(57)【要約】本発明は１９３ｎｍ、好ましくは極短紫外線（ＥＵＶ）領域の波長を用いる照明光学系のための集光ユニットに関するものである。この集光ユニットは光学的な作用を有する少なくとも１つの反射鏡シェルを有してなる。光線は反射鏡シェルの表面接線に対して２０°より小さい角度をなして当たる。前記反射鏡シェルの少なくとも一部に少なくとも１つの回折格子周期を有してなる周期構造が設けられている。回転軸線に対して回転対称に設けられた複数の反射鏡シェルは、共通の回転軸線の周りに入れ子状に設けられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１９３ｎｍ以下、好ましくは１２６ｎｍ以下、特にＥＵＶ領域の波長を用いる照明光学系のための集光ユニットであって、該集光ユニット上に、物体面に設けられた物体から発せられる光束の光線が当たり、
前記物体から発せられる光束の光線を受容しかつ光学的な作用を持つ少なくとも１つの反射鏡シェルを有する集光ユニットにおいて、
前記反射鏡シェルの少なくとも一部に、少なくとも１つの回折格子周期を持つ周期構造が形成されていることを特徴とする集光ユニット。
【請求項２】
前記光束の光線が前記反射鏡シェルの表面接線に対して２０°以下の角度をなして当たることを特徴とする請求項１に記載の集光ユニット。
【請求項３】
前記反射鏡シェルは、回転軸線に対して回転対称に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の集光ユニット。
【請求項４】
回転対称に設けられた反射鏡シェルを多数有し、該反射鏡シェルは、共通の回転軸線の周りに入れ子状に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の集光ユニット。
【請求項５】
前記反射鏡シェルのそれぞれに、前記物体面に設けられた光源から発せられる光を受容する物体側の開口の一つの環状開口要素が対応するように設けられ、該環状開口要素が重なり合っていないことを特徴とする請求項４に記載の集光ユニット。
【請求項６】
前記反射鏡シェルは、非球面の、リング形のセグメントであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の集光ユニット。
【請求項７】
前記反射鏡シェルは、楕円面、放物面、双曲面の、リング形のセグメントであることを特徴とする請求項６に記載の集光ユニット。
【請求項８】
少なくとも一つの反射鏡シェルは、第１の光学面を備えた第１のセグメントと第２の光学面を備えた第２のセグメントを有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の集光ユニット。
【請求項９】
前記周期構造は、前記第２のセグメントに設けられていることを特徴とする請求項８に記載の集光ユニット。
【請求項１０】
前記周期構造は、前記第１のセグメントに設けられているか、前記第１のセグメントと第２のセグメントに設けられていることを特徴とする請求項８に記載の集光ユニット。
【請求項１１】
前記第１のリング形のセグメントは、双曲面の一部とされていることを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の集光ユニット。
【請求項１２】
前記周期構造は、ブレーズ角εを有するブレーズ格子であることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の集光ユニット。
【請求項１３】
前記反射鏡シェルの大きさは、前記回転軸線の方向において異なり、その大きさは、前記格子において回折されない０次光が、隣接する前記反射鏡シェルの背面によって吸収されることで、前記０次光のいかなる光も前記集光ユニットから外に出てこないように選択されていることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の集光ユニット。
【請求項１４】
１９３ｎｍ以下、好ましくは１２６ｎｍ以下、特にＥＵＶ領域の波長を用いる照明光学系であって、
光源と、
少なくとも一つの集光ユニットと、
照明すべき面とを有している照明光学系において、
前記集光ユニットは、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の集光ユニットであることを特徴とする照明光学系。
【請求項１５】
前記照明光学系は、前記集光ユニットと前記照明すべき面との間に前記光源に対する共役な面を有し、該面に前記光源の中間像が形成されるように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の照明光学系。
【請求項１６】
前記中間像に、あるいは前記中間像の付近に、絞りが設けられていることを特徴とする１９３ｎｍ以下の波長を用いる請求項１４または請求項１５に記載の照明光学系。
【請求項１７】
請求項１３から請求項１６のいずれか１項に記載の照明光学系と、
前記照明光学系に照明されるマスクと、
感光性の物体に前記マスクを結像させるための投影光学系と、
を有したＥＵＶ投影露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１９３ｎｍ以下、好ましくは１２６ｎｍ以下、特に極短紫外線（ＥＵＶ）領域の波長を用いる照明光学系のための集光ユニットに関するものである。この集光ユニットは、物体から発せられる光束の光線を受容し、このような光束の光線に対して光学的な作用を有する少なくとも１つの反射鏡シェル（椀形反射鏡）を有してなる。
【背景技術】
【０００２】
光束の光線は、反射鏡シェルの表面接線に対して２０°より小さい角度をなして当たるのが好適である。
【０００３】
本発明はまた、このような集光器を備えた照明光学系、本発明に係る照明光学系を備えた投影露光装置および微細構造を露光する方法も提供する。
【０００４】
１９３ｎｍ以下の波長、特にＸ線領域の波長のための入れ子式の集光器は、多くの文献から周知となっている。
【０００５】
例えば米国特許第５７６８３３９号明細書（特許文献１）には、Ｘ線のためのコリメータが記載され、このコリメータは、多数の入れ子式の放物面形状の反射鏡を有している。米国特許第５７６８３３９号明細書に記載のコリメータは、Ｘ線光源から等方的に放射される光束を平行な光線にするためのものである。
【０００６】
米国特許第１８６５４４１号明細書（特許文献２）から、Ｘ線のための入れ子式の集光器が周知となっており、この集光器も米国特許第５７６８３３９号明細書に記載の装置と同様に、光源から等方的に放射されるＸ線を平行な光束にコリメートするために用いられる。
【０００７】
米国特許第５７６３９３０号明細書（特許文献３）には、ピンチプラズマ光源のための入れ子式の集光器が開示され、この集光器は光源から放射される光線を集めて導波管内へと束ねるためのものである。
【０００８】
米国特許第５７４５５４７号明細書（特許文献４）には、多重チャンネル光学系の構成が多数開示されている。これらは多重反射によって光源からの光線、特にＸ線を一点に集束させるものである。
【０００９】
米国特許第５７４５５４７号明細書に開示された発明は、特に高い透過効率を達成するために、楕円形に形成された反射鏡を提唱している。
【００１０】
独国特許発明第３００１０５９号明細書（特許文献５）から、Ｘ線を用いたリソグラフィーシステムにおいて使用するための構成が周知となっている。これはＸ線光源とマスクの間に放物面状の入れ子式の反射鏡を設けたものである。これらの反射鏡は、発散するＸ線が平行な出射光束となるように配設されている。
【００１１】
独国特許発明第３００１０５９号明細書に記載の発明もまた、Ｘ線リソグラフィーにおいて光線を良好に平行化するためだけに用いられる。
【００１２】
国際公開第９９／２７５４２号パンフレット（特許文献６）に記載の入れ子式の反射鏡は、Ｘ線プロキシミティ・リソグラフィー装置において、光源からの光を再集束させ、仮想光源を形成するために用いられる。入れ子式のシェルは楕円面形状とすることができる。
【００１３】
米国特許第６０６４０７２号明細書（特許文献７）から高エネルギー光子源のための入れ子式の反射鏡が周知となっている。この装置は、発散するＸ線を平行に進行する光束にするためのものである。
【００１４】
国際公開第００／６３９２２号パンフレット（特許文献８）には、中性子線を平行化するための入れ子式の集光器が開示されている。
【００１５】
国際公開第０１／０８１６２号パンフレット（特許文献９）から、Ｘ線用の一つの入れ子式集光器が公知となっている。この集光器は、個々の反射鏡シェルの内側の反射面の表面粗さが１２Åｒｍｓより小さいことを特徴とする。国際公開第０１／０８１６２号パンフレットに記載の集光器もまた、多重反射を用いた光学系、特にヴォルター光学系を備え、例えばＸ線リソグラフィーにおいて要求されるような高い解像度を特徴とする。１００ｎｍ以下の波長を用いる照明光学系において、光源から発せられる光線を集束させることと並ぶさらなる問題は、このような照明光学系の光源が発する光線には、投影露光装置のウェハ面に設けられた感光性物体に対して望ましくない露光を行う恐れのある波長も含まれ、例えば多層膜反射鏡などの露光装置の光学素子がこのような光線によって過度に加熱され、劣化が早まるという点である。このような望ましくない光を濾光するために、例えばジルコンからなる透過フィルターが用いられるが、この種のフィルターは光量の損失が大きいという欠点を有している。また、これらのフィルターは、熱負荷がかかると破壊されやすいということもある。ＥＵＶリソグラフィーのための照明光学系のさらなる問題は、光学素子の数が増えるとともに光量の損失も増大する点である。
【特許文献１】米国特許第５７６８３３９号明細書
【特許文献２】米国特許第１８６５４４１号明細書
【特許文献３】米国特許第５７６３９３０号明細書
【特許文献４】米国特許第５７４５５４７号明細書
【特許文献５】独国特許発明第３００１０５９号明細書
【特許文献６】国際公開第９９／２７５４２号パンフレット
【特許文献７】米国特許第６０６４０７２号明細書
【特許文献８】国際公開第００／６３９２２号パンフレット
【特許文献９】国際公開第０１／０８１６２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
以上の点から本発明の課題は、照明光学系に必要な均一性とテレセントリック性に対する要求を満たすと同時に、有効な波長を分光学的に濾光できる１９３ｎｍ以下、好ましくは１２６ｎｍ以下、特に極短紫外線（ＥＵＶ）領域の波長を用いる照明光学系のための集光ユニットを提供することにある。特に避けなければならないのは、有効波長以外の波長の光が照明光学系に達することである。また、構成部材はコンパクトでなければならず、ＥＵＶ照明光学系で使用する場合には当該照明光学系において生じる光量の損失を最小限にとどめなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このような課題は、本発明により、請求項１のおいて書き部分に記載の少なくとも１つの反射鏡シェル（椀形状反射鏡）を有してなる集光ユニットであって、反射鏡シェルの少なくとも一部表面に、少なくとも一つの回折格子周期（格子周期）を持つ周期構造が形成されていることを特徴とする集光ユニットによって解決される。周期構造を反射鏡シェルに設けることによって、反射鏡シェルに当たる光束が回折される。異なる回折次数の焦点は異なる面に位置する。一つの回折次数が合焦する面に絞りなどを設けると、他の回折次数は、他の立体角要素に向けて偏向されるためにこの絞りを通過できず、したがって下流に設けられる照明光学系に到達できない。このような方法で、例えば１３．５ｎｍに存在する有効な光線、及びその他の波長の光線、特に１００ｎｍ以上の波長の光線（これらの光線は、０次の回折次数に存在している）を分離しなくてもよくなる。さらに、このような構成によって、光源から出てくる粒子が下流に設けられた照明光学系に入り込むことを防止することができる。
【００１８】
本発明に係る集光器のさらなる有利点は、入れ子式の集光器と平面格子が２つの別々な構成部材として設けられている光学系に比べて、回折された光束の有効な射出空間がより長いということである。この特徴には多くの利点がある。まず、入れ子式の集光器及び別個に形成された平らな回折格子素子を有する光学系におけるものと分散が同じである場合には、より小さな帯域幅が実現されると同時に、入れ子式の集光器及び別個に形成された平らな回折格子素子を有する光学系の場合に比べて異なる回折次数の分離がより大きくなる。照明光学系に用いる際、平らな回折格子素子の場合と線密度が比肩し得るものであれば、光源から集光器に至る光路における距離は短縮され、従って照明光学系を非常にコンパクトに構成することができる。
【００１９】
本発明による構成部材において、集光器の集光特性と分光フィルターの濾光特性とを合わせることにより、照明光学系において一つの光学要素を省くことができ、照明光学系の透過率がおよそ３０％増大する。
【００２０】
特に高い回折効率を実現するため、好適な実施の形態では回折格子がブレーズ角εを有するブレーズ格子として形成される。
【００２１】
集光ユニットが回転軸線に対して回転対称に設けられた反射鏡シェルを多数有してなる構成が特に好適である。その場合、それぞれの反射鏡シェルには、物側の開口の環状開口要素が一つ一つ対応させられるように設けられている。
【００２２】
回転対称に構成された集光器にはさらなる有利点がある。集光器を回転軸線に対して回転対称に構成すると、一つの面における照明の均一性ならびに照明すべき瞳の形状を、例えば平らな回折格子素子を有してなる照明光学系の場合に比べて一層良好に調節することができる。また、照明光学系においてこのような回転対称な構成要素を用いると、個々の構成要素を相互に調整するのに有利である。さらに、例えば加熱された場合などに対称的な特性が見られる点も有利である。
【００２３】
集光ユニットによって照明された領域は、例えば一つの面に存在しかつ複数の環状要素（成分）から構成され、このとき好適にも、個々の環状要素のそれぞれに、環状開口要素が対応して設けられている。好適な実施の形態において、環状開口要素とそれに対応する環状要素は重ならず、環状要素は、上記面内においてほぼ連続的に互いに接し合っている。
【００２４】
本発明に係る入れ子式の集光器によって、一つの面内のほぼ均一な照明を実現することができる。本願のように、光源から発せられる光線に対する集光器の光学的な作用（例えば集めるといった作用）と、有効波長のフィルタ作用とを唯一の構成部材において組み合わせることにより、照明光学系において透過率を増加させ、照明光学系の構成長さを大幅に短縮することができる。
【００２５】
反射鏡シェルは、好適に楕円面、放物面あるいは双曲面のリング形状セグメントとされている。放物面に対しては完全に平行な光束が得られるので、無限の位置に存在する光源が得られる。
【００２６】
シェルが楕円面の一部である場合は、収束する光束が形成される。双曲面の一部であるシェルを有する集光器の場合、光束は発散することになる。
【００２７】
ほぼ一様な照明ないし均一な照明を得るためには、集光器ができるだけ多くのシェル（椀形状部）を有しているのが好ましい。本発明に係る集光器において、好ましくは４個以上、特に好ましくは７個以上、さらに好ましくは１０個以上の反射器がシェル形状（椀形状）の構成に設けられている。さらなる有利点は、反射鏡シェルの数が増大するにつれて、絞り面へと回折される各反射鏡シェルの部分的光束（光束の一部）の発散が減少することであり、これによって絞り面において異なる回折次数をよりよく分離することができる。
【００２８】
共通の回転軸線を中心として配置された多数の反射鏡シェルは、１つの反射鏡シェルについて多重反射が生じるように構成されているのが好ましい。
一つの反射鏡シェルについて多重反射が生じることにより、反射角が小さく保たれる。特に偶数の反射が生じる光学系では、調整の狂い、とりわけ光軸（回転対称な光学系の場合、回転軸線が光軸である）に対する傾きに対して強くなり影響を受けなくなる。
【００２９】
表面接線に対して２０°より小さな入射角でかすめるようにして入射する条件下での反射では、反射率は、ルテニウム、ロジウム、パラディウム、銀、炭素あるいは金などの材料の場合、表面接線に対する入射角とともに略直線的な振舞いを見せるため、たとえば１６°での１回反射の場合の反射損失、あるいは８°での２回反射の場合の反射損失は、ほぼ等しい。とは言え、集光器の開口を最大限に実現するためには、反射を一回より多く用いるのが好適である。
【００３０】
反射が２回の光学系がとりわけ好ましい。反射が２回の集光器は、例えば、反射鏡シェルの第１のセグメントが双曲面のリング形状部分をなし、反射鏡シェルの第２のセグメントが楕円面のリング形状部分をなすようなヴォルター光学系として形成することができる。
【００３１】
ヴォルター光学系は、Wolter, Annalen der Physik 10, 94‐114, 1952などの文献から周知である。実の頂点焦点距離を有する、すなわち光源の実の中間像を有するヴォルター光学系は、双曲面と楕円面を組み合わせることによって形成されるが、これについてはJ. Optics, Vol. 15, 270‐280, 1984を参照されたい。
【００３２】
ヴォルター光学系が特に有利な点は、表面接線に対する入射角が２０°より小さい反射を２回有するヴォルター光学系で、集光の開口を例えば開口角８０°に相当するＮＡｍａｘ〜０．９８５に選択できることにある。それでもまだ、反射率が７０％より大きいかすめるような斜入射条件下での反射性の高い反射の領域にある。
【００３３】
本発明の好適な実施の形態では、ヴォルター光学系のシェルの第２のセグメント上に周期的な格子が設けられている。
【００３４】
このような場合、第１のセグメントは、虚の焦点を有する双曲面の一部であることが好ましい。第２のセグメントは、集束作用を有するように形成されている。第２のセグメントの集束作用は、線密度が一定の直線的な格子の場合には、メリジオナル断面における第２のセグメントの面が凹に湾曲していることによって実現される。本願においてメリジオナル断面とは、光軸を含む断面を意味する。第２のセグメントの面の集束作用は、線密度を変化させることによっても実現できる。この場合、メリジオナル断面における第２のセグメントの面は、平坦でも凸型でも構わない。メリジオナル断面において面が平らである場合には、光軸周りに回転対称な第２のセグメントは、円錐台形状を有している。
【００３５】
別構成として、格子は、第１のセグメント上、あるいは両方のセグメント上にあってもよい。分光学的な純度を高くしたい場合は、両方のセグメントに格子を設けることが好ましい。第１のセグメントに格子を設けるのは、例えば０次光が集光器から外に出てくることを防止しなければならないような場合で、代わりに隣接する反射鏡シェルの背面で吸収させるような場合である。このとき、使用されない次数の光を遮断するための絞りは不要になる。
【００３６】
第２のセグメント上の周期構造は、好適にはブレーズ深さＢないしブレーズ角εを有するブレーズ格子とされ、この構造は、個々の反射鏡シェルの電気鍍金成形用の核にダイヤモンド旋削により形成されるか、あるいは反射鏡シェル上に着設されたコーティング（例えば金のコーティング）に格子の溝を刻設するかなどの方法により形成することができる。
【００３７】
使用されない回折次数の光がユニットの外に出るように集光ユニットが形成される場合、平らな格子素子に比べて、外に出る回折次数の光の強度が環状要素に配分されるという利点がある。これにより従来の平らな格子素子に比べて、絞り素子における熱負荷が著しく低減される。
【００３８】
本発明は、集光ユニットのほか、このような集光ユニットを備えた照明光学系も提供する。照明光学系は、米国特許第６１９８７９３号明細書に開示されているような、第１のラスタ素子（網目状素子）を備えた第１の光学素子と、第２のラスタ素子を備えた第２の光学素子とを有して、切り子面を二箇所に有してなる照明光学系であるのが好ましい。この文献に開示された内容は本願に包括的に取り入れられている。
【００３９】
第１のラスタ素子および／あるいは第２のラスタ素子は平らな切り子面あるいは光を集束または散乱する作用を有する切り子面である。
【００４０】
本発明に係る集光器を有する照明光学系は、マイクロリソグラフィーのための投影露光装置に用いられるのが好適である。この種の投影露光装置は、国際特許出願第ＰＣＴ／ＥＰ００／０７２５８号明細書に開示されている。この文献の開示内容は本願に包括的に取り入れられている。投影露光装置は、照明装置の下流に設けられた投影光学系、例えば米国特許第６２４４７１７号明細書に記載の４枚の反射鏡からなる投影光学系を有しており、この文献の開示内容は本願に包括的に取り入れられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下に本発明を図面に基づいて例を挙げて説明する。
【００４２】
図１には、本発明に係る入れ子式の集光器のうち例として２つの反射鏡シェルがメリジオナル断面において示されている。各反射鏡シェル１００，１０２は、第１の光学面１００．２，１０２．２を有する第１のリング形状セグメント１００．１，１０２．１と、第２の光学面１００．４，１０２．４を有する第２のリング形状セグメント１００．３，１０２．３とを有してなるヴォルター光学系を備えている。個々の反射鏡シェル１００，１０２は、ｘ軸あるいは光軸ＨＡの周りに回転対称に設けられている。図１から分かるように、個々の反射鏡シェル１００，１０２にそれぞれ対応させられている環状開口要素１１０，１１２は、互いにほとんど接し合っている。すなわち図１に示す集光器の物側の開口は、個々の環状開口要素の間に、反射鏡シェルの有限の厚みによって決まる間隙のみを示している。個々の反射鏡シェルの環状開口要素は、光源１０５，例えばレーザープラズマ光源から発せられる光束の一部の光束（部分的光束）を受容する。第２のセグメント１００．３，１０２．３に設けられた周期的な構造部すなわち回折格子素子のパラメータを好適に選択することにより、以下のようなことが可能となる。つまり、全ての反射鏡シェルについて、受容される環状開口要素ならびに反射鏡シェルに関係なく、異なる反射鏡シェルの部分的光束は、特定の回折次数、この場合＋１次の回折次数１２９に関して、絞り面１２５の同一の焦点１２７に回折される。
【００４３】
図１に示す実施の形態では、第１の光学面１００．２，１０２．２と第２の光学面１００．４，１０２．４も隙間なく直に接し合っている。
【００４４】
別の方法として、第１の光学面１００．２，１０２．２と第２の光学面１００．４，１０２．４が直に接することなく設けられてもよい。その場合、光学面の間には隙間あるいは使用されない領域が設けられる。そして使用されない領域には、反射鏡シェルを冷却するための冷却装置などを設けることができる。
【００４５】
さらに、図１に示す集光器では、最も内側の反射鏡シェルの内側に絞り１３０が設けられているのがわかる。入れ子式の反射鏡を設けた集光器は、反射鏡シェルが有限であることから、中央部が陰にならざるをえない。すなわち一定の開口角ＮＡｍｉｎを下回ると光源の光線は受容され得ない。絞り１３０は、中央の反射鏡シェルをそのまま通り抜けて到達する光が、下流に設けられた照明光学系に迷光として到達するのを防ぐ。
【００４６】
図１には、第２の反射鏡シェル１０２の第２のセグメント上に設けられた回折格子に関して、絞り面１２５に集束されない回折次数、すなわち０次の回折次数１３１および＋２次の回折次数１３３も示されている。
【００４７】
図２には、本願に係る集光器による絞り面１２５における照明が、反射鏡シェルが一つの場合（本図では第２の反射鏡シェル１０２）に関して示されている。
【００４８】
絞り面１２５は、座標系のｚ軸およびｙ軸によって規定されるが、その座標系の原点は、実の光源１０５と一致している。この座標系は、図１に示されている。
図２から明らかなとおり、絞り面１２５（本図では紙面である）において＋１次光１２９が合焦しており、直径ΔＲ１を有している。＋１次以外の次数、例えば＋２次あるいは０次は、絞り面にリングとして現れる。それは光路が集束的であるために、これらの次数では絞り面に対して焦点がぼけるためである。このことは図１を見れば非常によくわかる。０次の焦点１５０は、絞り面１２５のｘ方向上流側にあり、＋２次の焦点１５１は、絞り面１２５のｘ方向下流側にある。０次光の円形照明の幅はΔＲ０であり、＋２次光の円形照明の幅はΔＲ２である。それぞれの回折次数が光軸に対して有する平均距離はＲ２またはＲ０である。
【００４９】
半径Ｒ３を有する円形状の絞り１５４を設けることにより、絞り面１２５において０次光あるいは＋２次光は遮蔽される。このような方法によって他の次数に含まれる波長を完全に遮断し、これらの波長が本願に係る集光器の下流に設けられた照明光学系に入り込むのを防止することができる。
【００５０】
図３には、２つのセグメント１０２．１，１０２．３を有してなる本発明に係る入れ子式の集光器の一つの反射鏡シェルが再び示されている。第１の光学面を有する第１のセグメント１０２．１は双曲面であり、光源１０５からの光を受容する。前記光源にはまた、以下の導出に用いられる基準座標系の原点が置かれている。メリジオナル断面における第１のセグメント１０２．１の中心点１７０．１までの座標原点からの距離をｘ軸に投影したものをｘ１と表す。メリジオナル断面における第１のセグメント１０２．１の中心点１７０．１から虚の焦点１７２までの距離をｘ軸に投影したものをｘ１′と表す。第１のセグメント１０２．１が双曲面として形成されているため、この双曲面は、虚の焦点１７２を有しており、実光源１０５を虚の光源に結像させる。虚の光源は、再び、表面に回折格子素子が設けられた第２の光学面を有する第２のセグメント１０２．３によって、＋１次の回折次数１２９に関して絞り面１２５に結像される。図３には、０次の回折次数１３１および＋２次の回折次数１３３も示されている。虚の焦点１７２に位置する虚の光源から、メリジオナル断面における第２のセグメント１０２．３の中心点１７０．３までの距離をｘ軸に投影したものをｘ２と表す。第２のセグメントの中心点１７０．３から＋１次の回折次数の焦点１２７までの距離をｘ軸に投影したものをｘ２′と表す。
【００５１】
以下に、２つのセグメントを有する多数の反射鏡シェルが共通の軸ＨＡの周りに回転対称に設けられてなる入れ子式の集光器について、実施の形態を述べる。本実施の形態では、第２の反射領域、すなわち第２のセグメントの第２の光学面に、格子構造が形成されている。こうすることによって例えばプラズマ光源から発せられる広帯域の極短紫外線（ＥＵＶ）が濾光される。光学系の特徴的な値、すなわち以下の計算を行うための初期値が表１に記載されている。
【００５２】
【表１】
2005522026.tif 000003
【００５３】
２つのセグメントを有する光学系の場合、光源は２段階で絞りに結像される。第１のセグメント１０２．１の第１の光学反射面は、第２のセグメント１０２．３の第２の光学反射面のための虚の焦点１７２を作るために双曲面として形成されている。第２のセグメントには、光をスペクトル分解する格子構造が形成されている。ここで、第２の反射鏡セグメント１０２．３の面は、トロイダル（ドーナツ）形に湾曲している。すなわち外側輪郭線が円形で、トロイド面（円環面）は、メリジオナル断面において湾曲あるいは半径を有している。格子線密度とトロイド面の半径は、＋１次の回折次数の焦点が絞り面にくるように算出される。それ以外の全ての回折次数ならびに０次の回折次数は、＋１次の回折次数の焦点を中心とした同心的な環となって絞り面に現れ、絞りによって阻止される。最大の回折効率を実現するため、格子はブレーズ格子として形成することが好ましい。格子の格子線密度は、良好な濾光作用を得るために、回折次数が十分に分離されるように選択される。さらに、格子の形状は、できる限り収差が最小になるように選択されなければならない。
【００５４】
格子定数、ブレーズ角、メリジオナル断面における第２のセグメントのトロイド面の半径、および双曲面のパラメータを与える式を以下に導くことにする。
【００５５】
まず、主な寸法を与えて基本的な形状を確定する。次いで格子面および双曲面をそれらのパラメータによって確定する。最後に、開口ができるだけ隙間なく移行するように上記の面の大きさ（広がり）が決定される。
光源、第１の結像、第２の結像の間の距離は、以下に述べる通りに確定される。以下に導出される式に記載された値は全て図３，図４ａ及び図４ｂに示されている。
【００５６】
図３には、第１のセグメント１０２．１および第２のセグメント１０２．３を有する反射鏡シェルが示されている。図４ａには、式を導くのに必要な値とともに反射鏡シェルの第２のセグメント１０２．３がより詳しく示されており、図４ｂには、式を導くのに必要な値とともに反射鏡シェルの第１のセグメント１０２．１が示されている。
【００５７】
ｘ軸に投影された、絞り面１２５における焦点１２７と光源１０５との間の距離をｘｇとすると、結像は２つのほぼ等しい段階に分けられる。これによりどんな反射の場合でも入射角が過度に大きくなることはない。
【００５８】
第１の結像段階に対して軸方向の物体距離ｘ１および像距離ｘ１′が規定され、第２の結像段階に対して物体距離ｘ２および像距離ｘ２′が規定される。これらの距離は、図３に記載されているように、頂点焦点距離が光軸に投影されたものである。これらの距離に対して以下の式が成り立つ。
ｘｇ＝ｘ１＋ｘ′１＋ｘ２＋ｘ′２
個々の結像段階の倍率は、以下の式で表される。
Ｍ１＝−ｘ′１／ｘ１；Ｍ２＝ｘ′２／ｘ２
結像全体は以下のようになる。
Ｍｇ＝Ｍ１Ｍ２
【００５９】
最後に、第２の反射鏡セグメント１０２．３のそれぞれについて直径を定めなければならない。そのために、第２の反射鏡セグメント１０２．３の中心点１７０．３における半径ｒが規定される。第２の反射鏡セグメント１０２．３の中心点１７０．３は、図３に規定されている。半径ｒは、中心点１７０．３の光軸ＨＡからの半径方向の距離である。
【００６０】
距離ｘ２，ｘ２′およびｒから、結像の光源点（本図の場合は虚の焦点１７２）と中心点１７０．３との距離（ｓ２として表される）、ならびに、中心点１７０．３と像点（本図の場合は絞り面１２５における１次光の焦点１２７）との距離（ｓ２′として表される）が得られる。以下の式が成立する。
【００６１】
【数１】
2005522026.tif 000004
【００６２】
ｓ２およびｓ２′は投影されない距離を表す。
【００６３】
格子線密度ｎは、絞り面１２５における１次光から、十分な距離ｇで０次の回折次数を分離しておきたいという要求から得られる。１次に回折された部分的光束の中心光線１７４．１、及び０次に回折された部分的光束の中心光線１７４．０に対する距離ｇが図４ａに示されている。
【００６４】
光源の大きさを仮定し倍率を考慮すると、絞り面１２５の領域における１次の回折次数の焦点１２７での光源の像の大きさが得られる。このとき０次の回折次数が、前記像の大きさの何倍もそれから離れていることが重要である。このとき、例えば距離が１０倍のｆの場合に有効波長とその他の光との分離が得られると想定でき、
ｇ＝ｆ・ｄ″
となる。Ｄ″は、絞り面１２５における光源１０５の像の直径である。光源１０５の直径Ｄは表１に記載されている。
【００６５】
かくして、０次と１次の回折次数を分離するためのこのような条件、すなわち距離ｇに対する条件から、第２のセグメントの中心点１７０．３における法線１８０に対する必要な回折角αおよびβと、中心点１７０．３における法線１８０のｙ軸に対する傾きγが決定される。このためにまず０次と１次の回折次数の中心光線１７４．１，１７４．０の間の角δが計算されるが、この角は以下に示すとおり絞り面１２５において要求される距離ｇと相関関係にある。
【００６６】
【数２】
2005522026.tif 000005
【００６７】
さらに、入射および出射する１次の部分的光束が、ｙ軸に対してなす角α′およびβ′が得られる。
【００６８】
【数３】
2005522026.tif 000006
【００６９】
かくして、求める角が決定される。
α＝（α′−β′―δ）／２
γ＝α−α′
β＝β′−γ
回折の式、
sinα＋sinβ＝ｎ・ｋ・λ
を用いると、ｋ＝１である＋１次の回折次数に対して、有効波長のための線密度ｎを計算することができる。さらにブレーズ角は以下の式のように表せる。
ε＝（│α│−│β│）／２
【００７０】
メリジオナル断面における第２の反射鏡セグメントの半径ＲＭ、すなわち光軸ＨＡを中心として回転対称に設けられた面の湾曲は、トロイド格子における集束条件により決定される。集束条件はＦ２０＝０である。この条件は“Handbook on Synchrotron Radiation, Vol.2, Kap.4 “Diffraction grating optics”, G.V. Marr 編, Elsevier Science 69ページに記載されている。
【００７１】
Ｆ２０＝０の条件から、メリジオナル断面におけるトロイド面の半径ＲＭは以下のようになる。
【００７２】
【数４】
2005522026.tif 000007
【００７３】
格子を保持する第２の反射鏡セグメントに関して特徴的な量を算出したので、次に、メリジオナル断面において双曲線形の面２００を有する第１の反射鏡セグメント１７０．１に関して特徴的な量を導き出すことにする。図面に関しては図４ｂを参照されたい。メリジオナル断面、すなわち図４ｂに示すような座標系の原点に頂点を有してなるｘｙ平面における双曲線を表す一般式は以下の通りである。
【００７４】
【数５】
2005522026.tif 000008
【００７５】
双曲面型の面は、一方では、原点と光源１０５の虚の焦点１７２とが双曲線の焦点に一致するという条件から得られる。この条件が成立するのは双曲線の焦点間の距離がちょうど２ｃである場合である。他方、双曲線の各点について、焦点までの距離の差がちょうど２ａであるということが言える。結局、双曲線に関しては以下の関係が成立する。
【００７６】
【数６】
2005522026.tif 000009
【００７７】
上記の式から双曲線の定数を決定することができる。まず２ｃ＝ｘ１＋ｘ１′を計算する。その上で、双曲線がつながるべき格子面の端点を仮定すると、それからａが、それとともにｂが得られる。
【００７８】
格子における回折の原理については、Handbook on Synchrotron Radiation, Vol.2, Kap.4 “Diffraction grating optics”, G.V. Marr 編, Elsevier Scienceを参照されたい。
【００７９】
表２には、６枚の反射鏡シェルからなり、入れ子式で主軸ＨＡ周りに回転対称に設けられた本発明に係る集光器が記載されている。各シェルは、それぞれ第１の光学面と第２の光学面を有する第１セグメントと第２セグメントを有している。ここでは、第１の光学面第２の光学面は、セグメントに一致している。第１のセグメントは双曲面型の面であり、第２のセグメント上には周期的な格子構造が形成されている。
【００８０】
表２に用いられた量は、全て予め定義されたものである。選択された基準座標系の原点（０，０，０）は光源１０５の位置にある。
【００８１】
以下のように表記される。
ｘ１：光源１０５から第１の反射鏡セグメントの中心点１７０．１までのｘ軸方向の距離
ｘ１′：虚の焦点１７２から第１の反射鏡セグメントの中心点１７０．１までのｘ軸方向の距離
ｘ２：虚の焦点１７２から第２の反射鏡セグメントの中心点１７０．３までのｘ軸方向の距離
ｘ２′：１次の焦点１２７から第２の反射鏡セグメントの中心点までのｘ軸方向の距離
ｘｇ：ｘ１：光源１０５から１次の回折次数の焦点１２７までのｘ軸方向の距離
Ｍ１：第１の結像倍率
Ｍ２：第２の結像倍率
Ｍｇ：全体の結像倍率
ｘ１ａ：第１のセグメントの起点のｘ座標
ｘ１ｅ：第１のセグメントの終点のｘ座標
ｙ１ａ：第１のセグメントの起点のｙ座標
ｙ１ｅ：第１のセグメントの終点のｙ座標
ａ，ｂ：双曲線のパラメータ
ｘ２ａ：第２のセグメントの起点のｘ座標
ｘ２ｅ：第２のセグメントの終点のｘ座標
ｙ２ａ：第２のセグメントの起点のｙ座標
ｙ２ｅ：第２のセグメントの終点のｙ座標
ＲＭ：メリジオナル面における第２のセグメントの半径
ｎ：格子の線密度
α：入射する中心光線が第２の反射鏡シェルの中心点における法線に対してなす角
β：１次の次数に回折された中心光線が第２の反射鏡シェルの中心点における法線に対してなす角
ε：ブレーズ角
λｍｉｎ：絞りを通過する最小の波長
λｍａｘ：絞りを通過する最大の波長
【００８２】
【表２】
2005522026.tif 000010
【００８３】
図５には、溝の形状がほぼ三角形であるブレーズ格子が示されている。参照符号２０１は回折格子周期Ｐを持つブレーズ格子に当たる光線、２０２は格子において０次の次数で反射される光線、２０４は＋１次に回折される光線、２０６は−１次に回折される光線、２０８は格子の法線、αは入射する光線が法線２０８に対してなす角、βは＋１次に回折される光線の角を表す。ブレーズ角については上記の量に依存して以下の式が成り立つ。
【００８４】
【数７】
2005522026.tif 000011
【００８５】
ブレーズ角εと線密度ｎを設定するとブレーズ深さＢは以下の式で与えられる。
Ｂ＝ｎtanε
ここで、格子の法線２０８に対して角αをなして入射する光線２０１は、ブレーズ角εに対応するブレーズ効率で格子の法線２０８に対して角βをなして図示されぬ絞り面の方向に＋１次へと回折される。
【００８６】
本願発明に係る入れ子式の集光器を備えた投影露光装置の光学的な構成要素といくつかの光線の経路が図６に示されている。
【００８７】
本願発明に係る集光器は、第２のセグメントに周期的な格子構造を有している。＋１次の回折次数での光源中間像Ｚの付近に設けられている絞り１２０２と合わせて、この格子構造により、望ましくない波長（本実施形態では１３．５ｎｍ）が絞り１２０２の下流に設けられた照明光学系の部分に進入するのが防止される。
【００８８】
絞り１２０２には、光源１０００および入れ子式の集光器１００３を含めた部屋１２０４を、下流に設けられた照明光学系１２０６から空間的かつ圧力的に分離するという役割もある。空間的あるいは圧力的に分離することで、光源に起因する汚れが絞り１２０２の下流に設けられた照明光学系に入り込むことが防止される。
【００８９】
図６に示す照明光学系は、本願発明に係る入れ子式の集光器１００３を有している。第１の光学素子１１０２はそれぞれが５４ｍｍ×２．７５ｍｍの広がりを有する１２２個のグリッド素子（ラスタ素子）を有している。第２の光学素子１１０４は、それぞれの直径が１０ｍｍで第１のグリッド素子に対応する１２２個の第２のグリッド素子を有している。
【００９０】
光学素子１１０６，１１０８，１１１０の主な働きは、物体面１１１４にフィールド（照射野）を形成することである。物体面に設けられたレチクルは反射型マスクである。レチクルは、走査システムとして構成された極短紫外線（ＥＵＶ）投影光学系内で図に示された方向１１１６に移動可能とされている。照明光学系の射出瞳は、ほぼ均一に照明されている。この射出瞳は、下流に設けられた投影光学系の入射瞳と一致する。投影光学系の入射瞳は図示されていない。投影光学系の入射瞳は、レチクルによって反射された主光線と投影光学系の光軸との交点の位置に設けられている。
【００９１】
例えば６枚の反射鏡１１２８．１，１１２８．２，１１２８．３，１１２８．４，１１２８．５，１１２８．６を有してなる米国特許出願第０９／５０３６４０号明細書に記載の投影光学系１１２６は露光すべき対象１１２４にレチクルを結像させる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】第２の反射鏡シェルに格子（回折格子）が設けられた集光器の概略図である。
【図２】集光器の反射鏡シェルが一つである場合の、集光器の下流に設けられた絞り面における照明であって、異なる回折次数の照明を示す図である。
【図３】リング形状の双曲線のセグメントとされた第１のセグメントと、格子が設けられていて輪郭線が円である第２のセグメントとを有する反射鏡シェルをメリジオナル断面において示す図である。
【図４ａ】格子が設けられた図３に示すシェル面の第２のセグメントを、格子の線密度を導き出すための角度が書き込まれた状態で、メリジオナル断面において示す図である。
【図４ｂ】双曲面の半径または湾曲を導き出すための、図３に示すシェル面の第１のセグメントをメリジオナル断面において示す図である。
【図５】ブレーズ格子の部分図である。
【図６】本願に係る入れ子式の集光器を有してなる極短紫外線（ＥＵＶ）投影露光装置を示す図である。
【符号の説明】
【００９３】
１００，１０２    反射鏡シェル
１００．１，１０２．１    第１のリング形状セグメント
１００．２，１０２．２    第１の光学面
１００．３，１０２．３    第２のリング形状セグメント
１００．４，１０２．４    第２の光学面
１０５    光源
１１０，１１２    環状開口要素
１２５    絞り面
１２７    焦点
【図１】
2005522026.tif 000012
【図２】
2005522026.tif 000013
【図３】
2005522026.tif 000014
【図４ａ】
2005522026.tif 000015
【図４ｂ】
2005522026.tif 000016
【図５】
2005522026.tif 000017
【図６】
2005522026.tif 000018
【国際調査報告】
2005522026.tif 000019
2005522026.tif 000020
2005522026.tif 000021
2005522026.tif 000022
2005522026.tif 000023
2005522026.tif 000024
2005522026.tif 000025
2005522026.tif 000026