JPH11176742A

JPH11176742A - 照明光学系と露光装置及び半導体デバイスの製造方法

Info

Publication number: JPH11176742A
Application number: JP9362742A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tanitsu; 修谷津
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1997-12-12
Publication date: 1999-07-02
Also published as: KR19990062768A; EP0922999A3; EP0922999A2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】数少ない第１のオプティカルインテグレータ
により照明効率を一定に保つことのできる照明光学系を
備える露光装置を提供する。【解決手段】複数の２次光源像を形成する第１オプテ
ィカルインテグレータ１３と、その２次光源像からの光
束を入射面側Ｃから入射させて複数の３次光源像を形成
する第２オプティカルインテグレータ１５とを両射出面
を共役関係に構成し、その間に配置されたリレー光学系
１４は、焦点距離がｆ１の第１群の光学系１４ａと焦点
距離がｆ２の第２群の光学系１４ｂとを含んで構成さ
れ、両焦点距離にはｆ１≠ｆ２の関係があり、リレー光
学系１４全体の焦点距離が可変である照明光学系。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、照明光学系と露光
装置及び半導体デバイスの製造方法に関し、特にオプテ
ィカルインテグレータを備えながら照明効率をほぼ一定
に維持できる照明光学系と露光装置、及びそのような露
光装置を用いる半導体デバイスの製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイス製造装置用の投影露光装
置としては、従来から図５に示されるように、光源１０
１、第１のフライアイレンズ１０３、リレーレンズ１０
４、第２のフライアイレンズ１０５、コンデンサーレン
ズ１０６、投影光学系ＰＬが、光源１０１からの光束の
光路上にこの順で設けられており、コンデンサーレンズ
１０６と投影光学系ＰＬとの間にはレチクルＲを設定で
きるように、また投影光学系ＰＬに関してレチクルＲと
共役な位置にウエハＷが載置できるように構成されたも
のが知られている。以上の要素のうち、第１のフライア
イレンズ１０３、リレーレンズ１０４、第２のフライア
イレンズ１０５、コンデンサーレンズ１０６が、照明光
学系を構成している。このような構成において、第１と
第２のフライアイレンズの入射面ＡとＣは、リレーレン
ズ１０４により共役関係にされており、また第１のフラ
イアイレンズの射出側の像面Ｂに形成される複数の２次
光源像は、第２のフライアイレンズを介して第２のフラ
イアイレンズの射出側の像面Ｄに複数の３次光源像とし
て形成される。

【０００３】また、第２のフライアイレンズ１０５の射
出側の像面Ｄには、開口絞りＡＳが設けられており、開
口絞りＡＳの大きさに応じて、予め用意された複数個の
フライアイレンズの中から第１のフライアイレンズが自
動選択され、開口絞りＡＳで絞られることによる像面照
度の劣化を防止し照明効率をほぼ一定に保つように工夫
されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような露光装置用の照明光学系によれば、種々の大きさ
の開口絞りに対応するためには、無数といっていいほど
の第１のフライアイレンズを用意しなければならず、第
１のフライアイレンズを自動で変更する手段が大きくな
るばかりでなく、コスト的にも非常に高価な物になると
いう問題があった。

【０００５】そこで本発明は、数少ない第１のオプティ
カルインテグレータにより照明効率を一定に保つことの
できる照明光学系とそのような照明光学系を備える露光
装置及びそのような露光装置を用いる半導体デバイスの
製造方法を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明による照明光学系は、図１に示
すように、光束を入射面側Ａから入射させて射出面側Ｂ
に複数の２次光源像を形成する第１オプティカルインテ
グレータ１３と；第１オプティカルインテグレータ１３
により形成された２次光源像からの光束を入射面側Ｃか
ら入射させて複数の３次光源像を射出面側Ｄに形成する
第２オプティカルインテグレータ１５と；第１オプティ
カルインテグレータ１３と第２オプティカルインテグレ
ータ１５との間に配置されたリレー光学系１４とを備
え；リレー光学系１４は、第１オプティカルインテグレ
ータ１３の入射面Ａと第２オプティカルインテグレータ
１５の入射面Ｃとをほぼ共役関係にし、第１オプティカ
ルインテグレータ１３の射出面Ｂと第２オプティカルイ
ンテグレータ１５の射出面Ｄをほぼ共役関係にするよう
に構成されており、且つリレー光学系１４は焦点距離が
ｆ１の第１群の光学系１４ａと焦点距離がｆ２の第２群
の光学系１４ｂとを含んで構成されており、両焦点距離
にはｆ１≠ｆ２の関係があり、リレー光学系１４全体の
焦点距離が可変であることを特徴とする。

【０００７】このように構成すると、リレー光学系１４
は焦点距離がｆ１の第１群の光学系１４ａと焦点距離が
ｆ２の第２群の光学系１４ｂとを含んで構成されてお
り、両焦点距離にはｆ１≠ｆ２の関係があり、リレー光
学系１４全体の焦点距離が可変であるので、第１のオプ
ティカルインテグレータ１３と第２のオプティカルイン
テグレータ１５との組み合わせで定まる照明効率の劣化
を防止できる。とくに第２のオプティカルインテグレー
タ１５の射出面Ｄの位置に開口絞りＡＳを設け、この大
きさを種々変更したとしても、リレー光学系１４全体の
焦点距離が可変であるので、第１のオプティカルインテ
グレータ１３を開口絞りＡＳの変更の度に変更しなくて
も照明効率を所定の水準に維持することができる。

【０００８】また請求項２に記載のように、請求項１に
記載の照明光学系においては、第１オプティカルインテ
グレータ１３の射出面Ｂと第２オプティカルインテグレ
ータ１５の入射面Ｃとの距離をＴＬとしたとき、ＴＬ／
ｆ１≧０．８の関係を有するように構成するのが好まし
い。

【０００９】このようにすると、ＴＬ／ｆ１≧０．８の
関係を有するので、本照明光学系のテレセントリシティ
を所定の角度範囲、例えば０．６度以内、好ましくは
０．５度以内に維持することができる。

【００１０】以上の照明光学系では、請求項３に記載の
ように、第１オプティカルインテグレータ１３の焦点距
離ｆｆ１が可変であるように構成してもよい。

【００１１】このように構成すると、第２のオプティカ
ルインテグレータ１５の射出面Ｄの位置に開口絞りＡＳ
を設け、この大きさを種々変更したとしても、リレー光
学系１４全体の焦点距離ｆｒが可変であり、且つ第１の
オプティカルインテグレータ１３の焦点距離ｆｆ１が可
変であるので、開口絞りＡＳの大きさに応じて照明効率
を所定の水準に維持することができる。

【００１２】請求項４に記載のように、請求項３に記載
の照明光学系においては、第１オプティカルインテグレ
ータ１３は、互いに交換可能で、且つ互いに異なる焦点
距離ｆｆ１を有する複数のオプティカルインテグレータ
１３ａ〜１３ｄの群から選択されるように構成されてい
てもよい。

【００１３】また、請求項５に記載のように、第１オプ
ティカルインテグレータ１３は、焦点距離ｆｆ１が連続
的に可変に構成されていてもよい。

【００１４】請求項６に係る発明による露光装置は、請
求項１乃至請求項５のいずれかに記載の照明光学系と；
前記照明光学系により照明されたレチクルＲ上のパター
ンを感光性基板Ｗ上に投影露光する投影光学系ＰＬとを
備える。

【００１５】請求項７に係る発明による半導体デバイス
の製造方法は、請求項６に記載の露光装置を用いて；投
影光学系ＰＬを介してレチクルＲのパターンを感光性基
板Ｗに転写する工程を含む。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。なお、各図において互い
に同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複
した説明は省略する。

【００１７】図１は、本発明による照明光学系（または
照明光学装置）を含む露光装置の第１の実施の形態を示
す構成図である。図中、照明用の光束を発生するレーザ
ー光源１１が設けられ、発生された光束の光路中に、そ
の光束を拡大平行光束にするエキスパンダレンズ１２
と、その先に第１オプティカルインテグレータである第
１のフライアイレンズ１３が配置されている。

【００１８】エキスパンダレンズ１２は凹レンズ１２ａ
と凸レンズ１２ｂとが、光源１１側からこの順に配列さ
れている。第１のフライアイレンズ１３は、焦点距離の
異なるフライアイレンズ１３ａと１３ｂとを含んでお
り、これらのフライアイレンズ１３ａ、１３ｂは交換機
構３１により交換できるように構成されている。

【００１９】なお図１には、交換用のフライアイレンズ
は１３ａ、１３ｂの２個が示されているが、さらに図８
に示されるように１３ｃ、１３ｄと、必要に応じて３個
以上のフライアイレンズを備えていてもよい。

【００２０】さらに前記光路上の第１のフライアイレン
ズ１３の先には、リレーレンズ１４、第２オプティカル
インテグレータである第２のフライアイレンズ１５、コ
ンデンサーレンズ１６、投影光学系である投影光学レン
ズ系ＰＬがこの順に配列されている。

【００２１】またコンデンサーレンズ１６と投影光学系
ＰＬとの間には、レチクルＲを配置できるようになって
おり、レチクルＲはコンデンサーレンズ１６を介した照
明光で均一に照明されるように構成されている。

【００２２】投影光学系ＰＬに関して、レチクルＲと共
役な位置には感光性基板であるウエハＷが配置できるよ
うに構成されている。

【００２３】以上の構成によって、まず、レーザ光源１
１（例えば、２４８ｎｍの露光波長を持つ光を供給する
ＫｒＦエキシマレーザ、１９３ｎｍの露光波長を持つ光
を供給するＡｒＦエキシマレーザ、或いは１５７ｎｍの
露光波長を持つ光を供給するＦ₂レーザ等）から供給さ
れる長方形状のビーム断面を持つ光は、ビーム整形光学
系としてのビームエキスパンダレンズ１２によって例え
ばほぼ正方形状のビーム断面を持つ光に整形された後、
焦点距離の異なる複数のオプティカルインテグレータを
有する第１多光源形成光学系としての第１オプティカル
インテグレータ１３に入射する。

【００２４】この第１オプティカルインテグレータ１３
の射出側には、第１のオプティカルインテグレータを構
成するレンズ素子の数に対応した多数の光源像（又は多
数の２次光源）が形成される。そして、この多数の光源
像からの光は、リレー光学系としてのリレーレンズ１４
によって集光されて、第２多光源形成光学系としての第
２オプティカルインテグレータ１５に入射面はそれらの
集光光束によって重畳するように照明される。

【００２５】第２オプティカルインテグレータ１５を入
射した光は、その第２オプティカルインテグレータ１５
の作用によって、それの射出側に多数の光源像（又は多
数の３次光源）が形成される。すなわち、第２オプティ
カルインテグレータ１５の射出側には、第１オプティカ
ルインテグレータ１３を構成するレンズ素子の数と第２
オプティカルインテグレータ１５を構成するレンズ素子
の数の積に対応する多数の光源像が形成される。

【００２６】第２オプティカルインテグレータ１５によ
り形成された多数の３次光源からの光はコンデンサー光
学系としてのコンデンサーレンズ１６により集光され、
所定のパターン（回路パターン等）が形成されたレチク
ルＲはそれらの集光された光によって重畳的に均一照明
される。そして、レチクルＲのパターンが投影光学系Ｐ
Ｌによって感光性基板としてのウエハＷ上に投影（露
光）される。

【００２７】なお、第１オプティカルインテグレータ１
３の入射面は、リレー光学系１４に関して第２オプティ
カルインテグレータ１５の入射とほぼ共役な位置に設定
されており、第１オプティカルインテグレータ１３の射
出面は、リレー光学系１４に関して第２オプティカルイ
ンテグレータ１５の射出面とほぼ共役な位置に設定され
ている。また、第２オプティカルインテグレータ１５の
入射面は、レチクルＲ及びウエハＷとほぼ共役な位置に
設定されており、第２オプティカルインテグレータ１３
の射出面は、投影光学系ＰＬの瞳とほぼ共役な位置に設
定されている。

【００２８】以上の露光の工程（フォトリソグラフィ工
程）を経たウエハＷは、現像する工程を経てから現像し
たレジスト以外の部分を除去するエッチングの工程、エ
ッチングの工程後の不要なレジストを除去するレジスト
除去の工程を経る。そして、露光、エッチング、レジス
ト除去の工程を繰り返して、ウエハプロセスが終了す
る。その後、ウエハプロセスが終了すると、実際の組立
工程にて、焼き付けられた回路毎にウエハを切断してチ
ップ化するダイシング、各チップに配線等を付与するボ
ンディイング、各チップ毎にパッケージングするパッケ
ージング等の各工程を経て、最終的にＬＳＩ等の半導体
デバイスが製造される。

【００２９】なお、以上には、露光装置を用いたウエハ
プロセスでのフォトリソグラフィ工程によりＬＳＩ等の
半導体デバイスを製造する例を示したが、露光装置を用
いたフォトリソグラフィ工程によって、液晶表示素子、
薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ等）等の半導体デバ
イスも製造することができる。

【００３０】リレーレンズ１４は、本発明の第１群の光
学系である第１群レンズ系１４ａと第２群レンズ系１４
ｂとを含んで構成されている。第２のフライアイレンズ
１５の射出側の面Ｄの位置には開口絞りＡＳが配置され
ている。開口絞りＡＳとしては、本例では３つの異なる
開口径φ１、φ２、φ３をそれぞれ有する３種類の絞り
が用意されており、それらが必要に応じて交換ができる
ように構成されている。

【００３１】これは開口絞りＡＳを交換して照明開口σ
値（シグマ値）を変えることにより、投影露光装置の解
像度と焦点深度を調整して、投影されるパターンの微細
化に対応するためである。図１には、開口絞りＡＳは、
３種類の開口径を有するものとして示されているが、必
要に応じて４以上の開口径を有するものとしてもよい。

【００３２】照明光学系は、以上の光学要素のうち、第
１のフライアイレンズ１３、リレーレンズ１４、第２の
フライアイレンズ１５、コンデンサーレンズ１６、開口
絞りＡＳを含んで構成されている。

【００３３】図２を参照して、以上の構成を有する照明
光学系の作用を説明する。図２は、図１の露光装置中の
照明光学系を拡大して斜視図で示したものである。図２
に示されるように、第１のフライアイレンズ１３（１３
ａまたは１３ｂ）と、第２のフライアイレンズ１５は、
第１のフライアイレンズ１３と第２のフライアイレンズ
１５の入射面同士と射出面同士をそれぞれ共役に配置す
るためのリレーレンズ１４を有しており、第２のフライ
アイレンズ１５の射出側に配置された開口絞りＡＳの大
きさに合わせて、レチクルＲの像面上での照度が最大に
なるように、選択する交換機構３１（図１）により、焦
点距離ｆｆ１の異なる複数の第１のフライアイレンズ１
３ａ、１３ｂから１つを自動で選択する。

【００３４】さらに第１のフライアイレンズ１３と第２
のフライアイレンズ１５を共役に結ぶリレーレンズ１４
は、第１群レンズ系１４ａと第２群レンズ系１４ｂ（図
１）とに分離されており、その１部分、図１の照明光学
系では第１群レンズ系１４ａまたは第２群レンズ系１４
ｂあるいは双方の群のレンズ系が可動になっており、焦
点距離ｆｒを変えることができる。

【００３５】このようにして、焦点距離ｆｆ１の異なる
第１のフライアイレンズを選択し、またリレーレンズ１
４の焦点距離ｆｒを変化させることにより、第２のフラ
イアイレンズ１５の入射側の照明される領域の大きさを
調整することが出来る。したがって、照明される面であ
るレチクルＲの像面上での照度が最大になるようにする
ことができる。

【００３６】さらに、作用を数式を用いて詳細に説明す
る。図２中で、第１のフライアイレンズ１３ａの一つの
矩形（図２の例では正方形）のエレメントの辺の長さを
ｘ１、第１のフライアイレンズ１３ａの焦点距離をｆｆ
１、リレーレンズ１４の焦点距離をｆｒ、開口絞りの径
をφとすると以下の不等式が成り立つが、不等式を満足
する範囲内で、できるだけ左辺の値を右辺の直径φに近
い値とすれば像面上での照度が高く維持できる。

【００３７】ｘ１・ｆｒ／ｆｆ１≧φ 実際には、第２のフライアイレンズも複数のエレメント
からなっているので、エレメントを矩形（図２の例では
正方形）として、その第２のフライアイレンズの一つの
エレメントの辺の長さをｘ２、開口絞りＡＳをカバーす
る領域の一辺に並ぶエレメントの個数をｎとすると、次
の式が成り立つ。

【００３８】ｘ１・ｆｒ／ｆｆ１≧ｎ・ｘ２≧φ 第２のフライアイレンズは左右対称なので縦、あるいは
横の並びの総個数をＮとすると総個数Ｎが偶数の場合
は、第１のフライアイレンズの種類はＮ／２種類、奇数
の場合は（Ｎ−１）／２種類あれば、ほぼどのような径
φの開口絞りＡＳが設定されても、レチクルＲの像面上
での照度劣化は最低限に抑えることが出来る。例えばＮ
＝１０の場合に、最低ｎ＝２までを使用しようとすると
きは、１０／２＝５個（種類）の第１のフライアイレン
ズが必要である。

【００３９】Ｎ＝１０の場合、例えば開口絞りＡＳをカ
バーするのに必要なエレメントの個数がｎ＝９個であっ
ても、１０個分の１０・ｘ２を使用することが必要であ
る。第２のフライアイレンズのエレメントを半分だけ使
用すると、完全な２次光源像（あるいは３次光源像）が
できず、照度ムラが発生してしまうからである。

【００４０】図２にはＮ＝９の場合が示されている。図
２（Ａ）では、開口絞りＡＳの直径が、第２のフライア
イレンズ１５のエレメントの横並び（縦並びも）の総数
９個をカバーしている。したがって、所定の第１のフラ
イアイレンズ１３ａを選定し、さらにリレーレンズ１４
の焦点距離ｆｒを調整してｎ＝９個をカバーするように
している。

【００４１】次に図２（Ｂ）では、開口絞りＡＳの直径
が、第２のフライアイレンズ１５のエレメントの横並び
（縦並びも）の総数９個のうち３個をカバーしている。
第１のフライアイレンズ１３ａは、リレーレンズ１４の
焦点距離ｆｒが（Ａ）と同一焦点距離であれば、第２の
フライアイレンズ１５のエレメント個数ｎ＝３個をカバ
ーするような第１のフライアイレンズ１３ｂに置き換え
る必要がある。

【００４２】このように、Ｎの総数が多い場合、第１の
フライアイレンズ１３の種類（１３ａ、１３ｂ・・・）
も多くなる。そこで、第１のフライアイレンズ１３の種
類を間引いて個数を限定する。そして間引かれたフライ
アイレンズでカバーしていた部分については、上式の焦
点距離ｆｒを可変にすることで、ｘ１・ｆｒ／ｆｆ１の
値をできるだけｎ・ｘ２の値に近く、またφの値に近く
する。このようにして、レチクルＲの像面上での照度を
高く維持する。

【００４３】図３を参照して、以上の原理をもう少し詳
しく説明する。図３（Ａ）は第２のフライアイレンズ１
５とその各エレメントを破線で示し、大きい開口径の開
口絞りＡＳ１と小さい開口径のＡＳ２と、そのときの第
１のフライアイレンズ１３ａ、１３ｂのそれぞれの照明
領域５１、５２を図示したものである。

【００４４】図３には、第２のフライアイレンズ１５の
各エレメントは正方形で、縦横とも１０個づつ配置され
た例が示されている。開口絞りは最大でＡＳ１、最小が
ＡＳ２とすると、その間の径は自由に設定できるが、第
２のフライアイレンズ１５のエレメントが１０個だから
有効個数は最大で１０個、最小で４個なので、開口絞り
の大きさを種々変えたときに照度効率を高く維持するに
は、この間の個数は８個、６個を加えると全部で４種類
の第１のフライアイレンズ１３が必要である。

【００４５】この４種類の第１のフライアイレンズを用
意したときの開口径と照度比を示したグラフが図３
（Ｂ）である。横軸が開口径を、縦軸に照度比を示し、
照度比の最大は１００％である。円形の開口絞りＡＳの
直径が第２のフライアイレンズのエレメントの一行（ま
たは一列）の総数１０個に対応する値であるとき、照度
比が最大の１００％をとるとすると、このときは第１の
フライアイレンズ１３は１３ａが選択されており、第２
のフライアイレンズ１５は一行の総数１０個に光源から
の光が入射している。

【００４６】エレメントの数が１０個の次の並びは８個
だから、開口絞りＡＳの直径がエレメントの個数８から
１０個分に対応する直径である間は、第１のフライアイ
レンズは１３ａのまま、即ち第２のフライアイレンズ１
５には一行の総数１０個に光源からの光が入射してい
る。したがって、この間は図３（Ｂ）に示されるよう
に、照度比は逓減する。

【００４７】次に、開口絞りＡＳの直径φが第２のフラ
イアイレンズ１５のエレメントの個数８個分に相当する
値になると、エレメント８個分を照らす次の第１のフラ
イアイレンズに交換することができるので、像面上の照
度はエレメントが正方形であれば１０個のときと同一に
なる。後はこれの繰り返しである。この開口絞りＡＳの
直径と照度比の関係は、図３（Ｂ）に示されている。

【００４８】しかしながら、第１のフライアイレンズ１
３の種類を増やすのはコスト的にもスペース的にも無駄
が多い。そこで第１のフライアイレンズ１３を、例えば
エレメント１０個分と６個分の２種類にすると、図３
（Ｃ）のように途中の径、即ちエレメント８個分と４個
分での照度の劣化が大きくなってしまう。ここで、リレ
ーレンズ１４を第１群レンズ系１４ａと第２群レンズ系
１４ｂ（図１）とに分離して、第１群レンズ系１４ａま
たは第２群レンズ系１４ｂ、あるいは双方の群のレンズ
系を可動にして、焦点距離ｆｒを若干変えられるように
すれば、第１のフライアイレンズが２種類でも図３
（Ｂ）に示されるような、フライアイレンズを可能な限
り多く用意した場合と同様な照度比曲線を得ることが出
来る。この状態を図３（Ｃ）では、破線で示してある。

【００４９】リレーレンズ１４は、第１群レンズ系１４
ａと第２群レンズ系１４ｂとに分離して、この２つの群
のレンズ系のいずれかまたは双方を光軸方向に移動調整
可能にして、焦点距離ｆｒが連続的に可変に構成されて
いる。このように、焦点距離ｆｒ可変のリレーレンズ１
４は、第１フライアイの照射する断続的なエリアを補完
するように構成されている。

【００５０】例えば、第２のフライアイレンズ１５のエ
レメントの一行の数Ｎが２０個のときは、ｎ＝２０用と
ｎ＝１０用の２個の第１のフライアイレンズ１３を用意
し、その間についてはリレーレンズ１４の焦点距離ｆｒ
の調節でカバーすることもできる。

【００５１】以上説明したように、本発明の第２の実施
の形態である露光装置としての図１に示されるような露
光装置では、光源１１からのレーザー光はエキスパンダ
１２で拡大され、第１のフライアイレンズ１３を照明
し、第１のフライアイレンズ１３がリレーレンズ１４に
より第２のフライアイレンズ１５を照明し、かつ第１の
フライアイレンズ１３の入射面と第２のフライアイレン
ズ１５の入射面同士と射出面同士は共役の関係になり、
第１と第２のフライアイレンズ１３、１５の個数の積に
分割された光源像が第２のフライアイレンズの射出口に
形成され、その射出口には開口絞りＡＳが配置され、複
数個の光源像はコンデンサレンズ１６によりレチクルＲ
を重畳的に照明する。照明されたレチクルＲ上の微細パ
ターンは投影レンズＰＬによりウエハＷ上に投影露光さ
れる。

【００５２】このようにして、パターンがウエハＷ上に
転写されて半導体デバイスが製造される。

【００５３】第１のフライアイレンズ１３は、円形の開
口絞りＡＳの直径φ１とφ３に対応した２種類１３ａと
１３ｂがあり、それぞれの絞りの直径に対して照度比が
１００％になるように設計されている。しかしながら、
直径φ２の開口絞りＡＳが配置された場合は、第１のフ
ライアイレンズ１３ａ、１３ｂのどちらを使用しても照
度の劣化は免れない。

【００５４】そこで本発明の実施の形態では、リレーレ
ンズ１４の一部分を可動にし、移動手段である交換装置
３１を用いて焦点距離ｆｒを変化させることで、第１の
フライアイレンズ１３がφ１対応（１３ａ）のときで
も、直径φ２の開口絞りＡＳに対して最適な光束径に設
定することができ、レチクルＲ上の像面照度の劣化を最
小限に抑えることが出来る。

【００５５】本発明の実施の形態では光源１１をレーザ
ー光源として説明したが、ハロゲンランプ等のランプ光
源であってもよい。また、本発明の実施の形態は、ウエ
ハＷ上の照明領域を正方形としたが、長方形であっても
よく、その場合は第１のフライアイレンズ１３は全体で
照明領域と相似な長方形の形状になり、第２のフライア
イレンズ１５は一つのエレメントが照明領域と相似な長
方形の形状で、全体としてほぼ正方形になる。

【００５６】次に図４と図６を参照して、本発明の実施
例を説明する。図４は、照明光学系の構成を示す模式図
である。この照明光学系は、第１オプティカルインテグ
レータである第１のフライアイレンズ１３と、第１群の
光学系である第１のレンズ群１４ａと第２群の光学系で
ある第２のレンズ群１４ｂを含んで構成されるリレー光
学系であるリレーレンズ系１４、第２オプティカルイン
テグレータである第２のフライアイレンズ１５、そして
第２のフライアイレンズ１５の光射出側に備えられた開
口絞りＡＳを有している。

【００５７】第１のフライアイレンズ１３の光の入射側
の面はＡで、同じく射出側の面（２次光源が形成される
面）はＢで、第２のフライアイレンズ１５の光の入射側
の面はＣで、同じく射出側の面（３次光源が形成される
面）はＤで示されている。開口絞りＡＳは、ほぼ面Ｄの
位置に置かれている。円形の開口絞りの直径はφとお
く。

【００５８】第１のレンズ群１４ａの焦点距離はｆ１、
第２のレンズ群１４ｂの焦点距離はｆ２である。面Ｂと
レンズ群１４ａとの距離はｄ０、レンズ群１４ａとレン
ズ群１４ｂとの距離はｄ１、レンズ群１４ｂと面ｃとの
距離はｄ２であり、面Ｂから面Ｃまでの全長はＴＬであ
る。したがって、ＴＬ＝ｄ０＋ｄ１＋ｄ２となる。

【００５９】このような照明光学系において、系のバッ
ク焦点距離ｄＢＦが一定として、系のテレセントリシテ
ィＴＥＬＥＣＥＮを求める式は以下のようになる。

【００６０】

【数１】

【００６１】ここで、ｆはこの系の全体焦点距離、Ｘは
レンズ群１４ａの仮想的な瞳の位置、ＸＸはレンズ群１
４ｂの仮想的な瞳の位置である。

【００６２】数１に具体的な数字を代入して、計算した
計算例を図６の表に示す。この例では、焦点距離ｆ１＝
３７０ｍｍ、ｆ２＝３１０ｍｍ、全長ＴＬ＝３８０ｍｍ
である。即ちｆ１≠ｆ２で、ＴＬ／ｆ１＝１．２７＞
０．８である。この条件で、レンズ群１４ａと１４ｂの
光軸方向の位置を調整して、系の全体の焦点距離ｆｒを
３００ｍｍ〜２００ｍｍ程度で変化させた。

【００６３】その結果テレセントリシティＴＥＬＥＣＥ
Ｎは、焦点距離ｆｒが約３１８で約−０．６度、ｆｒが
約２８２ｍｍで正負が切り替わり、ｆｒが約２３０ｍｍ
で約０．６３度、ｆｒが約２１０ｍｍで約０．４度とな
っている。テレセントリシティは０．６度以下、好まし
くは０．５度以下であれば、実用上差し支えない。した
がって、図６の例では、系の全体焦点距離ｆｒが２００
〜３００ｍｍ（ｄ１が１４０〜３００）程度の範囲で使
用できることが分かる。なお、ＴＬ／ｆ１＞０．８の条
件の下で全長ＴＬが長くなればさらにテレセントリシテ
ィＴＥＬＥＣＥＮの変化は小さくなる。

【００６４】同じく図４に示される照明光学系におい
て、テレセントリシティＴＥＬＥＣＥＮが一定の条件
で、系のバック焦点距離ｄＢＦを求める式は以下のよう
になる。

【００６５】

【数２】

【００６６】ここで、ｆはこの系の全体焦点距離、ｄＸ
はバック焦点距離のズレである。

【００６７】数２に具体的な数字を代入して、計算した
計算例を図７の表に示す。この例では、焦点距離ｆ１＝
３６０ｍｍ、ｆ２＝３２０ｍｍ、全長ＴＬ＝３８０ｍｍ
である。即ちｆ１≠ｆ２で、ＴＬ／ｆ１＝１．０５６＞
０．８である。この条件で、レンズ群１４ａと１４ｂの
光軸方向の位置を調整して、系の全体の焦点距離ｆｒを
３００ｍｍ〜２００ｍｍ程度で変化させた。

【００６８】その結果バック焦点距離ｄＢＦは、焦点距
離ｆが３２０で約−２４．４ｍｍ、ｆが約２８０ｍｍで
正負が切り替わり、ｆが２４０ｍｍで約１６．７ｍｍ、
ｆが約２１０ｍｍで約１０．０ｍｍとなっている。バッ
ク焦点距離のズレは、プラスマイナス１０ｍｍ程度は許
容できると考えられるので、図７の表によれば、系の全
体焦点距離ｆが２００〜３００ｍｍ（ｄ１が１４０〜３
００）程度の範囲で使用できることが分かる。

【００６９】本発明の第３の実施の形態として、２群の
ズームレンズ系であるリレーレンズ１４の各群を光軸方
向に移動させる他に、第１のオプティカルインテグレー
タ１３の光軸方向の位置を調整すれば、テレセントリシ
ティＴＥＬＥＣＥＮを劣化させることなく、バック焦点
距離ｄＢＦにもズレを残すことなく、リレーレンズ１４
をズームにしてその焦点距離を所定の値に調整すること
ができることが図７の表から分かる。したがって図１の
実施の形態において、不図示の第１のオプティカルイン
テグレータ移動機構を第１のオプティカルインテグレー
タに取り付けて、その光軸方向の位置を移動調整するよ
うに構成すればよい。

【００７０】さらに第３の実施の形態として、第１のオ
プティカルインテグレータ１３の焦点距離を可変にして
もよい。例えば、フライアイレンズを光軸方向に２分割
して、その分割間隙を広狭に調節可能に構成すればよ
い。このような構成により、第１のオプティカルインテ
グレータ１３を複数個用意することなく、第１の実施の
形態で説明した効果が得られる。

【００７１】図８を参照して、第１のオプティカルイン
テグレータ１３の交換機構３１の実施の形態を説明す
る。図８は、図１の露光装置から照明光学系の部分を抜
き出して示している。図８の（Ａ）には、ターレット式
の交換装置を示す。円形のターレットに、本例では４種
類のフライアイレンズ１３ａ〜１３ｄが組み込まれてお
り、ターレットの中心１３ＡＸに取り付けられた不図示
のターレット駆動装置によりターレットが回転し、フラ
イアイレンズ１３ａ〜１３ｄの中から所望のフライアイ
レンズを選択できるようになっている。

【００７２】図８の（Ｂ）には、スライド式の交換装置
を示す。細長のスライドカートリッジに、本例では４種
類のフライアイレンズ１３ａ〜１３ｄがカートリッジの
長手方向に並べて組み込まれており、スライドカートリ
ッジに取り付けられた不図示のスライドカートリッジ駆
動装置により長手方向に、かつ照明光学系の光軸に直角
な方向に移動できるようになっており、フライアイレン
ズ１３ａ〜１３ｄの中から所望のフライアイレンズを選
択できる。以上の実施の形態では、フライアイレンズは
１３ａ〜１３ｄの４種類としたが、２種類以上であれば
よく、さらに増やして５種類以上としてもよい。

【００７３】これらターレット駆動装置、スライドカー
トリッジ移動装置は、不図示の制御装置により、所望の
照明開口σ値を与える開口絞りＡＳの開口径に応じて適
切な第１のフライアイレンズを選定すべく制御される。
またその制御装置は、リレーレンズ系１４のズーミング
も、開口絞りＡＳの開口径と選定された第１のフライア
イレンズに対応して制御する。

【００７４】さらに別の実施の形態では、請求項３に記
載の照明光学系において、第２のオプティカルインテグ
レータの射出側に配置された開口絞りは、口径が可変で
あるように構成し；その開口絞りの変更した口径に応じ
て、第１のオプティカルインテグレータの焦点距離を変
化させるように構成されたことを特徴としてもよい。

【００７５】また、請求項１乃至請求項３のいずれかに
記載の照明光学系において、第２オプティカルインテグ
レータの射出側に配置された、口径が可変の開口絞りを
備え；前記口径に応じて、前記リレーレンズの焦点距離
を変化させるように構成されたことを特徴としてもよ
い。

【００７６】さらに、請求項４乃至請求項６のいずれか
に記載の照明光学系において、前記口径に応じて、前記
リレーレンズの焦点距離を変化させるように構成された
ことを特徴としてもよい。

【００７７】また、請求項１乃至請求項８のいずれかに
記載の照明光学系において、前記第１オプティカルイン
テグレータは、前記リレーレンズの光軸方向に移動可能
に構成されたことを特徴としてもよい。

【００７８】またさらに別の実施の形態である照明光学
系の調整方法は、第１のオプティカルインテグレータの
形成する複数の２次光源像からの光を受けて、被照射面
を照明する複数の光源像を形成する、第２のオプティカ
ルインテグレータを提供する工程と；前記第２オプティ
カルインテグレータの射出面側に配置された口径が可変
の開口絞りの口径を設定する工程と；前記設定された口
径をカバーし且つ最小径の光束を与えるように複数の第
１のオプティカルインテグレータの群から所定の第１オ
プティカルインテグレータを選択する工程と；前記所定
の第１オプティカルインテグレータの入射面側からほぼ
平行な光束を入射させて射出面側に前記複数の２次光源
像を形成する工程と；前記第１オプティカルインテグレ
ータと前記第２オプティカルインテグレータとの間に配
置された焦点距離がｆ１の第１群のレンズ系と焦点距離
がｆ２の第２群のレンズ系とを含んで構成されており、
ｆ１≠ｆ２の関係を有するズームレンズの倍率を、被照
射面上の照度が最大になるように調整する工程とを備え
る。

【００７９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、オプティ
カルインテグレータの種類を最少限度に設定することが
出来、コスト低減を図ることができるほか、少ないオプ
ティカルインテグレータの種類にも拘わらず、例えば様
々な径の開口絞りに対しても常に照度劣化が最小限に抑
えられた照明光学系（または照明光学装置）を提供し、
スループットを落とさずに照明することが出来る。

【００８０】また、本発明による照明光学装置又は露光
装置を用いれば、高いスループットのもとで、良好なる
半導体デバイスを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の照明光学系を含む
露光装置の構成を示す構成図である。

【図２】図１の露光装置中の照明光学系を拡大して示し
た斜視図である。

【図３】本発明の原理を説明する線図である。

【図４】本発明の実施の形態である照明光学系の構成を
示す模式図である。

【図５】従来の投影露光装置の構成を示す構成図であ
る。

【図６】実施例の計算結果を示す表である。

【図７】別の実施例の計算結果を示す表である。

【図８】本発明の実施の形態で用いることのできる第１
のオプティカルインテグレータの交換装置を光軸方向か
ら見た正面図である。

【符号の説明】

１１光源１２エキスパンダレンズ１３、１３ａ、１３ｂ第１のオプティカルインテグレ
ータ１４リレー光学系１４ａ第１群レンズ系１４ｂ第２群レンズ系１５第２のオプティカルインテグレータ１６コンデンサレンズＡ第１のオプティカルインテグレータの入射側の面Ｂ第１のオプティカルインテグレータの射出側の面Ｃ第２のオプティカルインテグレータの入射側の面Ｄ第２のオプティカルインテグレータの射出側の面ＡＳ開口絞りＰＬ投影光学系ＲレチクルＷウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光束を入射面側から入射させて射出面側
に複数の２次光源像を形成する第１オプティカルインテ
グレータと；前記第１オプティカルインテグレータによ
り形成された２次光源像からの光束を入射面側から入射
させて複数の３次光源像を射出面側に形成する第２オプ
ティカルインテグレータと；前記第１オプティカルイン
テグレータと前記第２オプティカルインテグレータとの
間に配置されたリレー光学系とを備え；前記リレー光学
系は、前記第１オプティカルインテグレータの入射面と
前記第２オプティカルインテグレータの入射面とをほぼ
共役関係にし、前記第１オプティカルインテグレータの
射出面と前記第２オプティカルインテグレータの射出面
をほぼ共役関係にするように構成されており、且つ前記
リレー光学系は焦点距離がｆ１の第１群の光学系と焦点
距離がｆ２の第２群の光学系とを含んで構成されてお
り、前記両焦点距離にはｆ１≠ｆ２の関係があり、前記
リレー光学系全体の焦点距離が可変であることを特徴と
する；照明光学系。
【請求項２】前記第１オプティカルインテグレータの
射出面と前記第２オプティカルインテグレータの入射面
との距離をＴＬとしたとき、ＴＬ／ｆ１≧０．８の関係
を有することを特徴とする、請求項１に記載の照明光学
系。
【請求項３】前記第１オプティカルインテグレータの
焦点距離が可変であることを特徴とする、請求項１また
は請求項２に記載の照明光学系。
【請求項４】前記第１オプティカルインテグレータ
は、互いに交換可能で、且つ互いに異なる焦点距離を有
する複数のオプティカルインテグレータの群から選択さ
れるように構成されたことを特徴とする、請求項３に記
載の照明光学系。
【請求項５】前記第１オプティカルインテグレータ
は、焦点距離が連続的に可変に構成されたことを特徴と
する、請求項３に記載の照明光学系。
【請求項６】請求項１乃至請求項５のいずれかに記載
の照明光学系と；前記照明光学系により照明されたレチ
クル上のパターンを感光性基板上に投影露光する投影光
学系とを備える；露光装置。
【請求項７】請求項６に記載の露光装置を用いて半導
体デバイスを製造する方法において；前記投影光学系を
介して前記レチクルのパターンを前記感光性基板に転写
する工程を含むことを特徴とする半導体デバイスの製造
方法。