JPH10199788A - 結像光学系、露光装置、及び前記光学系を用いたデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １本の投影光学系だけを用いて従来の回折格
子法による限界解像力向上の技術を適用でき、且つ必要
に応じてあらゆる方向に配列された周期的パターンの限
界解像力を向上できる結像光学系を提供する。 【解決手段】 開口絞り板５の開口６Ａ，６Ｂを通過し
た露光光ＩＬでレチクル１１を照明し、レチクル１１を
通過した光束を変調格子１４、投影光学系１５、復調格
子１６、及び不要光除去部材１７を介してウエハ１８上
に照射する。レチクル１１とウエハ１８とは投影光学系
１５に関して共役であり、変調格子１４でのｎ次回折光
を投影光学系１５を介して復調格子１６に照射し、復調
格子１６からの−ｎ次回折光中から不要光除去部材１７
を介して解像力を向上すべき方向（ｘ方向）に直交する
方向に大きく傾斜した光束を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結像光学系、この
結像光学系を備えた露光装置、及びその結像光学系を用
いたデバイスの製造方法に関し、例えば半導体素子、撮
像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッ
ド等を製造するためのリソグラフィ工程で、マスクパタ
ーンを所謂超解像によって投影光学系を介して高い解像
度で感光性基板上に転写する場合に使用して好適なもの
である。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等を製造する際に使用されて
いるステッパー等の投影露光装置では、ウエハ（又はガ
ラスプレート等）上にできるだけ高集積度のパターンを
焼き付けることが望まれている。そのため、従来より露
光の解像力を上げるために、露光光の波長（露光波長）
を短くすると共に、投影光学系の開口数（ＮＡ）を大き
くするという努力がなされてきた。

【０００３】更に、同じ露光波長、及び同じ投影光学系
の開口数のもとでより解像力を向上させるために、変形
光源法（傾斜照明法）や位相シフトレチクル法等の所謂
超解像技術も開発され、これらの技術も利用されつつあ
る。ところで、小瀬輝次：応用物理 第３７巻 第９号
p.853(1968) には、さまざまな方法の超解像技術が分
類されて紹介されている。その技術の１つに「瞳合成
法」があり、この瞳合成法を実施するための具体的な技
術の１つに「回折格子法」がある。この回折格子法は、
W.Lukosz:J.Opt.Soc.Amer. 56,p.1463(1966)に詳細に記
載されている。この回折格子法では、或る特定方向に細
かいピッチの周期的パターンよりなる物体が有る場合、
その物体から露光波長以上離れている位置に、その周期
的パターンの周期方向に対して回折方向が角度θ（０＜
θ＜π／２）だけ傾いた変調用の回折格子が配置され
る。そして、この変調用の回折格子によって、その物体
の虚像が周期方向に対して角度θだけ傾いた方向に多数
生成される。その変調用の回折格子を通さない場合、物
体の空間周波数成分のうち投影光学系の開口数以上の成
分は投影光学系を通過できない。しかし、その変調用の
回折格子を通すことによって、周期方向に対して角度θ
だけ傾いた方向に作られた虚像による投影光学系の開口
数以上の空間周波数成分の一部は、投影光学系の開口数
以内に入ることができる。

【０００４】そこで、投影光学系を通過した後に、同じ
く周期的パターンに対して角度θだけ傾けた復調用の回
折格子によって、０次回折光による投影光学系の開口数
以内の空間周波数成分と、±１次回折光による投影光学
系の開口数以上の空間周波数成分とを合成する。その復
調用の回折格子も像に対して露光波長以上離れていても
よい。更にその回折格子法では、復調用の回折格子によ
って作られた重複像を構成する余分の空間周波数成分を
取り除くために、復調用の回折格子の直後に形成される
像を更に第２の投影光学系で再結像し、この第２の投影
光学系の瞳位置にその周期的パターンの周期方向に延び
たスリット状のフィルタを配置している。

【０００５】この回折格子法によれば、変調用の回折格
子及び復調用の回折格子はそれぞれ物体及び像から格子
ピッチ以上離れていてもよいという意味で、半導体素子
製造用の投影光学系に利用できる可能性はある。また、
この方法によれば、限界解像力を２倍程度向上できると
言われているが、それらの回折格子が物体又は像から格
子ピッチ以上離れているために、向上された限界解像力
が開口数換算で１以上に相当することは不可能である。
そのため、この技術は超解像というよりも、投影光学系
の開口数以上の光束を結像させるのを回折格子で補強し
ようとする技術とも言うことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の回折
格子法によると、余分の重複像の空間周波数成分を取り
除くために、１回結像させた像を再結像するための第２
の投影光学系が必要である。しかしながら、解像力向上
の要求に耐えられるような収差の極めて少ない投影光学
系を２本製作すると、従来のように投影光学系１本で済
む投影露光装置に比べて、製造コストが大幅に増大する
という不都合がある。

【０００７】また、従来の回折格子法では、特定方向に
配列された周期的パターンのみの解像力が向上し、その
周期的パターンの周期方向に垂直な方向に配列された周
期的パターンの限界解像力は向上しないという不都合も
あった。本発明は斯かる点に鑑み、１本の投影光学系だ
けを用いて従来の回折格子法による限界解像力向上の技
術を適用でき、且つ必要に応じてあらゆる方向に配列さ
れた周期的パターンの限界解像力を向上できる結像光学
系、及びこの結像光学系を備えた露光装置を提供するこ
とを目的とする。更に本発明は、その結像光学系の使用
方法の一例として、その結像光学系を用いた種々のデバ
イスの製造方法を提供することをも目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による結像光学系
は、所定の照明光のもとで第１面上のパターンの像を第
２面上に投影する投影光学系（１５）と、その第１面と
投影光学系（１５）との間に配置されその第１面のパタ
ーンからの光束のｎ次回折光（ｎは整数）を生成する変
調手段（１４）と、その投影光学系とその第２面との間
に配置されその投影光学系からの光束のｍ次回折光（ｍ
は整数）を生成する復調手段（１６）と、復調手段（１
６）とその第２面との間に配置された光学部材（１７）
と、を備え、その投影光学系のその第２面側は実質的に
テレセントリックであると共に、その投影光学系は変調
手段（１４）からのそのｎ次回折光を通過させる開口数
を有し、光学部材（１７）は復調手段（１６）からの回
折光の内で次の関係を満足しない次数の不要な光束を除
去するものである。

【０００９】 ｎ＋ｍ＝０（即ち、ｍ＝−ｎ） （１） 斯かる本発明の原理につき図２を参照して説明する。先
ず、その第１面上のパターンの空間周波数成分が図２
（ｂ）の長円領域２１内に分布し、投影光学系（１５）
の開口数が図２（ｃ）の円形領域２４内の空間周波数成
分を通過させるものとすると、そのままでは長円領域２
１の両端部の成分は結像に寄与できない。そこで、変調
手段（１４）によって、図２（ｃ）に示すように、長円
領域２１の例えば０次回折光、＋１次回折光２２、及び
−１次回折光２３を生成し、これらの回折光を投影光学
系（１５）に供給すると、図２（ｄ）に示すように、そ
れらの内の円形領域２４内の成分２１ａ，２２ａ，２３
ａのみが通過する。そして、復調手段（１６）を用い
て、図３（ｂ）に示すように、０次回折光の他に、成分
２２ａの−１次回折光２２ａ’、及び成分２３ａの＋１
次回折光２３ａ’を生成すると、図２（ｂ）の長円領域
２１を含む空間周波数成分が生成される。このとき、ｎ
の値は０，＋１，−１であり、対応するｍの値は−ｎ、
即ち０，−１，＋１である。次に、光学部材（１７）を
用いて、図３（ｃ）に示すように、不要な領域２８，２
９の光束を遮光することによって、元の長円領域２１内
の空間周波数成分が再現される。即ち、第２の投影光学
系を使用することなく、回折格子法による超解像効果が
得られる。

【００１０】この場合、復調手段（１６）は一例とし
て、投影光学系（１５）の光軸と直交する平面内に配置
された回折格子を含み、この回折格子はその平面内にお
いて、投影像の解像力を向上させるべき所定の方向（ｘ
方向）に対して角度θだけ傾斜した方向に沿って所定の
ピッチｄの回折パターンより構成されている。このと
き、角度θの範囲は、一例として０＜θ＜π／２［ｒａ
ｄ］である。そして、その照明光の波長をλとして、２
つの角度α１及びα２を次のように定義する。

【００１１】 α１＝sin^-1［ｄ・sinθ／（２λ）］ （２） α２＝sin^-1（ｄ・sinθ／λ） （３） このとき、光学部材（１７）は、復調手段（１６）から
の光束の内で投影光学系（１５）の光軸に対する傾斜角
が角度α１又はα２以内の光束を通過させることが望ま
しい。このとき、角度α１を用いるのは、図３（ｂ）に
示すように、空間周波数領域の０次回折光の成分２１ａ
が解像力を向上させるべき方向（ｘ方向）に直交するｙ
方向にも所定の広がりを有し、成分２１ａと±１次回折
光の成分２２ａ，２３ａとがほぼ接するような場合であ
り、これによって有効成分を確保しつつ不要な空間周波
数成分を除去できる。一方、角度α２を用いるのは、空
間周波数領域の０次回折光の成分２１ａがｙ方向には殆
ど広がりを持たない場合であり、この場合には有効な結
像光束を遮光する確率が低減する。これらの場合、復調
手段（１６）及び光学部材（１７）を同期してπ〜２π
［ｒａｄ］回転自在にしておくことによって、あらゆる
方向に解像力を向上できる。

【００１２】また、その光学部材の一例は、それぞれ投
影像の解像力を向上させるべき方向（ｘ方向）及び投影
光学系（１５）の光軸（ｚ方向）に平行な複数枚の平板
（３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，…）を、その解像力を向上
させるべき方向に直交する方向（ｙ方向）に所定ピッチ
で配列して形成されるものである。このとき、投影光学
系（１５）が第２面側にテレセントリックであるため、
例えば図６に示すように光学部材（１７）で除去すべき
空間周波数成分の光束の、光軸に対するその直交する方
向への傾き角を開き角で２αとすると、光学部材（１
７）では光軸に対する傾き角がα以上の光束を遮光すれ
ばよい。このためには、平板（３１Ａ，３１Ｂ，…）の
光軸方向の長さをｈ、それらの間隔をｄｓとすると、次
の関係を満たせばよい。

【００１３】ｄｓ≦ｈ・tan α （４） また、その光学部材の他の例は、復調手段（１６）から
のその不要な光束を除去するために、投影光学系（１
５）のその第２面上の結像領域外に向けてその不要な光
束を反射させる反射面を有する複数個のプリズム（３２
〜３４）を含むものである。この場合、その光学部材で
光軸に対して所定の方向に傾き角がα以上の光束を除去
するものとすると、例えば図７に示すように、それらの
プリズム（３２〜３４）をその所定の方向（ｙ方向）に
対して傾斜した面を有し、且つ傾き角がα以上で入射す
る光束を全反射によって別の方向に向けるようにすれば
よい。即ち、入射角がαのときに少なくとも１つのプリ
ズムの面で臨界角となればよい。また、これらのプリズ
ムの光軸に垂直でない面は、前記の角度α以上で出射す
る光束と臨界角以上で交差することが望ましいが、臨界
角以上にすることが困難である場合は、臨界角以内であ
っても反射率が著しく高まるようなコーティングを施せ
ばよい。

【００１４】また、変調手段（１４）及び復調手段（１
６）としては、振幅型の回折格子のみならず、位相型の
回折格子や、音響光学素子等も使用できるが、例えば位
相型の回折格子を使用する場合は、回折光として０次回
折光を含まない＋１次回折光及び−１次回折光のみを生
成できるため、重複像を除去することが容易になる。次
に、本発明による露光装置は、上記の本発明の結像光学
系と、その第１面上に配置されたマスク（１１）を照明
する照明光学系（１〜４，７〜１０）と、その第２面上
に配置された感光性基板（１８）を保持する基板保持部
材（１９）と、を備え、そのマスクのパターンの像をそ
の結像光学系を介してその感光性基板上に転写するもの
である。この場合、投影光学系（１５）自体の開口数で
定まる解像力よりも高い解像力でそのマスクのパターン
がその感光性基板上に転写される。

【００１５】また、復調手段（１６）が解像力を向上さ
せるべき方向に対して角度θだけ回転した方向に配列さ
れた回折格子である場合、その照明光学系は、その解像
力を向上させるべき方向に光軸から傾斜した光束をその
マスクに照射することが望ましい。これによって、マス
クから大きな角度で射出される光束の強度が強くなるた
め、そのように解像力を向上させた像が明るくなる。

【００１６】また、本発明によるデバイスの製造方法
は、上記の本発明の結像光学系を用いて所定のデバイス
を製造する方法であって、その第１面上にそのデバイス
用のパターンの形成されたマスク（１１）を設定すると
共に、その第２面上に感光性基板（１８）を設定する第
１工程と、この第１工程後にそのマスクに露光用の照明
光を照射して、そのマスクのパターンの像をその結像光
学系を介してその感光性基板上に転写する第２工程と、
を含むものである。これによって、そのマスクのパター
ンが高い解像力で転写される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
につき図面を参照して説明する。図１は、本例の投影露
光装置の概略構成を示し、この図１において、露光時に
は水銀ランプよりなる露光光源１から射出された露光光
ＩＬは、楕円鏡２によって収束されて不図示のシャッタ
の近傍を通過した後、インプットレンズ３を介してフラ
イアイレンズ４に入射する。なお、露光光ＩＬとして
は、水銀ランプのｉ線やｇ線等の輝線の他に、ＡｒＦエ
キシマレーザ光やＫｒＦエキシマレーザ光等のエキシマ
レーザ光、あるいは金属蒸気レーザやＹＡＧレーザの高
調波等が使用できる。

【００１８】このとき、フライアイレンズ６の射出面に
は多数の２次光源が形成される。フライアイレンズ６の
射出面には開口絞り板５が配置され、開口絞り板５には
所定方向にこの照明光学系の光軸に関して対称に２つの
円形の開口６Ａ，６Ｂが形成されている。これらの開口
６Ａ，６Ｂを通過した露光光ＩＬは、第１リレーレンズ
７を経てレチクルブラインド（可変視野絞り）８に入射
する。レチクルブラインド８の配置面はレチクル１１の
パターン面と共役であり、レチクルブラインド８の開口
形状によってレチクル１１上での照明領域が規定され
る。レチクルブラインド８を通過した露光光ＩＬは、第
２リレーレンズ９、及びコンデンサレンズ１０を介して
レチクル１１のパターン面（下面）を照明する。露光光
源１〜開口絞り板５、及び第１リレーレンズ７〜コンデ
ンサレンズ１０より本例の照明光学系が構成されてい
る。また、開口絞り板５を光軸を中心として±１８０°
回転するための回転駆動装置３９Ｄが設けられ、装置全
体の動作を制御する主制御系３８が回転駆動装置３９Ｄ
を介して回転絞り板５の回転角を所望の角度に設定でき
るように構成されている。

【００１９】レチクル１１のパターン１３を通過した露
光光ＩＬは、変調用の回折格子（以下、「変調格子」と
呼ぶ）１４、投影光学系１５、復調用の回折格子（以
下、「復調格子」と呼ぶ）１６、及び不要光除去部材１
７を介して、フォトレジストが塗布されたウエハ１８の
表面に入射する。この場合、レチクル１１のパターン面
とウエハ１８の表面とは投影光学系１５に関して共役で
あり、レチクル１１のパターンがウエハ１２上に所定の
投影倍率（通常は例えば１／４，１／５等の縮小倍率）
で転写される。この場合、後述のように変調格子１４、
復調格子１６、及び不要光除去部材１７によって、ウエ
ハ１８上に転写される投影像の解像力は、投影光学系１
５自体の開口数によって定まる解像力よりも向上してい
る。また、変調格子１４、復調格子１６、及び不要光除
去部材１７をそれぞれ投影光学系１５の光軸ＡＸを中心
として±１８０°の範囲内で回転するための回転駆動系
３９Ａ，３９Ｂ，３９Ｃが備えられ、主制御系３８が必
要に応じて回転駆動系３９Ａ〜３９Ｃ，３９Ｄを介し
て、変調格子１４、復調格子１６、不要光除去部材１
７、及び開口絞り板５を所定の角度関係を維持して±１
８０°回転できるように構成されている。以下、投影光
学系１５の光軸ＡＸに平行にｚ軸を取り、ｚ軸に垂直な
平面内の直交座標系をｘ軸及びｙ軸として説明する。

【００２０】このとき、レチクル１１はｘ方向、ｙ方向
及び回転方向に微動可能なレチクルステージ１２上に保
持されている。レチクルステージ１２の位置は外部のレ
ーザ干渉計（不図示）によって高精度に計測され、その
計測値に基づいて主制御系３８がレチクルステージ１２
の位置を制御している。一方、ウエハ１８は不図示のウ
エハホルダを介してｘ方向、ｙ方向に移動自在なウエハ
ステージ１９上に載置されている。ウエハステージ１９
の位置も不図示のレーザ干渉計により高精度に計測さ
れ、この計測結果に基づいて主制御系３８がウエハステ
ージ１９の位置を制御している。そして、フォトレジス
トが塗布されたウエハ１８をウエハステージ１９上にロ
ードしてアライメントを行った後、ウエハステージ１９
によりウエハ１８の各ショット領域を投影光学系１５の
露光フィールド内に移動する動作と、露光動作とがステ
ップ・アンド・リピート方式で繰り返されて、レチクル
１１上のパターンの像がウエハ１８上の各ショット領域
に転写される。その後、現像工程及びパターン形成工程
等を経ることによって、ウエハ１８の各ショット領域に
レチクル１１のパターンに対応する回路パターンが形成
される。

【００２１】次に、本例において解像力を向上させるた
めの機構につき詳細に説明する。ここでは一例として、
レチクル１１のパターン面の転写対象のパターンは、ｘ
方向に小さいピッチで配列された周期的なパターン１３
であるとする。図２（ｂ）は、空間周波数領域でのその
パターン１３の空間周波数分布の一例を示し、この図２
（ｂ）に示すように、パターン１３の空間周波数成分は
ｘ方向を長手方向とする長円領域２１に分布している。
また、図２（ｃ）は投影光学系１５によるレチクル１１
のパターン面に対する光学的フーリエ変換面（瞳面）を
示し、円形領域２４は投影光学系１５の開口数に対応し
ており、投影光学系１５を通過できる結像光束の範囲は
円形領域２４の内部である。この場合、パターン１３の
空間周波数分布に対応する長円領域２１の両端部は円形
領域２４からはみ出しているため、そのままではパター
ン１３のｘ方向の高い空間周波数成分は投影光学系１５
を通過できない。従って、このパターン１３の解像力を
向上させるべき方向はｘ方向である。

【００２２】そのため、図１の照明光学系の開口絞り板
５は、解像力を向上させるべき方向（ｘ方向）に対応さ
せて、２つの円形の開口６Ａ，６Ｂがｘ方向に沿って配
列されるように回転角が設定してある。これによってレ
チクル１１からｘ方向に大きな回折角で射出される光束
の強度が大きくなり、明るい像が得られる。また、変調
格子１４は、図２（ａ）に示すようにピッチｄの振幅型
回折格子であり、そのピッチ方向（周期方向）は解像力
を向上させるべき方向（ｘ方向）に対してウエハ１８か
ら見て反時計周りに角度θ（０＜θ＜π／２）だけ回転
した矢印２５で示す方向に設定してある。同様に、復調
格子１６は、図３（ａ）に示すようにピッチｄ２の振幅
型回折格子であり、そのピッチ方向（周期方向）はｘ方
向に対してウエハ１８から見て反時計周りに角度θだけ
回転した矢印２７で示す方向に設定してある。また、本
例の投影光学系１５はウエハ１８側にテレセントリック
であり、不要光除去部材１７は、図６に示すように、解
像力を向上させるべき方向（ｘ方向）に対して直交する
ｙ方向に遮光板３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，…を所定間隔
で配列して構成されている。遮光板３１Ａ，３１Ｂ，…
はそれぞれｘｚ平面に平行であり、これによって、投影
光学系１５の光軸ＡＸ（ｚ軸に平行な軸）に対してｙ方
向に所定角度以上傾斜した光束が遮光される。

【００２３】このような構成のもとでレチクル１１のパ
ターン像の結像は次のように行われる。即ち、開口絞り
板５のｘ方向に配列された２つの開口６Ａ，６Ｂを通過
した露光光ＩＬは、コンデンサレンズ１０等を介してレ
チクル１１のパターン１３を斜めに照明し、パターン１
３を通過した露光光ＩＬは変調格子１４によってｘ軸に
対して角度θだけ回転した方向に回折され、変調格子１
４から０次回折光、及び±１次回折光が投影光学系１５
に向けて射出される。この際に、投影光学系１５に入射
する回折光は、図２（ｃ）に示すように、長円領域２１
内の０次回折光、長円領域２１の＋１次回折光２２、及
びその−１次回折光２３である。＋１次回折光２２、及
び−１次回折光２３は、ｘ軸に対して角度θで傾斜した
直線２６に沿って長円領域２１を移動したような空間周
波数成分を有する。この場合、その図２（ｃ）に示す回
折光の内で投影光学系１５を通過できる光束は、図２
（ｄ）に示すように、円形領域２４内の成分２１ａ，２
２ａ，２３ａのみである。

【００２４】次に投影光学系１５を通過した露光光は、
復調格子１６によってｘ方向に対して角度θだけ回転し
た方向に再度回折される。図３（ｂ）は、復調格子１６
によって回折される露光光の空間周波数分布を示し、こ
の図３（ｂ）において、投影光学系１５からの円形領域
２４内の空間周波数成分の０次回折光と、その空間周波
数成分をｘ軸に対して角度θで傾斜した直線２６に沿っ
て前後に移動した−１次回折光２４Ａ、及び＋１次回折
光２４Ｂとが復調格子１６から射出される。この結果、
図３（ｂ）において、０次回折光の成分２１ａの−ｘ方
向には成分２２ａの−１次回折光２２ａ’が生成され、
成分２１ａの＋ｘ方向には成分２３ａの＋１次回折光２
３ａ’が生成されるため、図２（ｂ）の元の長円領域２
１内の空間周波数成分が超解像によって復元される。と
ころが、図３（ｂ）から分かるように、元の長円領域２
１の成分の他に、重複像に起因するｙ方向に不要な空間
周波数成分も生成されている。そこで、そのような重複
像を除去するために、図１の不要光除去部材１７によっ
て光軸ＡＸに対してｙ方向に所定角度以上傾斜した光束
を遮光する。不要光除去部材１７を通過した後の露光光
の空間周波数成分からは、図３（ｃ）に示すように、長
円領域２１に対してｙ方向に接する領域２８，２９の成
分が除去されているため、ウエハ１８上にはレチクル１
１のパターン１３の像がｘ方向に高い解像力で転写され
る。即ち、本例の不要光除去部材１７によって、従来の
回折格子法で必要とされていた第２の投影光学系が省略
できる。

【００２５】その不要光除去部材１７の作用について定
量的に理解し易くするために、レチクル１１を通過した
光線の光路について、図１、図４及び図５を参照して光
線追跡の方法により考察する。この際に簡単のため、図
１の投影光学系１５の投影倍率を１倍とする。また、ｘ
方向がメリジオナル方向、ｙ方向がサジタル方向となっ
ている。そして、レチクル１１から方向余弦（ｃｘ，ｃ
ｙ，ｃｚ）で表される方向に射出される光線をａとし
て、この光線ａの進行方向を次のように方向余弦のｘ成
分及びｙ成分を持つベクトルで表す。

【００２６】ａ＝（ｃｘ，ｃｙ） （５） このとき、方向余弦のｚ成分ｃｚは、ｃｘ² ＋ｃｙ² ＋
ｃｚ² ＝１の関係より、常に他の２つの成分ｃｘ，ｃｙ
から求めることができる。ここで解像力を向上させよう
とする方向はｘ方向であり、変調格子１４及び復調格子
１６の回折方向はｘ方向に対して角度θだけ傾いている
ので、光線ａが変調格子１４によってｎ次の回折光ｂ_n
になる場合、変調格子１４のピッチはｄであり、露光波
長をλとすると、回折光ｂ_n の進行方向は次の方向余弦
で表すことができる。

【００２７】 ｂ_n ＝（ｃｘ’，ｘｙ’）＝（ｃｘ−（ｎｄ／λ)・cos θ，ｃｙ−（ｎｄ／λ )・sin θ），（ｎ＝０，±１，±２，…） （６） 更に回折光ｂ_n が投影光学系１５を通過して、復調格子
１６により再び回折されて、ｍ次の回折光ｃ_mnになった
場合、投影光学系１５が等倍と仮定されているため、復
調格子１６のピッチｄ２はｄと等しく設定される。ま
た、復調格子１６もその回折方向がｘ軸に対して角度θ
だけ傾いているので、回折光ｃ_mnの進行方向をｃ_mn＝
（ｃｘ”，ｃｙ”）という方向余弦で表すと、各成分は
次のようになる。

【００２８】 ｃｘ”＝ｃｘ’−（ｍｄ／λ)・cos θ， ｃｙ”＝ｃｙ’−（ｍｄ／λ)・sin θ（ｍ＝０，±１，±２，…） （７） （６）式、（７）式より、回折光ｃ_mnの進行方向は次の
ようになる。 ｃ_mn＝（ｃｘ−（ｎｄ／λ)・cos θ−（ｍｄ／λ)・cos θ， ｃｙ−（ｎｄ／λ)・sin θ−（ｍｄ／λ)・sin θ） （８） この（８）式より明らかなように、次の関係が満たされ
ると、回折光ｃ_mnの進行方向は（５）式で表されるレチ
クル１１からの光線ａの進行方向（ｃｘ，ｃｙ）と同じ
になり、レチクル１１上のパターン１３を再現できるこ
とが分かる。

【００２９】ｎ＋ｍ＝０ （９） この場合、強度の強い０次回折光と±１次回折光のみを
考えると、（９）式を満たす回折次数ｎ，ｍの組み合わ
せは、（ｎ＝０，ｍ＝０）と、（ｎ＝１，ｍ＝−１）
と、（ｎ＝−１，ｍ＝１）との３通りある。本例では、
主にこれらの３通りの回折次数の組み合わせによってレ
チクルのパターンを再現する。しかし、（９）式を満足
しない回折光は、重複像を形成する余分の回折光であ
り、これらを除去する必要があり、そのための光学部材
として復調格子１６とウエハ１８との間に不要光除去部
材１７が配置されている。

【００３０】ここで、レチクル１１からきた光線ａの進
行方向が、ａ＝（ｃｘ，０）で表される場合、（６）式
より変調格子１４を通過した回折光ｂ_n の進行方向は次
のようになる。 ｂ_n ＝（ｃｘ-(ｎｄ／λ)・cos θ，(-ｎｄ／λ)・sin θ） （１０） ｎ＝１の場合、この回折光ｂ_n が光軸ＡＸとなす角度の
正弦は、次のようになる。

【００３１】 [{ｃｘ−（ｄ／λ)・cos θ}²＋{(ｄ／λ)・sin θ}²］^1/2 （１１） 従って、この場合の正弦がレチクル１１からの光線ａの
入射角の正弦よりも小さくなれば、レチクル１１から出
射した光線の開口数よりも小さな開口数の光線を投影光
学系１５に通過させることができ、解像力向上につなが
る。つまり、次の条件を満足するとき、解像力向上が期
待できる。

【００３２】 ｃｘ² −２（ｄ／λ)・ｃｘ・cos θ＋（ｄ／λ）² ＜ｃｘ² （１２） これを解くと、次式が得られる。 ｄ＜２λ・ｃｘ・cos θ （１３） 図４は、レチクル１１を出射した光線、及び変調格子１
４によって回折された回折光のそれぞれのｘ方向及びｙ
方向の方向余弦を表す図であり、この図４を参照してｘ
方向に配列された周期的パターンの限界解像力を向上さ
せようとする方法につき説明する。また、図１の投影光
学系１５の開口数ＮＡをsin βとして、図４の円周３０
は、半径がsin β（＝ＮＡ）の円周を表している。即
ち、円周３０の内部が投影光学系１５を通過できる光線
の方向余弦を表す。また、図４において円周３０の中心
（光軸ＡＸ）をｘ軸及びｙ軸の原点Ｏとして、原点Ｏか
らｘ方向にレチクル１１からの光線の方向余弦のｘ成分
ｃｘだけ離れた点をＡ、線分ＯＡと円周３０とが交差す
る点をＰとすると、線分ＯＡのような方向余弦の幅を持
つ光束の内、線分ＰＡの範囲内の方向余弦の光線は通常
は投影光学系１５を通過できない。しかし、本例では、
ｇ軸のように、ｘ軸に対してウエハから見て反時計周り
に角度θだけ傾いた方向に光束を回折させる変調格子１
４が設けられており、それにより回折された−１次回折
光を考えると、方向余弦のｘ成分、ｙ成分が（０，０）
の光線ａの−１次回折光ｂ_-1の方向余弦は（−（ｄ／
λ)・cos θ，−（ｄ／λ)・sin θ）になる。即ち、図４
で光線ａに対応する点Ｏがｇ軸に沿った点Ｏ’に移る。

【００３３】また、方向余弦が（sin β，０）の光線ａ
の−１次回折光ｂ_-1の方向余弦は（sin β−（ｄ／λ)・
cos θ，−（ｄ／λ)・sin θ）になる。即ち、図４で、
この光線ａに対応する点Ｐがｇ軸に平行に点Ｑに移動す
る。同様に、方向余弦が（ｃｘ，０）の光線ａの−１次
回折光ｂ_-1の方向余弦は（ｃｘ−（ｄ／λ)・cos θ，−
（ｄ／λ)・sin θ）になり、図４でこの光線ａに対応す
る点Ａがｇ軸に平行に点Ｂに移動する。つまり、−１次
回折によって、線分ＰＡの範囲に方向余弦を持つ光線の
方向余弦は線分ＱＢの範囲に移動して、半径がsin βの
円周３０内に入り、投影光学系１５を透過できるように
なる。従って、解像力を向上できる。また、線分ＯＰの
範囲の方向余弦を持つ光線は０次回折光としても投影光
学系１５を通過できるので、−１次回折によって方向余
弦が線分Ｏ’Ｑの範囲内となった光線が投影光学系１５
を通過できなくてもよい。従って、線分Ｏ’Ｑの長さは
sin βであればよい。図４の三角形ＯＢＱにおいて、三
平方の定理を用いると次のようになる。

【００３４】 {(ｄ／λ)・cos θ−sin β}²＋{(ｄ／λ)・sin θ}²＝sin²β （１４） これを解くと次のようになる。 ｄ／λ＝２cos θ・sin β （１５） これが投影光学系１５の開口数ＮＡ（＝sin β）と変調
格子１４の回折方向を示す角度θとの関係式となり、本
例の変調格子１４は（１５）式を満たすように構成され
ている。この場合、ｃｘ＞sin β であるため、（１
５）式が成立すると、（１３）式が成立して解像力が向
上する。

【００３５】そして、ｘ軸に対してウエハ側から見て反
時計方向に角度θだけ傾斜した方向をピッチ方向とする
復調格子１６での＋１次回折によって、図４の線分ＱＢ
の範囲に方向余弦のある光線の方向余弦は線分ＰＡの範
囲になり、元の線分ＯＡの範囲の方向余弦の光束を再現
できるが、復調格子１６による０次回折光の方向余弦は
線分ＱＢの範囲のままである。そこで、その線分ＱＢの
範囲に方向余弦のある光線は、ウエハ上に結像しないよ
うに除去する必要がある。

【００３６】この場合、ｙ方向に−（ｄ／λ)・sin θ以
下（絶対値では以上）の方向余弦を持つ光線をウエハ上
に結像させないようにしなければいけないが、光束のｙ
方向の方向余弦の広がりを考えると、少なくとも−｛ｄ
／（２λ)}・sinθ以下の方向余弦の光線をウエハ上に結
像させないようにする必要がある。また前記と同様に、
変調格子１４による＋１次回折光が、復調格子１６によ
って−１次回折光と０次回折光とになった場合を考える
と、ｙ方向に＋（ｄ／λ)・sin θ以上の方向余弦の光線
をウエハ上に結像させないようにする必要があることが
分かる。この場合にも、同様に光束のｙ方向の方向余弦
の広がりを考えると、少なくとも＋｛ｄ／（２λ)}・sin
θ以上の方向余弦の光線をウエハ上に結像させないよう
にする必要がある。つまり、不要光除去部材１７では、
ｙ方向の方向余弦ｃｙが、次の範囲を満たす光線をウエ
ハ上に結像させないように除去すればよい。

【００３７】ｃｙ≧＋｛ｄ／（２λ)}・sinθ、又は ｃｙ≦−｛ｄ／（２λ)}・sinθ （１６） このため、図６に示すように、本例の不要光除去部材１
７はｚｘ平面に平行な遮光板３１Ａ，３１Ｂ，…をｙ方
向に一定間隔で配列して構成されている。それらの遮光
板３１Ａ，３１Ｂ，…のｙ方向の間隔をｄｓとし、それ
らの遮光板の光軸方向の長さをｈとすると、それらの遮
光板を通過できる光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，…のｙ方向へ
の傾斜角の最大値α’は、ｈ・tan α’＝ｄｓ を満た
す。このとき、ｙ方向の方向余弦が±｛ｄ／（２λ)}・s
inθの範囲外の光線を通過させないようにするために
は、その傾斜角の最大値α’がsin ^-1［｛ｄ／（２
λ）}・sin θ］（これをαとする）以下となればよいの
で、次式が成立するように間隔ｄｓを定める必要があ
る。

【００３８】 ｄｓ≦ｈ・tan[sin^-1{ｄ・sin θ／（２λ)}］＝ｈ・tan α （１７） この際に、ｄｓ＝ｈ・tan α が成立する場合には、ｙ
方向に角度α以上傾斜した光線は、多数の遮光板３１
Ａ，３１Ｂ，…によって遮蔽されて、ウエハ上には結像
しない。また、間隔ｄｓは波動光学的な解像限界である
０．１μｍ程度よりも充分大きい必要があるため、間隔
ｄｓは１０μｍ以上であることが必要である。一方、間
隔ｄｓがあまりに大きくなると、ｙ方向の結像位置によ
って照度むらが起こるため、間隔ｄｓはウエハ近傍での
投影光学系１５のレンズの有効径である１０〜２０ｍｍ
よりも充分小さいことが望ましく、この点からは間隔ｄ
ｓは１００μｍ以下であることが望ましい。従って、総
合的に間隔ｄｓは１００μｍ〜１０μｍの範囲内である
ことが望ましい。

【００３９】このような不要光除去部材１７の具体的な
構成としては、金属をエッチングして上記のような遮光
板３１Ａ，３１Ｂ，…を形成したものが使用できる。ま
た、遮光板の代わりに遮光帯を使用してもよく、このよ
うな遮光帯としては、使用波長に対して透明な媒質内に
遮光媒質を埋め込むような構造にしたものが考えられ
る。但し、透明な媒質の内部に遮光帯を配置する場合、
遮光帯が光線を吸収して発熱すれば、透明な媒質の屈折
率が変動し、それによってウエハ上に結像する光束の収
差が変動する恐れがあるので、遮光帯は露光光を吸収す
ることなく散乱することが望ましい。

【００４０】なお、そのようにｙ方向の方向余弦が±
｛ｄ／（２λ)}・sinθの範囲外の光線をウエハ上に結像
させないようにする不要光除去部材１７としては、複数
のプリズムを組み合わせた光学系を使用して、１つのプ
リズムから臨界角以上で出射しようとする光線が全反射
するという現象を利用することもできる。図７は、不要
光除去部材１７として使用できる複数のプリズムを示
し、この図７において、図１の復調格子１６からの光線
Ｒ１〜Ｒ４が、光軸ＡＸに垂直な平面を入射側に向けた
第１のプリズム３２に入射している。この第１のプリズ
ム３２からウエハ１８に向かって順に、第１のプリズム
３２の傾斜面とほぼ同じ角度だけ傾斜した面を入射側に
し、その傾斜角とほぼ同じ角度で反対方向に傾斜させた
面を出射側にした第２のプリズム３３、及び第２のプリ
ズム３３の出射側の傾斜面とほぼ同じ角度だけ傾斜した
面を入射側にし、光軸ＡＸと垂直な面を出射側にした第
３のプリズム３４が配置されている。これらのプリズム
３２〜３４の光軸ＡＸに垂直でない面の傾斜方向は全て
ｙ方向であり、プリズム３２〜３４の臨界角により、ｙ
方向においてその方向余弦が±｛ｄ／（２λ)}・sinθ以
上の光軸ＡＸに対する傾き角が大きな光線はウエハ１８
上に到達しない。

【００４１】即ち、図７において、ｙ方向の方向余弦が
±｛ｄ／（２λ)}・sinθの範囲内の光線Ｒ２，Ｒ３はプ
リズム３２，３３，３４を介してもウエハ１８上に入射
するが、光線Ｒ１は｛ｄ／（２λ)}・sinθ以上のｙ方向
の方向余弦を有する光線であるため、プリズム３２の出
射側の面に臨界角以上で入射して、全反射されて光線
Ｒ’１になってウエハ１８の表面には達しない。また、
光線Ｒ４は、−｛ｄ／（２λ)}・sinθ以下のｙ方向の方
向余弦を有する光線であるため、プリズム３３の出射側
の面に臨界角以上の入射角で入射して、全反射されて光
線Ｒ’４になってウエハ１８の表面には達しない。

【００４２】投影光学系１５の開口数ＮＡが小さい場
合、傾斜角がsin ^-1［｛ｄ／（２λ)}・sinθ］以上の光
線をウエハ上に結像させないためには、プリズム３２〜
３４の傾斜角を大きくしないと臨界角が前記のようにな
らない。プリズム３２〜３４の臨界角を大きくすると、
投影光学系１５からウエハ１８までの距離を大きく取ら
なければならず、そのような投影光学系１５を設計する
ことは困難である。従って、臨界角以内でも全反射させ
るような著しく角度特性が異なるようなコーティングを
プリズムの傾斜面に施すことが望ましい。

【００４３】なお、それらのプリズム３２，３３，３４
を偏光ビームスプリッタとしてもよい。これらの偏光ビ
ームスプリッタは光軸ＡＸに対して傾斜している面の傾
斜方向に平行な方向（ｙ方向）の偏光成分（Ｐ偏光）を
透過し、その傾斜方向に垂直な方向（ｘ方向）の偏光成
分（Ｓ偏光）を反射するものである。ところが、本例で
は周期的パターンの周期方向（ｘ方向）に対して偏光ビ
ームスプリッタの傾斜方向（ｙ方向）が垂直であり、Ｐ
偏光がウエハ上に結像することは、ｘ方向の偏光成分が
除去されることになるため、通常の自然光よりも解像力
が向上することになり都合がよい。

【００４４】また、上述の実施の形態では、変調格子１
４及び復調格子１６としては、通常の振幅型回折格子が
使用されていたが、回折効率の点からは位相型回折格子
を使用することが望ましい。このように位相型回折格子
を使用した場合には、０次回折光が殆ど発生しないた
め、以下で図５を参照して説明するように結像が行われ
る。

【００４５】図５は、図４に対応してレチクル１１を出
射した光線、及び変調格子１４（ここでは位相型回折格
子が使用されている）によって回折された回折光のそれ
ぞれのｘ方向及びｙ方向の方向余弦を表す図であり、こ
の図５において、半径がsinβ（＝ＮＡ）の円周３０の
内部が投影光学系１５を通過できる光線の方向余弦を表
している。この図５において、レチクル１１から射出さ
れてｘ方向のみに方向余弦が延びた線分ＯＡの範囲内の
光束の内で、線分ＰＡの範囲内に方向余弦のある光束
は、sin β以上のｘ方向の方向余弦があるため、そのま
までは投影光学系１５を通過できない。これに対して、
変調格子１４による０次回折光は存在しないため、線分
ＯＡ内に方向余弦のある光束は、変調格子１４によって
−１次回折光と＋１次回折光との２方向のみに回折さ
れ、線分ＯＡ内に方向余弦のある光束の−１次回折光の
方向余弦は、ｘ軸に対して角度θだけ傾斜したｇ軸に沿
って移動して線分Ｏ’Ｂ内になる。

【００４６】ここで、位相型回折格子としての変調格子
１４のピッチをｄ、露光波長をλとすると、図５におい
て方向余弦が（０，０）の光線ａは、−１次回折によっ
て、方向余弦が（−｛ｄ／（２λ)}・cosθ，−｛ｄ／
（２λ)}・sinθ）の回折光ｂ_-1となり、点Ｏが点Ｏ’に
移る。また、方向余弦が（sin β，０）の光線ａは、−
１次回折によって、方向余弦が（sin β−｛ｄ／（２
λ)}・cosθ，−｛ｄ／（２λ)}・sinθ）の回折光ｂ_-1と
なり、点Ｐが点Ｑに移る。同様に、方向余弦が（ｃｘ，
０）の光線ａは、方向余弦が（ｃｘ−｛ｄ／（２λ)}・c
osθ，−｛ｄ／（２λ)}・sinθ）の回折光ｂ_-1となり、
点Ａが点Ｂに移る。

【００４７】つまり、方向余弦が線分ＯＡである光線の
−１次回折光が、線分Ｏ’Ｂが方向余弦である光線とな
るが、図５より明らかなように、ＯＯ’＝ＯＢ＝sin β
である。また、線分Ｏ’Ｂはｘ軸に平行であるため、
点Ｂはｙ軸に関して点Ｏ’と対称になり、点Ｂの方向余
弦は（｛ｄ／（２λ)}・cosθ，−｛ｄ／（２λ)}・sin
θ）でもあるため、次式が成立する。

【００４８】 Ｏ’Ｂ＝ｃｘ＝２｛ｄ/(２λ)}・cos θ＝（ｄ／λ)・cos θ （１８） 従って、レチクル１１から射出される光束中で、解像力
を向上できる最大の開口数は（ｄ／λ）・cos θである
ことが分かる。また、ＯＯ’＝ｄ／（２λ）＝sin β
であるため、ｃｘをレチクル１１から射出される光束中
で解像力を向上できる最大の開口数とすると、ｃｘ＝２
・sin β・cos θとなる。即ち、解像力は投影光学系１
５の開口数ＮＡの２倍以上に向上させることはできない
が、次式が成立している範囲内で、投影光学系１５のみ
による場合よりも解像力を向上できる。

【００４９】２・cos θ＞１ （１９） しかし、位相型回折格子よりなる復調格子１６を透過し
た後の回折光の内で、線分Ｏ’Ｂの方向余弦を持つ光束
はそれぞれ＋１次回折によって線分ＯＡの方向余弦を持
つ光束となり、−１次回折によって線分Ｏ”Ｃの方向余
弦を持つ光束となるが、０次回折光が存在しないので、
線分Ｏ’Ｂの方向余弦を持つ光束は存在しない。従っ
て、余分の重複像を除去するための不要光除去部材１７
では、線分Ｏ”Ｃの方向余弦を持つ光束を除去すればよ
く、ｙ方向の光束の広がりを考えても、少なくとも線分
Ｏ’Ｂ以上のｙ方向の方向余弦を持つ光束をウエハ上に
結像させないようにすればよい。つまり、振幅型回折格
子の場合と同様に、ｙ方向において、±｛ｄ／（２λ)}
・sinθ以上の方向余弦の光線をウエハ上に結像させない
ようにすればよい。但し、振幅型及び位相型の回折格子
のピッチｄが同一でも、位相型回折格子の±１次回折光
の回折方向の方向余弦は、振幅型回折格子のそれの半分
である。

【００５０】従って、図５を図４と比較しても明らかな
ように、位相型回折格子では振幅型回折格子の場合より
も、ｙ方向に大きな方向余弦の光線をウエハ上に結像さ
せないようにすればよく、不要光除去部材１７が遮光板
又は遮光帯から構成されている場合には、遮光板又は遮
光帯の光軸方向の幅ｈを小さくでき、不要光除去部材１
７として図７に示す複数のプリズムが使用されていれ
ば、各プリズムの傾斜角を小さくできる。即ち、余分の
重複像をウエハ上に結像させないための光学部材が作り
易くなる。

【００５１】例えば、不要光除去部材１７として図７の
複数のプリズム３２〜３４を使用して、ｙ方向に角度φ
以上傾斜した光線を所定のプリズムの臨界角により全反
射する場合を考えて、そのプリズムの傾斜角をψ、屈折
率をＮｐとすると、次の関係が成立している。 sin （φ＋ψ）＝１／Ｎｐ （２０） 具体的に、Ｎｐ＝１．５の場合、φ＋ψ＝４１．８１゜
となる。例えば、投影光学系１５の開口数ＮＡを０．５
６として、図４のように振幅型の回折格子を使用する場
合、｛ｄ／（２λ)}・sinθ＝０．１４であるとすると、
０．１４以上のｙ方向の方向余弦を持つ光線をウエハ上
に結像させないようにすればよい。そこで、角度φは次
のようになる。

【００５２】 sin φ＝０．１４／Ｎｐ＝０．１４／１．５ （２１） これを解くと、φ＝５．３６°となり、そのプリズムの
傾斜角は、（２０）式より、ψ＝３６．４５゜となる。
ところが、同様に、投影光学系１５の開口数ＮＡが０．
５６の場合、図５のように位相型の回折格子を用いて、
｛ｄ／（２λ)}・sinθ＝０．２８であるとすると、０．
２８以上のｙ方向の方向余弦を持つ光線をウエハ上に結
像させないようにすればよいので、角度φは次のように
なる。

【００５３】 sin φ＝０．２８／Ｎｐ＝０．２８／１．５ （２２） これを解くと、φ＝１０．７６°となる。従って、その
プリズムの傾斜角は、（２０）式より、ψ＝３１．０５
゜となり、振幅型回折格子よりも少ない傾斜角でよいこ
とになる。従って、位相型回折格子を使用した場合に
は、光軸方向において、それらプリズムの占める領域が
少なくて済み、その分投影光学系１５の設計に余裕が出
てくる。

【００５４】上述のように本例では、ｘ方向への解像力
を向上できるが、転写すべきパターンには種々の方向に
微細なピッチで配列された周期的パターンが含まれてい
ることがある。このような場合には、図１において、露
光中に主制御系３８は回転駆動装置３９Ｄ，３９Ａ，３
９Ｂ，３９Ｃを介して、開口絞り板５の開口６Ａ，６Ｂ
の配列方向、変調格子１４の回折方向、復調格子１６の
回折方向、及び不要光除去部材１７の遮光板の配列方向
を、上述の位置関係を維持して少なくとも１８０°回転
する。なお、±１８０°即ち３６０°回転するようにし
てもよい。これによって、あらゆる方向に配列されたパ
ターンの解像力を、投影光学系１５の開口数で定まる解
像力以上に高めることができる。

【００５５】また、上述の実施の形態では、開口絞り板
５を用いて解像力を向上させるべき方向（図１ではｘ方
向）に傾斜した露光光でレチクル１１を照明している。
これによって、レチクル１１のパターン１３からｘ方向
に大きな回折角で射出される光束の投影光学系１５の瞳
面での強度が低下することがなく、高い解像力が得られ
る。そのように開口絞り板５を使用した場合に更に、レ
チクル１１への露光光の傾斜角を大きくするために、特
開平５−１８８５７７号公報に開示されているように、
レチクル１１の入射側にその解像力を向上させるべき方
向（ｘ方向）をピッチ方向とする位相型の回折格子を配
置してもよい。この位相型の回折格子のピッチをｄｐと
すると、照明光学系からの露光光が更に方向余弦にして
λ／（２ｄｐ）だけ増減した方向から照明されることに
なる。

【００５６】図８は、そのように位相型の回折格子を使
用して照明を行う場合の、照明光学系の瞳面（レチクル
１１に対する光学的フーリエ変換面）での光源像を示
し、この図８において、開口絞り板５の開口を通常の円
形開口とした場合の円形の光源像（不図示）が、その位
相型の回折格子によってｘ方向に方向余弦にして±λ／
（２ｄｐ）だけシフトしてそれぞれ光源像Ｐ_-1及びＰ₁
になっている。また、図８において、投影光学系１５の
入射側の瞳（投影光学系の入射側の開口数で定まる通過
可能領域）をＰ₀ とする。更に、照明光学系の出射側の
開口数（ＮＡ_IL）をsin γ、投影光学系ＰＬの入射側の
開口数をsin βとし、次式が成立しているものとする。

【００５７】 sin β＜λ／（２ｄｐ）＜sin β＋sin γ （２３） この場合、λ／（２ｄｐ）を（sin β＋sin γ）に近付
けていくと、投影光学系１５の瞳Ｐ₀ と、照明光学系の
瞳面における位相型の回折格子による光源像Ｐ _-1，Ｐ₁
とが両端の部分のみ重なり合う。従って、図１の照明光
学系の瞳面上の開口絞り板５の開口６Ａ，６Ｂの位置
を、図６の重なり領域中の小さな円形の開口Ｑ₁₁，Ｑ₁₂
（又はＱ_-11,Ｑ_-12)に合わせた位置にすると、レチクル
１１からｘ方向に大きい角度で射出される露光光のみが
投影光学系１５を通過でき、ｘ方向に微細なピッチのパ
ターンが高い解像力で投影される。

【００５８】また、そのレチクル１１上に設ける位相型
の回折格子のように、傾斜している露光光を優先的にウ
エハ上に結像させるような光学要素の別の例としては、
図９に示すように、レチクル１１の射出側に対向するよ
うに設けた遮光用のマスク３６がある。図９において、
レチクル１１のパターン面にはｘ方向に所定ピッチで遮
光パターン３５Ａ，３５Ｂ，２５Ｃ，…が形成されてい
る。これに対して、レチクル１１のパターン面から所定
間隔離れた位置に、遮光パターン３５Ａ，３５Ｂ，３５
Ｃ，…と同じ配置で、且つｘ方向に明暗の位相が反転し
た遮光パターン３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，…が形成され
たマスク３６が配置されている。マスク３６を用いて、
レチクル１１から出射した露光光の内の傾斜している光
束のみを優先的に通過させるようにするために、レチク
ル１１の射出面と遮光用のマスク３６との距離をＨと
し、マスク３６の遮光パターンのピッチをｄｐ’とし、
照明光学系の出射側の開口数ＮＡ_ILをsin γとして、次
の関係が成立すればよい。

【００５９】 ｄｐ’／（２tan γ）≦Ｈ＜ｄｐ’／［２tan （γ−δ）］ （２４） 但し、角度δは０＜δ＜γの関係を満たす角度である。
なお、このように明暗の位相が逆転した遮光用のマスク
３６を使用した場合には、それによる回折があるので、
傾斜した照明光を優先的に通過させる効率は、前記のマ
スクの入射側に配置された位相型の回折格子よりも悪
い。なお、上述の実施の形態は本発明の結像光学系を投
影露光装置に適用したものであるが、本発明の結像光学
系は光学顕微鏡等にも適用できる。このように、本発明
は上述実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない
範囲で種々の構成を取り得る。

【００６０】

【発明の効果】本発明の結像光学系によれば、復調手段
からの回折光の内の不要光を除去する光学部材が設けら
れているため、１本の投影光学系だけを用いて従来の回
折格子法による限界解像力向上の技術を適用でき、周期
的パターンの限界解像力を向上できる利点がある。ま
た、必要に応じて変調手段、復調手段、及び光学部材等
を回転することによって、あらゆる方向に配列された周
期的パターンの限界解像力を向上できる利点がある。

【００６１】また、その復調手段は、投影光学系の光軸
と直交する平面内に配置された回折格子を含み、この回
折格子はその平面内において、投影像の解像力を向上さ
せるべき所定の方向に対して角度θだけ傾斜した方向に
沿って所定のピッチｄの回折パターンより構成され、そ
の照明光の波長をλとして、２つの角度α１及びα２を
（２）式、（３）式で定義したときに、その光学部材
は、その復調手段からの光束の内でその投影光学系の光
軸に対する傾斜角が角度α１又はα２以内の光束を通過
させる場合には、不要な重複像が除去されて鮮明な投影
像が得られる。

【００６２】また、その光学部材が、それぞれ投影像の
解像力を向上させるべき方向及びその投影光学系の光軸
に平行な複数枚の平板を、その解像力を向上させるべき
方向に直交する方向に所定ピッチで配列して形成される
場合には、その光学部材を容易に且つ安価に形成でき
る。また、その光学部材が、その復調手段からの不要な
光束を除去するために、その投影光学系の第２面上の結
像領域外に向けてその不要な光束を反射させる反射面を
有する複数個のプリズムを含む場合には、有効な光束が
遮光されない利点がある。

【００６３】また、本発明の露光装置によれば、本発明
の結像光学系を備えているため、投影光学系自体の解像
力以上の解像力でマスク上のパターンを感光性基板上に
転写できる。また、本発明のデバイスの製造方法によれ
ば、本発明の結像光学系を用いて、高い解像力でマスク
上のパターンを感光性基板上に転写できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の投影露光装置を示
す一部を切り欠いた斜視図である。

【図２】図１の変調格子１４の作用の説明図である。

【図３】図１の復調格子１６の作用の説明図である。

【図４】本発明の実施の形態において、変調格子１４及
び復調格子１６が振幅型回折格子である場合の、各回折
光の光軸に垂直な方向の方向余弦を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態において、変調格子１４及
び復調格子１６が位相型回折格子である場合の、各回折
光の光軸に垂直な方向の方向余弦を示す図である。

【図６】図１の不要光除去部材１７の一例を示す側面図
である。

【図７】図１の不要光除去部材１７として使用できる複
数のプリズムを示す側面図である。

【図８】傾斜している照明光を優先的にウエハ上に結像
させるような光学要素の一例の説明図である。

【図９】傾斜している照明光を優先的にウエハ上に結像
させるような光学要素の他の例の説明図である。

【符号の説明】

５ 開口絞り板 １１ レチクル １４ 変調用の回折格子（変調格子） １５ 投影光学系 １６ 復調用の回折格子（復調格子） １７ 不要光除去部材 １８ ウエハ １９ ウエハステージ ３１Ａ，３１Ｂ，…，３１Ｅ 遮光板 ３２，３３，３４ プリズム ３８ 主制御系 ３９Ａ〜３９Ｄ 回転駆動装置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の照明光のもとで第１面上のパター
   ンの像を第２面上に投影する投影光学系と、 前記第１面と前記投影光学系との間に配置され前記第１
   面のパターンからの光束のｎ次回折光（ｎは整数）を生
   成する変調手段と、 前記投影光学系と前記第２面との間に配置され前記投影
   光学系からの光束のｍ次回折光（ｍは整数）を生成する
   復調手段と、 該復調手段と前記第２面との間に配置された光学部材
   と、を備え、 前記投影光学系の前記第２面側は実質的にテレセントリ
   ックであると共に、前記投影光学系は前記変調手段から
   の前記ｎ次回折光を通過させる開口数を有し、 前記光学部材は前記復調手段からの回折光の内で（ｎ＋
   ｍ＝０）の関係を満足しない次数の不要な光束を除去す
   ることを特徴とする結像光学系。
2. 【請求項２】 請求項１記載の結像光学系であって、 前記復調手段は、前記投影光学系の光軸と直交する平面
   内に配置された回折格子を含み、該回折格子は前記平面
   内において、投影像の解像力を向上させるべき所定の方
   向に対して角度θだけ傾斜した方向に沿って所定のピッ
   チｄの回折パターンより構成され、 前記照明光の波長をλとして、２つの角度α１及びα２
   を次のように定義すると、 α１＝sin^-1［ｄ・sinθ／（２λ）］ α２＝sin^-1（ｄ・sinθ／λ） 前記光学部材は、前記復調手段からの光束の内で前記投
   影光学系の光軸に対する傾斜角が角度α１又はα２以内
   の光束を通過させることを特徴とする結像光学系。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の結像光学系であっ
   て、 前記光学部材は、それぞれ投影像の解像力を向上させる
   べき方向及び前記投影光学系の光軸に平行な複数枚の平
   板を、前記解像力を向上させるべき方向に直交する方向
   に所定ピッチで配列して形成されることを特徴とする結
   像光学系。
4. 【請求項４】 請求項１又は２記載の結像光学系であっ
   て、 前記光学部材は、前記復調手段からの前記不要な光束を
   除去するために、前記投影光学系の前記第２面上の結像
   領域外に向けて前記不要な光束を反射させる反射面を有
   する複数個のプリズムを含むことを特徴とする結像光学
   系。
5. 【請求項５】 請求項１〜４の何れか一項記載の結像光
   学系と、 前記第１面上に配置されたマスクを照明する照明光学系
   と、 前記第２面上に配置された感光性基板を保持する基板保
   持部材と、を備え、 前記マスクのパターンの像を前記結像光学系を介して前
   記感光性基板上に転写することを特徴とする露光装置。
6. 【請求項６】 請求項１〜４の何れか一項記載の結像光
   学系を用いて所定のデバイスを製造する方法であって、 前記第１面上に前記デバイス用のパターンの形成された
   マスクを設定すると共に、前記第２面上に感光性基板を
   設定する第１工程と、 該第１工程後に前記マスクに露光用の照明光を照射し
   て、前記マスクのパターンの像を前記結像光学系を介し
   て前記感光性基板上に転写する第２工程と、を含むこと
   を特徴とするデバイスの製造方法。