JP2007048851A - 照明光学装置、露光装置、およびデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 たとえば瞳光強度分布の形状や偏光状態などに関して多様性に富んだ照明条件を実現することのできる照明光学装置。
【解決手段】 光源（１）からの光束に基づいて被照射面（Ｍ，Ｗ）を照明する照明光学装置。光源からの光束の断面形状および偏光状態を変化させて、照明瞳面上に所要の偏光分布を有する所定形状の瞳光強度分布を形成するための偏光光束変換素子（４，４ａ，４ｂ）と、照明瞳面上に形成される第１の瞳光強度分布の形状を変化させるための第１アキシコン系（７）と、第１アキシコン系と交換可能に配置されて、照明瞳面上に形成される第２の瞳光強度分布の形状を変化させるための第２アキシコン系（７０，７１）とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明光学装置、露光装置、およびデバイスの製造方法に関し、特に半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のデバイス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。

この種の典型的な露光装置においては、光源から射出された光束が、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（またはマイクロレンズアレイ）を介して、多数の光源からなる実質的な面光源としての二次光源（一般には照明瞳面における所定の光強度分布）を形成する。二次光源からの光束は、コンデンサーレンズにより集光された後、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ェハ上に結像する。こうして、ウェハ上には、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ェハ上に正確に転写するにはウェ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。

従来、フライアイレンズの後側焦点面に円形状の二次光源を形成し、その大きさを変化させて照明のコヒーレンシィσ（σ値＝開口絞り径／投影光学系の瞳径、あるいはσ値＝照明光学系の射出側開口数／投影光学系の入射側開口数）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後側焦点面に輪帯状や４極状の二次光源を形成し、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。

また、本出願人は、任意方向の微細パターンを忠実に転写するのに適した照明条件を実現するために、フライアイレンズの後側焦点面に輪帯状の二次光源を形成し、この輪帯状の二次光源を通過する光束がその周方向を偏光方向とする直線偏光状態（以下、略して「周方向偏光状態」という）になるように設定する技術を提案している（たとえば特許文献１を参照）。

特許第３２４６６１５号公報

上述のように、マスクのパターン特性に応じて、円形状の二次光源に基づく通常の円形照明、輪帯状や４極状の二次光源に基づく変形照明（輪帯照明や４極照明）を行うことは、投影光学系の解像度向上に有効である。また、上述の周方向偏光状態に限定されることなく、マスクのパターン特性に応じて所要の偏光状態の二次光源からの光を用いて投影露光を行うことは、微細パターンの忠実な転写に有効である。こうして、露光装置に搭載される照明光学装置では、様々な特性を有するマスクパターンを忠実に転写するために、たとえば瞳光強度分布（二次光源）の形状や偏光状態などに関して多様性に富んだ照明条件を実現することが求められている。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、たとえば瞳光強度分布の形状や偏光状態などに関して多様性に富んだ照明条件を実現することのできる照明光学装置を提供することを目的とする。また、本発明は、たとえば瞳光強度分布の形状や偏光状態などに関して多様性に富んだ照明条件を実現することのできる照明光学装置を用いて、マスクのパターン特性に応じて実現された適切な照明条件のもとで良好な露光を行う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、光源からの光束に基づいて被照射面を照明する照明光学装置において、
前記光源からの光束の断面形状および偏光状態を変化させて、照明瞳面上に所要の偏光分布を有する所定形状の瞳光強度分布を形成するための偏光光束変換素子と、
前記照明瞳面上に形成される第１の瞳光強度分布の形状を変化させるための第１アキシコン系と、
前記第１アキシコン系と交換可能に配置されて、前記照明瞳面上に形成される第２の瞳光強度分布の形状を変化させるための第２アキシコン系とを備えていることを特徴とする照明光学装置を提供する。

本発明の第２形態では、光源からの光束に基づいて被照射面を照明する照明光学装置において、
前記光源からの光束の断面形状および偏光状態を変化させて、照明瞳面上に所要の偏光分布を有する所定形状の瞳光強度分布を形成するための偏光光束変換素子と、
前記瞳光強度分布の形状を変化させるためのアキシコン系とを備え、
前記アキシコン系は、凹状断面の屈折面を有する第１プリズムと、該第１プリズムの前記凹状断面の屈折面とほぼ相補的に形成された凸状断面の屈折面を有する第２プリズムとを有し、前記第１プリズムと前記第２プリズムとの間隔は可変に構成され、前記屈折面は前記照明光学装置の光軸とほぼ直交する平面状の中央部を有することを特徴とする照明光学装置を提供する。

本発明の第３形態では、所定のパターンを照明するための第１形態または第２形態の照明光学装置と、前記所定のパターンの像を感光性基板上に形成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。

本発明の第４形態では、第１形態または第２形態の照明光学装置を介して所定のパターンを照明し、照明された前記パターンを投影光学系により感光性基板に露光する露光工程と、前記露光工程により露光された前記感光性基板を現像する現像工程とを含むことを特徴とするデバイスの製造方法を提供する。

本発明では、たとえば照明光路に対して交換可能な偏光光束変換素子の作用により、光源からの光束の断面形状および偏光状態を適宜変化させて、照明瞳面上に所要の偏光分布を有する所定形状（５極状、輪帯状、２極状など）の瞳光強度分布を形成する。そして、照明光路に対して交換可能な複数のアキシコン系の作用により、照明瞳面上に形成される瞳光強度分布の形状を変化させる。

こうして、本発明の照明光学装置では、たとえば瞳光強度分布の形状や偏光状態などに関して多様性に富んだ照明条件を実現することができる。また、本発明の露光装置および露光方法では、たとえば瞳光強度分布の形状や偏光状態などに関して多様性に富んだ照明条件を実現することのできる照明光学装置を用いているので、マスクのパターン特性に応じて実現された適切な照明条件のもとで良好な露光を行うことができ、ひいては良好な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１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源や２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源などを用いることができる。光源１から射出されたほぼ平行な光束は、リレーレンズ系（整形光学系）２、偏光状態切換部３、および５極照明用の偏光光束変換素子４を介して、アフォーカルレンズ５に入射する。

リレーレンズ系２は、光源１からのほぼ平行な光束を所定の矩形状の断面を有するほぼ平行な光束に変換して偏光状態切換部３へ導く機能を有する。偏光状態切換部３は、光源側から順に、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１／４波長板と、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方向を変化させる１／２波長板とを備えている。すなわち、偏光状態切換部３は、光源１からの光を所望の偏光方向を有する直線偏光の光に変換して偏光光束変換素子４へ入射させる機能を有する。

５極照明用の偏光光束変換素子４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）に所要の偏光分布を有する５極状の光強度分布を形成する機能を有する。一般的には、偏光光束変換素子は、光源１からの光束の断面形状および偏光状態を変化させて、照明瞳面上に所要の偏光分布を有する所定形状の瞳光強度分布を形成するための光学素子である。

具体的に、５極照明用の偏光光束変換素子４は、旋光性を有する光学材料（例えば水晶など）により形成された３種類の基本素子を縦横に且つ稠密に多数配列することにより構成されている。第１の基本素子は、入射光束の断面形状を変化させて、５極状の光強度分布のうち、たとえば光軸ＡＸを含む中央領域を形成する。第２の基本素子は、入射光束の断面形状を変化させて、５極状の光強度分布のうち、中央領域を挟んで対向する第１組の対の周辺領域を形成する。第３の基本素子は、入射光束の断面形状を変化させて、５極状の光強度分布のうち、中央領域を挟んで対向する第２組の対の周辺領域を形成する。

ここで、第２の基本素子と第３の基本素子とでは、光の透過方向に沿った厚さが互いに異なっている。その結果、後述するように、第１組の対の周辺領域を通過する光の偏光方向と第２組の対の周辺領域を通過する光の偏光方向とがほぼ直交し、中央領域を除く４極状の光強度分布において周方向偏光状態が実現される。偏光光束変換素子のさらに詳細な構成および作用については、国際公開第ＷＯ２００５／０５０７１８号パンフレットを参照することができる。後述するように、５極照明用の偏光光束変換素子４は、特性の異なる他の偏光光束変換素子と交換可能に構成されている。

アフォーカルレンズ５は、その前側焦点位置と偏光光束変換素子４の位置とがほぼ一致し且つその後側焦点位置と図中破線で示す所定面６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。したがって、偏光光束変換素子４に入射したほぼ平行光束は、アフォーカルレンズ５の瞳面に５極状の光強度分布を形成した後、５極状の角度分布でアフォーカルレンズ５から射出される。なお、アフォーカルレンズ５の前側レンズ群５ａと後側レンズ群５ｂとの間の光路中においてその瞳位置またはその近傍には、円錐台アキシコン系７が配置されている。円錐台アキシコン系７の構成および作用については後述する。

アフォーカルレンズ５を介した光束は、σ値可変用のズームレンズ８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）９に入射する。マイクロフライアイレンズ９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６の位置はズームレンズ８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９の入射面はズームレンズ８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８は、所定面６とマイクロフライアイレンズ９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５の瞳面とマイクロフライアイレンズ９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９の入射面上には、アフォーカルレンズ５の瞳面と同様に、５極状の照野が形成される。この５極状の照野の全体形状は、後述するようにズームレンズ８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９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９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（ひいては照明瞳面）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が形成される。すなわち、図２に示すように、光軸ＡＸを中心とした円形状の中央領域３０ｃと、中央領域３０ｃを挟んでＸ方向に沿って対向する第１組の対の周辺領域３０ｐａおよび３０ｐｂと、中央領域３０ｃを挟んでＹ方向に沿って対向する第２組の対の周辺領域３０ｐｃおよび３０ｐｄとからなる５極状の実質的な面光源が形成される。なお、各周辺領域３０ｐａ〜３０ｐｄは、光軸ＡＸから所定の角度を形成するように延びる２つの線分によって光軸ＡＸを中心とする輪帯状の領域を切り取って得られるような円弧状の形態を有する。

ここで、第１組の対の周辺領域３０ｐａおよび３０ｐｂを通過する光束はＹ方向に偏光方向を有する直線偏光状態に設定され、第２組の対の周辺領域３０ｐｃおよび３０ｐｄを通過する光束はＸ方向に偏光方向を有する直線偏光状態に設定され、中央領域３０ｃを通過する光束は実質的な非偏光状態に設定されている。すなわち、本実施形態では、偏光状態切換部３の作用によりＹ方向に偏光方向を有する直線偏光の光が５極照明用の偏光光束変換素子４へ入射する場合、第１組の対の周辺領域３０ｐａおよび３０ｐｂを形成する第２の基本素子は入射光の偏光方向をｎ×１８０度（ｎ＝１，２，３・・・）回転させ、第２組の対の周辺領域３０ｐｃおよび３０ｐｄを形成する第３の基本素子は入射光の偏光方向を９０度＋ｍ×１８０度（ｍ＝０，１，２，３・・・）回転させる。

一方、中央領域３０ｃを形成する第１の基本素子は、入射光の偏光方向を所定角度回転させて、後述する円錐台アキシコン系７中に設けられた偏光解消素子（デポラライザ）３ｃに対して所望の偏光方向を有する直線偏光状態に設定する。偏光解消素子３ｃは、後述するように、所定の偏光方向を有する直線偏光状態の入射光を実質的に非偏光化して射出する。こうして、中央領域３０ｃでは実質的な非偏光状態が実現され、中央領域３０ｃを除く４極状の光強度分布（３０ｐａ〜３０ｐｄ）において周方向偏光状態が実現される。

マイクロフライアイレンズ９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、コンデンサー光学系１０を介した後、マスクブラインド１１を重畳的に照明する。こうして、照明視野絞りとしてのマスクブラインド１１には、マイクロフライアイレンズ９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１１の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系１２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１２は、マスクブラインド１１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。

マスクステージＭＳ上に保持されたマスクＭのパターンを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して、ウェハステージＷＳ上に保持されたウェハ（感光性基板）Ｗ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ＰＬの光軸ＡＸと直交する平面（ＸＹ平面）内においてウェハステージＷＳを二次元的に駆動制御しながら、ひいてはウェハＷ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、ウェハＷの各露光領域にはマスクＭのパターンが順次露光される。

円錐台アキシコン系７は、図３（ａ）に示すように、光源側から順に、光源側に平面を向け且つマスク側に凹状断面の屈折面を向けた第１プリズム部材７ａと、マスク側に平面を向け且つ光源側に凸状断面の屈折面を向けた第２プリズム部材７ｂとにより構成されている。さらに具体的には、第１プリズム部材７ａの凹状断面の屈折面は、光軸ＡＸと直交する平面状の中央部７ｃと、光軸ＡＸを中心とする円錐体の側面に対応する周辺円錐部７ｄとを有する。

同様に、第２プリズム部材７ｂの凸状断面の屈折面は、光軸ＡＸと直交する平面状の中央部７ｅと、光軸ＡＸを中心とする円錐体の側面に対応する周辺円錐部７ｆとを有する。なお、第２プリズム部材７ｂの中央部７ｅを覆うように、偏光解消素子（デポラライザ）３ｃが設けられている。ただし、偏光解消素子３ｃを円錐台アキシコン系７から離間させて、アフォーカルレンズ５の瞳位置またはその近傍に配置することもできる。以下、偏光解消素子３ｃを含めて、第２プリズム部材７ｂの凸状断面の屈折面と表現する。

円錐台アキシコン系７では、第１プリズム部材７ａの凹状断面の屈折面と第２プリズム部材７ｂの凸状断面の屈折面とは、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７ａおよび第２プリズム部材７ｂ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７ａの凹状断面の屈折面と第２プリズム部材７ｂの凸状断面の屈折面との間隔が可変に構成されている。

円錐台アキシコン系７では、図３（ａ）に示すように、５極状の瞳光強度分布のうち、光軸ＡＸを中心とする中央領域３０ｃの光強度分布を形成する中心光束４０ｃが、第１プリズム部材７ａの中央部７ｃ、偏光解消素子３ｃおよび第２プリズム部材７ｂの中央部７ｅを通過する。一方、５極状の瞳光強度分布のうち、光軸ＡＸを挟んでＹ方向に沿って対向する第２組の対の周辺領域３０ｐｃおよび３０ｐｄの光強度分布を形成する２つの周辺光束４０ｐｃおよび４０ｐｄは、第１プリズム部材７ａの周辺円錐部７ｄおよび第２プリズム部材７ｂの周辺円錐部７ｆを通過する。なお、図３（ａ）において、５極状の瞳光強度分布のうち、光軸ＡＸを挟んでＸ方向に沿って対向する第１組の対の周辺領域３０ｐａおよび３０ｐｂの光強度分布を形成する２つの周辺光束４０ｐａおよび４０ｐｂの図示は省略されている。

ここで、第１プリズム部材７ａの凹状屈折面と第２プリズム部材７ｂの凸状屈折面とが互いに当接している状態では、中心光束４０ｃおよび４つの周辺光束４０ｐａ〜４０ｐｄに対して円錐台アキシコン系７は平行平面板として機能し、形成される５極状の瞳光強度分布に及ぼす影響はない。しかしながら、第１プリズム部材７ａの凹状屈折面と第２プリズム部材７ｂの凸状屈折面とを離間させると、中心光束４０ｃに対して円錐台アキシコン系７は影響を及ぼさないが、４つの周辺光束４０ｐａ〜４０ｐｄに対して円錐台アキシコン系７はいわゆるビームエキスパンダーとして機能する。

以下、説明を簡単にするために、中央領域３０ｃも周辺領域３０ｐも円形状であるような３極状の瞳光強度分布に対する円錐台アキシコン系７の作用を説明する。図３（ｂ）に示すように、３極状の瞳光強度分布（二次光源）を構成する２つの円形状の周辺領域３０ｐの光強度分布は、円錐台アキシコン系７の間隔を零から所定の値まで拡大させることにより、光軸ＡＸを中心とした円の径方向に沿って外方へ移動するとともに、その形状が円形状から楕円形状に変化する。すなわち、変化前の円形状の周辺領域３０ｐの光強度分布の中心点と変化後の楕円形状の周辺領域３０ｐ’の光強度分布の中心点とを結ぶ線分は光軸ＡＸを通り、中心点の移動距離は円錐台アキシコン系７の間隔に依存する。

さらに、変化前の円形状の周辺領域３０ｐを光軸ＡＸから見込む角度（光軸ＡＸから周辺領域３０ｐへの一対の接線がなす角度）と、変化後の楕円形状の周辺領域３０ｐ’を光軸ＡＸから見込む角度とが等しい。そして、変化前の円形状の周辺領域３０ｐの直径すなわち光軸ＡＸとして２つの周辺領域３０ｐに外接する円の半径と内接する円の半径との差と、光軸ＡＸとして変化後の楕円形状の周辺領域３０ｐ’に外接する円の半径と内接する円の半径との差とが等しい。このように、円形状の周辺領域３０ｐは円錐台アキシコン系７の間隔に依存して周方向に変化するが、径方向には変化しない。

一方、３極状の瞳光強度分布を構成する円形状の中央領域３０ｃの光強度分布は、円錐台アキシコン系７の間隔を零から所定の値まで拡大させても影響を受けない。したがって、円錐台アキシコン系７の間隔を零から所定の値まで拡大させると、３極状の瞳光強度分布を構成する２つの円形状の周辺領域３０ｐの光強度分布の位置および大きさ（形状）が、円形状の中央領域３０ｃの光強度分布とは独立して変化する。図示を省略したが、５極状の瞳光強度分布においても円錐台アキシコン系７の作用により同様の効果を得ることができる。すなわち、円錐台アキシコン系７の作用により３極状や５極状の瞳光強度分布において中央領域の位置および形状を維持しつつ周辺領域の位置および形状だけを変化させることができる。円錐台アキシコン系７は、特性の異なる他のアキシコン系と交換可能に構成されている。

ズームレンズ８は、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８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、二次光源の全体形状が相似的に拡大される。説明を簡単にするために、輪帯状の二次光源を想定すると、ズームレンズ８の作用により、二次光源の輪帯比（二次光源に内接する円の直径すなわち内径／二次光源に外接する円の直径すなわち外径）が変化することなく、その幅（輪帯状の二次光源の外径と内径との差の１／２）および大きさ（外径）がともに変化する。このように、円錐台アキシコン系７とズームレンズ８との協働作用により、輪帯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。

このように、偏光光束変換素子４を用いる５極照明では、５極状の瞳光強度分布のうち、中央領域３０ｃを除く４極状の光強度分布（３０ｐａ〜３０ｐｄ）において周方向偏光状態が実現される。周方向偏光状態の４極状の瞳光強度分布（３０ｐａ〜３０ｐｄ）に基づく周方向偏光照明では、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。

また、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、周方向偏光照明では、投影光学系の光学性能（焦点深度など）が向上し、ウェハ（感光性基板）上において高コントラストの良好なマスクパターン像が得られ、特にウェハ上においてＸ方向に細長く延びる縦方向微細パターンやＹ方向に細長く延びる横方向微細パターンなどを忠実に高解像度で転写することができる。一方、偏光光束変換素子４を用いる５極照明では、５極状の瞳光強度分布のうち、中央領域３０ｃにおいて実質的な非偏光状態が実現される。非偏光状態の小σ状の瞳光強度分布３０ｃに基づく非偏光照明では、たとえば孤立パターンや比較的粗いパターンなどを忠実に転写することができる。

すなわち、本実施形態の５極照明では、孤立パターン、比較的粗いパターン、縦方向微細パターン、横方向微細パターンなどを含む様々な特性を有するマスクパターンを忠実に転写することができる。さらに、本実施形態の５極照明では、円錐台アキシコン系７とズームレンズ８との協働作用により、偏光光束変換素子４を用いて形成される５極状の瞳光強度分布の位置および大きさ（形状）を変化させて、多様性に富んだ照明条件を実現することができる。特に、本実施形態の５極照明では、５極状の瞳光強度分布のうち、中央領域３０ｃの大きさを固定したまま、４極状の光強度分布（３０ｐａ〜３０ｐｄ）の輪帯比を変更することができるので、従来技術では二重露光していたところを１回の露光で行う際の微調整が容易になる。

なお、５極照明用の偏光光束変換素子４に代えて、輪帯照明用の偏光光束変換素子４ａを照明光路中に設定することによって、輪帯照明を行うことができる。このとき、円錐台アキシコン系７に代えて、円錐アキシコン系７０が用いられる。輪帯照明用の偏光光束変換素子４ａ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所要の偏光分布を有する輪帯状の光強度分布を形成する機能を有する。具体的に、輪帯照明用の偏光光束変換素子４ａは、旋光性を有する光学材料により形成された２種類の基本素子を縦横に且つ稠密に多数配列することにより構成されている。第１の基本素子は、入射光束の断面形状を変化させて、輪帯状の光強度分布のうち、光軸ＡＸを挟んで対向する第１組の対の円弧状領域を形成する。第２の基本素子は、入射光束の断面形状を変化させて、輪帯状の光強度分布のうち、光軸ＡＸを挟んで対向する第２組の対の円弧状領域を形成する。ここで、第１の基本素子と第２の基本素子とでは、光の透過方向に沿った厚さが互いに異なっている。

したがって、輪帯照明用の偏光光束変換素子４ａを介した光束は、マイクロフライアイレンズ９の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした輪帯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９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輪帯状の二次光源が形成される。すなわち、図４（ａ）に示すように、光軸ＡＸを挟んでＸ方向に沿って対向する第１組の対の円弧状領域３１ｐａおよび３１ｐｂと、光軸ＡＸを挟んでＹ方向に沿って対向する第２組の対の円弧状領域３１ｐｃおよび３１ｐｄとからなる輪帯状の実質的な面光源が形成される。なお、各円弧状領域３１ｐａ〜３１ｐｄは、光軸ＡＸから延びる線分によって光軸ＡＸを中心とする輪帯状の領域を４等分して得られるような形態を有する。

ここで、第１組の対の円弧状領域３１ｐａおよび３１ｐｂを通過する光束はＹ方向に偏光方向を有する直線偏光状態に設定され、第２組の対の円弧状領域３１ｐｃおよび３１ｐｄを通過する光束はＸ方向に偏光方向を有する直線偏光状態に設定されている。すなわち、本実施形態では、偏光状態切換部３の作用によりＹ方向に偏光方向を有する直線偏光の光が輪帯照明用の偏光光束変換素子４ａへ入射する場合、第１組の対の円弧状領域３１ｐａおよび３１ｐｂを形成する第１の基本素子は入射光の偏光方向をｎ×１８０度（ｎ＝１，２，３・・・）回転させ、第２組の対の円弧状領域３１ｐｃおよび３１ｐｄを形成する第２の基本素子は入射光の偏光方向を９０度＋ｍ×１８０度（ｍ＝０，１，２，３・・・）回転させる。こうして、輪帯状の光強度分布（３１ｐａ〜３１ｐｄ）において周方向偏光状態が実現される。

円錐アキシコン系７０は、図４（ｂ）に示すように、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７０ａ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７０ｂとから構成されている。そして、第１プリズム部材７０ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材７０ｂ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７０ａおよび第２プリズム部材７０ｂ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７０ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材７０ｂの凸円錐状の屈折面との間隔が可変に構成されている。

ここで、第１プリズム部材７０ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材７０ｂ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７０は平行平面板として機能し、形成される輪帯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７０ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材７０ｂの凸円錐状屈折面とを離間させると、輪帯状の二次光源の幅（輪帯状の二次光源の外径と内径との差の１／２）を一定に保ちつつ、輪帯状の二次光源の外径（内径）が変化する。すなわち、輪帯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。また、上述したように、円錐アキシコン系７０とズームレンズ８との協働作用により、輪帯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。

このように、本実施形態の輪帯照明では、輪帯状の光強度分布（３１ｐａ〜３１ｐｄ）において周方向偏光状態が実現されるので、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。その結果、投影光学系の光学性能（焦点深度など）が向上し、ウェハ上において高コントラストの良好なマスクパターン像が得られ、特にウェハ上において縦方向微細パターンや横方向微細パターンや斜め方向に細長く延びる微細パターンなどを忠実に高解像度で転写することができる。さらに、本実施形態の輪帯照明では、円錐アキシコン系７０とズームレンズ８との協働作用により、輪帯状の瞳光強度分布の位置および大きさ（形状）を変化させて、多様性に富んだ照明条件を実現することができる。

また、５極照明用の偏光光束変換素子４に代えて、２極照明用の偏光光束変換素子４ｂを照明光路中に設定することによって、２極照明を行うことができる。このとき、円錐台アキシコン系７に代えて、円錐アキシコン系７０またはＶ溝アキシコン系７１が用いられる。２極照明用の偏光光束変換素子４ｂ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所要の偏光分布を有する２極状の光強度分布を形成する機能を有する。具体的に、２極照明用の偏光光束変換素子４ｂは、旋光性を有する光学材料により形成された１種類の基本素子を縦横に且つ稠密に多数配列することにより構成されている。この基本素子は、入射光束の断面形状を変化させて、光軸ＡＸを挟んで対向する一対の円弧状領域を形成する。

したがって、２極照明用の偏光光束変換素子４ｂを介した光束は、マイクロフライアイレンズ９の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした２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９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２極状の二次光源が形成される。すなわち、図５（ａ）に示すように、光軸ＡＸを挟んでＹ方向に沿って対向する一対の円弧状領域３２ｐａおよび３２ｐｂからなる２極状の実質的な面光源が形成される。なお、各円弧状領域３２ｐａおよび３２ｐｂは、光軸ＡＸから所定の角度を形成するように延びる２つの線分によって光軸ＡＸを中心とする輪帯状の領域を切り取って得られるような円弧状の形態を有する。

ここで、一対の円弧状領域３２ｐａおよび３２ｐｂを通過する光束は、Ｘ方向に偏光方向を有する直線偏光状態に設定されている。すなわち、本実施形態では、偏光状態切換部３の作用によりＹ方向に偏光方向を有する直線偏光の光が２極照明用の偏光光束変換素子４ｂへ入射する場合、一対の円弧状領域３２ｐａおよび３２ｐｂを形成する基本素子は入射光の偏光方向を９０度＋ｍ×１８０度（ｍ＝０，１，２，３・・・）回転させる。こうして、２極状の光強度分布（３２ｐａ，３２ｐｂ）において周方向偏光状態が実現される。

Ｖ溝アキシコン系７１は、図５（ｂ）に示すように、光源側から順に、光源側に平面を向け且つマスク側に凹状で且つＶ字状の屈折面を向けた第１プリズム部材７１ａと、マスク側に平面を向け且つ光源側に凸状で且つＶ字状の屈折面を向けた第２プリズム部材７１ｂとから構成されている。第１プリズム部材７１ａの凹状屈折面は２つの平面から構成され、その交線（稜線）はＸ方向に沿って延びている。第２プリズム部材７１ｂの凸状屈折面は、第１プリズム部材７１ａの凹状屈折面と互いに当接可能なように、換言すると第１プリズム部材７１ａの凹状屈折面と相補的に形成されている。すなわち、第２プリズム部材７１ｂの凸状屈折面も２つの平面から構成され、その交線（稜線）はＸ方向に沿って延びている。また、第１プリズム部材７１ａおよび第２プリズム部材７１ｂ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７１ａの凹状屈折面と第２プリズム部材７１ｂの凸状屈折面との間隔が可変に構成されている。

ここで、対向する凹状屈折面と凸状屈折面とが互いに当接している状態では、Ｖ溝アキシコン系７１は平行平面板として機能し、形成される２極状の二次光源に及ぼす影響はない。しかしながら、Ｖ溝アキシコン系７１は、凹状屈折面と凸状屈折面とを離間させると、Ｘ方向に沿って平行平面板として機能するが、Ｙ方向に沿ってビームエキスパンダーとして機能する。すなわちＶ溝アキシコン系７１の間隔の変化に伴って、所定面６への入射光束のＸ方向に沿った入射角度は変化しないが、所定面６への入射光束のＹ方向に沿った入射角度は変化する。

その結果、図示を省略するが、一対の円弧状領域３２ｐａおよび３２ｐｂは、Ｘ方向には移動しないが、Ｙ方向に沿って光軸ＡＸを挟んで対称に移動する。すなわち、Ｖ溝アキシコン系７１の間隔が拡大すると、第１円弧状領域３２ｐａは−Ｙ方向に移動し、第２円弧状領域３２ｐｂは＋Ｙ方向に移動する。また、Ｖ溝アキシコン系７１の間隔が拡大すると、各円弧状領域３２ｐａ，３２ｐｂは、Ｘ方向には拡大しないが、Ｙ方向に拡大する。また、上述したように、Ｖ溝アキシコン系７１とズームレンズ８との協働作用により、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。なお、２極照明における円錐アキシコン系７０の作用、および円錐アキシコン系７０とズームレンズ８との協働作用については、輪帯照明におけるこれらの作用の説明と重複するので省略する。

このように、本実施形態のＹ方向２極照明では、２極状の光強度分布（３２ｐａ，３２ｐｄ）において周方向偏光状態が実現されるので、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。その結果、投影光学系の光学性能（焦点深度など）が向上し、ウェハ上において高コントラストの良好なマスクパターン像が得られ、特にウェハ上においてＸ方向に細長く延びる微細パターンなどを忠実に高解像度で転写することができる。さらに、本実施形態の２極照明では、Ｖ溝アキシコン系７１（または円錐アキシコン系７０）とズームレンズ８との協働作用により、２極状の瞳光強度分布の位置および大きさ（形状）を変化させて、多様性に富んだ照明条件を実現することができる。

さらに、５極照明用の偏光光束変換素子４に代えて、適当な特性を有する偏光光束変換素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、他の複数極照明（Ｘ方向２極、３極、４極、８極、９極など）や円形照明などを含む様々な形態の照明を行うことができる。また、偏光光束変換素子の作用により照明瞳面上に形成される瞳光強度分布に応じて、円錐台アキシコン系、円錐アキシコン系、Ｖ溝アキシコン系、あるいは他の適当な特性を有するアキシコン系を選択的に用いることができる。

以上のように、本実施形態では、照明光路に対して交換可能な偏光光束変換素子（４，４ａ，４ｂなど）の作用により、光源１からの光束の断面形状および偏光状態を適宜変化させて、照明瞳面上に所要の偏光分布を有する所定形状（５極状、輪帯状、２極状など）の瞳光強度分布を形成する。そして、照明光路に対して交換可能なアキシコン系（円錐台アキシコン系７，円錐アキシコン系７０，Ｖ溝アキシコン系７１など）の作用により、照明瞳面上に形成される瞳光強度分布の形状を変化させる。こうして、本実施形態の照明光学装置では、たとえば瞳光強度分布の形状や偏光状態などに関して多様性に富んだ照明条件を実現することができる。また、本実施形態の露光装置では、瞳光強度分布の形状や偏光状態などに関して多様性に富んだ照明条件を実現することのできる照明光学装置を用いて、マスクのパターン特性に応じて実現された適切な照明条件のもとで良好な露光を行うことができる。

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６のフローチャートを参照して説明する。

先ず、図６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７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７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。さらに、上述の実施形態では、照明光学装置を備えた露光装置を例にとって本発明を説明したが、以外の被照射面を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。

また、上述の実施形態において、投影光学系と感光性基板との間の光路中を１．１よりも大きな屈折率を有する媒体（典型的には液体）で満たす手法、所謂液浸法を適用しても良い。この場合、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手法としては、国際公開番号ＷＯ９９／４９５０４号公報に開示されているような局所的に液体を満たす手法や、特開平６−１２４８７３号公報に開示されているような露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動させる手法や、特開平１０−３０３１１４号公報に開示されているようなステージ上に所定深さの液体槽を形成し、その中に基板を保持する手法などを採用することができる。

なお、液体としては、露光光に対する透過性があってできるだけ屈折率が高く、投影光学系や基板表面に塗布されているフォトレジストに対して安定なものを用いることが好ましく、たとえばＫｒＦエキシマレーザ光やＡｒＦエキシマレーザ光を露光光とする場合には、液体として純水、脱イオン水を用いることができる。また、露光光としてＦ₂レーザ光を用いる場合は、液体としてはＦ₂レーザ光を透過可能な例えばフッ素系オイルや過フッ化ポリエーテル（ＰＦＰＥ）等のフッ素系の液体を用いればよい。

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。 照明瞳面上に形成される５極状の光強度分布の形状および偏光分布を概略的に示す図である。 円錐台アキシコン系の構成および作用を説明する図である。 照明瞳面上に形成される輪帯状の光強度分布の形状および偏光分布、並びに円錐アキシコン系の構成を概略的に示す図である。 照明瞳面上に形成される２極状の光強度分布の形状および偏光分布、並びにＶ溝アキシコン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
３ 偏光状態切換部
４，４ａ，４ｂ 偏光光束変換素子
５ アフォーカルレンズ
７ 円錐台アキシコン系
８ ズームレンズ
９ マイクロフライアイレンズ
１０ コンデンサー光学系
１１ マスクブラインド
１２ 結像光学系
７０ 円錐アキシコン系
７１ Ｖ溝アキシコン系
Ｍ マスク
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ

Claims (11)

1. 光源からの光束に基づいて被照射面を照明する照明光学装置において、
   前記光源からの光束の断面形状および偏光状態を変化させて、照明瞳面上に所要の偏光分布を有する所定形状の瞳光強度分布を形成するための偏光光束変換素子と、
   前記照明瞳面上に形成される第１の瞳光強度分布の形状を変化させるための第１アキシコン系と、
   前記第１アキシコン系と交換可能に配置されて、前記照明瞳面上に形成される第２の瞳光強度分布の形状を変化させるための第２アキシコン系とを備えていることを特徴とする照明光学装置。
2. 前記偏光光束変換素子は、旋光性を有する光学材料により形成されて入射光束に基づいて前記瞳光強度分布のうちの第１領域分布を形成するための第１基本素子と、旋光性を有する光学材料により形成されて前記入射光束に基づいて前記瞳光強度分布のうちの第２領域分布を形成するための第２基本素子とを有し、前記第１基本素子と前記第２基本素子とは、光の透過方向に沿った厚さが互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
3. 前記第１アキシコン系および前記第２アキシコン系は、凹状断面の屈折面を有する第１プリズムと、該第１プリズムの前記凹状断面の屈折面とほぼ相補的に形成された凸状断面の屈折面を有する第２プリズムとをそれぞれ有し、前記第１プリズムと前記第２プリズムとの間隔は可変に構成されてい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。
4. 前記第１アキシコン系および前記第２アキシコン系のうちの少なくとも一方の前記屈折面は、前記照明光学装置の光軸を中心とする円錐体の側面に対応する形状を有することを特徴とする請求項３に記載の照明光学装置。
5. 前記第１アキシコン系および前記第２アキシコン系のうちの少なくとも一方の前記屈折面は、前記照明光学装置の光軸を通る所定の軸線に関してほぼ対称なＶ字状の断面を有することを特徴とする請求項３に記載の照明光学装置。
6. 前記第１アキシコン系および前記第２アキシコン系のうちの少なくとも一方の前記屈折面は、前記照明光学装置の光軸とほぼ直交する平面状の中央部と、前記光軸を中心とする円錐体の側面に対応する周辺円錐部とを有することを特徴とする請求項３に記載の照明光学装置。
7. 光源からの光束に基づいて被照射面を照明する照明光学装置において、
   前記光源からの光束の断面形状および偏光状態を変化させて、照明瞳面上に所要の偏光分布を有する所定形状の瞳光強度分布を形成するための偏光光束変換素子と、
   前記瞳光強度分布の形状を変化させるためのアキシコン系とを備え、
   前記アキシコン系は、凹状断面の屈折面を有する第１プリズムと、該第１プリズムの前記凹状断面の屈折面とほぼ相補的に形成された凸状断面の屈折面を有する第２プリズムとを有し、前記第１プリズムと前記第２プリズムとの間隔は可変に構成され、前記屈折面は前記照明光学装置の光軸とほぼ直交する平面状の中央部を有することを特徴とする照明光学装置。
8. 前記屈折面は、前記中央部と、前記光軸を中心とする円錐体の側面に対応する周辺円錐部とを有することを特徴とする請求項７に記載の照明光学装置。
9. 前記偏光光束変換素子は、旋光性を有する光学材料により形成されて入射光束に基づいて前記瞳光強度分布のうちの第１領域分布を形成するための第１基本素子と、旋光性を有する光学材料により形成されて前記入射光束に基づいて前記瞳光強度分布のうちの第２領域分布を形成するための第２基本素子とを有し、前記第１基本素子と前記第２基本素子とは、光の透過方向に沿った厚さが互いに異なることを特徴とする請求項７または８に記載の照明光学装置。
10. 所定のパターンを照明するための請求項１乃至９のいずれか１項に記載の照明光学装置と、前記所定のパターンの像を感光性基板上に形成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。
11. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の照明光学装置を介して所定のパターンを照明し、照明された前記パターンを投影光学系により感光性基板に露光する露光工程と、
    前記露光工程により露光された前記感光性基板を現像する現像工程とを含むことを特徴とするデバイスの製造方法。

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