JPH08148407A

JPH08148407A - 照明光学装置

Info

Publication number: JPH08148407A
Application number: JP6286217A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kudo; 祐司工藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-11-21
Filing date: 1994-11-21
Publication date: 1996-06-07
Also published as: US5798823A

Abstract

(57)【要約】【目的】高い照明効率を確保しながら通常照明や傾斜照
明等の任意の照明に十分に対応し得る高性能な照明光学
装置を提供の提供にある。【構成】放電灯からの光を回転対称型集光鏡にて集光
し、その集光光をコリメート光学系にてほぼ平行な光に
変換して、その平行光をオプティカルインテグレータに
て複数に分割して複数の２次光源を形成した後、コンデ
ンサー光学系を介して２次光源からの光を照明する照明
光学装置において、その複数の２次光源の光強度分布を
所定の光強度分布に整形する２次光源分布整形手段を配
置し、上記放電灯における陽極と陰極との２つの電極を
所定の関係で配置すると共に、上記コリメート光学系に
より形成される回転対称型集光鏡の反射面の像の位置に
対してオプティカルインテグレータの入射面を所定位置
に配置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原版のパターンを感光基
板上に投影露光して、半導体素子などを製造するための
投影露光装置に好適な照明光学装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来においてこの種の照明光学装置とし
ては図８に示す如き構成が知られている。楕円鏡２の第
１焦点位置Ｆ１に配置された超高圧水銀ランプ１から発
せられた光は楕円鏡２によって反射集光され、楕円鏡２
の第２焦点Ｆ２の位置Ａ１に集光された後、コリメータ
レンズ３によってコリメートされほぼ平行な光束に変換
され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４に入射する。ここで、フライアイレンズ４を入
射した光は、このフライアイレンズ４により複数の光に
分割されて、フライアイレンズ４を構成する各レンズ素
子（４１〜４３）の射出面４ｂ側の位置Ａ２にそれぞれ
２次光源が形成される。これらの複数の２次光源からの
光は円形開口を持つ開口絞り５により制限された後、コ
ンデンサーレンズ６により集光され被照射面としてのレ
チクルＲを重畳的に照明する。以上の照明光学装置によ
って、均一照明されたレチクルＲ上の回路パターンは、
投影光学系を介して、レジストが塗布されたウエハ等の
基板Ｗ上に投影露光される。このとき、フライアイレン
ズ４により形成される複数の２次光源又は開口絞り５の
位置Ａ２は、投影光学系７内の瞳位置Ａ３に配置された
開口絞り７ａと共役な位置にあり、複数の２次光源の像
が開口絞り７ａ上に形成されるため、所謂ケーラー照明
が達成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上においては、被照
射面に対して通常照明を行う装置について述べたが、近
年においては、図８に示す如き構成に基づいて、フライ
アイレンズ４により形成される２次光源の形状を変形さ
せて、レチクルＲを傾斜照明することにより、投影光学
系７が本来持つ解像力並びに焦点深度をさらに向上させ
ようとする技術が注目されている。

【０００４】例えば、フライアイレンズ４の射出側に配
置されている開口絞り５を、図９の（ａ）に示す如き輪
帯形状（ドーナツ状）の開口部を設けて輪帯形状の２次
光源を形成し、レチクルＲを傾斜照明することにより、
投影光学系７の解像力や焦点深度を改善しようとするも
のが特開平５−１７５１０１等にて知られている。な
お、以下においては、輪帯形状の２次光源を形成して被
照明物体を傾斜照明する照明法を輪帯照明法と呼ぶ。

【０００５】また、フライアイレンズ４の射出側に配置
されている開口絞り５を、図９の（ｂ）に示す如き偏心
した４つの開口部を設けて４つの偏心した２次光源を形
成し、レチクルＲを傾斜照明（以下、特殊傾斜照明と呼
ぶ。）することにより、上記輪帯状の照明法よりも大き
な投影光学系７の解像力や焦点深度を得ようとするもの
が特開平４−１０１１４８等にて知られている。なお、
以下においては、光軸に対して複数の偏心した２次光源
を形成して被照明物体を傾斜照明する照明法を特殊傾斜
法と呼ぶ。

【０００６】しかしながら、以上の如き従来の技術にお
いてはフライアイレンズの入射面４ａでの光強度分布が
図１０の（ａ）に示す如く、中央部では高く周辺部では
次第に低くなる形状を呈しており、フライアイレンズの
射出面４ｂ側に形成される複数の２次光源でも図１０の
（ａ）の示す如き光強度分布の傾向を持つ。この事につ
いて具体的に説明すると、まず、フライアイレンズ４は
図８に示す如く３つのレンズ素子（４１〜４３）を有し
ており、レンズ素子４１、４２、４３によって射出側に
形成される光源像の光強度分布は、図４の（ｂ）の実線
で示す如く、それぞれｄ１、ｄ２、ｄ３となる。そし
て、図１０の（ｂ）の実線で示す如く、フライアイレン
ズ４の周辺部に位置するレンズ素子４１及び４３によっ
てそれぞれ形成される光源像の光強度分布（ｄ１、ｄ
３）は、フライアイレンズ４の中心部に位置するレンズ
素子４２によって形成される光源像の光強度分布ｄ２よ
りも弱くなり、各レンズ素子（４１〜４３）により形成
される光強度のピークを結んだ包絡線は、図１０の
（ｂ）の点線で示す如く、図１０の（ａ）に示す如きフ
ライアイレンズ４の入射面４ａ上での光強度分布と同じ
傾向の光強度分布となる。

【０００７】従って、図１０の（ａ）に示す如き周辺部
に輪帯状の開口を持つ開口絞りまたは図１０の（ｂ）に
示す如き周辺部に４つの偏心開口を持つ開口絞りを複数
の２次光源が形成される位置に配置した場合には、光束
の利用効率が極端に悪化し、この結果、レチクルＲ等の
被照射面上の照度が大幅に低下して、露光時間が長くな
り、スループットの大幅な低下を招くという問題があ
る。

【０００８】本発明は、上記の問題を解決し、高い照明
効率を確保しながら通常照明や傾斜照明等の任意の照明
に十分に対応し得る高性能な照明光学装置を提供するこ
とを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、光を発する放電灯と、その放電灯からの光
を反射集光して光源像を形成する回転対称型集光鏡と、
その回転対称型集光鏡により形成された光源像からの光
をコリメートしてほぼ平行な光に変換するコリメート光
学系と、そのコリメート光学系からの光を複数に分割し
て複数の２次光源を形成するオプティカルインテグレー
タと、そのオプティカルインテグレータにより形成され
る複数の２次光源からの光を集光して被照射面を重畳的
に照明するコンデンサー光学系とを有する照明光学装置
において、上記複数の２次光源の光強度分布を所定の光
強度分布に整形する２次光源分布整形手段を配置し、上
記放電灯は、回転対称型集光鏡の回転軸上に沿って互い
に対向して配置された陽極と陰極との２つの電極を有
し、その陰極に対して回転対称型集光鏡の頂点側に陽極
を配置するとともに、上記コリメート光学系により形成
される回転対称型集光鏡の反射面の像の位置よりも放電
灯側へディフォーカスした位置にオプティカルインテグ
レータの入射面を配置したものである。

【００１０】これにより、オプティカルインテグレータ
に入射する光束及びオプティカルインテグレータにより
形成される２次光源における周辺部の光強度分布を大幅
に増大させることができるため、通常照明や傾斜照明等
の任意の照明法に対しても、高い照明効率のもとで被照
射面を照明することができる。従って、レチクルのパタ
ーンを投影光学系によりウエハに転写する露光装置の照
明光学装置として応用した場合には、通常照明や傾斜照
明等の任意の照明法に対して高いスループットのもとで
露光が実現される。

【００１１】そして、以上の構成に基づいて、２次光源
分布整形手段は、オプティカルインテグレータの射出面
またはその近傍に切り換え可能に設けられた第１及び第
２開口絞りを有し、一方の第１開口絞りは、コンデンサ
ー光学系の光軸に対して回転対称な円形状の開口を有
し、他方の第２開口絞りは、コンデンサー光学系の光軸
に対して偏心した周辺の領域に開口部を有すると共に、
コンデンサー光学系の光軸を通る中心の領域に遮光部又
は減光部を有することが好ましい。これにより、簡素な
構成としながらも、高い照明効率のもとで被照明面に対
して通常照明及び傾斜照明が選択的に実現できるため、
本発明の装置を露光装置の照明装置にに応用した場合に
は、通常照明や傾斜照明等の各照明法を任意に選択して
も、高いスループットのもとで露光が達成し得る。

【００１２】また、コリメート光学系は、回転対称型集
光鏡の反射面の像を形成すると共に、回転対称型集光鏡
により形成される光源像からの光をコリメートするコリ
メートレンズと、そのコリメートレンズにより形成され
る回転対称型集光鏡の反射面の像を再結像するリレーレ
ンズとを有する構成としても良い。

【００１３】

【作用】次に、本発明の原理について説明する。図１
０の（ａ）及び（ｂ）では、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の前後において、光強度分
布が中心部で強く周辺部へ行くに従って弱くなる事につ
いて述べたが、この問題について検討を重ねていった結
果、回転対称型集光鏡として、例えば楕円鏡２の第１焦
点位置に配置されている放電灯としての超高圧水銀ラン
プ１の電極の形状に伴う配光特性が起因することが判明
した。

【００１４】この事を具体的に説明すると、超高圧水銀
ランプの電極の先端部は、図１１に示す如く、陰極１ａ
では針状の形状を有する一方、陽極１ｂでは円錐の頂点
を含む上部を切り欠いた形状を有しており、超高圧水銀
ランプの陽極は一般的に陰極に比べて大きくなるように
構成されている。そのため、超高圧水銀ランプの２つの
電極に高電圧が印加されると、２つの電極での放電によ
り生成される光の配光特性は、図１１に示す如く、水平
方向（零度）から陰極１ａ側の４５度付近まではほぼ一
定の配光を有するが、陽極１ｂ側では３０度付近を過ぎ
ると陽極自身のけられにより急激に光が減衰する。

【００１５】そして、従来においては、図１２に示す如
く、超高圧水銀ランプの陰極１ａと陽極１ｂとの２つの
電極は、回転対称型集光鏡としての楕円鏡２の回転軸
（又は光軸Ａｘ）上に沿った第１焦点Ｆ１の近傍に対向
して配置され、この陰極１ａは、陽極１ｂに対して楕円
鏡の頂点Ｏの側に位置していた。このため、図１２に示
す如く、超高圧水銀ランプの電極から発する垂直方向
（零度）から陰極１ａ側の４５度付近まで一定の配光特
性を持つ光は、楕円鏡２の内側部分２ａで反射された
後、コリメータレンズ４によって集光されてフライアイ
レンズ４の中心部を照明する一方、超高圧水銀ランプの
電極から発する垂直方向（零度）から陽極１ｂ側の３０
度付近までほぼ一定の配光特性を持つ光は、楕円鏡２の
外側部分２ｂで反射された後、コリメータレンズ４によ
って集光されてフライアイレンズ４の周辺部を照明する
ことが理解できる。

【００１６】この結果、図１０の（ａ）にて示した如
く、フライアイレンズ４の入射側での光強度分布が中心
部で強く周辺部へ行くに従って弱くなる事が理解され
る。そこで、本発明では、図１１に示す如く、超高圧水
銀ランプの配光特性を積極的に利用しつつ、フライアイ
レンズ４に入射する入射光において、周辺部の強度分布
を中心部に対して相対的に増加させるためには、従来の
常識とは逆に超高圧水銀ランプの陽極１ｂを、陰極１ａ
に対して集光鏡の頂点Ｏの側に配置することが有効であ
ることを見出した。

【００１７】なお、その場合には、陰極側の取込み角を
拡大するために楕円鏡の有効径を大きくする事が望まし
い。しかしながら、従来の常識とは逆に超高圧水銀ラン
プの陽極１ｂを、陰極１ａに対して集光鏡の頂点Ｏの側
に配置するのみでは、周辺部の強度分布を中心部に対し
て相対的に増加させる事は不十分であり、フライアイレ
ンズ４の配置条件が重要な要因となる。

【００１８】この事について具体的に説明すると、ま
ず、光の利用効率という観点からのみ考えると、図１３
に示すように楕円鏡２内の曲線状の反射面とフライアイ
レンズ４の入射面４ａがコリメートレンズ３に関して共
役になるように構成し、フライアイレンズ４の入射面４
ａに形成される楕円鏡２内の曲線状の反射面の像を平坦
（平面状）とすることが有効である。

【００１９】しかし、これらを完全に共役に構成した場
合、フライアイレンズ４の入射面４ａ上には、楕円鏡の
中抜け部分の円形状の縁２ｃや円形状の外枠２ｄの鋭い
像が形成されるため、被照射面Ｒ上の照度均一性に対し
て重大な悪影響を及ぼすことになる。そのため、コリメ
ートレンズ３によって形成される楕円鏡２の反射面の像
（平坦な像）の位置をフライアイレンズ４の入射面４ａ
に対して、光の利用効率がさほど悪化しない程度にデフ
ォーカスさせる必要がある。

【００２０】このとき、デフォーカスの方向をプラス方
向（被照明面へ向かう方向）とマイナス方向（光源へ向
かう方向）のどちらにするかによってフライアイレンズ
４の入射面４ａ上での強度分布が大きく異なる。その事
について、図１４〜図１６を参照しながら説明する。図
１４は、等方的に発光する点光源Ｓを楕円鏡の第１焦点
Ｆ１に配置した場合における光線の様子を示した図であ
る。図１４に示す如く、楕円鏡２により反射された点光
源からの光は第２焦点Ｆ２の位置Ａ１で集光された後、
コリメートレンズ３にてほぼ平行な光束に変換される。
ここで、平面ａはコリメートレンズ３によって形成され
る楕円鏡２の反射面の像面位置を示し、平面ｂ及びｃは
像面ａから楕円鏡２の光軸Ａｘ（又はコリメートレンズ
の光軸Ａｘ）方向に沿って所定量だけデフォーカスした
面を示している。

【００２１】この場合、コリメートレンズ３からの光束
はほぼ平行光であるので、コリメートレンズ３の被照明
面側（図１４ではコリメートレンズ３の右側）に配置さ
れるフライアイレンズ４の入射面４ａを平面ａ〜ｃのど
の位置に配置しても、図１７の（ａ）に示す如く、周辺
部のみに光強度が分布するような中抜け状態の光強度分
布となる。

【００２２】次に、等方的に発光する点光源Ｓが第１焦
点Ｆ１の位置より光軸方向にずれた位置に配置された場
合について検討する。一般に反射鏡としての楕円鏡２は
ハーシェル条件が大きく崩れているため第１焦点位置Ｆ
１から光軸Ａｘの方向にずれた位置に物体が配置される
と急激に球面収差が発生する。このため、例えば、点光
源Ｓが楕円鏡２の第１焦点Ｆ１よりも光軸Ａｘに沿って
マイナス方向（楕円鏡２の頂点Ｏに近づく方向）に配置
された場合には、楕円鏡２により形成される光源像の位
置（又は集光位置）が第２焦点位置Ｆ２よりもプラス方
向（被照射面に向かう方向）へ移動すると共に負の球面
収差が発生する。従って、コリメートレンズ３を通過し
た光束は平行光ではなくなるため、コリメートレンズ３
の被照明面側に配置されるフライアイレンズ４の入射面
４ａの位置に応じて、このフライアイレンズ４の入射面
４ａ上に形成される光強度分布が大きく変化する。

【００２３】この時の様子を図１５に示している。すな
わち、図１５には、等方的に発光する点光源Ｓを楕円鏡
の第１焦点Ｆ１の位置より楕円鏡２の頂点Ｏ側へずれた
位置に配置した場合における光線の様子を示しており、
図１５中の平面ａ〜ｃの位置は、図１４中の平面ａ〜ｃ
の位置にそれぞれ対応している。よって、図１５に示す
如く、コリメートレンズ３によって形成される楕円鏡の
反射面の像位置ａよりもプラス方向（被照射面に向かう
方向）へディフォーカスした面ｃの位置にフライアイレ
ンズ４の入射面４ａを配置した場合には、フライアイレ
ンズ４の中心部分に比べてこれの周辺部分では強い光が
照射されて、図１７の（ｂ）に示す如き周辺部に偏った
光強度分布となる。一方、図１５に示す如く、コリメー
トレンズ３によって形成される楕円鏡の反射面の像位置
ａよりもマイナス方向（楕円鏡２の頂点Ｏに近づく方
向）へディフォーカスした面ｂの位置にフライアイレン
ズ４の入射面４ａを配置した場合には、フライアイレン
ズ４の周辺部分に比べてこれの中心部分では強い光が照
射されて、図１７の（ｃ）に示す如き中心部に偏った光
強度分布となる。なお、図１５において、コリメートレ
ンズ３によって形成される楕円鏡２の反射面の像面位置
ａでの光強度分布は、図１７の（ａ）に示す如く、周辺
部のみに光強度が分布するような中抜け状態の分布とな
る。

【００２４】これに対し、等方的に発光する点光源Ｓが
第１焦点Ｆ１よりも光軸Ａｘに沿ってプラス方向（被照
射面へ向かう方向）に配置された場合には、図１５に示
した傾向とは逆の傾向となり、楕円鏡２により形成され
る光源像の位置（又は集光位置）が第２焦点位置Ｆ２よ
りもマイナス方向（楕円鏡２の頂点Ｏに近づく方向）へ
移動すると共に正の球面収差が発生する。

【００２５】この時の様子を図１６に示しており、すな
わち、図１６には、等方的に発光する点光源Ｓを楕円鏡
の第１焦点Ｆ１の位置より被照射面へ向かう方向へずれ
た位置に配置した場合における光線の様子を示してい
る。但し、図１６における平面ａ〜ｃの位置は、図１４
及び図１５における平面ａ〜ｃの位置にそれぞれ対応し
ている。

【００２６】よって、図１６に示す如く、コリメートレ
ンズ３によって形成される楕円鏡の反射面の像位置ａよ
りもプラス方向（被照射面へ向かう方向）へディフォー
カスした面ｃの位置にフライアイレンズ４の入射面４ａ
を配置した場合には、フライアイレンズ４の周辺部分に
比べてこれの中心部分では強い光が照射されて、図１７
の（ｃ）に示す如き中心部に偏った光強度分布となる。
一方、図１６に示す如く、コリメートレンズ３によって
形成される楕円鏡の反射面の像位置ａよりもマイナス方
向（楕円鏡２の頂点Ｏに近づく方向）へディフォーカス
した面ｂの位置にフライアイレンズ４の入射面４ａを配
置した場合には、フライアイレンズ４の中心部分に比べ
てこれの周辺部分では強い光が照射されて、図１６の
（ｂ）に示す如き周辺部に偏った光強度分布となる。な
お、図１６において、コリメートレンズ３によって形成
される楕円鏡２の反射面の像面位置ａでの光強度分布
は、図１７の（ａ）に示す如く、周辺部のみに光強度が
分布するような中抜け状態の分布となる。

【００２７】以上の図１４〜図１６においては、等方的
に発光する点光源Ｓが楕円鏡の第１焦点Ｆ１の位置及び
その近傍に位置した場合において、楕円鏡２の反射面の
像面の位置ａ、この位置ａから所定量だけデフォーカス
した面の位置（ｂ及びｃ）での光強度分布の様子を示し
ているものの、実際には、楕円鏡２の第１焦点Ｆ１の挟
んで陽極と陰極の２つの電極が光軸Ａｘ方向に沿って配
置されており、２つの電極間には実質的に大きさのある
光源があるものと見なせるため、実際には、図１４〜図
１６に示す如き光線が混在している。

【００２８】そこで、超高圧水銀ランプ１から発する光
は、図１４〜図１６に示す如き状態の光線が混在してい
る事を踏まえた上で、フライアイレンズ４の配置最適な
位置を決定する事が望ましい。まず、先に述べた如く、
フライアイレンズ４の周辺部の光強度を中心に対して相
対的に増加させるために、超高圧水銀ランプの陽極１ｂ
を、陰極１ａに対して集光鏡の頂点Ｏの側に配置するこ
とが必要であるが、超高圧水銀ランプ１の発光点の光強
度分布は、図１８の水銀ランプの２つの電極間での等光
強度曲線に示す如く、陰極１ａの先端部近傍の位置２１
が最も高く、陽極１ｂに近付くにつれて低くなってい
る。そのため、光強度が最も高い部分21は、光源の光強
度分布の重心２２よりも陰極１ａ側にずれた位置にあ
る。従って、フライアイレンズ４に到達する光の量が最
大とするためには、超高圧水銀ランプの陰極１ａと陽極
１ｂとの間の光強度の重心２２をほぼ楕円鏡の第１焦点
Ｆ１の付近に配置せねばならない事から、陰極１ａの先
端近傍の最も光の強い部分２１は楕円鏡２の第１焦点位
置Ｆ１よりも若干プラス方向（被照射面へ近づく方向）
に位置することになる。

【００２９】この結果、先に説明した図１６に示す如き
光路を通過する光線の傾向が強まり、結像位置ａでは、
図１７の（ａ）に示す如く、周辺部のみに光強度が分布
するような中抜け状態の分布となり、ディフォーカス位
置ｂでは、図１７の（ｂ）に示す如く、中心部に比べて
周辺部の光強度が若干強くなる光強度分布となる。ま
た、ディフォーカス位置ｃでは、図１７の（ｃ）に示す
如く、中心部の光強度が最も強く周辺部へ行くに従って
光強度が次第に低下する光強度分布となる。

【００３０】従って、通常照明や傾斜照明等の任意の照
明法に対しても、高い照明効率のもとで被照射面を照明
するためには、図１７の（ｂ）に示す如き中心部に比べ
て周辺部の光強度が若干強くなる光強度分布となるよう
なディフォーカス位置ｂ（コリメートレンズ３により形
成される集光鏡２の反射面の像の位置ａよりも放電灯側
へディフォーカスした位置）にフライアイレンズ４の入
射面４ａを配置することが最適であることが理解でき
る。

【００３１】以上の原理により、フライアイレンズ周辺
部の光強度が中心に対して相対的に増大するため、フラ
イアイレンズ４により形成される複数の２次光源の光強
度分布を所定の光強度分布に設定又は整形する２次光源
分布整形手段の１つである円形開口を持つ開口絞りを用
いて通常照明を行う場合は勿論の事、２次光源分布整形
手段の１つである図９の（ａ）に示す如き開口絞り等を
用いて輪帯状の２次光源を形成、あるいは図９の（ｂ）
に示す如き開口絞り等を用いて４つの偏心した２次光源
を形成して傾斜照明する場合にも遮光される光の量は従
来の照明光学系に比べて大幅に軽減され、スループット
の低下を防ぐことが可能となる。

【００３２】

【実施例】図１は本発明の照明光学装置を半導体製造用
の露光装置に応用した１例を第１実施例として示してお
り、図１において、図８と同１の機能を持つ部材には同
１の符号を付してある。以下、図１を参照しながら第１
実施例を詳述する。ｇ線(436nm) 又はｉ線（365nm)等の
光束を発する放電灯としての水銀アーク灯等の光源１
は、回転対称型反射鏡としての楕円鏡２のほぼ第１焦点
位置Ｆ１に設けられており、この光源１からの光束は、
円形開口部２ｃ及び楕円反射面２Ｒを有する楕円鏡２に
より反射集光され、楕円鏡２の第２焦点位置Ｆ１の位置
Ａ１には光源１の光源像が形成される。

【００３３】ここで、図２には、楕円鏡２に対する水銀
アーク灯１の電極の配置構成を示しており、図２に示す
如く、回転対称型反射鏡の回転軸としての楕円鏡２の光
軸Ａｘに沿って、陽極１ｂが陰極１ａに対して楕円鏡２
の頂点Ｏ側に位置するように、換言すれば、陰極１ａが
陽極１ｂに対して被照射面側に位置するように、陰極１
ａと陽極１ｂとの２つの電極が対向して配置されてい
る。このとき、陰極１ａと陽極１ｂとの２つの電極は、
楕円鏡２の第１焦点Ｆ１を挟むように配置され、具体的
には、陰極１ａと陽極１ｂとの間の放電により発する光
強度分布の重心位置が楕円鏡２の第１焦点Ｆ１とほぼ一
致するように配置されている。

【００３４】これの様な水銀アーク灯１の電極の配置に
よって、まず、後述するフライアイレンズ４の中心部よ
りも周辺部に強い光が導かれる。さて、楕円鏡２の反射
集光作用を受けてこれの第２焦点位置Ｆ２の位置Ａ１で
光源像を１旦形成した光束は、この光源像位置Ｆ２に前
側焦点が位置するように設けられたコリメート光学系と
してのコリメートレンズ３によってほぼ平行光束に変換
される。その後、この平行光束は、オプティカルインテ
グレータとして機能するフライアイレンズ４に入射するこのフライアイレンズ４は、円形又は多角形（四角形、
六角形等）の断面形状を有するレンズ素子（４１〜４
３）が複数束ねられた集合体で構成されており、このフ
ライアイレンズ４の射出側面もしくはその近傍の位置Ａ
２には複数の光源像が形成され、ここには実質的に２次
光源が形成される。なお、本実施例では、このレンズ素
子４１は両凸形状を有しているが、一方の面を平面もく
しは凹面としても良く、さらには、両凹形状としても良
い。

【００３５】ここで、本実施例のフライアイレンズ４
は、コリメートレンズ３に対して特定の関係で配置され
ている。この事について詳述すると、まず、コリメート
レンズ３は、楕円鏡２により形成される光源像からの光
束をコリメートする機能に加えて、図３に示す如く、楕
円鏡２の反射面２Ｒの像をコリメートレンズ３の被照明
面側の所定の位置ａに形成する機能を有している。この
とき、コリメートレンズ３は、楕円鏡２の曲線状の反射
面２Ｒ（物体）から平坦な平面状の反射面２Ｒの像を形
成する。

【００３６】そして、本実施例では、図３に示す如く、
楕円鏡２（又はコリメートレンズ３）の光軸Ａｘ上にお
いて楕円鏡２の第１焦点Ｆ１を挟んで対向配置されてい
る２つの電極（１ａ，１ｂ）間の光強度分布に伴うコリ
メートレンズ３の射出側の光強度分布特性を加味して、
コリメートレンズ３により形成される楕円鏡２の反射面
２Ｒの像位置ａよりも光源側にディフォーカスした位置
ｂにフライアイレンズ４の入射面４ａを配置している。

【００３７】従って、本実施例では、水銀アーク灯１に
おける陽極１ｂを陰極１ａに対して楕円鏡２の頂点Ｏ側
に配置する事により、フライアイレンズ４の中心部より
も周辺部に強い光が導かれる効果と、コリメートレンズ
３により形成される楕円鏡２の反射面２Ｒの像位置ａよ
りも光源側にディフォーカスした位置ｂにフライアイレ
ンズ４の入射面を配置する事により、水銀アーク灯１に
おける陽極１ｂと陰極１ａとの間の光強度分布に伴って
コリメートレンズ３がフライアイレンズ４の入射面４ａ
上の中心部よりも周辺部に強い光強度分布を形成すると
いう効果とを相乗的に得ている。

【００３８】この結果、本実施例でのフライアイレンズ
４の入射面上では、図４の（ａ）に示す如く、周辺部の
強度が中心部に対して相対的に増加し、図１０の（ａ）
に示す如き従来の装置におけるフライアイレンズ４の入
射面上での光強度分布と比べて、中心部から周辺部にわ
たりほぼ平坦な光強度分布が形成される。そして、本実
施例でのフライアイレンズ４は図１に示す如く３つのレ
ンズ素子（４１〜４３）を有しており、レンズ素子４
１、４２、４３によって射出側に形成される光源像の光
強度分布は、図４の（ｂ）の実線で示す如く、それぞれ
ｄ１、ｄ２、ｄ３となる。

【００３９】図４の（ｂ）の実線で示す如く、フライア
イレンズ４の周辺部に位置するレンズ素子４１及び４３
によって形成される光源像の光強度分布（ｄ１、ｄ３）
は、フライアイレンズ４の中心部に位置するレンズ素子
４２によって形成される光源像の光強度分布ｄ２よりも
強くなり、各レンズ素子（４１〜４３）により形成され
る光強度のピークを結んだ包絡線は、図４の（ｂ）の点
線で示す如く、図４の（ａ）に示す如きフライアイレン
ズ４の入射面４ａ上での光強度分布と同じ傾向の光強度
分布となる。

【００４０】さて、図１に戻って、フライアイレンズ４
によって形成される複数の光源像（２次光源）の位置Ａ
２には、２次光源の光強度分布を所定の光強度分布に整
形する２次光源分布整形手段としての切り換え可能な複
数の開口絞り（５０ａ〜５０ｆ）が設けられている。こ
の複数の開口絞りは、図５に示す如く、回転軸５２を中
心として回転するターレット板５１に形成されており、
ターレット板５１を回転させて、所定の形状の開口絞り
が２次光源上に設定されることにより、設定された開口
絞り上には、所定の光強度分布が形成される。

【００４１】ここで、ターレット板５１に形成されてい
る各開口絞りの形状について説明すると、図５に示す如
く、開口絞り５０ａは、輪帯形状（ドーナッツ状）の開
口部を持つ第１の輪帯照明用の開口絞りであり、開口絞
り５０ｂと開口絞り５０ｅとは、それぞれ開口径の異な
る円形状の開口部を持つ第１及び第２の通常照明用の開
口絞りである。また、開口絞り５０ｃは、４つの扇形の
開口部を有する第１の特殊傾斜照明用の開口絞りであ
り、開口絞り５０ｄは、４つの円形状の開口部を有する
第２の特殊傾斜照明用の開口絞りである。そして、開口
絞り５０ｆは、開口絞り５０ａとは異なる輪帯比（輪帯
形状の開口部の外径と内径との比率）を持つ第２の輪帯
照明用の開口絞りである。

【００４２】さて、所定形状の開口絞り（５０ａ〜５０
ｆ）によって形成された所定形状の光強度分布を有する
所定形状の２次光源からの光束は、コンデンサー光学系
としてのコンデンサーレンズ６により集光されて、被照
射物体としてのレチクルＲ上を重畳的に照明する。この
とき、ターレット板５１によって任意の形状の開口絞り
（５０ａ〜５０ｆ）が、フライアイレンズ４により形成
される２次光源上に配置されたとしても、レチクルＲ上
での光強度分布は、図６に示す如く、均一となり、レチ
クルＲは常に均一照明されてる。

【００４３】ここで、レチクルＲは不図示のレチクルス
テージに保持されており、投影対象としてのウエハＷは
２次元移動するウエハステージ上に載置されており、レ
チクルＲの位置Ｂ２とウエハＷの位置Ｂ３とは投影光学
系７に関して共役となるように設定されている。そし
て、レチクルＲが均一照明されると、レチクルＲ上に形
成されている所定の回路パターンは、投影光学系７によ
りウエハＷ上に縮小投影され、ウエハＷ上に回路パター
ン像が転写される。

【００４４】なお、フライアイレンズにより形成される
２次光源の位置Ａ２、及び投影光学系７の瞳位置に設け
られた円形可変開口を有する可変開口絞り７ａの位置Ａ
３は互いに共役であり、フライアイレンズ４により形成
される複数の２次光源の像が投影光学系７の可変開口絞
り７ａ上において形成されており、レチクルＲ及びウエ
ハＷは所謂ケーラー照明されている。また、フライアイ
レンズの入射側面Ｂ１、レチクルＲの位置Ｂ２及びウエ
ハＷの位置Ｂ３とは互いに共役である。

【００４５】以上においては、本実施例の構成について
述べたが、次に各照明法の切り換え動作について説明す
る。図１において、入力部１３は、レチクルＲ上での照
明方法の選択に関する情報を入力するためのものであ
り、本実施例では、開口絞り５０ａの設定による「第１
の輪帯照明」、開口絞り５０ｆの設定による「第２の輪
帯照明」、開口絞り５０ｂの設定による「第１の通常照
明」、開口絞り５０ｅの設定による「第２の通常照
明」、開口絞り５０ｃの設定による「第１の特殊傾斜照
明」及び開口絞り５０ｄの設定による「第２の特殊傾斜
照明」の各照明法の選択が可能となっている。この選択
情報は、制御部１０へ伝達される。そして、制御部１０
は、入力部１３からの選択情報に基づいて、ターレット
板５１を回転させる駆動部１１の制御を行うと共に、入
力部１３からの照明条件に関する情報に基づいて、投影
光学系７内の可変開口絞り７ａの開口径の大きさを変化
させる駆動部１２の制御を行なう。この制御部１０の動
作について、以下に詳述する。

【００４６】まず、レチクルＲ上での照明状態を第１の
通常照明に設定する場合には、入力部１３としてのキー
ボード等を介して、「第１の通常照明」または「第２の
通常照明」に関する選択情報並びに各製造プロセスに応
じた最適な照明条件として、照明光学系のレチクルＲ側
の開口数ＮＡ₁と投影光学系７のレチクルＲ側の開口数
ＮＡ₂の比で定義されるコヒーレンスフアクター、所謂
σ値（σ＝ＮＡ₁／ＮＡ₂）等の情報が入力される。こ
こで、「第１の通常照明」と「第２の通常照明」との違
いは、開口絞りの円形開口径の大きさが相違することに
伴ってσ値が異なる点である。

【００４７】例えば、入力部１３に「第１の通常照明」
に関する選択情報が入力された場合には、制御部１０
は、この選択情報に基づいて、フライアイレンズ４によ
り形成される複数の光源像位置Ａ２に開口絞り５０ｅが
位置するように、第１駆動部１１を駆動してターレット
板５１を回転させると共に、入力部１３に入力されたσ
値に関する照明条件に応じて、第２駆動部１５を駆動し
投影光学系７内の可変開口絞りを所定の円形の開口径に
設定する。これによって、所定のσ値のもとで第１の通
常照明にが達成される。なお、入力部１３に「第２の通
常照明」に関する選択情報が入力された場合にも、上記
の動作と同様に、制御部１０は、開口絞り５０ｂを複数
の光源像位置Ａ２に設定する動作と、入力されたσ値に
関する照明条件に応じて投影光学系７内の可変開口絞り
の開口径を設定する動作とを実行して、所定のσ値のも
とで第２の通常照明が達成される。

【００４８】また、レチクルＲに対する通常照明から所
望の傾斜照明に切換える場合には、入力部１３に「第１
の輪帯照明」、「第２の輪帯照明」、「第１の特殊傾斜
照明」及び「第２の特殊傾斜照明」のうちの何れかに関
する選択情報並びに各製造プロセスに応じた最適な照明
条件としてのσ値等の情報を入力する。ここで、「第１
の輪帯照明」と「第２の輪帯照明」との違いは、輪帯状
に形成される２次光源の輪帯比が異なる点である。ま
た、「第１の特殊傾斜照明」と「第２の特殊傾斜照明」
との違いは、２次光源の光強度分布が異なる点である。
すなわち、「第１の特殊傾斜照明」における２次光源で
は、４つの扇状の領域に光強度が分布し、「第２の特殊
傾斜照明」における２次光源では、４つの円形状の領域
に光強度が分布する。

【００４９】例えば、「第１の輪帯照明」が選択された
場合には、制御部１０は、駆動部１１を制御して、複数
の光源像位置Ａ２に開口絞り５０ａが位置するようにタ
ーレット板５１を回転させ、「第２の輪帯照明」が選択
された場合には、制御部１０は、駆動部１１を制御し
て、複数の光源像位置Ａ２に開口絞り５０ｆが位置する
ようにターレット板５１を回転させる。また、「第１の
特殊傾斜照明」が選択された場合には、制御部１０は、
駆動部１１を制御して、複数の光源像位置Ａ２に開口絞
り５０ｃが位置するようにターレット板５１を回転さ
せ、「第２の特殊傾斜照明」が選択された場合には、制
御部１０は、駆動部１１を制御して、複数の光源像位置
Ａ₂に開口絞り５０ｄが位置するようにターレット板５
１を回転させる。

【００５０】次に、制御部１０は、入力部１３に入力さ
れたσ値に関する照明条件に応じて、第２駆動部１２を
駆動し投影光学系７内の可変開口絞り７ａを所定の円形
の開口径に設定する。以上の動作により、変形開口絞り
（５０ａ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｆ）の設定によって、
変形開口絞りの開口形状に応じた２次光源が形成されて
レチクルＲ及びウエハＷを傾斜照明すると共に、可変開
口絞り７ａの開口径に設定によってウエハＷを最適なσ
値のもとで照明できるため、開口絞り５０ｂ又は開口絞
り５０ｅが設定されている事による第１又は第２の通常
照明に比べて、深い焦点深度のもとで微細なパターンを
ウエハＷ上に転写することができる。

【００５１】なお、本実施例では、入力部１３を介して
照明方法の選択を行なうための諸条件等を入力している
が、図１の点線で示す如く、レチクルＲ上の情報を読み
取る検知部１４を設けても良い。このとき、レチクルＲ
の回路パターンの領域外の位置に、例えばバーコード等
で照明方法、照明条件等に関する情報を記録する。検知
部１４は、この照明方法に関する情報を読み取って、制
御部１０へ伝達する。制御部１０は、照明方法並びに照
明条件等に関する情報に基づいて、上述の如く駆動部１
１を駆動部１２とを制御する。この場合、制御部１０
は、照明方法並びに照明条件等に関する情報に基づい
て、所定の演算、判別等を実行した上で駆動部１１を駆
動部１２とを制御しても良い。このように、本実施例に
おいては、フライアイレンズ４の入射面上には、図４に
示す如く、周辺部の強度が中心部に対して相対的に増加
する光強度分布を形成しているため、従来に比べて格段
に高い照明効率のもとで、通常照明、傾斜照明（輪帯照
明、特殊傾斜照明）等の任意の照明法を両立させること
ができるため、常に高いスループットのもとでの投影露
光が実現できる。

【００５２】なお、本実施例では、傾斜照明を実現する
ために、ターレット板５１上において、「第１の輪帯照
明」用の開口絞り５０ａ、「第２の輪帯照明」用の開口
絞り５０ｆ、「第１の特殊傾斜照明」用の開口絞り５０
ｃ及び「第２の特殊傾斜照明」用の開口絞り５０ｄを配
置し、輪帯上あるいは光軸Ａｘに対して偏心した光源を
形成するために、それぞれ輪帯状の開口部及び４つの偏
心開口部以外の部分は透過率が零となる形成された遮光
部で構成しているが、これらの遮光部分に３０％程度の
透過率を持つ光透過性の減光部材で構成しても良いこと
は言うまでもない。この場合には、例えば、ターレット
板５１を構成する部材をガラス基板とし、クロムなどの
薄膜を蒸着して遮光部を構成したり、あるいはクロムな
どの薄膜の蒸着密度を弱めて減光部材を構成することが
好ましい。

【００５３】また、図１の実施例ではコリメータレンズ
３によって直接的に、楕円鏡２の反射面２Ｒの像を形成
している例を示したが、これに限ることなく、例えば、
図７に示す如き構成としても良い。この変形例における
図１の実施例との相違は、コリメートレンズ３とフライ
アイレンズ４との間にリレー光学系（３１、３２）を配
置し、そして、楕円鏡２の反射面２Ｒの像を位置Ｂ０に
形成する機能を有すると共に、楕円鏡２により形成され
る光源像からの光をコリメートする機能を有するコリメ
ートレンズ３と、そのコリメートレンズ３により位置Ｂ
０に形成される楕円鏡２の反射面２Ｒの像を位置ａに再
結像するリレーレンズとでコリメート光学系（３、３
１、３２）を構成したものである。

【００５４】この場合には、フライアイレンズ４の入射
面４ａは、コリメート光学系（３、３１、３２）により
形成される楕円鏡２の反射面２Ｒの像の位置ａに対して
光源側にディフォーカスした位置ｂに設けられる。この
構成によれば、コリメータ光学系を構成する最も被照射
面側のレンズ３２から楕円鏡２の反射面２Ｒの像位置ａ
までの距離を十分に長くすることが可能となり、フライ
アイレンズ４の入射面４ａを結像位置ａから十分に遠ざ
けることが可能となる。このため、図１の実施例におけ
るコリメータレンズ３ではこのレンズ３から楕円鏡２の
反射面２Ｒの像位置ａまでの距離が短くなり、コリメー
タレンズ３とフライアイレンズ４とが機械的に干渉する
恐れがある場合には、図７に示す如き構成を採用するこ
とが好ましい。

【００５５】

【発明の効果】以上のように、本発明によればオプティ
カルインテグレータの入射面の光強度分布は従来技術に
比べて周辺部が増大しているため、オプティカルインテ
グレータにより形成される２次光源の分布もそれに応じ
て周辺部の強度が増大する。そのため、２次光源分布整
形手段によって２次光源の光強度分布を所定の光強度分
布に整形して、被照射面に対して任意の照明を行ったと
しても、光の量の減衰の度合は従来技術に比べて大幅に
軽減される。それにより被照射面上の照度を高めること
が可能となりスループットを大きく向上することが出来
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例の構成を示す図である。

【図２】図１に示した実施例における光源としての水銀
アーク灯の電極の配置の様子を示す図である。

【図３】図２に示した水銀アーク灯の電極の配置による
コリメータレンズ３の結像関係の様子を模式的に示す図
である。

【図４】（ａ）は図１に示した実施例のフライアイレン
ズ４の入射面上における光強度分布の様子を示す図であ
り、（ｂ）は図１に示した実施例のフライアイレンズ４
の射出面上における光強度分布の様子を示す図である。

【図５】図１に示した実施例における切り換え型の開口
絞りの様子を示す図である。

【図６】図１に示した実施例の被照射面（Ｒ、Ｗ）上で
の光強度分布の様子を示す図である。

【図７】図１に示した実施例の変形例を模式的に示す図
である。

【図８】従来の装置の様子を示す図である。

【図９】（ａ）は輪帯状の開口を持つ開口絞りの様子を
示す平面図であり、（ｂ）は偏心した４つの開口部をを
有する開口絞りの様子を示す平面図である。

【図１０】（ａ）は図８に示した従来の装置におけるフ
ライアイレンズ４の入射面上における光強度分布の様子
を示す図であり、（ｂ）は図８に示した従来の装置にお
けるフライアイレンズ４の射出面上における光強度分布
の様子を示す図である。

【図１１】水銀アーク灯の電極の構造による配光特性の
様子を示す図である。

【図１２】図１１に示した水銀アーク灯の配光特性によ
りフライアイレンズに入射する光の様子を示す図であ
る。

【図１３】コリメータレンズ３が楕円鏡の反射面をフラ
イアイレンズ４の入射面に形成する時の様子を示す図で
ある。

【図１４】楕円鏡の第１焦点上に配置された点光源がコ
リメータレンズによって集光される時の様子を示す光路
図である。

【図１５】楕円鏡の第１焦点よりも楕円鏡の頂点側にず
れて配置された点光源がコリメータレンズによって集光
される時の様子を示す光路図である。

【図１６】楕円鏡の第１焦点よりも被照射面側にずれて
配置された点光源がコリメータレンズによって集光され
る時の様子を示す光路図である。

【図１７】（ａ）はコリメータレンズによって集光され
た光が中抜け状態となっている時の光強度分布を示す図
であり、（ｂ）はコリメータレンズによって形成される
楕円鏡の反射面の像が形成されている位置からディフォ
ーカスした位置において光が周辺部に集中している時の
光強度分布を示す図であり、また（ｃ）はコリメータレ
ンズによって形成される楕円鏡の反射面の像が形成され
ている位置からディフォーカスした位置において光が中
心部に集中している時の光強度分布を示す図である。

【図１８】水銀アーク灯の２つの電極間での光強度分布
の様子を示す図である。

【符号の説明】

１・・・・・・水銀アーク灯１ａ・・・・陰極１ｂ・・・・陽極２・・・・・・楕円鏡２Ｒ・・・・楕円鏡の反射面Ｆ１・・・・楕円鏡の第１焦点Ｆ２・・・・楕円鏡の第２焦点Ｏ・・・・・・楕円鏡の頂点３・・・・・・コリメータレンズ４・・・・・・フライアイレンズ５・・・・・・開口絞り６・・・・・・コンデンサーレンズ７・・・・・・投影光学系Ｒ・・・・・・レチクルＷ・・・・・・ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/30 ５１５Ｄ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を発する放電灯と、該放電灯からの光を
反射集光して光源像を形成する回転対称型集光鏡と、該
回転対称型集光鏡により形成された該光源像からの光を
コリメートしてほぼ平行な光に変換するコリメート光学
系と、該コリメート光学系からの光を複数に分割して複
数の２次光源を形成するオプティカルインテグレータ
と、該オプティカルインテグレータにより形成される複
数の２次光源からの光を集光して被照射面を重畳的に照
明するコンデンサー光学系とを有する照明光学装置にお
いて、前記複数の２次光源の光強度分布を所定の光強度分布に
整形する２次光源分布整形手段を配置し、前記放電灯は、前記回転対称型集光鏡の回転軸上に沿っ
て互いに対向して配置された陽極と陰極との２つの電極
を有し、前記陰極に対して前記回転対称型集光鏡の頂点側に前記
陽極を配置するとともに、前記コリメート光学系により形成される前記回転対称型
集光鏡の反射面の像の位置よりも前記放電灯側へディフ
ォーカスした位置に前記オプティカルインテグレータの
入射面を配置したことを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】前記２次光源分布整形手段は、前記オプテ
ィカルインテグレータの射出面またはその近傍に切り換
え可能に設けられた第１及び第２開口絞りを有し、該第１開口絞りは、前記コンデンサー光学系の光軸に対
して回転対称な円形状の開口を有し、該第２開口絞りは、前記コンデンサー光学系の光軸に対
して偏心した周辺の領域に開口部を有するとともに、前
記コンデンサー光学系の光軸を通る中心の領域に遮光部
又は減光部を有することを特徴とする請求項１記載の照
明光学装置。
【請求項３】前記コリメート光学系は、前記回転対称型
集光鏡の反射面の像を形成すると共に、前記回転対称型
集光鏡により形成される光源像からの光をコリメートす
るコリメートレンズと、該コリメートレンズにより形成
される回転対称型集光鏡の反射面の像を再結像するリレ
ーレンズとを有することを特徴とする請求項１または請
求項２記載の照明光学装置。