(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被照射面を照明する照明光学装置において、
光源手段からの光束に基づいて多数の光源からなる第１多数光源を形成するための第１オプティカルインテグレータと、
該第１オプティカルインテグレータにより形成される第１多数光源からの光束に基づいてより多数の光源からなる第２多数光源を形成するための第２オプティカルインテグレータと、
該第２オプティカルインテグレータにより形成される第２多数光源からの光束を集光して前記被照射面を照明するためのコンデンサー光学系と、
前記第２多数光源として輪帯状の光源または基準光軸から偏心した複数の光源を形成するために、前記光源手段からの光束を前記基準光軸に対してほぼ対称に斜め方向から前記第１オプティカルインテグレータへ入射する光束に変換するための斜め光束形成手段とを備え、
該斜め光束形成手段は、
前記光源手段からの前記光束を実質的に輪帯状の光束または前記基準光軸に対して偏心した複数の光束に変換するための光束形状変更部材と、
該光束形状変更部材により形状変更された光束を前記基準光軸に対してほぼ対称に斜め方向から前記第１オプティカルインテグレータへ重畳的に入射させるために前記光束形状変更部材により形状変更された光束を集光する集光光学系とを有することを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】
前記光束形状変更部材は、照明光路に対して挿脱自在に構成された複数のプリズム部材または複数の回折光学素子を有することを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項３】
前記集光光学系は、前記第２多数光源として形成される輪帯状の光源の輪帯比または前記第２多数光源として形成される複数の光源の各々の光量重心の位置を変更するために、倍率が可変な第１の変倍光学系を有することを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学装置。
【請求項４】
前記第１オプティカルインテグレータと前記第２オプティカルインテグレータとの間の光路中には、前記第１オプティカルインテグレータにより形成される第１多数光源からの光束を集光して前記第２オプティカルインテグレータへ導くためのリレー光学系が配置され、
前記リレー光学系は、前記第２多数光源の大きさを変更するために、倍率が可変な第２の変倍光学系を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学装置。
【請求項５】
前記第１の変倍光学系は、無焦点光学系を維持しつつ前記倍率を連続的に変化可能であることを特徴とする請求項３または４に記載の照明光学装置。
【請求項６】
前記集光光学系は、前記光束形状変更部材と前記第１オプティカルインテグレータとを共役に結ぶことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明光学装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学装置と、前記被照射面上に配置されたパターンを感光性基板に投影露光するための投影光学系とを備えていることを特徴とする露光装置。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学装置を用いて、前記被照射面上に配置されたパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光方法。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学装置を用いて、前記被照射面上に配置されたパターンを感光性基板上に露光する露光工程と、
露光された前記感光性基板を現像する現像工程とを備えることを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は照明光学装置および該照明光学装置を備えた露光装置に関し、特に半導体デバイス等をリソグラフィー工程で製造するための露光装置に好適な照明光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の露光装置において、光源から射出された光束はフライアイレンズに入射し、その後側焦点面に多数の光源像からなる二次光源を形成する。二次光源からの光束は、フライアイレンズの後側焦点面の近傍に配置された開口絞りを介して制限された後、コンデンサーレンズに入射する。開口絞りは、所望の照明条件（露光条件）に応じて、二次光源の形状または大きさを所望の形状または大きさに制限する。
【０００３】
コンデンサーレンズにより集光された光束は、所定のパターンが形成されたマスクを重畳的に照明する。マスクのパターンを透過した光は、投影光学系を介してウエハ上に結像する。こうして、ウエハ上には、マスクパターンが投影露光（転写）される。なお、マスクに形成されたパターンは高集積化されており、この微細パターンをウエハ上に正確に転写するにはウエハ上において均一な照度分布を得ることが不可欠である。
【０００４】
近年においては、フライアイレンズの射出側に配置された開口絞りの開口部の大きさを変化させることにより、フライアイレンズにより形成される二次光源の大きさを変化させて、照明のコヒーレンシィσ（σ＝開口絞り径／投影光学系の瞳径）を変化させる技術が注目されている。また、フライアイレンズの射出側に配置された開口絞りの開口部の形状を輪帯状や四つ穴状に設定することにより、フライアイレンズにより形成される二次光源の形状を輪帯状や四つ穴状に制限して、投影光学系の焦点深度や解像力を向上させる技術が注目されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来技術では、二次光源の形状を輪帯状や四つ穴状に制限して変形照明（輪帯変形照明や４極変形照明）を行うために、フライアイレンズにより矩形状に形成された比較的大きな二次光源からの光束を輪帯状や四つ穴状の開口部を有する開口絞りによって制限している。換言すると、従来技術における輪帯変形照明や４極変形照明では、二次光源からの光束の相当部分が開口絞りで遮蔽され、照明（露光）に寄与することがない。その結果、開口絞りにおける光量損失により、マスクおよびウエハ上での照度が低下し、露光装置としてのスループットも低下するという不都合があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、開口絞りにおける光量損失を良好に抑えつつ輪帯照明や４極照明のような変形照明を行うことのできる照明光学装置および該照明光学装置を備えた露光装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の第１発明では、光束を供給するための光源手段と、該光源手段からの光束に基づいて多数の光源からなる第１多数光源を形成するための第１オプティカルインテグレータと、該第１オプティカルインテグレータにより形成される第１多数光源からの光束に基づいてより多数の光源からなる第２多数光源を形成するための第２オプティカルインテグレータと、該第２オプティカルインテグレータにより形成される第２多数光源からの光束を集光して被照射面を照明するためのコンデンサー光学系とを備えた照明光学装置において、
前記第２多数光源として輪帯状の光源または基準光軸から偏心した複数の光源を形成するために、前記光源手段からの光束を前記基準光軸に対してほぼ対称に斜め方向から前記第１オプティカルインテグレータへ入射する光束に変換するための斜め光束形成手段が配置されていることを特徴とする照明光学装置を提供する。
【０００８】
第１発明の好ましい態様によれば、前記斜め光束形成手段は、前記光源手段からの光束を実質的に輪帯状の光束または前記基準光軸に対して偏心した複数の光束に変換するための光束形状変更部材と、該光束形状変更部材により形状変更された光束を前記基準光軸に対してほぼ対称に斜め方向から前記第１オプティカルインテグレータへ重畳的に入射させるために前記光束形状変更部材により形状変更された光束を集光する集光光学系とを有する。この場合、前記光束形状変更部材は、照明光路に対して挿脱自在に構成された複数のプリズム部材または複数の回折光学素子を有することが好ましい。
【０００９】
また、第１発明の好ましい態様によれば、前記集光光学系は、前記第２多数光源として形成される輪帯状の光源の輪帯比または前記第２多数光源として形成される複数の光源の各々の光量重心の位置を変更するために、倍率が可変な第１の変倍光学系を有する。さらに、前記第１オプティカルインテグレータと前記第２オプティカルインテグレータとの間の光路中には、前記第１オプティカルインテグレータにより形成される第１多数光源からの光束を集光して前記第２オプティカルインテグレータへ導くためのリレー光学系が配置され、前記リレー光学系は、前記第２多数光源の大きさを変更するために、倍率が可変な第２の変倍光学系を有することが好ましい。
【００１０】
また、本発明の第２発明では、第１発明の照明光学装置と、前記被照射面上に配置されたマスクのパターンを感光性基板に投影露光するための投影光学系とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。
さらに、第３発明では、第１発明の照明光学装置を用いて、前記被照射面上に配置されたマスクのパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光方法を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明では、光源手段と第１オプティカルインテグレータとの間の光路中に斜め光束形成手段が配置されている。この斜め光束形成手段は、光源手段からの光束を基準光軸に対してほぼ対称に斜め方向から第１オプティカルインテグレータへ入射する光束に変換する。具体的には、斜め光束形成手段は、たとえば円錐プリズムや角錐プリズムのような光束形状変更部材と、たとえばアフォーカル光学系のような集光光学系とから構成されている。
【００１２】
光源手段からの光束は、光束形状変更部材を介して、実質的に輪帯状の光束または基準光軸に対して偏心した複数の光束に変換される。この場合、光束形状変更部材として円錐プリズムを用いると実質的に輪帯状の光束に変換され、角錐プリズムを用いると基準光軸に対して偏心した複数の光束に変換される。なお、円錐プリズムや角錐プリズムに代えて、これと同等の作用を有する回折光学素子を用いることもできる。
【００１３】
光束形状変更部材により形状変更された光束は、集光光学系を介して集光され、基準光軸に対してほぼ対称に斜め方向から第１オプティカルインテグレータへ重畳的に入射する。こうして、第１オプティカルインテグレータにより第１多数光源が形成される。第１多数光源からの光束は、リレー光学系を介して集光され、第２オプティカルインテグレータへ導かれる。その結果、第２オプティカルインテグレータによる第２多数光源すなわち二次光源として、輪帯状の光源または基準光軸から偏心した複数の光源を形成することができる。
【００１４】
ここで、光束形状変更部材として円錐プリズムを用いると輪帯状の光源が形成され、角錐プリズムを用いると基準光軸から偏心した複数の光源が形成される。特に、角錐プリズムとして４角錐プリズム（以下、単に「角錐プリズム」という）を用いると、基準光軸から対称的に偏心した４つの光源からなる二次光源、すなわち４極状の二次光源が形成される。このように第２オプティカルインテグレータにより形成された輪帯状または４極状の二次光源からの光束は、二次光源の大きさおよび形状に応じた開口部を有する開口絞りによって制限された後に被照射面を照明する。
【００１５】
このように、本発明では、光源手段からの光束に基づいて、ほとんど光量損失することなく、輪帯状または４極状の二次光源を形成することができる。その結果、二次光源からの光束を制限する開口絞りにおける光量損失を良好に抑えつつ、輪帯変形照明や４極変形照明を行うことができる。なお、斜め光束形成手段を照明光路から退避させることにより光量損失を良好に抑えつつ通常の円形照明を行うことができることはいうまでもない。
【００１６】
また、本発明では、集光光学系を倍率が可変の変倍光学系として構成し、この変倍光学系の倍率を変化させることにより、第２多数光源として形成される輪帯状の光源の輪帯比または第２多数光源として形成される複数の光源の各々の光量重心の位置を変更することができる。さらに、第１オプティカルインテグレータと第２オプティカルインテグレータとの間の光路中に配置されるリレー光学系を倍率が可変の変倍光学系として構成し、この変倍光学系の倍率を変化させることにより、第２多数光源の大きさを変更することができる。
【００１７】
以上のように、本発明の照明光学装置では、二次光源を制限する開口絞りにおける光量損失を良好に抑えつつ、輪帯変形照明や４極変形照明のような変形照明および通常円形照明を行うことができる。加えて、簡単な変倍操作により、開口絞りでの光量損失を良好に抑えつつ変形照明のパラメータ（制限された二次光源の大きさおよび形状）を変化させることができる。したがって、本発明の照明光学装置を組み込んだ露光装置では、変形照明の種類およびパラメータを適宜変化させて、露光投影すべき微細パターンに適した投影光学系の解像度および焦点深度を得ることができる。その結果、高い露光照度および良好な露光条件のもとで、スループットの高い良好な投影露光を行うことができる。また、本発明の照明光学装置を用いて被照射面上に配置されたマスクのパターンを感光性基板上に露光する露光方法では、良好な露光条件のもとで投影露光を行うことができるので、良好な半導体デバイスを製造することができる。
【００１８】
本発明の実施例を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
図１において、感光性基板であるウエハ１３の法線方向に沿ってＺ軸を、ウエハ面内において図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、ウエハ面内において図１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。
【００１９】
図１の露光装置は、露光光（照明光）を供給するための光源１として、たとえば２４８ｎｍまたは１９３ｎｍの波長の光を供給するエキシマレーザー光源を備えている。光源１からＺ方向に沿って射出されたほぼ平行な光束は、Ｘ方向に沿って細長く延びた矩形状の断面を有し、一対のシリンドリカルレンズ２ａおよび２ｂからなるビームエキスパンダー２に入射する。各シリンドリカルレンズ２ａおよび２ｂは、図１の紙面内（ＹＺ平面内）において負の屈折力および正の屈折力をそれぞれ有し、光軸ＡＸを含んで紙面と直交する面内（ＸＺ平面内）において平行平面板として機能する。したがって、ビームエキスパンダー２に入射した光束は、図１の紙面内において拡大され、所定形状の断面を有する光束、たとえば正方形状の断面を有する光束に整形される。
【００２０】
整形光学系としてのビームエキスパンダー２を介した光束は、折り曲げミラー３でＹ方向に偏向された後、円錐プリズム４に入射する。円錐プリズム４のマスク側の面（図中右側の面）は、光軸ＡＸに垂直な平面状に形成されている。また、円錐プリズム４の光源側の面（図中左側の面）は、光源側に向かって円錐凹面状に形成されている。さらに詳細には、円錐プリズム４の光源側の屈折面は、光軸ＡＸに関して対称な円錐の円錐面（底面を除く側面）に相当している。したがって、円錐プリズム４に入射した光束は、光軸ＡＸを中心として等角度であらゆる方向に沿って偏向された後、アフォーカルズームレンズ５に入射する。このように、円錐プリズム４は、光源手段からの光束を実質的に輪帯状の光束に変換するための光束形状変更部材を構成している。
【００２１】
なお、図１では円錐プリズム４の円錐凹面が光源側を向いているが、円錐凹面がマスク側を向くように円錐プリズム４を配置してもよい。また、円錐プリズム４は、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ他の光束形状変更部材としての角錐プリズム４ａと切り換え可能に構成されている。角錐プリズム４ａの構成および作用については後述する。
また、アフォーカルズームレンズ５は、アフォーカル系（無焦点光学系）を維持しながら所定の範囲で倍率を連続的に変化させることができるように構成されている。
ここで、円錐プリズム４と角錐プリズム４ａとの切り換えおよび照明光路からの退避は、制御系２１からの指令に基づいて動作する光束形状変更部材駆動系２２により行われる。また、アフォーカルズームレンズ５の倍率変化は、制御系２１からの指令に基づいて動作する変倍駆動系２３により行われる。
【００２２】
アフォーカルズームレンズ５に入射した光束は、その瞳面にリング状（円環状）の光源像を形成する。リング状の光源像からの光は、ほぼ平行な光束となってアフォーカルズームレンズ５から射出され、第１オプティカルインテグレータとしての第１フライアイレンズ６に入射する。このとき、第１フライアイレンズ６の入射面には、光軸ＡＸに対してほぼ対称に斜め方向から光束が入射する。換言すると、光軸ＡＸを中心として等角度であらゆる方向に沿って光束が斜め入射する。
第１フライアイレンズ６は、たとえば断面が正方形状で正の屈折力を有する多数のレンズエレメントを光軸ＡＸに沿って縦横配列することによって構成されている。なお、各レンズエレメントの入射側の面は入射側に凸面を向けた球面状に形成され、射出側の面は平面状に形成されている。
【００２３】
したがって、第１フライアイレンズ６に入射した光束は多数のレンズエレメントにより二次元的に分割され、各レンズエレメントの後側焦点面にはそれぞれ１つのリング状の光源像が形成される。第１フライアイレンズ６の後側焦点面に形成された多数のリング状光源像からの光束は、ズームレンズ７を介した後、第２オプティカルインテグレータとしての第２フライアイレンズ８を重畳的に照明する。なお、ズームレンズ７は、所定の範囲で焦点距離を連続的に変化させることのできるリレー光学系であって、第１フライアイレンズ６の後側焦点面と第２フライアイレンズ８の後側焦点面とを光学的にほぼ共役に結んでいる。また、ズームレンズ７は、後側にテレセントリックな光学系を構成している。上述の共役関係およびテレセントリシティを満足するために、ズームレンズ７は、少なくとも３つのレンズ群が独立に移動可能な多群ズームレンズとして構成されている。ズームレンズ７の焦点距離変化は、制御系２１からの指令に基づいて動作する変倍駆動系２４により行われる。
【００２４】
したがって、第２フライアイレンズ８の入射面には、第１フライアイレンズ６の各レンズエレメントの断面形状に相似な正方形状の照野を光軸ＡＸから等距離の位置に無限の数だけ配置した形状の照野、すなわち光軸ＡＸを中心とした輪帯状の照野が形成される。
第２フライアイレンズ８は、第１フライアイレンズ６と同様に、正の屈折力を有する多数のレンズエレメントを光軸ＡＸに沿って縦横配列することによって構成されている。しかしながら、第２フライアイレンズ８を構成する各レンズエレメントは、マスク上において形成すべき照野の形状（ひいてはウエハ上において形成すべき露光領域の形状）と相似な矩形状の断面を有する。また、第２フライアイレンズ８を構成する各レンズエレメントの入射側の面は入射側に凸面を向けた球面状に形成され、射出側の面は射出側に凸面を向けた球面状に形成されている。
【００２５】
したがって、第２フライアイレンズ８に入射した光束は多数のレンズエレメントにより二次元的に分割され、光束が入射した各レンズエレメントの後側焦点面には第１フライアイレンズ６のレンズエレメントの数の多数の光源像がそれぞれ形成される。こうして、第２フライアイレンズ８の後側焦点面には、第２フライアイレンズ８への入射光束によって形成される照野と同じ輪帯状の多数光源（以下、「二次光源」という）が形成される。
第２フライアイレンズ８の後側焦点面に形成された輪帯状の二次光源からの光束は、その近傍に配置された開口絞り９に入射する。この開口絞り９は、光軸ＡＸに平行な所定の軸線回りに回転可能なターレット（回転板：図１では不図示）上に支持されている。
【００２６】
図２は、複数の開口絞りが円周状に配置されたターレットの構成を概略的に示す図である。
図２に示すように、ターレット基板４００には、図中斜線で示す光透過域を有する８つの開口絞りが円周方向に沿って設けられている。ターレット基板４００は、その中心点Ｏを通り光軸ＡＸに平行な軸線回りに回転可能に構成されている。したがって、ターレット基板４００を回転させることにより、８つの開口絞りから選択された１つの開口絞りを照明光路中に位置決めすることができる。なお、ターレット基板４００の回転は、制御系２１からの指令に基づいて動作するターレット駆動系２５により行われる。
【００２７】
ターレット基板４００には、輪帯比の異なる３つの輪帯開口絞り４０１、４０３および４０５が形成されている。ここで、輪帯開口絞り４０１は、ｒ11／ｒ21の輪帯比を有する輪帯状の透過領域を有する。輪帯開口絞り４０３は、ｒ12／ｒ22の輪帯比を有する輪帯状の透過領域を有する。輪帯開口絞り４０５は、ｒ13／ｒ21の輪帯比を有する輪帯状の透過領域を有する。
【００２８】
また、ターレット基板４００には、輪帯比の異なる３つの４極開口絞り４０２、４０４および４０６が形成されている。ここで、４極開口絞り４０２は、ｒ11／ｒ21の輪帯比を有する輪帯状領域内において４つの偏心した円形透過領域を有する。４極開口絞り４０４は、ｒ12／ｒ22の輪帯比を有する輪帯状領域内において４つの偏心した円形透過領域を有する。４極開口絞り４０６は、ｒ13／ｒ21の輪帯比を有する輪帯状領域内において４つの偏心した円形透過領域を有する。
さらに、ターレット基板４００には、大きさ（口径）の異なる２つの円形開口絞り４０７および４０８が形成されている。ここで、円形開口絞り４０７は２ｒ22の大きさの円形透過領域を有し、円形開口絞り４０８は２ｒ21の大きさの円形透過領域を有する。
【００２９】
したがって、３つの輪帯開口絞り４０１、４０３および４０５のうちの１つの輪帯開口絞りを選択して照明光路内に位置決めすることにより、３つの異なる輪帯比を有する輪帯光束を正確に制限（規定）して、輪帯比の異なる３種類の輪帯変形照明を行うことができる。また、３つの４極開口絞り４０２、４０４および４０６のうちの１つの４極開口絞りを選択して照明光路内に位置決めすることにより、３つの異なる輪帯比を有する４つの偏心光束を正確に制限して、輪帯比の異なる３種類の４極変形照明を行うことができる。さらに、２つの円形開口絞り４０７および４０８のうちの１つの円形開口絞りを選択して照明光路内に位置決めすることにより、σ値の異なる２種類の通常円形照明を行うことができる。
【００３０】
図１では、第２フライアイレンズ８の後側焦点面に輪帯状の二次光源が形成されるので、開口絞り９として３つの輪帯開口絞り４０１、４０３および４０５から選択された１つの輪帯開口絞りが用いられている。ただし、図２に示すターレットの構成は例示的であって、配置される開口絞りの種類および数はこれに限定されることはない。また、ターレット方式の開口絞りに限定されることなく、光透過領域の大きさおよび形状を適宜変更することの可能な開口絞りを照明光路内に固定的に取り付けてもよい。
【００３１】
輪帯状の開口部（光透過部）を有する開口絞り９を介した二次光源からの光は、コンデンサー光学系１０の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたマスク１１を重畳的に均一照明する。マスク１１のパターンを透過した光束は、投影光学系１２を介して、感光性基板であるウエハ１３上にマスクパターンの像を形成する。こうして、投影光学系１２の光軸ＡＸと直交する平面（ＸＹ平面）内においてウエハ１３を二次元的に駆動制御しながら一括露光またはスキャン露光を行うことにより、ウエハ１３の各露光領域にはマスク１１のパターンが逐次露光される。
【００３２】
なお、一括露光では、いわゆるステップ・アンド・リピート方式にしたがって、ウエハの各露光領域に対してマスクパターンを一括的に露光する。この場合、マスク１１上での照明領域の形状は正方形に近い矩形状であり、第２オプティカルインテグレータの各レンズエレメントの断面形状も正方形に近い矩形状となる。
一方、スキャン露光では、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式にしたがって、マスクおよびウエハを投影光学系に対して相対移動させながらウエハの各露光領域に対してマスクパターンをスキャン露光する。この場合、マスク１１上での照明領域の形状は短辺と長辺との比がたとえば１：３の矩形状であり、第２オプティカルインテグレータの各レンズエレメントの断面形状もこれと相似な矩形状となる。
【００３３】
図３は、円錐プリズム４から第１フライアイレンズ６の入射面までの構成を概略的に示す図であって、アフォーカルズームレンズ５の作用を説明する図である。
図３（ａ）に示すように、円錐プリズム４により光軸ＡＸを中心として角度αの等角度であらゆる方向に沿って偏向された光束は、倍率ｍ１のアフォーカルズームレンズ５を介した後、第１フライアイレンズ６の入射面に光軸ＡＸを中心として角度θ１の等角度であらゆる方向に沿って斜め入射する。このときに、第１フライアイレンズ６の入射面に形成される照野の大きさはｄ１である。
ここで、図３（ｂ）に示すように、アフォーカルズームレンズ５の倍率をｍ１からｍ２へ変化させると、円錐プリズム４により光軸ＡＸを中心として角度αの等角度であらゆる方向に沿って偏向された光束は、倍率ｍ２のアフォーカルズームレンズ５を介した後、第１フライアイレンズ６の入射面に光軸ＡＸを中心として角度θ２の等角度であらゆる方向に沿って斜め入射する。このときに、第１フライアイレンズ６の入射面に形成される照野の大きさはｄ２である。
【００３４】
ここで、第１フライアイレンズ６の入射面への光束の入射角度θ１およびθ２、並びに第１フライアイレンズ６の入射面に形成される照野の大きさｄ１およびｄ２と、アフォーカルズームレンズ５の倍率ｍ１およびｍ２との間には、次の式（１）および（２）に示す関係が成立する。
θ２＝（ｍ１／ｍ２）・θ１        （１）
ｄ２＝（ｍ２／ｍ１）・ｄ１        （２）
式（１）を参照すると、アフォーカルズームレンズ５の倍率ｍを連続的に変化させることにより、第１フライアイレンズ６の入射面への光束の入射角度θを連続的に変化させることができることがわかる。
【００３５】
図４は、第１フライアイレンズ６から開口絞り９までの構成を概略的に示す図であって、第１フライアイレンズ６の入射面に斜め入射した光束が第２フライアイレンズ８の入射面に輪帯状の照野を形成する様子を示す図である。
図４（ａ）において実線で示すように、第１フライアイレンズ６の入射面に対して所定の方向から所定の角度で斜め入射した光束は、各レンズエレメントを介して結像した後も角度を保持しながらズームレンズ７へ斜め入射し、第２フライアイレンズ８の入射面において光軸ＡＸから所定の距離だけ偏心した位置に所定の幅を有する照野を形成する。
【００３６】
実際には、図４（ａ）において破線で示すように、第１フライアイレンズ６の入射面には光軸ＡＸに対してほぼ対称に斜め方向から光束が入射する。換言すると、光軸ＡＸを中心として等角度であらゆる方向に沿って光束が斜め入射する。したがって、第２フライアイレンズ８の入射面には、図４（ｂ）に示すように、光軸ＡＸを中心とした輪帯状の照野が形成されることになる。また、第２フライアイレンズ８の後側焦点面には、入射面に形成された照野と同じ輪帯状の二次光源が形成されることになる。一方、上述したように、第２フライアイレンズ８の後側焦点面の近傍に配置された輪帯開口絞り９には、輪帯状の二次光源に対応する輪帯状の開口部（図４（ｃ）中白抜きの部分）が形成されている。
こうして、光束形状変更部材として円錐プリズム４を用いる場合、光源１からの光束に基づいてほとんど光量損失することなく輪帯状の二次光源を形成することができ、その結果二次光源からの光束を制限する開口絞り９においてほとんど光量損失することなく輪帯変形照明を行うことができる。
【００３７】
図５は、円錐プリズム４から第２フライアイレンズ８の入射面までの構成を概略的に示す図であって、アフォーカルズームレンズ５の倍率およびズームレンズ７の焦点距離と第２フライアイレンズ８の入射面に形成される輪帯状の照野の大きさおよび形状との関係を説明する図である。
図５において、円錐プリズム４から光軸ＡＸを中心として角度αで射出された光束の中心光線は、倍率ｍのアフォーカルズームレンズ５を介した後、光軸ＡＸに対して角度θで第１フライアイレンズ６に入射する。第１フライアイレンズ６は、サイズがａで焦点距離がｆ１のレンズエレメントから構成されている。第１フライアイレンズ６のレンズエレメントから角度θで射出された中心光線は、焦点距離ｆｒのズームレンズ７を介して第２フライアイレンズ８の入射面に達する。このとき、第２フライアイレンズ８の入射面における光束の入射範囲は、光軸ＡＸからｙの高さを中心として幅ｂを有する範囲となる。すなわち、図４（ｂ）に示すように、第２フライアイレンズ８の入射面に形成される照野、ひいては第２フライアイレンズ８の後側焦点面に形成される二次光源は、光軸ＡＸからの高さｙを有し且つ幅ｂを有することになる。
【００３８】
ここで、円錐プリズム４からの射出角度αと第１フライアイレンズ６への入射角度θとの間には、次の式（３）で示す関係が成立する。
θ＝（１／ｍ）・α        （３）
また、輪帯状の二次光源の高さｙおよびその幅ｂは、次の式（４）および（５）でそれぞれ表される。
ｙ＝ｆｒ・ sinθ        （４）
ｂ＝（ｆｒ／ｆ１）・ａ          （５）
【００３９】
したがって、輪帯状の二次光源の内径φi と外径φo との比で規定される輪帯比Ａは、次の式（６）で表される。
【数１】
0004051473.tif 000002
また、輪帯状の二次光源の外径φo は、次の式（７）で表される。
φo ＝２ｙ＋ｂ＝ｆｒ｛２ sin( α／ｍ）＋ａ／ｆ１｝    （７）
【００４０】
式（７）を変形すると、次の式（８）に示す関係が得られる。
ｆｒ＝φo ／｛２ sin( α／ｍ）＋ａ／ｆ１｝      （８）
こうして、式（３）および（４）を参照すると、ズームレンズ７の焦点距離ｆｒが変化することなくアフォーカルズームレンズ５の倍率ｍだけが変化すると、輪帯状の二次光源の幅ｂが変化することなくその高さｙだけが変化することがわかる。すなわち、アフォーカルズームレンズ５の倍率ｍだけを変化させることにより、輪帯状の二次光源の幅ｂを変化させることなくその大きさ（外径φo ）およびその形状（輪帯比Ａ）をともに変更することができる。
【００４１】
また、式（４）および（５）を参照すると、アフォーカルズームレンズ５の倍率ｍが変化することなくズームレンズ７の焦点距離ｆｒだけが変化すると、輪帯状の二次光源の幅ｂおよびその高さｙがともに焦点距離ｆｒに比例して変化することがわかる。すなわち、ズームレンズ７の焦点距離ｆｒだけを変化させることにより、輪帯状の二次光源の形状（輪帯比Ａ）を変化させることなくその大きさ（外径φo ）だけを変更することができる。
さらに、式（６）および（８）を参照すると、一定の大きさの外径φo に対して式（８）の関係を満たすようにアフォーカルズームレンズ５の倍率ｍとズームレンズ７の焦点距離ｆｒとを変化させることにより、輪帯状の二次光源の大きさ（外径φo ）を変化させることなくその形状（輪帯比Ａ）だけを変更することができることがわかる。
【００４２】
以下、具体的な数値例にしたがって、輪帯状の二次光源の大きさ（外径φo ）を変化させることなくその形状（輪帯比Ａ）だけを変更する場合のアフォーカルズームレンズ５の倍率ｍとズームレンズ７の焦点距離ｆｒとの変化について説明する。
この第１数値例では、円錐プリズム４による偏向角度αを７度とし、第１フライアイレンズ６の各レンズエレメントのサイズａを２．５ｍｍとし、各レンズエレメントの焦点距離ｆ１を５０ｍｍとしている。そして、輪帯状の二次光源の外径φo を９６ｍｍで一定に保持しながらその輪帯比Ａを約０．２４〜約０．９５まで変化させるのに必要なアフォーカルズームレンズ５の倍率ｍおよびズームレンズ７の焦点距離ｆｒをそれぞれ求めている。次の表（１）には、第１数値例におけるアフォーカルズームレンズ５の倍率ｍと、輪帯状の二次光源の輪帯比Ａと、ズームレンズ７の焦点距離ｆｒとの対応関係を示している。
【００４３】
【表１】
0004051473.tif 000003
0004051473.tif 000004
【００４４】
表（１）を参照すると、第１数値例では、輪帯比Ａを約０．５から約０．６９まで変化させるには、アフォーカルズームレンズ５の倍率ｍを約０．９から約１．６まで変化させるとともに、ズームレンズ７の焦点距離ｆｒを約４７４ｍｍから約３００ｍｍまでさせればよいことがわかる。
前述したように、円錐プリズム４は、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ角錐プリズム４ａと切り換え可能に構成されている。以下、円錐プリズム４に代えて角錐プリズム４ａを照明光路中に設定した場合、および円錐プリズム４を照明光路から退避させた場合について説明する。
【００４５】
角錐プリズム４ａでは、マスク側の面が光軸ＡＸに垂直な平面状に形成されている。また、角錐プリズム４ａの光源側の面は、４つの屈折面からなり、光源側に向かって全体的に角錐凹面状に形成されている。さらに詳細には、４つの屈折面は、光軸ＡＸ上の一点を頂点し且つＸ軸およびＺ軸に沿って４つの稜線を有する正四角錐の角錐面（底面を除く側面）に相当している。すなわち、４つの屈折面は、光軸ＡＸに関して対称な正四角錐の角錐面に相当している。なお、円錐プリズム４の場合と同様に、角錐凹面がマスク側を向くように角錐プリズム４ａを配置してもよい。
【００４６】
したがって、制御系２１の指令に基づいて光束形状変更部材駆動系２２の作用により円錐プリズム４に代えて角錐プリズム４ａを照明光路中に位置決めした場合、角錐プリズム４ａに入射した光束は、光軸ＡＸを中心として等角度で特定の４つの方向に沿って偏向された後、アフォーカルズームレンズ５に入射する。このように、角錐プリズム４ａは、光源１からの光束を光軸ＡＸに対して偏心した４つの光束に変換するための光束形状変更部材を構成している。アフォーカルズームレンズ５に入射した光束は、その瞳面に４つの点状の光源像を形成する。この場合、４つの点状の光源像を結ぶ四角形は、光軸ＡＸを中心としてＸ軸およびＺ軸に平行な辺を有する正方形となる。４つの点状光源像からの光は、ほぼ平行な光束となってアフォーカルズームレンズ５から射出され、第１フライアイレンズ６に入射する。ここで、第１フライアイレンズ６の入射面には、光軸ＡＸに対してほぼ対称に斜め方向から光束が入射する。さらに詳細には、光軸ＡＸを中心として等角度で特定の４つの方向に沿って光束が斜め入射する。
【００４７】
したがって、第１フライアイレンズ６の各レンズエレメントの後側焦点面にはそれぞれ４つの点状の光源像が形成される。第１フライアイレンズ６の後側焦点面に形成された多数の点状光源像からの光束は、ズームレンズ７を介した後、第２フライアイレンズ８を重畳的に照明する。したがって、第２フライアイレンズ８の入射面には、第１フライアイレンズ６の各レンズエレメントの断面形状に相似な正方形状の照野を光軸ＡＸから４つの対称放射方向に沿って等距離だけ偏心（平行移動）した４つの照野、すなわち光軸ＡＸを中心とした４極状の照野が形成される。その結果、第２フライアイレンズ８の後側焦点面にも、図６（ａ）に示すように、入射面に形成された照野と同じ４極状の二次光源（図６（ａ）中斜線で示す部分）が形成される。
【００４８】
なお、円錐プリズム４から角錐プリズム４ａへの切り換えに対応して、輪帯開口絞り９から開口絞り９ａへの切り換えが行われる。開口絞り９ａは、３つの４極開口絞り４０２、４０４および４０６から選択された１つの４極開口絞りである。４極開口絞り９ａには、図６（ｂ）に示すように、４極状の二次光源を構成する４つの正方形状の光源にほぼ内接するような大きさを有する４つの円形開口部（図６（ｂ）中白抜きで示す部分）が形成されている。また、開口絞り９ａとして、図６（ｃ）に示すような１／４円状の４つの開口部（図６（ｃ）中白抜きで示す部分）を有する４極開口絞りを用いることもできる。
このように、光束形状変更部材として角錐プリズム４ａを用いる場合も、光源１からの光束に基づいてほとんど光量損失することなく４極状の二次光源を形成することができ、その結果二次光源からの光束を制限する開口絞り９ａにおける光量損失を良好に抑えつつ４極変形照明を行うことができる。
【００４９】
そして、アフォーカルズームレンズ５の倍率ｍだけを変化させることにより、４極状の二次光源を構成する４つの正方形状の光源の光量重心の位置を変更することができる。換言すると、４極状の二次光源の幅を変化させることなくその大きさおよびその形状をともに変更することができる。ここで、図６（ａ）において破線で示すように、４極状の二次光源の大きさおよび形状を輪帯状の二次光源と同様に定義することができる。すなわち、４極状の二次光源を構成する４つの正方形状の光源に内接する４つの円を想定する。そして、４つの円が外接する小円の直径φi と４つの円が内接する大円の直径φo との比率φi ／φo に基づいて４極状の二次光源の形状すなわち輪帯比を規定し、大円の直径φo に基づいて４極状の二次光源の大きさを規定することができる。この場合、４極状の二次光源の幅ｂは、大円の直径φo と小円の直径φi との差の１／２として規定される。
また、ズームレンズ７の焦点距離ｆｒだけを変化させることにより、４極状の二次光源の形状（輪帯比）を変化させることなくその大きさだけを変更することができる。さらに、所定の関係を満たすようにアフォーカルズームレンズ５の倍率ｍとズームレンズ７の焦点距離ｆｒとを変化させることにより、４極状の二次光源の大きさを変化させることなくその形状だけを変更することができる。
【００５０】
一方、円錐プリズム４を照明光路から退避させた場合、アフォーカルズームレンズ５には光軸ＡＸに沿って正方形状の断面を有する光束が入射する。アフォーカルズームレンズ５に入射した光束は、その倍率に応じて拡大または縮小され、正方形状の断面を有する光束のまま光軸ＡＸに沿ってアフォーカルズームレンズ５から射出され、第１フライアイレンズ６に入射する。したがって、第１フライアイレンズ６の各レンズエレメントの後側焦点面にはそれぞれ１つの点状の光源像が形成される。また、第２フライアイレンズ８の入射面には、第１フライアイレンズ６の各レンズエレメントの断面形状に相似な正方形状の照野が光軸ＡＸを中心として形成される。その結果、第２フライアイレンズ８の後側焦点面にも、光軸ＡＸを中心とした正方形状の二次光源が形成される。
【００５１】
なお、円錐プリズム４の照明光路からの退避に対応して、輪帯開口絞り９から円形開口絞り９ｂへの切り換えが行われる。円形開口絞り９ｂは、２つの円形開口絞り４０７および４０８から選択された１つの円形開口絞りであり、正方形状の二次光源にほぼ内接するような大きさの開口部を有する。
このように、円錐プリズム４を照明光路から退避させることにより、光源１からの光束に基づいてほとんど光量損失することなく正方形状の二次光源を形成し、二次光源からの光束を制限する開口絞りにおける光量損失を良好に抑えつつ通常円形照明を行うことができる。
この場合、アフォーカルズームレンズ５の倍率ｍまたはズームレンズ７の焦点距離ｆｒを変化させることにより、正方形状の二次光源の大きさを適宜変更することができる。
【００５２】
以下、第１実施例における光束形状変更部材および開口絞りの切り換え動作などについて具体的に説明する。
まず、ステップ・アンド・リピート方式またはステップ・アンド・スキャン方式にしたがって順次露光すべき各種のマスクに関する情報などが、キーボードなどの入力手段２０を介して制御系２１に入力される。制御系２１は、各種のマスクに関する最適な線幅（解像度）、焦点深度等の情報を内部のメモリー部に記憶しており、入力手段２０からの入力に応答して光束形状変更部材駆動系２２、変倍駆動系２３、変倍駆動系２４およびターレット駆動系２５に適当な制御信号を供給する。
【００５３】
すなわち、最適な解像度および焦点深度のもとで輪帯変形照明する場合、光束形状変更部材駆動系２２は制御系２１からの指令に基づいて円錐プリズム４を照明光路中に位置決めする。そして、第２フライアイレンズ８の後側焦点面において所望の大きさおよび輪帯比を有する輪帯状の二次光源を得るために、変倍駆動系２３は制御系２１からの指令に基づいてアフォーカルズームレンズ５の倍率を設定し、変倍駆動系２４は制御系２１からの指令に基づいてズームレンズ７の焦点距離を設定する。また、光量損失を良好に抑えた状態で輪帯状の二次光源を制限するために、ターレット駆動系２５は制御系２１からの指令に基づいてターレットを回転させ、所望の輪帯開口絞りを照明光路中に位置決めする。
こうして、光源１からの光束に基づいてほとんど光量損失することなく輪帯状の二次光源を形成することができ、その結果二次光源からの光束を制限する開口絞りにおいてほとんど光量損失することなく輪帯変形照明を行うことができる。
【００５４】
さらに、必要に応じて、変倍駆動系２３によりアフォーカルズームレンズ５の倍率を変化させたり、変倍駆動系２４によりズームレンズ７の焦点距離を変化させることにより、第２フライアイレンズ８の後側焦点面に形成される輪帯状の二次光源の大きさおよび輪帯比を適宜変更することができる。この場合、輪帯状の二次光源の大きさおよび輪帯比の変化に応じてターレットが回転し、所望の大きさおよび輪帯比を有する輪帯開口絞りが選択されて照明光路中に位置決めされる。
こうして、輪帯状の二次光源の形成およびその制限においてほとんど光量損失することなく、輪帯状の二次光源の大きさおよび輪帯比を適宜変化させて多様な輪帯変形照明を行うことができる。
【００５５】
また、最適な解像度および焦点深度のもとで４極変形照明する場合、光束形状変更部材駆動系２２は制御系２１からの指令に基づいて角錐プリズム４ａを照明光路中に位置決めする。そして、第２フライアイレンズ８の後側焦点面において所望の大きさおよび形状（輪帯比）を有する４極状の二次光源を得るために、変倍駆動系２３は制御系２１からの指令に基づいてアフォーカルズームレンズ５の倍率を設定し、変倍駆動系２４は制御系２１からの指令に基づいてズームレンズ７の焦点距離を設定する。また、光量損失を良好に抑えた状態で４極状の二次光源を制限するために、ターレット駆動系２５は制御系２１からの指令に基づいてターレットを回転させ、所望の４極開口絞りを照明光路中に位置決めする。
こうして、光源１からの光束に基づいてほとんど光量損失することなく４極状の二次光源を形成することができ、その結果二次光源からの光束を制限する開口絞りにおいて光量損失を良好に抑えつつ４極変形照明を行うことができる。
【００５６】
さらに、必要に応じて、変倍駆動系２３によりアフォーカルズームレンズ５の倍率を変化させたり、変倍駆動系２４によりズームレンズ７の焦点距離を変化させることにより、第２フライアイレンズ８の後側焦点面に形成される４極状の二次光源の大きさおよび形状を適宜変更することができる。この場合、４極状の二次光源の大きさおよび形状の変化に応じてターレットが回転し、所望の大きさおよび形状を有する４極開口絞りが選択されて照明光路中に位置決めされる。
こうして、４極状の二次光源の形成およびその制限において光量損失を良好に抑えた状態で、４極状の二次光源の大きさおよび形状を適宜変化させて多様な４極変形照明を行うことができる。
【００５７】
さらに、最適な解像度および焦点深度のもとで通常の円形照明をする場合、光束形状変更部材駆動系２２は制御系２１からの指令に基づいて円錐プリズム４または角錐プリズム４ａを照明光路から退避させる。そして、第２フライアイレンズ８の後側焦点面において所望の大きさを有する正方形状の二次光源を得るために、変倍駆動系２３が制御系２１からの指令に基づいてアフォーカルズームレンズ５の倍率を設定するか、あるいは変倍駆動系２４が制御系２１からの指令に基づいてズームレンズ７の焦点距離を設定する。また、光量損失を良好に抑えた状態で正方形状の二次光源を制限するために、ターレット駆動系２５は制御系２１からの指令に基づいてターレットを回転させ、所望の円形開口絞りを照明光路中に位置決めする。
こうして、光源１からの光束に基づいてほとんど光量損失することなく形成された二次光源からの光束を制限する開口絞りにおいて光量損失を良好に抑えつつ通常円形照明を行うことができる。
【００５８】
さらに、必要に応じて、変倍駆動系２３によりアフォーカルズームレンズ５の倍率を変化させたり、変倍駆動系２４によりズームレンズ７の焦点距離を変化させることにより、第２フライアイレンズ８の後側焦点面に形成される正方形状の二次光源の大きさを適宜変更することができる。この場合、正方形状の二次光源の大きさの変化に応じてターレットが回転し、所望の大きさの開口部を有する円形開口絞りが選択されて照明光路中に位置決めされる。
こうして、正方形状の二次光源の形成およびその制限において光量損失を良好に抑えつつ、σ値を適宜変化させて多様な通常円形照明を行うことができる。
【００５９】
図７は、本発明の第２実施例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。また、図８および図９は、第２実施例における回折光学素子の作用を具体的に説明する図である。ただし、以下の実施例および変形例に関する図（図７、図１１および図１２）において、入力手段２０、制御系２１、光束形状変更部材駆動系２２、変倍駆動系２３および２４、並びにターレット駆動系２５（図１２では存在しない）の図示を省略している。
第２実施例は、第１実施例と類似の構成を有する。しかしながら、第１実施例では光束形状変更部材として円錐プリズムや角錐プリズムを用いているが、第２実施例では光束形状変更部材として回折光学素子を用いていることだけが基本的に相違している。したがって、図７において、第１実施例の構成要素と同様の機能を有する要素には図１と同じ参照符号を付している。以下、第１実施例との相違点に着目して第２実施例を説明する。
【００６０】
第２実施例において、整形光学系としてのビームエキスパンダー２を介した光束は、折り曲げミラー３でＹ方向に偏向された後、回折光学素子４ｂに入射する。回折光学素子４ｂは、ガラス基板に露光光（照明光）の波長程度のピッチを有する段差を形成することによって構成され、入射ビームを所望の角度に回折する作用を有する。具体的には、図８（ａ）に示すように、回折光学素子４ｂに光軸ＡＸに沿って垂直入射した細いビームは、光軸ＡＸを中心として等角度であらゆる方向に沿って回折され、リング状のビームとなる。したがって、この回折光学素子４ｂに光軸ＡＸに沿って正方形断面の平行ビームが入射すると、図８（ｂ）に示すように輪帯状のビームとなる。このように、回折光学素子４ｂは、光源１からの光束を実質的に輪帯状の光束に変換するための光束形状変更部材を構成している。
【００６１】
すなわち、回折光学素子４ｂは、光軸ＡＸに沿って垂直入射したビームを光軸ＡＸを中心として等角度であらゆる方向に沿って偏向させるという点で第１実施例における円錐プリズム４と同等の作用をする。しかしながら、第１実施例における円錐プリズム４では入射光束の全体を光軸ＡＸを中心として等角度であらゆる方向に沿って偏向させるのに対し、第２実施例の回折光学素子４ｂでは入射光束を構成する各ビームをその入射軸線（光軸ＡＸに平行）を中心として等角度であらゆる方向に沿って偏向させる。したがって、第２実施例では、アフォーカルズームレンズ５は、回折光学素子４ｂと第１フライアイレンズ６の入射面とを光学的にほぼ共役に結ぶように構成されている。
【００６２】
こうして、第２実施例においても第１実施例と同様に、アフォーカルズームレンズ５の瞳面には、リング状の光源像が形成される。そして、アフォーカルズームレンズ５から射出されたほぼ平行な光束は、第１フライアイレンズ６の入射面に光軸ＡＸを中心として等角度であらゆる方向に沿って斜め入射する。その結果、第２フライアイレンズ８の後側焦点面には、光源１からの光束に基づいて、ほとんど光量損失することなく輪帯状の二次光源が形成される。また、第２フライアイレンズ８の後側焦点面の近傍に配置された開口絞り９においても光量損失はほとんど発生しない。さらに、アフォーカルズームレンズ５の倍率ｍやズームレンズ７の焦点距離ｆｒを適宜変化させることにより、輪帯状の二次光源の大きさや形状（輪帯比）を変更することができる点は第１実施例と同様である。
【００６３】
なお、第２実施例では、回折光学素子４ｂは、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ他の回折光学素子４ｃと切り換え可能に構成されている。回折光学素子４ｂを照明光路から退避させた場合、第１実施例において円錐プリズムや角錐プリズムを退避させた場合と同様に通常の円形照明を行うことができる。以下、回折光学素子４ｂに代えて回折光学素子４ｃを照明光路中に設定した場合について説明する。
【００６４】
光束形状変更部材として回折光学素子４ｃを用いる場合、図９（ａ）に示すように、光軸ＡＸに沿って垂直入射した細いビームは光軸ＡＸを中心として等角度で特定の４つの方向に沿って回折され、４つの細いビームとなる。したがって、この回折光学素子４ｂに光軸ＡＸに沿って正方形断面の平行ビームが入射すると、図９（ｂ）に示すように４極状のビームとなる。このように、回折光学素子４ｃは、光源１からの光束を光軸ＡＸに対して偏心した４つの光束に変換するための光束形状変更部材を構成している。したがって、アフォーカルズームレンズ５の瞳面には、第１実施例で角錐プリズム４ａを用いた場合と同様に、４つの点状の光源像が形成される。
【００６５】
そして、アフォーカルズームレンズ５から射出されたほぼ平行な光束は、第１フライアイレンズ６の入射面に光軸ＡＸを中心として等角度で特定の４つの方向に沿って斜め入射する。その結果、第２フライアイレンズ８の後側焦点面には、光源１からの光束に基づいて、ほとんど光量損失することなく４極状の二次光源が形成される。また、この４極状の二次光源は、第２フライアイレンズ８の後側焦点面の近傍に配置された開口絞り９ａによって光量損失を良好に抑えつつ制限される。さらに、アフォーカルズームレンズ５の倍率ｍやズームレンズ７の焦点距離ｆｒを適宜変化させることにより、４極状の二次光源の大きさや形状を変更することができる。
【００６６】
図１０は、第２実施例の第１変形例にかかる照明光学装置の要部構成を概略的に示す図であって、（ｂ）は（ａ）の状態よりもアフォーカルズームレンズ５の倍率を拡大した状態を示している。
第１変形例では、第１オプティカルインテグレータとしてマイクロレンズアレイを用いている点だけが第２実施例と相違しており、他の構成は第２実施例と同じである。
【００６７】
図１０に示す第１変形例では、第１フライアイレンズ６に代えてマイクロレンズアレイ６ａを用いている。マイクロレンズアレイ６ａは、縦横に配列された多数のマイクロレンズ（微小レンズ）からなる光学素子であり、たとえば平行平面ガラス板にエッチング処理を施して微小レンズ群を形成することによって構成される。したがって、各マイクロレンズはフライアイレンズを構成する各レンズエレメントよりも微小であるが、正屈折力を有するレンズエレメントが縦横に配置されている点でフライアイレンズと同じである。したがって、マイクロレンズアレイ６ａは、第１フライアイレンズ６と同様の作用を奏する。
【００６８】
以下、回折光学素子４ｂおよびマイクロレンズアレイ６ａを用いた第１変形例において、輪帯状の二次光源の大きさ（外径φo ）を変化させることなくその形状（輪帯比Ａ）だけを変更する場合のアフォーカルズームレンズ５の倍率ｍとズームレンズ７の焦点距離ｆｒとの変化について具体的な数値例にしたがって説明する。
この第２数値例では、回折光学素子４ｂによる回折角度（偏向角度）αを７度とし、マイクロレンズアレイ６ａの各マイクロレンズのサイズａを０．５ｍｍとし、各マイクロレンズの焦点距離ｆ１を１０ｍｍとしている。そして、輪帯状の二次光源の外径φo を９６ｍｍで一定に保持しながらその輪帯比Ａを約０．２４〜約０．９５まで変化させるのに必要なアフォーカルズームレンズ５の倍率ｍおよびズームレンズ７の焦点距離ｆｒをそれぞれ求めている。次の表（２）には、第２数値例におけるアフォーカルズームレンズ５の倍率ｍと、輪帯状の二次光源の輪帯比Ａと、ズームレンズ７の焦点距離ｆｒとの対応関係を示している。
【００６９】
【表２】
0004051473.tif 000005
0004051473.tif 000006
【００７０】
表（１）と表（２）とを比較参照すると、アフォーカルズームレンズ５の倍率ｍと輪帯比Ａとズームレンズ７の焦点距離ｆｒとの対応関係が第１数値例と第２数値例とで一致していることがわかる。これは、第１フライアイレンズ６に代えてマイクロレンズアレイ６ａを用いる場合、各マイクロレンズのサイズａおよび焦点距離ｆ１を適当に設定することにより、第１フライアイレンズ６と数値的にも同等の作用を発揮させることが可能をあることを示している。
【００７１】
図１１は、第２実施例の第２変形例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
第２変形例では、アフォーカルズームレンズ５を取り除き回折光学素子４ｂと第１フライアイレンズ６の入射面とを近接配置している点だけが第２実施例と相違しており、他の構成は第２実施例と同じである。したがって、図１１において、第２実施例の構成要素と同様の機能を有する要素には図７と同じ参照符号を付している。以下、第２実施例との相違点に着目して第２変形例を説明する。
【００７２】
前述したように、第２実施例において、アフォーカルズームレンズ５は、回折光学素子４ｂと第１フライアイレンズ６の入射面とを光学的にほぼ共役に結んでおり、第１フライアイレンズ６の入射面への入射光束の角度を変化させる機能を有する。したがって、アフォーカルズームレンズ５を照明光路から取り除いて、回折光学素子４ｂと第１フライアイレンズ６の入射面とを近接配置しても、第１フライアイレンズ６の入射面への入射光束の角度が回折光学素子４ｂの回折角度によって固定的に規定されるだけである。したがって、第２変形例では、ズームレンズ７の焦点距離を変化させることによって、第２フライアイレンズ８の後側焦点面に形成される輪帯状の二次光源の大きさを変更することはできるが、その輪帯比を変更することはできない。
【００７３】
図１２は、本発明の第３実施例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
第３実施例は、第１実施例と類似の構成を有する。しかしながら、第１実施例では第２オプティカルインテグレータとしてフライアイレンズを用いているが、第２実施例では第２オプティカルインテグレータとしてロッド型のオプティカルインテグレータ（以下、単に「ロッド型インテグレータ」という）を用いていることだけが基本的に相違している。したがって、図１２において、第１実施例の構成要素と同様の機能を有する要素には図１と同じ参照符号を付している。以下、第１実施例との相違点に着目して第３実施例を説明する。
【００７４】
第３実施例では、第２フライアイレンズ８に代えてロッド型インテグレータ８ａを用いることに対応して、ズームレンズ７とロッド型インテグレータ８ａとの間の光路中にコンデンサーレンズ７ａを付設し、コンデンサー光学系１０に代えて結像光学系１０ａを設置するとともに、二次光源の制限のための開口絞りを取り除いている。ここで、ズームレンズ７とコンデンサーレンズ７ａとからなる合成光学系は、第１フライアイレンズ６の後側焦点面とロッド型インテグレータ８ａの入射面とを光学的にほぼ共役に結んでいる。また、結像光学系１０ａは、ロッド型インテグレータ８ａの射出面とマスク１１とを光学的にほぼ共役に結んでいる。
【００７５】
ロッド型インテグレータ８ａは、石英ガラスや蛍石のような硝子材料からなる内面反射型のガラスロッドであり、内部と外部との境界面すなわち内面での全反射を利用して集光点を通りロッド入射面に平行な面に沿って内面反射数に応じた数の光源像を形成する。ここで、形成される光源像のほとんどは虚像であるが、中心（集光点）の光源像のみが実像となる。すなわち、ロッド型インテグレータ８ａに入射した光束は、内面反射により角度方向に分割され、集光点を通りその入射面に平行な面に沿って多数の光源像からなる二次光源が形成される。第３実施例の場合、光束形状変更部材として円錐プリズム４が用いられているときには輪帯状の二次光源が形成され、角錐プリズム４ａが用いられているときには４極状の二次光源が形成される。
【００７６】
ロッド型インテグレータ８ａによりその入射側に形成された二次光源からの光束は、その射出面において重畳された後、結像光学系１０ａを介して所定のパターンが形成されたマスク１１を均一照明する。上述したように、結像光学系１０ａは、ロッド型インテグレータ８ａの射出面とマスク１１（ひいてはウエハ１３）とを光学的にほぼ共役に結んでいる。したがって、マスク１１上には、ロッド型インテグレータ８ａの断面形状と相似な矩形状の照野が形成される。
【００７７】
このように、第３実施例においても第１実施例と同様に光量損失を良好に抑えつつ、光束形状変更部材として円錐プリズム４を用いることにより輪帯変形照明を行うことができ、光束形状変更部材として角錐プリズム４ａを用いることにより４極変形照明を行うことができ、光束形状変更部材を照明光路から退避させることにより通常の円形照明を行うことができる。また、アフォーカルズームレンズ５の倍率ｍやズームレンズ７の焦点距離ｆｒを適宜変化させることにより、二次光源の大きさや形状を変更することができる。
【００７８】
以上のように、上述の実施例および変形例では、二次光源を制限するための開口絞りにおける光量損失を良好に抑えつつ、輪帯変形照明や４極変形照明のような変形照明および通常円形照明を行うことができる。加えて、簡単な変倍操作により、開口絞りでの光量損失を良好に抑えつつ変形照明のパラメータを変化させることができる。したがって、変形照明の種類およびパラメータを適宜変化させて、露光投影すべき微細パターンに適した投影光学系の解像度および焦点深度を得ることができる。その結果、高い露光照度および良好な露光条件のもとで、スループットの高い良好な投影露光を行うことができる。
【００７９】
各実施例および変形例の露光装置による露光の工程（フォトリソグラフィ工程）を経たウエハは、現像する工程を経てから、現像したレジスト以外の部分を除去するエッチングの工程、エッチングの工程後の不要なレジストを除去するレジスト除去の工程等を経てウエハプロセスが終了する。そして、ウエハプロセスが終了すると、実際の組立工程にて、焼き付けられた回路毎にウエハを切断してチップ化するダイシング、各チップに配線等を付与するボンディング、各チップ毎にパッケージングするパッケージング等の各工程を経て、最終的にデバイスとしての半導体装置（ＬＳＩ等）が製造される。
【００８０】
なお、以上の説明では、投影露光装置を用いたウエハプロセスでのフォトリソグラフィ工程により半導体素子を製造する例を示したが、露光装置を用いたフォトリソグラフィ工程によって、半導体デバイスとして、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ等）を製造することができる。
こうして、本発明の照明光学装置を用いて半導体デバイスを製造する露光方法の場合、良好な露光条件のもとで投影露光を行うことができるので、良好な半導体デバイスを製造することができる。
【００８１】
なお、上述の実施例および変形例において円形開口照明を行うにあたっては、光束形状変更部材を照明光路中から退避させることが望ましい。光束形状変更部材（４、４ａ、４ｂ）を退避させることにより、特開昭５８−１４７７０８号公報に記載されているような、いわゆるダブルフライアイシステムの構成とすることができる。
この際、図１、図７および図１２に例示したような構成の装置においては、アフォーカルズームレンズ５を同時に退避させてもよい。また、図１１に例示したような構成の装置においては、第１フライアイレンズ６を同時に退避させ、かわりに照明条件に対して適切な別のフライアイレンズを第１フライアイレンズとして照明光路中に挿入してもよい。
また、上述の実施例および変形例では、円錐プリズムとして円錐凹面を有するプリズムを用いているが、円錐凸面を有するプリズムを用いることもできる。角錐プリズムについても同様に、角錐凸面を有するプリズムを用いることもできる。
【００８２】
また、上述の実施例および変形例では、照明光学装置を備えた投影露光装置を例にとって本発明を説明したが、マスク以外の被照射面を均一照明するための一般的な照明光学装置に本発明を適用することができることは明らかである。
さらに、以上の実施例および変形例では、２４８ｎｍの波長光を供給するＫｒＦエキシマレーザや１９３ｎｍの波長光を供給するＡｒＦエキシマレーザ等を光源として用いた例を示したが、これ以外の光源を備えた装置にも本発明を適用できることは言うまでもない。例えば、１５７ｎｍの波長光を供給するＦ2 レーザ等のレーザ光源、あるいは所定の波長の光を供給するレーザ光源とそのレーザ光源からの光を２００ｎｍ以下の短波長の光に変換する非線型光学素子との組合せ等からなる光源ユニット等を本発明の光源手段として用いることも可能である。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の照明光学装置では、二次光源を制限するための開口絞りにおける光量損失を良好に抑えつつ、輪帯変形照明や４極変形照明のような変形照明および通常円形照明を行うことができる。加えて、簡単な変倍操作により、開口絞りでの光量損失を良好に抑えつつ変形照明のパラメータを変化させることができる。
【００８４】
したがって、本発明の照明光学装置を組み込んだ露光装置では、変形照明の種類およびパラメータを適宜変化させて、露光投影すべき微細パターンに適した投影光学系の解像度および焦点深度を得ることができる。その結果、高い露光照度および良好な露光条件のもとで、スループットの高い良好な投影露光を行うことができる。また、本発明の照明光学装置を用いて被照射面上に配置されたマスクのパターンを感光性基板上に露光する露光方法では、良好な露光条件のもとで投影露光を行うことができるので、良好な半導体デバイスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】複数の開口絞りが円周状に配置されたターレットの構成を概略的に示す図である。
【図３】円錐プリズム４から第１フライアイレンズ６の入射面までの構成を概略的に示す図であって、アフォーカルズームレンズ５の作用を説明する図である。
【図４】第１フライアイレンズ６から開口絞り９までの構成を概略的に示す図であって、第１フライアイレンズ６の入射面に斜め入射した光束が第２フライアイレンズ８の入射面に輪帯状の照野を形成する様子を示す図である。
【図５】円錐プリズム４から第２フライアイレンズ８の入射面までの構成を概略的に示す図であって、アフォーカルズームレンズ５の倍率およびズームレンズ７の焦点距離と第２フライアイレンズ８の入射面に形成される輪帯状の照野の大きさおよび形状との関係を説明する図である。
【図６】第２フライアイレンズ８の後側焦点面に形成される４極状の二次光源およびその近傍に配置される４極開口絞りの構成を示す図である。
【図７】本発明の第２実施例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図８】第２実施例における回折光学素子４ｂの作用を具体的に説明する図である。
【図９】第２実施例における回折光学素子４ｃの作用を具体的に説明する図である。
【図１０】第２実施例の第１変形例にかかる照明光学装置の要部構成を概略的に示す図であって、（ｂ）は（ａ）の状態よりもアフォーカルズームレンズ５の倍率を拡大した状態を示している。
【図１１】第２実施例の第２変形例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図１２】本発明の第３実施例にかかる照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１      光源
２      ビームエキスパンダー
３      折り曲げミラー
４      円錐プリズム
４ａ    角錐プリズム
４ｂ、４ｃ  回折光学素子
５      アフォーカルズームレンズ
６      第１フライアイレンズ
６ａ    マイクロレンズアレイ
７      ズームレンズ
７ａ    コンデンサーレンズ
８      第２フライアイレンズ
８ａ    ロッド型インテグレータ
９      開口絞り
１０    コンデンサー光学系
１０ａ  結像光学系
１１    マスク
１２    投影光学系
１３    ウエハ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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