JP2010087389A - 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】 瞳強度分布の形状および偏光状態について多様性に富んだ照明条件を実現する。
【解決手段】 光源（ＬＳ）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、二次元的に配列されて個別に制御される複数の光学要素を有する空間光変調器（３）と、空間光変調器を経た光に基づいて照明瞳に瞳強度分布を形成する分布形成光学系（４，５ａ，５ｂ，６ａ，５ｃ，７）とを備えている。分布形成光学系は、複数の光学要素の配列面の第１領域と光学的にほぼ共役な第１共役領域および配列面の第２領域と光学的にほぼ共役な第２共役領域のうちの少なくとも一方の共役領域に配置可能に設けられて、該一方の共役領域に入射した光の偏光状態を変更して射出する偏光状態変更素子を有する。
【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する。さらに詳細には、本発明は、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。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、交換可能な複数の回折光学素子を用いて輪帯照明や複数極照明（２極照明、４極照明など）のような変形照明を行うことのできる照明光学系が提案されている（特許文献１を参照）。特許文献１に開示された照明光学系では、例えば輪帯状の瞳強度分布を固定的に形成する輪帯照明用の回折光学素子、複数極状（２極状、４極状など）の瞳強度分布を固定的に形成する複数極照明用の回折光学素子などから選択された１つの回折光学素子を照明光路中に設定することにより、瞳強度分布（ひいては照明条件）を離散的に変更している。

米国特許第６９１３３７３号公報

特許文献１に記載された照明光学系において、瞳強度分布の形状の変更に関する自由度を高めるには、互いに特性の異なる比較的多くの回折光学素子を準備し、これらの回折光学素子を照明光路に対して切り換える必要がある。実際の照明光学系では、交換可能な回折光学素子の数に制限があり、瞳強度分布の形状について多様性に富んだ照明条件を実現することが困難である。また、ウェハ上に形成されるパターン像のコントラストを高めるために、瞳強度分布の形状だけでなく、その偏光状態についても自由度を高め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、瞳強度分布の形状および偏光状態につい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、瞳強度分布の形状および偏光状態につい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系を用いて、転写すべきパターンの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、
二次元的に配列されて個別に制御される複数の光学要素を有する空間光変調器と、
前記空間光変調器を経た光に基づいて照明瞳に瞳強度分布を形成する分布形成光学系とを備え、
前記分布形成光学系は、前記複数の光学要素の配列面の第１領域と光学的にほぼ共役な第１共役領域および前記配列面の第２領域と光学的にほぼ共役な第２共役領域のうちの少なくとも一方の共役領域に配置可能に設けられて、該一方の共役領域に入射した光の偏光状態を変更して射出する偏光状態変更素子を有す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、所定のパターンを照明するための第１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３形態では、第２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、
前記所定のパターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記所定の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。

本発明にかかる照明光学系は、照明瞳に光強度分布を可変的に形成する手段として、二次元的に配列されて個別に制御される複数の光学要素を有する空間光変調器を備えている。その結果、空間光変調器の作用により、瞳強度分布の形状を自在に且つ迅速に変化させることができる。

また、本発明の照明光学系は、空間光変調器を経た光に基づいて照明瞳に瞳強度分布を形成する分布形成光学系が、複数の光学要素の配列面の第１領域と光学的にほぼ共役な第１共役領域および配列面の第２領域と光学的にほぼ共役な第２共役領域のうちの少なくとも一方に配置可能に設けられて入射光の偏光状態を変更して射出する偏光状態変更素子を有する。その結果、偏光状態変更素子と空間光変調器との協働作用により、例えば周方向偏光状態の瞳強度分布を形成することができる。

こうして、本発明の照明光学系では、瞳強度分布の形状および偏光状態につい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、本発明の露光装置では、瞳強度分布の形状および偏光状態につい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系を用いて、転写すべきパターンの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の転写面（露光面）の法線方向に沿ってＺ軸を、ウェハＷの転写面内において図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、ウェハＷの転写面内において図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では、光源ＬＳから露光光（照明光）が供給される。光源ＬＳ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ＬＳから射出された光は、ビーム送光部１および偏光状態切換え部２を介して、空間光変調ユニットＳＵに入射する。ビーム送光部１は、光源ＬＳからの入射光束を適切な大きさおよび形状の断面を有する光束に変換しつつ偏光状態切換え部２（ひいては空間光変調ユニットＳＵ）へ導くとともに、偏光状態切換え部２に入射する光束の位置変動および角度変動をアクティブに補正する機能を有する。

偏光状態切換え部２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２ａ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２ｂと、照明光路に対して挿脱自在なデポラライザ（非偏光化素子）２ｃとを備えている。偏光状態切換え部２は、デポラライザ２ｃを照明光路から退避させた状態で、光源ＬＳ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空間光変調ユニットＳＵへ入射させる機能を有し、デポラライザ２ｃを照明光路中に設定した状態で、光源ＬＳからの光を実質的に非偏光の光に変換して空間光変調ユニットＳＵへ入射させる機能を有する。

空間光変調ユニットＳＵは、二次元的に配列されて個別に制御される複数のミラー要素を有する空間光変調器３と、ビーム送光部１および偏光状態切換え部２を経て空間光変調ユニットＳＵに入射した光を空間光変調器３へ導き且つ空間光変調器３を経た光を後続のリレー光学系５ａへ導く導光部材４とを備えている。空間光変調ユニットＳＵの具体的な構成および作用については後述する。

空間光変調ユニットＳＵから射出された光は、リレー光学系５ａを介して、所定面ＩＰに入射する。リレー光学系５ａは、その前側焦点位置と空間光変調器３の複数のミラー要素の配列面の位置とがほぼ一致し且つその後側焦点位置と所定面ＩＰの位置とがほぼ一致するように設定されている。後述するように、空間光変調器３を経た光は、所定面ＩＰに、複数のミラー要素の姿勢に応じた光強度分布を形成する。所定面ＩＰに光強度分布を形成した光は、リレー光学系５ｂを介して、空間光変調器３の複数のミラー要素の配列面と光学的に共役な位置に配置された偏光状態変更ユニット６ａに入射する。偏光状態変更ユニット６ａの具体的な構成および作用については後述する。

偏光状態変更ユニット６ａを経た光は、リレー光学系５ｃ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）７に入射する。リレー光学系５ｃは、その前側焦点位置と偏光状態変更ユニット６ａの位置とがほぼ一致し且つその後側焦点位置とマイクロフライアイレンズ７の入射面の位置とがほぼ一致するように設定されている。したがって、空間光変調器３および偏光状態変更ユニット６ａを経た光は、所定面ＩＰと光学的に共役な位置に配置されたマイクロフライアイレンズ７の入射面に、所定面ＩＰに形成された光強度分布と同じ外形形状の光強度分布を形成する。

マイクロフライアイレンズ７は、たとえば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り、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ている。マイクロフライアイレンズでは、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、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。

マイクロフライアイレンズ７における単位波面分割面としての矩形状の微小屈折面は、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）と相似な矩形状である。なお、マイクロフライアイレンズ７として、例えばシリンドリカルマイクロフライアイレンズを用いることもできる。シリンドリカルマイクロフライアイレンズの構成および作用は、例えば米国特許第６９１３３７３号公報に開示されている。

マイクロフライアイレンズ７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。マイクロフライアイレンズ７の後側焦点面またはその近傍の照明瞳に形成された二次光源（すなわち瞳強度分布）からの光束は、照明開口絞り（不図示）に入射する。照明開口絞りは、マイクロフライアイレンズ７の後側焦点面またはその近傍に配置され、二次光源に対応した形状の開口部（光透過部）を有する。

照明開口絞りは、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。照明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。照明開口絞りは、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。なお、照明開口絞りの設置を省略することもできる。

照明開口絞りにより制限された二次光源からの光は、コンデンサー光学系８を介して、マスクブラインド９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９には、マイクロフライアイレンズ７の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９の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系１０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１０は、マスクブラインド９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。

本実施形態の露光装置は、投影光学系ＰＬを介した光に基づいて投影光学系ＰＬの瞳面における瞳強度分布を計測する瞳強度分布計測部ＤＴと、瞳強度分布計測部ＤＴの計測結果に基づいて空間光変調器３を制御する制御部ＣＲとを備えている。瞳強度分布計測部ＤＴは、例えば投影光学系ＰＬの瞳位置と光学的に共役な位置に配置された撮像面を有するＣＣＤ撮像部を備え、投影光学系ＰＬの像面の各点に関する瞳強度分布（各点に入射する光が投影光学系ＰＬの瞳位置に形成する瞳強度分布）をモニターする。瞳強度分布計測部ＤＴの詳細な構成および作用については、例えば米国特許公開第２００８／００３０７０７号公報を参照することができる。

本実施形態では、マイクロフライアイレンズ７により形成される二次光源を光源として、照明光学系の被照射面に配置されるマスクＭ（ひいてはウェハＷ）をケーラー照明する。このため、二次光源が形成される位置は投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳの位置と光学的に共役であり、二次光源の形成面を照明光学系の照明瞳面と呼ぶことができる。典型的には、照明瞳面に対して被照射面（マスクＭが配置される面、または投影光学系ＰＬを含めて照明光学系と考える場合にはウェハＷが配置される面）が光学的なフーリエ変換面となる。なお、瞳強度分布とは、照明光学系の照明瞳面または当該照明瞳面と光学的に共役な面における光強度分布（輝度分布）である。

マイクロフライアイレンズ７による波面分割数が比較的大きい場合、マイクロフライアイレンズ７の入射面に形成される大局的な光強度分布と、二次光源全体の大局的な光強度分布（瞳強度分布）とが高い相関を示す。このため、マイクロフライアイレンズ７の入射面および当該入射面と光学的に共役な面における光強度分布についても瞳強度分布と称することができる。図１の構成において、導光部材４、リレー光学系５ａ，５ｂ，５ｃ、偏光状態変更ユニット６ａ、およびマイクロフライアイレンズ７は、空間光変調器３を経た光に基づいてマイクロフライアイレンズ７よりも後側の照明瞳に瞳強度分布を形成する分布形成光学系を構成している。

図２を参照すると、空間光変調ユニットＳＵ中の導光部材４は、例えばＸ方向に延びる三角柱状のプリズムミラーの形態を有する。ビーム送光部１および偏光状態切換え部２を経て空間光変調ユニットＳＵに入射した光は、導光部材４の第１反射面４ａによって反射された後、空間光変調器３に入射する。空間光変調器３により変調された光は、導光部材４の第２反射面４ｂにより反射され、リレー光学系５ａへ導かれる。

空間光変調器３は、図２および図３に示すように、二次元的に配列された複数のミラー要素ＳＥを有する本体３ａと、複数のミラー要素ＳＥの姿勢を個別に制御駆動する駆動部３ｂとを備えている。説明および図示を簡単にするために、図２および図３では空間光変調器３の本体３ａが４×４＝１６個のミラー要素ＳＥを備える構成例を示しているが、実際には１６個よりもはるかに多数のミラー要素ＳＥを備えている。

図２を参照すると、光軸ＡＸと平行な方向に沿って導光部材４の第１反射面４ａに入射する光線群のうち、光線Ｌ１は複数のミラー要素ＳＥのうちのミラー要素ＳＥａに、光線Ｌ２はミラー要素ＳＥａとは異なるミラー要素ＳＥｂにそれぞれ入射する。同様に、光線Ｌ３はミラー要素ＳＥａ，ＳＥｂとは異なるミラー要素ＳＥｃに、光線Ｌ４はミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｃとは異なるミラー要素ＳＥｄにそれぞれ入射する。ミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｄは、その位置に応じて設定された空間的な変調を光Ｌ１〜Ｌ４に与える。

空間光変調器３では、すべてのミラー要素ＳＥの反射面が１つの平面（ＸＹ平面）に沿って設定された基準の状態（以下、「基準状態」という）において、光軸ＡＸと平行な方向に沿って入射した光線が、空間光変調器３の各ミラー要素ＳＥで反射された後に、導光部材４の第２反射面４ｂにより光軸ＡＸとほぼ平行な方向に向かって反射されるように構成されている。また、空間光変調器３の複数のミラー要素ＳＥが配列される面は、リレー光学系５ａの前側焦点位置またはその近傍に位置決めされている。

したがって、空間光変調器３のミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｄによって反射されて所定の角度分布が与えられた光は、所定面ＩＰに所定の光強度分布ＳＰ１〜ＳＰ４を形成し、ひいてはマイクロフライアイレンズ７の入射面に光強度分布ＳＰ１〜ＳＰ４に対応した光強度分布を形成する。すなわち、リレー光学系５ａは、空間光変調器３のミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｄが射出光に与える角度を、空間光変調器３の遠視野領域（フラウンホーファー回折領域）である所定面ＩＰ（ひいてはマイクロフライアイレンズ７の入射面）上での位置に変換する。マイクロフライアイレンズ７が形成する二次光源の光強度分布（瞳強度分布）は、空間光変調器３およびリレー光学系５ａが所定面ＩＰに形成する光強度分布、ひいては空間光変調器３およびリレー光学系５ａ，５ｂ，５ｃがマイクロフライアイレンズ７の入射面に形成する光強度分布に対応した分布になる。

空間光変調器３は、図３に示すように、平面形状の反射面を上面にした状態で１つの平面に沿って規則的に且つ二次元的に配列された多数の微小なミラー要素ＳＥを含む可動マルチミラーである。各ミラー要素ＳＥは可動であり、その反射面の傾き、すなわち反射面の傾斜角および傾斜方向は、制御部ＣＲからの指令にしたがって作動する駆動部３ｂにより独立に制御される。各ミラー要素ＳＥは、その反射面に平行な二方向であって互いに直交する二方向（例えばＸ方向およびＹ方向）を回転軸として、所望の回転角度だけ連続的或いは離散的に回転することができる。すなわち、各ミラー要素ＳＥの反射面の傾斜を二次元的に制御することが可能である。

なお、各ミラー要素ＳＥの反射面を離散的に回転させる場合、回転角を複数の状態（例えば、・・・、−２．５度、−２．０度、・・・０度、＋０．５度・・・＋２．５度、・・・）で切り換え制御するのが良い。図３には外形が正方形状のミラー要素ＳＥを示しているが、ミラー要素ＳＥの外形形状は正方形に限定されない。ただし、光利用効率の観点から、ミラー要素ＳＥの隙間が少なくなるように配列可能な形状（最密充填可能な形状）とすることができる。また、光利用効率の観点から、隣り合う２つのミラー要素ＳＥの間隔を必要最小限に抑えることができる。

本実施形態では、空間光変調器３として、たとえば二次元的に配列された複数のミラー要素ＳＥの向きを連続的にそれぞれ変化させる空間光変調器を用いている。このような空間光変調器として、たとえば特表平１０−５０３３００号公報およびこれに対応する欧州特許公開第７７９５３０号公報、特開２００４−７８１３６号公報およびこれに対応する米国特許第６,９００,９１５号公報、特表２００６−５２４３４９号公報およびこれに対応する米国特許第７,０９５,５４６号公報、並びに特開２００６−１１３４３７号公報に開示される空間光変調器を用いることができる。なお、二次元的に配列された複数のミラー要素ＳＥの向きを離散的に複数の段階を持つように制御してもよい。

こうして、空間光変調器３では、制御部ＣＲからの制御信号に応じて作動する駆動部３ｂの作用により、複数のミラー要素ＳＥの姿勢がそれぞれ変化し、各ミラー要素ＳＥがそれぞれ所定の向きに設定される。空間光変調器３の複数のミラー要素ＳＥによりそれぞれ所定の角度で反射された光は、マイクロフライアイレンズ７の入射面に所望の光強度分布を形成し、ひいてはマイクロフライアイレンズ７の後側焦点面またはその近傍の照明瞳（照明開口絞りが配置される位置）に、所望の形状を有する瞳強度分布を形成する。さらに、照明開口絞りと光学的に共役な別の照明瞳位置、すなわち結像光学系１０の瞳位置および投影光学系ＰＬの瞳位置（開口絞りＡＳが配置されている位置）にも、所望の瞳強度分布が形成される。

以下の説明では、本実施形態の要部構成および作用効果の理解を容易にするために、所定面ＩＰには、図４に示すような４つの円弧形状の実質的な面光源（以下、単に「面光源」という）２１ａ，２１ｂ，２１ｃおよび２１ｄからなる４極状の光強度分布２１が形成されるものとする。また、偏光状態切換え部２の作用により、空間光変調ユニットＳＵにはＸ方向に偏光した直線偏光状態すなわちＸ方向偏光状態の光が入射するものとする。また、以下の説明において単に「照明瞳」という場合には、マイクロフライアイレンズ７の後側焦点面またはその近傍の照明瞳を指すものとする。

図４を参照すると、所定面ＩＰに形成される４極状の光強度分布２１は、光軸ＡＸを挟んでＸ方向に間隔を隔てた一対の面光源２１ａおよび２１ｂと、光軸ＡＸを挟んでＺ方向に間隔を隔てた一対の面光源２１ｃおよび２１ｄとを有する。ここで、一対の面光源２１ａおよび２１ｂは、図５に示すように、空間光変調器３の複数のミラー要素ＳＥの配列面の有効領域（図中破線で示す）３ｃをＸ方向に延びる直線によって２等分して得られる２つの領域３ｃａおよび３ｃｂのうち、−Ｙ方向側の第１領域３ｃａに配列された複数のミラー要素ＳＥを経た光により形成されるものとする。また、一対の面光源２１ｃおよび２１ｄは、＋Ｙ方向側の第２領域３ｃｂに配列された複数のミラー要素ＳＥを経た光により形成されるものとする。

この場合、配列面の有効領域３ｃの第１領域３ｃａに配列された複数のミラー要素ＳＥを経て一対の面光源２１ａおよび２１ｂを形成した光は、図６に示す偏光状態変更ユニット６ａの１／２波長板６ａａに入射する。一方、配列面の有効領域３ｃの第２領域３ｃｂに配列された複数のミラー要素ＳＥを経て一対の面光源２１ｃおよび２１ｄを形成した光は、偏光状態変更ユニット６ａの平行平面板６ａｂに入射する。なお、平行平面板６ａｂの設置を省略し、参照符号６ａｂで示す領域を開口部として光が素抜けするように構成してもよい。

すなわち、偏光状態変更ユニット６ａにおいて、１／２波長板６ａａは第１領域３ｃａと光学的にほぼ共役な第１共役領域に配置され、平行平面板６ａｂは第２領域３ｃｂと光学的にほぼ共役な第２共役領域に配置されている。ここで、１／２波長板６ａａの配置可能な第１共役領域および平行平面板６ａｂの配置可能な第２共役領域が、光軸ＡＸと直交する１つの平面（ＸＺ平面）内にあることはいうまでもない。

一対の面光源２１ａおよび２１ｂからＸ方向偏光状態で偏光状態変更ユニット６ａの１／２波長板６ａａに入射した光は、Ｚ方向に偏光した直線偏光状態すなわちＺ方向偏光状態の光に変換された後、図７に示すように一対の面光源２１ａおよび２１ｂに対応した一対の面光源２２ａおよび２２ｂを、マイクロフライアイレンズ７の後側焦点面またはその近傍の照明瞳に形成する。また、一対の面光源２１ｃおよび２１ｄからＸ方向偏光状態で偏光状態変更ユニット６ａの平行平面板６ａｂに入射した光は、偏光状態が変化することなくＸ方向偏光状態で、一対の面光源２１ｃおよび２１ｄに対応した一対の面光源２２ｃおよび２２ｄを照明瞳に形成する。

こうして、マイクロフライアイレンズ７の後側焦点面またはその近傍の照明瞳には、Ｚ方向偏光状態の光により形成された一対の面光源２２ａおよび２２ｂと、Ｘ方向偏光状態の光により形成された一対の面光源２２ｃおよび２２ｄとからなる光強度分布、いわゆる４極状で周方向偏光状態の瞳強度分布２２が得られる。同様に、結像光学系１０の瞳位置や、投影光学系ＰＬの瞳位置にも、４極状で周方向偏光状態の瞳強度分布が形成される。

一般に、周方向偏光状態の瞳強度分布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。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、周方向偏光照明では、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。

露光装置では、マスクＭのパターンをウェハＷに高精度に且つ忠実に転写するために、パターン特性に応じた適切な照明条件のもとで露光を行うことが重要である。本実施形態では、照明瞳に光強度分布を可変的に形成する手段として、複数のミラー要素ＳＥの姿勢がそれぞれ個別に変化する空間光変調器３を備えている。したがって、例えば瞳強度分布計測部ＤＴの計測結果に基づいて、制御部ＣＲが空間光変調器３の複数の光学要素ＳＥの姿勢を制御することにより、照明瞳に形成される瞳強度分布の形状（大きさを含む広い概念）を自在に且つ迅速に変化させることができる。

また、本実施形態では、空間光変調器３を経た光に基づいて照明瞳に瞳強度分布を形成する分布形成光学系（４〜７）が、複数のミラー要素ＳＥの配列面３ｃの第１領域３ｃａと光学的にほぼ共役な第１共役領域に配置されて入射光の偏光状態を変更して射出する１／２波長板６ａａを有する。その結果、偏光状態変更素子としての１／２波長板６ａａと空間光変調器３との協働作用により、マイクロフライアイレンズ７の後側焦点面またはその近傍の照明瞳に、周方向偏光状態の瞳強度分布を形成することができる。

以上のように、本実施形態の照明光学系（１〜１０）では、瞳強度分布の形状および偏光状態について多様性に富んだ照明条件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（１〜ＷＳ）では、瞳強度分布の形状および偏光状態につい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系（１〜１０）を用いて、転写すべきマスクＭの微細パターンの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。

なお、上述の説明では、偏光状態変更ユニット６ａが、空間光変調器３の複数のミラー要素ＳＥの配列面の有効領域３ｃの第１領域３ｃａと光学的にほぼ共役な第１共役領域に配置された１／２波長板６ａａと、第２領域３ｃｂと光学的にほぼ共役な第２共役領域に配置された平行平面板６ａｂとを有する。しかしながら、この構成例に限定されることなく、偏光状態変更ユニットの具体的な構成については様々な形態が可能である。

例えば、１／２波長板６ａａを有する偏光状態変更ユニット６ａに代えて、図８に示すように一対の旋光子６ｂａおよび６ｂｂを有する偏光状態変更ユニット６ｂを用いることができる。一般に、旋光子（旋光素子）は、直線偏光の入射光に所要の旋光角度を付与して射出する機能を有する。旋光子は、旋光性を有する光学材料である水晶により構成され、その結晶光学軸が光軸ＡＸとほぼ一致するように設定される。水晶の旋光能は、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は、１５３．９度／ｍｍである。

すなわち、偏光状態変更ユニット６ｂでは、一対の旋光子６ｂａおよび６ｂｂの厚さ（光軸方向の寸法）が、直線偏光の入射光に付与すべき所要の旋光角度に応じてそれぞれ設定される。具体的に、偏光状態変更ユニット６ｂを用いて図７に示すような４極状で周方向偏光状態の瞳強度分布２２を得るには、偏光状態切換え部２の作用により、例えば＋Ｘ方向および＋Ｚ方向と４５度の角度をなす斜め方向に偏光した直線偏光状態すなわち斜め方向偏光状態の光を空間光変調ユニットＳＵに入射させる。

そして、第１領域３ｃａと光学的にほぼ共役な第１共役領域に配置された第１旋光子６ｂａの厚さを、斜め方向偏光状態の入射光の偏光方向をＹ軸廻りに＋１３５度回転させた方向に偏光した光すなわちＺ方向直線偏光状態の光を射出するように設定する。また、第２領域３ｃｂと光学的にほぼ共役な第２共役領域に配置された第２旋光子６ｂｂの厚さを、斜め方向偏光状態の入射光の偏光方向をＹ軸廻りに＋４５度回転させた方向に偏光した光すなわちＸ方向直線偏光状態の光を射出するように設定する。

また、１／２波長板６ａａを有する偏光状態変更ユニット６ａに代えて、図９に示すように一対の偏光子６ｃａおよび６ｃｂを有する偏光状態変更ユニット６ｃを用いることができる。偏光子６ｃａおよび６ｃｂとして、例えば、ワイヤーグリッドタイプの偏光子を用いることができる。このようなワイヤーグリッドタイプの偏光子は、たとえば特開２００５−２０２１０４号公報に開示されている。また、米国特許第７４０８６２２号公報に開示されている偏光分割面アレイを備える偏光子を用いても良い。

具体的に、偏光状態変更ユニット６ｃを用いて図７に示すような４極状で周方向偏光状態の瞳強度分布２２を得るには、偏光状態切換え部２の作用により、例えば実質的に非偏光状態の光を空間光変調ユニットＳＵに入射させる。そして、第１領域３ｃａと光学的にほぼ共役な第１共役領域に配置された第１偏光子６ｃａは非偏光状態の入射光からＺ方向直線偏光状態の光成分だけを射出し、第２領域３ｃｂと光学的にほぼ共役な第２共役領域に配置された第２偏光子６ｃｂは非偏光状態の入射光からＸ方向直線偏光状態の光成分だけを射出する。

さらに、１／２波長板６ａａを有する偏光状態変更ユニット６ａと、旋光子６ｂａ，６ｂｂを有する偏光状態変更ユニット６ｂと、偏光子６ｃａ，６ｃｂを有する偏光状態変更ユニット６ｃとを、照明光路に対して交換可能に構成することもできる。換言すれば、１／２波長板６ａａのような偏光状態変更素子を、特性の異なる別の偏光状態変更素子（旋光子６ｂａ，６ｂｂ、偏光子６ｃａ，６ｃｂなど）と交換可能に構成することもできる。

なお、上述の説明では、照明瞳に４極状の瞳強度分布２２が形成される変形照明、すなわち４極照明を例にとって、本発明の作用効果を説明している。しかしながら、４極照明に限定されることなく、例えば輪帯状の瞳強度分布が形成される輪帯照明、４極状以外の他の複数極状の瞳強度分布が形成される複数極照明などに対しても、同様に本発明を適用して同様の作用効果を得ることができることは明らかである。一例として、輪帯状で周方向偏光状態の瞳強度分布２３（２３ａ〜２３ｄ）が照明瞳に形成される様子を図１０に示す。

また、上述の説明では、１／２波長板６ａａの配置可能な第１共役領域および平行平面板６ａｂの配置可能な第２共役領域が、光軸ＡＸと直交する１つの平面（ＸＺ平面）内に設けられている。しかしながら、これに限定されることなく、第１偏光状態変更素子を配置すべき第１共役領域と第２偏光状態変更素子を配置すべき第２共役領域とを、光軸ＡＸと直交する１つの平面内に設ける必要はなく、光学的に共役な２つの異なる位置に設けることもできる。

また、上述の説明では、空間光変調器３の複数のミラー要素ＳＥの配列面の有効領域３ｃを２等分して得られる２つの領域３ｃａおよび３ｃｂのうち、第１領域３ｃａに配列された複数のミラー要素ＳＥを経た光により面光源２１ａ，２１ｂを形成し、第２領域３ｃｂに配列された複数のミラー要素ＳＥを経た光により面光源２１ｃ，２１ｄを形成している。しかしながら、２等分に限定されることなく、配列面の有効領域３ｃにおける第１領域および第２領域の設定については様々な形態が可能である。すなわち、空間光変調器３の配列面の有効領域３ｃにおける領域の分割数および配置、各領域を介した光が照明瞳に形成する光強度分布の形状および偏光状態などについて様々な変形例が考えられる。

また、上述の説明では、二次元的に配列されて個別に制御される複数の光学要素を有する空間光変調器として、二次元的に配列された複数の反射面の向き（角度：傾き）を個別に制御可能な空間光変調器を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、たとえば二次元的に配列された複数の反射面の高さ（位置）を個別に制御可能な空間光変調器を用いることもできる。このような空間光変調器としては、たとえば特開平６−２８１８６９号公報及びこれに対応する米国特許第５，３１２，５１３号公報、並びに特表２００４−５２０６１８号公報およびこれに対応する米国特許第６，８８５，４９３号公報の図１ｄに開示される空間光変調器を用いることができる。これらの空間光変調器では、二次元的な高さ分布を形成することで回折面と同様の作用を入射光に与えることができる。なお、上述した二次元的に配列された複数の反射面を持つ空間光変調器を、たとえば特表２００６−５１３４４２号公報およびこれに対応する米国特許第６，８９１，６５５号公報や、特表２００５−５２４１１２号公報およびこれに対応する米国特許公開第２００５／００９５７４９号公報の開示に従って変形しても良い。

また、上述の説明では、複数のミラー要素を有する反射型の空間光変調器を用いているが、これに限定されることなく、たとえば米国特許第５，２２９，８７２号公報に開示される透過型の空間光変調器を用いても良い。

なお、上述の実施形態では、オプティカルインテグレータとして、マイクロフライアイレンズ７を用いているが、その代わりに、内面反射型のオプティカルインテグレータ（典型的にはロッド型インテグレータ）を用いても良い。この場合、リレー光学系５ｃの代わりに、偏光状態変更ユニット６ａと光学的に共役な位置を形成する結像光学系を配置する。そして、マイクロフライアイレンズ７とコンデンサー光学系８との代わりに、この結像光学系による共役位置またはその近傍に入射端が位置決めされるようにロッド型インテグレータを配置する。このとき、ロッド型インテグレータの射出端がマスクブラインド９の位置になる。ロッド型インテグレータを用いる場合、このロッド型インテグレータの下流の結像光学系１０内の、投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳの位置と光学的に共役な位置を照明瞳面と呼ぶことができる。また、ロッド型インテグレータの入射面の位置には、照明瞳面の二次光源の虚像が形成されることになるため、この位置およびこの位置と光学的に共役な位置も照明瞳面と呼ぶことができる。

なお、上述の実施形態では、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２００４−３０４１３５号公報、国際特許公開第２００６／０８０２８５号パンフレットおよびこれに対応する米国特許公開第２００７／０２９６９３６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１１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１１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１２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１２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、国際公開第ＷＯ９９／４９５０４号パンプレット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。

また、上述の実施形態では、露光装置においてマスク（またはウェハ）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（またはウェハ）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。 空間光変調ユニットにおける空間光変調器の作用を説明する図である。 空間光変調器の要部の部分斜視図である。 所定面ＩＰに形成される４極状の光強度分布を示す図である。 空間光変調器の複数のミラー要素の配列面の有効領域を仮想的に２等分した様子を示す図である。 波長板を有する偏光状態変更ユニットの構成例を示す図である。 ４極状で周方向偏光状態の瞳強度分布を示す図である。 旋光子を有する偏光状態変更ユニットの構成例を示す図である。 偏光子を有する偏光状態変更ユニットの構成例を示す図である。 輪帯状で周方向偏光状態の瞳強度分布を示す図である。 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 ビーム送光部
２ 偏光状態切換え部
３ 空間光変調器
４ 導光部材
５ａ，５ｂ，５ｃ リレー光学系
６ａ，６ｂ，６ｃ 偏光状態変更ユニット
７ マイクロフライアイレンズ
８ コンデンサー光学系
９ マスクブラインド
１０ 結像光学系
ＤＴ 瞳強度分布計測部
ＬＳ 光源
ＳＵ 空間光変調ユニット
ＣＲ 制御部
Ｍ マスク
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ

Claims (14)

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、
   二次元的に配列されて個別に制御される複数の光学要素を有する空間光変調器と、
   前記空間光変調器を経た光に基づいて照明瞳に瞳強度分布を形成する分布形成光学系とを備え、
   前記分布形成光学系は、前記複数の光学要素の配列面の第１領域と光学的にほぼ共役な第１共役領域および前記配列面の第２領域と光学的にほぼ共役な第２共役領域のうちの少なくとも一方の共役領域に配置可能に設けられて、該一方の共役領域に入射した光の偏光状態を変更して射出する偏光状態変更素子を有することを特徴とする照明光学系。
2. 前記分布形成光学系は、前記第１共役領域に配置可能に設けられた第１偏光状態変更素子と、前記第２共役領域に配置可能に設けられた第２偏光状態変更素子と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. 前記第１共役領域および前記第２共役領域は、前記分布形成光学系の光軸と直交する１つの平面内にあることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
4. 前記第１領域および前記第２領域は、前記配列面の有効領域を２等分した領域であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学系。
5. 前記偏光状態変更素子は、波長板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. 前記偏光状態変更素子は、偏光子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. 前記偏光状態変更素子は、旋光子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. 前記偏光状態変更素子は、特性の異なる別の偏光状態変更素子と交換可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の照明光学系。
9. 前記空間光変調器は、二次元的に配列された複数のミラー要素と、該複数のミラー要素の姿勢を個別に制御駆動する駆動部とを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明光学系。
10. 前記駆動部は、前記複数のミラー要素の向きを連続的または離散的に変化させることを特徴とする請求項９に記載の照明光学系。
11. 前記被照射面と光学的に共役な面を形成する投影光学系と組み合わせて用いられ、前記照明瞳は前記投影光学系の開口絞りと光学的に共役な位置であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の照明光学系。
12. 所定のパターンを照明するための請求項１乃至１１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。
13. 前記所定のパターンの像を前記感光性基板上に形成する投影光学系を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の露光装置。
14. 請求項１２または１３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、
    前記所定のパターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記所定の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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