JP2010141091A - 偏光制御ユニット、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】 入射光を所望の偏光度を有する光に変換して射出することのできる偏光制御ユニット。
【解決手段】 本発明の偏光制御ユニット（２）は、光軸（ＡＸ）を横切る方向に光学軸を有する第１デポラライザ（２２ｂ）と、第１デポラライザの射出側に配置されて光軸を横切る方向に光学軸を有する第２デポラライザ（２２ｂ）と、光軸廻りに回転可能な１／２波長板（２４）とを備えている。第１デポラライザおよび第２デポラライザのうちの少なくとも一方は、第１デポラライザの光学軸と第２デポラライザの光学軸との光軸廻りの角度を変更するために回転可能に構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、偏光制御ユニット、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のに使用される露光装置の照明光学系に好適な偏光制御ユニット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など）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を形成する。二次光源からの光はコンデンサー光学系を介して所定のパターンが形成されたマスクを重畳的に照明し、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（感光性基板）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。

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、照明光学系の比較的上流側において光源からの光を所望の直線偏光状態の光または非偏光状態の光に変換し、所望の直線偏光状態または非偏光状態に変換された光を、複数の光学素子を介してマスクへ導いている（例えば特許文献１を参照）。

米国特許公開第２００６／００５５８３４号公報

上述の従来技術では、所望の直線偏光状態または非偏光状態の光を照明光学系の上流側において生成しても、照明光学系の下流側の光路中または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、感光性基板上では所望の直線偏光状態または非偏光状態で光が結像しなくなり、ひいてはマスクのパターン像を所要のコントラストで感光性基板上に形成することが困難である。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、入射光を所望の偏光度を有する光に変換して射出することのできる偏光制御ユニットを提供することを目的とする。また、本発明は、入射光を所望の偏光度を有する光に変換して射出する偏光制御ユニットを用いて、所望の偏光状態の光で被照射面を照明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、所要の偏光状態の光で被照射面のパターンを照明する照明光学系を用いて、所望の偏光状態でパターンを感光性基板上に結像させる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、入射光を所望の偏光度を有する光に変換して射出する偏光制御ユニットであって、
前記偏光制御ユニットの光路内に配置されて、光軸を横切る方向に光学軸を有する第１デポラライザと、
前記第１デポラライザの射出側の前記光路内に配置されて、前記光軸を横切る方向に光学軸を有する第２デポラライザと、
前記光路内に配置されて、前記光軸廻りに回転可能な１／２波長板とを備え、
前記第１デポラライザおよび前記第２デポラライザのうちの少なくとも一方は、前記第１デポラライザの光学軸と前記第２デポラライザの光学軸との前記光軸廻りの角度を変更するために回転可能に構成されていることを特徴とする偏光制御ユニットを提供する。

本発明の第２形態では、光源からの光により被照射面を照明する照明光学系において、
前記光源と前記被照射面との間の光路中に配置された第１形態の偏光制御ユニットを備え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。

本発明の照明光学系に設けられた偏光制御ユニットは、光路中に直列に配置された一対のデポラライザと光軸廻りに回転可能な１／２波長板とを備えている。そして、一方のデポラライザの光学軸と他方のデポラライザの光学軸との光軸廻りの角度が変更可能に構成されている。したがって、一対のデポラライザの光学軸の光軸廻りの相対角度を変化させることにより、入射光を所望の偏光度を有する光に変換して射出することができる。

すなわち、本発明の照明光学系では、入射光を所望の偏光度を有する光に変換して射出する偏光制御ユニットの作用により、偏光制御ユニットの下流側の光路中に光の偏光状態を変化させる光学素子が介在していても、所望の偏光状態の光で被照射面を照明することができる。また、本発明の露光装置では、所要の偏光状態の光で被照射面のパターンを照明する照明光学系を用いて、所望の偏光状態でパターンを感光性基板上に結像させることができ、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の露光面（転写面）の法線方向に沿ってＺ軸を、ウェハＷの露光面内において図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、ウェハＷの露光面内において図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から射出された光束は、整形光学系１、偏光制御ユニット２、および回折光学素子３を介して、アフォーカルレンズ４に入射する。

整形光学系１は、光源ＬＳからのほぼ平行な光束を所定の矩形状の断面を有する光束に変換して偏光制御ユニット２へ導く機能を有する。偏光制御ユニット２は、入射光を所望の偏光度を有する光に変換して射出する機能を有する。偏光制御ユニット２の具体的な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４は、その前側焦点位置と回折光学素子３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５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。

回折光学素子３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。以下、説明を簡単にするために、回折光学素子３は、輪帯照明用の回折光学素子であるものとする。輪帯照明用の回折光学素子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、回折光学素子３に入射したほぼ平行光束は、アフォーカルレンズ４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４から射出される。アフォーカルレンズ４の前側レンズ群４ａと後側レンズ群４ｂ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、円錐アキシコン系６が配置されている。円錐アキシコン系６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４を介した光は、σ値（σ値＝照明光学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７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）８に入射する。マイクロフライアイレンズ８は、例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って、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。なお、マイクロフライアイレンズ８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。

所定面５の位置はズームレンズ７の前側焦点位置またはその近傍に配置され、マイクロフライアイレンズ８の入射面はズームレンズ７の後側焦点位置またはその近傍に配置されている。換言すると、ズームレンズ７は、所定面５とマイクロフライアイレンズ８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４の瞳面とマイクロフライアイレンズ８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８の入射面上には、アフォーカルレンズ４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７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８に入射した光束は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には、マイクロフライアイレンズ８の入射面に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（瞳強度分布）が形成される。

マイクロフライアイレンズ８の後側焦点面またはその近傍には、必要に応じて、輪帯状の二次光源に対応した輪帯状の開口部（光透過部）を有する照明開口絞り９が配置されている。照明開口絞り９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。照明開口絞り９は、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。

マイクロフライアイレンズ８および照明開口絞り９を経た光は、コンデンサー光学系１０を介して、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８の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）を経た光は、前側レンズ群１２ａと後側レンズ群１２ｂとからなる結像光学系１２を介して、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には、転写すべきパターンが形成されている。マスクＭのパターンを透過した光は、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のパターンが逐次露光される。

本実施形態の露光装置は、ウェハＷに対する照明光（露光光）の偏光状態を計測（測定）する偏光計測部１３を備えている。偏光計測部１３は、投影光学系ＰＬを経た光に基づいて、投影光学系ＰＬの像面（マスクＭのパターン面と共役な面）における光の偏光状態を計測する。偏光計測部１３の具体的な構成および作用については、たとえば特開２００５−５５２１号公報に開示されている。偏光計測部１３の計測結果は、制御部１４に供給される。制御部１４は、偏光計測部１３の計測結果に基づいて偏光制御ユニット２を制御する。

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と第２プリズム部材６ｂ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６ａと第２プリズム部材６ｂ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と第２プリズム部材６ｂ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。

ズームレンズ７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７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７の作用により、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７の作用により、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。

輪帯照明用の回折光学素子３に代えて、複数極照明（２極照明、４極照明、８極照明など）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、複数極照明を行うことができる。複数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、ファーフィールドに複数極状（２極状、４極状、８極状など）の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、複数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８の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした複数の所定形状（円弧状、円形状など）の照野からなる複数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８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複数極状の二次光源が形成される。

また、輪帯照明用の回折光学素子３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８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８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。また、輪帯照明用の回折光学素子３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。回折光学素子３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。

図２は、本実施形態の偏光制御ユニットの内部構成を概略的に示す図である。図２を参照すると、偏光制御ユニット２は、光の入射側（光源側）から順に、１／４波長板２１と、第１プリズム組立体２２と、第２プリズム組立体２３と、１／２波長板２４とにより構成されている。１／４波長板２１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機能を有する。１／２波長板２４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方向を変化させる機能を有する。

第１プリズム組立体２２は、デポラライザ（偏光解消素子）として機能する第１偏角プリズム２２ｂと、その入射側に配置されて第１偏角プリズム２２ｂによる偏角作用を補正する第１補正偏角プリズム２２ａとにより構成されている。第１偏角プリズム２２ｂは、例えば複屈折性の結晶材料である水晶により形成され、その結晶光学軸が光軸ＡＸと直交するように配置されている。第１補正偏角プリズム２２ａは、例えば非複屈折性材料である石英により形成され、第１偏角プリズム２２ｂと相補的な形状を有する。第１補正偏角プリズム２２ａと第１偏角プリズム２２ｂとは、光軸ＡＸ廻りに一体的に回転するように構成されている。

同様に、第２プリズム組立体２３は、デポラライザとして機能する第２偏角プリズム２３ｂと、その入射側に配置されて第２偏角プリズム２３ｂによる偏角作用を補正する第２補正偏角プリズム２３ａとにより構成されている。第２偏角プリズム２３ｂは、例えば水晶により形成され、その結晶光学軸が光軸ＡＸと直交するように配置されている。第２補正偏角プリズム２３ａは、例えば石英により形成され、第２偏角プリズム２３ｂと相補的な形状を有する。第２補正偏角プリズム２３ａと第２偏角プリズム２３ｂとは、光軸ＡＸ廻りに一体的に回転するように構成されている。

このように、偏光制御ユニット２では、第１偏角プリズム２２ｂの結晶光学軸と第２偏角プリズム２３ｂの結晶光学軸との光軸ＡＸ廻りの角度が変更可能に構成されている。光源ＬＳ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、ほぼ直線偏光状態である。しかしながら、光源ＬＳと偏光制御ユニット２との間の光路中に配置された光学素子などの影響により、１／４波長板２１には楕円偏光状態の光が入射する可能性がある。

偏光度Ｖは、次の式（ａ）により表わされる。式（ａ）において、Ｓ₀は全強度を、Ｓ₁は水平直線偏光強度マイナス垂直直線偏光強度を、Ｓ₂は４５度直線偏光強度マイナス１３５度直線偏光強度を、Ｓ₃は右まわり円偏光強度マイナス左まわり円偏光強度をそれぞれ表わしている。
Ｖ＝（Ｓ₁ ²＋Ｓ₂ ²＋Ｓ₃ ²）^1/2／Ｓ₀ （ａ）

偏光制御ユニット２では、楕円偏光状態の光が入射しても、１／４波長板２１の作用により変換された直線偏光状態の光が第１プリズム組立体２２に入射する。以下、図３および図４を参照して偏光制御ユニット２の作用を説明するが、説明を単純化するために、図３および図４ではＹ方向に偏光した直線偏光状態の光が１／４波長板２１をそのまま通過し、Ｙ方向直線偏光状態で第１プリズム組立体２２に入射するものとする。

図３に示す偏光制御ユニット２の状態では、第１偏角プリズム２２ｂの結晶光学軸がＹ方向と平行な方向に設定され、第２偏角プリズム２３ｂの結晶光学軸がＸ方向およびＹ方向と４５度をなす方向に設定されている。したがって、１／４波長板２１を経たＹ方向直線偏光状態の光は、結晶光学軸が光軸ＡＸ廻りに相対的に４５度をなす一対のデポラライザ２２ｂ，２３ｂの作用により非偏光状態に変換される。一対のプリズム組立体２２，２３を経た非偏光状態の光は、１／２波長板２４をそのまま通過し、非偏光状態の光、すなわち偏光度が０の光として射出される。

図４に示す偏光制御ユニット２の状態では、第１偏角プリズム２２ｂの結晶光学軸および第２偏角プリズム２３ｂの結晶光学軸がともにＹ方向と平行な方向に設定されている。したがって、１／４波長板２１を経たＹ方向直線偏光状態の光は、結晶光学軸が光軸ＡＸ廻りに相対的に０度をなす一対のデポラライザ２２ｂ，２３ｂをそのまま通過する。一対のプリズム組立体２２，２３を経たＹ方向直線偏光状態の光は、１／２波長板２４の作用により所望の方向（１／２波長板２４の結晶光学軸の方向）に偏光した直線偏光状態の光、すなわち偏光度が１の光として射出される。

なお、図示を省略したが、例えば第１偏角プリズム２２ｂの結晶光学軸がＹ方向と平行な方向に設定され、第２偏角プリズム２３ｂの結晶光学軸がＸ方向と平行に設定されている場合、すなわち第１偏角プリズム２２ｂの結晶光学軸と第２偏角プリズム２３ｂの結晶光学軸とが光軸ＡＸ廻りに相対的に９０度をなす場合も、１／４波長板２１から入射したＹ方向直線偏光状態の光は一対のデポラライザ２２ｂ，２３ｂをそのまま通過する。その結果、１／２波長板２４の作用により所望の方向に偏光した直線偏光状態の光が、偏光制御ユニット２から射出される。

仮に、偏光制御ユニット２が従来技術と同様に、所望の直線偏光状態の光（すなわち偏光度が１の光）または非偏光状態の光（すなわち偏光度が０の光）しか生成しない場合、偏光制御ユニット２の下流側の光路中に配置されて光の偏光状態を変化させる光学素子の影響により、ウェハＷ上では所望の直線偏光状態または非偏光状態で光が結像しなくなり、ひいてはマスクＭのパターン像を所要のコントラストでウェハＷ上に形成することが困難である。すなわち、使用する露光装置が異なると、同じマスクを使用しても、ウェハＷ上に転写されるパターンのコントラストを一定にすることが困難である。

特に、光路折り曲げミラーとして使用される平面反射鏡では、入射光の角度範囲が広く、反射面に対するＳ偏光とＰ偏光とで反射率が比較的大きく異なり且つ反射率の差が変動し易い。このため、例えば偏光制御ユニット２により非偏光状態の光、すなわち偏光度が０の光を生成しても、光路折り曲げミラーを介してウェハＷに達する光は、０よりもある程度大きい偏光度を有し且つＳ偏光成分よりもＰ偏光成分の少ない部分偏光状態になってしまう。同様に、例えば偏光制御ユニット２により直線偏光状態の光、すなわち偏光度が１の光を生成しても、偏光状態を変化させる光学素子の影響により、ウェハＷに達する光は１よりもある程度小さい偏光度を有する部分偏光状態になってしまう。

本実施形態の偏光制御ユニット２では、上述したように、デポラライザとして機能する第１偏角プリズム２２ｂの結晶光学軸と第２偏角プリズム２３ｂの結晶光学軸との光軸ＡＸ廻りの角度が変更可能に構成されている。したがって、図３に示す状態から、第１偏角プリズム２２ｂおよび第２偏角プリズム２３ｂのうちの少なくとも一方（すなわち第１プリズム組立体２２および第２プリズム組立体２３のうちの少なくとも一方）を光軸ＡＸ廻りに所要角度だけ回転させて、第１偏角プリズム２２ｂの結晶光学軸と第２偏角プリズム２３ｂの結晶光学軸との光軸ＡＸ廻りの角度を４５±α度に設定することにより、角度αの大きさに応じた分だけ１よりも小さい偏光度を有する部分偏光状態を生成することができる。

また、図４に示す状態から、第１偏角プリズム２２ｂおよび第２偏角プリズム２３ｂのうちの少なくとも一方を光軸ＡＸ廻りに所要角度だけ回転させて、第１偏角プリズム２２ｂの結晶光学軸と第２偏角プリズム２３ｂの結晶光学軸との光軸ＡＸ廻りの角度を０±α度に設定することにより、角度αの大きさに応じた分だけ０よりも大きい偏光度を有する部分偏光状態を生成することができる。すなわち、本実施形態の偏光制御ユニット２では、第１偏角プリズム２２ｂの結晶光学軸と第２偏角プリズム２３ｂの結晶光学軸との光軸ＡＸ廻りの角度を０度から４５度の範囲（あるいは４５度から９０度の範囲）で所要の値に設定することにより、入射光の偏光度を０から１の範囲で変化させて所望の偏光度を有する光に変換して射出することができる。

一例として、マスクＭのパターンを非偏光状態でウェハＷ上に結像させたい場合には、光路中に介在する光路折り曲げミラーの影響などを考慮し、偏光制御ユニット２がＳ偏光成分よりもＰ偏光成分を多く含む部分偏光状態の光を積極的に生成することにより、マスクＭのパターン像を所望の非偏光状態で所要のコントラストでウェハＷ上に形成することができる。すなわち、露光装置毎に偏光制御ユニット２で生成すべき所要の部分偏光状態を予め把握し、偏光制御ユニット２から射出される光の偏光度を適宜制御すれば、使用する号機に依存することなくウェハＷ上の転写パターンのコントラストを一定にすることができる。

一般的に、本実施形態の露光装置では、制御部１４が、偏光計測部１３を用いてウェハＷに対する照明光の偏光状態を随時計測し、マスクＭのパターンを経た光がウェハＷ（すなわち投影光学系ＰＬの像面）上に所望の偏光状態で結像することを確認する。投影光学系ＰＬの像面に達する光が所望の偏光状態でない場合、制御部１４は、偏光制御ユニット２中の１／４波長板２１、第１プリズム組立体２２、第２プリズム組立体２３、および１／２波長板２４のうちの少なくとも１つを光軸ＡＸ廻りに適宜回転させることにより、偏光制御ユニット２から射出される光の偏光度を調整し、ひいては投影光学系ＰＬの像面に達する光を所望の偏光状態に調整する。

以上のように、本実施形態の偏光制御ユニット２では、入射光を所望の偏光度を有する光に変換して射出することができる。したがって、本実施形態の照明光学系（１〜１２）では、入射光を所望の偏光度を有する光に変換して射出する偏光制御ユニット２の作用により、偏光制御ユニット２の下流側の光路中に光の偏光状態を変化させる光学素子が介在していても、所望の偏光状態の光でマスクＭのパターン面（被照射面）を照明することができる。また、本実施形態の露光装置（１〜ＷＳ；１３，１４）では、所要の偏光状態の光でマスクＭのパターン面を照明する照明光学系（１〜１２）を用いて、所望の偏光状態でマスクパターンをウェハＷ上に結像させることができ、ひいてはマスクＭのパターン像を所要のコントラストでウェハＷ上に形成することができる。

なお、上述の説明では、デポラライザとして機能する一対の偏角プリズム２２ｂ，２３ｂが水晶により形成されている。しかしながら、これに限定されることなく、たとえばフッ化マグネシウムや方解石のような複屈折性の結晶材料を用いて２つの偏角プリズムを形成することもできる。あるいは、非複屈折性の材料に外部応力を作用させることによって得られた複屈折性材料などを用いることもできる。

また、上述の説明では、デポラライザとして機能する一対の偏角プリズム２２ｂ，２３ｂが、それぞれ光軸ＡＸを中心として回転自在に構成されている。しかしながら、これに限定されることなく、一対の偏角プリズム２２ｂ，２３ｂのうちの一方を光軸ＡＸ廻りに固定とし、他方を光軸ＡＸ廻りに回転可能に構成することもできる。すなわち、偏光制御ユニット中の一対のデポラライザを形成する材料、一対のデポラライザの移動形態などについては様々な変形例が可能である。

一般に、本発明の偏光制御ユニットは、光軸を横切る方向に光学軸を有する第１デポラライザと、第１デポラライザの射出側の光路内に配置されて光軸を横切る方向に光学軸を有する第２デポラライザとを含み、第１デポラライザおよび第２デポラライザのうちの少なくとも一方は、第１デポラライザの光学軸と第２デポラライザの光学軸との光軸廻りの角度を変更するために回転可能に構成されていることが重要である。

また、上述の説明では、第１偏角プリズム２２ｂの入射側に第１補正偏角プリズム２２ａを配置し、第２偏角プリズム２３ｂの入射側に第２補正偏角プリズム２３ａを配置している。しかしながら、これに限定されることなく、一対の第１偏角プリズムおよび一対の補正偏角プリズムの配置については様々な形態が可能である。また、上述の説明では、第１偏角プリズム２２ｂによる偏角作用を補正する第１補正偏角プリズム２２ａと、第２偏角プリズム２３ｂによる偏角作用を補正する第２補正偏角プリズム２３ａとが個別の部材として構成されている。しかしながら、これに限定されることなく、第１偏角プリズム２２ｂと第２偏角プリズム２３ｂとによる合成偏角作用を補正する１つの補正偏角プリズムを配置することもできる。いずれの場合も、デポラライザとして機能する一対の偏角プリズム２２ｂと２３ｂとを互いに隣接して配置することにより、第１偏角プリズム２２ｂからの光が位相作用を受けずに第２偏角プリズム２３ｂに入射するので、所望の偏光度を得るための第１および第２偏角プリズム２２ｂ、２３ｂの光軸廻りの相対角度が明らかになり、偏光度を制御するためのパラメータを簡素にできるという利点が得られる。

また、上述の説明では、第２プリズム組立体２３の射出側に、１／２波長板２４を配置している。しかしながら、これに限定されることなく、１／２波長板２４の配置については様々な形態が可能である。ただし、例えばデポラライザとして機能する一対の偏角プリズム２２ｂ，２３ｂを経た偏光度がほぼ０の光に残存している直線偏光成分の向きを調整するような場合、一対の偏角プリズム２２ｂ，２３ｂの後側に配置された１／２波長板２４の結晶光学軸の向きを調整する方が制御を簡素化することができる。

また、上述の説明では、第１プリズム組立体２２の入射側に１／４波長板２１を配置しているが、偏光制御ユニット２に入射する光が所定方向に偏光したほぼ直線偏光である場合には、１／４波長板の設置を省略することもできる。

なお、上述の実施形態において、偏光制御ユニット２よりも後側の照明瞳の位置に所要の位相部材、旋光部材などを付設することにより、いわゆる周方向偏光状態でウェハＷ上に光を結像させて、ウェハＷ上に形成されるパターン像のコントラストをさらに向上させることもできる。周方向偏光状態を実現するための周方向偏光用部材の具体的な構成および作用は、米国特許公開第２００６／０１７０９０１号公報および米国特許公開第２００７／０１４６６７６号公報に開示されている。なお、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。

本実施形態では、上述したように、マイクロフライアイレンズ８により形成される二次光源を光源として、照明光学系（１〜１２）の被照射面に配置されるマスクＭ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（１〜１２）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（１〜１２）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８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８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８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。したがって、本実施形態では、アフォーカルレンズ４の瞳位置またはその近傍、マイクロフライアイレンズ８の入射面の近傍の位置などに、上述の周方向偏光用部材を配置することができる。

また、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。ここでは、米国特許公開第２００７／０２９６９３６号公報の教示を参照として援用する。

また、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８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、ズームレンズ７の後側にその前側焦点位置がズームレンズ７の後側焦点位置と一致するように集光レンズを配置し、この集光レンズの後側焦点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照明視野絞り１１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視野絞り結像光学系１２内の、投影光学系ＰＬの開口絞り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。

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５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５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６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６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）、カラーフィルター形成工程（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のカラーフィルター形成工程では、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ーの組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルターを形成する。

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ー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ー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号パンフ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。ここでは、国際公開第ＷＯ９９／４９５０４号パンフレット、特開平６−１２４８７３号公報および特開平１０−３０３１１４号公報の教示を参照として援用する。

また、上述の実施形態において、回折光学素子３に代えて、或いは加えて、たとえばアレイ状に配列され且つ傾斜角および傾斜方向が個別に駆動制御される多数の微小な要素ミラーにより構成されて入射光束を反射面毎の微小単位に分割して偏向させることにより、光束の断面を所望の形状または所望の大きさに変換する空間光変調素子を用いても良い。このような空間光変調素子を用いた照明光学系は、例えば特開２００２−３５３１０５号公報に開示されている。

また、上述の実施形態において、米国公開公報第２００６／０１７０９０１号及び第２００７／０１４６６７６号に開示されるいわゆる偏光照明方法を適用することも可能である。ここでは、米国特許公開第２００６／０１７０９０１号公報及び米国特許公開第２００７／０１４６６７６号公報の教示を参照として援用する。

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。 本実施形態の偏光制御ユニットの内部構成を概略的に示す図である。 本実施形態の偏光制御ユニットの作用を説明する第１の図である。 本実施形態の偏光制御ユニットの作用を説明する第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

２ 偏光制御ユニット
３ 回折光学素子
４ アフォーカルレンズ
６ 円錐アキシコン系
７ ズームレンズ
８ マイクロフライアイレンズ（オプティカルインテグレータ）
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
１３ 偏光計測部
１４ 制御部
２１ １／４波長板
２２，２３ プリズム組立体
２２ｂ，２３ｂ デポラライザ
２４ １／２波長板
ＬＳ 光源
Ｍ マスク
ＭＳ マスクステージ
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ
ＷＳ ウェハステージ

Claims (15)

1. 入射光を所望の偏光度を有する光に変換して射出する偏光制御ユニットであって、
   前記偏光制御ユニットの光路内に配置されて、光軸を横切る方向に光学軸を有する第１デポラライザと、
   前記第１デポラライザの射出側の前記光路内に配置されて、前記光軸を横切る方向に光学軸を有する第２デポラライザと、
   前記光路内に配置されて、前記光軸廻りに回転可能な１／２波長板とを備え、
   前記第１デポラライザおよび前記第２デポラライザのうちの少なくとも一方は、前記第１デポラライザの光学軸と前記第２デポラライザの光学軸との前記光軸廻りの角度を変更するために回転可能に構成されていることを特徴とする偏光制御ユニット。
2. 前記第１デポラライザは複屈折性の結晶材料で形成された第１偏角プリズムを有し、前記第２デポラライザは複屈折性の結晶材料で形成された第２偏角プリズムを有することを特徴とする請求項１に記載の偏光制御ユニット。
3. 前記第１偏角プリズムおよび前記第２偏角プリズムは、結晶光学軸が前記光軸と直交するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の偏光制御ユニット。
4. 前記第１偏角プリズムおよび前記第２偏角プリズムのうちの少なくとも一方は、前記光軸廻りに回転可能に構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の偏光制御ユニット。
5. 前記第１偏角プリズムによる偏角作用を補正する第１補正偏角プリズムと、前記第２偏角プリズムによる偏角作用を補正する第２補正偏角プリズムとをさらに備えていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の偏光制御ユニット。
6. 前記第１補正偏角プリズムおよび前記第２補正偏角プリズムは非複屈折性材料で形成され、
   光の入射側から、前記第１補正偏角プリズム、前記第１偏角プリズム、前記第２偏角プリズム、および前記第２補正偏角プリズムの順に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の偏光制御ユニット。
7. 前記第１補正偏角プリズムおよび前記第２補正偏角プリズムは非複屈折性材料で形成され、
   前記第１偏角プリズムと前記第２偏角プリズムとは互いに隣接して配置されていることを特徴とする請求項５に記載の偏光制御ユニット。
8. 前記１／２波長板は、前記第２デポラライザの射出側の前記光路内に配置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項に記載の偏光制御ユニット。
9. 前記第１デポラライザの入射側の前記光路内に配置されて前記光軸廻りに回転可能な１／４波長板をさらに備えていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の偏光制御ユニット。
10. 光源からの光により被照射面を照明する照明光学系において、
    前記光源と前記被照射面との間の光路中に配置された請求項１乃至９のいずれか１項に記載の偏光制御ユニットを備えていることを特徴とする照明光学系。
11. 前記被照射面または前記被照射面と光学的に共役な面における光の偏光状態を計測する偏光計測部と、
    前記偏光計測部の計測結果に基づいて前記偏光制御ユニットを制御する制御部とをさらに備えていることを特徴とする請求項１０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１０または１１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. 前記偏光計測部は、前記投影光学系を経た光に基づいて、前記投影光学系の像面における光の偏光状態を計測することを特徴とする請求項１３に記載の露光装置。
15. 請求項１２乃至１４のいずれか１項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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