(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の入射側から順に、所定方向に沿って並んで配置された複数の第１波面分割要素を有する第１オプティカルインテグレータと、前記所定方向に沿って並んで配置された複数の第２波面分割要素を有する第２オプティカルインテグレータとを備え、
前記第１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第１波面分割要素から射出されるように、前記第１波面分割要素は構成され、
前記第２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、前記光軸に対して斜めに前記第２波面分割要素から射出されるように、前記第２波面分割要素は構成され、
前記第１オプティカルインテグレータの射出面と前記第２オプティカルインテグレータの入射面との間隔Ｌ12は、前記第２波面分割要素の前記所定方向に沿ったピッチをＰ２とし、前記第１オプティカルインテグレータの射出屈折面からの光の前記所定方向に沿った最大射出角度（半角）をθとするとき、
Ｐ２／（２×tanθ）＜Ｌ12
の条件を満足することを特徴とするオプティカルインテグレータ系。
【請求項２】
前記第１波面分割要素の入射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第１波面分割要素からの光の最大射出角度（半角）と、前記第１波面分割要素の入射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第１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、前記第１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系。
【請求項３】
前記第１オプティカルインテグレータは、単一の光学部材を備え、
前記単一の光学部材は、二次元的に並列配置された複数の曲面状の入射屈折面と、二次元的に並列配置された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系。
【請求項４】
前記第１オプティカルインテグレータは、光の入射側から順に、第１光学部材と第２光学部材とを備え、
前記第１光学部材および前記第２光学部材は、一方向に並んで配置された複数の円筒面状の入射屈折面と、一方向に並んで配置された複数の円筒面状の射出屈折面とをそれぞれ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系。
【請求項５】
前記間隔Ｌ12は、前記第２オプティカルインテグレータの入射面の前記所定方向に沿った寸法をＤ２とするとき、
Ｌ12＜Ｄ２／（２×tanθ）
の条件を満足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系。
【請求項６】
前記第２波面分割要素の前記所定方向に沿ったピッチＰ２は、前記第１オプティカルインテグレータの射出屈折面の前記所定方向に沿ったピッチＰ１の整数倍とは実質的に異なることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ系。
【請求項７】
前記第１オプティカルインテグレータは、
前記所定方向に並んで配置された複数の円筒面状の入射屈折面と、前記所定方向に並んで配置された複数の円筒面状の射出屈折面とを有する第１光学部材と、
前記所定方向と交差する方向に並んで配置された複数の円筒面状の入射屈折面と、前記所定方向と交差する方向に並んで配置された複数の円筒面状の射出屈折面とを有する第２光学部材とを備えてい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系。
【請求項８】
前記第１光学部材の射出面と前記第２オプティカルインテグレータの入射面との間隔Ｌ12は、前記第２波面分割要素の前記所定方向に沿ったピッチをＰ２とし、前記第１光学部材の射出屈折面からの光の前記所定方向に沿った最大射出角度（半角）をθとするとき、
Ｐ２／（２×tanθ）＜Ｌ12
の条件を満足することを特徴とする請求項７に記載のオプティカルインテグレータ系。
【請求項９】
前記間隔Ｌ12は、前記第２オプティカルインテグレータの入射面の前記所定方向に沿った寸法をＤ２とするとき、
Ｌ12＜Ｄ２／（２×tanθ）
の条件を満足することを特徴とする請求項８に記載のオプティカルインテグレータ系。
【請求項１０】
前記第２波面分割要素の前記所定方向に沿ったピッチＰ２は、前記第１光学部材の射出屈折面の前記所定方向に沿ったピッチＰ１の整数倍とは実質的に異なることを特徴とする請求項８または９に記載のオプティカルインテグレータ系。
【請求項１１】
第２オプティカルインテグレータは、プリズムアレイ、回折光学素子、またはマイクロレンズアレイを有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ系。
【請求項１２】
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１１のいずれか１項に記載のオプティカルインテグレータ系を備えていることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１３】
前記光源と前記オプティカルインテグレータ系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１２に記載の照明光学装置。
【請求項１４】
所定のパターンを照明するための請求項１２または１３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。
【請求項１５】
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１４に記載の露光装置。
【請求項１６】
前記オプティカルインテグレータ系における前記所定方向は、前記感光性基板上において前記走査方向と直交する方向に対応していることを特徴とする請求項１５に記載の露光装置。
【請求項１７】
光源からの光で被照射面に配置される所定のパターンを照明するための照明光学装置と、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とを備え、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露光装置において、
前記照明光学装置は、
前記光源と前記被照射面との間の光路中に配置されたオプティカルインテグレータ系を備え、
該オプティカルインテグレータ系は、光の入射側から順に、所定方向に沿って並んで配置された複数の第１波面分割要素を有する第１オプティカルインテグレータと、前記所定方向に沿って並んで配置された複数の第２波面分割要素を有する第２オプティカルインテグレータとを備え、
前記第１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第１波面分割要素から射出されるように、前記第１波面分割要素は構成され、
前記第２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、前記光軸に対して斜めに前記第２波面分割要素から射出されるように、前記第２波面分割要素は構成され、
前記オプティカルインテグレータ系における前記所定方向は、前記感光性基板上において前記走査方向と直交する方向に対応していることを特徴とする露光装置。
【請求項１８】
前記光源と前記オプティカルインテグレータ系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１７に記載の露光装置。
【請求項１９】
前記第１波面分割要素の入射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第１波面分割要素からの光の最大射出角度（半角）と、前記第１波面分割要素の入射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第１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、前記第１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１７または１８に記載の露光装置。
【請求項２０】
前記第１オプティカルインテグレータは、単一の光学部材を備え、
前記単一の光学部材は、二次元的に並列配置された複数の曲面状の入射屈折面と、二次元的に並列配置された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１７乃至１９のいずれか１項に記載の露光装置。
【請求項２１】
前記第１オプティカルインテグレータは、光の入射側から順に、第１光学部材と第２光学部材とを備え、
前記第１光学部材および前記第２光学部材は、一方向に並んで配置された複数の円筒面状の入射屈折面と、一方向に並んで配置された複数の円筒面状の射出屈折面とをそれぞれ有することを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の露光装置。
【請求項２２】
前記第１オプティカルインテグレータは、
前記所定方向に並んで配置された複数の円筒面状の入射屈折面と、前記所定方向に並んで配置された複数の円筒面状の射出屈折面とを有する第１光学部材と、
前記所定方向と交差する方向に並んで配置された複数の円筒面状の入射屈折面と、前記所定方向と交差する方向に並んで配置された複数の円筒面状の射出屈折面とを有する第２光学部材とを備えていることを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の露光装置。
【請求項２３】
前記第１光学部材の射出面と前記第２オプティカルインテグレータの入射面との間隔Ｌ12は、前記第２波面分割要素の前記所定方向に沿ったピッチをＰ２とし、前記第１光学部材の射出屈折面からの光の前記所定方向に沿った最大射出角度（半角）をθとするとき、
Ｐ２／（２×tanθ）＜Ｌ12
の条件を満足することを特徴とする請求項２２に記載の露光装置。
【請求項２４】
前記間隔Ｌ12は、前記第２オプティカルインテグレータの入射面の前記所定方向に沿った寸法をＤ２とするとき、
Ｌ12＜Ｄ２／（２×tanθ）
の条件を満足することを特徴とする請求項２３に記載の露光装置。
【請求項２５】
前記第２波面分割要素の前記所定方向に沿ったピッチＰ２は、前記第１光学部材の射出屈折面の前記所定方向に沿ったピッチＰ１の整数倍とは実質的に異なることを特徴とする請求項２３または２４に記載の露光装置。
【請求項２６】
第２オプティカルインテグレータは、プリズムアレイ、回折光学素子、またはマイクロレンズアレイを有することを特徴とする請求項１７乃至２５のいずれか１項に記載の露光装置。
【請求項２７】
請求項１４乃至２６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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オプティカルインテグレータ系、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系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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）。
【特許文献１】特開２００４−４５８８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
露光装置では、半導体素子等の集積度が向上するにつれて、投影光学系に要求される解像力（解像度）が益々高まっている。投影光学系の解像力に対する要求を満足するには、照明光（露光光）の波長を短くするとともに、投影光学系の像側開口数を大きくする必要がある。このため、投影光学系の開口数の増大に伴って、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）の射出側開口数（以下、「射出ＮＡ」ともいう）も増大する傾向にある。
【０００６】
その一方で、被照射面（露光装置ではマスク面やウェハ面）上での照度分布の均一性を高めるとともに、照明瞳に形成される光強度分布の輪郭を円滑な所望形状にするために、波面分割要素の数をできるだけ多く設定することが必要である。波面分割要素の断面サイズを小さく維持しつつ大きな射出ＮＡを達成しようとすると、波面分割要素の焦点距離が短くなる。すなわち、波面分割要素の光学面の曲率半径が小さくなり過ぎて、所要の面形状精度を実現することが難しくなるため、被照射面上で所望の照度分布を得ることができず、ひいては露光時に所望の結像性能を達成することが困難になる。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、波面分割要素の光学面の面形状について過度に高い精度が求められることなく所要の大きな射出側開口数を確保し、被照射面上で所望の照度分布を形成することのできるオプティカルインテグレータ系を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、所要の大きな射出側開口数を確保して被照射面上で所望の照度分布を形成するオプティカルインテグレータ系を用いて、所望の照明条件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。
【０００９】
また、本発明は、所望の照明条件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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、光の入射側から順に、所定方向に沿って並んで配置された複数の第１波面分割要素を有する第１オプティカルインテグレータと、前記所定方向に沿って並んで配置された複数の第２波面分割要素を有する第２オプティカルインテグレータとを備え、
前記第１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第１波面分割要素から射出されるように、前記第１波面分割要素は構成され、
前記第２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、前記光軸に対して斜めに前記第２波面分割要素から射出されるように、前記第２波面分割要素は構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系を提供する。
【００１１】
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系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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のオプティカルインテグレータ系では、所定方向に関して求められる高い発散角特性を、第１オプティカルインテグレータと第２オプティカルインテグレータとの組み合わせによって実現する。換言すれば、所定方向に関して求められる大きな射出ＮＡを、第１オプティカルインテグレータと第２オプティカルインテグレータとの協働作用により達成する。したがって、第１オプティカルインテグレータの波面分割要素に求められる射出光の最大射出角度（射出ＮＡに対応する角度）および第２オプティカルインテグレータの波面分割要素に求められる射出光の最大射出角度（射出ＮＡに対応する角度）を、たとえば従来技術において単独の波面分割要素に求められる射出光の最大射出角度の半分で済ませることができる。
【００１５】
その結果、本発明のオプティカルインテグレータ系では、波面分割要素の光学面の面形状について過度に高い精度が求められることなく所要の大きな射出側開口数を確保し、被照射面上で所望の照度分布を形成することができる。したがって、本発明の照明光学装置では、所要の大きな射出側開口数を確保して被照射面上で所望の照度分布を形成するオプティカルインテグレータ系を用いて、所望の照明条件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、所望の照明条件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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明では、複数のオプティカルインテグレータを直接的な相関がないように配置し、各オプティカルインテグレータにより被照射面上にそれぞれ仮想的に形成される光強度分布をコンボリューションさせて、所望の照度分布を有する照野（照明領域）を被照射面上に実際に形成するという新規な設計構成を提案する。ここで、複数のオプティカルインテグレータを互いに直接的な相関がないように配置するということは、一方のオプティカルインテグレータの波面分割要素と他方のオプティカルインテグレータの波面分割要素とが協働して機能する１つの光学系を形成しないという意味である。
【００１７】
以下、本発明の実施形態の具体的な説明に先立って、本発明のオプティカルインテグレータ系の基本的な構成および作用について説明する。図１は、たとえば特許文献１に開示されたシリンドリカルマイクロフライアイレンズの波面分割要素の構成を概略的に示す図である。図１を参照すると、光の入射側に配置された前側波面分割要素１０１は、ｘ方向に屈折力を有し且つｚ方向に無屈折力の円筒面状の入射屈折面１０１ａと、ｚ方向に屈折力を有し且つｘ方向に無屈折力の円筒面状の射出屈折面１０１ｂとを有する。後側の波面分割要素１０２も、ｘ方向に屈折力を有し且つｚ方向に無屈折力の円筒面状の入射屈折面１０２ａと、ｚ方向に屈折力を有し且つｘ方向に無屈折力の円筒面状の射出屈折面１０２ｂとを有する。
【００１８】
前側波面分割要素１０１と後側波面分割要素１０２とは協働して、シリンドリカルマイクロフライアイレンズの１つの波面分割要素、すなわちｚ方向に長辺を有し且つｘ方向に短辺を有する矩形状の断面を有する波面分割要素１００として機能する。従来のシリンドリカルマイクロフライアイレンズは、前側に配置された第１フライアイ部材と後側に配置された第２フライアイ部材とにより構成されている。第１フライアイ部材の射出面および第２フライアイ部材の射出面には、図２（ａ）に示すように、ｘ方向に沿って細長く延びる複数の円筒面状の光学面１０３ｂがｚ方向に並んで配列されている。
【００１９】
第１フライアイ部材の入射面および第２フライアイ部材の入射面には、図２（ｂ）に示すように、ｚ方向に沿って細長く延びる複数の円筒面状の光学面１０３ａがｘ方向に並んで配列されている。この場合、ｘ方向に沿って細長く延びる円筒面状の光学面１０３ｂは、図２（ｃ）に示すように、ｚ方向に細長く延びる細線状の照明領域（照野）１０４ｂを被照射面上に形成する。また、ｚ方向に沿って細長く延びる円筒面状の光学面１０３ａは、ｘ方向に細長く延びる細線状の照明領域１０４ａを被照射面上に形成する。実際には、円筒面状の光学面１０３ａと１０３ｂとが協働して、互いに直交する２つの細線状の領域１０４ａと１０４ｂとの二次元的なコンボリューションによって、ｚ方向に沿って細長い所望の矩形状の照明領域１０４が被照射面上に形成されると解釈することが可能である。
【００２０】
この解釈は、数学的なコンボリューション定理を単に光学に適用したものに過ぎない。その理由は、シリンドリカルマイクロフライアイレンズの直後の面と被照射面との間の光振幅に関する関係が、数学的にはフーリエ変換の関係にあるからである。つまり、シリンドリカルマイクロフライアイレンズのｘ方向屈折作用とｚ方向屈折作用とを受ける効果は複素振幅の掛け算の効果に相当し、シリンドリカルマイクロフライアイレンズの直後の面上での複素振幅をフーリエ変換したものが被照射面上での複素振幅になる。従って、この数学的作用を考えれば、フーリエ変換前の複素振幅の掛け算を行う代わりに、ｘ方向屈折作用およびｚ方向屈折作用を別々に受けた２つの複素振幅成分のフーリエ変換後に、フーリエ変換後の２つの複素振幅成分をコンボリューションしても同じ複素振幅分布が得られることになる。
【００２１】
図３は、本発明の第１態様にしたがうオプティカルインテグレータ系の概略的な構成および作用を説明する図である。第１態様にしたがうオプティカルインテグレータ系は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、光の入射側から順に、ｚ方向に沿って並んで配置された複数の波面分割要素１１１ａを有するｚ方向フライアイ素子（第１オプティカルインテグレータの第１光学部材）１１１と、ｘ方向に沿って並んで配置された複数の波面分割要素１１２ａを有するｘ方向フライアイ素子（第１オプティカルインテグレータの第２光学部材）１１２と、ｚ方向に沿って並んで配置された複数の波面分割要素１１３ａを有するプリズムアレイ（第２オプティカルインテグレータ）１１３とを備えている。ここで、第１オプティカルインテグレータの第１光学部材１１１、第１オプティカルインテグレータの第２光学部材１１２と第２オプティカルインテグレータ１１３との間の光路はそれぞれ気体で満たされている。
【００２２】
具体的に、第１オプティカルインテグレータの第１光学部材としてのｚ方向フライアイ素子１１１は、ｚ方向に並んで配置された複数の円筒面状の入射屈折面１１１ａａと、ｚ方向に並んで配置された複数の円筒面状の射出屈折面１１１ａｂとを有する。第１オプティカルインテグレータの第２光学部材としてのｘ方向フライアイ素子１１２は、ｘ方向に並んで配置された複数の円筒面状の入射屈折面１１２ａａと、ｘ方向に並んで配置された複数の円筒面状の射出屈折面１１２ａｂとを有する。第２オプティカルインテグレータとしてのプリズムアレイ（またはマイクロプリズムアレイ）１１３は、ｚ方向に並んで配置された複数の平面状の入射屈折面１１３ａａと、ｚ方向に並んで配置された複数の山形状の射出屈折面１１３ａｂとを有する。
【００２３】
以下、図４および図５を参照して、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）の基本的な構成および作用について確認的に説明する。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は、被照射面上に所要の照野を確保しつつ、照野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、各波面分割要素の入射面に入射した光束は、射出面の近傍に点光源を形成した後、コンデンサー光学系を介して、被照射面上の照明領域を重畳的に照明する。このとき、図４に示すように、波面分割要素１２０の入射面１２０ａに直入射（波面分割要素１２０の光軸ＡＸｅの方向に入射）した平行光（図４中実線で示す）は、所定の射出ＮＡ（開口数又は角度範囲）を有する光として射出面１２０ｂから射出され、ひいては所要のＮＡを有する光となって照明領域に達する。
【００２４】
波面分割要素１２０の入射面１２０ａに斜入射（要素光軸ＡＸｅに対して斜めの方向に入射）した平行光（図４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１２０ｂから射出され、照明領域に達する。斜入射平行光においても直入射平行光と同じ射出ＮＡかつその中心角度を確保するという条件は、図５に示すように、入射面１２０ａ上の光軸中心（入射面１２０ａと要素光軸ＡＸｅとの交点）を通過する主光線（図５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１２０ｂ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１２０ａが被照射面と共役関係になる。
【００２５】
このように、ｚ方向フライアイ素子１１１では、波面分割要素であるシリンドリカルレンズエレメント１１１ａの入射面１１１ａａの光軸中心（レンズエレメント１１１ａの要素光軸と入射面１１１ａａとの交点）に斜め入射した光線群が要素光軸と平行に射出されるように構成されている。同様に、ｘ方向フライアイ素子１１２においても、波面分割要素であるシリンドリカルレンズエレメント１１２ａの入射面１１２ａａの光軸中心（レンズエレメント１１２ａの要素光軸と入射面１１２ａａとの交点）に斜め入射した光線群が要素光軸と平行に射出されるように構成されている。これに対し、プリズムアレイ１１３では、波面分割要素であるプリズムエレメント１１３ａの入射面１１３ａａの光軸中心（プリズムエレメント１１３ａの要素光軸と入射面１１３ａａとの交点）に斜め入射した光線群が要素光軸に対して斜めに射出されるように構成されている。
【００２６】
従って、ｚ方向フライアイ素子１１１では、波面分割要素であるシリンドリカルレンズエレメント１１１ａの入射面１１１ａａに光軸の方向から入射した光（平行光等）により形成される射出光の最大射出角度（半角；射出ＮＡに対応する角度）と、当該入射面１１１ａａに光軸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。このため、ｚ方向フライアイ素子１１１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、ｚ方向フライアイ素子１１１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。
【００２７】
同様に、ｘ方向フライアイ素子１１２では、波面分割要素であるシリンドリカルレンズエレメント１１２ａの入射面１１２ａａに光軸の方向から入射した光（平行光等）により形成される射出光の最大射出角度（半角）と、当該入射面１１２ａａに光軸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光の最大射出角度（半角）とが等しくなるように構成されている。このため、ｘ方向フライアイ素子１１２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、ｘ方向フライアイ素子１１２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。これに対し、プリズムアレイ１１３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ｚ方向フライアイ素子１１１やｘ方向フライアイ素子１１２とは異なり、プリズムアレイ１１３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。
【００２８】
第１態様のオプティカルインテグレータ系では、ｚ方向フライアイ素子１１１に入射した平行光束は、ファーフィールドにｚ方向に細長く延びる細線状の光強度分布１１４ａ（図３（ｃ）を参照）を、ひいては被照射面上においてｚ方向に細長く延びる細線状の照明領域１１４ａを形成する。ｘ方向フライアイ素子１１２に入射した平行光束は、ファーフィールドにｘ方向に細長く延びる細線状の光強度分布１１４ｂを、ひいては被照射面上においてｘ方向に細長く延びる細線状の照明領域１１４ｂを形成する。
【００２９】
プリズムアレイ１１３に入射した平行光束は、ファーフィールドにｚ方向に間隔を隔てた２つの点状の光強度分布１１４ｃを、ひいては被照射面上においてｚ方向に間隔を隔てた２つの点状の照明領域１１４ｃを形成する。実際には、細線状の領域１１４ａと細線状の領域１１４ｂと２つの点状の領域１１４ｃとの二次元的なコンボリューションによって、ｚ方向に沿って細長い所望の矩形状の照明領域１１４が被照射面上に形成される。
【００３０】
後述するように、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置では、投影光学系に対してマスクとウェハ（感光性基板）とを走査方向に相対移動させつつ、ウェハのショット領域にマスクパターンを走査露光する。この場合、特に走査直交方向（走査方向と直交する方向）に関して大きな像側開口数が投影光学系に求められ、ひいては走査直交方向に対応する方向に関して大きな射出ＮＡがオプティカルインテグレータ系の波面分割要素に求められる。
【００３１】
具体的に、図２に示すシリンドリカルマイクロフライアイレンズでは、走査直交方向に対応する方向はｚ方向であるから、ｚ方向に関して大きな射出ＮＡが波面分割要素に求められ、ひいてはｘ方向に沿って細長く延びる円筒面状の光学面１０３ｂに対して大きな射出ＮＡが求められる。円筒面状の光学面１０３ｂに対して大きな射出ＮＡが求められることは、被照射面上に形成される細線状の照明領域１０４ｂがｚ方向に沿って長くなることを意味する。円筒面状の光学面１０３ｂのｚ方向ピッチ（すなわち波面分割要素の断面サイズ）を小さく維持しつつ大きな射出ＮＡを達成しようとすると、光学面１０３ｂの曲率半径が小さくなり過ぎて、所要の面形状精度を実現することが難しくなる。その結果、被照射面上で所望の照度分布を得ることができず、ひいては露光時に所望の結像性能を達成することが困難になる。
【００３２】
第１態様のオプティカルインテグレータ系では、コンボリューションされる各光強度分布成分を分解して示す図３（ｃ）を参照すると明らかなように、走査直交方向に対応するｚ方向に関して求められる高い発散角特性を、ｚ方向フライアイ素子１１１とプリズムアレイ１１３との組み合わせによって実現している。換言すれば、走査直交方向に対応するｚ方向に関して求められる大きな射出ＮＡを、ｚ方向にのみ屈折作用を及ぼすｚ方向フライアイ素子１１１とプリズムアレイ１１３との協働作用により達成している。
【００３３】
したがって、ｚ方向フライアイ素子１１１の負担とプリズムアレイ１１３の負担とを互いに等しく考えて説明を単純化すれば、ｚ方向フライアイ素子１１１の波面分割要素に求められる射出光の最大射出角度およびプリズムアレイ１１３の波面分割要素に求められる射出光の最大射出角度は、たとえば従来技術において単独の波面分割要素に求められる射出光の最大射出角度の半分で済むことになる。なお、ｘ方向フライアイ素子１１２は、ｚ方向にのみ屈折作用を及ぼすｚ方向フライアイ素子１１１およびプリズムアレイ１１３とは異なり、走査方向に対応するｘ方向に関して比較的小さい射出ＮＡを達成するためにｘ方向にのみ屈折作用を及ぼす通常のフライアイ素子に過ぎない。
【００３４】
第１態様のオプティカルインテグレータ系では、走査直交方向に対応するｚ方向にのみ屈折作用を及ぼす２つの素子１１１および１１３について、次の点が重要である。すなわち、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要素光軸と平行に射出されるように構成されたｚ方向フライアイ素子１１１の後側に、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要素光軸に対して斜めに射出されるように構成されたプリズムアレイ１１３を配置する必要がある。
【００３５】
プリズムアレイ１１３は、ｚ方向フライアイ素子１１１とは異なり、平行光が斜入射すると、所定の発散角分布を形成しつつも斜入射に依存する傾斜角度を維持し続けるため、結果的に被照射面上で照明領域の位置をシフトさせる効果を発揮する。逆に言えば、仮にプリズムアレイ１１３に代えて、斜入射した平行光を光軸方向の平行光に変換するフライアイ素子Ｃを用いると、ｚ方向フライアイ素子１１１から射出された光の発散角分布に全く依存しなくなるフライアイ素子Ｃだけによる光強度分布を被照射面上に形成することになり、ｚ方向フライアイ素子１１１とフライアイ素子Ｃとのコンボリューション効果が得られなくなってしまう。
【００３６】
また、例えばｚ方向フライアイ素子１１１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、波面分割要素（レンズエレメント）１１１ａ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要素光軸となす角度）や角度範囲（入射面１１１ａａ上の１点に入射する光線群が張る最大角度）が変化する。しかしながら、プリズムアレイ１１３の前側にｚ方向フライアイ素子１１１が配置されているので、このｚ方向フライアイ素子１１１の作用によりプリズムアレイ１１３の各波面分割要素（プリズムエレメント）１１３ａに入射する光の角度や角度範囲が安定化し、常にプリズムアレイ１１３の各波面分割要素の射出面１１３ａｂ上の同じ領域を光が通過する。その結果、例えば前側の可動光学部材が移動してｚ方向フライアイ素子１１１入射する光の角度や角度範囲が変動しても、被照射面上での照明領域の形成位置が変動することなく安定化するとともに、被照射面上での照明領域に照度ムラが発生することなく照度分布も安定化する。
【００３７】
以上のように、本発明の第１態様にかかるオプティカルインテグレータ系では、走査直交方向に対応するｚ方向に関して求められる高い発散角特性を、ひいてはｚ方向に関して求められる大きな射出ＮＡを、ｚ方向にのみ屈折作用を及ぼすｚ方向フライアイ素子１１１とプリズムアレイ１１３との協働作用により達成している。したがって、ｚ方向フライアイ素子１１１の波面分割要素１１１ａに求められる最大射出角度（射出ＮＡに対応する角度）およびプリズムアレイ１１３の波面分割要素１１３ａに求められる最大射出角度（射出ＮＡに対応する角度）を、たとえば従来技術において単独の波面分割要素に求められる最大射出角度の半分で済ませることができる。
【００３８】
このことは、例えばｚ方向フライアイ素子１１１の波面分割要素１１１ａの光学面１１１ａａ，１１１ａｂの曲率半径を過度に小さく設計する必要がないことを意味する。したがって、第１態様にかかるオプティカルインテグレータ系では、例えばｚ方向フライアイ素子１１１の波面分割要素１１１ａの光学面１１１ａａ，１１１ａｂの面形状について過度に高い精度が求められることなく所要の大きな射出側開口数を確保し、被照射面上で所望の照度分布を形成することができる。
【００３９】
ただし、第１態様にかかるオプティカルインテグレータ系においてｚ方向フライアイ素子１１１の作用を十分に発揮して本発明の効果を良好に達成するには、図６に示すように、ｚ方向フライアイ素子１１１の１つの波面分割要素１１１ａの射出面１１１ａｂから射出された光が、プリズムアレイ１１３の１つの波面分割要素１１３ａの入射面１１３ａａの全体を少なくとも照らすことが重要である。射出面１１１ａｂからの光が入射面１１３ａａの一部分しか照らさない構成では、入射面１１３ａａの全体に亘って入射光の角度や角度範囲が一定にならないため、被照射面上で均一な照度分布を維持することができない。
【００４０】
換言すると、第１態様にかかるオプティカルインテグレータ系では、図７に示すように、ｚ方向フライアイ素子（第１オプティカルインテグレータの第１光学部材）１１１の射出面とプリズムアレイ（第２オプティカルインテグレータ）１１３の入射面との間隔Ｌ12が、次の条件式（１）を満たすことが好ましい。条件式（１）において、Ｐ２はプリズムアレイ１１３の波面分割要素１１３ａのピッチであり、θはｚ方向フライアイ素子１１１の波面分割要素１１１ａからの光の最大射出角度（半角）である。
Ｐ２／（２×tanθ）＜Ｌ12    （１）
【００４１】
条件式（１）は、ｚ方向フライアイ素子１１１の射出面とプリズムアレイ１１３の入射面との間隔Ｌ12を所定値よりも大きく設定することを要求している。しかしながら、間隔Ｌ12を大きくし過ぎると、ｚ方向フライアイ素子１１１の１つの射出屈折面１１１ａｂからの光の一部がプリズムアレイ１１３に入射しなくなり（照明に寄与しなくなり）、光量損失が発生するため好ましくない。すなわち、光量損失を回避するという観点から、図８に示すように間隔Ｌ12は次の条件式（２）を満たすことが好ましい。条件式（２）において、Ｄ２はプリズムアレイ１１３の入射面の寸法である。
Ｌ12＜Ｄ２／（２×tanθ）    （２）
【００４２】
また、ｚ方向フライアイ素子１１１の波面分割要素１１１ａのピッチＰ１（図７を参照）をできる限り小さく設定しつつ、プリズムアレイ１１３の波面分割要素１１３ａのピッチＰ２がピッチＰ１の整数倍とは実質的に異なるように設定することが好ましい。波面分割要素１１３ａのピッチＰ２を波面分割要素１１１ａのピッチＰ１の整数倍に設定すると、プリズムアレイ１１３の１つの波面分割要素１１３ａに入射する光の照度分布に周期的な構造が重なり合って現れ易く、被照射面上で均一な照度分布を得ることができなくなる可能性がある。
【００４３】
なお、走査直交方向に対応するｚ方向（図７および図８における鉛直方向）について、ｚ方向フライアイ素子（第１オプティカルインテグレータの第１光学部材）１１１とプリズムアレイ（第２オプティカルインテグレータ）１１３とを高精度に位置決めする必要はない。重要なことは、ｚ方向フライアイ素子１１１の１つの波面分割要素１１１ａの射出面１１１ａｂから射出された光が、プリズムアレイ１１３の１つの波面分割要素１１３ａの入射面１１３ａａの全体を少なくとも照らすことにより、入射面１１３ａａに入射する光の角度や角度範囲を一定に保持することである。
【００４４】
なお、図３に示す構成では、ｘ方向フライアイ素子１１２が、ｚ方向フライアイ素子１１１とプリズムアレイ１１３との間の光路中に配置されている。しかしながら、これに限定されることなく、ｘ方向フライアイ素子１１２の配置については様々な変形例が可能である。具体的に、ｘ方向フライアイ素子１１２をｚ方向フライアイ素子１１１の前側に配置しても良いし、ｘ方向フライアイ素子１１２をプリズムアレイ１１３の後側に配置しても良い。第１態様において重要なことは、プリズムアレイ１１３をｚ方向フライアイ素子１１１の後側に配置することである。ただし、互いに所定距離だけ離間すべきｚ方向フライアイ素子１１１とプリズムアレイ１１３との間の光路中にｘ方向フライアイ素子１１２を配置することにより、コンパクトなオプティカルインテグレータ系を実現することができる。
【００４５】
図９は、本発明の第２態様にしたがうオプティカルインテグレータ系の概略的な構成および作用を説明する図である。図９の第２態様は、図３の第１態様と類似の構成を有するが、ｚ方向フライアイ素子１１１およびｘ方向フライアイ素子１１２に代えて両方向フライアイ素子１１５を用いている点が図３の第１態様と基本的に相違している。すなわち、第２態様にしたがうオプティカルインテグレータ系は、図９（ａ）に示すように、光の入射側から順に、ｚ方向およびｘ方向の両方向に二次元的に並列配置された複数の波面分割要素１１５ａを有する両方向フライアイ素子（第１オプティカルインテグレータ）１１５と、ｚ方向に沿って並んで配置された複数の波面分割要素１１３ａを有するプリズムアレイ（第２オプティカルインテグレータ）１１３とを備えている。
【００４６】
具体的に、両方向フライアイ素子１１５は、縦横に且つ稠密に配置された複数の二次曲面状の入射屈折面１１５ａａと、縦横に且つ稠密に配置された複数の二次曲面状の射出屈折面１１５ａｂとを有する。換言すれば、両方向フライアイ素子１１５は、たとえば縦横に且つ稠密に配置された複数の両凸状のレンズエレメント１１５ａからなるフライアイレンズであり、波面分割要素１１５ａの入射面１１５ａａの光軸中心に斜め入射した光線群が要素光軸と平行に射出されるように構成されている。
【００４７】
また、両方向フライアイ素子１１５では、波面分割要素１１５ａの入射面１１５ａａに光軸の方向から入射した光により形成される射出光の最大射出角度（半角；射出ＮＡに対応する角度）と、当該入射面１１５ａａに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射出光の最大射出角度（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。第２態様のオプティカルインテグレータ系では、両方向フライアイ素子１１５に入射した平行光束は、ファーフィールドにｚ方向に細長い矩形状の光強度分布１１６ａ（図９（ｂ）を参照）を、ひいては被照射面上においてｚ方向に細長い矩形状の照明領域１１６ａを形成する。
【００４８】
プリズムアレイ１１３に入射した平行光束は、前述したように、ファーフィールドにｚ方向に間隔を隔てた２つの点状の光強度分布１１６ｂを、ひいては被照射面上においてｚ方向に間隔を隔てた２つの点状の照明領域１１６ｂを形成する。実際には、矩形状の領域１１６ａと２つの点状の領域１１６ｂとの二次元的なコンボリューションによって、ｚ方向に沿って細長い所望の矩形状の照明領域１１６が被照射面上に形成される。
【００４９】
第２態様にかかるオプティカルインテグレータ系では、走査直交方向に対応するｚ方向に関して求められる高い発散角特性を、ひいてはｚ方向に関して求められる大きな射出ＮＡを、両方向フライアイ素子１１５とプリズムアレイ１１３との組み合わせ（協働作用）によって実現している。したがって、例えば両方向フライアイ素子１１５の波面分割要素１１５ａの光学面１１５ａａ，１１５ａｂの面形状について過度に高い精度が求められることなく所要の大きな射出側開口数を確保し、被照射面上で所望の照度分布を形成することができる。
【００５０】
本発明の第２態様では、両方向フライアイ素子１１５の後側にプリズムアレイ１１３を配置することが重要である。また、両方向フライアイ素子１１５の射出面とプリズムアレイ１１３の入射面との間隔Ｌ12が上述の条件式（１）および（２）を満たすことが好ましい。また、両方向フライアイ素子１１５の波面分割要素１１５ａのｚ方向のピッチＰ１をできる限り小さく設定しつつ、プリズムアレイ１１３の波面分割要素１１３ａのピッチＰ２がピッチＰ１の整数倍とは実質的に異なるように設定することが好ましい。走査直交方向に対応するｚ方向について、両方向フライアイ素子１１５とプリズムアレイ１１３とを高精度に位置決めする必要がないことは第２態様においても同様である。
【００５１】
なお、上述の第１態様および第２態様では、第２オプティカルインテグレータとして、ｚ方向に沿って並んで配置された複数のプリズムエレメントを有するプリズムアレイを用いている。しかしながら、これに限定されることなく、二次元的に（ｚ方向およびｘ方向に）並列配置された複数のプリズムエレメントを有するプリズムアレイを用いて、第１オプティカルインテグレータと第２オプティカルインテグレータとの協働作用により、ｚ方向およびｘ方向の両方向について高い発散角特性を、ひいては大きな射出ＮＡを実現することもできる。
【００５２】
また、上述の第１態様および第２態様では、第２オプティカルインテグレータとして、複数のプリズムエレメント１１３ａを有するプリズムアレイ１１３を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、第２オプティカルインテグレータとして、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要素光軸に対して斜めに波面分割要素から射出されるように構成された他の光学素子を用いることができる。具体的に、プリズムアレイ１１３に代えて、図１０（ａ）に示すような回折光学素子１１７を用いることができる。回折光学素子１１７は、少なくとも一方向に沿って並んで配置された複数の波面分割要素を有するように、使用光の波長程度のピッチを有する段差を基板に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。
【００５３】
また、プリズムアレイ１１３に代えて、図１０（ｂ）に示すように、例えば少なくとも一方向に沿って並んで配置された複数の平凸状のシリンドリカルレンズエレメント１１８ａからなるマイクロレンズアレイ１１８を用いることもできる。ここで、シリンドリカルレンズエレメント１１８ａの入射面１１８ａａは平面状であり、射出面１１８ａｂは円筒面状である。プリズムアレイ１１３に代えて回折光学素子１１７を用いることにより、上述の第１態様および第２態様と同等な効果を得ることができる。
【００５４】
しかしながら、プリズムアレイ１１３に代えてマイクロレンズアレイ１１８を用いる場合には、走査直交方向に対応するｚ方向に沿ってトップハット状の照度分布を被照射面上において得ることが困難であり、ひいては上述の第１態様および第２態様と同等な効果を得ることが困難である。トップハット状の照度分布を得るには、第２オプティカルインテグレータとして、例えばプリズムエレメント１１３ａとシリンドリカルレンズエレメント１１８ａとの中間的な形態を有する複数の波面分割要素、すなわち平面状の入射面と非球面形状の射出面とを有する複数の波面分割要素からなるアレイ部材を用いることが好ましい。
【００５５】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１１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１１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１１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１１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。図１１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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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系ＯＰに入射する。オプティカルインテグレータ系ＯＰは、光の入射側から順に、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第１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と、Ｚ方向に沿って並んで配置された複数の波面分割要素を有する第２オプティカルインテグレータとしてのプリズムアレイ（またはマイクロプリズムアレイ）１０とにより構成されている。
【００６０】
プリズムアレイ１０は、図３および図９のプリズムアレイ１１３と同様の構成を有し、複数のプリズムエレメントをＺ方向に配列することにより構成されている。シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９は、図９の両方向フライアイ素子１１５と同様の機能を有する光学素子であって、図１２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９ａａおよび９ｂａがそれぞれピッチｐｘで形成されている。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
所定面ＩＰの位置はズームレンズ８の前側焦点位置の近傍に配置され、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。
【００６５】
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。
【００６６】
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ＡＳに入射する。
【００６７】
開口絞りＡＳ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ＡＳ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ＡＳ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ＡＳの設置を省略することもできる。
【００６８】
開口絞りＡＳにより制限された二次光源からの光は、プリズムアレイ１０および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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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１３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。
【００７７】
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。
【００７８】
以下、図１４を参照して、水晶の旋光性について簡単に説明する。図１４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）
【００７９】
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。
【００８０】
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１５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。
【００８１】
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１５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。
【００８２】
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。
【００８３】
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１５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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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１６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。
【００８７】
本実施形態の露光装置は、図９に示す第２態様と同様の構成を有するオプティカルインテグレータ系ＯＰを備えている。すなわち、本実施形態のオプティカルインテグレータ系ＯＰは、光の入射側から順に、Ｚ方向およびＸ方向の両方向に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シリンドリカルマイクロフライアイレンズ（第１オプティカルインテグレータ）９と、Ｚ方向に沿って並んで配置された複数の波面分割要素を有するプリズムアレイ（第２オプティカルインテグレータ）１０とを備えている。シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９では、図９の両方向フライアイ素子１１５と同様に、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要素光軸と平行に射出されるように構成されている。
【００８８】
また、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９では、図９の両方向フライアイ素子１１５と同様に、波面分割要素の入射面に光軸の方向から入射した光により形成される射出光の最大射出角度と、当該入射面に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射出光の最大射出角度とが等しくなるように構成されている。こうして、本実施形態のオプティカルインテグレータ系ＯＰでは、走査直交方向（Ｙ方向）に対応するＺ方向に関して求められる高い発散角特性を、ひいてはＺ方向に関して求められる大きな射出ＮＡを、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９とプリズムアレイ１０との協働作用により実現することができる。
【００８９】
したがって、本実施形態では、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９において走査直交方向（Ｙ方向）に対応するＺ方向に屈折作用を有する光学面９ａｂ，９ｂｂの面形状について過度に高い精度が求められることなく、所要の大きな射出側開口数を確保し、最終的な被照射面であるウェハＷ上で所望の照度分布を形成することができる。また、本実施形態の照明光学装置（１〜１３）では、所要の大きな射出側開口数を確保して被照射面上で所望の照度分布を形成するオプティカルインテグレータ系ＯＰを用いて、所望の照明条件で被照射面を照明することができる。また、本実施形態の露光装置（１〜ＷＳ）では、所望の照明条件で被照射面を照明する照明光学装置（１〜１３）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る。
【００９０】
本実施形態では、オプティカルインテグレータ系ＯＰ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、オプティカルインテグレータ系ＯＰに入射する光の角度や角度範囲が変動する。しかしながら、例えばオプティカルインテグレータ系ＯＰ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、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９に入射する光の角度や角度範囲が変動しても、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の作用によりプリズムアレイ１０の各波面分割要素に入射する光の角度や角度範囲を一定に保持することができ、ひいては最終的な被照射面であるウェハＷ上で均一な照度分布を維持することができる。
【００９１】
前述したように、本実施形態においてシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の作用を十分に発揮して本発明の効果を良好に達成するには、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の射出面とプリズムアレイ１０の入射面との間隔Ｌ12がＺ方向について条件式（１）を満たすことが好ましい。これは、本実施形態のようなステップ・アンド・スキャン方式の露光装置では、走査露光の平均化効果により、ウェハＷ上のＹ方向に沿って細長い矩形状の静止露光領域において走査方向（スキャン方向：Ｘ方向）に照度ムラがある程度残っていても大きな問題にはならないからである。換言すれば、ウェハＷ上の静止露光領域において発生を抑えるべき照度ムラは、走査直交方向（非スキャン方向：Ｙ方向）の照度ムラである。
【００９２】
したがって、本実施形態では、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の射出面とプリズムアレイ１０の入射面との間隔Ｌ12が、走査直交方向に対応するＺ方向について条件式（１）を満たすことが重要である。また、オプティカルインテグレータ系ＯＰにおける光量損失を回避するには、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９の射出面とプリズムアレイ１０の入射面との間隔Ｌ12が、Ｘ方向およびＺ方向について条件式（２）を満たすことが好ましい。
【００９３】
なお、上述の実施形態では、第１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が第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、第１フライアイ部材９ａおよび第２フライアイ部材９ｂはＸ方向に並んで配置された複数の円筒面状の入射屈折面とＺ方向に並んで配置された複数の円筒面状の射出屈折面とをそれぞれ有する。しかしながら、これに限定されることなく、例えば図９の両方向フライアイ素子１１５のように、二次元的に並列配置された複数の曲面状の入射屈折面と二次元的に並列配置された複数の曲面状の射出屈折面とを有する単一の光学部材により第１オプティカルインテグレータを構成することもできる。
【００９４】
また、上述の実施形態では、第２オプティカルインテグレータとして、プリズムアレイ１０を用いている。しかしながら、前述したように、プリズムアレイ１０に代えて、回折光学素子やマイクロレンズアレイなどを用いることができる。
【００９５】
また、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。
【００９６】
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。
【００９７】
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１７のフローチャートを参照して説明する。
【００９８】
先ず、図１７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。
【００９９】
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１８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１８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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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系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系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。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】シリンドリカルマイクロフライアイレンズの波面分割要素の構成を概略的に示す図である。
【図２】シリンドリカルマイクロフライアイレンズの作用を説明する図である。
【図３】本発明の第１態様にしたがうオプティカルインテグレータ系の構成および作用を説明する図である。
【図４】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。
【図５】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６】ｚ方向フライアイ素子の１つの波面分割射出面からの光がプリズムアレイの１つの波面分割入射面の全体を少なくとも照らすことが必要であることを説明する図である。
【図７】ｚ方向フライアイ素子とプリズムアレイとの最小間隔を説明する図である。
【図８】ｚ方向フライアイ素子とプリズムアレイとの最大間隔を説明する図である。
【図９】本発明の第２態様にしたがうオプティカルインテグレータ系の概略的な構成および作用を説明する図である。
【図１０】図３のプリズムアレイに代えて使用可能な光学素子を例示する図である。
【図１１】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１２】図１１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１３】図１１の偏光変換素子の構成を概略的に示す図である。
【図１４】水晶の旋光性について説明する図である。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】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。
【図１８】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】
【０１０５】
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（第１オプティカルインテグレータ）
１０，１１３  プリズムアレイ（第２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
１１１，１１５  フライアイ素子（第１オプティカルインテグレータ）
ＯＰ  オプティカルインテグレータ系
Ｍ  マスク
ＰＬ  投影光学系
Ｗ  ウェハ
【図１】
0005459571.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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