JP2000277421A

JP2000277421A - 照明装置

Info

Publication number: JP2000277421A
Application number: JP11083093A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Goto; 明弘後藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2000-10-06
Also published as: US6587182B1; US20030218734A1

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザビームによるガウス強度ムラとオプティ
カルインテグレータによる干渉ノイズとを同時に低減で
きる小型で簡便な構成の照明装置を提供すること。【解決手段】所定のパターンが形成されたマスクを照明
する照明装置において、ビーム光を供給する光源１と、
反射部材４と光分割部材５とで構成され、前記光源から
のビーム光を複数のビーム群に変換するマルチビーム生
成光学系ＭＢと、前記光源からの光を分割し、複数の光
源像を形成するオプティカルインテグレータ部９とを有
し、前記マルチビーム生成光学系は、前記光分割部材が
前記反射部材に対して所定角度で対向して配設され、前
記光源からのビーム光を前記反射部材と前記光分割部材
との間で多重反射させることによって複数のビーム群を
生成するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投影光学系、特に
マスク上に形成された半導体用又は液晶用のパターンを
感光性基板上に投影露光するために好適な照明装置に関
する。本発明は更には当該照明装置を用いた投影露光装
置及び露光方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、KrFエキシマレーザを光源とする
投影露光装置、特に半導体製造用の投影露光装置（KrF
エキシマ・ステッパー）が製品化されている。図６は第
１の従来技術の照明装置を備える投影露光装置の概略構
成を示す図である。KrFエキシマレーザ１００からの光
はビームエキスパンダ１０２で拡大された後、振動ミラ
ー１０４で反射され、フライアイレンズ１０６に入射す
る。フライアイレンズで波面分割された光はコンデンサ
レンズ１０８を介してレチクル１１０を照明する。そし
て、レチクル１１０に描画されている回路パターンは投
影レンズ１１２によってウエハ１１４上に転写される。
ここで、１回の露光は数十のパルス照射によって行なわ
れている。フライアイレンズ１０６は、レーザビーム光
が有するガウス分布の強度ムラを補正するために不可欠
の要素である。しかし、フライアイレンズで波面分割さ
れたビームは、レチクル上で再び重ね合わされるのでレ
チクル上に干渉ノイズが生じている。図６に示す第１の
従来技術の投影露光装置では、パルス照射ごとに振動ミ
ラー１０４の角度を不図示の機構により変化させて干渉
ノイズを平均化し、レチクル上の照明強度分布を均一に
している。

【０００３】図７は、第２の従来技術例である特開昭６
３-２１６３３８号公報に開示されている照明装置の概
略構成を示す図である。エキシマレーザ２００から射出
されたビーム光は、全反射ミラー２０２Ｃと部分反射ミ
ラー２０２Ｒとからなる繰り返し反射ミラー系（マルチ
ビーム光学系）２０２を用いて、行方向に対してフライ
アイレンズ２０４の要素レンズと同じ数の平行なビーム
群に変換される。そして、各ビーム光はそれぞれフライ
アイレンズ２０４の要素レンズに入射するように構成さ
れる。各要素レンズに対応して形成された２次光源２０
６からの光がコンデンサレンズ２０８によりマスク（レ
チクル）２１０上に照射される。この従来技術例では、
全反射ミラー２０２Ｃと部分反射ミラー２０２Ｒとの間
隔を調整することにより、各ビーム光の光路差がエキシ
マレーザ２００の可干渉距離以上となるように設定され
ている。このように設定しておけば、フライアイレンズ
２０４を射出した光波は相互に干渉しないので、マスク
（レチクル）上で干渉ノイズが生じない。

【０００４】図８は、第３の従来技術例である特開平１
０−１２５５８５号公報に開示された照明装置と該照明
装置を備える投影露光装置の構成を示す図である。第１
及び第２の１次元マルチビーム生成光学系３１０，３１
２からなる２次元マルチビーム生成光学系３０８は、レ
ーザ光源３００から射出したビームからＮ×Ｍ本の２次
元ビーム群を生成する。該Ｎ×Ｍ本の２次元ビーム群
は、フライアイレンズ３２０ａ，３２０ｂ、コンデンサ
レンズ３２２ａ，３２２ｂ、及びレチクル３２８の順に
入射する。第１マルチビーム光学系３１０と第２マルチ
ビーム光学系３１２とは直交して配置され、全てのビー
ムが非干渉となるように第１と第２のマルチビーム光学
系の光路長差を最適化している。また、第１と第２のマ
ルチビーム光学系を構成する部分反射ミラーの各部の反
射率は、最終的に生成される２次元のビームアレーの各
強度が等しくなるように最適化されている。また、マル
チビーム光学系から射出した各光線を、拡散板３１４
ａ，３１４ｂによりフライアイレンズの要素レンズの有
効径以上に拡大させてフライアイレンズ３２０ａに入射
させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】投影露光装置の光源で
あるエキシマレーザは波長幅の狭帯化が進められてい
る。このため、近年のエキシマレーザは従来のエキシマ
レーザに比較して、時間的可干渉性のみならず空間的可
干渉性も高くなっている。空間的可干渉性が高くなると
フライアイレンズによる干渉ノイズのコントラストが大
きくなる。干渉ノイズは回路パターンに重畳すること
で、パターン転写誤差を引き起こす原因となる。すなわ
ち、微細構造を有する露光量不均一成分が増大すること
になる。波長幅が狭帯化されたKrFエキシマレーザを光
源とし、上記第１の従来技術の照明装置を用いて露光装
置を構成して、数十パルスで露光した場合には、レーザ
光のガウス強度分布は平均化できるものの、フライアイ
レンズによる微細な干渉ノイズを十分に平均化できない
という問題を生じている。また、露光強度を減光して、
露光パルス数（平均回数）を増大させると、干渉ノイズ
は低減するが、スループットが減少してしまう。

【０００６】また、上記第２の従来技術例は、露光パル
ス数を増大させずに空間的可干渉性の影響を低減する方
法である。第２の従来技術例は光源からのビーム光を、
干渉しない複数のビーム光に変換することにより露光パ
ルス数を増大させる事と等価な効果を得る事を目的とし
ている。

【０００７】しかし、第２の従来技術例の照明装置を用
いて投影露光装置を構成したときは、単一反射膜の場合
で干渉ノイズの影響を小さくするためにマルチビーム数
を５０程度以上にする必要がある。このため、マルチビ
ーム光学系がビームの反射方向について大型化してしま
うという問題がある。また、各ビームを拡大せずにフラ
イアイレンズの要素レンズに入射させているため、レー
ザビーム固有のガウス分布を有する強度不均一性（ム
ラ）が問題となる。さらに、フライアイレンズの各要素
レンズに対して均等なビーム形状で入射させることが困
難であるという問題もある。したがって、第２の従来技
術例の場合も実用的な均一性を有する照明を得ることが
できないので、レチクル上における照度均一性を十分に
向上させることができず、パターン転写誤差が生じてい
る。即ち、上記第１と第２の従来技術例では、ガウス強
度ムラの問題とフライアイレンズによる干渉ノイズの問
題とのうち一方の問題は解決できるが、両方同時に解決
することはできない。

【０００８】また、第３の従来技術例はコンパクトな大
きさで、スループットを落とすことなくガウス強度ムラ
とフライアイレンズの干渉ノイズを両方同時に低減でき
る構成となっている。第３の従来技術例ではガウス強度
ムラを低減のために、生成された各ビームの有効径をフ
ライアイレンズの要素レンズの有効径以上に拡大してい
る。さらに、コンパクトで多数の非干渉ビーム光を発生
するために、２つの１次元マルチビーム光学系を直交し
て配置し、第１のマルチビーム光学系と第２のマルチビ
ーム光学系で発生する光路差を異なる値に設定してい
る。

【０００９】しかし、第３の従来技術例では、繰り返し
反射によって順次生成されてゆくビームを部分反射ミラ
ーのそれぞれの所定有効径範囲内にアライメントする必
要があり調整が困難である。さらに、マルチビーム光学
系を構成する際には、透過率（又は反射率）が異なる多
くの種類の部分反射ミラーを一つの基盤に蒸着する工程
が必要であるため、製造コストが高くなってしまうとい
う問題を生じている。このように第３の従来技術例で
は、低干渉ノイズ、低コスト、高スループットを同時に
実現することは困難である。

【００１０】次に、第２の従来技術例における大型化の
問題ついてさらに詳細に検討する。図９は、第２の従来
技術例の１次元マルチビーム光学系の構成を示す。ここ
で、入射ビームの方向をｚ軸、繰り返し反射する方向を
ｙ軸、紙面に垂直な方向をｘ軸とそれぞれする。図９に
示す構成では、エネルギー反射率がｒ０の全反射ミラー
２０２Ｃと、エネルギー反射率がｒの部分反射ミラー２
０２Ｒとが対面して平行に配置されている。入射ビーム
Ｔ０はミラー２０２Ｒを部分的に透過しつつ２つのミラ
ーの間を繰り返し反射し、互いに平行な多数のビームに
変換される。ここで、各ビームの光路差を光源の時間的
可干渉距離以上にしておくと、干渉ノイズを低減するこ
とができる。

【００１１】図９より入射ビームＴ０に対するミラーの
設置角θと、２つのミラーの垂直間隔ｄは次式で表され
る。 (1) θ＝tan^-1（ｈ／Ｌ） (2) ｄ＝ｈ／（２sinθ）ここで、Ｌは光路差ＡＢＣ―ＡＤ、ｈは各ビームの垂直
距離をそれぞれ表している。そして、光路差Ｌは干渉ノ
イズ低減のため光源の時間的可干渉距離Ｌｃ以上に設定
している。また、幾何学的制限より、ｈはｙ方向に関す
るビーム幅以上に設定する必要がある。かかる制限から
θとｄが定まる。

【００１２】次に、図９の構成における干渉ノイズ低減
の度合いを計算する。ここでは、最後に反射したビーム
は有効径外に逃れてしまい、エネルギーロスとなる場合
を考える。図９に示すように最後に反射したビームの番
号をｎ番目とすると、当該ｎ番目のビームのエネルギー
Ｒnは反射率ｒ、ｒ０を用いて次式で表すことができ
る。（３）Ｒn＝r・(r・r０)^n-1 ここで、入射ビームのエネルギーは１としている。式
（３）をｎについて解くと次式を得る。（４）ｎ＝ｌｎ（Ｒn／r）／ｌｎ（ r・ r０）＋１式（４）よりr、r０、Ｒnが与えられると、最後の打ち
切りビーム番号ｎが定まる。そして、ｎが定められると
ｙ方向の有効径Ｙは次式、（５）Ｙ＝（ｎ−１）・ｈで与えられる。なお式（４）の右辺は実数なので実用上
はその値を切り上げたものをｎとすることにする。

【００１３】次に、最後のｎ番目に反射したビームのエ
ネルギーが入射エネルギーの１％以内となることを条件
として干渉ノイズの低減度合いを、ｒ０は９９％（固
定）、ｒは８０％と９６％との場合について説明する。
なお、ｈ＝３ｍｍとし、干渉ノイズはスペックルパター
ンであると仮定する。

【００１４】まず、ｎ本の１次元マルチビームの各強度
をＴ_k（ただし、ｋ＝１〜ｎ）、各ビームがレチクル面
に作るスペックル強度分布をI_k(x,y)（ただし、ｋ＝１
〜ｎ）としたとき、トータルの強度分布は次式、（６）Ｉ(x,y)＝I₁(x,y)＋I₂(x,y)＋・・・＋I_n(x,y) で与えられる。そして、干渉ノイズの低減度合いは、I
(x,y)のレチクル面内での平均値＜Ｉ＞に対する統計的
揺らぎσをコンピュータシミュレーションすることによ
って算出する。計算を行う際にはI_kの平均値が各ビーム
強度Ｔ_kに比例するとしてビーム強度Ｔ_kがビーム毎に異
なる効果を取り入れた。なお、Ｔｋは部分反射ミラーの
エネルギー透過率をｔとすると、Ｔ_k＝ｔ・(r・r０)^k-1 で与えられる。

【００１５】干渉ノイズに関する一般的な文献において
Ｃ＝σ／＜Ｉ＞をスペックルコントラストと呼び、干渉
ノイズの度合いとして定義しているので、本シミュレー
ションでもこの定義を用いる。スペックルコントラスト
Ｃはｎ＝１の場合に１００％となるように規格化されて
いるものとする。なお、コントラストＣを計算する際に
は部分反射ミラー２０２Ｃの透過率ｔは分母と分子に共
通に現れるので結果としてＣはｔに依存しない。

【００１６】以下の表１に部分反射ミラーのｒに対する
ｎ、Ｙと、コンピューターシミュレーションによるＣと
を示す。

【００１７】

【表１】ｒｎＹＣ８０％４０１２０ｍｍ２４．３％９６％９１２７３ｍｍ１６．１％

【００１８】表１より明らかなように、ｒを増大させる
ことにより干渉ノイズＣは低減するが、ｙ方向の有効径
Ｙが増大してしまうことがわかる。この現象はｒが大き
くなるほど有効なマルチビーム数ｎが増大するという観
点から説明できる。すなわち、ｎ（反射回数）が大きく
なると干渉ノイズの平均化が起こりやすくなる反面、式
（５）に従ってｙ方向の有効径が増大してしまうのであ
る。

【００１９】なお、ｙ方向の有効径を低減する方策とし
てビーム幅を小さくした上でビーム間隔ｈを小さくする
ことが考えられる。しかし、一般にビーム幅とビーム発
散角とは反比例の関係にあるので、入射位置でのビーム
幅を小さくして、ビーム間隔ｈを小さくできたとして
も、反射を繰り返すうちにビームが広がってしまい、実
質的に有効径を低減することは困難である。

【００２０】また、最後のｎ番目に反射したビームのエ
ネルギーＲｎの損失が発生するのは第ｎ番目の反射面が
存在するからである。したがって、この損失を低減する
ために、第ｎ反射面を反射防止コート（以下「ＡＲコー
ト」という）に置き換えること、又は反射面自体を無く
してしまうこと等を考えることもできる。この場合には
第ｎ透過ビームＴｎの強度と第１透過ビームＴ１の強度
とがほぼ等しくなるようにｒ０、ｒ、Ｙを設定した場合
に効率良く干渉ノイズを低減できることが解析よりわか
っている。しかし、この場合にも、干渉ノイズを一層低
減するためにはｒを大きくし、反射回数の増大に伴って
折り返し方向の有効径を増大させなければならない問題
が生じてしまう。

【００２１】本発明は、上記問題に鑑みて為されたもの
であり、レーザビームによるガウス強度ムラとオプティ
カルインテグレータによる干渉ノイズとを同時に低減で
きる小型で簡便な構成の照明装置を提供することを目的
とする。更に該照明装置を用いる投影露光装置及び露光
方法を提供することを副次的目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、所定のパターンが形成されたマスクを
照明する照明装置において、ビーム光を供給する光源
と、反射部材と光分割部材とで構成され、前記光源から
のビーム光を複数のビーム群に変換するマルチビーム生
成光学系と、前記光源からの光を分割し、複数の光源像
を形成するオプティカルインテグレータ部とを有し、前
記マルチビーム生成光学系は、前記光分割部材が前記反
射部材に対して所定角度で対向して配設され、前記光源
からのビーム光を前記反射部材と前記光分割部材との間
で多重反射させることによって複数のビーム群を生成す
るように構成されていることを特徴とする照明装置を提
供する。

【００２３】また、本発明の好ましい態様では、前記多
重反射において、所定回数目の反射光が入射した方向へ
戻るように前記所定角度が設定されていることが望まし
い。

【００２４】また、本発明の好ましい態様では、前記複
数のビーム群のうち、隣接する２本のビームの光路長差
が、前記光源の時間コヒーレンスによって定まるコヒー
レンス長以上となるように前記マルチビーム生成光学系
が構成されていることが望ましい。

【００２５】また、本発明の好ましい態様では、前記オ
プティカルインテグレータ部を介した光を前記マスクへ
導くコンデンサ光学系とを備えることが望ましい。

【００２６】また、以下に記載の内容を請求項にできる
ことは言うまでもない。

【００２７】（請求項５）前記オプティカルインテグ
レータ部の入射面において、各ビームの径が前記オプテ
ィカルインテグレータ部の要素レンズの径よりも大きく
なるように拡散させる拡散部をさらに有することを特徴
とする請求項１乃至４の何れか１項記載の照明装置。

【００２８】（請求項６）前記拡散部と前記オプティ
カルインテグレータ部との間にリレーレンズ系をさらに
有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記
載の照明装置。

【００２９】（請求項７）前記マスクを保持する第１
ステージと、前記マスクを照明する請求項１乃至６の何
れか１項記載の照明装置と、被露光基板を保持する第２
ステージと、前記照明装置により照明された前記マスク
のパターンの像を前記被露光基板上に投影露光するため
の投影光学系とを備えることを特徴とする投影露光装
置。

【００３０】（請求項８）前記投影露光装置は、前記
マスクと前記被露光基板との少なくとも一方がが相対的
に移動する走査型投影露光装置であり、前記被露光基板
上における走査方向と前記複数のビーム群が配列してい
る方向とが略一致していることを特徴とする請求項７記
載の投影露光装置。

【００３１】（請求項９）請求項１乃至６の何れか１
項記載の照明装置を用いた露光方法において、物体面上
に配置された前記マスクを照明する照明工程と、前記マ
スクのパターン像を最終像面に設定された感光性基板上
に投影する投影工程とを含むことを特徴とする露光方
法。

【００３２】

【発明の実施の形態】図１に基づいて本発明の照明装置
のマルチビーム光学系の原理を説明する。ｘ、ｙ、ｚ座
標の定義は図９と同様に、入射ビームの方向をｚ軸、繰
り返し反射する方向をｙ軸、紙面に垂直な方向をｘ軸と
それぞれする。図１は、全反射ミラー４と部分反射ミラ
ー５との相対的な角度を平行状態からαだけ傾けてい
る。ここでは部分反射ミラー５を式（１）で与えられる
角度θで設置し、全反射ミラー４の設置角をθからαだ
けずらす場合を考える。また、全反射ミラー４と部分反
射ミラー５との間隔ｄ（部分反射ミラー５の法線方向に
対して測るものとする）は有効径以内の最も接近した位
置においても式（２）で与えられるｄ以上であるように
設定する。さらに、α、θの符号は図の矢印方向を正と
する。

【００３３】まず、ｙ方向の有効径を全反射ミラー４と
平行な方向に関して算出する。θが小さい場合には算出
した値とｙ方向の有効径は近似的に一致する。

【００３４】第１の透過ビームＴ１と第２の透過ビーム
Ｔ２との間隔ｌ１は図１より（７）ｌ１＝ｄ・sinθ＋ｄ・sin(θ-2α) である。以下、第２と第３との透過ビームの間隔ｌ２か
ら第ｎ−１と第ｎ番目の透過ビーム間隔ｌ(ｎ−１)まで
を同様に求めると次式のようになる。そして、第１の透過ビームから第ｎの透過ビームまでの
間隔Ｌｎは、ｌ１からｌ（ｎ−１）までの加算であり、
以下のように求められる。（９）Ｌｎ＝ｌ１+ｌ２+・・・+ｌ(n-1) ＝ｄ・sinθ ＋２ｄ[sin(θ-2α）＋sin(θ-4α)＋・・・＋sin[θ-2(ｎ-2)α]]+d・sin[θ-2(ｎ-１)α] 式（９）に、θ、αが小さい場合の近似式sinｘ＝ｘを
適用して次式を得る。（１０）Ｌｎ＝ｄ・θ+2ｄ[[θ-2α]+[θ-4α]+・・・ +[θ-2(n-2)α]]+ｄ[θ-2(n-1)α] ＝d・θ+2d[(n-2)θ-2α[1+2+・・+(n-2)]] +d[θ-2(n-1)α] ＝2d(n-1)［θ-(n-1)α］式（１０）より第１透過ビームＴ１の射出点と第ｎ透過
ビームＴｎの射出点との距離Ｌｎはαが大きくなるほど
減少してゆき、（１１） α＝θ／（ｎ−１）を満足するαではＬｎ＝０となることがわかる。このこ
とは、第ｎ透過ビームＴｎの射出位置が第１透過ビーム
Ｔ１の射出位置に重なることを意味する。この様子を示
したのが図２である。なお、図２は模式図であり光線の
角度等は強調して描いてある。ここで、αを調整するた
めには、スプリングなどの弾性部材ＥＭで全反射ミラー
４を付勢しておき、反対側からピエゾ素子ＰＺＴ又はマ
イクロメータを当接し、該ＰＺＴに適宜電圧を印可する
こと等で微調整を行うことができる。粗調整はミラー全
体を動かせば良い。

【００３５】ここで、さらにαを増大するとＬｎ＜０と
なるが、この場合は全反射ミラーの有効径を超えてしま
うので現実には存在しない場合に対応する。従って、第
ｎ番目のビームを打ち切りビームとした場合、最もｙ方
向の有効径を小さくできる配置はαが式（１１）の条件
を満足する場合であることがわかる。当該条件の下では
ｙ方向の有効径がα＝０の場合の１／４に低減できるこ
とを以下に示す。まず、式（１１）の条件を満たすαの
場合にはビームの繰り返し反射の進行方向がｙ方向に関
して逆転する点が必ず存在する。この点はビーム番号ｎ
が増大してもＬｎが変化しない点に対応する。したがっ
て、式（１０）のＬｎをｎで微分したものは０となる。
すなわち、（１２）ｄＬｎ／ｄｎ＝０である（ただし、ｄは微分記号を示す）。実際にＬｎの
微分を計算すると、繰り返し反射の進行方向がｙ方向に
関して反転するビーム番号ｎ０を次式（１３）のように
得る。（１３）ｎ０＝θ／（２α）＋１また、有効径は式（１０）のＬｎに上記ｎ０と式（１
１）のαを代入することによって次式のように求められ
る。（１４）Ｌｎ０＝（ｎ−１）ｄ・θ／２なお、ｙ方向の正確な有効径ＹはＬｎ０・cosθによっ
て得られるが、θが小さい場合にはＬｎ０として近似で
きる。

【００３６】次に、従来技術（α＝０）のマルチビーム
の有効径と、本実施形態にかかる装置のマルチビームの
有効径とをθが小さい場合について比較計算する。α＝
０の場合の有効径は上記式（５）で既に与えられてい
る。これに式（２）をｈに関して解いたものを代入し、
次式を得る。式（１４）と（１５）との比をとると、（１６）Ｌｎ０／Ｙ０＝１／４となる。式（１６）から明らかなように、くさび角αを
最適化した場合の有効径は従来技術（α＝０）の有効径
の１／４に低減するという結果が得られる。したがっ
て、本発明によってｙ方向の有効径を格段に低減するこ
とができることがわかる。

【００３７】以下、添付図面に基づいて、本発明の実施
の形態にかかる照明装置及び当該照明装置を備える投影
露光装置について説明する。（第１実施形態）図３は第１実施形態にかかる照明装置
を備える投影露光装置の概略構成を示す図である。本装
置はレチクルとウエハとを同期してスキャン転写するス
キャン（走査）型半導体製造用の投影露光装置である。
ここで、スキャン方向をｙ方向、当該スキャン方向と直
交する方向をｘ方向とする。また、図３では折り返しミ
ラーによって光軸が折り曲げられているが、座標系を考
える際には展開図で考えるものとする。

【００３８】エキシマレーザ１からのビームは、反射ミ
ラー２により光路を折り曲げられ、前段ビーム整形系３
によって整形される。そして、全反射ミラー４と部分反
射ミラー５とからなるマルチビーム光学系ＭＢにより、
入射ビームをｙ方向に多重反射を繰り返し約１００本の
ビーム群に変換する。なお、図では簡単のため５本のビ
ームのみを記載し残りは省略する。マルチビーム光学系
ＭＢから射出したビーム群は、縮小光学系６を透過する
ことでｙ方向の有効径を縮小された後、偏光解消プリズ
ム７を介して拡散板８を照明する。拡散板８からの発散
光は第１フライアイレンズ９を透過した後、リレー光学
系１０中に設けられている振動ミラー１１により光路を
折り曲げられ、第２フライアイレンズ１２を照射する。
ここで、第１フライアイレンズ９は、入射光束を波面分
割し、該波面分割された光束に基づいて複数の光源像を
形成し、第２フライアイレンズ１２は第１フライアイレ
ンズ９による前記複数の光源像からの光に基づいて実質
的な面光源を形成する、いわゆるダブルフライアイレン
ズシステムを構成している。そして、コンデンサレンズ
１３、反射ミラー１４を介してレチクルＲを照明する。
この照明光によってレチクルＲに形成されてるパターン
が投影レンズＴＬを介してウエハＷ上に転写される。転
写に際しては、レチクルＲとウエハＷとをｙ方向に同期
してスキャンする。この際振動ミラー１１の角度を、不
図示の機構によりレーザパルスに同期して変化させるこ
とにより第２フライアイレンズ１２への入射光束の角度
を変化させ、干渉ノイズの平均化を行う。

【００３９】本実施形態の照明装置において、第１フラ
イアイレンズ９は有効径５ｍｍ×５ｍｍの正方形要素レ
ンズをｘ、ｙ方向に１０×４個配置して構成され、全体
の有効径は５０ｍｍ×２０ｍｍである。また、第２フラ
イアイレンズはｘ、ｙ方向の有効径が１０ｍｍ×４ｍｍ
の長方形要素レンズを８×２０個配置して構成され、全
体の有効径は８０ｍｍ×８０ｍｍである。また、リレー
光学系１０は第１フライアイレンズ９の全体寸法５０ｍ
ｍ×２０ｍｍが第２フライアイレンズ１２の要素レンズ
の射出面近傍に結像するように構成されている。第１及
び第２フライアイレンズの各要素レンズは、所望の入射
角に対応した両側凸レンズからなっている。

【００４０】図４はマルチビーム光学系ＭＢから第２フ
ライアイレンズ１２に至るまでの構成をさらに詳細に示
した図である。エキシマレーザ１からのビームが前段ビ
ーム整形系３によってｘ、ｙ方向の幅が４５ｍｍ×３ｍ
ｍの大きさに整形された後、マルチビーム光学系ＭＢに
入射する。マルチビーム光学系ＭＢの繰り返し反射方向
はｙ方向（スキャン方向）に一致している。なお、図４
では振動ミラー１１は簡単のため省略する。

【００４１】マルチビーム光学系ＭＢのｘ、ｙ方向の有
効径は５５ｍｍ×１１０ｍｍであり、反射率ｒ０が８０
％以上の全反射ミラー４と反射率ｒが８０％以上の部分
反射ミラー５とを対面して構成されている。ここで、ミ
ラーにおける吸収が無ければ理想的にはｒ０＝１００
％、ｒ＝９９％程度が好ましい。しかし、現実の吸収を
考慮しすると、ｒ０が９５％以上、ｒが９０％以上であ
ることが望ましい。本実施形態では、さらに好ましい値
として、ｒ０＝９９％、ｒ＝９６％としている。また、
許容する第ｎ番目のビームのエネルギー損失Ｒｎは１％
とする。エキシマレーザの時間的可干渉距離Ｌｃは約１
５０ｍｍであるので、Ｌ＝１５０ｍｍに設定する。ま
た、入射ビームのｙ方向の幅が３ｍｍであるのでｈ＝３
ｍｍとする。

【００４２】以上のＬ，ｈを式（１），（２）に代入す
るとθ＝１．１４６°，ｄ＝７５．０１５ｍｍとなる。
また、ｒ０，ｒ，Ｒｎを式（４）に代入すると、打ち切
りビーム番号ｎ＝９１を得る。さらに好ましくは、発散
角によりビーム径が増大すること、全反射ミラーと部分
反射ミラーとの設置角度が公差を有すること、さらに
は、くさび角に起因してビームが傾いてビーム蹴られが
発生すること等を防止するために、打ち切りビーム番号
に対して余裕を持たせることが望ましい。本実施形態で
は計算値ｎ＝９１より大きいｎ＝１１０を打ち切りビー
ム番号とする。このように余裕（マージン）を持たせる
ことによって実質的に透過するビーム数が９１以上確保
することができる。

【００４３】そして、θとｎ＝１１０を式（１１）に代
入し、小数点以下４桁目を切り捨ててα＝０．０１０°
を得る。この結果より部分反射ミラー５の設置角はｙ軸
に対しθ１＝１．１４６°、全反射ミラー４の設置角は
θ２＝１．１５６°となる。

【００４４】さらに、θとαを式（１４）に代入し、小
数点以下を切り捨てて折り返しビーム番号ｎ０＝５８を
得る。次に、ｄ、ｎ０、θ、αを式（１０）に代入する
ことによってｙ方向の有効径Ｌｎ０として８６ｍｍを得
る。なお、上述したようにｎ０番目のビーム径が発散角
によって増大する効果とマルチビーム光学系の調整時の
効率とを考えて、実際のｙ方向の有効径は前記８６ｍｍ
よりも余裕を持たせて１１０ｍｍとした。上記従来技術
ではｙ方向の有効径はビームの発散角も含めると３００
ｍｍ以上必要となっているが、本実施形態ではビーム発
散の効果も含めて１１０ｍｍまで低減することができ
る。

【００４５】マルチビーム光学系ＭＢから射出したビー
ム群はビーム束縮小系６に入射し、有効径が５５ｍｍ×
２０ｍｍのビーム群に変換される。ビーム束縮小系６は
ｙ方向に関して１／５．５倍に縮小するシリンドリカル
レンズ系で構成されている。縮小されたビーム群は、偏
光解消プリズム７を透過後、拡散板８を照明する。拡散
板８は合成石英により形成され、裏面にはレーザ波長に
対してARコートが施してあり、その発散角は１／e²,全
幅で１０°である。

【００４６】そして、拡散板８から射出した光束は第１
フライアイレンズ９を照明する。拡散板８と第１フライ
アイレンズ９との間隔は５０ｍｍである。拡散板８の一
点から出た光束は、発散角１／e²，直径８．７ｍｍの円
盤状に広がって第１フライアイレンズ９の入射面に入射
する。拡散板８上でのｙ方向のビーム間隔は約０．５５
ｍｍであるので、第１フライアイレンズ９上の一点にお
いて約１５ビーム分のオーバラップが生じることとな
る。このオーバラップによって各ビームが離散的に存在
することによる強度の不連続性が平均化される。また、
各ビームは第１フライアイレンズ９の要素レンズの有効
径以上に拡大されているので、ビーム固有のガウス分布
も平均化される。照明光は、その強度不均一性を第２フ
ライアイレンズ１２によりさらに低減された後、最終的
にレチクル面を照明する。なお、第１フライアイレンズ
９の要素レンズの第２面（レチクル側の面）のパワー
は、拡散板８の発散角に対して平行光を発生するように
設定されている。

【００４７】ここで、マルチビーム光学系ＭＢの部分反
射ミラー５の反射率が単一であるために、射出ビームの
ビーム番号が１，２，３・・のように大きいものほど相
対的な強度は低くなる。このため、第１フライアイレン
ズ９上のビームにはｙ方向の強度傾斜が発生する。しか
し、上述のようにｙ方向とスキャン方向とを一致させて
いるので、ダブルフライアイレンズシステムの効果と相
俟って、スキャン後のトータル露光量のｙ方向の傾斜は
著しく低減することができる。

【００４８】本実施形態の投影光学系を用いて、レーザ
パルスに同期して振動ミラー角度を変化させ、数１０パ
ルスの照射によりスキャン露光した結果、露光不均一度
が１％以下の良好なパターン転写を行なうことができ
る。マルチビーム光学系ＭＢを使用しない場合と比較す
ると、所望の照明均一度を得るための露光パルス数を１
／４０程度に低減することができる。このため、スルー
プットを著しく向上させることができる。

【００４９】（第２実施形態）図５は第２実施形態にか
かる照明装置を備える投影光学系の概略構成を示す図で
ある。基本的な構成は上記第１実施形態と同じであるの
で、重複する部分は省略し、マルチビーム光学系ＭＢか
ら第２フライアイレンズ９までを示す。上記第１実施形
態の投影露光装置はスキャン型露光装置に好適なもので
あるが、本実施形態の投影露光装置はスキャン型とステ
ップ・アンド・リピート型との両方に好適なものであ
る。このため、後述するようにマルチビーム光学系ＭＢ
における多重反射方向とスキャン方向を一致させること
は必ずしも必要ない。

【００５０】上記第１実施形態で用いたマルチビーム光
学系ＭＢを使用してエキシマレーザ１からの単一のビー
ムは、ビーム間隔３ｍｍの干渉しない約１００本のビー
ム群に変換される。また、ビーム群全体の有効径は余裕
を見込んで５５ｍｍ×１１０ｍｍである。さらに、第
１、第２フライアイレンズの有効径と要素レンズ数も上
記第１実施形態と同様とする。

【００５１】上記第１実施形態との相違点は、拡散板８
と第１フライアイレンズ９との間にリレー光学系ＲＬを
配置し、該リレー光学系により拡散板８を第１フライア
イレンズ９の射出面に結像させる構成になっている点で
ある。

【００５２】本実施形態ではマルチビーム光学系ＭＢを
射出したビーム群はビーム束縮小系６に入射し、有効径
が１０ｍｍ×２０ｍｍのビーム群に変換される。ビーム
束縮小系６はｘ,ｙ方向ともに1/５．５倍に縮小する回
転対称レンズ系である。縮小されたビーム群は、偏光解
消プリズム７を介して拡散板８上において１０ｍｍ×２
０ｍｍの領域を照明する。拡散板８は合成石英により形
成されており、裏面はレーザ波長に対してARコートが施
してあり、発散角は1/e²,全幅で１０°である。

【００５３】拡散板８から射出した光束はリレーレンズ
系ＲＬを介して第１フライアイレンズ９を照明する。リ
レーレンズ系ＲＬと第１フライアイレンズ９の要素レン
ズとの合成系は結像系となっており、拡散板８を第１フ
ライアイレンズの各要素レンズの射出面に結像する。合
成系の縮小率はｘ、ｙ方向とも１／５であるので、第１
フライアイレンズの各要素レンズ射出面での拡散板の像
はｘ,ｙ方向について２ｍｍ×４ｍｍの大きさとなる。
第１フライアイレンズ９の要素レンズの第２面（レチク
ル側）のパワーは要素レンズから射出する主光線が平行
光となるように設定されている。

【００５４】かかる構成では第１フライアイレンズ９の
入射面で生ずる強度ムラは拡散板８の発散特性による光
軸対称なガウス型となるので、第１及び第２フライアイ
レンズにより十分に平均化することができる。このた
め、第１実施形態のような第１フライアイレンズ９入射
面でのｙ方向の強度傾斜は発生しない。したがって、本
実施形態ではマルチビーム光学系における多重反射方向
とスキャン方向とを一致させることは必ずしも必要では
ない。

【００５５】本実施形態の照明装置を使用して、レーザ
パルスに同期して振動ミラー角度を不図示の機構により
変化させ、数１０パルスの照射によってスキャン露光し
た結果、露光不均一度が１％以下の良好なパターン転写
を行なうことができる。また、スキャンを行わなずに振
動ミラーを使用した場合についても同様の照明均一度を
得ることができる。マルチビーム光学系ＭＢを使用しな
い場合と比較して、所望の照明均一度を得るための露光
パルス数を１／４０程度に低減することができる。

【００５６】本実施形態では拡散板８の照明領域として
１０ｍｍ×２０ｍｍの長方形領域の場合について示した
が、マルチビーム光学系ＭＢ射出時のビーム束有効径が
ｘ、ｙ方向で等しくなるように前段ビーム整形系とマル
チビーム光学系とを設計することも可能である。この場
合には拡散板８上の照明領域を正方形とすることができ
る。したがって、第１フライアイレンズ９の要素レンズ
の射出面の拡散板像の領域を等方的にすることができ
る。

【００５７】また、拡散板の代わりに回折光学素子（Di
ffracting optical element,以下「ＤＯＥ」という）を
使用しても良い。特に、第２実施形態では、第１フライ
アイレンズの有効径のｘ：ｙ比（５：２）と等しいｘｙ
発散角特性を有するＤＯＥを使用すれば、第１フライア
イレンズの有効径内へ光エネルギーを集中させることが
でき、さらに照明効率を向上することがきる。

【００５８】また、ＤＯＥは任意の強度分布を形成でき
るので、その角度特性を適宜選択することにより、近年
注目を集めている輪帯照明、４極照明などの変形照明も
容易に行うことができる。

【００５９】また、上記各実施形態では拡散板の後段に
フライアイレンズを２段配置するダブルフライアイレン
ズシステムについて説明したが、本発明は例えば第１フ
ライアイレンズを取り外したシングルフライアイレンズ
システムについても適用できる。

【００６０】さらに、本発明はフライアイレンズシステ
ムに限られること無く、オプティカルインテグレータで
あれば良いことは言うまでもない。

【００６１】上記各実施形態ではエキシマレーザの時間
的可干渉距離が１５０ｍｍであるが、レーザ光源の時間
的可干渉距離が１５０ｍｍより長い場合でも、それに対
応してマルチビーム光学系を構成するミラー間隔を大き
くすれば良い。

【００６２】また、上記各実施形態の照明装置を用いる
ことで、物体面上に配置された前記マスクを照明する照
明工程と、前記マスクのパターン像を最終像面に設定さ
れた感光性基板上に投影する投影工程とを含む露光方法
を提供できる。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
１次元マルチビーム光学系の全反射ミラーと部分反射ミ
ラーとの相対角度を平行からずらして、ビーム間隔が繰
り返し反射にともなって低減してゆく構成により、ｙ方
向の有効径を小型化できる。また、１次元マルチビーム
光学系の後段に拡散板等を配置することにより各ビーム
径をフライアイレンズの要素レンズ以上に拡大して入射
させるため、フライアイレンズによる干渉ノイズとビー
ムのガウス強度ムラとを同時に補正することができる。
また、マルチビーム光学系とフライアイレンズの相対的
なアライメントが容易となる。

【００６４】このように、コンパクトで簡単な構造のマ
ルチビーム光学系と光拡散手段によって、レチクル上に
生じていたエキシマレーザビームによるガウス強度ムラ
とフライアイレンズによる干渉ノイズとを同時に低減す
ることができる。また、スループットを低減することな
くレチクル上の照度均一性を向上することができ、パタ
ーン転写精度が格段に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する図である。

【図２】本発明の原理を説明する他の図である。

【図３】本発明の第１実施形態にかかる照明装置等の概
略構成を示す図である。

【図４】第１実施形態にかかる照明装置のマルチビーム
光学系の詳細を示す図である。

【図５】第２実施形態にかかる照明装置のマルチビーム
光学系の詳細を示す図である。

【図６】第１の従来技術例を示す図である。

【図７】第２の従来技術例を示す図である。

【図８】第３の従来技術例を示す図である。

【図９】第２の従来技術の原理を説明する図である。

【符号の説明】

１エキシマレーザ２反射ミラー３整形光学系４全反射ミラー５部分反射ミラー６縮小光学系７偏光解消プリズム８拡散板９第１フライアイレンズ１０レンズ１１振動ミラー１２第２フライアイレンズ１３コンデンサレンズ１４反射ミラーＲレチクルＴＬ投影レンズＷウエハＭＢマルチビーム光学系ＲＬリレーレンズ系ＥＭ弾性部材ＰＺＴピエゾ素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のパターンが形成されたマスクを照
明する照明装置において、ビーム光を供給する光源と、反射部材と光分割部材とで構成され、前記光源からのビ
ーム光を複数のビーム群に変換するマルチビーム生成光
学系と、前記光源からの光を分割し、複数の光源像を形成するオ
プティカルインテグレータ部とを有し、前記マルチビーム生成光学系は、前記光分割部材が前記
反射部材に対して所定角度で対向して配設され、前記光
源からのビーム光を前記反射部材と前記光分割部材との
間で多重反射させることによって複数のビーム群を生成
するように構成されていることを特徴とする照明装置。
【請求項２】前記多重反射において、所定回数目の反
射光が入射した方向へ戻るように前記所定角度が設定さ
れていることを特徴とする請求項２記載の照明装置。
【請求項３】前記複数のビーム群のうち、隣接する２
本のビームの光路長差が、前記光源の時間コヒーレンス
によって定まるコヒーレンス長以上となるように前記マ
ルチビーム生成光学系が構成されていることを特徴とす
る請求項１又は２記載の照明装置。
【請求項４】前記オプティカルインテグレータ部を介
した光を前記マスクへ導くコンデンサ光学系をさらに備
えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記
載の照明装置。