JPWO2005076045A1 - 偏光変換素子、照明光学装置、露光装置、および露光方法 - Google Patents

Abstract

光量損失を抑えつつ、ほぼ単一方向に偏光方向を有する直線偏光状態の入射光を、ほぼ周方向に偏光方向を有する周方向偏光状態の光に変換することのできる偏光変換素子。入射光の偏光状態を所定の偏光状態に変換する偏光変換素子（１０）。たとえば水晶のような旋光性を有する光学材料により形成されて周方向に変化する厚さ分布を有する。厚さ分布は、ほぼ単一方向に偏光方向を有する直線偏光状態の光を、ほぼ周方向に偏光方向を有する周方向偏光状態の光に変換するように設定されている。周方向に分割された複数の領域（１０Ａ〜１０Ｄ）を有し、この複数の領域において隣り合う任意の２つの領域の厚さが互いに異なる。また、複数の領域において対向する任意の２つの領域は、互いにほぼ等しい旋光角度を有する。

Description

本発明は、偏光変換素子、照明光学装置、露光装置、および露光方法に関し、特に半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスをリソグラフィー工程で製造するための露光装置に関するものである。

この種の典型的な露光装置においては、光源から射出された光束が、オプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズを介して、多数の光源からなる実質的な面光源としての二次光源を形成する。二次光源（一般には、照明光学装置の照明瞳またはその近傍に形成される照明瞳分布）からの光束は、フライアイレンズの後側焦点面の近傍に配置された開口絞りを介して制限された後、コンデンサーレンズに入射する。

コンデンサーレンズにより集光された光束は、所定のパターンが形成されたマスクを重畳的に照明する。マスクのパターンを透過した光は、投影光学系を介してウェハ上に結像する。こうして、ウェハ上には、マスクパターンが投影露光（転写）される。なお、マスクに形成されたパターンは高集積化されており、この微細パターンをウェハ上に正確に転写するにはウェハ上において均一な照度分布を得ることが不可欠である。

たとえば本出願人の出願にかかる特許第３２４６６１５号公報には、任意方向の微細パターンを忠実に転写するのに適した照明条件を実現するために、フライアイレンズの後側焦点面に輪帯状の二次光源を形成し、この輪帯状の二次光源を通過する光束がその周方向を偏光方向とする直線偏光状態（以下、略して「周方向偏光状態」という）になるように設定する技術が開示されている。

特許第３２４６６１５号公報

しかしながら、上述の公報に開示された従来技術では、フライアイレンズを介して形成された円形状の光束を輪帯状の開口部を有する開口絞りを介して制限することにより輪帯状の二次光源を形成している。その結果、従来技術では、開口絞りにおいて大きな光量損失が発生し、ひいては露光装置のスループットが低下するという不都合があった。

本発明は、光量損失を抑えつつ、ほぼ単一方向に偏光方向を有する直線偏光状態の入射光を、ほぼ周方向に偏光方向を有する周方向偏光状態の光に変換することを目的とする。

また、本発明は、ほぼ単一方向に偏光方向を有する直線偏光状態の入射光をほぼ周方向に偏光方向を有する周方向偏光状態の光に変換することのできる偏光変換素子を用いて、光量損失を良好に抑えつつ周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することを目的とする。

また、本発明は、光量損失を良好に抑えつつ周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することのできる照明光学装置を用いて、適切な照明条件のもとで微細パターンを忠実に且つ高スループットで転写することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の第１形態では、本発明の第１形態では、入射光の偏光状態を所定の偏光状態に変換する偏光変換素子において、
旋光性を有する光学材料により形成されて周方向に変化する厚さ分布を有することを特徴とする偏光変換素子を提供する。

本発明の第２形態では、照明光を供給するための光源と、該光源と被照射面との間の光路中に配置された第１形態の偏光変換素子と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、光源から供給される照明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、
前記照明光学装置の照明瞳面または該照明瞳面と共役な面内に形成される光強度分布における所定の有効光源領域での第１方向偏光に関する平均特定偏光率をＲＳＰ_h(Ave)とし、第２方向偏光に関する平均特定偏光率ＲＳＰ_v(Ave)とするとき、
ＲＳＰ_h(Ave)＞７０％， ＲＳＰ_v(Ave)＞７０％
を満足することを特徴とする照明光学装置を提供する。
ただし、
ＲＳＰ_h(Ave)＝Ｉｘ(Ave)／（Ｉｘ＋Ｉｙ）Ave
ＲＳＰ_v(Ave)＝Ｉｙ(Ave)／（Ｉｘ＋Ｉｙ）Ave
である。
ここで、Ｉｘ(Ave)は所定の有効光源領域を通過し像面上の一点に到達する光線束における第１方向偏光成分の強度の平均、Ｉｙ(Ave)は前記所定の有効光源領域を通過し像面上の一点に到達する光線束における第２方向偏光成分の強度の平均、（Ｉｘ＋Ｉｙ）Aveは前記所定の有効光源領域を通過する全光束の強度の平均である。なお、前記照明光学装置の照明瞳面とは、前記被照射面に対して光学的にフーリエ変換の関係となる面と定義することや、前記照明光学装置が投影光学系と組み合わされる場合には、投影光学系の開口絞りと光学的に共役な照明光学装置内の面と定義することができる。また、前記照明光学装置の照明瞳面と共役な面とは、前記照明光学装置内にある面には限定されず、たとえば前記照明光学装置が投影光学系と組み合わされる場合には、投影光学系内の面であっても良く、また照明光学装置（あるいは投影露光装置）の偏光状態を検出するための偏光測定器内の面であっても良い。

本発明の第４形態では、第２形態または第３形態の照明光学装置を備え、該照明光学装置を介してマスクのパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光装置を提供する。

本発明の第５形態では、第２形態または第３形態の照明光学装置を用いて、マスクのパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光方法を提供する。

本発明の第６形態では、入射光の偏光状態を所定の偏光状態に変換する偏光変換素子の製造方法において、
旋光性を有する光学材料を準備する工程と、
前記光学材料に周方向に変化する厚さ分布を与える工程とを有することを特徴とする偏光変換素子の製造方法を提供する。

本発明の偏光変換素子は、たとえば水晶のような旋光性を有する光学材料により形成され、周方向に変化する厚さ分布を有する。ここで、厚さ分布は、例えば、ほぼ単一方向に偏光方向を有する直線偏光状態の光を、ほぼ周方向に偏光方向を有する周方向偏光状態の光に変換するように設定されている。その結果、本発明では、光量損失を抑えつつ、ほぼ単一方向に偏光方向を有する直線偏光状態の入射光を、ほぼ周方向に偏光方向を有する周方向偏光状態の光に変換することのできる偏光変換素子を実現することができる。特に、旋光性を有する光学材料により偏光変換素子を形成しているため、たとえば波長板と比較して製造が極めて容易であるという利点がある。

したがって、本発明の照明光学装置では、ほぼ単一方向に偏光方向を有する直線偏光状態の入射光をほぼ周方向に偏光方向を有する周方向偏光状態の光に変換することのできる偏光変換素子を用いているので、光量損失を良好に抑えつつ周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することができる。また、本発明の露光装置および露光方法では、光量損失を良好に抑えつつ周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することのできる照明光学装置を用いているので、適切な照明条件のもとで微細パターンを忠実に且つ高スループットで転写することができ、ひいては高いスループットで良好なデバイスを製造することができる。

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。 輪帯状の二次光源に対する円錐アキシコン系の作用を説明する図である。 輪帯状の二次光源に対するズームレンズの作用を説明する図である。 図１の偏光モニターの内部構成を概略的に示す斜視図である。 図１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径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。 複数の偏光変換素子を交換可能に設けた変形例を示す図である。 図９における交換機構としてのターレット１０Ｔに載置された複数種類の偏光変換素子１０ａ〜１０ｅを示す図である。 複数種類の偏光変換素子１０ａ〜１０ｅのそれぞれの構成を示す図である。 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二次光源の一例を概略的に示す図である。 光軸ＡＸ廻りに回転可能に設けられた偏光変換素子１０ｆの構成を概略的に示す図である。 偏光変換素子１０ｆの作用により周方向偏光状態に設定された二次光源の一例を概略的に示す図である。 ８つの扇型形状の基本素子から構成される偏光変換素子を光軸ＡＸ廻りに回転可能としたときに得られる二次光源の一例を概略的に示す図である。 偏光変換素子を照明光学装置の瞳近傍の位置のうち、円錐アキシコン系８の直前の位置（入射側近傍の位置）に配置した例を示す図である。 図１６に示す変形例において満たすべき条件式（１）および（２）を説明するための図である。 偏光変換素子を照明光学装置の瞳近傍の位置のうち、結像光学系１５の瞳位置の近傍に配置した例を示す図である。 ウェハＷを照明する光の偏光状態及び光強度を検出するためのウェハ面偏光モニター９０の概略構成を示す図である。 ４分割偏光変換素子１０ｆを用いて４分割周方向偏光輪帯照明を行うときに得られる輪帯形状の二次光源３１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。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１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１において、感光性基板であるウェハＷの法線方向に沿ってＺ軸を、ウェハＷの面内において図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、ウェハＷの面内において図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２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源や１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦ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Ｚ方向に沿って射出されたほぼ平行な光束は、Ｘ方向に沿って細長く延びた矩形状の断面を有し、一対のレンズ２ａおよび２ｂからなるビームエキスパンダー２に入射する。各レンズ２ａおよび２ｂは、図１の紙面内（ＹＺ平面内）において負の屈折力および正の屈折力をそれぞれ有する。したがって、ビームエキスパンダー２に入射した光束は、図１の紙面内において拡大され、所定の矩形状の断面を有する光束に整形される。

整形光学系としてのビームエキスパンダー２を介したほぼ平行な光束は、折り曲げミラー３でＹ方向に偏向された後、１／４波長板４ａ、１／２波長板４ｂ、デポラライザ（非偏光化素子）４ｃ、および輪帯照明用の回折光学素子５を介して、アフォーカルレンズ６に入射する。ここで、１／４波長板４ａ、１／２波長板４ｂ、およびデポラライザ４ｃは、後述するように、偏光状態切換部４を構成している。アフォーカルレンズ６は、その前側焦点位置と回折光学素子５の位置とがほぼ一致し且つその後側焦点位置と図中破線で示す所定面７の位置とがほぼ一致するように設定されたアフォーカル系（無焦点光学系）である。

一般に、回折光学素子は、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５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、光束変換素子としての回折光学素子５に入射したほぼ平行光束は、アフォーカルレンズ６の瞳面に輪帯状の光強度分布を形成した後、ほぼ平行光束となってアフォーカルレンズ６から射出される。なお、アフォーカルレンズ６の前側レンズ群６ａと後側レンズ群６ｂとの間の光路中においてその瞳面またはその近傍には、円錐アキシコン系８が配置されているが、その詳細な構成および作用については後述する。以下、説明を簡単にするために、円錐アキシコン系８の作用を無視して、基本的な構成および作用を説明する。

アフォーカルレンズ６を介した光束は、σ値可変用のズームレンズ９および偏光変換素子１０を介して、オプティカルインテグレータとしてのマイクロフライアイレンズ（またはフライアイレンズ）１１に入射する。偏光変換素子１０の構成および作用については後述する。マイクロフライアイレンズ１１は、縦横に且つ稠密に配列された多数の正屈折力を有する微小レンズからなる光学素子である。一般に、マイクロフライアイレンズは、たとえば平行平面板にエッチング処理を施して微小レンズ群を形成することによって構成される。

ここで、マイクロフライアイレンズを構成する各微小レンズは、フライアイレンズを構成する各レンズエレメントよりも微小である。また、マイクロフライアイレンズは、互いに隔絶されたレンズエレメントからなるフライアイレンズとは異なり、多数の微小レンズ（微小屈折面）が互いに隔絶されることなく一体的に形成されている。しかしながら、正屈折力を有するレンズ要素が縦横に配置されている点でマイクロフライアイレンズはフライアイレンズと同じ波面分割型のオプティカルインテグレータである。

所定面７の位置はズームレンズ９の前側焦点位置の近傍に配置され、マイクロフライアイレンズ１１の入射面はズームレンズ９の後側焦点位置の近傍に配置されている。換言すると、ズームレンズ９は、所定面７とマイクロフライアイレンズ１１の入射面とを実質的にフーリエ変換の関係に配置し、ひいてはアフォーカルレンズ６の瞳面とマイクロフライアイレンズ１１の入射面とを光学的にほぼ共役に配置している。

したがって、マイクロフライアイレンズ１１の入射面上には、アフォーカルレンズ６の瞳面と同様に、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９の焦点距離に依存して相似的に変化する。マイクロフライアイレンズ１１を構成する各微小レンズは、マスクＭ上において形成すべき照野の形状（ひいてはウェハＷ上において形成すべき露光領域の形状）と相似な矩形状の断面を有する。

マイクロフライアイレンズ１１に入射した光束は多数の微小レンズにより二次元的に分割され、その後側焦点面またはその近傍（ひいては照明瞳）には、入射光束によって形成される照野とほぼ同じ光強度分布を有する二次光源、すなわち光軸ＡＸを中心とした輪帯状の実質的な面光源からなる二次光源が形成される。マイクロフライアイレンズ１１の後側焦点面またはその近傍に形成された二次光源からの光束は、ビームスプリッター１２ａおよびコンデンサー光学系１３を介した後、マスクブラインド１４を重畳的に照明する。

こうして、照明視野絞りとしてのマスクブラインド１４には、マイクロフライアイレンズ１１を構成する各微小レンズの形状と焦点距離とに応じた矩形状の照野が形成される。なお、ビームスプリッター１２ａを内蔵する偏光モニター１２の内部構成および作用については後述する。マスクブラインド１４の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系１５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１５は、マスクブラインド１４の矩形状開口部の像をマスクＭ上に形成することになる。マスクＭのパターンを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して、感光性基板であるウェハ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ＡＸと直交する平面（ＸＹ平面）内においてウェハＷを二次元的に駆動制御しながら一括露光またはスキャン露光を行うことにより、ウェハＷの各露光領域にはマスクＭのパターンが逐次露光される。

なお、偏光状態切換部４において、１／４波長板４ａは、光軸ＡＸを中心として結晶光学軸が回転自在に構成されて、入射する楕円偏光の光を直線偏光の光に変換する。また、１／２波長板４ｂは、光軸ＡＸを中心として結晶光学軸が回転自在に構成されて、入射する直線偏光の偏光面を変化させる。また、デポラライザ４ｃは、相補的な形状を有する楔形状の水晶プリズムと楔形状の石英プリズムとにより構成されている。水晶プリズムと石英プリズムとは、一体的なプリズム組立体として、照明光路に対して挿脱自在に構成されている。

光源１としてＫｒＦエキシマレーザ光源やＡｒＦエキシマレーザ光源を用いる場合、これらの光源から射出される光は典型的には９５％以上の偏光度を有し、１／４波長板４ａにはほぼ直線偏光の光が入射する。しかしながら、光源１と偏光状態切換部４との間の光路中に裏面反射鏡としての直角プリズムが介在する場合、入射する直線偏光の偏光面がＰ偏光面またはＳ偏光面に一致していないと、直角プリズムでの全反射により直線偏光が楕円偏光に変わる。

偏光状態切換部４では、たとえば直角プリズムでの全反射に起因して楕円偏光の光が入射しても、１／４波長板４ａの作用により変換された直線偏光の光が１／２波長板４ｂに入射する。１／２波長板４ｂの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して０度または９０度の角度をなすように設定された場合、１／２波長板４ｂに入射した直線偏光の光は偏光面が変化することなくそのまま通過する。

また、１／２波長板４ｂの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定された場合、１／２波長板４ｂに入射した直線偏光の光は偏光面が９０度だけ変化した直線偏光の光に変換される。さらに、デポラライザ４ｃの水晶プリズムの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定された場合、水晶プリズムに入射した直線偏光の光は非偏光状態の光に変換（非偏光化）される。

偏光状態切換部４では、デポラライザ４ｃが照明光路中に位置決めされたときに水晶プリズムの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように構成されている。ちなみに、水晶プリズムの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して０度または９０度の角度をなすように設定された場合、水晶プリズムに入射した直線偏光の光は偏光面が変化することなくそのまま通過する。また、１／２波長板４ｂの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して２２．５度の角度をなすように設定された場合、１／２波長板４ｂに入射した直線偏光の光は、偏光面が変化することなくそのまま通過する直線偏光成分と偏光面が９０度だけ変化した直線偏光成分とを含む非偏光状態の光に変換される。

偏光状態切換部４では、上述したように、直線偏光の光が１／２波長板４ｂに入射するが、以下の説明を簡単にするために、図１においてＺ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光（以下、「Ｚ方向偏光」と称する）の光が１／２波長板４ｂに入射するものとする。デポラライザ４ｃを照明光路中に位置決めした場合、１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面（偏光方向）に対して０度または９０度の角度をなすように設定すると、１／２波長板４ｂに入射したＺ方向偏光の光は偏光面が変化することなくＺ方向偏光のまま通過してデポラライザ４ｃの水晶プリズムに入射する。水晶プリズムの結晶光学軸は入射するＺ方向偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定されているので、水晶プリズムに入射したＺ方向偏光の光は非偏光状態の光に変換される。

水晶プリズムを介して非偏光化された光は、光の進行方向を補償するためのコンペンセータとしての石英プリズムを介して、非偏光状態で回折光学素子５に入射する。一方、１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定すると、１／２波長板４ｂに入射したＺ方向偏光の光は偏光面が９０度だけ変化し、図１においてＸ方向に偏光方向（電場の方向）を有する直線偏光（以下、「Ｘ方向偏光」と称する）の光になってデポラライザ４ｃの水晶プリズムに入射する。水晶プリズムの結晶光学軸は入射するＸ方向偏光の偏光面に対しても４５度の角度をなすように設定されているので、水晶プリズムに入射したＸ方向偏光の光は非偏光状態の光に変換され、石英プリズムを介して、非偏光状態で回折光学素子５に入射する。

これに対し、デポラライザ４ｃを照明光路から退避させた場合、１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して０度または９０度の角度をなすように設定すると、１／２波長板４ｂに入射したＺ方向偏光の光は偏光面が変化することなくＺ方向偏光のまま通過し、Ｚ方向偏光状態で回折光学素子５に入射する。一方、１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して４５度の角度をなすように設定すると、１／２波長板４ｂに入射したＺ方向偏光の光は偏光面が９０度だけ変化してＸ方向偏光の光になり、Ｘ方向偏光状態で回折光学素子５に入射する。

以上のように、偏光状態切換部４では、デポラライザ４ｃを照明光路中に挿入して位置決めすることにより、非偏光状態の光を回折光学素子５に入射させることができる。また、デポラライザ４ｃを照明光路から退避させ且つ１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して０度または９０度の角度をなすように設定することにより、Ｚ方向偏光状態の光を回折光学素子５に入射させることができる。さらに、デポラライザ４ｃを照明光路から退避させ且つ１／２波長板４ｂの結晶光学軸を入射するＺ方向偏光の偏光面に対して４５度をなすように設定することにより、Ｘ方向偏光状態の光を回折光学素子５に入射させることができる。

換言すれば、偏光状態切換部４では、１／４波長板４ａと１／２波長板４ｂとデポラライザ４ｃとからなる偏光状態切換部の作用により、回折光学素子５への入射光の偏光状態（ひいてはマスクＭおよびウェハＷを照明する光の偏光状態）を直線偏光状態と非偏光状態との間で切り換えることができ、直線偏光状態の場合には互いに直交する偏光状態間（Ｚ方向偏光とＸ方向偏光との間）で切り換えることができる。

さらに、偏光状態切換部４では、１／２波長板４ｂおよびデポラライザ４ｃをともに照明光路から退避させ、且つ１／４波長板４ａの結晶光学軸を入射する楕円偏光に対して所定の角度をなすように設定することにより、円偏光状態の光を回折光学素子５に入射させることができる。また、一般的には、１／２波長板４ｂの作用により、回折光学素子５への入射光の偏光状態を、任意方向に偏光方向を有する直線偏光状態に設定することもできる。

次に、円錐アキシコン系８は、光源側から順に、光源側に平面を向け且つマスク側に凹円錐状の屈折面を向けた第１プリズム部材８ａと、マスク側に平面を向け且つ光源側に凸円錐状の屈折面を向けた第２プリズム部材８ｂとから構成されている。そして、第１プリズム部材８ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材８ｂの凸円錐状の屈折面とは、互いに当接可能なように相補的に形成されている。また、第１プリズム部材８ａおよび第２プリズム部材８ｂのうち少なくとも一方の部材が光軸ＡＸに沿って移動可能に構成され、第１プリズム部材８ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材８ｂの凸円錐状の屈折面との間隔が可変に構成されている。

ここで、第１プリズム部材８ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材８ｂの凸円錐状屈折面とが互いに当接している状態では、円錐アキシコン系８は平行平面板として機能し、形成される輪帯状の二次光源に及ぼす影響はない。しかしながら、第１プリズム部材８ａの凹円錐状屈折面と第２プリズム部材８ｂの凸円錐状屈折面とを離間させると、円錐アキシコン系８は、いわゆるビームエキスパンダーとして機能する。したがって、円錐アキシコン系８の間隔の変化に伴って、所定面７への入射光束の角度は変化する。

図２は、輪帯状の二次光源に対する円錐アキシコン系の作用を説明する図である。図２を参照すると、円錐アキシコン系８の間隔が零で且つズームレンズ９の焦点距離が最小値に設定された状態（以下、「標準状態」という）で形成された最も小さい輪帯状の二次光源３０ａが、円錐アキシコン系８の間隔を零から所定の値まで拡大させることにより、その幅（外径と内径との差の１／２：図中矢印で示す）が変化することなく、その外径および内径がともに拡大された輪帯状の二次光源３０ｂに変化する。換言すると、円錐アキシコン系８の作用により、輪帯状の二次光源の幅が変化することなく、その輪帯比（内径／外径）および大きさ（外径）がともに変化する。

図３は、輪帯状の二次光源に対するズームレンズの作用を説明する図である。図３を参照すると、標準状態で形成された輪帯状の二次光源３０ａが、ズームレンズ９の焦点距離を最小値から所定の値へ拡大させることにより、その全体形状が相似的に拡大された輪帯状の二次光源３０ｃに変化する。換言すると、ズームレンズ９の作用により、輪帯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。

図４は、図１の偏光モニターの内部構成を概略的に示す斜視図である。図４を参照すると、偏光モニター１２は、マイクロフライアイレンズ１１とコンデンサー光学系１３との間の光路中に配置された第１ビームスプリッター１２ａを備えている。第１ビームスプリッター１２ａは、たとえば石英ガラスにより形成されたノンコートの平行平面板（すなわち素ガラス）の形態を有し、入射光の偏光状態とは異なる偏光状態の反射光を光路から取り出す機能を有する。

第１ビームスプリッター１２ａにより光路から取り出された光は、第２ビームスプリッター１２ｂに入射する。第２ビームスプリッター１２ｂは、第１ビームスプリッター１２ａと同様に、例えば石英ガラスにより形成されたノンコートの平行平面板の形態を有し、入射光の偏光状態とは異なる偏光状態の反射光を発生させる機能を有する。そして、第１ビームスプリッター１２ａに対するＰ偏光が第２ビームスプリッター１２ｂに対するＳ偏光になり、且つ第１ビームスプリッター１２ａに対するＳ偏光が第２ビームスプリッター１２ｂに対するＰ偏光になるように設定されている。

また、第２ビームスプリッター１２ｂを透過した光は第１光強度検出器１２ｃにより検出され、第２ビームスプリッター１２ｂで反射された光は第２光強度検出器１２ｄにより検出される。第１光強度検出器１２ｃおよび第２光強度検出器１２ｄの出力は、それぞれ制御部（不図示）に供給される。制御部は、偏光状態切換部４を構成する１／４波長板４ａ、１／２波長板４ｂおよびデポラライザ４ｃを必要に応じて駆動する。

上述のように、第１ビームスプリッター１２ａおよび第２ビームスプリッター１２ｂにおいて、Ｐ偏光に対する反射率とＳ偏光に対する反射率とが実質的に異なっている。したがって、偏光モニター１２では、第１ビームスプリッター１２ａからの反射光が、例えば第１ビームスプリッター１２ａへの入射光の１０％程度のＳ偏光成分（第１ビームスプリッター１２ａに対するＳ偏光成分であって第２ビームスプリッター１２ｂに対するＰ偏光成分）と、例えば第１ビームスプリッター１２ａへの入射光の１％程度のＰ偏光成分（第１ビームスプリッター１２ａに対するＰ偏光成分であって第２ビームスプリッター１２ｂに対するＳ偏光成分）とを含むことになる。

また、第２ビームスプリッター１２ｂからの反射光は、例えば第１ビームスプリッター１２ａへの入射光の１０％×１％＝０．１％程度のＰ偏光成分（第１ビームスプリッター１２ａに対するＰ偏光成分であって第２ビームスプリッター１２ｂに対するＳ偏光成分）と、例えば第１ビームスプリッター１２ａへの入射光の１％×１０％＝０．１％程度のＳ偏光成分（第１ビームスプリッター１２ａに対するＳ偏光成分であって第２ビームスプリッター１２ｂに対するＰ偏光成分）とを含むことになる。

こうして、偏光モニター１２では、第１ビームスプリッター１２ａが、その反射特性に応じて、入射光の偏光状態とは異なる偏光状態の反射光を光路から取り出す機能を有する。その結果、第２ビームスプリッター１２ｂの偏光特性による偏光変動の影響を僅かに受けるものの、第１光強度検出器１２ｃの出力（第２ビームスプリッター１２ｂの透過光の強度に関する情報、すなわち第１ビームスプリッター１２ａからの反射光とほぼ同じ偏光状態の光の強度に関する情報）に基づいて、第１ビームスプリッター１２ａへの入射光の偏光状態（偏光度）を、ひいてはマスクＭへの照明光の偏光状態を検知することができる。

また、偏光モニター１２では、第１ビームスプリッター１２ａに対するＰ偏光が第２ビームスプリッター１２ｂに対するＳ偏光になり且つ第１ビームスプリッター１２ａに対するＳ偏光が第２ビームスプリッター１２ｂに対するＰ偏光になるように設定されている。その結果、第２光強度検出器１２ｄの出力（第１ビームスプリッター１２ａおよび第２ビームスプリッター１２ｂで順次反射された光の強度に関する情報）に基づいて、第１ビームスプリッター１２ａへの入射光の偏光状態の変化の影響を実質的に受けることなく、第１ビームスプリッター１２ａへの入射光の光量（強度）を、ひいてはマスクＭへの照明光の光量を検知することができる。

こうして、偏光モニター１２を用いて、第１ビームスプリッター１２ａへの入射光の偏光状態を検知し、ひいてはマスクＭへの照明光が所望の非偏光状態、直線偏光状態または円偏光状態になっているか否かを判定することができる。そして、制御部が偏光モニター１２の検知結果に基づいてマスクＭ（ひいてはウェハＷ）への照明光が所望の非偏光状態、直線偏光状態または円偏光状態になっていないことを確認した場合、偏光状態切換部４を構成する１／４波長板４ａ、１／２波長板４ｂおよびデポラライザ４ｃを駆動調整し、マスクＭへの照明光の状態を所望の非偏光状態、直線偏光状態または円偏光状態に調整することができる。

なお、輪帯照明用の回折光学素子５に代えて、４極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、４極照明を行うことができる。４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４極状の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、４極照明用の回折光学素子を介した光束は、マイクロフライアイレンズ１１の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした４つの円形状の照野からなる４極状の照野を形成する。その結果、マイクロフライアイレンズ１１の後側焦点面またはその近傍にも、その入射面に形成された照野と同じ４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５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、マイクロフライアイレンズ１１の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした円形状の照野からなる４極状の照野を形成する。その結果、マイクロフライアイレンズ１１の後側焦点面またはその近傍にも、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。

さらに、輪帯照明用の回折光学素子５に代えて、他の複数極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、様々な複数極照明（２極照明、８極照明など）を行うことができる。同様に、輪帯照明用の回折光学素子５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。

図５は、図１の偏光変換素子の構成を概略的に示す図である。また、図６は、水晶の旋光性について説明する図である。また、図７は、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。本実施形態にかかる偏光変換素子１０は、マイクロフライアイレンズ１１の直前に、すなわち照明光学装置（１〜ＰＬ）の瞳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１０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。

図５を参照すると、偏光変換素子１０は、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８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８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、８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４種類の基本素子１０Ａ〜１０Ｄを２個づつ含んでいる。

具体的には、第１基本素子１０Ａの厚さが最も大きく、第４基本素子１０Ｄの厚さが最も小さく、第２基本素子１０Ｂの厚さは第３基本素子１０Ｃ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１０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１０Ａ〜１０Ｄの厚さの違いにより凹凸状になっている。なお、偏光変換素子１０の双方の面（入射面および射出面）をともに凹凸状に形成することもできる。

また、本実施形態では、各基本素子１０Ａ〜１０Ｄが旋光性を有する光学材料である結晶材料としての水晶により構成され、各基本素子１０Ａ〜１０Ｄの結晶光学軸が光軸ＡＸとほぼ一致、すなわち入射光の進行方向とほぼ一致するように設定されている。以下、図６を参照して、水晶の旋光性について簡単に説明する。図６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１００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１００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１００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１００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。

本実施形態において、第１基本素子１０Ａ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７に示す輪帯状の二次光源３１のうち、一対の第１基本素子１０Ａ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１０Ｂ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＋１３５度回転させた方向すなわちＺ方向をＹ軸廻りに−４５度回転させた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７に示す輪帯状の二次光源３１のうち、一対の第２基本素子１０Ｂ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Ｚ方向をＹ軸廻りに−４５度回転させた方向になる。

第３基本素子１０Ｃ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ｄＣが設定されている。したがって、この場合、図７に示す輪帯状の二次光源３１のうち、一対の第３基本素子１０Ｃの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円弧状領域３１Ｃを通過する光束の偏光方向はＸ方向になる。

第４基本素子１０Ｄ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＋４５度回転させた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ｄＤが設定されている。したがって、この場合、図７に示す輪帯状の二次光源３１のうち、一対の第４基本素子１０Ｄの旋光作用を受けた光束が形成する一対の円弧状領域３１Ｄを通過する光束の偏光方向はＺ方向をＹ軸廻りに＋４５度回転させた方向になる。

なお、別々に形成された８つの基本素子を組み合わせて偏光変換素子１０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１０を得ることもできる。また、偏光変換素子１０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１０の有効領域の径方向の大きさの３／１０以上、好ましくは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１０Ｅが設けられている。ここで、中央領域１０Ｅ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。ただし、中央領域１０Ｅは偏光変換素子１０に必須の要素ではない。なお、中央領域１０Ｅの大きさは周方向偏光状態である領域とそうでない領域との境界を決定する。

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、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光の光を偏光変換素子１０に入射させる。その結果、マイクロフライアイレンズ１１の後側焦点面またはその近傍には、図７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〜３１Ｄをそれぞれ通過する光束は、各円弧状領域３１Ａ〜３１Ｄ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。

こうして、本実施形態では、開口絞りにおいて大きな光量損失が発生する従来技術とは異なり、偏光変換素子１０の旋光作用により、光量損失を実質的に発生させることなく、周方向偏光状態の輪帯状の二次光源３１を形成することができる。換言すれば、本実施形態の照明光学装置では、光量損失を良好に抑えつつ、周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することができる。さらに、本実施形態では、光学素子の偏光作用を用いているため、偏光変換素子自体の製造が極めて容易であり、典型的には各基本素子の厚み公差を極めて緩く設定することができるという優れた効果を奏する。

なお、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。ただし、入射面とは、光が媒質の境界面（被照射面：ウェハＷの表面）に達したときに、その点での境界面の法線と光の入射方向とを含む面として定義される。

その結果、周方向偏光輪帯照明では、投影光学系の光学性能（焦点深度など）の向上を図ることができ、ウェハ（感光性基板）上において高いコントラストのマスクパターン像を得ることができる。すなわち、本実施形態の露光装置では、光量損失を良好に抑えつつ周方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布を形成することのできる照明光学装置を用いているので、適切な照明条件のもとで微細パターンを忠実に且つ高スループットで転写することができる。

ところで、本実施形態では、Ｘ方向に偏光方向を有する直線偏光の光を偏光変換素子１０に入射させることにより、図８に示すように輪帯状の二次光源３２を通過する光束を径方向偏光状態に設定し、径方向偏光輪帯照明（輪帯状の二次光源を通過する光束が径方向偏光状態に設定された変形照明）を行うことができる。径方向偏光状態では、輪帯状の二次光源３２を構成する円弧状領域３２Ａ〜３２Ｄをそれぞれ通過する光束は、各円弧状領域３２Ａ〜３２Ｄの円周方向に沿った中心位置における光軸ＡＸを中心とする円の半径方法とほぼ一致する偏光方向を有する直線偏光状態になる。

径方向偏光状態の輪帯状の照明瞳分布に基づく径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Ｐ偏光を主成分とする偏光状態になる。ここで、Ｐ偏光とは、上述のように定義される入射面に対して平行な方向に偏光方向を有する直線偏光（入射面に平行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。その結果、径方向偏光輪帯照明では、ウェハＷに塗布されたレジストにおける光の反射率を小さく抑えて、ウェハ（感光性基板）上において良好なマスクパターン像を得ることができる。

なお、上述の実施形態では、偏光変換素子１０に入射する光束を、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光状態とＸ方向に偏光方向を有する直線偏光状態との間で切り換えることにより、周方向偏光輪帯照明と径方向偏光輪帯照明とを実現している。しかしながら、これに限定されることなく、たとえばＺ方向またはＸ方向に偏光方向を有する直線偏光状態の入射光束に対して、偏光変換素子１０を図５に示す第１状態と光軸ＡＸ廻りに９０度だけ回転させた第２状態との間で切り換えることにより、周方向偏光輪帯照明と径方向偏光輪帯照明とを実現することもできる。

また、上述の実施形態では、マイクロフライアイレンズ１１の直前に偏光変換素子１０を配置している。しかしながら、これに限定されることなく、一般に照明光学装置（１〜ＰＬ）の瞳またはその近傍に、たとえば投影光学系ＰＬの瞳またはその近傍や、結像光学系１５の瞳またはその近傍や、円錐アキシコン系８の直前（アフォーカルレンズ６の瞳またはその近傍）などに偏光変換素子１０を配置することもできる。

ただし、投影光学系ＰＬ中や結像光学系１５中に偏光変換素子１０を配置すると、偏光変換素子１０の所要有効径が大きくなり易いため、高品質で大きい水晶基板を得ることが困難である現状を考えるとあまり好ましくない。また、円錐アキシコン系８の直前に偏光変換素子１０を配置すると、偏光変換素子１０の所要有効径を小さく抑えることができるが、最終的な被照射面であるウェハＷまでの距離が長く、その間の光路中にレンズの反射防止コートやミラーの反射膜のように偏光状態を変化させる要素が介在し易いのであまり好ましくない。ちなみに、レンズの反射防止コートやミラーの反射膜では、偏光状態（Ｐ偏光とＳ偏光）や入射角度によって反射率に差が生じ易く、ひいては光の偏光状態が変化し易い。

また、上述の実施形態では、偏光変換素子１０の少なくとも一方の面（たとえば射出面）が凹凸状に形成され、ひいては偏光変換素子１０が周方向に離散的（不連続的）に変化する厚さ分布を有する。しかしながら、これに限定されることなく、偏光変換素子１０が周方向にほぼ不連続的に変化する厚さ分布を有するように、偏光変換素子１０の少なくとも一方の面（たとえば射出面）を曲面状に形成することもできる。

また、上述の実施形態では、輪帯状の有効領域の８分割に対応する８つの扇形形状の基本素子により偏光変換素子１０を構成している。しかしながら、これに限定されることなく、たとえば円形状の有効領域の８分割に対応する８つの扇形形状の基本素子により、あるいは円形状または輪帯状の有効領域の４分割に対応する４つの扇形形状の基本素子により、あるいは円形状または輪帯状の有効領域の１６分割に対応する１６つの扇形形状の基本素子により偏光変換素子１０を構成することもできる。すなわち、偏光変換素子１０の有効領域の形状、有効領域の分割数（基本素子の数）などについて様々な変形例が可能である。

また、上述の実施形態では、水晶を用いて各基本素子１０Ａ〜１０Ｄを（ひいては偏光変換素子１０を）形成している。しかしながら、これに限定されることなく、旋光性を有する他の適当な光学材料を用いて各基本素子を形成することもできる。この場合、使用波長の光に対して１００度／ｍｍ以上の旋光能を有する光学材料を用いることが好ましい。すなわち、旋光能の小さい光学材料を用いると、偏光方向の所要回転角を得るために必要な厚さが大きくなり過ぎて、光量損失の原因になるので好ましくない。

また、上述の実施形態において、偏光変換素子１０を照明光路に対して固定的に設けたが、この偏光変換素子１０を照明光路に対して挿脱可能に設けても良い。また、上述の実施形態では、ウェハＷに対するＳ偏光と輪帯照明とを組み合わせた例を示したが、ウェハＷに対するＳ偏光と２極や４極などの多極照明および円形照明と組み合わせても良い。なお、上述の実施形態において、マスクＭへの照明条件やウェハＷへの結像条件（開口数や収差等）は、例えばマスクＭのパターンの種類等に従って自動的に設定することができる。

図９は、複数の偏光変換素子を交換可能に設けた変形例を示す。なお、図９の変形例は図１に示した実施形態と類似の構成を有するが、複数の偏光変換素子を交換可能にするターレット１０Ｔを有する点で異なる。

図１０は、図９における交換機構としてのターレット１０Ｔに載置された複数種類の偏光変換素子１０ａ〜１０ｅを示す図である。図９および図１０に示したように、この変形例では、光軸ＡＸと平行な方向を軸として回転可能なターレット１０Ｔ上に複数種類の偏光変換素子１０ａ〜１０ｅを設け、ターレット１０Ｔの回転動作によりこれら複数種類の偏光変換素子１０ａ〜１０ｅを交換可能としている。なお、図９では複数種類の偏光変換素子１０ａ〜１０ｅのうち、偏光変換素子１０ａ，１０ｂのみを図示している。なお、偏光変換素子の交換機構としてはターレット１０Ｔには限定されず、たとえばスライダでも良い。

図１１は、複数種類の偏光変換素子１０ａ〜１０ｅのそれぞれの構成を示す図である。図１１（ａ）において、第１の偏光変換素子１０ａは、図５に示した実施形態の偏光変換素子１０と同じ構成を有する。図１１（ｂ）において、第２の偏光変換素子１０ｂは、図１１（ａ）に示した偏光変換素子１０ａと類似した構成を有するが、中央領域１０Ｅに偏光解消部材１０４ｃが設けられている点で異なる。この偏光解消部材１０４ｃは、図１に示したデポラライザ４ｃと同様の構成を有し、入射する直線偏光の光を非偏光状態の光に変換する機能を有する。

図１１（ｃ）において、第３の偏光変換素子１０ｃは、図１１（ａ）に示した偏光変換素子１０ａと類似した構成を有するが、中央領域１０Ｅの大きさが大きくなっている点（第１〜第４基本素子１０Ａ〜１０Ｄの幅が狭くなっている点）で異なる。また、図１１（ｄ）において、第４の偏光変換素子１０ｄは、図１１（ｃ）に示した偏光変換素子１０ｃと類似した構成を有するが、中央領域１０Ｅに偏光解消部材１０４ｃが設けられている点で異なる。

図１１（ｅ）において、第５の偏光変換素子１０ｅは、８つの基本素子ではなく、６つの基本素子１０Ｃ，１０Ｆ，１０Ｇを組み合わせて構成されている。第５の偏光変換素子１０ｅは全体として光軸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６つの扇形形状の基本素子１０Ｃ，１０Ｆ，１０Ｇにより構成されている。これら６つの基本素子１０Ｃ，１０Ｆ，１０Ｇ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、６つの基本素子１０Ｃ，１０Ｆ，１０Ｇ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３種類の基本素子１０Ｃ，１０Ｆ，１０Ｇを２個ずつ含んでいる。

ここで、基本素子１０Ｃは、図７に示した第３基本素子１０Ｃと同じ機能を有する部材であるため、その機能の説明を省略する。基本素子１０Ｆは、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光が入射した場合、Ｚ方向をＹ軸廻りに＋１５０度回転させた方向すなわちＺ方向をＹ軸廻りに−３０度回転させた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ｄＦが設定されている。基本素子１０Ｇは、Ｚ方向に偏光方向を有する直線偏光が入射した場合、Ｚ方向をＹ軸廻りに＋３０度回転させた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ｄＧが設定されている。なお、中央領域１０Ｅに代えて、偏光解消部材１０４ｃを設けても良い。

また、図１０に戻って、ターレット１０Ｔには偏光変換素子が載置されない開口部４０が設けられており、周方向偏光照明ではない偏光照明を行う場合や、大きな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）のもとでの非偏光照明を行う場合には、この開口部４０が照明光路中に位置する。

なお、上述では、ターレット１０Ｔに載置される偏光変換素子１０ａ〜１０ｅの中央部に、円形状の開口または旋光性を有しない材料からなる中央領域１０Ｅあるいは偏光解消部材１０４ｃを設けた例のみ示したが、中央領域１０Ｅまたは偏光解消部材１０４ｃを設けない偏光変換素子（扇形状の基本素子からなる偏光変換素子）を載置しても良い。

図１２は、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二次光源の一例を概略的に示す図である。なお、図１２では、理解を容易にするために偏光変換素子も重ねて図示してある。

図１２（ａ）は、回折光学素子５に代えて、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８極状の光強度分布を形成する回折光学素子（光束変換素子）が照明光路に設置されるとともに、偏光変換素子１０ａまたは１０ｂが照明光路に設置された場合における８極状の二次光源３３を示している。ここで、８極状の二次光源３３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、８極状の二次光源３３を構成する８つの円形領域３３Ａ〜３３Ｄをそれぞれ通る光束が、これら８つの円形領域３３Ａ〜３３Ｄを結ぶ円の円周方向、すなわちこれら８つの円形領域３３Ａ〜３３Ｄを結ぶ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。なお、図１２（ａ）では、８極状の二次光源３３を８つの円形領域３３Ａ〜３３Ｄで構成した例を示したが、８つの領域の形状は円形には限定されない。

図１２（ｂ）は、回折光学素子５に代えて、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４極状の光強度分布を形成する回折光学素子（光束変換素子）が照明光路に設置されるとともに、偏光変換素子１０ｃまたは１０ｄが照明光路に設置された場合における４極状の二次光源３４を示している。ここで、４極状の二次光源３４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、４極状の二次光源３４を構成する４つの領域３４Ａ、３４Ｃをそれぞれ通る光束が、これら４つの領域３４Ａ，３４Ｃを結ぶ円の円周方向、すなわちこれら４つの領域３４Ａ，３４Ｃを結ぶ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。なお、図１２（ｂ）では、４極状の二次光源３４を４つのほぼ楕円形状の領域３４Ａ，３４Ｃで構成した例を示したが、４つの領域の形状はほぼ楕円形状には限定されない。

図１２（ｃ）は、回折光学素子５に代えて、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６極状の光強度分布を形成する回折光学素子（光束変換素子）が照明光路に設置されるとともに、偏光変換素子１０ｅが照明光路に設置された場合における６極状の二次光源３５を示している。ここで、６極状の二次光源３５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、６極状の二次光源３５を構成する６つの領域３５Ｃ，３５Ｆ，３５Ｇをそれぞれ通る光束が、これら６つの領域３５Ｃ，３５Ｆ，３５Ｇを結ぶ円の円周方向、すなわちこれら６つの領域３５Ｃ，３５Ｆ，３５Ｇを結ぶ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。なお、図１２（ｃ）では、６極状の二次光源３５を４つのほぼ台形形状の領域３５Ｃ，３５Ｆ，３５Ｇで構成した例を示したが、６つの領域の形状はほぼ台形形状には限定されない。

また、上述の実施形態並びに変形例では、偏光変換素子が光軸廻りに固定されていたが、偏光変換素子を光軸廻りに回転させても良い。図１３は、光軸ＡＸ廻りに回転可能に設けられた偏光変換素子１０ｆの構成を概略的に示す図である。

図１３において、偏光変換素子１０ｆは、４つの基本素子１０Ａ，１０Ｃを組み合わせて構成されている。偏光変換素子１０ｆは全体として光軸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１０Ａ，１０Ｃにより構成されている。これら４つの基本素子１０Ａ，１０Ｃ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１０Ａ，１０Ｃ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１０Ａ，１０Ｃを２個ずつ含んでいる。

ここで、基本素子１０Ａは、図７に示した第１基本素子１０Ａと同じ機能を有する部材であり、基本素子１０Ｃは、図７に示した第３基本素子１０Ｃと同じ機能を有する部材であるため、その機能の説明を省略する。なお、中央領域１０Ｅに代えて、偏光解消部材１０４ｃを設けても良い。

この偏光変換素子１０ｆは光軸ＡＸを中心として回転可能となるように設けられており、たとえば光軸ＡＸを中心として＋４５度または−４５度だけ回転可能となっている。図１４は、偏光変換素子１０ｆの作用により周方向偏光状態に設定された二次光源の一例を概略的に示す図である。なお、図１４では、理解を容易にするために偏光変換素子１０ｆも重ねて図示してある。

図１４（ａ）は、回折光学素子５に代えて、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２極状の光強度分布を形成する回折光学素子（光束変換素子）が照明光路に設置されるとともに、偏光変換素子１０ｆが回転角０度の状態（基準状態）で照明光路に設置された場合における２極状の二次光源３６（３６Ａ）を示している。ここでは、２極状の二次光源３６（３６Ａ）を通過する光束が縦方向偏光状態に設定される。

図１４（ｂ）は、回折光学素子５に代えて、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４極状の光強度分布を形成する回折光学素子（光束変換素子）が照明光路に設置されるとともに、偏光変換素子１０ｆが回転角０度の状態（基準状態）で照明光路に設置された場合における４極状の二次光源３７を示している。ここでは、４極状の二次光源３７を通過する光束が周方向偏光状態に設定される。なお、図１４（ｂ）における４極状の光強度分布は紙面内上下方向（Ｚ方向）及び左右方向（Ｘ方向）に局在している。

周方向偏光状態では、４極状の二次光源３７を構成する４つの円形領域３７Ａ，３７Ｃをそれぞれ通る光束が、これら４つの円形領域３７Ａ，３７Ｃを結ぶ円の円周方向、すなわちこれら４つの円形領域３７Ａ，３７Ｃを結ぶ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。なお、図１４（ｂ）では、４極状の二次光源３７を４つの円形領域３７Ａ，３７Ｃで構成した例を示したが、４つの領域の形状は円形には限定されない。

図１４（ｃ）は、図１４（ｂ）の回折光学素子に代えて、ファーフィールド（またはフラウンホーファー回折領域）に紙面内＋４５度（−１３５度）方向及び紙面内−４５度（＋１３５度）方向に局在する４極状の光強度分布を形成する回折光学素子（光束変換素子）が照明光路に設置され、且つ偏光変換素子１０ｆを回転角＋４５度の状態（基準状態に対して時計回りに４５度だけ回転した状態）に回転させて照明光路に設置した場合における４極状の二次光源３８を示している。

図１４（ｃ）では、偏光状態切換部４中の１／２波長板４ｂを光軸廻りに回転させて、偏光変換素子１０ｆに対して、＋４５度方向（−１３５度方向）に偏光方向を有する直線偏光を入射させる。ここで、基本素子１０Ａは入射した直線偏光の偏光方向を１８０度±ｎ×１８０度（ｎは整数）だけ回転させる機能を有し、基本素子１０Ｃは入射した直線偏光の偏光方向を９０度±ｎ×１８０度（ｎは整数）だけ回転させる機能を有するため、４極状の二次光源３８を通過する光束が周方向偏光状態に設定される。

図１４（ｃ）に示した周方向偏光状態では、４極状の二次光源３８を構成する４つの円形領域３８Ｂ，３８Ｄをそれぞれ通る光束が、これら４つの円形領域３８Ｂ，３８Ｄを結ぶ円の円周方向、すなわちこれら４つの円形領域３８Ｂ，３８Ｄを結ぶ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。なお、図１４（ｃ）では、４極状の二次光源３８を４つの円形領域３８Ｂ，３８Ｄで構成した例を示したが、４つの領域の形状は円形には限定されない。

このように、偏光状態切換部４の偏光方向の変更動作と、偏光変換素子１０ｆの回転動作とにより、＋４５度（−１３５度）方向及び−４５度（＋１３５度）方向に局在する４極状の二次光源であっても、０度（＋１８０度）方向及び９０度（２７０度）すなわち縦横方向に局在する４極状の二次光源であっても、０度（＋１８０度）方向又は９０度（２７０度）すなわち縦横方向に局在する２極状の二次光源であっても、周方向偏光状態を実現することができる。

また、光軸ＡＸを中心とした円周方向に等分割された８つの扇型形状の基本素子から構成される偏光変換素子を、光軸ＡＸ廻りに回転可能としても良い。図１５（ａ）に示すように、例えば上記８分割の基本素子からなる偏光変換素子（たとえば偏光変換素子１０ａ）を＋４５度だけ光軸ＡＸ廻りに回転させると、８極状の二次光源３９を構成する８つの円形領域３９Ａ〜３９Ｄをそれぞれ通る光束が、これら８つの円形領域３９Ａ〜３９Ｄを結ぶ円の円周方向（これら８つの円形領域３９Ａ〜３９Ｄを結ぶ円の接線方向）に対して−４５度だけ回転された偏光方向を有する直線偏光状態になる。

また、１５（ｂ）に示すように、８極状の二次光源を構成する８つの円形領域をそれぞれ通る光束が、これら８つの円形領域を結ぶ円の円周方向（これら８つの円形領域を結ぶ円の接線方向）に対して＋４５度だけ回転された方向に長軸を持つ楕円偏光である場合には、図１５（ａ）に示したように偏光変換素子（たとえば偏光変換素子１０ａ）を＋４５度だけ光軸ＡＸ廻りに回転させることによって、図１５（ｃ）に示すように、ほぼ周方向偏光状態を得ることができる。

図１６は、偏光変換素子を照明光学装置の瞳近傍の位置のうち、円錐アキシコン系８の直前の位置（入射側近傍の位置）に配置した例を示す。この図１６の例では、ズームレンズ系９の変倍作用によって、マイクロフライアイレンズ１１の入射面に投影される中央領域１０Ｅの像の大きさと、マイクロフライアイレンズ１１の入射面に投影される各基本素子１０Ａ〜１０Ｄの像の大きさとが変更され、円錐アキシコン系８の動作によって、マイクロフライアイレンズ１１の入射面に投影される各基本素子１０Ａ〜１０Ｄの像における光軸ＡＸを中心とする半径方向の幅が変更される。

したがって、図１６に示した変形例のように中央領域１０Ｅ（または偏光解消部材１０４ｃ）を有する偏光変換素子を、変倍作用を有する光学系（ズームレンズ９）よりも光源側に設ける場合には、中央領域１０Ｅの占める領域がズームレンズ９の変倍によって変更されることを考慮して、中央領域１０Ｅの大きさを定めれば良い。

また、図１６に示した変形例のように、中央領域１０Ｅ（または偏光解消部材１０４ｃ）を有する偏光変換素子を、輪帯比を変更する作用を有する光学系（円錐アキシコン系８）よりも光源側に設ける場合には、図１７に示すように、以下の条件式（１）および（２）の少なくとも一方の条件式を満足することが好ましい。

（１） （１０in＋ΔＡ）／１０out ＜０．７５
（２） ０．４＜（１０in＋ΔＡ）／１０out
ただし、
１０in：偏光変換素子１０の中央領域１０Ｅの有効半径、
１０out：偏光変換素子１０の外側有効半径、
ΔＡ：輪帯比を変更する作用を有する光学系を通過した光束の内側半径の増加分、
である。

ここで、条件式（１）を満足しない場合には、偏光変換素子１０によって周方向偏光状態に変換される輪帯状の領域の幅が狭くなり、小さい輪帯比のもとでの輪帯状または多極状二次光源による周方向偏光照明を達成することができなくなるため好ましくない。また、条件式（２）を満足しない場合には、偏光変換素子１０の中央領域を通過できる光束の径が著しく小さくなり、たとえば当該偏光変換素子１０を照明光路から外すことなく、偏光状態を変えずに小σ照明することができなくなるため好ましくない。

また、図１８に示すように、偏光変換素子を照明光学装置の瞳近傍の位置のうち、マイクロフライアイレンズ１１よりもマスク側の位置、具体的にはマスクブラインド１４の像をマスク上に投影する結像光学系１５の瞳位置の近傍に設けても良い。図１６および図１８に示した実施形態においても、図９乃至図１１の実施形態と同様に複数の偏光変換素子を交換可能としても良い。

また、上述の実施形態において、偏光変換素子１０よりもウェハＷ側の光学系（照明光学系や投影光学系）が偏光収差（リターデーション）を有している場合には、この偏光収差に起因して偏光方向が変化することがある。この場合には、これらの光学系の偏光収差の影響を考慮した上で、偏光変換素子１０により旋回される偏光面の方向を設定すれば良い。また、偏光変換素子１０よりもウェハＷ側の光路中に反射部材が配置されている場合、この反射部材にて反射された偏光方向毎に位相差が生じることがある。このとき、反射面の偏光特性に起因する光束の位相差を考慮した上で、偏光変換素子１０により旋回される偏光面の方向を設定すれば良い。

次に、偏光状態の評価手法の実施形態について説明する。本実施形態では、感光性基板としてのウェハＷを保持するウェハステージ（基板ステージ）の側方に取り付け可能なウェハ面偏光モニター９０を用いて、感光性基板としてのウェハＷに到達する光束の偏光状態を検出する。なお、ウェハ面偏光モニター９０は、ウェハステージ内に設けられても良いし、当該ウェハステージとは別体の計測ステージに設けられても良い。

図１９は、ウェハＷを照明する光の偏光状態及び光強度を検出するためのウェハ面偏光モニター９０の概略構成を示す図である。図１９に示すように、ウェハ面偏光モニター９０は、ウェハＷの位置またはその近傍に位置決め可能なピンホール部材９１を備えている。ピンホール部材９１のピンホール９１ａを通過した光は、投影光学系ＰＬの像面位置またはその近傍が前側焦点位置となるように配置されているコリメートレンズ９２を介してほぼ平行な光束になり、反射鏡９３で反射された後、リレーレンズ系９４に入射する。リレーレンズ系９４を介したほぼ平行な光束は、移相子としてのλ／４板９５および偏光子としての偏光ビームスプリッター９６を介した後、二次元ＣＣＤ９７の検出面９７ａに達する。ここで、二次元ＣＣＤ９７の検出面９７ａは、投影光学系ＰＬの射出瞳と光学的にほぼ共役、ひいては照明光学装置の照明瞳面と光学的にほぼ共役となっている。

λ／４板９５は、光軸を中心として回転可能に構成されており、このλ／４板９５には、その光軸を中心とした回転角を設定するための設定部９８が接続されている。こうして、ウェハＷに対する照明光の偏光度が０でない場合には、設定部９８を介してλ／４板９５を光軸廻りに回転させることにより二次元ＣＣＤ９７の検出面９７ａにおける光強度分布が変化する。したがって、ウェハ面偏光モニター９０では、設定部９８を用いてλ／４板９５を光軸廻りに回転させながら検出面９７ａにおける光強度分布の変化を検出し、この検出結果から回転移相子法により照明光の偏光状態を測定することができる。

なお、回転移相子法については、例えば鶴田著，「光の鉛筆−光技術者のための応用光学」，株式会社新技術コミュニケーションズなどに詳しく記載されている。実際には、ピンホール部材９０（ひいてはピンホール９０ａ）をウェハ面に沿って二次元的に移動させつつ、ウェハ面内の複数の位置における照明光の偏光状態を測定する。このとき、ウェハ面偏光モニター９０では、二次元的な検出面９７ａにおける光強度分布の変化を検出するので、この検出分布情報に基づいて照明光の瞳内における偏光状態の分布を測定することができる。

なお、ウェハ面偏光モニター９０では、移相子としてλ／４板９５に代えてλ／２板を用いることも可能である。どのような移相子を用いたとしても、偏光状態、すなわち４つのストークスパラメーターを測定するためには、移相子と偏光子（偏光ビームスプリッター９６）との光軸廻りの相対角度を変えたり、移相子または偏光子を光路から退避させたりして、少なくとも４つの異なる状態で検出面９７ａにおける光強度分布の変化を検出する必要がある。なお、本実施形態では移相子としてのλ／４板９５を光軸廻りに回転させたが、偏光子としての偏光ビームスプリッター９６を光軸廻りに回転させても良く、移相子および偏光子の双方を光軸廻りに回転させても良い。また、この動作に代えて、あるいはこの動作に加えて、移相子としてのλ／４板９５および偏光子としての偏光ビームスプリッター９６のうちの一方または双方を光路から挿脱させても良い。

また、ウェハ面偏光モニター９０では、反射鏡９３の偏光特性により光の偏光状態が変化してしまう場合がある。この場合、反射鏡９３の偏光特性は予めわかっているので、所要の計算によって反射鏡９３の偏光特性の偏光状態への影響に基づいてウェハ面偏光モニター９０の測定結果を補正し、照明光の偏光状態を正確に測定することができる。また、反射鏡に限らず、レンズなどの他の光学部品に起因して偏光状態が変化してしまう場合でも同様に測定結果を補正し、照明光の偏光状態を正確に測定することができる。

以下、照明光の瞳内における偏光状態の分布の評価について具体的に説明する。まず瞳上の一点（または微小領域）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線の一本一本に対して特定偏光度ＤＳＰを算出する。なお、以下の説明においては、図１，図１６，図１８で用いたＸＹＺ座標系を用いる。上述の瞳上の一点（微小領域）は二次元ＣＣＤ９７の一画素に対応し、像面上の一点（微小領域）はピンホール９０ａのＸＹ座標に対応する。

この特定偏光度ＤＳＰは、瞳上の一点（または微小領域）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する特定光線におけるＸ方向偏光（瞳上においてＸ方向に振動方向を持つ偏光）成分の強度をＩｘとし、当該特定光線におけるＹ方向偏光（瞳上においてＹ方向に振動方向を持つ偏光）成分の強度をＩｙとするとき、
（３） ＤＳＰ＝（Ｉｘ−Ｉｙ）／（Ｉｘ＋Ｉｙ）
で表される。なお、この特定偏光度ＤＳＰは、全強度Ｓ₀に対する水平直線偏光強度マイナス垂直直線偏光強度Ｓ₁（Ｓ₁／Ｓ₀）と同義である。

また、瞳上の一点（または微小領域）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する特定光線におけるＸ方向偏光（瞳上においてＸ方向に振動方向を持つ偏光）成分の強度Ｉｘ、および当該特定光線におけるＹ方向偏光（瞳上においてＹ方向に振動方向を持つ偏光）成分の強度Ｉｙから、下式（４），（５）の通り、水平偏光（パターン面内で水平方向に延びたマスクパターンの回折光に対してＳ偏光となる偏光）についての適正偏光率ＲＳＰ_h、および垂直偏光（パターン面内で垂直方向に延びたマスクパターンの回折光に対してＳ偏光となる偏光）についての適正偏光率ＲＳＰ_vを定義することができる。

（４） ＲＳＰ_h ＝Ｉｘ／（Ｉｘ＋Ｉｙ）
（５） ＲＳＰ_v ＝Ｉｙ／（Ｉｘ＋Ｉｙ）
ここで、理想的な非偏光照明のときにはＲＳＰ_h，ＲＳＰ_vはともに５０％となり、理想的な水平偏光のときにはＲＳＰ_hが１００％となり、理想的な垂直偏光のときにはＲＳＰ_vが１００％となる。

また、瞳上の一点（または微小領域）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線の一本一本に対して、下式（６）〜（９）で偏光度Ｖを定義するとき、所定の有効光源領域を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線束に対して、下式（１０）の通り平均偏光度Ｖ(Ave)を定義できる。

（６） Ｖ＝（Ｓ₁ ²＋Ｓ₂ ²＋Ｓ₃ ²）^1/2／Ｓ₀
＝（Ｓ₁ ^'2＋Ｓ₂ ^'2＋Ｓ₃ ^'2）^1/2
（７） Ｓ₁ ^'＝Ｓ₁／Ｓ₀
（８） Ｓ₂ ^'＝Ｓ₂／Ｓ₀
（９） Ｓ₃ ^'＝Ｓ₃／Ｓ₀
ただし、Ｓ₀は全強度であり、Ｓ₁は水平直線偏光強度マイナス垂直直線偏光強度であり、Ｓ₂は４５度直線偏光強度マイナス１３５度直線偏光強度であり、Ｓ₃は右まわり円偏光強度マイナス左まわり円偏光強度である。
（10） Ｖ(Ave)＝Σ［Ｓ₀（ｘ_i，ｙ_i）・Ｖ（ｘ_i，ｙ_i）］／ΣＳ₀（ｘ_i，ｙ_i）

なお、（１０）式において、Ｓ₀（ｘ_i，ｙ_i）は所定の有効光源領域（ｘ_i，ｙ_i）上の一点（または微小領域）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線に対する全強度Ｓ₀であり、Ｖ（ｘ_i，ｙ_i）は所定の有効光源領域（ｘ_i，ｙ_i）上の一点（または微小領域）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線の偏光度である。

また、所定の有効光源領域を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線束に対して、以下の（１１）式で水平偏光に関する平均特定偏光率ＲＳＰ_h（Ave）を、（１２）式でおよび垂直偏光に関する平均特定偏光率ＲＳＰ_v（Ave）を定義することができる。

（11） ＲＳＰ_h（Ave）＝Ｉｘ(Ave)／（Ｉｘ＋Ｉｙ）Ave
＝Σ［Ｓ₀（ｘ_i，ｙ_i）・ＲＳＰ_h（ｘ_i，ｙ_i）］／ΣＳ₀（ｘ_i，ｙ_i）
（12） ＲＳＰ_v（Ave）＝Ｉｙ(Ave)／（Ｉｘ＋Ｉｙ）Ave
＝Σ［Ｓ₀（ｘ_i，ｙ_i）・ＲＳＰ_v（ｘ_i，ｙ_i）］／ΣＳ₀（ｘ_i，ｙ_i）

ここで、Ｉｘ(Ave)は所定の有効光源領域（ｘ_i，ｙ_i）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線束におけるＸ方向偏光（瞳上においてＸ方向に振動方向を持つ偏光）成分の強度の平均、Ｉｙ(Ave)は所定の有効光源領域（ｘ_i，ｙ_i）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線束におけるＹ方向偏光（瞳上においてＹ方向に振動方向を持つ偏光）成分の強度の平均、ＲＳＰ_h（ｘ_i，ｙ_i）は所定の有効光源領域（ｘ_i，ｙ_i）上の一点（または微小領域）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線の水平偏光についての適正偏光率、ＲＳＰ_v（ｘ_i，ｙ_i）は所定の有効光源領域（ｘ_i，ｙ_i）上の一点（または微小領域）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線の垂直偏光についての適正偏光率である。また、（Ｉｘ＋Ｉｙ）Aveは前記所定の有効光源領域を通過する全光束の強度の平均である。

ここで、理想的な非偏光照明のときにはＲＳＰ_h（ｘ_i，ｙ_i），ＲＳＰ_v（ｘ_i，ｙ_i）はともに５０％となり、理想的な水平偏光のときにはＲＳＰ_h（ｘ_i，ｙ_i）が１００％となり、理想的な垂直偏光のときにはＲＳＰ_v（ｘ_i，ｙ_i）が１００％となる。

そして、所定の有効光源領域（ｘ_i，ｙ_i）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線束に対して、下式（１３）の通り平均特定偏光度ＤＳＰ（Ave）を定義できる。
（13） ＤＳＰ（Ave）＝（Ｉｘ−Ｉｙ）Ave／（Ｉｘ＋Ｉｙ）Ave
＝｛Σ［Ｉx(ｘ_i，ｙ_i)−Ｉy(ｘ_i，ｙ_i)］／Σ［Ｉx(ｘ_i，ｙ_i)＋Ｉy(ｘ_i，ｙ_i)］｝
＝Ｓ₁ ^'（Ave）
＝｛ΣＳ₁／ΣＳ₀｝

ここで、（Ｉｘ−Ｉｙ）Aveは、所定の有効光源領域（ｘ_i，ｙ_i）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線束におけるＸ方向偏光成分の強度と所定の有効光源領域（ｘ_i，ｙ_i）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線束におけるＹ方向偏光成分の強度との差の平均、Ｉｘ(ｘ_i，ｙ_i)は所定の有効光源領域（ｘ_i，ｙ_i）上の一点（または微小領域）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線におけるＸ方向偏光成分の強度、Ｉｙ(ｘ_i，ｙ_i) は所定の有効光源領域（ｘ_i，ｙ_i）上の一点（または微小領域）を通過し像面上の一点（微小領域）に到達する光線におけるＹ方向偏光成分の強度、Ｓ₁ ^'（Ave）は所定の有効光源領域（ｘ_i，ｙ_i）におけるＳ₁ ^'成分の平均である。

（１３）式において、理想的な非偏光照明のときにはＤＳＰ（Ave）は０となり、理想的な水平偏光のときにはＤＳＰ（Ave）が１となり、理想的な垂直偏光のときにはＤＳＰ（Ave）が−１となる。

さて、本実施形態の照明光学装置、ひいては露光装置では、所定の有効光源領域における平均特定偏光率ＲＳＰ_h（Ave），ＲＳＰ_v（Ave）が、
ＲＳＰ_h（Ave）＞７０％， ＲＳＰ_v（Ave）＞７０％
を満足するとき、その所定の有効光源領域内が直線偏光であると見なすことができる。ここで、平均特定偏光率ＲＳＰ_h(Ave)，ＲＳＰ_v(Ave)が上記条件を満足しない場合には、周方向偏光輪帯照明や、周方向偏光四極照明、周方向偏光二極照明などにおいて、所定方向に偏光面を有する所望の直線偏光状態が実現されないため、特定のピッチ方向を有する線幅の細いパターンに対する結像性能の向上を図ることができなくなってしまう。

なお、たとえば図１３に示した４分割偏光変換素子１０ｆを用いて４分割周方向偏光輪帯照明を行う場合には、図２０に示すように、輪帯形状の二次光源３１を４分割して、各々の分割領域３１Ａ１，３１Ａ２，３１Ｃ１，３１Ｃ２毎に平均特定偏光率ＲＳＰ_h(Ave)，ＲＳＰ_v(Ave)を評価すれば良い。

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９のフローチャートを参照して説明する。

先ず、図９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１０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１０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ＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ光（波長：１９３ｎｍ）を用いているが、これに限定されることなく、他の適当なレーザ光源、たとえば波長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。さらに、上述の実施形態では、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、マスクやウェハ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。

また、上述の実施形態において、投影光学系と感光性基板との間の光路中を１．１よりも大きな屈折率を有する媒体（典型的には液体）で満たす手法、所謂液浸法を適用しても良い。この場合、投影光学系と感光性基板との間の光路中に液体を満たす手法としては、国際公開番号ＷＯ９９／４９５０４号公報に開示されているような局所的に液体を満たす手法や、特開平６−１２４８７３号公報に開示されているような露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動させる手法や、特開平１０−３０３１１４号公報に開示されているようなステージ上に所定深さの液体槽を形成し、その中に基板を保持する手法などを採用することができる。

なお、液体としては、露光光に対する透過性があってできるだけ屈折率が高く、投影光学系や基板表面に塗布されているフォトレジストに対して安定なものを用いることが好ましく、たとえばＫｒＦエキシマレーザ光やＡｒＦエキシマレーザ光を露光光とする場合には、液体として純水、脱イオン水を用いることができる。また、露光光としてＦ₂レーザ光を用いる場合は、液体としてはＦ₂レーザ光を透過可能な例えばフッ素系オイルや過フッ化ポリエーテル（ＰＦＰＥ）等のフッ素系の液体を用いればよい。

符号の説明

１ 光源
４ 偏光状態切換部
４ａ １／４波長板
４ｂ １／２波長板
４ｃ デポラライザ
５ 回折光学素子（光束変換素子）
６ アフォーカルレンズ
８ 円錐アキシコン系
９ ズームレンズ
１０ 偏光変換素子
１０Ａ〜１０Ｄ 各基本素子
１１ マイクロフライアイレンズ
１２ 偏光モニター
１２ａ ビームスプリッター
１３ コンデンサー光学系
１４ マスクブラインド
１５ 結像光学系
Ｍ マスク
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ

Claims (31)

1. 入射光の偏光状態を所定の偏光状態に変換する偏光変換素子において、
   旋光性を有する光学材料により形成されて周方向に変化する厚さ分布を有することを特徴とする偏光変換素子。
2. 前記厚さ分布は、ほぼ単一方向に偏光方向を有する直線偏光状態の光を、ほぼ周方向に偏光方向を有する周方向偏光状態の光またはほぼ径方向に偏光方向を有する径方向偏光状態の光に変換するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の偏光変換素子。
3. 周方向に分割された複数の領域を有し、該複数の領域において隣り合う任意の２つの領域の厚さが互いに異なることを特徴とする請求項１または２に記載の偏光変換素子。
4. 前記複数の領域において対向する任意の２つの領域は、互いにほぼ等しい旋光角度を有することを特徴とする請求項３に記載の偏光変換素子。
5. 前記対向する任意の２つの領域は、互いにほぼ等しい厚さを有することを特徴とする請求項４に記載の偏光変換素子。
6. 前記複数の領域の各々は、ほぼ扇形形状を有することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の偏光変換素子。
7. 周方向にほぼ連続的に変化する厚さ分布を有することを特徴とする請求項１または２に記載の偏光変換素子。
8. 実質的に旋光性を有しない中央領域をさらに有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の偏光変換素子。
9. 前記中央領域の径方向の大きさは、前記偏光変換素子の有効領域の径方向の大きさの３／１０以上であることを特徴とする請求項８に記載の偏光変換素子。
10. 前記光学材料は結晶光学軸が入射光の進行方向に設定された結晶材料から形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の偏光変換素子。
11. 照明光を供給するための光源と、該光源と被照射面との間の光路中に配置された請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の偏光変換素子とを備えていることを特徴とする照明光学装置。
12. 前記偏光変換素子は、前記照明光学装置の瞳またはその近傍に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の照明光学装置。
13. 前記光源と前記偏光変換素子との間の光路中に配置されて、入射するほぼ直線偏光状態の光の偏光方向を必要に応じて変化させるための位相部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１１または１２に記載の照明光学装置。
14. 前記位相部材は、前記照明光学装置の光軸を中心として結晶光学軸が回転自在に構成された１／２波長板を有することを特徴とする請求項１３に記載の照明光学装置。
15. 前記光源と前記位相部材との間の光路中に配置されて、入射する楕円偏光状態の光をほぼ直線偏光状態の光に変換するための第２位相部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の照明光学装置。
16. 前記第２位相部材は、前記照明光学装置の光軸を中心として結晶光学軸が回転自在に構成された１／４波長板を有することを特徴とする請求項１５に記載の照明光学装置。
17. 前記中央領域の径方向の大きさは、前記偏光変換素子の有効領域の径方向の大きさの３／１０以上であることを特徴とする請求項１１乃至１６のいずれか１項に記載の照明光学装置。
18. 前記中央領域の径方向の大きさは、前記偏光変換素子の有効領域の径方向の大きさの１／３以上であることを特徴とする請求項１７に記載の照明光学装置。
19. 前記照明光学装置の瞳に形成される二次光源の輪帯比を変更する輪帯比変更光学系をさらに備えていることを特徴とする請求項１１乃至１８のいずれか１項に記載の照明光学装置。
20. 前記偏光変換素子は、前記光源と前記輪帯比変更光学系との間の光路中に配置され、
    （１０in＋ΔＡ）／１０out＜０．７５
    ０．４＜（１０in＋ΔＡ）／１０out
    を満足することを特徴とする請求項１９に記載の照明光学装置。
    ただし、
    １０in：前記偏光変換素子の中央領域の有効半径、
    １０out：前記偏光変換素子の外側有効半径、
    ΔＡ：前記輪帯比変更光学系を通過した光束の内側半径の増加分、
    である。
21. 前記光学材料は結晶光学軸が入射光の進行方向に設定された結晶材料から形成されていることを特徴とする請求項１１乃至２０のいずれか１項に記載の照明光学装置。
22. 光源から供給される照明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、
    前記照明光学装置の照明瞳面または該照明瞳面と共役な面内に形成される光強度分布における所定の有効光源領域での第１方向偏光に関する平均特定偏光率をＲＳＰ_h(Ave)とし、第２方向偏光に関する平均特定偏光率ＲＳＰ_v(Ave)とするとき、
    ＲＳＰ_h(Ave)＞７０％， ＲＳＰ_v(Ave)＞７０％
    を満足することを特徴とする照明光学装置。
    ただし、
    ＲＳＰ_h(Ave)＝Ｉｘ(Ave)／（Ｉｘ＋Ｉｙ）Ave
    ＲＳＰ_v(Ave)＝Ｉｙ(Ave)／（Ｉｘ＋Ｉｙ）Ave
    である。
    ここで、Ｉｘ(Ave)は所定の有効光源領域を通過し像面上の一点に到達する光線束における第１方向偏光成分の強度の平均、Ｉｙ(Ave)は前記所定の有効光源領域を通過し像面上の一点に到達する光線束における第２方向偏光成分の強度の平均、（Ｉｘ＋Ｉｙ）Aveは前記所定の有効光源領域を通過する全光束の強度の平均である。
23. 請求項１１乃至２２のいずれか１項に記載の照明光学装置を備え、該照明光学装置を介してマスクのパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光装置。
24. 請求項１１乃至２２のいずれか１項に記載の照明光学装置を用いて、マスクのパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光方法。
25. 入射光の偏光状態を所定の偏光状態に変換する偏光変換素子の製造方法において、
    旋光性を有する光学材料を準備する工程と、
    前記光学材料に周方向に変化する厚さ分布を与える工程とを有することを特徴とする偏光変換素子の製造方法。
26. 前記厚さ分布は、ほぼ単一方向に偏光方向を有する直線偏光状態の光を、ほぼ周方向に偏光方向を有する周方向偏光状態の光またはほぼ径方向に偏光方向を有する径方向偏光状態の光に変換するように設定されていることを特徴とする請求項２５に記載の偏光変換素子の製造方法。
27. 前記周方向に変化する厚さ分布を与える工程では、周方向に分割された複数の領域において隣り合う任意の２つの領域の厚さが互いに異なるような厚さ分布を与えることを特徴とする請求項２５または２６に記載の偏光変換素子の製造方法。
28. 前記複数の領域において対向する任意の２つの領域は、互いにほぼ等しい旋光角度を有することを特徴とする請求項２７に記載の偏光変換素子の製造方法。
29. 前記対向する任意の２つの領域は、互いにほぼ等しい厚さを有することを特徴とする請求項２８に記載の偏光変換素子の製造方法。
30. 前記周方向に変化する厚さ分布を与える工程では、周方向にほぼ連続的に変化する厚さ分布を与えることを特徴とする請求項２５に記載の偏光変換素子の製造方法。
31. 前記旋光性を有する光学材料を準備する工程では、前記光学材料を結晶光学軸が入射光の進行方向になるように設定することを特徴とする請求項２５乃至３０のいずれか１項に記載の偏光変換素子の製造方法。
    

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