JP5731434B2 - 露光方法及び装置、照明光学装置、並びにデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体素子、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等の各種デバイスを製造するためのリソグラフィ工程でマスクパターンをウエハ等の基板上に転写するために使用される露光技術に関し、更に詳しくは所謂変形照明に関連した照明技術、及びこの照明技術を用いる露光技術に関する。更に本発明は、その露光技術を用いるデバイス製造技術に関する。

半導体素子（又は液晶表示素子等）を製造するためのリソグラフィ工程で、マスクとしてのレチクル（又はフォトマスク等）のパターンを被露光基板としてのウエハ（又はガラスプレート等）上に転写するために、ステップ・アンド・リピート方式のような一括露光方式、又はステップ・アンド・スキャン方式のような走査露光方式の投影露光装置が使用されている。この種の投影露光装置では、様々のパターンをそれぞれ高解像度でウエハ上に転写することが求められている。

転写対象のパターンの内、特に微細で高い解像度が必要とされるパターンが所謂コンタクトホールである。コンタクトホールには、所定形状の複数の開口が所定の微細なピッチで配列された密集コンタクトホールと、実質的に単独の開口からなる孤立コンタクトホールとがある。前者の密集コンタクトホールのパターンを高解像度でウエハ上に転写するためには、照明系の瞳面において、光軸に対して偏心した１つ又は複数の領域（特に４個の領域）で照明光の光量を大きくする所謂変形照明方式（変形光源方式）が有効である（例えば、特許文献１（対応する米国特許第６,０９４,３０５号）及び特許文献２（対応する米国特許第６,５６３,５６７号）参照）。

一方、後者の孤立コンタクトホールのパターンを高解像度でウエハ上に転写するためには、照明系の瞳面において、光軸を中心とする１つの比較的小さい円形領域で照明光の光量を大きくする照明方式、即ち照明系のコヒーレンスファクタであるσ値を比較的小さくする照明方式（以下、説明の便宜上、「小σ照明方式」と呼ぶ。）が有効であることが知られている。

特開平５−６７５５８号公報 特開２００１−１７６７６６号公報

上述の如く、微細ピッチの密集コンタクトホール及び孤立コンタクトホールのパターンは、それぞれ変形照明方式及び小σ照明方式によって高解像度でウエハ上に転写することができる。これに関して、最近、例えば半導体素子の製造に際しては、実質的に孤立コンタクトホールとみなすことができる大きいピッチで配列されたコンタクトホールから微細ピッチの密集コンタクトホールまでを含む種々のピッチのコンタクトホールのパターンが形成された１枚のレチクルパターンを、１回の露光でウエハ上に転写することも要求されるようになって来ている。

しかしながら、このために変形照明方式を用いた場合には、大きいピッチのコンタクトホールの解像度が十分ではなく、逆に小σ照明方式を用いた場合には、微細ピッチの密集コンタクトホールの解像度が十分ではないという不都合が生じる。

また、最近、例えば半導体素子の製造に際しては、一方向に微細ピッチで配置されると共にそれに直交する方向には実質的に孤立パターンとみなすことができるいわゆる一方向密集コンタクトホールのパターンを、ウエハ上に高解像度で転写することも要求されるようになって来ている。

しかしながら、このために従来の変形照明方式を用いた場合には、孤立パターンとみなすことができる方向の解像度が十分ではなく、逆に小σ照明方式を用いた場合には、微細ピッチで配列された方向の解像度が十分ではないという不都合が生じる。

本発明は斯かる点に鑑み、種々のピッチのパターンを同時にそれぞれ高解像度で転写できるようにすることを目的とする。

また、本発明は、種々のパターンを含むデバイスを高精度且つ高スループットで製造できるデバイス製造技術を提供することをも目的とする。

本発明の第１形態は、照明光によりマスク上のパターンを照明する照明光学装置であって、前記照明光の光路に配置されたオプティカル・インテグレータと、前記オプティカル・インテグレータの入射側の前記照明光の光路に配置され、前記照明光の偏光状態を変換する偏光部材と、前記偏光部材と前記オプティカル・インテグレータとの間の前記照明光の光路に配置され、当該照明光学装置の瞳面における前記照明光の強度分布を可変な分布可変部材と、を備え、前記偏光部材は、前記瞳面上で当該照明光学装置の光軸外に分布される前記照明光の前記瞳面での偏光方向が前記光軸周りの円周方向と一致するように、前記照明光の偏光状態を変換することを特徴とする照明光学装置を提供する。

また、本発明の第２形態は、マスク上のパターンを介した光で基板を露光する露光装置であって、前記パターンを照明する第１形態の照明光学装置と、当該照明光学装置によって照明された前記パターンの像を前記基板に投影する投影光学系と、を備えることを特徴とする露光装置を提供する。

また、本発明の第３形態は、マスク上のパターンを介した光で基板を露光する露光方法であって、第１形態の照明光学装置を用いて前記パターンを照明することと、当該照明光学装置を用いて照明された前記パターンの像を前記基板に投影することと、を含むことを特徴とする露光方法を提供する。

また、本発明の第４形態は、第２形態の露光装置を用いて基板にパターンを転写することと、前記パターンが転写された前記基板を現像することと、を含むことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。

また、本発明の第５形態は、第３形態の露光方法を用いて基板にパターンを転写することと、前記パターンが転写された前記基板を現像することと、を含むことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。

本発明によれば、照明系内の所定面又は照明系の瞳面で光軸外に中心が配置される複数の領域にそれぞれ分布する光束によって転写可能なパターンの最小ピッチ以上の種々のピッチを持つパターンを高解像度で転写できる。更に、その複数の領域の光束の偏光状態をパターンに応じて設定することによって、その解像度をさらに向上できる。

また、本発明のデバイス製造方法によれば、種々のパターンを含むデバイスを高精度且つ高スループットで製造できる。

（本発明の実施の形態に記載された発明の説明）
以下、本明細書の「発明を実施するための形態」に記載された別の発明について説明する。

本実施形態中の第１の露光方法は、照明系（１２）からの光束でマスク（Ｒ）を照明し、その光束でそのマスク及び投影系（ＰＬ）を介して基板（Ｗ）を露光する露光方法において、その照明系に関する所定面（Ｑ１；Ｑ３）におけるその光束の光量分布を、外側の輪郭がその照明系の光軸（ＢＸ）を含む第１領域（２８；２８Ｒ）と、この第１領域を囲むように配置されると共にそれぞれその第１領域よりも小さい８個の領域（２９Ａ〜２９Ｄ，３０Ａ〜３０Ｄ）とを含む９個の領域における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きくなるように設定したものである。

斯かる本発明によれば、その第１領域を通過する光束によって、ピッチが大きく実質的に孤立コンタクトホールとみなせるようなパターンが高解像度に転写され、それを囲む８個の領域を通過する光束によって、中程度のピッチのパターンから密集コンタクトホールのような微細なピッチのパターンを含むパターンが高解像度に転写される。従って、種々のピッチのパターンを同時にそれぞれ高解像度に転写できる。

この場合、その中心の第１領域は、輪帯状の領域（２８Ｒ）であることが望ましい。このように第１領域で輪帯照明を行うことによって、解像度及び焦点深度を更に改善できる場合がある。また、その中心の第１領域と、それを囲む周辺の領域とで光量（例えば単位面積当たりの強度）を異ならせてもよい。

また、一例として、その所定面は、その照明系の瞳面（Ｑ１）であり、その所定面における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きい９個の領域は、その第１領域（２８）と、この第１領域を囲む第１円周（３２Ａ）に沿って配置されてそれぞれその第１領域よりも小さい４個の第２領域（２９Ａ〜２９Ｄ）と、その第１円周を囲む第２円周（３２Ｂ）に沿って配置されてそれぞれその第１領域よりも小さい４個の第３領域（３０Ａ〜３０Ｄ）とからなるものである。

この構成によれば、その第２領域を通過する光束によって中程度のピッチのパターンが高解像度に転写され、その第３領域を通過する光束よって微細なピッチのパターンが高解像度に転写される。

また、その第１領域（２８）、２個のその第２領域（２９Ａ，２９Ｃ）、及び２個のその第３領域（３０Ａ，３０Ｃ）がその照明系の光軸（ＢＸ）を通る第１直線（３１Ａ）に沿って配置され、その第１領域、他の２個のその第２領域（２９Ｂ，２９Ｄ）、及び他の２個のその第３領域（３０Ｂ，３０Ｄ）がその照明系の光軸を通りその第１直線に直交する第２直線（３１Ｂ）に沿って配置されることが望ましい。

通常の転写対象のパターンは、直交する２方向（この一方を「パターンの配置方向」と呼ぶ）に沿って２次元的に配置されている。そこで、その第１直線（又はその第２直線）の方向をそのパターンの配置方向に対して交差させる（望ましくは４５°で交差させる）ことによって、その２次元的に配置された種々のピッチのパターンをそれぞれ高解像に転写することができる。

また、その第１領域を円形にしたときの半径（ｒ１）、並びにその第２領域及びその第３領域を円形にしたときの半径（ｒ２，ｒ３）は、その照明系の最大σ値（これをσとする）を基準として次の範囲に設定されることが望ましい。なお、その第１領域、第２領域、第３領域を正方形、正六角形、又は円形の４分の１の形状など、円形と異なる他の形状に設定した場合にも、その面積はその円形の場合の面積と等しいことが望ましい。なお、その第１領域が輪帯である場合には、その外側の半径（ｒ１）が（１）式の範囲に設定されることが望ましい。

０．２σ≦ｒ１≦０．４σ …（１）
０．０７５σ≦ｒ２≦０．２σ …（２）
０．０７５σ≦ｒ３≦０．２σ …（３）

各領域が（１）式、（２）式、（３）式の下限値より小さくなると、種々のピッチのパターンの中に解像度が低下するものが生じる恐れがある。一方、各領域が（１）式、（２）式、（３）式の上限値より大きくなると、通常の照明方式に近づくため、微細なピッチのパターンに対する解像度が低下する恐れがある。

次に、本実施形態中の第２の露光方法は、照明系（１２）からの光束でマスク（Ｒ）を照明し、その光束でそのマスク及び投影系（ＰＬ）を介して基板（Ｗ）を露光する露光方法において、その照明系に関する所定面（Ｑ１；Ｑ３）におけるその光束の光量分布を、外側の輪郭がその照明系の光軸（ＢＸ）を含む輪帯状の第１領域（３３Ｒ）と、この第１領域を囲むように配置されると共にそれぞれその第１領域よりも小さい４個の領域（３４Ａ〜３４Ｄ）とを含む５個の領域における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きくなるように設定したものである。

斯かる本発明によれば、その輪帯状の第１領域を通過する光束によって、ピッチが大きく実質的に孤立コンタクトホールとみなせるようなパターンが高解像度に転写され、それを囲む４個の領域を通過する光束によって、密集コンタクトホールのような微細ピッチのパターンが高解像度に転写される。従って、種々のピッチのパターンを同時にそれぞれ高解像度に転写できる。

また、一例として、その所定面は、その照明系の瞳面（Ｑ１）であり、その所定面における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きい５個の領域は、その第１領域（３３Ｒ）と、この第１領域を囲む円周（３５）に沿って実質的に９０°間隔で配置されてそれぞれその第１領域よりも小さい４個の第２領域（３４Ａ〜３４Ｄ）とからなるものである。

この構成によれば、その第２領域を通過する光束によって微細ピッチのパターンが高解像度に転写される。通常の転写対象のパターンは、直交する２方向（この一方を「パターンの配置方向」と呼ぶ）に沿って２次元的に配置されている。そこで、その第２領域が配列されている方向をそのパターンの配置方向に対して交差させる（望ましくは４５°で交差させる）ことによって、その２次元的に配置された種々のピッチのパターンをそれぞれ高解像に転写することができる。

また、その第１領域を輪郭が円形の輪帯にしたときの外側の半径（ｒ１）、並びにその第２領域を円形にしたときの半径（ｒ２）は、その照明系の最大σ値（これをσとする）を基準として、上記の（１）式及び（２）式の範囲内に設定されることが望ましい。これによって、種々のピッチのパターンを高解像度で転写できる。

これらの本発明において、その所定面上でその照明系の光軸外に配置されるその光量が大きい各領域から発生する光束は直線偏光であってもよい。この場合、その所定面上におけるその光束の偏光方向は実質的に接線方向と一致していてもよい（即ち、その光束はＳ偏光でもよい）。

次に、本実施形態中の第３の露光方法は、照明系（１２）からの光束でマスク（Ｒ１）を照明し、その光束でそのマスク及び投影系（ＰＬ）を介して基板（Ｗ）を露光する露光方法において、その照明系に関する所定面（Ｑ１；Ｑ３）におけるその光束の光量分布を、互いに離れた３個の領域（５４，５５Ａ，５５Ｂ；６２，６３Ａ，６３Ｂ）における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きくなるように設定したものである。

斯かる本発明によれば、そのマスクに一方向密集パターン（５２，５３）が形成されている場合、その３個の領域の中央の領域を通過する光束によって、そのパターンが孤立的である方向に高解像度に転写され、その中央の領域を挟む２個の領域を通過する光束によって、そのパターンが周期的に配列されている方向に高解像度に転写される。

この場合、その光量の大きい３個の領域は、その照明系の光軸の近傍の第１領域（５４；６２）と、その光軸を通る直線に沿ってその第１領域を挟むように配置された第２領域（５５Ａ；６３Ａ）及び第３領域（５５Ｂ；６３Ｂ）とを含むことが望ましい。又は、その光量の大きい３個の領域は、その照明系の光軸近傍の第１領域（５４；６２）と、その光軸からほぼ等距離に配置される第２及び第３領域（５５Ａ，５５Ｂ；６３Ａ，６３Ｂ）とを含むものでもよい。

これらの構成において、その３個の領域が配列されている方向をその一方向密集パターンが周期的に配列されている方向に対応させる（平行にする）ことによって、その一方向密集パターンを孤立的な方向及び周期的な方向の２方向に高解像度で転写することができる。

言い換えると、そのマスクに形成されたパターンが、所定の第１軸（Ｘ軸）に沿って周期的に配置されると共にその第１軸に直交する第２軸（Ｙ軸）方向には実質的に孤立している一方向密集パターン（５２，５３）を含む場合、その光量の大きい３個の領域は、その第１軸に平行な方向に離れて配置されることが望ましい。これによって、その一方向密集パターンをその第１軸及び第２軸に沿った方向にそれぞれ高解像度で転写することができる。更に、その光量の大きい３個の領域は、その照明系の光軸を通りその第１軸に平行な直線に沿って配置されることがより望ましい。

また、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域は、その中央部における光量が他の部分における光量よりも小さく設定されることが望ましい。これによって、そのパターンが孤立的である方向の解像度を高めることができ、焦点深度も広くなる。

この場合、その中央の領域は、一例としてほぼ輪帯状の領域（５４）である。また、その中央の領域は、別の例として互いに離れた複数の領域（５４Ａ１，５４Ａ２）からなるものである。その中央の領域で互いに離れた複数の領域は、一例としてその所定面上でその照明系の光軸を通る所定の直線に沿って配置される。そして、その中央の領域で互いに離れた複数の領域は、別の例としてその中央の領域の大きさに応じてその配列方向が決定される。

また、その３個の領域は、一例として輪郭が互いにほぼ同じ大きさの領域である。更に、その光量の大きい３個の領域の大きさは、それぞれその照明系の最大σ値の０．１倍から０．２倍に相当するものであることが望ましい。これによって、本発明者のシミュレーションによれば深い焦点深度が得られる。

また、その光量の大きい３個の領域のうちその第１軸に平行な方向に関して両端に配置される２個の領域（６３Ａ，６３Ｂ）は、それぞれ長手方向がその第２軸に平行な方向とほぼ一致している形状でもよい。これによって、一方向密集パターンに対する解像度を高めると共に、光量の低下を抑制できる。

更に、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域（６２Ａ）は、長手方向がその第１軸に平行な方向とほぼ一致する形状でもよい。

また、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域から発生する光束は、偏光方向がその第１軸に平行な方向とほぼ一致する直線偏光であってもよい。

また、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域から発生する光束と他の２個の領域から発生する光束とは、互いに偏光状態が異なってもよい。この場合、その中央の領域（６２Ａ）から発生する光束とその２個の領域（６３Ａ，６３Ｂ）から発生する光束とは、偏光方向がほぼ直交している。

また、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域と他の２個の領域とは、互いに大きさが異なってもよい。

また、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域を除く他の２個の領域から発生する光束は、それぞれ直線偏光であってもよい。この場合、一例として、その所定面上でその他の２個の領域に分布する光束はそれぞれ偏光方向が接線方向とほぼ一致している（即ち、その光束はＳ偏光である）。

また、その所定面は、一例としてその照明系の瞳面である。そして、その所定面の他の例は、その照明系中のその瞳面に対する共役面、又は投影系の瞳面（若しくはこの共役面）である。これらの場合に、最も高い解像度が得られる。

次に、本実施形態中の第１の露光装置は、光束でマスク（Ｒ）を照明する照明系（１２）と、そのマスクからのその光束で基板（Ｗ）を露光する投影系（ＰＬ）とを有する露光装置において、その照明系に関する所定面（Ｑ１；Ｑ３）におけるその光束の光量分布を、外側の輪郭がその照明系の光軸（ＢＸ）を含む第１領域（２８；２８Ｒ）と、この第１領域を囲むように配置されると共にそれぞれその第１領域よりも小さい８個の領域（２９Ａ〜２９Ｄ，３０Ａ〜３０Ｄ）とを含む９個の領域における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きくなるように設定する光学部材（２１；４２）を有するものである。

斯かる本発明によれば、その光学部材によって、種々のピッチのパターンを同時にそれぞれ高解像度に転写できる。

この場合、更に解像度及び焦点深度を改善するためには、その中心の第１領域は輪帯状の領域（２８Ｒ）であることが望ましい。

また、一例として、その所定面は、その照明系の瞳面（Ｑ１）であり、その所定面における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きい９個の領域は、その第１領域（２９）と、この第１領域を囲む第１円周（３２Ａ）に沿って配置されてそれぞれその第１領域よりも小さい４個の第２領域（２９Ａ〜２９Ｄ）と、その第１円周を囲む第２円周（３２Ｂ）に沿って配置されてそれぞれその第１領域よりも小さい４個の第３領域（３０Ａ〜３０Ｄ）とからなるものである。

また、その第１領域（２８）、２個のその第２領域（２９Ａ，２９Ｃ）、及び２個のその第３領域（３０Ａ，３０Ｃ）がその照明系の光軸（ＢＸ）を通る第１直線（３１Ａ）に沿って配置され、その第１領域、他の２個のその第２領域（２９Ｂ，２９Ｄ）、及び他の２個のその第３領域（３０Ｂ，３０Ｄ）がその照明系の光軸を通りその第１直線に直交する第２直線（３１Ｂ）に沿って配置されることが望ましい。

この場合の各領域の大きさも（１）式〜（３）式の条件を満たすことが望ましい。

次に、本実施形態中の第２の露光装置は、光束でマスク（Ｒ）を照明する照明系（１２）と、そのマスクからのその光束で基板（Ｗ）を露光する投影系（ＰＬ）とを有する露光装置において、その照明系に関する所定面（Ｑ１；Ｑ３）におけるその光束の光量分布を、外側の輪郭がその照明系の光軸（ＢＸ）を含む輪帯状の第１領域（３３Ｒ）と、この第１領域を囲むように配置されると共にそれぞれその第１領域よりも小さい４個の領域（３４Ａ〜３４Ｄ）とを含む５個の領域における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きくなるように設定する光学部材（２１；４２）を有するものである。

斯かる本発明によれば、その光学部材によって、種々のピッチのパターンを同時にそれぞれ高解像度に転写できる。

また、一例として、その所定面は、その照明系の瞳面（Ｑ１）であり、その所定面における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きい５個の領域は、その第１領域（３３Ｒ）と、この第１領域を囲む円周（３５）に沿って配置されてそれぞれその第１領域よりも小さい４個の第２領域（３４Ａ〜３４Ｄ）とからなるものである。

この場合の各領域の大きさも（１）式、（２）式の条件を満たすことが望ましい。

また、一例として、その照明系は、その光束が照射されるそのマスク上の照明領域内での照度をほぼ均一にするオプティカル・インテグレータ（５）を含み、その光学部材は、その照明系内でそのオプティカル・インテグレータの入射面側に配置されると共に、その光束を複数方向に回折する回折光学素子（２１）である。特に位相型の回折光学素子を用いることで、光束に対して高い利用効率が得られる。

また、別の例として、その照明系は、その光束が照射されるそのマスク上の照明領域内での照度をほぼ均一にするオプティカル・インテグレータ（５）を含み、その光学部材は、その所定面又はその共役面に配置されると共に、その所定面上で光量が高められる領域を規定する開口絞り（４２）を含むものである。開口絞りは、構造が簡単で容易に所望の光量分布を設定することができる。

また、その光学部材は、その複数の領域で光量が高められる光量分布を含む互いに異なる複数の光量分布を設定可能であることが望ましい。これによって、種々のパターンをそれぞれ最適な照明条件で露光できる。

本発明の露光装置においても、その所定面上でその照明系の光軸外に配置されるその光量が大きい各領域から発生する光束は直線偏光であってもよい。この場合、その所定面上におけるその光束の偏光方向は実質的に接線方向と一致していてもよい（即ち、その光束はＳ偏光でもよい）。

また、一例として、その光学部材は、その所定面上の異なる領域にそれぞれ分布する光束を生成する偏向部材を含み、その照明系内でその偏向部材から発生される光束の偏光状態を設定する偏光設定部材を更に備えてもよい。

その偏向部材の一例は、その照明系の光路上で複数方向に回折光を発生する回折光学素子（２１）である。

また、その光学部材は、その偏向部材の射出側に配置され、その所定面上におけるその光軸外の各領域とその照明系の光軸との位置関係を可変とする可動部材（７１，７２）を含み、その偏光設定部材は、その偏向部材とその可動部材との間に配置されてもよい。

また、その可動部材は、その所定面上でその第１領域を除くその光軸外の複数の領域を含む所定領域に分布する光束が通る斜面（７１ｂ）を有し、その照明系の光軸に沿って移動する少なくとも１つの可動プリズム（７１）を含むものでもよい。

また、その光学部材は、その第１領域を囲みその光量がそれ以外の領域における光量よりも大きくなる複数の領域の位置を可変とする少なくとも１つの可動プリズム（７１，７２）を含むものでもよい。その可動プリズムは、一例としてその所定面上でその第１領域を除くその光軸外の複数の領域を含む所定領域に分布する光束が通る斜面（７１ｂ）を有すると共に、その照明系の光軸に沿って移動するものである。また、その可動プリズムは、別の例としてその所定面上でその第１領域に分布する光束が通りかつその照明系の光軸とほぼ直交する平面（７１ａ）を有するものである。

次に、本実施形態中の第３の露光装置は、マスク（Ｒ）を光束で照明する照明系（１２）と、そのマスクからのその光束で基板（Ｗ）を露光する投影系（ＰＬ）とを有する露光装置において、その照明系に関する所定面（Ｑ１；Ｑ３）におけるその光束の光量分布を、その照明系の光軸を実質的に含む第１領域（２８；２８Ｒ）と、その第１領域の外側に配置される複数の領域における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きくなるように設定する光学部材を有し、その光学部材は、その所定面上の異なる領域にそれぞれ分布する光束を生成する偏向部材（２１）と、その所定面上におけるその光軸外の各領域とその照明系の光軸との位置関係を可変とするために、その偏向部材から発生してその所定面上でその第１領域に分布する光束が通りその照明系の光軸とほぼ直交する平面と、その第１領域を除くその光軸外の複数の領域を含む所定領域に分布する光束が通る斜面とを有する少なくとも１つの可動プリズム（７１）とを含むものである。

斯かる本発明によれば、その偏向部材によって、種々のピッチのパターンを同時にそれぞれ高解像度に転写できる。更に、その可動プリズムによって、転写するパターンの種類等に応じて結像特性を調整できる。

この発明において、一例としてその照明系は、その光束が照射されるそのマスク上の照明領域内での照度をほぼ均一にするオプティカル・インテグレータ（５）を含み、その可動プリズムは、その照明系内でそのオプティカル・インテグレータの入射側に配置されその光軸に沿って移動するものである。

また、その第１領域の外側に配置される複数の領域から発生する光束はそれぞれその所定面上で偏光方向が実質的に接線方向と一致する直線偏光（Ｓ偏光）であってもよい。

また、その光学部材は、その第１領域を含む複数の領域でそれぞれ光量が高められる光量分布を含む互いに異なる複数の光量分布を設定可能であることが望ましい。

次に、本実施形態中の第４の露光装置は、光束でマスク（Ｒ）を照明する照明系（１２）と、そのマスクからのその光束で基板（Ｗ）を露光する投影系（ＰＬ）とを有する露光装置において、その照明系に関する所定面におけるその光束の光量分布を、互いに離れた３個の領域（５４，５５Ａ，５５Ｂ；６２，６３Ａ，６３Ｂ）における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きくなるように設定する光学部材（２２Ａ，２２Ｂ；４２Ａ，４２Ｂ）を有するものである。

斯かる本発明によれば、その光学部材を用いることによって、一方向密集パターンを周期的に配列された方向及び孤立的な方向にそれぞれ高解像度で転写できる。

この場合、その光量の大きい３個の領域は、その照明系の光軸の近傍の第１領域（５４；６２）と、その光軸を通る直線に沿ってその第１領域を挟むように配置された第２領域（５５Ａ：６３Ａ）及び第３領域（５５Ｂ；６３Ｂ）とを含むことが望ましい。又は、その光量の大きい３個の領域は、その照明系の光軸近傍の第１領域（５４；６２）と、その光軸からほぼ等距離に配置される第２及び第３領域（５５Ａ，５５Ｂ；６３Ａ，６３Ｂ）とを含むものでもよい。

これらの構成において、そのマスクに形成されたパターンが、所定の第１軸（Ｘ軸）に沿って周期的に配置されると共にその第１軸に直交する第２軸（Ｙ軸）方向には実質的に孤立している一方向密集パターン（５２，５３）を含む場合、その光量の大きい３個の領域は、その第１軸に平行な方向に離れて配置されることが望ましい。これによって、その一方向密集パターンをその第１軸及び第２軸に沿った方向にそれぞれ高解像度で転写することができる。更に、その光量の大きい３個の領域は、その照明系の光軸を通りその第１軸に平行な直線に沿って配置されることがより望ましい。

また、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域は、その中央部における光量が他の部分における光量よりも小さく設定されることが望ましい。これによって、そのパターンが孤立的である方向の解像度を高めることができ、焦点深度も広くなる。

この場合、その中央の領域は、一例としてほぼ輪帯状の領域（５４）である。また、その中央の領域は、別の例として互いに離れた複数の領域（５４Ａ１，５４Ａ２）からなるものである。その中央の領域で互いに離れた複数の領域は、一例としてその所定面上でその照明系の光軸を通る所定の直線に沿って配置される。そして、その中央の領域で互いに離れた複数の領域は、別の例としてその中央の領域の大きさに応じてその配列方向が決定される。

また、その光量の大きい３個の領域の大きさは、それぞれその照明系の最大σ値の０．１倍から０．２倍に相当することが望ましい。これによって、深い焦点深度が得られる。

また、本発明において、その光量の大きい３個の領域のうちその第１軸に平行な方向に関して両端に配置される２個の領域（６３Ａ，６３Ｂ）は、それぞれ長手方向がその第２軸に平行な方向とほぼ一致する形状でもよい。

また、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域（６２Ａ）は、長手方向がその第１軸に平行な方向とほぼ一致する形状でもよい。

また、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域から発生する光束は、偏光方向がその第１軸に平行な方向とほぼ一致する直線偏光でもよい。

また、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域から発生する光束と他の２個の領域から発生する光束とは、互いに偏光状態が異なってもよい。この場合、一例として、その中央の領域から発生する光束とその２個の領域から発生する光束とは、偏光方向がほぼ直交するものである。

また、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域と他の２個の領域とは、互いに大きさが異なるものでもよい。

また、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域を除く他の２個の領域から発生する光束は、それぞれ直線偏光であってもよい。この場合、一例としてその所定面上でその他の２個の領域に分布する光束は、それぞれ偏光方向が接線方向とほぼ一致するもの（Ｓ偏光）である。

また、一例として、その光学部材は、その所定面上の異なる領域にそれぞれ分布する光束を生成する偏向部材（２２Ａ，２２Ｂ）を含み、その照明系内でその偏向部材から発生される光束の偏光状態を設定する偏光設定部材を更に備えるものである。この場合、更にその光学部材は、その偏向部材の射出側に配置され、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域を除く他の２個の領域とその照明系の光軸との位置関係を可変とする可動部材（７１，７２）を含み、その偏光設定部材は、その偏向部材とその可動部材との間に配置されるものでもよい。

また、その可動部材は、その所定面上でその中央の領域を除くその他の２個の領域を含む所定領域に分布する光束が通る斜面を有し、その照明系の光軸に沿って移動する少なくとも１つの可動プリズム（７２）を含むものでもよい。

また、本発明において、その光学部材は、その光量の大きい３個の領域のうち中央の領域を除く他の２個の領域の位置を可変とする少なくとも１つの可動プリズム（７１，７２）を含むものでもよい。この場合、一例として、その可動プリズムは、その所定面上でその中央の領域を除くその他の２個の領域を含む所定領域に分布する光束が通る斜面（７１ｂ）を有すると共に、その照明系の光軸に沿って移動するものである。

また、その可動プリズムは、その所定面上でその中央の領域に分布する光束が通りかつその照明系の光軸とほぼ直交する平面（７１ａ）を有してもよい。更に、一例として、その照明系は、その光束が照射されるそのマスク上の照明領域内での照度をほぼ均一にするオプティカル・インテグレータ（４）を含み、その可動プリズムは、その照明系内でそのオプティカル・インテグレータの入射側に配置される。

また、その所定面は、一例としてその照明系の瞳面（Ｑ１）である。この場合、一例としてその照明系は、その光束が照射されるそのマスク上の照明領域内での照度をほぼ均一にするオプティカル・インテグレータ（５）を含み、その光学部材（２２Ａ，２２Ｂ）は、そのオプティカル・インテグレータの入射面側に配置される回折光学素子を含むものである。この構成では、高い照明効率が得られる。

また、その所定面が、その照明系の瞳面（Ｑ１）である場合の別の構成例として、その照明系は、その光束が照射されるそのマスク上の照明領域内での照度をほぼ均一にするオプティカル・インテグレータ（５）を含み、その光学部材は、その所定面又はその共役面に配置されると共に、その３個の領域を規定する開口絞り（４２Ａ；４２Ｂ）を含むものである。この構成では、その所定面での光量分布を容易に所望の分布にすることができる。

また、その光学部材は、その３個の領域で光量が高められる光量分布を含む互いに異なる複数の光量分布を設定可能であることが望ましい。これによって、種々のパターンをそれぞれ高解像度で転写できる。

次に、本実施形態中のデバイス製造方法は、リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、そのリソグラフィ工程で本発明の露光方法又は露光装置を用いてパターン（Ｒ）を感光体（Ｗ）に転写するものである。本発明の露光方法又は露光装置を用いることによって、種々のピッチのパターンを含むデバイス、又は一方向密集パターンを含むデバイスを高精度に量産することができる。

（本発明の実施の形態に記載された発明の効果）
本実施形態中の発明において、照明系に関する所定面における光量分布を、所定の９個又は５個の領域で光量が大きくなるように設定するときには、種々のピッチのパターンを同時にそれぞれ高解像度で転写することができる。

また、中心の第１領域を輪帯状にすることによって、更に解像度及び焦点深度を改善することができる。また、光束の偏光状態を制御することによって、更に解像度等を改善できる場合がある。

また、本実施形態中の発明において、照明系に関する所定面における光量分布を、所定の３個の領域で光量が大きくなるように設定するときには、一方向密集パターンを高解像度で転写することができる。

また、マスクに形成されたパターンが、所定の第１軸に沿って周期的に配置されると共にその第１軸に直交する第２軸方向には実質的に孤立している一方向密集パターンを含む場合に、その光量の大きい３個の領域を、その第１軸に平行な方向に離れて配置することによって、その一方向密集パターンを周期的に配列された方向及び孤立的な方向の両方向に高解像度で転写することができる。更に、本実施形態中の発明において、その光量の大きい３個の領域から発生する光束の偏光状態を所定状態に設定した場合には、所定のパターンに対して解像度等が向上する場合がある。

図１（Ａ）は本発明の第１の実施形態の投影露光装置を示す構成図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中のプリズム７１，７２を示す拡大斜視図、図１（Ｃ）はプリズム７１，７２の別の構成例を示す図である。 図１のレチクルＲのパターンの一例を示す平面図である。 図１の回折光学素子２１によってフライアイレンズ５の射出面（瞳面）に設定される９個の領域を含む光量分布を示す図である。 フライアイレンズ５の射出面（瞳面）上の５個の領域で光量が大きくなる光量分布を示す図である。 図３及び図４の光量分布で露光を行った場合の転写像のシミュレーションによる評価結果を示す図である。 図６（Ａ）は図３の光量分布において、中心の領域を輪帯状とした変形例を示す図、図６（Ｂ）は図３の光量分布の別の変形例を示す図である。 図７（Ａ）は図１の回折光学素子２２によってフライアイレンズ５の射出面（瞳面）に設定される中心の輪帯を含む５個の領域で光量が大きくなる光量分布を示す図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の光量分布の変形例を示す図である。 図７（Ａ）の光量分布で露光を行った場合の転写像のシミュレーションによる評価結果を示す図である。 図３の光量分布に対する変形例を示す図である。 図１（Ａ）中のプリズム７１，７２の変形例を示す斜視図である。 図１１（Ａ）は本発明の第２の実施形態で露光対象となるレチクルＲ１のパターンの一例を示す平面図、図１１（Ｂ）はレチクルＲ１のパターンの他の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態において、図１（Ａ）の回折光学素子２２Ａによってフライアイレンズ５の射出面（瞳面）に設定される光量分布を示す図である。 図１３（Ａ）は図１１（Ａ）のパターン５２によってＹ方向に回折される光束を示す図、図１３（Ｂ）は図１１（Ａ）のパターン５２によってＸ方向に回折される光束を示す図である。 図１４は、図１２の光量分布で露光を行った場合の転写像のシミュレーションによる焦点深度（ＤＯＦ）の評価結果を示す図である。 図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）、及び図１５（Ｃ）はそれぞれ図１２の光量分布に対する変形例を示す図である。 図１６（Ａ）は図１（Ａ）の回折光学素子２２Ｂによってフライアイレンズ５の射出面（瞳面）に設定される光量分布を示す図、図１６（Ｂ）は図１６（Ａ）の光量分布の変形例を示す図である。 図１６（Ａ）の光量分布で露光を行った場合の転写像のシミュレーションによる焦点深度（ＤＯＦ）の評価結果を示す図である。 本発明の第３の実施形態の投影露光装置を示す構成図である。 図１８中の開口絞り４２のパターンを示す図である。 図６の光量分布に対応する開口絞りのパターンを示す図である。 図７（Ａ）の光量分布に対応する開口絞りのパターンを示す図である。 図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）はそれぞれ本発明の第４の実施形態において、図１８中の開口絞り４２Ａ及び４２Ｂのパターンを示す図である。 本発明の第５の実施形態の照明光学系の要部を示す図である。 本発明の実施形態の投影露光装置を用いて半導体デバイスを製造する工程の一例を示す図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の好ましい第１の実施形態につき図１〜図９を参照して説明する。本例は、オプティカル・インテグレータ（ユニフォマイザ又はホモジナイザ）としてのフライアイレンズを備える照明系を用いる投影露光装置で露光を行う場合に本発明を適用したものである。

図１（Ａ）は、本例の走査露光型の投影露光装置の構成を示し、この図１（Ａ）において、露光光源１としてはＫｒＦエキシマレーザ光源（波長２４８ｎｍ）が使用されている。なお、露光光源１としては、ＡｒＦエキシマレーザ光源（波長１９３ｎｍ）、Ｆ₂ レーザ光源（波長１５７ｎｍ）、Ｋｒ₂ レーザ光源（波長１４６ｎｍ）、若しくはＡｒ₂ レーザ光源（波長１２６ｎｍ）などのレーザ光源、又はＹＡＧレーザの高調波発生光源や固体レーザ（例えば半導体レーザ等）等の高調波発生装置なども使用することができる。

露光光源１から射出された露光用の光束（露光ビーム）としての紫外パルス光よりなる照明光ＩＬは、ビームエキスパンダ２により光束の断面形状が所望の形状に変換された後、光路折り曲げ用のミラー３を介して第１の回折光学素子２１に入射して、後述のように所定面（例えば、照明光学系の瞳面）で所定の光量分布が得られるように複数の方向に回折する光束ＤＬに変換される。光量分布を設定するための光学部材の一部としての回折光学素子２１は、レボルバ２４に取り付けられており、レボルバ２４には、他の回折特性を持つ第２の回折光学素子２２、及び更に別の回折特性を持つ回折光学素子（不図示）も取り付けられている。本例では、装置全体の動作を統轄制御する主制御系１７が、駆動部２３を介してレボルバ２４の回転角を制御して、照明光ＩＬの光路上に回折光学素子２１、２２等の何れかを設置することによって、照明条件を切り替えることができるように構成されている。

図１（Ａ）において、回折光学素子２１により回折された光束ＤＬは、リレーレンズ４により集光され、第１プリズム７１及び第２プリズム７２（可動プリズム）を経てオプティカル・インテグレータとしてのフライアイレンズ５の入射面に集光される。この場合、回折光学素子２１は、リレーレンズ４の前側焦点よりも僅かに露光光源１側にずれた位置に配置され、フライアイレンズ５の入射面はほぼリレーレンズ４の後側焦点の位置に配置されている。そして、回折光学素子２１から互いに異なる方向に回折された複数の光束は、フライアイレンズ５の入射面上で互いに異なる領域に集光されており、フライアイレンズ５の射出面（射出側焦点面）Ｑ１には、ほぼその入射面の光量分布に対応する分布の面光源（本実施形態では多数の光源像からなる２次光源）が形成される。リレーレンズ４とフライアイレンズ５とからなる合成レンズ系によって、回折光学素子２１の射出面とフライアイレンズ５の射出面Ｑ１とはほぼ共役（結像関係）となっている。

本例では、回折光学素子２１、第１プリズム７１、及び第２プリズム７２が所定の光量分布を設定するための光学部材に対応している。図１（Ｂ）に示すように、第１プリズム７１は、照明光学系の光軸ＢＸ（後述）を中心とする円形領域で平行平面板７１ａとなり、その周辺部で凹の円錐体７１ｂとなる部材であり、第２プリズム７２は、第１プリズム７１に対して凹凸が逆になると共に、第１プリズム７１と合わせたときに全体として平行平面板を構成する部材である。なお、第１及び第２プリズム７１、７２の中心の円形領域を通る（即ち、第１及び第２プリズム７１、７２内を光軸ＢＸに沿って直進する）光束は、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１上での光量分布の中心で光量が高められる領域に分布し、第１及び第２プリズム７１、７２の周辺の円錐部（斜面）を通る光束は、その光量分布の周辺で光量が高められる複数の領域（あるいはその複数の領域を含む所定領域）に分布する。

また、第１及び第２プリズム７１、７２の少なくとも一方、例えば本例では第２プリズム７２のみが光軸ＢＸに沿って不図示の駆動機構によって変位自在に支持されており、第２プリズム７２を光軸ＢＸに沿って変位させて、第１プリズム７１と第２プリズム７２との間隔を変えることによって、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１における光量分布を、中心の分布（後述する領域２８、３３などの位置）を変えることなく、周辺の光量の大きい複数の領域の位置を半径方向に調整できる（即ち、Ｘ方向、Ｙ方向に関する複数の領域の位置（光軸ＢＸとの距離）を可変とする）ように構成されている。

なお、プリズム７１及び７２の代わりに、円錐体の部分が角錐体（又はピラミッド状）となったプリズムを用いてもよい。また、２つのプリズム７１、７２を用いることなく、第１プリズム７１のみを用いてこの位置を光軸ＢＸに沿って可変としてもよい。更に、可動プリズムとしては、図１（Ｃ）に示すように、一方向に屈折力がありそれに直交する方向には屈折力の無い１対のＶ字型の間隔可変のプリズム７１Ａ、７１Ｂを用いてもよい。なお、プリズム７１Ａ、７１Ｂはそれぞれ中心の矩形領域（本例では平行平面板）が光軸ＢＸとほぼ直交し、かつ周辺部の２つの斜面が光軸ＢＸを含んで図１（Ｃ）の紙面と直交する面に関してほぼ対称となるように配置される。

この構成では、プリズム７１Ａ、７１Ｂの間隔可変によって、図１（Ｃ）の紙面内上下方向（例えば、照明光学系１２の瞳面における照明光の光量分布が示される図３ではＹ方向に対応）に関する周辺の光量の大きい領域の位置（光軸ＢＸとの距離）が変化する。そこで、それに直交する方向（図１（Ｃ）の紙面と垂直な方向で、図３ではＸ方向に対応）に関する周辺の光量の大きい領域の位置（光軸ＢＸとの距離）を調整するために、１対のプリズム７１Ａ、７１Ｂを光軸ＢＸの回りに９０°回転した構成の別の１対のプリズム７１Ｃ、７１Ｄを配置してもよい。これによって、互いに直交する２つの方向の周辺の光量の大きい領域の位置（光軸ＢＸとの距離）を独立に調整できる。

なお、前述した斜面が円錐、角錐又はＶ字のプリズムはそれぞれ光軸ＢＸと直交する中心の平面部が平行平面板であるものとしたが、その中心部の少なくとも一部を切り取って開口部（中空部）としてもよいし、あるいは複数の部分を別々に加工して一体に固定したものでもよい。特に後者では、中心の平面部を除く周辺の斜面部のみを複数に分割して一体に固定したものでも構わない。

ただし、図１（Ａ）において、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１における周辺の光量の大きい複数の領域の位置を半径方向に変化させる必要の無い場合には、第１プリズム７１及び第２プリズム７２は省略することも可能である。

なお、フライアイレンズ５は、一例として縦横の幅が数ｍｍ程度の長方形の断面形状を持つ多数のレンズエレメントを束ねたものであり、各レンズエレメントの断面形状はレチクル上の細長い照明領域とほぼ相似である。ただし、フライアイレンズ５としては、断面形状が幅数１０μｍ程度の四角形又は直径が数１０μｍ程度の円形の多数の微小レンズを束ねた構成のマイクロ・フライアイレンズを用いることも可能である。

フライアイレンズ５から射出された光束よりなる照明光ＩＬは、コンデンサレンズ系６によって面Ｑ２上に一度集光される。面Ｑ２の僅かに手前側に、被照明体としてのレチクルＲ上の照明領域を走査方向に直交する非走査方向に細長い形状に規定するための固定視野絞り（固定ブラインド）７が配置され、面Ｑ２上に可動視野絞り（可動ブラインド）８が配置されている。可動視野絞り８は、走査露光の前後でその照明領域の走査方向の幅を制御して不要な露光を防止すると共に、走査露光中のその照明領域の非走査方向の幅を規定するために使用される。一例として、後述のレチクルステージ駆動系１６が、レチクルステージの動作と同期して駆動部１３を介して可動視野絞り８の開閉動作を制御する。

視野絞り７及び８を通過した照明光ＩＬは、結像用レンズ系９、光路折り曲げ用のミラー１０、及び主コンデンサレンズ系１１を介して、マスクとしてのレチクルＲのパターン面（以下、「レチクル面」と言う）の回路パターン領域上の細長い照明領域を一様な強度分布で照明する。露光光源１、ビームエキスパンダ２、ミラー３、回折光学素子２１（又は他の回折光学素子）、リレーレンズ４、フライアイレンズ５、コンデンサレンズ系６、視野絞り７、８、結像用レンズ系９、ミラー１０、及び主コンデンサレンズ系１１より照明光学系１２が構成されている。照明系としての照明光学系１２の光軸を光軸ＢＸとする。この場合、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１は、照明光学系１２の瞳面、即ちレチクル面に対して光学的なフーリエ変換面と実質的に一致しており、可動視野絞り８の配置されている面Ｑ２は、そのレチクル面の共役面である。なお、固定視野絞り７は、例えばレチクル面の近傍に配置してもよい。

照明光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領域内の回路パターンの像が、投影系としての両側テレセントリックの投影光学系ＰＬを介して所定の縮小倍率β（βは例えば１／４、１／５等）で、投影光学系ＰＬの結像面に配置された基板としてのウエハＷ上の複数のショット領域の一つのショット領域のレジスト層に転写される。なお、レチクルＲ及びウエハＷはそれぞれ第１物体及び第２物体とも見なすことができる。また、被露光用の基板としてのウエハＷは、例えば半導体（シリコン等）又はＳＯＩ(silicon on insulator)等の直径が２００ｍｍ又は３００ｍｍ等の円板状の基板である。

投影光学系ＰＬの光軸ＡＸは、レチクルＲ上で照明光学系１２の光軸ＢＸと合致している。また、投影光学系ＰＬの瞳面Ｑ３（レチクル面に対する光学的なフーリエ変換面）は、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１（照明光学系１２の瞳面）と共役である。本例の投影光学系ＰＬとしては、屈折系の他に、例えば日本国の特開２０００−４７１１４号公報（対応する米国特許第６,４９６,３０６号）に開示されているように、互いに交差する光軸を持つ複数の光学系を持つ反射屈折投影光学系、又は例えば国際公開（ＷＯ）０１／０６５２９６号パンフレット（対応する米国公開２００３／００１１７５５Ａ１）に開示されているように、レチクルからウエハに向かう光軸を持つ光学系と、その光軸に対してほぼ直交する光軸を持つ反射屈折系とを有し、内部で中間像を２回形成する反射屈折投影光学系等を使用できる。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内でレチクルＲ及びウエハＷの走査方向に直交する非走査方向（ここでは図１（Ａ）の紙面に平行な方向）にＸ軸を取り、その走査方向（ここでは図１（Ａ）の紙面に垂直な方向）にＹ軸を取って説明する。

先ずレチクルＲは、レチクルステージ１４上に吸着保持され、レチクルステージ１４は、レチクルベース１５上にＹ方向に等速移動できると共に、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ軸の周りの回転方向に微動できるように載置されている。レチクルステージ１４の位置は、レチクルステージ駆動系１６内のレーザ干渉計によって計測されている。レチクルステージ駆動系１６は、その計測情報及び主制御系１７からの制御情報に基づいて、不図示の駆動機構を介してレチクルステージ１４の位置及び速度を制御する。

一方、ウエハＷは、不図示のウエハホルダを介してウエハステージ１８上に吸着保持され、ウエハステージ１８は、ウエハベース１９上にＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されている。ウエハステージ１８の位置は、ウエハステージ駆動系２０内のレーザ干渉計によって計測されている。ウエハステージ駆動系２０は、その計測情報及び主制御系１７からの制御情報に基づいて、不図示の駆動機構を介してウエハステージ１８の位置及び速度を制御する。また、ウエハステージ１８には、不図示のオートフォーカスセンサの計測情報に基づいて、走査露光中にウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの結像面に合わせ込むための合焦機構が組み込まれている。

走査露光時には、主制御系１７、レチクルステージ駆動系１６、及びウエハステージ駆動系２０の制御のもとで、レチクルステージ１４を介してレチクルＲを照明光ＩＬが照射される照明領域に対してＹ方向に速度ＶＲで走査するのに同期して、ウエハステージ１８を介して細長い露光領域（投影光学系ＰＬに関して照明領域と共役な照明光ＩＬの照射領域）に対してウエハＷ上の一つのショット領域を対応する方向（＋Ｙ方向又は−Ｙ方向）に速度β・ＶＲ（βは投影倍率）で走査する動作と、ウエハステージ１８を介してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作とが繰り返される。このステップ・アンド・スキャン動作によって、ウエハＷ上の全部のショット領域にレチクルＲの回路パターンの像が転写される。

次に、本例の照明光学系及び照明方法につき詳細に説明する。

図２は、図１（Ａ）中のレチクルＲに形成された転写用のパターン（原版パターン）の一例を示し、この図２において、レチクルＲのパターン領域ＰＡ内には、それぞれＸ方向、Ｙ方向にピッチＰ１，Ｐ２及びＰ３でほぼ正方形のパターン２５Ａ、２５Ｂ及び２５Ｃを配置してなる３種類のコンタクトホールの２次元パターンが形成されている。各パターン２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃはそれぞれ遮光膜中に形成された透過パターンでもよく、逆に透過部中に形成された遮光パターンでもよい。また、各パターン２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの幅は、それぞれ対応するピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３の１／２程度、又はこれより小さい値であるが、よりピッチの大きい方のパターン２５Ｂ、２５Ｃの幅が最も微細なピッチのパターン２５Ａの幅と同程度となる場合もある。この場合、ピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３は次のように次第に数倍になるように設定されている。

Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３ …（４）

図１（Ａ）の投影光学系ＰＬの投影倍率βを１／４倍としたとき、レチクル面上でのピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３はそれぞれ一例として３００ｎｍ、６００ｎｍ、９００ｎｍ程度に設定される。即ち、レチクルＲの原版パターンは、微細ピッチの密集コンタクトホール用の第１パターンと、中程度のピッチの密集コンタクトホール用の第２パターンと、実質的に孤立コンタクトホールとみなすことができる大きいピッチで配列されたコンタクトホール用の第３パターンとを含んでいる。このような原版パターンの像を一度に高精度にウエハ上に転写するために、本例では図１（Ａ）に示すように、照明光ＩＬの光路上に回折光学素子２１を配置して、所定面としてのフライアイレンズ５の射出面Ｑ１（瞳面）における照明光ＩＬの光量分布（強度分布）を所定分布に設定している。

図３は、本例の図１（Ａ）のフライアイレンズ５の射出面Ｑ１（照明光学系１２の瞳面）における照明光ＩＬの光量分布を示し、この図３において、図２のレチクルＲ上のＸ方向及びＹ方向（即ち、転写用パターンの配列方向）に対応する射出面Ｑ１上の方向をそれぞれＸ方向及びＹ方向としている。ここで、図１（Ａ）の投影光学系ＰＬの物体側（レチクル側）の開口数をＮＡ、像側（ウエハ側）の開口数をＮＡ_PLとすると、投影倍率βを用いて次の関係がある。

ＮＡ＝β・ＮＡ_PL …（５）

更に、照明光学系１２からレチクルＲに入射する照明光ＩＬの開口数の内の最大値をＮＡ_ILとして、本例ではその最大の開口数ＮＡ_ILの投影光学系ＰＬの開口数ＮＡに対する比の値（コヒーレンスファクタ）を最大σ値と呼び、最大σ値をσとする。即ち、最大σ値の照明光とは、照明光ＩＬの内で最も大きい入射角でレチクルＲに入射する光であり、最大σ値（σ）は、次のように表すことができる。

σ＝ＮＡ_IL／ＮＡ＝ＮＡ_IL／（β・ＮＡ_PL） …（６）

図３に示す照明光学系の瞳面において、最外周の円周２６は、投影光学系ＰＬの入射側の開口数ＮＡと同じ開口数を持つ仮想的な光束が通過する領域の外周を表し、その内側の円周２７は、最大σ値（σ）の開口数を持つ照明光が通過する領域に接する円周を表しており、全ての照明光は円周２７の内部を通過する。本例の照明光ＩＬは、図３において、照明光学系１２の光軸ＢＸを中心とする半径ｒ１の円形の領域２８と、その領域２８を囲む半径Ｒ１の第１円周３２Ａに沿って中心が配置された４個の半径ｒ２の円形の領域２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄと、その領域２９Ａ〜２９Ｄを囲む半径Ｒ２の第２円周３２Ｂに沿って中心が配置された４個の半径ｒ３の円形の領域３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄとを含む互いに離れた９個の領域でほぼ一定の光量を持ち、それ以外の領域ではその一定の光量よりも低い光量（本例ではほぼ０）となる光量分布を持っている。なお、領域２８、領域２９Ａ〜２９Ｄ、及び領域３０Ａ〜３０Ｄの輪郭付近では、光量は外側に向かって次第に減少する分布を持っていてもよい。中心の領域２８が第１領域に対応し、それを囲む４個の領域２９Ａ〜２９Ｄが第２領域に対応し、更にそれを囲む４個の領域３０Ａ〜３０Ｄが第３領域に対応している。以下では、その半径ｒ１〜ｒ３及びＲ１，Ｒ２は、それぞれ最大σ値（σ）に相当する長さ（最大σ値の光束が通過する点と光軸ＢＸとの間隔）を単位として表すものとする。

先ず、中心の領域２８は、それ以外の８個の領域２９Ａ〜２９Ｄ及び３０Ａ〜３０Ｄよりも大きく設定されている（ｒ１＞ｒ２，ｒ１＞ｒ３）。更に、本例では転写対象の２次元パターンの配列方向がＸ方向、Ｙ方向であるため、Ｘ方向に時計回りに４５°で交差する直線を第１直線３１Ａとして、第１直線３１Ａに直交する直線（Ｘ方向に反時計回りに４５°で交差する直線）を第２直線３１Ｂとする。そして、中心の領域２８、中間の２つの領域２９Ａ及び２９Ｃ、並びに最外周の２つの領域３０Ａ及び３０Ｃの中心を第１直線３１Ａ上に配置し、中心の領域２８、中間の他の２つの領域２９Ｂ及び２９Ｄ、並びに最外周の他の２つの領域３０Ｂ及び３０Ｄの中心を第２直線３１Ｂ上に配置する。即ち、中心の領域２８を囲む８個の領域２９Ａ〜２９Ｄ及び３０Ａ〜３０Ｄは、転写対象のパターンの直交する２つの配列方向を４５°回転した２つの直交する方向に沿って配列されている。

また、一例として、領域２８の半径ｒ１、領域２９Ａ〜２９Ｄの半径ｒ２、領域３０Ａ〜３０Ｄの半径ｒ３は、それぞれ次のように最大σ値（σ）（ここでは円周２７の半径、以下同様）の０．３倍、０．１倍、及び０．１倍に設定されている。

ｒ１＝０．３σ …（７）
ｒ２＝ｒ３＝０．１σ …（８）

更に、第１円周３２Ａの半径Ｒ１及び第２円周３２Ｂの半径Ｒ２は、それぞれ次のように最大σ値（σ）の０．５５倍及び０．９倍に設定されている。

Ｒ１＝０．５５σ …（９）
Ｒ２＝０．９σ …（１０）

この場合、領域２８の外周と第１円周３２Ａとの半径方向の間隔ｄ１と、第１円周３２Ａと第２円周３２Ｂとの半径方向の間隔ｄ２とは次のようになる。

ｄ１＝０．２５σ，ｄ２＝０．３５σ …（１１）

この場合、（７）式〜（１０）式の条件を満たす図３の瞳面上の領域２８、領域２９Ａ〜２９Ｄ、及び領域３０Ａ〜３０Ｄで光量がほぼ一定となり、それ以外の領域で光量がほぼ０となる光量分布が得られるように、図１（Ａ）の回折光学素子２１の回折特性が設定されている。このためには、回折光学素子２１は、一例として、光透過性の基板上にほぼ図３の直線３１Ａに沿った方向に規則性を持つ凹凸の格子と、ほぼ直線３１Ｂに沿った方向に規則性を持つ凹凸の格子とを形成することによって製造することができる。また、回折光学素子２１は、複数枚の位相型の回折格子を組み合わせたものでもよい。これらの場合、回折光学素子２１は、位相型であるため、光の利用効率が高いという利点がある。なお、回折光学素子２１としては、屈折率分布を回折格子状の分布で変化させた光学素子を使用することも可能である。なお、特定の回折特性を持つ回折光学素子の構造及び製造方法については、例えば本出願人による日本国の特開２００１−１７６７６６号公報（対応する米国特許第６,５６３,５６７号）に詳細に開示されている。

なお、回折光学素子２１によって得られる光量分布を、図３の領域２８、領域２９Ａ〜２９Ｄ、及び領域３０Ａ〜３０Ｄを含む領域でほぼ一定の光量となるようにしておき、図３の領域２８、領域２９Ａ〜２９Ｄ、及び領域３０Ａ〜３０Ｄに対応する部分に開口が形成された開口絞りを、図１（Ａ）のフライアイレンズ５の射出面Ｑ１（瞳面）又はその共役面に配置してもよい。この場合にも、照明光ＩＬの利用効率が高いという利点は得られている。

本例に関して、本発明者は、（７）式〜（１０）式の条件を満たす図３の瞳面上の領域２８、領域２９Ａ〜２９Ｄ、及び領域３０Ａ〜３０Ｄよりなる９個の領域で光量が一定となり、それ以外の領域で光量が０となる光量分布のもとで、レチクル面に種々のピッチのコンタクトホールのパターンを配置して、そのパターンの縮小像を投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に転写した場合に得られるＣＤ(critical dimension)の評価をコンピュータのシミュレーションで行った。本例のＣＤは、転写されるパターンの線幅である。なお、このシミュレーションに際しては、次のように図１（Ａ）の投影光学系ＰＬの像側（ウエハ側）の開口数ＮＡ_PLを０．８２、投影倍率βを１／４倍として、最大σ値（σ）を０．９とした。

ＮＡ＝０．８２，β＝１／４，σ＝０．９ …（１２）

図５の曲線３６は、その瞳面上の９個の領域で光量が一定となる場合のＣＤ値のシミュレーション結果を示し、図５の横軸はレチクル面上の転写されるパターンのピッチ（ｎｍ）、縦軸はそのピッチに対応するＣＤ値（ｎｍ）である。図５のピッチ２８０〜１１２０ｎｍは、ウエハ側では７０〜２８０ｎｍに相当している。曲線３６から分かるように、本例の光量分布を用いることによって、レチクル面上でピッチが２８０〜１１２０ｎｍの広い範囲のコンタクトホールのパターンに対してほぼ一定の良好なＣＤ値が得られる。

従って、本例の図３の瞳面上の光量分布を用いることによって、図２の３種類のピッチのパターンを含むレチクルＲのパターンは、一度に高精度にウエハＷ上に転写することができる。

なお、図３の瞳面上の光量分布は、必ずしも（７）式〜（１０）式の条件を満たす必要はなく、領域２８の半径ｒ１、領域２９Ａ〜２９Ｄの半径ｒ２、領域３０Ａ〜３０Ｄの半径ｒ３は、それぞれ次のような範囲にあればよい。

０．２σ≦ｒ１≦０．４σ …（１３）
０．０７５σ≦ｒ２≦０．２σ …（１４）
０．０７５σ≦ｒ３≦０．２σ …（１５）

更に、第１円周３２Ａの半径Ｒ１及び第２円周３２Ｂの半径Ｒ２は、それぞれ（９）式及び（１０）式に対して±１０％程度変化してもよい。また、投影光学系ＰＬの像側の開口数ＮＡ_PL、投影倍率β、及び最大σ値（σ）は、上記の値に限らず任意の値を取ることができる。例えば、最大σ値（σ）を制御するには、図１（Ａ）のプリズム７１及び７２の間隔を変化させて、図３の光量分布のうち周辺の光量の大きい領域２９Ａ〜２９Ｄ及び領域３０Ａ〜３０Ｄの半径方向の位置（Ｘ方向、Ｙ方向に関する光軸ＢＸとの距離）を変化させればよい。また、図１（Ｃ）に示すように２対のプリズム７１Ａ、７１Ｂ及び７１Ｃ、７１Ｄを用いて、図３の光量分布のうち、周辺の光量の大きい領域２９Ａ〜２９Ｄ及び領域３０Ａ〜３０Ｄの位置（光軸ＢＸとの距離）をＸ方向とＹ方向とでそれぞれ独立に制御してもよい。

なお、図３の光量分布において、中心の領域２８の光量（例えば単位面積当たりの強度）と周辺の８個の領域２９Ａ〜２９Ｄ、３０Ａ〜３０Ｄの光量とを異ならせてもよい。また、周辺の第１円周３２Ａに沿った４個の領域２９Ａ〜２９Ｄの光量と第２円周３２Ｂに沿った４個の領域３０Ａ〜３０Ｄの光量とを異ならせてもよい。これらの光量の相対的な大きさは、例えば転写するパターン毎に最適な解像度が得られるように調整してもよい。

更に、図３の光量分布の代わりに、図６（Ｂ）に示すように、図３の周辺の半径方向の２つずつの領域２９Ａ、３０Ａ、２９Ｂ、３０Ｂ、２９Ｃ、３０Ｃ、及び２９Ｄ、３０Ｄをそれぞれ半径方向に実質的に連結させた４個の細長い領域１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、及び１３０Ｄと、中心の領域２８とを含む５個の領域で光量が大きくなる光量分布を用いてもよい。この場合にも、ほぼ同様に種々のピッチのパターンに対して高い解像度を得ることができる。なお、図６（Ｂ）の光量分布でそれぞれ半径方向に並ぶ２つの領域の連結部における光量はその２つの領域における光量と同程度でもよいし、あるいはその２つの領域における光量と異ならせる、例えば小さくしてもよい。

なお、図３の光量分布を用いる場合よりも更に解像度及び焦点深度を改善するためには、第１領域としての中央の円形の領域２８の代わりに輪帯状の領域を用いればよい。

図６（Ａ）は、そのように第１領域を輪帯状の領域とした場合の図１（Ａ）のフライアイレンズ５の射出面Ｑ１（照明光学系１２の瞳面）における照明光ＩＬの光量分布を示している。この図３に対応する部分に同一符号を付した図６（Ａ）において、光軸ＢＸを中心する外半径ｒ１で内半径ｒ１Ｒの輪帯状の領域２８Ｒと、それを囲む８個の領域２９Ａ〜２９Ｄ及び３０Ａ〜３０Ｄとを含む９個の領域で照明光の光量がほぼ一定となり、それ以外の領域では照明光の光量はほぼ０となっている。また、輪帯状の領域２８Ｒの外半径ｒ１と内半径ｒ１Ｒとの比の値（＝ｒ１Ｒ／ｒ１）は０と１との間の任意であり、一例として１／３輪帯（ｒ１Ｒ／ｒ１＝１／３）、１／２輪帯（ｒ１Ｒ／ｒ１＝１／２）、２／３輪帯（ｒ１Ｒ／ｒ１＝２／３）などが使用できる。この他の条件は図３の光量分布を用いる場合と同様である。

図６（Ａ）の光量分布を用いる場合には、図５の曲線３６で表されるＣＤ値のシミュレーション結果よりも更に安定なＣＤ値の分布が得られる。更に、より広い焦点深度で安定なＣＤ値が得られる。

また、本例において、図６（Ａ）の周辺の領域２９Ａ〜２９Ｄ及び３０Ａ〜３０Ｄに分布する光を直線偏光としてもよい。この際に、一例として矢印ＡＲで示すように、その周辺領域に分布する光を偏光方向が接線方向（入射面に対して垂直な方向）であるＳ偏光としてもよい。これによって、特定のパターンに対する解像度等が向上する場合がある。これは、図３又は図６（Ｂ）の光量分布を用いる場合も同様である。

なお、光源１から発生して前述した周辺の光量の大きい８個又は４個の領域にそれぞれ分布する光が非偏光、またはその偏光方向が円周方向と一致していないときは、例えば、回折光学素子２１（偏向部材）とフライアイレンズ５との間で、各領域に分布する光が通る光路上に１／２波長板又は１／４波長板などの偏光設定部材を配置して、偏光方向が円周方向とほぼ一致する直線偏光の光束に変換することが好ましい。このとき、前述した複数のプリズムのうち光軸ＢＸに沿って可動でかつ最も上流側（光源側）に配置される１つのプリズム（可動部材）の入射側、例えばレンズ４との間、または回折光学素子２１とレンズ４との間に偏光設定部材を設けることが好ましい。この場合、回折光学素子の交換または複数のプリズムの間隔変更などによる光束の進行方向（光路）の変化に応じて偏光設定部材を移動する、あるいはその変化を見込んで偏光設定部材を大きく形成する必要がない。

なお、図６（Ｂ）の光量分布で中心の円形領域２８を、図６（Ａ）と同様に輪帯状の領域としてもよい。

また、本例の回折光学素子２１は所定面としての照明光学系１２の瞳面上での光量分布を所定の状態に設定しているが、その所定面を図１（Ａ）の投影光学系ＰＬの瞳面Ｑ３とすることも可能である。このとき、その回折光学素子２１によって、レチクルＲが存在しない場合に、投影光学系ＰＬの瞳面Ｑ３において、光軸ＡＸを含む第１領域及びそれを囲む８個の領域においてほぼ一定となり、それ以外の領域でそれより低い光量となる光量分布が設定される。

なお、本例の図３及び図６（Ａ）の例では、瞳面上において光量がほぼ一定の領域２８（又は２８Ｒ）、領域２９Ａ〜２９Ｄ、及び領域３０Ａ〜３０Ｄはそれぞれ円形（又は輪帯）であるが、その各円形（又は輪帯）領域をそれぞれ楕円形（又は楕円形の輪帯）の領域とすることも可能である。また、各円形（又は輪帯）の領域を次のように多角形（又は多角形の枠状）の領域とすることも可能であり、円形（又は楕円形）領域と多角形領域とを組み合わせることも可能である。

図９はその瞳面上で可能な別の光量分布を示し、図９に示すように、その光量分布は、中央の角形（正方形の他に正６角形等も可）の領域２８Ａ、それを囲む４個の角形の領域２９Ｅ〜２９Ｈ、及びそれを囲む４個の角形の領域３０Ｅ〜３０Ｈでほぼ一定となり、それ以外の領域でそれよりも低くなっている。この場合、その角形の領域の位置及び面積は、それぞれ図３の領域２８、領域２９Ａ〜２９Ｄ、及び領域３０Ａ〜３０Ｄの位置及び面積とほぼ同じであればよい。なお、図６（Ａ）に対応させる場合には、図９の中央の領域２８Ａの代わりに枠型の領域を用いればよい。

次に、図１（Ａ）のレボルバ２４には異なる回折特性を持つ第２の回折光学素子２２が設けられている。この第２の回折光学素子２２を照明光ＩＬの光路上に設置した場合には、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１（瞳面）の５個の領域でほぼ一定の光量となり、それ以外の領域でそれより低い（本例ではほぼ０）光量となる光量分布が得られる。

図７（Ａ）は、第２の回折光学素子２２を用いた場合の図１（Ａ）のフライアイレンズ５の射出面Ｑ１（瞳面）における照明光ＩＬの光量分布を示し、この図３に対応する部分に同一符号を付した図７（Ａ）の光量分布は、図１（Ａ）の照明光学系１２の光軸ＢＸを中心とする外半径ｒ４で内半径ｒ４Ｒの円形の輪帯状の領域３３Ｒ（第１領域）と、その領域３３Ｒを囲む半径Ｒ３の円周３５に沿って９０°間隔で中心が配置された４個の半径ｒ５の円形の領域３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ（第２領域）とを含む互いに離れた５個の領域でほぼ一定光量となり、それ以外の領域ではその一定光量よりも低い光量（本例ではほぼ０）となっている。この場合にも、中心の領域３３Ｒの外側の輪郭は、それ以外の４個の領域３４Ａ〜３４Ｄよりも大きく設定されている（ｒ４＞ｒ５）。

また、輪帯状の領域３３Ｒの外半径ｒ４と内半径ｒ４Ｒとの比の値（＝ｒ４Ｒ／ｒ４）は０と１との間の任意であり、一例として１／３輪帯（ｒ４Ｒ／ｒ４＝１／３）、１／２輪帯（ｒ４Ｒ／ｒ４＝１／２）、２／３輪帯（ｒ４Ｒ／ｒ４＝２／３）などが使用できる。更に、半径ｒ４の好ましい範囲は（１３）式の半径ｒ１の範囲と同じであり、半径Ｒ３及び半径ｒ５の好ましい範囲はそれぞれ（１０）式の半径Ｒ２、及び（１４）式の半径ｒ２と同じである。

更に、本例では転写対象の２次元パターンの配列方向がＸ方向、Ｙ方向であるため、外周部の４個の領域３４Ａ〜３４Ｄは、それぞれ光軸ＢＸを通りＸ方向（又はＹ方向）に４５°で交差する直線に沿って配置されている。

また、一例として、領域３３Ｒの半径ｒ４、領域３４Ａ〜３４Ｄの半径ｒ５、及び円周３５の半径Ｒ３は、それぞれ次のように最大σ値（σ）の０．２倍、０．１倍、及び０．９倍に設定されている。

ｒ４＝０．３σ，ｒ５＝０．１σ …（１６）
Ｒ３＝０．９σ …（１７）

本発明者は、（１６）式、（１７）式の条件を満たす図４の瞳面上の領域３３、及び領域３４Ａ〜３４Ｄよりなる５個の領域で光量が一定となり、それ以外の領域で光量が０となる光量分布のもとで、レチクル面に種々のピッチのコンタクトホールのパターンを配置して、そのパターンの縮小像を投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に転写した場合に得られるＣＤ(critical dimension)の評価をコンピュータのシミュレーションで行った。なお、このシミュレーションに際して、露光波長はＡｒＦレーザ光、図１（Ａ）の投影光学系ＰＬの像側（ウエハ側）の開口数ＮＡ_PLは０．７８、投影倍率βは１／４、最大σ値（σ）の値は０．９である。

図８の折れ線の曲線Ｆ１，Ｆ２は、その瞳面上の５個の領域で光量が一定となる場合のＣＤ値のシミュレーション結果を示し、図８の横軸はウエハのデフォーカス量Ｆ（μｍ）、縦軸はＣＤ値としての良好に転写できるパターンの線幅（μｍ）（ウエハ上での線幅）を示している。また、図８のほぼ平坦な曲線Ｆ１は、線幅が１４０ｎｍでピッチ２２０ｎｍのコンタクトホールのパターンに対するシミュレーション結果、山型の曲線Ｆ２は線幅が１４０ｎｍの孤立パターンに対するシミュレーション結果を表している。曲線Ｆ１，Ｆ２から分かるように、両方のパターンに対してデフォーカス量Ｆが−０．２μｍ〜０．２μｍ程度の範囲でほぼ一定のＣＤ値が得られている。従って、孤立パターンから微細ピッチのコンタクトホールのパターンまでの種々のパターンを高解像度で且つ広い焦点深度で転写することができる。

なお、この図７（Ａ）の光量分布を用いる場合にも、例えば最大σ値（σ）を制御するために、図１（Ａ）のプリズム７１及び７２の間隔を変化させて、図７（Ａ）の周辺の光量の大きい領域３４Ａ〜３４Ｄの半径方向の位置（Ｘ方向、Ｙ方向に関する光軸ＢＸとの距離）を変化させてもよい。また、図１（Ｃ）に示すように２対のプリズム７１Ａ、７１Ｂ及び７１Ｃ、７１Ｄを用いて、図７（Ａ）の光量分布のうち、周辺の光量の大きい領域３４Ａ〜３４Ｄの位置（光軸ＢＸとの距離）をＸ方向とＹ方向とでそれぞれ独立に制御してもよい。

また、図７（Ａ）の光量分布において、中心の領域３３Ｒの光量（例えば単位面積当たりの強度）と周辺の４個の領域３４Ａ〜３４Ｄの光量とを異ならせてもよい。これらの光量の相対的な大きさは、例えば転写するパターン毎に最適な解像度が得られるように調整してもよい。

更に、図７（Ａ）の光量分布の代わりに、図７（Ｂ）に示すように、図７（Ａ）の周辺の４つの領域３４Ａ〜３４Ｄと中心の輪帯状の領域３３Ｒとを半径方向に実質的に連結させた、中心に開口のあるヒトデ(starfish)型又は星型の領域１３４で光量が大きくなる光量分布を用いてもよい。領域１３４の中央部では光量が０ではなく、光量が低くなるだけでもよい。この場合にも、ほぼ同様に種々のピッチのパターンに対して高い解像度を得ることができる。

なお、図７（Ａ）の周辺の領域３４Ａ〜３４Ｄと中心の領域３３Ｒとを連結する、図７（Ｂ）の光量分布で半径方向に延びる連結部における光量は、その周辺又は中心の領域における光量と同程度でもよいし、あるいはその周辺又は中心の領域における光量と異ならせる、例えば小さくしてもよい。

また、本例において、図７（Ａ）の周辺の領域３４Ａ〜３４Ｄに分布する光を直線偏光としてもよい。この際に、一例として矢印ＡＲで示すように、その周辺領域に分布する光を偏光方向が接線方向（入射面に対して垂直な方向）であるＳ偏光としてもよい。これによって、特定のパターンに対する解像度等が向上する場合がある。これは、図７（Ｂ）の光量分布を用いる場合も同様であり、領域１３４のうち半径方向に延びる周辺の領域、特に図７（Ａ）の周辺の領域３４Ａ〜３４Ｄに対応するその一部に分布する光を、偏光方向が接線方向となる直線偏光としてもよい。なお、図７（Ａ）、図７（Ｂ）の光量分布で周辺の領域に分布する光が非偏光、またはその偏光方向が接線方向と一致していないときは、上記と同様に、例えば回折光学素子２１とフライアイレンズ５との間に偏光設定部材を設けることが好ましい。

ここで比較のために、図７（Ａ）の中央の輪帯状の領域３３Ｒの代わりに円形の領域で光量を一定とした場合のシミュレーション結果を示す。

図４は、そのように図７（Ａ）の中央の輪帯状の領域３３Ｒの代わりに半径ｒ４の円形の領域３３で光量を一定として、それを囲む４個の領域３４Ａ〜３４Ｄでは図７（Ａ）の場合と同様に光量を一定とした光量分布を示している。

図４において、一例として、領域３３の半径ｒ４、領域３４Ａ〜３４Ｄの半径ｒ５、及び円周３５の半径Ｒ３は、それぞれ次のように最大σ値（σ）の０．２倍、０．１倍、及び０．９倍に設定されている。

ｒ４＝０．２σ，ｒ５＝０．１σ …（１８）
Ｒ３＝０．９σ …（１９）

本発明者は、（１８）式、（１９）式の条件を満たす図４の瞳面上の領域３３、及び領域３４Ａ〜３４Ｄよりなる５個の領域で光量が一定となり、それ以外の領域で光量が０となる光量分布のもとで、レチクル面に種々のピッチのコンタクトホールのパターンを配置して、そのパターンの縮小像を投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に転写した場合に得られるＣＤ(critical dimension)の評価をコンピュータのシミュレーションで行った。なお、このシミュレーションに際して、図１（Ａ）の投影光学系ＰＬの像側（ウエハ側）の開口数ＮＡ_PL、投影倍率β、最大σ値（σ）の値は図３の場合の（１２）式と同じである。

図５の点線の曲線３７は、その瞳面上の５個の領域で光量が一定となる場合のＣＤ値のシミュレーション結果を示し、曲線３７から分かるように、ピッチ５００〜７００ｎｍ程度でＣＤ値が低くなっている。

従って、図３の瞳面上の９個の領域でほぼ一定の光量となる光量分布を用いた場合の方が、図４の中央の円形の領域を含む５個の領域でほぼ一定となる光量分布を用いる場合よりも、広いピッチ範囲に亘って高精度にパターンを転写できることが分かる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態につき図１０〜図１７を参照して説明する。本例においても、基本的に図１（Ａ）の走査露光型の投影露光装置を用いて露光を行うものとする。ただし、本例では図１（Ａ）の回折光学素子２１の代わりに特性の異なる回折光学素子２２Ａ（詳細後述）を使用する。従って、回折光学素子２２Ａ、第１プリズム７１、及び第２プリズム７２が所定の光量分布を設定するための光学部材に対応する。本例でも、可動プリズムとしては、第１の実施形態と同様にプリズム７１、７２（又は第１プリズム７１のみでもよい）が使用されている。

更に、可動プリズムとしては、図１０に示すように、一方向に屈折力がありそれに直交する方向には屈折力の無い１対のＶ字型の間隔可変のプリズム７１Ａ，７２Ａを用いてもよい。なお、プリズム７１Ａ、７１Ｂはそれぞれ中心の矩形領域（本例では平行平面板）が光軸ＢＸとほぼ直交し、かつ周辺部の２つの斜面が光軸ＢＸを含んで図１（Ａ）の紙面と直交する面に関してほぼ対称となるように配置される。

この構成では、プリズム７１Ａ、７２Ａの間隔可変によって、図１０の紙面内上下方向（例えば、照明光学系１２の瞳面における照明光の光量分布が示される後述の図１２ではＸ方向に対応）に関する周辺の光量の大きい複数の領域の位置（光軸ＢＸとの距離）が変化する。

以下、本例の照明光学系及び照明方法につき詳細に説明する。本例では図１（Ａ）のレチクルＲの代わりに、レチクルＲＡをレチクルステージ１４上にロードする。

図１１（Ａ）は、図１（Ａ）中のレチクルステージ１４上にロードされるレチクルＲＡに形成された転写用のパターン（原版パターン）の一例を示し、この図１１（Ａ）において、レチクルＲＡのパターン領域ＰＡ内には、Ｘ方向の幅ａでＹ方向の幅ｂの四角形の開口パターン５１をＸ方向（本例では非走査方向）にピッチＰで周期的に配列して構成される一方向密集コンタクトホール用のパターン５２が形成されている。ピッチＰは本例の投影露光装置のほぼ解像限界に近い微細なピッチ（例えばウエハＷ上での投影像に換算した長さで１５０ｎｍ程度）であり、Ｘ方向の幅ａはピッチＰのほぼ１／２程度、Ｙ方向の幅ｂは幅ａと同程度からその１０倍程度まで（ａ〜１０ａ程度）の長さである。パターン５２は、Ｙ方向（本例では走査方向）には孤立パターンとみなすことができる一方向密集パターンである。なお、パターン５２は、開口パターン５１をＸ方向に４個並べた周期的なパターンであるが、開口パターン５１の個数は２個以上の任意の個数でよい。更に、開口パターン５１は、遮光膜中に形成された透過パターンであるが、その代わりに透過部に設けた遮光パターンを用いてもよい。

また、パターン５２に対してＹ方向に離れた位置に、開口パターン５１をピッチＰよりも大きいピッチＱでＸ方向に配列した別の一方向密集コンタクトホール用のパターン５３も形成されている。パターン５２及び５３は実際にはＸ方向の長さが数μｍ程度以下の小さいパターンであり、レチクルＲＡのパターン領域ＰＡにはそれら以外の各種パターン（不図示）が形成されていてもよい。更に、図１１（Ｂ）に示すように、それぞれ開口パターン５１をＸ方向にピッチＰで配列したパターン５２Ａ、５２Ｂ、５２ＣがＹ方向にピッチＰよりもかなり大きいピッチでレチクルＲＡ上に形成されている場合、各パターン５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃをそれぞれ一方向密集パターンとみなして、本例の転写対象とすることもできる。なお、複数の周期的なパターンはそれぞれ周期方向に直交する方向（Ｙ方向）に関して孤立的であるとみなすことができる間隔で配置されていればよく、その数は任意で構わない。

このようなレチクルＲＡ上の一方向密集パターンの像を高解像度でウエハ上に転写するために、本例では図１（Ａ）に示すように、照明光ＩＬの光路上に回折光学素子２２Ａを配置して、所定面としてのフライアイレンズ５の射出面Ｑ１（瞳面）における照明光ＩＬの光量分布（強度分布）を所定分布に設定している。

図１２は、本例の図１（Ａ）のフライアイレンズ５の射出面Ｑ１（照明光学系１２の瞳面）における照明光ＩＬの光量分布を示し、この図１２において、図１１（Ａ）のレチクルＲＡ上のＸ方向（周期的に配列された方向）及びＹ方向（孤立パターンとみなせる方向）に対応する射出面Ｑ１上の方向をそれぞれＸ方向及びＹ方向としている。ここで、図１（Ａ）の投影光学系ＰＬの物体側（レチクル側）の開口数をＮＡ、像側（ウエハ側）の開口数をＮＡ_PLとすると、投影倍率βを用いて次の関係がある。

ＮＡ＝β・ＮＡ_PL …（５）（第１の実施形態と同様）

更に、照明光学系１２からレチクルＲＡに入射する照明光ＩＬの開口数の内の最大値をＮＡ_ILとして、本例ではその最大の開口数ＮＡ_ILの投影光学系ＰＬの開口数ＮＡに対する比の値（コヒーレンスファクタ）を最大σ値と呼び、最大σ値をσ_ILとする。即ち、最大σ値の照明光とは、照明光ＩＬの内で最も大きい入射角でレチクルＲＡに入射する光であり、最大σ値（σ_IL）は、次のように表すことができる。

σ_IL＝ＮＡ_IL／ＮＡ＝ＮＡ_IL／（β・ＮＡ_PL） …（６Ａ）

図１２に示す照明光学系の瞳面において、最外周の円周２６は、投影光学系ＰＬの入射側の開口数ＮＡと同じ開口数を持つ仮想的な光束が通過する領域の外周を表し、その内側の円周２７は、最大σ値（σ_IL）の開口数を持つ照明光が通過する領域に接する半径σの円周を表しており、全ての照明光は円周２７の内部を通過する。円周２７の半径σは、次のようにσ_IL・ＮＡに等しい。

σ＝ＮＡ_IL＝σ_IL・ＮＡ＝σ_IL・β・ＮＡ_PL …（６Ｂ）

また、図１２では、Ｘ軸及びＹ軸の原点を光軸ＢＸ上に取っている。本例の照明光ＩＬは、図１２において、照明光学系１２の光軸ＢＸを中心とする半径ｒ４の輪帯の領域５４と、その領域５４をＸ方向に挟む２個の半径ｒ５の円形の領域５５Ａ、５５Ｂとを含む３個の領域（斜線を施した領域）でほぼ一定の光量を持ち、それ以外の領域ではその一定の光量よりも低い光量（本例ではほぼ０）となる光量分布を持っている。即ち、３個の領域５４、５５Ａ、５５Ｂの中心は、照明光学系の光軸ＢＸを通りＸ軸（転写対象の一方向密集パターンの周期的に配列された方向）に平行な直線に沿って配置されており、両端の領域５５Ａ及び５５Ｂの中心と光軸ＢＸとの間隔は共にＲ３である。

そして、輪帯の領域５４は、内側の半径が外側の半径ｒ４の１／２の１／２輪帯、又は内側の半径が外側の半径ｒ４の１／３若しくは２／３の１／３輪帯若しくは２／３輪帯等である。なお、輪帯の領域５４の代わりに図１５（Ａ）に示すように、半径ｒ４の円形の領域５４Ａを用いることも可能である。更に、輪帯の領域５４の代わりに実質的に複数に分割された領域を用いてもよい。具体的に、輪帯の領域５４の代わりに、図１５（Ｃ）に示すように、Ｙ方向（又はＸ方向）に分かれた２つの半円状（又は円形等）の領域５４Ａ１及び５４Ａ２で光量が大きくなるような光量分布を用いても良い。この場合、輪帯の領域５４の代わりに、Ｘ方向及びＹ方向（又はこれらの軸に４５°で交差する方向）に４分割された領域で光量が大きくなるようにしてもよい。また、図１２の領域５４、５５Ａ、５５Ｂの輪郭付近では、光量は外側に向かって次第に減少する分布を持っていてもよい。中心の領域５４が第１領域に対応し、それを挟む２個の領域５５Ａ及び５５Ｂがそれぞれ第２領域及び第３領域に対応している。以下では、その半径ｒ４，ｒ５及び距離Ｒ３は、それぞれ最大σ値（σ_IL）に相当する（６Ｂ）式の半径σ（最大σ値の光束が通過する点と光軸ＢＸとの間隔）を単位として表すものとする。

本例では、次のように半径ｒ４及びｒ５はそれぞれ０．１σ〜０．２σ程度の範囲内に設定されることが望ましい。

０．１σ≦ｒ４≦０．２σ …（２１）
０．１σ≦ｒ５≦０．２σ …（２２）

半径ｒ４，ｒ５の値が（２１）式、（２２）式の下限よりも小さくなると、一方向密集パターンの孤立的な方向の光束による投影光学系ＰＬの焦点深度が浅くなり、半径ｒ４，ｒ５の値が（２１）式、（２２）式の上限よりも大きくなると、一方向密集パターンの周期的な方向の光束による投影光学系ＰＬの焦点深度が浅くなる。また、次のように半径ｒ４と半径ｒ５とはほぼ等しいことが望ましい（詳細後述）。

ｒ４≒ｒ５ …（２３）

更に、図１２の両端の領域５５Ａ及び５５Ｂは、最大σ値の円周２７に内接している。従って、次の関係が成立している。

Ｒ３＝σ−ｒ５ …（２４）

この場合、（２１）式〜（２４）式の条件を満たす図１２の瞳面上の領域５４、５５Ａ、５５Ｂで光量がほぼ一定となり、それ以外の領域で光量がほぼ０となる光量分布が得られるように、図１（Ａ）の回折光学素子２２Ａの回折特性が設定されている。このためには、回折光学素子２２Ａは、一例として、光透過性の基板上にほぼ図１２のＸ軸に沿った方向に規則性を持つ凹凸の格子を形成することによって製造することができる。また、回折光学素子２２Ａは、複数枚の位相型の回折格子を組み合わせたものでもよい。これらの場合、回折光学素子２２Ａは、位相型であるため、光の利用効率が高いという利点がある。なお、回折光学素子２２Ａとしては、屈折率分布を回折格子状の分布で変化させた光学素子を使用することも可能である。なお、特定の回折特性を持つ回折光学素子の構造及び製造方法については、例えば本出願人による日本国の特開２００１−１７６７６６号公報（対応する米国特許第６,５６３,５６７号）に詳細に開示されている。

なお、回折光学素子２２Ａによって得られる光量分布を、図１２の領域５４、５５Ａ、５５Ｂを含む領域でほぼ一定の光量となるようにしておき、図１２の領域５４、５５Ａ、５５Ｂに対応する部分に開口が形成された開口絞りを、図１（Ａ）のフライアイレンズ５の射出面Ｑ１（瞳面）に配置してもよい。この場合にも、照明光ＩＬの利用効率が高いという利点は得られている。

図１２の照明光の光量分布で図１１（Ａ）のレチクルＲＡの一方向密集コンタクトホールのパターン５２（一方向密集パターン）を照明した場合の結像光束について、図１３を参照して説明する。

図１３（Ａ）はパターン５２から孤立的なＹ方向に回折される回折光（結像光束）を示し、図１３（Ｂ）はパターン５２から周期的なＸ方向に回折される回折光（結像光束）を示しており、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）において、光束５８、５９及び６０はそれぞれ図１２の照明光学系の瞳面上の領域５４、５５Ａ及び５５Ｂを通過した照明光ＩＬを示している。光束５８、５９、６０によってパターン５２（開口パターン５１）から発生する回折光は、Ｙ方向には図１３（Ａ）に示すように、中心で最も強く、傾斜角（回折角）が大きくなるほど強度が低下する分布で発生する。

一方、図１３（Ｂ）に示すように、図１２の光軸ＢＸを中心とする領域５４からの光束５８の照明によってパターン５２からＸ方向に発生する回折光には、０次光の他に＋１次光５８Ｐ及び−１次光５８Ｍがある。この際に、パターン５２はほぼ解像限界であるため、＋１次光５８Ｐ及び−１次光５８Ｍは図１（Ａ）の投影光学系ＰＬを通過できない。また、図１２の両端の領域５５Ａ及び５５Ｂからの光束５９及び６０の照明によってパターン５２からＸ方向に発生する０次光を、図１３（Ｂ）に示すようにそれぞれ０次光５９及び６０とする。本例のパターン５２はほぼ解像限界であるため、一方の光束５９によるパターン５２からの＋１次光５９Ｐは他方の０次光６０と平行に図１（Ａ）の投影光学系ＰＬに入射し、他方の光束６０によるパターン５２からの−１次光６０Ｍは一方の０次光５９と平行に図１（Ａ）の投影光学系ＰＬに入射する。

また、入射する光束５８、５９、６０の波長をλ、０次光５９のパターン５２の法線に対するＸ方向の射出角をθ、０次光６０のパターン５２の法線に対するＸ方向の射出角を−θとして、一方の光束５９の内で、図１３（Ｂ）において隣接する開口パターン５１をＸ方向の間隔Ｐで通過する光束を光束５９Ａ、５９Ｂとする。この場合、光束５９Ａの＋１次光５９ＡＰと光束５９Ｂの＋１次光５９ＢＰとの光路長の差分ΔＡは、次のように波長λに等しくなる。

ΔＡ＝２・Ｐ・ｓｉｎθ＝λ …（２５）

また、図１２の領域５５Ａ、５５Ｂと光軸ＢＸとのＸ方向の間隔Ｒ３が、次のように図１３（Ｂ）の光束５９、６０の０次光の射出角θの正弦ｓｉｎθに対応している。

Ｒ３＝σ−ｒ５＝ｓｉｎθ …（２６）

なお、（２６）式は、図１（Ａ）の照明光学系１２中の射出面Ｑ１（瞳面）とレチクル面との間の部分光学系の射出面Ｑ１側の焦点距離ｆＱ１を１とおいた場合に対応している。（２５）式及び（２６）式から次の関係が成立する。（２６）式の間隔Ｒ３の単位は無いため、次式の両辺の単位は共に長さになる。

Ｐ＝λ／（２・Ｒ３）＝λ／｛２（σ−ｒ５）｝ …（２７Ａ）

言い換えると、（２７Ａ）式が本例の投影露光装置の物体面（レチクル面）でのＸ方向（周期方向）の解像限界を示しており、σを大きくするか又は半径ｒ５を小さくして間隔Ｒ３を大きくするほど、解像限界であるピッチＰを小さくすることができる。ピッチＰを次のようにウエハ上での長さに換算したピッチβ・Ｐは、投影光学系ＰＬの像面（ウエハ面）でのＸ方向の解像限界となる。

β・Ｐ＝β・λ／｛２（σ−ｒ５）｝ …（２７Ｂ）

本例において、波長λを１９３．３０６ｎｍとして、一例として投影光学系ＰＬのウエハ側の開口数ＮＡ_PLを０．８５、投影光学系ＰＬの投影倍率βを１／４、照明光学系１２のσ値であるσ_ILを０．９０、図１２の領域５５Ａ、５５Ｂの半径ｒ５を０．１４σとして、これを「第１の照明条件」と呼ぶ。この条件下での像面側での解像限界β・Ｐは、（６Ｂ）式、（２７Ｂ）式の関係より、次のようにほぼ１４７ｎｍとなる。

β・Ｐ＝１４６．７（ｎｍ） …（２８）

図１２は、図１（Ａ）の投影光学系ＰＬの瞳面Ｑ３におけるＸ方向の光量分布を示す図とも見なすことが可能である。この場合、図１２の領域５４、５５Ａ、５５Ｂは照明光ＩＬの０次光が通過する位置に対応し、図１１（Ａ）のパターン５２による照明光ＩＬのＸ方向の＋１次光は、円周２７内の光量分布を、光軸ＢＸ（投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ）から＋Ｘ方向に間隔２・Ｒ３だけ離れた点５６Ａを中心とする円周５７Ａ内の領域に平行移動した分布となる。同様に、パターン５２による照明光ＩＬのＸ方向の−１次光は、円周２７内の光量分布を、光軸ＢＸ（光軸ＡＸ）から−Ｘ方向に間隔２・Ｒ３だけ離れた点５６Ｂを中心とする円周５７Ｂ内の領域に平行移動した分布となる。この場合、領域５５Ｂ（又は５５Ａ）を通過する光束（０次光）の＋１次光（又は−１次光）が領域５５Ａ（又は５５Ｂ）を通過するため、パターン５２の像は高解像度でウエハ上に投影される。

また、領域５５Ｂ（５５Ａ）を通過する光束の＋１次光（−１次光）が一部でも円周２６内にかかっていれば、パターン５２の像は結像されるため、像面側での実際の解像限界β・Ｐは（２８）式よりも小さい値となる。

本例に関して、本発明者は、図１２の中央の領域５４の半径ｒ４と両端部の領域５５Ａ、５５Ｂの半径ｒ５との最適なバランスを求めるために、半径ｒ４を次第に変化させながらコンピュータのシミュレーションによって投影光学系ＰＬによる像の焦点深度（ＤＯＦ）を計算した。この際の半径ｒ４以外の条件は上記の第１の照明条件と同じであり、半径ｒ５は０．１４σである。また、図１１（Ａ）のパターン５２のピッチＰをほぼ解像限界である１４５ｎｍとして、開口パターン５１のＸ方向の幅ａを７０ｎｍ、Ｙ方向の幅ｂを５００ｎｍとした。なお、ピッチＰ、及び幅ａ，ｂはそれぞれ投影光学系ＰＬの像面上に換算した長さである。

図１４の曲線６１は、そのシミュレーション結果を示し、図１４の横軸は図１２の中心の領域５４（中心σ）の半径ｒ４（単位はσ）、縦軸は半径ｒ４の値に対応する焦点深度（ＤＯＦ）（ｎｍ）の計算結果である。その曲線６１から分かるように、半径ｒ４が０．１σ〜０．２σの範囲内でほぼ１００ｎｍ以上の焦点深度が得られている。また、半径ｒ４がσ１（＝０．１４σ）のとき、即ちほぼ半径ｒ４＝ｒ５が成立するときに、最も深い焦点深度が得られている。この場合、基板としてのウエハ上に或る程度の凹凸が存在したり、投影光学系ＰＬの収差などによって前述の露光領域内で像面に湾曲などが生じていても、又は例えば走査露光方式で露光する際に或る程度のフォーカス位置の追従誤差が残存していても、一方向密集パターンを高解像度で転写できる。なお、半径ｒ４が０．１σ程度より小さくなると、図１１（Ａ）のパターン５２の孤立的な方向の結像光束の焦点深度が狭くなる。一方、半径ｒ４が０．２σ程度より大きくなると、図１２の中心の領域５４からの光束のフレア効果によって、図１１（Ａ）のパターン５２の周期的な方向の結像光束の焦点深度が狭くなる。

また、図１１（Ａ）のパターン５２から離れた位置にある一方向密集コンタクトホールのパターン５３は、配列方向がパターン５２と同じであり、かつピッチＱはピッチＰよりも大きいため、上記の照明条件のもとでウエハ上に高解像度で転写される。

上述のように、本例の図１２の瞳面上の光量分布を用いることによって、図１１（Ａ）の一方向密集コンタクトホールのパターン５２を含むレチクルＲＡのパターンは、Ｘ方向及びＹ方向に高解像度でウエハＷ上に転写することができる。

なお、例えば図１１（Ａ）のレチクルＲＡ上にＸ方向を周期方向とする一方向密集パターンと、Ｙ方向を周期方向とする一方向密集パターンとが形成されている場合には、そのうちのピッチの最も小さいパターンの周期方向に平行に、図１２の照明光が通過する３個の領域５４、５５Ａ、５５Ｂの配列方向を設定すればよい。このとき、３個の領域５４、５５Ａ、５５Ｂは照明光学系１２の瞳面上で光軸ＢＸを通りかつピッチが最も小さい一方のパターンの周期方向に平行な直線上に配置してもよいが、中央の領域５４を除く２個の領域５５Ａ、５５Ｂの少なくとも一方は、他方のパターンの周期方向に平行な方向に関する光軸ＢＸとの距離が零でなくてもよいし、例えばその他方のパターンのピッチなどに応じてその距離を設定してもよい。

また、上記の実施形態の投影光学系ＰＬの像側の開口数ＮＡ_PL、投影倍率β、及び照明光学系１２の最大σ値（σ_IL）は、上記の値に限らず任意の値を取ることができる。例えば、最大σ値（σ_IL）又は図１２の間隔Ｒ３を制御するには、図１（Ａ）のプリズム７１及び７２の間隔を変化させて、図１２の光量分布のうち周辺の光量の大きい領域５５Ａ及び５５Ｂの半径方向の位置（Ｘ方向に関する光軸ＢＸとの距離）を変化させればよい。プリズム７１、７２の代わりに、図１０のＶ字型のプリズム７１Ａ、７２Ａを用いても、同様に最大σ値を制御できる。

なお、図１２の光量分布において、中心の領域５４の光量（例えば単位面積当たりの強度）と周辺の２個の領域５５Ａ、５５Ｂの光量とを異ならせてもよい。これらの光量の相対的な大きさは、例えば転写するパターン毎に最適な解像度が得られるように調整してもよい。更に、本例において、図１２の周辺の領域５５Ａ及び５５Ｂに分布する光を直線偏光としてもよい。この際に、一例としてその周辺領域５５Ａ、５５Ｂに分布する光を偏光方向が接線方向（入射面に対して垂直な方向）であるＳ偏光としてもよい。これによって、特定のパターンに対する解像度等が向上する場合がある。

なお、光源１から発生して前述した周辺の光量の大きい３個の領域にそれぞれ分布する光が非偏光、またはその偏光方向が接線方向と一致していないときは、例えば回折光学素子２１（偏向部材）とフライアイレンズ５との間で、各領域に分布する光が通る光路上に１／２波長板又は１／４波長板などの偏光設定部材を配置して、偏光方向が接線方向とほぼ一致する直線偏光の光束に変換することが好ましい。このとき、前述した一対のプリズムのうち光軸ＢＸに沿って可動でかつ最も上流側（光源側）に配置される１つのプリズム（可動部材）の入射側、例えばレンズ４との間、または前述の回折光学素子とレンズ４との間に偏光設定部材を設けることが好ましい。この場合、回折光学素子の交換または一対のプリズムの間隔変更などによる光束の進行方向（光路）の変化に応じて偏光設定部材を移動する、あるいはその変化を見込んで偏光設定部材を大きく形成する必要がない。

また、本例の回折光学素子２２Ａは所定面としての照明光学系１２の瞳面上での光量分布を所定の状態に設定しているが、その所定面を図１（Ａ）の投影光学系ＰＬの瞳面Ｑ３とすることも可能である。このとき、その回折光学素子２２Ａによって、レチクルＲＡが存在しない場合に、投影光学系ＰＬの瞳面Ｑ３において、光軸ＡＸを含む第１領域及びそれを挟む２個の領域においてほぼ一定となり、それ以外の領域でそれより低い光量となる光量分布が設定される。

なお、本例では、瞳面上において光量がほぼ一定の領域５４、５５Ａ、５５Ｂはそれぞれ円形（又は輪帯）であるが、それらの領域の外形をそれぞれ楕円形の領域とすることも可能である。また、各領域の外形を次のように角形領域とすることも可能であり、さらには円形（又は楕円形）領域と角形領域とを組み合わせることも可能である。

図１５（Ｂ）はその瞳面上で可能な別の光量分布を示し、図１５（Ｂ）に示すように、その光量分布は、中央の角形（正方形の他に正６角形等も可）の枠状の領域５４Ｂ、及びそれをＸ方向に挟む２個の角形の領域５５Ｃ、５５Ｄでほぼ一定の光量となり、それ以外の領域でそれよりも低くなっている。この場合、その角形（又は枠状）の領域の位置及び面積は、それぞれ図１２の領域５４、５５Ａ、５５Ｂの位置及び面積とほぼ同じであればよい。

次に、上記の（２７Ａ）式又は（２７Ｂ）式より、図１２の瞳面上の照明光の光量分布において、円周２７の半径であるσを大きくするとともに、両端の領域５５Ａ、５５Ｂの半径ｒ５を小さくするほど、解像限界Ｐ（又はβＰ）を小さくできることが分かる。しかしながら、半径ｒ５が０．１σ程度より小さくなると、焦点深度が浅くなって来る。そこで、以下では、実質的に半径ｒ５を小さくして解像度を向上できると共に、焦点深度は深く維持できる方法につき説明する。そのため、図１（Ａ）のレボルバ２４には僅かに異なる回折特性を持つ第２の回折光学素子２２Ｂが設けられている。この第２の回折光学素子２２Ｂを照明光ＩＬの光路上に設置した場合には、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１（瞳面）では、図１６（Ａ）の３個の領域６２、６３Ａ、６３Ｂでほぼ一定の光量となり、それ以外の領域でそれより低い（本例ではほぼ０）光量となる光量分布が得られる。

図１６（Ａ）は、第２の回折光学素子２２Ｂを用いた場合の図１（Ａ）のフライアイレンズ５の射出面Ｑ１（照明光学系１２の瞳面）における照明光ＩＬの光量分布を示し、この図１２に対応する部分に同一符号を付した図１６（Ａ）において、図１（Ａ）の照明光学系１２の光軸ＢＸを中心とする半径ｒ６の円形の領域６２（第１領域）をＸ方向に挟むように、光軸ＢＸから各中心までの間隔がＲ４となるように２つのＹ方向に細長いＸ方向の幅ｔでＹ方向の長さｈ（ｈ＞ｔ）の楕円状の領域６３Ａ、６３Ｂ（第２領域及び第３領域）が設定されている。この例でも、中央の領域６２は、輪帯であってもよい。２つの細長い楕円状の領域６３Ａ及び６３Ｂは、それぞれ半径σの円周２７内の領域と、光軸ＢＸからの間隔がＲ５の位置６４Ａ及び６４Ｂを中心とする半径がＮＡ（又はσも可能である）の円周６５Ａ及び６５Ｂ内の領域とが重なった領域である。この際に、間隔Ｒ４は、図１２の光軸ＢＸから領域５５Ａ、５５Ｂの中心までの間隔Ｒ３よりも長く設定され、間隔Ｒ４及びＲ５は次のように表すことができる。

Ｒ４＝（σ−ｔ／２）＞Ｒ３ …（２９Ａ）
Ｒ５＝Ｒ４＋ＮＡ−ｔ／２ …（２９Ｂ）

そのＲ４＞Ｒ３の関係を成立させるためには、（２２）式が成立するものとして、楕円状の領域６３Ａ、６３ＢのＸ方向の幅ｔの１／２は、一例としてほぼ次の範囲に設定される。同様に中央の円形の領域６２の半径ｒ６は、ほぼｔ／２の２倍程度の範囲内に設定される。

０．０２５σ≦ｔ／２≦０．０７５σ …（３０）
０．０５σ≦ｒ６≦０．１６σ …（３１）

更に、望ましくは、ｔ／２は０．０５σ程度に設定される。これらの場合の（２７Ａ）式に対応する投影光学系ＰＬの物体面でのＸ方向の解像限界Ｐは、次のように（２７Ａ）式の値よりも小さくなる。

Ｐ＝λ／（２・Ｒ４）＜λ／（２・Ｒ３） …（３２）

図１６（Ａ）の照明条件に関しても、本発明者は、中央の領域６２の半径ｒ６と両端部の楕円状の領域６３Ａ、６３Ｂの半幅（ｔ／２）との最適なバランスを求めるために、半径ｒ６を次第に変化させながらコンピュータのシミュレーションによって投影光学系ＰＬによる像の焦点深度（ＤＯＦ）を計算した。この際の照明条件（第２の照明条件）は、波長λが１９３．３０６ｎｍ、投影光学系ＰＬのウエハ側の開口数ＮＡ_PLが０．８５、投影倍率βが１／４、照明光学系１２のσ値であるσ_ILが０．９３、楕円状の領域６３Ａ、６３Ｂの半幅（ｔ／２）が０．０５σである。また、転写対象の図１１（Ａ）のパターン５２のピッチＰをほぼ解像限界である１４０ｎｍとして、開口パターン５１のＸ方向の幅ａを７０ｎｍとした。なお、ピッチＰ及び幅ａはそれぞれ投影光学系ＰＬの像面上に換算した長さである。

図１７の曲線６６は、そのシミュレーション結果を示し、図１７の横軸は図１６（Ａ）の中心の領域６２（中心σ）の半径ｒ６（単位はσ）、縦軸は半径ｒ６の値に対応する焦点深度（ＤＯＦ）（ｎｍ）の計算結果である。その曲線６６から分かるように、半径ｒ６が０．０５σ〜０．１６σ程度の範囲内でほぼ２５０ｎｍ以上の焦点深度が得られている。また、半径ｒ６がσ２（＝０．１１σ）のとき、即ちほぼ半径ｒ６＝ｔが成立するときに、最も深い焦点深度（約３５０ｎｍ）が得られている。従って、図１６（Ａ）の照明条件を用いることによって、一方向密集パターンに対してより高い解像度が得られると共に、深い焦点深度が得られる。本例では、図１６（Ａ）の両端の領域６３Ａ、６３ＢのＸ方向（周期方向）の幅は狭くなっても、領域６３Ａ、６３Ｂの面積は図１２の領域５５Ａ、５５Ｂの面積とほぼ同程度であるため、深い焦点深度が得られている。

なお、図１６（Ａ）の中央の円形の領域６２の代わりに、図１６（Ｂ）に示すように、周辺の楕円状の領域６３Ａ、６３Ｂの長手方向と直交する方向（即ち、３つの領域の配列方向と平行な方向）であるＸ方向を長手方向とする楕円状の領域６２Ａで光量が大きくなる光量分布を用いてもよい。図１６（Ｂ）の光量分布において、楕円状の領域６２Ａを挟む２つの楕円状の領域６３Ａ、６３Ｂでも光量が大きくなる。このように中央の領域６２Ａを楕円状とすることで、光量を減少させることなく一方向密集パターンに対して孤立方向の解像度を改善できる場合がある。

また、図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）の光量分布において、中央の領域６２、６２Ａの光量（例えば単位面積当たりの強度）と周辺の領域６３Ａ、６３Ｂの光量とを異ならせてもよい。

更に、図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）の周辺の領域６３Ａ、６３Ｂに分布する光を直線偏光（例えば長手方向が偏光方向）としてもよい。特に、図１６（Ｂ）の光量分布では、一例としてその周辺の楕円状の領域６３Ａ、６３Ｂに分布する光を、偏光方向が矢印ＰＣ，ＰＢで示すようにその長手方向（即ち、図１１（Ａ）のレチクルのパターンの孤立方向に対応する方向）である直線偏光（Ｓ偏光）とすることが好ましい。この際に更に、その中央の楕円状の領域６２Ａに分布する光を、偏光方向が矢印ＰＡで示すようにその長手方向（即ち、図１１（Ａ）のレチクルのパターンの周期方向に対応する方向）である直線偏光とすることが好ましい。これによって、特定のパターンに対する解像度等が向上する場合がある。

なお、図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）の光量分布で周辺の領域６３Ａ、６３Ｂに分布する光が非偏光またはその偏光方向が長手方向（接線方向）と一致していないときは、上記と同様に、例えば回折光学素子とフライアイレンズ５との間に偏光設定部材を設けることが好ましい。同様に、図１６（Ｂ）の光量分布で中央の領域６２Ａに分布する光が非偏光またはその偏光方向が長手方向と一致していないときも、前述の偏光設定部材によってその偏光状態を調整することが好ましい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態につき図１８〜図２１を参照して説明する。第１の実施形態が所定の光量分布を設定するための光学部材として回折光学素子２１、２２を含む部材を用いたのに対して、本例はその光学部材として開口絞りを用いるものであり、図１８において、図１（Ａ）に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。

図１８は、本例の投影露光装置の構成を示し、この図１８において、露光光源１からの照明光ＩＬは、ビームエキスパンダ２及びミラー３を経てフライアイレンズ５に入射する。本例のフライアイレンズ５の射出面Ｑ１（照明光学系１２の瞳面）には、所定面としての射出面Ｑ１で所定の光量分布を得るための光学部材としての開口絞り（σ絞り）４２が配置されている。開口絞り４２は、レボルバ４１に取り付けられており、レボルバ４１には、他の開口絞り４４、及び更に別の開口絞り（不図示）も取り付けられている。本例では、主制御系１７が、駆動部４３を介してレボルバ４１の回転角を制御して、射出面Ｑ１（瞳面）に開口絞り４２、４４等の何れかを設置することによって、照明条件を切り替えることができるように構成されている。

開口絞り４２を通過した照明光ＩＬは、コンデンサレンズ系６、視野絞り７、８、結像用レンズ系９、ミラー１０、及び主コンデンサレンズ系１１を介して、マスクとしてのレチクルＲのパターン面（レチクル面）の細長い照明領域を一様な強度分布で照明する。露光光源１、ビームエキスパンダ２、ミラー３、フライアイレンズ５、開口絞り４２（又は他の開口絞り）、コンデンサレンズ系６、視野絞り７、８、結像用レンズ系９、ミラー１０、及び主コンデンサレンズ系１１より本例の照明光学系１２が構成されている。この他の構成は図１（Ａ）の実施形態と同様である。

本例においても、転写対象のレチクルＲ上のパターンは、図２に示すような３種類の異なるピッチのコンタクトホールを含むパターンであるとする。これに応じて、図１８の開口絞り４２は、図３の光量分布と同じ光量分布を得るために、遮光板中に９個の開口が形成されたものである。

図１９は、その開口絞り４２の形状を示し、図１９において、遮光板よりなる開口絞り４２には、照明光学系１２の光軸ＢＸを中心とする円形の開口４５と、その開口４５を囲む第１円周に沿って中心が配置された４個の円形の開口４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ、４６Ｄと、その開口４６Ａ〜４６Ｄを囲む第２円周に沿って中心が配置された４個の円形の開口４７Ａ、４７Ｂ、４７Ｃ、４７Ｄとを含む互いに離れた９個の開口が形成されている。また、開口４５、開口４６Ａ〜４６Ｄ、及び開口４７Ａ〜４７Ｄの位置及び形状は、それぞれ図３の光量分布上で光量がほぼ一定の領域２８、領域２９Ａ〜２９Ｄ、及び領域３０Ａ〜３０Ｄと同じである。

従って、開口絞り４２を用いることによって、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１（瞳面）上での光量分布は、第１の実施形態と同様に図３に示す９個の領域でほぼ一定となり、それ以外の領域で低くなるため、図２のような種々のピッチのコンタクトホールを含むレチクルのパターンの像を一度に高解像度でウエハ上に転写することができる。本例のように開口絞り４２を用いる場合には、照明光ＩＬの利用効率は低下するが、簡単な構成で所定面（照明光学系１２の瞳面等）での光量分布を正確に所望の状態に設定できるという利点がある。

また、図１９の開口絞り４２の代わりに、あるいはそれと組み合わせて、図２０に示すように、中央の開口を輪帯状の開口４５Ｒとした開口絞り（これも４２とする）を用いてもよい。この場合には、図６（Ａ）と同様の光量分布が正確に、且つ容易に得られるため、解像度や焦点深度を更に改善することができる。なお、図２０の開口絞り４２でそれぞれ半径方向に並ぶ２つの開口を連結することで、図６（Ｂ）と同様の光量分布を形成できる。

また、図１８の開口絞り４４は、図２１に示すように、図７（Ａ）の輪帯の領域３３Ｒ及び領域３４Ａ〜３４Ｄに対応する部分がそれぞれ輪帯状の開口４８Ｒ及び円形の開口４９Ａ〜４９Ｄとされた絞りである。従って、開口絞り４４をフライアイレンズ５の射出面Ｑ１（瞳面）に設置することによって、その瞳面上での光量分布は、図７（Ａ）と同様に５箇所の領域でほぼ一定となり、それ以外の領域でほぼ０となるため、種々のピッチのパターンに対して広い焦点深度で高解像度が得られる。

なお、図２１の開口絞り４４で輪帯状の開口４８Ｒと円形の開口４９Ａ〜４９Ｄとを連結することで、図７（Ｂ）と同様の光量分布を形成できる。

なお、本実施形態では開口絞り４２、４４でそれぞれ開口以外が遮光部であるものとしたが、その開口以外を減光部（光透過率が小さい部分）としてもよい。この場合、照明系の瞳面上での光量分布は、図３、図６（Ａ）、図７（Ａ）と同様に５箇所又は９箇所の領域以外で光量が零とならない。また、本実施形態では開口絞りを照明光学系１２の瞳面又はその共役面に配置するものとしたが、例えばフライアイレンズ５の入射面に近接して配置してもよい。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態につき図２２を参照して説明する。第２の実施形態が所定の光量分布を設定するための光学部材として図１（Ａ）の回折光学素子２２Ａ、２２Ｂを含む部材を用いたのに対して、本例はその光学部材として開口絞りを用いるものである。そのため、本例においては、第３の実施形態と同様に基本的に図１８の走査露光型の投影露光装置を用いて露光が行われる。ただし、本例では図１８の開口絞り４２及び４４の代わりにそれぞれ後述の開口絞り４２Ａ及び４２Ｂが使用され、レチクルステージ１４上にはレチクルＲの代わりに図１１（Ａ）のレチクルＲＡがロードされる。

本例においても、転写対象のレチクルＲＡ上のパターンは、図１１（Ａ）に示すＸ方向にピッチＰで配列された一方向密集コンタクトホールのパターン５２を含むパターンであるとする。これに応じて、図１８の開口絞り４２Ａは、図１２の光量分布と同じ光量分布を得るために、遮光板中に３個の開口が形成されたものである。

図２２（Ａ）は、その開口絞り４２Ａの形状を示し、図２２（Ａ）において、遮光板よりなる開口絞り４２Ａには、図１８の照明光学系１２の光軸ＢＸを中心とする輪帯の開口６６と、その開口６６をＸ方向に挟むように配置された２つの円形の開口６７Ａ、６７Ｂとを含む互いに離れた３個の開口が形成されている。また、開口６６、６７Ａ、６７Ｂの位置及び形状は、それぞれ図１２の光量分布上で光量がほぼ一定の領域５４、５５Ａ、５５Ｂと同じである。

従って、開口絞り４２Ａを用いることによって、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１（瞳面）上での光量分布は、第２の実施形態と同様に図１２に示す３個の領域でほぼ一定となり、それ以外の領域で低くなるため、図１１（Ａ）のような一方向密集コンタクトホールのパターン５２を含むレチクルのパターンの像をＸ方向及びＹ方向に高解像度でウエハ上に転写することができる。本例のように開口絞り４２Ａを用いる場合には、照明光ＩＬの利用効率は低下するが、簡単な構成で所定面（照明光学系１２の瞳面又はその共役面等）での光量分布を正確に所望の状態に設定できるという利点がある。

また、図１８の第２の開口絞り４２Ｂは、図２２（Ｂ）に示すように、図１６（Ａ）の円形の領域６２及び細長い楕円状の領域６３Ａ、６３Ｂに対応してそれぞれ開口６８及び細長い楕円状の開口６９Ａ、６９Ｂが形成された絞りである。従って、開口絞り４２Ｂを図１８のフライアイレンズ５の射出面Ｑ１（瞳面）に設置することによって、図１６（Ａ）の照明条件を用いる場合と同様に、一方向密集コンタクトホールのパターンをより高い解像度で、かつ深い焦点深度でウエハ上に転写することができる。なお、本実施形態では図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）に示した開口絞り４２Ａ、４２Ｂだけでなく、例えば図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）及び図１６（Ｂ）に示した光量分布を形成する開口絞りなども使用することができる。

なお、本実施形態では開口絞りを照明光学系１２の瞳面又はその共役面だけでなく、例えばフライアイレンズ５の入射面に近接して配置してもよい。また、本実施形態では開口絞り４２Ａ、４２Ｂでそれぞれ開口以外が遮光部であるものとしたが、その開口以外を減光部（光量の少ない部分）としてもよい。この場合、照明光学系１２の瞳面上での光量分布は前述した３個の領域以外で光量が零とならない。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態につき図２３を参照して説明する。上記の第１〜第４の実施形態がオプティカル・インテグレータ（ユニフォマイザ又はホモジナイザ）としてフライアイレンズを用いているのに対して、本例は、オプティカル・インテグレータとして、内面反射型インテグレータ、例えばロッド型インテグレータを使用するものである。

図２３は、本例の投影露光装置の照明光学系の要部を示し、この図２３の光学系は、例えば図１（Ａ）の照明光学系１２のミラー３と固定視野絞り７との間に配置される。図２３において、不図示の露光光源からの照明光ＩＬは、第１の実施形態と同じ構成の回折光学素子２１、又は第２の実施形態と同じ構成の回折光学素子２２Ａに入射する。回折光学素子２１（又は２２Ａ）からの回折光は、リレーレンズ１５２を介して所定面としての面Ｑ４上の９個（又は３個）の領域に集光される。また、面Ｑ４を通過した照明光ＩＬは、コンデンサレンズ１５３を介してロッドインテグレータ１５１の入射面に集光される。この場合、面Ｑ４はほぼコンデンサレンズ１５３の前側焦点面にあり、ロッドインテグレータ１５１の入射面はほぼコンデンサレンズ１５３の後側焦点面にある。

また、ロッドインテグレータ１５１の射出面Ｑ５は、レチクル面との共役面であり、この射出面Ｑ５近傍に固定視野絞り１５４が配置され、この近くに可動視野絞り（不図示）も配置されている。そして、ロッドインテグレータ１５１から射出される照明光ＩＬは、図１（Ａ）の結像用レンズ系９及び主コンデンサレンズ系１１と同様の光学系を経て不図示のレチクルのパターンを照明する。

本例においても、回折光学素子２１（又は２２Ａ）の使用によって、面Ｑ４上で図３（又は図１２）のような光量分布が設定されるため、種々のピッチのコンタクトホールを含むパターン（又は一方向密集コンタクトホールを含むパターン）の像を一度に高精度にウエハ上に転写することができる。

また、本例においても、回折光学素子２１を用いる代わりに、面Ｑ４上に図１９、図２０の開口絞り４２と同様の９個の開口を備えた開口絞り、又は図２１の開口絞り４４と同様の５個の開口を備えた開口絞りを配置してもよい。更に、前述の如く本例でも、照明光学系の瞳面上の光量分布で光量が高められる複数の領域、例えば９個、５個、又は３個の領域の少なくとも１つでの光束の偏光状態を調整する必要があるときは、例えば面Ｑ４上に前述の偏光設定部材を設置してもよい。

更に、図２３において、回折光学素子２２Ａの代わりに、図１６（Ａ）の光量分布を設定するための図１（Ａ）の回折光学素子２２Ｂを配置してもよい。また、回折光学素子２２Ａ（又は２２Ｂ）を用いる代わりに、面Ｑ４上に図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）の開口絞り４２Ａ又は４２Ｂと同様の開口絞りを配置してもよい。また、前述の如く照明光学系１２の瞳面上の光量分布で光量が高められる３個の領域の少なくとも１つでの光束の偏光状態を調整する必要があるときは、例えば面Ｑ４上に前述の偏光設定部材を配置してもよい。

また、例えば図２３のレンズ１５２と面Ｑ４との間に図１（Ａ）の１対の間隔可変のプリズム７１、７２（可動プリズム）を配置して、周辺の光量の大きい領域の半径方向の位置を可変としてもよい。

なお、ロッドインテグレータ１５１としては、四角形、六角形などの多角柱状、或いは円柱状等の光透過性の光学部材、又はそのような多角柱状又は円柱状等の中空の金属等の反射部材を使用することができる。

また、コンデンサレンズ１５３による照明光（回折光）ＩＬの集光点はロッドインテグレータ１５１の入射面からずらしておくと良い。

更に、本実施形態では面Ｑ４を所定面（照明系の瞳面又はその共役面に相当）としているが、所定面はこれに限られるものでなく、例えばロッドインテグレータ１５１とレチクルＲ（又はレチクルＲＡ）との間としてもよい。また、回折光学素子２１（又は２２Ａ等）の代わりに、或いはそれと組み合わせて、例えば開口絞り４２、４４（又は４２Ａ、４２Ｂ）のいずれかを用いるとき、その開口絞りをロッドインテグレータ１５１の下流側（レチクル側）に配置してもよい。

なお、上記第１及び第５の実施形態において、前述の回折光学素子と開口絞りの両方を用いて照明光学系の瞳面上での照明光ＩＬの光量分布を設定する場合、回折光学素子から発生する回折光が開口絞り上で図３又は図７（Ａ）に示したように分布するときに、照明光の利用効率が最も高くなる（照明光の光量損失が最も少なくなる）が、その回折光を正確に図３又は図７（Ａ）のように分布させなくてもよい。即ち、照明光の利用効率が低くなるが、前述の回折光学素子（２１，２２）と異なる回折光学素子を用いて９つ又は５つの領域以外をも含む所定領域にその回折光を分布させてもよい。

また、前述の回折光学素子と併用される開口絞りは、必ずしも図１９〜２１に示した５個又は９個の開口を有していなくてもよく、要は回折光学素子から発生して照明系の瞳面又はその共役面に分布する回折光（照明光ＩＬ）の光量分布を、例えば図３、図６（Ａ）、図７（Ａ）に示した光量分布に設定する遮光部又は減光部を有していればよい。例えば、図３又は図４の光量分布の設定に用いる回折光学素子と、その光量分布の中心領域２８又は３３の中央部を部分的に遮光又は減光する開口絞りとを併用して、図６（Ａ）又は図７（Ａ）の光量分布を設定してもよく、この開口絞りにはその設定すべき光量分布（光量が高められる５個又は９個の領域）に対応する開口を形成する必要がない。

また、上記第１及び第５の実施形態において、照明光学系内に配置される回折光学素子とオプティカル・インテグレータ（５；１５１）との間に設けられる光学系（４；１５２，１５３）の少なくとも一部をズームレンズ（アフォーカル系）として、照明光学系の瞳面上で照明光ＩＬが分布する９つ又は５つの領域の大きさを可変としてもよい。さらに、その光学系（４；１５２，１５３）に、前述した間隔可変の少なくとも一対のプリズムを組み込んでもよい。このとき、中心領域（２８；３３）に照明光ＩＬを分布させるために、一対のプリズムの頂角付近をそれぞれ切り取って、中心領域に分布する照明光ＩＬの一部が通過する部分を、照明光学系の光軸ＢＸとほぼ垂直な平面としておく。

なお、上記第１及び第５の実施形態では、照明光学系内に交換して配置される複数の回折光学素子のみからなる、或いはその複数の回折光学素子と、前述したズームレンズと一対のプリズムとの少なくとも一方が組み込まれる光学系とを組み合わせた成形光学系（光学部材に相当）によって、オプティカル・インテグレータがフライアイレンズ５であるときはその入射面上での照明光ＩＬの強度分布を変化させ、オプティカル・インテグレータが内面反射型インテグレータ１５１であるときはその入射面に入射する照明光ＩＬの入射角度範囲を変化させることで、照明光学系の瞳面上での照明光ＩＬの光量分布（２次光源の大きさや形状）、即ちレチクルの照明条件を任意に変更できるようになっている。このとき、レボルバ２４に保持される複数の回折光学素子は、前述の回折光学素子２１、２２だけに限られるものでなく、例えば小σ照明、輪帯照明、２極照明、及び４極照明でそれぞれ使用される４つの回折光学素子の少なくとも１つを含んでいてもよい。また、その成形光学系に前述の開口絞りを組み合わせてもよい。このとき、例えば成形光学系のうち開口絞り以外（前述の回折光学素子などを含む）はオプティカル・インテグレータよりも上流側（光源１との間）に配置し、その開口絞りはオプティカル・インテグレータよりも下流側に配置してもよい。

また、上記第１、第３、第５の実施形態では、図２に示した３つのパターン２５Ａ〜２５ＣはそれぞれピッチがＸ方向とＹ方向とで等しくなっているので、図３に示したように照明光学系の瞳面上で照明光ＩＬが分布する９つの領域が配置される直線３１Ａ、３１Ｂが照明光学系の光軸で直交するが、３つのパターン２５Ａ〜２５ＣのピッチがＸ方向とＹ方向とで異なるときは直線３１Ａ、３１Ｂが照明光学系の光軸で直交しない、即ち４つの中間の領域２９Ａ〜２９Ｄでそれぞれ照明光学系の光軸との距離がＸ方向とＹ方向とで異なり、かつ４つの最外周の領域３０Ａ〜３０Ｄでそれぞれ照明光学系の光軸との距離がＸ方向とＹ方向とで異なることになる。なお、レチクルに形成するパターンの数（種類）は３つに限られるものでなく、２つあるいは４つ以上でもよいし、パターンの配列方向がＸ方向及びＹ方向と必ずしも一致していなくてもよい。

また、上記第１、第３、第５の実施形態では前述した間隔可変の複数のプリズムによって、照明光学系１２の瞳面上で光量が高められる、中心の領域を除く４個又は８個の領域の各位置（照明光学系の光軸ＢＸとの距離）を可変としたが、その周辺の領域は４個又は８個に限定されるものでなく、例えば２個でも構わない。

なお、上記第２及び第５の実施形態において、前述の回折光学素子と開口絞りの両方を用いて照明光学系の瞳面上での照明光ＩＬの光量分布を設定する場合、回折光学素子から発生する回折光が開口絞り上で図１２又は図１６（Ａ）に示したように分布するときに、照明光の利用効率が最も高くなる（照明光の光量損失が最も少なくなる）が、その回折光を正確に図１２又は図１６（Ａ）のように分布させなくてもよい。即ち、照明光の利用効率が低くなるが、前述の回折光学素子２２Ａ、２２Ｂと異なる回折光学素子を用いて３つの領域以外をも含む所定領域にその回折光を分布させてもよい。

また、前述の回折光学素子と併用される開口絞りは、必ずしも図２２に示した３個の開口を有していなくてもよく、要は回折光学素子から発生して照明系の瞳面又はその共役面に分布する回折光（照明光ＩＬ）の光量分布を、例えば図１２、図１５、図１６（Ａ）に示した光量分布に設定する遮光部又は減光部を有していればよい。例えば、図１５（Ａ）の光量分布の設定に用いる回折光学素子と、その光量分布の中心領域５４Ａの中央部を部分的に遮光又は減光する開口絞りとを併用して、図１２の光量分布を設定してもよく、この開口絞りにはその設定すべき光量分布（光量が高められる３個の領域）に対応する開口を形成する必要がない。

また、上記第２及び第５の実施形態において、照明光学系内に配置される回折光学素子とオプティカル・インテグレータ（５；１５１）との間に設けられる光学系（４；１５２，１５３）の少なくとも一部をズームレンズ（アフォーカル系）として、照明光学系の瞳面上で照明光ＩＬが分布する３つの領域の大きさを可変としてもよい。さらに、その光学系（４；１５２，１５３）に、前述した間隔可変の一対のプリズムを組み込んでもよい。

なお、上記第２及び第５の実施形態では、照明光学系内に交換して配置される複数の回折光学素子のみからなる、或いはその複数の回折光学素子と、前述したズームレンズと一対のプリズムとの少なくとも一方が組み込まれる光学系とを組み合わせた成形光学系（光学部材に相当）によって、オプティカル・インテグレータがフライアイレンズ５であるときはその入射面上での照明光ＩＬの強度分布を変化させ、オプティカル・インテグレータが内面反射型インテグレータ１５１であるときはその入射面に入射する照明光ＩＬの入射角度範囲を変化させることで、照明光学系の瞳面上での照明光ＩＬの光量分布（２次光源の大きさや形状）、即ちレチクルの照明条件を任意に変更できるようになっている。このとき、レボルバ２４に保持される複数の回折光学素子は、前述の回折光学素子２２Ａ，２２Ｂだけに限られるものでなく、例えば小σ照明、輪帯照明、２極照明、及び４極照明でそれぞれ使用される４つの回折光学素子の少なくとも１つを含んでいてもよい。また、その成形光学系に前述の開口絞りを組み合わせてもよい。

このとき、例えば成形光学系のうち開口絞り以外（前述の回折光学素子などを含む）はオプティカル・インテグレータよりも上流側（光源１との間）に配置し、その開口絞りはオプティカル・インテグレータよりも下流側に配置してもよい。

また、上記第２、第４、第５の実施形態では、転写対象のパターンは一方向密集コンタクトホールのパターン（一方向密集パターン）であるが、転写対象のパターンは、実質的に一方向に孤立パターンと見なすことができ、それに交差する（例えば直交する）方向に周期的に形成されるパターンを含むパターンであれば、どのようなパターンでもよいことは明らかである。

さらに、上記第２、第４、第５の実施形態及びその変形例では、投影光学系ＰＬの瞳面Ｑ３と実質的に共役な照明光学系１２の瞳面又はその共役面（所定面）上での照明光ＩＬの光量分布で光量が高められる３個の領域を、その所定面上で前述した一方向密集パターンの周期方向と平行で照明光学系１２の光軸を通る直線に沿って配置するものとしたが、必ずしもその３個の領域を同一直線上に配置しなくてもよい。例えば、３個の領域のうち、中央の領域を除く残り２個の領域の少なくとも一方を、上記直線からＹ方向にずらして配置してもよいし、Ｙ方向に関する照明光学系１２の光軸との距離をその２個の領域で異ならせてもよい。

また、上記第２、第４、第５の実施形態及びその変形例では、前述した３個の領域のうち中央の領域は、円形だけでなく輪帯状又は矩形の枠状などでもよいものとしたが、その形状（光量分布）はこれらに限られるものではない。即ち、その中央の領域は、輪帯などと同様に、その中央部における光量が他の部分における光量よりも小さく設定されていればよく、例えば互いに離れた複数の領域（その形状は任意）からなるものとしてもよい。このとき、その複数の領域は、中央の領域の光量重心が照明光学系の光軸とほぼ一致するようにその数や位置などが設定されればよく、例えば中心（重心）が光軸外で光軸との距離がほぼ等しいｎ個（ｎは自然数）の領域、及びこのｎ個の領域と光軸に関してほぼ対称に配置されるｎ個の領域の合計２ｎ個とすることが好ましい。また、その中央の領域で互いに離れた複数の領域は、前述の所定面上で照明光学系１２の光軸を通る所定の直線に沿って配置してもよく、例えば同一直線に沿って配置してもよく、例えば同一直線に沿って配置される２個でもよい。さらに、その中央の領域で互いに離れた複数の領域は、その中央の領域の大きさ（σ値に相当）に応じてその配列方向を決定してもよく、例えば中央の領域の大きさが相対的に小さいときはその配列方向を前述した３個の領域の配列方向（Ｘ方向）とほぼ一致させることが好ましく、逆にその大きさが相対的に大きいときはその配列方向を前述した３個の領域の配列方向とほぼ直交させる（即ち、Ｙ方向とする）ことが好ましい。

なお、上記第２、第４、第５の実施形態及びその変形例では、前述した３個の領域のうち中央の領域を除く残り２個の領域の位置、即ち前述した一方向密集パターンの周期方向に平行な方向（Ｘ方向）に関する照明光学系の光軸との距離をほぼ等しく維持しつつ、そのピッチに応じて可変としてもよい。

また、上記各実施形態では、レチクルの照明条件の変更に用いられる成形光学系が複数の回折光学素子を含むものとしたが、この回折光学素子の代わりに、例えば収差が異なる複数のレンズエレメントを交換して用いるようにしてもよい。さらに、周辺が円錐となる第１及び第２プリズム７１、７２を用いる場合、プリズム７１、７２の間隔、即ち照明光学系１２の瞳面上で強度が高められる各領域の光軸ＢＸとの距離を変更すると、その変更に応じて各領域の形状が変化し得る。そこで、その変化量が所定の許容値を超えるときは、例えば前述のズームレンズあるいはシリンドリカルレンズなどを用いてその形状変化を抑える（少なくする）ようにしてもよい。

また、図１（Ａ）の投影露光装置は照明光学系１２内で光軸ＢＸに沿って２つのオプティカルインテグレータを配置するダブルインテグレータ方式を採用してもよいし、その２つのオプティカルインテグレータはその種類が互いに異なっていてもよい。なお、上記各実施形態では照明光学系の瞳面上で照明光の光量分布を複数の領域で高めるものとしているが、例えば各領域で光量が徐々に少なくなるとき、前述した光量が高められる領域とは、光量が所定値以上になる領域を指すものとする。

なお、上述の各実施形態において、照明光ＩＬとして、例えば１８０ｎｍ程度以下の波長の真空紫外光を用いる場合には、図１（Ａ）の回折光学素子２１、２２、２２Ａ、２２Ｂの基板、レチクルＲ、ＲＡを構成するガラス基板、及び投影光学系ＰＬを構成するレンズ等の屈折部材の光学材料としては、蛍石（ＣａＦ₂)、フッ化マグネシウムやフッ化リチウム等のフッ化物結晶、フッ素及び水素がドープされた石英ガラス、構造決定温度が１２００Ｋ以下で且つ水酸基濃度が１０００ｐｐｍ以上である石英ガラス（例えば本出願人による日本国特許第２７７０２２４号公報に開示）、構造決定温度が１２００Ｋ以下で且つ水素分子濃度が１×１０¹⁷molecules/cm³ 以上である石英ガラス、構造決定温度が１２００Ｋ以下で且つ塩基濃度が５０ｐｐｍ以下である石英ガラス、及び構造決定温度が１２００Ｋ以下で且つ水素分子濃度が１×１０¹⁷molecules/cm³ 以上で塩素濃度が５０ｐｐｍ以下ある石英ガラス（例えば本出願人による日本国特許第２９３６１３８号公報（対応する米国特許第５,９０８,４８２号）に開示）のグループから選択される材料で形成することが好ましい。一方、照明光ＩＬとしてＡｒＦエキシマレーザ光又はＫｒＦエキシマレーザ光などを用いる場合には、その光学材料として上記各物質の他、合成石英を用いることも可能である。

次に、上記の実施の形態の投影露光装置を使用した半導体デバイスの製造工程の一例につき図２４を参照して説明する。

図２４は、半導体デバイスの製造工程の一例を示し、この図２４において、まずシリコン半導体等からウエハＷが製造される。その後、ウエハＷ上にフォトレジストを塗布し（ステップＳ１０）、次のステップＳ１２において、上記の実施の形態（図１（Ａ）又は図１８）の投影露光装置のレチクルステージ上にレチクルＲ１をロードし、走査露光方式でレチクルＲ１（例えば図２のレチクルＲ）のパターン（符号Ａで表す）をウエハＷ上の全部のショット領域ＳＥに転写（露光）する。なお、ウエハＷは例えば直径３００ｍｍのウエハ（１２インチウエハ）であり、ショット領域ＳＥの大きさは一例として非走査方向の幅が２５ｍｍで走査方向の幅が３３ｍｍの矩形領域である。次に、ステップＳ１４において、現像及びエッチングやイオン注入等を行うことにより、ウエハＷの各ショット領域ＳＥに所定のパターンが形成される。

次に、ステップＳ１６において、ウエハＷ上にフォトレジストを塗布し、その後ステップＳ１８において、上記の実施の形態（図１（Ａ）又は図１８）の投影露光装置のレチクルステージ上にレチクルＲ２（例えば図１１（Ａ）のレチクルＲＡ）をロードし、走査露光方式でレチクルＲ２のパターン（符号Ｂで表す）をウエハＷ上の各ショット領域ＳＥに転写（露光）する。そして、ステップＳ２０において、ウエハＷの現像及びエッチングやイオン注入等を行うことにより、ウエハＷの各ショット領域に所定のパターンが形成される。

以上の露光工程〜パターン形成工程（ステップＳ１６〜ステップＳ２０）は所望の半導体デバイスを製造するのに必要な回数だけ繰り返される。そして、ウエハＷ上の各チップＣＰを１つ１つ切り離すダイシング工程（ステップＳ２２）や、ボンディング工程、及びパッケージング工程等（ステップＳ２４）を経ることによって、製品としての半導体デバイスＳＰが製造される。

また、複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をすると共に、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより上記の実施形態の投影露光装置を製造することができる。なお、投影露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。

また、本発明は、走査露光型の投影露光装置で露光を行う場合のみならず、ステッパー等の一括露光型の投影露光装置で露光を行う場合にも同様に適用できることは言うまでもない。これらの場合の投影光学系の倍率は等倍でもよく、拡大倍率でもよい。更に、本発明は、例えば国際公開（ＷＯ）第９９／４９５０４号などに開示される液浸型露光装置で露光を行う場合にも適用できる。液浸型露光装置は、反射屈折型の投影光学系を用いる走査露光方式でもよいし、あるいは投影倍率が１／８の投影光学系を用いる静止露光方式でもよい。後者の液浸型露光装置では、基板上に大きなパターンを形成するために、上記実施形態で説明したステップ・アンド・スティッチ方式を採用することが好ましい。

なお、上記の実施形態の投影露光装置の用途としては、半導体素子製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシン、薄膜磁気ヘッド、又はＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのレチクルパターンが形成されたレチクル（フォトマスク等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。

なお、本国際出願で指定した指定国、又は選択した選択国の国内法令の許す限りにおいて、前述した全ての米国特許などの開示を援用して本文の記載の一部とする。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。また、明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約を含む２００３年４月９日付け提出の日本国特許出願２００３−１０５９２０、２００３年８月２５日付け提出の日本国特許出願２００３−２９９６２８、２００３年８月２９日付け提出の日本国特許出願２００３−３０７８０６、２００３年９月１９日付け提出の日本国特許出願２００３−３２９１９４、及び２００３年９月２２日付け提出の日本国特許出願２００３−３２９３０９の全ての開示内容は、そっくりそのまま引用して本願に組み込まれている。

また、本発明のデバイス製造方法によれば、種々のパターンを含むデバイスを高精度且つ高スループットで製造することができる。

また、本発明のデバイス製造方法において、照明系に関する所定面における光量分布を、所定の３個の領域で光量が大きくなるように設定するときには、一方向密集パターンを含むデバイスを高精度に製造することができる。

Ｒ…レチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、Ｑ１…フライアイレンズの射出面（瞳面）、４…リレーレンズ、５…フライアイレンズ、７…固定視野絞り、２２Ａ，２２Ｂ…回折光学素子、４２Ａ，４２Ｂ…開口絞り、１５１…ロッドインテグレータ。

Claims (17)

1. 照明光によりマスク上のパターンを照明する照明光学装置であって、
   前記照明光の光路に配置されたオプティカル・インテグレータと、
   前記オプティカル・インテグレータの入射側の前記照明光の光路に配置され、前記照明光の偏光状態を設定する偏光部材と、
   前記偏光部材の入射側の前記照明光の光路に配置され、前記照明光を偏向させる光学部材によって前記照明光学装置の瞳面上に前記照明光学装置の光軸から離れた複数の分布領域を有する前記照明光の強度分布を生成して照明条件を設定するとともに、前記光学部材の偏向特性を変更して前記複数の分布領域の位置を変えることにより前記照明条件とは異なる照明条件を設定可能な偏向機構と、
   を備え、
   前記偏光部材は、前記瞳面において前記複数の分布領域に分布される前記照明光を、偏光方向が前記光軸周りの円周方向と一致する直線偏光に設定することを特徴とする照明光学装置。
2. 前記偏光部材は、前記瞳面上の前記光軸を囲む所定円周上に位置する前記複数の分布領域に分布される前記照明光を前記直線偏光に設定する請求項１に記載の照明光学装置。
3. 前記複数の分布領域は、前記瞳面上の前記光軸と交差する第１直線と前記所定円周との交点上に位置する一対の第１領域を含み、
   前記偏光部材は、前記第１領域に分布される前記照明光を前記直線偏光に設定する請求項２に記載の照明光学装置。
4. 前記複数の分布領域は、前記瞳面上の前記光軸および前記第１直線と交差する第２直線と前記所定円周との交点上に位置する一対の第２領域を含み、
   前記偏光部材は、前記第２領域に分布される前記照明光を前記直線偏光に設定する請求項３に記載の照明光学装置。
5. 前記第１直線と前記第２直線とは、互いに直交している請求項４に記載の照明光学装置。
6. 前記偏光部材は、１／２波長板を含む請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明光学装置。
7. 前記偏光部材は、１／４波長板を含む請求項６に記載の照明光学装置。
8. 前記オプティカル・インテグレータの射出面は、前記瞳面と一致するように配置されている請求項１〜７のいずれか一項に記載の照明光学装置。
9. 前記オプティカル・インテグレータの射出面は、前記パターンが配置される面に対する光学的なフーリエ変換面と一致するように配置されている請求項１〜７のいずれか一項に記載の照明光学装置。
10. マスク上のパターンを介した光で基板を露光する露光装置であって、
    前記パターンを照明する請求項１〜９のいずれか一項に記載の照明光学装置と、
    前記照明光学装置によって照明された前記パターンの像を前記基板に投影する投影光学系と、
    を備えることを特徴とする露光装置。
11. 前記基板を保持し、前記投影光学系に対して移動可能なステージを備え、
    前記投影光学系は、前記ステージに保持された前記基板に前記パターンの像を投影する請求項１０に記載の露光装置。
12. 前記基板は液体を介して露光される請求項１０または１１に記載の露光装置。
13. マスク上のパターンを介した光で基板を露光する露光方法であって、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の照明光学装置を用いて前記パターンを照明することと、
    前記照明光学装置を用いて照明された前記パターンの像を前記基板に投影することと、を含むことを特徴とする露光方法。
14. 前記基板をステージによって保持することと、
    前記ステージに保持された前記基板に前記パターンの像を投影することと、
    を含む請求項１３に記載の露光方法。
15. 前記基板は液体を介して露光される請求項１３または１４に記載の露光方法。
16. 請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の露光装置を用いて基板にパターンを転写することと、
    前記パターンが転写された前記基板を現像することと、
    を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
17. 請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の露光方法を用いて基板にパターンを転写することと、
    前記パターンが転写された前記基板を現像することと、
    を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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