JP2009071010A - 照明光学系、露光装置、およびデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光量損失を小さく抑えつつ瞳強度分布を調整することのできる照明光学系。
【解決手段】 光源（１）からの光に基づいて被照射面（Ｍ；Ｗ）を照明する照明光学系は、照明瞳の第１領域に第１光強度分布を形成し、第１領域から間隔を隔てた第２領域に第２光強度分布を形成する瞳強度分布形成手段（３〜１０）を備えている。瞳強度分布形成手段は、第１光強度分布と第２光強度分布との強度比を変化させる強度比可変手段（３，４，５）を有する。強度比可変手段は、入射光束を複数の光束に分離する光束分離部材（３）と、この光束分離部材により分離された複数の光束に基づいて第１光強度分布および第２光強度分布を形成する回折光学部材（５）とを有し、光束分離部材と回折光学部材とは、光軸（ＡＸ）廻りに相対的に回転可能に構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明光学系、露光装置、およびデバイス製造方法に関し、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系に関するものである。

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（一般には照明瞳における所定の光強度分布）を形成する。以下、照明瞳での光強度分布を、「瞳強度分布」という。また、照明瞳とは、照明瞳と被照射面（露光装置の場合にはマスクまたはウェハ）との間の光学系の作用によって、被照射面が照明瞳のフーリエ変換面となるような位置として定義される。

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。マスクを透過した光は投影光学系を介してウェハ上に結像し、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。

露光装置では、光路中のミラーの斜入射特性（光の入射角度によって反射率が異なる特性）などに起因して所望の瞳強度分布を得ることができず、ひいては投影光学系が所望の結像性能を発揮することができなくなることがある。そこで、本出願人は、照明瞳面に濃度フィルタを配置することにより瞳強度分布を補正（調整）する技術を提案している（特許文献１を参照）。

特開２００４−２４７５２７号公報

特許文献１に開示された従来技術では、濃度分布（透過率分布）を有するフィルタを照明瞳面に配置するため、この濃度フィルタにおいて光量損失が発生するとともに、瞳強度分布を調整することができないという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、光量損失を小さく抑えつつ瞳強度分布を調整することのできる照明光学系を提供することを目的とする。また、本発明は、瞳強度分布を調整することのできる照明光学系を用いて、所望の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、光源からの光に基づいて被照射面を照明する照明光学系において、
照明瞳の第１領域に第１光強度分布を形成し、前記第１領域から間隔を隔てた第２領域に第２光強度分布を形成する瞳強度分布形成手段を備え、
前記瞳強度分布形成手段は、前記第１光強度分布と前記第２光強度分布との強度比を変化させる強度比可変手段を有し、
前記強度比可変手段は、入射光束を複数の光束に分離する光束分離部材と、該光束分離部材により分離された前記複数の光束に基づいて前記第１光強度分布および前記第２光強度分布を形成する回折光学部材とを有し、前記光束分離部材と前記回折光学部材とは、光軸廻りまたは該光軸とほぼ平行な所定の軸線廻りに相対的に回転可能に構成されていることを特徴とする照明光学系を提供する。

本発明の第２形態では、光源からの光に基づいて被照射面を照明する照明光学系において、
照明瞳の第１領域に第１光強度分布を形成し、前記第１領域から間隔を隔てた第２領域に第２光強度分布を形成する瞳強度分布形成手段を備え、
前記瞳強度分布形成手段は、前記第１光強度分布と前記第２光強度分布との強度比を変化させる強度比可変手段を有し、
前記強度比可変手段は、前記第１領域に第３光強度分布を形成し、且つ前記第２領域に前記第３光強度分布とは強度の異なる第４光強度分布を形成する第１回折光学部材と、
前記第１領域に第５光強度分布を形成し、且つ前記第２領域に前記第５光強度分布とは強度の異なる第６光強度分布を形成する第２回折光学部材とを有し、
前記第１回折光学部材と前記第２回折光学部材とは、光軸廻りまたは該光軸とほぼ平行な所定の軸線廻りに相対的に回転可能に構成されていることを特徴とする照明光学系を提供する。

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形態の照明光学系を備え、前記所定のパターンを感光性基板に露光す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３形態の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、
前記パターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記パターンに対応する形状のマスク層を前記感光性基板の表面に形成する現像工程と、
前記マスク層を介して前記感光性基板の表面を加工する加工工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。

本発明の第１実施形態にかかる照明光学系は、照明瞳に形成される第１光強度分布と第２光強度分布との強度比を変化させる強度比可変手段として、入射光束を複数の光束に分離する光束分離部材と、分離された複数の光束に基づいて第１光強度分布および第２光強度分布を形成する回折光学部材とを有する。その結果、第１実施形態において詳述するように、光束分離部材と回折光学部材とを相対的に回転させることにより、第１光強度分布と第２光強度分布との強度比を調整することができる。

こうして、本発明の照明光学系では、光量損失を小さく抑えつつ瞳強度分布を調整することができる。また、本発明の露光装置では、瞳強度分布を調整することのできる照明光学系を用いて、所望の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、本発明の第１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、第１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、たとえば約１９３ｎｍの波長を有する光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源や約２４８ｎｍの波長を有する光を供給する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から光軸ＡＸに沿って射出された平行光束は、整形光学系２により所要の断面形状の光束に拡大され、光路折曲げミラーＭＲ１に入射する。ミラーＭＲ１で偏向された光束は、光束分離用の回折光学素子３およびリレー光学系４を介して、２極照明用の回折光学素子５に入射する。

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、光束分離用の回折光学素子３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（またはフラウンホーファー回折領域）に２極状の光強度分布を形成する機能を有する。リレー光学系４は、光束分離用の回折光学素子３と２極照明用の回折光学素子５とを実質的にフーリエ変換の関係に配置している。

したがって、回折光学素子３に入射した平行光束は、リレー光学系４を介して、回折光学素子５の入射面に２極状の光強度分布を形成する。以下、説明の理解を容易にするために、回折光学素子５には、図２に示すように、光軸ＡＸに関して対称にＺ方向に並んで互いに光強度の等しい一対の円形状の光強度分布ＦＮ，ＦＳが形成されるものとする。なお、回折光学素子５に形成される２極状の光強度分布の特性（各極の位置、形状、大きさ、光強度など）については、様々な形態が可能である。

回折光学素子５は、光束分離用の回折光学素子３により形成される２極状の光強度分布ＦＮ，ＦＳに対応するように配列された複数の回折領域を有する。具体的には、回折光学素子５は、例えば光軸ＡＸを中心とする円の周方向に配列された複数の回折領域Ｎｉ（ｉ＝１〜ｎ）およびＳｉ（ｉ＝１〜ｎ）を有する。複数の回折領域ＮｉおよびＳｉの数、配置、形状については、様々な形態が可能である。また、光束分離用の回折光学素子３と２極照明用の回折光学素子５とは、光軸ＡＸ廻りに相対的に回転可能に構成されている。

以下、説明の理解を容易にするために、回折光学素子５には、図３に示すように、円形状の光強度分布ＦＮに対応するように配列された８つの回折領域Ｎ１〜Ｎ８と、円形状の光強度分布ＦＳに対応するように配列された８つの回折領域Ｓ１〜Ｓ８とが形成されているものとする。また、説明の理解を容易にするために、光束分離用の回折光学素子３は光軸ＡＸ廻りに固定であり、２極照明用の回折光学素子５だけが光軸ＡＸ廻りに回転可能に構成されているものとする。

図３に示す回折光学素子５の回転位置では、回折領域Ｎ１に円形状の光強度分布ＦＮが形成され、回折領域Ｓ１に円形状の光強度分布ＦＳが形成される。そして、回折光学素子５を図中反時計回りにステップ回転させることにより、回折領域Ｎ２〜Ｎ８に光強度分布ＦＮが、回折領域Ｓ２〜Ｓ８に光強度分布ＦＳが順次形成される。回折領域Ｎ１〜Ｎ８は、光強度分布ＦＮを形成した平行光束がファーフィールドの第１領域に第１光強度分布を形成するように構成されている。回折領域Ｓ１〜Ｓ８は、光強度分布ＦＳを形成した平行光束がファーフィールドにおいて第１領域から間隔を隔てた第２領域に第２光強度分布を形成するように構成されている。

回折領域Ｎ１〜Ｎ８のうちの任意の２つの回折領域を介して得られる第１光強度分布は、位置、形状、大きさなどが互いに同じであるが、その光強度は異なる。同様に、回折領域Ｓ１〜Ｓ８のうちの任意の２つの回折領域を介して得られる第２光強度分布は、位置、形状、大きさなどが互いに同じであるが、その光強度は異なる。この点については後述する。

回折領域Ｎ１〜Ｎ８を介して形成される第１光強度分布および回折領域Ｓ１〜Ｓ８を介して形成される第２光強度分布の位置、形状、大きさなどについては、様々な形態が可能である。以下、説明の理解を容易にするために、２極照明用の回折光学素子５は、ファーフィールドにおいて、光軸ＡＸに関して対称にＺ方向に並んだ２つの円形状の光強度分布からなる２極状の光強度分布を形成するように構成されているものとする。

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２極照明用の回折光学素子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。したがって、回折光学素子５の一対の回折領域ＮｊおよびＳｊに入射した平行光束は、アフォーカルレンズ６の瞳面に、光軸ＡＸに関して対称にＺ方向に並んだ２つの円形状の光強度分布からなる２極状の光強度分布を形成した後、２極状の角度分布でアフォーカルレンズ６から射出される。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、アフォーカルレンズ６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。円錐アキシコン系８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６からの光束は、σ値（σ値＝照明系のマスク側開口数／投影光学系のマスク側開口数）可変用のズームレンズ（変倍光学系）９を介して、マイクロフライアイレンズ（またはフライアイレンズ）１０に入射する。マイクロフライアイレンズ１０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１０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１０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１０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１０の入射面上には、アフォーカルレンズ６の瞳面と同様に、光軸ＡＸに関して対称にＺ方向に並んだ２つの円形状の照野からなる２極状の照野が形成される。この２極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１０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１０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の位置（ひいては照明瞳の位置）には、図４に示すように、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に関して対称にＺ方向に並んだ２つの円形状の面光源４１ａおよび４１ｂからなる２極状の瞳強度分布４１が形成される。マイクロフライアイレンズ１０の後側焦点面またはその近傍の照明瞳に形成された２極状の瞳強度分布４１からの光束は、その近傍に配置された開口絞りＡＳに入射する。

開口絞りＡＳは、照明瞳（マイクロフライアイレンズ１０の後側焦点面またはその近傍）に形成される２極状の瞳強度分布４１に対応した２極状の開口部（光透過部）を有する。開口絞りＡＳは、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ大きさおよび形状の異なる開口部を有する複数の開口絞りと切り換え可能に構成されている。開口絞りの切り換え方式として、たとえば周知のターレット方式やスライド方式などを用いることができる。開口絞りＡＳは、後述する投影光学系ＰＬの入射瞳面と光学的にほぼ共役な位置に配置され、二次光源の照明に寄与する範囲を規定する。

開口絞りＡＳにより制限された光は、コンデンサー光学系１１を介して、マスクブラインド１２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１２には、マイクロフライアイレンズ１０の波面分割単位である矩形状の微小屈折面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１２の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系１３の集光作用を受け且つ光路折曲げミラーＭＲ２により偏向された後、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１３は、マスクブラインド１２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。

円錐アキシコン系６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６ａ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６ｂとから構成されている。そして、第１プリズム部材６ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材６ｂ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６ａおよび第２プリズム部材６ｂ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６ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材６ｂ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、理解を容易にするために、２極状または輪帯状の二次光源に着目して、円錐アキシコン系６の作用およびズームレンズ９の作用を説明する。

第１プリズム部材６ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材６ｂ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６は平行平面板として機能し、形成される２極状または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６ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材６ｂの凸円錐状屈折面とを離間させると、２極状または輪帯状の二次光源の幅（２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；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、２極状または輪帯状の二次光源の外径（内径）が変化する。すなわち、２極状または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。

ズームレンズ９は、２極状または輪帯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、２極状または輪帯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、２極状または輪帯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６およびズームレンズ９の作用により、２極状または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。

前述したように、光路中のミラーＭＲ１の斜入射特性（光の入射角度によって反射率が異なる特性）などに起因して、照明瞳（マイクロフライアイレンズ１０の後側焦点面またはその近傍）において所望の瞳強度分布を得ることができないことがある。具体的には、図４に示す２極状の瞳強度分布４１において、一方の面光源４１ａの強度と他方の面光源４１ｂの強度とのバランスが所望状態（一般的には互いに強度が同じ状態）から崩れることがある。この場合、ミラーＭＲ１およびＭＲ２の斜入射特性などの影響を受けて、投影光学系ＰＬの瞳面においても所望の瞳強度分布を得ることができなくなる。

その結果、投影光学系ＰＬが所望の結像性能を発揮することができなくなり、例えばウェハ上に転写されるパターンの線幅が所望の線幅と実質的に異なってしまう線幅異常の現象（本来所定の線幅に形成されるべきパターンの線幅が実際には位置に依存して変動する現象）が発生する。濃度分布（透過率分布）を有するフィルタを照明瞳面に配置する従来技術では、この濃度フィルタにおいて光量損失が発生するとともに、瞳強度分布を調整することができない。

第１実施形態では、ミラーＭＲ１の斜入射特性などの影響を補償して所望の２極状瞳強度分布４１を得るために、２極照明用の回折光学素子５を光軸ＡＸ廻りにステップ回転させて、一方の面光源４１ａと他方の面光源４１ｂとの強度比を調整する。以下、説明を簡単にするために、回折領域Ｎ１を介した光束により照明瞳に形成される面光源４１ａの光強度が最大であるものとし、その強度を１００に規格化する。また、回折領域Ｎ１〜Ｎ８を介した光束により照明瞳に形成される面光源４１ａの規格化強度、および回折領域Ｓ１〜Ｓ８を介した光束により照明瞳に形成される面光源４１ｂの規格化強度は、以下の表（１）に示す通りであるものとする。

表（１）
Ｎ１ Ｎ２ Ｎ３ Ｎ４ Ｎ５ Ｎ６ Ｎ７ Ｎ８
100 99 98 97 96 95 94 93

Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ Ｓ４ Ｓ５ Ｓ６ Ｓ７ Ｓ８
93 94 95 96 97 98 99 100

この場合、光束分離用の回折光学素子３で分離された２つの光束が一対の回折領域Ｎ１，Ｓ１に入射するように２極照明用の回折光学素子５の回転位置を設定すると、図５に示すように、一方の面光源４１ａと他方の面光源４１ｂとの強度比は１００：９３になる。また、回折領域Ｎ２，Ｓ２を使用状態に設定したときの強度比は９９：９４になり、回折領域Ｎ３，Ｓ３を使用状態に設定したときの強度比は９８：９５になり、回折領域Ｎ４，Ｓ４を使用状態に設定したときの強度比は９７：９６になり、回折領域Ｎ５，Ｓ５を使用状態に設定したときの強度比は９６：９７になる。

さらに、回折領域Ｎ６，Ｓ６を使用状態に設定したときの強度比は９５：９８になり、回折領域Ｎ７，Ｓ７を使用状態に設定したときの強度比は９４：９９になり、回折領域Ｎ８，Ｓ８を使用状態に設定したときの強度比は９３：１００になる。こうして、第１実施形態では、２極照明用の回折光学素子５を光軸ＡＸ廻りにステップ回転させることにより、光量損失を小さく抑えつつ、２極状瞳強度分布４１を形成する一方の面光源４１ａと他方の面光源４１ｂとの強度比を調整することができる。

なお、上述の説明では、回折光学素子５の複数の回折領域は、周方向に隣り合う２つの回折領域のうちの一方の回折領域を介して得られる第１光強度分布または第２光強度分布の強度と他方の回折領域を介して得られる第１光強度分布または第２光強度分布の強度とが実質的に異なるように形成されている。また、回折光学素子５の複数の回折領域は、光軸ＡＸを挟んで対向する２つの回折領域のうちの一方の回折領域を介して得られる第１光強度分布の強度と他方の回折領域を介して得られる第２光強度分布の強度との和が一定になるように形成されている。しかしながら、これに限定されることなく、回折光学素子５の各回折領域を介して照明瞳に形成される光強度分布の強度の設定については様々な形態が可能である。

以上のように、第１実施形態では、照明瞳に面光源（第１光強度分布）４１ａを形成し、面光源４１ａから間隔を隔てて面光源（第２光強度分布）４１ｂを形成する瞳強度分布形成手段として、光束分離用の回折光学素子３、リレー光学系４、２極照明用の回折光学素子５、アフォーカルレンズ６、ズームレンズ９、およびマイクロフライアイレンズ１０を備えている。瞳強度分布形成手段（５〜１０）は、２極状の瞳強度分布４１における面光源４１ａと４１ｂとの強度比を変化させる強度比可変手段を有する。

強度比可変手段は、入射光束を２つの光束に分離する光束分離部材としての回折光学素子３と、この光束分離部材により分離された２つの光束に基づいて２極状の瞳強度分布４１を形成する回折光学部材としての回折光学素子５とを有する。光束分離部材としての回折光学素子３と回折光学部材としての回折光学素子５とは、光軸ＡＸ廻りに相対的に回転可能に構成されている。

こうして、第１実施形態の照明光学系（２〜ＭＲ２）では、光束分離用の回折光学素子３と２極照明用の回折光学素子５とを光軸ＡＸ廻りに相対的にステップ回転させることにより、光量損失を小さく抑えつつ、２極状瞳強度分布４１を形成する一方の面光源４１ａと他方の面光源４１ｂとの強度比を調整することができる。具体的には、面光源４１ａと４１ｂとの強度比が１になるように調整したり、必要に応じて面光源４１ａと４１ｂとの強度比が１以外の所要の値になるように調整したりすることができる。その結果、第１実施形態の露光装置では、２極状瞳強度分布４１の面光源４１ａと４１ｂとの強度比を調整することのできる照明光学系（２〜ＭＲ２）を用いて、投影光学系ＰＬの瞳面において所望の瞳強度分布を得ることができ、ひいては所望の照明条件（露光条件）のもとで良好な露光を行うことができる。

なお、上述の説明では、入射光束を２つの光束に分離する光束分離部材として回折光学素子３を用いているが、これに限定されることなく、例えば図６に示すような一対のプリズム部材５１と５２とからなる光束分離部材や、図７に示すような一対のプリズム部材５３と５４とからなる光束分離部材を用いることができる。図６に示す光束分離部材は、回折光学素子５側に凸状の屈折面を向けた第１プリズム部材５１と、第１プリズム部材５１と回折光学素子５との間の光路中に配置されて第１プリズム部材５１側に凸状の屈折面を向けた第２プリズム部材５２とにより構成されている。

一方、図７に示す光束分離部材は、回折光学素子５側に凹状の屈折面を向けた第１プリズム部材５３と、第１プリズム部材５３と回折光学素子５との間の光路中に配置されて第１プリズム部材５３側に凸状の屈折面を向けた第２プリズム部材５４とにより構成されている。また、図８に示すように、ビームスプリッター５５と、ビームスプリッター５５で反射された光束を偏向するプリズムミラー（または平面ミラーのような偏向部材）５６とにより、光束分離部材を構成することもできる。

なお、図８ではビームスプリッター５５で反射された光束をプリズムミラー５６により偏向しているが、ビームスプリッター５５を透過した光束をプリズムミラー５６で偏向する構成も可能である。換言すれば、入射光束を４つの光束に分離する光束分離部材の構成について、様々な形態が可能である。光束分離部材として回折光学素子３を用いる構成では２極照明用の回折光学素子５との間にリレー光学系４を介在させる必要があるが、図６、図７および図８の構成では光束分離部材により分離された２つの光束がリレー光学系などを介することなく回折光学素子５に直接入射する。

また、上述の説明では、光束分離用の回折光学素子３を光軸ＡＸ廻りに固定し且つ２極照明用の回折光学素子５を光軸ＡＸ廻りに回転させているが、回折光学素子５を固定し且つ回折光学素子３を回転させても良いし、回折光学素子３および５の双方を回転させても良い。また、上述の説明では、光束分離用の回折光学素子３と２極照明用の回折光学素子５とが光軸ＡＸ廻りに相対的に回転可能に構成されているが、回折光学素子３と５とを光軸ＡＸとほぼ平行な所定の軸線廻りに相対的に回転可能に構成することもできる。

また、上述の説明では、回折光学素子３により分離された２つの光束に基づいて、２極状の瞳強度分布を形成している。しかしながら、一般的には、回折光学素子３と特性の異なる光束分離用の回折光学素子により分離された複数の光束に基づいて、複数極状の瞳強度分布を形成することもできる。一例として、図９〜図１３を参照して、入射光束を４つの光束に分離する回折光学素子３Ａと４極照明用の回折光学素子５Ａとを用いて４極状の瞳強度分布を形成する変形例を説明する。

図９〜図１３に示す変形例では、光束分離用の回折光学素子３Ａに入射した平行光束が、リレー光学系４を介して、４極照明用の回折光学素子５Ａの入射面に４極状の光強度分布を形成する。以下、説明の理解を容易にするために、回折光学素子５Ａには、図９に示すように、光軸ＡＸに関して対称にＺ方向に並んで互いに光強度の等しい一対の円形状の光強度分布ＦＮ，ＦＳが形成され、光軸ＡＸに関して対称にＸ方向に並んで互いに光強度の等しい一対の円形状の光強度分布ＦＥ，ＦＷが形成されるものとする。なお、回折光学素子５Ａに形成される４極状の光強度分布の形態（各極の位置、形状、大きさ、光強度など）については、様々な形態が可能である。

回折光学素子５Ａは、回折光学素子３Ａにより形成される４極状の光強度分布ＦＮ，ＦＳ，ＦＥ，ＦＷに対応するように配列された複数の回折領域を有する。具体的には、回折光学素子５Ａは、例えば光軸ＡＸを中心とする円の周方向に配列された複数の回折領域Ｎｉ（ｉ＝１〜ｎ）、Ｓｉ（ｉ＝１〜ｎ）、Ｅｉ（ｉ＝１〜ｎ）、およびＷｉ（ｉ＝１〜ｎ）を有する。複数の回折領域Ｎｉ，Ｓｉ，Ｅｉ，Ｗｉの数、配置、形状については、様々な形態が可能である。また、光束分離用の回折光学素子３Ａと４極照明用の回折光学素子５Ａとは、光軸ＡＸ廻りに相対的に回転可能に構成されている。

以下、説明の理解を容易にするために、回折光学素子５Ａには、図１０に示すように、光強度分布ＦＮに対応するように配列された１０個の回折領域Ｎ１〜Ｎ１０と、光強度分布ＦＳに対応するように配列された１０個の回折領域Ｓ１〜Ｓ１０と、光強度分布ＦＥに対応するように配列された１０個の回折領域Ｅ１〜Ｅ１０と、光強度分布ＦＷに対応するように配列された１０個の回折領域Ｗ１〜Ｗ１０とが形成されているものとする。ただし、図１０では、図面の明瞭化のために、回折領域Ｎ５〜Ｎ１０，Ｓ５〜Ｓ１０，Ｅ５〜Ｅ１０，Ｗ５〜Ｗ１０の図示を省略している。また、説明の理解を容易にするために、４極照明用の回折光学素子５Ａだけが光軸ＡＸ廻りに回転可能に構成されているものとする。

図１０に示す回折光学素子５Ａの回転位置では、回折領域Ｎ１に円形状の光強度分布ＦＮが形成され、回折領域Ｓ１に円形状の光強度分布ＦＳが形成され、回折領域Ｅ１に円形状の光強度分布ＦＥが形成され、回折領域Ｗ１に円形状の光強度分布ＦＷが形成される。そして、回折光学素子５Ａを図中反時計回りにステップ回転させることにより、回折領域Ｎ２〜Ｎ１０に光強度分布ＦＮが、回折領域Ｓ２〜Ｓ１０に光強度分布ＦＳが、回折領域Ｅ２〜Ｅ１０に光強度分布ＦＮが、回折領域Ｗ２〜Ｗ１０に光強度分布ＦＳが順次形成される。

回折領域Ｎ１〜Ｎ１０は、光強度分布ＦＮを形成した平行光束がファーフィールドの第１領域に第１光強度分布を形成するように構成されている。回折領域Ｓ１〜Ｓ１０は、光強度分布ＦＳを形成した平行光束がファーフィールドの第２領域に第２光強度分布を形成するように構成されている。回折領域Ｅ１〜Ｅ１０は、光強度分布ＦＥを形成した平行光束がファーフィールドの第３領域に第３光強度分布を形成するように構成されている。回折領域Ｗ１〜Ｗ１０は、光強度分布ＦＷを形成した平行光束がファーフィールドの第４領域に第４光強度分布を形成するように構成されている。

回折領域Ｎ１〜Ｎ１０のうちの任意の２つの回折領域を介して得られる第１光強度分布は、位置、形状、大きさなどが互いに同じであるが、その光強度は必ずしも同じではない。同様に、回折領域Ｓ１〜Ｓ１０のうちの任意の２つの回折領域を介して得られる第２光強度分布は、位置、形状、大きさなどが互いに同じであるが、その光強度は必ずしも同じではない。回折領域Ｅ１〜Ｅ１０のうちの任意の２つの回折領域を介して得られる第３光強度分布は、位置、形状、大きさなどが互いに同じであるが、その光強度は必ずしも同じではない。回折領域Ｗ１〜Ｗ１０のうちの任意の２つの回折領域を介して得られる第２光強度分布は、位置、形状、大きさなどが互いに同じであるが、その光強度は必ずしも同じではない。

回折領域Ｎ１〜Ｎ１０を介して形成される第１光強度分布、回折領域Ｓ１〜Ｓ１０を介して形成される第２光強度分布、回折領域Ｅ１〜Ｅ１０を介して形成される第３光強度分布、回折領域Ｗ１〜Ｗ１０を介して形成される第４光強度分布の位置、形状、大きさなどについては、様々な変形例が可能である。以下、説明の理解を容易にするために、４極照明用の回折光学素子５Ａは、ファーフィールドにおいて光軸ＡＸを中心としてＺ方向に沿って対称的に並んだ２つの円形状の光強度分布と、光軸ＡＸを中心としてＸ方向に沿って対称的に並んだ２つの円形状の光強度分布とからなる４極状の光強度分布を形成するように構成されているものとする。

この場合、照明瞳（マイクロフライアイレンズ１０の後側焦点面またはその近傍）には、図１１に示すように、光軸ＡＸに関して対称にＺ方向に並んだ２つの円形状の面光源４２ａおよび４２ｂと、光軸ＡＸに関して対称にＸ方向に並んだ２つの円形状の面光源４２ｃおよび４２ｄとからなる４極状の瞳強度分布４２が形成される。以下、説明を簡単にするために、回折領域Ｎ１を介した光束により照明瞳に形成される面光源４２ａの光強度が最大であるものとし、その強度を１００に規格化する。また、回折領域Ｎ１〜Ｎ１０を介した光束により照明瞳に形成される面光源４２ａの規格化強度、回折領域Ｓ１〜Ｓ１０を介した光束により形成される面光源４２ｂの規格化強度、回折領域Ｅ１〜Ｅ１０を介した光束により形成される面光源４２ｃの規格化強度、および回折領域Ｗ１〜Ｗ１０を介した光束により形成される面光源４２ｄの規格化強度は、以下の表（２）に示す通りであるものとする。

表（２）
Ｎ１ Ｎ２ Ｎ３ Ｎ４ Ｎ５ Ｎ６ Ｎ７ Ｎ８ Ｎ９ Ｎ１０
100 100 100 100 95 95 95 95 95 95

Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ Ｓ４ Ｓ５ Ｓ６ Ｓ７ Ｓ８ Ｓ９ Ｓ１０
100 100 100 95 100 100 100 95 95 95

Ｅ１ Ｅ２ Ｅ３ Ｅ４ Ｅ５ Ｅ６ Ｅ７ Ｅ８ Ｅ９ Ｅ１０
100 100 95 95 100 100 95 100 100 95

Ｗ１ Ｗ２ Ｗ３ Ｗ４ Ｗ５ Ｗ６ Ｗ７ Ｗ８ Ｗ９ Ｗ１０
100 95 95 95 100 95 95 100 95 100

この場合、図１２に示すように、光束分離用の回折光学素子３Ａで分離された４つの光束が回折領域Ｎ１，Ｓ１，Ｅ１，Ｗ１に入射するように４極照明用の回折光学素子５Ａの回転位置を設定すると、面光源４２ａと４２ｂと４２ｃと４２ｄとの強度比は１００：１００：１００：１００になる。また、回折領域Ｎ２，Ｓ２，Ｅ２，Ｗ２を使用状態に設定したときの強度比は１００：１００：１００：９５になり、回折領域Ｎ３，Ｓ３，Ｅ３，Ｗ３を使用状態に設定したときの強度比は１００：１００：９５：９５になり、回折領域Ｎ４，Ｓ４，Ｅ４，Ｗ４を使用状態に設定したときの強度比は１００：９５：９５：９５になり、回折領域Ｎ５，Ｓ５，Ｅ５，Ｗ５を使用状態に設定したときの強度比は９５：１００：１００：１００になる。

さらに、図１３に示すように、回折領域Ｎ６，Ｓ６，Ｅ６，Ｗ６を使用状態に設定したときの強度比は９５：１００：１００：９５になり、回折領域Ｎ７，Ｓ７，Ｅ７，Ｗ７を使用状態に設定したときの強度比は９５：１００：９５：９５になり、回折領域Ｎ８，Ｓ８，Ｅ８，Ｗ８を使用状態に設定したときの強度比は９５：９５：１００：１００になり、回折領域Ｎ９，Ｓ９，Ｅ９，Ｗ９を使用状態に設定したときの強度比は９５：９５：１００：９５になり、回折領域Ｎ１０，Ｓ１０，Ｅ１０，Ｗ１０を使用状態に設定したときの強度比は９５：９５：９５：１００になる。

こうして、図９〜図１３に示す変形例では、４極照明用の回折光学素子５Ａを光軸ＡＸ廻りにステップ回転させることにより、光量損失を小さく抑えつつ、４極状瞳強度分布４２を形成する面光源４２ａと４２ｂと４２ｃと４２ｄとの強度比を調整することができる。この変形例においても、回折光学素子５Ａの各回折領域を介して照明瞳に形成される光強度分布の強度の設定については様々な形態が可能である。

なお、図９〜図１３に示す変形例に関する上述の説明では、入射光束を４つの光束に分離する光束分離部材として回折光学素子３Ａを用いている。しかしながら、これに限定されることなく、例えば図６および図７に示すようなプリズム部材を複数個組み合わせることにより、入射光束を４つの光束に分離する光束分離部材を構成することができる。また、図７に示すようなビームスプリッターおよび偏向部材を複数個組み合わせることにより、入射光束を４つの光束に分離する光束分離部材を構成することもできる。換言すれば、入射光束を４つの光束に分離する光束分離部材の構成について、様々な形態が可能である。

図１４は、本発明の第２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。第２実施形態は、第１実施形態と類似の構成を有するが、光束分離用の回折光学素子３、リレー光学系４および２極照明用の回折光学素子５に代えて、光軸方向に近接して配置された一対の回折光学素子２１Ａおよび２１Ｂを備えている点が第１実施形態と相違している。換言すれば、第２実施形態は、強度比可変手段が一対の回折光学素子２１Ａと２１Ｂとにより構成されている点が第１実施形態と相違している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、第２実施形態を説明する。

第２実施形態では、第１回折光学素子（第１回折光学部材）２１Ａと第２回折光学素子（第２回折光学部材）２１Ｂとが、光軸ＡＸ廻りに相対的に回転可能に構成されている。以下、説明の理解を容易にするために、第１回折光学素子２１Ａおよび第２回折光学素子２１Ｂはともに光軸ＡＸ廻りに回転可能に構成され、第１回転位置と、この第１回転位置から１８０度回転した第２回転位置との間でステップ回転されるものとする。第１回折光学素子２１Ａと第２回折光学素子２１Ｂとは、図１５および図１６に示すように、基本的に同じ構成を有する円形状の基板であって、その片側の面には複数（図１５および図１６では９個）の同心円によって規定された円形状および円環状の領域が形成されている。

ここで、円形状の領域の半径の寸法と円環状の各領域の半径方向の寸法とは互いに等しく、たとえばＬ＝０．５ｍｍ程度に設定されている。ただし、第１回折光学素子２１Ａでは、図１５に示すように、円形状または円環状の領域のうち、中心から奇数番目の領域に回折作用面（ハッチングを施した領域）２１Ａａが形成されている。一方、第２回折光学素子２１Ｂでは、円形状または円環状の領域のうち、中心から偶数番目の領域に回折作用面（ハッチングを施した領域）２１Ｂａが形成されている。

第１回折光学素子２１Ａは、回折作用面２１Ａａに入射した光束が、ファーフィールドに２極状の光強度分布を形成する機能を有する。具体的には、第１回折光学素子２１Ａは、第１回転位置および第２回転位置において、図１７（ａ）に示すように、光軸ＡＸに関して対称にＺ方向に並んだ２つの円形状の面光源４３ａおよび４３ｂからなる２極状の瞳強度分布４３を形成するように構成されている。第２回折光学素子２１Ｂは、第１回折光学素子２１Ａの回折作用面２１Ａａ以外の領域を透過して回折作用面２１Ｂａに入射した光束が、ファーフィールドに、第１回折光学素子２１Ａと同じ形状および大きさの２極状の光強度分布を形成する機能を有する。

具体的には、第２回折光学素子２１Ｂは、第１回転位置および第２回転位置において、図１７（ｂ）に示すように、光軸ＡＸに関して対称にＺ方向に並んだ２つの円形状の面光源４４ａおよび４４ｂからなる２極状の瞳強度分布４４を形成するように構成されている。ただし、第１回折光学素子２１Ａが各回転位置において形成する面光源４３ａの光強度と面光源４３ｂの光強度とは異なる。また、第２回折光学素子２１Ｂが各回転位置において形成する面光源４４ａの光強度と面光源４４ｂの光強度とは異なる。

第１回折光学素子２１Ａが各回転位置において形成する面光源４３ａおよび４３ｂの光強度、並びに第２回折光学素子２１Ｂが各回転位置において形成する面光源４４ａおよび４４ｂの光強度については、様々な形態が可能である。以下、説明を容易にするために、第１回折光学素子２１Ａが第１回転位置において形成する面光源４３ａの規格化強度は１００であり、面光源４３ｂの規格化強度は９０であるものとする。また、第２回折光学素子２１Ｂが第１回転位置において形成する面光源４４ａの規格化強度は９０であり、面光源４４ｂの規格化強度は１００であるものとする。

第２実施形態では、第１回折光学素子２１Ａおよび第２回折光学素子２１Ｂをともに第１回転位置に設置すると、図１８（ａ）に示すように、光軸ＡＸに関して対称にＺ方向に並んだ２つの円形状の面光源４５ａおよび４５ｂからなる２極状の瞳強度分布４５が照明瞳に形成され、面光源４５ａおよび４５ｂの規格化強度はともに１９０になる。なお、図示を省略したが、第１回折光学素子２１Ａおよび第２回折光学素子２１Ｂをともに第２回転位置に設置しても、面光源４５ａおよび４５ｂの規格化強度はともに１９０になる。また、第１回折光学素子２１Ａを第２回転位置に設置し、第２回折光学素子２１Ｂを第１回転位置に設置すると、図１８（ｂ）に示すように、面光源４５ａの規格化強度は１８０になり、面光源４５ｂの規格化強度は２００になる。

一方、第１回折光学素子２１Ａを第１回転位置に設置し、第２回折光学素子２１Ｂを第２回転位置に設置すると、図１８（ｃ）に示すように、面光源４５ａの規格化強度は２００になり、面光源４５ｂの規格化強度は１８０になる。こうして、第２実施形態では、一対の回折光学素子２１Ａおよび２１Ｂを２つの回転位置の間でそれぞれステップ回転させることにより、光量損失を小さく抑えつつ、２極状瞳強度分布４５を形成する一方の面光源４５ａと他方の面光源４５ｂとの強度比を調整することができる。

なお、上述の説明では、回折光学素子２１Ａおよび２１Ｂが、光軸ＡＸを中心とする複数の同心円によって規定された円形状および円環状の領域の全部がほぼ同じように形成され、円形状の領域の半径の寸法と円環状の各領域の半径方向の寸法とが互いにほぼ等しくなっている。しかしながら、これに限定されることなく、回折光学素子２１Ａおよび２１Ｂの具体的な構成については様々な形態が可能である。一般に、回折光学素子２１Ａには、照明瞳の第１領域に第３光強度分布（例えば面光源４３ａに対応）を形成し、且つ第２領域に第３光強度分布とは強度の異なる第４光強度分布（例えば面光源４３ｂに対応）を形成する機能が求められる。

一方、回折光学素子２１Ｂには、上記第１領域に第５光強度分布（例えば面光源４４ａに対応）を形成し、且つ上記第２領域に第５光強度分布とは強度の異なる第６光強度分布（例えば面光源４４ｂに対応）を形成する機能が求められる。なお、第２実施形態では、一対の回折光学素子２１Ａおよび２１Ｂにおける回折作用面が同心円的に（二次元的に）配置されているので、マイクロフライアイレンズ１０への入射光束のテレセントリシティが実質的に崩れることなく、マスクＭ上における（ひいてはウェハＷ上における）照明むらの発生を防止することができる。

また、上述の説明では、回折光学素子２１Ａおよび２１Ｂをともに光軸ＡＸ廻りに回転させているが、回折光学素子２１Ａを固定し且つ回折光学素子２１Ｂを回転させても良いし、回折光学素子２１Ｂを固定し且つ回折光学素子２１Ａを回転させても良い。また、上述の説明では、回折光学素子２１Ａと２１Ｂとが光軸ＡＸ廻りに相対的に回転可能に構成されているが、回折光学素子２１Ａと２１Ｂとを光軸ＡＸとほぼ平行な所定の軸線廻りに相対的に回転可能に構成することもできる。

また、上述の説明では、一対の回折光学素子２１Ａと２１Ｂとが光軸方向に近接して配置されている。しかしながら、これに限定されることなく、図１９に示すように、一対の回折光学素子２１Ａと２１Ｂとの間に、回折光学素子２１Ａの回折作用面２１Ａａと回折光学素子２１Ｂの回折作用面２１Ｂａとを共役にするリレー光学系２５を配置しても良い。この場合、回折光学素子２１Ａの回折作用面２１Ａａで回折された光Ｌ１は、リレー光学系２５の瞳面（照明瞳と共役な位置）２５ａに２極状の光強度分布を形成した後、回折光学素子２１Ｂの回折作用面２１Ｂａ以外の領域（素抜けの領域）を通過し、アフォーカルレンズ６の瞳面（照明瞳と共役な位置）６ｃに２極状の光強度分布を形成する。

一方、回折光学素子２１Ａの回折作用面２１Ａａ以外の領域を素通りし、回折光学素子２１Ｂの回折作用面２１Ｂａで回折された光Ｌ２は、アフォーカルレンズ６の瞳面６ｃに、回折光学素子２１Ａにより形成された２極状の光強度分布に重ねて、同じく２極状の光強度分布を形成する。このように、回折光学素子２１Ａの回折作用面２１Ａａでの回折光Ｌ１と回折光学素子２１Ｂの回折作用面２１Ｂａでの回折光Ｌ２とは、照明瞳と共役な位置（アフォーカルレンズ６の瞳面）６ｃにおいて互いに同じ箇所に到達する。

また、上述の説明では、一対の２極照明用の回折光学素子２１Ａと２１Ｂとにより、２極状の瞳強度分布４５を形成する面光源４５ａと４５ｂとの強度比を調整する強度比可変手段を構成している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば図２０に示すように、一対の２極照明用回折光学素子２１Ａおよび２１Ｂに、一対の２極照明用回折光学素子２１Ｃおよび２１Ｄを付設して、４極状の瞳強度分布を形成する各面光源の強度比を調整する強度比可変手段を構成することもできる。なお、図２０では、４つの２極照明用回折光学素子２１Ａと２１Ｂと２１Ｃと２１Ｄとを光軸方向に近接配置しているが、回折光学素子２１Ａと２１Ｂとの間、２１Ｂと２１Ｃとの間、および／または２１Ｃと２１Ｄとの間にリレー光学系を介在させることもできる。

回折光学素子２１Ｃおよび２１Ｄの具体的な構成については様々な形態が可能である。一般に、回折光学素子２１Ｃには、照明瞳の第１領域に第７光強度分布を形成し、且つ第２領域に第７光強度分布とは強度の異なる第８光強度分布を形成する機能が求められる。一方、回折光学素子２１Ｄには、上記第１領域に第９光強度分布を形成し、且つ上記第２領域に第９光強度分布とは強度の異なる第１０光強度分布を形成する機能が求められる。

以下、説明の理解を容易にするために、回折光学素子２１Ｃは回折光学素子２１Ａと同じ基本構成を有し、回折光学素子２１Ｄは回折光学素子２１Ｂと同じ基本構成を有するものとする。ただし、回折光学素子２１Ｃは回折光学素子２１Ａが形成する２極状の瞳強度分布を光軸ＡＸ廻りに９０度回転させて得られる２極状の瞳強度分布を形成し、回折光学素子２１Ｄは回折光学素子２１Ｃが形成する２極状の瞳強度分布を光軸ＡＸ廻りに９０度回転させて得られる２極状の瞳強度分布を形成するものとする。すなわち、回折光学素子２１Ｃの第１回転位置は回折光学素子２１Ａの第１回転位置から光軸ＡＸ廻りに９０度回転した位置であり、回折光学素子２１Ｄの第１回転位置は回折光学素子２１Ｂの第１回転位置から光軸ＡＸ廻りに９０度回転した位置である。

この場合、回折光学素子２１Ａおよび２１Ｂをともに第１回転位置または第２回転位置に設置するとともに、回折光学素子２１Ｃおよび２１Ｄをともに第１回転位置または第２回転位置に設置すると、図２１（ａ）に示すように、光軸ＡＸに関して対称にＺ方向に並んだ２つの円形状の面光源４６ａおよび４６ｂと、光軸ＡＸに関して対称にＸ方向に並んだ２つの円形状の面光源４６ｃおよび４６ｄとからなる４極状の瞳強度分布４６が照明瞳に形成され、面光源４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄの規格化強度はともに１９０になる。

また、回折光学素子２１Ａおよび２１Ｂをともに第１回転位置または第２回転位置に設置したまま、回折光学素子２１Ｃおよび２１Ｄのうちの一方を第１回転位置に設置し且つ他方を第２回転位置に設置すると、図２１（ｂ）および図２１（ｃ）に示すように、面光源４６ａおよび４６ｂの規格化強度はともに１９０であるが、面光源４６ｃおよび４６ｄのうちの一方の規格化強度は１８０になり、他方の規格化強度は２００になる。

一方、回折光学素子２１Ｃおよび２１Ｄをともに第１回転位置または第２回転位置に設置したまま、回折光学素子２１Ａおよび２１Ｂのうちの一方を第１回転位置に設置し且つ他方を第２回転位置に設置すると、図２１（ｄ）および図２１（ｅ）に示すように、面光源４６ｃおよび４６ｄの規格化強度はともに１９０であるが、面光源４６ａおよび４６ｂのうちの一方の規格化強度は１８０になり、他方の規格化強度は２００になる。

なお、４つの回折光学素子２１Ａ〜２１Ｄの回転位置について、上述の組合せ以外の組合せもあるが、この点についてのさらなる説明および図示を省略する。こうして、図２０および図２１に示す変形例では、２極照明用の回折光学素子２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃおよび２１Ｄを２つの回転位置の間でそれぞれステップ回転させることにより、光量損失を小さく抑えつつ、４極状瞳強度分布４６を形成する各面光源４６ａ〜４６ｄの強度比を調整することができる。

なお、図２０および図２１の変形例では、４つの２極照明用回折光学素子２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄを用いて４極状の瞳強度分布を形成する各面光源の強度比を調整している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば図２２に示すように、４つの４極照明用回折光学素子２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄを用いて、４極状の瞳強度分布を形成する各面光源の強度比を調整する強度比可変手段を構成することもできる。なお、図２２では、４つの４極照明用回折光学素子２２Ａと２２Ｂと２２Ｃと２２Ｄとを光軸方向に近接配置しているが、回折光学素子２２Ａと２２Ｂとの間、２２Ｂと２２Ｃとの間、および／または２２Ｃと２２Ｄとの間にリレー光学系を介在させることもできる。

４つの４極照明用の回折光学素子２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄの具体的な構成については様々な形態が可能である。以下、説明の理解を容易にするために、４つの回折光学素子２２Ａ〜２２Ｄはともに光軸ＡＸ廻りに回転可能に構成され、第１回転位置と、第１回転位置から所定の方向に９０度回転した第２回転位置と、第２回転位置から所定の方向に９０度回転した第３回転位置と、第３回転位置から所定の方向に９０度回転した第４回転位置との間でステップ回転されるものとする。

そして、４つの回折光学素子２２Ａ〜２２Ｄは、各回転位置において、互いに同じ形態の４極状瞳強度分布、例えば図１１に示すような４極状の瞳強度分布を形成するものとする。また、図２３（ａ）に示すように、回折光学素子２２Ａが第１回転位置において形成する４極状の瞳強度分布４７の面光源４７ａ，４７ｃ，４７ｄの規格化強度は１００であり、面光源４７ｂの規格化強度は９０であるものとする。回折光学素子２２Ｂが第１回転位置において形成する４極状の瞳強度分布４７の面光源４７ｂ，４７ｃ，４７ｄの規格化強度は１００であり、面光源４７ａの規格化強度は９０であるものとする。

回折光学素子２２Ｃが第１回転位置において形成する４極状の瞳強度分布４７の面光源４７ａ，４７ｂ，４７ｃの規格化強度は１００であり、面光源４７ｄの規格化強度は９０であるものとする。回折光学素子２２Ｄが第１回転位置において形成する４極状の瞳強度分布４７の面光源４７ａ，４７ｂ，４７ｄの規格化強度は１００であり、面光源４７ｃの規格化強度は９０であるものとする。

この場合、回折光学素子２２Ａ〜２２Ｄをともに第１回転位置に設置すると、図２３（ａ）の右端に示すように、光軸ＡＸに関して対称にＺ方向に並んだ２つの円形状の面光源４７ａおよび４７ｂと、光軸ＡＸに関して対称にＸ方向に並んだ２つの円形状の面光源４７ｃおよび４７ｄとからなる４極状の瞳強度分布４７が照明瞳に形成され、面光源４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄの規格化強度はともに３９０になる。

また、回折光学素子２２Ａ，２２Ｃおよび２２Ｄをともに第１回転位置に設置したまま、回折光学素子２２Ｂだけを第３回転位置に設置すると、図２３（ｂ）に示すように、面光源４７ｃおよび４７ｄの規格化強度はともに３９０であるが、面光源４７ａの規格化強度は４００になり、面光源４７ｂの規格化強度は３８０になる。また、回折光学素子２２Ａ，２２Ｂおよび２２Ｄをともに第１回転位置に設置したまま、回折光学素子２２Ｃだけを第３回転位置に設置すると、図２４（ａ）に示すように、面光源４７ａおよび４７ｂの規格化強度はともに３９０であるが、面光源４７ｃの規格化強度は３８０になり、面光源４７ｄの規格化強度は４００になる。

また、回折光学素子２２Ａおよび２２Ｄをともに第１回転位置に設置したまま、回折光学素子２２Ｂおよび２２Ｃを第３回転位置に設置すると、図２４（ｂ）に示すように、面光源４７ａおよび４７ｄの規格化強度は４００になり、面光源４７ｂおよび４７ｃの規格化強度は３８０になる。なお、４つの回折光学素子２２Ａ〜２２Ｄの回転位置について、上述の組合せ以外の組合せもあるが、この点についてのさらなる説明および図示を省略する。

こうして、図２２〜図２４に示す変形例では、４極照明用の回折光学素子２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃおよび２２Ｄを４つの回転位置の間でそれぞれステップ回転させることにより、光量損失を小さく抑えつつ、４極状瞳強度分布４７を形成する各面光源４７ａ〜４７ｄの強度比を調整することができる。なお、上述の説明では、回折光学素子２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃおよび２２Ｄを４つの回転位置の間でそれぞれステップ回転させているが、これに限定されることなく、第１回転位置と、第１回転位置から１８０度回転した第２回転位置との間でステップ回転させても良い。

なお、上述の各実施形態では、マスクの代わりに、所定の電子データに基づいて所定パターンを形成する可変パターン形成装置を用いることができる。このような可変パターン形成装置を用いれば、パターン面が縦置きでも同期精度に及ぼす影響を最低限にできる。なお、可変パターン形成装置としては、たとえば所定の電子データに基づいて駆動される複数の反射素子を含むＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いることができる。ＤＭＤを用いた露光装置は、例えば特開平８−３１３８４２号公報、特開２００４−３０４１３５号公報に開示されている。また、ＤＭＤのような非発光型の反射型空間光変調器以外に、透過型空間光変調器を用いても良く、自発光型の画像表示素子を用いても良い。なお、パターン面が横置きの場合であっても可変パターン形成装置を用いても良い。

上述の各実施形態の露光装置は、本願特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。

次に、上述の各実施形態にかかる露光装置を用いたデバイス製造方法について説明する。図２５は、半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図２５に示すように、半導体デバイスの製造工程では、半導体デバイスの基板となるウェハＷに金属膜を蒸着し（ステップＳ４０）、この蒸着した金属膜上に感光性材料であるフォトレジストを塗布する（ステップＳ４２）。つづいて、上述の各実施形態の投影露光装置を用い、マスク（レチクル）Ｍに形成されたパターンをウェハＷ上の各ショット領域に転写し（ステップＳ４４：露光工程）、この転写が終了したウェハＷの現像、つまりパターンが転写されたフォトレジストの現像を行う（ステップＳ４６：現像工程）。その後、ステップＳ４６によってウェハＷの表面に生成されたレジストパターンをマスクとし、ウェハＷの表面に対してエッチング等の加工を行う（ステップＳ４８：加工工程）。

ここで、レジストパターンとは、上述の各実施形態の投影露光装置によって転写されたパターンに対応する形状の凹凸が生成されたフォトレジスト層であって、その凹部がフォトレジスト層を貫通しているものである。ステップＳ４８では、このレジストパターンを介してウェハＷの表面の加工を行う。ステップＳ４８で行われる加工には、例えばウェハＷの表面のエッチングまたは金属膜等の成膜の少なくとも一方が含まれる。なお、ステップＳ４４では、上述の各実施形態の投影露光装置は、フォトレジストが塗布されたウェハＷを、感光性基板つまりプレートＰとしてパターンの転写を行う。

図２６は、液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図２６に示すように、液晶デバイスの製造工程では、パターン形成工程（ステップＳ５０）、カラーフィルタ形成工程（ステップＳ５２）、セル組立工程（ステップＳ５４）およびモジュール組立工程（ステップＳ５６）を順次行う。

ステップＳ５０のパターン形成工程では、プレートＰとしてフォトレジストが塗布されたガラス基板上に、上述の各実施形態の投影露光装置を用いて回路パターンおよび電極パターン等の所定のパターンを形成する。このパターン形成工程には、上述の各実施形態の投影露光装置を用いてフォトレジスト層にパターンを転写する露光工程と、パターンが転写されたプレートＰの現像、つまりガラス基板上のフォトレジスト層の現像を行い、パターンに対応する形状のフォトレジスト層を生成する現像工程と、この現像されたフォトレジスト層を介してガラス基板の表面を加工する加工工程とが含まれている。

ステップＳ５２のカラーフィルタ形成工程では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応する３つのドットの組をマトリックス状に多数配列するか、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルタの組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルタを形成する。

ステップＳ５４のセル組立工程では、ステップＳ５０によって所定パターンが形成されたガラス基板と、ステップＳ５２によって形成されたカラーフィルタとを用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。具体的には、例えばガラス基板とカラーフィルタとの間に液晶を注入することで液晶パネルを形成する。ステップＳ５６のモジュール組立工程では、ステップＳ５４によって組み立てられた液晶パネルに対し、この液晶パネルの表示動作を行わせる電気回路およびバックライト等の各種部品を取り付ける。

また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。

なお、上述の各実施形態では、露光光としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長：１９３ｎｍ）やＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）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、上述の各実施形態では、露光装置においてマスクを照明する照明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、マスク以外の被照射面を照明する一般的な照明光学系に対して本発明を適用することもできる。

本発明の第１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。 光束分離用の回折光学素子により２極照明用の回折光学素子に２極状の光強度分布が形成される様子を示す図である。 ２極照明用の回折光学素子に複数の回折領域が形成されている様子を示す図である。 ２極照明用の回折光学素子により照明瞳に形成された２極状の瞳強度分布を示す図である。 ２極状の瞳強度分布における一方の面光源と他方の面光源との強度比の変化を示す図である。 一対のプリズム部材により光束分離部材を構成した例を概略的に示す図である。 一対のプリズム部材により光束分離部材を構成した別の例を概略的に示す図である。 ビームスプリッターと偏向部材とにより光束分離部材を構成した例を概略的に示す図である。 光束分離用の回折光学素子により４極照明用の回折光学素子に４極状の光強度分布が形成される様子を示す図である。 ４極照明用の回折光学素子に複数の回折領域が形成されている様子を示す図である。 ４極照明用の回折光学素子により照明瞳に形成された４極状の瞳強度分布を示す図である。 ４極状の瞳強度分布における４つの面光源の強度比の変化を示す第１の図である。 ４極状の瞳強度分布における４つの面光源の強度比の変化を示す第２の図である。 本発明の第２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１４における第１回折光学素子の構成を概略的に示す図である。 図１４における第２回折光学素子の構成を概略的に示す図である。 （ａ）は第１回折光学素子により形成される２極状瞳強度分布を、（ｂ）は第２回折光学素子により形成される２極状瞳強度分布を示す図である。 ２極状の瞳強度分布における２つの面光源の強度比の変化を示す図である。 一対の回折光学素子を共役にするリレー光学系を配置した構成を示す図である。 一対の２極照明用回折光学素子に一対の２極照明用回折光学素子を付設して４極状の瞳強度分布を形成する各面光源の強度比を調整する変形例を示す図である。 図２０の変形例の４極状瞳強度分布における各面光源の強度比の変化を示す図である。 ４つの４極照明用回折光学素子を用いて４極状の瞳強度分布を形成する各面光源の強度比を調整する変形例を示す図である。 図２２の変形例の４極状瞳強度分布における各面光源の強度比の変化を示す第１の図である。 図２２の変形例の４極状瞳強度分布における各面光源の強度比の変化を示す第２の図である。 半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。 液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 光源
３，３Ａ 回折光学素子（光束分離部材）
４ リレー光学系
５，５Ａ 回折光学素子（複数極照明用の回折光学部材）
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 マイクロフライアイレンズ
１１ コンデンサー光学系
１２ マスクブラインド
１３ 結像光学系
ＡＳ 開口絞り
Ｍ マスク
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ

Claims (16)

1. 光源からの光に基づいて被照射面を照明する照明光学系において、
   照明瞳の第１領域に第１光強度分布を形成し、前記第１領域から間隔を隔てた第２領域に第２光強度分布を形成する瞳強度分布形成手段を備え、
   前記瞳強度分布形成手段は、前記第１光強度分布と前記第２光強度分布との強度比を変化させる強度比可変手段を有し、
   前記強度比可変手段は、入射光束を複数の光束に分離する光束分離部材と、該光束分離部材により分離された前記複数の光束に基づいて前記第１光強度分布および前記第２光強度分布を形成する回折光学部材とを有し、前記光束分離部材と前記回折光学部材とは、光軸廻りまたは該光軸とほぼ平行な所定の軸線廻りに相対的に回転可能に構成されていることを特徴とする照明光学系。
2. 前記回折光学部材は、前記光軸または前記所定の軸線を中心とする円の周方向に配列された複数の回折領域を有することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記複数の回折領域は、周方向に隣り合う２つの回折領域のうちの一方の回折領域を介して得られる前記第１光強度分布または前記第２光強度分布の強度と他方の回折領域を介して得られる前記第１光強度分布または前記第２光強度分布の強度とが実質的に異なるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
4. 前記複数の回折領域は、前記光軸または前記所定の軸線を挟んで対向する２つの回折領域のうちの一方の回折領域を介して得られる前記第１光強度分布の強度と他方の回折領域を介して得られる前記第２光強度分布の強度との和が一定になるように形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の照明光学系。
5. 前記光束分離部材は、前記回折光学部材側に凸状の屈折面を向けた第１プリズム部材と、該第１プリズム部材と前記回折光学部材との間の光路中に配置されて前記第１プリズム部材側に凸状の屈折面を向けた第２プリズム部材とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学系。
6. 前記光束分離部材は、前記回折光学部材側に凹状の屈折面を向けた第１プリズム部材と、該第１プリズム部材と前記回折光学部材との間の光路中に配置されて前記第１プリズム部材側に凸状の屈折面を向けた第２プリズム部材とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学系。
7. 前記光束分離部材は、ビームスプリッターと、該ビームスプリッターを透過した光束または前記ビームスプリッターで反射された光束を偏向する偏向部材とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学系。
8. 前記光束分離部材は、第２の回折光学部材と、該第２の回折光学部材と前記回折光学部材との間の光路中に配置されたリレー光学系とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学系。
9. 光源からの光に基づいて被照射面を照明する照明光学系において、
   照明瞳の第１領域に第１光強度分布を形成し、前記第１領域から間隔を隔てた第２領域に第２光強度分布を形成する瞳強度分布形成手段を備え、
   前記瞳強度分布形成手段は、前記第１光強度分布と前記第２光強度分布との強度比を変化させる強度比可変手段を有し、
   前記強度比可変手段は、前記第１領域に第３光強度分布を形成し、且つ前記第２領域に前記第３光強度分布とは強度の異なる第４光強度分布を形成する第１回折光学部材と、
   前記第１領域に第５光強度分布を形成し、且つ前記第２領域に前記第５光強度分布とは強度の異なる第６光強度分布を形成する第２回折光学部材とを有し、
   前記第１回折光学部材と前記第２回折光学部材とは、光軸廻りまたは該光軸とほぼ平行な所定の軸線廻りに相対的に回転可能に構成されていることを特徴とする照明光学系。
10. 前記第１領域と前記第２領域とは、前記光軸または前記所定の軸線を挟んで対称な位置にあることを特徴とする請求項９に記載の照明光学系。
11. 前記第１回折光学部材と前記第２回折光学部材とは、前記光軸方向に近接して配置されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の照明光学系。
12. 前記強度比可変手段は、前記第１領域に第７光強度分布を形成し、且つ前記第２領域に前記第７光強度分布とは強度の異なる第８光強度分布を形成する第３回折光学部材と、
    前記第１領域に第９光強度分布を形成し、且つ前記第２領域に前記第９光強度分布とは強度の異なる第１０光強度分布を形成する第４回折光学部材とを備え、
    前記第３回折光学部材と前記第４回折光学部材とは、前記光軸廻りまたは前記所定の軸線廻りに相対的に回転可能に構成されていることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の照明光学系。
13. 前記第１回折光学部材および前記第２回折光学部材には、前記光軸または前記所定の軸線を中心とする複数の同心円によって規定された円形状および円環状の領域の一部または全部がほぼ同じように形成され、
    前記第１回折光学部材では、前記円形状または円環状の領域のうち、中心から奇数番目の領域に回折作用面が形成され、
    前記第２回折光学部材では、前記円形状または円環状の領域のうち、中心から偶数番目の領域に回折作用面が形成されていることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の照明光学系。
14. 前記円形状の領域の半径の寸法と前記円環状の各領域の半径方向の寸法とは互いにほぼ等しいことを特徴とする請求項１３に記載の照明光学系。
15. 所定のパターンを照明するための請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の照明光学系を備え、前記所定のパターンを感光性基板に露光することを特徴とする露光装置。
16. 請求項１５に記載の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、
    前記パターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記パターンに対応する形状のマスク層を前記感光性基板の表面に形成する現像工程と、
    前記マスク層を介して前記感光性基板の表面を加工する加工工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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