JP3646757B2

JP3646757B2 - Projection exposure method and apparatus

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Publication number: JP3646757B2
Application number: JP22126196A
Authority: JP
Inventors: 純夫橋本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-08-22
Filing date: 1996-08-22
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2016-08-22
Also published as: JPH1064790A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体素子、液晶表示素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、又は薄膜磁気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ工程でマスク上のパターンの像を感光基板上に露光するために使用される投影露光装置に関し、特に輪帯照明等を行うか、又は中心遮光型の瞳フィルターを使用する投影露光装置に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば半導体素子を製造する際に、マスクとしてのレチクル（又はフォトマスク等）のパターンの像を投影光学系を介して、感光基板としてのフォトレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上に転写するステッパー等の投影露光装置が使用されている。これらの投影露光装置では、ウエハにできるだけ高集積度のパターンを露光するため、露光光としてできるだけ短波長の照明光を使用すると共に、投影光学系の開口数（ＮＡ）を大きくして、転写されるパターンの解像度を上げるという努力がなされてきた。
【０００３】
但し、単に投影光学系の開口数を大きくすると、焦点深度が狭くなりすぎるため、開口数にあまり依存することなく、或る程度以上の焦点深度を確保して、且つ高い解像度を得る方法として、露光光をレチクルに対して傾斜させて照明するという照明法が開発されている。この照明法には、照明光学系の２次光源の形状を輪帯状とする輪帯照明及びその２次光源の形状を光軸から偏心した複数（例えば４個）の小光源とする所謂変形照明等がある。このような照明法によれば、同じ露光波長、及び同じ投影光学系の開口数でも、投影光学系の解像度が向上する。また、投影光学系の瞳面に輪帯状等の瞳フィルターを配置して、所謂「超解像」により解像度を向上させる方法も開発されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上の従来技術において、輪帯照明等を使用せず、レチクルをレチクルに対して垂直に入射する光束を中心として一様に分布する露光光で照明する照明方法によれば、主にレチクルのパターンを通過した０次回折光、＋１次回折光、及び−１次回折光の３光束によってウエハ上にそのパターンの像を形成するために、投影光学系の瞳面付近のレンズは中心部も周辺部もほぼ一様に照明される。また、通常の照明法のもとで投影光学系の瞳面に中心部を遮蔽する輪帯状の瞳フィルターを配置しない場合も、投影光学系の瞳面の近くのレンズは一様に照明される。このような照明状態であれば、レンズの中心部が主に温度上昇するために、位置に関して２次以下の関数となる熱変形や屈折率変化が主に起こり、ガウス（Gauss)像面の移動だけが光軸付近の主な収差変動として生じる。従って、投影光学系の高次の球面収差変動が発生する恐れは少なかった。
【０００５】
しかし、輪帯照明や変形照明法により照明を行った場合には、レチクルのパターンを通過した露光用の照明光の内の主に０次回折光及び１次回折光によってウエハ上にそのパターンの像を形成するため、投影光学系の解像度の限界線幅に近いパターンが多い場合には、投影光学系の光軸付近を透過する光線の量が周辺部に比べて極めて少なくなる。また、投影光学系の瞳面に光軸付近を遮光した瞳フィルターを配置した場合でも、瞳面よりもウエハに近い側に配置されているレンズの光軸付近を透過する光線の量は周辺部に比べて極めて少なくなる。
【０００６】
このように投影光学系のレンズに対する照射エネルギーの分布が不均一になると、レンズの周辺部が主に熱を吸収して温度上昇し、中心部が温度上昇しないという現象が起こる。このような温度上昇に比例して、部分的にレンズの屈折率が変動したり、レンズが熱変形したりするので、２次よりも高次の非球面やそれに相当する屈折率分布が新たに形成される。そのため、投影光学系の光軸に近い部分では、露光光の照射によりガウス像面の移動だけでなく、新たに高次の球面収差変動が生じるという不都合があった。
【０００７】
本発明は斯かる点に鑑み、輪帯照明や変形照明等を用いるか、又は光軸付近を遮光する瞳フィルターを使用して露光を行う際に、投影光学系の高次の球面収差変動を抑えて高い解像度が得られる投影露光方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の投影露光装置は、例えば図１に示すように、露光用の照明光（ＩＬ１）のもとでマスク（１０）上のパターンの像を感光基板（１３）上に投影する投影光学系（１２）と、その投影光学系の瞳面、即ちマスク（１０）のパターン面に対する光学的フーリエ変換面（ＰＳ）と共役な面上で光軸（ＡＸ）から偏心した領域に分布する光源（２次光源を含む）からのその露光用の照明光（ＩＬ１）を用いてそのマスク（１０）を照明する照明光学系（１，３，９）と、を有する投影露光装置において、その感光基板（１３）に対して非感光性の波長域の照明光（ＩＬ２）をその投影光学系（１２）の瞳面（ＰＳ）上でその露光用の照明光（ＩＬ１）が通過しない領域に照射する補助照明系（２）を設けたものである。
【０００９】
斯かる本発明の第１の投影露光装置によれば、投影光学系（１２）の瞳面（ＰＳ）と共役な面上で光軸（ＡＸ）から偏心した領域に分布する光源からの露光用の照明光（ＩＬ１）を用いるとは、輪帯照明法や変形照明法を用いることを意味する。この際に、投影光学系（１２）の瞳面近傍のレンズは主に光軸から偏心した領域が露光用の照明光（ＩＬ１）により照明され、例えば所定の周期的パターンに対して高解像度が得られる。また、補助照明系により投影光学系（１２）の瞳面（ＰＳ）上で露光用の照明光（ＩＬ１）が通過しない領域、即ち光軸近傍の領域も感光基板に対して非感光性の照明光（ＩＬ２）で照明されるため、投影光学系（１２）の瞳面（ＰＳ）に近いレンズに対する照度分布が均一になり、レンズの熱変形や屈折率の変化における高次の変動成分が減少する。このためには、非感光性の照明光（ＩＬ２）は、露光用の照明光（ＩＬ１）と同程度の吸収率で投影光学系（１２）のレンズ、又はこのレンズのコーティング膜で吸収される必要がある。レンズの球面収差変動は、レンズの熱変形や屈折率の変化に比例するため、投影光学系（１２）の高次の球面収差変動が抑えられる。但し、補助照明系（２）からの照明光（ＩＬ２）は非感光性であるため、感光基板（１３）上に転写される像には影響がない。
【００１０】
この場合、その照明光学系は、輪帯状の光源、又は光軸に対して偏心した位置にある複数の光源からのその露光用の照明光（ＩＬ１）でそのマスク（１０）を照明することが好ましい。これは、所謂輪帯照明や変形照明による照明法を意味し、これにより高い解像度が得られる。
また、その照明光学系は、その露光用の照明光（ＩＬ１）の照度分布を均一化するためのオプティカル・インテグレータ（２４）を有し、このオプティカル・インテグレータとそのマスク（１０）との間に、その補助照明系（２）からの照明光（ＩＬ２）をそのマスク（１０）に導く補助光導入部材（４，６Ａ〜６Ｄ，７Ａ，７Ｂ）を設けることが好ましい。これにより、露光用の照明光（ＩＬ１）と照明光（ＩＬ２）とを容易に合成できる。
また、そのマスクとその像との間に、その補助照明系からの照明光を導く補助光導入部材（４Ｂ，５Ｂ）を設けてもよい。
また、一例として、その投影光学系はレンズを備えている。
また、その補助照明系からの照明光は、そのレンズの硝材、又はそのレンズに設けられたコーティング膜での光吸収量に応じて強度が設定されてもよい。
また、一例としてそのレンズは石英で形成される。
また、その補助照明系は、その投影光学系のその瞳面に近いレンズに対して照度分布が均一となるようにその非感光性の波長域の照明光を照射してもよい。
また、その照明光学系は、その投影光学系の瞳面と共役な面上におけるその光源の分布を変更してもよい。
また、その照明光学系は、その投影光学系のその瞳面と共役なその面上でその光軸から偏心したその領域にその光源を分布させる状態と、その投影光学系のその瞳面と共役なその面上でその光軸を中心とする円形の領域にその光源を分布させる状態とを切り換えるようにしてもよい。この場合、その光源の分布の変更に応じて、その補助照明系によるその非感光性の波長域の照明光を照射する領域を変更してもよい。
【００１１】
また、本発明による第２の投影露光装置は、例えば図６に示すように、露光用の照明光（ＩＬ１Ｂ）のもとでマスク（１０）上のパターンの像を投影光学系（１２）を介して感光基板（１３）上に投影する際に、その投影光学系（１２）の瞳面（ＰＳ）上で光軸（ＡＸ）から偏心した領域を通過する結像光束を用いる投影露光装置において、その露光用の照明光（ＩＬ１Ｂ）及びその感光基板（１３）に対して非感光性の照明光（ＩＬ２Ｂ）をその投影光学系の瞳面（ＰＳ）に導く合成照明光学系（１Ｂ，４２，２Ｂ，４Ｂ，７Ａ，８Ａ）と、その投影光学系（１２）のその瞳面（ＰＳ）上に配置され、その光軸から偏心した領域以外の領域ではその感光基板（１３）に対して非感光性の照明光（ＩＬ２Ｂ）のみをその感光基板側に通過させる波長選択性を有する光学部材（５Ｂ）と、を有するものである。
【００１２】
斯かる本発明の第２の投影露光装置によれば、投影光学系（１２）の瞳面（ＰＳ）上で光軸（ＡＸ）から偏心した領域を通過する結像光束を用いるため、実質的に中心遮光型の瞳フィルターを用いるのと等価となって高い解像度が得られる。この場合、光学部材（５Ｂ）により、露光用の照明光（ＩＬ１Ｂ）は、輪帯状等の領域のみを通過し、感光基板（１３）に対して非感光性の照明光（ＩＬ２Ｂ）は、その光軸から偏心した領域以外の領域を通過する。従って、投影光学系（１２）の瞳面（ＰＳ）近傍のレンズは、２つの照明光（ＩＬ１Ｂ，ＩＬ２Ｂ）により均一な照度分布で照射されるため、レンズの熱変形や屈折率の変化における高次の変動成分が減少し、高次の球面収差変動も減少する。しかも、非感光性の照明光（ＩＬ２Ｂ）は感光基板（１３）上の投影像には影響を与えない。
次に、本発明による投影露光方法は、露光用の照明光のもとでマスク上のパターンの像を感光基板上に投影する投影露光方法において、そのパターンの像を形成する投影光学系の瞳面と共役な面上で光軸から偏心した領域に光源を形成する第１工程と；その光軸から偏心した領域に分布する光源からのその露光用の照明光を用いてそのマスクを照明する第２工程と；その感光基板に対して非感光性の波長域の照明光をその投影光学系のその瞳面上でその露光用の照明光が通過しない領域に照射する第３工程とを備えるものである。
本発明において、その第１工程では、輪帯状の光源、又はその光軸に対して偏心した位置にある複数の光源を形成してもよい。
また、オプティカル・インテグレータを用いてその露光用の照明光の照度分布を均一化する第４工程をさらに備え、その第３工程では、そのオプティカル・インテグレータとそのマスクとの間からその非感光性の波長域の照明光を照射してもよい。
また、その第３工程では、そのマスクとその像との間からその非感光性の波長域の照明光を照射してもよい。
また、一例として、その投影光学系はレンズを備えている。
また、その第３工程では、その投影光学系のその瞳面に近いレンズに対して照度分布が均一となるようにその非感光性の波長域の照明光を照射してもよい。
また、その第１工程では、その投影光学系のその瞳面と共役な面上におけるその光源の分布を変更してもよい。
また、その第１工程では、その投影光学系のその瞳面と共役なその面上でその光軸から偏心したその領域にその光源を形成する状態と、その投影光学系のその瞳面と共役なその面上でその光軸を中心とする円形の領域にその光源を形成する状態とを切り換えるようにしてもよい。この場合、その光源の分布の変更に応じて、その補助照明系によるその非感光性の波長域の照明光を照射する領域を変更する工程をさらに備えてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の投影露光装置の実施の形態の第１の例につき図１〜図３を参照して説明する。本例は、レチクル上のパターンを投影光学系を介してウエハ上の各ショット領域に投影するステッパー型の投影露光装置に本発明を適用したものである。
【００１４】
図１は、本例の投影露光装置の概略構成を示し、この図１に示すように本例の投影露光装置には３つの光源部（図１では２つの光源部１，２が現れている）が設けられている。露光時には、第１の光源部１からはウエハ１３上のフォトレジストに感光性の波長λ１の照明光ＩＬ１が射出され、第２の光源部２及び不図示の第３の光源部からはウエハ１３上のフォトレジストに非感光性の波長λ２の照明光ＩＬ２が射出される。光源部１の水銀ランプよりなる光源２１から射出された照明光は、楕円鏡２２によって第２焦点に集光した後、発散光となって、不図示の干渉フィルター等に入射し、干渉フィルターにより例えばｉ線（波長３６５ｎｍ）の照明光ＩＬ１が抽出される。次に、照明光ＩＬ１はインプットレンズ２３により平行光束となって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２４に入射する。フライアイレンズ２４の各レンズエレメントの夫々の射出面には２次光源が形成され、これらの２次光源により面光源が作られる。フライアイレンズ２４の射出面には、面光源の大きさを調整するための切り換え自在の複数の開口絞り２６Ａ〜２６Ｃ（図２（ａ）参照）が配置されている。これらの開口絞り２６Ａ〜２６Ｃは、ターレット状の円板２５に固定され、円板２５を駆動装置２５Ａで回転することで所望の開口絞りをフライアイレンズ２４の射出面に設定できる。
【００１５】
図２（ａ）は、図１の円板２５上の開口絞りの具体的な構成を説明するための平面図を示し、この図２（ａ）において、３個の開口絞り２６Ａ〜２６Ｃはターレット状の円板２５の周辺に等角度間隔で固定されている。第１の開口絞り２６Ａは通常の照明を行う場合に使用される円形開口を有し、第２の開口絞り２６Ｂは小さいコヒーレンスファクタ（σ値）で照明を行う場合に使用される小さい円形開口を有する。第３の開口絞り２６Ｃは、大きな円形開口を有し、本例では輪帯照明、又は変形照明を行う場合にその第３の開口絞り２６Ｃをフライアイレンズ２４の射出面に設定する。即ち、通常輪帯照明時には図２（ｂ）に示す輪帯状の開口絞り２６Ｄが使用され、変形照明時には図２（ｃ）に示す光軸を中心として配置された４個の小さい開口を有する開口絞り２６Ｅが使用される。しかし、本例では後述の変形ミラー５等によって、実質的に開口絞り２６Ｄ等が兼用される。図１では第３の開口絞り２６Ｃが照明光ＩＬ１の光路上に配置されている。
【００１６】
開口絞り２６Ｃを通過した照明光ＩＬ１は、第１リレーレンズ２７を透過し、視野絞り（レチクルブラインド）２８により照明範囲が規定される。照明範囲が規定された照明光ＩＬ１は、光源部１から射出されて第２リレーレンズ３を介して、照明光学系の光軸ＡＸを中心として第２リレーレンズ３側に凹の４角錐状に配置された４枚のミラー６Ａ〜６Ｄ（図１ではその内の２枚のミラー６Ａ，６Ｂを示す）からなる変形ミラー５の周囲を通過する。変形ミラー５の４枚のミラーの反射面は外側を向き、照明光学系の光軸ＡＸに対してほぼ４５°傾斜している。更に、変形ミラー５の上面は、開口絞り２６Ｃの配置面に共役な位置に配置されている。変形ミラー５の周囲を通過した照明光ＩＬ１は、コンデンサレンズ９を経てレチクル１０に入射する。
【００１７】
図３（ａ）は、図１の変形ミラー５をレチクル１０側からみた図を示し、この図３（ａ）において、ミラー６Ａ〜６Ｄは互いに等しい形状で、照明光学系の光軸ＡＸを頂点とする４角錐を形成するように密接して配置されている。また、ミラー６Ａ〜６Ｄの底面の外形１７は、全体として光軸ＡＸを中心とする１つの円周を形成している。そして、その外形１７と図１の開口絞り２６Ｃの開口の像の外周１６との間の輪帯状の領域１５を照明光ＩＬ１が通過するように構成されている。即ち、本例の変形ミラー５は、輪帯状の開口絞りを兼用している。
【００１８】
図１に戻り、変形ミラー５は退避交換装置８によって照明光ＩＬ１の光路外に退避できると共に、別の変形ミラーと交換できるように構成されている。
次に、第２の光源部２は非露光用の光源、及びその光源からの光束を所定の拡がり角で放出するレンズ系等を含んで構成されている。そして、レチクル１０の左上部に配置された光源部２から射出されたフォトレジストに非感光性の照明光ＩＬ２は、リレーレンズ４により平行光束にされ、一部が照明光学系の光軸ＡＸと直交する方向から変形ミラー５中のミラー６Ａに入射する。照明光ＩＬ２の一部はミラー６Ａにより下方に向けて反射される。ミラー６Ａの下方を通過した照明光ＩＬ２は、ミラー７Ａ，７Ｂにより反射されて変形ミラー５中のミラー６Ｂに入射し、ミラー６Ｂにより反射された光束は、ミラー６Ａで反射された光束と共にコンデンサレンズ９に入射する。不図示であるが、光源部２、リレーレンズ４、及びミラー７Ａ，７Ｂよりなる光学系と同様の光学系は図１の紙面に垂直な方向にも配置されており、この図１の紙面に垂直な方向に配置された第３の光源部からのフォトレジストに非感光性の照明光（これも照明光ＩＬ２とする）は、変形ミラー５中のミラー６Ｃ，６Ｄ（図３参照）により下方に反射される。従って、照明光ＩＬ２は、図３（ａ）において照明光ＩＬ１が通過する輪帯状の領域１５の内側の円形の領域で反射される。
【００１９】
図１において、変形ミラー５の周囲を通過した照明光ＩＬ１、及び変形ミラー５により反射された照明光ＩＬ２は、共にコンデンサレンズ９によりレチクル１０上に照射される。レチクル１０上に照射された照明光ＩＬ１，ＩＬ２は、レチクル上のパターン領域を通過し、投影光学系１２を介してウエハ１３上に照射される。露光用の照明光ＩＬ１のもとで、投影光学系１２に関してレチクル１０のパターン面とウエハ１３の表面とは共役であり、照明光ＩＬ２は、ウエハ１３上のフォトレジストに非感光性であるため、その露光用の照明光ＩＬ１により照明されたレチクル１０上のパターン像だけがウエハ１３上のフォトレジストを感光させる。この場合、投影光学系１２内の瞳面ＰＳ、即ちレチクル１０のパターン面に対する光学的フーリエ変換面は開口絞り２６Ｃの配置面ひいては変形ミラー５の上面と共役であり、瞳面ＰＳには開口絞りＡＳが配置されている。
【００２０】
照明光ＩＬ１の波長λ１及び照明ＩＬ２の波長λ２は、フォトレジストの種類及び投影光学系１２のレンズを形成する硝材の種類等により異なるが、通常の場合、波長λ１は５３０ｎｍ未満、波長λ２は５３０ｎｍ以上の波長を選択する。露光用の照明光ＩＬ１としては、本例では水銀ランプのｉ線が使用されているが、それ以外に水銀ランプのｇ線（波長４３６ｎｍ）等の輝線、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３．２ｎｍ）やＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８．５ｎｍ）、あるいは銅蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調波等が使用できる。また、照明光ＩＬ２としては、フォトレジストを感光させない波長で、レンズの硝材又はコーティング膜での単位面積当たりの光吸収量が全体として照明光ＩＬ１に近いものが好ましい。その意味から、照明光ＩＬ２としては、光吸収率が小さいときには光源の光強度が強く、一方光源の光強度が小さいときには、投影光学系１２のレンズの硝材又はコーティング膜に対する光吸収率のできるだけ大きなものが好ましい。照明光ＩＬ２の一例としては、例えばＨｅ−Ｎｅレーザからのレーザビーム（波長６３３ｎｍ）等が挙げられる。
【００２１】
なお、投影光学系のレンズ用の硝材として、石英や紫外域から近赤外域までの透過率が良好な所定のガラスが使用された場合、これらの硝材は、約２μｍ以上の長い波長からかなりの光吸収率を有するので、照明光ＩＬ２として、フッ化水素（ＨＦ）ガスの化学反応を利用したＨＦ化学レーザ光（波長２．４〜３．４μｍ）等を使用してもよい。また、石英以外の光学ガラスは、不純物を含んでいるため、５３０ｎｍ以上の波長でも１％／ｃｍに近い光吸収率を有するものもあり、このような１％／ｃｍに近い光吸収率を有する照明光でも十分有効である。このような照明光の例としては、水素（Ｈ₂)放電管からのＣ線（波長６５６．３ｎｍ）やヘリウム（Ｈｅ）放電管からのｄ線（波長５８７．６ｎｍ）等が挙げられる。図１において、照明光学系の光軸ＡＸは投影光学系１２の光軸と合致しており、以下では光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な２次元平面上で図１の紙面に平行にＸ軸、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。
【００２２】
レチクル１０はＸ方向、Ｙ方向、及び回転方向に微動可能なレチクルステージ１１上に載置されている。レチクルステージ１０の位置は外部のレーザ干渉計（不図示）により精密に計測されており、そのレーザ干渉計の測定値に基づいてレチクルステージ１１の位置が制御されている。一方、ウエハ１３は不図示のウエハホルダを介してＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向にウエハを位置決めするウエハステージ１４上に載置され、ウエハステージ１４の位置は、外部のレーザ干渉計により精密に計測されており、その計測値に基づいてウエハステージ１４の位置が制御されている。ウエハステージ１４によりウエハ１３の各ショット領域の中心を投影光学系１２の露光中心に移動する動作と、露光動作とがステップ・アンド・リピート方式で繰り返されて、レチクル１０上のパターンの像がウエハ１３上の各ショット領域に転写される。
【００２３】
次に、本例の投影露光装置の動作について説明する。
本例では、先ず図１に示すように、大きな開口を有する開口絞り２６Ｃと、変形ミラー５とを組み合わせて露光用の照明光ＩＬ１で実質的に輪帯照明を行っているため、例えば所定の周期的なパターンに対して高い解像度が得られる。また、図３（ａ）に示すように、投影光学系１２の瞳面ＰＳとほぼ共役な面上で、フォトレジストに感光性の照明光ＩＬ１は輪帯状の領域１５を通過し、変形ミラー５の反射面により反射されたフォトレジストに非感光性の照明光ＩＬ２は、領域１５の内側の領域を通過する。このような照明状態で、照明光ＩＬ１，ＩＬ２を図１のレチクル１０を経て投影光学系１２に入射させると、投影光学系１２の瞳面ＰＳ上で、照明光ＩＬ１，ＩＬ２は全体として光軸ＡＸを中心とする円形領域内を通過する。従って、その瞳面ＰＳの付近の投影光学系１２のレンズは周辺部ばかりでなく中心部も熱エネルギーを吸収して温度上昇する。そのため、瞳面ＰＳ付近のレンズでは熱変形や屈折率変化の２次の変動成分の割合が高次の変動成分に対して大きくなる。投影光学系１２の球面収差変動は、瞳面ＰＳ付近のレンズの熱変形や屈折率の変化にほぼ比例するため、球面収差変動も２次の成分が多くなり、投影光学系１２の高次の球面収差変動が抑えられる。
【００２４】
なお、図１では輪帯照明用の変形ミラー５を使用したが、本例では図２（ｃ）に示す変形照明用の開口絞り２６Ｅを兼用する４角錐状の変形ミラー５Ａ（図３（ｂ）参照）も用意されている。即ち、変形照明を行うときには、図１の退避交換装置８を介して変形ミラー５の代わりに変形ミラー５Ａを照明光ＩＬ１の光路上に設定する。
【００２５】
図３（ｂ）は、変形照明用の変形ミラー５Ａを図１のレチクル１０側から見た図を示し、この図３（ｂ）において、変形ミラー５Ａを構成する４個のミラー１９Ａ〜１９Ｄは互いに等しい扇状で、光軸ＡＸを頂点とするレチクル１０に凸面を向けた４角錐を形成するように密接して配置されている。また、ミラー１９Ａ〜１９Ｄはレチクル１０側の面が反射面となっており、ミラー１９Ａ〜１９Ｄのレチクル１０から見た外形は全体として光軸ＡＸを中心とする１つの円周１６Ａとなっている。この円周１６Ａは、図３（ａ）の照明光ＩＬ１が通過する円形の領域の外周１６とほぼ等しい。また、各ミラー１９Ａ〜１９Ｄの外形の円周１６Ａの内側に等角度間隔で、レチクル１０側から見て円形の透過部１８Ａ〜１８Ｄが形成され、この透過部１８Ａ〜１８Ｄを図１の露光用の照明光ＩＬ１が透過するように構成されている。この変形ミラー５Ａが、図２（ｃ）の変形照明用の開口絞り２６Ｅを兼用している。
【００２６】
即ち、本例で変形照明を行うときには、図１の退避交換装置８を介して、図１の変形ミラー５の代わりに変形ミラー５Ａを角錐の頂点が光軸ＡＸに一致するように、且つその頂点をレチクル１０側に向けて配置する。これによって、照明光ＩＬ１は４個の透過部１８Ａ〜１８Ｄを透過して図１のレチクル１０上に照射される。一方、非露光用の照明光ＩＬ２は、図３（ｂ）の円周１６Ａ内で透過部１８Ａ〜１８Ｄを除く領域で反射されてレチクル１０上に照射される。変形ミラー５Ａの上面は投影光学系１２の瞳面ＰＳと共役であるため、投影光学系１２の瞳面ＰＳ上では、光軸ＡＸを中心とする円形の領域が照明光ＩＬ１及びＩＬ２によって照明される。従って、変形照明法で高い解像度が得られると共に、高次の球面収差変動が抑えられる。しかも、非露光用の照明光ＩＬ２は結像特性には悪影響を与えない。また、図１において、通常の照明法を用いるときには、退避交換装置８を介して変形ミラー５，５Ａを照明光ＩＬ１の光路から退避させて、開口絞りとして図２（ａ）の開口絞り２６Ａ，２６Ｂを設定すればよい。
【００２７】
なお、図３（ａ）又は図３（ｂ）の変形ミラー５，５Ａの反射面でフォトレジストに感光性の照明光ＩＬ１を反射し、フォトレジストに非感光性の照明光ＩＬ２の一部を遮光するような構成にしてもよい。このような構成にする場合は、図１において、光源部１，２及び関連する光学系の配置を入れ換えると共に、例えば図３（ａ）の変形ミラー５の代わりに、中央部に照明光ＩＬ２が透過するように円形の透過部を設け、その透過部の周辺に照明光ＩＬ２に対して直交する方向から入射する照明光ＩＬ１を反射する輪帯状の反射面を有する変形ミラーを使用すればよい。
【００２８】
次に、本発明の実施の形態の第１の例の変形例について、図４を参照して説明する。本変形例は、露光用の照明光とフォトレジストに非感光性の照明光とを予め合成し、その合成光をレチクル１０の手前に設けた波長選択性を有する開口絞りにより再び２つの照明光に分けて、レチクル１０を照明するように構成したものである。図４において図１に対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００２９】
図４は、本変形例の投影露光装置の概略構成を示し、この図４において、図１の光源部１と同様にフォトレジストに対して感光性の照明光ＩＬ１Ａを射出する光源部１Ａと、図１の光源部２と同様にフォトレジストに対して非感光性の照明光ＩＬ２Ａを射出する光源部２Ａとを互いに位置を代える形で配置している。そして、それらの照明光ＩＬ１Ａと照明光ＩＬ２Ａとが交差する位置に偏光ビームスプリッター３１を配置している。本変形例の照明光ＩＬ１Ａ及びＩＬ２ＡはそれぞれＰ偏光の直線偏光であるとする。光源部２Ａの視野絞りから射出された波長λ２のＰ偏光の照明光ＩＬ２Ａは、リレーレンズ４Ａにより平行光束にされて偏光ビームスプリッター３１を透過し、１／４波長板３４により円偏光に変換される。一方、光源部１Ａの視野絞りから射出され、リレーレンズ３Ａにより平行光束にされたＰ偏光の照明光ＩＬ１Ａは、照明光ＩＬ２Ａの光路に直交する方向から偏光ビームスプリッター３１を透過して、１／４波長板３２を経てミラー３３により反射されて再び１／４波長板３２に入射してＳ偏光に変換される。Ｓ偏光に変換された照明光ＩＬ１Ａは、偏光ビームスプリッター３１により反射されて、１／４波長板３４に入射し、円偏光に変換される。１／４波長板３４により円偏光に変換された照明光ＩＬ１Ａ，ＩＬ２Ａは、リレーレンズ３５及び３６を経て波長選択性を有する開口絞り３７に入射する。
【００３０】
図５（ａ）は、開口絞り３７の平面図を示し、この図５（ａ）において、開口絞り３７は波長λ１の照明光ＩＬ１Ａを透過し、波長λ２の照明光ＩＬ２Ａを殆ど透過しない輪帯状の光学フィルター３９と、波長λ２の照明光ＩＬ２Ａを透過し、波長λ１の照明光ＩＬ１を殆ど透過しない円形の光学フィルター３８とから構成されている。また、開口絞り３７は中心が光軸ＡＸに合致するように投影光学系１２の瞳面ＰＳと共役な面上に配置されている。そして、光源部１Ａからの照明光ＩＬ１Ａは輪帯状の光学フィルター３９を含む領域に照射され、光源部２Ａからの照明光ＩＬ２Ａは円形の光学フィルター３８を含む領域に照射されている。
【００３１】
偏光ビームスプリッター３１により合成された２つの照明光ＩＬ１Ａ，ＩＬ２Ａは、開口絞り３７を通過した後、コンデンサレンズ９を介してレチクル１０上に照射される。レチクル１０のパターン像は投影光学系１２を介してウエハ１３上に投影される。投影光学系１２の瞳面ＰＳ上では、第１の例と同様の照明光ＩＬ１Ａ，ＩＬ２Ａがほぼ円形の領域を通過する。以下の照明光ＩＬ１Ａ，ＩＬ２Ａの光路は第１の例と同様につき説明を省略する。
【００３２】
本変形例によれば、第１の例と同様の高次の球面収差低減効果が得られると共に、波長選択性を有する開口絞り３７により照明光ＩＬ１Ａ，ＩＬ２Ａの通過領域を規定するため、第１の例のように変形ミラー５を用いるという複雑な構成が不要である。また、波長λ２の光源部２Ａが１つで済むため、装置全体をコンパクトに構成できる。また、偏光ビームスプリッター３１で合成された直線偏光の２光束は、１／４波長板３４によって円偏光に変換されるので、ウエハ１３上に結像する際に、レチクル１０のパターンの方向が変わっても良好な転写が行われる。なお、偏光ビームスプリッター３１に代えて図４の２点鎖線で示すように、ダイクロイックミラー３１Ａを使用することもできる。このダイクロイックミラー３１Ａは、照明光ＩＬ２Ａを透過して、照明光ＩＬ１Ａを反射する波長選択性を有し、これによって両照明光ＩＬ１Ａ，ＩＬ２Ａが無駄なく合成される。この際には１／４波長板３２，３４及びミラー３３は不要となり、構成が簡単となる。また、図４の開口絞り３７は、図１の退避交換装置８と同様の装置によって変形照明用の開口絞り３７Ａと交換できるように構成されている。
【００３３】
図５（ｂ）は、変形照明を行う際に図４の開口絞り３７の代わりに用いられる波長選択性を有する開口絞り３７Ａの平面図を示し、この図５（ｂ）において、開口絞り３７Ａは、波長λ１の照明光ＩＬ１Ａを透過し、波長λ２の照明光ＩＬ２Ａを殆ど透過しない４個の小さい円形の光学フィルター４０Ａ〜４０Ｄ、及びこれらの光学フィルター４０Ａ〜４０Ｄを除く領域で波長λ２の照明光ＩＬ２Ａを透過し、波長λ１の照明光ＩＬ１Ａを殆ど透過しない外形が円形の光学フィルター４１から構成されている。光学フィルター４１は、図５（ａ）の光学フィルター３９の外径とほぼ等しい外径をもち、その外周近くに等角度間隔で形成された４個の小さな円形の開口部を有し、それら４個の開口部にそれぞれ光学フィルター４０Ａ〜４０Ｄが設けられている。露光用の照明光ＩＬ１Ａは、４個の光学フィルター４０Ａ〜４０Ｄを通過し、フォトレジストに非感光性の照明光ＩＬ２Ａは、その光学フィルター４０Ａ〜４０Ｄの周囲の光学フィルター４１を通過する。これによって変形照明が行われると共に、高次の球面収差変動が抑制される。
【００３４】
なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）において、光源部１Ａからの照明光ＩＬ１Ａが透過する光学フィルター３８及び４０Ａ〜４０Ｄとしては、できるだけ光源部２Ａからの照明光ＩＬ２Ａを透過しないものが、高次の球面収差変動を低減する効果が大きく、望ましい。
次に、本発明の投影露光装置の実施の形態の第２の例について図６を参照して説明する。本例は、輪帯状の瞳フィルターを使用する場合に本発明を適用したものである。なお、図６において図１に対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００３５】
図６は、本例の投影露光装置の概略構成を示し、この図６において、簡単のため、投影光学系１２を上部レンズ系１２Ａ及び下部レンズ系１２Ｂに分けて説明する。本例では、それらの上部レンズ系１２Ａ及び下部レンズ系１２Ｂの間の瞳面ＰＳの近傍に図１の変形ミラー５と同様の４角錐型の変形ミラー５Ｂを配置している。図１の光源部１と同様の光源部１Ｂの視野絞りから射出されたフォトレジストに感光性の波長λ１の照明光ＩＬ１Ｂは、コンデンサレンズ４２を介してレチクル１０上に照射される。光源部１Ｂ内の開口絞りは図２（ａ）の開口絞り２６Ｃと同様の大きな円形である。レチクル１０を透過した照明光ＩＬ１Ｂは、上部レンズ系１２Ａにより光学的にフーリエ変換されて、変形ミラー５Ｂの周囲を通過する。この変形ミラー５Ｂにより、フォトレジストに感光性の照明光ＩＬ１Ｂが光軸ＡＸを中心とする円形領域で遮光される。即ち、変形ミラー５Ｂは輪帯状の瞳フィルターを兼用している。一方、図１の光源部２と同様の光源部２Ｂから射出された波長λ２のフォトレジストに非感光性の照明光ＩＬ２Ｂは、リレーレンズ４Ｂで平行光束にされた後、一部が変形ミラー５Ｂの第１の反射面でウエハ１３側に向けて反射される。この場合、図１の第１の例と同様に変形ミラー５Ｂの下方を通過した照明光ＩＬ２Ｂを反射して、変形ミラー５Ｂの第２の反射面に入射させるためのミラー７Ａ，８Ａが配置されている。
【００３６】
更に、本例でも図６の紙面に垂直な方向に、変形ミラー５Ｂの第３及び第４の反射面に対して波長λ２の照明光を供給する光源部等が設けられている。変形ミラー５Ｂで反射された照明光ＩＬ２Ｂは、下部レンズ系１２Ｂを介してウエハ１３上に照射される。
本例では、投影光学系１２の瞳面ＰＳに配置された変形ミラー５Ｂにより露光用の照明光ＩＬ１Ｂの光軸ＡＸ近傍の領域が遮光されるため、所定のパターンに対して輪帯状の中心遮光型の瞳フィルターを設置した場合と同様の高い解像度が得られる。また、下部レンズ系１２Ｂの硝材は、２波長の照明光ＩＬ１Ｂ，ＩＬ２Ｂにより均一な照度分布で照明されるため、高次の熱変形や屈折率の変化が抑えられ、投影光学系１２の高次の球面収差変動が抑えられる。
【００３７】
なお、本発明の実施の形態の第１の例において補足したように、変形ミラー５Ｂの反射面でフォトレジストに感光性の照明光ＩＬ１Ｂを反射し、それ以外の部分でフォトレジストに非感光性の照明光ＩＬ２Ｂを透過させるような構成にしてもよい。このような構成にする場合は、図６において、光源部１Ｂ，２Ｂ、レチクル１０、上部レンズ系１２Ａ、及び関連する光学系の配置を入れ換えると共に、変形ミラーとして、中央部に照明光ＩＬ２Ｂが透過するように円形の開口を設け、その開口部の周辺に照明光ＩＬ２Ｂに対して直交する方向から入射する照明光ＩＬ１Ｂに対して輪帯状の反射面を有する変形ミラーを使用すればよい。
【００３８】
次に、本発明の実施の形態の第２の例の変形例について、図７を参照して説明する。本変形例の投影露光装置の投影光学系までの構成は、図４の第１の例の変形例とほぼ同様であり（但し、開口絞り３７が省かれている）、図７において図４及び図６に対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図７は、本例の投影露光装置の概略構成を示し、この図７において、投影光学系１２の上部レンズ系１２Ａ及び下部レンズ系１２Ｂの間の瞳面ＰＳの近傍に図５（ａ）の開口絞り３７と同様の波長選択性を有する開口絞り４３を配置している。光源部２Ａから射出されたフォトレジストに非感光性の波長λ２の照明光ＩＬ２Ａ、及び光源部１Ａから射出されたフォトレジストに感光性の波長λ１の照明光ＩＬ１Ａは、偏光ビームスプリッター３１で合成され、レチクル１０を透過して投影光学系１２の上部レンズ系１２Ａで光学的にフーリエ変換されて、開口絞り４３に入射する。開口絞り４３には、図５（ａ）と同様にフォトレジストに感光性の照明光ＩＬ１Ａのみを透過する輪帯状の光学フィルターと、その内側でフォトレジストに非感光性の照明光ＩＬ２Ａのみを透過する円形の光学フィルターとが形成されており、開口絞り４３は照明光ＩＬ１Ａに対して中心遮光型の瞳フィルターとして作用する。もう一方の照明光ＩＬ２Ａは照明光ＩＬ１Ａが遮光された円形領域を通過した後、下部レンズ系１２Ｂを介してウエハ１３上に入射する。
【００３９】
本変形例では、投影光学系１２の瞳面ＰＳに配置された開口絞り４３により、図６の例と同様に高い解像度が得られる。また、下部レンズ系１２Ｂの硝材は、２つの照明光ＩＬ１Ａ，ＩＬ２Ａにより均一な照度分布で照明されるため、高次の球面収差変動が抑えられる。なお、光源部１Ａからの照明光ＩＬ１Ａを透過する光学フィルターとしては、光源部２Ａからの照明光ＩＬ２Ａをできるだけ透過しない光学フィルターが、高次の収差を低減する効果が大きく望ましい。なお、図４の例と同様に、偏光ビームスプリッター３１に代えてダイクロイックミラーを使用してもよい。
【００４０】
次に、上述の実施の形態において、投影光学系１２のレンズに対する照度分布が均一化され、高次の収差変動が抑えられることを計算例に基づいて説明する。先ず、照明光の照射による上昇後の温度分布を計算する。レンズを円筒形に近似して、レンズの側面から周辺の空気を通して熱が流出せず、レンズの縁が金属と接することにより、その縁からのみ熱が流出し、レンズにおける吸収エネルギー密度分布が光軸ＡＸの回りの角度に対して一定であるとする。そのレンズの半径方向の距離を表す変数をｒとすれば、上昇後の温度分布は変数ｒの関数Ｔ（ｒ）となり、レンズの単位体積当たりの熱吸収量及び熱伝導率をそれぞれ、ω（ｒ）及びλとし、レンズの外半径をａとすると、熱平衡状態での円筒座標系での熱伝導方程式は、次式のように表せる。
【００４１】
【数１】
∂² Ｔ／∂ｒ² ＋（１／ｒ）∂Ｔ／∂ｒ＋ω（ｒ）／λ＝０
この熱伝導方程式を解くと、次式のようになる。
【００４２】
【数２】

【００４３】
ここで、Ｊ_n(ｐ_i ・ｒ）は第１種第ｎ次（ｎ＝０，１，２，…）のベッセル（Ｂessel)関数で、ｐ_i はＪ₁(ｐ_i ・ａ）＝０を満たす数列である（ｉ＝１，２，３，…）。また、係数Ｂ_i は次式により求められる。
【００４４】
【数３】

【００４５】
特に、熱吸収量ω（ｒ）が照射領域の半径（照射半径）内で階段状の関数で表されるとき、即ち或るｊ（１≦ｊ≦Ｎ）において、変数ｒが、ｈ_j ≦ｒ≦ｈ_j+1 を満たす区間において、熱吸収量ω（ｒ）が一定値ω_j をとるとき、次の関係が成立する。
【００４６】
【数４】

【００４７】
従って、（数４）を（数３）に代入することにより係数Ｂ_i が求められ、この係数Ｂ_i を（数２）に代入することにより、上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）が求められる。
次に、上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）により、どの次数の収差変動が多く現れるかを調べるために、上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）を以下のように最小２乗法でｒ¹⁰の項までベキ級数展開すると、次式のようになる。
【００４８】
【数５】
Ｔ（ｒ）＝Ｔ₀ ＋Ｃ₂ ・ｒ² ＋Ｃ₄ ・ｒ⁴ ＋Ｃ₆ ・ｒ⁶ ＋Ｃ₈ ・ｒ⁸ ＋Ｃ₁₀・ｒ¹⁰
この場合、上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）の単位は℃、変数ｒの単位はｍｍである。また、Ｔ₀ は、光軸ＡＸ、即ち変数ｒが０の位置における上昇後の温度分布Ｔ（０）である。
【００４９】
以下、実際の数値に基づく計算例について説明する。投影光学系の入射側の開口数（ＮＡ）に対する照明光学系の出射側の開口数の比の値（コヒーレンスファクタ）をσ値とし、このσ値を０．７５に設定する。そして、σ値が０．７５の照明系によって外半径４０ｍｍの円筒形の石英からなるレンズが照明され、レンズ上の照射領域の半径ｄが３０ｍｍであるような場合について、（数２）〜（数４）の熱伝導方程式の解に基づいて計算する。石英の熱伝導率を０．０１３８Ｗ／（ｃｍ・℃）とし、ウエハ上のフォトレジストに感光性の照明光に対するレンズの熱吸収率を２％／ｃｍとする。
【００５０】
第１の計算例では、先ず比較のため、照明光の全照射エネルギー量が１Ｗで、σ値が０．７５の範囲内でレンズが一様に照射されている場合について計算する。
図８（ａ）は、第１の計算例による上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）を示し、横軸は変数ｒ、縦軸は上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）を表す。実線の曲線４６Ａに示すように、上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）は原点、即ち光軸ＡＸに最大値を有し、光軸ＡＸに関して軸対称な山型の変化を示す。なお、参考として、照明光の照射エネルギー密度Ｐ（ｒ）を点線４７Ａにより示す。照射エネルギー密度Ｐ（ｒ）は、変数ｒが０〜ｄ（照射半径）の間で一定の値Ｐ１となる。また、光軸ＡＸでの温度分布Ｔ₀ 、及び温度分布Ｔ（ｒ）を（数５）によりベキ級数に展開したときの係数Ｃ₂ 〜Ｃ₁₀を表１に示す。
【００５１】
【表１】

【００５２】
次に、第２の計算例について説明する。この計算例は輪帯照明だけ行われた場合の例であり、第１の計算例と同様に比較のための計算例である。σ値は最大で０．７５で、輪帯の内側のσ値は０．５である。そのσ値が０．５〜０．７５の間でレンズが一様に照明され、全照射エネルギー量が１Ｗである場合について上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）を計算したものである。
【００５３】
図４（ｂ）は、第２の計算例による上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）を示し、この図４（ｂ）において、実線の曲線４６Ｂに示すように、上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）は変数ｒがほぼ０〜ｅの間で一定の上昇温度ＴＢとなる。点線４７Ｂで示す照射エネルギー密度Ｐ（ｒ）は、変数ｒがｅ〜ｄの間で一定の値Ｐ２となり、変数ｒが０〜ｅの間では０となっている。第１の計算例と同様に、光軸ＡＸでの上昇後の温度分布Ｔ₀ 、及び上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）を（数５）によりベキ級数に展開したときの係数Ｃ₂ 〜Ｃ₁₀を表２に示す。
【００５４】
【表２】

【００５５】
次に、第３の計算例について説明する。この計算例は、図１、図４、図６、図７に示す実施の形態のように、ウエハ１３上のフォトレジストに感光性の照明光及びそのフォトレジストに非感光性の照明光の２つの照明光によりレンズが照明されている場合の上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）を求めるものである。この場合、σ値が０．７５から０．５の範囲内では、フォトレジストに感光性の照明光により全照射エネルギー量が１Ｗでレンズが一様に照明され、σ値が０．５から０．０の範囲内においては、フォトレジストに非感光性の波長の照明光により、照射エネルギー密度Ｐ（ｒ）がσ値が０．７５から０．５の範囲での照射エネルギー密度の１／２になるようにレンズが照明されているものとする。
【００５６】
図４（ｃ）は、第３の計算例による上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）を示し、この図４（ｃ）において、実線の曲線４６Ｃに示すように、上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）は原点、即ち光軸ＡＸに最大値ＴＣを有し、光軸ＡＸに関して軸対称な山型の変化を示す。また、照射エネルギー密度Ｐ（ｒ）は階段状に変化する点線４７Ｃに示すように、変数ｒがｅ〜ｄの間で一定の値Ｐ２となり、変数ｒが０〜ｅの間では一定の値Ｐ３（＝Ｐ２／２）となっている。また、光軸ＡＸでの温度分布Ｔ₀ 、及び温度分布Ｔ（ｒ）を（数５）によりベキ級数に展開したときの係数Ｃ₂ 〜Ｃ₁₀を表３に示す。
【００５７】
【表３】

【００５８】
なお、第１及び第２の計算例においては、全照射エネルギー量を１Ｗとし、第３の計算例においては、σ値が０．７５から０．５の範囲内における照射エネルギー量を１Ｗとしている。この第３の計算例においては、σ値が０．５〜０．０の範囲における照射エネルギー量を加えると、全照射エネルギー量は１Ｗを超える。これは、第１〜第３の計算例におけるウエハ１３上のフォトレジストに感光性の照明光の照射エネルギー量を等しくして、露光時間（スループット）が等しくなるように設定したものである。
【００５９】
第１の計算例に示す照明形態（一様照明）と、第２の計算例に示す照明形態（輪帯照明）とを比較した場合、表１及び表２で示すように、輪帯照明の方が一様照明に比較して、光軸ＡＸにおける上昇温度が低い。それにもかかわらず、例えばベキ級数の係数Ｃ₄ を比較すると、一様照明の場合の係数Ｃ₄ の値が、４．４０００×１０^-8に対して、輪帯照明の場合の係数Ｃ₄ は、２．７３２８×１０^-7と、輪帯照明の方が大きくなっている。即ち、一様照明と輪帯照明とを比較すると、係数Ｃ₂ 以外のベキ級数の係数の絶対値は全て輪帯照明の方が大きくなっている。熱変形や屈折率変化は上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）に比例するので、収差変動も上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）に比例する。係数Ｃ₂ より高次のベキ級数の係数が全て輪帯照明の方が大きいということは、輪帯照明の方が高次の収差変動が大きいことを意味する。
【００６０】
ここで、図１、図４、図６、図７に示す実施の形態での照明形態を「合成照明」とすれば、合成照明により光軸近傍にも照明光を照射すると、第３の計算例に示すように、全照射量が一様照明や輪帯照明よりも多いのにもかかわらず、表１及び表２に示すように、係数Ｃ₄ の値（＝１．７６２４×１０^-7）は、輪帯照明での係数Ｃ₄ の値（＝２．７３２８×１０^-7）よりも小さくなっている。更に、係数Ｃ₆,Ｃ₈,Ｃ₁₀の絶対値を比較すると、何れの係数においても合成照明の方が輪帯照明よりも小さくなっている。これは、合成照明により高次の収差変動が小さくなることを意味する。
【００６１】
また、第３の計算例においては、σ値が０〜０．５の間における照射エネルギー密度を、σ値が０．５〜０．７５の間における密度分布の１／２としたが、σ値が０〜０．７５の範囲において全て一様な照射エネルギー分布により照射されている場合の温度分布Ｔ（ｒ）について計算し、図４（ｂ）の輪帯照明の場合と比較してみる。
【００６２】
図８（ａ）のエネルギー密度Ｐ１と図８（ｂ）の照射エネルギー密度Ｐ２との間には、Ｐ２＝１．８・Ｐ１の関係が成立する。従って、図８（ｂ）のような輪帯照明において、σ値が０．５以内の範囲も輪帯照明領域と等しい照射エネルギー密度で照射する場合には、図８（ａ）において、照射エネルギー密度を１．８倍した状態と等価である。従って、ベキ級数の係数も全て１．８倍されるので、表１における係数Ｃ₄,Ｃ₆,Ｃ₈,Ｃ₁₀はそれぞれ、７．９２００×１０^-8，−１．７８２１×１０^-10 ，１．４９３７×１０^-13 ，−３．７３４１×１０^-17 となる。これらの係数の値を表２のそれぞれの係数と比較した場合、光軸ＡＸ近傍の上昇後の温度分布Ｔ₀ が輪帯照明の場合よりもかなり大きいにもかかわらず、係数Ｃ₄ 〜Ｃ₁₀までの係数は輪帯照明の場合より全て小さくなっている。即ち、合成照明によりσ値が０〜０．７５の範囲内において、輪帯照明と同じ照射エネルギー密度Ｐ２で照射した場合でも、輪帯照明の場合より高次の収差変動が少ないことを意味している。
【００６３】
なお、上述の実施の形態はステッパー型の投影露光装置に本発明を適用したものであるが、本発明はステップ・アンド・スキャン方式のような走査露光型の投影露光装置にも適用できる。
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。
【００６４】
【発明の効果】
本発明の第１の投影露光装置及び投影露光方法によれば、投影光学系の瞳面と共役な面上で光軸から偏心した領域に分布する光源からの露光用の照明光を用いるため、例えば輪帯照明又は変形照明を行う場合と同じような解像力向上の効果が得られる。また、輪帯照明や変形照明を行う場合に露光用の照明光が通過しない領域に、非感光性の照明光を照射しているため、投影光学系のレンズの高次の熱変形や屈折率変化が減少し、投影光学系の高次の球面収差変動が抑えられる利点がある。
【００６５】
また、照明光学系が、輪帯状の光源、又は光軸に対して偏心した位置にある複数の光源からの露光用の照明光でマスクを照明する場合には、所謂輪帯照明や変形照明により高い解像度が得られる。
また、照明光学系が、露光用の照明光の照度分布を均一化するためのオプティカル・インテグレータを有し、オプティカル・インテグレータとマスクとの間に、補助照明系からの照明光をマスクに導く補助光導入部材を設ける場合には、露光用の照明光と非感光性の照明光とを瞳面と共役な面上で正確に分離した状態でマスクを照明でき、結像特性が劣化しない利点がある。
【００６６】
また、本発明の第２の投影露光装置によれば、波長選択性を有する光学部材によって投影光学系の瞳面上で光軸から偏心した領域を通過する結像光束を用いるため、輪帯状の中心遮光型の瞳フィルターを設置した場合と同様の解像度が得られる利点がある。更に、投影光学系の瞳面近傍のレンズは、露光用の照明光と感光基板に非感光性の照明光との２つの照明光により均一な照度分布で照射されるため、レンズの熱変形や屈折率の高次の変動成分が減少し、投影光学系の高次の球面収差変動が減少する利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の投影露光装置の実施の形態の第１の例を示す概略構成図である。
【図２】図１の光源部に設けられた各種の開口絞りを示す拡大平面図である。
【図３】（ａ）は図１の変形ミラー５をレチクル側から見た図、（ｂ）は別の変形ミラー５Ａをレチクル側から見た図である。
【図４】本発明の実施の形態の第１の例の変形例を示す概略構成図である。
【図５】（ａ）は図４中の開口絞り３７を示す平面図、（ｂ）は別の開口絞り３７Ａを示す平面図である。
【図６】本発明の投影露光装置の実施の形態の第２の例を示す概略構成図である。
【図７】その実施の形態の第２の例の変形例を示す概略構成図である。
【図８】本発明の実施の形態において、照射エネルギーによる温度分布計算例を説明するための図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ光源部（露光用）
２，２Ａ，２Ｂ光源部（非露光用）
５，５Ａ，５Ｂ変形ミラー
６Ａ〜６Ｄ，１９Ａ〜１９Ｄミラー
１０レチクル
１２投影光学系
１２Ａ上部レンズ系
１２Ｂ下部レンズ系
ＰＳ瞳面
１３ウエハ
１４ウエハステージ
２４フライアイレンズ
２６Ａ〜２６Ｃ開口絞り
３１偏光ビームスプリッター
３２，３４１／４波長板
３７，３７Ａ，４３波長選択性を有する開口絞り[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is used for exposing a pattern image on a mask onto a photosensitive substrate in a photolithography process for manufacturing, for example, a semiconductor element, a liquid crystal display element, an image pickup element (CCD, etc.), or a thin film magnetic head. In particular, the present invention is suitable for application to a projection exposure apparatus that performs annular illumination or uses a central light-shielding pupil filter.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, when a semiconductor element is manufactured, a wafer (or glass plate or the like) coated with a photoresist as a photosensitive substrate through a projection optical system for a pattern image of a reticle (or photomask or the like) as a mask. A projection exposure apparatus such as a stepper to be transferred thereon is used. In these projection exposure apparatuses, in order to expose a pattern with the highest degree of integration onto the wafer, illumination light having a wavelength as short as possible is used as exposure light, and the numerical aperture (NA) of the projection optical system is increased and transferred. Efforts have been made to increase the resolution of certain patterns.
[0003]
However, when simply increasing the numerical aperture of the projection optical system, the depth of focus becomes too narrow. Therefore, as a method of ensuring a certain depth of focus and obtaining high resolution without depending on the numerical aperture, An illumination method has been developed that illuminates the exposure light with respect to the reticle. In this illumination method, annular illumination in which the shape of the secondary light source of the illumination optical system is annular, and so-called modified illumination in which the shape of the secondary light source is a plurality of (for example, four) small light sources decentered from the optical axis. Etc. According to such an illumination method, the resolution of the projection optical system is improved even with the same exposure wavelength and the same numerical aperture of the projection optical system. In addition, a method of improving the resolution by so-called “super-resolution” by arranging a pupil filter such as an annular zone on the pupil plane of the projection optical system has been developed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above prior art, according to the illumination method that illuminates the reticle with exposure light that is uniformly distributed around a light beam incident perpendicularly to the reticle without using annular illumination or the like, the pattern of the reticle is mainly used. In order to form an image of the pattern on the wafer by the three light beams of the 0th-order diffracted light, the + 1st-order diffracted light, and the -1st-order diffracted light that have passed through Illuminated uniformly. In addition, even when a ring-shaped pupil filter that shields the central portion is not arranged on the pupil plane of the projection optical system under a normal illumination method, the lens near the pupil plane of the projection optical system is illuminated uniformly. . In such an illumination state, the temperature of the central portion of the lens mainly increases, so that thermal deformation and refractive index change that are functions of second order or lower with respect to the position mainly occur, and the movement of the Gauss image plane. Only occurs as a major aberration variation near the optical axis. Therefore, there is little possibility that high-order spherical aberration fluctuations occur in the projection optical system.
[0005]
However, when illumination is performed by annular illumination or a modified illumination method, an image of the pattern is formed on the wafer mainly by the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light of the exposure illumination light that has passed through the reticle pattern. Therefore, when there are many patterns close to the limit line width of the resolution of the projection optical system, the amount of light passing through the vicinity of the optical axis of the projection optical system is extremely small compared to the peripheral portion. Even when a pupil filter that blocks the vicinity of the optical axis is arranged on the pupil plane of the projection optical system, the amount of light transmitted through the vicinity of the optical axis of the lens arranged closer to the wafer than the pupil plane is the peripheral part. Compared to
[0006]
As described above, when the distribution of the irradiation energy to the lens of the projection optical system becomes non-uniform, a phenomenon occurs in which the peripheral portion of the lens mainly absorbs heat and the temperature rises, and the central portion does not rise in temperature. In proportion to this temperature rise, the refractive index of the lens partially fluctuates or the lens is thermally deformed, so a higher-order aspherical surface than the second order and a corresponding refractive index distribution are newly added. It is formed. For this reason, in the portion close to the optical axis of the projection optical system, there is a disadvantage that not only the Gaussian image plane is moved but also high-order spherical aberration fluctuations occur due to exposure light exposure.
[0007]
 In view of such points, the present invention reduces the higher-order spherical aberration variation of the projection optical system when performing exposure using an annular illumination, modified illumination, or the like, or using a pupil filter that blocks the vicinity of the optical axis. Projection exposure with high resolutionMethod andAn object is to provide an apparatus.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The first projection exposure apparatus according to the present invention projects an image of a pattern on a mask (10) onto a photosensitive substrate (13) under exposure illumination light (IL1) as shown in FIG. 1, for example. Distribution in an area decentered from the optical axis (AX) on the projection optical system (12) and on the pupil plane of the projection optical system, that is, a plane conjugate with the optical Fourier transform plane (PS) with respect to the pattern surface of the mask (10) An illumination optical system (1, 3, 9) that illuminates the mask (10) using illumination light (IL1) for exposure from a light source (including a secondary light source) The area where the illumination light (IL1) for exposure does not pass the illumination light (IL2) in the non-photosensitive wavelength range with respect to the photosensitive substrate (13) on the pupil plane (PS) of the projection optical system (12) Is provided with an auxiliary illumination system (2) for irradiating the light.
[0009]
According to the first projection exposure apparatus of the present invention, for exposure from a light source distributed in a region eccentric from the optical axis (AX) on a plane conjugate with the pupil plane (PS) of the projection optical system (12). Using the illumination light (IL1) means using the annular illumination method or the modified illumination method. At this time, the lens in the vicinity of the pupil plane of the projection optical system (12) is mainly illuminated by the exposure illumination light (IL1) in a region decentered from the optical axis, and has a high resolution for a predetermined periodic pattern, for example. can get. In addition, a region where the illumination light (IL1) for exposure does not pass on the pupil plane (PS) of the projection optical system (12) by the auxiliary illumination system, that is, a region near the optical axis is also non-photosensitive to the photosensitive substrate Illumination with light (IL2) makes the illuminance distribution on the lens close to the pupil plane (PS) of the projection optical system (12) uniform, and reduces higher-order fluctuation components in lens thermal deformation and refractive index change. To do. For this purpose, the non-photosensitive illumination light (IL2) is absorbed by the lens of the projection optical system (12) or the coating film of this lens with the same absorption rate as the exposure illumination light (IL1). There is a need. Since the spherical aberration variation of the lens is proportional to the thermal deformation and refractive index change of the lens, the higher-order spherical aberration variation of the projection optical system (12) can be suppressed. However, since the illumination light (IL2) from the auxiliary illumination system (2) is non-photosensitive, it does not affect the image transferred onto the photosensitive substrate (13).
[0010]
 In this case, the illumination optical system can illuminate the mask (10) with illumination light (IL1) for exposure from a ring-shaped light source or a plurality of light sources that are eccentric with respect to the optical axis. preferable. This means an illumination method using so-called annular illumination or modified illumination, and thereby a high resolution can be obtained.
 Further, the illumination optical system has an optical integrator (24) for uniformizing the illuminance distribution of the illumination light (IL1) for exposure, and between the optical integrator and the mask (10). It is preferable to provide auxiliary light introducing members (4, 6A to 6D, 7A, 7B) for guiding the illumination light (IL2) from the auxiliary illumination system (2) to the mask (10). Thereby, illumination light (IL1) for exposure and illumination light (IL2) can be easily synthesized.
 Further, an auxiliary light introducing member (4B, 5B) for guiding illumination light from the auxiliary illumination system may be provided between the mask and the image.
As an example, the projection optical system includes a lens.
The intensity of the illumination light from the auxiliary illumination system may be set according to the amount of light absorbed by the glass material of the lens or the coating film provided on the lens.
As an example, the lens is made of quartz.
The auxiliary illumination system may irradiate illumination light in the non-photosensitive wavelength region so that the illumination distribution is uniform with respect to the lens near the pupil plane of the projection optical system.
 The illumination optical system may change the distribution of the light source on a plane conjugate with the pupil plane of the projection optical system.
Further, the illumination optical system has a state in which the light source is distributed in the region decentered from the optical axis on the plane conjugate with the pupil plane of the projection optical system, and conjugate with the pupil plane of the projection optical system. On the surface, the state in which the light source is distributed in a circular area centered on the optical axis may be switched. In this case, according to the change of the distribution of the light source, the region where the illumination light of the non-photosensitive wavelength region by the auxiliary illumination system is irradiated may be changed.
[0011]
The second projection exposure apparatus according to the present invention, for example, as shown in FIG. 6, projects a pattern image on a mask (10) under exposure illumination light (IL1B) using a projection optical system (12). A projection exposure apparatus using an imaging light beam that passes through a region decentered from the optical axis (AX) on the pupil plane (PS) of the projection optical system (12) when projecting onto the photosensitive substrate (13). The illumination light (IL1B) for exposure and the illumination light (IL2B) non-photosensitive to the photosensitive substrate (13) are guided to the pupil plane (PS) of the projection optical system (1B, 42). , 2B, 4B, 7A, 8A) and the projection optical system (12) on the pupil plane (PS), and in a region other than the region decentered from the optical axis, with respect to the photosensitive substrate (13). Pass only non-photosensitive illumination light (IL2B) to the photosensitive substrate side An optical member (5B) having wavelength selectivity, and has a.
[0012]
 According to the second projection exposure apparatus of the present invention, since the imaging light flux that passes through the region decentered from the optical axis (AX) on the pupil plane (PS) of the projection optical system (12) is used, Therefore, a high resolution is obtained equivalent to using a central light shielding type pupil filter. In this case, by the optical member (5B), the illumination light (IL1B) for exposure passes only through the ring-shaped region, and the non-photosensitive illumination light (IL2B) with respect to the photosensitive substrate (13) It passes through an area other than the area eccentric from the optical axis. Accordingly, since the lens near the pupil plane (PS) of the projection optical system (12) is irradiated with two illumination lights (IL1B, IL2B) with a uniform illuminance distribution, the lens is highly deformed and the refractive index is high. The next fluctuation component is reduced, and the higher-order spherical aberration fluctuation is also reduced. Moreover, the non-photosensitive illumination light (IL2B) does not affect the projected image on the photosensitive substrate (13).
 Next, a projection exposure method according to the present invention is a projection exposure method for projecting an image of a pattern on a mask onto a photosensitive substrate under exposure illumination light. A first step of forming a light source in a region decentered from the optical axis on a plane conjugate with the surface; illuminating the mask using illumination light for exposure from a light source distributed in the region decentered from the optical axis A second step; and a third step of irradiating the photosensitive substrate with illumination light in a non-photosensitive wavelength region on the pupil plane of the projection optical system onto a region where the exposure illumination light does not pass. Is.
In the present invention, in the first step, a ring-shaped light source, or a plurality of light sources at positions eccentric to the optical axis may be formed.
Further, the method further includes a fourth step of uniforming the illuminance distribution of the illumination light for the exposure using an optical integrator, and in the third step, the non-photosensitive property is provided between the optical integrator and the mask. You may irradiate the illumination light of a wavelength range.
In the third step, illumination light in the non-photosensitive wavelength region may be irradiated from between the mask and the image.
As an example, the projection optical system includes a lens.
In the third step, illumination light in the non-photosensitive wavelength region may be irradiated so that the illuminance distribution is uniform with respect to a lens near the pupil plane of the projection optical system.
In the first step, the distribution of the light source on the plane conjugate with the pupil plane of the projection optical system may be changed.
In the first step, the light source is formed in the region decentered from the optical axis on the plane conjugate with the pupil plane of the projection optical system, and conjugate with the pupil plane of the projection optical system. The state in which the light source is formed in a circular area centered on the optical axis on the surface may be switched. In this case, according to the change of the distribution of the light source, it may further include a step of changing a region where the illumination light of the non-photosensitive wavelength region by the auxiliary illumination system is irradiated.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a first example of the embodiment of the projection exposure apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS. In this example, the present invention is applied to a stepper type projection exposure apparatus that projects a pattern on a reticle onto each shot area on a wafer via a projection optical system.
[0014]
FIG. 1 shows a schematic configuration of the projection exposure apparatus of this example. As shown in FIG. 1, the projection exposure apparatus of this example has three light source units (in FIG. 1, two light source units 1 and 2 appear). ) Is provided. At the time of exposure, the first light source unit 1 emits illumination light IL1 having a photosensitive wavelength λ1 to the photoresist on the wafer 13, and the second light source unit 2 and a third light source unit (not shown) emit the wafer 13. Non-photosensitive illumination light IL2 having a wavelength λ2 is emitted to the upper photoresist. Illumination light emitted from the light source 21 composed of a mercury lamp of the light source unit 1 is condensed at the second focal point by the elliptical mirror 22 and then becomes divergent light, which is incident on an interference filter (not shown) and the like. For example, illumination light IL1 of i line (wavelength 365 nm) is extracted. Next, the illumination light IL1 is converted into a parallel light beam by the input lens 23 and is incident on a fly-eye lens 24 as an optical integrator. A secondary light source is formed on the exit surface of each lens element of the fly-eye lens 24, and a surface light source is created by these secondary light sources. On the exit surface of the fly-eye lens 24, a plurality of switchable aperture stops 26A to 26C (see FIG. 2A) for adjusting the size of the surface light source are arranged. These aperture stops 26 A to 26 C are fixed to a turret-shaped disc 25, and a desired aperture stop can be set on the exit surface of the fly-eye lens 24 by rotating the disc 25 with a driving device 25 A.
[0015]
2A is a plan view for explaining a specific configuration of the aperture stop on the disc 25 in FIG. 1, and in FIG. 2A, three aperture stops 26A to 26C are turrets. Fixed around the circular disk 25 at equal angular intervals. The first aperture stop 26A has a circular aperture that is used when performing normal illumination, and the second aperture stop 26B has a small circular aperture that is used when performing illumination with a small coherence factor (σ value). Have. The third aperture stop 26C has a large circular aperture, and in this example, the third aperture stop 26C is set as the exit surface of the fly-eye lens 24 when performing annular illumination or modified illumination. That is, an annular aperture stop 26D shown in FIG. 2B is used during normal annular illumination, and an aperture having four small openings arranged around the optical axis shown in FIG. 2C during modified illumination. A diaphragm 26E is used. However, in this example, the aperture stop 26D and the like are substantially also used by the later-described deformable mirror 5 and the like. In FIG. 1, the third aperture stop 26C is disposed on the optical path of the illumination light IL1.
[0016]
The illumination light IL1 that has passed through the aperture stop 26C passes through the first relay lens 27, and the illumination range is defined by the field stop (reticle blind) 28. Illumination light IL1 in which the illumination range is defined is emitted from the light source unit 1 and passes through the second relay lens 3, and has a concave quadrangular pyramid shape around the optical axis AX of the illumination optical system on the second relay lens 3 side. It passes around the deformable mirror 5 composed of four arranged mirrors 6A to 6D (two mirrors 6A and 6B are shown in FIG. 1). The reflecting surfaces of the four mirrors of the deformable mirror 5 face outward and are inclined by approximately 45 ° with respect to the optical axis AX of the illumination optical system. Further, the upper surface of the deformable mirror 5 is arranged at a position conjugate with the arrangement surface of the aperture stop 26C. The illumination light IL1 that has passed around the deformable mirror 5 enters the reticle 10 via the condenser lens 9.
[0017]
FIG. 3A shows a view of the deformable mirror 5 of FIG. 1 as viewed from the reticle 10 side. In FIG. 3A, the mirrors 6A to 6D have the same shape, and the optical axis AX of the illumination optical system is the apex. Are closely arranged so as to form a quadrangular pyramid. Further, the outer shape 17 of the bottom surface of the mirrors 6A to 6D forms a single circumference centered on the optical axis AX as a whole. The illumination light IL1 passes through the annular zone 15 between the outer shape 17 and the outer periphery 16 of the image of the aperture of the aperture stop 26C in FIG. That is, the deformable mirror 5 of this example also serves as an annular aperture stop.
[0018]
Returning to FIG. 1, the deformable mirror 5 is configured so that it can be retracted out of the optical path of the illumination light IL 1 by the retract / exchange device 8 and can be replaced with another deformable mirror.
Next, the second light source unit 2 includes a non-exposure light source and a lens system that emits a light beam from the light source at a predetermined divergence angle. The illumination light IL2 that is non-photosensitive to the photoresist emitted from the light source unit 2 disposed in the upper left part of the reticle 10 is converted into a parallel light flux by the relay lens 4, and a part of the illumination light IL2 is connected to the optical axis AX of the illumination optical system. The light enters the mirror 6A in the deformable mirror 5 from the orthogonal direction. A part of the illumination light IL2 is reflected downward by the mirror 6A. The illumination light IL2 that has passed under the mirror 6A is reflected by the

mirrors

7A and 7B and is incident on the mirror 6B in the deformable mirror 5. The light beam reflected by the mirror 6B is a condenser lens together with the light beam reflected by the mirror 6A. 9 is incident. Although not shown, an optical system similar to the optical system including the light source unit 2, the relay lens 4, and the

mirrors

7A and 7B is also arranged in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. Illumination light non-photosensitive to the photoresist from the third light source unit arranged in the vertical direction (also referred to as illumination light IL2) is lowered by mirrors 6C and 6D (see FIG. 3) in the deformable mirror 5. Reflected in. Accordingly, the illumination light IL2 is reflected by a circular area inside the annular zone 15 through which the illumination light IL1 passes in FIG.
[0019]
In FIG. 1, the illumination light IL 1 that has passed around the deformation mirror 5 and the illumination light IL 2 reflected by the deformation mirror 5 are both irradiated onto the reticle 10 by the condenser lens 9. The illumination lights IL1 and IL2 irradiated onto the reticle 10 pass through the pattern area on the reticle and are irradiated onto the wafer 13 via the projection optical system 12. Under the illumination light IL1 for exposure, the pattern surface of the reticle 10 and the surface of the wafer 13 are conjugate with respect to the projection optical system 12, and the illumination light IL2 is non-photosensitive to the photoresist on the wafer 13. Only the pattern image on the reticle 10 illuminated by the exposure illumination light IL1 exposes the photoresist on the wafer 13. In this case, the pupil plane PS in the projection optical system 12, that is, the optical Fourier transform plane with respect to the pattern surface of the reticle 10 is conjugate with the arrangement surface of the aperture stop 26C and thus the upper surface of the deformation mirror 5, and the pupil plane PS has an aperture stop. AS is arranged.
[0020]
Although the wavelength λ1 of the illumination light IL1 and the wavelength λ2 of the illumination IL2 vary depending on the type of photoresist and the type of glass material forming the lens of the projection optical system 12, the wavelength λ1 is less than 530 nm and the wavelength λ2 is 530 nm. The above wavelengths are selected. In this example, the i-line of a mercury lamp is used as the illumination light IL1 for exposure, but other than that, bright lines such as g-line (wavelength 436 nm) of the mercury lamp, ArF excimer laser light (wavelength 193.2 nm) Or KrF excimer laser light (wavelength 248.5 nm), or harmonics of a copper vapor laser or a YAG laser can be used. The illumination light IL2 preferably has a wavelength at which the photoresist is not exposed and the amount of light absorption per unit area in the lens glass material or coating film is close to the illumination light IL1 as a whole. In this sense, as the illumination light IL2, the light intensity of the light source is high when the light absorption rate is low, and on the other hand, when the light intensity of the light source is low, the light absorption rate to the glass material or coating film of the lens of the projection optical system 12 is as large as possible. Those are preferred. An example of the illumination light IL2 includes a laser beam (wavelength 633 nm) from a He—Ne laser, for example.
[0021]
In addition, when a predetermined glass having a good transmittance from the ultraviolet region to the near infrared region is used as a glass material for the lens of the projection optical system, these glass materials are considerably different from a long wavelength of about 2 μm or more. Since it has a light absorptance, HF chemical laser light (wavelength: 2.4 to 3.4 μm) using a chemical reaction of hydrogen fluoride (HF) gas may be used as the illumination light IL2. Further, since optical glass other than quartz contains impurities, some optical glasses have a light absorptance close to 1% / cm even at a wavelength of 530 nm or more, and have such a light absorptance close to 1% / cm. Even illumination light is sufficiently effective. Examples of such illumination light include hydrogen (H₂) C line (wavelength 656.3 nm) from the discharge tube, d line (wavelength 587.6 nm) from the helium (He) discharge tube, and the like. In FIG. 1, the optical axis AX of the illumination optical system is coincident with the optical axis of the projection optical system 12, and in the following, the Z axis is parallel to the optical axis AX, and on the two-dimensional plane perpendicular to the Z axis, FIG. In the following description, the X axis is parallel to the paper surface of FIG. 1 and the Y axis is perpendicular to the paper surface of FIG.
[0022]
The reticle 10 is placed on a reticle stage 11 that can be finely moved in the X direction, the Y direction, and the rotation direction. The position of the reticle stage 10 is precisely measured by an external laser interferometer (not shown), and the position of the reticle stage 11 is controlled based on the measured value of the laser interferometer. On the other hand, the wafer 13 is placed on a wafer stage 14 for positioning the wafer in the X, Y, and Z directions via a wafer holder (not shown), and the position of the wafer stage 14 is precisely determined by an external laser interferometer. The position of the wafer stage 14 is controlled based on the measured value. The operation of moving the center of each shot area of the wafer 13 to the exposure center of the projection optical system 12 by the wafer stage 14 and the exposure operation are repeated by the step-and-repeat method, and the image of the pattern on the reticle 10 is the wafer. 13 is transferred to each shot area.
[0023]
Next, the operation of the projection exposure apparatus of this example will be described.
In this example, first, as shown in FIG. 1, since the annular illumination is substantially performed with the illumination light IL1 for exposure by combining the aperture stop 26C having a large aperture and the deformation mirror 5, for example, a predetermined range is used. High resolution is obtained for periodic patterns. Further, as shown in FIG. 3A, on the surface substantially conjugate with the pupil plane PS of the projection optical system 12, the illumination light IL1 that is photosensitive to the photoresist passes through the annular region 15 and the deformation mirror 5 Illumination light IL2 that is non-photosensitive to the photoresist reflected by the reflective surface passes through the region inside the region 15. When the illumination lights IL1 and IL2 are incident on the projection optical system 12 through the reticle 10 in FIG. 1 in such an illumination state, the illumination lights IL1 and IL2 as a whole on the pupil plane PS of the projection optical system 12 are optical axes. It passes through a circular area centered on AX. Therefore, the lens of the projection optical system 12 in the vicinity of the pupil plane PS absorbs heat energy not only in the peripheral part but also in the central part, and the temperature rises. For this reason, in the lens near the pupil plane PS, the ratio of the second-order fluctuation component of thermal deformation and refractive index change is larger than the higher-order fluctuation component. Since the spherical aberration fluctuation of the projection optical system 12 is substantially proportional to the thermal deformation and refractive index change of the lens near the pupil plane PS, the spherical aberration fluctuation also has a large second-order component, and the higher order of the projection optical system 12 Spherical aberration fluctuation is suppressed.
[0024]
Although the deformation mirror 5 for annular illumination is used in FIG. 1, in this example, a quadrangular pyramid-shaped deformation mirror 5A (FIG. 3 (b)) also serving as the aperture stop 26E for deformation illumination shown in FIG. 2 (c). )) Is also available. That is, when performing the modified illumination, the deformable mirror 5A is set on the optical path of the illumination light IL1 instead of the deformable mirror 5 via the retracting / exchange device 8 of FIG.
[0025]
FIG. 3B shows a view of the deformable mirror 5A for deformed illumination viewed from the reticle 10 side of FIG. 1, and in FIG. 3B, the four mirrors 19A to 19D constituting the deformable mirror 5A are shown. They are equally fan-shaped and are closely arranged so as to form a quadrangular pyramid with a convex surface on the reticle 10 having the optical axis AX as a vertex. The mirrors 19A to 19D have a reflecting surface on the reticle 10 side, and the outer shape of the mirrors 19A to 19D viewed from the reticle 10 is a single circumference 16A centered on the optical axis AX as a whole. . This circumference 16A is substantially equal to the outer circumference 16 of the circular region through which the illumination light IL1 in FIG. Further, circular transmissive portions 18A to 18D viewed from the reticle 10 side are formed at equal angular intervals inside the circumference 16A of the outer shape of each of the mirrors 19A to 19D, and these transmissive portions 18A to 18D are used for exposure in FIG. The illumination light IL1 is transmitted. The deformable mirror 5A also serves as the aperture stop 26E for modified illumination shown in FIG.
[0026]
That is, when performing the modified illumination in this example, the deformable mirror 5A is replaced with the deformable mirror 5A of FIG. 1 via the retraction / exchange device 8 of FIG. 1 so that the apex of the pyramid coincides with the optical axis AX. The apex is arranged toward the reticle 10 side. Thereby, the illumination light IL1 passes through the four transmission parts 18A to 18D and is irradiated onto the reticle 10 of FIG. On the other hand, the non-exposure illumination light IL2 is reflected from the region excluding the transmitting portions 18A to 18D within the circumference 16A of FIG. Since the upper surface of the deformable mirror 5A is conjugate with the pupil plane PS of the projection optical system 12, a circular area centered on the optical axis AX is illuminated by the illumination lights IL1 and IL2 on the pupil plane PS of the projection optical system 12. The Therefore, high resolution can be obtained by the modified illumination method, and high-order spherical aberration fluctuations can be suppressed. Moreover, the non-exposure illumination light IL2 does not adversely affect the imaging characteristics. In FIG. 1, when the normal illumination method is used, the deformable mirrors 5 and 5A are retracted from the optical path of the illumination light IL1 via the retraction / exchange device 8, and the aperture stops 26A and 26A, FIG. 26B may be set.
[0027]
Note that the photosensitive illumination light IL1 is reflected on the photoresist by the reflecting surfaces of the deformable mirrors 5 and 5A shown in FIG. 3A or 3B, and a part of the non-photosensitive illumination light IL2 is reflected on the photoresist. You may make it the structure which shields light. In the case of such a configuration, the arrangement of the light source units 1 and 2 and the related optical system in FIG. 1 is replaced, and for example, the illumination light IL2 is provided at the center instead of the deformable mirror 5 in FIG. A deformable mirror having an annular reflecting surface that reflects the illumination light IL1 incident from the direction orthogonal to the illumination light IL2 around the transmission part may be used.
[0028]
Next, a modification of the first example of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this modification, the illumination light for exposure and the non-photosensitive illumination light are pre-synthesized with the photoresist, and the combined light is again returned to the two illumination lights by the aperture stop having wavelength selectivity provided in front of the reticle 10. In other words, the reticle 10 is configured to be illuminated. 4, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0029]
FIG. 4 shows a schematic configuration of the projection exposure apparatus of the present modification. In FIG. 4, a light source unit 1A that emits photosensitive illumination light IL1A to the photoresist in the same manner as the light source unit 1 of FIG. Similar to the light source unit 2 in FIG. 1, a light source unit 2A that emits non-photosensitive illumination light IL2A to the photoresist is disposed so as to change positions. A polarization beam splitter 31 is disposed at a position where the illumination light IL1A and the illumination light IL2A intersect. It is assumed that the illumination lights IL1A and IL2A in this modification are P-polarized linearly polarized light. The P-polarized illumination light IL2A having a wavelength λ2 emitted from the field stop of the light source unit 2A is converted into a parallel light beam by the relay lens 4A, transmitted through the polarization beam splitter 31, and converted into circularly polarized light by the quarter wavelength plate 34. The On the other hand, the P-polarized illumination light IL1A emitted from the field stop of the light source unit 1A and converted into a parallel light beam by the relay lens 3A is transmitted through the polarization beam splitter 31 from the direction orthogonal to the optical path of the illumination light IL2A. The light is reflected by the mirror 33 through the four-wavelength plate 32, is incident on the quarter-wavelength plate 32 again, and is converted to S-polarized light. The illumination light IL1A converted to S-polarized light is reflected by the polarization beam splitter 31, enters the quarter-wave plate 34, and is converted to circularly-polarized light. Illumination lights IL1A and IL2A converted into circularly polarized light by the quarter-wave plate 34 are incident on an aperture stop 37 having wavelength selectivity via

relay lenses

35 and 36.
[0030]
FIG. 5A shows a plan view of the aperture stop 37. In FIG. 5A, the aperture stop 37 transmits the illumination light IL1A having the wavelength λ1 and hardly transmits the illumination light IL2A having the wavelength λ2. The optical filter 39 and a circular optical filter 38 that transmits the illumination light IL2A having the wavelength λ2 and hardly transmits the illumination light IL1 having the wavelength λ1. The aperture stop 37 is disposed on a plane conjugate with the pupil plane PS of the projection optical system 12 so that the center coincides with the optical axis AX. The illumination light IL1A from the light source unit 1A is applied to the region including the annular optical filter 39, and the illumination light IL2A from the light source unit 2A is applied to the region including the circular optical filter 38.
[0031]
The two illumination lights IL1A and IL2A synthesized by the polarization beam splitter 31 pass through the aperture stop 37 and are then irradiated onto the reticle 10 via the condenser lens 9. The pattern image of the reticle 10 is projected onto the wafer 13 via the projection optical system 12. On the pupil plane PS of the projection optical system 12, illumination lights IL1A and IL2A similar to those in the first example pass through a substantially circular region. The optical paths of the following illumination lights IL1A and IL2A are the same as those in the first example, and a description thereof will be omitted.
[0032]
According to this modification, the same high-order spherical aberration reduction effect as that of the first example can be obtained, and the passage areas for the illumination lights IL1A and IL2A are defined by the aperture stop 37 having wavelength selectivity. The complicated configuration of using the deformable mirror 5 as in the example of FIG. In addition, since only one light source unit 2A having the wavelength λ2 is required, the entire apparatus can be configured compactly. Further, the two linearly polarized light beams synthesized by the polarization beam splitter 31 are converted into circularly polarized light by the quarter-wave plate 34, so that when the image is formed on the wafer 13, the pattern direction of the reticle 10 changes. However, good transfer is performed. Instead of the polarizing beam splitter 31, a dichroic mirror 31A can be used as shown by a two-dot chain line in FIG. The dichroic mirror 31A has a wavelength selectivity for transmitting the illumination light IL2A and reflecting the illumination light IL1A, whereby both illumination lights IL1A and IL2A are combined without waste. In this case, the quarter-

wave plates

32 and 34 and the mirror 33 are not necessary, and the configuration is simplified. Further, the aperture stop 37 in FIG. 4 is configured so that it can be replaced with an aperture stop 37A for modified illumination by a device similar to the retraction / replacement device 8 in FIG.
[0033]
FIG. 5B shows a plan view of an aperture stop 37A having wavelength selectivity that is used in place of the aperture stop 37 of FIG. 4 when performing modified illumination. In FIG. The four small circular optical filters 40A to 40D that transmit the illumination light IL1A having the wavelength λ1 and hardly transmit the illumination light IL2A having the wavelength λ2, and the illumination light having the wavelength λ2 in a region excluding these optical filters 40A to 40D The outer shape that transmits IL2A and hardly transmits the illumination light IL1A having the wavelength λ1 is composed of a circular optical filter 41. The optical filter 41 has an outer diameter substantially equal to the outer diameter of the optical filter 39 in FIG. 5A, and has four small circular openings formed at equiangular intervals near the outer periphery thereof. Optical filters 40A to 40D are provided in the respective openings. The illumination light IL1A for exposure passes through the four optical filters 40A to 40D, and the illumination light IL2A that is not photosensitive to the photoresist passes through the optical filter 41 around the optical filters 40A to 40D. As a result, modified illumination is performed, and high-order spherical aberration fluctuations are suppressed.
[0034]
5A and 5B, the

optical filters

38 and 40A to 40D through which the illumination light IL1A from the light source unit 1A transmits are those that do not transmit the illumination light IL2A from the light source unit 2A as much as possible. The effect of reducing fluctuations in higher-order spherical aberration is great and desirable.
Next, a second example of the embodiment of the projection exposure apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. In this example, the present invention is applied when an annular pupil filter is used. In FIG. 6, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0035]
FIG. 6 shows a schematic configuration of the projection exposure apparatus of this example. In FIG. 6, for simplicity, the projection optical system 12 will be described by dividing it into an upper lens system 12A and a lower lens system 12B. In this example, a quadrangular pyramid-shaped deforming mirror 5B similar to the deforming mirror 5 in FIG. 1 is disposed in the vicinity of the pupil plane PS between the upper lens system 12A and the lower lens system 12B. Photoresist emitted from a field stop of a light source unit 1B similar to the light source unit 1B of FIG. 1 is irradiated with illumination light IL1B having a wavelength of λ1 onto the reticle 10 via a condenser lens. The aperture stop in the light source unit 1B is a large circle similar to the aperture stop 26C in FIG. The illumination light IL1B transmitted through the reticle 10 is optically Fourier transformed by the upper lens system 12A and passes around the deformable mirror 5B. By this deforming mirror 5B, the photosensitive illumination light IL1B is shielded from the photoresist in a circular area centered on the optical axis AX. That is, the deformable mirror 5B also serves as an annular pupil filter. On the other hand, the non-photosensitive illumination light IL2B emitted from the light source unit 2B similar to the light source unit 2B of FIG. 1 is made into a parallel light beam by the relay lens 4B and then partially deformed by the deformable mirror 5B. Is reflected toward the wafer 13 by the first reflecting surface. In this case, similarly to the first example of FIG. 1, mirrors 7A and 8A are arranged for reflecting the illumination light IL2B that has passed under the deformable mirror 5B and making it incident on the second reflecting surface of the deformable mirror 5B. ing.
[0036]
Further, in this example as well, a light source unit for supplying illumination light of wavelength λ2 to the third and fourth reflecting surfaces of the deformable mirror 5B is provided in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. The illumination light IL2B reflected by the deformation mirror 5B is irradiated onto the wafer 13 through the lower lens system 12B.
In this example, since the region near the optical axis AX of the illumination light IL1B for exposure is shielded by the deformable mirror 5B disposed on the pupil plane PS of the projection optical system 12, a ring-shaped central light shield for a predetermined pattern. The same high resolution as when a type pupil filter is installed can be obtained. Further, since the glass material of the lower lens system 12B is illuminated with a uniform illumination distribution by the two-wavelength illumination lights IL1B and IL2B, higher-order thermal deformation and change in refractive index are suppressed, and higher-order of the projection optical system 12 is suppressed. Of spherical aberration can be suppressed.
[0037]
As supplemented in the first example of the embodiment of the present invention, the photosensitive illumination light IL1B is reflected on the photoresist by the reflecting surface of the deformable mirror 5B, and the photoresist is non-photosensitive at other portions. The illumination light IL2B may be transmitted. In the case of such a configuration, in FIG. 6, the arrangement of the

light source units

1B and 2B, the reticle 10, the upper lens system 12A, and the related optical system is replaced, and the illumination light IL2B is transmitted to the center as a deformed mirror. In this way, a circular opening may be provided, and a deformable mirror having an annular reflecting surface for the illumination light IL1B incident from the direction orthogonal to the illumination light IL2B around the opening may be used.
[0038]
Next, a modification of the second example of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The configuration up to the projection optical system of the projection exposure apparatus of this modification is substantially the same as that of the modification of the first example of FIG. 4 (however, the aperture stop 37 is omitted). Portions corresponding to those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
FIG. 7 shows a schematic configuration of the projection exposure apparatus of this example. In FIG. 7, a projection optical system 12 shown in FIG. 5A is located near the pupil plane PS between the upper lens system 12A and the lower lens system 12B. An aperture stop 43 having the same wavelength selectivity as the aperture stop 37 is disposed. The illumination light IL2A having a non-photosensitive wavelength λ2 is combined with the photoresist emitted from the light source unit 2A and the illumination light IL1A having a photosensitive wavelength λ1 is combined with the photoresist emitted from the light source unit 1A by the polarization beam splitter 31. Then, the light passes through the reticle 10, is optically Fourier transformed by the upper lens system 12 A of the projection optical system 12, and enters the aperture stop 43. Similarly to FIG. 5A, the aperture stop 43 has a ring-shaped optical filter that transmits only the photosensitive illumination light IL1A to the photoresist, and transmits only the non-photosensitive illumination light IL2A to the photoresist inside. A circular optical filter is formed, and the aperture stop 43 acts as a central light-shielding pupil filter for the illumination light IL1A. The other illumination light IL2A passes through the circular area where the illumination light IL1A is shielded, and then enters the wafer 13 via the lower lens system 12B.
[0039]
In this modification, a high resolution can be obtained by the aperture stop 43 disposed on the pupil plane PS of the projection optical system 12 as in the example of FIG. Further, since the glass material of the lower lens system 12B is illuminated with a uniform illuminance distribution by the two illumination lights IL1A and IL2A, high-order spherical aberration fluctuations can be suppressed. As the optical filter that transmits the illumination light IL1A from the light source unit 1A, an optical filter that does not transmit the illumination light IL2A from the light source unit 2A as much as possible has a great effect of reducing high-order aberrations. As in the example of FIG. 4, a dichroic mirror may be used in place of the polarization beam splitter 31.
[0040]
Next, in the above-described embodiment, it will be described based on a calculation example that the illuminance distribution with respect to the lens of the projection optical system 12 is made uniform and higher-order aberration fluctuations are suppressed. First, the temperature distribution after rising due to illumination light irradiation is calculated. By approximating the lens to a cylindrical shape, heat does not flow out from the side of the lens through the surrounding air, but the lens edge comes into contact with the metal, so heat flows out only from the edge, and the absorbed energy density distribution in the lens is light. It is assumed that the angle around the axis AX is constant. If the variable representing the distance in the radial direction of the lens is r, the temperature distribution after the rise becomes a function T (r) of the variable r, and the heat absorption amount and the thermal conductivity per unit volume of the lens are respectively represented by ω ( Assuming that r) and λ and the outer radius of the lens is a, the heat conduction equation in the cylindrical coordinate system in the thermal equilibrium state can be expressed as the following equation.
[0041]
[Expression 1]
∂² T / ∂r² + (1 / r) ∂T / ∂r + ω (r) / λ = 0
Solving this heat conduction equation gives the following equation.
[0042]
[Expression 2]

[0043]
Where J_n(p_i R) is a Bessel function of the nth order (n = 0, 1, 2,...) Of the first kind, and p_i Is J₁(p_i A) A numerical sequence satisfying = 0 (i = 1, 2, 3,...). The coefficient B_i Is obtained by the following equation.
[0044]
[Equation 3]

[0045]
In particular, when the heat absorption amount ω (r) is expressed by a step-like function within the radius (irradiation radius) of the irradiation region, that is, at a certain j (1 ≦ j ≦ N), the variable r is h_j ≦ r ≦ h_{j + 1} In the section that satisfies the condition, the heat absorption amount ω (r) is a constant value ω._j The following relationship is established.
[0046]
[Expression 4]

[0047]
Therefore, by substituting (Equation 4) into (Equation 3), the coefficient B_i Is obtained, and this coefficient B_i Is substituted into (Equation 2) to obtain the temperature distribution T (r) after the rise.
Next, in order to investigate which degree of aberration fluctuation appears frequently by the temperature distribution T (r) after the rise, the temperature distribution T (r) after the rise is calculated by the least square method as follows.^TenWhen the power series is expanded to the term, the following equation is obtained.
[0048]
[Equation 5]
T (r) = T₀ + C₂ ・ R² + C_Four ・ R^Four + C₆ ・ R⁶ + C₈ ・ R⁸ + C_Ten・ R^Ten
In this case, the unit of the temperature distribution T (r) after the increase is ° C., and the unit of the variable r is mm. T₀ Is the temperature distribution T (0) after rising at the position where the optical axis AX, that is, the variable r is 0.
[0049]
Hereinafter, calculation examples based on actual numerical values will be described. The value (coherence factor) of the ratio of the numerical aperture (NA) on the exit side of the illumination optical system to the numerical aperture (NA) on the incident side of the projection optical system is defined as σ value, and this σ value is set to 0.75. Then, in a case where a lens made of cylindrical quartz having an outer radius of 40 mm is illuminated by an illumination system having a σ value of 0.75, and the radius d of the irradiation area on the lens is 30 mm, (Equation 2) to ( It calculates based on the solution of the heat conduction equation of Formula 4). The thermal conductivity of quartz is 0.0138 W / (cm · ° C.), and the thermal absorptance of the lens with respect to the illumination light photosensitive to the photoresist on the wafer is 2% / cm.
[0050]
In the first calculation example, first, for comparison, the calculation is performed for the case where the total irradiation energy amount of illumination light is 1 W and the lens is uniformly irradiated within the range of σ value of 0.75.
FIG. 8A shows the temperature distribution T (r) after the increase according to the first calculation example, where the horizontal axis represents the variable r and the vertical axis represents the temperature distribution T (r) after the increase. As shown by the solid curve 46A, the temperature distribution T (r) after the rise has a maximum value at the origin, that is, the optical axis AX, and shows a mountain-shaped change that is axisymmetric with respect to the optical axis AX. For reference, the irradiation energy density P (r) of illumination light is indicated by a dotted line 47A. The irradiation energy density P (r) is a constant value P1 when the variable r is between 0 and d (irradiation radius). Also, the temperature distribution T at the optical axis AX₀ , And coefficient C when the temperature distribution T (r) is expanded to a power series by (Equation 5)₂ ~ C_TenIs shown in Table 1.
[0051]
[Table 1]

[0052]
Next, a second calculation example will be described. This calculation example is an example in the case where only annular illumination is performed, and is a calculation example for comparison as in the first calculation example. The σ value is 0.75 at the maximum, and the σ value inside the annular zone is 0.5. The temperature distribution T (r) after the increase is calculated for the case where the lens is uniformly illuminated when the σ value is between 0.5 and 0.75 and the total irradiation energy amount is 1 W.
[0053]
FIG. 4B shows the temperature distribution T (r) after the increase according to the second calculation example. In FIG. 4B, as shown by a solid curve 46B, the temperature distribution T (r) after the increase. ) Is a constant temperature rise TB when the variable r is approximately 0 to e. The irradiation energy density P (r) indicated by the dotted line 47B is a constant value P2 when the variable r is between e and d, and is 0 when the variable r is between 0 and e. Similar to the first calculation example, the temperature distribution T after the rise in the optical axis AX₀ , And the coefficient C when the temperature distribution T (r) after the rise is expanded to a power series by (Equation 5)₂ ~ C_TenIs shown in Table 2.
[0054]
[Table 2]

[0055]
Next, a third calculation example will be described. In this calculation example, as in the embodiment shown in FIGS. 1, 4, 6, and 7, the photoresist on the wafer 13 is irradiated with photosensitive illumination light and the photoresist with non-photosensitive illumination light. The temperature distribution T (r) after the rise when the lens is illuminated by two illumination lights is obtained. In this case, when the σ value is in the range of 0.75 to 0.5, the lens is uniformly illuminated by the photosensitive illumination light with the total irradiation energy amount of 1 W, and the σ value is 0.5 to 0. Within the range of 0.0, the irradiation energy density P (r) is ½ of the irradiation energy density when the σ value is in the range of 0.75 to 0.5 by illumination light having a non-photosensitive wavelength on the photoresist. It is assumed that the lens is illuminated so that
[0056]
FIG. 4C shows the temperature distribution T (r) after the increase according to the third calculation example. In FIG. 4C, as shown by a solid curve 46C, the temperature distribution T (r) after the increase. ) Has a maximum value TC at the origin, that is, the optical axis AX, and shows a mountain-shaped change that is axisymmetric with respect to the optical axis AX. Further, the irradiation energy density P (r) has a constant value P2 when the variable r is between ed and d, and a constant value P3 when the variable r is between 0 and e, as indicated by a dotted line 47C that changes stepwise. (= P2 / 2). Also, the temperature distribution T at the optical axis AX₀ , And coefficient C when the temperature distribution T (r) is expanded to a power series by (Equation 5)₂ ~ C_TenIs shown in Table 3.
[0057]
[Table 3]

[0058]
In the first and second calculation examples, the total irradiation energy amount is 1 W, and in the third calculation example, the irradiation energy amount within the range of σ value from 0.75 to 0.5 is 1 W. . In this third calculation example, when the irradiation energy amount in the range of σ value of 0.5 to 0.0 is added, the total irradiation energy amount exceeds 1 W. In this example, the exposure energy (throughput) is set to be equal by equalizing the irradiation energy amount of the photosensitive illumination light to the photoresist on the wafer 13 in the first to third calculation examples.
[0059]
When the illumination form shown in the first calculation example (uniform illumination) and the illumination form shown in the second calculation example (annular illumination) are compared, as shown in Table 1 and Table 2, Compared with uniform illumination, the temperature rise on the optical axis AX is lower. Nevertheless, for example, the power series coefficient C_Four , The coefficient C for uniform illumination_Four Value of 4.4000 × 10^-8On the other hand, the coefficient C in the case of annular illumination_Four Is 2.7328 × 10^-7And annular illumination is larger. That is, when the uniform illumination and the annular illumination are compared, the coefficient C₂ The absolute values of all other power series coefficients are larger for annular illumination. Since the thermal deformation and the refractive index change are proportional to the temperature distribution T (r) after the increase, the aberration fluctuation is also proportional to the temperature distribution T (r) after the increase. Coefficient C₂ The fact that all the higher-order power series coefficients are larger in the annular illumination means that the higher-order aberration fluctuation is larger in the annular illumination.
[0060]
Here, if the illumination form in the embodiment shown in FIG. 1, FIG. 4, FIG. 6, and FIG. 7 is “synthetic illumination”, the third calculation is performed when illumination light is also irradiated near the optical axis by synthetic illumination. As shown in the example, as shown in Tables 1 and 2, the coefficient C_Four Value (= 1.7624 × 10^-7) Is the coefficient C for annular illumination_Four Value (= 2.7328 × 10^-7) Is smaller than. Furthermore, the coefficient C₆, C₈, C_TenWhen the absolute values of are compared, the composite illumination is smaller than the annular illumination in any coefficient. This means that higher order aberration fluctuations are reduced by synthetic illumination.
[0061]
In the third calculation example, the irradiation energy density when the σ value is between 0 and 0.5 is ½ of the density distribution when the σ value is between 0.5 and 0.75. Calculate the temperature distribution T (r) when the irradiation is performed with a uniform irradiation energy distribution in the range of 0 to 0.75, and compare with the case of the annular illumination in FIG. 4B. .
[0062]
A relationship of P2 = 1.8 · P1 is established between the energy density P1 in FIG. 8A and the irradiation energy density P2 in FIG. Accordingly, in the annular illumination as shown in FIG. 8B, when irradiation is performed with an irradiation energy density equal to that in the annular illumination region in a range where the σ value is within 0.5, the irradiation energy in FIG. This is equivalent to a state where the density is multiplied by 1.8. Therefore, all the power series coefficients are multiplied by 1.8, so the coefficient C in Table 1_Four, C₆, C₈, C_TenAre respectively 7.9200 × 10^-8, -1.7821 × 10^-Ten , 1.4937 × 10^-13 , −3.7341 × 10^-17 It becomes. When the values of these coefficients are compared with the respective coefficients in Table 2, the temperature distribution T after rising near the optical axis AX₀ Is much larger than in the case of annular illumination, but the coefficient C_Four ~ C_TenThe coefficients up to are all smaller than in the case of annular illumination. In other words, within the range of σ value of 0 to 0.75 by synthetic illumination, even when the irradiation energy density P2 is the same as that of annular illumination, there is less variation in higher-order aberrations than in the case of annular illumination. ing.
[0063]
In the above-described embodiment, the present invention is applied to a stepper type projection exposure apparatus. However, the present invention can also be applied to a scanning exposure type projection exposure apparatus such as a step-and-scan method.
In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, Of course, a various structure can be taken in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0064]
【The invention's effect】
First projection exposure apparatus of the present inventionAnd projection exposure methodSince the illumination light for exposure from the light source distributed in the region decentered from the optical axis on the plane conjugate with the pupil plane of the projection optical system is used, for example, as in the case of performing annular illumination or modified illumination The effect of improving the resolving power can be obtained. In addition, when performing annular illumination or modified illumination, non-photosensitive illumination light is applied to the areas where the illumination light for exposure does not pass, so higher-order thermal deformation and refractive index of the lens of the projection optical system The change is reduced, and there is an advantage that high-order spherical aberration fluctuations of the projection optical system can be suppressed.
[0065]
In addition, when the illumination optical system illuminates the mask with illumination light for exposure from an annular light source or a plurality of light sources decentered with respect to the optical axis, so-called annular illumination or modified illumination is used. High resolution can be obtained.
In addition, the illumination optical system has an optical integrator to make the illuminance distribution of the exposure illumination light uniform, and the auxiliary light system guides the illumination light from the auxiliary illumination system between the optical integrator and the mask. When the light introducing member is provided, the mask can be illuminated with the exposure illumination light and the non-photosensitive illumination light accurately separated on a plane conjugate with the pupil plane, and there is an advantage that the imaging characteristics are not deteriorated. is there.
[0066]
Further, according to the second projection exposure apparatus of the present invention, since the imaging light beam that passes through the region decentered from the optical axis on the pupil plane of the projection optical system by the optical member having wavelength selectivity is used, There is an advantage that the same resolution can be obtained as when a central light shielding type pupil filter is installed. Furthermore, since the lens near the pupil plane of the projection optical system is irradiated with two illumination lights, that is, the illumination light for exposure and the non-photosensitive illumination light on the photosensitive substrate, the lens is subjected to thermal deformation and There is an advantage that the higher-order fluctuation component of the refractive index is reduced and the higher-order spherical aberration fluctuation of the projection optical system is reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a first example of an embodiment of a projection exposure apparatus of the present invention.
2 is an enlarged plan view showing various aperture stops provided in the light source section of FIG. 1; FIG.
3A is a view of the deformable mirror 5 of FIG. 1 viewed from the reticle side, and FIG. 3B is a view of another deformable mirror 5A viewed from the reticle side.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a modification of the first example of the embodiment of the present invention.
5A is a plan view showing an aperture stop 37 in FIG. 4, and FIG. 5B is a plan view showing another aperture stop 37A.
FIG. 6 is a schematic block diagram showing a second example of the embodiment of the projection exposure apparatus of the present invention.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a modification of the second example of the embodiment.
FIG. 8 is a diagram for explaining a temperature distribution calculation example by irradiation energy in the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,1A, 1B Light source (for exposure)
2,2A, 2B Light source (non-exposure)
5,5A, 5B Deformation mirror
6A-6D, 19A-19D Mirror
10 Reticle
12 Projection optical system
12A Upper lens system
12B Lower lens system
PS pupil face
13 Wafer
14 Wafer stage
24 Fly Eye Lens
26A-26C Aperture stop
31 Polarizing beam splitter
32, 34 1/4 wave plate
37, 37A, 43 Aperture stop with wavelength selectivity

Claims

A projection optical system for projecting an image of a pattern on a mask onto a photosensitive substrate under illumination light for exposure;
An illumination optical system that illuminates the mask with illumination light for exposure from a light source distributed in a region decentered from an optical axis on a plane conjugate with a pupil plane of the projection optical system; ,
A projection characterized in that an auxiliary illumination system is provided for irradiating illumination light in a non-photosensitive wavelength range with respect to the photosensitive substrate onto a region where the exposure illumination light does not pass on the pupil plane of the projection optical system. Exposure device.

The projection exposure apparatus according to claim 1,
The projection optical apparatus, wherein the illumination optical system illuminates the mask with an illumination light for exposure from a ring-shaped light source or a plurality of light sources that are eccentric with respect to an optical axis.

The projection exposure apparatus according to claim 1 or 2,
The illumination optical system has an optical integrator for making the illuminance distribution of the illumination light for exposure uniform.
A projection exposure apparatus comprising an auxiliary light introducing member for guiding illumination light from the auxiliary illumination system to the mask between the optical integrator and the mask.

A projection exposure apparatus according to any one of claims 1 to 3,
A projection exposure apparatus comprising an auxiliary light introducing member for guiding illumination light from the auxiliary illumination system between the mask and the image.

A projection exposure apparatus according to any one of claims 1 to 4,
A projection exposure apparatus, wherein the projection optical system includes a lens.

The projection exposure apparatus according to claim 5,
The projection exposure apparatus characterized in that the intensity of illumination light from the auxiliary illumination system is set according to the amount of light absorbed by the glass material of the lens or a coating film provided on the lens.

The projection exposure apparatus according to claim 5 or 6,
The projection exposure apparatus, wherein the lens is made of quartz.

A projection exposure apparatus according to any one of claims 5 to 7,
The projection exposure apparatus, wherein the auxiliary illumination system irradiates illumination light in the non-photosensitive wavelength region so that an illumination distribution is uniform to a lens close to the pupil plane of the projection optical system.

A projection exposure apparatus according to any one of claims 1 to 8,
The projection exposure apparatus, wherein the illumination optical system changes a distribution of the light source on a plane conjugate with the pupil plane of the projection optical system.

The projection exposure apparatus according to claim 9, wherein
The illumination optical system has a state in which the light source is distributed in the region decentered from the optical axis on the plane conjugate with the pupil plane of the projection optical system, and the conjugate with the pupil plane of the projection optical system. A projection exposure apparatus that switches between a state in which the light source is distributed in a circular area centered on the optical axis on a surface.

The projection exposure apparatus according to claim 9 or 10,
A projection exposure apparatus, wherein a region irradiated with illumination light in the non-photosensitive wavelength region by the auxiliary illumination system is changed according to a change in the distribution of the light source .

When an image of a pattern on a mask is projected onto a photosensitive substrate through a projection optical system under illumination light for exposure, the image passes through a region decentered from the optical axis on the pupil plane of the projection optical system. In a projection exposure apparatus using an image beam,
A synthetic illumination optical system that guides the illumination light for exposure and illumination light that is non-photosensitive to the photosensitive substrate to the pupil plane of the projection optical system;
An optical element disposed on the pupil plane of the projection optical system and having wavelength selectivity that allows only non-photosensitive illumination light to the photosensitive substrate to pass through the photosensitive substrate in a region other than the region decentered from the optical axis. A projection exposure apparatus comprising: a member;

The pattern image on the mask is projected onto the photosensitive substrate under the illumination light for exposure. In the shadow projection exposure method,
  A first step of forming a light source in a region decentered from the optical axis on a plane conjugate with a pupil plane of the projection optical system for forming the pattern image;
  A second step of illuminating the mask with illumination light for exposure from a light source distributed in a region eccentric from the optical axis;
  A third step of irradiating a region where the illumination light for exposure does not pass on the pupil plane of the projection optical system with illumination light in a wavelength region that is non-photosensitive to the photosensitive substrate;
A projection exposure method comprising:

A projection exposure method according to claim 13,
In the first step, a projection exposure method is characterized in that a ring-shaped light source or a plurality of light sources at positions decentered with respect to the optical axis are formed.

The projection exposure method according to claim 13 or 14,
A fourth step of making the illuminance distribution of the illumination light for exposure uniform using an optical integrator;
In the third step, the projection exposure method irradiates illumination light in the non-photosensitive wavelength region from between the optical integrator and the mask.

The projection exposure method according to claim 13 or 14,
In the third step, the projection exposure method irradiates illumination light in the non-photosensitive wavelength region from between the mask and the image.

A projection exposure method according to any one of claims 13 to 16, comprising:
A projection exposure method, wherein the projection optical system includes a lens.

The projection exposure method according to claim 17,
In the third step, the projection exposure method is characterized by irradiating illumination light in the non-photosensitive wavelength region so that an illumination distribution is uniform to a lens close to the pupil plane of the projection optical system.

A projection exposure method according to any one of claims 13 to 18, comprising:
In the first step, the projection exposure method includes changing the distribution of the light source on a plane conjugate with the pupil plane of the projection optical system.

The projection exposure method according to claim 19, wherein
In the first step, the light source is formed in the region decentered from the optical axis on the plane conjugate with the pupil plane of the projection optical system, and the conjugate with the pupil plane of the projection optical system A projection exposure method comprising: switching between a state in which the light source is formed in a circular area centered on the optical axis on a surface.

The projection exposure method according to claim 19 or 20,
A projection exposure method further comprising a step of changing a region irradiated with illumination light in the non-photosensitive wavelength region by the auxiliary illumination system in accordance with a change in the distribution of the light source.