JPH0248627A - 照明光学装置およびそれを用いた露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、対象物を均一に照明するための照明光学装置
、特にＩＣ，ＬＳＩ、ＶＬＳ　Ｉ等の半導体チップを製
造するための露光装置に適した照明光学装置に関する。

【従来の技術〕

従来、この種の露光装置に用いられている照明光学装置
としては、オプティカルインテグレータを一個用いた構
成がよく知られている。しがしながら、この様な構成で
は、照明分布の均一性の達成度は必ずしも満足できるも
のではなく、更に被照射面以外での照度分布の均一性が
著しく劣るため、ステッパー（投影型露光装置）の照明
系として用いた場合には、投影レンズの解像力並びに焦
点深度を劣化させてしまうという難点があった。

このような難点を解消するために、フライアイ型インテ
グレータを二段用いる構成の照明光学装置が、本願と同
一出願人による特開昭５８−１４７７０８号として提案
されている。

この特開昭５８−１４７７０８号公報に開示された構成
を、第１Ｏ図として示した。光源１は楕円鏡２の第１焦
点付近に発光点が一敗するように配置され、第２焦点付
近（Ａ１面）に集光点（光源像）を形成する。４Ｊ、光
点を通過した光束は、正レンズ３により概略平行光束と
なり、第１フライアイ型インテグレータ４に入射する。

第２フライアイ型インテグレータフとの間には、正レン
ズ５゜６が配置され、第１フライアイ型インテグレータ
４、第２フライアイ型インテグレータフの各々の入射面
（８１面、８２面）同志が互いに共役で、且つ各々の射
出面（Ａ２面、Ａ３面）同志が互いに共役になるように
構成されている。第２７ライアイ型インテグレータフを
出た光束は、フィールドレンズ８及びコンデンサーレン
ズ９を介して、被照射面！０を均一に照明する。

以上が上記公報に開示された基本構成であるが、第１θ
図において、光源ｌと共役関係にある面にはＡ１．Ａ２
．Ａ３の符号を付し、被照射面Ｏと共役関係にある面に
はＢｌ、［３２の符号を付した。

（発明が解決しようとする！ＩＢ） 第１０図に示した如き従来の構成においては、フライア
イ型インテグレータが２段用いられるため、フライアイ
型インテグレータを構成するフライアイレンズの個数の
増大が避けられず、部品点数の増大による製造工程の増
加及びコストの増加という問題があった。

また、エキシマレーザのごとき極めて高出力の光源を用
いる場合には集光点における発熱のために光学素子が破
壊される恐れがあるため、この点からの配慮も不可欠で
ある。

本発明の目的は、レーザを光源とする場合に、部品点数
が少なくＦ！Ｊ車な構成でありながら、均一な照明を行
うことが可能で、エキシマレーザのごとき高出力のレー
ザ光源を用いる場合にも光学素子が破損する恐れのない
照明光学！置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、第１図及び第２図の実施例の構成に示す如く
、レーザ光源の如くコリメートされた光束を供給する光
源手段１１からの光を入射して複数の集光点からなる実
質的面光源を形成するために、リレーレンズを挟んで直
列に配置された２つのオプティカルインテグレータを有
する照明光学装置を基本としている。そして、２つのオ
プティカルインテグレータのうち第１段のインテグレー
タとして、正レンズ又は負のレンズが複数個並列配置さ
れたフライアイ型インテグレータＩＯを用い、リレーレ
ンズを挟んで第２段のインテグレータとして角柱状の内
面反射型インテグレータ２０を用いたものである。

ここで、第１段のインテグレータを複数の正レンズＩＯ
ａを並列配置して構成する場合には、各正レンズの後側
焦点位置を該正レンズの外部の後側空間内となるように
構成することが必要である。

そして、両インテグレータの間に配置されたリレーレン
ズにより、光源側のフライアイ型インテグレータによっ
て形成される複数の実又は虚の集光点と第２段のインテ
グレータとしての角柱状の内面反射型インテグレータ２
０の入射面近傍とを共役に形成したものである。

〔作用〕

上記の如き本発明の基本構成によれば、フライアイ型イ
ンテグレーク１０によって形成される実又は虚の集光点
群の像が内面反射型インテグレータ２０の入射面の近傍
に形成される。そして、第１段のインテグレータとして
複数の正レンズｌＯａを並列配置してなるフライアイ型
インテグレータを用いる場合には、これによる複数の集
光点が各正レンズの射出側空間に形成されるため集光点
で発する熱によってレンズが破壊されるおそれがなく、
また第１段のインテグレータとして複数の負レンズ１０
ｂを並列配置してなるフライアイ型インテグレータを用
いる場合には、実の集光点が形成されないため熱による
破壊を防止することが可能である。

しかも、２個のオプティカルインテグレータのうちの一
方を、単一の部材から構成し得る角柱状の内面反射型イ
ンテグレータとしているため、部品点数が僅かとなり極
めて簡単な構成としながらも、極めて均一な照明を行う
ことが可能である。

ここで、角柱状の内面反射型インテグレータ２０につい
て説明する。内面反射型インテグレータとは、四角形や
六角形の如き角柱形状の各側面の内面が反射面に形成さ
れた光トンネルともいうべき光学部材である。

第３図には角柱状の内面反射型インテグレータ２０とし
て、断面が正方形の内面反射型インテグレータの斜視図
を示し、第４図には正レンズ１３によって集光された平
行光束が内面反射型インテグレータによって反射されて
射出する様子を示すために光軸に沿う断面光路の概要を
示した０図示の如く、四角柱状の各側面は内面が反射面
に形成され、内面反射型インテグレータの入射面２０ａ
の近傍に形成される光源像Ｓ０から入射する光束のうち
、光軸に沿って進む光束はそのまま射出面２０ｂを射出
して行く。図中の上方側面２０ｃで反射される光束は、
上方側面２０ｃに関して集光点Ｓ０と共役な虚の集光点
Ｓ、から供給されるようにして射出し、同様に、下方側
面２０ｄで反射される光束は下方側面２０ｄに関して集
光点Ｓｏと共役な虚の集光点Ｓ弓から供給されるごとく
射出する。そして、下方側面２０ｄで反射された後に上
方側面２０ｃで反射される光束は、あたかも虚集光点Ｓ
！から供給される如くに射出し、上方側面２０ｃで反射
された後に下方側面２０ｄで反射される光束は、あたか
も虚集光点Ｓ−２から供給される如くに射出する。

従って、角柱状の内面反射型インテグレータ２０に入射
する集光点Ｓ０からの発散光束は、側面での１回または
複数回の反射によって、実質的に多数の光源像から供給
されているように射出する。

例えば、第３図の斜視図に示した如き断面が正方形の角
柱状である場合には、各側面での反射により射出面から
みた集光点の様子は、第５図の平面図の如く、格子状に
分布した多数の集光点からの光束によって射出面２０ｂ
が照明されるようになり、これら多数の虚集光点の形成
される面Ｓに実質的面光源が形成される。

第３図及び第４図に示した内面反射型インテグレータは
、各側面を反射部材で形成した中空のものであるが、内
面反射型インテグレータとしては稠密なガラスロンドの
如き構成とすることも可能である。このような内面反射
型インテグレータ４０として断面が正方形のものの斜視
図を第６図に、その光軸に沿う断面光路の概要を第７図
に示した。

第７図に示す如く、この内面反射型インチブレーク４０
の入射面４０ａの近傍に形成される集光点Ｓ、から入射
面４０ａに入射する光束のうち、光軸に沿って進む光束
は入射面４０ａ及び射出面４０ｂでの屈折を受けて射出
して行き、図中の上方側面４０ｃで反射される光束は、
上方側面４０ｃに関して集光点Ｓ、と共役な産気光点Ｓ
１から供給されるようにして射出面４０ｂを射出する。

同様に、下方面４０ｄで反射される光束は下方側面４０
ｄに関して集光点Ｓ０と共役な産気光点Ｓ−１から供給
されるごとく射出面４０ｂを射出する。そして、下方面
４０ｄで反射された後に上方面４０ｃで反射される光束
は、あたかも産気光点Ｓ８から供給される如くに射出し
、上方面４０ｃで反射された後に下方面４０ｄで反射さ
れる光束は、あたかも産気光点Ｓ−ｘから供給される如
くに射出する。

従って、このような角柱状の内面反射型インチブレーク
４０によっても集光点Ｓ０からの発散光束は、側面での
１回または複数の反射によって、実質的に多数の集光点
から供給されているように射出し、それらの位置関係の
様子は、第５図と同様に格子状に分布した多数の集光点
からの光束によって射出面４０ｂが照明されるようにな
り、この集光点の形成される面Ｓに実質的面光源が形成
される。

このように、１本の角柱状の内面反射型インチブレーク
という極めて簡単な構成の部材を用いて、その入射面の
近傍に実または虚の集光点を形成することによって、入
射面の近傍に実質的な面光源を形成することが可能とな
り、上記の如くフライアイ型インテグレータとの組み合
わせによって、均一な照明を行い得る簡単な構成の照明
光学装置が可能となる。

そして、光源手段からの光束がコリメートされているた
め、レーザの如く実質的な点光源とみなすことができ、
従来の一数的フライアイ型インテグレータに必要とされ
た射出側のレンズ作用を無くすことが可能であり、正レ
ンズを並列配置してフライアイ型インテグレータを構成
する場合には、その射出面を平面に形成することが可能
である。

また、負レンズを並列配置してフライアイ型インテグレ
ータを構成することも可能であり、この場合にも、一方
の面を平面に形成することができる。

従って、平凸レンズ或いは平凹レンズという極めて簡単
な構成によってフライアイ型インテグレータを構成する
ことが可能となる。

〔実　施　例〕

以下、本発明を図示した実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明による第１実施例の概略光路を示す図で
あり、この第１実施例は第１段のオプティカルインテグ
レータとして複数の正レンズを並列配置して構成された
フライアイ型インテグレータを用いた照明光学装置であ
る。光源手段ＩＩから供給される光束は実質的にコリメ
ートされており、フライアイ型インテグレータ１０によ
って複数の集光点が射出側空間のＡ１面に形成される。

光源手段１１としては、レーザに加えてレーザからの光
束の断面形状を所望の大きさに拡大するためのビームエ
キスパンダーや、非等方的形状を等方的に変換するため
のシリンドリカルレンズを有するビームエキスパンダー
等の光学手段を含んでいる。Ａ１面上の集光点群は、リ
レーレンズ１２．１３によって、角柱状の内面反射型イ
ンテグレニタ２０の入射面Ａ２にほぼ共役に形成されて
いる。この実施例における角柱状の内面反射型インチブ
レーク２０は、第３図及び第４図に示した中空の角柱状
内面反射型インチブレークである。リレーレンズ１２１
３によるＡ１面上の集光点群と内面反射型インチブレー
ク２０の入射面Ａ２との共役関係は厳密である必要はな
いが、Ａ１面上の集光点群から供給される光束を効率良
く角柱状内面反射型インチブレーク２０に取り込むため
には上記の如き共役関係に配置することが最適である。

内面反射型インチブレーク２０に入射した光束は、前記
第３図乃至第５図に示した如く側面での内面反射を繰り
返し、内面反射型インチブレーク２０の入射面Ａ２の近
傍に実質的面光源が形成される。このとき、入射面Ａ２
の近傍に形成される集光点の数は、フライアイ型インテ
グレータ１０を構成するレンズ要素の数と角柱状内面反
射型インテグレータ２０の側面での内面反射によって形
成される集光点の虚像の数の積に等しくなり、極めて均
一な面光源となる。

角柱状内面反射型インテグレータ２０によって入射面Ａ
２の近傍に形成される実質的面光源のからの光束は、正
レンズ１４によって一旦集光された後、コンデンサーレ
ンズ１５によって被照射面０上に導かれる。すなわち、
正レンズ１４とコンデンサーレンズ１５とによって、角
柱状内面反射型インテグレータ２０の射出面Ｂ２と被照
射面０とがほぼ共役に形成され、これによって被照射面
Ｏが均一に照明される。

上記第１″Ｘ施例の構成において、照明光の開口数（Ｎ
Ａ）を調節するための絞りり、を、正レンズ１４とコン
デンサーレンズ１５との間の面Ａ３上に配置することが
可能である。そして、照明光の光量を変化するための絞
りＢ２を、フライアイ型インテグレータ１０によって集
光点群が形成される面Ａ１上又はそれと共役な内面反射
型インテグレータ２０の入射面＾２の近傍に配置するこ
とが可能である。

従って、絞りＤｌの開口を変化することによって照明光
の開口数を変えることができ、一方絞りＢ２の開口を変
化することによって、照明の開口数を変えることなく光
量のみを独立に変化させることが可能となる。

尚、第１図においては、集光点の形成される面にＡ１の
符合を付し、この面と共役関係にある面にはＡｔ、Ａ３
の符号を付し、被照射面０と共役関係にある面にはＢｌ
、Ｂ２の符号を付した。図示のようにＢ１面と８２面と
は共に被照射面とほぼ共役な構成となっているが、必ず
しもこの関係は必要ではない。

ただ８１面と８２面とが共役である場合には、フライア
イ型１０から射出する多数光束の各中心光線が内面反射
型インテグレータ２０の射出面の中央を目指すようにす
ることができるため、光量のロスが少なくより均一な面
光源を形成するのに有効である。

第２図は本発明による第２実施例を示す概略光路図であ
り、この実施例は第１段のオプティカルインテグレータ
として、複数の負レンズ１０ｂを並列配置して成るフラ
イアイ型インテグレータ１０を用いた照明光学装置であ
る。

フライアイ型インテグレータ１０により、レーザ光源を
含む光源手段１１からの平行光束が、このインテグレー
タ１０を構成する負レンズ１０ｂの数に等しい数の発散
光１束に変換され、面Ａｌ上に負レンズの数に等しい数
の虚の集光点が形成される。本実施例ではフライアイ型
インテグレータによる複数の集光点が虚であるため、そ
の虚の集光位置はレンズ内部に位置する場合でも、集光
熱によるレンズの破損の恐れがない。このため、この虚
の集光点群は、第２図では負レンズの入射光側空間に形
成されているが、並列配置された負レンズの中心厚を厚
くして接合を容易とする場合には、虚の集光点が負レン
ズ内に形成される如く構成しても良い。

そして、本実施例においてはフライアイ型インテグレー
タ１０による集光点が虚であるが、フライアイ型インテ
グレータＩＯとしての機能の点から見ると実質的に等価
な役割を果たしている。そして、リレーレンズ１２．１
３や第２インテグレータとしての角柱状内面反射インテ
グレータ２０等の後続の光学構成は前記第１図に示した
第１実施例の構成と同一である。従って、第２実施例の
如き構成においも、照明光の開口数（ＮＡ）を調節する
ための絞りＤｌ　は正レンズ１４とコンデンサーレンズ
１５との間の面光源との共役面（Ａ４）に設けることが
可能であり、照明光の開口数（ＮＡ）を一定に維持しつ
つ光量を調節するための絞りＢ２は、内面反射型インテ
グレータ２００Å射側の近傍に設けることが可能である
。

上記の第１及び第２実施例では、第２段のインテグレー
タとして第３図乃至第４図に示した中空の角柱状内面反
射型インテグレータ２０を用いたが、これに換えて第６
図乃至第７図に示した稠密のガラスロッドからなる角柱
状内面反射型インテグレータ４０を用いることも可能で
ある。

稠密な角柱状内面反射型インテグレータ４０を用いた第
３及び第４実施例の概略光路図を、第８図及び第９図に
示す、第８図の第３実施例は第１図に示した第１実施例
と同様に第１段のインテグレータ１０として複数の正レ
ンズ１０ａを並列配置したフライアイ型インテグレータ
を用いたもので、基本的には、第１実施例と同一の構成
からなっている。また、第９図の第４実施例は第２図に
示した第２実施例と同様に第１段のインテグレータ１０
として複数の負レンズｌＯｂを並列配置したフライアイ
型インテグレータを用いたもので、基本的には、第２実
施例と同一の構成からなっている。

尚、上記の各実施例において、第１段のインテグレータ
としてのフライアイ型インテグレータとして、平凸レン
ズや平凹レンズとすることが最も簡単な構成となるが、
何れの場合にもフライアイ型インテグレータを構成する
個々のレンズ要素の側面において光線が反射されること
によって光量の損失が生ずることを防止するために、各
レンズ要素の入射面に正屈折力を持たせる構成とするこ
とが望ましい。従って、正レンズを並列配置する構成の
場合には、入射光側に凸面を向けた正レンズとすること
が有効である。そして、負レンズを並列配置する構成の
場合には、入射側の面を平面として射出側の面に発散作
用をもつべく凹面とすることが望ましいく、さらに入射
側の面に若干の正レンズ作用を持たせるべく弱い凸面を
設ける構成とすることが有効である。

ところで、上記の各実施例の如く、内面反射型インテグ
レータの入射面の近傍にはいずれも実または虚の光源像
を形成することが好ましく、実の光源像の位置を内面反
射型インテグレータの入射面に一致させる場合に、内面
反射型インテグレータの口径を最も小さくすることが可
能である。しかしながら、第３実施例の如く、第２段の
インテグレータとして稠密なガラスロッドからなる内面
反射型インテグレータ４０を用いる場合には、入射。

面上に第１段のインテグレータ１０による実の集光点群
の像が形成されるため、それらの集光熱によって内面反
射型インテグレータ４０が破壊される恐れがある。この
ような場合には、第７図に示した如く、集光点群の像を
入射面から若干ずらして配置するか、又は負レンズを用
いて入射面の近傍に虚の集光点を形成することが有効で
ある。

また、内面反射型インテグレータの形状は完全な柱状と
する場合に限らず、若干のテーバを持たせることによっ
て、射出光束の拡がり角（開口数：ＮＡ）を変えること
が可能である。すなわち、内面反射型インテグレータの
側面を、光束の射出側に向かって狭まるように構成する
ことによって射出する光束のＮＡを大きくすることがで
き、光束の射出側に向かって広がるように構成すること
によって射出する光束のＮＡを小さくすることが可能で
ある。そして、内面反射型インテグレータを稠密なガラ
スロッドとする場合には、入射面又は射出面に、適宜レ
ンズ作用を持たせることも可能である。

また、上記の実施例においては、内面反射型インテグレ
ータとしていずれも底面が正方形の四角柱を用い゛たが
、これに限られるものではなく、底面の形状が正三角形
や正六角形など平面上に稠密に配置され得る形状であれ
ばよい。

また、本発明による照明光学装置を投影型露光装置に用
いる場合には、上記の実施例における被照射面０をレチ
クル面とし、図示なき投影対物レンズによってウェハ面
へレチクルの像を投影転写する構成とし、本発明によっ
て形成される実質的面光源の像を投影対物レンズの入射
瞳面上に形成することが有効である。

〔発明の効果〕

以上の如き本発明によれば、内面反射型インテグレータ
を用いているので、部品点数が少なく簡単な構成である
ため製造コストを抑えることが可能で、多数のフライア
イを用いた照明光学系と同等の性能を発揮することが可
能である。しかもエキシマレーザのごとき高出力のレー
ザ光源を用いる場合にも光学素子が破損する恐れが少な
い。具体的には、被照射面での照度均一性に優れている
と共に、光源面等の被照射面以外での照度の均一性も向
上するので、レーザを光源とする投影型露光装置用の照
明光学系として好適である。尚、本発明はその他の高精
度の照度均一性が要求されるレーザ照明光学装置にも適
用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１実施例の構成を示す概略光路
図、第２図は本発明による第２実施例の構成を示す概略
光路図、第３図は内面反射型インテグレータの例を示す
斜視図、第４図は内面反射型インテグレータの機能を説
明するための断面光路図、第５図は内面反射型インテグ
レータによる実質的面光源の例を示す平面図、第６図は
内面反射型インテグレータの他の例を示す斜視図、第７
図は第６図の内面反射型インテグレータの機能を説明す
るための断面光路図、第８図は本発明による第３実施例
の構成を示す概略光路図、第９図は本発明による第４実
施例の構成を示す概略光路図、第１０図は従来の例を示
す概略光路図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １０・・・フライアイ型インテグレータ１０ａ・・・正
レンズ、　　１０ｂ川負レンズ２０、４０・・・内面反
射型インテグレータ１２、１３・・・リレーレンズ １４・・・正レンズ １５・・・コンデンサーレンズ ○・・・被照射面

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）コリメートされた光束を供給する光源手段と、該
   コリメートされた光束中に配置された第１のオプティカ
   ルインテグレータと、該第１オプティカルインテグレー
   タの射出光側に配置されたリレーレンズと、該リレーレ
   ンズの射出側に配置された第２オプティカルインテグレ
   ータとを有する照明光学装置において、前記第１オプテ
   ィカルインテグレータとして複数の正レンズが並列配置
   されたフライアイ型インテグレータを用い、該各正レン
   ズの後側焦点位置を該正レンズの外部の後側空間内とな
   るように構成し、前記第２オプティカルインテグレータ
   として角柱状の内面反射型インテグレータを用い、前記
   リレーレンズは前記フライアイ型インテグレータの射出
   側空間に形成される複数の集光点と前記内面反射型イン
   テグレータの入射面とをほぼ共役に形成したことを特徴
   とする照明光学装置。
2. （２）前記第１オプティカルインテグレータを構成する
   複数の正レンズは、入射光側に凸面を向けた平凸正レン
   ズであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   照明光学装置。
3. （３）コリメートされた光束を供給する光源手段と、該
   コリメートされた光束中に配置された第１のオプティカ
   ルインテグレータと、該第１オプティカルインテグレー
   タの射出光側に配置されたリレーレンズと、該リレーレ
   ンズの射出側に配置された第２オプティカルインテグレ
   ータとを有する照明光学装置において、前記第１オプテ
   ィカルインテグレータとして複数の負レンズが並列配置
   されたフライアイ型インテグレータを用い、前記第２オ
   プティカルインテグレータとして角柱状の内面反射型イ
   ンテグレータを用い、前記リレーレンズは前記フライア
   イ型インテグレータによって形成される複数の虚の集光
   点と前記内面反射型インテグレータの入射面とをほぼ共
   役に形成したことを特徴とする照明光学装置。
4. （４）前記第１オプティカルインテグレータを構成する
   複数の負レンズは、入射光側に平面を向けた平凹負レン
   ズであることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の
   照明光学装置。
5. （５）前記照明光学装置は、前記内面反射型インテグレ
   ータと被照射面との間にコンデンサーレンズを有し、該
   コンデンサーレンズによって前記内面反射型インテグレ
   ータの射出面が前記被照射面と略共役に形成されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項記載の照
   明光学装置。