JP6183635B2 - オプティカルインテグレータ、照明ユニット、伝送光学系、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、オプティカルインテグレータ、照明ユニット、伝送光学系、照明光学系、露光装置、およびデバイス製造方法に関する。

半導体素子等のデバイスの製造に用いられる露光装置では、光源から射出された光が、オプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズを介して、多数の光源からなる実質的な面光源としての二次光源（一般には照明瞳における所定の光強度分布）を形成する。以下、照明瞳での光強度分布を、「瞳強度分布」という。また、照明瞳とは、照明瞳と被照射面（露光装置の場合にはマスクまたはウェハ）との間の光学系の作用によって、被照射面が照明瞳のフーリエ変換面となるような位置として定義される。

二次光源からの光は、コンデンサー光学系により集光された後、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。マスクを透過した光は投影光学系を介してウェハ上に結像し、ウェハ上にはマスクパターンが投影露光（転写）される。マスクに形成されたパターンは微細化されており、この微細パターンをウェハ上に正確に転写するにはウェ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。

従来、ズーム光学系を用いることなく瞳強度分布（ひいては照明条件）を連続的に変更することのできる照明光学系が提案されている（例えば特許文献１を参照）。この照明光学系では、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ミラー要素により構成された可動マルチミラーを用いて、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し、ひいては所望の瞳強度分布を実現している。

米国特許出願公開第２００９／０１１６０９３号明細書

従来の照明光学系では、姿勢が個別に制御される複数のミラー要素を有する空間光変調器を用いているので、瞳強度分布の変更（外形形状、光強度の分布、偏光の状態などの変更）に関する自由度は高い。しかしながら、空間光変調器へ入射する光束の強度分布が変動して、複数のミラー要素で分割された複数の光束の強度比が変化すると、所望の瞳強度分布を形成することができない。すなわち、所望の瞳強度分布を安定的に形成し、ひいては所望の結像性能を安定的に得るためには、光源の出力分布が変化してもほぼ均一な強度分布を有する光束を空間光変調器へ安定的に導くことが望まれる。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、光源の出力分布が変化してもほぼ均一な強度分布を有する光束を空間光変調器へ安定的に導くことのできる伝送光学系を提供することを目的とする。また、本発明は、光源の出力分布が変化してもほぼ均一な強度分布を有する光束を空間光変調器へ安定的に導く伝送光学系を用いて、所望の瞳強度分布を安定的に形成することのできる照明光学系を提供することを目的とする。また、本発明は、所望の瞳強度分布を安定的に形成する照明光学系を用いて、適切な照明条件のもとで微細パターンを感光性基板に転写することのできる露光装置およびデバイス製造方法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、第１形態では、並列的に配置された複数の波面分割要素を備えたオプティカルインテグレータにおいて、
前記オプティカルインテグレータの光軸と直交する平面における第１方向に関して正の屈折力を有し且つ前記平面において前記第１方向と交差する第２方向に関して正の屈折力を有する第１光学部材と、
前記第１光学部材よりも後側に配置されて前記第１方向に関して負の屈折力を有する第２光学部材と、
前記第１光学部材よりも後側に配置されて前記第１方向に関して正の屈折力を有し且つ前記第２方向に関して正の屈折力を有する第３光学部材とを備え、
前記オプティカルインテグレータの前記第１方向に関する焦点距離は、前記第２方向に関する焦点距離よりも大きいことを特徴とするオプティカルインテグレータを提供する。

第２形態では、並列的に配置された複数の波面分割要素を備えたオプティカルインテグレータにおいて、
前記オプティカルインテグレータは、該オプティカルインテグレータの光軸と直交する平面における第１方向に関する空間的コヒーレンシーの方が前記平面において前記第１方向と交差する第２方向に関する空間的コヒーレンシーよりも大きい光束が入射するように配置され、
前記オプティカルインテグレータの前記第１方向に関する焦点距離は、前記第２方向に関する焦点距離よりも大きいことを特徴とするオプティカルインテグレータを提供する。

第３形態では、第１形態または第２形態のオプティカルインテグレータと、
前記オプティカルインテグレータにより波面分割された複数の光束を所定面上で少なくとも部分的に重畳させるコンデンサー光学系とを備えていることを特徴とする照明ユニットを提供する。

第４形態では、光源からの光により被照射面を照明する照明光学系であって該照明光学系の照明瞳に瞳強度分布を形成するために入射光に角度分布を付与する作用面を持つ照明光学系の光路中に配置されて、前記光源からの光を前記作用面まで導く伝送光学系において、
第１形態または第２形態のオプティカルインテグレータと、
前記オプティカルインテグレータにより波面分割された複数の光束を前記作用面上で少なくとも部分的に重畳させるコンデンサー光学系とを備えていることを特徴とする伝送光学系を提供する。

第５形態では、光源からの光により被照射面を照明する照明光学系において、
第４形態の伝送光学系と、
前記作用面に沿って配列されて個別に制御される複数の光学要素を有し、入射光を空間的に変調して射出する空間光変調器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。

第６形態では、所定のパターンを照明するための第５形態の照明光学系を備え、前記所定のパターンを基板に露光することを特徴とする露光装置を提供する。

第７形態では、第６形態の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記基板に露光することと、
前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、
前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、を含むことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。

本発明の伝送光学系では、光源の出力分布が変化してもほぼ均一な強度分布を有する光束を空間光変調器へ安定的に導くことができる。本発明の照明光学系では、光源の出力分布が変化してもほぼ均一な強度分布を有する光束を空間光変調器へ安定的に導く伝送光学系を用いて、所望の瞳強度分布を安定的に形成することができる。本発明の露光装置およびデバイス製造方法では、所望の瞳強度分布を安定的に形成する照明光学系を用いて、適切な照明条件のもとで微細パターンを感光性基板に転写することができる。

実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。 伝送光学系の内部構成を概略的に示す図である。 空間光変調器の構成および作用を説明する図である。 空間光変調器の要部の部分斜視図である。 伝送光学系の光路中に配置されたオプティカルインテグレータのＹＺ平面に沿った断面図である。 オプティカルインテグレータのＸＺ平面に沿った断面図である。 オプティカルインテグレータを構成する第１光学部材の入射側の面を光軸に沿って光源側から見た図である。 オプティカルインテグレータを構成する第２光学部材の入射側の面を光軸に沿って光源側から見た図である。 オプティカルインテグレータを構成する第３光学部材の射出面を光軸に沿って空間光変調器側から見た図である。 通常の設計にしたがう比較例における不都合を説明する第１の図である。 通常の設計にしたがう比較例における不都合を説明する第２の図である。 本実施形態にかかるオプティカルインテグレータの作用効果を説明する図である。 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。

以下、実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は、実施形態にかかる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ェハＷの転写面（露光面）の法線方向に沿ってＺ軸を、ウェハＷの転写面内において図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、ウェハＷの転写面内において図１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。

図１を参照すると、本実施形態の露光装置では、光源ＬＳから露光光（照明光）が供給される。光源ＬＳとして、たとえば１９３ｎｍの波長のパルス光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源や、２４８ｎｍの波長のパルス光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源などを用いることができる。光源ＬＳは、露光装置本体ＥＸが収容されている筐体とは異なる筐体内に収容されている。光源ＬＳから−Ｙ方向に射出された光は、伝送光学系１を介して、露光装置本体ＥＸ内の空間光変調器２に入射する。

空間光変調器２は、後述するように、所定面内に配列されて個別に制御される複数のミラー要素と、露光装置の動作を統括的に制御する制御系ＣＲからの制御信号に基づいて複数のミラー要素の姿勢を個別に制御駆動する駆動部とを有する。空間光変調器２の複数のミラー要素の配列面（以下、「空間光変調器の配列面」という）は、伝送光学系１を含む照明光学系（１〜７）の照明瞳に瞳強度分布を形成するために入射光に角度分布を付与する作用面として機能する。

伝送光学系１は、図２に示すように、光源ＬＳからの光の入射順に、光路折曲げミラー１１、オプティカルインテグレータ１２、リレー光学系１３、およびビームスプリッター１４を備えている。光路折曲げミラー１１で＋Ｚ方向へ反射された光は、光軸ＡＸの方向に間隔を隔てて配置された３つの光学部材２１，２２および２３からなる波面分割型のオプティカルインテグレータ１２に入射する。オプティカルインテグレータ１２は、後述するように、ＸＹ平面に沿って並列配置された複数の波面分割要素により構成されている。オプティカルインテグレータ１２の具体的な構成および作用については後述する。

オプティカルインテグレータ１２に入射した光束は、複数の波面分割要素により二次元的に分割され、オプティカルインテグレータ１２の後側焦点位置またはその近傍に複数の小光源を形成する。オプティカルインテグレータ１２により形成された複数の小光源からの光は、前側レンズ群１３ａと後側レンズ群１３ｂとからなるリレー光学系１３を介して、空間光変調器２の配列面（作用面）を重畳的に照明する。光源ＬＳとして、１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源を用いる場合、オプティカルインテグレータ１２を構成する３つの光学部材２１〜２３を例えば蛍石により形成しても良い。

オプティカルインテグレータ１２およびリレー光学系１３を経た光は、ビームスプリッター１４に入射する。ビームスプリッター１４を透過した光は、上述したように、空間光変調器２に入射する。ビームスプリッター１４で反射された光、すなわちビームスプリッター１４により照明光路から取り出された光は、ビームモニター１５に入射する。ビームモニター１５は、照明光路から取り出された光に基づいて、空間光変調器２へ入射する光の配列面内の位置、空間光変調器２へ入射する光の配列面に対する角度、および空間光変調器２の配列面における光強度分布を計測する。

ビームモニター１５の計測結果は、制御系ＣＲへ供給される。制御系ＣＲは、ビームモニター１５の出力に基づいて、伝送光学系１および空間光変調器２を制御する。ビームモニター１５は、位置モニター１５ａと、角度モニター１５ｂと、強度分布モニター１５ｃとを備えている。位置モニター１５ａは、空間光変調器２の配列面における光の入射位置を計測する。角度モニター１５ｂは、空間光変調器２へ入射する光の配列面における光の入射角度を計測する。

強度分布モニター１５ｃは、空間光変調器２の配列面における光強度分布を計測する。位置モニター１５ａおよび強度分布モニター１５ｃは、空間光変調器２の配列面と光学的にほぼ共役な位置に配置された光電変換面を有する撮像部を備えている。角度モニター１５ｂは、空間光変調器２の配列面に対してほぼ光学的にフーリエ変換となる位置に配置された光電変換面を有する撮像部を備えている。ビームモニター１５の内部構成は、例えば米国特許公開第２０１１／００６９３０５号公報に開示されている。

リレー光学系１３は、オプティカルインテグレータ１２の後側焦点位置とリレー光学系１３の前側焦点位置とがほぼ一致し、且つリレー光学系１３の後側焦点位置と空間光変調器２の配列面の位置とがほぼ一致するように配置されている。その結果、オプティカルインテグレータ１２により形成された各小光源からの光は、リレー光学系１３を介してほぼ平行光となり、空間光変調器２の配列面に入射する。

再び図１を参照すると、空間光変調器２から＋Ｙ方向へ射出された光は、リレーレンズ３を介して、マイクロフライアイレンズ（またはフライアイレンズ）４に入射する。リレーレンズ３は、その前側焦点位置が空間光変調器２の配列面の近傍に位置し、且つその後側焦点位置がマイクロフライアイレンズ４の入射面の近傍に位置しており、空間光変調器２の配列面とマイクロフライアイレンズ４の入射面とを光学的にフーリエ変換の関係に設定している。したがって、空間光変調器２を経た光は、後述するように、複数のミラー要素の姿勢に応じた光強度となるようにマイクロフライアイレンズ４の入射面に可変的に分布する。

マイクロフライアイレンズ４は、たと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り、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では、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、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。

マイクロフライアイレンズ４における単位波面分割面としての矩形状の微小屈折面は、マスクＭ上において形成すべき照野の形状（ひいてはウェハＷ上において形成すべき露光領域の形状）と相似な矩形状である。なお、マイクロフライアイレンズ４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号明細書に開示されている。

第２の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４に入射した光束は多数の微小レンズにより二次元的に分割され、その後側焦点面またはその近傍の照明瞳には、入射面に形成される光強度分布とほぼ同じ光強度分布を有する二次光源（多数の小光源からなる実質的な面光源：瞳強度分布）が形成される。マイクロフライアイレンズ４の直後の照明瞳に形成された二次光源からの光は、コンデンサー光学系５を介して、マスクブラインド６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６には、マイクロフライアイレンズ４の矩形状の微小屈折面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。なお、マイクロフライアイレンズ４の後側焦点面またはその近傍に、すなわち後述する投影光学系ＰＬの入射瞳面と光学的にほぼ共役な位置に、二次光源に対応した形状の開口部（光透過部）を有する照明開口絞りを配置してもよい。

マスクブラインド６の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系７の集光作用を受け、且つ結像光学系７の光路中に配置された光路折曲げミラーにより−Ｚ方向へ反射された後、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７は、マスクブラインド６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を透過した光束は、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）内においてウェハステージＷＳを二次元的に駆動制御しながら、ひいてはウェハ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のパターンが順次露光される。

本実施形態の露光装置は、伝送光学系１を含む照明光学系（１〜７）を介した光に基づいて照明光学系の射出瞳面における瞳強度分布を計測する第１瞳強度分布計測部ＤＴｒと、投影光学系ＰＬを介した光に基づいて投影光学系ＰＬの瞳面（投影光学系ＰＬの射出瞳面）における瞳強度分布を計測する第２瞳強度分布計測部ＤＴｗと、第１および第２瞳強度分布計測部ＤＴｒ，ＤＴｗのうちの少なくとも一方の計測結果に基づいて空間光変調器２を制御し且つ露光装置の動作を統括的に制御する制御系ＣＲとを備えている。

第１瞳強度分布計測部ＤＴｒは、例えば照明光学系の射出瞳位置と光学的に共役な位置に配置された光電変換面を有する撮像部を備え、照明光学系による被照射面上の各点に関する瞳強度分布（各点に入射する光が照明光学系の射出瞳位置に形成する瞳強度分布）を計測する。また、第２瞳強度分布計測部ＤＴｗは、例えば投影光学系ＰＬの瞳位置と光学的に共役な位置に配置された光電変換面を有する撮像部を備え、投影光学系ＰＬの像面の各点に関する瞳強度分布（各点に入射する光が投影光学系ＰＬの瞳位置に形成する瞳強度分布）を計測する。

第１および第２瞳強度分布計測部ＤＴｒ，ＤＴｗの詳細な構成および作用については、例えば米国特許公開第２００８／００３０７０７号明細書を参照することができる。また、瞳強度分布計測部として、米国特許公開第２０１０／００２０３０２号公報の開示を参照することもできる。

本実施形態では、マイクロフライアイレンズ４により形成される二次光源を光源として、照明光学系の被照射面に配置されるマスクＭ（ひいてはウェハＷ）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の照明瞳面と呼ぶことができる。また、この二次光源の形成面の像を照明光学系の射出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。瞳強度分布とは、照明光学系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４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４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４の入射面および当該入射面と光学的に共役な面も照明瞳面と呼ぶことができ、これらの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。図１の構成において、リレーレンズ３およびマイクロフライアイレンズ４は、空間光変調器２を経た光束に基づいてマイクロフライアイレンズ４の直後の照明瞳に瞳強度分布を形成する分布形成光学系を構成している。

次に、空間光変調器２の構成および作用を具体的に説明する。空間光変調器２は、図３に示すように、所定面内に配列された複数のミラー要素２ａと、複数のミラー要素２ａを保持する基盤２ｂと、基盤２ｂに接続されたケーブル（不図示）を介して複数のミラー要素２ａの姿勢を個別に制御駆動する駆動部２ｃとを備えている。図３では、空間光変調器２からマイクロフライアイレンズ４の入射面４ａまでの光路を示している。

空間光変調器２では、制御系ＣＲからの指令に基づいて作動する駆動部２ｃの作用により、複数のミラー要素２ａの姿勢がそれぞれ変化し、各ミラー要素２ａがそれぞれ所定の向きに設定される。空間光変調器２は、図４に示すように、二次元的に配列された複数の微小なミラー要素２ａを備え、入射した光に対して、その入射位置に応じた空間的な変調を可変的に付与して射出する。説明および図示を簡単にするために、図３および図４では空間光変調器２が４×４＝１６個のミラー要素２ａを備える構成例を示しているが、実際には１６個よりもはるかに多数、典型的には４０００個〜１００，０００個程度のミラー要素２ａを備えている。

図３を参照すると、空間光変調器２に入射する光線群のうち、光線Ｌ１は複数のミラー要素２ａのうちのミラー要素ＳＥａに、光線Ｌ２はミラー要素ＳＥａとは異なるミラー要素ＳＥｂにそれぞれ入射する。同様に、光線Ｌ３はミラー要素ＳＥａ，ＳＥｂとは異なるミラー要素ＳＥｃに、光線Ｌ４はミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｃとは異なるミラー要素ＳＥｄにそれぞれ入射する。ミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｄは、その位置に応じて設定された空間的な変調を光Ｌ１〜Ｌ４に与える。

空間光変調器２では、すべてのミラー要素２ａの反射面が１つの平面に沿って設定された基準状態において、伝送光学系１の光軸ＡＸと平行な方向に沿って入射した光線が、空間光変調器２で反射された後に、リレーレンズ３の光軸ＡＸと平行な方向に進むように構成されている。また、上述したように、空間光変調器２の複数のミラー要素２ａの配列面とマイクロフライアイレンズ４の入射面４ａとは、リレーレンズ３を介して光学的にフーリエ変換の関係に位置決めされている。

したがって、空間光変調器２の複数のミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｄによって反射されて所定の角度分布が与えられた光は、マイクロフライアイレンズ４の入射面４ａに所定の光強度分布ＳＰ１〜ＳＰ４を形成する。すなわち、リレーレンズ３は、空間光変調器２の複数のミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｄが射出光に与える角度を、空間光変調器２のファーフィールド（フラウンホーファー回折領域）である入射面４ａ上での位置に変換する。こうして、マイクロフライアイレンズ４が形成する二次光源の光強度分布（瞳強度分布）は、空間光変調器２およびリレーレンズ３がマイクロフライアイレンズ４の入射面４ａに形成する光強度分布に対応した分布となる。

空間光変調器２は、図４に示すように、平面状の反射面を上面にした状態で１つの平面に沿って規則的に且つ二次元的に配列された多数の微小な反射素子であるミラー要素２ａを含む可動マルチミラーである。各ミラー要素２ａは可動であり、その反射面の傾き、すなわち反射面の傾斜角および傾斜方向は、制御系ＣＲからの制御信号に基づいて作動する駆動部２ｃの作用により独立に制御される。各ミラー要素２ａは、その反射面に平行な二方向であって互いに直交する二方向を回転軸として、所望の回転角度だけ連続的或いは離散的に回転することができる。すなわち、各ミラー要素２ａの反射面の傾斜を二次元的に制御することが可能である。

各ミラー要素２ａの反射面を離散的に回転させる場合、回転角を複数の状態（例えば、・・・、−２．５度、−２．０度、・・・０度、＋０．５度・・・＋２．５度、・・・）で切り換え制御するのが良い。図４には外形が正方形状のミラー要素２ａを示しているが、ミラー要素２ａの外形形状は正方形に限定されない。ただし、光利用効率の観点から、ミラー要素２ａの隙間が少なくなるように配列可能な形状（最密充填可能な形状）とすることができる。また、光利用効率の観点から、隣り合う２つのミラー要素２ａの間隔を必要最小限に抑えることができる。

本実施形態では、空間光変調器２として、たとえば二次元的に配列された複数のミラー要素２ａの向きを連続的にそれぞれ変化させる空間光変調器を用いている。このような空間光変調器として、たとえば欧州特許公開第７７９５３０号公報、米国特許第５,８６７,３０２号公報、米国特許第６,４８０,３２０号公報、米国特許第６,６００,５９１号公報、米国特許第６,７３３,１４４号公報、米国特許第６,９００,９１５号公報、米国特許第７,０９５,５４６号公報、米国特許第７,２９５,７２６号公報、米国特許第７,４２４,３３０号公報、米国特許第７,５６７,３７５号公報、米国特許公開第２００８／０３０９９０１号公報、米国特許公開第２０１１／０１８１８５２号公報、並びに米国特許公開第２０１１／１８８０１７号公報に開示される空間光変調器を用いることができる。なお、二次元的に配列された複数のミラー要素２ａの向きを離散的に複数の段階を持つように制御してもよい。

空間光変調器２では、制御系ＣＲからの制御信号に応じて作動する駆動部２ｃの作用により、複数のミラー要素２ａの姿勢がそれぞれ変化し、各ミラー要素２ａがそれぞれ所定の向きに設定される。空間光変調器２の複数のミラー要素２ａによりそれぞれ所定の角度で反射された光は、リレーレンズ３による光学的なフーリエ変換作用により、マイクロフライアイレンズ４の入射面４ａに（照明瞳に）、ひいてはマイクロフライアイレンズ４の直後の照明瞳に、所望の瞳強度分布を形成する。

さらに、マイクロフライアイレンズ４の直後の照明瞳と光学的に共役な別の照明瞳の位置、すなわち結像光学系７の瞳位置および投影光学系ＰＬの瞳位置（開口絞りＡＳが配置されている位置）にも、所望の瞳強度分布が形成される。このように、空間光変調器２は、マイクロフライアイレンズ４の直後の照明瞳に瞳強度分布を可変的に形成する。リレーレンズ３は、空間光変調器２からの射出光束の角度方向の分布を、分布形成光学系からの射出光束の断面における位置分布に変換する。

本実施形態において、制御部ＣＲには、必要に応じて、ビームモニター１５の強度分布モニター１５ｃから、空間光変調器２の配列面における光強度分布の計測結果が供給される。この場合、制御部ＣＲは、強度分布モニター１５ｃの光強度分布に関する計測結果を随時参照し、光源ＬＳから供給される光のビームプロファイルの経時的な変動に応じて空間光変調器２を適宜制御することにより、所望の瞳強度分布を安定的に形成する。

また、制御部ＣＲは、位置モニター１５ａの出力を参照して空間光変調器２の作用面へ入射する光束の位置変動を位置調整部材により微調整し、角度モニター１５ｂの出力を参照して空間光変調器２の作用面へ入射する光束の角度変動を角度調整部材により微調整する。位置調整部材および角度調整部材として、例えばリレー光学系１３の前側レンズ群１３ａとビームスプリッター１４との間の光路中に配置された一対の電動チルトミラー（不図示）を用いることができる。

露光装置本体ＥＸ、すなわち空間光変調器２からウェハステージＷＳへ至る部分は、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ＬＳとして用いられるＡｒＦエキシマレーザ光源（またはＫｒＦ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ＬＳを露光装置本体（ＥＸ；２〜ＷＳ）からある程度離間させて配置することが多い。

一例として、光源ＬＳが設置される階の上階に露光装置本体（ＥＸ；２〜ＷＳ）を設置し、光源ＬＳの光出力口から射出された光を、伝送光学系１を介して、露光装置本体（ＥＸ；２〜ＷＳ）の光取入口に配置された空間光変調器２の配列面（作用面）まで導く場合もある。すなわち、光源ＬＳの光出力口から空間光変調器２の配列面までの光路は比較的長い。

本実施形態の伝送光学系１では、オプティカルインテグレータ１２により波面分割された複数の部分光束が、リレー光学系１３を介して、空間光変調器２の配列面（作用面）で重畳される。したがって、光源ＬＳから射出された不均一なビームプロファイルを有する光が、オプティカルインテグレータ１２の作用により強度分布の均一性が向上した光となって、空間光変調器２の配列面へ入射する。すなわち、オプティカルインテグレータ１２の平滑化作用により、空間光変調器２の各ミラー要素２ａへ入射する光束の光強度分布が均一化され、ひいては各ミラー要素２ａから射出される光束の光強度分布も均一化される。

ここで、オプティカルインテグレータ１２に入射する光束の光束断面における強度分布よりも空間光変調器２の配列面に達する光束の光束断面における強度分布の方が均一性が良い場合、配列面においてほぼ均一な強度分布であるとみなすことができる。なお、均一性の評価尺度としては、光束断面内での強度分布のＰＶ値（peak to valley value：最大値と最小値との差）、ＲＭＳ（root mean square：自乗平均平方根）、標準偏差、またはコントラスト（最大強度をＩmax、最小強度をＩminとするとき、(Ｉmax−Ｉmin)/(Ｉmax＋Ｉmin)またはＩmax/Ｉmin）などを用いることができる。

しかしながら、オプティカルインテグレータ１２を経て波面分割された複数の部分光束を空間光変調器２の配列面で重畳させると、光源の空間的コヒーレンシーが比較的高い場合、空間光変調器２の配列面上で干渉縞が発生する恐れがある。干渉縞の分布は光源ＬＳの出力分布の変化に敏感に反応するため、空間光変調器２の配列面での光束の光強度分布の均一化に悪影響を及ぼし、ひいては所望の瞳強度分布を安定的に形成することが困難になる。

上述したように、オプティカルインテグレータ１２の複数の波面分割要素を経た複数の部分光束は、空間光変調器２の配列面で重畳される。このため、互いに隣り合う２つの波面分割要素を経た部分光束は、空間光変調器２の配列面上で干渉縞を形成する。ただし、エキシマレーザ光源のような光源ＬＳでは、空間的コヒーレンシーがそれほど高くないので、互いに離れた２つの波面分割要素を経た部分光束は、空間光変調器２の配列面上で干渉縞をほとんど形成しない（すなわちコントラストの小さい干渉縞しか形成しない）。

図５は、伝送光学系の光路中に配置されたオプティカルインテグレータのＹＺ平面に沿った断面図である。図６は、オプティカルインテグレータのＸＺ平面に沿った断面図である。図７は、オプティカルインテグレータを構成する第１光学部材の入射側の面を光軸に沿って光源側から見た図である。図８は、オプティカルインテグレータを構成する第２光学部材の入射側の面を光軸に沿って光源側から見た図である。

図９は、オプティカルインテグレータを構成する第３光学部材の射出面を光軸に沿って空間光変調器側から見た図である。図５および図６を参照すると、オプティカルインテグレータ１２は、光の入射側（光源ＬＳ側）から順に、第１光学部材２１と、第２光学部材２２と、第３光学部材２３とを備えている。光学部材２１〜２３は、全体的に平行平面板の形態を有し、光軸ＡＸに沿って間隔を隔てて配置されている。

第１光学部材２１は、図５、図６および図７に示すように、複数のトーリック面状の単位的な光学面２１ａａがＸ方向およびＹ方向に沿って縦横に隣接配置された入射側の面２１ａと、光軸ＡＸ（Ｚ方向）と直交する平面状の射出面２１ｂとを有する。具体的に、光学面２１ａａは光の入射側に凸面を向けたトーリック面状であって、そのＹＺ平面における曲率とＸＺ平面における曲率とは互いに異なる。換言すれば、光学面２１ａａのＹ方向に関する屈折力（すなわちＹＺ平面における屈折力）とＸ方向に関する屈折力（すなわちＸＺ平面における屈折力）とは互いに異なる。光学面２１ａａは、図７に示すように、Ｘ方向に沿った一辺とＹ方向に沿った一辺とにより規定される矩形状の外形を有する。

第２光学部材２２は、図５、図６および図８に示すように、複数の円筒面状の単位的な光学面２２ａａがＹ方向に並んで配置された入射側の面２２ａと、光軸ＡＸと直交する平面状の射出面２２ｂとを有する。具体的に、光学面２２ａａは、光の入射側に凹面を向けた円筒面状であって、ＹＺ平面において曲率を有するが、ＸＺ平面において曲率を有しない。換言すれば、光学面２２ａａは、Ｙ方向に関して負の屈折力を有するが、Ｘ方向に関して屈折力を有しない。Ｙ方向に沿って互いに隣り合う２つの光学面２２ａａの境界線は、Ｘ方向に沿って直線状に延びている。

第３光学部材２３は、図５、図６および図９に示すように、光軸ＡＸと直交する平面状の入射側の面２３ａと、複数のトーリック面状の単位的な光学面２３ｂａがＸ方向およびＹ方向に沿って縦横に隣接配置された射出面２３ｂとを有する。具体的に、光学面２３ｂａは光の射出側（空間光変調器２側）に凸面を向けたトーリック面状であって、そのＹＺ平面における曲率とＸＺ平面における曲率とは互いに異なる。換言すれば、光学面２３ｂａのＹ方向に関する屈折力とＸ方向に関する屈折力とは互いに異なる。光学面２３ｂａは、図９に示すように、Ｘ方向に沿った一辺とＹ方向に沿った一辺とにより規定される矩形状の外形を有する。

オプティカルインテグレータ１２は、図５および図６において破線で示すように、光軸ＡＸの方向（Ｚ方向）に沿って見たときに、複数の光学面２１ａａのＸ方向に沿って直線状に延びる境界線と複数の光学面２２ａａのＸ方向に沿って直線状に延びる境界線と複数の光学面２３ｂａのＸ方向に沿って直線状に延びる境界線とが互いに重なり合い、且つ複数の光学面２１ａａのＹ方向に沿って直線状に延びる境界線と複数の光学面２３ｂａのＹ方向に沿って直線状に延びる境界線とが互いに重なり合うように構成されている。

すなわち、オプティカルインテグレータ１２では、第１光学部材２１の１つの光学面２１ａａを入射側の面とし且つ第３光学部材２３の対応する光学面２３ｂａを射出面として光軸ＡＸの方向に沿って直線的に延びる直方体状の部分が、単位的な波面分割要素を構成している。したがって、オプティカルインテグレータ１２を構成する各波面分割要素は、Ｘ方向に沿った一辺とＹ方向に沿った一辺とにより規定される矩形状の断面を有する。なお、図５〜図９では、図面の明瞭化のために、オプティカルインテグレータを構成する波面分割要素の数を実際よりも少なく表わしている。

このように、本実施形態では、オプティカルインテグレータ１２は、Ｙ方向に関して正の屈折力を有し且つＸ方向に関して正の屈折力を有する第１光学部材２１と、第１光学部材２１よりも後側（空間光変調器２側）に配置されてＹ方向に関して負の屈折力を有し且つＸ方向に関して屈折力を有しない第２光学部材２２と、第２光学部材２２よりも後側に配置されてＹ方向に関して正の屈折力を有し且つＸ方向に関して正の屈折力を有する第３光学部材２３とを備えている。換言すると、オプティカルインテグレータ１２は、Ｙ方向に関して入射側から順に正・負・正の屈折力配置を有し、Ｘ方向に関して入射側から順に正・正の屈折力配置を有する。

また、本実施形態では、オプティカルインテグレータ１２のＹ方向に関する焦点距離（すなわちＹＺ平面における焦点距離）は、Ｘ方向に関する焦点距離（すなわちＸＺ平面における焦点距離）よりも大きい。ここで、オプティカルインテグレータ１２のＹ方向に関する焦点距離は、光学面２１ａａのＹ方向に関する正の屈折力と、光学面２２ａａのＹ方向に関する負の屈折力と、光学面２３ｂａのＹ方向に関する正の屈折力と、光学面２１ａａと光学面２２ａａとの光軸ＡＸに沿った間隔と、光学面２２ａａと光学面２３ｂａとの光軸ＡＸに沿った間隔とに依存する。一方、オプティカルインテグレータ１２のＸ方向に関する焦点距離は、光学面２２ａａのＸ方向に関する正の屈折力と、光学面２３ｂａのＸ方向に関する正の屈折力と、光学面２２ａａと光学面２３ｂａとの光軸ＡＸに沿った間隔とに依存する。

本実施形態のオプティカルインテグレータ１２では、光学面２１ａａのＹ方向に関する屈折力とＸ方向に関する屈折力とが互いに異なり、光学面２３ｂａのＹ方向に関する屈折力とＸ方向に関する屈折力とが互いに異なり、且つ光学面２１ａａと光学面２３ｂａとの間の光路中にＹ方向に関して負の屈折力を有し且つＸ方向に関して屈折力を有しない光学面２２ａａが配置されている。その結果、オプティカルインテグレータ１２のＹ方向に関する後側焦点位置とＸ方向に関する後側焦点位置とを光軸ＡＸ方向に沿って互いに近づけるとともに、Ｙ方向に関する焦点距離がＸ方向に関する焦点距離よりも所要量だけ大きくなるようにオプティカルインテグレータ１２を設計することは容易である。

また、本実施形態のオプティカルインテグレータ１２では、そのＹ方向に関する後側焦点位置およびＸ方向に関する後側焦点位置が、第３光学部材２３の射出面を構成する光学面２３ｂａよりも後側（空間光変調器２側）に位置している。そして、オプティカルインテグレータ１２のＹ方向に関する後側焦点位置は、Ｘ方向に関する後側焦点位置にあるか、あるいはＸ方向に関する後側焦点位置よりも後側に位置している。この構成により、第３光学部材２３の照射エネルギによる損傷を回避することができる。一方、オプティカルインテグレータ１２のＹ方向に関する前側焦点位置およびＸ方向に関する前側焦点位置は第１光学部材２１の入射側の面を構成する光学面２１ａａの位置にある。

以下、本実施形態のオプティカルインテグレータ１２の具体的な作用の説明に先立って、通常の設計にしたがう比較例における不都合について説明する。通常の設計では、空間光変調器２の配列面がＹＺ平面において傾いているため、Ｘ方向に細長い矩形状の断面を有する光束を空間光変調器２に入射させる。これに対応して、図１０に示すようにＸ方向に沿って細長い矩形状の断面を有する複数の波面分割要素１０１ａをＸ方向およびＹ方向に沿って並列的に隣接配置することによりオプティカルインテグレータ１０１を構成している。

すなわち、空間光変調器２に入射させるべき光束の断面の外形形状と、空間光変調器２への入射光束の平滑化のためのオプティカルインテグレータ１０１を構成する各波面分割要素１０１ａの断面の外形形状とは相似である。そして、例えばエキシマレーザ光源を用いる構成では、オプティカルインテグレータ１０１に入射する光束において、矩形状の波面分割要素１０１ａの短辺方向であるＹ方向に関する空間的コヒーレンシーの方が、波面分割要素１０１ａの長辺方向であるＸ方向に関する空間的コヒーレンシーよりも大きい。

この場合、複数の波面分割要素１０１ａにおけるＹ方向ピッチの方がＸ方向ピッチよりも小さく且つＹ方向に関する空間的コヒーレンシーの方がＸ方向に関する空間的コヒーレンシーよりも大きいため、Ｙ方向に沿って互いに隣り合う２つの波面分割要素１０１ａを経た部分光束は空間光変調器２の配列面上でコントラストの高い干渉縞を形成し易い。そこで、Ｙ方向に沿って互いに隣り合う２つの波面分割要素を経た部分光束による干渉縞の形成を低減する（干渉縞のコントラストを低減する）ために、図１１に示すように波面分割要素１０１ａを相似的に拡大させて得られる外形形状の波面分割要素１０２ａをＸ方向およびＹ方向に沿って並列的に隣接配置することによりオプティカルインテグレータ１０２を構成する手法が考えられる。

図１１に示す手法では、Ｙ方向に沿って互いに隣り合う２つの波面分割要素を経た部分光束による干渉縞の形成を低減することができ、且つＸ方向に細長い所望の矩形状断面を有する光束を空間光変調器２に入射させることができる。しかしながら、オプティカルインテグレータ１０２を構成する波面分割要素１０２ａの数が減少した分だけ平滑化効果が小さくなり、ひいては空間光変調器２の各ミラー要素２ａへ入射する光束の光強度分布を均一化することが困難になる。

本実施形態のオプティカルインテグレータ１２では、図１２に示すように、空間的コヒーレンシーの高いＹ方向にのみ波面分割要素１０１ａを拡大させて得られる外形形状の波面分割要素１２ａをＸ方向およびＹ方向に沿って並列的に隣接配置している。換言すれば、オプティカルインテグレータ１２を構成する各波面分割要素１２ａの断面の外形形状は、空間光変調器２に入射させるべき光束の断面の外形形状と相似ではない。

オプティカルインテグレータ１２では、空間的コヒーレンシーの高いＹ方向に沿った波面分割要素１２ａのピッチを拡大しているので、Ｙ方向に沿って互いに隣り合う２つの波面分割要素を経た部分光束による干渉縞の形成を低減することができる。しかも、図１０と図１２とを比較して明らかなように、一列に並ぶ波面分割要素の数を多く確保し難いＸ方向ではなく確保し易いＹ方向にのみ波面分割要素１２ａのピッチを拡大しているので、平滑化効果は実質的に損なわれることがない。

ただし、通常の設計にしたがってオプティカルインテグレータ１２のＹ方向に関する焦点距離とＸ方向に関する焦点距離とを互いに同じに設定すると、Ｘ方向に細長い所望の矩形状断面を有する光束を空間光変調器２に入射させることができない。本実施形態のオプティカルインテグレータ１２では、上述したようにＹ方向に関する焦点距離がＸ方向に関する焦点距離よりも所要量だけ大きくなるように構成することにより、Ｘ方向に細長い所望の矩形状断面を有する光束を空間光変調器２に入射させることを可能にしている。

ちなみに、矩形状の波面分割要素１２ａのＸ方向に沿った寸法およびＹ方向に沿った寸法をＥｘおよびＥｙ（図１２を参照）とし、オプティカルインテグレータ１２のＸ方向に関する焦点距離およびＹ方向に関する焦点距離をＦｏｘおよびＦｏｙとし、リレー光学系１３の焦点距離をＦｒとし、空間光変調器２への入射光束の矩形状断面のＸ方向に沿った寸法およびＹ方向に沿った寸法をＳｘおよびＳｙとすると、次の式（１）および（２）に示す関係が成立する。
Ｓｘ＝Ｅｘ×（Ｆｒ／Ｆｏｘ） （１）
Ｓｙ＝Ｅｙ×（Ｆｒ／Ｆｏｙ） （２）

以下、本実施形態にかかるオプティカルインテグレータ１２の数値例について説明する。数値例では、矩形状の波面分割要素１２ａのＸ方向に沿った寸法（ひいてはＸ方向ピッチ）ＥｘおよびＹ方向に沿った寸法（ひいてはＹ方向ピッチ）Ｅｙを、それぞれ０．８６ｍｍおよび１．０ｍｍとした。第１光学部材２１の単位光学面２１ａａのＹ方向に関する（ＹＺ平面における）曲率半径を６０．５０７ｍｍとし、単位光学面２１ａａのＸ方向に関する（ＸＺ平面における）曲率半径を２３９．９１３ｍｍとし、第１光学部材２１の光軸ＡＸに沿った厚さの最大値を２．０ｍｍとした。

第２光学部材２２の単位光学面２２ａａのＹ方向に関する曲率半径を−２４．９２４ｍｍとし、単位光学面２２ａａのＸ方向に関する曲率半径を無限大とし、第２光学部材２２の光軸ＡＸに沿った厚さの最大値を２．０ｍｍとした。第３光学部材２３の単位光学面２３ｂａのＹ方向に関する曲率半径を−８１．５９５ｍｍとし、単位光学面２３ｂａのＸ方向に関する曲率半径を−１００．２９１ｍｍとし、第３光学部材２３の光軸ＡＸに沿った厚さの最大値を２．０ｍｍとした。ここで、光の入射側に凸面を向けた光学面の曲率半径は正の値をとり、光の入射側に凹面を向けた光学面の曲率半径は負の値をとるものとしている。

第１光学部材２１の射出面２１ｂと第２光学部材２１の入射側の面２２ａとの間の光軸ＡＸに沿った間隔（すなわち軸上間隔）を６４．２３ｍｍとし、第２光学部材２２の射出面２２ｂと第３光学部材２３の入射側の面２３ａとの間の軸上間隔を１３１．７７ｍｍとした。すなわち、第１光学部材２１の射出面２１ｂと第３光学部材２３の入射側の面２３ａとの間の軸上間隔を１９８．０ｍｍとした。

こうして、オプティカルインテグレータ１２のＸ方向に関する焦点距離ＦｏｘおよびＹ方向に関する焦点距離Ｆｏｙは、それぞれ２００ｍｍおよび３７７ｍｍとなった。その結果、焦点距離Ｆｒが３０００ｍｍのリレー光学系１３を介して空間光変調器２へ入射する光束の矩形状断面のＸ方向に沿った寸法ＳｘおよびＹ方向に沿った寸法Ｓｙはそれぞれ１２．９ｍｍおよび８．０ｍｍとなり、空間的コヒーレンシーの高いＹ方向に沿った波面分割要素１２ａのピッチＥｙをＸ方向ピッチＥｘに対して相対的に拡大しているにもかかわらず、Ｘ方向に細長い所望の矩形状断面を有する光束を空間光変調器２に入射させることが可能になった。

上述したように、本実施形態のオプティカルインテグレータ１２は、Ｙ方向に関する空間的コヒーレンシーの方がＸ方向に関する空間的コヒーレンシーよりも大きい光束が入射するように配置され、そのＹ方向に関する焦点距離はＸ方向に関する焦点距離よりも大きく設定されている。その結果、平滑化効果を実質的に損なうことなくＹ方向に沿って互いに隣り合う２つの波面分割要素を経た部分光束による干渉縞の形成を低減することと、Ｘ方向に細長い所望の矩形状断面を有する光束を空間光変調器２に入射させることとを両立させることができる。

こうして、本実施形態の伝送光学系１では、オプティカルインテグレータ１２により空間光変調器２の各ミラー要素２ａへ入射する光束の光強度分布の均一化を図るとともに、互いに隣り合う２つの波面分割要素１２ａを経た部分光束による干渉縞の形成を低減することができ、ひいては光源ＬＳの出力分布が変化してもほぼ均一な強度分布を有する光束を空間光変調器２の作用面へ安定的に導くことができる。その結果、瞳強度分布の形成に際して多数のミラー要素２ａを駆動すべき空間光変調器２の制御性が向上する。

本実施形態の照明光学系（１〜７）では、光源ＬＳの出力分布が変化してもほぼ均一な強度分布を有する光束を空間光変調器２の作用面へ安定的に導く伝送光学系１を用いて、マイクロフライアイレンズ４の直後の照明瞳に、所望の瞳強度分布を安定的に形成することができる。本実施形態の露光装置（１〜ＷＳ）では、所望の瞳強度分布を安定的に形成する照明光学系（１〜７）を用いて、転写すべきマスクＭのパターンの特性に応じて実現された適切な照明条件のもとで、微細パターンをウェハＷに正確に転写することができる。

なお、上述の説明では、伝送光学系１において、図５〜図９に示す特定の構成を有するオプティカルインテグレータ１２を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、伝送光学系に配置されるオプティカルインテグレータの具体的な構成については様々な変形例が可能である。一例として、第１光学部材２１と第３光学部材２３との間の光路中に第２光学部材２２が配置されているが、これに限定されることなく、第３光学部材２３の後側に第２光学部材２２を配置しても良い。

また、第１光学部材２１の入射側の面２１ａには、複数のトーリック面状の光学面２１ａａがＸ方向およびＹ方向に沿って縦横に隣接配置されている。しかしながら、これに限定されることなく、第１光学部材の射出面に複数のトーリック面状の光学面を配置しても良い。また、光学面２１ａａは光の入射側に凸面を向けたトーリック面状であって、光学面２１ａａのＹ方向に関する屈折力とＸ方向に関する屈折力とが互いに異なっている。しかしながら、これに限定されることなく、第１光学部材の入射側の面または射出面に配置される単位的な光学面のＹ方向に関する屈折力とＸ方向に関する屈折力とが互いに同じでも良い。

また、第２光学部材２２の入射側の面２２ａには、複数の円筒面状の光学面２２ａａがＹ方向に並んで配置されている。しかしながら、これに限定されることなく、第２光学部材の射出面に複数の円筒面状の光学面を配置しても良い。また、光学面２２ａａは光の入射側に凹面を向けた円筒面状であって、ＹＺ平面において曲率を有するが、ＸＺ平面において曲率を有しない。しかしながら、これに限定されることなく、第２光学部材の入射側の面または射出面に配置される円筒面状の光学面が、Ｘ方向に関して小さい屈折力を有していても良い。

また、第３光学部材２３の射出面２３ｂには、複数のトーリック面状の光学面２３ｂａがＸ方向およびＹ方向に沿って縦横に隣接配置されている。しかしながら、これに限定されることなく、第３光学部材の入射側の面に複数のトーリック面状の光学面を配置しても良い。また、光学面２３ｂａは光の射出側に凸面を向けたトーリック面状であって、光学面２３ｂａのＹ方向に関する屈折力とＸ方向に関する屈折力とが互いに異なっている。しかしながら、これに限定されることなく、第３光学部材の入射側の面または射出面に配置される単位的な光学面のＹ方向に関する屈折力とＸ方向に関する屈折力とが互いに同じでも良い。

本発明において重要なことは、オプティカルインテグレータが、第１方向に関して正の屈折力を有し且つ第１方向と交差する第２方向に関して正の屈折力を有する第１光学部材と、第１光学部材よりも後側に配置されて第１方向に関して負の屈折力を有する第２光学部材と、第１光学部材よりも後側に配置されて第１方向に関して正の屈折力を有し且つ第２方向に関して正の屈折力を有する第３光学部材とを備え、オプティカルインテグレータの第１方向に関する焦点距離が第２方向に関する焦点距離よりも大きいことである。あるいは、オプティカルインテグレータが第１方向に関する空間的コヒーレンシーの方が第２方向に関する空間的コヒーレンシーよりも大きい光束が入射するように配置され、オプティカルインテグレータの第１方向に関する焦点距離が第２方向に関する焦点距離よりも大きいことである。

上述の実施形態では、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を有する空間光変調器として、二次元的に配列された複数の反射面の向き（角度：傾き）を個別に制御可能な空間光変調器２を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、たとえば二次元的に配列された複数の反射面の高さ（位置）を個別に制御可能な空間光変調器を用いることもできる。このような空間光変調器としては、たとえば米国特許第５，３１２，５１３号公報、並びに米国特許第６，８８５，４９３号公報の図１ｄに開示される空間光変調器を用いることができる。これらの空間光変調器では、二次元的な高さ分布を形成することで回折面と同様の作用を入射光に与えることができる。なお、上述した二次元的に配列された複数の反射面を持つ空間光変調器を、たとえば米国特許第６，８９１，６５５号公報や、米国特許公開第２００５／００９５７４９号公報の開示に従って変形しても良い。

上述の実施形態では、照明光学系（１〜７）の照明瞳に瞳強度分布を形成するために入射光に角度分布を付与する作用面を持つ光学部材として、作用面内で二次元的に配列された複数のミラー要素２ａを有する反射型の空間光変調器２を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、所定面内に配列されて個別に制御される複数の透過光学要素を備えた透過型の空間光変調器、回折光学面（作用面）を有する回折光学素子などを用いることもできる。

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。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空間光変調素子を用いることができる。空間光変調素子を用いた露光装置は、たとえば米国特許公開第２００７／０２９６９３６号公報に開示されている。また、上述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。

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１３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１３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、上述の実施形態の投影露光装置を用い、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、上述の実施形態の投影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、上述の実施形態の投影露光装置は、フォトレジストが塗布されたウェハＷを、感光性基板としてパターンの転写を行う。

図１４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１４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、上述の実施形態の投影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、上述の実施形態の投影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の組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルタを形成する。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。

なお、上述の実施形態では、露光光としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長：１９３ｎｍ）やＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）を用いているが、これに限定されることなく、他の適当なパルスレーザ光源、たとえば波長１５７ｎｍのレーザ光を供給するＦ₂レーザ光源、波長１４６ｎｍのレーザ光を供給するＫｒ₂レーザ光源、波長１２６ｎｍのレーザ光を供給するＡｒ₂レーザ光源などを用いることができる。また、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）などの輝線を発する超高圧水銀ランプなどのＣＷ（Continuous Wave）光源を用いることも可能である。また、ＹＡＧレーザの高調波発生装置などを用いることもできる。この他、例えば米国特許第７,０２３,６１０号明細書に開示されているように、真空紫外光としてＤＦＢ半導体レーザ又はファイバーレーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レーザ光を、例えばエルビウム（又はエルビウムとイッテルビウムの両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いても良い。

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号パンプ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 伝送光学系
１２ オプティカルインテグレータ
１３ リレー光学系
１４ ビームスプリッター
１５ ビームモニター
２ 空間光変調器
３ リレーレンズ
４ マイクロフライアイレンズ
５ コンデンサー光学系
６ マスクブラインド
７ 結像光学系
ＬＳ 光源
ＤＴｒ，ＤＴｗ 瞳強度分布計測部
ＣＲ 制御系
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 (24)

1. 光軸を有するオプティカルインテグレータにおいて、
   前記光軸と交差する第１方向および第２方向に関して正の屈折力を有する第１光学面を複数有する第１光学部材と、
   前記第１光学部材からの光が入射する第２光学部材と、
   前記第２光学部材からの光が入射する第３光学部材とを備え、
   前記第２光学部材は、前記第１方向に関して負の屈折力を有する円筒面状の第２光学面を複数有し、
   前記第３光学部材は、前記第１方向および前記第２方向に関して正の屈折力を有する第３光学面を複数有し、
   前記第１方向に関する焦点距離は、前記第２方向に関する焦点距離よりも大きいオプティカルインテグレータ。
2. 前記第２光学面は、前記第２方向に関して屈折力を有しない、請求項１に記載のオプティカルインテグレータ。
3. 前記第１方向は、前記第２方向と直交している、請求項１または２に記載のオプティカルインテグレータ。
4. 前記第１乃至第３光学面は、前記第１方向に沿った一辺と前記第２方向に沿った一辺とにより規定される矩形状の断面を有する、請求項３に記載のオプティカルインテグレータ。
5. 前記第２光学部材は、前記第１光学部材と前記第３光学部材との間の光路中に配置されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
6. 前記第１光学部材は、前記第１光学面が二次元的に配置された第１面と、前記第１面の前記第２光学部材側に設けられた平面状の第２面とを有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
7. 前記第２光学部材は、複数の円筒面状の前記第２光学面が前記第１方向に並んで配置された第３面と、平面状の第４面とを有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
8. 前記第３光学部材は、平面状の第５面と、前記第５面に関して前記第２光学部材と反対側に設けられ、複数の前記第３光学面が二次元的に配置された第６面とを有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
9. 前記第１光学面の前記第１方向に関する屈折力と前記第２方向に関する屈折力とは互いに異なる、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
10. 前記第３光学面の前記第１方向に関する屈折力と前記第２方向に関する屈折力とは互いに異なる、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
11. 前記第１方向に関する前側焦点位置および前記第２方向に関する前側焦点位置は、前記光軸に沿って前記第１光学部材の前記第２光学部材と反対側の面の位置にある、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
12. 前記第１方向に関する空間的コヒーレンシーの方が前記第２方向に関する空間的コヒーレンシーよりも大きい光束が入射するように配置されている、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータと、
    前記オプティカルインテグレータにより波面分割された複数の光束を所定面上で少なくとも部分的に重畳させるコンデンサー光学系とを備えている照明ユニット。
14. 光源からの光により被照射面を照明する照明光学系であって該照明光学系の照明瞳に瞳強度分布を形成するために入射光に角度分布を付与する作用面を持つ照明光学系の光路中に配置されて、前記光源からの光を前記作用面まで導く伝送光学系において、
    請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータと、
    前記オプティカルインテグレータにより波面分割された複数の光束を前記作用面上で少なくとも部分的に重畳させるコンデンサー光学系とを備えている伝送光学系。
15. 前記コンデンサー光学系と前記作用面との間の光路から取り出した光に基づいて、前記作用面へ入射する光の前記光路を横切る面内の位置を計測する位置モニターを備えている、請求項１４に記載の伝送光学系。
16. 前記コンデンサー光学系と前記作用面との間の光路から取り出した光に基づいて、前記作用面へ入射する光の前記作用面に対する角度を計測する角度モニターを備えている、請求項１４または１５に記載の伝送光学系。
17. 光源からの光により被照射面を照明する照明光学系において、
    請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の伝送光学系と、
    前記作用面に沿って配列されて個別に制御される複数の光学要素を有し、入射光を空間的に変調して射出する空間光変調器とを備えている照明光学系。
18. 前記空間光変調器は、前記作用面内で二次元的に配列された複数のミラー要素と、該複数のミラー要素の姿勢を個別に制御駆動する駆動部とを有する、請求項１７に記載の照明光学系。
19. 前記空間光変調器を介した光に基づいて、前記照明瞳に前記瞳強度分布を形成する分布形成光学系を備えている、請求項１７または１８に記載の照明光学系。
20. 前記分布形成光学系は、前記作用面と光学的にフーリエ変換の関係にある位置に入射面が配置された波面分割型の第２オプティカルインテグレータを有する、請求項１９に記載の照明光学系。
21. 前記被照射面と光学的に共役な面を形成する投影光学系と組み合わせて用いられ、前記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、請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の照明光学系。
22. 所定のパターンを照明するための請求項１７乃至２１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基板に露光する露光装置。
23. 前記所定のパターンの像を前記基板上に形成する投影光学系を備え、前記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、請求項２２に記載の露光装置。
24. 請求項２２または２３に記載の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記基板に露光することと、
    前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、
    前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、を含むデバイス製造方法。

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