WO2005041277A1

WO2005041277A1 - 照明光学装置及び投影露光装置

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Publication number: WO2005041277A1
Application number: PCT/JP2004/015853
Authority: WO
Inventors: Naomasa Shiraishi
Original assignee: Nikon Corporation
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2005-05-06
Also published as: KR101020455B1; US20060203214A1; KR101083926B1; HK1189097A1; EP2645407B1; JP2015046619A; US9244359B2; JP2010192914A; JP2015065441A; JP5668779B2; EP2927935A3; JP5668780B2; KR20100061553A; EP2645406A2; CN101387754B; TWI511179B; KR20080085078A; TWI573175B; TW200811613A; KR100869390B1

Abstract

　マスクを所定の偏光状態の照明光で照明する際の光量損失を少なくできる照明光学装置及び投影露光装置である。レチクル（Ｒ）を照明光（ＩＬ）で照明する照明光学系（ＩＬＳ）と、レチクル（Ｒ）のパターンの像をウエハ（Ｗ）上に投影する投影光学系（ＰＬ）とを有する。照明光学系（ＩＬＳ）において、露光光源（１）から直線偏光状態で射出された照明光（ＩＬ）は、進相軸の方向が異なる第１及び第２の複屈折部材（１２，１３）を通過して、ほぼ特定の輪帯状の領域で光軸を中心とする円周方向に実質的に直線偏光となる偏光状態に変換された後、フライアイレンズ（１４）等を経てレチクル（Ｒ）を輪帯照明の条件で照明する。

Description

明細書

照明光学装置及び投影露光装置

技術分野

[0001] 本発明は、例えば半導体集積回路 (LSI等)、撮像素子、又は液晶ディスプレイ等の各種デバイスを製造するためのリソグラフイエ程で使用される照明技術及び露光技術に関し、更に詳しくはマスクパターンを所定の偏光状態の光で照明する照明技術及び露光技術に関する。また、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。

背景技術

[0002] 半導体集積回路又は液晶ディスプレイ等の電子デバイスの微細パターンの形成に際しては、形成すべきパターンを 4一 5倍程度に比例拡大して描画した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、投影光学系を介して被露光基板 (感光体）としてのウェハ（又はガラスプレート等）上に縮小して露光転写する方法が用いられている。その露光転写に際して、ステッパー等の静止露光型及びスキャニング · ステッパー等の走査露光型の投影露光装置が用いられている。投影光学系の解像度は、露光波長を投影光学系の開口数 (NA)で割った値に比例する。投影光学系の開口数 (NA)とは、露光用の照明光のウェハへの最大入射角の正弦 (sin)に、その光束の通過する媒質の屈折率を乗じたものである。

[0003] 従って、半導体集積回路等の微細化に対応するために、投影露光装置の露光波長は、より短波長化されてきた。現在、露光波長は KrFエキシマーレーザーの 248η mが主流であるが、より短波長の ArFエキシマーレーザーの 193nmも実用化段階に入りつつある。そして、更に短波長の波長 157nmの F レーザーや、波長 126nmの

2

Ar レーザー等の、いわゆる真空紫外域の露光光源を使用する投影露光装置の提

2

案も行なわれている。また、短波長化のみでなぐ投影光学系の大開口数化 (大 NA ィ匕）によっても高解像度化は可能であるので、投影光学系をより一層大 NA化するための開発もなされており、現在の最先端の投影光学系の NAは、 0. 8程度である。

[0004] 一方、同一の露光波長、同一 NAの投影光学系を使用しても、転写されるパターンの解像度を向上する技術として、いわゆる位相シフトレチクルを用いる方法や、照明光のレチクルへの入射角度分布を所定分布に制御する輪帯照明、 2極照明、及び 4 極照明などのいわゆる超解像技術も実用化されている。

それらの内で、輪帯照明は、照明光のレチクルへの入射角度範囲を所定角度に制限する、即ち照明光学系の瞳面における照明光の分布を、照明光学系の光軸を中心とする所定の輪帯領域内に限定することにより、解像度及び焦点深度の向上に効果を発揮するものである（例えば特開昭 61— 91662号公報参照)。一方、 2極照明， 4極照明は、入射角度範囲だけでは無ぐレチクル上のパターンが特定の方向性を有するパターンである場合に、照明光の入射方向についてもそのパターンの方向性に対応した方向に限定することで、解像度及び焦点深度を大幅に向上するものである（例えば特開平 4-101148号公報またはそれと同等な米国特許第 6233041号明細書、特開平 4 225357号公報またはそれと同等な米国特許第 6211944号明細書参照)。

[0005] なお、レチクル上のパターンの方向に対して照明光の偏光状態を最適化して、解像度及び焦点深度を向上する試みも提案されている。この方法は、照明光を、バターンの周期方向に直交する方向に、即ちパターンの長手方向に平行な方向に偏光方向（電場方向）を有する直線偏光光とすることにより、転写像のコントラスト等を向上するものである (例えば、特許文献 1、非特許文献 1参照)。

[0006] また、輪帯照明においても、照明光の偏光方向を、照明光学系の瞳面において照明光が分布する輪帯領域においてその円周方向と合致させ、投影像の解像度ゃコントラスト等を向上させようとする試みも提案されている。

特許文献 1：特開平 5—109601号公報

非特干文献 1 :Thimothy A. Brunner, et al.: High NA Lithographic imaging at Brewster's angel", SPIE (米国） Vol.4691, pp.1- 24(2002)

[0007] 上記の如き従来の技術において、輪帯照明を行う場合に照明光学系の瞳面において、照明光の偏光状態を輪帯領域の円周方向に実質的に一致する直線偏光にしようとすると、照明光量の損失が多くなり、照明効率が低下するという問題があった。これに関して詳述すると、近年主流である狭帯化 KrFエキシマーレーザー光源から射出される照明光は一様な直線偏光である。これをそのままの偏光状態を保ってレチクルに導くなら、レチクルは一様な直線偏光光で照明されるため、上記のような照明光学系の瞳面の輪帯領域の円周方向に一致する直線偏光光を実現することができな、ことは言うまでもな！/、。

[0008] 従って、上記の偏光状態を実現するには、光源から射出される直線偏光光を一度ランダム偏光の光に変換した後に、その輪帯領域の各部において、偏光フィルターや偏光ビームスプリツター等の偏光選択素子を使用して、ランダム偏光力もなる照明光から所望の偏光成分を選択するような方法等を採用する必要があった。この方法では、ランダム偏光の照明光のエネルギーのうち所定の直線偏光成分に含まれるェネルギ一し力、即ちほぼ半分のエネルギーしかレチクルへの照明光として使用することができないため、照明光量の損失が大きぐひいてはウェハへの露光パワーの損失が大きぐ露光装置の処理能力（スループット）が低下してしまうという問題があった

[0009] 同様に、 2極照明又は 4極照明等の複数極照明を使用する場合にも、照明光学系の瞳面において、 2極又は 4極の領域における照明光の偏光状態を所定状態に設定しょうとすると、照明効率が低下するという問題があった。

発明の開示

[0010] 本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、レチクル等のマスクを所定の偏光状態の照明光で照明する際の光量損失を少なくできる露光技術を提供することを第 1の目的とする。

更に本発明は、照明光学系の瞳面上の輪帯、 2極、又は 4極等の領域における照明光の偏光状態を所定の状態に設定するに際して、照明光量の低下を少なくでき、その結果として処理能力を殆ど低下させることなく解像度等を向上できる照明技術及び露光技術を提供することを第 2の目的とする。

また、本発明は、上記露光技術を用いて、高性能のデバイスを高い処理能力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。

[0011] 以下の本発明の各要素に付した括弧付き符号は、後述の本発明の実施形態の構成に対応するものである。し力しながら、各符号はその要素の例示に過ぎず、各要素をその実施形態の構成に限定するものではな、。

本発明による第 1の投影露光装置は、光源（1)からの照明光を第 1物体 (R)に照射する照明光学系 (ILS)と、その第 1物体上のパターンの像を第 2物体 (W)上に投影する投影光学系（25)とを有する投影露光装置であって、その光源は、その照明光を実質的に単一の偏光状態で生成し、その照明光学系は、その照明光の進行方向に沿って配置される複数の複屈折部材（12, 13)を有し、かつその複数の複屈折部材のうち少なくとも 1つの複屈折部材の進相軸の方向が、他の複屈折部材の進相軸の方向と異なるものであり、その照明光のうち、特定の入射角度範囲でその第 1物体に照射される特定照明光を、 S偏光を主成分とする偏光状態の光とするものである。

[0012] また、本発明による第 1の照明光学装置は、光源（1)からの照明光を第 1物体 (R) に照射する照明光学装置であって、その照明光の進行方向に沿って配置される複数の複屈折部材（12, 13)を有し、かつその複数の複屈折部材のうち少なくとも 1つの複屈折部材の進相軸の方向が、他の複屈折部材の進相軸の方向と異なるものであり、その光源力供給される実質的に単一の偏光状態である照明光のうち、その第 1物体に特定の入射角度範囲で照射される特定照明光を、 S偏光を主成分とする偏光状態の光とするものである。

[0013] 斯カる本発明によれば、例えばその複数の複屈折部材の厚さ分布をそれぞれ所定分布に設定しておくことによって、その光源力も射出された照明光が、その複数の複屈折部材を通過した後の偏光状態を、例えば光軸を中心とする輪帯状の領域においてその光軸を中心とする円周方向に偏光した状態を主成分とするようにできる。そこで、その複数の複屈折部材の射出面を例えば照明光学系の瞳面に近い位置に配置しておくことによって、その輪帯状の領域を通過した照明光 (特定照明光）は、光量損失の殆ど無い状態で、その第 1物体を s偏光を主成分とする所定の偏光状態で照明する。

[0014] この場合、その第 1物体に照射されるその照明光を、その特定照明光に制限する光束制限部材 (9a, 9b)を有してもよい。これによつて、その第 1物体はほぼ輪帯照明の条件で照明される。この輪帯照明で、その第 1物体上でその照明光をほぼ S偏光にすることによって、その第 1物体上で任意の方向に微細ピッチで配列されたライン ·アンド'スペースパターンの投影像は、主に偏光方向がラインパターンの長手方向に平行な照明光によって結像されるため、コントラスト、解像度、焦点深度等の結像特性が改善される。

[0015] また、その光束制限部材は、更にその第 1物体に照射されるその照明光の入射方向を特定の実質的に離散的な複数の方向に制限してもよい。これによつて、 2極照明や 4極照明等で照明が行われるため、所定方向に微細ピッチで配列されたライン ·ァンド.スペースパターンの結像特性が改善される。

次に、本発明による第 2の投影露光装置は、光源（1)からの照明光を第 1物体 (R) に照射する照明光学系 (ILS)と、その第 1物体上のパターンの像を第 2物体 (W)上に投影する投影光学系（25)とを有する投影露光装置であって、その光源は、その照明光を実質的に単一の偏光状態で生成し、その照明光学系は、その照明光の進行方向に沿って配置される複数の複屈折部材（12, 13)を有し、かつその複数の複屈折部材のうち少なくとも 1つの複屈折部材の進相軸の方向が、他の複屈折部材の進相軸の方向と異なるものであり、その照明光学系中の瞳面又はその近傍の面内における、その照明光学系の光軸を中心とする所定の輪帯領域である特定輪帯領域 (36 )内の少なくとも一部の領域を通過するその照明光が、その特定輪帯領域の円周方向を偏光方向とする直線偏光を主成分とする偏光状態であるものである。

[0016] 斯かる本発明によれば、例えばその複数の複屈折部材の厚さ分布をそれぞれ所定分布に設定しておくことによって、その光源力も射出された照明光のうちでその特定輪帯領域を通過する照明光の少なくとも一部の偏光状態が、光量損失の殆ど無い状態で、その特定輪帯領域の円周方向を偏光方向とする直線偏光を主成分とする状態 (所定の偏光状態)となる。

[0017] この場合、その第 1物体に照射されるその照明光を、実質的にその特定輪帯領域内に分布する光束に制限する光束制限部材 (9a, 9b)を有してもよい。また、その光束制限部材は、その光束を更にその特定輪帯領域内の実質的に離散的な複数の領域内に制限してもよい。これらの場合、照明光量を殆ど低下させることなぐ輪帯照明、 2極照明、又は 4極照明等が実現できる。

[0018] また、その光束制限部材は、一例としてその光源（1)とその複数の複屈折部材（12 , 13)との間に配置される回折光学素子を含むものである。回折光学素子を用いることによって、光量損失を更に減少できる。

また、一例として、その複数の複屈折部材のうち少なくとも 1つの部材は、透過光のうち進相軸に平行な直線偏光成分と遅相軸に平行な直線偏光成分との間に与える位相差である偏光間位相差が、その部材の位置に対して非線形に変化する不均一波長板（12, 13)である。これによつて、その複数の複屈折部材を通過した後の照明光の偏光状態を高精度に所定の状態に制御できる。

[0019] この場合、その不均一波長板は、その特定照明光又はその特定輪帯領域に分布する照明光に対して、その照明光学系の光軸を中心として 2回回転対称性を有する偏光間位相差を与える第 1の不均一波長板（12)を含んでもよい。

また、その不均一波長板は、その特定照明光又はその特定輪帯領域に分布する照明光に対して、その照明光学系の光軸を中心として 1回回転対称性を有する偏光間位相差を与える第 2の不均一波長板（13)を更に含んでもよい。

[0020] また、一例として、その第 1及び第 2の不均一波長板は、その進相軸の方向が、その照明光学系の光軸を回転中心として、相互に 45° ずれたものである。これによつて、 2つの不均一波長板を通過した後の照明光の偏光状態の制御が容易になる。また、その複数の複屈折部材とその第 1物体との間に配置されたオプティカルインテグレーター（14)を更に含んでいてもよい。これによつて、第 1物体上での照度分布の均一性が向上する。

[0021] また、その複数の複屈折部材とそのオプティカルインテグレーターとの間に配置されたズーム光学系、間隔可変の円錐プリズム群 (41, 42)、又は多面体プリズム群を更に含むことができる。その第 1物体上のパターンのピッチ等に応じてそのズーム光学系等を用いてその特定輪帯領域 (又は輪帯状の領域若しくはその中の実質的に離散的な部分領域)の大きさや位置を制御することで、種々のピッチのパターンを露光する際の結像特性を向上できる。

[0022] また、そのォプティカノレインテグレーターは、一例としてフライアイレンズである。

また、その光源とその複数の複屈折部材との間に配置されてその光源力ものその照明光の偏光状態を変換する偏光制御機構 (4)を有してもよい。これによつて、その光源力の照明光の偏光状態を光量損失の無い状態で、複数の複屈折部材に適した偏光状態に変換できる。

[0023] また、その複数の複屈折部材の一部又は全部を、その照明光学系の光軸を中心として回転可能ならしめる回転機構を有してもよい。これによつて、その光源からの照明光を、その複屈折部材に適した偏光状態でその複屈折部材に供給できる。

また、その複数の複屈折部材を複数組備え、その複数組のその複数の複屈折部材を、その照明光学系内に交換可能に配置する複屈折部材交構を有することができる。これで転写対象の種々のパターンに対応できる。

[0024] 次に、本発明による第 3の投影露光装置は、光源（1)からの照明光を第 1物体 (R) に照射する照明光学系 (ILS)と、その第 1物体上のパターンの像を第 2物体 (W)上に投影する投影光学系（25)とを有する投影露光装置であって、その光源は、その照明光を実質的に単一の偏光状態で生成し、その照明光学系は、その照明光の進行方向に沿って順に配置される、回折光学素子（9a, 9b)と複屈折部材（12, 13)とを有するものである。

また、本発明による第 2の照明光学装置は、光源力の照明光を第 1物体に照射する照明光学装置であって、その照明光の進行方向に沿って順に配置される、回折光学素子と複屈折部材とを有するものである。

[0025] 本発明によれば、その複屈折部材を用いることによって、その第 1物体を例えば S 偏光を主成分とする所定の偏光状態で効率的に照明できる。更に、その回折光学素子を用いてその複屈折部材に入射する照明光の光量分布を輪帯状等に制限することによって、光量損失を極めて小さくできる。

本発明において、一例として、その回折光学素子は、その第 1物体に照射されるその照明光を、特定の入射角度範囲でその第 1物体に照射される特定照明光に実質的に制限するとともに、その複屈折部材は、その特定照明光を S偏光を主成分とする偏光状態の光とする。

[0026] また、その回折光学素子は、更にその第 1物体に照射されるその照明光の入射方向を特定の実質的に離散的な複数の方向に制限してもよい。

また、その回折光学素子は、その照明光を、その照明光学系中の瞳面内の、その照明光学系の光軸を中心とする所定の輪帯領域である特定輪帯領域内に分布する光束に実質的に制限するとともに、その複屈折部材は、その光束を、円周方向を偏向方向とする直線偏光を主成分とする偏光状態としてもよい。

また、その回折光学素子は、その光束を更にその特定輪帯領域内の実質的に離散的な複数の領域内に制限してもょ、。

[0027] 次に、本発明による露光方法は、本発明の投影露光装置を用いて、その第 1物体としてのマスク（R)のパターンの像でその第 2物体としての感光体 (W)を露光するものである。本発明によって、その第 1物体を輪帯照明、 2極照明、又は 4極照明等で照明できるとともに、その第 1物体に入射する照明光の偏光状態をほぼ S偏光を主成分にすることができる。従って、光量損失の殆ど無い状態で、マスク上に所定方向に微細ピッチで形成されたパターンを良好な結像特性で転写できる。

また、本発明によるデバイス製造方法は、リソグラフイエ程を含むデバイス製造方法であって、そのリソグラフイエ程で本発明の露光方法を用いてパターンを感光体に転写するものである。本発明によれば、高い処理能力で、かつ高い結像特性でパターンを転写することができる。

[0028] 本発明によれば、複数の複屈折部材を用いて照明光の偏光状態を制御するか、又は照明光の進行方向に沿って順に配置される回折光学素子と複屈折部材とを用いて照明光の偏光状態を制御しているため、第 1物体 (マスク)を所定の偏光状態の照明光で照明する際の光量損失を少なくできる。

また、更に光束制限部材を用いることによって、第 1物体を輪帯照明、 2極照明、又は 4極照明等で照明する際に、照明光量を殆ど低下させることなぐ特定輪帯領域の少なくとも一部の領域を通過する照明光の偏光状態を、その特定輪帯領域の円周方向に平行な直線偏光を主成分とする状態に設定することができる。

[0029] この場合、その第 1物体上のその直線偏光の方向に沿って長手方向を有するラインパターンを微細ピッチで配置したパターンを露光する際の結像特性が向上する。従って、結像特性の向上を、処理能力 (スループット)の低下なく実現できる照明光学装置、投影露光装置、及び露光方法を提供できる。

図面の簡単な説明 [図 1]図 1は、本発明の実施形態の一例の投影露光装置の概略構成を示す一部を切り欠いた図である。

[図 2]図 2 (A)は図 1中の複屈折部材 12を +Y方向に見た図、図 2 (B)は図 2 (A)の AA'線に沿う断面図である。

[図 3]図 3 (A)は図 1中の複屈折部材 13を +Y方向に見た図、図 3 (B)は図 3 (A)の B B'線に沿う断面図である。

[図 4]図 4 (A)は第 1の複屈折部材 12における偏光間位相差 Δ Ρ1と位置 Xとの関係の一例を示す図、図 4 (B)は第 2の複屈折部材 13における偏光間位相差 Δ Ρ2と位置 XZとの関係の一例を示す図、図 4 (C)は第 2の複屈折部材 13から射出される照明光の偏光状態の一例を示す図である。

[図 5]図 5は、第 1の複屈折部材 12から射出される照明光の偏光状態の一例を示す図である。

[図 6]図 6 (A)は第 1の複屈折部材 12における偏光間位相差 Δ Ρ1と位置 Xとの関係の他の例を示す図、図 6 (B)は第 2の複屈折部材 13における偏光間位相差 Δ Ρ2と位置 XZとの関係の他の例を示す図、図 6 (C)は第 2の複屈折部材 13から射出される照明光の偏光状態の他の例を示す図である。

[図 7]図 7 (A)は図 1のレチクル R上に形成された微細な周期パターン PXの一例を示す平面図、図 7 (B)は図 7 (A)のパターンを所定条件で照明した場合に投影光学系の瞳面 26内に形成される回折光の分布を示す図、図 7 (C)は図 7 (A)のパターン PX を照明するための輪帯照明の条件を示す図である。

[図 8]図 8 (A)は図 1の照明光学系 ILSの瞳面 15とレチクル Rとの関係を簡易的に示す斜視図、図 8 (B)は図 8 (A)の一部を +Y方向に見た図、図 8 (C)は図 8 (A)の一部を- X方向に見た図である。

[図 9]図 9は、本発明の実施形態の一例において、特定輪帯領域の半径を可変とするために、図 1の複屈折部材 12, 13とフライアイレンズ 14との間に配置できる複数の円錐プリズムを示す図である。

[図 10]図 10は、図 1の偏光制御部材 4の位置に配置できる偏光制御光学系の一例を示す図である。 [図 11]図 11は、本発明の実施形態の投影露光装置を用ヽて半導体デバイスを製造するためのリソグラフイエ程の一例を示す図である。

符号の説明

[0031] R…レチクル、 W…ウェハ、 ILS…照明光学系、 AX2…照明系光軸、 nf…進相軸、 ns…遅相軸、 1…露光光源、 4…偏光制御部材、 9a, 9b…回折光学素子、 12…第 1 の複屈折部材、 13…第 2の複屈折部材、 14· ··フライアイレンズ、 25· ··投影光学系、 36· ··特定輪帯領域、 41, 42…円錐プリズム

発明を実施するための最良の形態

[0032] 以下、本発明の好ましい実施形態の一例につき図面を参照して説明する。本例は、ステップ ·アンド'スキャン方式よりなる走査露光型の投影露光装置 (スキャニング'ステッパー）で露光を行う場合に本発明を適用したものである。

図 1は、本例の投影露光装置の概略構成を示す一部を切り欠いた図であり、この図 1において、本例の投影露光装置は、照明光学系 ILSと投影光学系 25とを備えている。前者の照明光学系 ILSは、露光光源 1 (光源)からコンデンサーレンズ 20までの光軸（照明系光軸) AX1, AX2, AX3に沿って配置される複数の光学部材を備え（詳細後述）、露光光源 1からの露光ビームとしての露光用の照明光 (露光光) ILでマスクとしてのレチクル Rのパターン面（レチクル面）の照明視野を均一な照度分布で照明する。後者の投影光学系 25は、その照明光のもとで、レチクル Rの照明視野内のパターンを投影倍率 M (Mは例えば 1Z4, 1Z5等の縮小倍率)で縮小した像を、被露光基板 (基板)又は感光体としてのフォトレジストが塗布されたウエノ、 W上の一つのショット領域上の露光領域に投影する。レチクル R及びウェハ Wはそれぞれ第 1物体及び第 2物体ともみなすことができる。ウエノ、 Wは、例えば半導体 (シリコン等)又は S OKsilicon on insulator)等の直径が 200— 300mm程度の円板状の基板である。本例の投影光学系 25は、例えば屈折光学系であるが、反射屈折系なども使用できる。

[0033] 以下、図 1において、投影光学系 25、レチクル R、及びウェハ Wに関しては、投影光学系 25の光軸 AX4に平行に Z軸を取り、 Z軸に垂直な平面 (XY平面）内で走査露光時のレチクル R及びウェハ Wの走査方向（図 1の紙面に平行な方向）に沿って Y 軸を取り、非走査方向（図 1の紙面に垂直な方向）に沿って X軸を取って説明する。この場合、レチクル Rの照明視野は、非走査方向である X方向に細長い領域であり、ゥェハ W上の露光領域は、その照明視野と共役な細長い領域である。また、投影光学系 25の光軸 AX4は、レチクル R上で照明系光軸 AX3と合致している。

[0034] 先ず、露光転写すべきパターンの形成されたレチクル Rはレチクルステージ 21上に吸着保持され、レチクルステージ 21はレチクルベース 22上で Y方向に一定速度で移動するとともに、同期誤差を補正するように X方向、 Y方向、 Z軸の回りの回転方向に微動して、レチクル Rの走査を行う。レチクルステージ 21の X方向、 Y方向の位置、及び回転角は、この上に設けられた移動鏡 23及びレーザ干渉計 24によって計測されている。この計測値及び主制御系 34からの制御情報に基づいて、レチクルステージ駆動系 32はリニアモータ等の駆動機構 (不図示）を介してレチクルステージ 21の位置及び速度を制御する。レチクル Rの周辺部の上方には、レチクルァライメント用のレチクルァライメント顕微鏡 (不図示）が配置されている。

[0035] 一方、ウェハ Wは、ウェハホルダ（不図示）を介してウェハステージ 27上に吸着保持され、ウェハステージ 27は、ウェハベース 30上に Y方向に一定速度で移動できるととも〖こ、 X方向、 Y方向にステップ移動できるように載置されている。また、ウェハステージ 27には、不図示のオートフォーカスセンサの計測値に基づいて、ウェハ Wの表面を投影光学系 25の像面に合わせ込むための Zレべリング機構も組み込まれている。ウェハステージ 27の X方向、 Y方向の位置、及び回転角は、この上に設けられた移動鏡 28及びレーザ干渉計 29によって計測されて、る。この計測値及び主制御系 34力もの制御情報に基づいて、ウェハステージ駆動系 33はリニアモータ等の駆動機構 (不図示)を介してウェハステージ 27の位置及び速度を制御する。また、投影光学系 25の近傍には、ウェハァライメントのために、ウェハ W上の位置合わせ用マークの位置を検出するオフ 'ァクシス方式で例えば FIA(Field Image Alignment )方式のァライメントセンサ 31が配置されて!、る。

[0036] 本例の投影露光装置による露光に先立って、上記のレチクルァライメント顕微鏡によってレチクル Rのァライメントが行われ、ウェハ W上に以前の露光工程で回路パターンとともに形成された位置合わせ用マークの位置をァライメントセンサ 31で検出することによって、ウェハ Wのァライメントが行われる。その後、レチクル R上の照明視野に照明光 ILを照射した状態で、レチクルステージ 21及びウエノ、ステージ 27を駆動して、レチクル Rとウェハ W上の一つのショット領域とを Y方向に同期走査する動作と、照明光 ILの発光を停止して、ウェハステージ 27を駆動してウェハ 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。その同期走査時のレチクルステージ 21 とウェハステージ 27との走査速度の比は、投影光学系 25を介してのレチクル Rとゥェハ Wとの結像関係を保っために、投影光学系 25の投影倍率 Mと等しい。これらの動作によって、ステップ 'アンド'スキャン方式でウェハ W上の全部のショット領域にレチクル Rのパターン像が露光転写される。

[0037] 次に、本例の照明光学系 ILSの構成につき詳細に説明する。図 1において、本例の露光光源 1としては、 ArF (アルゴンフッ素）エキシマーレーザー（波長 193nm)が使用されている。なお、露光光源 1としては、その他に KrF (クリプトンフッ素）エキシマ一レーザー（波長 248nm)、 F (フッ素分子）レーザー（波長 157nm)、又は Kr (タリ

2 2 プトン分子）レーザー（波長 146nm)等のレーザー光源なども使用できる。これらのレ一ザ一光源 (露光光源 1を含む）は、狭帯化されたレーザー又は波長選択されたレーザ一であり、露光光源 1から射出される照明光 ILは、上記狭帯化又は波長選択により直線偏光を主成分とする偏光状態となっている。以下、図 1において、露光光源 1から射出された直後の照明光 ILは、偏光方向（電場の方向）が図 1中の X方向と一致する直線偏光光を主成分とするものとして説明する。

[0038] 露光光源 1を発した照明光 ILは、照明系光軸 AX1に沿ってリレーレンズ 2, 3を介して偏光制御機構としての偏光制御部材 4 (詳細後述）に入射する。偏光制御部材 4を発した照明光 ILは、凹レンズ 5と凸レンズ 6との組み合わせ力もなるズーム光学系（5 , 6)を経て、光路折り曲げ用のミラー 7で反射されて、照明系光軸 AX2に沿って回折光学素子 (DOE:Diflfractive Optical Element) 9aに入射する。回折光学素子 9aは位相型の回折格子力なり、入射した照明光 ILは、所定の方向に回折されて進む。

[0039] 後述する通り、光束制限部材としての回折光学素子 9aからの各回折光の回折角及び方向は、照明光学系 ILSの瞳面 15上での照明光 ILの位置や、照明光 ILのレチクル Rへの入射角度及び方向に対応する。また、回折光学素子 9a及びそれと異なる回折作用を有する別の回折光学素子 9b等がターレット状の部材 8上に複数配列されている。そして、例えば主制御系 34の制御のもとで交 «構 10により部材 8を駆動して、部材 8上の任意の位置の回折光学素子 9a等を照明系光軸 AX2上の位置に装填することで、レチクル Rのパターンに応じて、レチクル Rへの照明光の入射角度範囲及び方向（又は瞳面 15での照明光の位置)を、所望の範囲に設定できるように構成されている。また、その入射角度範囲は、上述のズーム光学系（5, 6)を構成する凹レンズ 5及び凸レンズ 6を、照明系光軸 AX1の方向にそれぞれ移動することによって、補助的に微調整することができる。

[0040] 回折光学素子 9aを射出した照明光（回折光) ILは、照明系光軸 AX2に沿ってリレ一レンズ 11を経て、本発明の複数の複屈折部材としての第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13に順次入射する。これらの複屈折部材の詳細については後述する。本実施形態においては、複屈折部材 13の後に、オプティカルインテグレータ一（照度均一化部材)であるフライアイレンズ 14が配置されてヽる。フライアイレンズ 1 4を射出した照明光 ILは、リレーレンズ 16、視野絞り 17、及びコンデンサーレンズ 18 を経て光路折り曲げ用のミラー 19に至り、ここで反射された照明光 ILは、照明系光軸 AX3に沿ってコンデンサーレンズ 20を経てレチクル Rを照明する。このように照明されたレチクル R上のパターンは、上述のように投影光学系 25によりウェハ W上に投影され転写される。

[0041] なお、必要に応じて視野絞り 17を走査型とし、レチクルステージ 21及びウェハステージ 27の走査に同期して、走査することもできる。この場合、その視野絞りを固定視野絞りと可動視野絞りとに分けて構成してもよい。

この構成において、フライアイレンズ 14の射出側の面は照明光学系 ILSの瞳面 15 の近傍に位置している。瞳面 15は、瞳面 15からレチクル Rに至るまでの照明光学系 I LS中の光学部材（リレーレンズ 16、視野絞り 17、コンデンサーレンズ 18, 20、及びミラー 19)を介して、レチクル Rのパターン面（レチクル面）に対する光学的フーリエ変換面として作用する。即ち、瞳面 15上の 1点を射出した照明光は、概ね平行光束となって所定の入射角度及び入射方向でレチクル Rを照射する。その入射角度及び入射方向は、その光束の瞳面 15上での位置に応じて定まる。

[0042] なお、光路折り曲げ用のミラー 7, 19は、光学性能的に必須のものではないが、照明光学系 ILSを一直線上に配置すると露光装置の全高 (Z方向の高さ）が増大するために、省スペース化を目的として照明光学系 ILS内の適所に配置したものである。照明系光軸 AX1は、ミラー 7の反射により照明系光軸 AX2と一致し、更に照明系光軸 AX2は、ミラー 19の反射により照明系光軸 AX3と一致する。

[0043] 以下、図 2—図 5を参照して、図 1中の第 1及び第 2の複屈折部材 12, 13の第 1実施例につき説明する。

第 1の複屈折部材 12は、一軸結晶等の複屈折材料力もなる円板状の部材であり、その光学軸はその面内方向（照明系光軸 AX2に垂直な平面に平行な方向）にある。そして、その第 1の複屈折部材 12のその面内方向の大きさ（直径）は、当該複屈折部材 12が配置される位置における照明光 ILの光束径より大きい。

図 2 (A)は、図 1の複屈折部材 12を照明系光軸 AX2に沿って +Y方向に見た図であり、図 2 (A)に示す通り、複屈折部材 12において、これに平行な偏光方向を持つ直線偏光光に対して屈折率を最低にする軸方向である進相軸 nfが、図 1と同じ座標軸である XZ座標で各座標軸 (X軸及び Z軸)から 45° 回転した方向を向いている。また、これに平行な偏光方向を持つ直線偏光光に対して屈折率を最高にする軸方向である遅相軸 nsは、当然ながら上記進相軸 nfと直交し、やはり X軸及び Z軸の双方から 45° 回転した方向を向いている。

[0044] 第 1の複屈折部材 12の厚さは図 2 (A)の紙面に平行な面内で一様ではなぐ X座標 (X方向の位置）に応じて変化する。図 2 (B)は図 2 (A)の AA'線に沿う複屈折部材 12の断面図であり、図 2 (B)に示すように、複屈折部材 12は、 X方向において中心 (照明系光軸)で薄く周辺で厚い形状である。一方、第 1の複屈折部材 12の厚さは、図 2 (A)の Z方向には一様であり、複屈折部材 12は、全体として負のシリンダーレンズのような形状をしている。

[0045] このような複屈折部材を透過した光束には、一般的には、その偏光方向（即ち「光の電場の振動方向」であり、以下同じ。）が進相軸 nfの方向に一致する直線偏光成分と、遅相軸 nsの方向に一致する直線偏光成分との間に光路差 (偏光間位相差)が生じる。進相軸 nfに平行な直線偏光光に対しては複屈折部材の屈折率が低ぐ従つて同偏光光の進行速度は速ぐ一方、遅相軸 nSに平行な直線偏光光に対しては複屈折部材の屈折率が高ぐ従って同偏光光の進行速度は遅くなるため、両偏光光間に光路差 (偏光間位相差)が生じるのである。従って、第 1の複屈折部材 12は透過光に与える偏光間位相差が、場所に応じて異なる第 1の不均一波長板として機能する

[0046] ところで、第 1の複屈折部材 12の厚さを最適化することで、複屈折部材 12によって生じる上記光路差を波長の整数倍とすると、両光束の位相は実質的に区別できず、実質的に光路差がない状態を形成できる。本例では、複屈折部材 12の中心部の厚さ T1をそのような厚さに設定する。以下では、図 2 (B)に示すように、 X軸の原点 (X =0)を複屈折部材 12の中心 (照明系光軸)とする。

[0047] 一方、第 1の複屈折部材 12の中心に対して X方向に ± 1離れた位置（1は基準長であって、第 1の複屈折部材 12の外径より内側にある）では、偏光間位相差が 0. 5 (単位は照明光の波長)だけ生じるように、その複屈折部材 12の形状を設定する。そのような形状として、本例では複屈折部材 12の厚さ TAを、 X方向の位置 Xについて、次の関数で表わされる厚さとしている。

[0048] TA=T1 + a X (1. 7 X X -0. 7 X X²) (1)

ここで、 αは比例係数であり、 αの値は中心部の厚さ T1と同様、使用する複屈折材料の上述の進相軸と遅相軸との屈折率差等により異なる。

第 1の複屈折部材 12を構成する複屈折材料として一軸結晶である水晶を使用するなら、水晶の屈折率は、波長 193nmの ArFエキシマーレーザー光において常光線の屈折率は 1. 6638、異常光線の屈折率は 1. 6774である。これより進相軸は常光線の偏光方向であり、遅相軸は異常光線の偏光方向となる。

[0049] 水晶中での常光線、異常光線の波長は、真空中の波長（193nm)をそれぞれの屈折率で割ったものであるから、それぞれ 116. OOlnm, 115. 056nmであり、水晶中を 1波長分進行する毎に、両光束間に 0. 945nmの光路差が形成される。従って、 1 22. 7 ( = 116. 001/0. 945)波長分進行すると、両光束間には約 1波長分の光路差が形成される。もっとも光路差がちょうど 1波長分又は整数波長分であると、両光束には実質的に光路差が無いのと等価である。 122. 7波長分の水晶の厚さは、 122. 7 X 193/1. 6638の計算より 14239nm、良卩ち 14. 239 mにネ目当する。同様に、常光線と異常光線とに半波長の光路差を形成するには、水晶の厚さを上記の半分の 7. 12 mにすれば良いことになる。

[0050] これより、第 1の不均一波長板である第 1の複屈折部材 12を水晶で形成するには、上記（1)式における中心部の厚さ T1を 14. 239 /z mの整数倍に設定し、周辺近傍の基準位置 (X= l)での厚さを、それより 7. 厚くすれば良ぐ即ち上記比例係数 αを 7. 12 mと設定すれば良い。

このとき、第 1の複屈折部材 12により形成される偏光間位相差 Δ Ρ1は、 X方向の位置 Xの関数として次のように表わされる。

[0051] Δ Ρ1 = 0. 5 X (1. 7 XX⁴— 0. 7 XX²) (2)

なお、第 1の複屈折部材 12の厚さとは、その入射面 12aと射出面 12bとの間隔であり、上記位相差を形成するための上記厚さと X方向の位置との関係を満たすのであれば、入射面 12aと射出面 12bとの各形状は任意であっても構わない。ただし、面形状の加工上は、どちらかの面を平面とした方が加工が容易になるので、実際には図 2 (B)に示した如ぐ例えば射出面 12bを平面とすることが望ましい。この場合には射出面 12bでの厚さ TAの値を 0とした際の入射面 12aの厚さ TAの値は、（1)式で求まる TAの通りとなる。勿論、入射面 12aを平面としても良い。

[0052] 図 4 (A)は、 (2)式で表わされる偏光間位相差 Δ P1 (単位は照明光の波長）と位置 Xとの関係を示す図である。また、図 5は、本例の第 1の複屈折部材 12から射出される照明光の偏光状態を表わす図であり、図 5において、 XZ座標上の各位置に分布する照明光の偏光状態が、各位置を中心とする線分、円、又は楕円にて示されている。また、図 5の X軸及び Z軸の原点 (X=0, Z = 0)は、複屈折部材 12の中心に設定されており、 X方向及び Z方向のスケールは、 X= ± l, Z= ± lの位置（共に原点 X =0, Z = 0から基準長離れた位置）が図 5中の四隅に位置するように設定されている

[0053] 図 5の各 XZ座標で識別される位置において、線分が表示された位置では照明光は直線偏光を主成分とする偏光状態となっており、線分の方向がその偏光方向を示す。また、楕円が表示された位置では照明光は楕円偏光を主成分とする偏光状態となっており、楕円の長辺方向は、その楕円偏光に含まれる直線偏光成分が最大となる方向を示している。また、円が表示された位置では照明光は円偏光を主成分とする偏光状態となっている。

[0054] 図 4 (A)に示した通り、中心から X方向に ± 1離れた位置では、第 1の複屈折部材 1

2は、所謂 1Z2波長板として作用する。ここで、図 1の露光光源 1を発する照明光 IL は、前述の通り X方向に偏光した直線偏光光を主成分としており、この 1Z2波長板は、その進相軸 nf及び遅相軸 nsが、入射光の（照明光の)偏光方向である X方向に対して 45° 回転したものである。従って、図 5に示した通り、第 1の複屈折部材 12のうち中心から X方向に ± 1 (基準長)離れた位置付近を透過する照明光の偏光状態は、この 1Z2波長板の作用により、 Z方向の直線偏光を主成分とする偏光状態に変換される。

[0055] また、図 4 (A)より、第 1の複屈折部材 12のうち中心力も X方向に ±0. 6離れた位置付近を透過する照明光に対しては、偏光間位相差 Δ 1は 0. 25であり、第 1の複屈折部材 12は所謂 1Z4波長板として作用する。このため、この部分を透過する照明光は、円偏光を主成分とする偏光状態に変換されることになる。

一方、 X方向についての中心を透過する光束には、進相軸 nf方向及び遅相軸 ns 方向の各直線偏光間で光路差が生じないため、透過光の偏光状態が変換されることは無い。従って、 X方向についての中心で複屈折部材 12に入射する光束は、 X方向の直線偏光状態を主成分とする状態を保ったまま複屈折部材 12を射出する。そして、上記の X=0, ±0. 6, ± 1の各位置以外の位置を透過する光束は、位置に応じて形状の異なる楕円偏光を主成分とする偏光状態となって、第 1の複屈折部材 12を透過する。この偏光状態は図 5に示した通りである。

[0056] 図 1において、第 1の複屈折部材 12を透過した場所に応じて偏光状態の異なる照明光 ILは、第 2の複屈折部材 13に入射する。第 2の複屈折部材 13も複屈折材料からなる円板状の部材である。

図 3 (A)は、図 1の第 2の複屈折部材 13を照明系光軸 AX2に沿って +Y方向に見た図であり、上述の第 1の複屈折部材 12と異なり、図 3 (A)に示す通り、第 2の複屈折部材 13の進相軸 nfは図 1と同じ座標軸である XZ座標の Z軸と平行に設定され、遅相軸 nsは X軸と平行に設定される。第 2の複屈折部材 13についても、その面内方向の大きさ（直径)は、当該第 2の複屈折部材 13が配置される位置における照明光 ILの光束径より大きい。

[0057] また、第 2の複屈折部材 13もその厚さは一様ではなぐその厚さは、図 3 (A)中の X Z座標系の関数 Z=Xの方向、即ち図 3(A)中の BB'線の方向（以下、これを「XZ方向」と呼ぶ。）の位置に応じて変化する。図 3(B)は、図 3(A)の BB'線に沿った第 2の複屈折部材 13の断面図であり、図 3(B)に示すように、複屈折部材 13は左端部（B の近傍)で薄く右端部 (Β'の近傍)で厚い形状である。一方、第 2の複屈折部材 13の厚さは ΧΖ方向に直交する方向には一様である。従って、第 2の複屈折部材 13も透過光に与える偏光間位相差が、場所に応じて異なる第 2の不均一波長板として機能する。

[0058] 本例では第 2の複屈折部材 13の厚さ ΤΒを、 ΧΖ方向の位置 ΧΖについて、次の関数で表わされるものとしている。なお、図 3(B)に示すように、 ΧΖ方向の原点（XZ = 0 )を複屈折部材 13の中心（照明系光軸）として、その中心での厚さを Τ2としている。

ΤΒ=Τ2+ β X (2. 5XXZ-1. 5ΧΧΖ³) (3)

ここで、 j8は比例係数であり、中心部の厚さ T2と同様、 j8の値は使用する複屈折材料の上述の進相軸と遅相軸との屈折率差等により異なる。ここで、中心部の厚さ T 2は、第 2の複屈折部材 13の偏光間位相差 ΔΡ2が 0. 25 (単位は照明光の波長）となるように、即ち中心部が 1Z4波長板として機能するように設定する。

[0059] また、複屈折部材 13において、 XZ方向に +1(基準長さ)及び 1離れた位置では、偏光間位相差 ΔΡ2が、それぞれ +0. 75及び 0. 25となるように設定する。これは、中心との間に、それぞれ +0. 5及び 0. 5の偏光間位相差の差を形成することを意味する。

即ち、本例の第 2の複屈折部材 13においては、偏光間位相差 ΔΡ2が次式で表わされるようにその厚さを設定する。

[0060] ΔΡ2 = 0. 25 + 0. 5X (2. 5XXZ⁵— 1. 5XXZ³) (4)

また、第 2の複屈折部材 13についても上述の例と同様に水晶で形成する場合には、中心部の厚さ Τ2は 14. 239 111の（整数+174)倍とし、比例係数|8を7. 12μηι とすれば良い。図 4(B)は、（4)式の偏光間位相差 ΔΡ2と位置 ΧΖとの関係を示す図である。

[0061] 図 1において、第 1の複屈折部材 12を透過した場所に応じて偏光状態の異なる照明光は、第 2の複屈折部材 13により、再度、その偏光状態が場所に応じて変換される。第 2の複屈折部材 13を射出した照明光 ILの偏光状態を図 4 (C)に示す。

図 4 (C)の表示方法は、前述の図 5での表示方法と同様であり、図 4 (C)において、 XZ座標上の各位置に分布する照明光の偏光状態が、各位置を中心とする線分 (直線偏光）、又は楕円（楕円偏光）にて示されている。また、図 4 (C)の X軸及び Z軸の原点 (X=0, Z = 0)も、複屈折部材 13の中心に設定されている。

[0062] なお、図 1に示す通り、本実施形態では、第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13がフライアイレンズ 14の直前に配置されており、かつフライアイレンズ 14の射出側の面は、照明光学系 ILS中の瞳面 15の近傍に配置されている。そのため、第 1 の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13は、実質的に照明光学系 ILS中の瞳画 1 5とほぼ等価な場所に配置されて、る。

[0063] 従って、第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13を透過した照明光 ILは、その位置に応じて決まる入射角度及び入射方向で、レチクル Rに入射することになる。即ち、図 4 (C)中で原点 (X=0, Z = 0の位置）上に分布する光束はレチクル Rに垂直に入射し、原点から所定距離離れた位置に分布する光束は、この距離にほぼ比例する入射角度でレチクル Rに傾いて入射する。また、その入射方向は、その点の原点力の方位角に等しい方向となる。

[0064] 図 4 (C)及び図 5に示した外円 C1及び内円 C2は、レチクル Rに対して所定の輪帯照明を構成するための照明光の分布の境界である。各円 CI, C2の半径は、上記第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13の厚さ形状 (厚さ分布)の決定で使用した基準長さを単位として、外円 C1の半径を 1. 15、内円 C2の半径を 0. 85としてある。即ち、輪帯照明の輪帯比（内円の半径 Z外円の半径)としては、 0. 74を想定している。これは一般的に使用される所謂「 3Z4輪帯照明（内半径:外半径 = 3： 4)」を想定したものであるが、当然ながら本発明が適用されるべき輪帯照明の条件は、これに限られるものではない。

[0065] 図 4 (C)より明らかな通り、第 2の複屈折部材 13を射出した照明光は、外円 C1及び内円 C2に囲まれた輪帯領域である特定輪帯領域 36内において、その特定輪帯領域 36の円周方向を偏光方向とする直線偏光を主成分とする偏光状態となっている。図 4 (C)及び図 5を比較すると、 X軸上及び Z軸上の照明光の偏光状態はほぼ等しい。しかし、原点を中心に各軸力 45° 程度離れた位置（図 4 (C)及び図 5中で、右上、左上、左下、右下の位置)での偏光状態は、図 5では概ね円偏光であるのに対し、図 4 (C)では特定輪帯領域の円周方向の直線偏光に変換されている。これは、第 2 の複屈折部材 13の作用によるものであり、第 2の複屈折部材 13が、図 4 (C)中の左上及び右下の領域では 1Z4波長板として機能し、左下及び右上の領域ではそれぞれー 1Z4波長板及びそれと等価な 3Z4波長板として機能することによっている。

[0066] なお、実際の露光装置では、その特定輪帯領域 36の外円 C1の実際の半径は、図 1の投影光学系 25のレチクル R側の開口数 (NA)、照明光学系 ILS中のリレーレンズ 16及びコンデンサーレンズ 18, 20よりなる光学系の焦点距離、並びに設定すべきコヒーレンスファクター（照明 σ )の値より決まり、内円 C2の半径は更に設定すべき輪帯比により決まる値である。そして、この輪帯照明の条件に対して、その特定輪帯領域 36に分布する照明光の偏光方向が、各位置における輪帯領域の円周方向と一致するように、第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13の厚さ形状を決定することになることは言うまでもない。

[0067] ここで、第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13の厚さ形状を決定するとは、その形状を ΧΖ面内において比例拡大又は比例縮小し、 Υ方向（光の進行方向）についてはその凹凸量を変化させないことを意味する。

以上、第 1及び第 2の複屈折部材 12, 13の第 1実施例においては、光束を減光させることのない第 1及び第 2の不均一波長板により、照明光束の光量損失が無い状態で、特定輪帯領域に分布する照明光の偏光方向を、各位置における輪帯領域の円周方向と一致させることができる。この場合には、その照明光のうち、その特定輪帯領域 36を通過してレチクル Rに照射される照明光、即ち特定の入射角度範囲でレチクル Rに照射される特定照明光は、偏光方向が入射面に対して垂直な方向の S偏光を主成分とする偏光状態の光となる。これによつて、転写対象のパターンの周期性等によって、転写像のコントラスト、解像度、及び焦点深度等が向上する場合がある（詳細後述)。

[0068] 次に、図 6を参照して、図 1の照明光学系 ILS中の第 1及び第 2の複屈折部材 12, 13の第 2実施例につき説明する。

本例においても、第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13の構成は、基本的には上述の第 1実施例で示したものと同様である。即ち、第 1の複屈折部材 12は、図 2(A)、及び図 2(B)に示した如きの進相軸方向及び厚さ形状を有し、第 2の複屈折部材 13は、図 3(A)、及び図 3(B)に示した如きの進相軸方向及び厚さ形状を有する。ただし、本例においては両複屈折部材 12, 13の厚さに関する関数の形式を変更する。

[0069] 図 6(A)は、図 4(A)に対応させて、この第 2実施例において第 1の複屈折部材 12 が形成する偏光間位相差 Δ P1の X方向の位置に対する特性を示す。図 6 (A)の偏光間位相差 Δ P1は、次のような位置 Xに関する三角関数を含む関数である。

ΔΡ1 = 0. 265X{1—COS( XX²)} (5)

このような偏光間位相差 Δ PIは、第 1の複屈折部材 12の厚さ TAを、 X方向の位置 Xにつ!/、て次の関数で表わすことで実現できる。

[0070] ΤΑ=Τ1+γ X{1— COS( XX²)} (6)

ここで、 yは比例係数である。第 1実施例と同様に、第 1の複屈折部材 12を水晶で形成する場合、中心の厚さ T1を 14. 239 /zmの整数倍に設定し、比例係数 γを 3. 77 mと設定すれば良い。 3. とは、 1波長分の偏光間位相差を与える水晶の厚さ 14. 239 mを、上記（5)式の係数倍である 0. 265倍した値である。

[0071] 図 6 (B)は、本第 2実施例における第 2の複屈折部材 13が形成する偏光間位相差

ΔΡ2の XZ方向の位置に対する特性を示す。図 6(B)の偏光間位相差 ΔΡ2は、次のような位置 XZに関する三角関数を含む関数で表わすことができる。

ΔΡ2 = 0. 25 + 0. 5Xsin(0. 5X π ΧΧΖ³) (7)

このような偏光間位相差 ΔΡ2は、第 2の複屈折部材 13の厚さ ΤΒを、 ΧΖ方向の位置 ΧΖについて次の関数で表わすことで実現できる。

[0072] ΤΒ=Τ2+ δ Xsin(0. 5X π XXZ³) (8)

ここで、 δは比例係数である。第 2の複屈折部材 13を水晶とするなら、中心の厚さ Τ 2を 14. 239 /z mの（整数 + 1Z4)倍に設定し、比例係数 δを 7. 12 /z mと設定すれば良い。

本例においても、第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13は、透過光に与える偏光間位相差が、それぞれ場所に応じて異なる第 1及び第 2の不均一波長板として機能する。そして、第 1の複屈折部材 12に入射する X方向に偏光した直線偏光光を、図 6 (C)に示す偏光分布に変換して、第 2の複屈折部材 13から射出する。

[0073] 図 6 (C)と図 4 (C)とを比較して分力る通り、本第 2実施例の第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13の方が、上記第 1実施例で示したものよりも、外円 C1及び内円 C2で囲まれた特定輪帯領域 36内に分布する照明光の偏光状態を、その円周方向に平行な直線偏光に、より近付けることができる。これは、本第 2実施例の第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13は、三角関数という高次な関数で定まる厚さ形状 (即ち面形状)を採用しているため、より高精度な偏光制御ができるためである。

[0074] しかし、第 1実施例で示した第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13は、高々5次までの関数力なるものであるため、偏光制御特性ではやや劣る力加工が容易であり製造コストが低廉に抑えられるという利点がある。

なお、第 1、第 2の複屈折部材 12, 13の製造コストを更に抑えるためには、例えば第 1の複屈折部材 12の表面形状をシリンドリカル面 (X方向についての断面が円形となる面)とし、第 2の複屈折部材 13の表面形状をテーパー面 (傾斜した平面)としても良い。この場合の偏光制御特性は、第 1の実施形態のものより劣化するが、投影露光装置の用途によっては十分効果を得られるものであり、上記の製造コストの低廉ィ匕を図りつつ、高性能な露光装置を実現できる。

[0075] このように第 2の複屈折部材 13の表面形状をテーパー面とすることは、第 2の複屈折部材 13を透過した光束の偏光間位相差が、第 2の複屈折部材 13の面内の位置に応じて線形（1次関数)で定まることを意味する。

ところで、図 1の第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13の形状は、上記の第 1及び第 2実施例に示した形状に限定されるものではなぐその透過光の上記特定輪帯領域内での偏光状態を、その各部において、その円周方向に一致させることが出来る形状であれば、どのような形状であっても良い。 [0076] 例えば、第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13の形状は、上述の連続かつ微分連続である関数で表わされる形状では無ぐ所定の位置において段階的に形状が変化する階段状の形状であっても構わない。また、このような階段状の形状の形成には、機械的あるいは機械化学的な研磨方法に代えて、エッチングによる形成が適することとなる。

[0077] なお、このような偏光状態を実現するには、第 1の複屈折部材 12に入射する光束の偏光状態が直線偏光を主成分とする単一の偏光状態力なる照明光である場合には、第 1の複屈折部材 12は、照明系光軸 AX2を中心として 2回回転対称性を持つ偏光間位相差を与えるものであるものが好ましい。これは、上述の第 1及び第 2実施例に示した如き、 X方向について偶関数の厚さを有し、 Y方向については一定の厚さを有する不均一波長板を含むことは言うまでも無、。

[0078] また、第 2の複屈折部材 13は、照明系光軸 AX2を中心として 1回回転対称性を有する偏光間位相差を与える不均一波長板であることが望ましい。 1回回転対称性とは、偏光間位相差の分布力照明系光軸 AX2にて直交する 2本の軸のうちの 1方の軸については概ね対称であり、他方の軸については概ね反対称であることを言う。反対称とは、一般的には座標軸の反転に対して絶対値は等しいが符号は反転する関数をいうが、ここでは、一般的な反対称関数に、定数オフセットを加えた関数も含むとする。これは上述の第 1及び第 2実施例に示した如き、 XZ方向についてのオフセット付きの奇関数で決まる厚さを有し、それと直交する方向にっ、ては一定の厚さを有する不均一波長板を含むことは言うまでも無、。

[0079] また、本実施形態においては、特に、上述の特定輪帯領域に分布する照明光を所定の偏光状態に設定することが重要であるので、第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13の形状につ、ても、上記特定輪帯領域に対応しな!、箇所にっ、ては、その形状が上記の条件を満たさなくとも特に問題がないことは言うまでもない。

なお、第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13の、枚数や進相軸方向についても、上述の第 1、第 2実施例に示したものに限定されるわけではない。即ち、 3枚以上の複屈折部材を照明光の進行方向に沿って (照明系光軸 AX2に沿って)直列に配列しても良ぐその進相軸方向の光軸 AX2を中心とする回転関係も 45° に限られるわけではない。また、 3枚以上の複数の複屈折部材を照明光の進行方向に沿つて直列に配置した場合に、上記の特定輪帯領域の少なくとも一部の領域で、そして望ましくはほぼその全周の領域で照明光の偏光状態を円周方向にほぼ平行な直線偏光とするためには、その複数の複屈折部材のうち少なくとも 1つの複屈折部材の進相軸の方向力他の複屈折部材の進相軸の方向と異なるものであればよい。

[0080] 同様に、複屈折部材 12, 13等の材質も上述の水晶に限られるわけではなぐ他の複屈折材料を使用してもよぐ蛍石の真性複屈折 (Intrinsic Birefringnce)を利用して形成することもできる。また、本来複屈折のない合成石英等の材料に応力を加える等して複屈折性を持たせたものを、複屈折部材 12, 13等として使用することもできる。更に、複屈折部材 12, 13としては、複屈折性のない透過性基板上に、複屈折性を有する材料を貼り合わせたものを使用することもできる。この場合、上述の厚さとは、複屈折性を有する材料の厚さを指すことはいうまでもない。ここで貼り合わせとは、接着、圧着等の機械的な接合のみではなぐ透過性基板上に複屈折性を有する薄膜を蒸着等の手段で成膜して形成する方法であっても構わない。上述のように、上記第 1、第 2実施例で示した第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13の厚さ形状等は、使用する材料の複屈折の大きさにより変わるものである力水晶以外の材料を使用する場合であっても、上述の形状決定方法が適用でき、その形状が定まることは言うまでもない。

[0081] ここで、上記のような輪帯照明であって、輪帯領域内に分布する照明光の偏光状態が、その輪帯領域の円周方向に一致した照明光の利点について、図 7及び図 8を参照して簡単に説明する。

図 7 (A)は、図 1のレチクル R上に形成された微細な周期パターン PXの一例を表わす。周期パターン PXは、図 1と同一の XYZ座標系における X方向に周期性を有するパターンであり、そのピッチ PTは、図 1の投影光学系 25の投影倍率を考慮してゥェハ W上のスケールに換算した値として 140nmとする。図 7 (B)は、このパターンを、波長 193nmの照明光を用いて、コヒーレンスファクター（照明 σ )が 0. 9、輪帯比が 0. 74の輪帯照明で照明した場合に、ウェハ側の開口数 (ΝΑ)が 0. 90の投影光学系 2 5の瞳面 26 (図 1参照）内に形成される回折光の分布を示す。 [0082] 図 7 (C)は、そのパターン PXを照明するための輪帯照明の条件を表わす図であり、図 1の照明光学系 ILSの瞳面 15中で、上記輪帯照明の条件を満たす輪帯領域 ILO 力もの照明光がそのパターン PXを照明する。周期パターン PXからの図 7 (B)の 0次回折光 DOは、その全てが瞳面 26内に分布し、投影光学系 25を透過してウエノ、 Wに到達するが、 1次回折光 D1R及び D1Lは部分的にのみ、瞳面 26及び投影光学系 2 5を透過可能である。レチクル Rのパターン PXの像は、 0次回折光 DOと 1次回折光 D 1R, D1Lとの干渉縞としてウェハ W上に形成されるが、干渉縞が形成されるのは、照明光学系 ILSの瞳面 15において同一位置から発せられた照明光から生成された 0次回折光と 1次回折光とのペアに限られる。

[0083] 図 7 (B)中で瞳面 26の左端部に位置する 1次回折光 D1Lは、 0次回折光 DOのうち右端部に位置する部分とペアになるものであり、それらの回折光は図 7 (C)中の輪帯領域 ILO中の右端の部分領域 ILRから照明された照明光である。一方、図 7 (B)中で瞳面 26の右端部に位置する 1次回折光 D1Rは、 0次回折光 DOのうち左端部に位置する部分とペアになるものであり、それらの回折光は図 7 (C)中の輪帯領域 ILO中の左端の部分領域 ILLから照明された照明光である。

[0084] 即ち、このような X方向に微細なピッチを有するパターン PXの露光に際しては、照明光学系 ILSの瞳面 15上の輪帯領域 ILOから発せられる照明光のうち、パターン PX の結像に寄与する光束は、部分領域 ILR及び部分領域 ILLに限られ、輪帯領域 ILO 内の他の領域力も発せられる照明光は、パターン PXの結像には寄与しない照明光である。

[0085] ところで、パターン PXのように X方向に周期性を有し、 Y方向に長手方向を有するパターンの露光に際しては、レチクル R上で Y方向の偏光方向を有する直線偏光で照明すると、投影像のコントラストが向上することが、前述の非特許文献 KThimothy A. Brunner, et al.: High NA Lithographic imaging at Brewster s angel , SPIE Vol.4691, pp.1- 24(2002))等で報告されている。

[0086] 従って、図 7 (C)の部分領域 ILR及び部分領域 ILL内に分布する照明光を、それぞれ図 7 (C)中の Z方向に平行な PR方向及び PL方向（図 1中のミラー 19の作用を考慮するとレチクル R上では Y方向に対応する）に偏光した直線偏光光とすると、バターン PXの投影像のコントラストの向上、ひいては解像度及び焦点深度の向上に効果的である。

[0087] 次に、レチクルパターンが図 7 (A)のパターン PXとは 90° 回転した、 Y方向に微細ピッチを有する周期パターンである場合には、図 7 (B)に示した回折光分布も 90° 回転することになる。この結果、周期パターンの像形成に寄与する照明光が通過する部分領域も、図 7 (C)に示した部分領域 ILR及び部分領域 ILLを 90° 回転した位置 (即ち、図 7 (C)中の上端及び下端）に配置され、かつ好ましい偏光状態は偏光方向が X方向に一致する直線偏光となる。以上より、 X方向に微細な周期性を有するパターン PXと、 Y方向に微細な周期性を有するパターン PYとを共に含むレチクル Rを露光する際には、図 8に示すような偏光状態を有する照明光の使用が効果的である

[0088] 図 8 (A)は、図 1の照明光学系 ILSの瞳面 15とレチクル Rとの関係を簡易的に示した斜視図であり、図 1中のリレーレンズ 16、コンデンサーレンズ 18, 20等は省略している。上述の通り、図 8 (A)中の輪帯領域 ILO内に分布する照明光は、 X方向に周期性を有するパターン PXの結像性能向上のためには、その X方向の端部 ILL, ILRにおいては Y方向（図 8 (A)の紙面奥行き方向）の直線偏光であることが望ましぐ Y方向に周期性を有するパターン PYの結像性能向上のためには、その Y方向の端部 IL U, ILDにおいては X方向の直線偏光であることが望ましい。即ち、その偏光方向が輪帯領域 ILOの円周方向と概ね一致した直線偏光を使用することが望ましい。

[0089] 更に、レチクル尺に、 X方向及び Y方向のみでなくその中間方向（45° 及び 135° 方向）のパターンを含む場合には、これらのパターンの方向性も考慮して、その偏光方向が輪帯領域の円周方向と完全に一致した直線偏光を使用することが望ましい。ところで、上記の偏光状態は、輪帯領域 ILO内各部の偏光状態に適した方向性のノターンと直交するパターンに対しては、必ずしも効果的な偏光状態を実現して!/、ない。例えば、部分領域 ILUからの X方向に偏光した照明光は、 X方向に周期性を有し長手方向が Y方向となるパターン PXの結像には好ましくない偏光状態である。ただし、 X方向に微細なピッチを有するパターンの結像に寄与する光源を示した図 7 (C )から明らかな通り、図 7 (C)では輪帯領域 ILOの上端に相当する部分領域 ILUは、そもそも X方向に微細なピッチを有するパターンの結像には何ら寄与しな、光源であるから、部分領域 ILUの偏光状態がどのようなものであっても、その偏光状態に起因してその結像特性を悪ィ匕させることは全くな、。

[0090] なお、図 8 (A)に示した如ぐ照明光学系 ILSの瞳面 15において輪帯領域 ILOの円周方向とほぼ一致した直線偏光は、レチクル Rに対して所謂 S偏光として入射する。 S偏光とは、光束が物体に入射する入射面 (物体の法線と光束とを含む平面）に対して、その偏光方向が直交する直線偏光を意味する。即ち、輪帯領域 ILOの円周方向と一致した方向の直線偏光光力もなる部分領域 ILLからの照明光 ILL1は、図 8 (B) に示した通り、偏光方向 EF1が入射面（図 8 (B)の紙面）に対して垂直な S偏光としてレチクル Rに入射する。また、同様な部分領域 ILD上の照明光 ILD1についても、図 8 (C)に示した通り、偏光方向 EF2が入射面（図 8 (C)の紙面）に対して垂直な S偏光としてレチクル Rに入射する。

[0091] 当然ながら、上記部分領域 ILL, ILDと照明光学系の光軸 AX41に対して対称な位置にある部分領域 ILR, ILU力ゝらの照明光も、部分領域 ILR, ILU上で各照明光が輪帯領域 ILOの円周方向に一致する偏光方向を有するため、対称性力やはり S 偏光となってレチクル Rに入射する。輪帯照明の一般的な性質として、輪帯領域 ILO 上に分布する照明光のレチクル Rへの入射角度は、照明光学系の光軸 AX41 (即ちレチクル Rに対する垂線)から角度 φを中心とする所定の角度範囲となる。この入射角度でレチクル Rに照射される光束を、以下では「特定照明光」と呼ぶ。この角度 φ 及び角度範囲は、照明光の波長ゃレチクル R上の転写すべきパターンのピッチ等に基づいて決定するとよい。

[0092] ところで、上述の第 1、第 2の複屈折部材 12, 13は、その部材に固有の形状力も決まる所定の外半径 (外円 C1)と内半径（内円 C2)との間の特定輪帯領域内に分布する照明光の偏光状態を、当該特定輪帯領域の円周方向に平行な直線偏光を主成分とする偏光状態に変換するが、その半径 (C2, C1)は、容易な変更が困難である。そこで、上記のように、所望の輪帯領域をレチクル R上の転写すべきパターンのピッチ等に基づいて変更する必要がある場合には、図 1の第 1、第 2の複屈折部材 12, 1 3とフライアイレンズ 14等のォプティカノレインテグレーターとの間に、図 9に示すように、ズーム型の複数の円錐プリズム 41, 42を設け、上記の特定輪帯領域の半径を可変とすることが望ましい。図 9において、ズーム型の複数の円錐プリズムとは、凹型の円錐面 41 bを有する凹円錐プリズム 41と凸型の円錐面 42aを有する凸円錐プリズム 42とを、その間隔 DDを可変として照明系光軸 AX2に沿って配置したものである。

[0093] この場合、第 1、第 2の複屈折部材 12, 13を透過し、平均半径 RIを中心とする特定輪帯領域に分布する照明光は、ズーム型の円錐プリズム 41, 42により、フライアイレンズ 14の入射面及びその射出面である照明光学系の瞳面 15においては、半径 RO に拡大される。この半径 ROは、両円錐プリズム 41, 42の間隔 DDを拡大することにより拡大可能であり、その間隔 DDを縮小することにより縮小可能である。

[0094] これにより、照明光学系の瞳面 15において、その円周方向に平行な直線偏光からなる照明光が分布する特定輪帯領域を、任意の半径で形成することが可能となり、輪帯照明の照明条件を、転写すべきレチクル R上のパターンに応じて変更することが可能となる。

なお、上記ズーム型円錐プリズム 41, 42の代わりに、ズーム光学系を使用しても良いことは勿論である。

[0095] ところで、以上の実施形態においては、図 1の照明光学系 ILSの瞳面 15に形成する照明光量分布が輪帯領域であること、即ち輪帯照明へ適用することを前提に説明したが、図 1の投影露光装置により実現できる照明条件は、必ずしも輪帯照明に限定されるものではない。即ち、図 1の複屈折部材 12, 13や図 9のズーム型の円錐プリズム 41, 42は、照明光学系の瞳面 15内の特定輪帯領域内に分布する照明光の偏光状態を上記所望の偏光状態に設定するものであるから、照明光の分布をその特定輪帯領域内の更に特定の部分領域内に限る場合であっても、即ち例えば図 7 (C)中の部分領域 ILL, ILRに限るような場合であっても、その部分領域内に分布する照明光を、その特定輪帯領域の円周方向に平行な偏光方向を有する直線偏光を主成分とした照明光に変換できることは言うまでもない。

[0096] このように、照明光を特定輪帯領域内の更に特定の領域内にのみ集光するには、図 1中の回折光学素子 9aを交換し、別の回折光学素子力発生する回折光 (照明光)を、第 1の複屈折部材 12、第 2の複屈折部材 13上の特定輪帯領域中の更に特定の離散的な領域に集中させるようにすれば良い。照明光を集中させる箇所は、例えば図 7 (C)中の部分領域 ILL, ILRの 2箇所であるが、これに限らず、特定輪帯領域中の任意の箇所に集中させてよぐその個数も 4個であっても構わない。その選定は、レチクル R上の露光対象とするパターンの形状に応じて決定すれば良、。

なお、このように照明光を特定輪帯領域内の更に特定の領域内に集中させる場合には、上述のズーム型の円錐プリズム 41, 42に代えて、ピラミッド型等の凸型の多面体プリズムと凹型の多面体プリズムとを、同じく間隔可変に組み合わせた光学部材群を使用することちできる。

[0097] なお、これらの特定領域以外に分布する照明光は、上記の露光対象とするパターンの露光には適さないので、その光量分布を実質的に 0にした方が好ましい場合もある。一方、回折光学素子 9a等の製造誤差などによっては、回折光学素子 9a等からは所望の方向以外にも回折光 (以下「誤差光」という。）が発生し、上記の部分領域以外にも照明光が分布してしまう可能性もある。そこで、例えば図 1のフライアイレンズ 14 の入射面側又は射出面側に絞りを設けて、この誤差光を遮光する構成とすることもできる。これにより上記の複数の特定領域の照明光量分布は完全に離散的なものとなる。ただし、レチクル R上には上記露光対象とするパターン以外のパターンも存在し、上記誤差光が、これらの対象外のパターンの結像に有効である場合もあるので、必ずしも特定領域以外の照明光量分布を 0にする必要がない場合もある。

[0098] ところで、照明光のレチクル Rへの入射に着目すると、瞳面 15上での照明光量の分布を、特定輪帯領域内の更に特定の領域内に限定することは、輪帯照明による入射角度の範囲の制限に加え、その入射方向についても上記の実質的に離散的な複数の方向からにのみ制限されることになる。当然ながら、本発明を輪帯照明に適用する場合にも、特定輪帯領域以外に分布する誤差光をフライアイレンズ 14の入射面側又は射出面側に絞りを設けて、遮光する構成とすることができる。

[0099] なお、以上の実施形態にお!ヽては、オプティカルインテグレーターとしてフライアイレンズ 14を使用するものとした力オプティカルインテグレーターとして内面反射型ィンテグレーター（例えばガラスロッド）を使用することもできる。この場合、ガラスロッドの射出面は照明光学系の瞳面 14ではなぐレチクル Rとの共役面に配置することになる。

[0100] また、以上の実施形態においては、露光光源 1としてのレーザー光源は、 X方向に偏光した直線偏光光を射出するものとしたが、レーザー光源の形態によっては、図 1 中の Z方向に偏光した直線偏光光や他の偏光状態の光束を射出する場合もあり得る。図 1中の露光光源 1が、 Y方向に直線偏光した光、即ち複屈折部材 12, 13の位置において Z方向に直線偏光した光を射出する場合には、上記の第 1及び第 2実施例に示した複屈折部材 12, 13を、照明系光軸 AX2を回転中心として 90° 回転することにより、図 4 (C)及び図 6 (C)に示した偏光状態とほぼ同様な偏光状態の照明光（正確には両図に示した状態を 90° 回転した状態の照明光）を得ることができる。

[0101] 或いは、図 1中の偏光制御部材 4 (偏光制御機構）により、露光光源 1から射出された Y方向の直線偏光を X方向の直線偏光に変換しても良ヽ。このような偏光制御部材 4は、所謂 1Z2波長板により容易に実現できる。なお、露光光源 1が円偏光又は楕円偏光を射出する場合にも、同様に 1Z2波長板や 1Z4波長板を偏光制御部材 4 として使用することで、所望の Z方向への直線偏光に変換することができる。

[0102] ただし、偏光制御部材 4は、露光光源 1から照射される任意の偏光状態の光束を、光量損失無く Z方向の偏光に変換できるわけではない。従って、露光光源 1は直線偏光、円偏光、楕円偏光など、単一の偏光状態を有する光束 (波長板等により光量損失無く直線偏光に変換できる光束)を発生する必要がある。ただし、照明光の全体強度に対して、上記の単一の偏光状態以外の光束の強度がそれ程大きくない場合には、単一の偏光状態以外の光束の結像特性への悪影響は軽微となるので、或る程度 (例えば全光量の 20%以下程度)までなら、露光光源 1から照射される光束は、上記単一の偏光状態以外の光束を含んで、ても構わな、。

[0103] なお、上記の実施形態の投影露光装置の使用状態を考慮すると、照明光の偏光状態を常に、上記特定輪帯領域に分布する照明光をその輪帯領域の円周方向に概ね平行な直線偏光とする、又は上記特定照明光がレチクル Rに対して S偏光として入射するように設定することが最良であるとは限らない。即ち、露光すべきレチクル尺のパターンによっては、輪帯照明ではなく通常照明（照明光学系の瞳面 15において、円形の照明光量分布を有する照明）を採用する方が好ましい場合もあり、この場合には上記の実施形態の偏光状態を有する照明光を使用しない方が好ましい場合もある力である。

[0104] そこで、このような使用状況にも対応するには、図 1の偏光制御部材 4として、レーザ一等の光源から射出される光束の偏光状態を、必要に応じてランダム偏光等に変換できる素子又は光学系を採用するとよい。これは例えば図 10に示すような 2個の偏光ビームスプリツター 4b, 4c等により実現できる。

図 10は、図 1の偏光制御部材 4の位置に設置できる偏光制御光学系を示し、この図 10において、例えば直線偏光光力もなる照明光束 ILO (図 1の照明光 ILに対応する）は、 1Z2波長板又は 1Z4波長板力なる回転波長板 4aに入射する。これにより図 10の紙面力も 45° 傾いた方向の直線偏光又は円偏光に変換された照明光束 IL 1は、最初の偏光ビームスプリツター 4bによりその分割面に対して P偏光成分力もなる光束 IL2及び S偏光成分からなる IL3に分割され、一方の光束 IL2はプリズム 4bを図 10中上方に直進し、他方の光束 IL3は図 10中右方に反射される。

[0105] 直進した光束 IL2は、次の偏光ビームスプリツター 4cに入射するが、その偏光特性から、その光束 IL2は偏光ビームスプリツター 4c内を直進し、光束 IL4となって図 10 中上方に進む。一方、反射された光束 IL3は、ミラー 4d, 4eにより反射されて力偏光ビームスプリツター 4cに入射し、ここで再度反射された光束 IL3は上記の直進する光束 IL4と再度合流する。このとき、偏光ビームスプリツター 4b及び 4cとミラー 4d及び 4eとの間隔をそれぞれ DLとすると、合流した両光束 IL3, IL4の間には、 2 X DLの光路長差が形成されている。そして、この光路長差 2 X DLを照明光束のコヒーレント長より長く設定すれば、両光束間の可干渉性は消失するため、合流した光束を実質的にランダム偏光とすることができる。

[0106] なお、このような偏光制御光学系を図 1の照明光学系 ILS中に装填すると、これを透過する照明光 ILが常にランダム偏光となり、上記の実施形態の偏光状態を実現するためには障害となりかねない。ただし、図 10に示した光学系では、回転波長板 4a の回転により、回転波長板 4aを透過した照明光 IL1の偏光状態を、その全てが最初のビームスプリツター 4bを透過する直線偏光に変換することができるため、上記の障害は原理的に生じない。ただし、偏光ビームスプリツター 4b, 4cにおける吸収や、ミラ一 4d, 4eにおける反射損失等による或る程度の光量損失が生じることは回避できないため、照明光をランダム偏光化しなくて良い場合には、ビームスプリツター 4b, 4c 及び回転波長板 4aを照明光学系の光路外に待避させるような機構を設けても良い。

[0107] ところで、このような偏光ビームスプリツターを使用せずとも、以下の簡便な方法によりランダム偏光照明とほぼ同様の効果を得ることもできる。これは、図 1の第 1の複屈折部材 12に入射する照明光 ILの偏光状態を、図 1中の X方向及び Z方向から 45° 離れた方向とすることで、上記特定輪帯領域に分布する照明光を概ね円偏光に変換することにより実現できる。従って、本実施形態の投影露光装置を、円偏光を近似的にランダム偏光とみなせる用途で使用する場合には、即ち要求される結像性能が比較的緩い用途で使用する場合には、図 1中の偏光制御部材 4を例えば 1Z2波長板で構成し、第 1の複屈折部材 12に入射する照明光の偏光状態を、上記のように X 軸及び Z軸から 45° 傾斜した方向とすることで、ランダム偏光照明とほぼ同様の効果を得ることもできる。また、同様に偏光制御部材 4を例えば 1Z4波長板で構成し、第 1の複屈折部材 12に入射する照明光の偏光状態を、円偏光とすることによつても、ランダム偏光照明と同様の効果を得ることもできる。

[0108] 或いは、図 1中の第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13を、照明光学系 I LSの光軸である照明系光軸 AX2を中心として一括して回転可能とする機構により、両複屈折部材 12, 13と照明光の直線偏光の方向との関係を、例えば 45° 回転することとしても、ランダム偏光照明と同様の効果を得ることもできる。

ところで、上記通常照明においても、その偏光状態を所定の 1方向への直線偏光に設定した方が好ましい場合もある。上記の実施形態の投影露光装置において、このような照明条件に対応するには、図 1の第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13等の各複屈折部材を、それぞれ独立して照明系光軸 AX2を中心として一括して回転可能とする機構を設け、各複屈折部材の進相軸 (又は遅相軸）が、照明光の直線偏光の方向と平行になるように各複屈折部材の回転方向を設定すると良い。この場合、照明光は各複屈折部材を進行しても偏光状態の変換作用を全く受けることが無ぐ入射時の直線偏光を保ったまま射出されることになる。

[0109] なお、所定の 1方向への直線偏光状態の設定に際しては、第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13等を一括して照明光学系の光路外に待避させることによっても対応可能である。即ち、交構を設け、複屈折部材等を一括して交換することにより所定の 1方向への直線偏光状態の設定に対応しても良い。また、交換機構を設けるのであれば、交構中の複数組の複屈折部材群を設定可能とし、それらを交換可能に照明系光軸 AX2上の位置上に配置可能な構成としてもよい。この場合、各複屈折部材群は、それぞれ異なる外半径、内半径を有する特定輪帯領域で、照明光をその周方向に沿った直線偏光に変換する特性を持たせておくことが好ましいことは言うまでもない。

[0110] ところで、上記のような所定の 1方向への直線偏光の照明光を使用して好ましいのは、例えば、パターンの方向が揃った空間周波数変調型の位相シフトレチクルを露光する場合である。そして、この場合には、露光転写されるパターンの解像度及び焦点深度を一層向上するために、照明光のコヒーレンスファクタ（ σ値）は、 0. 4程度以下であることが望ましい。

ここで、本発明による複屈折部材 (第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13) の作用について、図 4 (C)及び図 6 (C)を参照して再考すると、両図にそれぞれ示した通り、第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13の第 1の実施例（図 4 (C) )と第 2の実施例（図 6 (C) )とはともに、照明光学系の光軸 (Χ=0, Ζ=0)を中心とする、特定輪帯領域の外半径 C1の半径の半分程度を半径とする円（不図示)の内側に分布する照明光の偏光状態に、ほとんど影響を及ぼしていないことが分力る。

[0111] 外半径 C1の半径力照明 σ ( σ値）として例えば 0. 9に相当するとすれば、照明 σ

=0. 45の照明光束の範囲内では、第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13 は、入射する X方向の直線偏光を、ほぼそのままの偏光状態を保って射出している。また、第 1の複屈折部材 12に Ζ方向の直線偏光 (Ζ偏光)を入射すれば、第 2の複屈折部材 13から射出される光束のうち、上記の照明 σ =0. 45程度の照明光束の偏光状態を Ζ偏光とできる。

[0112] 従って、上記第 1及び第 2の実施例の如き複屈折部材 (第 1の複屈折部材 12及び第 2の複屈折部材 13)を使用するのであれば、これを照明光学系の光路外に退避させることなぐ複屈折部材への入射光の偏光方向を、上述の偏光制御部材 4等により切り替えることにより、上述の空間周波数変調型位相シフトレチクルへの照明に適した、照明 σが 0. 4程度以下の照明光束であって、かつ X方向又は Ζ方向の偏光（図 1のレチクル R上ではそれぞれ X方向又は Υ方向の偏光）の照明光を実現することができる。

勿論、この場合にも、照明 σを 0. 4程度に制限するには、発生する回折光の方向特性が、これに対応する角度分布となるような回折光学素子 9aを使用すると良いことは言うまでもない。これにより、上記一括交構を設けることなく各種の実用的な偏光状態の照明光束を形成することができることも、本発明の利点である。

[0113] 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 11を参照して説明する。

図 11は、半導体デバイスの製造工程の一例を示し、この図 11において、まずシリコン半導体等力もウェハ Wが製造されている。その後、ウェハ 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、上記の実施形態（図 1)の投影露光装置のレチクルステージ上にレチクル (仮に R1とする）をロードし、ウェハステージ上にウェハ Wをロードして、走査露光方式でレチクル R1のパターン（符号 Aで表わす )をウェハ W上の全部のショット領域 SEに転写 (露光)する。この際に必要に応じて二重露光が行われる。なお、ウェハ Wは例えば直径 300mmのウェハ（12インチウェハ )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 S 14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、ウェハ Wの各ショット領域 SEに所定のパターンが形成される。

[0114] 次に、ステップ S16において、ウェハ 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)の投影露光装置のレチクルステージ上にレチクル (仮に R2とする）をロードし、ウェハステージ上にウェハ Wをロードして、走査露光方式でレチクル R2のパターン (符号 Bで表わす）をウェハ 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 S 20において、ウェハ 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、ウェハ Wの各ショット領域に所定のパターンが形成される。 [0115] 以上の露光工程一パターン形成工程 (ステップ S 16—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、ウェハ 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。

[0116] 本例のデバイス製造方法によれば、上記の実施形態の投影露光装置で露光を行つているため、露光工程において、照明光 (露光ビーム)の利用効率を高めた状態で所定の偏光状態でレチクルを照明できる。従って、微細ピッチの周期的なパターン等の解像度等が向上しているため、より高集積で高性能な半導体集積回路を、高いスループットで安価に製造することが可能となる。

[0117] また、上記の実施形態の投影露光装置は、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して、多数の機械部品からなるレチクルステージやウェ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)をすることにより製造することができる。なお、その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。

[0118] また、本発明は、走査露光型の投影露光装置のみならず、ステッパー等の一括露光型の投影露光装置にも適用することができる。また、使用される投影光学系の倍率は、縮小倍率のみならず、等倍や拡大倍率であってもよい。更に、本発明は、例えば国際公開 (WO)第 99Z49504号などに開示される液浸型露光装置にも適用することがでさる。

また、本発明の投影露光装置の用途としては半導体デバイス製造用の露光装置に限定されることなぐ例えば、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 (X線マスクを含むフォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフイエ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。 [0119] また、上述の実施形態に示した投影露光装置に含まれる照明光学系（2— 20)はレチクル R等の第 1物体を照明するための照明光学装置としても適用可能であることは言うまでも無い。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、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 10月 28日付け提出の日本国特願 2003— 367963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！/、る。

産業上の利用可能性

[0120] 本発明のデバイス製造方法によれば、露光ビーム (照明光)の利用効率を高めることができるとともに、所定パターンを高精度に形成できる。従って、半導体集積回路等の各種デバイスを高精度に、かつ高い処理能力（スループット)で製造できる。

Claims

請求の範囲

[1] 光源力の照明光を第 1物体に照射する照明光学系と、前記第 1物体上のパターンの像を第 2物体上に投影する投影光学系とを有する投影露光装置であって、前記光源は、前記照明光を実質的に単一の偏光状態で生成し、

前記照明光学系は、前記照明光の進行方向に沿って配置される複数の複屈折部材を有し、

かつ前記複数の複屈折部材のうち少なくとも 1つの複屈折部材の進相軸の方向が、他の複屈折部材の進相軸の方向と異なるものであり、

前記照明光のうち、特定の入射角度範囲で前記第 1物体に照射される特定照明光を、 S偏光を主成分とする偏光状態の光とすることを特徴とする投影露光装置。

[2] 前記第 1物体に照射される前記照明光を、前記特定照明光に制限する光束制限部材を有することを特徴とする請求項 1に記載の投影露光装置。

[3] 前記光束制限部材は、更に前記第 1物体に照射される前記照明光の入射方向を特定の実質的に離散的な複数の方向に制限することを特徴とする請求項 2に記載の投影露光装置。

[4] 光源力の照明光を第 1物体に照射する照明光学系と、前記第 1物体上のパターンの像を第 2物体上に投影する投影光学系とを有する投影露光装置であって、前記光源は、前記照明光を実質的に単一の偏光状態で生成し、

前記照明光学系中の瞳面またはその近傍の面内における、前記照明光学系の光軸を中心とする所定の輪帯領域である特定輪帯領域内の少なくとも一部の領域を通過する前記照明光が、前記特定輪帯領域の円周方向を偏光方向とする直線偏光を主成分とする偏光状態であることを特徴とする投影露光装置。

[5] 前記第 1物体に照射される前記照明光を、実質的に前記特定輪帯領域内に分布する光束に制限する光束制限部材を有することを特徴とする請求項 4に記載の投影露光装置。

[6] 前記光束制限部材は、前記光束を更に前記特定輪帯領域内の実質的に離散的な複数の領域内に制限することを特徴とする請求項 5に記載の投影露光装置。

[7] 前記光束制限部材は、前記光源と前記複数の複屈折部材との間に配置される回折光学素子を含むことを特徴とする請求項 2、 3、 5、または 6に記載の投影露光装置

[8] 前記複数の複屈折部材のうち少なくとも 1つの部材は、透過光のうち進相軸に平行な直線偏光成分と遅相軸に平行な直線偏光成分との間に与える位相差である偏光間位相差が、前記部材の位置に対して非線形に変化する不均一波長板であることを特徴とする請求項 1から 6のいずれか一項に記載の投影露光装置。

[9] 前記不均一波長板は、前記特定照明光または前記特定輪帯領域に分布する照明光に対して、前記照明光学系の光軸を中心として 2回回転対称性を有する偏光間位相差を与える第 1の不均一波長板を含むことを特徴とする請求項 8に記載の投影露光装置。

[10] 前記不均一波長板は、前記特定照明光または前記特定輪帯領域に分布する照明光に対して、前記照明光学系の光軸を中心として 1回回転対称性を有する偏光間位相差を与える第 2の不均一波長板を更に含むことを特徴とする請求項 9に記載の投影露光装置。

[11] 前記第 1及び第 2の不均一波長板は、前記進相軸の方向が、前記照明光学系の光軸を回転中心として、相互に 45° ずれたものであることを特徴とする請求項 10に記載の投影露光装置。

[12] 前記複数の複屈折部材と前記第 1物体との間に配置されたオプティカルインテグレ一ターを更に含むことを特徴とする請求項 1から 6のいずれか一項に記載の投影露光装置。

[13] 前記複数の複屈折部材と前記オプティカルインテグレーターとの間に配置されたズーム光学系、間隔可変の円錐プリズム群、または多面体プリズム群を更に含むことを特徴とする請求項 12に記載の投影露光装置。

[14] 前記オプティカルインテグレーターは、フライアイレンズであることを特徴とする請求項 12または 13に記載の投影露光装置。

[15] 前記光源と前記複数の複屈折部材との間に配置されて前記光源からの前記照明光の偏光状態を変換する偏光制御機構を有することを特徴とする請求項 1から 6のいずれか一項に記載の投影露光装置。

[16] 前記複数の複屈折部材の一部または全部を、前記照明光学系の光軸を中心として回転可能ならしめる回転機構を有することを特徴とする請求項 1から 6のいずれか一項に記載の投影露光装置。

[17] 前記複数の複屈折部材を複数組備え、前記複数組の前記複数の複屈折部材を、前記照明光学系内に交換可能に配置する複屈折部材交構を有することを特徴とする請求項 1から 6のいずれか一項に記載の投影露光装置。

[18] 請求項 1から 6のいずれか一項に記載の投影露光装置を用いて、前記第 1物体としてのマスクのパターンの像で前記第 2物体としての感光体を露光することを特徴とする露光方法。

[19] リソグラフイエ程を含むデバイス製造方法であって、

前記リソグラフイエ程で請求項 18に記載の露光方法を用いてパターンを感光体に転写することを特徴とするデバイス製造方法。

[20] 請求項 7に記載の投影露光装置を用いて、前記第 1物体としてのマスクのパターンの像で前記第 2物体としての感光体を露光することを特徴とする露光方法。

[21] リソグラフイエ程を含むデバイス製造方法であって、

前記リソグラフイエ程で請求項 20に記載の露光方法を用いてパターンを感光体に転写することを特徴とするデバイス製造方法。

[22] 光源力の照明光を第 1物体に照射する照明光学系と、前記第 1物体上のパターンの像を第 2物体上に投影する投影光学系とを有する投影露光装置であって、前記光源は、前記照明光を実質的に単一の偏光状態で生成し、

前記照明光学系は、前記照明光の進行方向に沿って順に配置される、回折光学素子と複屈折部材とを有することを特徴とする投影露光装置。

[23] 前記回折光学素子は、前記第 1物体に照射される前記照明光を、特定の入射角度範囲で前記第 1物体に照射される特定照明光に実質的に制限するとともに、前記複屈折部材は、前記特定照明光を S偏光を主成分とする偏光状態の光とすることを特徴とする請求項 22に記載の投影露光装置。

[24] 前記回折光学素子は、更に前記第 1物体に照射される前記照明光の入射方向を特定の実質的に離散的な複数の方向に制限することを特徴とする請求項 23に記載の投影露光装置。

[25] 前記回折光学素子は、前記照明光を、前記照明光学系中の瞳面内の、前記照明光学系の光軸を中心とする所定の輪帯領域である特定輪帯領域内に分布する光束に実質的に制限するとともに、

前記複屈折部材は、前記光束を、円周方向を偏向方向とする直線偏光を主成分とする偏光状態とすることを特徴とする請求項 22に記載の投影露光装置。

[26] 前記回折光学素子は、前記光束を更に前記特定輪帯領域内の実質的に離散的な複数の領域内に制限することを特徴とする請求項 25に記載の投影露光装置。

[27] 請求項 22から 26のいずれか一項に記載の投影露光装置を用いて、前記第 1物体としてのマスクのパターンの像で前記第 2物体としての感光体を露光することを特徴とする露光方法。

[28] リソグラフイエ程を含むデバイス製造方法であって、

前記リソグラフイエ程で請求項 27に記載の露光方法を用いてパターンを感光体に転写することを特徴とするデバイス製造方法。

[29] 光源力の照明光を第 1物体に照射する照明光学装置であって、

前記照明光の進行方向に沿って配置される複数の複屈折部材を有し、かつ前記複数の複屈折部材のうち少なくとも 1つの複屈折部材の進相軸の方向が、他の複屈折部材の進相軸の方向と異なるものであり、

前記光源から供給される実質的に単一の偏光状態である照明光のうち、前記第 1 物体に特定の入射角度範囲で照射される特定照明光を、 S偏光を主成分とする偏光状態の光とすることを特徴とする照明光学装置。

[30] 前記第 1物体に照射される前記照明光を、前記特定照明光に制限する光束制限部材を有することを特徴とする請求項 29に記載の照明光学装置。

[31] 前記光束制限部材は、更に前記第 1物体に照射される前記照明光の入射方向を特定の実質的に離散的な複数の方向に制限することを特徴とする請求項 30に記載の照明光学装置。

[32] 前記光束制限部材は、回折光学素子を含むことを特徴とする請求項 30または 31 に記載の照明光学装置。

[33] 前記複数の複屈折部材のうち少なくとも 1つの部材は、透過光のうち進相軸に平行な直線偏光成分と遅相軸に平行な直線偏光成分との間に与える位相差である偏光間位相差が、前記部材の位置に対して非線形に変化する不均一波長板であることを特徴とする請求項 29から 31のいずれか一項に記載の照明光学装置。

[34] 前記不均一波長板は、前記特定照明光または前記特定輪帯領域に分布する照明光に対して、前記照明光学系の光軸を中心として 2回回転対称性を有する偏光間位相差を与える第 1の不均一波長板を含むことを特徴とする請求項 33に記載の照明光学装置。

[35] 前記不均一波長板は、前記特定照明光または前記特定輪帯領域に分布する照明光に対して、前記照明光学系の光軸を中心として 1回回転対称性を有する偏光間位相差を与える第 2の不均一波長板を更に含むことを特徴とする請求項 34に記載の照明光学装置。

[36] 前記第 1及び第 2の不均一波長板は、前記進相軸の方向が、前記照明光学系の光軸を回転中心として、相互に 45° ずれたものであることを特徴とする請求項 35〖こ記載の照明光学装置。

[37] 前記複数の複屈折部材と前記第 1物体との間に配置されたオプティカルインテグレ一ターを更に含むことを特徴とする請求項 29から 31のいずれか一項に記載の照明光学装置。

[38] 前記光束制限部材は、回折光学素子であるとともに、

前記複数の複屈折部材と前記第 1物体との間に配置されたオプティカルインテグレ一ターを含むことを特徴とする請求項 30または 31に記載の照明光学装置。

[39] 光源力の照明光を第 1物体に照射する照明光学装置であって、

前記照明光の進行方向に沿って順に配置される、回折光学素子と複屈折部材とを有することを特徴とする照明光学装置。

[40] 前記回折光学素子は、前記第 1物体に照射される前記照明光を、特定の入射角度範囲で前記第 1物体に照射される特定照明光に実質的に制限するとともに、前記複屈折部材は、前記特定照明光を S偏光を主成分とする偏光状態の光とすることを特徴とする請求項 39に記載の照明光学装置。

[41] 前記回折光学素子は、更に前記第 1物体に照射される前記照明光の入射方向を特定の実質的に離散的な複数の方向に制限することを特徴とする請求項 40に記載の照明光学装置。

[42] 前記複屈折部材と前記第 1物体との間に配置されたオプティカルインテグレーターを含むことを特徴とする請求項 39から 41のいずれか一項に記載の照明光学装置。