WO2023281850A1 - 照明光学系および露光装置 - Google Patents

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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources

Definitions

  • the present invention relates to illumination optical systems and exposure apparatuses.
  • Exposure apparatuses and illumination optical systems used in the manufacturing processes of semiconductor devices, flat panel displays, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), etc. are known.
  • high-intensity discharge lamps such as ultra-high pressure mercury lamps and metal halide lamps have been used as light sources for exposure equipment.
  • light-emitting elements such as LEDs and LDs
  • a technology has been proposed in which a plurality of LEDs are used as the light source of an exposure apparatus.
  • LEDs emit a small amount of light per chip as a light source for exposure. Therefore, in order to obtain the required high illuminance on the surface to be illuminated, it is required that the light from the plurality of chips be combined by an illumination optical system and guided to the surface to be illuminated.
  • Patent Document 1 the images of the light emitting surfaces of a plurality of LEDs are enlarged to a size that covers the effective area of the incident side surface of the fly's eye lens, and the enlarged images overlap each other on the incident side of the fly's eye lens.
  • An illumination optical system and an exposure apparatus are disclosed.
  • an object of the present invention is to utilize light from a plurality of light emitting elements with high efficiency.
  • an illumination optical system is a light source in which a plurality of light emitting elements each emitting light from a light emitting surface are arranged in a direction in which the light emitting surface spreads; a relay optical system that converts a light distribution of light emitted by an element into an illuminance distribution and superimposes a plurality of the illuminance distributions corresponding to the plurality of light emitting elements on a superimposed plane; and light emitted by the relay optical system.
  • an optical integrator in which a plurality of wavefront splitting elements for wavefront splitting and transmitting the light as a plurality of light beams are arranged in parallel, and a condenser optical system for superimposing the plurality of light beams on an illuminated surface.
  • the light from each light emitting element is superimposed on the overlapping surface as a round illuminance distribution, and the light passing through the round aperture stop is directed to the condenser optical system. It is highly efficient in guiding and highly efficient in utilizing the light emitted from the light source.
  • the relay optical system has a plurality of first lens elements corresponding to the plurality of light emitting elements, and a condensing lens group in which each first lens converges the light from each light emitting element. and a plurality of second lens elements corresponding to the plurality of first lens elements, wherein irradiated light having an illuminance distribution corresponding to the light distribution of light from each light emitting element is transmitted through each first lens to each second lens element. and the output surface of each second lens element of the lens array to optically cooperate with each other to superimpose the irradiation light applied to the entrance surface of each second lens element. and a relay lens directed onto the surface and overlapping each other.
  • the function of the relay optical system is shared by the condenser lens group, the lens array, and the relay lens, and the relay optical system is easily realized.
  • the distance from the relay lens to the entrance surface of the optical integrator is preferably shorter than the distance from the relay lens to the superimposition surface. Even if the incident surface of the optical integrator is positioned at this distance, the light utilization efficiency is almost unchanged and the illuminance distribution is flat to the periphery on the surface of the aperture stop, making it suitable for exposure of finer patterns.
  • each of the plurality of second lens elements has a rectangular outer shape when viewed in a direction along the optical axis, and the plurality of second lens elements are bundled. is also preferred.
  • the use of square second lens elements improves light utilization efficiency compared to the case where round second lens elements are used.
  • the output sides of the plurality of first lens elements each have a rectangular outer shape when viewed along the optical axis, and the plurality of first lens elements Bundled is also preferred.
  • the first lens element having a square shape on the output side the light utilization efficiency is improved compared to the case where the round first lens element is used.
  • each of the plurality of first lens elements in the condenser lens group is composed of a front element positioned on the light emitting element side and a rear element positioned on the lens array side.
  • the front element has a round profile when viewed along the optical axis
  • the rear element has a square profile when viewed along the optical axis.
  • an exposure apparatus exposes an object to be exposed to the pattern by irradiating a pattern arranged on the surface to be irradiated with the illumination optical system.
  • the exposure time for pattern exposure can be shortened by efficient light irradiation.
  • the exposure apparatus may include a projection optical system for projecting an image of the pattern irradiated by the illumination optical system onto the exposure target.
  • light from a plurality of light emitting elements can be used with high efficiency.
  • FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of an exposure apparatus of the present invention
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing the positional relationship between a light emitting element, a condenser lens, and a lens element
  • FIG. 11 shows a condensing lens of the combination lens
  • FIG. 10 is a diagram showing the illuminance distribution on the incident surface of the optical integrator in the illumination optical system of the comparative example
  • FIG. 10 is a diagram showing the illuminance distribution at the position of the aperture stop in the illumination optical system of the comparative example; 2 is a diagram showing an illuminance distribution on an incident surface of an optical integrator in the illumination optical system shown in FIG. 1; FIG. 2 is a diagram showing an illuminance distribution at the position of an aperture stop in the illumination optical system shown in FIG. 1; FIG. FIG. 10 is a diagram showing a first modification regarding the arrangement of light emitting elements, condenser lenses, and lens elements; FIG. 10 is a diagram showing a second modification regarding the arrangement of light emitting elements, condenser lenses, and lens elements; It is a figure which shows the modification from which the structure of a lens array differs. FIG.
  • FIG. 10 is a diagram showing a modified example in which the distance between the relay optical system and the optical integrator is different; 14 is a diagram showing the illuminance distribution on the incident surface of the optical integrator in the illumination optical system shown in FIG. 13; FIG. 14 is a diagram showing the illuminance distribution at the position of the aperture stop in the illumination optical system shown in FIG. 13; FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of the illumination optical system of the present invention.
  • the illumination optical system 1 shown in FIG. 1 is an optical system that irradiates the mask M with light.
  • a pattern is formed on the mask M to transmit the irradiated light, and the mask M is arranged on the surface to be irradiated.
  • the illumination optical system 1 includes a light source 10, a relay optical system 20, an optical integrator 30, an aperture stop 40, and a condenser lens 50.
  • the optical axis AX of the illumination optical system 1 is oriented vertically in the figure.
  • the direction of the optical axis AX is used as a reference, the direction along the optical axis AX may be referred to as the Z direction, and the two-dimensional direction perpendicular to the optical axis AX may be referred to as the XY direction.
  • the light source 10 has a plurality of light emitting elements 11, and LEDs are used as the light emitting elements 11, for example.
  • the light-emitting element 11 emits light from its light-emitting surface, and is not limited to an LED.
  • the light-emitting element 11 may emit light from a light-emitting surface, for example, by guiding light from a semiconductor laser through an optical fiber or the like.
  • the relay optical system 20 superimposes the light emitted from each light emitting element 11 of the light source 10 and guides it to the incident surface 31 of the optical integrator 30 .
  • the detailed structure and action of the relay optical system 20 will be described later.
  • the optical integrator 30 divides the wavefront of light incident on the incident surface 31 by a plurality of wavefront dividing elements 32 and transmits the wavefront to the output surface 33 side. Note that the number of wavefront splitting elements 32 in the optical integrator 30 does not depend on the number of light emitting elements 11 in the light source 10 .
  • the aperture stop 40 narrows down the light emitted from the emission surface 33 of the optical integrator 30 .
  • the aperture stop 40 may be openable and closable, but the aperture stop 40 in this embodiment has a fixed aperture diameter that matches the fineness of the pattern formed on the mask M (whether it is a coarse pattern or a fine pattern).
  • the size of the aperture diaphragm 40 corresponds to the NA (numerical aperture) of the illumination optical system, and the size of the aperture diaphragm 40 and the illuminance distribution on the plane of the aperture diaphragm are related to the NA of the projection optical system to determine the resolution for each pattern size of the exposure. Affects performance.
  • the condenser lens 50 corresponds to an example of the condenser optical system according to the present invention, and irradiates the surface to be irradiated (that is, the mask M) with the light that has passed through the aperture stop 40 .
  • Condenser lens 50 may be a combination lens in which a plurality of lenses are combined.
  • FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of the exposure apparatus of the present invention.
  • the exposure apparatus 100 includes an illumination optical system 1 , a mask stage 110 , a projection optical system 120 and a work stage 130 .
  • a mask stage 110 holds a mask M, and the illumination optical system 1 irradiates the mask M with light.
  • the work stage 130 holds a work W to be exposed, such as a glass substrate or a semiconductor substrate.
  • the projection optical system 120 projects the light transmitted through the mask M onto the work W to expose the work W in a pattern.
  • the exposure apparatus 100 may be of a type in which the workpiece W is held close to or in contact with the mask M without having the projection optical system 120 .
  • the relay optical system 20 has a condenser lens group 21, a lens array 22, and a relay lens 23, for example.
  • the condenser lens group 21 has a plurality of condenser lenses 211 corresponding to the plurality of light emitting elements 11 of the light source 10, and the lens array 22 has a plurality of lens elements 221 corresponding to the plurality of condenser lenses 211.
  • the condenser lens 211 of the condenser lens group 21 corresponds to an example of the first lens element according to the invention
  • the lens element 221 of the lens array 22 corresponds to an example of the second lens element according to the invention.
  • Each condensing lens 211 converges the light emitted from each corresponding light emitting element 11 on the incident side of the corresponding lens element 221 .
  • the parallel light flux component of the light emitted from the light emitting element 11 is condensed by the condensing lens 211 at a location corresponding to the direction of the parallel light flux.
  • the divergent light flux component emitted from one point on the light emitting element 11 is incident on the lens element 221 by the condensing lens 211 as a parallel light flux or as a light flux at an angle close to the parallel light flux.
  • FIG. 3 is a diagram showing the positional relationship among the light emitting element 11, the condenser lens 211, and the lens element 221. As shown in FIG.
  • FIG. 3 shows the positional relationship among the light emitting element 11, the condenser lens 211, and the lens element 221 when the light source 10, the condenser lens group 21, and the lens array 22 are viewed in the Z direction.
  • the positional relationship shown in FIG. 3 is the positional relationship when the irradiation shape on the mask M (surface) is square.
  • a plurality of light emitting elements 11 are arranged in the XY directions, and each light emitting element 11 has a square light emitting surface.
  • Each condensing lens 211 and each lens element 221 are arranged corresponding to each light emitting element 11 .
  • the condenser lens 211 has a square outer shape, and the condenser lens group 21 is formed by bundling the square condenser lenses 211 in the XY directions.
  • the outer shape of the lens elements 221 is rectangular, and the lens array 22 is formed by bundling the rectangular lens elements 221 in the XY directions.
  • the condensing lens group 21 and the lens array 22 also have a rectangular outer shape.
  • the condenser lens 211 corresponds to an example of the first lens element of the present invention, and the first lens element of the present invention may have a round outer shape. According to the condensing lens group 21 in which the lenses 211 are bundled, the light emitted from each light emitting element 11 of the light source 10 is efficiently condensed, so that the light utilization efficiency is high.
  • the lens element 221 corresponds to an example of the second lens element according to the present invention, and the second lens element according to the present invention may have a round outer shape.
  • the condenser lens 211 of the condenser lens group 21 may be a so-called single lens shown in FIG. 1, or may be a combination lens of, for example, two lenses.
  • FIG. 4 is a diagram showing the condenser lens 211 of the combination lens.
  • FIG. 4 shows a side view (A) and a front view (B).
  • a condenser lens 211 of a combined lens is formed by combining a front lens 212 on the side of the light emitting element 11 and a rear lens 213 on the side of the lens array 22 .
  • the front lens 212 has a round profile and the rear lens 213 has a square profile.
  • the condenser lens 211 is a combination lens, the combination of the round front lens 212 and the square rear lens 213 improves the light utilization efficiency.
  • the front lens 212 corresponds to an example of the front element according to the invention
  • the rear lens 213 corresponds to an example of the rear element according to the invention. 4 is combined with the lens array 22 shown in FIG.
  • the condenser lens group 21 consisting of the condenser lenses 211 shown in FIG. It is expected that the light utilization efficiency is improved by about 10% compared to the case where the array 22 is not combined (comparative example to be described later). Returning to FIG. 1 again, the description is continued.
  • the relay lens 23 superimposes the light emitted from each lens element 221 of the lens array 22 and causes the light to enter the incident surface 31 of the optical integrator 30 .
  • the divergent light flux component emitted from one point on the output side of the lens array 22 is incident on the incident surface 31 of the optical integrator 30 as a parallel light flux or a light flux at an angle close to the parallel light flux, and is then emitted from the lens array 22.
  • the emitted parallel light beam component or the component with an angle close to the parallel light beam is condensed at the center on the incident surface 31 of the optical integrator 30 .
  • FIG. 5 is a diagram showing the light distribution characteristics of the light emitting element 11. As shown in FIG.
  • FIG. 5 shows polar coordinates with the Z direction at 0°, and the light distribution characteristic of the light emitting element 11 is represented by a solid line.
  • the light distribution characteristic indicated by the dotted line in FIG. 5 is the light distribution characteristic when the light source is Lambertian light distribution. Both the solid line and the dotted line are indicated by relative values with the 0° direction set to 1. Compared to the Lambertian light distribution indicated by the dotted line, the light-emitting element 11 has a weaker luminous flux with respect to a large angle, and a smaller value. The luminous flux becomes stronger at the angle.
  • each lens element 221 of the lens array 22 is irradiated with the light in the range of -50° to +50° captured by the lens element 211 among the light corresponding to the light distribution characteristics.
  • the lens element 221 has a square outer shape
  • the light illuminating the incident surface of the lens element 221 has a wider range than the inscribed circle of the square, but the light superimposed on the incident surface 31 of the optical integrator 30 has a shape close to a circle.
  • the mask M on the surface to be irradiated is irradiated with the light with high utilization efficiency.
  • the illuminance distribution in the embodiment shown in FIG. 1 will be described in comparison with a comparative example.
  • FIG. 6 is a diagram showing the illuminance distribution on the incident surface 31 of the optical integrator 30 in the illumination optical system of the comparative example
  • FIG. 7 is a diagram showing the illuminance distribution at the position of the aperture stop 40 in the illumination optical system of the comparative example. be.
  • FIGS. 6 and 7 show illuminance distribution diagrams 301 and 401 showing two-dimensional illuminance distributions in the XY directions, and illuminance distribution diagrams 301 and 401 on straight lines in the X direction (horizontal direction in the figures) passing through the centers of the illuminance distribution diagrams 301 and 401.
  • Illuminance graphs 301a and 401a showing the distributions
  • illuminance graphs 301b and 401b showing the illuminance distributions on straight lines in the Y direction (vertical direction in the drawing) passing through the centers of the illuminance distribution diagrams 301 and 401 are shown. (This is the same for illuminance distribution diagrams below.)
  • the incident surface 31 of the optical integrator 30 is irradiated with light in a square shape.
  • the illuminance distribution is nearly uniform within the range irradiated with light.
  • the illuminance distribution in the comparative example is an illuminance distribution designed to maximize the light utilization efficiency on the surface to be illuminated.
  • the total amount of light on the entire incident surface 31 of the optical integrator 30 is 756.2 as a relative value based on the amount of light emitted from the light source 10 .
  • the total amount of light passing through the aperture stop 40 is 507.0 as the above relative value.
  • the illuminance of the light passing through the aperture stop 40 is greatly reduced in the peripheral portions in the vertical and horizontal directions. For fine patterns, it is better to design the illumination range to be wide so that the illumination intensity in this area does not decrease. In this case, the amount of light blocked by the aperture stop 40 increases, and the total amount of light becomes 454.1 in terms of the above relative value, further lowering the light utilization efficiency.
  • FIG. 8 is a diagram showing the illuminance distribution on the incident surface 31 of the optical integrator 30 in the illumination optical system 1 shown in FIG. 1.
  • FIG. 9 is a diagram showing the illuminance distribution at the position of the aperture stop 40 in the illumination optical system 1 shown in FIG. It is a figure which shows.
  • the incident surface 31 of the optical integrator 30 is irradiated with light in a round shape. Further, as shown in the illuminance graphs 302a and 302b, the illuminance distribution is nearly uniform within the range irradiated with light, and the illuminance is slightly higher at the outer edge of the irradiated range. In the illumination optical system 1 of this embodiment, the total amount of light on the entire incident surface 31 of the optical integrator 30 is 729.2 as the above relative value.
  • the illumination optical system 1 of the first embodiment the total amount of light passing through the aperture stop 40 is 558.1 in terms of the above relative value, which is higher than the comparative example shown in FIGS. 6 and 7 .
  • modified examples of the illumination optical system 1 of this embodiment will be described. 10 and 11 are diagrams showing modifications regarding the arrangement of the light emitting element 11, the condenser lens 211, and the lens element 221, and are examples in which the irradiation shape on the mask M (surface) is circular.
  • the light emitting elements 11 of the light source 10 are arranged vertically and horizontally within a circular area indicated by dotted lines.
  • the condensing lens 211 and the lens element 221 each have a square outer shape, and each condensing lens 211 and each lens element 221 are arranged corresponding to each light emitting element 11.
  • FIG. 10 Even with the circular arrangement shown in FIG. 10, the light utilization efficiency is improved by having each condensing lens 211 and each lens element 221 having a square outer shape.
  • the light emitting elements 11 of the light source 10 are arranged in a hexagonal shape within the circular range indicated by the dotted line, and the array of the light emitting elements 11 is such that the rows in three directions different from each other by 60° intersect. It is an array. 11, the condensing lens 211 and the lens element 221 each have a round outer shape, and each condensing lens 211 and each lens element 221 are arranged corresponding to each light emitting element 11. be. It should be noted that each condenser lens 211 and lens element 221 may each have a hexagonal outer shape. In the modification in which each condensing lens 211 and each lens element 221 has a round outer shape, the light utilization efficiency is lower than the arrangement shown in FIGS.
  • the irradiation range is designed to be wide on the incident surface of the optical integrator 30 so that the illumination distribution is flat to the periphery on the surface of the aperture diaphragm 40 in the comparative example shown in FIGS.
  • Light utilization efficiency is higher than in the case of FIG. 12 is a diagram showing a modification in which the structure of the lens array 22 is different.
  • each lens element 221 of the lens array 22 is composed of a first lens 222 and a second lens 223 . That is, the lens array 22 is composed of a pair of the lens array of the first lens 222 and the lens array of the second lens 223 .
  • the weight of the lens array 22 can be reduced.
  • the lens element 221 composed of a pair of the first lens 222 and the second lens 223 also corresponds to an example of the second lens element according to the invention.
  • FIG. 13 shows a modification in which the distance between the relay optical system 20 and the optical integrator 30 is different.
  • the structures of the light source 10 and the relay optical system 20, and the structure from the optical integrator 30 to the condenser lens 50 are the same as those of the illumination optical system 1 shown in FIG.
  • the distance from the relay optical system 20 to the incident surface 31 of the optical integrator 30 is different between the illumination optical system 3 of the modified example and the illumination optical system 1 shown in FIG.
  • the distance in the modified illumination optical system 3 shown in FIG. 13 is shorter than the distance in the illumination optical system 1 shown in FIG.
  • the light enters the incident surface 31 of the optical integrator 30 on a surface closer to the relay lens 23 with respect to the superimposing surface P on which the images are superimposed by the relay lens 23 of the relay optical system 20 .
  • the illumination light enters the optical integrator 30 on a plane different from the superimposing plane P, but as a result, the light utilization efficiency is almost the same as when the light enters on the superimposing plane P.
  • FIG. 14 is a diagram showing the illuminance distribution on the incident surface 31 of the optical integrator 30 in the illumination optical system 3 shown in FIG. 13, and FIG. 15 shows the illuminance distribution at the position of the aperture stop 40 in the illumination optical system 3 shown in FIG. It is a figure which shows.
  • the illumination optical system 3 of the modified example shown in FIG. As shown in the illuminance distribution diagram 303 of FIG. 14, the illumination optical system 3 of the modified example shown in FIG. Also, as shown in the illuminance graphs 303a and 303b, the illuminance distribution is nearly uniform within the range irradiated with light. Illumination optical system 3 shown in FIG. 13 has better uniformity of illuminance distribution than illumination optical system 1 shown in FIG. is 729.1 as the above relative value.
  • the light passes through the entire opening of the aperture stop 40 as shown in the illuminance distribution diagram 403 of FIG. Further, as shown in the illuminance graphs 403a and 403b in FIG. 15, the light passing through the aperture stop 40 has a more uniform illuminance distribution within the range of the aperture. As a result, in the illumination optical system 3 shown in FIG. 13, the total amount of light passing through the aperture stop 40 is 563.5 in terms of the above relative value, and the light utilization efficiency is equal to that of the optical integrator 30 shown in the illumination optical system 1 in FIG.
  • the illumination intensity distribution can be uniform to the periphery on the surface of the aperture stop 40 without reducing the illumination intensity, making it suitable for exposure of finer patterns. It is superior to the comparative example shown in FIG. 7 and the examples shown in FIGS.
  • the incident surface of the optical integrator 30 is arranged so that the distance from the relay lens 23 is long with respect to the superimposed plane P. I don't mind.
  • the illumination optical system of the present invention may be applied to an exposure apparatus that uniformly exposes the entire surface of an exposure target. , may be applied to illumination other than exposure.

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Abstract

複数の発光素子からの光を高い効率で利用する。照明光学系（１）の一態様は、各々が発光面から光を発する複数の発光素子（１１）が、当該発光面の広がる方向に互いに並んでいる光源（１０）と、上記発光素子が発した光の配光分布を照度分布に変換すると共に、上記複数の発光素子に対応した複数の当該照度分布を重畳面上で互いに重ね合わせるリレー光学系（２０）と、上記重畳面上で重畳される光を波面分割して複数の光束として伝達する複数の波面分割要素が互いに並列的に配置されたオプティカルインテグレータ（３０）と、上記複数の光束を被照射面で重畳させるコンデンサ光学系（５０）と、を備える。

Description

照明光学系および露光装置
　本発明は、照明光学系および露光装置に関する。
　半導体素子、フラットパネルディスプレイ、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステムス)などの製造工程で用いる露光装置および照明光学系が知られている。
　従来、露光装置の光源として、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプなどの高輝度の放電ランプが用いられていた。これに対し、近年のＬＥＤ、ＬＤなどの発光素子の技術の進歩に伴い、複数のＬＥＤを露光装置の光源に用いる技術が提案されている。
　ＬＥＤは、露光用の光源としては１チップ当たりの放射光量が少ない。このため、被照射面において所要の高い照度を得るためには、複数のチップからの光を照明光学系で合成して被照射面に導くことが求められる。
　例えば特許文献１には、複数のＬＥＤにおける各発光面の像が、フライアイレンズの入射側の面の有効領域を覆う大きさまで拡大され、拡大された像がフライアイレンズの入射側で互いに重なり合うように投影される照明光学系および露光装置が開示されている。
特開２０１６－１８８８７８号公報
　しかし、特許文献１に記載の照明光学系および露光装置を実際に組み立てる(実際に使用してみる)と、発光素子から発せられた光のうち被照射面に達する光の割合(光の利用効率)が低い。このため、露光するパターンサイズに応じて露光解像度を高めるために開口絞りを狭めた場合には被照射面での照度が不足して、露光時間が長時間化することになる。
　そこで、本発明は、複数の発光素子からの光を高い効率で利用することを目的とする。
　上記目的を解決するために、本発明に係る照明光学系の一態様は、各々が発光面から光を発する複数の発光素子が、当該発光面の広がる方向に互いに並んでいる光源と、上記発光素子が発した光の配光分布を照度分布に変換すると共に、上記複数の発光素子に対応した複数の当該照度分布を重畳面上で互いに重ね合わせるリレー光学系と、上記リレー光学系による照射光を波面分割して複数の光束として伝達する複数の波面分割要素が互いに並列的に配置されたオプティカルインテグレータと、上記複数の光束を被照射面で重畳させるコンデンサ光学系と、を備える。
　上記照明光学系によれば、各発光素子からの光が重畳面上に丸い形状の照度分布となって互いに重ね合わされることになり、丸い形状の開口絞りを通った光がコンデンサ光学系へと導かれる効率が高く、光源から発せられる光の利用効率が高い。
　上記照明光学系において、上記リレー光学系が、上記複数の発光素子に対応した複数の第１レンズ要素を有し、各第１レンズが各発光素子からの光を集光する集光レンズ群と、上記複数の第１レンズ要素に対応した複数の第２レンズ要素を有し、各発光素子からの光の配光分布に相当する照度分布の照射光が各第１レンズにより各第２レンズ要素の入射面に照射されるレンズアレイと、上記レンズアレイの各第２レンズ要素の出射面と光学的に協働して、各第２レンズ要素の入射面に照射された各照射光を上記重畳面上に導いて互いに重ね合わせるリレーレンズと、を備えることが好ましい。
　集光レンズ群、レンズアレイ、およびリレーレンズによりリレー光学系の機能が分担され、リレー光学系が容易に実現される。
　上記照明光学系において、上記リレーレンズから上記オプティカルインテグレータの入射面までの距離は、当該リレーレンズから上記重畳面までの距離よりも短いことが好ましい。オプティカルインテグレータの入射面がこの距離に位置しても光の利用効率は殆ど変わらず開口絞りの面で周辺までフラットな照度分布になるためより微細なパターンの露光に適している。
　上記照明光学系において、上記レンズアレイは、上記複数の第２レンズ要素のそれぞれが、光軸に沿った方向に見て四角形の外形を有し、当該複数の第２レンズ要素が束ねられたことも好ましい。四角形の第２レンズ要素が用いられることで、丸い第２レンズ要素が用いられる場合に較べて光の利用効率が向上する。
　上記照明光学系において、上記集光レンズ群は、上記複数の第１レンズ要素のそれぞれの出射側が、光軸に沿った方向に見て四角形の外形を有し、当該複数の第１レンズ要素が束ねられたことも好ましい。出射側が四角形の第１レンズ要素が用いられることで、丸い第１レンズ要素が用いられる場合に較べて光の利用効率が向上する。
　出射側が四角形の第１レンズ要素が用いられる場合、上記集光レンズ群は、上記複数の第１レンズ要素のそれぞれが、上記発光素子側に位置する前要素と上記レンズアレイ側に位置する後要素とを有し、当該前要素は光軸に沿った方向に見て丸い外形を有し、当該後要素は光軸に沿った方向に見て四角形の外形を有することが更に好ましい。丸い外形の前要素と四角形の外形の後要素との組み合わせにより光の利用効率が更に向上する。
　また、上記課題を解決するために、本発明に係る露光装置の一態様は、上記照明光学系で上記被照射面に配置されたパターンを照射して、当該パターンを露光対象物に露光する。上記露光装置によれば、効率の良い光照射によってパターン露光の露光時間の短縮化が図られる。
　上記露光装置において、上記照明光学系によって照射された前記パターンの像を上記露光対象物に投影する投影光学系を備えてもよい。
　本発明によれば、複数の発光素子からの光を高い効率で利用することができる。
本発明の照明光学系の一実施形態を示す図である。 本発明の露光装置の一実施形態を示す図である。 発光素子と集光レンズとレンズ要素との位置関係を示す図である 組み合わせレンズの集光レンズを示す図である。 発光素子の配光特性を示す図である。 比較例の照明光学系におけるオプティカルインテグレータの入射面における照度分布を示す図である。 比較例の照明光学系における開口絞りの位置における照度分布を示す図である。 図１に示す照明光学系におけるオプティカルインテグレータの入射面における照度分布を示す図である。 図１に示す照明光学系における開口絞りの位置における照度分布を示す図である。 発光素子、集光レンズ、およびレンズ要素の配置に関する第１の変形例を示す図である。 発光素子、集光レンズ、およびレンズ要素の配置に関する第２の変形例を示す図である。 レンズアレイの構造が異なる変形例を示す図である。 リレー光学系とオプティカルインテグレータとの距離が異なる変形例を示す図である 図１３に示す照明光学系におけるオプティカルインテグレータの入射面における照度分布を示す図である。 図１３に示す照明光学系における開口絞りの位置における照度分布を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、先に説明した図に記載の要素については、後の図の説明において適宜に参照する場合がある。
　図１は、本発明の照明光学系の一実施形態を示す図である。
　図１に示す照明光学系１は、マスクＭに光を照射する光学系である。マスクＭには、照射された光を透過するパターンが形成されており、マスクＭは被照射面に配置される。
　照明光学系１は、光源１０と、リレー光学系２０と、オプティカルインテグレータ３０と、開口絞り４０と、コンデンサレンズ５０とを備えている。照明光学系１の光軸ＡＸは図の上下方向を向いている。以下の説明では、光軸ＡＸの向きを基準として用い、光軸ＡＸに沿う方向をＺ方向と称し、光軸ＡＸに垂直な２次元方向をＸＹ方向と称する場合がある。
　光源１０は複数の発光素子１１を有し、発光素子１１としては例えばＬＥＤが用いられる。発光素子１１は発光面から光を発するものであり、ＬＥＤに限定されない。発光素子１１は、例えば、半導体レーザの光が光ファイバーなどで導かれて発光面から発せられるものでもよい。
　リレー光学系２０は、光源１０の各発光素子１１から発せられる光を重ね合わせてオプティカルインテグレータ３０の入射面３１へと導く。リレー光学系２０の詳しい構造と作用については後述する。
　オプティカルインテグレータ３０は、入射面３１に入射する光の波面を複数の波面分割要素３２で波面分割して出射面３３側へと伝達する。なお、オプティカルインテグレータ３０における波面分割要素３２の数は、光源１０の発光素子１１の数に依存しない。
　開口絞り４０は、オプティカルインテグレータ３０の出射面３３から出射される光を絞る。開口絞り４０は開閉自在のものであってもよいが、本実施形態における開口絞り４０は、マスクＭに形成されたパターンの細密さ(粗いパターンか微細なパターンか)に合わせた固定の開口径を有する。開口絞り４０のサイズは照明光学系のＮＡ（開口数）に相当し開口絞り４０のサイズや開口絞り面に於ける照度分布は投影光学系のＮＡとの関係で露光の各パターンサイズに対する解像性能に影響する。
　コンデンサレンズ５０は、本発明にいうコンデンサ光学系の一例に相当し、開口絞り４０を通過した光を被照射面上に(即ちマスクＭ上に)照射する。コンデンサレンズ５０は、複数のレンズが組み合わせられた組み合わせレンズであってもよい。
　図２は、本発明の露光装置の一実施形態を示す図である。
　露光装置１００には、照明光学系１と、マスクステージ１１０と、投影光学系１２０と、ワークステージ１３０が備えられている。
　マスクステージ１１０はマスクＭを保持し、そのマスクＭには照明光学系１によって光が照射される。
　ワークステージ１３０には、例えばガラス基板や半導体基板などといった露光対象となるワークＷが保持される。
　投影光学系１２０は、マスクＭを透過した光をワークＷ上に投影してワークＷをパターン露光する。
　露光装置１００は、投影光学系１２０を有さずに、ワークＷがマスクＭに近接あるいは接触して保持される方式のものであってもよい。
　図１に戻って、リレー光学系２０の詳細について説明する。
　リレー光学系２０は、一例として、集光レンズ群２１と、レンズアレイ２２と、リレーレンズ２３とを有する。
　集光レンズ群２１は、光源１０の複数の発光素子１１に対応した複数の集光レンズ２１１を有し、レンズアレイ２２は、複数の集光レンズ２１１に対応した複数のレンズ要素２２１を有する。集光レンズ群２１の集光レンズ２１１は本発明にいう第１レンズ要素の一例に相当し、レンズアレイ２２のレンズ要素２２１は本発明にいう第２レンズ要素の一例に相当する。
　各集光レンズ２１１は、対応する各発光素子１１から発せられた光を、対応するレンズ要素２２１の入射側に集光する。具体的には、発光素子１１から発せられた光の平行光束成分は、集光レンズ２１１により、平行光束の方向に応じた箇所に集光される。また、発光素子１１上の１点から発せられた発散光束成分は、集光レンズ２１１により、平行光束として、あるいは平行光束に近い角度の光束としてレンズ要素２２１に入射される。
　レンズアレイ２２の各レンズ要素２２１は、入射側から出射側へと光を伝達し、本実施形態では、入射側の１点に集光された光は平行光束、あるいは平行光束に近い角度の光束として出射され、入射側で平行光束、あるいは平行光束に近い角度の光束として入射された光は出射側の１点から発散光束として出射される。
　図３は、発光素子１１と集光レンズ２１１とレンズ要素２２１との位置関係を示す図である。
　図３には、光源１０と集光レンズ群２１とレンズアレイ２２をＺ方向に見た場合の発光素子１１と集光レンズ２１１とレンズ要素２２１との位置関係が示されている。なお、図３に示された位置関係はマスクＭ（面）での照射形状が正方形の場合における位置関係である。
　複数の発光素子１１はＸＹ方向に配列されており、各発光素子１１は四角い発光面を有している。
　各発光素子１１に対応して各集光レンズ２１１と各レンズ要素２２１が配備されている。集光レンズ２１１の外形は四角形となっていて、集光レンズ群２１は四角形の集光レンズ２１１がＸＹ方向に束ねられたものとなっている。同様に、レンズ要素２２１の外形は四角形となっていて、レンズアレイ２２は四角形のレンズ要素２２１がＸＹ方向に束ねられたものとなっている。本実施形態の場合、集光レンズ群２１およびレンズアレイ２２の外形も四角形となっている。
　上述したように、集光レンズ２１１は本発明にいう第１レンズ要素の一例に相当し、本発明にいう第１レンズ要素は丸い外形のものであってもよいが、四角い外形の集光レンズ２１１が束ねられた集光レンズ群２１によれば、光源１０の各発光素子１１から発せられる光が効率よく集光されるので光の利用効率が高い。
　また、レンズ要素２２１は本発明にいう第２レンズ要素の一例に相当し、本発明にいう第２レンズ要素は丸い外形のものであってもよいが、四角い外形のレンズ要素２２１が束ねられたレンズアレイ２２によれば、光源１０の各発光素子１１から発せられる光が効率よく入射されて伝達されるので光の利用効率が高い。
　集光レンズ群２１の集光レンズ２１１は、図１に示すいわゆる単玉レンズであってもよいが、例えば２枚のレンズによる組み合わせレンズであってもよい。
　図４は、組み合わせレンズの集光レンズ２１１を示す図である。
　図４には、側面図（Ａ）と正面図（Ｂ）が示されている。
　組み合わせレンズの集光レンズ２１１は、発光素子１１側の前レンズ２１２と、レンズアレイ２２側の後レンズ２１３との組み合わせからなる。正面図（Ｂ）に示されているように、前レンズ２１２の外形は丸く、後レンズ２１３の外形は四角い。集光レンズ２１１が組み合わせレンズである場合には、丸い前レンズ２１２と四角い後レンズ２１３との組み合わせによって光の利用効率が向上する。前レンズ２１２は、本発明にいう前要素の一例に相当し、後レンズ２１３は、本発明にいう後要素の一例に相当する。
　図４に示す集光レンズ２１１からなる集光レンズ群２１が図３に示すレンズアレイ２２と組み合わされることにより、図４に示す集光レンズ２１１からなる集光レンズ群２１が図３に示すレンズアレイ２２と組み合わされない場合（後述する比較例）と比較して光の利用効率が１０％程度向上することが期待される。
　再び図１に戻って説明を続ける。
　リレーレンズ２３は、レンズアレイ２２の各レンズ要素２２１から出射された光を互いに重ね合わせてオプティカルインテグレータ３０の入射面３１に入射させる。具体的には、レンズアレイ２２の出射側の１点から出射された発散光束成分は、オプティカルインテグレータ３０の入射面３１に平行光束、あるいは平行光束に近い角度の光束として入射され、レンズアレイ２２から出射された平行光束成分、あるいは平行光束に近い角度の成分は、オプティカルインテグレータ３０の入射面３１上の中央に集光される。
　本実施形態では、レンズアレイ２２の入射面と、オプティカルインテグレータ３０の入射面３１とが光学的な共役関係となっていて、各発光素子１１の配光分布に相当する照度分布を有する像が入射面３１上で互いに重畳される。
　図５は、発光素子１１の配光特性を示す図である。
　図５には、Ｚ方向を０°とした極座標が示され、発光素子１１の配光特性が実線で表されている。図５に点線で示された配光特性は、光源がランバーシアン配光の場合の配光特性である。実線も点線も０°方向を１とした相対値で表示されており、点線で示されたランバーシアン配光と比較すると発光素子１１では、大きな角度に対して光束が弱くなっている分、小さな角度でより強い光束となっている。レンズアレイ２２の各レンズ要素２２１の入射面には配光特性に相当する光の内、レンズ要素２１１で捕捉された例えば－５０°～＋５０°の範囲の光が照射されている。レンズ要素２２１が四角い外形の場合、その入射面に照射されている光は四角形の内接円よりも広い範囲になるが、オプティカルインテグレータ３０の入射面３１上に重畳される光は丸に近い形状の光となり、これにより、被照射面上のマスクＭに高い利用効率で光が照射されることになる。
　ここで、図１に示す実施形態における照度分布を比較例と比較して説明する。
　比較例としては、図１に示すレンズアレイ２２が無くて、オプティカルインテグレータ３０の入射面３１上で発光素子１１の発光面の像が重ね合わされる照明光学系が用いられる。
　図６は、比較例の照明光学系におけるオプティカルインテグレータ３０の入射面３１における照度分布を示す図であり、図７は、比較例の照明光学系における開口絞り４０の位置における照度分布を示す図である。
　図６および図７には、ＸＹ方向における２次元的な照度分布を示す照度分布図３０１,４０１と、照度分布図３０１,４０１の中心を通るＸ方向(図の横方向)の直線上における照度分布を示す照度グラフ３０１ａ,４０１ａと、照度分布図３０１,４０１の中心を通るＹ方向(図の縦方向)の直線上における照度分布を示す照度グラフ３０１ｂ,４０１ｂとが示されている。(以下、照度分布の図において同様。)
　図６の照度分布図３０１に示されるように、比較例ではオプティカルインテグレータ３０の入射面３１に四角い形状で光が照射される。また、照度グラフ３０１ａ,３０１ｂに示されるように、光が照射された範囲内において均一に近い照度分布となっている。
　比較例における照度分布は、被照射面において光の利用効率が最も良くなるよう設計された場合の照度分布である。
　オプティカルインテグレータ３０の入射面３１全体での合計光量は、光源１０における発光量を基準とした相対値で７５６．２となっている。
　均一に近い照度分布の光が四角い形状でオプティカルインテグレータ３０の入射面３１に照射された結果、図７の照度分布図４０１に示されるように、丸い形状の開口絞り４０によって照度分布の４隅で光が遮られる。この結果、比較例では、開口絞り４０を通過する合計光量が上記相対値で５０７．０となる。また、図７の照度グラフ４０１ａ、４０１ｂに示されるように、開口絞り４０を通過する光は上下左右方向の周辺部で照度が大きく低下する。微細なパターンに対してはこの領域の照度が低下しないよう照明範囲が広くなるよう設計した方が良い。この場合は開口絞り４０によって遮られる光が増加し、合計光量が上記相対値で４５４．１となり、光の利用効率がさらに低くなる。
　図８は、図１に示す照明光学系１におけるオプティカルインテグレータ３０の入射面３１における照度分布を示す図であり、図９は、図１に示す照明光学系１における開口絞り４０の位置における照度分布を示す図である。
　図８の照度分布図３０２に示されるように、図１に示す実施形態の照明光学系１では、オプティカルインテグレータ３０の入射面３１に丸い形状で光が照射される。また、照度グラフ３０２ａ,３０２ｂに示されるように、光が照射された範囲内において均一に近い照度分布となり、照射範囲の外縁では照度がやや高めとなっている。本実施形態の照明光学系１において、オプティカルインテグレータ３０の入射面３１全体での合計光量は、上記相対値で７２９．２となっている。
　均一に近い照度分布の光が丸い形状でオプティカルインテグレータ３０の入射面３１に照射された結果、図９の照度分布図４０２に示されるように、開口絞り４０の開口全体を光が通過する。また、図９の照度グラフ４０２ａ,４０２ｂに示されるように、開口絞り４０を通過する光は開口の範囲で均一に近い照度分布となる。この結果、第１実施形態の照明光学系１では、開口絞り４０を通過する合計光量が上記相対値で５５８．１となり、図６および図７に示す比較例に対し光の利用効率が高い。
　次に、本実施形態の照明光学系１に対する変形例について説明する。
　図１０および図１１は、発光素子１１、集光レンズ２１１、およびレンズ要素２２１の配置に関する変形例を示す図であり、マスクＭ（面）での照射形状が円形である場合の例である。
　図１０に示す変形例では、光源１０の発光素子１１が点線で示された丸い範囲内に縦横に並んで配列される。図１０に示す変形例でも、集光レンズ２１１およびレンズ要素２２１は、各々が四角い外形を有し、各集光レンズ２１１および各レンズ要素２２１が、各発光素子１１に対応して配備される。
　図１０に示す丸い配置であっても、各集光レンズ２１１および各レンズ要素２２１が四角い外形を有することで光の利用効率が向上する。
　図１１に示す変形例では、光源１０の発光素子１１が点線で示された丸い範囲内に収まる６角形状に配置され、発光素子１１の配列は、互いに６０°異なる３方向の列が交わった配列となっている。また、図１１に示す変形例では、集光レンズ２１１およびレンズ要素２２１は、各々が丸い外形を有し、各集光レンズ２１１および各レンズ要素２２１が、各発光素子１１に対応して配備される。尚、各集光レンズ２１１及びレンズ要素２２１は各々が六角形の外形を有していてもよい。
　各集光レンズ２１１および各レンズ要素２２１が丸い外形を有する変形例では、図３および図１０に示す配置と較べると光の利用効率が低いが、発光素子１１を点線で示した丸い範囲内に多く配置できる。また開口絞り４０面でフラットな照度分布になるため図６、図７の比較例で開口絞り４０の面で周辺までフラットな照度分布になるようにオプティカルインテグレータ３０の入射面で照射範囲を広く設計した場合と比較すると光の利用効率が高くなる。
　図１２は、レンズアレイ２２の構造が異なる変形例を示す図である。
　図１２に示す変形例の照明光学系２では、レンズアレイ２２の各レンズ要素２２１が第１レンズ２２２と第２レンズ２２３とで構成されている。即ち、レンズアレイ２２が、第１レンズ２２２のレンズアレイと第２レンズ２２３のレンズアレイとの一対で構成されている。レンズアレイ２２が一対のレンズアレイで構成されることでレンズアレイ２２の軽量化が図られる。第１レンズ２２２と第２レンズ２２３との対で構成されたレンズ要素２２１も、本発明にいう第２レンズ要素の一例に相当する。
　図１３は、リレー光学系２０とオプティカルインテグレータ３０との距離が異なる変形例を示す図である。
　図１３に示す変形例の照明光学系３では、光源１０およびリレー光学系２０の構造と、オプティカルインテグレータ３０からコンデンサレンズ５０に至る構造は、図１に示す照明光学系１と同様であるが、リレー光学系２０からオプティカルインテグレータ３０の入射面３１に至る距離が変形例の照明光学系３と図１に示す照明光学系１とでは異なっている。具体的には、図１に示す照明光学系１での距離に対し、図１３に示す変形例の照明光学系３での距離は短くなっている。この結果、リレー光学系２０のリレーレンズ２３によって像が重ね合わされる重畳面Ｐに対してリレーレンズ２３側に近い面で光がオプティカルインテグレータ３０の入射面３１に入射することになる。これにより、重畳面Ｐとは異なる面で照射光がオプティカルインテグレータ３０に入射するが、結果として光の利用効率は重畳面Ｐで入射した場合と殆ど変わらない。
　図１４は、図１３に示す照明光学系３におけるオプティカルインテグレータ３０の入射面３１における照度分布を示す図であり、図１５は、図１３に示す照明光学系３における開口絞り４０の位置における照度分布を示す図である。
　図１４の照度分布図３０３に示されるように、図１３に示す変形例の照明光学系３でも、オプティカルインテグレータ３０の入射面３１に丸い形状で光が照射される。また、照度グラフ３０３ａ,３０３ｂに示されるように、光が照射された範囲内において均一に近い照度分布となっている。照度分布の均一さは、図１３に示す照明光学系３の方が、図１に示す照明光学系１よりも良く、図１３に示す照明光学系３において、オプティカルインテグレータ３０の入射面３１全体での合計光量は、上記相対値で７２９．１となっている。
　均一性の良い照度分布の光が丸い形状でオプティカルインテグレータ３０の入射面３１に照射された結果、図１５の照度分布図４０３に示されるように、開口絞り４０の開口全体を光が通過する。また、図１５の照度グラフ４０３ａ,４０３ｂに示されるように、開口絞り４０を通過する光は開口の範囲で更に均一に近い照度分布となる。この結果、図１３に示す照明光学系３では、開口絞り４０を通過する合計光量が上記相対値で５６３．５となり、光の利用効率は、図１の照明光学系１に示したオプティカルインテグレータ３０の入射面を重畳面Ｐに配置した場合と殆ど変わらないが、照度を落とさず開口絞り４０の面で周辺まで均一な照度分布にできるため、より微細なパターンの露光に適しており図６、図７で示した比較例や図８、図９の例に対して優位性がある。また、重畳面Ｐにオプティカルインテグレータ３０の入射面を配置した場合と照度が殆ど変わらないということは重畳面Ｐに対してリレーレンズ２３からの距離が遠くなるようオプティカルインテグレータ３０の入射面を配置してもかまわない。
　なお、上記では照明光学系がパターン露光の露光装置に適用される例が示されているが、本発明の照明光学系は、露光対象を均一に全面露光する露光装置に適用されてもよいし、露光以外の照明に適用されてもよい。
１,２,３…照明光学系、１０…光源、１１…発光素子、２０…リレー光学系、
２１…集光レンズ群、２１１…集光レンズ、２１２…前レンズ、２１３…後レンズ
２２…レンズアレイ、２２１…レンズ要素、２３…リレーレンズ、
３０…オプティカルインテグレータ、３１…入射面、３２…波面分割要素、３３…出射面
４０…開口絞り、５０…コンデンサレンズ、１００…露光装置、
１１０…マスクステージ、１２０…投影光学系、１３０…ワークステージ
 

Claims (8)

  1. 　各々が発光面から光を発する複数の発光素子が、当該発光面の広がる方向に互いに並んでいる光源と、
    　前記発光素子が発した光の配光分布を照度分布に変換すると共に、前記複数の発光素子に対応した複数の当該照度分布を重畳面上で互いに重ね合わせるリレー光学系と、
    　前記リレー光学系による照射光を波面分割して複数の光束として伝達する複数の波面分割要素が互いに並列的に配置されたオプティカルインテグレータと、
    　前記複数の光束を被照射面で重畳させるコンデンサ光学系と、
    を備えたことを特徴とする照明光学系。
  2. 　前記リレー光学系が、
    　前記複数の発光素子に対応した複数の第１レンズ要素を有し、各第１レンズが各発光素子からの光を集光する集光レンズ群と、
    　前記複数の第１レンズ要素に対応した複数の第２レンズ要素を有し、各発光素子からの光の配光分布に相当する照度分布の照射光が各第１レンズにより各第２レンズ要素の入射面に照射されるレンズアレイと、
    　前記レンズアレイの各第２レンズ要素の出射面と光学的に協働して、各第２レンズ要素の入射面に照射された各照射光を前記重畳面上に導いて互いに重ね合わせるリレーレンズと、
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
  3. 　前記リレーレンズから前記オプティカルインテグレータの入射面までの距離は、当該リレーレンズから前記重畳面までの距離よりも短いことを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
  4. 　前記レンズアレイは、前記複数の第２レンズ要素のそれぞれが、光軸に沿った方向に見て四角形の外形を有し、当該複数の第２レンズ要素が束ねられたことを特徴とする請求項２または３に記載の照明光学系。
  5. 　前記集光レンズ群は、前記複数の第１レンズ要素のそれぞれの出射側が、光軸に沿った方向に見て四角形の外形を有し、当該複数の第１レンズ要素が束ねられたことを特徴とする請求項２または３に記載の照明光学系。
  6. 　前記集光レンズ群は、前記複数の第１レンズ要素のそれぞれが、前記発光素子側に位置する前要素と前記レンズアレイ側に位置する後要素とを有し、当該前要素は光軸に沿った方向に見て丸い外形を有し、当該後要素は光軸に沿った方向に見て四角形の外形を有することを特徴とする請求項５に記載の照明光学系。
  7. 　請求項１または２に記載の照明光学系で前記被照射面に配置されたパターンを照射して、当該パターンを露光対象物に露光することを特徴とする露光装置。
  8. 　前記照明光学系によって照射された前記パターンの像を前記露光対象物に投影する投影光学系を備えたことを特徴とする請求項７に記載の露光装置。
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