JP7646402B2 - 照明光学系、露光装置、および物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、照明光学系、露光装置、および物品の製造方法に関する。

半導体素子などのデバイスを製造するフォトリソグラフィ工程では、一般的に、原版（マスク又はレチクル）に形成されたパターンを、感光剤を塗布した基板（シリコン基板やガラス基板）に転写する露光装置が用いられている。露光装置では、基板に転写するパターンの微細化が進み、露光条件の僅かな変化であっても、不良率を増加させ、歩留まりを低下させる要因となる。

そこで、原版を照明する照明光学系においては、照明領域における照度むらに起因して、基板に形成されるパターンの線幅が不均一になる不良を、照明領域内の積算露光量を均一にすることで抑制している。例えば、スリット形状の露光光に対して原版と基板とを相対的に走査して原版のパターンを基板に転写する走査型の露光装置に関して、積算露光量を均一にするための技術が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１では、可変スリット装置を用いて、スリット形状の露光光の走査方向の幅をスリット方向（走査方向に直交する方向）の位置に応じて変化させることで積算露光量を均一にしている。

また、半導体素子の微細化が進むにつれて、露光装置には、更なる高解像度の実現が要求され、かかる要求を満足するために、投影光学系の開口数（ＮＡ）の増加（高ＮＡ化）や露光光の短波長化が行われている。露光光が短波長化されると、一般的に、硝材の透過率が低下し、投影光学系に使用可能な硝材の種類が極めて少なくなるため、投影光学系の色収差の補正が困難となり、色収差の影響が無視できる程度に露光光の波長幅を狭くする必要がある。例えば、波長３００ｎｍ以下の光を用いる投影光学系では、使用可能な硝材が石英や蛍石に限られてしまうため、露光光（露光用光源）としてレーザが用いられている。具体的には、エキシマレーザは、エネルギーが非常に高く、高いスループットが期待できるため、露光装置の短波長用の光源として広く採用されている。

一方、エキシマレーザはパルスレーザであるため、走査型の露光装置においては、走査速度とパルス発振のタイミングがずれた場合に、原版上や基板上で露光むらが生じる可能性がある。パルス発振の影響による露光むらを低減するために、被照明面（原版）上の走査方向の光強度分布を実質的に等脚台形又は二等辺三角形とすることで、走査速度とパルス発振の同期の精度を緩和する技術が提案されている。但し、被照明面上の走査方向の光強度分布を実質的に等脚台形又は二等辺三角形とするためには、ＮＤフィルタなどの減光素子を用いることが考えられるが、この場合、光量損失を招いてしてしまう。

そこで、少ない光量損失で等脚台形や二等辺三角形などの光強度分布を形成する技術が提案されている（特許文献２参照）。特許文献２では、被照明面での走査方向と照明光学系の光軸とを含む平面内において、光束の主光線を被照明面から光軸方向に所定距離だけ離れた位置に集光させることで、被照明面上の光束にぼけによる傾斜領域を形成している。かかる傾斜領域の光強度分布を所定の形状にすることで、照明効率の低下（光量損失）を抑制しながら、露光量のばらつきを軽減することができる。これを実現するために、特許文献２では、オプティカルインテグレータからの光束を被照明面に重畳する照明光学系に、シリンドリカルレンズなどのアナモルフィックレンズを設けている。特許文献２に開示された技術によれば、走査速度のばらつきやパルス発振のタイミングのずれに起因する積算露光量のばらつきが最小となるように、被照明面での走査方向の光強度分布の形状を決定することができる。

特開平１０－３４０８５４号公報 特開平７－２３０９４９号公報

しかしながら、オプティカルインテグレータからの光束を被照明面に重畳する照明光学系に、シリンドリカルレンズなどのアナモルフィックレンズを設けると、走査方向と走査方向に直交する方向とで、照明光学系の開口数又は射出瞳位置が異なってしまう。その結果、基板上に転写されるパターンの転写特性が、走査方向と走査方向に直交する方向とで異なってしまう。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、被照明面を照明するのに有利な照明光学系を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての照明光学系は、被照明面を照明する照明光学系であって、光源からの光で２次光源を形成するオプティカルインテグレータを有し、前記オプティカルインテグレータは、複数の第１光学要素が配列された入射側の光学素子と、前記複数の第１光学要素のそれぞれに対応して配列された複数の第２光学要素を含む射出側の光学素子と、を含み、前記複数の第１光学要素および前記複数の第２光学要素は、第１方向及び該第１方向に交差する第２方向に周期的に配列され、前記第１方向と前記第２方向の少なくとも一方の方向に関して、前記複数の第１光学要素の配列周期と前記複数の第２光学要素の配列周期とが異なることを特徴とする。

本発明によれば、被照明面を照明するのに有利な照明光学系を提供することができる。

本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略断面図である。 インテグレータから中間照明面までの構成の一例を示す概略断面図である。 インテグレータから中間照明面までの構成の一例を示す概略断面図である。 中間照明面の一点を照明する光線の様子を示す概略断面図である。 中間照明面の一点を照明する光線の様子を示す概略断面図である。 インテグレータから中間照明面までの構成の一例を示す概略断面図である。 中間照明面の一点を照明する光線の様子を示す概略断面図である。 インテグレータから中間照明面までの構成の一例を示す概略断面図である。 インテグレータから中間照明面までの構成の一例を示す概略断面図である。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。更に、添付図面においては、同一もしくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明の一側面としての露光装置ＥＸの構成を示す概略断面図である。露光装置ＥＸは、半導体素子などのデバイスの製造工程に用いられ、基板上にパターンを形成するリソグラフィ装置である。露光装置ＥＸは、本実施形態では、原版１８と基板２１とを走査方向に移動させながら基板２１を露光（走査露光）して、原版１８のパターンを基板上に転写するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（スキャナー）である。但し、露光装置ＥＸは、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式を採用することも可能である。

露光装置ＥＸは、図１に示すように、光源１からの光で原版１８（レチクル又はマスク）を照明する照明光学系ＩＬと、原版１８のパターンを基板２１（ウエハやガラスプレート）に投影する投影光学系２０とを有する。また、露光装置ＥＸは、原版１８を保持して移動する原版ステージ１９と、基板２１を保持して移動する基板ステージ２２とを有する。

光源１は、本実施形態では、パルス発振するパルス光源であって、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザや波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザなどを含み、原版１８を照明するための光（露光光）を射出する。

照明光学系ＩＬは、引き回し光学系２と、射出角度保存光学素子４と、回折光学素子５と、コンデンサーレンズ６と、プリズムユニット８と、ズームレンズユニット９とを含む。また、照明光学系ＩＬは、オプティカルインテグレータ１００と、開口絞り１１と、コンデンサーレンズ１２と、視野絞り１３と、マスキングユニット１５と、結像光学系１６と、折り曲げミラー１７とを含む。

引き回し光学系２は、光源１からの光を、折り曲げミラー３を介して、射出角度保存光学素子４へ導く。射出角度保存光学素子４は、回折光学素子５の光源側に設けられ、フライアイレンズ、マイクロレンズアレイやファイバー束などのオプティカルインテグレータを含む。射出角度保存光学素子４は、光源１からの光を、その発散角度を一定に維持しながら回折光学素子５に導く。射出角度保存光学素子４は、光源１の出力変動が回折光学素子５によって形成される光強度分布（パターン分布）に及ぼす影響を低減する。

回折光学素子５は、照明光学系ＩＬの瞳面とフーリエ変換の関係にある面に配置されている。回折光学素子５は、投影光学系２０の瞳面と共役な面である照明光学系ＩＬの瞳面や照明光学系ＩＬの瞳面と共役な面に、光源１からの光の光強度分布を回折作用により変換して所望の光強度分布を形成する。回折光学素子５は、回折パターン面に所望の回折パターンが得られるように計算機で設計された計算機ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）で構成されていてもよい。本実施形態では、投影光学系２０の瞳面に形成される光源形状を有効光源形状と称する。なお、「有効光源」とは、被照明面及び被照明面の共役面における光強度分布又は光角度分布を意味する。

照明光学系ＩＬには、複数の回折光学素子５が設けられていてもよい。例えば、複数の回折光学素子５のそれぞれはターレット（不図示）の複数のスロットに対応する１つに取り付けられ（搭載され）、任意の回折光学素子５を照明光学系ＩＬの光路に配置する。複数の回折光学素子５は、それぞれ、異なる有効光源形状を形成する。これらの有効光源形状は、小円形形状（比較的小さな円形形状）、大円形形状（比較的大きな円形形状）、輪帯形状、二重極形状、四重極形状、その他の形状を含む。輪帯形状、二重極形状又は四重極形状の有効光源形状で被照明面を照明する方法は、変形照明と呼ばれる。

射出角度保存光学素子４からの光は、回折光学素子５で回折され、コンデンサーレンズ６に導かれる。コンデンサーレンズ６は、回折光学素子５で回折された光を集光し、回折面７に回折パターン（光強度分布）を形成する。

回折面７は、回折光学素子５と光学的にフーリエ変換の関係にある面である。照明光学系ＩＬの光路に配置される回折光学素子５を交換することで、回折面７に形成される光強度分布の形状を変更することができる。回折面７に形成された光強度分布は、プリズムユニット８及びズームレンズユニット９を通過し、折り曲げミラー１０を介して、オプティカルインテグレータ１００に導かれる。

プリズムユニット８は、回折面７に形成された光強度分布を、輪帯率などを調整してズームレンズユニット９に導く。ズームレンズユニット９は、回折面７に形成された光強度分布を、ほぼ相似形を維持しながら拡大又は縮小してオプティカルインテグレータ１００に導く。

オプティカルインテグレータ１００は、入射した光強度分布に応じて、多数の２次光源を形成してコンデンサーレンズ１２に導く。オプティカルインテグレータ１００の詳細な構成については後述する。

開口絞り１１は、オプティカルインテグレータ１００の射出面の近傍、即ち、照明光学系ＩＬの瞳面に配置されている。

コンデンサーレンズ１２は、オプティカルインテグレータ１００から導かれた多数の光を集光して、コンデンサーレンズ１２の被照明面である中間照明面１４を重畳的に照明する。光線をオプティカルインテグレータ１００に入射してコンデンサーレンズ１２で集光すると、中間照明面１４は、ほぼ矩形形状の光強度分布で照明される。

結像光学系１６は、中間照明面１４に形成された光強度分布を、折り曲げミラー１７を介して、照明光学系ＩＬの被照明面である原版１８に投影する。このように、原版１８と中間照明面１４とは、光学的に共役な関係となっている。

マスキングユニット１５は、中間照明面１４に配置されている。マスキングユニット１５は、原版ステージ１９に保持された原版１８の照明範囲を規定するために配置され、原版ステージ１９及び基板ステージ２２に同期して走査される。図１において、マスキングユニット１５の走査方向は、Ｚ方向であり、原版１８及び基板２１の走査方向は、Ｘ方向である。

視野絞り１３は、中間照明面１４及びマスキングユニット１５から照明光学系ＩＬの光軸方向（Ｘ方向）に離れた位置に設けられている。視野絞り１３は、コンデンサーレンズ１２の被照明面である中間照明面１４の走査方向（視野絞り１３の位置におけるＺ方向）の照明範囲を規定する。

視野絞り１３は、中間照明面１４から照明光学系ＩＬの光軸方向に離れた位置に設けられているため、視野絞り１３によって一部を遮光された光は、中間照明面１４において、走査方向に略台形形状の光強度分布を有する。これにより、露光装置ＥＸにおいて、走査速度又はパルス発振のタイミングがずれた場合に生じる露光むらの影響を低減することができる。

なお、本実施形態では、視野絞り１３は、中間照明面１４の近傍に配置されているが、被照明面である原版１８の近傍に配置されていてもよい。また、本実施形態では、視野絞り１３は、中間照明面１４より光源側に配置されているが、これに限定されるものではなく、中間照明面１４より原版側に配置されていてもよい。

また、視野絞り１３は、走査方向の開口幅を、走査方向に直行する方向（非走査方向（Ｙ方向）ごとに変更可能な可変視野絞りであってもよい。視野絞り１３の走査方向の開口幅を変更することで、照明領域に形成される光強度分布の走査方向の長さを変更することができる。これにより、走査露光時の非走査方向に関する積算露光量のむらを補正することができる。

投影光学系２０は、複数の光学部材（レンズやミラーなどの光学素子）を含み、原版１８のパターンを基板２１に投影する。原版１８のパターンの解像力は、投影光学系２０の開口数（ＮＡ）及び有効光源形状に依存する。

露光において、光源１から発せられた光は、照明光学系ＩＬによって、原版ステージ１９に保持された原版１８を照明する。原版１８のパターンは、投影光学系２０によって、基板ステージ２２に保持された基板２１に結像される。この際、原版１８と基板２１とを投影光学系２０の縮小倍率比の速度比で走査することによって、原版１８のパターンが基板２１に転写される。

以下、照明光学系ＩＬにおけるオプティカルインテグレータ１００の構成について説明する。図２及び図３は、照明光学系ＩＬの一部の構成、具体的には、オプティカルインテグレータ１００から中間照明面１４までの構成を示す概略断面図であって、図２は、ＸＹ平面における断面を示し、図３は、ＸＺ平面における断面を示している。

オプティカルインテグレータ１００は、本実施形態では、入射側光学素子である入射側インテグレータ１０１と、射出側光学素子である射出側インテグレータ１０２とで構成されている。入射側インテグレータ１０１及び射出側インテグレータ１０２は、それぞれ、走査方向（Ｚ方向）及び走査方向に直交（交差）する非走査方向（Ｙ方向）に配列されたレンズアレイ（ハエの目レンズ）である。

入射側インテグレータ１０１は、走査方向（第１方向）及び非走査方向（第２方向）に周期的に配列された複数の入射側の要素レンズ（第１光学要素）１０１ａを含む。射出側インテグレータ１０２は、複数の入射側の要素レンズ１０１ａのそれぞれに対応して配列された複数の射出側の要素レンズ（第２光学要素）１０２ａを含む。なお、ＸＹ平面及びＸＺ平面以外にも、要素レンズ（不図示）が配列されている。図２及び図３では、入射側インテグレータ１０１及び射出側インテグレータ１０２のそれぞれが、走査方向に５個の要素レンズを、非走査方向に５個の要素レンズを配列して構成されたレンズアレイを例示的に示している。

オプティカルインテグレータ１００に入射した光は、入射側インテグレータ１０１によって、多数の光に分割される。入射側インテグレータ１０１で分割された光は、入射側インテグレータ１０１の個々の要素レンズ１０１ａから射出し、それぞれ対応する射出側インテグレータ１０２の要素レンズ１０２ａに入射して、コンデンサーレンズ１２に向かって射出される。

オプティカルインテグレータ１００（射出側インテグレータ１０２）の射出面の近傍には、開口絞り１１が配置されている。開口絞り１１の位置は、コンデンサーレンズ１２の瞳面に相当する。

オプティカルインテグレータ１００を射出した光は、コンデンサーレンズ１２で集光され、中間照明面１４を重畳的に照明する。図２に示すように、入射側インテグレータ１０１の要素レンズ１０１ａのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射した光線は、射出側インテグレータ１０２の対応する要素レンズ１０２ａの光学面の中心から垂直に射出される。換言すれば、入射側インテグレータ１０１の要素レンズ１０１ａのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射した光線は、それぞれ、照明光学系ＩＬの光軸（Ｘ軸）に平行にオプティカルインテグレータ１００から射出される。照明光学系ＩＬの光軸に平行に射出した光線は、ｆｃの焦点距離を有するコンデンサーレンズ１２を介して、コンデンサーレンズ１２（の主点）から距離ｆｃの位置に集光される。

中間照明面１４は、コンデンサーレンズ１２（の主点）から距離ｆｃの位置に位置している。従って、中間照明面１４における非走査方向の光強度分布は、図２に示すように、略長方形の分布となる。

ここで、入射側インテグレータ１０１と射出側インテグレータ１０２における要素レンズの配列周期が同一であり、走査方向に台形形状の光強度分布を形成するための視野絞り１３を中間照明面１４から光軸方向に離れた位置に配置する場合について考える。この場合、視野絞り１３によって光の一部を遮光しなければならないため、照明効率の低下を招いてしまう。

また、視野絞り１３をコンデンサーレンズ１２から距離ｆｃの位置（集光位置）に配置し、原版１８と光学的に共役な中間照明面１４を集光位置から光軸方向に離れた位置とする場合について考える。この場合、視野絞り１３によって遮光される光は最低限に抑えることができるが、中間照明面１４における非走査方向の光強度分布も略台形形状になってしまう。このため、原版１８を均一に照明するには、光強度分布の斜辺部分の領域をマスキングユニット１５で遮光しなければならず、照明効率の低下を招いてしまう。

従って、照明効率の低下を抑制しながら、走査方向に略台形形状の光強度分布を形成するためには、非走査方向に関して、光を原版１８と光学的に共役な中間照明面１４の位置に集光し、走査方向に関して、光を視野絞り１３の位置に集光することが好ましい。

一方、本実施形態のように、入射側インテグレータ１０１の要素レンズの配列周期と射出側インテグレータ１０２の要素レンズの配列周期が異なる場合について考える。図３において、入射側インテグレータ１０１の要素レンズの配列周期は、射出側インテグレータ１０２の要素レンズの配列周期よりも長い。

この場合、入射側インテグレータ１０１の要素レンズ１０１ａのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射した光線は、図３に示すように、要素レンズ１０１ａのそれぞれに対応する要素レンズ１０２ａの光学面の中心からずれた位置に入射する。そして、射出側インテグレータ１０２に入射した光線は、各要素レンズ１０２ａで更に屈折されて射出される。

射出側インテグレータ１０２の各要素レンズ１０２ａへの光線の入射角度、及び、光線の入射位置の光学面の中心からのずれ量は、いずれも光軸から離れるほど大きくなる。従って、射出側インテグレータ１０２の各要素レンズ１０２ａからの光線の射出角度は、光軸から離れるほど大きくなる。換言すれば、射出側インテグレータ１０２の各要素レンズ１０２ａからの光線の射出角度は、光軸からの距離に従って、単調に変化する。その結果、入射側インテグレータ１０１の要素レンズ１０１ａのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射した光線は、集光されながらコンデンサーレンズ１２に向かって射出されることになる。

入射側の要素レンズ１０１ａのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射して射出側の要素レンズ１０２ａのそれぞれから射出する光線を延長すると、図４に示すように、コンデンサーレンズ１２（の主点）から原版側に距離ｓの位置にある光軸上の一点Ｏで交わる。これは、コンデンサーレンズ１２にとっての物体としての光源が、コンデンサーレンズ１２から原版側に距離ｓの位置にあることと等しい。

従って、コンデンサーレンズ１２で集光される光線の集光位置は、コンデンサーレンズ１２から距離ｆｃの位置にある中間照明面１４よりも距離ｄだけ手前（光源側）に位置することになる。このため、中間照明面１４から光源側に距離ｄの位置における走査方向の光強度分布は、略長方形の分布となる。一方、中間照明面１４においては、集光位置から距離ｄだけ離れているため、走査方向に略台形形状の光強度分布となる。

また、走査方向の照明領域を規定し、且つ、略台形形状の光強度分布を形成するための視野絞り１３を走査方向の集光位置（中間照明面１４から光源側に距離ｄの位置）に配置すれば、視野絞り１３で遮光される光は最低限に抑えられることになる。従って、照明効率の低下を可能な限り抑えながら、走査方向に略台形形状の光強度分布を形成することができる。

略台形形状の光強度分布の斜辺の幅Ｌは、中間照明面１４における照明ＮＡ（ＮＡＩＬ）、及び、距離ｄを用いて、以下の式（１）で表される。
Ｌ＝２ｄ・ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ（ＮＡＩＬ）］・・・（１）

従って、所望の光強度分布に対応する台形形状の斜辺の幅Ｌ、及び、照明ＮＡから、視野絞り１３の位置、或いは、中間照明面１４から走査方向に関する集光位置までの距離ｄが求まることになる。

なお、入射側インテグレータ１０１と射出側インテグレータ１０２における要素レンズに関して、非走査方向の配列周期のみが異なるが、これにより中間照明面１４での照明ＮＡが走査方向と非走査方向とで異なることはない。

図５は、ＸＺ断面において、中間照明面１４の一点を照明する光線の様子を示す概略断面図である。コンデンサーレンズ１２は、回転対称の屈折力を有しているため、中間照明面１４の一点を照明する光線は、走査方向と非走査方向とで同一となる。照明ＮＡ（ＮＡＩＬ）は、開口絞り１１の開口の直径ＥＡと、コンデンサーレンズ１２の焦点距離ｆｃで決まり、以下の式（２）で表される。
ＮＡＩＬ＝ＥＡ／２÷ｆｃ・・・（２）

従って、開口絞り１１の開口の直径ＥＡとコンデンサーレンズ１２の焦点距離ｆｃとが走査方向と非走査方向とで同一（開口絞り１１とコンデンサーレンズ１２とが回転対称）であれば、走査方向と非走査方向とで照明ＮＡが異なることはない。

ここで、入射側インテグレータ１０１と射出側インテグレータ１０２における要素レンズの配列周期を異ならせるために、入射側インテグレータ１０１の要素レンズの大きさと射出側インテグレータ１０２の要素レンズの大きさを異ならせても良い。走査方向における配列周期を異ならせるためには、走査方向における要素レンズの幅を異ならせれば良い。また、入射側インテグレータ１０１と射出側インテグレータ１０２における要素レンズの大きさは同一として、各要素レンズ間にスペーサーを設けることにより、要素レンズの配列周期を調整しても良い。スペーサーを用いることで、入射側インテグレータ１０１と射出側インテグレータ１０２における要素レンズを同一のものとすることができ、部品の管理コストや製造コストの低減が見込まれる。

本実施形態では、視野絞り１３を中間照明面１４の近傍に配置する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、視野絞り１３は、中間照明面１４と光学的に共役な原版１８の近傍に配置してもよいし、中間照明面１４より光源側ではなく、中間照明面１４より原版側に配置してもよい。

視野絞り１３を中間照明面１４よりも原版側に配置した場合、非走査方向におけるオプティカルインテグレータ１００の構成に関しては、視野絞り１３を中間照明面１４の近傍に配置する場合のオプティカルインテグレータ１００の構成と同一である。一方で、走査方向に関しては、図６に示すように、入射側インテグレータ１０１の要素レンズの配列周期は、射出側インテグレータ１０２の要素レンズの配列周期よりも短くする。

これにより、入射側インテグレータ１０１の要素レンズ１０１ａのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射した光線は、発散しながらコンデンサーレンズ１２に向かって射出されることになる。入射側の要素レンズ１０１ａのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射して射出側の要素レンズ１０２ａのそれぞれから射出する光線を延長すると、図７に示すように、コンデンサーレンズ１２（の主点）から光源側に距離ｓの位置にある光軸上の一点Ｏで交わる。これは、コンデンサーレンズ１２にとっての物体としての光源が、コンデンサーレンズ１２から光源側に距離ｓの位置にあることと等しい。

従って、コンデンサーレンズ１２で集光される光線の集光位置は、コンデンサーレンズ１２から距離ｆｃの位置にある中間照明面１４よりも距離ｄだけ奥（原版側）に位置することになる。このため、中間照明面１４から原版側に距離ｄの位置における走査方向の光強度分布は、略長方形の分布となる。一方、中間照明面１４においては、集光位置から距離ｄだけ離れているため、走査方向に略台形形状の光強度分布となる。

また、視野絞り１３を中間照明面１４から原版側に距離ｄの位置に配置すれば、視野絞り１３で遮光される光は最低限に抑えられることになる。従って、照明効率の低下を可能な限り抑えながら、走査方向に略台形形状の光強度分布を形成することができる。

但し、入射側の要素レンズ１０１ａのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射した光線が発散しながらコンデンサーレンズ１２に向かって射出する構成では、コンデンサーレンズ１２の有効径が大きくなってしまう。従って、射出側の要素レンズ１０１ａのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射した光線が集光しながらコンデンサーレンズ１２に向かって射出する構成の方が、製造コストや照明光学系ＩＬの性能の観点で有利である。

本実施形態では、オプティカルインテグレータ１００において、走査方向に関して、入射側インテグレータ１０１と射出側インテグレータ１０２における要素レンズの配列周期を異ならせているが、これに限定されるものではない。つまり、非走査方向に関して、入射側インテグレータ１０１と射出側インテグレータ１０２における要素レンズの配列周期を異ならせても良い。

この場合には、視野絞り１３を、コンデンサーレンズ１２から距離ｆｃの位置に配置する。そして、中間照明面１４を所定の距離ｄだけ離した位置に設定し、中間照明面１４に非走査方向の集光位置が一致するように、要素レンズの非走査方向の配列周期を設定すればよい。

また、走査方向と非走査方向のそれぞれに関して、入射側インテグレータ１０１と射出側インテグレータ１０２における要素レンズの配列周期を異ならせても良い。この場合、視野絞り１３及び中間照明面１４の位置を、コンデンサーレンズ１２から距離ｆｃの位置からそれぞれ所定の距離だけ離した位置に設定すればよい。そして、コンデンサーレンズ１２による走査方向及び非走査方向の集光位置がそれぞれ視野絞り１３と中間照明面１４とに一致するように、走査方向と非走査方向のそれぞれに関して要素レンズの非走査方向の配列周期を設定すればよい。

例えば、視野絞り１３をコンデンサーレンズ１２から距離ｆｃの位置より光源側に配置し、中間照明面１４をコンデンサーレンズ１２から距離ｆｃの位置より原版側に設定する。そして、走査方向に関しては、入射側インテグレータ１０１の要素レンズの配列周期を、射出側インテグレータ１０２の要素レンズの配列周期よりも長くする。非走査方向に関しては、入射側インテグレータ１０１の要素レンズの配列周期を、射出側インテグレータ１０２の要素レンズの配列周期よりも短くする。

ここで、コンデンサーレンズ１２の焦点距離ｆｃと、入射側インテグレータ１０１の要素レンズのそれぞれの光学面中心に垂直に入射した光線がコンデンサーレンズ１２で集光される集光位置と、要素レンズの配列周期との関係について説明する。入射側の要素レンズ１０１ａのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射して射出側の要素レンズ１０２ａのそれぞれから射出する光線を延長すると、コンデンサーレンズ１２（の主点）から原版側に距離ｓの位置にある光軸上の一点Ｏで交わる。点Ｏの位置はコンデンサーレンズ１２の物体位置とみなすことができる。このとき、焦点距離ｆｃのコンデンサーレンズ１２によって点Ｏの物体が結像される結像位置ｆｃ＋ｄは、光線が進む方向（Ｘ軸の正方向）を正として、
１／（ｆｃ＋ｄ）＝（１／ｓ）＋（１／ｆｃ）・・・（３）
で表される。つまり、ｓが無限大の場合には、ｄ＝０となり、集光位置はコンデンサーレンズ１２の焦点に一致する。

続いて、ｓとオプティカルインテグレータの入射側と射出側の要素レンズの配列周期との関係について考える。ｓは、入射側の要素レンズ１０１ａのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射した光線の光軸からの距離ｈと、その光線が射出側の要素レンズ１０２ａを射出する角度θを用いると、θが十分に小さいときには、
ｓ＝ｈ／θ・・・（４）
で表される。

ここで、入射側インテグレータ１０１の要素レンズの配列周期Ｐｉとし、光軸上に配置された要素レンズを０番目として、光線が入射する要素レンズが配列方向においてｎ番目に配置されているとした場合、ｈは、
ｈ＝ｎ×Ｐｉ・・・（５）
で表される。

ここで、周期方向における要素レンズの配列数が奇数の場合には、光軸上に配置された要素レンズを０番目として、当該要素レンズに隣接して配置された要素レンズを１番目と考える。つまり、１番目に配置された要素レンズの光学面の中心に垂直入射した光線の光軸からの距離ｈ＝Ｐｉと考える。

一方、周期方向における要素レンズの配列数が偶数の場合には、光軸上には要素レンズが存在しないため、光軸を挟んで隣接する要素レンズを１番目の要素レンズと考える。そして、当該要素レンズの光学面の中心に垂直に入射した光線の光軸からの距離ｈ＝０．５×Ｐｉと考える。

一方、θは、射出側の要素レンズ１０２ａの焦点距離ｆｏと、入射側の要素レンズ１０１ａのそれぞれの光学面の中心に垂直入射して射出側の要素レンズ１０２ａのそれぞれに入射する光線と、当該要素レンズ１０２ａの光学面中心とのずれｅを用いて表される。

ｅが十分に小さいときには、
θ＝ｅ／ｆｏ・・・（６）
で表される。

また、射出側インテグレータ１０２の要素レンズの配列周期をＰｏとして、
ｅ＝（Ｐｏ－Ｐｉ）×ｎ・・・（７）
と表される。

式４から式７を用いて、
ｓ＝（Ｐｉ×ｆо）／（Ｐｏ－Ｐｉ）・・・（８）
と表すことができる。

式８を式３に代入することで、ｄを求めることができる。つまり、コンデンサーレンズ１２による集光位置は、コンデンサーレンズ１２の焦点距離ｆｃ、入射側インテグレータ１０１、射出側インテグレータ１０２それぞれの要素レンズの配列周期Ｐｉ、Ｐｏ、射出側の要素レンズ１０２ａの焦点距離ｆｏで求められる。入射側インテグレータ１０１、射出側インテグレータ１０２それぞれの要素レンズの配列周期Ｐｉ、Ｐｏを調整することで、ｄを変化させることができる。

ここで、入射側インテグレータ１０１の要素レンズの配列周期Ｐｉと射出側インテグレータ１０２の要素レンズの配列周期Ｐоとの差の絶対値｜Ｐо－Ｐｉ｜が大きくなると、ずれｅも大きくなる。｜ｅ｜がＰｏ／２を超えると、入射側の要素レンズ１０１ａのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射した光線が、射出側の対応する要素レンズ１０２ａに入射しなくなってしまう。その結果、照明効率の低下や、被照明面における光強度分布の均一性の低下を招くため好ましくない。

よって、
｜ｅ｜≦Ｐｏ／２・・・（９）
を満足することが好ましい。

つまり、オプティカルインテグレータの要素レンズの配列数をｍとして、
Ｐｏ／２≧｜（Ｐｏ－Ｐｉ）｜×（ｍ－１）／２・・・（１０）
という条件式を満足することが好ましい。

本実施形態では、入射側インテグレータ１０１及び射出側インテグレータ１０２のそれぞれが、走査方向に５個の要素レンズを、非走査方向に５個の要素レンズを配列して構成されている場合（５×５配列）について例示的に説明した。但し、要素レンズの配列数は、これに限定されるものではなく、５×５配列より多くてもよいし、少なくてもよい。また、要素レンズの配列数は、奇数でもよいし、偶数でもよい。更には、走査方向と非走査方向とで要素レンズの配列数は異なっていてもよいし、走査方向と非走査方向とで要素レンズの配列周期を大きく変えてもよい。このように、要素レンズの構成は、適宜選択することができる。

また、オプティカルインテグレータ１００を構成する要素レンズは、球面レンズに限定されるものではない。被照明面における光強度分布を調整するために、要素レンズを、非球面レンズとしてもよいし、フレネルゾーンプレートやキノフォームなどの回折レンズとしてもよい。更には、光強度分布のアスペクト比（被照明面に形成される光強度分布の走査方向の幅と非走査方向の幅との比）を調整するために、要素レンズを、トーリックレンズやシリンドリカルレンズなどのアナモルフィックレンズとしてもよい。

図８及び図９を参照して、オプティカルインテグレータを構成する要素レンズがシリンドリカルレンズである場合について説明する。図８及び図９は、オプティカルインテグレータを構成する要素レンズがシリンドリカルレンズである場合において、オプティカルインテグレータ２００から中間照明面１４までの構成を示す概略断面図である。図８は、ＸＹ平面における断面を示し、図９は、ＸＺ平面における断面を示している。

オプティカルインテグレータ２００は、入射側のシリンドリカルレンズアレイ２０１及び２０２と、射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０３及び２０４とで構成されている。シリンドリカルレンズアレイ２０１及び２０３は、それぞれ、走査方向（Ｚ方向）のみに曲率を有する要素レンズが走査方向に配列されたシリンドリカルレンズアレイである。シリンドリカルレンズアレイ２０２及び２０４は、それぞれ、非走査方向（Ｙ方向）のみに曲率を有する要素レンズが非走査方向に配列されたシリンドリカルレンズアレイである。

入射側のシリンドリカルレンズアレイ２０１の各要素レンズと、射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０３の各要素レンズとは、それぞれ対応関係にある。また、入射側のシリンドリカルレンズアレイ２０２の各要素レンズと、射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０４の各要素レンズとは、それぞれ対応関係にある。

オプティカルインテグレータ２００に入射した光は、入射側のシリンドリカルレンズアレイ２０１及び２０２によって、それぞれ走査方向と非走査方向とに、多数の光に分割される。かかる光は、入射側のシリンドリカルレンズアレイ２０１及び２０２の個々の要素レンズから射出し、それぞれ対応する射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０３及び２０４の要素レンズに入射して、コンデンサーレンズ１２に向かって射出される。

オプティカルインテグレータ２００（射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０４）の射出面の近傍には、開口絞り１１が配置されている。開口絞り１１の位置は、コンデンサーレンズ１２の瞳面に相当する。

オプティカルインテグレータ２００を射出した光は、コンデンサーレンズ１２で集光され、中間照明面１４を重畳的に照明する。図８に示すように、非走査方向におけるに関して、入射側のシリンドリカルレンズアレイ２０１の要素レンズの配列周期と、射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０４２の要素レンズの配列周期は等しい。そのため、入射側のシリンドリカルレンズアレイ２０２の各要素レンズの光学面の中心に垂直に入射した光線は、射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０４の対応する各要素レンズの光学面の中心から垂直に射出される。換言すれば、入射側のシリンドリカルレンズアレイ２０２の要素レンズのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射した光線は、それぞれ、照明光学系ＩＬの光軸（Ｘ軸）に平行にオプティカルインテグレータ２００から射出される。照明光学系ＩＬの光軸に平行に射出した光線は、ｆｃの焦点距離を有するコンデンサーレンズ１２を介して、コンデンサーレンズ１２（の主点）から距離ｆｃの位置に集光される。

中間照明面１４は、コンデンサーレンズ１２（の主点）から距離ｆｃの位置に位置している。従って、中間照明面１４における非走査方向の光強度分布は、図８に示すように、略長方形の分布となる。

次に、図９を参照して、中間照明面１４における走査方向の光強度分布について説明する。図９に示すように、走査方向に関して、入射側のシリンドリカルレンズアレイ２０１の要素レンズの配列周期は、射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０４２の要素レンズの配列周期よりも長い。そのため、入射側のシリンドリカルレンズアレイ２０１の要素レンズのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射した光線は、図９に示すように、射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０３に入射する。その結果、当該光線は、入射側のシリンドリカルレンズアレイ２０１の要素レンズのそれぞれに対応する射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０３の対応する要素レンズの光学面の中心からずれた位置に入射する。そして、射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０３及び２０４に入射した光線は、各要素レンズで更に屈折されて射出される。

射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０３の各要素レンズへの光線の入射角度、及び、光線の入射位置の光学面の中心からの走査方向へのずれ量は、いずれも光軸から離れて周辺に向かうほど大きくなる。従って、射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０３の各要素レンズからの光線の射出角度は、光軸から離れるほど大きくなる。換言すれば、射出側のシリンドリカルレンズアレイ２０３の各要素レンズからの光線の射出角度は、光軸からの距離に従って、単調に変化する。その結果、入射側のシリンドリカルレンズアレイ２０１の要素レンズのそれぞれの光学面の中心に垂直に入射した光線は、集光されながらコンデンサーレンズ１２に向かって射出されることになる。

従って、コンデンサーレンズ１２で集光される光線の集光位置は、コンデンサーレンズ１２から距離ｆｃの位置にある中間照明面１４よりも距離ｄだけ手前（光源側）に位置することになる。このため、中間照明面１４から光源側に距離ｄの位置における走査方向の光強度分布は、略長方形の分布となる。一方、中間照明面１４においては、集光位置から距離ｄだけ離れているため、走査方向に略台形形状の光強度分布となる。

また、走査方向の照明領域を規定し、且つ、略台形形状の光強度分布を形成するための視野絞り１３を走査方向の集光位置（中間照明面１４から光源側に距離ｄの位置）に配置すれば、視野絞り１３で遮光される光は最低限に抑えられることになる。従って、オプティカルインテグレータをシリンドリカルレンズアレイで構成した場合にも、照明効率の低下を可能な限り抑えながら、走査方向に略台形形状の光強度分布を形成することができる。

本実施形態では、入射側から射出側に向かって順に、シリンドリカルレンズアレイ２０１、シリンドリカルレンズアレイ２０２、シリンドリカルレンズアレイ２０３、シリンドリカルレンズアレイ２０４を配置している。シリンドリカルレンズアレイ２０１は、入射側の走査方向に配列したシリンドリカルレンズアレイであり、シリンドリカルレンズアレイ２０２は、入射側の非走査方向に配列したシリンドリカルレンズアレイである。また、シリンドリカルレンズアレイ２０３は、射出側の走査方向に配列したシリンドリカルレンズアレイであり、シリンドリカルレンズアレイ２０４は、射出側の非走査方向に配列したシリンドリカルレンズアレイである。但し、このような配置に限定されるものではなく、入射側と射出側との関係が逆になれば、種々の配置が可能である。

例えば、入射側の走査方向に配列したシリンドリカルレンズアレイ２０１より光源側に、入射側の非走査方向に配列したシリンドリカルレンズアレイ２０２を配置してもよい。また、射出側の走査方向に配列したシリンドリカルレンズアレイ２０３より光源側に、射出側の非走査方向に配列したシリンドリカルレンズアレイ２０４を配置してもよい。

更には、入射側及び射出側の走査方向に配列したシリンドリカルレンズアレイ２０１及び２０３を、入射側の非走査方向に配列したシリンドリカルレンズアレイ２０２よりも光源側に配置するような構成であってもよい。

また、本実施形態では、オプティカルインテグレータ１００又は２００を構成する個々の要素レンズがそれぞれ分割されている場合について例示的に示したが、これに限定されるものではない。例えば、切削、モールド、エッチングなどの技術を用いて、１つの光学素子に複数の要素レンズが一体的に形成されていてもよい。オプティカルインテグレータの構成は、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

このように、本実施形態では、照明光学系ＩＬにおいて、パルス発振の影響による露光むらを低減する光強度分布を、少ない光量損失で、走査方向と非走査方向とで基板に転写されるパターンの転写特性を異ならせることなく達成することができる。また、このような照明光学系ＩＬを有する露光装置ＥＸは、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体素子、液晶表示素子、フラットパネルディスプレイなど）を提供することができる。

本発明の実施形態における物品の製造方法は、例えば、フラットパネルディスプレイ、液晶表示素子、半導体素子、ＭＥＭＳなどの物品を製造するのに好適である。かかる製造方法は、上述した露光装置ＥＸを用いて感光剤が塗布された基板を露光する工程と、露光された感光剤を現像する工程とを含む。また、現像された感光剤のパターンをマスクとして基板に対してエッチング工程やイオン注入工程などを行い、基板上に回路パターンが形成される。これらの露光、現像、エッチングなどの工程を繰り返して、基板上に複数の層からなる回路パターンを形成する。後工程で、回路パターンが形成された基板に対してダイシング（加工）を行い、チップのマウンティング、ボンディング、検査工程を行う。また、かかる製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、レジスト剥離など）を含みうる。本実施形態における物品の製造方法は、従来に比べて、物品の性能、品質、生産性及び生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

ＥＸ 露光装置
ＩＬ 照明光学系
１００ オプティカルインテグレータ
１０１ 入射側インテグレータ
１０１ａ 要素レンズ
１０２ 射出側インテグレータ
１０２ａ 要素レンズ

Claims (13)

1. 被照明面を照明する照明光学系であって、
   光源からの光で２次光源を形成するオプティカルインテグレータを有し、
   前記オプティカルインテグレータは、複数の第１光学要素が配列された入射側の光学素子と、前記複数の第１光学要素のそれぞれに対応して配列された複数の第２光学要素を含む射出側の光学素子と、を含み、
   前記複数の第１光学要素および前記複数の第２光学要素は、第１方向及び該第１方向に交差する第２方向に周期的に配列され、前記第１方向と前記第２方向の少なくとも一方の方向に関して、前記複数の第１光学要素の配列周期と前記複数の第２光学要素の配列周期とが異なることを特徴とする照明光学系。
2. 前記入射側の光学素子及び前記射出側の光学素子のそれぞれは、前記第１方向及び前記第２方向に屈折力を有するハエの目レンズで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記オプティカルインテグレータからの光で前記被照明面を照明するコンデンサーレンズを更に有し、
   前記オプティカルインテグレータは、前記コンデンサーレンズから射出される光の集光位置を前記第１方向及び前記第２方向とで異ならせるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
4. 前記オプティカルインテグレータは、前記複数の第１光学要素のそれぞれの光学面の中心に垂直に入射して前記複数の第２光学要素のそれぞれから射出する光線の角度が、前記第１方向及び前記第２方向の少なくとも一方に関して、前記オプティカルインテグレータの光学面の中心から周辺に向かって単調に変化するように、構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の照明光学系。
5. 前記複数の第１光学要素の配列周期をＰｉ、前記複数の第２光学要素の配列周期をＰо、前記第１光学要素及び前記第２光学要素の配列数をｍとしたとき、
   Ｐｏ／２≧｜（Ｐｏ－Ｐｉ）｜×（ｍ－１）／２
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の照明光学系。
6. 被照明面を照明する照明光学系であって、
   光源からの光で２次光源を形成するオプティカルインテグレータを有し、
   前記オプティカルインテグレータは、入射側の第１光学素子群と射出側の第２光学素子群とを含み、
   前記第１光学素子群は、複数の第１光学要素が配列された第１光学素子と第２光学素子とを含み、
   前記第２光学素子群は、
   前記第１光学素子の前記複数の第１光学要素のそれぞれに対応して配列された複数の第２光学要素を含む第３光学素子と、
   前記第２光学素子の前記複数の第１光学要素のそれぞれに対応して配列された複数の第２光学要素を含む第４光学素子と、を含み、
   前記第１光学素子は前記複数の第１光学要素が第１方向に周期的に配列され、
   前記第２光学素子は前記複数の第１光学要素が前記第１方向に交差する第２方向に周期的に配列され、
   前記第３光学素子は前記複数の第２光学要素が前記第１方向に周期的に配列され、
   前記第４光学素子は前記複数の第２光学要素が前記第２方向に周期的に配列され、
   前記第１光学素子と前記第３光学素子は前記第１方向に屈折力を有するシリンドリカルレンズであり、
   前記第２光学素子と前記第４光学素子は前記第２方向に屈折力を有するシリンドリカルレンズであり、
   前記第１方向と前記第２方向の少なくとも一方の方向に関して、前記複数の第１光学要素の配列周期と前記複数の第２光学要素の配列周期とが異なることを特徴とする照明光学系。
7. 原版と基板とを走査方向に移動させながら、前記原版を介して前記基板を露光する露光装置であって、
   被照明面に配置された前記原版を照明する請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の照明光学系と、
   前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系と、
   を有することを特徴とする露光装置。
8. 前記照明光学系は、パルス光源からの光を用いて前記原版を照明することを特徴とする請求項７に記載の露光装置。
9. 前記被照明面の共役面に配置され、前記被照明面における照明領域を規定するマスキングユニットと、
   前記被照明面の共役面から前記照明光学系の光軸方向に離れた位置に配置され、前記走査方向の照明領域を規定する視野絞りと、をさらに有することを特徴とする請求項７または８に記載の露光装置。
10. 前記視野絞りは、前記マスキングユニットよりも光源側に配置されており、
    前記走査方向に関して、前記複数の第１光学要素の配列周期は、前記複数の第２光学要素の配列周期よりも長いことを特徴とする請求項９に記載の露光装置。
11. 前記視野絞りは、前記マスキングユニットよりも前記原版側に配置されており、
    前記走査方向に関して、前記複数の第１光学要素の配列周期は、前記複数の第２光学要素の配列周期よりも短いことを特徴とする請求項９に記載の露光装置。
12. 前記照明光学系は、オプティカルインテグレータからの光で前記原版を照明するコンデンサーレンズを含み、
    前記照明光学系において、入射側の光学素子の複数の第１光学要素のそれぞれの光学面の中心に垂直に入射した光線の前記コンデンサーレンズの前記走査方向の集光位置は、前記視野絞りの位置に一致し、前記光線の前記コンデンサーレンズの前記走査方向に交差する方向の集光位置は、前記被照明面に一致することを特徴とする請求項９乃至１１のうちいずれか１項に記載の露光装置。
13. 請求項７乃至１２のうちいずれか１項に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
    露光した前記基板を現像する工程と、
    現像された前記基板から物品を製造する工程と、
    を有することを特徴とする物品の製造方法。

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