JP2011211230A - 照明光学装置及び投影露光装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

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

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

従って、半導体集積回路等の微細化に対応するために、投影露光装置の露光波長は、より短波長化されてきた。現在、露光波長はＫｒＦエキシマーレーザーの２４８ｎｍが主流であるが、より短波長のＡｒＦエキシマーレーザーの１９３ｎｍも実用化段階に入りつつある。そして、更に短波長の波長１５７ｎｍのＦ₂ レーザーや、波長１２６ｎｍのＡｒ₂ レーザー等の、いわゆる真空紫外域の露光光源を使用する投影露光装置の提案も行なわれている。また、短波長化のみでなく、投影光学系の大開口数化（大ＮＡ化）によっても高解像度化は可能であるので、投影光学系をより一層大ＮＡ化するための開発もなされており、現在の最先端の投影光学系のＮＡは、０．８程度である。

一方、同一の露光波長、同一ＮＡの投影光学系を使用しても、転写されるパターンの解像度を向上する技術として、いわゆる位相シフトレチクルを用いる方法や、照明光のレチクルヘの入射角度分布を所定分布に制御する輪帯照明、２極照明、及び４極照明などのいわゆる超解像技術も実用化されている。
それらの内で、輪帯照明は、照明光のレチクルへの入射角度範囲を所定角度に制限する、即ち照明光学系の瞳面における照明光の分布を、照明光学系の光軸を中心とする所定の輪帯領域内に限定することにより、解像度及び焦点深度の向上に効果を発揮するものである（例えば特開昭６１−９１６６２号公報参照）。一方、２極照明，４極照明は、入射角度範囲だけでは無く、レチクル上のパターンが特定の方向性を有するパターンである場合に、照明光の入射方向についてもそのパターンの方向性に対応した方向に限定することで、解像度及び焦点深度を大幅に向上するものである（例えば特開平４−１０１１４８号公報またはそれと同等な米国特許第６２３３０４１号明細書、特開平４−２２５３５７号公報またはそれと同等な米国特許第６２１１９４４号明細書参照）。

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

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

特開平５−１０９６０１号公報

Thimothy A. Brunner, et al.: "High NA Lithographic imaging atBrewster's ange1", SPIE （米国）Vo1.4691, pp.1-24(2002)

上記の如き従来の技術において、輪帯照明を行う場合に照明光学系の瞳面において、照明光の偏光状態を輪帯領域の円周方向に実質的に一致する直線偏光にしようとすると、照明光量の損失が多くなり、照明効率が低下するという問題があった。

これに関して詳述すると、近年主流である狭帯化ＫｒＦエキシマーレーザー光源から射出される照明光は一様な直線偏光である。これをそのままの偏光状態を保ってレチクルに導くなら、レチクルは一様な直線偏光光で照明されるため、上記のような照明光学系の瞳面の輪帯領域の円周方向に一致する直線偏光光を実現することができないことは言うまでもない。

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

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

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

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

また、本発明は、上記露光技術を用いて、高性能のデバイスを高い処理能力で製造できるデバイス製造技術を提供することをも目的とする。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

また、一例として、その第１及び第２の不均一波長板は、その進相軸の方向が、その照明光学系の光軸を回転中心として、相互に４５°ずれたものである。これによって、２つの不均一波長板を通過した後の照明光の偏光状態の制御が容易になる。

また、その複数の複屈折部材とその第１物体との間に配置されたオプティカルインテグレーター（１４）を更に含んでいてもよい。これによって、第１物体上での照度分布の均一性が向上する。

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

また、そのオプティカルインテグレーターは、一例としてフライアイレンズである。

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

また、その複数の複屈折部材の一部又は全部を、その照明光学系の光軸を中心として回転可能ならしめる回転機構を有してもよい。これによって、その光源からの照明光を、その複屈折部材に適した偏光状態でその複屈折部材に供給できる。
また、その複数の複屈折部材を複数組備え、その複数組のその複数の複屈折部材を、その照明光学系内に交換可能に配置する複屈折部材交換機構を有することができる。これで転写対象の種々のパターンに対応できる。

次に、本発明による第３の投影露光装置は、光源（１）からの照明光を第１物体（Ｒ）に照射する照明光学系（ＩＬＳ）と、その第１物体上のパターンの像を第２物体（Ｗ）上に投影する投影光学系（２５）とを有する投影露光装置であって、その光源は、その照明光を実質的に単一の偏光状態で生成し、その照明光学系は、その照明光の進行方向に沿って順に配置される、回折光学素子（９ａ，９ｂ）と複屈折部材（１２，１３）とを有するとともに、その回折光学素子は、その第１物体に照射されるその照明光を、特定の入射角度範囲でその第１物体に照射される特定照明光に実質的に制限するとともに、その複屈折部材は、その特定照明光をＳ偏光を主成分とする偏光状態の光とするものである。

また、本発明による第２の照明光学装置は、光源からの照明光を第１物体に照射する照明光学装置であって、その照明光の進行方向に沿って順に配置される、回折光学素子と複屈折部材とを有するとともに、その回折光学素子は、その第１物体に照射されるその照明光を、特定の入射角度範囲でその第１物体に照射される特定照明光に実質的に制限するとともに、その複屈折部材は、その特定照明光をＳ偏光を主成分とする偏光状態の光とするものである。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

本発明の実施形態の一例の投影露光装置の概略構成を示す一部を切り欠いた図である。 図２（Ａ）は図１中の複屈折部材１２を＋Ｙ方向に見た図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡＡ’線に沿う断面図である。 図３（Ａ）は図１中の複屈折部材１３を＋Ｙ方向に見た図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢＢ’線に沿う断面図である。 図４（Ａ）は第１の複屈折部材１２における偏光間位相差ΔＰ１と位置Ｘとの関係の一例を示す図、図４（Ｂ）は第２の複屈折部材１３における偏光間位相差ΔＰ２と位置ＸＺとの関係の一例を示す図、図４（Ｃ）は第２の複屈折部材１３から射出される照明光の偏光状態の一例を示す図である。 図５は、第１の複屈折部材１２から射出される照明光の偏光状態の一例を示す図である。 図６（Ａ）は第１の複屈折部材１２における偏光間位相差ΔＰ１と位置Ｘとの関係の他の例を示す図、図６（Ｂ）は第２の複屈折部材１３における偏光間位相差ΔＰ２と位置ＸＺとの関係の他の例を示す図、図６（Ｃ）は第２の複屈折部材１３から射出される照明光の偏光状態の他の例を示す図である。 図７（Ａ）は図１のレチクルＲ上に形成された微細な周期パターンＰＸの一例を示す平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のパターンを所定条件で照明した場合に投影光学系の瞳面２６内に形成される回折光の分布を示す図、図７（Ｃ）は図７（Ａ）のパターンＰＸを照明するための輪帯照明の条件を示す図である。 図８（Ａ）は図１の照明光学系ＩＬＳの瞳面１５とレチクルＲとの関係を簡易的に示す斜視図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の一部を＋Ｙ方向に見た図、図８（Ｃ）は図８（Ａ）の一部を−Ｘ方向に見た図である。 本発明の実施形態の一例において、特定輪帯領域の半径を可変とするために、図１の複屈折部材１２，１３とフライアイレンズ１４との間に配置できる複数の円錐プリズムを示す図である。 図１の偏光制御部材４の位置に配置できる偏光制御光学系の一例を示す図である。 本発明の実施形態の投影露光装置を用いて半導体デバイスを製造するためのリソグラフィ工程の一例を示す図である。

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

図１は、本例の投影露光装置の概略構成を示す一部を切り欠いた図であり、この図１において、本例の投影露光装置は、照明光学系ＩＬＳと投影光学系２５とを備えている。前者の照明光学系ＩＬＳは、露光光源１（光源）からコンデンサーレンズ２０までの光軸（照明系光軸）ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３に沿って配置される複数の光学部材を備え（詳細後述）、露光光源１からの露光ビームとしての露光用の照明光（露光光）ＩＬでマスクとしてのレチクルＲのパターン面（レチクル面）の照明視野を均一な照度分布で照明する。後者の投影光学系２５は、その照明光のもとで、レチクルＲの照明視野内のパターンを投影倍率Ｍ（Ｍは例えば１／４，１／５等の縮小倍率）で縮小した像を、被露光基板（基板）又は感光体としてのフォトレジストが塗布されたウエハＷ上の一つのショット領域上の露光領域に投影する。レチクルＲ及びウエハＷはそれぞれ第１物体及び第２物体ともみなすことができる。ウエハＷは、例えば半導体（シリコン等）又はＳＯＩ(silicon on insulator)等の直径が２００〜３００ｍｍ程度の円板状の基板である。本例の投影光学系２５は、例えば屈折光学系であるが、反射屈折系なども使用できる。

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

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

一方、ウエハＷは、ウエハホルダ（不図示）を介してウエハステージ２７上に吸着保持され、ウエハステージ２７は、ウエハベース３０上にＹ方向に一定速度で移動できるとともに、Ｘ方向、Ｙ方向にステップ移動できるように載置されている。また、ウエハステージ２７には、不図示のオートフォーカスセンサの計測値に基づいて、ウエハＷの表面を投影光学系２５の像面に合わせ込むためのＺレベリング機構も組み込まれている。ウエハステージ２７のＸ方向、Ｙ方向の位置、及び回転角は、この上に設けられた移動鏡２８及びレーザ干渉計２９によって計測されている。この計測値及び主制御系３４からの制御情報に基づいて、ウエハステージ駆動系３３はリニアモータ等の駆動機構（不図示）を介してウエハステージ２７の位置及び速度を制御する。また、投影光学系２５の近傍には、ウエハアライメントのために、ウエハＷ上の位置合わせ用マークの位置を検出するオフ・アクシス方式で例えばＦＩＡ(Fie1d Image A1ignment )方式のアライメントセンサ３１が配置されている。

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

次に、本例の照明光学系ＩＬＳの構成につき詳細に説明する。図１において、本例の露光光源１としては、ＡｒＦ（アルゴンフッ素）エキシマーレーザー（波長１９３ｎｍ）が使用されている。なお、露光光源１としては、その他にＫｒＦ（クリプトンフッ素）エキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ）、Ｆ₂ （フッ素分子）レーザー（波長１５７ｎｍ）、又はＫｒ₂ （クリプトン分子）レーザー（波長１４６ｎｍ）等のレーザー光源なども使用できる。これらのレーザー光源（露光光源１を含む）は、狭帯化されたレーザー又は波長選択されたレーザーであり、露光光源１から射出される照明光ＩＬは、上記狭帯化又は波長選択により直線偏光を主成分とする偏光状態となっている。以下、図１において、露光光源１から射出された直後の照明光ＩＬは、偏光方向（電場の方向）が図１中のＸ方向と一致する直線偏光光を主成分とするものとして説明する。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

一方、第１の複屈折部材１２の中心に対してＸ方向に±１離れた位置（１は基準長であって、第１の複屈折部材１２の外径より内側にある）では、偏光間位相差が０．５（単位は照明光の波長）だけ生じるように、その複屈折部材１２の形状を設定する。そのような形状として、本例では複屈折部材１２の厚さＴＡを、Ｘ方向の位置Ｘについて、次の関数で表わされる厚さとしている。
ＴＡ＝Ｔ１＋α×（１．７×Ｘ^４−０．７×Ｘ^２） （１）

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

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

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

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

このとき、第１の複屈折部材１２により形成される偏光間位相差ΔＰ１は、Ｘ方向の位置Ｘの関数として次のように表わされる。
ΔＰ１＝０．５×（１．７×Ｘ^４−０．７×Ｘ^２） （２）

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

図４（Ａ）は、（２）式で表わされる偏光間位相差ΔＰ１（単位は照明光の波長）と位置Ｘとの関係を示す図である。また、図５は、本例の第１の複屈折部材１２から射出される照明光の偏光状態を表わす図であり、図５において、ＸＺ座標上の各位置に分布する照明光の偏光状態が、各位置を中心とする線分、円、又は楕円にて示されている。また、図５のＸ軸及びＺ軸の原点（Ｘ＝０，Ｚ＝０）は、複屈折部材１２の中心に設定されており、Ｘ方向及びＺ方向のスケールは、Ｘ＝±１，Ｚ＝±１の位置（共に原点Ｘ＝０，Ｚ＝０から基準長離れた位置）が図５中の四隅に位置するように設定されている。

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

図４（Ａ）に示した通り、中心からＸ方向に±１離れた位置では、第１の複屈折部材１２は、所謂１／２波長板として作用する。ここで、図１の露光光源１を発する照明光ＩＬは、前述の通りＸ方向に偏光した直線偏光光を主成分としており、この１／２波長板は、その進相軸ｎｆ及び遅相軸ｎｓが、入射光の（照明光の）偏光方向であるＸ方向に対して４５°回転したものである。従って、図５に示した通り、第１の複屈折部材１２のうち中心からＸ方向に±１（基準長）離れた位置付近を透過する照明光の偏光状態は、この１／２波長板の作用により、Ｚ方向の直線偏光を主成分とする偏光状態に変換される。

また、図４（Ａ）より、第１の複屈折部材１２のうち中心からＸ方向に±０．６離れた位置付近を透過する照明光に対しては、偏光間位相差Δ１は０．２５であり、第１の複屈折部材１２は所謂１／４波長板として作用する。このため、この部分を透過する照明光は、円偏光を主成分とする偏光状態に変換されることになる。

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

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

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

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

本例では第２の複屈折部材１３の厚さＴＢを、ＸＺ方向の位置ＸＺについて、次の関数で表わされるものとしている。なお、図３（Ｂ）に示すように、ＸＺ方向の原点（ＸＺ＝０）を複屈折部材１３の中心（照明系光軸）として、その中心での厚さをＴ２としている。
ＴＢ＝Ｔ２＋β×（２．５×ＸＺ^５−１．５×ＸＺ^３） （３）

ここで、βは比例係数であり、中心部の厚さＴ２と同様、βの値は使用する複屈折材料の上述の進相軸と遅相軸との屈折率差等により異なる。ここで、中心部の厚さＴ２は、第２の複屈折部材１３の偏光間位相差ΔＰ２が０．２５（単位は照明光の波長）となるように、即ち中心部が１／４波長板として機能するように設定する。

また、複屈折部材１３において、ＸＺ方向に＋１（基準長さ）及び−１離れた位置では、偏光間位相差ΔＰ２が、それぞれ＋０．７５及び−０．２５となるように設定する。これは、中心との間に、それぞれ＋０．５及び−０．５の偏光間位相差の差を形成することを意味する。

即ち、本例の第２の複屈折部材１３においては、偏光間位相差ΔＰ２が次式で表わされるようにその厚さを設定する。
ΔＰ２＝０．２５＋０．５×（２．５×ＸＺ^５−１．５×ＸＺ^３） （４）

また、第２の複屈折部材１３についても上述の例と同様に水晶で形成する場合には、中心部の厚さＴ２は１４．２３９μｍの（整数＋１／４）倍とし、比例係数βを７．１２μｍとすれば良い。図４（Ｂ）は、（４）式の偏光間位相差ΔＰ２と位置ＸＺとの関係を示す図である。

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

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

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

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

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

図４（Ｃ）より明らかな通り、第２の複屈折部材１３を射出した照明光は、外円Ｃ１及び内円Ｃ２に囲まれた輪帯領域である特定輪帯領域３６内において、その特定輪帯領域３６の円周方向を偏光方向とする直線偏光を主成分とする偏光状態となっている。

図４（Ｃ）及び図５を比較すると、Ｘ軸上及びＺ軸上の照明光の偏光状態はほぼ等しい。しかし、原点を中心に各軸から４５°程度離れた位置（図４（Ｃ）及び図５中で、右上、左上、左下、右下の位置）での偏光状態は、図５では概ね円偏光であるのに対し、図４（Ｃ）では特定輪帯領域の円周方向の直線偏光に変換されている。これは、第２の複屈折部材１３の作用によるものであり、第２の複屈折部材１３が、図４（Ｃ）中の左上及び右下の領域では１／４波長板として機能し、左下及び右上の領域ではそれぞれ−１／４波長板及びそれと等価な３／４波長板として機能することによっている。

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

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

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

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

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

図６（Ａ）は、図４（Ａ）に対応させて、この第２実施例において第１の複屈折部材１２が形成する偏光間位相差ΔＰ１のＸ方向の位置に対する特性を示す。図６（Ａ）の偏光間位相差ΔＰ１は、次のような位置Ｘに関する三角関数を含む関数である。
ΔＰ１＝０．２６５×｛１−ｃｏｓ（π×Ｘ^２）｝ （５）

このような偏光間位相差ΔＰ１は、第１の複屈折部材１２の厚さＴＡを、Ｘ方向の位置Ｘについて次の関数で表わすことで実現できる。
ＴＡ＝Ｔ１＋γ×｛１−ｃｏｓ（π×Ｘ^２）｝ （６）

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

図６（Ｂ）は、本第２実施例における第２の複屈折部材１３が形成する偏光間位相差ΔＰ２のＸＺ方向の位置に対する特性を示す。図６（Ｂ）の偏光間位相差ΔＰ２は、次のような位置ＸＺに関する三角関数を含む関数で表わすことができる。
ΔＰ２＝０．２５＋０．５×ｓｉｎ（０．５×π×ＸＺ^３） （７）

このような偏光間位相差ΔＰ２は、第２の複屈折部材１３の厚さＴＢを、ＸＺ方向の位置ＸＺについて次の関数で表わすことで実現できる。
ＴＢ＝Ｔ２＋δ×ｓｉｎ（０．５×π×ＸＺ^３） （８）

ここで、δは比例係数である。第２の複屈折部材１３を水晶とするなら、中心の厚さＴ２を１４．２３９μｍの（整数＋１／４）倍に設定し、比例係数δを７．１２μｍと設定すれば良い。

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

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

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

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

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

ところで、図１の第１の複屈折部材１２及び第２の複屈折部材１３の形状は、上記の第１及び第２実施例に示した形状に限定されるものではなく、その透過光の上記特定輪帯領域内での偏光状態を、その各部において、その円周方向に一致させることが出来る形状であれば、どのような形状であっても良い。

例えば、第１の複屈折部材１２及び第２の複屈折部材１３の形状は、上述の連続かつ微分連続である関数で表わされる形状では無く、所定の位置において段階的に形状が変化する階段状の形状であっても構わない。また、このような階段状の形状の形成には、機械的あるいは機械化学的な研磨方法に代えて、エッチングによる形成が適することとなる。

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

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

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

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

同様に、複屈折部材１２，１３等の材質も上述の水晶に限られるわけではなく、他の複屈折材料を使用してもよく、蛍石の真性複屈折（Intrinsic Birefringnce）を利用して形成することもできる。また、本来複屈折のない合成石英等の材料に応力を加える等して複屈折性を持たせたものを、複屈折部材１２，１３等として使用することもできる。

更に、複屈折部材１２，１３としては、複屈折性のない透過性基板上に、複屈折性を有する材料を貼り合わせたものを使用することもできる。この場合、上述の厚さとは、複屈折性を有する材料の厚さを指すことはいうまでもない。ここで貼り合わせとは、接着、圧着等の機械的な接合のみではなく、透過性基板上に複屈折性を有する薄膜を蒸着等の手段で成膜して形成する方法であっても構わない。上述のように、上記第１、第２実施例で示した第１の複屈折部材１２及び第２の複屈折部材１３の厚さ形状等は、使用する材料の複屈折の大きさにより変わるものであるが、水晶以外の材料を使用する場合であっても、上述の形状決定方法が適用でき、その形状が定まることは言うまでもない。

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

図７（Ａ）は、図１のレチクルＲ上に形成された微細な周期パターンＰＸの一例を表わす。周期パターンＰＸは、図１と同一のＸＹＺ座標系におけるＸ方向に周期性を有するパターンであり、そのピッチＰＴは、図１の投影光学系２５の投影倍率を考慮してウエハＷ上のスケールに換算した値として１４０ｎｍとする。図７（Ｂ）は、このパターンを、波長１９３ｎｍの照明光を用いて、コヒーレンスファクター（照明σ）が０．９、輪帯比が０．７４の輪帯照明で照明した場合に、ウエハ側の開口数（ＮＡ）が０．９０の投影光学系２５の瞳面２６（図１参照）内に形成される回折光の分布を示す。

図７（Ｃ）は、そのパターンＰＸを照明するための輪帯照明の条件を表わす図であり、図１の照明光学系ＩＬＳの瞳面１５中で、上記輪帯照明の条件を満たす輪帯領域ＩＬＯからの照明光がそのパターンＰＸを照明する。周期パターンＰＸからの図７（Ｂ）の０次回折光Ｄ０は、その全てが瞳面２６内に分布し、投影光学系２５を透過してウエハＷに到達するが、１次回折光Ｄ１Ｒ及びＤ１Ｌは部分的にのみ、瞳面２６及び投影光学系２５を透過可能である。レチクルＲのパターンＰＸの像は、０次回折光Ｄ０と１次回折光Ｄ１Ｒ，Ｄ１Ｌとの干渉縞としてウエハＷ上に形成されるが、干渉縞が形成されるのは、照明光学系ＩＬＳの瞳面１５において同一位置から発せられた照明光から生成された０次回折光と１次回折光とのペアに限られる。

図７（Ｂ）中で瞳面２６の左端部に位置する１次回折光Ｄ１Ｌは、０次回折光Ｄ０のうち右端部に位置する部分とペアになるものであり、それらの回折光は図７（Ｃ）中の輪帯領域ＩＬ０中の右端の部分領域ＩＬＲから照明された照明光である。一方、図７（Ｂ）中で瞳面２６の右端部に位置する１次回折光Ｄ１Ｒは、０次回折光Ｄ０のうち左端部に位置する部分とペアになるものであり、それらの回折光は図７（Ｃ）中の輪帯領域ＩＬ０中の左端の部分領域ＩＬＬから照明された照明光である。

即ち、このようなＸ方向に微細なピッチを有するパターンＰＸの露光に際しては、照明光学系ＩＬＳの瞳面１５上の輪帯領域ＩＬ０から発せられる照明光のうち、パターンＰＸの結像に寄与する光束は、部分領域ＩＬＲ及び部分領域ＩＬＬに限られ、輪帯領域ＩＬ０内の他の領域から発せられる照明光は、パターンＰＸの結像には寄与しない照明光である。

ところで、パターンＰＸのようにＸ方向に周期性を有し、Ｙ方向に長手方向を有するパターンの露光に際しては、レチクルＲ上でＹ方向の偏光方向を有する直線偏光で照明すると、投影像のコントラストが向上することが、前述の非特許文献1（ThimothyA. Brunner, et al.: "High NA Lithographic imaging at Brewster'sange1", SPIE Vo1.4691, pp.1-24(2002)）等で報告されている。

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

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

図８（Ａ）は、図１の照明光学系ＩＬＳの瞳面１５とレチクルＲとの関係を簡易的に示した斜視図であり、図１中のリレーレンズ１６、コンデンサーレンズ１８，２０等は省略している。上述の通り、図８（Ａ）中の輪帯領域ＩＬ０内に分布する照明光は、Ｘ方向に周期性を有するパターンＰＸの結像性能向上のためには、そのＸ方向の端部ＩＬＬ，ＩＬＲにおいてはＹ方向（図８（Ａ）の紙面奥行き方向）の直線偏光であることが望ましく、Ｙ方向に周期性を有するパターンＰＹの結像性能向上のためには、そのＹ方向の端部ＩＬＵ，ＩＬＤにおいてはＸ方向の直線偏光であることが望ましい。即ち、その偏光方向が輪帯領域ＩＬ０の円周方向と概ね一致した直線偏光を使用することが望ましい。

更に、レチクルＲに、Ｘ方向及びＹ方向のみでなくその中間方向（４５°及び１３５°方向）のパターンを含む場合には、これらのパターンの方向性も考慮して、その偏光方向が輪帯領域の円周方向と完全に一致した直線偏光を使用することが望ましい。

ところで、上記の偏光状態は、輪帯領域ＩＬ０内各部の偏光状態に適した方向性のパターンと直交するパターンに対しては、必ずしも効果的な偏光状態を実現していない。例えば、部分領域ＩＬＵからのＸ方向に偏光した照明光は、Ｘ方向に周期性を有し長手方向がＹ方向となるパターンＰＸの結像には好ましくない偏光状態である。ただし、Ｘ方向に微細なピッチを有するパターンの結像に寄与する光源を示した図７（Ｃ）から明らかな通り、図７（Ｃ）では輪帯領域ＩＬ０の上端に相当する部分領域ＩＬＵは、そもそもＸ方向に微細なピッチを有するパターンの結像には何ら寄与しない光源であるから、部分領域ＩＬＵの偏光状態がどのようなものであっても、その偏光状態に起因してその結像特性を悪化させることは全くない。

なお、図８（Ａ）に示した如く、照明光学系ＩＬＳの瞳面１５において輪帯領域ＩＬ０の円周方向とほぼ一致した直線偏光は、レチクルＲに対して所謂Ｓ偏光として入射する。Ｓ偏光とは、光束が物体に入射する入射面（物体の法線と光束とを含む平面）に対して、その偏光方向が直交する直線偏光を意味する。即ち、輪帯領域ＩＬ０の円周方向と一致した方向の直線偏光光からなる部分領域ＩＬＬからの照明光ＩＬＬ１は、図８（Ｂ）に示した通り、偏光方向ＥＦ１が入射面（図８（Ｂ）の紙面）に対して垂直なＳ偏光としてレチクルＲに入射する。また、同様な部分領域ＩＬＤ上の照明光ＩＬＤ１についても、図８（Ｃ）に示した通り、偏光方向ＥＦ２が入射面（図８（Ｃ）の紙面）に対して垂直なＳ偏光としてレチクルＲに入射する。

当然ながら、上記部分領域ＩＬＬ，ＩＬＤと照明光学系の光軸ＡＸ４１に対して対称な位置にある部分領域ＩＬＲ，ＩＬＵからの照明光も、部分領域ＩＬＲ，ＩＬＵ上で各照明光が輪帯領域ＩＬ０の円周方向に一致する偏光方向を有するため、対称性からやはりＳ偏光となってレチクルＲに入射する。輪帯照明の一般的な性質として、輪帯領域ＩＬ０上に分布する照明光のレチクルＲへの入射角度は、照明光学系の光軸ＡＸ４１（即ちレチクルＲに対する垂線）から角度φを中心とする所定の角度範囲となる。この入射角度でレチクルＲに照射される光束を、以下では「特定照明光」と呼ぶ。この角度φ及び角度範囲は、照明光の波長やレチクルＲ上の転写すべきパターンのピッチ等に基づいて決定するとよい。

ところで、上述の第１、第２の複屈折部材１２，１３は、その部材に固有の形状から決まる所定の外半径（外円Ｃ１）と内半径（内円Ｃ２）との間の特定輪帯領域内に分布する照明光の偏光状態を、当該特定輪帯領域の円周方向に平行な直線偏光を主成分とする偏光状態に変換するが、その半径（Ｃ２，Ｃ１）は、容易な変更が困難である。

そこで、上記のように、所望の輪帯領域をレチクルＲ上の転写すべきパターンのピッチ等に基づいて変更する必要がある場合には、図１の第１、第２の複屈折部材１２，１３とフライアイレンズ１４等のオプティカルインテグレーターとの間に、図９に示すように、ズーム型の複数の円錐プリズム４１，４２を設け、上記の特定輪帯領域の半径を可変とすることが望ましい。図９において、ズーム型の複数の円錐プリズムとは、凹型の円錐面４１ｂを有する凹円錐プリズム４１と凸型の円錐面４２ａを有する凸円錐プリズム４２とを、その間隔ＤＤを可変として照明系光軸ＡＸ２に沿って配置したものである。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

或いは、図１中の偏光制御部材４（偏光制御機構）により、露光光源１から射出されたＹ方向の直線偏光をＸ方向の直線偏光に変換しても良い。このような偏光制御部材４は、所謂１／２波長板により容易に実現できる。なお、露光光源１が円偏光又は楕円偏光を射出する場合にも、同様に１／２波長板や１／４波長板を偏光制御部材４として使用することで、所望のＺ方向への直線偏光に変換することができる。

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

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

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

図１０は、図１の偏光制御部材４の位置に設置できる偏光制御光学系を示し、この図１０において、例えば直線偏光光からなる照明光束ＩＬ０（図１の照明光ＩＬに対応する）は、１／２波長板又は１／４波長板からなる回転波長板４ａに入射する。これにより図１０の紙面から４５°傾いた方向の直線偏光又は円偏光に変換された照明光束ＩＬ１は、最初の偏光ビームスプリッター４ｂによりその分割面に対してＰ偏光成分からなる光束ＩＬ２及びＳ偏光成分からなるＩＬ３に分割され、一方の光束ＩＬ２はプリズム４ｂを図１０中上方に直進し、他方の光束ＩＬ３は図１０中右方に反射される。

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

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

ところで、このような偏光ビームスプリッターを使用せずとも、以下の簡便な方法によりランダム偏光照明とほぼ同様の効果を得ることもできる。これは、図１の第１の複屈折部材１２に入射する照明光ＩＬの偏光状態を、図１中のＸ方向及びＺ方向から４５°離れた方向とすることで、上記特定輪帯領域に分布する照明光を概ね円偏光に変換することにより実現できる。従って、本実施形態の投影露光装置を、円偏光を近似的にランダム偏光とみなせる用途で使用する場合には、即ち要求される結像性能が比較的緩い用途で使用する場合には、図１中の偏光制御部材４を例えば１／２波長板で構成し、第１の複屈折部材１２に入射する照明光の偏光状態を、上記のようにＸ軸及びＺ軸から４５°傾斜した方向とすることで、ランダム偏光照明とほぼ同様の効果を得ることもできる。また、同様に偏光制御部材４を例えば１／４波長板で構成し、第１の複屈折部材１２に入射する照明光の偏光状態を、円偏光とすることによっても、ランダム偏光照明と同様の効果を得ることもできる。

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

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

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

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

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

外半径Ｃ１の半径が、照明σ（σ値）として例えば０．９に相当するとすれば、照明σ＝０．４５の照明光束の範囲内では、第１の複屈折部材１２及び第２の複屈折部材１３は、入射するＸ方向の直線偏光を、ほぼそのままの偏光状態を保って射出している。また、第１の複屈折部材１２にＺ方向の直線偏光（Ｚ偏光）を入射すれば、第２の複屈折部材１３から射出される光束のうち、上記の照明σ＝０．４５程度の照明光束の偏光状態をＺ偏光とできる。

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

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

次に、上記の実施の形態の投影露光装置を使用した半導体デバイスの製造工程の一例につき図１１を参照して説明する。

図１１は、半導体デバイスの製造工程の一例を示し、この図１１において、まずシリコン半導体等からウエハＷが製造されている。その後、ウエハＷ上にフォトレジストを塗布し（ステップＳ１０）、次のステップＳ１２において、上記の実施形態（図１）の投影露光装置のレチクルステージ上にレチクル（仮にＲ１とする）をロードし、ウエハステージ上にウエハＷをロードして、走査露光方式でレチクルＲ１のパターン（符号Ａで表わす）をウエハＷ上の全部のショット領域ＳＥに転写（露光）する。この際に必要に応じて二重露光が行われる。なお、ウエハＷは例えば直径３００ｍｍのウエハ（１２インチウエハ）であり、ショット領域ＳＥの大きさは一例として非走査方向の幅が２５ｍｍで走査方向の幅が３３ｍｍの矩形領域である。次に、ステップＳ１４において、現像及びエッチングやイオン注入等を行うことにより、ウエハＷの各ショット領域ＳＥに所定のパターンが形成される。

次に、ステップＳ１６において、ウエハＷ上にフォトレジストを塗布し、その後ステップＳ１８において、上記の実施の形態（図１）の投影露光装置のレチクルステージ上にレチクル（仮にＲ２とする）をロードし、ウエハステージ上にウエハＷをロードして、走査露光方式でレチクルＲ２のパターン（符号Ｂで表わす）をウエハＷ上の各ショット領域ＳＥに転写（露光）する。そして、ステップＳ２０において、ウエハＷの現像及びエッチングやイオン注入等を行うことにより、ウエハＷの各ショット領域に所定のパターンが形成される。

以上の露光工程〜パターン形成工程（ステップＳ１６〜ステップＳ２０）は所望の半導体デバイスを製造するのに必要な回数だけ繰り返される。そして、ウエハＷ上の各チップＣＰを１つ１つ切り離すダイシング工程（ステップＳ２２）や、ボンディング工程、及びパッケージング工程等（ステップＳ２４）を経ることによって、製品としての半導体デバイスＳＰが製造される。

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

また、上記の実施形態の投影露光装置は、複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をして、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより製造することができる。なお、その投影露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。

また、本発明は、走査露光型の投影露光装置のみならず、ステッパー等の一括露光型の投影露光装置にも適用することができる。また、使用される投影光学系の倍率は、縮小倍率のみならず、等倍や拡大倍率であってもよい。更に、本発明は、例えば国際公開（ＷＯ）第９９／４９５０４号などに開示される液浸型露光装置にも適用することができる。

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

また、上述の実施形態に示した投影露光装置に含まれる照明光学系（２〜２０）はレチクルＲ等の第１物体を照明するための照明光学装置としても適用可能であることは言うまでも無い。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。また、明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約を含む２００３年１０月２８日付け提出の日本国特願２００３−３６７９６３の全ての開示内容は、そっくりそのまま引用して本願に組み込まれている。

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

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

Claims (42)

1. 光源からの照明光を第１物体に照射する照明光学系と、前記第１物体上のパターンの像を第２物体上に投影する投影光学系とを有する投影露光装置であって、
   前記光源は、前記照明光を実質的に単一の偏光状態で生成し、
   前記照明光学系は、前記照明光の進行方向に沿って配置される複数の複屈折部材を有し、
   かつ前記複数の複屈折部材のうち少なくとも１つの複屈折部材の進相軸の方向が、他の複屈折部材の進相軸の方向と異なるものであり、
   前記照明光のうち、特定の入射角度範囲で前記第１物体に照射される特定照明光を、Ｓ偏光を主成分とする偏光状態の光とすることを特徴とする投影露光装置。
2. 前記第１物体に照射される前記照明光を、前記特定照明光に制限する光束制限部材を有することを特徴とする請求項１に記載の投影露光装置。
3. 前記光束制限部材は、更に前記第１物体に照射される前記照明光の入射方向を特定の実質的に離散的な複数の方向に制限することを特徴とする請求項２に記載の投影露光装置。
4. 光源からの照明光を第１物体に照射する照明光学系と、前記第１物体上のパターンの像を第２物体上に投影する投影光学系とを有する投影露光装置であって、
   前記光源は、前記照明光を実質的に単一の偏光状態で生成し、
   前記照明光学系は、前記照明光の進行方向に沿って配置される複数の複屈折部材を有し、
   かつ前記複数の複屈折部材のうち少なくとも１つの複屈折部材の進相軸の方向が、他の複屈折部材の進相軸の方向と異なるものであり、
   前記照明光学系中の瞳面またはその近傍の面内における、前記照明光学系の光軸を中心とする所定の輪帯領域である特定輪帯領域内の少なくとも一部の領域を通過する前記照明光が、前記特定輪帯領域の円周方向を偏光方向とする直線偏光を主成分とする偏光状態であることを特徴とする投影露光装置。
5. 前記第１物体に照射される前記照明光を、実質的に前記特定輪帯領域内に分布する光束に制限する光束制限部材を有することを特徴とする請求項４に記載の投影露光装置。
6. 前記光束制限部材は、前記光束を更に前記特定輪帯領域内の実質的に離散的な複数の領域内に制限することを特徴とする請求項５に記載の投影露光装置。
7. 前記光束制限部材は、前記光源と前記複数の複屈折部材との間に配置される回折光学素子を含むことを特徴とする請求項２、３、５、または６に記載の投影露光装置。
8. 前記複数の複屈折部材のうち少なくとも１つの部材は、透過光のうち進相軸に平行な直線偏光成分と遅相軸に平行な直線偏光成分との間に与える位相差である偏光間位相差が、前記部材の位置に対して非線形に変化する不均一波長板であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の投影露光装置。
9. 前記不均一波長板は、前記特定照明光または前記特定輪帯領域に分布する照明光に対して、前記照明光学系の光軸を中心として２回回転対称性を有する偏光間位相差を与える第１の不均一波長板を含むことを特徴とする請求項８に記載の投影露光装置。
10. 前記不均一波長板は、前記特定照明光または前記特定輪帯領域に分布する照明光に対して、前記照明光学系の光軸を中心として１回回転対称性を有する偏光間位相差を与える第２の不均一波長板を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の投影露光装置。
11. 前記第１及び第２の不均一波長板は、前記進相軸の方向が、前記照明光学系の光軸を回転中心として、相互に４５°ずれたものであることを特徴とする請求項１０に記載の投影露光装置。
12. 前記複数の複屈折部材と前記第１物体との間に配置されたオプティカルインテグレーターを更に含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の投影露光装置。
13. 前記複数の複屈折部材と前記オプティカルインテグレーターとの間に配置されたズーム光学系、間隔可変の円錐プリズム群、または多面体プリズム群を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の投影露光装置。
14. 前記オプティカルインテグレーターは、フライアイレンズであることを特徴とする請求項１２または１３に記載の投影露光装置。
15. 前記光源と前記複数の複屈折部材との間に配置されて前記光源からの前記照明光の偏光状態を変換する偏光制御機構を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の投影露光装置。
16. 前記複数の複屈折部材の一部または全部を、前記照明光学系の光軸を中心として回転可能ならしめる回転機構を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の投影露光装置。
17. 前記複数の複屈折部材を複数組備え、前記複数組の前記複数の複屈折部材を、前記照明光学系内に交換可能に配置する複屈折部材交換機構を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の投影露光装置。
18. 請求項１から６のいずれか一項に記載の投影露光装置を用いて、前記第１物体としてのマスクのパターンの像で前記第２物体としての感光体を露光することを特徴とする露光方法。
19. リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、
    前記リソグラフィ工程で請求項１８に記載の露光方法を用いてパターンを感光体に転写することを特徴とするデバイス製造方法。
20. 請求項７に記載の投影露光装置を用いて、前記第１物体としてのマスクのパターンの像で前記第２物体としての感光体を露光することを特徴とする露光方法。
21. リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、
    前記リソグラフィ工程で請求項２０に記載の露光方法を用いてパターンを感光体に転写することを特徴とするデバイス製造方法。
22. 光源からの照明光を第１物体に照射する照明光学系と、前記第１物体上のパターンの像を第２物体上に投影する投影光学系とを有する投影露光装置であって、
    前記光源は、前記照明光を実質的に単一の偏光状態で生成し、
    前記照明光学系は、前記照明光の進行方向に沿って順に配置される、回折光学素子と複屈折部材とを有することを特徴とする投影露光装置。
23. 前記回折光学素子は、前記第１物体に照射される前記照明光を、特定の入射角度範囲で前記第１物体に照射される特定照明光に実質的に制限するとともに、
    前記複屈折部材は、前記特定照明光をＳ偏光を主成分とする偏光状態の光とすることを特徴とする請求項２２に記載の投影露光装置。
24. 前記回折光学素子は、更に前記第１物体に照射される前記照明光の入射方向を特定の実質的に離散的な複数の方向に制限することを特徴とする請求項２３に記載の投影露光装置。
25. 前記回折光学素子は、前記照明光を、前記照明光学系中の瞳面内の、前記照明光学系の光軸を中心とする所定の輪帯領域である特定輪帯領域内に分布する光束に実質的に制限するとともに、
    前記複屈折部材は、前記光束を、円周方向を偏向方向とする直線偏光を主成分とする偏光状態とすることを特徴とする請求項２２に記載の投影露光装置。
26. 前記回折光学素子は、前記光束を更に前記特定輪帯領域内の実質的に離散的な複数の領域内に制限することを特徴とする請求項２５に記載の投影露光装置。
27. 請求項２２から２６のいずれか一項に記載の投影露光装置を用いて、前記第１物体としてのマスクのパターンの像で前記第２物体としての感光体を露光することを特徴とする露光方法。
28. リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、
    前記リソグラフィ工程で請求項２７に記載の露光方法を用いてパターンを感光体に転写することを特徴とするデバイス製造方法。
29. 光源からの照明光を第１物体に照射する照明光学装置であって、
    前記照明光の進行方向に沿って配置される複数の複屈折部材を有し、
    かつ前記複数の複屈折部材のうち少なくとも１つの複屈折部材の進相軸の方向が、他の複屈折部材の進相軸の方向と異なるものであり、
    前記光源から供給される実質的に単一の偏光状態である照明光のうち、前記第１物体に特定の入射角度範囲で照射される特定照明光を、Ｓ偏光を主成分とする偏光状態の光とすることを特徴とする照明光学装置。
30. 前記第１物体に照射される前記照明光を、前記特定照明光に制限する光束制限部材を有することを特徴とする請求項２９に記載の照明光学装置。
31. 前記光束制限部材は、更に前記第１物体に照射される前記照明光の入射方向を特定の実質的に離散的な複数の方向に制限することを特徴とする請求項３０に記載の照明光学装置。
32. 前記光束制限部材は、回折光学素子を含むことを特徴とする請求項３０または３１に記載の照明光学装置。
33. 前記複数の複屈折部材のうち少なくとも１つの部材は、透過光のうち進相軸に平行な直線偏光成分と遅相軸に平行な直線偏光成分との間に与える位相差である偏光間位相差が、前記部材の位置に対して非線形に変化する不均一波長板であることを特徴とする請求項２９から３１のいずれか一項に記載の照明光学装置。
34. 前記不均一波長板は、前記特定照明光または前記特定輪帯領域に分布する照明光に対して、前記照明光学系の光軸を中心として２回回転対称性を有する偏光間位相差を与える第１の不均一波長板を含むことを特徴とする請求項３３に記載の照明光学装置。
35. 前記不均一波長板は、前記特定照明光または前記特定輪帯領域に分布する照明光に対して、前記照明光学系の光軸を中心として１回回転対称性を有する偏光間位相差を与える第２の不均一波長板を更に含むことを特徴とする請求項３４に記載の照明光学装置。
36. 前記第１及び第２の不均一波長板は、前記進相軸の方向が、前記照明光学系の光軸を回転中心として、相互に４５°ずれたものであることを特徴とする請求項３５に記載の照明光学装置。
37. 前記複数の複屈折部材と前記第１物体との間に配置されたオプティカルインテグレーターを更に含むことを特徴とする請求項２９から３１のいずれか一項に記載の照明光学装置。
38. 前記光束制限部材は、回折光学素子であるとともに、
    前記複数の複屈折部材と前記第１物体との間に配置されたオプティカルインテグレーターを含むことを特徴とする請求項３０または３１に記載の照明光学装置。
39. 光源からの照明光を第１物体に照射する照明光学装置であって、
    前記照明光の進行方向に沿って順に配置される、回折光学素子と複屈折部材とを有することを特徴とする照明光学装置。
40. 前記回折光学素子は、前記第１物体に照射される前記照明光を、特定の入射角度範囲で前記第１物体に照射される特定照明光に実質的に制限するとともに、
    前記複屈折部材は、前記特定照明光をＳ偏光を主成分とする偏光状態の光とすることを特徴とする請求項３９に記載の照明光学装置。
41. 前記回折光学素子は、更に前記第１物体に照射される前記照明光の入射方向を特定の実質的に離散的な複数の方向に制限することを特徴とする請求項４０に記載の照明光学装置。
42. 前記複屈折部材と前記第１物体との間に配置されたオプティカルインテグレーターを含むことを特徴とする請求項３９から４１のいずれか一項に記載の照明光学装置。

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