JP4936499B2 - 露光装置および露光方法 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置および露光方法に関し、特に半導体素子や液晶表示素子などのデバイスをフォトリソグラフィ工程で製造する際に使用される露光装置および露光方法に関するものである。

半導体素子等を製造するためのフォトリソグラフィ工程において、マスク（またはレチクルなどの被投影原版）のパターンを、投影光学系を介して、感光剤（フォトレジスト）が塗布されたウェハ（またはガラスプレートなどの基板）上に投影露光する露光装置が使用されている。そして、半導体素子等の集積度が向上するにつれて、露光装置の投影光学系に要求される解像力（解像度）が益々高まっている。

したがって、投影光学系の解像力に対する要求を満足するために、照明光（露光光）の波長λを短くするとともに投影光学系の像側開口数ＮＡを大きくする必要がある。これは、投影光学系の分解能Ｒが、次のレイリーの式（ａ）により規定されるからである。なお、式（ａ）において、定数Ｋはプロセス係数である。
Ｒ＝Ｋ・λ／ＮＡ （ａ）

しかしながら、像側開口数ＮＡが比較的大きい投影光学系を用いる場合、感光剤上においてＰ偏光状態の光で結像させると、像のコントラストが著しく低下することはすでに知られている。そこで、ピッチの微小なパターンの投影露光に際して、感光剤上においてほぼＳ偏光状態の光で結像させる手法が提案されている（たとえば特許文献１を参照）。

特開平５−９０１２８号公報

従来技術では、感光剤上においてＳ偏光状態で結像する場合、感光剤の表面に対して光が斜めに入射しても感光剤上に像のコントラストを減少させるような電場成分が発生しないため、コントラストの劣化が生じにくいと考えられていた。しかしながら、後述するように、本発明者のさらなる解析によれば、Ｓ偏光状態で結像するパターンのピッチが小さくなるほど、感光剤上の電場エネルギー密度（光電場強度）が高くなり、ひいては露光オーバーになる傾向があることが判明した。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、感光剤上においてＳ偏光状態で結像するピッチの異なる複数のパターンに対してほぼ適切な露光量を確保することができ、ひいては微細なパターンを忠実に且つ高精度に投影露光することのできる露光装置および露光方法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、被投影原版上のパターンの像を投影光学系により感光剤上に形成する露光装置において、
前記被投影原版上のパターンのうちの少なくとも一部のパターンが前記感光剤上において所定の偏光状態で結像するように前記被投影原版を照明するための照明系と、
前記少なくとも一部のパターンが前記感光剤上において結像する領域に達する光量を前記少なくとも一部のパターンの特性に応じて制御するための光量制御手段とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。

本発明の第２形態では、被投影原版上のパターンの像を投影光学系により感光剤上に形成する露光方法において、
前記被投影原版上のパターンのうちの少なくとも一部のパターンが前記感光剤上において所定の偏光状態で結像するように前記被投影原版を照明する照明工程と、
前記少なくとも一部のパターンが前記感光剤上において結像する領域に達する光量を前記少なくとも一部のパターンの特性に応じて制御する光量制御工程とを含むことを特徴とする露光方法を提供する。

本発明の第３形態では、投影光学系の像面に設けられた感光剤上に所定のパターンを形成するために前記投影光学系の物体面に設けられる被投影原版において、
前記被投影原版上のパターンのうちの少なくとも一部のパターンに対応する光学面領域は、前記少なくとも一部のパターンの特性に応じて変化する透過率分布または反射率分布を有することを特徴とする被投影原版を提供する。

本発明の第４形態では、第３形態の被投影原版を照明する工程と、前記被投影原版のパターン像を感光剤が塗布された感光性基板に投影する工程とを含むことを特徴とする露光方法を提供する。

本発明の第５形態では、第４形態の露光方法を用いてマイクロデバイスを製造することを特徴とする製造方法を提供する。

本発明の第６形態では、被投影原版のパターンの像を基板に塗布された感光剤上に形成する露光装置において、
光源からの光で前記被投影原版を照明する照明系と、
前記被投影原版のパターンの像を前記感光剤上に形成する投影系と、
所定の偏光状態の光を前記被投影原版または前記感光剤へ導くための、前記光源からの少なくとも一部の光より所望の偏光状態の光を生成する偏光光生成手段と、
前記感光剤に至る偏光光の少なくとも一部の光量を前記被投影原版のパターンの特性に応じて制御する制御手段とを有することを特徴とする露光装置を提供する。

本発明の第７形態では、被投影原版のパターンの像を基板に塗布された感光剤上に形成する露光方法において、
光源からの光で前記被投影原版を照明する工程と、
前記被投影原版のパターンの像を前記感光剤上に形成する工程と、
所定の偏光状態の光を前記被投影原版または前記感光剤へ導くための、前記光源からの少なくとも一部の光より所望の偏光状態の光を生成する偏光光生成工程と、
前記感光剤に至る偏光光の少なくとも一部の光量を前記被投影原版のパターンの特性に応じて制御する制御工程とを含むことを特徴とする露光方法を提供する。

本発明の第８形態では、第２形態または第７形態の露光方法を用いてマイクロデバイスを製造することを特徴とする製造方法を提供する。

本発明の典型的な形態では、たとえば照明系の光路中において被投影原版と光学的にほぼ共役な位置に配置されて所定の光透過率分布を有する補正フィルターを用いて、パターンのピッチが小さくなるのに応じて感光剤上の結像領域に達する光の強度を相対的に減少させることにより、感光剤上においてＳ偏光状態で結像するピッチの異なる複数のパターンに対してほぼ適切な露光量を確保することができる。その結果、微細なパターンを忠実に且つ高精度に投影露光することができ、ひいては良好なデバイスを高精度に製造することができる。

以下、本発明の具体的な実施形態の説明に先立って、本発明の基本的な原理を説明する。まず、感光剤上においてＳ偏光状態で結像する場合、パターンのピッチが小さくなるのに応じて電場エネルギー密度（以下、略して「光電場強度」という）が大きくなることを説明する。ここで、Ｓ偏光状態とは、たとえば感光剤の表面に対する法線と感光剤の表面に入射する光線とを含む面（すなわち入射面）に垂直な方向にのみ電場の方向を有する直線偏光状態である。ちなみに、Ｐ偏光状態とは、入射面に平行な方向にのみ電場の方向を有する直線偏光状態である。なお、感光剤は光電場強度に応じて感光過程が進行する特性を有するものとする。また、マスクパターンの像は、厳密に言うと、ウェハ等の基板上にて薄く塗布された感光剤上に結像されるのではなくて感光剤内部に結像されることになるが、本発明では、マスクパターンの像が感光剤上に形成または結像すると呼ぶこととする。

図１（ａ）において、物体（被投影原版）として、理想的な回折格子２６を考える。回折格子２６は±１次回折光のみを発生する位相差πの位相回折格子であり、その反射率は零であるものとする。回折格子２６を平行光２２で照明すると、回折光２３Ａおよび２３Ｂが出射する。これらの回折光２３Ａ，２３Ｂが光軸ＡＸとなす角度は±θであるものとする。回折格子２６に入射するのは平行光２２のみであり、出射するのは回折光２３Ａ，２３Ｂのみであるから、これらの光の間でエネルギーが保存されなければならない。つまり、電磁場のエネルギー保存であるから、物体面上におけるポインティングベクトルＳの光軸方向成分Ｓｚの時間平均が入射光と出射光とで等しくなる必要がある。

いま、入射平行光２２のポインティングベクトルＳの光軸方向成分Ｓｚを１とする。この場合、必然的に回折光２３Ａの光軸方向成分Ｓｚは１／２となる。ここで、回折光２３Ａの電場振幅をａとすると、回折光２３Ａの進行方向へのポインティングベクトルＳの大きさ｜Ｓ｜は、次の式（１）で与えられる。式（１）において、ｎは媒質の屈折率であり、εは真空の誘電率であり、μは真空の透磁率である。
｜Ｓ｜＝（ｎ／２）（ε／μ）^1/2｜ａ｜² （１）

式（１）の表現は煩雑であるため、簡単のために（ｎ／２）（ε／μ）^1/2の定数を無視し、回折光２３Ａの進行方向へのポインティングベクトルＳの大きさ｜Ｓ｜が次の式（２）で表されるものとして、本発明の説明を進める。
｜Ｓ｜＝｜ａ｜² （２）

入射平行光２２のポインティングベクトルＳの光軸方向成分Ｓｚの大きさ｜Ｓｚ｜は、回折光２３Ａの進行方向へのポインティングベクトルＳの大きさ｜Ｓ｜にcosθを乗じたものであるから、次の式（３）で表される
｜Ｓｚ｜＝｜ａ｜² cosθ （３）

上述したように、回折光２３Ａの光軸方向成分Ｓｚは１／２となる。そして、式（３）で表される光軸方向成分Ｓｚの大きさ｜Ｓｚ｜が１／２になるためには、回折光２３Ａの電場振幅ａについて次の式（４）に示す関係が成立することになる。
｜ａ｜＝｛１／（２cosθ）｝^1/2 （４）

回折光２３Ｂの電場振幅ａについても同様である。この電場振幅ａをもつ回折光２３Ａ，２３Ｂは、倍率ｍの投影光学系２４を通過し、不図示の基板に塗布された感光剤２５上で再び干渉して周期パターンを形成する。感光剤２５上に形成される周期パターンの電場強度分布Ｉは、回折光２３Ａ，２３ＢがＳ偏光である（回折光２３Ａ，２３Ｂの電場成分が図１の紙面に垂直である）ため、入射角度による減衰を受けない。

図１（ｂ）に示す如く、回折光２３Ａ，２３Ｂが感光剤２５の内部で光軸ＡＸとなす角度をθ’とすると、感光剤２５上での回折光２３Ａおよび２３Ｂの複素振幅ＥＡおよびＥＢは、次の式（５）および（６）でそれぞれ表される。式（５）および（６）において、振幅ｂは投影光学系２４の倍率ｍによる回折波の幅の変化によってもたらされるものである。また、ｋは波数（＝２π／λ）であり、ｘは感光剤２５上で図１の紙面に平行な位置座標である。
ＥＡ＝ｂ・exp［ｉｋｘ sinθ’］ （５）
ＥＢ＝ｂ・exp［−ｉｋｘ sinθ’］ （６）

ここで、図１を参照して明らかなように、像側における（感光剤２５上における）回折光の幅と物体側における（回折格子２６上における）回折光の幅との比Ｆは、次の式（７）で表される。
Ｆ＝（sinθ／sinθ’）（cosθ’／cosθ） （７）

倍率ｍが１よりも小さい投影光学系２４を用いる縮小投影においては、像側の回折光の幅が物体側の回折光の幅よりも小さいのでＦは１よりも小さくなるが、式（７）の右辺のうち（sinθ／sinθ’）の部分は投影光学系２４の倍率ｍそのものであり、縮小投影によって光電場強度Ｉが強くなるという当然の効果である。

物体側よりも像側において回折光の幅が狭くなった分に比例して回折波の強度が増すから、回折波の幅の変化によってもたらされる振幅ｂは、Ｆの値を用いて次の式（８）で表される。また、干渉による電場Ｅおよび光電場強度Ｉは、次の式（９）および（１０）でそれぞれ表される。
｜ｂ｜²＝（１／Ｆ）｜ａ｜² （８）
Ｅ＝ＥＡ＋ＥＢ （９）
Ｉ＝｜Ｅ｜² （１０）

こうして、光電場強度Ｉは、次の式（１１）で表される。また、式（４）に示される電場振幅ａおよび式（７）に示される比Ｆを式（１１）に代入して、光電場強度Ｉは次の式（１２）で表される。
Ｉ＝｜ｂ｜²｛１＋cos（２ｋｘsinθ’）｝ （１１）
Ｉ＝(sinθ’／sinθ){１／(２cosθ’)}{１＋cos (２ｋｘsinθ’)} （１２）

光電場強度Ｉを表す式（１２）のうち（sinθ’／sinθ）は、投影光学系２４の倍率ｍの逆数に他ならないから、θ，θ’に関わらず一定である。すなわち、（sinθ’／sinθ）＝１／ｍの関係を用いて、式（１２）は次の式（１３）に示すように変形される。
Ｉ＝（１／ｍ）｛１／（２cosθ’）｝｛１＋cos（２ｋｘsinθ’）｝ （１３）

こうして、最終的に得られた式（１３）を参照すると、光電場強度Ｉの振幅は｛１／（２cosθ’）｝に比例することがわかる。つまり、感光剤２５上に形成される周期パターンの強度振幅は、感光剤２５の内部における回折光２３Ａ，２３Ｂと光軸ＡＸとがなす角度θ’に依存する。以上の説明は回折格子２６からの回折光が２本しか存在しない場合を前提にしているが、それ以外の場合にも光軸ＡＸとなす角度の大きい回折光の感光剤２５への寄与が大きくなることに変わりはない。

以上の考察より、たとえば被投影原版にピッチの異なる複数のパターンが混在するように形成されている場合、被投影原版上のパターン領域の全体を均一な光強度分布で照明して投影露光すると、感光剤上においてＳ偏光状態で結像するパターンの光電場強度がピッチに依存して異なるため、具体的にはピッチが小さいパターンの方が感光剤上での光電場強度が大きくなるため、ピッチが比較的小さいパターンの結像領域では露光オーバー（露光量の過剰）の傾向になることがわかる。

換言すれば、感光剤上においてＳ偏光状態で結像するピッチの異なる複数のパターンに対してほぼ適切な露光量を確保するには、パターンのピッチが小さくなるのに応じて感光剤上の結像領域に達する光の強度（一般的には露光量＝光強度×時間）を相対的に減少させることが必要である。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図２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２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２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２の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。図２を参照すると、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２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２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。

なお、説明を簡単にするために、図２において、光源１からは、Ｙ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光光が供給されるものとする。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、偏光状態切換部４及び照明条件に応じて切り換え可能に構成される回折光学素子５を介してアフォーカルレンズ６に入射する。ここで、偏光状態切換部４は、回転調整可能に設けられた１／２波長板４ａ及び照明光路に対して挿脱可能に設けられたデポラライザ４ｂを有し、デポラライザ４ｂは、１以上の水晶等の複屈折性楔プリズムで構成され、不図示の駆動系を介して偏光照明時には照明光路から退避し、非偏光照明時には照明光路に設定される。

なお、デポラライザ４ｂを照明光路に配置して、非偏光状態で輪帯照明、２極や４極等の多極照明、通常照明（円形照明）等の任意の照明条件のもとでマスクＭのパターンを感光性基板へ投影露光することができるが、以下においては、デポラライザ４ｂを照明光路から退避させて、偏光照明を行うことを前提とした例の説明を行う。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。ここで、輪帯照明用の回折光学素子、４極明用の回折光学素子、２極照明用の回折光学素子、および通常照明用（円形照明用）の回折光学素子を有する不図示の照明切換装置を介して、所望の回折光学素子のうちの１つが回折光学素子５として選択的に照明光路内に設定される。例えば、回折光学素子５として輪帯照明用の回折光学素子が照明光路に設定された場合には、矩形断面を有する平行光束は輪帯照明用の回折光学素子の回折作用により、そのファーフィールド（またはフランホーファー回折領域）に輪帯状の光強度分布が形成される。

また、回折光学素子５として４極明用の回折光学素子が照明光路に設定された場合には、矩形断面を有する平行光束は４極照明用の回折光学素子の回折作用により、そのファーフィールド（またはフランホーファー回折領域）に４極状の光強度分布が形成される。さらに、回折光学素子５として２極明用の回折光学素子が照明光路に設定された場合には、矩形断面を有する平行光束は２極照明用の回折光学素子の回折作用により、そのファーフィールド（またはフランホーファー回折領域）に２極状の光強度分布が形成される。このように、回折光学素子の選択に応じて所望の形状の照明に変更することができる。以下においては、回折光学素子５として輪帯照明用の回折光学素子が照明光路に設定されているものとして説明する。

輪帯照明用の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、円錐アキシコン系８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９および偏光変換素子１０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）１１に入射する。偏光変換素子１０の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１１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９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１１の入射面はズームレンズ９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９は、所定面７とマイクロフライアイレンズ１１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１１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１１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９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１１を構成する各微小レンズは、被投影原版としてのマスク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１１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（ひいては照明瞳）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、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１１の後側焦点面またはその近傍に形成された二次光源からの光束は、ビームスプリッター１２ａ、コンデンサー光学系１３および補正フィルター２０を介した後、マスクブラインド１４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１４には、マイクロフライアイレンズ１１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１２ａを内蔵する偏光および露光量をモニターする検出系１２は、マイクロフライアイレンズ１１とコンデンサー光学系１３との間に配置されている。また、補正フィルター２０の構成および作用については後述する。マスクブラインド１４の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系１５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１５は、マスクブラインド１４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、感光剤が塗布された基板であるウェハ（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。

次に、アキシコン系８について説明する。この円錐アキシコン系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３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３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９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４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４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９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９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。

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１１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１１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１１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１１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。

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。

次に、本実施形態の一例としての周方向偏光輪帯照明の詳細について説明する。まず、偏光照明の設定としては、図２の偏光状態切換部４のデポラライザ４ｂは不図示の駆動系を介して照明光路から退避し、１／２波長板４ａは、Ｚ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光光が回折光学素子５に導かれるように、不図示の駆動系を介して回転調整されている。

次に、輪帯照明の設定としては、不図示の照明切換装置を介して、回折光学素子５として輪帯照明用の回折光学素子のうちの１つが照明光路内に設定される。同時に、不図示の駆動系を介して円錐アキシコン系８内のプリズム（８ａ，８ｂ）を可動させて瞳での適切な輪帯比が設定されると共に、σ値可変用のズームレンズ９による瞳での適切な光束径が設定される。以上の偏光照明の設定及び輪帯照明の設定により、偏光変換素子１０には、輪帯形状の光束断面形状を有すると共に、Ｚ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光光が入射する。

図５は、図２の偏光変換素子の構成を概略的に示す図である。また、図６は、水晶の旋光性について説明する図である。また、図７は、偏光変換素子の作用により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。本実施形態にかかる偏光変換素子１０は、マイクロフライアイレンズ１１の直前に、すなわち照明光学装置（１〜ＰＬ）の瞳またはその近傍に配置されている。したがって、輪帯照明の場合、偏光変換素子１０には光軸ＡＸを中心としたほぼ輪帯状の断面を有する光束が入射することになる。

図５を参照すると、偏光変換素子１０は、全体として光軸ＡＸを中心とした輪帯状の有効領域を有し、この輪帯状の有効領域は光軸ＡＸを中心とした円周方向に等分割された８つの扇形形状の基本素子により構成されている。これらの８つの基本素子において、光軸ＡＸを挟んで対向する一対の基本素子は互いに同じ特性を有する。すなわち、８つの基本素子は、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４種類の基本素子１０Ａ〜１０Ｄを２個づつ含んでいる。

具体的には、第１基本素子１０Ａの厚さが最も大きく、第４基本素子１０Ｄの厚さが最も小さく、第２基本素子１０Ｂの厚さは第３基本素子１０Ｃの厚さよりも大きく設定されている。その結果、偏光変換素子１０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）は各基本素子１０Ａ〜１０Ｄ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１０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。

また、本実施形態では、各基本素子１０Ａ〜１０Ｄ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１０Ａ〜１０Ｄ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６を参照して、水晶の旋光性について簡単に説明する。図６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（ｂ）で表わされる。
θ＝ｄ・ρ （ｂ）
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。

本実施形態において、第１基本素子１０Ａは、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。したがって、この場合、図７に示す輪帯状の二次光源３１のうち、一対の第１基本素子１０Ａの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円弧状領域３１Ａを通過する光束の偏光方向はＺ方向になる。

第２基本素子１０Ｂは、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。したがって、この場合、図７に示す輪帯状の二次光源３１のうち、一対の第２基本素子１０Ｂの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円弧状領域３１Ｂを通過する光束の偏光方向は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１０Ｃは、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。したがって、この場合、図７に示す輪帯状の二次光源３１のうち、一対の第３基本素子１０Ｃの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円弧状領域３１Ｃを通過する光束の偏光方向はＸ方向になる。

第４基本素子１０Ｄは、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。したがって、この場合、図７に示す輪帯状の二次光源３１のうち、一対の第４基本素子１０Ｄの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円弧状領域３１Ｄを通過する光束の偏光方向はＺ方向をＹ軸廻りに＋４５度回転させた方向になる。

なお、別々に形成された８つの基本素子を組み合わせて偏光変換素子１０を得ることもできるし、あるいは平行平面板状の水晶基板に所要の凹凸形状（段差）を形成することにより偏光変換素子１０を得ることもできる。偏光変換素子１０の有効領域の径方向の大きさの１／３以上の大きさを有し且つ旋光性を有しない円形状の中央領域１０Ｅが設けられている。ここで、中央領域１０Ｅは、たとえば石英のように旋光性を有しない光学材料により形成されていてもよいし、単純に円形状の開口であってもよい。ただし、中央領域１０Ｅは偏光変換素子１０に必須の要素ではない。

本実施形態では、周方向偏光輪帯照明（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）に際して、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光の光を、偏光光生成手段としての偏光変換素子１０に入射させる。その結果、マイクロフライアイレンズ１１の後側焦点面またはその近傍には、図７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。

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（一般には周方向偏光状態の照明瞳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（電場の方向）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、周方向偏光輪帯照明では、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。

しかしながら、前述したように、マスク（被投影原版）Ｍにピッチの異なる複数のパターンが混在するように形成されている場合、マスクＭ上のパターン領域の全体を均一な光強度分布で照明して投影露光すると、感光剤上においてＳ偏光状態で結像するパターン（本実施形態において周方向偏光輪帯照明を行う場合にはマスクＭ上のすべてのパターン）のうち、ピッチが小さいパターンの方が感光剤上での光電場強度が大きくなるため、ピッチが比較的小さいパターンの結像領域では露光オーバー（露光量の過剰）の傾向になる。そこで、本実施形態では、パターンのピッチが小さくなるのに応じて感光剤上の結像領域に達する光の強度を相対的に減少させることにより、感光剤上においてＳ偏光状態で結像するピッチの異なる複数のパターンに対してほぼ適切な露光量を確保する。

具体的に、本実施形態では、マスクＭと光学的にほぼ共役に配置されたマスクブラインド１４の近傍に、所定の光透過率分布を有する補正フィルター２０を配置している。この補正フィルター２０に形成された光透過率分布は、マスクパターンのピッチが小さくなるのに応じてマスクＭ上のパターン領域に入射する光の強度を相対的に減少させるように、ひいては結像パターンのピッチが小さくなるのに応じて感光剤上の結像領域に達する光の強度を相対的に減少させるように規定されている。したがって、補正フィルター２０は、マスクＭの交換に際して（場合によっては照明条件の変更に際して）、必要に応じて、光透過率分布の異なる他の補正フィルターと交換することになる。

なお、補正フィルター２０の光透過率分布は、周知の不透明物質の蒸着または塗布により、具体的には例えばクロムドットの濃度パターンなどにより形成することができる。あるいは、微細な位相（段差）構造による０次回折光の強度制御により、具体的には例えば透過型の位相格子のような回折格子などを用いて、補正フィルター２０に光透過率分布を形成することもできる。さらに、補正フィルター２０に対する光透過率分布の付与については、本発明の範囲内において様々な変形例が可能である。

こうして、補正フィルター２０は、パターンが感光剤上において結像する領域に達する光強度（一般には光量）をパターンのピッチ（一般にはパターンの特性）に応じて制御するための光量制御手段を構成している。換言すれば、補正フィルター２０は、感光剤に至る偏光光の少なくとも一部の光量をマスク（被投影原版）Ｍのパターンの特性に応じて制御する制御手段を構成している。その結果、本実施形態では、パターンのピッチが小さくなるのに応じて感光剤上の結像領域に達する光の強度を相対的に減少させる補正フィルター２０の作用により、感光剤上においてＳ偏光状態で結像するピッチの異なる複数のパターンに対してほぼ適切な露光量を確保することができ、ひいては微細なパターンを忠実に且つ高精度に投影露光することができる。

なお、上述の実施形態では、周方向偏光輪帯照明（一般には周方向偏光照明）によりマスクＭ上のすべてのパターンが感光剤上においてほぼＳ偏光状態で結像する場合を想定して本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、たとえばマスクＭ上のピッチの異なるパターンのうち、ピッチの比較的小さいパターンに着目し、そのパターンのピッチ方向とほぼ直交する方向にのみ電場の方向を有するほぼ直線偏光状態の光でマスクＭを照明する場合にも、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、マスクＭと光学的にほぼ共役に配置されたマスクブラインド１４の近傍に補正フィルター２０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、一般的に照明系（１〜１５）の光路中においてマスクＭと光学的にほぼ共役な位置に補正フィルター２０と同様の補正フィルターを配置することにより、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。あるいは、図８（ａ）に示すように、マスクＭの光源側に近接して補正フィルター２０と同様の補正フィルター２０ａを配置する変形例においても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

あるいは、図８（ｂ）に示すように、たとえばマスクＭのパターン面９０（ウェハ側の光学面）とは反対側の光学面（光源側の光学面）に、補正フィルター２０の光透過率分布に対応する光透過率分布９１を形成する変形例においても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。一般的には、マスク（被投影原版）Ｍ上のパターンのうちの少なくとも一部のパターンに対応する光学面領域に、そのパターンの特性（ピッチ）に応じて変化する透過率分布（反射型の被投影原版の場合には反射率分布）を形成することにより、本発明の効果を得ることができる。

また、上述の実施形態および図８（ａ）に示す変形例では、マスクＭよりも光源側の光路中に補正フィルター２０，２０ａ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、図８（ｃ）に示すように投影光学系ＰＬ中の瞳位置またはその近傍に、光量制御手段として所定の光透過率分布を有する補正フィルター２０ｂを配置する変形例も可能である。ただし、図８（ｃ）に示す変形例では、ピッチが小さいパターンからの回折光ほど投影光学系ＰＬ中の瞳位置において光軸（中心）ＡＸから離れた位置を通過するので、補正フィルター２０ｂは中心よりも周辺の方が光透過率の低い分布を有する。

ここで、補正フィルター２０ｂの光透過率分布は、例えばクロムドットの濃度パターンにより形成することができる。このように、補正フィルター２０ｂの光透過率分布は、上述の実施形態および図８（ａ）や（ｂ）に示す変形例とは異なり、マスクＭ上のパターンの特性（ピッチ）に依存しない。したがって、補正フィルター２０ｂは、マスクＭの交換に際して交換する必要はなく、投影光学系ＰＬ中の瞳位置またはその近傍に固定的に配置される。

このように、理論上は、マスクＭ上のパターンの特性（ピッチ）に依存することなく規定された光透過率分布を有する補正フィルターを光量制御手段として投影光学系ＰＬ中の瞳位置またはその近傍に固定的に配置する手法が、最も正確であり理にかなっている。しかしながら、マスクＭ上のパターンが決まれば、Ｓ偏光状態での結像における光電場強度のパターンピッチによる増強度を計算により簡単に予測することができるので、この計算結果に基づいて上述の実施形態および図８（ａ）や（ｂ）に示す変形例における所要の光透過率分布を容易に求めることができる。

なお、マスクにおいて様々な形状やピッチを持つパターンが形成されている場合には、図２及び図８（ａ）に示す補正フィルター（２０，２０ａ）や図８（ｂ）に示す補正フィルター部９１は、光量制御が必要なピッチを持つパターン部分のみの光量を制御するように対応する領域（局所的な領域）に所望の光透過率分布を持つように構成されることが好ましい。

以上においては、偏光状態切換部４にて偏光照明状態を設定し、輪帯照明用の回折光学素子５、円錐アキシコン系８、σ値可変用のズームレンズ９、及び偏光変換素子１０を用いて周方向偏光輪帯照明を行う例について述べたが、本発明はこれに限ることはない。例えば、偏光状態切換部４にて偏光照明状態の設定を維持しつつ、不図示の駆動系を介して偏光変換素子１０を光路外へ退避させるとともに、不図示の駆動系を介して２極照明用の回折光学素子５を照明光路に設定することで、偏光２極照明を行うようにしてもよい。

このとき、図２に示す如く、Ｚ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光光が２極照明用の回折光学素子５へ入射する場合には、この２極照明用の回折光学素子の回折作用により、ファーフィールドには、光軸ＡＸに対してＸ方向に対称な２極状の光強度分布が形成され、この２極状の光強度分布内の光はＺ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光となる。従って、マイクロフライアイレンズ１１の入射面及び射出面（瞳面）には光軸ＡＸに対してＸ方向に対称な２極状の光強度分布が形成され、この２極状の光強度分布内の光はＺ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光光となっている。

この偏光２極照明の例では、図２に示すように、Ｘ方向に一次元的な周期パターンを有するマスクＭを用いる場合には、マスクＭのパターンの長手方向と偏光方向とが一致するため、偏光照明として有効である。しかしながら、本発明の効果を得るためには、図２及び図８に示すように、このマスクＭのパターンの所定のピッチ以下となる領域に対して作用する光量制御のための補正フィルターを、マスクブラインド１４の近傍に配置、マスクＭの近傍に配置、投影光学系ＰＬの瞳面近傍に配置、あるいはマスクそのものに形成することが好ましい。

また、図２に示すように、Ｙ方向に一次元的な周期パターンを有するマスクＭを用いる場合には、図２に示す偏光状態切換部４の内部の１／２波長板を不図示の駆動系を介して回転させ、Ｘ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光光を２極照明用の回折光学素子５へ入射させる。

この場合には、この２極照明用の回折光学素子の回折作用により、ファーフィールドには、光軸ＡＸに対してＺ方向に対称な２極状の光強度分布が形成され、この２極状の光強度分布内の光はＸ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光となる。従って、マイクロフライアイレンズ１１の入射面及び射出面（瞳面）には光軸ＡＸに対してＺ方向に対称な２極状の光強度分布が形成され、この２極状の光強度分布内の光はＸ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光光となっている。この偏光２極照明の例においてもマスクＭのパターンの長手方向と偏光方向とが一致するため、偏光照明として有効である。しかしながら、本発明の効果を得るためには、図２及び図８に示すように、このマスクＭのパターンの所定のピッチ以下となる領域に対して作用する光量制御のための補正フィルターを、マスクブラインド１４の近傍に配置、マスクＭの近傍に配置、投影光学系ＰＬの瞳面近傍に配置、あるいはマスクそのものに形成することが好ましい。

また、上述の実施形態では、光量制御手段としての補正フィルター２０の作用により、パターンが感光剤上において結像する光の強度をパターンのピッチに応じて制御している。しかしながら、これに限定されることなく、パターンが感光剤上において結像する時間の長さをパターンのピッチに応じて制御することにより、たとえば走査型露光における走査中の露光量の時間的な制御により、感光剤上においてＳ偏光状態で結像するピッチの異なる複数のパターンに対してほぼ適切な露光量を確保することもできる。

ところで、上述の実施形態では、マイクロフライアイレンズ１１の直前に、偏光光生成手段としての偏光変換素子１０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、一般にビームエキスパンダー２から投影光学系ＰＬまでの光学系（２〜ＰＬ）の瞳またはその近傍に、たとえば投影光学系ＰＬの瞳またはその近傍や、結像光学系１５の瞳またはその近傍や、円錐アキシコン系８の直前（アフォーカルレンズ６の瞳またはその近傍）などに偏光変換素子１０を配置することもできる。

ただし、投影光学系ＰＬ中や結像光学系１５中に偏光変換素子１０を配置すると、偏光変換素子１０の所要有効径が大きくなり易いため、高品質で大きい水晶基板を得ることが困難である現状を考えるとあまり好ましくない。また、円錐アキシコン系８の直前に偏光変換素子１０を配置すると、偏光変換素子１０の所要有効径を小さく抑えることができるが、最終的な被照射面であるウェハＷまでの距離が長く、その間の光路中にレンズの反射防止コートやミラーの反射膜のように偏光状態を変化させる要素が介在し易いのであまり好ましくない。ちなみに、レンズの反射防止コートやミラーの反射膜では、偏光状態（Ｐ偏光とＳ偏光）や入射角度によって反射率に差が生じ易く、ひいては光の偏光状態が変化し易い。

また、上述の実施形態では、偏光変換素子１０の少なくとも一方の面（たとえば射出面）が凹凸状に形成され、ひいては偏光変換素子１０が周方向に離散的（不連続的）に変化する厚さ分布を有する。しかしながら、これに限定されることなく、偏光変換素子１０が周方向にほぼ不連続的に変化する厚さ分布を有するように、偏光変換素子１０の少なくとも一方の面（たとえば射出面）を曲面状に形成することもできる。

また、上述の実施形態では、輪帯状の有効領域の８分割に対応する８つの扇形形状の基本素子により偏光変換素子１０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、たとえば円形状の有効領域の８分割に対応する８つの扇形形状の基本素子により、あるいは円形状または輪帯状の有効領域の４分割に対応する４つの扇形形状の基本素子により、あるいは円形状または輪帯状の有効領域の１６分割に対応する１６つの扇形形状の基本素子により偏光変換素子１０を構成することもできる。すなわち、偏光変換素子１０の有効領域の形状、有効領域の分割数（基本素子の数）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、水晶を用いて各基本素子１０Ａ〜１０Ｄを（ひいては偏光変換素子１０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、上述の実施形態において、偏光変換素子１０を照明光路に対して固定的に設けたが、この偏光変換素子１０を照明光路に対して挿脱可能に設けても良い。また、上述の実施形態では、ウェハＷに対するＳ偏光と輪帯照明とを組み合わせた例を示したが、ウェハＷに対するＳ偏光と２極や４極などの多極照明および円形照明と組み合わせても良い。なお、上述の実施形態において、マスクＭへの照明条件やウェハＷへの結像条件（開口数や収差等）は、例えばマスクＭのパターンの種類等に従って自動的に設定することができる。

また、上述の実施形態において、偏光変換素子１０よりもウェハＷ側の光学系（照明光学系や投影光学系）が偏光収差（リターデーション）を有している場合には、この偏光収差に起因して偏光方向が変化することがある。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、偏光変換素子１０により旋回される偏光面の方向を設定すれば良い。また、偏光変換素子１０よりもウェハＷ側の光路中に反射部材が配置されている場合、この反射部材にて反射された偏光方向毎に位相差が生じることがある。このとき、反射面の偏光特性に起因する光束の位相差を考慮した上で、偏光変換素子１０により旋回される偏光面の方向を設定すれば良い。

ところで、以上においては、マスクＭの全面を所定の偏光状態の光で照明した例を説明したが、本発明はこれに限ることなく、マスクＭに対して局所的に任意の偏光照明をする場合にも適用することができる。この例について、図９〜図１１を参照しながら説明する。なお、図９〜図１１に示す実施の形態において、図２及び図８に示す実施の形態と同じ機能を持つ部材には同じ符号を付してあるが、図９〜図１１に示す実施の形態では、図２及び図８に示す実施の形態の偏光変換素子１０の代わりに、偏光変換部材２１を具備している点が異なる。但し、本実施の形態の理解を容易にするために、本実施の形態においては、図２及び図８に示す実施の形態のフィルター２０をマスクＭの近傍に配置した例について最初に説明する。

図１１（ａ）に示す如く、マスクＭには、４つの異なるパターン領域（ａＭ〜ｄＭ）が形成されており、第１パターン領域ａＭには、縦方向に微細なピッチを有する一次元パターンが形成されており、第２パターン領域ｂＭには、横方向に微細なピッチを有する一次元パターンが形成されている。第３パターン領域ｃＭには、第１パターン領域ａＭの一次元パターンよりも大きなピッチを有する縦方向に沿った一次元パターンが形成されており、第４パターン領域ｄＭには、第２パターン領域ｂＭの一次元パターンよりも大きなピッチを有する横方向に沿った一次元パターンが形成されている。なお、第３パターン領域ｃＭ及び第４パターン領域ｄＭに形成されている各パターンは偏光照明が不要な粗いピッチを有している。

ここで、第１パターン領域ａＭ及び第２パターン領域ｂＭを偏光照明しつつ光量を制御する手法について説明する。まず、図１１（ｂ）に示す如く、マスクＭ上の第１〜第４パターン領域（ａＭ〜ｄＭ）に対応して形成された３つのパターン領域（ａ２１〜ｃ２１）を有する複合型偏光変換部材（偏光制御手段）２１がマスクＭに近接した位置に配置されている。この第１パターン領域ａ２１には、図１１（ｂ）に示す如く、マスクＭ上の第１パターン領域ａＭのパターンの長手方向と平行な方向の直線偏光の光を生成する第１波長板が配置されており、第２パターン領域ｂ２１には、マスクＭ上の第２パターン領域ｂＭのパターンの長手方向と平行な方向の直線偏光の光に対応して形成された第２波長板が配置されている。また、この第３パターン領域ｃ２１は、図１１（ｂ）に示す如く、マスクＭ上の第３パターン領域ｃＭ及び第４パターン領域ｄＭをカバーするような領域を有し、この領域ｃ２１には水晶等の複屈折性の楔状プリズムと非複屈折性の楔プリズムとの組み合わせ等で構成されたデポラライザ（偏光解消素子）が配置されている。

なお、図１１（ｂ）に示す偏光変換部材２１を構成する第１波長板、第２波長板及びデポラライザがそれぞれ所定の機能を果たすように、偏光変換部材２１には適切な方向の直線偏光した光が導かれ、偏光状態切換部４として照明光路に設定されている１／２波長板は適正な軸方向に設定（回転調整）されている。

以上の図１１（ｂ）に示す如き偏光変換部材２１によって、図１１（ａ）に示すマスクＭの各領域（ａＭ〜ｄＭ）は、それぞれ適切な偏光状態で照明されるが、マスクＭの第１領域ａＭ及び第２領域ｂＭの光量が多いなる。このため、図９に示す如く、マスクＭの第１領域ａＭ及び第２領域ｂＭでの適切な光量（強度）に減光するための補正フィルター２０がマスクの近傍である偏光変換部材２１とマスクＭとの間に配置されている。この補正フィルター２０は、マスクＭの第１領域ａＭに対応する位置に配置された第１フィルターａ２０と、マスクＭの第２領域ｂＭに対応する位置に配置された第２フィルターｂ２０と、マスクＭの第３領域ｃＭ及び第４領域ｄＭをカバーするような対応位置に配置された光学的に透明な光学部材ｃ２０とを有している。

以上の偏光変換部材２１及び補正フィルター２０によって、ウェハＷ上またはウェハＷ上に塗布された感光剤上に形成される図１１（ａ）に示されるマスクＭのパターン像は、適切な偏光照明条件かつ適切な光量（露光量、エネルギー量）のもとで形成されるため、極めて良好なる露光を達成することができ、良好なる高精度なデバイスの製造が実現できる。

図９〜図１１に示す実施の形態では、偏光変換部材２１及び補正フィルター２０をマスクＭ面の近傍に配置したが、この配置に限ることなく、偏光変換部材２１及び補正フィルター２０は、マスクＭ面と光学的に共役な面またはその近傍に配置することも可能である。さらに、偏光変換部材２１及び補正フィルター２０ａは、必ずしも互いに近接した位置への配置や配置順序に制限される必要はなく、両者は、マスク面またはその近傍、あるいはマスクＭ面と光学的に共役な面またはその近傍に配置されていれば良い。

従って、例えば、図９に示す偏光変換部材２１をマスクブラインド１４の近傍に配置することも可能であり、図１０（ａ）に示す如く偏光変換部材２１及び補正フィルター２０をマスクブラインド１４の近傍に配置することも可能であり、さらには、補正フィルター２０をマスクブラインド１４の近傍に配置し、偏光変換部材２１をマスク面近傍に配置することも可能である。

また、マスクＭそのものに偏光変換部材２１及び補正フィルター２０の機能を付与することも可能であり、図１０（ｂ）には、補正フィルター２０の機能を持つ部材９１と偏光変換部材２１の機能を持つ部材９２とをマスクＭに形成した変形例を示している。

さらに、図８（ｃ）に示した例と同様の構造及び機能を有する補正フィルター２０ｂを投影光学系ＰＬの瞳位置またはその近傍に位置に配置した変形例においても、図１０（ｃ）に示す如く、偏光変換部材２１は、マスクブラインド１４の近傍であるマスクＭ面と光学的に共役な面またはその近傍に配置されていれば良い。さらには、図１０（ｃ）の偏光変換部材２１をマスク面またはその近傍に配置しても良い。

また、偏光変換部材２１と補正フィルター（２０，２０ｂ）との一部をマスクに形成し、残りの一部をマスク面の近傍、マスクＭ面と光学的に共役な面またはその近傍に配置する構成とすることも可能である。

図２および図９〜図１１に示す如く、以上の各実施の形態における光量制御手段（光量補正手段）としての補正フィルター（２０，２０ａ，２０ｂ）は、投影光学系ＰＬの像側の開口数をＮＡ、感光性基板（ウェハ）に塗布された感光剤の屈折率をｎとするとき、以下に記載の条件を満たす場合に設定されるのがより好ましい。
｛１−（ＮＡ／ｎ）²｝^0.5＜０．８３

以上の条件を満たすと、適切な光量のもとで適切な偏光の光により感光剤上にはマスクパターン像が形成されるため、より一層精度良い露光が実現できる。一例として、ＮＡを１．０、ｎを１．７とした場合には、上記条件を満たすため、偏光照明する際には光量制御手段（光量補正手段）を用いて、感光剤上にてマスクパターン像の光量を制御することが良い。なお、以上の条件の上限値は０．８３の代わりに１／１．２と表現しても良い。

以上においては、光量制御手段（光量補正手段）として、補正フィルターを露光装置の光路に配置した例を示したが、露光時間をマスクのパターンのピッチに応じて制御したり、あるいは、マスクのパターンのピッチに応じて光源１からの出力を制御する構成を採用することも可能であり、これら以外の手法によって感光剤上に形成されるマスクパターン像の光量を制御することも可能である。

なお、Ｓ偏光等の偏光照明する際に、マスク面や感光性基板面へ導かれる光は完全なる直線偏光状態の光であることが理想であるが、さまざまな要因によって楕円成分を含む場合があるため、直線偏光成分が光強度で８０％以上であれば実質的に問題ない。

また、図８（ｂ）及び図１０（ｂ）に示す例は、被投影原版が透過型のマスクＭ（レチクル）とした例を示したが、反射型マスクであっても本発明を適用できることは言うまでもない。この場合、補正フィルターとして機能するフィルター部９１は所望の反射率分布を有するように構成されることが好ましい。

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１２のフローチャートを参照して説明する。

先ず、図１２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１３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１３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。

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。

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。

本発明の基本的な原理を説明する図である。 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。 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２の偏光変換素子の構成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。 偏光変換素子の作用により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。 光量制御手段の構成および配置に関する変形例を概略的に示す図である。 本発明の実施形態の変形例にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。 図９の変形例における偏光変換部材及び補正フィルターの配置を概略的に示す図である。 図９の変形例における作用を説明する図である。 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。

符号の説明

１ 光源
４ 偏光状態切換部
４ａ １／２波長板
４ｂ デポラライザ
５ 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 ズームレンズ
１０ 偏光変換素子
１０Ａ〜１０Ｄ 各基本素子
１１ マイクロフライアイレンズ
１２ 偏光モニター
１２ａ ビームスプリッター
１３ コンデンサー光学系
１４ マスクブラインド
１５ 結像光学系
２０，２０ａ，２０ｂ 補正フィルター
２１ 複合型偏光変換部材
２６ 回折格子
２４ 投影光学系
２５ 感光剤
Ｍ マスク
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ

Claims (18)

1. 被投影原版上のパターンの像を投影光学系により感光剤上に形成する露光装置において、
   前記被投影原版上の第１領域に第１ピッチで設けられた第１パターン群と前記被投影原版上の前記第１領域とは異なる第２領域に前記第１ピッチとは異なる第２ピッチで設けられた第２パターン群が、前記感光剤上において、前記感光剤の表面に対する法線と前記感光剤の表面に入射する結像光線とを含む面にほぼ垂直な方向に電場の方向を有するほぼ直線偏光状態で結像するように前記被投影原版を照明するための照明系と、
   前記第１パターン群が前記感光剤上において結像する領域に達する光の強度と前記第２パターン群が前記感光剤上において結像する領域に達する光の強度とを独立に制御するための制御手段とを備え、
   前記第１ピッチよりも前記第２ピッチは小さく、
   前記制御手段は、前記第２パターン群が前記感光剤上において結像する領域に達する光の強度を前記第１パターン群が前記感光剤上において結像する領域に達する光の強度よりも減少させることを特徴とする露光装置。
2. 前記感光剤は、光電場強度に応じて感光過程が進行する特性を有することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記制御手段は、前記投影光学系中の瞳位置またはその近傍に配置されて所定の光透過率分布を有する第１制御部材を有することを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
4. 前記第１制御部材は、中心よりも周辺の方が光透過率の低い分布を有することを特徴とする請求項３に記載の露光装置。
5. 前記制御手段は、前記照明系の光路中において前記被投影原版と光学的にほぼ共役な位置に配置されて所定の光透過率分布を有する第２制御部材を有することを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
6. 前記制御手段は、前記被投影原版に近接して配置されて所定の光透過率分布を有する第３制御部材を有することを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
7. 被投影原版上のパターンの像を投影光学系により感光剤上に形成する露光方法において、
   前記被投影原版上の第１領域に第１ピッチで設けられた第１パターン群と前記被投影原版上の前記第１領域とは異なる第２領域に前記第１ピッチとは異なる第２ピッチで設けられた第２パターン群が、前記感光剤上において、前記感光剤の表面に対する法線と前記感光剤の表面に入射する結像光線とを含む面にほぼ垂直な方向に電場の方向を有するほぼ直線偏光状態で結像するように前記被投影原版を照明する照明工程と、
   前記第１パターン群が前記感光剤上において結像する領域に達する光の強度と前記第２パターン群が前記感光剤上において結像する領域に達する光の強度とを独立に制御する制御工程とを含み、
   前記第１ピッチよりも前記第２ピッチは小さく、
   前記制御工程では、前記第２パターン群が前記感光剤上において結像する領域に達する光の強度を前記第１パターン群が前記感光剤上において結像する領域に達する光の強度よりも減少させることを特徴とする露光方法。
8. 前記制御工程では、前記投影光学系中の瞳位置またはその近傍を通過する光の透過率を制御することを特徴とする請求項７に記載の露光方法。
9. 前記制御工程では、前記照明系の光路中において前記被投影原版と光学的にほぼ共役な位置を通過する光の透過率を制御することを特徴とする請求項７に記載の露光方法。
10. 前記制御工程では、前記被投影原版に近接した位置を通過する光の透過率を制御することを特徴とする請求項７に記載の露光方法。
11. 前記制御工程では、前記被投影原版の光学面を通過する光の透過率を制御することを特徴とする請求項７に記載の露光方法。
12. 被投影原版のパターンの像を基板に塗布された感光剤上に形成する露光装置において、
    光源からの光で前記被投影原版を照明する照明系と、
    前記被投影原版のパターンの像を前記感光剤上に形成する投影系と、
    所定の偏光状態の光を前記被投影原版または前記感光剤へ導くために、前記光源からの少なくとも一部の光に基づき、前記被投影原版または前記感光剤に入射する光の入射面とほぼ直交する方向に電場方向を有する偏光光を生成する偏光光生成手段と、
    前記感光剤に至る偏光光の少なくとも一部の光の強度を前記被投影原版のパターンの特性に応じて制御する制御手段とを有し、
    前記制御手段は、前記被投影原版に形成されているパターンのピッチが小さくなるのに応じて、前記感光剤に至る偏光光の光の強度を相対的に減少させることを特徴とする露光装置。
13. 前記偏光光生成手段は、前記光源と前記被投影原版が設置される被投影原版面との間の光路中に配置されることを特徴とする請求項１２に記載の露光装置。
14. 前記制御手段は、前記光源と前記基板が設置される基板面との間の光路中に配置されることを特徴とする請求項１２または１３に記載の露光装置。
15. 被投影原版のパターンの像を基板に塗布された感光剤上に形成する露光方法において、
    光源からの光で前記被投影原版を照明する工程と、
    前記被投影原版のパターンの像を前記感光剤上に形成する工程と、
    所定の偏光状態の光を前記被投影原版または前記感光剤へ導くために、前記光源からの少なくとも一部の光に基づき、前記被投影原版または前記感光剤に入射する光の入射面とほぼ直交する方向に電場方向を有する偏光光を生成する偏光光生成工程と、
    前記感光剤に至る偏光光の少なくとも一部の光の強度を前記被投影原版のパターンの特性に応じて制御する制御工程とを含み、
    前記制御工程は、前記被投影原版に形成されているパターンのピッチが小さくなるのに応じて、前記感光剤に至る偏光光の光の強度を相対的に減少させる工程を含むことを特徴とする露光方法。
16. 前記偏光光生成工程は、前記光源と前記被投影原版が設置される被投影原版面との間の光路中にて付与されることを特徴とする請求項１５に記載の露光方法。
17. 前記制御工程は、前記光源と前記基板が設置される基板面との間の光路中にて付与されることを特徴とする請求項１５または１６に記載の露光方法。
18. 請求項７乃至１１、および請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の露光方法を用いてマイクロデバイスを製造することを特徴とする製造方法。

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