KR20120031240A

KR20120031240A - 조명 광학 장치, 노광 장치 및 노광 방법

Info

Publication number: KR20120031240A
Application number: KR1020127003793A
Authority: KR
Inventors: 오사무 다니츠; 고지 시게마츠; 히로유키 히로타; 도모유키 마츠야마
Original assignee: 가부시키가이샤 니콘
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2012-03-30
Also published as: EP2615479B1; JP6020617B2; EP1720047A4; JPWO2005076045A1; US9429848B2; KR20140056387A; HK1111470A1; TWI511182B; KR101626226B1; HK1098198A1; EP2615480A1; TW200841384A; TW201604936A; TWI437618B; JP2012168546A; KR101323492B1; US20140028990A1; KR101195687B1; TWI379344B; TW200527504A

Abstract

광량 손실을 억제하면서, 대략 단일 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태의 입사광을, 대략 원주 방향으로 편광 방향을 갖는 원주 방향 편광 상태의 광으로 변환할 수 있는 편광 변환 소자. 입사광의 편광 상태를 소정의 편광 상태로 변환하는 편광 변환 소자(10). 예를 들면, 수정과 같은 선광성을 갖는 광학 재료에 의해 형성되어 원주 방향으로 변화하는 두께 분포를 갖는다. 두께 분포는, 대략 단일 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태의 광을, 대략 원주 방향으로 편광 방향을 갖는 원주 방향 편광 상태의 광으로 변환하도록 설정되어 있다. 원주 방향으로 분할된 복수의 영역(10A~10D)을 갖고, 이 복수의 영역에 있어서 서로 이웃하는 임의의 2개의 영역의 두께가 서로 상이하다. 또한, 복수의 영역에 있어서 대향하는 임의의 2개의 영역은 서로 대략 동등한 선광 각도를 갖는다.

Description

조명 광학 장치, 노광 장치 및 노광 방법{LIGHTING OPTICAL DEVICE, EXPOSURE SYSTEM AND EXPOSURE METHOD}

본 발명은 편광 변환 소자, 조명 광학 장치, 노광 장치, 및 노광 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 소자, 촬상 소자, 액정 표시 소자, 박막 자기 헤드 등의 마이크로 디바이스를 리소그래피 공정으로 제조하기 위한 노광 장치에 관한 것이다.

이러한 종류의 전형적인 노광 장치에 있어서는, 광원으로부터 사출된 광속이 광학 인티그레이터(optical integrator)로서의 플라이아이 렌즈를 거쳐서, 다수의 광원으로 이루어지는 실질적인 면광원으로서의 2차 광원을 형성한다. 2차 광원(일반적으로는, 조명 광학 장치의 조명 동공 또는 그 근방에 형성되는 조명 동공 분포)으로부터의 광속은, 플라이아이 렌즈의 뒤쪽 초점면의 근방에 배치된 개구 조리개를 거쳐서 제한된 후, 콘덴서 렌즈에 입사한다.

콘덴서 렌즈에 의해 집광된 광속은, 소정의 패턴이 형성된 마스크를 중첩적으로 조명한다. 마스크의 패턴을 투과한 광은 투영 광학계를 거쳐서 웨이퍼 위에 결상한다. 이렇게 해서, 웨이퍼 위에는 마스크 패턴이 투영 노광(전사)된다. 또한, 마스크에 형성된 패턴은 고집적화되어 있어, 이 미세 패턴을 웨이퍼 위에 정확하게 전사하기 위해서는 웨이퍼 위에 있어서 균일한 조도 분포를 얻는 것이 불가결하다.

예를 들면, 본 출원인의 출원에 관한 일본 특허 제 3246615호 공보에는, 임의 방향의 미세 패턴을 충실하게 전사하는 데 적합한 조명 조건을 실현하기 위해서, 플라이아이 렌즈의 뒤쪽 초점면에 윤대(輪帶) 형상의 2차 광원을 형성하고, 이 윤대 형상의 2차 광원을 통과하는 광속이 그 원주 방향을 편광 방향으로 하는 직선 편광 상태(이하, 줄여서 「원주 방향 편광 상태」라고 함)로 되도록 설정하는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 제 3246615호 공보

그러나, 상술한 공보에 개시된 종래 기술에서는, 플라이아이 렌즈를 거쳐서 형성된 원 형상의 광속을 윤대 형상의 개구부를 갖는 개구 조리개를 거쳐서 제한함으로써 윤대 형상의 2차 광원을 형성하고 있다. 그 결과, 종래 기술에서는, 개구 조리개에 있어서 큰 광량 손실이 발생하고, 나아가서는 노광 장치의 스루풋이 저하한다고 하는 불리한 경우가 있었다.

본 발명은 광량 손실을 억제하면서, 대략 단일 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태의 입사광을, 대략 원주 방향으로 편광 방향을 갖는 원주 방향 편광 상태의 광으로 변환하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 대략 단일 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태의 입사광을 대략 원주 방향으로 편광 방향을 갖는 원주 방향 편광 상태의 광으로 변환할 수 있는 편광 변환 소자를 이용하여, 광량 손실을 양호하게 억제하면서 원주 방향 편광 상태의 윤대 형상의 조명 동공 분포를 형성하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 광량 손실을 양호하게 억제하면서 원주 방향 편광 상태의 윤대 형상의 조명 동공 분포를 형성할 수 있는 조명 광학 장치를 이용하여, 적절한 조명 조건에 근거하여 미세 패턴을 충실하게 또한 높은 스루풋으로 전사하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 실시예 1에서는, 입사광의 편광 상태를 소정의 편광 상태로 변환하는 편광 변환 소자에 있어서, 선광성을 갖는 광학 재료에 의해 형성되어 원주 방향으로 변화하는 두께 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 편광 변환 소자를 제공한다.

본 발명의 실시예 2에서는, 조명광을 공급하기 위한 광원과, 해당 광원과 피조사면 사이의 광로중에 배치된 실시예 1의 편광 변환 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예 3에서는, 광원으로부터 공급되는 조명광에 근거하여 피조사면을 조명하는 조명 광학 장치에 있어서, 상기 조명 광학 장치의 조명 동공면 또는 해당 조명 동공면과 공액의 면내에 형성되는 광강도 분포에 있어서의 소정의 유효 광원 영역에서의 제 1 방향 편광에 관한 평균 특정 편광율을 RSP_h(Ave)로 하고, 제 2 방향 편광에 관한 평균 특정 편광율 RSP_v(Ave)로 할 때,

RSP_h(Ave)>70%, RSP_v(Ave)>70%

를 만족시키는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치를 제공한다.

단,

RSP_h(Ave)=Ix(Ave)/(Ix+Iy)Ave

RSP_v(Ave)=Iy(Ave)/(Ix+Iy)Ave

이다.

여기서, Ix(Ave)는 소정의 유효 광원 영역을 통과하여 상면(像面) 위의 한 점에 도달하는 광선속에 있어서의 제 1 방향 편광 성분의 강도의 평균, Iy(Ave)는 상기 소정의 유효 광원 영역을 통과하여 상면 위의 한 점에 도달하는 광선속에 있어서의 제 2 방향 편광 성분의 강도의 평균, (Ix+Iy)Ave는 상기 소정의 유효 광원 영역을 통과하는 전광속(全光束)의 강도의 평균이다. 또한, 상기 조명 광학 장치의 조명 동공면이란, 상기 피조사면에 대해서 광학적으로 퓨리에 변환의 관계로 되는 면으로 정의하는 것이나, 상기 조명 광학 장치가 투영 광학계와 조합되는 경우에는, 투영 광학계의 개구 조리개와 광학적으로 공액의 조명 광학 장치 내의 면으로 정의할 수 있다. 또한, 상기 조명 광학 장치의 조명 동공면과 공액의 면이란, 상기 조명 광학 장치 내에 있는 면에만 한정되지 않고, 예를 들면 상기 조명 광학 장치가 투영 광학계와 조합되는 경우에는, 투영 광학계 내의 면이더라도 무방하고, 또한 조명 광학 장치(혹은, 투영 노광 장치)의 편광 상태를 검출하기 위한 편광 측정기 내의 면이더라도 무방하다.

본 발명의 실시예 4에서는, 실시예 2 또는 실시예 3의 조명 광학 장치를 구비하고, 그 조명 광학 장치를 거쳐서 마스크의 패턴을 감광성 기판 위에 노광하는 것을 특징으로 하는 노광 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예 5에서는, 실시예 2 또는 실시예 3의 조명 광학 장치를 이용하여, 마스크의 패턴을 감광성 기판 위에 노광하는 것을 특징으로 하는 노광 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예 6에서는, 입사광의 편광 상태를 소정의 편광 상태로 변환하는 편광 변환 소자의 제조 방법에 있어서, 선광성을 갖는 광학 재료를 준비하는 공정과, 상기 광학 재료에 원주 방향으로 변화하는 두께 분포를 부여하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 편광 변환 소자의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 편광 변환 소자는, 예를 들면 수정과 같은 선광성을 갖는 광학 재료에 의해 형성되고, 원주 방향으로 변화하는 두께 분포를 갖는다. 여기서, 두께 분포는, 예를 들면, 대략 단일 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태의 광을, 대략 원주 방향으로 편광 방향을 갖는 원주 방향 편광 상태의 광으로 변환하도록 설정되어 있다. 그 결과, 본 발명에서는, 광량 손실을 억제하면서, 대략 단일 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태의 입사광을, 대략 원주 방향으로 편광 방향을 갖는 원주 방향 편광 상태의 광으로 변환할 수 있는 편광 변환 소자를 실현할 수 있다. 특히, 선광성을 갖는 광학 재료에 의해 편광 변환 소자를 형성하고 있기 때문에, 예를 들면 파장판과 비교해서 제조가 매우 용이하다고 하는 이점이 있다.

따라서, 본 발명의 조명 광학 장치에서는, 대략 단일 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태의 입사광을 대략 원주 방향으로 편광 방향을 갖는 원주 방향 편광 상태의 광으로 변환할 수 있는 편광 변환 소자를 이용하고 있으므로, 광량 손실을 양호하게 억제하면서 원주 방향 편광 상태의 윤대 형상의 조명 동공 분포를 형성할 수 있다. 또한, 본 발명의 노광 장치 및 노광 방법에서는, 광량 손실을 양호하게 억제하면서 원주 방향 편광 상태의 윤대 형상의 조명 동공 분포를 형성할 수 있는 조명 광학 장치를 이용하고 있으므로, 적절한 조명 조건에 근거하여 미세 패턴을 충실하게 또한 높은 스루풋으로 전사할 수 있고, 나아가서는 높은 스루풋으로 양호한 디바이스를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면,
도 2는 윤대 형상의 2차 광원에 대한 원추 액시콘계의 작용을 설명하는 도면,
도 3은 윤대 형상의 2차 광원에 대한 줌 렌즈의 작용을 설명하는 도면,
도 4는 도 1의 편광 모니터의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 사시도,
도 5는 도 1의 편광 변환 소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도면,
도 6은 수정의 선광성에 대해서 설명하는 도면,
도 7은 편광 변환 소자의 작용에 의해 원주 방향 편광 상태로 설정된 윤대 형상의 2차 광원을 개략적으로 나타내는 도면,
도 8은 편광 변환 소자의 작용에 의해 직경 방향 편광 상태로 설정된 윤대 형상의 2차 광원을 개략적으로 나타내는 도면,
도 9는 복수의 편광 변환 소자를 교환 가능하게 마련한 변형예를 나타내는 도면,
도 10은 도 9에서의 교환 기구로서의 터릿(turret)(10T)에 탑재된 복수 종류의 편광 변환 소자(10a~10e)를 나타내는 도면,
도 11은 복수 종류의 편광 변환 소자(10a~10e)의 각각의 구성을 나타내는 도면,
도 12는 편광 변환 소자의 작용에 의해 원주 방향 편광 상태로 설정된 2차 광원의 일례를 개략적으로 나타내는 도면,
도 13은 광축 AX 둘레로 회전 가능하게 마련된 편광 변환 소자(10f)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면,
도 14는 편광 변환 소자(10f)의 작용에 의해 원주 방향 편광 상태로 설정된 2차 광원의 일례를 개략적으로 나타내는 도면,
도 15는 8개의 부채꼴 형상의 기본 소자로 구성되는 편광 변환 소자를 광축 AX 둘레로 회전 가능하게 했을 때에 얻어지는 2차 광원의 일례를 개략적으로 나타내는 도면,
도 16은 편광 변환 소자를 조명 광학 장치의 동공 근방의 위치 중, 원추 액시콘계(8) 바로 앞의 위치(입사측 근방의 위치)에 배치한 예를 나타내는 도면,
도 17은 도 16에 나타내는 변형예에 있어서 만족해야 하는 조건식(1) 및 (2)를 설명하기 위한 도면,
도 18은 편광 변환 소자를 조명 광학 장치의 동공 근방의 위치 중, 결상 광학계(15)의 동공 위치의 근방에 배치한 예를 나타내는 도면,
도 19는 웨이퍼 W를 조명하는 광의 편광 상태 및 광강도를 검출하기 위한 웨이퍼면 편광 모니터(90)의 개략적인 구성을 나타내는 도면,
도 20은 4분할 편광 변환 소자(10f)를 이용하여 4분할 원주 방향 편광 윤대 조명을 실행할 때에 얻어지는 윤대 형상의 2차 광원(31)을 나타내는 도면,
도 21은 마이크로 디바이스로서의 반도체 디바이스를 얻을 때의 수법의 흐름도,
도 22는 마이크로 디바이스로서의 액정 표시 소자를 얻을 때의 수법의 흐름도.

본 발명의 실시예를 첨부 도면에 근거하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에서, 감광성 기판인 웨이퍼 W의 법선 방향을 따라 Z축을, 웨이퍼 W의 면내에 있어서 도 1의 지면에 평행한 방향으로 Y축을, 웨이퍼 W의 면내에 있어서 도 1의 지면에 수직한 방향으로 X축을 각각 설정하고 있다. 도 1을 참조하면, 본 실시예의 노광 장치는 노광광(조명광)을 공급하기 위한 광원(1)을 구비하고 있다.

광원(1)으로서, 예를 들면 248㎚ 파장의 광을 공급하는 KrF 엑시머 레이저 광원이나 193㎚ 파장의 광을 공급하는 ArF 엑시머 레이저 광원 등을 이용할 수 있다. 광원(1)으로부터 Z방향을 따라 사출된 거의 평행한 광속은, X방향을 따라 가늘고 길게 연장한 직사각형 형상의 단면을 갖고, 1쌍의 렌즈(2a, 2b)로 이루어지는 빔 익스팬더(2)에 입사한다. 각 렌즈(2a, 2b)는 도 1의 지면 내(YZ 평면 내)에 있어서 부(負)의 굴절력 및 정(正)의 굴절력을 각각 갖는다. 따라서, 빔 익스팬더(2)에 입사한 광속은 도 1의 지면 내에 있어서 확대되어, 소정의 직사각형 형상의 단면을 갖는 광속으로 정형(整形)된다.

정형 광학계로서의 빔 익스팬더(2)를 거친 거의 평행한 광속은, 벤딩 미러(3)에 의해 Y방향으로 편향된 후, 1/4 파장판(4a), 1/2 파장판(4b), 디폴라라이저(비편광화 소자)(4c), 및 윤대 조명용의 회절 광학 소자(5)를 거쳐서, 어포컬 렌즈(afocal lens)(6)에 입사한다. 여기서, 1/4 파장판(4a), 1/2 파장판(4b), 및 디폴라라이저(4c)는, 후술하는 바와 같이, 편광 상태 전환부(4)를 구성하고 있다. 어포컬 렌즈(6)는 그 앞쪽 초점 위치와 회절 광학 소자(5)의 위치가 거의 일치하고 또한 그 뒤쪽 초점 위치와 도면 중 파선으로 나타내는 소정면(7)의 위치가 거의 일치하도록 설정된 어포컬계(무초점 광학계)이다.

일반적으로, 회절 광학 소자는 기판에 노광광(조명광)의 파장 정도의 피치를 갖는 단차를 형성함으로써 구성되고, 입사 빔을 소망하는 각도로 회절하는 작용을 갖는다. 구체적으로는, 윤대 조명용의 회절 광학 소자(5)는, 직사각형 형상의 단면을 갖는 평행 광속이 입사한 경우에, 그의 파필드(far field)(또는, 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절 영역)에 윤대 형상의 광강도 분포를 형성하는 기능을 갖는다.

따라서, 광속 변환 소자로서의 회절 광학 소자(5)에 입사한 거의 평행 광속은 어포컬 렌즈(6)의 동공면에 윤대 형상의 광강도 분포를 형성한 후, 거의 평행 광속으로 되어 어포컬 렌즈(6)로부터 사출된다. 또한, 어포컬 렌즈(6)의 앞쪽 렌즈군(6a)과 뒤쪽 렌즈군(6b) 사이의 광로중에 있어서 그 동공면 또는 그 근방에는, 원추 액시콘계(8)가 배치되어 있지만, 그 상세한 구성 및 작용에 대해서는 후술한다. 이하, 설명을 간단하게 하기 위해서, 원추 액시콘계(8)의 작용을 무시하고, 기본적인 구성 및 작용을 설명한다.

어포컬 렌즈(6)를 거친 광속은, σ값 가변용의 줌 렌즈(9) 및 편광 변환 소자(10)를 거쳐서, 광학 인티그레이터로서의 마이크로 플라이아이 렌즈(또는, 플라이아이 렌즈)(11)에 입사한다. 편광 변환 소자(10)의 구성 및 작용에 대해서는 후술한다. 마이크로 플라이아이 렌즈(11)는 종횡으로 또한 조밀하게 배열된 다수의 정(正) 굴절력을 갖는 미소 렌즈로 이루어지는 광학 소자이다. 일반적으로, 마이크로 플라이아이 렌즈는, 예를 들면 평행 평면판에 에칭 처리를 실시해서 미소 렌즈군을 형성함으로써 구성된다.

여기서, 마이크로 플라이아이 렌즈를 구성하는 각 미소 렌즈는 플라이아이 렌즈를 구성하는 각 렌즈 요소보다도 미소하다. 또한, 마이크로 플라이아이 렌즈는 서로 격절된 렌즈 요소로 이루어지는 플라이아이 렌즈와는 상이하게, 다수의 미소 렌즈(미소 굴절면)가 서로 격절되지 않고 일체적으로 형성되어 있다. 그러나, 정 굴절력을 갖는 렌즈 요소가 종횡으로 배치되어 있는 점에서, 마이크로 플라이아이 렌즈는 플라이아이 렌즈와 동일한 파면 분할형의 광학 인티그레이터이다.

소정면(7)의 위치는 줌 렌즈(9)의 앞쪽 초점 위치의 근방에 배치되고, 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면은 줌 렌즈(9)의 뒤쪽 초점 위치의 근방에 배치되어 있다. 환언하면, 줌 렌즈(9)는 소정 면(7)과 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면을 실질적으로 퓨리에 변환의 관계로 배치하고, 나아가서는 어포컬 렌즈(6)의 동공면과 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면을 광학적으로 거의 공액으로 배치하고 있다.

따라서, 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면 위에는, 어포컬 렌즈(6)의 동공면과 마찬가지로, 예를 들면 광축 AX을 중심으로 한 윤대 형상의 조명시야가 형성된다. 이러한 윤대 형상의 조명시야의 전체 형상은 줌 렌즈(9)의 초점 거리에 의존해서 상사적(相似的)으로 변화한다. 마이크로 플라이아이 렌즈(11)를 구성하는 각 미소 렌즈는, 마스크 M 위에서 형성해야 할 조명시야의 형상(나아가서는, 웨이퍼 W 위에서 형성해야 할 노광 영역의 형상)과 상사인 직사각형 형상의 단면을 갖는다.

마이크로 플라이아이 렌즈(11)에 입사한 광속은 다수의 미소 렌즈에 의해 2차원적으로 분할되고, 그의 뒤쪽 초점면 또는 그 근방(나아가서는, 조명 동공)에는, 입사 광속에 의해서 형성되는 조명시야와 거의 동일한 광강도 분포를 갖는 2차 광원, 즉 광축 AX를 중심으로 한 윤대 형상의 실질적인 면광원으로 이루어지는 2차 광원이 형성된다. 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 뒤쪽 초점면 또는 그 근방에 형성된 2차 광원으로부터의 광속은 빔 스플리터(12a) 및 콘덴서 광학계(13)를 거친 후, 마스크 블라인드(14)를 중첩적으로 조명한다.

이렇게 해서, 조명 시야 조리개로서의 마스크 블라인드(14)에는, 마이크로 플라이아이 렌즈(11)를 구성하는 각 미소 렌즈의 형상과 초점 거리에 따른 직사각형 형상의 조명시야가 형성된다. 또한, 빔 스플리터(12a)를 내장하는 편광 모니터(12)의 내부 구성 및 작용에 대해서는 후술한다. 마스크 블라인드(14)의 직사각형 형상의 개구부(광 투과부)를 거친 광속은 결상 광학계(15)의 집광 작용을 받은 후, 소정 패턴이 형성된 마스크 M을 중첩적으로 조명한다.

즉, 결상 광학계(15)는 마스크 블라인드(14)의 직사각형 형상 개구부의 상(像)을 마스크 M 위에 형성하게 된다. 마스크 M의 패턴을 투과한 광속은 투영 광학계 PL을 거쳐서, 감광성 기판인 웨이퍼 W 위에 마스크 패턴의 상을 형성한다. 이렇게 해서, 투영 광학계 PL의 광축 AX와 직교하는 평면(XY 평면) 내에 있어서 웨이퍼 W를 2차원적으로 구동 제어하면서 일괄 노광 또는 스캔 노광을 실행함으로써, 웨이퍼 W의 각 노광 영역에는 마스크 M의 패턴이 순차적으로 노광된다.

또한, 편광 상태 전환부(4)에 있어서, 1/4 파장판(4a)은 광축 AX를 중심으로 해서 결정 광학축이 회전 자유롭게 구성되어, 입사하는 타원 편광의 광을 직선 편광의 광으로 변환한다. 또한, 1/2 파장판(4b)은 광축 AX를 중심으로 해서 결정 광학축이 회전 자유롭게 구성되어, 입사하는 직선 편광의 편광면을 변화시킨다. 또한, 디폴라라이저(4c)는 상보적인 형상을 갖는 쐐기 형상의 수정 프리즘과 쐐기 형상의 석영 프리즘에 의해 구성되어 있다. 수정 프리즘과 석영 프리즘은 일체적인 프리즘 조립체로서, 조명 광로에 대해서 삽입 탈착 자유롭게 구성되어 있다.

광원(1)으로서 KrF 엑시머 레이저 광원이나 ArF 엑시머 레이저 광원을 이용하는 경우, 이들 광원으로부터 사출되는 광은 전형적으로는 95% 이상의 편광도를 갖고, 1/4 파장판(4a)에는 거의 직선 편광의 광이 입사한다. 그러나, 광원(1)과 편광 상태 전환부(4) 사이의 광로중에 이면(裏面) 반사경으로서의 직각 프리즘이 개재하는 경우, 입사하는 직선 편광의 편광면이 P편광면 또는 S편광면에 일치하고 있지 않으면, 직각 프리즘에서의 전반사에 의해 직선 편광이 타원 편광으로 바뀐다.

편광 상태 전환부(4)에서는, 예를 들면 직각 프리즘에서의 전반사에 기인하여 타원 편광의 광이 입사하더라도, 1/4 파장판(4a)의 작용에 의해 변환된 직선 편광의 광이 1/2 파장판(4b)에 입사한다. 1/2 파장판(4b)의 결정 광학축이 입사하는 직선 편광의 편광면에 대해서 0ㅀ 또는 90ㅀ의 각도를 이루도록 설정된 경우, 1/2 파장판(4b)에 입사한 직선 편광의 광은 편광면이 변화하지 않고 그대로 통과한다.

또한, 1/2 파장판(4b)의 결정 광학축이 입사하는 직선 편광의 편광면에 대해서 45ㅀ의 각도를 이루도록 설정된 경우, 1/2 파장판(4b)에 입사한 직선 편광의 광은 편광면이 90ㅀ만큼 변화한 직선 편광의 광으로 변환된다. 또한, 디폴라라이저(4c)의 수정 프리즘의 결정 광학축이 입사하는 직선 편광의 편광면에 대해서 45ㅀ의 각도를 이루도록 설정된 경우, 수정 프리즘에 입사한 직선 편광의 광은 비편광 상태의 광으로 변환(비편광화)된다.

편광 상태 전환부(4)에서는, 디폴라라이저(4c)가 조명 광로중에 위치 결정되었을 때에 수정 프리즘의 결정 광학축이 입사하는 직선 편광의 편광면에 대해서 45ㅀ의 각도를 이루도록 구성되어 있다. 덧붙여서 말하면, 수정 프리즘의 결정 광학축이 입사하는 직선 편광의 편광면에 대해서 0ㅀ 또는 90ㅀ의 각도를 이루도록 설정된 경우, 수정 프리즘에 입사한 직선 편광의 광은 편광면이 변화하지 않고 그대로 통과한다. 또한, 1/2 파장판(4b)의 결정 광학축이 입사하는 직선 편광의 편광면에 대해서 22.5ㅀ의 각도를 이루도록 설정된 경우, 1/2 파장판(4b)에 입사한 직선 편광의 광은, 편광면이 변화하지 않고 그대로 통과하는 직선 편광 성분과 편광면이 90ㅀ만큼 변화한 직선 편광 성분을 포함하는 비편광 상태의 광으로 변환된다.

편광 상태 전환부(4)에서는, 상술한 바와 같이, 직선 편광의 광이 1/2 파장판(4b)에 입사하지만, 이하의 설명을 간단하게 하기 위해서, 도 1에서 Z방향으로 편광 방향(전계의 방향)을 갖는 직선 편광(이하, 「Z방향 편광」이라고 칭함)의 광이 1/2 파장판(4b)에 입사하는 것으로 한다. 디폴라라이저(4c)를 조명 광로중에 위치 결정한 경우, 1/2 파장판(4b)의 결정 광학축을 입사하는 Z방향 편광의 편광면(편광 방향)에 대해서 0ㅀ 또는 90ㅀ의 각도를 이루도록 설정하면, 1/2 파장판(4b)에 입사한 Z방향 편광의 광은 편광면이 변화하지 않고 Z방향 편광 그대로 통과해서 디폴라라이저(4c)의 수정 프리즘에 입사한다. 수정 프리즘의 결정 광학축은 입사하는 Z방향 편광의 편광면에 대해서 45ㅀ의 각도를 이루도록 설정되어 있으므로, 수정 프리즘에 입사한 Z방향 편광의 광은 비편광 상태의 광으로 변환된다.

수정 프리즘을 거쳐서 비편광화된 광은 광의 진행 방향을 보상하기 위한 보상기로서의 석영 프리즘을 거쳐서, 비편광 상태로 회절 광학 소자(5)에 입사한다. 한편, 1/2 파장판(4b)의 결정 광학축을 입사하는 Z방향 편광의 편광면에 대해서 45ㅀ의 각도를 이루도록 설정하면, 1/2 파장판(4b)에 입사한 Z방향 편광의 광은 편광면이 90ㅀ만큼 변화하고, 도 1에서 X방향으로 편광 방향(전계의 방향)을 갖는 직선 편광(이하, 「X방향 편광」이라고 칭함)의 광으로 되어 디폴라라이저(4c)의 수정 프리즘에 입사한다. 수정 프리즘의 결정 광학축은 입사하는 X방향 편광의 편광면에 대해서도 45ㅀ의 각도를 이루도록 설정되어 있으므로, 수정 프리즘에 입사한 X방향 편광의 광은 비편광 상태의 광으로 변환되고, 석영 프리즘을 거쳐서 비편광 상태로 회절 광학 소자(5)에 입사한다.

이에 대해서, 디폴라라이저(4c)를 조명 광로로부터 퇴피시킨 경우, 1/2 파장판(4b)의 결정 광학축을 입사하는 Z방향 편광의 편광면에 대해서 0ㅀ 또는 90ㅀ의 각도를 이루도록 설정하면, 1/2 파장판(4b)에 입사한 Z방향 편광의 광은 편광면이 변화하지 않고 Z방향 편광 그대로 통과하여, Z방향 편광 상태로 회절 광학 소자(5)에 입사한다. 한편, 1/2 파장판(4b)의 결정 광학축을 입사하는 Z방향 편광의 편광면에 대해서 45ㅀ의 각도를 이루도록 설정하면, 1/2 파장판(4b)에 입사한 Z방향 편광의 광은 편광면이 90ㅀ만큼 변화해서 X방향 편광의 광으로 되어, X방향 편광 상태로 회절 광학 소자(5)에 입사한다.

이상과 같이, 편광 상태 전환부(4)에서는, 디폴라라이저(4c)를 조명 광로중에 삽입해서 위치 결정함으로써, 비편광 상태의 광을 회절 광학 소자(5)에 입사시킬 수 있다. 또한, 디폴라라이저(4c)를 조명 광로로부터 퇴피시키고 또한 1/2 파장판(4b)의 결정 광학축을 입사하는 Z방향 편광의 편광면에 대해서 0ㅀ 또는 90ㅀ의 각도를 이루도록 설정함으로써, Z방향 편광 상태의 광을 회절 광학 소자(5)에 입사시킬 수 있다. 또한, 디폴라라이저(4c)를 조명 광로로부터 퇴피시키고 또한 1/2 파장판(4b)의 결정 광학축을 입사하는 Z방향 편광의 편광면에 대해서 45ㅀ를 이루도록 설정함으로써, X방향 편광 상태의 광을 회절 광학 소자(5)에 입사시킬 수 있다.

환언하면, 편광 상태 전환부(4)에서는, 1/4 파장판(4a)과 1/2 파장판(4b)과 디폴라라이저(4c)로 이루어지는 편광 상태 전환부의 작용에 의해, 회절 광학 소자(5)로의 입사광의 편광 상태(나아가서는, 마스크 M 및 웨이퍼 W를 조명하는 광의 편광 상태)를 직선 편광 상태와 비편광 상태 사이에서 전환할 수 있으며, 직선 편광 상태의 경우에는 서로 직교하는 편광 상태 사이(Z방향 편광과 X방향 편광 사이)에서 전환할 수 있다.

또한, 편광 상태 전환부(4)에서는, 1/2 파장판(4b) 및 디폴라라이저(4c)를 모두 조명 광로로부터 퇴피시키고, 또한 1/4 파장판(4a)의 결정 광학축을 입사하는 타원 편광에 대해서 소정의 각도를 이루도록 설정함으로써, 원편광 상태의 광을 회절 광학 소자(5)에 입사시킬 수 있다. 또한, 일반적으로는, 1/2 파장판(4b)의 작용에 의해, 회절 광학 소자(5)로의 입사광의 편광 상태를, 임의 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태로 설정할 수도 있다.

다음에, 원추 액시콘계(8)는, 광원측으로부터 순서대로, 광원 쪽에 평면을 향하고 또한 마스크 쪽에 오목 원추 형상의 굴절면을 향한 제 1 프리즘 부재(8a)와, 마스크 쪽에 평면을 향하고 또한 광원 쪽에 볼록 원추 형상의 굴절면을 향한 제 2 프리즘 부재(8b)로 구성되어 있다. 그리고, 제 1 프리즘 부재(8a)의 오목 원추 형상의 굴절면과 제 2 프리즘 부재(8b)의 볼록 원추 형상의 굴절면은, 서로 맞닿을 수 있도록 상보적으로 형성되어 있다. 또한, 제 1 프리즘 부재(8a) 및 제 2 프리즘 부재(8b) 중 적어도 한쪽의 부재가 광축 AX를 따라 이동 가능하게 구성되고, 제 1 프리즘 부재(8a)의 오목 원추 형상의 굴절면과 제 2 프리즘 부재(8b)의 볼록 원추 형상의 굴절면과의 간격이 가변으로 구성되어 있다.

여기서, 제 1 프리즘 부재(8a)의 오목 원추 형상 굴절면과 제 2 프리즘 부재(8b)의 볼록 원추 형상 굴절면이 서로 맞닿아 있는 상태에서는, 원추 액시콘계(8)는 평행 평면판으로서 기능하여, 형성되는 윤대 형상의 2차 광원에 미치는 영향은 없다. 그러나, 제 1 프리즘 부재(8a)의 오목 원추 형상 굴절면과 제 2 프리즘 부재(8b)의 볼록 원추 형상 굴절면을 이간시키면, 원추 액시콘계(8)는 이른바 빔 익스팬더로서 기능한다. 따라서, 원추 액시콘계(8)의 간격 변화에 따라, 소정면(7)으로의 입사 광속의 각도는 변화한다.

도 2는 윤대 형상의 2차 광원에 대한 원추 액시콘계의 작용을 설명하는 도면이다. 도 2를 참조하면, 원추 액시콘계(8)의 간격이 0이고 또한 줌 렌즈(9)의 초점 거리가 최소값으로 설정된 상태(이하, 「표준 상태」라고 함)에서 형성된 가장 작은 윤대 형상의 2차 광원(30a)이, 원추 액시콘계(8)의 간격을 0부터 소정의 값까지 확대시킴으로써, 그 폭(외경과 내경과의 차의 1/2: 도면 중 화살표로 나타냄)이 변화하지 않고, 그 외경 및 내경이 모두 확대된 윤대 형상의 2차 광원(30b)으로 변화한다. 환언하면, 원추 액시콘계(8)의 작용에 의해, 윤대 형상의 2차 광원의 폭이 변화하지 않고, 그 윤대비(내경/외경) 및 크기(외경)가 모두 변화한다.

도 3은 윤대 형상의 2차 광원에 대한 줌 렌즈의 작용을 설명하는 도면이다. 도 3을 참조하면, 표준 상태에서 형성된 윤대 형상의 2차 광원(30a)이, 줌 렌즈(9)의 초점 거리를 최소값으로부터 소정의 값으로 확대시킴으로써, 그 전체 형상이 상사적으로 확대된 윤대 형상의 2차 광원(30c)으로 변화한다. 환언하면, 줌 렌즈(9)의 작용에 의해, 윤대 형상의 2차 광원의 윤대비가 변화하지 않고, 그 폭 및 크기(외경)가 모두 변화한다.

도 4는 도 1의 편광 모니터의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 4를 참조하면, 편광 모니터(12)는 마이크로 플라이아이 렌즈(11)와 콘덴서 광학계(13) 사이의 광로중에 배치된 제 1 빔 스플리터(12a)를 구비하고 있다. 제 1 빔 스플리터(12a)는, 예를 들면 석영 유리에 의해 형성된 비코팅의 평행 평면판(즉, 맨 유리) 형태를 갖고, 입사광의 편광 상태와는 상이한 편광 상태의 반사광을 광로로부터 취출하는 기능을 갖는다.

제 1 빔 스플리터(12a)에 의해 광로로부터 취출된 광은 제 2 빔 스플리터(12b)에 입사한다. 제 2 빔 스플리터(12b)는 제 1 빔 스플리터(12a)와 마찬가지로, 예를 들면 석영 유리에 의해 형성된 비코팅의 평행 평면판의 형태를 갖고, 입사광의 편광 상태와는 상이한 편광 상태의 반사광을 발생시키는 기능을 갖는다. 그리고, 제 1 빔 스플리터(12a)에 대한 P편광이 제 2 빔 스플리터(12b)에 대한 S편광으로 되고, 또한 제 1 빔 스플리터(12a)에 대한 S편광이 제 2 빔 스플리터(12b)에 대한 P편광으로 되도록 설정되어 있다.

또한, 제 2 빔 스플리터(12b)를 투과한 광은 제 1 광강도 검출기(12c)에 의해 검출되고, 제 2 빔 스플리터(12b)에서 반사된 광은 제 2 광강도 검출기(12d)에 의해 검출된다. 제 1 광강도 검출기(12c) 및 제 2 광강도 검출기(12d)의 출력은 각각 제어부(도시하지 않음)에 공급된다. 제어부는 편광 상태 전환부(4)를 구성하는 1/4 파장판(4a), 1/2 파장판(4b) 및 디폴라라이저(4c)를 필요에 따라서 구동한다.

상술한 바와 같이, 제 1 빔 스플리터(12a) 및 제 2 빔 스플리터(12b)에 있어서, P편광에 대한 반사율과 S편광에 대한 반사율이 실질적으로 상이하다. 따라서, 편광 모니터(12)에서는, 제 1 빔 스플리터(12a)로부터의 반사광이, 예를 들면 제 1 빔 스플리터(12a)로의 입사광의 10% 정도인 S편광 성분(제 1 빔 스플리터(12a)에 대한 S편광 성분으로서 제 2 빔 스플리터(12b)에 대한 P편광 성분)과, 예를 들면 제 1 빔 스플리터(12a)로의 입사광의 1% 정도인 P편광 성분(제 1 빔 스플리터(12a)에 대한 P편광 성분으로서 제 2 빔 스플리터(12b)에 대한 S편광 성분)을 포함하게 된다.

또한, 제 2 빔 스플리터(12b)로부터의 반사광은, 예를 들면 제 1 빔 스플리터(12a)로의 입사광의 10%ㅧ%=0.1% 정도인 P편광 성분(제 1 빔 스플리터(12a)에 대한 P편광 성분으로서 제 2 빔 스플리터(12b)에 대한 S편광 성분)과, 예를 들면 제 1 빔 스플리터(12a)로의 입사광의 1%ㅧ10%=0.1% 정도인 S편광 성분(제 1 빔 스플리터(12a)에 대한 S편광 성분으로서 제 2 빔 스플리터(12b)에 대한 P편광 성분)을 포함하게 된다.

이렇게 해서, 편광 모니터(12)에서는, 제 1 빔 스플리터(12a)가 그 반사 특성에 따라, 입사광의 편광 상태와는 상이한 편광 상태의 반사광을 광로로부터 취출하는 기능을 갖는다. 그 결과, 제 2 빔 스플리터(12b)의 편광 특성에 의한 편광 변동의 영향을 약간 받지만, 제 1 광강도 검출기(12c)의 출력(제 2 빔 스플리터(12b)의 투과광의 강도에 관한 정보, 즉 제 1 빔 스플리터(12a)로부터의 반사광과 거의 동일한 편광 상태의 광의 강도에 관한 정보)에 근거하여, 제 1 빔 스플리터(12a)로의 입사광의 편광 상태(편광도)를, 나아가서는 마스크 M으로의 조명광의 편광 상태를 검지할 수 있다.

또한, 편광 모니터(12)에서는, 제 1 빔 스플리터(12a)에 대한 P편광이 제 2 빔 스플리터(12b)에 대한 S편광으로 되고 또한 제 1 빔 스플리터(12a)에 대한 S편광이 제 2 빔 스플리터(12b)에 대한 P편광으로 되도록 설정되어 있다. 그 결과, 제 2 광강도 검출기(12d)의 출력(제 1 빔 스플리터(12a) 및 제 2 빔 스플리터(12b)에서 순차적으로 반사된 광의 강도에 관한 정보)에 근거하여, 제 1 빔 스플리터(12a)로의 입사광의 편광 상태 변화의 영향을 실질적으로 받지 않고, 제 1 빔 스플리터(12a)로의 입사광의 광량(강도)을, 나아가서는 마스크 M으로의 조명광의 광량을 검지할 수 있다.

이렇게 해서, 편광 모니터(12)를 이용하여, 제 1 빔 스플리터(12a)로의 입사광의 편광 상태를 검지하고, 나아가서는 마스크 M으로의 조명광이 소망하는 비편광 상태, 직선 편광 상태 또는 원 편광 상태로 되어 있는지 여부를 판정할 수 있다. 그리고, 제어부가 편광 모니터(12)의 검지 결과에 근거하여 마스크 M(나아가서는, 웨이퍼 W)으로의 조명광이 소망하는 비편광 상태, 직선 편광 상태 또는 원 편광 상태로 되어 있지 않은 것을 확인한 경우, 편광 상태 전환부(4)를 구성하는 1/4 파장판(4a), 1/2 파장판(4b) 및 디폴라라이저(4c)를 구동 조정하고, 마스크 M으로의 조명광의 상태를 소망하는 비편광 상태, 직선 편광 상태 또는 원 편광 상태로 조정할 수 있다.

또한, 윤대 조명용의 회절 광학 소자(5) 대신에, 4극 조명용의 회절 광학 소자(도시하지 않음)를 조명 광로중에 설정함으로써, 4극 조명을 실행할 수 있다. 4극 조명용의 회절 광학 소자는, 직사각형 형상의 단면을 갖는 평행 광속이 입사한 경우에, 그 파필드에 4극 형상의 광강도 분포를 형성하는 기능을 갖는다. 따라서, 4극 조명용의 회절 광학 소자를 거친 광속은, 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면에, 예를 들면 광축 AX를 중심으로 한 4개의 원 형상의 조명시야로 이루어지는 4극 형상의 조명시야를 형성한다. 그 결과, 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 뒤쪽 초점면 또는 그 근방에도, 그 입사면에 형성된 조명시야와 동일한 4극 형상의 2차 광원이 형성된다.

또한, 윤대 조명용의 회절 광학 소자(5) 대신에, 원형 조명용의 회절 광학 소자(도시하지 않음)를 조명 광로중에 설정함으로써, 통상의 원형 조명을 실행할 수 있다. 원형 조명용의 회절 광학 소자는, 직사각형 형상의 단면을 갖는 평행 광속이 입사한 경우에, 파필드에 원 형상의 광강도 분포를 형성하는 기능을 갖는다. 따라서, 원형 조명용의 회절 광학 소자를 거친 광속은, 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면에, 예를 들면 광축 AX를 중심으로 한 원 형상의 조명시야로 이루어지는 4극 형상의 조명시야를 형성한다. 그 결과, 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 뒤쪽 초점면 또는 그 근방에도, 그 입사면에 형성된 조명시야와 동일한 원 형상의 2차 광원이 형성된다.

또한, 윤대 조명용의 회절 광학 소자(5) 대신에, 다른 복수극 조명용의 회절 광학 소자(도시하지 않음)를 조명 광로중에 설정함으로써, 다양한 복수극 조명(2극 조명, 8극 조명 등)을 실행할 수 있다. 마찬가지로, 윤대 조명용의 회절 광학 소자(5) 대신에, 적당한 특성을 갖는 회절 광학 소자(도시하지 않음)를 조명 광로중에 설정함으로써, 다양한 형태의 변형 조명을 실행할 수 있다.

도 5는 도 1의 편광 변환 소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 또한, 도 6은 수정의 선광성에 대해서 설명하는 도면이다. 또한, 도 7은 편광 변환 소자의 작용에 의해 원주 방향 편광 상태로 설정된 윤대 형상의 2차 광원을 개략적으로 나타내는 도면이다. 본 실시예에 따른 편광 변환 소자(10)는 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 바로 앞에, 즉 조명 광학 장치(1~PL)의 동공 또는 그 근방에 배치되어 있다. 따라서, 윤대 조명의 경우, 편광 변환 소자(10)에는 광축 AX를 중심으로 한 거의 윤대 형상의 단면을 갖는 광속이 입사하게 된다.

도 5를 참조하면, 편광 변환 소자(10)는 전체적으로 광축 AX를 중심으로 한 윤대 형상의 유효 영역을 갖고, 이 윤대 형상의 유효 영역은 광축 AX를 중심으로 한 원주 방향으로 등분할된 8개의 부채꼴 형상의 기본 소자에 의해 구성되어 있다. 이들 8개의 기본 소자에 있어서, 광축 AX를 사이에 두고서 대향하는 1쌍의 기본 소자는 서로 동일한 특성을 갖는다. 즉, 8개의 기본 소자는 광의 투과 방향(Y방향)을 따른 두께(광축 방향의 길이)가 서로 상이한 4종류의 기본 소자(10A~10D)를 2개씩 포함하고 있다.

구체적으로는, 제 1 기본 소자(10A)의 두께가 가장 크고, 제 4 기본 소자(10D)의 두께가 가장 작고, 제 2 기본 소자(10B)의 두께는 제 3 기본 소자(10C)의 두께보다도 크게 설정되어 있다. 그 결과, 편광 변환 소자(10)의 한쪽 면(예를 들면, 입사면)은 평면 형상이지만, 다른쪽 면(예를 들면, 사출면)은 각 기본 소자(10A~10D)의 두께 차이에 의해 요철 형상으로 되어 있다. 또한, 편광 변환 소자(10)의 양쪽면(입사면 및 사출면)을 모두 요철 형상으로 형성할 수도 있다.

또한, 본 실시예에서는, 각 기본 소자(10A~10D)가 선광성을 갖는 광학 재료인 결정 재료로서의 수정에 의해 구성되고, 각 기본 소자(10A~10D)의 결정 광학축이 광축 AX와 거의 일치, 즉 입사광의 진행 방향과 거의 일치하도록 설정되어 있다. 이하, 도 6을 참조하여, 수정의 선광성에 대해서 간단하게 설명한다. 도 6을 참조하면, 두께 d의 수정으로 이루어지는 평행 평면판 형상의 광학 부재(100)가, 그 결정 광학축과 광축 AX가 일치하도록 배치되어 있다. 이 경우, 광학 부재(100)의 선광성에 의해, 입사한 직선 편광의 편광 방향이 광축 AX 둘레로 θ만큼 회전한 상태로 사출된다.

이 때, 광학 부재(100)의 선광성에 의한 편광 방향의 회전각(선광 각도) θ는, 광학 부재(100)의 두께 d와 수정의 선광성 ρ에 의해, 다음의 식(a)로 표현된다.

일반적으로, 수정의 선광성 ρ은 파장 의존성(사용광의 파장에 의존하여 선광성의 값이 상이한 성질: 선광 분산)이 있으며, 구체적으로는 사용광의 파장이 짧아지면 커지는 경향이 있다. 「응용 광학 Ⅱ」의 제 167페이지의 기술에 따르면, 250.3㎚의 파장을 갖는 광에 대한 수정의 선광성 ρ은 153.9ㅀ/㎜이다.

본 실시예에 있어서, 제 1 기본 소자(10A)는, Z방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광의 광이 입사한 경우, Z방향을 Y축 둘레로 +180ㅀ 회전시킨 방향, 즉 Z방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광의 광을 사출하도록 두께 dA가 설정되어 있다. 따라서, 이 경우, 도 7에 나타내는 윤대 형상의 2차 광원(31) 중, 1쌍의 제 1 기본 소자(10A)의 선광 작용을 받은 광속이 형성하는 1쌍의 원호 형상 영역(31A)을 통과하는 광속의 편광 방향은 Z방향으로 된다.

제 2 기본 소자(10B)는, Z방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광의 광이 입사한 경우, Z방향을 Y축 둘레로 +135ㅀ 회전시킨 방향, 즉 Z방향을 Y축 둘레로 -45ㅀ 회전시킨 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광의 광을 사출하도록 두께 dB가 설정되어 있다. 따라서, 이 경우, 도 7에 나타내는 윤대 형상의 2차 광원(31) 중, 1쌍의 제 2 기본 소자(10B)의 선광 작용을 받은 광속이 형성하는 1쌍의 원호 형상 영역(31B)을 통과하는 광속의 편광 방향은 Z방향을 Y축 둘레로 -45ㅀ 회전시킨 방향으로 된다.

제 3 기본 소자(10C)는, Z방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광의 광이 입사한 경우, Z방향을 Y축 둘레로 +90ㅀ 회전시킨 방향, 즉 X방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광의 광을 사출하도록 두께 dC가 설정되어 있다. 따라서, 이 경우, 도 7에 나타내는 윤대 형상의 2차 광원(31) 중, 1쌍의 제 3 기본 소자(10C)의 선광 작용을 받은 광속이 형성하는 1쌍의 원호 형상 영역(31C)을 통과하는 광속의 편광 방향은 X방향으로 된다.

제 4 기본 소자(10D)는, Z방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광의 광이 입사한 경우, Z방향을 Y축 둘레로 +45ㅀ 회전시킨 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광의 광을 사출하도록 두께 dD가 설정되어 있다. 따라서, 이 경우, 도 7에 나타내는 윤대 형상의 2차 광원(31) 중, 1쌍의 제 4 기본 소자(10D)의 선광 작용을 받은 광속이 형성하는 1쌍의 원호 형상 영역(31D)을 통과하는 광속의 편광 방향은 Z방향을 Y축 둘레로 +45ㅀ 회전시킨 방향으로 된다.

또한, 개별적으로 형성된 8개의 기본 소자를 조합하여 편광 변환 소자(10)를 얻을 수도 있고, 혹은 평행 평면판 형상의 수정 기판에 소요의 요철 형상(단차)을 형성함으로써 편광 변환 소자(10)를 얻을 수도 있다. 또한, 편광 변환 소자(10)를 광로로부터 퇴피시키지 않고 통상의 원형 조명을 실행할 수 있도록, 편광 변환 소자(10)의 유효 영역의 직경 방향의 크기의 3/10 이상, 바람직하게는 1/3 이상의 크기를 갖고 또한 선광성을 갖지 않는 원 형상의 중앙 영역(10E)이 마련되어 있다. 여기서, 중앙 영역(10E)은, 예를 들면 석영과 같이 선광성을 갖지 않는 광학 재료에 의해 형성되어 있어도 되고, 단순히 원 형상의 개구이더라도 무방하다. 단, 중앙 영역(10E)은 편광 변환 소자(10)에 필수 요소는 아니다. 또한, 중앙 영역(10E)의 크기는 원주 방향 편광 상태인 영역과 그렇지 않은 영역과의 경계를 결정한다.

본 실시예에서는, 원주 방향 편광 윤대 조명(윤대 형상의 2차 광원을 통과하는 광속이 원주 방향 편광 상태로 설정된 변형 조명)시에, Z방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광의 광을 편광 변환 소자(10)에 입사시킨다. 그 결과, 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 뒤쪽 초점면 또는 그 근방에는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 윤대 형상의 2차 광원(윤대 형상의 조명 동공 분포)(31)가 형성되고, 이 윤대 형상의 2차 광원(31)을 통과하는 광속이 원주 방향 편광 상태로 설정된다. 원주 방향 편광 상태에서는, 윤대 형상의 2차 광원(31)을 구성하는 원호 형상 영역(31A~31D)을 각각 통과하는 광속은, 각 원호 형상 영역(31A~31D)의 원주 방향을 따른 중심 위치에서의 광축 AX를 중심으로 하는 원의 접선 방향과 거의 일치하는 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태로 된다.

이렇게 해서, 본 실시예에서는, 개구 조리개에 있어서 큰 광량 손실이 발생하는 종래 기술과는 상이하게, 편광 변환 소자(10)의 선광 작용에 의해, 광량 손실을 실질적으로 발생시키지 않고, 원주 방향 편광 상태의 윤대 형상의 2차 광원(31)을 형성할 수 있다. 환언하면, 본 실시예의 조명 광학 장치에서는, 광량 손실을 양호하게 억제하면서, 원주 방향 편광 상태의 윤대 형상의 조명 동공 분포를 형성할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는, 광학 소자의 편광 작용을 이용하고 있기 때문에, 편광 변환 소자 자체의 제조가 극히 용이하고, 전형적으로는 각 기본 소자의 두께 공차를 극히 완만하게 설정할 수 있다고 하는 우수한 효과를 나타낸다.

또한, 원주 방향 편광 상태의 윤대 형상의 조명 동공 분포에 근거하는 원주 방향 편광 윤대 조명에서는, 최종적인 피조사면으로서의 웨이퍼 W에 조사되는 광이 S편광을 주성분으로 하는 편광 상태로 된다. 여기서, S편광이란, 입사면에 대해서 수직한 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광(입사면에 수직한 방향으로 전기 벡터가 진동하고 있는 편광)인 것이다. 단, 입사면이란, 광이 매질의 경계면(피조사면:웨이퍼 W의 표면)에 도달했을 때에, 그 점에서의 경계면의 법선과 광의 입사 방향을 포함하는 면으로서 정의된다.

그 결과, 원주 방향 편광 윤대 조명에서는, 투영 광학계의 광학 성능(초점 심도 등)의 향상을 도모할 수 있어, 웨이퍼(감광성 기판) 위에 있어서 높은 콘트라스트의 마스크 패턴 상(像)을 얻을 수 있다. 즉, 본 실시예의 노광 장치에서는, 광량 손실을 양호하게 억제하면서 원주 방향 편광 상태의 윤대 형상의 조명 동공 분포를 형성할 수 있는 조명 광학 장치를 이용하고 있으므로, 적절한 조명 조건에 근거하여 미세 패턴을 충실하게 또한 높은 스루풋으로 전사할 수 있다.

그런데, 본 실시예에서는, X방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광의 광을 편광 변환 소자(10)에 입사시킴으로써, 도 8에 나타내는 바와 같이 윤대 형상의 2차 광원(32)을 통과하는 광속을 직경 방향 편광 상태로 설정하고, 직경 방향 편광 윤대 조명(윤대 형상의 2차 광원을 통과하는 광속이 직경 방향 편광 상태로 설정된 변형 조명)을 실행할 수 있다. 직경 방향 편광 상태에서는, 윤대 형상의 2차 광원(32)을 구성하는 원호 형상 영역(32A~32D)을 각각 통과하는 광속은, 각 원호 형상 영역(32A~32D)의 원주 방향을 따른 중심 위치에서의 광축 AX를 중심으로 하는 원의 반경 방향과 거의 일치하는 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태로 된다.

직경 방향 편광 상태의 윤대 형상의 조명 동공 분포에 근거하는 직경 방향 편광 윤대 조명에서는, 최종적인 피조사면으로서의 웨이퍼 W에 조사되는 광이 P편광을 주성분으로 하는 편광 상태로 된다. 여기서, P편광이란, 상술한 바와 같이 정의되는 입사면에 대해서 평행한 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광(입사면에 평행한 방향으로 전기 벡터가 진동하고 있는 편광)인 것이다. 그 결과, 직경 방향 편광 윤대 조명에서는, 웨이퍼 W에 도포된 레지스트에 있어서의 광의 반사율을 작게 억제하여, 웨이퍼(감광성 기판) 위에 있어서 양호한 마스크 패턴 상을 얻을 수 있다.

또한, 상술한 실시예에서는, 편광 변환 소자(10)에 입사하는 광속을, Z방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태와 X방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태 사이에서 전환함으로써, 원주 방향 편광 윤대 조명과 직경 방향 편광 윤대 조명을 실현하고 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 예를 들면 Z방향 또는 X방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태의 입사 광속에 대해서, 편광 변환 소자(10)를 도 5에 나타내는 제 1 상태와 광축 AX 둘레로 90ㅀ만큼 회전시킨 제 2 상태 사이에서 전환함으로써, 원주 방향 편광 윤대 조명과 직경 방향 편광 윤대 조명을 실현할 수도 있다.

또한, 상술한 실시예에서는, 마이크로 플라이아이 렌즈(11) 바로 앞에 편광 변환 소자(10)를 배치하고 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 일반적으로 조명 광학 장치(1~PL)의 동공 또는 그 근방에, 예를 들면 투영 광학계 PL의 동공 또는 그 근방이나, 결상 광학계(15)의 동공 또는 그 근방이나, 원추 액시콘계(8)의 바로 앞(어포컬 렌즈(6)의 동공 또는 그 근방) 등에 편광 변환 소자(10)를 배치할 수도 있다.

단, 투영 광학계 PL 중이나 결상 광학계(15) 중에 편광 변환 소자(10)를 배치하면, 편광 변환 소자(10)의 소요의 유효 직경이 커지기 쉽기 때문에, 고품질이며 큰 수정 기판을 얻는 것이 곤란한 현상을 생각하면 그다지 바람직하지 않다. 또한, 원추 액시콘계(8)의 바로 앞에 편광 변환 소자(10)를 배치하면, 편광 변환 소자(10)의 소요의 유효 직경을 작게 억제할 수 있지만, 최종적인 피조사면인 웨이퍼 W까지의 거리가 길고, 그 사이의 광로중에 렌즈의 반사 방지 코팅이나 미러의 반사막과 같이 편광 상태를 변화시키는 요소가 개재하기 쉽기 때문에 그다지 바람직하지 않다. 덧붙여서 말하면, 렌즈의 반사 방지 코팅이나 미러의 반사막에서는, 편광 상태(P편광과 S편광)나 입사 각도에 따라서 반사율에 차가 생기기 쉽고, 나아가서는 광의 편광 상태가 변화하기 쉽다.

또한, 상술한 실시예에서는, 편광 변환 소자(10)가 적어도 한쪽 면(예를 들면, 사출면)이 요철 형상으로 형성되고, 나아가서는 편광 변환 소자(10)가 원주 방향으로 이산적(불연속적)으로 변화하는 두께 분포를 갖는다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 편광 변환 소자(10)가 원주 방향으로 거의 불연속적으로 변화하는 두께 분포를 갖도록, 편광 변환 소자(10)의 적어도 한쪽 면(예를 들면, 사출면)을 곡면 형상으로 형성할 수도 있다.

또한, 상술한 실시예에서는, 윤대 형상의 유효 영역의 8분할에 대응하는 8개의 부채꼴 형상의 기본 소자에 의해 편광 변환 소자(10)를 구성하고 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 예를 들면 원 형상의 유효 영역의 8분할에 대응하는 8개의 부채꼴 형상의 기본 소자에 의해, 혹은 원 형상 또는 윤대 형상의 유효 영역의 4분할에 대응하는 4개의 부채꼴 형상의 기본 소자에 의해, 혹은 원 형상 또는 윤대 형상의 유효 영역의 16분할에 대응하는 16개의 부채꼴 형상의 기본 소자에 의해 편광 변환 소자(10)를 구성할 수도 있다. 즉, 편광 변환 소자(10)의 유효 영역의 형상, 유효 영역의 분할 수(기본 소자의 수) 등에 대해서 다양한 변형예가 가능하다.

또한, 상술한 실시예에서는, 수정을 이용하여 각 기본 소자(10A~10D)를(나아가서는, 편광 변환 소자(10)를) 형성하고 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 선광성을 갖는 다른 적당한 광학 재료를 이용하여 각 기본 소자를 형성할 수도 있다. 이 경우, 사용 파장의 광에 대해서 100ㅀ/㎜ 이상의 선광능을 갖는 광학 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 선광능이 작은 광학 재료를 이용하면, 편광 방향의 소요 회전각을 얻기 위해서 필요한 두께가 지나치게 커져, 광량 손실의 원인으로 되기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 상술한 실시예에 있어서, 편광 변환 소자(10)를 조명 광로에 대해서 고정적으로 마련했지만, 이 편광 변환 소자(10)를 조명 광로에 대해서 삽입 탈착 가능하게 마련해도 된다. 또한, 상술한 실시예에서는, 웨이퍼 W에 대한 S편광과 윤대 조명을 조합한 예를 나타냈지만, 웨이퍼 W에 대한 S편광과 2극이나 4극 등의 다극 조명 및 원형 조명과 조합해도 무방하다. 또한, 상술한 실시예에 있어서, 마스크 M으로의 조명 조건이나 웨이퍼 W로의 결상 조건(개구수나 수차 등)은, 예를 들면 마스크 M의 패턴의 종류 등에 따라서 자동적으로 설정할 수 있다.

도 9는 복수의 편광 변환 소자를 교환 가능하게 마련한 변형예를 나타낸다. 또한, 도 9의 변형예는 도 1에 나타낸 실시예와 유사한 구성을 갖지만, 복수의 편광 변환 소자를 교환 가능하게 하는 터릿(10T)을 갖는 점에서 상이하다.

도 10은 도 9에서의 교환 기구로서의 터릿(10T)에 탑재된 복수 종류의 편광 변환 소자(10a~10e)를 나타내는 도면이다. 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 이 변형예에서는, 광축 AX와 평행한 방향을 축으로 해서 회전 가능한 터릿(10T) 위에 복수 종류의 편광 변환 소자(10a~10e)를 마련하고, 터릿(10T)의 회전 동작에 의해 이들 복수 종류의 편광 변환 소자(10a~10e)를 교환 가능하게 하고 있다. 또한, 도 9에서는 복수 종류의 편광 변환 소자(10a~10c) 중, 편광 변환 소자(10a, 10b)만을 도시하고 있다. 또한, 편광 변환 소자의 교환 기구로서는 터릿(10T)에는 한정되지 않고, 예를 들면 슬라이더라도 무방하다.

도 11은 복수 종류의 편광 변환 소자(10a~10e)의 각각의 구성을 나타내는 도면이다. 도 11(a)에서, 제 1 편광 변환 소자(10a)는 도 5에 나타낸 실시예의 편광 변환 소자(10)와 동일한 구성을 갖는다. 도 11(b)에서, 제 2 편광 변환 소자(10b)는 도 11(a)에 나타낸 편광 변환 소자(10a)와 유사한 구성을 갖지만, 중앙 영역(10E)에 편광 해소 부재(104c)가 마련되어 있는 점에서 상이하다. 이 편광 해소 부재(104c)는 도 1에 나타낸 디폴라라이저(4c)와 마찬가지의 구성을 갖고, 입사하는 직선 편광의 광을 비편광 상태의 광으로 변환하는 기능을 갖는다.

도 11(c)에서, 제 3 편광 변환 소자(10c)는 도 11(a)에 나타낸 편광 변환 소자(10a)와 유사한 구성을 갖지만, 중앙 영역(10E)의 크기가 크게 되어 있는 점(제 1~제 4 기본 소자(10A~10D)의 폭이 좁게 되어 있는 점)에서 상이하다. 또한, 도 11(d)에서, 제 4 편광 변환 소자(10d)는 도 11(c)에 나타낸 편광 변환 소자(10c)와 유사한 구성을 갖지만, 중앙 영역(10E)에 편광 해소 부재(104c)가 마련되어 있는 점에서 상이하다.

도 11(c)에서, 제 5 편광 변환 소자(10e)는 8개의 기본 소자가 아니라, 6개의 기본 소자(10C, 10F, 10G)를 조합해서 구성되어 있다. 제 5 편광 변환 소자(10e)는 전체적으로 광축 AX를 중심으로 한 윤대 형상의 유효 영역을 갖고, 이 윤대 형상의 유효 영역은 광축 AX를 중심으로 한 원주 방향으로 등분할된 6개의 부채꼴 형상의 기본 소자(10C, 10F, 10G)에 의해 구성되어 있다. 이들 6개의 기본 소자(10C, 10F, 10G)에 있어서, 광축 AX를 사이에 두고서 대향하는 1쌍의 기본 소자는 서로 동일한 특성을 갖는다. 즉, 6개의 기본 소자(10C, 10F, 10G)는 광의 투과 방향(Y방향)을 따른 두께(광축 방향의 길이)가 서로 상이한 3종류의 기본 소자(10C, 10F, 10G)를 2개씩 포함하고 있다.

여기서, 기본 소자(10C)는 도 7에 나타낸 제 3 기본 소자(10C)와 동일한 기능을 갖는 부재이기 때문에, 그 기능의 설명을 생략한다. 기본 소자(10F)는 Z방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광이 입사한 경우, Z방향을 Y축 둘레로 +150ㅀ 회전시킨 방향, 즉 Z방향을 Y축 둘레로 -30ㅀ 회전시킨 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광의 광을 사출하도록 두께 dF가 설정되어 있다. 기본 소자(10G)는 Z방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광이 입사한 경우, Z방향을 Y축 둘레로 +30ㅀ 회전시킨 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광의 광을 사출하도록 두께 dG가 설정되어 있다. 또한, 중앙 영역(10E) 대신에 편광 해소 부재(104c)를 마련해도 된다.

또한, 도 10으로 되돌아가서, 터릿(10T)에는 편광 변환 소자가 탑재되지 않는 개구부(40)가 마련되어 있고, 원주 방향 편광 조명이 아닌 편광 조명을 실행하는 경우나, 큰 σ값(σ값=조명 광학 장치의 마스크측 개구수/투영 광학계의 마스크측 개구수)에 근거하여 비편광 조명을 실행하는 경우에는, 이 개구부(40)가 조명 광로중에 위치한다.

또한, 상술에서는, 터릿(10T)에 탑재되는 편광 변환 소자(10a~10e)의 중앙부에, 원 형상의 개구 또는 선광성을 갖지 않는 재료로 이루어지는 중앙 영역(10E) 혹은 편광 해소 부재(104c)를 마련한 예만 나타냈지만, 중앙 영역(10E) 또는 편광 해소 부재(104c)를 마련하지 않은 편광 변환 소자(부채꼴 형상의 기본 소자로 이루어지는 편광 변환 소자)를 탑재해도 된다.

도 12는 편광 변환 소자의 작용에 의해 원주 방향 편광 상태로 설정된 2차 광원의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다. 또한, 도 12에서는, 이해를 용이하게 하기 위해서 편광 변환 소자도 겹쳐서 도시하고 있다.

도 12(a)는 회절 광학 소자(5) 대신에, 파필드(또는, 프라운호퍼 회절 영역)에 8극 형상의 광강도 분포를 형성하는 회절 광학 소자(광속 변환 소자)가 조명 광로에 설치되고, 또한, 편광 변환 소자(10a, 10b)가 조명 광로에 설치된 경우에 있어서의 8극 형상의 2차 광원(33)을 나타내고 있다. 여기서, 8극 형상의 2차 광원(33)을 통과하는 광속이 원주 방향 편광 상태로 설정된다. 원주 방향 편광 상태에서는, 8극 형상의 2차 광원(33)을 구성하는 8개의 원형 영역(33A~33D)을 각각 통과하는 광속이, 이들 8개의 원형 영역(33A~33D)을 연결하는 원의 원주 방향, 즉 이들 8개의 원형 영역(33A~33D)을 연결하는 원의 접선 방향과 거의 일치하는 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태로 된다. 또한, 도 12(a)에서는, 8극 형상의 2차 광원(33)을 8개의 원형 영역(33A~33D)으로 구성한 예를 나타냈지만, 8개의 영역의 형상은 원형에만 한정되지 않는다.

도 12(b)에는, 회절 광학 소자(5) 대신에, 파필드(또는, 프라운호퍼 회절 영역)에 4극 형상의 광강도 분포를 형성하는 회절 광학 소자(광속 변환 소자)가 조명 광로에 설치되고, 또한, 편광 변환 소자(10c, 10d)가 조명 광로에 설치된 경우에 있어서의 4극 형상의 2차 광원(34)을 도시하고 있다. 여기서, 4극 형상의 2차 광원(34)을 통과하는 광속이 원주 방향 편광 상태로 설정된다. 원주 방향 편광 상태에서는, 4극 형상의 2차 광원(34)을 구성하는 4개의 영역(34A, 34C)을 각각 통과하는 광속이, 이들 4개의 영역(34A, 34C)을 연결하는 원의 원주 방향, 즉 이들 4개의 영역(34A, 34C)을 연결하는 원의 접선 방향과 거의 일치하는 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태로 된다. 또한, 도 12(b)에서는, 4극 형상의 2차 광원(34)을 4개의 거의 타원 형상의 영역(34A, 34C)으로 구성한 예를 나타냈지만, 4개의 영역의 형상은 거의 타원 형상에만 한정되지 않는다.

도 12(c)에는, 회절 광학 소자(5) 대신에, 파필드(또는, 프라운호퍼 회절 영역)에 6극 형상의 광강도 분포를 형성하는 회절 광학 소자(광속 변환 소자)가 조명 광로에 설치되고, 또한, 편광 변환 소자(10e)가 조명 광로에 설치된 경우에 있어서의 6극 형상의 2차 광원(35)을 나타내고 있다. 여기서, 6극 형상의 2차 광원(35)을 통과하는 광속이 원주 방향 편광 상태로 설정된다. 원주 방향 편광 상태에서는, 6극 형상의 2차 광원(35)을 구성하는 6개의 영역(35C, 35F, 35G)을 각각 통과하는 광속이, 이들 6개의 영역(35C, 35F, 35G)을 연결하는 원의 원주 방향, 즉 이들 6개의 영역(35C, 35F, 35G)을 연결하는 원의 접선 방향과 거의 일치하는 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태로 된다. 또한, 도 12(c)에서는, 6극 형상의 2차 광원(35)을 4개의 거의 사다리꼴 형상의 영역(35C, 35F, 35G)으로 구성한 예를 나타냈지만, 6개의 영역의 형상은 거의 사다리꼴 형상에만 한정되지 않는다.

또한, 상술한 실시예 및 변형예에서는, 편광 변환 소자가 광축 둘레에 고정되어 있었지만, 편광 변환 소자를 광축 둘레로 회전시켜도 된다. 도 13은 광축 AX 둘레로 회전 가능하게 마련된 편광 변환 소자(10f)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 13에서, 편광 변환 소자(10f)는 4개의 기본 소자(10A, 10C)를 조합해서 구성되어 있다. 편광 변환 소자(10f)는 전체적으로 광축 AX를 중심으로 한 윤대 형상의 유효 영역을 갖고, 이 윤대 형상의 유효 영역은 광축 AX를 중심으로 한 원주 방향으로 등분할된 4개의 부채꼴 형상의 기본 소자(10A, 10C)에 의해 구성되어 있다. 이들 4개의 기본 소자(10A, 10C)에 있어서, 광축 AX를 사이에 두고서 대향하는 1쌍의 기본 소자는 서로 동일한 특성을 갖는다. 즉, 4개의 기본 소자(10A, 10C)는 광의 투과 방향(Y방향)을 따른 두께(광축 방향의 길이)가 서로 상이한 2종류의 기본 소자(10A, 10C)를 2개씩 포함하고 있다.

여기서, 기본 소자(10A)는 도 7에 나타낸 제 1 기본 소자(10A)와 동일한 기능을 갖는 부재이며, 기본 소자(10C)는 도 7에 나타낸 제 3 기본 소자(10C)와 동일한 기능을 갖는 부재이기 때문에, 그 기능의 설명을 생략한다. 또한, 중앙 영역(10E) 대신에, 편광 해소 부재(104c)를 마련해도 된다.

이 편광 변환 소자(10f)는 광축 AX를 중심으로 해서 회전 가능하게 되도록 마련되어 있고, 예를 들면 광축 AX를 중심으로 해서 +45ㅀ 또는 -45ㅀ만큼 회전 가능하게 되어 있다. 도 14는 편광 변환 소자(10f)의 작용에 의해 원주 방향 편광 상태로 설정된 2차 광원의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다. 또한, 도 14에서는, 이해를 용이하게 하기 위해서 편광 변환 소자(10f)도 겹처서 도시하고 있다.

도 14(a)는 회절 광학 소자(5) 대신에, 파필드(또는, 프라운호퍼 회절 영역)에 2극 형상의 광강도 분포를 형성하는 회절 광학 소자(광속 변환 소자)가 조명 광로에 설치되고, 또한, 편광 변환 소자(10f)가 회전각 0ㅀ인 상태(기준 상태)에서 조명 광로에 설치된 경우에 있어서의 2극 형상의 2차 광원(36)((36A))을 나타내고 있다. 여기서는, 2극 형상의 2차 광원(36)((36A))을 통과하는 광속이 종방향 편광 상태로 설정된다.

도 14(b)는 회절 광학 소자(5) 대신에, 파필드(또는, 프라운호퍼 회절 영역)에 4극 형상의 광강도 분포를 형성하는 회절 광학 소자(광속 변환 소자)가 조명 광로에 설치되고, 또한, 편광 변환 소자(10f)가 회전각 0ㅀ인 상태(기준 상태)에서 조명 광로에 설치된 경우에 있어서의 4극 형상의 2차 광원(37)을 나타내고 있다. 여기서는, 4극 형상의 2차 광원(37)을 통과하는 광속이 원주 방향 편광 상태로 설정된다. 또한, 도 14(b)에서의 4극 형상의 광강도 분포는 지면내 상하 방향(Z방향) 및 좌우 방향(X방향)으로 국재하고 있다.

원주 방향 편광 상태에서는, 4극 형상의 2차 광원(37)을 구성하는 4개의 원형 영역(37A, 37C)을 각각 통과하는 광속이, 이들 4개의 원형 영역(37A, 37C)을 연결하는 원의 원주 방향, 즉 이들 4개의 원형 영역(37A, 37C)을 연결하는 원의 접선 방향과 거의 일치하는 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태로 된다. 또한, 도 14(b)에서는, 4극 형상의 2차 광원(37)을 4개의 원형 영역(37A, 37C)으로 구성한 예를 나타냈지만, 4개의 영역의 형상은 원형에만 한정되지 않는다.

도 14(c)는 도 14(b)의 회절 광학 소자 대신에, 파필드(또는, 프라운호퍼 회절 영역)에 지면내 +45ㅀ(-135ㅀ) 방향 및 지면내 -45ㅀ(+135ㅀ) 방향으로 국재하는 4극 형상의 광강도 분포를 형성하는 회절 광학 소자(광속 변환 소자)가 조명 광로에 설치되고, 또한 편광 변환 소자(10f)를 회전각 +45ㅀ 상태(기준 상태에 대해서 시계 방향으로 45ㅀ만큼 회전시킨 상태)로 회전시켜서 조명 광로에 설치한 경우에 있어서의 4극 형상의 2차 광원(38)을 나타내고 있다.

도 14(c)에서는, 편광 상태 전환부(4) 중의 1/2 파장판(4b)을 광축 둘레로 회전시키고, 편광 변환 소자(10f)에 대해서 +45ㅀ 방향(-135ㅀ 방향)으로 편광 방향을 갖는 직선 편광을 입사시킨다. 여기서, 기본 소자(10A)는 입사한 직선 편광의 편광 방향을 180ㅀㅁnㅧ180ㅀ(n은 정수)만큼 회전시키는 기능을 갖으며, 기본 소자(10C)는 입사한 직선 편광의 편광 방향을 90ㅀㅁnㅧ180ㅀ(n은 정수)만큼 회전시키는 기능을 갖기 때문에, 4극 형상의 2차 광원(38)을 통과하는 광속이 원주 방향 편광 상태로 설정된다.

도 14(c)에 나타낸 원주 방향 편광 상태에서는, 4극 형상의 2차 광원(38)을 구성하는 4개의 원형 영역(38B, 38D)을 각각 통과하는 광속이, 이들 4개의 원형 영역(38B, 38D)을 연결하는 원의 원주 방향, 즉 이들 4개의 원형 영역(38B, 38D)을 연결하는 원의 접선 방향과 거의 일치하는 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태로 된다. 또한, 도 14(c)에서는, 4극 형상의 2차 광원(38)을 4개의 원형 영역(38B, 38D)으로 구성한 예를 나타냈지만, 4개의 영역의 형상은 원형에만 한정되지 않는다.

이와 같이, 편광 상태 전환부(4)의 편광 방향의 변경 동작과, 편광 변환 소자(10f)의 회전 동작에 의해, +45ㅀ(-135ㅀ) 방향 및 -45ㅀ(+135ㅀ) 방향으로 국재하는 4극 형상의 2차 광원이더라도, 0ㅀ(+180ㅀ) 방향 및 90ㅀ(270ㅀ), 즉 종횡 방향으로 국재하는 4극 형상의 2차 광원이더라도, 0ㅀ(+180ㅀ) 방향 또는 90ㅀ(270ㅀ), 즉 종횡 방향으로 국재하는 2극 형상의 2차 광원이더라도, 원주 방향 편광 상태를 실현할 수 있다.

또한, 광축 AX를 중심으로 한 원주 방향으로 등분할된 8개의 부채꼴 형상의 기본 소자로 구성되는 편광 변환 소자를, 광축 AX 둘레로 회전 가능하게 해도 좋다. 도 15(a)에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 상기 8분할의 기본 소자로 이루어지는 편광 변환 소자(예를 들면, 편광 변환 소자(10a))를 +45ㅀ만큼 광축 AX 둘레로 회전시키면, 8극 형상의 2차 광원(39)을 구성하는 8개의 원형 영역(39A~39D)을 각각 통과하는 광속이, 이들 8개의 원형 영역(39A~39D)을 연결하는 원의 원주 방향(이들 8개의 원형 영역(39~39D)을 연결하는 원의 접선 방향)에 대해서 -45ㅀ만큼 회전된 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태로 된다.

또한, 도 15(b)에 나타내는 바와 같이, 8극 형상의 2차 광원을 구성하는 8개의 원형 영역을 각각 통과하는 광속이, 이들 8개의 원형 영역을 연결하는 원의 원주 방향(이들 8개의 원형 영역을 연결하는 원의 접선 방향)에 대해서 +45ㅀ만큼 회전된 방향으로 긴 축을 갖는 타원 편광인 경우에는, 도 15(a)에 나타낸 바와 같이 편광 변환 소자(예를 들면, 편광 변환 소자(10a))를 +45ㅀ만큼 광축 AX 둘레로 회전시킴으로써, 도 15(c)에 나타내는 바와 같이, 대략 원주 방향 편광 상태를 얻을 수 있다.

도 16은 편광 변환 소자를 조명 광학 장치의 동공 근방의 위치 중, 원추 액시콘계(8)의 바로 앞의 위치(입사측 근방의 위치)에 배치한 예를 나타낸다. 이 도 16의 예에서는, 줌 렌즈계(9)의 변배 작용에 의해서, 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면에 투영되는 중앙 영역(10E)의 상(像)의 크기와, 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면에 투영되는 각 기본 소자(10A~10D)의 상의 크기가 변경되고, 원추 액시콘계(8)의 동작에 의해서, 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면에 투영되는 각 기본 소자(10A~10D)의 상에서의 광축 AX를 중심으로 하는 반경 방향의 폭이 변경된다.

따라서, 도 16에 나타낸 변형예와 같이 중앙 영역(10E)(또는, 편광 해소 부재(104c))을 갖는 편광 변환 소자를, 변배 작용을 갖는 광학계(줌 렌즈(9))보다도 광원 쪽에 마련하는 경우에는, 중앙 영역(10E)이 차지하는 영역이 줌 렌즈(9)의 변배에 의해서 변경되는 것을 고려하여, 중앙 영역(10E)의 크기를 정하면 된다.

또한, 도 16에 나타낸 변형예와 같이, 중앙 영역(10E)(또는, 편광 해소 부재(104c))을 갖는 편광 변환 소자를, 윤대비를 변경하는 작용을 갖는 광학계(원추 액시콘계(8))보다도 광원 쪽에 마련하는 경우에는, 도 17에 나타내는 바와 같이, 이하의 조건식(1) 및 (2) 중 적어도 한쪽의 조건식을 만족하는 것이 바람직하다.

단,

10in: 편광 변환 소자(10)의 중앙 영역(10E)의 유효 반경,

10out : 편광 변환 소자(10)의 외측 유효 반경,

ΔA: 윤대비를 변경하는 작용을 갖는 광학계를 통과한 광속의 내측 반경의 증가분

이다.

여기서, 조건식(1)을 만족하지 않는 경우에는, 편광 변환 소자(10)에 의해서 원주 방향 편광 상태로 변환되는 윤대 형상의 영역의 폭이 좁아지고, 작은 윤대비에 근거하여 윤대 형상 또는 다극 형상 2차 광원에 의한 원주 방향 편광 조명을 달성할 수 없게 되기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 조건식(2)를 만족하지 않는 경우에는, 편광 변환 소자(10)의 중앙 영역을 통과할 수 있는 광속의 직경이 현저하게 작아지고, 예를 들면 당해 편광 변환 소자(10)를 조명 광로로부터 분리하지 않고, 편광 상태를 바꾸지 않고서 작은 σ 조명을 할 수 없게 되기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 도 18에 나타내는 바와 같이, 편광 변환 소자를 조명 광학 장치의 동공 근방의 위치 중, 마이크로 플라이아이 렌즈(11)보다도 마스크 쪽의 위치, 구체적으로는 마스크 블라인드(14)의 상을 마스크 위에 투영하는 결상 광학계(15)의 동공 위치의 근방에 마련해도 된다. 도 16 및 도 18에 나타낸 실시예에 있어서도, 도 9 내지 도 11의 실시예와 마찬가지로 복수의 편광 변환 소자를 교환 가능하게 해도 된다.

또한, 상술한 실시예에 있어서, 편광 변환 소자(10)보다도 웨이퍼 W 쪽의 광학계(조명 광학계나 투영 광학계)가 편광 수차(지연(retardation))를 갖고 있는 경우에는, 이 편광 수차에 기인해서 편광 방향이 변화하는 일이 있다. 이 경우에는, 이들 광학계의 편광 수차의 영향을 고려한 후에, 편광 변환 소자(10)에 의해 선회되는 편광면의 방향을 설정하면 된다. 또한, 편광 변환 소자(10)보다도 웨이퍼 W 쪽의 광로중에 반사 부재가 배치되어 있는 경우, 이 반사 부재에서 반사된 편광 방향마다 위상차가 생기는 일이 있다. 이 때, 반사면의 편광 특성에 기인하는 광속의 위상차를 고려한 후에, 편광 변환 소자(10)에 의해 선회되는 편광면의 방향을 설정하면 된다.

다음에, 편광 상태의 평가 수법의 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예에서는, 감광성 기판으로서의 웨이퍼 W를 유지하는 웨이퍼 스테이지(기판 스테이지)의 옆쪽에 부착 가능한 웨이퍼면 편광 모니터(90)를 이용하여, 감광성 기판으로서의 웨이퍼 W에 도달하는 광속의 편광 상태를 검출한다. 또한, 웨이퍼면 편광 모니터(90)는 웨이퍼 스테이지 내에 마련되어도 무방하고, 당해 웨이퍼 스테이지와는 별도의 계측 스테이지에 마련되어도 무방하다.

도 19는 웨이퍼 W를 조명하는 광의 편광 상태 및 광강도를 검출하기 위한 웨이퍼면 편광 모니터(90)의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다. 도 19에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼면 편광 모니터(90)는 웨이퍼 W의 위치 또는 그 근방에 위치 결정 가능한 핀홀 부재(91)를 구비하고 있다. 핀홀 부재(91)의 핀홀(91a)을 통과한 광은, 투영 광학계 PL의 상면(像面) 위치 또는 그 근방이 앞쪽 초점 위치로 되도록 배치되어 있는 콜리메이트 렌즈(92)를 거쳐서 거의 평행한 광속으로 되어, 반사경(93)에서 반사된 후, 릴레이 렌즈계(94)에 입사한다. 릴레이 렌즈계(94)를 거친 거의 평행한 광속은, 위상 시프터(移相子)로서의 λ/4판(95) 및 편광자로서의 편광 빔 스플리터(96)를 거친 후, 2차원 CCD(97)의 검출면(97a)에 도달한다. 여기서, 2차원 CCD(97)의 검출면(97a)은 투영 광학계 PL의 사출 동공과 광학적으로 거의 공액, 나아가서는 조명 광학 장치의 조명 동공면과 광학적으로 거의 공액으로 되어 있다.

λ/4판(95)은 광축을 중심으로 해서 회전 가능하게 구성되어 있고, 이 λ/4판(95)에는, 그 광축을 중심으로 한 회전각을 설정하기 위한 설정부(98)가 접속되어 있다. 이렇게 해서, 웨이퍼 W에 대한 조명광의 편광도가 0이 아닌 경우에는, 설정부(98)를 거쳐서 λ/4판(95)을 광축 둘레로 회전시킴으로써 2차원 CCD(97)의 검출면(97a)에 있어서의 광강도 분포가 변화한다. 따라서, 웨이퍼면 편광 모니터(90)에서는, 설정부(98)를 이용하여 λ/4판(95)을 광축 둘레로 회전시키면서 검출면(97a)에 있어서의 광강도 분포의 변화를 검출하고, 이 검출 결과로부터 회전 위상 시프터법에 의해 조명광의 편광 상태를 측정할 수 있다.

또한, 회전 위상 시프터법에 대해서는, 예를 들면 츠루다 저술, 「광의 연필-광 기술자를 위한 응용 광학」, 주식회사 신기술 커뮤니케이션 등에 상세하게 기재되어 있다. 실제로는, 핀홀 부재(90)(나아가서는, 핀홀(90a))를 웨이퍼면을 따라 2차원적으로 이동시키면서, 웨이퍼면 내의 복수의 위치에 있어서의 조명광의 편광 상태를 측정한다. 이 때, 웨이퍼면 편광 모니터(90)에서는, 2차원적인 검출면(97a)에 있어서의 광강도 분포의 변화를 검출하기 때문에, 이 검출 분포 정보에 근거하여 조명광의 동공 내에 있어서의 편광 상태의 분포를 측정할 수 있다.

또한, 웨이퍼면 편광 모니터(90)에서는, 위상 시프터로서 λ/4판(95) 대신에λ/2판을 이용하는 것도 가능하다. 어떠한 위상 시프터를 이용했다고 하더라도, 편광 상태, 즉 4개의 스토크스(stokes) 파라미터를 측정하기 위해서는, 위상 시프터와 편광자(편광 빔 스플리터(96))와의 광축 둘레의 상대 각도를 바꾸거나, 위상 시프터 또는 편광자를 광로로부터 퇴피시키거나 해서, 적어도 4개의 상이한 상태에서 검출면(97a)에 있어서의 광강도 분포의 변화를 검출할 필요가 있다. 또한, 본 실시예에서는 위상 시프터로서의 λ/4판(95)을 광축 둘레로 회전시켰지만, 편광자로서의 편광 빔 스플리터(96)를 광축 둘레로 회전시켜도 되고, 위상 시프터 및 편광자의 양쪽을 광축 둘레로 회전시켜도 된다. 또한, 이 동작 대신에, 혹은 이 동작에 부가하여, 위상 시프터로서의 λ/4판(95) 및 편광자로서의 편광 빔 스플리터(96) 중 한쪽 또는 양쪽을 광로로부터 삽입 탈착시켜도 된다.

또한, 웨이퍼면 편광 모니터(90)에서는, 반사경(93)의 편광 특성에 의해 광의 편광 상태가 변화해 버리는 경우가 있다. 이 경우, 반사경(93)의 편광 특성은 미리 알 수 있기 때문에, 소요의 계산에 의해서 반사경(93)의 편광 특성의 편광 상태에 대한 영향에 근거해서 웨이퍼면 편광 모니터(90)의 측정 결과를 보정하여, 조명광의 편광 상태를 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 반사경에 한정되지 않고, 렌즈 등의 다른 광학 부품에 기인해서 편광 상태가 변화해 버리는 경우에도 마찬가지로 측정 결과를 보정하여, 조명광의 편광 상태를 정확하게 측정할 수 있다.

이하, 조명광의 동공 내에 있어서의 편광 상태의 분포의 평가에 대해서 구체적으로 설명한다. 먼저, 동공 위의 한 점(또는, 미소 영역)을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선의 한개 한개에 대해서 특정 편광도(DSP)를 산출한다. 또한, 이하의 설명에서는, 도 1, 도 16, 도 18에서 이용한 XYZ 좌표계를 이용한다. 상술한 동공 위의 한 점(미소 영역)은 2차원 CCD(97)의 1화소에 대응하고, 상면 위의 한 점(미소 영역)은 핀홀(90a)의 XY 좌표에 대응한다.

이 특정 편광도(DSP)는 동공 위의 한 점(또는, 미소 영역)을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 특정 광선에 있어서의 X방향 편광(동공 위에 있어서 X방향으로 진동 방향을 가지는 편광) 성분의 강도를 Ix로 하고, 당해 특정 광선에 있어서의 Y방향 편광(동공 위에 있어서 Y방향으로 진동 방향을 가지는 편광) 성분의 강도를 Iy로 할 때,

로 표현된다. 또한, 이 특정 편광도(DSP)는 전강도 S₀에 대한 수평 직선 편광강도 마이너스 수직 직선 편광강도 S₁(S₁/S₀)과 동일한 의미이다.

또한, 동공 위의 한 점(또는, 미소 영역)을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 특정 광선에 있어서의 X방향 편광(동공 위에 있어서 X방향으로 진동 방향을 가지는 편광) 성분의 강도 Ix, 및 당해 특정 광선에 있어서의 Y방향 편광(동공 위에 있어서 Y방향으로 진동 방향을 가지는 편광) 성분의 강도 Iy로부터, 아래 식(4), (5)와 같이, 수평 편광(패턴면 내에서 수평 방향으로 연장한 마스크 패턴의 회절광에 대해서 S편광으로 되는 편광)에 대한 적정 편광율 RSP_h, 및 수직 편광(패턴면 내에서 수직 방향으로 연장한 마스크 패턴의 회절광에 대해서 S편광으로 되는 편광)에 대한 적정 편광율 RSP_v를 정의할 수 있다.

여기서, 이상적인 비편광 조명시에는 RSP_h, RSP_v는 모두 50%로 되고, 이상적인 수평 편광시에는 RSP_h가 100%로 되고, 이상적인 수직 편광시에는 RSP_v가 100%로 된다.

또한, 동공 위의 한 점(또는, 미소 영역)을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선의 한개 한개에 대해서, 아래 식(6)~(9)로 편광도 V를 정의할 때, 소정의 유효 광원 영역을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선속에 대해서, 아래 식(10)과 같이 평균 편광도 V(Ave)를 정의할 수 있다.

단, S₀은 전강도이고, S₁은 수평 직선 편광 강도 마이너스 수직 직선 편광 강도이고, S₂는 45ㅀ 직선 편광 강도 마이너스 135ㅀ 직선 편광 강도이며, S₃은 우회전 원편광 강도 마이너스 좌회전 원편광 강도이다.

또한, (10)식에서, S₀(x_i, y_i)는 소정의 유효 광원 영역(x_i, y_i) 위의 한 점(또는, 미소 영역)을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선에 대한 전강도 S₀이고, V(x_i, y_i)는 소정의 유효 광원 영역(x_i, y_i) 위의 한 점(또는, 미소 영역)을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선의 편광도이다.

또한, 소정의 유효 광원 영역을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선속에 대해서, 이하의 (11)식에서 수평 편광에 관한 평균 특정 편광율 RSP_h(Ave)를, (12)식에서 및 수직 편광에 관한 평균 특정 편광율 RSP_v(Ave)를 정의할 수 있다.

여기서, Ix(Ave)는 소정의 유효 광원 영역(x_i, y_i)를 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선속에 있어서의 X방향 편광(동공 위에 있어서 X방향으로 진동 방향을 가지는 편광) 성분의 강도의 평균, Iy(Ave)는 소정의 유효 광원 영역(x_i, y_i)을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선속에 있어서의 Y방향 편광(동공 위에 있어서 Y방향으로 진동 방향을 가지는 편광) 성분의 강도의 평균, RSP_h(x_i, y_i)는 소정의 유효 광원 영역(x_i, y_i) 위의 한 점(또는, 미소 영역)을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선의 수평 편광에 대한 적정 편광율, RSP_v(x_i, y_i)는 소정의 유효 광원 영역(x_i, y_i) 위의 한 점(또는, 미소 영역)을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선의 수직 편광에 대한 적정 편광율이다. 또한, (Ix+Iy)Ave는 상기 소정의 유효 광원 영역을 통과하는 전광속의 강도의 평균이다.

여기서, 이상적인 비편광 조명시에는 RSP_h(x_i, y_i), RSP_v(x_i, y_i)는 모두 50%로 되고, 이상적인 수평 편광시에는 RSP_h(x_i, y_i)가 100%로 되고, 이상적인 수직 편광시에는 RSP_v(x_i, y_i)가 100%로 된다.

그리고, 소정의 유효 광원 영역(x_i, y_i)을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선속에 대해서, 아래 식(13)과 같이 평균 특정 편광도 DSP(Ave)를 정의할 수 있다.

여기서, (Ix-Iy)Ave는 소정의 유효 광원 영역(x_i, y_i)를 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선속에 있어서의 X방향 편광 성분의 강도와 소정의 유효 광원 영역(x_i, y_i)를 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선속에 있어서의 Y방향 편광 성분의 강도와의 차의 평균, Ix(x_i, y_i)는 소정의 유효 광원 영역(x_i, y_i) 위의 한 점(또는, 미소 영역)을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선에 있어서의 X방향 편광 성분의 강도, Iy(x_i, y_i)는 소정의 유효 광원 영역(x_i, y_i) 위의 한 점(또는, 미소 영역)을 통과해서 상면 위의 한 점(미소 영역)에 도달하는 광선에 있어서의 Y방향 편광 성분의 강도, S₁(Ave)는 소정의 유효 광원 영역(x_i, y_i)에 있어서의 S₁ 성분의 평균이다.

(13)식에서, 이상적인 비편광 조명시에는 DSP(Ave)는 0으로 되고, 이상적인 수평 편광시에는 DSP(Ave)가 1로 되고, 이상적인 수직 편광시에는 DSP(Ave)가 -1로 된다.

그런데, 본 실시예의 조명 광학 장치, 나아가서는 노광 장치에서는, 소정의 유효 광원 영역에 있어서의 평균 특정 편광율 RSP_h(Ave), RSP_v(Ave)가,

RSP_h(Ave)>70%, RSP_v(Ave)>70%

를 만족시킬 때, 그 소정의 유효 광원 영역 내를 직선 편광으로 간주할 수 있다. 여기서, 평균 특정 편광율 RSP_h(Ave), RSP_v(Ave)가 상기 조건을 만족하지 않는 경우에는, 원주 방향 편광 윤대 조명이나, 원주 방향 편광 4극 조명, 원주 방향 편광 2극 조명 등에 있어서, 소정 방향으로 편광면을 갖는 소망하는 직선 편광 상태가 실현되지 않기 때문에, 특정한 피치 방향을 갖는 선폭이 가는 패턴에 대한 결상 성능의 향상을 도모할 수 없게 되어 버린다.

또한, 예를 들면 도 13에 나타낸 4분할 편광 변환 소자(10f)를 이용하여 4분할 원주 방향 편광 윤대 조명을 실행하는 경우에는, 도 20에 나타내는 바와 같이, 윤대 형상의 2차 광원(31)을 4분할하여, 각각의 분할 영역(31A1, 31A2, 31C1, 31C2)마다 평균 특정 편광율 RSP_h(Ave), RSP_v(Ave)를 평가하면 된다.

상술한 실시예에 따른 노광 장치에서는, 조명 광학 장치에 의해서 마스크(레티클)를 조명하고(조명 공정), 투영 광학계를 이용하여 마스크에 형성된 전사용 패턴을 감광성 기판에 노광하는(노광 공정) 것에 의해, 마이크로 디바이스(반도체 소자, 촬상 소자, 액정 표시 소자, 박막 자기 헤드 등)를 제조할 수 있다. 이하, 상술한 실시예의 노광 장치를 이용하여 감광성 기판으로서의 웨이퍼 등에 소정의 회로 패턴을 형성함으로써, 마이크로 디바이스로서의 반도체 디바이스를 얻을 때의 수법의 일례에 대해 도 9의 흐름도를 참조하여 설명한다.

먼저, 도 9의 단계 301에서, 1로트의 웨이퍼 위에 금속막이 증착된다. 다음의 단계 302에서, 그 1로트의 웨이퍼 위의 금속막 위에 포토레지스트가 도포된다. 그 후, 단계 303에서, 상술한 실시예의 노광 장치를 이용하여, 마스크 위의 패턴의 상(像)이 그 투영 광학계를 거쳐서, 그 1로트의 웨이퍼 위의 각 쇼트(shot) 영역에 순차적으로 노광 전사된다. 그 후, 단계 304에서, 그 1로트의 웨이퍼 위의 포토레지스트의 현상이 실행된 후, 단계 305에서, 그 1로트의 웨이퍼 위에서 레지스트 패턴을 마스크로 하여 에칭을 실행함으로써, 마스크 위의 패턴에 대응하는 회로 패턴이 각 웨이퍼 위의 각 쇼트 영역에 형성된다. 그 후, 더욱 위의 레이어의 회로 패턴의 형성 등을 실행함으로써, 반도체 소자 등의 디바이스가 제조된다. 상술한 반도체 디바이스 제조 방법에 의하면, 극히 미세한 회로 패턴을 갖는 반도체 디바이스를 양호한 스루풋으로 얻을 수 있다.

또한, 상술한 실시예의 노광 장치에서는, 플레이트(유리 기판) 위에 소정의 패턴(회로 패턴, 전극 패턴 등)을 형성함으로써, 마이크로 디바이스로서의 액정 표시 소자를 얻을 수도 있다. 이하, 도 10의 흐름도를 참조하여, 이 때의 수법의 일례에 대해서 설명한다. 도 10에서, 패턴 형성 공정 401에서는, 상술한 실시예의 노광 장치를 이용하여 마스크의 패턴을 감광성 기판(레지스트가 도포된 유리 기판 등)에 전사 노광하는, 소위 광리소그래피 공정이 실행된다. 이 광리소그래피 공정에 의해서, 감광성 기판 위에는 다수의 전극 등을 포함하는 소정 패턴이 형성된다. 그 후, 노광된 기판은 현상 공정, 에칭 공정, 레지스트 박리 공정 등의 각 공정을 거침으로써, 기판 위에 소정의 패턴이 형성되고, 다음의 컬러 필터 형성 공정 402로 이행한다.

다음에, 컬러 필터 형성 공정 402에서는, R(Red), G(Green), B(Blue)에 대응한 3개의 도트의 세트가 매트릭스 형상으로 다수개 배열되거나, 또는 R, G, B의 3개의 스트라이프 필터의 세트를 복수개 수평 주사선 방향으로 배열한 컬러 필터를 형성한다. 그리고, 컬러 필터 형성 공정 402 후에, 셀 조립 공정 403이 실행된다. 셀 조립 공정 403에서는, 패턴 형성 공정 401에서 얻어진 소정 패턴을 갖는 기판, 및 컬러 필터 형성 공정 402에서 얻어진 컬러 필터 등을 이용하여 액정 패널(액정 셀)을 조립한다.

셀 조립 공정 403에서는, 예를 들면, 패턴 형성 공정 401에서 얻어진 소정 패턴을 갖는 기판과 컬러 필터 형성 공정 402에서 얻어진 컬러 필터 사이에 액정을 주입해서, 액정 패널(액정 셀)을 제조한다. 그 후, 모듈 조립 공정 404에서, 조립된 액정 패널(액정 셀)의 표시 동작을 실행시키는 전기 회로, 백라이트 등의 각부품을 부착해서 액정 표시 소자로서 완성시킨다. 상술한 액정 표시 소자의 제조 방법에 의하면, 극히 미세한 회로 패턴을 갖는 액정 표시 소자를 양호한 스루풋으로 얻을 수 있다.

또한, 상술한 실시예에서는, 노광광으로서 KrF 엑시머 레이저광(파장:248nm)이나 ArF 엑시머 레이저광(파장:193nm)을 이용하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 다른 적당한 레이저 광원, 예를 들면 파장 157㎚의 레이저광을 공급하는 F₂ 레이저 광원 등에 대하여 본 발명을 적용할 수도 있다. 또한, 상술한 실시예에서는, 조명 광학 장치를 구비한 노광 장치를 예로 들어서 본 발명을 설명했지만, 마스크나 웨이퍼 이외의 피조사면을 조명하기 위한 일반적인 조명 광학 장치에 본 발명을 적용할 수 있는 것은 명백하다.

또한, 상술한 실시예에 있어서, 투영 광학계와 감광성 기판 사이의 광로중을 1.1보다도 큰 굴절률을 갖는 매체(전형적으로는 액체)로 채우는 수법, 소위 액침법(液浸法)을 적용해도 된다. 이 경우, 투영 광학계와 감광성 기판 사이의 광로중에 액체를 채우는 수법으로서는, 국제 공개 번호 WO99/49504호 공보에 개시되어 있는 바와 같은 국소적으로 액체를 채우는 수법이나, 일본 특허 공개 평성 제6-124873호 공보에 개시되어 있는 바와 같은 노광 대상의 기판을 유지한 스테이지를 액조 중에서 이동시키는 수법이나, 일본 특허 공개 평성 제10-303114호 공보에 개시되어 있는 바와 같은 스테이지 위에 소정 깊이의 액체조를 형성하여, 그 중에 기판을 보존유지하는 수법 등을 채용할 수 있다.

또한, 액체로서는, 노광광에 대한 투과성이 있어서 가능한 한 굴절률이 높고, 투영 광학계나 기판 표면에 도포되어 있는 포토레지스트에 대하여 안정한 것을 이용하는 것이 바람직하며, 예를 들면 KrF 엑시머 레이저광이나 ArF 엑시머 레이저광을 노광광으로 하는 경우에는, 액체로서 순수한 물, 탈이온수를 이용할 수 있다. 또한, 노광광으로서 F₂ 레이저광을 이용하는 경우에는, 액체로서는 F₂ 레이저광을 투과 가능한 예를 들어 불소계 오일이나 과불소화 폴리에테르(PFPE) 등의 불소계 액체를 이용하면 된다.

1 : 광원 4 : 편광 상태 전환부
4a : 1/4 파장판 4b : 1/2 파장판
4c : 디폴라라이저 5 : 회절 광학 소자(광속 변환 소자)
6 : 어포컬 렌즈 8 : 원추 액시콘계
9 : 줌 렌즈 10 : 편광 변환 소자
10A~10D : 각 기본 소자 11 : 마이크로 플라이아이 렌즈
12 : 편광 모니터 12a : 빔 스플리터
13 : 콘덴서 광학계 14 : 마스크 블라인드
15 : 결상 광학계 M : 마스크
PL : 투영 광학계 W : 웨이퍼

Claims

광원으로부터의 조명광에 근거하여 피조사면을 조명하는 조명 광학 장치에 있어서,
상기 조명광의 광로에 배치되는 마스크 블라인드(mask blind)와,
상기 마스크 블라인드의 개구부의 상(像)을 상기 피조사면에 결상하는 결상 광학계와,
상기 결상 광학계 내에 배치되어, 원주 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 또는 직경 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광을 사출하는 편광 수단
을 구비하는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 편광 수단은 선광성을 갖는 결정 광학 재료에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 편광 수단은 원주 방향으로 변화하는 두께 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 편광 수단의 상기 두께 분포는, 단일 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태의 광을, 원주 방향으로 편광 방향을 갖는 원주 방향 편광 상태의 광 또는 직경 방향으로 편광 방향을 갖는 직경 방향 편광 상태의 광으로 변환하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 결정 광학 재료의 결정 광학축은 광축과 일치하는 방향을 향하고 있는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 편광 수단은 원주 방향으로 연속적으로 변화하는 두께 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 편광 수단은 원주 방향으로 분할된 복수의 영역을 갖고,
상기 복수의 영역에서 인접하는 임의의 2개의 영역으로부터 사출되는 광의 편광 방향이 서로 다른 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 편광 수단의 상기 복수의 영역에서 대향하는 임의의 2개의 영역으로부터 사출되는 광의 편광 방향은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 편광 수단은 선광성을 갖는 결정 광학 재료에 의해 형성되고, 또한 원주 방향으로 분할된 복수의 영역을 갖고,
상기 복수의 영역에서 대향하는 임의의 2개의 영역은 서로 동일한 두께를 갖는
것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 편광 수단의 상기 복수 영역의 각각은 부채꼴 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 편광 수단은 상기 결상 광학계의 동공의 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 편광 수단은 상기 원주 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광을 사출하고,
상기 조명 광학 장치의 동공에서의 편광 상태는, 광축을 중심으로 한 윤대(輪帶) 형상의 영역에서 상기 광축을 중심으로 하는 원주 방향으로 편광 방향을 갖는 직선 편광 상태인
것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 마스크 블라인드의 상기 광원측의 광로에 배치되는 광학 인티그레이터(optical integrator)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 광학 인티그레이터의 상기 광원측의 광로에 배치되는 회절 광학 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 14 항에 있어서,
상기 회절 광학 소자는 상기 조명 광학 장치의 동공에 윤대 형상의 광 강도 분포를 형성하는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 14 항에 있어서,
상기 회절 광학 소자는 상기 조명 광학 장치의 동공에 복수 극 형상의 광 강도 분포를 형성하는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 16 항에 있어서,
상기 복수 극 형상의 광 강도 분포는 광축을 중심으로 한 윤대 형상의 영역에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 14 항에 있어서,
상기 회절 광학 소자와 상기 광학 인티그레이터 사이에 배치되는 윤대비 변경 광학계를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 14 항에 있어서,
상기 회절 광학 소자와 상기 광학 인티그레이터 사이에 배치되는 줌 렌즈를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 마스크 블라인드의 상기 광원측의 광로에 배치되는 파장판을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광원이 공급하는 상기 조명광은 직선 편광을 주성분으로 하는 편광 상태인 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 21 항에 있어서,
상기 마스크 블라인드의 상기 광원측의 광로에 배치되어, 제 1 방향으로 편광 방향을 갖는 제 1 직선 편광과, 상기 제 1 방향과는 다른 제 2 방향으로 편광 방향을 갖는 제 2 직선 편광을 전환하여 사출하는 편광 상태 전환 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 22 항에 있어서,
상기 편광 상태 전환 수단은 광축을 중심으로 하여 회전 가능한 파장판을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
제 23 항에 있어서,
상기 광원이 공급하는 상기 조명광의 편광도는 95% 이상인 것을 특징으로 하는 조명 광학 장치.
청구항 1 내지 24 중 어느 한 항에 기재된 조명 광학 장치를 구비하고, 상기 조명 광학 장치를 통해 마스크의 패턴을 감광성 기판 위에 노광하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
제 25 항에 있어서,
상기 마스크의 상기 패턴의 상(像)을 상기 감광성 기판 위에 투영하는 투영 광학계를 구비하고,
상기 투영시에, 상기 투영 광학계와 상기 감광성 기판 사이에 액체가 채워지는
것을 특징으로 하는 노광 장치.
청구항 1 내지 24 중 어느 한 항에 기재된 조명 광학 장치를 이용하여, 마스크의 패턴을 감광성 기판 위에 노광하는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
제 27 항에 있어서,
상기 마스크의 상기 패턴의 상을 상기 감광성 기판 위에 투영하는 투영 공정을 포함하고,
상기 투영 공정은, 상기 마스크의 상기 패턴의 상을 상기 감광성 기판 위에 투영하기 위한 투영 광학계와 상기 감광성 기판 사이를 액체로 채우는
것을 특징으로 하는 노광 방법.