JP5339721B2 - 計算機ホログラム及び露光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、計算機ホログラム及び露光装置に関する。
フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて半導体メモリや論理回路などの微細な半導体デバイスを製造する際に、投影露光装置が従来から使用されている。投影露光装置は、レチクル（マスク）に描画された回路パターンを投影光学系によってウエハ等の基板に投影して回路パターンを転写する。
投影露光装置の解像度Ｒは、露光光の波長λ、投影光学系の開口数（ＮＡ）及び現像プロセスなどによって定まるプロセス定数ｋ１を用いて、以下の数式１で与えられる。
従って、露光光の波長を短くすればするほど、或いは、投影光学系のＮＡを上げれば上げるほど、解像度はよくなる。但し、露光光の波長が短くなると硝材の透過率が低下するため、現在の露光光を更に短波長化することは困難である。また、投影光学系のＮＡに反比例して焦点深度が小さくなること、及び、高ＮＡの投影光学系を構成するためのレンズの設計及び製造は困難であることから、投影光学系の高ＮＡ化を進めることも難しい。
そこで、プロセス定数ｋ１を小さくすることにより解像度の向上を図る超解像技術（ＲＥＴ：Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）が提案されている。かかるＲＥＴの１つとして、変形照明法（又は斜入射照明法）と呼ばれるものがある。
変形照明法は、一般的に、光学系の光軸上に遮光板を有する開口絞りを、均一な面光源を形成するオプティカルインテグレータの射出面近傍に配置することによって、レチクルに対して露光光を斜めに入射させる。変形照明法は、開口絞りの形状（即ち、光強度分布の形状）に応じて、輪帯照明法や四重極照明法などを含む。また、変形照明法においては、露光光の利用効率（照明効率）を向上させるため、開口絞りの代わりに計算機ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）を用いた技術も提案されている。
一方、投影光学系の高ＮＡ化に伴って、露光光の偏光状態を制御した偏光照明法も、投影露光装置の高解像度化には必要な技術となってきている。偏光照明法とは、基本的に、Ｐ偏光とＳ偏光のうち、光軸に対して同心円方向成分を有するＳ偏光のみを用いてレチクルを照明する照明法である。
そこで、近年では、変形照明法（所望の形状（例えば、四重極形状）を有する光強度分布の形成）と偏光照明法（偏光状態の制御）とを同時に実現する技術が提案されている（特許文献１乃至３参照）。
例えば、特許文献１は、変形照明法及び偏光照明法を１つの素子で実現する技術を開示している。特許文献１では、光強度分布の形状（再生像）をＣＧＨで制御すると共に、構造複屈折を用いて偏光状態を制御している。具体的には、同一の偏光方向の光に対応した複数のＣＧＨ（以下、「サブＣＧＨ」と称する）を並列に配置して１つのＣＧＨを構成し、偏光方向に応じた構造複屈折をサブＣＧＨ毎に適用している。
特許文献２は、サブＣＧＨに適用する偏光を制御する手段として偏光制御器を用いることで、所望の偏光を選択的に使用している。
特許文献３は、変形照明法及び偏光照明法で代表的に形成される四重極形状の光強度分布において、４つの極のバランスを制御することが可能な技術を開示している。具体的には、特許文献３は、ＣＧＨを４分割してサブＣＧＨを構成し、入射光の強度分布を変化させることで、ＣＧＨによる再生像の極のバランスを変化させることを可能としている。
また、ＣＧＨの設計に関する技術についても従来から提案されている（非特許文献１参照）。
特開２００６−１９６７１５号公報 特開２００６−４９９０２号公報 特開２００６−５３１９号公報 "Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｈｏｌｏｇｒａｍｓ ｂｙ ｄｉｒｅｃｔ ｂｉｎａｒｙ ｓｅａｒｃｈ" ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳ ／ Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．１４ ／ Ｊｕｌｙ １９８７ ２７８８−２７９８
しかしながら、従来技術では、１つのＣＧＨを複数に分割してサブＣＧＨを構成しているため、入射光の強度分布がオプティカルインテグレータで補正しきれていない場合（例えば、ＣＧＨの一部にしか光が入射しない場合）、再生像に照度ムラが生じてしまう。
また、複数のサブＣＧＨを組み合わせた場合、サブＣＧＨの境界で生じる構造の不連続性から不要な回折光が発生してしまうため、ＣＧＨによる再生像を劣化させてしまう。そこで、サブＣＧＨの境界で生じる構造の不連続性を設計で解消することも考えられるが、設計コストが非常に増大するという別の問題が生じてしまう。
また、偏光制御器で偏光を選択的に使用した場合、露光光の利用効率が著しく低下してしまう（即ち、光量損失が大きくなってしまう）。
また、ＣＧＨは、一般的に、フーリエ変換を用いて無限に薄い素子として設計される。従って、ＣＧＨの設計や製造において、素子の薄型化は常に要求される課題である。
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みて、照度ムラ及び光量損失を抑えると共に薄型化を実現し、所望の形状及び偏光状態の光強度分布（再生像）を形成することができる計算機ホログラムを提供することを例示的目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計算機ホログラムは、入射光の波面に位相分布を与えて所定面に光強度分布及び偏光分布を形成する計算機ホログラムであって、入射光の偏光状態を変化させる第１の異方性セル及び第２の異方性セルと、入射光の偏光状態を変化させない第１の等方性セル及び第２の等方性セルと、を有し、前記第１の異方性セルの光学軸の方向と前記第２の異方性セルの光学軸の方向とが互いに異なり、前記第１の等方性セルの厚さと前記第２の等方性セルの厚さとが互いに異なり、前記第１の等方性セルの厚さは、前記入射光のうち第１の方向の直線偏光の位相変化が前記第１の等方性セルと前記第１の異方性セルとで一致するように設定され、前記第２の等方性セルの厚さは、前記入射光のうち前記第１の方向に垂直な第２の方向の直線偏光の位相変化が前記第２の等方性セルと前記第１の異方性セルとで一致するように設定されていることを特徴とする。
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
本発明によれば、例えば、照度ムラ及び光量損失を抑えると共に薄型化を実現し、所望の形状及び偏光状態の光強度分布（再生像）を形成する計算機ホログラムを提供することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
図１は、本発明の一側面としての計算機ホログラム１００を説明するための図である。計算機ホログラム１００は、図１に示すように、入射光の波面に位相分布を与えて所定面ＰＳ（例えば、アパーチャの位置）に光強度分布（再生像）ＬＩを形成する。また、計算機ホログラム１００は、第１の方向の直線偏光（Ｘ軸方向を偏向方向とする直線偏光）としてのＸ偏光の波面及び第２の方向の直線偏光（Ｙ軸方向を偏向方向とする直線偏光）としてのＹ偏光の波面に互いに異なる位相分布を与える。これにより、Ｘ偏光（入射光のＸ軸方向の直線偏光成分）が形成する第１の光強度分布ＬＩ１とＹ偏光（入射光のＹ軸方向の直線偏光成分）が形成する第２の光強度分布ＬＩ２とを異ならせることができる。なお、Ｘ偏光とＹ偏光とは、互いに直交する偏光である。
以下、Ｘ偏光の波面及びＹ偏光の波面に互いに異なる位相分布を与える計算機ホログラム１００について具体的に説明する。図２は、計算機ホログラム１００を構成するセル構造を示す概略斜視図である。計算機ホログラム１００は、図２に示すように、矩形形状の複数のセル１１０を有する。
Ｘ偏光の波面及びＹ偏光の波面に互いに異なる位相分布を与えるためには、計算機ホログラム１００は、各偏光方向に対して波面を独立に制御する必要がある。例えば、計算機ホログラム１００として２段の計算機ホログラムを考えると、２つの偏光方向の各々に対して２値の位相を波面に与える必要がある。従って、計算機ホログラム１００のセル１１０においては、４種類のセル構造が必要となる。図２に示すセル１１０ａ乃至１１０ｄの各々は、かかる４種類のセル構造のうちの１種類のセル構造を有する。計算機ホログラム１００は、４種類のセル１１０を正方格子状に配列して構成されている。
複数のセル１１０の各々は、図２に示すように、入射光の偏光状態を変化させる第１の異方性セル１１０ａ及び第２の異方性セル１１０ｂと、入射光の偏光状態を変化させない第１の等方性セル１１０ｃ及び第２の等方性セル１１０ｄとを含む。但し、第１の等方性セル１１０ｃ及び第２の等方性セル１１０ｄの説明における入射光の偏光状態を変化させないとは、第１の異方性セル１１０ａ及び第２の異方性セル１１０ｂと比較して、入射光の偏光状態を変化させないという意味である。従って、本実施形態では、Ｘ偏光に対する屈折率とＹ偏光に対する屈折率との差が０以上０．００１以下であるセルを等方性セルとみなす。
第１の異方性セル１１０ａ及び第２の異方性セル１１０ｂは、第１の異方性セル１１０ａの光学軸ＯＡ１の方向と第２の異方性セル１１０ｂの光学軸ＯＡ２の方向とが互いに異なるように構成されている。これにより、Ｘ偏光の波面をＹ偏光の波面よりも進ませるセルとＸ偏光の波面をＹ偏光の波面よりも遅らせるセルとを実現することができる。また、本実施形態では、第１の異方性セル１１０ａ及び第２の異方性セル１１０ｂは、Ｘ偏光とＹ偏光に対応して、第１の異方性セル１１０ａの光学軸ＯＡ１の方向と第２の異方性セル１１０ｂの光学軸ＯＡ２の方向とが垂直に交わるように構成されている。換言すれば、第１の異方性セル１１０ａの光学軸ＯＡ１の方向は、第２の異方性セル１１０ｂの光学軸ＯＡ２の方向に直交する。ここで、光学軸とは、異方性媒質において屈折率が一定になり、偏光していない光を入射させても複屈折を発生せず、通常光線と異常光線が一致する、或いは、ずれが最小となる方向の軸のことである。
第１の等方性セル１１０ｃ及び第２の等方性セル１１０ｄは、第１の等方性セル１１０ｃの厚さ（Ｚ方向の厚さ）ｈ２と第２の等方性セル１１０ｄの厚さ（Ｚ方向の厚さ）ｈ３とが互いに異なるように構成されている。これにより、Ｘ偏光及びＹ偏光の両方の波面を進ませるセルとＸ偏光及びＹ偏光の両方の波面を遅らせるセルとを実現することができる。
第１の異方性セル１１０ａ及び第２の異方性セル１１０ｂの厚さ（Ｚ方向の厚さ）ｈ１、第１の等方性セル１１０ｃの厚さｈ２と第２の等方性セル１１０ｄの厚さｈ３は、以下の３種類の屈折率（第１の屈折率乃至第３の屈折率）を用いて表すことができる。第１の屈折率は、第１の異方性セル１１０ａのＸ偏光に対する屈折率及び第２の異方性セル１１０ｂのＹ偏光に対する屈折率ｎＥである。第２の屈折率は、第１の異方性セル１１０ａのＹ偏光に対する屈折率及び第２の異方性セル１１０ｂのＸ偏光に対する屈折率ｎＯである。第３の屈折率は、第１の等方性セル１１０ｃ及び第２の等方性セル１１０ｄの屈折率ｎである。本実施形態では、説明を簡単にするために、ｎＯ＞ｎＥとなる場合の例を示している。
２段の計算機ホログラム１００を構成する場合、位相をπずらす必要があり、これを実現するためには、第１の異方性セル１１０ａ及び第２の異方性セル１１０ｂの厚さｈ１は、以下の数式２を満足すればよい。
また、第１の等方性セル１１０ｃの厚さｈ２は、第１の異方性セル１１０ａのＸ偏光に対する屈折率及び第２の異方性セル１１０ｂのＹ偏光に対する屈折率ｎＥによる波面と揃える波面を形成するために、以下の数式３を満足すればよい。
また、第２の等方性セル１１０ｄの厚さｈ３は、第１の異方性セル１１０ａのＹ偏光に対する屈折率及び第２の異方性セル１１０ｂのＸ偏光に対する屈折率ｎＯによる波面と揃える波面を形成するために、以下の数式４を満足すればよい。
本実施形態では、上述したように、ｎＯ＞ｎＥとなる場合の例を示したが、ｎＯ＜ｎＥとなる場合には、数式２、数式３及び数式４においてｎＥとｎＯを入れ替えればよい。
第１の異方性セル１１０ａ及び第２の異方性セル１１０ｂの厚さｈ１、第１の等方性セル１１０ｃの厚さｈ２及び第２の等方性セル１１０ｄの厚さｈ３によって、複数のセル１１０は、図２に示すように、多段（厚さの異なる複数の領域）で構成されることになる。具体的な数値例として、第１の異方性セル１１０ａ及び第２の異方性セル１１０ｂを異方性材料で構成し、ｎＯ＝１．６、ｎＥ＝１．４、ｎ＝１．５である場合を示す。この場合、第１の異方性セル１１０ａ及び第２の異方性セル１１０ｂの厚さｈ１、第１の等方性セル１１０ｄの厚さｈ２及び第２の等方性セル１１０ｄの厚さｈ３のそれぞれは、入射光の波長をλとして、２．５λ、２λ、３λとなる。このように、第１の異方性セル１１０ａ及び第２の異方性セル１１０ｂの厚さｈ１、第１の等方性セル１１０ｄの厚さｈ２及び第２の等方性セル１１０ｄの厚さｈ３は、波長λの数倍の厚さに収まっている。かかる厚さは、計算機ホログラムの厚さとして現実的である。
投影露光装置の光源として、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーや波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどのエキシマレーザーを考えた場合、異方性セルとして用いることができる異方性材料の偏光方向による屈折率の差Δｎは小さい。具体的には、ＡｒＦエキシマレーザーの波長板として用いられるフッ化マグネシウムの偏光方向による屈折率の差Δｎは、波長約１９３ｎｍに対して、０．０１４である。従って、第１の異方性セル１１０ａ及び第２の異方性セル１１０ｂの厚さｈ１は、数式２から、約３６λとなる。
図３は、計算機ホログラム１００を構成する別のセル構造を示す概略斜視図である。計算機ホログラム１００は、図３に示すように、複数のセル１１０を有する。図３に示す計算機ホログラム１００のセル構造は、後述するように、図２に示す計算機ホログラム１００のセル構造よりも薄く構成することが可能であり、計算機ホログラム１００の更なる薄型化を実現することができる。
複数のセル１１０の各々は、図３に示すように、入射光の偏光状態を変化させる第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１と、入射光の偏光状態を変化させない第１の等方性セル１１０ｃ１及び第２の等方性セル１１０ｄ１とを含む。
第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１は、構造複屈折を生じる回折格子で構成され、例えば、０次以外の回折光の発生を防止するために、入射光の波長よりも小さいピッチＰの周期構造を有する１次元回折格子で構成される。図３に示すように、第１の異方性セル１１０ａ１の周期構造の周期方向は、第１の異方性セル１１０ａ１の光学軸ＯＡ３の方向と等しく、第２の異方性セル１１０ｂ１の周期構造の周期方向は、第２の異方性セル１１０ｂ１の光学軸ＯＡ４の方向と等しい。また、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１は、第１の異方性セル１１０ａ１の光学軸ＯＡ３の方向と第２の異方性セル１１０ｂ１の光学軸ＯＡ４の方向とが互いに異なるように構成されている。換言すれば、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１は、第１の異方性セル１１０ａ１の周期構造の周期方向と第２の異方性セル１１０ｂ１の周期構造の周期方向とが互いに異なるように構成されている。これにより、Ｘ偏光の波面をＹ偏光の波面よりも進ませるセルとＸ偏光の波面をＹ偏光の波面よりも遅らせるセルとを実現することができる。なお、構造複屈折を生じる回折格子は、例えば、石英を用いた回折格子として特許文献１に開示されている。特許文献１は、石英は波長１９３ｎｍでは１．５６の屈折率を有し、構造複屈折領域の回折格子のデューティ比を１：１（＝０．５）とすると、回折格子のピッチ方向の屈折率ｎ⊥は１．１９、ピッチ直交方向の屈折率ｎＩＩは１．３１となることを記載している。
本実施形態では、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１は、Ｘ偏光とＹ偏光に対応して、第１の異方性セル１１０ａ１の周期構造の周期方向と第２の異方性セル１１０ｂ１の周期構造の周期方向とが垂直に交わるように構成されている。換言すれば、第１の異方性セル１１０ａ１の周期構造の周期方向は、第２の異方性セル１１０ｂ１の周期構造の周期方向に直交する。また、第１の異方性セル１１０ａ１の光学軸ＯＡ３は、第１の異方性セル１１０ａの光学軸ＯＡ１と同様に、Ｘ軸に沿っていると考えることができる。第２の異方性セル１１０ｂ１の光学軸ＯＡ４は、第２の異方性セル１１０ｂの光学軸ＯＡ２と同様に、Ｙ軸に沿っていると考えることができる。従って、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１は、第１の異方性セル１１０ａ１の光学軸ＯＡ３の方向と第２の異方性セル１１０ｂ１の光学軸ＯＡ４の方向とが垂直に交わるように構成されているとも言える。
また、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１は、第１の異方性セル１１０ａ１の厚さと第２の異方性セル１１０ｂ１の厚さとが等しくなるように構成されている。これにより、Ｘ偏光の波面をＹ偏光の波面よりも進ませる量及びＸ偏光の波面をＹ偏光の波面よりも遅らせる量を、位相にして、πにすることができる。本実施形態では、計算機ホログラム１００が２段の計算機ホログラムである（即ち、２段の波面を生成する）ため、異方性セルの厚さは１種類となっている。計算機ホログラム１００が２段よりも多い多段の計算機ホログラムである場合には、光学軸の方向が互いに異なり、且つ、厚さが等しい異方性セルのペアが、互いに異なる複数の厚さで構成される。換言すれば、２段よりも多い多段の計算機ホログラムにおいては、互いに異なる複数の厚さの異方性セルのペアが構成され、かかる異方性セルのペアにおいては、光学軸の方向が互いに異なる２つの異方性セルが構成される。
第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１が構造複屈折を生じる回折格子で構成されている場合においても、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１の厚さｈ１’は、ｈ１をｈ１’に置き換えた数式２を満足すればよい。同様に、第１の等方性セル１１０ｃ１の厚さｈ２’及び第２の等方性セル１１０ｄ１の厚さｈ３’のそれぞれは、ｈ２をｈ２’に置き換えた数式３及びｈ３をｈ３’に置き換えた数式４を満足すればよい。
具体的な数値例として、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１を波長λ＝１９３ｎｍに対応した石英で構成した場合を示す。上述したように、石英の屈折率を１．５６、回折格子のピッチ方向の屈折率ｎ⊥を１．１９、ピッチ直交方向の屈折率ｎＩＩを１．３１とする。数式２乃至数式４を用いて、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１の厚さｈ１’、第１の等方性セル１１０ｃ１の厚さｈ２’及び第２の等方性セル１１０ｄ１の厚さｈ３’を求めるには、ｎ⊥をｎＥとし、ｎＩＩをｎＯとすればよい。この場合、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１の厚さｈ１’は、数式２から、４．１７λとなる。かかる厚さは、波長板の１種類であるλ／２位相板の厚さと等しい。また、第１の等方性セル１１０ｃ１の厚さｈ２’及び第２の等方性セル１１０ｄ１の厚さｈ３’は、数式３及び４から、１．４１λ及び２．３１λとなり、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１の厚さｈ１’よりも薄くなる。このように、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１の厚さｈ１’、第１の等方性セル１１０ｃ１の厚さｈ２’及び第２の等方性セル１１０ｄ１の厚さｈ３’は、λ／２位相板の厚さに収まっている。Ｘ偏光とＹ偏光とを含む直線偏光を入射光とした場合、Ｘ偏光とＹ偏光に位相差としてπを与えるためには、λ／２位相板の厚さは必要となる。従って、計算機ホログラム１００の厚さがλ／２位相板の厚さに収まっているということは、計算機ホログラム１００の厚さが最低限の厚さになっていることを意味する。換言すれば、図３に示す計算機ホログラム１００は、非常に薄型化されている。また、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１の厚さｈ１’（ｈ１’＝４．１７λ）は、複屈折材料をフッ化マグネシウムとして構成された第１の異方性セル１１０ａ及び第２の異方性セル１１０ｂと比較して、薄くなっている。
本実施形態では、２段の計算機ホログラムである場合を例に説明したため、計算機ホログラム１００は、１種類の厚さの異方性セルと、２種類の厚さの等方性セルとで構成されている。但し、本発明は２段の計算機ホログラムに限った技術ではなく、２段よりも多い多段の計算機ホログラムである場合には、かかる計算機ホログラムは、１種類よりも多い複数種類の厚さの異方性セルと、２種類よりも多い複数種類の厚さの等方性セルとで構成される。
なお、本実施形態では、計算機ホログラム１００のセル構造についてのみ説明したが、図２に示すように、材質の異なる物質（例えば、異方性セルと等方性セル）を結合させることは難しい。また、図３に示すように、構造複屈折を生じる回折格子で異方性セルを構成した場合には、かかる回折格子が宙に浮いた状態となっており、この状態を維持することは難しい。そこで、実際には、上述した異方性セル及び等方性セルは、例えば、石英などの基板上に配置されている。
以下、計算機ホログラム１００の具体的な設計例について説明する。
まず、計算機ホログラム１００が、図４に示すような四重極形状の光強度分布（ターゲット像）ＬＩを形成する場合を説明する。図４に示す光強度分布ＬＩは、Ｘ偏光が形成する第１の光強度分布ＬＩ１と、Ｙ偏光が形成する第２の光強度分布ＬＩ２とで構成されている。また、第１の光強度分布ＬＩ１及び第２の光強度分布ＬＩ２における偏光方向ＰＤは、同心円方向に沿っている（即ち、Ｓ偏光になっている）。図４は、計算機ホログラム１００が形成する四重極形状の光強度分布ＬＩの一例を示す図である。
図５は、図４に示す光強度分布ＬＩを形成するための計算機ホログラム１００の構成を示す概略斜視図である。図４に示す光強度分布ＬＩを形成するための計算機ホログラム１００は、図３に示したセル構造で構成され、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１と、第１の等方性セル１１０ｃ１及び第２の等方性セル１１０ｄ１とを有する。換言すれば、図５に示す計算機ホログラム１００は、図３に示した計算機ホログラム１００の各セル構造を並び替えて構成されている。図５には、図４に示す光強度分布ＬＩを形成するための計算機ホログラムの基本構造（２×２のセルで構成された１周期分の構造）を示すが、計算機ホログラム１００は、実際には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に、かかる基本構造が繰り返し配置された構成となる。
図６は、図５に示す計算機ホログラム１００の各セルの厚さを示す図である。図６において、白黒の濃淡が各セルの厚さ（Ｚ方向）を表しており、色が白に近い方が厚く、黒に近い方が薄いことを示している。図６に示す数値は、計算機ホログラム１００における第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１の内部の厚さ、及び、第１の等方性セル１１０ｃ１及び第２の等方性セル１１０ｄ１の厚さを示しており、単位はμｍである。但し、図６に示す数値は、波長１９３ｎｍに対する屈折率が１．５６の石英で第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１を構成した場合の例である。
図５及び図６を参照するに、図４に示す光強度分布ＬＩを形成するための計算機ホログラム１００は、Ｘ偏光に対しては、位相シフト量の差がπとなるセルがＹ軸に沿って上下に交互に配置された構成となっている。また、Ｙ偏光に対しては、位相シフト量の差がπとなるセルがＸ軸に沿って左右に交互に配置された構成となっている。これにより、図５及び図６に示す計算機ホログラム１００に対して、Ｘ偏光が入射するとＹ軸に沿った上下の±１次に強い回折光が得られ、Ｙ偏光が入射するとＸ軸に沿った左右の±１次に強い回折光が得られることになる。従って、図５及び図６に示す計算機ホログラム１００に対して、Ｘ偏光の強度とＹ偏光の強度とが等しい偏光状態を有する光が入射した場合、計算機ホログラム１００からの回折光の光強度分布は、図４に示す光強度分布Ｌ１に一致する。
図７は、Ｘ偏光の強度とＹ偏光の強度とが等しい偏光状態を有する光の一例を示す図である。図７に示す光は、Ｘ軸に対する偏光方向の角度ＰＡが−４５度である直線偏光である。従って、図７に示す光を入射光として選択することで、計算機ホログラム１００は、図４に示す光強度分布Ｌ１を形成する。但し、図４に示すように、Ｘ偏光が形成する第１の光強度分布ＬＩ１と、Ｙ偏光が形成する第２の光強度分布ＬＩ２とが完全に分離している光強度分布ＬＩをターゲット像とする場合には、入射光として他の偏光状態も選択することができる。例えば、偏光方向のＸ軸に対する角度ＰＡが４５度である直線偏光であってもよい。また、Ｘ偏光の強度とＹ偏光の強度とが等しい偏光状態を有する円偏光や無偏光であってもよい。
このように、本実施形態によれば、λ／２位相板の厚さに収まる厚さでありながら（即ち、薄型化を実現すると共に）、所望の形状及び偏光状態の光強度分布の一例としてＳ偏光による四重極形状の光強度分布を形成する計算機ホログラムを提供することができる。
次に、計算機ホログラム１００が、図８に示すような輪帯形状の光強度分布（ターゲット像）ＬＩを形成する場合を説明する。図８に示す光強度分布ＬＩにおける偏光方向ＰＤは、複数の偏光方向ＰＤ１乃至ＰＤ４を含み、同心円方向に沿っている（即ち、Ｓ偏光になっている）。図８は、計算機ホログラム１００が形成する輪帯形状の光強度分布ＬＩの一例を示す図である。
図９は、図８に示す光強度分布ＬＩを形成するための計算機ホログラム１００の各セルの厚さを示す図である。図９において、白黒の濃淡が各セルの厚さ（Ｚ方向）を表しており、色が白に近い方が厚く、黒に近い方が薄いことを示している。図９に示す数値は、計算機ホログラム１００における第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１の内部の厚さ、及び、第１の等方性セル１１０ｃ１及び第２の等方性セル１１０ｄ１の厚さを示しており、単位はμｍである。但し、図６に示す数値は、波長１９３ｎｍに対する屈折率が１．５６の石英で第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１を構成した場合の例である。
図８に示す光強度分布ＬＩを形成するための計算機ホログラム１００は、図３に示したセル構造で構成され、第１の異方性セル１１０ａ１及び第２の異方性セル１１０ｂ１と、第１の等方性セル１１０ｃ１及び第２の等方性セル１１０ｄ１とを有する。換言すれば、図９に示す計算機ホログラム１００は、図３に示した計算機ホログラム１００の各セル構造を並び替えて構成されている。図９には、図８に示す光強度分布ＬＩを形成するための計算機ホログラムの基本構造（１６×１６のセルで構成された１周期分の構造）を示すが、計算機ホログラム１００は、実際には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に、かかる基本構造が繰り返し配置された構成となる。
図８に示す光強度分布ＬＩは、図４に示す光強度分布ＬＩと異なり、Ｘ偏光が形成する光強度分布と、Ｙ偏光が形成する光強度分布とが完全に分離されていない。換言すれば、図８に示す光強度分布ＬＩは、Ｘ偏光及びＹ偏光の両方で形成される斜めの直線偏光ＰＤ３及びＰＤ４を含んでいる。従って、図８に示す光強度分布ＬＩを形成するための図９に示す計算機ホログラム１００に入射させる入射光の偏光状態は限定される。図９に示す計算機ホログラム１００は、Ｘ軸に対する偏光方向の角度ＰＡが−４５度である直線偏光（図７参照）を入射光とした場合に、図８に示す光強度分布ＬＩを形成する。なお、円偏光を入射光とすることも可能であるが、この場合には、計算機ホログラム１００の各セルの厚さを変更する必要がある。
このように、本実施形態によれば、λ／２位相板の厚さに収まる厚さでありながら（即ち、薄型化を実現すると共に）、所望の形状及び偏光状態の光強度分布の一例としてＳ偏光による輪帯形状の光強度分布を形成する計算機ホログラムを提供することができる。
なお、本実施形態では、計算機ホログラムを構成するセルの数が少ない場合を例に説明したが、計算機ホログラムのセルの数を増加させても所望の形状及び偏光状態の光強度分布を形成することができる。計算機ホログラムを構成するセルの数を増加させることで、光強度分布（ターゲット像）を分割するピクセルサイズが小さくなり、なめらかな形状の光強度分布を形成することが可能となる。
以下、図１０を参照して、本発明に係る計算機ホログラム１００を適用した露光装置１について説明する。図１０は、本発明の一側面としての露光装置１の構成を示す図である。
露光装置１は、本実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル２０のパターンをウエハ４０に露光する投影露光装置である。但し、露光装置１は、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式も適用することができる。
露光装置１は、図１０に示すように、照明装置１０と、レチクル２０を支持するレチクルステージ（不図示）と、投影光学系３０と、ウエハ４０を支持するウエハステージ（不図示）とを有する。
照明装置１０は、転写用の回路パターンが形成されたレチクル２０を照明し、光源１６と、照明光学系１８とを有する。
光源１６は、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどのエキシマレーザーを使用する。但し、光源１６は、エキシマレーザーに限定されず、波長約１５７ｎｍのＦ２レーザーや狭帯域化した水銀ランプなどを使用してもよい。
照明光学系１８は、光源１６からの光を用いてレチクル２０を照明する光学系であり、本実施形態では、所定の照度を確保しながら所定の偏光状態でレチクル２０を変形照明する。照明光学系１８は、引き回し光学系１８１と、ビーム整形光学系１８２と、偏光制御部１８３と、位相制御部１８４と、射出角度保存光学素子１８５と、リレー光学系１８６と、多光束発生部１８７と、偏光状態調整部１９４と、計算機ホログラム１００とを含む。また、照明光学系１８は、リレー光学系１８８と、アパーチャ１８９と、ズーム光学系１９０と、多光束発生部１９１と、開口絞り１９２と、照射部１９３とを含む。
引き回し光学系１８１は、光源１６からの光を偏向してビーム整形光学系１８２に導光する。ビーム整形光学系１８２は、光源１６からの光の断面形状の寸法の縦横比率を所望の値に変換して（例えば、断面形状を長方形から正方形にして）、光源１６からの光の断面形状を所望の形状に整形する。ビーム整形光学系１８２は、多光束発生部１８７を照明するために必要な大きさ及び発散角を有する光束を形成する。
偏光制御部１８３は、直線偏光子などで構成され、不要な偏光成分を除去する機能を有する。偏光制御部１８３で除去（遮光）される偏光成分を最小限にすることで、光源１６からの光を効率よく所望の直線偏光にすることができる。
位相制御部１８４は、偏光制御部１８３によって直線偏光となった光にλ／４の位相差を与えて円偏光に変換する。
射出角度保存光学素子１８５は、例えば、オプティカルインテグレータ（複数の微小レンズより構成されるハエの目レンズやファイバー束等）で構成され、一定の発散角度で光を射出する。
リレー光学系１８６は、射出角度保存光学素子１８５から射出した光を多光束発生部１８７に集光する。射出角度保存光学素子１８５の射出面と多光束発生部１８７の入射面は、リレー光学系１８６によって、互いにフーリエ変換の関係（物体面と瞳面又は瞳面と像面の関係）になっている。
多光束発生部１８７は、偏光状態調整部１９４及び計算機ホログラム１００を均一に照明するためのオプティカルインテグレータ（複数の微小レンズより構成されるハエの目レンズやファイバー束等）で構成される。多光束発生部１８７の射出面は、複数の点光源からなる光源面を形成する。多光束発生部１８７から射出された光は、円偏光として偏光状態調整部１９４に入射する。
偏光状態調整部１９４は、位相制御部１８４によって円偏光となった光にλ／４の位相差を与えて所望の偏光方向となる直線偏光に変換する。偏光状態調整部１９４から射出された光は、直線偏光として計算機ホログラム１００に入射する。
計算機ホログラム１００は、リレー光学系１８８を介して、アパーチャ１８９の位置に、光強度分布（例えば、図４に示すようなＸ偏光が形成する光強度分布ＬＩ１とＹ偏光が形成する光強度分布ＬＩ２とを含む光強度分布ＩＬ）を形成する。計算機ホログラム１００は、上述した通りのいかなる形態をも適用可能であり、ここでの詳細な説明は省略する。
アパーチャ１８９は、計算機ホログラム１００によって形成される光強度分布のみを通過させる機能を有する。計算機ホログラム１００とアパーチャ１８９とは、互いにフーリエ変換面の関係になるように配置されている。
ズーム光学系１９０は、計算機ホログラム１００によって形成される光強度分布を所定の倍率で拡大して多光束発生部１９１に投影する。
多光束発生部１９１は、照明光学系１８の瞳面に配置され、アパーチャ１８９の位置に形成された光強度分布に対応した光源像（有効光源分布）を射出面に形成する。多光束発生部１９１は、本実施形態では、ハエの目レンズやシリンドリカルレンズアレイなどのオプティカルインテグレータで構成される。なお、多光束発生部１９１の射出面近傍には、開口絞り１９２が配置される。
照射部１９３は、コンデンサー光学系等を有し、多光束発生部１９１の射出面に形成される有効光源分布でレチクル２０を照明する。
レチクル２０は、回路パターンを有し、図示しないレチクルステージに支持及び駆動される。レチクル２０から発せされた回折光は、投影光学系３０を介して、ウエハ４０に投影される。露光装置１は、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であるため、レチクル２０とウエハ４０とを走査することによって、レチクル２０のパターンをウエハ４０に転写する。
投影光学系３０は、レチクル２０のパターンをウエハ４０に投影する光学系である。投影光学系３０は、屈折系、反射屈折系、或いは、反射系を使用することができる。
ウエハ４０は、レチクル２０のパターンが投影（転写）される基板であり、図示しないウエハステージに支持及び駆動される。但し、ウエハ４０の代わりにガラスプレートやその他の基板を用いることもできる。ウエハ４０には、レジストが塗布されている。
計算機ホログラム１００は、上述したように、１つの偏光方向の波面だけではなく、全面にわたってＸ偏光の波面及びＹ偏光の波面に互いに異なる位相分布を与えるため、光量損失を実質的に発生させることなく、光強度分布ＬＩを形成することができる。
露光において、光源１６から発せられた光は、照明光学系１８によってレチクル２０を照明する。レチクル２０のパターンを反映する光は、投影光学系３０によってウエハ４０上に結像する。露光装置１が使用する照明光学系１８は、計算機ホログラム１００によって、照明ムラ及び光量損失を抑えると共に、所望の形状及び偏光状態の光強度分布を形成することができる。従って、露光装置１は、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
本発明の一側面としての計算機ホログラムを説明するための図である。 図１に示す計算機ホログラムを構成するセル構造を示す概略斜視図である。 図１に示す計算機ホログラムを構成する別のセル構造を示す概略斜視図である。 図１に示す計算機ホログラムが形成する四重極形状の光強度分布の一例を示す図である。 図４に示す光強度分布を形成するための計算機ホログラムの構成を示す概略斜視図である。 図５に示す計算機ホログラムの各セルの厚さを示す図である。 Ｘ偏光の強度とＹ偏光の強度とが等しい偏光状態を有する光の一例を示す図である。 図１に示す計算機ホログラムが形成する輪帯形状の光強度分布の一例を示す図である。 図８に示す光強度分布を形成するための計算機ホログラムの各セルの厚さを示す図である。 本発明の一側面としての露光装置の構成を示す図である。
符号の説明
１ 露光装置
１０ 照明装置
１６ 光源
１８ 照明光学系
１８１ 引き回し光学系
１８２ ビーム整形光学系
１８３ 偏光制御部
１８４ 位相制御部
１８５ 射出角度保存光学素子
１８６ リレー光学系
１８７ 多光束発生部
１８８ リレー光学系
１８９ アパーチャ
１９０ ズーム光学系
１９１ 多光束発生部
１９２ 開口絞り
１９３ 照射部
１９４ 偏光状態調整部
２０ レチクル
３０ 投影光学系
４０ ウエハ
１００ 計算機ホログラム
１１０ セル
１１０ａ及び１１０ａ１ 第１の異方性セル
１１０ｂ及び１１０ｂ１ 第２の異方性セル
１１０ｃ及び１１０ｃ１ 第１の等方性セル
１１０ｄ及び１１０ｄ１ 第２の等方性セル

Claims (8)

  1. 入射光の波面に位相分布を与えて所定面に光強度分布及び偏光分布を形成する計算機ホログラムであって、
    入射光の偏光状態を変化させる第１の異方性セル及び第２の異方性セルと、
    入射光の偏光状態を変化させない第１の等方性セル及び第２の等方性セルと、
    を有し、
    前記第１の異方性セルの光学軸の方向と前記第２の異方性セルの光学軸の方向とが互いに異なり、
    前記第１の等方性セルの厚さと前記第２の等方性セルの厚さとが互いに異なり、
    前記第１の等方性セルの厚さは、前記入射光のうち第１の方向の直線偏光の位相変化が前記第１の等方性セルと前記第１の異方性セルとで一致するように設定され、
    前記第２の等方性セルの厚さは、前記入射光のうち前記第１の方向に垂直な第２の方向の直線偏光の位相変化が前記第２の等方性セルと前記第１の異方性セルとで一致するように設定されていることを特徴とする計算機ホログラム。
  2. 前記第１の等方性セル及び前記第２の等方性セルは、前記第１の方向の直線偏光に対する屈折率と前記第２の方向の直線偏光に対する屈折率との差が０以上０．００１以下であることを特徴とする請求項１に記載の計算機ホログラム。
  3. 前記第１の異方性セル及び前記第２の異方性セルは、構造複屈折を生じる回折格子を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の計算機ホログラム。
  4. 前記第１の異方性セル及び前記第２の異方性セルは、前記入射光の波長よりも小さいピッチの周期構造を有する回折格子を含み、
    前記第１の異方性セルの周期構造の周期方向は、前記第１の異方性セルの光学軸の方向と等しく、
    前記第２の異方性セルの周期構造の周期方向は、前記第２の異方性セルの光学軸の方向と等しいことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計算機ホログラム。
  5. 前記第１の異方性セルの周期構造の周期方向は、前記第２の異方性セルの周期構造の周期方向に直交することを特徴とする請求項４に記載の計算機ホログラム。
  6. 前記第１の異方性セルの厚さと前記第２の異方性セルの厚さとが等しいことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計算機ホログラム。
  7. 前記第１の異方性セルの光学軸の方向は、前記第２の異方性セルの光学軸の方向に直交することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の計算機ホログラム。
  8. 光源からの光でレチクルを照明する照明光学系と、
    前記レチクルのパターンを基板に投影する投影光学系と、
    を有し、
    前記照明光学系は、請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の計算機ホログラムを含むことを特徴とする露光装置。
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