JP2000150374A - 投影露光装置及び方法、並びに素子製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回路パターン等の投影露光時の解像力と焦点
深度とを向上させる。 【構成】 光源１からの照明光束を、回折格子状パター
ン５によってフライアイレンズ１１の入射面１１ａに入
射させ、フライアイレンズ１１の射出面１１ｂ近傍で光
軸ＡＸから偏心した位置に２次光源像を形成する。そし
て、２次光源像からの照明光はコンデンサーレンズ１
３、１５を介してレチクル１６に照射し、レチクルパタ
ーン１７を投影光学系１８によりウェハ（感光基板）２
０に結像投影する。フライアイレンズ１１の射出面１１
ｂは投影光学系１８の瞳面１９と共役である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体等の回路パター
ン、又は液晶表示素子のパターン等の転写に使用される
投影型露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体等の回路パターン形成には、一般
にフォトリソグラフ技術と呼ばれる工程が必要である。
レチクル（マスク）パターンをウェハ等の試料基板上に
転写する方法が採用されている。試料基板上には感光性
のフォトレジストが塗布されており、照射影像、即ちレ
チクルパターンの透過部形状に応じて、フォトレジスト
に回路パターンが転写される。そして、投影型露光装置
では、レチクル上に描画された転写すべき回路パターン
が、投影光学系を介して試料基板（ウェハ）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、フライアイレンズ、ファイバー等のオプチカ
ルインテグレータが使用されている。このオプチカルイ
ンテグレータは、レチクル上に照射される照明光の強度
分布を均一化するための手段である。この均一化を最適
に行うために、フライアイレンズを用いた場合、レチク
ル側焦点面とレチクル面とはほぼフーリエ変換の関係で
結ばれており、また、レチクル側焦点面と光源側焦点面
ともフーリエ変換の関係で結ばれている。従って、レチ
クルパターン面と、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の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
の各エレメント（２次光源像）からの照明光がそれぞれ
加算（重畳）されることで平均化され、レチクル上の照
度均一性を良好とすることが可能となっている。

【０００４】従来の投影型露光装置では、上述のフライ
アイレンズ等のオプチカルインテグレータ入射面に入射
する照明光束の光量分布を、照明光学系の光軸を中心と
するほぼ円形内（あるいは矩形内）でほぼ一様となるよ
うにしていた。図１３は、上述の従来の投影光学系を示
し、照明光束Ｌ８１は、照明光学系中のフライアイレン
ズ１１、空間フィルター１２、及びコンデンサーレンズ
１５を介してレチクルパターン１７を照射する。ここ
で、空間フィルター１２はフライアイレンズ１１のレチ
クル側焦点面１１ｂ、すなわちレチクル１６に対するフ
ーリエ変換面（以後、瞳面と略す）、もしくはその近傍
に配置され、投影光学系の光軸ＡＸを中心としたほぼ円
形領域の開口を有し、瞳面内にできる２次光源（面光
源）像を円形に制限する。こうしてレチクル１６のパタ
ーン１７を通過した照明光は、投影光学系１８を介して
ウェハ２０のレジスト層に結像される。ここで、光束を
表す実線は１点から出た光の主光線を表している。

【０００５】このとき、照明光学系（１１、１２、１
５）の開口数と投影光学系１８のレチクル側開口数の
比、所謂σ値は開口絞り（例えば空間フィルター１２の
開口径）により決定され、その値は０．３〜０．６程度
が一般的である。照明光Ｌ８１は、レチクル１６にパタ
ーニングされたパターン１７により回折され、パターン
１７からは０次回折光Ｄo、＋１次回折光Ｄp、−１次回
折光Ｄmが発生する。夫々の回折光（Ｄo、Ｄp、Ｄm）は
投影光学系１８により集光され、ウェハ（試料基板）２
０上に干渉縞を発生させる。この干渉縞がパターン１７
の像である。

【０００６】このとき、０次回折光Ｄoと±１次回折光
Ｄp、Ｄmのなす角θ（レチクル側）はｓｉｎθ＝λ／Ｐ
（λ：露光波長、Ｐ：パターンピッチ）により決まる。
パターンピッチが微細化するとｓｉｎθが大きくなり、
ｓｉｎθが投影光学系１８のレチクル側開口数（ＮＡ
Ｒ）より大きくなると、±１次回折光Ｄp、Ｄmは投影光
学系１８の瞳面１９を通過できなくなる。

【０００７】このとき、ウェハ２０上には０次回折光Ｄ
oのみしか到達せず干渉縞は生じない。つまり、ｓｉｎ
θ＞ＮＡＲとなる場合にはパターン１７の像は得られ
ず、パターン１７をウェハ２０上に転写することができ
なくなってしまう。以上のことから、今までの露光装置
においては、ｓｉｎθ＝λ／Ｐ≒ＮＡＲとなるピッチＰ
は次式で与えられていた。

【０００８】Ｐ≒λ／ＮＡＲ （１） 最小パターンサイズはピッチＰの半分であるから、最小
パターンサイズは、０．５×λ／ＮＡＲ程度となるが、
実際のフォトリソグラフィーにおいてはウェハの湾曲、
プロセスによるウェハの段差等の影響、又はフォトレジ
スト自体の厚さのために、ある程度の焦点深度が必要と
なる。このため、実用的な最小解像パターンサイズは、
ｋ×λ／ＮＡとして表される。ここで、ｋはプロセス定
数と呼ばれ０．６〜０．８程度となる。レチクル側開口
数ＮＡＲとウェハ側開口数ＮＡＷとの比は、投影光学系
の結像倍率と同じであるので、結像倍率を１／５とした
時のレチクル上における最小解像パターンサイズはｋ×
λ／ＮＡＲ、ウェハ上における最小解像パターンサイズ
はｋ×λ／ＮＡＷ＝ｋ×λ／５ＮＡＲとなる。

【０００９】従って、より微細なパターンを転写するた
めには、より短い波長の露光光源を使用するか、或いは
より開口数の大きな投影光学系を使用するかを選択する
必要があった。もちろん、波長と開口数の両方を最適化
する努力も考えられる。また、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だけずらす、所謂
位相シフトレチクルが特公昭６２−５０８１１号公報等
で提案されている。この位相シフトレチクルを使用する
と従来よりも、より微細なパターンの転写が可能とな
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
露光装置においては、照明光源を現在より短波長化する
ことは、透過光学部材として使用可能な適当な光学材料
が存在しない等の理由により困難であった。短波長の光
の透過率が高い石英をレチクルブランクとして使用した
としても、波長２００ｎｍ以下では、透過率が低下して
くる。

【００１１】また、投影光学系の開口数は、現状でも既
に理論的限界に近く、これ以上の大開口化はほぼ望めな
い状態であった。また、もし現状以上の大開口化が可能
であるとしても、±λ／２ＮＡ２で表される焦点深度は
開口数の増加に伴って急激に減少し、実使用に必要な焦
点深度がますます少なくなるという問題が顕著になって
くる。

【００１２】一方、位相シフトレチクルについては、そ
の製造工程が複雑であり、従ってコストも高く、また検
査及び修正方法も未だ確立されていないなど多くの問題
が残されており、昨今の早急な微細化要求に確実に対応
できるか不安視されている。本発明は上記問題点に鑑み
てなされたもので、通常のレチクルを使用して高解像
度、且つ大焦点深度が得られる投影型露光装置の実現を
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、光源（１）か
らの照明光をマスク（１６）に照射する照明光学系と、
照明光を基板上に投射する投影光学系（２０）とを備
え、照明光の照射によってマスクのパターン（１７）を
基板上に転写する投影露光装置に関するものである。そ
して、本発明の投影露光装置では、照明光学系内に配置
され、光源からの照明光を入射して回折光を発生する回
折光学素子（５又は５Ａ）を設けることとした。このた
め、照明光学系を小型化できるとともに、例えば高解像
度かつ大焦点深度でパターンを基板上に転写するため
に、照明光学系内のパターンに対するフーリエ変換面
（投影光学系１８の瞳面１９とほぼ共役な面）上での照
明光の光量分布を照明光学系の光軸外で高める（換言す
れば、照明光学系の光軸外に２次光源を形成する）とき
には、照明光の光量損失を大幅に低減することができ
る。

【００１４】また、回折光学素子は、光源と照明光学系
内のオプチカルインテグレー（１１）との間に配置され
ることが望ましい。この場合、マスク上での照度均一性
の低下を防止することができる。さらに、回折光学素子
は、照明光学系の光軸（ＡＸ）と異なる方向に進む回折
光（例えば±１次回折光など）を発生することが望まし
い。この場合、特に前述の光量分布を照明光学系の光軸
外で高めるときに照明光の光量損失を最小限に抑えるこ
とができる。また、回折光学素子は互いに異なる方向に
進む複数の回折光（例えば±１次回折光など）を発生す
ることが望ましい。この場合、特に前述の光量分布を照
明光学系の光軸外の複数の領域で高めるときに照明光の
光量損失を最小限に抑えることができる。なお、回折光
学素子は０次回折光の発生が抑えられる位相型であって
もよいし、あるいは回折光学素子から発生する０次回折
光をカットする遮光部材を設けるようにしてもよい。

【００１５】また、基板上に転写すべきパターンに応じ
て前述の光量分布を変更する、例えば照明光学系の光軸
外で光量分布が高められる所定領域の照明光学系の光軸
との距離を可変とする変更手段を設けることが望まし
い。なお、変更手段は、回折光学素子の交換を行うもの
でもよいし、それと組み合わせて、あるいは単独で、回
折光学素子と照明光学系内のオプチカルインテグレータ
との間に配置されるズームレンズ系を用いてもよい。こ
の場合、パターンを最適な光量分布を持つ照明光（最適
な２次光源からの光）で照明することができ、高解像度
かつ大焦点深度でパターンを基板上に転写することが可
能となっている。

【００１６】ここで、本発明の投影露光装置は、オプチ
カルインテグレータとしてフライアイレンズを用い、か
つ照明光学系内のフーリエ変換面（瞳面）上での照明光
の光量分布を照明光学系の光軸外で高めるものとする
と、原理的に図１２に示すように構成される。図１２に
おいて図１３と同じ部材には同一の符号を付してある。
図１２において、フライアイレンズ１１の光源側焦点面
１１ａ近傍に設けられた空間フィルター１０は、フライ
アイレンズ１１に入射する照明光束Ｌ７０を、フライア
イレンズ１１の光源側焦点面（入射面）１１ａの特定位
置に入射するものに制限する。このため、フライアイレ
ンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂに形成される２次光
源像も、ほぼフライアイレンズ１１の光源側焦点面１１
ａに入射する照明光に従ったものとなる。ここで、空間
フィルター１０の透過部分はマスク上のパターンに応じ
た分だけ照明光学系もしくは投影光学系の光軸から偏心
した位置に設けられている。また、空間フィルター１０
等の光学部材の透過部分の位置、形状を変更することに
より、フライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａ上に
入射する照明光を可変とすることができる。従って、フ
ライアイレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂ上におけ
る２次光源像の位置、大きさも可変とすることができ
る。また、フライアイレンズ１１のレチクル側焦点面１
１ｂは、レチクルパターン１７に対してほぼフーリエ変
換面（投影レンズ１８の瞳面１９と略共役な面）となっ
ており、このフーリエ変換面上での２次光源像の位置、
大きさを可変とすることとなる。また、２次光源像のレ
チクル側焦点面１１ｂ（瞳面１９）内での位置は、レチ
クル１６に入射する光束の入射角度や方向を決定するの
で、本発明における投影型露光装置においては、レチク
ル１６に入射する照明光束の入射角度ψや方向をほぼ任
意に制御することが可能である。

【００１７】また、本発明による投影露光装置を用いた
素子製造方法では、回路パターン形成のフォトリソグラ
フィ工程で微細な半導体素子などを製造することができ
る。さらに、本発明による投影露光方法は、照明光学系
を通して光源（１）からの照明光をマスク（１６）に照
射するとともに、投影光学系（１８）を介して照明光で
基板（２０）を露光するものである。そして、光源から
の照明光を入射して回折光を発生する回折光学素子（５
又は５Ａ）を照明光学系内に配置し、その回折光でマス
クを照明することとした。また、特に前述の光量分布を
照明光学系の光軸外で高めるときに、照明光学系の光軸
と異なる方向に回折光を発生させることが望ましい。こ
のため、照明光学系を小型化できるとともに、照明光学
系の光軸外で光量分布を高めるときに、照明光の光量損
失を大幅に低減することができる。

【００１８】

【作用】レチクル（マスク）上に描画された回路パター
ン（レチクルパターン）１７は、一般に周期的なパター
ンを多く含んでいる。従って、空間フィルター１０の透
過部を透過した照明光が照射されたレチクルパターン１
７からは、０次回折光成分Ｄo及び±１次回折光成分Ｄ
p、Ｄm、及びさらに高次の回折光成分がパターンの微細
度に応じた方向に発生する。

【００１９】このとき、図１２のごとく照明光束Ｌ７１
（主光線）が光軸ＡＸに対して角度ψだけ傾いた角度で
フォトマスクに入射するから、発生した各次数の回折光
成分も垂直に照明された場合に比べ、傾き（角度ずれ）
をもってレチクルパターン１７より発生する。照明光Ｌ
７１はレチクルパターン１７により回折され、光軸ＡＸ
に対してψだけ傾いた方向に進む０次回折光成分Ｄo、
０次回折光成分Ｄoに対してθpだけ傾いた方向に進む＋
１次回折光成分Ｄp、及び０次回折光成分Ｄoに対してθ
mだけ傾いて進む−１次回折光成分Ｄmを発生する。しか
しながら、照明光Ｌ７１は両側テレセントリックな投影
光学系１８の光軸ＡＸに対して角度ψだけ傾いてレチク
ルパターン１７に入射するので、０次回折光成分Ｄoも
また投影光学系の光軸ＡＸに対して角度ψだけ傾いた方
向に進行する。

【００２０】従って、＋１次光回折光成分Ｄpは光軸Ａ
Ｘに対してθp＋ψの方向に進行し、−１次回折光成分
Ｄmは光軸ＡＸに対してθm−ψの方向に進行する。この
とき、回折角θp、θmは夫々、 ｓｉｎ(θp＋ψ)−ｓｉｎψ＝λ／Ｐ （２） ｓｉｎ(θm−ψ)＋ｓｉｎψ＝λ／Ｐ （３） である。

【００２１】ここでは、＋１次回折光成分Ｄp、−１次
回折光成分Ｄmの両方が投影光学系１８の瞳面１９を透
過しているものとする。レチクルパターン１７の微細化
に伴って回折角が増大すると先ず、角度θp＋ψの方向
に進行する＋１次回折光成分Ｄpが投影光学系１８の瞳
面１９を通過できなくなる。すなわちｓｉｎ(θp＋ψ)
＞ＮＡＲの関係になってくる。しかし、照明光Ｌ７１が
光軸ＡＸに対して傾いて入射しているため、このときの
回折角でも−１次回折光Ｄmは、投影光学系１８に入射
可能となる。すなわちｓｉｎ(θm−ψ)＜ＮＡＲの関係
になる。

【００２２】従って、ウェハ２上には０次回折光成分Ｄ
oと−１次回折光成分Ｄmの２光束による干渉縞が生じ
る。この干渉縞はレチクルパターン１７の像であり、レ
チクルパターン１７が１：１のラインアンドスペースの
とき、約９０％のコントラストとなって、ウェハ２０上
に塗布されたレジストにレチクルパターン１７の像をパ
ターニングすることが可能となる。

【００２３】このときの解像限界は、 ｓｉｎ(θm−ψ)＝ＮＡＲ （４） となるときであり、従って、 ＮＡＲ＋ｓｉｎψ＝λ／Ｐ Ｐ＝λ／(ＮＡＲ＋ｓｉｎψ) （５） が転写可能な最小パターンのレチクル側でのピッチであ
る。

【００２４】一例として今ｓｉｎψを０．５×ＮＡＲ程
度に定めるとすれば、転写可能なレチクル上の最小ピッ
チは、 Ｐ＝λ／(ＮＡＲ＋０．５×ＮＡＲ)＝２λ／３ＮＡＲ （６） となる。

【００２５】一方、図１３に示す照明光の瞳面１９上で
の分布が投影光学系１８の光軸ＡＸを中心とする円形領
域内である従来の露光装置の場合、解像限界は（１）式
に示したようにＰ≒λ／ＮＡＲであった。従って、従来
の露光装置より高い解像度が実現できることがわかる。
次に、レチクルパターンに対して特定の入射方向と入射
角で露光光を照射して、０次回折光成分と１次回折光成
分とを用いてウェハ上に結像パターン形成方法によっ
て、焦点深度も大きくなる理由について説明する。

【００２６】図１２のようにウェハ２０が投影光学系１
８の焦点位置に一致している場合には、レチクルパター
ン１７中の１点を出てウェハ上の１点に達する各回折光
は、投影光学系１８のどの部分を通るものであっても全
て等しい光路長を有する。このため、従来のように０次
回折光成分が投影光学系１８の瞳面１９のほぼ中心（光
軸近傍）を貫通する場合でも、０次回折光成分とその他
の回折光成分とで光路長は相等しく、相互の波面収差も
零である。しかし、ウェハ２０が投影光学系１８の焦点
位置に一致していないデフォーカス状態の場合、斜めに
入射する高次の回折光の光路長は光軸近傍を通る０次回
折光に対して焦点前方（投影光学系１８から遠ざかる
方）では短く、焦点後方（投影光学系１８に近づく方）
では長くなり、その差は入射角の差に応じたものとな
る。従って、０次、１次、…の各回折光は相互に波面収
差を形成して焦点位置の前後におけるボケを生じること
となる。

【００２７】前述のデフォーカスによる波面収差は、ウ
ェハ２０の焦点位置からのずれ量をΔＦ、各回折光がウ
ェハ２０に入射するときの入射角θＷの正弦をｒ(ｒ＝
ｓｉｎθＷ）とすると、ΔＦｒ２／２で与えられる量で
ある（このときｒは各回折光の瞳面１９での光軸ＡＸか
らの距離を表す）。従来の図１３に示した投影型露光装
置では、０次回折光成分Ｄoは光軸ＡＸの近傍を通るの
で、ｒ(０次)＝０となり、一方、±１次回折光成分Ｄ
p、Ｄmは、ｒ(１次)＝Ｍλ／Ｐとなる（Ｍは投影光学系
の倍率）。従って、０次回折光成分Ｄoと±１次回折光
成分Ｄp、Ｄmのデフォーカスによる波面収差はΔＦ・Ｍ
２・(λ／Ｐ)２／２となる。

【００２８】一方、本発明における投影型露光装置で
は、図１２に示すように０次回折光成分Ｄoは、光軸Ａ
Ｘから角度ψだけ傾いた方向に発生するから、瞳面１９
における０次回折光成分Ｄoの光軸ＡＸからの距離は、
ｒ(０次)＝Ｍｓｉｎψである。一方、−１次回折光成分
Ｄmの瞳面１９における光軸ＡＸからの距離は、ｒ(−１
次)＝Ｍｓｉｎ(θm−ψ)となる。このとき、ｓｉｎψ＝
ｓｉｎ(θm−ψ)となれば、０次回折光成分Ｄoと−１次
回折光成分Ｄmのデフォーカスによる相対的な波面収差
は零となり、ウェハ２０が焦点位置より光軸方向に若干
ずれてもパターン１７の像ボケは従来程大きく生じない
ことになる。即ち、焦点深度が増大することになる。

【００２９】また、（３）式のようにｓｉｎ(θm−ψ)
＋ｓｉｎψ＝λ／Ｐであるから、照明光束Ｌ７１のレチ
クル１６への入射角ψをピッチＰのパターンに対して、
ｓｉｎψ＝λ／２Ｐの関係にすれば、焦点深度を極めて
増大させることが可能である。ここでは、フライアイレ
ンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂ上の２次光源像を、
フライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａに入射する
照明光束を制御することによって与えている。

【００３０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の第１の実施例
を説明する。図１は、本発明の第１の実施例に好適な投
影型露光装置（ステッパー）の概略を示し、フライアイ
レンズ１１の光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中させ
る光学部材（本発明のインプット光学系の一部）とし
て、回折格子状パターン５を設けるようにした。

【００３１】水銀ランプ１より発生した照明光束は、楕
円鏡２の第２焦点ｆoに集光した後、ミラー３、リレー
系等のレンズ系４を介して回折格子状パターン５に照射
される。このときの照明方法は、ケーラー照明法であっ
ても、クリチカル照明法であっても良いが、強い光量を
得るためにはクリチカル照明法の方が望ましい。回折格
子状パターン５から発生した回折光は、リレーレンズ９
によりフライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａ（入
射面）の光軸ＡＸから偏心した位置に集中して入射す
る。ここでは０次、±１次の回折光が発生しているもの
とする。このとき、フライアイレンズ１１の光源側焦点
面１１ａと、回折格子状パターン５とは、リレーレンズ
９を介してほぼフーリエ変換の関係となっている。尚、
図１では回折格子状パターン５への照明光は平行光束と
して図示したが、実際は発散光束となっているため、フ
ライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａへの入射光束
はある大きさ（太さ）を持っている。従って、光源側焦
点面１１ａへの入射光束に応じたフライアイレンズ１１
のレチクル側焦点面１１ｂからの射出光束もある大きさ
をもっている。

【００３２】一方、フライアイレンズ１１のレチクル側
焦点面１１ｂは、レチクルパターン１７のフーリエ変換
面（瞳共役面）とほぼ一致する様に配置されている。ま
た、図１に示したフライアイレンズ１１の各レンズエレ
メントは両凸レンズとし、且つ光源側焦点面１１ａと入
射面、レチクル側焦点面１１ｂと射出面が夫々一致する
場合の例であったが、フライアイのレンズエレメントは
この関係を厳密に満たさなくても良く、また平凸レンズ
や、凸平レンズ、あるいは平凹レンズであっても良い。

【００３３】尚、フライアイレンズ１１の光源側焦点面
１１ａと、レチクル側焦点面１１ｂとは、当然ながらフ
ーリエ変換の関係である。従って、図１の例の場合、フ
ライアイレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂ、即ちフ
ライアイレンズ射出面は、回折格子状パターン５と結像
関係（共役）になっている。さて、フライアイレンズ１
１のレチクル側焦点面１１ｂより射出される光束は、コ
ンデンサーレンズ１３、１５、ミラー１４を介してレチ
クル１６を均一な照度分布で照明する。本実施例では、
フライアイレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂ（射出
側）近傍に回折格子状パターン５からの±１次回折光に
合わせて２つの開口部がくり抜かれた金属板等からなる
遮光部材１２を配置し、回折格子状パターン５からの０
次回折光等をカットする。このため、レチクルパターン
１７に照明される照明光は、フライアイレンズ１１のレ
チクル側焦点面１１ｂ上で光軸ＡＸから偏心した位置に
２つの２次光源像を持つものに制限される。フライアイ
レンズの１１の光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中さ
せる光学部材として回折格子状パターン５を用いている
ため、光軸ＡＸについて対称な２つの２次光源像が形成
される。従って、レチクルパターン１７に照明される照
明光は、レチクルパターン１７への入射角が特定の入射
角を持つ光束のみに制限される。また、前述の如く、フ
ライアイレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂには回折
格子状パターン５の像ができているが、レチクル側焦点
面１１ｂとレチクルパターン面１７とはフーリエ変換面
の関係となっているため、回折格子状パターン５そのも
のがレチクル１６に結像して照度均一性を劣化させるこ
ともなく、さらに回折格子状パターン５の欠陥や、ゴミ
等により不均一化されることがない。回折格子状パター
ン５は、透過性の基板、例えばガラス基板の表面にＣｒ
等の遮光膜がパターニングされたものであっても良い
し、ＳｉＯ２等の誘電体膜がパターニングされた、所謂
位相グレーティングであっても良い。位相グレーテイン
グの場合、０次回折光の発生を押さえることができ、空
間フィルター１２を省略することができるとともに、光
量損失が少ないといった利点がある。

【００３４】尚、空間フィルター１２はフライアイレン
ズ１１の射出面側であるフライアイレンズ１１の光源側
焦点面１１ｂ近傍に設けたが、入射面側であるレチクル
側焦点面１１ａに設けるようにしてもよい。こうして照
明されたレチクル１６上のレチクルパターン１７から発
生した回折光は、図１２で説明したのと同様にテレセン
トリックな投影光学系１８により集光、結像され、ウェ
ハ２０上にレチクルパターン１７の像が転写される。

【００３５】また、回折格子状パターン５は透過性のパ
ターンのみでなく、反射性のパターンであっても良い。
例えばガラス等の平面反射鏡の表面に、高反射率膜、即
ちＡｌ等の金属膜や、誘電体多層膜をパターニングした
ものでも良く、また、反射光に位相差を与えるための段
差が回折格子状にパターニングされた高反射率鏡であっ
ても良い。

【００３６】回折格子状パターン５が反射性のものであ
る場合には、図２に示すように、反射性回折格子状パタ
ーン５ａに、リレーレンズ４からの照明光束を照射し、
そこで反射及び回折された回折光を、リレーレンズ９を
介してフライアイレンズ１１に入射させればよい。この
とき、レチクル１６上のレチクルパターン１７に入射す
る照明光束（複数）の入射方向、入射角は、レチクルパ
ターン１７に応じて定められ、回折格子状パターン５、
５ａの方向性、及びピッチを変更することにより、任意
に調整することが可能である。例えば、回折格子状パタ
ーン５、５ａをピッチの異なるものに交換することによ
り、フライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａに入射
する照明光を可変とでき、フライアイレンズ１１のレチ
クル側焦点面１１ｂでの光軸ＡＸからの２次光源像の距
離を可変とできる。従って、レチクル１６上のレチクル
パターン１７への照明光の入射角を可変とすることがで
きる。また、回折格子状パターン５、５ａを光軸ＡＸと
垂直な面内で任意の方向に回転可能（例えば９０°回転
可能）とすると、レチクルパターン１７中のラインアン
ドスペースのパターンピッチ方向がＸ、Ｙ方向と異なる
場合にも対応できる。また、リレーレンズ９を複数枚の
レンズよりなるズームレンズ系（アフォーカルズームエ
キスパンダ等）とし、焦点距離を変えることにより集光
位置を変えることもできる。ただし、このときは回折格
子状パターン５又は５ａと、フライアイレンズ１１の光
源側焦点面１１ａとがほぼフーリエ変換の関係になるこ
とをくずさないようにする。

【００３７】以上述べたようなフライアイレンズ１１の
光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材
は、回折格子状パターン５又は５ａに限定されない。図
３に示すように、前述の図２に示した、反射性の回折格
子状パターン５ａの代わりに可動平面鏡３０を配置し、
且つ、平面鏡３０を回転可能ならしめるモータ等の駆動
部材３０ａを設ける。そして、駆動部材３０ａにより平
面鏡３０を回転又は振動させ、フライアイレンズ１１の
光源側焦点面１１ａに照明光を入射させれば、フライア
イレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂの２次光源像を
時間によって変更することができる。露光動作中に平面
鏡３０を適当な複数の角度位置に回動させれば、フライ
アイレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂの２次光源像
を任意の形状にすることができる。尚、このような可動
反射鏡３０を使う場合はリレーレンズ系９を省略してし
まっても良い。ところで、図３中に示した空間フィルタ
ー１２はフライアイレンズ１１の入射面側に設けたが、
図１と同様に射出面側に設けてもよい。

【００３８】図４は、フライアイレンズの１１の光源側
焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材として、
光ファイバー束７を用いた場合の略図である。リレーレ
ン４より光源側、及びフライアイレンズ１１よりレチク
ル側は図１と同じ構成であるとする。光源から発生し、
リレーレンズ４を透過した照明光は、光ファイバー束７
へ入射部７ａに所定の開口数（ＮＡ）に調整されて入射
する。光ファイバー束７は射出部７ｂに至る間に、複数
の束に分割され、夫々の射出部７ｂは、フライアイレン
ズ光源側焦点面１１ａ近傍でレチクルパターン１７に応
じた位置に配置される。従って、光ファイバー束７を用
いても、前述の回折格子状パターン５と同様にフライア
イレンズ光源側焦点面１１ａ近傍に任意の照明光量分布
を形成することができる。

【００３９】またこのとき、光ファイバー束７の各射出
部７ｂとフライアイレンズ１１の間に、夫々レンズ（例
えばフィールドレンズ）を設けても良いし、また、その
レンズによりフライアイレンズ光源側焦点面１１ａと光
ファイバー射出部７ｂの光射出面とをフーリエ変換の関
係としても良い。また、各射出部７ｂ（又は射出部７ｂ
とフライアイレンズ１１との間のレンズ）を、モータ等
の駆動部材により、光軸と垂直な面内で一次元、又は二
次元に可動とすれば、フライアイレンズ１１の光源側焦
点面１１ａに入射する照明光を可変とすることができ、
フライアイレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂでの２
次光源像を可変とすることができる。

【００４０】図５は、フライアイレンズの１１の光源側
焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材として、
複数の屈折面を有するプリズム８を用いた例である。図
５中のプリズム８は光軸ＡＸを境界として２つの屈折面
に分割されており、光軸ＡＸより上方に入射した照明光
は上方へ屈折し、光軸ＡＸより下方に入射した照明光は
下方へ屈折する。従って、フライアイレンズ１１の光源
側焦点面１１ａにプリズム８の屈折角に応じて、照明光
束を入射させることができる。プリズム８の屈折面の分
割数は２面に限ったものではなく、光源側焦点面１１ａ
上での所望の光量分布に応じて、何面に分割されていて
も良い。また、分割される位置は光軸ＡＸと対称な位置
にこだわらなくとも良い。

【００４１】プリズム８を交換することにより、フライ
アイレンズ光源側焦点面１１に入射する照明光束の入射
位置を可変とすることができる。また、このときのプリ
ズム８はウォラストンプリズム等の偏光性の光分割器で
あっても良い。ただし、この場合は、分割された光束同
志の偏光方向が異なるため、ウェハ２０のレジストの偏
光特性を考慮して、その偏光特性は一方向に揃えた方が
よい。また、プリズム８の代わりに、複数の角度の異な
る反射面を持つ反射鏡を使用し、図３のように配置すれ
ば、駆動部材３０ａは不要となる。装置内にこのプリズ
ム等の交換機能を有していると良いことは言うまでもな
い。また、このようなプリズム等を使う場合もリレーレ
ンズ系９を省略してしまっても良い。

【００４２】図６は、フライアイレンズの１１の光源側
焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材として、
複数のミラー８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを用いた例であ
る。リレーレンズ系４を透過した照明光は１次ミラー８
ｂ、８ｃにより２方向に分離されるように反射され、２
次ミラー８ａ、８ｄに導かれ、再び反射してフライアイ
レンズ１１の光源側焦点面１１ａに達する。各ミラー８
ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに位置調整機構及び光軸ＡＸの回
りの回転角度調整機構を設けておけば、この機構により
フライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａでの照明光
量分布を任意に可変とすることができる。また各ミラー
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、平面ミラーであっても、凸
面、或いは凹面ミラーであっても良い。また、図６に示
すとおり、ミラーに１度も反射されずに、リレーレンズ
４から直接フライアイレンズ１１に入射する光束があっ
ても良い。

【００４３】また、２次ミラー８ａ、８ｄとフライアイ
レンズ１１の夫々の間に、レンズを設けても良い。図６
では１次ミラー８ｂ、８ｃ、２次ミラー８ａ、８ｄ共に
２個ずつとしたが、数量はこれに限定されるものではな
く、レチクルパターン１７に応じた光源側焦点面１１ａ
に入射する所望の照明光に応じて適宜ミラーを配置すれ
ばよい。

【００４４】また、必要に応じて全てのミラーを、照明
光束がミラーに当たらない位置まで、退避させる構成で
あるものとする。

【００４５】また、フライアイレンズ１１の光源側焦点
面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材は、前述の図
１２の如く、フライアイレンズ光源側点面１１ａ近傍に
設けられた、空間フィルター１０に置換してもよいし、
図１から図６に示される各実施例と、図１２に示した空
間フィルター１０を組み合わせて使用しても良い。この
とき、空間フィルター１０の開口部は１つでなくレチク
ルパターン１７に応じた任意の数で良い。

【００４６】図７は本発明の他の実施例による、投影型
露光装置の構成を示す図であって、ミラー１４、コンデ
ンサーレンズ１５、レチクル１６、投影光学系１８は図
１と同様である。また、フライアイレンズ１１より光源
側は前述の図１から図６、或いは図１２に示した実施例
の何れかとなっている。フライアイレンズ１１のレチク
ル側焦点面１１ｂ近傍に任意の開口部（透過部、または
さらに半透過部）を有する空間フィルター１２ａが設け
られフライアイレンズ１１から射出される照明光束を制
限する。

【００４７】リレーレンズ１３ａに対するフライアイレ
ンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂのフーリエ変換面は
レチクルパターン１７と共役面となるので、ここに可変
視野絞り（レチクルブラインド）１３ｄを設ける。そし
て再びリレーレンズ１３ｂによりフーリエ変換され、フ
ライアイレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂの共役面
（フーリエ面）１２ｂに到る。先の空間フィルター１２
ａはフーリエ面１２ｂに設けても良い。フライアイレン
ズ１１からの照明光束は、さらにコンデンサーレンズ１
３ｃ、１５、ミラー１４によってレチクル１６に導かれ
る。尚、フライアイレンズの１１の光源側焦点面１１ａ
上でレチクルパターン１７に応じて決まる量だけ光軸か
ら偏心した位置に照明光を集中させる系であれば、空間
フィルターを光学部材１２ａ又は１２ｂの位置に設けな
くても全く問題ない。この場合でも、視野絞り（レチク
ルブラインド）１３ｄの使用が可能である。

【００４８】又、前述のフライアイレンズ１１の光源側
焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材からの照
明光は複数である例を示したが、１本の光束を光軸ＡＸ
から所定量偏心した位置に入射させてもよく、例えば図
４のファイバー７の射出部を１つとして、フライアイレ
ンズの１１の光源側焦点面１１ａ上に入射する光束を１
本としてもよい。

【００４９】上記いずれの実施例においても、空間フィ
ルター１０、１２、１２ａの開口部１つあたりの径は、
その開口部を透過する照明光束のレチクル１６に対する
開口数と投影光学系１８のレチクル側開口数（ＮＡＲ）
との比、所謂σ値が０．１〜０．３程度になるように設
定することが望ましい。σ値が０．１より小さいと、転
写像のパターン忠実度が劣化し、０．３より大きいと解
像度向上や、焦点深度増大の効果が弱くなってしまう。

【００５０】また、フライアイレンズ１１の光源側焦点
面１１ａに入射する照明光束の１つよって決まるσ値の
条件を満たすために、フライアイレンズ１１のレチクル
側焦点面１１ｂ近傍の空間フィルター１２ａの代わり
に、前述のフライアイレンズ光源側焦点面１１ａに照明
光を集中させ、焦点面１１ａ近傍での光量分布を可変と
する光学部材にσ値可変の機能を持たせても良い。例え
ば、フライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａに空間
フィルター１２を配置し、その開口の径により一光束あ
たりのσ値を決定しても良い。それと合わせて、投影光
学系１８内の瞳（入射瞳もしくは射出瞳）１９近傍に可
変開口絞り（ＮＡ制限絞り）を設けて投影系としてのＮ
Ａやσ値をより最適化することも出来る。また、空間フ
ィルター１２ａには、フライアイレンズの１１の光源側
焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材より発生
する光束のうち、不必要な光束を遮光する効果もある。
また、特定の光束については開口部の透過率を下げ、ウ
ェハへ到達する光量を減じる効果もある。

【００５１】また、レチクル１６を照明する光束（１
本、又は複数本）は、投影光学系１８の光軸ＡＸに対し
て傾いてレチクル１６に入射する。このとき、これらの
照明光束の光量重心方向が、光軸ＡＸに対して傾いてい
ると、ウェハ２０の微小なデフォーカス時に、転写像の
位置がウェ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、フライアイレンズ１１の光
源側焦点面１１ａ上に分布する照明光束の光量重心の方
向はレチクルパターン１７と垂直、すなわち光軸ＡＸと
平行となるようにする。例えば、フライアイレンズの１
１の光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部
材として空間フィルター１０を用いる場合には、開口部
の位置（開口部が作る光量分布の重心の光軸ＡＸからの
フーリエ変換面内での位置ベクトル）と、透過光量との
積のベクトル和（積分）が零になるようにする。フライ
アイレンズ１１の光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中
させる光学部材として他の部材を使用する場合も同様で
あり、フライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａ内に
て、各開口部の光軸ＡＸからのフーリエ変換面内での位
置ベクトルと、照明光量との積のベクトル和（積分）が
ほぼ零となるようにすればよい。尚、フライアイレンズ
１１の光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学
部材として回折格子状パターン５を使用すると、この条
件は自動的に満たされる。上記照明光量分布の具体例と
しては、光束を２ｍ（ｍは自然数）本として、そのうち
のｍ本の位置は任意とし、残るｍ本の位置は先のｍ本
と、夫々光軸ＡＸについて対称となるようにすれば良
い。

【００５２】フライアイレンズ１１の光源側焦点面１１
ａでの照明光束（１本又は複数本）の入射位置（フライ
アイレンズ１１の光源側焦点面１１ｂでの２次光源像の
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。この場合の位置決定方法は作用
の項で述べたとおり、フライアイレンズ１１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
にレチクルパターンに入射する位置（入射角ψ）とすれ
ばよい。

【００５３】次に、２次光源像の位置決定の具体例を、
図８、図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）を用いて説
明する。図８は、フライアイレンズ１１のレチクル側焦
点面１１ｂからレチクルパターン１７までの部分を模式
的に表わす図であり、フライアイレンズ１１のレチクル
側焦点面１１ｂが、レチクルパターン１７のフーリエ変
換面１２ｃ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１５として表わしてある。さらに、レ
ンズ１５のフライアイレンズ側主点からフライアイレン
ズ１１のレチクル側焦点面１１ｂまでの距離と、レンズ
１５のレチクル側主点からレチクルパターン１７までの
距離は共にｆであるとする。

【００５４】図９（Ａ）、（Ｃ）は共にレチクルパター
ン１７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９（Ｂ）は図９（Ａ）のレチクルパターンの
場合に最適な２次光源像の、レチクルパターン１７のフ
ーリエ変換面（又は投影光学系の瞳面）での位置を示
し、図９（Ｄ）は図９（Ｃ）のレチクルパターンの場合
に最適な２次光源像の位置（最適な２次光源像の中心位
置）を表わす図である。図９（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、１つの２次
光源像の中心位置（１つの２次光源像が作る光量分布の
重心の最適位置）は図９（Ｂ）に示すようにフーリエ変
換面内に仮定したＹ方向の線分Ｌα上、または線分Ｌβ
上の任意の位置となる。図９（Ｂ）はレチクルパターン
１７に対するフーリエ変換面１２ｃ（１１ｂ）を光軸Ａ
Ｘ方向から見た図であり、かつ、面１２ｃ内の座標系
Ｘ、Ｙは、同一方向からレチクルパターン１７を見た図
９（Ａ）と同一にしてある。さて、図９（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・ｓｉｎψと表わせれば、ｓｉｎψ＝λ／２
Ｐであり、これは作用の項で述べた数値と一致してい
る。従って、複数の２次光源像を配置する場合、各２次
光源像の各中心（各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９（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２次光源像
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
１８の瞳面１９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、前述の如く、ラインアンドスペー
スパターン（図１１（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。
尚、ウェハ２０のデフォーカスに伴う位置ずれ等を無視
するならば線分Ｌα、Ｌβ上に形成する２次光源像は１
つでもよい。

【００５５】次に図９（Ｃ）は、レチクルパターンがい
わゆる孤立スペースパターンである場合であり、かつ、
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９（Ｄ）はこの場
合の２次光源像の最適位置を表わす図であり、図９
（Ｃ）との位置、回転関係は図９（Ａ），（Ｂ）の関係
と同じである。図９（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９（Ｃ）の如き２次元パターンにおいても
回折光中の０次回折光と±１次回折光のうちのいずれか
一方とが投影光学系瞳面１９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９（Ｃ）のパターンではＸ方向のピッチは
Ｐｘであるから図９（Ｄ）に示す如く、α＝β＝ｆ・
（１／２）・（λ／Ｐｘ）となる線分Ｌα、Ｌβ上に各
２次光源像の各中心があれば、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、γ
＝ε＝ｆ・（１／２）・（λ／Ｐｙ）となる線分Ｌγ、
Ｌε上に各２次光源像の各中心があれば、パターン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。

【００５６】以上、図９（Ｂ）、又は（Ｄ）に示した各
位置に形成された２次光源像に対応する照明光束がレチ
クルパターン１７に入射すると、０次光回折光成分Ｄo
と、＋１次回折光成分Ｄpまたは−１次回折光成分Ｄmの
いずれか一方とが、投影光学系１８内の瞳面１９では光
軸ＡＸから等距離となる光路を通る。従って、作用の項
で述べたとおり、高解像及び大焦点深度の投影型露光装
置が実現できる。以上、レチクルパターン１７として図
９（Ａ）、又は（Ｂ）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１９では光軸ＡＸからほぼ等距離に
なる光路を通る様な位置に各光量分布を設定すればよ
い。また、図９（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
ンであった為、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１９において光軸ＡＸからほぼ等距離とな
るようにしてもよい。

【００５７】また、レチクルパターン１７が図９（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
９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１９上で光軸ＡＸからほ
ぼ等距離に分布するように、特定の０次回折光成分の位
置を調節すればよい。例えば、図９（Ｄ）中でフライア
イレンズ中心位置を点Ｐζ、Ｐη、Ｐκ、Ｐμのいずれ
かと一致させるとよい。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１９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であ
る。

【００５８】なお、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出来る。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、
２次光源像の最適位置は、上述の様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、或いは各最適位
置の平均位置に２次光源像を配置してもよい。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よい。

【００５９】以上の実施例において、光源は水銀ランプ
１を用いて説明したが、他の輝線ランプやレーザー（エ
キシマ等）、あるいは連続スペクトルの光源であっても
良い。また、照明光学系中の光学部材の大部分をレンズ
としたが、ミラー（凹面鏡、凸面鏡）であっても良い。
投影光学系としては屈折系であっても、反射系であって
も、あるいは反射屈折系であってもよい。また、実施例
として両側テレセントリック系を使用したが、片側テレ
セントリック系でも、非テレセントリック系でもよい。

【００６０】また、光源から発生する照明光のうち、特
定の波長の光のみを利用する為に、照明光学系中に干渉
フィルター等の単色化手段を設けてもよい。また、フラ
イアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａ近傍に、拡散板
や光ファイバー束等の光散乱部材を用いることで、照明
光の均一化を行なっても良い。あるいは本発明の実施例
で使用されたフライアイレンズ１１とは別に、さらにフ
ライアイレンズ（以後、別フライアイレンズ）等のオプ
チカルインテグレーターを用いて、照明光の均一化を行
なっても良い。このとき別フライアイレンズは、上記フ
ライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａ近傍での照明
光量分布を可変とする光学部材、例えば図１，図２に示
した回折格子状パターン５、又は５ａよりも光源（ラン
プ）１側であることが望ましい。

【００６１】さらに、別フライアイレンズのレンズエレ
メントの断面形状は正方形（矩形）よりも正六角形にす
るのが望ましい。図１０は本発明の各実施例に適用され
る投影露光装置のウェハステージ周りの構成を示し、投
影光学系１８のウェハ２０上での投影視野領域内に向け
て斜めにビーム１００Ａを照射し、その反射ビーム１０
０Ｂを受光する斜入射式のオートフォーカスセンサーを
設ける。このフォーカスセンサーは、ウェハ２０の表面
と投影光学系１８の最良結像面との光軸ＡＸ方向のずれ
を検出するもので、そのずれが零となるように、ウェハ
２０を載置するＺステージ１１０のモータ１１２をサー
ボ制御する。これによってＺステージ１１０はＸＹステ
ージ１１４に対して上下方向（光軸方向）に微動し、常
にベストフォーカス状態で露光が行なわれる。このよう
なフォーカス制御が可能な露光装置においては、そのＺ
ステージ１１０を露光動作中に光軸方向に制御された速
度特性で移動させることで、さらに見かけ上の焦点深度
を拡大させることができる。この手法は、投影光学系１
８の像側（ウェハ側）がテレセントリックであれば、ど
のようなタイプのステッパーでも実現可能である。

【００６２】図１１（Ａ）は、Ｚステージ１１０の露光
中の移動に伴ってレジスト層内に得られる光軸方向の光
量（ｄｏｓｅ）分布、或いは存在確率を表し、図１１
（Ｂ）は図１１（Ａ）のような分布を得るためのＺステ
ージ１１０の速度特性を表す。図１１（Ａ）、（Ｂ）と
も縦軸はＺ（光軸）方向のウェハ位置を表し、図１１
（Ａ）の横軸は存在確率を表し，図１１（Ｂ）の横軸は
Ｚステージ１１０の速度Ｖを表す。また同図中、位置Ｚ
oはベストフォーカス位置である。

【００６３】ここでは位置Ｚoから上下に投影光学系１
８の理論的な焦点深度±ΔＤoｆだけ離れた２つの位置
＋Ｚ１、−Ｚ１で存在確率をほぼ等しい極大値にし、そ
の間の位置＋Ｚ３〜−Ｚ３の範囲では存在確率を小さな
値に押さえるようにした。そのために、Ｚステージ１１
０は、照明系内部のシャッターの開放開始時の位置−Ｚ
２で、低い速度Ｖ１で等速に上下へ移動し、シャッター
が全開になった直後に、高い速度Ｖ２まで加速する。速
度Ｖ２でＺステージ１１０が等速に上下移動している
間、存在確率は低い値に押されられ、位置＋Ｚ３に達し
た時点でＺステージ１１０は低い速度Ｖ１に向けて減速
を始め、位置＋Ｚ１で存在確率が極大値になる。このと
きほぼ同時にシャッターの閉成指令が出力され、位置＋
Ｚ２でシャッターが完全に閉じる。

【００６４】このように、ウェハ２０のレジスト層に与
えられる露光量の光軸方向に関する光量分布（存在確
率）を焦点深度の幅（２・ΔＤoｆ）程度だけ離れた２
点で極大値となるように、Ｚステージ１１０の速度を制
御すると、レジスト層に形成されるパターンのコントラ
ストは若干低下するものの、光軸方向の広い範囲に渡っ
て一様な解像力が得られる。

【００６５】以上の累進焦点露光方法は、本発明の各実
施例に示したような特別な照明方式を採用した投影露光
装置でも全く同じように使用することができ、見かけ上
の焦点深度は、本発明の照明方式によって得られる拡大
分と、累積焦点露光方式によって得られる拡大分とのほ
ぼ積に応じた量だけ拡大される。しかも特別な照明方式
を採用していることから、解像力そのものも高くなる。
例えば、従来の１／５縮小のｉ線ステッパー（投影レン
ズのＮＡ０．４２）に位相シフトレチクルを組み合わせ
て露光できる最小線幅は０．３〜０．３５μｍ程度であ
り、焦点深度の拡大率は最大４０％程度である。これに
対して本発明のような特別な照明方式を同じｉ線ステッ
パーに組み込んで、普通のレチクルで実験したところ、
最小線幅は０．２５〜０．３μｍ程度が得られ、焦点深
度の拡大率も位相シフトレチクルの使用時と同程度に得
られた。

【００６６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、回折光学
素子を用いて照明光学系の小型化を図ることができる。
また、例えば照明光学系内のマスクパターンに対するフ
ーリエ変換面上での照明光の光量分布を照明光学系の光
軸外で高めることで、高解像度かつ大焦点深度でパター
ンを基板上に転写することができるとともに、回折光学
素子を用いることで照明光の光量損失を大幅に低減する
ことが可能となっている。さらに、光源と照明光学系内
のオプチカルインテグレーとの間に回折光学素子を配置
すると、マスク上での照度均一性の低下を防止すること
ができる。

【００６７】また、回折光学素子の交換、あるいはズー
ムレンズ系などによって、基板上に転写すべきパターン
に応じて前述の光量分布を変更する、例えば照明光学系
の光軸外で光量分布が高められる所定領域の照明光学系
の光軸との距離を可変とするので、基板上に転写すべき
パターンを最適な光量分布を持つ照明光（最適な２次光
源からの光）で照明することができ、高解像度かつ大焦
点深度でパターンを基板上に転写することが可能となっ
ている。

【００６８】なお、回折格子状パターンや光ファイバー
等のフライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａ上に照
明光を集中させる光学部材により、フライアイレンズ光
源側焦点面近傍に入射する照明光束を可変とすることに
よりフライアイレンズのレチクル側焦点面、即ち、レチ
クルパターンのフーリエ変換面での２次光源像を可変と
できる。従って、レチクルパターンに対する照明光の入
射角をレチクルパターンに応じて可変とでき、従来のレ
チクルを使用して、高い解像度と、深い焦点深度が得ら
れる投影露光装置を実現できる。また、フライアイレン
ズの１１の光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中させる
光学部材はフライアイレンズより光源側に配置される
為、レチクル上の照度ムラ等の性能には影響を与えない
という利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による投影型露光装置の
構成を示す図である。

【図２】照明光量分布を作成するための光学部材の第１
の変形例を示す図である。

【図３】照明光量分布を作成するための光学部材の第１
の変形例を示す図である。

【図４】照明光量分布を作成するための光学部材の第１
の変形例を示す図である。

【図５】照明光量分布を作成するための光学部材の第１
の変形例を示す図である。

【図６】照明光量分布を作成するための光学部材の第１
の変形例を示す図である。

【図７】図１の装置にレチクルブラインドを組み込んだ
ときの照明系を示す図である。

【図８】フライアイレンズ群から投影光学系までの光路
を模式的に表した図である。

【図９】（Ａ）、（Ｃ）はマスク上に形成されたレチク
ルパターンの一例を示す平面図で、（Ｂ）、（Ｄ）は
（Ａ）、（Ｃ）の夫々に対応した瞳共役面における各フ
ライアイレンズ群の配置を説明する図である。

【図１０】投影型露光装置のウェハステージ回りの構成
を示す図である。

【図１１】ウェハステージのうちのＺステージを用いて
累進焦点露光方法を実行する際の露光量の存在確率と、
Ｚステージの速度特性とを示すグラフである。

【図１２】本発明の原理を説明する図である。

【図１３】従来の投影型露光装置の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

５ 回折格子状パターン（光学部材） ９ レンズ系 １０、１２、１２ａ 空間フィルター １５ 主コンデンサーレンズ １６ レチクル １７ レチクルパターン １８ 投影光学系 １９ 瞳 ２０ ウェハ

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１２月２７日（１９９９．１２．
２７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、光源（１）か
らの照明光をマスク（１６）に照射する照明光学系と、
照明光を基板上に投射する投影光学系（２０）とを備
え、照明光の照射によってマスクのパターン（１７）を
基板上に転写する投影露光装置に関するものである。そ
して、本発明の投影露光装置では、照明光学系内のパタ
ーンに対するフーリエ変換面（投影光学系１８の瞳面１
９とほぼ共役な面）上での照明光の光量分布を照明光学
系の光軸外で高める（換言すれば、照明光学系の光軸外
に２次光源を形成する）ために、光源からの照明光を入
射して回折光を発生する回折光学素子（５又は５Ａ）を
設けることとした。このため、照明光学系を小型化でき
るとともに、高解像度かつ大焦点深度でパターンを基板
上に転写することができ、かつ照明光の光量損失を大幅
に低減することができる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】また、回折光学素子は光源と照明光学系内
のオプチカルインテグレータ（１１）との間に配置され
ることが望ましい。この場合、マスク上での照度均一性
の低下を防止することができる。さらに、回折光学素子
は照明光学系の光軸（ＡＸ）と異なる方向に進む回折光
（例えば±１次回折光など）を発生することが望まし
い。この場合、特に前述の光量分布を照明光学系の光軸
外で高めるときに照明光の光量損失を最小限に抑えるこ
とができる。また、回折光学素子は互いに異なる方向に
進む複数の回折光（例えば±１次回折光など）を発生す
ることが望ましい。この場合、特に前述の光量分布を照
明光学系の光軸外の複数の領域で高めるときに照明光の
光量損失を最小限に抑えることができる。なお、回折光
学素子は０次回折光の発生が抑えられる位相型であって
もよいし、あるいは回折光学素子から発生する０次回折
光をカットする遮光部材を設けるようにしてもよい。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】また、本発明による投影露光装置を用いた
素子製造方法では、回路パターン形成のフォトリソグラ
フィ工程で微細な半導体素子などを製造することができ
る。さらに、本発明による投影露光方法は、照明光学系
を通して光源（１）からの照明光をマスク（１６）に照
射するとともに、投影光学系（１８）を介して照明光で
基板（２０）を露光するものである。そして、照明光学
系内のマスクパターン（１７）に対するフーリエ変換面
（投影光学系１８の瞳面１９とほぼ共役な面）上での照
明光の光量分布を照明光学系の光軸外で高める（換言す
れば、照明光学系の光軸外に２次光源を形成する）ため
に、光源からの照明光を入射して回折光を発生する回折
光学素子（５又は５Ａ）を照明光学系内に配置すること
とした。このため、照明光学系を小型化できるととも
に、高解像度かつ大焦点深度でパターンを基板上に転写
することができ、かつ照明光の光量損失を大幅に低減す
ることができる。

Claims (35)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの照明光をマスクに照射する照
   明光学系と、前記照明光を基板上に投射する投影光学系
   とを備え、前記照明光の照射によって前記マスクのパタ
   ーンを前記基板上に転写する投影露光装置において、 前記照明光学系内に配置され、前記光源からの照明光を
   入射して回折光を発生する回折光学素子を備えたことを
   特徴とする投影露光装置。
2. 【請求項２】 前記回折光学素子は、前記光源と前記照
   明光学系内のオプチカルインテグレータとの間に配置さ
   れることを特徴とする請求項１に記載の投影露光装置。
3. 【請求項３】 前記回折光学素子は、前記照明光学系の
   光軸と異なる方向に進む回折光を発生することを特徴と
   する請求項１又は２に記載の投影露光装置。
4. 【請求項４】 前記回折光学素子は互いに異なる方向に
   進む複数の回折光を発生することを特徴とする請求項１
   〜３のいずれか一項に記載の投影露光装置。
5. 【請求項５】 前記回折光学素子は０次回折光の発生が
   抑えられる位相型であることを特徴とする請求項１〜４
   のいずれか一項に記載の投影露光装置。
6. 【請求項６】 前記回折光学素子から発生する０次回折
   光をカットする遮光部材を備えたことを特徴とする請求
   項１〜４のいずれか一項に記載の投影露光装置。
7. 【請求項７】 前記遮光部材は、前記回折光学素子と前
   記照明光学系内のオプチカルインテグレータとの間に配
   置されることを特徴とする請求項６に記載の投影露光装
   置。
8. 【請求項８】 前記回折光の集光位置を可変とする変更
   手段を更に備えたことを特徴とする請求項１〜７のいず
   れか一項に記載の投影露光装置。
9. 【請求項９】 前記変更手段は、前記回折光学素子の交
   換によって前記集光位置を可変とすることを特徴とする
   請求項８に記載の投影露光装置。
10. 【請求項１０】 前記変更手段は、前記回折光学素子と
    前記照明光学系内のオプチカルインテグレータとの間に
    配置されるズームレンズ系を有することを特徴とする請
    求項８又は９に記載の投影露光装置。
11. 【請求項１１】 前記回折光学素子は、前記照明光学系
    内の前記パターンに対するフーリエ変換面上での前記照
    明光の光量分布を前記照明光学系の光軸外で高めるため
    に用いられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか
    一項に記載の投影露光装置。
12. 【請求項１２】 前記基板上に転写すべきパターンに応
    じて前記光量分布を変更する変更手段を更に備えたこと
    を特徴とする請求項１１に記載の投影露光装置。
13. 【請求項１３】 前記変更手段は、前記回折光学素子の
    交換によって前記光量分布を変更することを特徴とする
    請求項１２に記載の投影露光装置。
14. 【請求項１４】 前記変更手段は、前記回折光学素子と
    前記照明光学系内のオプチカルインテグレータとの間に
    配置されるズームレンズ系を有することを特徴とする請
    求項１２又は１３に記載の投影露光装置。
15. 【請求項１５】 前記変更手段は、前記光軸外で前記光
    量分布が高められる所定領域の前記照明光学系の光軸と
    の距離を可変とすることを特徴とする請求項１２〜１４
    に記載の投影露光装置。
16. 【請求項１６】 前記パターンは少なくとも第１方向に
    沿って延び、前記光軸外で前記光量分布が高められる所
    定領域は、前記フーリエ変換面上で前記照明光学系の光
    軸と交差し、かつ前記第１方向に沿って規定される第１
    軸によって区切られる領域内に設定されることを特徴と
    する請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の投影露光
    装置。
17. 【請求項１７】 前記パターンは前記第１方向と直交す
    る第２方向に沿って延び、前記所定領域は、前記第１軸
    と、前記照明光学系の光軸で前記第１軸と直交し、かつ
    前記第２方向に沿って規定される第２軸とによって区切
    られる領域内に設定されることを特徴とする請求項１６
    に記載の投影露光装置。
18. 【請求項１８】 前記所定領域は、前記照明光学系の光
    軸との距離がほぼ等しく、かつ前記第１及び第２軸によ
    って区切られる４つの領域内にそれぞれ設定されること
    を特徴とする請求項１７に記載の投影露光装置。
19. 【請求項１９】 前記光軸外で前記光量分布が高められ
    る所定領域は、前記照明光学系の光軸との距離がほぼ等
    しい複数の領域内にそれぞれ設定されることを特徴とす
    る請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の投影露光装
    置。
20. 【請求項２０】 前記複数の領域は、前記パターンから
    発生する±ｎ次回折光の一方と０次回折光とが前記投影
    光学系の瞳面上でその光軸からほぼ等距離に分布するよ
    うに配置されるｍ個の第１領域と、前記照明光学系の光
    軸に関して前記ｍ個の第１領域とほぼ対称に配置される
    ｍ個の第２領域とを含むことを特徴とする請求項１９に
    記載の投影露光装置。
21. 【請求項２１】 前記光軸外で前記光量分布が高められ
    る所定領域から射出される光の照射によって前記パター
    ンから発生する次数が異なる２つの回折光が、前記投影
    光学系の瞳面上でその光軸からの距離がほぼ等しい位置
    を通過するように、前記所定領域の位置を決定すること
    を特徴とする請求項１１〜１９のいずれか一項に記載の
    投影露光装置。
22. 【請求項２２】 前記２つの回折光は±ｎ次回折光の一
    方と０次回折光とであることを特徴とする請求項２１に
    記載の投影露光装置。
23. 【請求項２３】 前記所定領域から射出される光の前記
    マスクへの入射角をψ、前記パターンから発生する±ｎ
    次回折光の回折角をθ、前記投影光学系のマスク側開口
    数をＮＡＲとすると、前記±ｎ次回折光の一方でｓｉｎ
    (θ−ψ)＝ＮＡＲなる関係が満たされるように、前記各
    領域の位置を決定することを特徴とする請求項２１又は
    ２２に記載の投影露光装置。
24. 【請求項２４】 前記一方の回折光は、前記投影光学系
    の光軸に関して前記パターンから発生する０次回折光と
    ほぼ対称になることを特徴とする請求項２３に記載の投
    影露光装置。
25. 【請求項２５】 前記照明光の波長をλ、前記パターン
    のピッチをＰとし、前記所定領域から射出される光の前
    記マスクへの入射角ψがｓｉｎψ＝λ／２Ｐなる関係を
    満たすように、前記所定領域の位置を決定することを特
    徴とする請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の投影
    露光装置。
26. 【請求項２６】 前記パターンが互いに交差する第１及
    び第２方向に沿って延びるとき、前記所定領域から射出
    される光の照射によって前記パターンから発生する０次
    回折光、前記０次回折光を中心として前記第１方向に分
    布する高次回折光の１つ、及び前記０次回折光を中心と
    して前記第２方向に分布する高次回折光の１つが、前記
    投影光学系の瞳面上でその光軸からほぼ等距離に分布す
    るように、前記所定領域の位置を決定することを特徴と
    する請求項２１〜２５のいずれか一項に記載の投影露光
    装置。
27. 【請求項２７】 前記第１及び第２方向にそれぞれ分布
    する高次回折光の１つは次数が等しいことを特徴とする
    請求項２６に記載の投影露光装置。
28. 【請求項２８】前記所定領域から射出される光の開口数
    と前記投影光学系のマスク側開口数との比を０．１〜
    ０．３程度に設定することを特徴とする請求項２１〜２
    ７のいずれか一項に記載の投影露光装置。
29. 【請求項２９】前記照明光による前記基板の露光中に、
    前記基板と前記投影光学系の像面とをその光軸に沿った
    方向に相対移動する手段を更に備えることを特徴とする
    請求項１〜２８のいずれか一項に記載の投影露光装置。
30. 【請求項３０】請求項１〜３０のいずれか一項に記載の
    投影露光装置を用いた素子製造方法。
31. 【請求項３１】照明光学系を通して光源からの照明光を
    マスクに照射するとともに、投影光学系を介して前記照
    明光で基板を露光する投影露光方法において、前記光源
    からの照明光を入射して回折光を発生する回折光学素子
    を前記照明光学系内に配置し、前記回折光で前記マスク
    を照明することを特徴とする投影露光方法。
32. 【請求項３２】 前記照明光学系内の前記パターンに対
    するフーリエ変換面上での前記照明光の光量分布を前記
    照明光学系の光軸外で高めるために、前記照明光学系の
    光軸と異なる方向に前記回折光を発生させることを特徴
    とする請求項３１に記載の投影露光方法。
33. 【請求項３３】 前記基板上に転写すべきパターンに応
    じて前記光量分布を変更するときに前記回折光学素子の
    交換を行うことを特徴とする請求項３２に記載の投影露
    光方法。
34. 【請求項３４】 前記回折光学素子からの０次回折光の
    発生を抑えることを特徴とする請求項３１〜３３のいず
    れか一項に記載の投影露光方法。
35. 【請求項３５】 前記回折光学素子は、前記光源と前記
    照明光学系内のオプチカルインテグレータとの間に配置
    されることを特徴とする請求項３１〜３４のいずれか一
    項に記載の投影露光方法。