JP3049774B2

JP3049774B2 - 投影露光装置及び方法、並びに素子製造方法

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Publication number: JP3049774B2
Application number: JP2408093A
Authority: JP
Inventors: 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-12-27
Filing date: 1990-12-27
Publication date: 2000-06-05
Anticipated expiration: 2015-06-05
Also published as: JPH04225357A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積素子等の回
路パターン又は液晶素子のパターン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】半導体素子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。この工程には通常、レチクル（マスク）パターンを
半導体ウエハ等の試料基板上に転写する方法が採用され
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、照射光像、すなわちレチクルパターンの透明
部分のパターン形状に応じて、フォトレジストに回路パ
ターンが転写される。投影型露光装置（例えばステッパ
ー）では、レチクル上に描画された転写すべき回路パタ
ーンの像が、投影光学系を介して試料基板（ウエハ）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
ルインテグレーターが使用されており、レチクル上に照
射される照明光の強度分布が均一化される。その均一化
を最適に行な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（パターン面）とはほぼ
フーリエ変換の関係で結ばれており、さらにレチクル側
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、レチクルのパターン面と、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ー入射面に入
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）でほぼ一様になる
ようにしていた。図１３は上述の如き従来の投影型露光
装置（ステッパー）の概略的な構成を示しており、照明
光束Ｌ１３０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１６のパターン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
置されており、投影光学系１８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
介してウエハ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。このとき、照明光学系（１１、１２、１５）の開口
数と投影光学系１８のレチクル側開口数との比、いわゆ
る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。

【０００５】さて、照明光Ｌ１３０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Ｄ₀、＋１次回折光Ｄ_P、及び
−１次回折光Ｄ_mが発生する。それぞれの回折光
（Ｄ₀、Ｄ_m、Ｄ_P）は投影光学系１８により集光さ
れ、ウエハ（試料基板）２０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。このとき、０次
回折光Ｄ₀と±１次回折光Ｄ_P、Ｄ_mとのなす角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。

【０００６】ところで、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Ｄ_P、Ｄ_mは投影光学系１８を透過できなくなる。
このとき、ウエハ２０上には０次回折光Ｄ₀のみしか到
達せず干渉縞は生じない。つまり、ｓｉｎθ＞ＮＡ_Rと
なる場合にはパターン１７の像は得られず、パターン１
７をウエハ２０上に転写することができなくなってしま
う。

【０００７】以上のことから、今までの投影型露光装置
においては、ｓｉｎθ＝λ／Ｐ≒ＮＡ_RとなるピッチＰ
は次式で与えられていた。Ｐ≒λ／ＮＡ_R （１）これより、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／ＮＡ_R程度と
なるが、実際のフォトリソグラフィー工程においてはウ
エハの湾曲、プロセスによるウエハの段差等の影響、ま
た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はプロセス係数と呼ばれ０．６〜０．８程度となる。
レチクル側開口数ＮＡ_Rとウエハ側開口数ＮＡ_Wとの比
は、投影光学系の結像倍率と同じであるので、レチクル
上における最小解像パターンサイズはｋ・λ／ＮＡ_R、
ウエハ上の最小パターンサイズは、ｋ・λ／ＮＡ_W＝ｋ
・λ／Ｂ・ＮＡ_R（但しＢは結像倍率（縮小率））とな
る。

【０００８】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、あるい
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、露光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、いわゆる位相シフトレチクルが、例えば特公昭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、従来よりも微細なパターンの
転写が可能となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き従来の投影型露光装置においては、照明光源を現在
より短波長化（例えば２００ｎｍ以下）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
い等の理由により現時点では困難である。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る。

【００１０】さらに、もし現状以上の大開口化が可能で
あるとしても、±λ／２ＮＡ²で表わされる焦点深度は
開口数の増加に伴なって急激に減少し、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。一方、位相シフトレチクルについては、その製
造工程が複雑になる分コストも高く、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
ている。

【００１１】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も、高解像度かつ大焦点
深度が得られる投影型露光装置の実現を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による投影露光装
置は、光源（１）からの照明光（ＩＬ）をマスク（１
６）に照射する照明光学系と、照明光を基板（２０）上
に投射する投影光学系（１８）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
ものである。そして、第１の投影露光装置では、照明光
学系内のマスク（レチクル１６）のパターン（１７）に
対するフーリエ変換面（投影光学系の瞳面１９と共役な
面）上での照明光の光量分布を異ならせる複数のオプチ
カルインテグレータ（２２Ａ〜２２Ｄ、２３Ａ）を備
え、基板上に転写すべきパターンに応じて選択される複
数のオプチカルインテグレータの１つはその一端面（焦
点面）がフーリエ変換面にほぼ一致して配置されること
とした。このため、基板上に転写すべきパターンに応じ
て最適なオプチカルインテグレータを用いることがで
き、特に照明光の光量分布を照明光学系の光軸外の領域
で高めるときに最適なオプチカルインテグレータを用い
て高解像度かつ大焦点深度でパターンを基板上に転写す
ることが可能となる。また、第２の投影露光装置では、
照明光を入射して互いに異なる２次光源をそれぞれ形成
する複数のオプチカルインテグレータ（２２Ａ〜２２
Ｄ、２３Ａ）を備え、基板上に転写すべきパターンに応
じて選択される複数のオプチカルインテグレータの１つ
はその一端面（焦点面）が照明光学系内のフーリエ変換
面（投影光学系の瞳面１９と共役な面）にほぼ一致して
配置されることとした。このため、基板上に転写すべき
パターンに応じて最適なオプチカルインテグレータを用
いることができ、特に照明光学系の光軸外に２次光源を
形成するときに最適なオプチカルインテグレータを用い
て高解像度かつ大焦点深度でパターンを基板上に転写す
ることが可能となる。なお、第１及び第２の投影露光装
置では、複数のオプチカルインテグレータが、照明光学
系内でその光軸（ＡＸ）上に配置される第１オプチカル
インテグレータ（２３Ａ）と、照明光学系内でその光軸
（ＡＸ）外に配置される第２オプチカルインテグレータ
（１１Ａ、１１Ｂ）とを含むことが望ましい。ここで、
本発明による第１及び第２の投影露光装置は、オプチカ
ルインテグレータとして一端面、即ちレチクル側焦点面
が照明光学系内のフーリエ変換面にほぼ一致して配置さ
れるフライアイレンズを用い、かつそのフーリエ変換面
上での照明光の光量分布を照明光学系の光軸外の領域で
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において従来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（１
１Ａ、１１Ｂ）は、そのレチクル側焦点面１１ｂが照明
光学系内でレチクル１６上の回路パターン（レチクルパ
ターン）１７に対してほぼフーリエ変換面の位置（投影
レンズ１８の瞳面１９と共役な位置）となるように配置
され、かつフライアイレンズ（１１Ａ、１１Ｂ）は、複
数のフライアイレンズ群に分散して配列される。また、
フライアイレンズ（１１Ａ、１１Ｂ）のレチクル側焦点
面１１ｂにおける照明光量分布を、複数のフライアイレ
ンズ群１１Ａ、１１Ｂの個々のフライアイレンズ位置以
外ではほぼ零とするために、フライアイレンズ（１１
Ａ、１１Ｂ）の光源側（またはレチクル側、もしくはフ
ライアイレンズと一体）に遮光部材１０を設ける。この
ため、フライアイレンズ（１１Ａ、１１Ｂ）のレチクル
側焦点面１１ｂにおける照明光量分布は、各フライアイ
レンズ群１１Ａ、１１Ｂの位置でのみ存在し、それ以外
ではほぼ零となる。

【００１３】また、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ
のレチクル側焦点面１１ｂはレチクルパターン１７に対
するフーリエ変換面にほぼ等しいので、フライアイレン
ズ群１１Ａ、１１Ｂのレチクル側焦点面１１ｂでの光量
分布（光束の位置座標）は、レチクルパターン１７に対
する照明光束の入射角度ψに対応することになる。従っ
て、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの個々の位置
（光軸ＡＸに垂直な面内での位置、即ち光軸ＡＸとの距
離）に応じて、レチクルパターン１７に入射する照明光
束の入射角を調整することができる。ここで、フライア
イレンズ群１１Ａ、１１Ｂは光軸ＡＸと対称に配置する
のが望ましく、また各フライアイレンズ群は少なくとも
１つ以上のレンズエレメントで構成される。さらに、レ
チクルパターン１７の周期性（ピッチ、配列方向等）の
違いに応じて、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの照
明光学系もしくは投影光学系の光軸に対する偏心状態を
互いに異ならせて一体に保持する複数の保持部材の各々
を交換可能に照明光学系の光路中に配置する構成として
もよい。このため、複数の保持部材の各々を照明光学系
の光路中に配置する、具体的には転写すべきレチクルパ
ターンの周期性に基づいて、複数の保持部材の中からレ
チクルパターンに最適な１つを選択し、この選択された
保持部材を光路中に配置することによって、レチクル１
６に入射するそれぞれの照射光束（複数本）の入射角度
を、レチクルパターン１７の周期性にあわせて制御する
ことが可能となっている。

【００１４】本発明による第３の投影露光装置では、照
明光学系内のフーリエ変換面上での照明光（ＩＬ）の光
量分布を、パターン（１７）の周期性、即ち微細度（ピ
ッチＰ）に応じた距離だけ照明光学系の光軸（ＡＸ）か
ら偏心した複数の領域（例えばフライアイレンズ１１
Ａ、１１Ｂの射出面に相当）で高めるために用いられる
第１光学部材（７１）と、基板（２０）上に転写すべき
パターンに応じてその光量分布を変更するときに、第１
光学部材（７１）との交換で照明光学系内に配置される
第２光学部材（７２）とを備え、第１及び第２光学部材
は照明光学系内でオプチカルインテグレータ（３０Ａ、
３０Ｂ；３１Ａ、３１Ｂ）よりも光源（１）側に配置さ
れることとした。また、第１光学部材は照明光を遮光す
ることなくその複数の領域にそれぞれ分布させる光学素
子（例えばファイバー、又は回折格子状パターンなど）
であることが望ましい。このため、第１光学部材を用い
るとき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る。また、第１光学部材との交換で
第２光学部材を用いることで、例えば光量分布の変更に
よって生じ得る光量損失を低減することができる。な
お、前述した第１〜第３の投影露光装置では、照明光に
よる基板の露光中に、基板と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駆動手段を設け、見か
け上の焦点深度を拡大させるようにしてもよい。また、
本発明による第４の投影露光装置では、照明光学系内の
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（ＡＸ）から偏心した複数の領域で高めるととも
に、パターン（１７）の周期性、即ち微細度（ピッチ
Ｐ）に応じて光軸（ＡＸ）との距離を複数の領域でほぼ
等しく規定する光学部材（１１）と、照明光による基板
の露光中に、基板と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駆動手段（１１０、１１２）と
を設けることとした。このため、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、さらに見かけ上の焦点深度を拡大させることが可能
となる。さらに、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。また、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（ＩＬ）をマスク（１
６）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、
第１の投影露光方法では、基板（２０）上に転写すべき
パターンに応じて、照明光学系内のフーリエ変換面上で
の照明光の光量分布を異ならせる複数のオプチカルイン
テグレータ（１１Ａ１１Ｂ；２２Ａ〜２２Ｄ；２３Ａ）
の１つを選択し、この選択したオプチカルインテグレー
タをその一端面がそのフーリエ変換面にほぼ一致するよ
うに照明光学系内に配置することとした。このため、基
板上に転写すべきパターンに応じて最適なオプチカルイ
ンテグレータを用いることができ、特に照明光の光量分
布を照明光学系の光軸外の領域で高めるときに最適なオ
プチカルインテグレータを用いて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る。ま
た、第２の投影露光方法では、照明光学系内のフーリエ
変換面上での照明光の光量分布を照明光学系の光軸（Ａ
Ｘ）から偏心した複数の領域で高めるとともに、基板上
に転写すべきパターンの周期性、即ち微細度（ピッチ
Ｐ）に応じて光軸（ＡＸ）との距離を複数の領域でほぼ
等しく規定し、照明光による基板の露光中に、基板と投
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
ることとした。このため、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、さら
に見かけ上の焦点深度を拡大させることが可能となる。

【００１５】

【作用】レチクル（マスク）上に描画された回路パター
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、１つのフライアイレンズ群１１Ａからの照明光
が照射されたレチクルパターン１７からは、０次回折光
成分Ｄ₀及び±１次回折光成分Ｄ_P、Ｄ_m及びより高次
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。このとき、照明光束（主光線）が、傾いた角度で
レチクル１６に入射するので、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、ある傾き（角度
ずれ）をもってレチクルパターン１７から発生する。図
１２中の照明光Ｌ１２０は、光軸に対してψだけ傾いて
レチクル１６に入射する。

【００１６】照明光Ｌ１２０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Ｄ₀、０次回折光に対してθ_Pだけ傾いて
進む＋１次回折光Ｄ_P、及び０次回折光Ｄ₀に対してθ
_mだけ傾いて進む−１次回折光Ｄ_mを発生する。ここ
で、照明光Ｌ１２０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
ターンに入射するので、０次回折光Ｄ₀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。

【００１７】従って、＋１次回折光Ｄ_Pは光軸ＡＸに対
して（θ_P＋ψ）の方向に進行し、−１次回折光Ｄ_mは
光軸ＡＸに対して（θ_m−ψ）の方向に進行する。この
とき、回折角θ_P、θ_mはそれぞれ、 sin(θ_P＋ψ）− sinψ＝λ／Ｐ（２） sin(θ_m−ψ）＋ sinψ＝λ／Ｐ（３）である。ここでは、＋１次回折光Ｄ_P、−１次回折光Ｄ
_mの両方が投影光学系１８の瞳１９を透過しているもの
とする。

【００１８】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、まず角度（θ_P＋ψ）の方向に進行
する＋１次回折光Ｄ_Pが投影光学系１８の瞳１９を透過
できなくなる。すなわち、ｓｉｎ（θ_P＋ψ）＞ＮＡ_R
の関係になってくる。しかし、照明光Ｌ１２０が光軸Ａ
Ｘ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Ｄ_mは、投影光学系１８に入射可能と
なる。すなわち、ｓｉｎ（θ_m−ψ）＜ＮＡ_Rの関係に
なる。

【００１９】従って、ウエハ２０上には０次回折光Ｄ₀
と−１次回折光Ｄ_mとの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エハ２０上に塗
布されたレジスト層に、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。

【００２０】このときの解像限界は、ｓｉｎ（θ_m−ψ）＝ＮＡ_R （４）となるときであり、従って、ＮＡ_R＋ｓｉｎψ＝λ／ＰＰ＝λ／（ＮＡ_R＋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。

【００２１】一例として、ｓｉｎψを０．５×ＮＡ_R程
度に定めるとすれば、転写可能なレチクル上のパターン
の最小ピッチはＰ＝λ／（ＮＡ_R＋０．５ＮＡ_R）＝２λ／３ＮＡ_R （６）となる。

【００２２】一方、図１３に示したように、照明光の瞳
１９上での光量分布が投影光学系１８の光軸ＡＸを中心
とする円形領域内である従来の投影型露光装置の場合、
解像限界は（１）式に示したようにＰ≒λ／ＮＡ_Rであ
った。従って、従来の投影型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
して特定の入射角で露光光を照射することで、０次回折
光成分と１次回折光成分とを用いてウエハ上に結像パタ
ーンを形成する方法によって、焦点深度も大きくなる理
由について説明する。

【００２３】図１２のように、ウエハ２０が投影光学系
１８の焦点位置（最良結像面）に一致している場合に
は、レチクルパターン１７中の１点を出てウエハ２０上
の一点に達する各回折光成分は、投影光学系１８のどの
部分を通るものであってもすべ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）を通過する場
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
エハ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
成分の光路長は光軸近傍を通る０次回折光成分に対して
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、…の各回折光成分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。

【００２４】前述のデフォーカスによる波面収差は、ウ
エハ２０の焦点位置からのずれ量をΔＦ、各回折光成分
が−（負）側に入射するときの入射角θ_wの正弦をｒ
（ｒ＝ｓｉｎθ_w）とすると、ΔＦｒ²／２で与えられ
る量である。このとき、ｒは各回折光成分の瞳面１９で
の光軸ＡＸからの距離を表わす。図１３に示した従来の
投影型露光装置（ステッパー）では、０次回折光Ｄ₀は
光軸ＡＸの近傍を通るのでｒ（０次）＝０となる。一
方、±１次回折光Ｄ_P、Ｄ_mは、ｒ（１次）＝Ｍ・λ／
Ｐとなる（Ｍは投影光学系の結像倍率）。

【００２５】従って、０次回折光Ｄ₀と±１次回折光Ｄ
_P、Ｄ_mと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。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Ｄ₀は
光軸ＡＸ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次回折光成分の光軸ＡＸからの距離
は、ｒ（０次）＝Ｍ・ｓｉｎψである。

【００２６】さらに、−１次回折光成分Ｄ_mの瞳面にお
ける光軸からの距離はｒ（−１次）＝Ｍ・ｓｉｎ（θ_m
−ψ）となる。そしてこのとき、ｓｉｎψ＝ｓｉｎ（θ
_m−ψ）となれば、０次回折光成分Ｄ₀と−１次回折光
成分Ｄ_mのデフォーカスによる相対的な波面収差は零と
なり、ウエハ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。すなわち、焦点深度が増大することになる。ま
た、（３）式のように、ｓｉｎ（θ_m−ψ）＋ｓｉｎψ
＝λ／Ｐであることから、照明光束Ｌ１２０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、ｓ
ｉｎψ＝λ／２Ｐなる関係に定めれば、焦点深度を極め
て増大させることが可能である。

【００２７】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例による投影型露
光装置の構成を示し、フライアイレンズ群１１Ａ、１１
Ｂの夫々の光源側焦点面１１ａに照明光の光量分布を集
中せしめる光学部材（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。

【００２８】図１において、水銀ランプ１より発生した
照明光束ＩＬは、楕円鏡２の第２焦点ｆ₀に集光した
後、ミラー３、レンズ系４等のリレー系を介して回折格
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Ｉ
Ｌａ、ＩＬｂは、リレーレンズ９によりフライアイレン
ズ群１１Ａ、１１Ｂの夫々に集中して入射する。このと
き、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ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。一方、フ
ライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂのレチクル側焦点面１
１ｂは、レチクルパターン１７のフーリエ変換面（瞳共
役面）とほぼ一致するように、光軸ＡＸと垂直な面内方
向に配置されている。尚、図１では回折格子状パターン
５への照明光を平行光束として図示したが、実際には発
散光束となっているため、フライアイレンズ群１１Ａ、
１１Ｂへの入射光束はある大きさ（太さ）を持ってい
る。

【００２９】また保持部材１１は、フライアイレンズ群
１１Ａ、１１Ｂの各中心（換言すれば、フライアイレン
ズ群１１Ａ、１１Ｂの各々における２次光源像が作る各
光量分布の重心）がレチクルパターンの周期性に応じて
決まる量だけ、光軸ＡＸに対して偏心した離散的な位置
に設定されるように、フライアイレンズ群１１Ａ、１１
Ｂを一体に保持している。さらに、可動部材２４（本発
明の切替部材）には保持部材１１とともに、レチクルパ
ターン１７の周期性の違いに応じて、複数のフライアイ
レンズ群の光軸ＡＸに対する偏心状態を互いに異ならせ
て保持する複数の保持部材（不図示）が一体に固定され
ており、この可動部材２４を駆動することによって、複
数の保持部材の各々を交換可能に照明光学系の光路中に
配置できるようになっているが、その詳細については後
述する。

【００３０】ここで、同じ保持部材に固定される複数の
フライアイレンズ群（１１Ａ、１１Ｂ）の各々は、同一
の形状、同一の材質（屈折率）のものであることが望ま
しい。さらに、図１に示した個々のフライアイレンズ群
１１Ａ、１１Ｂの各レンズエレメントは、両凸レンズと
し、かつ光源側焦点面１１ａと入射面、レチクル側焦点
面１１ｂと射出面がそれぞれ一致する場合の例であった
が、フライアイレンズ群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、またレンズエレメントは
平凸レンズ、凸平レンズ、あるいは平凹レンズであって
も良い。

【００３１】尚、フライアイレンズ群の光源側焦点面１
１ａ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の例の場合には、
フライアイレンズ群のレチクル側焦点面１１ｂ、すなわ
ちフライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの射出面が、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、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ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
ズ群１１Ａ、１１Ｂの射出側に遮光部材１２を配置し、
回折格子状パターン５からの０次回折光ＩＬｃ等をカッ
トする。遮光部材１２は、フライアイレンズ群に合わせ
て開口部をくり抜いた金属板、あるいはガラス、石英基
板等に金属等の不透明物質がパターニングされたもので
ある。遮光部材１２の開口部は、それぞれフライアイレ
ンズ群１１Ａ、１１Ｂの各位置に対応している。このた
め、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂのレチクル側焦
点面１１ｂの近傍における照明光量分布をそれぞれのフ
ライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの位置以外では零とす
ることができる。従って、レチクルパターン１７に照射
される照明光は、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂよ
り射出される光束（２次光源像からの光束）のみとな
り、レチクルパターン１７への入射角も、特定の入射角
を持つ光束（複数）のみに制限される。

【００３２】ここで、本実施例においては保持部材（フ
ライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ）が交換可能となって
いるので、遮光部材１２の開口部もこれに応じて可変で
あるか、もしくは遮光部材１２も交換可能でなければな
らない。例えば、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂと
ともに遮光部材１２を保持部材に固定しておき、これら
を一体に交換可能に構成することが望ましい。尚、フラ
イアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの各々へ入射する光束の
大きさ（太さ）を、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ
の光源側焦点面１１ａの大きさとほぼ同等、もしくはそ
れ以下に定めれば、特に遮光部材１２を照明光学系中
（フライアイレンズ群の近傍）に設ける必要がないこと
は言うまでもない。

【００３３】以上のように、レチクルパターン１７に対
して特定の入射角で照明光を照射することで、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、ウエハ２０上にレチ
クルパターン１７の像が転写される。前述の回折格子状
パターン５を使って照明光束を回折させ、その回折光を
フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの光源側焦点面内の
特定の位置（フライアイレンズ群）に集中させる際、そ
の集中位置は、回折格子状パターン５のピッチや方向性
によって変化する。従って、各フライアイレンズ１１
Ａ、１１Ｂの位置に照明光を集中させるべく、回折格子
状パターン５のピッチや方向性を決定する。

【００３４】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
ができており、かつ、レチクルパターン面１７とフライ
アイレンズ群１１Ａ、１１Ｂのレチクル側焦点面１１ｂ
とは、フーリエ変換の関係となっているので、レチクル
１６上での照明強度分布は、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。また、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い。

【００３５】ここで、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
ターニングさせ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、いわゆる位相グレーテ
ィングであって良い。位相グレーティングの場合、０次
回折光の発生を押さえることができる。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、すなわちＡｌ等の金属膜や誘電体
多層膜を回折格子状にパターニングしたものでも良く、
さらに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にリレーレンズ系４からの照明光束を照射し、そ
こで反射回折された回折光をリレーレンズ９を介してフ
ライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ近傍に集中させればよ
い。尚、個々のフライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂが移
動した（すなわち保持部材を交換した）場合にも、それ
ぞれのフライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの近傍に照明
光を集中できるように、回折格子状パターン５又は５Ａ
はピッチの異なるものに交換可能であるものとする。

【００３７】また、回折格子状パターン５又は５Ａは光
軸ＡＸと垂直な面内で任意の方向に回転可能であっても
良い。このようにすると、レチクルパターン１７中のラ
インアンドスペースパターンのピッチ方向がＸ、Ｙ方向
と異なる場合（すなわちピッチ方向に応じてフライアイ
レンズ群１１Ａ、１１Ｂが移動（光軸ＡＸを中心として
回転）した場合）にも対応できる。

【００３８】さらに、リレーレンズ９を複数枚のレンズ
より成るズームレンズ系（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。但し、このときは回折格子状パタ
ーン５又は５Ａと、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ
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。

【００３９】ところで、図１には装置全体を統括制御す
る主制御系５０と、レチクル１６が投影光学系１８の直
上に搬送される途中でレチクルパターン１７の脇に形成
された名称を表すバーコードＢＣを読み取るバーコード
リーダ５２と、オペレータからのコマンドやデータを入
力するキーボード５４と、複数の保持部材（フライアイ
レンズ群１１Ａ、１１Ｂ及び遮光部材１２）が固定され
た可動部材を駆動するための駆動系（モータ、ギャトレ
ン等）５６とが設けられている。主制御系５０内には、
この投影型露光装置（例えばステッパー）で扱うべき複
数枚のレチクルの名称と、各名称に対応したステッパー
の動作パラメータとが予め登録されている。そして、主
制御系５０はバーコードリーダ５２がレチクルバーコー
ドＢＣを読み取ると、その名称に対応した動作パラメー
タの１つとして、予め登録されているフライアイレンズ
群１１Ａ、１１Ｂの位置（瞳共役面内の位置）に関する
情報（レチクルパターンの周期性に対応している）に最
も見合った保持部材を、複数の保持部材の中から１つ選
択して、所定の駆動指令を駆動系５６に出力する。これ
によって、先に選択された保持部材（フライアイレンズ
群１１Ａ、１１Ｂ）が図１２で説明したような位置に設
定されることになる。以上の動作は、キーボード５４か
らオペレータがコマンドとデータを主制御系５０へ直接
入力することによっても実行できる。

【００４０】以上、第１の実施例について説明したが、
フライアイレンズ群の光源側焦点面での光量分布を、個
々のフライアイレンズ位置近傍に集中させる光学部材
は、回折格子状パターン５、又は５Ａのみには限定され
ない。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６を図３に示すように配置
し、かつ可動平面鏡６を回転可動ならしめるモータ等の
駆動部材６ａを設ける。そして、駆動部材６ａによって
平面鏡６を回転または振動させれば、フライアイレンズ
群１１Ａ、１１Ｂの光源側焦点面（入射面）１１ａ内で
の光量分布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６を適当な複数の角度位置に回動させれ
ば、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの光源側焦点面
１１ａ内での光量分布を、複数のフライアイレンズ群の
うちいずれか１つのフライアイレンズ群の位置近傍のみ
に集中させることができる。尚、このような可動反射鏡
６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。

【００４１】さらに、個々のフライアイレンズ群１１
Ａ、１１Ｂが移動（保持部材１１を交換）した場合に
は、前述の平面鏡６の複数の角度位置の角度座標を変更
し、新しい位置のフライアイレンズ群の近傍に反射光束
を集中させれば良い。ところで、図３中に示した遮光部
材１２はフライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ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良い。

【００４２】図４は、フライアイレンズ群の夫々に、照
明光束を集光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。リレーレンズ系４より光源
側、及びフライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ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、
リレーレンズ系４を透過した照明光は、光ファイバー束
７の入射部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、フ
ライアイレンズ群の数に対応した複数の束に分割され、
それぞれの射出部７ｂは、フライアイレンズ群１１Ａ、
１１Ｂの光源側焦点面１１ａ近傍に配置される。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
ズ群１１の間に、それぞれレンズ（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
イアイレンズ群１１の光源側焦点面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。さらに、各射出部７ｂ（または射出部７ｂと
フライアイレンズ群１１ｂとの間のレンズ）は、モータ
等の駆動部材により光軸と垂直な面内で一次元、または
二次元に可動とすれば、保持部材の交換に伴ってフライ
アイレンズ群が移動した場合にも、照明光束を移動後の
各フライアイレンズ群の位置近傍に集中させることがで
きる。

【００４３】図５は各フライアイレンズ群に照明光束を
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Ａ
Ｘを境界として２つの屈折面に分割されており、光軸Ａ
Ｘ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させる。従っ
て、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの光源側焦点面
１１ａ上で、プリズム８の屈折角に応じて、個々のフラ
イアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ近傍に照明光を集中させ
ることができる。

【００４４】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、フライアイレンズ群の数に応じて何面
に分割されていても良い。また、分割される位置は光軸
ＡＸと対称な位置にはこだわらなくとも良い。さらにプ
リズム８を交換することにより、保持部材の交換に伴っ
てフライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂが移動した場合に
も、それぞれのフライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの位
置に照明光束を適確に集中させることができる。

【００４５】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。但
し、この場合には分割された光束同志の偏光方向が異な
るため、ウエハ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良い。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
を図３のように配置すれば、駆動部材６ａは不用とな
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を省略することが
できる。

【００４６】図６は各フライアイレンズ群へ照明光束を
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。図６において、リレーレ
ンズ系４を透過した照明光は、１次ミラー８ｂ、８ｃに
より２方向に分離されるように反射されて、２次ミラー
８ａ、８ｄに導かれ、再び反射されてフライアイレンズ
群１１Ａ、１１Ｂの光源側焦点面１１ａに達する。ミラ
ー８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの各々に、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、保
持部材の交換に伴うフライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ
の移動後も、照明光束をそれぞれのフライアイレンズ群
１１Ａ、１１Ｂの近傍に集中させることができる。ま
た、各ミラー８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは平面ミラーであ
っても、凸面あるいは凹面ミラーであっても良い。

【００４７】また、２次ミラー８ａ、８ｄとフライアイ
レンズ群１１Ａ、１１Ｂ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８
ａ、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、フライアイレンズ群の数によって適宜
ミラーを配置すれば良い。以上の各実施例においては、
フライアイレンズ群をすべて２個としたが、フライアイ
レンズ群の個数は３個以上であってももちろん良い。ま
た、個々のフライアイレンズ群に照明光を集中させる光
学部材についても、主に２ヶ所への光の集中を述べた
が、フライアイレンズ群の数に応じて複数の位置へ照明
光を集中せしめることは言うまでもない。以上の実施例
は、全て任意の位置（フライアイレンズ群の位置に対応
する）への照明光の集中が可能である。また、各フライ
アイレンズ群へ照明光を集中させる光学部材は、実施例
に挙げた型式にはとどまらず、他のいかなるものであっ
ても良い。

【００４８】また、遮光部材１２は前述の図１２の如
く、フライアイレンズ群の光源側焦点面１１ａ近傍に設
けられた遮光部材１０に置換しても良いし、図１から図
６までに示される各実施例と、図１２に示した遮光部材
１０を組み合わせて使用しても良い。また、遮光部材１
０、１２はフライアイレンズ群のレチクル側焦点面１１
ｂや光源側焦点面１１ａに限らず、任意の位置に配置す
ることができるが、例えば上記２つの焦点面１１ａ、１
１ｂの間などは好適な場所である。

【００４９】また、個々のフライアイレンズ群１１Ａ、
１１Ｂの近傍のみへ照明光を集中させる光学部材（イン
プット光学系）は、レチクル１６を照明する照明光量の
損失を防止するためのものであり、本発明の投影型露光
装置の特徴である高解像度及び大焦点深度の効果を得る
ための構成とは直接関連するものではない。従って、上
記光学部材は複数のフライアイレンズ群の夫々に照明光
をフラッドに入射させるだけの大きな径のレンズ系だけ
でもよい。

【００５０】図７は本発明の他の実施例による投影型露
光装置（ステッパー）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。尚、ここではフライアイ
レンズ群１１Ａ、１１Ｂを保持する保持部材１１及び可
動部材２４は省略してある。また、フライアイレンズ群
１１Ａ、１１Ｂより光源側は前述の図１〜図６あるいは
図１２に示した構成のいずれかとなっている。さらに、
フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂのレチクル側焦点面
１１ｂの近傍に、任意の開口部（透過部）を有する遮光
部材１２ａが設けられ、フライアイレンズ群１１Ａ、１
１Ｂから射出される照明光束を制限する。

【００５１】リレーレンズ１３ａに対するフライアイレ
ンズ群１１Ａ、１１Ｂのレチクル側焦点面１１ｂのフー
リエ変換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、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂのレチク
ル側焦点面１１ｂの共役面（フーリエ面）１２ｂに到
る。先の遮光部材１２ａは、このフーリエ面１２ｂに設
けても良い。

【００５２】各フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂから
の照明光束は、さらにコンデンサーレンズ１３Ｃ、１
５、及びミラー１４によってレチクル１６に導かれる。
尚、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの各々に入射す
る照明光束が有効に、そこのみに集中できる系であれ
ば、遮光部材を図中の１２ａまたは１２ｂの位置に設け
なくても全く問題ない。このような場合でも、視野絞り
（レチクルブラインド）１３ｄの使用が可能である。

【００５３】以上のいずれの実施例においても、遮光部
材１０、１２、１２ａの開口部１つ当たりの径（または
フライアイレンズ群の夫々の射出端面積）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（ＮＡ_R）との比、
いわゆる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。ま
た、フライアイレンズ群の１つによって決まるσ値の条
件（０．１＜σ＜０．３程度）を満たすために、個々の
フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの射出端面積の大き
さ（光軸と垂直な面内方向の大きさ）を、照明光束（射
出光束）にあわせて決定しても良い。

【００５４】また、各フライアイレンズ群１１Ａ、１１
Ｂのレチクル側焦点面１１ｂ近傍に、それぞれ可変開口
絞り（遮光部材１２と同等のもの）を設けて、各フライ
アイレンズ群からの光束の開口数を可変として、σ値を
変えても良い。それとあわせて、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（Ｎ
Ａ制限絞り）を設けて、投影系としてのＮＡも、σ値を
より最適化することもできる。

【００５５】また、各フライアイレンズ群に入射する光
束は、各フライアイレンズ群の入射端面よりもある程度
外側まで広く照明されており、かつ、各フライアイレン
ズ群に入射する光量分布が均一であると、レチクルパタ
ーン面での照度均一性を一層高められるので好ましい。
次に、以上の各実施例に好適な保持部材交換用の可動部
材２４（本発明の切替部材）の構成を図８、図９を用い
て説明する。

【００５６】図８は可動部材の具体的な構成を示す図で
あって、ここでは４つの保持部材１１、２１、２２、２
３が約９０°間隔で、回転軸２４ａを中心として回転可
能な可動部材（ターレット板）２４上に配置されてい
る。図８ではフライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの各々
に照明光束ＩＬａ、ＩＬｂ（点線）が入射しており、保
持部材１１が照明光学系中に配置されている様子を示し
ている。このとき、保持部材１１はその中心と光軸ＡＸ
とがほぼ一致するように照明光学系中に配置される。複
数のフライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂは、その各中心
がレチクルパターンの周期性に応じて決まる量だけ、照
明光学系の光軸ＡＸに対して偏心した離散的な位置に設
定されるように一体に保持部材１１に保持されており、
ここでは保持部材１１の中心（光軸ＡＸ）に関してほぼ
対称に配置されている。

【００５７】さて、４つの保持部材１１、２１、２２、
２３の各々は、レチクルパターン１７の周期性の違いに
応じて複数のフライアイレンズ群を、光軸ＡＸ（保持部
材の中心）に対する偏心状態（すなわち光軸ＡＸとほぼ
垂直な面内での位置）を互いに異ならせて保持してい
る。保持部材１１、２１は共に２つのフライアイレンズ
群（１１Ａ、１１Ｂ）、（２１Ａ、２１Ｂ）を有してお
り、これらフライアイレンズ群は照明光学系中に配置さ
れたときに、その配列方向が互いにほぼ直交するように
固定されている。保持部材２２は、４つのフライアイレ
ンズ群２２Ａ〜２２Ｄをその中心２２ｃ（光軸ＡＸ）か
らほぼ等距離に配置、固定する。保持部材２３は１つの
フライアイレンズ群２３Ａがほぼ中心に固定され、従来
方式の露光を行う場合に用いられる。

【００５８】図８から明らかなように、前述の如くレチ
クルバーコードＢＣの情報に従って、モータ及びギア等
から成る駆動素子２５によりターレット板２４を回転さ
せることによって、４つの保持部材１１、２１、２２、
２３の各々を交換でき、レチクルパターンの周期性（ピ
ッチ、配列方向等）に応じた所望の保持部材を照明光学
系中に配置することが可能となる。

【００５９】ここで、４つの保持部材の各々では複数の
フライアイレンズ群が所定の位置関係で固定されている
ため、保持部材の交換に際して複数のフライアイレンズ
群間で位置調整を行う必要はない。従って、保持部材全
体を照明光学系の光軸ＡＸに対して位置合わせすれば良
いので、精密な位置決め機構を必要としないといった利
点がある。このとき、駆動素子２５は位置決め用として
も使用されるので、例えばロータリーエンコーダ等の回
転角度計測部材を設けておくことが望ましい。尚、保持
部材を成す複数のフライアイレンズ群の各々は、図８に
示したように１６個（フライアイレンズ群２３Ａのみ３
６個）のレンズエレメントで構成されるが、これに限定
されるものではなく、極端な場合１個のレンズエレメン
トで構成されたフライアイレンズ群としても良い。

【００６０】また、図１では保持部材１１の後方（レチ
クル側）に遮光部材１２を配置していたが、保持部材の
各々においてフライアイレンズ群以外を遮光部とすれ
ば、特に遮光部材１２を設ける必要はない。このとき、
ターレット板２４は透過部でも遮光部であっても良い。
さらに、ターレット板２４に固定すべき保持部材の数、
及び複数のフライアイレンズ群の偏心状態（位置）は図
８に示したものに限られるものでなく、転写すべきレチ
クルパターンの周期性に応じて任意に設定しておけば良
い。また、レチクルパターンへの照明光束の入射角度等
を厳密に設定する必要がある場合には、保持部材におい
て複数のフライアイレンズ群の各々を、光軸ＡＸを中心
としてその半径方向（放射方向）に微動可能に、さらに
光軸ＡＸを中心として保持部材（フライアイレンズ群１
１Ａ、１１Ｂ）を回転可能に構成しても良い。この際、
複数のフライアイレンズ群の各々の近傍に照明光束を集
中するための光学部材（インプット光学系）として、特
に光ファイバー束７（図４）を用いる場合には、フライ
アイレンズ群の移動に伴ってその射出端７ｂも移動する
ように構成しておく、例えば射出端７ｂとフライアイレ
ンズ群とを一体に固定しておけば良い。また、保持部材
の回転に伴って矩形状のフライアイレンズ群も相対的に
傾くが、保持部材を回転させる際には上記傾きを生じさ
せずに、フライアイレンズ群の位置のみが移動するよう
に構成することが望ましい。

【００６１】また、保持部材を交換する際には上記イン
プット光学系、例えば回折格子状パターン５及びリレー
レンズ９（図１）や光ファイバー束７（図４）等も交換
する必要があるので、保持部材毎にその複数のフライア
イレンズ群の偏心状態に応じたインプット光学系を一体
に構成して、可動部材２４に固定しておくことが望まし
い。

【００６２】図９は保持部材交換用の可動部材の変形例
を示す図であって、インプット光学系（光ファイバー束
７１、７２）と保持部材（３２、３４）とが一体に可動
部材（支持棒３６）に固定されている。ここでは光ファ
イバー束を用いる場合について説明するが、インプット
光学系は図１、図５中などに示した他の光学系であって
も構わない。尚、基本的な構成（インプット光学系とし
て光ファイバー束を用いた例）は図４で説明しているの
で、ここでは簡単に説明する。

【００６３】図９において、２つのフライアイレンズ群
３０Ａ、３０Ｂは保持部材３２により一体に保持され、
光ファイバー束７１はその入射部７１ａと射出部７１ｂ
とが共に固定具３３により保持されるとともに、保持部
材３２は固定具３３に一体に固定されている。また、保
持部材３２の内部はフライアイレンズ群３０Ａ、３０Ｂ
を除いて遮光部（図中の斜線部、例えば図１の遮光部材
１２に対応）となっている。一方、交換用のフライアイ
レンズ群３１Ａ、３１Ｂは保持部材３４により一体に保
持され、光ファイバー束７２はその入射部７２ａと射出
部７２ｂとが共に固定具３５により保持されるととも
に、保持部材３４は固定具３５に一体に固定されてお
り、上記と同様にその内部は遮光部となっている。さら
に、固定具３３、３５は連結部材３７により接続、固定
されている。従って、保持部材の交換に際しては固定具
ごと交換を行えば良い。尚、図９では固定具３３（保持
部材３２）が照明光学系中に存在し、交換用の固定具３
５は照明光学系から外れた位置に設定されている。ま
た、リレーレンズ系４より光源側、及びコンデンサーレ
ンズ１３よりレチクル側は、例えば図１と同じ構成であ
るとする。

【００６４】ところで、保持部材の交換は、駆動素子３
８により支持棒３６を押し引きすることによって行われ
る。従って、図９の如く保持部材の交換に際してフライ
アイレンズ群と光ファイバー束とを一体に交換可能に構
成しておけば、上記一体となった部材群（固定具）と照
明光学系全体とを位置合わせするだけで良く、交換毎の
各部材（フライアイレンズ群、光ファイバー束等）間の
位置調整が不要となるといった利点がある。このとき、
駆動素子３８は位置決め用としても使用されるので、例
えばリニアリーエンコーダ、ポテンショメータ等の位置
計測部材を設けておくことが望ましい。

【００６５】尚、図８及び図９中に示した保持部材毎の
フライアイレンズ群、及びフライアイレンズ群を成すレ
ンズエレメントの数は任意で良く、さらにフライアイレ
ンズ群及びレンズエレメントの入射面または射出面の形
状は長方形に限定されるものではない。さて、図８及び
図９に示した複数のフライアイレンズ群の各位置（光軸
と垂直な面内での位置）、換言すれば選択すべき保持部
材は、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。この場合の決定（選択）方法は作用
の項で述べた通り、各フライアイレンズ群からの照明光
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）、もしく
はその近傍にフライアイレンズ群を有する保持部材とす
れば良い。

【００６６】次に、最適な保持部材を選択するための各
フライアイレンズ群の位置決定の具体例を、図１０及び
図１１（Ａ）〜（Ｄ）を用いて説明する。図１０はフラ
イアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂからレチクルパターン１
７までの部分を模式的に表わす図であり、フライアイレ
ンズ群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群１１のレチクル側焦点面１１
ｂ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。

【００６７】図１１（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１１（Ｂ）は図１１（Ａ）のレチクルパタ
ーンの場合に最適なフライアイレンズ群の中心のフーリ
エ変換面（または投影光学系の瞳面）での位置を示し、
図１１（Ｄ）は図１１（Ｃ）のレチクルパターンの場合
に最適な各フライアイレンズ群の位置を表わす図であ
る。

【００６８】図１１（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、個々のフライアイレ
ンズ群の最適位置は、図１１（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、及び線分Ｌ
β上の任意の位置となる。図１１（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ＡＸ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１１（Ａ）と同一にしてある。さて、図１１（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／２Ｐ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、各フライアイレンズの各中心位置が線
分Ｌα、Ｌβ上にあれば、図１１（Ａ）に示す如きライ
ンアンドスペースパターンに対して、各フライアイレン
ズ群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。

【００６９】次に、図１１（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１１（Ｄ）
はこの場合の各フライアイレンズ群の最適位置を表わす
図であって、図１１（Ｃ）との位置、回転関係は図１１
（Ａ）、（Ｂ）の関係と同じである。図１１（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１１（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１１（Ｃ）のパタ
ーンではＸ方向のピッチはＰｘであるから、図１１
（Ｄ）に示す如く、α＝β＝ｆ・（１／２）・（λ／Ｐ
ｘ）となる線分Ｌα、Ｌβ上に各フライアイレンズ群の
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上に各フラ
イアイレンズ群の中心があれば、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。

【００７０】以上、図１１（Ｂ）または（Ｄ）に示した
各位置に配置したフライアイレンズ群からの照明光束が
レチクルパターン１７に入射すると、０次光回折光成分
Ｄ₀と、＋１次回折光成分Ｄ_Rまたは−１次回折光成分
Ｄ_m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からほぼ等距離となる光路を通る。従っ
て、作用の項で述べた通り、高解像及び大焦点深度の投
影型露光装置が実現できる。

【００７１】以上、レチクルパターン１７として図１１
（Ａ）または（Ｃ）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
なる光路を通るような位置に各フライアイレンズ群の中
心を配置すれば良い。また、図１１（Ａ）、（Ｃ）のパ
ターン例で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ため、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良い。

【００７２】また、レチクルパターン１７が図１１
（Ｄ）に示す如く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１９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（１つのフライアイレンズ群）の位置を調節す
れば良い。例えば、図１１（Ｄ）中で各フライアイレン
ズ群の中心位置を点Ｐζ、Ｐη、Ｐκ、Ｐμのいずれか
と一致させると良い。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。

【００７３】尚、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できる。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、フ
ライアイレンズ群の最適位置は、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、あるいは
各最適位置の平均位置にフライアイレンズ群を配置して
も良い。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良い。

【００７４】以上、複数のフライアイレンズ群の位置決
定の例を示したが、照明光束は前述の光学部材（回折格
子状パターン、可動ミラー、プリズム或いはファイバー
等）により、保持部材の交換に伴う各フライアイレンズ
群の移動位置に対応して集中させたが、このような集中
化のための光学部材は設けなくても良い。また、各フラ
イアイレンズ群を射出した光束は、それぞれレチクルに
対して傾いて入射する。このとき、これらの傾いた入射
光束（複数）の光量重心の方向がレチクルに対して垂直
でないと、ウエハ２０の微小デフォーカス時に、転写像
の位置がウエ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、各フライアイレンズ群か
らの照明光束（複数）の光量重心の方向は、レチクルパ
ターンと垂直、すなわち光軸ＡＸと平行であるようにす
る。つまり、各フライアイレンズ群に光軸（中心線）を
仮定したとき、投影光学系１８の光軸ＡＸを基準とした
その光軸（中心線）のフーリエ変換面内での位置ベクト
ルと、各フライアイレンズ群から射出される光量との積
のベクトル和が零になるようにすれば良い。

【００７５】また、より簡単な方法としては、フライア
イレンズ群を２ｍ個（ｍは自然数）とし、そのうちのｍ
個の位置を前述の最適化方法（図１２）により決定し、
残るｍ個は前記ｍ個と光軸ＡＸについて対称となる位置
に配置すれば良い。さらに装置が、例えばｎ個（ｎは自
然数）のフライアイレンズ群を有している場合に、必要
なフライアイレンズ群の数がｎ個より少ないｍ個である
場合、残る（ｎ−ｍ）個のフライアイレンズ群は使用し
なくて良い。（ｎ−ｍ）個のフライアイレンズ群を使用
しなくするためには、（ｎ−ｍ）個のフライアイレンズ
群の位置に遮光部材１０、または１２を設けておけば良
い。またこのとき、各フライアイレンズ群の位置に照明
光を集中する光学部材は、この（ｎ−ｍ）個のフライア
イレンズへは集中を行なわないようにしておくと良い。

【００７６】遮光部材１０または１２は、保持部材の交
換に伴う各フライアイレンズ群の移動に応じて開口部の
位置が可変であることが望ましい。あるいは、各フライ
アイレンズの位置に応じて遮光部材１０、１２を交換と
する機構を設け、かつ何種類かの遮光部材を装置内に有
していても良い。以上の各実施例においては、複数の保
持部材（フライアイレンズ群）を交換可能に構成するこ
とが前提となっていたが、本発明では特に保持部材を交
換可能に構成しておく必要がないことは言うまでもな
く、例えば図８中に示した保持部材１１のみを単に照明
光学系中に配置しておくだけでも、当然ながら本発明の
効果（高解像度、大焦点深度の投影型露光装置の実現）
を得ることができる。尚、光源からの照明光量の損失が
多少あっても構わないときは、特にフライアイレンズ群
に照明光束を集中させる光学部材（インプット光学系）
を配置する必要はない。

【００７７】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（エキ
シマレーザ等）、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良い。また、以
上の実施例においては両側テレセントリックな投影光学
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良い。さらに、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ために、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
良い。

【００７８】また、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ
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
ライアイレンズ群とは別に、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群
１１Ａ、１１Ｂ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、または５Ａよりも光源（ラン
プ）１側であることが望ましい。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）
よりも多角形、特に正六角形にするのが望ましい。

【００７９】図１４は本発明の各実施例に適用される投
影型露光装置のウエハステージ周りの構成を示し、投影
光学系１８のウエハ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１００
Ｂ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、ウエハ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、ウエハ２
０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１８
の像側（ウエハ側）がテレセントリックであれば、どの
ようなタイプの投影型露光装置（ステッパー）でも実現
可能である。

【００８０】図１５（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）分布あるいは存在確率を表し、図１５（Ｂ）
は図１５（Ａ）のような分布を得るためのＺステージ１
１０の速度特性を表す。図１５（Ａ）、（Ｂ）とも縦軸
はＺ（光軸）方向のウエハ位置を表し、図１５（Ａ）の
横軸は存在確率を表し、図１５（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Ｚ₀はベス
トフォーカス位置である。

【００８１】ここでは位置Ｚ₀から上下に投影光学系１
８の理論的な焦点深度±ΔＤ₀ｆ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。

【００８２】このように、ウエハ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・ΔＤ₀ｆ）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。

【００８３】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。

【００８４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、通常のマ
スクを使用しながら、従来よりも高解像度、大焦点深度
の投影型露光装置を実現することが可能である。しかも
本発明によれば、すでに半導体生産現場で稼働中の投影
型露光装置の照明系部分を替えるだけで良く、稼働中の
装置の投影光学系をそのまま利用して、それまで以上の
高解像力化が可能となる。

【００８５】また、本発明の各実施例に示したフライア
イレンズ群への照明光の集中化方式によれば、光源から
の照明光量の損失を最小とすることができるから、露光
装置としてのスループットも極端に低下することがない
といった効果もある。

【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】フライアイレンズ群への照明光の集中化の第１
の変形例を示す図である。

【図３】フライアイレンズ群への照明光の集中化の第２
の変形例を示す図である。

【図４】フライアイレンズ群への照明光の集中化の第３
の変形例を示す図である。

【図５】フライアイレンズ群への照明光の集中化の第４
の変形例を示す図である。

【図６】フライアイレンズ群への照明光の集中化の第５
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】複数のフライアイレンズ群から成る４つの保持
部材の交換を行う可動部材（本発明の切替部材）の具体
的な構成を示す図である。

【図９】複数の保持部材の交換を行う可動部材の変形例
を示す図である。

【図１０】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１１】（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ある。（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。

【図１４】投影型露光装置のウエハステージ回りの構成
を示す図である。

【図１５】ウエ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。

【符号の説明】

５回折格子状パターン９リレーレンズ系１１Ａ、１１Ｂフライアイレンズ系１０、１２遮光部材（空間フィルター）１５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ウエハ２４、３６可動部材

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【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異ならせる複数のオプ
チカルインテグレータを備え、前記基板上に転写すべき
パターンに応じて選択される前記複数のオプチカルイン
テグレータの１つはその一端面が前記フーリエ変換面に
ほぼ一致して配置されることを特徴とする投影露光装
置。
【請求項２】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、前記照明光を入射して互いに異なる２次光源をそれぞれ
形成する複数のオプチカルインテグレータを備え、前記
基板上に転写すべきパターンに応じて選択される前記複
数のオプチカルインテグレータの１つはその一端面が前
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
にほぼ一致して配置されることを特徴とする投影露光装
置。
【請求項３】前記複数のオプチカルインテグレータは、
前記照明光学系内でその光軸上に配置される第１オプチ
カルインテグレータと、前記照明光学系内でその光軸外
に配置される第２オプチカルインテグレータとを含むこ
とを特徴とする請求項１又は２に記載の投影露光装置。
【請求項４】前記第２オプチカルインテグレータから射
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、前記第２オプチカルインテグレータの位置を決定す
ることを特徴とする請求項３に記載の投影露光装置。
【請求項５】前記第２オプチカルインテグレータから射
出される光の前記マスクへの入射角をψ、前記パターン
から発生する同次数の２つの回折光の回折角をθ、前記
投影光学系のマスク側開口数をＮＡ_Rとすると、前記２
つの回折光の一方でｓｉｎ(θ−ψ)＝ＮＡ_Rなる関係が
満たされるように、前記第２オプチカルインテグレータ
の位置を決定することを特徴とする請求項３又は４に記
載の投影露光装置。
【請求項６】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５に記載の投影露光
装置。
【請求項７】前記照明光の波長をλ、前記パターンのピ
ッチをＰとし、前記第２オプチカルインテグレータから
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、前記第２オプチカルイ
ンテグレータの位置を決定することを特徴とする請求項
３〜６のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項８】前記パターンが互いに交差する第１及び第
２方向に沿って設けられるとき、前記第２オプチカルイ
ンテグレータ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、前記第２オプチカルイ
ンテグレータの位置を決定することを特徴とする請求項
３〜７のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項９】前記パターンが互いに交差する第１及び第
２方向に沿って設けられるとき、前記フーリエ変換面上
の前記光軸で交差し、かつ前記第１及び第２方向に沿っ
て規定される第１及び第２軸によって区切られる領域内
に前記第２オプチカルインテグレータを配置することを
特徴とする請求項３〜８のいずれか一項に記載の投影露
光装置。
【請求項１０】前記第２オプチカルインテグレータから
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３〜９のいずれか一項に記載の投影露光装
置。
【請求項１１】前記第２オプチカルインテグレータは、
前記照明光学系内でその光軸との距離がほぼ等しい複数
の位置にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項３
〜１０のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項１２】前記複数のオプチカルインテグレータは
それぞれ射出側焦点面が前記フーリエ変換面にほぼ一致
して配置されるフライアイレンズであることを特徴とす
る請求項１〜１１のいずれか一項に記載の投影露光装
置。
【請求項１３】前記照明光学系内に配置されるオプチカ
ルインテグレータとは別に、前記照明光学系内でその光
軸方向に離れて設けられるオプティカルインテグレータ
を更に備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれ
か一項に記載の投影露光装置。
【請求項１４】前記光源からの照明光を遮光することな
く前記照明光学系内に配置されるオプチカルインテグレ
ータの入射面に集中して入射させるインプット光学系を
更に備えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか
一項に記載の投影露光装置。
【請求項１５】前記インプット光学系は、前記照明光を
入射して回折光を発生する回折光学素子を含むことを特
徴とする請求項１４に記載の投影露光装置。
【請求項１６】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、前記パターンの微細
度に応じた距離だけ前記照明光学系の光軸から偏心した
複数の領域で高めるために用いられる第１光学部材と、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、前記第１光学部材との交換で前記照
明光学系内に配置される第２光学部材とを備え、前記第１及び第２光学部材は前記照明光学系内でオプチ
カルインテグレータよりも前記光源側に配置されること
を特徴とする投影露光装置。
【請求項１７】前記第１光学部材は、前記照明光を遮光
することなく前記複数の領域にそれぞれ分布させること
を特徴とする請求項１６に記載の投影露光装置。
【請求項１８】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駆動手段を更に備えることを特徴と
する請求項１〜１７のいずれか一項に記載の投影露光装
置。
【請求項１９】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
から偏心した複数の領域で高めるとともに、前記パター
ンの微細度に応じて前記光軸との距離を前記複数の領域
でほぼ等しく規定する光学部材と、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
する駆動手段とを備えたことを特徴とする投影露光装
置。
【請求項２０】前記各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、前記各領域の位置を
決定することを特徴とする請求項１６、１７、１９のい
ずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項２１】前記各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同次数の
２つの回折光の回折角をθ、前記投影光学系のマスク側
開口数をＮＡ_Rとすると、前記２つの回折光の一方でｓ
ｉｎ(θ−ψ)＝ＮＡ_R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１
６、１７、１９、２０のいずれか一項に記載の投影露光
装置。
【請求項２２】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２１に記載の投影
露光装置。
【請求項２３】前記照明光の波長をλ、前記パターンの
ピッチをＰとし、前記各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、前記各領域の位置を決定することを特徴とす
る請求項１６、１７、１９〜２２のいずれか一項に記載
の投影露光装置。
【請求項２４】前記パターンが互いに交差する第１及び
第２方向に沿って設けられるとき、前記各領域から射出
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、前記各領域の位置を決定することを特徴とす
る請求項１６、１７、１９〜２３のいずれか一項に記載
の投影露光装置。
【請求項２５】前記パターンが互いに交差する第１及び
第２方向に沿って設けられるとき、前記複数の領域は、
前記フーリエ変換面上の前記光軸で交差し、かつ前記第
１及び第２方向に沿って規定される第１及び第２軸によ
って区切られることを特徴とする請求項１６、１７、１
９〜２４のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項２６】前記各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１６、１７、
１９〜２５のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項２７】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ズームレンズ系を
更に備えることを特徴とする請求項１〜２６のいずれか
一項に記載の投影露光装置。
【請求項２８】請求項１〜２７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。
【請求項２９】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、前記基板上に転写すべきパターンに応じて、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異ならせる複数のオプチカルイン
テグレータの１つを選択し、前記選択したオプチカルイ
ンテグレータをその一端面が前記フーリエ変換面にほぼ
一致するように前記照明光学系内に配置することを特徴
とする投影露光方法。
【請求項３０】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
から偏心した複数の領域で高めるとともに、前記パター
ンの微細度に応じて前記光軸との距離を前記複数の領域
でほぼ等しく規定し、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ことを特徴とする投影露光方
法。