JP2011135099A - オプティカルインテグレータ、照明光学装置、露光装置、露光方法、およびデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 一対の光学部材の相対的な位置決め誤差が照度分布や照明フィールドの形状に与える影響を小さく抑える特性を有するオプティカルインテグレータ。
【解決手段】 光の入射側から順に第１光学部材（８ａ）と第２光学部材（８ｂ）とを備えた波面分割型のオプティカルインテグレータ（８）。第１光学部材は、第１方向（Ｚ方向）に屈折力を有し且つ第２方向（Ｘ方向）に無屈折力の複数の第１入射面（８ａａ）と、第１方向に屈折力を有し且つ第２方向に無屈折力の複数の第１射出面（８ａｂ）とを備えている。第２光学部材は、第２方向に屈折力を有し且つ第１方向に無屈折力の複数の第２入射面（８ｂａ）と、第２方向に屈折力を有し且つ第１方向に無屈折力の複数の第２射出面（８ｂｂ）とを備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、オプティカルインテグレータ、照明光学装置、露光装置、および露光方法に関し、特に半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスをリソグラフィー工程で製造するための露光装置の照明光学装置に好適なオプティカルインテグレータに関するものである。

この種の典型的な露光装置においては、光源から射出された光束がフライアイレンズに入射し、その後側焦点面に多数の光源からなる二次光源を形成する。二次光源からの光束は、フライアイレンズの後側焦点面の近傍に配置された開口絞りを介して制限された後、コンデンサーレンズに入射する。開口絞りは、所望の照明条件（露光条件）に応じて、二次光源の形状または大きさを所望の形状または大きさに制限する。

コンデンサーレンズにより集光された光束は、所定のパターンが形成されたマスクを重畳的に照明する。マスクのパターンを透過した光は、投影光学系を介してウェハ上に結像する。こうして、ウェハ上には、マスクパターンが投影露光（転写）される。なお、マスクに形成されたパターンは高集積化されており、この微細パターンをウェハ上に正確に転写するにはウェハ上において均一な照度分布を得ることが不可欠である。このような構成を有する露光装置として、たとえば特許文献１に示されるものが知られている。

米国特許第６，７３８，１２９号明細書

しかしながら、特許文献１に示されるシリンドリカルフライアイレンズでは、後に詳述するように、複数の光学部材（フライアイ部材）の相対的な位置決めに要求される精度が非常に厳しく、相対的な位置決め誤差（光軸方向に沿った間隔の誤差、光軸直交方向に沿ったシフト誤差など）に起因して照明ムラが発生し易いだけでなく、場合によっては照明フィールド（照明領域）の形状も変化してしまう可能性がある。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、複数の光学部材の相対的な位置決め誤差が照度分布や照明フィールドの形状に与える影響を小さく抑える特性を有するオプティカルインテグレータを提供することを目的とする。

また、本発明は、複数の光学部材の相対的な位置決め誤差が照度分布や照明フィールドの形状に与える影響の小さいオプティカルインテグレータを用いて、所望の照明条件で被照射面を照明することのできる高性能な照明光学装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、所望の照明条件で被照射面を照明する高性能な照明光学装置を用いて、良好な照明条件の下で良好な投影露光を行うことのできる露光装置および露光方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、光の入射側から順に第１光学部材と第２光学部材とを備えた波面分割型のオプティカルインテグレータにおいて、
前記第１光学部材は、光軸と直交する平面内の第１方向に所定の屈折力を有し且つ前記光軸と直交する平面内で前記第１方向と直交する第２方向にほぼ無屈折力の複数の第１入射面と、該複数の第１入射面に対応するように形成されて前記第１方向に所定の屈折力を有し且つ前記第２方向にほぼ無屈折力の複数の第１射出面とを備え、
前記第２光学部材は、前記複数の第１入射面に対応するように形成されて前記第２方向に所定の屈折力を有し且つ前記第１方向にほぼ無屈折力の複数の第２入射面と、前記複数の第１入射面に対応するように形成されて前記第２方向に所定の屈折力を有し且つ前記第１方向にほぼ無屈折力の複数の第２射出面とを備えていることを特徴とするオプティカルインテグレータを提供する。

本発明の第２形態では、第１光学要素と、該第１光学要素の後側に配置された第２光学要素とを備えた波面分割型のオプティカルインテグレータにおいて、
前記第１光学要素は、光軸と直交する平面内の第１方向に所定の屈折力を有し且つ前記光軸と直交する平面内で前記第１方向と直交する第２方向にほぼ無屈折力の入射面と、前記第１方向に所定の屈折力を有し且つ前記第２方向にほぼ無屈折力の射出面とを備え、
前記第２光学要素は、前記第２方向に所定の屈折力を有し且つ前記第１方向にほぼ無屈折力の入射面と、前記第２方向に所定の屈折力を有し且つ前記第１方向にほぼ無屈折力の射出面とを備え、
前記第１光学要素と前記第２光学要素との少なくとも一方は複数であることを特徴とするオプティカルインテグレータを提供する。

本発明の第３形態では、光源からの光に基づいて被照射面を照明する照明光学装置において、
前記光源と前記被照射面との間の光路中に配置された第１形態または第２形態のオプティカルインテグレータを備えていることを特徴とする照明光学装置を提供する。

本発明の第４形態では、第３形態の照明光学装置と、前記被照射面に配置された所定のパターンを感光性基板に投影露光するための投影光学系とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。

本発明の第５形態では、第３形態の照明光学装置を介してマスクを照明し、照明された前記マスクのパターンを投影光学系を介して感光性基板に投影露光することを特徴とする露光方法を提供する。

本発明の第６形態では、第４形態の露光装置を用いてデバイスを製造する方法において、
前記所定のパターン上の照明領域を前記照明光学装置を用いて照明する照明工程と、
前記照明領域内の前記所定のパターンの像を前記投影光学系を用いて前記感光性基板上に投影する投影工程と、
前記感光性基板を現像する現像工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。

本発明のオプティカルインテグレータでは、第１方向に屈折力を有する２つの屈折面（第１入射面および第１射出面）が第１光学部材だけに設けられ、第２方向に屈折力を有する２つの屈折面（第２入射面および第２射出面）が第２光学部材だけに設けられている。したがって、第１光学部材と第２光学部材との間に光軸方向に沿った間隔の誤差や光軸直交方向に沿ったシフト誤差が発生しても、照明ムラが発生しにくく、照明フィールドの形状も変化しにくい。すなわち、本発明のオプティカルインテグレータは、複数の光学部材の相対的な位置決め誤差が照度分布や照明フィールドの形状に与える影響を小さく抑える特性を有する。

また、本発明の照明光学装置では、複数の光学部材の相対的な位置決め誤差が照度分布や照明フィールドの形状に与える影響の小さいオプティカルインテグレータを用いているので、所望の照明条件で被照射面を照明することができる。また、本発明の露光装置および露光方法では、所望の照明条件でマスクを照明する高性能な照明光学装置を用いているので、良好な照明条件の下で良好な投影露光を行うことができ、ひいては良好なデバイスを製造することができる。

本発明の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。 本実施形態のシリンドリカルマイクロフライアイレンズの構成を概略的に示す斜視図である。 本実施形態のシリンドリカルマイクロフライアイレンズにおいて波面分割の各単位領域に対応する一対の光学要素の組を概略的に示す斜視図である。 図３の一対の光学要素における屈折作用を概略的に示す図である。 比較例にかかるシリンドリカルマイクロフライアイレンズにおいて波面分割の各単位領域に対応する一対の光学要素の組を図３に対応するように概略的に示す斜視図である。 マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法のフローチャートである。 マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得る際の手法のフローチャートである。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。図１において、感光性基板であるウェハＷの法線方向に沿ってＺ軸を、ウェハＷの面内において図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、ウェハＷの面内において図１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。

図１を参照すると、本実施形態の露光装置は、露光光（照明光）を供給するための光源１を備えている。光源１として、たとえば１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源や２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源などを用いることができる。光源１から射出されたほぼ平行な光束は、ビームエキスパンダー２により拡大され、所定の矩形状の断面を有する光束に整形される。

整形光学系としてのビームエキスパンダー２を介したほぼ平行な光束は、たとえば輪帯照明用の回折光学素子３を介して、アフォーカルレンズ４に入射する。アフォーカルレンズ４は、その前側焦点位置と回折光学素子３の位置とがほぼ一致し且つその後側焦点位置と図中破線で示す所定面５の位置とがほぼ一致するように設定されたアフォーカル系（無焦点光学系）である。

一般に、回折光学素子は、基板に露光光（照明光）の波長程度のピッチを有する段差を形成することによって構成され、入射ビームを所望の角度に回折する作用を有する。具体的には、輪帯照明用の回折光学素子３は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、そのファーフィールド（またはフラウンホーファー回折領域）に輪帯状の光強度分布を形成する機能を有する。

したがって、光束変換素子としての回折光学素子３に入射したほぼ平行光束は、アフォーカルレンズ４の瞳面に輪帯状の光強度分布を形成した後、輪帯状の角度分布でアフォーカルレンズ４から射出される。なお、アフォーカルレンズ４の前側レンズ群４ａと後側レンズ群４ｂとの間の光路中においてその瞳面またはその近傍には、円錐アキシコン系６が配置されているが、その構成および作用については後述する。以下、説明を簡単にするために、円錐アキシコン系６の作用を無視して、基本的な構成および作用を説明する。

アフォーカルレンズ４を介した光束は、σ値（σ値＝照明光学装置のマスク側開口数／投影光学系のマスク側開口数）可変用のズームレンズ７に入射する。ズームレンズ７の後側焦点面の近傍には、光源側から順に第１フライアイ部材８ａと第２フライアイ部材８ｂとからなるマイクロフライアイレンズ８の入射面（すなわち第１フライアイ部材８ａの入射面）が位置決めされている。マイクロフライアイレンズ８は入射光束に基づいて実質的な面光源を形成する波面分割型のオプティカルインテグレータとして機能するが、その詳細な構成および作用については後述する。

なお、マイクロフライアイレンズとは、フライアイレンズを構成する微笑レンズ要素のサイズを非常に小さく設定したものである。ここで、フライアイレンズは多数のレンズエレメントを縦横に且つ稠密に配列することにより構成されるのに対し、マイクロフライアイレンズは多数の微小屈折面を一体的に形成することにより構成される。すなわち、フライアイレンズは、単品で研磨した多数のレンズエレメントを組み合わせて稠密配列することにより構成されるのに対し、マイクロフライアイレンズは、たとえば平行平面ガラス板にＭＥＭＳ技術（リソグラフィー＋エッチング等）などを応用して多数の微小屈折面を形成することによって構成される。

所定面５の位置はズームレンズ７の前側焦点位置の近傍に配置され、マイクロフライアイレンズ８の入射面はズームレンズ７の後側焦点位置の近傍に配置されている。換言すると、ズームレンズ７は、所定面５とマイクロフライアイレンズ８の入射面とを実質的にフーリエ変換の関係に配置し、ひいてはアフォーカルレンズ４の瞳面とマイクロフライアイレンズ８の入射面とを光学的にほぼ共役に配置している。

したがって、マイクロフライアイレンズ８の入射面上には、アフォーカルレンズ４の瞳面と同様に、たとえば光軸ＡＸを中心とした輪帯状の照野が形成される。この輪帯状の照野の全体形状は、ズームレンズ７の焦点距離に依存して相似的に変化する。マイクロフライアイレンズ８に入射した光束は二次元的に分割され、その後側焦点面またはその近傍（ひいては照明瞳）には、入射光束によって形成される照野とほぼ同じ光強度分布を有する二次光源、すなわち光軸ＡＸを中心とした輪帯状の実質的な面光源からなる二次光源が形成される。

なお、円錐アキシコン系６は、光源側から順に、光源側に平面を向け且つマスク側に凹円錐状の屈折面を向けた第１プリズム部材６ａと、マスク側に平面を向け且つ光源側に凸円錐状の屈折面を向けた第２プリズム部材６ｂとから構成されている。そして、第１プリズム部材６ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材６ｂの凸円錐状の屈折面とは、互いに当接可能なように相補的に形成されている。また、第１プリズム部材６ａおよび第２プリズム部材６ｂのうち少なくとも一方の部材が光軸ＡＸに沿って移動可能に構成され、第１プリズム部材６ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材６ｂの凸円錐状の屈折面との間隔が可変に構成されている。以下、輪帯状または４極状の二次光源に着目して、円錐アキシコン系６の作用およびズームレンズ７の作用を説明する。

ここで、第１プリズム部材６ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材６ｂの凸円錐状屈折面とが互いに当接している状態では、円錐アキシコン系６は平行平面板として機能し、形成される輪帯状または４極状の二次光源に及ぼす影響はない。しかしながら、第１プリズム部材６ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材６ｂの凸円錐状屈折面とを離間させると、輪帯状または４極状の二次光源の幅（輪帯状の二次光源の外径と内径との差の１／２；４極状の二次光源に外接する円の直径（外径）と内接する円の直径（内径）との差の１／２）を一定に保ちつつ、輪帯状または４極状の二次光源の外径（内径）が変化する。すなわち、輪帯状または４極状の二次光源の輪帯比（内径／外径）および大きさ（外径）が変化する。

ズームレンズ７は、輪帯状または４極状の二次光源の全体形状を相似的に拡大または縮小する機能を有する。たとえば、ズームレンズ７の焦点距離を最小値から所定の値へ拡大させることにより、輪帯状または４極状の二次光源の全体形状が相似的に拡大される。換言すると、ズームレンズ７の作用により、輪帯状または４極状の二次光源の輪帯比が変化することなく、その幅および大きさ（外径）がともに変化する。このように、円錐アキシコン系７およびズームレンズ７の作用により、輪帯状または４極状の二次光源の輪帯比と大きさ（外径）とを制御することができる。

マイクロフライアイレンズ８の後側焦点面またはその近傍に形成された二次光源からの光束は、コンデンサー光学系９を介して、マスクＭ（ひいてはウェハＷ）と光学的にほぼ共役な位置に配置されたマスクブラインド１０を重畳的に照明する。こうして、照明視野絞りとしてのマスクブラインド１０には、矩形状の照野が形成される。マスクブラインド１０の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系１１の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたマスクＭを重畳的に照明する。

このように、結像光学系１１は、マスクブラインド１０の矩形状の開口部の像を、マスクステージＭＳにより支持されたマスクＭ上に形成することになる。マスクＭには転写すべきパターンが形成されており、パターン領域全体のうちＸ方向に沿って長辺を有し且つＹ方向に沿って短辺を有する矩形状（スリット状）のパターン領域が照明される。マスクＭのパターンを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して、感光性基板であるウェハＷ上にマスクＭのパターン像を形成する。

すなわち、マスクＭ上での矩形状の照明領域に光学的に対応するように、ウェハＷ上においてもＸ方向に沿って長辺を有し且つＹ方向に沿って短辺を有する矩形状の静止露光領域（実効露光領域）にパターン像が形成される。こうして、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式にしたがって、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと直交する平面（ＸＹ平面）内において、Ｙ方向（走査方向）に沿ってマスクステージＭＳとウェハステージＷＳとを、ひいてはマスクＭとウェハＷとを同期的に移動（走査）させることにより、ウェハＷ上には静止露光領域のＸ方向寸法に等しい幅を有し且つウェハＷの走査量（移動量）に応じた長さを有するショット領域（露光領域）に対してマスクパターンが走査露光される。

ところで、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置では、走査露光の平均化効果により、ウェハＷ上のＸ方向に沿って細長い矩形状の静止露光領域において走査方向（スキャン方向：Ｙ方向）に照度ムラがある程度残っていても大きな問題にはならない。換言すれば、ウェハＷ上の静止露光領域において発生を抑えるべき照度ムラは、走査方向と直交する方向すなわち走査直交方向（非スキャン方向：Ｘ方向）の照度ムラである。

図２は、本実施形態のマイクロフライアイレンズの構成を概略的に示す斜視図である。図２を参照すると、マイクロフライアイレンズ（シリンドリカルマイクロフライアイレンズ）８は、光源側に配置された第１フライアイ部材（第１光学部材）８ａとマスク側（被照射面側）に配置された第２フライアイ部材（第２光学部材）８ｂとにより構成されている。第１フライアイ部材８ａの光源側の面およびマスク側の面には、Ｚ方向に沿って所定のピッチで配列されたシリンドリカルレンズ面群８ａａおよび８ａｂがそれぞれピッチｐ１で形成されている。

一方、第２フライアイ部材８ｂの光源側の面およびマスク側の面には、Ｘ方向に沿って所定のピッチで配列されたシリンドリカルレンズ面群８ｂａおよび８ｂｂがそれぞれピッチｐ２（ｐ２＞ｐ１）で形成されている。シリンドリカルマイクロフライアイレンズ８のＺ方向に関する屈折作用（すなわちＹＺ平面に関する屈折作用）に着目すると、光軸ＡＸに沿って入射した平行光束は、第１フライアイ部材８ａの光源側に形成されたシリンドリカルレンズ面群８ａａによってＺ方向に沿ってピッチｐ１で波面分割され、その各屈折面で集光作用を受けた後、第１フライアイ部材８ａのマスク側に形成されたシリンドリカルレンズ面群８ａｂのうちの対応する屈折面で集光作用を受け、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ８よりも後側に集光する。

一方、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ８のＸ方向に関する屈折作用（すなわちＸＹ平面に関する屈折作用）に着目すると、光軸ＡＸに沿って入射した平行光束は、第２フライアイ部材８ｂの光源側に形成されたシリンドリカルレンズ面群８ｂａによってＸ方向に沿ってピッチｐ２で波面分割され、その各屈折面で集光作用を受けた後、第２フライアイ部材８ｂのマスク側に形成されたシリンドリカルレンズ面群８ｂｂのうちの対応する屈折面で集光作用を受け、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ８よりも後側に集光する。

このように、本実施形態のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ８は、シリンドリカルレンズ面群が両側（光入射側（光源側）および光射出側（マスク側））に配置された第１フライアイ部材８ａと第２フライアイ部材８ｂとにより構成されている。一方、波面分割の各単位領域に着目すると、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ８は、図３に示すように、短辺がｐ１で長辺がｐ２の矩形状の断面を有する第１光学要素８０ａと第２光学要素８０ｂとの組を縦横に且つ稠密に配置することにより構成されていることと光学的に等価である。

ここで、第１光学要素８０ａは、光軸ＡＸと直交するＸＺ平面内のＺ方向（第１方向）に所定の屈折力を有し且つＸＺ平面内のＸ方向（第２方向）に無屈折力の第１入射面８０ａａと、この第１入射面８０ａａに対応するように形成されてＺ方向に所定の屈折力を有し且つＸ方向に無屈折力の第１射出面８０ａｂとを備えている。また、第２光学要素８０ｂは、第１光学要素８０ａの第１入射面８０ａａに対応するように形成されてＸ方向に所定の屈折力を有し且つＺ方向に無屈折力の第２入射面８０ｂａと、第１光学要素８０ａの第１入射面８０ａａに対応するように形成されてＸ方向に所定の屈折力を有し且つＺ方向に無屈折力の第２射出面８０ｂｂとを備えている。

すなわち、複数の第１入射面８０ａａのＸＺ平面に沿った稠密配置が第１フライアイ部材８ａの光源側のシリンドリカルレンズ面群８ａａに対応し、複数の第１射出面８０ａｂのＸＺ平面に沿った稠密配置が第１フライアイ部材８ａのマスク側のシリンドリカルレンズ面群８ａｂに対応する。また、複数の第２入射面８０ｂａのＸＺ平面に沿った稠密配置が第２フライアイ部材８ｂの光源側のシリンドリカルレンズ面群８ｂａに対応し、複数の第２射出面８０ｂｂのＸＺ平面に沿った稠密配置が第２フライアイ部材８ｂのマスク側のシリンドリカルレンズ面群８ｂｂに対応する。

この場合、図４（ａ）に示すようにＹＺ平面に関する屈折作用に着目すると、第１光学要素８０ａの光軸（第２光学要素８０ｂの光軸と一致）に平行に入射した光線は、第１光学要素８０ａの第１入射面８０ａａおよび第１射出面８０ａｂにより集光され、第２光学要素８０ｂよりも後側の所定面８１において第１光学要素８０ａの光軸上に集光する。また、第１光学要素８０ａの光軸に対して所定の角度で斜入射した光線も、同じく第１光学要素８０ａの第１入射面８０ａａおよび第１射出面８０ａｂにより集光され、所定面８１において第１光学要素８０ａの光軸からＺ方向に離れた位置に集光する。このとき、斜入射光線群の中心光線は、第１光学要素８０ａの光軸に平行に第２光学要素８０ｂから射出される。

第１光学要素８０ａの第１入射面８０ａａおよび第１射出面８０ａｂの集光作用を受けて所定面８１に一旦集光したこれらの光線は、ウェハＷ上において矩形状の静止露光領域の短辺方向に沿って分布する。すなわち、第１光学要素８０ａの第１入射面８０ａａの面形状誤差（ひいては第１フライアイ部材８ａの光源側のシリンドリカルレンズ面群８ａａの面形状誤差）、および第１射出面８０ａｂの面形状誤差（ひいては第１フライアイ部材８ａのマスク側のシリンドリカルレンズ面群８ａｂの面形状誤差）が、矩形状の静止露光領域における短辺方向すなわち走査方向の照度ムラに影響を及ぼす。ただし、ウェハＷと光学的にほぼ共役な第１入射面８０ａａの面形状誤差よりも第１射出面８０ａｂの面形状誤差の方が、走査方向の照度ムラに大きな影響を及ぼす。

一方、図４（ｂ）に示すようにＸＹ平面に関する屈折作用に着目すると、第１光学要素８０ａの光軸に平行に入射した光線は、第２光学要素８０ｂの第２入射面８０ｂａおよび第２射出面８０ｂｂにより集光され、第２光学要素８０ｂよりも後側の所定面（不図示；たとえば所定面８１またはその近傍の面）において第１光学要素８０ａの光軸上に集光する。また、第１光学要素８０ａの光軸に対して所定の角度で斜入射した光線も、同じく第２光学要素８０ｂの第２入射面８０ｂａおよび第２射出面８０ｂｂにより集光され、上記所定面において第１光学要素８０ａの光軸からＸ方向に離れた位置に集光する。このとき、斜入射光線群の中心光線は、第１光学要素８０ａの光軸に平行に第２光学要素８０ｂから射出される。

第２光学要素８０ｂの第２入射面８０ｂａおよび第２射出面８０ｂｂの集光作用を受けて上記所定面に一旦集光したこれらの光線は、ウェハＷ上において矩形状の静止露光領域の長辺方向に沿って分布する。すなわち、第２光学要素８０ｂの第２入射面８０ｂａの面形状誤差（ひいては第２フライアイ部材８ｂの光源側のシリンドリカルレンズ面群８ｂａの面形状誤差）、および第２射出面８０ｂｂの面形状誤差（ひいては第２フライアイ部材８ｂのマスク側のシリンドリカルレンズ面群８ｂｂの面形状誤差）が、矩形状の静止露光領域における長辺方向すなわち走査直交方向の照度ムラに影響を及ぼす。ただし、ウェハＷと光学的にほぼ共役な第２入射面８０ｂａの面形状誤差よりも第２射出面８０ｂｂの面形状誤差の方が、走査直交方向の照度ムラに大きな影響を及ぼす。

このように、本実施形態のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ８では、第１光学要素８０ａと第２光学要素８０ｂとの合成系のＺ方向に関する後側焦点位置およびＸ方向に関する後側焦点位置は、第２光学要素８０ｂよりも後側に位置する。これは、光学要素の内部にレーザ光が集光するとエネルギー密度が局所的に増大し、その結果として光学要素の耐久性が低下する危険性が発生するからである。このため、第１光学要素８０ａと第２光学要素８０ｂとの合成系のＺ方向に関するバックフォーカスをかなり長く確保する必要があるが、ピッチ比率や第１入射面８０ａａと第１射出面８０ａｂとのパワー（屈折力）比率などを適切な範囲に設定することにより設計解が得られる。

ここで、本実施形態のシリンドリカルマイクロフライアイレンズの利点を説明するために、比較例によるシリンドリカルマイクロフライアイレンズの不都合について考える。図５は、比較例にかかるシリンドリカルマイクロフライアイレンズにおいて波面分割の各単位領域に対応する一対の光学要素の組を図３に対応するように概略的に示す図である。図５を参照すると、比較例のシリンドリカルマイクロフライアイレンズでは、第１光学要素８５ａが、Ｚ方向に所定の屈折力を有し且つＸ方向に無屈折力の第１入射面８５ａａと、Ｘ方向に所定の屈折力を有し且つＺ方向に無屈折力の第１射出面８５ａｂとを備えている。

また、第２光学要素８５ｂは、Ｚ方向に所定の屈折力を有し且つＸ方向に無屈折力の第２入射面８５ｂａと、Ｘ方向に所定の屈折力を有し且つＺ方向に無屈折力の第２射出面８５ｂｂとを備えている。したがって、比較例のシリンドリカルマイクロフライアイレンズでは、第１射出面８５ａｂの面形状誤差および第２射出面８５ｂｂの面形状誤差が走査直交方向の照度ムラに影響を及ぼし、しかもウェハＷと光学的にほぼ共役な第１射出面８５ａｂの面形状誤差よりも第２射出面８５ｂｂの面形状誤差の方が大きな影響を及ぼす。

比較例では、面形状誤差が走査直交方向の照度ムラに影響を及ぼし易い第２射出面８５ｂｂよりも、面形状誤差が走査直交方向の照度ムラに影響を及ぼし難い第１射出面８５ａｂの方に大きなパワー（屈折力）を負担させることにより、面形状誤差に起因する走査直交方向の照度ムラの発生をある程度抑えることができる。しかしながら、この比較例の構成におけるパワー配分では、面形状誤差に起因する走査直交方向の照度ムラの発生を十分に回避することは困難である。

また、比較例のシリンドリカルマイクロフライアイレンズでは、Ｚ方向に屈折力を有する２つの屈折面（第１入射面８５ａａおよび第２入射面８５ｂａ）が第１光学要素８５ａと第２光学要素８５ｂとに１面づつ設けられ、Ｘ方向に屈折力を有する２つの屈折面（第１射出面８５ａｂおよび第２射出面８５ｂｂ）が第１光学要素８５ａと第２光学要素８５ｂとに１面づつ設けられている。その結果、第１光学要素８５ａと第２光学要素８５ｂとの間のＹ方向に沿った相対的な位置ずれや、Ｚ方向に沿った相対的な位置ずれや、Ｘ方向に沿った相対的な位置ずれなどが発生すると、すなわち一対の光学部材（フライアイ部材）の相対的な位置決め誤差が発生すると、これらの相対的な位置決め誤差（光軸方向に沿った間隔の誤差、光軸直交方向に沿ったシフト誤差など）に起因してウェハＷ上で照明ムラが発生し易いだけでなく、場合によってはマスクＭ上の照明フィールド（照明領域）の形状も変化してしまう可能性がある。

これに対し、本実施形態のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ８では、Ｚ方向に屈折力を有する２つの屈折面（第１入射面８０ａａおよび第１射出面８０ａｂ）が第１光学要素８５ａだけに設けられ、Ｘ方向に屈折力を有する２つの屈折面（第２入射面８０ｂａおよび第２射出面８０ｂｂ）が第２光学要素８５ｂだけに設けられている。したがって、第１光学要素８５ａと第２光学要素８５ｂとの間のＹ方向に沿った相対的な位置ずれ、すなわち一対のフライアイ部材８ａと８ｂとの間に光軸方向に沿った間隔の誤差が発生しても、この間隔誤差に起因して照明ムラが発生し難く、照明フィールドの形状も変化し難い。

このように、本実施形態のシリンドリカルマイクロフライアイレンズでは、たとえば研磨加工に比して良質な面形状を得ることが難しいエッチング加工によりすべての微小屈折面を同時に製造することが求められても、多数の微小屈折面の製造誤差が照度分布に与える影響を、小さく抑えることができる。

また、第１光学要素８５ａと第２光学要素８５ｂとの間のＺ方向に沿った相対的な位置ずれやＸ方向に沿った相対的な位置ずれ、すなわち一対のフライアイ部材８ａと８ｂとの間に光軸直交方向に沿ったシフト誤差が発生しても、このシフト誤差に起因して照明ムラが発生することはほとんどなく、照明フィールドの形状もほとんど変化しない。換言すると、本実施形態のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ８は、一対のフライアイ部材（光学部材）８ａと８ｂの相対的な位置決め誤差がウェハＷ上の照度分布やマスクＭ上の照明フィールドの形状に与える影響を小さく抑える特性を有する。

また、本実施形態の照明光学装置（１〜１１）では、一対のフライアイ部材８ａと８ｂの相対的な位置決め誤差が照度分布や照明フィールドの形状に与える影響の小さいシリンドリカルマイクロフライアイレンズ（オプティカルインテグレータ）８を用いて、所望の照明条件で被照射面としてのマスクＭを照明することができる。また、本実施形態の露光装置では、所望の照明条件でマスクＭを照明する高性能な照明光学装置を用いて、良好な照明条件の下で良好な投影露光を行うことができる。

ところで、上述したように、ウェハＷと光学的にほぼ共役な第２入射面８０ｂａの面形状誤差よりも第２射出面８０ｂｂの面形状誤差の方が、走査直交方向の照度ムラに大きな影響を及ぼす。したがって、面形状誤差が走査直交方向の照度ムラに影響を及ぼし易い第２射出面８０ｂｂよりも、面形状誤差が走査直交方向の照度ムラに影響を及ぼし難い第２入射面８０ｂａの方に大きなパワー（屈折力）を負担させることにより、面形状誤差に起因する走査直交方向の照度ムラの発生を良好に抑えることができる。

なお、上述の実施形態では、シリンドリカルレンズ面群が両側に配置された第１フライアイ部材８ａと第２フライアイ部材８ｂとによりシリンドリカルマイクロフライアイレンズ８を構成している。しかしながら、これに限定されることなく、たとえば図３に示すような個別光学要素としての第１光学要素８０ａおよび第２光学要素８０ｂをそれぞれ縦横に且つ稠密に配置することにより、本実施形態と同様の光学的機能を有するシリンドリカルマイクロフライアイレンズを構成することもできる。

なお、上述の実施形態にかかる露光装置において、輪帯照明用の回折光学素子３に代えて、４極照明用の回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、４極照明を行うことができる。４極照明用の回折光学素子は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドに４極状の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、４極照明用の回折光学素子を介した光束は、マイクロフライアイレンズ８の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした４つの円形状の照野からなる４極状の照野を形成する。その結果、マイクロフライアイレンズ８の後側焦点面またはその近傍にも、その入射面に形成された照野と同じ４極状の二次光源が形成される。

また、輪帯照明用の回折光学素子３に代えて、円形照明用の回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、通常の円形照明を行うことができる。円形照明用の回折光学素子は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、ファーフィールドに円形状の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、円形照明用の回折光学素子を介した光束は、マイクロフライアイレンズ８の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした円形状の照野を形成する。その結果、マイクロフライアイレンズ８の後側焦点面またはその近傍にも、その入射面に形成された照野と同じ円形状の二次光源が形成される。

さらに、輪帯照明用の回折光学素子３に代えて、他の複数極照明用の回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、様々な複数極照明（２極照明、８極照明など）を行うことができる。同様に、輪帯照明用の回折光学素子３に代えて、適当な特性を有する回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、様々な形態の変形照明を行うことができる。

上述の実施形態にかかる露光装置では、照明光学装置によってマスク（レチクル）を照明し（照明工程）、投影光学系を用いてマスクに形成された転写用のパターンを感光性基板に露光する（露光工程）ことにより、マイクロデバイス（半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等）を製造することができる。以下、上述の実施形態の露光装置を用いて感光性基板としてのウェハ等に所定の回路パターンを形成することによって、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法の一例につき図６のフローチャートを参照して説明する。

先ず、図６のステップ３０１において、１ロットのウェハ上に金属膜が蒸着される。次のステップ３０２において、その１ロットのウェハ上の金属膜上にフォトレジストが塗布される。その後、ステップ３０３において、上述の実施形態の露光装置を用いて、マスク上のパターンの像がその投影光学系を介して、その１ロットのウェハ上の各ショット領域に順次露光転写される。その後、ステップ３０４において、その１ロットのウェハ上のフォトレジストの現像が行われた後、ステップ３０５において、その１ロットのウェハ上でレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって、マスク上のパターンに対応する回路パターンが、各ウェハ上の各ショット領域に形成される。その後、更に上のレイヤの回路パターンの形成等を行うことによって、半導体素子等のデバイスが製造される。上述の半導体デバイス製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する半導体デバイスをスループット良く得ることができる。

また、上述の実施形態の露光装置では、プレート（ガラス基板）上に所定のパターン（回路パターン、電極パターン等）を形成することによって、マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得ることもできる。以下、図７のフローチャートを参照して、このときの手法の一例につき説明する。図７において、パターン形成工程４０１では、上述の実施形態の露光装置を用いてマスクのパターンを感光性基板（レジストが塗布されたガラス基板等）に転写露光する、所謂光リソグラフィー工程が実行される。この光リソグラフィー工程によって、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターンが形成される。その後、露光された基板は、現像工程、エッチング工程、レジスト剥離工程等の各工程を経ることによって、基板上に所定のパターンが形成され、次のカラーフィルター形成工程４０２へ移行する。

次に、カラーフィルター形成工程４０２では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応した３つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルターの組を複数水平走査線方向に配列したカラーフィルターを形成する。そして、カラーフィルター形成工程４０２の後に、セル組み立て工程４０３が実行される。セル組み立て工程４０３では、パターン形成工程４０１にて得られた所定パターンを有する基板、およびカラーフィルター形成工程４０２にて得られたカラーフィルター等を用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。

セル組み立て工程４０３では、例えば、パターン形成工程４０１にて得られた所定パターンを有する基板とカラーフィルター形成工程４０２にて得られたカラーフィルターとの間に液晶を注入して、液晶パネル（液晶セル）を製造する。その後、モジュール組み立て工程４０４にて、組み立てられた液晶パネル（液晶セル）の表示動作を行わせる電気回路、バックライト等の各部品を取り付けて液晶表示素子として完成させる。上述の液晶表示素子の製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する液晶表示素子をスループット良く得ることができる。

なお、上述の実施形態では、露光光としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長：１９３ｎｍ）やＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）を用いているが、これに限定されることなく、他の適当なレーザ光源、たとえば波長１５７ｎｍのレーザ光を供給するＦ₂レーザ光源などに対して本発明を適用することもできる。

また、上述の実施形態では、マスクおよびウェハを投影光学系に対して相対移動させながら、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式にしたがって、ウェハの各露光領域にパターンをスキャン露光している。しかしながら、これに限定されることなく、ウェハを二次元的に駆動制御しながら一括露光を行うことにより、いわゆるステップ・アンド・リピート方式にしたがって、ウェハのショット領域にパターンを逐次露光することもできる。

また、上述の実施形態では、投影光学系を用いてマスクに形成されたパターンの像をウェハ上に形成しているが、マスクに代えて、たとえば空間光変調器（ＳＬＭ）などの所定のパターンを形成するプログラマブルなパターン生成素子を用いても良い。また、本発明にかかるオプティカルインテグレータは、たとえば国際特許公開第ＷＯ２００４／０５１７１７Ａ号パンフレットに記載される、偏光照明用の照明光学装置のオプティカルインテグレータとして適用することができる。

また、上述の実施形態では、照明光学装置を備えた露光装置を例にとって本発明を説明したが、マスク以外の被照射面を照明するための一般的な照明光学装置、たとえば被照射面としてのワークピースに加工用のレーザビームを照射するためのレーザ加工装置や被照射面としてのワークピースに線状集光領域を形成するレーザアニール装置などに本発明を適用することができることは明らかである。なお、被照射面上に線状集光領域を形成する場合には、第１光学部材の第１入射面および第１射出面、または第２光学部材の第２入射面および第２射出面の一方が単数であっても良い。

１ 光源
３ 回折光学素子（光束変換素子）
４ アフォーカルレンズ
６ 円錐アキシコン系
７ ズームレンズ
８ マイクロフライアイレンズ（シリンドリカルマイクロフライアイレンズ）
８ａ 第１フライアイ部材（第１光学部材）
８ｂ 第２フライアイ部材（第２光学部材）
９ コンデンサー光学系
１０ マスクブラインド
１１ 結像光学系
Ｍ マスク
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ

Claims (30)

1. 光の入射側から順に第１光学部材と第２光学部材とを備えた波面分割型のオプティカルインテグレータにおいて、
   前記第１光学部材は、光軸と直交する平面内の第１方向に所定の屈折力を有し且つ前記光軸と直交する平面内で前記第１方向と直交する第２方向にほぼ無屈折力の複数の第１入射面と、該複数の第１入射面に対応するように形成されて前記第１方向に所定の屈折力を有し且つ前記第２方向にほぼ無屈折力の複数の第１射出面とを備え、
   前記第２光学部材は、前記複数の第１入射面に対応するように形成されて前記第２方向に所定の屈折力を有し且つ前記第１方向にほぼ無屈折力の複数の第２入射面と、前記複数の第１入射面に対応するように形成されて前記第２方向に所定の屈折力を有し且つ前記第１方向にほぼ無屈折力の複数の第２射出面とを備えていることを特徴とするオプティカルインテグレータ。
2. 前記複数の第１入射面の各々は、前記第１方向に沿って短辺を有し且つ前記第２方向に沿って長辺を有する矩形状であることを特徴とする請求項１に記載のオプティカルインテグレータ。
3. 前記複数の第１入射面は、前記光軸と直交する平面に沿って稠密配置されていることを特徴とする請求項２に記載のオプティカルインテグレータ。
4. 前記複数の第１入射面は、前記第１方向に沿って並列的に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
5. 前記複数の第２入射面は、前記第２方向に沿って並列的に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
6. 前記複数の第２入射面の各々は、前記第１方向に沿って長辺を有し且つ前記第２方向に沿って短辺を有する矩形状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
7. 前記第１光学部材と前記第２光学部材との合成系の前記第１方向に関する後側焦点位置および前記第２方向に関する後側焦点位置は、前記第２光学部材よりも後側に位置することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
8. 前記オプティカルインテグレータ中において、前記第１方向に屈折力を有する光学面は前記第１入射面および前記第１射出面のみであり、
   前記オプティカルインテグレータ中において、前記第２方向に屈折力を有する光学面は前記第２入射面および前記第２射出面のみであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
9. 前記第２入射面の前記所定の屈折力は、前記第２射出面の前記所定の屈折力よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
10. 第１光学要素と、該第１光学要素の後側に配置された第２光学要素とを備えた波面分割型のオプティカルインテグレータにおいて、
    前記第１光学要素は、光軸と直交する平面内の第１方向に所定の屈折力を有し且つ前記光軸と直交する平面内で前記第１方向と直交する第２方向にほぼ無屈折力の入射面と、前記第１方向に所定の屈折力を有し且つ前記第２方向にほぼ無屈折力の射出面とを備え、
    前記第２光学要素は、前記第２方向に所定の屈折力を有し且つ前記第１方向にほぼ無屈折力の入射面と、前記第２方向に所定の屈折力を有し且つ前記第１方向にほぼ無屈折力の射出面とを備え、
    前記第１光学要素と前記第２光学要素との少なくとも一方は複数であることを特徴とするオプティカルインテグレータ。
11. 前記第１光学要素および前記第２光学要素はそれぞれ複数設けられ、
    前記複数の第２光学要素は前記複数の第１光学要素に対応するように前記複数の第１光学要素の後側に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のオプティカルインテグレータ。
12. 前記複数の第１光学要素の各々は、前記第１方向に沿って短辺を有し且つ前記第２方向に沿って長辺を有する矩形状の断面を有することを特徴とする請求項１１に記載のオプティカルインテグレータ。
13. 前記複数の第１光学要素の入射面は、前記光軸と直交する平面に沿って稠密配置されていることを特徴とする請求項１２に記載のオプティカルインテグレータ。
14. 前記複数の第１光学要素の各々は、前記第１方向に沿って並列的に配置されていることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
15. 前記複数の第２光学要素の各々は、前記第２方向に沿って並列的に配置されていることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
16. 前記複数の第２光学要素の各々は、前記第１方向に沿って長辺を有し且つ前記第２方向に沿って短辺を有する矩形状であることを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
17. 前記第２光学要素の前記入射面の前記所定の屈折力は、前記第２光学要素の前記射出面の前記所定の屈折力よりも大きいことを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
18. 前記第１光学要素と前記第２光学要素との合成系の前記第１方向に関する後側焦点位置および前記第２方向に関する後側焦点位置は、前記第２光学要素の前記射出面よりも後側にそれぞれ位置することを特徴とする請求項１０乃至１７のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
19. 前記オプティカルインテグレータ中において、前記第１方向に屈折力を有する光学要素は前記第１光学要素のみであり、
    前記オプティカルインテグレータ中において、前記第２方向に屈折力を有する光学要素は前記第２光学要素のみであることを特徴とする請求項１０乃至１８のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
20. 前記第１光学要素中の前記入射面および前記射出面は一体的に前記第１光学要素上に形成され、
    前記第２光学要素中の前記入射面および前記射出面は一体的に前記第２光学要素上に形成されていることを特徴とする請求項１０乃至１９のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
21. 光源からの光に基づいて被照射面を照明する照明光学装置において、
    前記光源と前記被照射面との間の光路中に配置された請求項１乃至２０のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータを備えていることを特徴とする照明光学装置。
22. 前記オプティカルインテグレータと前記被照射面との間の光路中に配置されて、前記オプティカルインテグレータからの光を前記被照射面へ重畳的に導くための導光光学系を備えていることを特徴とする請求項２１に記載の照明光学装置。
23. 前記照明光学装置は前記被照射面上に矩形状の照明領域を形成し、
    前記矩形状の照明領域の短辺方向は前記第１方向に対応し、前記矩形状の照明領域の長辺方向は前記第２方向に対応することを特徴とする請求項２１または２２に記載の照明光学装置。
24. 請求項２１乃至２３のいずれか１項に記載の照明光学装置と、前記被照射面に配置された所定のパターンを感光性基板に投影露光するための投影光学系とを備えていることを特徴とする露光装置。
25. 前記照明光学装置は前記所定のパターン上に矩形状の照明領域を形成し、
    前記矩形状の照明領域の短辺方向は前記第１方向に対応し、前記矩形状の照明領域の長辺方向は前記第２方向に対応することを特徴とする請求項２４に記載の露光装置。
26. 前記投影光学系により前記矩形状の照明領域内に位置する前記所定のパターンの像を前記感光性基板上の矩形状の投影領域内に形成し、
    前記矩形状の投影領域の短辺方向に沿って前記感光性基板を前記投影光学系に対して相対移動させることにより、前記所定のパターンを前記感光性基板に投影露光することを特徴とする請求項２５に記載の露光装置。
27. 請求項２１乃至２３のいずれか１項に記載の照明光学装置を介してマスクを照明し、照明された前記マスクのパターンを投影光学系を介して感光性基板に投影露光することを特徴とする露光方法。
28. 前記第１方向に対応する方向に沿って短辺を有し且つ前記第２方向に対応する方向に沿って長辺を有する矩形状の照明領域を前記マスク上に形成することを特徴とする請求項２７に記載の露光方法。
29. 前記矩形状の照明領域の短辺方向に沿って前記マスクおよび前記感光性基板を前記投影光学系に対して相対移動させることにより、前記マスクのパターンを前記感光性基板に投影露光することを特徴とする請求項２８に記載の露光方法。
30. 請求項２４乃至２６のいずれか１項に記載の露光装置を用いてデバイスを製造する方法において、
    前記所定のパターン上の照明領域を前記照明光学装置を用いて照明する照明工程と、
    前記照明領域内の前記所定のパターンの像を前記投影光学系を用いて前記感光性基板上に投影する投影工程と、
    前記感光性基板を現像する現像工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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