JP2016212434A - 光束変換素子、照明光学装置、露光装置、および露光方法 - Google Patents

光束変換素子、照明光学装置、露光装置、および露光方法 Download PDF

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Abstract

【課題】光量損失を良好に抑えつつ、周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することのできる照明光学装置を提供する。【解決手段】照明光学装置は、入射光束に基づいて所定面に輪帯状の光強度分布を形成するための光束変換素子(50)を備えている。光束変換素子は、旋光性を有する光学材料により形成されて、入射光束に基づいて輪帯状の光強度分布のうちの第１円弧状領域分布を形成するための第１基本素子(50A)と、第２円弧状領域分布を形成するための第２基本素子(50B)と、第３円弧状領域分布を形成するための第３基本素子(50C)と、第４円弧状領域分布を形成するための第４基本素子(50D)とにより構成されている。各基本素子は光の透過方向に沿った厚さが互いに異なる。【選択図】図１１

Description

本発明は、光束変換素子、照明光学装置、露光装置、および露光方法に関し、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マイクロデバイスをリソグラフィー工程で製造する際に使用される露光装置に好適な照明光学装置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を形成する。二次光源（一般には、照明光学装置の照明瞳またはその近傍に形成される照明瞳分布）からの光束は、フライアイレンズの後側焦点面の近傍に配置された開口絞りを介して制限された後、コンデンサーレンズに入射する。
コンデンサーレンズにより集光された光束は、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。マスクのパターンを透過した光は、投影光学系を介してウェハ上に結像する。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。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。
たとえば本出願人の出願にかかる特許第３２４６６１５号公報には、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に輪帯状の二次光源を形成し、この輪帯状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開示されている。
特許第３２４６６１５号公報
しかしながら、上述の公報に開示された従来技術では、フライアイレンズを介して形成された円形状の光束を輪帯状の開口部を有する開口絞りを介して制限することにより輪帯状の二次光源を形成している。その結果、従来技術では、開口絞りにおいて大きな光量損失が発生し、ひいては露光装置のスループットが低下するという不都合があった。
本発明は、光量損失を良好に抑えつつ、周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することを目的とする。また、本発明は、光量損失を良好に抑えつつ周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することによって、適切な照明条件のもとで任意方向の微細パターンを忠実に且つ高スループットで転写することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明の第１形態では、入射光束に基づいて所定面に所定の光強度分布を形成するための光束変換素子において、
旋光性を有する光学材料により形成されて、前記入射光束に基づいて前記所定の光強度分布のうちの第１領域分布を形成するための第１基本素子と、
旋光性を有する光学材料により形成されて、前記入射光束に基づいて前記所定の光強度分布のうちの第２領域分布を形成するための第２基本素子とを備え、 前記第１基本素子と前記第２基本素子とは、光の透過方向に沿った厚さが互いに異なることを特徴とする光束変換素子を提供する。
本発明の第２形態では、入射光束に基づいて、該入射光束の断面形状とは異なる形状の所定の光強度分布を所定面上に形成するための光束変換素子において、
前記所定面上に前記所定の光強度分布を形成するための、回折面または屈折面を備え、
前記所定の光強度分布は、前記所定面における所定点を中心とする所定の輪帯領域である所定輪帯領域の少なくとも一部に分布し、
前記所定輪帯領域を通過する前記光束変換素子からの光束は、前記所定輪帯領域の円周方向を偏光方向とする直線偏光を主成分とする偏光状態を有することを特徴とする光束変換素子を提供する。
本発明の第３形態では、光源からの光束に基づいて被照射面を照明する照明光学装置において、
前記照明光学装置の照明瞳またはその近傍に照明瞳分布を形成するために前記光源からの光束を変換するための第１形態または第２形態の光束変換素子を備えていることを特徴とする照明光学装置を提供する。
本発明の第４形態では、マスクを照明するための第３形態の照明光学装置を備え、前記マスクのパターンを感光性基板上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３形態の照明光学装置を用いてマスクを照明する照明工程と、前記マスクのパターンを感光性基板上に露光する露光工程とを含むことを特徴とする露光方法を提供する。
本発明の照明光学装置では、開口絞りにおいて大きな光量損失が発生する従来技術とは異なり、光束変換素子としての回折光学素子の回折作用と旋光作用とにより、光量損失を実質的に発生させることなく、周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することができる。すなわち、本発明の照明光学装置では、光量損失を良好に抑えつつ、周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することができる。
また、本発明の照明光学装置を用いる露光装置および露光方法では、光量損失を良好に抑えつつ周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することのできる照明光学装置を用いているので、適切な照明条件のもとで任意方向の微細パターンを忠実に且つ高スループットで転写することができ、ひいては高いスループットで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照明光学装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。 輪帯照明において形成される輪帯状の二次光源を示す図である。 図１においてアフォーカルレンズの前側レンズ群と後側レンズ群との間の光路中に配置された円錐アキシコン系の構成を概略的に示す図である。 輪帯状の二次光源に対する円錐アキシコン系の作用を説明する図である。 輪帯状の二次光源に対するズームレンズの作用を説明する図である。 図１においてアフォーカルレンズの前側レンズ群と後側レンズ群との間の光路中に配置された第１シリンドリカルレンズ対および第２シリンドリカルレンズ対の構成を概略的に示す図である。 輪帯状の二次光源に対する第１シリンドリカルレンズ対および第２シリンドリカルレンズ対の作用を説明する第１の図である。 輪帯状の二次光源に対する第１シリンドリカルレンズ対および第２シリンドリカルレンズ対の作用を説明する第２の図である。 輪帯状の二次光源に対する第１シリンドリカルレンズ対および第２シリンドリカルレンズ対の作用を説明する第３の図である。 図１の偏光モニターの内部構成を概略的に示す斜視図である。 本実施形態にかかる周方向偏光輪帯照明用の回折光学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輪帯状の二次光源を概略的に示す図である。 第１基本素子の作用を説明する図である。 第２基本素子の作用を説明する図である。 第３基本素子の作用を説明する図である。 第４基本素子の作用を説明する図である。 水晶の旋光性について説明する図である。 周方向に沿って互いに離間した８つの円弧状領域からなる周方向偏光状態の８極状の二次光源および周方向に沿って互いに離間した４つの円弧状領域からなる周方向偏光状態の４極状の二次光源を示す図である。 周方向に沿って互いに重複した８つの円弧状領域からなる周方向偏光状態の輪帯状の二次光源を示す図である。 周方向に沿って互いに離間した６つの円弧状領域からなる周方向偏光状態の６極状の二次光源および周方向に沿って互いに離間した複数領域と光軸上の領域とを持つ周方向偏光状態の二次光源を示す図である。 周方向偏光輪帯照明用の回折光学素子の入射側の面を平面状にした例を示す図である。 マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法のフローチャートである。 マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得る際の手法の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照明光学装置を備えた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。本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２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源や１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦ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Ｚ方向に沿って射出されたほぼ平行な光束は、Ｘ方向に沿って細長く延びた矩形状の断面を有し、一対のレンズ２ａおよび２ｂからなるビームエキスパンダー２に入射する。各レンズ２ａおよび２ｂは、図１の紙面内（ＹＺ平面内）において負の屈折力および正の屈折力をそれぞれ有する。したがって、ビームエキスパンダー２に入射した光束は、図１の紙面内において拡大され、所定の矩形状の断面を有する光束に整形される。
整形光学系としてのビームエキスパンダー２を介したほぼ平行な光束は、折り曲げミラー３でＹ方向に偏向された後、１／４波長板４ａ、１／２波長板４ｂ、デポラライザ（非偏光化素子）４ｃ、および輪帯照明用の回折光学素子５を介して、アフォーカルレンズ６に入射する。ここで、１／４波長板４ａ、１／２波長板４ｂ、およびデポラライザ４ｃは、後述するように、偏光状態切換手段４を構成している。アフォーカルレンズ６は、その前側焦点位置と回折光学素子５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。
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。具体的には、輪帯照明用の回折光学素子５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、光束変換素子としての回折光学素子５に入射したほぼ平行光束は、アフォーカルレンズ６の瞳面に輪帯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６から射出される。
なお、アフォーカルレンズ６の前側レンズ群６ａと後側レンズ群６ｂとの間の光路中においてその瞳面またはその近傍には、光源側から順に、円錐アキシコン系８、第１シリンドリカルレンズ対９、および第２シリンドリカルレンズ対１０が配置されているが、その詳細な構成および作用については後述する。以下、説明を簡単にするために、円錐アキシコン系８、第１シリンドリカルレンズ対９、および第２シリンドリカルレンズ対１０の作用を無視して、基本的な構成および作用を説明する。
アフォーカルレンズ６を介した光束は、σ値可変用のズームレンズ１１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）１２に入射する。マイクロフライアイレンズ１２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１１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１２の入射面はズームレンズ１１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１１は、所定面７とマイクロフライアイレンズ１２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１２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１２の入射面上には、アフォーカルレンズ６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１１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１２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１２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（ひいては照明瞳）には、図２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が形成される。マイクロフライアイレンズ１２の後側焦点面に形成された二次光源（一般的には照明光学装置の瞳面またはその近傍に形成された照明瞳分布）からの光束は、ビームスプリッター１３ａおよびコンデンサー光学系１４を介した後、マスクブラインド１５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１５には、マイクロフライアイレンズ１２を構成する各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。なお、ビームスプリッター１３ａを内蔵する偏光モニター１３の内部構成および作用については後述する。マスクブラインド１５の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系１６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１６は、マスクブラインド１５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Ｍのパターンを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して、感光性基板であるウェハ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。
なお、偏光状態切換手段４において、１／４波長板４ａ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。また、１／２波長板４ｂ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面を変化させる。また、デポラライザ４ｃは、相補的な形状を有する楔形状の水晶プリズム（不図示）と楔形状の石英プリズム（不図示）とにより構成されている。水晶プリズムと石英プリズムとは、一体的なプリズム組立体として、照明光路に対して挿脱自在に構成されている。
光源１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、１／４波長板４ａにはほぼ直線偏光の光が入射する。しかしながら、光源１と偏光状態切換手段４との間の光路中に裏面反射鏡としての直角プリズムが介在する場合、入射する直線偏光の偏光面がＰ偏光面またはＳ偏光面に一致していないと、直角プリズムでの全反射により直線偏光が楕円偏光に変わる。
偏光状態切換手段４では、たとえば直角プリズムでの全反射に起因して楕円偏光の光が入射しても、１／４波長板４ａの作用により変換された直線偏光の光が１／２波長板４ｂに入射する。１／２波長板４ｂの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して０度または９０度の角度をなすように設定された場合、１／２波長板４ｂに入射した直線偏光の光は偏光面が変化することなくそのまま通過する。
また、１／２波長板４ｂの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定された場合、１／２波長板４ｂに入射した直線偏光の光は偏光面が９０度だけ変化した直線偏光の光に変換される。さらに、デポラライザ４ｃの水晶プリズムの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定された場合、水晶プリズムに入射した直線偏光の光は非偏光状態の光に変換（非偏光化）される。
偏光状態切換手段４では、デポラライザ４ｃが照明光路中に位置決めされたときに水晶プリズムの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように構成されている。ちなみに、水晶プリズムの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して０度または９０度の角度をなすように設定された場合、水晶プリズムに入射した直線偏光の光は偏光面が変化することなくそのまま通過する。また、１／２波長板４ｂの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して２２．５度の角度をなすように設定された場合、１／２波長板４ｂに入射した直線偏光の光は、偏光面が変化することなくそのまま通過する直線偏光成分と偏光面が９０度だけ変化した直線偏光成分とを含む非偏光状態の光に変換される。
偏光状態切換手段４では、上述したように、直線偏光の光が１／２波長板４ｂに入射するが、以下の説明を簡単にするために、図１においてＺ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光（以下、「Ｚ方向偏光」と称する）の光が１／２波長板４ｂに入射するものとする。デポラライザ４ｃを照明光路中に位置決めした場合、１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面（偏光方向）に対して０度または９０度の角度をなすように設定すると、１／２波長板４ｂに入射したＺ方向偏光の光は偏光面が変化することなくＺ方向偏光のまま通過してデポラライザ４ｃの水晶プリズムに入射する。水晶プリズムの結晶光学軸は入射するＺ方向偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定されているので、水晶プリズムに入射したＺ方向偏光の光は非偏光状態の光に変換される。
水晶プリズムを介して非偏光化された光は、光の進行方向を補償するためのコンペンセータとしての石英プリズムを介して、非偏光状態で回折光学素子５に入射する。一方、１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定すると、１／２波長板４ｂに入射したＺ方向偏光の光は偏光面が９０度だけ変化し、図１においてＸ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光（以下、「Ｘ方向偏光」と称する）の光になってデポラライザ４ｃの水晶プリズムに入射する。水晶プリズムの結晶光学軸は入射するＸ方向偏光の偏光面に対しても４５度の角度をなすように設定されているので、水晶プリズムに入射したＸ方向偏光の光は非偏光状態の光に変換され、石英プリズムを介して、非偏光状態で回折光学素子５に入射する。
これに対し、デポラライザ４ｃを照明光路から退避させた場合、１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して０度または９０度の角度をなすように設定すると、１／２波長板４ｂに入射したＺ方向偏光の光は偏光面が変化することなくＺ方向偏光のまま通過し、Ｚ方向偏光状態で回折光学素子５に入射する。一方、１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定すると、１／２波長板４ｂに入射したＺ方向偏光の光は偏光面が９０度だけ変化してＸ方向偏光の光になり、Ｘ方向偏光状態で回折光学素子５に入射する。
以上のように、偏光状態切換手段４では、デポラライザ４ｃを照明光路中に挿入して位置決めすることにより、非偏光状態の光を回折光学素子５に入射させることができる。また、デポラライザ４ｃを照明光路から退避させ且つ１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して０度または９０度の角度をなすように設定することにより、Ｚ方向偏光状態の光を回折光学素子５に入射させることができる。さらに、デポラライザ４ｃを照明光路から退避させ且つ１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して４５度をなすように設定することにより、Ｘ方向偏光状態の光を回折光学素子５に入射させることができる。
換言すれば、偏光状態切換手段４では、１／４波長板４ａと１／２波長板４ｂとデポラライザ４ｃとからなる偏光状態切換手段の作用により、回折光学素子５への入射光の偏光状態（後述する本発明にかかる周方向偏光輪帯照明用の回折光学素子以外の通常の回折光学素子を用いている場合にはマスクＭおよびウェハＷを照明する光の偏光状態）を直線偏光状態と非偏光状態との間で切り換えることができ、直線偏光状態の場合には互いに直交する偏光状態間（Ｚ方向偏光とＸ方向偏光との間）で切り換えることができる。
図３は、図１においてアフォーカルレンズの前側レンズ群と後側レンズ群との間の光路中に配置された円錐アキシコン系の構成を概略的に示す図である。円錐アキシコン系８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８ａ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８ｂとから構成されている。
そして、第１プリズム部材８ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材８ｂ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８ａおよび第２プリズム部材８ｂ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８ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材８ｂの凸円錐状の屈折面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８ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材８ｂ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８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８ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材８ｂの凸円錐状屈折面とを離間させると、円錐アキシコン系８は、いわゆるビームエキスパンダーとして機能する。したがって、円錐アキシコン系８の間隔の変化に伴って、所定面７への入射光束の角度は変化する。
図４は、輪帯状の二次光源に対する円錐アキシコン系の作用を説明する図である。図４を参照すると、円錐アキシコン系８の間隔が零で且つズームレンズ１１の焦点距離が最小値に設定された状態（以下、「標準状態」という）で形成された最も小さい輪帯状の二次光源３０ａが、円錐アキシコン系８の間隔を零から所定の値まで拡大させることにより、その幅（外径と内径との差の１／２：図中矢印で示す）が変化することなく、その外径および内径がともに拡大された輪帯状の二次光源３０ｂに変化する。換言すると、円錐アキシコン系８の作用により、輪帯状の二次光源の幅が変化することなく、その輪帯比（内径／外径）および大きさ（外径）がともに変化する。
図５は、輪帯状の二次光源に対するズームレンズの作用を説明する図である。図５を参照すると、標準状態で形成された輪帯状の二次光源３０ａが、ズームレンズ１１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、その全体形状が相似的に拡大された輪帯状の二次光源３０ｃに変化する。換言すると、ズームレンズ１１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。
図６は、図１においてアフォーカルレンズの前側レンズ群と後側レンズ群との間の光路中に配置された第１シリンドリカルレンズ対および第２シリンドリカルレンズ対の構成を概略的に示す図である。図６において、光源側から順に、第１シリンドリカルレンズ対９および第２シリンドリカルレンズ対１０が配置されている。第１シリンドリカルレンズ対９は、光源側から順に、たとえばＹＺ平面内に負屈折力を有し且つＸＹ平面内に無屈折力の第１シリンドリカル負レンズ９ａと、同じくＹＺ平面内に正屈折力を有し且つＸＹ平面内に無屈折力の第１シリンドリカル正レンズ９ｂとにより構成されている。
一方、第２シリンドリカルレンズ対１０は、光源側から順に、たとえばＸＹ平面内に負屈折力を有し且つＹＺ平面内に無屈折力の第２シリンドリカル負レンズ１０ａと、同じくＸＹ平面内に正屈折力を有し且つＹＺ平面内に無屈折力の第２シリンドリカル正レンズ１０ｂとにより構成されている。第１シリンドリカル負レンズ９ａと第１シリンドリカル正レンズ９ｂとは、光軸ＡＸを中心として一体的に回転するように構成されている。同様に、第２シリンドリカル負レンズ１０ａと第２シリンドリカル正レンズ１０ｂとは、光軸ＡＸを中心として一体的に回転するように構成されている。
こうして、図６に示す状態において、第１シリンドリカルレンズ対９はＺ方向にパワーを有するビームエキスパンダーとして機能し、第２シリンドリカルレンズ対１０はＸ方向にパワーを有するビームエキスパンダーとして機能する。なお、第１シリンドリカルレンズ対９のパワーと第２シリンドリカルレンズ対１０のパワーとは、互いに同じに設定されている。
図７〜図９は、輪帯状の二次光源に対する第１シリンドリカルレンズ対および第２シリンドリカルレンズ対の作用を説明する図である。図７では、第１シリンドリカルレンズ対９のパワー方向がＺ軸に対して光軸ＡＸ廻りに＋４５度の角度をなし、第２シリンドリカルレンズ対１０のパワー方向がＺ軸に対して光軸ＡＸ廻りに−４５度の角度をなすように設定されている。
したがって、第１シリンドリカルレンズ対９のパワー方向と第２シリンドリカルレンズ対１０のパワー方向とが互いに直交し、第１シリンドリカルレンズ対９と第２シリンドリカルレンズ対１０との合成系においてＺ方向のパワーとＸ方向のパワーとが互いに同じになる。その結果、図７に示す真円状態では、第１シリンドリカルレンズ対９と第２シリンドリカルレンズ対１０との合成系を通過する光束は、Ｚ方向およびＸ方向に同じパワーで拡大作用を受けることになり、照明瞳には真円輪帯状の二次光源が形成されることになる。
これに対し、図８では、第１シリンドリカルレンズ対９のパワー方向がＺ軸に対して光軸ＡＸ廻りに例えば＋８０度の角度をなし、第２シリンドリカルレンズ対１０のパワー方向がＺ軸に対して光軸ＡＸ廻りに例えば−８０度の角度をなすように設定されている。したがって、第１シリンドリカルレンズ対９と第２シリンドリカルレンズ対１０との合成系において、Ｚ方向のパワーよりもＸ方向のパワーの方が大きくなる。その結果、図８に示す横楕円状態では、第１シリンドリカルレンズ対９と第２シリンドリカルレンズ対１０との合成系を通過する光束は、Ｚ方向よりもＸ方向の方が大きなパワーで拡大作用を受けることになり、照明瞳にはＸ方向に細長い横長の輪帯状の二次光源が形成されることになる。
一方、図９では、第１シリンドリカルレンズ対９のパワー方向がＺ軸に対して光軸ＡＸ廻りに例えば＋１０度の角度をなし、第２シリンドリカルレンズ対１０のパワー方向がＺ軸に対して光軸ＡＸ廻りに例えば−１０度の角度をなすように設定されている。したがって、第１シリンドリカルレンズ対９と第２シリンドリカルレンズ対１０との合成系において、Ｘ方向のパワーよりもＺ方向のパワーの方が大きくなる。その結果、図９に示す縦楕円状態では、第１シリンドリカルレンズ対９と第２シリンドリカルレンズ対１０との合成系を通過する光束は、Ｘ方向よりもＺ方向の方が大きなパワーで拡大作用を受けることになり、照明瞳にはＺ方向に細長い縦長の輪帯状の二次光源が形成されることになる。
さらに、第１シリンドリカルレンズ対９および第２シリンドリカルレンズ対１０を図７に示す真円状態と図８に示す横楕円状態との間の任意の状態に設定することにより、様々な縦横比にしたがう横長の輪帯状の二次光源を形成することができる。また、第１シリンドリカルレンズ対９および第２シリンドリカルレンズ対１０を図７に示す真円状態と図９に示す縦楕円状態との間の任意の状態に設定することにより、様々な縦横比にしたがう縦長の輪帯状の二次光源を形成することができる。
図１０は、図１の偏光モニターの内部構成を概略的に示す斜視図である。図１０を参照すると、偏光モニター１３は、マイクロフライアイレンズ１２とコンデンサー光学系１４との間の光路中に配置された第１ビームスプリッター１３ａを備えている。第１ビームスプリッター１３ａは、たとえば石英ガラスにより形成されたノンコートの平行平面板（すなわち素ガラス）の形態を有し、入射光の偏光状態とは異なる偏光状態の反射光を光路から取り出す機能を有する。
第１ビームスプリッター１３ａにより光路から取り出された光は、第２ビームスプリッター１３ｂに入射する。第２ビームスプリッター１３ｂは、第１ビームスプリッター１３ａと同様に、例えば石英ガラスにより形成されたノンコートの平行平面板の形態を有し、入射光の偏光状態とは異なる偏光状態の反射光を発生させる機能を有する。そして、第１ビームスプリッター１３ａに対するＰ偏光が第２ビームスプリッター１３ｂに対するＳ偏光になり、且つ第１ビームスプリッター１３ａに対するＳ偏光が第２ビームスプリッター１３ｂに対するＰ偏光になるように設定されている。
また、第２ビームスプリッター１３ｂを透過した光は第１光強度検出器１３ｃにより検出され、第２ビームスプリッター１３ｂで反射された光は第２光強度検出器１３ｄにより検出される。第１光強度検出器１３ｃおよび第２光強度検出器１３ｄの出力は、それぞれ制御部（不図示）に供給される。制御部は、偏光状態切換手段４を構成する１／４波長板４ａ、１／２波長板４ｂおよびデポラライザ４ｃを必要に応じて駆動する。
上述のように、第１ビームスプリッター１３ａおよび第２ビームスプリッター１３ｂにおいて、Ｐ偏光に対する反射率とＳ偏光に対する反射率とが実質的に異なっている。したがって、偏光モニター１３では、第１ビームスプリッター１３ａからの反射光が、例えば第１ビームスプリッター１３ａへの入射光の１０％程度のＳ偏光成分（第１ビームスプリッター１３ａに対するＳ偏光成分であって第２ビームスプリッター１３ｂに対するＰ偏光成分）と、例えば第１ビームスプリッター１３ａへの入射光の１％程度のＰ偏光成分（第１ビームスプリッター１３ａに対するＰ偏光成分であって第２ビームスプリッター１３ｂに対するＳ偏光成分）とを含むことになる。
また、第２ビームスプリッター１３ｂからの反射光は、例えば第１ビームスプリッター１３ａへの入射光の１０％×１％＝０．１％程度のＰ偏光成分（第１ビームスプリッター１３ａに対するＰ偏光成分であって第２ビームスプリッター１３ｂに対するＳ偏光成分）と、例えば第１ビームスプリッター１３ａへの入射光の１％×１０％＝０．１％程度のＳ偏光成分（第１ビームスプリッター１３ａに対するＳ偏光成分であって第２ビームスプリッター１３ｂに対するＰ偏光成分）とを含むことになる。
こうして、偏光モニター１３では、第１ビームスプリッター１３ａが、その反射特性に応じて、入射光の偏光状態とは異なる偏光状態の反射光を光路から取り出す機能を有する。その結果、第２ビームスプリッター１３ｂの偏光特性による偏光変動の影響を僅かに受けるものの、第１光強度検出器１３ｃの出力（第２ビームスプリッター１３ｂの透過光の強度に関する情報、すなわち第１ビームスプリッター１３ａからの反射光とほぼ同じ偏光状態の光の強度に関する情報）に基づいて、第１ビームスプリッター１３ａへの入射光の偏光状態（偏光度）を、ひいてはマスクＭへの照明光の偏光状態を検知することができる。
また、偏光モニター１３では、第１ビームスプリッター１３ａに対するＰ偏光が第２ビームスプリッター１３ｂに対するＳ偏光になり且つ第１ビームスプリッター１３ａに対するＳ偏光が第２ビームスプリッター１３ｂに対するＰ偏光になるように設定されている。その結果、第２光強度検出器１３ｄの出力（第１ビームスプリッター１３ａおよび第２ビームスプリッター１３ｂで順次反射された光の強度に関する情報）に基づいて、第１ビームスプリッター１３ａへの入射光の偏光状態の変化の影響を実質的に受けることなく、第１ビームスプリッター１３ａへの入射光の光量（強度）を、ひいてはマスクＭへの照明光の光量を検知することができる。
こうして、偏光モニター１３を用いて、第１ビームスプリッター１３ａへの入射光の偏光状態を検知し、ひいてはマスクＭへの照明光が所望の非偏光状態または直線偏光状態になっているか否かを判定することができる。そして、制御部が偏光モニター１３の検知結果に基づいてマスクＭ（ひいてはウェハＷ）への照明光が所望の非偏光状態または直線偏光状態になっていないことを確認した場合、偏光状態切換手段４を構成する１／４波長板４ａ、１／２波長板４ｂおよびデポラライザ４ｃを駆動調整し、マスクＭへの照明光の状態を所望の非偏光状態または直線偏光状態に調整することができる。
なお、輪帯照明用の回折光学素子５に代えて、４極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、４極照明を行うことができる。４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、そのファーフィールドに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、４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１２の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした４つの円形状の照野からなる４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１２の後側焦点面にも、その入射面に形成された照野と同じ４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５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１２の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした円形状の照野からなる４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１２の後側焦点面にも、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。
さらに、輪帯照明用の回折光学素子５に代えて、他の複数極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、様々な複数極照明（２極照明、８極照明など）を行うことができる。同様に、輪帯照明用の回折光学素子５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。
本実施形態では、輪帯照明用の回折光学素子５に代えて、いわゆる周方向偏光輪帯照明用の回折光学素子５０を照明光路中に設定することによって、輪帯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、すなわち周方向偏光輪帯照明を行うことができる。図１１は、本実施形態にかかる周方向偏光輪帯照明用の回折光学素子の構成を概略的に示す図である。また、図１２は、周方向偏光状態に設定された輪帯状の二次光源を概略的に示す図である。
図１１および図１２を参照すると、本実施形態にかかる周方向偏光輪帯照明用の回折光学素子５０は、互いに同じ矩形状の断面を有し且つ光の透過方向（Ｙ方向）に沿った厚さ（光軸方向の長さ）が互いに異なる４種類の基本素子５０Ａ〜５０Ｄを縦横に且つ稠密に配置することにより構成されている。ここで、第１基本素子５０Ａの厚さが最も大きく、第４基本素子５０Ｄの厚さが最も小さく、第２基本素子５０Ｂの厚さは第３基本素子５０Ｃの厚さよりも大きく設定されている。
また、回折光学素子５０は、第１基本素子５０Ａと第２基本素子５０Ｂと第３基本素子５０Ｃと第４基本素子５０Ｄとをほぼ同数含み、４種類の基本素子５０Ａ〜５０Ｄはほぼランダム配置されている。さらに、各基本素子５０Ａ〜５０Ｄのマスク側には回折面（図中斜線部で示す）が形成され、各基本素子５０Ａ〜５０Ｄの回折面が光軸ＡＸ（図１１では不図示）と直交する１つの平面に沿うように整列されている。その結果、回折光学素子５０のマスク側の面は平面状であるが、回折光学素子５０の光源側の面は各基本素子５０Ａ〜５０Ｄの厚さの違いにより凹凸状になっている。
そして、第１基本素子５０Ａの回折面は、図１２に示す輪帯状の二次光源３１のうち、光軸ＡＸを通るＺ方向の軸線に関して対称的な一対の円弧状領域３１Ａを形成するように構成されている。すなわち、図１３に示すように、第１基本素子５０Ａは、回折光学素子５０のファーフィールド（ひいては各基本素子５０Ａ〜５０Ｄのファーフィールド）５０Ｅに光軸ＡＸを通るＺ方向の軸線に関して対称的な一対の円弧状の光強度分布３２Ａ（一対の円弧状領域３１Ａに対応）を形成する機能を有する。
第２基本素子５０Ｂの回折面は、光軸ＡＸを通るＺ方向の軸線をＹ軸廻りに−４５度回転させた（図１２中反時計回りに４５度回転させた）軸線に関して対称的な一対の円弧状領域３１Ｂを形成するように構成されている。すなわち、図１４に示すように、第２基本素子５０Ｂは、ファーフィールド５０Ｅに、光軸ＡＸを通るＺ方向の軸線をＹ軸廻りに−４５度回転させた軸線に関して対称的な一対の円弧状の光強度分布３２Ｂ（一対の円弧状領域３１Ｂに対応）を形成する機能を有する。
第３基本素子５０Ｃの回折面は、光軸ＡＸを通るＸ方向の軸線に関して対称的な一対の円弧状領域３１Ｃを形成するように構成されている。すなわち、図１５に示すように、第３基本素子５０Ｃは、ファーフィールド５０Ｅに、光軸ＡＸを通るＸ方向の軸線に関して対称的な一対の円弧状の光強度分布３２Ｃ（一対の円弧状領域３１Ｃに対応）を形成する機能を有する。
第４基本素子５０Ｄの回折面は、光軸ＡＸを通るＺ方向の軸線をＹ軸廻りに＋４５度回転させた（図１２中時計回りに４５度回転させた）軸線に関して対称的な一対の円弧状領域３１Ｄを形成するように構成されている。すなわち、図１６に示すように、第４基本素子５０Ｄは、ファーフィールド５０Ｅに、光軸ＡＸを通るＺ方向の軸線をＹ軸廻りに＋４５度回転させた軸線に関して対称的な一対の円弧状の光強度分布３２Ｄ（一対の円弧状領域３１Ｄに対応）を形成する機能を有する。なお、各円弧状領域３１Ａ〜３１Ｄの大きさは互いにほぼ等しく、８つの円弧状領域３１Ａ〜３１Ｄが互いに重複することなく且つ互いに離間することなく、光軸ＡＸを中心とした輪帯状の二次光源３１を構成している。
また、本実施形態では、各基本素子５０Ａ〜５０Ｄが旋光性を有する光学材料である水晶により構成され、各基本素子５０Ａ〜５０Ｄの結晶光学軸が光軸ＡＸとほぼ一致するように設定されている。以下、図１７を参照して、水晶の旋光性について簡単に説明する。図１７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３５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３５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３５の旋光性による偏光方向の回転角θは、光学部材３５の厚さｄと水晶の旋光能ρとにより、次の式（１）で表わされる。
θ＝ｄ・ρ （１）
一般に、水晶の旋光能ρは使用光の波長が短くなると大きくなる傾向があるが、「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。
本実施形態において、第１基本素子５０Ａは、図１３に示すように、Ｚ方向に偏光方向を有する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。その結果、ファーフィールド５０Ｅに形成される一対の円弧状の光強度分布３２Ａを通過する光束の偏光方向もＺ方向になり、図１２に示す一対の円弧状領域３１Ａを通過する光束の偏光方向もＺ方向になる。
第２基本素子５０Ｂは、図１４に示すように、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光の光が入射した場合、Ｚ方向をＹ軸廻りに＋１３５度回転させた方向すなわちＺ方向をＹ軸廻りに−４５度回転させた方向に偏光方向を有する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。その結果、ファーフィールド５０Ｅに形成される一対の円弧状の光強度分布３２Ｂを通過する光束の偏光方向もＺ方向をＹ軸廻りに−４５度回転させた方向になり、図１２に示す一対の円弧状領域３１Ａを通過する光束の偏光方向もＺ方向をＹ軸廻りに−４５度回転させた方向になる。
第３基本素子５０Ｃは、図１５に示すように、Ｚ方向に偏光方向を有する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直線偏光の光を射出するように厚さｄＣが設定されている。その結果、ファーフィールド５０Ｅに形成される一対の円弧状の光強度分布３２Ｃを通過する光束の偏光方向もＸ方向になり、図１２に示す一対の円弧状領域３１Ｃを通過する光束の偏光方向もＸ方向になる。
第４基本素子５０Ｄは、図１６に示すように、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光の光が入射した場合、Ｚ方向をＹ軸廻りに＋４５度回転させた方向に偏光方向を有する直線偏光の光を射出するように厚さｄＤが設定されている。その結果、ファーフィールド５０Ｅに形成される一対の円弧状の光強度分布３２Ｄを通過する光束の偏光方向もＺ方向をＹ軸廻りに＋４５度回転させた方向になり、図１２に示す一対の円弧状領域３１Ｄを通過する光束の偏光方向もＺ方向をＹ軸廻りに＋４５度回転させた方向になる。
本実施形態では、周方向偏光輪帯照明に際して、周方向偏光輪帯照明用の回折光学素子５０を照明光路中に設定し、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光の光を回折光学素子５０に入射させる。その結果、マイクロフライアイレンズ１２の後側焦点面（すなわち照明瞳またはその近傍）には、図１２に示すように、輪帯状の二次光源（輪帯状の照明瞳分布）３１が形成され、この輪帯状の二次光源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、輪帯状の二次光源３１を構成する円弧状領域３１Ａ〜３１Ｄをそれぞれ通過する光束は、各円弧状領域３１Ａ〜３１Ｄの円周方向に沿った中心位置における光軸ＡＸを中心とする円の接線とほぼ一致する偏光方向を有する直線偏光状態になる。
このように本実施形態では、入射光束に基づいて所定面に所定の光強度分布を形成するための光束変換素子５０が、旋光性を有する光学材料により形成されて、前記入射光束に基づいて前記所定の光強度分布のうちの第１領域分布３２Ａを形成するための第１基本素子５０Ａと；旋光性を有する光学材料により形成されて、前記入射光束に基づいて前記所定の光強度分布のうちの第２領域分布３２Ｂを形成するための第２基本素子５０Ｂとを備えており、第１基本素子５０Ａと第２基本素子５０Ｂとの光の透過方向に沿った厚さが互いに異なっている。
このような構成により、本実施形態では、開口絞りにおいて大きな光量損失が発生する従来技術とは異なり、光束変換素子としての回折光学素子５０の回折作用と旋光作用とにより、光量損失を実質的に発生させることなく、周方向偏光状態の輪帯状の二次光源３１を形成することができる。
ここで、本実施形態の好ましい態様によれば、第１基本素子５０Ａの厚さおよび第２基本素子５０Ｂの厚さは、直線偏光が入射したときに第１領域分布３２Ａを形成する直線偏光の偏光方向と第２領域分布３２Ｂを形成する直線偏光の偏光方向とが異なるように設定されている。また、第１領域分布３２Ａおよび第２領域分布３２Ｂは、所定面における所定点を中心とする所定の輪帯領域である所定輪帯領域の少なくとも一部に位置決めされ、第１領域分布３２Ａおよび第２領域分布３２Ｂを通過する光束は、所定輪帯領域の円周方向を偏光方向とする直線偏光を主成分とする偏光状態を有することが好ましい。
この場合、所定の光強度分布は、所定輪帯領域とほぼ同一形状の外形を有し、第１領域分布３２Ａを通過する光束の偏光状態は、第１領域分布３２Ａの円周方向に沿った中心位置における所定点を中心とする円の接線方向とほぼ一致した直線偏光成分を有し、第２領域分布３２Ｂを通過する光束の偏光状態は、第２領域分布３２Ｂの円周方向に沿った中心位置における所定点を中心とする円の接線方向とほぼ一致した直線偏光成分を有することが好ましい。あるいは、所定の光強度分布は、所定輪帯領域内に分布する多極状であり、第１領域分布を通過する光束の偏光状態は、第１領域分布の円周方向に沿った中心位置における所定点を中心とする円の接線方向とほぼ一致した直線偏光成分を有し、第２領域分布を通過する光束の偏光状態は、第２領域分布の円周方向に沿った中心位置における所定点を中心とする円の接線方向とほぼ一致した直線偏光成分を有することが好ましい。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、第１基本素子および第２基本素子は、使用波長の光に対して１００度／ｍｍ以上の旋光能を有する光学材料により形成されている。また、第１基本素子および第２基本素子は、水晶により形成されていることが好ましい。また、光束変換素子は、第１基本素子と第２基本素子とをほぼ同数含むことが好ましい。また、第１基本素子および第２基本素子は、回折作用または屈折作用を有することが好ましい。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、第１基本素子は、入射光束に基づいて少なくとも２つの第１領域分布を所定面上に形成し、第２基本素子は、入射光束に基づいて少なくとも２つの第２領域分布を所定面上に形成することが好ましい。また、旋光性を有する光学材料により形成されて、入射光束に基づいて所定の光強度分布のうちの第３領域分布３２Ｃを形成するための第３基本素子５０Ｃと、旋光性を有する光学材料により形成されて、入射光束に基づいて所定の光強度分布のうちの第４領域分布３２Ｄを形成するための第４基本素子５０Ｄとをさらに備えていることが好ましい。
また、本実施形態では、入射光束に基づいて、該入射光束の断面形状とは異なる形状の所定の光強度分布を所定面上に形成するための光束変換素子５０が、所定面上に所定の光強度分布を形成するための、回折面または屈折面を備え、所定の光強度分布は、所定面における所定点を中心とする所定の輪帯領域である所定輪帯領域の少なくとも一部に分布し、所定輪帯領域を通過する光束変換素子からの光束は、所定輪帯領域の円周方向を偏光方向とする直線偏光を主成分とする偏光状態を有している。
このような構成により、本実施形態では、開口絞りにおいて大きな光量損失が発生する従来技術とは異なり、光束変換素子としての回折光学素子５０の回折作用と旋光作用とにより、光量損失を実質的に発生させることなく、周方向偏光状態の輪帯状の二次光源３１を形成することができる。
本実施形態の好ましい態様によれば、所定の光強度分布は、多極形状または輪帯状の外形を有する。また、光束変換素子は、旋光性を有する光学材料により形成されることが好ましい。
また、本実施形態の照明光学装置は、光源からの光束に基づいて被照射面を照明する照明光学装置であって、照明光学装置の照明瞳またはその近傍に照明瞳分布を形成するために光源からの光束を変換するために上述の光束変換素子を備えている。このような構成により、本実施形態の照明光学装置では、光量損失を良好に抑えつつ、周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することができる。
ここで、光束変換素子は、特性の異なる他の光束変換素子と交換可能に構成されていることが好ましい。また、光束変換素子と被照射面との間の光路中に配置された波面分割型のオプティカルインテグレータをさらに備え、光束変換素子は、入射光束に基づいてオプティカルインテグレータの入射面に所定の光強度分布を形成することが好ましい。
また、本実施形態の照明光学装置の好ましい態様によれば、所定面上の光強度分布と、所定輪帯領域を通過する光束変換素子からの光束の偏光状態との少なくとも何れか一方は、光源と被照射面との間の光路中に配置される光学部材による影響を考慮して設定される。また、光束変換素子からの光束の偏光状態を、被照射面に照射される光がＳ偏光を主成分とする偏光状態となるように設定することが好ましい。
また、本実施形態の露光装置は、マスクを照明するための上述の照明光学装置を備え、マスクのパターンを感光性基板上に露光する。ここで、所定面上の光強度分布と、所定輪帯領域を通過する光束変換素子からの光束の偏光状態との少なくとも何れか一方は、光源と感光性基板との間の光路中に配置される光学部材による影響を考慮して設定されることが好ましい。また、光束変換素子からの光束の偏光状態を、感光性基板に照射される光がＳ偏光を主成分とする偏光状態となるように設定することが好ましい。
また、本実施形態の露光方法では、上述の照明光学装置を用いてマスクを照明する照明工程と、マスクのパターンを感光性基板上に露光する露光工程とを含んでいる。ここで、所定面上の光強度分布と、所定輪帯領域を通過する光束変換素子からの光束の偏光状態との少なくとも何れか一方は、光源と感光性基板との間の光路中に配置される光学部材による影響を考慮して設定されることが好ましい。また、光束変換素子からの光束の偏光状態を、感光性基板に照射される光がＳ偏光を主成分とする偏光状態となるように設定することが好ましい。
換言すれば、本実施形態の照明光学装置では、光量損失を良好に抑えつつ、周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することができる。その結果、本実施形態の露光装置では、光量損失を良好に抑えつつ周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することのできる照明光学装置を用いているので、適切な照明条件のもとで任意方向の微細パターンを忠実に且つ高スループットで転写することができる。
なお、周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布に基づく周方向偏光輪帯照明では、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持つ直線偏光（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。
なお、上述の実施形態では、互いに同じ矩形状の断面を有する４種類の基本素子５０Ａ〜５０Ｄをほぼ同数だけ縦横に且つ稠密にランダム配置することにより、周方向偏光輪帯照明用の回折光学素子５０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、各基本素子の数、断面形状、種類数、配置などについて様々な変形例が可能である。
また、上述の実施形態では、４種類の基本素子５０Ａ〜５０Ｄからなる回折光学素子５０を用いて、互いに重複することなく且つ互いに離間することなく配列された８つの円弧状領域３１Ａ〜３１Ｄにより、光軸ＡＸを中心とした輪帯状の二次光源３１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、輪帯状の二次光源を構成する領域の数、形状、配置などについて様々な変形例が可能である。
具体的には、図１８（ａ）に示すように、たとえば４種類の基本素子からなる回折光学素子を用いて、周方向に沿って互いに離間した８つの円弧状領域からなる周方向偏光状態の８極状の二次光源３３ａを形成することもできる。また、図１８（ｂ）に示すように、たとえば４種類の基本素子からなる回折光学素子を用いて、周方向に沿って互いに離間した４つの円弧状領域からなる周方向偏光状態の４極状の二次光源３３ｂを形成することもできる。なお、これらの８極状の二次光源または４極状の二次光源において、各領域の形状は円弧状に限定されることなく、たとえば円形状や楕円状や扇形状であってもよい。また、図１９に示すように、たとえば４種類の基本素子からなる回折光学素子を用いて、周方向に沿って互いに重複した８つの円弧状領域からなる周方向偏光状態の輪帯状の二次光源３３ｃを形成することもできる。
また、周方向に沿って互いに離間した４つまたは８つの領域からなる周方向偏光状態の４極状または８極状の二次光源の他に、図２０(ａ)に示すように、周方向に沿って互いに離間した６つの領域からなる周方向偏光状態の６極状の二次光源を形成しても良い。また、図２０(ｂ)に示すように、周方向に沿って互いに離間した複数の領域からなる周方向偏光状態の多極状の二次光源と、光軸上の領域からなる非偏光状態または直線偏光状態の中心極上の二次光源とを持つ二次光源を形成しても良い。また、周方向に沿って互いに離間した２つの領域からなる周方向偏光状態の２極状の二次光源を形成しても良い。
また、上述の実施形態では、図１１に示すように、４種類の基本素子５０Ａ〜５０Ｄを個別に形成し、これらの素子を組み合わせることにより回折光学素子５０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、１つの水晶基板に対して例えばエッチング加工を施すことにより各基本素子５０Ａ〜５０Ｄの射出側の回折面および入射側の凹凸面を形成し、回折光学素子５０を一体的に構成することもできる。
また、上述の実施形態では、水晶を用いて各基本素子５０Ａ〜５０Ｄを（ひいては回折光学素子５０を）形成している。しかしながら、これに限定されることなく、旋光性を有する他の適当な光学材料を用いて各基本素子を形成することもできる。この場合、使用波長の光に対して１００度／ｍｍ以上の旋光能を有する光学材料を用いることが好ましい。すなわち、旋光能の小さい光学材料を用いると、偏光方向の所要回転角を得るために必要な厚さが大きくなり過ぎて、光量損失の原因になるので好ましくない。
また、上述の実施形態では、輪帯状の照明瞳分布（二次光源）を形成しているが、これに限定されることなく、照明瞳またはその近傍に円形状の照明瞳分布を形成することもできる。また、輪帯形状の照明瞳分布や多極形状の照明瞳分布に加えて、たとえば光軸を含む中心領域分布を形成することにより、いわゆる中心極を伴う輪帯照明や中心極を伴う複数極照明を行うこともできる。
また、上述の実施形態では、照明瞳またはその近傍において周方向偏光状態の照明瞳分布を形成している。しかしながら、光束変換素子としての回折光学素子よりもウェハ側の光学系（照明光学系や投影光学系）の偏光収差（リターデーション）に起因して偏光方向が変わることがある。この場合には、これらの光学系の偏光収差の影響を考慮した上で、照明瞳またはその近傍に形成される照明瞳分布を通過する光束の偏光状態を適宜設定する必要がある。
また、上記の偏光収差に関連して、光束変換素子よりもウェハ側の光学系（照明光学系や投影光学系）中に配置された反射部材の偏光特性に起因して、反射光が偏光方向ごとに位相差を有することがある。この場合においても、反射部材の偏光特性に起因する位相差の影響を考慮した上で、照明瞳またはその近傍に形成される照明瞳分布を通過する光束の偏光状態を適宜設定する必要がある。
また、光束変換素子よりもウェハ側の光学系（照明光学系や投影光学系）中に配置された反射部材の偏光特性に起因して、反射部材における反射率が偏光方向により変化することがある。この場合、偏光方向ごとの反射率を考慮して、照明瞳またはその近傍に形成される光強度分布にオフセットをのせること、すなわち各基本素子の数に分布を設けることが好ましい。また、光束変換素子よりもウェハ側の光学系における透過率が偏光方向により変化する場合にも、上記手法を同様に適用することができる。
また、上述の実施形態では、回折光学素子５０の光源側の面は各基本素子５０Ａ〜５０Ｄの厚さの違いにより段差を有する凹凸状になっている。そこで、図２１に示すように、厚さの最も大きい第１基本素子５０Ａ以外の基本素子、すなわち第２基本素子５０Ｂ、第３基本素子５０Ｃおよび第４基本素子５０Ｄの入射側に補正部材３６を付設して、回折光学素子５０の光源側（入射側）の面も平面状に構成することができる。この場合、旋光性を有しない光学材料を用いて補正部材３６を形成することになる。
また、上述の実施形態では、照明瞳またはその近傍に形成される照明瞳分布を通過する光束が円周方向に沿った直線偏光成分のみを有する例を示している。しかしながら、これに限定されることなく、照明瞳分布を通過する光束の偏光状態が円周方向を偏光方向とする直線偏光を主成分とする状態であれば、本発明の所要の効果を得ることができる。
また、上述の実施形態では、入射光束に基づいて、その断面形状とは異なる形状の光強度分布を所定面上に形成するための光束変換素子として、回折作用を有する複数種類の基本素子からなる回折光学素子を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、たとえば各基本素子の回折面と光学的にほぼ等価な屈折面を有する複数種類の基本素子、すなわち屈折作用を有する複数種類の基本素子からなる屈折光学素子を光束変換素子として用いていることもできる。
上述の実施形態にかかる露光装置では、照明光学装置によってマスク（レチクル）を照明し（照明工程）、投影光学系を用いてマスクに形成された転写用のパターンを感光性基板に露光する（露光工程）ことにより、マイクロデバイス（半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等）を製造することができる。以下、上述の実施形態の露光装置を用いて感光性基板としてのウェハ等に所定の回路パターンを形成することによって、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法の一例につき図２２のフローチャートを参照して説明する。
先ず、図２２のステップ３０１において、１ロットのウェハ上に金属膜が蒸着される。次のステップ３０２において、その１ロットのウェハ上の金属膜上にフォトレジストが塗布される。その後、ステップ３０３において、上述の実施形態の露光装置を用いて、マスク上のパターンの像がその投影光学系を介して、その１ロットのウェハ上の各ショット領域に順次露光転写される。その後、ステップ３０４において、その１ロットのウェハ上のフォトレジストの現像が行われた後、ステップ３０５において、その１ロットのウェハ上でレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって、マスク上のパターンに対応する回路パターンが、各ウェハ上の各ショット領域に形成される。その後、更に上のレイヤの回路パターンの形成等を行うことによって、半導体素子等のデバイスが製造される。上述の半導体デバイス製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する半導体デバイスをスループット良く得ることができる。
また、上述の実施形態の露光装置では、プレート（ガラス基板）上に所定のパターン（回路パターン、電極パターン等）を形成することによって、マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得ることもできる。以下、図２３のフローチャートを参照して、このときの手法の一例につき説明する。図２３において、パターン形成工程４０１では、上述の実施形態の露光装置を用いてマスクのパターンを感光性基板（レジストが塗布されたガラス基板等）に転写露光する、所謂光リソグラフィー工程が実行される。この光リソグラフィー工程によって、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターンが形成される。その後、露光された基板は、現像工程、エッチング工程、レジスト剥離工程等の各工程を経ることによって、基板上に所定のパターンが形成され、次のカラーフィルター形成工程４０２へ移行する。
次に、カラーフィルター形成工程４０２では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応した３つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルターの組を複数水平走査線方向に配列したカラーフィルターを形成する。そして、カラーフィルター形成工程４０２の後に、セル組み立て工程４０３が実行される。セル組み立て工程４０３では、パターン形成工程４０１にて得られた所定パターンを有する基板、およびカラーフィルター形成工程４０２にて得られたカラーフィルター等を用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。
セル組み立て工程４０３では、例えば、パターン形成工程４０１にて得られた所定パターンを有する基板とカラーフィルター形成工程４０２にて得られたカラーフィルターとの間に液晶を注入して、液晶パネル（液晶セル）を製造する。その後、モジュール組み立て工程４０４にて、組み立てられた液晶パネル（液晶セル）の表示動作を行わせる電気回路、バックライト等の各部品を取り付けて液晶表示素子として完成させる。上述の液晶表示素子の製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する液晶表示素子をスループット良く得ることができる。
なお、上述の実施形態では、露光光としてＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ光（波長：１９３ｎｍ）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。さらに、上述の実施形態では、照明光学装置を備えた露光装置を例にとって本発明を説明したが、マスクやウェハ以外の被照射面を照明するための一般的な照明光学装置に本発明を適用することができることは明らかである。
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、国際公開番号ＷＯ９９／４９５０４号公報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、国際公開番号ＷＯ９９／４９５０４号公報、特開平６−１２４８７３号公報および特開平１０−３０３１１４号公報を参照として援用する。
なお、液体としては、露光光に対する透過性があってできるだけ屈折率が高く、投影光学系や基板表面に塗布されているフォトレジストに対して安定なものを用いることが好ましく、たとえばＫｒＦエキシマレーザ光やＡｒＦエキシマレーザ光を露光光とする場合には、液体として純水、脱イオン水を用いることができる。また、露光光としてＦ2レーザ光を用いる場合は、液体としてはＦ2レーザ光を透過可能な例えばフッ素系オイルや過フッ化ポリエーテル（ＰＦＰＥ）等のフッ素系の液体を用いればよい。
１…光源、４…偏光状態切換手段、４ａ…１／４波長板、４ｂ…１／２波長板、４ｃ…デポラライザ、５、５０…回折光学素子（光束変換素子）、６…アフォーカルレンズ、８…円錐アキシコン系、９、１０…シリンドリカルレンズ対、１１…ズームレンズ、１２…マイクロフライアイレンズ、１３…偏光モニター、１３ａ…ビームスプリッター、１４…コンデンサー光学系、１５…マスクブラインド、１６…結像光学系、Ｍ…マスク、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウェハ。

Claims (26)

  1. 入射光束に基づいて所定面に所定の光強度分布を形成するための光束変換素子において、
    旋光性を有する光学材料により形成されて、前記入射光束に基づいて前記所定の光強度分布のうちの第１領域分布を形成するための第１基本素子と、
    旋光性を有する光学材料により形成されて、前記入射光束に基づいて前記所定の光強度分布のうちの第２領域分布を形成するための第２基本素子と、を備え、
    前記第１基本素子と前記第２基本素子とは、光の透過方向に沿った厚さが互いに異なることを特徴とする光束変換素子。
  2. 前記第１基本素子の厚さおよび前記第２基本素子の厚さは、直線偏光が入射したときに前記第１領域分布を形成する直線偏光の偏光方向と前記第２領域分布を形成する直線偏光の偏光方向とが異なるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光束変換素子。
  3. 前記第１領域分布および前記第２領域分布は、前記所定面における所定点を中心とする所定の輪帯領域である所定輪帯領域の少なくとも一部に位置決めされ、
    前記第１領域分布および前記第２領域分布を通過する光束は、前記所定輪帯領域の円周方向を偏光方向とする直線偏光を主成分とする偏光状態を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光束変換素子。
  4. 前記所定の光強度分布は、前記所定輪帯領域とほぼ同一形状の外形を有し、
    前記第１領域分布を通過する光束の偏光状態は、前記第１領域分布の円周方向に沿った中心位置における前記所定点を中心とする円の接線方向とほぼ一致した直線偏光成分を有し、
    前記第２領域分布を通過する光束の偏光状態は、前記第２領域分布の円周方向に沿った中心位置における前記所定点を中心とする円の接線方向とほぼ一致した直線偏光成分を有することを特徴とする請求項３に記載の光束変換素子。
  5. 前記所定の光強度分布は、前記所定輪帯領域内に分布する多極状であり、
    前記第１領域分布を通過する光束の偏光状態は、前記第１領域分布の円周方向に沿った中心位置における前記所定点を中心とする円の接線方向とほぼ一致した直線偏光成分を有し、
    前記第２領域分布を通過する光束の偏光状態は、前記第２領域分布の円周方向に沿った中心位置における前記所定点を中心とする円の接線方向とほぼ一致した直線偏光成分を有することを特徴とする請求項３に記載の光束変換素子。
  6. 前記第１基本素子および前記第２基本素子は、使用波長の光に対して１００度／ｍｍ以上の旋光能を有する光学材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光束変換素子。
  7. 前記第１基本素子および前記第２基本素子は、水晶により形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光束変換素子。
  8. 前記光束変換素子は、前記第１基本素子と前記第２基本素子とをほぼ同数含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光束変換素子。
  9. 前記第１基本素子および前記第２基本素子は、回折作用または屈折作用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項に記載の光束変換素子。
  10. 前記第１基本素子は、前記入射光束に基づいて少なくとも２つの前記第１領域分布を前記所定面上に形成し、
    前記第２基本素子は、前記入射光束に基づいて少なくとも２つの前記第２領域分布を前記所定面上に形成することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光束変換素子。
  11. 旋光性を有する光学材料により形成されて、前記入射光束に基づいて前記所定の光強度分布のうちの第３領域分布を形成するための第３基本素子と、
    旋光性を有する光学材料により形成されて、前記入射光束に基づいて前記所定の光強度分布のうちの第４領域分布を形成するための第４基本素子とをさらに備えていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光束変換素子。
  12. 前記第１基本素子および前記第２基本素子は一体的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光束変換素子。
  13. 入射光束に基づいて、該入射光束の断面形状とは異なる形状の所定の光強度分布を所定面上に形成するための光束変換素子において、
    前記所定面上に前記所定の光強度分布を形成するための、回折面または屈折面を備え、
    前記所定の光強度分布は、前記所定面における所定点を中心とする所定の輪帯領域である所定輪帯領域の少なくとも一部に分布し、
    前記所定輪帯領域を通過する前記光束変換素子からの光束は、前記所定輪帯領域の円周方向を偏光方向とする直線偏光を主成分とする偏光状態を有することを特徴とする光束変換素子。
  14. 前記所定の光強度分布は、多極形状または輪帯状の外形を有することを特徴とする請求項１３に記載の光束変換素子。
  15. 前記光束変換素子は、旋光性を有する光学材料により形成されることを特徴とする請求項１３または１４に記載の光束変換素子。
  16. 光源からの光束に基づいて被照射面を照明する照明光学装置において、
    前記照明光学装置の照明瞳またはその近傍に照明瞳分布を形成するために前記光源からの光束を変換するための請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光束変換素子を備えていることを特徴とする照明光学装置。
  17. 前記光束変換素子は、特性の異なる他の光束変換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１６に記載の照明光学装置。
  18. 前記光束変換素子と前記被照射面との間の光路中に配置された波面分割型のオプティカルインテグレータをさらに備え、
    前記光束変換素子は、入射光束に基づいて前記オプティカルインテグレータの入射面に前記所定の光強度分布を形成することを特徴とする請求項１６または１７に記載の照明光学装置。
  19. 前記所定面上の光強度分布と、前記所定輪帯領域を通過する前記光束変換素子からの光束の偏光状態との少なくとも何れか一方は、前記光源と前記被照射面との間の光路中に配置される光学部材による影響を考慮して設定されることを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか１項に記載の照明光学装置。
  20. 前記光束変換素子からの光束の偏光状態を、前記被照射面に照射される光がＳ偏光を主成分とする偏光状態となるように設定することを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれか１項に記載の照明光学装置。
  21. マスクを照明するための請求項１６乃至２０のいずれか１項に記載の照明光学装置を備え、前記マスクのパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光装置。
  22. 前記所定面上の光強度分布と、前記所定輪帯領域を通過する前記光束変換素子からの光束の偏光状態との少なくとも何れか一方は、前記光源と前記感光性基板との間の光路中に配置される光学部材による影響を考慮して設定されることを特徴とする請求項２１に記載の露光装置。
  23. 前記光束変換素子からの光束の偏光状態を、前記感光性基板に照射される光がＳ偏光を主成分とする偏光状態となるように設定す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１６乃至２０のいずれか１項に記載の照明光学装置を用いてマスクを照明する照明工程と、前記マスクのパターンを感光性基板上に露光する露光工程とを含むことを特徴とする露光方法。
  25. 前記所定面上の光強度分布と、前記所定輪帯領域を通過する前記光束変換素子からの光束の偏光状態との少なくとも何れか一方は、前記光源と前記感光性基板との間の光路中に配置される光学部材による影響を考慮して設定されることを特徴とする請求項２４に記載の露光方法。
  26. 前記光束変換素子からの光束の偏光状態を、前記感光性基板に照射される光がＳ偏光を主成分とする偏光状態となるように設定することを特徴とする請求項２４または２５に記載の露光方法。
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