WO2018168993A1 - 照明装置及び方法、露光装置及び方法、並びにデバイス製造方法 - Google Patents

照明装置及び方法、露光装置及び方法、並びにデバイス製造方法 Download PDF

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    • G03F7/70091—Illumination settings, i.e. intensity distribution in the pupil plane or angular distribution in the field plane; On-axis or off-axis settings, e.g. annular, dipole or quadrupole settings; Partial coherence control, i.e. sigma or numerical aperture [NA]
    • G03F7/701—Off-axis setting using an aperture
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    • G03F7/70058—Mask illumination systems
    • G03F7/7015—Details of optical elements

Definitions

  • the present invention relates to an illumination technique for illuminating an object with illumination light, an exposure technique using the illumination technique, and a device manufacturing technique using the exposure technique.
  • a mask pattern illuminated by an illuminator is applied to a photosensitive agent such as a photoresist via a projection optical system.
  • An exposure apparatus is used for transferring to a substrate such as a coated plate.
  • an optical system comprising a plurality of conical or pyramid-shaped optical members for controlling the cross-sectional shape of an illumination light beam from a mercury lamp is provided, and the use efficiency of illumination light is improved when performing annular illumination. Therefore, an illuminating device that uses the optical system to control the cross-sectional shape of the illumination light beam according to the shape of the annular illumination light source is used (see, for example, Patent Document 1).
  • illumination methods other than annular illumination are also used. Even in such a case, it is desired to consider increasing the utilization efficiency of illumination light.
  • an illuminating device that illuminates a mask, a light source that generates illumination light, an optical system that adjusts an inclination angle of the illumination light, and the illumination light that is collected via the optical system.
  • a first condensing optical system that emits light, an optical member that emits the illumination light via the optical system to the first condensing optical system while maintaining the tilt angle of the illumination light, and the first collection
  • An illumination device is provided that includes an aperture stop that adjusts the numerical aperture of the illumination light emitted from the optical optical system, and a second condensing optical system that guides the illumination light with the adjusted numerical aperture to the mask.
  • an exposure apparatus that exposes a mask pattern onto a substrate, the illumination apparatus according to the first aspect, and a projection that forms an image of the mask pattern illuminated by the illumination apparatus on the substrate.
  • An exposure apparatus comprising an optical system.
  • an illumination method for illuminating a mask comprising: adjusting an inclination angle of illumination light generated from a light source; and adjusting the illumination light having the adjusted inclination angle with respect to the illumination light. Ejecting through the optical member that maintains the tilt angle, condensing the emitted illumination light, adjusting the numerical aperture of the illumination light, and the illumination light with the adjusted numerical aperture Is provided to the mask.
  • an exposure method for exposing a mask pattern onto a substrate wherein the mask is illuminated using the illumination method of the third aspect, and an image of the illuminated mask pattern is obtained. Forming an exposure method on the substrate.
  • FIG. 1 It is a perspective view which shows schematic structure of the exposure apparatus which concerns on one Embodiment. It is a figure which shows the structure of the illuminating device which concerns on one Embodiment. It is a figure which shows the structure of the partial projection optical system and stage system which concern on one Embodiment. It is a flowchart which shows an example of the illumination method and the exposure method.
  • A is a figure which shows the principal part of an illuminating device when (sigma) value of illumination light is large
  • (B) is a figure which shows the principal part of an illuminating device when (sigma) value of illumination light is small.
  • FIG. (A) is a figure which shows the principal part of the illuminating device of a comparative example
  • (B) is a figure which shows the light intensity distribution in the incident end of a light guide fiber
  • (C) shows the light intensity distribution in the incident end of a fly eye lens.
  • FIG. (A) is a figure which shows a partial illumination optical system
  • (B) is an enlarged view which shows the injection
  • (A) is a diagram illustrating an example of an aperture stop aperture during annular illumination
  • (B) is a diagram illustrating an example aperture aperture aperture during large ⁇ illumination
  • (C) is an aperture stop aperture during small ⁇ illumination. It is a figure which shows an example of opening.
  • (A) And (B) is a conceptual diagram which shows the injection
  • (A) is a diagram showing a configuration example of a variable power optical system
  • (B) is a diagram showing a configuration example of a switching optical system
  • (C) is a diagram showing an example of an optical member that controls the tilt angle of a laser beam. It is. It is a flowchart which shows an example of the electronic device manufacturing method.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an exposure apparatus EX according to this embodiment.
  • the exposure apparatus EX synchronously moves a mask M and a flat plate P as a substrate coated with a photosensitive agent with respect to a projection optical system PL having a plurality of catadioptric partial projection optical systems.
  • the exposure apparatus employs a step-and-scan method for transferring an image of a pattern formed on the mask M to the plate P.
  • the X axis and the Y axis are taken so as to be orthogonal to each other in a plane parallel to the plate P, and the Z axis is taken perpendicular to the plane (XY plane).
  • the XY plane is set to a plane parallel to the horizontal plane
  • the Z axis is set to be parallel to the vertical line.
  • the scanning direction which is the direction in which the mask M and the plate P are moved synchronously, is set to a direction parallel to the X axis (X direction).
  • the non-scanning direction orthogonal to the scanning direction is a direction parallel to the Y axis (Y direction).
  • the exposure apparatus EX includes an illumination apparatus ILA for illuminating a pattern surface (hereinafter also referred to as a mask surface) of the mask M supported by the mask stage MST (see FIG. 3) with illumination light having a uniform illuminance distribution, and projection optics.
  • a system PL and a control unit 30 including a computer for controlling the operation of the entire apparatus are provided.
  • the illumination device ILA includes a plurality of (four in this case) illumination areas 21a, 21c, 21e, and 21g arranged in the Y direction (non-scanning direction) on the mask surface, and an illumination area in the first row.
  • the illumination device ILA illuminates seven illumination areas on the mask surface, but the arrangement and number of illumination areas are arbitrary.
  • the illumination regions 21a to 21g may have a shape slightly larger than the image on the mask surface of the field stop.
  • the illuminating device ILA includes three light sources 2a, 2b, and 2c made of ultra high pressure mercury lamps.
  • the illumination lights 3a, 3b, 3c emitted from the light sources 2a, 2b, 2c are condensed by elliptic mirrors 4a, 4b, 4c, respectively.
  • the light sources 2a to 2c are arranged at the first focal positions of the elliptical mirrors 4a to 4c, and the light source images 5a, 5b, and 5c of the light sources 2a, 2b, and 2c are arranged at the second focal positions of the elliptical mirrors 4a, 4b, and 4c. Is formed.
  • the illumination light 3a, 3b, 3c is shielded by a shutter (not shown) disposed near the second focal point of the elliptical mirrors 4a, 4b, 4c.
  • the number of the light sources 2a, 2b, and 2c is arbitrary, and one light source (for example, only the light source 2a) may be sufficient.
  • Illumination lights 3a, 3b, 3c emitted as divergent light from the light source images 5a, 5b, 5c are condensed on the incident ends 12a, 12b, 12c of the light guide fiber 10 by the variable magnification optical systems 8a, 8b, 8c, respectively.
  • the variable magnification optical systems 8a, 8b, and 8c form images (hereinafter, referred to as light source images) 9a, 9b, and 9c with variable magnifications of the light source images 5a, 5b, and 5c on the incident surfaces of the incident ends 12a, 12b, and 12c, respectively. To do.
  • the zoom optical systems 8a to 8c include a front group lens system 6 that can be moved along the optical axis by the drive unit 6a, and a rear group lens system 7 that can be moved along the optical axis by the drive unit 7a.
  • This is a lens (zoom optical system).
  • the control unit 30 can control the magnifications of the variable magnification optical systems 8a to 8c by controlling the positions of the front group lens system 6 and the rear group lens system 7 via the drive units 6a and 7a.
  • the height (image height) of the light source image 9a when the variable magnification optical system 8a is at the minimum magnification is y1, and the maximum inclination angle with respect to the optical axis of the illumination light 3a forming the light source image 9a at this time is ⁇ 1.
  • the height of the light source image 9a when the magnification of the variable magnification optical system 8a is a maximum magnification higher than the magnification is y2, and the maximum inclination angle with respect to the optical axis of the illumination light 3a at this time is ⁇ 2.
  • the maximum inclination angle is also a half of the so-called cone angle.
  • the height of the light source image 9a is, for example, about 10% to 50% of the maximum intensity of the light intensity distribution. It is also possible to regard the position as an interval, or an interval between positions where the position is approximately 30%, for example. Assuming that the variable magnification optical system 8a satisfies the sine condition, the following relationship is established.
  • variable magnification optical systems 8a to 8c are optical systems that can control or adjust the maximum tilt angle of the illumination light incident on the incident ends 12a to 12c by forming light source images 9a to 9c with variable magnification. is there. In the present embodiment, the variable magnification optical systems 8a to 8c are controlled to have the same magnification.
  • the light guide fiber 10 as an optical transmission member is a fiber bundle formed by randomly bundling a large number of optical fiber wires 11 (see FIG. 5A), and includes three incident ends 12a, 12b, and 12c. , And a plurality of (here, seven) emission ends (only the emission ends 14a and 14B are shown in FIG. 2) corresponding to a plurality (here, seven) illumination regions, and the incidence ends 12a to 12c.
  • the illumination lights 3a to 3c received from are distributed to the plurality of exit ends. Accordingly, at least a part of each of the illumination lights 3a to 3c is emitted from the plurality of emission ends, and the illumination device ILA can emit the illumination lights emitted from the plurality of light sources 2a to 2c, respectively. it can.
  • the light guide fiber 10 is configured to distribute and emit each illumination light received from the incident ends 12a to 12c to a plurality of emission ends with a substantially equal light amount ratio.
  • the optical fiber 11 is emitted while maintaining the inclination angle of the incident light beam so that the maximum inclination angle of the incident light beam and the maximum inclination angle of the emitted light beam are substantially equal. It is. For this reason, the maximum inclination angle of the illumination lights 3a to 3c incident on the incident ends 12a to 12c of the light guide fiber 10 is substantially equal to the maximum inclination angle of the illumination light emitted from the plurality of emission ends.
  • illumination light emitted from the variable magnification optical systems 8a to 8c is incident on the corresponding incident ends 12a to 12c in a state where the principal ray is parallel to the optical axis, that is, in a so-called telecentric state. .
  • the illumination light can be uniformly incident within the range of the incident angle at which each optical fiber 11 of the light guide fiber 10 can be transmitted.
  • the maximum tilt angle of the illumination light emitted from the variable magnification optical systems 8a to 8c is controlled in a range smaller than the maximum incident angle (tilt angle) that can be transmitted by the optical fiber 11.
  • Each of the illumination lights 20a, 20c, etc. emitted from the plurality of exit ends 14a, 14b, etc. of the light guide fiber 10 illuminates the partial illumination areas 21a, 21c, etc. of the mask M (seven here).
  • the light beams are incident on partial illumination optical systems IL1 to IL7 having the same configuration (however, partial illumination optical systems IL2 and IL4 to IL7 are not shown).
  • the partial illumination optical systems IL1 to IL7 are respectively associated with partial projection optical systems PL1 to PL7 described later, and are arranged in a staggered pattern along the non-scanning direction (Y direction) orthogonal to the scanning direction.
  • the illumination light 20a. 20c is condensed by the input lens 15 that is a collimating lens and converted into a parallel light beam, and then enters the fly-eye lens 16 that is an optical integrator.
  • the illumination lights 20a and 20c incident on the fly-eye lens 16 are wavefront-divided by a number of lens elements constituting the fly-eye lens 16, and a plurality of illumination lights 20a and 20c are formed on the rear focal plane in the vicinity of the exit plane (exit pupil plane of the illumination optical system).
  • a secondary light source (surface light source) is formed from the light source images.
  • An aperture stop 17 is disposed on the rear focal plane.
  • the control unit 30 controls the size and shape of the aperture of the aperture stop 17 via the drive unit 17a.
  • the numerical aperture NA of the illumination light that illuminates the mask M by the partial illumination optical systems IL1 and IL3 can be controlled.
  • the numerical aperture NA of illumination light is expressed using a ⁇ value that is a coherence factor (a value obtained by dividing the numerical aperture of illumination light that illuminates the mask by the numerical aperture on the mask side of the projection optical system).
  • the aperture stop 17 can also be called a ⁇ stop.
  • the aperture stop 17 may be replaced with an annular illumination aperture stop (not shown) having an annular-shaped variable aperture.
  • the illumination lights 20a and 20c emitted from the aperture of the aperture stop 17 illuminate the corresponding illumination areas 21a and 21c on the mask M with a substantially uniform illuminance distribution via the condenser lens 18.
  • the configuration of the partial illumination optical systems IL2, IL4 to IL7 (not shown) is the same as that of the partial illumination optical system IL1, and each of the partial illumination optical systems IL2, IL4 to IL7 on the mask M is similar to the partial illumination optical system IL1.
  • the corresponding illumination area is illuminated with a substantially uniform illumination distribution.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the partial projection optical system PL1.
  • the partial projection optical system PL ⁇ b> 1 includes a first catadioptric optical system PL ⁇ b> 11 that forms an intermediate image of a pattern provided in the corresponding illumination area 21 a on the mask surface at the opening of the field stop 22.
  • the second catadioptric optical system forms an image of the pattern of the mask M as an equal-magnification erect image on the exposure region 23a of the plate P supported by the plate stage PST.
  • the partial projection optical systems PL2 to PL7 have the same configuration as the partial projection optical system PL1, and form an image of the pattern formed in the corresponding illumination area on the mask surface on the plate P. .
  • the partial projection optical systems PL1 to PL7 are arranged in a staggered pattern along the non-scanning direction.
  • a power supply device 32 that supplies power to the light sources 2a to 2c is connected to the control unit 30.
  • the control unit 30 turns on the light sources 2a to 2c via the power supply device 32 when performing exposure of the plate P or calibration of the illumination device ILA.
  • the required exposure amount is small, it is possible to turn on only at least one of the light sources 2a to 2c.
  • the control unit 30 sets illumination conditions including the ⁇ value of illumination light and the magnification of the variable magnification optical systems 8a to 8c (details will be described later), and turns on the light sources 2a to 2c.
  • the mask M is illuminated by the illumination device ILA
  • the mask stage MST that supports the mask M and the plate stage PST that supports the plate P are driven, and the mask M and the plate P are moved to the partial projection optical systems PL1 to PL7.
  • the pattern formed on the mask M by the step-and-scan method by repeating the movement in the scanning direction (scanning exposure) and the movement of the plate P in the non-scanning direction or the scanning direction (step movement). Are exposed to a plurality of exposed areas of the plate P.
  • illuminance sensors (not shown) are arranged at a plurality of positions in the illumination areas 21a to 21g. Then, when the light sources 2a to 2c are turned on to change the ⁇ value and the magnification of the variable magnification optical systems 8a to 8c is changed, the illuminance distribution measured by the illuminance sensor is a target. By adjusting the variable magnification optical systems 8a to 8c and the partial illumination optical systems IL1 to IL7 so as to be within a predetermined allowable range with respect to the distribution, the illuminance distribution becomes uniform.
  • the operation is controlled by the control unit 30.
  • the partial illumination optical systems IL1 to IL7 of the illumination device ILA are changed according to the pattern type and fineness of the mask M to be exposed.
  • the aperture stop 17 the ⁇ value of the illumination light is controlled.
  • the aperture stop 17 may be replaced with an aperture stop (not shown) for annular illumination.
  • the diameter of the circular aperture of the aperture stop 17 is set to the maximum value, and the ⁇ value is set to the maximum value NA1 (for example, about 0.8 to 0.9).
  • NA1 for example, about 0.8 to 0.9.
  • a large ⁇ illumination is assumed.
  • the illumination light emitted from the exit end 14a of the light guide fiber 10 becomes a parallel light beam via the input lens 15 and has the widest range of the entrance surface of the fly-eye lens 16 (aperture stop 17). A range slightly wider than the area facing the largest aperture of the light source). For this reason, it is necessary to set the maximum inclination angle of the illumination light emitted from the emission end 14a to a maximum value within an adjustable range.
  • step 104 the magnifications of the variable magnification optical systems 8a to 8c and, consequently, the light source images 9a to 9c formed on the incident ends 12a to 12c of the light guide fiber 10 according to the ⁇ value set by the aperture stop 17 are obtained.
  • the maximum inclination angle of the illumination lights 3a to 3c to be formed is adjusted.
  • a ⁇ value determined by the outer diameter of the annular aperture may be used as the ⁇ value.
  • NA1 the magnification of the variable magnification optical systems 8a to 8c is set to the minimum value within the variable range, and the maximum inclination angle of the illumination lights 3a to 3c is adjusted.
  • the maximum value ⁇ 1 is set within a possible range.
  • the focal length of the variable magnification optical system 8a is set to f1
  • the height of the light source image 9a is set to the minimum value y1 within the adjustable range.
  • the maximum inclination angle of the incident light beam and the maximum inclination angle of the outgoing light beam are substantially equal. For this reason, when the aperture diameter of the aperture stop 17 is maximized, the illumination light 20a emitted from the exit end 14a of the light guide fiber 10 is able to illuminate the maximum aperture via the input lens 15. Is incident on the area of the incident surface.
  • the light intensity distribution (illuminance distribution) D1 of the light source image 9a formed at the incident end 12a has a substantially axially symmetric normal distribution shape, with a strong central portion and a sharp decrease toward the peripheral portion.
  • the light intensity distribution D1 has a portion of about 10% or less with respect to the maximum value spreading outside the incident surface of the incident end 12a.
  • a portion (more precisely, a light beam obtained by randomly combining incident illumination lights 3a to 3c) is emitted from the exit end 14a or the like.
  • the light intensity distribution C31 of the illumination light 20a emitted from the exit end 14a on the entrance surface of the fly-eye lens 16 is a substantially axisymmetric distribution that becomes slightly stronger as it goes away from the optical axis and rapidly decreases outside the optical axis.
  • the light intensity distribution C31 can be regarded as a substantially uniform value in a region facing the aperture of the aperture stop 17, and illumination with a maximum inclination angle of approximately ⁇ 1 is emitted from the exit end 14a to the aperture of the aperture stop 17. Most of the light 20a is incident.
  • the utilization efficiency of the illumination light (hereinafter referred to as the ratio of the illumination light 20a incident on the mask M through the condenser lens 18 through the aperture of the aperture stop 17 to the illumination light 3a incident on the light guide fiber 10) (Also called lighting efficiency) is high.
  • step 106 the light sources 2a to 2c are turned on, and the illuminating device ILA emits the light beams 3a to 3c from the light sources 2a to 2c to change the magnification optical systems 8a to 8c, the light guide fiber 10, the partial illumination optical systems IL1 to
  • the mask M is illuminated via the input lens 15 of IL8, the fly-eye lens 16, the aperture stop 17, and the condenser lens 18.
  • step 108 the plate P is exposed by synchronously moving the mask M and the plate P with respect to the projection optical system PL while exposing the plate P with the pattern image of the mask M by the projection optical system PL. .
  • the mask M can be illuminated with high illumination efficiency using the illumination light having the maximum ⁇ value, the pattern formed on the mask M can be exposed to the plate P with high throughput (productivity) with high light accuracy.
  • the diameter of the circular aperture of the aperture stop 17 is set to a minimum value, and the ⁇ value is set to a minimum value NA2 (for example, about 0.05 to 0.1).
  • NA2 for example, about 0.05 to 0.1.
  • the illumination light emitted from the exit end 14a becomes a parallel light beam via the input lens 15, and is the smallest area on the entrance surface of the fly-eye lens 16 (more than the area facing the smallest opening of the aperture stop 17).
  • the maximum inclination angle of the illumination light emitted from the emission end 14a may be set to the minimum value ⁇ 2 within the adjustable range. Therefore, in step 104, the magnification of the variable magnification optical systems 8a to 8c is set to the maximum value within the range where the magnification can be changed, and the maximum inclination angle of the illumination lights 3a to 3c is set to the minimum value ⁇ 2.
  • the focal length of the variable magnification optical system 8a is set to f2
  • the height of the light source image 9a is set to the maximum value y2.
  • the light intensity distribution D2 of the light source image 9a formed at the incident end 12a is a substantially axially symmetric normal distribution obtained by enlarging the light intensity distribution D1 of FIG. 5A with the magnification ratio y2 / y1.
  • a portion of about 35% or less with respect to the maximum value spreads outside the incident surface of the incident end 12a, and about 60% of the incident illumination lights 3a to 3c, for example, the emission end 14a and the like. Is injected from.
  • the height y2 of the light source image 9a is the interval of the portion where the light intensity is approximately 30% of the maximum value
  • the light source image 9a having the height y2 is slightly larger than the width of the incident end 12a.
  • the maximum inclination angle of the illumination light 20a emitted from the emission end 14a is almost the minimum value ⁇ 2, and most of the illumination light 20a is incident on the fly-eye lens 16 via the input lens 15. In the surface, the light enters the region facing the smallest aperture of the aperture stop 17.
  • the light intensity distribution C11 of the illumination light 20a emitted from the emission end 14a on the incident surface of the fly-eye lens 16 is substantially axially symmetric as if the light intensity distribution C31 in FIG. Distribution.
  • the light intensity distribution C11 can be regarded as a substantially uniform value in a region facing the smallest aperture of the aperture stop 17, and the aperture of the aperture stop 17 is emitted from the exit end 14a with a maximum inclination angle of approximately ⁇ 2. Most of the illumination light 20a is incident. For this reason, even if a certain amount of light loss of the illumination light 3a incident on the incident end 12a occurs to some extent, the illumination light 3a of the illumination light 20a that passes through the minimum aperture of the aperture stop 17 and enters the mask M via the condenser lens 18 The utilization efficiency for is increasing. Thereafter, by performing Steps 106 and 108, for example, a pattern including an isolated pattern can be exposed on the plate P with high throughput and high accuracy.
  • the magnification of the variable magnification optical system 8a is set to the minimum as in the case of FIG. 5A (the maximum inclination angle of the illumination light 3a is maximized).
  • the ⁇ value is set to the minimum value NA2 at the aperture stop 17 (set to the value ⁇ 1).
  • the light intensity distribution C31 of the illumination light 20a emitted from the exit end 14a on the entrance surface of the fly-eye lens 16 is considerably large even in the region 16Aa outside the region facing the smallest aperture of the aperture stop 17. It is getting stronger. For this reason, about 45% of the illumination light 20a emitted from the emission end 14a can pass through the opening of the aperture stop 17 for example.
  • the three light sources 2a to 2c are used.
  • the illumination efficiency is improved by 30%, for example, it is possible to perform the exposure by lighting only the two light sources 2a and 2b. Therefore, the lifetime of the light sources 2a to 2c can be extended.
  • FIG. 6B shows the light intensity distributions D1 and D2 of the illumination light 3a at the incident end 12a in FIGS. 5A and 5B in terms of relative light intensity.
  • the abscissa represents the distance from the center as a relative value with the center position of the incident end 12a being zero.
  • the position where the value of the horizontal axis is 50 is, for example, the position of the edge portion of the incident end 12a.
  • the light intensity distribution D3 in FIG. 6B shows the light amount of the illumination light that has passed through the aperture of the aperture stop 17 and the illumination light that is incident on the fly-eye lens 16 in the case of the comparative example in FIG. This is a distribution obtained by compressing the light intensity distribution D1 by the ratio.
  • the amount of light obtained by integrating the light intensity distribution D2 inside the position ⁇ 50 is the amount of light obtained in this embodiment, and the amount of light obtained by integrating the light intensity distribution D3 is the amount of light obtained in the comparative example. From the results, it can be seen that the illumination efficiency is improved by this embodiment.
  • FIG. 6C shows the light intensity distributions C31 and C11 of the illumination light 20a on the incident surface of the fly-eye lens 16 shown in FIGS. 5A and 5B in terms of relative light intensity.
  • the horizontal axis of 6 (C) represents the distance from the center as a ⁇ value with the center position of the incident surface being zero.
  • the relative intensities of the light intensity distributions C31 and C11 are adjusted so that the ⁇ values are equal to 0.88 and 0.65. In this case, if the values of the light intensity distributions C31 and C11 at the position where the ⁇ value is 0.5 are the average light intensity or the average illuminance, the average illuminances of the light intensity distributions C31 and C11 are almost equal.
  • step 102 when the ⁇ value is set to an arbitrary value NA3 between the maximum value NA1 and the minimum value NA2 using the aperture stop 17, in step 104, the variable magnification optical systems 8a to 8c are set.
  • the magnification may be set to a value ⁇ 3 between the minimum value (referred to as ⁇ 1) in the case of FIG. 5A and the maximum value (referred to as ⁇ 2) in the case of FIG.
  • ⁇ 3 is gradually set larger as the ⁇ value NA3 is gradually reduced as represented by the following equation, and the maximum inclination angle of the illumination light incident on the light guide fiber 10 is gradually reduced. .
  • ⁇ 3 ⁇ 1 + (NA1-NA3) ( ⁇ 2- ⁇ 1) / (NA1-NA2) (2)
  • the mask M can be illuminated with high illumination efficiency in accordance with the ⁇ value (illumination condition) regardless of the ⁇ value, and the pattern of the mask M can be applied to the plate P with high throughput and high accuracy. Can be exposed.
  • FIG. 7A is an enlarged view showing the partial illumination optical system IL1 of FIG. 5A
  • FIG. 7B is an enlarged view of the exit end 14a of the light guide fiber 10 of FIG. 7A viewed from the front.
  • FIG. 7A a part of the lens elements 16a having the same shape and constituting the fly-eye lens 16 are shown enlarged.
  • the exit end 14a is configured by regularly bundling a large number of optical fiber strands 11.
  • the exit end 14a is imaged by the input lens 15 and the lens element 16a on the exit surface of the lens element 16a (a so-called pupil plane on which the aperture stop 17 is disposed).
  • the illumination area 21a is an exposure field (an area conjugate with the aperture of the field stop 22 in FIG. 3).
  • the shape of each lens element 16a of the fly-eye lens 16 is determined so as to be slightly larger than ().
  • the light intensity distribution at the incident end 12a of the light guide fiber 10 is changed by the variable magnification optical system 8a.
  • the light emitted from the optical fiber 11 on which light having a light intensity of up to about 10% of the maximum light intensity at the time of large ⁇ illumination enters is transmitted through the input lens 15 and the fly-eye lens 16.
  • the light source image formed on the arrangement surface of the aperture stop 17 is regarded as an effective light source image contributing to illumination.
  • light emitted from all the optical fiber strands 11 at the exit end 14a forms an effective light source image, it is formed on the exit surface of the lens element 16a of the fly-eye lens 16 in the range where the light enters.
  • the number n1 of effective light source images to be performed is the same as the number n2 of the optical fiber strands 11 constituting the emission end 14a.
  • This is referred to as a filling factor ⁇ of illumination light from the optical fiber 11.
  • the magnification of the variable magnification optical system 8a (the maximum inclination angle of illumination light incident on the incident end 12a) is adjusted so that the filling factor ⁇ is maintained at 1 (100%).
  • annular illumination, large ⁇ illumination, or small ⁇ illumination the exit surface of the lens element 16a of the fly-eye lens 16 in the aperture stop 17 is shown in FIG.
  • an effective light source image 24 is formed with the same maximum density distribution (a distribution corresponding to the density distribution of the optical fiber 11 in FIG. 7B). Is done.
  • the aperture of the aperture stop 17 is set as a ring-shaped aperture 17c.
  • the maximum inclination angle of illumination light incident on the incident ends 12a to 12c of the light guide fiber 10 from the variable magnification optical systems 8a to 8c is larger than that when small ⁇ illumination is performed. It is set large.
  • each lens element 16a of the fly-eye lens 16 is actually closer to the openings 17b and 17c. Is also greatly represented.
  • the illumination light filling rate ⁇ from the optical fiber 11 in the case of performing annular illumination, large ⁇ illumination, or small ⁇ illumination is within a range where the common ratio is 1, and the variable power optical The magnification of the system 8a is adjusted.
  • the filling rate ⁇ may be approximately 1 (for example, 0.9 to 1).
  • the light intensity of the illumination light incident on the incident ends 12a to 12c of the light guide fiber 10 is maximum at the central portion, and decreases toward the periphery. Therefore, among the many optical fiber strands 11 constituting the incident end 12a, for example, light intensity of about 70% or more, 70 to 40%, and 40 to 10% with respect to the maximum value at the time of large ⁇ illumination.
  • the light source images formed by the illumination light from the optical fiber 11 on which the illumination light 3a enters are referred to as light source images 24A, 24B, and 24C, respectively. At this time, as shown in FIG.
  • the exit surface of the fly-eye lens 16 on the exit surface of the lens element 16a in the aperture 17b of the aperture stop 17 is not shown.
  • the light source images 24A, 24B, and 24C are formed in a random arrangement.
  • the illumination light emitted from the exit end 14a of the light guide fiber 10 is incident on the plurality of lens elements 16a (optical elements) of the fly-eye lens 16 (at portions of the plurality of lens elements 16a in the large opening 17b). It is distributed over a wider area than the size of the incident surface.
  • the exit surface of the fly-eye lens 16 has an exit surface of the lens element 16a in the aperture 17b of the aperture stop 17.
  • light source images 24B having a substantially medium light intensity are formed in a regular arrangement.
  • the illumination light emitted from the exit end 14a of the light guide fiber 10 is distributed in a region wider than the size of the entrance of the plurality of lens elements 16a of the fly-eye lens 16 in the portion of the small opening 17b. .
  • the light intensity of the light source image 24B formed on the exit surface of each lens element 16a of the fly-eye lens 16 is more uniform than in the case of FIG. Will be.
  • the illuminating device ILA that illuminates the mask M of the present embodiment includes the light source 2a that generates the illumination light, the variable magnification optical system 8a that adjusts the maximum inclination angle of the illumination light in Step 104, and Step 106.
  • the input lens 15 (hereinafter also referred to as a first condensing optical system) for condensing the illumination light via the variable magnification optical system 8a into a parallel light beam, and in step 106, illumination via the variable magnification optical system 8a.
  • a light guide fiber 10 (hereinafter also referred to as an optical member) that emits light to the input lens 15 while maintaining the maximum inclination angle of the illumination light, and in step 102, the numerical aperture ( ⁇ value) of the illumination light is set.
  • An aperture stop 17 to be adjusted, and a condenser lens 18 (hereinafter also referred to as a second condensing optical system) for guiding the illumination light whose numerical aperture is controlled in Step 106 to the mask M. It is provided.
  • the aperture stop 17 is reduced by reducing the maximum inclination angle of the illumination light by the variable magnification optical system 8a.
  • the ratio of the illumination light incident on the aperture of the light can be increased, and the utilization efficiency of the illumination light can be increased.
  • the mask M can be illuminated with higher illuminance.
  • the life of the light source 2a can be extended, and when a plurality of light sources 2a to 2c are used, the number of light sources to be used can be reduced and the illumination device ILA can be reduced in size. Cost reduction can be achieved.
  • the light guide fiber 10 since the light guide fiber 10 is used, the light source 2a and the mask M can be separated, and the thermal expansion of the mask M can be suppressed.
  • the exposure apparatus EX that exposes the pattern of the mask M of the present embodiment onto the plate P includes an illumination apparatus ILA that illuminates the mask M in steps 102 to 106, and a mask M that is illuminated by the illumination apparatus ILA in step 108.
  • a projection optical system PL that forms an image of the pattern on the plate P.
  • the light guide fiber 10 includes a plurality of incident ends 12a to 12c and a plurality of exit ends 14a and 14b, etc.
  • the illumination light from the plurality of light sources 2a to 2c is randomly mixed to produce a plurality of partial illuminations. It can be easily branched into light beams for the optical systems IL1 to IL7.
  • the fly-eye lens 16 including the plurality of lens elements 16a is provided, the illuminance distribution of the illumination light in the illumination area of the mask M can be made more uniform.
  • variable magnification optical system 8a of the above-described embodiment includes a front group lens system 6A composed of three lenses and a rear group lens system 7A composed of three lenses.
  • a variable power optical system 8Aa that adjusts the position of the rear lens group system 7A can be used.
  • variable magnification optical system 8a an optical system of a type that forms an intermediate image of the light source image on the optical path between the light source image 5a and the light source image 9a can be used.
  • the variable magnification optical system 8a is used to control the maximum tilt angle of the illumination light.
  • a relay optical system 8Ba that switches the magnification by partially replacing the optical system may be used.
  • the relay optical system 8Ba includes a front group lens system 6A, a first rear group lens system 7B composed of a lens group 7Bb having a lens 7Ba and two lenses, and a second rear group lens system composed of lenses 7Ca and 7Cb.
  • the light source image 9a is formed using the front group lens system 6A and the first rear group lens system 7B.
  • the first rear group lens system 7B is used instead of the first rear group lens system 7B.
  • a light source image 9a is formed by using the second rear group lens system 7C. In this way, when the replaceable relay optical system 8Ba is used, an optical system for controlling the tilt angle can be manufactured at low cost.
  • an optical system composed of two conical prism-shaped optical members 7B1 and 7B2 may be provided.
  • the two optical members 7B1 and 7B2 are brought into close contact with each other, and when performing annular illumination, the distance between the two optical members 7B1 and 7B2 is adjusted, and the front group
  • the cross-sectional shape of the illumination light 3a passing between the lens system 6 and the rear group lens system 7 may be a ring-shaped shape having a variable size.
  • the illumination light 20 a emitted from the emission end 14 a of the light guide fiber 10 enters the ring-shaped region on the incident surface of the fly-eye lens 16 via the input lens 15.
  • use of illumination light when performing annular illumination is performed by adjusting the distance between the two optical members 7B1 and 7B2 according to the size of the annular aperture of the aperture stop. Efficiency can be further improved.
  • the fly-eye lens 16 is used as the optical integrator.
  • a micro-lens array, a rod integrator, or the like may be used instead of the fly-eye lens 16.
  • ultra high pressure mercury lamps are used as the light sources 2a to 2c, but lamps such as other arbitrary discharge lamps can be used as the light sources 2a to 2c.
  • a light emitting diode (LED) or the like can be used as the light sources 2a to 2c.
  • laser light sources such as solid lasers, gas lasers, or semiconductor lasers may be used. It is also possible to use harmonics of laser light as illumination light.
  • a laser light source is used as the light source and the maximum tilt angle of the illumination light is set large, as an example, as shown in FIG. 10C, parallel light beams generated from a laser light source (not shown)
  • a diffraction grating 8C On the optical path of the laser beam LB, a diffraction grating 8C on which concentric (zone plate-like) phase-type irregularities with a finer pitch is formed is disposed.
  • the minimum pitch of the diffraction grating 8C is defined according to the maximum tilt angle.
  • a diffraction grating 8D having a minimum pitch larger than the diffraction grating 8C is disposed.
  • illumination light with a maximum maximum tilt angle can be generated
  • illumination light with a maximum maximum tilt angle can be generated.
  • the multi-lens scanning exposure apparatus has been described as an example.
  • the pattern of the mask M is exposed while the mask M and the plate P are stationary.
  • the above-described embodiment can also be applied to a step-and-repeat type exposure apparatus that sequentially moves the plate P stepwise.
  • the illuminating device may be provided with one, two, or four or more light sources.
  • the light guide fiber has seven exit ends. However, the number of exit ends of the light guide fiber is not limited as long as it is one or more.
  • the illumination light from the plurality of light sources 2a to 2c is branched into the light beams for the plurality of partial illumination optical systems IL1 to IL7.
  • the mask M may be illuminated via the illumination optical system IL1, and the pattern of the mask M may be transferred to the plate P via one imaging optical system (for example, an optical system similar to the partial projection optical system PL1).
  • the illumination light 3 a from the variable magnification optical system 8 a may be directly incident on the fly-eye lens 16 via the input lens 15 without providing the light guide fiber 10.
  • FIG. 11 is a flowchart showing a manufacturing process of a liquid crystal device such as a liquid crystal display element.
  • a pattern formation process step 200
  • a color filter formation process step 202
  • a cell assembly process step 204
  • a module assembly process step 206
  • a predetermined pattern such as a circuit pattern and an electrode pattern is formed on a glass substrate coated with a photoresist as a plate using the above-described exposure apparatus or exposure method.
  • an exposure process in which the pattern is transferred to the photoresist layer using the exposure apparatus or exposure method of the above-described embodiment, and development of the plate to which the pattern has been transferred, and a photo of the shape corresponding to the pattern is performed.
  • a development step for generating the resist layer as a mask layer and a processing step for processing the surface of the glass substrate through the developed photoresist layer are included.
  • a large number of sets of three dots corresponding to R (red), G (green), and B (blue) are arranged in a matrix, or three of R, G, and B are arranged.
  • a color filter is formed by arranging a plurality of stripe filter sets in the horizontal scanning direction.
  • a liquid crystal panel liquid crystal cell
  • a liquid crystal panel is formed by injecting liquid crystal between a glass substrate and a color filter.
  • step 206 various components such as an electric circuit and a backlight for performing the display operation of the liquid crystal panel are attached to the liquid crystal panel assembled in step 204.
  • a predetermined pattern is formed on the glass substrate using the exposure apparatus EX or the exposure method of the above-described embodiment, and the glass substrate is inserted through the predetermined pattern. And processing.
  • the exposure apparatus EX or the exposure method of this embodiment since exposure can be performed with high illumination efficiency, an electronic device can be manufactured with high throughput and high accuracy.
  • the exposure apparatus EX or the exposure method of the above-described embodiment can also be applied when manufacturing a semiconductor device.
  • the above-described embodiment is not limited to application to an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device or a liquid crystal device.
  • an exposure apparatus for a display device such as a plasma display or an imaging element (CCD or the like)
  • the present invention can also be widely applied to exposure apparatuses for manufacturing various devices such as micromachines, thin film magnetic heads, and DNA chips.
  • the above-described embodiment can also be applied to an exposure apparatus for manufacturing a mask (photomask, reticle, etc.) used for manufacturing various devices using a photolithography process.

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Abstract

マスクを照明する照明装置であって、照明光を発生する光源と、照明光の最大の傾き角を調整する変倍光学系と、変倍光学系を介した照明光を傾き角を維持して分岐するライトガイドファイバと、ライトガイドファイバの射出端から射出される照明光を平行光束にするインプットレンズと、その照明光の開口数を調整する開口絞りと、その開口数が調整された照明光をマスクに導くコンデンサーレンズとを備える。照明条件に応じて照明光の利用効率を高くできる。

Description

照明装置及び方法、露光装置及び方法、並びにデバイス製造方法
　本発明は、照明光で物体を照明する照明技術、照明技術を用いる露光技術、及び露光技術を用いるデバイス製造技術に関する。
　従来、液晶表示素子、半導体素子、薄膜磁気ヘッド等の電子デバイスを製造するためのフォトリソグラフィ工程で、照明装置により照明されたマスクのパターンを、投影光学系を介してフォトレジスト等の感光剤が塗布されたプレート等の基板に転写するために露光装置が用いられている。
　従来の照明装置として、水銀ランプからの照明光束の断面形状を制御するための複数の円錐又は角錐状の光学部材からなる光学系を備え、輪帯照明を行う場合に照明光の利用効率を高めるために、輪帯状の照明光源の形状に応じて、その光学系を用いて照明光束の断面形状を制御する照明装置が使用されている（例えば特許文献１参照）。
　露光装置では輪帯照明以外の照明方法も使用される。このような場合にも、照明光の利用効率を高めることを考慮することが望まれている。
米国特許第５，７１９，７０４号明細書
　第１の態様によれば、マスクを照明する照明装置であって、照明光を発生する光源と、その照明光の傾き角を調整する光学系と、その光学系を介したその照明光を集光する第１集光光学系と、その光学系を介したその照明光を、その照明光のその傾き角を維持してその第１集光光学系に射出する光学部材と、その第１集光光学系から射出したその照明光の開口数を調整する開口絞りと、開口数が調整されたその照明光をそのマスクに導く第２集光光学系と、を備える照明装置が提供される。
　第２の態様によれば、マスクのパターンを基板に露光する露光装置であって、第１の態様の照明装置と、その照明装置で照明されたそのマスクのパターンの像を基板に形成する投影光学系と、を備える露光装置が提供される。
　第３の態様によれば、マスクを照明する照明方法であって、光源から発生された照明光の傾き角を調整することと、その傾き角が調整されたその照明光を、その照明光のその傾き角を維持する光学部材を介して射出することと、射出されたその照明光を集光することと、その照明光の開口数を調整することと、開口数が調整されたその照明光をそのマスクに導くことと、を含む照明方法が提供される。
　第４の態様によれば、マスクのパターンを基板に露光する露光方法であって、第３の態様の照明方法を用いてそのマスクを照明することと、照明されたそのマスクのパターンの像を基板に形成することと、を含む露光方法が提供される。
一実施形態に係る露光装置の概略構成を示す斜視図である。 一実施形態に係る照明装置の構成を示す図である。 一実施形態に係る部分投影光学系及びステージ系の構成を示す図である。 照明方法及び露光方法の一例を示すフローチャートである。 （Ａ）は照明光のσ値が大きいときの照明装置の要部を示す図、（Ｂ）は照明光のσ値が小さいときの照明装置の要部を示す図である。 （Ａ）は比較例の照明装置の要部を示す図、（Ｂ）はライトガイドファイバの入射端における光強度分布を示す図、（Ｃ）はフライアイレンズの入射端における光強度分布を示す図である。 （Ａ）は部分照明光学系を示す図、（Ｂ）は図７（Ａ）のライトガイドファイバの射出端を示す拡大図である。 （Ａ）は輪帯照明時の開口絞りの開口の一例を示す図、（Ｂ）は大σ照明時の開口絞りの開口の一例を示す図、（Ｃ）は小σ照明時の開口絞りの開口の一例を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はフライアイレンズの射出面を示す概念図である。 （Ａ）は変倍光学系の構成例を示す図、（Ｂ）は切り換え式の光学系の構成例を示す図、（Ｃ）はレーザビームの傾き角を制御する光学部材の一例を示す図である。 電子デバイス製造方法の一例を示すフローチャートである。
　一実施形態について、図１～図９（Ｂ）を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る露光装置ＥＸを示す斜視図である。本実施形態では、露光装置ＥＸが、複数の反射屈折型の部分投影光学系を有する投影光学系ＰＬに対してマスクＭと感光剤が塗布された基板としての平板状のプレートＰとを同期移動させつつ、マスクＭに形成されたパターンの像をプレートＰに転写するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であるものとして説明する。
　以下では、図１において、プレートＰに平行な平面内で直交するようにＸ軸、Ｙ軸を取り、その平面（ＸＹ平面）に垂直にＺ軸を取って説明する。一例として、ＸＹ平面が水平面に平行な面に設定され、Ｚ軸が鉛直線に平行に設定される。また、この実施形態ではマスクＭ及びプレートＰを同期移動させる方向である走査方向をＸ軸に平行な方向（Ｘ方向）に設定している。このとき、走査方向に直交する非走査方向はＹ軸に平行な方向（Ｙ方向）である。
　露光装置ＥＸは、マスクステージＭＳＴ（図３参照）に支持されたマスクＭのパターン面（以下、マスク面ともいう）を均一な照度分布の照明光で照明するための照明装置ＩＬＡと、投影光学系ＰＬと、装置全体の動作を制御するコンピュータよりなる制御部３０とを備えている。照明装置ＩＬＡは、マスク面にＹ方向（非走査方向）に沿って配置された第１列の複数（ここでは４個）の照明領域２１ａ，２１ｃ，２１ｅ，２１ｇと、第１列の照明領域２１ａ～２１ｇに対して走査方向（Ｘ方向）にずれた状態で、照明領域２１ａ～２１ｇの間に位置する第２列の複数（ここでは３つ）の照明領域（不図示）とを照明する。このように照明装置ＩＬＡはマスク面の７つの照明領域を照明するが、照明領域の配置及び個数は任意である。
　本実施形態では、後述のように投影光学系ＰＬ内に視野絞りが配置されているため、照明領域２１ａ～２１ｇは、その視野絞りのマスク面における像よりもわずかに大きい形状であればよい。照明装置ＩＬＡは、図２に示すように、超高圧水銀ランプよりなる３つの光源２ａ，２ｂ，２ｃを備えている。光源２ａ，２ｂ，２ｃから射出した照明光３ａ，３ｂ，３ｃは、それぞれ楕円鏡４ａ、４ｂ，４ｃにより集光される。光源２ａ～２ｃは、楕円鏡４ａ～４ｃの第１焦点位置に配置されており、楕円鏡４ａ，４ｂ，４ｃの第２焦点位置には光源２ａ，２ｂ，２ｃの光源像５ａ，５ｂ，５ｃが形成される。マスクＭを照明しない期間では、楕円鏡４ａ，４ｂ，４ｃの第２焦点の近くに配置されたシャッタ（不図示）によって照明光３ａ，３ｂ，３ｃは遮光される。なお、光源２ａ，２ｂ，２ｃの個数は任意であり、光源は一つ（例えば光源２ａのみ）でもよい。
　光源像５ａ，５ｂ，５ｃから発散光として射出される照明光３ａ，３ｂ，３ｃは、それぞれ変倍光学系８ａ，８ｂ，８ｃによりライトガイドファイバ１０の入射端１２ａ，１２ｂ，１２ｃに集光される。変倍光学系８ａ，８ｂ，８ｃは、それぞれ光源像５ａ，５ｂ，５ｃの倍率が可変の像（以下、光源像という）９ａ，９ｂ，９ｃを入射端１２ａ，１２ｂ，１２ｃの入射面に形成する。変倍光学系８ａ～８ｃは、一例として駆動部６ａによって光軸に沿って移動可能な前群レンズ系６、及び駆動部７ａによって光軸に沿って移動可能な後群レンズ系７を有するズームレンズ（ズーム光学系）である。制御部３０が、駆動部６ａ，７ａを介して前群レンズ系６及び後群レンズ系７の位置を制御することで、変倍光学系８ａ～８ｃの倍率を制御できる。
　ここで、変倍光学系８ａが最小倍率のときの光源像９ａの高さ（像高）をｙ１、このときの光源像９ａを形成する照明光３ａの光軸に対する最大の傾き角をα１とする。また、変倍光学系８ａの倍率がその倍率よりも高い最大倍率のときの光源像９ａの高さをｙ２、このときの照明光３ａの光軸に対する最大の傾き角をα２とする。最大の傾き角とは、いわゆる錐角の１／２でもある。なお、光源像９ａの光強度分布が正規分布（ガウス分布）状である場合、光源像９ａの高さとは、その光強度分布のうちで光強度が最大強度の例えば１０％～５０％程度になる位置、又は例えば３０％程度になる位置の間隔とみなすことも可能である。変倍光学系８ａが正弦条件を満たすものとすると、次の関係が成立する。
　ｙ１・ｓｉｎα１＝ｙ２・ｓｉｎα２　　…（１）
　ここでは高さｙ２が高さｙ１より高いため、式（１）より、傾き角α２は傾き角α１よりも小さくなる。このことから、変倍光学系８ａ～８ｃは、倍率可変の光源像９ａ～９ｃを形成することによって、入射端１２ａ～１２ｃに入射する照明光の最大の傾き角を制御又は調整できる光学系でもある。本実施形態では、変倍光学系８ａ～８ｃは互いに同じ倍率になるように制御される。
　光伝送部材としてのライトガイドファイバ１０は、多数の光ファイバ素線１１（図５（Ａ）参照）をランダムに束ねて構成されたファイババンドルであって、３つの入射端１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、複数（ここでは７つ）の照明領域に対応した複数（ここでは７つ）の射出端（図２においては、射出端１４ａ，１４Ｂのみを示す。）とを有し、入射端１２ａ～１２ｃから受光した照明光３ａ～３ｃをその複数の射出端に分配する。これによって、各照明光３ａ～３ｃの少なくとも一部は、それぞれその複数の射出端から射出され、照明装置ＩＬＡは、複数の光源２ａ～２ｃから各々発せられる照明光を混合して射出することができる。ここでは、ライトガイドファイバ１０は、入射端１２ａ～１２ｃから受光した各照明光を複数の射出端へほぼ等しい光量比で分配して射出させるように構成されているものとする。
　また、光ファイバ素線１１は、それぞれ入射する光束の最大の傾き角と、射出される光束の最大の傾き角とがほぼ等しくなるように、入射する光束の傾き角を維持して射出させるものである。このため、ライトガイドファイバ１０の入射端１２ａ～１２ｃに入射する照明光３ａ～３ｃの最大の傾き角と、その複数の射出端から射出される照明光の最大の傾き角とはほぼ等しい。また、一例として、変倍光学系８ａ～８ｃから射出される照明光は、それぞれ主光線が光軸に平行になる状態で、すなわちいわゆるテレセントリックな状態で、対応する入射端１２ａ～１２ｃに入射する。これによって、ライトガイドファイバ１０の各光ファイバ素線１１の伝送可能な入射角の範囲内に照明光を均一に入射させることができる。また、変倍光学系８ａ～８ｃから射出される照明光の最大の傾き角は、光ファイバ素線１１の伝送可能な最大の入射角（傾き角）よりも小さい範囲で制御される。
　ライトガイドファイバ１０の複数の射出端１４ａ，１４ｂ等から射出された照明光２０ａ，２０ｃ等のそれぞれは、マスクＭの部分的な照明領域２１ａ，２１ｃ等を照明する複数（ここでは７つ）の互いに同じ構成の部分照明光学系ＩＬ１～ＩＬ７（ただし、部分照明光学系ＩＬ２，ＩＬ４～ＩＬ７は図示省略）に入射する。部分照明光学系ＩＬ１～ＩＬ７は、後述する部分投影光学系ＰＬ１～ＰＬ７にそれぞれ対応付けられ、走査方向に直交する非走査方向（Ｙ方向）に沿って千鳥格子状に配置されている。
　部分照明光学系ＩＬ１，ＩＬ３では、ライトガイドファイバ１０の射出端１４ａ，１４ｂから射出した照明光２０ａ．２０ｃは、それぞれコリメートレンズであるインプットレンズ１５によって集光されて平行光束に変換された後、オプティカルインテグレータであるフライアイレンズ１６に入射する。フライアイレンズ１６に入射した照明光２０ａ，２０ｃは、フライアイレンズ１６を構成する多数のレンズエレメントによって波面分割され、その射出面近傍の後側焦点面（照明光学系の射出瞳面）に複数の光源像からなる二次光源（面光源）を形成する。その後側焦点面に開口絞り１７が配置されている。制御部３０は、駆動部１７ａを介して開口絞り１７の開口の大きさ及び形状を制御する。これによって、部分照明光学系ＩＬ１，ＩＬ３によってマスクＭを照明する照明光の開口数ＮＡを制御できる。以下では、照明光の開口数ＮＡは、コヒーレンスファクタであるσ値（マスクを照明する照明光の開口数を、投影光学系のマスク側の開口数で割った値）を用いて表すものとする。このため、開口絞り１７はσ絞りと呼ぶこともできる。なお、輪帯照明を行う場合には、開口絞り１７を輪帯状の大きさ可変の開口を有する輪帯照明用の開口絞り（不図示）と交換してもよい。
　開口絞り１７の開口から射出された照明光２０ａ，２０ｃは、コンデンサーレンズ１８を介して、マスクＭ上の対応する照明領域２１ａ，２１ｃをほぼ均一の照度分布で照明する。なお、図示しない部分照明光学系ＩＬ２，ＩＬ４～ＩＬ７の構成は部分照明光学系ＩＬ１と同一であり、部分照明光学系ＩＬ２，ＩＬ４～ＩＬ７も部分照明光学系ＩＬ１と同様に、マスクＭ上の各々対応する照明領域をほぼ均一の照度分布で照明する。
　部分照明光学系ＩＬ１～ＩＬ７のそれぞれに対応するマスクＭ上の照明領域２１ａ～２１ｇからの照明光は、それぞれ部分投影光学系ＰＬ１～ＰＬ７に入射する。図３は、部分投影光学系ＰＬ１の構成を示す図である。図３に示すように、部分投影光学系ＰＬ１は、マスク面の対応する照明領域２１ａ内に設けられたパターンの中間像を視野絞り２２の開口部に形成する第１反射屈折型光学系ＰＬ１１と、この第１反射屈折型光学系ＰＬ１１と協働して、プレートステージＰＳＴに支持されたプレートＰの露光領域２３aにマスクＭのパターンの像を等倍正立像として結像する第２反射屈折光学系ＰＬ１２とを備えている。また、部分投影光学系ＰＬ２～ＰＬ７は、部分投影光学系ＰＬ１と同一の構成を有しており、マスク面の各々対応する照明領域内に形成されたパターンの像をプレートＰ上に結像する。なお、部分投影光学系ＰＬ１～ＰＬ７は、非走査方向に沿って千鳥格子状に配置されている。
　図２において、制御部３０には、光源２ａ～２ｃに対して電力の供給を行う電源装置３２が接続されている。制御部３０は、プレートＰの露光又は照明装置ＩＬＡのキャリブレーションを行う場合等に、電源装置３２を介して光源２ａ～２ｃを点灯させる。なお、必要露光量が小さい場合には、光源２ａ～２ｃのうち少なくとも一つの光源のみを点灯させることも可能である。
　露光時の基本的な動作として、制御部３０は、照明光のσ値等及び変倍光学系８ａ～８ｃの倍率を含む照明条件を設定し（詳細後述）、光源２ａ～２ｃを点灯させる。そして、照明装置ＩＬＡによってマスクＭを照明し、マスクＭを支持するマスクステージＭＳＴ及びプレートＰを支持するプレートステージＰＳＴを駆動して、マスクＭ及びプレートＰを部分投影光学系ＰＬ１～ＰＬ７に対して走査方向に同期移動させること（走査露光）と、プレートＰを非走査方向又は走査方向に移動させること（ステップ移動）とを繰り返すことで、ステップ・アンド・スキャン方式でマスクＭに形成されたパターンの像をプレートＰの複数の被露光領域に露光する。
　また、照明装置ＩＬＡのキャリブレーションを行う場合には、一例として、照明領域２１ａ～２１ｇのそれぞれの複数の位置に照度センサ（不図示）を配置する。そして、光源２ａ～２ｃを点灯させて、σ値を変化させた場合、及び変倍光学系８ａ～８ｃの倍率を変化させた場合において、そられの照度センサで計測される照度分布が目標とする分布に対して所定の許容範囲内に収まるように、変倍光学系８ａ～８ｃ及び部分照明光学系ＩＬ１～ＩＬ７の調整を行うことで、照度分布が均一になる。
　以下、本実施形態の照明装置ＩＬＡの照明条件の設定を含む照明方法及び露光装置ＥＸを用いる露光方法の動作の一例につき図４のフローチャートを参照して説明する。その動作は制御部３０によって制御される。
　まず、光源２ａ～２ｃを点灯させていない状態で、図４のステップ１０２において、露光対象のマスクＭのパターンの種類及び微細度等に応じて、照明装置ＩＬＡの部分照明光学系ＩＬ１～ＩＬ７の開口絞り１７を用いて、照明光のσ値を制御する。なお、輪帯照明を行う場合には、開口絞り１７を輪帯照明用の開口絞り（不図示）と交換してもよい。ここでは、図５（Ａ）に示すように、開口絞り１７の例えば円形の開口の直径を最大値にして、σ値を最大値ＮＡ１（例えば０．８～０．９程度）に設定し、大σ照明を行うものとする。大σ照明を行う場合には、ライトガイドファイバ１０の射出端１４ａから射出される照明光がインプットレンズ１５を介して平行光束となってフライアイレンズ１６の入射面の最も広い範囲（開口絞り１７の最大の開口に対向する領域よりもわずかに広い範囲）を照明する必要がある。このため、射出端１４ａから射出される照明光の最大の傾き角を調整可能な範囲内の最大値に設定する必要がある。
　そして、ステップ１０４において、開口絞り１７によって設定されるσ値に応じて、変倍光学系８ａ～８ｃの倍率、ひいてはライトガイドファイバ１０の入射端１２ａ～１２ｃに形成される光源像９ａ～９ｃを形成する照明光３ａ～３ｃの最大の傾き角を調整する。開口絞り１７として輪帯照明用の開口絞りを使用する場合、そのσ値としては、輪帯状の開口の外径で定まるσ値を使用してもよい。ここでは、σ値が最大値ＮＡ１に設定されているため、変倍光学系８ａ～８ｃの倍率は変倍可能な範囲で最小値に設定され、照明光３ａ～３ｃの最大の傾き角は調整可能な範囲内で最大値α１に設定される。図５（Ａ）において、変倍光学系８ａの焦点距離はｆ１に設定され、光源像９ａの高さは調整可能な範囲内の最小値ｙ１に設定されている。
　ライトガイドファイバ１０を構成する各光ファイバ素線１１では、入射光束の最大の傾き角と、射出光束の最大の傾き角とはほぼ等しい。このため、開口絞り１７の開口径を最大にした場合に、ライトガイドファイバ１０の射出端１４ａから射出される照明光２０ａはインプットレンズ１５を介してその最大の開口を照明可能なフライアイレンズ１６の入射面の領域に入射する。また、入射端１２ａに形成される光源像９ａの光強度分布（照度分布）Ｄ１は、ほぼ軸対称の正規分布状であり、中央部分が強く、周辺部分に向かって急激に弱くなっている。光源像９ａの高さが最小値ｙ１の場合、光強度分布Ｄ１は、最大値に対して１０％程度以下の部分が入射端１２ａの入射面の外側に広がるが、入射する照明光３ａの大部分（より正確には入射する照明光３ａ～３ｃをランダムに合成した光束）が射出端１４ａ等から射出される。
　射出端１４ａから射出される照明光２０ａのフライアイレンズ１６の入射面での光強度分布Ｃ３１は、光軸から離れるにつれてわずかに強くなり、その外側で急激に弱くなるほぼ軸対称の分布である。光強度分布Ｃ３１は、開口絞り１７の開口に対向する領域でほぼ均一な値とみなすことができ、開口絞り１７の開口には、射出端１４ａから最大の傾き角がほぼα１で射出される照明光２０ａの大部分が入射する。このため、開口絞り１７の開口を通過してコンデンサーレンズ１８を介してマスクＭに入射する照明光２０ａの、ライトガイドファイバ１０に入射する照明光３ａに対する割合である照明光の利用効率（以下、照明効率ともいう）は高くなっている。
　そして、ステップ１０６において、光源２ａ～２ｃを点灯させ、照明装置ＩＬＡによって光源２ａ～２ｃからの照明光３ａ～３ｃで、変倍光学系８ａ～８ｃ、ライトガイドファイバ１０、部分照明光学系ＩＬ１～ＩＬ８のインプットレンズ１５、フライアイレンズ１６、開口絞り１７、及びコンデンサーレンズ１８を介してマスクＭを照明する。そして、ステップ１０８において、投影光学系ＰＬによってマスクＭのパターンの像でプレートＰを露光しつつ、マスクＭ及びプレートＰを投影光学系ＰＬに対して同期移動することで、プレートＰが露光される。この際に、最大のσ値の照明光を用いて高い照明効率でマスクＭを照明できるため、マスクＭに形成されたパターンを高いスループット（生産性）で光精度にプレートＰに露光できる。
　次に、例えば露光対象のマスクＭのパターンがコンタクトホールのパターンのような微細な孤立パターンを含むような場合には、いわゆる小σ照明を行うために、ステップ１０２において、図５（Ｂ）に示すように、開口絞り１７の例えば円形の開口の直径を最小値にして、σ値を最小値ＮＡ２（例えば０．０５～０．１程度）に設定する。この場合、射出端１４ａから射出される照明光はインプットレンズ１５を介して平行光束となって、フライアイレンズ１６の入射面の最も小さい領域（開口絞り１７の最小の開口に対向する領域よりもわずかに広い領域）を照明すればよいため、射出端１４ａから射出される照明光の最大の傾き角は調整可能な範囲内の最小値α２に設定すればよい。そこで、ステップ１０４においては、変倍光学系８ａ～８ｃの倍率は変倍可能な範囲で最大値に設定され、照明光３ａ～３ｃの最大の傾き角は最小値α２に設定される。図５（Ｂ）において、変倍光学系８ａの焦点距離はｆ２に設定され、光源像９ａの高さは最大値ｙ２に設定される。
　この際に入射端１２ａに形成される光源像９ａの光強度分布Ｄ２は、図５（Ａ）の光強度分布Ｄ１を倍率比ｙ２／ｙ１で拡大したほぼ軸対称の正規分布状である。その光強度分布Ｄ２は、最大値に対して３５％程度以下の部分が、入射端１２ａの入射面の外側に広がり、入射する照明光３ａ～３ｃのうちの例えば６０％程度が射出端１４ａ等から射出される。光源像９ａの高さｙ２を光強度が最大値のほぼ３０％の部分の間隔とすると、高さｙ２の光源像９ａは、入射端１２ａの幅よりもわずかに大きくなる。
　しかしながら、この場合に、射出端１４ａから射出される照明光２０ａの最大の傾き角はほぼ最小値α２であり、照明光２０ａの大部分は、インプットレンズ１５を介して、フライアイレンズ１６の入射面において、開口絞り１７の最小の開口に対向する領域に入射する。この場合、射出端１４ａから射出される照明光２０ａのフライアイレンズ１６の入射面での光強度分布Ｃ１１は、図５（Ａ）の光強度分布Ｃ３１を半径方向に圧縮したようなほぼ軸対称の分布である。光強度分布Ｃ１１は、開口絞り１７の最小の開口に対向する領域でほぼ均一な値とみなすことができ、開口絞り１７の開口には、射出端１４ａから最大の傾き角がほぼα２で射出される照明光２０ａの大部分が入射する。このため、入射端１２ａに入射する照明光３ａの光量損失がある程度生じても、開口絞り１７の最小の開口を通過してコンデンサーレンズ１８を介してマスクＭに入射する照明光２０ａの照明光３ａに対する利用効率は高くなっている。その後、ステップ１０６及び１０８を行うことで、例えば孤立的なパターンを含むパターンを高いスループットで高精度にプレートＰに露光できる。
　ここで、比較例として、図６（Ａ）に示すように、変倍光学系８ａの倍率を図５（Ａ）の場合と同じく最小に設定して（照明光３ａの最大の傾き角を最大値α１に設定して）、開口絞り１７でσ値を最小値ＮＡ２に設定した場合を想定する。この比較例においては、射出端１４ａから射出される照明光２０ａのフライアイレンズ１６の入射面での光強度分布Ｃ３１は、開口絞り１７の最小の開口に対向する領域の外側の領域１６Ａａでもかなり強くなっている。このため、射出端１４ａから射出される照明光２０ａのうちで開口絞り１７の開口を通過できるのは例えば４５％程度となる。
　このため、本実施形態の図５（Ｂ）のように変倍光学系８ａの倍率を高くした場合のマスクＭに入射する照明光２０ａの照明効率は、図６（Ａ）の比較例に対してほぼ３０％（＝（６０／４５－１）・１００）程度改善されることになる。本実施形態では、３つの光源２ａ～２ｃが使用されているが、照明効率が例えば３０％改善される場合には、２つの光源２ａ，２ｂのみを点灯させて露光を行うことも可能になるため、光源２ａ～２ｃの寿命を延ばすことも可能になる。
　また、図６（Ｂ）は、図５（Ａ）、（Ｂ）の入射端１２ａでの照明光３ａの光強度分布Ｄ１，Ｄ２を相対光強度で表したものであり、図６（Ｂ）の横軸は入射端１２ａの中心位置を０として中心からの距離を相対値で表したものである。横軸の値が５０の位置が、一例として入射端１２ａのエッジ部の位置である。また、図６（Ｂ）の光強度分布Ｄ３は、図６（Ａ）の比較例の場合に、開口絞り１７の開口を通過した照明光と、フライアイレンズ１６に入射する照明光との光量比で光強度分布Ｄ１を圧縮した分布である。位置±５０の内側で光強度分布Ｄ２を積分して得られる光量が本実施形態で得られる光量であり、光強度分布Ｄ３を積分して得られる光量が比較例で得られる光量であり、この結果からも本実施形態によって照明効率が改善されることが分かる。
　また、図６（Ｃ）は、図５（Ａ）、（Ｂ）のフライアイレンズ１６の入射面での照明光２０ａの光強度分布Ｃ３１，Ｃ１１を相対光強度で表したものであり、図６（Ｃ）の横軸はその入射面の中心位置を０として中心からの距離をσ値で表したものである。光強度分布Ｃ３１，Ｃ１１は、σ値が０．８８と０．６５での値が等しくなるように相対強度が調整されている。この場合、σ値が０．５の位置での光強度分布Ｃ３１，Ｃ１１の値を平均光強度又は平均照度とすると、光強度分布Ｃ３１，Ｃ１１の平均照度はほぼ等しくなっている。
　次に、ステップ１０２において、開口絞り１７を用いてσ値を最大値ＮＡ１と最小値ＮＡ２との間の任意の値ＮＡ３に設定する場合には、ステップ１０４において、変倍光学系８ａ～８ｃの倍率を図５（Ａ）の場合の最小値（β１とする）と、図５（Ｂ）の場合の最大値（β２とする）との間の値β３に設定してもよい。一例としてβ３は次式で表されるように、σ値ＮＡ３が次第に小さくなるのに応じて、次第に大きく設定され、ライトガイドファイバ１０に入射する照明光の最大の傾き角は次第に小さく設定される。
　β３＝β１＋（ＮＡ１－ＮＡ３）（β２－β１）／（ＮＡ１－ＮＡ２）　…（２）
　これによって、どのようなσ値で照明を行う場合でも、σ値（照明条件）に応じて高い照明効率でマスクＭを照明することができ、マスクＭのパターンを高いスループットで高精度にプレートＰに露光できる。
　また、図７（Ａ）は図５（Ａ）の部分照明光学系ＩＬ１を示す拡大図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のライトガイドファイバ１０の射出端１４ａを正面から見た拡大図であり、図７（Ａ）においては、フライアイレンズ１６を構成する一部の互いに同じ形状のレンズエレメント１６ａが拡大して示されている。図７（Ｂ）に示すように、射出端１４ａは、多数の光ファイバ素線１１を規則的に束ねて構成されている。図７（Ａ）において、射出端１４ａはインプットレンズ１５及びレンズエレメント１６ａによって、レンズエレメント１６ａの射出面（開口絞り１７の配置面であるいわゆる瞳面）に結像される。また、レンズエレメント１６ａの入射面は、レンズエレメント１６ａ及びコンデンサーレンズ１８によってマスクＭの照明領域２１ａに結像されるため、照明領域２１ａが露光視野（図３の視野絞り２２の開口と共役な領域）よりもわずかに大きくなるように、フライアイレンズ１６の各レンズエレメント１６ａの形状が決定される。
　ライトガイドファイバ１０の入射端１２ａの光強度分布は変倍光学系８ａによって変更される。ここでは、一例として、大σ照明時の最大光強度の１０％程度までの光強度の光が入射する光ファイバ素線１１から射出される光によって、インプットレンズ１５及びフライアイレンズ１６を介して開口絞り１７の配置面に形成される光源像を照明に寄与する有効な光源像とみなす。また、射出端１４ａの全部の光ファイバ素線１１から射出される光がそれぞれ有効な光源像を形成する場合、その光が入射する範囲にあるフライアイレンズ１６のレンズエレメント１６ａの射出面に形成される有効な光源像の数ｎ１は、射出端１４ａを構成する光ファイバ素線１１の数ｎ２と同じである。
　以下では、レンズエレメント１６ａの射出面に形成される有効な光源像の数ｎ１の、射出端１４ａを構成する光ファイバ素線１１の数ｎ２に対する比率（＝ｎ１／ｎ２）を、レンズエレメント１６ａにおける光ファイバ素線１１からの照明光の充填率γと称する。本実施形態では、一例として、充填率γが１（１００％）を維持するように、変倍光学系８ａの倍率（入射端１２ａに入射する照明光の最大の傾き角）が調整される。
　このとき、輪帯照明、大σ照明、又は小σ照明を行う場合に、開口絞り１７の開口内にあるフライアイレンズ１６のレンズエレメント１６ａの射出面には、それぞれ図８（Ａ）、図８（Ｂ）、又は図８（Ｃ）に示すように、互いに同じ最大の密度分布（図７（Ｂ）の光ファイバ素線１１の密度分布に対応する分布）で有効な光源像２４が形成される。なお、図８（Ａ）では、開口絞り１７の開口が輪帯状の開口１７ｃに設定されている。輪帯照明又は大σ照明を行う場合、変倍光学系８ａ～８ｃからライトガイドファイバ１０の入射端１２ａ～１２ｃに入射する照明光の最大の傾き角は、小σ照明を行う場合に比べて大きく設定される。
　また、説明の便宜上、図８（Ａ）～（Ｃ）、及び後述の図９（Ａ）、（Ｂ）において、フライアイレンズ１６の各レンズエレメント１６ａは、開口１７ｂ，１７ｃに対して実際よりも大きく表されている。
　このように、本実施形態では、輪帯照明、大σ照明、又は小σ照明を行う場合の光ファイバ素線１１からの照明光の充填率γは共通に１となる範囲で、変倍光学系８ａの倍率が調整されている。この場合、開口絞り１７の開口内の有効な光源像１４の数が最大であるため、マスクＭにおける照度分布の均一性が良好である。なお、充填率γはほぼ１（例えば０．９～１）でもよい。
　ただし、ライトガイドファイバ１０の入射端１２ａ～１２ｃに入射する照明光の光強度は中心部分が最大で、周辺に向かうほど小さくなっている。そのため、入射端１２ａを構成する多数の光ファイバ素線１１のうちで、例えば大σ照明時の最大値に対して７０％程度以上、７０～４０％、及び４０～１０％程度の光強度の照明光３ａが入射する光ファイバ素線１１からの照明光で形成される光源像をそれぞれ光源像２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃとする。このとき、図５（Ａ）に示すように、σ値を大きく設定する場合には、フライアイレンズ１６の射出面において、開口絞り１７の開口１７ｂ内のレンズエレメント１６ａの射出面には、図９（Ａ）に示すように、光源像２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃがランダムな配置で形成される。
　また、ライトガイドファイバ１０の射出端１４ａから射出される照明光は、フライアイレンズ１６の複数のレンズエレメント１６ａ（光学要素）の入射口（大きい開口１７ｂ内にある部分の複数のレンズエレメント１６ａの入射面）の大きさよりも広い領域に分布している。
　これに対して、図５（Ｂ）に示すように、σ値を小さく設定する場合には、フライアイレンズ１６の射出面において、開口絞り１７の開口１７ｂ内のレンズエレメント１６ａの射出面には、図９（Ｂ）に示すように、ほぼ中程度の光強度の光源像２４Ｂが規則的な配置で形成される。また、ライトガイドファイバ１０の射出端１４ａから射出される照明光は、小さい開口１７ｂ内にある部分のフライアイレンズ１６の複数のレンズエレメント１６ａの入射口の大きさよりも広い領域に分布している。このため、小σ照明ではフライアイレンズ１６の各レンズエレメント１６ａの射出面に形成される光源像２４Ｂの光強度が図９（Ａ）の場合より均一であるため、照度分布がより均一化されることになる。
　また、比較例のように、開口数ＮＡ２の小σ照明を行う際に、図９（Ａ）に点線で示すように、単に開口絞り１７の開口１７ｂを小さくする場合には、ライトガイドファイバ１０から開口１７ｂの外側に入射する照明光の多くが遮光されるため、照明光の利用効率は低下することになる。
　上述のように、本実施形態のマスクＭを照明する照明装置ＩＬＡは、照明光を発生する光源２ａと、ステップ１０４において照明光の最大の傾き角を調整する変倍光学系８ａと、ステップ１０６において変倍光学系８ａを介した照明光を集光して平行光束にするインプットレンズ１５（以下、第１集光光学系ともいう）と、ステップ１０６において、変倍光学系８ａを介した照明光を、その照明光の最大の傾き角を維持してインプットレンズ１５に射出するライトガイドファイバ１０（以下、光学部材ともいう）と、ステップ１０２において、その照明光の開口数（σ値）を調整する開口絞り１７と、ステップ１０６において、その開口数が制御された照明光をマスクＭに導くコンデンサーレンズ１８（以下、第２集光光学系ともいう）とを備えている。
　本実施形態の照明装置ＩＬＡによれば、照明光の開口数を小さくした小σ照明を行う場合に、変倍光学系８ａによってその照明光の最大の傾き角を小さくすることによって、開口絞り１７の開口に入射する照明光の割合を大きくすることができ、照明光の利用効率を高めることができる。このため、マスクＭをより大きい照度で照明できる。また、同じ照度でマスクＭを照明する場合には、光源２ａの寿命を長くできるとともに、複数の光源２ａ～２ｃを使用する場合に、使用する光源の数を減らして照明装置ＩＬＡの小型化及び低コスト化を図ることができる。また、ライトガイドファイバ１０を用いているため、光源２ａとマスクＭとを離すことができ、マスクＭの熱膨張を抑制できる。
　また、本実施形態のマスクＭのパターンをプレートＰに露光する露光装置ＥＸは、ステップ１０２～１０６において、マスクＭを照明する照明装置ＩＬＡと、ステップ１０８において、照明装置ＩＬＡで照明されたマスクＭのパターンの像をプレートＰに形成する投影光学系ＰＬと、を備えている。露光装置ＥＸによれば、照明装置ＩＬＡにおける照明光の利用効率が高いため、照明光の照度を高めることで、高いスループットで高精度にマスクＭのパターンをプレートＰに露光できる。また、照明光の照度が従来と同じ場合には、照明装置ＩＬＡを小型化及び低コスト化できるため、露光装置ＥＸをより小型化及び低コスト化できる。
　また、ライトガイドファイバ１０は複数の入射端１２ａ～１２ｃ及び複数の射出端１４ａ，１４ｂ等を備えているため、複数の光源２ａ～２ｃからの照明光をランダムに混合して、複数の部分照明光学系ＩＬ１～ＩＬ７用の光束に容易に分岐できる。
　また、複数のレンズエレメント１６ａを含むフライアイレンズ１６を備えているため、マスクＭの照明領域における照明光の照度分布をより均一にできる。
　なお、上述の実施形態では、次のような変形が可能である。
　上述の実施形態の変倍光学系８ａとしては、図１０（Ａ）に示すように、３枚のレンズよりなる前群レンズ系６Ａと、３枚のレンズよりなる後群レンズ系７Ａとを有し、倍率調整時には、例えば後群レンズ系７Ａの位置を調整する変倍光学系８Ａａを使用することができる。
　さらに、変倍光学系８ａとしては、光源像５ａと光源像９ａとの間の光路上で、光源像の中間像を形成するタイプの光学系を使用することもできる。
　また、上述の実施形態では、照明光の最大の傾き角を制御するために変倍光学系８ａが使用されているが、変倍光学系８ａの代わりに、図１０（Ｂ）に示すように、光学系を部分的に交換して倍率を切り換える方式のリレー光学系８Ｂａを使用してもよい。リレー光学系８Ｂａは、前群レンズ系６Ａと、レンズ７Ｂａ及び２枚のレンズを有するレンズ群７Ｂｂよりなる第１の後群レンズ系７Ｂと、レンズ７Ｃａ及び７Ｃｂよりなる第２の後群レンズ系７Ｃとを有する。そして、倍率が低いときには、前群レンズ系６Ａと第１の後群レンズ系７Ｂとを用いて、光源像９ａを形成し、倍率が高いときには、第１の後群レンズ系７Ｂの代わりに第２の後群レンズ系７Ｃを用いて光源像９ａを形成する。このように交換式のリレー光学系８Ｂａを使用する場合には、傾き角を制御するための光学系を安価に製造できる。
　また、上述の実施形態の変倍光学系８ａの例えば前群レンズ系６と後群レンズ系７との間に、米国特許第５，７１９，７０４号明細書に開示されているように、また、図１０（Ａ）に点線で示すように、２つの円錐状のプリズム状の光学部材７Ｂ１，７Ｂ２からなる光学系（アキシコン系）を設けてもよい。この際に、通常照明を行う場合には、その２つの光学部材７Ｂ１，７Ｂ２を密着させ、輪帯照明を行う場合には、その２つの光学部材７Ｂ１，７Ｂ２の間隔を調整して、前群レンズ系６と後群レンズ系７との間を通過する照明光３ａの断面形状を大きさが可変の輪帯状としてもよい。この場合、ライトガイドファイバ１０の射出端１４ａから射出される照明光２０ａはインプットレンズ１５を介してフライアイレンズ１６の入射面の輪帯状の領域に入射する。そして、輪帯照明を行う場合に、開口絞りの輪帯状の開口の大きさに応じてその２つの光学部材７Ｂ１，７Ｂ２の間隔を調整することで、輪帯照明を行う場合の照明光の利用効率をさらに改善できる。
　また、上述の実施形態では、オプティカルインテグレータとしてフライアイレンズ１６が使用されているが、フライアイレンズ１６の代わりにマイクロレンズアレイ、又はロッドインテグレータ等を使用してもよい。
　上述の実施形態では、光源２ａ～２ｃとして超高圧水銀ランプが使用されているが、光源２ａ～２ｃとしては、他の任意の放電ランプ等のランプを使用できる。また、光源２ａ～２ｃとして、発光ダイオード（ＬＥＤ）等を使用することも可能である。また、光源２ａ～２ｃとして、固体レーザ、気体レーザ、又は半導体レーザ等のレーザ光源を使用してもよい。また、照明光としてレーザ光の高調波等を使用することも可能である。
　そして、光源としてレーザ光源を使用して、照明光の最大の傾き角を大きく設定する場合には、一例として、図１０（Ｃ）に示すように、レーザ光源（不図示）から発生する平行光束よりなるレーザビームＬＢの光路上に、微細な次第にピッチが小さくなる同心円状（ゾーンプレート状）の位相型の凹凸が形成された回折格子８Ｃを配置する。回折格子８Ｃの最小のピッチは、最大の傾き角に応じて規定される。
　そして、レーザ光源を使用して照明光の最大の傾き角を小さく設定する場合には、レーザビームＬＢの光路上に、回折格子８Ｃと同様の同心円状の位相型の凹凸が形成されるとともに、その最小のピッチは回折格子８Ｃよりも大きい回折格子８Ｄを配置する。この変形例では、回折格子８Ｃを使用する場合には、最大の傾き角が大きい照明光を生成でき、回折格子８Ｄを使用する場合には、最大の傾き角が小さい照明光を生成できるため、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
　また、上述の実施形態においては、マルチレンズ式の走査型露光装置を例として説明したが、走査型露光装置の他に、マスクＭとプレートＰとを静止した状態でマスクＭのパターンを露光し、プレートＰを順次ステップ移動させるステップ・アンド・リピート型の露光装置に上述の実施形態を適用することもできる。また、照明装置の光源として３つの光源を用いているが、照明装置が１つ、２つ、又は４つ以上の光源を備えていてもよい。また、上述の実施形態においては、ライトガイドファイバが７つの射出端を有しているが、ライトガイドファイバの射出端は、１つ以上あればその数はいくつでも良い。
　また、上述の実施形態では、複数の光源２ａ～２ｃからの照明光を複数の部分照明光学系ＩＬ１～ＩＬ７用の光束に分岐しているが、一つの光源２ａからの照明光で一つの部分照明光学系ＩＬ１を介してマスクＭを照明し、マスクＭのパターンを一つの結像光学系（例えば部分投影光学系ＰＬ１と同様の光学系）を介してプレートＰに転写してもよい。この場合には、ライトガイドファイバ１０を設けることなく、変倍光学系８ａからの照明光３ａを、直接にインプットレンズ１５を介してフライアイレンズ１６に入射させてもよい。
　次に、上述の実施形態にかかる露光装置又は露光方法を用いたデバイス製造方法について説明する。図１１は、液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図１１に示すように、液晶デバイスの製造工程では、パターン形成工程（ステップ２００）、カラーフィルタ形成工程（ステップ２０２）、セル組立工程（ステップ２０４）、及びモジュール組立工程（ステップ２０６）を順次行う。
　ステップ２００のパターン形成工程では、プレートとしてフォトレジストが塗布されたガラス基板上に、上述の露光装置又は露光方法を用いて回路パターンおよび電極パターン等の所定のパターンを形成する。このパターン形成工程には、上述の実施形態の露光装置又は露光方法を用いてフォトレジスト層にパターンを転写する露光工程と、パターンが転写されたプレートの現像を行い、パターンに対応する形状のフォトレジスト層をマスク層として生成する現像工程と、この現像されたフォトレジスト層を介してガラス基板の表面を加工する加工工程とが含まれている。
　ステップ２０２のカラーフィルタ形成工程では、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に対応する３つのドットの組をマトリクス状に多数配列するか、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルタの組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルタを形成する。
　ステップ２０４のセル組立工程では、ステップ２００によって所定パターンが形成されたガラス基板と、ステップ２０２によって形成されたカラーフィルタとを用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。具体的には、例えばガラス基板とカラーフィルタとの間に液晶を注入することで液晶パネルを形成する。
　ステップ２０６のモジュール組立工程では、ステップ２０４によって組み立てられた液晶パネルに対し、この液晶パネルの表示動作を行わせる電気回路およびバックライト等の各種部品を取り付ける。このように本実施形態のデバイス製造方法では、上述の実施形態の露光装置ＥＸ、又は露光方法を用いて、所定のパターンをガラス基板に形成することと、その所定のパターンを介してそのガラス基板を加工することと、を含んでいる。本実施形態の露光装置ＥＸ又は露光方法によれば、高い照明効率で露光を行うことができるため、電子デバイスを高いスループットで高精度に製造できる。
　また、上述の実施形態の露光装置ＥＸ又は露光方法は、半導体デバイスを製造する際にも適用できる。また、上述の実施形態は、半導体デバイス製造用又は液晶デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、プラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、上述の実施形態は、各種デバイスの製造に用いるマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の露光装置にも適用することができる。 
　２ａ，２ｂ，２ｃ…光源、４ａ，４ｂ，４ｃ…楕円鏡、８ａ～８ｃ…変倍光学系、１０…ライトガイドファイバ、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…入射端、１４ａ，１４ｂ…射出端、１５…インプットレンズ、１６…フライアイレンズ、１７…開口絞り、１８…コンデンサーレンズ、３０…制御部、３２…電源装置、ＥＸ…露光装置、ＩＬＡ…照明装置、ＩＬ１，ＩＬ３…部分照明光学系、ＰＬ…投影光学系、ＰＬ１～ＰＬ７…部分投影光学系、Ｍ…マスク、Ｐ…プレート

Claims (29)

  1. 　マスクを照明する照明装置であって、
    　照明光を発生する光源と、
    　前記照明光の傾き角を調整する光学系と、
    　前記光学系を介した前記照明光を集光する第１集光光学系と、
    　前記光学系を介した前記照明光を、前記照明光の前記傾き角を維持して前記第１集光光学系に射出する光学部材と、
    　前記第１集光光学系から射出した前記照明光の開口数を調整する開口絞りと、
    　開口数が調整された前記照明光を前記マスクに導く第２集光光学系と、
    を備える照明装置。
  2. 　前記第１集光光学系は、前記照明光の照度分布を均一化する複数の光学要素を含んだ光学要素群を有し、
    　前記光学部材を通過した前記照明光は、前記第１集光光学系の複数の前記光学要素の入射口の大きさよりも広い領域に分布する、請求項１に記載の照明装置。
  3. 　前記開口絞りの開口数に基づいて、前記光学系は、前記照明光の前記傾き角を調整する、請求項１又は２に記載の照明装置。
  4. 　前記開口絞りで開口数を小さくするときに、前記光学系は、前記照明光の前記傾き角を小さくする、請求項３に記載の照明装置。
  5. 　前記開口絞りで開口数を大きくするか、又は前記開口絞りの開口を輪帯形状にするときに、前記光学系は、前記照明光の前記傾き角を大きくする、請求項３に記載の照明装置。
  6. 　前記光学系は、前記光源の倍率可変の像を形成する変倍光学系である、請求項１～５のいずれか一項に記載の照明装置。
  7. 　前記開口絞りで開口数を小さくするときに、前記変倍光学系は、前記光源の像の倍率を大きくする、請求項６に記載の照明装置。
  8. 　前記開口絞りで開口数を大きくするか、又は前記開口絞りの開口を輪帯形状にするときに、前記変倍光学系は、前記光源の像の倍率を小さくする、請求項６に記載の照明装置。
  9. 　前記光学部材は、前記光学系を介した前記照明光を、前記照明光の前記傾き角を維持して複数の光束に分岐し、
    　前記第１集光光学系、前記開口絞り、及び前記第２集光光学系を、前記光学部材で分岐される前記複数の光束に対応して複数組備え、
    　前記マスクの複数の照明領域を照明する、請求項１～８のいずれか一項に記載の照明装置。
  10. 　前記光学部材は、複数の入射端を有し、
    　前記光源及び前記光学系を、前記光学部材の前記複数の入射端に対応して複数組備える、請求項９に記載の照明装置。
  11. 　前記光源の像の照度分布は正規分布状である、請求項１～１０のいずれか一項に記載の照明装置。
  12. 　前記光学部材は複数の光ファイバ素線を束ねて構成され、
    　前記光学部材の射出端を構成する前記光ファイバ素線の数と、前記光学要素群の複数の前記光学要素のそれぞれの射出端に形成される光源像の数とがほぼ等しい範囲で、前記開口絞りで前記照明光の開口数を調整する、請求項２に記載の照明装置。
  13. 　マスクのパターンを基板に露光する露光装置であって、
    　請求項１～１２のいずれか一項に記載の照明装置と、
    　前記照明装置で照明された前記マスクのパターンの像を基板に形成する投影光学系と、を備える露光装置。
  14. 　前記照明装置は前記マスクの複数の照明領域を照明し、
    　前記投影光学系を、前記複数の照明領域に対応して複数備え、
    　前記複数の照明領域の配列方向に交差する方向に、前記マスクと前記基板とを相対的に走査するステージ装置を備える請求項１３に記載の露光装置。
  15. 　マスクを照明する照明方法であって、
    　光源から発生された照明光の傾き角を調整することと、
    　前記傾き角が調整された前記照明光を、前記照明光の前記傾き角を維持する光学部材を介して射出することと、
    　射出された前記照明光を集光することと、
    　前記照明光の開口数を調整することと、
    　開口数が調整された前記照明光を前記マスクに導くことと、
    を含む照明方法。
  16. 　前記照明光を集光することは、複数の光学要素を含んだ光学要素群を用いて前記照明光の照度分布を均一化することを含み、
    　前記光学部材を通過した前記照明光は、複数の前記光学要素の入射口の大きさよりも広い領域に分布する、請求項１５に記載の照明方法。
  17. 　前記照明光の前記傾き角を調整することは、前記照明光の開口数に基づいて前記照明光の前記傾き角を調整することを含む、請求項１５又は１６に記載の照明方法。
  18. 　前記照明光の開口数を小さくするときに、前記照明光の前記傾き角を小さくする、請求項１７に記載の照明方法。
  19. 　前記照明光の開口数を調整することは、前記照明光を用いて輪帯照明を行うことを含み、
    　前記照明光の開口数を大きくするか、又は前記照明光を用いて輪帯照明を行うときに、前記照明光の前記傾き角を大きくする、請求項１７に記載の照明方法。
  20. 　前記照明光の前記傾き角を調整することは、前記光源の倍率可変の像を形成することを含む、請求項１５～１９のいずれか一項に記載の照明方法。
  21. 　前記照明光の開口数を小さくするときに、前記光源の像の倍率を大きくする、請求項２０に記載の照明方法。
  22. 　前記照明光の開口数を調整することは、前記照明光を用いて輪帯照明を行うことを含み、
    　前記照明光の開口数を大きくするか、又は前記照明光を用いて輪帯照明を行うときに、前記光源の像の倍率を小さくする、請求項２０に記載の照明方法。
  23. 　前記光学部材を用いて、前記傾き角が調整された前記照明光を複数の光束に分岐することを含み、
    　前記複数の光束を用いて、前記マスクの複数の照明領域を照明する、請求項１５～２２のいずれか一項に記載の照明方法。
  24. 　前記光学部材は、複数の入射端を有し、
    　複数の前記光源からの前記照明光をそれぞれ前記傾き角を調整して前記複数の入射端に入射させることを含む、請求項２３に記載の照明方法。
  25. 　前記光学部材は複数の光ファイバ素線を束ねて構成され、
    　前記光学部材の射出端を構成する前記光ファイバ素線の数と、前記光学要素群の複数の前記光学要素のそれぞれの射出端に形成される光源像の数とがほぼ等しい範囲で、前記照明光の開口数を調整する、請求項１６に記載の照明方法。
  26. 　マスクのパターンを基板に露光する露光方法であって、
    　請求項１５～２５のいずれか一項に記載の照明方法を用いて前記マスクを照明することと、
    　照明された前記マスクのパターンの像を基板に形成することと、
    を含む露光方法。
  27. 　前記照明方法は前記マスクの複数の照明領域を照明することを含み、
    　前記複数の照明領域の前記マスクのパターンの像をそれぞれ前記基板に形成することと、
    　前記複数の照明領域の配列方向に交差する方向に、前記マスクと前記基板とを相対的に走査することとを含む、請求項２６に記載の露光方法。
  28. 　請求項１３又は１４に記載の露光装置を用いて、所定のパターンを基板に形成することと、
    　前記所定のパターンを介して前記基板を加工することと、を含むデバイス製造方法。
  29. 　請求項２６又は２７に記載の露光方法を用いて、所定のパターンを基板に形成することと、
    　前記所定のパターンを介して前記基板を加工することと、を含むデバイス製造方法。
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