JP2010283101A - 偏光子ユニット、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】 照明光学系の瞳強度分布の形状または偏光状態を切り換えても、所望の偏光状態から変化した偏光状態で入射した光を所望の偏光状態に近づけて射出する偏光子ユニット。
【解決手段】 偏光子ユニット（１３）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用いられて、入射光束の偏光状態を所要の偏光状態に変えて射出する。偏光子ユニットは、照明光学系の照明瞳面またはその近傍に並列配置された複数の偏光子（１３ａ〜１３ｄ）を備えている。複数の偏光子のそれぞれは、位置および姿勢のうちの少なくとも一方が可変に構成されている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、偏光子ユニット、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、例えば半導体素子、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を形成する。二次光源（一般には、照明光学系の照明瞳またはその近傍に形成される光強度分布、すなわち瞳強度分布）からの光は、コンデンサー光学系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（感光性基板）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。

近年、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またはその近傍の照明瞳に、例えば輪帯状や複数極状（２極状、４極状など）の二次光源（輪帯状や複数極状の瞳強度分布）を形成し、こ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が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この技術では、波長板を用いて直線偏光状態を生成した後に、複数の旋光部材を含む偏光変換素子を用いて周方向偏光状態を生成している。

国際公開第２００５／０７６０４５号パンフレット

特許文献１に記載された従来技術では、照明光学系の比較的上流側に配置された波長板と偏光変換素子との協働作用により、偏光変換素子の直後において所望の周方向偏光状態が生成される。しかしながら、偏光変換素子よりも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、感光性基板上では所望の周方向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、照明光学系の瞳強度分布の形状または偏光状態を切り換えても、所望の偏光状態から変化した偏光状態で入射した光を所望の偏光状態に近づけて射出することのできる偏光子ユニットを提供することを目的とする。また、本発明は、照明光学系の瞳強度分布の形状または偏光状態を切り換えても、所望の偏光状態から変化した偏光状態で入射した光を所望の偏光状態に近づけて射出する偏光子ユニットを用いて、所要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、所要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、光源からの光により被照射面を照明する照明光学系に用いられて、入射光束の偏光状態を所要の偏光状態に変えて射出する偏光子ユニットであって、
前記照明光学系の照明瞳面またはその近傍に並列配置された複数の偏光子を備え、
前記複数の偏光子のそれぞれは、位置および姿勢のうちの少なくとも一方が可変に構成されていることを特徴とする偏光子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、
前記照明光学系の照明瞳面またはその近傍に配置された第１形態の偏光子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、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、前記光源からの光の進行方向を偏向させる少なくとも１つの光路折り曲げミラーと、前記少なくとも１つの光路折り曲げミラーのうち最も前記被照射面側に配置される光路折り曲げミラーと前記被照射面との間の光路中に配置される偏光子と、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４形態では、所定のパターンを照明するための第２形態または第３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５形態では、第４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。

本発明の偏光子ユニットは、照明光学系の照明瞳面またはその近傍に並列配置されて位置または姿勢が可変に構成された複数の偏光子を備えている。したがって、前側に配置された光学素子などに起因して所望の偏光状態から変化した偏光状態の光が入射しても、所要の位置に所要の姿勢で配置された複数の偏光子の作用により、入射光を所望の偏光状態に近づけて射出することができる。また、照明光学系の瞳強度分布の形状または偏光状態を切り換えても、複数の偏光子の位置または姿勢を変更することにより、入射光を所望の偏光状態に近づけて射出することができる。

すなわち、本発明の偏光子ユニットでは、照明光学系の瞳強度分布の形状または偏光状態を切り換えても、所望の偏光状態から変化した偏光状態で入射した光を所望の偏光状態に近づけて射出することができる。また、本発明の第２形態にかかる照明光学系では、照明光学系の瞳強度分布の形状または偏光状態を切り換えても、所望の偏光状態から変化した偏光状態で入射した光を所望の偏光状態に近づけて射出する偏光子ユニットを用いて、所要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、本発明の第３形態にかかる照明光学系では、光の偏光状態に影響を及ぼす光学部材の被照射面側に偏光子を配置することによって、所要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、所要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、ひいては良好なデバイスを製造することができる。

本発明の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。 図１の偏光変換素子の構成を概略的に示す図である。 周方向偏光状態に設定された十字型４極状の二次光源を概略的に示す図である。 水晶の旋光性について説明する図である。 本実施形態の偏光子ユニットの構成を概略的に示す図であって、複数の偏光子が第１状態に設定された偏光子ユニットを示している。 径方向偏光状態に設定された十字型４極状の二次光源を概略的に示す図である。 図６の二次光源に対応して第２状態に設定された偏光子ユニットを示す図である。 径方向偏光状態に設定されたＸ字型４極状の二次光源を概略的に示す図である。 図８の二次光源に対応して第３状態に設定された偏光子ユニットを示す図である。 偏光子ユニットを第１状態から第４状態へ変更させる変形例を示す図である。 偏光子ユニットを第１状態から第３状態へ変更させる変形例を示す図である。 ブリュースター角を利用した偏光子の構成を概略的に示す図である。 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。

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１から露光光（照明光）が供給される。

光源１として、例えば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から射出された光束は、整形光学系２、光路折り曲げミラーＰＭ１、偏光状態切換系３、および回折光学素子４を介して、アフォーカルレンズ５に入射する。整形光学系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光束に変換して偏光状態切換系３へ導く機能を有する。

偏光状態切換系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３ａ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３ｂ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）３ｃとを備えている。偏光状態切換系３は、デポラライザ３ｃを照明光路から退避させた状態で、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回折光学素子４へ入射させる機能を有する。

また、偏光状態切換系３は、デポラライザ３ｃを照明光路中に設定した状態で、光源１からの光を実質的に非偏光の光に変換して回折光学素子４へ入射させる機能を有する。アフォーカルレンズ５は前側レンズ群５ａと後側レンズ群５ｂとからなり、前側レンズ群５ａの前側焦点位置と回折光学素子４の位置とがほぼ一致し且つ後側レンズ群５ｂの後側焦点位置と図中破線で示す所定面ＩＰ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。

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。回折光学素子４は、照明光路に対して挿脱自在であり、特性の異なる他の回折光学素子と切り換え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、照明光路中には４極照明用の回折光学素子が配置されているものとする。

４極照明用の回折光学素子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４極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４極状の光強度分布を形成した後、ほぼ平行光束となってアフォーカルレンズ５から射出される。アフォーカルレンズ５の瞳面またはその近傍には、偏光変換素子６および円錐アキシコン系７が配置されている。偏光変換素子６および円錐アキシコン系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。なお、マイクロフライアイレンズ９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ＩＰ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ＩＰ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、たとえば光軸ＡＸを中心とした４極状の照野が形成される。この４極状の照野の全体形状は、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照明瞳には、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、例えば光軸ＡＸを中心とした４つの円形状の実質的な面光源からなる４極状の二次光源（瞳強度分布）が形成される。

マイクロフライアイレンズ９の後側焦点面またはその近傍には、必要に応じて、４極状の二次光源に対応した４極状の開口部（光透過部）を有する照明開口絞りが配置されている。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。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、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により集光され、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。結像光学系１２の瞳面またはその近傍には偏光子ユニット１３が配置され、結像光学系１２の前側レンズ群１２ａと偏光子ユニット１３との間の光路中には光路折り曲げミラーＰＭ２が配置されている。結像光学系１２の瞳面は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の照明瞳面と光学的に共役な位置にある別の照明瞳面であり、結像光学系１２の瞳面またはその近傍の照明瞳面にも４極状の瞳強度分布が形成される。偏光子ユニット１３の構成および作用については後述する。

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。

本実施形態の照明光学系（２〜１３）は、偏光状態切換系３、回折光学素子４、偏光変換素子６、および偏光子ユニット１３の動作を制御する制御部ＣＲを備えている。制御部ＣＲは、露光装置の主制御系（不図示）からの指令に基づいて、偏光状態切換系３における１／４波長板３ａおよび１／２波長板３ｂの光軸ＡＸ廻りの回転動作、およびデポラライザ３ｃの照明光路に対する挿脱動作を制御する。また、制御部ＣＲは、交換可能な回折光学素子４の照明光路に対する挿脱動作を制御する。偏光変換素子６および偏光子ユニット１３に関する制御部ＣＲの制御については後述する。

円錐アキシコン系７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７ａ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７ｂとから構成されている。そして、第１プリズム部材７ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材７ｂ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と第２プリズム部材７ｂ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、輪帯状または４極状の二次光源に着目して、円錐アキシコン系７の作用およびズームレンズ８の作用を説明する。

ここで、第１プリズム部材７ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材７ｂ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７は平行平面板として機能し、形成される輪帯状または４極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７ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材７ｂの凸円錐状屈折面とを離間させると、輪帯状または４極状の二次光源の幅（輪帯状の二次光源の外径と内径との差の１／２；４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）を一定に保ちつつ、輪帯状または４極状の二次光源の外径（内径）が変化する。すなわち、輪帯状または４極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８は、輪帯状または４極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、輪帯状または４極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８の作用により、輪帯状または４極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７およびズームレンズ８の作用により、輪帯状または４極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。

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９により形成される二次光源を光源として、照明光学系（２〜１３）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（２〜１３）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（２〜１３）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９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９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９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。

４極照明用の回折光学素子に代えて、他の複数極照明（２極照明、８極照明など）用の回折光学素子を照明光路中に設定することによって、４極照明以外の複数極照明を行うことができる。一般に、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９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複数極状の二次光源が形成される。

また、４極照明用の回折光学素子に代えて、輪帯照明用の回折光学素子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。輪帯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、輪帯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。

また、４極照明用の回折光学素子に代えて、円形照明用の回折光学素子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９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円形状の二次光源が形成される。また、４極照明用の回折光学素子に代えて、適当な特性を有する回折光学素子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、図１の偏光変換素子の構成を概略的に示す図である。上述したように、偏光変換素子６は、アフォーカルレンズ５の瞳面またはその近傍に配置されている。したがって、４極照明用の回折光学素子４が照明光路中に配置されている場合、偏光変換素子６には４極状の断面を有する光束が入射する。以下、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の照明瞳には、図３に示すように、光軸ＡＸを中心とした４つの円形状の実質的な面光源３１Ａ，３１Ｂからなる４極状の二次光源３１が形成されるものとする。

４極状の二次光源３１において、一対の面光源３１Ａは光軸ＡＸを挟んでＺ方向に対向しており、一対の面光源３１Ｂは光軸ＡＸを挟んでＸ方向に対向している。すなわち、図３には、いわゆる十字型４極状の二次光源３１が示されている。図２を参照すると、偏光変換素子６は、十字型４極状の入射光束に対応するように、光軸ＡＸを中心とした円の周方向に等分割された４つの扇形形状の旋光部材を備えている。各旋光部材は光軸ＡＸと直交する平面（ＸＺ平面）に沿って延びる平行平面板の形態を有し、光軸ＡＸを挟んで対向する一対の旋光部材は互いに同じ特性を有する。

すなわち、４つの旋光部材は、光の透過方向（Ｙ方向）に沿った厚さ（光軸方向の長さ）が互いに異なる２種類の旋光部材６Ａおよび６Ｂを２個づつ含んでいる。一例として、光軸ＡＸを挟んでＸ方向に対向する一対の旋光部材６Ｂの厚さＤＢが、光軸ＡＸを挟んでＺ方向に対向する一対の旋光部材６Ａの厚さＤＡよりも大きく設定されている。その結果、偏光変換素子６の一方の面（たとえば入射面）は平面状であるが、他方の面（たとえば射出面）は各旋光部材の厚さの違いにより凹凸状になっている。なお、偏光変換素子６の双方の面（入射面および射出面）をともに凹凸状に形成することもできる。

旋光部材６Ａ，６Ｂは、旋光性を有する光学材料である結晶材料としての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（すなわち入射光の進行方向とほぼ一致）するように設定されている。以下、図４を参照して、水晶の旋光性について簡単に説明する。図４を参照すると、厚さｄの水晶からなる平行平面板状の光学部材１００が、その結晶光学軸と光軸ＡＸとが一致するように配置されている。この場合、光学部材１００の旋光性により、入射した直線偏光の偏光方向が光軸ＡＸ廻りにθだけ回転した状態で射出される。

このとき、光学部材１００の旋光性による偏光方向の回転角（旋光角度）θは、光学部材１００の厚さｄと水晶の旋光能ρとにより、次の式（ａ）で表わされる。一般に、水晶の旋光能ρ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ρは、１５３．９度／ｍｍである。
θ＝ｄ・ρ （ａ）

旋光部材６Ａは、Ｚ方向に偏光方向を有するＺ方向直線偏光の光が入射した場合、Ｚ方向をＹ軸廻りに９０度回転させた方向すなわちＸ方向に偏光方向を有するＸ方向直線偏光の光を射出するように厚さＤＡが設定されている。したがって、偏光変換素子６にＺ方向直線偏光の光が入射する場合、図３に示すように、４極状の二次光源３１のうち、一対の旋光部材６Ａの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円形状領域３１Ａを通過する光束の偏光方向はＸ方向になる。

一方、旋光部材６Ｂは、Ｚ方向直線偏光の光が入射した場合、Ｚ方向をＹ軸廻りに１８０度回転させた方向すなわちＺ方向に偏光方向を有するＺ方向直線偏光の光を射出するように厚さＤＢが設定されている。したがって、偏光変換素子６にＺ方向直線偏光の光が入射する場合、図３に示すように、一対の旋光部材６Ｂの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円形状領域３１Ｂを通過する光束の偏光方向はＺ方向になる。

制御部ＣＲは、図３に示すような周方向偏光４極照明（４極状の二次光源を通過する光束が周方向偏光状態に設定された変形照明）に際して、十字型４極照明用の回折光学素子４を照明光路中に設置するとともに、Ｚ方向直線偏光の光が偏光変換素子６に入射するように偏光状態切換系３の動作を制御する。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の照明瞳には、十字型４極状の二次光源（瞳強度分布）３１が形成され、４極状の二次光源３１を通過する光束が周方向偏光状態に設定される。周方向偏光状態では、４極状の二次光源３１を構成する円形状領域３１Ａ，３１Ｂをそれぞれ通過する光束は、光軸ＡＸを中心として各円形状領域３１Ａ，３１Ｂの中心点を通る円の当該中心点における接線方向とほぼ一致する偏光方向を有する直線偏光状態になる。

本実施形態では、照明光学系の比較的上流側に配置された偏光状態切換系３中の波長板３ａ，３ｂと偏光変換素子６との協働作用により、偏光変換素子６の直後において所望の周方向偏光状態が生成される。しかしながら、偏光変換素子６よりも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上では所望の周方向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。

特に、偏光変換素子６よりも下流側に配置された平面反射鏡（例えば、光路折り曲げミラーＰＭ２）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、偏光状態切換系３と偏光変換素子６とを用いて所望の偏光状態の光を生成しても、光路折り曲げミラーＰＭ２などの光学素子を介してウェハＷに達する光は、所望の偏光状態から変化した偏光状態になってしまう。そこで、本実施形態では、結像光学系１２の瞳面またはその近傍の位置、すなわち光路折り曲げミラーＰＭ２と結像光学系１２の後側レンズ群１２ｂとの間の光路中に偏光子ユニット１３を付設している。

図５は、本実施形態の偏光子ユニットの構成を概略的に示す図である。図５を参照すると、本実施形態の偏光子ユニット１３は、結像光学系１２の瞳面またはその近傍の位置（ひいては照明瞳面またはその近傍の位置）において光軸ＡＸと直交する平面に沿って並列配置された４つの偏光子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄと、各偏光子１３ａ〜１３ｄの位置および姿勢を変化させる駆動部１３ｅとを備えている。

図５に示す第１状態では、図３に示す瞳強度分布３１の形状（十字型４極状の外形形状）に対応するように、４つの偏光子１３ａ〜１３ｄのうちの一対の偏光子１３ａ，１３ｃは光軸ＡＸを挟んでＹ方向（図３におけるＺ方向に対応）に対向して配置されており、一対の偏光子１３ｂ，１３ｄは光軸ＡＸを挟んでＸ方向（図３におけるＸ方向に対応）に対向して配置されている。ただし、各偏光子１３ａ〜１３ｄは、光軸ＡＸと平行な中心軸線廻りに回転可能（自転可能）に構成され、且つ光軸ＡＸを中心として回転可能（公転可能）に構成されている。また、各偏光子１３ａ〜１３ｄは、照明光路から選択的に退避可能に構成されている。

すなわち、駆動部１３ｅは、制御部ＣＲからの指令にしたがって、光軸ＡＸと直交する平面内での偏光子１３ａ〜１３ｄの位置および姿勢を個別に変化させる。図５に示す第１状態では、図３に示す瞳強度分布３１の偏光状態（周方向偏光状態）に対応するように、一対の偏光子１３ａ，１３ｃは入射光からＸ方向直線偏光の光を選択して射出するような姿勢で配置され、一対の偏光子１３ｂ，１３ｄは入射光からＹ方向直線偏光の光を選択して射出するような姿勢で配置されている。

したがって、図３に示す周方向偏光４極照明に際して、偏光子ユニット１３が図５に示す第１状態に設定されている場合、一対の面光源３１Ａを形成した光束は一対の偏光子１３ａ，１３ｃに入射し、一対の面光源３１Ｂを形成した光束は一対の偏光子１３ｂ，１３ｄに入射する。このとき、偏光変換素子６と偏光子ユニット１３との間の光路中に配置された光学素子の影響（とりわけ光路折り曲げミラーＰＭ２のような平面反射鏡の影響）により、一対の偏光子１３ａ，１３ｃに入射する光の偏光状態は所望のＸ方向直線偏光状態から変化（例えばＸ方向直線偏光成分以外の直線偏光成分が混在）し、一対の偏光子１３ｂ，１３ｄに入射する光の偏光状態は所望のＹ方向直線偏光状態から変化している可能性がある。

図５に示す第１状態に設定された偏光子ユニット１３は、一対の偏光子１３ａ，１３ｃの作用により所望のＸ方向直線偏光状態から変化した偏光状態で入射した光を所望のＸ方向直線偏光状態に近づけて射出するとともに、一対の偏光子１３ｂ，１３ｄの作用により所望のＹ方向直線偏光状態から変化した偏光状態で入射した光を所望のＹ方向直線偏光状態に近づけて射出する。すなわち、偏光子ユニット１３は、所望の周方向偏光状態から変化した偏光状態の光が入射しても、図３に示す周方向偏光４極照明に対応して図５に示す第１状態に設定された４つの偏光子１３ａ〜１３ｄの作用により、入射光を所望の周方向偏光状態に近づけて射出する。

本実施形態では、制御部ＣＲが偏光状態切換系３を制御して偏光変換素子６に入射する光の偏光状態をＺ方向直線偏光からＸ方向直線偏光へ切り換えることにより、図６に示すように十字型４極状の二次光源３２を通過する光束が径方向偏光状態に設定された変形照明、すなわち径方向偏光４極照明を実現することができる。径方向偏光状態では、４極状の二次光源３２を構成する円形状領域３２Ａ，３２Ｂをそれぞれ通過する光束は、光軸ＡＸを中心として各円形状領域３２Ａ，３２Ｂの中心点を通る円の当該中心点における接線方向とほぼ直交する径方向に偏光方向を有する直線偏光状態になる。あるいは、制御部ＣＲが偏光変換素子６を光軸ＡＸ廻りに９０度だけ回転させることにより、図６に示す径方向偏光４極照明を実現することができる。

具体的に、径方向偏光状態に設定された十字型４極状の二次光源３２では、光軸ＡＸを挟んでＺ方向に対向する一対の円形状領域３２Ａを通過する光束の偏光方向はＺ方向になり、光軸ＡＸを挟んでＸ方向に対向する一対の円形状領域３２Ｂを通過する光束の偏光方向はＸ方向になる。この場合、制御部ＣＲは、偏光子ユニット１３の駆動部１３ｅを介して、光軸ＡＸと直交する平面内での偏光子１３ａ〜１３ｄの姿勢を図５に示す第１状態から図７に示す第２状態へ変化させる。

図７に示す第２状態では、図６に示す瞳強度分布３２の偏光状態（径方向偏光状態）に対応するように、一対の偏光子１３ａ，１３ｃは入射光からＹ方向直線偏光の光を選択して射出するような姿勢で配置され、一対の偏光子１３ｂ，１３ｄは入射光からＸ方向直線偏光の光を選択して射出するような姿勢で配置されている。図７に示す第２状態は、図５に示す第１状態から、偏光子１３ａ〜１３ｄをそれぞれ中心軸線廻りに９０度だけ回転（自転）させることにより得られる。換言すれば、図７に示す第２状態は、図５に示す第１状態から偏光子１３ａ〜１３ｄの位置を変化させることなく、偏光子１３ａ〜１３ｄの姿勢だけを変化させることにより得られる。

図６に示す径方向偏光４極照明に際して、偏光子ユニット１３が図７に示す第２状態に設定されている場合、一対の面光源３２Ａを形成した光束は一対の偏光子１３ａ，１３ｃに入射し、一対の面光源３２Ｂを形成した光束は一対の偏光子１３ｂ，１３ｄに入射する。このとき、偏光変換素子６と偏光子ユニット１３との間の光路中に配置された光学素子の影響により、一対の偏光子１３ａ，１３ｃに入射する光の偏光状態は所望のＹ方向直線偏光状態から変化し、一対の偏光子１３ｂ，１３ｄに入射する光の偏光状態は所望のＸ方向直線偏光状態から変化している可能性がある。

図７に示す第２状態に設定された偏光子ユニット１３は、一対の偏光子１３ａ，１３ｃの作用により所望のＹ方向直線偏光状態から変化した偏光状態で入射した光を所望のＹ方向直線偏光状態に近づけて射出するとともに、一対の偏光子１３ｂ，１３ｄの作用により所望のＸ方向直線偏光状態から変化した偏光状態で入射した光を所望のＸ方向直線偏光状態に近づけて射出する。すなわち、偏光子ユニット１３は、所望の径方向偏光状態から変化した偏光状態の光が入射しても、図６に示す径方向偏光４極照明に対応して図７に示す第２状態に設定された４つの偏光子１３ａ〜１３ｄの作用により、入射光を所望の径方向偏光状態に近づけて射出する。

また、本実施形態では、制御部ＣＲが十字型４極照明用の回折光学素子からＸ字型４極照明用の回折光学素子へ切り換えることにより、図８に示すようなＸ字型４極状の二次光源３３を形成することができる。そして、制御部ＣＲが偏光変換素子６を光軸ＡＸ廻りに４５度だけ回転させ、且つ偏光状態切換系３を制御して偏光変換素子６に入射する光の偏光状態をＺ方向およびＸ方向と４５度をなす斜め方向に偏光方向を有する斜め方向直線偏光へ切り換えることにより、図８に示す径方向偏光４極照明を実現することができる。

径方向偏光状態に設定されたＸ字型４極状の二次光源３３では、光軸ＡＸを挟んで対向する一対の円形状領域３３Ａおよび一対の円形状領域３３Ｂを通過する光束の偏光方向はともに、Ｚ方向およびＸ方向と４５度をなす径方向になる。この場合、制御部ＣＲは、駆動部１３ｅを介して、光軸ＡＸと直交する平面内での偏光子１３ａ〜１３ｄの位置および姿勢を図７に示す第２状態から図９に示す第３状態へ変化させる。

図９に示す第３状態では、図８に示す瞳強度分布３３の形状（Ｘ字型４極状の外形形状）に対応するように、４つの偏光子１３ａ〜１３ｄがＺ方向およびＸ方向と４５度をなす斜め方向に配置されている。また、図９に示す第３状態では、図８に示す瞳強度分布３３の偏光状態（径方向直線偏光）に対応するように、一対の偏光子１３ａ，１３ｃおよび一対の偏光子１３ｂ，１３ｄはともに入射光から径方向直線偏光の光を選択して射出するような姿勢で配置されている。

図９に示す第３状態は、図７に示す第２状態から、偏光子１３ａ〜１３ｄを光軸ＡＸ廻りに４５度だけ回転（公転）させることにより得られる。換言すれば、図９に示す第３状態は、図７に示す第２状態から、偏光子１３ａ〜１３ｄの位置および姿勢を変化させることにより得られる。図８に示す径方向偏光４極照明に際して、偏光子ユニット１３が図９に示す第３状態に設定されている場合、一対の面光源３３Ａを形成した光束は一対の偏光子１３ａ，１３ｃに入射し、一対の面光源３３Ｂを形成した光束は一対の偏光子１３ｂ，１３ｄに入射する。

このとき、偏光変換素子６と偏光子ユニット１３との間の光路中に配置された光学素子の影響により、一対の偏光子１３ａ，１３ｃに入射する光の偏光状態および一対の偏光子１３ｂ，１３ｄに入射する光の偏光状態は所望の径方向直線偏光状態から変化している可能性がある。図９に示す第３状態に設定された偏光子ユニット１３は、偏光子１３ａ〜１３ｄの作用により所望の径方向直線偏光状態から変化した偏光状態で入射した光を所望の径方向直線偏光状態に近づけて射出する。すなわち、偏光子ユニット１３は、所望の径方向偏光状態から変化した偏光状態の光が入射しても、図８に示す径方向偏光４極照明に対応して図９に示す第３状態に設定された４つの偏光子１３ａ〜１３ｄの作用により、入射光を所望の径方向偏光状態に近づけて射出する。

一般に、周方向偏光状態の複数極状や輪帯状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（感光性基板）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。

また、径方向偏光状態の複数極状や輪帯状の瞳強度分布に基づく径方向偏光照明では、最終的な被照射面としてのウェハＷに照射される光がＰ偏光を主成分とする偏光状態になる。ここで、Ｐ偏光とは、上述のように定義される入射面に対して平行な方向に偏光方向を有する直線偏光（入射面に平行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。その結果、径方向偏光照明では、ウェハＷに塗布されたレジストにおける光の反射率を小さく抑えて、ウェハ（感光性基板）上において良好なマスクパターン像を得ることができる。

以上のように、本実施形態の偏光子ユニット１３では、瞳強度分布の形状を十字型４極状とＸ字型４極状との間で切り換えても、瞳強度分布の偏光状態を周方向偏光状態と径方向偏光状態との間で切り換えても、４つの偏光子１３ａ〜１３ｄの位置または姿勢を変更することにより、入射光を所望の偏光状態に近づけて射出することができる。換言すれば、偏光子ユニット１３は、瞳強度分布の形状または偏光状態を切り換えても、所望の偏光状態から変化した偏光状態で入射した光を所望の偏光状態に近づけて射出することができる。その結果、偏光子ユニット１３の直後、すなわち照明光学系（２〜１３）の光路中の最も下流側の照明瞳またはその近傍に、ほぼ所望の偏光状態を有する光強度分布が生成される。

したがって、本実施形態の照明光学系（２〜１３）では、瞳強度分布の形状または偏光状態を切り換えても、所望の偏光状態から変化した偏光状態で入射した光を所望の偏光状態に近づけて射出する偏光子ユニット１３を用いて、所要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（２〜ＷＳ）では、所要の偏光状態の光でマスクＭのパターンを照明する照明光学系（２〜１３）を用いて、所要の偏光状態でパターンをウェハ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、図１の構成において、偏光状態切換系３および偏光変換素子６は、偏光子ユニット１３への入射光束の偏光状態を切り換える偏光切換部を構成している。また、偏光状態切換系３、回折光学素子４、アフォーカルレンズ５、偏光変換素子６、ズームレンズ８、およびマイクロフライアイレンズ９は、照明瞳面に形成される光強度分布（瞳強度分布）の形状および偏光状態を変化させる瞳分布光学系を構成している。

制御部ＣＲは、偏光子ユニット１３および偏光切換部（３，６）を制御し、偏光切換部（３，６）による瞳強度分布の偏光状態の変更に応じて、４つの偏光子１３ａ〜１３ｄのそれぞれの姿勢を変更する。また、制御部ＣＲは、偏光子ユニット１３および瞳分布光学系（３〜９）を制御し、瞳分布光学系（３〜９）による瞳強度分布の形状および偏光状態の変更に応じて、４つの偏光子１３ａ〜１３ｄのそれぞれの位置および姿勢のうちの少なくとも一方を変更する。

なお、上述の実施形態では、図３の十字型４極状で周方向偏光状態の瞳強度分布３１から、図６の十字型４極状で径方向偏光状態の瞳強度分布３２を経て、図８のＸ字型４極状で径方向偏光状態の瞳強度分布３３へ順次切り換える際に、偏光子ユニット１３の偏光子１３ａ〜１３ｄの位置および姿勢を図５の第１状態から図７の第２状態を経て図９の第３状態へ順次変更させている。しかしながら、これに限定されることなく、図３の十字型４極状で周方向偏光状態の瞳強度分布３１からＸ字型４極状で周方向偏光状態の瞳強度分布（不図示）への切り換えに際して、図１０に示すように、偏光子ユニット１３の偏光子１３ａ〜１３ｄの位置および姿勢を第１状態から所要の第４状態へ変更させる変形例も可能である。

図１０の左側の図に示す第１状態では、４つの円形状の偏光子１３ａ〜１３ｄが図５と同じ位置に同じ姿勢で配置され、光軸ＡＸを中心とする円環状の外枠部材１３ｆが偏光子１３ａ〜１３ｄに外接している。偏光子１３ａ〜１３ｄは外枠部材１３ｆの内周面との接点位置において外枠部材１３ｆに固定され、外枠部材１３ｆは光軸ＡＸ廻りに回転可能に構成されている。したがって、図１０の変形例では、外枠部材１３ｆが光軸ＡＸ廻りに４５度だけ回転すると、偏光子１３ａ〜１３ｄは光軸ＡＸ廻りに４５度だけ回転しつつ各中心軸線廻りに４５度だけ回転する。その結果、図１０の変形例では、図示を省略した駆動部１３ｅにより外枠部材１３ｆを光軸ＡＸ廻りに４５度だけ回転させることにより、図１０の右側の図に示すように、Ｘ字型４極状で周方向偏光状態の瞳強度分布に対応する偏光子ユニット１３の第４状態を実現することができる。

また、図３の十字型４極状で周方向偏光状態の瞳強度分布３１から図８のＸ字型４極状で径方向偏光状態の瞳強度分布３３への切り換えに際して、図１１に示すように、偏光子ユニット１３の偏光子１３ａ〜１３ｄの位置および姿勢を第１状態から第３状態へ変更させる変形例も可能である。図１１の左側の図に示す第１状態では、４つの円形状の偏光子１３ａ〜１３ｄが図５と同じ位置に同じ姿勢で配置され、光軸ＡＸを中心とする円環状の外枠部材１３ｇが偏光子１３ａ〜１３ｄに外接している。偏光子１３ａ〜１３ｄの外周面および円環状の外枠部材１３ｇの内周面には相補的な凹凸状の係合部が形成され、偏光子１３ａ〜１３ｄは外枠部材１３ｇの内周面との接点位置において外枠部材１３ｇと係合している。

外枠部材１３ｇは光軸ＡＸ廻りに回転可能に構成され、外枠部材１３ｇを光軸ＡＸ廻りに４５度だけ回転させたときに偏光子１３ａ〜１３ｄが各中心軸線廻りに１３５度だけ回転するように構成されている。その結果、図１１の変形例では、図示を省略した駆動部１３ｅにより外枠部材１３ｇを光軸ＡＸ廻りに４５度だけ回転させることにより、図１１の右側の図に示すように、Ｘ字型４極状で径方向偏光状態の瞳強度分布に対応する偏光子ユニット１３の第３状態を実現することができる。

図８のＸ字型４極状で径方向偏光状態の瞳強度分布３３および図示を省略したＸ字型４極状で周方向偏光状態の瞳強度分布は、円形状領域を通過する光束の偏光方向がＸ方向およびＺ方向と４５度をなす斜め方向になるため、偏光変換素子６と偏光子ユニット１３との間の光路中に配置された光学素子（とりわけ平面反射鏡）の影響を受け易く、従来技術では正確に生成することが困難であった。

また、上述の実施形態では、瞳強度分布の形状について十字型４極状とＸ字型４極状との間の切り換え、および瞳強度分布の偏光状態について周方向偏光状態と径方向偏光状態との間の切り換えを例にとって本発明を説明している。しかしながら、これに限定されることなく、４極照明以外の複数極照明や輪帯照明などに対しても、周方向偏光照明や径方向偏光照明以外の偏光照明に対しても同様に本発明を適用することができる。

また、上述の実施形態では、図５に示す特定の構成を有する偏光子ユニット１３を例にとって本発明を説明している。しかしながら、これに限定されることなく、偏光子ユニットの構成および配置については、様々な形態が可能である。すなわち、偏光子ユニットを構成する偏光子の構造、外形形状、数、位置関係などについて、様々な形態が可能である。たとえば、偏光子として、ワイヤ・グリッド型の偏光子、入射光束の進行方向に対してほぼブリュースター角となる角度で配置される屈折面を備える偏光子などを用いることができる。

ワイヤ・グリッド型の偏光子は、細い金属線を平行に並べたものであり、金属線に垂直に振動する電気ベクトルを持つ偏光を透過し、金属に平行に振動する電気ベクトルを持つ偏光を反射することにより、直線偏光を得るものである。このようなワイヤ・グリッド型の偏光子としては、たとえば米国特許第６，７８５，０５０号明細書、米国特許第７，２６８，９４６号明細書、特開２００４−１４４８８４号公報、米国特許公開第２００４／０１７４５９６号公報などに開示されている。ブリュースター角を利用した偏光子は、図１２に示すように、例えば互いに同じ形態を有する一対のプリズムアレイ部材４１と４２とにより構成されている。プリズムアレイ部材４１，４２は、ＭＥＭＳ技術を用いて平行平面板の両面にプリズムアレイを形成することにより製造される。

ブリュースター角を利用した偏光子１３ｈでは、図示を省略した光軸ＡＸと平行な方向（図１２の紙面において水平方向）に沿って第１プリズムアレイ部材４１の入射側屈折面４１ａにブリュースター角（約５６度）にほぼ等しい入射角で入射した光が、入射側屈折面４１ａにより屈折され、第１プリズムアレイ部材４１の内部を伝播し、入射側屈折面４１ａと平行な射出側屈折面４１ｂにより屈折された後、光軸ＡＸと平行な方向に沿って第１プリズムアレイ部材４１から射出される。光軸ＡＸと平行な方向に沿って第２プリズムアレイ部材４２の入射側屈折面４２ａにブリュースター角にほぼ等しい入射角で入射した光は、入射側屈折面４２ａにより屈折され、第２プリズムアレイ部材４２の内部を伝播し、入射側屈折面４２ａと平行な射出側屈折面４２ｂにより屈折された後、光軸ＡＸと平行な方向であって第１プリズムアレイ部材４１への入射光の進行方向と一致する方向に沿って第２プリズムアレイ部材４２から射出される。

ブリュースター角を利用した偏光子１３ｈでは、パイルオブプレーツの原理にしたがって、１つの屈折面の通過に際して、図１２の紙面において鉛直方向に偏光するＰ偏光の透過率が約１００％であり、図１２の紙面に垂直な方向に偏光するＳ偏光の透過率が約８５％である。ブリュースター角を利用した偏光子は、米国特許第５，９３４，７８０号明細書、米国特許第６，１９０，０１６号明細書、米国特許第６，２９２，２９６号明細書、米国特許第６，３０７，６０９号明細書などに開示されている。

また、上述の実施形態では、偏光子ユニット１３の偏光子１３ａ〜１３ｄが結像光学系１２の瞳面またはその近傍の位置において光軸ＡＸと直交する平面に沿って並列配置され、偏光子１３ａ〜１３ｄの位置および姿勢を光軸ＡＸと直交する平面内で変化させている。しかしながら、これに限定されることなく、前側レンズ群１２ａと光路折り曲げミラーＰＭ２との間の結像光学系１２の瞳面またはその近傍に偏光子ユニットを配置したり、マイクロフライアイレンズ９の入射面の近傍などに偏光子ユニットを配置したりすることもできる。また、少なくとも１つの偏光子を光軸と直交する平面に対して傾けて配置したり、複数の偏光子を光軸方向に互いに位置ずれさせて配置したりすることもできる。本発明では、複数の偏光子が照明光学系の照明瞳面またはその近傍に並列配置され、複数の偏光子のそれぞれは位置および姿勢のうちの少なくとも一方が可変に構成されていることが重要である。

また、上述の実施形態では、入射光を空間的に変調して射出する空間光変調素子として回折光学素子４を用いている。しかしながら、回折光学素子４に代えて、或いは回折光学素子４に加えて、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用いることもできる。この種の空間光変調器は、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。このような空間光変調器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９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８の後側にその前側焦点位置がズームレンズ８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っても良い。

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１３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１３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１４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１４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。

１ 光源
３ 偏光状態切換系
４ 回折光学素子
５ アフォーカルレンズ
６ 偏光変換素子
７ 円錐アキシコン系
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
１３ 偏光子ユニット
Ｍ マスク
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ
ＣＲ 制御部

Claims (24)

1. 光源からの光により被照射面を照明する照明光学系に用いられて、入射光束の偏光状態を所要の偏光状態に変えて射出する偏光子ユニットであって、
   前記照明光学系の照明瞳面またはその近傍に並列配置された複数の偏光子を備え、
   前記複数の偏光子のそれぞれは、位置および姿勢のうちの少なくとも一方が可変に構成されていることを特徴とする偏光子ユニット。
2. 前記複数の偏光子は、前記照明光学系の光軸と直交する平面内での位置および前記平面内での姿勢のうちの少なくとも一方が可変に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の偏光子ユニット。
3. 前記複数の偏光子は、前記照明光学系の光軸を挟んで対向して配置された第１偏光子と第２偏光子とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の偏光子ユニット。
4. 前記第１偏光子は、前記光軸と平行な中心軸線廻りに回転可能に構成され、
   前記第２偏光子は、前記光軸と平行な中心軸線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３に記載の偏光子ユニット。
5. 前記第１偏光子および前記第２偏光子は、前記光軸を中心として回転可能に構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の偏光子ユニット。
6. 前記複数の偏光子は、ワイヤ・グリッド型の偏光子を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の偏光子ユニット。
7. 前記複数の偏光子は、前記入射光束の進行方向に対してほぼブリュースター角となる角度で配置される屈折面を備える偏光子を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の偏光子ユニット。
8. 前記複数の偏光子は、光路から選択的に退避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項に記載の偏光子ユニット。
9. 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、
   前記照明光学系の照明瞳面またはその近傍に配置された請求項１乃至８のいずれか１項に記載の偏光子ユニットを備えていることを特徴とする照明光学系。
10. 前記照明瞳面に形成される光強度分布の形状および偏光状態を変化させる瞳分布光学系を備えていることを特徴とする請求項９に記載の照明光学系。
11. 前記偏光子ユニットおよび前記瞳分布光学系を制御する制御部を備え、
    該制御部は、前記瞳分布光学系による前記光強度分布の形状および前記偏光状態の変更に応じて、前記複数の偏光子のそれぞれの前記位置および前記姿勢のうちの少なくとも一方を変更することを特徴とする請求項１０に記載の照明光学系。
12. 前記瞳分布光学系は、前記偏光子ユニットへの入射光束の偏光状態を切り換える偏光切換部を有することを特徴とする請求項１０または１１に記載の照明光学系。
13. 前記偏光子ユニットおよび前記偏光切換部を制御する制御部を備え、
    該制御部は、前記偏光切換部による前記偏光状態の変更に応じて、前記複数の偏光子のそれぞれの前記姿勢を変更することを特徴とする請求項１２に記載の照明光学系。
14. 前記瞳分布光学系は、入射光を空間的に変調して射出する空間光変調素子と、オプティカルインテグレータと、該オプティカルインテグレータと前記空間光変調素子との間の光路中に配置された集光光学系とを有することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の照明光学系。
15. 前記空間光変調素子は、回折光学素子を有することを特徴とする請求項１４に記載の照明光学系。
16. 前記空間光変調素子は、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を備えていることを特徴とする請求項１４または１５に記載の照明光学系。
17. 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、前記照明瞳面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９乃至１６のいずれか１項に記載の照明光学系。
18. 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、
    前記光源からの光の進行方向を偏向させる少なくとも１つの光路折り曲げミラーと、
    前記少なくとも１つの光路折り曲げミラーのうち最も前記被照射面側に配置される光路折り曲げミラーと前記被照射面との間の光路中に配置される偏光子と、を備えていることを特徴とする照明光学系。
19. 前記偏光子は、前記照明光学系の照明瞳面またはその近傍に配置されることを特徴とする請求項１８に記載の照明光学系。
20. 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、前記照明瞳面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１９に記載の照明光学系。
21. 前記偏光子は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の偏光子ユニットが有する複数の偏光子であることを特徴とする請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の照明光学系。
22. 所定のパターンを照明するための請求項９乃至２１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。
23. 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２２に記載の露光装置。
24. 請求項２２または２３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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