JP2006100429A - 投影光学系、露光装置、および露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 像面との間の光路中に液体を介在させて大きな実効的な像側開口数を確保しつつ、ほぼ直線偏光で入射する光束の光路中における偏光状態の変化を良好に抑える。
【解決手段】 第１面（Ｍ）からの光の入射順に、第１偏向平面鏡（Ｍ１１）と、凹面反射鏡（ＣＭ）を含む部分光学系と、第２偏向平面鏡（Ｍ１２）と、第１レンズ群（Ｇ２１）と、開口絞り（ＡＳ）と、第２レンズ群（Ｇ２２）とを備えている。第２面（Ｗ）との間の光路は所定の液体で満たされている。第１面上の有効視野領域における所定の物点からの主光線であって第１偏向平面鏡や第２偏向平面鏡に入射する主光線と、該所定の物点からの主光線に対応するスキュー光線のうちの任意のスキュー光線であって第１偏向平面鏡や第２偏向平面鏡に入射するスキュー光線との入射角度の差が７度以下である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、投影光学系、露光装置、および露光方法に関し、特に半導体素子や液晶表示素子などのマイクロデバイスをフォトリソグラフィ工程で製造する際に使用される露光装置に好適な投影光学系に関するものである。

半導体素子等を製造するためのフォトリソグラフィ工程において、マスク（またはレチクル）のパターン像を、投影光学系を介して、感光性基板（フォトレジストが塗布されたウェハ、ガラスプレート等）上に投影露光する露光装置が使用されている。露光装置では、半導体素子等の集積度が向上するにつれて、投影光学系に要求される解像力（解像度）が益々高まっている。

そこで、投影光学系の解像力に対する要求を満足するために、照明光（露光光）の波長λを短くするとともに、投影光学系の像側開口数ＮＡを大きくする必要がある。具体的には、投影光学系の解像度は、ｋ・λ／ＮＡ（ｋはプロセス係数）で表される。また、像側開口数ＮＡは、投影光学系と感光性基板との間の媒質（通常は空気などの気体）の屈折率をｎとし、感光性基板への最大入射角をθとすると、ｎ・sinθで表される。

この場合、最大入射角θを大きくすることにより像側開口数の増大を図ろうとすると、感光性基板への入射角および投影光学系からの射出角が大きくなり、光学面での反射損失が増大して、大きな実効的な像側開口数を確保することはできない。そこで、投影光学系と感光性基板との間の光路中に液体を満たすことにより像側開口数の増大を図る液浸技術が知られている（たとえば特許文献１）。

国際公開第ＷＯ２００４／０１９１２８号パンフレット

ところで、露光光の波長λが短くなると、屈折型の投影光学系よりも反射屈折型の投影光学系の方が、色収差を良好に補正することができるだけでなく、ペッツバール条件を容易に満足して像面湾曲を良好に補正することができ、しかも光学系の小型化が可能である。また、露光装置では、特定の直線偏光の光を用いて投影露光を行うことが投影光学系の解像度向上に有効である。

しかしながら、所望の直線偏光状態の光を用いてマスクを照明しても、投影光学系の光路中に光の偏光状態を変化させる光学素子が介在すると、所望の直線偏光状態で結像しなくなり、ひいては結像性能が悪化する可能性がある。特に、比較的広い入射角度範囲に亘って光線が入射する偏向平面鏡では、偏光方向による位相ずれが比較的大きく生じ易いことが知られている。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、像面との間の光路中に液体を介在させて大きな実効的な像側開口数を確保しつつ、ほぼ直線偏光で入射する光束の光路中における偏光状態の変化が良好に抑えられた反射屈折型の投影光学系を提供することを目的とする。また、本発明は、比較的大きな像側開口数を有し且つほぼ直線偏光で入射する光束の光路中における偏光状態の変化が良好に抑えられた投影光学系を用いて、微細なパターンを高コントラストで且つ高精度に投影露光することのできる露光装置および露光方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、ほぼ直線偏光の光によって照明される第１面上の有効視野領域の縮小像を第２面上に形成する投影光学系において、
前記第１面と前記第２面との間の光路中に配置された第１偏向平面鏡と、
前記第１偏向平面鏡と前記第２面との間の光路中に配置されて、少なくとも１つの凹面反射鏡を含む部分光学系と、
前記部分光学系と前記第２面との間の光路中に配置された第２偏向平面鏡と、
前記第２偏向平面鏡と前記第２面との間の光路中に配置されて正の屈折力を有する第１レンズ群と、
前記第１レンズ群と前記第２面との間の光路中に配置された開口絞りと、
前記開口絞りと前記第２面との間の光路中に配置されて正の屈折力を有する第２レンズ群とを備え、
前記投影光学系中の屈折力を有する光学部材のうち最も第２面側に位置する光学部材と前記第２面との間の光路は所定の液体で満たされ、
前記第１面の法線方向に沿ってＺ軸を、前記第１偏向平面鏡の入射光軸と射出光軸とが張る平面に垂直な方向に沿ってＸ軸を、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸と直交する方向に沿ってＹ軸をそれぞれ設定し、前記開口絞りの中心を通る光線を主光線と定義し、前記第１面上の前記有効視野領域における所定の物点から発せられてＸＺ平面に平行に進む光線をスキュー光線と定義するとき、
前記有効視野領域における所定の物点からの主光線であって前記第１偏向平面鏡に入射する主光線と、該所定の物点からの主光線に対応するスキュー光線のうちの任意のスキュー光線であって前記第１偏向平面鏡に入射するスキュー光線との入射角度の差、および前記有効視野領域における所定の物点からの主光線であって前記第２偏向平面鏡に入射する主光線と、該所定の物点からの主光線に対応するスキュー光線のうちの任意のスキュー光線であって前記第２偏向平面鏡に入射するスキュー光線との入射角度の差はともに７度以下であることを特徴とする投影光学系を提供する。

本発明の第２形態では、前記第１面に設定されたマスクを照明するための照明系と、前記マスク上のパターンの像を前記第２面に設定された感光性基板に投影するための第１形態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。

本発明の第３形態では、前記第１面に設定されたマスクを照明する照明工程と、第１形態の投影光学系を介して前記マスク上のパターンの像を前記第２面に設定された感光性基板上に投影露光する露光工程とを含むことを特徴とする露光方法を提供する。

本発明の投影光学系では、反射屈折型で液浸系の構成を採用しているので、色収差や像面湾曲などを良好に補正しつつ光学系の小型化を図るとともに、大きな像側開口数を確保することができる。また、本発明では、物体面（露光装置の場合にはマスク面）上の有効視野領域の同じ物点から発して各偏向平面鏡に入射する主光線と任意のスキュー光線との入射角度の差を所定角度以下に抑えているので、各偏向平面鏡における偏光方向による位相ずれが、ひいては投影光学系の光路中における光の偏光状態の変化が小さく抑えられる。その結果、ほぼ直線偏光の入射光に基づいて、有効視野領域の縮小像を高コントラストで形成することができる。

すなわち、本発明では、像面との間の光路中に液体を介在させて大きな実効的な像側開口数を確保しつつ、ほぼ直線偏光で入射する光束の光路中における偏光状態の変化が良好に抑えられた反射屈折型の投影光学系を実現することができる。したがって、本発明の露光装置および露光方法では、比較的大きな像側開口数を有し且つほぼ直線偏光で入射する光束の光路中における偏光状態の変化が良好に抑えられた投影光学系を用いて、微細なパターンを高コントラストで且つ高精度に投影露光することができ、ひいては高精度で良好なマイクロデバイスを製造することができる。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる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ェハＷの法線方向に沿ってＺ軸を、ウェハＷの面内において図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、ウェハＷの面内において図１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。図１を参照すると、本実施形態の露光装置は、露光光（照明光）を供給するための光源１を備えている。

光源１として、たとえば２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源や１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源などを用いることができる。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、所定の矩形状の断面を有する光束に整形される。

整形光学系としてのビームエキスパンダー２を介したほぼ平行な光束は、折り曲げミラー３でＹ方向に偏向された後、１／４波長板４ａ、１／２波長板４ｂ、デポラライザ（非偏光化素子）４ｃ、および輪帯照明用の回折光学素子５を介して、アフォーカルレンズ６に入射する。ここで、１／４波長板４ａ、１／２波長板４ｂ、およびデポラライザ４ｃは、後述するように、偏光状態切換部４を構成している。アフォーカルレンズ６は、前側レンズ群６ａの前側焦点位置と回折光学素子５の位置とがほぼ一致し且つ後側レンズ群６ｂの後側焦点位置と図中破線で示す所定面７の位置とがほぼ一致するように設定されたアフォーカル系（無焦点光学系）である。

一般に、回折光学素子は、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、輪帯照明用の回折光学素子５は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、そのファーフィールド（またはフラウンホーファー回折領域）に輪帯状の光強度分布を形成する機能を有する。

したがって、光束変換素子としての回折光学素子５に入射したほぼ平行光束は、アフォーカルレンズ６の瞳面に輪帯状の光強度分布を形成した後、輪帯状の角度分布でアフォーカルレンズ６から射出される。なお、アフォーカルレンズ６の前側レンズ群６ａと後側レンズ群６ｂとの間の光路中においてその瞳面またはその近傍には、円錐アキシコン系８が配置されているが、その詳細な構成および作用については後述する。以下、説明を簡単にするために、円錐アキシコン系８の作用を無視して、基本的な構成および作用を説明する。

アフォーカルレンズ６を介した光束は、σ値可変用のズームレンズ９および偏光変換素子１０を介して、オプティカルインテグレータとしてのマイクロフライアイレンズ（またはフライアイレンズ）１１に入射する。偏光変換素子１０の構成および作用については後述する。マイクロフライアイレンズ１１は、縦横に且つ稠密に配列された多数の正屈折力を有する微小レンズからなる光学素子である。一般に、マイクロフライアイレンズは、たとえば平行平面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。

ここで、マイクロフライアイレンズを構成する各微小レンズは、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。また、マイクロフライアイレンズは、互いに隔絶されたレンズエレメントからなるフライアイレンズとは異なり、多数の微小レンズ（微小屈折面）が互いに隔絶されることなく一体的に形成されている。しかしながら、正屈折力を有するレンズ要素が縦横に配置されている点でマイクロフライアイレンズはフライアイレンズと同じ波面分割型のオプティカルインテグレータである。

所定面７の位置はズームレンズ９の前側焦点位置の近傍に配置され、マイクロフライアイレンズ１１の入射面はズームレンズ９の後側焦点位置の近傍に配置されている。換言すると、ズームレンズ９は、所定面７とマイクロフライアイレンズ１１の入射面とを実質的にフーリエ変換の関係に配置し、ひいてはアフォーカルレンズ６の瞳面とマイクロフライアイレンズ１１の入射面とを光学的にほぼ共役に配置している。

したがって、マイクロフライアイレンズ１１の入射面上には、アフォーカルレンズ６の瞳面と同様に、たとえば光軸ＡＸを中心とした輪帯状の照野が形成される。この輪帯状の照野の全体形状は、ズームレンズ９の焦点距離に依存して相似的に変化する。マイクロフライアイレンズ１１を構成する各微小レンズは、マスクＭ上において形成すべき照野の形状（ひいてはウェハＷ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。

マイクロフライアイレンズ１１に入射した光束は多数の微小レンズにより二次元的に分割され、その後側焦点面またはその近傍（ひいては照明瞳）には、入射光束によって形成される照野とほぼ同じ光強度分布を有する二次光源、すなわち光軸ＡＸを中心とした輪帯状の実質的な面光源からなる二次光源（後述の図６（ｂ）を参照）が形成される。マイクロフライアイレンズ１１の後側焦点面またはその近傍に形成された二次光源からの光束は、ビームスプリッター１２ａおよびコンデンサー光学系１３を介した後、マスクブラインド１４を重畳的に照明する。なお、ビームスプリッター１２ａを内蔵する偏光モニター１２の構成および作用については後述する。

こうして、照明視野絞りとしてのマスクブラインド１４には、マイクロフライアイレンズ１１を構成する各微小レンズの形状と焦点距離とに応じた矩形状の照野が形成される。マスクブラインド１４の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系１５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Ｍを重畳的に照明する。すなわち、結像光学系１５は、マスクブラインド１４の矩形状開口部の像をマスクＭ上に形成することになる。

マスクＭは、マスクステージＭＳ上においてＸＹ平面に平行に保持されている。マスクＭには転写すべきパターンが形成されており、パターン領域全体のうちＸ方向に沿って長辺を有し且つＹ方向に沿って短辺を有する矩形状（スリット状）のパターン領域（有効視野領域）が照明される。マスクステージＭＳは、図示を省略した駆動系の作用により、マスク面（すなわちＸＹ平面）に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はマスク移動鏡を用いた干渉計（不図示）によって計測され且つ位置制御されるように構成されている。

マスクＭ上の有効視野領域に形成されたパターンからの光は、反射屈折型の投影光学系ＰＬを介して、感光性基板であるウェハＷ上にパターン像（有効視野領域の縮小像）を形成する。ウェハＷは、ウェハステージＷＳ上においてＸＹ平面に平行に保持されている。そして、マスクＭ上での矩形状の照明領域（有効視野領域）に光学的に対応するように、ウェハＷ上ではＸ方向に沿って長辺を有し且つＹ方向に沿って短辺を有する矩形状の静止露光領域（投影光学系ＰＬの有効結像領域）にパターン像が形成される。ウェハステージＷＳは、図示を省略した駆動系の作用によりウェハ面（すなわちＸＹ平面）に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はウェハ移動鏡を用いた干渉計（不図示）によって計測され且つ位置制御されるように構成されている。

図２は、本実施形態における反射屈折型の投影光学系の構成を概略的に示す図である。図２を参照すると、本実施形態の投影光学系ＰＬは、マスクＭ上のパターンの中間像を形成するための反射屈折型の第１結像光学系Ｇ１を備えている。第１結像光学系Ｇ１は、凹面反射鏡ＣＭと複数のレンズと第１偏向平面鏡Ｍ１１とを有し、マスクＭからの光束に基づいて中間像を形成する。第１結像光学系Ｇ１が形成する中間像の形成位置の近傍には、第２偏向平面鏡Ｍ１２が配置されている。

第２偏向平面鏡Ｍ１２は、中間像へ向かう光束または中間像からの光束を屈折型の第２結像光学系Ｇ２に向かって偏向する。第２結像光学系Ｇ２は、中間像からの光束に基づいて、マスクＭのパターンの最終像（縮小像）をウェハＷ上に形成する。第１偏向平面鏡Ｍ１１および第２偏向平面鏡Ｍ１２はともに平面状の反射面を有し、２つの反射面を有する１つの光学部材（１つの光路折り曲げ鏡）として一体的に構成されている。

さらに具体的に、第１結像光学系Ｇ１では、マスクＭと第１偏向平面鏡Ｍ１１との間の光路中および第１偏向平面鏡Ｍ１１と凹面反射鏡ＣＭとの間の光路中にレンズ群Ｇ１１およびＧ１２がそれぞれ配置されている。また、第２結像光学系Ｇ２は、第２偏向平面鏡Ｍ１２とウェハＷとの間の光路中に配置され、第２偏向平面鏡Ｍ１２側から順に、正の屈折力を有するレンズ群Ｇ２１と、開口絞りＡＳと、正の屈折力を有するレンズ群Ｇ２２とにより構成されている。そして、レンズ群Ｇ２２中の最もウェハＷ側のレンズ（屈折力を有する光学部材）が境界レンズＬｂを構成している。

図３は、本実施形態の投影光学系における境界レンズとウェハとの間の構成を概略的に示す図である。本実施形態では、図３（ａ）に示すように、正の屈折力を有する境界レンズＬｂとウェハＷとの間の光路が、たとえば純水のような液体（媒質）Ｌｍで満たされている。換言すれば、投影光学系ＰＬ中の屈折力を有する光学部材のうち最も像側（ウェハＷ側）に位置する光学部材である境界レンズＬｂとウェハＷとの間の光路は、所定の液体Ｌｍで満たされている。

ただし、図３（ｂ）に示す変形例のように、境界レンズＬｂとウェハＷとの間の光路中に平行平面板Ｌｐを挿脱自在に配置し、境界レンズＬｂと平行平面板Ｌｐとの間の光路および平行平面板ＬｐとウェハＷとの間の光路を例えば純水のような液体Ｌｍで満たす構成も可能である。この場合、液体ＬｍがウェハＷに塗布されたフォトレジスト等による汚染を受けても、境界レンズＬｂとウェハＷとの間に交換可能に介在する平行平面板（一般にはほぼ無屈折力の光学部材）Ｌｐの作用により、汚染された液体Ｌｍによる境界レンズＬｂの像側光学面の汚染を有効に防ぐことができる。

上述したように、マスクＭ上の静止照明領域（有効視野領域）およびウェハＷ上の静止露光領域（すなわち有効結像領域）は、Ｘ方向に細長く延びる矩形形状である。したがって、駆動系および干渉計などを用いてマスクＭおよびウェハＷの位置制御を行いながら、Ｙ方向に沿ってマスクステージＭＳとウェハステージＷＳとを、ひいてはマスクＭとウェハＷとを同期的に移動（走査）させることにより、ウェハＷ上には静止露光領域のＸ方向寸法に等しい幅を有し且つウェハＷの走査量（移動量）に応じた長さを有するショット領域（露光領域）に対してマスクパターンが走査露光される。

なお、投影光学系ＰＬに対してウェハＷを相対移動させつつ走査露光を行うステップ・アンド・スキャン方式の露光装置において、走査露光の開始から終了まで投影光学系ＰＬの境界レンズＬｂとウェハＷとの間の光路中に液体Ｌｍを満たし続けるには、たとえば国際公開番号ＷＯ９９／４９５０４号公報に開示された技術や、特開平１０−３０３１１４号公報に開示された技術などを用いることができる。

国際公開番号ＷＯ９９／４９５０４号公報に開示された技術では、液体供給装置から供給管および排出ノズルを介して所定の温度に調整された液体を境界レンズＬｂとウェハＷとの間の光路を満たすように供給し、液体供給装置により回収管および流入ノズルを介してウェハＷ上から液体を回収する。一方、特開平１０−３０３１１４号公報に開示された技術では、液体を収容することができるようにウェハホルダテーブルを容器状に構成し、その内底部の中央において（液体中において）ウェハＷを真空吸着により位置決め保持する。また、投影光学系ＰＬの鏡筒先端部が液体中に達し、ひいては境界レンズＬｂのウェハ側の光学面が液体中に達するように構成する。

なお、輪帯照明用の回折光学素子５に代えて、４極照明用の回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、４極照明を行うことができる。４極照明用の回折光学素子は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドに４極状の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、４極照明用の回折光学素子を介した光束は、マイクロフライアイレンズ１１の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした４つの円形状の照野からなる４極状の照野を形成する。その結果、マイクロフライアイレンズ１１の後側焦点面またはその近傍にも、その入射面に形成された照野と同じ４極状の二次光源（後述の図６（ａ）を参照）が形成される。

また、輪帯照明用の回折光学素子５に代えて、円形照明用の回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、通常の円形照明を行うことができる。円形照明用の回折光学素子は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、ファーフィールドに円形状の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、円形照明用の回折光学素子を介した光束は、マイクロフライアイレンズ１１の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした円形状の照野を形成する。その結果、マイクロフライアイレンズ１１の後側焦点面またはその近傍にも、その入射面に形成された照野と同じ円形状の二次光源が形成される。

さらに、輪帯照明用の回折光学素子５に代えて、他の複数極照明用の回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、様々な複数極照明（２極照明、８極照明など）を行うことができる。同様に、輪帯照明用の回折光学素子５に代えて、適当な特性を有する回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、様々な形態の変形照明を行うことができる。

一方、偏光状態切換部４において、１／４波長板４ａは、光軸ＡＸを中心として結晶光学軸が回転自在に構成されて、入射する楕円偏光の光を直線偏光の光に変換する。また、１／２波長板４ｂは、光軸ＡＸを中心として結晶光学軸が回転自在に構成されて、入射する直線偏光の偏光面を変化させる。また、デポラライザ４ｃは、相補的な形状を有する楔形状の水晶プリズムと楔形状の石英プリズムとにより構成されている。水晶プリズムと石英プリズムとは、一体的なプリズム組立体として、照明光路に対して挿脱自在に構成されている。

光源１としてＫｒＦエキシマレーザ光源やＡｒＦエキシマレーザ光源を用いる場合、これらの光源から射出される光は典型的には９５％以上の偏光度を有し、１／４波長板４ａにはほぼ直線偏光の光が入射する。しかしながら、光源１と偏光状態切換部４との間の光路中に裏面反射鏡としての直角プリズムが介在する場合、入射する直線偏光の偏光面がＰ偏光面またはＳ偏光面に一致していないと、直角プリズムでの全反射により直線偏光が楕円偏光に変わる。

偏光状態切換部４では、たとえば直角プリズムでの全反射に起因して楕円偏光の光が入射しても、１／４波長板４ａの作用により変換された直線偏光の光が１／２波長板４ｂに入射する。１／２波長板４ｂの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して０度または９０度の角度をなすように設定された場合、１／２波長板４ｂに入射した直線偏光の光は偏光面が変化することなくそのまま通過する。

また、１／２波長板４ｂの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定された場合、１／２波長板４ｂに入射した直線偏光の光は偏光面が９０度だけ変化した直線偏光の光に変換される。さらに、デポラライザ４ｃの水晶プリズムの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定された場合、水晶プリズムに入射した直線偏光の光は非偏光状態の光に変換（非偏光化）される。

偏光状態切換部４では、デポラライザ４ｃが照明光路中に位置決めされたときに水晶プリズムの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように構成されている。ちなみに、水晶プリズムの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して０度または９０度の角度をなすように設定された場合、水晶プリズムに入射した直線偏光の光は偏光面が変化することなくそのまま通過する。

偏光状態切換部４では、上述したように、直線偏光の光が１／２波長板４ｂに入射するが、以下の説明を簡単にするために、図１においてＺ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光（以下、「Ｚ方向偏光」と称する）の光が１／２波長板４ｂに入射するものとする。デポラライザ４ｃを照明光路中に位置決めした場合、１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面（偏光方向）に対して０度または９０度の角度をなすように設定すると、１／２波長板４ｂに入射したＺ方向偏光の光は偏光面が変化することなくＺ方向偏光のまま通過してデポラライザ４ｃの水晶プリズムに入射する。水晶プリズムの結晶光学軸は入射するＺ方向偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定されているので、水晶プリズムに入射したＺ方向偏光の光は非偏光状態の光に変換される。

水晶プリズムを介して非偏光化された光は、光の進行方向を補償するためのコンペンセータとしての石英プリズムを介して、非偏光状態で回折光学素子５に入射する。一方、１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定すると、１／２波長板４ｂに入射したＺ方向偏光の光は偏光面が９０度だけ変化し、図１においてＸ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光（以下、「Ｘ方向偏光」と称する）の光になってデポラライザ４ｃの水晶プリズムに入射する。水晶プリズムの結晶光学軸は入射するＸ方向偏光の偏光面に対しても４５度の角度をなすように設定されているので、水晶プリズムに入射したＸ方向偏光の光は非偏光状態の光に変換され、石英プリズムを介して、非偏光状態で回折光学素子５に入射する。

これに対し、デポラライザ４ｃを照明光路から退避させた場合、１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して０度または９０度の角度をなすように設定すると、１／２波長板４ｂに入射したＺ方向偏光の光は偏光面が変化することなくＺ方向偏光のまま通過し、Ｚ方向偏光状態で回折光学素子５に入射する。一方、１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定すると、１／２波長板４ｂに入射したＺ方向偏光の光は偏光面が９０度だけ変化してＸ方向偏光の光になり、Ｘ方向偏光状態で回折光学素子５に入射する。

以上のように、偏光状態切換部４では、デポラライザ４ｃを照明光路中に挿入して位置決めすることにより、非偏光状態の光を回折光学素子５に入射させることができる。また、デポラライザ４ｃを照明光路から退避させ且つ１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して０度または９０度の角度をなすように設定することにより、Ｚ方向偏光状態の光を回折光学素子５に入射させることができる。さらに、デポラライザ４ｃを照明光路から退避させ且つ１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して４５度をなすように設定することにより、Ｘ方向偏光状態の光を回折光学素子５に入射させることができる。

換言すれば、偏光状態切換部４では、１／４波長板４ａと１／２波長板４ｂとデポラライザ４ｃとからなる偏光状態切換部の作用により、回折光学素子５への入射光の偏光状態（ひいてはマスクＭおよびウェハＷを照明する光の偏光状態）を直線偏光状態と非偏光状態との間で切り換えることができ、直線偏光状態の場合には互いに直交する偏光状態間（Ｚ方向偏光とＸ方向偏光との間）で切り換えることができる。

さらに、偏光状態切換部４では、１／２波長板４ｂおよびデポラライザ４ｃをともに照明光路から退避させ、且つ１／４波長板４ａの結晶光学軸を入射する楕円偏光に対して所定の角度をなすように設定することにより、円偏光状態の光を回折光学素子５に入射させることができる。また、一般的には、１／２波長板４ｂの作用により、回折光学素子５への入射光の偏光状態を、任意方向に偏光方向を有する直線偏光状態に設定することもできる。

次に、円錐アキシコン系８は、光源側から順に、光源側に平面を向け且つマスク側に凹円錐状の屈折面を向けた第１プリズム部材８ａと、マスク側に平面を向け且つ光源側に凸円錐状の屈折面を向けた第２プリズム部材８ｂとから構成されている。そして、第１プリズム部材８ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材８ｂの凸円錐状の屈折面とは、互いに当接可能なように相補的に形成されている。また、第１プリズム部材８ａおよび第２プリズム部材８ｂのうち少なくとも一方の部材が光軸ＡＸに沿って移動可能に構成され、第１プリズム部材８ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材８ｂの凸円錐状の屈折面との間隔が可変に構成されている。以下、輪帯状または４極状の二次光源に着目して、円錐アキシコン系８の作用およびズームレンズ９の作用を説明する。

ここで、第１プリズム部材８ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材８ｂの凸円錐状屈折面とが互いに当接している状態では、円錐アキシコン系８は平行平面板として機能し、形成される輪帯状または４極状の二次光源に及ぼす影響はない。しかしながら、第１プリズム部材８ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材８ｂの凸円錐状屈折面とを離間させると、輪帯状または４極状の二次光源の幅（輪帯状の二次光源の外径と内径との差の１／２；４極状の二次光源に外接する円の直径（外径）と内接する円の直径（内径）との差の１／２）を一定に保ちつつ、輪帯状または４極状の二次光源の外径（内径）が変化する。すなわち、輪帯状または４極状の二次光源の輪帯比（内径／外径）および大きさ（外径）が変化する。

ズームレンズ９は、輪帯状または４極状の二次光源の全体形状を相似的に拡大または縮小する機能を有する。たとえば、ズームレンズ９の焦点距離を最小値から所定の値へ拡大させることにより、輪帯状または４極状の二次光源の全体形状が相似的に拡大される。換言すると、ズームレンズ９の作用により、輪帯状または４極状の二次光源の輪帯比が変化することなく、その幅および大きさ（外径）がともに変化する。このように、円錐アキシコン系８およびズームレンズ９の作用により、輪帯状または４極状の二次光源の輪帯比と大きさ（外径）とを制御することができる。

また、偏光モニター１２は、マイクロフライアイレンズ１１とコンデンサー光学系１３との間の光路中に配置された第１ビームスプリッター１２ａを備えており、この第１ビームスプリッター１２ａへの入射光の偏光状態を検知する機能を有する。そして、制御部（不図示）が偏光モニター１２の検知結果に基づいてマスクＭ（ひいてはウェハＷ）への照明光が所望の偏光状態または非偏光状態になっていないことを確認した場合、偏光状態切換部４を構成する１／４波長板４ａ、１／２波長板４ｂおよびデポラライザ４ｃを駆動調整し、マスクＭへの照明光の状態を所望の偏光状態または非偏光状態に調整することができる。

図４は、図１の偏光変換素子の構成を概略的に示す図である。また、図５は、水晶の旋光性について説明する図である。また、図６は、偏光変換素子の作用により周方向偏光状態に設定された二次光源を概略的に示す図である。本実施形態にかかる偏光変換素子１０は、マイクロフライアイレンズ１１の直前に、すなわち照明光学装置（１〜１５）の瞳またはその近傍に配置されている。したがって、４極照明の場合、偏光変換素子１０には光軸ＡＸを中心とした４つのほぼ円形状の断面を有する光束が入射することになる。また、輪帯照明の場合、偏光変換素子１０には光軸ＡＸを中心としたほぼ輪帯状の断面を有する光束が入射することになる。

図２を参照すると、偏光変換素子１０は、全体として光軸ＡＸを中心とした輪帯状の有効領域を有し、この輪帯状の有効領域は光軸ＡＸを中心とした円周方向に等分割された４つの扇形形状の基本素子により構成されている。これらの４つの基本素子において、光軸ＡＸを挟んで対向する一対の基本素子は互いに同じ特性を有する。すなわち、４つの基本素子は、光の透過方向（Ｙ方向）に沿った厚さ（光軸方向の長さ）が互いに異なる２種類の基本素子１０Ａおよび１０Ｂを２個づつ含んでいる。

具体的には、第１基本素子１０Ａの厚さは、第２基本素子１０Ｂの厚さよりも大きく設定されている。その結果、偏光変換素子１０の一方の面（たとえば入射面）は平面状であるが、他方の面（たとえば射出面）は各基本素子１０Ａと１０Ｂと厚さの違いにより凹凸状になっている。なお、偏光変換素子１０の双方の面（入射面および射出面）をともに凹凸状に形成することもできる。

また、本実施形態では、各基本素子１０Ａおよび１０Ｂが旋光性を有する光学材料である水晶により構成され、各基本素子１０Ａおよび１０Ｂの結晶光学軸が光軸ＡＸとほぼ一致するように設定されている。以下、図５を参照して、水晶の旋光性について簡単に説明する。図５を参照すると、厚さｄの水晶からなる平行平面板状の光学部材１００が、その結晶光学軸と光軸ＡＸとが一致するように配置されている。この場合、光学部材１００の旋光性により、入射した直線偏光の偏光方向が光軸ＡＸ廻りにθだけ回転した状態で射出される。

このとき、光学部材１００の旋光性による偏光方向の回転角（旋光角度）θは、光学部材１００の厚さｄと水晶の旋光能ρとにより、次の式（１）で表わされる。
θ＝ｄ・ρ （１）
一般に、水晶の旋光能ρは、波長依存性（使用光の波長に依存して旋光能の値が異なる性質：旋光分散）があり、具体的には使用光の波長が短くなると大きくなる傾向がある。「応用光学II」の第１６７頁の記述によれば、２５０．３ｎｍの波長を有する光に対する水晶の旋光能ρは、１５３．９度／ｍｍである。

本実施形態において、第１基本素子１０Ａは、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光の光が入射した場合、Ｚ方向をＹ軸廻りに＋１８０度回転させた方向すなわちＺ方向に偏光方向を有する直線偏光の光を射出するように厚さｄＡが設定されている。したがって、この場合、図６（ａ）に示す４極状の二次光源３１のうち、一対の第１基本素子１０Ａの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円形状領域（光軸ＡＸを挟んでＸ方向に間隔を隔てた一対の円形状領域）３１Ａを通過する光束の偏光方向はＺ方向になる。一方、図６（ｂ）に示す輪帯状の二次光源３２のうち、一対の第１基本素子１０Ａの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円弧状領域３２Ａを通過する光束の偏光方向はＺ方向になる。

第２基本素子１０Ｂは、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光の光が入射した場合、Ｚ方向をＹ軸廻りに＋９０度回転させた方向すなわちＸ方向に偏光方向を有する直線偏光の光を射出するように厚さｄＢが設定されている。したがって、この場合、図６（ａ）に示す４極状の二次光源３１のうち、一対の第２基本素子１０Ｂの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円形状領域（光軸ＡＸを挟んでＺ方向に間隔を隔てた一対の円形状領域）３１Ｂを通過する光束の偏光方向はＸ方向になる。一方、図６（ｂ）に示す輪帯状の二次光源３２のうち、一対の第２基本素子１０Ｂの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円弧状領域３２Ｂを通過する光束の偏光方向はＸ方向になる。

なお、別々に形成された４つの基本素子を組み合わせて偏光変換素子１０を得ることもできるし、あるいは平行平面板状の水晶基板に所要の凹凸形状（段差）を形成することにより偏光変換素子１０を得ることもできる。また、偏光変換素子１０を光路から退避させることなく通常の円形照明を行うことができるように、偏光変換素子１０の有効領域の径方向の大きさの１／３以上の大きさを有し且つ旋光性を有しない円形状の中央領域１０Ｃが設けられている。ここで、中央領域１０Ｃは、たとえば石英のように旋光性を有しない光学材料により形成されていてもよいし、単純に円形状の開口であってもよい。ただし、中央領域１０Ｃは偏光変換素子１０に必須の要素ではない。

本実施形態では、周方向偏光４極照明（４極状の二次光源を通過する光束が周方向偏光状態に設定された変形照明）に際して、偏光状態切換部４のデポラライザ４ｃを照明光路から退避させ、且つ１／２波長板４ｂの結晶光学軸の光軸廻りの角度位置を調整して４極照明用の回折光学素子にＺ方向偏光を入射させることによって、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光の光を偏光変換素子１０に入射させる。その結果、マイクロフライアイレンズ１１の後側焦点面またはその近傍には、図６（ａ）に示すように、４極状の二次光源（４極状の照明瞳分布）３１が形成され、この４極状の二次光源３１を通過する光束が周方向偏光状態に設定される。

４極照明の周方向偏光状態では、４極状の二次光源３１を構成する４つの円形状領域（３１Ａ，３１Ｂ）をそれぞれ通過する光束は、各円形状領域（３１Ａ，３１Ｂ）の円周方向に沿った中心位置における光軸ＡＸを中心とする円の接線方向とほぼ一致する偏光方向を有する直線偏光状態になる。具体的には、光軸ＡＸを挟んでＸ方向に間隔を隔てた一対の円形状領域３１Ａを通過する光束はＺ方向に振動する直線偏光状態になり、光軸ＡＸを挟んでＺ方向に間隔を隔てた一対の円形状領域３１Ｂを通過する光束はＸ方向に振動する直線偏光状態になる。

一方、周方向偏光輪帯照明（輪帯状の二次光源を通過する光束が周方向偏光状態に設定された変形照明）に際して、偏光状態切換部４のデポラライザ４ｃを照明光路から退避させ、且つ１／２波長板４ｂの結晶光学軸の光軸廻りの角度位置を調整して輪帯照明用の回折光学素子５にＺ方向偏光を入射させることによって、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光の光を偏光変換素子１０に入射させる。その結果、マイクロフライアイレンズ１１の後側焦点面またはその近傍には、図６（ｂ）に示すように、輪帯状の二次光源（輪帯状の照明瞳分布）３２が形成され、この輪帯状の二次光源３２を通過する光束が周方向偏光状態に設定される。

輪帯照明の周方向偏光状態では、輪帯状の二次光源３２を構成する４つの円弧状領域（３２Ａ，３２Ｂ）をそれぞれ通過する光束は、各円弧状領域（３２Ａ，３２Ｂ）の円周方向に沿った中心位置における光軸ＡＸを中心とする円の接線方向とほぼ一致する偏光方向を有する直線偏光状態になる。具体的には、光軸ＡＸを挟んでＸ方向に間隔を隔てた一対の円弧状領域３２Ａを通過する光束はＺ方向に振動する直線偏光状態になり、光軸ＡＸを挟んでＺ方向に間隔を隔てた一対の円弧状領域３２Ｂを通過する光束はＸ方向に振動する直線偏光状態になる。

こうして、周方向偏光状態の４極状の照明瞳分布に基づく周方向偏光４極照明や、周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布に基づく周方向偏光輪帯照明では、最終的な被照射面としてのウェハＷに照射される光がＳ偏光を主成分とする偏光状態になる。ここで、Ｓ偏光とは、入射面に対して垂直な方向に偏光方向を有する直線偏光（入射面に垂直な方向に電気ベクトルが振動している偏光）のことである。ただし、入射面とは、光が媒質の境界面（被照射面：ウェハＷの表面）に達したときに、その点での境界面の法線と光の入射方向とを含む面として定義される。その結果、周方向偏光４極照明や周方向偏光輪帯照明では、投影光学系の光学性能（焦点深度など）の向上を図ることができ、ウェハ（感光性基板）上において高いコントラストのマスクパターン像を得ることができる。

一般に、４極照明や輪帯照明に限定されることなく、たとえば周方向偏光状態の複数極状の照明瞳分布に基づく照明においても、ウェハＷに入射する光がＳ偏光を主成分とする偏光状態になり、ウェハＷ上において高いコントラストのマスクパターン像を得ることができる。このときには、４極照明用の回折光学素子や輪帯照明用の回折光学素子５に代えて、４極以外の複数極照明（２極照明、８極照明など）用の回折光学素子を照明光路に設定し、デポラライザ４ｃを照明光路から退避させ、且つ１／２波長板４ｂの結晶光学軸の光軸廻りの角度位置を調整して複数極照明用の回折光学素子にＺ方向偏光を入射させることによって、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光の光を偏光変換素子１０に入射させる。

以上のように、本実施形態では、たとえば周方向偏光４極照明や周方向偏光輪帯照明を行うことにより、投影光学系ＰＬの光学性能（焦点深度など）の向上を図ることができ、ウェハＷ上において高いコントラストのマスクパターン像を得ることができる。しかしながら、たとえば偏光状態切換部４および偏光変換素子１０の作用により所望の直線偏光状態の光でマスクＭを照明しても、投影光学系ＰＬの光路中に光の偏光状態を変化させる光学素子が介在すると、ウェハＷ上において所望の直線偏光状態で結像しなくなり、ひいては結像性能が悪化する可能性がある。以下、この点について具体的に説明する。

上述したように、たとえば周方向偏光４極照明や周方向偏光輪帯照明を行う場合、マスクＭ上の矩形状の有効視野領域がほぼ直線偏光の光によって照明され、マスクＭ上の有効視野領域の縮小像が反射屈折型で液浸系の投影光学系ＰＬを介してウェハＷ上に形成される。ここで、「ほぼ直線偏光」の光は、たとえばストークスパラメータのＳ０成分に対するＳ１成分の比Ｓ１／Ｓ０が０．８以上の光、Ｓ０成分に対するＳ２成分の比Ｓ２／Ｓ０が０．８以上の光として定義される。

また、図２を参照すると、マスクＭのパターン面の法線方向に沿ってＺ軸が、第１偏向平面鏡Ｍ１１の入射光軸ＡＸ１と射出光軸ＡＸ２とが張る平面（図２の紙面）に垂直な方向に沿ってＸ軸が、Ｚ軸およびＸ軸と直交する方向に沿ってＹ軸がそれぞれ設定されている。そして、開口絞りＡＳの中心を通る光線は主光線と定義され、マスクＭ上の有効視野領域における所定の物点から発せられてＸＺ平面に平行に進む光線はスキュー光線と定義され、マスクＭ上の有効視野領域における所定の物点から発せられてＹＺ平面に平行に進む光線はメリジオナル光線と定義される。

ここで、図２に示すように２つの偏向平面鏡Ｍ１１およびＭ１２を含む反射屈折型の投影光学系ＰＬを用いる露光装置では、マスクＭ上のパターン領域には、第１偏向平面鏡Ｍ１１の反射面と第２偏向平面鏡Ｍ１２の反射面との交線（一般的には第１偏向平面鏡Ｍ１１の反射面を仮想的に延長した面と第２偏向平面鏡Ｍ１２の反射面を仮想的に延長した面との交線）に平行な方向（Ｘ方向）に細長く延びるパターンすなわちＸ方向パターンと、上記交線に垂直な方向（Ｙ方向）に細長く延びるパターンすなわちＹ方向パターンとが混在しているのが一般的である。

一方、周方向偏光４極照明や周方向偏光輪帯照明を行う場合、照明瞳面（マイクロフライアイレンズ１１の後側焦点面またはその近傍）においてＸ軸方向（マスクＭ上ではＸ軸方向に対応）に振動する直線偏光状態の光（領域３１Ｂや３２Ｂからの光）および照明瞳面においてＺ軸方向（マスクＭ上ではＹ軸方向に対応）に振動する直線偏光状態の光（領域３１Ａや３２Ａからの光）により、マスクＭが照明される。すなわち、マスクＭは、周方向偏光４極照明や周方向偏光輪帯照明に際して、Ｘ軸方向に振動する直線偏光成分とＹ軸方向に振動する直線偏光成分とを含む照明光で照明される。

こうして、Ｘ方向パターンに入射する照明光のうちのＸ軸方向に振動する直線偏光の光は、投影光学系ＰＬの光路中において光の偏光状態が実質的に変化しない限りウェハＷに対してＳ偏光状態で入射して、ウェハＷ上において高いコントラストのマスクパターン像を形成する。実際に、Ｘ方向パターンから発するすべての主光線およびメリジオナル光線は、第１偏向平面鏡Ｍ１１および第２偏向平面鏡Ｍ１２に対してＳ偏光状態で入射する。その結果、第１偏向平面鏡Ｍ１１および第２偏向平面鏡Ｍ１２において偏光方向による位相ずれが実質的に発生しないので、投影光学系ＰＬの光路中において光の偏光状態が実質的に変化することなく、ひいては結像性能が悪化することなく、ウェハＷ上において高いコントラストのＸ方向パターン像が形成される。

一方、Ｙ方向パターンに入射する照明光のうちのＹ軸方向に振動する直線偏光の光は、投影光学系ＰＬの光路中において光の偏光状態が実質的に変化しない限りウェハＷに対してＳ偏光状態で入射して、ウェハＷ上において高いコントラストのマスクパターン像を形成する。しかしながら、実際には、Ｙ方向パターンから発するすべての主光線は第１偏向平面鏡Ｍ１１および第２偏向平面鏡Ｍ１２に対してＰ偏光状態で入射するが、Ｙ方向パターンから発するスキュー光線は第１偏向平面鏡Ｍ１１および第２偏向平面鏡Ｍ１２に対してＰ偏光からずれた偏光状態で入射する。その結果、Ｙ方向パターンに関しては、第１偏向平面鏡Ｍ１１および第２偏向平面鏡Ｍ１２において偏光方向による位相ずれが発生するため、投影光学系ＰＬの光路中において光の偏光状態が実質的に変化することになり、ひいては結像性能の悪化によりウェハＷ上において高いコントラストのＹ方向パターン像が形成されない。

そこで、本実施形態では、Ｙ方向パターンの同じ物点から発して第１偏向平面鏡Ｍ１１および第２偏向平面鏡Ｍ１２に入射する主光線と任意のスキュー光線との入射角度の差を所定角度以下に抑えることにより、スキュー光線が第１偏向平面鏡Ｍ１１および第２偏向平面鏡Ｍ１２に入射する際のＳ偏光成分を小さく抑えている。その結果、Ｙ方向パターンに関して第１偏向平面鏡Ｍ１１および第２偏向平面鏡Ｍ１２において発生する偏光方向による位相ずれが小さく抑えられ、ひいては投影光学系ＰＬの光路中において光の偏光状態の変化が小さく抑えられる。

具体的に、本実施形態では、マスクＭ上の有効視野領域における所定の物点からの主光線であって第１偏向平面鏡Ｍ１１に入射する主光線と、該所定の物点からの主光線に対応するスキュー光線のうちの任意のスキュー光線であって第１偏向平面鏡Ｍ１１に入射するスキュー光線との入射角度の差を７度以下に抑えている。さらに、マスクＭ上の有効視野領域における所定の物点からの主光線であって第２偏向平面鏡Ｍ１２に入射する主光線と、該所定の物点からの主光線に対応するスキュー光線のうちの任意のスキュー光線であって第２偏向平面鏡Ｍ１２に入射するスキュー光線との入射角度の差を７度以下に抑えている。

こうして、本実施形態では、Ｙ方向パターンからのスキュー光線が第１偏向平面鏡Ｍ１１および第２偏向平面鏡Ｍ１２に入射する際のＳ偏光成分が小さく抑えられるので、第１偏向平面鏡Ｍ１１および第２偏向平面鏡Ｍ１２において発生する偏光方向による位相ずれが小さく抑えられる。その結果、投影光学系ＰＬの光路中において光の偏光状態の変化が小さく抑えられることになり、ウェハＷ上においてＹ方向パターン像もＸ方向パターン像と同様に高いコントラストで形成される。

以上のように、本実施形態の投影光学系ＰＬでは、反射屈折型で液浸系の構成を採用しているので、色収差や像面湾曲などを良好に補正しつつ光学系の小型化を図るとともに、たとえば１．２５よりも大きな像側開口数を確保することができる。また、本実施形態では、Ｙ方向パターンの同じ物点から発して各偏向平面鏡Ｍ１１およびＭ１２に入射する主光線と任意のスキュー光線との入射角度の差を７度以下に抑えているので、各偏向平面鏡Ｍ１１およびＭ１２における偏光方向による位相ずれが、ひいては投影光学系ＰＬの光路中における光の偏光状態の変化が小さく抑えられ、Ｙ方向パターン像もＸ方向パターン像と同様に高いコントラストで形成することができる。

すなわち、本実施形態では、像面（ウェハＷ）との間の光路中に液体Ｌｍを介在させて大きな実効的な像側開口数を確保しつつ、ほぼ直線偏光で入射する光束の光路中における偏光状態の変化が良好に抑えられた反射屈折型の投影光学系ＰＬを実現することができる。したがって、本実施形態の露光装置では、比較的大きな像側開口数を有し且つほぼ直線偏光で入射する光束の光路中における偏光状態の変化が良好に抑えられた投影光学系ＰＬを用いて、微細なマスクパターンを高コントラストで且つ高精度に投影露光することができる。

なお、上述の実施形態では、第１偏向平面鏡Ｍ１１に入射する主光線と対応する任意のスキュー光線との入射角度の差および第２偏向平面鏡Ｍ１２に入射する主光線と対応する任意のスキュー光線との入射角度の差をともに７度以下に抑えている。しかしながら、スキュー光線が各偏向平面鏡Ｍ１１およびＭ１２に入射する際のＳ偏光成分をさらに小さく抑え、偏光方向による位相ずれに起因する結像性能の悪化をさらに小さく抑えるには、第１偏向平面鏡Ｍ１１に入射する主光線と対応する任意のスキュー光線との入射角度の差および第２偏向平面鏡Ｍ１２に入射する主光線と対応する任意のスキュー光線との入射角度の差をともに５．５度以下に抑えることが好ましい。

また、上述の実施形態では、マスクＭ上の有効視野領域から発せられるすべての主光線について、第１偏向平面鏡Ｍ１１へ入射する光線の入射角度範囲および第２偏向平面鏡Ｍ１２へ入射する光線の入射角度範囲はともに１０度以下であることが好ましい。これは、第１偏向平面鏡Ｍ１１や第２偏向平面鏡Ｍ１２に入射する主光線と対応する任意のスキュー光線との入射角度の差を７度以下に抑えていても、第１偏向平面鏡Ｍ１１や第２偏向平面鏡Ｍ１２へ入射する主光線の入射角度範囲が１０度よりも大きくなると、像面上の位置によって像のコントラストが変動し、良好なパターン像が得られなくなるからである。

また、上述の実施形態では、図２に示す２回結像型の反射屈折型で液浸系の投影光学系に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、様々な形態を有する反射屈折型で液浸系の投影光学系、たとえば図７に示すような３回結像型の反射屈折型で液浸系の投影光学系に対しても本発明を適用することができる。図７の変形例にかかる投影光学系ＰＬは、マスクＭ上のパターンの第１中間像を形成するための屈折型の第１結像光学系Ｇ１を備えている。第１結像光学系Ｇ１が形成する第１中間像の形成位置の近傍には、第１偏向平面鏡Ｍ１１が配置されている。

第１偏向平面鏡Ｍ１１は、第１中間像へ向かう光束または第１中間像からの光束を反射屈折型の第２結像光学系Ｇ２に向かって偏向する。第２結像光学系Ｇ２は、凹面反射鏡ＣＭとレンズ群Ｇ２１とを有し、第１中間像からの光束に基づいて第２中間像を形成する。第１結像光学系Ｇ１が形成する第２中間像の形成位置の近傍には、第２偏向平面鏡Ｍ１２が配置されている。第２偏向平面鏡Ｍ１２は、第２中間像へ向かう光束または第２中間像からの光束を屈折型の第３結像光学系Ｇ３に向かって偏向する。

第３結像光学系Ｇ３は、第２中間像からの光束に基づいて、マスクＭのパターンの最終像（縮小像）をウェハＷ上に形成する。具体的に、第３結像光学系Ｇ３は、第２偏向平面鏡Ｍ１２側から順に、正の屈折力を有するレンズ群Ｇ３１と、開口絞りＡＳと、正の屈折力を有するレンズ群Ｇ３２とにより構成されている。そして、レンズ群Ｇ３２中の最もウェハＷ側のレンズ（屈折力を有する光学部材）が境界レンズＬｂを構成している。また、第１偏向平面鏡Ｍ１１および第２偏向平面鏡Ｍ１２はともに平面状の反射面を有し、２つの反射面を有する１つの光学部材（１つの光路折り曲げ鏡）として一体的に構成されている。

また、上述の実施形態では、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光状態の光束を偏光変換素子１０に入射させることにより、周方向偏光４極照明や周方向偏光輪帯照明を実現している。しかしながら、これに限定されることなく、Ｘ方向に偏光方向を有する直線偏光状態の光束を偏光変換素子１０に入射させ、且つ偏光変換素子１０を図４に示す状態から光軸ＡＸ廻りに９０度だけ回転させた状態に設定することにより、周方向偏光４極照明や周方向偏光輪帯照明を実現することもできる。

また、上述の実施形態では、水晶を用いて各基本素子１０Ａおよび１０Ｂを（ひいては偏光変換素子１０を）形成している。しかしながら、これに限定されることなく、旋光性を有する他の適当な光学材料を用いて各基本素子を形成することもできる。この場合、使用波長の光に対して１００度／ｍｍ以上の旋光能を有する光学材料を用いることが好ましい。すなわち、旋光能の小さい光学材料を用いると、偏光方向の所要回転角を得るために必要な厚さが大きくなり過ぎて、光量損失の原因になるので好ましくない。また、上述の実施形態において、偏光変換素子１０を照明光路に対して固定的に設けたが、この偏光変換素子１０を照明光路に対して挿脱可能に設けても良い。

上述の実施形態にかかる露光装置では、照明光学装置によってマスク（レチクル）を照明し（照明工程）、投影光学系を用いてマスクに形成された転写用のパターンを感光性基板に露光する（露光工程）ことにより、マイクロデバイス（半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等）を製造することができる。以下、上述の実施形態の露光装置を用いて感光性基板としてのウェハ等に所定の回路パターンを形成することによって、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法の一例につき図８のフローチャートを参照して説明する。

先ず、図８のステップ３０１において、１ロットのウェハ上に金属膜が蒸着される。次のステップ３０２において、その１ロットのウェハ上の金属膜上にフォトレジストが塗布される。その後、ステップ３０３において、上述の実施形態の露光装置を用いて、マスク上のパターンの像がその投影光学系を介して、その１ロットのウェハ上の各ショット領域に順次露光転写される。その後、ステップ３０４において、その１ロットのウェハ上のフォトレジストの現像が行われた後、ステップ３０５において、その１ロットのウェハ上でレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって、マスク上のパターンに対応する回路パターンが、各ウェハ上の各ショット領域に形成される。その後、更に上のレイヤの回路パターンの形成等を行うことによって、半導体素子等のデバイスが製造される。上述の半導体デバイス製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する半導体デバイスをスループット良く得ることができる。

また、上述の実施形態の露光装置では、プレート（ガラス基板）上に所定のパターン（回路パターン、電極パターン等）を形成することによって、マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得ることもできる。以下、図９のフローチャートを参照して、このときの手法の一例につき説明する。図９において、パターン形成工程４０１では、上述の実施形態の露光装置を用いてマスクのパターンを感光性基板（レジストが塗布されたガラス基板等）に転写露光する、所謂光リソグラフィー工程が実行される。この光リソグラフィー工程によって、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターンが形成される。その後、露光された基板は、現像工程、エッチング工程、レジスト剥離工程等の各工程を経ることによって、基板上に所定のパターンが形成され、次のカラーフィルター形成工程４０２へ移行する。

次に、カラーフィルター形成工程４０２では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応した３つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルターの組を複数水平走査線方向に配列したカラーフィルターを形成する。そして、カラーフィルター形成工程４０２の後に、セル組み立て工程４０３が実行される。セル組み立て工程４０３では、パターン形成工程４０１にて得られた所定パターンを有する基板、およびカラーフィルター形成工程４０２にて得られたカラーフィルター等を用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。

セル組み立て工程４０３では、例えば、パターン形成工程４０１にて得られた所定パターンを有する基板とカラーフィルター形成工程４０２にて得られたカラーフィルターとの間に液晶を注入して、液晶パネル（液晶セル）を製造する。その後、モジュール組み立て工程４０４にて、組み立てられた液晶パネル（液晶セル）の表示動作を行わせる電気回路、バックライト等の各部品を取り付けて液晶表示素子として完成させる。上述の液晶表示素子の製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する液晶表示素子をスループット良く得ることができる。

なお、上述の実施形態では、露光光としてＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ光（波長：１９３ｎｍ）を用いているが、これに限定されることなく、他の適当なレーザ光源、たとえば波長１５７ｎｍのレーザ光を供給するＦ₂レーザ光源などに対して本発明を適用することもできる。また、上述の実施形態では、露光装置に搭載される投影光学系に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、他の一般的な投影光学系に対して本発明を適用することもできる。

本発明の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。 本実施形態における反射屈折型の投影光学系の構成を概略的に示す図である。 本実施形態の投影光学系における境界レンズとウェハとの間の構成を概略的に示す図である。 図１の偏光変換素子の構成を概略的に示す図である。 水晶の旋光性について説明する図である。 偏光変換素子の作用により周方向偏光状態に設定された二次光源を概略的に示す図である。 本実施形態の変形例にかかる反射屈折型の投影光学系の構成を概略的に示す図である。 マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法のフローチャートである。 マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得る際の手法のフローチャートである。

符号の説明

１ 光源
４ 偏光状態切換部
４ａ １／４波長板
４ｂ １／２波長板
４ｃ デポラライザ
５ 回折光学素子（光束変換素子）
６ アフォーカルレンズ
８ 円錐アキシコン系
９ ズームレンズ
１０ 偏光変換素子
１０Ａ，１０Ｂ 各基本素子
１１ マイクロフライアイレンズ
１２ 偏光モニター
１２ａ ビームスプリッター
１３ コンデンサー光学系
１４ マスクブラインド
１５ 結像光学系
Ｍ マスク
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ

Claims (9)

1. ほぼ直線偏光の光によって照明される第１面上の有効視野領域の縮小像を第２面上に形成する投影光学系において、
   前記第１面と前記第２面との間の光路中に配置された第１偏向平面鏡と、
   前記第１偏向平面鏡と前記第２面との間の光路中に配置されて、少なくとも１つの凹面反射鏡を含む部分光学系と、
   前記部分光学系と前記第２面との間の光路中に配置された第２偏向平面鏡と、
   前記第２偏向平面鏡と前記第２面との間の光路中に配置されて正の屈折力を有する第１レンズ群と、
   前記第１レンズ群と前記第２面との間の光路中に配置された開口絞りと、
   前記開口絞りと前記第２面との間の光路中に配置されて正の屈折力を有する第２レンズ群とを備え、
   前記投影光学系中の屈折力を有する光学部材のうち最も第２面側に位置する光学部材と前記第２面との間の光路は所定の液体で満たされ、
   前記第１面の法線方向に沿ってＺ軸を、前記第１偏向平面鏡の入射光軸と射出光軸とが張る平面に垂直な方向に沿ってＸ軸を、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸と直交する方向に沿ってＹ軸をそれぞれ設定し、前記開口絞りの中心を通る光線を主光線と定義し、前記第１面上の前記有効視野領域における所定の物点から発せられてＸＺ平面に平行に進む光線をスキュー光線と定義するとき、
   前記有効視野領域における所定の物点からの主光線であって前記第１偏向平面鏡に入射する主光線と、該所定の物点からの主光線に対応するスキュー光線のうちの任意のスキュー光線であって前記第１偏向平面鏡に入射するスキュー光線との入射角度の差、および前記有効視野領域における所定の物点からの主光線であって前記第２偏向平面鏡に入射する主光線と、該所定の物点からの主光線に対応するスキュー光線のうちの任意のスキュー光線であって前記第２偏向平面鏡に入射するスキュー光線との入射角度の差はともに７度以下であることを特徴とする投影光学系。
2. 前記第１面と前記第１偏向平面鏡との間の光路中に配置された第３レンズ群をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
3. 前記スキュー光線は、ＹＺ平面とほぼ平行に振動するほぼ直線偏光の光であることを特徴とする請求項１または２に記載の投影光学系。
4. 前記第２面側の開口数が１．２５よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投影光学系。
5. 前記第１面上の前記有効視野領域から発せられるすべての主光線について、前記第１偏向平面鏡へ入射する光線の入射角度範囲および前記第２偏向平面鏡へ入射する光線の入射角度範囲はともに１０度以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の投影光学系。
6. 前記第１面に設定されたマスクを照明するための照明系と、前記マスク上のパターンの像を前記第２面に設定された感光性基板に投影するための請求項１乃至５のいずれか１項に記載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。
7. 前記照明系は、前記Ｘ軸方向に振動する直線偏光成分と前記Ｙ軸方向に振動する直線偏光成分とを実質的に含む照明光で前記マスクを照明することを特徴とする請求項６に記載の露光装置。
8. 前記第１面に設定されたマスクを照明する照明工程と、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の投影光学系を介して前記マスク上のパターンの像を前記第２面に設定された感光性基板上に投影露光する露光工程とを含むことを特徴とする露光方法。
9. 前記照明工程では、前記Ｘ軸方向に振動する直線偏光成分と前記Ｙ軸方向に振動する直線偏光成分とを実質的に含む照明光で前記マスクを照明することを特徴とする請求項８に記載の露光方法。

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