(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の寸法がｘL 、ｙL  （ｘL ≠ｙL ）である領域を照明する複数の光学素子の集合体であるインテグレーターとアナモフィック光学系を包含する照明光学系において、
該照明光学系が包含するインテグレーターは、各光学素子の前側焦点が各入射面と略一致するよう形成し、かつ、該インテグレーターの入射面に入射した光束を該インテグレーター及び上記アナモフィック光学系を介して、インテグレーター全体の入射面と照明面とを共役な関係で投影し、
上記インテグレーターの個々の光学素子の入射面のＸ軸方向の寸法、Ｙ軸方向の寸法をｘi 、ｙi とし、該インテグレーター全体の入射面のＸ軸方向の寸法とＹ軸方向の寸法の比を、インテグレーターの上記入射面と上記照明面との間のＸ軸方向の投影倍率とＹ軸方向の投影倍率の比（ｘL ／ｘi ）：（ｙL ／ｙi ）と等しくして、上記照明面をＸ軸方向からでも、Ｙ軸方向からでも、略均一な開口数で照明することを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
上記インテグレーターの各光軸が平行に配置されている場合において上記インテグレーター全体の入射面のＸ軸方向とＹ軸方向の寸法の比を上記アナモフィック光学系のＸ軸方向とＹ軸方向の焦点距離の比と略等しくなるように構成したことを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
【請求項３】
上記アナモフィック光学系は、少なくとも一つの球面レンズ系と、正の円柱レンズ系、負の円柱レンズ系からなり、該正の円柱レンズ系及び負の円柱レンズ系の少なくとも一方は、正の円柱レンズ及び負の円柱レンズから構成され、照明光学系の射出瞳のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置が等しいことを特徴とする請求項２記載の照明光学系。
【請求項４】
上記インテグレーターを照明する光源を複数個設け、各光源による照明光をインテグレーターの異なった部分を照明するように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の照明光学系。
【請求項５】
上記インテグレーターの各光学素子の断面形状を六角形に構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の照明光学系。
【請求項６】
上記該照明光学系は、光源からの光束により、インテグレーターの入射面において１次光源像が形成され、その後、該インテグレーター及び上記アナモフィック光学系を介して、照明面に２次光源像が形成されるように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の照明光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、主に液晶素子及び半導体素子を製造するために使用する、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の寸法がｘL 、ｙL （ｘL ≠ｙL ）である領域（以下において、矩形領域という）を均一に照明する照明光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
（１）
従来、半導体製造装置において、縦横比が１以外の原図すなわちマスク上の領域、例えば円弧形状を含む領域を照明し、これを半導体チップ上に投影して、大きな寸法の対象物に収差の少ない像を投影する方式が提案されている。
このような半導体製造装置の照明光学系は、例えば特開昭５３−４１０９７号公報に開示されている。本半導体製造光学系は、光源として円弧形ランプを使用しているが、円弧形ランプは特殊で入手が困難な上、輝度が通常の超高圧水銀灯に比較して低く所望の高い像面照度を得ることができない問題がある。
円弧形状の領域を照明する半導体製造装置の照明光学系は、特開昭５４−１２３８７６号公報にも開示されている。本照明光学系においては、実質上点状の超高圧水銀灯のアーク光源の像を、複数の球面鏡を組み合わせて使用して円弧状に結像する。本照明光学系は、構造原理上、照明むらを低減するために、集光特性を有する多数の光学素子を光軸と垂直方向に並べて束ねて形成されるインテグレーターを使用することができないという問題がある。
（２）
半導体や液晶の露光装置は、露光領域内の各位置の露光光量のむら、すなわち光量むらの許容値が小さく、通常は数％以下である。これを達成するために、マスク内の各位置が高度に均一化された光量で照明されていることが必要である。
【０００３】
この均一化照明の簡単な方法としては、広い領域を照明する光学系を形成し、その中心部分のみを使用する方法である。しかし、半導体や液晶の生産性を高めるためには露光光量の損失を小さく抑えなくてはならず、光量損失の大きいこの方法は実用的でない。
正方形あるいは円形の領域を光量むらを少なくして照明するための方法として、顕微鏡によく使用されるケーラー照明光学系を採用することが考えられる。ケーラー照明光学系においては、光量むらが光源の配光特性で決定されるが、光源の利用効率を高くするためには配光特性の低い領域まで使用しなくてはならず、これも実用的でない。
正方形あるいは円形の領域を光量むらを少なくして照明するための他の方法として、インテグレーターと呼ばれる光学系を使用することが考えられる。インテグレーターを構成する各光学素子においては、クリティカル又はケーラー照明光学系が成立し、照明領域において各光学素子が形成する像を重ね合わせることによって照明領域内の各点の光量を平均化する。
また、一定領域を光量むらを少なくして照明するための方法として、インテグレーター及びコンデンサーレンズを使用する照明光学系が、特開平１−３１１５０２号公報に開示されている。本照明光学系は、図１７及び図１８示に示すように、複数の光学素子５０２を有するインテグレーター５００と、コンデンサーレンズ５０４とを有する。光学素子５０２においては、入射面５０６が前側焦点位置であり、射出面１０８が後側焦点位置である。
【０００４】
ｘ1i          光学素子５０２のＸ軸方向の寸法
ｙ1i          光学素子５０２のＹ軸方向の寸法
ｆ1i          インテグレーター５００の焦点距離
ｆ1c          コンデンサーレンズ５０４の焦点距離
とする。本照明光学系はテレセントリック光学系となっているため、インテグレーター５００の射出面とコンデンサーレンズ５０４の前側焦点とが一致する。コンデンサーレンズ５０４の後側焦点付近が照明領域５２０となり、また、インテグレーター５００の入射面５０６の像が照明領域５２０に結像する。
ｍl           照明光学系の投影倍率
ｘ1L          照明領域５２０のＸ軸方向の寸法
ｙ1L          照明領域５２０のＹ軸方向の寸法
とすると、以下の関係がある。
ｍl ＝（ｆ1c）／（ｆ1i）
ｘ1L＝ｍl ×ｘ1i＝（ｆ1c×ｘ1i）／（ｆ1i）
ｙ1L＝ｍl ×ｙ1i＝（ｆ1c×ｙ1i）／（ｆ1i）
全体の断面が正方形のインテグレーター及びアナモフィックレンズを使用して矩形領域を照明する照明光学系が、特開平５−４５６０４号公報に開示されている。この照明光学系において、
ｆ2xc         アナモフィックレンズのＸ軸方向の焦点距離
ｆ2yc         アナモフィックレンズのＹ軸方向の焦点距離
ｍ2x          アナモフィックレンズのＸ軸方向の投影倍率
ｍ2y          アナモフィックレンズのＹ軸方向の投影倍率
とする。
【０００５】
ｘ2L          照明面における結像のＸ軸方向の寸法
ｙ2L          照明面における結像のＹ軸方向の寸法
は、以下の式で示される。
ｍ2x＝ｆ2xc ／ｆ2i
ｍ2y＝ｆ2yc ／ｆ2i
ｘ2L＝ｍ2X ×ｘ2i＝（ｆ2xc ×ｘ2i）／ｆ2i・・・・・・（１）
ｙ2L＝ｍ2y ×ｙ2i＝（ｆ2yc ×ｙ2i）／ｆ2i・・・・・・（２）
これらの式を使用して所望の縦横比の長方形領域を照明する。本照明光学系においおては、各光学素子による結像を重ね合わせることによって所定領域を光量むらを少なくしているが、照明領域内の各点に入射する各入射角度・入射方向の開口数が一定でないという問題がある。開口数等については、後に詳説する。
【０００６】
【発明の目的】
照明光学系と投影光学系を組み合わせた光学装置においては、両光学系の開口数によって光学装置全体の解像力が決定される。同一投影光学系を使用する場合、照明光学系の開口数が小さいと、結像のコントラストが高くなり、分解能が低下する。照明光学系の開口数が大きいと、逆に結像のコントラストが低くなり、分解能が高くなる。該光学装置の結像位置に配置されるレジストは、ある程度の高さのコントラストがないと解像できない。該レジストの特性、光学装置の所望解像力、使用波長等を考慮するとき、照明光学系の開口数は投影光学系の開口数の５０％ないし８０％であることが望ましい。
さらに、上記照明光学系においては、コントラストを一定にするために照明領域内の各点において開口数を一定にすることに加えて、各点に入射する各入射方向の開口数を一定にすることが必要である。
本発明は、上述した照明光学系に関する条件に鑑み、矩形形状の領域や円弧形状の領域について、各点に入射する各入射方向の開口数を一定にして領域全体を均一な光量で照明する照明光学系を提供することを目的とする。
【０００７】
【発明の構成】
本発明は、
Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の寸法がｘL 、ｙL  （ｘL ≠ｙL ）である領域を照明する複数の光学素子の集合体であるインテグレーターとアナモフィック光学系を包含する照明光学系において、
該照明光学系が包含するインテグレーターは、各光学素子の前側焦点が各入射面と略一致するよう形成し、かつ、該インテグレーターの入射面に入射した光束を該インテグレーター及び上記アナモフィック光学系を介して、インテグレーター全体の入射面と照明面とを共役な関係で投影し、
上記インテグレーターの個々の光学素子の入射面のＸ軸方向の寸法、Ｙ軸方向の寸法をｘi 、ｙi とし、該インテグレーター全体の入射面のＸ軸方向の寸法とＹ軸方向の寸法の比を、インテグレーターの上記入射面と上記照明面との間のＸ軸方向の投影倍率とＹ軸方向の投影倍率の比（ｘL ／ｘi ）：（ｙL ／ｙi ）と等しくして、上記照明面をＸ軸方向からでも、Ｙ軸方向からでも、略均一な開口数で照明することを特徴とする照明光学系である。
【０００８】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。
〔第１実施例〕
照明光学系１は、図１に示すように、微小な発光領域をもつ光源２から射出された光束が、楕円鏡４で反射され、バンドパスフィルター６を通過した後、インテグレーター１０の入射面１２の近傍で１次光源像を形成する。インテグレーター１０の射出面１６から射出された光束は、図３及び図４に示すように、凹シリンダーレンズ１８及び凸シリンダーレンズ２０によって形成されるエキスパンダー光学系２２、及びコンデンサーレンズ２３を通過した後、マスク等の照明対象物２４を照明する。エキスパンダー光学系２２とコンデンサーレンズ２３とでアナモフィック光学系２５が形成される。
インテグレーター１０の各光学素子１１の射出面１６の前側焦点は、図３及び図４に示すように、インテグレーター１０の各光学素子１１の入射面１２と一致するように形成されている。エキスパンダー光学系２２は、図３及び図４に示すように、水平面内すなわちＸ軸方向においてはアフォーカル光学系を形成し、垂直面内すなわちＹ軸方向においては全くパワーを有しない。従って、エキスパンダー光学系２２は、Ｘ軸方向においてのみ光束径の拡大作用を行う。
【０００９】
コンデンサーレンズ２３は、その後側焦点位置が照明対象物２４に一致するように配置され、Ｘ軸方向においてもＹ軸方向においても、インテグレーター１０の入射面１２に形成された１次光源像の２次光源像が照明対象物２４上に形成される。すなわち、照明対象物２４上においては、インテグレーター１０の各光学素子１１を通過した光束が独立して光源像を形成し、これらがすべて重ね合わされて２次光源像となる。
投影光学系５０は、図１に示すように、投影レンズ５２を有する。従って、照明対象物２４から射出された光束は、Ｘ軸方向においてもＹ軸方向においても、投影レンズ５２により、レジン等が配置された投影露光面５４上に照明対象物２４の投影像６０を結像する。
次に、照明光学系１の開口数ＮＡについて説明する。図３及び図４において、破線は各光束のマージナル光線すなわち最も外側の光線を示す。開口数ＮＡは、マージナル光線が光軸と交わる角度θの正弦に、その環境の屈折率ｎを乗じたもの（ｎ× sinθ）となる。
ｘ2A        インテグレーター１０全体のＸ軸方向の寸法
ｙ2A        インテグレーター１０全体のＹ軸方向の寸法
ｆ2xc       アナモフィック光学系２５のＸ軸方向内の焦点距離
ｆ2yc       アナモフィック光学系２５のＹ軸方向内の焦点距離
とするとき、
α2X        照明光学系１のＸ軸方向の開口数
α2y        照明光学系１のＹ軸方向の開口数
は、以下のように算出される。
【００１０】
α2x＝ｘ2A／（２・ｆ2xc ）・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
α2y＝ｙ2A／（２・ｆ2yc ）・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
（１）式と（２）式の比から以下の式が得られる。
ｘ2L／ｙ2L＝（ｆ2xc ×ｘ2i）／（ｆ2yc ×ｙ2i）・・・・・・（５）
一方、本発明が目的としているＸ軸方向においてもＹ軸方向においても開口数ＮＡが等しいという条件α2x＝α2yと、（３）式と（４）式とから、以下の関係が求められる。
ｘ2A／（２・ｆ2xc ）＝ｙ2A／（２・ｆ2yc ）・・・・・・・・・（６）
（５）式と（６）式から、次の関係が求められる。
ｘ2A：ｙ2A＝ｆ2xc ：ｆ2yc 
＝ｘ2L×ｙ2i：ｙ2L×ｘ2i
＝（ｘ2L／ｘ2i）：（ｙ2L／ｙ2i）
＝  ｍ2x：ｍ2y                    ・・・・・・・・（７）
すなわち、
ｘ2L：ｙ2L  ・・・  照明領域の縦横比
ｘ2i：ｙ2i  ・・・  インテグレーター１０の各光学素子１１の縦横比
ｍ2x：ｍ2y  ・・・  照明光学系の投影倍率の縦横比
とし、インテグレーターの全体形状の縦横比を照明光学系の投影倍率の縦横比又はアナモフィック光学系の焦点距離の縦横比
（ｘ2L／ｘ2i）：（ｙ2L／ｙ2i）
と同じくすることによって、照明対象物において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の開口数を一致させることができる。ここで、光束の通過しない光学素子は無視できるから、インテグレーター１０の全体形状とは、有効な光学素子の部分の形状を意味する。
【００１１】
一般的に、インテグレーターの素子の断面は正方形に近いほど製作しやすい。しかし、アナモフィック光学系の焦点距離の縦横比ｆ2xc ：ｆ2yc を１：１から大きく外すことは、シリンダーレンズやトロイダルレンズを多用することになり、製造コストや調整の問題がある。従って、照明領域の縦横比が大きく隔っている場合には、インテグレーターの各光学素子の縦横比とアナモフィック光学系の焦点距離の縦横比とのバランスを取って設計することになる。
なお、第１実施例においては、図５及び図６に示すように、エキスパンダー光学系２２をインテグレーター１０側から凸シリンダーレンズ９０、凹シリンダーレンズ９１の順に配置することによって、光束径を縮小するエキスパンダー光学系２２を形成することができる。
〔第２実施例〕
第２実施例の照明光学系は、照明領域での開口数を略等しくすることに加えて、さらにｘ、ｙ軸方向の射出瞳位置を一致させた照明光学系である。第１実施例の照明光学系では、射出瞳の位置がＸ軸方向及びＹ軸方向において相違している。射出瞳の位置は、軸外の点の主光線が光軸と交わる位置であり、図３に示すＸ軸方向においては、射出瞳位置は照明領域の後方の有限位置であるが、図４に示すＹ軸方向においては、射出瞳位置は光源側の無限遠である。このように、照明光学系の射出瞳のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置が相違すると、視野が広い光学系では口径蝕が生じて、光量むらが生じ易くなる。
【００１２】
第２実施例の照明光学系の説明において、第１実施例と同一の構成については同一の符号を付して、その説明を省略する。第２実施例の照明光学系は、図７及び図８に示すように、エキスパンダー光学系の構成要素である第１実施例の凹シリンダーレンズ１８を、凸シリンダーレンズ１００と凹シリンダーレンズ１０２の２群によって構成し、Ｙ軸方向の射出瞳位置のみならずＸ軸方向の射出瞳位置も、光源側の無限遠となるようにする。すなわち、凸シリンダーレンズ１００と凹シリンダーレンズ１０２の２群を配置することによって、エキスパンダー光学系２２から射出された光束の主光線が、あたかもコンデンサーレンズ２３の前側焦点から射出したかのごとく構成される。
図５及び図６に示した第１実施例の変形例においても、Ｘ軸方向に対して開口数ＮＡを縮小するとともに、エキスパンダー光学系２２から射出された光束の主光線が、あたかもコンデンサーレンズ２３の前側焦点から射出したかのごとく構成して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の射出瞳位置を一致させることが可能である。
なお、第２実施例の照明光学系の後段に投影光学系を配置する場合には、照明光学系の射出瞳と投影光学系の入射瞳とを一致させれば投影像の明るさむらを除去でき、より望ましい。
〔第３実施例〕
第３実施例の照明光学系には、図９に示すように、インテグレーター２００として、これを構成する光学素子２０２の光軸が照明光学系の光軸に対し収束させたインテグレーターを使用する。各光学素子２０２は、寸法の異なる２枚の平凸レンズを、平面を向かえ合わせて間隔をおいて配置してなる。
【００１３】
インテグレーター２００とコンデンサーレンズ２０４の間には、光束幅を変更するためのエキスパンダー光学系の代わり、光束の収束の度合を変える変倍光学系２０６を配置する。従って、コンデンサーレンズ２０４には平行光束が入射せず、本照明光学系の開口数αx ，αy は、コンデンサーレンズ２０４の焦点距離ｆc によって算出できず、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの倍率から以下のように演算される。すなわち、
ｘA ・・・インテグレーター２００全体のＸ軸方向の寸法
ｙA ・・・インテグレーター２００全体のＹ軸方向の寸法
ｍｘ・・・インテグレーター２００の入射面と照明面との間のＸ軸方向の投影倍率
ｍｙ・・・インテグレーター２００の入射面と照明面との間のＹ軸方向の投影倍率
ｅ  ・・・インテグレーター２００の入射面から射出面までの換算面間隔、すなわちインテグレーターを構成する媒質の寸法をその媒質の屈折率で割った値の総和
とするとき、
ｘA ：ｙA ＝ｍｘ：ｍｙ＝（ｘ2L／ｘ2i）：（ｙ2L／ｙ2i）・・・（８）
αx ＝ｘA ／２・ｍｘ・ｅ
αy ＝ｙA ／２・ｍｙ・ｅ
〔第４実施例〕
第４実施例は、矩形の入射面を有するインテグレーターを効率よく照明する照明光学系を示す。従来、インテグレーターの照明には、図１０、図１１に示すように一つの光源１からの光を楕円鏡で反射させ光源の像をインテグレーター５００の入射面に形成する光学系が使用される。
【００１４】
しかし、一般に光源の形状は略円形のもの多く、インテグレーターの全体形状の縦と横の寸法が異なるとき、全てのインテグレーターを１個の照明光源によって照明すると照明効率が落ちる。
第４実施例においては、図１２及び図１３に示すように、２個の光源によってインテグレーターを分割して照明する。光源を上記の方法で複数にした場合、１個の光源による照明領域が円形あるいは正方形であるから、インテグレーターの全体の縦横比は、整数であることが望ましい。この場合、インテグレーター各素子の断面形状が正方形の場合、縦横の開口数を一致させると、照明領域も縦横比が整数比となる。円弧型投影露光装置にこの光学系を用いる場合、投影露光光学系で要求される円弧の外径の縦横比が照明領域の縦横比と一致しないと、光源の利用効率が落ちる。この場合、インテグレーター各素子の断面形状を、図１４に示すように、六角形にすると、図１５の示すような照明領域が得られ、光量の利用効率が高くなる。
図１６は、円弧上に照明されたマスクを基板に投影する反射ミラー及び屈折レンズで構成したカタデオプトリック投影光学系を示す。この投影光学系では、基板とマスクとを同期させて移動させ、円弧の長手方向の幅のマスクを投影する。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１及び２に記載の発明によれば、照明領域を略同一の開口数ＮＡで照明することができる効果を有する。
請求項３記載の発明によれば、さらに、照明光学系の射出瞳のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置が等しくして、口径蝕及び光量むらのない照明を行うことができる効果を有する。
請求項４及び５に記載の発明によれば、さらに、上記インテグレーターを無駄なく照明して高い照明効率を得ることができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の照明光学系のＹ軸方向の光学図である。
【図２】本発明の第１実施例の照明光学系のＸ軸方向の光学図である。
【図３】本発明の第１実施例の照明光学系のＸ軸方向の光束説明図である。
【図４】本発明の第１実施例の照明光学系のＹ軸方向の光束説明図である。
【図５】本発明の第１実施例の変形例の照明光学系のＹ軸方向の光束説明図である。
【図６】本発明の第１実施例の変形例の照明光学系のＸ軸方向の光束説明図である。
【図７】本発明の第２実施例の照明光学系のＸ軸方向の光束説明図である。
【図８】本発明の第２実施例の照明光学系のＹ軸方向の光束説明図である。
【図９】本発明の第３実施例に使用する照明光学系のＸ軸方向の光束説明図である。
【図１０】従来のインテグレーターの照明状態を示した光束説明図である。
【図１１】従来のインテグレーターの照明状態を示した光束説明図である。
【図１２】本発明の第４実施例の照明光学系のＹ軸方向の光束説明図である
【図１３】本発明の第４実施例の照明光学系のＸ軸方向の光束説明図である。
【図１４】本発明の第４実施例のインテグレーターの正面図である。
【図１５】本発明の第４実施例のインテグレーターの光学素子と照明領域の関係を示す説明図である。
【図１６】本発明の照明光学系に適した投影光学系の斜視図である。
【図１７】従来の照明光学系のＹ軸方向の光学図である。
【図１８】従来の照明光学系のＸ軸方向の光学図である。
【符号の説明】
１                照明光学系
２                光源
４                楕円鏡
６                バンドパスフィルター
１０                インテグレーター
１１                光学素子
１２                入射面
１６                射出面
１８                凹シリンダーレンズ
２０                凸シリンダーレンズ
２２                エキスパンダー光学系
２３                コンデンサーレンズ
２４                照明対象物
２５                アナモフィック光学系
５０                投影光学系
５２                投影レンズ
５４                投影露光面
６０                投影像
９０                凸シリンダーレンズ
９１                凹シリンダーレンズ
１００                シリンダーレンズ
１０２                凹シリンダーレンズ
２００                インテグレーター
２０２                光学素子
２０４                コンデンサーレンズ
２０６                変倍光学系
【図１】
0003701694.tif 000002
【図２】
0003701694.tif 000003
【図３】
0003701694.tif 000004
【図４】
0003701694.tif 000005
【図５】
0003701694.tif 000006
【図６】
0003701694.tif 000007
【図７】
0003701694.tif 000008
【図８】
0003701694.tif 000009
【図９】
0003701694.tif 000010
【図１０】
0003701694.tif 000011
【図１１】
0003701694.tif 000012
【図１２】
0003701694.tif 000013
【図１３】
0003701694.tif 000014
【図１４】
0003701694.tif 000015
【図１５】
0003701694.tif 000016
【図１６】
0003701694.tif 000017
【図１７】
0003701694.tif 000018
【図１８】
0003701694.tif 000019