WO2013039240A1 - 照明光学装置、光学系ユニット、照明方法、並びに露光方法及び装置 - Google Patents

照明光学装置、光学系ユニット、照明方法、並びに露光方法及び装置 Download PDF

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小松田　秀基
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株式会社ニコン
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    • G03F7/7055—Exposure light control in all parts of the microlithographic apparatus, e.g. pulse length control or light interruption
    • G03F7/70566—Polarisation control

Definitions

  • the present invention relates to an illumination technique for illuminating an irradiated surface with light supplied from a light source, an optical technique for changing the polarization state of light supplied from the light source, an exposure technique using the illumination technique or optical technique, and the exposure technique.
  • the present invention relates to a device manufacturing technique using the.
  • an exposure apparatus such as a stepper or a scanning stepper used in a lithography process for manufacturing an electronic device (microdevice) such as a semiconductor element illuminates a reticle (mask) under various illumination conditions and with a uniform illuminance distribution.
  • an illumination optical device is provided.
  • the light intensity distribution on the pupil plane of the illumination optical system is set to a distribution in which the intensity increases in a circular area, an annular area, a multipolar area, or the like according to the illumination conditions.
  • an intensity distribution setting optical system having a plurality of replaceable diffractive optical elements (diffractive optical elements) or a movable multi-mirror spatial light modulator having a large number of minute mirror elements with variable tilt angles I was prepared.
  • a plurality of light beams are each divided into two light beams (ordinary rays and extraordinary rays) whose polarization directions are orthogonal with a birefringent crystal, and the two divided light beams are individually reflected. Then, by illuminating a predetermined area on the pupil plane of the illumination optical system, an illumination optical device that can set the polarization direction of light at each part on the pupil plane to one of the orthogonal polarization directions is proposed. (For example, refer to Patent Document 1).
  • the conventional illumination optical device splits a plurality of light beams through a birefringent crystal and splits them into two light beams whose polarization directions are orthogonal to each other, and individually reflects the two divided light beams.
  • the possible polarization directions were limited to any of the orthogonal polarization directions.
  • various applications including linearly polarized light of at least four different polarization directions are used in applications where the distribution of the polarization direction in the annular light intensity distribution is set substantially in the circumferential direction or the radial direction during annular illumination, for example. It is preferable to generate a uniform polarization state distribution.
  • the conventional illumination optical apparatus cannot set such a polarization state distribution.
  • an object of the present invention is to illuminate an irradiated surface with light having various polarization state distributions.
  • an illumination optical device that illuminates an illuminated surface with light supplied from a light source.
  • This illumination optical device is arranged in a separation optical system that separates a first light flux and a second light flux having different polarization states from light supplied from the light source, and at least one optical path of the first light flux and the second light flux.
  • a variable optical system that changes a phase difference distribution between the first light flux and the second light flux, and a combining optical system that combines the first light flux and the second light flux whose phase difference distribution is changed.
  • an illumination optical device that illuminates an irradiated surface with light supplied from a light source.
  • This illumination optical device is arranged in a separation optical system that separates a first light flux and a second light flux having different polarization states from light supplied from the light source, and at least one optical path of the first light flux and the second light flux.
  • variable optical system that changes a phase difference distribution between the first light beam and the second light beam
  • a combining optical system that combines the first light beam and the second light beam whose phase difference distribution is changed, and a combination thereof
  • a polarization state variable element that is disposed in an optical path of a light beam synthesized by the optical system and changes a polarization state of the synthesized light beam.
  • the illumination optical apparatus in the exposure apparatus that illuminates the pattern with the exposure light and exposes the substrate with the exposure light through the pattern and the projection optical system.
  • An exposure apparatus that uses light from the illumination optical apparatus as the exposure light is provided.
  • the optical system unit which changes the polarization state of the light supplied from a light source is provided.
  • the optical system unit is arranged in a separation optical system that separates a first light beam and a second light beam having different polarization states from light supplied from the light source, and at least one optical path of the first light beam and the second light beam.
  • variable optical system that changes a phase difference distribution between the first light beam and the second light beam
  • a combining optical system that combines the first light beam and the second light beam whose phase difference distribution is changed, and a combination thereof
  • a polarization state variable element that is disposed in an optical path of a light beam synthesized by the optical system and changes a polarization state of the synthesized light beam.
  • the illumination method which illuminates a to-be-irradiated surface with the light supplied from a light source.
  • This illumination method separates the first light flux and the second light flux having different polarization states from the light supplied from the light source, and gives a variable phase difference distribution between the first light flux and the second light flux. And synthesizing the first light flux and the second light flux provided with a variable phase difference distribution.
  • an illumination method for illuminating the irradiated surface with light supplied from a light source.
  • the illumination method includes separating a first light beam and a second light beam having different polarization states from light supplied from the light source, changing a phase difference distribution between the first light beam and the second light beam, Combining the first light beam and the second light beam whose phase difference distribution has been changed, and passing the light beam synthesized by the synthesis optical system through a polarization state variable element.
  • the exposure method which illuminates a pattern with exposure light and exposes a board
  • This exposure method uses the light directed to the irradiated surface as the exposure light using the illumination method of the aspect of the present invention.
  • the first light flux and the second light flux which are provided with the phase difference distribution and have different polarization states, are combined.
  • the combined two light fluxes have various variable polarization state distributions according to the phase difference distribution. Therefore, the irradiated surface can be illuminated with light having various distributions of polarization states by using the combined two light beams.
  • the optical system unit of the fourth aspect, or the illumination method of the sixth aspect of the present invention two light fluxes having different polarization states and having a phase difference distribution are provided. It is synthesized and passes through the polarization state variable element. Thereby, for example, a variable polarization distribution having various polarization directions can be obtained according to the phase difference distribution. Therefore, the irradiated surface can be illuminated with light having various polarization state distributions by using the light that has passed through the polarization state variable element.
  • FIG. 1 It is a figure which shows schematic structure of the exposure apparatus of an example of embodiment.
  • A is a view showing an optical system including the polarization unit 15 in FIG. 1
  • B is a view showing a polarization direction of incident illumination light
  • C) and (D) are a first light flux and a second light flux, respectively.
  • A) is a figure which shows the light intensity distribution of annular illumination
  • (B) and (C) are figures which show the example of distribution of the polarization state at the time of annular illumination, respectively.
  • A) is a figure which shows the light intensity distribution of normal illumination
  • B) and (C) are figures which show the example of distribution of the polarization state at the time of normal illumination, respectively.
  • (A) is a figure which shows the light intensity distribution of 4 pole illumination
  • (B) and (C) are figures which show the example of the distribution of the polarization state at the time of 4 pole illumination, respectively.
  • (A) is a figure which shows the polarization unit of a 4th modification
  • (B) is an expansion perspective view which shows a part of variable polarizing element in FIG. 10 (A).
  • FIG. 12 It is a figure which shows the polarization unit of a 5th modification.
  • A is a figure which shows the principal part of the illuminating device of the other example of embodiment
  • B is an enlarged view which shows the polarizing unit in FIG. 12 (A).
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of an exposure apparatus EX according to the present embodiment.
  • the exposure apparatus EX is, for example, a scanning exposure type exposure apparatus (projection exposure apparatus) composed of a scanning stepper (scanner).
  • the exposure apparatus EX includes an illumination apparatus 8 that illuminates a reticle surface Ra, which is a pattern surface of a reticle R (mask), with exposure illumination light (exposure light) IL.
  • the illumination device 8 includes a light source 10 that generates illumination light IL, an illumination optical system ILS that illuminates the reticle surface Ra with the illumination light IL from the light source 10, and an illumination control unit 36.
  • the exposure apparatus EX further includes a reticle stage RST that moves the reticle R, a projection optical system PL that projects an image of the pattern of the reticle R onto the surface of the wafer W (substrate), a wafer stage WST that moves the wafer W, A main control system 35 composed of a computer that comprehensively controls the operation of the entire apparatus and various control systems are provided.
  • the Z axis is set parallel to the optical axis of the projection optical system PL
  • the X axis is parallel to the plane of FIG. 1 in the plane perpendicular to the Z axis
  • the Y axis is perpendicular to the plane of FIG. Will be described.
  • the scanning direction of the reticle R and the wafer W during exposure is a direction parallel to the Y axis (Y direction).
  • the rotational directions (inclination directions) around the axes parallel to the X axis, the Y axis, and the Z axis will be described as the ⁇ x direction, the ⁇ y direction, and the ⁇ z direction.
  • an ArF excimer laser light source that emits a pulse of linearly polarized laser light having a predetermined temporal and spatial coherency, which is narrowed to a wavelength of 193 nm, is used.
  • a KrF excimer laser light source that supplies laser light having a wavelength of 248 nm, or a harmonic generator that generates harmonics of laser light output from a solid-state laser light source (YAG laser, semiconductor laser, etc.) is also used. it can.
  • linearly polarized illumination light IL composed of laser light emitted from a light source 10 controlled by a power supply unit (not shown) is a transmission optical system including a beam expander 11, and 1 for adjusting the polarization direction.
  • the light is incident on a diffractive optical element (DOE) 13A through a two-wavelength plate 12.
  • DOE diffractive optical element
  • the diffractive optical element 13A is for annular illumination, and the diffractive optical element 13A has a large intensity in an annular region as shown in FIG. 3A on an incident surface 25I of a fly-eye lens 25 described later.
  • a light intensity distribution is formed.
  • a dotted circle 49 is a region where the coherence factor ( ⁇ value) is 1.
  • the diffractive optical element 13A is supported by a turret plate 33, and the turret plate 33 also supports a diffractive optical element 13B for other different illumination conditions (normal illumination, quadrupole illumination, dipole illumination, etc.).
  • the illumination control unit 36 rotates the turret plate 33 via the drive unit 33a and installs a diffractive optical element corresponding to the illumination condition in the illumination optical path, thereby satisfying the illumination condition.
  • a corresponding light intensity distribution is set.
  • the illumination light IL that has passed through the diffractive optical element 13A enters the polarization unit 15.
  • the polarization unit 15 includes an incident optical system 14 that converts the illumination light IL from the diffractive optical element 13A into parallel light, a first light beam IL1 that is P-polarized light from the illumination light IL that has passed through the incident optical system 14, and a second light beam that is S-polarized light.
  • the polarization unit 15 includes a mirror 17 that reflects the first light beam IL1 transmitted through the first PBS, a deformable mirror 18 that reflects the second light beam IL2 reflected by the first PBS 16, and a first light reflected by the mirror 17.
  • a second PBS 22 that coaxially synthesizes the light beam IL1 and the second light beam IL2 reflected by the deformable mirror 18 along the optical axis AXI of the illumination optical system ILS, and its A quarter-wave plate 23 (polarization state variable element) is provided in the optical path of the light beams IL1 and IL2 synthesized coaxially and varies the polarization state of the synthesized light beams IL1 and IL2.
  • the second PBS 22 includes an axis obtained by extending the optical axis of the incident optical system 14 bent by the partial optical system (17) through which the first light beam IL1 passes, and a partial optical system (18) through which the second light beam IL2 passes.
  • a partial optical system (18) through which the second light beam IL2 passes.
  • the polarization separation / combination plane of the second PBS may be disposed at the intersecting position.
  • the optical system disposed between the first PBS and the second PBS in the optical path through which the first light beam IL1 passes can be referred to as a first partial optical system
  • the first PBS in the optical path through which the second light beam IL2 passes can be referred to as a second partial optical system.
  • the deformable mirror 18 includes a mirror 19 that reflects the second light beam IL, a holder 20 that holds the mirror 19, and a plurality of extendable drive elements 21 (for example, piezo elements) arranged in a matrix on the back surface of the mirror 19. And have.
  • the illumination control unit 36 controls the amount of expansion / contraction of the many drive elements 21, whereby the shape of the reflection surface of the mirror 19 can be deformed within the range of the wavelength level of the illumination light IL.
  • the illumination light IL emitted from the quarter wavelength plate 23 of the polarization unit 15 can be controlled in various ways in the polarization direction (details will be described later).
  • the illumination light IL emitted from the polarization unit 15 enters the incident surface 25I of the fly-eye lens 25 through the relay optical system 24 including the first lens system 24a and the second lens system 24b.
  • the relay optical system 24 By the relay optical system 24, the reflecting surface of the mirror 19 of the deformable mirror 18 is optically conjugate with the incident surface 25I.
  • the fly-eye lens 25 has a large number of lens elements arranged in close contact with each other in the Z direction and the Y direction, and the exit surface of the fly-eye lens 25 is the pupil plane of the illumination optical system ILS (hereinafter referred to as the illumination pupil plane). ) IPP (surface conjugate with the exit pupil).
  • a surface light source including a large number of secondary light sources (light source images) is formed on the exit surface (illumination pupil plane IPP) of the fly-eye lens 25 by wavefront division.
  • the fly-eye lens 25 Since the fly-eye lens 25 has a large number of optical systems arranged in parallel, the light intensity distribution on the entrance surface 25I is directly transmitted to the illumination pupil plane IPP which is the exit surface.
  • the entrance plane 25I is a plane equivalent to the illumination pupil plane IPP, and the arbitrary light intensity distribution and the arbitrary polarization distribution of the illumination light IL formed on the entrance plane 25I are directly used as the light intensity distribution on the illumination pupil plane IPP and It becomes a polarization distribution.
  • the incident surface 25I is optically almost conjugate with the reticle surface. Note that a microlens array may be used instead of the fly-eye lens 25.
  • Illumination light IL from the surface light source formed on the illumination pupil plane IPP includes a first relay lens 28, a reticle blind (field stop) 29, a second relay lens 30, an optical path bending mirror 31, and a condenser optical system.
  • the illumination area of the reticle surface Ra is illuminated with a uniform illuminance distribution via the reference numeral 32.
  • the illumination optical system ILS is configured including the beam expander 11, the half-wave plate 12, the diffractive optical element 13A, the polarization unit 15, and the optical system from the relay optical system 24 to the condenser optical system 32.
  • Each optical member of the illumination optical system ILS is supported by a frame (not shown).
  • the pattern in the illumination area of the reticle R is transferred to one shot area of the wafer W via the telecentric projection optical system PL on both sides (or one side on the wafer side).
  • the image is projected onto the exposure area at a predetermined projection magnification (for example, 1/4, 1/5, etc.).
  • the illumination pupil plane IPP is conjugate with the pupil plane (a plane conjugate with the exit pupil) of the projection optical system PL.
  • the wafer W includes a wafer having a photoresist (photosensitive material) coated at a predetermined thickness on the surface of a base material such as silicon.
  • the reticle R is attracted and held on the upper surface of the reticle stage RST, and the reticle stage RST is movable on the upper surface of the reticle base (not shown) (surface parallel to the XY plane) at a constant speed in the Y direction, and at least X It is mounted so as to be movable in the direction, the Y direction, and the ⁇ z direction.
  • the two-dimensional position of the reticle stage RST is measured by a laser interferometer (not shown). Based on this measurement information, the main control system 35 receives the position and speed of the reticle stage RST via a drive system 37 including a linear motor and the like. To control.
  • wafer W is sucked and held on the upper surface of wafer stage WST via a wafer holder (not shown), and wafer stage WST is moved in the X and Y directions on the upper surface of the wafer base (not shown) (a surface parallel to the XY plane). It can move and can move at a constant speed in the Y direction.
  • the two-dimensional position of wafer stage WST is measured by a laser interferometer (not shown), and based on this measurement information, main control system 35 moves the position and speed of wafer stage WST via drive system 38 including a linear motor and the like. To control.
  • An alignment system (not shown) for aligning the reticle R and the wafer W is also provided.
  • the polarization unit 15 in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
  • the illumination light IL that has passed through the half-wave plate 12 and the diffractive optical element 13A is incident on the first PBS 16 via the incident optical system 14.
  • the first PBS 16 splits a P-polarized first light beam IL1 whose polarization direction is the X direction and a S-polarized second light beam IL2 whose polarization direction is the Y direction.
  • the intensity ratio of the linearly polarized first light beam IL1 and second light beam IL2 whose polarization directions are orthogonal to each other is such that the half-wave plate 12 is slightly rotated about the optical axis and incident on the first PBS 16 Adjustment is possible by finely adjusting the polarization direction 40A of the light IL (see FIG. 2B). In the present embodiment, it is preferable to adjust the half-wave plate 12 so that the intensity ratio between the first light beam IL1 and the second light beam IL2 is 1: 1.
  • the illumination light IL incident on the first PBS 16 is converted into parallel light by the incident optical system 14.
  • the incident optical system 14 also has a function of simultaneously forming a light intensity distribution formed on the incident surface 25I on the reflecting surface of the mirror 19 of the deformable mirror 18.
  • the reflecting surface of the mirror 19 is also conjugate with the incident surface 25I of the fly-eye lens 25 by the relay optical system 24.
  • the first light beam IL1 is reflected by the mirror 17 toward the second PBS 22, and the second light beam IL2 is reflected by the mirror 19 of the deformable mirror 18 toward the second PBS 22.
  • the linearly polarized first light beam IL1 and second light beam IL2 are combined coaxially along the optical axis AXI parallel to the X axis by the second PBS 22, and enter the quarter-wave plate 23 as illumination light IL.
  • the polarization direction 40B of the first light beam IL1 incident on the quarter-wave plate 23 is the Z direction as shown in FIG. 2C
  • the polarization direction 40C is the Y direction as shown in FIG.
  • the direction of the fast axis (optical axis) 48 of the quarter-wave plate 23 is set to a direction that intersects the Y axis at 45 °, that is, a direction that intersects the polarization directions 40B and 40C at 45 °.
  • the first light beam IL1 passing through the quarter-wave plate 23 becomes right circularly polarized light indicated by a polarization direction 41B, for example, and the second light beam IL1 passing through the quarter-wave plate 23 is left shown by a polarization direction 41C, for example. It becomes circularly polarized light.
  • the first light beam IL1 and the second light beam IL2 that pass through the quarter-wave plate 23 are circularly polarized light in opposite directions, and there is a phase difference at each position in the radial direction and the circumferential direction.
  • the illumination light IL that passes through each position becomes linearly polarized light that is directed in various directions according to the phase difference.
  • the polarization states in the beam cross sections of the first light beam IL1 and the second light beam IL2 that have passed through the quarter-wave plate 23 and are combined have linearly polarized light directed in different directions. Therefore, the polarization state of the illumination light IL that is incident on the incident surface 25I of the fly-eye lens 25 is a set of linearly polarized light that has various polarization directions according to the phase difference distribution.
  • the Jones vector is a vector composed of polarization components in two directions orthogonal to the target light.
  • the polarization direction 40A of the incident illumination light IL shown in FIG. 2B is inclined at 45 ° with respect to the Y axis
  • the axis parallel to the polarization direction 40A is the x axis
  • the x axis is within the XY plane.
  • the orthogonal axis is taken as the y axis.
  • the Jones vector composed of the x-axis and y-axis polarization components of the incident illumination light IL is as shown on the left side of the following equation (1).
  • the Jones vectors of the first light beam IL1 and the second light beam IL2 branched by the first PBS 16 are the first and second vectors on the right side of Equation (1), respectively.
  • the phase difference ⁇ is given to the second light beam IL2 by the deformable mirror 18, the Jones vector of the second light beam IL2 becomes as shown on the right side of the equation (2).
  • the Jones vector of the combined illumination light IL is as follows.
  • the action of the quarter wave plate 23 is expressed in the Jones matrix as follows.
  • the finally obtained illumination light IL is linearly polarized light, and the polarization direction of the linearly polarized light is rotated according to the phase difference ⁇ imparted by the deformable mirror 18.
  • the angle ( ⁇ / 2) of the polarization direction may be within a range of ⁇ 90 ° (0 to 180 °).
  • the displacement ⁇ t in the normal direction at each point of the reflecting surface of the mirror 19 is the illumination light IL.
  • the wavelength ⁇ may be within the following range ( ⁇ 180 ° in terms of phase).
  • the intensity distribution of the illumination light IL on the incident surface 25I is a distribution in which the intensity increases in a ring-shaped region as shown in FIG.
  • the intensity distribution of the first light beam IL1 and the second light beam IL2 on the incident surface 25I also increases in intensity in the ring-shaped region 42A in FIG. 2C and the ring-shaped region 43A in FIG. Distribution.
  • the deformable mirror 18 sets the phase difference between the light beams IL1 and IL2 so as to gradually change in the circumferential direction ⁇ within the region 43A. Accordingly, as an example, the polarization state of the illumination light IL on the incident surface 25I is changed to the radial directions 44A, 44B, 44C,...
  • the optical axis AXI within the annular zone can be set to be a set of polarized linearly polarized light.
  • the polarization state of the illumination light IL on the incident surface 25I is set in the circumferential direction 45A, 45B, 45C, with respect to the optical axis AXI within the annular zone. It can be set so as to be a set of linearly polarized light polarized to.
  • the polarization state in the annular zone can be set to a distribution in an arbitrary polarization direction.
  • the diffractive optical element 13B when the diffractive optical element 13B is installed in the illumination optical path in FIG. 1, the light intensity distribution on the incident surface 25I of the fly-eye lens 25 increases in intensity in a circular region as shown in FIG. Distribution.
  • the polarization state of the illumination light IL on the incident surface 25I is changed to a direction 46A parallel to the Z axis shown in FIG.
  • FIG. 1 the diffractive optical element 13B is installed in the illumination optical path in FIG. 1
  • the polarization state of the illumination light IL on the incident surface 25I is changed to a direction 46A parallel to the Z axis shown in FIG.
  • the polarization direction of the illumination light IL incident on the polarization unit 15 may be set to the X direction or the Y direction. Furthermore, it is possible to set a substantially non-polarized state by giving a random phase difference distribution by the deformable mirror 18.
  • the light intensity distribution on the entrance surface 25I of the fly-eye lens 25 has four regions 47A to 47D (or 90 °) as shown in FIG.
  • the distribution is such that the intensity increases in the rotated region.
  • the polarization state of the illumination light IL on the incident surface 25I is changed in the circumferential direction 46C shown in FIG. It can be set to linearly polarized light, linearly polarized light in the radial direction 46D shown in FIG. 5C, or any other distribution of polarization directions.
  • step 102 of FIG. 6 the reticle R is loaded onto the reticle stage RST of FIG.
  • step 104 the main control system 35, for example, information on the target distribution of the light intensity distribution and the target distribution of the polarization state on the illumination pupil plane IPP (illumination conditions) from the exposure data file according to the pattern of the reticle R to be exposed. ).
  • the light intensity distribution (light quantity distribution) on the incident surface 25I and consequently the illumination pupil plane IPP is obtained.
  • the shape of the reflecting surface of the mirror 19 of the deformable mirror 18 is controlled via the illumination controller 36 in accordance with the target distribution of the polarization state, and the phase difference distribution between the light beams IL1 and IL2 is determined.
  • the distribution of the polarization direction at each position on the entrance surface 25I and thus the illumination pupil plane IPP is set.
  • the wafer W coated with the photoresist is loaded on the wafer stage WST.
  • emission of the illumination light IL from the light source 10 is started (step 110), and then the illumination light IL is irradiated onto the first PBS 16 of the polarization unit 15 through the half-wave plate 12 (step 114).
  • the first light beam IL1 and the second light beam IL2 are branched (separated) from the illumination light IL by the first PBS 16 (step 116).
  • the phase difference distribution between the light beams IL1 and IL2 is controlled by controlling the phase distribution of the second light beam IL2 by the deformable mirror 18 (step 118).
  • the light beams IL1 and IL2 are coaxially combined by the second PBS 22 (step 120), and the distribution of the polarization direction of the illumination light IL is targeted by the combined illumination light IL passing through the quarter-wave plate 23. (Step 122). Note that the irradiation of the illumination light IL to the wafer W is controlled by opening and closing the variable blind in the reticle blind 29 of FIG.
  • the reticle stage RST and the wafer stage are exposed while exposing a part of one shot region of the wafer W with an image of the projection optical system PL of a part of the pattern of the reticle R under the illumination light IL.
  • the shot area of the wafer W is scanned and exposed by moving the reticle R and the wafer W in the Y direction synchronously with the projection magnification being the speed ratio via the WST. If an unexposed shot area remains in the next step 126, the wafer W is stepped to the scanning start position via the wafer stage WST in step 128, and the next shot area is scanned in the next step 124. Exposure is performed. In this manner, each shot area of the wafer W is exposed by the step-and-scan method.
  • the emission of the illumination light IL is stopped in step 130, and the next wafer is exposed in step 132.
  • the image of the pattern of the reticle R can be formed with high resolution on the entire shot area of the wafer W with the desired light intensity distribution and the desired arbitrary polarization distribution. Can be exposed.
  • the illumination device 8 of the present embodiment includes the illumination optical system ILS, and the illumination device 8 illuminates the reticle surface Ra with the illumination light IL.
  • the illumination optical system ILS has a polarization unit 15.
  • the polarization unit 15 is an optical system that changes the polarization state of the illumination light IL supplied from the light source 10, and separates the first light beam IL1 and the second light beam IL2 whose polarization directions are orthogonal to each other from the illumination light IL.
  • the first PBS 16 (step 116), a deformable mirror 18 disposed in the optical path of the second light beam IL2 and providing a variable phase difference distribution between the light beams IL1 and IL2 (step 118), and a variable phase difference distribution are provided.
  • a second PBS 22 for synthesizing the luminous fluxes IL1 and IL2 coaxially (step 120). Furthermore, the polarization unit 15 includes a quarter wavelength plate 23 disposed in the optical path of the illumination light IL obtained by combining the light beams IL1 and IL2. By passing the light beams IL1 and IL2 (illumination light IL) synthesized by the second PBS 22 through the quarter-wave plate 23, the phase difference distribution is obtained from two circularly polarized lights in opposite directions to which a variable phase difference distribution is given. A distribution of linearly polarized light having a polarization direction corresponding to is generated (step 122).
  • the light beams IL1 and IL2 having a variable phase difference distribution and whose polarization directions are orthogonal to each other are synthesized coaxially.
  • the quarter-wave plate 23 By passing the light beam obtained by combining the two light beams IL1 and IL2 through the quarter-wave plate 23, two circularly polarized light beams in opposite directions to which a variable phase difference distribution is given are obtained.
  • the polarization state of the illumination light IL obtained by synthesizing the two circularly polarized lights becomes a distribution of linearly polarized light having various polarization directions according to the variable phase difference distribution. Therefore, the reticle surface Ra can be illuminated with light having various distributions of polarization directions.
  • the second PBS 22 does not necessarily synthesize the light beams IL1 and IL2 coaxially.
  • an optical system that separates two reversely rotating circularly polarized light from incident light is used instead of the first PBS 16
  • elements such as wave plates such as 1/2 or 1/8, polarizers, light polarizers or the like that change the polarization state are used, or these elements are combined to change the polarization state. It may be variable.
  • the exposure apparatus EX of the present embodiment is an exposure apparatus that illuminates the pattern of the reticle R with the illumination light IL for exposure and exposes the wafer W with the illumination light IL through the pattern and the projection optical system PL.
  • the apparatus 8 is provided, and the illumination light from the illumination apparatus 8 is used as the illumination light IL.
  • this exposure apparatus EX since the pattern can be illuminated with the illumination light IL having the distribution of the optimum polarization direction according to the pattern of the reticle R, images of various patterns can be exposed on the wafer W with high resolution.
  • a movable multi-mirror spatial light modulator (SLM) having a large number of minute mirror elements each having a variable position in the normal direction of the reflecting surface is used. Also good.
  • SLM spatial light modulator
  • Reference 1 “Yijian Chen et al.,“ Design and fabrication of tilting and piston micromirrors for maskless lithography, ”Proc. Of SPIE (USA) Vol. pp.1023-1037 (2005) ”or Reference 2“ D. Lopez et al., “Two-dimensional MEMS array for maskless lithography and wavefront modulation,” Proc. of SPIE (USA) Vol. 6589, 65890S (2007) Can be used.
  • the arrangement of the polarization unit 15 in the illumination optical system ILS is not limited to the arrangement shown in FIG. 1, and can be arranged at any position where an arbitrary polarization distribution is required.
  • the polarization unit 15 may be disposed in front (upstream) of the diffractive optical element 13A (or other diffractive optical element) in FIG.
  • the polarization direction of the light incident on the diffractive optical element 13A and the like can be made different depending on the position, and the light flux in each polarization direction is diffracted to an arbitrary position on the incident surface 25I (and thus the illumination pupil plane IPP).
  • the exit pupil of the illumination optical system ILS having an arbitrary polarization distribution can be formed.
  • a polarization unit 15A of the first modification shown in FIG. 7 may be used instead of the polarization unit 15 of FIG.
  • a polarization unit 15A includes a polarization beam splitter (hereinafter referred to as PBS) 16A and a parallel plane plate each coated with a polarization beam splitter film, instead of the prism-type first PBS 16 and second PBS 22 of FIG.
  • PBS polarization beam splitter
  • the other configuration is the same as that of the polarization unit 15. Since the PBSs 16A and 22A made of parallel flat plates are inexpensive and have high durability, the polarizing unit 15A can be maintained at low cost and with a wide maintenance interval.
  • the polarization unit 15B of the second modification shown in FIG. 8 may be used instead of the polarization unit 15A of FIG.
  • the polarization unit 15 ⁇ / b> B is obtained by replacing the PBS 16 ⁇ / b> A in FIG. 7 with a normal half mirror 61 and a half-wave plate 62.
  • the P-polarized illumination light IL from the incident optical system 14 is divided into a first light beam IL1 and a second light beam IL2 by the half mirror 61, and the first light beam IL1 is reflected by the mirror 17 and becomes P-polarized light. Incident on PBS 22A.
  • the second light beam IL2 is converted into S-polarized light by the half-wave plate 62, then reflected by the deformable mirror 18, enters the PBS 22A, and is synthesized coaxially with the first light beam IL1.
  • the cost is further reduced.
  • the polarization unit 15C of the third modification shown in FIG. 9 may be used instead of the polarization unit 15 of FIG.
  • the polarization unit 15C includes a first PBS 16B having a rhombic cross section for separating the illumination light IL from the incident optical system 14 into a first light beam IL1 and a second light beam IL2 whose polarization directions are orthogonal, and a light beam IL1. , IL2 and the deformable mirror 18, respectively, and a second PBS 22B having a diamond-shaped cross section for synthesizing the reflected light beams IL1 and IL2 coaxially.
  • the other configuration is the same as that of the polarization unit 15.
  • a mirror for bending the optical path is not necessary, and the incident axis and the emission axis of the illumination light IL can be arranged on the same axis, so that manufacture (assembly / adjustment) is easy.
  • a reflective deformable mirror 18 is used in FIG. 1, but as shown by a polarization unit 15D of the fourth modification in FIG. 10A.
  • a transmission type optical system may be used.
  • a transmissive variable polarization element 63 is disposed in place of the mirror 17 and deformable mirror 18 in FIG. 9, and light beams IL1 and IL2 emitted from the first PBS 16B are parallel variable polarization elements. The light is incident on the second PBS 22 ⁇ / b> B through 63 and is synthesized coaxially.
  • the variable polarization element 63 includes a glass plate divided into a large number of minute segments 63a, a heating element 63d provided so that each segment 63a hardly affects the luminous flux, It has a horizontal signal line 63b and a vertical signal line 63c for supplying a current to the heating element 63d of the segment 63a.
  • the refractive index of the specific segment 63a can be changed to give an arbitrary phase distribution to the wavefront of the light beam passing through the variable polarization element 63. Is possible. Accordingly, in FIG.
  • the polarization distribution of the illumination light transmitted through the quarter-wave plate 23 is changed to an arbitrary polarization direction. It can be a distribution.
  • the transmission type variable polarization element 63 is not a method in which the specific segment 63a is heated by the heating element 63d, but a method in which the specific segment 63a is heated by infrared rays irradiated from the outside to change its refractive index. It may be used. Further, instead of the glass plate, a plurality of elements having an electro-optic effect may be used, and an electric field or a magnetic field may be applied to a specific element to change the refractive index of the element (overall refractive index distribution). . Further, the polarization unit 15E of the fifth modification shown in FIG. 11 may be used instead of the polarization unit 15 of FIG. In FIG.
  • a polarization unit 15E includes a mirror 64 having two reflecting surfaces for reflecting the illumination light IL from the incident optical system 14, a first light beam IL1 of P-polarized light from the reflected illumination light IL, and a first S-polarized light beam IL1.
  • PBS 16B that separates the two light beams IL2, a quarter-wave plate 65 that converts the separated light beams IL1 and IL2 into circularly polarized light in the reverse direction, and a variable phase difference distribution between the circularly polarized light beams IL1 and IL2.
  • a deformable mirror 18 for reflecting.
  • the light beams IL1 and IL2 reflected by the deformable mirror 18 become S-polarized light and P-polarized light through the quarter-wave plate 65, respectively, they are synthesized coaxially by the PBS 16B and reflected by the mirror 64.
  • the reflected light beam enters the fly-eye lens 25 via the quarter-wave plate 23 and the relay optical system 24.
  • the polarization unit 15E only one PBS 16B is required, and an arbitrary phase difference distribution can be accurately given between the light beams IL1 and IL2.
  • a Wollaston prism may be used in place of the polarizing beam splitter or the mirror provided with the polarizing beam splitter film.
  • FIG. 12A shows a main part of the illumination device 8A of the exposure apparatus of the present embodiment.
  • the illumination device 8A illuminates the illuminated surface (reticle surface Ra in FIG. 1) with illumination light in an arbitrary polarization state obtained from the light source 10 and linearly polarized illumination light IL supplied from the light source 10.
  • an illumination control unit 36A is included in the illumination device 8A.
  • Other configurations are the same as those of the exposure apparatus EX of FIG.
  • linearly polarized illumination light IL composed of laser light emitted from a light source 10 passes through a beam expander 11 and a half-wave plate 12 and is a first spatial light modulation of a movable multi-mirror system.
  • SLM instrument
  • the first spatial light modulator 70 for example, the one disclosed in US Pat. No. 7,095,546 or US Patent Application Publication No. 2005/0095749 can be used.
  • the modulation control unit 39A controls the inclination angle around the two axes of each mirror element 71 of the spatial light modulator 70 in accordance with the illumination condition instructed from the illumination control unit 36A, whereby the light quantity distribution on the illumination pupil plane IPP.
  • the illumination light IL reflected by the array of mirror elements 71 of the spatial light modulator 70 enters the polarization unit 15F.
  • the polarization unit 15F includes an incident optical system 14 that converts the illumination light IL from the spatial light modulator 70 into parallel light, a first P-polarized light beam from the illumination light IL that has passed through the incident optical system 14, and a second S-polarized light beam.
  • PBS flat polarizing beam splitter
  • SLM phase modulation type second spatial light modulator
  • a quarter-wave plate 23 disposed in the optical path of a light beam obtained by combining the reflected second light beam and the first light beam reflected by the spatial light modulator 73 and transmitted through the PBS 76 along the optical axis
  • the second spatial light modulator 73 has a large number of via the drive unit 77 on the surface of the base member 75 so that the position of the surface in the normal direction is variable.
  • a two-dimensional array of small mirror elements 74 is supported.
  • the PBS film 76 a of the PBS 76 is disposed close to the array of mirror elements 74 of the spatial light modulator 73.
  • the amount of change in the phase of the first light beam reflected by the mirror element 74 is proportional to the displacement ⁇ tf. is doing.
  • the amount of change in the phase is within a range of ⁇ 180 °, for example.
  • the modulation control unit 39 ⁇ / b> B controls the change amount of the phase of the light beam reflected by each mirror element 74 via each drive unit 77.
  • the phase modulation type spatial light modulator 73 for example, the one disclosed in Reference Document 1 or Reference Document 2 described above can be used.
  • the illumination light IL emitted from the polarization unit 15F is incident on the incident surface FP4 of the microlens array 25M via the relay optical system 24 and the mirror 17.
  • a surface light source composed of a number of secondary light sources (light source images) is formed on the exit surface (illumination pupil plane IPP) of the microlens array 25M by wavefront division.
  • the entrance plane FP4 is equivalent to the illumination pupil plane IPP. Due to the relay optical system 24, the average reflecting surface FP2 of the array of mirror elements 74 of the second spatial light modulator 73 is optically substantially conjugate with the incident surface FP4.
  • the incident optical system 14 causes the average reflective surface FP1 of the array of mirror elements 71 of the first spatial light modulator 70 to optically substantially Fourier transform with the reflective surface FP2 of the second spatial light modulator 73.
  • a surface FP3 optically conjugate with the reflecting surface FP1 of the first spatial light modulator 70 is formed between the lens systems 24a and 24b of the relay optical system 24.
  • the illumination optical system ILSA includes the beam expander 11, the half-wave plate 12, the first spatial light modulator 70, the optical system from the polarization unit 15 to the microlens array 25M, and the first relay lens 28 in FIG.
  • the optical system up to the condenser optical system 32 is included.
  • the S-polarized second light beams ILA 2 and ILB 2 of the illumination lights ILA and ILB are obtained from the PBS 76.
  • the light is reflected by the PBS film 76a and travels toward the quarter-wave plate 23.
  • the P-polarized first light beams ILA1 and ILB1 out of the illumination lights ILA and ILB are transmitted through the PBS 76, reflected by the corresponding mirror element 74 of the spatial light modulator 73, and transmitted through the PBS 76 and transmitted through the quarter wavelength plate. Head to 23.
  • any different phase difference can be given between the light beams ILA1, ILA2 and the light beams ILB1, ILB2 whose polarization directions are orthogonal to each other.
  • the light beams ILAS and ILBS obtained by combining the light beams ILA1 and ILA2 and the light beams ILB1 and ILB2 pass through the quarter-wave plate 23, so that the light beams ILAS and ILBS are respectively spatial light modulators, as in the embodiment of FIG.
  • the linearly polarized light is polarized in the direction corresponding to the phase difference given at 73.
  • the reflection surface FP2 of the spatial light modulator 73 is substantially conjugate with the incident surface FP4 equivalent to the illumination pupil plane IPP, the displacement of each mirror element 74 is controlled independently of each other, so that The distribution of the polarization direction of the illumination light IL can be easily controlled to an arbitrary distribution.
  • the polarization unit 15F is disposed on the downstream side of the first spatial light modulator 70.
  • the polarization unit 15F may be arranged on the upstream side of the spatial light modulator 70.
  • the fly-eye lens 25 that is the wavefront division type integrator of FIG. 1 is used as an optical integrator.
  • the optical integrator a rod type integrator as an internal reflection type optical integrator can be used.
  • Step 221 to be performed Step 222 to manufacture a mask (reticle) based on this design step, Step 223 to manufacture a substrate (wafer) which is a base material of the device, Mask exposure by the exposure apparatus EX or the exposure method of the above-described embodiment Process of exposing pattern to substrate, process of developing exposed substrate, substrate processing step 224 including heating (curing) and etching process of developed substrate, device assembly step (dicing process, bonding process, packaging process, etc.) Including the process) 225, as well as the inspection step 226 etc. It is manufactured Te.
  • the device manufacturing method includes the steps of exposing the substrate (wafer W) through the mask pattern using the exposure apparatus EX or the exposure method of the above embodiment, and processing the exposed substrate. (I.e., developing the resist on the substrate and forming a mask layer corresponding to the mask pattern on the surface of the substrate; and processing the surface of the substrate through the mask layer (heating, etching, etc.) ) Processing step).
  • the polarization state of the illumination light can be easily optimized according to the pattern on the mask, so that the electronic device can be manufactured with high accuracy.
  • the present invention can also be applied to an immersion type exposure apparatus disclosed in, for example, US Patent Application Publication No. 2007/242247 or European Patent Application Publication No. 1420298.
  • the present invention can be applied to an illumination optical apparatus that does not use a condenser optical system.
  • the present invention can also be applied to a proximity type exposure apparatus that does not use a projection optical system.
  • the present invention is not limited to the application to the manufacturing process of a semiconductor device.
  • a manufacturing process such as a liquid crystal display element and a plasma display, an imaging element (CMOS type, CCD, etc.), a micromachine, a MEMS ( Microelectromechanical systems), thin film magnetic heads, and various devices (electronic devices) such as DNA chips can be widely applied.
  • EX ... exposure device, ILS ... illumination optical system, R ... reticle, PL ... projection optical system, W ... wafer, 8 ... illumination device, 10 ... light source, 12 ... 1/2 wavelength plate, 13A, 13B ... diffractive optical element ( DOE), 15, 15A to 15E: Polarization unit, 16, 22 ... PBS (polarization beam splitter), 18 ... Deformable mirror, 23 ... 1/4 wavelength plate, 24 ... Relay optical system, 25 ... Fly eye lens, 36 ... Lighting control unit

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Abstract

　光源から供給される照明光で被照射面としてのレチクル面を照明する照明装置であって、照明光から互いに偏光方向が直交する第１光束及び第２光束を分離する第１の偏光ビームスプリッターと、第２光束の光路に配置されて、第１光束及び第２光束の間の位相差分布を変えるために反射面の形状が可変のデフォーマブルミラーと、位相差分布が与えられた第１光束及び第２光束を合成する第２の偏光ビームスプリッターと、を備える。様々な偏光状態の分布を持つ光で被照射面を照明できる。

Description

照明光学装置、光学系ユニット、照明方法、並びに露光方法及び装置
　本発明は、光源から供給される光で被照射面を照明する照明技術、光源から供給される光の偏光状態を変化させる光学技術、その照明技術又は光学技術を用いる露光技術、及びこの露光技術を用いるデバイス製造技術に関する。
　例えば半導体素子等の電子デバイス（マイクロデバイス）を製造するためのリソグラフィー工程で使用されるステッパー又はスキャニングステッパー等の露光装置は、レチクル（マスク）を種々の照明条件で、かつ均一な照度分布で照明するために照明光学装置を備えている。従来の照明光学装置は、照明条件に応じて、照明光学系の瞳面上での光強度分布を円形領域、輪帯状の領域、又は複数極の領域等で強度が大きくなる分布に設定するために、交換可能な複数の回折光学素子(Diffractive Optical Element) 又は傾斜角可変の多数の微小なミラー要素を有する可動マルチミラー方式の空間光変調器(spatial light modulator）を有する強度分布設定光学系を備えていた。
　最近では、より解像度を高めるために、例えば複数の光束をそれぞれ複屈折性結晶で偏光方向が直交する２つの光束（常光線及び異常光線）に分割し、分割された２つの光束を個別に反射して照明光学系の瞳面上の所定の領域に照射することによって、その瞳面上の各部分における光の偏光方向をその直交する偏光方向のいずれかに設定可能とした照明光学装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
国際公開第２００９／０３４１０９号パンフレット
　従来の照明光学装置は、複数の光束をそれぞれ複屈折性結晶に通して一度偏光方向が直交する２つの光束に分割し、分割された２つの光束を個別に反射しているため、個別に設定可能な偏光方向が直交する偏光方向のいずれかに限定されていた。これに関して、例えば輪帯照明時に、輪帯状の光強度分布において偏光方向の分布を実質的に円周方向又は半径方向に設定するような用途では、少なくとも異なる４つの偏光方向の直線偏光を含む様々な偏光状態の分布を生成することが好ましい。しかしながら、従来の照明光学装置では、そのような偏光状態の分布を設定することができなかった。
　本発明は、このような事情に鑑み、様々な偏光状態の分布を持つ光で被照射面を照明できるようにすることを目的とする。
　本発明の第１の態様によれば、光源から供給される光で被照射面を照明する照明光学装置が提供される。この照明光学装置は、その光源から供給される光から互いに偏光状態が異なる第１光束及び第２光束を分離する分離光学系と、その第１光束及びその第２光束の少なくとも一方の光路に配置されて、その第１光束及びその第２光束の間の位相差分布を変える可変光学系と、位相差分布が変えられたその第１光束及びその第２光束を合成する合成光学系と、を備えるものである。
　また、第２の態様によれば、光源から供給される光で被照射面を照明する照明光学装置が提供される。この照明光学装置は、その光源から供給される光から互いに偏光状態が異なる第１光束及び第２光束を分離する分離光学系と、その第１光束及びその第２光束の少なくとも一方の光路に配置されて、その第１光束及びその第２光束の間の位相差分布を変える可変光学系と、位相差分布が変えられたその第１光束及びその第２光束を合成する合成光学系と、その合成光学系によって合成された光束の光路に配置され、その合成された光束の偏光状態を変更する偏光状態可変素子と、を備えるものである。
　また、第３の態様によれば、露光光でパターンを照明し、その露光光でそのパターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光装置において、本発明の態様の照明光学装置を備え、その照明光学装置からの光をその露光光として用いる露光装置が提供される。
　また、第４の態様によれば、光源から供給される光の偏光状態を変化させる光学系ユニットが提供される。この光学系ユニットは、その光源から供給される光から互いに偏光状態が異なる第１光束及び第２光束を分離する分離光学系と、その第１光束及びその第２光束の少なくとも一方の光路に配置されて、その第１光束及びその第２光束の間の位相差分布を変える可変光学系と、位相差分布が変えられたその第１光束及びその第２光束を合成する合成光学系と、その合成光学系によって合成された光束の光路に配置され、その合成された光束の偏光状態を変更する偏光状態可変素子と、を備えるものである。
　また、第５の態様によれば、光源から供給される光で被照射面を照明する照明方法が提供される。この照明方法は、その光源から供給される光から互いに偏光状態が異なる第１光束及び第２光束を分離することと、その第１光束及びその第２光束の間に可変の位相差分布を与えることと、可変の位相差分布が与えられたその第１光束及びその第２光束を合成することと、を含むものである。
　また、第６の態様によれば、光源から供給される光で被照射面を照明する照明方法が提供される。この照明方法は、その光源から供給される光から互いに偏光状態が異なる第１光束及び第２光束を分離することと、その第１光束及びその第２光束の間の位相差分布を変えることと、位相差分布が変えられたその第１光束及びその第２光束を合成することと、その合成光学系によって合成された光束を偏光状態可変素子に通すことと、を含むものである。
　また、第７の態様によれば、露光光でパターンを照明し、その露光光でそのパターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光方法が提供される。この露光方法は、本発明の態様の照明方法を用いて、その被照射面へ向かう光をその露光光として用いるものである。
　また、第８の態様によれば、本発明の態様の露光方法又は露光装置を用いて基板上に感光層のパターンを形成することと、そのパターンが形成されたその基板を処理することと、を含むデバイス製造方法が提供される。
　本発明の第１の態様の照明光学装置又は第５の態様の照明方法によれば、位相差分布が与えられた互いに偏光状態が異なる第１光束及びその第２光束が合成される。その合成後の２光束はその位相差分布に応じて、様々な可変の偏光状態の分布を持つ。従って、その合成後の２光束を用いることで、様々な偏光状態の分布を持つ光で被照射面を照明できる。
　また、本発明の第２の態様の照明光学装置、第４の態様の光学系ユニット、又は第６の態様の照明方法によれば、位相差分布が与えられた互いに偏光状態が異なる２光束が合成されて偏光状態可変素子を通過する。これにより、その位相差分布に応じて例えば種々の偏光方向を持つ可変の偏光分布が得られる。従って、その偏光状態可変素子を通過した光を用いることによって、様々な偏光状態の分布を持つ光で被照射面を照明できる。
実施形態の一例の露光装置の概略構成を示す図である。 （Ａ）は図１中の偏光ユニット１５を含む光学系を示す図、（Ｂ）は入射する照明光の偏光方向を示す図、（Ｃ）及び（Ｄ）はそれぞれ第１光束及び第２光束の偏光状態を示す図である。 （Ａ）は輪帯照明の光強度分布を示す図、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ輪帯照明時の偏光状態の分布の例を示す図である。 （Ａ）は通常照明の光強度分布を示す図、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ通常照明時の偏光状態の分布の例を示す図である。 （Ａ）は４極照明の光強度分布を示す図、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ４極照明時の偏光状態の分布の例を示す図である。 照明方法を含む露光方法の一例を示すフローチャートである。 第１変形例の偏光ユニットを示す図である。 第２変形例の偏光ユニットを示す図である。 第３変形例の偏光ユニットを示す図である。 （Ａ）は第４変形例の偏光ユニットを示す図、（Ｂ）は図１０（Ａ）中の可変偏光素子の一部を示す拡大斜視図である。 第５変形例の偏光ユニットを示す図である。 （Ａ）は実施形態の他の例の照明装置の要部を示す図、（Ｂ）は図１２（Ａ）中の偏光ユニットを示す拡大図である。 電子デバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。
　本発明の実施形態の一例につき図１～図６を参照して説明する。
　図１は本実施形態に係る露光装置ＥＸの概略構成を示す。露光装置ＥＸは、一例としてスキャニングステッパー（スキャナー）よりなる走査露光型の露光装置（投影露光装置）である。図１において、露光装置ＥＸは、露光用の照明光（露光光）ＩＬでレチクルＲ（マスク）のパターン面であるレチクル面Ｒａを照明する照明装置８を備えている。照明装置８は、照明光ＩＬを発生する光源１０と、光源１０からの照明光ＩＬでレチクル面Ｒａを照明する照明光学系ＩＬＳと、照明制御部３６とを備えている。さらに、露光装置ＥＸは、レチクルＲを移動するレチクルステージＲＳＴと、レチクルＲのパターンの像をウエハＷ（基板）の表面に投影する投影光学系ＰＬと、ウエハＷを移動するウエハステージＷＳＴと、装置全体の動作を統括的に制御するコンピュータよりなる主制御系３５と、各種制御系等とを備えている。
　以下、投影光学系ＰＬの光軸に平行にＺ軸を設定し、Ｚ軸に垂直な平面内において図１の紙面に平行な方向にＸ軸を、図１の紙面に垂直な方向にＹ軸を設定して説明する。本実施形態では、露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査方向はＹ軸に平行な方向（Ｙ方向）である。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に平行な軸の回りの回転方向（傾斜方向）をθｘ方向、θｙ方向、及びθｚ方向として説明する。
　光源１０としては、一例として波長１９３ｎｍに狭帯化されて、所定の時間的及び空間的なコヒーレンシィを有する直線偏光のレーザ光をパルス発光するＡｒＦエキシマレーザ光源が使用されている。なお、光源１０として、波長２４８ｎｍのレーザ光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源、又は固体レーザ光源（ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等）から出力されるレーザ光の高調波を発生する高調波発生装置等も使用できる。
　図１において、不図示の電源部によって制御される光源１０から発光されたレーザ光よりなる直線偏光の照明光ＩＬは、ビームエキスパンダ１１を含む伝達光学系、及び偏光方向を調整するための１／２波長板１２を経て、回折光学素子（ＤＯＥ: diffractive optical element)１３Ａに入射する。回折光学素子１３Ａは一例として輪帯照明用であり、回折光学素子１３Ａは、後述のフライアイレンズ２５の入射面２５Ｉに、図３（Ａ）に示すように、輪帯状の領域で強度が大きくなる光強度分布を形成する。なお、図３（Ａ）等において、点線の円周４９は、コヒーレンスファクタ（σ値）が１となる領域である。
　図１において、回折光学素子１３Ａは、ターレット板３３に支持され、ターレット板３３には、他の異なる照明条件（通常照明、４極照明、２極照明等）用の回折光学素子１３Ｂ等も支持されている。主制御系３５の制御のもとで、照明制御部３６が駆動部３３ａを介してターレット板３３を回転して、照明条件に応じた回折光学素子を照明光路に設置することで、照明条件に応じた光強度分布が設定される。
　回折光学素子１３Ａ（又は他の回折光学素子）を通過した照明光ＩＬは、偏光ユニット１５に入射する。偏光ユニット１５は、回折光学素子１３Ａからの照明光ＩＬを平行光に変換する入射光学系１４と、入射光学系１４を通過した照明光ＩＬからＰ偏光の第１光束ＩＬ１とＳ偏光の第２光束ＩＬ２とを分岐するプリズム型の第１の偏光ビームスプリッター（以下、第１ＰＢＳという。）１６とを有する。さらに、偏光ユニット１５は、第１ＰＢＳを透過した第１光束ＩＬ１を反射するミラー１７と、第１ＰＢＳ１６で反射された第２光束ＩＬ２を反射するデフォーマブルミラー１８と、ミラー１７で反射された第１光束ＩＬ１とデフォーマブルミラー１８で反射された第２光束ＩＬ２とを照明光学系ＩＬＳの光軸ＡＸＩに沿って同軸に合成する第２の偏光ビームスプリッター（以下、第２ＰＢＳという。）２２と、その同軸に合成された光束ＩＬ１，ＩＬ２の光路に配置され、合成された光束ＩＬ１，ＩＬ２の偏光状態を可変する１／４波長板２３（偏光状態可変素子）とを有する。
　言い換えると、第２ＰＢＳ２２は、第１光束ＩＬ１が通過する部分光学系（１７）によって折り曲げられた入射光学系１４の光軸を延長した軸と、第２光束ＩＬ２が通過する部分光学系（１８）によって折り曲げられた入射光学系１４の光軸を延長した軸とが交差する位置で第１光束ＩＬ１及び第２光束ＩＬ２を合成するように配置されている。第２ＰＢＳの偏光分離・合成面が上記交差する位置に配置されても良い。ここで、第１光束ＩＬ１が通過する光路において第１ＰＢＳと第２ＰＢＳとの間に配置される光学系を第１部分光学系と称することができ、第２光束ＩＬ２が通過する光路において第１ＰＢＳと第２ＰＢＳとの間に配置される光学系を第２部分光学系と称することができる。
　デフォーマブルミラー１８は、第２光束ＩＬを反射するミラー１９と、ミラー１９を保持するホルダー２０と、ミラー１９の裏面にマトリクス状に配置された多数の伸縮可能な駆動素子２１（例えばピエゾ素子）とを有する。照明制御部３６が多数の駆動素子２１の伸縮量を制御することによって、ミラー１９の反射面の形状を照明光ＩＬの波長レベルの範囲内で変形させることができる。偏光ユニット１５の１／４波長板２３から射出される照明光ＩＬは、偏光方向の分布が様々に制御可能である（詳細後述）。
　偏光ユニット１５から射出された照明光ＩＬは、第１レンズ系２４ａ及び第２レンズ系２４ｂよりなるリレー光学系２４を介してフライアイレンズ２５の入射面２５Ｉに入射する。リレー光学系２４によって、デフォーマブルミラー１８のミラー１９の反射面は入射面２５Ｉと光学的に共役である。フライアイレンズ２５は、多数のレンズエレメントをＺ方向及びＹ方向にほぼ密着するように配置したものであり、フライアイレンズ２５の射出面が照明光学系ＩＬＳの瞳面（以下、照明瞳面という）ＩＰＰ（射出瞳と共役な面）となる。フライアイレンズ２５の射出面（照明瞳面ＩＰＰ）には、波面分割によって多数の二次光源（光源像）よりなる面光源が形成される。
　フライアイレンズ２５は、多数の光学系を並列に配置したものであるため、入射面２５Ｉの光強度分布がそのまま射出面である照明瞳面ＩＰＰに伝達される。言い換えると、入射面２５Ｉは照明瞳面ＩＰＰと等価な面であり、入射面２５Ｉに形成される照明光ＩＬの任意の光強度分布及び任意の偏光分布がそのまま照明瞳面ＩＰＰにおける光強度分布及び偏光分布となる。また、入射面２５Ｉは、レチクル面と光学的にほぼ共役でもある。なお、フライアイレンズ２５の代わりにマイクロレンズアレイを使用してもよい。
　また、照明瞳面ＩＰＰに形成された面光源からの照明光ＩＬは、第１リレーレンズ２８、レチクルブラインド（視野絞り）２９、第２リレーレンズ３０、光路折り曲げ用のミラー３１、及びコンデンサー光学系３２を介して、レチクル面Ｒａの照明領域を均一な照度分布で照明する。ビームエキスパンダ１１、１／２波長板１２、回折光学素子１３Ａ等、偏光ユニット１５、及びリレー光学系２４からコンデンサー光学系３２までの光学系を含んで照明光学系ＩＬＳが構成されている。照明光学系ＩＬＳの各光学部材は、不図示のフレームに支持されている。
　照明光学系ＩＬＳからの照明光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領域内のパターンは、両側（又はウエハ側に片側）テレセントリックの投影光学系ＰＬを介して、ウエハＷの一つのショット領域の露光領域に所定の投影倍率（例えば１／４、１／５等）で投影される。照明瞳面ＩＰＰは、投影光学系ＰＬの瞳面（射出瞳と共役な面）と共役である。ウエハＷは、リシコン等の基材の表面にフォトレジスト（感光材料）を所定の厚さで塗布したものを含む。
　また、レチクルＲはレチクルステージＲＳＴの上面に吸着保持され、レチクルステージＲＳＴは、不図示のレチクルベースの上面（ＸＹ平面に平行な面）に、Ｙ方向に一定速度で移動可能に、かつ少なくともＸ方向、Ｙ方向、及びθｚ方向に移動可能に載置されている。レチクルステージＲＳＴの２次元的な位置は不図示のレーザ干渉計によって計測され、この計測情報に基づいて主制御系３５が、リニアモータ等を含む駆動系３７を介してレチクルステージＲＳＴの位置及び速度を制御する。
　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ＷＳＴの上面に吸着保持され、ウエハステージＷＳＴは、不図示のウエハベースの上面（ＸＹ平面に平行な面）でＸ方向、Ｙ方向に移動可能であるとともに、Ｙ方向に一定速度で移動可能である。ウエハステージＷＳＴの２次元的な位置は不図示のレーザ干渉計によって計測され、この計測情報に基づいて主制御系３５が、リニアモータ等を含む駆動系３８を介してウエハステージＷＳＴの位置及び速度を制御する。なお、レチクルＲ及びウエハＷのアライメントを行うためのアライメント系（不図示）も備えられている。
　次に、図１中の偏光ユニット１５について図２（Ａ）を参照して説明する。図２（Ａ）において、１／２波長板１２及び回折光学素子１３Ａを経た照明光ＩＬが、入射光学系１４を介して第１ＰＢＳ１６に入射する。その照明光ＩＬから、第１ＰＢＳ１６によって偏光方向がＸ方向のＰ偏光の第１光束ＩＬ１と、偏光方向がＹ方向のＳ偏光の第２光束ＩＬ２とが分岐される。この際に、互いに偏光方向が直交する直線偏光の第１光束ＩＬ１及び第２光束ＩＬ２の強度比は、１／２波長板１２を光軸の回りに微小回転して、第１ＰＢＳ１６に入射する照明光ＩＬの偏光方向４０Ａ（図２（Ｂ）参照）を微調整することによって調整可能である。本実施形態では、第１光束ＩＬ１と第２光束ＩＬ２との強度比が１：１になるように１／２波長板１２を調整することが好ましい。
　また、偏光ビームスプリッターは、通常Ｐ偏光とＳ偏光とを分離できる角度範囲が広くないため、第１ＰＢＳ１６に入射する照明光ＩＬは入射光学系１４によって平行光に変換されている。入射光学系１４は、同時に入射面２５Ｉに形成される光強度分布をデフォーマブルミラー１８のミラー１９の反射面に形成する働きをも有する。ミラー１９の反射面はリレー光学系２４によってフライアイレンズ２５の入射面２５Ｉと共役でもある。第１光束ＩＬ１はミラー１７で反射されて第２ＰＢＳ２２に向かい、第２光束ＩＬ２はデフォーマブルミラー１８のミラー１９で反射されて第２ＰＢＳ２２に向かう。
　直線偏光の第１光束ＩＬ１及び第２光束ＩＬ２は、第２ＰＢＳ２２にてＸ軸に平行な光軸ＡＸＩに沿って同軸に合成され、照明光ＩＬとして１／４波長板２３に入射する。この場合、１／４波長板２３に入射する第１光束ＩＬ１の偏光方向４０Ｂは、図２（Ｃ）に示すようにＺ方向であり、１／４波長板２３に入射する第２光束ＩＬ２の偏光方向４０Ｃは、図２（Ｄ）に示すようにＹ方向である。また、１／４波長板２３の進相軸（光学軸）４８の方向は、Ｙ軸に４５°で交差する方向、即ち偏光方向４０Ｂ，４０Ｃに４５°で交差する方向に設定されている。この結果、１／４波長板２３を通過する第１光束ＩＬ１は例えば偏光方向４１Ｂで示す右円偏光になり、１／４波長板２３を通過する第２光束ＩＬ１は例えば偏光方向４１Ｃで示す左円偏光になる。
　さらに、１／４波長板２３に入射する第２光束ＩＬ２には、デフォーマブルミラー１８において第１光束ＩＬ１との間に位相差分布が付与されている。このように、１／４波長板２３を通過する第１光束ＩＬ１及び第２光束ＩＬ２は、互いに逆方向の円偏光であり、かつ半径方向及び円周方向の各位置で位相差があるため、各位置を通過する照明光ＩＬは、その位相差に応じて様々な方向を向く直線偏光となる。言い換えると、１／４波長板２３を通過し、合成された第１光束ＩＬ１及び第２光束ＩＬ２の光束断面における偏光状態は、互いに異なる方向を向く直線偏光を有する。従って、フライアイレンズ２５の入射面２５Ｉに入射する照明光ＩＬの偏光状態は、その位相差分布に応じて様々な偏光方向を向く直線偏光の光の集合となる。
　このように様々な偏光方向を向く直線偏光の光が生成される過程につきジョーンズベクトルを用いて説明する。ジョーンズベクトルとは、対象とする光の直交する２方向の偏光成分よりなるベクトルである。先ず、図２（Ｂ）に示す入射する照明光ＩＬの偏光方向４０ＡがＹ軸に４５°で傾斜しているものとして、偏光方向４０Ａに平行な軸をｘ軸、ＸＹ平面内でｘ軸に直交する軸をｙ軸とする。このとき、入射する照明光ＩＬのｘ軸及びｙ軸の偏光成分よりなるジョーンズベクトルは、以下の式（１）の左辺のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　この場合、第１ＰＢＳ１６によって分岐された第１光束ＩＬ１及び第２光束ＩＬ２のジョーンズベクトルは、それぞれ式（１）の右辺の第１及び第２のベクトルとなる。そして、第２光束ＩＬ２にデフォーマブルミラー１８によって位相差δを付与すると、その第２光束ＩＬ２のジョーンズベクトルは式（２）の右辺のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　そして、第２ＰＢＳ２２によって第１光束ＩＬ１及び第２光束ＩＬ２を合成すると、合成された照明光ＩＬのジョーンズベクトルは以下のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　また、１／４波長板２３の作用はジョーンズマトリクスで下記のように表記される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　上述の合成後の照明光ＩＬを１／４波長板２３に通すと、下記のジョーンズベクトルが得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　即ち、最終的に得られる照明光ＩＬは直線偏光であり、デフォーマブルミラー１８で付与した位相差δに応じて直線偏光の偏光方向が回転することが分かる。その偏光方向が任意の方向に設定可能であるためには、その偏光方向の角度（δ／２）が±９０°（０～１８０°）の範囲内であればよい。このためには、図２（Ａ）のミラー１９に対する第２光束ＩＬ２の平均的な入射角を４５°とすると、ミラー１９の反射面の各点における法線方向の変位δｔは、照明光ＩＬの波長λを用いて次の範囲内（位相に換算して±１８０°）であればよい。
　－λ／２≦２1/2・δｔ＜λ／２　…（６）
　なお、図２（Ａ）において、ミラー１９の反射面を点線の面Ａ１で示すように変形させると、反射光の位相が変化するとともに、変形量の微分値（局所的な傾斜の変化量）に応じて反射方向も変化する。しかしながら、本実施形態では、ミラー１９の反射面とフライアイレンズ２５の入射面２５Ｉとを共役に配置しているため、入射面２５Ｉで照明光ＩＬが到達する位置が変化せず、容易に所望の偏光分布を得ることができる。
　具体的に、入射面２５Ｉにおける照明光ＩＬの強度分布が、図３（Ａ）に示すように、輪帯状の領域で強度が大きくなる分布であるとする。このとき、第１光束ＩＬ１及び第２光束ＩＬ２の入射面２５Ｉでの強度分布もそれぞれ図２（Ｃ）の輪帯状の領域４２Ａ及び図２（Ｄ）の輪帯状の領域４３Ａで強度が大きくなる分布となる。そして、デフォーマブルミラー１８によって、光束ＩＬ１，ＩＬ２間の位相差を領域４３Ａ内で円周方向φに次第に変化するように設定する。これによって、一例として、入射面２５Ｉにおける照明光ＩＬの偏光状態を、図３（Ｂ）に示すように、輪帯状の領域内で光軸ＡＸＩに対して半径方向４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，…に偏光した直線偏光の集合となるように設定できる。また、別の例として、入射面２５Ｉにおける照明光ＩＬの偏光状態を、図３（Ｃ）に示すように、輪帯状の領域内で光軸ＡＸＩに対して円周方向４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，…に偏光した直線偏光の集合となるように設定できる。この他にも輪帯状の領域内での偏光状態を任意の偏光方向の分布に設定可能である。
　また、図１で照明光路に回折光学素子１３Ｂが設置される場合には、フライアイレンズ２５の入射面２５Ｉにおける光強度分布は、図４（Ａ）に示すように円形領域で強度が大きくなる分布となる。この場合、デフォーマブルミラー１８で光束ＩＬ１，ＩＬ２間の位相差の分布を制御することによって、入射面２５Ｉにおける照明光ＩＬの偏光状態を、図４（Ｂ）に示すＺ軸に平行な方向４６Ａへの直線偏光、図４（Ｃ）に示すＹ軸に平行な方向４６Ｂへの直線偏光、又は他の任意の偏光方向の分布に設定できる。なお、図４（Ｂ）又は図４（Ｃ）に示すように、全面の偏光方向をＺ方向又はＹ方向に設定する場合には、図２（Ａ）で１／２波長板１２を回転して、偏光ユニット１５に入射する照明光ＩＬの偏光方向をＸ方向又はＹ方向に設定してもよい。さらに、デフォーマブルミラー１８でランダムな位相差分布を付与することで、実質的に非偏光状態を設定することも可能である。
　また、照明条件として４極照明が選択されると、フライアイレンズ２５の入射面２５Ｉにおける光強度分布は、図５（Ａ）に示すように４箇所の領域４７Ａ～４７Ｄ（又はこれらを９０°回転した領域）で強度が大きくなる分布となる。この場合にも、デフォーマブルミラー１８で光束ＩＬ１，ＩＬ２間の位相差の分布を制御することによって、入射面２５Ｉにおける照明光ＩＬの偏光状態を、図５（Ｂ）に示す円周方向４６Ｃの直線偏光、図５（Ｃ）に示す半径方向４６Ｄの直線偏光、又は他の任意の偏光方向の分布に設定できる。
　次に、本実施形態の露光装置ＥＸによる照明方法を含む露光方法の一例につき、図６のフローチャートを参照して説明する。この動作は主制御系３５によって制御される。
　まず、図６のステップ１０２において、レチクルＲが図１のレチクルステージＲＳＴにロードされる。次のステップ１０４において、主制御系３５は、露光対象のレチクルＲのパターンに応じて、例えば露光データファイルから照明瞳面ＩＰＰにおける光強度分布の目標分布及び偏光状態の目標分布の情報（照明条件）を読み出す。そして、照明制御部３６を介して照明光路に回折光学素子１３Ａ，１３Ｂ等のいずれかの回折光学素子を設置することによって、入射面２５Ｉ、ひいては照明瞳面ＩＰＰにおける光強度分布（光量分布）を設定する。次のステップ１０６において、その偏光状態の目標分布に応じて、照明制御部３６を介してデフォーマブルミラー１８のミラー１９の反射面の形状を制御して、光束ＩＬ１，ＩＬ２間の位相差分布を設定する。これによって、入射面２５Ｉ、ひいては照明瞳面ＩＰＰの各位置における偏光方向の分布が設定される。
　次のステップ１０８で、ウエハステージＷＳＴにフォトレジストが塗布されたウエハＷがロードされる。次に、光源１０からの照明光ＩＬの発光が開始され（ステップ１１０）、その後、照明光ＩＬが１／２波長板１２を介して偏光ユニット１５の第１ＰＢＳ１６に照射される（ステップ１１４）。次に、照明光ＩＬから第１ＰＢＳ１６によって第１光束ＩＬ１及び第２光束ＩＬ２が分岐（分離）される（ステップ１１６）。そして、デフォーマブルミラー１８によって第２光束ＩＬ２の位相分布を制御することで、光束ＩＬ１，ＩＬ２間の位相差分布が制御される（ステップ１１８）。その後、光束ＩＬ１及びＩＬ２が第２ＰＢＳ２２によって同軸に合成され（ステップ１２０）、合成された照明光ＩＬが１／４波長板２３を通過することによって照明光ＩＬの偏光方向の分布が目標とする分布に設定される（ステップ１２２）。なお、図１のレチクルブラインド２９中の可変ブラインドの開閉によって、照明光ＩＬのウエハＷに対する照射は制御されている。
　次のステップ１２４において、照明光ＩＬのもとで、レチクルＲのパターンの一部の投影光学系ＰＬによる像でウエハＷの一つのショット領域の一部を露光しつつ、レチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを介してレチクルＲ及びウエハＷをＹ方向に投影倍率を速度比として同期して移動することで、ウエハＷの当該ショット領域が走査露光される。次のステップ１２６で未露光のショット領域が残っている場合には、ステップ１２８でウエハステージＷＳＴを介してウエハＷが走査開始位置にステップ移動し、次のステップ１２４で次のショット領域への走査露光が行われる。このようにしてステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷの各ショット領域に対する露光が行われる。
　ステップ１２６で未露光のショット領域がなくなったときに、ステップ１３０で照明光ＩＬの発光が停止され、ステップ１３２で次のウエハへの露光が行われる。このようにして、本実施形態によれば、目標とする任意の光強度分布で、かつ目標とする任意の偏光分布で、ウエハＷの全部のショット領域にレチクルＲのパターンの像を高い解像度で露光することができる。
　上述のように本実施形態の照明装置８は照明光学系ＩＬＳを備え、照明装置８は照明光ＩＬでレチクル面Ｒａを照明する。また、照明光学系ＩＬＳは偏光ユニット１５を有する。そして、偏光ユニット１５は、光源１０から供給される照明光ＩＬの偏光状態を変化させる光学系であって、照明光ＩＬから互いに偏光方向が直交する第１光束ＩＬ１及び第２光束ＩＬ２を分離する第１ＰＢＳ１６と（ステップ１１６）、第２光束ＩＬ２の光路に配置されて、光束ＩＬ１，ＩＬ２間に可変の位相差分布を与えるデフォーマブルミラー１８と（ステップ１１８）、可変の位相差分布が与えられた光束ＩＬ１，ＩＬ２を同軸に合成する第２ＰＢＳ２２と（ステップ１２０）、を備えている。さらに、偏光ユニット１５は、その光束ＩＬ１，ＩＬ２を合成して得られた照明光ＩＬの光路に配置される１／４波長板２３を備えている。第２ＰＢＳ２２によって合成された光束ＩＬ１，ＩＬ２（照明光ＩＬ）を１／４波長板２３に通すことで、可変の位相差分布が付与された逆方向の２つの円偏光の光からその位相差分布に応じた偏光方向を持つ直線偏光の分布が生成される（ステップ１２２）。
　本実施形態によれば可変の位相差分布が与えられた互いに偏光方向が直交する光束ＩＬ１，ＩＬ２が同軸に合成される。その２つの光束ＩＬ１，ＩＬ２を合成して得られる光束を、１／４波長板２３に通すことによって、可変の位相差分布が付与された逆方向の２つの円偏光の光が得られる。この２つの円偏光の光を合成した照明光ＩＬの偏光状態は、その可変の位相差分布に応じた様々な偏光方向を持つ直線偏光の分布となる。従って、様々な偏光方向の分布を持つ光でレチクル面Ｒａを照明できる。
　なお、第２ＰＢＳ２２は、光束ＩＬ１，ＩＬ２を必ずしも同軸に合成する必要はない。また、仮に第１ＰＢＳ１６の代わりに、入射光から２つの逆回転する円偏光を分離する光学系を使用する場合には、１／４波長板２３を用いる必要はない。
　また、１／４波長板２３の代わりに、１／２や１／８等の波長板、偏光子、施光子などの偏光状態を可変する素子を用いたり、これらの素子を組み合わせて偏光状態を可変してもよい。
　また、本実施形態の露光装置ＥＸは、露光用の照明光ＩＬでレチクルＲのパターンを照明し、照明光ＩＬでそのパターン及び投影光学系ＰＬを介してウエハＷを露光する露光装置において、照明装置８を備え、照明装置８からの照明光を照明光ＩＬとして使用している。この露光装置ＥＸによれば、レチクルＲのパターンに応じて最適な偏光方向の分布を持つ照明光ＩＬでそのパターンを照明できるため、種々のパターンの像をそれぞれ高い解像度でウエハＷに露光できる。
　なお、本実施形態では、以下のような変形が可能である。
　先ず、デフォーマブルミラー１８の代わりに、それぞれ反射面の法線方向の位置が可変の多数の微小なミラー要素を有する可動マルチミラー方式の空間光変調器(ＳＬＭ:spatial light modulator）を使用してもよい。このような位相変調型の空間光変調器としては、例えば参考文献１「Yijian Chen et al., “Design and fabrication of tilting and piston micromirrors for maskless lithography,”Proc. of SPIE (米国) Vol. 5751, pp.1023-1037 (2005)」又は参考文献２「D. Lopez et al., “Two-dimensional MEMS array for maskless lithography and wavefront modulation,”Proc. of SPIE (米国) Vol. 6589, 65890S (2007)」に開示されているものを使用可能である。
　また、照明光学系ＩＬＳ中の偏光ユニット１５の配置は、図１の配置に限定されることはなく、任意の偏光分布が必要な任意の位置に配置することが可能である。例えば、偏光ユニット１５を図１の回折光学素子１３Ａ（又は他の回折光学素子）の前（上流）に配置してもよい。これによって、回折光学素子１３Ａ等に入射する光の偏光方向を位置によって異ならすことができ、それぞれの偏光方向の光束を入射面２５Ｉ（ひいては照明瞳面ＩＰＰ）の任意の位置に回折することで、任意の偏光分布を持つ照明光学系ＩＬＳの射出瞳を形成できる。
　また、図１の偏光ユニット１５の代わりに図７に示す第１変形例の偏光ユニット１５Ａを使用してもよい。なお、以下で参照する図７等において、図１に対応する部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。図７において、偏光ユニット１５Ａは、図１のプリズム型の第１ＰＢＳ１６及び第２ＰＢＳ２２の代わりに、それぞれ偏光ビームスプリッター膜が塗布された平行平面板よりなる偏光ビームスプリッター（以下、ＰＢＳという。）１６Ａ及び２２Ａを使用したものであり、これ以外の構成は偏光ユニット１５と同じである。平行平面板よりなるＰＢＳ１６Ａ，２２Ａは安価で耐久性も高いため、偏光ユニット１５Ａは低コストでメンテナンス間隔を広くできる。
　また、図７の偏光ユニット１５Ａの代わりに図８に示す第２変形例の偏光ユニット１５Ｂを使用してもよい。図８において、偏光ユニット１５Ｂは、図７のＰＢＳ１６Ａを通常のハーフミラー６１と１／２波長板６２とで置き換えたものである。偏光ユニット１５Ｂにおいて、入射光学系１４からのＰ偏光の照明光ＩＬはハーフミラー６１で第１光束ＩＬ１と第２光束ＩＬ２とに分割され、第１光束ＩＬ１はミラー１７で反射されてＰ偏光としてＰＢＳ２２Ａに入射する。一方、第２光束ＩＬ２は、１／２波長板６２でＳ偏光に変換された後、デフォーマブルミラー１８で反射されてＰＢＳ２２Ａに入射して、第１光束ＩＬ１と同軸に合成される。この構成では、ＰＢＳが１つでよいため、さらに低コストである。
　また、図１の偏光ユニット１５の代わりに図９に示す第３変形例の偏光ユニット１５Ｃを使用してもよい。図９において、偏光ユニット１５Ｃは、入射光学系１４からの照明光ＩＬを偏光方向が直交する第１光束ＩＬ１及び第２光束ＩＬ２に分離する断面形状が菱形状の第１のＰＢＳ１６Ｂと、光束ＩＬ１，ＩＬ２をそれぞれ反射するミラー１７及びデフォーマブルミラー１８と、反射された光束ＩＬ１，ＩＬ２を同軸に合成する断面形状が菱形状の第２のＰＢＳ２２Ｂとを有する。これ以外の構成は偏光ユニット１５と同じである。この偏光ユニット１５Ｃによれば、光路折り曲げ用のミラーが不要となり、照明光ＩＬの入射軸と射出軸とを同一軸上に配置できるため、製造（組立・調整）が容易である。
　また、任意の位相差分布を付与するための光学系として、図１では反射型のデフォーマブルミラー１８が使用されているが、図１０（Ａ）の第４変形例の偏光ユニット１５Ｄで示すように、透過型の光学系を使用してもよい。図１０（Ａ）においては、図９のミラー１７及びデフォーマブルミラー１８の代わりに透過型の可変偏光素子６３が配置され、第１のＰＢＳ１６Ｂから射出される光束ＩＬ１，ＩＬ２は平行に可変偏光素子６３を介して第２のＰＢＳ２２Ｂに入射して、同軸に合成されている。
　可変偏光素子６３は、図１０（Ｂ）に示すように、多数の微小なセグメント６３ａに分かれたガラス板と、各セグメント６３ａに光束にほとんど影響しないように設けられた発熱素子６３ｄと、任意のセグメント６３ａの発熱素子６３ｄに電流を供給するための横方向の信号ライン６３ｂ及び縦方向の信号ライン６３ｃとを有する。この場合、特定のセグメント６３ａのみを発熱素子６３ｄで加熱することで、その特定のセグメント６３ａの屈折率を変化させて、可変偏光素子６３を透過する光束の波面に任意の位相分布を与えることが可能である。従って、図１０（Ａ）において、可変偏光素子６３によって光束ＩＬ１，ＩＬ２間に可変の位相差分布を与えることによって、１／４波長板２３を透過した照明光の偏光分布を任意の偏光方向の分布とすることができる。
　なお、透過型の可変偏光素子６３としては、特定のセグメント６３ａを発熱素子６３ｄで加熱する方式ではなく、外部から照射する赤外線で特定のセグメント６３ａを加熱して、その屈折率を変化させる方式を用いてもよい。
　さらに、ガラス板の代わりに、電気光学効果を有する複数の素子を使用して、特定の素子に電界又は磁界を印加してその素子の屈折率（全体の屈折率分布）を変化させてもよい。
　また、図１の偏光ユニット１５の代わりに図１１に示す第５変形例の偏光ユニット１５Ｅを使用してもよい。図１１において、偏光ユニット１５Ｅは、入射光学系１４からの照明光ＩＬを反射する２つの反射面を持つミラー６４と、反射された照明光ＩＬからＰ偏光の第１光束ＩＬ１とＳ偏光の第２光束ＩＬ２とを分離するＰＢＳ１６Ｂと、分離された光束ＩＬ１，ＩＬ２を逆方向の円偏光に変換する１／４波長板６５と、円偏光の光束ＩＬ１，ＩＬ２間に可変の位相差分布を付与して反射するデフォーマブルミラー１８とを有する。この場合、デフォーマブルミラー１８で反射された光束ＩＬ１，ＩＬ２は、１／４波長板６５を介してそれぞれＳ偏光及びＰ偏光となるため、ＰＢＳ１６Ｂで同軸に合成されてミラー６４で反射される。反射された光束は１／４波長板２３及びリレー光学系２４を介してフライアイレンズ２５に入射する。この偏光ユニット１５Ｅによれば、ＰＢＳ１６Ｂが一つでよく、さらに光束ＩＬ１，ＩＬ２間に正確に任意の位相差分布を付与できる。
　なお、上記の実施形態及びその変形例（以下、同様）において、偏光ビームスプリッター又は偏光ビームスプリッター膜が設けられたミラーの代わりにウォラストンプリズムを使用してもよい。
　次に、実施形態の他の例につき図１２（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。図１２（Ａ）において、図１に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
　図１２（Ａ）は、本実施形態の露光装置の照明装置８Ａの要部を示す。照明装置８Ａは、光源１０と、光源１０から供給される直線偏光の照明光ＩＬから得られる任意の偏光状態の照明光で被照射面（図１のレチクル面Ｒａ）を照明する照明光学系ＩＬＳＡと、照明制御部３６Ａとを備えている。その他の構成は図１の露光装置ＥＸと同様である。
　図１２（Ａ）において、光源１０から発光されたレーザ光よりなる直線偏光の照明光ＩＬは、ビームエキスパンダ１１及び１／２波長板１２を経て、可動マルチミラー方式の第１の空間光変調器（ＳＬＭ）７０のベース部材７２の上面に配置された多数の直交する２軸の回りの傾斜角が可変の微小なミラー要素７１のアレイに入射する。第１の空間光変調器７０としては、例えば米国特許第７，０９５，５４６号明細書、又は米国特許出願公開第２００５／００９５７４９号明細書等に開示されるものを用いることができる。照明制御部３６Ａから指示される照明条件に応じて、変調制御部３９Ａが空間光変調器７０の各ミラー要素７１の２軸の回りの傾斜角を制御することによって、照明瞳面ＩＰＰにおける光量分布を大きさが可変の円形領域、輪帯領域、又は複数極（２極若しくは４極等）の領域等の任意の分布に設定できる。
　空間光変調器７０のミラー要素７１のアレイで反射された照明光ＩＬは、偏光ユニット１５Ｆに入射する。偏光ユニット１５Ｆは、空間光変調器７０からの照明光ＩＬを平行光に変換する入射光学系１４と、入射光学系１４を通過した照明光ＩＬからＰ偏光の第１光束とＳ偏光の第２光束とを分岐する平板状の偏光ビームスプリッター（以下、ＰＢＳという。）７６と、ＰＢＳ７６を透過した第１光束を反射する位相変調型の第２の空間光変調器（ＳＬＭ）７３と、ＰＢＳ７６で反射された第２光束と空間光変調器７３で反射されＰＢＳ７６を透過した第１光束とを光軸ＡＸＩに沿って合成した光束の光路に配置された１／４波長板２３とを有する。
　図１２（Ｂ）に示すように、第２の空間光変調器７３は、ベース部材７５の表面に、それぞれその表面の法線方向の位置が可変となるように駆動部７７を介して多数の微小なミラー要素７４の２次元のアレイを支持して構成されている。また、ＰＢＳ７６のＰＢＳ膜７６ａは、空間光変調器７３のミラー要素７４のアレイに近接して配置されている。この場合、その法線方向における所定の基準面からの各ミラー要素７４の反射面の変位をδｔｆとすると、そのミラー要素７４で反射される第１光束の位相の変化量は、変位δｔｆに比例している。その位相の変化量は例えば±１８０°の範囲内である。照明制御部３６Ａからの制御のもとで、変調制御部３９Ｂが各駆動部７７を介して各ミラー要素７４で反射される光束の位相の変化量を制御する。なお、位相変調型の空間光変調器７３としては、例えば上述の参考文献１又は参考文献２に開示されているものを使用可能である。
　偏光ユニット１５Ｆから射出された照明光ＩＬは、リレー光学系２４及びミラー１７を介してマイクロレンズアレイ２５Ｍの入射面ＦＰ４に入射する。マイクロレンズアレイ２５Ｍの射出面（照明瞳面ＩＰＰ）には、波面分割によって多数の二次光源（光源像）よりなる面光源が形成される。入射面ＦＰ４は、照明瞳面ＩＰＰと等価である。リレー光学系２４によって、第２の空間光変調器７３のミラー要素７４のアレイの平均的な反射面ＦＰ２は、入射面ＦＰ４と光学的にほぼ共役である。また、入射光学系１４によって、第１の空間光変調器７０のミラー要素７１のアレイの平均的な反射面ＦＰ１は、第２の空間光変調器７３の反射面ＦＰ２と光学的にほぼフーリエ変換の関係にある。さらに、リレー光学系２４のレンズ系２４ａ，２４ｂの間に、第１の空間光変調器７０の反射面ＦＰ１と光学的にほぼ共役な面ＦＰ３が形成されている。照明光学系ＩＬＳＡは、ビームエキスパンダ１１、１／２波長板１２、第１の空間光変調器７０、偏光ユニット１５からマイクロレンズアレイ２５Ｍまでの光学系、及び図１の第１リレーレンズ２８からコンデンサー光学系３２までの光学系を含んで構成されている。
　本実施形態において、図１２（Ｂ）に示すように、ＰＢＳ７６に入射する２つの照明光ＩＬＡ，ＩＬＢを考えると、照明光ＩＬＡ，ＩＬＢのうちのＳ偏光の第２光束ＩＬＡ２，ＩＬＢ２はＰＢＳ７６のＰＢＳ膜７６ａで反射されて１／４波長板２３に向かう。一方、照明光ＩＬＡ，ＩＬＢのうちのＰ偏光の第１光束ＩＬＡ１，ＩＬＢ１はＰＢＳ７６を透過し、空間光変調器７３の対応するミラー要素７４で反射され、ＰＢＳ７６を透過して１／４波長板２３に向かう。この場合、ミラー要素７４の変位δｔｆに応じて、互いに偏光方向が直交する光束ＩＬＡ１，ＩＬＡ２間及び光束ＩＬＢ１，ＩＬＢ２間には互いに異なる任意の位相差が付与できる。従って、光束ＩＬＡ１，ＩＬＡ２及び光束ＩＬＢ１，ＩＬＢ２を合成した光束ＩＬＡＳ，ＩＬＢＳが１／４波長板２３を通過することによって、図１の実施形態と同様に、光束ＩＬＡＳ，ＩＬＢＳはそれぞれ空間光変調器７３で付与された位相差に応じた方向に偏光する直線偏光となる。また、空間光変調器７３の反射面ＦＰ２は、照明瞳面ＩＰＰと等価な入射面ＦＰ４とほぼ共役であるため、各ミラー要素７４の変位を互いに独立に制御することによって、照明瞳面ＩＰＰにおける照明光ＩＬの偏光方向の分布を任意の分布に容易に制御できる。
　また、上記の実施形態では、偏光ユニット１５Ｆは、第１の空間光変調器７０の下流側に配置されている。しかしながら、偏光ユニット１５Ｆは、空間光変調器７０の上流側に配置してもよい。
　また、上記の実施形態ではオプティカルインテグレータとして図１の波面分割型のインテグレータであるフライアイレンズ２５等が使用されている。しかしながら、オプティカルインテグレータとしては、内面反射型のオプティカルインテグレータとしてのロッド型インテグレータを用いることもできる。
　また、上記の実施形態の露光装置ＥＸ又は露光方法を用いて半導体デバイス等の電子デバイス（マイクロデバイス）を製造する場合、この電子デバイスは、図１３に示すように、デバイスの機能・性能設計を行うステップ２２１、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を製作するステップ２２２、デバイスの基材である基板（ウエハ）を製造するステップ２２３、前述した実施形態の露光装置ＥＸ又は露光方法によりマスクのパターンを基板に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程などを含む基板処理ステップ２２４、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む）２２５、並びに検査ステップ２２６等を経て製造される。
　言い換えると、上記のデバイスの製造方法は、上記の実施形態の露光装置ＥＸ又は露光方法を用いて、マスクのパターンを介して基板（ウエハＷ）を露光する工程と、その露光された基板を処理する工程（即ち、基板のレジストを現像し、そのマスクのパターンに対応するマスク層をその基板の表面に形成する現像工程、及びそのマスク層を介してその基板の表面を加工（加熱及びエッチング等）する加工工程）と、を含んでいる。
　このデバイス製造方法によれば、マスクにパターンに応じて照明光（露光光）の偏光状態を容易に最適化できるため、電子デバイスを高精度に製造できる。
　なお、本発明は、例えば米国特許出願公開第２００７／２４２２４７号明細書、又は欧州特許出願公開第１４２０２９８号明細書等に開示されている液浸型露光装置にも適用できる。さらに、本発明は、コンデンサー光学系を使用しない照明光学装置にも適用可能である。さらに、本発明は、投影光学系を用いないプロキシミティ方式等の露光装置にも適用することができる。
　また、本発明は、半導体デバイスの製造プロセスへの適用に限定されることなく、例えば、液晶表示素子、プラズマディスプレイ等の製造プロセスや、撮像素子（ＣＭＯＳ型、ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems：微小電気機械システム)、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイス（電子デバイス）の製造プロセスにも広く適用できる。
　このように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。
　また、本願に記載した上記公報、各国際公開パンフレット、米国特許、又は米国特許出願公開明細書における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。また、明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約を含む２０１１年９月１６日付け提出の米国仮特許出願第６１／５３５，６５４号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。
　ＥＸ…露光装置、ＩＬＳ…照明光学系、Ｒ…レチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、８…照明装置、１０…光源、１２…１／２波長板、１３Ａ，１３Ｂ…回折光学素子(DOE) 、１５，１５Ａ～１５Ｅ…偏光ユニット、１６，２２…ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）、１８…デフォーマブルミラー、２３…１／４波長板、２４…リレー光学系、２５…フライアイレンズ、３６…照明制御部

Claims (24)

  1. 　光源から供給される光で被照射面を照明する照明光学装置において、
    　前記光源から供給される光から互いに偏光状態が異なる第１光束及び第２光束を分離する分離光学系と、
    　前記第１光束及び前記第２光束の少なくとも一方の光路に配置されて、前記第１光束及び前記第２光束の間の位相差分布を変える可変光学系と、
    　位相差分布が変えられた前記第１光束及び前記第２光束を合成する合成光学系と、
    を備えることを特徴とする照明光学装置。
  2. 　前記合成光学系によって合成された光束の光路に配置され、前記合成された光束の偏光状態を変更する偏光状態可変素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
  3. 　光源から供給される光で被照射面を照明する照明光学装置において、
    　前記光源から供給される光から互いに偏光状態が異なる第１光束及び第２光束を分離する分離光学系と、
    　前記第１光束及び前記第２光束の少なくとも一方の光路に配置されて、前記第１光束及び前記第２光束の間の位相差分布を変える可変光学系と、
    　位相差分布が変えられた前記第１光束及び前記第２光束を合成する合成光学系と、
    　前記合成光学系によって合成された光束の光路に配置され、前記合成された光束の偏光状態を変更する偏光状態可変素子と、
    を備えることを特徴とする照明光学装置。
  4. 　前記可変光学系は、前記第１光束が通過する第１部分光学系と、前記第２光束が通過する第２部分光学系とを備え、
    　前記合成光学系は、前記第１部分光学系の前記合成光学系側の光軸と、前記第２部分光学系の前記合成光学系側の光軸とが交差する位置に配置されることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の照明光学装置。
  5. 　前記合成光学系は、前記第１光束及び前記第２光束を合成する合成面を備え、
    　該合成面は前記交差する位置に配置されることを特徴とする請求項４に記載の照明光学装置。
  6. 　前記可変光学系は、前記第１光束及び前記第２光束の一方の位相差分布を変えることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の照明光学装置。
  7. 　前記偏光状態可変素子は、前記第１光束及び前記第２光束を互いに逆方向の円偏光状態に変更し、
    　前記合成された前記第１光束及び前記第２光束の光束断面における偏光状態は、互いに異なる方向を向く直線偏光を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の照明光学装置。
  8. 　前記偏光状態可変素子は、１／４波長板であることを特徴とする請求項７に記載の照明光学装置。
  9. 　前記可変光学系は、前記第１光束又は前記第２光束の光路に配置されて、反射面の形状が部分的に変形可能な反射部材を含むことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の照明光学装置。
  10. 　前記分離光学系及び前記合成光学系の少なくとも一方は偏光ビームスプリッターであることを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の照明光学装置。
  11. 　前記分離光学系は、前記光源から供給される光を分割するハーフミラーと、該ハーフミラーで分割された一方の光束の光路に配置されて前記光束の偏光方向を回転する光学素子とを含むことを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の照明光学装置。
  12. 　前記第１光束及び前記第２光束は偏光方向が互いに直交した直線偏光であることを特徴とする請求項１～１１のいずれか一項に記載の照明光学装置。
  13. 　前記分離光学系に入射する光の光路に配置されて、前記光の偏光方向を調整する波長板を備えることを特徴とする請求項１～１１のいずれか一項に記載の照明光学装置。
  14. 　前記分離光学系に入射する光の光路に配置されて、前記照明光学装置の照明光路における所定の位置に光の光量分布を形成する光量分布形成光学系と、
    　前記合成光学系によって合成された光束の光路に配置され、前記合成された光束を波面分割して前記光の光量分布と等価な光量分布を持つ面光源を形成する面光源形成光学系と、
    を備えることを特徴とする請求項１～１３のいずれか一項に記載の照明光学装置。
  15. 　前記可変光学系は、前記照明光学装置の射出瞳又はこの射出瞳と共役な面と等価な面の近傍に配置されることを特徴とする請求項１４に記載の照明光学装置。
  16. 　前記可変光学系は、前記第１光束又は前記第２光束の光路中であって前記照明光学装置の射出瞳又はこの射出瞳と共役な面と等価な面の近傍に配置されて、反射面の形状が部分的に変形可能な反射部材を含むことを特徴とする請求項１５に記載の照明光学装置。
  17. 　露光光でパターンを照明し、前記露光光で前記パターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光装置において、
    　請求項１～１６のいずれか一項に記載の照明光学装置を備え、
    　前記照明光学装置からの光を前記露光光として用いることを特徴とする露光装置。
  18. 　光源から供給される光の偏光状態を変化させる光学系ユニットであって、
    　前記光源から供給される光から互いに偏光状態が異なる第１光束及び第２光束を分離する分離光学系と、
    　前記第１光束及び前記第２光束の少なくとも一方の光路に配置されて、前記第１光束及び前記第２光束の間の位相差分布を変える可変光学系と、
    　位相差分布が変えられた前記第１光束及び前記第２光束を合成する合成光学系と、
    　前記合成光学系によって合成された光束の光路に配置され、前記合成された光束の偏光状態を変更する偏光状態可変素子と、
    を備えることを特徴とする光学系ユニット。
  19. 　前記可変光学系は、前記第１光束又は前記第２光束の光路に配置されて、反射面の形状が部分的に変形可能な反射部材を含むことを特徴とする請求項１８に記載の光学系ユニット。
  20. 　光源から供給される光で被照射面を照明する照明方法において、
    　前記光源から供給される光から互いに偏光状態が異なる第１光束及び第２光束を分離することと、
    　前記第１光束及び前記第２光束の間に可変の位相差分布を与えることと、
    　可変の位相差分布が与えられた前記第１光束及び前記第２光束を合成することと、
    を含む照明方法。
  21. 　前記合成された光束を波長板に通すことを含む請求項２０に記載の照明方法。
  22. 　光源から供給される光で被照射面を照明する照明方法において、
    　前記光源から供給される光から互いに偏光状態が異なる第１光束及び第２光束を分離することと、
    　前記第１光束及び前記第２光束の間の位相差分布を変えることと、
    　位相差分布が変えられた前記第１光束及び前記第２光束を合成することと、
    　前記合成光学系によって合成された光束を偏光状態可変素子に通すことと、
    を含む照明方法。
  23. 　露光光でパターンを照明し、前記露光光で前記パターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光方法において、
    　請求項２０～２２のいずれか一項に記載の照明方法を用いて、前記被照射面へ向かう光を前記露光光として用いることを特徴とする露光方法。
  24. 　請求項２３に記載の露光方法を用いて基板上に感光層のパターンを形成することと、
    　前記パターンが形成された前記基板を処理することと、
    を含むデバイス製造方法。
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