the second fly-eye lens 8 is two-dimensionally divided by a large number of lens elements, and the number of lens elements of the first fly-eye lens 6 is on the rear focal plane of each lens element on which the light beam is incident. A number of light source images are respectively formed. In this way, on the rear focal plane of the second fly-eye lens 8, there are a large number of annular light sources (hereinafter referred to as “secondary light sources”) that are the same as the illumination field formed by the light flux incident on the second fly-eye lens 8. It is formed.
The light flux from the annular secondary light source formed on the rear focal plane of the second fly-eye lens 8 is incident on the aperture stop 9 disposed in the vicinity thereof. The aperture stop 9 is supported on a turret (rotary plate: not shown in FIG. 1) that can rotate around a predetermined axis parallel to the optical axis AX.
[0026]
FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration of a turret in which a plurality of aperture stops are arranged in a circumferential shape.
As shown in FIG. 2, the turret substrate 400 is provided with eight aperture stops along the circumferential direction having a light transmission region indicated by hatching in the drawing. The turret substrate 400 is configured to be rotatable about an axis passing through the center point O and parallel to the optical axis AX. Therefore, by rotating the turret substrate 400, one aperture stop selected from the eight aperture stops can be positioned in the illumination optical path. The turret substrate 400 is rotated by the turret drive system 25 that operates based on a command from the control system 21.
[0027]
The turret substrate 400 is formed with three annular aperture stops 401, 403, and 405 having different annular ratios. Here, the annular aperture stop 401 has an annular transmission region having an annular ratio of r11 / r21. The annular aperture stop 403 has an annular transmission region having an annular ratio of r12 / r22. The annular aperture stop 405 has an annular transmission region having an annular ratio of r13 / r21.
[0028]
The turret substrate 400 is formed with three quadrupole aperture stops 402, 404, and 406 having different annular ratios. Here, the quadrupole aperture stop 402 has four eccentric circular transmission regions in an annular region having an annular ratio of r11 / r21. The quadrupole aperture stop 404 has four eccentric circular transmission regions in the annular region having an annular ratio of r12 / r22. The quadrupole aperture stop 406 has four eccentric circular transmission regions in the annular region having an annular ratio of r13 / r21.
Further, two circular aperture stops 407 and 408 having different sizes (diameters) are formed on the turret substrate 400. Here, the circular aperture stop 407 has a circular transmission region having a size of 2r22, and the circular aperture stop 408 has a circular transmission region having a size of 2r21.
[0029]
Therefore, by selecting one of the three annular aperture stops 401, 403 and 405 and positioning it in the illumination optical path, the annular luminous flux having three different annular ratios is accurately limited. (Regulation), three types of annular deformation illumination with different annular ratios can be performed. In addition, by selecting one of the three quadrupole aperture stops 402, 404, and 406 and positioning it in the illumination optical path, four eccentric beams having three different annular ratios can be accurately obtained. By limiting, three types of quadrupole deformation illumination with different zone ratios can be performed. Furthermore, by selecting one of the two circular aperture stops 407 and 408 and positioning it in the illumination optical path, two types of normal circular illuminations having different σ values can be performed.
[0030]
In FIG. 1, an annular secondary light source is formed on the rear focal plane of the second fly's eye lens 8, so that one aperture selected from the three annular aperture stops 401, 403, and 405 as the aperture stop 9. A band aperture stop is used. However, the configuration of the turret shown in FIG. 2 is exemplary, and the type and number of aperture stops to be arranged are not limited to this. Further, the aperture stop is not limited to the turret type aperture stop, and an aperture stop capable of appropriately changing the size and shape of the light transmission region may be fixedly installed in the illumination optical path.
[0031]
The light from the secondary light source through the aperture stop 9 having a ring-shaped opening (light transmitting portion) is subjected to the condensing action of the condenser optical system 10 and then superimposed on the mask 11 on which a predetermined pattern is formed. Uniform illumination. The light flux that has passed through the pattern of the mask 11 forms an image of the mask pattern on the wafer 13 that is a photosensitive substrate via the projection optical system 12. In this way, by performing batch exposure or scan exposure while driving and controlling the wafer 13 two-dimensionally in a plane (XY plane) orthogonal to the optical axis AX of the projection optical system 12, each exposure region of the wafer 13 is masked. Eleven patterns are sequentially exposed.
[0032]
In the batch exposure, the mask pattern is collectively exposed to each exposure region of the wafer in accordance with a so-called step-and-repeat method. In this case, the shape of the illumination area on the mask 11 is a rectangular shape close to a square, and the cross-sectional shape of each lens element of the second optical integrator is also a rectangular shape close to a square.
On the other hand, in scan exposure, according to a so-called step-and-scan method, a mask pattern is scan-exposed to each exposure region of the wafer while moving the mask and wafer relative to the projection optical system. In this case, the shape of the illumination area on the mask 11 is a rectangular shape in which the ratio of the short side to the long side is, for example, 1: 3, and the cross-sectional shape of each lens element of the second optical integrator is a similar rectangular shape. It becomes.
[0033]
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a configuration from the conical prism 4 to the incident surface of the first fly-eye lens 6, and is a diagram illustrating the operation of the afocal zoom lens 5.
As shown in FIG. 3A, the light beam deflected along the conical prism 4 along all directions at an equal angle α around the optical axis AX passes through the afocal zoom lens 5 having a magnification m1, The first fly-eye lens 6 is incident obliquely along all directions at an equal angle of θ1 with the optical axis AX as the center. At this time, the size of the illumination field formed on the incident surface of the first fly-eye lens 6 is d1.
Here, as shown in FIG. 3B, when the magnification of the afocal zoom lens 5 is changed from m1 to m2, the conical prism 4 is centered on the optical axis AX and along all directions at an equal angle α. The deflected light beam passes through the afocal zoom lens 5 having the magnification m2, and then obliquely enters the incident surface of the first fly-eye lens 6 along all directions at an equal angle of the angle θ2 around the optical axis AX. At this time, the size of the illumination field formed on the incident surface of the first fly-eye lens 6 is d2.
[0034]
Here, the incident angles θ1 and θ2 of the light flux on the incident surface of the first fly-eye lens 6, the sizes d1 and d2 of illumination fields formed on the incident surface of the first fly-eye lens 6, and the afocal zoom lens The relationship shown in the following expressions (1) and (2) is established between the magnifications m1 and m2 of 5.
θ2 = (m1 / m2) · θ1 (1)
d2 = (m2 / m1) · d1 (2)
Referring to Equation (1), the incident angle θ of the light beam on the incident surface of the first fly-eye lens 6 can be continuously changed by continuously changing the magnification m of the afocal zoom lens 5. I understand.
[0035]
FIG. 4 is a diagram schematically showing a configuration from the first fly-eye lens 6 to the aperture stop 9, and a light beam obliquely incident on the incident surface of the first fly-eye lens 6 is incident on the second fly-eye lens 8. It is a figure which shows a mode that a ring-shaped illumination field is formed in a surface.
As indicated by a solid line in FIG. 4A, the light beam obliquely incident on the incident surface of the first fly-eye lens 6 at a predetermined angle from a predetermined direction remains at an angle after being imaged through each lens element. Is incident obliquely on the zoom lens 7 and an illumination field having a predetermined width is formed at a position eccentric from the optical axis AX by a predetermined distance on the incident surface of the second fly-eye lens 8.
[0036]
Actually, as indicated by a broken line in FIG. 4A, a light beam enters the incident surface of the first fly-eye lens 6 from an oblique direction almost symmetrically with respect to the optical axis AX. In other words, the light flux is obliquely incident along all directions at an equal angle around the optical axis AX. Therefore, as shown in FIG. 4B, a ring-shaped illumination field centered on the optical axis AX is formed on the incident surface of the second fly-eye lens 8. In addition, a secondary light source having an annular shape similar to the illumination field formed on the incident surface is formed on the rear focal plane of the second fly-eye lens 8. On the other hand, as described above, the annular aperture stop 9 disposed in the vicinity of the rear focal plane of the second fly-eye lens 8 has an annular aperture corresponding to the annular secondary light source (FIG. 4 ( c) A hollow portion) is formed.
Thus, when the conical prism 4 is used as the light beam shape changing member, an annular secondary light source can be formed with almost no light loss based on the light beam from the light source 1, and as a result, the light beam from the secondary light source can be changed. The annular deformation illumination can be performed with almost no light loss at the aperture stop 9 to be restricted.
[0037]
FIG. 5 is a diagram schematically showing a configuration from the conical prism 4 to the incident surface of the second fly-eye lens 8, and the magnification of the afocal zoom lens 5, the focal length of the zoom lens 7, and the second fly-eye lens. It is a figure explaining the relationship with the magnitude | size and shape of an annular illumination field formed in 8 entrance planes.
In FIG. 5, the central ray of the light beam emitted from the conical prism 4 about the optical axis AX at the angle α passes through the afocal zoom lens 5 having the magnification m, and then the first light at the angle θ with respect to the optical axis AX. The light enters the fly eye lens 6. The first fly-eye lens 6 is composed of a lens element having a size of a and a focal length of f1. The central ray emitted from the lens element of the first fly-eye lens 6 at an angle θ reaches the incident surface of the second fly-eye lens 8 via the zoom lens 7 having a focal length fr. At this time, the incident range of the light flux on the incident surface of the second fly's eye lens 8 is a range having a width b with the height from the optical axis AX as the center. That is, as shown in FIG. 4B, the illumination field formed on the incident surface of the second fly's eye lens 8 and the secondary light source formed on the rear focal plane of the second fly's eye lens 8 are light It has a height y from the axis AX and a width b.
[0038]
Here, the relationship represented by the following expression (3) is established between the exit angle α from the conical prism 4 and the incident angle θ to the first fly-eye lens 6.
θ = (1 / m) · α (3)
Further, the height y and the width b of the annular secondary light source are expressed by the following equations (4) and (5), respectively.
y = fr · sinθ (4)
b = (fr / f1) · a (5)
[0039]
Therefore, the annular ratio A defined by the ratio between the inner diameter φi and the outer diameter φo of the annular secondary light source is expressed by the following equation (6).
[Expression 1]
Figure 0004051473
Further, the outer diameter φo of the annular secondary light source is expressed by the following equation (7).
φo = 2y + b = fr {2 sin (α / m) + a / f1} (7)
[0040]
When the equation (7) is transformed, the relationship shown in the following equation (8) is obtained.
fr = φo / {2 sin (α / m) + a / f1} (8)
Thus, referring to equations (3) and (4), if only the magnification m of the afocal zoom lens 5 changes without changing the focal length fr of the zoom lens 7, the width b of the annular secondary light source changes. It can be seen that only the height y changes without. That is, by changing only the magnification m of the afocal zoom lens 5, the size (outer diameter φo) and the shape (annular ratio A) are both changed without changing the width b of the annular light source. Can be changed.
[0041]
Further, referring to equations (4) and (5), if only the focal length fr of the zoom lens 7 changes without changing the magnification m of the afocal zoom lens 5, the width b of the annular secondary light source and its It can be seen that both the height y changes in proportion to the focal length fr. That is, by changing only the focal length fr of the zoom lens 7, only the size (outer diameter φo) can be changed without changing the shape of the annular light source (annular ratio A). .
Further, referring to the equations (6) and (8), the magnification m of the afocal zoom lens 5 and the focal length of the zoom lens 7 so as to satisfy the relationship of the equation (8) with respect to the outer diameter φo of a certain size. It can be seen that by changing fr, only the shape (annular ratio A) can be changed without changing the size (outer diameter φo) of the annular secondary light source.
[0042]
Hereinafter, according to a specific numerical example, the magnification of the afocal zoom lens 5 when only the shape (annular ratio A) is changed without changing the size (outer diameter φo) of the annular secondary light source. A change in m and the focal length fr of the zoom lens 7 will be described.
In this first numerical example, the deflection angle α by the conical prism 4 is 7 degrees, the size a of each lens element of the first fly-eye lens 6 is 2.5 mm, and the focal length f1 of each lens element is 50 mm. The magnification m of the afocal zoom lens 5 necessary to change the annular ratio A from about 0.24 to about 0.95 while keeping the outer diameter φo of the annular secondary light source constant at 96 mm. The focal length fr of the zoom lens 7 is obtained. The following table (1) shows the correspondence between the magnification m of the afocal zoom lens 5 in the first numerical example, the annular ratio A of the annular secondary light source, and the focal length fr of the zoom lens 7. ing.
[0043]
[Table 1]
Figure 0004051473
Figure 0004051473
[0044]
Referring to Table (1), in the first numerical example, the magnification m of the afocal zoom lens 5 is changed from about 0.9 to about 1 in order to change the zone ratio A from about 0.5 to about 0.69. 6 and the focal length fr of the zoom lens 7 may be changed from about 474 mm to about 300 mm.
As described above, the conical prism 4 is configured to be detachable with respect to the illumination optical path, and is configured to be switchable with the pyramid prism 4a. Hereinafter, a case where the pyramid prism 4a is set in the illumination optical path instead of the cone prism 4 and a case where the cone prism 4 is retracted from the illumination optical path will be described.
[0045]
In the pyramid prism 4a, the mask side surface is formed in a planar shape perpendicular to the optical axis AX. The surface on the light source side of the pyramid prism 4a is composed of four refracting surfaces, and is formed in a generally pyramidal concave shape toward the light source side. More specifically, the four refracting surfaces correspond to a pyramid surface (a side surface excluding the bottom surface) of a regular quadrangular pyramid having one point on the optical axis AX and having four ridge lines along the X axis and the Z axis. . That is, the four refracting surfaces correspond to the pyramid surfaces of a regular quadrangular pyramid that is symmetric about the optical axis AX. As in the case of the conical prism 4, the pyramid prism 4a may be arranged so that the concave surface of the pyramid faces the mask side.
[0046]
Therefore, when the pyramid prism 4a is positioned in the illumination optical path in place of the conical prism 4 by the action of the light beam shape changing member drive system 22 based on the command of the control system 21, the light beam incident on the pyramid prism 4a has the optical axis AX. Is incident along the four specific directions at equal angles with respect to the center, and then enters the afocal zoom lens 5. Thus, the pyramid prism 4a constitutes a light beam shape changing member for converting the light beam from the light source 1 into four light beams decentered with respect to the optical axis AX. The light beam incident on the afocal zoom lens 5 forms four point-like light source images on the pupil plane. In this case, a quadrilateral connecting the four point-like light source images is a square having sides parallel to the X axis and the Z axis with the optical axis AX as the center. Lights from the four point light source images are emitted from the afocal zoom lens 5 as substantially parallel light beams and enter the first fly-eye lens 6. Here, the light flux enters the incident surface of the first fly-eye lens 6 from an oblique direction almost symmetrically with respect to the optical axis AX. More specifically, light beams are incident obliquely along four specific directions at equal angles with the optical axis AX as the center.
[0047]
Accordingly, four point-like light source images are formed on the rear focal plane of each lens element of the first fly-eye lens 6. Light beams from a number of point light source images formed on the rear focal plane of the first fly-eye lens 6 pass through the zoom lens 7 and then illuminate the second fly-eye lens 8 in a superimposed manner. Accordingly, a square illumination field similar to the cross-sectional shape of each lens element of the first fly-eye lens 6 is equidistant from the optical axis AX along the four symmetric radiation directions on the incident surface of the second fly-eye lens 8. Only four illumination fields that are decentered (translated), that is, a quadrupole illumination field centered on the optical axis AX are formed. As a result, as shown in FIG. 6 (a), the same quadrupole secondary light source as the illumination field formed on the incident surface is also formed on the rear focal plane of the second fly-eye lens 8 (FIG. 6 (a)). A portion indicated by a middle oblique line) is formed.
[0048]
In response to switching from the conical prism 4 to the pyramid prism 4a, switching from the annular aperture stop 9 to the aperture stop 9a is performed. The aperture stop 9a is one 4-pole aperture stop selected from three 4-pole aperture stops 402, 404 and 406. In the quadrupole aperture stop 9a, as shown in FIG. 6 (b), four circular apertures having a size almost inscribed in the four square light sources constituting the quadrupole secondary light source ( A portion indicated by white in FIG. 6B is formed. Further, as the aperture stop 9a, a quadrupole aperture stop having four quarter-circle openings (portions shown in white in FIG. 6C) as shown in FIG. 6C can also be used. .
Thus, even when the pyramid prism 4a is used as the light beam shape changing member, a quadrupole secondary light source can be formed with almost no light loss based on the light beam from the light source 1, and as a result, the secondary light source. 4 pole deformation illumination can be performed while suppressing the light quantity loss in the aperture stop 9a that restricts the luminous flux from the light.
[0049]
Then, by changing only the magnification m of the afocal zoom lens 5, the positions of the light intensity centroids of the four square light sources constituting the quadrupole secondary light source can be changed. In other words, both the size and the shape of the quadrupole secondary light source can be changed without changing the width. Here, as indicated by a broken line in FIG. 6A, the size and shape of the quadrupole secondary light source can be defined in the same manner as the annular secondary light source. That is, four circles inscribed in the four square light sources constituting the quadrupole secondary light source are assumed. Then, the shape of the quadrupolar secondary light source, that is, the zonal ratio, is defined based on the ratio φi / φo between the diameter φi of the small circle circumscribed by the four circles and the diameter φo of the large circle circumscribed by the four circles. The size of the quadrupole secondary light source can be defined based on the diameter φo of the great circle. In this case, the width b of the quadrupole secondary light source is defined as ½ of the difference between the diameter φo of the great circle and the diameter φi of the small circle.
Further, by changing only the focal length fr of the zoom lens 7, only the size of the quadrupole secondary light source can be changed without changing the shape (ring zone ratio). Further, by changing the magnification m of the afocal zoom lens 5 and the focal length fr of the zoom lens 7 so as to satisfy a predetermined relationship, only the shape of the quadrupolar secondary light source is not changed. Can be changed.
[0050]
On the other hand, when the conical prism 4 is retracted from the illumination optical path, a light beam having a square cross section enters the afocal zoom lens 5 along the optical axis AX. The light beam incident on the afocal zoom lens 5 is enlarged or reduced in accordance with the magnification, and is emitted from the afocal zoom lens 5 along the optical axis AX as a light beam having a square cross section. 6 is incident. Accordingly, one point-like light source image is formed on the rear focal plane of each lens element of the first fly-eye lens 6. Further, a square illumination field similar to the cross-sectional shape of each lens element of the first fly-eye lens 6 is formed on the incident surface of the second fly-eye lens 8 with the optical axis AX as the center. As a result, a square-shaped secondary light source centered on the optical axis AX is also formed on the rear focal plane of the second fly-eye lens 8.
[0051]
In response to the withdrawal of the conical prism 4 from the illumination optical path, switching from the annular aperture stop 9 to the circular aperture stop 9b is performed. The circular aperture stop 9b is one circular aperture stop selected from the two circular aperture stops 407 and 408, and has an opening having a size that is substantially inscribed in the square-shaped secondary light source.
In this way, by retracting the conical prism 4 from the illumination optical path, a square-shaped secondary light source is formed with almost no light loss based on the light beam from the light source 1, and an aperture for limiting the light beam from the secondary light source. Ordinary circular illumination can be performed while satisfactorily suppressing light loss at the stop.
In this case, the size of the square secondary light source can be appropriately changed by changing the magnification m of the afocal zoom lens 5 or the focal length fr of the zoom lens 7.
[0052]
Hereinafter, the switching operation of the light beam shape changing member and the aperture stop in the first embodiment will be specifically described.
First, information on various masks to be sequentially exposed in accordance with the step-and-repeat method or the step-and-scan method is input to the control system 21 via the input means 20 such as a keyboard. The control system 21 stores information such as optimum line width (resolution) and depth of focus on various masks in an internal memory unit, and responds to an input from the input means 20 to a light beam shape changing member drive system 22. Appropriate control signals are supplied to the variable power drive system 23, the variable power drive system 24, and the turret drive system 25.
[0053]
That is, when the annular deformation illumination is performed with the optimum resolution and depth of focus, the light beam shape changing member drive system 22 positions the conical prism 4 in the illumination optical path based on a command from the control system 21. Then, in order to obtain a ring-shaped secondary light source having a desired size and ring ratio at the rear focal plane of the second fly-eye lens 8, the variable power drive system 23 is based on a command from the control system 21. The magnification of the afocal zoom lens 5 is set, and the zoom drive system 24 sets the focal length of the zoom lens 7 based on a command from the control system 21. Further, in order to limit the annular secondary light source in a state where the light loss is well suppressed, the turret drive system 25 rotates the turret based on a command from the control system 21 to illuminate a desired annular aperture stop. Position in the optical path.
In this way, a ring-shaped secondary light source can be formed based on the light flux from the light source 1 with almost no light loss, and as a result, the ring stop with almost no light loss at the aperture stop that restricts the light flux from the secondary light source. Band deformation illumination can be performed.
[0054]
Further, if necessary, the magnification of the afocal zoom lens 5 is changed by the zoom drive system 23, or the focal length of the zoom lens 7 is changed by the zoom drive system 24. The size and annular ratio of the annular secondary light source formed on the rear focal plane can be appropriately changed. In this case, the turret rotates in accordance with the size of the annular secondary light source and the change in the annular ratio, and an annular aperture stop having a desired size and annular ratio is selected and positioned in the illumination optical path. The
In this way, various annular deformation illuminations can be performed by appropriately changing the size of the annular secondary light source and the annular ratio, with almost no light loss in forming and limiting the annular secondary light source. .
[0055]
In addition, when quadrupole deformation illumination is performed with an optimal resolution and depth of focus, the light beam shape changing member drive system 22 positions the pyramid prism 4 a in the illumination optical path based on a command from the control system 21. Then, in order to obtain a quadrupole secondary light source having a desired size and shape (annular ratio) on the rear focal plane of the second fly's eye lens 8, the variable power drive system 23 is supplied from the control system 21. The magnification of the afocal zoom lens 5 is set based on the command, and the variable power drive system 24 sets the focal length of the zoom lens 7 based on the command from the control system 21. Further, in order to limit the quadrupole secondary light source in a state where the light loss is well suppressed, the turret drive system 25 rotates the turret based on a command from the control system 21 to set a desired quadrupole aperture stop. Position in the illumination light path.
In this way, a quadrupole secondary light source can be formed with almost no light loss based on the light flux from the light source 1, and as a result, the light loss can be suppressed satisfactorily at the aperture stop that restricts the light flux from the secondary light source. However, quadrupole deformation illumination can be performed.
[0056]
Further, if necessary, the magnification of the afocal zoom lens 5 is changed by the zoom drive system 23, or the focal length of the zoom lens 7 is changed by the zoom drive system 24. The size and shape of the quadrupole secondary light source formed on the rear focal plane can be appropriately changed. In this case, the turret rotates in accordance with changes in the size and shape of the quadrupole secondary light source, and a quadrupole aperture stop having a desired size and shape is selected and positioned in the illumination optical path.
Thus, various quadrupole modified illuminations are performed by appropriately changing the size and shape of the quadrupole secondary light source in a state in which the loss of light quantity is satisfactorily suppressed in the formation and limitation of the quadrupole secondary light source. be able to.
[0057]
Further, when performing normal circular illumination with an optimal resolution and depth of focus, the light beam shape changing member drive system 22 retracts the conical prism 4 or the pyramid prism 4a from the illumination optical path based on a command from the control system 21. . Then, in order to obtain a square-shaped secondary light source having a desired size on the rear focal plane of the second fly-eye lens 8, the variable power drive system 23 is an afocal zoom lens based on a command from the control system 21. 5 is set, or the zoom drive system 24 sets the focal length of the zoom lens 7 based on a command from the control system 21. Further, in order to limit the square-shaped secondary light source in a state in which the light loss is satisfactorily suppressed, the turret drive system 25 rotates the turret based on a command from the control system 21, and sets a desired circular aperture stop to the illumination optical path. Position inside.
In this way, it is possible to perform normal circular illumination while satisfactorily suppressing the light loss at the aperture stop that restricts the light from the secondary light source formed with almost no light loss based on the light from the light source 1.
[0058]
Further, if necessary, the magnification of the afocal zoom lens 5 is changed by the zoom drive system 23, or the focal length of the zoom lens 7 is changed by the zoom drive system 24. The size of the square-shaped secondary light source formed on the rear focal plane can be appropriately changed. In this case, the turret rotates in accordance with the change in the size of the square secondary light source, and a circular aperture stop having an opening of a desired size is selected and positioned in the illumination optical path.
Thus, various ordinary circular illuminations can be performed by appropriately changing the σ value while favorably suppressing the light loss in the formation and limitation of the square secondary light source.
[0059]
FIG. 7 is a drawing schematically showing a configuration of an exposure apparatus provided with the illumination optical apparatus according to the second embodiment of the present invention. 8 and 9 are diagrams for specifically explaining the operation of the diffractive optical element in the second embodiment. However, in the drawings relating to the following embodiments and modifications (FIGS. 7, 11 and 12), the input means 20, the control system 21, the light beam shape changing member drive system 22, the variable power drive systems 23 and 24, and the turret drive. Illustration of the system 25 (not present in FIG. 12) is omitted.
The second embodiment has a configuration similar to that of the first embodiment. However, in the first embodiment, a conical prism or a pyramid prism is used as the light beam shape changing member, but in the second embodiment, the only difference is that a diffractive optical element is used as the light beam shape changing member. . Therefore, in FIG. 7, elements having the same functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as in FIG. Hereinafter, the second embodiment will be described by paying attention to differences from the first embodiment.
[0060]
In the second embodiment, the light beam that has passed through the beam expander 2 as a shaping optical system is deflected in the Y direction by the bending mirror 3 and then enters the diffractive optical element 4b. The diffractive optical element 4b is configured by forming a step having a pitch of about the wavelength of exposure light (illumination light) on a glass substrate, and has a function of diffracting an incident beam to a desired angle. Specifically, as shown in FIG. 8A, the thin beam perpendicularly incident on the diffractive optical element 4b along the optical axis AX is diffracted along all directions at an equal angle around the optical axis AX, It becomes a ring-shaped beam. Therefore, when a parallel beam having a square cross section is incident on the diffractive optical element 4b along the optical axis AX, a zonal beam is formed as shown in FIG. In this way, the diffractive optical element 4b constitutes a light beam shape changing member for converting the light beam from the light source 1 into a substantially annular light beam.
[0061]
That is, the diffractive optical element 4b has the same effect as the conical prism 4 in the first embodiment in that the beam vertically incident along the optical axis AX is deflected along all directions at an equal angle around the optical axis AX. do. However, the conical prism 4 in the first embodiment deflects the entire incident light beam along all directions at an equal angle around the optical axis AX, whereas the diffractive optical element 4b in the second embodiment forms the incident light beam. Each beam is deflected along all directions at an equal angle with its incident axis (parallel to the optical axis AX) as the center. Therefore, in the second embodiment, the afocal zoom lens 5 is configured to optically substantially conjugate the diffractive optical element 4b and the incident surface of the first fly-eye lens 6.
[0062]
Thus, in the second embodiment as well, as in the first embodiment, a ring-shaped light source image is formed on the pupil plane of the afocal zoom lens 5. Then, the substantially parallel light beam emitted from the afocal zoom lens 5 is incident on the incident surface of the first fly-eye lens 6 obliquely along all directions at an equal angle with the optical axis AX as the center. As a result, an annular secondary light source is formed on the rear focal plane of the second fly's eye lens 8 based on the light beam from the light source 1 with almost no light loss. Also, almost no light loss occurs in the aperture stop 9 disposed in the vicinity of the rear focal plane of the second fly-eye lens 8. Furthermore, the first feature is that the size and shape (annular ratio) of the annular secondary light source can be changed by appropriately changing the magnification m of the afocal zoom lens 5 and the focal length fr of the zoom lens 7. It is the same as that of an Example.
[0063]
In the second embodiment, the diffractive optical element 4b is configured to be detachable with respect to the illumination optical path and is configured to be switchable with other diffractive optical elements 4c. When the diffractive optical element 4b is retracted from the illumination optical path, normal circular illumination can be performed as in the case where the conical prism or the pyramid prism is retracted in the first embodiment. Hereinafter, a case where the diffractive optical element 4c is set in the illumination optical path instead of the diffractive optical element 4b will be described.
[0064]
When the diffractive optical element 4c is used as a light beam shape changing member, as shown in FIG. 9A, a thin beam perpendicularly incident along the optical axis AX is in four specific directions at equal angles around the optical axis AX. Diffracted along, resulting in four narrow beams. Therefore, when a parallel beam having a square cross section is incident on the diffractive optical element 4b along the optical axis AX, the beam becomes a quadrupole beam as shown in FIG. 9B. Thus, the diffractive optical element 4c constitutes a light beam shape changing member for converting the light beam from the light source 1 into four light beams decentered with respect to the optical axis AX. Accordingly, four dot-like light source images are formed on the pupil plane of the afocal zoom lens 5 as in the case where the pyramid prism 4a is used in the first embodiment.
[0065]
Then, the substantially parallel light beam emitted from the afocal zoom lens 5 is incident obliquely on the incident surface of the first fly-eye lens 6 along four specific directions at an equal angle with the optical axis AX as the center. As a result, a quadrupole secondary light source is formed on the rear focal plane of the second fly's eye lens 8 based on the light beam from the light source 1 with almost no light loss. Further, the quadrupole secondary light source is limited by the aperture stop 9a disposed in the vicinity of the rear focal plane of the second fly-eye lens 8 while favorably suppressing the light amount loss. Furthermore, by appropriately changing the magnification m of the afocal zoom lens 5 and the focal length fr of the zoom lens 7, the size and shape of the quadrupole secondary light source can be changed.
[0066]
FIG. 10 is a diagram schematically illustrating a main configuration of the illumination optical apparatus according to the first modification example of the second embodiment. FIG. 10B illustrates the magnification of the afocal zoom lens 5 in comparison with the state illustrated in FIG. The enlarged state is shown.
The first modified example is different from the second example only in that a microlens array is used as the first optical integrator, and the other configuration is the same as that of the second example.
[0067]
In the first modification shown in FIG. 10, a microlens array 6 a is used instead of the first fly-eye lens 6. The microlens array 6a is an optical element composed of a large number of microlenses (microlenses) arranged vertically and horizontally, and is configured, for example, by performing etching processing on a parallel flat glass plate to form a microlens group. Accordingly, each microlens is smaller than each lens element constituting the fly-eye lens, but is the same as the fly-eye lens in that lens elements having positive refractive power are arranged vertically and horizontally. Therefore, the microlens array 6a has the same effect as the first fly-eye lens 6.
[0068]
Hereinafter, in the first modification using the diffractive optical element 4b and the microlens array 6a, only the shape (annular ratio A) is changed without changing the size (outer diameter φo) of the annular secondary light source. A change in the magnification m of the afocal zoom lens 5 and the focal length fr of the zoom lens 7 will be described according to specific numerical examples.
In this second numerical example, the diffraction angle (deflection angle) α by the diffractive optical element 4b is 7 degrees, the size a of each microlens of the microlens array 6a is 0.5 mm, and the focal length f1 of each microlens is 10 mm. It is said. The magnification m of the afocal zoom lens 5 necessary to change the annular ratio A from about 0.24 to about 0.95 while keeping the outer diameter φo of the annular secondary light source constant at 96 mm. The focal length fr of the zoom lens 7 is obtained. The following table (2) shows the correspondence relationship between the magnification m of the afocal zoom lens 5, the annular ratio A of the annular secondary light source, and the focal length fr of the zoom lens 7 in the second numerical example. ing.
[0069]
[Table 2]
Figure 0004051473
Figure 0004051473
[0070]
Comparing and referring to Table (1) and Table (2), the correspondence between the magnification m of the afocal zoom lens 5, the zone ratio A, and the focal length fr of the zoom lens 7 is a first numerical example and a second numerical example. You can see that they match. This is because when the microlens array 6a is used in place of the first fly-eye lens 6, it is numerically equivalent to the first fly-eye lens 6 by appropriately setting the size a and the focal length f1 of each microlens. It is shown that it is possible to exert the action of.
[0071]
FIG. 11 is a drawing schematically showing a configuration of an exposure apparatus including an illumination optical apparatus according to a second modification example of the second embodiment.
The second modification is different from the second embodiment only in that the afocal zoom lens 5 is removed and the diffractive optical element 4b and the incident surface of the first fly-eye lens 6 are arranged close to each other. Is the same as in the second embodiment. Therefore, in FIG. 11, the same reference numerals as those in FIG. 7 are given to elements having the same functions as the constituent elements of the second embodiment. Hereinafter, the second modification will be described by paying attention to differences from the second embodiment.
[0072]
As described above, in the second embodiment, the afocal zoom lens 5 optically couples the diffractive optical element 4b and the incident surface of the first fly-eye lens 6 optically in a conjugate manner. Has a function of changing the angle of the incident light beam on the incident surface. Therefore, even if the afocal zoom lens 5 is removed from the illumination optical path and the diffractive optical element 4b and the incident surface of the first fly's eye lens 6 are arranged close to each other, the incident light flux on the incident surface of the first fly's eye lens 6 can be reduced. The angle is only fixedly defined by the diffraction angle of the diffractive optical element 4b. Therefore, in the second modification, the size of the annular secondary light source formed on the rear focal plane of the second fly-eye lens 8 can be changed by changing the focal length of the zoom lens 7. However, the zone ratio cannot be changed.
[0073]
FIG. 12 is a drawing schematically showing a configuration of an exposure apparatus including an illumination optical apparatus according to the third example of the present invention.
The third embodiment has a configuration similar to that of the first embodiment. However, in the first embodiment, a fly-eye lens is used as the second optical integrator, but in the second embodiment, a rod-type optical integrator (hereinafter simply referred to as “rod-type integrator”) is used as the second optical integrator. The only difference is that Therefore, in FIG. 12, the same reference numerals as those in FIG. 1 are given to elements having the same functions as the constituent elements of the first embodiment. Hereinafter, the third embodiment will be described by paying attention to differences from the first embodiment.
[0074]
In the third embodiment, in response to the use of the rod-type integrator 8a instead of the second fly-eye lens 8, a condenser lens 7a is provided in the optical path between the zoom lens 7 and the rod-type integrator 8a. An imaging optical system 10a is installed instead of the optical system 10, and an aperture stop for limiting the secondary light source is removed. Here, the combining optical system including the zoom lens 7 and the condenser lens 7a optically substantially conjugates the rear focal plane of the first fly-eye lens 6 and the incident surface of the rod integrator 8a. The imaging optical system 10a optically couples the exit surface of the rod integrator 8a and the mask 11 optically in a conjugate manner.
[0075]
The rod-type integrator 8a is an inner surface reflection type glass rod made of a glass material such as quartz glass or fluorite, and passes through a condensing point using total reflection at the boundary surface between the inside and the outside, that is, the inside surface. A number of light source images corresponding to the number of internal reflections is formed along a plane parallel to the incident surface. Here, most of the light source images to be formed are virtual images, but only the light source image at the center (condensing point) is a real image. That is, the light beam incident on the rod-type integrator 8a is divided in the angular direction by internal reflection, and a secondary light source composed of a large number of light source images is formed along a plane parallel to the incident surface through the condensing point. In the case of the third embodiment, an annular secondary light source is formed when the conical prism 4 is used as the light beam shape changing member, and a quadrupolar secondary light source is formed when the pyramid prism 4a is used. The
[0076]
The light beam from the secondary light source formed on the incident side by the rod integrator 8a is superimposed on the exit surface, and then uniformly illuminates the mask 11 on which a predetermined pattern is formed via the imaging optical system 10a. . As described above, the imaging optical system 10a optically couples the exit surface of the rod integrator 8a and the mask 11 (and thus the wafer 13) optically in a conjugate manner. Therefore, a rectangular illumination field similar to the cross-sectional shape of the rod integrator 8a is formed on the mask 11.
[0077]
As described above, in the third embodiment as well, the annular deformation illumination can be performed by using the conical prism 4 as the light beam shape changing member while suppressing the light amount loss as well as the first embodiment. By using the pyramid prism 4a as a member, quadrupole deformation illumination can be performed, and normal circular illumination can be performed by retracting the light beam shape changing member from the illumination optical path. Further, the size and shape of the secondary light source can be changed by appropriately changing the magnification m of the afocal zoom lens 5 and the focal length fr of the zoom lens 7.
[0078]
As described above, in the above-described embodiments and modifications, modified illumination such as annular deformation illumination and quadrupole deformation illumination, and a normal circular shape, while suppressing the light amount loss in the aperture stop for restricting the secondary light source satisfactorily. Lighting can be performed. In addition, it is possible to change the parameters of the modified illumination while satisfactorily suppressing the light loss at the aperture stop by a simple zooming operation. Therefore, the resolution and depth of focus of the projection optical system suitable for the fine pattern to be exposed and projected can be obtained by appropriately changing the type and parameters of the modified illumination. As a result, good projection exposure with high throughput can be performed under high exposure illuminance and good exposure conditions.
[0079]
The wafer that has undergone the exposure process (photolithography process) by the exposure apparatus of each of the embodiments and the modified examples is subjected to a development process and then an etching process that removes portions other than the developed resist, and unnecessary after the etching process. The wafer process is completed through a resist removal process for removing the resist. After the wafer process is completed, in the actual assembly process, the wafer is cut into chips for each burned circuit, dicing is performed to form chips, bonding is applied to each chip, and packaging is performed for each chip. Through these steps, a semiconductor device (LSI or the like) as a device is finally manufactured.
[0080]
In the above description, an example in which a semiconductor element is manufactured by a photolithography process in a wafer process using a projection exposure apparatus has been described. However, a liquid crystal display element, as a semiconductor device, by a photolithography process using an exposure apparatus, A thin film magnetic head and an image sensor (CCD, etc.) can be manufactured.
In this way, in the case of the exposure method for manufacturing a semiconductor device using the illumination optical apparatus of the present invention, projection exposure can be performed under good exposure conditions, and thus a good semiconductor device can be manufactured.
[0081]
In performing the circular aperture illumination in the above-described embodiments and modifications, it is desirable to retract the light beam shape changing member from the illumination optical path. By retracting the light beam shape changing member (4, 4a, 4b), a so-called double fly-eye system configuration as described in JP-A-58-147708 can be obtained.
At this time, in the apparatus configured as illustrated in FIGS. 1, 7, and 12, the afocal zoom lens 5 may be retracted simultaneously. In the apparatus configured as illustrated in FIG. 11, the first fly-eye lens 6 is retracted at the same time, and instead, another fly-eye lens suitable for the illumination condition is used as the first fly-eye lens in the illumination optical path. May be inserted.
In the above-described embodiments and modifications, a prism having a conical concave surface is used as the conical prism, but a prism having a conical convex surface can also be used. Similarly, a prism having a pyramid convex surface can be used for the pyramid prism.
[0082]
In the above-described embodiments and modifications, the present invention has been described by taking the projection exposure apparatus provided with the illumination optical apparatus as an example. However, the present invention is applied to a general illumination optical apparatus for uniformly illuminating the irradiated surface other than the mask. It is clear that the invention can be applied.
Further, in the above-described embodiments and modifications, examples have been shown in which a KrF excimer laser that supplies light with a wavelength of 248 nm, an ArF excimer laser that supplies light with a wavelength of 193 nm, or the like is used as a light source. It goes without saying that the present invention can also be applied to other devices. For example, F that supplies light having a wavelength of 157 nm 2 A light source unit comprising a combination of a laser light source such as a laser or a laser light source that supplies light of a predetermined wavelength and a non-linear optical element that converts light from the laser light source into light of a short wavelength of 200 nm or less It can also be used as the light source means of the invention.
[0083]
【The invention's effect】
As described above, in the illumination optical device according to the present invention, the deformation illumination such as the annular deformation illumination and the quadrupole deformation illumination, and the normal circular shape, while suppressing the light amount loss in the aperture stop for limiting the secondary light source satisfactorily. Lighting can be performed. In addition, it is possible to change the parameters of the modified illumination while suppressing the light loss at the aperture stop well by a simple zooming operation.
[0084]
Therefore, in the exposure apparatus incorporating the illumination optical apparatus of the present invention, the resolution and depth of focus of the projection optical system suitable for the fine pattern to be exposed and projected can be obtained by appropriately changing the type and parameters of the modified illumination. As a result, good projection exposure with high throughput can be performed under high exposure illuminance and good exposure conditions. In the exposure method in which the mask pattern arranged on the irradiated surface is exposed on the photosensitive substrate using the illumination optical device of the present invention, projection exposure can be performed under good exposure conditions. A good semiconductor device can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a drawing schematically showing a configuration of an exposure apparatus provided with an illumination optical apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration of a turret in which a plurality of aperture stops are arranged in a circumferential shape.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a configuration from a conical prism 4 to an incident surface of a first fly-eye lens 6, and is a diagram for explaining the operation of an afocal zoom lens 5. FIG.
4 is a diagram schematically showing a configuration from a first fly-eye lens 6 to an aperture stop 9, and a light beam obliquely incident on an incident surface of the first fly-eye lens 6 is incident on a second fly-eye lens 8. FIG. It is a figure which shows a mode that a ring-shaped illumination field is formed in a surface.
FIG. 5 is a diagram schematically showing a configuration from a conical prism 4 to an incident surface of a second fly's eye lens 8, wherein the magnification of the afocal zoom lens 5, the focal length of the zoom lens 7, and the second fly's eye lens; It is a figure explaining the relationship with the magnitude | size and shape of an annular illumination field formed in 8 entrance planes.
6 is a diagram showing a configuration of a quadrupole secondary light source formed on the rear focal plane of the second fly's eye lens 8 and a quadrupole aperture stop disposed in the vicinity thereof. FIG.
FIG. 7 is a drawing schematically showing a configuration of an exposure apparatus including an illumination optical apparatus according to a second example of the present invention.
FIG. 8 is a diagram for specifically explaining the operation of the diffractive optical element 4b in the second embodiment.
FIG. 9 is a diagram for specifically explaining the operation of the diffractive optical element 4c in the second embodiment.
FIG. 10 is a diagram schematically showing a main configuration of an illumination optical apparatus according to a first modification of the second embodiment, in which (b) shows the magnification of the afocal zoom lens 5 rather than the state (a). The enlarged state is shown.
FIG. 11 is a drawing schematically showing a configuration of an exposure apparatus including an illumination optical apparatus according to a second modification example of the second embodiment.
FIG. 12 is a drawing schematically showing a configuration of an exposure apparatus including an illumination optical apparatus according to a third example of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Light source
2 Beam expander
3 Bending mirror
4 Conical prism
4a Pyramidal prism
4b, 4c diffractive optical element
5 Afocal zoom lens
6 First fly-eye lens
6a Micro lens array
7 Zoom lens
7a Condenser lens
8 Second fly-eye lens
8a Rod type integrator
9 Aperture stop
10 Condenser optics
10a Imaging optical system
11 Mask
12 Projection optical system
13 Wafer

Claims (9)

被照射面を照明する照明光学装置において、
光源手段からの光束に基づいて多数の光源からなる第1多数光源を形成するための第1オプティカルインテグレータと、
該第1オプティカルインテグレータにより形成される第1多数光源からの光束に基づいてより多数の光源からなる第2多数光源を形成するための第2オプティカルインテグレータと、
該第2オプティカルインテグレータにより形成される第2多数光源からの光束を集光して前記被照射面を照明するためのコンデンサー光学系と、
前記第2多数光源として輪帯状の光源または基準光軸から偏心した複数の光源を形成するために、前記光源手段からの光束を前記基準光軸に対してほぼ対称に斜め方向から前記第1オプティカルインテグレータへ入射する光束に変換するための斜め光束形成手段とを備え、
該斜め光束形成手段は、
前記光源手段からの前記光束を実質的に輪帯状の光束または前記基準光軸に対して偏心した複数の光束に変換するための光束形状変更部材と、
該光束形状変更部材により形状変更された光束を前記基準光軸に対してほぼ対称に斜め方向から前記第1オプティカルインテグレータへ重畳的に入射させるために前記光束形状変更部材により形状変更された光束を集光する集光光学系とを有することを特徴とする照明光学装置。
In the illumination optical device that illuminates the illuminated surface ,
A first optical integrator for forming a first multiple light source comprising a plurality of light sources based on the light flux from the light source means;
A second optical integrator for forming a second multiple light source comprising a larger number of light sources based on the light flux from the first multiple light source formed by the first optical integrator;
A condenser optical system for condensing a light beam from a second multiple light source formed by the second optical integrator to illuminate the irradiated surface;
In order to form a ring-shaped light source or a plurality of light sources decentered from the reference optical axis as the second multiple light sources, the light beam from the light source means is substantially symmetrical with respect to the reference optical axis from the oblique direction. An oblique light beam forming means for converting into a light beam incident on the integrator ,
The oblique light beam forming means includes:
A luminous flux shape changing member for converting the luminous flux from the light source means into a substantially annular luminous flux or a plurality of luminous fluxes decentered with respect to the reference optical axis;
The light beam whose shape has been changed by the light beam shape changing member is incident on the first optical integrator in a superimposed manner from an oblique direction almost symmetrically with respect to the reference optical axis. the illumination optical device according to claim Rukoto which have a a focusing optical system for focusing.
前記光束形状変更部材は、照明光路に対して挿脱自在に構成された複数のプリズム部材または複数の回折光学素子を有することを特徴とする請求項1に記載の照明光学装置。The illumination optical apparatus according to claim 1, wherein the light beam shape changing member includes a plurality of prism members or a plurality of diffractive optical elements configured to be detachable with respect to the illumination optical path . 前記集光光学系は、前記第2多数光源として形成される輪帯状の光源の輪帯比または前記第2多数光源として形成される複数の光源の各々の光量重心の位置を変更するために、倍率が可変な第1の変倍光学系を有することを特徴とする請求項1または2に記載の照明光学装置。 In order to change the annular ratio of the annular light source formed as the second multiple light source or the position of the light intensity centroid of each of the plurality of light sources formed as the second multiple light source, the condensing optical system, The illumination optical apparatus according to claim 1, further comprising a first variable power optical system having a variable magnification . 前記第1オプティカルインテグレータと前記第2オプティカルインテグレータとの間の光路中には、前記第1オプティカルインテグレータにより形成される第1多数光源からの光束を集光して前記第2オプティカルインテグレータへ導くためのリレー光学系が配置され、
前記リレー光学系は、前記第2多数光源の大きさを変更するために、倍率が可変な第2の変倍光学系を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の照明光学装置。
In the optical path between the first optical integrator and the second optical integrator, a light beam from a first multiple light source formed by the first optical integrator is condensed and guided to the second optical integrator. A relay optical system,
4. The relay optical system according to claim 1, wherein the relay optical system includes a second variable magnification optical system having a variable magnification in order to change the size of the second multiple light sources. 5. Illumination optical device.
前記第1の変倍光学系は、無焦点光学系を維持しつつ前記倍率を連続的に変化可能であることを特徴とする請求項3または4に記載の照明光学装置。 5. The illumination optical apparatus according to claim 3, wherein the first variable magnification optical system is capable of continuously changing the magnification while maintaining a non-focus optical system . 前記集光光学系は、前記光束形状変更部材と前記第1オプティカルインテグレータとを共役に結ぶことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の照明光学装置。6. The illumination optical apparatus according to claim 1, wherein the condensing optical system connects the light beam shape changing member and the first optical integrator in a conjugate manner. 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の照明光学装置と、前記被照射面上に配置されたパターンを感光性基板に投影露光するための投影光学系とを備えていることを特徴とする露光装置。The illumination optical apparatus according to claim 1, and a projection optical system for projecting and exposing a pattern disposed on the irradiated surface onto a photosensitive substrate. Exposure equipment to do. 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の照明光学装置を用いて、前記被照射面上に配置されたパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光方法。An exposure method, comprising: exposing a pattern disposed on the irradiated surface onto a photosensitive substrate using the illumination optical apparatus according to claim 1. 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の照明光学装置を用いて、前記被照射面上に配置されたパターンを感光性基板上に露光する露光工程と、An exposure step of exposing a photosensitive substrate to a pattern disposed on the irradiated surface using the illumination optical apparatus according to any one of claims 1 to 6,
露光された前記感光性基板を現像する現像工程とを備えることを特徴とするデバイス製造方法。A device manufacturing method comprising: a developing step of developing the exposed photosensitive substrate.
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