JP6178588B2 - 照明光学系、露光装置、デバイスの製造方法及び光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、照明光学系、露光装置、デバイスの製造方法及び光学素子に関する。

半導体デバイスや液晶表示装置などの製造工程であるリソグラフィ工程では、マスク（レチクル）のパターンを、投影光学系を介して、基板（表面にレジスト（感光剤）層が形成されたウエハやガラスプレート）に転写する露光装置が使用されている。

例えば、液晶表示装置のリソグラフィ工程では、マスク上の面積がより大きなパターンを基板に一括露光する露光装置が要求されている。かかる要求に対応するために、高解像力が得られ、且つ、大画面を露光することができるステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置が提案されている（特許文献１参照）。走査型露光装置は、スリット形状の光（スリット光）で照明されたパターンを、投影光学系を介して、マスクと基板とを走査（スキャン）しながら、基板に転写する。

特許文献１には、円弧形状の露光領域をスキャンさせて基板を一括露光する露光装置が開示されている。特許文献１では、投影光学系をミラーで構成しているため、色収差が発生しない。従って、互いに異なる複数の波長の光を用いて基板を露光する場合でも、良好な光学性能を達成することが可能である。

ここで、露光装置の解像力ＲＰは、露光光の波長（露光波長）λ、投影光学系の開口数ＮＡを用いて、以下の式（１）で表されるレーリーの式で与えられる。但し、ｋ_１は、現像プロセスなどによって定まる定数（プロセス定数）であって、解像の難易度を表す無次元量である。

ＲＰ＝ｋ_１×（λ／ＮＡ） ・・・（１）
式（１）を参照するに、解像力ＲＰが小さいほど、微細な露光が可能になる。また、解像力ＲＰを小さくするためには、投影光学系の開口数ＮＡを大きくすればよいことがわかる。

一方、露光装置の焦点深度ＤＯＦは、以下の式（２）で表される。但し、ｋ_２は、レジストの材料の種類やマスクを照明する光の入射角度分布（以下、「有効光源」と称する）などによって変化する定数であって、ｋ_１と同様に無次元量である。

ＤＯＦ＝ｋ_２×（λ／ＮＡ^２） ・・・（２）
式（２）を参照するに、投影光学系の開口数ＮＡを大きくすると、上述したように、解像力ＲＰは小さくなるが、焦点深度ＤＯＦも小さくなる。露光装置におけるステージの平坦度、基板の平坦度、レジストの塗布分布の均一度、光学系の像面湾曲などの精度を向上させることで、焦点深度ＤＯＦの拡大を図っているが、これらの向上は頭打ちになっているため、大幅な改善は期待できない。

そこで、焦点深度ＤＯＦを拡大するために、マスクのパターンに応じて、最適な照明条件、即ち、有効光源を用いる変形照明技術が提案されている（特許文献１及び２参照）。

特開２００１−３５８０７１号公報 国際公開第９９／２５００９号

しかしながら、特許文献１に開示された照明光学系で用いられている有効光源においては、中心から径方向に向かって、場所によって光量分布が不均一になる。このような光量分布の不均一性は、同一仕様の露光装置間でばらつくことが予想され、また、光源にも依存する。例えば、消耗品である高圧水銀ランプなどを光源に用いる場合、ランプを交換するたびに、光量分布の不均一性、即ち、有効光源が変化してしまう。有効光源の変化は露光装置の結像性能に影響を与えるため、有効光源における光量分布には、均一で安定していることが要求される。

一方、特許文献２には、反射鏡を用いた照明光学系が開示されている。かかる照明光学系では、反射鏡を用いたインテグレータで光を均一化しているが、特許文献２に開示されたインテグレータのうち、円形形状のインテグレータでは、光量分布が均一化されず、実際には、中心から外に向けて、不均一な分布になってしまう。また、四角形状のインテグレータでは、光量分布は均一化されるが、光効率が低下するため、マスクを照明する照度も低下し、生産性が落ちてしまう。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、光源からの光を用いて、効率的に、且つ、均一に被照明面を照明するのに有利な照明光学系を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての照明光学系は、光源からの光で被照明面を照明する照明光学系であって、入射面と射出面との間に配置され、内側反射面と、前記内側反射面を囲む外側反射面とを含み、前記入射面から前記内側反射面と前記外側反射面との間に入射した光を前記内側反射面と前記外側反射面とで反射させながら前記射出面に導く光学素子を有し、前記光学素子の中心線に垂直な前記光学素子の断面において、前記内側反射面により形成される形状は多角形形状であり、前記外側反射面により形成される形状は円形形状であることを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、光源からの光を用いて、効率的に、且つ、均一に被照明面を照明するのに有利な照明光学系を提供することができる。

本発明の第１の実施形態における照明光学系の構成を示す概略図である。 図１に示す照明光学系の円錐プリズムの入射面及び射出面のそれぞれにおける光量分布を示す概略図である。 図１に示す照明光学系のオプティカルロッドの構成の一例を示す概略図である。 図３に示すオプティカルロッドの入射面及び射出面のそれぞれにおける光量分布を示す図である。 図１に示す照明光学系のフライアイ光学系の構成を示す図である。 図１に示す照明光学系のスリットの構成を示す概略図である。 図１に示す照明光学系のオプティカルロッドの設計例を示す図である。 図７に示すオプティカルロッドの入射面及び射出面のそれぞれにおける光量分布を示す図である。 本発明の第２の実施形態における照明光学系の構成を示す概略図である。 図９に示す照明光学系のスリットの構成を示す概略図である。 図９に示す照明光学系の開口絞りの構成を示す概略図である。 図９に示す照明光学系のオプティカルロッドの設計例を示す図である。 図１２に示すオプティカルロッドの入射面及び射出面のそれぞれにおける光量分布を示す図である。 複数の光透過部材を組み合わせて構成されたオプティカルロッドを示す図である。 図１及び図９に示す照明光学系に適用可能なオプティカルパイプの構成を示す概略図である。 本発明の第４の実施形態における露光装置の構成を示す概略図である。 本発明の第４の実施形態における照明光学系の構成を示す概略図である。 図１７に示す照明光学系の複数のオプティカルロッドの構成を示す概略図である。 図１７に示す照明光学系の複数の開口絞りの構成を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における照明光学系１００の構成を示す概略図である。照明光学系１００は、光源からの光で被照明面を照明する光学系である。照明光学系１００は、例えば、露光装置に適用され、光源からの光を、基板に転写すべきパターンが形成されたマスク（被照明面）に導く照明光学系として好適である。

照明光学系１００は、光源部１５０からの光でマスクＭを照明し、本実施形態では、第１光学系１０３と、円錐プリズム１０４と、オプティカルロッド１０５と、フライアイ光学系１０６と、第２光学系１０７と、第３光学系１０９と、スリット２１とを有する。

光源部１５０は、光源１０１と、楕円ミラー１０２とを含む。光源１０１は、本実施形態では、高圧水銀ランプで構成されているが、キセノンランプやエキシマレーザーなどで構成してもよい。楕円ミラー１０２は、光源１０１からの光を集光する。楕円ミラー１０２は、楕円の一部分に相当する形状を有し、かかる楕円の２つの焦点のうちの一方の焦点の位置と光源１０１の位置とが一致するように配置されている。

光源１０１から射出され、楕円ミラー１０２で反射された光は、楕円の２つの焦点のうちの他方の焦点の位置１５１に集光する。位置１５１を通過した光は、第１光学系１０３を介して、円錐プリズム１０４の入射面１５２に導かれる。第１光学系１０３は、円錐プリズム１０４の入射面１５２が焦点の位置１５１の光学的に共役な面となるように配置されている。円錐プリズム１０４の入射面１５２における光量分布は、光学的に共役な位置である焦点の位置１５１における光量分布とほぼ等しい。

焦点の位置１５１は楕円ミラー１０２の焦点の１つであるため、焦点の位置１５１及び円錐プリズム１０４の入射面１５２には、実質的に、光源１０１の輝度分布が形成される。円錐プリズム１０４を通過した光は、オプティカルロッド１０５の入射面１５３に入射する。

図２は、円錐プリズム１０４の入射面１５２における光量分布、及び、円錐プリズム１０４の射出面における光量分布を示す概略図である。図２に示すように、円錐プリズム１０４の入射面１５２における円形形状の光量分布ＬＤ１は、円錐プリズム１０４の射出面において、輪帯形状の光量分布ＬＤ２に変換される。

オプティカルロッド１０５は、入射面１５３と射出面１５４との間に配置され、内側反射面と、内側反射面を囲む外側反射面とを含み、入射面１５３に入射した光を内側反射面と外側反射面とで反射させながら射出面１５４に導く光学素子である。ここで、内側反射面と外側反射面とは対向しており、入射面１５３からの光は内側反射面と外側反射面との間に入射する。また、オプティカルロッド１０５は、入射面１５３と射出面１５４との間の断面において、内側反射面により形成される形状と外側反射面により形成される形状とが異なる。ここで、内側反射面の断面形状と外側反射面の断面形状とが異なるとは、その形状の大きさが異なること（即ち、相似形）を意味するものではなく、その形状が幾何学的に異なることを意味する。例えば、内側反射面により形成される形状が円形形状であり、外側反射面により形成される形状が多角形形状である場合には、内側反射面の断面形状と外側反射面の断面形状とが異なっていることになる。

オプティカルロッド１０５は、例えば、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、六角柱の光透過部材で構成され、中心線ＣＬを中心として内側反射面１２２で囲まれた円柱状の中空部ＨＬを含む。また、図３（ｂ）に示すようにオプティカルロッド１０５の中心線ＣＬ（光学素子の光軸）に対して垂直な断面において、外側反射面１２１の断面形状は六角形形状であり、内側反射面１２２の断面形状は円形形状である。ここで、図３（ａ）は、オプティカルロッド１０５の構成の一例を示す概略斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すオプティカルロッド１０５の概略断面図である。

円錐プリズム１０４で輪帯形状の光量分布に変換されてオプティカルロッド１０５の入射面１５３に入射した光は、オプティカルロッド１０５の外側反射面１２１及び内側反射面１２２で複数回反射しながらオプティカルロッド１０５の射出面１５４に導かれる。

図４（ａ）は、オプティカルロッド１０５の入射面１５３に入射した光の光量分布を示す図である。図４（ａ）では、入射面１５３における中心線ＣＬからの距離ｒに対する光の強度Ｉを１次元で表しているが、実際には、図４（ａ）に示すグラフを原点を中心として回転させた分布となる。図４（ａ）に示すように、オプティカルロッド１０５の入射面１５３に入射した光の光量分布は、ｒ方向に均一ではない。但し、オプティカルロッド１０５を通過する際に、内側反射面１２２と外側反射面１２１との間で反射されることによって、オプティカルロッド１０５の射出面１５４では、図４（ｂ）に示すように、ｒ方向に均一な光量分布が得られる。オプティカルロッド１０５の射出面１５４からの光は、フライアイ光学系１０６に入射する。

図５は、フライアイ光学系１０６の構成を示す概略図である。フライアイ光学系１０６は、図５に示すように、２つのレンズ群１３０及び１３１で構成されている。レンズ群１３０及び１３１のそれぞれは、多数の平凸レンズを平面状に配列させて構成されている。レンズ群１３０及び１３１は、それぞれを構成する各平凸レンズの焦点位置に、対となる平凸レンズが位置するように曲率面を向かい合わせて配置されている。従って、フライアイ光学系１０６の射出面１５５には、光源１０１と等価な多数の２次光源分布が形成される。

フライアイ光学系１０６の射出面１５５から射出された光は、第２光学系１０７を介して、スリット面１０８に導かれる。第２光学系１０７は、スリット面１０８が、実質的に、フライアイ光学系１０６の射出面１５５のフーリエ変換面となるように配置される。フライアイ光学系１０６の射出面１５５の位置には、多数の２次光源分布が形成されているため、スリット面１０８には、一様な光強度分布が形成される。

図６は、スリット面１０８に配置されるスリット２１の構成を示す概略図である。スリット２１は、図６に示すように、円弧形状の開口２３を有し、開口２３以外の領域に入射する光を遮光する。スリット２１（の開口２３）を通過した円弧形状の光は、第３光学系１０９を介して、マスクＭを均一に照明する。この際、マスクＭに入射する光の角度分布は、図４（ｂ）に示すオプティカルロッド１０５の射出面１５４における光量分布とほぼ等しくなる。

本実施形態の照明光学系１００によれば、輪帯形状の光量分布を有する光を、中空部ＨＬを含むオプティカルロッド１０５で均一化している。輪帯形状の光量分布を有する光は、オプティカルロッド１０５の内側反射面と外側反射面との間に入射する。これにより、輪帯形状の光を遮光することなくオプティカルロッド１０５で均一化することができる。従って、照明光学系１００は、光源部１５０からの光を遮光することなく、効率的に、且つ、均一な輪帯形状の光量分布を有する光でマスクＭを照明することができる。

以下、第１の実施形態における照明光学系１００に適用可能なオプティカルロッド１０５の具体的な設計例を説明する。

（設計例１）
図７（ａ）は、六角柱の光透過部材で構成され、内側反射面１２２Ａで囲まれた円柱状の中空部ＨＬＡを含むオプティカルロッド１０５Ａを示す概略斜視図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すオプティカルロッド１０５Ａの概略断面図である。オプティカルロッド１０５Ａの中心線に対して垂直な断面において、外側反射面１２１Ａの断面形状は六角形形状であり、内側反射面１２２Ａの断面形状は円形形状である。

図７（ｂ）に示す座標系において、オプティカルロッド１０５Ａの光透過部材の領域は、以下の式（３）で示す不等式で表すことができる。また、オプティカルロッド１０５Ａの長さは、４００ｍｍである。
｜ｙ｜≦３５ ［ｍｍ］
√３｜ｘ｜＋｜ｙ｜≦７０ ［ｍｍ］ ・・・（３）
ｘ^２＋ｙ^２≧（３５／２）^２ ［ｍｍ］
オプティカルロッド１０５Ａの入射面における光量分布を図８（ａ）に示し、オプティカルロッド１０５Ａの射出面における光量分布を図８（ｂ）に示す。

（設計例２）
図７（ｃ）は、八角柱の光透過部材で構成され、内側反射面１２２Ｂで囲まれた円柱状の中空部ＨＬＢを含むオプティカルロッド１０５Ｂを示す概略斜視図である。図７（ｄ）は、図７（ｃ）に示すオプティカルロッド１０５Ｂの概略断面図である。オプティカルロッド１０５Ｂの中心線に対して垂直な断面において、外側反射面１２１Ｂの断面形状は八角形形状であり、内側反射面１２２Ｂの断面形状は円形形状である。

図７（ｄ）に示す座標系において、オプティカルロッド１０５Ｂの光透過部材の領域は、以下の式（４）で示す不等式で表すことができる。また、オプティカルロッド１０５Ｂの長さは、６００ｍｍである。
｜ｘ｜≦３５ ［ｍｍ］， ｜ｙ｜≦３５ ［ｍｍ］
｜ｘ｜＋｜ｙ｜≦３５√２ ［ｍｍ］ ・・・（４）
ｘ^２＋ｙ^２≧（３５／２）^２ ［ｍｍ］
オプティカルロッド１０５Ｂの入射面における光量分布を図８（ａ）に示し、オプティカルロッド１０５Ｂの射出面における光量分布を図８（ｃ）に示す。

（設計例３）
図７（ｅ）は、四角柱の光透過部材で構成され、内側反射面１２２Ｃで囲まれた円柱状の中空部ＨＬＣを含むオプティカルロッド１０５Ｃを示す概略斜視図である。図７（ｆ）は、図７（ｅ）に示すオプティカルロッド１０５Ｃの概略断面図である。オプティカルロッド１０５Ｃの中心線に対して垂直な断面において、外側反射面１２１Ｃの断面形状は四角形形状であり、内側反射面１２２Ｃの断面形状は円形形状である。

図７（ｆ）に示す座標系において、オプティカルロッド１０５Ｃの光透過部材の領域は、以下の式（５）で示す不等式で表すことができる。また、オプティカルロッド１０５Ｃの長さは、４００ｍｍである。
｜ｘ｜≦３５ ［ｍｍ］， ｜ｙ｜≦３５ ［ｍｍ］
ｘ^２＋ｙ^２≧（３５／２）^２ ［ｍｍ］ ・・・（５）
オプティカルロッド１０５Ｃの入射面における光量分布を図８（ａ）に示し、オプティカルロッド１０５Ｃの射出面における光量分布を図８（ｄ）に示す。

＜第２の実施形態＞
図９は、本発明の第２の実施形態における照明光学系２００の構成を示す概略図である。照明光学系２００は、複数の光源からの光で被照明面を照明する光学系である。照明光学系２００は、例えば、露光装置に適用され、光源からの光を、基板に転写すべきパターンが形成されたマスク（被照明面）に導く照明光学系として好適である。

照明光学系２００は、２つの光源部１５０からの光でマスクＭを照明する光学系である。照明光学系２００は、第１光学系２０１と、第１オプティカルロッド２０２と、第２オプティカルロッド２０３と、第２光学系２０４と、合成ミラー２０５と、第３光学系２０７とを有する。更に、照明光学系２００は、フライアイ光学系１０６と、開口絞り２０８と、第４光学系２０９と、スリット２１０と、第５光学系２１１とを有する。

光源１０１から射出され、楕円ミラー１０２で反射された光は、楕円の２つの焦点のうちの他方の焦点の位置１５１に集光する。位置１５１を通過した光は、第１光学系２０１を介して、第１オプティカルロッド２０２又は第２オプティカルロッド２０３（の入射面）に導かれる。第１光学系２０１は、第１オプティカルロッド２０２又は第２オプティカルロッド２０３の入射面が焦点の位置１５１の光学的に共役な面となるように配置されている。

第１オプティカルロッド２０２又は第２オプティカルロッド２０３を通過した光は、第２光学系２０４及び合成ミラー２０５を介して、合成面２０６に導かれる。第２光学系２０４は、合成面２０６が第１オプティカルロッド２０２及び第２オプティカルロッド２０３のそれぞれの射出面に対して光学的にフーリエ変換面となるように配置されている。

合成面２０６において合成された光は、第３光学系２０７を介して、フライアイ光学系１０６に導かれる。第３光学系２０７は、フライアイ光学系１０６の入射面が合成面２０６に対して光学的にフーリエ変換面となるように配置されている。

開口絞り２０８は、フライアイ光学系１０６の射出面の近傍に配置されている。開口絞り２０８を通過した光は、第４光学系２０９を介して、スリット２１０に導かれる。第４光学系２０９は、スリット２１０が開口絞り２０８に対して光学的にフーリエ変換面となるように配置されている。

図１０は、スリット２１０の構成を示す概略図である。スリット２１０は、図１０に示すように、矩形形状の開口２１６を有し、開口２１６以外の領域に入射する光を遮光する。スリット２１０（の開口２１６）を通過した矩形形状の光は、第５光学系２１１を介して、マスクＭを均一に照明する。

第２の実施形態における照明光学系２００の効果などについては、以下に示す設計例を通して説明する。

（設計例４）
第１オプティカルロッド２０２及び第２オプティカルロッド２０３には、図７（ａ）乃至図７（ｅ）で示したオプティカルロッド１０５Ａ乃至１０５Ｃを用いることができる。例えば、本実施形態では、第１オプティカルロッド２０２及び第２オプティカルロッド２０３として、オプティカルロッド１０５Ａを用いている。但し、第１オプティカルロッド２０２と第２オプティカルロッド２０３とで、同一種類のオプティカルロッドを用いる必要はない。

第１オプティカルロッド２０２及び第２オプティカルロッド２０３としてオプティカルロッド１０５Ａを用いる場合、図１１（ａ）に示すように、輪帯形状の開口８５を有する開口絞り２０８Ａを開口絞り２０８として用いる。

照明光学系２００は、第１オプティカルロッド２０２及び第２オプティカルロッド２０３としてオプティカルロッド１０５Ａを用いることで、開口絞り２０８Ａの開口８５を効率的に、且つ、均一に照明することができる。

（設計例５）
第１オプティカルロッド２０２及び第２オプティカルロッド２０３として用いられるオプティカルロッド１０５Ｄを図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示す。図１２（ａ）は、円柱の光透過部材で構成され、内側反射面１２２Ｄで囲まれた四角柱状の中空部ＨＬＤを含むオプティカルロッド１０５Ｄを示す概略斜視図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示すオプティカルロッド１０５Ｄの概略断面図である。オプティカルロッド１０５Ｄの中心線に対して垂直な断面において、外側反射面１２１Ｄの断面形状は円形形状であり、内側反射面１２２Ｄの断面形状は四角形形状である。

図１２（ｂ）に示す座標系において、オプティカルロッド１０５Ｄの光透過部材の領域は、以下の式（６）で示す不等式で表すことができる。また、オプティカルロッド１０５Ｄの長さは、１００ｍｍである。
｜ｘ｜≧３５／２ ［ｍｍ］， ｜ｙ｜≧３５／２ ［ｍｍ］
ｘ^２＋ｙ^２≦３５^２ ［ｍｍ］ ・・・（６）
オプティカルロッド１０５Ｄの入射面における光量分布を図１３（ａ）に示し、オプティカルロッド１０５Ｄの射出面における光量分布を図１３（ｂ）に示す。

また、第１オプティカルロッド２０２及び第２オプティカルロッド２０３としてオプティカルロッド１０５Ｄを用いる場合、図１１（ｂ）に示すように、四重極位置に開口８６を有する開口絞り２０８Ｂを開口絞り２０８として用いる。オプティカルロッド１０５Ｄは、開口絞り２０８Ｂの開口８６を均一に照明することができる。オプティカルロッド１０５Ｄを通過した光は、開口絞り２０８Ｂの開口８６（四重極位置）に集中するため、光利用効率を約３倍向上させることができる。このように、オプティカルロッド１０５Ｄと開口絞り２０８Ｂとの組み合わせは、四重極照明に有効である。

また、オプティカルロッド１０５Ｄは、図１４に示すように、複数の光透過部材１０５Ｄａ、１０５Ｄｂ、１０５Ｄｃ及び１０５Ｄｄを組み合わせて構成してもよい。このように、複数の光透過部材１０５Ｄａ乃至１０５Ｄｄを組み合わせてオプティカルロッド１０５Ｄを構成しても、その効果は変わらない。

（設計例６）
第１オプティカルロッド２０２及び第２オプティカルロッド２０３として用いられるオプティカルロッド１０５Ｅを図１２（ｃ）及び図１２（ｄ）に示す。図１２（ｃ）は、円柱の光透過部材で構成され、内側反射面１２２Ｅで囲まれた楕円柱状の中空部ＨＬＥを含むオプティカルロッド１０５Ｅを示す概略斜視図である。図１２（ｄ）は、図１２（ｃ）に示すオプティカルロッド１０５Ｅの概略断面図である。オプティカルロッド１０５Ｅの中心線に対して垂直な断面において、外側反射面１２１Ｅの断面形状は円形形状であり、内側反射面１２２Ｅの断面形状は楕円形状である。

図１２（ｄ）に示す座標系において、オプティカルロッド１０５Ｅの光透過部材の領域は、以下の式（７）で示す不等式で表すことができる。また、オプティカルロッド１０５Ｅの長さは、１００ｍｍである。
ｘ^２＋ｙ^２≦（３５／２）^２ ［ｍｍ］
（ｘ／１２．５）^２＋（ｙ／２５）^２≧１ ［ｍｍ］ ・・・（７）
オプティカルロッド１０５Ｅの入射面における光量分布を図１３（ａ）に示し、オプティカルロッド１０５Ｅの射出面における光量分布を図１３（ｃ）に示す。

また、第１オプティカルロッド２０２及び第２オプティカルロッド２０３としてオプティカルロッド１０５Ｅを用いる場合、図１１（ｃ）に示すように、二重極位置に開口８７を有する開口絞り２０８Ｃを開口絞り２０８として用いる。オプティカルロッド１０５Ｅは、開口絞り２０８Ｃの開口８７を均一に照明することができる。オプティカルロッド１０５Ｅを通過した光は、開口絞り２０８Ｃの開口８７（二重極位置）に集中するため、光利用効率を約３倍向上させることができる。このように、オプティカルロッド１０５Ｅと開口絞り２０８Ｃとの組み合わせは、二重極照明に有効である。

＜第３の実施形態＞
設計例１乃至設計例６に示すオプティカルロッド１０５Ａ乃至１０５Ｅは、それぞれ、図１５（ａ）乃至図１５（ｅ）に示すようなオプティカルパイプ５０５Ａ乃至５０５Ｅに置換することができる。オプティカルパイプ５０５Ａ乃至５０５Ｅは、内側反射面と外側反射面との間が空間で構成された（即ち、反射面で囲まれた）反射型インテグレータである。但し、オプティカルパイプは反射部材を用いるため、オプティカルパイプを通過する光の反射回数が多くなり、オプティカルロッドよりも光量のロスが大きくなる可能性がある。

オプティカルパイプ５０５Ａは、図１５（ａ）に示すように、外壁が反射部材（ミラー）で構成された円柱の部材と、かかる部材を取り囲む６枚の反射部材（平面ミラー）とを含んでいる。また、内側反射面５２２Ａと外側反射面５２１Ａとは向かい合っており、その間が空間で構成されている。オプティカルパイプ５０５Ａの中心線に対して垂直な断面において、外側反射面５２１Ａの断面形状は六角形形状であり、内側反射面５２２Ａの断面形状は円形形状である。

オプティカルパイプ５０５Ｂは、図１５（ｂ）に示すように、外壁が反射部材（ミラー）で構成された円柱の部材と、かかる部材を取り囲む８枚の反射部材（平面ミラー）とを含んでいる。また、内側反射面５２２Ｂと外側反射面５２１Ｂとは向かい合っており、その間が空間で構成されている。オプティカルパイプ５０５Ｂの中心線に対して垂直な断面において、外側反射面５２１Ｂの断面形状は八角形形状であり、内側反射面５２２Ａの断面形状は円形形状である。

オプティカルパイプ５０５Ｃは、図１５（ｃ）に示すように、外壁が反射部材（ミラー）で構成された円柱の部材と、かかる部材を取り囲む４枚の反射部材（平面ミラー）とを含んでいる。また、内側反射面５２２Ｃと外側反射面５２１Ｃとは向かい合っており、その間が空間で構成されている。オプティカルパイプ５０５Ｃの中心線に対して垂直な断面において、外側反射面５２１Ｃの断面形状は四角形形状であり、内側反射面５２２Ｃの断面形状は円形形状である。

オプティカルパイプ５０５Ｄは、図１５（ｄ）に示すように、外壁が反射部材（ミラー）で構成された四角柱の部材と、かかる部材を取り囲む反射部材（曲面ミラー）とを含んでいる。また、内側反射面５２２Ｄと外側反射面５２１Ｄとは向かい合っており、その間が空間で構成されている。オプティカルパイプ５０５Ｄの中心線に対して垂直な断面において、外側反射面５２１Ｄの断面形状は円形形状であり、内側反射面５２２Ｄの断面形状は四角形形状である。

オプティカルパイプ５０５Ｅは、図１５（ｅ）に示すように、外壁が反射部材（ミラー）で構成された楕円柱の部材と、かかる部材を取り囲む反射部材（曲面ミラー）とを含んでいる。内側反射面５２２Ｅと外側反射面５２１Ｅとは向かい合っており、その間が空間で構成されている。オプティカルパイプ５０５Ｅの中心線に対して垂直な断面において、外側反射面５２１Ｅの断面形状は円形形状であり、内側反射面５２２Ｅの断面形状は楕円形状である。

＜第４の実施形態＞
図１６は、本発明の第４の実施形態における露光装置９０の構成を示す概略図である。露光装置９０は、上述した実施形態で示された照明光学系を採用し、基板を露光するリソグラフィ装置である。

露光装置の露光方式には、レンズ又はミラーを用いてマスク（レチクル）のパターンを基板に投影するプロジェクション方式と、マスクと基板との間に微小な間隙を設けてマスクのパターンを基板に転写するプロキシミティ方式とがある。プロジェクション方式は、プロキシミティ方式と比較して、一般的に、パターンの解像性能や基板の倍率補正などの精度が高く、半導体デバイスの製造に適している。そこで、本実施形態では、露光装置９０として、ガラス基板に対して反射型の投影光学系を用いたプロジェクション方式の露光装置を説明する。

露光装置９０は、マスクＭに形成されたパターン（例えば、ＴＦＴ回路）を、レジスト（感光剤）が塗布された基板Ｐに転写する。露光装置９０は、光源９１からの光でマスクＭを照明する照明光学系９９と、マスクＭを保持して移動するマスクステージ９４と、投影光学系９５と、基板Ｐを保持して移動する基板ステージ９６と、制御部９８とを有する。また、照明光学系９９は、光源９１からの光を導入する第１光学系９２と、第１光学系９２からの光をマスクＭに導く第２光学系９３とを含む。

露光装置９０において、照明光学系９９、詳細には、第１光学系９２には、上述した実施形態で示された照明光学系１００又は２００が採用される。第２光学系９３は、第１光学系９２の被照明面とマスクＭ（の表面）とを略共役な関係に維持する光学系である。従って、第１光学系９２が被照明面を均一に照明することで、第２光学系９３を介して、マスクＭを均一に、且つ、第１光学系９２による照明形状と同じ形状で照明することができる。

マスクステージ９４は、マスクＭを保持しながらＸＹ方向に移動可能なステージ装置である。投影光学系９５は、光の偏光特性を変化させる反射ミラー９７を含み、マスクＭの被照明領域に形成されたパターンからの光を基板Ｐに結像させる。基板ステージ９６は、基板Ｐを保持しながらＸＹＺの３次元方向に移動可能なステージ装置である。制御部９８は、ＣＰＵやメモリなどを含み、露光装置９０の全体（動作）を制御する。

露光において、光源９１からの光は、照明光学系９９（第１光学系９２及び第２光学系９３）を介してマスクＭを照明する。マスクＭのパターンは、投影光学系９５を介して、基板Ｐに投影される。本実施形態の露光装置９０においては、上述したように、光源９１からの光を用いて、効率的に、且つ、均一にマスクＭを照明するのに有利な照明光学系９９（照明光学系１００又は２００）を採用している。従って、露光装置９０は、安定した露光性能を実現し、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体デバイス、液晶表示デバイス、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）など）を提供することができる。

また、照明光学系９９、詳細には、第１光学系９２には、図１７に示すような照明光学系３００を採用してもよい。図１７は、本発明の第４の実施形態における照明光学系３００の構成を示す概略図である。

照明光学系３００は、光源部１５０からの光でマスクＭを照明する。照明光学系３００は、第１光学系１０３と、円錐プリズム１０４と、複数のオプティカルロッド１１０及び１１１と、フライアイ光学系１０６と、複数の開口絞り１１２及び１１３と、第２光学系１０７と、第３光学系１０９と、スリット２１とを有する。

オプティカルロッド１１０とオプティカルロッド１１１とは、照明光学系３００の光路に対して切り替え可能に配置される。例えば、オプティカルロッド１１０は、図１８（ａ）に示すように、六角柱の光透過部材で構成され、オプティカルロッド１１１は、図１８（ｂ）に示すように、オプティカルロッド１０５（図３（ａ）及び図３（ｂ））と同様に構成される。

開口絞り１１２と開口絞り１１３とは、照明光学系３００の光路に対して切り替え可能に配置される。開口絞り１１２は、オプティカルロッド１１０に対応して（即ち、オプティカルロッド１１０が照明光学系３００の光路に配置された場合に）照明光学系３００の光路に配置される。開口絞り１１２は、図１９（ａ）に示すように、円形形状の開口１１４を有し、開口１１４以外の領域に入射する光を遮光する。開口絞り１１３は、オプティカルロッド１１１に対応して（即ち、オプティカルロッド１１１が照明光学系３００の光路に配置された場合に）照明光学系３００の光路に配置される。開口絞り１１３は、図１９（ｂ）に示すように、輪帯形状の開口１１５を有し、開口１１５以外の領域に入射する光を遮光する。

露光装置９０においては、例えば、初期状態では、オプティカルロッド１１０と開口絞り１１２とが照明光学系３００の光路に配置されている。そして、有効光源の形状を輪帯形状にする際に、オプティカルロッド１１０をオプティカルロッド１１１に切り替え、開口絞り１１２を開口絞り１１３に切り替える。このようなオプティカルロッドや開口絞りの切り替えは、制御部９８によって制御される。

照明光学系３００によれば、マスクＭのパターンに応じて、照明光学系３００におけるオプティカルロッド及び開口絞りを切り替えることができるため、マスクＭに適した有効光源によって、効率的に、且つ、均一にマスクＭを照明することができる。なお、オプティカルロッド及び開口絞りの数は、２つに限定されるものではなく、３つ以上のオプティカルロッド及び開口絞りを切り替え可能な構成にしてもよい。

また、上述した実施形態で説明されたオプティカルロッド１０５Ａ乃至１０５Ｅやオプティカルパイプ５０５Ａ乃至５０５Ｅなどを切り替え可能に構成してもよい。換言すれば、外側反射面の断面形状と内側反射面の断面形状との組み合わせが互いに異なる複数のオプティカルロッド（又はオプティカルパイプ）と、それらのそれぞれに対応する複数の開口絞りとを切り替え可能に構成してもよい。この際、制御部９８は、マスクＭのパターンに応じて、複数のオプティカルロッド（又はオプティカルパイプ）及び複数の開口絞りから、照明光学系の光路に配置するオプティカルロッド（又はオプティカルパイプ）及び開口絞りを選択する選択部として機能する。

＜第５の実施形態＞
本実施形態に係るデバイスの製造方法は、例えば、半導体デバイス、液晶表示デバイス、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）などを製造するのに好適である。かかるデバイスの製造方法は、露光装置９０を用いてレジスト（感光剤）が塗布された基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、露光された基板を現像する工程と、その他の周知の工程と、を経ることによって製造される。本実施形態のデバイスの製造方法は、従来の方法に比べて、デバイスの性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims (19)

1. 光源からの光で被照明面を照明する照明光学系であって、
   入射面と射出面との間に配置され、内側反射面と、前記内側反射面を囲む外側反射面とを含み、前記入射面から前記内側反射面と前記外側反射面との間に入射した光を前記内側反射面と前記外側反射面とで反射させながら前記射出面に導く光学素子を有し、
   前記光学素子の中心線に垂直な前記光学素子の断面において、前記内側反射面により形成される形状は多角形形状であり、前記外側反射面により形成される形状は円形形状であることを特徴とする照明光学系。
2. 前記内側反射面により形成される形状は四角形形状であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 光源からの光で被照明面を照明する照明光学系であって、
   入射面と射出面との間に配置され、内側反射面と、前記内側反射面を囲む外側反射面とを含み、前記入射面から前記内側反射面と前記外側反射面との間に入射した光を前記内側反射面と前記外側反射面とで反射させながら前記射出面に導く光学素子を有し、
   前記光学素子の中心線に垂直な前記光学素子の断面において、前記外側反射面により形成される形状は多角形形状であり、前記内側反射面により形成される形状は円形形状であることを特徴とする照明光学系。
4. 前記外側反射面により形成される形状は六角形形状であることを特徴とする請求項３に記載の照明光学系。
5. 光源からの光で被照明面を照明する照明光学系であって、
   入射面と射出面との間に配置され、内側反射面と、前記内側反射面を囲む外側反射面とを含み、前記入射面から前記内側反射面と前記外側反射面との間に入射した光を前記内側反射面と前記外側反射面とで反射させながら前記射出面に導く光学素子を有し、
   前記光学素子の中心線に垂直な前記光学素子の断面において、前記外側反射面により形成される形状は円形形状であり、前記内側反射面により形成される形状は楕円形状であることを特徴とする照明光学系。
6. 前記光学素子は、前記内側反射面で囲まれた中空部を含み、前記内側反射面と前記外側反射面との間が光透過部材で構成されたオプティカルロッドであることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の照明光学系。
7. 前記光学素子は、前記内側反射面と前記外側反射面との間が空間で構成されたオプティカルパイプであることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の照明光学系。
8. 前記オプティカルロッドは、複数の光透過部材を組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項６に記載の照明光学系。
9. 前記内側反射面は、１つの連続している面を形成し、
   前記内側反射面と前記外側反射面との間には、１つの連続している空間が形成されることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の照明光学系。
10. マスクのパターンを基板に転写する露光装置であって、
    前記マスクを照明する請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の照明光学系と、
    前記パターンを前記基板に投影する投影光学系と、
    を有することを特徴とする露光装置。
11. 前記照明光学系は、前記外側反射面により形成される形状と前記内側反射面により形成される形状との組み合わせが互いに異なる複数の光学素子を有し、
    前記露光装置は、前記マスクのパターンに応じて、前記複数の光学素子から、前記照明光学系の光路に配置する光学素子を選択する選択部を有することを特徴とする請求項１０に記載の露光装置。
12. 前記照明光学系は、前記複数の光学素子のそれぞれに対応する複数の開口絞りを有し、
    前記選択部は、前記照明光学系の光路に配置された光学素子に応じて、前記複数の開口絞りから、前記照明光学系の光路に配置する開口絞りを選択することを特徴とする請求項１１に記載の露光装置。
13. 請求項１０乃至１２のうちいずれか１項に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
    露光した前記基板を現像する工程と、
    を有することを特徴とするデバイスの製造方法。
14. 入射面に入射した光を射出面に導く光学素子であって、
    前記入射面と前記射出面との間に配置され、内側反射面と、前記内側反射面を囲む外側反射面とを含み、前記入射面から前記内側反射面と前記外側反射面との間に入射した光を前記内側反射面と前記外側反射面とで反射させながら前記射出面に導き、
    前記光学素子の中心線に垂直な前記光学素子の断面において、前記内側反射面により形成される形状は多角形形状であり、前記外側反射面により形成される形状は円形形状であることを特徴とする光学素子。
15. 入射面に入射した光を射出面に導く光学素子であって、
    前記入射面と前記射出面との間に配置され、内側反射面と、前記内側反射面を囲む外側反射面とを含み、前記入射面から前記内側反射面と前記外側反射面との間に入射した光を前記内側反射面と前記外側反射面とで反射させながら前記射出面に導き、
    前記光学素子の中心線に垂直な前記光学素子の断面において、前記外側反射面により形成される形状は多角形形状であり、前記内側反射面により形成される形状は円形形状であることを特徴とする光学素子。
16. 入射面に入射した光を射出面に導く光学素子であって、
    前記入射面と前記射出面との間に配置され、内側反射面と、前記内側反射面を囲む外側反射面とを含み、前記入射面から前記内側反射面と前記外側反射面との間に入射した光を前記内側反射面と前記外側反射面とで反射させながら前記射出面に導き、
    前記光学素子の中心線に垂直な前記光学素子の断面において、前記外側反射面により形成される形状は円形形状であり、前記内側反射面により形成される形状は楕円形状であることを特徴とする光学素子。
17. 前記内側反射面で囲まれた中空部を含み、前記内側反射面と前記外側反射面との間が光透過部材で構成されていることを特徴とする請求項１４乃至１６のうちいずれか１項に記載の光学素子。
18. 前記内側反射面と前記外側反射面との間が空間で構成されていることを特徴とする請求項１４乃至１６のうちいずれか１項に記載の光学素子。
19. 前記内側反射面は、１つの連続している面を形成し、
    前記内側反射面と前記外側反射面との間には、１つの連続している空間が形成されることを特徴とする請求項１４乃至１６のうちいずれか１項に記載の光学素子。