【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子又は液晶表示素子等をフォトリソグラフ技術を用いて製造する際に使用される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の形成には、一般にフォトリソグラフ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、即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。 投影露光装置（例えばステッパー）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、結像される。

【０００３】また、レチクルを照明するための照明光学系中には、フライアイレンズ、ファイバー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が均一化される。 その均一化を最適に行なうためにフライアイレンズを用いた場合、
レチクル側焦点面（射出面側）とレチクル面（パターン面）とはほぼフーリエ変換の関係で結ばれており、更にレチクル側焦点面と光源側焦点面（入射面側）ともフーリエ変換の関係で結ばれている。 従って、レチクルのパターン面と、フライアイレンズの光源側焦点面（正確にはフライアイレンズの個々のレンズの光源側焦点面）とは、結像関係（共役関係）で結ばれている。 このため、
レチクル上では、フライアイレンズの各光学エレメント（２次光源像）からの照明光がコンデンサーレンズ等を介することによってそれぞれ加算（重畳）されることで平均化され、レチクル上の照度均一性を良好とすることが可能となっている。

【０００４】従来の投影露光装置では、上述のフライアイレンズ等のオプティカルインテグレータ入射面に入射する照明光束の光量分布を、照明光学系の光軸を中心とするほぼ円形内（あるいは矩形内）でほぼ一様になるようにしていた。 図１１は上述の如き従来の投影露光装置（ステッパー）の概略的な構成を示しており、照明光束Ｌ１４０は照明光学系中のフライアイレンズ４１ｃ、空間フィルター（開口絞り）５ａ及びコンデンサーレンズ８を介してレチクル９のパターン１０を照射する。 ここで、空間フィルター５ａはフライアイレンズ４１ｃのレチクル側焦点面４１４ｃ、即ちレチクルパターン１０に対するフーリエ変換面１７（以下、「瞳面」と略す）又はその近傍に配置されており、投影光学系１１の光軸Ａ
Ｘを中心としたほぼ円形領域の開口を有し、瞳面内にできる２次光源（面光源）像を円形に制限する。 こうしてレチクル９のパターン１０を通過した照明光は、投影光学系１１を介してウエハ１３のレジスト層に結像される。 このとき、照明光学系（４１ｃ，５ａ，８）の開口数と投影光学系１１のレチクル側開口数との比、いわゆるσ値は開口絞り（例えば空間フィルター５ａの開口径）により決定され、その値は０．３〜０．６程度が一般的である。

【０００５】さて、照明光Ｌ１４０はレチクル９にパターニングされたパターン１０により回折され、パターン１０からは０次回折光Ｄ ₀ 、＋１次回折光Ｄ _p 、及び−
１次回折光Ｄ _mが発生する。 それぞれの回折光（Ｄ ₀ ，
Ｄ _m ，Ｄ _p ）は投影光学系１１により集光され、ウエハ（基板）１３上に干渉縞を発生させる。 この干渉縞がパターン１０の像である。 このとき、０次回折光Ｄ ₀と±
１次回折光Ｄ _p ，Ｄ _mとがなす角θ（レチクル側）はｓ
ｉｎθ＝λ／Ｐ（λ：露光波長、Ｐ：パターンピッチ）
により決まる。

【０００６】ところで、パターンピッチが微細化するとｓｉｎθが大きくなり、ｓｉｎθが投影光学系１１のレチクル側開口数（ＮＡ _R ）より大きくなると、±１次回折光Ｄ _p ，Ｄ _mは投影光学系１１内の瞳（フーリエ変換面）１２の有効径で制限され、投影光学系１１を透過できなくなる。 このとき、ウエハ１３上には０次回折光Ｄ
₀のみしか到達せず干渉縞は生じない。 つまり、ｓｉｎ
θ＞ＮＡ _Rとなる場合にはパターン１０の像は得られず、パターン１０をウエハ１３上に転写することができなくなってしまう。

【０００７】以上のことから、今までの投影露光装置においては、ｓｉｎθ＝λ／Ｐ≒ＮＡ _RとなるピッチＰは次式で与えられていた。 Ｐ≒λ／ＮＡ _R （１） これより、最小パターンサイズはピッチＰの半分であるから、最小パターンサイズは０．５・λ／ＮＡ _R程度となるが、実際のフォトリソグラフィ工程においてはウエハの湾曲、プロセスによるウエハの段差等の影響又はフォトレジスト自体の厚さのために、ある程度の焦点深度が必要となる。 このため、実用的な最小解像パターンサイズは、ｋ・λ／ＮＡ _Rとして表される。 ここで、ｋはプロセス係数と呼ばれ０．６〜０．８程度となる。 レチクル側開口数ＮＡ _Rとウエハ側開口数ＮＡ _Wとの比は、
投影光学系の結像倍率と同じであるので、レチクル上における最小解像パターンサイズはｋ・λ／ＮＡ _R 、ウエハ上の最小パターンサイズは、ｋ・λ／ＮＡ _W ＝ｋ・λ
／Ｂ・ＮＡ _R （但しＢは結像倍率（縮小率））となる。

【０００８】従って、より微細なパターンを転写するためには、より短い波長の露光光源を使用するか、あるいはより開口数の大きな投影光学系を使用するかを選択する必要があった。 勿論、露光波長と開口数の両方を最適化する試みも考えられる。 しかしながら、上記の如き従来の投影露光装置において、照明光源を現在より短波長化（例えば２００ｎｍ以下に）することは、透過光学部材として使用可能な適当な光学部材が存在しない等の理由により現時点では困難である。 また、投影光学系の開口数は、現状でも既に理論的限界に近く、これ以上の大開口化はほぼ望めない状態である。 更に、もし現状以上の大開口化が可能であるとしても、±λ／２ＮＡ ²で表わされる焦点深度は開口数の増加に伴なって急激に減少し、実使用に必要な焦点深度がますます少なくなるという問題が顕著になってくる。

【０００９】また、レチクルの回路パターンの透過部分のうち、特定の部分からの透過光の位相を、他の透過部分からの透過光の位相よりπだけずらす、いわゆる位相シフトレチクルが、例えば特公昭６２−５０８１１号公報等で提案されている。 この位相シフトレチクルを使用すると、従来よりも微細なパターンの転写が可能となる。

【００１０】ところが、位相シフトレチクルについては、その製造工程が複雑になる分コストも高く、また検査及び修正方法も未だ確立されていないので、多くの問題が残されている。 そこで、位相シフトレチクルを使用しない投影露光技術として、レチクルの照明方法を改良することで転写解像力を向上させる試みがなされている。 その１つの照明方法は、例えば図１１の空間フィルター５ａを輪帯状の開口にし、フーリエ変換面１７上で照明光学系の光軸の回りに分布する照明光束をカットすることにより、レチクル９に達する照明光束に一定の傾斜を持たせるものである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、照明光学系のフーリエ変換面内での照明光束分布を輪帯状にするような特殊な照明方法を採用すると、確かに通常のレチクルでも解像力の向上は認められるが、レチクルの全面に渡って均一な照度分布を補償することが難しくなるといった問題点が生じた。 また、図１１のように単に空間フィルター等のような部分的に照明光束をカットする部材を設けた系では、当然のことながらレチクル上又はウエハ上での照明強度（照度）を大幅に低下させることになり、照明効率の低下に伴う露光処理時間の増大という問題に直面する。 さらに、照明光学系中のフーリエ変換面には、光源からの光束が集中して通るため、空間フィルター等の遮光部材の光吸収による温度上昇が著しくなり、照明光学系の熱的な変動による性能劣化の対策（空冷等）も考える必要がある。

【００１２】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、通常のレチクルを使用しても、高解像度かつ大焦点深度が得られるとともに、照度均一性の優れた投影露光装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明による投影露光装置は、例えば図１（ｂ）に示す如く、所定のパターンが形成されたマスク（９）を照明光学系からの光で照明し、そのパターンの像を投影光学系（１１）を介して感光基板（１３）上に結像する投影露光装置において、その照明光学系は、パルス光を発する光源（１）と、この光源からのパルス光により面光源を形成する面光源形成手段（４１）と、この面光源形成手段からの光を集光してそのマスク（９）を照明するコンデンサーレンズ（８）とを有し、その光源（１）とその面光源形成手段（４１）との間にその光源（１）からのパルス光を偏向させる偏向手段（４０）を配置する。

【００１４】そして、この偏向手段（４０）を動かすことによりその光源（１）からのパルス光を１個又は複数個のパルス光毎にその面光源形成手段（４１）のその照明光学系の光軸から偏心した複数の位置（４２ａ及び４
２ｂに対応する位置）に順次入射させ、その面光源形成手段により形成される複数の面光源が実質的に互いに分離されると共にその照明光学系の光軸に対し偏心して形成されるようにしたものである。

【００１５】この場合、その面光源形成手段は、例えば図１（ａ）に示すように、その照明光学系の光軸から偏心した位置に設けられた複数個のオプティカルインテグレータ（４１ａ，４１ｂ）を有し、その偏向手段（４
０）を動かすことにより、その光源（１）からのパルス光を１個又は複数個のパルス光毎に異なるオプティカルインテグレータに入射させるようにしてもよい。

【００１６】

【作用】本発明による作用を図１０を用いて説明する。
説明の便宜上、面光源形成手段は２個のフライアイレンズ４１ａ及び４１ｂを含んで構成され、偏向手段は回転する偏角プリズム４０より構成され、投影光学系１１がレチクル９のレチクルパターン１０の像をウエハ１３上に転写するものとする。 図１０において、本発明における実質的に分離した複数の２次光源（面光源）はフライアイレンズ４１ａ及び４１ｂの射出側面又はその近傍に形成される。 光源からの光束は光軸を中心に回転する偏角プリズム４０によって偏向され、１個又は複数個のパルス光毎にフライアイレンズ４１ａ又は４１ｂのどちらかを照射するように同期がとられている。 ここでフライアイレンズ４１ａ及び４１ｂの中心は光軸ＡＸより離れた位置にあり、形成された２次光源４１４ａ及び４１４
ｂはレチクルパターン１０のフーリエ変換面１７とほぼ一致しているので、光軸ＡＸとフライアイレンズ４１
ａ，４１ｂとの距離によりこれらフライアイレンズを射出した光束のレチクル９への入射角が定まる。

【００１７】レチクル（マスク）９上に描画されたレチクルパターン１０は、特に回路パターンの場合には一般に周期的なパターンを多く含んでいる。 従って１つのフライアイレンズ４１ａからの照明光が照射されたレチクルパターン１０からは、０次回折光成分Ｄ ₀ 、±１次回折光成分Ｄ _p ，Ｄ _m及びより高次の回折光成分が、パターンの微細度に応じた方向に発生する。

【００１８】このとき、照明光束（主光線）が傾いた角度でレチクル９に入射するから、発生した各次数の回折光成分も、垂直に照明された場合に比べ、傾き（角度ずれ）をもってレチクルパターン１０から発生する。 図１
０中の照明光Ｌ１３０は、光軸に対してψだけ傾いてレチクル９に入射する。 照明光Ｌ１３０はレチクルパターン１０により回折され、光軸ＡＸに対してψだけ傾いた方向に進む０次回折光Ｄ ₀ 、０次回折光に対してθ _pだけ傾いた＋１次回折光Ｄ _p及び０次回折光Ｄ ₀に対してθ _mだけ傾いて進む−１次回折光Ｄ _mが発生する。 しかしながら、投影光学系１１が両側テレセントリックであるとすると、照明光Ｌ１３０は投影光学系１１の光軸Ａ
Ｘに対して角度ψだけ傾いてレチクルパターン１０に入射するので、０次回折光Ｄ ₀もまた投影光学系の光軸Ａ
Ｘに対して角度ψだけ傾いた方向に進行する。

【００１９】従って、＋１次回折光Ｄ _pは光軸ＡＸに対して（θ _p ＋ψ）の方向に進行し、−１次回折光Ｄ _mは光軸ＡＸに対して（θ _m −ψ）の方向に進行する。 このとき回折角θ _p 、θ _mはそれぞれ ｓｉｎ（θ _p ＋ψ）−ｓｉｎψ＝λ／Ｐ （２） ｓｉｎ（θ _m −ψ）＋ｓｉｎψ＝λ／Ｐ （３） である。

【００２０】ここでは、＋１次回折光Ｄ _p 、−１次回折光Ｄ _mの両方が投影光学系１１の瞳１２を透過しているものとする。 レチクルパターン１０の微細化に伴って回折角が増大すると先ず角度（θ _p ＋ψ）の方向に進行する＋１次回折光Ｄ _pが投影光学系１１の瞳１２を透過できなくなる。 すなわちｓｉｎ（θ _p ＋ψ）＞ＮＡ _Rの関係になってくる。 しかし照明光Ｌ１３０が光軸ＡＸに対して傾いて入射している為、このときの回折角でも−１
次回折光Ｄ _mは、投影光学系１１を透過可能となる。 すなわちｓｉｎ（θ _m −ψ）＜ＮＡ _Rの関係になる。

【００２１】従って、ウエハ１３上には０次回折光Ｄ ₀
と−１次回折光Ｄ _mの２光束による干渉縞が生じる。 この干渉縞はレチクルパターン１０の像であり、レチクルパターン１０が１：１のラインアンドスペースのとき、
約９０％のコントラストとなってウエハ１３上に塗布されたレジストに、レチクルパターン１０の像をパターニングすることが可能となる。

【００２２】このときの解像限界は、 ｓｉｎ（θ _m −ψ）＝ＮＡ _R （４） となるときであり、従って ＮＡ _R ＋ｓｉｎψ＝λ／Ｐ Ｐ＝λ／（ＮＡ _R ＋ｓｉｎψ） （５） が転写可能な最小パターンのレチクル側でのピッチである。

【００２３】一例として今ｓｉｎψを０．５×ＮＡ _R程度に定めるとすれば、転写可能なレチクル上のパターンの最小ピッチは Ｐ＝λ／（ＮＡ _R ＋０．５ＮＡ _R ） ＝２λ／３ＮＡ _R （６） となる。

【００２４】一方、図１１に示したように、照明光の瞳１７上での分布が投影光学系１１の光軸ＡＸを中心とする円形領域内である従来の露光装置の場合、解像限界は（１）式に示したようにＰ≒λ／ＮＡ _Rであった。 従って、従来の露光装置より高い解像度が実現できることが分かる。 次に、レチクルパターンに対して特定の入射方向と入射角で露光光を照射して、０次回折光成分と１次回折光成分とを用いてウエハ上に結像パターンを形成する方法によって、焦点深度も大きくなる理由について説明する。

【００２５】図１０のようにウエハ１３が投影光学系１
１の焦点位置（最良結像面）に一致している場合は、レチクルパターン１０中の１点を出てウエハ１３上の１点に達する各回折光は、投影光学系１１のどの部分を通るものであってもすべて等しい光路長を有する。 このため従来のように０次回折光成分が投影光学系１１の瞳面１
２のほぼ中心（光軸近傍）を貫通する場合でも、０次回折光成分とその他の回折光成分とで光路長は相等しく、
相互の波長収差も零である。 しかし、ウエハ１３が投影光学系１１の焦点位置に一致していないデフォーカス状態の場合、斜めに入射する高次の回折光の光路長は光軸近傍を通る０次回折光に対して焦点前方（投影光学系１
１から遠ざかる方）では短く、焦点後方（投影光学系１
１に近づく方）では長くなりその差は入射角の差に応じたものとなる。 従って、０次、１次、・・・の各回折光は相互に波面収差を形成して焦点位置の前後におけるボケを生じることとなる。

【００２６】前述のデフォーカスによる波面収差は、ウエハ１３の焦点位置からのずれ量をΔＦ、各回折光がウエハ上の１点に入射するときの入射角θ _wの正弦をｒ
（ｒ＝ｓｉｎθ _w ）とすると、ΔＦｒ ₂ ／２で与えられる量である（このときｒは各回折光の、瞳面１２での光軸ＡＸからの距離を表わす）。 従来の図１１に示した投影露光装置では、０次回折光Ｄ ₀は光軸ＡＸの近傍を通るので、ｒ（０次）＝０となり、一方±１次回折光Ｄ
_p 、Ｄ _mは、ｒ（１次）＝Ｍ・λ／Ｐとなる（Ｍは投影光学系の倍率）。 従って、０次回折光Ｄ ₀と±１次回折光Ｄ _p ，Ｄ _mとのデフォーカスによる波面収差は以下のようになる。 ΔＦ・Ｍ ² （λ／Ｐ） ² ／２

【００２７】一方、本発明における投影露光装置では、
図１０に示すように０次回折光成分Ｄ ₀は光軸ＡＸから角度ψだけ傾いた方向に発生するから、瞳面１２における０次回折光成分の光軸ＡＸからの距離はｒ（０次）＝
Ｍ・ｓｉｎψである。 一方、−１次回折光成分Ｄ _mの瞳面における光軸からの距離はｒ（−１次）＝Ｍ・ｓｉｎ
（θ _m −ψ）となる。 そしてこのとき、ｓｉｎψ＝ｓｉ
ｎ（θ _m −ψ）となれば、０次回折光成分Ｄ ₀と−１次回折光成分Ｄ _mのデフォーカスによる相対的な波面収差は零となり、ウエハ１３が焦点位置より光軸方向に若干ずれてもレチクルパターン１０の像ボケは従来程大きく生じないことになる。 即ち、焦点深度が増大することになる。 また、（３）式のように、ｓｉｎ（θ _m −ψ）＋
ｓｉｎψ＝λ／Ｐであるから、照明光束Ｌ１３０のレチクル９への入射角ψが、ピッチＰのパターンに対して、
ｓｉｎψ＝λ／２Ｐの関係にすれば照度深度をきわめて増大させることが可能である。

【００２８】更に、本発明は光源より発せられる照明光束（パルス光）を１個又は複数個のパルス光毎に、順番に各フライアイレンズ４１ａ，４１ｂに導くために、光源からの光束を光量的にわずかの損失のみで利用して、
上記の高解像、大焦点深度の投影露光方式を実現することができる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明による投影露光装置の種々の実施例につき図面を参照して説明する。 図１（ａ）は本発明の一実施例を示し、この図１（ａ）において、１はレーザー光をパルス的に発生するパルスレーザーの光源である。 光源１としては、例えばパルス発光するＫｒＦエキシマレーザー等の光源を使用することができる。 光源１から発生された光束（レーザー光）は回転する偏角プリズム４０によって偏向される。 偏角プリズム４０は図示省略した回転機構により照明光学系の光軸を中心に回転するように支持され、偏角プリズム４０の回転とともにレーザー光の偏向方向が変化する様になっている。 その偏角プリズム４０の回転に同期させて所望の偏向方向になった瞬間に光源１をパルス発光させる事により、照明光学系の光軸から離れた位置にほぼ軸対称に配置されたフライアイレンズ４１ａ又は４１ｂのどちらでもレーザー光で照射する事が可能となる。

【００３０】即ち、図１（ａ）に示す状態では光束は回転する偏角プリズム４０により偏向された後に、固定された一方の偏角プリズム４２ａによって同じ角度だけ光軸方向に偏向されてフライアイレンズ４１ａに対して垂直に入射する。 この瞬間に光源１をパルス発光させれば、図１（ａ）に実線で示されている様にフライアイレンズ４１ａをレーザー光が照射する。 このフライアイレンズ４１ａにより形成された２次光源からの光はコンデンサーレンズ８によりほぼ平行な光束に変換されてレチクル９をフライアイレンズ４１ａの偏心量に応じて傾いた角度でほぼ均一な照度で照明する。 このレチクル９のパターンの像が投影光学系１１によりウエハ１３上のレジストに転写される。

【００３１】次に、偏角プリズム４０が１８０°回転した瞬間に光源１をパルス発光させれば、図１（ａ）に破線で示すように、レーザー光は偏角プリズム４０によって逆方向に偏向された後に、固定された他方の偏角プリズム４２ｂによって同じ角度だけ光軸方向に偏向されてフライアイレンズ４１ｂに対して垂直に入射する。 このフライアイレンズ４１ｂにより形成された２次光源からの光もコンデンサーレンズ８によりほぼ平行な光束に変換されてレチクル９をほぼ均一な照度で照明する。 このレチクル９のパターンの像が投影光学系１１によりウエハ１３上のレジストに転写される。

【００３２】この様に偏角プリズム４０の回転に同期してパルスレーザーの光源１を発光させ、フライアイレンズ４１ａ及び４１ｂをレーザー光で交互に照射すれば、
時間平均では２つのフライアイレンズ４１ａ及び４１ｂ
によってレチクル９を照射しているとの実質的に等しいと言える。

【００３３】これに対して、例えば図４（ａ）に示すように、ハーフミラー３２及びミラー３１を用いて光源１
からの光束を２分割する構成では２つのフライアイレンズ４１ａ及び４１ｂからの光の間に可干渉性があるためウエハ１３上での結像に好ましくない影響を及ぼす虞がある。 しかしながら、図１（ａ）に示した構成では２つのフライアイレンズ４１ａ，４１ｂを交互に照射するため可干渉性の影響を除く事ができる。 この様にしてフライアイレンズ４１ａ，４１ｂの射出面に２つの分離した２次光源が形成され、コンデンサーレンズ８によりレチクル９がケーラー照明により照明される。

【００３４】ただし、図４（ａ）のハーフミラー３２
を、図４（ｂ）に示すように、モーター３２Ｂにより回転又は振動されるミラー３２Ａで置換すれば図１（ａ）
と同様な作用効果が得られる。 即ち、図４（ｂ）においては、ミラー３２Ａが光源１からの光束から外れているので、光源１からのレーザー光はそのままフライアイレンズ４１ｂに入射する。 これに対して、図４（ｃ）に示すように、ミラー３２Ａが光源１からのレーザー光を反射する位置に来ると、この反射されたレーザー光はミラー３１で反射されてフライアイレンズ４１ａに入射する。 従って、ミラー３２Ａを回転又は振動させるのに同期して光源１をパルス発光させることにより、フライアイレンズ４１ａ及び４１ｂに交互にレーザー光を入射させることができる。 従って、このような回転又は振動するミラー３２Ａとミラー３１との組合せも偏向手段の一例とみなすことができる。

【００３５】次に、図１（ｂ）は図１（ａ）のフライアイレンズ４１ａ，４１ｂを一体化してフライアイレンズ４１とした場合の実施例である。 この図１（ｂ）においては、偏角プリズム４０を回転させると、光源１からのレーザー光は固定された偏角プリズム４２ａ又は４２ｂ
を介してフライアイレンズ４１の異なる部分に入射する。 これらフライアイレンズ４１の異なる部分に入射するレーザー光により形成された２次光源からの光がそれぞれコンデンサーレンズ８を介して順次レチクル９を照明する。

【００３６】また、図５（ａ）及び図５（ｂ）はそれぞれフライアイレンズ６１ａ〜６１ｄが４つの場合の実施例を示し、これら図５（ａ）及び図５（ｂ）はそれぞれフライアイレンズを光源側から見た図である。 図５
（ａ）の如くフライアイレンズ６１ａ〜６１ｄを配置した場合には、図１（ａ）の偏角プリズム４０の回転により、仮に光源１から発生される光が連続光であれば、偏向された光の中心は円周７１上を移動する。 本実施例ではパルス発光する光源を用い、光束がフライアイレンズ上に来た時に発光させることにより、偏角プリズム４０
の１回転ごとに４回のパルス発光で４つの光源を形成するものである。 勿論、光源の発光を制御することで４つ全てではなく一部のフライアイレンズだけに光をあてることもできる。 更に、１個のパルス光毎に別のフライアイレンズに移動するのではなく、例えば２パルス毎又は３パルス毎等に別のフライアイレンズに移動するようにしてもよい。

【００３７】また、図５（ｂ）はフライアイレンズ６１
ａ〜６１ｄの間隔を狭くしてフライアイレンズの中心を通る円周７２が図５（ａ）の円周７１よりも小さくなり、且つ４個のフライアイレンズの配置位置がそれぞれ４５°回転された例である。 このように円周の大きさが変わり、フライアイレンズの配置位置が変わった場合には、偏角プリズム４０による偏向角の大きさ及び光源１
のパルス発光のタイミングを変えればよい。

【００３８】また、図６は図５（ａ）と等価な構成例を示し、この例では１つの大型のフライアイレンズ６０を用意し、太線の枠で囲んだ矩形の領域６２ａ，６２ｂ，
６２ｃ及び６２ｄに順次レーザー光を照射する。 これにより図５（ａ）と同じ効果を得る事ができ、偏角プリズム４０の偏向角と光源のパルス発光のタイミングを調整すれば、図５（ｂ）と等価にする事も可能となる。

【００３９】更に、任意のフライアイレンズの配置に対応するためには偏角プリズム４０を図７（ａ）に示すように、偏角プリズム４００ａ及び４００ｂの２枚重ねに置き換えて、これら偏角プリズム４００ａ及び４００ｂ
を光軸を中心に相対的に回転可能とすればよい。 その相対的な回転により、レーザー光の偏向角ηを可変にする事が出来る。 この場合、図１（ａ）に示すフライアイレンズ４１ａ，４１ｂ側の偏角プリズム４２ａ，４２ｂ
も、偏向角可変とするための図７（ａ）に示すように、
２枚の偏角プリズム４２０ａ及び４２０ｂで置き換える。 そして、偏角プリズム４２０ａ及び４２０ｂの合成偏向角が偏角プリズム４００ａ及び４００ｂの合成偏向角を打ち消すように、偏角プリズム４２０ａと４２０ｂ
との間の相対回転角を定める事は言うまでもない。 また、相対回転角が固定された状態で、１対の偏角プリズム４００ａ，４００ｂともう１対の偏角プリズム４２０
ａ，４２０ｂとを一体として光軸を中心に回転することにより、レーザー光を順次異なるフライアイレンズに入射させる。

【００４０】次に、図７（ａ）の構成について数値的に解析する。 先ず、光源側の偏角プリズム４００ａ及び４
００ｂの頂角をそれぞれδ ₁及びδ ₂ 、偏角プリズム４
００ａ及び４００ｂの屈折率をそれぞれｎ ₁及びｎ ₂とする。 これに対応して、フライアイレンズ側の偏角プリズム４２０ａ及び４２０ｂの頂角をそれぞれδ ₂及びδ
₁として、偏角プリズム４２０ａ及び４２０ｂの屈折率をそれぞれｎ ₂及びｎ ₁とする。 また、偏角プリズム４
００ａ，４００ｂ（の偏向中心）から偏角プリズム４２
０ａ，４２０ｂ（の偏向中心）までの軸上距離をＬ、フライアイレンズ４１ａ又は４１ｂに入射するレーザー光の光軸と照明光学系の光軸との間隔をｄとすると、図７
（ｂ）に示すように、間隔ｄはフライアイレンズ４１
ａ，４１ｂの中心と照明光学系の光軸との距離に等しいことが望ましい。

【００４１】また、光源側の偏角プリズム４００ａと偏角プリズム４００ｂとを図７（ｃ）に示すように、相対的に回転させるとレーザー光の偏向角ηを変化させることができ、これに対応してフライアイレンズ側の偏角プリズム４２０ａと偏角プリズム４２０ｂとを同じ角度だけ相対的に回転させることにより、レーザー光を照明光学系の光軸に平行にしてフライアイレンズに供給することができる。 そして、２枚の偏角プリズム４００ａ及び４００ｂの間の相対的な回転角をΔとすると、レーザー光と照明光学系の光軸との間隔ｄは次のようになる。

【００４２】 ｄ＝Ｌ｛φ ₁ ² ＋φ ₂ ² −２φ ₁ φ ₂ ｃｏｓ（π−Δ）｝ ^1/2ただし、φ ₁及びφ ₂は次のように表される。 φ ₁ ＝δ ₁ （ｎ ₁ −１）、φ ₂ ＝δ ₂ （ｎ ₂ −１） 従って、例えばフライアイレンズ４１ｂ，４１ａの間隔が変化したような場合には、それに追従して相対的な回転角Δを変化させることにより、フライアイレンズに入射するレーザー光の照明光学系の光軸からの距離を変化させることができる。

【００４３】次に、図２（ａ）はオプティカルインテグレータとしてフライアイレンズの代わりにロッド型インテグレータ５２を用いた実施例である。 図２（ａ）において、光源１からの光束は回転する偏角プリズム４０により偏向された後に、偏角プリズム４２ａ又は４２ｂによって照明光学系の光軸に平行になる。 偏角プリズム４
２ａ又は４２ｂを射出した光束は集光レンズ５１によってロッド型インテグレータ５２の入射面近傍に斜めに集光された後にこのロッド型インテグレータ５２に入射し、内面反射を繰り返しながらロッド型インテグレータ５２の射出面を均一に照明する。 このときロッド型インテグレータ５２からの射出光の角度はロッド型インテグレータ５２への入射光の角度に対応する。 ロッド型インテグレータ５２の射出面からの光はレンズ５３により集光されて、面５５上に２つの分離した２次光源を形成する。 この２次光源は図１（ｂ）においてフライアイレンズ４１の射出面に形成される２光源と実質的に等価である。

【００４４】図２（ｂ）は、図１（ａ）におけるフライアイレンズ４１ａ，４１ｂをロッド型インテグレータに置き換えた実施例を示す。 この図２（ｂ）において、回転する偏角プリズム４０により偏向された光束は、一方の偏角プリズム４２ａにより照明光学系の光軸に平行に戻された後に、集光レンズ５１ａにより一方のロッド型インテグレータ５２ａの入射面近傍に集光されてそのロッド型インテグレータ５２ａに入射する。 その後、光束は内面反射を繰り返してロッド型インテグレータ５２ａ
の射出面を均一に照明し、この射出面からの光はレンズ５３ａにより集光されて面５５上に２次光源を形成する。

【００４５】一方、偏角プリズム４０が図２（ｂ）の状態から１８０°回転した状態では、偏角プリズム４０により偏向された光束は、他方の偏角プリズム４２ｂにより照明光学系の光軸に平行に戻された後に、集光レンズ５１ｂにより他方のロッド型インテグレータ５２ｂの入射面近傍に集光されてそのロッド型インテグレータ５２
ｂに入射する。 その後、光束は内面反射を繰り返してロッド型インテグレータ５２ｂの射出面を均一に照明し、
この射出面からの光はレンズ５３ｂにより集光されて面５５上に２次光源を形成する。 従って、面５５上には等価的に互いに分離された２個の２次光源が形成されるが、これら２次光源は図１（ａ）においてフライアイレンズ４１ａ，４１ｂの射出面に形成される２次光源と実質的に等価である。

【００４６】図３（ａ）は、図２（ｂ）における集光レンズ５１ａ及び５１ｂをそれぞれフライアイレンズ５４
ａ及び５４ｂで置き換えた例を示す。 偏角プリズム４２
ａ又は４２ｂを射出した光束は、それぞれフライアイレンズ５４ａ又は５４ｂを介してロッド型インテグレータ５２ａ又は５２ｂに入射する。 これによれば、レチクル９における照明光の照度均一性をより改善できる利点がある。

【００４７】図３（ｂ）は、図１（ａ）における偏角プリズム４０，４２ａ，４２ｃを３枚のミラー３３〜３５
に置き換えた例を示す。 この図３（ｂ）において、光源１からのレーザービームは、第１のミラー３３、第２のミラー３４及び第３のミラー３５で順次反射された後にフライアイレンズ４１ａ又は４１ｂに入射する。 ミラー３３〜３５は図示省略した回転機構により一体的に照明光学系の光軸を中心として回転されるようになっている。 従って、３枚のミラー３３〜３５を光軸を中心に一体として回転する事によりレーザービームのフライアイレンズへの入射位置を変えるものであり、基本的には偏角プリズムを回転させる構成と同様の機能を果たす。 しかしながら、図３（ｂ）の例では、レーザービームの反射回数が奇数回の場合にはミラーの回転の２倍の回転数でレーザービームも回転するためレーザービーム断面の対称性が悪い場合等には好都合である。

【００４８】次に露光すべきレチクルパターンに応じて、上述の照明光学系をどのように最適にするかを説明する。 分離した複数の２次光源の各位置（光軸と垂直な面内での位置）は、転写すべきレチクパターンに応じて決定（変更）するのが良い。 この場合の位置決定方法は作用の項で述べた通り、各２次光源からの照明光束が転写すべきパターンの微細化（ピッチ）に対して最適な解像度及び焦点深度の向上効果が得られるようにレチクルパターンに入射する位置（入射角ψ）を決定すればよい。

【００４９】次に、各２次光源の位置決定の具体例を図８及び図９（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。 図８はフライアイレンズ４１ａ，４１ｂからレチクルパターン１
０までの部分を模式的に表す図であり、フライアイレンズ４１ａ，４１ｂのレチクル側焦点面４１４ａ，４１４
ｂが、レチクルパターン１０のフーリエ変換面１７と一致している。 またこのとき両者をフーリエ変換の関係とならしめるレンズ又はレンズ群を一枚のレンズ６として表してある。 更に、レンズ６のフライアイレンズ側主点からフライアイレンズ４１ａ，４１ｂのレチクル側焦点面４１４ａ，４１４ｂまでの距離と、レンズ６のレチクル側主点からレチクルパターン１０までの距離は共にｆ
であるとする。

【００５０】図９（ａ）及び（ｃ）は共にレチクルパターン１０中に形成される一部分のパターンの例を表わす図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のレチクルパターンの場合に最適なフライアイレンズの中心のフーリエ変換面１７（投影光学系の瞳面）での位置を示し、図９
（ｄ）は図９（ｃ）のレチクルパターンの場合に最適な各フライアイレンズの位置（最適な各フライアイレンズの中心の位置、即ち各２次光源の中心）を表わす図である。

【００５１】図９（ａ）は、いわゆる１次元ラインアンドスペースパターンであって、透過部と遮光部が等しい幅でＹ方向に帯状に並び、それらがＸ方向にピッチＰで規則的に並んでいる。 このとき、個々のフライアイレンズの最適位置は図９（ｂ）に示すようにフーリエ変換面内に仮定したＹ方向の線分Ｌα上及び線分Ｌβ上の任意の位置となる。 図９（ｂ）はレチクルパターン１０に対するフーリエ変換面１７を光軸ＡＸ方向から見た図であり、且つ、面１７内の座標系Ｘ，Ｙは、同一方向からレチクルパターン１０を見た図９（ａ）と同一にしてある。

【００５２】さて、図９（ｂ）において、光軸ＡＸが通る中心Ｃから各線分Ｌα及びＬβまでの距離α及びβはα＝βであり、λを露光波長としたとき、α＝β＝ｆ・
（１／２）・（λ／Ｐ）に等しい。 この距離α・βをｆ
・ｓｉｎψで表わせば、ｓｉｎψ＝λ／２Ｐであり、これは作用の項で述べた数値と一致している。 従って各フライアイレンズの中心（各フライアイレンズのそれぞれによって作られる２次光源像の光量分布の各重心）位置が線分Ｌα、Ｌβ上にあれば、図９（ａ）に示す如きラインアンドスペースパターンに対して、各フライアイレンズからの照明光により発生する０次回折光と±１次回折光の内のどちらか一方との２つの回折光は、投影光学系瞳面１２において光軸ＡＸからほぼ等距離となる位置を通る。 従って前述の如く、ラインアンドスペースパターン（図９（ａ））に対する焦点深度を最大とすることができ、且つ高解像度を得ることができる。

【００５３】次に図９（ｃ）はレチクルパターンがいわゆる孤立スペースパターンである場合であり、パターンのＸ方向（横方向）ピッチがＰｘ、Ｙ方向（縦方向）ピッチがＰｙとなっている。 図９（ｄ）は、この場合の各フライアイレンズの最適位置を表わす図であり、図９
（ｃ）との位置及び回転の関係は図９（ａ）、（ｂ）の関係と同じである。 図９（ｃ）の如き、２次元パターンに照明光が入射するとパターンの２次元方向の周期性（Ｘ：Ｐｘ、Ｙ：Ｐｙ）に応じた２次元方向に回折光が発生する。 図９（ｃ）の如き２次元パターンにおいても回折光中の±１次回折光の内のいずれか一方と０次回折光とが投影光学系瞳面１２において光軸ＡＸからほぼ等距離となるようにすれば、焦点深度を最大とすることができる。 図９（ｃ）のパターンではＸ方向のピッチはＰ
ｘであるから、図９（ｄ）に示す如く、α＝β＝ｆ・
（１／２）・（λ／Ｐｘ）となる線分Ｌα、Ｌβ上に各フライアイレンズの中心があれば、パターンのＸ方向成分について焦点深度を最大とすることができる。 同様にｒ＝ε＝ｆ・（１／２）・（λ／Ｐｙ）となる線分Ｌ
γ、Ｌε上に各フライアイレンズの中心があれば、パターンＹ方向成分について焦点深度を最大とすることができる。

【００５４】以上、図９（ｂ）又は（ｄ）に示した各位置に配置したフライアイレンズからの照明光束がレチクルパターン１０に入射すると、０次回折光成分Ｄ ₀と、
＋１次回折光成分Ｄ _R又は−１次回折光成分Ｄ _mのいずれか一方とが、投影光学系１１内の瞳面１２では光軸Ａ
Ｘからほぼ等距離となる光路を通る。 従って作用の項で述べたとおり、高解像度及び大焦点深度の投影露光装置が実現できる。

【００５５】以上、レチクルパターン１０として図９
（ａ）又は（ｃ）に示した２例のみを考えたが、他のパターンであってもその周期性（微細度）に着目し、そのパターンからの＋１次回折光成分または−１次回折光成分のいずれか一方と０次回折光成分との２光束が、投影光学系内の瞳面１２では光軸ＡＸからほぼ等距離になる光路を通るような位置に各フライアイレンズの中心を配置すればよい。 また、図９（ａ）及び（ｃ）のパターン例は、ライン部とスペース部の比（デューティ比）が１：１のパターンであった為、発生する回折光中では±
１次回折光が強くなる。 このため、±１次回折光のうちの一方と０次回折光との位置関係に着目したが、パターンがデューティ比１：１から異なる場合等では他の回折光、例えば±２次回折光のうちの一方と０次回折光との位置関係が、投影光学系瞳面１２において光軸ＡＸからほぼ等距離となるようにしてもよい。

【００５６】また、レチクルパターン１０が図９（ｄ）
の如く２次元の周期性パターンを含む場合、特定の１つの０次回折光成分に着目したとき、投影光学系の瞳面１
２上ではその１つの０次回折光成分を中心としてＸ方向（第１方向）に分布する１次以上の高次回折光成分と、
Ｙ方向（第２方向）に分布する１次以上の高次回折光成分とが存在し得る。 そこで、特定の１つの０次回折光成分に対して２次元のパターンの結像を良好に行うものとすると、第１方向に分布する高次回折光成分の１つと、
第２方向に分布する高次回折光成分の１つと、特定の０
次回折光成分との３つが、瞳面１２上で光軸ＡＸからほぼ等距離に分布するように、特定の０次回折光成分（１
つのフライアイレンズ）の位置を調節すればよい。 例えば、図９（ｄ）中でフライアイレンズ中心位置を点Ｐ
ζ，Ｐη，Ｐκ，Ｐμのいずれかと一致させるとよい。
点Ｐζ，Ｐη，Ｐκ，Ｐμはいずれも線分Ｌα又はＬβ
（Ｘ方向の周期性について最適な位置）の交点であるためＸ方向、Ｙ方向のいずれのパターン方向についても最適な光源位置となる。

【００５７】尚、上述において２次元パターンとしてレチクル上の同一箇所に２次元の方向性を有するパターンを仮定したが、同一レチクルパターン中の異なる位置に異なる方向性を有する複数のパターンが存在する場合にも上記の方法を適用することができる。 レチクル上のパターンが複数の方向性又は微細度を有している場合、フライアイレンズ群の最適位置は、上述の様にパターンの各方向性及び微細度に対応したものとなるが、或いは各最適位置の平均位置にフライアイレンズを配置してもよい。 また、この平均位置は、パターンの微細度や重要度に応じた重みを加味した加重平均としてもよい。

【００５８】また、各フライアイレンズを射出した光束の０次回折光成分は、それぞれウエハに対して傾いて入射する。 このときこれらの傾いた入射光束（複数）の光量重心の方向がウエハに対して垂直でないと、ウエハ１
３の微小デフォーカス時に、転写像の位置がウエハ面内方向にシフトするという問題が発生する。 これを防止する為には、各フライアイレンズからの照明光束（複数）
の結像面又はその近傍の面上での光量重心の方向は、ウエハと垂直、即ち光軸ＡＸと平行であるようにする。

【００５９】つまり、各フライアイレンズに光軸（中心線）を仮定したとき投影光学系１１の光軸ＡＸを基準としたその光軸（中心線）のフーリエ変換面内での位置ベクトルと、各フライアイレンズ群から射出される光量との積のベクトル和が零になる様にすればよい。 また、より簡単な方法としては、フライアイレンズを２ｍ個（ｍ
は自然数）とし、その内のｍ個の位置を前述の最適化方法（図９）により決定し、残るｍ個は前記ｍ個と光軸Ａ
Ｘについて対称となる位置に配置すればよい。

【００６０】尚、以上の系において、各動作部にはエンコーダ等の位置検出器を備えておくと良い。 例えば主制御系又は各駆動系は、これらの位置検出器からの位置情報を基に各構成要素の移動、回転、交換を行なう。 また、各フライアイレンズのレンズエレメントの形状であるが、通常レチクルの有効エリア又は回路パターンエリアは直方形であることが多い。 従って、フライアイレンズの各エレメントの入射面（レチクルパターンと結像関係：なぜなら射出面とレチクルパターン面はフーリエ変換の関係であり、入射面（光源側焦点面）と射出面（レチクル側焦点面）も当然フーリエ変換の関係であるため）は、レチクルパターン面の平面形状に応じた矩形であると、効率よくレチクルのパターン部のみを照射できる。

【００６１】また、各２次光源の大きさは、射出する各光束の１つあたりの開口数（レチクル上の角度分布の片幅）が、投影光学系のレチクル側開口数に対して０．１
から０．３倍程度であるとよい。 これは０．１倍以下では転写パターン（像）の忠実度が低下し、０．３倍以上では、高解像度かつ大焦点深度の効果が薄らぐからである。

【００６２】また、本発明の実施例で示した装置において、面光源形成手段は、例えば図２（ａ）、図２（ｂ）
又は図３（ａ）に示す如くフライアイレンズと等価なロッド型インテグレータに置き換えても良い。 更に、上述実施例では、偏角プリズム又はミラーの回転により光束を異なる位置に入射させているが、その外に、例えば光源の前に配置された平行平面板を振動させることにより、光源からの光を照明光学系の光軸の上下に振るようにしてもよい。

【００６３】このように、本発明は上述実施例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。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、マスクとして通常の透過及び遮光パターンが形成されたレチクルを使用しても、従来より高解像度且つ大焦点深度の投影露光装置を実現することが可能である。 しかも本発明によれば、すでに半導体生産現場で稼動中の投影露光装置の照明光学系部分を替えるだけでよく、稼動中の装置の投影光学系をそのまま利用してそれまで以上の高解像度化、即ち大集積化が可能となる利点がある。 この場合、光源からのパルス光を１個又は複数個パルス光毎に面光源形成手段の複数の位置に順次入射させているので、途中の光学系によるパルス光の損失が少ない。

【００６５】また、面光源形成手段が複数のオプティカルインテグレータを有する場合には、例えば１つの大きなオプティカルインテグレータを部分的に順次使用するのに比べて、オプティカルインテグレータの製造が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明による投影露光装置の一実施例の光学系を示す構成図、（ｂ）は図１（ａ）の複数のフライアイレンズを１個のフライアイレンズで置き換えた実施例を示す構成図である。

【図２】（ａ）は面光源形成手段として１個のロッド型インテグレータを用いた実施例を示す構成図、（ｂ）は複数のロッド型インテグレータを用いた実施例を示す構成図である。

【図３】（ａ）は図２（ｂ）の変形例を示す構成図、
（ｂ）は複数のミラーを回転させて光束を異なる位置に入射させる実施例を示す構成図である。

【図４】（ａ）はハーフミラーを用いて光束を分割する場合を示す構成図、（ｂ）は動くミラーと固定ミラーとを用いて光束を一方のフライアイレンズに入射させる場合を示す要部の構成図、（ｃ）は動くミラーと固定ミラーとを用いて光束を他方のフライアイレンズに入射させる場合を示す要部の構成図である。

【図５】（ａ）は４個のフライアイレンズを光源側から見た正面図、（ｂ）は間隔が狭く角度位置が異なる４個のフライアイレンズを光源側から見た正面図である。

【図６】１個の大きなフライアイレンズを光源側から見た正面図である。

【図７】（ａ）は偏向角が可変の偏角プリズムを用いた実施例の要部を示す構成図、（ｂ）は図７（ａ）のフライアイレンズの正面図、（ｃ）は２枚の偏角プリズムの相対的な回転の説明図である。

【図８】実施例におけるフライアイレンズを含む照明光学系の要部を示す構成図である。

【図９】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれフライアイレンズの配置方法の説明に供する線図である。

【図１０】本発明の原理の説明に供する光学系の構成図である。

【図１１】従来の投影露光装置の投影原理の説明に供する光学系の構成図である。

【符号の説明】

１ 光源 ８ コンデンサーレンズ ９ レチクル １１ 投影光学系 １２ 瞳 １３ ウエハ ４０，４２ａ，４２ｂ 偏角プリズム ４１，４１ａ，４１ｂ フライアイレンズ ５２，５２ａ，５２ｂ ロッド型インテグレータ ５４ａ，５４ｂ フライアイレンズ ４００ａ，４００ｂ，４２０ａ，４２０ｂ 偏角プリズム