JPH0697047A

JPH0697047A - 照明光学系

Info

Publication number: JPH0697047A
Application number: JP4242486A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tanitsu; 修谷津; Koji Mori; 孝司森; Hideo Hirose; 秀男広瀬
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1992-09-11
Publication date: 1994-04-08

Abstract

(57)【要約】【目的】従来よりも格段に照明効率が高く、より高いス
ループット化にも十分に対応でき、しかもケーラー照明
が実現できる高性能な照明光学系の実現。【構成】所定の大きさの光源像または所定の大きさの光
源を形成する光源手段と、該光源手段からの光束を集光
して被照明物体を照明する集光光学系とを有する照明光
学系において、前記集光光学系は、前記光源像または前
記光源からの光束を平行光束に変換して前記被照明物体
上を円弧状に照明する特殊反射鏡を有し、該特殊反射鏡
は、放物線の頂点から該放物線の対称軸に沿って所定の
距離だけ隔てた位置を該対称軸に対して垂直に通る基準
軸を中心に回転させた放物トーリック形状の回転体の１
部より構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被照明物体を円弧状に
照明する照明光学系に関するものであり、特に、ミラー
プロジエクション方式によりフォトマスク（マスク又は
レチクル）上の回路パターンを反射型等の投影光学系を
介してウエハ等の基板上に転写する際に好適な装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の照明光学系を備えた半導
体製造用の露光装置は、物体面としてのフォトマスク
（以下、マスクと称する。）面上に形成された回路パタ
ーンを投影光学系を介してウエハ等の基板（以下、ウエ
ハと称する。）上に投影転写される。この投影光学系は
凹面鏡と凸面鏡との２つの反射鏡を有しており、投影光
学系の軸外の円弧状の良像領域のみが利用されて、マス
ク上の円弧領域のみがウエハ上に投影転写される。従っ
て、マスク全体の回路パターンのウエハ上への転写は、
マスクとウエハとを一定方向に走査することにより行わ
れている。

【０００３】この走査方式の露光によって、比較的高い
スループットでしかも高解像力が得られるという利点が
ある。この種の露光装置においては、マスク上の円弧領
域全体を均一でしかも一定の開口数（ＮＡ）で照明でき
る照明光学系が望まれており、特開昭60-232552 号公報
には、マスク上を円弧状に均一照明できる照明光学系が
提案されている。

【０００４】この特開昭60-232552 号公報にて提案され
ている照明光学系では、図１１（Ａ）に示す如く、超高
圧水銀灯２１からの光束を楕円鏡２２によってオプティ
カルインテグレータ２３の入射面上で集光している。そ
して、このオプティカルインテグレータ２３は、図１１
（Ｂ）に示す如く、焦点距離ｆ₁のシリンドリカルレン
ズの集合体（２３ａ，２３ｄ）と焦点距離ｆ₂のシリン
ドリカルレンズの集合体（２３ｂ，２３ｃ）とを２枚ず
つ組み合わせられて構成されており、これにより直交方
向において異なる開口数の光束を形成している。オプテ
ィカルインテグレータ２３を介した光束は、コンデンサ
ーレンズ２４により集光されて、図１１（Ｃ）に示す如
き円弧状開口部２５ａを有するスリット板２５を照明
し、その後、集光光学系２６を介して被照明面であるマ
スク２７上を均一に照明する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、特開昭60-2
32552 号公報にて提案されている照明光学系では、図１
１（Ｃ）に示す如く、スリット板２５上の円弧状開口部
２５ａを少なくとも照射するように長方形状の領域ＢＦ
を照明しているため、円弧照明として利用される光束は
僅かである。

【０００６】一般に、円弧状の弦長は、露光領域を大き
くするために長く設定され、また円弧状のスリット幅２
５ｂはマスクをウエハ上に投影するミラー投影光学系の
良像領域の制約から比較的狭く設定されている。従っ
て、照明効率は、円弧状開口部２５ａと長方形状の照射
領域ＢＦとの面積比で決定されるため、図１１に示す照
明光学系は、原理的に光量損失が大きいという致命的な
欠点を有している。この結果、被照明面（マスク及びウ
エハ）上では光量が得られないため、より高いスループ
ットには対応できない問題がある。

【０００７】そこで、本発明は、上記の問題を全て解決
し、従来よりも格段に照明効率が高く、より高いスルー
プット化にも十分に対応でき、しかもケーラー照明が実
現できる高性能な照明光学系を提供することを目的とし
ている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、図５に示す如
く、所定の大きさの光源像または所定の大きさの光源を
形成する光源手段と、該光源手段からの光束を集光して
被照明物体を照明する集光光学系とを有する照明光学系
において、前記集光光学系は、前記光源像または前記光
源からの光束を平行光束に変換して前記被照明物体上を
円弧状に照明する特殊反射鏡を有し、該特殊反射鏡は、
放物線の頂点から該放物線の対称軸に沿って所定の距離
だけ隔てた位置を該対称軸に対して垂直に通る基準軸を
中心に回転させた放物トーリック面形状の回転体の１部
で構成されるようにしたものである。

【０００９】

【作用】上述した本発明の目的を達成するために、照
明光学系を全て屈折系で構成することを各種検討した
が、円弧状の遮光スリット板を用いることなく円弧状の
照明領域を被照射面上に形成しつつケーラー照明を実現
することは困難であることが判明した。

【００１０】そこで、本発明では、照明光学系に特殊反
射鏡を採用することによって本発明の目的を達成し得る
照明光学系の実現を初めて可能としている。図１及び図
２には、本発明の照明光学系に適用している特殊反射鏡
の構成を示しており、図１は特殊反射鏡のメリジオナル
方向での断面図、図２は特殊反射鏡の斜示図である。

【００１１】図１には、放物線をＰＡとし、この放物線
ＰＡの頂点Ｏを原点、この頂点Ｏを通る放物線ＰＡの対
称軸Ａｘ₀をＹ軸、この対称軸Ａｘ₀（以下、Ｙと称す
る。）と直交して頂点Ｏを通る軸をＸ軸として示してい
る。図１に示す如く、特殊反射鏡３のメリジオナル方向
での断面は、放物線ＰＡの１部をなしており、この特殊
反射鏡３は、頂点Ｏから対称軸Ｙに沿った所定の距離だ
け隔てた位置Ｙ₀をその対称軸Ｙに対して垂直に通る基
準軸（回転軸）Ａｘ ₁を中心に回転させた放物トーリッ
ク形状の回転体の１部より構成されている。すなわち、
図２に示す如く、特殊反射鏡３は、その放物トーリック
形状の回転体の２つの緯線３１，３２で挟まれる帯状領
域の１部で構成され、円弧状の形状をなしている。

【００１２】図１に戻ってメリジオナル方向での光束に
関する特殊反射鏡３の機能を説明する。なお、メリジオ
ナル光束とは特殊反射鏡３の基準軸Ａｘ₁を含む平面内
の光束を意味し、サジタル光束とはメリジオナル平面と
直交する平面内の光束を意味する。今、不図示の光学系
により所定の大きさの光源像Ｉ（または所定の大きさを
持つ光源）を基準軸Ａｘ₀上の所定の位置に形成する
と、この光源像Ｉ（または光源）上の任意の１点からの
光束は特殊反射鏡３の集光作用によって平行光束に変換
される。

【００１３】例えば、光源像Ｉ（または光源）の中心ａ
からの光束は特殊反射鏡３により平行光束に変換されて
被照明面の領域ＢＡ₀上を垂直に照明し、光源像Ｉ（ま
たは光源）の下方ｂからの光束は特殊反射鏡３により平
行光束に変換されて被照明面の領域ＢＡ₀上を右斜め方
向から照明する。そして、光源像Ｉ（または光源）の上
方ｂからの光束は特殊反射鏡３により平行光束に変換さ
れて被照明面の領域ＢＡ₀上を左斜め方向から照明す
る。

【００１４】この様に、光源像Ｉ（または光源）の各位
置からの光束は、特殊反射鏡３により平行光束に変換さ
れて被照明面の領域ＢＡ₀上を重畳的に均一照明してい
る。また、この時の特殊反射鏡３によるメリジオナル方
向での開口数を見ると、光軸Ａｘ₂₀に平行な光源像Ｉ
（または光源）からの平行光束（実線で示す光束）は特
殊反射鏡３により開口数ＮＡ_M(=sin θ_M) のもとで被
照明面の領域ＢＡ₀上の中心に集光され、光軸Ａｘ₁に
対して発散角ε₁を持つ光源像Ｉ（または光源）からの
平行光束（点線で示す光束）は特殊反射鏡３により開口
数ＮＡ_Mのもとで被照明面の領域ＢＡ₀上の左端で集光
される。そして、発散角ε₁とは反対方向で発散角ε₁
と等しい角度の発散角ε₂（＝ε₁）を持つ光源像Ｉ
（または光源）からの平行光束（点線で示す光束）は特
殊反射鏡３により開口数ＮＡ_Mのもとで被照明面の領域
ＢＡ₀上の右端で集光される。なお、光軸Ａｘ₂₀は特殊
反射鏡３により９０度折り曲げられる。

【００１５】従って、光源像Ｉ（または光源）からの任
意の発散角を持つ平行光束は、被照明面の領域ＢＡ₀上
のメリジオナル方向でのどの位置でも一定の開口数ＮＡ
_Mのもとで集光され、しかも光源像Ｉ（または光源）か
らの平行光束の主光線（Ｐ_a，Ｐ_b，Ｐ_c）は、光軸Ａ
ｘ₂₀に対して常に平行でテレセントリック性が維持され
ていることが理解できる。

【００１６】次に、図２を参照しながらサジタル方向で
の特殊反射鏡３の機能を説明すると、基準軸Ａｘ₁上に
形成される光源像Ｉ（または光源）からの平行光束Ｌ₀
は特殊反射鏡３によって被照明面の領域ＢＡ₀上で集光
され、平行光束Ｌ₀よりも角度ψだけ傾いた発散角を持
って出射する光源像Ｉ（または光源）からの平行光束Ｌ
₁は、特殊反射鏡３によって被照明面の領域ＢＡ₁上で
集光される。

【００１７】ここで、被照明面の領域ＢＡ₁を形成する
光源像Ｉからの光束の内のメリジオナル方向の光束につ
いて見ると、図１の場合と同様に、光源像Ｉ（または光
源）からの任意の発散角を持つ平行光束は、被照明面の
領域ＢＡ₁上のメリジオナル方向でのどの位置でも一定
の開口数θ_Mのもとで集光され、しかも光源像Ｉ（また
は光源）からの平行光束の主光線は、光軸Ａｘ₂₁に対し
て常に平行となり、テレセントリック性が維持される。

【００１８】従って、基準軸Ａｘ₁上に形成される光源
像Ｉ（または光源）から平行光束が、特殊反射鏡３の円
弧方向（放物トーリック形状の回転体の緯線３１，３２
方向）へ放射状に出射してもテレセントリック性が維持
された状態で円弧状の照明領域ＢＦが形成される。ま
た、円弧状の照明領域ＢＦは被照射面に相当し、この被
照射面に対して光源像又は光源が無限遠位置に存在す
る。この時、後で詳述するが、この被照射面の下方に設
には、入射側にテレセントリックな投影光学系が設けら
れており、この投影光学系の入射瞳位置に光源像が形成
される。従って、被照射面は、所謂、ケーラー照明され
ることが理解できる。

【００１９】さて、次に図３を参照しながら、以上に述
べた事を数式を用いて解析検討し、さらには特殊反射鏡
の最適な形状、光源像Ｉ（または光源）の最適な位置及
び照明領域ＢＦの最適な位置について検討する。図３
（Ａ）に示す如く、特殊反射鏡３の反射面は、メリジオ
ナル方向において、放物線ＰＡの頂点ＯをＸＹ座標の原
点とした２次関数、即ちｙ＝αｘ²（但し、αは定数）
で表現できる面を有しているものとし、まずメリジオナ
ル方向におけるＹ軸に平行な光線について検討する。

【００２０】Ｉ）メリジオナル方向におけるＹ軸に平行
な光線放物線ＰＡ（＝ｙ＝αｘ²）上での任意の点における法
線ベクトルＴは、以下の（１）式の如くなる。

【００２１】

【数１】

【００２２】図３（Ａ）の紙面内においてＹ軸に平行な
単位ベクトルＳ₁ をＳ₁ ＝（０，１）とし、この単位ベ
クトルＳ₁ と放物線ＰＡ（ｙ＝αｘ²）との交点を
（ｕ，αｕ²）、放物線ＰＡによる反射後の単位ベクト
ルＳ₁'をＳ₁'＝（Ｓ_X1，Ｓ_Y1）とすると、次式（２）の
如くなる。

【００２３】

【数２】

【００２４】従って、（１）式及び（２）式より、反射
後の単位ベクトルＳ₁'は、（３）式の如くなる。

【００２５】

【数３】

【００２６】ここで、反射後の単位ベクトルＳ₁'に平行
で放物線ＰＡ上の点（ｕ，αｕ²）を通る直線を考える
と、次式（４）及び（５）の如くなる。

【００２７】

【数４】

【００２８】

【数５】

【００２９】但し、ｔは変数である。図３（Ａ）に示す
如く、放物線ＰＡ上の点（ｕ，αｕ²）を反射した光束
はｘ＝０の時にはｙ軸との交わるため、この位置を求め
る。上式（４）より、ｘ＝Ｓ_X1ｔ＋ｕ＝０となり、ｔ＝
−ｕ／Ｓ_X1となり、このｔの値を上式（５）に代入し
て、上式（３）の関係を用いて、変形すると次式（６）
の如くなる。

【００３０】

【数６】

【００３１】従って、（６）式より、ｕがいかなる値を
とっても、単位ベクトルＳ₁ と平行、即ちＹ軸と平行な
メリジオナル面内での光線は、Ｙ軸上の点（０，(4α)
^-1）に集光され、この集光位置が被照射面となることか
理解できる。なお、図１に示した如く、光軸Ａｘ₂₀上を
進行する光線は、放物線ＰＡ上の点（(2α) ^-1，(4α)
^-1) で９０°反射転向するが、この反射点から被照射面
までの距離(2α) ^-1が特殊反射鏡３の焦点距離となる。

【００３２】II）メリジオナル方向におけるＸ軸に平行
な光線次に、メリジオナル方向でのＸ軸に平行な光線につい
て、図３（Ｂ）を参照しながら検討する。上述の如く、
Ｙ軸上の点（０，(4α) ^-1）からの光線が放物線ＰＡ上
の点ｃ（(2α) ^-1，(4α) ^-1）で反射する時、この光線
はＹ軸に平行となるので、この点ｃに対して放物線ＰＡ
上でのΔｘ，Δｙだけ離れた位置ｐ₀((2α) ^-1＋Δｘ，
(4α) ^-1＋Δｙ）で反射する光線が直線ｘ＝(2α) ^-1と
交わる位置Ｆを求める。

【００３３】今、図３（Ｂ）の紙面内でＸ軸に平行な単
位ベクトルＳ₂をＳ₂＝（１，０）として、放物線ＰＡ
による反射後の単位ベクトルＳ₂'をＳ₂'＝（Ｓ_X2，
Ｓ_Y2）とすると、次式（７）の如くなる。

【００３４】

【数７】

【００３５】従って、（１）式及び（７）式より、反射
後の単位ベクトルＳ₂'は（８）式の如くなる。

【００３６】

【数８】

【００３７】そして、原点Ｏ（０，０）から点ｐ₀((2
α) ^-1＋Δｘ，(4α) ^-1＋Δｙ）までのベクトルを位置
ベクトルＰ₀とし、原点Ｏ（０，０）から位置Ｆまでの
ベクトルをＰ、点ｐ₀から位置Ｆまでの距離をｒとする
と、次式（９）の関係が成立する。

【００３８】

【数９】

【００３９】ここで、ベクトルＰをＰ＝（Ｐ_X，
Ｐ_Y）、Ｐ_X＝(2α) ^-1すると次式（１０）の如くな
る。

【００４０】

【数１０】

【００４１】この（１０）式を変形すると、以下の（１
１）式として表せる。

【００４２】

【数１１】

【００４３】今、Δｘが限りなく零に近づくとして、
（１１）式の極限を考えると、以下の（１２）式の如く
なる。

【００４４】

【数１２】

【００４５】この様に、（１２）式から明らかな如く、
単位ベクトルＳ₂に平行な光線、即ちＸ軸に平行な光線
は、放物線ＰＡにより位置Ｆ（(2α) ^-1，(4α) ^-1＋(2
α) ^-1）を焦点位置として集光し、この関係は近軸領域
で成立していることが理解できる。従って、位置Ｆに光
源あるいは光源像が形成されていれば、この位置Ｆから
発散する光束は特殊反射鏡３の反射面により平行光束に
変換されて被照射面（点（０，(4α) ^-1）及びこの点の
近傍のＹ軸上の領域を照明できることが分かる。しか
も、光源あるいは光源像の中心（０，(4α) ^-1）にから
発散する光線は、特殊反射鏡３を介すると常にＸ軸と平
行になり、換言すれば、被照射面側から特殊反射鏡３を
見たときの特殊反射鏡３の射出瞳は無限遠に位置するこ
とになるため、テレセントリック性が維持されているこ
とが理解できる。

【００４６】III）Ｙ軸に平行でｘ＝(2α) ^-1のサジタ
ル方向の光線次に、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）を参照しながらサジタ
ル方向における光線について検討する。図３（Ｃ）はＸ
Ｙ平面（メリジオナル面）内での様子を示しており、図
３（Ｄ）は、図３（Ｃ）のＡＡ’方向からの矢示図であ
り、ＹＺ平面に平行でｘ＝(2α) ^-1の高さにある平面内
での様子を示している。

【００４７】図３（Ｃ）及び（Ｄ）に示す如く、Ｙ軸に
平行でｘ＝(2α) ^-1上を通る光線を考え、特殊反射鏡の
反射面３ａを反射する点ｐ₃をｐ₃＝（(2α) ^-1,
Ｐ_y3, Ｐ _z3）とし、基準軸Ａｘ₁と反射点ｐ₃とを結ぶ
距離をｑ、基準軸Ａｘ₁と反射点ｐ₃とを結ぶ直線が原
点Ｏを含むＹＺ平面に対してなす角をψとすると、Ｐ_y3
及びＰ_z3はそれぞれ（１３）式及び（１４）式の如く表
現できる。

【００４８】

【数１３】

【００４９】

【数１４】

【００５０】一方、反射点ｐ₃での法線ベクトルＴは、
次式（１５）の如く表現できる。

【００５１】

【数１５】

【００５２】今、Ｙ軸に平行でｘ＝(2α) ^-1上を通る光
線の単位ベクトルＳ₃をＳ₃＝（０，−１，０）とし
て、反射面３ａ上の点ｐ₃による反射後の単位ベクトル
Ｓ₃'をＳ₃'＝（Ｓ_X3，Ｓ_Y3，Ｓ_z3）とすると、次式（１
６）の関係が成立する。

【００５３】

【数１６】

【００５４】従って、（１５）式及び（１６）式より、
反射後の単位ベクトルＳ₃'は（１７）式の如くなる。

【００５５】

【数１７】

【００５６】ここで、反射後の単位ベクトルＳ₃'に平行
で反射点ｐ₃を通る直線の式を考えると、それぞれ（１
８）式，（１９）式及び（２０）の如くなる。

【００５７】

【数１８】

【００５８】

【数１９】

【００５９】

【数２０】

【００６０】但し、ｔは変数である。今、図３（Ｄ）に
示す如く、反射後の単位ベクトルＳ₃'に平行で反射点ｐ
₃を通る直線が原点Ｏを含むＹＺ平面と交わる位置を求
める。この時、ｘ＝０であるため、上記（１８）式のｘ
＝０とすると、ｔ＝−１／（２αＳ_X3）となり、このｔ
の値を上式（１９）に代入して、（１７）式の関係を用
いて、変形すると（２１）式の如くなる。

【００６１】

【数２１】

【００６２】この（21）式よりから分かる如く、cos ψ
≒１、即ち図３（Ｄ）に示す如くＰ _z3≒０の時のＹＺ平
面での近軸領域ではｙ＝(4α）^-1となる。また、ｔ＝−
１／（２αＳ_X3）を（２０）式に代入して変形すると
（２２）式の如くなる。

【００６３】

【数２２】

【００６４】この（22）式より、基準軸Ａｘ₁を中心と
した円弧状の反射面３ａの半径ｑ＝(2α）^-1の時、即ち
原点Ｏに対する基準軸Ａｘ₁の回転半径が３(4α）
^-1（＝(2α）^-1＋(4α）^-1）の時には、Ｐ_z3の値とは無
関係にｚ＝０となる。この様に、原点Ｏに対する基準軸
Ａｘ₁の回転半径を３(4α）^-1とした場合には、図３
（Ｄ）に示す如くＹＺ平面に平行でｘ＝(2α）^-1の高さ
にある平面内におけるＹ軸に平行なサジタル方向の光線
は、近軸領域において前述したメリジオナル方向の光線
と同じ位置（０、(4α）^-1、０）に集光することが理解
できる。

【００６５】IV）Ｘ軸に平行なサジタル方向の光線最後に、図３（Ｅ）及び図３（Ｆ）を参照しながらＸ軸
に平行で図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）に示した反射点ｐ₃
を反射するサジタル方向における光線について検討す
る。図３（Ｅ）はＸＹ平面（メリジオナル面）内での様
子を示しており、図３（Ｄ）は、図３（Ｆ）のＡＡ’方
向からの矢示図であり、ＹＺ平面に平行で＝(2α） ^-1の
高さにある平面内での様子を示している。

【００６６】図３（Ｅ）及び（Ｆ）に示す如く、Ｘ軸に
平行で反射点ｐ₃へ向かう光線の単位ベクトルＰ₄を
（１，０，０）とし、反射面３ａ上の点ｐ₃による反射
後の単位ベクトルＳ₄'をＳ₄'＝（Ｓ_X4，Ｓ_Y4，Ｓ_z4）と
すると、次式（２３）の関係が成立する。

【００６７】

【数２３】

【００６８】従って、（１５）式及び（２３）式より、
反射後の単位ベクトルＳ₄'は（２４）式の如くなる。

【００６９】

【数２４】

【００７０】ここで、反射点ｐ₃を通って反射後の単位
ベクトルＳ₄'と平行な直線の式を考えると、それぞれ
（２５）式，（２６）式及び（２７）式の如くなる。

【００７１】

【数２５】

【００７２】

【数２６】

【００７３】

【数２７】

【００７４】今、図３（Ｅ）及び（Ｆ）に示す如く、反
射点ｐ₃を反射する光線が原点Ｏを含むＸＹ平面（図３
（Ｅ）の紙面内）で交わる点を求める。この時、ｚ＝０
であるので、（２７）式のｚ＝０とすると、ｔ＝−ｑsi
n ψ／Ｓ_z4となり、このｔの値を上式（２６）に代入し
て、（２４）式及び（２２）式の関係を用いて、変形す
ると（２８）式の如くなる。

【００７５】

【数２８】

【００７６】従って、Ｘ軸に平行で反射点ｐ₃を通るサ
ジタル方向の光束は、点Ｆ（(2α） ^-1，３(4α）^-1，
０）に集光するため、上記IIで説明した如くメリジオナ
ル方向におけるＸ軸に平行な光線の集光位置と一致し、
この関係は、収差が無い状態で近軸領域外で成立するこ
とが理解できる。よって、光源像又は光源の中心の点Ｆ
（(2α）^-1，３(4α）^-1，０）からの発散光束は、ＸＺ
平面に対して常に平行となるため、平行光束が被照射面
を円弧状に照明し、この円弧状の被照射面にわたってテ
レセントリック性が維持されていることが理解できる。

【００７７】以上の解析検討の結果、放物線（ｙ＝αｘ
²）の頂点Ｏを原点として、この原点Ｏを通る対称軸と
平行な方向をＹ軸、放物線の頂点Ｏから対称軸に沿って
所定の距離だけ隔てた位置を対称軸Ｙに対して垂直に通
る基準軸Ａｘ₀に平行で頂点Ｏを通る方向を方向をＸ
軸、基準軸Ａｘ₀及び対称軸Ｙに対して垂直で頂点Ｏを
通る方向をｚ、基準軸Ａｘ₀と対称軸Ｙとの交点から頂
点Ｏまでの距離をＲとするとき、特殊反射鏡３は、以下
の（２９）式及び（３０）式を満足する放物トーリック
形状の回転体の１部で構成されることが好ましい。

【００７８】

【数２９】

【００７９】

【数３０】

【００８０】以上の（２９）式及び（３０）式を満足さ
せながら、図１に示す如く、基準軸Ａｘ₁上での特殊反
射鏡３の光源側焦点（(2α）^-1）の位置を特殊反射鏡３
の入射とし、ここにほぼ円形形状の光源像または光源を
形成すると、この光源又は光源像からの光束は特殊反射
鏡３により円弧状の光束断面を有する平行光束に変換さ
れて、テレセントリック性及びケーラー照明状態が維持
された円弧状の照明領域が形成される。

【００８１】なお、光源像Ｉ（又は光源）の中心は座標
（(2α）^-1，３(4α）^-1，０）上となり、図２に示す被
照射面ＢＦの中心Ｃ_BFは、以下の（３１）式を満足する
ＹＺ平面内の円の１部となる。

【００８２】

【数３１】

【００８３】以上に述べた如く、円弧状の照明領域の各
点でケーラ照明の条件を満足することが理解できる。と
ころで、以上の説明においては、光源像Ｉ（又は光源）
の中心が特殊反射鏡３の基準軸Ａｘ₁上の座標（(2α）
^-1，３(4α）^-1，０）上に形成される場合について説明
したが、図４に示す如く、ほぼ円形状の光源像（又は光
源）が特殊反射鏡３の基準軸Ａｘ₁上に形成されていれ
ば、特殊反射鏡３により円弧状の光束断面を有する平行
光束に変換されて、ケーラー照明のもとで円弧状の照明
領域が形成される。このとき、照明領域の中心は対称軸
Ａｘ₀上に形成され、その座標は、（(2α）^-1，３(4
α）^-1，０）となる。従って、ＹＺ平面内での被照射面
の中心Ｃ_BFは、上記（３１）式を満足する円の１部とな
る。

【００８４】

【実施例】図５は本発明による照明光学系を露光装置に
応用した例を示す図であり、この図を参照しながら本発
明による第１実施例を説明する。図５に示す如く、被照
射面としてのレチクルＲより上方にはレチクルＲを均一
な円弧照明する照明光学系、レチクルＲより下方にはレ
チクルＲのパターンをウエハＷ上に転写する投影光学系
５が設けられており、照明光学系は、レーザー等の光源
１とオプティカルインテグレータ２とを有する光源手段
と、オプティカルインテグレータ２からの光束を集光す
る集光光学系より構成されている。そして、この集光光
学系は、特殊反射鏡３と再結像光学系４とを有してい
る。

【００８５】まず、エキシマレーザー等の光源１からは
露光のための平行光束を供給し、この平行光束は、不図
示のビームエキスパンダを介して所望のビーム径に整形
された後、オプティカルインテグレータ２に入射する。
なお、平行光束を供給する手段は、レーザー等の光源に
限るものでなく、楕円鏡と、この楕円鏡の第１焦点位置
に設けられた水銀アーク灯と、楕円鏡により集光された
水銀アーク灯の光を平行光束に変換するコリメータレン
ズとで構成しても良い。

【００８６】さて、オプティカルインテグレータ２は、
例えば複数のレンズ素子の集合体よりなり、各レンズ素
子に入射する平行光束を射出側で集光する。そして、こ
こにはレンズ素子の数に相当する点光源の集合体よりな
る光源像Ｉが形成され、実質的に面光源（２次光源）が
形成される。オプティカルインテグレータ２により形成
された２次光源からの光束は、特殊反射鏡３により反射
集光される。

【００８７】図５では特殊反射鏡３のメリジオナル方向
での様子を示しており、放物線ＰＡの頂点Ｏを原点とし
てこの原点Ｏを通る対称軸Ａｘ₀をＹ、原点Ｏを通り対
称軸Ａｘ₀(Ｙ軸）と垂直な方向をＸとすると、特殊反射
鏡３は、メリジオナル方向では、放物線ＰＡ（ｙ＝αｘ
²)の１部より構成されている。そして、３次元的には、
図２にて示した如く、対称軸Ａｘ₀(Ｙ軸）において頂点
Ｏから所定の距離（３(4α) ^-1）だけ離れた位置Ｙ₀を
通り対称軸Ａｘ₀(Ｙ軸）と直交する基準軸Ａｘ ₁を中心
に回転させた放物トーリック形状の回転体の１部よりな
り、より具体的には、放物トーリック形状の回転体の２
つの緯線（３１，３２）間で形成される円弧型帯状の形
状を成している。この時、基準軸Ａｘ₁はオプティカル
インテグレータ２により形成される複数の光源像Ｉ（２
次光源）の位置を通るように構成されており、これらの
光源像Ｉは特殊反射鏡３の光源側の焦点位置（光源側の
焦点距離ｆはｆ＝(2α) ^-1）に形成されている。

【００８８】従って、オプティカルインテグレータ２か
らの光束は、点線で示す如く、特殊反射鏡３により平行
光束に変換され、特殊反射鏡３の被照射面側の焦点位置
（被照射面側の焦点距離ｆはｆ＝(2α) ^-1）には、テレ
セントリック性が維持された状態で円弧状の照射領域Ｂ
Ｆが形成される。この照射領域ＢＦが形成される位置に
は、レチクルＲ上での照射領域ＢＦ_Rを正確に規定する
ために、円弧状の開口部を有する視野絞りとしてのスリ
ット板Ｓが設けられており、このスリット板Ｓを通過し
た光束は、再結像光学系４を介して再びレチクルＲ上で
集光し、ここには、テレセントリック性が維持された状
態で円弧状の照射領域ＢＦ_Rが形成される。

【００８９】この時、このスリット板Ｓを通過した光束
は、再結像光学系４の瞳（入射瞳）位置で結像し、ここ
には、後述する図６〜図９に示す如く、光源像Ｉ’が形
成される。さて、レチクルＲとウエハＷとの間には等倍
で両側テレセントリックな投影光学系５が設けられてお
り、この投影光学系５は、凹面鏡５１と凸面鏡５２とを
有する構成を基本とし、さらにレチクルＲと凹面鏡５１
及び凹面鏡５１とウエハＷとの光路間にはそれぞれ光路
を折り曲げる反射鏡Ｍ₅₁，Ｍ₅₂を有している。そして、
凹面鏡５１と凸面鏡５２との曲率中心とがほぼ一致して
おり、この時、凹面鏡５２の曲率半径は凹面鏡５１の曲
率半径の半分となっている。

【００９０】ここで、オプティカルインテグレータ２に
より形成される光源像Ｉ（特殊反射鏡３の光源側焦点位
置）は、再結像光学系４の入射瞳，及び投影光学系５の
入射瞳（凸面鏡５２の位置又はその近傍）と実質的に共
役となっており、しかも光源像Ｉ，再結像光学系４の入
射瞳，及び投影光学系５の入射瞳の形状は共に円形とな
っている。

【００９１】従って、レチクルＲ上には、テレセントリ
ック性が維持されながら円弧状照明領域が形成されてい
るのみならず、ケーラー照明されていることが理解でき
る。よって、レチクルＲが高い照明効率のもとで円弧状
にしかも均一に照明されるため、レチクルＲ上の回路パ
ターンを短い露光時間で忠実にウエハＷ上へ円弧状に転
写することができる。

【００９２】ここで、レチクルＲはレチクルステージＲ
Ｓに保持され、ウエハＷはウエハステージＷＳに保持さ
れており、不図示の駆動系によりレチクルステージＲＳ
及びウエハステージＷＳは、露光時において、矢印で示
す方向へ移動する。従って、従来よりも格段に高い照明
効率のもとで走査露光が行われるので、より高いスルー
プットのもとでの露光が実現できる。

【００９３】なお、図５に示した第１実施例では、投影
光学系５を等倍系とした例を示しているが、言うまでも
なく投影光学系５を縮小系または拡大系で構成して良
く、この事は後述する実施例においても同様である。次
に、図６〜図９を参照しながら本発明による再結像光学
系４の各種構成について説明する。尚、図６〜図９にお
いて図５と同一の機能を持つ部材には同じ符号を付して
ある。

【００９４】図６は、図１及び図２で説明した特殊反射
鏡を２枚組み合わせて再結像光学系４を構成した例を示
している。図６に示す如く、特殊反射鏡３の基準軸Ａｘ
₁上には、図５に示したオプティカルインテグレータ２
によって複数の点光源の集合体より成る２次光源Ｉ（光
源像）が形成されている。そして、この２次光源Ｉから
の光束は、点線で示す如く、特殊反射鏡３を介して平行
光束に変換され、スリット板Ｓの円弧状の開口部に円弧
状の照射領域ＢＦが形成される。その後、このスリット
板Ｓを通過した光束は、特殊反射鏡３と同一構成の２枚
の特殊反射鏡４０ａ，４０ｂよりなる再結像光学系４に
入射する。

【００９５】第１の再結像特殊反射鏡４０ａは、点線で
示す如く、特殊反射鏡３のメリジオナル方向（紙面方
向）での放物線ＰＡの延長上において特殊反射鏡３に対
して放物線ＰＡの対称軸Ａｘ₀と線対称な位置に配置さ
れており、第２の再結像特殊反射鏡４０ｂは、特殊反射
鏡３と第１の再結像特殊反射鏡４０ａとにより再形成さ
れる光源像Ｉ’を中心として第１の再結像特殊反射鏡４
０ａを１８０度回転させた如き位置に配置されている。

【００９６】ここで、光源像Ｉと光源像Ｉ’とは、図６
中の点線で示す如く、特殊反射鏡３と第１の再結像特殊
反射鏡４０ａとに関して共役であり、２つの光源像
（Ｉ，Ｉ’）は共にほぼ円形状を有している。また、ス
リット板ＳとレチクルＲとは、図６中の実線で示す如
く、再結像光学系４に関して共役な位置に設けられてお
り、スリット板Ｓの開口部上に形成される照射領域ＢＦ
とレチクル上に形成される照射領域ＢＦ_Rは共に円弧状
を有している。

【００９７】従って、特殊反射鏡３と同一構成の２枚の
特殊反射鏡４０ａ，４０ｂを組合せて再結像光学系４を
構成しても、光源像Ｉを投影光学系５の入射瞳に形成で
きるため、レチクルＲ上に円弧上の照明領域ＢＦ_Rを形
成しながらテレセントリックなケーラー照明が達成でき
る。次に、図５に示した投影光学系５と同様に凹面鏡４
１と凸面鏡４２とで再結像光学系４を構成した例を図７
を参照しながら説明する。

【００９８】図７に示す如く、再結像光学系４は、凹面
鏡４１と凸面鏡４２とを有する構成を基本とし、さらに
スリット板Ｓと凹面鏡４１、及び凹面鏡５１とレチクル
Ｒとの光路間にはそれぞれ光路を折り曲げる反射鏡
Ｍ₄₁，Ｍ₄₂を有している。そして、図５に示した投影光
学系５と同様に、凹面鏡５１と凸面鏡５２との曲率中心
とがほぼ一致しており、この時、凹面鏡５２の曲率半径
は凹面鏡５１の曲率半径の半分となっている。

【００９９】ここで、オプティカルインテグレータ２に
より形成される光源像Ｉ（特殊反射鏡３の光源側焦点位
置）は、再結像光学系４の入射瞳（凸面鏡４２の位置又
はその近傍）と実質的に共役となっており、しかも複数
の光源像Ｉの形状と再結像光学系４の入射瞳の形状がと
もに円形となっている。従って、図５に示した投影光学
系５と同様に再結像光学系４を凹面鏡４１と凸面鏡４２
とで構成した場合にも、光源像Ｉを投影光学系５の入射
瞳に形成できるため、レチクルＲ上に円弧上の照明領域
ＢＦ_Rを形成しながらテレセントリックなケーラー照明
が達成できる。

【０１００】ところで、図６及び図７では再結像光学系
４を反射光学系で構成した例を説明したが、次に再結像
光学系４を屈折光学系で構成した例を図８及び図９を参
照しながらそれぞれ説明する。図８は、再結像光学系４
を２つの屈折型レンズで構成した例を示しており、図８
に示す如く、再結像光学系４は、第１の再結像レンズ４
３と第２の再結像レンズ４４とで構成されている。そし
て、第１の再結像レンズ４３と第２の再結像レンズ４４
との間には、特殊反射鏡３と第１の再結像レンズ４３と
によって、ほぼ円形状の光源像Ｉ’が再結像される。

【０１０１】従って、再結像光学系４を２つの屈折型レ
ンズで構成した場合にも、光源像Ｉを投影光学系５の入
射瞳に形成できるため、レチクルＲ上に円弧上の照明領
域ＢＦ_Rを形成しながらテレセントリックなケーラー照
明が達成できる。なお、図８では、説明を簡単にするた
めに、再結像光学系４を２枚の屈折型レンズで構成した
例を示したが、第１の再結像レンズ４３及び第２の再結
像レンズ４４をそれぞれ複数の屈折型レンズで構成して
良いことは言うまでもない。

【０１０２】最後に、図９は再結像光学系４を２つの屈
折型レンズで構成し、この再結像光学系４の光軸を特殊
反射鏡３の基準軸Ａｘ₁と一致させた例を示すものであ
る。図９の点線で示す如く、オプティカルインテグレー
タ２により形成された光源像Ｉからの光束は、特殊反射
鏡３を介して平行光束に変換されて、スリット板Ｓの円
弧状の開口部を円弧照明する。その後、スリット板Ｓの
円弧状の開口部を通過した光束は、第１の再結像レンズ
４５と第２の再結像レンズ４５とで構成される再結像光
学系４に対して軸外から入射し、第１の再結像レンズ４
５の光軸を境として右半分のレンズ部分４５ａを通過し
て、第１の再結像レンズ４５の被照射面側の焦点位置に
光源像Ｉ’が形成される。そして、光源像Ｉ’からの光
束は、第２の再結像レンズ４６の光軸を境として左半分
のレンズ部分４６ｂを通過して、レチクルＲ上に円弧状
の照射領域ＢＦ_Rを形成する。

【０１０３】この場合の再結像光学系４は、軸外光束を
利用しているため、再結像光学系４の光軸から所定の距
離だけ離れた入射高の極狭い領域での収差が良好に補正
されていれば良いため、球面収差等の補正を考慮しなく
ても良いという利点がある。このため、図９の如き構成
を有する再結像光学系４では、原理的に、少ないレンズ
構成枚数で良好なる収差補正が達成できる。

【０１０４】なお、図９では、再結像光学系４を２枚の
屈折型レンズで構成しているが、１枚の屈折型レンズを
半分に切断し、切断した一方を第１の再結像レンズ４５
ａ、切断した他方を第２の再結像レンズ４６ｂとしても
良い。さらに、第１の再結像レンズ４５ａの被照射面側
の焦点位置（光源像Ｉ’の位置）に平面鏡を配置し、再
結像レンズ４５の右半分のレンズ部分４５ａを通過した
特殊反射鏡３からの光束を平面鏡で反射させ、その後、
再結像レンズ４５の左半分のレンズ部分４５ｂを通過さ
せて、このレンズ部分４５ｂを通過した光束をレチクル
Ｒ上に導く構成としても良い。これにより、第２の再結
像レンズ４６の構成を不要とすることができる。

【０１０５】さて、次に、図１０を参照しながら本発明
による照明光学系を露光装置に応用した第２実施例を示
す図であり、この図を参照しながら本発明による第２実
施例を説明する。なお、図５に示した第１実施例と同一
の機能を持つ部材には同一の符号を付してある。第２実
施例が第１実施例と異なる所は、特殊反射鏡３の光源側
の焦点位置（光源側の焦点距離ｆはｆ＝(2α）^-1）に、
直接的に光源を配置した点である。

【０１０６】図１０に示す如く、特殊反射鏡３の基準軸
Ａｘ₁上に光源としての水銀アーク灯１１が配置されて
おり、この水銀アーク灯１１の光放射領域１１ａは特殊
反射鏡３の光源側の焦点位置と一致している。そして、
水銀アーク灯１１の左側には、水銀アーク灯１１の光放
射領域１１ａの中心を曲率中心とした曲率半径を持つ凹
面鏡１２が配置されている。水銀アーク灯１１から左側
（凹面鏡１２）へ放射される光束は、凹面鏡１２によっ
て光放射領域１１ａの中心へ向けて反射集光されて、特
殊反射鏡３へ向かい、水銀アーク灯１１から右側へ放射
される光束は、特殊反射鏡３へ向かう。なお、第２実施
例では、水銀アーク灯１１と凹面鏡１２とで光源手段を
構成している。

【０１０７】水銀アーク灯１１から放射された光束は、
特殊反射鏡３を介して円弧状の断面を有する平行光束に
変換されて、スリット板Ｓの円弧状の開口部を円弧照明
する。スリット板Ｓを通過した光束は再結像光学系４に
よりレチクルＲ上で集光されて、ここには、テレセント
リック性が維持されながら円弧状の照射領域ＢＦ_Rが形
成される。

【０１０８】ここで、水銀アーク灯１１の光放射領域１
１ａ（特殊反射鏡３の光源側焦点位置）は、投影光学系
５の入射瞳（凸面鏡５２の位置又はその近傍）と実質的
に共役となっており、しかも投影光学系５の入射瞳位置
には、この瞳の形状（円形）に見合った光放射領域１１
ａの光源像が形成される。従って、レチクルＲ上には、
テレセントリック性が維持されながら円弧状照明領域が
形成されているのみならず、ケーラー照明されている。
よって、レチクルＲは高い照明効率のもとで円弧状にし
かも均一に照明されるため、レチクルステージＲＳ及び
ウエハステージＷＳを矢印で示す方向へ移動させること
により、従来よりも格段に照明効率が高く、より高いス
ループットのもとで走査露光が達成できる。

【０１０９】尚、図１０に示した第２実施例における再
結像光学系４は、図６〜図９に示した構成として良いこ
とは言うまでもない。また、図５及び図１０に示した各
実施例の照明光学系は、特殊反射鏡３により形成される
円弧状の照射領域ＢＦを再結像光学系４によってレチク
ルＲ上に円弧状の照射領域ＢＦ_Rを再形成しているが、
再結像光学系４を用いることなく、特殊反射鏡３により
形成される円弧状の照射領域ＢＦ上にレチクルＲ等の被
照射物体を配置して、被照射物体を直接的に円弧照明し
ても良い。

【０１１０】さらに、図４に示した如く、光源像又は光
源の位置が特殊反射鏡の基準軸上に形成されていれば、
原理的に、ケーラー照明状態を維持しながら、従来より
も格段に高い照明効率のもとで被照射面を円弧状に均一
照明することができることは言うまでもない。このと
き、円弧状の被照射面が僅かに傾くため、この傾きに対
応させて、この被照射面以降の光学系を傾けて構成する
ことが好ましい。

【０１１１】

【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、テレセン
トリック性及びケーラー照明状態を維持しながら、従来
よりも格段に高い照明効率のもとで被照射面を円弧状に
均一照明することができる。これにより、高いスループ
ットのもとでレチクルのパターンを忠実にウエハ上へ転
写することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は特殊反射鏡のメリジオナル方向での断面
図である。

【図２】図２は特殊反射鏡の斜示図である。

【図３】図３は特殊反射鏡の最適な形状を説明するため
の図である。

【図４】光源像の位置を基準軸に沿ってずらした状態を
示す図である。

【図５】図４は本発明による照明光学系を露光装置に応
用した第１実施例を示す図である。

【図６】図５は２枚の特殊反射鏡で再結像光学系４を構
成した例を示す図である。

【図７】図６は凹面鏡と凸面鏡とで再結像光学系４を構
成した例を示す図である。

【図８】図７は２つの屈折型レンズで再結像光学系４を
構成した例を示す図である。

【図９】図８は再結像光学系４を２つの屈折型レンズで
構成し、この再結像光学系４の光軸を特殊反射鏡３の基
準軸Ａｘ₁と一致させた例を示す図である。

【図１０】図９は本発明による照明光学系を露光装置に
応用した第２実施例を示す図である。

【図１１】図１０は従来の照明光学系の構成を示す図で
ある。

【主要部分の符号の説明】

１・・・レーザー２・・・オプティカルインテグレータ３・・・特殊反射鏡４・・・再結像光学系５・・・投影光学系１１・・・水銀アーク灯１２・・・凹面鏡ＰＡ・・・放物面Ａx₀・・・対称軸Ａx₁・・・基準軸ＢＦ，ＢＦ_R・・・照射領域Ｓ・・・スリット板Ｒ・・・レチクルＲＳ・・・レチクルステージＷ・・・ウエハＷＳ・・・ウエハステージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の大きさの光源像または所定の大きさ
の光源を形成する光源手段と、該光源手段からの光束を
集光して被照明物体を照明する集光光学系とを有する照
明光学系において、前記集光光学系は、前記光源像または前記光源からの光
束を平行光束に変換して前記被照明物体上を円弧状に照
明する特殊反射鏡を有し、該特殊反射鏡は、放物線の頂点から該放物線の対称軸に
沿って所定の距離だけ隔てた位置を該対称軸に対して垂
直に通る基準軸を中心に回転させた放物トーリック形状
の回転体の１部より構成されることを特徴とする照明光
学系。
【請求項２】前記特殊反射鏡は、前記放物トーリック形
状の回転体の２つの緯線で挟まれる帯状領域の１部で構
成されることを特徴とする照明光学系。
【請求項３】前記光源手段は、平行光束を供給する光源
部と、該光源部からの平行光束によって複数の光源像を
形成するオプティカルインテグレータとを有し、該複数の光源像は、前記基準軸上に形成されることを特
徴とする請求項１または請求項２記載の照明光学系。
【請求項４】前記光源手段は、光束を供給する光源部で
なり、該光源部の発光領域は、前記基準軸上に形成され
ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の照明
光学系。