KR20190025062A

KR20190025062A - 조명 광학 장치, 노광 장치, 조명 방법, 노광 방법 및 디바이스 제조 방법

Info

Publication number: KR20190025062A
Application number: KR1020197006116A
Authority: KR
Inventors: 오사무 타니츠
Original assignee: 가부시키가이샤 니콘
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2019-03-08
Also published as: HK1193479A1; US20120202157A1; TW201316141A; US9857599B2; TWI464539B; EP2620800A3; CN103777363B; KR20160137679A; EP2203778B1; JP2015029128A; CN103777363A; US8379187B2; TW201447506A; EP2620799A2; EP2273304A1; KR101680620B1; KR20100084559A; EP2273305A3; WO2009054541A3; CN101765799A

Abstract

조명 광학 장치는 광학 유닛(3)을 구비한다. 광학 유닛은, 입사 광속을 2개의 광속으로 분할하는 광 분할기(35)와, 제 1 광속의 광로에 배치될 수 있는 제 1 공간 광 변조기(33)와, 제 2 광속의 광로에 배치될 수 있는 제 2 공간 광 변조기(34)와, 제 1 공간 광 변조기를 통과한 광속과 제 2 공간 광 변조기를 통과한 광속을 합성하는 광 합성기(36)를 구비하며, 제 1 공간 광 변조기 및 제 2 공간 광 변조기는, 이차원적으로 배열되며 개별적으로 제어되는 복수의 광학 요소(33a, 34a)를 각각 갖는다.

Description

조명 광학 장치, 노광 장치, 조명 방법, 노광 방법 및 디바이스 제조 방법{OPTICAL UNIT, ILLUMINATION OPTICAL APPARATUS, EXPOSURE APPARATUS, AND DEVICE MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 광학 유닛, 조명 광학 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 반도체 소자, 촬상 소자, 액정 디스플레이 장치, 박막 자기 헤드 등의 디바이스를 리소그래피에 의해 제조하기 위한 노광 장치에 매우 적합한 조명 광학 장치에 관한 것이다.

이런 종류의 전형적인 노광 장치에서는, 광원으로부터 사출된 광속이 옵티컬 인테그레이터(optical integrator)로서의 플라이 아이 렌즈를 통과하여, 다수의 광원으로 구성되는 실질적인 면광원으로서의 2차 광원(일반적으로는 조명 동공 상의 사전 결정된 광 강도 분포)을 형성한다. 이하, 조명 동공 상의 광 강도 분포를, "조명 동공 휘도 분포"라 한다. 또한, 조명 동공이란, 조명 동공과 피조사면(노광 장치의 경우에는 마스크 또는 웨이퍼) 사이의 광학계의 작용에 의해, 피조사면이 조명 동공의 푸리에 변환 면이 되는 위치로서 정의된다.

2차 광원으로부터의 광속은, 콘덴서 렌즈에 의해 집광된 후, 사전 결정된 패턴이 형성된 마스크를 중첩적으로 조명한다. 마스크를 통과한 빛이 투영 광학계를 통과하여 웨이퍼 상에 결상됨으로써, 마스크 패턴이 웨이퍼 상에 투영(또는 전사)되어 노광된다. 마스크에 형성된 패턴은 고 집적화되어 있기 때문에, 이 미세 패턴을 웨이퍼 상에 정확하게 전사하려면 웨이퍼 상에 균일한 조도 분포가 얻어져야만 한다.

종래, 줌 광학계의 사용 없이 조명 동공 휘도 분포(나아가서는 조명 조건)를 연속적으로 변경할 수 있는 조명 광학 장치가 제안되어 있다(일본 특허 공개 제 2002-353105 호 참조). 일본 특허 공개 제 2002-353105 호에 개시된 조명 광학 장치는, 어레이(array) 형태로 배열되는 한편 경사각 및 경사 방향이 개별적으로 구동 및 제어되는 다수의 마이크로 거울 요소에 의해 구성된 가동 멀티 거울을 사용하며, 입사 광속이 거울 요소의 반사면에 대응하는 미소 단위의 광속으로 분할되고, 미소 단위의 광속이 멀티 거울에 의해 편향됨으로써 입사 광속의 단면을 희망하는 형상 또는 희망하는 크기로 변환하며, 나아가서는 희망하는 조명 동공 휘도 분포를 실현하도록 구성되어 있다.

본 발명의 목적은, 조명 동공 휘도 분포의 형상 및 크기의 관점에서 보다 더 다양한 조명 조건을 실현할 수 있는 조명 광학 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 다양한 조명 조건을 실현할 수 있는 조명 광학 장치를 사용하여, 패턴 특성에 따라 실현된 적절한 조명 조건 하에서 양호한 노광을 실행할 수 있는 노광 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제 1 실시형태는,

입사 광로를 진행하는 입사 광속을 복수의 광속으로 분할하는 광 분할기와,

복수의 광속 중 제 1 광속의 광로에 배치될 수 있는 제 1 공간 광 변조기와,

복수의 광속 중 제 2 광속의 광로에 배치될 수 있는 제 2 공간 광 변조기와,

제 1 공간 광 변조기를 통과한 광속과 제 2 공간 광 변조기를 통과한 광속을 합성하며, 합성 광속을 사출 광로로 향하게 하는 광 합성기를 포함하며,

제 1 공간 광 변조기 및 제 2 공간 광 변조기 중 적어도 하나의 공간 광 변조기는, 이차원적으로 배열되며 개별적으로 제어되는 복수의 광학 요소를 구비하며,

광 분할기측의 입사 광로 및 광 합성기측의 사출 광로는 동일한 방향으로 연장되는 광학 유닛을 제공한다.

본 발명의 제 2 실시형태는, 광원으로부터의 빛에 근거하여 피조사면을 조명하는 조명 광학 장치로서, 제 1 실시형태의 광학 유닛과, 제 1 및 제 2 공간 광 변조기를 통과한 광속에 근거하여, 조명 광학 장치의 조명 동공에 사전 결정된 광 강도 분포를 형성하는 분포 형성 광학계를 포함하는 조명 광학 장치를 제공한다.

본 발명의 제 3 실시형태는, 사전 결정된 패턴을 조명하기 위한 제 2 실시형태의 조명 광학 장치를 구비하며, 사전 결정된 패턴을 감광성 기판 상에 노광하는 노광 장치를 제공한다.

본 발명의 제 4 실시형태는,

제 3 실시형태의 노광 장치를 사용하여, 사전 결정된 패턴을 감광성 기판 상에 노광하는 노광 단계와,

사전 결정된 패턴이 전사된 감광성 기판을 현상하여, 사전 결정된 패턴에 대응하는 형상의 마스크 층을 감광성 기판의 표면 상에 형성하는 현상 단계와,

마스크 층을 통해 감광성 기판의 표면을 처리하는 처리 단계를 포함하는 디바이스 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 조명 광학 장치는 조명 동공 휘도 분포의 형상 및 크기의 관점에서 보다 다양한 조명 조건을 실현할 수 있다. 또한, 본 발명의 노광 장치는, 다양한 조명 조건을 실현할 수 있는 조명 광학 장치를 사용하여, 마스크(M)의 패턴 특성에 따라 실현된 적절한 조명 조건 하에서 양호한 노광을 실행할 수 있으며, 나아가서는 양호한 디바이스를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면,
도 2는 공간 광 변조 유닛의 구성을 개략적으로 도시하는 도면,
도 3은 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈의 구성을 개략적으로 도시하는 사시도,
도 4는 본 실시예에서 어포컬 렌즈의 동공면에 형성된 4극형 광 강도 분포를 개략적으로 도시하는 도면,
도 5는 본 실시예에서 5극형 조명 동공 휘도 분포를 형성하는 예를 개략적으로 도시하는 도면,
도 6은 광 분할기 및 광 합성기가 공통의 편광 빔 분할기를 갖는 변형예에 따른 공간 광 변조 유닛의 구성을 개략적으로 도시하는 도면,
도 7은 투과형 공간 광 변조기를 갖는 다른 변형예에 따른 공간 광 변조 유닛의 구성을 개략적으로 도시하는 도면,
도 8은 편광 제어 유닛을 갖는 변형예에 따른 노광 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면,
도 9는 광 분할기로서 회절 광학 소자를 사용하는 변형예의 주요 구성을 개략적으로 도시하는 도면,
도 10은 도 9에 도시된 공간 광 변조 유닛의 구성을 개략적으로 도시하는 도면,
도 11은 도 9에 도시된 공간 광 변조 유닛 내의 공간 광 변조기의 부분 사시도,
도 12는 광 분할기로서 프리즘 유닛을 사용하는 변형예의 주요 구성을 개략적으로 도시하는 도면,
도 13은 반도체 디바이스의 제조 단계를 도시하는 플로우차트,
도 14는 액정 디스플레이 장치 등의 액정 디바이스의 제조 단계를 도시하는 플로우차트.

본 발명의 실시예를 첨부 도면에 근거하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 2는 공간 광 변조 유닛의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 1에서, 감광성 기판인 웨이퍼(W)의 법선 방향을 따라 Z축이, 웨이퍼(W)의 표면에 있어서 도 1의 지면에 평행한 방향으로 Y축이, 웨이퍼(W)의 표면에 있어서 도 1의 지면에 수직인 방향으로 X축이 각각 설정되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 노광 장치는 노광광(조명광)을 공급하기 위한 광원(1)을 구비한다. 광원(1)은 예컨대 193㎚의 파장의 빛을 공급하는 ArF 엑시머 레이저 광원이나 248㎚의 파장의 빛을 공급하는 KrF 엑시머 레이저 광원일 수 있다. 광원(1)으로부터 사출된 빛은 정형 광학계(2)에 의해 필요한 단면 형상의 광속으로 확대되며, 확대된 광속이 공간 광 변조 유닛(3)에 입사한다.

공간 광 변조 유닛(3)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 한쌍의 프리즘 부재(31, 32)와 한쌍의 공간 광 변조기(33, 34)를 구비한다. 공간 광 변조 유닛(3) 내의 프리즘 부재(31)의 입사면(31a)에 광축(AX)을 따라 입사한 빛은, 프리즘 부재(31)의 내부에서 전파된 후, 프리즘 부재(31, 32) 사이에 형성된 편광 분리막(polarization separating film)(35)에 충돌한다. 편광 분리막(35)에 의해 반사된 s-편광(s-polarized light)은 프리즘 부재(31)의 내부에서 전파된 후, 제 1 공간 광 변조기(33)에 충돌한다.

제 1 공간 광 변조기(33)는 이차원적으로 배열된 복수의 거울 요소(일반적으로는 광학 요소)(33a)와, 복수의 거울 요소(33a)의 자세를 개별적으로 제어 및 구동하는 구동 유닛(33b)(도 1에는 도시되지 않음)을 갖는다. 유사하게, 제 2 공간 광 변조기(34)는, 이차원적으로 배열된 복수의 거울 요소(34a)와, 복수의 거울 요소(34a)의 자세를 개별적으로 제어 및 구동하는 구동 유닛(34b)(도 1에는 도시되지 않음)을 갖는다. 구동 유닛(33b, 34b)은, 도시되지 않은 제어 유닛으로부터의 명령에 따라 복수의 거울 요소(33a, 34a)의 자세를 개별적으로 제어 및 구동한다.

제 1 공간 광 변조기(33)의 복수의 거울 요소(33a)에 의해 반사된 빛은, 프리즘 부재(31)의 내부에서 전파된 후, s-편광 상태로 프리즘 부재(31, 32) 사이에 형성된 편광 분리막(36)에 입사한다. 제 1 공간 광 변조기(33)를 거쳐 편광 분리막(36)으로 반사될 빛은, 프리즘 부재(31)의 내부에서 전파된 후, 프리즘 부재(31)의 사출면(31b)으로부터 공간 광 변조 유닛(3)의 외부로 사출된다. 제 1 공간 광 변조기(33)의 모든 거울 요소(33a)의 반사면이 XY 평면을 따라 위치 설정된 기준 상태에서는, 광축(AX)을 따라 공간 광 변조 유닛(3)에 입사하여 제 1 공간 광 변조기(33)를 거친 빛이 공간 광 변조 유닛(3)으로부터 광축(AX)을 따라 사출된다.

한편, 편광 분리막(35)을 통과한 p-편광(p-polarized light)은, 프리즘 부재(32)의 내부에서 전파되며, 프리즘 부재(32)와 기체(공기 또는 불활성 가스)(37) 사이의 계면(32a)에서 전반사된다. 그 후, 전반사된 빛은 제 2 공간 광 변조기(34)에 입사한다. 제 2 공간 광 변조기(34)의 복수의 거울 요소(34a)에 의해 반사된 빛은 프리즘 부재(32)의 내부에서 전파되며, 프리즘 부재(32)와 가스(37) 사이의 계면(32b)에서 전반사된다. 그 후, 전반사된 빛은 p-편광 상태로 프리즘 부재(31, 32) 사이에 형성된 편광 분리막(36)에 입사한다.

제 2 공간 광 변조기(34)를 거쳐 편광 분리막(36)을 통과한 빛은, 프리즘 부재(31)의 내부에서 전파된 후, 프리즘 부재(31)의 사출면(31b)으로부터 공간 광 변조 유닛(3)의 외부로 사출된다. 제 2 공간 광 변조기(34)의 모든 거울 요소(34a)의 반사면이 XY 평면을 따라 위치 설정된 기준 상태에서는, 광축(AX)을 따라 공간 광 변조 유닛(3)에 입사하여 제 2 공간 광 변조기(34)를 거친 빛이 공간 광 변조 유닛(3)으로부터 광축(AX)을 따라 사출된다.

상술한 바와 같이, 공간 광 변조 유닛(3)에 있어서, 프리즘 부재(31, 32) 사이에 형성된 편광 분리막(35)은, 입사 광속을 2개의 광속(일반적으로는 복수의 광속)으로 분할하는 광 분할기를 구성한다. 또한, 프리즘 부재(31, 32) 사이에 형성된 편광 분리막(36)은, 제 1 공간 광 변조기(33)를 통과한 광속과 제 2 공간 광 변조기(34)를 통과한 광속을 합성하는 광 합성기를 구성한다.

공간 광 변조 유닛(3)으로부터 사출된 빛은 어포컬 렌즈(afocal lens)(4)에 입사한다. 어포컬 렌즈(4)는, 그 전측 초점 위치가 제 1 공간 광 변조기(33)의 복수의 거울 요소(33a)의 위치 및 제 2 공간 광 변조기(34)의 복수의 거울 요소(34a)의 위치와 거의 일치하는 한편 그 후측 초점 위치가 도면에서 점선으로 도시된 사전 결정된 면(5)의 위치와 거의 일치하도록 설정된 어포컬계(무초점 광학계)이다.

따라서, 제 1 공간 광 변조기(33)를 통과한 s-편광의 광속은, 어포컬 렌즈(4)의 동공면에, 예컨대 광축(AX)을 중심으로 Z-방향으로 이격된 2개의 원형 광 강도 분포로 구성되는 Z-방향 2극형 광 강도 분포를 형성한 후, 2극형 각도 분포로 어포컬 렌즈(4)로부터 사출된다. 한편, 제 2 공간 광 변조기(34)를 통과한 p-편광의 광속은, 어포컬 렌즈(4)의 동공면에, 예컨대 광축(AX)을 중심으로 X-방향으로 이격된 2개의 원형 광 강도 분포로 구성되는 X-방향 2극형 광 강도 분포를 형성한 후, 2극형 각도 분포로 어포컬 렌즈(4)로부터 사출된다.

어포컬 렌즈(4)의 전측 렌즈 유닛(4a)과 후측 렌즈 유닛(4b) 사이의 광로에 있어서 어포컬 렌즈(4)의 동공면의 위치 또는 그 근처의 위치에는, 원추형 엑시콘계(6)가 배치된다. 원추형 엑시콘계(6)의 구성 및 작용에 대해서는 후술한다. 어포컬 렌즈(4)를 통과한 광속은, σ값(σ값 = 조명 광학 장치의 마스크측 개구수/투영 광학계의 마스크측 개구수) 가변용의 줌 렌즈(7)를 거쳐, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)에 입사한다.

원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 광원측에 배치된 제 1 플라이 아이 부재(8a)와 마스크측에 배치된 제 2 플라이 아이 부재(8b)로 구성되어 있다. 제 1 플라이 아이 부재(8a)의 광원측의 면 및 제 2 플라이 아이 부재(8b)의 광원측의 면에는, X-방향으로 배열된 원통형 렌즈군(8aa, 8ba)이 각각 피치(p1)로 형성되어 있다. 제 1 플라이 아이 부재(8a)의 마스크측의 면 및 제 2 플라이 아이 부재(8b)의 마스크측의 면에는, Z-방향으로 배열된 원통형 렌즈군(8ab, 8bb)이 각각 피치(p2)(p2＞p1)로 형성되어 있다.

원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 X-방향으로의 굴절 작용(즉, XY 평면에서의 굴절 작용)에 주목하면, 광축(AX)을 따라 입사한 평행 광속은, 제 1 플라이 아이 부재(8a)의 광원측에 형성된 원통형 렌즈군(8aa)에 의해 X-방향을 따라 피치(p1)로 파면 분할되어 원통형 렌즈군의 굴절면에서 집광 작용을 받으며, 그 후, 집광된 광속은 제 2 플라이 아이 부재(8b)의 광원측에 형성된 원통형 렌즈군(8ba) 중 대응하는 원통형 렌즈의 굴절면에서 집광 작용을 받아 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 후측 초점면 상에 집광한다.

원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 Z-방향으로의 굴절 작용(즉, YZ 평면에서의 굴절 작용)에 주목하면, 광축(AX)을 따라 입사한 평행 광속은, 제 1 플라이 아이 부재(8a)의 마스크측에 형성된 원통형 렌즈군(8ab)에 의해 Z-방향을 따라 피치(p2)로 파면 분할되어 원통형 렌즈군의 굴절면에서 집광 작용을 받으며, 그 후, 집광된 광속은 제 2 플라이 아이 부재(8b)의 마스크측에 형성된 원통형 렌즈군(8bb) 중 대응하는 원통형 렌즈의 굴절면에서 집광 작용을 받아 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 후측 초점면 상에 집광한다.

상술한 바와 같이, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)는, 원통형 렌즈군이 양측면에 배치된 제 1 플라이 아이 부재(8a)와 제 2 플라이 아이 부재(8b)에 의해 구성되며, X-방향으로의 p1의 크기 및 Z-방향으로의 p2의 크기를 갖는 다수의 직사각형의 마이크로 굴절면이 종횡으로 그리고 조밀하게 일체 형성된 마이크로 플라이 아이 렌즈와 동일한 광학적 기능을 발휘한다. 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)는, 마이크로 굴절면의 면형상의 격차에 기인하는 왜곡 수차의 변화를 작게 억제하여, 예컨대 에칭 가공에 의해 일체적으로 형성되는 다수의 마이크로 굴절면의 제조 오차가 조도 분포에게 주는 영향을 작게 억제할 수 있다.

사전 결정된 면(5)의 위치는 줌 렌즈(7)의 전측 초점 위치의 근방에 배치되며, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 입사면은 줌 렌즈(7)의 후측 초점 위치의 근방에 배치되어 있다. 환언하면, 줌 렌즈(7)는 사전 결정된 면(5)과 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 입사면을 실질적으로 푸리에 변환의 관계로 설정하며, 그에 따라 어포컬 렌즈(4)의 동공면을 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 입사면과 광학적으로 거의 공역 관계에 있게 한다.

따라서, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 입사면 상에는, 어포컬 렌즈(4)의 동공면과 유사하게, 예컨대 광축(AX)을 중심으로 Z-방향으로 이격된 2개의 원형 광 강도 분포와 광축(AX)을 중심으로 X-방향으로 이격된 2개의 원형 광 강도 분포로 구성되는 4극형 조명 필드(quadrupolar illumination field)가 형성된다. 이 4극형 조명 필드의 전체 형상은 줌 렌즈(7)의 초점거리에 따라 유사하게 변화한다. 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)에 있어서의 파면 분할 단위로서의 직사각형의 마이크로 굴절면은 마스크(M) 상에 형성될 조명 필드의 형상(나아가서는 웨이퍼(W) 상에 형성될 노광 영역의 형상)과 유사한 직사각형이다.

원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)에 입사한 광속은, 그 후측 초점면 또는 그 근방(나아가서는 조명 동공)에, 입사 광속에 의해 형성되는 조명 필드와 거의 동일한 광 강도 분포를 갖는 2차 광원, 즉 광축(AX)을 중심으로 Z-방향으로 이격된 2개의 원형의 실질적인 면광원과 광축(AX)을 중심으로 X-방향으로 이격된 2개의 원형의 실질적인 면광원으로 구성되는 4극형 2차 광원(4극형 조명 동공 휘도 분포)을 형성하도록, 이차원적으로 분할된다. 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 후측 초점면 또는 그 근방에 형성된 2차 광원으로부터의 광속은 그 근방에 배치된 개구 조리개(aperture stop)(9)에 입사한다.

개구 조리개(9)는, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 후측 초점면 또는 그 근방에 형성되는 4극형 2차 광원에 대응하는 4극형 개구부(광 통과부)를 갖는다. 개구 조리개(9)는, 조명 광로에 대하여 탈착 가능하게 그리고 크기 및 형상이 다른 개구부를 갖는 복수의 개구 조리개와 교환 가능하게 구성되어 있다. 개구 조리개의 교환 방식은, 예컨대 주지의 터릿 방식이나 슬라이드 방식 등일 수 있다. 개구 조리개(9)는, 후술하는 투영 광학계(PL)의 입사 동공면과 광학적으로 거의 공역인 위치에 배치되며, 2차 광원의 조명에 기여하는 범위를 규정한다.

개구 조리개(9)에 의해 제한된 2차 광원으로부터의 빛은 콘덴서 광학계(10)를 통과하여 마스크 블라인드(11)를 중첩적으로 조명한다. 이러한 방식으로, 조명 필드 조리개로서의 마스크 블라인드(11)에는 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 파면 분할 단위로서의 직사각형의 마이크로 굴절면의 형상 및 초점거리에 따른 직사각형의 조명 필드가 형성된다. 마스크 블라인드(11)의 직사각형 개구부(광 통과부)를 통과한 광속은, 결상 광학계(12)의 집광 작용을 받은 후, 사전 결정된 패턴이 형성된 마스크(M)를 중첩적으로 조명한다. 즉, 결상 광학계(12)는 마스크 블라인드(11)의 직사각형 개구부의 이미지를 마스크(M) 상에 형성한다.

마스크 스테이지(MS) 상에 유지된 마스크(M)를 통과한 광속은 투영 광학계(PL)를 통과하여 웨이퍼 스테이지(WS) 상에 유지된 웨이퍼(감광성 기판)(W) 상에 마스크 패턴의 이미지를 형성한다. 이러한 방식으로, 투영 광학계(PL)의 광축(AX)과 직교하는 평면(XY 평면)에 있어서 웨이퍼 스테이지(WS)를 이차원적으로 구동 및 제어하면서 나아가서는 웨이퍼(W)를 이차원적으로 구동 및 제어하면서 일괄 노광 또는 스캔 노광을 실행함으로써, 웨이퍼(W)의 각 노광 영역에는 마스크(M)의 패턴이 순차적으로 전사된다.

원추형 엑시콘계(6)는, 광원측으로부터 명명된 순서에 따라, 광원측에 평면을 갖는 한편 마스크측에 오목 원추형의 굴절면을 갖는 제 1 프리즘 부재(6a)와, 마스크측에 평면을 갖는 한편 광원측에 볼록 원추형의 굴절면을 갖는 제 2 프리즘 부재(6b)로 구성되어 있다. 그리고, 제 1 프리즘 부재(6a)의 오목 원추형의 굴절면과 제 2 프리즘 부재(6b)의 볼록 원추형의 굴절면은 서로 접촉 가능하게 상보적으로 형성되어 있다. 또한, 제 1 프리즘 부재(6a) 및 제 2 프리즘 부재(6b) 중 적어도 하나의 부재는 광축(AX)을 따라 이동 가능하게 구성됨으로써, 제 1 프리즘 부재(6a)의 오목 원추형의 굴절면과 제 2 프리즘 부재(6b)의 볼록 원추형의 굴절면 사이의 간격을 가변적으로 할 수 있다. 이하, 이해를 용이하게 하기 위해, 4극형 또는 환형의 2차 광원에 주목하여, 원추형 엑시콘계(6)의 작용 및 줌 렌즈(7)의 작용을 설명한다.

제 1 프리즘 부재(6a)의 오목 원추형 굴절면과 제 2 프리즘 부재(6b)의 볼록 원추형 굴절면이 서로 접촉하고 있는 상태에서는, 원추형 엑시콘계(6)는 평행 평면 플레이트로서 기능하여, 형성되는 4극형 또는 환형의 2차 광원에 미치는 영향은 없다. 그러나, 제 1 프리즘 부재(6a)의 오목 원추형 굴절면과 제 2 프리즘 부재(6b)의 볼록 원추형 굴절면을 이격시키면, 4극형 또는 환형의 2차 광원의 폭[4극형 2차 광원에 외접하는 원의 직경(외경)과 내접하는 원의 직경(내경)과의 차이의 1/2; 환형 2차 광원의 외경과 내경과의 차이의 1/2]을 일정하게 유지하면서, 4극형 또는 환형의 2차 광원의 외경(내경)이 변화한다. 즉, 4극형 또는 환형의 2차 광원의 환형비(annular ratio)(내경/외경) 및 크기(외경)가 변화한다.

줌 렌즈(7)는, 4극형 또는 환형의 2차 광원의 전체 형상을 유사하게(등방성으로) 확대 또는 축소하는 기능을 갖는다. 예컨대, 줌 렌즈(7)의 초점거리를 최소값으로부터 사전 결정된 값에 확대시킴으로써, 4극형 또는 환형의 2차 광원의 전체 형상이 유사하게 확대된다. 환언하면, 줌 렌즈(7)의 작용에 의해, 4극형 또는 환형의 2차 광원의 환형비가 변화하는 일 없이, 2차 광원의 폭 및 크기(외경)가 함께 변화한다. 이와 같이, 4극형 또는 환형의 2차 광원의 환형비와 크기(외경)는 원추형 엑시콘계(6) 및 줌 렌즈(7)의 작용에 의해 제어될 수 있다.

본 실시예에서, 공간 광 변조기(33, 34)로서 예컨대 이차원적으로 배열된 거울 요소(33a, 34a)의 배향을 연속적으로 각각 변화시키는 공간 광 변조기를 사용하고 있다. 이러한 공간 광 변조기는, 예컨대 일본 특허 공개 제 1998-503300 호 공보 및 이에 대응하는 유럽 특허 공개 제 EP 779530 호 공보, 일본 특허 공개 제 2004-78136 호 공보 및 이에 대응하는 미국 특허 제 6,900,915 호 공보, 일본 특허 공개 제 2006-524349 호 공보 및 이에 대응하는 미국 특허 제 7,095,546 호 공보, 및 일본 특허 공개 제 2006-113437 호 공보에 개시된 공간 광 변조기로부터 선택될 수 있다. 또한, 이차원적으로 배열된 거울 요소(33a, 34a)의 배향을 이산된 복수의 단계로 제어할 수도 있다.

제 1 공간 광 변조기(33)에서는, 제어 유닛으로부터의 제어 신호에 따라 작동하는 구동 유닛(33b)의 작용에 의해, 거울 요소(33a)의 자세가 각각 변화함으로써, 각 거울 요소(33a)가 각각 사전 결정된 배향으로 설정된다. 제 1 공간 광 변조기(33)의 거울 요소(33a)에 의해 각각 사전 결정된 각도로 반사된 s-편광은, 도 4에 도시된 바와 같이, 어포컬 렌즈(4)의 동공면에, 예컨대 광축(AX)을 중심으로 Z-방향으로 이격된 2개의 원형 광 강도 분포 영역(41a, 41b)을 형성한다. 광 강도 분포 영역(41a, 41b)을 형성하는 빛은 도면에서 양방향 화살표로 도시된 바와 같이 X-방향에 따른 편광 방향을 갖는다.

유사하게, 제 2 공간 광 변조기(34)에서는, 제어 유닛으로부터의 제어 신호에 따라 작동하는 구동 유닛(34b)의 작용에 의해, 거울 요소(34a)의 자세가 각각 변화함으로써, 각 거울 요소(34a)가 각각 사전 결정된 배향으로 설정된다. 제 2 공간 광 변조기(34)의 거울 요소(34a)에 의해 각각 사전 결정된 각도로 반사된 p-편광은, 도 4에 도시된 바와 같이, 어포컬 렌즈(4)의 동공면에, 예컨대 광축(AX)을 중심으로 X-방향으로 이격된 2개의 원형 광 강도 분포 영역(41c, 41d)을 형성한다. 광 강도 분포 영역(41c, 41d)을 형성하는 빛은 도면에서 양방향 화살표로 도시된 바와 같이 Z-방향에 따른 편광 방향을 갖는다. 공간 광 변조 유닛(3)에 입사하는 광속의 편광 상태가 원 편광 또는 편광 방향이 X축 및 Z축과 45°의 각도를 이루는 선형 편광(이하, "45° 선형 편광"이라고도 함)인 경우, 4개의 광 강도 분포 영역(41a, 41b, 41c, 41d)의 광 강도는 서로 동일해진다.

어포컬 렌즈(4)의 동공면에 4극형 광 강도 분포 영역(41)을 형성한 빛은, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 입사면, 및 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 후측 초점면 또는 그 근처의 조명 동공[개구 조리개(9)가 배치되어 있는 위치]에, 광 강도 분포 영역(41a, 41b, 41c, 41d)에 대응하는 4극형 광 강도 분포를 형성한다. 즉, 어포컬 렌즈(4), 줌 렌즈(7) 및 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)는, 제 1 공간 광 변조기(33) 및 제 2 공간 광 변조기(34)를 통과한 광속에 근거하여, 조명 광학 장치(2~12)의 조명 동공에 사전 결정된 광 강도 분포를 형성하는 분포 형성 광학계를 구성한다. 나아가, 개구 조리개(9)와 광학적으로 공역인 다른 조명 동공 위치, 즉 결상 광학계(12)의 동공 위치 및 투영 광학계(PL)의 동공 위치에도, 광 강도 분포 영역(41a, 41b, 41c, 41d)에 대응하는 4극형 광 강도 분포가 형성된다.

노광 장치는, 마스크(M)의 패턴을 웨이퍼(W)에 고정밀도로 그리고 정확하게 전사하기 위해, 패턴 특성에 따른 적절한 조명 조건 하에서 노광을 실행한다. 본 실시예에서, 형성될 조명 동공 휘도 분포는 도 4에 도시된 4극형 광 강도 분포 영역(41)에 대응하는 4극형 조명 동공 휘도 분포이며, 이 4극형 조명 동공 휘도 분포를 통과하는 광속이 원주 방향 편광 상태(circumferential polarization state)로 설정된다. 원주 방향 편광 상태에서의 4극형 조명 동공 휘도 분포에 근거하는 원주 방향 편광 4극형 조명에서, 최종적인 피조사면으로서의 웨이퍼(W) 상에 조사되는 빛은 s-편광을 주성분으로 하는 편광 상태가 된다.

여기서, s-편광이란, 입사면에 대하여 수직인 방향에 따른 편광 방향을 갖는 선형 편광(입사면에 수직인 방향으로 전기 벡터가 진동하고 있는 편광)이다. 또한, 입사면은, 빛이 매질의 경계면[피조사면 : 웨이퍼(W)의 표면]에 충돌하는 지점을 포함하는 면으로서, 그 지점에서의 경계면의 법선 및 빛의 입사 방향을 포함하는 면으로 정의된다. 그 결과, 원주 방향 편광 4극형 조명은 투영 광학계의 광학 성능(초점 심도 등)을 향상시킴으로써, 웨이퍼(감광성 기판) 상에 높은 명암 대비의 양호한 마스크 패턴 이미지가 얻어진다.

본 실시예는 거울 요소(33a, 34a)의 자세가 각각 개별적으로 변경되는 한쌍의 공간 광 변조기(33, 34)를 구비한 공간 광 변조 유닛(3)을 사용하고 있으므로, 제 1 공간 광 변조기(33)의 작용에 의해 조명 동공에 형성되는 s-편광 상태의 제 1 광 강도 분포와 제 2 공간 광 변조기(34)의 작용에 의해 조명 동공에 형성되는 p-편광 상태의 제 2 광 강도 분포로 구성되는 조명 동공 휘도 분포를 자유롭게 그리고 신속하게 변화시킬 수 있다. 환언하면, 본 실시예는, 서로 상이한 편광 상태의 제 1 광 강도 분포 및 제 2 광 강도 분포의 형상 및 크기를 각각 변화시킴으로써, 조명 동공 휘도 분포의 형상, 크기 및 편광 상태의 면에서 다양한 조명 조건을 실현할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 있어서 광원(1)으로부터의 빛에 근거하여 피조사면으로서의 마스크(M)를 조명하는 조명 광학 장치(2~12)는 조명 동공 휘도 분포의 형상, 크기 및 편광 상태의 면에서 다양한 조명 조건을 실현할 수 있다. 또한, 본 실시예의 노광 장치(1~WS)는 다양한 조명 조건을 실현할 수 있는 조명 광학 장치(2~12)를 사용하여, 마스크(M)의 패턴 특성에 따라 실현된 적절한 조명 조건 하에서 양호한 노광을 실행할 수 있다.

본 실시예에서, 공간 광 변조기(33, 34)가 기준 상태에 있는 경우, 광 분할기로서 기능하는 편광 분리막(35)으로의 입사 광속의 진행 방향과 광 합성기로서 기능하는 편광 분리막(36)으로부터의 사출 광속의 진행 방향이 평행하다(또는 일치함). 환언하면, 공간 광 변조기(33, 34)의 기준 상태에서, 공간 광 변조 유닛(3)으로의 입사 광속 및 공간 광 변조 유닛(3)으로부터의 사출 광속의 진행 방향은 조명 광학 장치의 광축(AX)과 일치한다(또는 평행임). 공간 광 변조 유닛(3)의 상류측 및 하류측의 광로가 동축(또는 평행)이 되므로, 광학계는 예컨대 조명 동공 휘도 분포의 형성을 위해 회절 광학 소자를 사용하는 종래의 조명 광학 장치와 공용할 수 있다.

본 실시예에서, 제 1 공간 광 변조기(33)의 거울 요소(33a)는 프리즘 부재(31) 근처에 배치되며, 제 2 공간 광 변조기(34)의 거울 요소(34a)는 프리즘 부재(32) 근처에 배치되어 있다. 이 경우, 프리즘 부재(31, 32)는 공간 광 변조기(33, 34)의 내구성을 향상시킬 수 있는 거울 요소(33a, 34a)용 커버 부재로서 기능한다.

본 실시예에서, 공간 광 변조 유닛(3)은 프리즘 부재(31, 32) 사이에 형성된 편광 분리막(35)에 대한 빛의 입사각(θ)(도 2 참조)이 브루스터의 각(Brewster's angle)에 근접하도록 설계될 수도 있다. 이 구성에 의하면, 편광 분리막(35)으로의 p-편광의 반사율을 작게 억제하여 편광 효율을 높일 수 있다. 편광 분리막(35, 36)은 유전체 다층막으로 형성되는 것으로 한정되지 않으며, 예컨대 "주기적인 격자 구조를 갖는 편광 분리층"을 갖는 것일 수도 있다. 이러한 유형의 "주기적인 격자 구조를 갖는 편광 분리층"은, 제 1 방향에 평행한 복수의 금속 격자가 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 주기적인 배열되는 와이어 그리드형 편광 분리 소자일 수 있다. 이러한 기술은, 예컨대 일본 특허 공개 제 2005-77819 호 공보 및 이에 대응하는 미국 특허 제 7,116,478 호 공보에 개시되어 있다.

상기 실시예에서, 공간 광 변조 유닛(3)은 한쌍의 프리즘 부재(31, 32)와 한쌍의 공간 광 변조기(33, 34)로 구성된다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 공간 광 변조 유닛(3)의 구체적인 구성에 대해서는 다양한 형태가 가능하다.

상기 실시예에서, 어포컬 렌즈(4), 원추형 엑시콘계(6) 및 줌 렌즈(7)는 공간 광 변조 유닛(3)과 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8) 사이의 광로 내에 배치되어 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 이들 광학 부재는, 예컨대 푸리에 변환 렌즈로서 기능하는 집광 광학계에 의해 대체될 수도 있다.

상기 실시예에서, 광 분할기로서 기능하는 편광 분리막(35)을 통과한 p-편광은 제 1 편향면으로서 프리즘 부재(32)와 가스(37) 사이의 계면(32a) 상의 전반사에 의해 제 2 공간 광 변조기(34) 쪽으로 편향된다. 유사하게, 제 2 공간 광 변조기(34)를 통과한 p-편광은, 프리즘 부재(32)와 가스(37) 사이의 계면(32b) 상의 전반사에 의해, 광 합성기로서 기능하는 편광 분리막(36) 쪽으로 편향된다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 계면(32a, 32b) 상에 반사막을 제공할 수도 있다.

상기의 설명에서, 4극형 조명 동공 휘도 분포는, 제 1 공간 광 변조기(33)의 작용에 의한 Z-방향 2극형 광 강도 분포 영역(41a, 41b)의 형성 및 제 2 공간 광 변조기(34)의 작용에 의한 X-방향 2극형 광 강도 분포 영역(41c, 41d)의 형성에 의해 형성된다. 그러나, 상기한 바와 같이, 본 실시예에서, 조명 동공 휘도 분포의 형상, 크기 및 편광 상태의 관점에서 다양한 형태가 고려될 수 있다. 이하에서는, 도 5를 참조하여, 5극형 조명 동공 휘도 분포를 형성하는 예를 개략적으로 설명한다.

본 예에서, 도 5의 좌측에 도시된 바와 같이, 예컨대 광축(AX)을 중심으로 Z-방향으로 이격된 2개의 원형 광 강도 분포 영역(42a, 42b)과 광축(AX)을 중심으로 한 원형 광 강도 분포 영역(42c')이 제 1 공간 광 변조기(33)의 작용에 의해 어포컬 렌즈(4)의 동공면에 형성된다. 광 강도 분포 영역(42a, 42b, 42c')을 형성하는 빛은 도면에서 양방향 화살표로 표시된 바와 같은 X-방향에 따른 편광 방향을 갖는다. 한편, 도 5의 중앙측에 도시된 바와 같이, 예컨대 광축(AX)을 중심으로 X-방향으로 이격된 2개의 원형 광 강도 분포 영역(42d, 42e)과 광축(AX)을 중심으로 한 원형 광 강도 분포 영역(42c")이 제 2 공간 광 변조기(34)의 작용에 의해 어포컬 렌즈(4)의 동공면에 형성된다. 광 강도 분포 영역(42d, 42e, 42c")을 형성하는 빛은 도면에서 양방향 화살표로 표시된 바와 같은 Z-방향에 따른 편광 방향을 갖는다.

그 결과, 어포컬 렌즈(4)의 동공면에는, 도 5의 우측에 도시된 바와 같이, 5극형 광 강도 분포 영역(42a, 42b, 42c, 42d, 42e)이 형성된다. 광축(AX)을 중심으로 한 원형 광 강도 분포 영역(42c)은 광 강도 분포 영역(42c')과 광 강도 분포 영역(42c")의 중첩에 의해 형성된다. 제 1 공간 광 변조기(33)를 거쳐 어포컬 렌즈(4)의 동공면에 도달하는 s-편광과 제 2 공간 광 변조기(34)를 거쳐 어포컬 렌즈(4)의 동공면에 도달하는 p-편광 사이에, 광원(1)의 시간적 간섭 길이(temporal coherence length) 이상의 광로 길이 차(optical path length difference)가 부여되어 있는 경우, 도면에서 양방향 화살표로 표시된 바와 같은 Z-방향에 따른 편광 방향을 갖는 광속 및 X-방향에 따른 편광 방향을 갖는 광속이 광 강도 분포 영역(42c)을 통과한다.

이에 비하여, 제 1 공간 광 변조기(33)를 거쳐 어포컬 렌즈(4)의 동공면에 도달하는 s-편광과 제 2 공간 광 변조기(34)를 거쳐 어포컬 렌즈(4)의 동공면에 도달하는 p-편광 사이에 광로 길이 차가 없는 경우, 광 강도 분포 영역(42c)을 통과하는 광속의 편광 상태는 공간 광 변조 유닛(3)으로의 입사 광속의 편광 상태와 일치한다. 공간 광 변조 유닛(3)에 입사하는 광속의 편광 상태가 원 편광 또는 45° 선형 편광인 경우, 4개의 주변의 광 강도 분포 영역(42a, 42b, 42d, 42e)의 광 강도는 서로 동일하게 되고, 중앙의 광 강도 분포 영역(42c)의 광 강도는 그 2배가 된다.

다른 예로서, 1/2 파장판을 통과한 빛을 광 분할기로서 기능하는 편광 분리막(35)에 입사시킬 수도 있다. 편광 분리막(35)에 의해 분리되는 s-편광의 강도와 p-편광의 강도와의 비는 편광 분리막(35)에 대하여 광원측에 배치되는 1/2 파장판을 광축을 중심으로 회전시킴으로써 제어할 수 있다. 즉, 어포컬 렌즈(4)의 동공면에 도달하는 s-편광의 강도와 p-편광의 강도와의 비를 제어할 수 있다. 또한, 예컨대 편광 분리막(35)에 입사하는 s-편광을 형성하도록 1/2 파장판의 회전각을 제어하거나, 또는 편광 분리막(35)에 입사하는 p-편광을 형성하도록 1/2 파장판의 회전각을 제어함으로써, s-편광 또는 p-편광만이 어포컬 렌즈(4)의 동공면에 도달하게 할 수도 있다. 이에 의해, 2극형 광 강도 분포[예컨대, 도 4의 광 강도 분포 영역(41a, 41b)]가 어포컬 렌즈(4)의 동공면에 형성되게 할 수 있다.

상기 실시예에서, 광 분할면에 위치하는 편광 분리막(35)은 광 분할기로서 기능하며, 편광 분리막(35)과 상이한 위치에 배치된 광 합성면에 위치하는 편광 분리막(36)은 광 합성기로서 기능한다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 예컨대 도 6에 도시된 바와 같이, 광 분할기 및 광 합성기가 공통의 편광 빔 분할기(51)를 갖는 변형예를 채용할 수도 있다. 도 6의 변형예에 도시된 공간 광 변조 유닛(3A)에서, 광축(AX)을 따라 편광 빔 분할기(51)에 입사한 빛 중, 편광 분리막(51a)에서 반사된 s-편광은 1/4 파장판(52)을 통과하여 원형 편광이 되며, 이 원형 편광이 제 1 공간 광 변조기(53)에 입사한다.

제 1 공간 광 변조기(53)의 복수의 거울 요소에 의해 반사된 빛은 1/4 파장판(52)을 통과하여 p-편광이 되며, 이 p-편광은 편광 빔 분할기(51)로 돌아온다. 제 1 공간 광 변조기(53)를 거쳐 편광 빔 분할기(51)에 입사한 p-편광은, 편광 분리막(51a)을 통과하여 편광 빔 분할기(51)로부터 사출된다. 제 1 공간 광 변조기(53)의 기준 상태에서, 광축(AX)을 따라 공간 광 변조 유닛(3A)에 입사하여 제 1 공간 광 변조기(53)를 거친 빛은 공간 광 변조 유닛(3A)으로부터 광축(AX)을 따라 사출된다.

한편, 편광 빔 분할기(51)의 편광 분리막(51a)을 통과한 p-편광은 1/4 파장판(54)을 통과하여 원형 편광이 되며, 이 원형 편광이 제 2 공간 광 변조기(55)에 입사한다. 제 2 공간 광 변조기(55)의 복수의 거울 요소에 의해 반사된 빛은 1/4 파장판(54)을 통과하여 s-편광이 되며, 이 s-편광은 편광 빔 분할기(51)로 돌아온다. 제 2 공간 광 변조기(55)를 거쳐 편광 빔 분할기(51)에 입사한 s-편광은 편광 분리막(51a)에 의해 반사되며, 이 반사된 빛이 편광 빔 분할기(51)로부터 사출된다. 제 2 공간 광 변조기(55)의 기준 상태에서, 광축(AX)을 따라 공간 광 변조 유닛(3A)에 입사하여 제 2 공간 광 변조기(55)를 거친 빛은 공간 광 변조 유닛(3A)으로부터 광축(AX)을 따라 사출된다.

상기의 설명에서, 이차원적으로 배열되며 개별적으로 제어되는 복수의 광학 요소를 갖는 공간 광 변조기는 이차원적으로 배열된 복수의 반사면의 배향(각도 : 기울기)이 개별적으로 제어될 수 있는 것이다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 예컨대 이차원적으로 배열된 복수의 반사면의 높이(위치)를 개별적으로 제어할 수 있는 공간 광 변조기를 사용할 수도 있다. 이러한 유형의 공간 광 변조기는, 예컨대 일본 특허 공개 제 1994-281869 호 공보 및 이에 대응하는 미국 특허 제 5,312,513 호 공보, 및 일본 특허 공개 제 2004-520618 호 공보 및 이에 대응하는 미국 특허 제 6,885,493 호 공보의 도 1d에 개시되는 공간 광 변조기로부터 선택될 수 있다. 이들 공간 광 변조기는, 이차원적인 높이 분포를 형성함으로써 회절면과 동일한 작용을 입사광에 부여할 수 있다. 또한, 상기의 이차원적으로 배열된 복수의 반사면을 갖는 공간 광 변조기는, 예컨대 일본 특허 공개 제 2006-513442 호 공보 및 이에 대응하는 미국 특허 제 6,891,655 호 공보나, 일본 특허 공개 제 2005-524112 호 공보 및 이에 대응하는 미국 특허 공개 제 2005/0095749 호 공보의 개시에 따라 변형될 수도 있다.

상기의 설명에서, 복수의 거울 요소를 갖는 반사형 공간 광 변조기가 사용되고 있지만, 이에 한정되지 않으며, 예컨대 미국 특허 제 5,229,872 호 공보에 개시된 투과형 공간 광 변조기를 사용할 수도 있다. 도 7은 투과형 공간 광 변조기를 갖는 변형예에 따른 공간 광 변조 유닛의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 7의 변형예에 도시된 공간 광 변조 유닛(3B)에서, 광 분할기로서 기능하는 편광 빔 분할기(61)에 광축(AX)을 따라 입사한 빛 중, 편광 분리막(61a)에 의해 반사된 s-편광은 제 1 공간 광 변조기(62)에 입사한다.

제 1 공간 광 변조기(62)의 복수의 광학 요소(프리즘 요소 등)를 통과한 빛은 광로 편향 거울(63)에 의해 편향되며, 이 편향된 빛이 광 합성기로서 기능하는 편광 빔 분할기(64)에 입사한다. 제 1 공간 광 변조기(62)를 거쳐 편광 빔 분할기(64)에 입사한 s-편광은 편광 분리막(64a)에 의해 반사되며, 이 반사된 빛이 편광 빔 분할기(64)로부터 사출된다. 제 1 공간 광 변조기(62)의 기준 상태에서, 광축(AX)을 따라 공간 광 변조 유닛(3B)에 입사하여 제 1 공간 광 변조기(62)를 거친 빛은 공간 광 변조 유닛(3B)으로부터 광축(AX)을 따라 사출된다.

편광 빔 분할기(61)의 편광 분리막(61a)을 통과한 p-편광은 제 2 공간 광 변조기(65)에 입사한다. 제 2 공간 광 변조기(65)의 복수의 광학 요소를 통과한 빛은 광로 편향 거울(66)에 의해 편향되며, 이 편향된 빛이 편광 빔 분할기(64)에 입사한다. 제 2 공간 광 변조기(65)를 거쳐 편광 빔 분할기(64)에 입사한 p-편광은 편광 분리막(64a)을 통과하여 편광 빔 분할기(64)로부터 사출된다. 제 2 공간 광 변조기(65)의 기준 상태에서, 광축(AX)을 따라 공간 광 변조 유닛(3B)에 입사하여 제 2 공간 광 변조기(65)를 거친 빛은 공간 광 변조 유닛(3B)으로부터 광축(AX)을 따라 사출된다.

상기의 설명에서, 광학계는, 선형 편광을 주성분으로 하는 편광 상태의 빛을 공급하는 광원(1)으로부터의 빛이 그 편광 상태를 실질적으로 유지하면서 공간 광 변조 유닛(3; 3A; 3B)으로 안내되도록 구성되어 있지만, 예컨대 도 8에 도시된 바와 같이, 공간 광 변조 유닛(3)의 광원(1)측의 광로에, 사출광의 편광 상태를 가변적으로 하기 위한 편광 제어 유닛(13)이 제공되는 변형예를 채용할 수도 있다. 도 8에서, 도 1에서와 동일한 기능을 갖는 부재에는 동일한 부호가 부여되어 있다.

도 8의 변형예에 도시된 편광 제어 유닛(13)은 정형 광학계(2) 및 광로 편향 거울을 경유한 광원(1)으로부터의 빛을 수용하며, 희망하는 편광 상태의 빛을 공간 광 변조 유닛(3) 쪽으로 사출한다. 이 편광 제어 유닛(13)은, 예컨대 광축 또는 광축과 평행한 축을 중심으로 회전 가능하게 배치된 1/2 파장판(13a)과 이 1/2 파장판(13a)을 회전 구동시키는 회전 구동 유닛(13b)을 구비한다.

예컨대, XZ 평면에서 X축 또는 Z축으로 대해 45° 방향으로 편광 방향(전기장의 방향)을 갖는 선형 편광은, 회전 구동 유닛(13b)을 통해 1/2 파장판(13a)을 회전 조정함으로써, 공간 광 변조 유닛(3)에 공급될 수 있다. 이때, 공간 광 변조 유닛(3)의 편광 분리막에 의해 분리되는 s-편광[제 1 공간 광 변조기(33)로 향하는 빛]과 p-편광[제 2 공간 광 변조기(34)로 향하는 빛]의 광량(light quantity)은 거의 동일하게 된다.

편광 제어 유닛(13) 내의 1/2 파장판(13a)의 회전 조정에 의해, 공간 광 변조 유닛(3)의 편광 분리막에 의해 분리되는 s-편광[제 1 공간 광 변조기(33)로 향하는 빛]과 p-편광[제 2 공간 광 변조기(34)로 향하는 빛]의 광량비를 임의의 광량비로 설정할 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같은 4극형 광 강도 분포 영역(41a, 41b, 41c, 41d)이 형성되는 경우, 광축(AX)을 중심으로 Z-방향으로 이격된 2개의 광 강도 분포 영역(41a, 41b)의 광 강도와 광축(AX)을 중심으로 X-방향으로 이격된 2개의 광 강도 분포 영역(41c, 41d)의 광 강도와의 비는 희망하는 광량비로 설정될 수 있다.

도 8에 도시된 변형예에서는, 동공 편광 분포 계측 장치(14)에 의해 조명 동공 편광 분포를 계측하면서, 그 계측 결과에 따라 편광 제어 유닛(13)을 제어할 수도 있다. 이 경우, 공간 광 변조 유닛 내의 각 공간 광 변조기는 필요에 따라서 제어될 수도 있다. 이 동공 편광 분포 계측 장치(14)는, 웨이퍼(W)를 유지하기 위한 웨이퍼 스테이지(WS) 내 또는 웨이퍼 스테이지(WS)와 별도로 제공된 계측 스테이지 내에 제공되는 장치로서, 웨이퍼(W)에 입사하는 조명광(노광광)의 동공 내(또는 개구 내)의 편광 상태를 측정하는 장치이다. 편광 상태 측정 장치(14)의 상세한 구성 및 작용은, 예컨대 일본 특허 공개 제 2005-5521 호 공보에 개시되어 있다.

이러한 구성은, 예컨대 조명 광학계 내 또는 투영 광학계 내에 배치된 각 광로 편향 거울의 편광마다 반사율 차가 존재하는 경우에도 이에 의한 악영향을 막을 수 있다는 점에서 효과적이다. 도 8의 변형예에서, 공간 광 변조 유닛(3)에 대한 편광 방향은 편광 제어 유닛(13)에 의해 조정되지만, 광축을 중심으로 광원(1) 자체 또는 공간 광 변조 유닛(3)을 회전시켜도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 이 편광 제어 유닛(13)은 도 6 및 도 7에 도시된 변형예에도 적용할 수 있다.

상기 실시예 및 도 6 내지 도 8의 변형예에서, 광 분할기 및 광 합성기는 편광 분리막(35, 36; 51a; 61a, 64a)을 구비하지만, 이에 한정되지 않으며, 광 분할기 및 광 합성기가 광속의 진폭 분할을 실행하는 별도의 분리막을 갖는 구성을 채용할 수도 있다. 이 경우, 제 1 공간 광 변조기의 작용에 의해 조명 동공에 형성되는 제 1 광 강도 분포는 제 2 공간 광 변조기의 작용에 의해 조명 동공에 형성되는 제 2 광 강도 분포와 동일한 편광 상태를 갖지만, 제 1 광 강도 분포 및 제 2 광 강도 분포의 형상 및 크기를 각각 변화시킴으로써, 조명 동공 휘도 분포의 형상 및 크기의 관점에서 다양한 조명 조건을 실현할 수 있다.

상기 실시예 및 도 6 내지 도 8의 변형예에서는, 입사 광속을 2개의 광속으로 분할하기 위해 편광 분리막(35; 51a; 61a)이 사용되지만, 이에 한정되지 않으며, 예컨대 회절 광학 소자를 사용하여 입사 광속을 2개의 광속으로 분할하는 구성을 채용할 수도 있다. 도 9는, 광 분할기로서 회절 광학 소자를 사용하는 변형예의 주요 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 9의 변형예는, 도 1의 실시예에서의 공간 광 변조 유닛(3)이 회절 광학 소자(71), 집광 렌즈(72), 한쌍의 1/2 파장판(73A, 73B) 및 한쌍의 공간 광 변조 유닛(74A, 74B)으로 대체되어 있는 구성을 갖는다.

도 9의 변형예에서, 정형 광학계(2)를 통과한 광원(1)으로부터의 광속은 광축(AX)을 따라 광 분할기로서의 회절 광학 소자(71)에 입사한다. 회절 광학 소자(71)는, 예컨대 직사각형 단면을 갖는 평행 광속이 광축(AX)을 따라 입사한 경우, 파 필드(far field)(또는 프라운호퍼 회절 영역)에, 광축(AX)을 중심으로 Z-방향으로 이격된 2개의 직사각형 광 강도 분포를 형성하는 기능을 갖는다. 환언하면, 회절 광학 소자(71)는 입사광을 2개의 광속으로 분할하는 기능을 갖는다.

회절 광학 소자(71)에 의해 분할된 2개의 광속 중 제 1 광속은 푸리에 변환 렌즈로서 기능하는 집광 렌즈(72)를 통과하여, 제 1 광속의 광로의 광축(AXa)을 중심으로 또는 광축(AXa)과 평행한 축을 중심으로 회전 가능한 1/2 파장판(73A)에 입사한다. 1/2 파장판(73A)을 통과한 선형 편광 상태의 빛은, 공간 광 변조 유닛(74A)을 거친 후, 어포컬 렌즈(4)의 전측 렌즈 유닛(4a)을 통과하여, 어포컬 렌즈(4)의 동공면(4c)에 도달한다. 한편, 회절 광학 소자(71)에 의해 분할된 2개의 광속 중 제 2 광속은 집광 렌즈(72)를 통과하여, 제 2 광속의 광로의 광축(AXb)을 중심으로 또는 광축(AXb)과 평행한 축을 중심으로 회전 가능한 1/2 파장판(73B)에 입사한다. 1/2 파장판(73B)을 통과한 선형 편광 상태의 빛은, 공간 광 변조 유닛(74B)을 거친 후, 어포컬 렌즈(4)의 전측 렌즈 유닛(4a)을 통해 동공면(4c)에 도달한다. 어포컬 렌즈(4)의 전측 렌즈 유닛(4a)은 공간 광 변조 유닛(74A) 내의 공간 광 변조기를 통과한 광속과 공간 광 변조 유닛(74B) 내의 공간 광 변조기를 통과한 광속을 동공면(4c) 상에 중첩시키는 광학계이며, 광 합성기로서 기능한다.

이하에서는, 설명의 간략함을 위해, 제 1 광속의 광로 내에 배치된 공간 광 변조 유닛(74A)과 제 2 광속의 광로 내에 배치된 공간 광 변조 유닛(74B)이 서로 동일한 구성을 갖는 것으로 가정한다. 또한, 회절 광학 소자(71)에는 Z-방향 및 X-방향과 45°를 이루는 방향으로 편광 방향을 갖는 선형 편광 상태의 평행 광속이 입사하는 것과, 1/2 파장판(73A)의 작용에 의해 공간 광 변조 유닛(74A)에는 X-방향으로 편광된 X-방향 선형 편광 상태(횡방향 편광 상태)의 빛이 입사하는 것과, 1/2 파장판(73B)의 작용에 의해 공간 광 변조 유닛(74B)에는 Z-방향으로 편광된 Z-방향 선형 편광 상태(종방향 편광 상태)의 빛이 입사하는 것으로 가정한다.

이하, 도 10 및 도 11을 참조하여, 공간 광 변조 유닛(74A)의 구체적인 구성 및 작용을 설명한다. 공간 광 변조 유닛(74B)은 공간 광 변조 유닛(74A)과 기본적으로 동일한 구성을 가지기 때문에, 공간 광 변조 유닛(74B)의 구체적인 구성 및 작용에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 공간 광 변조 유닛(74A)은, 도 10에 도시된 바와 같이, 예컨대 형석과 같은 광학 재료로 형성된 프리즘(23b)과, XY 평면에 평행한 프리즘(23b)의 측면(23ba)에 근접하게 부착된 반사형 공간 광 변조기(23a)를 갖는다. 프리즘(23b)을 형성하는 광학 재료는 형석에 한정되지 않으며, 광원(1)으로부터 공급되는 빛의 파장에 따라 석영 또는 그 외의 다른 광학 재료일 수도 있다.

프리즘(23b)은, 직육면체의 일 측면[공간 광 변조기(23a)가 근접하게 부착되는 측면(23ba)과 대향하는 측면]을 V자형으로 함몰된 측면(23bb, 23bc)으로 대체함으로써 얻을 수 있는 형태를 가지며, YZ 평면에 따른 단면 형상으로 인해 K 프리즘으로도 불린다. 프리즘(23b)의 V자형으로 함몰된 측면(23bb, 23bc)은 둔각을 이루도록 교차하는 2개의 평면(PN1, PN2)에 의해 규정되어 있다. 2개의 평면(PN1, PN2)은 모두 YZ 평면과 직교하며, YZ 평면을 따라 V자형을 이룬다.

2개의 평면(PN1, PN2) 사이의 접선(X-방향으로 연장되는 직선)(P3)을 따라 접하는 2개의 측면(23bb, 23bc)의 내면이 반사면(R1, R2)으로서 기능한다. 즉, 반사면(R1)은 평면(PN1) 상에 위치하고, 반사면(R2)은 평면(PN2) 상에 위치하며, 반사면(R1)과 반사면(R2) 사이의 각도는 둔각이다. 일 예로서, 반사면(R1)과 반사면(R2) 사이의 각도를 120°로 하고, 광축(AXa)에 수직인 프리즘(23b)의 입사면(IP)과 반사면(R1) 사이의 각도를 60°로 하며, 광축(AXa)에 수직인 프리즘(23b)의 사출면(OP)과 반사면(R2) 사이의 각도를 60°로 할 수 있다.

프리즘(23b)에서, 공간 광 변조기(23a)가 근접하게 부착된 측면(23ba)은 광축(AXa)과 평행하고, 반사면(R1)은 광원(1)측(노광 장치의 상류측 : 도 10에서 좌측)에 위치되며, 반사면(R2)은 어포컬 렌즈(4)측(노광 장치의 하류측 : 도 10에서 우측)에 위치된다. 보다 구체적으로, 반사면(R1)은 광축(AXa)에 대하여 경사지게 배치되며, 반사면(R2)은, 접선(P3)을 지나며 XZ 평면에 평행한 면에 대하여 반사면(R1)과 대칭적으로 광축(AXa)에 대해 경사지게 배치되어 있다. 프리즘(23b)의 측면(23ba)은, 후술하는 바와 같이, 공간 광 변조기(23a)의 복수의 거울 요소(SE)가 배열되는 면에 대향하는 광학면이다.

프리즘(23b)의 반사면(R1)은 입사면(IP)을 통해 입사한 빛을 공간 광 변조기(23a)를 향해 반사시킨다. 공간 광 변조기(23a)는 반사면(R1)과 반사면(R2) 사이의 광로 내에 배치되어 반사면(R1)을 거쳐 입사한 빛을 반사시킨다. 프리즘(23b)의 반사면(R2)은 공간 광 변조기(23a)를 거쳐 입사한 빛을 반사하며, 사출면(OP)을 통해 어포컬 렌즈(4)의 전측 렌즈 유닛(4a)으로 안내한다. 도 10에서, 설명의 이해를 용이하게 하기 위해, 광축(AXa)이 공간 광 변조 유닛(74A)의 후측으로 선형으로 연장되도록 광로를 전개하고 있다. 도 10은 프리즘(23b)이 하나의 광학 블록으로 일체 형성된 예를 도시하지만, 복수의 광학 블록을 사용하여 프리즘(23b)을 구성할 수도 있다.

공간 광 변조기(23a)는, 반사면(R1)을 거쳐 입사한 빛에 대해서, 그 입사 위치에 따라 공간 변조를 인가한다. 공간 광 변조기(23a)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 이차원적으로 배열된 복수의 마이크로 거울 요소(광학 요소)(SE)를 구비한다. 설명 및 도시를 간단하게 하기 위해, 도 10 및 도 11은 공간 광 변조기(23a)가 4×4 매트릭스의 16개의 거울 요소(SE)를 갖는 구성예를 도시하지만, 실제로는 16개보다 훨씬 많은 수의 거울 요소(SE)를 구비한다.

도 10을 참조하면, 광축(AXa)과 평행한 방향을 따라 공간 광 변조 유닛(23)에 입사하는 광선 다발 중에서, 광선(L1)은 복수의 거울 요소(SE) 중 거울 요소(SEa)에 입사하며, 광선(L2)은 거울 요소(SEa)와 상이한 거울 요소(SEb)에 입사한다. 유사하게, 광선(L3)은 거울 요소(SEa, SEb)와 상이한 거울 요소(SEc)에 입사하며, 광선(L4)은 거울 요소(SEa, SEb, SEc)와 상이한 거울 요소(SEd)에 입사한다. 거울 요소(SEa, SEb, SEc, SEd)는 그 위치에 따라 설정된 각각의 공간 변조를 광선(L1, L2, L3, L4)에 인가한다.

공간 광 변조 유닛(23)은, 공간 광 변조기(23a)의 모든 거울 요소(SE)의 반사면이 XY 평면에 평행하게 설정된 기준 상태에서, 광축(AXa)과 평행한 방향을 따라 반사면(R1)에 입사한 광선이, 공간 광 변조기(23a)를 거친 후, 반사면(R2)에 의해 광축(AXa)과 평행한 방향으로 반사되도록 구성되어 있다. 또한, 공간 광 변조 유닛(23)은, 프리즘(23b)의 입사면(IP)으로부터 거울 요소(SEa, SEb, SEc, SEd)를 거쳐 사출면(OP)까지의 공기 환산 길이(air-equivalent length)와 프리즘(23b)이 광로 내에 배치되지 않은 때의 입사면(IP)에 대응하는 위치로부터 사출면(OP)에 대응하는 위치까지의 공기 환산 길이가 동일하도록 구성되어 있다. 공기 환산 길이는, 광학계 내의 광로 길이를 굴절률 1의 공기에서의 광로 길이로 변환함으로써 얻어지며, 굴절률 n의 매질에서의 공기 환산 길이는 그 광로 길이에 1/n을 곱하여 얻어진다.

공간 광 변조기(23a)의 복수의 거울 요소(SE)가 배열되는 면은, 집광 렌즈(72)의 후측 초점 위치 또는 그 근방에 위치 설정되는 한편 어포컬 렌즈(4)의 전측 초점 위치 또는 그 근방에 위치 설정된다. 따라서, 공간 광 변조기(23a)에는 회절 광학 소자(71)의 특성에 따른 형상(예컨대 직사각형)의 단면을 갖는 광속이 입사한다. 공간 광 변조기(23a)의 거울 요소(SEa, SEb, SEc, SEd)에 의해 반사되어 사전 결정된 각도 분포를 갖는 빛은, 어포컬 렌즈(4)의 동공면(4c) 상에 사전 결정된 광 강도 분포 영역(SP1, SP2, SP3, SP4)을 형성한다. 즉, 어포컬 렌즈(4)의 전측 렌즈 유닛(4a)은, 공간 광 변조기(23a)의 거울 요소(SEa, SEb, SEc, SEd)에 의해 사출광에 부여된 각도를, 공간 광 변조기(23a)의 파 필드 영역(프라운호퍼 회절 영역)인 면(4c) 상의 위치로 변환한다.

도 1을 참조하면, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 입사면은 어포컬 렌즈(4)의 동공면(4c)(도 1에는 도시되지 않음)과 광학적으로 공역인 위치 또는 그 근방에 위치 설정된다. 따라서, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)에 의해 형성된 2차 광원의 광 강도 분포(휘도 분포)는, 공간 광 변조기(23a) 및 어포컬 렌즈(4)의 전측 렌즈 유닛(4a)에 의해 동공면(4c)에 형성된 광 강도 분포 영역(SP1, SP2, SP3, SP4)에 따른 분포이다. 공간 광 변조기(23a)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 평면 형상의 반사면을 상향으로 한 상태로 하나의 평면을 따라 규칙적으로 그리고 이차원적으로 배열된 다수의 마이크로 반사 소자인 거울 요소(SE)를 포함하는 가동 멀티 거울이다.

각 거울 요소(SE)는 움직일 수 있으며, 그 반사면의 기울기, 즉 반사면의 경사각 및 경사 방향은 제어 유닛(도시되지 않음)으로부터의 명령에 따라 작동하는 구동 유닛(23c)(도 11에는 도시되지 않음)의 작용에 의해 독립적으로 제어된다. 각 거울 요소(SE)는, 그 반사면에 평행하며 서로 직교하는 2개의 방향(X-방향 및 Y-방향)을 따른 각각의 회전축을 중심으로 희망하는 회전 각도만큼 연속적 또는 이산적으로 회전할 수 있다. 즉, 각 거울 요소(SE)의 반사면의 경사는 이차원적으로 제어될 수 있다.

각 거울 요소(SE)의 반사면을 이산적으로 회전시키는 경우, 바람직한 스위치 제어는 회전각을 멀티 스테이지(예컨대, …, -2.5°, -2.0°, …, 0°, +0.5°, …, +2.5°, …)로 전환하는 것이다. 도 11은 외형이 정사각형인 거울 요소(SE)를 도시하지만, 거울 요소(SE)의 외형은 정사각형에 한정되지 않는다. 다만, 외형은, 광 사용 효율의 관점에서, 가능한 한 간극이 적은 거울 요소(SE)의 배열을 허용하는 형상(최대한 밀접하게 패킹 가능한 형상)일 수도 있다. 또한, 광 사용 효율의 관점으로부터, 2개의 인접한 거울 요소(SE)의 간격을 필요 최소한으로 할 수도 있다.

공간 광 변조기(23a)에서, 제어 유닛으로부터의 제어 신호에 따라 작동하는 구동 유닛(23c)의 작용에 의해 각각의 거울 요소(SE)의 자세가 변화됨으로써, 각 거울 요소(SE)는 사전 결정된 배향으로 설정된다. 공간 광 변조기(23a)의 복수의 거울 요소(SE)에 의해 각각 사전 결정된 각도로 반사된 빛은 어포컬 렌즈(4) 및 줌 렌즈(7)를 통과하여, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 후측 초점 위치 또는 그 근처의 조명 동공에, 복수 극형(4극형, 5극형 등) 또는 다른 형상의 광 강도 분포(조명 동공 휘도 분포)를 형성한다. 이 조명 동공 휘도 분포는 줌 렌즈(7)의 작용에 의해 유사하게(등방성으로) 변화한다.

구체적으로는, 공간 광 변조 유닛(74A) 내의 공간 광 변조기(23a)의 거울 요소(SE)에 의해 각각 사전 결정된 각도로 반사된 횡방향 편광은, 도 4에 도시된 바와 같이, 예컨대 광축(AX)을 중심으로 Z-방향으로 이격된 2개의 원형 광 강도 분포 영역(41a, 41b)을 어포컬 렌즈(4)의 동공면(4c) 상에 형성한다. 광 강도 분포 영역(41a, 41b)을 형성하는 빛은 도면에서 양방향 화살표로 표시된 바와 같은 X-방향에 따른 편광 방향을 갖는다.

유사하게, 공간 광 변조 유닛(74B) 내의 공간 광 변조기의 복수의 거울 요소에 의해 각각 사전 결정된 각도로 반사된 종방향 편광은, 도 4에 도시된 바와 같이, 예컨대 광축(AX)을 중심으로 X-방향으로 이격된 2개의 원형 광 강도 분포 영역(41c, 41d)을 어포컬 렌즈(4)의 동공면(4c) 상에 형성한다. 광 강도 분포 영역(41c, 41d)을 형성하는 빛은 도면에서 양방향 화살표로 표시된 바와 같은 Z-방향에 따른 편광 방향을 갖는다.

어포컬 렌즈(4)의 동공면(4c)에 4극형 광 강도 분포 영역(41)을 형성한 빛은, 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 입사면 상에, 그리고 원통형 마이크로 플라이 아이 렌즈(8)의 후측 초점면 또는 그 근처의 조명 동공[개구 조리개(9)가 배치되어 있는 위치]에, 광 강도 분포 영역(41a, 41b, 41c, 41d)에 대응하는 4극형 광 강도 분포 영역을 형성한다. 나아가, 개구 조리개(9)와 광학적으로 공역인 다른 조명 동공 위치, 즉 결상 광학계(12)의 동공 위치 및 투영 광학계(PL)의 동공 위치에도, 광 강도 분포 영역(41a, 41b, 41c, 41d)에 대응하는 4극형 광 강도 분포 영역이 형성된다.

다른 예에서, 공간 광 변조 유닛(74A)은, 도 5의 좌측에 도시된 바와 같이, 예컨대 광축(AX)을 중심으로 Z-방향으로 이격된 2개의 원형 광 강도 분포 영역(42a, 42b)과 광축(AX)을 중심으로 한 원형 광 강도 분포 영역(42c')을 어포컬 렌즈(4)의 동공면(4c)에 형성하도록 작용한다. 광 강도 분포 영역(42a, 42b, 42c')을 형성하는 빛은 도면에서 양방향 화살표로 표시된 바와 같은 X-방향에 따른 편광 방향을 갖는다. 한편, 공간 광 변조 유닛(74B)은, 도 5의 중앙측에 도시된 바와 같이, 예컨대 광축(AX)을 중심으로 X-방향으로 이격된 2개의 원형 광 강도 분포 영역(42d, 42e)과 광축(AX)을 중심으로 한 원형 광 강도 분포 영역(42c")을 어포컬 렌즈(4)의 동공면(4c)에 형성하도록 작용한다. 광 강도 분포 영역(42d, 42e, 42c")을 형성하는 빛은, 도면에서 양방향 화살표로 표시된 바와 같은 Z-방향에 따른 편광 방향을 갖는다.

그 결과, 어포컬 렌즈(4)의 동공면(4c)에는, 도 5의 우측에 도시된 바와 같이, 5극형 광 강도 분포 영역(42a, 42b, 42c, 42d, 42e)이 형성된다. 광축(AX)을 중심으로 한 원형 광 강도 분포 영역(42c)은 광 강도 분포 영역(42c', 42c")의 중첩에 의해 형성된다. 공간 광 변조 유닛(74A)을 거쳐 어포컬 렌즈(4)의 동공면(4c)에 도달하는 횡방향 편광과 공간 광 변조 유닛(74B)을 거쳐 어포컬 렌즈(4)의 동공면에 도달하는 종방향 편광 사이에, 광원(1)의 시간적 간섭 길이 이상의 광로 길이 차가 부여되어 있는 경우, 도면에서 양방향 화살표로 표시된 바와 같은 Z-방향에 따른 편광 방향을 갖는 광속과 X-방향에 따른 편광 방향을 갖는 광속이 광 강도 분포 영역(42c)을 통과한다.

상기한 바와 같이, 도 9의 변형예에서, 공간 광 변조 유닛(74A) 내의 공간 광 변조기의 작용에 의해 조명 동공에 형성되는 횡방향 편광 상태의 제 1 광 강도 분포와 공간 광 변조 유닛(74B) 내의 공간 광 변조기의 작용에 의해 조명 동공에 형성되는 종방향 편광 상태의 제 2 광 강도 분포로 구성되는 조명 동공 휘도 분포를 자유롭게 그리고 신속하게 변화시킬 수 있다. 환언하면, 도 9의 변형예는, 도 1의 실시예에서와 같이, 서로 다른 편광 상태의 제 1 광 강도 분포 및 제 2 광 강도 분포의 형상 및 크기를 각각 변화시킴으로써, 조명 동공 휘도 분포의 형상, 크기 및 편광 상태의 관점에서 다양한 조명 조건을 실현할 수 있다.

도 9의 변형예는 광 분할기로서 회절 광학 소자(71)를 사용하고 있으므로, 공간 광 변조 유닛(74A, 74B) 내의 공간 광 변조기에 입사하는 빛의 강도의 균일성을 향상시킬 수 있다고 하는 이점이 있다. 또한, 회절 광학 소자(71)에 입사하는 광속의 위치가 변동되는 경우에도 회절 광학 소자(71)의 직후의 광속의 각도가 변화하지 않기 때문에, 본 변형예는 공간 광 변조 유닛(74A, 74B) 내의 공간 광 변조기에 입사하는 광속의 위치가 변동하기 어렵다고 하는 이점을 갖는다.

도 9의 변형예에서, 직사각형의 단면을 갖는 광속이 회절 광학 소자(71)에 입사하는 경우, 프리즘(23b)의 소형화, 나아가서는 공간 광 변조 유닛(74A, 74B)의 소형화를 도모하려면, 직사각형의 단면의 단변 방향으로 입사 광속이 분할될 수도 있다. 환언하면, 공간 광 변조 유닛(74A, 74B) 내의 공간 광 변조기의 유효 영역의 길이 방향을 법선으로 하는 면내에서 입사 광속이 분할될 수도 있다. 일반적으로, 입사광이 회절 광학 소자(71)에의 입사 광속의 단면에서의 제 1 방향에 따른 길이가 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향에 따른 길이보다 작은 단면 형상을 갖는 경우, 입사 광속을 제 1 방향으로 분할함으로써, 공간 광 변조 유닛(74A, 74B)이 소형화될 수 있다.

도 9의 변형예에서, 회절 광학 소자(71)는 입사 광속을 2개의 광속으로 분할하는데 사용된다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 예컨대 도 12에 도시된 바와 같이, 한쌍의 프리즘 부재(76a, 6b)를 갖는 프리즘 유닛(76)을 사용하여 입사 광속을 2개의 광속으로 분할하는 구성을 채용할 수도 있다. 도 12의 변형예는 도 9의 변형예와 유사한 구성을 갖지만, 회절 광학 소자(71) 및 집광 렌즈(72)에 대신해 프리즘 유닛(76)이 배치되어 있는 점만이 도 9의 변형예와 상이하다. 도 12에서, 도 9에 도시된 구성요소와 동일한 기능을 갖는 요소에는 도 9에서와 같은 참조 부호가 부여된다. 도 12에 도시된 변형예는 한쌍의 프리즘 부재(76a, 6b)를 갖는 프리즘 유닛(76)을 사용하여 입사 광속을 2개의 광속으로 분할하기 때문에, 장치를 소형화하는 것이 가능해진다.

도 12의 변형예에서 광 분할기로서 기능하는 프리즘 유닛(76)은, 광원측(도면에서 좌측)으로부터 명명된 순서에 따라, 광원측에 평면을 갖는 한편 마스크측(도면에서 우측)에 오목한 V자형의 굴절면을 갖는 제 1 프리즘 부재(76a)와 마스크측에 평면을 갖는 한편 광원측에 볼록한 V자형의 굴절면을 갖는 제 2 프리즘 부재(76b)로 구성되어 있다. 제 1 프리즘 부재(76a)의 오목 굴절면은 2개의 평면으로부터 구성되며 그 접선(능선)은 X-방향을 따라 연장된다. 제 2 프리즘 부재(76b)의 볼록 굴절면은 제 1 프리즘 부재(76a)의 오목 굴절면과 상보적으로 형성되어 있다. 구체적으로, 제 2 프리즘 부재(76b)의 볼록 굴절면도 2개의 평면으로부터 구성되며 그 접선(능선)은 X-방향을 따라 연장된다. 도 12의 변형예에서, 광 분할기로서의 프리즘 유닛(76)은 한쌍의 프리즘 부재(76a, 76b)로 구성되지만, 적어도 하나의 프리즘의 광 분할기를 구성할 수도 있다. 나아가, 광 분할기의 구체적인 구성에 대해서는 다양한 형태가 가능하다.

도 9의 변형예 및 도 12의 변형예에서, 1/2 파장판(73A, 73B)은 각각 집광 렌즈(72)와 공간 광 변조 유닛(74A, 74B) 사이의 광로 내에 설치되어 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 회절 광학 소자(71) 또는 프리즘 유닛(76)에 의해 분할된 2개의 광속 중 제 1 광속의 광로 내의 적당한 다른 위치 및 제 2 광속의 광로 내의 적당한 다른 위치에, 1/2 파장판(73A, 73B)을 각각 마련할 수도 있다.

도 9의 변형예 및 도 12의 변형예에서, 사전 결정된 축을 중심으로 회전 가능한 1/2 파장판(73A)은 제 1 광속의 광로 내에 설치되며, 사전 결정된 축을 중심으로 회전 가능한 1/2 파장판(73B)은 제 2 광속의 광로 내에 설치되어 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 적어도 하나의 광로 내에 1/2 파장판이 사전 결정된 축을 중심으로 회전 가능하게 또는 고정적으로 제공되는 구성, 또는 적어도 하나의 광로 내에 1/2 파장판 이외의 편광자(polarizer) 또는 선광자(optical rotator)가 사전 결정된 축을 중심으로 회전 가능하게 또는 고정적으로 제공되는 구성을 채용할 수도 있다.

1/2 파장판(일반적으로는 편광자 또는 선광자)은 광로로부터 탈착 가능하게 구성되어, 필요하지 않을 때에는 광로로부터 퇴피시킴으로써 1/2 파장판의 수명을 연장시킬 수도 있다. 유사하게, 1/2 파장판(일반적으로는 편광자 또는 선광자)을 동일한 광로 길이의 유리 기판과 교환 가능하게 구성함으로써, 1/2 파장판의 수명을 연장시킬 수도 있다.

사전 결정된 축을 중심으로 회전 가능한 1/4 파장판이 1/2 파장판에 부가하여 배치되는 경우, 타원 편광이 희망하는 선형 편광으로 제어될 수 있다. 또한, 1/2 파장판에 부가하여, 또는 1/2 파장판을 대신하여, 디폴라라이저(depolarizer)(비편광화 소자)를 사용함으로써, 희망하는 비편광 상태의 빛을 얻을 수도 있다. 또한, 상기한 바와 같이, 예컨대 하나의 광로 내에 요구되는 두께의 평행 평면 플레이트를 삽입하여, 제 1 광속과 제 2 광속 사이에 시간적 간섭 길이 이상의 광로 길이 차를 제공함으로써, 조명 동공 상의 동일 영역을 통과하는 광속을 비편광화할 수도 있다. 나아가, 시간적 간섭 길이 이상의 광로 길이 차가 제 1 광속과 제 2 광속 사이에 제공되는 경우, 스펙클(speckle)이 약 √(1/2) 정도 감소될 수 있다.

본 실시예 및 변형예에 따른 조명 광학 장치는, 거울 요소의 자세가 각각 개별적으로 변화하는 한쌍의 공간 광 변조기를 갖춘 광학 유닛(공간 광 변조 유닛)을 사용하고 있으므로, 제 1 공간 광 변조기의 작용에 의해 조명 동공에 형성되는 제 1 편광 상태의 제 1 광 강도 분포와 제 2 공간 광 변조기의 작용에 의해 조명 동공에 형성되는 제 2 편광 상태의 제 2 광 강도 분포로 구성되는 조명 동공 휘도 분포를 자유롭게 그리고 신속하게 변화시킬 수 있다. 환언하면, 서로 다른 편광 상태의 제 1 광 강도 분포 및 제 2 광 강도 분포의 형상 및 크기를 각각 변화시킴으로써, 조명 동공 휘도 분포의 형상, 크기 및 편광 상태의 관점에서 다양한 조명 조건을 실현할 수 있다.

이러한 방식으로, 본 실시예 및 변형예에 따른 조명 광학 장치는 조명 동공 휘도 분포의 형상, 크기 및 편광 상태의 관점에서 다양한 조명 조건을 실현할 수 있다. 나아가, 본 실시예 및 변형예에 따른 노광 장치는 다양한 조명 조건을 실현할 수 있는 조명 광학 장치를 사용하여, 마스크(M)의 패턴 특성에 따라 실현된 적절한 조명 조건 하에서 양호한 노광을 실행할 수 있으며, 나아가서는 양호한 디바이스를 제조할 수 있다.

상기 실시예 및 각 변형예에서, 공간 광 변조 유닛을 사용하여 조명 동공 휘도 분포를 형성하는 동안, 조명 동공 휘도 분포를 계측하기 위해 동공 휘도 분포 계측 장치를 사용하며, 그 계측 결과에 따라 공간 광 변조 유닛 내의 각 공간 광 변조기를 제어할 수도 있다. 이러한 기술은, 예컨대 일본 특허 공개 제 2006-54328 호 공보나 일본 특허 공개 제 2003-22967 호 공보 및 이에 대응하는 미국 특허 공개 제 2003/0038225 호 공보에 개시되어 있다.

상기 실시예에서, 마스크는, 사전 결정된 전자 데이터에 근거하여 사전 결정된 패턴을 형성하는 가변 패턴 형성 장치로 대체될 수 있다. 이러한 가변 패턴 형성 장치를 사용하면, 패턴면이 수직인 경우에도 동기화 정밀도(synchronization accuracy)에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 여기에서 적용 가능한 가변 패턴 형성 장치는, 예컨대 사전 결정된 전자 데이터에 근거하여 구동되는 복수의 반사 소자를 포함한 DMD(디지털 마이크로거울 장치; Digital Micromirror Device)일 수 있다. DMD를 사용한 노광 장치는, 예컨대 일본 특허 공개 제 2004-304135 호 공보, 국제 특허 공개 제 WO2006/080285 호 공보, 미국 특허 공개 제 2007/0296936 호 공보에 개시되어 있다. 또한, DMD와 같은 비발광(non-emission) 타입의 반사형 공간 광 변조기 이외에, 투과형 공간 광 변조기 또는 자체 발광(self-emission) 타입의 화상 표시 소자를 사용할 수도 있다. 또한, 패턴면이 수평인 경우에도 가변 패턴 형성 장치가 사용될 수 있다.

상기 실시예에 따른 노광 장치는 본원의 특허청구범위에 개시된 각 구성요소를 포함하는 각종 서브 시스템을, 사전 결정된 기계적 정밀도, 전기적 정밀도 및 광학적 정밀도를 유지하도록, 조립함으로써 제조된다. 이들 각종 정밀도를 확보하기 위해, 조립을 전후하여, 각종 광학계에 대해서는 광학적 정밀도를 달성하기 위한 조정, 각종 기계계에 대해서는 기계적 정밀도를 달성하기 위한 조정, 각종 전기계에 대해서는 전기적 정밀도를 달성하기 위한 조정을 실행한다. 각종 서브 시스템으로부터 노광 장치로의 조립 단계는, 각종 서브 시스템 상호의, 기계적 접속, 전기 회로의 배선 접속, 공압 회로의 배관 접속 등이 포함된다. 이 각종 서브 시스템으로부터 노광 장치로의 조립 단계의 전에, 각 서브 시스템 각각의 조립 단계가 있는 것은 말할 필요도 없다. 각종 서브 시스템의 노광 장치로의 조립 단계가 종료하면, 종합 조정을 실행하여 노광 장치 전체의 각종 정밀도가 확보된다. 또한, 노광 장치의 제조는 온도 및 클린도 등이 제어되는 청정실에서 실행하는 것이 바람직하다.

이하에서는, 상기 실시예에 따른 노광 장치를 사용한 디바이스 제조 방법에 대하여 설명한다. 도 13은 반도체 디바이스의 제조 단계를 도시하는 플로우차트이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 반도체 디바이스의 제조 단계는 반도체 디바이스의 기판이 되는 웨이퍼(W) 상에 금속막을 증착하는 단계[단계(S40)]와, 이 증착된 금속막 상에 감광성 재료인 포토레지스트(photoresist)를 도포하는 단계[단계(S42)]를 포함한다. 후속 단계에는 상기 실시예의 투영 노광 장치를 사용하여 마스크(레티클)(M)에 형성된 패턴을 웨이퍼(W) 상의 각 샷 영역에 전사하는 단계[단계(S44) : 노광 단계]와, 전사의 종료 후에 웨이퍼(W)의 현상, 즉 패턴이 전사된 포토레지스트의 현상을 실행하는 단계[단계(S46) : 현상 단계]가 포함된다. 그 후속 단계는, 단계(S46)에서 웨이퍼(W)의 표면에 생성된 레지스트 패턴을 마스크로 사용하여, 웨이퍼(W)의 표면에 대하여 에칭 등의 처리를 실행하는 것이다[단계(S48) : 처리 단계].

여기서, 레지스트 패턴은 상기 실시예의 투영 노광 장치에 의해 전사된 패턴에 대응하는 형상으로 돌출부 및 함몰부가 형성된 포토레지스트층으로서, 그 함몰부가 포토레지스트층을 관통하고 있는 것이다. 단계(S48)에서, 이 레지스트 패턴을 통해 웨이퍼(W)의 표면이 처리된다. 단계(S48)에서 실행되는 처리에는, 예컨대 웨이퍼(W)의 표면의 에칭 또는 금속막 등의 성막 중 적어도 하나가 포함된다. 단계(S44)에서, 상기 실시예의 투영 노광 장치는 포토레지스트로 코팅된 웨이퍼(W)를 감광성 기판 또는 플레이트(P)로 사용하여 패턴의 전사를 실행한다.

도 14는, 액정 디스플레이 장치 등의 액정 디바이스의 제조 단계를 도시하는 플로우차트이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 액정 디바이스의 제조 단계에서는 패턴 형성 단계[단계(S50)], 칼라 필터 형성 단계[단계(S52)], 셀 조립 단계[단계(S54)] 및 모듈 조립 단계[단계(S56)]를 순차적으로 실행한다.

단계(S50)의 패턴 형성 단계는, 플레이트(P)로서 포토레지스트가 도포된 유리 기판 상에, 상기 실시예의 투영 노광 장치를 사용하여 회로 패턴 및 전극 패턴 등의 사전 결정된 패턴을 형성하는 것이다. 이 패턴 형성 단계에는, 상기 실시예의 투영 노광 장치를 사용하여 포토레지스트층에 패턴을 전사하는 노광 단계와, 패턴이 전사된 플레이트(P)의 현상, 즉 유리 기판 상의 포토레지스트층의 현상을 실행하여, 패턴에 대응하는 형상의 포토레지스트층을 생성하는 현상 단계와, 현상된 포토레지스트층을 통해 유리 기판의 표면을 처리하는 처리 단계가 포함된다.

단계(S52)의 칼라 필터 형성 단계는, R(적색), G(녹색), B(청색)에 대응하는 3개의 도트의 복수의 세트가 매트릭스 형상으로 배열되는 구성, 또는 R, G, B의 3개의 스트라이프 필터의 복수의 세트가 수평 주사 방향으로 배열되는 구성으로 칼라 필터를 형성하는 것이다.

단계(S54)의 셀 조립 단계는 단계(S50)에서 사전 결정된 패턴이 형성된 유리 기판과 단계(S52)에서 형성된 칼라 필터를 사용하여 액정 패널(액정 셀)을 조립하는 것이다. 구체적으로, 예컨대 유리 기판과 칼라 필터 사이에 액정을 주입함으로써 액정 패널을 형성한다. 단계(S56)의 모듈 조립 단계는 단계(S54)에서 조립된 액정 패널에 대해, 이 액정 패널의 표시 동작을 위한 전기 회로 및 백 라이트 등의 각종 부품을 부착하는 것이다.

또한, 본 발명은 반도체 디바이스 제조용의 노광 장치에의 적용에 한정되지 않으며, 예컨대 직사각형 유리 플레이트에 형성되는 액정 디스플레이 장치, 또는 플라스마 디스플레이 등의 디스플레이 장치용의 노광 장치나, 촬상 소자(CCDs 등), 마이크로머신, 박막 자기 헤드, DNA 칩 등의 각종 디바이스를 제조하기 위한 노광 장치에도 폭넓게 적용될 수 있다. 나아가, 본 발명은 각종 디바이스의 마스크 패턴이 형성된 마스크[포토마스크(photomask), 레티클 등]를 포토리소그래피에 의해 제조할 때의 노광 단계(노광 장치)에도 적용할 수 있다.

상기 실시예는 노광광으로서 ArF 엑시머 레이저광(파장 : 193㎚) 또는 KrF 엑시머 레이저광(파장 : 248㎚)을 사용하였지만, 이에 한정되지 않으며, 다른 적당한 레이저 광원, 예컨대 파장(157㎚)의 레이저광을 공급하는 F₂ 레이저 광원 등을 본 발명에 적용할 수도 있다.

상기 실시예에서, 투영 광학계와 감광성 기판 사이의 광로 내부를 1.1보다 큰 굴절률을 갖는 매질(전형적으로는 액체)로 충전하는 방법, 소위 액침법(liquid immersion method)을 적용할 수도 있다. 이 경우, 투영 광학계와 감광성 기판 사이의 광로 내에 액체를 충전하는 방법으로서는, 국제 특허 공개 제 WO99/49504 호 공보에 개시된 바와 같은 국소적으로 액체를 충전하는 방법이나, 일본 특허 공개 제 1994-124873 호 공보에 개시된 바와 같은 노광 대상의 기판을 유지한 스테이지를 액조(liquid bath) 내에서 이동시키는 방법이나, 일본 특허 공개 제 1994-303114 호 공보에 개시된 바와 같은 스테이지 상에 사전 결정된 깊이의 액조를 형성하고 그 내부에 기판을 유지하는 방법 등을 채용할 수 있다.

상기 실시예는 노광 장치에서 마스크를 조명하는 조명 광학 장치에 대하여 본 발명을 적용한 것이지만, 이에 한정되지 않으며, 마스크 이외의 피조사면을 조명하는 일반적인 조명 광학 장치에 대하여 본 발명을 적용할 수도 있다.

상술한 실시예는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 기재된 것이며, 본 발명을 한정하기 위해 기재된 것은 아님을 유의해야만 한다. 따라서, 상기 실시예에 개시된 각 요소는 본 발명의 기술적 범위에 속하는 모든 설계 변경이나 균등물도 포함할 의도이다. 또한, 상기 실시예의 각 구성요소 등은 임의의 조합으로 적용될 수 있다.

Claims

본원의 명세서의 발명의 상세한 설명에 기재되고, 및/또는 도면에 도시되어 있는 것을 특징으로 하는
조명 광학 장치, 노광 장치, 노광 방법 또는 디바이스 제조 방법.