(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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光学系と、
前記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前記露光用の照明光を用いて前記マスクを照明する照明光学系と、を有する投影露光装置において、
前記感光基板に対して非感光性の波長域の照明光を前記投影光学系の瞳面上で前記露光用の照明光が通過しない領域に照射する補助照明系を設けたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】
請求項１記載の投影露光装置であって、
前記照明光学系は、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前記露光用の照明光で前記マスクを照明することを特徴とする投影露光装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の投影露光装置であって、
前記照明光学系は、前記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、
該オプティカル・インテグレータと前記マスクとの間に、前記補助照明系からの照明光を前記マスクに導く補助光導入部材を設けたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項記載の投影露光装置であって、
前記マスクと前記像との間に、前記補助照明系からの照明光を導く補助光導入部材を設けたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項記載の投影露光装置であって、
前記投影光学系はレンズを備えることを特徴とする投影露光装置。
【請求項６】
請求項５記載の投影露光装置であって、
前記補助照明系からの照明光は、前記レンズの硝材、又は前記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ることを特徴とする投影露光装置。
【請求項７】
請求項５又は６記載の投影露光装置であって、
前記レンズは石英で形成されることを特徴とする投影露光装置。
【請求項８】
請求項５〜７の何れか一項記載の投影露光装置であって、
前記補助照明系は、前記投影光学系の前記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前記非感光性の波長域の照明光を照射することを特徴とする投影露光装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項記載の投影露光装置であって、
前記照明光学系は、前記投影光学系の前記瞳面と共役な面上における前記光源の分布を変更することを特徴とする投影露光装置。
【請求項１０】
請求項９記載の投影露光装置であって、
前記照明光学系は、前記投影光学系の前記瞳面と共役な前記面上で前記光軸から偏心した前記領域に前記光源を分布させる状態と、前記投影光学系の前記瞳面と共役な前記面上で前記光軸を中心とする円形の領域に前記光源を分布させる状態とを切り換えることを特徴とする投影露光装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の投影露光装置であって、
前記光源の分布の変更に応じて、前記補助照明系による前記非感光性の波長域の照明光を照射する領域を変更することを特徴とする投影露光装置。
【請求項１２】
露光用の照明光のもとでマスク上のパターンの像を投影光学系を介して感光基板上に投影する際に、前記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投影露光装置において、
前記露光用の照明光及び前記感光基板に対して非感光性の照明光を前記投影光学系の瞳面に導く合成照明光学系と、
前記投影光学系の瞳面上に配置され、前記光軸から偏心した領域以外の領域では前記感光基板に対して非感光性の照明光のみを前記感光基板側に通過させる波長選択性を有する光学部材と、を有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項１３】
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、
前記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；
前記光軸から偏心した領域に分布する光源からの前記露光用の照明光を用いて前記マスクを照明する第２工程と；
前記感光基板に対して非感光性の波長域の照明光を前記投影光学系の前記瞳面上で前記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；
を備えることを特徴とする投影露光方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の投影露光方法であって、
前記第１工程では、輪帯状の光源、又は前記光軸に対して偏心した位置にある複数の光源を形成することを特徴とする投影露光方法。
【請求項１５】
請求項１３又は１４記載の投影露光方法であって、
オプティカル・インテグレータを用いて前記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、
前記第３工程では、前記オプティカル・インテグレータと前記マスクとの間から前記非感光性の波長域の照明光を照射することを特徴とする投影露光方法。
【請求項１６】
請求項１３又は１４記載の投影露光方法であって、
前記第３工程では、前記マスクと前記像との間から前記非感光性の波長域の照明光を照射することを特徴とする投影露光方法。
【請求項１７】
請求項１３〜１６の何れか一項記載の投影露光方法であって、
前記投影光学系はレンズを備えていることを特徴とする投影露光方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の投影露光方法であって、
前記第３工程では、前記投影光学系の前記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前記非感光性の波長域の照明光を照射することを特徴とする投影露光方法。
【請求項１９】
請求項１３〜１８の何れか一項記載の投影露光方法であって、
前記第１工程では、前記投影光学系の前記瞳面と共役な面上における前記光源の分布を変更することを特徴とする投影露光方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の投影露光方法であって、
前記第１工程では、前記投影光学系の前記瞳面と共役な前記面上で前記光軸から偏心した前記領域に前記光源を形成する状態と、前記投影光学系の前記瞳面と共役な前記面上で前記光軸を中心とする円形の領域に前記光源を形成する状態とを切り換えることを特徴とする投影露光方法。
【請求項２１】
請求項１９又は２０記載の投影露光方法であって、
前記光源の分布の変更に応じて、前記補助照明系による前記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いることを特徴とする投影露光方法。
【発明の詳細な説明】
【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】
0003646757.tif 000002
【００４３】
ここで、Ｊn(ｐi ・ｒ）は第１種第ｎ次（ｎ＝０，１，２，…）のベッセル（Ｂessel)関数で、ｐi はＪ1(ｐi ・ａ）＝０を満たす数列である（ｉ＝１，２，３，…）。また、係数Ｂi は次式により求められる。
【００４４】
【数３】
0003646757.tif 000003
【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、ｈj ≦ｒ≦ｈj+1 を満たす区間において、熱吸収量ω（ｒ）が一定値ωj をとるとき、次の関係が成立する。
【００４６】
【数４】
0003646757.tif 000004
【００４７】
従って、（数４）を（数３）に代入することにより係数Ｂi が求められ、この係数Ｂi 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】
0003646757.tif 000005
【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】
0003646757.tif 000006
【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】
0003646757.tif 000007
【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
３２，３４  １／４波長板
３７，３７Ａ，４３  波長選択性を有する開口絞り
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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