JP2017122751A - 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】高コヒーレンス光源を用いた場合であっても、比較的少ないパルス光により被照射面上の積算照度分布を均一化することのできる照明光学系を提供する。【解決手段】光源からの光により被照射面を照明する照明光学系。光源から入射する光を空間的に変調して射出する空間光変調器１０と、空間光変調器１０からの光の光路中に配置されたリレー光学系４、リレー光学系４からの光の光路中に並列的に配置された複数の波面分割要素を有するオプティカルインテグレータ５と、オプティカルインテグレータ５により波面分割された複数の光束を被照射面で重畳させるコンデンサー光学系７と、を備えている。空間光変調器上の光を射出する領域の第１方向に沿った長さは、被照射面上で第１方向に周期を持つ照度分布を形成するように設定されている。【選択図】図１

Description

照明光学系、露光装置、およびデバイス製造方法に関する。

半導体素子等のデバイスの製造に用いられる露光装置では、パターンをウェハ上に正確に転写することが要求される。そして、この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（露光量分布）を得ることが要求される。

しかしながら、光源から供給される光のコヒーレンスが高い場合、すなわち高コヒーレンス光源を用いる場合、フライアイレンズを構成するレンズレット間の干渉などに起因して、照明光学系の被照射面（投影光学系の物体面）には不均一な照度分布が形成される。従来、複数のパルス光を用いて不均一な照度分布をランダムに重ね合わせることにより積算照度分布を平均化する手法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

不均一な照度分布をランダムに重ね合わせる手法では、積算照度分布を平均化するのに多くの光を重ねる必要がある。

米国特許第６，５５２，７７４号

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おいて、
前記光源から入射する光を空間的に変調して射出する空間光変調器と、
前記空間光変調器からの光の光路中に配置されたリレー光学系と、
前記リレー光学系からの光の光路中に並列的に配置された複数の波面分割要素を有するオプティカルインテグレータと、
前記オプティカルインテグレータにより波面分割された複数の光束を前記被照射面で重畳させるコンデンサー光学系と、を備え、
前記空間光変調器上の光を射出する領域の第１方向に沿った長さは、前記被照射面上で前記第１方向に周期を持つ照度分布を形成するように設定されている、照明光学系を提供する。

第２形態では、所定のパターンを形成するパターン形成部を照明する第１形態の照明光学系を備え、前記所定のパターンを基板に露光する、露光装置を提供する。

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基板に露光することと、
前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、
前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、を含むデバイス製造方法を提供する。

第１実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。 遅延光学系の内部構成を概略的に示す図である。 円形状の光強度分布がマイクロフライアイレンズの入射側の面に形成される様子を示す図である。 可変パターン形成用の空間光変調器の構成および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。 ランダムに不均一な照度分布をランダムに重ね合わせる従来の手法を説明する図である。 周期的な照度分布を周期に応じた移動幅にしたがって位置ずれさせながら重ね合わせる実施形態の手法を説明する図である。 回折光学素子とマスクブラインド面との間の光路を光軸に沿って直線状に展開して示す図である。 第１実施形態における積算照度分布の均一化作用を説明する図である。 シフト部の内部構成の一例を概略的に示す図である。 従来の手法と実施形態の手法とを比較する図である。 実施形態における回折光学素子からの光の射出領域の長さと積算照度分布のコントラストとの関係を示す図である。 第２実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。 瞳強度分布形成用の空間光変調器の構成および作用を説明する図である。 チルト部の内部構成の一例を概略的に示す図である。 変形例にかかるシフト部の内部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。

以下、実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は、第１実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。図１では、その紙面に垂直な方向にＸ軸を、図１の紙面において鉛直方向にＹ軸を、図１の紙面において水平方向にＺ軸をそれぞれ設定している。感光性基板であるウェハＷの転写面（露光面）は、ＸＺ平面に平行に設定されている。第１実施形態にかかる露光装置は、可変パターン形成用の空間光変調器（spatial light modulator:ＳＬＭ）を使用するマスクレス方式の露光装置である。

図１を参照すると、第１実施形態の露光装置には、光源部ＬＳから露光光（照明光）が供給される。光源部ＬＳとして、例えば米国特許第５，８３８，７０９Ｂ１号明細書、米国特許第６，５９０，６９８Ｂ１号明細書、米国特許第６，９０１，０９０Ｂ１号明細書、米国特許第６，９４７，１２３Ｂ１号明細書、米国特許第７，０９８，９９２Ｂ２号明細書、米国特許第７，３９７，５９８Ｂ２号明細書、米国特許第７，１３６，４０２Ｂ１号明細書、米国特許公開第２００６／０５０７４８Ａ１号公報および米国特許公開第２００９／１８５５８３Ａ１号公報等に開示されているように、ＤＦＢ半導体レーザ又はファイバーレーザなどの固体レーザ光源、ファイバーアンプなどを有する光増幅部、及び波長変換部などを含み、波長１９３ｎｍのパルス光を出力する高調波発生装置を用いてもよい。

光源部ＬＳから供給された高コヒーレンスのパルス光は、遅延光学系１、ビーム送光部２および光路折曲げミラーＭＲ１を経て、回折光学素子３に入射する。ここで、高コヒーレンス光とは、エキシマレーザ光源が供給するレーザ光の横モード数よりも少ない横モード数の光とすることができる。

遅延光学系１は、図２に示すように、光の入射側に設けられたハーフミラー１１ａを備えている。光源部ＬＳから供給された１つのパルス光Ｌ１は、ハーフミラー１１ａにより、透過光Ｌ１１と反射光Ｌ１２とに分割される。ハーフミラー１１ａを透過した光Ｌ１１は、直進して別のハーフミラー１１ｂに入射する。

ハーフミラー１１ａで反射された光Ｌ１２は、一対のミラー１２ａ，１２ｂが配置された光路、すなわち光Ｌ１１の光路よりも長い遅延光路を経て、ハーフミラー１１ｂに入射する。光Ｌ１１は、ハーフミラー１１ｂにより、透過光Ｌ１１１と反射光Ｌ１１２とに分割される。ハーフミラー１１ｂを透過した光Ｌ１１１は、直進して偏光ビームスプリッタ１３に入射する。ハーフミラー１１ｂで反射された光Ｌ１１２は、一対のミラー１２ｃ，１２ｄおよび半波長板１４が配置された光路、すなわち光Ｌ１１１の光路よりも長い遅延光路を経て、偏光ビームスプリッタ１３に入射する。

一方、ハーフミラー１１ａで反射されてミラー１２ａ，１２ｂを含む遅延光路を経た光Ｌ１２は、ハーフミラー１１ｂにより、透過光Ｌ１２２と反射光Ｌ１２１とに分割される。ハーフミラー１１ｂを透過した光Ｌ１２２は、光Ｌ１１２と同じ遅延光路を経て、偏光ビームスプリッタ１３に入射する。ハーフミラー１１ｂで反射された光Ｌ１２１は、光Ｌ１１１と同じ直進光路を経て、偏光ビームスプリッタ１３に入射する。光源部ＬＳから供給されたパルス光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ１３の偏光分離面１３ａに対してｐ偏光に設定されている。

したがって、半波長板１４を経ることなく偏光ビームスプリッタ１３に入射したｐ偏光の光Ｌ１１１およびＬ１２１は、偏光ビームスプリッタ１３を透過し、互いにほぼ同じ光路に沿って、遅延光学系１から射出される。半波長板１４を経て偏光ビームスプリッタ１３に入射したｓ偏光の光Ｌ１１２およびＬ１２２は、偏光ビームスプリッタ１３で反射され、光Ｌ１１１およびＬ１２１とほぼ同じ光路に沿って、遅延光学系１から射出される。

ここで、一対のハーフミラー１１ａ，１１ｂを透過した光Ｌ１１１は、最も短い光路を経て遅延光学系１から射出される。ハーフミラー１１ａを透過し且つハーフミラー１１ｂで反射された光Ｌ１１２は、二番目に短い光路を経て射出される。一対のハーフミラー１１ａ，１１ｂで反射された光Ｌ１２１は、三番目に短い光路を経て射出される。ハーフミラー１１ａで反射され且つハーフミラー１１ｂを透過した光Ｌ１２２は、最も長い光路を経て射出される。

こうして、遅延光学系１は、光源部ＬＳから供給された１つのパルス光Ｌ１から、時間的に多重化された４つのパルス光Ｌ１１１，Ｌ１１２，Ｌ１２１，Ｌ１２２を生成する動作を繰り返す生成部を構成している。なお、図２では、入射した１つのパルス光から時間的に多重化された４つのパルス光を生成する構成を例示したが、分割部材としてのハーフミラーと、一対のミラー（必要に応じて、一対のリレーレンズも含む）を有する遅延光路との組を付設することにより、時間的に多重化された所望数のパルス光を生成することができる。

以下、説明の理解を容易にするために、光源部ＬＳと遅延光学系１との協働作用により、互いに同じ光強度を有する多数のパルス光が、一定の時間間隔にしたがって射出されるものとする。換言すれば、光源部ＬＳおよび遅延光学系１は、光源部ＬＳがパルス光を出力する周期よりも短い周期にしたがって、光源部ＬＳが出力するパルス光の強度よりも小さい強度のパルス光を供給する光源部を構成している。

ビーム送光部２は、光源部ＬＳおよび遅延光学系１を経て入射した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回折光学素子３へ導くとともに、回折光学素子３に入射する光の位置変動および角度変動をアクティブに補正する。ビーム送光部２は、空間光変調器としての回折光学素子３に入射する光束の断面形状を所定の断面形状にすることで、回折光学素子３上で光が射出される領域を所定の形状にする。ビーム送光部２の詳細については、米国特許公開第２０１２／００２８１９７号公報などを参照することができる。空間光変調器としての回折光学素子３上で光が射出される領域を所定の形状にするために、所定の形状の開口部を有する絞りを用いても良い。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。すなわち、回折光学素子３は、入射光を空間的に変調して射出する空間光変調器である。

具体的に、円形照明用（輪帯照明用、複数極照明用など）の回折光学素子は、例えば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）に円形状（輪帯状、複数極状など）の光強度分布を形成する機能を有する。一例として、回折光学素子３は、円形照明用の回折光学素子であり、輪帯照明用の回折光学素子、複数極照明用の回折光学素子などと交換可能に設置されている。

回折光学素子３を経た光は、リレー光学系４により集光された後に、マイクロフライアイレンズ（またはフライアイレンズ）５に入射する。リレー光学系４は、その前側焦点位置が回折光学素子３の近傍に位置し、且つその後側焦点位置がマイクロフライアイレンズ５の入射側の面に位置している。すなわち、リレー光学系４は、回折光学素子３とマイクロフライアイレンズ５の入射側の面とを光学的にフーリエ変換の関係に位置決めしている。

円形照明用の回折光学素子３を経た光は、図３に示すように、照明光学系の光軸ＡＸを中心とした円形状の光強度分布（照野）を、マイクロフライアイレンズ５の入射側の面に形成する。回折光学素子３とリレー光学系４との間には、入射した光を所望方向に所望距離だけ平行移動させて射出するシフト部６が設けられている。シフト部６の具体的な構成および作用については後述する。

マイクロフライアイレンズは、二次元的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、レンズレット（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。

具体的に、マイクロフライアイレンズ５は、図３に示すように、矩形状の断面を有する多数のレンズレット（波面分割要素）５ａを並列的に配置することにより、さらに詳細には縦横に且つ稠密に配列することにより構成されている。ただし、図１および図３では、図示および説明の簡単のために、実際よりもはるかに少ないレンズレット５ａによりマイクロフライアイレンズ５を構成した例を示している。マイクロフライアイレンズ５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号明細書に開示されている。

マイクロフライアイレンズ５に入射した光束は多数のレンズレット５ａにより二次元的に分割され、光が入射したレンズレット５ａの射出面の近傍にはそれぞれ１つのスポット光（小光源）が形成される。すなわち、マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面（レンズレット５ａの入射側の屈折面と射出側の屈折面との合成光学系の後側焦点位置）またはその近傍の照明瞳には、入射側の面に形成された光強度分布とほぼ同じ光強度分布を有する二次光源（多数の小光源からなる実質的な面光源：瞳強度分布）が形成される。

マイクロフライアイレンズ５の直後の照明瞳に形成された二次光源からの光は、コンデンサー光学系７を介して、マスクブラインド８を照明する。コンデンサー光学系７は、その前側焦点位置がマイクロフライアイレンズ５の後側焦点面に位置し、且つその後側焦点位置がマスクブラインド８の面に位置している。すなわち、コンデンサー光学系７は、マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面とマスクブラインド８の面とを光学的にフーリエ変換の関係に位置決めしている。その結果、マイクロフライアイレンズ５の直後の照明瞳に形成された多数の小光源からの光は、コンデンサー光学系７を介して、マスクブラインド８を重畳的に照明する。

照明視野絞りとしてのマスクブラインド８の矩形状の開口部（光透過部）を経た光は、光路折曲げミラーＭＲ２、結像光学系９、および光路折曲げミラーＭＲ３を介して、可変パターン形成用の空間光変調器１０の複数のミラー要素の配列面（ミラー配列面）を重畳的に照明する。すなわち、結像光学系９は、マスクブラインド８の矩形状の開口部の像を、空間光変調器１０のミラー配列面に形成することになる。こうして、照明光学系（１〜９）は、光源部ＬＳから供給されるパルス光により、空間光変調器１０のミラー配列面（被照射面）上に矩形状の照明領域を形成する。

空間光変調器１０は、図４に示すように、照明光学系（１〜９）の被照射面（投影光学系ＰＬの物体面）に沿って二次元的に配列された複数のミラー要素１０ａと、複数のミラー要素１０ａを保持する基盤１０ｂと、基盤１０ｂに接続されたケーブル（不図示）を介して複数のミラー要素１０ａの姿勢（位置、傾きなど）を個別に制御駆動する駆動部１０ｃとを備えている。空間光変調器１０では、制御系ＣＲからの指令に基づいて作動する駆動部１０ｃの作用により、複数のミラー要素１０ａの姿勢がそれぞれ変化し、各ミラー要素１０ａがそれぞれ所定の向き（または位置）に設定される。

空間光変調器１０は、図５に示すように、二次元的に配列された複数の微小なミラー要素１０ａを備え、入射したパルス光に対して、その入射位置に応じた空間的な変調を可変的に付与して射出する。説明および図示を簡単にするために、図４および図５では空間光変調器１０が４×４＝１６個のミラー要素１０ａ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１０ａを備えている。

一例によれば、空間光変調器１０は、図５に示すように、平面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反射素子であるミラー要素１０ａを含む可動マルチミラーである。各ミラー要素１０ａ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、制御系ＣＲからの制御信号に基づいて作動する駆動部１０ｃの作用により独立に制御される。各ミラー要素１０ａ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（Ｘ方向，Ｚ方向）を回転軸として、所望の回転角度だけ連続的（または離散的）に回転することができる。すなわち、各ミラー要素１０ａ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。

図５には外形が正方形状のミラー要素１０ａを示しているが、ミラー要素１０ａ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１０ａ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１０ａの間隔を必要最小限に抑えることができる。

第１実施形態では、可変パターン形成用の空間光変調器（パターン形成部）１０として、二次元的に配列されて平面状の反射面を有する複数のミラー要素の向きを連続的または離散的にそれぞれ変化させる空間光変調器を用いることができる。この場合、複数のミラー要素は、少なくとも１つの軸廻りに傾斜可能な平面状の反射面をそれぞれ有する。このようなチルトミラー型の空間光変調器として、たとえば米国特許第６，５２２，４５４号明細書および第７，４０５，８６２号明細書に開示される空間光変調器を用いることができる。

また、可変パターン形成用の空間光変調器１０として、たとえば二次元的に配列されて平面状の反射面を有する複数のミラー要素の反射面の高さ（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。この場合、複数のミラー要素は、空間光変調器に入射する光の進行方向における位置を変更するように移動する平面状の反射面をそれぞれ有する。このようなピストン型の空間光変調器として、例えば米国特許第５，３１２，５１３号および第７，２０６，１１７号明細書並びに米国特許公開第２０１３／０２７８９１２号明細書に開示される空間光変調器を用いることができる。

また、可変パターン形成用の空間光変調器１０として、二次元的に配列されて段差状の反射面を有する複数のミラー要素の向きを連続的または離散的にそれぞれ変化させる空間光変調器を用いることもできる。この場合、複数のミラー要素は、少なくとも１つの軸廻りに傾斜可能であり且つ段差状の反射面をそれぞれ有する。このような位相段差チルトミラー型の空間光変調器として、たとえば米国特許第７，１１０，１５９号明細書に開示される空間光変調器を用いることができる。また、可変パターン形成用の空間光変調器として、二次元的に配列されて個別に制御される複数の透過光学要素を備えた透過型の空間光変調器を用いることもできる。

空間光変調器１０では、制御系ＣＲからの制御信号（複数のミラー要素１０ａの駆動データ）にしたがって、複数のミラー要素１０ａの姿勢がそれぞれ変化し、各ミラー要素１０ａがそれぞれ所定の向き（または位置）に設定される。投影光学系ＰＬは、照明光学系（１〜９）により照明された空間光変調器１０からの反射光により、フォトレジストが塗布されたウェハ（感光性基板）Ｗの単位露光領域に、複数のミラー要素１０ａが形成したミラーパターン（複数のミラー要素１０ａの傾きパターン、凹凸パターンなど）に対応した所定のパターン像を投影する。

ウェハＷは、ウェハステージＷＳ上においてＸＺ平面とほぼ平行に保持されている。ウェハステージＷＳには、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、Ｘ軸廻りの回転方向、Ｙ軸廻りの回転方向およびＺ軸廻りの回転方向に、ウェハステージＷＳ（ひいてはウェハＷ）を移動させる機構が組み込まれている。ステップ・アンド・リピート方式では、ウェハＷ上に縦横に設定された複数の単位露光領域のうちの１つの単位露光領域に、空間光変調器８のミラーパターンに対応した所定のパターン、例えばデバイスパターンを一括的に露光する。その後、制御系ＣＲが、ウェハステージＷＳをＸＺ平面に沿ってステップ移動させることにより、ウェハＷの別の単位露光領域を投影光学系ＰＬに対して位置決めする。こうして、空間光変調器１０のミラーパターンに対応したデバイスパターンをウェハＷの単位露光領域に一括露光する動作を繰り返す。

ステップ・アンド・スキャン方式では、制御系ＣＲは、投影光学系ＰＬの投影倍率に応じて、空間光変調器１０のミラーパターンおよびウェハステージＷＳを例えばＺ方向に移動させつつ、空間光変調器１０のミラーパターンに対応したデバイスパターンをウェハＷの１つの単位露光領域に走査露光する。その後、制御系ＣＲは、ウェハステージＷＳをＸＺ平面に沿ってステップ移動させることにより、ウェハＷの別の単位露光領域を投影光学系ＰＬに対して位置決めする。こうして、空間光変調器１０のミラーパターンに対応したデバイスパターンをウェハＷの単位露光領域に走査露光する動作を繰り返す。

第１実施形態の露光装置は、シフト部６および空間光変調器１０を制御し且つ露光装置の動作を統括的に制御する制御系ＣＲを備えている。第１実施形態では、マイクロフライアイレンズ５により形成される二次光源を光源として、照明光学系（１〜９）の被照射面に配置される空間光変調器１０のミラー配列面（ひいてはウェハＷの露光面）をケーラー照明する。マイクロフライアイレンズ５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５の入射側の面に形成される大局的な光強度分布と、マイクロフライアイレンズ５の直後の照明瞳に形成される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。

第１実施形態の露光装置では、制御系ＣＲからの指令にしたがって空間光変調器１０が可変的に形成するミラーパターンに対応するデバイスパターンを、投影光学系ＰＬを介して、ウェハＷに一括露光または走査露光（スキャン露光）する。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（光学要素）を有する空間光変調器が可変的に形成するミラーパターンに対応するデバイスパターンを、投影光学系を介して基板に露光するマスクレス方式の露光装置の詳細については、米国特許第８，７９２，０８１Ｂ２号明細書などを参照することができる。

第１実施形態では、光源部ＬＳから高コヒーレンスのパルス光が供給されるため、マイクロフライアイレンズ５のレンズレット５ａ間の干渉などに起因して、空間光変調器１０のミラー配列面（照明光学系（１〜９）の被照射面）には、図６の左側の図に示すように、１つのパルス光によりランダムに不均一な照度分布が形成される傾向がある。この場合、ランダムに不均一な照度分布をランダムに重ね合わせる従来の手法では、図６の右側の図に示すように、積算照度分布を平均化するのに多数のパルス光を用いる必要がある。

具体的に、従来の手法では、照度分布のコントラスト（スペックルコントラスト）Ｃと、パルス光の積算数Ｎとの間に、次の式（１）に示すような関係がある。ちなみに、コントラストＣは、照度分布における光強度の平均値をＡとするとき、照度分布における強度平均値Ａからの光強度の分散σ^２の平方根、すなわち標準偏差σを用いて、次の式（２）に示すように定義される。

式（１）を参照すると、照度分布のコントラストＣはパルス光の積算数Ｎの平方根の逆数に比例するため、コントラストＣを低減して積算照度分布を平均化するのに多数のパルス光を用いる必要があることが容易に理解される。

第１実施形態では、照明光学系（１〜９）の被照射面上で、すなわち空間光変調器１０のミラー配列面上でＸ方向およびＺ方向に周期を持つ照度分布を形成するために、空間光変調器としての回折光学素子３から光が射出される領域のＸ方向に沿った長さＳ１およびＹ方向（空間光変調器１０のミラー配列面上でのＺ方向に対応）に沿った長さＳ２を設定している。回折光学素子３からの光の射出領域は、一例として、所望の大きさおよび形状の断面を有する光束を回折光学素子３へ導くビーム送光部２の作用により制限される。すなわち、ビーム送光部２は、回折光学素子３の光源側に配置され、回折光学素子３上で光源ＬＳからの光が照射される領域を設定する照射領域設定部を構成している。

具体的に、Ｘ方向に沿った長さＳ１およびＹ方向に沿った長さＳ２は、次の式（３）および（４）で示す条件を満足するように設定されている。式（３）および（４）において、ｆはリレー光学系（厳密には回折光学素子３とマイクロフライアイレンズ５との間に配置される光学系）４の焦点距離であり、λはパルス光の中心波長であり、Ｐ１はマイクロフライアイレンズ５のレンズレット（波面分割要素）５ａのＸ方向に沿ったピッチであり、Ｐ２はレンズレット５ａのＹ方向に沿ったピッチである。
Ｓ１≦２×（ｆ×λ）／Ｐ１ （３）
Ｓ２≦２×（ｆ×λ）／Ｐ２ （４）

式（３）および（４）を満足するように回折光学素子３からの光の射出領域を制限することにより、図７の左側の図に示すように、１つのパルス光により光強度がほぼ周期的に変化する照度分布を得ることができる。そして、このほぼ周期的な照度分布を周期に応じた移動幅にしたがって位置ずれさせながら重ね合わせることにより、図７の右側の図に示すように、従来手法よりも少ないパルス光（少ない積算数）により被照射面上の積算照度分布を均一化することができる。なお、Ｘ方向に沿った長さＳ１およびＹ方向に沿った長さＳ２をＸ方向に沿った寸法Ｓ１およびＹ方向に沿った寸法Ｓ２と称することもできる。

以下、図８〜図１０を参照して、周期的な照度分布を周期に応じた移動幅にしたがって位置ずれさせながら重ね合わせる実施形態の手法について説明する。ただし、以下の説明では、実施形態の手法の作用効果の理解を容易にするために、１つのパルス光により光強度が周期的に変化する照度分布が得られるものとする。図８は、回折光学素子３とマスクブラインド８の面８ａとの間の光路を光軸ＡＸに沿って直線状に展開した図である。図８の局所座標系におけるｘ座標、ｙ座標およびｚ座標は、図１の全体座標系におけるＸ座標、Ｙ座標およびＺ座標と対応している。

第１実施形態では、光源部ＬＳから供給された高コヒーレンスのパルス光が、図８に示すように、回折光学素子３、シフト部６およびリレー光学系４を介して、マイクロフライアイレンズ５の複数のレンズレット５ａに入射する。マイクロフライアイレンズ５の複数のレンズレット５ａにより分割された光は、光が入射した複数のレンズレット５ａの射出面の近傍にそれぞれ１つのスポット光からなる小光源を形成する。

複数の小光源からの光は、コンデンサー光学系７を介して、マスクブラインド８の面８ａで重畳される。マスクブラインド面８ａは照明光学系（１〜９）の被照射面（固定的に設置された空間光変調器１０のミラー配列面）と光学的に共役であり、マスクブラインド８の面８ａに形成される照度分布は、被照射面に形成される照度分布と一致していても良い。

第１実施形態では、式（４）により回折光学素子３からの光の射出領域のＹ方向の長さＳ２を制限しているので、図９に示すように、１つのパルス光によりｙ方向に光強度が周期的に変化する第１照度分布４１ａが、被照射面と光学的に共役なマスクブラインド面８ａに形成される。第１照度分布４１ａのｙ方向ピッチ（周期）Ｐｙは、レンズレット５ａのｙ方向サイズをＳｙとし、光の中心波長をλとし、コンデンサー光学系７の焦点距離をｆ２とすると、次の式（５）で表される。
Ｐｙ＝（λ×ｆ２）／Ｓｙ （５）

以下の説明では、理解を容易にするために、ｘ方向に並んだ列が３列でｙ方向に並んだ列が３列の合計９個のレンズレット５ａに光が入射するものとする。この場合、第１照度分布４１ａと、第１照度分布４１ａを＋ｙ方向にＰｙ／３だけ移動させた第２照度分布４１ｂと、第２照度分布４１ｂを＋ｙ方向にＰｙ／３だけ移動させた第３照度分布４１ｃとを重ね合わせると、光強度がｙ方向に沿ってほぼ一様な分布、すなわちｙ方向に沿ってほぼ均一な積算照度分布４１ｄが得られる。

換言すれば、ｙ方向に沿って互いにＰｙ／３だけ位置ずれした３つの照度分布４１ａと４１ｂと４１ｃとを重ね合わせることにより、すなわちｙ方向に関して位相の異なる３つの照度分布４１ａと４１ｂと４１ｃとを重ね合わせることにより、ｙ方向に沿ってほぼ均一な積算照度分布４１ｄが得られる。一般には、光が入射するレンズレット５ａのｙ方向の個数がＮｙであるとき、ｙ方向に沿って互いにΔｒ＝Ｐｙ／Ｎｙだけ位置ずれしたＮｙ個の照度分布を重ね合わせることにより、マスクブラインド面８ａ、ひいては照明光学系（１〜９）の被照射面（空間光変調器１０のミラー配列面）において、ｙ方向に沿ってほぼ均一な積算照度分布が得られる。

具体的に、第１照度分布４１ａを＋ｙ方向にΔｒ＝Ｐｙ／Ｎｙ（図８ではＮｙ＝３）だけ移動させた第２照度分布４１ｂを形成するには、回折光学素子３とリレー光学系４との間に設けられたシフト部６の作用により、入射した光を−ｙ方向にΔｕだけ平行移動させて射出すれば良い。シフト部６は、図１０に示すように、照明光学系の光軸ＡＸに対して斜設された一対の平行平面板６ａおよび６ｂと、制御系ＣＲからの指令にしたがって平行平面板６ａ，６ｂをそれぞれ回転駆動する駆動部６ｃとを有する。

平行平面板６ａは光軸ＡＸと平行な軸線６ａａ廻りに回転可能に構成され、平行平面板６ｂは光軸ＡＸと平行な軸線６ｂａ廻りに回転可能に構成されている。シフト部６は、制御系ＣＲからの指令にしたがって駆動部６ｃが平行平面板６ａ，６ｂをそれぞれ回転駆動することにより、入射した光を所望方向に所望距離だけ平行移動させて射出する機能を有する。

シフト部６による所要の平行移動距離Δｕは、リレー光学系４の焦点距離をｆとすると、次の式（６）で表される。このとき、シフト部６の作用により、マスクブラインド面８ａに入射する光はΔｒ＝Ｐｙ／Ｎｙだけ＋ｙ方向に移動し、ひいてはマスクブラインド面８ａに形成される第２照度分布４１ｂの位置が第１照度分布４１ａの形成位置から＋ｙ方向にＰｙ／Ｎｙ（図８ではＮｙ＝３）だけ移動する。
Δｕ＝（λ×ｆ）／（Ｓｙ×Ｎｙ） （６）

このように、１つ（または複数）のパルス光により第１照度分布４１ａを形成し、次の１つ（または複数）のパルス光により第１照度分布４１ａから＋ｙ方向にＰｙ／Ｎｙだけ移動した位置に第２照度分布４１ｂを形成し、次の１つ（または複数）のパルス光により第２照度分布４１ｂから＋ｙ方向にＰｙ／Ｎｙだけ移動した位置に第３照度分布４１ｃを形成することにより、ｙ方向に沿ってほぼ均一な積算照度分布４１ｄを得ることができる。すなわち、＋ｙ方向にＰｙ／Ｎｙだけ互いに位置ずれした３つの照度分布４１ａと４１ｂと４１ｃとを１つずつ（または複数ずつ）重ね合わせることにより、積算照度分布を均一化することができる。ここで、被照射面上で照度分布のｙ方向における形成位置を変更するとは、被照射面上でｙ方向に沿った照度（あるいは光強度）の変化の状態を示す関数の原点がｙ方向に変化していると言うことができる。

換言すると、ｙ方向に沿ってＰｙ／Ｎｙだけ間隔を隔てたＮｙ個の基準点を設定し、各照度分布のｙ方向に沿った中心点がＮｙ個の基準点と一致するように、各照度分布の形成位置を変更することにより、積算照度分布を均一化することができる。このとき、各照度分布のｙ方向に沿った中心点が一致すべき基準点の順序は任意であり、各照度分布のｙ方向に沿った中心点を対応する基準点と一致させる回数も互いに同じであれば任意である。すなわち、第１照度分布４１ａ、第２照度分布４１ｂおよび第３照度分布４１ｃを形成する順序は任意であり、各照度分布を形成する回数も同数であれば任意である。

同様に、図示を省略するが、回折光学素子３からの光の射出領域のＸ方向の長さＳ１を式（３）により制限しているので、１つのパルス光により、ｙ方向だけでなくｘ方向にも光強度が周期的に変化する照度分布が形成される。照度分布のｘ方向ピッチ（周期）Ｐｘは、レンズレット５ａのｘ方向サイズをＳｘとすると、次の式（７）で表される。また、シフト部６による所要の平行移動距離Δｕ’は、次の式（８）で表される。
Ｐｘ＝（λ×ｆ２）／Ｓｘ （７）
Δｕ’＝（λ×ｆ）／（Ｓｘ×Ｎｘ） （８）

ｘ方向に沿って互いにＰｘ／３だけ位置ずれした３つの照度分布を重ね合わせることにより、ｘ方向に沿ってほぼ均一な積算照度分布が得られる。一般には、光が入射するレンズレット５ａのｘ方向の個数がＮｘであるとき、ｘ方向に沿って互いにＰｘ／Ｎｘだけ位置ずれしたＮｘ個の照度分布を重ね合わせることにより、マスクブラインド面８ａ、ひいては照明光学系（１〜９）の被照射面（空間光変調器１０のミラー配列面）において、ｘ方向に沿ってほぼ均一な積算照度分布が得られる。

被照射面においてｘ方向およびｙ方向に沿ってほぼ均一な積算照度分布を得るには、ｘ方向に沿って互いにＰｘ／Ｎｘだけ位置ずれし且つｙ方向に沿って互いにＰｙ／Ｎｙだけ位置ずれした合計（Ｎｘ×Ｎｙ）個の照度分布を重ね合わせれば良い。換言すれば、（Ｎｘ×Ｎｙ）個（またはその整数倍）のパルス光を用いて、ｘ方向に沿って互いにＰｘ／Ｎｘだけ位置ずれし且つｙ方向に沿って互いにＰｙ／Ｎｙだけ位置ずれした合計（Ｎｘ×Ｎｙ）個（またはその整数倍）の照度分布を形成することにより、被照射面においてｘ方向およびｙ方向に沿ってほぼ均一な積算照度分布が得られる。

（Ｎｘ×Ｎｙ）個（またはその整数倍）の照度分布を形成する順序は任意に設定可能であり、１つの位置に照度分布を形成する回数は互いに同じであれば任意である。図８では、ｘ方向に並んだ列が３列でｙ方向に並んだ列が３列の合計９個のレンズレット５ａに光が入射するものとしているため、（Ｎｘ×Ｎｙ）は光が入射するレンズレット５ａの個数Ｎｐを意味していることになる。

図１１は、ランダムに不均一な照度分布をランダムに重ね合わせる従来の手法と周期的な照度分布を周期に応じた移動幅にしたがって位置ずれさせながら重ね合わせる実施形態の手法とを比較する図である。図１１において、横軸は積算数Ｎを示し、縦軸は積算照度分布のコントラストＣを対数表示している。参照符号５１は従来の手法による積算数ＮとコントラストＣとの関係を示し、参照符号５２は実施形態の手法による積算数ＮとコントラストＣとの関係を示している。

図１１を参照すると、積算照度分布のコントラストＣを０．１に、すなわち１０％に抑えるために要する積算数Ｎは、実施形態の手法では２０程度であるが、従来の手法では６０をはるかに超える値、例えば１００程度になる。別の観点によれば、１つのパルス光により形成される照度分布の積算数Ｎが３０程度の場合、実施形態の手法では積算照度分布のコントラストＣを７％程度まで低減することができるが、従来の手法では１９％程度までしか低減することができない。

図１２は、実施形態における回折光学素子からの光の射出領域の長さと積算数Ｎ＝３２のときの積算照度分布のコントラストとの関係を示す図である。図１２において、横軸は回折光学素子３からの光の射出領域の長さＳ１，Ｓ２（単位：（ｆ×λ）／Ｐ１，（ｆ×λ）／Ｐ２）を示し、縦軸は積算照度分布のコントラストＣを示している。参照符号５３は実施形態における長さＳ１，Ｓ２とコントラストＣとの関係を示しており、水平方向に延びる直線状の破線５４は図１１において積算数Ｎ＝３２のときに従来の手法により得られるコントラストＣの値、すなわちＣ≒０．１７に対応している。

図１２を参照すると、例えば積算数Ｎ＝３２の場合、式（３）および（４）を満足すれば、実施形態の手法によるコントラストＣの低減効果が従来の手法よりも大きくなることがわかる。また、実施形態の手法によるコントラストＣの低減効果をさらに高めるには、空間光変調器としての回折光学素子３からの光の射出領域のＸ方向に沿った長さＳ１およびＹ方向に沿った長さＳ２を、次の式（９）および（１０）で示す条件を満足するように制限しても良いことがわかる。
Ｓ１≦１．５×（ｆ×λ）／Ｐ１ （９）
Ｓ２≦１．５×（ｆ×λ）／Ｐ２ （１０）

以上のように、第１実施形態では、ビーム送光部２の作用により、回折光学素子３からの光の射出領域のＸ方向に沿った長さＳ１およびＹ方向に沿った長さＳ２を制限している。その結果、１つのパルス光により、光強度がｘ方向およびｙ方向に沿ってほぼ周期的に変化する照度分布をマスクブラインド８の面８ａ上に形成し、ひいては光強度がＸ方向およびＺ方向に沿ってほぼ周期的に変化する照度分布を照明光学系（１〜９）の被照射面（固定的に設置された空間光変調器１０のミラー配列面）に形成することができる。

この場合、照度分布のｘ方向周期Ｐｘおよびｙ方向周期Ｐｙに応じた移動幅にしたがって、シフト部６が照度分布の形成位置を変更することにより、照明光学系（１〜９）の被照射面（空間光変調器１０のミラー配列面）においてＸ方向およびＺ方向に沿ってほぼ均一な積算照度分布を得ることができる。換言すれば、Ｎｐ個（またはその整数倍）のパルス光を用いて、互いに異なるＮｐ個の位置に照度分布を形成して重ね合わせることにより、被照射面においてほぼ均一な積算照度分布を得ることができる。

こうして、第１実施形態にかかる照明光学系（１〜９）では、比較的少ないパルス光により、空間光変調器１０のミラー配列面（被照射面）上の積算照度分布を均一化することができる。また、第１実施形態にかかる露光装置では、空間光変調器１０のミラー配列面上の積算照度分布を均一化する照明光学系（１〜９）を用いて、ウェハ（基板）Ｗに露光されるパターン線幅の均一性を良好にすることができ、ひいては良好なデバイスを製造することができる。

図１３は、第２実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。第２実施形態は第１実施形態と類似の構成を有するが、マイクロフライアイレンズ５の直後の照明瞳に瞳強度分布を固定的に形成する回折光学素子３に代えて、瞳強度分布を可変的に形成する空間光変調器２３が配置されていることが、第１実施形態と相違している。図１３では、図１の第１実施形態における構成要素と同様の機能を果たす要素に図１と同じ参照符号を付している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、第２実施形態の構成および作用を説明する。

第２実施形態では、光源部ＬＳから供給された高コヒーレンスのパルス光が、遅延光学系１およびビーム送光部２を経て、空間光変調器２３に入射する。空間光変調器２３は、可変パターン形成用の空間光変調器１０と同様の構成を有する。すなわち、空間光変調器２３は、図１４に示すように、所定面内に配列された複数のミラー要素２３ａと、複数のミラー要素２３ａを保持する基盤２３ｂと、基盤２３ｂに接続されたケーブル（不図示）を介して複数のミラー要素２３ａの姿勢を個別に制御駆動する駆動部２３ｃとを備えている。

ビーム送光部２は、光源部ＬＳおよび遅延光学系１を経て入射した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空間光変調器２３へ導くとともに、空間光変調器２３の複数のミラー要素２３ａの配列面（ミラー配列面）に入射する光の位置変動および角度変動をアクティブに補正する。空間光変調器２３では、制御系ＣＲからの指令に基づいて作動する駆動部２３ｃの作用により、複数のミラー要素２３ａの姿勢がそれぞれ変化し、各ミラー要素２３ａがそれぞれ所定の向きに設定される。

空間光変調器２３は、二次元的に配列された複数の微小なミラー要素２３ａを備え、入射した光に対して、その入射位置に応じた空間的な変調を可変的に付与して射出する。説明および図示を簡単にするために、図１４および図５では空間光変調器２３が４×４＝１６個のミラー要素２３ａ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、典型的には４０００個〜１００，０００個程度のミラー要素２３ａを備えている。

空間光変調器２３では、すべてのミラー要素２３ａの反射面が１つの平面に沿って設定された基準状態において、ビーム送光部２と空間光変調器２３との間の光路の光軸ＡＸと平行な方向に沿って入射した光線が、空間光変調器２３で反射された後に、空間光変調器２３とリレー光学系４との間の光路の光軸ＡＸと平行な方向に進むように構成されている。また、上述したように、空間光変調器２３のミラー配列面とマイクロフライアイレンズ５の入射側の面５ｂとは、リレー光学系４を介して光学的にフーリエ変換の関係に位置決めされている。

したがって、空間光変調器２３の複数のミラー要素２３ａによって反射されて所定の角度分布が与えられた光は、マイクロフライアイレンズ５の入射側の面５ｂに所定の光強度分布を形成する。すなわち、リレー光学系４は、空間光変調器２３の複数のミラー要素２３ａが射出光に与える角度を、空間光変調器２３のファーフィールド（フラウンホーファー回折領域）であるマイクロフライアイレンズ５の入射側の面５ｂ上での位置に変換する。こうして、マイクロフライアイレンズ５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２３およびリレー光学系４がマイクロフライアイレンズ５の入射側の面５ｂに形成する光強度分布に対応した分布となる。

空間光変調器２３は、図５に示すように、平面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反射素子であるミラー要素２３ａを含む可動マルチミラーである。各ミラー要素２３ａ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、制御系ＣＲからの制御信号に基づいて作動する駆動部２３ｃの作用により独立に制御される。各ミラー要素２３ａ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を回転軸として、所望の回転角度だけ連続的（または離散的）に回転することができる。すなわち、各ミラー要素２３ａ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。

図５には外形が正方形状のミラー要素２３ａを示しているが、ミラー要素２３ａ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２３ａ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２３ａの間隔を必要最小限に抑えることができる。

空間光変調器２３では、制御系ＣＲからの制御信号に応じて作動する駆動部２３ｃの作用により、複数のミラー要素２３ａの姿勢がそれぞれ変化し、各ミラー要素２３ａがそれぞれ所定の向きに設定される。空間光変調器２３の複数のミラー要素２３ａ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５の直後の照明瞳に、所望の瞳強度分布を形成する。このように、空間光変調器２３は、入射光を空間的に変調して射出する空間光変調器であって、マイクロフライアイレンズ５の直後の照明瞳に瞳強度分布を可変的に形成する。

第２実施形態では、一例として、チルトミラー型の空間光変調器２３を用いて、マイクロフライアイレンズ５の直後の照明瞳に瞳強度分布を可変的に形成している。しかしながら、これに限定されることなく、ピストン型の空間光変調器、位相段差チルトミラー型の空間光変調器、または透過型の空間光変調器を用いて、瞳強度分布を可変的に形成しても良い。

第２実施形態では、空間光変調器２３を用いて、図３に示すように、光軸ＡＸを中心とした円形状の光強度分布（照野）をマイクロフライアイレンズ５の入射側の面に形成し、ひいてはマイクロフライアイレンズ５の直後の照明瞳に円形状の瞳強度分布を形成することができる。また、図示を省略するが、空間光変調器２３を用いて、マイクロフライアイレンズ５の直後の照明瞳に輪帯状の瞳強度分布を形成したり、複数極状などの所望形状の瞳強度分布を形成したりすることができる。

なお、第１実施形態では、ビーム送光部２の作用により、空間光変調器としての回折光学素子３からの光の射出領域を制限している。しかしながら、第２実施形態では、空間光変調器２３上の所定領域内のミラー要素２３ａから射出される光がリレー光学系４に入射し、且つ所定領域外のミラー要素２３ａから射出される光がリレー光学系４に入射しないように制御系ＣＲが駆動部２３ｃを制御することにより、空間光変調器２３からの光の射出領域を制限することもできる。

こうして、第２実施形態の照明光学系（１〜９）においても、第１実施形態の場合と同様に、比較的少ないパルス光により、空間光変調器１０のミラー配列面（被照射面）上の積算照度分布を均一化することができる。また、空間光変調器１０のミラー配列面上の積算照度分布を均一化する照明光学系（１〜９）を用いて、ウェハ（基板）Ｗに露光されるパターン線幅の均一性を良好にすることができ、ひいては良好なデバイスを製造することができる。

上述の実施形態では、回折光学素子３または空間光変調器２３とリレー光学系４との間の光路中に配置されたシフト部６が、照度分布の周期に応じた移動幅にしたがって照度分布の形成位置を移動させる相対位置変更部を構成している。別の表現をすれば、相対位置変更部としてのシフト部６は、１つまたは複数のパルス光の照射ごとに、固定的に設置されたパターン形成部としての空間光変調器１０と照度分布との相対位置を変更する。

上述の実施形態では、回折光学素子３または空間光変調器２３とリレー光学系４との間の光路中に、シフト部６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、例えばコンデンサー光学系７とマスクブラインド８（または空間光変調器１０）との間の光路中に、相対位置変更部としてのシフト部を配置することもできる。

また、相対位置変更部として、図１５に示すように、マイクロフライアイレンズ５とコンデンサー光学系７との間の光路中に配置されたチルト部１５を用いることも可能である。チルト部１５は、Ｘ方向に延びる軸線１５ａａ廻りに回転するポリゴンミラー１５ａと、制御系ＣＲからの指令にしたがってポリゴンミラー１５ａを回転駆動する駆動部１５ｂとを有する。チルト部１５は、例えば光軸ＡＸに沿って入射した光を可変角度だけ偏向して射出する機能を有する。

なお、相対位置変更部としてのチルト部１５を、例えばリレー光学系４とマイクロフライアイレンズ５との間の光路中に配置することもできる。また、入射した光を可変角度だけ偏向して射出するチルト部として、ガルバノミラー、振動ミラーなどを用いることもできる。

図１６は、変形例にかかるシフト部の内部構成を概略的に示す図である。図１６を参照すると、変形例にかかるシフト部６Ａは、回折光学素子３（または空間光変調器２３）とリレー光学系４との間の光路中において光軸ＡＸに沿って間隔を隔てて斜設された一対のミラー６１ａ，６１ｂと、ｆθレンズ６２と、Ｘ方向に延びる軸線６３ａ廻りに回転するポリゴンミラー６３と、制御系ＣＲからの指令にしたがってポリゴンミラー６３を回転駆動する駆動部６３ｂと、モーター６４とを有する。

ｆθレンズ６２とポリゴンミラー６３とは、Ｙ方向に延びる光軸ＡＸ１に沿って配置され、例えば図示を省略したベース板上に１つのユニットとして一体に保持されている。モーター６４は、制御系ＣＲからの指令にしたがって、一体に保持されたｆθレンズ６２とポリゴンミラー６３とからなるユニットを光軸ＡＸ１廻りに回転させる。シフト部６Ａでは、回折光学素子３（または空間光変調器２３）からの光が、ミラー６１ａで反射され、ｆθレンズ６２を介してポリゴンミラー６３に入射する。

ポリゴンミラー６３で反射された光は、ｆθレンズ６２およびミラー６１ｂを介して、リレー光学系４へ入射する。シフト部６Ａは、制御系ＣＲからの指令にしたがって駆動部６３ｂがポリゴンミラー６３を軸線６３ａ廻りに回転駆動し且つモーター６４がｆθレンズ６２とポリゴンミラー６３とからなるユニットを光軸ＡＸ１廻りに回転駆動することにより、入射した光を所望方向に所望距離だけ平行移動させて射出する機能を有する。

換言すれば、ｆθレンズ６２とポリゴンミラー６３とからなるユニットの光軸ＡＸ１廻りの回転角度位置に依存して、空間光変調器１０のミラー配列面（被照射面；ＸＺ平面）上での照度分布の移動方向が変化し、ポリゴンミラー６３の軸線６３ａ廻りの回転角度位置に依存して、被照射面上での照度分布の移動距離が変化する。このとき、ｆθレンズ６２に入射する光の発散角または収斂角は、ｆθレンズ６２から射出される光の発散角または収斂角と等しくなる。すなわち、ｆθレンズ６２とポリゴンミラー６３とからなるユニットから射出される光の発散状態または収斂状態は、当該ユニットに入射する光の発散状態または収斂状態が維持されたものとなる。なお、空間光変調器１０のミラー配列面（被照射面；ＸＺ平面）上での照度分布の移動方向を変化させるために、イメージローテータ（たとえば像回転プリズム）を用いてもよい。なお、上述の実施形態および変形例では、回折光学素子３（または空間光変調器２３）とリレー光学系４との間の光路中に、シフト部６，６Ａ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、例えばコンデンサー光学系７とマスクブラインド８（または空間光変調器１０）との間の光路中に、相対位置変更部としてのシフト部を配置することもできる。

上述の実施形態では、固定的に設置された空間光変調器１０のミラー配列面において照度分布の形成位置を変更することにより積算照度分布の均一化を図っている。しかしながら、これに限定されることなく、照度分布の形成位置を固定的に設定し、照度分布の周期に応じた移動幅にしたがって、パターン形成部としての空間光変調器１０を移動させても良い。

上述の実施形態では、パターン形成部として、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（光学要素）１０ａを有する空間光変調器１０を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、転写すべきパターンが形成されたマスク（レチクル）を、パターン形成部として投影光学系の物体面に設置しても良い。

上述の実施形態では、マイクロフライアイレンズ５のレンズレット５ａ間の干渉の影響に着目しているが、１つのレンズレット５ａの内部での干渉に起因してレンズレット５ａの直後に形成されるスポット光の径が大きなってしまう場合がある。この場合、遅延光学系１から射出されるパルス光の向きをパルス毎に適宜変化させることにより、レンズレット５ａの内部でのコヒーレンスを低下させても良い。

上述の実施形態では、所定方向に沿って光強度が周期的に変化する照度分布の形成位置と物体上の被照射面とを、その周期に応じた移動幅にしたがって所定方向において相対移動させることにより、積算照度分布の均一化を図っている。しかしながら、光強度が周期的な変化する照度分布に限定されることなく、所定方向に沿って光強度がある性状にしたがって変化する照度分布の形成位置と物体上の被照射面とを、その分布性状に応じた移動幅にしたがって所定方向において相対移動させることにより、積算照度分布の均一化を図ることもできる。

別の表現をすれば、光源から供給される１つまたは複数のパルス光の照射ごとに、所定方向に沿って光強度が変化する照度分布と物体上の被照射面との相対位置を所定方向において変更することにより、積算照度分布の均一化を図ることができる。また、別の表現をすれば、第１パルス光により物体上の被照射面において所定方向に沿って光強度が変化する第１照度分布を形成し、第２パルス光により第１照度分布を被照射面に対して所定方向に相対移動させた分布である第２照度分布を形成することにより、積算照度分布の均一化を図ることができる。

この場合、第１照度分布を形成し、相対移動を行った後に、第２照度分布を形成する。第１照度分布の少なくとも一部と、第２照度分布の少なくとも一部とは、同じ分布性状を有する。そして、第１照度分布の少なくとも一部と、第２照度分布の少なくとも一部との所定方向における相対位置を変更することにより、積算照度分布の均一化を図ることができる。

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１７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１７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、可変パターン形成用の空間光変調器のミラーパターン（あるいはマスクに形成されたパターン）に応じた所定のパターンをウェハ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を感光性基板としてパターンの転写を行う。

図１８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１８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、本実施形態は、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やシート状の可撓体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、本実施形態は、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。

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、例えば米国特許出願公開第２００７／２４２２４７号明細書に開示されているように、投影光学系ＰＬの先端の光学部材とウェハＷとの間に照明光ＩＬを透過する液体（例えば純水）を供給して回収する局所液浸装置が設けられる。液浸型の場合には解像度をさらに高めることができる。

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、上述の実施形態において、光源部ＬＳとして、波長１９３ｎｍのパルス光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源や、波長２４８ｎｍのパルス光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源を用いることもできる。また、上述の実施形態において、光源部ＬＳとして、パルス光を供給するものに限定されず、例えば連続光を供給する光源、たとえばＣＷ（Continuous Wave）レーザ光源を用いても良い。

なお、上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとり得る。

１ 遅延光学系
２ ビーム送光部
３ 回折光学素子
４ リレー光学系
５ 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）
６ シフト部
７ コンデンサー光学系
８ マスクブラインド
９ 結像光学系
１０ 可変パターン形成用の空間光変調器
２３ 瞳強度分布形成用の空間光変調器
ＬＳ 光源部
ＣＲ 制御系
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ
ＷＳ ウェハステージ

Claims (27)

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おいて、
   前記光源から入射する光を空間的に変調して射出する空間光変調器と、
   前記空間光変調器からの光の光路中に配置されたリレー光学系と、
   前記リレー光学系からの光の光路中に並列的に配置された複数の波面分割要素を有するオプティカルインテグレータと、
   前記オプティカルインテグレータにより波面分割された複数の光束を前記被照射面で重畳させるコンデンサー光学系と、を備え、
   前記空間光変調器上の光を射出する領域の第１方向に沿った長さは、前記被照射面上で前記第１方向に周期を持つ照度分布を形成するように設定されている、照明光学系。
2. 前記空間光変調器上で光が射出される領域の第１方向に沿った長さをＳ１とし、前記リレー光学系の焦点距離をｆとし、前記光の中心波長をλとし、前記複数の波面分割要素の前記第１方向に沿ったピッチをＰ１とするとき、
   Ｓ１≦２×（ｆ×λ）／Ｐ１
   の条件を満たしている、請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記長さＳ１は、
   Ｓ１≦１．５×（ｆ×λ）／Ｐ１
   の条件を満たしている、請求項２に記載の照明光学系。
4. 前記光が射出される領域の前記第１方向と直交する第２方向に沿った長さＳ２は、前記複数の波面分割要素の前記第２方向に沿ったピッチをＰ２とするとき、
   Ｓ２≦２×（ｆ×λ）／Ｐ２
   の条件を満たしている、請求項２または３に記載の照明光学系。
5. 前記長さＳ２は、
   Ｓ２≦１．５×（ｆ×λ）／Ｐ２
   の条件を満たしている、請求項４に記載の照明光学系。
6. 前記空間光変調器は、回折光学素子を有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明光学系。
7. 前記空間光変調器は、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、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明光学系。
8. 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駆動する駆動部と、を有する、請求項７に記載の照明光学系。
9. 前記複数のミラー要素のうち、前記空間光変調器上で前記光が射出される領域内の前記ミラー要素から射出される光が前記リレー光学系に入射し、且つ前記空間光変調器上で前記光が射出される領域外の前記ミラー要素から射出される光が前記リレー光学系に入射しないように前記駆動部を制御する制御部をさらに備える、請求項８に記載の照明光学系。
10. 前記空間光変調器の光源側に配置され、前記空間光変調器上で前記光源からの光が照射される領域を設定する照射領域設定部をさらに備える、請求項６乃至８のいずれか１項に記載の照明光学系。
11. 前記光源は複数のパルス光を射出し、
    前記コンデンサー光学系は、前記複数のパルス光のうちの第１パルス光で所定方向に沿って光強度が変化する第１照度分布を物体上の被照射面に形成すると共に、前記複数のパルス光のうちの第２パルス光で前記所定方向に沿って光強度が変化する第２照度分布を前記被照射面に形成する、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の照明光学系。
12. 前記物体に対して、前記第１照度分布の少なくとも一部と前記第２照度分布の少なくとも一部との前記所定方向における相対位置を変更する相対位置変更部を備える、請求項１０または１１に記載の照明光学系。
13. 前記第１および第２照度分布は、前記所定方向に周期的に変化する光強度分布を有する、請求項１１または１２に記載の照明光学系。
14. 前記第１照度分布と前記第２照度分布とは、前記所定方向に関して位相が異なる、請求項１３に記載の照明光学系。
15. 前記物体は、固定的に設置され、
    前記相対位置変更部は、前記照度分布の分布に応じた移動幅にしたがって、前記照度分布の形成位置を移動させる、請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の照明光学系。
16. 前記照度分布は、光強度が周期的に変化する分布を有し、
    前記相対位置変更部は、前記照度分布の周期に応じた移動幅にしたがって、前記照度分布の形成位置を移動させる、請求項１５に記載の照明光学系。
17. 前記相対位置変更部は、前記オプティカルインテグレータと前記コンデンサー光学系との間の光路中に配置されて入射した光を可変角度だけ偏向して射出
    するチルト部を有する、請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の照明光学系。
18. 前記相対位置変更部は、前記コンデンサー光学系と前記被照射面との間の光路中に配置されて入射した光を可変距離だけ平行移動させて射出するシフト部を有する、請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の照明光学系。
19. 前記相対位置変更部は、前記空間光変調器と前記リレー光学系との間の光路中に配置されて入射した光を可変量だけ平行移動させて射出するシフト部を有する、請求項１２乃至１８のいずれか１項に記載の照明光学系。
20. 前記相対位置変更部は、前記リレー光学系と前記オプティカルインテグレータとの間の光路中に配置されて入射した光を可変角度だけ偏向して射出するチルト部を有する、請求項１２乃至１８のいずれか１項に記載の照明光学系。
21. 前記光源から供給された１つのパルス光から時間的に多重化された複数のパルス光を生成する生成部を備えている、請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の照明光学系。
22. 前記生成部は、前記光源から供給された１つのパルス光を２つのパルス光に分割する分割部材と、該分割部材を経た一方のパルス光を第１光路に沿って導くとともに前記分割部材を経た他方のパルス光を前記第１光路よりも長い第２光路に沿って導く導光光学系とを有する、請求項２１に記載の照明光学系。
23. 前記生成部は、前記一方のパルス光を第１経路に沿って射出し、前記他方のパルス光を前記第１経路とは向きの異なる第２経路に沿って射出する、請求項２２に記載の照明光学系。
24. 所定のパターンを形成するパターン形成部を照明する請求項１乃至２３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基板に露光する、露光装置。
25. 前記パターン形成部は、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、請求項２４に記載の露光装置。
26. 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、請求項２５に記載の露光装置。
27. 請求項２４乃至２６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基板に露光することと、
    前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、
    前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、を含むデバイス製造方法。

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