JPH07249562A

JPH07249562A - 照明装置及び該照明装置を用いた露光装置

Info

Publication number: JPH07249562A
Application number: JP6040771A
Authority: JP
Inventors: Hideki Komatsuda; 秀基小松田; Hideo Hirose; 秀男広瀬; Tetsuo Kikuchi; 哲男菊池
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-03-11
Filing date: 1994-03-11
Publication date: 1995-09-26
Anticipated expiration: 2018-01-20
Also published as: JP3368653B2; US5594587A

Abstract

(57)【要約】【目的】開口絞りの開口径を変えた場合でも、複雑な
調整機構を使用することなく被照明物体面上でのテレセ
ントリック性の崩れ量を所望の値以下にする。【構成】水銀ランプ１からの照明光が集光鏡２等を介
してフライアイレンズ５０に入射し、フライアイレンズ
５０による光源像からの光が、可変開口絞り６及び焦点
距離ｆ_conのコンデンサーレンズ７を介してレチクル８
を照明する。フライアイレンズ５０のレンズエレメント
幅を２ｄ、可変開口絞り６の有効径を最大値２Ｒ_max及
び最小値Ｒ_minとしたときのレチクル８上での照度の平
均値をそれぞれＥ_max及びＥ_min、レチクル８上での許
容されるテレセントリック性のずれ量をＡとして、次の
条件を満足させる。ｄ｛（Ｒ_max ²Ｅ_min)／（Ｅ_maxＲ_min ²）−１｝≦ｆ_con・
Ａ

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被照明体を照明するた
めの照明装置、及びこの照明装置を用いた露光装置に関
し、特に例えば半導体素子又は液晶表示素子等を製造す
るための露光装置において転写用のパターンが形成され
たレチクルを照明するために使用される照明装置、及び
この照明装置を用いた投影露光装置に適用して好適なも
のである。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子又は液晶表示素子等を
フォトリソグラフィ工程で製造する際に、フォトマスク
又はレチクル（以下、一例として「レチクル」を使用す
る）のパターンを所定の照明光のもとで、投影光学系を
介してウエハ（又はガラスプレート等）上に転写する投
影露光装置、又はレチクルのパターンをレチクルに近接
して配置されたウエハ上に直接転写するプロキシミティ
方式の露光装置等が使用されている。斯かる露光装置
（以下、「半導体露光装置」という）では、感光基板上
での露光量のむらを少なくする必要があるため、オプテ
ィカル・インテグレータを用いてレチクル上の所定の照
明領域をできるだけ均一な照度で照明するための照明装
置が使用されている。この場合、オプティカル・インテ
グレータにより形成される光源像の位置に配置した照明
系開口絞りの口径により照明光の開口数（Ｎ．Ａ．）が
設定される。

【０００３】従来この種の照明装置としては、主に照明
光の開口数を固定したものが使用されてきた。ところが
近年、所謂変形光源法（例えば特開平４−１０１１４８
号公報参照）、又は位相シフトマスク法（例えば特公昭
６２−５０８１１号公報参照）等の超解像技術が開発さ
れるにつれ、開口数固定のままではそれらの技術が活か
せないような状況が生じてきた。そこで、最近では、開
口数を決定する照明系開口絞りの径が連続可変になって
いる機構、又はレボルバ式に種々の形状の絞りを入れ換
えて設定できる機構等が採用されるようになってきてい
る。

【０００４】図２（ａ）は、従来の半導体露光装置に使
用されている照明装置を示し、この図２（ａ）におい
て、光源としての水銀ランプ１が、回転楕円面からなる
反射面を有する集光鏡２の第１焦点２１に配置され、集
光鏡２の第２焦点２２に光源像（二次光源）が形成され
ている。この二次光源から発散する光束は、コリメータ
レンズ３によりほぼ平行な光束に変換された後、バンド
パスフィルタ４に入射する。そして、バンドパスフィル
タ４で選択された露光波長（水銀のｇ線（波長：４３６
ｎｍ、ｉ線（波長：３６５ｎｍ）等）の照明光が、多数
のレンズエレメントからなるフライアイレンズ５に入射
し、フライアイレンズ５の射出側焦点面５２に多数の光
源像（三次光源）が形成される。

【０００５】この場合、フライアイレンズ５の入射面で
の照明光の照度分布は、図２（ｂ）に示すように、光軸
からの距離のほぼ二次関数で表される。図２（ａ）にお
いて、その焦点面５２には可変開口絞り６が設置され、
可変開口絞り６の開口内の多数の三次光源から発散する
光束は、コンデンサーレンズ７により集光されて、露光
用のパターンが描画されたレチクル８のパターン形成面
上の照明領域を重畳的に均一な照度で照明する。そし
て、照明装置の光軸に平行にｘ軸を取り、ｘ軸に垂直で
図２（ａ）の紙面に平行な方向にｙ軸を取り、図２
（ａ）の紙面に垂直な方向にｚ軸を取る。

【０００６】この場合、光源１と光学的に共役関係にあ
るのは、上述の如く、集光鏡２の第２焦点２２とフライ
アイレンズ５の射出側焦点面５２とであり、被照射面で
あるレチクル８の照明領域における照明光の開口数は、
その焦点面５２に配置された可変開口絞り６の開口径に
より決定される。照明系の開口数は、投影像の解像力、
焦点深度、及び像質等に大きな影響を与えるため、投影
光学系の開口数、パターン寸法等により最適な値に設定
されなければならない。また、レチクル８のパターン形
成面は、フライアイレンズ５の入射側の焦点面５１と共
役であって、フライアイレンズ５を構成する各レンズエ
レメントの入射面が各々視野絞りとなり、この視野絞り
により制限された光束がコンデンサーレンズ７を介して
被照射面上で重畳される。

【０００７】この場合、水銀ランプ１から発散する光を
集光する手段として、回転楕円面を有する集光鏡２が使
用されているが、その楕円面につき深く考察する。図３
は、集光鏡２の反射面としての回転楕円面の光軸を含む
断面、即ち楕円面２ａを示し、この図３に示す如く、楕
円面２ａは第１焦点Ｆ₁ からの距離ｒ₁、及び第２焦点
Ｆ₂ からの距離ｒ₂の和（ｒ₁+ｒ₂)が一定となる点の軌
跡であり、従って楕円面２ａは２つの焦点Ｆ₁ 及びＦ₂
で球面収差が存在しないという重要な光学的性質を有す
る。

【０００８】図３に示すように、２つの焦点Ｆ₁ 及びＦ
₂ を通る軸（これを「光軸ＡＸ」とする）を含む平面内
において、光軸ＡＸに対して焦点Ｆ₁ から角度ｕ₁ で楕
円面２ａに向い、楕円面２ａで反射された後焦点Ｆ₂ に
向かう光が光軸ＡＸに対してなす角度をｕ₂ として、通
径を２Ｌとすると、離心率Ｅを用いて楕円面２ａは下記
の極方程式の形で表現出来る（”数学公式集”、Ｐ５
８、共立全書１３８、共立出版１９５９、参照）。

【０００９】ｒ₁ ＝Ｌ／（１＋Ｅ・cos ｕ₁ ）（１−１）ｒ₂ ＝Ｌ／（１−Ｅ・cos ｕ₂ ）（１−２）ここで、楕円の頂点から２つの焦点Ｆ₁ 及びＦ₂ までの
距離をそれぞれｆ₁ 及びｆ₂ とすると、通径２Ｌ、及び
離心率Ｅは次のように表すことができる。Ｌ＝２ｆ₁ ｆ₂ ／（ｆ₁ ＋ｆ₂ ）（１−３）Ｅ＝（ｆ₂ −ｆ₁ ）／（ｆ₁ ＋ｆ₂ ）（１−４）従って、次式が得られる。

【００１０】ｒ₁ ＝２ｆ₁ ｆ₂ ／｛（ｆ₁+ｆ₂)＋（ｆ₂-ｆ₁)cos ｕ₁} （２−１）この場合、ｒ₂ ＝ｆ₁ ＋ｆ₂ −ｒ₁ であるため、（２−
１）式より次のようになる。ｒ₂={(ｆ₁ ²＋ｆ₂ ²)+（ｆ₂ ²−ｆ₁ ²)cosｕ₁}/{（ｆ₁+ｆ₂)+(ｆ₂-ｆ₁)cos ｕ₁} （２−２）楕円面２ａの近軸横倍率βは、β＝ｆ₂ ／ｆ₁ であるた
め、このβを用いて（２−１）式及び（２−２）式を整
理すると次のようになる。

【００１１】ｒ₁ ＝２ｆ₂ ／｛（β＋１）＋（β−１）cos ｕ₁ ｝（３−１）ｒ₂=ｆ₁{（β²+1)+(β²-1)cos ｕ₁}/{（β+1)+（β-1)cosｕ₁} （３−２）（１−２）式と（３−２）式とより、次の関係式が導か
れる。 cos ｕ₂={(β²-1)+(β²+1)cos ｕ₁}/{（β²+1)+(β²-1)cos ｕ₁} （３−３）この場合、sin ｕ₂ ＝（１−cos²ｕ₂ ）^1/2 であるた
め、次の関係式が得られる。

【００１２】 sin ｕ₂=２βsin ｕ₁/{(β²+1)+(β²-1)cos ｕ₁} （３−４）ここで、（３−４）式から、次のような楕円面２ａの正
弦条件不満足量Δが得られる。 Δ＝β-(sin ｕ₁ ／sin ｕ₂) ＝β-{（β²+1)+(β²-1)cos ｕ₁}/(２β）（３−５）この楕円面２ａの正弦条件不満足量Δは、角度ｕ₁ が大
きくなるに従いその絶対値が大きくなる。即ち、楕円面
２ａの２焦点間に球面収差は存在しないが、楕円面２ａ
は正弦条件を満足しておらずアプラナティックな結像関
係に無い。

【００１３】コリメータレンズ３は、通常制限条件を満
足しており、コリメータレンズ３の焦点距離をｆ_col、
コリメータレンズ３への照明光の入射角をｕ₂、被照射
面（但し、この場合はフライアイレンズ５の入射面）で
の像高をｈとすると、次の関係がある。ｈ＝ｆ_colsin ｕ₂ （４−１）この式に（３−４）式を代入すると、次のようになる。

【００１４】ｈ＝２ｆ_colβsin ｕ₁/{(β²+1)+(β²-1)cos ｕ₁} （４−２）さて、次に照度について考える。図２（ａ）において、
水銀ランプ１の発光部を点と考え、水銀ランプ１の発光
部の輝度をＩ、フライアイレンズ５の入射面での照度を
ｅとする。また、光軸ＡＸの回りの微小回転角をｄψと
すると、水銀ランプ１から光軸ＡＸに対する角度がｕ₁
〜（ｕ₁＋ｄｕ₁)で、且つ光軸ＡＸの回りの微小回転角
がｄψの微小立体角へ射出される照明光の単位時間当り
のエネルギー（仕事率）は、次のようになる。

【００１５】Ｉ・ｄｕ₁・ｄψ・sin ｕ₁ これを受光面側から、つまり、フライアイレンズ５の入
射面で考える。即ち、フライアイレンズ５の入射面にお
いて、像高がｈ〜（ｈ＋ｄｈ）で、且つ光軸ＡＸの回り
の微小回転角ｄψの領域に照射される照明光の単位時間
当りのエネルギーは次のようになる。

【００１６】ｅ・ｈ・ｄｈ・ｄψ これらは等しいため、次の関係が得られる。Ｉ・ｄｕ₁・ｄψ・sin ｕ₁＝ｅ・ｈ・ｄｈ・ｄψ （５−１）この式に、（４−２）式及び（４−２）式の微分を代入
して並べ替えると、次式が得られる。

【００１７】ｅ＝Ｉ{(β²+1)+(β²-1)cos ｕ₁}³/[4ｆ_col ²β²{（β²-1) +(β²+1)cos ｕ₁}］（５−２）ここで、光源として図４に示すショートアーク型の水銀
ランプ１が使用されるとする。この図４において、水銀
ランプ１は石英バルブ１１中に水銀、始動用希ガス等を
封入し、接近して対向させた電極１２及び１３間に直流
電圧を印加して放電発光するようになっている。その水
銀ランプ１の配光は、ほぼ角度ｕ₁ ＝９０゜を中心とし
て±４０゜（ｕ₁ ＝５０°〜１３０゜）程度に分布す
る。この角度範囲において、種々の近軸横倍率β（＝ｆ
₂ ／ｆ₁)について、（５−２）式よりフライアイレンズ
５の入射面での照度ｅを計算した結果を図５に示す。図
５において、曲線Ｃ１，Ｃ２及びＣ３は、それぞれ近軸
横倍率βの値が１０，８及び５の場合の計算結果を示
す。角度ｕ₁の小さい方がフライアイレンズ５の中央部
であり、傾向として、角度ｕ₁ が小さい程照度ｅは大き
な値を取る。

【００１８】このことから、集光鏡２を利用した照明装
置においては、フライアイレンズ５に入射する光束の強
度分布が中央部に偏る、即ち、フライアイレンズ５の入
射面は光軸ＡＸに近い部分程明るく照らされることが分
かる。図２（ａ）に戻り、本発明が対象とする照明装置
では、フライアイレンズ５の入射面５１におけるフライ
アイレンズ５を構成する各小レンズによる開口は、被照
射面（レチクル８のパターン形成面）とそれぞれ共役に
なっている。ここで図６に示すように、フライアイレン
ズ５に中央部（光軸ＡＸ付近）が明るい光束ＩＬが入射
した場合、図６におけるフライアイレンズ５の入射面の
点ａ及びｂは、被照射面であるレチクル８のパターン形
成面上で同じ点ｃと共役になる。言い換えれば、被照射
面上の点ｃに向かう光束は、点ａや、点ｂに入射した光
より構成されているが、点ａと点ｂとでは、光束ＩＬの
強度が違うため、光束の主光線Ｉαと実効上の主光線Ｉ
βとが違ってしまい、その間に角度θの傾きが生じる。

【００１９】この場合の主光線Ｉαとは、フライアイレ
ンズ５の射出面で光軸ＡＸを通過する光線であり、実効
上の主光線Ｉβとは、フライアイレンズ５の射出面で照
度分布の重心位置を通過する光線である。そして、実効
上の主光線Ｉβの主光線Ｉαに対する角度θがテレセン
トリック性の崩れとなる。そのため、従来は照明装置の
設計時に、例えばフライアイレンズ５に入射する光束Ｉ
Ｌとフライアイレンズ５との相対的な位置関係にその角
度θに対応するオフセットを乗せるようにしていた。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来は、
実効上の主光線Ｉβの主光線Ｉαに対する角度θに起因
するテレセントリック性の崩れを補正するため、所定の
オフセット調整を行っていた。しかしながら、図７
（ａ）及び（ｂ）に示すように、フライアイレンズ５の
射出面に設置される可変開口絞り６の径が変わって、フ
ライアイレンズ５に入射する中央部が明るい光束ＩＬの
取り込み範囲が違ってくると、実効上の主光線Ｉβの主
光線Ｉαに対する角度θが変化し、角度θに応じたオフ
セットも変わってしまうため、テレセントリック性が崩
れてしまうという不都合があった。

【００２１】また、レチクル８のパターンのパターンを
投影光学系を介してウエハ上に露光する投影露光装置に
図２（ａ）の照明装置を適用した場合、レチクル８のパ
ターン形成面でテレセントリック性が崩れた場合には、
結果としてウエハの露光面でのテレセントリック性も崩
れてしまい、ウエハ上の投影像の倍率誤差等が生じ易く
なる。即ち、投影光学系を使用する投影露光装置におい
て、ウエハ上でのテレセントリック性を高精度に維持す
るためにも、レチクル８のパターン形成面でのテレセン
トリック性の崩れを小さくする必要がある。

【００２２】これに対処するため、可変開口絞り６と共
にフライアイレンズ５の手前の光学系も可変とするよう
な機構も考えられている。しかしながら、可変開口絞り
６の他に更に可変調整機構を設けるのでは照明装置の機
構が複雑化すると共に、可変開口絞り６と後者の可変調
整機構とを同期して駆動するための制御系が必要とな
り、製造コストが増大する不都合がある。

【００２３】本発明は斯かる点に鑑み、照明装置中の開
口絞りの開口の形状を変えた場合でも、複雑な調整機構
を使用することなく被照明物体面上でのテレセントリッ
ク性の崩れ量を所望の値以下に維持できる照明装置を提
供することを目的とする。更に本発明は、そのような照
明装置を使用してウエハ上でのテレセントリック性の崩
れ量を所望の値以下に維持できる露光装置を提供するこ
とをも目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明による照明装置
は、例えば図１（ａ）に示すように、照明光を生成する
光源系（１，２）と、この光源系からの照明光をほぼ平
行光束にするコリメート光学系（３）と、このコリメー
ト光学系（３）からの光束から複数の光源像を形成する
フライアイ・インテグレータ（５０）と、このフライア
イ・インテグレータの射出面（５２）に配置された可変
開口絞り（６）と、そのフライアイ・インテグレータか
らの光束を被照明物体面（８）に導き、且つそのフライ
アイ・インテグレータの入射面（５１）と被照明物体面
（８）とを共役にするコンデンサーレンズ系（７）と、
を有する照明装置に関する。

【００２５】そして、本発明は、フライアイ・インテグ
レータ（５０）を構成する複数のレンズエレメント（５
０ａ）の所定方向の幅を２ｄ、コンデンサーレンズ系
（７）の焦点距離をｆ_con、可変開口絞り（６）の有効
径の最大値及び最小値をそれぞれ２Ｒ_max及び２
Ｒ_min、可変開口絞り（６）の有効径をその最大値及び
その最小値としたときの被照明物体面（８）上での照度
の平均値をそれぞれＥ_max及びＥ_min、被照明物体面
（８）上での許容されるテレセントリック性のずれ量を
Ａとして、次の条件を満足するものである。

【００２６】ｄ｛（Ｒ_max ²Ｅ_min)／（Ｅ_maxＲ_min ²）−１｝≦ｆ_con・Ａ（５−３）この場合、その光源系の一例は、照明光を生成する光源
（１）と、この光源が第１焦点に配置された楕円鏡
（２）とを有するものである。また、本発明による露光
装置は、例えば図１（ａ）に示すように、照明光を生成
する光源系（１，２）と、この光源系からの照明光をほ
ぼ平行光束にするコリメート光学系（３）と、このコリ
メート光学系からの光束から複数の光源像を形成するフ
ライアイ・インテグレータ（５０）と、このフライアイ
・インテグレータの射出面（５２）に配置された可変開
口絞り（６）と、フライアイ・インテグレータ（５０）
からの光束をマスク面（８）に導き、且つそのフライア
イ・インテグレータの入射面（５１）とマスク面（８）
とを共役にするコンデンサーレンズ系（７）と、マスク
面（８）上のパターンを被露光物体（１６）上に露光す
る投影光学系（１５）と、を有する露光装置に関する。

【００２７】そして、本発明は、フライアイ・インテグ
レータ（５０）を構成する複数のレンズエレメント（５
０ａ）の所定方向の幅を２ｄ、コンデンサーレンズ系
（７）の焦点距離をｆ_con、投影光学系（１５）の投影
倍率をＢ、可変開口絞り（６）の有効径の最大値及び最
小値をそれぞれ２Ｒ_max及び２Ｒ_min、その可変開口絞
りの有効径をその最大値及びその最小値としたときの被
照明物体面（８）上での照度の平均値をそれぞれＥ_max
及びＥ_min、被露光物体（１６）上での許容されるテレ
セントリック性のずれ量をａとして、次の条件を満足す
るものである。

【００２８】ｄ｛（Ｒ_max ²Ｅ_min)／（Ｅ_maxＲ_min ²）−１｝≦ｆ_con・Ｂ・ａ（５−４）この場合も、その光源系の一例は、照明光を生成する光
源（１）と、この光源が第１焦点に配置された楕円鏡
（２）とを有するものである。

【００２９】

【作用】斯かる本発明による照明装置において、図１
（ａ）の被照明物体面（８）上でのテレセントリック性
のずれ量を所定の許容値Ａ以下に保つための条件を以下
のようにして求める。先ず、再び図６参照すると、被照
明物体面（８）上の点ｃは、フライアイ・インテグレー
タ（５０）の入射面上の点ａ及び点ｂと共役になってい
る。この場合、照明装置の光軸ＡＸに垂直な平面の直交
座標系をｙ軸及びｚ軸として、フライアイ・インテグレ
ータ（５０）の入射面での照度分布を関数ｅ（ｙ，ｚ）
で表す。

【００３０】このとき、照度分布ｅ（ｙ，ｚ）が光軸
（ＡＸ）に関して軸対称であるとすると、被照明物体面
（８）上の像高の高い点ｃと共役なフライアイ・インテ
グレータ（５０）の入射面の点ａ及び点ｂは、フライア
イ・インテグレータ（５０）を構成するレンズエレメン
トの幅とほぼ等しい距離だけずれているため、点ａでの
照度は点ｂでの照度より小さくなる。従って、点ｃに向
かう光束の照度分布の重心位置は点ｂの方向にずれるよ
うになる。特に被照明物体面（８）上の像高の最も高い
点に向かう光束の照度分布の重心位置が最も大きくずれ
るようになる。

【００３１】実際にはフライアイ・インテグレータ（５
０）の射出面には可変開口絞り（６）が設置されるた
め、可変開口絞り（６）を通してフライアイ・インテグ
レータ（５０）から射出される光束の照度分布の重心位
置の、光軸（ＡＸ）から半径方向へのずれ量をＳとし
て、このずれ量Ｓを数式で表す。図１（ａ）に戻り、照
明装置の光軸（ＡＸ）をｘ軸として、光軸（ＡＸ）に垂
直な平面の直交座標系がｙ軸及びｚ軸であり、フライア
イ・インテグレータ（５０）の入射面での照度分布ｅ
（ｙ，ｚ）は、図１（ｂ）に示すように光軸（ＡＸ）を
中心として回転対称である。そして、図１（ａ）中のフ
ライアイ・インテグレータ（５０）の正面図である図１
（ｃ）に示すように、フライアイ・インテグレータ（５
０）を構成する断面形状が正方形の各レンズエレメント
（５０ａ）のｙ方向の幅を２ｄとして、可変開口絞り
（６）の内径を２Ｒとすると、その可変開口絞り（６）
から射出される光束の照度分布の重心位置のずれ量Ｓは
次のようになる。

【００３２】

【数１】

【００３３】この場合の積分範囲Ｄは、（ｙ²＋ｚ²)≦
Ｒ²の領域である。このずれ量Ｓを、可変開口絞り
（６）の可変範囲内で、被照明物体面（８）でのテレセ
ントリック性のぶれ幅に換算した値でＡ以下とする。即
ち、可変開口絞り（６）の内径２Ｒが最大値２Ｒ_max及
び最小値２Ｒ_minであるときのずれ量ＳをそれぞれＳ
_max及びＳ_minとした場合、光束の照度分布の重心位置
のずれ量の差（Ｓ_max−Ｓ_mi _n）の絶対値が、コンデン
サーレンズ系（７）の焦点距離をｆ_conとして、ｆ_co _n・
Ａ以下になればよい。これを数式化すると次のようにな
る。

【００３４】

【数２】

【００３５】この場合の積分範囲Ｄ_maxは、（ｙ²＋ｚ
²)≦Ｒ_max ²の領域で、積分範囲Ｄ_mi _nは、（ｙ²＋ｚ²)
≦Ｒ_min ²の領域である。ここで、フライアイ・インテグ
レータ（５０）の入射面での照度分布ｅ（ｙ，ｚ）を二
次式で近似する。即ち、ｅ（ｙ，ｚ）＝ａ−ｂ（ｚ²＋
ｙ²)＝ａ−ｂ・ｒ²とすると、（６−１）式は次のよう
になる。

【００３６】

【数３】

【００３７】この場合の積分範囲Ｄも、（ｙ²＋ｚ²)≦
Ｒ²の領域である。次に、可変開口絞り（６）の開口径
を２Ｒとしたとき、その絞りを通り抜ける光束の単位時
間当りのエネルギー（仕事率）Ｗは次のようになる。

【００３８】

【数４】

【００３９】この式から係数ｂを算出し、この係数ｂを
（７−１）式に代入することにより、照度分布の重心位
置のずれ量Ｓは次のようになる。Ｓ＝ｄ｛ａ−Ｗ/(πＲ²)｝／［ａ−２ｄ²/Ｒ²{ａ −Ｗ/(πＲ²)}−｛ａ−Ｗ/(πＲ²)}] （７−２）フライアイ・インテグレータ（５０）は、入射する光束
を或る程度大きい分割数で分割するものであるため、ｄ
²/Ｒ²＝０とすると、（７−２）式は次のようになる。

【００４０】Ｓ＝ｄ（ａπＲ²／Ｗ−１）（７−３）これを（６−２）式に当てはめると、可変開口絞り
（６）の内径２Ｒが最大値２Ｒ_max及び最小値２Ｒ_min
であるときの光束の仕事率をそれぞれＷ_max及びＷ _min
として次のようになる。Ｓ_max−Ｓ_min＝ａｄπ（Ｒ_max ²／Ｗ_max−Ｒ_min ²／Ｗ_min) ≦ｆ_con・Ａ（８−１）ここでは、楕円鏡の性質より、（Ｓ_max−Ｓ_min）が負
になることはないと判断し、絶対値記号を外している。
また、フライアイ・インテグレータ（５０）の入射面で
の照度分布ｅ（ｙ，ｚ）を二次式で近似しているため、
可変開口絞り（６）の内径２Ｒが最小値２Ｒ_minである
ときの光束の仕事率Ｗ_minは次のようになる。

【００４１】

【数５】

【００４２】この（９−１）式を（８−１）式に代入す
ると、次のようになる。Ｓ_max−Ｓ_min＝ｄ｛（Ｒ_max ²Ｗ_min)／（Ｗ_maxＲ_min ²）−１｝ ≦ｆ_con・Ａ（８−１）また、可変開口絞り（６）の内径２Ｒが最大値２Ｒ_max
であるときの被照明物体面（８）での照度をＥ_max、そ
の内径２Ｒが最小値２Ｒ_minであるときの被照明物体面
（８）での照度をＥ_minとすると、可変開口絞り（６）
は開口絞りであるため、その内径２Ｒが変化しても被照
明物体面（８）での照射範囲は変わらず、また、被照明
物体面（８）は照度均一性が極めて良好であるため、Ｗ
_min/Ｗ_ma _x=Ｅ_min/Ｅ_maxとなる。従って、（１０−１）
式より次式が導かれる。

【００４３】ｄ｛（Ｒ_max ²Ｅ_min)／（Ｅ_maxＲ_min ²）−１｝≦ｆ_con・Ａ（１１−１）これは本発明における（５−３）式と同一の式であり、
この式が成立する場合に、被照明物体面（８）でのテレ
セントリック性の崩れ量がＡ以下になる。しかも、この
場合可変開口絞り（６）以外の光学素子は一切動かす必
要がなく、照明装置の構造は簡略である。

【００４４】次に、本発明の露光装置においては、マス
ク面（８）のパターンが投影光学系１５）を介して被露
光面（１６）上に投影露光される。そこで、投影光学系
（１５）の投影倍率をＢとして、被露光面（１６）上で
の許容されるテレセントリック性の崩れ量をａとする
と、マスク面（８）上での許容されるテレセントリック
性の崩れ量はＢ・ａとなる。また、この許容量Ｂ・ａは
既に説明した被照明物体面（８）上でのテレセントリッ
ク性の崩れ量の許容値Ａに対応する値であり、Ｂ・ａを
（１１−１）式のＡに代入することにより、次式が得ら
れる。

【００４５】ｄ｛（Ｒ_max ²Ｅ_min)／（Ｅ_maxＲ_min ²）−１｝≦ｆ_con・Ｂ・ａ（１１−２）これは本発明における（５−４）式と同一の式であり、
この式が成立する場合に、被露光面（１６）上でのテレ
セントリック性の崩れ量がａ以下になる。また、通常の
露光装置では、被露光面（１６）上におけるテレセント
リック性の崩れ量の許容値ａは０．０１［ｒａｄ］程度
が望ましい。従って、（５−４）式または（１１−２）
式において、ａとして０．０１を代入することにより、
被露光面（１６）上でテレセントリック性の崩れ量を
０．０１［ｒａｄ］以下になり、被露光面（１６）上の
投影像の解像度が悪化しない。

【００４６】

【実施例】以下、本発明による照明光学系の一実施例に
つき図１を参照して説明する。本実施例は投影露光装置
に本発明を適用したものであり、図１において図２に対
応する部分には同一符号を付す。図１（ａ）は本実施例
の投影露光装置を示し、この図１（ａ）において、光源
としての水銀ランプ１が、集光鏡２の回転楕円面の第１
焦点２１に配置され、その回転楕円面の第２焦点２２に
光源像（二次光源）が形成されている。この二次光源か
ら発散する光束は、コリメータレンズ３によりほぼ平行
な光束に変換される。コリメータレンズ３によりほぼ平
行光束にされた光束がバンドパスフィルタ４に入射し、
バンドパスフィルタ４により選択された露光波長（ｇ
線、ｉ線等）の照明光がフライアイレンズ５０に入射
し、フライアイレンズ５０の射出側焦点面５２に多数の
光源像（三次光源）が形成される。その焦点面５２に開
口径２Ｒの可変開口絞り６が配置され、可変開口絞り６
内の多数の三次光源から発散する光束は焦点距離ｆ_con
のコンデンサーレンズ７により集光され、レチクル８の
パターン形成面のパターンを重畳的に且つ均一な照度で
照明する。図２と同様に、光軸ＡＸに平行にｘ軸を取
り、ｘ軸に垂直な平面をｙｚ平面とする。

【００４７】この場合、コンデンサーレンズ７によりフ
ライアイレンズ５０の入射面（入射側焦点面）５１がレ
チクル８のパターン形成面と共役になっている。また、
コンデンサーレンズ７からの照明光のもとで、レチクル
８のパターンが倍率Ｂの両側テレセントリックな投影光
学系１５を介してウエハ１６の露光面に転写露光され
る。

【００４８】図１（ｂ）は、フライアイレンズ５０の入
射面での照明光の照度分布を示し、この図１（ｂ）に示
すように、照度分布は光軸ＡＸを中心として回転対称で
あり、且つその照度分布はほぼ光軸ＡＸからの距離ｒの
二次関数で近似できるものである。また、図１（ｃ）は
図１（ａ）のフライアイレンズ５０の正面図であり、こ
の図１（ｃ）に示すように、フライアイレンズ５０を構
成する多数のレンズエレメント５０ａの断面形状を各辺
がｙ軸又はｚ軸に平行な正方形として、その正方形の断
面のｙ方向（ｚ方向も同じ）の幅を２ｄとする。

【００４９】この場合、本実施例のフライアイレンズ５
０は、図２の従来例のフライアイレンズ５と比べて分割
数が大きくなっている。即ち、本実施例のフライアイレ
ンズ５０を構成するレンズエレメント５０ａの断面形状
の幅２ｄは、図２のフライアイレンズ５を構成するレン
ズエレメント５ａの断面形状の幅２ｄ′より小さく設定
されている。一例として、本実施例では、コンデンサー
レンズ７の焦点距離ｆ _conを５００ｍｍ、フライアイレ
ンズ５０を構成するレンズエレメント５０ａの幅２ｄを
４．０ｍｍ（ｄは２．０ｍｍ）、投影光学系１５の倍率
Ｂを１／５とする。また、可変開口絞り６の開口径２Ｒ
を３０ｍｍ〜７０ｍｍの範囲で変えるものとしたため、
半径Ｒの最小値Ｒ_min及び最大値Ｒ_maxはそれぞれ１５
ｍｍ及び３５ｍｍとなる。

【００５０】そして、半径Ｒが最小値Ｒ_minのときのウ
エハ１６の露光面での照度Ｅ_minは１４１ｍＷ／ｃ
ｍ²、半径Ｒが最大値Ｒ_maxのときのウエハ１６の露光
面での照度Ｅ_maxは５６９ｍＷ／ｃｍ²であった。そし
て、ウエハ１６の露光面でのテレセントリック性の崩れ
量の許容値ａを０．０１ｒａｄとする、（５−４）式の
右辺及び左辺はそれぞれ次のようになる。

【００５１】ｄ｛（Ｒ_max ²Ｅ_min)／（Ｅ_maxＲ_min ²）−１｝＝０．０７、ｆ_con・Ｂ・ａ＝１．００従って、（５−４）式が満足されるため、ウエハ１６の
露光面でのテレセントリック性の崩れ量が０．０１ｒａ
ｄ以下に維持され、投影像の解像度の劣化が防止され
る。この際に、レチクル８上でのテレセントリック性の
崩れ量はＢ・ａ、即ち０．００２ｒａｄ以下に維持され
る。言い換えると、この例ではレチクル８上でのテレセ
ントリック性の許容値Ａが０．００２ｒａｄであるとい
う条件に関して、本発明の（５−３）式が満足されてい
る。

【００５２】また、実際の露光でも、可変開口絞り６の
開口径２Ｒを３０ｍｍから６０ｍｍまで動かしたとき
に、ウエハ１６上でテレセントリック性の変動が０．０
０８ｒａｄ以下であり、その他の露光条件をバランス良
く調整することにより、ウエハ１６へのレチクルのパタ
ーンの焼き付けが良好に行われる。次に、比較するため
に、図２（ａ）の従来例につき（５−４）式が満たされ
ているかどうかを検討する。図２（ａ）の従来例におい
て、レチクルＲの下方には図１の投影光学系１５及びウ
エハ１６が配置されているものとする。そして、その従
来例において、コンデンサーレンズ７の焦点距離
ｆ_con、投影光学系１５の倍率Ｂ、可変開口絞り６の開
口径２Ｒ′の半径Ｒ′の最小値Ｒ_min′及び最大値Ｒ
_max′、並びにその半径Ｒ′が最小値Ｒ_min′及び最大
値Ｒ_max′のときのそれぞれのウエハ１６の露光面での
照度Ｅ_min及び照度Ｅ_maxは、本実施例の条件と同じで
ある。但し、図２（ｃ）に示すように、フライアイレン
ズ５を構成するレンズエレメント５ａの幅２ｄ′は８．
０ｍｍ（ｄ′は４．０ｍｍ）であり、フライアイレンズ
５の分割数は本実施例のフライアイレンズ５０の分割数
より小さい。

【００５３】この従来例でも、ウエハ１６の露光面での
テレセントリック性の崩れ量の許容値ａを０．０１ｒａ
ｄとして、（５−４）式の右辺及び左辺を計算すると
（但し、Ｒ及びｄがそれぞれＲ′及びｄ′で置き換えら
れている）、それぞれ次のようになる。ｄ′｛（Ｒ_max′²Ｅ_min)／（Ｅ_maxＲ_min′²）−１｝＝１．４０、ｆ_con・Ｂ・ａ＝１．００従って、（５−４）式が満足されないため、ウエハ１６
の露光面でのテレセントリック性の崩れ量が許容値より
大きくなってしまう。実際にその従来例で露光を行う際
に、可変開口絞り６の開口径２Ｒ′を３０ｍｍから７０
ｍｍまで動かしと、ウエハ１６の露光面ではテレセント
リック性が０．０１８ｒａｄ変動し、レチクル８のパタ
ーンの像の倍率が変動する。

【００５４】なお、上述実施例はレチクルのパターンを
投影光学系を介してウエハ上に露光する投影露光装置に
本発明を適用したものであるが、本発明はレチクルのパ
ターンをレチクルに近接して配置されたウエハ上に直接
露光するプロキシミティ方式の露光装置にも適用でき
る。プロクシミティ方式の場合には、投影光学系がない
ため本発明の条件の内の（５−３）式を満足させること
により、レチクル上でのテレセントリック性を所定の許
容値以下に収めることができる。

【００５５】次に、テレセントリック性の崩れを少なく
するための別の手法として、図８（ａ）及び（ｂ）に示
すように、フライアイレンズ５０に入射する光束ＩＬの
照度分布を均一にしてもよい。この場合、テレセントリ
ック性の崩れに関して、図８（ａ）のように可変開口絞
り６の開口径を大きくした場合でも、図８（ｂ）のよう
に可変開口絞り６の開口径を小さくした場合でも、それ
ぞれ光束の主光線Ｉαと実効上の主光線Ｉβとが重なる
ため、設計上のオフセットが発生せず、テレセントリッ
ク性が崩れることはなくなる。この手法のようにフライ
アイレンズ５０の入射面側に厳密に照度分布が均一の面
を作るためには、例えばフライアイレンズ５０の前段に
更に別のフライアイレンズを設けて所謂ダブルフライア
イ構成等を採用すればよい。

【００５６】このようにフライアイレンズ５０に入射す
る光束の照度分布を均一化すると、可変開口絞り６の開
口部の面積と、レチクル８上（ウエハ１６上も同様）の
照射領域の照度とが比例するため、次の関係が成立す
る。（Ｒ_max ²Ｅ_min)／（Ｅ_maxＲ_min ²）−１＝０従って、フライアイレンズ５０のレンズエレメント５０
ａの幅２ｄの値に依らず、（５ー３）式及び（５−４）
式が成立し、常にテレセントリック性の崩れがなくな
る。

【００５７】このように本発明は上述実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り
得る。

【００５８】

【発明の効果】本発明の照明装置によれば、フライアイ
・インテグレータの分割数等を調整して（５−３）式の
条件を満足させているため、可変開口絞りで開口の形状
を変えた場合でも、複雑な調整機構を使用することなく
被照明物体面上でのテレセントリック性の崩れ量が所望
の許容値Ａ以下に維持される利点がある。

【００５９】また、光源系が光源と楕円鏡とを有する場
合には、フライアイ・インテグレータの入射面での照明
光の照度分布がほぼ二次関数で表されるような分布とな
るが、この場合でも（５−３）式の条件を満足させるこ
とにより、被照明物体面上でのテレセントリック性の崩
れ量が許容値Ａ以下に維持される。また、本発明の露光
装置によれば、フライアイ・インテグレータの分割数等
を調整して（５−４）式の条件を満足させているため、
可変開口絞りで開口の形状を変えた場合でも、複雑な調
整機構を使用することなく被露光物体上でのテレセント
リック性の崩れ量が所望の許容値ａ以下に維持される利
点がある。

【００６０】また、光源系が光源と楕円鏡とを有する場
合でも、（５−４）式の条件を満足させることにより、
被露光物体面上でのテレセントリック性の崩れ量が許容
値ａ以下に維持される。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例の投影露光装置を示
す概略構成図、（ｂ）は図１（ａ）のフライアイレンズ
５０の入射面での照度分布を示す図、（ｃ）は図１
（ａ）のフライアイレンズ５０の拡大正面図である。

【図２】（ａ）は従来の照明装置を示す概略構成図、
（ｂ）は図２（ａ）のフライアイレンズ５の入射面での
照度分布を示す図、（ｃ）は図２（ａ）のフライアイレ
ンズ５の拡大正面図である。

【図３】図２（ａ）中の集光鏡２の楕円面の光学的性質
の説明図である。

【図４】図２（ａ）中の水銀ランプ１の配光を示す拡大
図である。

【図５】集光鏡２の楕円面の近軸横倍率を変えた場合
の、角度ｕ₁と照度ｅとの関係を示す図である。

【図６】従来の照明装置においてテレセントリック性が
崩れる状態の説明図である。

【図７】フライアイレンズ５の射出面に配置された可変
開口絞り６の開口の大きさによりテレセントリック性の
崩れ量が異なることを示す説明図である。

【図８】実施例において、フライアイレンズ５０に入射
する光束の照度分布を均一にすると、テレセントリック
性の崩れがなくなることを示す説明図である。

【符号の説明】

１水銀ランプ２集光鏡３コリメータレンズ６可変開口絞り７コリメータレンズ８レチクル１５投影光学系１６ウエハ５０フライアイレンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】照明光を生成する光源系と、該光源系からの照明光をほぼ平行光束にするコリメート
光学系と、該コリメート光学系からの光束から複数の光源像を形成
するフライアイ・インテグレータと、該フライアイ・インテグレータの射出面に配置された可
変開口絞りと、前記フライアイ・インテグレータからの光束を被照明物
体面に導き、且つ前記フライアイ・インテグレータの入
射面と前記被照明物体面とを共役にするコンデンサーレ
ンズ系と、を有する照明装置において、前記フライアイ・インテグレータを構成する複数のレン
ズエレメントの所定方向の幅を２ｄ、前記コンデンサー
レンズ系の焦点距離をｆ_con、前記可変開口絞りの有効
径の最大値及び最小値をそれぞれ２Ｒ_max及び２
Ｒ_min、前記可変開口絞りの有効径を最大値及び最小値
としたときの前記被照明物体面上での照度の平均値をそ
れぞれＥ_max及びＥ_min、前記被照明物体面上での許容
されるテレセントリック性のずれ量をＡとして、ｄ｛（Ｒ_max ²Ｅ_min)／（Ｅ_maxＲ_min ²）−１｝≦ｆ_con・Ａの関係を満足することを特徴とする照明装置。
【請求項２】前記光源系は、照明光を生成する光源
と、該光源が第１焦点に配置された楕円鏡と、を有する
ことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項３】照明光を生成する光源系と、該光源系からの照明光をほぼ平行光束にするコリメート
光学系と、該コリメート光学系からの光束から複数の光源像を形成
するフライアイ・インテグレータと、該フライアイ・インテグレータの射出面に配置された可
変開口絞りと、前記フライアイ・インテグレータからの光束をマスク面
に導き、且つ前記フライアイ・インテグレータの入射面
と前記マスク面とを共役にするコンデンサーレンズ系
と、前記マスク面上のパターンを被露光物体上に露光する投
影光学系と、を有する露光装置において、前記フライアイ・インテグレータを構成する複数のレン
ズエレメントの所定方向の幅を２ｄ、前記コンデンサー
レンズ系の焦点距離をｆ_con、前記投影光学系の投影倍
率をＢ、前記可変開口絞りの有効径の最大値及び最小値
をそれぞれ２Ｒ _max及び２Ｒ_min、前記可変開口絞りの
有効径を最大値及び最小値としたときの前記被照明物体
面上での照度の平均値をそれぞれＥ_max及びＥ_min、前
記被露光物体上での許容されるテレセントリック性のず
れ量をａとして、ｄ｛（Ｒ_max ²Ｅ_min)／（Ｅ_maxＲ_min ²）−１｝≦ｆ_con・Ｂ・ａの関係を満足することを特徴とする露光装置。
【請求項４】前記光源系は、照明光を生成する光源
と、該光源が第１焦点に配置された楕円鏡と、を有する
ことを特徴とする請求項３記載の露光装置。