JP2006196715A - Luminous-flux converting element, illuminating optical apparatus, exposure apparatus, and exposure method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光束変換素子、照明光学装置、露光装置、および露光方法に関し、特に半導体素子、撮像素子、薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスや、液晶表示素子等の表示デバイスをリソグラフィー工程で製造する際に使用される露光装置に好適な照明光学装置に関するものである。 The present invention relates to a light beam conversion element, an illumination optical apparatus, an exposure apparatus, and an exposure method, and in particular, when a microdevice such as a semiconductor element, an imaging element, or a thin film magnetic head, or a display device such as a liquid crystal display element is manufactured in a lithography process. The present invention relates to an illumination optical apparatus suitable for an exposure apparatus used in the above.
この種の典型的な露光装置においては、光源から射出された光束が、オプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズを介して、多数の光源からなる実質的な面光源としての二次光源を形成する。二次光源(一般には、照明光学装置の照明瞳またはその近傍に形成される照明瞳分布)からの光束は、フライアイレンズの後側焦点面の近傍に配置された開口絞りを介して制限された後、コンデンサーレンズに入射する。 In a typical exposure apparatus of this type, a light beam emitted from a light source forms a secondary light source as a substantial surface light source including a large number of light sources via a fly-eye lens as an optical integrator. The light flux from the secondary light source (generally, the illumination pupil distribution formed in or near the illumination pupil of the illumination optical device) is limited through an aperture stop disposed in the vicinity of the rear focal plane of the fly-eye lens. After that, it enters the condenser lens.
コンデンサーレンズにより集光された光束は、所定のパターンが形成されたマスクを重畳的に照明する。マスクのパターンを透過した光は、投影光学系を介してウェハ上に結像する。こうして、ウェハ上には、マスクパターンが投影露光(転写)される。なお、マスクに形成されたパターンは高集積化されており、この微細パターンをウェハ上に正確に転写するにはウェハ上において均一な照度分布を得ることが不可欠である。 The light beam condensed by the condenser lens illuminates the mask on which a predetermined pattern is formed in a superimposed manner. The light transmitted through the mask pattern forms an image on the wafer via the projection optical system. Thus, the mask pattern is projected and exposed (transferred) onto the wafer. The pattern formed on the mask is highly integrated, and it is essential to obtain a uniform illuminance distribution on the wafer in order to accurately transfer this fine pattern onto the wafer.
たとえば本出願人の出願にかかる特許第3246615号公報には、任意方向の微細パターンを忠実に転写するのに適した照明条件を実現するために、フライアイレンズの後側焦点面に輪帯状の二次光源を形成し、この輪帯状の二次光源を通過する光束がその周方向を偏光方向とする直線偏光状態(以下、略して「周方向偏光状態」という)になるように設定する技術が開示されている。
しかしながら、上述の公報に開示された従来技術では、フライアイレンズを介して形成された円形状の光束を輪帯状の開口部を有する開口絞りを介して制限することにより輪帯状の二次光源を形成している。その結果、従来技術では、開口絞りにおいて大きな光量損失が発生し、ひいては露光装置のスループットが低下するという不都合があった。 However, in the prior art disclosed in the above publication, the annular light source is limited by restricting the circular light beam formed through the fly-eye lens through an aperture stop having an annular opening. Forming. As a result, the prior art has a disadvantage in that a large light loss occurs in the aperture stop, which in turn reduces the throughput of the exposure apparatus.
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、光量損失を良好に抑えつつ、周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することを目的とする。また、本発明は、光量損失を良好に抑えつつ周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成して、適切な照明条件のもとで任意方向の微細パターンを忠実に且つ高スループットで転写することのできる露光装置および露光方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to form a ring-shaped illumination pupil distribution in a circumferentially polarized state while favorably suppressing a light amount loss. In addition, the present invention forms a ring-shaped illumination pupil distribution in the circumferentially polarized state while suppressing loss of light quantity, and faithfully transfers a fine pattern in an arbitrary direction with high throughput under appropriate illumination conditions. It is an object of the present invention to provide an exposure apparatus and an exposure method that can be used.
上述の目的を達成するために、本発明にかかる光束変換素子は、入射光束に基づいて所定面に所定の光強度分布を形成するための光束変換素子であって、
所定の偏光状態を有する入射光束を第1の偏光状態を有する射出光束に変換する第1の構造性複屈折領域と、
所定の偏光状態を有する入射光束を前記第1の偏光状態とは異なる第2の偏光状態を有する射出光束に変換する第2の構造性複屈折領域と、
前記第1の構造性複屈折領域に対応して設けられて、前記入射光束を前記所定面上の第1の領域へ導く第1手段と、
前記第2の構造性複屈折領域に対応して設けられて、前記入射光束を前記所定面上の第2の領域へ導く第2手段とを備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a light beam conversion element according to the present invention is a light beam conversion element for forming a predetermined light intensity distribution on a predetermined surface based on an incident light beam,
A first structural birefringence region that converts an incident light beam having a predetermined polarization state into an outgoing light beam having a first polarization state;
A second structural birefringence region that converts an incident light beam having a predetermined polarization state into an exit light beam having a second polarization state different from the first polarization state;
A first means provided corresponding to the first structural birefringence region and guiding the incident light flux to the first region on the predetermined surface;
And a second means provided corresponding to the second structural birefringence region and guiding the incident light beam to the second region on the predetermined surface.
また、上述の目的を達成するために、本発明にかかる照明光学装置は、光源からの光束に基づいて被照射面を照明する照明光学装置であって、
前記照明光学装置の照明瞳またはその近傍に照明瞳分布を形成するために前記光源からの光束を変換するための上述の光束変換素子を備えていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an illumination optical apparatus according to the present invention is an illumination optical apparatus that illuminates an illuminated surface based on a light beam from a light source,
The light beam conversion element described above is provided for converting a light beam from the light source in order to form an illumination pupil distribution at or near the illumination pupil of the illumination optical device.
また、上述の目的を達成するために、本発明にかかる露光装置は、所定のパターンを照明するための上述の照明光学装置を備え、前記所定のパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an exposure apparatus according to the present invention includes the above-described illumination optical device for illuminating a predetermined pattern, and exposes the predetermined pattern onto a photosensitive substrate. And
また、上述の目的を達成するために、本発明にかかる露光装置方法は、上述の照明光学装置を用いてマスクを照明する照明工程と、前記マスクのパターンを感光性基板上に露光する露光工程とを含むことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an exposure apparatus method according to the present invention includes an illumination process for illuminating a mask using the illumination optical apparatus described above, and an exposure process for exposing a pattern of the mask onto a photosensitive substrate. It is characterized by including.
本発明の照明光学装置では、開口絞りにおいて大きな光量損失が発生する従来技術とは異なり、構造性複屈折領域の移相作用と光偏向作用とを用いて、光量損失を実質的に発生させることなく、周方向偏光状態の輪帯状または多極状の照明瞳分布を形成することができる。すなわち、本発明の照明光学装置では、光量損失を良好に抑えつつ、周方向偏光状態の輪帯状または多極状の照明瞳分布を形成することができる。 In the illumination optical device of the present invention, unlike the prior art in which a large amount of light loss occurs in the aperture stop, the light amount loss is substantially generated by using the phase shift action and the light deflection action of the structural birefringence region. In other words, an annular or multipolar illumination pupil distribution in the circumferential polarization state can be formed. That is, in the illumination optical apparatus of the present invention, it is possible to form an annular or multipolar illumination pupil distribution in a circumferentially polarized state while favorably suppressing light loss.
また、本発明の照明光学装置を用いる露光装置および露光方法では、光量損失を良好に抑えつつ周方向偏光状態の輪帯状または多極状の照明瞳分布を形成することのできる照明光学装置を用いているので、適切な照明条件のもとで任意方向の微細パターンを忠実に且つ高スループットで転写することができ、ひいては高いスループットで良好なデバイスを製造すること
ができる。
Further, in the exposure apparatus and exposure method using the illumination optical apparatus of the present invention, an illumination optical apparatus capable of forming an annular or multipolar illumination pupil distribution in a circumferentially polarized state while favorably suppressing a light amount loss is used. Therefore, a fine pattern in an arbitrary direction can be faithfully transferred with high throughput under appropriate illumination conditions, and as a result, a good device can be manufactured with high throughput.
以下、図面を参照して、本発明にかかる実施形態の概要について説明する。図1は、本発明の実施形態にかかる光束変換素子の構成を概略的に示す図であり、図1(a)は本実施形態にかかる光束変換素子を光束の入射側から見た平面図、図1(b)は本実施形態にかかる光束変換素子を光束の射出側から見た平面図、図1(c)は本実施形態にかかる光束変換素子の側面図である。 Hereinafter, an outline of an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of a light beam conversion element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1A is a plan view of the light beam conversion element according to the present embodiment as viewed from the incident side of the light beam. FIG. 1B is a plan view of the light beam conversion element according to the present embodiment as viewed from the light exit side, and FIG. 1C is a side view of the light beam conversion element according to the present embodiment.
図1(a)に示す通り、本実施形態にかかる光束変換素子100は、2次元マトリックス状に配置された複数の構造複屈折領域110をその入射側に備えている。そして、図1(b)に示す通り、本実施形態にかかる光束変換素子100は、入射側に設けられた複数の構造複屈折領域110のそれぞれに一対一対応でその射出側に設けられた複数の回折領域120を備えている。これらの複数の回折領域120も2次元マトリックス状に配列されている。また、図1(c)に示す通り、複数の構造複屈折領域110と複数の回折領域120とは、光束変換素子100の基板130の両面に設けられている。 As shown in FIG. 1A, the light beam conversion element 100 according to this embodiment includes a plurality of structural birefringent regions 110 arranged in a two-dimensional matrix on the incident side. As shown in FIG. 1B, the light beam conversion element 100 according to this embodiment includes a plurality of structural birefringent regions 110 provided on the incident side in a one-to-one correspondence with each other. The diffraction region 120 is provided. The plurality of diffraction regions 120 are also arranged in a two-dimensional matrix. In addition, as shown in FIG. 1C, the plurality of structural birefringence regions 110 and the plurality of diffraction regions 120 are provided on both surfaces of the substrate 130 of the light beam conversion element 100.
次に、光束変換素子100の射出側に設けられた複数の回折領域120の作用について、図2を参照して説明する。なお、以下の説明においては説明を簡単にするために、構造複屈折領域110の作用を無視している。図2において、光束変換素子100への入射ビーム140は、好ましくはほぼコリメートされた光束(ほぼ平行光束)であり、複数の回折領域120の全体を照射する。各々の回折領域120は、そのファーフィールド(またはフラウンホーファー回折領域)に位置する所定面150上に所定形状(図2では矩形状)の照射領域を重畳的に形成する。この光束の重畳により、所定面150上に形成される照射領域の光強度分布はほぼ均一なものとなる。なお、図2では、所定面150上に形成される照射領域の形状を矩形状としたが、必要に応じて、輪帯形状、多極形状、円形状とすることができる。このような回折領域の詳細は、例えば米国特許第5,850,300号公報(及びそれに対応する特開平8−94839号公報並びに特表2001−507139号公報)や、米国特許第6,075,627号公報(及びそれに対応する特表2003−529784号公報)を参照することができる。このように、本実施形態の複数の回折領域120は、波面分割型のオプティカルインテグレータと同様の機能を有している。 Next, the operation of the plurality of diffraction regions 120 provided on the exit side of the light beam conversion element 100 will be described with reference to FIG. In the following description, the operation of the structural birefringence region 110 is ignored for the sake of simplicity. In FIG. 2, an incident beam 140 to the light beam conversion element 100 is preferably a substantially collimated light beam (substantially parallel light beam), and irradiates the entire plurality of diffraction regions 120. Each diffraction region 120 forms an irradiation region having a predetermined shape (rectangular shape in FIG. 2) on a predetermined surface 150 located in the far field (or Fraunhofer diffraction region) in a superimposed manner. Due to the superimposition of the light beams, the light intensity distribution in the irradiation area formed on the predetermined surface 150 becomes substantially uniform. In FIG. 2, the shape of the irradiation region formed on the predetermined surface 150 is a rectangular shape, but may be a ring shape, a multipolar shape, or a circular shape as necessary. Details of such a diffraction region are disclosed in, for example, US Pat. No. 5,850,300 (and corresponding JP-A-8-94839 and JP-A-2001-507139), US Pat. No. 6,075, No. 627 (and corresponding special table 2003-529784) can be referred to. As described above, the plurality of diffraction regions 120 of the present embodiment have the same functions as those of the wavefront division type optical integrator.
次に、図3及び図4を参照して、構造複屈折領域110の作用について説明する。ここで、図3は構造複屈折の原理を説明する原理図であり、図4は、構造複屈折領域110の作用を説明するための概略図である。 Next, the operation of the structural birefringence region 110 will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 3 is a principle diagram for explaining the principle of structural birefringence, and FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the operation of the structural birefringence region 110.
本実施形態の光束変換素子100では、構造複屈折によって入射光に移相作用を与えている。図3は、光束変換素子100上の構造複屈折領域110の一部を概略的に示す図である。この構造複屈折領域110は、基板130上に形成された位相型の回折格子111を備えている。この位相型の回折格子111の周期がP、深さがdであり、微細格子を形成する基板部分の幅がaである。このとき、回折格子111のデューティ比はa/Pで定義される。 In the light beam conversion element 100 of the present embodiment, a phase shift action is given to incident light by structural birefringence. FIG. 3 is a diagram schematically showing a part of the structural birefringence region 110 on the light beam conversion element 100. The structural birefringence region 110 includes a phase type diffraction grating 111 formed on a substrate 130. The phase type diffraction grating 111 has a period P, a depth d, and a substrate portion on which the fine grating is formed has a width a. At this time, the duty ratio of the diffraction grating 111 is defined by a / P.
また、図3において、位相型回折格子111に入射する波長λの光束を入射光束141とし、位相型回折格子111から射出される光束を射出光束144とする。ここで、入射光束141は、位相型回折格子111の溝と平行な方向の偏光成分142と位相型回折格子の溝と直交する方向の偏光成分143とに分解できる。また、射出光束144は、位相型回折格子111の溝と平行な方向の偏光成分145と位相型回折格子の溝と直交する方向の偏光成分146とに分解できる。 In FIG. 3, a light beam having a wavelength λ incident on the phase-type diffraction grating 111 is referred to as an incident light beam 141, and a light beam emitted from the phase-type diffraction grating 111 is referred to as an emitted light beam 144. Here, the incident light beam 141 can be decomposed into a polarization component 142 in a direction parallel to the groove of the phase type diffraction grating 111 and a polarization component 143 in a direction orthogonal to the groove of the phase type diffraction grating. The emitted light beam 144 can be decomposed into a polarization component 145 in a direction parallel to the grooves of the phase type diffraction grating 111 and a polarization component 146 in a direction orthogonal to the grooves of the phase type diffraction grating.
なお、位相型回折格子111のピッチPは、射出光束144として0次以外の回折光が発生しないようにするために、波長λ以下に設定されている。
図3では、入射光141においては偏光成分142と偏光成分143との間で位相差が存在しなかったものが、位相型回折格子111を透過することで、偏光成分145と偏光成分146とに位相差ψが発生していることを表している。そのため、入射光束141が直線偏光であるとすると、射出光束144は楕円偏光に変換されてしまうことが理解できる。このような現象は構造複屈折(form birefringence)と呼ばれている。
Note that the pitch P of the phase-type diffraction grating 111 is set to be equal to or less than the wavelength λ so that diffracted light other than the 0th order is not generated as the emitted light beam 144.
In FIG. 3, the incident light 141 having no phase difference between the polarization component 142 and the polarization component 143 passes through the phase-type diffraction grating 111, so that the polarization component 145 and the polarization component 146 are changed. This indicates that a phase difference ψ has occurred. Therefore, if the incident light beam 141 is linearly polarized light, it can be understood that the emitted light beam 144 is converted to elliptically polarized light. Such a phenomenon is called structural birefringence.
言い換えると、使用波長以下のピッチを持つ位相型回折格子では、回折格子のピッチ方向とピッチ直交方向(溝方向)とでその実効的な屈折率が異なる。
偏光成分142(回折格子の溝に平行な振動面を持つ偏光成分)に対する回折格子の屈折率nIIと、偏光成分143(回折格子のピッチ方向に平行な振動面を持つ偏光成分)に対する回折格子の屈折率n⊥とは、
In other words, in a phase-type diffraction grating having a pitch equal to or less than the operating wavelength, the effective refractive index differs between the pitch direction of the diffraction grating and the direction perpendicular to the pitch (groove direction).
The refractive index n II of the diffraction grating for the polarization component 142 (polarization component having a vibration plane parallel to the groove of the diffraction grating) and the diffraction grating for the polarization component 143 (polarization component having a vibration plane parallel to the pitch direction of the diffraction grating) the refractive index n ⊥,
で表される。ただし、Pは回折格子のピッチ、a/Pはデューティ比、n1は回折格子を形成している材料の屈折率、n2は回折格子の入射側媒質の屈折率である。
そして、回折格子の溝の深さをd、使用波長をλとするとき、偏光成分145と偏光成分146との間に現れる位相差ψは、
It is represented by Where P is the pitch of the diffraction grating, a / P is the duty ratio, n1 is the refractive index of the material forming the diffraction grating, and n2 is the refractive index of the incident side medium of the diffraction grating.
When the depth of the groove of the diffraction grating is d and the wavelength used is λ, the phase difference ψ that appears between the polarization component 145 and the polarization component 146 is
で与えられる。
このように、回折格子のピッチP(<λ)、デューティ比、溝深さをパラメータとして位相差ψを任意の値に設定することができる。すなわち、回折格子のピッチ方向(溝方向)、回折格子のピッチP(<λ)、デューティ比、溝深さをパラメータとして、1つの構造複屈折領域110の移相作用を所要のものとすることができる。
Given in.
Thus, the phase difference ψ can be set to an arbitrary value using the pitch P (<λ) of the diffraction grating, the duty ratio, and the groove depth as parameters. That is, the phase shift action of one structural birefringence region 110 is required with the pitch direction (groove direction) of the diffraction grating, the pitch P (<λ) of the diffraction grating, the duty ratio, and the groove depth as parameters. Can do.
ここで、使用波長λを193nmとすると、基板130として石英を用いるとその屈折率は193nmの波長ではn=1.56となる。このとき、構造性複屈折領域110の回折格子のデューティ比を1:1(=0.5)とすると、回折格子のピッチ方向の屈折率n⊥は、n⊥=1.19、ピッチ直交方向の屈折率nIIはnII=1.31となる。例えば構造性複屈折領域110が位相差λ/2を与えるようにするためには、回折格子の溝の深さdは、d≒0.804μmとすれば良い。 Here, assuming that the wavelength λ used is 193 nm, when quartz is used as the substrate 130, the refractive index is n = 1.56 at a wavelength of 193 nm. At this time, assuming that the duty ratio of the diffraction grating in the structural birefringence region 110 is 1: 1 (= 0.5), the refractive index n の in the pitch direction of the diffraction grating is n == 1.19, and the pitch orthogonal direction The refractive index n II is n II = 1.31. For example, in order for the structural birefringent region 110 to provide the phase difference λ / 2, the groove depth d of the diffraction grating may be d≈0.804 μm.
図4は、本実施形態にかかる光束変換素子100の作用を概略的に示す図である。図4(a)は、光束変換素子100に設けられた複数の構造複屈折領域及び回折領域のうち、特定の構造複屈折領域110b2及びその構造複屈折領域110b2に対応する回折領域120b2の作用を示す図であり、図4(b)は、光束変換素子100に設けられた複数の構造複屈折領域及び回折領域のうち、別の構造複屈折領域110c2及びその構造複屈折領域110c2に対応する回折領域120c2の作用を示す図である。 FIG. 4 is a diagram schematically showing the operation of the light beam conversion element 100 according to the present embodiment. FIG. 4A illustrates the action of a specific structural birefringence region 110b2 and the diffraction region 120b2 corresponding to the structural birefringence region 110b2 among the plurality of structural birefringence regions and diffraction regions provided in the light beam conversion element 100. FIG. 4B shows a diffraction corresponding to another structural birefringence region 110c2 and the structural birefringence region 110c2 among the plurality of structural birefringence regions and diffraction regions provided in the light beam conversion element 100. It is a figure which shows the effect | action of the area | region 120c2.
図4(a)において、構造複屈折領域110b2は、入射光束に対して、0λの位相差を与える。そして、位相差が与えられた光束は、構造複屈折領域110b2に対応する回折領域120b2によって、所定面150上で光軸AXを挟む2カ所の照明領域161,162に導かれる。ここで、図中X方向に振動する直線偏光が構造複屈折領域110b2に入射した場合には、所定面上の2カ所の照明領域161,162に到達する光束は、図中X方向に振動する直線偏光となる。 In FIG. 4A, the structural birefringence region 110b2 gives a phase difference of 0λ to the incident light beam. The light flux to which the phase difference is given is guided to two illumination areas 161 and 162 on the predetermined surface 150 with the optical axis AX sandwiched between them by the diffraction area 120b2 corresponding to the structural birefringence area 110b2. Here, when linearly polarized light that oscillates in the X direction in the figure is incident on the structural birefringence region 110b2, the light beams that reach the two illumination areas 161 and 162 on the predetermined plane oscillate in the X direction in the figure. It becomes linearly polarized light.
また、図4(b)において、構造複屈折領域110c2は、入射光束に対して、λ/2の位相差を与える。そして、位相差が与えられた光束は、構造複屈折領域110c2に対応する回折領域120c2によって、所定面150上で光軸AXを挟む2カ所の照明領域163,164に導かれる。ここで、図中X方向に振動する直線偏光が構造複屈折領域110c2に入射した場合には、所定面上の2カ所の照明領域163,164に到達する光束は、図中Y方向に振動する直線偏光となる。 In FIG. 4B, the structural birefringence region 110c2 gives a phase difference of λ / 2 to the incident light beam. The light flux to which the phase difference is given is guided to two illumination areas 163 and 164 sandwiching the optical axis AX on the predetermined surface 150 by the diffraction area 120c2 corresponding to the structural birefringence area 110c2. Here, when linearly polarized light oscillating in the X direction in the drawing is incident on the structural birefringence region 110c2, the light beams reaching the two illumination regions 163 and 164 on the predetermined plane oscillate in the Y direction in the drawing. It becomes linearly polarized light.
このように、図4に示す光束変換素子100は、2組の構造複屈折領域と回折領域との組によって、光軸AXを中心とする周方向に振動(偏光)方向を持つ直線偏光によって、所定面150上に4極状の照明領域161〜164を形成する。 As described above, the light beam conversion element 100 shown in FIG. 4 is composed of two sets of structural birefringence regions and diffraction regions, and linearly polarized light having a vibration (polarization) direction in the circumferential direction around the optical axis AX. The quadrupole illumination areas 161 to 164 are formed on the predetermined surface 150.
なお、図4の例では、4極状の照明領域161〜164を所定面上に形成したが、同様の手法により、6極状や8極状等の多極状の照明領域や、多極状の照明領域を繋げてなる輪帯状の照明領域を形成することができる。 In the example of FIG. 4, the quadrupole illumination areas 161 to 164 are formed on a predetermined surface, but a multipolar illumination area such as a hexapole or octupole or a multipole is formed by a similar method. It is possible to form a ring-shaped illumination area formed by connecting the shaped illumination areas.
また、図4に示した例では、所定面上の光軸を中心とする輪帯状領域の少なくとも一部に、光軸AXを中心とする周方向に振動(偏光)方向を持つ直線偏光成分を持つ多極状の照明領域161〜164を形成したが、所定面上にほぼ非偏光状態の照明領域を形成することもできる。 In the example shown in FIG. 4, a linearly polarized light component having a vibration (polarization) direction in the circumferential direction around the optical axis AX is formed on at least a part of the annular zone centering on the optical axis on the predetermined surface. Although the multipolar illumination areas 161 to 164 are formed, it is also possible to form an illumination area in a substantially non-polarized state on a predetermined plane.
以下、図5〜図7を参照して、所定面上にほぼ非偏光状態の照明領域を形成する場合を説明する。
ここで、図5(a)は光束変換素子100に設けられた複数の構造複屈折領域及び回折領域のうち、特定の構造複屈折領域110a1及びその構造複屈折領域110a1に対応する回折領域120a1の作用を示す図であり、図5(b)は光束変換素子100に設けられた複数の構造複屈折領域及び回折領域のうち、特定の構造複屈折領域110b1及びその構造複屈折領域110b1に対応する回折領域120b1の作用を示す図であり、図5(c)は光束変換素子100に設けられた複数の構造複屈折領域及び回折領域のうち、特定の構造複屈折領域110c1及びその構造複屈折領域110c1に対応する回折領域120c1の作用を示す図である。
Hereinafter, with reference to FIGS. 5 to 7, a description will be given of a case where an illumination region that is substantially non-polarized is formed on a predetermined surface.
Here, FIG. 5A shows a specific structural birefringence region 110a1 and a diffraction region 120a1 corresponding to the structural birefringence region 110a1 among the plurality of structural birefringence regions and diffraction regions provided in the light beam conversion element 100. FIG. 5B corresponds to the specific structural birefringence region 110b1 and the structural birefringence region 110b1 among the plurality of structural birefringence regions and diffraction regions provided in the light beam conversion element 100. FIG. 5C is a diagram illustrating the operation of the diffraction region 120b1, and FIG. 5C illustrates a specific structural birefringence region 110c1 and its structural birefringence region among the plurality of structural birefringence regions and diffraction regions provided in the light beam conversion element 100. It is a figure which shows the effect | action of the diffraction area | region 120c1 corresponding to 110c1.
図6(a)は光束変換素子100に設けられた複数の構造複屈折領域及び回折領域のうち、特定の構造複屈折領域110d1及びその構造複屈折領域110d1に対応する回折領域120d1の作用を示す図であり、図6(b)は光束変換素子100に設けられた複数の構造複屈折領域及び回折領域のうち、特定の構造複屈折領域110e1及びその構造複屈折領域110e1に対応する回折領域120e1の作用を示す図であり、図6(c)は光束変換素子100に設けられた複数の構造複屈折領域及び回折領域のうち、特定の構造複屈折領域110f1及びその構造複屈折領域110f1に対応する回折領域120f1の作用を示す図である。 FIG. 6A shows the action of a specific structural birefringence region 110d1 and the diffraction region 120d1 corresponding to the structural birefringence region 110d1 among the plurality of structural birefringence regions and diffraction regions provided in the light beam conversion element 100. FIG. 6B illustrates a specific structural birefringence region 110e1 and a diffraction region 120e1 corresponding to the structural birefringence region 110e1 among the plurality of structural birefringence regions and diffraction regions provided in the light beam conversion element 100. FIG. 6C corresponds to a specific structural birefringence region 110f1 and the structural birefringence region 110f1 among the plurality of structural birefringence regions and diffraction regions provided in the light beam conversion element 100. It is a figure which shows the effect | action of the diffraction area | region 120f1 to do.
図7(a)は光束変換素子100に設けられた複数の構造複屈折領域及び回折領域のうち、特定の構造複屈折領域110g1及びその構造複屈折領域110g1に対応する回折領域120g1の作用を示す図であり、図7(b)は光束変換素子100に設けられた複数の構造複屈折領域及び回折領域のうち、特定の構造複屈折領域110h1及びその構造複屈折領域110h1に対応する回折領域120h1の作用を示す図である。 FIG. 7A shows the operation of a specific structural birefringence region 110g1 and the diffraction region 120g1 corresponding to the structural birefringence region 110g1 among the plurality of structural birefringence regions and diffraction regions provided in the light beam conversion element 100. FIG. 7B illustrates a specific structural birefringence region 110h1 and a diffraction region 120h1 corresponding to the structural birefringence region 110h1 among the plurality of structural birefringence regions and diffraction regions provided in the light beam conversion element 100. It is a figure which shows the effect | action of.
なお、図5(a)〜図7(b)の説明においては、光束変換素子100には、図中XY平面(光軸と直交する面、光束進行方向と直交する面)内において、光束の射出側から見てX軸から−45°(+135°)方向に振動面(偏光面)を持つ直線(偏光光束の入射側から見てX軸から+45°(+225°)方向に振動面(偏光面)を持つ直線偏光)が入射するものとする。以下の光束の偏光状態の説明においては、光束の射出側から見た場合で説明する。 In the description of FIGS. 5A to 7B, the light beam conversion element 100 has a light beam on the XY plane (a surface orthogonal to the optical axis and a surface orthogonal to the light beam traveling direction) in the drawing. A straight line having a vibration plane (polarization plane) in the −45 ° (+ 135 °) direction from the X axis when viewed from the exit side (a vibration plane (polarization) in the + 45 ° (+ 225 °) direction from the X axis as viewed from the incident side of the polarized light beam). It is assumed that linearly polarized light) having a plane) is incident. In the following description of the polarization state of the light beam, it will be described in the case of viewing from the light beam exit side.
図5(a)において、構造複屈折領域110a1は、45°方向直線偏光の入射光束に対して、0λの位相差を与える。そして、位相差が与えられた光束は、構造複屈折領域110a1に対応する回折領域120a1によって、所定面150上で光軸AXを中心としたほぼ円形状の照明領域171に導かれる。ここで、ほぼ円形状の照明領域171に到達する光束は、45°方向直線偏光となる。 In FIG. 5A, the structural birefringence region 110a1 gives a phase difference of 0λ to the incident light flux of 45 ° direction linearly polarized light. Then, the light flux to which the phase difference is given is guided to the substantially circular illumination area 171 centered on the optical axis AX on the predetermined surface 150 by the diffraction area 120a1 corresponding to the structural birefringence area 110a1. Here, the light beam reaching the substantially circular illumination region 171 becomes 45 ° -direction linearly polarized light.
図5(b)において、構造複屈折領域110b1は、45°方向直線偏光の入射光束に対して、λ/8の位相差を与える。そして、λ/8の位相差が与えられた光束は、構造複屈折領域110b1に対応する回折領域120b1によって、所定面150上で光軸AXを中心としたほぼ円形状の照明領域172に導かれる。ここで、ほぼ円形状の照明領域172に到達する光束は、45°方向に長軸を持つ右回り楕円偏光となる。なお、ほぼ円形状の照明領域172と、図5(a)に示した照明領域171とは実質的に同じ形状・大きさである。 In FIG. 5B, the structural birefringence region 110b1 gives a phase difference of λ / 8 with respect to an incident light beam of 45 ° direction linearly polarized light. The light flux to which the phase difference of λ / 8 is given is guided to the substantially circular illumination region 172 centered on the optical axis AX on the predetermined surface 150 by the diffraction region 120b1 corresponding to the structural birefringence region 110b1. . Here, the light beam reaching the substantially circular illumination region 172 becomes clockwise elliptically polarized light having a major axis in the 45 ° direction. The substantially circular illumination region 172 and the illumination region 171 shown in FIG. 5A have substantially the same shape and size.
図5(c)において、構造複屈折領域110c1は、45°方向直線偏光の入射光束に対して、λ/4の位相差を与える。そして、λ/4の位相差が与えられた光束は、構造複屈折領域110c1に対応する回折領域120c1によって、所定面150上で光軸AXを中心としたほぼ円形状の照明領域173に導かれる。ここで、ほぼ円形状の照明領域173に到達する光束は、右回り円偏光となる。なお、ほぼ円形状の照明領域173と、図5(a)に示した照明領域171とは実質的に同じ形状・大きさである。 In FIG. 5C, the structural birefringence region 110c1 provides a phase difference of λ / 4 with respect to an incident light beam of 45 ° direction linearly polarized light. Then, the light flux to which the phase difference of λ / 4 is given is guided to the substantially circular illumination region 173 centered on the optical axis AX on the predetermined surface 150 by the diffraction region 120c1 corresponding to the structural birefringence region 110c1. . Here, the light beam reaching the substantially circular illumination region 173 becomes clockwise circularly polarized light. The substantially circular illumination region 173 and the illumination region 171 shown in FIG. 5A have substantially the same shape and size.
図6(a)において、構造複屈折領域110d1は、45°方向直線偏光の入射光束に対して、3λ/8の位相差を与える。そして、3λ/8の位相差が与えられた光束は、構造複屈折領域110d1に対応する回折領域120d1によって、所定面150上で光軸AXを中心としたほぼ円形状の照明領域174に導かれる。ここで、ほぼ円形状の照明領域174に到達する光束は、−45°方向に長軸を持つ右回り楕円偏光となる。なお、ほぼ円形状の照明領域174と、図5(a)に示した照明領域171とは実質的に同じ形状・大きさである。 In FIG. 6A, the structural birefringence region 110d1 gives a phase difference of 3λ / 8 to the incident light flux of 45 ° direction linearly polarized light. Then, the light flux given the phase difference of 3λ / 8 is guided to the substantially circular illumination region 174 centered on the optical axis AX on the predetermined surface 150 by the diffraction region 120d1 corresponding to the structural birefringence region 110d1. . Here, the light beam reaching the substantially circular illumination region 174 becomes clockwise elliptically polarized light having a major axis in the −45 ° direction. The substantially circular illumination region 174 and the illumination region 171 shown in FIG. 5A have substantially the same shape and size.
図6(b)において、構造複屈折領域110e1は、45°方向直線偏光の入射光束に対して、λ/2の位相差を与える。そして、λ/2の位相差が与えられた光束は、構造複屈折領域110e1に対応する回折領域120e1によって、所定面150上で光軸AXを中心としたほぼ円形状の照明領域175に導かれる。ここで、ほぼ円形状の照明領域175に到達する光束は、−45°方向直線偏光となる。なお、ほぼ円形状の照明領域175と、図5(a)に示した照明領域171とは実質的に同じ形状・大きさである。 In FIG. 6B, the structural birefringent region 110e1 gives a phase difference of λ / 2 to the incident light flux of 45 ° direction linearly polarized light. The light flux to which the phase difference of λ / 2 is given is guided to the substantially circular illumination region 175 centered on the optical axis AX on the predetermined surface 150 by the diffraction region 120e1 corresponding to the structural birefringence region 110e1. . Here, the light beam reaching the substantially circular illumination region 175 becomes linearly polarized light in the −45 ° direction. Note that the substantially circular illumination area 175 and the illumination area 171 shown in FIG. 5A have substantially the same shape and size.
図6(c)において、構造複屈折領域110f1は、45°方向直線偏光の入射光束に対して、5λ/8の位相差を与える。そして、5λ/8の位相差が与えられた光束は、構造複屈折領域110f1に対応する回折領域120f1によって、所定面150上で光軸AXを中心としたほぼ円形状の照明領域176に導かれる。ここで、ほぼ円形状の照明領域176に到達する光束は、−45°方向に長軸を持つ左回り楕円偏光となる。なお、ほぼ円形状の照明領域176と、図5(a)に示した照明領域171とは実質的に同じ形状・大きさである。 In FIG. 6C, the structural birefringence region 110f1 gives a phase difference of 5λ / 8 to the incident light flux of 45 ° direction linearly polarized light. The light beam having a phase difference of 5λ / 8 is guided to the substantially circular illumination region 176 centered on the optical axis AX on the predetermined surface 150 by the diffraction region 120f1 corresponding to the structural birefringence region 110f1. . Here, the light beam reaching the substantially circular illumination region 176 becomes counterclockwise elliptically polarized light having a major axis in the −45 ° direction. Note that the substantially circular illumination area 176 and the illumination area 171 shown in FIG. 5A have substantially the same shape and size.
図7(a)において、構造複屈折領域110g1は、45°方向直線偏光の入射光束に対して、3λ/4の位相差を与える。そして、3λ/4の位相差が与えられた光束は、構造複屈折領域110g1に対応する回折領域120g1によって、所定面150上で光軸AXを中心としたほぼ円形状の照明領域177に導かれる。ここで、ほぼ円形状の照明領域177に到達する光束は、左回り円偏光となる。なお、ほぼ円形状の照明領域177と、図5(a)に示した照明領域171とは実質的に同じ形状・大きさである。 In FIG. 7A, the structural birefringence region 110g1 gives a phase difference of 3λ / 4 to the incident light flux of 45 ° direction linearly polarized light. The light beam having a phase difference of 3λ / 4 is guided to the substantially circular illumination region 177 centered on the optical axis AX on the predetermined surface 150 by the diffraction region 120g1 corresponding to the structural birefringence region 110g1. . Here, the light beam reaching the substantially circular illumination region 177 becomes counterclockwise circularly polarized light. Note that the substantially circular illumination region 177 and the illumination region 171 shown in FIG. 5A have substantially the same shape and size.
図7(b)において、構造複屈折領域110h1は、45°方向直線偏光の入射光束に対して、7λ/8の位相差を与える。そして、7λ/8の位相差が与えられた光束は、構造複屈折領域110h1に対応する回折領域120h1によって、所定面150上で光軸AXを中心としたほぼ円形状の照明領域178に導かれる。ここで、ほぼ円形状の照明領域178に到達する光束は、−45°方向に長軸を持つ左回り楕円偏光となる。なお、ほぼ円形状の照明領域178と、図5(a)に示した照明領域171とは実質的に同じ形状・大きさである。 In FIG. 7B, the structural birefringence region 110h1 gives a phase difference of 7λ / 8 to the incident light flux of 45 ° direction linearly polarized light. Then, the light flux to which the phase difference of 7λ / 8 is given is guided to the substantially circular illumination region 178 centered on the optical axis AX on the predetermined surface 150 by the diffraction region 120h1 corresponding to the structural birefringence region 110h1. . Here, the light beam reaching the substantially circular illumination region 178 becomes counterclockwise elliptically polarized light having a major axis in the −45 ° direction. Note that the substantially circular illumination region 178 and the illumination region 171 shown in FIG. 5A have substantially the same shape and size.
所定面150上では、これら種々の偏光状態を有する光束が互いに重畳されるので(照明領域171〜178が重畳するので)、実質的に非偏光の照明領域を得ることができる。 Since the light beams having these various polarization states are superimposed on each other on the predetermined surface 150 (since the illumination regions 171 to 178 are superimposed), a substantially non-polarized illumination region can be obtained.
ここで、図4に示した例と図5〜7に示した例とを1つの光束変換素子上に設ければ、図8に示すような照明領域、即ち光軸AXを中心とする非偏光の照明領域170と、光軸AXを中心とする輪帯状領域165の少なくとも一部に配置されて光軸AXを中心とする周方向に振動(偏光)方向を持つ直線偏光成分を持つ多極状の照明領域161〜164とを同時に形成することができる。 Here, if the example shown in FIG. 4 and the example shown in FIGS. 5 to 7 are provided on one light beam conversion element, the non-polarized light having the illumination area as shown in FIG. 8, that is, the optical axis AX as the center. And a multipolar shape having a linearly polarized light component having a vibration (polarization) direction in the circumferential direction centered on the optical axis AX and disposed in at least a part of the annular region 165 centered on the optical axis AX. The illumination areas 161 to 164 can be formed simultaneously.
なお、図4(a),(b)に示した多極状の照明領域161〜164のそれぞれを、複数組の構造複屈折領域及び回折領域の組で形成して、それぞれの照明領域161〜164における光強度分布の均一性を向上させることが好ましい。 Each of the multipolar illumination regions 161 to 164 shown in FIGS. 4A and 4B is formed of a set of a plurality of structural birefringence regions and diffraction regions, and each of the illumination regions 161 to 161 is formed. It is preferable to improve the uniformity of the light intensity distribution at 164.
上述の実施形態にかかる光束変換素子では、構造性複屈折領域の移相作用と光偏向作用(回折作用、屈折作用等)とを用いて、光量損失を実質的に発生させることなく、周方向偏光状態の輪帯状または多極状の照明瞳分布を形成することができる。特に、複数の構造性複屈折領域を1つの基板上に一体的に形成した場合には、各領域同士をアライメントする必要がないため製造が容易であり、素子の安定性の向上も図ることができる。 In the light beam conversion element according to the above-described embodiment, the phase shift action and the light deflection action (diffraction action, refraction action, etc.) of the structural birefringence region are used, and the circumferential direction is not substantially generated without causing a light amount loss. It is possible to form an annular or multipolar illumination pupil distribution in a polarization state. In particular, when a plurality of structural birefringent regions are integrally formed on a single substrate, it is not necessary to align each region, so that the manufacturing is easy and the stability of the element can be improved. it can.
次に、図9を参照して、上述の実施形態にかかる光束変換素子を照明光学装置に適用した場合の実施形態について説明する。なお、図9に示す照明光学装置は、感光性基板であるウェハW上にマスクMのパターンを露光する露光装置に適用されるものであるため、この照明光学装置が適用された露光装置について説明する。 Next, with reference to FIG. 9, an embodiment in which the light beam conversion element according to the above-described embodiment is applied to an illumination optical device will be described. The illumination optical apparatus shown in FIG. 9 is applied to an exposure apparatus that exposes the pattern of the mask M onto the wafer W, which is a photosensitive substrate, and therefore an exposure apparatus to which the illumination optical apparatus is applied will be described. To do.
図9において、感光性基板であるウェハWの法線方向に沿ってZ軸を、ウェハWの面内において図9の紙面に平行な方向にY軸を、ウェハWの面内において図9の紙面に垂直な方向にX軸をそれぞれ設定している。本実施形態の露光装置は、露光光(照明光)を供給するための光源1を備えている。 9, the Z-axis along the normal direction of the wafer W, which is a photosensitive substrate, the Y-axis in the direction parallel to the paper surface of FIG. 9 in the plane of the wafer W, and the plane of the wafer W in FIG. The X axis is set in the direction perpendicular to the paper surface. The exposure apparatus of this embodiment includes a light source 1 for supplying exposure light (illumination light).
光源1として、例えば193nmの波長の光を供給するArFエキシマレーザ光源を用いることができる。光源1からZ方向に沿って射出されたほぼ平行な光束は、X方向に沿って細長く延びた矩形状の断面を有し、一対のレンズ2a及び2bからなるビームエキスパンダー2に入射する。各レンズ2a及び2bは、図9の紙面内(YZ平面内)において負の屈折力及び正の屈折力をそれぞれ有する。したがって、ビームエキスパンダー2に入射した光束は、図9の紙面内において拡大され、所定の矩形状の断面を有する光束に整形される。 As the light source 1, for example, an ArF excimer laser light source that supplies light having a wavelength of 193 nm can be used. A substantially parallel light beam emitted from the light source 1 along the Z direction has a rectangular cross section extending along the X direction and is incident on a beam expander 2 including a pair of lenses 2a and 2b. Each lens 2a and 2b has a negative refracting power and a positive refracting power in the plane of FIG. 9 (in the YZ plane), respectively. Accordingly, the light beam incident on the beam expander 2 is enlarged in the plane of FIG. 9 and shaped into a light beam having a predetermined rectangular cross section.
整形光学系としてのビームエキスパンダー2を介したほぼ平行な光束は、1/4波長板4a、1/2波長板4b、デポラライザ(非偏光化素子)4c、及び上述の実施形態で示した光束変換素子100を介して、アフォーカルレンズ6に入射する。ここで、1/4波長板4a、1/2波長板4b、及びデポラライザ4cは、後述するように、偏光状態切換部4を構成している。アフォーカルレンズ6は、その前側焦点位置と回折光学素子5の位置とがほぼ一致し且つその後側焦点位置と図中破線で示す所定面7の位置とがほぼ一致するように設定されたアフォーカル系(無焦点光学系)である。 A substantially parallel light beam through the beam expander 2 as a shaping optical system is converted into a ¼ wavelength plate 4a, a ½ wavelength plate 4b, a depolarizer (non-polarization element) 4c, and the light beam conversion shown in the above embodiment. The light enters the afocal lens 6 through the element 100. Here, the quarter wavelength plate 4a, the half wavelength plate 4b, and the depolarizer 4c constitute a polarization state switching unit 4 as described later. The afocal lens 6 is set so that the front focal position and the position of the diffractive optical element 5 substantially coincide with each other, and the rear focal position and the position of the predetermined surface 7 indicated by a broken line in the drawing substantially coincide with each other. System (non-focal optical system).
前述したように、光束変換素子100は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、そのファーフィールド(またはフラウンホーファー回折領域)に所定形状(光軸を中心とするほぼ円形状光強度分布と光軸を中心とする輪帯領域内に配置される多極状光強度分布とを合成した形状)の光強度分布を形成する機能を有する。 As described above, the light beam conversion element 100 has a predetermined shape (a substantially circular light intensity centered on the optical axis) in its far field (or Fraunhofer diffraction region) when a parallel light beam having a rectangular cross section is incident. And a light intensity distribution having a shape obtained by synthesizing the distribution and a multipolar light intensity distribution arranged in an annular region centered on the optical axis.
したがって、光束変換素子100に入射したほぼ平行光束は、アフォーカルレンズ6の瞳面に所定形状の光強度分布を形成した後、ほぼ平行光束となってアフォーカルレンズ6から射出される。なお、アフォーカルレンズ6の前側レンズ群6aと後側レンズ群6bとの間の光路中においてその瞳面またはその近傍には、円錐アキシコン系8が配置されているが、その詳細な構成及び作用については後述する。以下、説明を簡単にするために、円錐アキシコン系8の作用を無視して、基本的な構成及び作用を説明する。 Therefore, the substantially parallel light beam incident on the light beam conversion element 100 forms a light intensity distribution having a predetermined shape on the pupil plane of the afocal lens 6 and then exits from the afocal lens 6 as a substantially parallel light beam. A conical axicon system 8 is disposed on or near the pupil plane in the optical path between the front lens group 6a and the rear lens group 6b of the afocal lens 6. Will be described later. Hereinafter, in order to simplify the description, the basic configuration and operation will be described ignoring the operation of the conical axicon system 8.
アフォーカルレンズ6を介した光束は、σ値可変用のズームレンズ9を介して、オプティカルインテグレータとしてのマイクロフライアイレンズ(またはフライアイレンズ)11に入射する。マイクロフライアイレンズ11は、縦横に且つ稠密に配列された多数の正屈折力を有する微小レンズからなる光学素子である。一般に、マイクロフライアイレンズは、例えば平行平面板にエッチング処理を施して微小レンズ群を形成することによって構成される。 The light beam that has passed through the afocal lens 6 enters a micro fly-eye lens (or fly-eye lens) 11 as an optical integrator through a zoom lens 9 for variable σ value. The micro fly's eye lens 11 is an optical element composed of a large number of microlenses having positive refractive power arranged vertically and horizontally and densely. In general, a micro fly's eye lens is configured by, for example, performing etching on a plane parallel plate to form a micro lens group.
ここで、マイクロフライアイレンズを構成する各微小レンズは、フライアイレンズを構成する各レンズエレメントよりも微小である。また、マイクロフライアイレンズは、互いに隔絶されたレンズエレメントからなるフライアイレンズとは異なり、多数の微小レンズ(微小屈折面)が互いに隔絶されることなく一体的に形成されている。しかしながら、正屈折力を有するレンズ要素が縦横に配置されている点でマイクロフライアイレンズはフライアイレンズと同じ波面分割型のオプティカルインテグレータである。 Here, each micro lens constituting the micro fly's eye lens is smaller than each lens element constituting the fly eye lens. Further, unlike a fly-eye lens composed of lens elements isolated from each other, a micro fly-eye lens is formed integrally with a large number of micro lenses (micro refractive surfaces) without being isolated from each other. However, the micro fly's eye lens is the same wavefront division type optical integrator as the fly eye lens in that lens elements having positive refractive power are arranged vertically and horizontally.
所定面7の位置はズームレンズ9の前側焦点位置の近傍に配置され、マイクロフライアイレンズ11の入射面はズームレンズ9の後側焦点位置の近傍に配置されている。換言すると、ズームレンズ9は、所定面7とマイクロフライアイレンズ11の入射面とを実質的にフーリエ変換の関係に配置し、ひいてはアフォーカルレンズ6の瞳面とマイクロフライアイレンズ11の入射面とを光学的にほぼ共役に配置している。 The position of the predetermined surface 7 is disposed in the vicinity of the front focal position of the zoom lens 9, and the incident surface of the micro fly's eye lens 11 is disposed in the vicinity of the rear focal position of the zoom lens 9. In other words, the zoom lens 9 arranges the predetermined surface 7 and the incident surface of the micro fly's eye lens 11 substantially in a Fourier transform relationship, and consequently the pupil surface of the afocal lens 6 and the incident surface of the micro fly's eye lens 11. Are arranged almost conjugate optically.
従って、マイクロフライアイレンズ11の入射面上には、アフォーカルレンズ6の瞳面と同様に、例えば光軸AXを中心とした所定形状(光軸を中心とするほぼ円形状光強度分布と光軸を中心とする輪帯領域内に配置される多極状光強度分布とを合成した形状)の照野が形成される。この照野の全体形状は、ズームレンズ9の焦点距離に依存して相似的に変化する。マイクロフライアイレンズ11を構成する各微小レンズは、マスクM上において形成すべき照野の形状(ひいてはウェハW上において形成すべき露光領域の形状)と相似な矩形状の断面を有する。 Accordingly, on the incident surface of the micro fly's eye lens 11, similarly to the pupil surface of the afocal lens 6, for example, a predetermined shape centered on the optical axis AX (a substantially circular light intensity distribution and light centered on the optical axis). An illumination field having a shape obtained by synthesizing the multipolar light intensity distribution arranged in the annular zone centered on the axis is formed. The overall shape of the illumination field changes in a similar manner depending on the focal length of the zoom lens 9. Each microlens constituting the micro fly's eye lens 11 has a rectangular cross section similar to the shape of the illumination field to be formed on the mask M (and thus the shape of the exposure region to be formed on the wafer W).
マイクロフライアイレンズ11に入射した光束は多数の微小レンズにより二次元的に分割され、その後側焦点面またはその近傍(ひいては照明瞳)には、入射光束によって形成される照野とほぼ同じ光強度分布を有する二次光源、すなわち光軸AXを中心とした輪帯状の実質的な面光源からなる二次光源が形成される。マイクロフライアイレンズ11の後側焦点面またはその近傍に形成された二次光源からの光束は、ビームスプリッター12a及びコンデンサー光学系13を介した後、マスクブラインド14を重畳的に照明する。 The light beam incident on the micro fly's eye lens 11 is two-dimensionally divided by a large number of microlenses, and the light intensity substantially the same as the illumination field formed by the incident light beam is formed on the rear focal plane or in the vicinity thereof (and thus the illumination pupil). A secondary light source having a distribution, that is, a secondary light source composed of a substantial surface light source having an annular shape centering on the optical axis AX is formed. The light beam from the secondary light source formed on the rear focal plane of the micro fly's eye lens 11 or in the vicinity thereof illuminates the mask blind 14 in a superimposed manner after passing through the beam splitter 12a and the condenser optical system 13.
こうして、照明視野絞りとしてのマスクブラインド14には、マイクロフライアイレンズ11を構成する各微小レンズの形状と焦点距離とに応じた矩形状の照野が形成される。マスクブラインド14の矩形状の開口部(光透過部)を介した光束は、光路折り曲げ用の偏向平面鏡(平面反射鏡)M21によりY方向に偏向された後、結像光学系15に入射する。結像光学系15の集光作用を受けた光束は、光路折り曲げ用の偏向平面鏡M22によりZ方向に偏向された後、所定のパターンが形成されたマスクMを重畳的に照明する。 Thus, a rectangular illumination field corresponding to the shape and focal length of each microlens constituting the micro fly's eye lens 11 is formed on the mask blind 14 as an illumination field stop. The light beam that has passed through the rectangular opening (light transmitting portion) of the mask blind 14 is deflected in the Y direction by a deflecting plane mirror (planar reflecting mirror) M21 for bending the optical path, and then enters the imaging optical system 15. The light beam that has received the light condensing action of the imaging optical system 15 is deflected in the Z direction by a deflecting plane mirror M22 for bending the optical path, and then illuminates the mask M on which a predetermined pattern is formed in a superimposed manner.
即ち、光学系15は、マスクブラインド14の矩形状開口部の像をマスクM上に形成することになる。マスクステージMS上に保持されたマスクMのパターンを透過した光束は、投影光学系PLを介して、ウェハステージWS上に保持されたウェハ(感光性基板)W上にマスクパターンの像を形成する。投影光学系PLの内部構成については後述する。こうして、投影光学系PLの光軸AXと直交する平面(XY平面)内においてウェハWを二次元的に駆動制御しながら一括露光またはスキャン露光を行うことにより、ウェハWの各露光領域にはマスクMのパターンが逐次露光される。 That is, the optical system 15 forms an image of the rectangular opening of the mask blind 14 on the mask M. The light beam that has passed through the pattern of the mask M held on the mask stage MS forms an image of the mask pattern on the wafer (photosensitive substrate) W held on the wafer stage WS via the projection optical system PL. . The internal configuration of the projection optical system PL will be described later. Thus, by performing batch exposure or scan exposure while driving and controlling the wafer W two-dimensionally in a plane (XY plane) orthogonal to the optical axis AX of the projection optical system PL, each exposure region of the wafer W is masked. M patterns are sequentially exposed.
なお、偏光状態切換部4において、1/4波長板4aは、光軸AXを中心として結晶光学軸が回転自在に構成されて、入射する楕円偏光の光を直線偏光の光に変換する。また、1/2波長板4bは、光軸AXを中心として結晶光学軸が回転自在に構成されて、入射する直線偏光の偏光面を変化させる。また、デポラライザ4cは、相補的な形状を有する楔形状の水晶プリズムと楔形状の石英プリズムとにより構成されている。水晶プリズムと石英プリズムとは、一体的なプリズム組立体として、照明光路に対して挿脱自在に構成されている。 In the polarization state switching unit 4, the quarter wavelength plate 4a is configured such that the crystal optical axis is rotatable about the optical axis AX, and converts incident elliptically polarized light into linearly polarized light. The half-wave plate 4b is configured such that the crystal optical axis is rotatable about the optical axis AX, and changes the polarization plane of incident linearly polarized light. The depolarizer 4c is composed of a wedge-shaped quartz prism having a complementary shape and a wedge-shaped quartz prism. The quartz prism and the quartz prism are configured to be detachable with respect to the illumination optical path as an integral prism assembly.
光源1としてKrFエキシマレーザ光源やArFエキシマレーザ光源を用いる場合、これらの光源から射出される光は典型的には95%以上の偏光度を有し、1/4波長板4aにはほぼ直線偏光の光が入射する。しかしながら、光源1と偏光状態切換部4との間の光路中に裏面反射鏡としての直角プリズムが介在する場合、入射する直線偏光の偏光面がP偏光面またはS偏光面に一致していないと、直角プリズムでの全反射により直線偏光が楕円偏光に変わる。 When a KrF excimer laser light source or an ArF excimer laser light source is used as the light source 1, the light emitted from these light sources typically has a polarization degree of 95% or more, and the quarter-wave plate 4a has almost linearly polarized light. Light enters. However, when a right-angle prism as a back reflector is interposed in the optical path between the light source 1 and the polarization state switching unit 4, the polarization plane of the incident linearly polarized light does not coincide with the P-polarization plane or the S-polarization plane. The linearly polarized light is changed to elliptically polarized light by total reflection at the right angle prism.
偏光状態切換部4では、例えば直角プリズムでの全反射に起因して楕円偏光の光が入射しても、1/4波長板4aの作用により変換された直線偏光の光が1/2波長板4bに入射する。1/2波長板4bの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して0度または90度の角度をなすように設定された場合、1/2波長板4bに入射した直線偏光の光は偏光面が変化することなくそのまま通過する。 In the polarization state switching unit 4, for example, even if elliptically polarized light is incident due to total reflection by a right-angle prism, linearly polarized light converted by the action of the quarter wavelength plate 4 a is a half wavelength plate. 4b. When the crystal optical axis of the half-wave plate 4b is set to make an angle of 0 degrees or 90 degrees with respect to the plane of polarization of the linearly polarized light incident thereon, the linearly polarized light incident on the half-wave plate 4b Passes through without changing the plane of polarization.
また、1/2波長板4bの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して45度の角度をなすように設定された場合、1/2波長板4bに入射した直線偏光の光は偏光面が90度だけ変化した直線偏光の光に変換される。さらに、デポラライザ4cの水晶プリズムの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して45度の角度をなすように設定された場合、水晶プリズムに入射した直線偏光の光は非偏光状態の光に変換(非偏光化)される。 In addition, when the crystal optical axis of the half-wave plate 4b is set to form an angle of 45 degrees with respect to the plane of polarization of the linearly polarized light incident thereon, the linearly polarized light incident on the half-wave plate 4b is It is converted into linearly polarized light whose polarization plane has changed by 90 degrees. Further, when the crystal optical axis of the crystal prism of the depolarizer 4c is set to form an angle of 45 degrees with respect to the plane of polarization of the linearly polarized light incident thereon, the linearly polarized light incident on the crystal prism is unpolarized light. Converted to non-polarized light.
偏光状態切換部4では、デポラライザ4cが照明光路中に位置決めされたときに水晶プリズムの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して45度の角度をなすように構成されている。ちなみに、水晶プリズムの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して0度または90度の角度をなすように設定された場合、水晶プリズムに入射した直線偏光の光は偏光面が変化することなくそのまま通過する。また、1/2波長板4bの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して22.5度の角度をなすように設定された場合、1/2波長板4bに入射した直線偏光の光は、偏光面が変化することなくそのまま通過する直線偏光成分と偏光面が90度だけ変化した直線偏光成分とを含む非偏光状態の光に変換される。 The polarization state switching unit 4 is configured such that when the depolarizer 4c is positioned in the illumination optical path, the crystal optical axis of the quartz prism forms an angle of 45 degrees with respect to the polarization plane of linearly polarized light that is incident. Incidentally, when the crystal optical axis of the crystal prism is set to make an angle of 0 degrees or 90 degrees with respect to the plane of polarization of the linearly polarized light incident thereon, the plane of polarization of the linearly polarized light incident on the crystal prism changes. It passes without any changes. Further, when the crystal optical axis of the half-wave plate 4b is set to make an angle of 22.5 degrees with respect to the plane of polarization of the linearly polarized light incident thereon, the linearly polarized light incident on the half-wave plate 4b is The light is converted into non-polarized light including a linearly polarized light component that passes through without changing its polarization plane and a linearly polarized light component whose polarization plane changes by 90 degrees.
偏光状態切換部4では、上述したように、直線偏光の光が1/2波長板4bに入射するが、以下の説明を簡単にするために、図9においてY方向に偏光方向(電場の方向)を有する直線偏光(以下、「Y方向偏光」と称する)の光が1/2波長板4bに入射するものとする。 As described above, in the polarization state switching unit 4, linearly polarized light is incident on the half-wave plate 4b. However, in order to simplify the following description, the polarization direction (the direction of the electric field) in the Y direction in FIG. ) Linearly polarized light (hereinafter referred to as “Y-direction polarized light”) is incident on the half-wave plate 4b.
デポラライザ4cを照明光路から退避させた場合、1/2波長板4bの結晶光学軸を入射するY方向偏光の偏光面に対して0度または90度の角度をなすように設定すると、1/2波長板4bに入射したY方向偏光の光は偏光面が変化することなくY方向偏光のまま通過し、Y方向偏光状態で光束変換素子に入射する。また、1/2波長板4bの結晶光学軸を入射するY方向偏光の偏光面に対して45度の角度をなすように設定すると、1/2波長板4bに入射したY方向偏光の光は偏光面が90度だけ変化してX方向偏光の光になり、X方向偏光状態で光束変換素子100に入射する。そして、1/2波長板4bの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して22.5度の角度をなすように設定すると、1/2波長板4bに入射したY方向偏光の光は偏光面が45度だけ変化して45°直線偏光の光になって、光束変換素子100に入射する。 When the depolarizer 4c is retracted from the illumination optical path, if the crystal optical axis of the half-wave plate 4b is set so as to make an angle of 0 degrees or 90 degrees with respect to the polarization plane of the Y-direction polarized light that is incident, 1/2 The Y-direction polarized light incident on the wave plate 4b passes through the Y-direction polarized light without changing the polarization plane, and enters the light beam conversion element in the Y-direction polarization state. Also, if the crystal optical axis of the half-wave plate 4b is set to make an angle of 45 degrees with respect to the polarization plane of the Y-direction polarized light that is incident, the Y-direction polarized light incident on the half-wave plate 4b is The polarization plane changes by 90 degrees to become X-direction polarized light, and enters the light beam conversion element 100 in the X-direction polarization state. If the crystal optical axis of the half-wave plate 4b is set to make an angle of 22.5 degrees with respect to the plane of polarization of the linearly polarized light incident thereon, the Y-direction polarized light incident on the half-wave plate 4b Changes the plane of polarization by 45 degrees to become 45 ° linearly polarized light, and enters the light beam conversion element 100.
一方、デポラライザ4cを照明光路中に位置決めした場合、1/2波長板4bの結晶光学軸を入射するY方向偏光の偏光面(偏光方向)に対して0度または90度の角度をなすように設定すると、1/2波長板4bに入射したY方向偏光の光は偏光面が変化することなくY方向偏光のまま通過してデポラライザ4cの水晶プリズムに入射する。水晶プリズムの結晶光学軸は入射するY方向偏光の偏光面に対して45度の角度をなすように設定されているので、水晶プリズムに入射したY方向偏光の光は非偏光状態の光に変換される。 On the other hand, when the depolarizer 4c is positioned in the illumination optical path, an angle of 0 degree or 90 degrees is formed with respect to the polarization plane (polarization direction) of the Y-direction polarization incident on the crystal optical axis of the half-wave plate 4b. When set, the Y-direction polarized light incident on the half-wave plate 4b passes through the Y-polarized light without changing the polarization plane and enters the quartz prism of the depolarizer 4c. Since the crystal optical axis of the quartz prism is set to make an angle of 45 degrees with respect to the polarization plane of the incident Y-direction polarized light, the Y-direction polarized light incident on the quartz prism is converted into unpolarized light. Is done.
水晶プリズムを介して非偏光化された光は、光の進行方向を補償するためのコンペンセータとしての石英プリズムを介して、非偏光状態で光束変換素子100に入射する。一方、1/2波長板4bの結晶光学軸を入射するY方向偏光の偏光面に対して45度の角度をなすように設定すると、1/2波長板4bに入射したY方向偏光の光は偏光面が90度だけ変化し、図9においてX方向に偏光方向(電場の方向)を有する直線偏光(以下、「X方向偏光」と称する)の光になってデポラライザ4cの水晶プリズムに入射する。水晶プリズムの結晶光学軸は入射するX方向偏光の偏光面に対しても45度の角度をなすように設定されているので、水晶プリズムに入射したX方向偏光の光は非偏光状態の光に変換され、石英プリズムを介して、非偏光状態で光束変換素子100に入射する。 The light that has been depolarized through the quartz prism enters the light beam conversion element 100 in a non-polarized state through the quartz prism as a compensator for compensating the traveling direction of the light. On the other hand, if the crystal optical axis of the half-wave plate 4b is set to make an angle of 45 degrees with respect to the polarization plane of the Y-direction polarization incident, the Y-direction polarization light incident on the half-wave plate 4b is The polarization plane changes by 90 degrees, and becomes linearly polarized light (hereinafter referred to as “X-direction polarized light”) having a polarization direction (electric field direction) in the X direction in FIG. 9 and enters the quartz prism of the depolarizer 4c. . Since the crystal optical axis of the quartz prism is set to make an angle of 45 degrees with respect to the polarization plane of the incident X-direction polarized light, the X-direction polarized light incident on the quartz prism is converted into unpolarized light. The light is converted and enters the light beam conversion element 100 through the quartz prism in a non-polarized state.
以上のように、偏光状態切換部4では、デポラライザ4cを照明光路中に挿入して位置決めすることにより、非偏光状態の光を光束変換素子100に入射させることができる。また、デポラライザ4cを照明光路から退避させ且つ1/2波長板4bの結晶光学軸の光軸回りの回転角度を設定することにより、所望の方向に偏光面(振動面)を持つ直線偏光を光束変換素子100に入射させることができる。 As described above, in the polarization state switching unit 4, non-polarized light can be incident on the light beam conversion element 100 by inserting and positioning the depolarizer 4 c in the illumination optical path. Further, by retracting the depolarizer 4c from the illumination optical path and setting the rotation angle around the optical axis of the crystal optical axis of the half-wave plate 4b, linearly polarized light having a polarization plane (vibration plane) in a desired direction is converted into a light beam. The light can enter the conversion element 100.
換言すれば、偏光状態切換部4では、1/4波長板4aと1/2波長板4bとデポラライザ4cとからなる偏光状態切換部の作用により、光束変換素子100への入射光の偏光状態を直線偏光状態と非偏光状態との間で切り換えることができ、直線偏光状態の場合には光束変換素子100への入射直線偏光の偏光方向を任意の方向に設定することができる。 In other words, in the polarization state switching unit 4, the polarization state of the incident light to the light beam conversion element 100 is changed by the action of the polarization state switching unit including the quarter wavelength plate 4a, the half wavelength plate 4b, and the depolarizer 4c. Switching between the linear polarization state and the non-polarization state can be performed, and in the case of the linear polarization state, the polarization direction of the linearly polarized light incident on the light beam conversion element 100 can be set to an arbitrary direction.
次に、円錐アキシコン系8は、光源側から順に、光源側に平面を向け且つマスク側に凹円錐状の屈折面を向けた第1プリズム部材8aと、マスク側に平面を向け且つ光源側に凸円錐状の屈折面を向けた第2プリズム部材8bとから構成されている。そして、第1プリズム部材8aの凹円錐状の屈折面と第2プリズム部材8bの凸円錐状の屈折面とは、互いに当接可能なように相補的に形成されている。また、第1プリズム部材8a及び第2プリズム部材8bのうち少なくとも一方の部材が光軸AXに沿って移動可能に構成され、第1プリズム部材8aの凹円錐状の屈折面と第2プリズム部材8bの凸円錐状の屈折面との間隔が可変に構成されている。 Next, the conical axicon system 8 includes, in order from the light source side, a first prism member 8a having a plane facing the light source side and a concave conical refractive surface facing the mask side, and a plane facing the mask side and facing the light source side. And a second prism member 8b having a convex conical refracting surface. The concave conical refracting surface of the first prism member 8a and the convex conical refracting surface of the second prism member 8b are complementarily formed so as to be in contact with each other. Further, at least one of the first prism member 8a and the second prism member 8b is configured to be movable along the optical axis AX, and the concave conical refractive surface of the first prism member 8a and the second prism member 8b. The distance from the convex conical refracting surface is variable.
ここで、第1プリズム部材8aの凹円錐状屈折面と第2プリズム部材8bの凸円錐状屈折面とが互いに当接している状態では、円錐アキシコン系8は平行平面板として機能し、形成される輪帯状の二次光源に及ぼす影響はない。しかしながら、第1プリズム部材8aの凹円錐状屈折面と第2プリズム部材8bの凸円錐状屈折面とを離間させると、二次光源の輪帯比(内径/外径)及び大きさ(外径)が変化する。 Here, in a state where the concave conical refracting surface of the first prism member 8a and the convex conical refracting surface of the second prism member 8b are in contact with each other, the conical axicon system 8 functions and is formed as a parallel plane plate. There is no effect on the secondary light source in the annular zone. However, if the concave conical refracting surface of the first prism member 8a and the convex conical refracting surface of the second prism member 8b are separated, the annular ratio (inner diameter / outer diameter) and size (outer diameter) of the secondary light source ) Will change.
ズームレンズ9は、二次光源の全体形状を相似的に拡大または縮小する機能を有する。例えばズームレンズ9の焦点距離を最小値から所定の値へ拡大させることにより、二次光源の全体形状が相似的に拡大される。換言すると、ズームレンズ9の作用により、二次光源の輪帯比が変化することなく、その輪帯幅及び大きさ(外径)がともに変化する。このように、円錐アキシコン系8及びズームレンズ9の作用により、二次光源の輪帯比と大きさ(外径)とを制御できる。 The zoom lens 9 has a function of enlarging or reducing the overall shape of the secondary light source in a similar manner. For example, by enlarging the focal length of the zoom lens 9 from a minimum value to a predetermined value, the overall shape of the secondary light source is similarly enlarged. In other words, due to the action of the zoom lens 9, the annular zone width and size (outer diameter) both change without changing the annular zone ratio of the secondary light source. In this way, the annular ratio and size (outer diameter) of the secondary light source can be controlled by the action of the conical axicon system 8 and the zoom lens 9.
また、偏光モニター12は、マイクロフライアイレンズ11とコンデンサー光学系13との間の光路中に配置された第1ビームスプリッター12aを備えており、この第1ビームスプリッター12aへの入射光の偏光状態を検知する機能を有する。そして、制御部が偏光モニター12の検知結果に基づいてマスクM(ひいてはウェハW)への照明光が所望の偏光状態または非偏光状態になっていないことを確認した場合、偏光状態切換部4を構成する1/4波長板4a、1/2波長板4b及びデポラライザ4cを駆動調整し、マスクMへの照明光の状態を所望の偏光状態または非偏光状態に調整することができる。 Further, the polarization monitor 12 includes a first beam splitter 12a disposed in the optical path between the micro fly's eye lens 11 and the condenser optical system 13, and the polarization state of the incident light to the first beam splitter 12a. It has a function to detect. When the control unit confirms that the illumination light to the mask M (and thus the wafer W) is not in the desired polarization state or non-polarization state based on the detection result of the polarization monitor 12, the polarization state switching unit 4 is turned on. The quarter wavelength plate 4a, the half wavelength plate 4b, and the depolarizer 4c that are configured can be driven and adjusted to adjust the state of illumination light to the mask M to a desired polarization state or non-polarization state.
本実施形態では、周方向偏光照明(輪帯状領域に分布する二次光源を通過する光束が周方向偏光状態に設定された変形照明)に際して、偏光状態切換部4のデポラライザ4cを照明光路から退避させ、且つ1/2波長板4bの結晶光学軸の光軸廻りの角度位置を調整して光束変換素子100に45°方向直線偏光を入射させることによって、照明光学装置の照明瞳面内に図8に示した光強度分布を形成する。その結果、マイクロフライアイレンズ11の後側焦点面またはその近傍には、輪帯状領域に分布する多極状の二次光源と光軸近傍に分布する二次光源とが形成される。ここで、この輪帯状領域に分布する多極状の二次光源を通過する光束が周方向偏光状態に設定される。周方向偏光状態では、輪帯状領域に分布する二次光源を構成する長円領域161〜164をそれぞれ通過する光束は、各長円領域161〜164の円周方向に沿った中心位置における光軸AXを中心とする円の接線方向とほぼ一致する偏光方向を有する直線偏光状態になる。 In the present embodiment, the depolarizer 4c of the polarization state switching unit 4 is retracted from the illumination light path during circumferential polarization illumination (modified illumination in which the light beam passing through the secondary light source distributed in the annular zone is set in the circumferential polarization state). In addition, by adjusting the angle position of the crystal optical axis of the half-wave plate 4b around the optical axis and causing the 45 ° direction linearly polarized light to be incident on the light beam conversion element 100, it is shown in the illumination pupil plane of the illumination optical device. The light intensity distribution shown in FIG. As a result, a multipolar secondary light source distributed in the annular zone and a secondary light source distributed in the vicinity of the optical axis are formed on or near the rear focal plane of the micro fly's eye lens 11. Here, the light beam passing through the multipolar secondary light source distributed in the annular zone is set in the circumferential polarization state. In the circumferential polarization state, the light beams passing through the ellipse regions 161 to 164 constituting the secondary light source distributed in the annular region are the optical axes at the center positions along the circumferential direction of the respective ellipse regions 161 to 164. A linear polarization state having a polarization direction substantially coincident with the tangential direction of the circle centered on AX is obtained.
こうして、本実施形態では、光束変換素子100の移相作用と回折作用とにより、光量損失を実質的に発生させることなく、輪帯状領域に分布する周方向偏光状態の二次光源を形成することができる。換言すれば、本実施形態の照明光学装置では、光量損失を良好に抑えつつ、周方向偏光状態の照明瞳分布を形成することができる。なお、周方向偏光状態の照明瞳分布に基づく周方向偏光照明では、最終的な被照射面としてのウェハWに照射される光がS偏光を主成分とする偏光状態になる。 Thus, in the present embodiment, the secondary light source in the circumferential polarization state distributed in the annular zone is formed by the phase shift action and the diffraction action of the light beam conversion element 100 without substantially generating a light amount loss. Can do. In other words, in the illumination optical apparatus according to the present embodiment, it is possible to form the illumination pupil distribution in the circumferential polarization state while suppressing the light amount loss satisfactorily. In the circumferential polarization illumination based on the illumination pupil distribution in the circumferential polarization state, the light irradiated onto the wafer W as the final irradiated surface is in a polarization state mainly composed of S polarization.
ここで、S偏光とは、入射面に対して垂直な方向に偏光方向を有する直線偏光(入射面
に垂直な方向に電気ベクトルが振動している偏光)のことである。ただし、入射面とは、光が媒質の境界面(被照射面:ウェハWの表面)に達したときに、その点での境界面の法線と光の入射方向とを含む面として定義される。その結果、周方向偏光輪帯照明では、投影光学系の光学性能(焦点深度など)の向上を図ることができ、ウェハ(感光性基板)上において高いコントラストのマスクパターン像を得ることができる。
Here, the S-polarized light is linearly polarized light having a polarization direction in a direction perpendicular to the incident surface (polarized light having an electric vector oscillating in a direction perpendicular to the incident surface). However, the incident surface is defined as a surface including the normal of the boundary surface at that point and the incident direction of light when the light reaches the boundary surface of the medium (surface to be irradiated: the surface of the wafer W). The As a result, in the circumferential polarization annular illumination, the optical performance (such as the depth of focus) of the projection optical system can be improved, and a high-contrast mask pattern image can be obtained on the wafer (photosensitive substrate).
また、上述の光束変換素子100では、照明光学装置の照明瞳面(所定面150と共役な面)内に光軸上の極を含む多極状の光強度分布を形成するものであったが、図10(a)に示すようにほぼ輪帯形状の光強度分布や、図10(b),(c)に示すように2極状の光強度分布や、図10(d)に示すように4極状の光強度分布や、図10(e)に示すように8極状の光強度分布であっても良い。なお、図10(a)〜(e)においては、各々の光強度分布を形成する光束の偏光方向を矢印で図示している。また、図10(f)に示すように光軸を含むほぼ円形状の光強度分布を非偏光光束で形成しても良い。このような複数種類の光束変換素子を予め準備しておき、図9の光束変換素子100と交換可能に設けても良い。 In the light beam conversion element 100 described above, a multipolar light intensity distribution including a pole on the optical axis is formed in the illumination pupil plane (a plane conjugate with the predetermined plane 150) of the illumination optical apparatus. 10 (a), a substantially annular light intensity distribution, a bipolar light intensity distribution as shown in FIGS. 10 (b) and 10 (c), and as shown in FIG. 10 (d). Alternatively, it may be a quadrupole light intensity distribution or an octupole light intensity distribution as shown in FIG. In FIGS. 10A to 10E, the polarization directions of the light beams forming each light intensity distribution are indicated by arrows. Further, as shown in FIG. 10 (f), a substantially circular light intensity distribution including the optical axis may be formed by a non-polarized light beam. Such a plurality of types of light beam conversion elements may be prepared in advance and provided so as to be interchangeable with the light beam conversion element 100 of FIG.
また、上述の例では、1枚の基板130の両面に構造性複屈折領域110と回折領域120とを設けていたが、図11に示すように、基板131の片側に構造性複屈折領域110を形成し、基板131とは別の基板132の片側に回折領域120を形成しても良い。このとき、2枚の基板131,132のそれぞれに、これら2枚の基板を光学的に位置合わせするためのアライメントマーク133,134を設けておくことが好ましい。なお、このように狭い間隔で2枚の基板131,132を保持する手法としては、例えば特開2004−146792号公報の技術を参照することができる。 In the above-described example, the structural birefringence region 110 and the diffraction region 120 are provided on both surfaces of the single substrate 130. However, as shown in FIG. The diffraction region 120 may be formed on one side of the substrate 132 different from the substrate 131. At this time, it is preferable to provide alignment marks 133 and 134 for optically aligning the two substrates 131 and 132, respectively. As a technique for holding the two substrates 131 and 132 at such a narrow interval, for example, the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-146792 can be referred to.
上述のように、構造性複屈折領域110と回折領域120とを別に設ける場合には、光束の入射側に構造性複屈折領域110が位置し、光束の射出側に回折領域120が位置することが好ましい。この順序が逆の場合には、構造性複屈折領域110に入射する光束の角度範囲が広くなりすぎ、光束に所望の位相差をまんべんなく与えることが困難になるため好ましくない。 As described above, when the structural birefringence region 110 and the diffraction region 120 are provided separately, the structural birefringence region 110 is located on the incident side of the light beam, and the diffraction region 120 is located on the emission side of the light beam. Is preferred. If this order is reversed, the angular range of the light beam incident on the structural birefringence region 110 becomes too wide, and it is difficult to uniformly impart a desired phase difference to the light beam.
また、図12に示すように、回折領域120の回折パターンを、波長λ以下のピッチを持つ微細パターンの集合体で形成しても良い。この場合、回折領域120の回折パターン自体が構造性複屈折の作用を持つことになる。 In addition, as shown in FIG. 12, the diffraction pattern of the diffraction region 120 may be formed of an aggregate of fine patterns having a pitch of a wavelength λ or less. In this case, the diffraction pattern itself of the diffraction region 120 has a function of structural birefringence.
なお、上述の構造性複屈折領域110における回折格子の作成手法としては、基板130上に感光性材料を塗布した後に、EB直描、二光束干渉露光法、近接場光を用いた露光法で回折格子パターンを露光し、露光された感光性材料を現像する。その後、現像された感光性材料をマスクとして、所要の溝深さとなるようにエッチングを行うか、基板130と同じ材料を堆積させるかを行う。また、フォトニック結晶への加工に使われているガスエネルギークラスターイオンを用いた加工技術も使用可能である。 As a method for creating a diffraction grating in the above-described structural birefringence region 110, after applying a photosensitive material on the substrate 130, EB direct drawing, a two-beam interference exposure method, or an exposure method using near-field light. The diffraction grating pattern is exposed, and the exposed photosensitive material is developed. Thereafter, using the developed photosensitive material as a mask, etching is performed so as to obtain a required groove depth, or the same material as that of the substrate 130 is deposited. Moreover, the processing technique using the gas energy cluster ion currently used for processing to a photonic crystal can also be used.
また、上述の例では、基板130(131,132)の材料として、193nmの波長で屈折率が比較的高い石英を適用したが、この基板材料としては蛍石でも良い。なお、蛍石を用いる場合には、蛍石の固有複屈折による影響を防ぐために、蛍石の結晶軸{111}または{100}を光軸方向とすることが好ましい。また、基板材料として、水晶やフッ化マグネシウムなどの複屈折性を示す光学材料を用いても良い。この場合には、基板に対する光束の入射角が異なると基板を通過する光の光路長が異なるため、基板による複屈折の影響が入射角に依存して変化する。従って、構造性複屈折領域での入射角依存性を基板での入射角依存性で補償することが可能となる。即ち、位相差の基板に対する入射角度依存性を所定角度範囲内で一定にすることも可能である。 In the above example, quartz having a relatively high refractive index at a wavelength of 193 nm is applied as the material of the substrate 130 (131, 132). However, the substrate material may be fluorite. When fluorite is used, it is preferable that the crystal axis {111} or {100} of fluorite be the optical axis direction in order to prevent the influence of intrinsic birefringence of fluorite. Further, as the substrate material, an optical material exhibiting birefringence such as quartz or magnesium fluoride may be used. In this case, since the optical path length of the light passing through the substrate is different when the incident angle of the light beam with respect to the substrate is different, the influence of birefringence by the substrate changes depending on the incident angle. Therefore, the incident angle dependency in the structural birefringence region can be compensated by the incident angle dependency in the substrate. In other words, the incident angle dependency of the phase difference with respect to the substrate can be made constant within a predetermined angle range.
また、上述の例では、光束変換素子100に対して直線偏光光を入射させるようにしたが、円偏光を入射させても良い。このときには、光束変換素子100の複屈折領域110中の回折格子の溝深さを半減させることが可能となる。 In the above example, linearly polarized light is incident on the light beam conversion element 100, but circularly polarized light may be incident. At this time, the groove depth of the diffraction grating in the birefringent region 110 of the light beam conversion element 100 can be halved.
また、上述の実施形態では、光束変換素子100に入射する入射光束を所定面150上の所定の領域へ導く手段として回折作用を用いたが、例えばマイクロプリズムアレイや、フレネルレンズアレイ、マイクロレンズアレイ等の屈折作用を用いるものであっても良い。 In the above-described embodiment, the diffraction action is used as means for guiding the incident light beam incident on the light beam conversion element 100 to a predetermined region on the predetermined surface 150. For example, a microprism array, a Fresnel lens array, a microlens array is used. It is also possible to use a refraction action such as.
上述の実施形態にかかる露光装置では、照明光学装置によってマスク(レチクル)を照明し(照明工程)、投影光学系を用いてマスクに形成された転写用のパターンを感光性基板に露光する(露光工程)ことにより、マイクロデバイス(半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等)を製造することができる。以下、上述の実施形態の露光装置を用いて感光性基板としてのウェハ等に所定の回路パターンを形成することによって、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法の一例につき図13のフローチャートを参照して説明する。 In the exposure apparatus according to the above-described embodiment, the illumination optical device illuminates the mask (reticle) (illumination process), and the projection optical system is used to expose the transfer pattern formed on the mask onto the photosensitive substrate (exposure). Step), a micro device (semiconductor element, imaging element, liquid crystal display element, thin film magnetic head, etc.) can be manufactured. Hereinafter, refer to the flowchart of FIG. 13 for an example of a method for obtaining a semiconductor device as a micro device by forming a predetermined circuit pattern on a wafer or the like as a photosensitive substrate using the exposure apparatus of the above-described embodiment. To explain.
先ず、図13のステップ301において、1ロットのウェハ上に金属膜が蒸着される。次のステップ302において、その1ロットのウェハ上の金属膜上にフォトレジストが塗布される。その後、ステップ303において、上述の実施形態の露光装置を用いて、マスク上のパターンの像がその投影光学系を介して、その1ロットのウェハ上の各ショット領域に順次露光転写される。その後、ステップ304において、その1ロットのウェハ上のフォトレジストの現像が行われた後、ステップ305において、その1ロットのウェハ上でレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって、マスク上のパターンに対応する回路パターンが、各ウェハ上の各ショット領域に形成される。その後、更に上のレイヤの回路パターンの形成等を行うことによって、半導体素子等のデバイスが製造される。上述の半導体デバイス製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する半導体デバイスをスループット良く得ることができる。 First, in step 301 of FIG. 13, a metal film is deposited on one lot of wafers. In the next step 302, a photoresist is applied on the metal film on the one lot of wafers. Thereafter, in step 303, the image of the pattern on the mask is sequentially exposed and transferred to each shot area on the wafer of one lot through the projection optical system using the exposure apparatus of the above-described embodiment. Thereafter, in step 304, the photoresist on the one lot of wafers is developed, and in step 305, the resist pattern is etched on the one lot of wafers to form a pattern on the mask. Corresponding circuit patterns are formed in each shot area on each wafer. Thereafter, a device pattern such as a semiconductor element is manufactured by forming a circuit pattern of an upper layer. According to the semiconductor device manufacturing method described above, a semiconductor device having an extremely fine circuit pattern can be obtained with high throughput.
また、上述の実施形態の露光装置では、プレート(ガラス基板)上に所定のパターン(回路パターン、電極パターン等)を形成することによって、表示デバイスとしての液晶表示素子を得ることもできる。以下、図14のフローチャートを参照して、このときの手法の一例につき説明する。図14において、パターン形成工程401では、上述の実施形態の露光装置を用いてマスクのパターンを感光性基板(レジストが塗布されたガラス基板等)に転写露光する、所謂光リソグラフィー工程が実行される。この光リソグラフィー工程によって、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターンが形成される。その後、露光された基板は、現像工程、エッチング工程、レジスト剥離工程等の各工程を経ることによって、基板上に所定のパターンが形成され、次のカラーフィルター形成工程402へ移行する。 In the exposure apparatus of the above-described embodiment, a liquid crystal display element as a display device can be obtained by forming a predetermined pattern (circuit pattern, electrode pattern, etc.) on a plate (glass substrate). Hereinafter, an example of the technique at this time will be described with reference to the flowchart of FIG. In FIG. 14, in the pattern formation process 401, a so-called photolithography process is performed in which the exposure pattern of the above-described embodiment is used to transfer and expose a mask pattern onto a photosensitive substrate (such as a glass substrate coated with a resist). . By this photolithography process, a predetermined pattern including a large number of electrodes and the like is formed on the photosensitive substrate. Thereafter, the exposed substrate undergoes steps such as a developing step, an etching step, and a resist stripping step, whereby a predetermined pattern is formed on the substrate, and the process proceeds to the next color filter forming step 402.
次に、カラーフィルター形成工程402では、R(Red)、G(Green)、B(Blue)に対応した3つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、またはR、G、Bの3本のストライプのフィルターの組を複数水平走査線方向に配列したカラーフィルターを形成する。そして、カラーフィルター形成工程402の後に、セル組み立て工程403が実行される。セル組み立て工程403では、パターン形成工程401にて得られた所定パターンを有する基板、およびカラーフィルター形成工程402にて得られたカラーフィルタ
ー等を用いて液晶パネル(液晶セル)を組み立てる。
Next, in the color filter forming step 402, a large number of sets of three dots corresponding to R (Red), G (Green), and B (Blue) are arranged in a matrix or three of R, G, and B A color filter is formed by arranging a plurality of stripe filter sets in the horizontal scanning line direction. Then, after the color filter forming step 402, a cell assembly step 403 is executed. In the cell assembly step 403, a liquid crystal panel (liquid crystal cell) is assembled using the substrate having the predetermined pattern obtained in the pattern formation step 401, the color filter obtained in the color filter formation step 402, and the like.
セル組み立て工程403では、例えば、パターン形成工程401にて得られた所定パターンを有する基板とカラーフィルター形成工程402にて得られたカラーフィルターとの間に液晶を注入して、液晶パネル(液晶セル)を製造する。その後、モジュール組み立て工程404にて、組み立てられた液晶パネル(液晶セル)の表示動作を行わせる電気回路、バックライト等の各部品を取り付けて液晶表示素子として完成させる。上述の液晶表示素子の製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する液晶表示素子をスループット良く得ることができる。 In the cell assembly step 403, for example, liquid crystal is injected between the substrate having the predetermined pattern obtained in the pattern formation step 401 and the color filter obtained in the color filter formation step 402, and a liquid crystal panel (liquid crystal cell) is obtained. ). Thereafter, in a module assembling step 404, components such as an electric circuit and a backlight for performing a display operation of the assembled liquid crystal panel (liquid crystal cell) are attached to complete a liquid crystal display element. According to the above-described method for manufacturing a liquid crystal display element, a liquid crystal display element having an extremely fine circuit pattern can be obtained with high throughput.
なお、上述の実施形態では、露光光としてArFエキシマレーザ光(波長:193nm)を用いているが、これに限定されることなく、他の適当なレーザ光源、たとえば248nmの波長の光を供給するKrFエキシマレーザ光源や波長157nmのレーザ光を供給するF2 レーザ光源などに対して本発明を適用することもできる。 In the above-described embodiment, ArF excimer laser light (wavelength: 193 nm) is used as exposure light. However, the present invention is not limited to this, and other suitable laser light sources, for example, light having a wavelength of 248 nm are supplied. The present invention can also be applied to a KrF excimer laser light source or an F 2 laser light source that supplies laser light having a wavelength of 157 nm.
また、上述の実施形態において、投影光学系と感光性基板との間の光路中を1.1よりも大きな屈折率を有する媒体(典型的には液体)で満たす手法、所謂液浸法を適用しても良い。この場合、投影光学系と感光性基板との間の光路中に液体を満たす手法としては、国際公開番号WO99/49504号公報に開示されているような局所的に液体を満たす手法や、特開平6−124873号公報に開示されているような露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動させる手法や、特開平10−303114号公報に開示されているようなステージ上に所定深さの液体槽を形成し、その中に基板を保持する手法などを採用することができる。 In the above-described embodiment, a so-called immersion method is applied in which the optical path between the projection optical system and the photosensitive substrate is filled with a medium (typically liquid) having a refractive index larger than 1.1. You may do it. In this case, as a method of filling the liquid in the optical path between the projection optical system and the photosensitive substrate, a method of locally filling the liquid as disclosed in International Publication No. WO99 / 49504, A method of moving a stage holding a substrate to be exposed as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-124873 in a liquid bath, or a predetermined depth on a stage as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-303114. A technique of forming a liquid tank and holding the substrate in the liquid tank can be employed.
なお、液体としては、露光光に対する透過性があってできるだけ屈折率が高く、投影光学系や基板表面に塗布されているフォトレジストに対して安定なものを用いることが好ましく、たとえばKrFエキシマレーザ光やArFエキシマレーザ光を露光光とする場合には、液体として純水、脱イオン水を用いることができる。また、露光光としてF2 レーザ
光を用いる場合は、液体としてはF2 レーザ光を透過可能な例えばフッ素系オイルや過フ
ッ化ポリエーテル(PFPE)等のフッ素系の液体を用いればよい。
As the liquid, it is preferable to use a liquid that is transmissive to exposure light and has a refractive index as high as possible, and is stable with respect to a photoresist applied to the projection optical system and the substrate surface, for example, KrF excimer laser light. When ArF excimer laser light is used as exposure light, pure water or deionized water can be used as the liquid. When F 2 laser light is used as exposure light, a fluorine-based liquid such as fluorine oil or perfluorinated polyether (PFPE) that can transmit the F 2 laser light may be used as the liquid.
100 光束変換素子
110 構造複屈折領域
120 回折領域
130 基板
100 Beam Conversion Element 110 Structural Birefringence Area 120 Diffraction Area 130 Substrate
Claims (20)
所定の偏光状態を有する入射光束を第1の偏光状態を有する射出光束に変換する第1の構造性複屈折領域と、
所定の偏光状態を有する入射光束を前記第1の偏光状態とは異なる第2の偏光状態を有する射出光束に変換する第2の構造性複屈折領域と、
前記第1の構造性複屈折領域に対応して設けられて、前記入射光束を前記所定面上の第1の領域へ導く第1手段と、
前記第2の構造性複屈折領域に対応して設けられて、前記入射光束を前記所定面上の第2の領域へ導く第2手段とを備えることを特徴とする光束変換素子。 In a light beam conversion element for forming a predetermined light intensity distribution on a predetermined surface based on an incident light beam,
A first structural birefringence region that converts an incident light beam having a predetermined polarization state into an outgoing light beam having a first polarization state;
A second structural birefringence region that converts an incident light flux having a predetermined polarization state into an exit light flux having a second polarization state different from the first polarization state;
A first means provided corresponding to the first structural birefringence region and guiding the incident light flux to the first region on the predetermined surface;
And a second means for guiding the incident light beam to the second region on the predetermined surface. The light beam conversion device is provided corresponding to the second structural birefringence region.
前記第1の領域および前記第2の領域を通過する光束は、前記所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を有することを特徴とする請求項1に記載の光束変換素子。 The first region and the second region are positioned in at least a part of a predetermined ring zone region that is a predetermined ring zone region centered on a predetermined point on the predetermined surface;
The light beam passing through the first region and the second region has a polarization state mainly composed of linearly polarized light whose polarization direction is a circumferential direction of the predetermined ring zone region. The light beam conversion element described in 1.
前記第1の領域を通過する光束の偏光状態は、前記第1の領域の円周方向に沿った中心位置における前記所定点を中心とする円の接線方向とほぼ一致した直線偏光成分を有し、
前記第2の領域を通過する光束の偏光状態は、前記第2の領域の円周方向に沿った中心位置における前記所定点を中心とする円の接線方向とほぼ一致した直線偏光成分を有することを特徴とする請求項2に記載の光束変換素子。 The predetermined light intensity distribution has an outer shape substantially the same shape as the predetermined annular zone region,
The polarization state of the light beam passing through the first region has a linearly polarized component that substantially coincides with the tangential direction of the circle centered on the predetermined point at the center position along the circumferential direction of the first region. ,
The polarization state of the light beam passing through the second region has a linearly polarized component that substantially coincides with the tangential direction of the circle centered on the predetermined point at the center position along the circumferential direction of the second region. The light beam conversion element according to claim 2.
前記第1の領域を通過する光束の偏光状態は、前記第1の領域の円周方向に沿った中心位置における前記所定点を中心とする円の接線方向とほぼ一致した直線偏光成分を有し、
前記第2の領域を通過する光束の偏光状態は、前記第2の領域の円周方向に沿った中心位置における前記所定点を中心とする円の接線方向とほぼ一致した直線偏光成分を有することを特徴とする請求項2に記載の光束変換素子。 The predetermined light intensity distribution is multipolar distributed in the predetermined annular zone region,
The polarization state of the light beam passing through the first region has a linearly polarized component that substantially coincides with the tangential direction of the circle centered on the predetermined point at the center position along the circumferential direction of the first region. ,
The polarization state of the light beam passing through the second region has a linearly polarized component that substantially coincides with the tangential direction of the circle centered on the predetermined point at the center position along the circumferential direction of the second region. The light beam conversion element according to claim 2.
所定の偏光状態を有する入射光束を前記第1乃至第3の偏光状態とは異なる第4の偏光状態を有する射出光束に変換する第4の構造性複屈折領域と、
前記第3の構造性複屈折領域に対応して設けられて、前記入射光束を前記所定面上の第3の領域へ導く第3手段と、
前記第4の構造性複屈折領域に対応して設けられて、前記入射光束を前記所定面上の第3の領域へ導く第4手段とを備えることを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載の光束変換素子。 A third structural birefringence region that converts an incident light beam having a predetermined polarization state into an exit light beam having a third polarization state different from the first and second polarization states;
A fourth structural birefringence region that converts an incident light beam having a predetermined polarization state into an exit light beam having a fourth polarization state different from the first to third polarization states;
A third means provided corresponding to the third structural birefringence region and guiding the incident light flux to the third region on the predetermined surface;
11. The apparatus according to claim 1, further comprising a fourth means provided corresponding to the fourth structural birefringence region and guiding the incident light beam to a third region on the predetermined surface. The light beam conversion element according to claim 1.
前記照明光学装置の照明瞳またはその近傍に照明瞳分布を形成するために前記光源からの光束を変換するための請求項1乃至12のいずれか1項に記載の光束変換素子を備えていることを特徴とする照明光学装置。 In the illumination optical device that illuminates the illuminated surface based on the light flux from the light source,
13. The light beam conversion element according to claim 1, which converts a light beam from the light source to form an illumination pupil distribution at or near the illumination pupil of the illumination optical device. An illumination optical device.
前記光束変換素子は、入射光束に基づいて前記オプティカルインテグレータの入射面に前記所定の光強度分布を形成することを特徴とする請求項13または14に記載の照明光学装置。 A wavefront splitting type optical integrator disposed in an optical path between the light flux conversion element and the irradiated surface;
The illumination optical device according to claim 13 or 14, wherein the light beam conversion element forms the predetermined light intensity distribution on an incident surface of the optical integrator based on an incident light beam.
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