JP3633002B2 - 照明光学装置、露光装置及び露光方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、被照明物体を均一に照明する照明光学装置に関するものであり、特に、半導体素子、液晶表示素子等の製造過程中のリソグラフフィ工程で使用される投影露光装置に好適な照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、投影露光装置としては、投影露光すべき回路が描かれた原板（レチクル）のパターン全体を投影露光光学系（投影レンズ）を介して、感光剤が塗布されたウエハやプレート等の感光基板上に１ショット毎に逐次投影露光する、所謂ステップ・アンド・リピート方式のステッパーが知られており、この装置は、解像力並びスループットの点で優れている。
【０００３】
近年においては、より高解像力のもとでより高スループット化を達成するために、スキャーン方式の投影露光装置が提案されている。
１つのスキャーン方式の投影露光装置として、円弧状のイメージフィールドを有する反射縮小光学系を用いて、レチクル上のパターンをウエハ上に投影露光するものがあり、例えば、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，１０８８（１９８９），Ｐ４２４〜４３３において提案されている。
【０００４】
また別のスキャーン方式の投影露光装置として、円形のイメージフィールドを有する通常の投影光学系（フル・フィールドタイプの投影光学系）を用いて、ステップ・アンド・スキャーン方式でレチクル上のパターンをウエハ上に投影露光するものがある。例えば、特開平４−１９６５１３号公報では縦方向の辺と横方向の辺との長さが異なる長方形状（スリット状）のイメージフィールドをスキャーンする方式が提案されており、この提案されている装置は、広い露光フィールドによって高スループット化を実現しながら、より高解像力が確保できるため、上記ステップ・アンド・リピート方式の露光装置に次ぐ将来の露光装置として注目されてきている。
【０００５】
図１３には、代表的なステップ・アンド・リピート方式の露光装置用の照明光学装置を示している。集光鏡としての楕円鏡２の第１焦点２１には光源としての水銀ランプ１が配置され、この水銀ランプ１からの光束が楕円鏡の第２焦点２２に集光される。この第２焦点２２からの発散光束は、コリメータレンズ３により平行光束に変換された後、バンドパスフィルター４を介することにより、所定の露光波長（例えば４３６ｎｍ のｇ線又は３６５ｎｍ のｉ線等） の光が選択される。この所定の露光波長の光は、複数のレンズ素子の集合体より構成されるフライアイレンズ５を通過し、このフライアイレンズ５の射出側にはレンズ素子の数に対応する複数の光源像Ｉａ が形成され、ここには所謂、複数の２次光源が形成される。このフライアイレンズ５の射出側に形成される複数の光源像（複数の２次光源）からの複数の光束は、コンデンサーレンズ６によってそれぞれ集光作用を受けて、被照明物体としてのレチクルＲを重畳的に照明する。そして、不図示の投影光学系を介してレチクルＲ上のパターンがウエハ上に投影露光される。
【０００６】
ここで、図１３の照明光学装置の結像関係を様子を示す図１４を参照しながらフライアイレンズ５について説明する。このフライアイレンズ５は、図１４に示す如く、入射側レンズ面と射出側レンズ面とが双方のレンズ面の焦点位置となるようなレンズ要素５ａの集合体で構成されており、このレンズ要素５ａの入射面でのレンズ断面形状は、最終的には、被照明物体としてのレチクルＲ上に拡大投影され、レチクルＲ上での照明領域の形状を決定することとなる。
【０００７】
従って、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置では、レチクルＲ上での照明領域の形状はほぼ正方形状となっているため、照明装置におけるフライアイレンズを構成するレンズ要素５ａは、縦方向の辺と横方向の辺の長さが等しい正方形となるレンズ断面形状を有している。
今、フライアイレンズを構成するレンズ要素５ａの焦点距離をｆｅとし、このレンズ要素５ａの紙面方向（ｙ方向）での長さをｌｙ、レンズ要素５ａの紙面と直交する方向（ｘ方向）での長さをｌｘ、コンデンサーレンズ６の焦点距離をｆｃｏｎ、紙面方向（ｙ方向）での被照射域の長さをＬｙ、紙面と直交する方向（ｘ方向）での被照射域の長さをＬｘとすると、以下の（１）及び（２）の関係が成立する。
【０００８】
【数１】
（１） Ｌｘ＝（ｆｃｏｎ／ｆｅ）ｌｘ
（２） Ｌｙ＝（ｆｃｏｎ／ｆｅ）ｌｙ
さて、以上の照明光学装置を前述のスキャーン方式の投影露光装置に応用する場合を考える。
【０００９】
まず、レチクル上のパターンをウエハ上に投影する投影光学系のイメージフィールドが円弧状となっている場合、この円弧状のイメージフィールドに対応する照明領域を正確に形成するには、例えば、図１５の（ａ）に示す如く、レチクル上または照明光学装置中のレチクルと共役な位置には円弧上のイメージフィールドに対応する大きさの開口ａ_ＩＦを持つ視野絞りＦＳを設けることが考えられる。
【００１０】
しかしながら、この場合、図１４による照明装置によってレチクル上には正方形状の大きな照明領域が形成されているため、円弧状のイメージフィールドに対応する大きさの開口ａ_ＩＦを持つ視野絞りＦＳを単にレチクル上に設けるだけでは、大幅な光量損失を招く。このため、ある程度の光量を確保するには、図１５の（ａ）に示す如く、レチクル上での円弧状のイメージフィールドの円弧長をＬｒｘ とし、レチクル上での円弧状のイメージフィールドの幅をＬｒｙ とするとき、このレチクル上での円弧状のイメージフィールドをカバーできる長方形状の照明領域ＩＡ（Ｌｘ×Ｌｙ）を形成することが必要となる。
【００１１】
そこで、前述のように、フライアイレンズ５を構成するレンズ要素５ａの入射面でのレンズ断面形状はレチクル７上での照明領域の形状を決定する事から、フライアイレンズ５を構成する複数のレンズ要素５ａの断面形状を、図１５の（ａ）に示す長方形状の照明領域ＩＡ（Ｌｘ×Ｌｙ）と相似となるうよに構成すれば、比較的高い照明効率が確保できる。なお、この時のフライアイレンズ５の断面形状を図１６に示している。
【００１２】
また、レチクル上のパターンをウエハ上に投影する投影光学系のイメージフィールドが長方形状となる場合、この長方形状のイメージフィールドに対応する照明領域を形成するには、例えば、図１５の（ｂ）に示す如く、レチクル上または照明光学装置中のレチクルと共役な位置には長方形状のイメージフィールドに対応する大きさの開口ａ_ＩＦを持つ視野絞りＦＳを設けることが考えられる。
【００１３】
しかしながら、この場合にも、図１４による照明装置によってレチクル上には正方形状の大きな照明領域が形成されているため、長方形状のイメージフィールドに対応する大きさの開口ａ_ＩＦを持つ視野絞りＦＳを単にレチクル上に設けるたけでは、大幅な光量損失を招く。このため、高い照明効率を確保するためには、図１５の（ｂ）に示す如く、このレチクル上での長方形状のイメージフィールドとほぼ等しい長方形状の照明領域ＩＡ（Ｌｘ×Ｌｙ）を形成することが必要となる。
【００１４】
従って、フライアイレンズ５を構成する複数のレンズ要素５ａの断面形状を、図１５の（ｂ）に示す長方形状の照明領域ＩＡ（Ｌｘ×Ｌｙ）と相似となるうよに構成すれば、比較的高い照明効率が確保できる。なお、この時のフライアイレンズ５の断面形状を図１６に示している。
以上のように、被照明物体としてのレチクル上に形成すべき照明領域の形状に対応させて、フライアイレンズ５を構成する複数のレンズ要素５ａの断面形状を決定すれば、比較的高い照明効率を確保することが可能となる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
スキャーン方式の投影露光装置用の照明光学装置におけるフライアイレンズ５は、図１５の如く、長手方向での長さｌｘ と短手方向での長さｌｙ とを持つレンズ素子の集合体で構成し、長方形状（スリット状）の照明領域を形成したとしても、照明効率が大幅に低下するという問題を招く恐れがある。
【００１６】
この事を図１４及び図１７に基づいて説明する。まず、図１４に示す如く、楕円鏡２により第２焦点２２に形成される水銀ランプの像の直径をＬ０、コリメータレンズ３の焦点距離をｆｃとする。前述した如く、このフライアイレンズ５を構成するレンズ要素５ａは、入射側レンズ面と射出側レンズ面とが双方のレンズ面の焦点位置となるように構成されているため、フライアイレンズ５中の各レンズ要素５ａの射出面には直径Ｌ０’の光源像が形成される。このとき、水銀ランプの像とフライアイレンズ５中の各レンズ要素５ａの射出面に形成される光源像Ｌ０’との間には以下の関係が成立する。
【００１７】
【数２】
（３） Ｌ０ ’＝ （ｆｅ／ｆｃ）Ｌ０
ここで、フライアイレンズ５を構成する各レンズ素子の短手方向での長さｌｙ と、フライアイレンズ５を構成する各レンズ素子の射出側に形成される光源像の直径との関係が、
【００１８】
【数３】
（４） ｌｙ＜Ｌ０’
となる場合には、図１７に示す如く、斜線部に相当する部分の光束がフライアイレンズ５の各レンズ要素５ａの側面（内面）を照射することとなり、斜線部での光束は照明光として全く利用されずに照明効率が著しく低下する。
【００１９】
ところで、投影露光装置用の照明光学装置では、レチクル（又はウエハ等の基板）上の照明領域の形状と共に照明光学装置の開口数ＮＡｉ （以下、照明開口数ＮＡｉ と称する。）が重要な仕様として与えられる。そして、照明開口数ＮＡｉ と投影光学系の開口数との比が一般にσ値、所謂コヒーレンス・ファクターと呼ばれる量で、ウエハ等の基板上での空間コヒーレンスを決定し、投影光学系の解像力及び忠実度等に大きく影響を与える。この照明開口数ＮＡｉ の決定は、上述の構成をとる照明光学系の場合、図１４に示す如く、フライアイレンズ５の射出面に形成される多数の光源像の集まりを面光源（２次光源）と見なし、その位置に配置される開口絞りＡＳの開口径Ｄにより決定され、コンデンサーレンズ６の焦点距離をｆｃｏｎとすると、以下の関係が成立する。
【００２０】
【数４】
（５） ＮＡｉ＝Ｄ／（２ｆｃｏｎ）
また、コリメータレンズ３により変換される平行光束（コリメート光）の直径は、ほぼ開口絞りＡＳの開口径Ｄに一致するようにとり、全光束を有効に利用することが望まれる。このため、楕円鏡の第２焦点２２に形成される光源像の最大発散角をθｍａｘとすると、以下の関係が成立する。
【００２１】
【数５】
（６） ｆｃ＝Ｄ／（２ｓｉｎθｍａｘ）
また、投影露光装置用の照明光学装置におけるフライアイレンズ５は、図１６の如く、長手方向での長さｌｘ と短手方向での長さｌｙ とを持つレンズ素子の集合体で構成される場合、被照明物体としてのレチクル上に形成される長方形状の照明領域の短手方向での長さＬｙ と、フライアイレンズ５を構成するレンズ素子の短手方向での長さｌｙ との間には、前述した（２）式の関係が成立する。
【００２２】
従って、上記（２）式，（３）式，（５）式及び（６）式より以下の関係が導出される。
【００２３】
【数６】
（７） ｌｙ／Ｌ０’＝（Ｌｙ・ＮＡｉ）／（Ｌ０・ｓｉｎθｍａｘ）
この（７）式より、被照明物体としてのレチクル上に形成される長方形状の照明領域の短手方向での長さＬｙ 及び照明開口数ＮＡｉ が照明光学系の仕様として与えられれば、照明効率は楕円鏡によって形成される水銀ランプの像の直径Ｌ０とこの水銀ランプの像から発する光の最大発散角θｍａｘとの積、即ちＬ０×ｓｉｎθｍａｘによってのみ決定され、途中の光学系によらないことが理解される。
【００２４】
ここで、高い照明効率を維持するためには、上式（４）より、以下の関係を満足することが望まれる。
【００２５】
【数７】
（８） ｌｙ／Ｌ０’≧１
今、この（８）式を満足させるために、フライアイレンズ５の各レンズ素子の射出側に形成される光源像の径Ｌ０’ を小さくする、即ちＬ０×ｓｉｎθｍａｘの値を小さくする手法として、水銀ランプによるアークそのものを小さくする事が考えられる。この場合、水銀ランプ中での対向する電極の間隔を小さくすることでアーク自体を小さくすることができる。しかしながら、投影光学系の色収差補正が可能な露光波長の輝線幅を保ったまま電極の間隔を小さくしようとすると、同じ入力電力に対し電流量が大幅に増加することとなるため、この種の露光装置用光源として十分な信頼性と安定性を確保した設計が困難となり、また入力電力に対する発光効率も低下する。
【００２６】
そこで、本発明は上記の問題を全て解消し、スリット状の如き長方形状の照明領域、或いは円弧状の照明領域を極めて高い照明効率のもとで形成できる照明光学装置を提供することを目的としている。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、光束を供給する光源系と、該光源系からの光束に基づいて複数の光源像を形成するオプティカルインテグレータと、該オプティカルインテグレータからの複数の光束をそれぞれ集光して被照明面を長方形状または円弧状に重畳的に照明するコンデンサー光学系とを有し、
前記オプティカルインテグレータは、光源側から順に、長方形状のレンズ断面を有する複数の第１レンズ素子が第１方向に沿って列状に配列された第１レンズ素子群を該第１方向と直交する第２方向に沿って複数配列して構成される第１レンズ群と、所定形状（正方形又は長方形等の矩形状）のレンズ断面を有する複数の第２レンズ素子が前記第２方向に沿って列状に配列された第２レンズ素子群を前記第１方向に沿って複数配列して構成される第２レンズ群とを有し、
前記第２レンズ群を構成する各第２レンズ素子は、前記第１レンズ群を構成する各第１レンズ素子に対して各々一対一に対応して配置され、
前記第１レンズ素子のレンズ断面の前記第１方向での長さをｌ_ｘ１とし、前記第１レンズ素子のレンズ断面の前記第２方向での長さをｌ_ｙ１、自然数をｍ、前記第２方向に沿って第ｋ番目に配列された第１レンズ素子群と，該第ｋ番目に配列された第１レンズ素子群に対して隣接する位置に設けられた第ｋ＋１番目または第ｋ−１番目に配列された第１レンズ素子群と，の第１方向に沿ったずれ量をΔｌ_ｘ１、前記第２レンズ素子のレンズ断面の前記第１方向での長さをｌ_ｘ２とし、前記第２レンズ素子のレンズ断面の前記第２方向での長さをｌ_ｙ２とするとき、以下の条件を満足するように構成したものである。
【００２８】
ｌ_x1／ｌ_y1＝ａ，ａ＞２
Δｌ_x1＝ａｌ_y1／ｍ，ｍ≧２
ｌ_x2／ｌ_y2＝ａ／ｍ ²
（４ａ＋１）^0.5 ／２−０．５≦ｍ≦（４ａ＋１）^0.5 ／２＋０．５
なお、本発明で言う正方形とは、互いに隣接した各辺の長さが等しくなる形状であるものと定義し、また本発明で言う長方形とは、互いに隣接した各辺の長さが異なる形状であるものと定義する。
【００２９】
【作 用】
照明光学装置におけるオプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズは、各レンズ要素の入射側が被照射面と共役であり、その形状は仕様として与えられるスリット状の如き長方形状の被照射面と幾何学的に相似となる。フライアイレンズ中のレンズ要素は、上述した如く、入射側のレンズ面と射出側のレンズ面とが互いに相手のレンズ面の焦点位置の関係にあるような厚肉レンズで構成されているため、それらの厚肉レンズを束ねてフライアイレンズとする場合は、必然的に射出側レンズ面の断面形状と入射側レンズ面の断面形状とが同じとなり、上述したような照明効率の低下を招く。
【００３０】
本来、フライアイレンズ中の各レンズ要素の射出側のレンズ面の断面形状は被照射面の形状とは無関係であり、むしろ光源形状により最適な形状に決定されなければならない。従って、
（Ｉ）フライアイレンズ中の入射側の各レンズ要素の断面形状は、被照射面と相似な形状である
（ＩＩ）フライアイレンズ中の射出側の各レンズ要素の断面形状は、円形状の光束または円形状の光源像を通過させ得る形状である
（ＩＩＩ）フライアイレンズ中の入射側の各レンズ要素及び射出側の各レンズ要素は ともに平面的（２次元的）に隙間無く配置できる形状（例えば、正三角形、正四角形、正六角形）である
（ＩＶ）フライアイレンズ中の入射側の各レンズ要素及び射出側の各レンズ要素がそれぞれ同軸であり、それぞれが一対一に対応する
という条件を満足するフライアイレンズを構成すれば良い。
【００３１】
従って、本発明は、上記（Ｉ）〜（ＩＶ）の条件を満足するために、オプティカルインテグレータとしての複数のレンズ素子の集合体で構成されるフライアイレンズを入射側の第１レンズ群と射出側の第２のレンズ群とに２分割し、入射側の第１レンズ群中の各レンズ素子の断面形状を形成すべき長方形状の照明領域と相似な形状とすると共に、射出側の第２レンズ群中の各レンズ素子の断面形状をある大きさを持つ円形状の光束又はある大きさを持つ円形状の光源像を通過させる形状とし、各レンズ群中の各レンズ素子の配置構成を最適化したものである。これによって、本発明は、上記（８）式の関係を満足させて高い照明効率を実現しつつ、スキャーン方式の投影露光装置用の照明光学装置において要求されるスリット状の如き長方形状の照明領域、或いは円弧状の照明領域の形成を可能としたものである。
【００３２】
そこで、本発明の原理について図１１及び図１２を参照しながら説明する。本発明は、図１１に示す如く、フライアイレンズは、第１レンズ群中の第１レンズ素子５１０とこれと対向して対応する第２レンズ群中の第２レンズ素子５２０との各光軸が一致するように構成されている。そして、入射側の第１レンズ群中の第１レンズ素子５１０のレンズ断面形状を照射領域の形状と相似となるような形状とし、射出側の第２レンズ群中の第２レンズ素子５２０のレンズ断面形状を円形状の光束または円形状の光源像Ｉａ を通過させ得るような形状として、各レンズ群のレンズ素子のレンズ断面形状を異ならせしめている。
【００３３】
第１レンズ群中の第１レンズ素子５１０と第２レンズ群中の第２レンズ素子５２０をそれぞれ隙間なく配置した時の様子を図１２に示している。
図１２は、本発明によるオプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズを光源側から見た時の様子を示す図であり、図１２において、入射側の第１レンズ群を構成する各第１レンズ要素５１０を実線で示し、射出側の第２レンズ群５２０を構成する第２レンズ要素を点線で示している。
【００３４】
図１２に示す如く、照明光学装置の仕様より決定される入射側の第１レンズ群中の第１レンズ要素５１０の断面形状は、互いに直交した方向での辺の長さが異なるスリット状となる長方形で構成され、この第１レンズ群は、Ｘ方向（第１方向）に沿って第１レンズ素子５１０が複数配列された第１レンズ素子群（５１（ｋ−１） 〜５１（Ｋ＋２） ）をＹ方向（第２方向）に沿って複数配置されている。そして、Ｙ方向に沿って複数配置された第１レンズ素子群（５１（ｋ−１） 〜５１（Ｋ＋２） ）は、Ｘ方向に沿って交互に所定量ずれて配置されている。但し、ｋは２以上の自然数である。
【００３５】
今、この第１レンズ要素５１０の断面の長手方向の長さをｌｘ_１ 、第１レンズ要素５１０の断面の短手方向の長さをｌｙ_１ 、自然数をｍ、Ｙ方向に沿って第ｋ番目に配置された第１レンズ素子群５１（ｋ） と，この第１レンズ素子群５１（ｋ） に対して隣接した位置に配置されかつＹ方向に沿って第ｋ−１番目又は第ｋ＋１番目に配置された第１レンズ素子群（５１（ｋ−１） ，５１（Ｋ＋１） ）と，のＸ方向に沿ったずれ量をΔｌｘ_１ とするとき、以下の関係が成立する。
【００３６】
【数８】
（９） ｌｘ_１ ／ｌｙ_１ ＝ａ，ａ＞１
（１０） Δｌｘ_１ ＝ｌｘ_１ ／ｍ＝ｌｙ_１ ×（ａ／ｍ）
また、射出側の第２レンズ群中の第２レンズ要素５２０の断面形状は矩形（正方形又は長方形）で構成され、この第２レンズ群は、Ｙ方向に沿って第２レンズ素子５２０が複数配列された第２レンズ素子群（５２（ｉ−１） 〜５２（ｉ＋２） ）をＹ方向に沿って複数配置されている。そして、Ｘ方向に沿って複数配置された第２レンズ素子群（５２（ｉ−１） 〜５２（ｉ＋２） ）は、Ｙ方向に沿って交互に所定量ずれて配置されている。但し、ｉは２以上の自然数である。
【００３７】
このとき、第２レンズ群を構成する各第２レンズ素子５２０と第１レンズ群を構成する各第１レンズ素子５１０とはそれぞれ各々一対一に対応して配置されている。
第２レンズ群を構成する各第２レンズ素子５２０と第１レンズ群を構成する各第１レンズ素子５１０との関係について見ると、まず、図１２に示す如く、Ｙ方向で隣合った２つの第１レンズ要素５１０の光軸間のＸ方向でのずれ量Δｌｘ_１ は、第１レンズ要素５１０のＸ方向での長さｌｘ_１ （＝ｌｙ_１ ×ａ）を１ピッチとした時には、１／ｍピッチとなる。
【００３８】
今、第２レンズ群を構成する各第２レンズ要素５２０の断面のＸ方向の長さをｌｘ_２ 、第２レンズ群を構成する各第２レンズ要素５２０の断面のＹ方向の長さをｌｙ_２ とするとき、図１２から明らかな如く、第２レンズ素子５２０の断面形状は、第１レンズ要素５１０をＸ方向でｍ分割したｍ個のものをＹ方向に沿って配列した形状となっている。
【００３９】
従って、第２レンズ群を構成する各第２レンズ要素５２０の断面のＸ方向の長さをｌｘ_２ 、第２レンズ群を構成する各第２レンズ要素５２０の断面のＹ方向の長さをｌｙ_２ とするとき、第１レンズ群中の第１レンズ要素５１０と第２レンズ群中の第２レンズ要素５２０との間には、以下の関係が成立する。
【００４０】
【数９】
（１１） ｌｘ_２ ＝Δｌｘ_１ ＝ｌｙ_１ ×（ａ／ｍ）
（１２） ｌｙ_２ ＝ｌｙ_１ ×ｍ
このため、上記（１１）式及び（１２）式より、以下の関係が導出される。
【００４１】
【数１０】
（１３） ｌｘ_２ ／ｌｙ_２ ＝ａ／ｍ^２
従って、上記（１３）式より、ａ／ｍ^２ ＝１、即ちａ＝ｍ^２ （ａ＝１、４、９、１６、２５・・・・・）又はｍ＝（ａ）^０．５ （但し、ｍは自然数）の時には、第２レンズ群中の各第２レンズ要素５２０の断面は、互いに直交した方向での辺の長さが等しい正方形状（ｌｘ_２ ＝ｌｙ_２ ）となり、この場合、第２レンズ要素５２０は円形状の光束または円形状の光源像を最も効率良くを通過させることが可能となる。
【００４２】
これに対して、ａの値が上記以外の実数値（但し、ａ＞１）をとる場合には第２レンズ要素５２０のレンズ断面は正方形から若干外れた形状となるが、本発明の目的を実現できる最適な範囲について具体的に説明する。
まず、上記（１３）式より、第２レンズ要素５２０の断面を正方形状（ｌｘ_２ ＝ｌｙ_２ ）とするには、ａ＝９の時にはｍ＝３となり、ａ＝１６の時にはｍ＝４となる。
【００４３】
しかしながら、ａの値が９＜ａ＜１６の範囲にある時には、ｍの値は３又は４の何れかの値をとれば良い事となるが、ｍをどの値にすれば良いか検討する。
今、ａの値が９＜ａ＜１６の範囲にある時について考えると、ａの値が９に近い場合にｍ＝３とすれば、第２レンズ群中の各第２レンズ要素５２０の断面形状は正方形に限りなく近くなるものの、ａの値が１６の値に近い場合にｍ＝３とすれば、第２レンズ群中の各第２レンズ要素５２０の断面形状は正方形から長方形に近くなる。例えば、ａ＝１０、ｍ＝３とすると、上記（１３）式より、ｌｘ_２ ／ｌｙ_２ ＝１０／９、即ち縦横比が１０：９となり、第２レンズ群中の各第２レンズ要素５２０の断面形状は正方形に限りなく近いが、ａ＝１５、ｍ＝３とすると、上記（１３）式より、ｌｘ_２ ／ｌｙ_２ ＝１５／９、即ち縦横比が１５：９となり、第２レンズ群中の各第２レンズ要素５２０の断面形状は正方形状から遠くなる。
【００４４】
一方、ａの値が１６に近い場合にｍ＝４とすれば、第２レンズ群中の各第２レンズ要素５２０の断面形状は正方形に限りなく近くなるものの、ａの値が９の値に近い場合にｍ＝４とすれば、第２レンズ群中の各第２レンズ要素５２０の断面形状は正方形から長方形に近くなる。例えば、ａ＝１５、ｍ＝４とすると、上記（１３）式より、ｌｘ_２ ／ｌｙ_２ ＝１５／１６、即ち縦横比が１５：１６となり、第２レンズ群中の各第２レンズ要素５２０の断面形状は正方形に限りなく近いが、ａ＝１０、ｍ＝４とすると、上記（１３）式より、ｌｘ_２ ／ｌｙ_２ ＝１０／１６、即ち縦横比が５：８となり、第２レンズ群中の各第２レンズ要素５２０の断面形状は正方形状から遠くなる。
【００４５】
従って、ｍの値を３又は４の何れかの値にするかの境界となるａの値は、ｍ＝３とした時の第２レンズ要素５２０の断面形状とｍ＝４とした時の第２レンズ要素５２０の断面形状とが相似となるように、ｍ＝３とした時の第２レンズ要素５２０の断面形状の縦横比とｍ＝４とした時の第２レンズ要素５２０の断面形状の縦横比とが逆数の関係となる時の値となる。
【００４６】
このため、ａの値が９＜ａ＜１６の範囲の場合には、ａ＝１２、ｍ＝３の時、上記（１３）式より、ｌｘ_２ ／ｌｙ_２ ＝１２／９、即ち縦横比が４：３となり、また、ａ＝１２、ｍ＝４の時、上記（１３）式より、ｌｘ_２ ／ｌｙ_２ ＝１２／１６、即ち縦横比が３：４となる事から、ｍの値を決定する上でのａの値の境界（以下、境界値と称する。）は、ａ＝１２となる。よって、９＜ａ≦１２の時にはｍ＝３となり、１２＜ａ＜１６の時にはｍ＝４となり、この場合には、第２レンズ要素５２０の断面形状を正方形に近くする事ができる。
【００４７】
そこで、以上の場合の一般的な関係を導出する。今、自然数ｍ＝１、２、３・・・・Ｍ−１、Ｍ、Ｍ＋１・・・として、まず、Ｍ−１とＭとの間の境界値ａ及びＭとＭ＋１との間の境界値ａとを求める。
Ｍ−１とＭとの間の境界値ａはｍ＝Ｍ−１とした時の第２レンズ要素５２０の断面形状の縦横比とｍ＝Ｍとした時の第２レンズ要素５２０の断面形状の縦横比とが逆数の関係となる時の値であるため、上記（１３）式より以下の関係が成立する。
【００４８】
【数１１】
（１４） ａ／（Ｍ−１）^２ ＝Ｍ^２ ／ａ
よって、この（１４）式は最終的に以下の如くなる。
【００４９】
【数１２】
（１５） ａ＝（Ｍ−１）Ｍ
また、ＭとＭ＋１との間の境界値ａはｍ＝Ｍとした時の第２レンズ要素５２０の断面形状の縦横比とｍ＝Ｍ＋１とした時の第２レンズ要素５２０の断面形状の縦横比とが逆数の関係となる時の値であるため、上記（１３）式より以下の関係が成立する。
【００５０】
【数１３】
（１６） ａ／Ｍ^２ ＝（Ｍ＋１）^２ ／ａ
よって、この（１６）式は最終的に以下の如くなる。
【００５１】
【数１４】
（１７） ａ＝Ｍ（Ｍ＋１）
従って、自然数Ｍの値を基準とした時、ａの値のとり得る範囲は上記（１５）式及び（１７）式より以下の如くなる。
【００５２】
【数１５】
（１８） （Ｍ−１）Ｍ≦ａ≦Ｍ（Ｍ＋１）
よって、自然数Ｍのとり得る範囲は、上記（１８）式より、以下の如き範囲となる。
【００５３】
【数１６】
（１９） （４ａ＋１）^０．５ ／２−０．５≦Ｍ≦（４ａ＋１）^０．５ ／２＋０．５
そして、自然数Ｍを自然数ｍに置き換えると、上式（１９）は最終的に、以下の如くなる。
【００５４】
【数１７】
（２０） （４ａ＋１）^０．５ ／２−０．５≦ｍ≦（４ａ＋１）^０．５ ／２＋０．５
してみれば、上記（２０）式は、第２レンズ要素５２０の断面形状が正方形となるａの値（ａ＝１、４、９、１６、２５・・・・・）を含んでいるため、ａの値を任意の実数値とした場合での一般式であることが理解できる。
【００５５】
ここで、上記（２０）式は、第１レンズ群中の各第１レンズ要素５１０の断面と第２レンズ群中の各第２レンズ要素５２０の断面とは互いに相似な形状となり、照明効率の問題を解消できないる場合を含んでいるため、さらに、最適な範囲について検討する。
上記（９）式及び（１３）式から明らかな如く、ｍ＝１の時には、第１レンズ群中の各第１レンズ要素５１０の断面と第２レンズ群中の各第２レンズ要素５２０の断面とは互いに相似な形状となり、本発明の目的を達成することができない。従って、第１レンズ要素５１０の断面と第２レンズ要素５２０の断面とが相似とならないためには、
【００５６】
【数１８】
（２１） ｍ≧２
となれば良いことが理解できる。
また、ｍ＝１とならないためのａの値の範囲について検討すると、上記（２０）にｍ＝１を代入すると、以下の如くなる。
【００５７】
【数１９】
（２２） （４ａ＋１）^０．５ ／２−０．５≦１
（２３） １≦（４ａ＋１）^０．５ ／２＋０．５
上記（２２）式及び（２３）式より、ａの値の範囲は、それぞれ以下の如くなる。
【００５８】
【数２０】
（２４） ａ≦２
（２５） ａ≦０
従って、ａは上式（９）より１以上の実数値であるため、ｍ＝１とならないためのａの値の範囲は、上記（２４）式より、
【００５９】
【数２１】
（２６） ａ＞２
となる。
以上の事から、本発明を目的を達成するためには、上記（９）式、（１０）式、（１３）式、（２０）式、（２１）式及び（２６）式より、第１レンズ群と第２レンズ群とは以下の条件を満足することが良いことが理解できる。
【００６０】
【数２２】
（２７） ｌｘ_１ ／ｌｙ_１ ＝ａ，ａ＞２
（２８） Δｌｘ_１ ＝ｌｘ_１ ／ｍ＝ｌｙ_１ ×（ａ／ｍ），ｍ≧２
（２９） ｌｘ_２ ／ｌｙ_２ ＝ａ／ｍ^２
（３０） （４ａ＋１）^０．５ ／２−０．５≦ｍ≦（４ａ＋１）^０．５ ／２＋０．５
従って、これらの（２７）式〜（３０）式を同時に満足すれば、第２レンズを構成する第２レンズ素子の縦横比は、１／２＜ｌｘ_２ ／ｌｙ_２ ≦３／２の範囲をとり、ｌｘ_２ ／ｌｙ_２ ＝１の時（正方形の時）に最も照明効率が高くなるという理想的な状態から若干ずれているが、１／２＜ｌｘ_２ ／ｌｙ_２ ≦３／２の範囲をとれば、従来のものよりも格段に高い照明効率が達成でき、実質的に本発明の目的を十分に実現することができる。さらに、より十分なる高い照明効率を実現するためには、第２レンズを構成する第２レンズ素子の断面形状は、２／３≦ｌｘ_２ ／ｌｙ_２ ≦３／２の範囲を満足する縦横比を持つ矩形状（長方形又は正方形）とすることがより好ましい。
【００６１】
なお、図１２に示した如く、Ｘ方向（第１方向）に沿って第ｉ番目に配置された第２レンズ素子群５２（ｉ） と、この第ｉ番目に配列された第２レンズ素子群５２（ｉ） に対して隣接する位置に設けられた第ｉ＋１番目または第ｉ−１番目に配列された第２レンズ素子群（５２（ｉ−１） ，５２（ｉ＋１） ）と，のＹ方向（第２方向）に沿ったずれ量をΔｌｙ_２ とするとき、上記（９）式，（１０）式及び（１３）式を満足すれば、図１２からも明らかな如く、必然的に以下の関係が成立する。
【００６２】
【数２３】
（３１） Δｌ_ｙ２＝ｌ_ｙ２／ｍ
【００６３】
【実施例】
図１は本発明の照明光学装置を走査型投影露光装置に応用した時の照明装置全体の概略的な構成を示している。図１には、図１３と共通する部材に同じ符号を付してある。
図１に示す如く、集光鏡としての楕円鏡２の第１焦点２１には光源としての水銀ランプ１が配置され、この水銀ランプ１からの光束が楕円鏡の第２焦点２２に集光される。この第２焦点２２からの発散光束は、前側焦点位置が第２焦点２２と一致するように配置されたコリメート光学系としてのコリメータレンズ３により平行光束に変換された後、バンドパスフィルター４を介することにより、所定の露光波長（例えば４３６ｎｍ のｇ線又は３６５ｎｍ のｉ線等） の光が選択される。その後、この所定の露光波長の光は、オプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズ５０に入射する。このフライアイレンズ５０は、光源側から順に、第１レンズ素子５１０の集合体で構成される光源側の第１レンズ群５１とその各第１レンズ素子５１０に対して一対一にとなるうよにそれぞれ対応して配置された第２レンズ素子５２０の集合体で構成される射出側の第２レンズ群５２とで構成されている。
【００６４】
この第１レンズ素子５１０は、光源側に凸面を向けかつ直交した方向で等しい屈折力を持つ平凸レンズで構成され、第１レンズ素子５１０のレンズ断面は後述する照明領域ＩＡと相似な長方形状（スリット状）を有している。
また、第２レンズ素子５２０は、射出側（照明面側）に凸面を向けかつ直交した方向で等しい屈折力を持つ平凸レンズで構成され、第２レンズ素子５２０のレンズ断面は円形状の光束又は円形状の光源像を効率良く通過させるために正方形状を有している。
【００６５】
そして、互いに対向してそれぞれ一対一に対応する第１レンズ素子５１０の光軸と第２レンズ素子５２０の光軸とは互いに一致しており、各レンズ素子の光軸はコリメータレンズ３の光軸Ａｘと平行となっている。
次に、図２を参照しながらフライアイレンズ５０の構成をより詳細に説明する。図２にはフライアイレンズ５０の様子を示す斜示図を示している。図２に示す如く、光源側の第１レンズ群５１は、Ｘ方向に沿って第１レンズ素子５１０が複数配列された第１レンズ素子群（５１（１） 〜５１（１９））をＹ方向（Ｘ方向に対し垂直な方向）に沿って１９列配置された構成を有している。そして、Ｙ方向に沿って１９列配置された第１レンズ素子群（５１（１） 〜５１（１９）））は、Ｘ方向に沿って交互に所定量ずれて配置されているため、隣合った第１レンズ素子群の各レンズ素子５１０の光軸がＸ方向に沿って所定量ずれている。
【００６６】
一方、射出側の第２レンズ群５２は、Ｙ方向に沿って第１レンズ素子５１０が複数配列された第１レンズ素子群（５２（１） 〜５１（９） ）をＸ方向（Ｙ方向に対し垂直な方向）に沿って９列配置された構成を有している。そして、Ｘ方向に沿って９列配置された第２レンズ素子群（５２（１） 〜５２（９） ）は、Ｙ方向に沿って交互に所定量ずれて配置されているため、隣合った第１レンズ素子群の各レンズ素子５１０の光軸がＸ方向に沿って所定量ずれている。
【００６７】
なお、第１レンズ群中のレンズ素子５１０の数と第２レンズ群中のレンズ素子５２０の数とは等しい。
以上の図２に示す如き各レンズ群の配置構成によって、コリメータレンズ３からの平行光束は、第１レンズ群５１の各第１レンズ要素５１０を通過してそれぞれ集光作用を受けた後、各第１レンズ要素５１０に対してそれぞれ一対一に対応する第２レンズ群５２の各第２レンズ素子５２０によってそれぞれ結像される。この結果、図１に示す如く、第２レンズ群５２の各第２レンズ素子５２０の射出面上には、その第２レンズ素子５２０の数に等しい数でかつある大きさを持つ光源像Ｉａ （２次光源）が形成され、ここには、実質的に面光源が形成される。
【００６８】
なお、各第２レンズ素子５２０の射出側において、ある大きさを持つ光源像Ｉａ が形成される理由は、ある大きさを持つ水銀ランプの像が形成される楕円鏡の第２焦点位置２２と第２レンズ素子５２０の射出側に光源像Ｌａ が形成される位置とが、コリメータレンズ３とフライアイレンズ５０とに関して共役となっているためである。また、フライアイレンズ５０により形成される複数の２次光源位置には、この複数の２次光源の大きさを規定するための円形状の開口を持つ開口絞りＡＳが設けられている。
【００６９】
図１に戻って説明すると、フライアイレンズ５０の作用によって、フライアイレンズ５０の射出側に形成された複数の光源像Ｉａ （第２レンズ群中の第２レンズ素子５２０の数に相当する数の光源像）の中心から発散する光束は、コンデンサー光学系としてのコンデンサーレンズ６の集光作用によって平行光束に変換され、所定の回路パターンが形成されたレチクルＲを重畳するように均一に照明する。このとき、レチクルＲ上には長方形（スリット状）の照明領域ＩＡが形成されており、この照明領域ＩＡの短手方向は図１の紙面方向（Ｙ方向）であり、照明領域ＩＡの長手方向は図１の紙面と垂直な方向（Ｘ方向）である。
【００７０】
この様に、レチクルＲは照明領域ＩＡによって長方形（スリット状）に照明され、レジストが塗布されたウエハＷ上には、照明された箇所のレチクルＲのパターンが両側テレセントリックな投影光学系ＰＬ（投影レンズ）を介して投影露光される。
なお、フライアイレンズ５０の第１レンズ群５１の入射面は被照射面としてのレチクルＲと共役である。また、フライアイレンズ５０の第２レンズ群５２の射出面は投影光学系ＰＬの瞳ＥＰと共役であり、この瞳ＥＰの面上にはフライアイレンズ５０による複数の２次光源像が形成されるため、ウエハＷはケーラー照明される。
【００７１】
次に、図３を参照しながら本実施例の走査型投影露光装置における投影装置部分について説明する。
図３には、投影露光装置の投影装置部分の様子を示す斜示図を示している。
図３に示す如く、レチクルＲは不図示のレチクルステージによって保持され、矢印に示す方向に移動可能に設けられており、また、ウエハＷは不図示のウエハステージによって保持され、レチクルが移動する方向とは逆方向である矢印に示す方向に移動可能に設けられている。そして、レチクルＲ及びウエハＷは、不図示の各ステージによって、投影光学系としての投影レンズＰＬに関して共役となる関係で保持されている。
【００７２】
さて、図１に示した照明装置によってレチクルＲ上には、図３に示す如く、長方形状（スリット状）の照明領域ＩＡが形成され、ウエハＷ上には投影レンズＰＬによって所定の倍率（例えば、１／１０倍、１／５倍等）に縮小された照明領域ＩＡ’が形成される。このため、レジストが塗布されたウエハＷ上には、照明された領域ＩＡでのレチクルＲのパターンが投影レンズＰＬを介して投影露光される。
【００７３】
そして、不図示のレチクルステージを介してレチクルＲと不図示のウエハステージを介してウエハＷを反対方向へ移動させる事により、ウエハＷ上の１ショット領域ＳＡ上には、レチクルＲの有効露光領域ＰＡ全体の回路パターンが転写される。
なお、レチクルＲの露光領域ＰＡの周辺部には、帯状のレチクルマークＲＭａ，ＲＭｂが形成されており、ウエハの各ショット領域ＳＡには、帯状のウエハマークＷＭａ，ＷＭｂが形成されている。そして、一方のレチクルマークＲＭａとウエハマークＷＭａは、光軸Ａｘａを持つ不図示の第１アライメント系にて検出され、他方のレチクルマークＲＭｂとウエハマークＷＭｂは、光軸Ａｘｂを持つ不図示の第２アライメント系にて検出されて、レチクルＲとウエハＷとが常に正確にアライメントされる。
【００７４】
次に、図２にて説明した本実施例のフライアイレンズ５０の具体的な配列について図４に基づいて説明する。図４は、入射側の第１レンズ群５１の第１レンズ素子５１０の縦横比を１：４とした場合にフライアイレンズ５０を光源側から見た時の様子を示す平面図であり、図４において、入射側の第１レンズ群５１を構成する各第１レンズ要素５１０を実線で示し、射出側の第２レンズ群５２を構成する第２レンズ要素５２０を点線で示している。
【００７５】
図４に示す如く、Ｘ方向に沿って複数の第１レンズ素子５１０が列状に配置された第１レンズ素子群５１（ｋ） と、この第１レンズ素子群５１（ｋ） に対して隣接した位置に配置されかつＸ方向に沿って複数の第１レンズ素子５１０が列状に配置された第１レンズ素子群（５２（ｋ−１） ，５２（ｋ＋１） ）とのＸ方向に沿ったずれ量Δｌｘ_１ は２ｌｙ_１ である。
【００７６】
一方、第２レンズ群５２の各第２レンズ素子５２０では、Ｘ方向のレンズ断面の長さｌｘ_２ は２ｌｙ_１ 、Ｙ方向のレンズ断面の長さｌｙ_２ は２ｌｙ_１ であるため、各第２レンズ素子５２０のレンズ断面形状は正方形で構成されている。このとき、Ｙ方向に沿って複数配列された第２レンズ素子５２０からなる第２レンズ素子群５２（ｋ） と、この第２レンズ素子群５２（ｋ） に対して隣接した位置に配置された第２レンズ素子群（５２（ｋ−１） ，５２（ｋ＋１） ）とのＹ方向に沿ったずれ量Δｌｘ_１ は２ｌｙ_１ （＝ｌ_ｙ２／２）である。
【００７７】
従って、図４から明らかな如く、本実施例では、フライアイレンズ５０中の入射側第１レンズ群５１のレンズ素子５１０が１：４の縦横比を持つ長方形状であるにもかかわらず、フライアイレンズ５０中の射出側第２レンズ群５２の各レンズ素子５２０のレンズ断面形状は正方形とすることができるため、射出側第２レンズ群５２の各レンズ素子５２０では光量が損失されることなく、極めて高い照明効率のもとで、フライアイレンズ５０によってある大きさを持つ複数の２次光源を形成することができる。
【００７８】
なお、以上の実施例においては、射出側の第２レンズ群５２の各レンズ素子５２０のレンズ断面形状を完全な正方形とした例を示したが、これに限ることなく、各レンズ素子５２０の断面形状の縦横比が、１／２＜ｌｘ_２ ／ｌｙ_２ ≦３／２となる長方形状としても、本発明の効果を十分に達成できることは言うまでもない。また、以上の実施例においては、フライアイレンズ５０を照明光学系中に１つ配置した例を説明したが、フライアイレンズ５０を照明光学系中に直列的に複数配置しても良い。例えば、本発明の図１に示すバンドパスフィルター４とフライアイレンズ５０との光路間に、特開昭５８−１４７７０８号公報の第２図に示されている如く、レンズ断面が正方形または六角形等の従来のフライアイレンズ４（第１オプティカルインテグレータ）及びリレーレンズ系（５，１０）を配置して、本発明の図１に示すフライアイレンズ５０を第２オプティカルインテグレータとしても良く、さらには、特開昭５８−１４７７０８号公報の第２図に示されているオプティカルインテグレータ（４，１１）を本発明の図１に示すフライアイレンズ５０に置き換えても良い。これにより、この２つのオプティカルインテグレータによる構成によって、第２番目のオプティカルインテグレータには第１番目のオプティカルインテグレータにより均一な光束が入射し、第２番目のオプティカルインテグレータによってより均一な光束が被照明物体を照明することとなる。しかも、本発明の図１に示す如く、１つのオプティカルインテグレータ５０に対して不均一な照度分布を持つ光束が入射した場合には、開口絞りＡＳにより規定される照明系の実効的な開口数が変化するという恐れがあるが、２つのオプティカルインテグレータを含む構成とすれば、第１番目のオプティカルインテグレータに不均一な照度分布を持つ光束が入射したとしても、第２番目のオプティカルインテグレータには第１番目のオプティカルインテグレータの作用により均一な光束が入射するため、照明系の実効的な開口数が変化するという問題を解消することができる。
【００７９】
次に、図２にて説明したフライアイレンズ５０の具体的な構成の別の例について図５に基づいて説明する。図５は、入射側の第１レンズ群５１の第１レンズ素子５１０の縦横比を１：９とした場合にフライアイレンズ５０を光源側から見た時の様子を示す平面図であり、図５において、入射側の第１レンズ群５１を構成する各第１レンズ要素５１０を実線で示し、射出側の第２レンズ群５２を構成する第２レンズ要素５２０を点線で示している。
【００８０】
図５に示す如く、Ｘ方向に沿って複数の第１レンズ素子５１０が列状に配置された第１レンズ素子群５１（ｋ） と、この第１レンズ素子群５１（ｋ） に対して隣接した位置に配置されかつＸ方向に沿って複数の第１レンズ素子５１０が列状に配置された第１レンズ素子群（５２（ｋ−１） ，５２（ｋ＋１） ）とのＸ方向に沿ったずれ量Δｌｘ_１ は３ｌｙ_１ である。
【００８１】
一方、第２レンズ群５２の各第２レンズ素子５２０では、Ｘ方向のレンズ断面の長さｌｘ_２ は３ｌｙ_１ 、Ｙ方向のレンズ断面の長さｌｙ_２ は３ｌｙ_１ であるため、各第２レンズ素子５２０のレンズ断面形状は正方形で構成されている。このとき、Ｙ方向に沿って複数配列された第２レンズ素子５２０からなる第２レンズ素子群５２（ｋ） と、この第２レンズ素子群５２（ｋ） に対して隣接した位置に配置された第２レンズ素子群（５２（ｋ−１） ，５２（ｋ＋１） ）とのＹ方向に沿ったずれ量Δｌｘ_１ は３ｌｙ_１ （＝ｌ_ｙ２／３）である。
【００８２】
従って、図４の場合と同様に、図５の例においても、フライアイレンズ５０中の入射側第１レンズ群５１のレンズ素子５１０が１：９の縦横比を持つ長方形状であるにもかかわらず、フライアイレンズ５０中の射出側第２レンズ群５２の各レンズ素子５２０のレンズ断面形状は正方形とすることができるため、射出側第２レンズ群５２の各レンズ素子５２０では光量が損失されることなく、極めて高い照明効率のもとで、フライアイレンズ５０によってある大きさを持つ複数の２次光源を形成することができる。
【００８３】
以上にて述べた実施例のフライアイレンズ５０は、図２に示した如く、入射側の第１レンズ群５１と射出側の第２レンズ群５２とを分離して構成としているため、入射側の第１レンズ群５１と射出側の第２レンズ群５２との内の少なくとも一方を光軸Ａｘの方向に沿って移動、光軸Ａｘに垂直な面内で移動、あるいは光軸Ａｘの回りに回転させることにより、入射側の第１レンズ群５１の複数のレンズ要素５１０の各光軸と射出側の第２レンズ群５２の複数のレンズ要素５２０の光軸とを厳密に調整することが可能となる。さらには、入射側の第１レンズ群５１と射出側の第２レンズ群５２との内の少なくとも一方を光軸Ａｘの方向に沿って移動、光軸Ａｘに垂直な面内で移動、あるいは光軸Ａｘの回りに回転させることにより、被照射面（レチクルＲ、ウエハＷ）での照度調節、または被照射面（レチクルＲ、ウエハＷ）でのテレセントリック性の調節が可能となる。
【００８４】
なお、以上にて述べた実施例のフライアイレンズ５０を構成する第１及び第２レンズ群の各レンズ要素は、平凸レンズに限ることなく、少なくとも１面に屈折力を持つレンズで構成しても良く、さらには、両面に屈折力を持つレンズで構成することも可能である。
以上においては、オプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズ５０を入射側の第１レンズ群５１と射出側の第２レンズ群５２とを分離して構成した例について説明したが、これに限ることなく、例えば、図６及び図７に示す如く一体的に構成しても良い。
【００８５】
図６には、図２に示した入射側の第１レンズ群５１と射出側の第２レンズ群５２との間に所定の厚さをｄ５３を有する硝子基板５３を介在させて一体的に構成したフライアイレンズ５０の様子を示している。このフライアイレンズ５０は硝子基板５３上の光源側の各レンズ要素とこれに対応する射出側の各レンズ要素との各光軸を厳密に一致させながら所定の形状をモールド法で形成されている。
【００８６】
ここで、光軸Ａｘ方向に沿った硝子基板５３の厚さｄ５３は、フライアイレンズ５０の焦点距離（第１レンズ群５１と第２レンズ群との合成焦点距離）をｆｅ とし、硝子基板５３の屈折率をｎ５３とするとき、以下の関係を満足するように構成されている。
【００８７】
【数２４】
（３２） ｄ５３＝ｎ５３×ｆｅ
また、図７には、図２に示した入射側の第１レンズ群５１と射出側の第２レンズ群５２との間に所定の厚さをｄ５３を有する硝子基板５３を介在させてこれらを接着剤等で接合した例を示している。
以上の実施例では、被照射面上に長方形状の照明領域ＩＡを形成する例を述べたが、次に、図８を参照しながら、被照射面上に円弧形状の照明領域ＩＡを形成する実施例について説明する。図８に示した走査型投影露光装置は、特願平４−３１６７１７及び特願平５−２７９９３９において提案した装置である。
【００８８】
図８において、（ａ）は本実施例の装置を真上から見た時の様子を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の装置を横から見た時の断面構成を示す図である。
図８に示す如く、被照射面としてのレチクルＲの上方にはレチクルＲを均一な円弧照明する照明光学系装置が設けられており、図５に示す如く、レチクルＲの下方にはレチクルＲのパターンをウエハＷ上に転写する投影光学系ＰＬが設けられている。
【００８９】
まず、光源部１０からは露光のための平行光束が供給さる。図８には光源部１０の構成を詳しく示していないが、この光源部１０は、図１にて示した如く、 水銀ランプ１とこの水銀ランプ１からの光束を集光する楕円鏡２とこの楕円鏡２からの発散光束を平行光束に変換するコリメータ光学系としてのコリメータレンズ３とから構成されている。光源部１０からの平行光束は、オプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズ５０に入射する。このフライアイレンズ５０は図２において示した構成を有しており、このフライアイレンズ５０の詳細な説明は省略する。
【００９０】
ここで、このフライアイレンズ５０の入射側の第１レンズ群５１を構成する各レンズ素子５１０の断面形状は、レンズ要素５１０の断面の長手方向（Ｘ方向）の長さをｌｘ_１ 、第１レンズ要素５１０の断面の短手方向（Ｙ方向）の長さをｌｙ_１ 、後述するトーリック型反射鏡４０によって形成される円弧状の照明領域（レチクルＲ上での円弧状のイメージフィールド）ＩＡの円弧長をＬｒｘ とし、円弧状の照明領域（レチクルＲ上での円弧状のイメージフィールド）ＩＡの幅をＬｒｙ とするとき、以下の関係を満足するように構成されている。
【００９１】
【数２５】
（３３） ｌｘ_１ ／ｌｙ_１ ＝Ｌｒｘ ／Ｌｒｙ
一例として、後述する円弧状の照明領域ＩＡの円弧の幅と円弧長との比が１：１６であれば、フライアイレンズ５０の入射側の第１レンズ群５１を構成する各レンズ素子５１０の断面形状の縦横比は１：１６となり、フライアイレンズ５０の射出側の第２レンズ群５２を構成する各レンズ素子５２０の断面形状の縦横比は１：１の正方形となる。
【００９２】
さて、フライアイレンズ５０を通過した光束は、このフライアイレンズ５０の射出側の位置Ａ_１ には、フライアイレンズ５０のレンズ作用により、複数の光源像Ｉａ が形成され、ここには、実質的に面光源としての２次光源が形成される。この２次光源が形成される位置Ａ_１ もしくはその近傍には、円形状の開口部を有する開口絞りＡＳが設けられており、これにより、オプティカルインテグレータ２により形成される２次光源は円形状にされる。
【００９３】
開口絞りＡＳにより円形状となった２次光源の各光源像からは各々光束が射出し、２次光源全体として見れば、図８（ａ）に示す如く、各射出角を持った平行光束が射出して再結像光学系３００に入射する。
再結像光学系３００は、フライアイレンズ５０により形成された複数の光源像を再形成する機能を有し、この再結像光学系３００の入射瞳がフライアイレンズ５０により形成される光源像位置Ａ_１ と一致するように配置されている。
【００９４】
この再結像光学系３００は、正の屈折力の第１光学系３０Ａと正の屈折力の第２光学系３０Ｂとで構成されており、第１光学系３０Ａは、両凸形状の正レンズ３１Ａ，両凹形状の負レンズ３２Ａ及び両凸形状の正レンズ３３Ａの３枚よりなるｆｓｉｎ θレンズで構成され、第２光学系３０Ｂは、両凸形状の正レンズ３１Ｂ，両凹形状の負レンズ３２Ｂ，両凸形状の正レンズ３３Ｂ及び光源側に凹面を向けたメニスカス形状の負レンズ３４Ｂの４枚よりなるｆθレンズで構成されている。
【００９５】
ここで、第１光学系３０Ａは、第１光学系３０Ａの焦点距離をｆ_１ 、２次光源からの入射光束の入射角をθ_１ 、第１光学系３０Ａにより形成される像の像高をｙとするとき、ｙ＝ｆ_１ ｓｉｎ θ_１ の関係を満足し、一方、第２光学系３０Ｂは、第２光学系３０Ｂの焦点距離をｆ_２ 、第１光学系３０Ａにより形成される像の像高ｙからの光束が第２光学系３０Ｂを射出する射出光束の射出角θ_２ とするとき、ｙ＝ｆ_２ θ_２ の関係を満足する。
【００９６】
以上の再結像光学系３００の構成により、位置Ａ_１ の２次光源から各射出角を持って射出する平行光束は第１光学系３０Ａにより集光されて位置Ｂ_１ には長方形状の空間像Ｉｂ が形成され、この長方形状の空間像Ｉｂ からの光束は第２光学系３０Ｂにより集光されて平行光束に変換されてコンデンサー光学系としてのトーリック型反射鏡４０へ向かう。これを換言すれば、位置Ａ_１ の２次光源を形成する各点光源からの光束は、例えば図８の（ｂ）の点線で示す如く、第１光学系３０Ａにより集光されて、位置Ｂ_１ の空間像Ｉｂ を重畳的に照明するような平行光束に変換された後、その平行光束は、第２光学系３０Ｂに入射して、第２光学系３０Ｂ中の負レンズ３２Ｂ内部の位置Ａ_２ で一旦集光されて、コンデンサー光学系としてのトーリック型反射鏡４０へ向かう。
【００９７】
このとき、第２光学系３０Ｂ中の負レンズ３２Ｂ内部の位置Ａ_２ には２次光源の実像が形成され、再結像光学系３００の射出瞳位置Ａ_２０には、再結像光学系３００の射出側を任意の角度から見ても常に円形状となる２次光源の虚像が形成される。
従って、再結像光学系３００を射出する射出角が零度（ψ＝０°）の時の平行光束の光束径Ｐ（０） と再結像光学系３を射出する射出角がψの時の平行光束の光束径Ｐ（ψ） とは等しくなり、再結像光学系３００の射出瞳からは一定の径Ｐ_０ を持つ平行光束が供給されるように再結像光学系３００を射出する。なお、第１光学系３０Ａにより形成される空間像Ｉｂ の位置Ｂ_１ は、第１光学系３０Ａの後側（被照明側）の焦点位置と一致すると共に、第２光学系３０Ｂの前側（光源側）の焦点位置と一致している。
【００９８】
さて、各射出角を持って再結像光学系３００を射出した平行光束は、被照明面としてのレチクルＲ上でトーリック型反射鏡４０により円弧状に集光される。
図８の（ｂ）に示す如く、トーリック型反射鏡４０は、放物線ＰＡの頂点Ｏを原点としてこの原点Ｏを通る対称軸Ａｘ_０ をＺ軸、原点Ｏを通り対称軸Ａｘ_０（Ｚ軸）と垂直な図８の紙面に沿った方向をＹ軸、放物線ＰＡをｚ＝αｙ^２ とするとき、対称軸Ａｘ_０（Ｚ軸）において頂点Ｏから所定の距離（３（４α） ^−１）だけ離れた位置Ｚ_０ を通り対称軸Ａｘ_０（Ｚ軸）と直交する基準軸Ａｘ_１ を中心に回転させた放物トーリック形状の回転体の１部よりなり、トーリック型反射鏡４０を上方から見た時には、図８の（ａ）に示す如く、放物トーリック形状の回転体の２つの緯線（４０ａ，４０ｂ）間で形成される円弧型帯状の形状を成している。
【００９９】
この時、放物トーリック形状の回転体は、基準軸Ａｘ_１ と対称軸Ａｘ_０ とに対して垂直で原点（頂点）Ｏを通る方向をＸ軸、基準軸Ａｘ_１ と対称軸Ａｘ_０ との交点Ｚ_０ から頂点までの距離（被照明領域の半径）をＲ_ＩＡとするとき、
【０１００】
【数２６】

【０１０１】
【数２７】

【０１０２】
の関係をほぼ満足する関数として表現される。
なお、トーリック型反射鏡４０は、基準軸Ａｘ_１ が再結像光学系３００の射出瞳位置Ａ_２０を通るように構成されており、すなわち、再結像光学系３００の射出瞳位置Ａ_２０とトーリック型反射鏡４０の前側（光源側）の焦点位置（光源側の焦点距離ｆはｆ＝（２α） ^−１）とが一致するように構成されている。
【０１０３】
従って、再結像光学系３００により形成される２次光源の虚像からの平行光束は、トーリック型反射鏡４０の被照射面側の焦点位置（被照射面側の焦点距離ｆはｆ＝（２α） ^−１）上に配置されたレチクルＲ上の位置Ｂ_２ において、トーリック型反射鏡４０により円弧状に集光される。これを換言すれば、位置Ａ_２０の２次光源の虚像を形成する複数の点光源の虚像からの光束は、トーリック型反射鏡４０によりそれぞれ集光されて、レチクルＲ上を円弧状に重畳的に均一照明する。よって、レチクルＲ上にはテレセントリック性が維持された状態で円弧状の照明領域ＩＡが形成される。
【０１０４】
さて、図９に示す如く、レチクルＲとウエハＷとの間には等倍で両側テレセントリックな投影光学系ＰＬが設けられており、この投影光学系ＰＬは、基本構成として凹面鏡Ｌ１と凸面鏡Ｌ２とを有し、さらにレチクルＲと凹面鏡Ｌ１との間及び凹面鏡Ｌ１とウエハＷとの間にはそれぞれ光路を折り曲げる反射鏡Ｍ_５１，Ｍ_５２を有している。そして、凹面鏡Ｌ１と凸面鏡Ｌ２との曲率中心とがほぼ一致しており、この時、凹面鏡Ｌ２の曲率半径は凹面鏡Ｌ１の曲率半径の半分となっている。
【０１０５】
ここで、フライアイレンズ５０により形成される光源像位置Ａ_１ 、再結像光学系３００により再形成される光源像位置Ａ_２ 、再結像光学系３００の射出瞳位置Ａ_２０、及び投影光学系ＰＬの入射瞳位置（凸面鏡５２の位置又はその近傍の位置）は互いに共役となっており、しかも各位置での光源像及び瞳の形状は共に円形となっている。
【０１０６】
従って、レチクルＲ上には、テレセントリック性が維持されながら円弧状照明領域が形成されているのみならず、ケーラー照明されていることが理解できる。なお、フライアイレンズ５０からそれぞれの射出角で射出する平行光束が第１光学系３０Ａにより形成される位置Ｂ_１ とレチクルＲ上の物体面位置Ｂ_２ とは共役となっている。
【０１０７】
ここで、レチクルＲはレチクルステージＲＳに保持され、ウエハＷはウエハステージＷＳに保持されており、不図示の駆動系によりレチクルステージＲＳ及びウエハステージＷＳは、露光時において、矢印で示す方向へ移動し、これによって、レチクルＲ上のパターン全体がウエハＷ上に露光される。
以上のように、本実施例では、高い照明効率及び一様な開口数のもとで円弧状にしかも均一にレチクルが照明されるため、レチクルＲ上の回路パターンを短い露光時間でしかも高解像力のもとでウエハＷ上へ円弧状に転写することができる。
【０１０８】
なお、図９に示した実施例では、投影光学系ＰＬを等倍系とした例を示しているが、言うまでもなく投影光学系ＰＬを縮小系または拡大系で構成して良い。
ところで、近年においては、例えはオプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズ５０により形成される２次光源の形状を変形させて、レチクルＲを傾斜照明することにより、投影光学系が本来有する解像度並びに焦点深度よりも大幅に向上させようという傾斜照明技術が提案されており、大きな注目を集めている。
【０１０９】
例えば、通常、オプティカルインテグレータの射出側に配置されている開口絞りＡＳにおいて輪帯状（ドーナツ状）の開口部を設けて輪帯状の２次光源を形成し、レチクルＲを傾斜照明することにより、投影光学系の解像度並びに焦点深度の改善を図ろうとする輪帯状照明法が知られている。また、この開口絞りＡＳに２つあるいは４つの偏心した開口部を設けて２つあるいは４つの偏心した２次光源を形成し、レチクルＲを傾斜照明することにより、輪帯状照明法よりも大きな解像度並びに深い焦点深度を得ようとする特殊傾斜照明法も知られており、この技術は例えば特開平４−１０１１４８号公報に開示されている。
【０１１０】
従って、図１及び図８にて示した各実施例の装置をさらに応用し、フライアイレンズ５０の射出側に設けられている円形開口を有する開口絞りＡＳの代わりに、図１０の（ａ）に示す如き輪帯状の開口部を有する開口絞りＡＳを配置すれば、この開口絞りＡＳにより形成される輪帯状の光源からの光束は、レチクルＲ上を一様な開口数のもとで円弧状に均一に傾斜照明できるため、より微細なレチクルパターンを深い焦点深度のもとでウエハＷ上に忠実に転写することができる。
【０１１１】
また、例えば、図１及び図８において、フライアイレンズ５０の射出側に設けられている円形開口を有する開口絞りＡＳの代わりに、図１０の（ｂ）に示す如き偏心した４つの開口部を有する開口絞りＡＳを配置すれば、この開口絞りＡＳにより形成される４つの偏心光源からの光束は、レチクルＲ上を一様な開口数のもとで円弧状に均一に傾斜照明でき、より一層微細なレチクルパターンを深い焦点深度のもとでウエハＷ上に忠実に転写することができるため極めて有効である。なお、図１０に示した開口絞りを用いる場合には、図１及び図８に示した投影光学系ＰＬは縮小系で構成されるとが望ましい。
【０１１２】
【発明の効果】
以上の如く、本発明によれば、照明フィールドが幅の狭い円弧、あるいは長方形であることに起因する光量低下を伴うこと無く、高い効率のもとでの均一な照明が可能となる。そして、本発明を投影露光装置に応用すれば、この種の露光装置に必要とされる高いスループットは、水銀ランプ等の不必要な大電力化に依らずに達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】長方形状の露光フィールドを有する走査型投影露光装置に本発明を適用した場合の一つの実施例を概略式な構成を示した図である。
【図２】図１のフライアイレンズ５０の具体的な構成を示す斜示図である。
【図３】図１に示した装置の露光部の構成を示す斜示図である。
【図４】フライアイレンズ５０の入射側の第１レンズ群中の第１レンズ要素の縦横比を１：４とした時に光源側からフライアイレンズ５０を見た時の様子を示す平面図である。
【図５】フライアイレンズ５０の入射側の第１レンズ群中の第１レンズ要素の縦横比を１：９とした時に光源側からフライアイレンズ５０を見た時の様子を示す平面図である。
【図６】図２に示した入射側の第１レンズ群５１と射出側の第２レンズ群５２との間に硝子基板５３を介在させて一体的に構成したフライアイレンズ５０の様子を示している。
【図７】図６に示したフライアイレンズ５０の別の例を示すための図である。
【図８】被照射面上に円弧形状の照明領域ＩＡを形成する走査型投影露光装置の例を示すための図である。
【図９】図８に示した装置の露光部の構成を示す図である。
【図１０】（ａ）は開口絞りに輪帯状の開口部を設けた様子を示す平面図であり、（ｂ）は開口絞りに偏心した４つの開口部を設けた様子を示す平面図である。
【図１１】本発明によるフライアイレンズ５０の原理を説明するための図である。
【図１２】本発明によるフライアイレンズ５０の原理的な配置手法を説明するための図である。
【図１３】従来の装置の構成を示す図である。
【図１４】図１３の装置の結像関係を様子を示すための図である。
【図１５】被照射面上に所望の照明領域を形成するために被照射面上に配置すべき視野絞りの構成を示すための図である。
【図１６】図１４及び図１５に示す長方形状の照明領域ＩＡを形成するためのフライアイレンズ５の断面形状を示す図である。
【図１７】図１６のフライアイレンズ５を用いる事によって照明効率が悪化する様子を示す図である。
【主要部分の符号の説明】
１・・・・・ 水銀ランプ
２・・・・・ 楕円鏡
３・・・・・ コリメータレンズ
５０・・・・・ フライアイレンズ
５１・・・・・ 第１レンズ群
５２・・・・・ 第２レンズ群
５１０・・・・・ 第１レンズ素子
５２０・・・・・ 第２レンズ素子
６・・・・・ コンデンサーレンズ
１０・・・・・ 光源部
３００・・・・・ 再結像光学系
４０・・・・・ トーリック型反射鏡
ＰＬ・・・・・ 投影光学系
Ｒ・・・・・ レチクル
Ｗ・・・・・ ウエハ

Claims (10)

1. 光束を供給する光源系と、該光源系からの光束に基づいて複数の光源像を形成するオプティカルインテグレータと、該オプティカルインテグレータからの複数の光束をそれぞれ集光して被照明面を長方形状または円弧状に重畳的に照明するコンデンサー光学系とを有し、
   前記オプティカルインテグレータは、光源側から順に、長方形状のレンズ断面を有する複数の第１レンズ素子が第１方向に沿って列状に配列された第１レンズ素子群を該第１方向と直交する第２方向に沿って複数配列して構成される第１レンズ群と、所定形状のレンズ断面を有する複数の第２レンズ素子が前記第２方向に沿って列状に配列された第２レンズ素子群を前記第１方向に沿って複数配列して構成される第２レンズ群とを有し、
   前記第２レンズ群を構成する各第２レンズ素子は、前記第１レンズ群を構成する各第１レンズ素子に対して光学的に各々一対一に対応して配置され、
   前記第１レンズ素子のレンズ断面の前記第１方向での長さをｌ_x1とし、前記第１レンズ素子のレンズ断面の前記第２方向での長さをｌ_y1、自然数をｍ、前記第２方向に沿って第ｋ番目に配列された第１レンズ素子群と，該第ｋ番目に配列された第１レンズ素子群に対して隣接する位置に設けられた第ｋ＋１番目または第ｋ−１番目に配列された第１レンズ素子群と，の第１方向に沿ったずれ量をΔｌ_x1、前記第２レンズ素子のレンズ断面の前記第１方向での長さをｌ_x2とし、前記第２レンズ素子のレンズ断面の前記第２方向での長さをｌ_y2とするとき、以下の条件を満足することを特徴とする照明光学装置。
   ｌ_x1／ｌ_y1＝ａ，ａ＞２
   Δｌ_x1＝ａｌ_y1／ｍ，ｍ≧２
   ｌ_x2／ｌ_y2＝ａ／ｍ ²
   （４ａ＋１）^0.5 ／２−０．５≦ｍ≦（４ａ＋１）^0.5 ／２＋０．５
2. 前記第１レンズ群と前記第２レンズ群とは互いに分離して構成されることを特徴とする請求項１記載の照明光学装置。
3. 前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との少なくとも一方は、光軸の方向に沿って移動、光軸に垂直な面内で移動、または光軸回りに回転可能であることを特徴とする請求項２記載の照明光学装置。
4. 前記第１レンズ群と前記第２レンズ群とは一体的に構成されることを特徴とする請求項１記載の照明光学装置。
5. 前記オプティカルインテグレータとは異なる別のオプティカルインテグレータをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の照明光学装置。
6. 前記照明光学装置は、輪帯状の２次光源、２つの偏心した２次光源、または４つの偏心した２次光源を形成し、前記被照明面を傾斜照明することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項記載の照明光学装置。
7. 前記オプティカルインテグレータと前記コンデンサー光学系との間に配置されて、前記オプティカルインテグレータが形成する複数の光源像を再形成する再結像光学系を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項記載の照明光学装置。
8. 前記コンデンサー光学系はトーリック型反射鏡を備えることを特徴とする請求項７記載の照明光学装置。
9. レチクル上の所定の回路パターンを投影光学系を介してウエハ上に投影露光する投影露光装置において、
   前記レチクルを保持するレチクルステージと；
   前記ウエハを保持するウエハステージと；
   請求項１乃至８の何れか一項記載の照明光学装置と；
   を備え、前記被照明面に配置された前記レチクル上の照明領域を照明しつつ前記レチクル及び前記ウエハを移動させることを特徴とする投影露光装置。
10. レチクル上の所定の回路パターンを投影光学系を介してウエハ上に投影露光する投影露光方法において、
    請求項１乃至８の何れか一項記載の照明光学装置を用いて前記被照明面に配置された前記レチクル上の照明領域を照明しつつ、前記レチクル及び前記ウエハを移動させることを特徴とする投影露光方法。

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