JP2001176766A

JP2001176766A - 照明装置及び投影露光装置

Info

Publication number: JP2001176766A
Application number: JP30818699A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Goto; 明弘後藤; Nobumichi Kanayamatani; 信道金山谷; Osamu Tanitsu; 修谷津; Masato Shibuya; 眞人渋谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2001-06-29

Abstract

(57)【要約】【課題】所定面において種々の光強度分布を形成でき
る照明装置等を提供すること。【解決手段】所定のパターンが形成されたマスク１４
を照明する照明装置において、光束を供給する光源部１
と、該光源部からの光束を波面分割するように回折させ
る回折光学素子５１，５２，５３と、回折した光束を所
定面上で互いに重畳させるとともに所定面上で所定の断
面形状の光束に変換するリレーレンズ７と含む光束変換
部と、光束変換部により回折された光束に基づいて実質
的な面光源を形成するオプティカルインテグレータ８
と、オプティカルインテグレータからの光束をマスクヘ
導くコンデンサ光学系１２等を備え、回折光学素子５
１，５２，５３の回折特性は、所定面における光強度分
布を変更可能にするために変更可能に構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、照明装置、特に半
導体集積回路又は液晶デバイス等のためのマスクパター
ンを照明する装置、及び該照明装置に好適な投影露光装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等の回路パターン形成には、
一般にフォトリソグラフィ技術と呼ばれる工程が必要で
ある。この工程には通常、レチクル（マスク）パターン
を半導体ウエハ等の基板上に転写する方法が採用され
る。基板上には感光性のフォトレジストが塗布されてお
り、照射光像、すなわちレチクルパターンの透明部分の
パターン形状に応じて、フォトレジストに回路パターン
が転写される。そして、投影露光装置では、レチクル上
に描画された転写すべき回路パターンの像が、投影光学
系を介して基板（ウエハ）上に投影、露光される。かか
る投影露光装置では、レチクルを照明するための照明光
学系中に、フライアイレンズ等のオプティカルインテグ
レータが使用されており、レチクル上に照射される照明
光の強度分布を均一化している。フライアイレンズ等の
オプティカルインテグレータを用いる事で、レチクル上
に照射される照明光の強度分布が均一化される理由を以
下に述べる。

【０００３】図２５（Ａ）はフライアイレンズを用いた
光学系の模式図である。図２５（Ａ）において、光源１
００１を発した光束は、光学系１００２により、フライ
アイレンズ１００３に導かれる。ここで、フライアイレ
ンズ１００３を構成する各々のレンズの入射面と、被照
明面１００６（投影露光装置ではレチクル面）はそれぞ
れ共役である為、結果として、フライアイレンズに入射
した光束は、フライアイレンズの要素レンズ単位で分割
され、被照明面上で重ね合わされる。この為、フライア
イレンズ入射面にて例えばガウス分布状の明暗差の大き
い分布があったとしても、フライアイレンズの要素レン
ズ単位ではさほど大きな分布にはならず、さらにそれが
重なり合う事で平均化され、被照明面１００６上では極
めて均一性の高い照度分布が得られる。

【０００４】さて、波面分割及びその重ねあわせという
過程を２回繰り返すシステムが従来から知られており、
以下このシステムをダブルフライアイレンズシステムと
いう。ダブルフライアイレンズを用いた従来の投影露光
装置の光学系の一例を、図２５（Ｂ）に示す。エキシマ
レーザなどの光源１からの光束は、エキスパンダー２を
通して光束の断面形状を任意の形状に変換された後、ミ
ラー３及び光束の偏光を緩和する為の水晶プリズム４を
介して複数の光学要素からなる第１フライアイレンズ
（２次光源手段）５に入射し、その射出側面に多数の２
次光源像を形成する。該多数の２次光源から発散する光
束はリレーレンズ７により集光され、図２６に示すよう
に第２フライアイレンズ８の入射面を重畳的に均一照明
する。その結果、第２フライアイレンズ８の射出面に、
第１フライアイレンズのレンズ要素数ｍと第２フライア
イレンズのレンズ要素数ｎの積ｍ×ｎに相当する数の多
数の３次光源像を形成することができる。そして、３次
光源からの光束は、絞り９によりその径を制限され、レ
ンズ群１０，１２により集光され、投影露光されるパタ
ーンが描画されたレチクル又はマスク１４を重畳的に均
一照明する。ここで、レンズ群１０，１２中には照明範
囲を決定するための視野絞り１１が配置されている。そ
して、均一照明された照明光にもとづき、レチクル又は
マスクパターン１４上に形成されたパターンは投影レン
ズ１５を介して被露光物体である基板１６上に投影され
る。

【０００５】ダブルフライアイレンズと呼ばれるシステ
ムの、通常の一つだけフライアイレンズを用いるシステ
ムに対する特徴は、以下の通りである。なお、以下では
記述を容易にする為、通常の一つだけフライアイレンズ
を用いるシステムをシングルフライアイレンズシステム
と称する。

【０００６】（１）レチクルを照明する照明光の照度を
均一にする効果については、フライアイレンズの分割数
が増えれば増えるほどその効果を増すが、フライアイレ
ンズの製造費用はフライアイレンズの分割数におおよそ
比例する。このため、シングルフライアイレンズシステ
ムで多くの波面分割を実現しようとすると、レンズの製
造費用が莫大なものとなってしまう。しかし、ダブルフ
ライアイレンズシステムでは、実効的に第１と第２のフ
ライアイレンズの分割数の積が、その光学系の総合分割
数となる為、製造コストをかけずに高性能な照明系を得
る事が出来るという利点がある。例えば、第１フライア
イレンズが１００分割、第２フライアイレンズが１００
分割とすると、１００分割のレンズ２個分の製造コスト
で１０，０００（＝１００×１００）分割と等価の照明
系が得られる。

【０００７】（２）シングルフライアイレンズでは、フ
ライアイレンズ入射面の光分布がそのままフライアイレ
ンズに入射する。したがって、光源の振動等で該光分布
が変化すると投影露光装置の空間的コヒーレンシーが変
化してしまい好ましくない。しかし、ダブルフライアイ
レンズシステムでは第２フライアイレンズの入射面の光
分布は、一度第１フライアイレンズにより均一化を行っ
たものであるため、光源が振動等してもその光分布は殆
ど変化しない。このため、光源部に振動等が生じても結
像性能に影響を与えにくいという利点を有する。

【０００８】（３）さらに、ダブルフライアイレンズシ
ステムは、開口絞りを交換した時の照度均一性の崩れ
量、すなわち、理想的ケーラー照明状態からの変化量が
少ないという利点も有している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】さて、近年、これらの
露光装置に要求される解像力等の性能は、理論的に算出
される限界に極めて近付いている。一般に良く知られて
いるように、レチクルのパターンにより、最適な光学系
の定数（投影レンズの開口数、照明系の開口数等）の設
定値は異なるが、装置能力の理論的限界付近で露光が行
なわれている関係上、当然の事ながら装置側には、マス
クのパターンに合わせて最適な光学系の定数が選択出来
る事が求められる。

【００１０】このことを照明系について見ると、少なく
とも照明系の開口数が可変である事が必要となる。本発
明が取り扱う、図２５（Ｂ）に示した様なダブルフライ
アイレンズシステムにおいて、開口数を可変にする為に
は、開口絞り９の径をカメラの絞りの如く可変絞りにす
る、又は絞りを切り替え可能として対応するのが一般的
である。ただし、単に絞り径を切り替えただけでは、絞
り径を小さなものに変更した場合、光束を遮光する面積
が大きくなり、照度が低下してしまう。

【００１１】この種の露光装置において照度が低下する
事は、スループットの低下を意味し、その結果、製造し
た製品の原価を跳ね上げることになる。製品のうち、特
にメモリーについては製品一個当たりの利幅が極端に少
ない為、半導体等の製造業界において製造原価は特に重
要な項目である。この為、露光装置の種々の仕様の中で
も「照度」は重要な項目の一つとなっており、照度低下
は極力避ける必要がある。

【００１２】ダブルフライアイレンズシステムでは、照
度低下対策として、第１フライアイレンズを焦点距離が
異なるレンズに、絞りと共に切り替える方式が提案され
ている。例えば、開口絞り径を小さくする場合には、第
１フライアイレンズを焦点距離の長いものに切り替え
る。このようにすれば、第２フライアイレンズ入射面の
中央近傍に光束が集まるので、開口絞り径が小さくて
も、殆ど照度が低下することがない。

【００１３】この様に、開口絞り径が変わるだけあれ
ば、第１フライアイレンズの焦点距離を切り替えるだけ
で、照度低下を押さえる事ができる。しかし、近年で
は、開口絞りとして円形以外の絞りを用いる場合があ
る。例えば、図２７（Ａ）に示す様な輪帯状の絞りＲＳ
や、図２７（Ｂ）に示す様な複数開口の絞りＱＳであ
る。

【００１４】図２７（Ａ）及び図２７（Ｂ）の開口絞り
ＲＳ，ＱＳについて、簡単に解説する。レチクルのパタ
ーンが微細になり、装置の解像限界付近にて露光がおこ
なわれるようになると、照明系の開口絞りから発した光
束のうち、解像に寄与するのは、開口絞りの周辺部から
発した光のみになり、開口の中央部から発した光は像の
コントラストを下げるだけの働きしか持たなくなる。換
言すると、レチクルの情報をウエハに伝達する際、情報
伝達のエネルギーを与えるのは開口絞りの周辺部から発
した光のみであり、開口の中央部から発した光はいわば
ノイズを発生するだけになってしまうという事になる。
したがって、開口絞り中央部からは光を発しないほうが
望ましいといえる。この様な発想から、図２７（Ａ）の
様な絞りＲＳが考案された。図２７（Ｂ）に示す絞りＱ
Ｓは、更に解像するパターンを縦方向のラインと横方向
のラインのみに限定した場合の絞りである。この場合
は、更に、開口絞りの上下、左右から発する光もノイズ
にしかならないので、開口絞りの上下、左右も更に遮光
する。

【００１５】この様な円形でない開口絞りの場合、従来
の様に第１フライアイレンズの焦点距離を切り替えるだ
けではこれらの絞りが遮光する中央部のみに光束が届か
ないようにする事は出来ない。例えば、図２５（Ｂ）に
示す従来の第１フライアイレンズ５によれば、第２フラ
イアイレンズ８の出射端に輪帯開口絞りＲＳを配置した
場合において、第２フライアイレンズ８を全面にわたっ
て照射することになるので、光量の損失が大きくなって
しまう（図２８参照）。なお、特開平５−２０６００７
号公報には、かかる照度低下を防止する提案がなされて
いるが、装置が大型化してしまい製造費用、設置スペー
スの確保などの点で問題である。

【００１６】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
であり、所定面において種々の光強度分布を形成できる
照明装置、該照明装置に好適な投影露光装置、並びに該
露光装置を用いた露光方法を提供することを目的とす
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第１の照明装置は、所定のパターンが形成
されたマスクを照明する照明装置であって、光束を供給
する光源部と、該光源部からの光束を波面分割するよう
に回折させる回折光学素子と、該回折光学素子からの回
折光を所定面上で重畳させ該所定面上で所定の断面形状
の光束に変換する光学要素とを含む光束変換部と、前記
光束変換部からの光束に基づいて実質的な面光源を形成
するオプティカルインテグレータと、該オプティカルイ
ンテグレータからの光束を前記マスクへ導く光学系とを
備え、前記回折光学素子の回折特性は、前記所定面上に
おける光強度分布を変更可能にするために変更可能であ
ることを特徴とする。

【００１８】上記照明装置では、従来のフライアイレン
ズに代えて、光源部からの光束を波面分割するように回
折させる回折光学素子と該回折光学素子からの回折光を
所定面上で重畳させ該所定面上で所定の断面形状の光束
に変換する光学要素とを含む光束変換部を用いており、
前記回折光学素子の回折特性は、前記所定面上における
光強度分布を変更可能にするために変更可能である。し
たがって、回折光学素子の回折特性の変更により、照明
条件の変更に応じて所望の領域を正確に照明できるの
で、光量を有効に使用でき高照度な照明が可能である。
また、フライアイレンズに比較して材料が少なくて済
み、かつ大きさも小さいので製造コストを低減できる。
さらに、簡便な構成で様々な形状の領域を照明できる。

【００１９】本発明の第２の照明装置は、所定のパター
ンが形成されたマスクを照明する照明装置において、所
定波長の光を供給する光源部と、該所定波長の光に基づ
いて実質的な面光源を形成する波面分割型インテグレー
タと、該波面分割型インテグレータによる実質的な面光
源からの光束を、前記マスク面または前記マスク面と共
役な面へ重畳的に導くコンデンサ光学系とを備え、前記
光源部と前記波面分割型インテグレータとの間には、前
記光源部からの光束を波面分割するように回折させる回
折光学素子と、該回折光学素子からの回折光を所定面上
で互いに重畳させ該所定面上で所定の断面形状の光束に
変換する光学要素とを含む光束変換部が配置され、前記
波面分割型インテグレータの入射面は、実質的に前記所
定面近傍に配置されることを特徴とする。

【００２０】上記照明装置では、光源部と波面分割型イ
ンテグレータとの間に、光源部からの光束を波面分割す
るように回折させる回折光学素子と回折光学素子からの
回折光を所定面上で互いに重畳させ該所定面上で所定の
断面形状の光束に変換する光学要素とを含む光束変換部
が配置されており、前記波面分割型インテグレータの入
射面が、実質的に前記所定面近傍に配置される。したが
って、前記所定面近傍に配置される前記波面分割型イン
テグレータ入射面の所望の領域を必要に応じて正確に照
明できるので、光量を有効に使用でき高照度な照明が可
能である。また、フライアイレンズに比較して材料が少
なくて済み、かつ大きさも小さいので製造コストを低減
できる。さらに、簡便な構成で様々な形状の領域を照明
できる。

【００２１】本発明の第３の照明装置は、所定のパター
ンが形成されたマスクを照明する照明装置において、光
束を供給する光源部と、該光源部からの光束を回折させ
る回折光学素子を含み、所定面上で所定の断面形状の光
束に変換する光束変換部と、前記光束変換部からの光束
に基づいて実質的な面光源を形成するオプティカルイン
テグレータと、該オプティカインテグレータからの光束
を前記マスクへ導く光学系とを備え、前記回折光学素子
は、一対の保護光学部材間が形成する密閉空間内に配置
されることを特徴とする。

【００２２】上記照明装置でも、従来のフライアイレン
ズに代えて、光束を所定の断面形状に変換する回折光学
素子を用いているので、所望の領域を正確に照明でき、
光量を有効に使用して高照度な照明が可能である。ま
た、フライアイレンズに比較して材料が少なくて済み、
かつ大きさも小さいので製造コストを低減できる。さら
に、簡便な構成で様々な形状の領域を照明できる。ま
た、上記照明装置では、回折光学素子が一対の保護光学
部材間が形成する密閉空間内に配置されるので、周囲の
不純物ガス等が回折光学素子の表面に付着して透過率を
低下させることを防止できる。

【００２３】上記装置の好ましい態様では、前記光束変
換部が第１の回折特性を有する第１の回折光学素子と第
２の回折特性を有する第２の回折光学素子とを含み、前
記第１及び第２の回折光学素子は、照明光路内の位置と
照明光路外の位置との間で選択的に位置決めされる。

【００２４】上記照明装置では、第１の回折特性を有す
る第１の回折光学素子と第２の回折特性を有する第２の
回折光学素子とを有しているので、これら回折光学素子
の切替えで２通りのパターン領域を簡便に変更して照明
できる。

【００２５】上記装置の好ましい態様では、前記第１及
び第２の回折光学素子を収納可能に設けられたカセット
と、前記カセットと前記照明光路内の位置との間に設け
られて前記回折光学素子を搬送するための搬送路とを備
えることを特徴とする。

【００２６】上記照明装置では、回折光学素子を収納可
能に設けられたカセットと、前記回折光学素子を搬送す
るための搬送路とを備えるので、多種の回折光学素子を
準備し必要に応じて適宜交換すれば、照明条件を多様に
設定した場合にも対応することができる。

【００２７】上記装置の好ましい態様では、前記光束変
換部中の前記回折光学素子が、前記所定面の中心部の光
強度と、前記所定面の周辺部の光強度とが異なる光強度
分布となるような回折特性を有することを特徴とする。

【００２８】上記照明装置では、前記回折光学素子の回
折特性が、前記所定面の中心部と前記所定面の周辺部と
で異なる光強度分布となるので、例えば輪帯等の種々の
形状の領域を効率よく照明できる。

【００２９】上記装置の好ましい態様では、前記光束変
換部中の前記回折光学素子への入射ビーム形状と、前記
波面分割型インテグレータの要素レンズの開口形状とを
相似にすることを特徴とする。

【００３０】上記照明装置では、前記回折光学素子への
入射ビーム形状と前記波面分割型インテグレータの要素
レンズの開口形状とを相似にするので、前記波面分割型
インテグレータにより実質的な面光源を効率よく充填し
て形成することができ、ここにおける巨視的な強度分布
の均一性を向上させ、さらにはマスクを所望の状態で照
明することができる。

【００３１】上記装置の好ましい態様では、前記光束変
換部中の前記回折光学素子と前記インテグレータとの間
に配置されて、前記回折光学素子から出射する０次光が
前記インテグレータに入射することを防ぐための遮光部
材を有することを特徴とする。

【００３２】上記照明装置では、遮光部材が前記回折光
学素子から出射する０次光が前記インテグレータに入射
することを防ぐので、かかる０次光がノイズ光となって
マスク等の上に照明の特異点が形成され、照明不均一と
なることを防止することができる。

【００３３】上記装置の好ましい態様では、前記光束変
換部中の前記回折光学素は、前記光学要素の焦点位置か
ら光軸方向へ外れた位置に位置決めされることを特徴と
する。

【００３４】上記照明装置では、前記回折光学素が前記
光学要素の焦点位置から光軸方向へ外れた位置に位置決
めされるので、同一次数の回折光が干渉して干渉ノイズ
を発生させることを簡易に防止できる。

【００３５】上記装置の好ましい態様では、前記光束変
換部中の光学要素の位置及び傾斜の少なくとも一方は調
整可能であることを特徴とする。

【００３６】上記照明装置では、前記光束変換部中の光
学要素の位置及び傾斜の少なくとも一方が調整可能であ
るので、マスク若しくはウエハ面での照明ムラを解消す
ることができ、マスク若しくはウエハ面での照明のテレ
セン度を高精度に調整することができる。

【００３７】本発明の第４の照明装置は、所定のパター
ンが形成されたマスク及び感光性基板を投影光学系に対
して相対的に走査させつつ前記パターンを前記感光性基
板へ転写するための投影露光装置に用いられる照明装置
において、光束を供給する光源部と、該光源部からの光
束を回折させる回折光学素子と、該回折光学素子にて回
折された光束に基づいて実質的な面光源を形成する波面
分割型オプティカルインテグレータとを備え、前記波面
分割型オプティカルインテグレータは、複数の要素レン
ズを含み、前記回折光学素子は、前記波面分割型オプテ
イカルインテグレータの前記複数の要素レンズ上に照明
領域を形成し、前記回折光学素子による前記照明領域
は、前記走査の方向に対応する方向に対して傾けられた
エッジを有することを特徴とする。

【００３８】上記照明装置では、前記回折光学素子によ
る前記照明領域が前記走査の方向に対応する方向に対し
て傾けられたエッジを有するので、このエッジに対応す
る複数の要素レンズにおいて、走査方向に直交する方向
（走査直交方向）の照度分布が連続的に変化する。よっ
て、感光性基板上においては、走査直交方向に関し、全
体としては均一な照度分布を得ることができる。

【００３９】上記装置の好ましい態様では、前記回折光
学素子による前記照明領域が互いに離されて位置決めさ
れた複数の照明領域を有する。

【００４０】上記装置の好ましい態様では前記回折光
学素子による前記複数の照明領域の形状が楕円形状であ
る。

【００４１】本発明の第５の照明装置は所定のパター
ンが形成されたマスクを照明する照明装置において、光
束を供給する光源部と、該光源部からの光束を波面分割
する第１のオプティカルインテグレータと、該第１のオ
プティカルインテグレータからの光束を所定面上で互い
に重畳させる光学要素とを含む光束変換部と、該光束変
換部からの光束に基づいて実質的な面光源を形成する第
２のオプティカルインテグレータと、該第２のオプティ
カルインテグレータからの光束をマスクに導く光学系と
を備え、前記光学要素は、複数のレンズ要素からなり、
該複数のレンズ要素の少なくとも１つの移動により当該
光学要素の屈折力及び焦点位置の少なくとも一方を調節
可能であること特徴とする。

【００４２】上記照明装置では、前記光学要素が複数の
レンズ要素からなり、該複数のレンズ要素の少なくとも
１つの移動により当該光学要素の屈折力及び焦点位置の
少なくとも一方を調節可能であるので、所定面上に重畳
する光束の大きさや寸法比等を必要に応じて適宜調整す
ることができる。よって、マスク上における照度分布を
所望の状態とできるとともに、照明光の損失を最小限に
抑えることができる。

【００４３】本発明の投影露光装置は、前記マスクを支
持する第１ステージと、前記マスクを照明する上述のう
ちの何れかの照明装置と、被露光基板を保持する第２ス
テージと、前記照明された前記マスクのパターンの像を
前記被露光基板上へ投影露光するための投影光学系とを
備えることを特徴とする。

【００４４】上記投影露光装置では、本発明にかかる照
明装置を備えているので、効率よくマスクを照明でき
る。したがって、露光時間の短縮化を図ることができ、
スループットが向上する。

【００４５】以上説明した本発明の照明装置において、
光束変換部中の光学要素は、焦点距離を変更可能なズー
ム光学系であることが好ましい。このズーム光学系の焦
点距離変更動作によっても所定面上の光強度分布を変更
することが可能であり、ひいてはインテグレータが形成
する実質的な面光源の大きさや形状を変更することがで
きる。

【００４６】なお、本発明における波面分割型インテグ
レータとは、複数の光学要素（レンズ要素または反射鏡
要素）をマトリックス状に集積して構成されたフライア
イレンズや、光透過性基板にエッチングなどの手法によ
り複数の微少レンズ面（反射面）をマトリックス状に設
けたマイクロ・フライアイ・レンズなどを含む。

【００４７】また、本発明において、回折光学素子を密
閉空間内に配置する場合には、この密閉空間内を酸素濃
度を低滅させた気体、例えば窒素、ヘリウムなどの不活
性ガスで充填することが好ましい。

【００４８】また、本発明において、光束変換部中の回
折光学素子と交換可能に設けられて、光源部からの光束
に基づいて実質的な面光源を形成するための補助オプテ
ィカルインテグレータをさらに有することが好ましい。

【００４９】また、本発明において、所定面の中心部と
周辺部との光強度が異なるような光強度分布とは、例え
ば、所定面上において照明装置の光軸を囲む輪帯状（ド
ーナッツ状）の領域で光強度が強くなるような光強度分
布（輪帯状分布）、所定面上において照明装置の光軸の
周りに実質的に等角度間隔で配置された４ケ所以上の複
数の領域で強度が強くなるような光強度分布（４箇所の
場合：４重極分布、８箇所の場合８重極分布）などを含
むものである。

【００５０】さて、本発明は、所定のパターンが設けら
れたマスクを被露光基板（ワーク）へ転写する投影露光
方法であって、本発明（請求項１〜１０）の何れか一項
記載の照明装置により、前記マスクに対して照明光を供
給する工程と、前記マスクと前記被露光基板との間に配
置された投影光学系を用いて該照明されたマスクのパタ
ーン像を前記被露光基板上に形成する工程とを含むもの
である。この投影露光方法によれば、高効率にパターン
像を被露光基板に形成できるので、スループットが向上
する。

【００５１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の実施の形態について説明する。

【００５２】（第１実施形態）図１は、本発明の実施の
形態にかかる投影露光装置の構成を示す図である。エキ
シマレーザなどの光源１からの光束は、ビームエキスパ
ンダ２により光束の断面形状が所望の形状に変換された
後、反射ミラー３を介して、レボルバ６Ａに設けられて
いる第１の回折光学素子５１に入射し、後述するような
特定の断面形状を有する光束に回折される。次に、リレ
ーレンズ７により集光され、波面分割型インテグレータ
であるフライアイレンズ８の入射面を重畳的に均一照明
する。その結果、フライアイレンズ８の射出面に実質的
な面光源を形成することができる。

【００５３】ここで、光源１とビームエキスパンダ２
は、光源部となっている。また、オプティカルインテグ
レータであるフライアイレンズ８と、光学素子であるリ
レーレンズ７からなる合成レンズ系は、結像光学系とな
っており、詳細は後に説明するが、回折光学素子５１の
射出面近傍の有効領域全体がフライアイレンズ８の出射
側のほぼ全面に結像する設計となっている。

【００５４】フライアイレンズ８の出射側の面光源を発
した光束は、レボルバ６Ｂに設けられている開口絞り６
６により通過光束の形状を制限された後、コンデンサー
光学系１０により一旦重畳するように集光される。この
ように重畳された光束は、リレー光学系１２を経て、パ
ターンが描画されたレチクルまたはマスク１４を重畳的
に均一照明する。ここで、コンデンサー光学系１０とリ
レー光学系１２と間の光路中には、照明範囲を決定する
ための視野絞り１１が配置されている。そして、均一な
照明光に基づき、投影レンズ１５がレチクル又はマスク
１４上に形成されたパターンを被露光物体であるウエハ
１６上に投影露光する。

【００５５】ここで、レボルバ６Ａには、図２（Ａ）に
示すように、複数の回折光学素子５１，５２，５３と、
複数の補助フライアイレンズ５４，５５，５６とが設け
られている。そして、図１のモータＭＴ１により光軸Ａ
Ｘを中心としてレボルバ６Ａを回転させる事で、回折光
学素子及び補助フライアイレンズの中から任意の一つを
選択的に切り替え可能な構成となっている。また、開口
絞り６１〜６６も同様に、図２（Ｂ）に示すように、種
々の開口形状を有する絞りがレボルバ６Ｂにより選択的
に切り換え可能な構成である。

【００５６】レボルバ６Ａを回転することで、補助フラ
イアイレンズ５４〜５６を選択した時は、ダブルフライ
アイレンズシステムとなる。このダブルフライアイレン
ズシステムでは、フライアイレンズ８の射出面に、補助
フライアイレンズのレンズ要素数ｍとフライアイレンズ
８のレンズ要素数ｎとの積ｍ×ｎに相当する数の多数の
３次光源像を形成することができる。ここで、補助フラ
イアイレンズ５４は、開口絞り６５に対応し、同様にレ
ンズ５５は絞り６３に、レンズ５６は絞り６４にそれぞ
れ対応している。なお、従来技術においても、本実施形
態の補助フライアイレンズ５４〜５６に対応する第１フ
ライアイレンズを切り換えて、径の小さい開口絞りに対
応させることは行われている。

【００５７】これに対して、本実施形態の特徴の一つ
は、このような従来技術の第１フライアイレンズ（本実
施形態では補助フライアイレンズ５４〜５６）を切り換
える選択肢を増やして、第１から第３の回折光学素子５
１〜５３をも選択できるように構成されていることであ
る。

【００５８】次に、上記した第１から第３の回折光学素
子５１〜５３の詳細について説明する。これらの格子
は、位相型回折光学素子であり、複数の微小な位相パタ
ーンや透過率パターンを配設して構成されている。図３
（Ａ）は、回折光学素子をＸ方向から見た断面形状を示
す図である。回折光学素子に入射した光のうち、Ａで示
す部分を透過した光は位相がゼロ、Ｂで示す部分を透過
した光は位相がπだけ遅れる。したがって、波動光学的
に見るとこれら２つの光は打ち消しあって、図３（Ｂ）
に示すように０次光（直接透過光）が無くなる。そのた
め、回折光学素子５１を透過した光は±１次光（又は±
２次光）として回折され、リレーレンズ７を透過する。
そして、図３（Ｃ）に示すように所定の照射面Ｐ上では
デルタ（δ）関数状の強度分布Ｉを有する照明となる。
この現象を利用して、種々のバリエーションの位相パタ
ーンや透過率パターンを加えた回折光学素子を使用する
と、照射面Ｐ、つまりフライアイレンズ８の入射面上で
所望の光強度分布を得ることができる。なお、上記回折
光学素子は、位相、透過率、屈折率などの違いにより光
を回折させる全ての素子を含むものをいう。

【００５９】図４（Ａ）は、一例として第１の回折光学
素子５１に光束が入射する様子を示す斜視図である。図
４（Ｂ）は回折光をＸ方向から見た様子、図４（Ｃ）は
回折光をＹ方向から見た様子をそれぞれ示す。ここで、
光軸をＺ軸とし、これに対して垂直に交わる縦の方向を
Ｙ軸、横の方向をＸ軸として、ＺＹ面での角度をθ_y，
ＺＸ面での角度をθ_xとする。入射光は第１の回折特性
により回折角度θ_x0〜θ_x1、θ_y0〜θ_y1の範囲で回折さ
れる結果、回折光の断面形状は略輪帯形状となる。そし
て、リレーレンズ７を介してフライアイレンズ８の入射
面上に輪帯形状の光強度分布を形成する。

【００６０】図５は、第１の回折光学素子５１がフライ
アイレンズ８の入射面に形成する照明領域を説明する図
である。第１の回折光学素子５１を使用すると、第１の
回折特性により、回折後の光束の断面形状が略輪帯形状
になる。そして、リレーレンズ７を通過した光束は、フ
ライアイレンズ８の入射面上で、斜線で示す略輪帯状の
照明領域ＩＡのみにほぼ均一な光強度分布を形成する。
ここで、点線で示す輪帯は、第１の回折光学素子５１に
対応して配置された開口絞り６６による開口領域ＡＡを
示す。図からも明らかなように、第１の回折光学素子５
１及びリレーレンズ７によって形成した輪帯形状の光束
により、開口絞り６６の開口形状に対応するフライアイ
レンズ８の要素レンズ８ａのみを照明できるので、光源
１からの光量を極めて高効率に使用できる。

【００６１】一方、従来型の補助フライアイレンズ５４
〜５６の照明領域は、図２６の斜線で示す領域となる。
このため、フライアイレンズ８の射出側に配置されてい
る開口絞りの形状が図２７（Ａ）のような輪帯形状（斜
線部分が遮光部分）である場合に補助フライアイレンズ
５４〜５６をあえて用いると、図６の斜線部で示す部分
の光量が遮光されてしまうので、光量損失が大きくな
る。

【００６２】第１の回折光学素子５１については、さら
に照明効率を上げるために、輪帯状の開口絞り６６を通
過する光束に寄与する要素レンズ８ａのみの輪郭に沿っ
て照明を行わせることもできる。この場合、回折光学素
子５１の回折角度θ_x、θ_yの範囲を適宜変更して、図７
（Ａ）に示すように、フライアイレンズ８の入射面で、
中心部の光強度と周辺部の光強度分布とが異なるような
多角輪帯状の照明領域ＩＡにする。これにより、必要な
要素レンズ８ａのみを照明することができるので、輪帯
状の開口絞り６６を極めて効率良く照明できる。

【００６３】また、第１の回折光学素子５１として、図
７（Ｂ）に示すように、回折光を外側形状が樽型、内側
形状が六角形である多角輪帯形状に変換する回折特性を
有する回折光学素子を使用することもできる。この場合
も、フライアイレンズ８を構成する要素レンズ８ａのう
ち照明に利用されるものの大きさに合わせた照明領域Ｉ
Ａになり、簡易に、照度の均一性を保ちつつ、さらに照
度効率を上げることができる。

【００６４】また、第１の回折光学素子５１として、図
７（Ｃ）に示すように、照明領域ＩＡの外側、及び内側
形状がともに楕円輸帯形状（図の太線）となるような回
折特性を有する回折光学素子を使用することもできる。
これによっても、フライアイレンズ８を構成する要素レ
ンズ８ａのうち照明に利用されるものの大きさに合わせ
た照明を行なうことができ、照明均一度を保ちつ照明効
率を上げることができる。

【００６５】また、フライアイレンズ８を構成する各要
素レンズ８ａが不規則、すなわち規則的な格子状に整列
していない場合は、回折光の断面形状の外形が円形又は
多角形、内形が多角形又は円形の多角輪帯状となるよう
な回折特性を有する回折光学素子を適当な回折角で使用
することにより、フライアイレンズ８を構成する要素レ
ンズ８ａのうち照明に利用れるものの大きさに合わせた
照明を行うことができる。

【００６６】図８は、回折光学素子５１の有効領域とフ
ライアイレンズ８の要素レンズ８ａとの関係を説明する
図であり、図８（Ａ）は回折光学素子５１を、図８
（Ｂ）はフライアイレンズ８の一部を示す。図からも明
らかなように、回折光学素子５１の有効領域５１ａと、
フライアイレンズ８を構成する各要素レンズ８ａのＸＹ
断面とは、ともに長方形であり、ほぼ相似形となるよう
に設定されている。このような設定により、フライアイ
レンズ８の射出面に生成される光点列ＬＭの巨視的構造
が最も稠密となり、これを近似的には面光源とみなすこ
とができる。つまり、フライアイレンズ８の出射側の開
口絞り６６の位置における巨視的な光強度分布の均一性
を向上させることができ、さらにはレチクル１４やウエ
ハ１６の均一な照明を達成することができる。

【００６７】なお、回折光学素子５１の有効領域５１ａ
は、回折光学素子５１のうち光学要素が形成されている
領域の射出面近傍におけるＸＹ断面形状、及び回折光学
素子５１への入射ビームのＸＹ断面形状のいずれかのう
ち狭い方とほぼ一致する。この実施形態では、回折光学
素子５１の光学要素が形成されている領域と回折光学素
子５１への入射ビーム形状とを、ともにフライアイレン
ズ８を構成する要素レンズ８ａの断面形状と一致させて
いる。

【００６８】照明条件を変更する場合、例えばモータＭ
Ｔ２によってレボルバ６Ｂを回転させて、開口絞りとし
て、図２（Ｂ）に示す大きな径の輪帯絞り６３（絞り６
６と同じ形状で大きさが異なる）を光路中に位置させる
ことができる。このように大きな径の輪帯絞り６３に交
換した場合、リレーレンズ７が可変ズーム光学系であれ
ば、第１の回折光学素子５１を光路中に位置させたまま
で、光量の損失無しにフライアイレンズ８を照明するこ
とができる。

【００６９】また、モータＭＴ２によりレボルバ６Ｂを
回転し、開口絞り６１を選択した場合は、連動してモー
タＭＴ１でレボルバ６Ａを回転し、第２の回折光学素子
５２を光路中に位置させる。第２の回折光学素子５２
は、第２の回折特性を有し、回折後の光束の断面形状が
４方向に分離した形状となる。そして、リレーレンズ７
を介した後、フライアイレンズ８の入射面上で図９
（Ａ）に示すように四つ目状の光強度分布である照明領
域ＩＡを形成する。そのため、従来の補助フライアイレ
ンズを使用した場合に比較して、中心を通る十字状の領
域を無駄に照明することがなくなり、字照度効率を極め
て高くすることができる。

【００７０】さらに好ましくは、四つ目形状のうちの一
つの断面形状が多角形、特に図９（Ｂ）に示すように五
角形形状をしたものを使用すると、フライアイレンズ８
を構成する要素レンズ８ａの大きさに最適な照明になる
ので、照度の均一性を維持しつつさらに照度効率を向上
することができる。

【００７１】なお、フライアイレンズ８を構成する各要
素レンズ８ａが不規則に配設されている場合、即ち格子
状に整列していない場合に、四つ目形状の回折光の外形
形状が多角形となる回折特性を有する回折光学素子を使
用することにより、フライアイレンズ８を構成するうち
必要な要素レンズ８ａの大きさに最適な照明を行うこと
ができる。

【００７２】また、モータＭＴ２によりレボルバ６Ｂを
回転し、開口絞り６２を選択した場合は、連動してモー
タＭＴ１でレボルバ６Ａを回転し、第３の回折光学素子
５３を光路中に位置させる。第３の回折光学素子５３
は、第３の回折特性を有し、図１０に示すように、回折
光の断面形状が略円形状（樽型形状）になる。そして、
リレーレンズ７を介してフライアイレンズ８の入射面上
で略円形状の光強度分布である照明領域ＩＡを形成す
る。このため、従来の補助フライアイレンズを使用した
場合に比較して、照度効率を極めて高くすることができ
る。

【００７３】なお、フライアイレンズ８を構成する各要
素レンズ８ａが不規則に配設されている場合、即ち格子
状に整列していない場合に、回折光の外形形状が多角形
となる回折特性を有する回折光学素子を配置することに
より、フライアイレンズ８を構成する必要な要素レンズ
８ａの大きさに最適な照明を行うことができる。これに
より、照度の均一性を維持し、かつ光量の損失を大幅に
低減できる。

【００７４】以上の実施形態では、第１の回折光学素子
５１の有効領域と、フライアイレンズ８の要素レンズ８
ａの断面形状とが相似であるとして説明したが、第２及
び３の回折光学素子５２、５３の有効領域と、フライア
イレンズ８の要素レンズ８ａの断面形状も互いに相似と
なっている。したがって、照明条件の変更に伴って第２
及び３の回折光学素子５２、５３を選択した場合にも、
フライアイレンズ８の出射側の開口絞り６１、６２の位
置における巨視的な光強度分布の均一性を向上させるこ
とができ、さらにはレチクル１４やウエハ１６の均一な
照明を達成することができる。

【００７５】また、特に投影原版としてのレチクルとワ
ークとしての基板とを投影光学系に対して移動させつつ
露光を行う走査型の投影露光装置に本実施形態を適用す
る場合には、波面分割型の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８を構成する複数の要素レン
ズ８ａの個々の形状が長方形状となる（図８（Ｂ）等参
照）。この場合、フライアイレンズ８上に形成される照
明領域のエッジの方向が、複数の要素レンズ８ａにおい
て走査方向と対応する方向（典型的には要素レンズ８ａ
短辺に沿った方向）に平行となると、被照射面としての
ウエハ上での照度分布が走査直交方向において所望の分
布とならないおそれがある。

【００７６】そこで、特に４重極照明を行うときには、
回折光学素子５２及びリレーレンズ７によってフライア
イレンズ８の入射面上に形成される４つの照明領域のエ
ッジの方向を、フライアイレンズ８を構成する複数の要
素レンズ８ａの走査方向に対応した方向、つまり要素レ
ンズ８ａの短辺方向に対して傾斜させることが好まし
い。

【００７７】図１１（Ａ）は、フライアイレンズ８の入
射面上に形成される４つの照明領域ＩＡの形状を楕円形
状とした例を示す。そして、図１１（Ｂ）は、これら複
数の照明領域ＩＡとフライアイレンズ８を構成する複数
の要素レンズ８ａの入射面との関係を示す図である。こ
の場合、照明領域ＩＡのエッジは、要素レンズ８ａにお
ける走査方向に対応した方向に対して連続的に傾いた方
向となっている。

【００７８】図１１（Ｂ）からも明らかな通り、楕円形
状の照明領域ＩＡのエッジが、複数の要素レンズ８ａに
対してそれぞれ同じ位置で交差していないため、被照射
面上での照度分布の不均一性（所望の分布からの偏
り）、特に走査直交方向の不均一性を低減できる。

【００７９】なお、この場合、フライアイレンズ８の射
出側の開口絞り９によって、複数の要素レンズ８ａのう
ち照明領城のエッジが交差している要素レンズを遮光し
なくとも、照度ムラ低減の効果を得ることができる。ひ
いては、開口絞り９を用いない場合（または最大開口と
する場合）であつても、照度ムラ低滅効果を得ることが
できる。従って、リレーレンズ８をズーム光学系として
複数の照明領域ＩＡの位置を連続的に変移させた場合に
おいても、それらの照明領域ＩＡに対応して開口絞り９
の開口部の位置を連続的に変移させる必要がない。

【００８０】また、図１１（Ｃ）に示すように、４つの
照明領域ＩＡの形状を円形状としてもよい。なお、結像
性能向上の観点に立てば、図１１（Ａ）のように複数の
照明領域ＩＡの形状を楕円形状とした方が、図１１
（Ｃ）のように円形状とするよりも、フライアイレンズ
８の射出側である３次光源の光量分布を光軸から離すこ
とが可能であるため好ましい。

【００８１】走査型露光装置では、複数の照明領域ＩＡ
のエッジの方向が走査直交方向と同方向であっても、こ
の方向に沿った照度ムラは走査露光により積分されるた
め考慮しなくともよい。従って、回折光学素子５２及び
リレーレンズ７が形成する複数の照明領域ＩＡの形状と
しては、図１１（Ｄ）に示すような六角形状であっても
良い。この場合、要素レンズ８ａの走査方向に対応する
方向に対して斜めに照明領城ＩＡのエッジが交差するよ
うに設定すれば、被照射面上での照度ムラを低滅させる
ことができる。

【００８２】なお、要素レンズ８ａの走査方向に対応す
る方向に対して斜めに照明領域ＩＡのエッジが交差する
ように設定するならば、照明領域の形状は六角形状に限
られず、他の多角形状でもよい。

【００８３】例えば、図１１（Ｅ）に示すように、照明
領域ＩＡの形状は矩形状であってもよい。

【００８４】一方、照明領域の形状が六角形状や矩形状
であっても、そのエッジが要素レンズ８ａの走査方向に
対応する方向と平行となってしまう場合（例えば図１１
（Ｄ）に示す各照明領域ＩＡをその重心を中心として３
０゜回転させたような場合）、照度ムラの低滅効果が減
少するため好ましくない。

【００８５】また、以上の例では、４重極照明を前提と
してフライアイレンズ８の入射面上に４つの照明領域Ｉ
Ａを形成したが、上記の原理は、８重極照明などの多重
極照明にも応用できる。つまり、フライアイレンズ８の
入射面上に形成される多重極照明を構成する各照明領域
のエッジ方向を、フライアイレンズ８を構成する複数の
要素レンズ８ａの走査方向に対応した方向に対して傾斜
させることにより、照度分布の均一性を向上させること
ができる。

【００８６】以上の通り、回折光学素子及びリレーレン
ズによって波面分割型インテグレータの入射面に複数の
照明領城を形成する場合、複数の照明領域のエッジが波
面分割型インテグレータの要素レンズにおける走査方向
と対応する方向に対して傾くように設定することによ
り、被照射面上での照度ムラを低減させた状態のもとで
結像性能を向上させ、かつ光量損失も低減できる効果を
得ることができる。なお、照明領城の長軸を光軸を中心
としたタンジェンシャル方向（サジタル方向）に設定す
れば、さらに結像性能の向上を図ることができる。

【００８７】ここで、本実施形態におけるフライアイレ
ンズ８の詳細な構造について説明しておく。図１２
（Ａ）は、フライアイレンズ８を側方から見た図であ
り、図１２（Ｂ）は、フライアイレンズ８を光軸に沿っ
て見た図である。図示のように、フライアイレンズ８
は、光軸方向に配置された２つのカバーガラス８１、８
２によって保持されている。これらのカバーガラス８
１、８２の外表面の中央部（光軸付近）には、遮光部材
として、円形の遮光コーティング８１ａ、８２ａが施さ
れている。この遮光コーティング８１ａ、８２ａを設け
たことにより、回折光学素子５１〜５３からの０次光が
不要なノイズ光としてレチクル１４のパターン面やウエ
ハ１６の表面に到達することを防ぐことができる。

【００８８】ここで、０次光とは、回折光学素子の製造
誤差によって発生する直進光成分のことである。この０
次光は、リレーレンズ７の焦点位置に集光してしまう。
したがって、この０次光を放置した場合、例えば図１０
では、照明領域ＩＡの中央には、明るい特異点ができて
しまい、レチクル１４やウエハ１６の照明不均一を引き
起こしてしまう。そこで、図１２（Ａ）、（Ｂ）のよう
に、光軸上に遮光コーティング８１ａ、８２ａを施し
て、０次光をカットして照明ムラの発生を防止している
のである。

【００８９】図１２では、２つのカバーガラス８１、８
２にそれぞれ遮光コーティング８１ａ、８２ａを施して
いるが、最低限、いずれか一方について０次光の遮光措
置がなされていればよいことはいうまでもない。また、
入射側については、遮光コーティング８１ａの代わりに
粗ずり面加工を施しておいてもよい。

【００９０】遮光コーティング８１ａ、８２ａの形状と
しては、特に回折光学素子側（入射側）の遮光コーティ
ング８１ａについては、フライアイレンズ８を構成する
要素レンズ８ａのＸＹ断面形状を単位とした形状にして
おくことが望ましい。フライアイレンズ８の入射側は、
レチクル１４のパターン面と共役であるため、要素レン
ズ８ａの入射端が部分的に遮光されると、レチクル１４
の照明ムラとなってしまう虞があるからである。

【００９１】なお、開口絞り６１〜６６の面内での照明
特性を回転対称にしたい場合には、フライアイレンズ８
の射出側のカバーガラス８２に回転対称の遮光パタンを
生成しておくことが望ましい。

【００９２】図１３は、図１２のフライアイレンズ８の
構造を変形した例である。図１３（Ａ）は、変形したフ
ライアイレンズ１０８を側方から見た図であり、図１２
（Ｂ）は、フライアイレンズ１０８を光軸に沿って見た
図である。この場合、カバーガラス１８１、１８２に遮
光コーティングを施すのではなく、フライアイレンズ１
０８の中央で要素レンズを金属製のダミー素子１８３に
置き換えている。このようなダミー素子１８３は、ガラ
ス材に遮光コーティングを施すことによって形成したも
のとすることができる。ガラス材からダミー素子１８３
を形成する場合、回折光学素子側（入射側）について
は、遮光コーティングの代わりに粗ずり面加工としても
よい。

【００９３】フライアイレンズ１０８中におけるダミー
素子１８３の配置は、図１３（Ｂ）に示すものには限定
されない。０次光の入射範囲や、照明条件等に応じて図
示の配置を適宜変更することができる。

【００９４】図１４は、図１３のフライアイレンズ１０
８の構造をさらに変形した例である。この場合、フライ
アイレンズ２０８の中心にダミー素子２８３を形成する
とともに、ダミー素子２８３の軸心に差込穴（またはネ
ジ穴）２８３ａを設けている。さらに、カバーガラス２
８１、２８２のうち出射側に開口を設け、遮光部材であ
る遮光板２８４の中央から突出した突起を差込穴２８３
ａに差込む。これにより、周辺からの保持することな
く、任意の形状の遮光板２８４をフライアイレンズ２０
８の中央に配置することができる。

【００９５】次に、輪帯状の発散特性を持つ第１の回折
光学素子５１と、円形の開口絞り６５とを組み合わせて
使用する場合について説明する。なお、この場合も、フ
ライアイレンズ８では、図１２〜図１４で示した０次光
の遮光が行われているものとする。

【００９６】このような組み合わせの照明では、上記し
た開口絞り６６の場合と異なり、輪帯の内側絞りがない
ため回折光学素子５１によって生成された輪帯照明領域
の内側部分に関しては、照明領域の境界まで全て利用す
ることができる。したがって、光量ロスを最小限に押さ
えつつ輪帯照明を行なうことができる。なお、４つ目状
の発散特性を持つ第２の回折光学素子５２と円形開口絞
り６５を組み合わせて使用する際にも、回折光学素子５
１と開口絞り６５の組み合わせの場合と同様の効果を得
ることができる。

【００９７】次に、レボルバ６Ａ内における回折光学素
子５１〜５３の配置方法について説明する。図１５に示
すように、各回折光学素子は、保護容器１０５中に収容
されている。この保護容器１０５は、回折光学素子５１
〜５３を支持する金属ホルダ１０５ａと、金属ホルダ１
０５ａに固定されて平行に支持された一対の保護光学部
材であるカバーガラス１０５ｂとを備える。つまり、回
折光学素子５１〜５３は、保護容器１０５の外側に存在
する酸素が紫外線に励起されることによって発生するガ
ス等の不純物の付着に対し、光軸方向に関しては両カバ
ーガラス１０５ｂによって保護され、光軸に垂直な方向
に関しては金属ホルダー１０５ａによって保護される。
この場合、不純物が付着するのはカバーガラス１０５ｂ
だけであるから、不純物の付着によって透過率が劣化し
ても、高価な回折光学素子５１〜５３を交換することな
く、安価なカバーガラス１０５ｂの交換のみによって、
透過率劣化を回復することが可能である。

【００９８】ここで、回折光学素子５１〜５３の光軸方
向の配置について詳細に説明する。以上の実施形態で
は、回折光学素子をリレーレンズ７の焦点位置から光軸
方向にシフトした位置に配置してある。これは、レチク
ル上に発生する干渉ノイズを低減するためである。

【００９９】図１６は、干渉ノイズの発生を説明する模
式図である。干渉ノイズは、図４に示した±１次光がレ
チクル面で干渉することによって主に発生する。回折光
学素子５１をリレーレンズ７の焦点距離に配置した場
合、回折光学素子５１上のある１点から発生した±１次
光は、対称的な角度で発生するために、それぞれ光軸に
対して対称的な位置にある要素レンズ８ａに入射すると
ともに、各要素レンズ８ａ内で同じ位置に入射する。こ
れらの光束は、レチクル共役面にある視野絞り１１の位
置で再び合流し干渉ノイズを発生する。

【０１００】光源１からの光がエキシマレーザのように
発散角αがあるものであっても、干渉ノイズは低減され
ない。同図の点線の光束は光源の発散角αによって傾斜
を持って射出した成分を示している。このような光束で
は、要素レンズ８ａ上での入射位置が実線の場合からシ
フトする。しかし、回折光学素子５１がリレーレンズ７
の焦点位置にあることから、波面の傾斜は発生しない。
図面中において、実線は垂直入射の場合の波面ＷＳ1を
示し、点線は傾斜入射の場合の波面ＷＳ2を示す。この
ように、発散角αがあっても位相差が発生しないので、
種々の角度αで照明光が入射したとしても、各角度成分
は、視野絞り１１上に同じ干渉パターンを発生しまう。
すなわち、発散角αによる干渉パタンの平均化は起こら
ない。

【０１０１】図１７は、本実施形態における干渉ノイズ
の発生防止を説明する模式図である。この場合、回折光
学素子５１をリレーレンズ７の焦点位置から所定距離ｄ
だけ離して配置しているので、発散角αによって±１次
光の波面が相対的に傾斜し、発散角αに応じた位相差が
発生することが分かる。この現象は、フライアイレンズ
８に入射する光線の角度がリレーレンズ７の焦点面（点
線）を切る位置によって定まることから理解される。こ
の現象を利用すれば、角度α毎に異なる干渉パターンが
視野絞り１１上に生成される。つまり、各角度αによる
干渉ノイズの強度分布が互いに平均化され、視野絞り１
１と共役なレチクル１４のパターン面等における干渉ノ
イズが低減される。

【０１０２】なお、上記の位相差は、発散角αを一定と
すると距離ｄが大きいほど大きくなる。また、上記の位
相差は、着目するフライアイレンズ８中の要素レンズ８
ａが光軸から離れているほど大きくなる。ここで、要素
レンズ８ａの最低位置（光軸からの距離）は、照明形態
ごとにある値に定まる。よって、使用する照明条件の範
囲で、発散角αと要素レンズ８ａの最低位置とが定まる
ならば、その最低位置における要素レンズ８ａに関する
±１次光の位相差が波長以上となるように、距離ｄを調
整しておくことが望ましい。

【０１０３】以上の説明では、回折光学素子５１を光源
側に距離ｄシフトする場合を示したが、回折光学素子５
１をフライアイレンズ８側にシフトした場合でも、同じ
効果が得られる。また、以上の説明において、回折光学
素子５１の光軸方向の位置は、回折光学素子５１がパタ
ーニングされた面に対して定義されるものである。

【０１０４】（第２実施形態）図１８は、本発明の第２
実施形態に係る投影露光装置の構成を示す図である。基
本的な構成は第１実施形態の装置と同様であるので重複
する部分の説明は省略する。

【０１０５】第１から第３の回折光学素子５１〜５３を
光路中に位置させた場合に、回折光学素子を通過し、フ
ライアイレンズ８の入射面上に照射された光は、スペッ
クルパターンがノイズとなり均一な照度（強度）分布の
照明が困難となる場合がある。そこで、回折光学素子５
１〜５３をレボルバ６Ａごと振動機構部ＶＢにより振動
させることで、フライアイレンズ８の入射面上でスペッ
クルパターンを振動させる。これにより、時間平均する
とスペックルパターンは平滑化されるので、均一な光強
度分布を得ることができる。

【０１０６】さらに、リレーレンズ７とフライアイレン
ズ８との間に楔状の偏向プリズムＤＰを配置し、モータ
ＭＴ３で該プリズムＤＰの中心と光軸ＡＸとを略一致さ
せて露光中に回転させることにより、フライアイレンズ
８の入射面上に形成される光強度分布を回転させること
ができる。この結果、スペックパターンも回転するの
で、時間平均するとスペックルパターンは平滑化され、
回折光学素子５１〜５３を振動させた場合と同様に均一
な照度分布の光を得ることができる。ここで、回折光学
素子を振動させる事と偏向プリズムＤＰを使用する事の
何れか一方、又は両方を行っても良い。

【０１０７】さらに、光源１がパルス光を射出する場合
は、所定のパルス数ごとに回折光学素子５１〜５３をシ
フト又はチルトさせて、スペックパターンを平均化して
も良い。

【０１０８】（第３実施形態）図１９は、本発明の第３
実施形態に係る投影露光装置の構成を示す図である。図
１９では、コンデンサ光学系１０とリレー光学系１２の
部分を簡略表示しているが、実際には図１の対応部分と
同じ構成である。またその他の基本的構成についても第
１実施形態の装置と同様である。

【０１０９】第３実施形態の装置における光束変換部
は、第１及び第２実施形態のようにレボルバー回転させ
て回折光学素子を選択する代わりに、カセットに収納し
た複数の回折光学素子のうちから必要な回折光学素子を
選択して光路上に配置することによって、フライアイレ
ンズ８の入射面側に所望の強度分布の光を供給する。こ
のため、光束変換部は、回折光学素子１５１を収納する
カセット５８ａと、カセット５８ａから回折光学素子１
５１を受け取って搬送する搬送路５８ｂと、搬送路５８
から回折光学素子１５１を受け取って支持する支持部材
５８ｃとからなる。

【０１１０】カセット５８ａは、回折特性が異なる複数
の回折光学素子１５１を貯蔵している。このカセット５
８ａは、ＣＰＵ（図示省略）からの信号に基づいて所望
の照明条件に対応する回折光学素子１５１を送り出し、
搬送路５８ｂは、カセット５８ａから送り出された回折
光学素子１５１を照明光の光路に向けて搬送する。搬送
路５８ｂを通った回折光学素子１５１は、支持部材５８
ｃに搬入されて照明光の光路上で固定される。

【０１１１】なお、支持部材５８ｃ中に保持された不要
な回折光学素子１５１は、交換に際して予め光路上から
除去される。つまり、光路上に移動させるべき新たな回
折光学素子１５１をカセット５８ａから搬出する前に、
光路上から除去すべき元の回折光学素子１５１、すなわ
ち支持部材５８ｃ中に保持された回折光学素子１５１を
搬送路５８ｂを介してカセット５８ａ中に格納する。

【０１１２】ここで、カセット５８ａは、取り外し可能
であり、交換可能とする。この場合、収納している回折
光学素子１５１の種類が異なる種々のカセットを予め備
えておき、所望のカセットを自動的に選択して搬送路５
８ｂに接続する構成としてもよい。

【０１１３】以上のようなカセット５８ａを用いた場
合、フライアイレンズ８上の強度分布のバリエーション
が増える。例えば、同じように輪帯形状の回折特性を利
用する場合であっても、種々の最大発散角と最小発散角
を組み合わせることによって多様な輪体照明を行うこと
ができる。このようにフライアイレンズ８上の強度分布
のバリエーションを増やすことにより、フライアイレン
ズ８の出射側に配置する輪体開口絞りの形状を多様に調
節し、照明の瞳分布をきめ細かく調整した場合にも、照
明光量を無駄にすることがない。なお以上では、輪体照
明の場合について説明したが、円形照明、四つ目形状照
明の場合についても同様な効果がある。

【０１１４】回折光学素子１５１を保持する支持部材５
８ｃは、図１５に示す場合と同様に、カバーガラス５８
ｄによって周囲に対して気密に仕切られた支持室になっ
ている。この支持室には、不活性ガス、例えば窒素、ヘ
リウムガス等をパージしておくことが望ましい。この場
合、支持部材５８ｃの外側で発生するガス等に起因する
不純物の付着から回折光学素子１５１を保護することが
でき、安価なカバーガラス５８ｄの交換のみによって、
透過率劣化を回復することが可能である。また、支持部
材５８ｃから延びる搬送路５８ｂに対してカセット５８
ａを着脱自在としているので、不純物によるくもり対策
になるのみならず、回折光学素子１５１のメンテナンス
が容易となる。

【０１１５】さらに、第３実施形態に係る投影露光装置
では、リレーレンズ７を２分割して前群７ａと後群７ｂ
とに分け、さらに両群７ａ、７ｂの間に振動ミラー７ｃ
を配置している。前群７ａと後群７ｂの少なくとも一方
には、駆動機構７２を設けており、前群７ａと後群７ｂ
の少なくとも一方を３次元的に微動させたり、光軸に垂
直な一対の軸回りに微少回転させることができるように
なっている。振動ミラー７ｃにも、駆動機構７３を設け
ており、振動ミラー７ｃを３次元的に微動させたり、光
軸に垂直な一対の軸回りに微少回転させることができる
ようになっている。なお干渉ノイズ低減のために露光時
間中に振動ミラー７ｃの角度を変化させる駆動機構は、
不図示であり、駆動機構７３とは別に設けてある。

【０１１６】動作について説明すると、駆動機構７２に
よって前群７ａ及び後群７ｂの少なくとも一方をＸＹシ
フトまたはＸＹチルトさせて（Ｚ軸は光軸に平行とす
る）、回折光学素子１５１によって形成される照明領域
とフライアイレンズ８の入射面との位置合わせを行な
う。一方、駆動機構７３によってミラー７ｃをＸＹチル
トさせて、照明領域の位置合わせを行なうこともでき
る。

【０１１７】また、駆動機構７２によって前群７ａ及び
後群７ｂの少なくとも一方をＺ方向シフトによってフラ
イアイレンズ８の入射面上の照明領域の大きさを調整す
る。

【０１１８】以上のような駆動機構７２、７３を適宜動
作させることにより、レチクル１７のパターン面又はウ
エハ１６の露光面での照明ムラとテレセン度を高精度に
調整することができる。ここで、テレセン度とは、ウエ
ハ１６等に入射する照明光束の傾きの少なさを意味し、
ウエハ１６の露光面等における結像の等方性を意味す
る。照明ムラやテレセン度はフライアイレンズ８の後段
に設けたコンデンサ光学系１０に含まれる光学要素のシ
フトまたはチルトによって調整することができるが、フ
ライアイレンズ８の前段に設けたリレーレンズ７を構成
する光学要素の微動と組み合わせることによって、より
高精度な調整が可能となる。

【０１１９】（第４実施形態）図２０は、本発明の第４
実施形態に係る投影露光装置の構成を示す図である。基
本的な構成は第１実施形態の装置と同様であるので重複
する部分の説明は省略する。

【０１２０】第４実施形態の装置におけるリレーレンズ
２０７は、一対のレンズ群２０７ａ、２０７ｂからなる
ズームレンズとなっており、ズーム駆動機構２０７ｄに
よってフライアイレンズ８に投影する照明領域のサイズ
を適宜調節することができるようになっている。ズーム
駆動機構２０７ｄは、入力されたズーム倍率に応じて、
リレーレンズ２０７を構成する両レンズ群２０７ａ、２
０７ｂを適宜ズーム動作させることができる。また、両
レンズ群２０７ａ、２０７ｂの少なくとも１つは、電動
機構２０７ｅによって単独で移動させることができるよ
うになっている。このように、レンズ群２０７ｂを単独
で移動させることによってフライアイレンズ８の照明状
態を変更することができるので、マスク１４における照
明情報に応じて照明分布を最適化するといった制御が可
能になる。

【０１２１】また、コンデンサ光学系２１０も、一対の
レンズ群２１０ａ、２１０ｂからなるズームレンズとな
っている。また、光源１と回折光学素子５１〜５４との
間には、光源１からの光束に多重位相変化を与える光遅
延素子２１が配置されている。また、回折光学素子５１
〜５４は、出射側に光束を変化させるプリズム等を設け
たフライアイインテグレータやマイクロ・フライアイ・
レンズに置き換えることができる。

【０１２２】動作について説明すると、光源１からの光
束は、光遅延素子２１を通って回折光学素子５１〜５４
に入射する。この回折光学素子５１〜５４は、図１に示
すと同様のレボルバ６Ａによって他の回折光学素子と交
換可能になっており、任意の回折角度特性を有する多光
源像を形成することができる。この多光源像から射出さ
れた光束は、リレーレンズ２０７で集光され、所望の照
明領域でフライアイレンズ８に入射する。このフライア
イレンズ８は、図１に示すと同様のレボルバ６Ｂによっ
てサイズ等が異なる他のフライアイレンズと交換可能に
なっている。フライアイレンズ８の射出側では、実質的
な面光源が形成され、この面光源から発散された光束
は、コンデンサ光学系２１０を通ってリレー光学系１２
に入射し、ミラー１３で反射される。リレー光学系１２
及びミラー１３を通過した光束は、レチクル又はマスク
１４に形成されたパターンを重畳的に均一に照明する。
均一照明されたレチクル又はマスク１４上のパターン
は、投影レンズ１５によって被露光物体であるウエハ１
６に投影露光される。

【０１２３】ここで、リレーレンズ２０７は、焦点距離
を変更することにより、フライアイレンズ８の入射面上
に所望の大きさで照明することができる。この時、レチ
クル１４が均一に照明されず、照明ムラがあつた場合、
リレーレンズ２０７構成する一方のレンズ群２０７ｂを
独立に光軸方向に移動させる。このようにレンズ２０７
ｂを独立して移動させることにより、ズームレンズであ
るリレーレンズ２０７のデイストーションを変化させ、
形成される像の位置もずれるため、フライアイレンズ８
の入射面側での像をぼかすことができる。これにより、
フライアイレンズ８の射出面側で形成される実質的な面
光源が変化し、面光源の状態を調整することができる。
さらに、面光源に変化があると、マスク１４での照明ム
ラも変化するため、レンズ２０７ｂを動かすことで照明
ムラを調整し、さらにウエハ１６上における露光ムラを
低減することができる。

【０１２４】さらに、リレーレンズ２０７を構成する各
レンズ群２０７ａ、２０７ｂをズーム駆動機構２０７ｄ
によって移動させて倍率を適宜変更することにより、フ
ライアイレンズ８の入射面における照明領域のサイズ、
すなわちフライアイレンズ８の射出面側に形成される面
光源の大きさを調整することができる。なお、ズーム駆
動機構２０７ｄによって面光源の大きさを調整すること
により、マスク１４上で照明ムラが生じた場合などにお
いては、上記と同様に電動機構２０７ｅによってリレー
レンズ２０７のレンズ群２０７ｂを動かすことにより、
照明ムラや露光ムラを調整することができる。

【０１２５】なお、上記第４実施形態のリレーレンズ２
０７では、ズーム駆動機構２０７ｄによってズーム倍率
を変更し、電動機構２０７ｅによってフライアイレンズ
８の照明状態を変更することとしているが、ズーム倍率
と照明状態の双方を変更する必要はない。例えば、ズー
ム駆動機構２０７ｄによってズーム倍率を変更するだけ
でもよく、電動機構２０７ｅによってフライアイレンズ
８の照明状態を変更するだけでもよい。

【０１２６】（第５実施形態）図２１は、本発明の第５
実施形態に係る投影露光装置の要部を示す図である。基
本的な構成は第１実施形態の装置と同様であるので重複
する部分の説明は省略する。

【０１２７】第５実施形態の装置におけるリレーレンズ
３０７は、一対のレンズ群３０７ａ、３０７ｂからなっ
ており、駆動機構３０７ｄによって焦点距離やピント位
置を適宜調節できるようになっている。

【０１２８】リレーレンズ３０７のピント位置を調節す
る際には、駆動機構３０７ｄを動作させて両レンズ群３
０７ａ、３０７ｂいずれか一方を光軸方向に移動させ
る。

【０１２９】一方、リレーレンズ３０７の焦点距離を調
節する際には、駆動機構３０７ｄを動作させて両レンズ
群３０７ａ、３０７ｂの間隔を調整する。この際、リレ
ーレンズ３０７全体としての前側焦点面を回折光学素子
５１の出射面にほぼ一致させるように、両レンズ群３０
７ａ、３０７ｂを全体として光軸方向に移動させる。

【０１３０】図２２及び図２３は、駆動機構３０７ｄに
よってリレーレンズ３０７の焦点距離やピント位置を調
節した場合における、フライアイレンズ８の入射面側で
の照射領域の変化を示す。

【０１３１】図２２（Ａ）は、円形である当初の照明領
域ＩＡ1を示し、図２２（Ｂ）は、焦点距離やピント位
置の調節後の照明領域ＩＡ2を示す。駆動機構３０７ｄ
によってリレーレンズ３０７の焦点距離やピント位置を
調節することで、比較的小さな照明領域ＩＡ1から比較
的大きな照明領域ＩＡ2に変更できることが分かる。な
お、リレーレンズ３０７の焦点距離を短くする場合、調
整後の照明領域は、当初の照明領域ＩＡ1よりも小さく
なる。

【０１３２】図２３（Ａ）は、環状である当初の照明領
域ＩＡ3を示し、図２３（Ｂ）は、焦点距離の調節後の
照明領域ＩＡ4を示し、図２３（Ｃ）は、ピント位置の
調節後の照明領域ＩＡ5を示す。

【０１３３】図２３（Ａ）と図２３（Ｂ）の比較により
明らかなように、駆動機構３０７ｄによってリレーレン
ズ３０７の焦点距離を調節することで、比較的小さな照
明領域ＩＡ3を相似に拡大した照明領域ＩＡ4に変更でき
ることが分かる。つまり、輪帯照明の内側の径と外側の
径とを比例させて全体のサイズを適宜変更することがで
きる。

【０１３４】また、図２３（Ａ）と図２３（Ｃ）の比較
により明らかなように、駆動機構３０７ｄによってリレ
ーレンズ３０７のピント位置を調節することで、照明領
域ＩＡ3の輪帯比を変更した照明領域ＩＡ5を得ることが
できる。つまり、輪帯照明の内側と外側との間隔を適宜
変更することができる。

【０１３５】本実施形態では、駆動機構３０７ｄによっ
てリレーレンズ３０７の焦点距離やピント位置を適宜調
節しているので、フライアイレンズ８をある程度の自由
度をもって可変に照明することができるので、光量損失
を効果的に低減することができる。

【０１３６】また、本実施形態では、フライアイレンズ
８を構成する要素レンズの個数、すなわち積分個数を３
００個以上としている。このため、フライアイレンズ８
の出射面側に配置される絞りを可変開口絞りとするまで
もなく、フライアイレンズ８に入射する光束のサイズを
変更するだけで照明条件を変更しても、マスク１４にお
ける照明ムラの発生を低く抑えることができる。このこ
とを、以下に詳細に説明する。

【０１３７】フライアイレンズ８を構成する要素レンズ
は、一辺の長さがｄである正方形断面を有するものと仮
定する。また、フライアイレンズ８の照明領域の半径を
Ｒとすると、フライアイレンズ８全体による積分個数Ｎ
は、Ｎ＝π・Ｒ²・／ｄ² (１) で与えられる。また、フライアイレンズ８の周辺を構成
する要素レンズの個数Ｎ _sは、おおよそＮ_s＝２πＲ／ｄ (２) となる。これら周辺の要素レンズは、部分的に照明され
るので、照明ムラの原因となる可能性がある。周辺の一
つ要素レンズによって生じる照明ムラは最大で１００％
の可能性があるが、周辺ではだんだんと照度が弱くなる
ので、生じるむらも少なくなり、絶対的な影響度も小さ
くなる。よって、総合的に考えると、周辺の一つの要素
レンズによって生じる照明ムラの影響は、１／３程度と
見積もることができる。さらに、周辺領域における統計
的ランダム性よリ、それらの数の平根で照明ムラへの影
響がある。よって、照明ムラを１％以下にするために
は、（１／３）・（Ｎ_s）^1/2／Ｎ＜０．０１（３）となる必要がある。よって、（１）、（２）、（３）式
より（１／３）・（２／π）^1/2・（ｄ／Ｒ）^3/2＜０．０１（４）となる。さらに（１）、（４）式よりＮ＞π・（１／３）^4/3×（２／π）^2/4 ×（０．０１）^-4/3＝２４９（５）を得る。すなわち、フライアイレンズ８による分割数が
約３００を越えると、照明ムラの発生が抑えられる。特
に照明条件を変えたときにも、照明ムラの発生が十分に
抑えられることが分かる。

【０１３８】なお、走査型の露光装置の場合、一つの照
明領域がすなわちフライアイレンズ８を構成する要素レ
ンズの断面が長方形であるが、上記の場合とほぼ同様の
理論によって照明ムラの発生が抑えられる。

【０１３９】以上の説明では、第２のオプティカルイン
テグレータとしてフライアイレンズ８を用いる場合につ
いて説明したが、フライアイレンズ８に代えてロッドイ
ンテグレータを用いることもできる。図２４は、第２の
オプティカルインテグレータとしてロッドインテグレー
タを用いた変形例を示す。この場合、回折光学素子５１
〜５４からの光束は、リレーレンズ３０７を介してロッ
ドインテグレータ４０８ａの前側焦点面ＦＦを所望の照
度分布で重畳的に照明する。ロッドインテグレータ４０
８ａの入射端側には、コンデンサレンズ４０８ｂが配置
されており、ロッドインテグレータの入射端の近傍に光
源面を形成する。また、ロッドインテグレータ４０８ａ
の出射端は、レチクルブラインドに相当し、マスク１４
と共役な位置となっている。図示の装置でも、リレーレ
ンズ３０７を２群のレンズで構成して焦点距離やピント
位置を調節することにより、前側焦点面ＦＦにおける照
明領域のサイズや比率を適宜調節することができる。

【０１４０】以上の第５実施形態では、第１のオプティ
カルインテグレータとして回折光学素子を用いている
が、これに代えてフライアイレンズを用いることができ
ることは言うまでもない。

【０１４１】また、以上の第５実施形態では、リレーレ
ンズ３０７を２群のレンズで構成して焦点距離やピント
位置を調節しているが、リレーレンズ３０７を３群のレ
ンズで構成してフライアイレンズ８やロッドインテグレ
ータ４０８ａの照明のテレセン性を確保することもでき
る。

【０１４２】以上説明した第１〜第５実施形態において
は、光源１として、例えばＫｒＦエキシマレーザ（波
長：２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（波長：１９
３ｎｍ）等、波長が１８０ｎｍ以上の照明光すなわち露
光光を用いることができる。この場合、回折光学素子５
１〜５３、１５１は、例えば石英ガラスで形成すること
ができる。

【０１４３】なお、露光光として２００ｎｍ以下の波長
を用いる場合には、回折光学素子５１〜５３、１５１を
螢石、フッ素がドープされた石英ガラス、フッ素及び水
素がドープされた石英ガラス、構造決定温度が１２００
Ｋ以下で且つＯＨ基濃度が１０００ppm以上である石英
ガラス、構造決定温度が１２００Ｋ以下で且つ水素分子
濃度が１×１０¹⁷molecules／cm³以上である石英ガラ
ス、構造決定温度が１２００Ｋ以下でかつ塩素濃度が５
０ppm以下である石英ガラス、及び構造決定温度が１２
００Ｋ以下で且つ水素分子濃度が１×１０¹⁷molecules
／cm³以上で且つ塩素濃度が５０ppm以下である石英ガラ
スのグループから選択される材料で形成することが好ま
しい。

【０１４４】ここで、構造決定温度が１２００Ｋ以下で
且つＯＨ基濃度が１０００ppm以上である石英ガラスに
ついては、本願出願人による特許第２７７０２２４号公
報に開示されており、構造決定温度が１２００Ｋ以下で
且つ水素分子濃度が１×１０ ¹⁷molecules／cm³以上であ
る石英ガラス、構造決定温度が１２００Ｋ以下でかつ塩
素濃度が５０ppm以下である石英ガラス、及び構造決定
温度が１２００Ｋ以下で且つ水素分子濃度が１×１０¹⁷
molecules／cm³以上で且つ塩素濃度が５０ppm以下であ
る石英ガラスについては、本願出願人による特許第２９
３６１３８号公報に開示されている。

【０１４５】以上説明した第１〜第５実施形態において
は、フライアイレンズ８及び補助フライアイレンズ５４
を、複数の要素レンズを集積して形成しているが、これ
らをマイクロ・フライアイ・レンズとすることも可能で
ある。マイクロ・フライアイ・レンズとは、光透過性基
板にエッチングなどの手法により複数の微少レンズ面を
マトリックス状に設けたものである。複数の光源像を形
成する点に関して、フライアイレンズとマイクロ・レン
ズ・アレイとの間に機能上の差異は実質的にはないが、
１つの要素レンズ（微少レンズ面）の開口の大きさを極
めて小さくてきること、製造コストを大幅に削減できる
こと、光軸方向の厚みを非常に薄くできることなどの点
で、マイクロ・フライアイ・レンズの方が有利である。

【０１４６】また第１〜第４実施形態では、第２のオプ
ティカルインテグレータとしてフライアイレンズ８を用
いているが、その代わりに、四角柱、六角柱などの多角
柱状、あるいは円柱状の内面反射面を有するロッド型イ
ンテグレータを用いた実施形態をとることも可能であ
る。

【０１４７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の第１の照明装置によれば、従来のフライアイレンズに
代えて、光源部からの光束を波面分割するように回折さ
せる回折光学素子と該回折光学素子からの回折光を所定
面上で重畳させ該所定面上で所定の断面形状の光束に変
換する光学要素とを含む光束変換部を用いており、前記
回折光学素子の回折特性は、前記所定面上における光強
度分布を変更可能にするために変更可能である。したが
って、照明条件の変更に伴って所望の領域を正確に照明
できるので、光量を有効に使用でき高照度な照明が可能
である。

【０１４８】また、本発明の第２の照明装置によれば、
光源部と波面分割型インテグレータとの間に、光源部か
らの光束を波面分割するように回折させる回折光学素子
と回折光学素子からの回折光を所定面上で互いに重畳さ
せ該所定面上で所定の断面形状の光束に変換する光学要
素とを含む光束変換部が配置されており、前記波面分割
型インテグレータが、実質的に前記所定面上に配置され
る。したがって、前記所定面上に配置される前記波面分
割型インテグレータの所望の領域を必要に応じて正確に
照明できるので、光量を有効に使用でき高照度な照明が
可能である。

【０１４９】また、本発明の第３の照明装置によれば、
光束を所定の断面形状に変換する回折光学素子を用いて
いるので、所望の領域を正確に照明でき、光量を有効に
使用して高照度な照明が可能である。また、フライアイ
レンズに比較して材料が少なくて済み、かつ大きさも小
さいので製造コストを低減できる。さらに、簡便な構成
で様々な形状の領域を照明できる。

【０１５０】また、本発明の第４の照明装置によれば、
前記回折光学素子による前記照明領域が前記走査の方向
に対応する方向に対して傾けられたエッジを有するの
で、このエッジに対応する複数の要素レンズにおいて走
査直交方向の照度分布が連続的に変化する。よって、感
光性基板上においては、走査直交方向に関し、全体とし
ては均一な照度分布を得ることができる。

【０１５１】また、本発明の第５の照明装置によれば、
前記光学要素が複数のレンズ要素からなり、該複数のレ
ンズ要素の少なくとも１つの移動により当該光学要素の
屈折力及び焦点位置の少なくとも一方を調節可能である
ので、所定面上に重畳する光束の大きさや寸法比等を必
要に応じて適宜調整することができる。よって、マスク
上における照度分布を所望の状態とできるとともに、照
明光の損失を最小限に抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかる投影露光装置の
構成を示す図である。

【図２】（Ａ）は補助フライアイレンズと回折光学素子
とが設けられたレボルバの構成を示す図である。（Ｂ）
は開口絞りが設けられたレボルバの構成を示す図であ
る。

【図３】（Ａ）は回折光学素子の構成、（Ｂ）は回折光
の様子、（Ｃ）は回折光の光強度分布をそれぞれ示す図
である。

【図４】（Ａ）は回折光学素子の斜視図、（Ｂ）、
（Ｃ）は回折角度を説明する図である。

【図５】所定面における光強度分布を示す図である。

【図６】光量の損失を説明する図である。

【図７】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は所定面における他の
光強度分布（輪帯形状）を示す図である。

【図８】（Ａ）は回折光学素子の照明領域を示し、
（Ｂ）はフライアイレンズの出射端の一部を示す。

【図９】（Ａ）、（Ｂ）は所定面における別の光強度分
布（四つ目形状）を示す図である。

【図１０】所定面におけるさらに別の光強度分布（樽
型）を示す図である。

【図１１】（Ａ）〜（Ｅ）は、フライアイレンズと照明
領域との関係を説明する図である。

【図１２】（Ａ）、（Ｂ）はフライアイレンズの構造を
説明する側面図及び裏面図である。

【図１３】（Ａ）、（Ｂ）はフライアイレンズの別の構
造を説明する側面図及び裏面図である。

【図１４】フライアイレンズのさらに別の構造を説明す
る側面図及び裏面図である。

【図１５】回折光学素子の保持及び収納を説明する側面
図である。

【図１６】回折光学素子の配置を説明する側面図であ
る。

【図１７】回折光学素子の配置を説明する側面図であ
る。

【図１８】本発明の第２実施形態にかかる投影露光装置
の構成を示す図である。

【図１９】本発明の第３実施形態にかかる投影露光装置
の構成を示す図である。

【図２０】本発明の第４実施形態にかかる投影露光装置
の構成を示す図である。

【図２１】本発明の第５実施形態にかかる投影露光装置
の要部を示す図である。

【図２２】（Ａ）、（Ｂ）は、図２１の装置における第
２のインテグレータの照明領域の変更の一例を説明する
図である。

【図２３】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図２１の装置に
おける第２のインテグレータの照明領域の変更の別の例
を説明する図である。

【図２４】図２１の装置の変形例を説明する図である。

【図２５】（Ａ）はフラアイレンズを用いた光学系、
（Ｂ）は従来の投影露光装置の光学系を示す図である。

【図２６】従来のフライアイレンズによる光強度分布を
示す図である。

【図２７】（Ａ）輪帯形状の開口絞りの構成を示し、
（Ｂ）は四つ目形状の開口絞りの構成を示す図である。

【図２８】光量の損失を説明する図である。

【符号の説明】

１光源２エキスパンダ３，１３反射ミラーＭＴ１，ＭＴ２モータ６Ａ，６Ｂレボルバ５１〜５３,１５１回折光学素子５４〜５６補助フライアイレンズ７リレーレンズ８フライアイアイレンズ６１〜６６開口絞り１０コンデンサ光学系１２リレー光学系１１視野絞り１４マスク１５投影光学系１６被露光基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷津修東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内 (72)発明者渋谷眞人東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内Ｆターム(参考） 5F046 BA04 CA04 CB05 CB10 CB12 CB13 CB23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のパターンが形成されたマスクを照
明する照明装置において、光束を供給する光源部と；該光源部からの光束を波面分
割するように回折させる回折光学素子と、該回折光学素
子からの回折光を所定面上で重畳させ該所定面上で所定
の断面形状の光束に変換する光学要素とを含む光束変換
部と；前記光束変換部からの光束に基づいて実質的な面
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からの光束を前記マスクへ導く
光学系と；を備え、前記回折光学素子の回折特性は、前記所定面上における
光強度分布を変更可能にするために変更可能であること
を特徴とする照明装置。
【請求項２】所定のパターンが形成されたマスクを照
明する照明装置において、所定波長の光を供給する光源部と；該所定波長の光に基
づいて実質的な面光源を形成する波面分割型インテグレ
ータと；該波面分割型インテグレータによる実質的な面
光源からの光束を、前記マスク面または前記マスク面と
共役な面へ重畳的に導くコンデンサ光学系と；を備え、前記光源部と前記波面分割型インテグレータとの間に
は、前記光源部からの光束を波面分割するように回折さ
せる回折光学素子と、該回折光学素子からの回折光を所
定面上で互いに重畳させ該所定面上で所定の断面形状の
光束に変換する光学要素とを含む光束変換部が配置さ
れ、前記波面分割型インテグレータの入射面は、実質的に前
記所定面近傍に配置されることを特徴とする照明装置。
【請求項３】所定のパターンが形成されたマスクを照
明する照明装置において、光束を供給する光源部と；該光源部からの光束を回折さ
せる回折光学素子を含み、所定面上で所定の断面形状の
光束に変換する光束変換部と；前記光束変換部からの光
束に基づいて実質的な面光源を形成するオプティカルイ
ンテグレータと；該オプティカインテグレータからの光
束を前記マスクへ導く光学系と；を備え、前記回折光学素子は、一対の保護光学部材間が形成する
密閉空間内に配置されることを特徴とする照明装置。
【請求項４】前記光束変換部は、第１の回折特性を有
する第１の回折光学素子と、第２の回折特性を有する第
２の回折光学素子とを含み、前記第１及び第２の回折光学素子は、照明光路内の位置
と、照明光路外の位置との間で選択的に位置決めされる
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の照明装
置。
【請求項５】前記第１及び第２の回折光学素子を収納
可能に設けられたカセットと；前記カセットと前記照明
光路内の位置との間に設けられて、前記回折光学素子を
搬送するために搬送路と；を備えることを特徴とする請
求項４記載の照明装置。
【請求項６】前記光束変換部中の前記回折光学素子
は、前記所定面の中心部の光強度と、前記所定面の周辺
部の光強度とが異なる光強度分布となるような回折特性
を有することを特徴とする請求項１、２または３記載の
照明装置。
【請求項７】前記光束変換部中の前記回折光学素子へ
の入射ビーム形状と、前記波面分割型インテグレータの
要素レンズの開口形状とを相似にすることを特徴とする
請求項１、２または３記載の照明装置。
【請求項８】前記光束変換部中の前記回折光学素子と
前記インテグレータとの間に配置されて、前記回折光学
素子から出射する０次光が前記インテグレータに入射す
ることを防ぐための遮光部材を有することを特徴とする
１乃至７の何れか一項記載の照明装置。
【請求項９】前記光束変換部中の前記回折光学素は、
前記光学要素の焦点位置から光軸方向へ外れた位置に位
置決めされることを特徴とする請求項１、２または３記
載の照明装置。
【請求項１０】前記光束変換部中の光学要素の位置及
び傾斜の少なくとも一方は調整可能であることを請求項
１、２または３記載の照明装置。
【請求項１１】所定のパターンが形成されたマスク及
び感光性基板を投影光学系に対して相対的に走査させつ
つ前記パターンを前記感光性基板へ転写するための投影
露光装置に用いられる照明装置において、光束を供給する光源部と；該光源部からの光束を回折さ
せる回折光学素子と；該回折光学素子にて回折された光
束に基づいて実質的な面光源を形成する波面分割型オプ
ティカルインテグレータと；を備え、前記波面分割型オプティカルインテグレータは、複数の
要素レンズを含み、前記回折光学素子は、前記波面分割型オプテイカルイン
テグレータの前記複数の要素レンズ上に照明領域を形成
し、前記回折光学素子による前記照明領域は、前記走査の方
向に対応する方向に対して傾けられたエッジを有するこ
とを特徴とする照明装置。
【請求項１２】前記回折光学素子による前記照明領域
は、互いに離されて位置決めされた複数の照明領域を有
することを特徴とする請求項１１記載の照明装置。
【請求項１３】前記回折光学素子による前記複数の照
明領域の形状は、楕円形状であることを特徴とする請求
項１２記載の照明装置。
【請求項１４】所定のパターンが形成されたマスクを
照明する照明装置において、光束を供給する光源部と；該光源部からの光束を波面分
割する第１のオプティカルインテグレータと、該第１の
オプティカルインテグレータからの光束を所定面上で互
いに重畳させる光学要素とを含む光束変換部と；該光束
変換部からの光束に基づいて実質的な面光源を形成する
第２のオプティカルインテグレータと；該第２のオプテ
ィカルインテグレータからの光束をマスクに導く光学系
と；を備え、前記光学要素は、複数のレンズ要素からなり、該複数の
レンズ要素の少なくとも１つの移動により当該光学要素
の屈折力及び焦点位置の少なくとも一方を調節可能であ
ること特徴とする照明装置。
【請求項１５】前記マスクを支持する第１ステージ
と；前記マスクを照明する請求項１乃至１４の何れか一
項記載の照明装置と；被露光基板を保持する第２ステー
ジと；前記照明された前記マスクのパターンの像を前記
被露光基板上へ投影露光するための投影光学系と；を備
えることを特徴とする投影露光装置。