JP5688672B2 - 光伝送装置、照明光学系、露光装置、およびデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、均一化ユニット、照明光学系、露光装置、およびデバイス製造方法に関する。さらに詳細には、本発明は、例えば半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のデバイス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系に関するものである。

この種の露光装置の本体は、全体的にかなり大きな装置であり、設置のための所要床面積は大きい。また、露光装置に露光光（照明光）を供給する光源として、たとえばＫｒＦエキシマレーザ光源やＡｒＦエキシマレーザ光源が用いられるが、エキシマレーザ光源もかなり大きな装置である。

したがって、エキシマレーザ光源を用いる露光装置では、光源装置を露光装置本体からある程度離間させて配置することが多い。その場合、複数回に亘って折り曲げられた比較的長い光路に沿って、エキシマレーザ光源の光出力口から射出される光を露光装置本体の光取入口まで導く必要がある。

一般に、エキシマレーザ光源から射出される光束は、矩形状の断面を有し、その断面の短辺方向に沿って強度が比較的大きく変化する形態の光強度分布を有する。その結果、エキシマレーザ光源から射出された光を単なるリレー光学系により露光装置本体まで導く構成では、例えば露光装置本体の光取入口に配置された回折光学素子のような光学部材が光照射により損傷を受け易い。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、レーザ光源から射出された光の強度分布を均一化して露光装置本体の光取入口へ入射させることのできる均一化ユニットを提供することを目的とする。また、本発明は、レーザ光源から射出された光の強度分布を均一化して露光装置本体の光取入口へ入射させる均一化ユニットを用いて、光学部材が光照射による損傷を受けにくいレーザ耐性の高い照明光学系を提供することを目的とする。また、本発明は、レーザ耐性の高い照明光学系を用いて、所要の照明条件に基づく露光を安定的に行うことのできる露光装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、レーザ光源の光出力口の直後に配置されて、前記光出力口から射出された光の強度分布を均一化して露光装置本体の光取入口へ入射させる均一化ユニットであって、
前記レーザ光源から入射した光束を複数の光束に波面分割する波面分割素子と、
前記波面分割素子により波面分割された前記複数の光束を前記露光装置本体の光取入口において重畳させるリレー光学系とを備えていることを特徴とする均一化ユニットを提供する。

本発明の第２形態では、レーザ光源の光出力口と露光装置本体の光取入口との間に配置されて、前記光出力口から射出された光の強度分布を均一化して前記光取入口へ入射させる均一化ユニットであって、
前記レーザ光源の前記光出力口からのレーザ光を集光するリレー光学系と、
前記光出力口と前記リレー光学系との間に配置されて、前記レーザ光源から入射した光束を複数の光束に波面分割する波面分割素子とを備えていることを特徴とする均一化ユニットを提供する。

本発明の第３形態では、被照射面を照明する照明光学系において、
第１形態または第２形態の均一化ユニットと、
前記露光装置本体の光取入口に配置されて、入射光を空間的に変調して射出する空間光変調素子とを備えていることを特徴とする照明光学系を提供する。

本発明の第４形態では、所定のパターンを照明するための第３形態の照明光学系を備え、前記所定のパターンを感光性基板に露光することを特徴とする露光装置を提供する。

本発明の第５形態では、第４形態の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、
前記所定のパターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記感光性基板の表面に形成する現像工程と、
前記マスク層を介して前記感光性基板の表面を加工する加工工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。

本発明の第６形態では、レーザ光源の光出力口から射出された光の強度分布を均一化して露光装置本体の光取入口へ入射させる光伝送方法であって、
前記レーザ光源から入射した光束を複数の光束に波面分割する波面分割工程と、
前記波面分割素子により波面分割された前記複数の光束を前記露光装置本体の光取入口において重畳させる光重畳工程とを備えていることを特徴とする光伝送方法を提供する。

本発明の第７形態では、第６形態の光伝送方法を用いて、前記レーザ光源からの光を前記露光装置本体へ導く工程と、
前記導かれた光を用いて所定のパターンを感光性基板に露光する露光工程と、
前記所定のパターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記感光性基板の表面に形成する現像工程と、
前記マスク層を介して前記感光性基板の表面を加工する加工工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。

本発明の均一化ユニットでは、レーザ光源から入射する光束の光強度分布が不均一であっても、入射光束を複数の光束に波面分割する波面分割素子と、波面分割された複数の光束を重畳させるリレー光学系との協働作用により、露光装置本体の光取入口において光強度分布の均一化された光束を得ることができる。すなわち、本発明の均一化ユニットでは、エキシマレーザ光源のようなレーザ光源から射出された光の強度分布を均一化して露光装置本体の光取入口へ入射させることができる。

また、本発明の照明光学系では、レーザ光源から射出された光の強度分布を均一化して露光装置本体の光取入口へ入射させる均一化ユニットを用いて、光学部材が光照射による損傷を受けにくく、高いレーザ耐性を実現することができる。また、本発明の露光装置では、例えばエキシマレーザ光源に対してレーザ耐性の高い照明光学系を用いて、所要の照明条件に基づく露光を安定的に行うことができ、ひいては良好なデバイスを安定的に製造することができる。

本発明の実施形態にかかる露光装置の全体構成を概略的に示す図である。 図１の露光装置本体の内部構成を概略的に示す図である。 本実施形態にかかる均一化ユニットの内部構成を概略的に示す図である。 均一化ユニットへの入射光束の光強度分布を模式的に示す図である。 アレイ状に配列されて個別に駆動制御される複数の微小な要素ミラーにより構成された空間光変調器の要部構成を概略的に示す図である。 半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。 液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる露光装置の全体構成を概略的に示す図である。図２は、図１の露光装置本体の内部構成を概略的に示す図である。図２では、感光性基板であるウェハＷの露光面（転写面）の法線方向に沿ってＺ軸を、ウェハＷの露光面内において図２の紙面に平行な方向にＸ軸を、ウェハＷの露光面内において図２の紙面に垂直な方向にＹ軸をそれぞれ設定している。

図１を参照すると、本実施形態の露光装置では、レーザ光源ＬＳから露光光（照明光）が供給される。レーザ光源ＬＳとして、たとえば１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源や２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源などを用いることができる。レーザ光源ＬＳは、パルスレーザ光のパルス長を伸ばすためのパルスストレッチャを備えることができる。このようなパルスストレッチャを備えたレーザ光源は、たとえば米国特許第６，６９３，９３９号公報や、特開２００８−２７７６１７号公報などに開示されている。

レーザ光源ＬＳから−Ｙ方向に沿って射出された矩形状（Ｘ方向に沿った一辺およびＺ方向に沿った他辺を有する矩形状）の断面を有する光束は、均一化ユニット１を介して、第１ミラー２ａに入射する。なお、均一化ユニット１の構成および作用については後述する。第１ミラー２ａにより＋Ｚ方向に偏向された光束は、第２ミラー２ｂにより−Ｘ方向に反射された後、第３ミラー２ｃに入射する。第３ミラー２ｃにより＋Ｚ方向に偏向された光束は、露光装置本体ＥＡの光取入口に配置された回折光学素子３に入射する。本実施形態では、Ｚ方向が鉛直方向に対応し、露光装置本体ＥＡがレーザ光源ＬＳの上階に設置されているものとする。

図２を参照すると、回折光学素子３を経た光は、アフォーカルレンズ４に入射する。アフォーカルレンズ４は、その前側焦点位置と回折光学素子３の位置とがほぼ一致し且つその後側焦点位置と図中破線で示す所定面５の位置とがほぼ一致するように設定されたアフォーカル系（無焦点光学系）である。回折光学素子３は、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。以下、説明を簡単にするために、回折光学素子３は、輪帯照明用の回折光学素子であるものとする。

輪帯照明用の回折光学素子３は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、ファーフィールド（またはフラウンホーファー回折領域）に輪帯状の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、回折光学素子３に入射したほぼ平行光束は、アフォーカルレンズ４の瞳面に輪帯状の光強度分布を形成した後、輪帯状の角度分布でアフォーカルレンズ４から射出される。アフォーカルレンズ４の前側レンズ群４ａと後側レンズ群４ｂとの間の光路中において、その瞳位置またはその近傍には、円錐アキシコン系６が配置されている。円錐アキシコン系６の構成および作用については後述する。

アフォーカルレンズ４を介した光は、σ値（σ値＝照明光学系のマスク側開口数／投影光学系のマスク側開口数）可変用のズームレンズ７を介して、オプティカルインテグレータとしてのマイクロフライアイレンズ（またはフライアイレンズ）８に入射する。マイクロフライアイレンズ８は、例えば縦横に且つ稠密に配列された多数の正屈折力を有する微小レンズからなる光学素子であって、平行平面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ている。

マイクロフライアイレンズを構成する各微小レンズは、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。また、マイクロフライアイレンズは、互いに隔絶されたレンズエレメントからなるフライアイレンズとは異なり、多数の微小レンズ（微小屈折面）が互いに隔絶されることなく一体的に形成されている。しかしながら、正屈折力を有するレンズ要素が縦横に配置されている点でマイクロフライアイレンズはフライアイレンズと同じ波面分割型のオプティカルインテグレータである。なお、マイクロフライアイレンズ８として、例えばシリンドリカルマイクロフライアイレンズを用いることもできる。シリンドリカルマイクロフライアイレンズの構成および作用は、例えば米国特許第６９１３３７３号公報に開示されている。

所定面５の位置はズームレンズ７の前側焦点位置またはその近傍に配置され、マイクロフライアイレンズ８の入射面はズームレンズ７の後側焦点位置またはその近傍に配置されている。換言すると、ズームレンズ７は、所定面５とマイクロフライアイレンズ８の入射面とを実質的にフーリエ変換の関係に配置し、ひいてはアフォーカルレンズ４の瞳面とマイクロフライアイレンズ８の入射面とを光学的にほぼ共役に配置している。

したがって、マイクロフライアイレンズ８の入射面上には、アフォーカルレンズ４の瞳面と同様に、たとえば光軸ＡＸを中心とした輪帯状の照野が形成される。この輪帯状の照野の全体形状は、ズームレンズ７の焦点距離に依存して相似的に変化する。マイクロフライアイレンズ８に入射した光束は二次元的に分割され、その後側焦点面またはその近傍の位置には、マイクロフライアイレンズ８の入射面に形成される照野とほぼ同じ光強度分布を有する二次光源、すなわち光軸ＡＸを中心とした輪帯状の実質的な面光源からなる二次光源（瞳強度分布）が形成される。

マイクロフライアイレンズ８の後側焦点面またはその近傍には、必要に応じて、輪帯状の二次光源に対応した輪帯状の開口部（光透過部）を有する照明開口絞り９が配置されている。照明開口絞り９は、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ大きさおよび形状の異なる開口部を有する複数の開口絞りと切り換え可能に構成されている。開口絞りの切り換え方式として、たとえば周知のターレット方式やスライド方式などを用いることができる。照明開口絞り９は、投影光学系ＰＬの入射瞳面と光学的にほぼ共役な位置に配置され、二次光源の照明に寄与する範囲を規定する。

マイクロフライアイレンズ８および照明開口絞り９を経た光は、コンデンサー光学系１０を介して、マスクブラインド１１を重畳的に照明する。こうして、照明視野絞りとしてのマスクブラインド１１には、マイクロフライアイレンズ８の微小レンズの形状と焦点距離とに応じた矩形状の照野が形成される。マスクブラインド１１の矩形状の開口部（光透過部）を経た光は、前側レンズ群１２ａと後側レンズ群１２ｂとからなる結像光学系１２を介して、所定のパターンが形成されたマスクＭを重畳的に照明する。すなわち、結像光学系１２は、マスクブラインド１１の矩形状開口部の像をマスクＭ上に形成することになる。

マスクステージＭＳ上に保持されたマスクＭには、転写すべきパターンが形成されている。マスクＭのパターンを透過した光は、投影光学系ＰＬを介して、ウェハステージＷＳ上に保持されたウェハ（感光性基板）Ｗ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ＰＬの光軸ＡＸと直交する平面（ＸＹ平面）内においてウェハＷ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、ウェハＷの各露光領域にはマスクＭのパターンが逐次露光される。

円錐アキシコン系６は、光源側から順に、光源側に平面を向け且つマスク側に凹円錐状の屈折面を向けた第１プリズム部材６ａと、マスク側に平面を向け且つ光源側に凸円錐状の屈折面を向けた第２プリズム部材６ｂとから構成されている。そして、第１プリズム部材６ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材６ｂの凸円錐状の屈折面とは、互いに当接可能なように相補的に形成されている。また、第１プリズム部材６ａおよび第２プリズム部材６ｂのうち少なくとも一方の部材が光軸ＡＸに沿って移動可能に構成され、第１プリズム部材６ａと第２プリズム部材６ｂとの間隔が可変に構成されている。

ここで、第１プリズム部材６ａと第２プリズム部材６ｂとが互いに当接している状態では、円錐アキシコン系６は平行平面板として機能し、形成される輪帯状の二次光源に及ぼす影響はない。しかしながら、第１プリズム部材６ａと第２プリズム部材６ｂとを離間させると、輪帯状の二次光源の幅（輪帯状の二次光源の外径と内径との差の１／２）を一定に保ちつつ、輪帯状の二次光源の外径（内径）が変化する。すなわち、輪帯状の二次光源の輪帯比（内径／外径）および大きさ（外径）が変化する。

ズームレンズ７は、輪帯状の二次光源の全体形状を相似的に拡大または縮小する機能を有する。たとえば、ズームレンズ７の焦点距離を最小値から所定の値へ拡大させることにより、輪帯状の二次光源の全体形状が相似的に拡大される。換言すると、ズームレンズ７の作用により、輪帯状の二次光源の輪帯比が変化することなく、その幅および大きさ（外径）がともに変化する。このように、円錐アキシコン系６およびズームレンズ７の作用により、輪帯状の二次光源の輪帯比と大きさ（外径）とを制御することができる。

本実施形態では、上述したように、マイクロフライアイレンズ８により形成される二次光源を光源として、照明光学系（１〜１２）の被照射面に配置されるマスクＭをケーラー照明する。このため、二次光源が形成される位置は投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳの位置と光学的に共役であり、二次光源の形成面を照明光学系（１〜１２）の照明瞳面と呼ぶことができる。典型的には、照明瞳面に対して被照射面（マスクＭが配置される面、または投影光学系ＰＬを含めて照明光学系と考える場合にはウェハＷが配置される面）が光学的なフーリエ変換面となる。

なお、瞳強度分布とは、照明光学系（１〜１２）の照明瞳面または当該照明瞳面と光学的に共役な面における光強度分布（輝度分布）である。マイクロフライアイレンズ８による波面分割数が比較的大きい場合、マイクロフライアイレンズ８の入射面に形成される大局的な光強度分布と、二次光源全体の大局的な光強度分布（瞳強度分布）とが高い相関を示す。このため、マイクロフライアイレンズ８の入射面および当該入射面と光学的に共役な面における光強度分布についても瞳強度分布と称することができる。

輪帯照明用の回折光学素子３に代えて、複数極照明（２極照明、４極照明、８極照明など）用の回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、複数極照明を行うことができる。複数極照明用の回折光学素子は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、ファーフィールドに複数極状（２極状、４極状、８極状など）の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、複数極照明用の回折光学素子を介した光束は、マイクロフライアイレンズ８の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした複数の所定形状（円弧状、円形状など）の照野からなる複数極状の照野を形成する。その結果、マイクロフライアイレンズ８の後側焦点面またはその近傍にも、その入射面に形成された照野と同じ複数極状の二次光源が形成される。

また、輪帯照明用の回折光学素子３に代えて、円形照明用の回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、通常の円形照明を行うことができる。円形照明用の回折光学素子は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、ファーフィールドに円形状の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、円形照明用の回折光学素子を介した光束は、マイクロフライアイレンズ８の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした円形状の照野を形成する。その結果、マイクロフライアイレンズ８の後側焦点面またはその近傍にも、その入射面に形成された照野と同じ円形状の二次光源が形成される。このような回折光学素子は、たとえば米国特許第５，８５０，３００号公報および米国特許公開第２００８／００７４７４６号公報に開示されている。また、輪帯照明用の回折光学素子３に代えて、適当な特性を有する回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、様々な形態の変形照明を行うことができる。回折光学素子３の切り換え方式として、たとえば周知のターレット方式やスライド方式などを用いることができる。

図３は、本実施形態にかかる均一化ユニットの内部構成を概略的に示す図である。図３では、均一化ユニット１と回折光学素子３との間に配置された光路折り曲げ用のミラー２ａ〜２ｃを省略し、均一化ユニット１と回折光学素子３との間の光路を照明光学系の光軸ＡＸに沿って直線状に展開している。また、図３では、直線状に延びる光軸ＡＸの方向に沿ってｙ軸を設定し、ｙ軸と直交する面内において図３の紙面に平行にｚ軸を、ｙ軸と直交する面内において図３の紙面に垂直にｘ軸を設定している。

以下、レーザ光源ＬＳから射出されて均一化ユニット１に入射する光束は、発散角が非常に小さいほぼ平行光束であって、ｘ方向に沿って長辺を有し且つｚ方向に沿って短辺を有する矩形状の断面を有するものとする。この場合、短辺方向であるｚ方向は、マスクＭ上に形成される矩形状の照明領域の短辺方向に対応し、ひいてはウェハＷ上に形成される矩形状の静止露光領域の短辺方向に対応している。すなわち、スキャン露光型の露光装置では、均一化ユニット１への入射光束の矩形状断面の短辺方向であるｚ方向は、ウェハＷの走査方向（スキャン露光に際して移動する方向）に対応している。

レーザ光源ＬＳとしてパルスストレッチャを備えていないＡｒＦエキシマレーザ光源を用いる場合、均一化ユニット１に入射する光束は、図４に模式的に示すように、その断面の短辺方向であるｚ方向に沿って強度が比較的大きく変化する光強度分布を有する。一方、図示を省略したが、均一化ユニット１への入射光束の断面の長辺方向であるｘ方向に沿った光強度分布の変化は比較的小さい。均一化ユニット１への入射光束の短辺方向に沿った光強度分布の変化が比較的大きく且つ長辺方向に沿った光強度分布の変化が比較的小さい傾向は、レーザ光源ＬＳとしてパルスストレッチャを備えたＡｒＦエキシマレーザ光源を用いる場合においても同様である。

したがって、例えばエキシマレーザ光源のようなレーザ光源ＬＳから射出された光を単なるリレー光学系により露光装置本体ＥＡまで導く構成では、露光装置本体ＥＡの光取入口に配置されて、例えば石英により形成された回折光学素子３が、光照射により部分的に損傷を受け易い。回折光学素子３が光照射による損傷を受けると、マイクロフライアイレンズ８の後側焦点面またはその近傍の照明瞳に、ひいては投影光学系ＰＬの瞳面（開口絞りＡＳの位置）に所要の瞳強度分布を安定的に形成すること、すなわち所要の照明条件を安定的に実現することができなくなる。

本実施形態では、レーザ光源ＬＳと第１ミラー２ａとの間の光路中に均一化ユニット１を付設している。均一化ユニット１は、レーザ光源ＬＳの光出力口ＬＳａの直後に配置されて、光の入射側から順に、シリンドリカルレンズアレイ１ａと、リレー光学系１ｂとを備えている。シリンドリカルレンズアレイ１ａは、入射光束の短辺方向であるｚ方向に並んで配置された複数（図３では例示的に３つ）のシリンドリカル負レンズ要素１ａａを有する。屈折光学要素としてのシリンドリカル負レンズ要素１ａａは、例えば蛍石または石英のような結晶材料により形成され、ｙｚ平面に沿って負の屈折力を有し且つｘｙ平面に沿って無屈折力である。

リレー光学系１ｂは、光の入射側に配置されてｙｚ平面に沿って負の屈折力を有し且つｘｙ平面に沿って無屈折力の第１レンズ群Ｇ１と、第１レンズ群Ｇ１の後側に配置されてｙｚ平面に沿って正の屈折力を有し且つｘｙ平面に沿って無屈折力の第２レンズ群Ｇ２とを有する。第１レンズ群Ｇ１および第２レンズ群Ｇ２は、入射光束の短辺方向であるｚ方向と光軸ＡＸ方向であるｙ方向とが張るｙｚ平面に沿って屈折力を有する複数のシリンドリカルレンズを有する。各シリンドリカルレンズは、例えば蛍石または石英により形成されている。第１レンズ群Ｇ１は光軸ＡＸに沿って移動可能に構成され、第２レンズ群Ｇ２は光軸ＡＸに沿って固定的に配置されている。

本実施形態の均一化ユニット１において、シリンドリカルレンズアレイ１ａは、レーザ光源ＬＳから入射した光束を複数の光束に波面分割する。リレー光学系１ｂは、シリンドリカルレンズアレイ１ａにより波面分割された複数の光束を、露光装置本体ＥＡの光取入口に配置された回折光学素子３において重畳させる。具体的に、シリンドリカルレンズアレイ１ａは、入射光束を複数のシリンドリカル負レンズ要素１ａａによって波面分割し、ｙｚ平面に沿った発散角がシリンドリカル負レンズ要素１ａａの焦点距離に応じて比較的大きく且つｘｙ平面に沿った発散角が非常に小さい複数の発散光束を生成する。

リレー光学系１ｂは、複数のシリンドリカル負レンズ要素１ａａを経て生成された複数の発散光束をｙｚ平面に沿ってそれぞれ集光し、これらの複数の光束を回折光学素子３の入射面において重畳するように回折光学素子３まで導く。ここで、回折光学素子３の入射面において複数の光束が完全に重畳する必要はなく、複数の光束を部分的に重畳させても良い。シリンドリカルレンズアレイ１ａとリレー光学系１ｂとの間の光路は直線状に延びており、シリンドリカルレンズアレイ１ａにより波面分割された複数の光束は偏向されることなくリレー光学系１ｂに入射する。

本実施形態の均一化ユニット１では、レーザ光源ＬＳから入射する光束の光強度分布が不均一であってｚ方向に沿って比較的大きく変化していても、波面分割素子としてのシリンドリカルレンズアレイ１ａと光重畳手段としてのリレー光学系１ｂとの協働作用により、露光装置本体ＥＡの光取入口において光強度分布の均一化された光束を得ることができる。すなわち、本実施形態の均一化ユニット１では、エキシマレーザ光源のようなレーザ光源ＬＳから射出された光の強度分布を均一化して露光装置本体ＥＡの光取入口に配置された回折光学素子３へ入射させることができる。

また、本実施形態の照明光学系（１〜１２）では、レーザ光源ＬＳから射出された光の強度分布を均一化して露光装置本体ＥＡの光取入口に配置された回折光学素子３へ入射させる均一化ユニット１を用いて、回折光学素子３のような光学部材が光照射による損傷を受けにくく、高いレーザ耐性を確保することができる。具体的に、本実施形態の照明光学系（１〜１２）では、回折光学素子３の光照射による破損を回避することにより、所要の瞳強度分布を安定的に形成し、ひいては所要の照明条件を安定的に実現することができる。また、本実施形態の露光装置（１〜ＷＳ）では、例えばエキシマレーザ光源に対してレーザ耐性の高い照明光学系（１〜１２）を用いて、所要の照明条件に基づく露光を安定的に行うことができる。

特に、本実施形態では、光軸ＡＸに沿って比較的コンパクトな形態を有する均一化ユニット１がレーザ光源ＬＳの光出力口ＬＳａの直後に配置されているので、レーザ光源ＬＳと第１ミラー２ａとの間隔を小さく抑えることができ、ひいては限られた空間におけるレーザ光源ＬＳの設置について高い自由度を確保することができる。また、本実施形態では、レイアウトの変更に伴ってレーザ光源ＬＳと露光装置本体ＥＡとの間の光路長が変化しても、第１レンズ群Ｇ１を光軸ＡＸ方向に移動させてリレー光学系１ｂの焦点距離を変化させることにより、すなわちリレー光学系１ｂの焦点距離を制御することにより、露光装置本体ＥＡの光取入口において均一性の高い光強度分布を有し且つ所要の形状および大きさの断面を有する光束を得ることができる。

本実施形態では、次の条件式（１）を満足することにより、均一化ユニット１のコンパクト化を図りつつ、レーザ光源ＬＳから比較的長い光路長を隔てて配置された露光装置本体ＥＡの光取入口において複数の光束を少なくとも部分的に重畳させる構成を容易に実現することができる。条件式（１）において、Ｄ１はシリンドリカルレンズアレイ（波面分割素子）１ａとリレー光学系１ｂとの間の光軸ＡＸに沿った間隔であり、Ｄ２はリレー光学系１ｂと露光装置本体ＥＡの光取入口との間の光軸ＡＸに沿った間隔である。
Ｄ２／Ｄ１≧４ （１）

本実施形態においては、一例として、Ｄ１を０．５ｍとし、Ｄ２を２ｍとすることができる。また、別の一例として、Ｄ１を０．３ｍとし、Ｄ２を３ｍとすることができる。さらに別の一例として、Ｄ１を０．３ｍとし、Ｄ２を１５ｍとすることもできる。なお、上記の条件式（１）に代えて、Ｄ２／Ｄ１≧１０としても良い。

なお、上述の実施形態では、波面分割素子として、一方向（ｚ方向）に並んで配置された複数のシリンドリカル負レンズ要素１ａａからなるシリンドリカルレンズアレイ１ａを用いている。しかしながら、波面分割素子の構成については様々な形態が可能である。例えば、一方向に並んで配置された複数のシリンドリカル正レンズ要素からなるシリンドリカルレンズアレイを用いることもできる。ただし、この場合には、各シリンドリカル正レンズ要素を経た光束が一旦集光した後にリレー光学系に入射することになるため、シリンドリカルレンズアレイとリレー光学系との間の光軸に沿った間隔が大きくなり、ひいては上述の実施形態に比して均一化ユニットが大型化する。

また、レーザ光源から入射する光束の光強度分布が、例えば直交する二方向に沿って比較的大きく変化する場合には、一方の方向に作用する第１シリンドリカルレンズアレイと他方の方向に作用する第２シリンドリカルレンズアレイとを併用すれば良い。あるいは、波面分割素子として、曲面状（例えば球面状）の屈折面を有する複数のレンズ要素を二次元的に配置することにより構成された通常のレンズアレイを用いることもできる。

また、上述の実施形態では、リレー光学系１ｂが入射側から順に負・正の屈折力配置を有する拡大系の光学系であって、第１レンズ群Ｇ１は光軸ＡＸに沿って移動可能に構成され、第２レンズ群Ｇ２は光軸ＡＸに沿って固定的に配置されている。しかしながら、リレー光学系の構成については様々な形態が可能である。例えば、第２レンズ群Ｇ２を光軸ＡＸに沿って移動可能に構成し且つ第１レンズ群Ｇ１を光軸ＡＸに沿って固定的に配置したり、レンズ群Ｇ１およびＧ２をともに光軸ＡＸに沿って移動可能に構成したり、レンズ群Ｇ１およびＧ２をともに固定的に配置したりすることもできる。

また、入射側から順に正・負の屈折力配置を有する縮小系のリレー光学系を用いることもできる。この場合、少なくとも一方のレンズ群を光軸に沿って移動可能に構成したり、双方のレンズ群をともに固定的に配置したりすることができる。波面分割素子として一対のシリンドリカルレンズアレイまたは通常のレンズアレイを用いる場合には、リレー光学系として、一方の方向に作用する複数のシリンドリカルレンズからなる第１シリンドリカルリレー光学系と、他方の方向に作用する複数のシリンドリカルレンズからなる第２シリンドリカルリレー光学系とを併用すれば良い。あるいは、曲面状（例えば球面状）の屈折面を有する複数のレンズからなるリレー光学系を用いることもできる。

また、上述の実施形態では、露光装置本体ＥＡの光取入口に配置されて入射光を空間的に変調して射出する空間光変調素子として回折光学素子３を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、二次元的に配列されて個別に制御される複数の光学要素を有する空間光変調器を用いることもできる。すなわち、回折光学素子３に代えて、或いは回折光学素子３に加えて、たとえば図５に要部構成を概略的に示すような空間光変調器３０を用いても良い。

空間光変調器３０は、アレイ状に配列され且つ傾斜角および傾斜方向が個別に駆動制御される多数の微小な要素ミラーＳＥにより構成されて、入射光束を反射面毎の微小単位に分割して偏向させることにより、光束の断面を所望の形状または所望の大きさに変換する。このような空間光変調器を用いた照明光学系は、例えば特開２００２−３５３１０５号公報に開示されている。二次元的に配列されて個別に制御される複数のミラー要素ＳＥを有する空間光変調器３０を用いる場合、各ミラー要素ＳＥの反射膜の光照射による破損が瞳強度分布に与える影響（とりわけ光強度の均一性に与える影響）は、回折光学素子の場合よりも深刻である。

上述の実施形態では、マスクの代わりに、所定の電子データに基づいて所定パターンを形成する可変パターン形成装置を用いることができる。このような可変パターン形成装置を用いれば、パターン面が縦置きでも同期精度に及ぼす影響を最低限にできる。なお、可変パターン形成装置としては、たとえば所定の電子データに基づいて駆動される複数の反射素子を含むＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いることができる。ＤＭＤを用いた露光装置は、例えば特開２００４−３０４１３５号公報、国際特許公開第２００６／０８０２８５号パンフレットおよびこれに対応する米国特許公開第２００７／０２９６９３６号公報に開示されている。また、ＤＭＤのような非発光型の反射型空間光変調器以外に、透過型空間光変調器を用いても良く、自発光型の画像表示素子を用いても良い。なお、パターン面が横置きの場合であっても可変パターン形成装置を用いても良い。ここでは、米国特許公開第２００７／０２９６９３６号公報の教示を参照として援用する。

また、上述の実施形態では、オプティカルインテグレータとして、複数の微小レンズ面を備えた波面分割型のマイクロフライアイレンズ（フライアイレンズ）を用いたが、その代わりに、内面反射型のオプティカルインテグレータ（典型的にはロッド型インテグレータ）を用いても良い。この場合、σ可変用のズームレンズ７の後側にその前側焦点位置がズームレンズ７の後側焦点位置と一致するように集光レンズを配置し、この集光レンズの後側焦点位置またはその近傍に入射端が位置決めされるようにロッド型インテグレータを配置する。このとき、ロッド型インテグレータの射出端がマスクブラインド１１の位置になる。ロッド型インテグレータを用いる場合、このロッド型インテグレータの下流の結像光学系１２内の、投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳの位置と光学的に共役な位置を照明瞳面と呼ぶことができる。また、ロッド型インテグレータの入射面の位置には、照明瞳面の二次光源の虚像が形成されることになるため、この位置およびこの位置と光学的に共役な位置も照明瞳面と呼ぶことができる。

上述の実施形態の露光装置は、本願特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行っても良い。

次に、上述の実施形態にかかる露光装置を用いたデバイス製造方法について説明する。図６は、半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図６に示すように、半導体デバイスの製造工程では、半導体デバイスの基板となるウェハＷに金属膜を蒸着し（ステップＳ４０）、この蒸着した金属膜上に感光性材料であるフォトレジストを塗布する（ステップＳ４２）。つづいて、上述の実施形態の露光装置を用い、マスク（レチクル）Ｍに形成されたパターンをウェハＷ上の各ショット領域に転写し（ステップＳ４４：露光工程）、この転写が終了したウェハＷの現像、つまりパターンが転写されたフォトレジストの現像を行う（ステップＳ４６：現像工程）。その後、ステップＳ４６によってウェハＷの表面に生成されたレジストパターンをマスクとし、ウェハＷの表面に対してエッチング等の加工を行う（ステップＳ４８：加工工程）。

ここで、レジストパターンとは、上述の実施形態の露光装置によって転写されたパターンに対応する形状の凹凸が生成されたフォトレジスト層であって、その凹部がフォトレジスト層を貫通しているものである。ステップＳ４８では、このレジストパターンを介してウェハＷの表面の加工を行う。ステップＳ４８で行われる加工には、例えばウェハＷの表面のエッチングまたは金属膜等の成膜の少なくとも一方が含まれる。なお、ステップＳ４４では、上述の実施形態の露光装置は、フォトレジストが塗布されたウェハＷを、感光性基板つまりプレートＰとしてパターンの転写を行う。

図７は、液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図７に示すように、液晶デバイスの製造工程では、パターン形成工程（ステップＳ５０）、カラーフィルター形成工程（ステップＳ５２）、セル組立工程（ステップＳ５４）およびモジュール組立工程（ステップＳ５６）を順次行う。

ステップＳ５０のパターン形成工程では、プレートＰとしてフォトレジストが塗布されたガラス基板上に、上述の実施形態の露光装置を用いて回路パターンおよび電極パターン等の所定のパターンを形成する。このパターン形成工程には、上述の実施形態の露光装置を用いてフォトレジスト層にパターンを転写する露光工程と、パターンが転写されたプレートＰの現像、つまりガラス基板上のフォトレジスト層の現像を行い、パターンに対応する形状のフォトレジスト層を生成する現像工程と、この現像されたフォトレジスト層を介してガラス基板の表面を加工する加工工程とが含まれている。

ステップＳ５２のカラーフィルター形成工程では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応する３つのドットの組をマトリックス状に多数配列するか、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルターの組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルターを形成する。

ステップＳ５４のセル組立工程では、ステップＳ５０によって所定パターンが形成されたガラス基板と、ステップＳ５２によって形成されたカラーフィルターとを用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。具体的には、例えばガラス基板とカラーフィルターとの間に液晶を注入することで液晶パネルを形成する。ステップＳ５６のモジュール組立工程では、ステップＳ５４によって組み立てられた液晶パネルに対し、この液晶パネルの表示動作を行わせる電気回路およびバックライト等の各種部品を取り付ける。

また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。

また、上述の実施形態において、投影光学系と感光性基板との間の光路中を１．１よりも大きな屈折率を有する媒体（典型的には液体）で満たす手法、所謂液浸法を適用しても良い。この場合、投影光学系と感光性基板との間の光路中に液体を満たす手法としては、国際公開第ＷＯ９９／４９５０４号パンフレットに開示されているような局所的に液体を満たす手法や、特開平６−１２４８７３号公報に開示されているような露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動させる手法や、特開平１０−３０３１１４号公報に開示されているようなステージ上に所定深さの液体槽を形成し、その中に基板を保持する手法などを採用することができる。ここでは、国際公開第ＷＯ９９／４９５０４号パンフレット、特開平６−１２４８７３号公報および特開平１０−３０３１１４号公報の教示を参照として援用する。

また、上述の実施形態において、米国公開公報第２００６／０１７０９０１号及び第２００７／０１４６６７６号に開示されるいわゆる偏光照明方法を適用することも可能である。ここでは、米国特許公開第２００６／０１７０９０１号公報及び米国特許公開第２００７／０１４６６７６号公報の教示を参照として援用する。

また、上述の実施形態では、露光装置においてマスク（またはウェハ）を照明する照明光学系に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、マスク（またはウェハ）以外の被照射面を照明する一般的な照明光学系に対して本発明を適用することもできる。

１ 均一化ユニット
１ａ シリンドリカルレンズアレイ
１ｂ リレー光学系
３ 回折光学素子
４ アフォーカルレンズ
６ 円錐アキシコン系
７ ズームレンズ
８ マイクロフライアイレンズ（オプティカルインテグレータ）
１０ コンデンサー光学系
１１ マスクブラインド
１２ 結像光学系
ＬＳ レーザ光源
ＥＡ 露光装置本体
Ｍ マスク
ＭＳ マスクステージ
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ
ＷＳ ウェハステージ

Claims (22)

1. レーザ光源の光出力口から射出された光の強度分布を均一化して露光装置本体の光取入口へ入射させる光伝送装置であって、
   前記レーザ光源からの光束を複数の光束に波面分割する波面分割素子と、
   前記波面分割素子により波面分割された前記複数の光束を前記露光装置本体の光取入口において少なくとも部分的に重畳させるリレー光学系とを備え、
   前記波面分割素子は、並んで配置された複数のシリンドリカル負レンズ要素を有し、
   前記リレー光学系は、少なくとも１つのレンズ群が光軸方向に沿って移動可能な複数のレンズ群を有することを特徴とする光伝送装置。
   
2. 前記波面分割素子と前記リレー光学系との間の光軸に沿った間隔をＤ１とし、前記リレー光学系と前記露光装置本体の前記光取入口との間の光軸に沿った間隔をＤ２とするとき、
   Ｄ２／Ｄ１≧４
   の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光伝送装置。
3. 前記レーザ光源は、矩形状の断面を有する光束を射出し、
   前記複数のシリンドリカル負レンズ要素が配列される所定方向は、前記矩形状の断面の短辺方向に対応していることを特徴とする請求項１または２に記載の光伝送装置。
4. 前記リレー光学系は、光の入射側に配置されて負の屈折力を有する第１レンズ群と、該第１レンズ群の後側に配置されて正の屈折力を有する第２レンズ群と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項に記載の光伝送装置。
5. 前記第１レンズ群および前記第２レンズ群のうちの少なくとも一方は、光軸に沿って移動可能に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光伝送装置。
6. 前記第１レンズ群および前記第２レンズ群は、所定方向と光軸方向とが張る平面に沿って屈折力を有する複数のシリンドリカルレンズを有することを特徴とする請求項４または５に記載の光伝送装置。
7. レーザ光源の光出力口から射出された光の強度分布を均一化して露光装置本体の光取入口へ入射させる光伝送装置であって、
   前記レーザ光源からの光束を複数の光束に波面分割する波面分割素子と、
   前記波面分割素子と前記露光装置本体の光取入口との間に配置されて、複数のシリンドリカルレンズを有し負の屈折力を有する第１レンズ群と、
   該第１レンズ群と前記露光装置本体の光取入口との間に配置されて、複数のシリンドリカルレンズを有し正の屈折力を有する第２レンズ群とを有し、
   前記第１レンズ群および前記第２レンズ群のうちの少なくとも一方は、光軸に沿って移動可能に構成されていることを特徴とする光伝送装置。
   
8. 前記波面分割素子は、結晶材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光伝送装置。
9. 前記波面分割素子と前記リレー光学系との間の光路は直線状に延びていることを特徴とする請求項１乃至６および８のいずれか１項に記載の光伝送装置。
10. 前記リレー光学系は、前記露光装置本体の前記光取入口において前記複数の光束が部分的に重畳するように前記波面分割素子からの前記複数の光束を導くことを特徴とする請求項１乃至６、８および９のいずれか１項に記載の光伝送装置。
11. 被照射面を照明する照明光学系において、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光伝送装置と、
    前記露光装置本体の光取入口に配置されて、入射光を空間的に変調して射出する空間光変調素子とを備えていることを特徴とする照明光学系。
12. 前記空間光変調素子を介した光に基づいて、前記照明光学系の照明瞳に所定の光強度分布を形成する分布形成光学系をさらに備えていることを特徴とする請求項１１に記載の照明光学系。
13. 前記分布形成光学系は、オプティカルインテグレータと、該オプティカルインテグレータと前記空間光変調素子との間の光路中に配置された集光光学系とを有することを特徴とする請求項１２に記載の照明光学系。
14. 前記空間光変調素子は、回折光学素子を有することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の照明光学系。
15. 前記空間光変調素子は、二次元的に配列されて個別に制御される複数の光学要素を有する空間光変調器を備えていることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の照明光学系。
16. 所定のパターンを照明するための請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の照明光学系を備え、前記所定のパターンを感光性基板に露光することを特徴とする露光装置。
17. 前記所定のパターンの像を前記感光性基板上に形成する投影光学系を備えていることを特徴とする請求項１６に記載の露光装置。
18. 前記照明光学系の照明瞳は前記投影光学系の開口絞りと光学的に共役な位置であることを特徴とする請求項１７に記載の露光装置。
19. 前記投影光学系に対して前記所定のパターンおよび前記感光性基板を走査方向に沿って相対移動させて、前記所定のパターンを前記感光性基板へ投影露光することを特徴とする請求項１７または１８に記載の露光装置。
20. 前記波面分割素子は、所定方向に並んで配置された複数のシリンドリカル負レンズ要素を有し、
    前記波面分割素子における前記所定方向は、前記走査方向に対応していることを特徴とする請求項１９に記載の露光装置。
21. 所定のパターンおよび感光性基板を走査方向に沿って相対移動させて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光装置において、
    レーザ光源の光出力口から射出された光の強度分布を均一化して、入射光を空間的に変調して射出する空間光変調素子へ入射させる光伝送装置を備え、
    該光伝送装置は、
    前記レーザ光源からの光束を複数の光束に波面分割する波面分割素子と、
    前記波面分割素子により波面分割された前記複数の光束を前記空間光変調素子において少なくとも部分的に重畳させるリレー光学系とを備え、
    前記波面分割素子は、所定方向に並んで配置された複数のシリンドリカル負レンズ要素を有し、
    前記波面分割素子における前記所定方向は、前記走査方向に対応しており、
    前記リレー光学系は、少なくとも１つのレンズ群が光軸方向に沿って移動可能な複数のレンズ群を有することを特徴とする露光装置。
22. 請求項１６乃至２１のいずれか１項に記載の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、
    前記所定のパターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記感光性基板の表面に形成する現像工程と、
    前記マスク層を介して前記感光性基板の表面を加工する加工工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法。

Images