JPH0831736A - 照明光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】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
の提供にある。 【構成】光束を供給する光源系と、その光源系からの光
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、との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におい
て、そのオプティカルインテグレータを入射側の第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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、Pro
c.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５
ａ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L
0' 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／ｍ² （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lx₁ 、第１レンズ要素５１０の断面の短
手方向の長さをly₁ 、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Δlx₁ とするとき、
以下の関係が成立する。

【００３６】

【数８】 （９） lx₁ ／ly₁ ＝ａ，ａ＞１ （１０） Δlx₁ ＝lx₁ ／ｍ＝ly₁ ×（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５２
０が複数配列された第２レンズ素子群（５２(i-1) 〜５
２(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５
２０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Δlx₁ は、第１レンズ要素５１０のＸ
方向での長さlx₁ （＝ly₁ ×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lx₂ 、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ly₂ 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lx₂ 、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ly₂ 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） lx₂ ＝Δlx₁ ＝ly₁ ×（ａ／ｍ） （１２） ly₂ ＝ly₁ ×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） lx₂ ／ly₂ ＝ａ／ｍ² 従って、上記（１３）式より、ａ／ｍ² ＝１、即ちａ＝
ｍ² （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（lx₂ ＝ly₂ ）
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５
２０の断面を正方形状（lx₂ ＝ly₂ ）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、lx₂ ／ly₂ ＝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、lx₂ ／ly₂ ＝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、lx₂ ／ly₂ ＝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＝１
０、ｍ＝４とすると、上記（１３）式より、lx₂ ／ly₂
＝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、lx₂ ／ly₂ ＝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、lx₂ ／ly₂ ＝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５
２０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 ＝Ｍ² ／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／Ｍ² ＝（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（１
９）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、１
６、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（２
０）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（２
４）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） lx₁ ／ly₁ ＝ａ，ａ＞２ （２８） Δlx₁ ＝lx₁ ／ｍ＝ly₁ ×（ａ／
ｍ），ｍ≧２ （２９） lx₂ ／ly₂ ＝ａ／ｍ² （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＜lx₂ ／ly₂ ≦３／２の範囲をとり、lx₂ ／
ly₂ ＝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 ／ly₂ ≦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≦lx₂ ／ly₂ ≦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Δly₂ 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５２
０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５２
０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Ｐ
Ｌ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ＲＭ
ａ，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
Δlx₁ は２ly₁ 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lx₂ は２l
y₁ 、Ｙ方向のレンズ断面の長さly₂ は２ly₁ 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Δlx₁ は２l
y₁ （＝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５
１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＜lx₂ ／ly₂ ≦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
Δlx₁ は３ly₁ 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lx₂ は３l
y₁ 、Ｙ方向のレンズ断面の長さly₂ は３ly₁ 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Δlx₁ は３l
y₁ （＝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Ａ
ｘ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５
３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ｆ
e 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５
１と射出側の第２レンズ群５２との間に所定の厚さをｄ
53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４−３１６７
１７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Ｐ
Ｌ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lx₁ 、第１レンズ要素５１０の断面の短手
方向（Ｙ方向）の長さをly₁、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） lx₁ ／ly₁ ＝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Ａ₁ 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Ａ₁ 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Ａ₁ 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３
４Ｂ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ｆ₁ 、２次光源からの入射光束の入
射角をθ₁ 、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＝ｆ₁ sin θ₁ 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ｆ₂ 、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θ₂ とするとき、ｙ＝ｆ₂ θ₂ 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Ａ₁ 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Ｂ₁ 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
Ａ₁ 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Ｂ₁ 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Ａ₂ 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Ａ₂ 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Ａ₂₀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Ｐ₀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Ｂ₁ 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３０
０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Ａｘ₀ をＺ軸、原点Ｏを通り対称軸Ａｘ₀(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＝αｙ² とするとき、対称軸Ａｘ₀(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Ｚ₀
を通り対称軸Ａｘ₀(Ｚ軸）と直交する基準軸Ａｘ₁ 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Ａｘ₁ と対称軸Ａｘ₀ とに対して垂直で原点（頂
点）Ｏを通る方向をＸ軸、基準軸Ａｘ₁ と対称軸Ａｘ₀
との交点Ｚ₀ 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Ａｘ₁ が
再結像光学系３００の射出瞳位置Ａ₂₀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Ａ₂₀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Ｂ₂ 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Ａ₂₀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Ｍ₅₁，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Ａ₁ 、再結像光学系３００により再形
成される光源像位置Ａ₂ 、再結像光学系３００の射出瞳
位置Ａ₂₀、及び投影光学系ＰＬの入射瞳位置（凸面鏡５
２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Ｂ₁ とレチクルＲ上の物体面位置Ｂ₂ 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Ｒ
Ｓ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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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／ｍ² （４ａ＋１）^0.5 ／２−０．５≦ｍ≦（４ａ＋１）^0.5
   ／２＋０．５