JPH07318847A

JPH07318847A - 照明光学装置

Info

Publication number: JPH07318847A
Application number: JP6134916A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tanitsu; 修谷津
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-05-26
Filing date: 1994-05-26
Publication date: 1995-12-08

Abstract

(57)【要約】【目的】格段に照明効率が高く、照明特性に優れた照
明光学装置を提供すること、特に、特殊開口絞りを用い
た場合に、円弧状に形成される照明領域内での位置によ
らず、従来より焦点深度が深く且つ一様な照明光学装置
を得ること。【構成】光源手段からの光束を集光させて円弧状の照
明領域を形成するコンデンサー光学系と、前記円弧状の
照明領域を被照明物体上に再形成させるリレー光学系と
を有し、前記リレー光学系の瞳位置に、前記リレー光学
系の光軸に対して偏心して配設された複数の透光部を備
えた開口絞りが設けられているもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被照明物体を均一に照
明する照明光学装置に関するものであり、特に、被照明
物体を円弧状に照明するの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では、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。）上に投影して転写露光する。この投影光
学系は、通常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。マスク全体の回路パターンをウエハ上に転写す
るには、マスクとウエハとを一定方向に走査することに
より行われているが、このような円弧状の照明光を利用
した走査露光によると、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。

【０００３】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６０−２３
２５５２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。この特開昭６０−２３
２５５２号公報に提案されている照明光学系では、図８
の（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。

【０００４】このオプティカルインテグレータ２３は、
図８の（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
が、それぞれ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８（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】ところが、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８の（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。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２５ｂ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８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。

【０００６】そこで、上記の如き問題を解消するため
に、本願出願人は、特開平６−９７０４７号（特願平４
−２４２４８６号）において、例えば図９に示すよう
な、特殊反射鏡を備えた照明光学装置を提案した。図９
において、（ａ）は装置を真上から見た時の様子を示す
概略構成図であり、（ｂ）は装置を横方向（メリジオナ
ル方向）から見た時の概略断面構成を示す図である。

【０００７】以下、図９を参照しながら特願平４−２４
２４８６号において提案した装置を説明すると、まずレ
ーザー等からなる光源１から供給される平行光束は、複
数のレンズ素子の集合体で構成されるオプティカルイン
テグレータ２を通過する。このとき、このオプティカル
インテグレータ２の射出側には、レンズ素子の数に相当
する複数の光源像が形成され、ここには、実質的に２次
光源（面光源）が形成される。この２次光源からの光束
は、特殊反射鏡１２により反射集光されて被照明物体と
してのレチクルＲ上には円弧状の照明領域ＢＦが形成さ
れる。

【０００８】ここで、図９の（ｂ）に示す如く、特殊反
射鏡４は、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Ａ_x0をＹ方向、原点Ｏを通り対称軸Ａ
_x0（Ｙ軸）と垂直な方向をＸ方向、放物線ＰＡをｙ＝α
ｘ² と表わすと、原点Ｏから所定の距離（３（４
α）^-1）だけ離れた対称軸Ａ_x0( Ｙ軸）上の位置Ｙ₀ を
通り、対称軸Ａ_x0( Ｙ軸）と直交する基準軸Ａ_x1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。

【０００９】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４により平行
光束に変換され、特殊反射鏡４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であ
る。）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が形成される。この照射領域ＢＦが
形成される位置に、被照明物体としてのレチクルＲが配
置されている。従来の露光装置では、このような円弧状
の照射領域ＢＦを利用して、レチクルＲを格段に高い照
明効率のもとで照明していた。

【００１０】そして、レチクルＲとウエハＷとの間に
は、図９（ｂ）に示す様に、例えば等倍で両側テレセン
トリックな反射型の投影光学系５が設けられており、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
（の位置）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、この光源像及び投影光学系５の入射瞳の形状は共に
円形となっている。従って、レチクルＲは、高い照明効
率のもとで円弧状のケーラー照明がなされる。

【００１１】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、図９に示す装置によれば、
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。

【００１２】ところで、近年においては、例えばオプテ
ィカルインテグレータにより形成される２次光源の形状
を変形させて、レチクルＲを傾斜照明することにより、
投影光学系が本来有する解像度並びに焦点深度よりも大
幅に向上させようという傾斜照明技術が提案されてお
り、大きな注目を集めている。例えば、オプティカルイ
ンテグレータの射出側に配置されている開口絞りにおい
て輪帯状（ドーナツ状）の開口部を設けて輪帯状の２次
光源を形成し、レチクルＲを傾斜照明することにより、
投影光学系の解像度並びに焦点深度の改善を図ろうとす
る輪帯状照明法が知られている。また、この開口絞りに
２つあるいは４つの偏心した開口部を設けて２つあるい
は４つの偏心した２次光源を形成し、レチクルＲを傾斜
照明することにより、輪帯状照明法よりも大きな解像度
並びに深い焦点深度を得ようとする特殊傾斜照明法も知
られており、この技術は例えば特開平４−１０１１４８
号公報に開示されている。

【００１３】この技術を上記の投影光学系に応用した先
行技術を図６を用いて簡単に説明する。図６は、図４に
示すような特殊開口絞りを用いた照明光学系の概略構成
を示すものであり、図６（ａ）は平面図、同（ｂ）は側
面図である。図６において、レーザ等から成る光源６１
０から供給される平行光束は、オプティカルインテグレ
ータ６０２を透過して、その射出側にレンズ素子の数に
相当する複数の光源像が形成され、ここには、実質的に
２次光源（面光源）が形成される。オプティカルインテ
グレータ６０２は、光源光束の光束断面を長方形に変換
するビーム成型手段６２０、第一オプティカルインテグ
レータ６３０、第二オプティカルインテグレータ６５
０、第一と第二のオプティカルインテグレータの間をリ
レーするコリメータレンズ系６４０等からなる。

【００１４】そして、第二オプティカルインテグレータ
６５０から出射された光束をケーラー照明をさせるため
レンズ６６１及び６６２、並びに放物トーリック面から
成る特殊反射面を備えた特殊反射鏡６６３により、被照
明物体上に円弧状の照明領域ＢＦが照明される。なお、
特殊反射鏡６６３の放物中心Ｏ、対称軸Ａ_x0、回転対称
軸Ａ_x1は、前記の従来技術の場合と同様である。

【００１５】特開平４−１０１１４８号では、いわゆる
特殊開口絞り（遮光板）を照明光学系の瞳面（瞳位置）
に配置するものであるが、図６に示す照明光学系におけ
る瞳面は、図中の点線でも明らかな様に、第二オプティ
カルインテグレータ６５０の出射面（光源像形成位置）
である。ここに、図４に示すような構成の特殊開口絞り
Ｓ₁ を配設することで、いわゆる傾斜照明法を利用し
て、この照明系からの光束により焦点深度が深く、投影
像の明暗差が（感光基板の変性が十分な程度に）大きな
投影像が得られることとなる。

【００１６】ここで、特開平４−１０１１４８号では、
特殊開口絞りの透光部（開口部又は光を通過させる部
分）の配設位置と投影するパターンの相対位置関係（傾
斜照明光の入射方向を規定する。）が重要であり、概説
すると、光軸上において線パターンの長さ方向に対して
直交する方向に透光部が対称的に設けられていることが
好ましい。

【００１７】即ち、この特殊開口絞りにおいては、光を
透過させる透光部と、遮断する遮蔽部とが存在するが、
透光部の配置関係が光軸中心から見て偏心した位置に、
対称的に設けられていることが望ましい。言い換える
と、透光部が開口絞り（面）上において中心部（通常は
光軸と一致）を通る線に対して線対称に配置されるもの
であり、この方向性が投影パターンの方向性に関連して
結像特性に影響を与えることが記載されてる。

【００１８】このため、このような特殊開口絞りとして
は、特開平４−１０１１４８号公報に示される様に、中
心を挟んで対称的な二か所の偏心した位置に透光部（又
は開口部）が設けられたもの、図４（ａ）に示す様に、
中心から偏心した位置で、二組の対称的な位置に設けら
れた４個の透光部を有するもの、同（ｂ）に示す様にこ
れらの対称的配置に加え、中心部にも透光部を設けたも
の等が挙げられる。なお、透光部の形状は必ずしも円形
に限らない。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な特殊な開口絞りＳ₁ を先行技術で示した特殊反射鏡を
有する照明光学系の瞳位置に配置した場合、照明領域に
おける開口絞りＳ₁ の投影状態（相対位置関係）が、照
明量の円弧形状の位置に従って回転してしまうこととな
る。この状態を図５を用いて模式的に説明すると、第二
オプティカルインテグレータ６５０の出射面に配設され
た開口絞りＳ₁ は、ここから各射出角を持って出射され
るため、特殊反射鏡６６３には放射状に進行している
が、特殊反射鏡６６３側から見ると各角度位置におい
て、開口絞りＳ₁ の投影形状が正対している。（いずれ
の角度方向から見ても同じ向きになる。）

【００２０】このため、特殊反射鏡６６３で反射された
光束は、円弧状の照明領域ＢＡに進行するが、特殊反射
鏡６６３での反射位置（角度方向又は、第二オプティカ
ルインテグレータ６５０からの出射角方向）により、開
口絞りＳ₁ が回転しているのと同じ状態となる。即ち、
図５に示す様に、照明光学系の光軸上を真っ直ぐに進行
してきた光束（出射角±０度）においては、開口絞りＳ
₁ の配設位置状態を維持して投影されるものの、円弧状
照射領域内の角度位置（出射角θに依存）により、その
角度に応じて回転したと同じ状態で開口絞りＳ₁ から照
明光が照射される。

【００２１】これは、円弧状照明領域内の位置により開
口絞りＳ₁ が回転して配置されているのと同じ状態であ
ることから、投影パターンとの相対的な配設位置関係も
（円弧状照明領域内の位置により）変化することになる
ので、照明領域内での結像状態が変化することとなる。
言い換えると、回路パターンの配列方向に合わせて開口
絞りＳ₁ の透光部の位置（傾斜照明光の照射方向）を定
めても、所定の性能で結像特性の向上が見られるのは、
照明領域の中心部（出射角０度に対応する部分とその近
傍）のみであり、円弧状の周辺部に行くに従って結像特
性が劣化することとなる。

【００２２】また、このような円弧状の照明領域を持つ
照明光学系を投影露光装置等に応用する場合には、円弧
の中心位置と中央部を結ぶ線方向（図４の矢印方向）に
スキャン走査して露光するが、この走査方向に直交する
方向に離れると照明状態が変化し、投影像の結像状態も
変化することとなる。結果として、焦点深度の向上等の
目的を正確に達成できるのは一部であり、その他の部分
では劣化こそ生じにくいものの、照射領域内における照
明（結像）特性の不均一さから、照明状態ひいては投影
状態も不均一になるので、このままでは投影露光装置へ
の応用が難しいことが分かった。

【００２３】一方、前述した先行技術に示す照明光学系
を用いると、更に別の問題が生じることも明らかに成っ
た。即ち、図９の（ａ）に示す如く、オプティカルイン
テグレータ２の射出側に形成される複数の２次光源像
（２次光源）を射出する紙面方向（サジタル方向）での
平行光束に関して見ると、射出角が０度の時の平行光束
Ｌ１の径をＰ（０）＝Ｐ₀ とすると、射出角がψの時の
平行光束Ｌ２の径はＰ（ψ) ＝Ｐ₀ ｃｏｃψとなり、
射出角ψが大きくなるに従い、紙面方向の光束径が小さ
くなる。

【００２４】従って、射出角が零（０度）の時の平行光
束Ｌ１の断面は、図１０の（ａ）に示す如く、ほぼ円形
状となっているものの、射出角がψの時の平行光束Ｌ２
の断面は、図１０の（ｂ）に示す如く、図９の（ａ）の
紙面と垂直な方向（メリジオナル方向）ではＰ₀ の長径
を有し、図９の（ａ）の紙面方向（サジタル方向）では
Ｐ₀ ｃｏｃψの短径を有する楕円形状となる。

【００２５】この結果、射出角が０度の平行光束Ｌ１が
特殊反射鏡４により集光作用を受けた時の集光光束の集
光状態は、図１１及び図１２の（ａ）に示す如く、被照
射面（レチクルＲ）上に形成される円弧照明領域ＢＦ内
の集光点ｐ₁ に対して常に等しい角度φを張りながら
（常に等しい開口数(sin（φ／２))のもとで）円錐状に
集光される。これに対し、射出角がψの平行光束Ｌ２が
特殊反射鏡４により集光作用を受けた時の集光光束の集
光状態は、楕円錐状に集光されて、被照射面上の円弧照
明領域ＢＦ内に集光点ｐ₂ が形成される。

【００２６】このため、集光点ｐ₂ の半径方向Ｒでは、
図１２の（ｂ）に示す如く、集光点ｐ₂ に対する集光光
束の張る角度φ_R （または開口数（ｓｉｎ（φ_R ／
２））は、上記平行光束Ｌ１の集光光束と等しくなる
が、集光点ｐ₂ の接線方向Ｔでは、図１２の（ｃ）に示
す如く、集光点ｐ₂ に対する集光光束の張る角度φ_T
（または開口数（ｓｉｎ（φ_T ／２））は、集光点ｐ₂
の半径方向Ｒの場合よりもｃｏｃψ倍だけ小さくなる。
よって、この問題は、サジタル方向において射出角ψが
大きい平行光束について顕著となる。

【００２７】例えば、この問題を抱えた照明光学装置を
図９に示す如き投影型の露光装置に応用した場合には、
円弧状に照明されたレチクルパターンが投影光学系８に
より照明領域であるウエハ上に直接投影されるが、レチ
クルパターンの円弧状の像の両端の領域での投影光学系
８による分解能が方向により大きく異なる問題が生ず
る。

【００２８】そこで、本発明は、上記の問題を解決し、
従来よりも格段に照明効率が高く、照明特性に優れた照
明光学装置を提供することを目的とするものである。特
に、特殊開口絞りを用いた場合に、円弧状に形成される
照明領域内での位置によらず、従来より焦点深度が深く
且つ一様な照明光学装置を得ることを目的とする。ま
た、円弧状に形成される照明領域で、開口数が方向によ
らず（照明領域内での位置によらず）ほぼ一様となる高
性能な照明光学装置を提供することを目的としている。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、請
求項１に記載した発明では、光源手段からの光束を集光
させて円弧状の照明領域を形成するコンデンサー光学系
と、前記円弧状の照明領域を被照明物体上に再形成させ
るリレー光学系とを有し、前記リレー光学系の瞳位置
に、前記リレー光学系の光軸に対して偏心して配設され
た複数の透光部を備えた開口絞りが設けられていること
を特徴とする照明光学装置を提供する。

【００３０】請求項２に記載した発明では、各射出角を
持って射出する光束を供給する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再び光源を形成す
る光源再形成光学系と、該光源再形成光学系により再形
成される光源から各射出角を持って射出する光束を集光
させて円弧状の照明領域を形成するコンデンサー光学系
と、前記円弧状の照明領域を被照明物体上に再形成させ
るリレー光学系とを有し、前記光源再形成光学系は、前
記光源手段からの光束を変換して、前記コンデンサー光
学系に入射する光束の各入射方向においてほぼ一定の光
束径を持つ光束を形成するものであり、前記リレー光学
系は、その瞳位置に、前記リレー光学系の光軸に対して
偏心させて配設された複数の透光部を備えた特殊開口絞
りが設けられていることを特徴とする照明光学装置を提
供する。

【００３１】請求項３に記載した発明では、請求項１又
は２に記載した照明光学装置であって、前記コンデンサ
ー光学系が、放物線の頂点を通る該放物線の対称軸を中
心に回転させた放物線の回転体の少なくとも一部より構
成された特殊反射鏡を備えていることを特徴とするもの
である。

【００３２】請求項４に記載した発明では、請求項１又
は２に記載した照明光学装置であって、前記コンデンサ
ー光学系が、放物線の頂点を通る該放物線の対称軸と直
交する軸を中心に回転させた放物線の回転体の少なくと
も一部より構成された特殊反射鏡を備えていることを特
徴とするものである。

【００３３】

【作用】本発明は上記の様に構成されているため以下
の作用を奏する。まず、請求項１に記載した発明では、
いわゆる円弧状の照明領域を形成する照明光学系に、そ
の照明領域を一旦リレーして被照明物体状に導くリレー
光学系を設け、更にこのリレー光学系の瞳位置にいわゆ
る特殊開口絞りが設けられているので、開口絞りの投影
形状が円弧状の照明領域のすべての場所において同じに
なることと等しくなる。

【００３４】即ち、本発明の開口絞りは、少なくとも中
央部（通常は光軸中心に一致する）から偏心した位置に
透光部を有している（その投影形状にも方向性が存在す
る）が、円弧状の照明領域内の位置によらず、すべての
位置において同じ向きを有する状態（傾斜照明光の入射
方向が同じ状態）で投影されることとなる。このため、
少なくとも開口絞りの方向性（傾斜照明光の入射方向特
性）の相違に基づく照明領域内の照明状態の不均一性は
解消される。そして、投影露光装置等に応用した場合に
は、円弧状の照明領域内のすべてにおいて、前記開口絞
りの作用による焦点深度の向上や、投影パターンの明暗
差（もしくはコントラスト）が大きくなり、転写パター
ンの解像度（もしくはレジスト像の微細度）が全体に均
一に向上する。

【００３５】照明光学系自体は、円弧状の照明領域を形
成するものであれば特にその形式は限定されるものでは
無い。例えば、特開昭６０−２３２５５２号公報に示す
照明系に本発明のリレー光学系並びに開口絞りを設けれ
ば、投影露光装置に応用した場合における焦点深度を従
来より深くすることができるので、照明（投影）特性が
全体として向上することとなる。また、特開平６−９７
０４７号に示す照明光学系（図９に示す構成のもの）
や、特願平５−３２３７１８号に示す照明光学系等のよ
うに、回転放物面もしくは放物トーリック面からなる反
射面を持つ特殊反射鏡を用いた照明光学系に応用して
も、焦点深度が深くなるので従来より照明特性が向上す
ることとなる。

【００３６】本発明の開口絞りは、前述した特開平４−
１０１１４８号に示される開口絞り（遮光板）を応用す
るものであり、リレー光学系の光軸に対して偏心して配
設された複数の透光部を備えている。これは、少なくと
も透光部が設けられている偏心位置と中央部との間に透
光部の並ぶ方向性が存在するものであることを示すもの
であり、具体的には図４に示すような構成を備えたもの
である。

【００３７】前述した様に、図４（ａ）には四つの円形
透光部が、それぞれ中央部から偏心した位置に互いに中
心に対して対称な位置に配設されている。この場合に
は、四つの透光部を透過した光束が、それぞれ所定の角
度を持った照明光となるのと同じ状態であり、これらの
四つの光束（主に、二つずつの組として）に方位が関連
する。

【００３８】また、図４（ｂ）には、三つの円形透光部
が、中央部とこれを挟んだ両側に対称的に配置されてい
る。一方、特開平４−１０１１４８号に示す様に、二つ
の円形透光部を中央を挟んで対称な位置に配設したもの
でも良い。これらの開口絞りからも、特に偏心した位置
に対称に配置された投光部からの光束により、斜光照明
が行なわれることとなり、その入射方向の方向性が問題
となる。

【００３９】いずれの場合にも、開口絞りとして用いる
場合には中央部を光軸に合わせて使用するのが一般的で
あるので、透光部が偏心位置に設けられていることによ
り、中央部と透光部が設けられた位置（偏心位置）とを
結ぶ線方向（又はこれと直交する方向）に、透光部が並
ぶ方向性（傾斜照明光の入射面方向を規定）を有するこ
ととなる。

【００４０】即ち、特開平４−１０１１４８号では、転
写する微細パターンの規則性を利用して、微細パターン
で発生する回折光を積極的に活用するものであり、微細
パターンのフーリエ変換パターンに基づいて定めた透光
部を有する遮光板を備えたものであるが、このような透
過光束を制限的に通過させる構造のものを、本願では開
口絞りと考えている。

【００４１】このような特殊な開口絞りを使用した照明
光学系を投影露光装置に応用する際には、転写パターン
の方向に応じた角度位置と、そのパターンの微細度並び
に露光光の波長に応じた間隔を持たせた一対の透光部
を、少なくとも一組以上設ければ良い。そして、このよ
うな一組の透光部は、光軸中心（一般には開口絞りの中
心）に対して対称的に設けられるので、いずれかの透光
部は偏心した位置に設けられているものとなる。

【００４２】そして、このような開口絞りを設けること
で、露光光の回折光を選択的に透過させ、マスクに対す
る投影光の入射角度が制限されるので、焦点深度が向上
すると共に投影パターンのコントラストが向上して明暗
差が明らかに成る。

【００４３】なお、これらの開口絞りでは、透光部は少
なくとも露光光の透過が容易に構成されたものであり、
例えば開口部や透過性ある部材で構成されていれば良
い。一方、遮光部（図４の斜線部）は、露光光の透過が
困難な材質、特性を有するものであれば良く、例えば完
全に遮光するもので合っても、一部の透過を妨げるもの
であっても良い。

【００４４】更に、特開平４−１０１１４８号にも記載
されている様に、これらの開口絞りは、使用するマスク
のパターンに応じて適時選択されて交換されると共に、
その配設位置関係がそれぞれ定められるものである。こ
のため、例えば、液晶表示素子やＥＣ（エレクトロクロ
ミック）素子等を用いたフィルターを採用すれば、交換
機構がコンパクトに形成できる利点があり、更に、透光
部の大きさや位置、形状等の調整が容易且つ短時間で行
なえるものとなる。

【００４５】このような開口絞りを設ける位置は、リレ
ー光学系の瞳位置であることが望ましい。即ち、本発明
のリレー光学系の瞳位置では、照明系による円弧状の照
明領域から光束集光する位置であるので、ここに開口絞
りを設けることにより、その投影状態が、照明領域の位
置によらず、すべて同じ位置関係（同一な方向を向く）
のものとなる。

【００４６】なお、ここで言う瞳位置とは、厳密な瞳の
存在する位置のみを指すものでは無く、開口絞りの実効
がある瞳位置の近傍位置（又は周辺位置）や、これらと
共役な位置を含むものである（以下、本明細書中におい
て同じ）。いずれの場合にも、開口絞りによる回折光の
選択作用が発揮される位置であれば、特に限定されるも
のではない。

【００４７】次に、請求項２に記載の発明では、本出願
人が特願平５−２７９９３９号で提案した照明光学系に
本発明の特殊開口絞りを用いたリレー光学系を応用する
ものである。即ち、円弧状の照明領域内の位置によら
ず、すべての位置において開口数が（方向性を持たず）
ほぼ一様となる照明が行なえるものであり、この状態で
従来より焦点深度が深く且つすべての位置において一様
な照明が行なえる。このため、投影露光装置に応用した
場合に、投影像の方向（照射領域内の位置に対応）によ
らず、分解能がより精密かつ一様（分解能の不均一性が
解消）となり、焦点深度が深くなるので、従来より微細
なパターンが正確に転写露光できるものとなる。

【００４８】前述した様に、請求項２に記載した本発明
は、例えば図７に示す如く、各射出角を持って射出する
光束を供給する光源を形成する光源手段（１，２）と、
その光源手段からの光束を集光して再び光源を形成する
光源再形成光学系３と、その光源再形成光学系３により
再形成される光源から各射出角を持って射出する光束を
集光させ円弧上の照明領域（ＢＦ）を形成するコンデン
サー光学系４と、前記円弧状の照明領域を被照明物体状
に再形成するリレー光学系とを有し、その光源再形成光
学系３は、光源手段からの光束を変換して、コンデンサ
ー光学系４に入射する光束の各入射方向においてほぼ一
定の光束径を持つ光束を形成する構成としたものであ
り、前記リレー光学系には、その瞳位置に、このリレー
光学系の光軸中心に対して偏心して配設された複数の開
口部を備えた特殊開口絞りが設けられたものである。

【００４９】また、以上の基本構成に基づいて、光源再
形成光学系は第１及び第２集光光学系を有し、その第１
及び第２集光光学系の焦点距離をそれぞれｆ₁ ，ｆ₂ と
し、第１集光光学系に入射角θ₁ で入射する主光線を含
む入射光束が第１集光光学系によって集光される集光位
置での光軸からの高さをｙ、その集光位置での光軸から
の高さｙに関する主光線の入射角θ₁ の関数をｙ＝ｆ₁
ｇ₁ （θ₁ ）、主光線の入射角θ₁ の関数ｇ₁ （θ₁ ）
の導関数をｇ₁'（θ₁ ）、第１集光光学系により入射光
束が集光される集光位置での光軸からの高さｙから発す
る光束中の主光線が第２集光光学系を介して射出する際
の射出角をθ₂ 、その集光位置での光軸からの高さｙに
関する主光線の射出角θ₂ の関数をｙ＝ｆ₂ ｇ₂ （θ
₂ ) 、主光線の射出角θ₂ の関数ｇ₂ （θ₂ ）の導関数
をｇ₂'（θ₂ ）とするとき、次式をほぼ満足することが
好ましい。

【００５０】ｇ₂'（θ₂ ）ｃｏｓθ₁ ＝ｇ₁'（θ₁ ）

【００５１】特に、上記条件の関係を満足するより好ま
しき構成としては、第１集光光学系をｙ＝ｆ₁ ｓｉｎθ
₁ の関係を満足する光学系（所謂、ｆｓｉｎθレン
ズ）で構成し、第２集光光学系をｙ＝ｆ₂ θ₂ の関係を
満足する光学系（所謂、ｆθレンズ）で構成することが
良い。

【００５２】本発明は、光源再形成光学系を射出側から
任意の角度から見た時にも常に円形となる光源像又は射
出瞳を形成することに着目し、光源再形成光学系におい
て、光源又は２次光源（光源像）等から各射出角を持っ
て射出する光束を変換して、コンデンサー光学系への入
射光束の各入射方向においてほぼ一定の光束径を持つ光
束を形成したものである。ここで、図１３及び図１４を
参照しながら本発明の原理について説明する。今、本発
明による光源再形成光学系３は、正の屈折力を持つ第１
集光光学系３０Ａと同じく正の屈折力を持つ第２集光光
学系３０Ｂとを有し、全体として望遠鏡系を構成してい
るものとする。

【００５３】まず、図１３に示す如く、第１集光光学系
３０Ａの光源側（物体ＯＢ側）には仮想的に絞りＳ_H1が
設けられ、この絞りＳ_H1から光軸方向に沿って距離Ｌ_ax
だけ離れた位置に光軸からの高さｙ_obの物体ＯＢより発
する斜光束が、絞りＳ_H1及び第１集光光学系３０Ａを介
して光軸からの高さｙの像Ｉを形成しているものとす
る。なお、図１３において、（ａ）は光源側の第１集光
光学系３０Ａの模式図であり、（ｂ）は図１３（ａ）の
絞りＳ_H1付近の様子を示す拡大図である。

【００５４】ここで、光源再形成光学系３の最適な構成
を求めるに当たって、まず、図１３より、第１集光光学
系３０Ａの射出側の斜光束の開口数（ＮＡ）を求める。
今、物体ＯＢの高さｙ_obの物体点からの絞りＳ_H1の上端
を通過する光線ｌ₁ と、物体ＯＢの高さｙ_obの物点から
の光軸と平行な光線ｌ₄ とで形成される第１集光光学系
３０Ａの入射側の開口数をＮＡ_a とし、物体ＯＢの高さ
ｙ_obの物体点からの絞りＳ_H1の上端を通過する光線ｌ₁
と物体ＯＢの高さｙ_obの物体点からの絞りＳ_H1の中心を
通る光線（主光線）ｌ₂ とで形成される第１集光光学系
３０Ａの入射側の開口数をＮＡ₀ 、物体ＯＢの高さｙ_ob
の物体点からの絞りＳ_H1の中心を通る光線（主光線）ｌ
₂ と物体ＯＢの高さｙ_obの物体点からの光軸と平行な光
線ｌ₄ とで形成される第１集光光学系３０Ａの入射側の
開口数をＮＡ_b とするとき、図１３の（ｂ）より、以下
の(1) 式の関係が成立する。

【００５５】

【数１】

【００５６】また、第１集光光学系３０Ａに対する主光
線ｌ₂ の入射角をθ₁ 、物体ＯＢの高さｙ_obの物体点か
ら絞りＳ_H1の中心までの主光線ｌ₂ の長さをＬ_P 、物体
ＯＢの高さｙ_obの物体点を中心とした半径Ｌ_P の円Ｃが
それぞれ絞りＳ_H1の中心と交わる位置をｃ₁ ，絞りＳ_H1
の上端を通る光線ｌ₁ と交わる位置をｃ₂ 、光線ｌ₄に
対してそれぞれ位置ｃ₁ ，ｃ₂ を通る垂線の交点をｃ
₃ ，ｃ₄ 、位置ｃ₁ と位置ｃ₃ との光軸と垂直な方向で
の距離をｓ₁ 、位置ｃ₂ と位置ｃ₄ との光軸と垂直な方
向での距離をｓ₂ とするとき、図１３の（ｂ）より、上
式(1) は、以下の(2) 式となる。

【００５７】

【数２】

【００５８】ここで、ｓ₂ とｓ₁ との差Δｓは、絞りＳ
_H1の開口の直径をＤ₁ とすると、図１３の（ｂ）より、
以下の(3) 式の関係が成立する。

【００５９】

【数３】

【００６０】従って、(2) 式及び(3) 式より、以下の
(4) 式の関係が成立する。

【００６１】

【数４】

【００６２】一方、図１３の（ａ）に示す如く、物体Ｏ
Ｂの高さｙ_ob（光軸からの物体ＯＢの高さ）の微小変化
量をｄｙ_obとし、第１集光光学系３０Ａにより形成され
る像Ｉの像高ｙ（光軸からの像の高さ）の微小変化量を
ｄｙとするとき、第１集光光学系３０Ａの入射側の開口
数をＮＡ₀ と第１集光光学系３０Ａの射出側の開口数Ｎ
Ａとの間には、以下の(5) 式の関係が成立する。

【００６３】

【数５】

【００６４】このとき、図１３の（ａ）より、ｙ_ob＝Ｌ
_ax・ｔａｎθ₁ の関係が成立するため、これの導関数
は、次の(6) 式で表される。

【００６５】

【数６】

【００６６】また、第１集光光学系３０Ａの焦点距離を
ｆ₁ とし、物体ＯＢから発する光束が第１集光光学系３
０Ａに入射する際の主光線の入射角をθ₁ とするとき、
第１集光光学系３０Ａに入射する主光線の入射角θ₁
と、その入射光束が第１集光光学系３０Ａを通過する事
により形成される像高ｙ（光軸からの像Ｉの高さ）との
間には、以下の(7) 式の関係が成立しているものとする
と、これの導関数は(8)式となる。

【００６７】

【数７】

【００６８】

【数８】

【００６９】ここで、ｇ₁ ( θ₁ ）はθ₁ の関数、ｇ₁'
（θ₁ ）はｇ₁ ( θ₁ ）の導関数である。従って、(4)
式、(5) 式、(6) 式及び(8) 式より、以下の(9) 式の関
係が導出される

【００７０】

【数９】

【００７１】この(9) 式から、第１集光光学系３０Ａの
射出側の開口数ＮＡ₁ は、絞りＳ_H1から物体ＯＢまでの
距離Ｌ_axとは無関係であるため、第１集光光学系３０Ａ
に対して物体ＯＢが無限遠の位置に存在する場合にも
(9) 式の関係が常に成立することが理解できる。

【００７２】次に、図１４を参照しながら光源再形成光
学系３の最適な構成を求める。図１４では、説明を簡単
にするために、絞りＳ_H1から物体ＯＢまでの距離Ｌ_axが
無限遠となる場合（絞りＳ_H1に対して物体ＯＢが無限遠
の位置にある場合）を例として示している。図１４にお
いて、（ａ）は光源再形成光学系３全体の模式図を示し
ており、（ｂ）は光源再形成光学系３の射出瞳の付近の
様子を示す拡大図である。

【００７３】第２集光光学系３０Ｂの射出側の射出瞳位
置（但し、この位置は第２集光光学系３０Ｂの射出側
（被照明面側）の焦点位置とは限らない。）には、仮想
的な絞りＳ_H2が設けられ、また、光源再形成光学系３０
内部の像Ｉは、第１集光光学系３０Ａの後側（像側又は
被照明面側）の焦点位置かつ第２集光光学系３０Ｂの前
側（物体側又は光源側）の焦点位置に形成されているも
のとすると、図１４の（ａ）に示す如く、仮想的な絞り
Ｓ_H1を介して第１集光光学系３０Ａに対し入射角θ₁ で
入射する光束は平行光束となる。

【００７４】従って、入射角θ₁ で入射する光束（平行
光束）が第１集光光学系３０Ａによって結像される像Ｉ
の像高（光軸からの像Ｉの高さ）をｙとし、この像高ｙ
から発する光束が第２集光光学系３０Ｂにより集光作用
を受けた後、この第２集光光学系３０Ｂを射出する光束
（平行光束）の射出角をθ₂ 、第１集光光学系３０Ａの
焦点距離をｆ₁ 、第２集光光学系３０Ｂの焦点距離をｆ
₂ とするとき、以下の(10)式の関係が成立する。但し、
ｇ₁ （θ₁ ）はθ₁ の関数であり、ｇ₂ （θ₂）はθ₂
の関数である。

【００７５】

【数１０】

【００７６】また、第２集光光学系３０Ｂを射出する射
出瞳位置または絞りＳ_H2の位置（但し、この位置は第２
集光光学系３０Ｂの射出側（被照明面側）の焦点位置と
は限らない。）での射出光束の直径をＤ２、ｇ₂ （θ
₂ ）の導関数をｇ₂'（θ₂ ）とするとき、上述した(9)
式の関係は、第２集光光学系３０Ｂにおいても成立する
ため、次式（11）の如くなる。

【００７７】

【数１１】

【００７８】従って、(9) 式及び（11）式より次の（1
2）式の関係が導出される。

【００７９】

【数１２】

【００８０】ここで、図１４の（ｂ）に示す如く、射出
角がθ₂ の時の射出光束径をＤ₂ （θ₂ ) とするとき、
射出角が零度（θ₂ ＝０°）の時の射出光束径Ｄ₂
（０）を射出角がθ₂ の時の射出光束径と等しくするた
めには、次式の関係を満足することが好ましい。

【００８１】

【数１３】

【００８２】よって、（12）式及び（13）式より、（1
4）式が導出される。

【００８３】

【数１４】

【００８４】（14）式の関係は、最終的には、次式（1
5）の如くなる。

【００８５】

【数１５】

【００８６】このとき、光源再形成光学系３の倍率ｍ
は、以下の（16）式で表される。

【００８７】

【数１６】

【００８８】この（16）式から、（14）式は最終的に次
の（17）式の如くなる。

【００８９】

【数１７】

【００９０】従って、光源再形成光学系３を上式（17）
を満足するように構成すれば、光源再形成光学系３を射
出する射出光束径は、射出角θ₂ によらず一定となる。
なお、説明を簡単にするために、物体ＯＢ（又は光源）
が第１集光光学系３０Ａに対して無限遠の位置にある場
合（第１集光光学系３０Ａに入射する光束を平行光束と
した場合）を前提として（17）式を導出したが、物体Ｏ
Ｂ（又は光源）が有限の位置にある場合でも（17）式の
関係は成立することは勿論である。

【００９１】この場合における（17）式は、第１集光光
学系３０Ａに入射角θ₁ で入射する主光線を含む入射光
束が第１集光光学系３０Ａによって集光される集光位置
での光軸からの高さをｙ、その集光位置での光軸からの
高さｙに関する主光線の入射角θ₁ の関数をｙ＝ｆ₁ ｇ
₁ （θ₁ ) 、その主光線の入射角θ₁ の関数ｇ₁ （θ
₁ ) の導関数をｇ₁ '(θ₁ )、第１集光光学系３０Ａに
より入射光束が集光される集光位置での光軸からの高さ
ｙから発する光束中の主光線が第２集光光学系３０Ｂを
介して射出する際の射出角をθ₂ 、その集光位置での光
軸からの高さｙに関する主光線の射出角θ₂ の関数をｙ
＝ｆ₂ ｇ₂ （θ₂ ) 、その主光線の射出角θ₂ の関数ｇ
₂ （θ₂ ) の導関数をｇ₂'（θ₂ ) としたときの関係を
示す。

【００９２】ここで、（17）式の解の一例を説明する
と、例えば以下の解が存在する。但し、ｋ₁ 〜ｋ₃ は定
数である。

【００９３】

【数１８】

【００９４】このため、第１集光光学系３０Ａではｙ＝
ｆ₁ ｋ₁ ｓｉｎθ₁ ＋ｋ₂ の関係を満足するレンズで構
成し、第２集光光学系３０Ｂではｙ＝ｆ₂ ｋ₁ θ₂ ＋ｋ
₃ の関係を満足するレンズで構成すれば良いことが理解
できる。

【００９５】例えば、ｋ₁ ＝１，ｋ₂ ＝ｋ₃ ＝０の場合
には、第１集光光学系３０Ａをｙ＝ｆ₁ ｓｉｎθ₁ の関
係を満足するｆ sinθレンズで構成し、第２集光光学系
３０Ｂをｙ＝ｆ₂ θ₂ の関係を満足するｆθレンズで構
成すれば良いことが理解できる。

【００９６】また、ｋ₂ ＝ｋ₃ ＝０の場合には、第１集
光光学系３０Ａをｙ＝ｆ₁ ｋ₁ ｓｉｎθ₁ の関係を満足
するｆｋ１ｓｉｎθレンズで構成し、第２集光光学系３
０Ｂをｙ＝ｆ₂ θ₂ の関係を満足するｆｋ１θレンズで
構成すれば良い。

【００９７】次に、請求項３に記載した発明は、前述し
た照明光学装置のコンデンサー光学系に、いわゆる回転
放物ミラーを応用するものであり、いわゆる特殊反射ミ
ラーとして特願平５−３２３７１８号で提案されたもの
と同様な反射鏡を利用するものである。この反射鏡は、
放物線の頂点を通る該放物線の対称軸を中心として回転
させた放物線の回転体（いわゆる回転放物面）を構成す
る反射面を有しているが、実際には、回転放物面（内
面）の少なくとも一部により構成されている。

【００９８】また、請求項４に記載した発明は、前述し
た照明光学装置のコンデンサー光学系に、いわゆる放物
トーリックミラーを応用するものであり、いわゆる特殊
反射ミラーとして特開平６−９７０４７号で提案された
ものと同様な反射鏡を利用するものである。この反射鏡
は、放物線の頂点を通る該放物線の対称軸上を通り、こ
の対称軸に直行する軸を中心として回転させた放物線の
回転体（対称軸が二軸あるいわゆる放物トーリック面）
を構成する反射面を有しているが、実際には、放物トー
リック面（内面）の少なくとも一部により構成されてい
る。

【００９９】請求項３及び４に記載した発明では、いず
れも特殊反射鏡を利用することにより、いずれも従来に
比較して格段に照明効率が高い状態を維持して、円弧状
の照明領域を形成できるものと成っている。従って、こ
のような反射鏡をコンデンサー光学系に備えていれば、
高い照明効率の状態で焦点深度の深くなる照明が行なえ
るものとなる。更に、露光装置等に応用すれば、スルー
プットが高く、結像特性に優れた投影装置が構築できる
ものとなる。

【０１００】

【実施例】以下、実施例を通じ本発明を更に詳しく説明
する。まず、本発明の第一に実施例に係る照明光学装置
の概略構成を図１を用いて説明するが、図１（ａ）は、
平面図（上方向から見た状態）を示し、図１（ｂ）は側
面図（横方向から見た状態）を示すものである。

【０１０１】照明系自体は、図６に示す従来の照明系と
同様であるが、円弧状の照明領域ＢＡをリレーするリレ
ー光学系７が新たに設けられており、第二オプチカルイ
ンテグレータ５０の出射端面では無く、リレー光学系の
瞳位置に開口絞りＳ₁ が設けられている。なお、先行例
と同一の部材には同一の符号を付している。

【０１０２】図１に示す照明光学装置において、レーザ
光源から成る光源手段１０からの光束は、コリメータレ
ンズ等を備えたビーム成型手段２０に入射し、ここで断
面が長方形の光束に変換されて、第一オプチカルインテ
グレータ３０に入射する。更に、ここを出射した光束は
リレーレンズ系４０を介して第二オプチカルインテグレ
ータ５０に入射し、この出射面に光源の像を形成する。
ここから各射出角を持って射出された光束はレンズ６１
及び６１並びに特殊反射鏡６３を介して円弧状の照明領
域ＢＡに対してケーラー照明を行なう。

【０１０３】特殊反射鏡６３は、いわゆる放物トーリッ
クミラーで構成されており、原点Ｏを中心とする放物線
ＰＡ（ｙ＝αｘ² とする）の中心軸（Ｙ軸）を第一の対
称軸ＡＸ₀ 、これと直交する方向（Ｘ軸）で原点から所
定距離（３（４α）^-1）だけ離れた軸を第二の対称軸Ａ
Ｘ₁ とした場合に、基準軸ＡＸ₁ を中心に回転させた放
物トーリック形状の内面を反射面の形状としている。実
際には、放物型トーリック形状の回転体の１部よりな
り、特殊反射鏡３を上方から見た時には、放物トーリッ
ク形状の回転体の２つの緯線（４ａ，４ｂ）間で形成さ
れる円弧型帯状の形状を成している。

【０１０４】このような照明系により、円弧状に照明光
が基準軸ＡＸ₀ 上でのＹ−Ｚ平面に導かれて円弧状の照
明領域ＢＡが形成される。この照明領域の形成位置は、
第二第二オプチカルインテグレータ５０の出射面と互い
に共役な位置関係であり、光源からの光束は平行光束と
なって照明領域ＢＡを照射する。

【０１０５】更に、この照明領域ＢＡはリレーレンズ７
１及び７２で構成されるリレー光学系により被照明物体
（Ｒ）に導かれ、ここに同じ形状（円弧上の）の照明領
域ＢＦを再形成させる。一般には、この様な照明光学装
置を投影露光装置に応用すると、この照明領域ＢＦに被
照明物体となるレチクル（又はマスク）Ｒが配置されマ
スクパターンの投影のための露光光となる。これらの露
光装置並びにマスクやウエハの走査手段等は従来と同様
な構成のもので良い。（図７参照）

【０１０６】リレー光学系を構成するリレーレンズ７
１，７２は、共にその光軸が特殊反射鏡６３の基準軸Ａ
Ｘ₁ と一致する様に配置されている。このため、このリ
レー系では、軸上の球面収差が生じない（軸上の光束を
使用しない）構成と成っているので、補正する必要がな
いものとなっている。なお、リレーレンズ７１，７２
は、それぞれレンズの片側部分（約半分）しか使用して
いないので、一枚のレンズを半分に切断し、それぞれを
互い違いに配置して用いることも可能である。

【０１０７】リレー光学系の瞳位置Ｓには、図４に示す
ような特殊な透光部を備えた開口絞り７０が設けられて
おり、照明光はこの開口絞り７０により選択されて（所
定の傾斜照明光として）照明領域ＢＦに到達する。即
ち、開口絞り７０には、特開平４−１０１１４８号に開
示されている様に、マスクの微細パターンのフーリエ変
換パターンに基づいて定められた透光部が設けられてお
り、所定の次数の回折光のみを選択的に透過させるもの
となっている。

【０１０８】そして、図４に示す様に、リレー光学系の
瞳位置に配置された開口絞り７０の投影状態は、円弧状
の照明領域ＢＦの全域において常に同じ状態であり、言
い換えると、走査方向（矢印方向）に対し、照明領域Ｂ
Ｆ内のすべての位置で開口絞り７０の投影状態が等しく
なる。これは、特殊開口絞りを用いた傾斜照明光の入射
方向が、照射領域ＢＦ内のすべての位置において、それ
ぞれ等しい向きで照射されることを示すものである。

【０１０９】図４に示す様に、このような特殊開口絞り
には、いずれも中央部から偏心した位置に透光部を有し
ているが、これらの開口絞りは中心をリレー光学系の光
軸に合わせて配置するので、これらの開口絞りの中央部
が光軸と一致する。そして、投影露光装置等に応用する
場合には、投影するパターンの線方向や密度状態等に応
じて、特定の方向性を有する様に設置される。

【０１１０】図４（ａ）には、中心から偏心した四つの
円形透光部が設けられているが、これらは互いに同じ大
きさで、中央部を中心に互いに対象な位置に（二つづつ
が線対称となる様に）配置されている。従って、これら
の二つの直交方向における傾斜照明により、該方向での
解像度が向上することとなる。

【０１１１】本実施例では、このような特殊な開口絞り
の投影（状態）が、照明領域ＢＦ内の全域において常に
同じ状態であることから、この照明光により照明される
レチクル等の被照明物体からは、従来より焦点深度が深
い投影像が得られることとなり、その結像状態は照明領
域ＢＦ内（投影像内）の位置によらず均一化されてい
る。

【０１１２】次に、図２を用い本発明の第二の実施例に
係る照明光学装置を説明する。なお、図７は本実施例に
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二実施例を説
明する。また、図２において、（ａ）は第二実施例の装
置を真上から見た時の様子を示す図であり、（ｂ）は
（ａ）の装置を横から見た時の断面構成を示す図であ
る。

【０１１３】図２に示す如く、被照射面としてのレチク
ルＲの上方には、照明系で形成された円弧状の照明領域
をレチクルＲ上に再形成させて均一な円弧照明を行なう
リレー光学系が設けられており、図７に示す如く、レチ
クルＲの下方にはレチクルＲのパターンをウエハＷ上に
転写する投影光学系５が設けられている。

【０１１４】まず、エキシマレーザー等からなる光源１
からは、投影露光装置における露光のための平行光束が
照明光学系に供給され、この平行光束は、不図示のビー
ムエキスパンダ等を介して所望のビーム径に整形された
後、多光源形成手段としてのオプティカルインテグレー
タ２に入射する。

【０１１５】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るものであり、各レン
ズ素子に入射する平行光束を射出側で集光する。この射
出側の位置Ａ₁ には、レンズ素子の数に相当する点光源
の集合体よりなる複数の光源像Ｉが形成され、ここに
は、実質的に面光源としての２次光源が形成される。こ
の２次光源が形成される位置Ａ₁ もしくはその近傍に
は、円形状の開口部を有する一般の開口絞りＳ₅ が設け
られており、これにより、オプティカルインテグレータ
２により形成される２次光源は円形状にされる。

【０１１６】開口絞りＳ₅ により円形状となった２次光
源の各光源像からは、各々光束が射出し、２次光源全体
として見れば、図２（ａ）に示す如く、各射出角を持っ
た平行光束が射出され、光源再形成光学系としてのリレ
ー光学系３に入射する。このリレー光学系３は、オプテ
ィカルインテグレータ２により形成された複数の光源像
（２次光源）を再形成する機能を有し、このリレー光学
系３の入射瞳位置（後述する第１集光光学系３０Ａの光
源側焦点位置もしくはその近傍）が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位置Ａ₁ と一致する
ように配置されている。

【０１１７】このリレー光学系３は、正の屈折力を持つ
第１集光光学系３０Ａと、同じく正の屈折力を持つ第２
集光光学系３０Ｂとで構成されている。第１集光光学系
３０Ａは、両凸形状の正レンズ３１Ａ、両凹形状の負レ
ンズ３２Ａ、及び両凸形状の正レンズ３３Ａの３枚より
なるｆsin θレンズで構成され、第２集光光学系３０Ｂ
は、両凸形状の正レンズ３１Ｂ、両凹形状の負レンズ３
２Ｂ、両凸形状の正レンズ３３Ｂ、及び光源側に凹面を
向けたメニスカス形状の負レンズ３４Ｂの４枚よりなる
ｆθレンズで構成されている。

【０１１８】ここで、第１集光光学系３０Ａは、第１集
光光学系３０Ａの焦点距離をｆ₁ 、２次光源からの入射
光束（平行光束）の入射角（あるいは開口絞りＳにより
規定される２次光源からの主光線の入射角）をθ₁ 、入
射角θ₁ の入射光束（平行光束）が第１集光光学系３０
Ａにより結像される像の光軸からの高さ（像高）をｙと
するとき、ｙ＝ｆ₁ ｓｉｎθ₁ の関係を満足する。

【０１１９】第二集光光学系３０Ｂは、第２集光光学系
３０Ｂの焦点距離をｆ₂ 、第１集光光学系３０Ａにより
形成される像の光軸からの高さｙ（像高）から発する光
束が第２集光光学系３０Ｂを射出するときの射出光束
（あるいは射出する主光線）の射出角θ₂ とするとき、
ｙ＝ｆ₂ θ₂ の関係を満足する。

【０１２０】以上の光源再形成光学系としてのリレー光
学系３の構成により、位置Ａ₁ の２次光源から各射出角
を持って射出する平行光束は、第１集光光学系３０Ａに
より集光されて位置Ｂ₁ に長方形状の空間像Ｉが形成さ
れる。この長方形状の空間像Ｉからの光束は、第２集光
光学系３０Ｂにより集光されて平行光束に変換され、コ
ンデンサー光学系としての特殊反射鏡４へ向かう。

【０１２１】これを換言すれば、位置Ａ₁ の２次光源を
形成する各点光源からの光束は、例えば図２の（ｂ）の
点線で示す如く、第１集光光学系３０Ａにより集光され
て、位置Ｂ₁ の空間像Ｉを重畳的に照明するような平行
光束に変換された後、その平行光束は、第２集光光学系
３０Ｂに入射して、第２集光光学系３０Ｂ中の負レンズ
３２Ｂ内部の位置Ａ₂ で一旦集光されて、コンデンサー
光学系としての特殊反射鏡４へ向かう。なお、この特殊
反射鏡４の具体的な構成は後で詳述するが、特殊反射鏡
４は、直交した方向で反射面の曲率半径が異なるトーリ
ック面（トロイダル面）の反射面を持っている。

【０１２２】このとき、第２集光光学系３０Ｂ中の負レ
ンズ３２Ｂ内部の位置Ａ₂ には２次光源の実像が形成さ
れ、リレー光学系３の射出瞳位置Ａ２０（第２集光光学
系３０Ｂの被照明面側の焦点位置）には、リレー光学系
３の射出側を任意の角度から見ても常に円形状となる２
次光源の虚像が形成される。

【０１２３】従って、リレー光学系３を射出する射出角
が零度（ψ＝０°）の時の平行光束の光束径Ｐ(0) と、
リレー光学系３を射出する射出角がψの時の平行光束の
光束径Ｐ（ψ) とは等しくなり、リレー光学系３の射出
瞳からは、一定の径Ｐ₀ を持つ平行光束が供給されるよ
うにリレー光学系３から（各射出角を持って）射出す
る。なお、第１集光光学系３０Ａにより形成される空間
像Ｉの位置Ｂ₁ は、第１集光光学系３０Ａの後側（被照
明側）の焦点位置と一致すると共に、第２集光光学系３
０Ｂの前側（光源側）の焦点位置と一致している。

【０１２４】さて、各射出角を持ってリレー光学系３か
ら射出され平行光束は、コンデンサー光学系の特殊反射
鏡４により円弧状に集光されて、円弧状の照明領域ＢＡ
を形成する。この第二実施例においても、図２（ｂ）に
示すように、照明系の特殊反射鏡４は、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
軸、原点Ｏを通り対称軸ＡＸ₀ ( Ｙ軸）と垂直な方向を
Ｘ軸、放物線ＰＡをｙ＝αｘ² とするとき、対称軸ＡＸ
₀ ( 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ＡＸ₁ を中心に回転させた放物型トーリ
ック形状の回転体の１部よりなり、特殊反射鏡３を上方
から見た時には、図２の（ａ）に示す如く、放物トーリ
ック形状の回転体の２つの緯線（４ａ，４ｂ）間で形成
される円弧型帯状の形状を成している。

【０１２５】この時、放物型トーリック形状の回転体
は、基準軸ＡＸ₁ と対称軸ＡＸ₀ とに対して垂直で原点
（頂点）Ｏを通る方向をＺ軸、基準軸ＡＸ₁ と対称軸Ａ
Ｘ₀ との交点Ｙ₀ から頂点までの距離（被照明領域の半
径）をＲとするとき、以下の（19）式並びに（20）式の
関係をほぼ満足する関数として表現される。

【０１２６】

【数１９】

【０１２７】

【数２０】

【０１２８】なお、特殊反射鏡４は、基準軸ＡＸ₁ がリ
レー光学系３の射出瞳位置Ａ₂₀を通るように構成されて
おり、すなわち、リレー光学系３の射出瞳位置Ａ₂₀と特
殊反射鏡４の前側（光源側）の焦点位置（光源側の焦点
距離ｆは、ｆ＝（２α）^-1）とが一致するように構成さ
れている。

【０１２９】従って、リレー光学系３により形成される
２次光源の虚像からの平行光束は、特殊反射鏡４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）上における（照射領域ＢＡの）位置Ｂ₂ に
おいて、特殊反射鏡４により円弧状に集光される。これ
を換言すれば、位置Ａ₂₀の２次光源の虚像を形成する複
数の点光源の虚像からの光束は、特殊反射鏡４によりそ
れぞれ集光されて、照射領域ＢＡでは円弧状にかつ重畳
的に均一照明する。よって、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ＢＡが形成される。

【０１３０】更に、この第二実施例では、この照明領域
ＢＡを被照明物体であるレチクルＲ上に導いて再形成
（照明領域ＢＦ）させるリレー光学系７が設けられてい
る。この照明領域の際形成のためのリレー光学系７は、
リレーレンズ７３並びに７４から構成されており、その
瞳位置Ｓには、図４（ａ）に示す開口絞り７０が設けら
れている。

【０１３１】本実施例では、照明領域ＢＡとＢＦを結ぶ
光路が、リレーレンズ７３並びに７４に対して偏心して
おらず、レンズの中心部を使用してリレーしている点
が、上記第一実施例と異なるが、開口絞り７０の被照射
面（レチクルＲ）上での投影形状は、第一実施例と同様
に照射領域ＢＦ内の位置によらず一様である。

【０１３２】さて、図７に示す如く、リレー光学系７に
よりリレーされた照明領域は、投影露光装置のレチクル
Ｒ上に導かれる。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、基本構成として凹面鏡５１
と凸面鏡５２とを有し、さらにレチクルＲと凹面鏡５１
との間及び凹面鏡５１とウエハＷとの間にはそれぞれ光
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５
１の曲率半径の半分となっている。

【０１３３】このため、本実施例においても、照明領域
ＢＦ（レチクルＲ上）の全域において、照明特性に優れ
た照明光が得られるので、これを投影光学系に応用すれ
ば、解像度の高い、かつ投影領域内の全域で均一な結像
特性を有する良好な投影露光が行なえる。さらに、リレ
ーレンズ系の中心部を使用することで、リレーレンズ系
自体の大きさをコンパクトにすることができるので、従
来装置に異なる部材を設けても装置の無用な大型化を防
止することができる利点がある。

【０１３４】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位置Ａ₁ 、リレー光学系３により
再形成される光源像位置Ａ₂ 、リレー光学系３の射出瞳
位置Ａ₂₀、及び投影光学系５の入射瞳位置（凸面鏡５２
の位置又はその近傍の位置）は互いに共役となってお
り、しかも各位置での光源像及び瞳の形状は共に円形と
なっている。

【０１３５】従って、照明領域ＢＡ並びにレチクルＲ上
においては、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。なお、オプティカルイン
テグレータ２からそれぞれの射出角で射出する平行光束
が第１集光光学系３０Ａにより形成される位置Ｂ₁ とレ
チクルＲ上の物体面位置Ｂ₂ とは、互いに共役となって
いる。

【０１３６】また、レチクルＲはレチクルステージＲＳ
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
方向へ移動し、これによって、レチクルＲ上のパターン
全体がウエハＷ上に露光される。

【０１３７】以上のように、本実施例では、高い照明効
率及び一様な開口数のもとで円弧状に均一にレチクルが
照明されるので、レチクルＲ上の回路パターンを短い露
光時間でしかも高解像力のもとでウエハＷ上へ円弧状に
転写することができる。

【０１３８】なお、図２及び図７に示した第二実施例で
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
して良い。これは第一実施例においても同様である。

【０１３９】次に、図１３及び図１４には、本発明によ
る第三実施例の装置を露光装置に応用した例を示してお
り、図２及び図７と同じ機能を持つ部材には同じ符号を
付してある。第二実施例では光源像の形状を規定する一
般の開口絞りＳ₆ をオプティカルインテグレータ２の射
出側に設けた例を示したが、第三実施例では、図１３に
示す如く、リレー光学系３の第２集光光学系内の空間に
オプティカルインテグレータ２の２次光源の実像を形成
し、この実像が形成される位置に開口絞りＳ₆を設けて
いる。さらに、図１４に示す如く、投影光学系を屈折型
の縮小投影系で構成した例を示している。これにより、
上述した第二実施例と全く同様な効果が期待できる。

【０１４０】なお、上記の各実施例では、特殊開口絞り
として偏心した透光部を有するものについて説明した
が、このような偏心透光部を有すると、投影状態に方向
性（斜入射光の方向特性）が生ずることから、斜入射角
度の方向性が均一でなくなる問題を指摘していた。しか
し、偏心していないもの、例えば中心部を基準に点対称
に配置されている透光部を有する開口絞りについては、
傾斜照明であるが方向特性は無いので、その投影状態の
方向性は大きな問題とならない。

【０１４１】例えば、図４の（ｃ）に示す如き輪帯状
（ドーナツ形状）の開口部を有する開口絞りＳ₃ を、第
三実施例の装置に応用し、光源像再形成光学系のリレー
光学系３の第２集光光学系内に配置すれば、この開口絞
りＳにより形成される輪帯状の光源からの光束は、照明
領域に対して一様な開口数のもとで円弧状に均一に傾斜
照明できる。

【０１４２】このため、照明領域のリレー光学系を用い
てその瞳位置に特殊開口絞りを配置したのとほぼ同様
に、（照明領域のリレー光学系を設けなくても）レチク
ルＲに直接照明することでより、微細なレチクルパター
ンを深い焦点深度のもとでウエハＷ上に忠実に転写する
ことができる。ただし、このようなドーナツ形状の（方
向性のない）等後部からの傾斜照明法は、前述した方向
性のあるものに比べ、焦点深度やコントラストに与える
効果が少ない欠点がある。

【０１４３】また、上記の各実施例では、平行光束を供
給するための手段（光源部）としてレーザー等の光源を
用いた例を示したが、これに限るものでなく、例えば、
楕円鏡と、この楕円鏡の第１焦点位置に設けられた水銀
アーク灯の光源と、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平行
光束を供給するための手段（光源部）を構成しても良
い。

【０１４４】さらに、各実施例では、平行光束を供給す
る光源１（光源部）とオプティカルインテグレータ２と
を含む光学系より、複数の光源像よりなる２次光源（所
定の大きさを持つ面光源）を形成し、これにより実質的
に各射出角を持って射出する光束を供給する光源手段と
して機能させているがこれに限るものではない。例え
ば、各放射角を持って放射される光束を供給する水銀ア
ーク灯と、この水銀アーク灯から発する光束を光学系へ
有効へ導くための凹面反射鏡とで光源手段を構成しても
良い。この場合、水銀アーク灯を挟んで凹面反射鏡と反
対側にリレー光学系を配置し、水銀アーク灯の発光点を
光源再形成光学系の入射瞳と一致するように配置するこ
とが良い。

【０１４５】また、各実施例では光源再形成光学系とし
て機能するリレー光学系３を屈折性の光学部材（レン
ズ）で構成した例を示したが、反射性の光学部材（反射
鏡）で構成しても良く、さらにはリレー光学系３以外の
光学系を反射性の光学部材（反射鏡）で構成しても良
い。

【０１４６】加えて、各実施例では多光源形成手段の一
例であるオプティカルインテグレータ２をレンズ素子の
集合体で構成した例を示したが、これの代わりに特開平
１−２７１７１８号に開示されている内面反射型のロッ
ド状の光学部材を用いても良い。さらには、多光源形成
手段として複数の光ファイバーを束ねた光ファイバー束
を用いても良い。

【０１４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
焦点深度や投影像のコントラストに影響を与える所謂傾
斜照明法を応用する際に、縁故上の照明領域内の全域で
均一な効果が得られる利点がある。このため、この照明
光学装置を投影露光装置に応用すれば、投影領域の全域
で焦点深度の深い投影像が得られると共にその明暗差が
大きくなり、これらが投影領域の全域にわたって均一に
なる利点がある。これにより高解像度の投影露光が高い
スループットを維持して行える投影露光装置が構築でき
る。

【０１４８】又、請求項２に記載した発明によれば、従
来よりも格段に照明効率が高く、円弧状に形成される照
明領域での開口数が方向によらずほぼ一様となる高性能
な照明光学装置を達成できる。特に、本発明を投影型の
露光装置に応用した場合には、投影像の方向による投影
光学系の分解能差が全く生ずることなく、忠実なレチク
ルパターンをウエハ上に転写することができる。

【０１４９】なお、本発明は投影型の露光装置用の照明
光学系に限ることなく、その他の装置の光学系にも応用
することができる事は言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例に係る照明光学装置の概略
構成を示す説明図であり、（ａ）を平面図、（ｂ）は側
面図を示す。

【図２】本発明の第二実施例に係る照明光学装置の概略
構成を示す説明図であり、（ａ）を平面図、（ｂ）は側
面図を示す。

【図３】本発明の第一実施例におけるリレー光学系での
照明領域へのリレー状態、並びに開口絞りを透過した光
の照明状態を開口絞りの形状に置き換えて模式的に示し
た照明状態を示す説明図であり、（ａ）は開口絞りとレ
ンズ７２を拡大して見た状態、（ｂ）は照明領域（被照
明物体）から開口絞りを見た時の開口絞りの形状を示
す。

【図４】本発明の実施例に用いる開口絞りの概略構成を
示す説明図であり、（ａ）は四つの対称な透光部が設け
られているもの、（ｂ）は二つの対称な透光部と中央部
に透光部が設けられているものを示す。

【図５】先行技術における開口絞りを透過した光の照明
状態を開口絞りの形状に置き換えて模式的に示す説明図
である。

【図６】先行技術における照明光学系の概略構成並びに
開口絞りの配置を示す説明図である。

【図７】本発明の第二実施例に係る照明光学装置を利用
した投影露光装置の概略構成を示す説明図である。

【図８】公知の照明光学装置の概略構成を示す説明図で
ある。

【図９】特願平４−２４２４８６号において提案した照
明光学装置の概略構成を示す説明図である。

【図１０】（ａ）はオプティカルインテグレータを零度
の射出角で射出する平行光束の断面の様子を示す図であ
り、（ｂ）はオプティカルインテグレータをψの射出角
で射出する平行光束の断面の様子を示す図である。

【図１１】被照明面上にて集光される光束の様子を示す
図である。

【図１２】（ａ）は図１１の集光点ｐ₁ を通る各方向か
ら集光光束Ｌ₁ を縦に切断した時の集光光束Ｌ₁ の断面
の様子を示す図であり、（ｂ）は図１１の集光点ｐ₂ を
通る半径方向Ｒから集光光束Ｌ₂ を縦に切断した時の集
光光束Ｌ₂ の断面の様子を示す図であり、（ｃ）は図１
１の集光点ｐ₂ を通る接線方向Ｔから集光光束Ｌ₂を縦
に切断した時の集光光束Ｌ₂ の断面の様子を示す図であ
る。

【図１３】本発明の原理を説明するための説明図であ
る。

【図１４】図１３を基にして本発明の原理をより具体的
に説明する説明図である。

【図１５】本発明の第三実施例にかかる照明光学系の概
略構成を示す説明図である。

【図１６】本発明の第三実施例にかかる照明光学系を利
用した投影露光装置の概略構成を示す説明図である。

【主要部分の符号の説明】

１、１０・・・・・光源２、３０、５０・・・・・多光源形成光学系（オプティカル
インテグレータ）３、３０Ａ、３０Ｂ・・・・・光源再形成光学系（リレー光
学系）４、６３・・・・・特殊反射鏡（トーリック型反射鏡）５・・・・・投影光学系７・・・・・リレー光学系Ｓ・・・・・瞳位置（開口絞り）Ｒ・・・・・レチクルＷ・・・・・ウエハＢＡ・・・照明領域ＢＦ・・・照明領域（被照明物体上）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０３Ｆ 7/20 ５２１Ｈ０１Ｌ 21/027

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源手段からの光束を集光させて円弧状
の照明領域を形成するコンデンサー光学系と、前記円弧
状の照明領域を被照明物体上に再形成させるリレー光学
系とを有し、前記リレー光学系の瞳位置に、前記リレー光学系の光軸
に対して偏心して配設された複数の透光部を備えた開口
絞りが設けられていることを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】各射出角を持って射出する光束を供給す
る光源を形成する光源手段と、該光源手段からの光束を
集光して再び光源を形成する光源再形成光学系と、該光
源再形成光学系により再形成される光源から各射出角を
持って射出する光束を集光させて円弧状の照明領域を形
成するコンデンサー光学系と、前記円弧状の照明領域を
被照明物体上に再形成させるリレー光学系とを有し、前記光源再形成光学系は、前記光源手段からの光束を変
換して、前記コンデンサー光学系に入射する光束の各入
射方向においてほぼ一定の光束径を持つ光束を形成する
ものであり、前記リレー光学系は、その瞳位置に、前記リレー光学系
の光軸に対して偏心させて配設された複数の透光部を備
えた特殊開口絞りが設けられていることを特徴とする照
明光学装置。
【請求項３】前記コンデンサー光学系は、放物線の頂
点を通る該放物線の対称軸を中心に回転させた放物線の
回転体の少なくとも一部より構成された特殊反射鏡を備
えていることを特徴とする請求項１又は２に記載した照
明光学装置。
【請求項４】前記コンデンサー光学系は、放物線の頂
点を通る該放物線の対称軸と直交する軸を中心に回転さ
せた放物線の回転体の少なくとも一部より構成された特
殊反射鏡を備えていることを特徴とする請求項１又は２
に記載した照明光学装置。