JP2006005319A - 照明光学系及び方法、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 照明効率を低下させずに、任意の変形照明を所望の方向の直線偏光で構成することが可能な照明装置及び方法、かかる照明装置を有する露光装置、及び、当該露光装置を利用したデバイス製造方法を提供する。
【解決手段】 光源からの光を用いて被照明面を照明する照明装置であって、前記被照明面を所定の偏光状態で変形照明するための変形照明生成部を含み、当該変形照明生成部は、λ／４位相板ユニットと回折光学素子ユニットとを含み、前記λ／４位相板ユニットは、円偏光を所定の方向の直線偏光に変換するλ／４位相板を含み、前記回折光学素子ユニットは、前記被照明面と実質的にフーリエ変換の関係に配置され、前記回折光学素子ユニットは、前記λ／４位相板に対応して使用され、前記直線偏光が入射されると所定の照度分布を生成する回折光学素子を含むことを特徴とする照明装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明光学系に関し、特に、半導体ウェハ用の単結晶基板、液晶ディスプレイ用のガラス基板などの被処理体を露光する照明光学系、露光装置及びデバイス製造方法に関する。

近年の電子機器の小型化及び薄型化の要請から、電子機器に搭載される半導体素子等のデバイスの微細化への要求はますます高くなっている。かかるデバイスの作製に一般に使用されるフォトリソグラフィーの工程に欠かせない装置として、マスク（レチクル）上に描かれているパターンをレジストが塗布されているシリコンウェハやガラスプレート等の基板上に露光する投影露光装置がある。投影露光装置の解像度Ｒは、露光光源の波長λ、投影光学系の開口数（ＮＡ）及び現像プロセスなどによって定まるプロセス定数ｋ_１を用いて次式で与えられる。

従って、波長を短くすればするほど、及び、ＮＡを上げれば上げるほど、解像度はよくなる。しかし、短波長が進むにつれて硝材の透過率が低下するために短波長化が困難であること、ＮＡに反比例して焦点深度が小さくなること、大きなＮＡはレンズの設計及び製造を困難にすること等の問題がある。

そこで、プロセス定数ｋ_１の値を小さくすることにより微細化を図る超解像技術（ＲＥＴ：Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｔｅｃｎｏｌｏｇｙ）が近年提案されている。ＲＥＴの１つに変形照明法（斜入射照明法、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ照明法などと呼ばれる場合もある）と呼ばれるものがある。変形照明法は、光学系の光軸上に遮光板のある開口絞りを、均一な面光源を作るライトインテグレータの射出面近傍に配置して、マスクに露光光束を斜めに入射させる方法が一般的である。変形照明法は、開口絞りの形状により、輪帯照明法、四重極照明法などがある。

一方、像コントラストを高めるために変形照明を所望の方向の直線偏光のみで構成することが従来から提案されている（例えば、特許文献１及び２）。特許文献１では、所望の偏光方向とは異なる光をフィルタで除去している。一方、特許文献２は、前もって直線偏光子で直線偏光化した光束を用いてλ／２位相板を配置することで所望の方向の直線偏光とする方式を開示している。

その他の従来技術としては特許文献３乃至７がある。
特開平７−１８３２０１号公報 特開平６−０５３１２０号公報 特開２００１−２８４２１２号公報 特開２００１−２８４２３７号公報 特開平６−２７５４９３号公報 特開平１１−１７６７２１号公報 特許第３２４６６１５号公報

しかし、特許文献１は、所望の偏光方向以外の光を除去しているので照明効率が悪く、スループットの低下を招く。また、特許文献２は、照明光学系を構成する光学素子によって生じる位相ズレがあると、λ／２位相板を通過した光束は直線偏光とならずに楕円偏光となり、これにより像コントラストが低下するという問題がある。

そこで、本発明は、照明効率をあまり低下させずに、任意の変形照明を所望の方向の直線偏光で構成することが可能な照明光学系及び方法、照明光学系を有する露光装置、及び、当該露光装置を利用したデバイス製造方法を提供することを例示的な目的とする。

本発明の一側面としての照明装置は、光源からの光を用いて被照明面を照明する照明装置であって、前記被照明面を所定の偏光状態で変形照明するための変形照明生成部を含み、当該変形照明生成部は、λ／４位相板ユニットと回折光学素子ユニットとを含み、前記λ／４位相板ユニットは、円偏光を所定の方向の直線偏光に変換するλ／４位相板を含み、前記回折光学素子ユニットは、前記被照明面と実質的に共役の関係に配置され、前記回折光学素子ユニットは、前記λ／４位相板に対応して使用され、前記直線偏光が入射されると所定の照度分布を生成する回折光学素子を含むことを特徴とする。

本発明の別の側面としての照明装置は、光源からの光で被照明面を照明する照明装置であって、前記被照明面に対して実質的にフーリエ変換の関係となる所定面に、前記光を回折することにより所定の光量分布を形成する回折光学素子と、前記光で前記回折光学素子を照明するための光学ユニットと、前記光学ユニットによる前記回折光学素子上の照明位置を変更する照明位置変更手段及び／又は前記光学ユニットによる前記回折光学素子上の照明領域を変更する照明領域変更手段とを有することを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての照明方法は、光源からの光を用いて被照明面を照明する照明方法であって、前記被照明面を変形照明するステップを有し、前記変形照明ステップは、円偏光を所定の方向の直線偏光に変換するλ／４位相板と、前記被照明面と実質的にフーリエ変換の関係に配置され、前記λ／４位相板に対応して使用される回折光学素子を含む一又は複数の組への照明領域を調節するステップとを有することを特徴とする。

上記照明装置を有する露光装置、及び、上記露光装置を利用して被処理体を露光するステップと、前記露光された前記被処理体を現像するステップとを有するデバイス製造方法も本発明の一側面を構成する。上述の露光装置の作用と同様の作用を奏するデバイス製造方法の請求項は、中間及び最終結果物であるデバイス自体にもその効力が及ぶ。また、かかるデバイスは、ＬＳＩやＶＬＳＩなどの半導体チップ、ＣＣＤ、ＬＣＤ、磁気センサ、薄膜磁気ヘッドなどを含む。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、照明効率をあまり低下させずに、任意の変形照明を所望の方向の直線偏光で構成することが可能な照明光学系及び方法、かかる照明光学系を有する露光装置、及び、当該露光装置を利用したデバイス製造方法を提供することができる。

以下、本発明の第１の実施例による照明装置１００を備えた露光装置１について、添付図面を参照して説明する。ここで、図１は、露光装置１の概略ブロック図である。露光装置１００は、例えば、ステップ・アンド・スキャン方式やステップ・アンド・リピート方式でマスク２００に形成された回路パターンを被露光体（プレート）４００に露光する投影露光装置である。露光装置１は、サブミクロンやクオーターミクロン以下のリソグラフィ工程に好適であり、以下、本実施例では、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（「スキャナー」とも呼ばれる。）を例に説明する。ここで、「ステップ・アンド・スキャン方式」とは、マスクに対してウェハを連続的にスキャン（走査）してマスクパターンをウェハに露光すると共に、１ショットの露光終了後、ウェハをステップ移動して、次の露光領域に移動する露光方法である。「ステップ・アンド・リピート方式」とは、ウェハの一括露光ごとにウェハをステップ移動して次のショットの露光領域に移動する露光方法である。

露光装置１は、照明装置１００と、マスク２００と、投影光学系３００と、プレート４００とを有する。

照明装置１００は、転写用の回路パターンが形成されたマスク２００を照明し、光源１０２と、照明光学系（１０４乃至１７４）と、演算処理装置を有するドライバ１５０とを有する。

光源１０２は、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどを使用することができる。但し、レーザーの種類はエキシマレーザーに限定されず、レーザーの個数も限定されない。また、光源１０２に使用可能な光源はレーザーに限定されるものではなく、一又は複数の水銀ランプやキセノンランプなどのランプも使用可能である。

照明光学系は、所定の照度を確保しつつ所定の偏光状態でマスク２００を変形照明すことが可能な光学系であり、引き回し光学系１０４と、ビーム整形光学系１０６と、偏光制御手段１０８と、位相制御手段１１０と、射出角度保存光学素子１２０と、リレー光学系１２６と、多光束発生手段１２８と、変形照明生成手段１３０と、リレー光学系１６０と、アパーチャ１６２と、ズーム光学系１６６と、多光束発生手段１７０と、開口絞り１７２と、照射手段１７４とを含む。

引き回し光学系１０４は、光源１０２からの光束を偏向してビーム成形光学系１０６に導光する。ビーム整形光学系１０６は、例えば、複数のシリンドリカルレンズを備えるビームエクスパンダ等を使用することができ、レーザー光源からの平行光の断面形状の寸法の縦横比率を所望の値に変換する（例えば、断面形状を長方形から正方形にするなど）ことによりビーム形状を所望のものに成形する。ビーム整形光学系１０６は、多光束発生手段１２８を照明するのに必要な大きさと発散角を持つ光束を形成する。

偏光制御手段１０８は、直線偏光子などから構成され、不要な偏光成分を除去する機能を有する。ＡｒＦエキシマレーザーなどのレーザーを光源１０２が使用する場合、射出される光束はほぼ直線偏光となっており、引き回し光学系１０４によって多少の偏光面の乱れが生じたとしても、直線偏光が支配的な光束として偏光制御手段１０８に入射する。偏光制御手段１０８は、透過可能な直線偏光方向と入射光束の支配的な偏光方向を一致させるようにし、入射光束が不要な偏光成分を有している場合にこれを除去する機能を有する。偏光制御手段１０８にて遮光される偏光を最小限とすることで、効率良く所望の直線偏光を取り出すことができる。

位相制御手段１１０は、偏光制御手段１０８によって直線偏光となった光束にλ／４の位相差を与え、これを円偏光に変換する。位相制御手段１１０は、直線偏光を円偏又はほぼ円偏光に変換する位相板として機能し、λ／４位相板とを有する。図１では、光束が偏光制御手段１０８を通過すると偏光制御手段１０８の右側の紙面に平行な偏光成分のみが位相制御手段１１０に入射し、１１０の右側で円偏光になる。但し、これは単なる一例であって位相制御手段１１０の左側で偏光方向が紙面に平行であることは必須ではない。位相制御手段１１０は、光学系で発生した位相ずれによる影響により所望の偏光状態の有効光源分布が得られない場合に、その位相ずれ量をキャンセルするように位相の調整を行うことができる。

射出角度保存光学素子１２０は、光束を一定の発散角度で射出し、オプティカルインテグレータ（複数の微小レンズより構成されるハエの目レンズやファイバー束等）から構成される。図６乃至図８を参照して後述されるように、本実施例の射出角度保存光学素子１２０は、射出角度が互いに異なる複数の素子１２２ａ乃至１２２ｃを有する。本実施例においては、これらは複数の素子１２２ａ乃至１２２ｃの各々は微小レンズにより構成されるハエの目レンズで、微小レンズは矩形形状を有する。素子１２２ａ乃至１２２ｃはターレット１２３上に配置されている。ターレット１２３は駆動機構１２４によって駆動され、光軸に配置されるべき素子１２２ａ乃至１２２ｃを切り替える。駆動機構１２４はドライバ１５０からの信号により制御される。ターレット１２３が素子１２２ａ乃至１２２ｃを切り替えることにより、後述する変形照明生成手段１３０上の照明領域の大きさや形状を制御することができる。

リレー光学系１２６は、射出角度保存光学素子１２０の射出光を多光束発生手段１２８に集光する。射出角度保存光学素子１２０の射出面と多光束発生手段１２８の入射面は、リレー光学系１２６により互いにフーリエ変換の関係（物体面と瞳面又は瞳面と像面の関係）になっている。射出角度１２１は微小レンズの射出ＮＡで固定されていることから、入射光束の光軸が変動したとしても、多光束発生手段１２８の入射面に入射する光束の分布１２７は面内で常に同じ位置に固定され、ケーラー照明条件により多光束が重畳されて均一な照度分布となっている。照明領域１２７の形状は、射出角度保存光学素子１２０を構成する微小レンズの外形状と相似である。本実施例においては、射出角度保存光学素子１２０は矩形構造を持つマイクロレンズアレイであるので照明領域１２７はほぼ正方形形状をしている。

多光束発生手段１２８は、変形照明生成手段１３０を均一に照明するためのオプティカルインテグレータ（複数の微小レンズより構成されるハエの目レンズやファイバー束等）からなり、その射出面は複数の点光源から成る光源面を形成している。各微小レンズは回折光学素子で形成されていてもよいし、基板上にエッチング加工で形成されたマイクロレンズアレイでもよい。本実施例において多光束発生手段とは、複数の光学軸を有し、且つ、各々の光学軸を中心として有限な面積の領域を有し、各々の領域において各々１つの光束が特定できるような光学素子をいう。多光束発生手段１２８から円偏光で射出される光束の射出角度は、レンズ素子の射出ＮＡで固定されていることから一定である。各レンズ素子から所望の射出角度で射出された光束は、円偏光として変形照明生成手段１３０に導入される。

変形照明生成手段１３０は、所定の（直線）偏光状態の変形照明を提供し、数式１のプロセス定数ｋ_１の値小さくして解像度Ｒを向上する機能を有する。変形照明生成手段１３０は、λ／４位相板ユニット（偏光ユニット）１３１及び回折光学素子ユニット１３２を有する。図２に、変形照明生成手段１３０に円偏光を入射した場合に生成される照度分布を模式的に示す。図２は、説明の都合上、λ／４位相板ユニット１３１と回折光学素子ユニット１３２の間隔を広く空けているが、実際の装置は両者を密着して配置している。

図２に示すように、λ／４位相板ユニット１３１は、本実施例では、正方形形状のλ／４位相板（偏光部材）を４つ正方形形状に並列したものである。換言すれば、λ／４位相板ユニット１３１は、光学軸方向が異なる４つの領域又はλ／４位相板１３１ａ乃至１３１ｄを有する。

図３に、λ／４位相板ユニット１３１の一つの領域１３１ｂの作用を模式的に示す。λ／４位相板１３１ｂは、例えば、水晶のような複屈折性結晶から構成される。光学軸をｚ方向にとってｙ方向に円偏光１４０が入射すると、ｚ方向に振動する成分（異常光線）とｘ軸方向に振動する成分（常光線）の間にλ／４波長（π／２）の位相差が生じるように厚さが調整されている。これにより、ｘｚ平面内でｘ軸に対して方位角４５°の方向１４１に振動する直線偏光１４２が得られる。

領域１３１ａ乃至１３１ｄは、円偏光が入射した時に射出する光束の偏光方向が異なるように設定されている。図３と同様の座標系を設定すると、領域１３１ａは、ｘｚ平面内でｘ軸に対して方位角−４５°の方向に振動する直線偏光を与え、領域１３１ｃは、ｘｚ平面内でｘ軸方向に振動する直線偏光を与え、領域１３１ｃは、ｘｚ平面内でｚ軸方向に振動する直線偏光を与える。図２は、これらの直線偏光の方向を破線で示している。この結果、領域１３１ａ乃至１３１ｄから射出される直線偏光方向は、垂直方向、水平方向と±４５°方向となる。

回折光学素子ユニット１３２は、本実施例では、入射光束が与えられた時にリレー光学系１６０を介してアパーチャ１６２の位置に、所望の照度分布を再生像１６４として発生させるように予め設計された計算機ホログラム（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ：ＣＧＨ）を回折光学素子として複数配置したものである。もっとも、回折光学素子ユニット１３２は、振幅分布型のホログラムや位相分布型のホログラムまたはキノフォームなどを用いることができる。

本実施例では、回折光学素子ユニット１３２は像面に二重極分布を形成するＣＧＨを領域１３２ａ乃至１３２ｄの様に４つ正方形形状に並列したものである。ＣＧＨ１３２ａとλ／４位相板１３１ａ、ＣＧＨ１３２ｂとλ／４位相板１３１ｂ、ＣＧＨ１３２ｃとλ／４位相板１３１ｃ、ＣＧＨ１３２ｄとλ／４位相板１３１ｄはそれぞれ組になっている。ＣＧＨ１３２ａ乃至１３２ｄの位置は、図２に示すものに限定されないが、例えば、ＣＧＨ１３２ａと１３２ｃの位置を入れ替える場合にはλ／４位相板１３１ａと１３１ｃの位置を入れ替えなければならない。λ／４位相板ユニット１３１は、λ／４位相板１３１ａ乃至１３１ｄの相対位置を変更可能に構成されてもよい。同様に、回折光学素子ユニット１３２は、ＣＧＨ１３２ａ乃至１３２ｄの相対位置を変更可能に構成されてもよい。

回折光学素子ユニット１３２は、本実施例では、回折光学素子として機能する位相型ＣＧＨであり、基板表面上に階段状の凹凸構造を有する。ＣＧＨは、物体光と参照光との干渉による干渉縞パターンを計算して描画装置により直接出力することで作られるホログラムである。再生光として所望の照度分布を得るための干渉縞形状はコンピュータによる反復計算を用いて最適化することで容易に求めることができる。

図４（ａ）はそうして作成された位相型ＣＧＨの正面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）の矢印位置における概略断面図である。図４（ａ）は、基板上の凹凸により形成される位相分布を濃淡分布１４３として表現している。断面１４４のような階段状断面は、その作製に半導体素子の製造技術が適用可能となり、微細なピッチも比較的容易に実現することができる。この位相型ＣＧＨの再生像として得られる照度分布は、図４（ｃ）に示すような二重極分布であり、この例では水平方向の二重極分布を示している。

図２の位相型ＣＧＨ１３２ａ乃至１３２ｄは、それぞれ再生像として二重極照度分布を形成し、その分布の方向が互いに異なるように設計されている。具体的には、ＣＧＨ１３２ａの再生像は水平方向の二重極分布、ＣＧＨ１３２ｂの再生像は垂直方向の二重極分布、ＣＧＨ１３２ｃ及び１３２ｄの再生像はそれぞれ±４５度方向の二重極分布となっている。ＣＧＨ１３２ａ乃至１３２ｄ全てに光束が入射した場合、二重極分布の再生像１６４は像面で合成され、図２に示すように、外周部に４組の二重極分布１６４ａ乃至１６４ｄを有する輪帯分布を形成する。４組の二重極分布１６４ａ乃至１６４ｄは、それぞれＣＧＨ１３２ａ乃至１３２ｄが再生される二重極分布に対応している。領域１３２ａ乃至１３２ｄに入射する光束は、λ／４位相板ユニット１３１により図２に示す矢印の偏光方向を有し、再生像１６４の偏光方向は入射光の偏光方向と一致するため、本実施例の再生像１６４は、接線方向（輪帯の接線方向）に偏光成分を持つ直線偏光となる。

なお、変形照明生成手段１３０の再生像１６４として得られる照度分布は、輪帯分布に限定されず、四重極分布や二重極分布など、被照明パターンに好適な任意の分布を含む。また、偏光方向も光軸を中心とする円の接線方向に限定されず、径方向（放射方向）、その他の任意の方向であってもよい。

変形照明生成手段１３０は、光束の収束点１２９の位置から少し外れた位置に配置され、発散角を持つ入射光束で照明される。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、変形照明生成手段１３０に対する入射光の異なる状態を示す平面図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）において、１３３は石英などの基板の表面に微細な階段形状が形成されている回折光学素子面である。１３４及び１３５は光スポットの一つであり、多光束発生手段１２８の一つのレンズ素子からの光束を示している。つまり光スポット１３４及び１３５が多数集まった光束が、変形照明生成手段１２８に入射する光束となる。

光スポット１３４及び１３５の大きさは、集光点１２９と回折光学素子ユニット１３２の相対距離によって変動する。この相対距離を大きくすることによって、例えば、図５（ｂ）に示すように、光スポット１３５のサイズを大きくとることによって、回折光学素子面１３３上で各スポットが互いに重なり合う構成としてもよい。このように、変形照明生成手段１３０と集光点１２９との距離を設定することにより、回折光学素子面１３３上でのエネルギー集中による部材の破損を防ぐことができる。即ち、図５（ａ）の状態よりも図５（ｂ）の状態の方が好ましい。なお、スポット１３５が多数集まった領域の形状が矩形であるのは、照明領域１２７の矩形形状を反映するからである。

ターレット１２３を駆動機構１２４によって駆動して射出角度保存光学素子１２０を切り替えることによって変形照明生成手段１３０に対する入射光の照射領域の大きさや形状を変更することができる。また、変形照明生成手段１３０を駆動機構１３９により移動することによって変形照明生成手段１３０に対する照射位置を変更し、照度分布１６４を所望の形状に変更することもできる。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、射出角度θａが大きい素子１２２ａを使用して接線方向の偏光からなる輪帯分布を生成する場合を示している。図６（ａ）において、射出角度θａで射出された光束はリレー光学系１２６によりフーリエ変換されて多光束発生手段１２８の入射面に均一な照射領域Ｔａを形成する。照射領域Ｔａは、多光束発生手段１２８を介して図６（ｂ）に示すように回折光学素子ユニット１３２のほぼ全面を照明するような大きさに設定されている。これは射出角度θａとリレー光学系１２６の焦点距離を制御することによって実現される。回折光学素子ユニット１３２が開口絞り１６２の位置に生成する再生像１６４は、図６（ｂ）に示すような輪帯分布となり、その偏光成分は接線方向となる。このことは図２を参照して既述した通りである。

図７（ａ）乃至図７（ｃ）は、射出角度θｂが小さい素子１２２ｂを使用して接線方向の偏光からなる二重極分布を生成する場合を示している。図７（ａ）において、射出角度θｂはθａの約１／２であり、多光束発生手段１２８の入射面に形成される均一な照射領域Ｔｂの大きさは照射領域Ｔａの約１／４の大きさとなる。これによって、ＣＧＨ１３２ａ乃至１３２ｄのいずれか一つだけを選択的に照射することが可能であり、このために変形照明生成手段１３０は駆動機構１３９によって水平及び垂直方向に移動する。

図７（ｂ）及び図７（ｃ）は、それぞれ、照射領域ＴｂがＣＧＨ１３２ａ及び領域１３２ｂに入るように、変形照明生成手段１３０を駆動機構１３９によって移動した状態を示しており、十文字線の交点は図７（ａ）に示した光軸ＯＡの位置を示している。このようにして、接線方向の偏光からなる二重極分布を得ることができる。なお、図示はしていないが、同様にして照射領域Ｔｂが回折光学素子ユニット１３２の領域１３２ｃ及び領域１３２ｄに入るように設定して±４５度方向の二重極分布を得ることもできる。

図８（ａ）乃至図８（ｃ）は、水平方向の射出角度θｃｘと垂直方向の射出角度θｃｙが互いに異なる素子１２２ｃを使用して接線方向の偏光からなる四重極分布を生成する場合を示している。図８（ａ）は水平方向と垂直方向の射出角度を同時に記載し、簡略化のために素子１２２ｃの中心からの光束のみを表示している。同図において、射出角度θｃｘは射出角度θｂと等しく、射出角度θｃｙは射出角度θａと等しく設定されている。従って、多光束発生手段１７００の入射面に形成される均一な照射領域Ｔｃの水平方向（ｘ方向）の辺の長さＴｃｘはＴｂの辺の長さに等しく、垂直方向（ｙ方向）の辺の長さＴｃｙはＴａの辺の長さに等しい。

図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示す照射領域Ｔｃは、照射領域Ｔｂを２倍にした長方形になっていることは明らかである。照射領域ＴｃをＣＧＨ１３２ａ及び１３２ｂに入るように変形照明生成手段１３０を駆動機構１３９によって移動すれば、図８（ｂ）に示すような接線方向の偏光成分からなる四重極分布を得ることができ、同様に、照射領域Ｔｃを領域１３２ｃ及び１３２ｄに入るようにすれば、図８（ｃ）に示すような四重極分布を得ることができる。

以上で示したように、所望の照度分布に切り替えるために、射出角度保存光学素子１２０をターレット１２３で切り替え、同時に、変形照明生成手段１３０を移動させるように、ドライバ１５０が駆動機構１２４及び１３９をそれぞれ制御する。このようにして各種の接線方向の偏光による変形照明を行い、回路パターンの像のコントラストを向上し、より高解像度な露光を行うことができる。

変形照明生成手段１３０の再生像１６４として得られる所望の照度分布は、マスク面に対して実質的にフーリエ変換の関係となる面での光量分布（有効光源分布）と同一若しくは略相似となっている。そして、有効光源分布としては、輪帯分布、四重極分布、二重極分布など、露光しようとするパターンに対して好適な分布を含むが、これらに限定されるものではない。
また、複数種類の有効光源分布を形成する変形照明生成手段１３０をターレットのような切り替え手段により切り替えることによって、照明条件を容易に変更することが可能である。なお、本実施例の露光装置において偏光制御する必要がない場合は、位相板ユニット１３１のみを光路から外してもよい。また、変形照明ではなく、通常照明を行う場合には、所定の外径の円形の光量分布を形成する回折光学素子を、変形照明生成手段１３０の代わりに、光路中に挿入するとよい。

リレー光学系１６０は、変形照明生成手段１３０により、計算された振幅変調ないしは位相変調を受けて回折した光束から、アパーチャ１６２に強度がほぼ均一な有効光源分布又は再生像１６４を形成する。アパーチャ１６２は、変形照明形成手段１３０により形成される照度分布のみを通過させる。回折光学素子ユニット１３２とアパーチャ１６２は、互いにフーリエ変換の関係になるように配置される。この関係により、回折光学素子ユニット１３２の任意の一点から発散した光は照度分布１６４全体に寄与する。即ち、図５（ａ）及び図５（ｂ）において、光スポット１３４及び１３５を形成する任意の光束によって、スポット照射位置に関係なく変形照明に好適な有効光源分布１６４がアパーチャ１６２に形成される。

なお、集光点１２９からのスポット光束が多光束発生手段１２８に依存する広がり角で発散するため、回折光学素子ユニット１３２が生成する照度分布１６４には、その広がり角に対応する若干のボケが生じるようになる。しかしながら、そのボケ量は広がり角により予め求まっているので、それを見込んで所望の照度分布を形成するように、回折光学素子ユニット１３２を設計する。

ズーム光学系１６６は、再生像１６４を所望の倍率で変倍して多光束発生手段１７０の入射面上に均一光源像１６８として投影する。

多光束発生手段１７０の入射面上に所望の均一光源像１６８が投影されると、その有効光源分布はそのまま射出面に転写される。多光束発生手段１７０は、オプティカルインテグレータ（複数の微小レンズより構成されるハエの目レンズやファイバー束等）からなり、その射出面は複数の点光源から成る光源面を形成している。各微小レンズは回折光学素子で形成されていてもよいし、基板上にエッチング加工で形成されたマイクロレンズアレイでもよい。

開口絞り１７２は、多光束発生手段１７０の射出側に配置され、所望の形状（例えば、輪帯形状）の光源像に対応した形状を有する。開口絞り１７２は、２次光源分布のみがその開口部を通過することを許容し、直線偏光成分は接線方向に分布している。同時に不要光は開口絞り１７２により遮光されるようになっている。

多光束発生手段１７０を構成する各々の微小レンズ素子からの射出光束を、照射手段１７４により被照射面（本実施例ではマスク２００面）上に重畳して照射することで、被照射面上を全体的に均一な照度分布となるように照明する。照射手段１７４は、コンデンサーレンズなどを含む。なお、接線方向の偏光照明とは、被照射面を照明する入射面に対して直交した方向の直線偏光からなる照明光で被照射面を照明することをいう。

本実施例は、被照射面を全体的に均一な照度分布で照明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、多光束発生手段１７０の射出面の各々の微小領域からの射出光束の射出角度を２方向で異なる角度として被照射面２００上をスリット状に照明し、このスリット状の露光領域を走査することによってプレート４００を露光してもよい。

マスク２００は、例えば、石英製で、その上には転写されるべき回路パターン（又は像）が形成され、図示しないマスクステージに支持及び駆動される。マスクから発せられた回折光は、投影光学系３００を通りプレート４００上に投影される。マスク２００とプレート４００は、光学的に共役の関係にある。本実施例の露光装置１はスキャナーであるため、マスク２００とプレート４００を縮小倍率比の速度比でスキャンすることによりマスク２００のパターンをプレート４００上に転写する。なお、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置（「ステッパー」とも呼ばれる。）の場合は、マスク２００とプレート４００を静止させた状態で露光が行われる。

投影光学系３００は、複数のレンズ素子のみからなる光学系、複数のレンズ素子と少なくとも一枚の凹面鏡とを有する光学系（カタディオプトリック光学系）、複数のレンズ素子と少なくとも一枚のキノフォームなどの回折光学素子とを有する光学系、全ミラー型の光学系等を使用することができる。色収差の補正が必要な場合には、互いに分散値（アッベ値）の異なるガラス材からなる複数のレンズ素子を利用したり、回折光学素子をレンズ素子と逆方向の分散が生じるように構成したりする。また、解像度の更なる向上を目的として、プレート４００と投影系の像側光学レンズ最終面との間に、液体を満たすことでＮＡを１以上として露光する、いわゆる液浸露光方法に対応する投影系であってもよい。

プレート４００は、ウェハや液晶基板などの被処理体でありフォトレジストが塗布されている。プレート４００は図示しないチャックを介して図示しないステージに載置される。マスク２００とプレート４００は、例えば、同期走査され、図示しないステージとマスクステージの位置は、例えば、干渉計を利用して監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。

以下、図９乃至図１７を参照して、本発明の第２の実施例の照明装置１００Ａを備えた露光装置１Ａについて詳細に説明する。ここで、図９は、露光装置１Ａの概略ブロック図である。図９において、図１と同一の部材には同一の符号を付して重複説明を省略する。露光装置１は、射出角度保存光学素子１２０から射出される発散角を切り替えて回折光学素子ユニット１３２の照射領域の大きさや形状を変更していたが、露光装置１Ａは射出される発散角は固定して多数の光スポットによる照射領域の位置を調整している。

露光装置１Ａは、ハーフミラー１７３と、集光光学系１７５と、光量モニタ部（光量検出部）１７６とを有する。多光束発生手段１７０からの射出光束は、ハーフミラー１７３によってその一部が反射し、集光光学系１７５によって光量モニタ部１７６内の２次元センサ面上に集光される。集光光学系１７５は、多光束発生手段１７０の射出面を物体側とし、光量モニタ部１７６内の２次元センサ面を像側として結像しているので、センサ面における光量分布は、有効光源分布であって先に述べた照度分布１６８と相似形である。

センサ面で計測された照度分布データはドライバ１５０Ａに送られる。この信号に基づいて駆動機構１３９によって変形照明生成手段１３０は水平及び垂直方向に微小移動する。変形照明生成手段１３０は、多数の光スポットによる照射領域との相対位置を調整することで、所望の照度分布における照度ムラを補正することができる。

次に、駆動機構１３９が変形照明生成手段１３０を光路内で移動して照射位置を変更することによって照度分布１６４を所望の形状に変更する方法について説明する。図９において、射出角度１２１で射出された光束はリレー光学系１２６によりフーリエ変換されて多光束発生手段１２８の入射面に均一な照射領域１２７を形成する。照射領域１２７は、多光束発生手段１２８を介して、図１０に示すように回折光学素子ユニット１３２の４つの各領域とほぼ同じ大きさの照射領域Ｕａになるように設定されている。これは射出角度１２１とリレー光学系１２６の焦点距離を所望の値とすることで実現される。

図１０に示すように、照射領域Ｕａの中心と、回折光学素子ユニット１３２の中心が一致するように駆動機構１３９により変形照明生成手段１３０は水平及び垂直方向に駆動される。これによって、照射領域Ｕａは回折光学素子ユニット１３２の領域１３２ａ乃至１３２ｄに対して等分配されるように入射される。この時、再生像１６４は、領域１３２ａ乃至１３２ｄからの二重極分布像が夫々合成されて、図１０に示すような輪帯分布となり、その偏光成分は接線方向となる。

図１１及び図１２は、それぞれ、照射領域Ｕａが回折光学素子ユニット１３２の領域１３２ａ及び領域１３２ｂにのみ入るように、変形照明生成手段１３０を駆動機構１３９によって水平及び垂直方向に移動した状態を示している。このようにして、接線方向の偏光から成る二重極分布を得ることができる。なお、図示はしていないが、同様にして照射領域Ｕａが回折光学素子ユニット１３２の領域１３２ｃ及び領域１３２ｄに入るように設定して、±４５度方向の二重極分布を得ることもできる。

図１３及び図１４は、それぞれ、照射領域Ｕａが回折光学素子ユニット１３２の領域１３２ａ及び１３２ｂ、領域１３２ｃ及び１３２ｄに跨るように、変形照明生成手段１３０を駆動機構１３９によって水平及び垂直方向に移動した状態を示している。このようにして、接線方向の偏光から成る四重極分布を得ることができる。また、もちろん、回折光学素子ユニット１３２を光路内に残したまま、位相板ユニット１３１のみを交換する構成としてもよい。

コンタクトホールを露光する場合、四重極分布においては、図１５に示すように、接線方向ではなく放射方向に直線偏光成分を有する照明が必要な場合がある。この場合は、λ／４位相板１３１ａと１３１ｂを交換して、入射した円偏光が変換される偏光方向を領域１３１ａでは水平、領域１３１ｂでは垂直になるように配置する。このような変形照明生成手段１３０を別途用意しておいて駆動機構１３９を用いて交換すれば、図１３の接線四重極分布から図１５の放射四重極分布への変更を容易に行うことができる。

ところで、回路パターンを露光した際に水平方向のラインと垂直方向のラインの線幅に差が出る場合がある（以下、これを「ＨＶ差」という）。これは照明光学系及び投影光学系において何らかのエラーが生じてσ均一性が崩れることにより発生する。「σ均一性が崩れる」とは、例えば、図１０に示す輪帯分布が正円ではなく少し楕円になってしまうことを意味している。

このようなＨＶ差を補正するために意図的に照度分布にムラを与える方法を、図１６及び図１７を参照して説明する。

図１６は、図１３で既述した接線四重極分布を形成する場合において、照射領域Ｕａの中心と領域１３２ａ及び１３２ｂの中心を一致させずにγだけずらした場合を示している。領域１３２ａに入射する光束の割合は領域１３２ｂに対して大きくなるため、領域１３２ａが形成する水平方向の二重極分布の強度は相対的に強くなる。この強度は先に述べた光量モニタ部１７６によってモニタされ、ドライバ１５０Ａにフィードバックされる。これにより、ＨＶ差を補正するのに必要な強度差になるまで駆動機構１３９は、最適なγに変形照明生成手段１３０を微小駆動する。かかる調整により、照度分布の形状には変化はないが強度差によってモーメントが変化し、実効的なσは水平方向の方が若干大きくなる。この結果、垂直方向のラインに対するコントラストを増強することが可能となり、ＨＶ差を補正することができる。

同様に、図１７に示すように、照射領域Ｕａをずらすことで、垂直方向の二重極分布の強度を相対的に強くし、水平方向のラインのコントラストを増強してＨＶ差を補正することができる。

なお、本実施例の露光装置においても、偏光制御する必要がない場合は、位相板ユニット１３１のみを光路から外せばよい。また、変形照明ではなく、通常照明を行う場合には、所定の外径の円形の光量分布を形成する回折光学素子を、変形照明生成手段１３０の代わりに、光路中に挿入するとよい。そして、もちろん、以上のＨＶ差の補正は、偏光照明を行わない場合にも実行することができる。

以下、露光装置１及び１Ａの動作について説明する。光源部１０２から出射した直線偏光からなる光束は引き回し光学系１０４により、ビーム整形光学系１０６に入射する。ビーム整形光学系１０６に入射した光束は、所定の形状に整形され、次いで、偏光制御手段１０８によって不要な直線偏光が除去される。次に、位相制御手段１１０によって直線偏光は円偏光に偏光され、次いで、射出角度保存光学素子１２０によって複数の点光源に分割される。次に、射出角度保存光学素子１２０を経た光束は、リレー光学系１２４を経て円偏光として多光束発生手段１２８に入射する。

多光束発生手段１２８から円偏光で射出される光束は射出ＮＡを維持したまま円偏光として変形照明生成手段１３０に入射し、所望の変形照明に変換される。変形照明生成手段１３０は、不要な偏光成分を除去せずに入射光全てを使用して偏光方向を変換しているので非常に光利用効率が高い。また、変形照明生成手段１３０のほぼ全面に多数のスポット光として入射された光束（円偏光）は、λ／４位相板ユニット１３１によって割された領域毎に偏光方向が異なる直線偏光になり、回折光学素子ユニット１３２によって計算された振幅変調ないしは位相変調を受けて回折し、変形照明生成手段１３０によって振幅変調又は位相変調された回折光となる。かかる回折光はリレー光学系１６０を介してアパーチャ１６２に再生像（有効光源分布）１６４を形成する。再生像１６４は強度がほぼ均一で、所望の方向に偏光成分を持つ所望の照度分布を形成する。次いで、有効光源分布１６４は、ズーム光学系１６６によって変倍されて多光束発生手段１７０に入射する。

多光束発生手段１７０を構成する各微小レンズ素子からの射出光束を、照射手段１７７によりマスク２００の被照射面に重畳して照射することで被照射面上を全体的に均一な照度分布となるように、例えば、ケーラー照明する。マスク２００はマスクステージ上に置かれ、スキャンタイプの露光装置では露光に応じて駆動される。マスク２００を通過してマスクパターンを反映する光は、投影光学系３００により投影倍率（例えば、１／４、１／５）で図示しないウェハチャックによってステージに固定されたプレート４００に結像される。ウェハチャックはウェハステージ上に配され、露光に応じて駆動される。投影光学系３００は、収差が補正されているので高品位な露光処理（即ち、所望の解像度）をプレート４００上で得ることができる。

光源１０２からの光束が外乱により微小変動しても、図２に示したように、射出角度保存光学素子１２０からの光束の射出角度１２２は保存されるので、多光束発生手段１２８への入射光束の位置は変化しない。即ち、照度分布１２６の位置は固定される。更に、多光束発生手段１２８からの光束の射出角度１３４も固定されていることから、実質的に変形照明生成手段１３０への入射光束には変動が無い。従って、マスク２００の被照射面上の照度分布への影響も無視できる程度に小さくなる。この結果、照明装置１００及び１００Ａは、光源からの光束の変動に対して非常に安定した系となっている。

このように、照明装置１００及び１００Ａにより、光源からの光束の変動があっても照明領域に影響を与えず、また、ＣＧＨによって任意の変形照明のための照度分布を形成する。また、照明装置１００は、任意の変形照明条件に対して照明効率を落とすことなく所望の方向（接線方向や放射方向）に直線偏光化することができる。

次に、図１８及び図１９を参照して、露光装置１及び１Ａを利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図１８は、半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、あるいは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ステップ１（回路設計）では、半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウェハ製造）では、シリコン等の材料を用いてウェハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は、前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウェハを用いて、リソグラフィ技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウェハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

図１９は、図１８のステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着等によって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）ではウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウェハに感光材を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置１及び１Ａによってマスクパターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では露光したウェハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウェハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施例の製造方法を用いれば、投影光学系３００の結像性能を迅速かつ簡易に取得することができるので、露光のスループットも低下せず、また、波面収差が高精度に補正された投影光学系３００を使用することができるので、従来は製造が難しかった高解像度のデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を経済性及び生産性よく製造することができる。また、このように、露光装置１及び１Ａを使用するデバイス製造方法、並びに結果物（中間、最終生成物）としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。

本発明の第１の実施例による露光装置の概略ブロック図である。 図１に示す露光装置の変形照明生成手段とそれが生成する照度分布の概略斜視図である。 図２に示す変形照明生成手段のλ／４位相板の作用を説明するための概略斜視図である。 図２に示す変形照明生成手段の回折光学素子の正面図及び照度分布である。 図２に示す回折光学素子に入射する多光束スポットを示す概略平面図である。 図１に示す射出角度保存光学素子の発散角度を変更することによって変形照明生成手段における照明領域の大きさを変更する様子を説明するための概略断面図及び平面図である。 図１に示す射出角度保存光学素子の発散角度を変更することによって変形照明生成手段における照明領域の大きさを変更する様子を説明するための概略断面図及び平面図である。 図１に示す射出角度保存光学素子の発散角度を変更することによって変形照明生成手段における照明領域の大きさを変更する様子を説明するための概略断面図及び平面図である。 本発明の第２の実施例による露光装置の概略ブロック図である。 図９に示す変形照明生成手段が輪帯照明を形成する様子を説明するための概略平面図である。 図９に示す変形照明生成手段が二重極照明を形成する様子を説明するための概略平面図である。 図９に示す変形照明生成手段が二重極照明を形成する様子を説明するための概略平面図である。 図９に示す変形照明生成手段が四重極照明を形成する様子を説明するための概略平面図である。 図９に示す変形照明生成手段が四重極照明を形成する様子を説明するための概略平面図である。 図９に示す変形照明生成手段が四重極照明を形成する様子を説明するための概略平面図である。 図１３に示す四重極照明の光強度分布を異ならせる様子を説明するための概略平面図である。 図１３に示す四重極照明の光強度分布を異ならせる別の様子を説明するための概略平面図である。 デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。 図１８に示すステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。

符号の説明

１、１Ａ 露光装置
１００、１００Ａ 照明装置
１３０ 変形照明生成手段
１３１ λ／４位相板ユニット（偏光ユニット）
１３２ 回折光学素子ユニット
２００ マスク（レチクル）

Claims (16)

1. 光源からの光を用いて被照明面を照明する照明光学系であって、
   前記被照明面を所定の偏光状態で変形照明するための変形照明生成部を含み、
   当該変形照明生成部は、λ／４位相板ユニットと回折光学素子ユニットとを含み、
   前記λ／４位相板ユニットは、円偏光を所定の方向の直線偏光に変換するλ／４位相板を含み、
   前記回折光学素子ユニットは、前記被照明面と実質的に共役の関係に配置され、
   前記回折光学素子ユニットは、前記λ／４位相板に対応して使用され、前記直線偏光が入射されると所定の照度分布を生成する回折光学素子を含むことを特徴とする照明光学系。
2. 前記λ／４位相板ユニットは、円偏光を異なる方向の直線偏光に変換する複数のλ／４位相板を含み、
   前記回折光学素子ユニットは、前記λ／４位相板の位置に対応して使用され、前記直線偏光が入射されると異なる照度分布を生成する複数の回折光学素子を含むことを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
3. 前記複数のλ／４位相板の相対位置は変更可能であることを特徴とする請求項２記載の照明光学系。
4. 前記複数の回折光学素子の相対位置は変更可能であることを特徴とする請求項２又は３記載の照明光学系。
5. 前記照明光学系は、
   光源からの光束を所定の発散角度で射出し、前記変形照明生成部を照明するための射出角度保存部と、
   前記射出角度保存部の前記発散角度を変更することによって前記変形照明生成部に対する照明領域を変更する手段とを更に有することを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
6. 前記射出角度保存部による前記変形照明生成部に対する照明領域を変更する手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の照明光学系。
7. 光源からの光で被照明面を照明する照明光学系であって、
   前記被照明面に対して実質的にフーリエ変換の関係となる所定面に、前記光を回折することにより所定の光量分布を形成する回折光学素子ユニットと、
   前記光源からの光で前記回折光学素子を照明するための光学ユニットと、
   前記光学ユニットによる前記回折光学素子上の照明領域を変更する照明領域変更手段とを有することを特徴とする照明光学系。
8. 前記回折光学素子ユニットは、前記光量分布の異なる領域をそれぞれ形成するための複数の回折光学素子を有することを特徴とする請求項７記載の照明光学系。
9. 前記照明領域変更手段は、前記回折光学素子ユニットを光軸に垂直な方向に駆動する手段を含むことを特徴とする請求項７又は８記載の照明光学系。
10. 前記光学ユニットは、前記回折光学素子を照明するための、射出角の異なる複数のオプティカルインテグレータを含み、
    前記照明領域変更手段は、前記複数のオプティカルインテグレータを切り替える手段を含むことを特徴とする請求項７又は８記載の照明光学系。
11. 前記回折光学素子ユニットの近傍に配置され、入射した光を所定の方向の直線偏光に変換する偏光ユニット、を更に有することを特徴とする請求項７記載の照明光学系。
12. 前記回折光学素子ユニットの近傍に配置された偏光ユニット、を更に有し、
    前記偏光ユニットは、前記複数の回折光学素子の夫々に対応する複数の偏光部材を有し、該複数の偏光部材は、夫々に入射した光を互いに異なる方向の直線偏光の光に変換することを特徴とする請求項８記載の照明光学系。
13. 前記光量分布を検出する光量検出部を更に有し、
    前記照明領域変更手段は、前記光量検出部の検出結果に応じて、前記照明領域を変更することを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか一項記載の照明光学系。
14. 光源からの光で被照明面を照明する照明光学系において、
    前記被照明面に対して実質的にフーリエ変換の関係となる所定面に、前記光源からの光を回折することにより所定の光量分布を形成する回折光学素子ユニットと、
    前記光源からの光で前記回折光学素子ユニット上を所定の照明領域で照明するための光学ユニットと、
    前記回折光学素子ユニットの近傍に配置された偏光ユニットと、を備え、
    前記回折光学素子は、前記光量分布のうち異なる領域を夫々形成するための複数の回折光学素子を有し、
    前記偏光ユニットは、前記複数の回折光学素子の夫々に対応する複数の偏光部材を有し、該複数の偏光部材は、夫々に入射した光を互いに異なる方向の直線偏光の光に変換することを特徴とする照明光学系。
15. パターンが形成されたマスクを照明する請求項１乃至１４のいずれか一項記載の照明光学系と、
    前記照明光学系によって照明された前記マスクの前記パターンを被露光体に投影する投影光学系とを有することを特徴とする露光装置。
16. 請求項１５記載の露光装置を用いて被処理体を露光するステップと、
    前記露光された前記被処理体を現像するステップとを有するデバイス製造方法。