JP5035747B2 - オプティカルインテグレータ、照明光学装置、露光装置、およびデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、オプティカルインテグレータ、照明光学装置、露光装置、およびデバイス製造方法に関する。更に詳細には、本発明は、半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のデバイス（電子デバイス等）をリソグラフィー工程で製造するための露光装置の照明光学装置に好適なオプティカルインテグレータに関するものである。

露光装置では、光源から射出された光束がオプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズに入射し、その後側焦点面に多数の光源からなる二次光源（照明瞳に形成される光強度分布）を形成する。二次光源からの光束は、開口絞りおよびコンデンサーレンズを介して、所定のパターンが形成されたマスクを重畳的に照明する。マスクのパターンを透過した光は、投影光学系を介してウェハ上に結像する。こうして、ウェハ上には、マスクパターンが投影露光（転写）される。マスクパターンは高集積化されており、この微細パターンをウェハ上に正確に転写するにはウェハ上において均一な照度分布を得ることが不可欠である。

露光装置では、照度分布の均一性を高めるために、フライアイレンズを構成する微小レンズ要素の数をできるだけ多く設定することが必要である。また、開口絞りにおける光量損失を避けるために、所望の形状に近い形状を有する二次光源を形成することが必要である。このため、たとえばフライアイレンズを構成する微小レンズ要素のサイズを非常に小さく設定すること、すなわちマイクロフライアイレンズを用いることが考えられる。マイクロフライアイレンズは、たとえば平行平面ガラス板にＭＥＭＳ技術（リソグラフィー＋エッチング等）を応用して多数の微小屈折面を形成することによって構成される。

本出願人は、たとえばエッチング加工により一体的に形成される多数の微小屈折面の製造誤差が照度分布に与える影響を小さく抑えることのできるオプティカルインテグレータとして、両側面にシリンドリカルレンズ群が形成された一対のフライアイ部材からなるシリンドリカルマイクロフライアイレンズを提案している（たとえば特許文献１を参照）。
特開２００４−１９８７４８号公報

一般に、両凸レンズエレメントを縦横に且つ稠密に配列して構成される従来のフライアイレンズでは、各レンズエレメントの入射面や射出面の面形状誤差が、被照射面（露光装置ではマスク面やウェハ面）上での照度分布に影響を及ぼす。とりわけ、被照射面と光学的に共役関係にある入射面の面形状誤差よりも、射出面の面形状誤差の方が、被照射面上での照度分布に及ぼす影響が大きい。

これは、例えばフライアイレンズよりも前側に配置された可動光学部材の移動に起因して、レンズエレメントに入射する光の角度や角度範囲が変化すると、レンズエレメントの射出面を光が通過する領域も変化するからである。レンズエレメントの射出面に面形状誤差が存在すると、射出面を光が通過する領域が変化することにより、被照射面上で形成される照度分布が変化し、ひいては照明ムラが発生する。シリンドリカルマイクロフライアイレンズの場合も同様に、波面分割要素において一方向に屈折力が作用する一対の光学面のうち、前側の光学面の面形状誤差よりも、後側の光学面の面形状誤差の方が、被照射面上での照度分布に及ぼす影響が大きい。

オプティカルインテグレータの波面分割要素（フライアイレンズの場合にはレンズエレメント）に入射する光の角度や角度範囲が一定であれば、照明ムラ補正フィルターなどを用いることにより、被照射面上でほぼ均一な照度分布を得ることができる。しかしながら、例えば可動光学部材の移動（回転などを含む広い概念）に起因して、オプティカルインテグレータの波面分割要素に入射する光の角度や角度範囲が変動すると、被照射面上で所望の照度分布を得ることが困難になる。

ステップ・アンド・スキャン方式の走査露光装置では、静止露光領域において走査方向に照度ムラがある程度残っていても、走査露光の平均化効果により大きな問題にはならない。これに対し、静止露光領域における走査直交方向（走査方向と直交する方向）の照度ムラは、走査露光の平均化効果を受けることができない。その結果、従来のオプティカルインテグレータを走査露光装置に適用すると、走査露光後に所望の照度分布を得ることが困難であり、ひいては所望の結像性能を達成することが困難である。したがって、例えば走査露光装置に適用した場合に、静止露光領域における走査直交方向の照度ムラの発生を小さく抑えることのできるオプティカルインテグレータが要望される。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、被照射面上において所望方向の照度ムラの発生を小さく抑えることのできるオプティカルインテグレータを提供することを目的とする。

また、本発明は、被照射面上において所望方向の照度ムラの発生を小さく抑えるオプティカルインテグレータを用いて、所望の照度分布で被照射面を照明することのできる照明光学装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、所望の照度分布で被照射面を照明する照明光学装置を用いて、良好な照明条件の下で良好な露光を行うことのできる露光装置およびデバイス製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、二次元的に並列配置された複数の波面分割要素を有するオプティカルインテグレータにおいて、
前記波面分割要素の入射面の光軸中心に斜め入射した光線群が、前記光軸と平行に前記波面分割要素から射出されるように、前記波面分割要素は構成され、
前記波面分割要素は少なくとも１つの入射側の光学面及び少なくとも１つの射出側の光学面を有し、
前記複数の波面分割要素のうちの少なくとも１つの波面分割要素では、当該波面分割要素の少なくとも１つの曲面状の光学面が、当該波面分割要素の所定の入射側の光学面の光軸中心を通り且つ前記光軸と直交する所定方向の軸線を中心として傾いて形成されていることを特徴とするオプティカルインテグレータを提供する。

本発明の第２形態では、光源からの光に基づいて被照射面を照明する照明光学装置において、
前記光源と前記被照射面との間の光路中に配置された第１形態のオプティカルインテグレータを備えていることを特徴とする照明光学装置を提供する。

本発明の第３形態では、所定のパターンを照明するための第２形態の照明光学装置を備え、前記所定のパターンを感光性基板に露光することを特徴とする露光装置を提供する。

本発明の第４形態では、第３形態の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、該露光工程を経た前記感光性基板を現像する現像工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。

本発明のオプティカルインテグレータでは、所要数の波面分割要素において曲面状の光学面が傾けて形成されているので、これらのチルト波面分割要素では本発明の手法を適用しない通常の波面分割要素とは異なる領域を光が通過する。その結果、本発明では、例えばオプティカルインテグレータよりも前側に配置された可動光学部材の移動に起因して各波面分割要素に入射する光の角度や角度範囲が変動しても、光学面の面形状誤差の傾向が互いに異なる様々な領域を光が通過することになり、いわゆる面形状誤差の平均化効果により被照射面上において所望方向の照度ムラの発生を小さく抑えることができる。

すなわち、本発明のオプティカルインテグレータでは、被照射面上において所望方向の照度ムラの発生を小さく抑えることができ、例えば走査露光装置に適用した場合に静止露光領域における走査直交方向の照度ムラの発生を小さく抑えることができる。したがって、本発明の照明光学装置では、被照射面上において所望方向の照度ムラの発生を小さく抑えるオプティカルインテグレータを用いて、所望の照度分布で被照射面を照明することができる。また、本発明の露光装置では、所望の照度分布で被照射面を照明する照明光学装置を用いて、良好な照明条件の下で良好な露光を行うことができ、ひいては良好なデバイスを製造することができる。

本発明の実施形態の具体的な説明に先立って、フライアイ素子（フライアイレンズ、マイクロフライアイレンズ、シリンドリカルマイクロフライアイレンズなどを含む広い概念）の機能、および本発明の基本的な考え方について説明する。以下、説明を単純化するために、フライアイ素子として、図１に示すように複数の両凸レンズエレメント（波面分割要素）１００を縦横に且つ稠密に配列（二次元的に並列配置）して構成されるフライアイレンズ１０１を用いる例について考える。

照明光学装置の光軸ＡＸに沿って配置されるフライアイ素子１０１は、被照射面１０３上に所要の照明領域（照野）１０３ａを確保しつつ、照明領域１０３ａでの照度分布を均一にする役割を担っている。この目的のため、各レンズエレメント１００の入射面１００ａに入射した光束は、射出面１００ｂの近傍に点光源を形成した後、コンデンサー光学系１０２を介して、被照射面１０３上の照明領域１０３ａを重畳的に照明する。このとき、図２に示すように、レンズエレメント１００の入射面１００ａに直入射（レンズエレメント１００の光軸ＡＸｅの方向に入射）した平行光（図２中実線で示す）は、所定の射出ＮＡを有する光として射出面１００ｂから射出され、ひいては所要のＮＡ（開口数または角度範囲）を有する光となって照明領域１０３ａに達する。

さらに、フライアイ素子１０１では、レンズエレメント１００の入射面１００ａに斜入射（光軸ＡＸｅに対して斜めの方向に入射）した平行光（図２中破線で示す）も、直入射平行光と同じ射出ＮＡかつその中心角度（各レンズエレメント内における主光線角度）が光軸に平行の光として射出面１００ｂから射出され、ひいては直入射平行光と同じＮＡかつその中心角度が光軸に平行の光となって照明領域１０３ａに達する。斜入射平行光においても直入射平行光と同じ中心角度を確保するという条件は、図３に示すように、入射面１００ａ上の光軸中心（入射面１００ａと光軸ＡＸｅとの交点）１００ａａを通過する主光線（図３中破線で示す）が光軸ＡＸｅに対して平行な光となって射出面１００ｂから射出されるという条件を満たすことにより実現される。ちなみに、この条件によって、結果的に入射面１００ａが被照射面と共役関係になる。

以上のように、フライアイ素子１０１は、波面分割要素であるレンズエレメント１００の入射面１００ａの光軸中心１００ａａに斜め入射した光線群が、光軸ＡＸｅと平行に射出面１００ｂから射出されるように構成されている。また、フライアイ素子１０１は、レンズエレメント１００の入射面１００ａに光軸ＡＸｅの方向から入射した光（平行光等）により形成される射出面１００ｂからの光の最大射出角度（半角；射出ＮＡに対応する角度）と、入射面１００ａに光軸ＡＸｅに対して斜め方向から入射した光（平行光等）により形成される射出面１００ｂからの光の最大射出角度（半角；射出ＮＡに対応する角度）とが等しくなるように構成されている。従って、フライアイ素子１０１に対して様々な角度で入射する各平行光は、それぞれ同じＮＡかつその中心角度が光軸に平行の光となって射出されるため、フライアイ素子１０１に入射する角度範囲（ＮＡ）やそれの中心角度に全く依存しないような射出角度特性を有する事になる。

ちなみに、例えばフライアイ素子を除くマイクロレンズアレイでは、波面分割要素の入射面の光軸中心に斜め入射した光線群は、光軸に対して平行ではなく斜めに波面分割要素から射出されるように構成されている。その結果、この種のマイクロレンズアレイに対して様々な角度で入射する各平行光は、それぞれ同じＮＡ（角度範囲）で射出されるものの、その中心角度（主光線角度）がそのまま保持されたまま射出されるため、結果的にフライアイ素子１０１とは異なり、マイクロレンズアレイに入射する角度範囲（ＮＡ）やそれの中心角度に依存してしまうような射出角度特性を有する事になる。

前述したように、例えばフライアイ素子１０１よりも前側に配置された可動光学部材の移動に起因して、レンズエレメント１００に入射する光の角度（入射光束の重心光線すなわち中心光線がレンズエレメント１００の光軸ＡＸｅとなす角度）や角度範囲（入射面１００ａ上の１点に入射する光線群が張る最大角度）が変化すると、レンズエレメント１００の射出面１００ｂを光が通過する領域も変化する。そして、レンズエレメント１００の射出面１００ｂに面形状誤差が存在していると、射出面１００ｂを光が通過する領域が変化することにより、被照射面１０３上の照明領域１０３ａで形成される照度分布が変化し、ひいては照明ムラが発生する。

実際に、各レンズエレメント１００の光学面の面形状誤差の傾向は互いにほぼ同じであり、各レンズエレメント１００が照明領域１０３ａに形成する照度ムラの傾向も互いにほぼ同じになるため、図４に示す矩形状の照明領域１０３ａにおいて長辺方向であるｚ方向および短辺方向であるｘ方向の双方向に照度ムラが発生する。前述したように、このフライアイ素子１０１を走査露光装置の照明光学系に適用する場合、走査方向に対応するｘ方向に照度ムラがある程度残っていても、走査露光の平均化効果により大きな問題にはならない。しかしながら、走査直交方向に対応するｚ方向の照度ムラは走査露光の平均化効果を受けないため、ｚ方向の照度ムラが残存していると走査露光後に所望の照度分布を得ることが困難であり、ひいては所望の結像性能を達成することが困難である。

照明領域１０３ａにおけるｚ方向の照度ムラの発生を小さく抑えるには、フライアイ素子１０１の各レンズエレメント１００に入射する光のｙｚ平面での角度範囲を大きく設定する手法が考えられる。この手法では、各レンズエレメント１００の射出面１００ｂを光が通過する領域が大きくなるので、例えば可動光学部材の移動に起因して射出面１００ｂを光が通過する領域が変動しても、光の通過領域の変動率を相対的に小さく抑えることができ、ひいてはｚ方向の照度ムラの発生を小さく抑える効果が期待できる。ただし、各レンズエレメント１００に入射する光の角度範囲を大きく設定するには、フライアイ素子１０１よりも前側の構成を変更する必要がある。

本発明では、フライアイ素子１０１よりも前側の構成を変更することなく、フライアイ素子１０１自体の構成すなわちフライアイ素子１０１の光学面の構成を変更することにより、被照射面１０３上の照明領域１０３ａにおいてｚ方向の照度ムラ（一般には所望方向の照度ムラ）の発生を小さく抑える手法を提案する。一般的に、本発明の手法では、オプティカルインテグレータを構成する複数の波面分割要素のうち、所要数の波面分割要素（理論的には少なくとも１つの波面分割要素）において、当該波面分割要素の少なくとも１つの曲面状の光学面を、当該波面分割要素の入射面の光軸中心を通り且つ要素光軸と直交する所定方向の軸線を中心として傾けて形成する。

図５（ａ）を参照して具体的に説明すると、本発明の手法では、照明領域１０３ａでのｚ方向の照度ムラの発生を小さく抑えるために、フライアイ素子１０１を構成する複数のレンズエレメント１００のうち、所要数のレンズエレメント１００Ａにおいて、その射出屈折面１００ｂが、入射面１００ａの光軸中心１００ａａを通り且つ要素光軸ＡＸｅと直交するｘ方向の軸線１０４を中心として傾いて（チルトして）形成される。図５（ａ）において破線で示す曲線１００ｂ’は、本発明の手法を適用しない通常のレンズエレメントの射出屈折面を示している。

あるいは、照明領域１０３ａでのｚ方向の照度ムラの発生を小さく抑えるために、図５（ｂ）に示すように、本発明の手法を適用したチルトレンズエレメント１００Ａにおいて、その入射屈折面１００ａが、光軸中心１００ａａを通り且つ要素光軸ＡＸｅと直交するｘ方向の軸線１０４を中心として傾いて形成される。図５（ｂ）において破線で示す曲線１００ａ’は、本発明の手法を適用しない通常のレンズエレメントの入射屈折面を示している。あるいは、図示を省略したが、照明領域１０３ａでのｚ方向の照度ムラの発生を小さく抑えるために、チルトレンズエレメント１００Ａにおいて、その入射屈折面１００ａおよび射出屈折面１００ｂを、光軸中心１００ａａを通り且つ要素光軸ＡＸｅと直交するｘ方向の軸線１０４を中心として傾けて形成することもできる。

本発明のオプティカルインテグレータでは、所要数の波面分割要素において曲面状の光学面が傾けて形成されているので、これらのチルト波面分割要素では本発明の手法を適用しない通常の波面分割要素とは異なる領域を光が通過することになる。このように、通常の波面分割要素とは異なる領域を光が通過するように所要数のチルト波面分割要素を形成しているので、光学面の面形状誤差の傾向が互いに異なる様々な領域を光が通過することになり、いわゆる面形状誤差の平均化効果により被照射面上において所望方向の照度ムラの発生を小さく抑えることができる。換言すれば、本発明では、例えばオプティカルインテグレータよりも前側に配置された可動光学部材の移動に起因して各波面分割要素に入射する光の角度や角度範囲が変動しても、光学面の面形状誤差の傾向が互いに異なる様々な領域を光が通過することになり、あたかも各波面分割要素に入射する光の角度範囲を大きく設定する場合と同様の効果、すなわち所望方向の照度ムラの発生を小さく抑える効果が得られる。

ただし、前述したように、フライアイ素子１０１のようなオプティカルインテグレータでは、被照射面１０３上に所要の照明領域１０３ａを確保するために各レンズエレメント１００の入射面１００ａに入射した光束が照明領域１０３ａを重畳的に照明するという条件、およびレンズエレメント１００の入射面１００ａに直入射した平行光も斜入射した平行光も互いに同じ射出ＮＡの光として射出面１００ｂから射出され、ひいては互いに同じＮＡの光となって照明領域１０３ａに達するという条件を満たすことが重要である。本発明では、これらの条件を満たすために、チルト波面分割要素の曲面状の光学面を、その入射面の光軸中心を通り且つ要素光軸と直交する所定方向の軸線を中心として傾けて形成することが重要である。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図６は、本発明の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。図６において、感光性基板であるウェハＷの法線方向に沿ってＺ軸を、ウェハＷの表面内において図６の紙面に平行な方向にＹ軸を、ウェハＷの表面内において図６の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。図６を参照すると、本実施形態の露光装置は、露光光（照明光）を供給するための光源１を備えている。光源１として、たとえば１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源や２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源などを用いることができる。

光源１から射出された光は、整形光学系２により所要の断面形状の光束に拡大され、偏光状態切換部３および輪帯照明用の回折光学素子４を介して、アフォーカルレンズ５に入射する。偏光状態切換部３は、光源側から順に、光軸ＡＸを中心として結晶光学軸が回転自在に構成されて入射する楕円偏光の光を直線偏光の光に変換する１／４波長板３ａと、光軸ＡＸを中心として結晶光学軸が回転自在に構成されて入射する直線偏光の偏光方向を変化させる１／２波長板３ｂと、照明光路に対して挿脱自在なデポラライザ（非偏光化素子）３ｃとを備えている。

偏光状態切換部３は、デポラライザ３ｃを照明光路から退避させた状態で、光源１からの光を所望の偏光方向を有する直線偏光の光に変換して回折光学素子４へ入射させる機能を有し、デポラライザ３ｃを照明光路中に設定した状態で、光源１からの光を実質的に非偏光の光に変換して回折光学素子４へ入射させる機能を有する。アフォーカルレンズ５は、その前側焦点位置と回折光学素子４の位置とがほぼ一致し且つその後側焦点位置と図中破線で示す所定面ＩＰの位置とがほぼ一致するように設定されたアフォーカル系（無焦点光学系）である。

回折光学素子４は、基板に露光光（照明光）の波長程度のピッチを有する段差を形成することによって構成され、入射ビームを所望の角度に回折する作用を有する。具体的には、輪帯照明用の回折光学素子４は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、そのファーフィールド（またはフラウンホーファー回折領域）に輪帯状の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、回折光学素子４に入射したほぼ平行光束は、アフォーカルレンズ５の瞳面に輪帯状の光強度分布を形成した後、輪帯状の角度分布でアフォーカルレンズ５から射出される。

アフォーカルレンズ５の前側レンズ群５ａと後側レンズ群５ｂとの間の光路中においてその瞳位置またはその近傍には、偏光変換素子６および円錐アキシコン系７が配置されている。偏光変換素子６および円錐アキシコン系７の構成および作用については後述する。アフォーカルレンズ５を介した光束は、σ値（σ値＝照明光学装置のマスク側開口数／投影光学系のマスク側開口数）可変用のズームレンズ８を介して、オプティカルインテグレータとしてのシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９に入射する。

シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９は、図７に示すように、光源側に配置された第１フライアイ部材９ａとマスク側に配置された第２フライアイ部材９ｂとから構成されている。第１フライアイ部材９ａの光源側の面および第２フライアイ部材９ｂの光源側の面には、Ｘ方向に並んで配列されたシリンドリカルレンズ群（円筒面状の入射屈折面）９ａａおよび９ｂａがそれぞれピッチｐｘで形成されている。第１フライアイ部材９ａのマスク側の面および第２フライアイ部材９ｂのマスク側の面には、Ｚ方向に並んで配列されたシリンドリカルレンズ群（円筒面状の射出屈折面）９ａｂおよび９ｂｂがそれぞれピッチｐｚ（ｐｚ＞ｐｘ）で形成されている。

シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９のＸ方向に関する屈折作用（すなわちＸＹ平面に関する屈折作用）に着目すると、光軸ＡＸに沿って入射した平行光束は、第１フライアイ部材９ａの光源側に形成されたシリンドリカルレンズ群９ａａによってＸ方向に沿ってピッチｐｘで波面分割され、その屈折面で集光作用を受けた後、第２フライアイ部材９ｂの光源側に形成されたシリンドリカルレンズ群９ｂａのうちの対応するシリンドリカルレンズの屈折面で集光作用を受け、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の後側焦点面上に集光する。

シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９のＺ方向に関する屈折作用（すなわちＹＺ平面に関する屈折作用）に着目すると、光軸ＡＸに沿って入射した平行光束は、第１フライアイ部材９ａのマスク側に形成されたシリンドリカルレンズ群９ａｂによってＺ方向に沿ってピッチｐｚで波面分割され、その屈折面で集光作用を受けた後、第２フライアイ部材９ｂのマスク側に形成されたシリンドリカルレンズ群９ｂｂのうちの対応するシリンドリカルレンズの屈折面で集光作用を受け、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の後側焦点面上に集光する。

このように、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９は、シリンドリカルレンズ群が両側面に配置された第１フライアイ部材９ａと第２フライアイ部材９ｂとにより構成されているが、Ｘ方向にｐｘのサイズを有しＺ方向にｐｚのサイズを有する多数の矩形状の微小屈折面（波面分割要素）が縦横に且つ稠密に一体形成されたマイクロフライアイレンズと同様の光学的機能を発揮する。シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９では、微小屈折面の面形状のばらつきに起因する歪曲収差の変化を小さく抑え、たとえばエッチング加工により一体的に形成される多数の微小屈折面の製造誤差が照度分布に与える影響を小さく抑えることができる。

所定面ＩＰの位置はズームレンズ８の前側焦点位置またはその近傍に配置され、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の入射面はズームレンズ８の後側焦点位置またはその近傍に配置されている。換言すると、ズームレンズ８は、所定面ＩＰとシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の入射面とを実質的にフーリエ変換の関係に配置し、ひいてはアフォーカルレンズ５の瞳面とシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の入射面とを光学的にほぼ共役に配置している。

したがって、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の入射面上には、アフォーカルレンズ５の瞳面と同様に、たとえば光軸ＡＸを中心とした輪帯状の照野が形成される。この輪帯状の照野の全体形状は、ズームレンズ８の焦点距離に依存して相似的に変化する。シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９における波面分割単位要素としての矩形状の微小屈折面は、マスクＭ上において形成すべき照野の形状（ひいてはウェハＷ上において形成すべき露光領域の形状）と相似な矩形状である。

シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９に入射した光束は二次元的に分割され、その後側焦点面またはその近傍（ひいては照明瞳）には、入射光束によって形成される照野とほぼ同じ光強度分布を有する二次光源、すなわち光軸ＡＸを中心とした輪帯状の実質的な面光源からなる二次光源が形成される。シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の後側焦点面またはその近傍に形成された二次光源からの光束は、その近傍に配置された開口絞り１０に入射する。

開口絞り１０は、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の後側焦点面またはその近傍に形成される輪帯状の二次光源に対応した輪帯状の開口部（光透過部）を有する。開口絞り１０は、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ大きさおよび形状の異なる開口部を有する複数の開口絞りと切り換え可能に構成されている。開口絞りの切り換え方式として、たとえば周知のターレット方式やスライド方式などを用いることができる。開口絞り１０は、後述する投影光学系ＰＬの入射瞳面と光学的にほぼ共役な位置に配置され、二次光源の照明に寄与する範囲を規定する。なお、開口絞り１０の設置を省略することもできる。

開口絞り１０により制限された二次光源からの光は、コンデンサー光学系１１を介して、マスクブラインド１２を重畳的に照明する。こうして、照明視野絞りとしてのマスクブラインド１２には、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の波面分割要素である矩形状の微小屈折面の形状と焦点距離とに応じた矩形状の照野が形成される。マスクブラインド１２の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系１３の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたマスクＭを重畳的に照明する。すなわち、結像光学系１３は、マスクブラインド１２の矩形状開口部の像をマスクＭ上に形成することになる。

マスクステージＭＳ上に保持されたマスクＭには転写すべきパターンが形成されており、パターン領域全体のうちＹ方向に沿って長辺を有し且つＸ方向に沿って短辺を有する矩形状（スリット状）のパターン領域が照明される。マスクＭのパターン領域を透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して、ウェハステージＷＳ上に保持されたウェハ（感光性基板）Ｗ上にマスクパターンの像を形成する。すなわち、マスクＭ上での矩形状の照明領域に光学的に対応するように、ウェハＷ上においてもＹ方向に沿って長辺を有し且つＸ方向に沿って短辺を有する矩形状の静止露光領域（実効露光領域）にパターン像が形成される。

こうして、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式にしたがって、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと直交する平面（ＸＹ平面）内において、Ｘ方向（走査方向）に沿ってマスクステージＭＳとウェハステージＷＳとを、ひいてはマスクＭとウェハＷとを同期的に移動（走査）させることにより、ウェハＷ上には静止露光領域のＹ方向寸法に等しい幅を有し且つウェハＷの走査量（移動量）に応じた長さを有するショット領域（露光領域）に対してマスクパターンが走査露光される。

なお、輪帯照明用の回折光学素子４に代えて、複数極照明（２極照明、４極照明、８極照明など）用の回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、複数極照明を行うことができる。複数極照明用の回折光学素子は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドに複数極状（２極状、４極状、８極状など）の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、複数極照明用の回折光学素子を介した光束は、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした複数の円形状の照野からなる複数極状の照野を形成する。その結果、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の後側焦点面またはその近傍にも、その入射面に形成された照野と同じ複数極状の二次光源が形成される。

また、輪帯照明用の回折光学素子４に代えて、円形照明用の回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、通常の円形照明を行うことができる。円形照明用の回折光学素子は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、ファーフィールドに円形状の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、円形照明用の回折光学素子を介した光束は、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした円形状の照野を形成する。その結果、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の後側焦点面またはその近傍にも、その入射面に形成された照野と同じ円形状の二次光源が形成される。また、輪帯照明用の回折光学素子４に代えて、適当な特性を有する回折光学素子（不図示）を照明光路中に設定することによって、様々な形態の変形照明を行うことができる。回折光学素子４の切り換え方式として、たとえば周知のターレット方式やスライド方式などを用いることができる。

円錐アキシコン系７は、光源側から順に、光源側に平面を向け且つマスク側に凹円錐状の屈折面を向けた第１プリズム部材７ａと、マスク側に平面を向け且つ光源側に凸円錐状の屈折面を向けた第２プリズム部材７ｂとから構成されている。そして、第１プリズム部材７ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材７ｂの凸円錐状の屈折面とは、互いに当接可能なように相補的に形成されている。また、第１プリズム部材７ａおよび第２プリズム部材７ｂのうち少なくとも一方の部材が光軸ＡＸに沿って移動可能に構成され、第１プリズム部材７ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材７ｂの凸円錐状の屈折面との間隔が可変に構成されている。以下、輪帯状または４極状の二次光源に着目して、円錐アキシコン系７の作用およびズームレンズ８の作用を説明する。

第１プリズム部材７ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材７ｂの凸円錐状屈折面とが互いに当接している状態では、円錐アキシコン系７は平行平面板として機能し、形成される輪帯状または４極状の二次光源に及ぼす影響はない。第１プリズム部材７ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材７ｂの凸円錐状屈折面とを離間させると、輪帯状または４極状の二次光源の幅（輪帯状の二次光源の外径と内径との差の１／２；４極状の二次光源に外接する円の直径（外径）と内接する円の直径（内径）との差の１／２）を一定に保ちつつ、輪帯状または４極状の二次光源の外径（内径）が変化する。すなわち、輪帯状または４極状の二次光源の輪帯比（内径／外径）および大きさ（外径）が変化する。

ズームレンズ８は、輪帯状または４極状の二次光源の全体形状を相似的に拡大または縮小する機能を有する。たとえば、ズームレンズ８の焦点距離を最小値から所定の値へ拡大させることにより、輪帯状または４極状の二次光源の全体形状が相似的に拡大される。換言すると、ズームレンズ８の作用により、輪帯状または４極状の二次光源の輪帯比が変化することなく、その幅および大きさ（外径）がともに変化する。このように、円錐アキシコン系７およびズームレンズ８の作用により、輪帯状または４極状の二次光源の輪帯比と大きさ（外径）とを制御することができる。

偏光変換素子６は、アフォーカルレンズ５の瞳位置またはその近傍に、すなわち照明光学系（２〜１３）の瞳面またはその近傍に配置されている。したがって、輪帯照明の場合、偏光変換素子６には光軸ＡＸを中心としたほぼ輪帯状の断面を有する光束が入射することになる。偏光変換素子６は、図８に示すように、全体として光軸ＡＸを中心とした輪帯状の有効領域を有し、この輪帯状の有効領域は光軸ＡＸを中心とした円周方向に等分割された４つの扇形形状の基本素子により構成されている。これらの４つの基本素子において、光軸ＡＸを挟んで対向する一対の基本素子は互いに同じ特性を有する。

すなわち、４つの基本素子は、光の透過方向（Ｙ方向）に沿った厚さ（光軸方向の長さ）が互いに異なる２種類の基本素子６Ａおよび６Ｂを２個づつ含んでいる。具体的には、第１基本素子６Ａの厚さは、第２基本素子６Ｂの厚さよりも大きく設定されている。その結果、偏光変換素子６の一方の面（たとえば入射面）は平面状であるが、他方の面（たとえば射出面）は各基本素子６Ａ、６Ｂの厚さの違いにより凹凸状になっている。各基本素子６Ａ、６Ｂは、旋光性を有する光学材料である水晶により構成され、その結晶光学軸が光軸ＡＸとほぼ一致するように設定されている。

以下、図９を参照して、水晶の旋光性について簡単に説明する。図９を参照すると、厚さｄの水晶からなる平行平面板状の光学部材２００が、その結晶光学軸と光軸ＡＸとが一致するように配置されている。この場合、光学部材２００の旋光性により、入射した直線偏光の偏光方向が光軸ＡＸ廻りにθだけ回転した状態で射出される。このとき、光学部材２００の旋光性による偏光方向の回転角（旋光角度）θは、光学部材２００の厚さｄと水晶の旋光能ρとにより、次の式（ａ）で表わされる。
θ＝ｄ・ρ （ａ）

一般に、水晶の旋光能ρは、波長依存性（使用光の波長に依存して旋光能の値が異なる性質：旋光分散）があり、具体的には使用光の波長が短くなると大きくなる傾向がある。「応用光学II」の第１６７頁の記述によれば、２５０．３ｎｍの波長を有する光に対する水晶の旋光能ρは、１５３．９度／ｍｍである。

第１基本素子６Ａは、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光の光が入射した場合、Ｚ方向をＹ軸廻りに＋１８０度回転させた方向すなわちＺ方向に偏光方向を有する直線偏光の光を射出するように厚さｄＡが設定されている。したがって、この場合、図１０に示す輪帯状の二次光源３１のうち、一対の第１基本素子６Ａの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円弧状領域３１Ａを通過する光束の偏光方向はＺ方向になる。

第２基本素子６Ｂは、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光の光が入射した場合、Ｚ方向をＹ軸廻りに＋９０度回転させた方向すなわちＸ方向に偏光方向を有する直線偏光の光を射出するように厚さｄＢが設定されている。したがって、この場合、図１０に示す輪帯状の二次光源３１のうち、一対の第２基本素子６Ｂの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円弧状領域３１Ｂを通過する光束の偏光方向はＸ方向になる。

なお、別々に形成された４つの基本素子を組み合わせて偏光変換素子６を得ることもできるし、あるいは平行平面板状の水晶基板に所要の凹凸形状（段差）を形成することにより偏光変換素子６を得ることもできる。一般に、偏光変換素子６を構成する基本素子の数、形状、光学特性などについて様々な変形例が可能である。また、偏光変換素子６を光路から退避させることなく通常の円形照明を行うことができるように、偏光変換素子６の有効領域の径方向の大きさの１／３以上の大きさを有し且つ旋光性を有しない円形状の中央領域６Ｃが設けられている。ここで、中央領域６Ｃは、たとえば石英のように旋光性を有しない光学材料により形成されていてもよいし、単純に円形状の開口であってもよい。

本実施形態では、周方向偏光輪帯照明（輪帯状の二次光源を通過する光束が周方向偏光状態に設定された変形照明）に際して、偏光状態切換部３中の１／２波長板３ｂの結晶光学軸の光軸廻りの角度位置を調整して輪帯照明用の回折光学素子４にＺ方向偏光（Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光）の光を入射させることによって、Ｚ方向偏光の光を偏光変換素子６に入射させる。その結果、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の後側焦点面またはその近傍には、図１０に示すように、輪帯状の二次光源（輪帯状の照明瞳分布）３１が形成され、この輪帯状の二次光源３１を通過する光束が周方向偏光状態に設定される。

周方向偏光状態では、輪帯状の二次光源３１を構成する円弧状領域３１Ａ，３１Ｂをそれぞれ通過する光束は、各円弧状領域３１Ａ，３１Ｂの円周方向に沿った中心位置における光軸ＡＸを中心とする円の接線方向とほぼ一致する偏光方向を有する直線偏光状態になる。周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布に基づく周方向偏光輪帯照明では、最終的な被照射面としてのウェハＷに照射される光がＳ偏光を主成分とする偏光状態になる。ここで、Ｓ偏光とは、入射面に対して垂直な方向に偏光方向を有する直線偏光（入射面に垂直な方向に電気ベクトルが振動している偏光）のことである。また、入射面とは、光が媒質の境界面（被照射面：ウェハＷの表面）に達したときに、その点での境界面の法線と光の入射方向とを含む面として定義される。

その結果、周方向偏光輪帯照明では、投影光学系の光学性能（焦点深度など）が向上し、ウェハ（感光性基板）上において高コントラストの良好なマスクパターン像が得られる。一般に、輪帯照明に限定されることなく、たとえば周方向偏光状態の複数極状の照明瞳分布に基づく照明においても、ウェハＷに入射する光がＳ偏光を主成分とする偏光状態になり、ウェハＷ上において高コントラストの良好なマスクパターン像が得られる。この場合、輪帯照明用の回折光学素子４に代えて、複数極照明（２極照明、４極照明、８極照明など）用の回折光学素子を照明光路に設定し、偏光状態切換部３中の１／２波長板３ｂの結晶光学軸の光軸廻りの角度位置を調整して複数極照明用の回折光学素子にＺ方向偏光の光を入射させることによって、Ｚ方向偏光の光を偏光変換素子６に入射させる。

具体的に、例えば周方向偏光４極照明（４極状の二次光源を通過する光束が周方向偏光状態に設定された変形照明）では、偏光状態切換部３中の１／２波長板３ｂの結晶光学軸の光軸廻りの角度位置を調整して４極照明用の回折光学素子にＺ方向偏光の光を入射させることによって、Ｚ方向偏光の光を偏光変換素子６に入射させる。その結果、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の後側焦点面またはその近傍には、図１１に示すように、４極状の二次光源（４極状の照明瞳分布）３２が形成され、この４極状の二次光源３２を通過する光束が周方向偏光状態に設定される。周方向偏光４極照明では、４極状の二次光源３２を構成する円形状領域３２Ａ，３２Ｂをそれぞれ通過する光束は、各円形状領域３２Ａ，３２Ｂの円周方向に沿った中心位置における光軸ＡＸを中心とする円の接線方向とほぼ一致する偏光方向を有する直線偏光状態になる。

本実施形態の露光装置では、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９よりも前側に、円錐アキシコン系７中の可動プリズム部材やズームレンズ８中の可動レンズのように光路中において移動可能に配置された可動光学部材が配置されている。これらの可動光学部材が移動すると、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の各波面分割要素に入射する光の角度や角度範囲が変動し、被照射面であるウェハＷ上に形成される矩形状の静止露光領域において所望の照度分布を得ることが困難になる。

すなわち、図１２に示す矩形状の静止露光領域ＥＲにおいて長辺方向であるＹ方向および短辺方向であるＸ方向の双方向に照度ムラが発生する。前述したように、本実施形態のような走査露光装置の場合、走査方向であるＸ方向に照度ムラがある程度残っていても、走査露光の平均化効果により大きな問題にはならない。しかしながら、走査直交方向であるＹ方向の照度ムラが残存していると、走査露光後に所望の照度分布を得ることが困難であり、ひいては所望の結像性能を達成することが困難である。本実施形態では、ウェハＷ上に形成される照明領域としての静止露光領域ＥＲにおいて、特にＹ方向（シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の位置ではＺ方向に対応している）の照度ムラの発生を小さく抑えることが求められる。

本実施形態では、静止露光領域ＥＲにおけるＹ方向の照度ムラの発生を小さく抑えるために、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９に対して本発明を適用している。シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９は、ＸＺ平面に沿って二次元的に並列配置された複数の波面分割要素を有する。図１３（ａ）に示すように、波面分割要素ＥＬは、光の入射側から順に、第１波面分割要素９１と第２波面分割要素９２とを有する。シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の第１フライアイ部材９ａは複数の第１波面分割要素９１をＸＺ平面に沿って二次元的に並列配置することにより構成され、第２フライアイ部材９ｂは複数の第２波面分割要素９２をＸＺ平面に沿って二次元的に並列配置することにより構成されている。

また、第１フライアイ部材９ａは、複数の第１波面分割要素９１がＸＺ平面に沿って二次元的に並列配置されることによりＸ方向に並んで形成される複数の円筒面状の入射屈折面９ａａと、複数の第１波面分割要素９１がＸＺ平面に沿って二次元的に並列配置されることによりＺ方向に並んで形成される複数の円筒面状の射出屈折面９ａｂとを有する。第２フライアイ部材９ｂは、複数の第２波面分割要素９２がＸＺ平面に沿って二次元的に並列配置されることによりＸ方向に並んで形成される複数の円筒面状の入射屈折面９ｂａと、複数の第２波面分割要素９２がＸＺ平面に沿って二次元的に並列配置されることによりＺ方向に並んで形成される複数の円筒面状の射出屈折面９ｂｂとを有する。

本実施形態では、静止露光領域ＥＲにおけるＹ方向の照度ムラの発生を小さく抑えるために、図１３（ｂ）に示すように、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９を構成する複数の第１波面分割要素９１のうち、所要数の第１波面分割要素９１Ａにおいて、その射出屈折面９１Ａｂを、第１波面分割要素９１Ａの入射面９１ａの光軸中心９１ａａを通り且つ要素光軸ＡＸｅと直交するＸ方向の軸線９３を中心として傾けて（チルトさせて）形成している。図１３（ｂ）において破線で示す曲線９１ｂは、本発明の手法を適用しない通常の波面分割要素ＥＬ（図１３（ａ）を参照）の第１波面分割要素９１の射出屈折面９１ｂに対応している。この場合においては、所要数の第１波面分割要素９１Ａの射出屈折面９１Ａｂは、所定の角度範囲で互いに異なる傾斜量で傾斜している。

あるいは、本実施形態では、静止露光領域ＥＲにおけるＹ方向の照度ムラの発生を小さく抑えるために、図１３（ｃ）に示すように、本発明の手法を適用した波面分割要素ＴＥＬの所要数の第２波面分割要素９２Ａにおいて、その射出屈折面９２Ａｂを、第２波面分割要素９２Ａの入射面９２ａの光軸中心９２ａａを通り且つ要素光軸ＡＸｅと直交するＸ方向の軸線９４を中心として傾けて形成している。図１３（ｃ）において破線で示す曲線９２ｂは、本発明の手法を適用しない通常の波面分割要素ＥＬ（図１３（ａ）を参照）の第２波面分割要素９２の射出屈折面９２ｂに対応している。この場合においては、所要数の第２波面分割要素９２Ａの射出屈折面９２Ａｂは、所定の角度範囲で互いに異なる傾斜量で傾斜している。

あるいは、本実施形態では、図示を省略したが、静止露光領域ＥＲにおけるＹ方向の照度ムラの発生を小さく抑えるために、本発明の手法を適用した波面分割要素ＴＥＬの所要数の第１波面分割要素９１Ａにおいて、その射出屈折面９１Ａｂを軸線９３廻りに傾けて形成するとともに、本発明の手法を適用した波面分割要素ＴＥＬの所要数の第２波面分割要素９２Ａにおいて、その射出屈折面９２Ａｂを軸線９４廻りに傾けて形成している。すなわち、この実施形態では、図１３（ｂ）に示す手法と図１３（ｃ）に示す手法を組み合わせて、所要数の第１波面分割要素の射出面を傾斜させると共に、所要数の第２波面分割要素の射出面とを傾斜させている。この場合、所要数の第１波面分割要素の射出屈折面は、所定の角度範囲で互いに異なる傾斜量で傾斜していると共に、所要数の第２波面分割要素の射出屈折面は、所定の角度範囲で互いに異なる傾斜量で傾斜している。

以上のように、本実施形態のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９では、所要数の波面分割要素ＴＥＬにおいて曲面状の光学面が傾けて形成されているので、これらのチルト波面分割要素ＴＥＬでは本発明の手法を適用しない通常の波面分割要素ＥＬとは異なる領域を光が通過する。その結果、本実施形態では、例えばシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９よりも前側に配置された可動光学部材の移動に起因して各波面分割要素に入射する光の角度や角度範囲が変動しても、光学面の面形状誤差の傾向が互いに異なる様々な領域を光が通過することになり、いわゆる面形状誤差の平均化効果により、静止露光領域ＥＲにおけるＹ方向の照度ムラの発生を小さく抑えることができる。

なお、図１３（ｃ）に示す実施形態では、軸線９４を中心に第２波面分割要素９２Ａの射出面９２Ａｂを傾斜させているが、被照射面と光学的に共役となる第１波面分割要素９１の入射面９１ａの光軸中心を通り且つその要素光軸ＡＸｅと直交するＸ方向の軸線を中心として、第２波面分割要素９２Ａの射出面９２Ａｂを傾けて形成しても良い。この場合、第２波面分割要素９２Ａの射出面９２Ａｂの傾斜によっても、照射領域がずれることなく高い照明効率を実現することができる。

また、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）では、第１波面分割要素の射出面や第２波面分割要素の射出面を傾斜させているが、第１波面分割要素の入射面や第２波面分割要素の入射面を傾斜させることも可能である。

また、以上の実施の形態のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９においては、第１フライアイ部材９ａ中の複数の第１波面分割要素の入射面（曲面状の入射側の光学面）および第２フライアイ部材９ｂ中の複数の第２波面分割要素の入射面（曲面状の入射側の光学面）は、Ｘ方向に屈折力を有し、第１フライアイ部材９ａ中の複数の第１波面分割要素の射出面（曲面状の射出側の光学面）および第２フライアイ部材９ｂ中の複数の第２波面分割要素の射出面（曲面状の射出側の光学面）は、Ｚ方向に屈折力を有している。

しかしながら、この実施の形態に限らず、別の実施の形態のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９においては、第１フライアイ部材９ａ中の複数の第１波面分割要素の入射面（曲面状の入射側の光学面）および第２フライアイ部材９ｂ中の複数の第２波面分割要素の入射面（曲面状の入射側の光学面）は、Ｚ方向に屈折力を有し、第１フライアイ部材９ａ中の複数の第１波面分割要素の射出面（曲面状の射出側の光学面）および第２フライアイ部材９ｂ中の複数の第２波面分割要素の射出面（曲面状の射出側の光学面）は、Ｘ方向に屈折力を有する構成にしても良い。

また別の実施の形態のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９においては、第１フライアイ部材９ａ中の複数の第１波面分割要素の入射面（曲面状の入射側の光学面）および第１フライアイ部材９ａ中の複数の第１波面分割要素の射出面（曲面状の射出側の光学面）は、Ｚ方向に屈折力を有し、第２フライアイ部材９ｂ中の複数の第２波面分割要素の入射面（曲面状の入射側の光学面）および第２フライアイ部材９ｂ中の複数の第２波面分割要素の射出面（曲面状の射出側の光学面）は、Ｘ方向に屈折力を有する構成にしても良い。

さらに別の実施の形態のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９においては、第１フライアイ部材９ａ中の複数の第１波面分割要素の入射面（曲面状の入射側の光学面）および第１フライアイ部材９ａ中の複数の第１波面分割要素の射出面（曲面状の射出側の光学面）は、Ｘ方向に屈折力を有し、第２フライアイ部材９ｂ中の複数の第２波面分割要素の入射面（曲面状の入射側の光学面）および第２フライアイ部材９ｂ中の複数の第２波面分割要素の射出面（曲面状の射出側の光学面）は、Ｚ方向に屈折力を有する構成にしても良い。

また、図１３（ａ）〜図１３（ｃ）では、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の第１フライアイ部材９ａは複数の第１波面分割要素（９１，９１Ａ）をＸＺ平面に沿って二次元的に並列配置することにより構成されているとしたが、図７に示すように、複数の第１波面分割要素（９１，９１Ａ）を単一の光学部材により一体的に構成したものを第１フライアイ部材９ａとすることができる。同様に、図１３（ａ）〜図１３（ｃ）では、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の第２フライアイ部材９ｂは複数の第２波面分割要素（９２，９２Ａ）をＸＺ平面に沿って二次元的に並列配置することにより構成されているとしたが、図７に示すように、複数の第２波面分割要素（９２，９２Ａ）を単一の光学部材により一体的に構成したものを第２フライアイ部材９ｂとすることができる。

なお、上述の実施形態では、マスクおよびウェハを投影光学系に対して相対移動させながら、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式にしたがってウェハの各露光領域にパターンをスキャン露光する露光装置に対して、本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、ウェハを二次元的に駆動制御しながら一括露光を行うことにより、いわゆるステップ・アンド・リピート方式にしたがってウェハのショット領域にパターンを逐次露光する露光装置に対しても、本発明を適用することもできる。

この場合、照度ムラの発生を小さく抑えたい１つの特定方向について本発明を適用すればよい。具体的には、所要数の曲面状の光学面を当該特定方向と直交する軸線廻りに適宜傾けて形成する。あるいは、必要に応じて、照度ムラの発生を小さく抑えたい２つの方向について本発明を適用することもできる。具体的には、所要数の曲面状の光学面を第１方向と直交する軸線廻りに適宜傾けて形成し、所要数の曲面状の光学面を第２方向と直交する軸線廻りに適宜傾けて形成する。

上述の実施形態にかかる露光装置は、本願特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように組み立てることにより製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続などが含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は、温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。

上述の実施形態にかかる露光装置では、照明光学装置によってマスク（レチクル）を照明し（照明工程）、投影光学系を用いてマスクに形成された転写用のパターンを感光性基板に露光する（露光工程）ことにより、マイクロデバイス（半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等）を製造することができる。以下、上述の実施形態の露光装置を用いて感光性基板としてのウェハ等に所定の回路パターンを形成することによって、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法の一例につき図１４のフローチャートを参照して説明する。

先ず、図１４のステップ３０１において、１ロットのウェハ上に金属膜が蒸着される。次のステップ３０２において、その１ロットのウェハ上の金属膜上にフォトレジストが塗布される。その後、ステップ３０３において、上述の実施形態の露光装置を用いて、マスク上のパターンの像がその投影光学系を介して、その１ロットのウェハ上の各ショット領域に順次露光転写される。その後、ステップ３０４において、その１ロットのウェハ上のフォトレジストの現像が行われた後、ステップ３０５において、その１ロットのウェハ上でレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって、マスク上のパターンに対応する回路パターンが、各ウェハ上の各ショット領域に形成される。その後、更に上のレイヤの回路パターンの形成等を行うことによって、半導体素子等のデバイスが製造される。上述の半導体デバイス製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する半導体デバイスをスループット良く得ることができる。

また、上述の実施形態の露光装置では、プレート（ガラス基板）上に所定のパターン（回路パターン、電極パターン等）を形成することによって、マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得ることもできる。以下、図１５のフローチャートを参照して、このときの手法の一例につき説明する。図１５において、パターン形成工程４０１では、上述の実施形態の露光装置を用いてマスクのパターンを感光性基板（レジストが塗布されたガラス基板等）に転写露光する、所謂光リソグラフィー工程が実行される。この光リソグラフィー工程によって、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターンが形成される。その後、露光された基板は、現像工程、エッチング工程、レジスト剥離工程等の各工程を経ることによって、基板上に所定のパターンが形成され、次のカラーフィルター形成工程４０２へ移行する。

次に、カラーフィルター形成工程４０２では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応した３つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルターの組を複数水平走査線方向に配列したカラーフィルターを形成する。そして、カラーフィルター形成工程４０２の後に、セル組み立て工程４０３が実行される。セル組み立て工程４０３では、パターン形成工程４０１にて得られた所定パターンを有する基板、およびカラーフィルター形成工程４０２にて得られたカラーフィルター等を用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。

セル組み立て工程４０３では、例えば、パターン形成工程４０１にて得られた所定パターンを有する基板とカラーフィルター形成工程４０２にて得られたカラーフィルターとの間に液晶を注入して、液晶パネル（液晶セル）を製造する。その後、モジュール組み立て工程４０４にて、組み立てられた液晶パネル（液晶セル）の表示動作を行わせる電気回路、バックライト等の各部品を取り付けて液晶表示素子として完成させる。上述の液晶表示素子の製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する液晶表示素子をスループット良く得ることができる。

なお、上述の実施形態では、露光光としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長：１９３ｎｍ）やＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）を用いているが、これに限定されることなく、他の適当なレーザ光源、たとえば波長１５７ｎｍのレーザ光を供給するＦ₂レーザ光源などに対して本発明を適用することもできる。

また、上述の実施形態では、露光装置の照明光学装置に使用されるオプティカルインテグレータに対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、一般的な光学装置に使用されるオプティカルインテグレータに対して本発明を適用することもできる。また、上述の実施形態では、露光装置においてマスクまたはウェハを照明する照明光学装置に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、マスクまたはウェハ以外の被照射面を照明する一般的な照明光学装置に対して本発明を適用することもできる。

複数の両凸レンズエレメントを縦横に且つ稠密に配列して構成されるフライアイ素子の構成を概略的に示す図である。 フライアイ素子では斜入射平行光においても直入射平行光と同じ射出ＮＡが確保されることを説明する図である。 フライアイ素子において斜入射平行光と直入射平行光とで同じ射出ＮＡを確保するのに必要な条件を説明する図である。 図１のフライアイ素子により被照射面上に形成される矩形状の照明領域を示す図である。 図１のフライアイ素子への本発明の適用を説明する図であって、（ａ）はレンズエレメントの射出屈折面を傾けて形成する様子を、（ｂ）は入射屈折面を傾けて形成する様子を示す図である。 本発明の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。 図６のシリンドリカルマイクロフライアイレンズの構成を概略的に示す斜視図である。 図６の偏光変換素子の構成を概略的に示す図である。 水晶の旋光性について説明する図である。 偏光変換素子の作用により周方向偏光状態に設定された輪帯状の二次光源を概略的に示す図である。 偏光変換素子の作用により周方向偏光状態に設定された４極状の二次光源を概略的に示す図である。 本実施形態においてウェハ面上に形成される矩形状の静止露光領域を示す図である。 図６のシリンドリカルマイクロフライアイレンズへの本発明の適用を説明する図であって、（ａ）は通常の波面分割要素の構成を、（ｂ）は第１波面分割要素の射出屈折面を傾けて形成する様子を、（ｃ）は第２波面分割要素の射出屈折面を傾けて形成する様子を示す図である。 マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法のフローチャートである。 マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得る際の手法のフローチャートである。

符号の説明

１ 光源
３ 偏光状態切換部
４ 回折光学素子
５ アフォーカルレンズ
６ 偏光変換素子
７ 円錐アキシコン系
８ ズームレンズ
９ シリンドリカルマイクロフライアイレンズ（オプティカルインテグレータ）
１１ コンデンサー光学系
１２ マスクブラインド
１３ 結像光学系
Ｍ マスク
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ

Claims (14)

1. 二次元的に並列配置された複数の波面分割要素を有するオプティカルインテグレータにおいて、
   前記波面分割要素の入射面の光軸中心に斜め入射した光線群が、前記光軸と平行に前記波面分割要素から射出されるように、前記波面分割要素は構成され、
   前記波面分割要素は少なくとも１つの入射側の光学面及び少なくとも１つの射出側の光学面を有し、
   前記複数の波面分割要素のうちの少なくとも１つの波面分割要素では、当該波面分割要素の少なくとも１つの曲面状の光学面が、当該波面分割要素の所定の入射側の光学面の光軸中心を通り且つ前記光軸と直交する所定方向の軸線を中心として傾いて形成されていることを特徴とするオプティカルインテグレータ。
2. 前記波面分割要素の最も入射側の光学面に前記光軸の方向から入射した光により形成される前記波面分割要素からの光の最大射出角度（半角）と、前記波面分割要素の最も入射側の光学面に前記光軸に対して斜め方向から入射した光により形成される前記波面分割要素からの光の最大射出角度（半角）とが等しくなるように、前記波面分割要素は構成されていることを特徴とする請求項１に記載のオプティカルインテグレータ。
3. 前記オプティカルインテグレータは、前記複数の波面分割要素が二次元的に並列配置された単一の光学部材を備え、
   前記単一の光学部材は、前記複数の波面分割要素が二次元的に並列配置されることにより形成される複数の曲面状の入射屈折面と、前記複数の波面分割要素が二次元的に並列配置されることにより形成される複数の曲面状の射出屈折面とを有することを特徴とする請求項１または２に記載のオプティカルインテグレータ。
4. 前記波面分割要素は、第１波面分割要素と第２波面分割要素とを有し、
   前記オプティカルインテグレータは、光の入射側から順に、前記複数の第１波面分割要素が二次元的に並列配置された第１光学部材と、前記複数の第２波面分割要素が二次元的に並列配置された第２光学部材とを備え、
   前記第１光学部材は、前記複数の第１波面分割要素が二次元的に並列配置されることにより一方向に並んで形成される複数の円筒面状の入射屈折面と、前記複数の第１波面分割要素が二次元的に並列配置されることにより一方向に並んで形成される複数の円筒面状の射出屈折面とを有し、
   前記第２光学部材は、前記複数の第２波面分割要素が二次元的に並列配置されることにより一方向に並んで形成される複数の円筒面状の入射屈折面と、前記複数の第２波面分割要素が二次元的に並列配置されることにより一方向に並んで形成される複数の円筒面状の射出屈折面とを有することを特徴とする請求項１または２に記載のオプティカルインテグレータ。
5. 前記複数の第１波面分割要素のうちの少なくとも１つの第１波面分割要素では、当該第１波面分割要素の射出側の曲面状の光学面が、当該第１波面分割要素の入射側の光学面の光軸中心を通り且つ前記光軸と直交する所定方向の軸線を中心として傾いて形成されていることを特徴とする請求項４に記載のオプティカルインテグレータ。
6. 前記複数の第２波面分割要素のうちの少なくとも１つの第２波面分割要素では、当該第２波面分割要素の射出側の曲面状の光学面が、当該第２波面分割要素の入射側の光学面の光軸中心を通り且つ前記光軸と直交する所定方向の軸線を中心として傾いて形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載のオプティカルインテグレータ。
7. 前記複数の第２波面分割要素のうちの少なくとも１つの第２波面分割要素では、当該第２波面分割要素の射出側の曲面状の光学面が、当該第２波面分割要素の入射側にある前記第１波面分割要素における入射側の光学面の光軸中心を通り且つ前記光軸と直交する所定方向の軸線を中心として傾いて形成されていることを特徴とする請求項４乃至６に記載のオプティカルインテグレータ。
8. 前記波面分割要素の少なくとも１つの曲面状の傾斜した光学面は、当該波面分割要素の所定の入射側の光学面を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ。
9. 光源からの光に基づいて被照射面を照明する照明光学装置において、
   前記光源と前記被照射面との間の光路中に配置された請求項１乃至８のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータを備えていることを特徴とする照明光学装置。
10. 前記光源と前記オプティカルインテグレータとの間の光路中において移動可能に配置された可動光学部材を備えていることを特徴とする請求項９に記載の照明光学装置。
11. 所定のパターンを照明するための請求項９または１０に記載の照明光学装置を備え、前記所定のパターンを感光性基板に露光することを特徴とする露光装置。
12. 前記所定のパターンの像を前記感光性基板上に形成する投影光学系を備え、該投影光学系に対して前記所定のパターンおよび前記感光性基板を走査方向に沿って相対移動させて、前記所定のパターンを前記感光性基板へ投影露光することを特徴とする請求項１１に記載の露光装置。
13. 前記オプティカルインテグレータにおける前記所定方向は、前記走査方向に対応していることを特徴とする請求項１２に記載の露光装置。
14. 請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、該露光工程を経た前記感光性基板を現像する現像工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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