JPH05326366A

JPH05326366A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH05326366A
Application number: JP4128370A
Authority: JP
Inventors: Shoji Kawakubo; 昌治川久保; Nobutaka Umagome; 伸貴馬込; Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-05-21
Filing date: 1992-05-21
Publication date: 1993-12-10
Anticipated expiration: 2018-01-07
Also published as: JP3362405B2

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体素子のリソグラフィ工程で使われる通
常のレチクルを投影露光する際、高解像度で大焦点深度
が得られるとともに、照度均一性の優れた投影露光装置
を得る。【構成】第１〜第３プリズム２０〜２２を用いて光源
１からの照明光束を４分割して、この４つの光束を照明
光学系の光軸ＡＸから偏心した位置に中心が配置された
４組のフライアイレンズ（４０ａ〜４０ｄ、４１ａ〜４
１ｄ）の各々に入射させる。主制御系５０は、４組のフ
ライアイレンズの位置変更に連動して第１〜第３プリズ
ム２０〜２２の各々を光軸方向に移動し、常に４つの光
束をその対応した各フライアイレンズに正確に入射させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路、また
は液晶デバイス等のパターン形成に使用する投影露光装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等の回路パターン形成には、
一般にフォトリソグラフィと呼ばれる工程が必要であ
る。この工程では通常、レチクル（マスク）パターンを
半導体ウエハ等の基板上に転写する方法が採用される。
基板上には感光性のフォトレジストが塗布されており、
照射光像、すなわちレチクルパターンの透明部分のパタ
ーン形状に応じて、フォトレジストに回路パターンが転
写される。一般に投影露光装置（例えばステッパー）で
は、レチクル上に描画された転写すべき回路パターンの
像が、投影光学系を介して基板（ウエハ）上に投影、結
像される。

【０００３】また、レチクルを照明するための照明光学
系中には、例えばフライアイ型、またはロッド型等のオ
プチカルインテグレータが使用されており、レチクル上
に照射される照明光の強度分布がほぼ均一化される。こ
の均一化を最適に行うため、フライアイ型オプチカルイ
ンテグレータ（フライアイレンズ）を用いる場合には、
レチクル側焦点面（射出面側）とレチクル面（パターン
面）とはほぼフーリエ変換の関係で結ばれており、さら
にレチクル側焦点面と光源側焦点面（入射面側）ともフ
ーリエ変換の関係で結ばれている。

【０００４】従って、レチクルのパターン面とフライア
イレンズの光源側焦点面（正確にはフライアイレンズを
構成する個々のレンズエレメントの光源側焦点面）と
は、結像関係（共役関係）で結ばれている。このため、
レチクル上ではフライアイレンズの各レンズエレメント
（２次光源）からの照明光がコンデンサーレンズ等によ
ってそれぞれ加算（重畳）されることで平均化され、レ
チクル上の照度均一性を良好にすることが可能になって
いる。

【０００５】ところで、最近ではレチクルの回路パター
ンの透過部分のうち、特定の部分からの透過光の位相
を、他の透過部分からの透過光の位相よりπ(rad) だけ
ずらす、いわゆる位相シフトレチクルが提案されてお
り、例えば特公昭６２―５０８１１号公報には空間周波
数変調型の位相シフトレチクルが開示されている。この
位相シフトレチクルを使用すると、従来よりも微細なパ
ターンの転写が可能となる。ところが、位相シフトレチ
クルについてはその製造工程が複雑になる分コストも高
く、また検査及び修正方法も未だ確立されていないの
で、多くの問題が残されている。

【０００６】そこで、位相シフトレチクルを使用しない
投影露光技術として、レチクルの照明方法を改良するこ
とで転写解像力を向上させる試みがなされている。その
１つの方式として、照明光学系の瞳面（フーリエ変換
面）、すなわちフライアイレンズの射出側焦点面近傍に
輪帯状の絞り（空間フィルター）を配置し、照明光学系
の光軸の回りに分布する照明光束を部分的にカットして
照明光束の光量分布を輪帯状に規定することで、レチク
ルパターンに達する照明光束に一定の傾斜を持たせる方
式（輪帯照明法）が提案されている。

【０００７】さらに高解像力、大焦点深度の投影露光を
達成するため、例えば特開平４−１０１１４８号公報に
開示されているように、フライアイレンズの射出側焦点
面近傍に照明光学系の光軸に対して偏心した複数（２つ
または４つ）の位置の各々に開口を有する絞り（空間フ
ィルター）を配置し、レチクルパターンに対して特定方
向から照明光束を所定角度だけ傾斜させて照射する方式
（傾斜照明法、または変形光源法）も提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の如
き傾斜照明法においては、有効なレンズエレメント（す
なわち空間フィルターを通過可能な２次光源）の数が減
少してレチクル上での照度均一化効果が低下し、レチク
ルの全面に渡って均一な照度分布を保証することが難し
くなるといった問題が生じる。また、空間フィルター等
のような部分的に照明光束をカットする部材を設けた系
では光量損失が大きく、当然のことながらレチクル上、
またはウエハ上での照明強度（照度）を大幅に低下させ
ることになり、照明効率の低下に伴う露光処理時間の増
大という問題に直面する。さらに、照明光学系中のフー
リエ変換面には、光源からの光束が集中して通るため、
空間フィルター等の遮光部材の光吸収による温度上昇が
著しくなり、照明光学系の熱的な変動による性能劣化の
対策（空冷等）も考える必要がある。

【０００９】また、フライアイレンズの射出側焦点面近
傍に上記の如き絞りを設けると、複数のレンズエレメン
トによる２次光源像のうちのいくつかは、絞りの光透過
部と遮光部との境界部に重なり得る。このことは、フラ
イアイレンズに対する絞りの取付精度によって、上記境
界部付近の２次光源像が絞りで遮光されたり、逆に透過
したりすることを意味する。すなわち、照明光量のばら
つき等の不安定要因になるとともに、上記絞りを射出し
てレチクルに入射する各光束の光量が互いに異なってし
まうという問題も生じる。また、傾斜照明法ではレチク
ルパターンの微細度（線幅、ピッチ等）に応じて４つの
開口の位置（換言すればフーリエ変換面内での光量分
布）を変更しなければならず、照明光学系中で複数枚の
絞りを交換可能に構成する必要があり、装置が大型化す
るという問題もある。

【００１０】本発明は上記問題点を鑑みてなされたもの
で、高解像度、かつ大焦点深度が得られるとともに、照
度均一性の優れた投影露光装置を提供することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決する為の手段】上記問題点を解決するため
本発明においては、照明光学系の光路中のレチクル９の
パターン１０に対するフーリエ変換面（照明光学系の瞳
面１７）、もしくはその近傍面内に射出側焦点面が配置
されるとともに、レチクル９のパターン１０の周期性に
応じて決まる量だけ照明光学系の光軸ＡＸに対して偏心
した離散的な４つの位置の各々に中心が配置される４組
のフライアイレンズ（第１フライアイレンズ群４０ａ〜
４０ｄ、及び第２フライアイレンズ群４１ａ〜４１ｄ）
と、光源１からの照明光を２分割するとともに、この分
割した２本の光束の各々を、照明光学系の光軸ＡＸとほ
ぼ垂直な面内で、所定の第１方向（Ｘ方向）に関して光
軸ＡＸから所定の第１距離だけ離してほぼ平行に射出す
る第１光束分割部材（多面体プリズム２０、２１）と、
この射出された２本の光束の各々をさらに２分割すると
ともに、この分割した２組の２本の光束の各々を、照明
光学系の光軸ＡＸとほぼ垂直な面内で、第１方向と交差
する第２方向（Ｙ方向）に関して光軸ＡＸから所定の第
２距離だけ離してほぼ平行に射出する第２光束分割部材
（多面体プリズム２１、２２）と、４組のフライアイレ
ンズ（第１フライアイレンズ群４０ａ〜４０ｄ）の各々
に、第２光束分割部材から射出される４本の光束が入射
するように、第１光束分割部材と第２光束分割部材との
少なくとも一方を駆動して第１距離と第２距離との少な
くとも一方を調整する制御手段（主制御系５０、駆動系
５８）とを設ける。

【００１２】

【作用】本発明では、照明光学系の光路中のマスクのパ
ターンに対するフーリエ変換面、もしくはその近傍面内
に射出側焦点面を配置するとともに、マスクのパターン
の周期性に応じて決まる量だけ照明光学系の光軸に対し
て偏心した離散的な４つの位置の各々に４組のフライア
イレンズを配置し、かつ２組の光束分割部材を用いて光
源からの照明光を４本の光束に分割して４組のフライア
イレンズの各々に入射させることとした。このため、マ
スクのパターンの周期性に応じて４組のフライアイレン
ズ（射出側焦点面）の位置を任意に変更しても、これに
追従（連動）して４本の光束を正確に４組のフライアイ
レンズの各々に入射させることが可能となる。また、２
組の光束分割部材（多面体プリズム等）を用いるため、
光源からの照明光を光量損失なく分割して４組のフライ
アイレンズの各々に導くことができる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の実施例による投影露光装置の
概略的な構成を示す図であって、光束分割部材として多
面体プリズム（Ｖ型プリズム）を使用したものである。
図１において、水銀灯等の光源１より放射される照明光
束は楕円鏡２で焦光され、折り曲げミラー３及びインプ
ットレンズ４によりほぼ平行光束となって光束分割部材
（２０、２１ａ、２１ｂ、２２）に入射する。図２に示
すように光束分割部材は、Ｖ型の凹部を持つ多面体プリ
ズム（第１プリズム）２０、Ｖ型の凸部を持つ多面体プ
リズム２１ａとＶ型の凹部を持つ多面体プリズム２１ｂ
とを貼り合わせたプリズム（第２プリズム２１）、及び
Ｖ型の凸部を持つ多面体プリズム（第３プリズム）２２
から構成されている。従って、これら４つのプリズムの
屈折作用によって光源１からの照明光束は４つの光束に
分割され、各光束は別々の第２フライアイレンズ４０ａ
〜４０ｄ（図１では４０ａ、４０ｂのみ図示）に入射す
る。

【００１４】ところで、多面体プリズム２０と２１ａと
は本発明の第１光束分割部材に相当し、ここで光源１か
らの照明光束はＹ方向に関してほぼ対称に、かつほぼ同
一光量となるように２分割されるとともに、Ｘ方向（図
１では紙面と垂直な方向）に関して所定間隔（第１距離
であって、後述する瞳面１７内での第１フライアイレン
ズ４１ａと４１ｄ、または４１ｂと４１ｃの各中心のＸ
方向に関する間隔に相当）だけ離して２つの光束を互い
にほぼ平行（光軸ＡＸにほぼ平行）に射出する。一方、
多面体プリズム２１ｂと２２とは本発明の第２光束分割
部材に相当し、ここで多面体プリズム２０、２１ａで分
割された２つの光束の各々は、Ｘ方向に関してほぼ対称
に、かつほぼ同一光量となるように２分割されるととも
に、Ｙ方向（図１では紙面と平行な方向）に関して所定
間隔（第２距離であって、後述の瞳面１７内での第１フ
ライアイレンズ４１ａと４１ｂ、または４１ｃと４１ｄ
の各中心のＹ方向に関する間隔に相当）だけ離して４つ
の光束を互いにほぼ平行（光軸ＡＸにほぼ平行）に射出
する。

【００１５】また、プリズム２０、２１、２２はそれぞ
れ独立に照明光学系の光軸ＡＸに沿った方向（図２では
Ｚ方向）に移動可能に構成されている。従って、第１プ
リズム２０と第２プリズム２１とを相対的に光軸方向に
移動してその間隔を調整することにより、多面体プリズ
ム２１ａから射出される２つの光束のＸ方向に関する間
隔（第１距離）を任意の値に設定することが可能となっ
ている。同様に、第２プリズム２１と第３プリズム２２
とを相対的に光軸方向に移動してその間隔を調整するこ
とにより、第３プリズム２２から射出される２組の２つ
の光束のＹ方向に関する間隔（第２距離）を任意の値に
設定することが可能となっている。尚、本実施例では多
面体プリズム２１ａと２１ｂとを一体に構成しているた
め、第１プリズム２０と第２プリズム２１との光軸方向
の間隔を変化させる場合、必要に応じて上記動作に連動
して第３プリズム２２も光軸方向に微動させる必要があ
る。また、本実施例では多面体プリズム２１ａと２１ｂ
とを貼り合わせて一体に構成しているが、それぞれ独立
に光軸方向に移動可能に構成しても構わない。

【００１６】さて、４組の第２フライアイレンズ４０ａ
〜４０ｄを射出した各光束は、各第２フライアイレンズ
に対応した４組のガイド光学系（但し、図１では第２フ
ライアイレンズ４０ｃ、４０ｄに対応したガイド光学系
を省略してある）４２ａ、４３ａ、及び４２ｂ、４３ｂ
により、４組の第１フライアイレンズ４１ａ〜４１ｄ
（図１では４１ａ、４１ｂのみ図示）の各々に入射す
る。このとき、第１フライアイレンズ４１ａには第２フ
ライアイレンズ４０ａからの光束のみ入射し、４１ｂに
は４０ｂからの光束のみ、４１ｃには４０ｃからの光束
のみ、４１ｄには４０ｄからの光束のみ入射する。第１
フライアイレンズ４１ａ〜４１ｄを射出した各光束はコ
ンデンサーレンズ６、８、折り曲げミラー７に導かれ、
レチクル９の下面側に形成されたパターン１０を照明す
る。パターン１０を透過、回折した光は投影光学系１１
により集光結像され、ウエハ１３上にパターン１０の像
を形成する。尚、同図中の面１２は投影光学系１１中の
パターン１０に対するフーリエ変換面（以後、投影光学
系１１の瞳面と称す）を表わし、この投影光学系１１の
瞳面１２に可変絞り（Ｎ．Ａ絞り）を設ける場合もあ
る。

【００１７】一方、照明光学系中にも、パターン１０に
対するフーリエ変換面に相当する照明光学系の瞳面１７
が存在するが、前述の４組の第１フライアイレンズ４１
ａ〜４１ｄの射出側焦点面（レチクル側焦点面）は、こ
の照明光学系の瞳面１７とほぼ一致した位置にある。ま
た、第２フライアイレンズ４０ａ〜４０ｄの射出面は、
ガイド光学系４２、４３によって第１フライアイレンズ
４１ａ〜４１ｄの入射面に対するフーリエ変換面になっ
ている。但し、厳密にフーリエ変換の関係に維持される
必要はなく、要は第２フライアイレンズの各レンズエレ
メントから射出した光束が、第１フライアイレンズの入
射面上で重畳されているような関係が維持されていれば
良い。

【００１８】ところで、第１フライアイレンズ４１ａ〜
４１ｄは光軸ＡＸより離れた位置にあるため、レチクル
パターン１０中で特定の方向及びピッチを有するパター
ンの投影像の焦点深度を極めて大きくすることが可能と
なっている。但し、レチクルパターン１０の周期方向や
ピッチは、使用するレチクル９により異なることが予想
される。従って、各レチクル毎にそのパターンの周期性
（周期方向、ピッチ、線幅等）に応じて照明条件（換言
すれば瞳面１７内での４組の第１フライアイレンズの各
中心位置）が最適となるように、駆動系５６により４組
の第１フライアイレンズ４１ａ〜４１ｄ、及びガイド光
学系（４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ等）、あるいは
必要ならば第２フライアイレンズ４０ａ〜４０ｄの位置
等を変更可能としておく。また、後述（図３）の如く本
実施例では第１、第２フライアイレンズ、及びガイド光
学系を一体に保持部材に固定するため、レチクルパター
ンの周期性に応じて４組の第１フライアイレンズ４１ａ
〜４１ｄ（保持部材）を移動するとき、光束分割部材２
０〜２２から射出される４つの光束がその対応する第２
フライアイレンズ４０ａ〜４０ｄの各々に正確に入射す
るように、上記移動に連動（追従）して駆動系５８によ
り３つのプリズム２０〜２２の各々を独立に光軸方向に
移動可能に構成してある。

【００１９】また、瞳面１７内での４組の第１フライア
イレンズ４１ａ〜４１ｄの各位置によっては、３つのプ
リズム２０〜２２を一体に光軸ＡＸを回転中心として回
転可能に構成しておき、３つのプリズム２０〜２２の光
軸方向の相互間隔の調整と並行して回転させることで、
４つの光束を第２フライアイレンズ４０ａ〜４０ｄの各
々に入射させるようにしても良い。さらに、３つのプリ
ズム２０〜２２を一体に光軸ＡＸと垂直な面（図２中の
ＸＹ平面）内で２次元移動可能に構成し、光源１からの
照明光束とプリズム（２０〜２２）とを光軸ＡＸと垂直
な面内で相対移動させることにより、第３プリズム２２
から射出される４つの光束の各光量を微調整して互いに
ほぼ等しくするようにしても良い。このとき、レチクル
９に照射される４つの光束の各光量を光電検出器にて検
出し、この検出値に基づいて上記相対移動を制御するこ
とが望ましい。また、３つのプリズム２０〜２２を移動
させる代わりに、例えばレンズ４と第１プリズム２０と
の間に配置した平行平板ガラスを傾斜させることによ
り、第１プリズム２０に入射する照明光束の位置を微動
させるように構成しても良い。

【００２０】尚、駆動系５６、５８は主制御系５０の動
作命令により動作するが、このときの位置等の設定条件
はキーボード５４より入力する。あるいはバーコードリ
ーダ５２によりレチクル９上のバーコードパターンを読
み、その情報に基づいて設定を行っても良い。レチクル
９上のバーコードパターンに、上記照明条件を記入して
おいても良いし、あるいは主制御系は、レチクル名とそ
れに対応する照明条件を記憶（予め入力）しておき、バ
ーコードパターンに記されたレチクル名と上記記憶内容
とを照合して照明条件を決定しても良い。

【００２１】図３は、図１中の光束分割部材２０〜２２
から第１フライアイレンズ４１ａ〜４１ｄまでの拡大図
である。ここでは、第１プリズム２０と多面体プリズム
２１ａ、及び多面体プリズム２１ｂと第３プリズム２２
との互いに対向する面は平行であるものとし、さらに第
１プリズム２０の入射面と第３プリズム２２の射出面と
は光軸ＡＸと垂直であるものとする。また、第２プリズ
ム２１の貼り合わせ面、すなわちプリズム２１ａの射出
面、及びプリズム２１ｂの入射面も光軸ＡＸと垂直であ
るものとする。

【００２２】さて、第１プリズム２０は保持部材２３に
より保持され、第２プリズム２１は保持部材２４により
保持され、第３プリズム２２は保持部材２５により保持
される。尚、多面体プリズム２１ａと２１ｂとを貼り合
わせておかなくとも、保持部材２４に対して両者を密
着、もしくは所定間隔だけ離して一定に固定しておくだ
けでも良い。保持部材２３〜２５はそれぞれ可動部材
（２６ａ、２６ｂ）、（２７ａ、２７ｂ）、及び（２８
ａ、２８ｂ）により保持され、固定部材２９ａ、２９ｂ
上を図中左右方向、すなわち光軸ＡＸに沿った方向に可
動となっている。この動作はモータ等の能動部材（３０
ａ、３０ｂ）、（３１ａ、３１ｂ）、及び（３２ａ、３
２ｂ）によって行われる。

【００２３】従って、第１〜第３プリズム２０〜２２の
各々は独立に移動可能であるので、３つのプリズムの光
軸方向の相互間隔を任意に変更することにより、射出す
る４光束のＸ、Ｙ方向の間隔（第１、第２距離）の各々
を独立に調整でき、光軸ＡＸと垂直な面内での４光束の
各位置を任意、例えば光軸ＡＸを中心として放射方向に
変更することが可能となっている。例えば、レチクルパ
ターン１０が２次元の周期性パターンであり、かつＸ、
Ｙ方向の各ピッチが異なっているときには、瞳面１７内
で光軸ＡＸを中心とした長方形の頂点位置の各々に、４
組の第１フライアイレンズの各中心を一致させる必要が
あるが、このような場合にも３つのプリズム２０〜２２
の相互間隔を調整することにより、射出される４光束を
その対応する第２フライアイレンズ４０ａ〜４０ｄの各
々に正確に入射させることが可能となる。また、上述し
た如く３つのプリズム２０〜２２を一体に光軸ＡＸを中
心として回転可能に構成すれば、射出される４光束を光
軸ＡＸを中心とする同心円方向に変更することも可能と
なる。

【００２４】さて、第３プリズム２２から射出する４つ
の光束は、第２フライアイレンズ４０ａ〜４０ｄに入射
する。図３では第２フライアイレンズ中の１つと、第１
フライアイレンズ中の１つと、１つのガイド光学系（４
２、４３）が１つの保持部材４４ａ〜４４ｄ（図３では
４４ａ、４４ｂのみ図示）に保持されている。ここで、
上記の如く光束分割部材２０〜２２から射出される４つ
の光束が、光軸ＡＸを中心とした放射方向や同心円方向
を始めとして任意に位置変化する場合、これらの光束が
入射する第２フライアイレンズ４０ａ〜４０ｄの位置
も、それに応じて可変となる必要がある。図４は、この
ための２次元的（光軸ＡＸに垂直な面内方向）な動作を
可能とする機構の例を示す。図４では図３の如く、第２
フライアイレンズ、ガイド光学系、及び第１フライアイ
レンズが一体に保持された部材（保持部材４４ａ〜４４
ｄ）を光軸ＡＸのレチクル側方向から見た図である。

【００２５】図４において、第１、第２フライアイレン
ズ、及びガイド光学系は保持部材４４ａ〜４４ｄに保持
され、それらはさらに可動部材４５ａ〜４５ｄにより保
持され、かつ能動部材４６ａ〜４６ｄによって光軸ＡＸ
を中心として放射方向に可動となっている。また、能動
部材４６ａ〜４６ｄは固定部材４９ａ〜４９ｄ上を、前
記放射方向とほぼ直交する方向（ほぼ同心方向）に移動
可能であるので、保持部材４４ａ〜４４ｄ、すなわち第
１フライアイレンズ４１ａ〜４１ｄはそれぞれ光軸ＡＸ
に垂直な面内（紙面内）に２次元的に可動である。従っ
て、第２フライアイレンズ、第１フライアイレンズ、及
びガイド光学系を一体に保持及び移動することにより、
第１フライアイレンズと第２フライアイレンズとの間の
光学的な位置関係をずらすことなく、第１フライアイレ
ンズから射出する各光束の位置を光軸ＡＸと垂直な面内
で任意に変更することができる。

【００２６】尚、図４中の可動部材４５ａ〜４５ｄの動
作方向は光軸ＡＸを中心とする放射方向に限定されるわ
けではなく、光軸ＡＸに垂直な任意の方向であって良
い。また、図３において保持部材４４ａ、４４ｂより突
き出た部材４８ａ、４８ｂは遮光板である。これによ
り、光束分割部材２０〜２２から発生し得る迷光を遮断
し、不必要な光がレチクル９へ達することを防止する。
また、遮光板４８ａ、４８ｂが光軸ＡＸ方向に各々ずれ
ていることにより、保持部材４４ａ、４４ｂの可動範囲
の制限を少なくすることができる。

【００２７】ところで、上記構成の装置では４組のフラ
イアイレンズを設けていたが、例えばレチクルパターン
が１次元の周期性パターンである場合には２組のフライ
アイレンズを用いるだけで十分である。このような場合
には、４組のフライアイレンズの中から２つを選択し、
この２つのフライアイレンズをレチクルパターンの周期
性に応じた量だけ光軸ＡＸから偏心した位置にその中心
をほぼ一致させる。つまり、本実施例では図４中に示し
た駆動機構により、まず任意の２組の保持部材（例えば
４４ｃ、４４ｄ）を照明光路外へ退避させた後、残りの
２組の保持部材４４ａ、４４ｂを駆動して、レチクルパ
ターンの周期性に応じた量だけ光軸ＡＸから偏心した位
置に位置決めする。

【００２８】さらに、第２フライアイレンズ４０ａ、４
０ｂの位置に応じて３つのプリズム２０〜２２を移動
し、第１プリズム２０と第２プリズム２１との間隔と、
第２プリズム２１と第３プリズム２２との間隔とのいず
れか一方が零となるように２つのプリズムを密着させ
る。例えば、第２フライアイレンズ４０ａ、４０ｂが光
軸ＡＸに関してほぼ対称に、かつＸ方向に所定間隔だけ
離れて配置されている場合には、第２プリズム２１と第
３プリズム２２とを密着させてその間隔を零とする。こ
の結果、光源１からの照明光束は第１プリズム２０と第
２プリズム２１（すなわち多面体プリズム２１ａ）とに
よって２分割されるのみで、多面体プリズム２１ｂ及び
第３プリズム２２では分割されない。従って、２組のフ
ライアイレンズのみを用いる場合であっても、光源１か
らの照明光束が光束分割部材２０〜２２で光量をほとん
ど損失することなく２分割され、２組の第２フライアイ
レンズの各々に集中して入射することになる。

【００２９】また、傾斜照明法を適用しないレチクル、
例えば空間周波数変調型の位相シフトレチクル等に対し
ては、従来通り瞳面１７での照明光束の光量分布を光軸
ＡＸを中心とする円形（または矩形）領域に規定してレ
チクルパターンへの照射を行わなければならない。この
ような場合には、第１プリズム２０と第２プリズム２
１、及び第２プリズム２１と第３プリズム２２とがいず
れも密着してその光軸方向の間隔が零となるように移動
するとともに、４組のフライアイレンズが光軸ＡＸを中
心として一体となるように移動する。この結果、光源１
からの照明光束は光束分割部材２０〜２２で分割され
ず、光量損失なく一体化された４組のフライアイレンズ
に入射することになり、上記構成の装置において従来通
りの照明（以下、通常照明と称す）を採用することが可
能となる。尚、４組のフライアイレンズを移動して一体
化（合体）する必要がある場合、本実施例による装置で
は第１、第２フライアイレンズ、及びガイド光学系を一
体に保持する保持部材４４ａ〜４４ｄによって、少なく
とも４組の第１フライアイレンズ４１ａ〜４１ｄの各接
触部分に隙間が生じないように保持部材４４ａ〜４４ｄ
を構成しておくことが望ましい。

【００３０】以上から明らかなように、上記構成の装置
では光学部材の交換等を行うことなく、傾斜照明と通常
照明との切り換え、及び傾斜照明であっても４組のフラ
イアイレンズを用いる場合と２組のフライアイレンズを
用いる場合との切り換えを容易に行うことが可能とな
る。また、例えばインプットレンズ４と第１プリズム２
０との間にズームレンズ系を配置し、第１プリズム２０
に入射する照明光の光束径（大きさ）を可変に構成して
おくと、より一層光量損失を低減できるとともに、第２
プリズム２２から射出された光束が第２フライアイレン
ズの入射面の一部分のみに集中して入射することを防止
することができる。例えば、４組のフライアイレンズを
光軸ＡＸを中心として放射方向に移動する場合、各第２
フライアイレンズの入射面の大きさ（Ｘ、Ｙ方向の幅）
に応じて、ズームレンズ系により第１プリズム２０に入
射する照明光の光束径を調整するだけで良い。また、上
記の如きズームレンズ系を設けておくと、通常照明を行
う際には照明光学系のコヒーレンスファクターσを可変
にできる。

【００３１】次に、露光すべきレチクルパターンに応じ
て、これらの系をどのように最適にするかを説明する。
４組の第１フライアイレンズの各位置（光軸と垂直な面
内での位置）は、転写すべきレチクルパターンに応じて
決定（変更）するのが良い。つまり、各第１フライアイ
レンズからの照明光束が転写すべきパターンの微細度
（ピッチ）に対して最適な解像度、及び焦点深度の向上
効果を得られるようなレチクルパターンに入射する位置
（入射角）とすれば良い。

【００３２】そこで、各第１フライアイレンズの位置決
定の具体例を、図５及び図６を用いて説明する。図５は
第１フライアイレンズ４１ａ、４１ｂからレチクルパタ
ーン１０までの部分を模式的に表わす図であり、第１フ
ライアイレンズ４１のレチクル側焦点面４１４ａ、４１
４ｂが、レチクルパターン１０のフーリエ変換面１７と
一致している。また、このとき両者をフーリエ変換の関
係とならしめるレンズ、またはレンズ群を、一枚のレン
ズ６として表してある。さらに、レンズ６のフライアイ
レンズ側主点から第１フライアイレンズ４１のレチクル
側焦点面４１４ａ、４１４ｂまでの距離と、レンズ６の
レチクル側主点からレチクルパターン１０までの距離は
共にｆであるとする。

【００３３】図６（Ａ）、（Ｃ）はともにレチクルパタ
ーン１０中に形成される一部分のパターンの例を表わす
図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のレチクルパターン
の場合に最適な２組の第１フライアイレンズの各中心の
フーリエ変換面（照明光学系の瞳面）１７での位置を示
し、図６（Ｄ）は図６（Ｃ）のレチクルパターンの場合
に最適な４組の第１フライアイレンズの各中心の瞳面１
７での位置を表す図である。

【００３４】図６（Ａ）は、いわゆる１次元ラインアン
ドスペースパターンであって、透過部と遮光部が等しい
幅でＹ方向に帯状に並び、それらがＸ方向にピッチＰで
規則的に並んでいる。このとき、２組の第１フライアイ
レンズの最適位置は図６（Ｂ）に示すようにフーリエ変
換面１７内に仮定したＹ方向の線分Ｌα上、及び線分Ｌ
β上の任意の位置となる。図６（Ｂ）はレチクルパター
ン１０に対するフーリエ変換面１７を光軸ＡＸ方向から
見た図であり、かつ面１７内の座標系Ｘ、Ｙは、同一方
向からレチクルパターン１０を見た図６（Ａ）と同一に
してある。

【００３５】さて、図６（Ｂ）において光軸ＡＸが通る
中心Ｃから各線分Ｌα、Ｌβまでの距離α、βはα＝β
であり、λを露光波長としたとき、α＝β＝ｆ・（１／
２）・（λ／Ｐ）に等しい。この距離α・βをｆ・sin
ψと表わせれば、sin ψ＝λ／２Ｐである。従って、各
第１フライアイレンズの各中心（各第１フライアイレン
ズの夫々によって作られる２次光源像の光量分布の各重
心）位置が線分Ｌα、Ｌβ上にあれば、図６（Ａ）に示
す如きラインアンドスペースパターンに対して、各フラ
イアイレンズからの照明光により発生する０次回折光と
±１次回折光のうちのどちらか一方との２つの回折光
は、投影光学系瞳面１２において光軸ＡＸからほぼ等距
離となる位置を通る。従って、前述の如き１次元ライン
アンドスペースパターン（図６（Ａ））に対する焦点深
度を最大とすることができ、かつ高解像度を得ることが
できる。

【００３６】次に、図６（Ｃ）はレチクルパターン１０
がいわゆる孤立スペースパターンである場合であり、パ
ターンのＸ方向（横方向）ピッチがＰｘ、Ｙ方向（縦方
向）ピッチがＰｙとなっている。図６（Ｄ）は、この場
合の４組の第１フライアイレンズの最適位置を表わす図
であり、図６（Ｃ）との位置、回転関係は図６（Ａ）、
（Ｂ）の関係と同じである。図６（Ｃ）の如き、２次元
パターンに照明光が入射するとパターンの２次元方向の
周期性（Ｘ：Ｐｘ、Ｙ：Ｐｙ）に応じた２次元方向に回
折光が発生する。図６（Ｃ）の如き２次元パターンにお
いても回折光中の±１次回折光のうちのいずれか一方と
０次回折光とが投影光学系瞳面１２において光軸ＡＸか
らほぼ等距離となるようにすれば、焦点深度を最大とす
ることができる。図６（Ｃ）のパターンではＸ方向のピ
ッチはＰｘであるから、図６（Ｄ）に示す如くα＝β＝
ｆ・（１／２）・（λ／Ｐｘ）となる線分Ｌα、Ｌβ上
に各第１フライアイレンズの中心があれば、パターンの
Ｘ方向成分について焦点深度を最大とすることができ
る。同様に、ｒ＝ε＝ｆ・（１／２）・（λ／Ｐｙ）と
なる線分Ｌγ、Ｌε上に各第１フライアイレンズの中心
があれば、パターンのＹ方向成分について焦点深度を最
大とすることができる。

【００３７】以上、図６（Ｂ）、又は（Ｄ）に示した各
位置に配置したフライアイレンズ群からの照明光束がレ
チクルパターン１０に入射すると、０次光回折光成分Ｄ
₀と、＋１次回折光成分Ｄ_Rまたは−１次回折光成分Ｄ
_mのいずれか一方とが、投影光学系１１内の瞳面１２で
は光軸ＡＸからほぼ等距離となる光路を通る。従って、
高解像及び大焦点深度の投影露光装置が実現できる。

【００３８】以上、レチクルパターン１０として図６
（Ａ）、（Ｃ）に示した２例のみを考えたが、他のパタ
ーンであってもその周期性（微細度）に着目し、そのパ
ターンからの＋１次回折光成分または−１次回折光成分
のいずれか一方と０次回折光成分との２光束が、投影光
学系内の瞳面１２では光軸ＡＸからほぼ等距離になる光
路を通るような位置に各フライアイレンズの中心を配置
すれば良い。また、図６（Ａ）、（Ｃ）のパターン例
は、ライン部とスペース部の比（デューティ比）が１：
１のパターンであったため、発生する回折光中では±１
次回折光が強くなる。このため、±１次回折光のうちの
一方と０次回折光との位置関係に着目したが、パターン
がデューティ比１：１から異なる場合等では他の回折
光、例えば±２次回折光のうちの一方と０次回折光との
位置関係が、投影光学系瞳面１２において光軸ＡＸから
ほぼ等距離となるようにしても良い。

【００３９】また、レチクルパターン１０が図６（Ｄ）
の如く２次元の周期性パターンを含む場合、特定の１つ
の０次回折光成分に着目したとき、投影光学系の瞳面１
２上ではその１つの０次回折光成分を中心としてＸ方向
（第１方向）に分布する１次以上の高次回折光成分と、
Ｙ方向（第２方向）に分布する１次以上の高次回折光成
分とが存在し得る。そこで、特定の１つの０次回折光成
分に対して２次元のパターンの結像を良好に行うものと
すると、第１方向に分布する高次回折光成分の１つと、
第２方向に分布する高次回折光成分の１つと、特定の０
次回折光成分との３つが、瞳面１２上で光軸ＡＸからほ
ぼ等距離に分布するように、特定の０次回折光成分（１
つの第１フライアイレンズ）の位置を調節すればよい。
例えば、図６（Ｄ）中で第１フライアイレンズ中心位置
を点Ｐζ、Ｐη、Ｐκ、Ｐμのいずれかと一致させると
良い。点Ｐζ、Ｐη、Ｐκ、Ｐμはいずれも線分Ｌαま
たはＬβ（Ｘ方向の周期性について最適な位置、すなわ
ち０次回折光とＸ方向の±１次回折光の一方とが投影光
学系瞳面１２上で光軸からほぼ等距離となる位置）及び
線分Ｌγ、Ｌε（Ｙ方向の周期性について最適な位置）
の交点であるためＸ方向、Ｙ方向のいずれのパターン方
向についても最適な光源位置となる。

【００４０】尚、以上において２次元パターンとしてレ
チクル上の同一箇所に２次元の方向性を有するパターン
を仮定したが、同一レチクルパターン中の異なる位置に
異なる方向性を有する複数のパターンが存在する場合に
も上記の方法を適用することができる。また、レチクル
上のパターンが複数の方向性又は微細度を有している場
合、第１フライアイレンズの最適位置は、上述のように
パターンの各方向性及び微細度に対応したものとなる
が、あるいは各最適位置の平均位置に第１フライアイレ
ンズを配置しても良い。また、この平均位置は、パター
ンの微細度や重要度に応じた重みを加味した荷重平均と
しても良い。

【００４１】また、各第１フライアイレンズを射出した
光束の０次光成分は、それぞれウエハに対して傾いて入
射する。このときこれらの傾いた入射光束（複数）の光
量重心の方向がウエハに対して垂直でないと、ウエハ１
３の微小デフォーカス時に、転写像の位置がウエハ面内
方向にシフトするという問題が発生する。これを防止す
るためには、各第１フライアイレンズからの照明光束
（複数）の結像面、もしくはその近傍の面上での光量重
心の方向は、ウエハと垂直、すなわち光軸ＡＸと平行で
あるようにする。つまり、各第１フライアイレンズに光
軸（中心線）を仮定したとき投影光学系１１の光軸ＡＸ
を基準としたその光軸（中心線）のフーリエ変換面内で
の位置ベクトルと、各フライアイレンズ群から射出され
る光量との積のベクトル和が零になるようにすれば良
い。

【００４２】以上のように、各第１フライアイレンズの
位置が決定されると、それに従って光束分割部材２０〜
２２の状態（図２、図３）が決定される。このとき、光
束分割部材の位置等は最も効率良く（光量損失なく）、
第１フライアイレンズに照明光を入射すべく決定する。
尚、以上の系において、各動作部にはエンコーダ等の位
置検出器を備えておくと良い。図１中の主制御系５０ま
たは駆動系５６、５８は、これらの位置検出器からの位
置情報を基に各構成要素の移動、回転、交換を行なう。
また、各フライアイレンズのレンズエレメントの形状で
あるが、通常レチクルの有効エリア、又は回路パターン
エリアは直方形であることが多い。従って、第１フライ
アイレンズの各エレメントの入射面（レチクルパターン
と結像関係：なぜなら射出面とレチクルパターン面はフ
ーリエ変換の関係であり、入射面（光源側焦点面）と射
出面（レチクル側焦点）も当然フーリエ変換の関係であ
るため）は、レチクルパターン面の平面形状に応じた矩
形であると、効率良くレチクルのパターン部のみを照明
できる。

【００４３】第１フライアイレンズは、各上記エレメン
トの組みとして成るが、その全入射面の合計は任意の形
状で良い。但し、この全入射面の合計と第２フライアイ
レンズの１つのエレメントの入射面は結像関係となるの
で、第２フライアイレンズの１つのエレメントの入射面
と似たような形状であると光量損失が少なくて済む。例
えば、第２フライアイレンズの１つのエレメントの入射
面が長方形ならば、各第１フライアイレンズの全入射面
もまた長方形とする。あるいは、第２フライアイレンズ
の１つのエレメントの入射面が正六角形ならば、各第１
フライアイレンズの全入射面は、正六角形に内接するよ
うな形状とすると良い。

【００４４】尚、第２フライアイレンズの１つのエレメ
ントの入射面形状の像が、ガイド光学系によって各第１
フライアイレンズの全入射面よりやや大きくなるように
投影されると、第１フライアイレンズでの照度均一化効
果が一層高まる。また、各第１フライアイレンズの射出
面の大きさは、射出する各光束の１つあたりの開口数
（レチクル上の角度分布の片幅）が、投影光学系のレチ
クル側開口数に対して０．１から０．３倍程度であると
良い。これは０．１倍以下では転写パターン（像）の忠
実度が低下し、０．３倍以上では高解像度かつ大焦点深
度の効果が薄らぐからである。また、フライアイ型の代
わりにロッド型のオプチカルインテグレータを使用して
も全く同様の効果を得ることができる。

【００４５】

【発明の効果】以上、本発明によれば、通常の透過及び
遮光パターンから成るレチクルを使用しながら、従来よ
り高解像度かつ大焦点深度の投影露光装置を実現するこ
とが可能である。また、本発明で使用する照明系は、通
常の型式に比べて複雑となるが、２組の光束分割部材を
用いて光源からの照明光束を４つの光束に分割するよう
にしたため、４組のフライアイレンズが任意の位置に変
更されても、それに追従して４つの光束をその対応する
フライアイレンズに集中して正確に入射させることがで
き、しかも光量損失を大幅に低減できる。さらに、各フ
ライアイレンズから射出される光束の光量のばらつきも
ほぼ零とすることが可能となる。また、４組のフライア
イレンズを用いているため、レチクル及びウエハ面での
照度均一性も良好である。さらに、傾斜照明と通常照明
との切り換え等を簡単に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による投影露光装置の構成を示
す図。

【図２】図１中の２組の光束分割部材の構成を示す斜視
図。

【図３】図１中の照明光学系の一部の具体的な構成を示
す図。

【図４】４組のフライアイレンズの移動機構の構造を示
す図。

【図５】フライアイレンズの照明光学系内での配置の原
理を説明する図。

【図６】フライアイレンズの配置方法を説明する図。

【符号の説明】

９レチクル１１投影レンズ１２瞳１３ウエハ２０、２１、２２多面体プリズム４１ａ〜４１ｄ第１フライアイレンズ４０ａ〜４０ｄ第２フライアイレンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの照明光を周期性のパターン部
分を有するマスクに照射する照明光学系と、前記マスク
のパターンの像を感光基板に結像投影する投影光学系と
を備えた投影露光装置において、前記照明光学系の光路中の前記マスクのパターンに対す
るフーリエ変換面、もしくはその近傍面内に射出側焦点
面が配置されるとともに、前記マスクのパターンの周期
性に応じて決まる量だけ前記照明光学系の光軸に対して
偏心した離散的な４つの位置の各々に中心が配置される
４組のフライアイレンズと；前記光源からの照明光を２
分割するとともに、該分割した２本の光束の各々を、前
記照明光学系の光軸とほぼ垂直な面内で、所定の第１方
向に関して前記光軸から所定の第１距離だけ離してほぼ
平行に射出する第１光束分割部材と；該射出された２本
の光束の各々を２分割するとともに、該分割した２組の
２本の光束の各々を、前記照明光学系の光軸とほぼ垂直
な面内で、前記第１方向と交差する第２方向に関して前
記光軸から所定の第２距離だけ離してほぼ平行に射出す
る第２光束分割部材と；前記４組のフライアイレンズの
各々に、前記第２光束分割部材から射出される４本の光
束が入射するように、前記第１光束分割部材と前記第２
光束分割部材との少なくとも一方を駆動して前記第１距
離と前記第２距離との少なくとも一方を調整する制御手
段とを備えたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記第１光束分割部材と前記第２光束分
割部材とはともに、凹状のＶ型プリズムと凸状のＶ型プ
リズムとを組み合わせたものであり、前記制御手段は、前記凹状のＶ型プリズムと凸状のＶ型
プリズムとを前記照明光学系の光軸に沿った方向に相対
移動することにより、前記第１距離、または前記第２距
離を調整することを特徴とする請求項１に記載の投影露
光装置。
【請求項３】前記制御手段は、前記４つのフライアイ
レンズの各々から射出される光束の光量がほぼ等しくな
るように、前記照明光学系の光軸とほぼ垂直な面内で、
前記光軸に対して前記第１光束分割部材と前記第２光束
分割部材との少なくとも一方を相対移動することを特徴
とする請求項２に記載の投影露光装置。