KR20090118942A

KR20090118942A - 옵티컬 인테그레이터 시스템, 조명 광학 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법

Info

Publication number: KR20090118942A
Application number: KR1020097018159A
Authority: KR
Inventors: 나오노리 기타
Original assignee: 가부시키가이샤 니콘
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2009-11-18
Also published as: US20080225257A1; JP2008227496A; TWI533030B; TW200900733A; KR101578560B1; JP5459571B2; EP2122408A1; WO2008114840A1

Abstract

옵티컬 인테그레이터 시스템은, 광의 입사측으로부터 순서대로 배치된, 미리 결정된 방향(z 방향)을 따라 병렬 배치된 복수의 제1 파면 분할 요소들(111a)을 갖는 제1 옵티컬 인테그레이터(111), 및 상기 미리 결정된 방향(z 방향)을 따라 병렬 배치된 복수의 제2 파면 분할 요소들(113a)을 갖는 제2 옵티컬 인테그레이터(113)를 구비한다. 상기 제1 파면 분할 요소들은, 입사면의 광축 중심에 비스듬히 입사된 광선들이 상기 광축과 평행하게 출사되도록 구성된다. 상기 제2 파면 분할 요소들은, 입사면의 광축 중심에 비스듬히 입사된 광선들이 상기 광축에 비스듬히 출사되도록 구성된다.

Description

옵티컬 인테그레이터 시스템, 조명 광학 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법{OPTICAL INTEGRATOR SYSTEM, ILLUMINATION OPTICAL APPARATUS, EXPOSURE APPARATUS, AND DEVICE MANUFACTURING METHOD}

본 발명은, 옵티컬 인테그레이터 시스템, 조명 광학 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은, 반도체 소자, 촬상 소자, 액정 표시 소자, 및 박막 자기 헤드와 같은 디바이스(전자 디바이스 등)를 리소그래피에 의하여 제조하기 위한 노광 장치의 조명 광학 장치에 적합하게 적용 가능한 옵티컬 인테그레이터 시스템에 관한 것이다.

노광 장치에서, 광원으로부터 출사된 빔이 옵티컬 인테그레이터로서의 플라이 아이(fly's eye) 렌즈에 입사하여, 플라이 아이 렌즈의 후측 초점면 상에 다수의 광원들로 구성되는 이차 광원(조명동(illumination pupil) 상에 형성되는 광 강도 분포)을 형성한다. 이차 광원으로부터의 빔은, 구경 조리개 및 컨덴서 렌즈를 통해 이동하여, 미리 결정된 패턴을 갖는 마스크를 중첩적으로 조명한다. 마스크의 패턴을 통과한 광은 투영 광학 시스템을 통해 이동하여 웨이퍼 상에 결상된다. 이러한 방식으로, 웨이퍼 상으로 마스크 패턴이 투영(또는 전사)되어, 그 투영 노광을 달성한다. 마스크 패턴은 고집적화된 패턴이므로, 이 미세 패턴을 웨이퍼 상 으로 정확하게 전사하기 위해서, 웨이퍼 상에서 균일한 조도 분포가 형성되어야 한다.

노광 장치에서, 조도 분포의 균일성을 향상시키기 위해서, 플라이 아이 렌즈를 구성하는 미소 렌즈 요소들의 수가 가능한 한 많이 설정될 필요가 있다. 또한, 구경 조리개에서 광량 손실을 피하기 위해서, 원하는 형상에 가까운 형상으로 이차 광원을 형성하는 것이 필수적이다. 이를 만족하기 위하여 생각할 수 있는 방법은, 예컨대 플라이 아이 렌즈를 구성하는 미소 렌즈 요소들의 사이즈를 매우 작게 설정하는 것, 즉 마이크로플라이 아이 렌즈를 사용하는 것이다. 마이크로플라이 아이 렌즈는, 예컨대 평행 평면 유리판에 MEMS 기술(리소그래피 + 에칭 등)을 적용하여 다수의 미소 굴절면들을 형성함으로써 형성된다.

본 출원인은, 예컨대 에칭에 의하여 일체적으로 형성된 다수의 미소 굴절면들의 제조 오차로부터의 조도 분포에의 영향을 작게 억제할 수 있는 옵티컬 인테그레이터로서, 양 측면들에 원통형 렌즈군들이 형성된 한 쌍의 플라이 아이 부재들로 구성된 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈를 제안했다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).

특허 문허 1: 일본 특허 공개 공보 제2004-45885호

(발명의 개시)

(본 발명에 의하여 해결될 문제점)

노광 장치는, 반도체 소자 등의 집적도가 향상함에 따라서, 투영 광학 시스템에 요구되는 보다 높은 해상력(해상도)을 달성한다는 것의 예측이 점차 증대되고 있다. 투영 광학 시스템의 해상력에 대한 요구를 만족하기 위해서, 조명광(노광광)의 파장을 짧게하고, 투영 광학 시스템의 이미지측 개구수를 증가시킬 필요가 있다. 이러한 이유로, 투영 광학 시스템의 개구수의 증가에 따라, 옵티컬 인테그레이터의 파면 분할 요소들(플라이 아이 렌즈의 경우에는 렌즈 엘리먼트들)의 출사측 개구수(또한, 이하 "출사 NA(exit NA)"라고 칭함)도 증가하는 경향에 있다.

한편, 피조사면(노광 장치의 경우에서 마스크면이나 웨이퍼면) 상의 조도 분포의 균일성을 향상시키고, 또한 조명동 상에 형성되는 광 강도 분포의 윤곽에 대한 원하는 원활한 형상을 달성하기 위하여, 파면 분할 요소들의 수를 가능한 많이 설정하는 것이 필요하다. 파면 분할 요소들의 단면 사이즈를 작게 유지하면서, 큰 출사 NA를 달성하고자 하면, 파면 분할 요소들의 초점 거리가 더 줄어들 것이다. 즉, 파면 분할 요소들의 광학면들의 곡률 반경이 너무 작아 요구되는 면 형상 정밀도를 달성하기 어렵게 되어, 피조사면 상에 원하는 조도 분포를 달성하지 못하고, 따라서 노광시에 원하는 결상 성능을 달성하기 어렵게 된다.

본 발명은 상술된 문제점을 감안하여 완성되었고, 본 발명의 목적은, 파면 분할 요소들의 광학면들의 면 형상에 대하여 과도하게 높은 정밀도를 요하지 않고 요구되는 큰 출사측 개구수를 확보할 수 있고, 피조사면 상에 원하는 조도 분포를 형성할 수 있는 옵티컬 인테그레이터 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은, 요구되는 큰 출사측 개구수를 확보하고, 피조사면 상에 원하는 조도 분포를 형성하기 위한 옵티컬 인테그레이터 시스템을 사용하여, 원하는 조명 조건으로 피조사면을 조명할 수 있는 조명 광학 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 원하는 조명 조건 하에서 피조사면을 조명하기 위한 조명 광학 장치를 사용하여, 양호한 조명 조건 하에서 양호한 노광을 수행할 수 있는 노광 장치 및 디바이스 제조 방법을 제공하는 것이다.

문제점을 해결하기 위한 수단

상기 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 제1 태양은, 미리 결정된 방향을 따라 병렬 배치된 복수의 제1 파면 분할 요소들을 갖는 제1 옵티컬 인테그레이터; 및 상기 미리 결정된 방향으로 병렬 배치된 복수의 제2 파면 분할 요소들을 갖는 제2 옵티컬 인테그레이터를 구비하는 옵티컬 인테그레이터 시스템을 제공하며, 상기 제1 옵티컬 인테그레이터 및 제2 옵티컬 인테그레이터는 광의 입사측으로부터 순서대로 배열되어 있고,

상기 제1 파면 분할 요소들 각각은, 상기 제1 파면 분할 요소의 입사면의 광축 중심에 비스듬하게 입사된 광선들이 상기 제1 파면 분할 요소로부터 상기 광축과 평행으로 출사되도록 구성되고,

상기 제2 파면 분할 요소들 각각은, 상기 제2 파면 분할 요소의 입사면의 광축 상 중심에 비스듬하게 입사된 광선들이 상기 제2 파면 분할 요소로부터 상기 광축에 비스듬하게 출사되도록 구성된다.

본 발명의 제2 태양은, 광원으로부터의 광에 의하여 피조사면을 조명하기 위한 조명 광학 장치를 제공하며, 상기 조명 광학 장치는, 상기 광원과 상기 피조사면 간의 광로 내에 배치된 제1 태양의 옵티컬 인테그레이터 시스템을 구비한다.

본 발명의 제3 태양은, 미리 결정된 패턴을 조명하기 위한 제2 태양의 조명 광학 장치를 구비하는 노광 장치를 제공하여, 상기 미리 결정된 패턴을 감광성 기판에 노광한다.

본 발명의 제4 태양은, 제3 태양의 노광 장치를 사용하여, 상기 미리 결정된 패턴을 상기 감광성 기판에 노광하는 노광 단계; 및 상기 노광 단계 후 상기 감광성 기판을 현상하는 현상 단계를 구비하는 디바이스 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 효과

본 발명의 옵티컬 인테그레이터 시스템은, 미리 결정된 방향으로 요구되는 큰 발산각 특징을, 제1 옵티컬 인테그레이터와 제2 옵티컬 인테그레이터와의 조합으로 실현한다. 다시 말하면, 미리 결정된 방향으로 요구되는 큰 출사 NA는 제1 옵티컬 인테그레이터 및 제2 옵티컬 인테그레이터와의 협동에 의하여 달성된다. 따라서, 본 발명은, 제1 옵티컬 인테그레이터의 파면 분할 요소들에 요구되는 출사광의 최대 출사 각도(출사 NA에 대응하는 각도) 및 제2 옵티컬 인테그레이터의 파면 분할 요소들에 요구되는 출사광의 최대 출사 각도(출사 NA에 대응하는 각도)가, 예컨대 종래 기술에서 단독의 파면 분할 요소에 요구되는 출사광의 최대 출사 각도의 절반으로서 정의되게 한다.

그 결과, 본 발명의 옵티컬 인테그레이터 시스템은, 파면 분할 요소들의 광학면들의 면 형상에 대하여 과도하게 높은 정밀도를 필요로 하지 않고, 요구되는 큰 출사 개구수를 확보하면서, 피조사면 상에서 원하는 조도 분포를 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 조명 광학 장치는, 요구되는 큰 출사측 개구수를 확보하고, 피조사면 상에 요구되는 조도 분포를 형성하기 위한 옵티컬 인테그레이터 시스템을 사용하여, 원하는 조명 조건으로 피조사면을 조명할 수 있다. 본 발명의 노광 장치는, 원하는 조명 조건으로 피조사면을 조명하기 위한 조명 광학 장치를 이용하여, 양호한 조명 조건 하에서 양호한 노광을 수행하고, 나아가서 양호한 디바이스를 제조할 수 있다.

도 1은 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈의 파면 분할 요소의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈의 작용을 설명하는 도면이다.

도 3은 본 발명의 제1 태양에 따른 옵티컬 인테그레이터 시스템의 구성 및 작용을 설명하는 도면이다.

도 4는 플라이 아이 소자가 비스듬한 입사 평행광에 대하여 직 입사 평행광과 동일한 출사 NA를 확보하는 상태를 설명하는 도면이다.

도 5는 플라이 아이 소자에서 비스듬한 입사 평행광과 직 입사 평행광에 대한 동일한 출사 NA를 확보하는 데 필요한 조건을 설명하는 도면이다.

도 6은 z 방향 플라이 아이 소자의 하나의 파면 분할 출사면으로부터의 광으로 프리즘 어레이의 하나의 파면 분할 입사면의 전체를 적어도 조명하는 것이 필수적인 조건을 설명하는 도면이다.

도 7은 z 방향 플라이 아이 소자와 프리즘 어레이 간의 최소 간격을 설명하는 도면이다.

도 8은 z 방향 플라이 아이 소자와 프리즘 어레이 간의 최대 간격을 설명하는 도면이다.

도 9는 본 발명의 제2 태양에 따른 옵티컬 인테그레이터 시스템의 개략적인 구성 및 작용을 설명하는 도면이다.

도 10은 도 3의 프리즘 어레이 대신에 사용될 수 있는 광학 소자들의 예들을 도시하는 도면이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 12는 도 11에 도시된 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈의 구성을 개략적으로 도시하는 사시도이다.

도 13은 도 11에 도시된 편광 변환 소자의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 14는 수정의 선광성(optical activity)을 설명하는 도면이다.

도 15는 편광 변환 소자의 작용에 의해 둘레 방향 편광 상태로 설정된 환형의 이차 광원을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 16은 편광 변환 소자의 작용에 의해 둘레 방향 편광 상태로 설정된 4극형의 이차 광원들을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 17은 마이크로디바이스로서의 반도체 디바이스를 획득하기 위한 방법의 플로우차트이다.

도 18은 마이크로디바이스로서의 액정 표시 소자를 획득하기 위한 방법의 플 로우차트이다.

도면 부호의 설명

1: 광원 3: 편광 상태 스위치

4: 회절 광학 소자 5: 어포컬(afocal) 렌즈

6: 편광 변환 소자 7: 원추 악시콘 시스템

8: 줌 렌즈

9: 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈(제1 옵티컬 인테그레이터)

10, 113: 프리즘 어레이(제2 옵티컬 인테그레이터)

11: 컨덴서 광학 시스템 12: 마스크 블라인드

13: 결상 광학 시스템

111,115: 플라이 아이 소자(제1 옵티컬 인테그레이터)

OP: 옵티컬 인테그레이터 시스템 M: 마스크

PL: 투영 광학 시스템 W: 웨이퍼

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)

본 발명은, 복수의 옵티컬 인테그레이터들을 직접적인 상관없이 배치하고, 각 옵티컬 인테그레이터들에 의하여 피조사면 상에 가상으로 형성되는 광 강도 분포들을 컨볼루션(convolution)시켜, 원하는 조도 분포를 갖는 실 조명 필드(조명 영역)를 피조사면 상에 형성하는 신규한 설계 구성을 제안한다. 여기서, 직접적인 상관없이 복수의 옵티컬 인테그레이터들을 배치한다는 것은, 이 복수의 옵티컬 인 테그레이터들은 하나의 옵티컬 인테그레이터의 파면 분할 요소들과 다른 옵티컬 인테그레이터의 파면 분할 요소들이 협동하여 기능하는 하나의 광학 시스템을 구성하지 않는다는 것을 의미한다.

본 발명의 실시예들의 구체적인 설명에 앞서서, 본 발명의 옵티컬 인테그레이터 시스템의 기본적인 구성 및 작용을 설명할 것이다. 도 1은, 예컨대 특허 문헌 1에 개시된 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈에서의 파면 분할 요소의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 1을 참조하여, 광의 입사측에 배치된 전측(front) 파면 분할 요소(101)는, x 방향으로 굴절력을 가지나 z 방향으로는 굴절력을 갖지 않는 원통형의 입사 굴절면(101a)과, z 방향으로 굴절력을 가지나 x 방향으로는 굴절력을 갖지 않는 원통형의 출사 굴절면(101b)을 갖는다. 후측(rear) 파면 분할 요소(102)도, x 방향으로 굴절력을 가지나 z 방향으로는 굴절력을 갖지 않는 원통형의 입사 굴절면(102a)과, z 방향으로 굴절력을 가지나 x 방향으로는 굴절력을 갖지 않는 원통형의 출사 굴절면(102b)을 갖는다.

전측 파면 분할 요소(101)와 후측 파면 분할 요소(102)는 협동하여, 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈의 파면 분할 요소, 즉 z 방향으로 더 긴 변들과 x 방향으로 더 짧은 변들을 갖는 직사각형 단면을 갖는 파면 분할 요소(100)로서 기능한다. 종래의 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈는, 전측에 배치된 제1 플라이 아이 부재와 후측에 배치된 제2 플라이 아이 부재로 구성된다. 제1 플라이 아이 부재의 출사면 및 제2 플라이 아이 부재의 출사면에는, 도 2a에 도시된 바와 같이, x 방향을 따라 장척된(elongated) 원통형의 복수의 광학면들(103b)이 z 방향을 따라 병렬 배치되어 있다.

제1 플라이 아이 부재의 입사면 및 제2 플라이 아이 부재의 입사면에는, 도 2b에 도시된 바와 같이, z 방향을 따라서 장척된 원통형의 복수의 광학면들(103a)이 x 방향으로 병렬 배치되어 있다. 이 경우, x 방향을 따라 장척된 원통형의 광학면들(103b)은 도 2(c)에 도시된 바와 같이, z 방향으로 장척된 세선형 조명 영역(조명 필드)(104b)을 피조사면 상에 형성한다. z 방향을 따라 장척된 원통형의 광학면(103a)은 x 방향으로 장척된 세선형 조명 영역(104a)을 피조사면 상에 형성한다. 실제로는, 원통형의 광학면들(103a, 103b)이 협동하여, 서로 직교하는 2개의 세선형 영역들(104a, 104b)의 2차원적 컨볼루션에 의해서, z 방향을 따라 장척된 원하는 직사각형의 조명 영역(104)이 피조사면 상에 형성된다고 해석될 수 있다.

이 해석은, 수학적인 컨볼루션 정리를 단순히 광학에 적용한 것에 불과하다. 그 이유는, 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈들의 직후의 면과 피조사면 간의 광진폭에 관한 관계가 푸리에 변환의 수학적 관계이기 때문이다. 즉, 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈의 x 방향 굴절 작용과 z 방향 굴절 작용을 받는 효과는 복소 진폭들의 승산의 효과와 동일하며, 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈의 직후의 면 상에서의 복소 진폭들의 푸리에 변환은 피조사면 상에서의 복소 진폭들이 된다. 따라서, 이 수학적 작용을 고려하면, 푸리에 변환 전의 복소 진폭들의 승산 대신, x 방향 굴절 작용 및 z 방향 굴절 작용을 따로 받은 2개의 복소 진폭 성분들의 푸리에 변환을 먼저 실행한 후, 푸리에 변환 후 2개의 복소 진폭 성분들의 컨볼루션을 실행함으로써 동일한 복소 진폭 분포가 획득된다.

도 3은 본 발명의 제1 태양에 따른 옵티컬 인테그레이터 시스템의 개략적인 구성 및 작용을 설명하는 도면이다. 제1 태양의 옵티컬 인테그레이터 시스템은, 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 광의 입사측으로부터 순서대로 배치된, z 방향을 따라서 병렬 배치된 복수의 파면 분할 요소들(111a)을 갖는 z 방향 플라이 아이 소자(제1 옵티컬 인테그레이터의 제1 광학 부재)(111)와, x 방향을 따라서 병렬 배치된 복수의 파면 분할 요소들(112a)을 갖는 x 방향 플라이 아이 소자(제1 옵티컬 인테그레이터의 제2 광학 부재)(112)와, z 방향을 따라서 병렬 배치된 복수의 파면 분할 요소들(113a)을 갖는 프리즘 어레이(제2 옵티컬 인테그레이터)(113)를 구비한다. 제1 광학 부재와 제2 광학 부재 간의 공간은 기체로 채워져 있고, 제2 광학 부재와 제2 옵티컬 인테그레이터 간의 공간도 기체로 채워져 있다.

구체적으로, 제1 옵티컬 인테그레이터의 제1 광학 부재로서의 z 방향 플라이 아이 소자(111)는, z 방향으로 병렬 배치된 복수의 원통형의 입사 굴절면들(111aa)과, z 방향으로 병렬 배치된 복수의 원통형의 출사 굴절면들(111ab)을 갖는다. 제1 옵티컬 인테그레이터의 제2 광학 부재로서의 x 방향 플라이 아이 소자(112)는, x 방향으로 병렬 배치된 복수의 원통형의 입사 굴절면들(112aa)과, x 방향으로 병렬 배치된 복수의 원통형의 출사 굴절면들(112ab)을 갖는다. 제2 옵티컬 인테그레이터로서의 프리즘 어레이(또는 마이크로프리즘 어레이)(113)는, z 방향으로 병렬 배치된 복수의 평면형 입사 굴절면들(113aa)과, z 방향으로 병렬 배치된 복수의 산형상의 출사 굴절면들(113ab)을 갖는다.

도 4 및 도 5를 참조하여, 플라이 아이 소자(플라이 아이 렌즈, 마이크로플라이 아이 렌즈, 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈 등을 포함하는 넓은 개념인)의 기본적인 구성 및 작용을 확인적으로 설명한다. 조명 광학 장치의 광축(AX)을 따라서 배치되는 플라이 아이 소자는, 피조사면 상에 요구되는 조명 영역을 확보하면서, 조명 영역에서의 조도 분포를 균일하게 하는 기능을 한다. 이 목적을 위하여, 각 파면 분할 요소의 입사면에 입사한 빔들은 출사면의 근방에 점광원들을 형성한 후, 컨덴서 광학 시스템을 통해 전진하여, 피조사면 상의 조명 영역을 중첩적으로 조명한다. 이 때, 도 4에 도시된 바와 같이, 파면 분할 요소(120)의 입사면(120a)에 수직 입사된(또는 파면 분할 요소(120)의 광축(AXe)의 방향을 따라 입사된) 평행 광(도 4에 실선으로 나타낸 바와 같은)은, 미리 결정된 출사 NA(개구수 또는 각도 범위)를 갖는 광으로서 출사면(120b)으로부터 출사되어, 결국 요구되는 NA를 갖는 광이 되어 조명 영역에 도달한다.

파면 분할 요소(120)의 입사면(120a)에 비스듬히 입사된(또는 이 요소의 광축(AXe)에 비스듬한 방향으로 입사된) 평행광(도 4에서 점선으로 나타낸)도, 직 입사 평행광과 동일한 출사 NA와, 광축에 평행인 중심 각도(각 렌즈 엘리먼트에서의 주 광선 각도)를 갖는 광으로서 출사면(120b)으로부터 출사되어, 조명 영역에 도달한다. 비스듬한 입사 평행광의, 직 입사 평행광과 동일한 출사 NA와 그 중심 각도를 확보하기 위한 조건은, 도 5에 도시된 바와 같이, 입사면(120a) 상의 광축의 중심(입사면(120a)과 이 요소의 광축(AXe)과의 교점)을 통과하는 주광선(도 5에서 점선으로 나타낸)이 광축(AXe)에 평행한 광으로서 출사면(120b)으로부터 출사된다는 조건을 만족함으로써 실현된다. 덧붙여, 이 조건에 의해서, 입사면(120a)이 피조사면과 공역 관계가 된다.

상술된 바와 같이, z 방향 플라이 아이 소자(111)는, 파면 분할 요소로서의 원통형 렌즈 엘리먼트(111a) 각각의 입사면(111aa)의 광축의 중심(이 중심은 렌즈 엘리먼트(111a)의 요소 광축과 입사면(111aa)과의 교점으로서 정의됨)에 비스듬히 입사되는 광선들이 요소 광축과 평행하게 출사되도록 구성되어 있다. 유사하게, x 방향 플라이 아이 소자(112)도, 파면 분할 요소로서의 원통형 렌즈 엘리먼트(112a) 각각의 입사면(112aa)의 광축의 중심(이 중심은 렌즈 엘리먼트(112a)의 요소 광축과 입사면(112aa)과의 교점으로서 정의됨)에 비스듬히 입사되는 광선들이 요소 광축과 평행하게 출사되도록 구성되어 있다. 이것에 대조하여, 프리즘 어레이(113)는, 파면 분할 요소로서의 프리즘 소자(113a) 각각의 입사면(113aa)의 광축의 중심(이 중심은 프리즘 소자(113a)의 요소 광축과 입사면(113aa)과의 교점으로서 정의됨)에 비스듬히 입사되는 광선들이 요소 광축에 비스듬히 출사되도록 구성되어 있다.

따라서, z 방향 플라이 아이 소자(111)는, 파면 분할 요소로서의 원통형 렌즈 엘리먼트(111a) 각각의 입사면(111aa)에 광축의 방향으로부터 입사된 광(평행광 등)에 의해 형성되는 출사광의 최대 출사 각도(절반 각도; 출사 NA에 대응하는 각도)는, 입사면(111aa)의 광축에 비스듬한 방향으로부터 입사된 광(평행광 등)에 의해 형성되는 출사광의 최대 출사 각도(절반 각도; 출사 NA에 대응하는 각도)와 동일하게 되도록 구성되어 있다. 이 때문에, z 방향 플라이 아이 소자(111)에 대하 여 여러가지 각도들로 입사하는 평행광 빔들은 동일한 NA와 광축에 평행한 중심 각도를 갖는 광 빔들로서 출사되고, z 방향 플라이 아이 소자(111)로의 입사 광의 각도 범위(NA)와 중심 각도에 완전히 의존하지 않는 출사 각도 특성을 갖는다.

유사하게, x 방향 플라이 아이 소자(112)는, 파면 분할 요소로서의 원통형 렌즈 엘리먼트(112a) 각각의 입사면(112aa)에 광축의 방향으로부터 입사된 광(평행광 등)에 의해 형성되는 출사광의 최대 출사 각도(절반 각도)가, 입사면(112aa)에 광축에 비스듬한 방향으로부터 입사된 광(평행광 등)에 의해 형성되는 출사광의 최대 출사 각도(절반 각도)와 동일하게 되도록 구성되어 있다. 이 때문에, x 방향 플라이 아이 소자(112)에 여러가지 각도들로 입사되는 평행광 빔들은 동일한 NA와 광축에 평행한 중심 각도를 갖는 광 빔들로서 출사되고, x 방향 플라이 아이 소자(112)에의 입사광의 각도 범위(NA)와 중심 각도에 완전히 의존하지 않는 출사 각도 특성을 갖는다. 이와 대조하여, 프리즘 어레이(113)에 여러가지 각도들로 입사하는 평행광 빔들은, 동일한 NA(각도 범위)를 갖지만, 그 중심 각도(주 광선 각도)가 유지된 광빔들로서 출사되어, z 방향 플라이 아이 소자(111)와 x 방향 플라이 아이 소자(112)와는 달리, 프리즘 어레이(113)로의 입사광의 각도 범위(NA)와 중심 각도에 의존하는 출사 각도 특성을 갖게 된다.

제1 태양의 옵티컬 인테그레이터 시스템에서, z 방향 플라이 아이 소자(111)에 입사한 평행 빔은 파필드(far field)에서 z 방향으로 장척된 세선형 광 강도 분포(114a)(도 3(c) 참조)를 형성하고, 결국 피조사면 상에 z 방향으로 장척된 세선형 조명 영역(114a)을 형성한다. x 방향 플라이 아이 소자(112)에 입사된 평행 빔 은 파필드에서 x 방향으로 장척된 세선형 광 강도 분포(114b)를 형성하고, 결국 피조사면 상에서 x 방향으로 장척된 세선형 조명 영역(114b)을 형성한다.

프리즘 어레이(113)에 입사된 평행 빔은 파필드에서 z 방향으로 이격된 2개의 점형 광 강도 분포들(114c)을 형성하고, 결국 피조사면 상에서 z 방향으로 이격된 2개의 점형 조명 영역들(114c)을 형성한다. 실제로, 세선형 영역(114a)과 세선형 영역(114b)과 2개의 점형 영역들(114c)의 이차원적 컨볼루션에 의해서, z 방향을 따라 장척된 원하는 직사각형 조명 영역(114)이 피조사면 상에 형성된다.

후술되는 바와 같이, 스텝-앤드-스캔(step-and-scan) 방법의 노광 장치에서, 투영 광학 시스템에 관하여 마스크와 웨이퍼(감광성 기판)를 주사 방향으로 이동시키면서, 웨이퍼의 샷(shot) 영역에 마스크 패턴이 주사 노광된다. 이 경우, 투영 광학 시스템은 특히 주사 직교 방향(주사 방향에 직교하는 방향)으로 큰 이미지측 개구수를 가질 것이 요구되고, 나아가서는 옵티컬 인테그레이터 시스템의 파면 분할 요소들은 주사 직교 방향에 대응하는 방향으로 큰 출사 NA를 가질 것이 요구된다.

구체적으로, 도 2에 도시된 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈의 경우에서, 주사 직교 방향에 대응하는 방향은 z 방향이므로, 파면 분할 요소들은 z 방향으로 큰 출사 NA를 가질 것이 요구되고, 결국 x 방향을 따른 장척된 원통형의 광학면들(103b)은 큰 출사 NA를 가질 것이 요구된다. 원통형의 광학면들(103b)이 큰 출사 NA를 가질 것이 요구된다는 것은, 피조사면 상에 형성되는 세선형 조명 영역(104b)이 z 방향을 따라 길어진다는 것을 의미한다. 원통형의 광학면들(103b)의 z 방향 피치(또는 파면 분할 요소들의 단면 사이즈)를 작게 유지하면서, 큰 출사 NA를 달성하고자 하면, 광학면들(103b)의 곡률 반경이 너무 작아져, 요구되는 면 형상 정밀도를 달성하는 것이 어렵게 될 것이다. 그 결과, 피조사면 상에서 원하는 조도 분포가 획득되지 않을 것이고, 나아가서는 노광시에 원하는 결상 성능을 달성하기 어렵게 될 것이다.

제1 태양의 옵티컬 인테그레이터 시스템에서, 컨볼루션되는 광 강도 분포 성분들이 분해된 상태를 도시한 도 3(c)을 참조하여 명백한 바와 같이, 주사 직교 방향에 대응하는 z 방향으로 요구되는 높은 발산각 특성은, z 방향 플라이 아이 소자(111)와 프리즘 어레이(113)의 조합에 의하여 실현된다. 다시 말하면, 주사 직교 방향에 대응하는 z 방향으로 요구되는 큰 출사 NA는, z 방향으로만 굴절 작용을 미치는 z 방향 플라이 아이 소자(111)와 프리즘 어레이(113)와의 협동 작용에 의해 달성된다.

따라서, z 방향 플라이 아이 소자(111)의 부담과 프리즘 어레이(113)의 부담을 서로 동등한 것으로 고려하여 설명을 단순화하면, z 방향 플라이 아이 소자(111)의 파면 분할 요소들에 요구되는 출사광의 최대 출사 각도, 및 프리즘 어레이(113)의 파면 분할 요소들에 요구되는 출사광의 최대 출사 각도는, 예를 들면 종래 기술에서 단일의 파면 분할 요소에 요구되는 출사광의 최대 출사 각도의 절반일 수 있다. x 방향 플라이 아이 소자(112)는, z 방향으로만 굴절 작용을 미치는 z 방향 플라이 아이 소자(111) 및 프리즘 어레이(113)와는 달리, 주사 방향에 대응하는 x 방향으로 비교적 작은 출사 NA를 달성하기 위해서 x 방향으로만 굴절 작용을 미치는 통상의 플라이 아이 소자에 불과하다.

제1 태양의 옵티컬 인테그레이터 시스템에서, 주사 직교 방향에 대응하는 z 방향으로만 굴절 작용을 미치는 2개의 소자들(111, 113)에 관해서, 다음 점이 중요하다. 즉, 각 파면 분할 요소의 입사면의 광축의 중심에 비스듬하게 입사되는 광선들이 요소 광축과 평행하게 출사되도록 구성된 z 방향 플라이 아이 소자(111)의 하류측에, 각 파면 분할 요소의 입사면의 광축의 중심에 비스듬히 입사된 광선들이 요소 광축에 비스듬히 출사되도록 구성된 프리즘 어레이(113)가 배치될 필요가 있다.

프리즘 어레이(113)는, z 방향 플라이 아이 소자(111)와는 달리, 평행광이 비스듬히 입사하여, 미리 결정된 발산각 분포를 형성하면서 비스듬한 입사에 의존하는 경사 각도를 유지하고, 결과적으로 피조사면 상에 조명 영역의 위치를 시프트시키는 효과를 발휘한다. 바꿔 말하면, 프리즘 어레이(113) 대신에, 비스듬히 입사한 평행광을 광축 방향을 따른 평행광으로 변환하는 플라이 아이 소자(C)를 이용하면, z 방향 플라이 아이 소자(111)로부터 출사된 광의 발산각 분포에 전혀 의존하지 않는 플라이 아이 소자(C)만에 의하여 광 강도 분포를 피조사면 상에 형성하게 되어, z 방향 플라이 아이 소자(111)와 플라이 아이 소자(C)와의 컨볼루션 효과를 달성할 수 없다.

예컨대, z 방향 플라이 아이 소자(111)의 상류측에 배치된 가동 광학 부재의 이동에 기인하여, 파면 분할 요소들(렌즈 엘리먼트들)(111a)에 입사되는 광의 각도(또는 입사 빔들의 중심(重心, centriod) 광선 또는 중심(中心, center) 광선에 의하여 형성된 요소 광축에 대한 각도), 또는 각도 범위(입사면(111aa) 상의 1점에 입사하는 광선들에 의하여 형성된 최대 각도)가 변화된다. 그러나, 프리즘 어레이(113)의 상류에 z 방향 플라이 아이 소자(111)가 배치되므로, 이 z 방향 플라이 아이 소자(111)의 작용에 의해 프리즘 어레이(113)의 각 파면 분할 요소(프리즘 엘리먼트)(113a)에 입사하는 광의 각도들과 각도 범위가 안정화되어, 프리즘 어레이(113)의 각 파면 분할 요소의 출사면(113ab) 상의 동일한 영역을 광이 항상 통과한다. 그 결과, 예컨대 상류의 가동 광학 부재가 이동하여 z 방향 플라이 아이 소자(111)에 입사하는 광의 각도들과 각도 범위가 변동하더라도, 피조사면 상에서 조명 영역이 변동없이 안정하게 형성되고, 또한 피조사면 상에서 조명 영역에서 조도 불균일의 발생없이 조도 분포가 안정화된다.

이상과 같이, 본 발명의 제1 태양에 따른 옵티컬 인테그레이터 시스템에서, 주사 직교 방향에 대응하는 z 방향에서 요구되는 높은 발산각 특성, 나아가서는 z 방향으로 요구되는 큰 출사 NA를, z 방향으로만 굴절 작용을 미치는 z 방향 플라이 아이 소자(111)와 프리즘 어레이(113)와의 협동 작용에 의해 달성한다. 따라서, z 방향 플라이 아이 소자(111)의 파면 분할 요소(111a)에 요구되는 최대 출사 각도(출사 NA에 대응하는 각도), 및 프리즘 어레이(113)의 파면 분할 요소들(113a)에 요구되는 최대 출사 각도(출사 NA에 대응하는 각도)는, 예를 들면 종래 기술에서 단일 파면 분할 요소에 요구되는 최대 출사 각도의 단지 절반일 수 있다.

이것은, 예컨대 z 방향 플라이 아이 소자(111)의 파면 분할 요소들(111a)의 광학면들(111aa, 111ab)의 곡률 반경이 너무 작게 설계될 필요가 없다는 것을 의미 한다. 따라서, 제1 태양에 따른 옵티컬 인테그레이터 시스템은, z 방향 플라이 아이 소자(111)의 파면 분할 요소들(111a)의 광학면들(111aa, 111ab)의 면 형상에 관해서 과도하게 높은 정밀도를 요구하지 않고 요구되는 큰 출사측 개구수를 확보하여, 피조사면 상에서 원하는 조도 분포를 형성할 수 있다.

그러나, 제1 태양에 따른 옵티컬 인테그레이터 시스템에서 z 방향 플라이 아이 소자(111)의 작용을 적절하게 발휘하여 본 발명의 효과를 적절하게 달성하기 위해서는, 도 6에 도시된 바와 같이, z 방향 플라이 아이 소자(111)의 하나의 파면 분할 요소(111a)의 출사면(111ab)으로부터 출사된 광이, 프리즘 어레이(113)의 하나의 파면 분할 요소(113a)의 입사면(113aa) 전체를 적어도 조사해야 한다는 것이 중요하다. 시스템이, 출사면(111ab)으로부터의 광이 입사면(113aa)의 일부분만을 조명하도록 구성되면, 입사면(113aa) 전체에 걸쳐 입사광의 각도들과 각도 범위가 일정하게 유지되지 않을 것이므로, 피조사면 상에서 균일한 조도 분포를 유지할 수 없다.

환언하면, 제1 태양에 따른 옵티컬 인테그레이터 시스템은, 도 7에 도시된 바와 같이, z 방향 플라이 아이 소자(제1 옵티컬 인테그레이터의 제1 광학 부재)(111)의 출사면과, 프리즘 어레이(제2 옵티컬 인테그레이터)(113)의 입사면과의 간격(L12)이 다음 조건식 (1)을 만족하도록 구성되는 것이 바람직하다. 조건식 (1)에서, P2는 프리즘 어레이(113)의 파면 분할 요소들(113a)의 피치이고, θ는 z 방향 플라이 아이 소자(111)의 파면 분할 요소(111a)로부터의 광의 최대 출사 각도(절반 각도)이다.

P2/(2 x tanθ) < L12 (1)

조건식 (1)은, z 방향 플라이 아이 소자(111)의 출사면과 프리즘 어레이(113)의 입사면과의 간격(L12)을 미리 결정된 값보다 크게 설정해야 한다는 것을 요구하고 있다. 그러나, 간격(L12)을 너무 크게 설정하는 것은, z 방향 플라이 아이 소자(111)의 하나의 출사 굴절면(111ab)으로부터의 광의 일부가 프리즘 어레이(113)에 입사되지 않게 되어(또는 조명에 기여하지 않게 되어), 광량 손실을 발생시키기 때문에 바람직하지 않다. 즉, 광량 손실을 회피한다고 하는 관점에서, 도 8에 도시된 바와 같은 간격(L12)은 다음 조건식 (2)를 만족한다. 조건식 (2)에서, D2는 프리즘 어레이(113)의 입사면의 길이이다.

L12 < D2/(2 x tanθ) (2)

z 방향 플라이 아이 소자(111)의 파면 분할 요소들(111a)의 피치(P1)(도 7 참조)를 가능한 작게 설정하면서, 프리즘 어레이(113)의 파면 분할 요소들(113a)의 피치(P2)가 피치(P1)의 정수배와는 실질적으로 상이하도록 설정하는 것이 바람직하다. 파면 분할 요소들(113a)의 피치(P2)를 파면 분할 요소들(111a)의 피치(P1)의 정수배에 설정하면, 프리즘 어레이(113)의 하나의 파면 분할 요소(113a)에 입사하는 광의 조도 분포에 주기적인 중첩 구조가 나타나기 쉬워져, 피조사면 상에서 균일한 조도 분포를 얻을 수 없다.

주사 직교 방향에 대응하는 z 방향(도 7 및 도 8에서의 수직 방향)에서, z 방향 플라이 아이 소자(제1 옵티컬 인테그레이터의 제1 광학 부재)(111)와 프리즘 어레이(제2 옵티컬 인테그레이터)(113)를 고정밀도로 위치 결정할 필요는 없다. 중요한 것은, z 방향 플라이 아이 소자(111)의 하나의 파면 분할 요소(111a)의 출사면(111ab)으로부터 출사된 광이, 프리즘 어레이(113)의 하나의 파면 분할 요소(113 a)의 입사면(113aa) 전체를 적어도 조명함으로써, 입사면(113aa)에 입사하는 광의 각도들과 각도 범위를 일정히 유지한다는 것이다.

도 3에 도시된 구성에서, x 방향 플라이 아이 소자(112)가, z 방향 플라이 아이 소자(111)와 프리즘 어레이(113) 간의 광로에 배치되어 있다. 그러나, 이 배치는 이것에 한정될 필요는 없고, x 방향 플라이 아이 소자(112)의 배치에 관하여는 여러가지 변형예들이 가능하다. 구체적으로, x 방향 플라이 아이 소자(112)를 z 방향 플라이 아이 소자(111)의 상류에 배치하더라도 좋고, 또는 x 방향 플라이 아이 소자(112)를 프리즘 어레이(113)의 하류에 배치하더라도 좋다. 제1 태양에서 중요한 점은, 프리즘 어레이(113)가 z 방향 플라이 아이 소자(111)의 하류에 배치되어야 한다는 것이다. 그러나, 서로 미리 결정된 거리만큼 이격될 z 방향 플라이 아이 소자(111)와 프리즘 어레이(113) 간의 광로에 x 방향 플라이 아이 소자(112)를 배치함으로써, 컴팩트한 옵티컬 인테그레이터 시스템을 실현할 수 있다는 것이 주목된다.

도 9는, 본 발명의 제2 태양에 따르는 옵티컬 인테그레이터 시스템의 개략적인 구성 및 작용을 설명하는 도면이다. 도 9의 제2 태양은, 도 3의 제1 태양과 유사한 구성을 갖지만, z 방향 플라이 아이 소자(111) 및 x 방향 플라이 아이 소자(112) 대신에 양방향 플라이 아이 소자(115)를 이용하고 있는 점이 도 3의 제1 태양과 기본적으로 상이하다. 즉, 제2 태양에 따르는 옵티컬 인테그레이터 시스템 은, 도 9(a)에 도시된 바와 같이, 광의 입사측으로부터 순서대로 배치된, z 방향 및 x 방향의 양방향으로 이차원적으로 병렬된 복수의 파면 분할 요소들(115a)을 갖는 양방향 플라이 아이 소자(제1 옵티컬 인테그레이터)(115)와, z 방향을 따라서 병렬 배치된 복수의 파면 분할 요소들(113a)을 갖는 프리즘 어레이(제2 옵티컬 인테그레이터)(113)를 구비한다.

구체적으로, 양방향 플라이 아이 소자(115)는, 종횡으로 또한 조밀히 배치된 복수의 이차곡면형의 입사 굴절면들(115aa)과, 종횡으로 또한 조밀히 배치된 복수 의 이차곡면형의 출사 굴절면들(115ab)을 갖는다. 바꾸어 말하면, 양방향 플라이 아이 소자(115)는, 예를 들면 종횡으로 또한 조밀히 배치된 복수의 양볼록형 렌즈 엘리먼트들(115a)로 구성되는 플라이 아이 렌즈이며, 각 파면 분할 요소(115a)의 입사면(115aa)의 광축의 중심으로 비스듬히 입사한 광선들이 요소 광축과 평행하게 출사되도록 구성되어 있다.

양방향 플라이 아이 소자(115)는, 각 파면 분할 요소(115a)의 입사면(115aa)으로 광축 방향으로부터 입사한 광에 의해 형성되는 출사광의 최대 출사 각도(절반 각도; 출사 NA에 대응하는 각도)가, 입사면(115aa)으로 광축에 비스듬한 방향으로부터 입사한 광에 의해 형성되는 출사광의 최대 출사 각도(절반 각도; 출사 NA에 대응하는 각도)와 동일하게 되도록 구성되어 있다. 제2 태양의 옵티컬 인테그레이터 시스템에서, 양방향 플라이 아이 소자(115)에 입사한 평행 빔은, 파필드에서 z 방향으로 장척된 직사각형의 광 강도 분포(116a)(도 9(b) 참조)를 형성하고, 결국 피조사면 상에서 z 방향으로 장척된 직사각형의 조명 영역(116a)을 형성한다.

프리즘 어레이(113)에 입사한 평행 빔은, 상술한 바와 같이, 파필드에서 z 방향으로 이격된 2개의 점형 광 강도 분포들(116b)을 형성하고, 결국 피조사면 상에서 z 방향으로 이격된 2개의 점형 조명 영역들(116b)을 형성한다. 실제로는, 직사각형 영역(116a)과 2개의 점형 영역들(116b)과의 이차원적인 컨볼루션에 의해서, z 방향을 따라 장척된 원하는 직사각형 조명 영역(116)이 피조사면 상에 형성된다.

제2 태양에 따른 옵티컬 인테그레이터 시스템에서, 주사 직교 방향에 대응하는 z 방향으로 요구되는 높은 발산각 특성을, 나아가서는 z 방향으로 요구되는 큰 출사 NA를, 양방향 플라이 아이 소자(115)와 프리즘 어레이(113)와의 조합으로(협동으로) 실현한다. 따라서, 예컨대 양방향 플라이 아이 소자(115)의 파면 분할 요소들(115a)의 광학면들(115aa, 115ab)의 면 형상에 대해서 과도하게 높은 정밀도를 필요로 하지 않고 요구되는 큰 출사측 개구수를 확보하고, 피조사면 상에서 원하는 조도 분포를 형성할 수 있다.

본 발명의 제2 태양에서, 양방향 플라이 아이 소자(115)의 하류에 프리즘 어레이(113)를 배치하는 것이 중요하다. 또한, 양방향 플라이 아이 소자(115)의 출사면과 프리즘 어레이(113)의 입사면과의 간격(L12)은 전술의 조건식 (1) 및 (2)를 만족하는 것이 바람직하다. 또한, 양방향 플라이 아이 소자(115)의 파면 분할 요소들(115a)의 z 방향의 피치(P1)를 가능한 작게 설정하면서, 프리즘 어레이(113)의 파면 분할 요소들(113a)의 피치(P2)를, 피치(P1)의 정수배와는 실질적으로 상이하도록 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 주사 직교 방향에 대응하는 z 방향으로, 양방향 플라이 아이 소자(115)와 프리즘 어레이(113)를 고정밀도로 위치 결정할 필 요가 없는 것은 제2 태양에 있어서도 마찬가지이다.

전술의 제1 태양 및 제2 태양은, 제2 옵티컬 인테그레이터로서, z 방향을 따라서 병렬 배치된 복수의 프리즘 엘리먼트들을 갖는 프리즘 어레이를 이용하고 있다. 그러나, 이 옵티컬 인테그레이터 시스템은 이것에 한정될 필요는 없고, 이차원적으로(z 방향 및 x 방향으로) 병렬된 복수의 프리즘 엘리먼트들을 갖는 프리즘 어레이를 이용하여, 제1 옵티컬 인테그레이터와 제2 옵티컬 인테그레이터와의 협동 작용에 의해, z 방향 및 x 방향의 양방향에 관해서 높은 발산각 특성을, 나아가서는 큰 출사 NA를 실현할 수도 있다.

전술의 제1 태양 및 제2 태양은, 제2 옵티컬 인테그레이터로서, 복수의 프리즘 엘리먼트(113a)를 갖는 프리즘 어레이(113)를 이용하고 있다. 그러나, 제2 옵티컬 인테그레이터는 이것에 한정될 필요는 없고, 제2 옵티컬 인테그레이터는 또한, 각 파면 분할 요소의 입사면의 광축의 중심에 비스듬히 입사한 광선들이 요소 광축에 비스듬히 파면 분할 요소로부터 출사되도록 구성된 다른 광학 소자일 수 있다. 구체적으로, 프리즘 어레이(113) 대신에, 도 10(a)에 도시한 바와 같은 회절 광학 소자(117)를 이용할 수 있다. 회절 광학 소자(117)는, 적어도 한 방향을 따라 병렬 배치된 복수의 파면 분할 요소들을 갖도록, 사용광의 파장과 대략 동일한 피치를 갖는 단차들을 기판에 형성함으로써 제작되어, 입사빔을 원하는 각도들로 회절시키는 작용을 갖는다.

또한, 프리즘 어레이(113) 대신에, 도 10(b)에 도시한 바와 같이, 예컨대 적어도 한 방향을 따라서 병렬 배치된 복수의 평볼록형 원통형 렌즈 엘리먼트 들(118a)로 구성되는 마이크로렌즈 어레이(118)를 이용할 수 있다. 원통형 렌즈 엘리먼트들(118a)의 입사면들(118aa)은 평면형이며, 출사면(118ab)은 원통형이다. 프리즘 어레이(113) 대신에 회절 광학 소자(117)가 이용되면, 이 시스템은 전술의 제1 태양 및 제2 태양과 유사한 효과를 획득할 수 있다.

그러나, 프리즘 어레이(113)대신에 마이크로렌즈 어레이(118)를 이용하는 경우에는, 주사 직교 방향에 대응하는 z 방향을 따라서 톱 햇(top hat)형의 조도 분포를 피조사면 상에 획득하기 어렵고, 나아가서는 전술의 제1 태양 및 제2 태양과 동등한 효과를 얻기 어렵다는 것이 주목된다. 톱 햇형의 조도 분포를 얻기 위해서는, 제2 옵티컬 인테그레이터로서, 예컨대 프리즘 엘리먼트들(113a)과 원통형 렌즈 엘리먼트들(118a)과의 중간적인 형태를 갖는 복수의 파면 분할 요소들, 즉 평면형 입사면과 비구면 형상의 출사면을 갖는 복수의 파면 분할 요소들로 구성되는 어레이 부재를 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예들을 첨부 도면에 기초하여 설명한다. 도 11은, 본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 11에서, 감광성 기판인 웨이퍼(W)의 법선 방향을 따라서 Z축이 정의되고, 웨이퍼(W)의 표면에서 도 11의 지면에 평행한 방향을 따라서 Y축이 정의되고, 웨이퍼(W)의 표면에서 도 11의 지면에 수직인 방향을 따라서 X축이 정의된다. 도 11을 참조하여, 본 실시예의 노광 장치에는, 노광광(조명광)을 공급하기 위한 광원(1)이 제공된다. 광원(1)은, 예컨대 193nm의 파장의 광을 공급하는 ArF 엑시머 레이저 광원, 248nm의 파장의 광을 공급하는 KrF 엑시머 레이저 광원 등일 수 있다.

광원(1)으로부터 출사된 광은 정형(整形, shaping) 광학 시스템(2)에 의해 요구되는 단면 형상의 빔으로 확대되어, 이 확대된 빔은 편광 상태 스위치(3) 및 고리형 조명용의 회절 광학 소자(4)를 통해 진행하여, 어포컬(afocal) 렌즈(5)에 입사한다. 편광 상태 스위치(3)는, 광축(AX)에 대하여 결정 광학축이 회전 가능하도록 배치되어, 입사하는 타원 편광광을 직선 편광광으로 변환하는 1/4 파장판(3a)과, 광축(AX)에 대하여 결정 광학축이 회전 가능하도록 배치되어, 입사하는 직선 편광광의 편광 방향을 변화시키는 1/2 파장판(3b)과, 조명 광로로부터 착탈 가능하게 배치된 디폴라라이저(depolarizer)(비편광화 소자)(3c)를 구비하고 있다.

편광 상태 스위치(3)는, 디폴라라이저(3c)가 조명 광로로부터 후퇴된 상태에서, 광원(1)으로부터 광을, 원하는 편광 방향을 갖는 직선 편광광으로 변환하여, 이 직선 편광광을 회절 광학 소자(4)로 안내하는 기능을 갖고; 디폴라라이저(3c)가 조명 광로에서 설정된 상태에서, 광원(1)으로부터의 광을 실질적으로 비편광광으로 변환하여, 이 비편광광을 회절 광학 소자(4)에 안내하는 기능을 갖는다. 어포컬 렌즈(5)는, 그 전측 초점 위치가 회절 광학 소자(4)의 위치와 실질적으로 일치하고, 그 후측 초점 위치가 도면 중 점선으로 나타내는 미리 결정된 면(IP)의 위치와 실질적으로 일치하는 어포컬 시스템(어포컬 광학 시스템)이다.

회절 광학 소자(4)는, 기판에 노광광(조명광)의 파장과 거의 동일한 피치에서 단차들을 형성함으로써 제작되고, 입사빔을 원하는 각도들로 회절하는 작용을 갖는다. 구체적으로는, 고리형 조명용 회절 광학 소자(4)는, 직사각형 단면을 갖는 평행 빔이 입사한 경우에, 그 파필드(또는 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절 영역) 에 고리형 광 강도 분포를 형성하는 기능을 갖는다. 따라서, 회절 광학 소자(4)에 입사한 거의 평행한 빔은, 어포컬 렌즈(5)의 동공면(pupil plane) 상의 고리형 광 강도 분포를 형성한 뒤, 고리형 각도 분포로 어포컬 렌즈(5)로부터 출사된다.

편광 변환 소자(6)와 원추 악시콘 시스템(7)이 어포컬 렌즈(5)의 전측 렌즈 유닛(5a)과 후측 렌즈 유닛(5b) 간의 광로 내에, 그리고 그 동(瞳) 위치에 또는 그 근방에 배치되어 있다. 편광 변환 소자(6) 및 원추 악시콘 시스템(7)의 구성 및 작용은 후술할 것이다. 어포컬 렌즈(5)를 통과한 빔은, σ값(σ값 = 조명 광학 장치의 마스크측 개구수/투영 광학 시스템의 마스크측 개구수) 가변용 줌 렌즈(8)를 통해 진행하여, 옵티컬 인테그레이터 시스템(OP)으로 진입한다. 옵티컬 인테그레이터 시스템(OP)은, 광의 입사측으로부터의 순서대로, 이차원적으로 병렬된 복수의 파면 분할 요소들을 갖는 제1 옵티컬 인테그레이터로서의 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)와, Z 방향을 따라서 병렬 배치된 복수의 파면 분할 요소들을 갖는 제2 옵티컬 인테그레이터로서의 프리즘 어레이(또는 마이크로 프리즘 어레이)(10)를 구비한다.

프리즘 어레이(10)는, 도 3 및 도 9에 도시된 프리즘 어레이(113)의 구성과 유사한 구성을 갖고, Z 방향으로 배열된 복수의 프리즘 엘리먼트들을 구비한다. 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)는, 도 9의 양방향 플라이 아이 소자(115)의 기능과 유사한 기능을 갖는 광학 소자이며, 도 12에 도시된 바와 같이, 광원 측에 배치된 제1 플라이 아이 부재(9a)와 마스크 측에 배치된 제2 플라이 아이 부재(9b)를 구비한다. 제1 플라이 아이 부재(9a)의 광원측 면 및 제2 플라이 아이 부 재(9b)의 광원 측 면에는, X 방향으로 병렬 배치된 원통형 렌즈군들(9aa, 9ba)이 각각 피치(px)로 형성되어 있다.

제1 플라이 아이 부재(9a)의 마스크측 면 및 제2 플라이 아이 부재(9b)의 마스크측 면에는, Z 방향으로 병렬 배치된 원통형 렌즈군들(9ab, 9bb)이 각각 피치 (pz)(pz> px)로 형성되어 있다. 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 X 방향으로의 굴절 작용(또는 XY면에서의 굴절 작용)에 착안하면, 광축(AX)을 따라서 입사한 평행 빔은, 제1 플라이 아이 부재(9a)의 광원측에 형성된 원통형 렌즈군(9aa)에 의해서 X 방향을 따라서 피치(px)에서 파면 분할되고, 그 굴절면들에 의하여 집광 작용을 받은 뒤, 제2 플라이 아이 부재(9b)의 광원측 상에 형성된 원통형 렌즈군(9ba)에서 대응하는 원통형 렌즈들의 굴절면들에 의하여 집광 작용을 받아, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 후측 초점면 상에 집광된다.

원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 Z 방향으로의 굴절 작용(또는 YZ 평면으로의 굴절 작용)에 착안하면, 광축(AX)을 따라서 입사한 평행 빔은, 제1 플라이 아이 부재(9a)의 마스크측 상에 형성된 원통형 렌즈군(9ab)에 의해서 Z 방향을 따라서 피치(pz)에서 파면 분할되고, 그 굴절면들에 의하여 집광 작용을 받은 후, 제2 플라이 아이 부재(9b)의 마스크측 상에 형성된 원통형 렌즈군(9bb)에서 대응하는 원통형 렌즈들의 굴절면들에 의하여 집광 작용을 받아, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 후측 초점면 상에 집광된다.

상술된 바와 같이, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)는, 원통형 렌즈군들이 양측면들에 각각 배치된 제1 플라이 아이 부재(9a)와 제2 플라이 아이 부 재(9b)를 구비하고, X 방향으로 px의 사이즈를 갖고 Z 방향으로 pz의 사이즈를 갖는 다수의 직사각형의 미소 굴절면들(파면 분할 요소들)이 종횡으로 또한 조밀하게 일체 형성된 마이크로 플라이 아이 렌즈와 동일한 광학적 기능을 발휘한다. 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)는, 미소 굴절면들의 면 형상의 변동에 기인하는 왜곡의 변화를 작게 억제하고, 예를 들면 에칭에 의해 일체적으로 형성되는 다수의 미소 굴절면들의 제조 오차들로부터 조도 분포의 영향을 감소할 수 있다.

미리 결정된 면(IP)의 위치는 줌 렌즈(8)의 전측 초점 위치의 근방에 배치되고, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 입사면은 줌 렌즈(8)의 후측 초점 위치의 근방에 배치되어 있다. 환언하면, 줌 렌즈(8)는, 미리 결정된 면(IP)과 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 입사면을 실질적으로 푸리에 변환의 관계에 있게 하고, 나아가서는 어포컬 렌즈(5)의 동공면과 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 입사면을 광학적으로 실질적으로 서로 공역으로 유지하고 있다.

따라서, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 입사면 상에는, 어포컬 렌즈(5)의 동공면 상에서와 같이, 예를 들면 광축(AX)을 중심으로 한 고리형 조명 영역이 형성된다. 이 고리형 조명 영역의 전체 형상은, 줌 렌즈(8)의 초점 거리에 의존하여 유사하게 변화된다. 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)에 있어서의 파면 분할 단위 요소로서의 직사각형 미소 굴절면은, 마스크(M) 상에 형성될 조명 영역의 형상(나아가서는, 웨이퍼(W) 상에 형성될 노광 영역의 형상과 유사한)과 유사한 직사각형이다.

원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)에 입사한 빔은 이차원적으로 분할되 어, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 후측 초점면 상에 또는 그 근방(그리고 사실상 조명동)에서, 입사 빔에 의해서 형성되는 조명 영역과 거의 동일한 광 강도 분포를 갖는 이차 광원, 즉 광축(AX)을 중심으로 한 고리 형상의 실질적인 면 광원으로 구성되는 이차 광원을 형성한다. 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 후측 초점면 상 또는 그 근방에 형성된 이차 광원으로부터의 빔은, 그 근방에 배치된 구경 조리개(AS)에 입사한다.

구경 조리개(AS)는, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 후측 초점면 상에 또는 그 근방에 형성되는 고리 형상의 이차 광원에 대응한 고리 형상의 개구부(광 투과부)를 갖는다. 구경 조리개(AS)는, 조명 광로로부터 착탈 가능한 것으로 구성되고, 또한 상이한 크기들 및 형상들의 각 개구부들을 갖는 복수의 구경 조리개들로 대체 가능하게 구성된다. 구경 조리개들의 스위칭 방법은, 예를 들면 주지의 터렛(turret) 방식과 슬라이드 방식 등으로부터 선택될 수 있다. 구경 조리개(AS)는, 후술되는 투영 광학 시스템(PL)의 입사 동공면과 광학적으로 거의 공역인 위치에 위치되고, 이차 광원의 조명에 기여하는 범위를 규정한다. 구경 조리개(AS)의 설치가 생략될 수 있다.

구경 조리개(AS)에 의해 제한된 이차 광원으로부터의 광은, 프리즘 어레이(10) 및 컨덴서 광학 시스템(11)을 통해 진행하여, 마스크 블라인드(12)를 중첩적으로 조명한다. 이렇게 해서, 조명 시야 조리개로서의 마스크 블라인드(12) 상에는, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 파면 분할 요소들인 직사각형 미소 굴절면들의 형상과 초점 거리에 따른 직사각형의 조명 영역이 형성된다. 마스크 블라인드(12)의 직사각형 개구부(광 투과부)를 통한 광은, 결상 광학 시스템(13)에 의하여 집광 작용을 받은 후, 미리 결정된 패턴을 갖는 마스크(M)를 중첩적으로 조명한다. 즉, 결상 광학 시스템(13)은, 마스크 블라인드(12)의 직사각형 개구부의 이미지를 마스크(M) 상에 형성한다.

마스크 스테이지(MS) 상에 유지된 마스크(M)에는 전사될 패턴이 형성되고, 패턴 영역 전체의 Y 방향을 따라서 더 긴 변들을 갖고, 또한 X 방향을 따라서 더 짧은 변들을 갖는 직사각형(슬릿형)의 패턴 영역에 마스크가 조명된다. 마스크(M)의 패턴 영역을 통과한 광은, 투영 광학 시스템(PL)을 통해 진행하여, 웨이퍼 스테이지(WS) 상에 유지된 웨이퍼(감광성 기판)(W) 상에 마스크 패턴의 이미지를 형성한다. 즉, 마스크(M) 상의 직사각형 조명 영역에 광학적으로 대응하도록, 웨이퍼(W) 상에서 Y 방향을 따라서 더 긴 변들을 갖고, 또한 X 방향을 따라서 더 짧은 변들을 갖는 직사각형의 정지 노광 영역(실효 노광 영역)에 패턴 이미지가 형성된다.

이 구성에서, 소위 스텝-앤드-스캔 방식에 따라서, 투영 광학 시스템(PL)의 광축(AX)과 직교하는 평면(XY 평면) 내에서, X 방향(주사 방향)에 따라서 마스크 스테이지(MS)와 웨이퍼 스테이지(WS), 나아가서는 마스크(M)과 웨이퍼(W)를 동기적으로 이동(주사)시킴으로써, 웨이퍼(W) 상에는, 정지 노광 영역의 Y 방향 길이와 동일한 폭을 갖고, 또한 웨이퍼(W)의 주사 거리(이동 거리)에 따른 길이를 갖는 샷 영역(노광 영역)에 마스크 패턴이 주사 노광된다.

고리형 조명용의 회절 광학 소자(4) 대신에, 복수극 조명(2극 조명, 4극 조 명, 8극 조명 등)용 회절 광학 소자(4m)가 조명 광로 내에 설정됨으로써, 복수극 조명을 실행할 수 있다. 복수극 조명용 회절 광학 소자에, 직사각형 단면을 갖는 평행 빔이 입사되면, 이 복수극 조명용 회절 광학 소자는 그 파필드에 복수극형(2극형, 4극형, 8극형 등)의 광 강도 분포들을 형성하는 기능을 갖는다. 따라서, 복수극 조명용의 회절 광학 소자를 통한 빔들은, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 입사면 상에, 예를 들면 광축(AX) 주위의 복수의 원형 조명 영역들로 구성된 복수극형의 조명 영역들을 형성한다. 그 결과, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 후측 초점면 상 또는 그 근방에도, 그 입사면에 형성된 조명 영역들과 동일한 복수극형의 이차 광원들이 형성된다.

고리형 조명용의 회절 광학 소자(4) 대신에, 원형 조명용 회절 광학 소자(4c)가 조명 광로 내에 설정되는 경우, 통상의 원형 조명을 실행할 수 있다. 원형 조명용 회절 광학 소자에 직사각형 단면을 갖는 평행 빔이 입사한 경우, 원형 조명용 회절 광학 소자는 파필드에 원형의 광 강도 분포를 형성하는 기능을 갖는다. 따라서, 원형 조명용의 회절 광학 소자를 통과한 빔은, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 입사면 상에, 예를 들면 광축(AX)을 중심으로 한 원형의 조명 영역을 형성한다. 그 결과, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 후측 초점면 상에 또는 그 근방에도, 그 입사면 상에 형성된 조명 영역과 동일한 원형의 이차 광원이 형성된다. 고리형 조명용 회절 광학 소자(4) 대신에, 적당한 특성을 갖는 회절 광학 소자(미도시)가 조명 광로 내에 설정되면, 여러가지 형태의 변형 조명들 중 하나를 실행할 수 있게 된다. 회절 광학 소자(4)의 스위칭 방식으로서, 예를 들면 주지의 터렛 방식과 슬라이드 방식 등으로부터 선택될 수 있다.

원추 악시콘 시스템(7)은, 광원측으로부터의 순서대로 배열된, 광원측 상의 평면과 마스크측에 오목 원추형의 굴절면을 갖는 제1 프리즘 부재(7a)와, 마스크측 상의 평면과 광원측 상의 볼록 원추형의 굴절면을 갖는 제2 프리즘 부재(7b)를 구비한다. 제1 프리즘 부재(7a)의 오목 원추형 굴절면과 제2 프리즘 부재(7b)의 볼록 원추형 굴절면은, 서로 꼭 맞도록 상보적으로 형성된다. 제1 프리즘 부재(7a) 및 제2 프리즘 부재(7b) 중 적어도 하나는 광축(AX)을 따라서 이동 가능하게 구성되어, 제1 프리즘 부재(7a)의 오목 원추형 굴절면과 제2 프리즘 부재(7b)의 볼록 원추형 굴절면과의 간격을 변하게 할 수 있다. 환형 또는 4극형 이차 광원들에 착안하여, 원추 악시콘 시스템(7)의 작용 및 줌 렌즈(8)의 작용을 설명한다.

제1 프리즘 부재(7a)의 오목 원추형 굴절면과 제2 프리즘 부재(7b)의 볼록 원추형 굴절면이 서로 접촉하고 있는 상태에서, 원추 악시콘 시스템(7)은 평행 평면판으로서 기능하여, 형성되는 환형 또는 4극형 이차 광원에 미치게 하는 영향은 없다. 제1 프리즘 부재(7a)의 오목 원추형 굴절면과 제2 프리즘 부재(7b)의 볼록원추형 굴절면이 서로 이격되면, 환형 또는 4극형 이차 광원들의 폭(환형 이차 광원의 외부 직경과 내부 직경 간의 차의 1/2; 또는 4극형 이차 광원들에 외접하는 원의 직경(외부 직경)과 4극형 이차 광원들에 내접하는 원의 직경(내부 직경)과의 차의 1/2)이 일정하게 유지되면서, 환형 또는 4극형 이차 광원들의 외부 직경(내부 직경)이 변한다. 즉, 이 분리에 의해 환형 또는 4극형 이차 광원들의 고리형비(annular ratio)(내부 직경/외부 직경) 및 크기(외부 직경)가 변화된다.

줌 렌즈(8)는, 환형 또는 4극형 이차 광원들의 전체 형상을 유사하게 확대 또는 축소하는 기능을 갖는다. 예를 들면, 줌 렌즈(8)의 초점 거리가 최소값으로부터 미리 결정된 값으로 확대되면, 환형 또는 4극형 이차 광원의 전체 형상이 유사하게 확대된다. 환언하면, 줌 렌즈(8)의 작용은, 환형 또는 4극형 이차 광원들의 고리형비가 변화하지 않고 폭 및 크기(외부 직경) 모두를 변화시킨다. 이와 같이, 원추 악시콘 시스템(7) 및 줌 렌즈(8)의 작용에 의해, 환형 또는 4극형 이차 광원들의 고리형비와 크기(외부 직경)가 제어될 수 있다.

편광 변환 소자(6)는, 어포컬 렌즈(5)의 동 위치에 또는 그 근방에, 즉 조명 광학 시스템(2∼13)의 동공면 상에 또는 그 근방에 배치되어 있다. 따라서, 고리형 조명의 경우, 편광 변환 소자(6)에 광축(AX)을 중심으로 한 거의 고리형 단면을 갖는 빔이 입사된다. 편광 변환 소자(6)는, 도 13에 도시한 바와 같이, 전체로서 광축(AX)을 중심으로 한 고리형의 유효 영역을 갖고, 이 고리형 유효 영역은 원주 방향으로 유효 영역을 등분함으로써 획득된, 광축(AX) 주위의 부채 형상의 4개의 기본 소자들로 구성되어 있다. 이들 4개의 기본 소자들 중에서, 광축(AX)의 양측들 상에서 대향하는 한쌍의 기본 소자들은 동일한 특성을 갖는다.

즉, 4개의 기본 소자들은, 광의 투과 방향(Y 방향)을 따른 두께(광축 방향 의 길이)가 상호 상이한 두 형태의 기본 소자들(6A, 6B) 2개로 구성된다. 구체적으로는, 제1 기본 소자(6A)의 두께는, 제2 기본 소자(6B)의 두께보다 크게 설정된다. 그 결과, 편광 변환 소자(6)의 한 면(예를 들면, 입사면)은 평면이지만, 다른쪽의 면(예를 들면 출사면)은 기본 소자들(6A, 6B)의 두께 간의 차이에 의해 불균 일하다. 각 기본 소자들(6A, 6B)은, 선광성(optical activity)(회전 편광 특징)을 갖는 광학 재료인 수정으로 제조되고, 그 결정 광학축은 광축(AX)과 거의 정렬되도록 설정된다.

도 14를 참조하여, 수정의 선광성을 이하에 간략히 설명한다. 도 14를 참조하면, 두께 d의 수정으로 제조된 평행 평면판형의 광학 부재(200)가, 그 결정 광학축이 광축(AX)과 정렬하도록 배치되어 있다. 이 경우, 광학 부재(200)에 입사한 직선 편광광은 광학 부재(200)의 선광성에 의해, 그 편광 방향이 광축(AX)에 대하여 θ만큼 회전된 상태한 상태에서 출사된다. 이 때, 광학 부재(200)의 선광성에 의한 편광 방향의 회전각(선광 각도) θ는, 광학 부재(200)의 두께 d와 수정의 선광능 ρ를 사용하여, 이하 식 (a)로 나타낸다.

θ = d·ρ (a)

일반적으로, 수정의 선광성 ρ은 파장 의존성(사용광의 파장에 의존하여 선광성의 값들이 다른 성질: 선광 분산)을 갖고, 구체적으로는 사용광의 파장이 줄어들면 증가하는 경향이 있다. "Applied Optics Ⅱ"의 p167의 기술에 따르면, 250.3 nm의 파장을 갖는 광에 대한 수정의 선광성 ρ은 153.9°/mm이다.

제1 기본 소자들(6A)은, Z 방향을 따라 편광 방향을 갖는 직선 편광광이 입사된 경우, Z 방향을 Y축 주위로 +180°회전시킨 방향, 즉 Z 방향을 따라 편광 방향을 갖는 직선 편광광을 출사하는 것과 같이 정의된 두께 dA를 갖는다. 따라서, 이 경우, 도 15에 도시된 고리형 이차 광원(31)에서, 한 쌍의 제1 기본 소자들(6A)에 의하여 광학적으로 회전된 빔들에 의하여 형성된 한 쌍의 아치형 영역들(31A)을 통과하는 빔들의 편광 방향은 Z 방향이다.

제2 기본 소자들(6B)은, Z 방향을 따라 편광 방향을 갖는 직선 편광광이 입사된 경우, Z 방향을 Y축 주위로 + 90°회전시킨 방향, 즉 X 방향을 따라 편광 방향을 갖는 직선 편광광을 출사하는 것과 같이 정의된 두께 dB를 갖는다. 따라서, 이 경우, 도 15에 도시된 고리형 이차 광원(31) 내에, 한 쌍의 제2 기본 소자들(6B)에 의하여 광학적으로 회전된 빔들에 의하여 형성된 한 쌍의 아치형 영역들(31B)을 통과하는 빔들의 편광 방향은 X 방향이다.

별개로 형성된 4개의 기본 소자들을 조합시켜 편광 변환 소자(6)가 또한 획득될 수 있고, 또는 평행 평면판형의 수정 기판에 요구되는 불균일한 형상(단차들)을 형성함으로써 편광 변환 소자(6)가 또한 획득될 수 있다. 일반적으로, 편광 변환 소자(6)를 구성하는 기본 소자들의 수, 형상, 광학 특성 등에 관해서 여러가지 변형예가 가능하다. 편광 변환 소자(6)를 광로로부터 후퇴시키는 일없이 통상의 원형 조명을 실행할 수 있기 위하여, 편광 변환 소자(6)에는 편광 변환 소자(6)의 유효 영역의 반경 크기의 1/3 이상의 크기를 갖고, 또한 선광성을 갖지 않는 원형 중앙 영역(6C)이 제공된다. 여기서, 중앙 영역(6C)은, 예를 들면 실리카와 같은 선광성을 갖지 않는 광학 재료로 제조될 수도 있고, 또는 단순히 원형 개구일 수도 있다.

본 실시예에서, 둘레 방향 편광(방위 편광) 고리형 조명(고리형 이차 광원을 통과하는 빔들이 둘레로 편광된 상태에서 설정된 변형 조명)은, 편광 상태 스위치(3)의 1/2 파장판(3b)의 결정 광학축의 각도 위치가 광축에 대하여 조정되어, 고 리형 조명용 회절 광학 소자(4)에 Z 방향 편광(Z 방향을 따라 편광 방향을 갖는 직선 편광광)의 광이 입사됨에 따라, Z 방향 편광광이 편광 변환 소자(6)에 입사된다. 그 결과, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 후측 초점면 상에 또는 그 근방에는, 도 15에 도시한 바와 같이, 고리형 이차 광원(고리형 조명동 분포)(31)이 형성되고, 고리형 이차 광원(31)을 통과하는 빔들은 둘레 방향 편광된 상태로 설정된다.

둘레 방향 편광 상태에서, 고리형 이차 광원(31)을 구성하는 각 아치 영역들(31A, 31B)을 통과하는 빔들은, 각 아치 영역들(31A, 31B)의 원주 방향을 따른 중심 위치에서 광축(AX)을 중심으로 하는 원에 탄젠트 방향과 거의 정렬된 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태로 변한다. 둘레 방향 편광 상태의 고리형 조명동 분포에 기초하는 둘레 방향 편광(방위 편광) 고리형 조명에서, 최종적인 피조사면으로서의 웨이퍼(W)에 조사되는 광은, S 편광을 주성분으로 하는 편광 상태에 있다. 여기서, S 편광광은, 입사면에 수직인 방향을 따른 편광 방향을 갖는 직선 편광광(또는 입사면에 수직인 방향으로 전기 벡터가 진동하고 있는 편광광)이다. 입사면은, 광이 매채의 경계면(피조사면: 웨이퍼(W)의 표면)에 도달할 때, 그 지점에서의 이 경계면에 대한 법선과, 광의 입사 방향을 포함하는 면으로서 정의된다.

그 결과, 둘레 방향 편광(방위 방향) 고리형 조명은 투영 광학 시스템의 광학 성능(초점 심도 등)의 향상을 달성하여, 웨이퍼(감광성 기판) 상에서 고 콘트라스트의 양호한 마스크 패턴 이미지를 제공한다. 일반적으로, 고리형 조명의 경우뿐만 아니라, 예를 들면 둘레 방향 편광 상태의 복수극 조명동 분포에 기초하는 조명의 경우에 있어서도, 웨이퍼(W)에 입사하는 광이 S 편광광을 주성분으로 하는 편광 상태가 되어, 웨이퍼(W) 상에 있어 고 콘트라스트의 양호한 마스크 패턴 이미지가 획득된다. 이 경우, 고리형 조명용 회절 광학 소자(4) 대신에, 복수극 조명(2극 조명, 4극 조명, 8극 조명 등)용 회절 광학 소자가 조명 광로에 설정되고, 편광 상태 스위치(3)의 1/2 파장판(3b)의 결정 광학축의 각도 위치를 광축 주위에서 조정하여, 복수극 조명용의 회절 광학 소자에 Z 방향 편광광을 입사함으로써, Z 방향 편광광을 편광 변환 소자(6)에 입사한다.

구체적으로, 예컨대 둘레 방향 편광 4극 조명(4극형 이차 광원을 통과하는 빔들이 둘레 방향 편광 상태로 설정된 변형 조명)의 경우에서, 편광 상태 스위치(3)의 1/2 파장판(3b)의 결정 광학축의 각도 위치를 광축 주위에서 조정하여, 4극 조명용 회절 광학 소자에 Z 방향 편광광을 입사함으로써, Z 방향 편광광이 편광 변환 소자(6)에 입사된다. 그 결과, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)의 후측 초점면 상에 또는 그 근방에는, 도 16에 도시한 바와 같이, 4극형 이차 광원들(4극형 조명동 분포)(32)가 형성되고, 이 4극형 이차 광원(32)을 통과하는 빔들은 둘레 방향 편광 상태로 설정된다. 둘레 방향 편광 4극 조명에서, 4극형 이차 광원들(32)을 구성하는 원형 영역들(32A, 32B) 각각을 통과하는 빔들은, 각 원형 영역(32A, 32B)의 원주 방향을 따른 중심 위치에 있어서의 광축(AX)을 중심으로 하는 원에 탄젠트 방향과 거의 정렬된 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태로 변한다.

본 실시예의 노광 장치에는, 도 9에 도시된 제2 태양과 동일한 구성을 갖는 옵티컬 인테그레이터 시스템(OP)이 제공된다. 즉, 본 실시예의 옵티컬 인테그레이 터 시스템(OP)은, 광의 입사측으로부터 순서대로 배열된, Z 방향 및 X 방향의 양방향으로 이차원적으로 병렬된 복수의 파면 분할 요소들을 갖는 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(제1 옵티컬 인테그레이터)(9)와, Z 방향을 따라서 병렬 배치된 복수의 파면 분할 요소들을 갖는 프리즘 어레이(제2 옵티컬 인테그레이터)(10)를 갖는다. 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)는, 도 9의 양방향 플라이 아이 소자(115)와 유사하게, 각 파면 분할 요소의 입사면의 광축 중심으로 비스듬히 입사한 광선들이 요소 광축과 평행하게 출사되도록 구성되어 있다.

원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)는, 도 9의 양방향 플라이 아이 소자(115)와 유사하게, 각 파면 분할 요소의 입사면에 광축의 방향으로부터 입사한 광에 의해 형성되는 출사광의 최대 출사 각도가, 해당 입사면에 광축에 대하여 비스듬한 방향으로부터 입사한 광에 의해 형성되는 출사광의 최대 출사 각도와 동일해지도록 구성되어 있다. 이렇게 해서, 본 실시예의 옵티컬 인테그레이터 시스템(OP)은, 주사 직교 방향(Y 방향)에 대응하는 Z 방향으로 요구되는 높은 발산각 특성을, 나아가서는 Z 방향으로 요구되는 큰 출사 NA를, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(9)와 프리즘 어레이(10)와의 협동 작용에 의해 실현할 수 있다.

따라서, 본 실시예는, 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈(9)에 있어서 주사 직교 방향(Y 방향)에 대응하는 Z 방향으로 굴절 작용을 갖는 광학면들(9ab, 9bb)의 면 형상에 관해서 과도하게 높은 정밀도를 필요로 하지 않고, 요구되는 큰 출사측 개구수를 확보하고, 최종적인 피조사면인 웨이퍼(W) 상에서 원하는 조도 분포를 형성할 수 있다. 본 실시예의 조명 광학 장치(1∼13)는, 요구되는 큰 출사측 개구수 를 확보하고, 피조사면 상에서 원하는 조도 분포를 형성하는 옵티컬 인테그레이터 시스템(OP)을 이용하여, 원하는 조명 조건으로 피조사면을 조명할 수 있다. 본 실시예의 노광 장치(1∼WS)는, 원하는 조명 조건으로 피조사면을 조명하는 조명 광학 장치(1∼13)를 이용하여, 양호한 조명 조건 하에서 양호한 노광을 수행할 수 있다.

본 실시예에서, 옵티컬 인테그레이터 시스템(OP)의 상류에, 원추 악시콘 시스템(7)에서의 가동 프리즘 부재와 줌 렌즈(8)에서의 가동 렌즈와 같이 광로 내에서 이동 가능하게 배치된 가동 광학 부재들이 배치되어 있다. 이들 가동 광학 부재들이 이동하면, 옵티컬 인테그레이터 시스템(OP)에 입사하는 광의 각도들과 각도 범위가 변동한다. 그러나, 예컨대 옵티컬 인테그레이터 시스템(OP)의 상류에 위치된 가동 광학 부재들의 이동에 기인하여, 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈(9)에 입사하는 광의 각도들과 각도 범위가 변동하더라도, 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈(9)의 작용에 의해 프리즘 어레이(10)의 각 파면 분할 요소에 입사하는 광의 각도들과 각도 범위를 일정하게 유지할 수 있고, 나아가서는 최종적인 피조사면인 웨이퍼(W) 상에서 균일한 조도 분포를 유지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에서 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈(9)의 작용을 충분히 발휘하여 본 발명의 효과를 양호하게 달성하기 위해서는, 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈(9)의 출사면과 프리즘 어레이(10)의 입사면 간의 간격(L12)이 Z 방향으로 조건식 (1)을 만족해야 하는 것이 바람직하다. 이것은, 본 실시예에서와 같은 스텝-앤드-스캔 방식의 노광 장치가, 주사 노광의 평균화 효과를 가져, 웨이퍼(W) 상의 Y 방향을 따라서 장척된 직사각형의 정지 노광 영역에서 주사 방향(스캔 방향 : X 방향)으로 조도 불균일이 일부 남아있어도 큰 문제는 되지 않기 때문이다. 환언하면, 웨이퍼(W) 상의 정지 노광 영역에서 억제될 조도 불균일은, 주사 직교 방향(비스캔 방향 : Y 방향)에서이다.

따라서, 본 실시예에서, 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈(9)의 출사면과 프리즘 어레이(10)의 입사면 간의 간격(L12)이 주사 직교 방향에 대응하는 Z 방향으로 조건식 (1)을 만족해야 한다는 것이 중요하다. 옵티컬 인테그레이터 시스템(OP)에서의 광량 손실을 회피하기 위해서는, 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈(9)의 출사면과 프리즘 어레이(10)의 입사면 간의 간격(L12)이 X 방향 및 Z 방향으로 조건식 (2)을 만족해야 하는 것이 바람직하다.

전술의 실시에에서, 제1 옵티컬 인테그레이터로서의 원통형 마이크로플라이 아이 렌즈(9)가 제1 플라이 아이 부재(9a)와 제2 플라이 아이 부재(9b)로 구성되고, 제1 플라이 아이 부재(9a) 및 제2 플라이 아이 부재(9b) 각각은 X 방향으로 병렬 배치된 복수의 원통형의 입사 굴절면들과, Z 방향으로 병렬 배치된 복수의 원통형의 출사 굴절면들을 갖는다. 그러나, 제1 옵티컬 인테그레이터는 이것에 한정될 필요는 없고, 예컨대 도 9의 양방향 플라이 아이 소자(115)와 같이, 이차원적으로 병렬 배치된 복수의 곡면형의 입사 굴절면들과 이차원적으로 병렬 배치된 복수의 곡면형 출사 굴절면들을 갖는 단일의 광학 부재로 제1 옵티컬 인테그레이터가 구성될 수 있다.

전술의 실시예는 제2 옵티컬 인테그레이터로서 프리즘 어레이(10)를 이용한다. 그러나, 상술한 바와 같이, 프리즘 어레이(10) 대신에, 회절 광학 소자, 마이 크로렌즈 어레이 등을 또한 이용할 수 있다.

전술의 실시예들은, 마스크 및 웨이퍼를 투영 광학 시스템에 관하여 이동시키면서, 소위 스텝-앤드-스캔 방식에 따라 웨이퍼의 각 노광 영역에 패턴을 스캔 노광하는 노광 장치에, 본 발명을 적용한다. 그러나, 이것에 한정되지 않고, 본 발명은 웨이퍼를 이차원적으로 구동 제어하면서 일괄 노광(one-shot exposure)을 함으로써, 소위 스텝-앤드-리피트 방식에 따라서 웨이퍼의 샷 영역에 패턴을 순차 노광하는 노광 장치에도 본 발명을 적용할 수 있다.

전술의 실시예들에 따른 노광 장치는, 본 출원의 범위에 나타낸 바와 같은 각 구성 요소들을 포함하는 각종 서브 시스템들을, 미리 결정된 기계적 정밀도, 전기적 정밀도, 및 광학적 정밀도를 유지하도록 조립함으로써 제조된다. 이들 각종 정밀도들을 보증하기 위해서, 이 조립의 전후에서 다음의 조정들이 실행된다: 각종 광학 시스템에 대하여 광학적 정밀도를 달성하기 위한 조정; 각종 기계 시스템에 대한 기계적 정밀도를 달성하기 위한 조정; 각종 전기 시스템에 대한 전기적 정밀도를 달성하기 위한 조정이 행해진다. 각종 서브 시스템으로부터 노광 장치에의 조립 단계들은, 각종 서브 시스템들 간의 기계적 접속, 전기 회로들의 배선 접속, 기압 회로들의 배관 접속 등을 포함한다. 각종 서브 시스템들로부터 노광 장치에의 조립 공정 전에, 각 서브 시스템들의 조립 공정들이 존재한다는 것은 물론이다. 각종 서브 시스템들로부터 노광 장치로의 조립 단계들의 완료 후, 전체 조정이 실행되어, 전체 노광 장치로서의 각종 정밀도들을 보증한다. 노광 장치의 제조는, 온도 및 크린도 등이 제어된 크린룸(clean room)에서 행하는 것이 바람직하다.

전술의 실시예들에 따른 노광 장치는, 조명 광학 장치에 의해서 마스크(레티클)를 조명하여(조명 단계), 투영 광학 시스템에 의하여 마스크에 형성된 전사 패턴을 감광성 기판에 노광하는(노광 단계) 프로세스를 통하여, 마이크로디바이스(반도체 소자, 촬상 소자, 액정 표시 소자, 박막 자기 헤드 등)를 제조할 수 있다. 이하, 전술의 실시예들의 노광 장치를 이용하여 감광성 기판으로서의 웨이퍼 등에 미리 결정된 회로 패턴을 형성함으로써 마이크로디바이스들로서의 반도체 디바이스들을 획득하기 위한 방법의 예를, 도 17의 플로우차트를 참조하여 이하 설명한다.

우선 도 17의 단계 301은, 1로트의 각 웨이퍼 상에 금속막을 증착하는 것이다. 다음 단계 302는 그 1로트의 각 웨이퍼 상의 금속막 상에 포토레지스트를 도포하는 것이다. 후속의 단계 303는, 전술의 실시예들의 노광 장치를 이용하여, 마스크 상의 패턴의 이미지를 노광 장치의 투영 광학 시스템을 통하여 그 1로트의 각 웨이퍼 상의 각 샷 영역에 순차 전사하는 것이다. 후속 단계 304는, 그 1로트의 각 웨이퍼 상의 포토레지스트의 현상을 행하고, 다음 단계 305는 그 1로트의 각 웨이퍼 상의 레지스트 패턴을 마스크로서 에칭을 행하여, 마스크 상의 패턴에 대응하는 회로 패턴을, 각 웨이퍼 상의 각 샷 영역에 형성한다. 그 후, 상부 층들에서의 회로 패턴들의 형성을 포함하는 단계들에 의하여 반도체 소자들과 같은 디바이스가 제조된다. 전술의 반도체 디바이스 제조 방법은, 매우 미세한 회로 패턴을 갖는 반도체 디바이스를 높은 작업 처리량으로 획득하게 한다.

전술의 실시예들의 노광 장치는 또한, 플레이트들(유리 기판들) 상에 미리 결정된 패턴들(회로 패턴, 전극 패턴 등)을 형성함으로써, 마이크로디바이스로서의 액정 표시 소자를 제조할 수 있다. 이하, 도 18의 플로우차트를 참조하여, 이 때의 방법의 예를 설명한다. 도 18에서, 패턴 형성 단계 401는, 전술의 실시예들의 노광 장치를 이용하여 마스크의 패턴을 감광성 기판(레지스트가 도포된 유리 기판등)에 전사하는, 소위 포토리소그래피 단계를 실행하는 것이다. 이 포토리소그래피 단계에 의해서, 감광성 기판 상에는 다수의 전극들 등을 포함하는 미리 결정된 패턴이 형성된다. 그 후, 노광된 기판은, 현상 단계, 에칭 단계, 레지스트 박리 단계 등을 포함하는 각 단계들을 거쳐 프로세싱되어, 기판 상에 미리 결정된 패턴이 형성되어, 다음 칼라 필터 형성 단계 402로 이행한다.

다음에, 칼라 필터 형성 단계 402는, R(적), G(녹), 및 B(청)에 대응한 3가지의 도트의 다수의 세트들이 매트릭스 패턴으로 배열되거나, 또는 R, G, B의 3개의 스트라이프의 필터들 세트들이 수평 주사선 방향으로 배열된 칼라 필터를 형성하는 것이다. 이 칼라 필터 형성 단계 402 후, 셀 조립 단계 403가 실행된다. 셀 조립 단계 403는, 패턴 형성 단계 401에서 획득된 미리 결정된 패턴을 갖는 기판, 및 칼라 필터 형성 단계 402에서 획득된 칼라 필터 등을 이용하여 액정 패널(액정 셀)을 조립하는 것이다.

셀 조립 단계 403에서, 예컨대, 패턴 형성 단계 401에서 획득된 미리 결정된 패턴을 갖는 기판과 컬러 필터 형성 단계 402에서 획득된 컬러 필터 사이에 액정을 주입하여, 액정 패널(액정 셀)이 제조된다. 후속의 모듈 조립 단계 404는, 조립된 액정 패널(액정 셀)의 표시 동작을 위한 전기 회로들 및 배면광과 같은 각종 부품들을 부착하여, 액정 표시 소자를 완성한다. 전술의 액정 표시 소자의 제조 방법 에 의하여, 매우 미세한 회로 패턴들을 갖는 액정 표시 소자를 높은 작업 처리량으로 획득할 수 있다.

상술된 실시예들은 노광광으로서 ArF 엑시머 레이저광(파장: 193 nm) 또는 KrF 엑시머 레이저광(파장: 248 nm)을 사용했으나, 이 노광광은 이들에 한정될 필요는 없다. 본 발명은 또한, 다른 적당한 레이저 광원, 예를 들면 파장 157 nm의 레이저광을 공급하는 F₂ 레이저 광원에 적용될 수 있다.

전술의 실시예들은 노광 장치의 조명 광학 장치에 사용되는 옵티컬 인테그레이터 시스템에 본 발명을 적용하였으나, 이것에 한정될 필요는 없고, 본 발명은 또한 일반적인 광학 장치에서 사용되는 임의의 옵티컬 인테그레이터 시스템에 적용될 수 있다. 상기 실시예들은, 노광 장치에 있어서 마스크 또는 웨이퍼를 조명하는 조명 광학 장치에 본 발명을 적용했으나, 이것에 한정될 필요는 없고, 본 발명은 또한, 마스크 또는 웨이퍼 이외의 피조사면을 조명하는 일반적인 조명 광학 장치에 적용될 수 있다.

상기에 설명된 실시예들은 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위하여 설명되었고, 이들 실시예들에 한정되지 않는다. 따라서, 상술된 실시예들에 개시된 요소들은 본 발명의 기술적인 범위 내의 모든 설계 변경과 등가물을 포함하는 것을 의미한다. 상술된 실시예들의 구성 등에서 임의의 조합 등이 가능하다.

Claims

미리 결정된 방향을 따라 병렬 배치된 복수의 제1 파면 분할 요소들을 갖는 제1 옵티컬 인테그레이터; 및 상기 미리 결정된 방향을 따라 병렬 배치된 복수의 제2 파면 분할 요소들을 갖는 제2 옵티컬 인테그레이터를 구비하는 옵티컬 인테그레이터 시스템으로서, 상기 제1 옵티컬 인테그레이터와 상기 제2 옵티컬 인테그레이터는 광의 입사측으로부터 순서대로 배치되어 있고,

상기 제1 파면 분할 요소들 각각은, 상기 제1 파면 분할 요소의 입사면의 광축 중심에 비스듬히 입사된 광선들이 상기 광축과 평행하게 상기 제1 파면 분할 요소로부터 출사되도록 구성되고,

상기 제2 파면 분할 요소들 각각은, 상기 제2 파면 분할 요소의 입사면의 광축 중심에 비스듬히 입사된 광선들이 상기 광축에 비스듬히 상기 제2 파면 분할 요소로부터 출사되도록 구성되는 것인 옵티컬 인테그레이터 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 파면 분할 요소들 각각은, 상기 제1 파면 분할 요소의 상기 입사면에 상기 광축의 방향을 따라 입사된 광에 의해 형성되는 상기 제1 파면 분할 요소로부터의 광의 최대 출사 각도(절반 각도)가, 상기 제1 파면 분할 요소의 상기 입사면에 상기 광축에 비스듬한 방향으로부터 입사된 광에 의해 형성되는 상기 제1 파면 분할 요소로부터의 광의 최대 출사 각도(절반 각도)와 동일하게 되도록 구성 된 것인 옵티컬 인테그레이터 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제1 옵티컬 인테그레이터는 단일 광학 부재를 구비하고, 상기 단일 광학 부재는, 이차원적으로 병렬된 복수의 곡면형의 입사 굴절면들, 및 이차원적으로 병렬된 복수의 곡면형의 출사 굴절면들을 갖는 것인 옵티컬 인테그레이터 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제1 옵티컬 인테그레이터는 광의 입사측에서 순서대로 배치된 제1 광학 부재와 제2 광학 부재를 구비하고, 상기 제1 광학 부재 및 상기 제2 광학 부재 각각은, 한 방향을 따라 병렬 배치된 복수의 원통형의 입사 굴절면들, 및 한 방향을 따라 병렬 배치된 복수의 원통형의 출사 굴절면들을 갖는 것인 옵티컬 인테그레이터 시스템.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 제1 옵티컬 인테그레이터의 출사면과 상기 제2 옵티컬 인테그레이터의 입사면 간의 간격(L12)은 P2/(2 x tanθ) < L12의 조건을 만족하고,

여기서, P2는 상기 제2 파면 분할 요소들의 상기 미리 결정된 방향을 따른 피치이고, θ는 상기 단일 광학 부재 또는 상기 제2 광학 부재의 상기 출사 굴절면들로부터의 광의 상기 미리 결정된 방향을 따른 최대 출사 각도(절반 각도)인 것인 옵티컬 인테그레이터 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 간격(L12)은 L12 < D2/(2 x tanθ)의 조건을 만족하고,

여기서, D2는 상기 제2 옵티컬 인테그레이터의 상기 입사면의 상기 미리 결정된 방향을 따른 길이인 것인 옵티컬 인테그레이터 시스템.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 제2 파면 분할 요소들의 상기 미리 결정된 방향을 따른 상기 피치 P2는, 상기 단일 광학 부재 또는 상기 제2 광학 부재의 상기 출사 굴절면들의 상기 미리 결정된 방향을 따른 피치 P1의 정수배와는 상이한 것인 옵티컬 인테그레이터 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제1 옵티컬 인테그레이터는,

상기 미리 결정된 방향을 따라 병렬 배치된 복수의 원통형의 입사 굴절면들, 및 상기 미리 결정된 방향을 따라 병렬 배치된 복수의 원통형의 출사 굴절면들을 갖는 제1 광학 부재; 및

상기 미리 결정된 방향과 교차하는 방향을 따라 병렬 배치된 복수의 원통형의 입사 굴절면들, 및 상기 미리 결정된 방향과 교차하는 방향을 따라 병렬 배치된 복수의 원통형의 출사 굴절면들을 갖는 제2 광학 부재

를 구비하는 것인 옵티컬 인테그레이터 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 제2 옵티컬 인테그레이터는 상기 제1 광학 부재의 하류에 배치된 것인 옵티컬 인테그레이터 시스템.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

상기 제1 광학 부재의 출사면과 상기 제2 옵티컬 인테그레이터의 입사면 간의 간격(L12)은 P2/(2 x tanθ) < L12의 조건을 만족하고,

여기서, P2는 상기 제2 파면 분할 요소들의 상기 미리 결정된 방향을 따른 피치이고, θ는 상기 제1 광학 부재의 상기 출사 굴절면들로부터의 광의 상기 미리 결정된 방향을 따른 최대 출사 각도(절반 각도)인 것인 옵티컬 인테그레이터 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 간격(L12)은 L12 < D2/(2 x tanθ)의 조건을 만족하고,

여기서, D2는 상기 제2 옵티컬 인테그레이터의 상기 입사면의 상기 미리 결정된 방향을 따른 길이인 것인 옵티컬 인테그레이터 시스템.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,

상기 제2 파면 분할 요소들의 상기 미리 결정된 방향을 따른 상기 피치 P2는, 상기 제1 광학 부재의 상기 출사 굴절면들의 상기 미리 결정된 방향을 따른 피치 P1의 정수배와는 상이한 것인 옵티컬 인테그레이터 시스템.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 옵티컬 인테그레이터는, 프리즘 어레이, 회절 광학 소자, 또는 마이크로렌즈 어레이를 갖는 것인 옵티컬 인테그레이터 시스템.
광원으로부터의 광에 의하여 피조사면을 조명하기 위한 조명 광학 장치로서, 상기 광원과 상기 피조사면 간의 광로 내에 배치된 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 옵티컬 인테그레이터 시스템을 구비하는 조명 광학 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 광원과 상기 옵티컬 인테그레이터 시스템 간의 광로 내에 이동 가능하게 배치된 가동 광학 부재를 구비하는 조명 광학 장치.
미리 결정된 패턴을 조명하기 위한 제 14 항 또는 제 15 항에 기재된 조명 광학 장치를 구비하여, 상기 미리 결정된 패턴을 감광성 기판에 노광하는 노광 장치.
제 16 항에 있어서,

상기 미리 결정된 패턴의 이미지를 상기 감광성 기판 상에 형성하기 위한 투영 광학 시스템을 구비하고, 상기 미리 결정된 패턴 및 상기 감광성 기판이 상기 투영 광학 시스템에 관하여 주사 방향을 따라 이동됨으로써, 상기 미리 결정된 패턴이 상기 감광성 기판에 투영되어 상기 미리 결정된 패턴의 상기 감광성 기판으로의 투영 노광을 달성하는 것인 노광 장치.
제 17 항에 있어서,

상기 옵티컬 인테그레이터 시스템에서의 상기 미리 결정된 방향은 상기 감광성 기판 상의 상기 주사 방향과 직교하는 방향에 대응하는 것인 노광 장치.
제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 노광 장치를 이용하여, 상기 미리 결정된 패턴을 상기 감광성 기판에 노광하는 노광 단계; 및 상기 노광 단계 후 상기 감광성 기판을 현상하는 현상 단계를 포함하는 디바이스 제조 방법.