JP5884871B2 - 照明光学装置、照明方法、露光装置、露光方法、およびデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、空間光変調ユニット、照明光学系、露光装置、およびデバイス製造方法に関する。さらに詳細には、本発明は、例えば半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のデバイスをリソグラフィー工程で製造するための露光装置に好適な照明光学系に関するものである。

この種の典型的な露光装置においては、光源から射出された光束が、オプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズを介して、多数の光源からなる実質的な面光源としての二次光源（一般には照明瞳における所定の光強度分布）を形成する。以下、照明瞳での光強度分布を、「瞳強度分布」という。また、照明瞳とは、照明瞳と被照射面（露光装置の場合にはマスクまたはウェハ）との間の光学系の作用によって、被照射面が照明瞳のフーリエ変換面となるような位置として定義される。

二次光源からの光束は、コンデンサー光学系により集光された後、所定のパターンが形成されたマスクを重畳的に照明する。マスクを透過した光は投影光学系を介してウェハ上に結像し、ウェハ上にはマスクパターンが投影露光（転写）される。マスクに形成されたパターンは高集積化されており、この微細パターンをウェハ上に正確に転写するにはウェハ上において均一な照度分布を得ることが不可欠である。

従来、瞳強度分布（ひいては照明条件）を連続的に変更することのできる照明光学系が提案されている（特許文献１を参照）。特許文献１に開示された照明光学系では、アレイ状に配列され且つ傾斜角および傾斜方向が個別に駆動制御される多数の微小なミラー要素により構成された可動マルチミラーを用いて、入射光束を反射面毎の微小単位に分割して偏向させることにより、光束の断面を所望の形状または所望の大きさに変換し、ひいては所望の瞳強度分布を実現している。

米国特許出願公開第２００９／０１１６０９３号明細書

特許文献１に記載された照明光学系では、空間光変調器としての可動マルチミラーを用いているので、瞳強度分布の形状（大きさを含む広い概念）に関する自由度は高い。しかしながら、ミラー要素数の比較的少ない高耐久性タイプの空間光変調器を用いる構成では、瞳強度分布の分割数を小さくしない限り、ひいては瞳強度分布の形状に関する自由度を犠牲にしない限り、瞳強度分布の各分割領域の強度レベルに関して所要の自由度を確保することができない。

照明光学系に用いられて瞳強度分布の形状に関する自由度を損なうことなく、瞳強度分布の強度レベルに関する自由度を向上させることを目的とする。

第１形態では、光源からの光により被照射面を照明する照明光学系に用いられる空間光変調ユニットであって、
所定面内に配列されて個別に制御される複数の光学要素を有する空間光変調器と、
前記光源から入射した光に空間的な光変調を付与して、前記複数の光学要素の要素毎にその位置に応じた強度レベルの光束を入射させる空間光変調素子と、
前記複数の光学要素の各々に入射する光束の強度レベルに関する情報に基づいて前記複数の光学要素を個別に制御する制御部とを備えていることを特徴とする空間光変調ユニットを提供する。

第２形態では、光源からの光に基づいて被照射面を照明する照明光学系において、
第１形態の空間光変調ユニットと、
前記空間光変調ユニットを経た光に基づいて、前記照明光学系の照明瞳に所定の光強度分布を形成する分布形成光学系とを備えていることを特徴とする照明光学系を提供する。

第３形態では、所定のパターンを照明するための第２形態の照明光学系を備え、前記所定のパターンを感光性基板に露光することを特徴とする露光装置を提供する。

第４形態では、第３形態の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、
前記所定のパターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記感光性基板の表面に形成する現像工程と、
前記マスク層を介して前記感光性基板の表面を加工する加工工程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。

第５形態では、光源からの光により被照射面を照明する照明光学系の光路中に配置されて、所定面内に配列されて個別に制御される複数の光学要素を有する空間光変調器の制御方法であって、
前記複数の光学要素の各々には離散的な強度レベルの光束が入射し、該離散的な強度レベルに関する情報に基づいて前記複数の光学要素を個別に制御することを特徴とする制御方法を提供する。

第６形態では、所定面内に配列されて個別に制御される複数の光学要素を有する空間光変調器における前記複数の光学要素の駆動を制御する制御プログラムであって、
第５形態の方法をコンピュータにより実行させることを特徴とする制御プログラムを提供する。

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。 空間光変調ユニットの内部構成を概略的に示す図である。 空間光変調ユニットにおける空間光変調器の構成および作用を説明する図である。 空間光変調器の要部の部分斜視図である。 比較例の構成における空間光変調器の作用を説明する図である。 本実施形態の構成における空間光変調器の作用を説明する図である。 第１変形例にかかる空間光変調ユニットの内部構成を概略的に示す図である。 第２変形例にかかる空間光変調ユニットの内部構成を概略的に示す図である。 半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。 液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。

以下、実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、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は、図１の空間光変調ユニットの内部構成を概略的に示す図である。図１において、感光性基板であるウェハＷの転写面（露光面）の法線方向に沿ってＺ軸を、ウェハＷの転写面内において図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、ウェハＷの転写面内において図１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。

図１を参照すると、本実施形態の露光装置では、光源１から露光光（照明光）が供給される。光源１として、たとえば１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源や、２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源などを用いることができる。光源１から射出された光は、ビーム送光部２および空間光変調ユニット３を介して、リレー光学系４に入射する。ビーム送光部２は、光源１からの入射光束を適切な大きさおよび形状の断面を有する光束に変換しつつ空間光変調ユニット３へ導くとともに、空間光変調ユニット３に入射する光束の位置変動および角度変動をアクティブに補正する機能を有する。

空間光変調ユニット３は、図２に示すように、光源１から入射した光に空間的な光変調を付与して射出する反射型の回折光学素子３０と、回折光学素子３０とリレー光学系４との間の光路中に配置された空間光変調器３１と、主制御系ＣＲからの制御信号に基づいて空間光変調器３１の複数のミラー要素を個別に制御する制御部３２とを備えている。回折光学素子３０は、照明光路に対して挿脱自在に配置され、回折特性の異なる別の反射型の回折光学素子（不図示）と交換可能である。

空間光変調器３１は、後述するように、所定面内に配列されて個別に制御される複数のミラー要素と、制御部３２からの信号に基づいて複数のミラー要素の姿勢を個別に制御駆動する駆動部とを有する。制御部３２は、主制御系ＣＲからの制御信号に基づいて、照明光路に対する回折光学素子の切り換えを制御する。回折光学素子の切り換え方式として、たとえば周知のターレット方式やスライド方式などを用いることができる。回折光学素子３０の作用および空間光変調器３１の構成および作用については後述する。

空間光変調ユニット３から射出された光は、フーリエ変換光学系としてのリレー光学系４を介して、所定面５に入射する。すなわち、リレー光学系４は、その前側焦点位置が空間光変調器３１の複数のミラー要素の配列面の位置とほぼ一致し且つその後側焦点位置が所定面５の位置とほぼ一致するように設定されている。後述するように、空間光変調器３１を経た光は、複数のミラー要素の姿勢に応じた光強度分布を所定面５に可変的に形成する。

所定面５に光強度分布を形成した光は、リレー光学系６を介して、マイクロフライアイレンズ（またはフライアイレンズ）７に入射する。リレー光学系６は、所定面５とマイクロフライアイレンズ７の入射面とを光学的に共役に設定している。したがって、空間光変調ユニット３を経た光は、所定面５と光学的に共役な位置に配置されたマイクロフライアイレンズ７の入射面に、所定面５に形成された光強度分布に対応した光強度分布を形成する。

マイクロフライアイレンズ７は、たとえば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り、平行平面板にエッチング処理を施して微小レンズ群を形成することによって構成されている。マイクロフライアイレンズでは、互いに隔絶されたレンズエレメントからなるフライアイレンズとは異なり、多数の微小レンズ（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、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。

マイクロフライアイレンズ７における単位波面分割面としての矩形状の微小屈折面は、マスクＭ上において形成すべき照野の形状（ひいてはウェハＷ上において形成すべき露光領域の形状）と相似な矩形状である。なお、マイクロフライアイレンズ７として、例えばシリンドリカルマイクロフライアイレンズを用いることもできる。シリンドリカルマイクロフライアイレンズの構成および作用は、例えば米国特許第６９１３３７３号明細書に開示されている。

マイクロフライアイレンズ７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の照明瞳には、入射面に形成される光強度分布とほぼ同じ光強度分布を有する二次光源（多数の小光源からなる実質的な面光源：瞳強度分布）が形成される。マイクロフライアイレンズ７の直後の照明瞳に形成された二次光源からの光束は、照明開口絞り（不図示）に入射する。照明開口絞りは、マイクロフライアイレンズ７の後側焦点面またはその近傍に配置され、二次光源に対応した形状の開口部（光透過部）を有する。

照明開口絞りは、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ大きさおよび形状の異なる開口部を有する複数の開口絞りと切り換え可能に構成されている。照明開口絞りの切り換え方式として、たとえば周知のターレット方式やスライド方式などを用いることができる。照明開口絞りは、後述する投影光学系ＰＬの入射瞳面と光学的にほぼ共役な位置に配置され、二次光源の照明に寄与する範囲を規定する。なお、照明開口絞りの設置を省略することもできる。

照明開口絞りにより制限された二次光源からの光は、コンデンサー光学系８を介して、マスクブラインド９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９には、マイクロフライアイレンズ７の矩形状の微小屈折面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。マスクブラインド９の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系１０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１０は、マスクブラインド９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。

マスクステージＭＳ上に保持されたマスクＭを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して、ウェハステージＷＳ上に保持されたウェハ（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）内においてウェハステージＷＳを二次元的に駆動制御しながら、ひいてはウェハ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のパターンが順次露光される。

本実施形態の露光装置は、投影光学系ＰＬを介した光に基づいて投影光学系ＰＬの瞳面における瞳強度分布を計測する瞳強度分布計測部ＤＴと、瞳強度分布計測部ＤＴの計測結果に基づいて空間光変調ユニット３を制御し且つ露光装置の動作を統括的に制御する主制御系ＣＲとを備えている。瞳強度分布計測部ＤＴは、例えば投影光学系ＰＬの瞳位置と光学的に共役な位置に配置された撮像面を有するＣＣＤ撮像部を備え、投影光学系ＰＬの像面の各点に関する瞳強度分布（各点に入射する光が投影光学系ＰＬの瞳位置に形成する瞳強度分布）をモニターする。瞳強度分布計測部ＤＴの詳細な構成および作用については、例えば米国特許公開第２００８／００３０７０７号明細書を参照することができる。

本実施形態では、マイクロフライアイレンズ７により形成される二次光源を光源として、照明光学系の被照射面に配置されるマスクＭ（ひいてはウェハＷ）をケーラー照明する。このため、二次光源が形成される位置は投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳの位置と光学的に共役であり、二次光源の形成面を照明光学系の照明瞳面と呼ぶことができる。典型的には、照明瞳面に対して被照射面（マスクＭが配置される面、または投影光学系ＰＬを含めて照明光学系と考える場合にはウェハＷが配置される面）が光学的なフーリエ変換面となる。なお、瞳強度分布とは、照明光学系の照明瞳面または当該照明瞳面と光学的に共役な面における光強度分布（輝度分布）である。

マイクロフライアイレンズ７による波面分割数が比較的大きい場合、マイクロフライアイレンズ７の入射面に形成される大局的な光強度分布と、二次光源全体の大局的な光強度分布（瞳強度分布）とが高い相関を示す。このため、マイクロフライアイレンズ７の入射面および当該入射面と光学的に共役な面における光強度分布についても瞳強度分布と称することができる。図１の構成において、リレー光学系４，６、およびマイクロフライアイレンズ７は、空間光変調ユニット３中の空間光変調器３１を経た光束に基づいてマイクロフライアイレンズ７の直後の照明瞳に瞳強度分布を形成する分布形成光学系を構成している。

次に、空間光変調ユニット３中の空間光変調器３１の構成および作用を具体的に説明する。空間光変調器３１は、図３に示すように、所定面内に配列された複数のミラー要素３１ａと、複数のミラー要素３１ａを保持する基盤３１ｂと、基盤３１ｂに接続されたケーブル（不図示）を介して複数のミラー要素３１ａの姿勢を個別に制御駆動する駆動部３１ｃとを備えている。空間光変調器３１では、主制御系ＣＲからの指令により制御部３２が出力した制御信号に基づいて作動する駆動部３１ｃの作用により、複数のミラー要素３１ａの姿勢がそれぞれ変化し、各ミラー要素３１ａがそれぞれ所定の向きに設定される。

空間光変調器３１は、図４に示すように、二次元的に配列された複数の微小なミラー要素３１ａを備え、入射した光に対して、その入射位置に応じた空間的な変調を可変的に付与して射出する。説明および図示を簡単にするために、図３および図４では空間光変調器３１が４×４＝１６個のミラー要素３１ａを備える構成例を示しているが、実際には１６個よりもはるかに多数のミラー要素３１ａを備えている。

図３を参照すると、空間光変調器３１に入射する光線群のうち、光線Ｌ１は複数のミラー要素３１ａのうちのミラー要素ＳＥａに、光線Ｌ２はミラー要素ＳＥａとは異なるミラー要素ＳＥｂにそれぞれ入射する。同様に、光線Ｌ３はミラー要素ＳＥａ，ＳＥｂとは異なるミラー要素ＳＥｃに、光線Ｌ４はミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｃとは異なるミラー要素ＳＥｄにそれぞれ入射する。ミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｄは、その位置に応じて設定された空間的な変調を光Ｌ１〜Ｌ４に与える。

空間光変調器３１では、すべてのミラー要素３１ａの反射面が１つの平面に沿って設定された基準状態において、回折光学素子３０と空間光変調器３１との間の光路の光軸ＡＸと平行な方向に沿って入射した光線が、空間光変調器３１で反射された後に、空間光変調器３１とリレー光学系４との間の光路の光軸ＡＸとほぼ平行な方向に進むように構成されている。また、上述したように、空間光変調器３１の複数のミラー要素３１ａの配列面は、リレー光学系４の前側焦点位置またはその近傍に位置決めされている。

したがって、空間光変調器３１の複数のミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｄによって反射されて所定の角度分布が与えられた光は、所定面５に所定の光強度分布ＳＰ１〜ＳＰ４を形成し、ひいてはマイクロフライアイレンズ７の入射面に光強度分布ＳＰ１〜ＳＰ４に対応した光強度分布を形成する。すなわち、リレー光学系４は、空間光変調器３１の複数のミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｄが射出光に与える角度を、空間光変調器３１の遠視野領域（フラウンホーファー回折領域）である所定面５上での位置に変換する。こうして、マイクロフライアイレンズ７が形成する二次光源の光強度分布（瞳強度分布）は、空間光変調器３１およびリレー光学系４，６がマイクロフライアイレンズ７の入射面に形成する光強度分布に対応した分布となる。

空間光変調器３１は、図４に示すように、平面状の反射面を上面にした状態で１つの平面に沿って規則的に且つ二次元的に配列された多数の微小な反射素子であるミラー要素３１ａを含む可動マルチミラーである。各ミラー要素３１ａは可動であり、その反射面の傾き、すなわち反射面の傾斜角および傾斜方向は、制御部３２からの制御信号に基づいて作動する駆動部３１ｃの作用により独立に制御される。各ミラー要素３１ａは、その反射面に平行な二方向であって互いに直交する二方向を回転軸として、所望の回転角度だけ連続的或いは離散的に回転することができる。すなわち、各ミラー要素３１ａの反射面の傾斜を二次元的に制御することが可能である。

各ミラー要素３１ａの反射面を離散的に回転させる場合、回転角を複数の状態（例えば、・・・、−２．５度、−２．０度、・・・０度、＋０．５度・・・＋２．５度、・・・）で切り換え制御するのが良い。図４には外形が正方形状のミラー要素３１ａを示しているが、ミラー要素３１ａの外形形状は正方形に限定されない。ただし、光利用効率の観点から、ミラー要素３１ａの隙間が少なくなるように配列可能な形状（最密充填可能な形状）とすることができる。また、光利用効率の観点から、隣り合う２つのミラー要素３１ａの間隔を必要最小限に抑えることができる。

本実施形態では、空間光変調器３１として、たとえば二次元的に配列された複数のミラー要素３１ａの向きを連続的にそれぞれ変化させる空間光変調器を用いている。このような空間光変調器として、たとえば特表平１０−５０３３００号公報およびこれに対応する欧州特許公開第７７９５３０号公報、特開２００４−７８１３６号公報およびこれに対応する米国特許第６,９００,９１５号公報、特表２００６−５２４３４９号公報およびこれに対応する米国特許第７,０９５,５４６号公報、並びに特開２００６−１１３４３７号公報に開示される空間光変調器を用いることができる。なお、二次元的に配列された複数のミラー要素３１ａの向きを離散的に複数の段階を持つように制御してもよい。

空間光変調器３１では、制御部３２からの制御信号に応じて作動する駆動部３１ｃの作用により、複数のミラー要素３１ａの姿勢がそれぞれ変化し、各ミラー要素３１ａがそれぞれ所定の向きに設定される。空間光変調器３１の複数のミラー要素３１ａによりそれぞれ所定の角度で反射された光は、マイクロフライアイレンズ７の直後の照明瞳に、所望の瞳強度分布を形成する。さらに、マイクロフライアイレンズ７の直後の照明瞳と光学的に共役な別の照明瞳の位置、すなわち結像光学系１０の瞳位置および投影光学系ＰＬの瞳位置（開口絞りＡＳが配置されている位置）にも、所望の瞳強度分布が形成される。

図５（ａ）は、ビーム送光部２と空間光変調器３１との間に回折光学素子３０が介在しない比較例の構成において、空間光変調器３１の遠視野領域（フラウンホーファー回折領域）である所定面５上に複数の強度レベルを持つ瞳強度分布を形成する状態を示す図である。空間光変調器３１の複数のミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｄに入射する光束Ｌ１〜Ｌ４は、図５（ｂ）に示すように、その断面に亘ってそれぞれ均一な強度分布を有し、且つその光強度Ｉは互いに等しい。

この場合、図５（ａ）に示す通り、空間光変調器３１の複数のミラー要素ＳＥａおよびＳＥｂを経た光束Ｌ１およびＬ２を瞳強度分布上の１つの単位領域（分割領域）に重ね合わせることによって、最小強度（１つのミラー要素ＳＥｃ、ＳＥｄを経て１つの分割領域に入射する光束Ｌ３、Ｌ４による光強度分布ＳＰ３、ＳＰ４の強度）の複数倍の強度レベルを持つ光強度分布ＳＰ１を得ている。

ここで、上述の構成（ビーム送光部２と空間光変調器３１との間に回折光学素子３０が介在しない構成）において、均一な強度分布および正方形状の断面を有する平行光束が、４０００個のミラー要素３１ａを有する空間光変調器３１に入射し、マイクロフライアイレンズ７の直後の照明瞳に光軸ＡＸを中心とする円形状の瞳強度分布が形成される場合について考える。この場合、次の式（１）に示すように、円形状の瞳強度分布の分割数（ピクセル数）を３２に設定しても、瞳強度分布の各分割領域（各ピクセル）の強度レベル（階調）は４段階程度にしかならない。しかも、各分割領域の強度レベルは、最小強度の整数倍（１倍、２倍、・・・）である。
４０００／（３２×３２×π／４）≒４．９ （１）

すなわち、ミラー要素数の比較的少ない高耐久性タイプの空間光変調器を用いる構成では、瞳強度分布の分割数を小さくしない限り、ひいては瞳強度分布の形状に関する自由度を犠牲にしない限り、瞳強度分布の各分割領域の強度レベルに関して所要の自由度を確保することができない。別の表現をすれば、複数のミラー要素を経た光を瞳強度分布上の１つの単位領域（分割領域）に重ね合わせない限り、最小強度（１つのミラー要素を経て１つの分割領域に入射する光束の強度）の複数倍の強度レベルを実現することができないため、瞳強度分布の強度レベルに関して所要の自由度を確保しようとすると、瞳強度分布の分割数が小さくなり、ひいては瞳強度分布の形状に関する自由度が損なわれる。その結果、瞳強度分布の形状に関する高い自由度と、瞳強度分布の強度レベルに関する高い自由度とを両立させることができない。

本実施形態では、ビーム送光部２と空間光変調器３１との間の光路中に配置された反射型の回折光学素子３０を備えている。回折光学素子３０は、光源１から入射した光に空間的な光変調を付与して、空間光変調器３１の複数のミラー要素３１ａの要素毎にその位置に応じた強度レベルの光束を入射させる機能を有する。単純な例では、回折光学素子３０を経て各ミラー要素３１ａに入射する光束はそれぞれ均一な強度分布を有するが、複数のミラー要素３１ａに入射する光束の強度レベルは離散的に分布する。換言すれば、回折光学素子３０を経て空間光変調器３１に入射する光束は、その断面に亘って不連続な強度分布、典型的には階段状に変化する強度分布を有する。

図６（ａ）は、ビーム送光部２と空間光変調器３１との間の光路中に反射型の回折光学素子３０を配置した本実施形態の構成において、空間光変調器３１の遠視野領域（フラウンホーファー回折領域）である所定面５上に複数の強度レベルを持つ瞳強度分布を形成する状態を示す図である。空間光変調器３１の複数のミラー要素３１ａに入射する光束Ｌ１〜Ｌ４は、図６（ｂ）に示すように、その断面に亘ってそれぞれ均一な強度分布を有するが、その光強度Ｉは互いに異なる。換言すれば、光束Ｌ１〜Ｌ４は、離散的に分布した複数の強度レベルを有している。

その結果、図６（ａ）に示す通り、空間光変調器３１の複数のミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｄを経た光束Ｌ１〜Ｌ４を瞳強度分布上の互いに異なる単位領域（分割領域）に入射させたとしても、所定面５上に形成される瞳強度分布の各分割領域に到達する光束Ｌ１〜Ｌ４の強度レベルは、対応するミラー要素ＳＥａ〜ＳＥｄへの入射光束Ｌ１〜Ｌ４の強度レベルに応じた値になる。

こうして、本実施形態において、制御部３２は、例えば各ミラー要素３１ａへの入射光束の強度レベルに関する情報と瞳強度分布に関する情報とに基づいて、１つのミラー要素３１ａを経た光が瞳強度分布上の１つの分割領域（単位領域）へ入射するように複数のミラー要素３１ａを個別に制御する。その結果、瞳強度分布の各分割領域の強度レベルは対応するミラー要素３１ａへの入射光束の強度レベルに応じた値になり、ひいては瞳強度分布の各分割領域の強度レベルが離散的に分布することになる。しかも、各分割領域の強度レベルの最小強度に対する比を多様に変化させることができる。このことは、瞳強度分布の分割数を空間光変調器３１のミラー要素３１ａの数と一致させて、瞳強度分布の形状に関して高い自由度を確保したとしても、瞳強度分布の各分割領域の強度レベルに関して高い自由度が確保されることを意味している。

以上のように、本実施形態の空間光変調ユニット３では、光源１から入射した光に空間的な光変調を付与して、空間光変調器３１の複数のミラー要素３１ａの要素毎にその位置に応じた強度レベルの光束を入射させる空間光変調素子としての回折光学素子３０を備えている。したがって、各ミラー要素３１ａに入射する光束の強度レベルに関する情報に基づいて複数のミラー要素３１ａを個別に制御することにより、瞳強度分布の形状に関する自由度を損なうことなく、瞳強度分布の強度レベルに関する自由度を向上させることができる。特に、本実施形態では、回折特性の異なる複数の回折光学素子３０を照明光路に対して切り換えて、複数のミラー要素３１ａに入射する光束の強度レベルの離散的な分布を変化させることにより、瞳強度分布の強度レベルに関する自由度をさらに向上させることができる。

本実施形態の照明光学系（２〜１０）では、空間光変調ユニット３を用いて、マイクロフライアイレンズ７の直後の照明瞳に形成される瞳強度分布の形状に関する自由度を損なうことなく、瞳強度分布の強度レベルに関する自由度を向上させて、多様性に富んだ照明条件を実現することができる。また、本実施形態の露光装置（２〜ＷＳ）では、多様性に富んだ照明条件を実現する照明光学系（２〜１０）を用いて、転写すべきマスクＭのパターンの特性に応じて実現された適切な照明条件のもとで良好な露光を行うことができる。

なお、上述の説明では、回折光学素子３０を経て複数のミラー要素３１ａに入射する光束の強度レベルが離散的に分布する例、すなわち回折光学素子３０を経て空間光変調器３１に入射する光束が階段状（断続的）に変化する強度分布を有する例に基づいて本実施形態の作用効果を説明している。しかしながら、これに限定されることなく、回折光学素子３０を経て空間光変調器３１に入射する光束がその断面に亘って連続的に（滑らかに）変化する強度分布を有する場合であっても、各ミラー要素３１ａに入射する光束はほぼ均一な強度分布を有し、複数のミラー要素３１ａに入射する光束の強度レベルはほぼ離散的に分布するため、上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、上述の説明では、１つのミラー要素３１ａを経た光を瞳強度分布上の１つの分割領域（単位領域）へ入射させる単純な例に基づいて、本実施形態の作用効果を説明している。しかしながら、これに限定されることなく、必要に応じて、複数のミラー要素３１ａを経た光を瞳強度分布上の１つの分割領域に重ね合わせても良いことはいうまでもない。

また、上述の説明では、二次元的に配列されて個別に制御される複数のミラー要素を有する空間光変調器として、二次元的に配列された複数の反射面の向き（角度：傾き）を個別に制御可能な空間光変調器を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、たとえば二次元的に配列された複数の反射面の高さ（位置）を個別に制御可能な空間光変調器を用いることもできる。このような空間光変調器としては、たとえば特開平６−２８１８６９号公報及びこれに対応する米国特許第５，３１２，５１３号公報、並びに特表２００４−５２０６１８号公報およびこれに対応する米国特許第６，８８５，４９３号公報の図１ｄに開示される空間光変調器を用いることができる。これらの空間光変調器では、二次元的な高さ分布を形成することで回折面と同様の作用を入射光に与えることができる。なお、上述した二次元的に配列された複数の反射面を持つ空間光変調器を、たとえば特表２００６−５１３４４２号公報およびこれに対応する米国特許第６，８９１，６５５号公報や、特表２００５−５２４１１２号公報およびこれに対応する米国特許公開第２００５／００９５７４９号公報の開示に従って変形しても良い。

なお、上述の実施形態では、空間光変調器３１が所定面内で二次元的に配列された複数のミラー要素３１ａを備えているが、これに限定されることなく、所定面内に配列されて個別に制御される複数の透過光学要素を備えた透過型の空間光変調器を用いることもできる。

また、上述の実施形態では、空間光変調素子３０と空間光変調器３１との間の光路中には光学系が配置されていないが、この間の光路中にリレー光学系を配置してもよい。このリレー光学系としては、空間光変調素子３０が配置される面の光学的なフーリエ変換面を空間光変調器３１上に形成するフーリエ変換光学系であってもよい。

また、上述の実施形態では、光源１から入射した光に空間的な光変調を付与して複数のミラー要素３１ａの要素毎にその位置に応じた強度レベルの光束を入射させる空間光変調素子として、反射型の回折光学素子３０を用いている。しかしながら、反射型の回折光学素子３０に代えて、透過型の回折光学素子を用いることもできる。

また、図７に示すように、反射型の回折光学素子３０に代えて、所定面内に配列されて個別に制御される複数のミラー要素３３ａを備えた反射型の空間光変調器３３を用いる構成も可能である。図７の第１変形例にかかる空間光変調ユニット３Ａにおいて、空間光変調器３３は、空間光変調器３１と同様に、二次元的に配列された複数のミラー要素３３ａと、複数のミラー要素の姿勢を個別に制御駆動する駆動部３３ｃとを有する。駆動部３３ｃは、制御部３２からの制御信号に基づいて、複数のミラー要素３３ａの向きを連続的または離散的に変化させる。空間光変調器３３と空間光変調器３１との間の光路中には、リレー光学系３４が配置されている。このリレー光学系３４としては、空間光変調器３３の複数のミラー要素３３ａが配列される配列面の光学的なフーリエ変換面を空間光変調器３１上に形成するフーリエ変換光学系であってもよい。

第１変形例では、空間光変調器３３の１つのミラー要素３３ａを経た光が、リレー光学系３４を介して、空間光変調器３１の一群のミラー要素３１ａに選択的に入射する。その結果、空間光変調器３３およびリレー光学系３４を経て複数のミラー要素３１ａに入射する光束の強度レベルは離散的に分布し、空間光変調器３１に入射する光束はその断面に亘って階段状に変化する強度分布を有する。

こうして、空間光変調器３３の複数のミラー要素３３ａの姿勢を個別に制御して、空間光変調器３１の複数のミラー要素３１ａに入射する光束の強度レベルの離散的な分布を変化させることにより、瞳強度分布の形状に関する高い自由度と瞳強度分布の強度レベルに関する高い自由度とを両立させることができる。第１変形例では、空間光変調器３３が二次元的に配列された複数のミラー要素３３ａを備えているが、これに限定されることなく、所定面内に配列されて個別に制御される複数の透過光学要素を備えた透過型の空間光変調器を用いることもできる。

また、図８に示すように、空間光変調素子として、所定の空間的な反射率分布を有するフィルタ３５を用いる構成も可能である。図８の第２変形例にかかる空間光変調ユニット３Ｂにおいて、フィルタ３５は、例えば照明光路に対して挿脱自在に配置され、反射率分布の異なる別のフィルタ（不図示）と交換可能である。第２変形例においても、上述の実施形態の場合と同様に、フィルタ３５を経て複数のミラー要素３１ａに入射する光束の強度レベルは離散的に分布し、空間光変調器３１に入射する光束はその断面に亘って階段状に変化する強度分布を有する。

また、第２変形例では、反射率分布の異なる複数のフィルタ３５を照明光路に対して切り換えて、複数のミラー要素３１ａに入射する光束の強度レベルの離散的な分布を変化させることにより、瞳強度分布の強度レベルに関する自由度をさらに向上させることができる。第２変形例では、所定の空間的な反射率分布を有するフィルタ３５を用いているが、これに限定されることなく、所定の空間的な透過率分布を有するフィルタを用いることもできる。

一般に、本実施形態の制御方法では、照明光学系の光路中に配置された空間光変調器の複数の光学要素の各々に離散的な強度レベルの光束を入射させ、この離散的な強度レベルに関する情報に基づいて複数の光学要素を個別に制御する。また、所定面内に配列されて個別に制御される複数の光学要素を有する空間光変調器における複数の光学要素の駆動を制御する制御プログラムを用いて、本実施形態の制御方法をコンピュータにより実行させることができる。

上述の実施形態では、オプティカルインテグレータとして、マイクロフライアイレンズ７を用いているが、その代わりに、内面反射型のオプティカルインテグレータ（典型的にはロッド型インテグレータ）を用いても良い。この場合、リレー光学系６の代わりに、所定面５からの光を集光する集光光学系を配置する。そして、マイクロフライアイレンズ７とコンデンサー光学系８との代わりに、所定面５からの光を集光する集光光学系の後側焦点位置またはその近傍に入射端が位置決めされるようにロッド型インテグレータを配置する。このとき、ロッド型インテグレータの射出端がマスクブラインド９の位置になる。ロッド型インテグレータを用いる場合、このロッド型インテグレータの下流の結像光学系１０内の、投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳの位置と光学的に共役な位置を照明瞳面と呼ぶことができる。また、ロッド型インテグレータの入射面の位置には、照明瞳面の二次光源の虚像が形成されることになるため、この位置およびこの位置と光学的に共役な位置も照明瞳面と呼ぶことができる。ここで、上記の集光光学系、上記の結像光学系、およびロッド型インテグレータを分布形成光学系とみなすことができる。

上述の実施形態では、マスクの代わりに、所定の電子データに基づいて所定パターンを形成する可変パターン形成装置を用いることができる。このような可変パターン形成装置を用いれば、パターン面が縦置きでも同期精度に及ぼす影響を最低限にできる。なお、可変パターン形成装置としては、たとえば所定の電子データに基づいて駆動される複数の反射素子を含むＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いることができる。ＤＭＤを用いた露光装置は、例えば特開２００４−３０４１３５号公報、国際特許公開第２００６／０８０２８５号パンフレットおよびこれに対応する米国特許公開第２００７／０２９６９３６号公報に開示されている。また、ＤＭＤのような非発光型の反射型空間光変調器以外に、透過型空間光変調器を用いても良く、自発光型の画像表示素子を用いても良い。ここでは、米国特許公開第２００７／０２９６９３６号公報の教示を参照として援用する。

上述の実施形態の露光装置は、本願特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行っても良い。

次に、上述の実施形態にかかる露光装置を用いたデバイス製造方法について説明する。図９は、半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図９に示すように、半導体デバイスの製造工程では、半導体デバイスの基板となるウェハＷに金属膜を蒸着し（ステップＳ４０）、この蒸着した金属膜上に感光性材料であるフォトレジストを塗布する（ステップＳ４２）。つづいて、上述の実施形態の投影露光装置を用い、マスク（レチクル）Ｍに形成されたパターンをウェハＷ上の各ショット領域に転写し（ステップＳ４４：露光工程）、この転写が終了したウェハＷの現像、つまりパターンが転写されたフォトレジストの現像を行う（ステップＳ４６：現像工程）。

その後、ステップＳ４６によってウェハＷの表面に生成されたレジストパターンをマスクとし、ウェハＷの表面に対してエッチング等の加工を行う（ステップＳ４８：加工工程）。ここで、レジストパターンとは、上述の実施形態の投影露光装置によって転写されたパターンに対応する形状の凹凸が生成されたフォトレジスト層であって、その凹部がフォトレジスト層を貫通しているものである。ステップＳ４８では、このレジストパターンを介してウェハＷの表面の加工を行う。ステップＳ４８で行われる加工には、例えばウェハＷの表面のエッチングまたは金属膜等の成膜の少なくとも一方が含まれる。なお、ステップＳ４４では、上述の実施形態の投影露光装置は、フォトレジストが塗布されたウェハＷを、感光性基板つまりプレートＰとしてパターンの転写を行う。

図１０は、液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図１０に示すように、液晶デバイスの製造工程では、パターン形成工程（ステップＳ５０）、カラーフィルタ形成工程（ステップＳ５２）、セル組立工程（ステップＳ５４）およびモジュール組立工程（ステップＳ５６）を順次行う。ステップＳ５０のパターン形成工程では、プレートＰとしてフォトレジストが塗布されたガラス基板上に、上述の実施形態の投影露光装置を用いて回路パターンおよび電極パターン等の所定のパターンを形成する。このパターン形成工程には、上述の実施形態の投影露光装置を用いてフォトレジスト層にパターンを転写する露光工程と、パターンが転写されたプレートＰの現像、つまりガラス基板上のフォトレジスト層の現像を行い、パターンに対応する形状のフォトレジスト層を生成する現像工程と、この現像されたフォトレジスト層を介してガラス基板の表面を加工する加工工程とが含まれている。

ステップＳ５２のカラーフィルタ形成工程では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応する３つのドットの組をマトリックス状に多数配列するか、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルタの組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルタを形成する。ステップＳ５４のセル組立工程では、ステップＳ５０によって所定パターンが形成されたガラス基板と、ステップＳ５２によって形成されたカラーフィルタとを用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。具体的には、例えばガラス基板とカラーフィルタとの間に液晶を注入することで液晶パネルを形成する。ステップＳ５６のモジュール組立工程では、ステップＳ５４によって組み立てられた液晶パネルに対し、この液晶パネルの表示動作を行わせる電気回路およびバックライト等の各種部品を取り付ける。

また、本実施形態は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。

なお、上述の実施形態では、露光光としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長：１９３ｎｍ）やＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）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Ｆ_２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、国際公開第ＷＯ９９／４９５０４号パンプレットに開示されているような局所的に液体を満たす手法や、特開平６−１２４８７３号公報に開示されているような露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動させる手法や、特開平１０−３０３１１４号公報に開示されているようなステージ上に所定深さの液体槽を形成し、その中に基板を保持する手法などを採用することができる。ここでは、国際公開第ＷＯ９９／４９５０４号パンフレット、特開平６−１２４８７３号公報および特開平１０−３０３１１４号公報の教示を参照として援用する。

また、上述の実施形態では、露光装置においてマスク（またはウェハ）を照明する照明光学系に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、マスク（またはウェハ）以外の被照射面を照明する一般的な照明光学系に対して本発明を適用することもできる。

１ 光源
２ ビーム送光部
３，３Ａ，３Ｂ 空間光変調ユニット
３０ 反射型の回折光学素子（空間光変調素子）
３１ 空間光変調器
３２ 制御部
４，６ リレー光学系
７ マイクロフライアイレンズ
８ コンデンサー光学系
９ マスクブラインド
１０ 結像光学系
ＤＴ 瞳強度分布計測部
ＣＲ 主制御系
Ｍ マスク
ＭＳ マスクステージ
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ
ＷＳ ウェハステージ

Claims (20)

1. 照明光により物体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、
   所定面に沿って配列されて前記オプティカルインテグレータの入射側における前記光路に配置された複数の第１反射素子を含み、前記複数の第１反射素子が有する複数の第１反射面の姿勢を制御し、前記照明光のうち前記複数の第１反射面によって反射される複数の光束に角度分布を付与する反射部材と、
   前記反射部材の入射側における前記光路に配置されて前記照明光を偏向させる偏向部材、および前記偏向部材に対するフーリエ変換面と前記複数の第１反射素子との位置を一致させるように前記光路に配置された第１光学系を含み、前記複数の光束が互いに異なる光強度を有するように前記照明光に光強度分布を付与する強度分布設定部材と、
   を備える照明光学装置。
2. 請求項１に記載の照明光学装置において、
   前記反射部材は、前記複数の第１反射面のうち互いに異なる第１面及び第２面によってそれぞれ反射される第１光束及び第２光束が前記オプティカルインテグレータを介して当該照明光学装置の照明瞳における互いに異なる領域に到達するように前記複数の第１反射面の姿勢を制御する、照明光学装置。
3. 請求項１または２に記載の照明光学装置において、
   前記偏向部材は、前記光路と交差する面に沿って配列されて前記照明光を反射する複数の第２反射素子と、前記複数の第２反射素子が有する複数の第２反射面の姿勢を制御する制御部とを含む、照明光学装置。
4. 請求項１または２に記載の照明光学装置において、
   前記偏向部材は、前記照明光を回折する回折光学素子を含む、照明光学装置。
5. 請求項１または２に記載の照明光学装置において、
   前記偏向部材は、前記照明光を回折する回折光学素子であって相互に交換可能に前記光路に配置される第１及び第２回折光学素子を含み、前記第１及び第２回折光学素子は互いに回折特性が異なる、照明光学装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明光学装置において、
   前記複数の第１反射素子に対するフーリエ変換面と前記オプティカルインテグレータの入射面とが光学的に共役な関係になるように前記光路に配置された第２光学系を備える、照明光学装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明光学装置において、
   前記オプティカルインテグレータは、前記オプティカルインテグレータの後側焦点面と当該照明光学装置の照明瞳との位置が一致するように配置される、照明光学装置。
8. 照明光により物体を照明する照明方法であって、
   所定面に沿って配列されて前記照明光の光路に配置された複数の第１反射素子が有する複数の第１反射面によって前記照明光を反射することと、
   前記複数の第１反射面の姿勢を制御し、前記照明光のうち前記複数の第１反射面によって反射される複数の光束に角度分布を付与することと、
   前記複数の第１反射素子の入射側における前記光路に配置されて前記照明光を偏向させる偏向部材と、前記偏向部材に対するフーリエ変換面と前記複数の第１反射素子との位置を一致させるように前記光路に配置された第１光学系とを介し、前記複数の光束が互いに異なる光強度を有するように前記照明光に光強度分布を付与することと、
   を含む照明方法。
9. 請求項８に記載の照明方法において、
   前記複数の第１反射面のうち互いに異なる第１面及び第２面によってそれぞれ反射される第１光束及び第２光束が前記オプティカルインテグレータを介して当該照明光学装置の照明瞳における互いに異なる領域に到達するように前記複数の第１反射面の姿勢を制御することを含む、照明方法。
10. 請求項８または９に記載の照明方法において、
    前記偏向部材が備える反射素子であって前記光路と交差する面に沿って配列されて前記照明光を反射する複数の第２反射素子が有する複数の第２反射面の姿勢を制御することを含む、照明方法。
11. 請求項８または９に記載の照明方法において、
    前記偏向部材が備える第１回折光学素子により前記照明光を回折させることを含む、照明方法。
12. 請求項１１に記載の照明方法において、
    前記第１回折光学素子とは異なる回折特性を有する第２回折光学素子を前記第１回折光学素子に代えて前記光路に配置し、前記第２回折光学素子によって前記照明光を回折させることを含む、照明方法。
13. 請求項８〜１２のいずれか一項に記載の照明方法において、
    前記複数の第１反射素子と前記オプティカルインテグレータとの間における前記光路に配置された第２光学系により、前記複数の第１反射面に対するフーリエ変換面と前記オプティカルインテグレータの入射面とを光学的に共役な関係にすることを含む、照明方法。
14. 請求項８〜１３のいずれか一項に記載の照明方法において、
    前記オプティカルインテグレータの後側焦点面と当該照明光学装置の照明瞳との位置を一致させることを含む、照明方法。
15. 物体上のパターンを介した光によって基板を露光する露光装置であって、
    前記基板を保持するステージと、
    前記パターンを照明する請求項１〜７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、前記ステージに保持された前記基板に投影する投影光学系と、
    を備える露光装置。
16. 請求項１５に記載の露光装置において、
    前記パターンの像は、前記投影光学系からの前記光の光路に設けられる液体を介して前記基板に投影される、露光装置。
17. 物体上のパターンを介した光によって基板を露光する露光方法であって、
    ステージ上に前記基板を配置することと、
    請求項８〜１４のいずれか一項に記載の照明方法によって前記パターンを照明することと、
    前記照明方法によって照明された前記パターンの像を投影光学系によって前記ステージ上の前記基板に投影することと、
    を含む露光方法。
18. 請求項１７に記載の露光方法において、
    前記パターンの像は、前記投影光学系からの前記光の光路に設けられた液体を介して前記基板に投影される、露光方法。
19. 基板上にデバイスを形成するデバイス製造方法であって、
    請求項１５又は１６に記載の露光装置を用いて前記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、
    を含むデバイス製造方法。
20. 基板上にデバイスを形成するデバイス製造方法であって、
    請求項１７又は１８に記載の露光方法を用いて前記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、
    を含むデバイス製造方法。

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