JP2008192858A - 露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】投影光学系の複屈折に起因して基板上で発生する偏光度の像高間差を小さくし、転写エリアにおける線幅のばらつきを減少させる露光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の露光装置は、光源１からの照明光によりレチクル１５のマスクを照明する照明光学系と、前記マスクのパターンを感光剤が塗布されたウェハ１７上に投影する投影光学系１６と、前記照明光が互いに直交する偏光成分間の偏光度を維持しつつ、偏光間位相差をランダム化する位相差解放機構を構成する位相差解放ユニット２１とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子製造工程のリソグラフィ工程において用いられる投影型の露光装置及びその露光装置を用いるデバイス製造方法に関する。

一般に、リソグラフィ工程とは、半導体素子の回路パターンを半導体素子となるシリコン基板、ガラス基板、ウェハ等の基板上に投影転写する工程のことである。
近年、半導体素子の微細化が進んでおり、0.15μｍ以下の線幅を転写するようになっている。
半導体素子の微細化が進むことにより、半導体素子の集積度が向上し、低電力かつ高性能な素子が製造できる。
さらなる半導体素子の微細化への要求が高く、それに伴い投影露光装置に対する解像力向上への要求も高くなっている。

下記のレーリーの式３によると解像力と露光波長、投影露光装置の開口数（ＮＡ）の間には以下の関係が成り立つ。

但し、RPは解像力、λは露光波長、NAは開口数、k₁は比例定数である。
投影露光装置の解像力を向上させる方法として、投影光学系の高NA化と露光波長の短波長化があるが、両者とも近年ますます加速している。
高NA化に対しては、ウェハを純水などの高屈折液体で浸す液浸露光技術によりNA1.0以上が実現された。
露光光源も従来はKrFエキシマレーザー(λ;248nm)を用いて露光を行っていたが、近年ではArFエキシマレーザー(λ;193nm)を光源として用いるようになった。
しかし、高NA領域では、後述のように偏光を考慮する必要があるとされている。

図１４は、レチクル１５面上に入射する偏光の一例を表す斜視図である。
偏光は図１４に示すように電場の振動方向が入射面１５ａに垂直な方向のときS偏光と呼ばれ、振動方向が入射面１５ａ上のときはP偏光と呼ばれる。
S偏光同士、P偏光同士の２光束干渉を考えたとき、後者は前者に比べてコントラスト落ちが著しい。
図１５は、２光束干渉の一例を説明する説明図である。
2光束は共に、偏光方向が紙面１５ｂに垂直な方向(Y軸方向)及び紙面１５ｂを含む方向(X-Z平面)である。各光束Ψ₁ 、Ψ₋₁はS偏光及びP偏光のときそれぞれ式４、５、６、７で表される。

ただしE₁は振幅、kは波数、ａ、ｃはそれぞれｘ方向、ｚ方向と光束の成す余弦とする。

S偏光のとき、式４、５より、干渉波Ψ^sは式８のように計算される。またここから、式 ９のように干渉波の強度分布を求めることができる。

P偏光のときも干渉波Ψ^ｐは式６、７より同様に計算でき、それぞれ式１０、１１で表せる。

ここで、コントラストVは式１２で表される。また、S偏光同士、P偏光同士の２光束干渉によるコントラストは式９及び式１１より式１３、式１４のように計算できる。

ここでθは、図１５に示すように光束の像面への入射角である。

式１３、式１４のとおり入射角θが大きくなるにつれS偏光とP偏光ではコントラストに差が生まれる。
特に入射角が45°のときにはＶ^p=0となり、Ｐ偏光の場合はまったく干渉が起きないことが分かる。なお、回折光がＰ偏光であるかＳ偏光であるかというのは、回折光と基板の関係で決まる。
y方向に伸び、x方向に周期性をもつパターンについてのS偏光、P偏光は図１５に示すとおりになるが、x方向に伸び、y方向に周期性をもつパターンについては、逆に図１５のS偏光がP偏光、P偏光がS偏光となる。
以上に述べたように、高NAの投影光学系を備えた露光装置では、P偏光の光は像のコントラストを低減させる効果を持つ。
したがって、高いコントラストの像を得るためには、P偏光の光を減らし、S偏光の光を増やした露光光で露光を行うことが効果的となってくる。

偏光照明系が実現する照明系の瞳面での偏光状態を図１６に示す。
Ｙ偏光小σ照明（１）はAlt-PSMと一緒に用いることにより、ｘ方向の繰り返しパターンを転写する際に有効である。
Ｘ偏光小σ照明（２）はAlt-PSMと一緒に用いることにより、y方向の繰り返しパターンを転写する際に有効である。
Ｙ偏光Ｘダイポール照明（３）は、バイナリーマスクやAtt-PSMと呼ばれるハーフトーンマスクと一緒に用いることにより、ｘ方向の繰り返しパターンに有利である。
Ｘ偏光Ｙダイポール照明（４）は、バイナリーマスクやAtt-PSMと一緒に用いることにより、y方向の繰り返しパターンを転写する際に有効である。

タンジェンシャル偏光クロスポール照明（５）は、バイナリーマスクやAtt-PSMと一緒に用いることにより、x方向、y方向の両方の繰り返しパターンが混載するパターンを転写する際に有効である。
タンジェンシャル輪帯照明（６）は、バイナリーマスクやAtt-PSMと一緒に用いることにより、様々な方向の繰り返しパターンが混載するパターンを転写する際に有効である。
タンジェンシャル偏光（６）とは、照明系の瞳内の各点において光学軸中心方向と略直交した方向に電場ベクトルが向いている偏光状態をいう。
ラジアル偏光４５度四重極照明（７）は、CrレスPSMと一緒に用いることにより、コンタクトホールパターンを転写する際に有効である。
ラジアル偏光（７）とは、照明系の瞳内の各点において光学軸中心方向に電場ベクトルが向いている偏光状態をいう。

ここで、従来の偏光照明光学系を備えた投影露光装置としてWO２００４／０５１７１７号公報（特許文献１）により公知となっているものを図１７により説明する。
光源１はエキシマレーザーであり、KrFエキシマレーザー（波長248nm）、ArFエキシマレーザー（波長193nm）、F2レーザー（波長157nm）などが使用されている。
平行平面板２は、レーザーと露光装置を空間的に分離する。即ち平行平面板２は、レーザーと露光装置で、空間内の清潔度の要求が異なるため、空間的に分離し、個別パージとしている。
減光フィルター３は、被照明面の照度を調整するために、多段の減光フィルターが切り替え可能に配置された構成である。

マイクロレンズアレイ４は、マイクロシリンドリカルレンズアレイでも構わず、以下MLAと呼ぶ。
光源１のレーザーと投影露光装置は分離されて別置きされており、異なる階に配置されたりする。
そのため、光源１のレーザーと投影露光装置の床振動が非同期に発生しており、それによる二つのユニット間の軸ずれや軸の傾きが絶え間なく発生している。
MLA４は、いわゆるフィールドタイプのハエノ目レンズとしての役割を持つMLAであり、MLA４に入射する光の光学軸が傾いたとしても、MLA４の光学軸を中心とした所定の角度分布で光を出射する。
これにより、床振動等により軸の傾きが発生した場合でも、投影露光装置には一定の角度分布の光が供給されるようになる。

内面反射部材５は、MLA４から射出されて光は内面反射部材内で反射されることにより、内面反射部材５の出口で略均一な分布を得ることができる。
内面反射部材５により分布が均一化されるため内面反射部材５から射出する光は、光源１のレーザーと投影露光装置の間に光路ずれが発生していても均一な光となる。
MLA４と内面反射部材５を組み合わせることによって、レーザーと投影露光装置の間に光学軸ずれや光学軸傾きが発生しても、内面反射部材５の射出面には、投影露光装置の光学軸に対して均一で、一定の角度分布を持った光が得られる。

回折光学素子６１、６２は、計算機ホログラム（Computer Generated Hologram、以下CGHと呼ぶ）などの回折光学素子若しくは、MLAなどの屈折光学素子である。
複数のCGH６１、６２若しくはMLA４は、切り替え可能に光路に構成されている。
コンデンサレンズ７は、CGH６１，６２若しくはMLA４のフーリエ像をAの位置に形成する。
CGH６１、６２に使用されるMLA４は六角形状のマイクロレンズが並んだものである六角MLA、若しくは円形状のマイクロレンズが並んだものである円MLAが使用されている。
このMLA４は、六角MLAの場合にはAの位置に略均一な六角形の照度分布を形成し、円MLAの場合には、Aの位置に略均一な円形の照度分布を形成する。
CGH６１、６２は任意の形状のフーリ変換像を形成することが可能であり、回折光学素子にCGH６１、６２を用いれば、輪帯形状や四重極形状、ダイポール形状などの照度分布が形成可能である。

変倍リレー光学系８は、Aの分布を１０のハエノ目レンズ入射面に様々な倍率で投影する。位相板９は、レーザーからの略偏光光を位相板によって所望の偏光状態に変換する。
例えば、レーザーからの光が紙面に垂直な方向に電場ベクトルを持つ偏光光であった場合について説明する。
後述のレチクル１５のマスクを、紙面に垂直な方向に電場ベクトルを持つ偏光光で照明する場合には、位相板９は光路から外されてレーザーの偏光度がそのまま保たれて、マスク面を照明する。
一方、マスクを、紙面に平行な方向に電場ベクトルを持つ偏光光で照明する際には、位相板９の紙面に垂直な方向と４５度の方向に進相軸を持つλ／２位相板が光路中に挿入される。
これにより、レーザーからの光の電場ベクトル方向が９０度回転されて、紙面に平行な方向に電場ベクトルを持つ偏光光でマスク面を照明する。
ハエノ目レンズ１０は、照明光学系の瞳位置に、複数の2次光源を形成する。なお、ハエノ目レンズ１０の代わりに、マイクロレンズアレイや、マイクロシリンドリカルレンズアレイなどを用いてもよい。

コンデンサレンズ１１は、Bの位置に2次光源からの光を重畳的に重ね合わせることにより、略均一な光分布を形成する。Bの位置には被照明面の照明領域を制御する可変絞り（不図示）がある。
リレー光学系１４は、Bの分布をレチクル１５のパターンが描画されたマスクに投影する。
投影光学系１６は、ウェハ１７の感光剤の塗布された基板上にレチクル１５のマスクに描画されたパターンを投影する。投影光学系１６は、通常の場合、マスクのパターンを基板上に1/4倍に縮小投影する。
ウェハステージ１９は、基板上に複数の転写を行うようにステップを行い、後述の走査露光を行う投影露光装置の場合はマスクと同期し走査スキャンする。

露光方式としては、一括露光方式と走査露光方式の２つがある。一括露光方式とはマスクのパターンと基板を共役な位置に固定して、感光剤の好適露光量になるまで露光を行うものである。
走査露光方式とはマスクのパターンの一部を照明し、瞬間、瞬間にはマスクの一部を基板上に投影露光し、マスクと基板を同期走査することによって、パターンの全領域を基板上に転写露光する方法である。
この際、パターンの各個所が露光される間に感光剤の好適露光量となるように同期走査する必要がある。
一括露光方式の場合の露光量制御方法は、基板への露光量をモニターして、基板上の露光量が所望の露光量になった際、レーザーの発振を終了するか、若しくはシャッターにより露光を終了する方法などが用いられる。

一方、走査露光方式の場合の露光量制御方法は、基板とマスクの走査速度を一定に固定し、照明領域を通る時間で所望の露光量となる照度で露光するよう照度を一定に制御する定照度制御を行う方法がある。
また、走査露光方式の場合の露光量制御方法には、所望の露光量となる照度で露光するよう照度の変動に同期して走査速度を変える方法などがある。
定照度制御には、レーザーの発振周波数を制御する方法や、レーザーへの印加電圧を制御する方法などがある。
いずれの方法においても、基板への露光中に、露光量をモニターして露光量制御を行うことが必要である。

このため、投影露光装置には、露光光を分岐して、露光中に露光量をモニターする露光量センサ１３が搭載されている。ハーフミラー１２は、露光光を分岐し、Bと略共役な場所を露光量センサ１３の位置に作りだす。
露光量センサ１３は、露光量をモニターするものであり、基板への露光を行いながら、露光量をモニターすることができる。照度計１８は、ウェハ面上の照度を計測する。
露光量センサ１３の出力と、基板上への照度の関係は、投影光学系の透過率変化などによって変化するため、定期的に照度計１８を光路にいれ、照度計１８の出力と、露光量モニター１３の出力を関係付ける。
照度計１８の出力と、露光量センサ１３の出力を関係付けることにより、露光量制御装置２０にその関係が保存される。
即ち露光時には、露光量センサ１３の露光量モニターの出力が露光量制御装置２０に入力され、前記関係から基板への露光量を算出し、それに基づいて、前述の露光量制御方法に従い露光量制御が行われる。

上述の従来例は、レーザーの偏光状態を位相板を用いて所望の偏光状態となるようにするものであったが、直線偏光フィルターを用いて直線偏光を実現する方法が特開平０５−１０９６０１号公報（特許文献２）などにより提案されている。
直線偏光フィルターは、サングラスなどに用いられている所定の直線偏光のみを透過するフィルターである。
WO２００４／０５１７１７号公報 特開平０５−１０９６０１号公報 特開２００３−２９７７２９号公報

投影光学系には石英などの本質的には複屈折を持たない硝材をレンズの材料として使用するが、これらの硝材も、溶かした硝材を固める際の温度不均一性に起因する応力歪、レンズの加工時の加工歪で若干の複屈折を持ってしまう。
さらに、硝材のほかにも投影光学系のレンズの反射防止膜や反射膜によっても複屈折が発生する。
投影露光装置において直線偏光を用いることは解像度の向上に有効であるが、理想的な直線偏光でレチクル面上を照明しても前記のように偏光状態を変化させる光学素子等が投影光学系内に存在すると理想的な直線偏光が崩れる。
その結果、結像時には所望の直線偏光が形成されず結像性能が低下する。特にウェハ面上への光線入射角度が比較的広範囲に存在する場合、直線偏光の崩れる、あるいは結像性能の低下がより顕著に表れることが分かっている。

図１８は、一般的なレンズ３０内の複屈折分布の一例を説明する説明図である。
図１８の各ベクトルの向きは進相軸方向を表し、これに平行に振動して入射する偏光は位相が最も進む。
しかし図１８に示すようにレンズ３０内で複屈折分布が一様でない場合は、軸上光線と軸外光線で受ける複屈折の大きさが異なることが分る。
また、同じ軸上光線でもレンズ３０のどの部分を通過したかによって受ける複屈折が異なるため、瞳内でも不均一な複屈折分布をもつということが分かる。
偏光度変化による転写線幅の変化(CD変化)について図１９を用いて説明する。偏光度は、全光量に対する主偏光成分の光量の割合RoP(Ratio
of Polarized light intensity)として定義する。
主偏光成分とは所望方向の偏光成分であり、それと直交する方向の偏光成分を副偏光成分という。
図１９に示すファクターは、ウェハ１７上のRoPに対する転写線幅の変化(CD変化)である。投影光学系の開口数(NA)は 1.35であり、コヒーレンスファクターσは0.20、マスクにはレベンソン型位相シフトマスク(Alt-PSM)を用いた。
また、転写線幅(Line)は45nmとした。凡例はそれぞれLine間のSpaceを変化させたもので、Line/Spaceの値をSpace=45〜225nmの場合について表している。

露光量はRoP=1、つまり直線偏光のときに所望の線幅になるように設定した。 Line/Space=1：1のパターンはウェハ面上におけるRoPの値に依らず、転写パターンの線幅が45nmから変化しない。
しかし、Line/Spaceのパターンが、1：1からずれた条件においては、線幅の変化が確認できる。
線幅の変化量は、図１９に示すようにLine/Space=45/90のときが最大で、RoPが0.1落ちると、平均1.5nm線幅は変化する。
投影露光装置の転写エリアにおける線幅のばらつき、すなわち、CD均一性への要求値は厳しく、45nm線幅の場合、偏光度の像高ばらつき起因による許容量は0.6nm以下であると一般的に考えられている。
そのため、露光度RoPの像高差としては0.04つまり4%程度にすることが望まれる。

以上のように従来技術では、像高間における複屈折の偏光度への影響差による転写エリアにおける線幅ばらつきが増大した。
なお、投影光学系の複屈折を補正する方法として、特開２００３−２９７７２９号公報（特許文献３）に投影光学系内で発生する位相差を補正する位相補正部材を投影光学系内に備えたものが開示されている。
しかし、この投影光学系の複屈折を補正する技術では、像高間も瞳内も一律である成分は補正できるが、上述のようにレンズ内の複屈折分布が像高毎に異なる均一ではない分布を持つ複屈折は補正することができなかった。
そのため、偏光度の像高間差は補正することができず、露光装置の転写エリアにおける線幅ばらつきの増大に対しては何ら対策と成り得なかった。
また、上記投影光学系の複屈折を補正する技術では、投影光学系内に一軸性の複屈折結晶を入れることによる結像性能の低下についても懸念されるため実用的でなかった。
そこで、本発明は、投影光学系の複屈折に起因して基板上で発生する偏光度の像高間差を小さくし、転写エリアにおける線幅のばらつきを減少させる露光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の露光装置は、光源からの照明光によりマスクを照明する照明光学系と、前記マスクのパターンを感光剤が塗布されたウェハに投影する投影光学系と、を有する露光装置であって、前記照明光が互いに直交する偏光成分間の偏光度を維持しつつ、偏光間位相差をランダム化する位相差解放機構を有することを特徴とする。

本発明の露光装置によれば、前記照明光が互いに直交する偏光成分間の偏光度を維持しつつ、前記偏光間位相差がランダム化される。
このため、投影光学系の複屈折に起因して基板としてのマスク又はウェハで発生する偏光度の像高間差を小さくし、転写エリアにおける線幅のばらつきを減少させ、CD均一性を高めることができる。

以下、本発明を、その実施例に基づいて、図面を参照して説明する。

本発明の発明者等は、投影光学系に入射する光の２つの直交する偏光間位相差によって、投影光学系の複屈折を起因とする基板上の偏光度の低下量が異なることに着目し検討を重ねた。
その結果、本発明の発明者等は、投影光学系に入射する２つの直交する偏光間の位相差を制御することにより、基板上の偏光度の像高間差を小さくし、基板上の線幅ばらつきを減少させる本発明の露光装置を実現するに至った。

以下、図１乃至図１１を用いて本発明の露光装置について説明する。
図１は、本発明の実施例１の露光装置の構成を示す概略構成図である。
なお、図１において、図１７と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
まず、ここで本発明の実施例１の露光装置の要点について、図２乃至図５を用いて詳解する。
図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、偏光間位相差を0°から180°まで変化させたときの偏光状態を説明する説明図である。
全光量に対する主偏光成分の光量割合である偏光度RoPが等しいとしても直交する２つの偏光間位相差が異なると、偏光状態は異なる。
例えば、偏光間位相差をδとするとδ =0°のときは、図２（ａ）に示すように露光状態は直線偏光になる。
δが増角するに従って露光状態は楕円状となり楕円率が変化し、δ =90°のときは、図２（ｃ）に示すように横の楕円偏光になる。

一方、同じ投影光学系１６の複屈折に対しても、レチクル１５面上に入射する光の偏光間位相差によって、ウェハ１７上の偏光度が変わることが検討結果より分かった。
たとえマスク面上での全光量に対する主偏光成分の光量割合である偏光度RoPが同じでも、レチクル１５面上に入射する光の偏光間位相差によってウェハ１７上の露光度RoPは異なる。
例えば照明光学系からの単光線が投影光学系に入ってきた場合を考える。まず、レチクル１５面上に入射する光の露光度RoPをA、偏光間位相差をδとしたときのジョーンズベクトルJは以下の式１５で表せる。
また、X方向から角度θの方向に進相軸がある複屈折量の投影光学系のジョーンズ行列Tは以下の式１６で表せる。ただし、主偏光成分をX偏光とし、副偏光成分をY偏光とする。

X方向から±45度方向に進相軸がある場合を例とすると、ウェハ１７面上の露光度RoP（ A’）はJ×Tによって計算することができ、以下の式１７で表せる。

図３は、A=0.92のとき、式１７の演算結果を示すグラフ図である。横軸は偏光間位相差δ_r、縦軸はウェハ１７面上の露光度RoP（=A’）である。
図３に示す実線及び点線は進相軸が±45°方向のときを表す。δ_r=±90°のときに A’(δ_r)-Aのばらつきの大きさは最大になる。
実際には投影光学系に入射する光束は単光線の集まりであると考えられ、投影光学系１６の複屈折進相軸方向は不定である。

そこで、期待されるウェハ１７面上での偏光度を議論するため、ウェハ１７面上での偏光度のばらつきによる期待値を以下の式１８、式１９のように定義する。

ここでφ_mは各光線のもつ偏光間位相差の平均値であり、φ_σは各光線のもつ偏光間位相差の平均値からの広がり幅である。

図４は、偏光間位相差の分布とφ_m値、φ_σ値の一例を表すグラフ図である。
図４に示す分布の例においては、φ_m=−38° 、φ_σ=60°である。
なお、図５は、φとRoPのばらつきとの関係を示すグラフ図である。
ここでは簡単のため、レチクル１５面上における照明光の偏光間位相差は一様分布であるとしたが、式１９は照明光の偏光間位相差が正規分布をもつ場合など、ある分布関数が決まっていれば分布毎に適応させることができる。
仮にレチクル１５から投影光学系１６に入る各光線の偏光間位相差がすべて90°であったとすると、式１９でφ_m=90°、φ_σ=0°として期待されるウェハ１７面上での偏光度A’のばらつきは以下の式２０のように計算される。

ここで偏光度A =0.92 、投影光学系内の複屈折量j=3nm, 露光波長を193nm としたとき、0.892<A’(ave)<0.944となる。
式１７より偏光間位相差がすべて90°(δ_r=90°)のときが最もウェハ１７面上での偏光度A’の平均値はばらつくことは明らかである。

しかし既に述べたとおり、ウェハ１７上での露光度RoPの像高間ばらつきは0.04以下に抑えることが望ましい。そのためには、式１８、式１９より導かれる以下の式１を満たせばよい。

式１で偏光度A
=0.92 、投影光学系１６内の複屈折量=3nm、 露光波長193nm
、φ_m=90°のとき、φ_σ>72°ならば、ウェハ１７上の像高差による露光度RoPのばらつきを0.04以内に抑えることができる。

ところで、光源１から射出する光は所定の方向に偏光方向が向いた偏光度の高い光である。
しかし、光源１内部の光学系の誤差によって、本来射出すべき主偏光方向と直交した方向に偏光方向が向いた副偏光光も微小に含まれる。この主偏光光と副偏光光の偏光間位相差はあらゆる値をとり得る可能性がある。
また、照明光学系内の複屈折に対してこれら偏光間位相差がレチクル１５面上で特定の値に偏ってしまう可能性がある。
このため、本発明の露光装置は、以上のような偏った偏光間位相差を解放すべく照明光が互いに直交する偏光成分間の偏光度を維持しつつ、偏光間位相差をランダム化する位相差解放機構としての位相差解放ユニット２１を有する。
位相差解放ユニット２１によってレチクル１５面上での偏光間位相差のとり得る範囲を可変させることが可能となる。

図６は、位相差解放ユニット２１の詳細な構成を説明する説明図であり、光学軸をz軸にとり位相差解放ユニット２１を横からみた状態を示す。
位相差解放ユニット２１は、水晶やフッ化マグネシウムなどの一軸性結晶、若しくは、通常一軸性複屈折を持たない石英などを外力により応力複屈折を生じるものを用いたクサビ型である。
一軸性結晶の光学軸は、z軸に垂直な方向であり、かつ、x方向若しくはy方向を向く主偏光方向に対し平行若しくは垂直な方向である。
ただし、図６に示すように、位相差解放ユニット２１を通過前の光束端における偏光状態を（１）（３）として表し、それぞれの偏光状態（１）（３）から位相差解放ユニット２１を通過後の偏光状態を（２）（４）として表す。

図６に示すようにz軸と垂直な面において直交する２方向に偏光している光は位相差解放ユニット２１の一軸性複屈折の影響で偏光状態が（１）から（２）のように偏光間位相差が生じ、偏光状態が変化する。
同じように偏光状態が（１）から光学軸をはさみ、光学軸と垂直な方向に距離Lだけ離れた（１）と同じ偏光状態（３）は一軸性結晶の複屈折により偏光状態（４）へと偏光状態が変化する。
ここで、偏光状態（１）から（２）での偏光間位相差の変化をδ_{（１）→（２）}、偏光状態（３）から（４）での偏光間位相差の変化をδ_{（３）→（４）}とする。
位相差解放ユニット２１を通過後の２状態の偏光状態（２）（４）における偏光間位相差の差δ=δ_{（１）→（２）}-δ_{（３）→（４）}は、光の波長λ、一軸性結晶の複屈折n、L、位相差解放ユニット２１のクサビ角θを用いると以下の式２１で表される。

図７は、光源1にArF 、一軸性結晶に水晶を用いたときのL及びθに対する偏光状態（２）（４）間における偏光間位相差の差を表すグラフ図である。
例えばL=30[mm]、クサビ角θを0.02°以上にすると、偏光状態（２）（４）間における偏光間位相差の差は360°以上になる。
前記のように偏光状態（１）（３）は光束端における偏光状態であり、光束全体で考えると、結果、偏光状態（２）（４）間における偏光間位相差の差は連続的に変化する。
位相差は通常-180°〜180°で表されるので、位相差解放ユニット２１を用いることで光束全体として-180°〜180°までの範囲で偏光間位相差を解放することができる。

この位相差解放ユニット２１によって若干光学軸がシフトするが、通常このシフト量は無視できる。問題になるような場合は、図８に示すようにもう一枚のクサビ、即ち補正ユニット２４を対抗させて置いて補正すればよい。
補正ユニット２４のクサビには石英など、大きな複屈折のない材料が選ばれる。以上のように一軸性結晶からなるクサビ型の位相差解放ユニット２１のクサビ角θを決めることで偏光間位相差を解放することができる。
なお、位相差解放ユニット２１には、クサビ型を用いる他に、図９に示すように、光学軸に対し垂直な面に光の波長よりも短い幅若しくは深さの連続的に異なるピッチ又は不定ピッチのスリット状で凹凸状の格子２１ｂを用いてもよい。
スリット状の格子２１ｂのピッチ方向は、主偏光成分に平行若しくは垂直な向きである。
周期的微細構造をもつ上記のスリット状の格子２１ｂに対し偏光光が入射すると、その偏光方向により屈折率差が異なるため、偏光間位相差が生じる。

図１０に示すように、周期的微細構造２１ａは、屈折率がn₁,n₂の2つの物質がそれぞれ幅a,bで周期的に繰り返されるようなとき、s偏光、p偏光の間の屈折率差は以下の式２２のように表される。

前記スリット状の格子はこの周期的微細構造２１ａの原理を利用し偏光間位相差を生み出すものである。
前記スリット状の格子の効果は前記一軸性結晶からなるクサビ型の位相差解放ユニット２１と等しく、ピッチ幅若しくはピッチの深さを調節することによって偏光間位相差を解放する。

本発明の実施例１の露光装置は、図１に示すように、補正ユニット２４を介して以下の式１を満たすように、位相差解放ユニット２１を通過後の偏光状態を調節する調整制御装置２３を有する。

位相差解放ユニット２１は、上記式１で偏光度A =0.92 、投影光学系１６内の複屈折量j=3nm、 露光波長193nm 、φ_m=90°のとき、φ_σ>72°ならば、ウェハ１７上の像高差による露光度RoPのばらつきを0.04以内に抑える。
本発明の実施例１では、調整制御装置２３により、補正ユニット２４を介して位相差解放ユニット２１を通過後の偏光状態を調整し、マスク面の直交する２つの偏光間の位相差を調整する。
これにより、本発明の実施例１の露光装置は、投影光学系１６の複屈折による偏光度の像高バラツキを小さくすることができ、転写エリアにおける線幅のばらつきを減少させ、CD均一性を高めることができる。

次に、図１を参照して本発明の実施例２を説明する。
実施例２の露光装置は、マスク面の偏光状態を計測するための偏光状態計測装置２２をマスク又はウェハ１７上に有する。図１１は、偏光状態計測装置２２の詳細な構成を示す構成図である。
図１１に示すように、レチクル２２Aに入射する光は、ピンホール２２Bを通過後、インテグレータ２２Cにより平行光にされ、λ/4波長板及び偏光フィルタ部２２D、偏光状態計測装置２２Eに入射する。
偏光状態計測装置２２は、λ/4波長板を回転させて光束の瞳全面の振幅分布を計測することにより、瞳全面の偏光情報を計測する。
計測結果はストークスパラメーターで与えられ、これより偏光度、偏光間位相差などを計算することができる。偏光状態計測装置２２はウェハ１７面上についても用いることができる。
位相差解放ユニット２１で解放された２つの直交する偏光間位相差を偏光状態計測装置２２で計測することができる。

本発明の実施例２の露光装置は、偏光状態計測装置２２の計測結果を用いる調整制御装置２３により、補正ユニット２４を介して以下の式１を満たすように位相差解放ユニット２１通過後の偏光状態を調節する。

位相差解放ユニット２１は、上記式１で偏光度A =0.92 、投影光学系１６内の複屈折量j=3nm、 露光波長193nm 、φ_m=90°のとき、φ_σ>72°ならば、ウェハ１７上の像高差による露光度RoPのばらつきを0.04以内に抑える。
本発明の実施例２では、偏光状態計測装置２２でマスク面を計測して、マスク面の位相差を予めのばらつきとなるよう補正ユニット２４を調整し、マスク面の直交する２つの偏光間の位相差を調整する。
これにより、本発明の実施例２の露光装置は、投影光学系１６の複屈折による偏光度の像高バラツキを小さくすることができ、転写エリアにおける線幅のばらつきを減少させ、CD均一性を高めることができる。

（デバイス製造方法の実施例）
次に、図１２及び図１３を参照して、実施例１，２の露光装置を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。
図１２は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。
ステップ１（回路設計）では、デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。ステップ３（ウェハ製造）では、シリコンなどの材料を用いてウェハを製造する。
ステップ４（ウェハプロセス）は前工程と呼ばれ、実施例１，２の露光装置により、マスクとウェハを用いてリソグラフィ技術によってウェハに実際の回路を形成する。
ステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウェハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。
ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

図１３は、ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。
ステップ１３（電極形成）では、ウェハに電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウェハに感光剤を塗布する。
ステップ１６（露光）では、実施例１，２の露光装置によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。
ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。
これらのステップを繰り返し行うことによってウェハに多重に回路パターンが形成される。

このデバイス製造方法によれば、上記実施例１，２の露光装置を用いるため、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
例えば、本実施例の投影光学系は、ステップ・アンド・アンド・リピート方式の露光装置（「ステッパー」と呼ばれる）に適用することもでき、その場合はレチクルとプレートを静止させた状態で露光が行われる。

本発明の実施例１の露光装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施例１における偏光間位相差を0°から180°まで変化させたときの偏光状態を説明する説明図である。 本発明の実施例１における式１７の演算結果を示すグラフ図である。 本発明の実施例１における偏光間位相差の分布とφ_m値、φ_σ値の一例を表すグラフ図である。 本発明の実施例１におけるφとRoPのばらつきとの関係を示すグラフ図である。 本発明の実施例１における位相差解放ユニットの詳細な構成を説明する説明図である。 本発明の実施例１におけるレーザーにArF 、一軸性結晶に水晶を用いたときのL及びθに対する偏光状態（２）（４）間における偏光間位相差の差を表すグラフ図である。 本発明の実施例１における位相差解放ユニットと補正ユニットとの配置関係の構成の一例を示す構成図である。 本発明の実施例１における位相差解放ユニットの変形例の構成を示す構成図である。 本発明の実施例１における位相差解放ユニットの変形例の周期的微細構造の一例を示す斜視図である。 本発明の実施例２における偏光状態計測装置の詳細な構成を示す構成図である。 本発明の実施例のデバイス製造方法の具体例を示すフローチャートである。 図１２に示すウェハプロセスの詳細を示すフローチャートである。 従来例のレチクル面上に入射する偏光の一例を表す斜視図である。 従来例の２光束干渉の一例を説明する説明図である。 従来例の偏光照明系が実現する照明系の瞳面での偏光状態を説明する説明図である。 従来例の偏光照明光学系を備えた投影露光装置の構成を示す構成図である。 従来例の一般的なレンズ内の複屈折分布の一例を説明する説明図である。 従来例の偏光度変化による転写線幅の変化(CD変化)、即ちウェハのRoPに対する転写線幅の変化(CD変化)の状態を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 光源 ２ 平行平面板
３ 減光フィルター ４ MLA（マイクロレンズアレイ）
５ 内面反射部材 ７ コンデンサレンズ
８ 変倍リレー光学系 ９ 位相板
１０ ハエノ目レンズ １１ コンデンサレンズ
１２ ハーフミラー １３ 露光量センサ
１４ リレー光学系 １５ レチクル
１６ 投影光学系 １７ ウェハ
１８ 照度計 １９ ウェハステージ
２０ 露光量制御装置 ２１ 位相差解放ユニット
２１ａ 周期的微細構造 ２２ 偏光状態計測装置
２３ 調整制御装置 ２４ 補正ユニット
６１，６２ ＣＧＨ

Claims (7)

1. 光源からの照明光によりマスクを照明する照明光学系と、前記マスクのパターンを感光剤が塗布されたウェハに投影する投影光学系と、を有する露光装置であって、
   前記照明光が互いに直交する偏光成分間の偏光度を維持しつつ、偏光間位相差をランダム化する位相差解放機構を有することを特徴とする露光装置。
2. 前記マスクを照明する前記照明光が以下の式を満たすことを特徴とする請求項1に記載の露光装置。
   

   
3. 前記位相差解放機構は、光学軸を有する一軸性結晶のクサビであることを特徴とする請求項1又は2に記載の露光装置。
4. 前記一軸性結晶は、フッ化マグネシウム、若しくは、水晶であることを特徴とする請求項３に記載の露光装置。
5. 前記位相差解放機構は、光学軸に対し垂直な面に、幅の異なるピッチのスリット状の格子を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の露光装置。
6. 偏光状態を計測する偏光状態計測装置を、前記マスク又は前記ウェハに有し、
   前記偏光状態計測装置によって計測した前記偏光状態が以下の式を満たすように、前記位相差解放機構を調節することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の露光装置。
   

   
7. 請求項１から６のいずれかに記載の露光装置を用いてウェハを露光する工程と、
   前記ウェハを現像する工程とを有することを特徴とするデバイス製造方法。
   
   
   

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