(57)【要約】【課題】あらゆる偏光状態の光を強度損失を生じさせることなく所望の直線偏光に変換することができ、引き回し光学系の設置自由度を大幅に向上させることが可能な偏光光学装置を提供する。【解決手段】入射光ＬＩは、偏光ビームスプリッタ１１により、偏光方向が互いに直交する２つの分割光に分割される。２つの分割光のいずれか一方は、反射プリズム１２により光軸を曲げられると共に、１／２波長板１４により偏光方向を９０度変えられる。偏光ビームスプリッタ１１を通過した光と、１／２波長板１４を通過した光とは、無偏光合成プリズム１３により同じ光軸を有する光として合成され出射される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された光を互いに偏光方向が互いに直交する２つの分割光に分割する偏光ビームスプリッタと、
２つの前記分割光のいずれか一方の光の光軸を曲げて他方の前記分割光と同じ光軸に戻した後２つの前記分割光を合成する合成光学系と、
前記２つの分割光のいずれか一方の光軸中に配置された１／２波長板と
を備えたことを特徴とする偏光光学装置。
【請求項２】
前記１／２波長板の方位角は、この１／２波長板を通過する直線偏光の方位角と４５度をなすことを特徴とする請求項１記載の偏光光学装置。
【請求項３】
前記入射された光は、波長が１９３ｎｍ近傍のアルゴンフルオライドエキシマレーザ光であることを特徴とする請求項１記載の偏光光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光光学装置に関し、特に半導体露光装置に使用される偏光光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置や液晶表示装置の回路パターンを露光するための露光装置が広く用いられている。この露光装置は、ホトマスク上に形成された原版パターンを縮小して基板上に転写する、所謂リソグラフィ工程を行うものである。
【０００３】
半導体装置に対する微細化の要求に伴い、解像性能を高めるため、光源の短波長化と投影光学系の大口径化が進められている。波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いたＮＡ０．９以上の露光装置も、開発段階から実用段階へ移りつつある。また、投影光学系の最下部レンズと基板との間を液体で満たし、ＮＡ１．０以上を実現したＡｒＦ液浸露光装置や、波長１５７ｎｍのＦ２エキシマレーザを用いたＦ２露光装置も開発されている。更に、Ｆ２液浸露光装置も検討が進められている。
【０００４】
しかし、ＮＡが大きくなることにより、低ＮＡの状況下では問題となっていなかった、照明光の偏光状態が解像力の低下の要因として注目されてきている。このため、偏光状態による解像力低下を抑える試みとして、偏光状態を制御し、又は偏光状態を測定可能にした露光装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
偏光照明光学系では、設計者が意図した偏光状態や偏光状態の分布形態を持たせる必要があると同時に、光の強度損失を極力抑える必要があるため、直線偏光子の使用は最小限に留め、１／２波長板や１／４波長板と言った移相子が多用されている。ただし、移相子による偏光状態の制御では、入射光の偏光状態や偏光度を良好な状態に保つことが重要である。
【０００６】
一般に、液浸露光装置に使用されるアルゴンフルオライドエキシマレーザでは、水平方向に偏光した質の高い直線偏光が射出される。従って、レーザ光源の出射口から照明光学系の入射口まで、偏光の質を保ちつつ引き回す光学系が必要である。しかし、この引き回し光学系に用いられるミラーは、光を曲げる方向やミラーの材質によって偏光状態を変化させてしまい、レーザ装置や露光装置本体のレイアウト等に多大な制約を与え、クリーンルーム内の設置面積が広くなるなど、製造コストに多大な悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００７】
一般的な楕円偏光は、１／４波長板と１／２波長板を組み合わせた光学系を用いて任意の直線偏光に変換することができる。すなわち、楕円偏光の長軸に１／４波長板の進相軸を合わせると、楕円偏光は、その楕円に外接する長方形の対角線に相当する方位角を持つ直線偏光に変換される。更に、１／２波長板の方位角を所望の直線偏光の方位角と変換前の直線偏光の方位角の中間に設定することで、直線偏光の方位角を変換することが可能である。このような方法で変換した場合、強度損失は殆ど発生しない。従って、露光装置の照明光学系の入射口にこのような光学系を組み込むことで、引き回し光学系内を光が進む間に変化してしまった偏光状態を所望の直線偏光に戻すことは充分可能である。
【０００８】
しかし、そのためには楕円偏光の方位角と楕円率角を正確に測定し、この測定結果から１／４波長板と１／２波長板の方位角を正確に合わせる必要がある。この作業にかかる労力やコストを考慮すると、引き回し光学系の自由度を高めるまでには至っていないのが現実である。
【特許文献１】特開２００５−１１６７３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、あらゆる偏光状態の光を強度損失を生じさせることなく所望の直線偏光に変換することができ、引き回し光学系の設置自由度を大幅に向上させることが可能な偏光光学装置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】
本発明の一態様に係る偏光光学素子は、入射された光を互いに偏光方向が互いに直交する２つの分割光に分割する偏光ビームスプリッタと、２つの前記分割光のいずれか一方の光の光軸を曲げて他方の前記分割光と同じ光軸に戻した後２つの前記分割光を合成する合成光学系と、前記２つの分割光のいずれか一方の光軸中に配置された１／２波長板とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、あらゆる偏光状態の光を強度損失を生じさせることなく所望の直線偏光に変換することができ、引き回し光学系の設置自由度を大幅に向上させることが可能な偏光光学装置を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係る偏光光学装置１０の構成を、図１を参照して説明する。この偏光光学装置１０は、偏光ビームスプリッタ１１と、反射プリズム１２と、無偏光合成プリズム１３と、１／２波長板１４とを備えて構成される。この偏光光学装置１は、様々な偏光成分を有する入射光ＬＩを、ある所望の偏光方向の光、例えば水平直線偏光の光に変換して出射光ＬＯとして出射する機能を有するものである。
【００１４】
図２は、この偏光光学装置１０が適用される露光装置の概略構成の一例を示している。図１に示すように、この露光装置では、図示しない光源装置（例えば波長が１９３ｎｍ近傍のアルゴンフルオライドエキシマレーザ光源）から射出された照明光１を、照明光学系２より所望の輝度分布や偏光状態に変換した後、ホトマスクステージ６上に載置されたホトマスク３に照明する。そして、ホトマスク３を通過した光は、投影レンズ４を介して感光膜を塗布されたウエハ５上に投影される。これにより、ウエハ５にホトマスク３のパターンが転写される。なお、ウエハ５はウエハステージ７上に載置される。図１の偏光光学装置１０は、この照明光学系２の一部に挿入され、光の引き回しに伴って生じる偏光状態が変化した光を所望の偏光状態に戻す機能を有するものである。
【００１５】
図１に戻って、偏光光学素子の上記の構成要素１１〜１４について説明する。偏光ビームスプリッタ１１は、様々な偏光成分を有する入射光ＬＩを、反射面１１１において、偏光方向が互いに直交する２つの分割光（垂直直線偏光、水平直線偏光）に分割する機能を有する。
【００１６】
反射プリズム１２は、分割光の一方（垂直直線偏光）の光軸を曲げる機能を有する。また、無偏光合成プリズム１３は、偏光ビームスプリッタ１１を透過した光を透過させる一方偏光ビームスプリッタ１１で反射して反射プリズム１２により導かれた光を反射させる反射面１３１を有し、これにより２つの光を同じ光軸に戻して合成する機能を有する。
【００１７】
１／２波長板１４は、偏光ビームスプリッタ１１の反射面１１１で反射した光の光路、例えば図１に示すように反射プリズム１２と無偏光合成プリズム１３との間に配置され（図３に示すように、偏光ビームスプリッタ１１と反射プリズム１２との間に配置してもよい）、垂直直線偏光の光を、これとは偏光方向が９０度異なる水平直線偏光の光に変換する機能を有する。すなわち、１／２波長板１４の方位角は、入射する垂直直線偏光の偏光方向に対し４５度を為すように配置されている。この方位角は、入射光ＬＩの偏光成分には無関係であり、従って調整が容易である。
【００１８】
この変換後の水平直線偏光の光が、偏光ビームスプリッタ１１を透過した水平直線偏光の光と無偏光合成プリズム１３により合成されて外部に出射される水平直線偏光である出射光ＬＯとなる。
【００１９】
次に、本実施の形態による偏光光学装置１の効果を説明する。
【００２０】
従来、所望の偏光方向を有する光を得るためには、大きく分けて２つの方法があった。１つ目の方法は直線偏光子を用いる方法である。この方法は偏光子の透過軸と垂直な偏光成分を捨てることになり、その分だけ光の強度損失が生じるという問題がある。
【００２１】
２つ目の方法は、図６に示すような１／４波長板２１と１／２波長板２２とを組み合わせた光学系を用いる方法である。図６に示すように、入射光の偏光状態が、楕円偏光になっている場合において、その楕円偏光の長軸に１／４波長板２１の進相軸を合わせる。すると、楕円偏光は、その楕円に外接する長方形の対角線に相当する方位角を持つ直線偏光Ｌｍに変換される。更に、１／２波長板２２の方位角を、出射光ＬＯの所望の直線偏光の方位角と、変換前の直線偏光Ｌｍの方位角の丁度中間に設定する。これにより、出射光ＬＯの直線偏光の方位角を所望の方位角に変換することが可能である。このような方法で変換した場合、光の強度損失は殆ど発生しない。
【００２２】
しかし、この１／４波長板２１と１／２波長板２２の方位角を決定する作業は簡単ではない。まずはじめに図示しない直線偏光子を３６０度回転させながら透過光の強度を測定し、その強度変化から楕円偏光の長軸の角度を決定する。この長軸の角度に１／４波長板２１の進相軸に方位を合わせると、楕円に外接する長方形の対角線方向に方位角を持つ直線偏光に変換されるが、長方形の対角線は２本あり、どちらに変換されるかは楕円偏光の極性、即ち右回り偏光か左回り偏光かに依存する。
【００２３】
上記の測定方法では楕円偏光の極性までは決定することはできないため、更にもう一度、直線偏光子を３６０度回転させながら透過光の強度を測定し、その強度変化から直線偏光の方位角を決定する必要がある。この角度から１／２波長板２２の方位角を決定する。このように、楕円偏光から強度損失を少なく直線偏光に変換するためには、複雑な偏光解析を行う必要がある。従って、図６に示すような方法では、調整作業が複雑であり、調整の自動化を図ることも困難である。
【００２４】
これに対し、本実施の形態の偏光光学装置１によれば、直線偏光子を用いていないため、出射光の強度損失を少なくしつつ所望の偏光成分の光を取り出すことができる。また、１／２波長板１４は入射光ＬＩの偏光の度合に依存した方位角の調整等は不要であり、所望の偏光成分を取り出すために複雑な調整を行う必要がない。
【００２５】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る偏光光学装置を、図４を参照して説明する。この実施の形態の偏光光学装置１０Ａは、偏光ビームスプリッタ１１Ａと、無偏光合成プリズム１３Ａと、１／２波長板１４とを備えて構成される。偏光ビームスプリッタ１１Ａは、第１の実施の形態の偏光ビームスプリッタ１１と同様に、様々な偏光成分を有する入射光ＬＩを、反射面１１１´において偏光方向が互いに直交する２つの分割光（垂直直線偏光、水平直線偏光）に分割する機能を有する。ただし、この偏光ビームスプリッタ１１Ａは、台形形状を有しており、２つの分割光のうち反射面１１１で反射した垂直直線偏光成分の光軸を曲げるための反射面１１２を台形の斜辺の部分に有している。この反射面１１２は、反射面１１１´と略平行に形成されており、これにより、反射面１１２で反射した垂直直線偏光成分は、入射光ＬＩと略平行な光として出射される。
【００２６】
また、無偏光合成プリズム１３Ａも、第１の実施の形態の無偏光合成プリズム１３と同様に、偏光ビームスプリッタ１１Ａを透過した光（水平直線偏光成分）を透過させる一方偏光ビームスプリッタ１１Ａで反射して導かれた光を反射させる反射面１３１´を有し、これにより２つの光を同じ光軸に戻して合成する機能を有する。ただし、この無偏光合成プリズム１３Ａは、台形形状を有しており、前述の反射面１１２で反射した光の光軸を曲げるための反射面１３２を台形の斜辺の部分に有している。この反射面１３２は、反射面１３１´と略平行に形成されている。従って、反射面１３１´で反射された光は、同一の光軸に戻される。また、反射面１１２と反射面１３２との間の光路には、第１の実施の形態と同様の１／２波長板１４が設けられている。これにより、反射面１１２で反射した垂直直線偏光成分の光は、水平直線偏光成分とされる。従って、反射面１３１´で合成される２つの光は共に水平直線偏光成分を有し、出射光ＬＯも水平直線成分のみを有するものとされる。
【００２７】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態に係る偏光光学装置１０Ｂを、図５を参照して説明する。この実施の形態の偏光光学装置１０Ｂは、第１の実施の形態と同様の偏光ビームスプリッタ１１と、反射プリズム１２Ｂと、１／２波長板１４と、集光レンズ１５とを備えて構成される。集光レンズ１５は、前述の実施の形態の無偏光合成プリズム１３に代えて設けられているものであり、無偏光合成プリズム１３と同様に、偏光ビームスプリッタ１１を透過した水平直線偏光成分の光と、偏光ビームスプリッタ１１で反射して反射プリズム１２Ｂにより反射され１／２波長板１４を通過した水平直線偏光成分の光とを合成する機能を有する。
【００２８】
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る偏光光学装置の構成を示す。
【図２】本実施の形態の偏光光学装置が適用され得る露光装置の構成の一例を示す。
【図３】第１の実施の形態の変形例を示す。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る偏光光学装置の構成を示す。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る偏光光学装置の構成を示す。
【図６】従来の偏光光学装置を示す。
【符号の説明】
【００３０】
ＬＩ・・・入射光、  ＬＯ・・・出射光、  １１・・・偏光ビームスプリッタ
１４・・・１／２波長板、  １２、１２Ｂ・・・反射プリズム、  １３・・・無偏光合成プリズム、  ２１・・・１／４波長板、  ２２・・・１／２波長板。
【図１】
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【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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