JP2009099629A - 照明光学装置、露光方法及び装置、並びに電子デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の偏光状態の制御を常に高精度に行う照明光学装置を提供する。
【解決手段】照明光でマスクＭのパターン面を照明する照明光学系ＩＬＳにおいて、その照明光の光路中に配置されて、Ｚ方向の偏光方向を有する直線偏光を選択的に透過させるＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）４と、ＰＢＳ４よりも下流に配置されて、照明光の偏光状態をＺ軸又はＸ軸に平行な方向に直線偏光した状態（第１偏光状態）、又はＺ軸に４５°で傾斜した方向に直線偏光した状態（第２偏光状態）に可変する１／２波長板５と、１／２波長板５よりも下流に配置されて、１／２波長板５から射出された照明光の偏光状態を可変するデポラライザ６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の偏光状態の照明光で被照射面を照明する照明光学装置、この照明光学装置を用いる露光技術、及びこの露光技術を用いる電子デバイスの製造技術に関する。

例えば半導体素子又は液晶表示素子等の電子デバイス（マイクロデバイスを含む）を製造するためのリソグラフィ工程中で、マスク（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ウエハ（又はガラスプレート等）の各ショット領域に転写するために、ステッパ等の一括露光型の投影露光装置、又はスキャニング・ステッパ等の走査露光型の投影露光装置等の露光装置が使用されている。これらの露光装置においては、解像度を高めるために、露光波長が短波長化されており、最近では露光光源として、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）又はＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）などのエキシマレーザ光源が使用されている。また、より高い解像度を得るために、転写対象のパターンに応じて照明光の偏光状態を所定の直線偏光に設定する偏光照明も使用されている。エキシマレーザ光源からはほぼ直線偏光のレーザ光が射出されるため、偏光照明には好適である。

実際には、転写対象のパターンによっては、照明光を偏光方向がランダムな非偏光状態に設定することもある。そこで、エキシマレーザ光源を露光光源として、照明光学系中に、回転可能な１／２波長板及び１／４波長板と、光路に挿脱自在な非偏光状態設定用の光学部材とを含む偏光制御部を備え、この偏光制御部中の波長板の回転及び光学部材の挿脱を組み合わせることによって、マスクに照明される照明光の偏光状態を種々の状態に制御するようにした露光装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
国際公開２００４／０５１７１７号パンフレット

従来の偏光制御部は、エキシマレーザ光源から供給されるレーザ光の偏光状態が所定の状態、例えば予め定められた方向の直線偏光であることを前提としていた。しかしながら、実際には、エキシマレーザ光源のようなレーザ光源から射出されるレーザ光の偏光方向は経時変化等によって変動することがある。また、エキシマレーザ光源から偏光制御部までの間に送光光学系等が設置され、かつ偏光制御部までの光路が長いような場合には、エキシマレーザ光源から偏光制御部までの間にレーザ光の偏光状態が僅かに変化する恐れもある。

このように偏光制御部に入射するレーザ光の偏光状態が、設計上で定められている状態から変化すると、偏光制御部から射出されるレーザ光（照明光）の偏光状態が目標とする状態からずれて、解像度が低下する恐れがある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、照明光の偏光状態の制御を常に高精度に行うことができる照明光学技術、並びにその照明光学技術を用いる露光技術及びデバイス製造技術を提供することを目的とする。

本発明による照明光学装置は、照明光で被照射面（Ｍ）を照明する照明光学装置において、その照明光の光路中に配置されて、所定方向の偏光方向を有する直線偏光を選択的に透過させる直線偏光抽出素子（４）と、その直線偏光抽出素子よりも下流に配置されて、その照明光の偏光状態を第１偏光状態（ＩＬ３）又は第２偏光状態（ＩＬ７）に可変する第１偏光状態可変素子（５）と、その第１偏光状態可変素子よりも下流に配置されて、その第１偏光状態可変素子から射出されたその照明光の偏光状態を可変する第２偏光状態可変素子（６）と、を備え、その第２偏光状態可変素子は、その照明光のその第１偏光状態を第３偏光状態（ＩＬ４）に可変し、その照明光のその第２偏光状態を第４偏光状態（ＩＬ８）に可変するものである。

本発明の照明光学装置によれば、光源から供給される照明光の偏光状態が経時変化等によって僅かに変動しても、直線偏光抽出素子によって抽出された所定方向に偏光する直線偏光が第１偏光状態可変素子に供給される。また、その直線偏光の光を用いて、第１及び第２偏光状態可変素子によって複数の偏光状態の光を生成できる。従って、偏光状態の制御を常に高精度に行うことができる。

以下、本発明の実施形態の一例につき図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。図１において、その露光装置は、露光用の光源１と、光源１からの露光用の照明光（露光光）ＩＬでマスクＭのパターン面（マスク面）を照明する照明光学系ＩＬＳと、マスクＭの位置決めを行うマスクステージ（不図示）と、マスクＭのパターンの像をウエハＷ（感光性基板）上に投影する投影光学系ＰＬと、ウエハＷの位置決めを行うウエハステージ（不図示）と、装置全体の動作を制御するコンピュータよりなる主制御系２０と、各種駆動系等とを備えている。図１において、ウエハＷの載置面の法線方向に沿って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Ｙ軸を、図１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。

図１の露光装置は、光源１として、波長１９３ｎｍのほぼ直線偏光のレーザ光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源を備えている。なお、光源１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、波長１５７ｎｍのレーザ光を供給するＦ₂ レーザ光源、又はｉ線（３６５ｎｍ）等の輝線を供給する水銀ランプなどを用いることができる。水銀ランプを用いる場合、光源１は、水銀ランプと楕円鏡とコリメータレンズとを有する構成となる。

光源１からＺ方向に射出されたほぼ平行光束で、かつほぼ直線偏光のレーザ光よりなる照明光ＩＬは、Ｘ方向に沿って細長い矩形状の断面を有し、不図示のビームマッチングユニット（送光光学系）を介して、一対のＺＹ面内で屈折力を持つレンズ２ａ及び２ｂからなるビームエキスパンダ２（整形光学系）に入射する。照明光ＩＬは、ビームエキスパンダ２によってその断面形状がＹ方向に拡大されて、所定の矩形状断面を有する光束に整形される。

ビームエキスパンダ２から射出された照明光ＩＬは、光路折り曲げ用のミラー３でＹ方向に反射された後、順次、プリズム型の偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと言う。）４、照明光学系ＩＬＳの光軸ＡＸＩの周りに回転可能な１／２波長板５、及びデポラライザ６を通過して回折光学素子（Diffractive Optical Element:ＤＯＥ）７Ａ，７Ｂ，７Ｃ等のいずれかに入射する。ＰＢＳ４、１／２波長板５、及びデポラライザ６を含んで偏光制御部（詳細後述）が構成されている。

一般に、回折光学素子は、ガラス基板に露光波長程度のピッチを有する微小な段差を二次元的に形成することによって構成され、入射ビームを種々の所望の角度に回折する作用を有する。回折光学素子７Ａは、入射した矩形状の平行光束を回折してファーフィールドに円形状の光束を形成する機能を有する発散光束形成素子である。さらに、入射した照明光ＩＬを回折して、ファーフィールドに光軸ＡＸＩに対してほぼ対称にそれぞれＸ方向及びＺ方向（マスク面でのＹ方向に対応する）に偏心した２箇所の照明領域（照野）を形成する機能を有する２極照明用の回折光学素子７Ｂ，７Ｃ、偏心した４箇所の照明領域を形成する４極照明用の回折光学素子（不図示）、及び輪帯状の照明領域を形成する輪帯照明用の回折光学素子（不図示）等が備えられている。これらの回折光学素子７Ａ〜７Ｃ等は、一例として円板８の周囲に保持されている。また、例えば、主制御系２０からの照明条件を設定する指令に応じて、照明制御系２１が回転モータ等の駆動部２３によって円板８を回転することによって、その照明条件に応じた回折光学素子を照明光ＩＬの光路上に配置できるように構成されている。図１では、照明光ＩＬの光路上に通常照明用の回折光学素子７Ａが設定されている。

図１において、回折光学素子７Ａ（又は７Ｂ，７Ｃ等）を介して回折された光束は、前群レンズ系９ａ、凹の円錐面を持つ第１プリズム１０ａと凸の円錐面を持つ第２プリズム１０ｂとからなるアキシコン系１０、及び後群レンズ系９ｂを介して、オプティカルインテグレータとしてのマイクロレンズアレイ１１を照明する。前群レンズ系９ａ及び後群レンズ系９ｂから、所定範囲で焦点距離を連続的に変化させることができるズームレンズ（変倍光学系）９が構成されている。ズームレンズ９は、回折光学素子７Ａの射出面とマイクロレンズアレイ１１の後側焦点面とを光学的にほぼ共役に結んでいる。換言すると、ズームレンズ９は、回折光学素子７Ａの射出面とマイクロレンズアレイ１１の入射面とを実質的にフーリエ変換の関係に結んでいる。

回折光学素子７Ａ等から射出される照明光ＩＬは、ズームレンズ９の後側焦点面（ひいてはマイクロレンズアレイ１１の入射面）に、円形、２極状等の所定形状の照明領域（照野）を形成する。このように回折光学装置７Ａ等とズームレンズ９とは、照明領域形成手段を構成している。その照明領域の全体的な大きさは、ズームレンズ９の焦点距離に依存して変化する。ズームレンズ９のレンズ系９ａ及び９ｂをそれぞれ照明制御系２１の指令に基づいて例えばスライド機構を含む駆動部２４及び２６によって光軸ＡＸＩに沿って駆動することで、ズームレンズ９の焦点距離が所望の値に制御される。

また、アキシコン系１０において、第１プリズム１０ａと第２プリズム１０ｂとの円錐面は対向して配置され、第２プリズム１０ｂは、例えば、照明制御系２１の指令に基づいてスライド機構を含む駆動部２５によって光軸ＡＸＩに沿って駆動される。このようにプリズム１０ａ及び１０ｂの光軸ＡＸＩに沿った間隔を制御することによって、回折光学素子７Ａ等から射出された光束のマイクロレンズアレイ１１の入射面における光軸ＡＸＩに対して半径方向の位置を制御できる。従って、例えば後述の図３（Ｂ）の２極状の照明領域３２Ａ及び３２Ｂを使用する場合、図１のアキシコン系１０のプリズム１０ａ及び１０ｂの間隔を制御することによって、照明領域３２Ａ，３２Ｂの中心の光軸ＡＸＩからの距離を制御できる。一方、上記のズームレンズ９の焦点距離を制御することによって、照明領域３２Ａ，３２Ｂの個々の大きさを制御できる。

マイクロレンズアレイ１１は、縦横に稠密に配列された多数の正屈折力を有する微小レンズからなる光学素子である。マイクロレンズアレイ１１を構成する各微小レンズは、マスクＭ上において形成すべき照明領域の形状（ひいてはウエハＷ上において形成すべき露光領域の形状）と相似な矩形状の断面を有する。一般に、マイクロレンズアレイは、たとえば平行平面ガラス板にエッチング処理を施して微小レンズ群を形成することによって構成される。マイクロレンズアレイ１１を構成する各微小レンズは、通常のフライアイレンズを構成する各レンズエレメントよりも微小である。なお、図１では、図面の明瞭化のために、マイクロレンズアレイ１１を構成する微小レンズの数を実際よりも非常に少なく表している。

従って、マイクロレンズアレイ１１に入射した光束は多数の微小レンズにより二次元的に分割され、各微小レンズの後側焦点面には多数の光源がそれぞれ形成される。こうして、マイクロレンズアレイ１１の後側焦点面である照明光学系ＩＬＳの瞳面（照明瞳面）１２には、マイクロレンズアレイ１１への入射光束によって形成される照明領域（例えば円形領域又は図３（Ｂ）の２極の照明領域３２Ａ，３２Ｂ等）とほぼ同じ光強度分布を有する二次光源、すなわち光軸ＡＸＩを中心とした実質的な面光源からなる二次光源が形成される。

図１において、マイクロレンズアレイ１１の後側焦点面（照明瞳面１２）に形成された二次光源からの照明光ＩＬは、必要に応じてその照明領域の光強度分布の輪郭を規定する開口絞り（不図示）を介して制限された後、第１リレーレンズ１３、マスクブラインド１４（視野絞り）、第２リレーレンズ１５、光路折り曲げ用のミラー１６、及びコンデンサ光学系１７を介して、転写用のパターンが形成されたマスクＭを重畳的に照明する。ビームエキスパンダ２から偏光制御部までの光学部材、及び回折光学素子７Ａ〜７Ｃ等からコンデンサ光学系１７までの光学部材を含んで照明光学系ＩＬＳが構成されている。

マスクＭのパターンを経た照明光ＩＬは、投影光学系ＰＬを介して、レジスト（感光材料）が塗布されたウエハＷ上にマスクパターンの像を形成する。こうして、投影光学系ＰＬの光軸（Ｚ軸に平行）と直交する平面（ＸＹ平面）内においてウエハＷを二次元的に駆動制御しながら一括露光又は走査露光を行うことにより、ウエハＷの各ショット領域にはマスクＭのパターンが逐次露光される。

なお、一括露光では、いわゆるステップ・アンド・リピート方式にしたがって、ウエハの各ショット領域に対してマスクパターンを一括的に露光する。この場合、マスクＭ上での照明領域の形状は正方形に近い矩形状であり、マイクロレンズアレイ１１の各微小レンズの断面形状も正方形に近い矩形状となる。一方、走査露光では、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式にしたがって、マスクＭ及びウエハＷを投影光学系ＰＬに対して相対移動させながらウエハＷの各ショット領域に対してマスクパターンを露光する。この場合、マスクＭ上での照明領域の形状は短辺と長辺との比が例えば１：３の長方形状であり、マイクロレンズアレイ１１の各微小レンズの断面形状もこれと相似な長方形状となる。

次に、図１の照明光学系ＩＬＳ内のプリズム型のＰＢＳ４、１／２波長板５、及びデポラライザ６を含む偏光制御部の構成及び作用につき説明する。なお、図２等において、説明の便宜上、偏光制御部内を通過する照明光ＩＬを照明光ＩＬ１〜ＩＬ８として表している。
先ず、図１のＰＢＳ４は、その偏光ビームスプリッタ面がＺＹ面に垂直で、かつＺ軸に対して時計周りに４５°で交差するように、不図示のフレームに支持されている。ＰＢＳ４は、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）を透過する石英又は蛍石（ＣａＦ₂ ）等の光学材料から形成した２つの断面形状が正三角形のプリズムの接合面に、偏光ビームスプリッタ膜を被着した後、その２つのプリズムを接合することによって製造できる。

図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図１中の偏光制御部の一例を示す斜視図である。図２（Ａ）において、ＰＢＳ４は、入射した照明光ＩＬのうちのＰ偏光成分（Ｚ方向に直線偏光した光）よりなる照明光ＩＬ１を１／２波長板５側に透過させて、Ｓ偏光成分（Ｘ方向に直線偏光した光）よりなる照明光ＩＬ２を反射する。また、本実施形態の図１の光源１は、ほぼ直線偏光のレーザ光を射出するＡｒＦエキシマレーザ光源であり、ＰＢＳ４に入射する際の照明光ＩＬの偏光方向は、Ｚ方向（Ｐ偏光）になるように設定されている。しかしながら、実際には、光源１の発光状態の微妙な変化若しくは経時変化、及びビームマッチングユニット（不図示）の振動等によって、ＰＢＳ４に入射する際の照明光ＩＬの偏光状態は、偏光方向がＺ方向から僅かにずれたり、僅かに楕円偏光になったりする。しかしながら、本実施形態では、ＰＢＳ４が設けられているため、ＰＢＳ４から１／２波長板５に対しては常にＺ方向に直線偏光した照明光ＩＬ１が供給される。なお、いわゆるＰＢＳ４の消光比は、完全であること又はより高いことが望ましいが、所望の偏光方向と略直交する方向の偏光方向を有する直線偏光のＰＢＳ４に対する透過率が概ね１０％以下であれば、ウエハ上のパターンのコントラストをそれ程低下させることなく、パターンを露光することができる。

次に、１／２波長板５は、照明光ＩＬの断面形状を覆うことができる大きさの光軸ＡＸＩ（Ｙ軸）に垂直な円板状の基板より形成され、かつ照明制御系２１によって制御される図１の駆動部２２によって光軸ＡＸＩを中心として回転駆動されるように、不図示のフレームに支持されている。１／２波長板５は、ＡｒＦエキシマレーザを透過する水晶、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂)等の複屈折性を持つ材料からなる所定厚さの材料から形成できる。図１の駆動部２２は、一例として、１／２波長板５を保持するリング状の部材と、その部材を歯車で回転駆動する機構と、そのリング状の部材の回転角の絶対値をモニタするロータリエンコーダとを備えて構成されている。

図２（Ａ）において、１／２波長板５は、第１結晶軸５Ａとこれに直交する第２結晶軸（不図示）とを有し、入射する露光波長λの光束が射出される際に、第１結晶軸５Ａの方向の偏光成分と第２結晶軸の方向の偏光成分との間に１８０°（λ／２）の位相差が生じる。この場合、１／２波長板５の第１結晶軸５ＡがＺ軸に平行で光軸ＡＸＩを通る直線Ａ１に平行な状態を、１／２波長板５の初期状態とする。本実施形態では、図１の駆動部２２によって、１／２波長板５をその初期状態に対して光軸ＡＸＩを中心として、時計周り（又は反時計周りでもよい）に例えば４５°及び２２．５°だけ回転することができる。従って、駆動部２２には、ロータリエンコーダを設ける代わりに、１／２波長板５が初期状態、及びその初期状態から４５°及び２２．５°だけ回転した状態を検出するための３個のリミットスイッチを設けてもよい。

図１において、デポラライザ６は、照明光ＩＬの断面形状を覆う大きさで中心軸が光軸ＡＸＩに平行な円板状で、厚さ方向に楔型の水晶プリズム６ａと、この水晶プリズム６ａと相補的な形状を有する楔型の石英ガラスプリズム６ｂ（例えば、水晶プリズム６ａとほぼ同じ形状で、かつ回転角が１８０°異なる状態で対向するように近接して配置された石英ガラスプリズム６ｂ）とを、不図示のフレームで支持することによって構成されている。水晶プリズム６ａの代わりに、ＡｒＦエキシマレーザを透過するフッ化マグネシウム等の複屈折性を持つ材料からなるプリズムも使用できる。また、水晶プリズム６ａだけでは照明光ＩＬの光路が曲がるため、照明光ＩＬの光路が曲がらないように、デポラライザ６が全体として平板状になるように、石英ガラスプリズム６ｂが設けられている。石英ガラスプリズム６ｂの代わりに、ＡｒＦエキシマレーザを透過する蛍石等の複屈折性がないか、又は複屈折性の小さい光学材料からなるプリズムを使用してもよい。

図２（Ａ）に示すように、デポラライザ６の水晶プリズム６ａは、その方向の屈折率が異なる直交する第１結晶軸６ａＡ及び第２結晶軸６ａＢを有しており、水晶プリズム６ａの厚さは、一例として、第１結晶軸６ａＡに平行な方向では一定であり、第２結晶軸６ａＢに平行な方向でほぼ線形に変化している。また、水晶プリズム６ａは、水晶プリズム６ａの第１結晶軸６ａＡがＺ軸に平行になるように、即ち第２結晶軸６ａＢがＸ軸に平行になるような角度で安定に支持されている。

次に、図１のマスクＭ上の転写対象のパターンが、図３（Ａ）に示すように、Ｘ方向に微細なピッチで形成されたライン・アンド・スペースパターン（以下、Ｌ＆Ｓパターンという）３１Ｘである場合、その照明光を２極照明として、その照明光の偏光状態を偏光方向Ｂ１がＹ方向の直線偏光とするものとする。この場合、図１の主制御系２０の指令に基づいて照明制御系２１は、駆動部２３を介して照明光の光路上に、照明瞳面１２上で図３（Ｂ）に示すように、Ｘ方向に離れた２箇所の照明領域３２Ａ，３２Ｂで光量を大きくするための、２極照明用の回折光学素子７Ｂを設置する。さらに、照明制御系２１は、１／２波長板５の回転角は、図２（Ａ）の初期状態のままに設定しておく。

この結果、図２（Ａ）において、ＰＢＳ４に入射した照明光ＩＬのうちで、ＰＢＳ４を透過したＺ方向に直線偏光した照明光ＩＬ１は、１／２波長板５をそのまま透過してＺ方向に直線偏光した照明光ＩＬ３としてデポラライザ６に入射する。この場合、照明光ＩＬ３の偏光方向は水晶プリズム６ａの第１結晶軸６ａＡに平行であるため、水晶プリズム６ａ及びデポラライザ６からは偏光方向が入射時と同じＺ方向の直線偏光の照明光ＩＬ４が射出される。なお、図１において、光路折り曲げ用のミラー１６が設けられているため、偏光制御部及び照明瞳面１２におけるＺ方向は、マスクＭ上のＹ方向に対応している。

そして、図３（Ｂ）の照明瞳面１２の２極の照明領域３２Ａ，３２Ｂは偏光方向Ｂ２がＺ方向である直線偏光の照明光ＩＬ４によって照明され、図３（Ａ）のＬ＆Ｓパターン３１ＸはＹ方向に直線偏光した２極照明によって照明されるため、Ｌ＆Ｓパターン３１Ｘを高解像度でウエハＷ上に転写することができる。
一方、図１のマスクＭ上の転写対象のパターンが、図３（Ｃ）に示すように、Ｙ方向に微細なピッチで形成されたＬ＆Ｓパターン３１Ｙである場合、その照明光をＹ方向の２極照明として、その偏光状態を偏光方向Ｂ３がＸ方向の直線偏光とするものとする。この場合、照明瞳面１２上で図３（Ｄ）に示すように、Ｙ方向に離れた２箇所の照明領域３３Ａ，３３Ｂで光量を大きくするために、図１の照明光の光路上に２極照明用の回折光学素子７Ｃを設置する。さらに、照明制御系２１は、１／２波長板５の回転角を、図２（Ｂ）に示すように、初期状態から４５°に設定する。即ち、１／２波長板５の第１結晶軸５Ａを初期状態の直線Ａ１から光軸ＡＸＩの周りに４５°回転する。

この結果、図２（Ｂ）において、ＰＢＳ４から射出されるＺ方向に直線偏光した照明光ＩＬ１は、１／２波長板５で偏光方向が９０°回転して、Ｘ方向に直線偏光した照明光ＩＬ５としてデポラライザ６に入射する。この場合、照明光ＩＬ５の偏光方向は水晶プリズム６ａの第２結晶軸６ａＢに平行であるため、水晶プリズム６ａ及びデポラライザ６からは偏光方向が入射時と同じＸ方向の直線偏光の照明光ＩＬ６が射出される。そして、図３（Ｄ）の照明瞳面１２の２極の照明領域３３Ａ，３３Ｂは偏光方向Ｂ４がＸ方向の直線偏光の照明光ＩＬ６によって照明され、図３（Ｃ）のＬ＆Ｓパターン３１ＹはＸ方向に直線偏光した２極照明によって照明されるため、Ｌ＆Ｓパターン３１Ｙを高解像度でウエハＷ上に転写することができる。

次に、図１のマスクＭ上の転写対象のパターンが、例えば密集度の低い粗いパターンであるような場合には、その照明光の偏光状態をランダム偏光（非偏光）に設定するものとする。この場合、図１の照明光の光路上には例えば回折光学素子７Ａが設置される。さらに、照明制御系２１は、１／２波長板５の回転角を、図２（Ｃ）に示すように、初期状態から２２．５°（＝４５°／２）に設定する。即ち、１／２波長板５の第１結晶軸５Ａを初期状態の直線Ａ１から光軸ＡＸＩの周りに２２．５°回転する。

この結果、図２（Ｃ）において、ＰＢＳ４から射出されるＺ方向に直線偏光した照明光ＩＬ１は、１／２波長板５で偏光方向が４５°回転して、斜め方向に直線偏光した照明光ＩＬ７としてデポラライザ６に入射する。この場合、照明光ＩＬ７の偏光方向は水晶プリズム６ａの２つの結晶軸６ａＡ，６ａＢに４５°で傾斜しており、かつその偏光方向に沿って水晶プリズム６ａの厚さは次第に変化している。従って、水晶プリズム６ａ及びデポラライザ６からは偏光方向（又は楕円偏光の形状）が位置によってランダムの非偏光の照明光ＩＬ８が射出される。従って、この照明光ＩＬ８を図１のマイクロレンズアレイ１１（オプティカルインテグレータ）を介して重畳してマスクＭに照射することによって、マスクＭのパターンは非偏光の照明光によって照明される。

このように本実施形態の露光装置によれば、照明光学系ＩＬＳ中の１／２波長板５の回転角を制御することによって、マスクＭに照射される照明光の偏光状態を、偏光方向がＸ方向の直線偏光、偏光方向がＹ方向の直線偏光、及び偏光状態がランダムの非偏光のいずれかに設定することができる。従って、転写対象のパターンに応じて照明光の偏光状態を容易に最適化できるため、各種パターンをそれぞれ高解像度でウエハＷ上に露光できる。

本実施形態の作用効果及び変形例は以下の通りである。
（１）図１の照明光学系ＩＬＳは、照明光でマスクＭのパターン面（被照射面）を照明する照明光学装置において、その照明光の光路中に配置されて、Ｚ方向（所定方向）の偏光方向を有する直線偏光を選択的に透過させるＰＢＳ４（直線偏光抽出素子）と、ＰＢＳ４よりも下流に配置されて、照明光の偏光状態をＺ軸又はＸ軸に平行な方向に直線偏光した図２（Ａ），（Ｂ）の照明光ＩＬ３，ＩＬ５の状態（第１偏光状態）、又はＺ軸に４５°で傾斜した方向に直線偏光した図３（Ｃ）の照明光ＩＬ７の状態（第２偏光状態）に可変する１／２波長板５（第１偏光状態可変素子）と、１／２波長板５よりも下流に配置されて、１／２波長板５から射出された照明光の偏光状態を可変するデポラライザ６（第２偏光状態可変素子）とを備えている。

そして、デポラライザ６は、照明光ＩＬ３，ＩＬ５の偏光状態を同じ偏光方向の照明光ＩＬ４，ＩＬ６の状態（第３偏光状態）に可変し、照明光ＩＬ７の偏光状態を照明光ＩＬ８の非偏光状態（第４偏光状態）に可変する。
従って、光源１から供給される照明光ＩＬの偏光状態が経時変化等によって変動しても、ＰＢＳ４によって抽出されたＺ方向に偏光する直線偏光が１／２波長板５に供給される。また、１／２波長板５及びデポラライザ６によって３種類の異なる偏光状態の照明光を生成できる。従って、複数の偏光状態の制御を常に高精度に行うことができる。

（２）また、１／２波長板５は、ＰＢＳ４とマスク面との間に配置され、デポラライザ６は、ＰＢＳ４とマスク面との間に配置される。この配置であれば、デポラライザ６に所望の方向に直線偏光した光を供給できる。
（３）また、１／２波長板５は、光軸ＡＸＩ（第１回転軸）を中心として回転可能である。なお、その回転軸は、光軸ＡＸＩに平行な直線でもよい。従って、１／２波長板５の回転角を制御することによって、デポラライザ６を通過した後の照明光の偏光状態を、Ｚ方向（マスクＭ上のＹ方向）、Ｘ方向の直線偏光、及び非偏光のいずれかに容易に、かつ高精度に設定できる。

（４）また、１／２波長板５は、マスクＭのパターン面を照明する照明条件中の偏光照明の状態（直線偏光又は非偏光）に応じて、その回転軸を中心として回転される。従って、１／２波長板５の回転角を制御するのみで、偏光照明の制御を行うことができる。
（５）また、デポラライザ６は、複屈折性の水晶プリズム６ａを含んでいる。従って、水晶プリズム６ａを楔形にするだけで容易に非偏光状態の光を生成できる部材を製造できる。

なお、図４に示すように、デポラライザ６を光軸ＡＸＩ又は光軸ＡＸＩに平行な直線（第２回転軸）を中心として回転可能として、デポラライザ６の回転角を駆動部２８によって制御できるようにしてもよい。図１の照明制御系２１によって制御される駆動部２８は、一例としてデポラライザ６を保持する円筒状部材（不図示）を回転する歯車機構から構成できる。

図４の変形例において、マスクＭを照明する照明光の偏光状態を非偏光にする場合には、１／２波長板５の回転角を初期状態にしておき、駆動部２８によってデポラライザ６を図２（Ａ）の状態（初期状態）から時計回り（反時計回りでもよい）に４５°回転する。この結果、１／２波長板５からデポラライザ６に向かうＺ方向に偏光した照明光ＩＬ３の偏光方向は、水晶プリズム６ａの結晶軸６ａＡ，６ａＢのいずれにも４５°で傾斜しているため、デポラライザ６からは非偏光の照明光ＩＬ８が射出される。図４の変形例においては、デポラライザ６に入射する照明光ＩＬ３の偏光状態が正確にＺ軸に平行であるため、非偏光状態を正確に設定できる。

これに対して、図２（Ｃ）の場合には、１／２波長板５を２２．５°回転して射出される照明光ＩＬ７中にＺ方向又はＸ方向に偏光した成分が残留していると、それがそのままデポラライザ６を通過して、射出される照明光ＩＬ８が完全な非偏光にならない恐れがある。
（６）また、図１の照明光学系ＩＬＳでは、光源１からの光から直線偏光の光を抽出するために、プリズム型のＰＢＳ４を用いている。ＰＢＳ４は入射光と必要な射出光との光路が同じ（同一直線上）であるため、光学系の設計・製造が容易である。

（７）なお、ＡｒＦエキシマレーザ光に対するＰＢＳ４の偏光ビームスプリッタ膜の製造が困難で、ＰＢＳ４の製造コストが高いような場合には、ＰＢＳ４の代わりに、図５（Ａ）に示す光学部材３５を用いてもよい。光学部材３５は、厚さ１ｍｍ程度の平板状の石英等のガラス板３４を斜めに複数枚（例えば１０枚〜２０枚程度）積み重ねたものであり、その製造は極めて容易である。図５（Ａ）のように光学部材３５に対する照明光ＩＬの入射角θｉを４５°とした場合には、ガラス板３４の１面でのＰ偏光の照明光ＩＬ１の透過率は約９９％、Ｓ偏光の照明光ＩＬ２の透過率は約９０％である。従って、例えばガラス板３４を１５枚（３０面）重ねた場合には、Ｓ偏光の透過率はほぼ５％以下に低下する。従って、光学部材３５は、入射光からほぼＰ偏光の照明光ＩＬ１のみを高精度に抽出する安価な光学部材として使用できる。

また、図５（Ｂ）に示すように、ガラス板３４に入射する照明光ＩＬの入射角θｉをブリュースタ角θｂにすることによって、ガラス板３４におけるＳ偏光の照明光ＩＬ２の透過率をさらに低下できる。従って、より少ない枚数のガラス板３４を用いて光学部材３５を構成できる。
なお、いわゆる光学部材３５（ここでは、ガラス板３４を斜めに複数枚（例えば１０枚〜２０枚程度）積み重ねたもの）の消光比は、完全であること又はより高いことが望ましいが、所望の偏光方向と略直交する方向の偏光方向を有する直線偏光の光学部材３５に対する透過率が概ね１０％以下であれば、ウエハ上のパターンのコントラストをそれ程低下させることなく、パターンを露光することができる。

（８）また、図１では、１／２波長板５が使用されているが、１／２波長板５の代わりに、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように、入射する照明光ＩＬ１の偏光方向をそれぞれ９０°及び４５°回転して照明光ＩＬ５及びＩＬ７として射出する旋光素子３６Ａ及び３６Ｂを用いてもよい。旋光素子３６Ａ，３６Ｂは水晶等の複屈折性材料の厚さを制御することで製造できる。この場合には、図１の回転可能な１／２波長板５の代わりに、旋光素子３６Ａ，３６Ｂを照明光ＩＬ１の光路に対して挿脱自在に構成すればよい。例えば、ターレット等を用いて、旋光素子３６Ａ，３６Ｂを照明光ＩＬ１の光路に対して切り換え自在に構成すればよい。

（９）また、図１の照明光学系ＩＬＳは、デポラライザ６とマスク面との間の光路中に配置されて、照明光でマスク面を均一に照明するためのマイクロレンズアレイ１１（オプティカルインテグレータ）を備えている。これによって、マスク面の照度分布を均一化できる。マイクロレンズアレイ１１の代わりに通常のフライアイレンズも使用できる。
なお、波面分割型のインテグレータであるマイクロレンズアレイ１１に代えて、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。この場合、図１において、ズームレンズ９よりもマスクＭ側に集光光学系を追加して回折光学素子７Ａ等の共役面を形成し、この共役面近傍に入射端が位置決めされるようにロッド型インテグレータを配置する。

また、このロッド型インテグレータの射出端面又は射出端面近傍に配置される照明視野絞りの像をマスクＭ上に形成するためのリレー光学系を配置する。この構成の場合、二次光源はリレー光学系の瞳面に形成される（二次光源の虚像はロッド型インテグレータの入射端近傍に形成される）。また、ロッド型インテグレータからの光束をマスクＭへ導くためのリレー光学系が導光光学系となる。

（１０）また、マイクロレンズアレイ１１とマスク面との間の光路中に配置されて、マイクロレンズアレイ１１からの光束をマスク面へ導くためのリレー光学系（１３，１５）及びコンデンサ光学系１７（導光光学系）をさらに備えている。これによって、オプティカルインテグレータからの光束が重畳してマスクＭ上に照射される。
（１１）また、デポラライザ６とマスク面との間の光路中に挿脱可能に配置されて、所定形状の光強度分布を有する照明光を形成する回折光学素子７Ａ〜７Ｃ等（光強度分布形成手段）を備えている。回折光学素子７Ａ等によって効率的に照明光の光強度分布を所望の分布に形成できる。なお、照明光ＩＬの利用効率が低下してもよい場合には、回折光学素子の代わりに照明瞳面に配置されて種々の形状の開口絞りを備えた開口絞り系を使用してもよい。

（１２）また、図１の実施形態では、照明光ＩＬを供給する光源１を備えている。本実施形態では、光源１からの照明光ＩＬの偏光状態が変動しても、高精度に偏光制御を行うことができる。
（１３）また、上記の実施形態の露光方法は、投影光学系ＰＬを用いてウエハＷ（感光性基板）にパターンを露光する露光方法において、照明光学系ＩＬＳを用いてマスク面を照明する照明工程と、マスク面に配置されるマスクのパターンをウエハＷに露光する露光工程と、を有する。

また、上記の実施形態の露光装置は、照明光学系ＩＬＳを備えるとともに、マスク面に配置されるマスクＭを照明する照明光を供給する光源１と、マスクＭのパターンをウエハＷに露光する投影光学系ＰＬと、を備えている。
この場合、高精度に偏光制御を行うことができるため、微細なパターンを高解像度でウエハＷ上に転写できる。

なお、本発明は、例えば国際公開第９９／４９５０４号パンフレットなどに開示される液浸型露光装置、又はプロキシミティ方式の露光装置等にも適用することができる。
また、上記の実施形態の露光装置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、電子デバイスは、図７に示すように、電子デバイスの機能・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（投影露光装置）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、このデバイスの製造方法は、リソグラフィ工程を含み、そのリソグラフィ工程で上記の実施形態の露光装置を用いて感光性基板を露光している。このとき、偏光制御を高精度に行って微細なパターンを高解像度で感光性基板上に転写できるため、高機能の電子デバイスを高精度に製造できる。
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。

さらに、上述の各実施形態では、照明光学装置を備えた露光装置を例にとって本発明を説明したが、マスク以外の被照射面を照明するための一般的な照明光学装置に本発明を適用することができることは明らかである。

本発明の実施形態の一例の照明光学系を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ図１中の偏光制御部の構成を示す斜視図である。 （Ａ）は転写対象のパターンの一例を示す図、（Ｂ）は２極照明の一例を示す図、（Ｃ）は転写対象のパターンの他の例を示す図、（Ｄ）は２極照明の他の例を示す図である。 図１の偏光制御部の変形例を示す斜視図である。 （Ａ）は偏光ビームスプリッタの代わりに使用できる光学部材を示す図、（Ｂ）は図５（Ａ）の光学部材の使用方法の他の例を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）は１／２波長板５の代わりに使用できる旋光素子を示す図である。 電子デバイスとしての半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。

符号の説明

ＩＬＳ…照明光学系、ＰＬ…投影光学系、１…光源、４…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、５…１／２波長板、６…デポラライザ、６ａ…水晶プリズム、７Ａ〜７Ｃ…回折光学素子、９…ズームレンズ、１０…アキシコン系、１１…マイクロレンズアレイ、２１…照明制御系

Claims (17)

1. 照明光で被照射面を照明する照明光学装置において、
   前記照明光の光路中に配置されて、所定方向の偏光方向を有する直線偏光を選択的に透過させる直線偏光抽出素子と、
   前記直線偏光抽出素子よりも下流に配置されて、前記照明光の偏光状態を第１偏光状態または第２偏光状態に可変する第１偏光状態可変素子と、
   前記第１偏光状態可変素子よりも下流に配置されて、前記第１偏光状態可変素子から射出された前記照明光の偏光状態を可変する第２偏光状態可変素子と、を備え、
   前記第２偏光状態可変素子は、前記照明光の前記第１偏光状態を第３偏光状態に可変し、前記照明光の前記第２偏光状態を第４偏光状態に可変することを特徴とする照明光学装置。
2. 前記第１偏光状態可変素子は、前記直線偏光抽出素子と前記被照射面との間に配置され、
   前記第２偏光状態可変素子は、前記第１偏光状態可変素子と前記被照射面との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
3. 前記第１偏光状態可変素子は、第１回転軸を中心として回転可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学装置。
4. 前記第１偏光状態可変素子は、前記被照射面を照明する照明条件に応じて、前記第１回転軸を中心として回転することを特徴とする請求項３に記載の照明光学装置。
5. 前記第２偏光状態可変素子は、複屈折性の光学部材を含むとともに、
   前記光学部材は第２回転軸を中心として回転可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の照明光学装置。
6. 前記直線偏光抽出素子は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の照明光学装置。
7. 前記直線偏光抽出素子は、重ね配列された複数の平板ガラスであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の照明光学装置。
8. 前記第１偏光状態可変素子は、１／２波長板であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の照明光学装置。
9. 前記第１偏光状態可変素子は、旋光素子であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項５から７のいずれか一項に記載の照明光学装置。
10. 前記第１偏光状態可変素子は、少なくとも２つの旋光素子を含むとともに、
    前記少なくとも２つの旋光素子は、前記照明光の光路に対して切り換え自在に構成されることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項５から７のいずれか一項に記載の照明光学装置。
11. 前記第２偏光状態可変素子と前記被照射面との間の光路中に配置されて、前記照明光で前記被照射面を均一に照明するためのオプティカルインテグレータを備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の照明光学装置。
12. 前記オプティカルインテグレータと前記被照射面との間の光路中に配置されて、前記オプティカルインテグレータからの光束を前記被照射面へ導くための導光光学系をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の照明光学装置。
13. 前記第２偏光状態可変素子と前記被照射面との間の光路中に挿脱可能に配置されて、所定形状の光強度分布を有する前記照明光を形成する光強度分布形成手段を備えることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の照明光学装置。
14. 前記照明光を供給する光源部をさらに備えることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の照明光学装置。
15. 投影光学系を用いて感光性基板にパターンを露光する露光方法において、
    請求項１から１４のいずれか一項に記載の照明光学装置を用いて被照射面を照明する照明工程と、
    前記被照射面に配置されるマスクのパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、
    を有することを特徴とする露光方法。
16. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の照明光学装置を備えるとともに、
    被照射面に配置されるマスクを照明する照明光を供給する光源部と、
    前記マスクのパターンを感光性基板に露光する投影光学系と、
    を備えることを特徴とする露光装置。
17. リソグラフィ工程を含む電子デバイスの製造方法であって、
    前記リソグラフィ工程において、請求項１６に記載の露光装置を用いる電子デバイスの製造方法。

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