(57)【要約】【課題】  例えば１つの強度縞画像だけを用いて光の偏光状態を迅速に測定することのできる偏光測定装置。【解決手段】  光の偏光状態を測定する偏光測定装置。入射した光を互いに直交する偏光成分を有する第１の光および第２の光に分離し、且つ該第１の光および該第２の光を第１方向において互いに異なる向きに射出する偏光分離部材と、偏光分離部材を介した第１の光および第２の光を第１方向において互いに近づく向きに偏向する偏向部材と、該偏向部材を介した第１の光および第２の光が入射する撮像素子とを備える。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の偏光状態を測定する偏光測定装置において、
入射した光を互いに直交する偏光成分を有する第１の光および第２の光に分離し、且つ前記第１の光および前記第２の光を第１面内で互いに異なる向きに射出する第１偏光分離部材と、
前記第１偏光分離部材を介した前記第１の光を互いに直交する偏光成分を有する第３の光および第４の光に分離すると共に、前記第２の光を互いに直交する偏光成分を有する第５の光および第６の光に分離し、前記第３の光および前記第４の光を前記第１面内で互いに異なる向きに射出すると共に、前記第５の光および前記第６の光を前記第１面内で互いに異なる向きに射出する第２偏光分離部材と、
前記第２偏光分離部材を介した前記第３の光および前記第５の光が入射する撮像素子とを備える、偏光測定装置。
【請求項２】
前記第１偏光分離部材から射出される前記第１の光の射出角と前記第２偏光分離部材に入射する前記第１の光の入射角とは等しく、前記第１偏光分離部材から射出される前記第２の光の射出角と前記第２偏光分離部材に入射する前記第２の光の入射角とは等しい、請求項１に記載の偏光測定装置。
【請求項３】
前記撮像素子に入射する前記第３の光と前記第５の光とは、少なくとも部分的に重畳する、請求項１または２に記載の偏光測定装置。
【請求項４】
前記第２偏光分離部材と前記撮像素子との間に配置される直線偏光子を備え、
前記直線偏光子は、前記第３の光のうち所定の偏光方向の偏光成分の光を通過させ、且つ前記第第５の光のうち前記所定の偏光方向の偏光成分の光を通過させる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の偏光測定装置。
【請求項５】
前記第１偏光分離部材の入射側に配置された波長板を備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の偏光測定装置。
【請求項６】
前記第２偏光分離部材を介した前記第３の光を互いに直交する偏光成分を有する第７の光および第８の光に分離し、且つ該第７の光および該第８の光を前記第１面と交差する第２面内で互いに異なる向きに射出するとともに、前記第２偏光分離部材を介した前記第５の光を互いに直交する偏光成分を有する第９の光および第１０の光に分離し、且つ前記第９の光および前記第１０の光を前記第２面内で互いに異なる向きに射出する第３偏光分離部材と、
前記第３偏光分離部材を介した前記第７の光を互いに直交する偏光成分を有する第１１の光および第１２の光に分離すると共に、前記第８の光を互いに直交する偏光成分を有する第１３の光および第１４の光に分離し、前記第１１の光および前記第１２の光を前記第２面内で互いに異なる向きに射出すると共に、前記第１３の光および前記第１４の光を前記第２面内で互いに異なる向きに射出し、前記第３偏光分離部材を介した前記第９の光を互いに直交する偏光成分を有する第１５の光および第１６の光に分離すると共に、前記第１０の光を互いに直交する偏光成分を有する第１７の光および第１８の光に分離し、前記第１５の光および前記第１６の光を前記第２面内で互いに異なる向きに射出すると共に、前記第１７の光および前記第１８の光を前記第２面内で互いに異なる向きに射出する第４偏光分離部材とを備え、
前記撮像素子には、前記第１１の光、前記第１３の光、前記第１５の光および前記第１７の光が入射する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の偏光測定装置。
【請求項７】
前記第第４偏光分離部材と前記撮像素子との間に配置される直線偏光子を備え、
前記直線偏光子は、前記第１１、第１３、第１５および第１７の光のうち所定の偏光方向の偏光成分の光を通過させる、請求項６に記載の偏光測定装置。
【請求項８】
前記第２偏光分離部材と前記第３偏光分離部材との間に配置された波長板を備える、請求項６または７に記載の偏光測定装置。
【請求項９】
前記第第３偏光分離部材から射出される前記第７乃至第１０の光の射出角と前記第４偏光分離部材に入射する前記第７乃至第１０の光の入射角とはそれぞれ等しい、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の偏光測定装置。
【請求項１０】
前記第４偏光分離部材から射出される前記第１１、第１３、第１５および第１７の光の少なくとも一部は、前記撮像素子の撮像面において互いに重畳する、請求項６乃至９のいずれか一項に記載の偏光測定装置。
【請求項１１】
前記第３偏光分離部材から射出される互いに直交する偏光成分の光の位相差は、前記第３偏光分離部材に入射する光の進行方向を横切る方向において変化している、請求項６乃至１０のいずれか一項に記載の偏光測定装置。
【請求項１２】
前記第４偏光分離部材は、前記第３偏光分離部材と同じ形態を有することを特徴とする請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の偏光測定装置。
【請求項１３】
前記第１偏光分離部材の入射側に配置された第１の１／４波長板と、前記第２偏光分離部材と前記第第３偏光分離部材との間に配置された第２の１／４波長板とを備える、請求項６乃至１２のいずれか１項に記載の偏光測定装置。
【請求項１４】
前記第１の１／４波長板および前記第２の１／４波長板は、前記第１面内の方向または前記第２面内の方向に沿った光学軸を有することを特徴とする請求項１３に記載の偏光測定装置。
【請求項１５】
前記第４偏光分離部材と前記撮像素子との間に配置される直線偏光子を備え、
前記第１の１／４波長板と、前記第１偏光分離部材と、前記第２偏光分離部材と、前記第２の１／４波長板と、前記第３偏光分離部材と、前記第４偏光分離部材と、前記直線偏光子とは、一体に形成されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の偏光測定装置。
【請求項１６】
前記第１偏光分離部材から射出される互いに直交する偏光成分の光の位相差は、前記第１偏光分離部材に入射する光の進行方向を横切る方向において変化している、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の偏光測定装置。
【請求項１７】
前記第２偏光分離部材は、前記第１偏光分離部材と同じ形態を有することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の偏光測定装置。
【請求項１８】
前記直線偏光子は、その透過軸が前記第１の光および前記第２の光が分離される第１面と４５度の角度をなすように設定されていることを特徴とする請求項４または７に記載の偏光測定装置。
【請求項１９】
被検光の偏光状態を測定する偏光測定方法において、
入射した前記被検光を、互いに直交する偏光成分を有する第１の光および第２の光に分離し、且つ前記第１の光および前記第２の光を第１面内で互いに異なる向きに射出することと、
射出された前記第１の光を互いに直交する偏光成分を有する第３の光および第４の光に分離すると共に、射出された前記第２の光を互いに直交する偏光成分を有する第５の光および第６の光に分離することと、
前記第３の光および前記第４の光を前記第１面内で互いに異なる向きに射出すると共に、前記第５の光および前記第６の光を前記第１面内で互いに異なる向きに射出することと、
射出された前記第３の光または射出された前記第３の光から生成される光と、射出された前記第５の光または射出された前記第５の光から生成される光とから強度縞画像を形成することと、
前記強度縞画像を検出することと、
前記強度縞画像と、参照光について予め検出した参照光の強度縞画像とを用いて、前記被検光の偏光状態を求めることと、を含むことを特徴とする偏光測定方法。
【請求項２０】
前記射出することと前記分離することとの間で前記第１の光および前記第２の光の向きは偏向されない、請求項１９に記載の偏光測定方法。
【請求項２１】
前記射出された前記第３の光を互いに直交する偏光成分を有する第７の光および第８の光に分離し、且つ該第７の光および該第８の光を互いに異なる向きに射出することと、
前記射出された前記第５の光を互いに直交する偏光成分を有する第９の光および第１０の光に分離し、且つ前記第９の光および前記第１０の光を互いに異なる向きに射出することと、
前記射出された前記第７の光を互いに直交する偏光成分を有する第１１の光および第１２の光に分離すると共に、前記第８の光を互いに直交する偏光成分を有する第１３の光および第１４の光に分離し、前記第１１の光および前記第１２の光を互いに異なる向きに射出すると共に、前記第１３の光および前記第１４の光を互いに異なる向きに射出することと、
前記射出された前記第９の光を互いに直交する偏光成分を有する第１５の光および第１６の光に分離すると共に、前記第１０の光を互いに直交する偏光成分を有する第１７の光および第１８の光に分離し、前記第１５の光および前記第１６の光を互いに異なる向きに射出すると共に、前記第１７の光および前記第１８の光を互いに異なる向きに射出することと、
を含み、
前記被検光の強度縞画像は、前記第１１の光、前記第１３の光、前記第１５の光および前記第１７の光から形成される、請求項１９または２０に記載の偏光測定方法。
【請求項２２】
前記第１１の光、前記第１３の光、前記第１５の光および前記第１７の光の少なくとも一部は、前記強度縞画像が形成される面において互いに重畳する、請求項２１に記載の偏光測定方法。
【請求項２３】
前記第１１の光、前記第１３の光、前記第１５の光および前記第１７の光は、前記強度縞画像が形成される面の同じ位置に入射する請求項２２に記載の偏光測定方法。
【請求項２４】
所定のパターンの像を基板上に形成する投影光学系と、該投影光学系を経た光の偏光状態を測定する請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の偏光測定装置とを備えていることを特徴とする露光装置。
【請求項２５】
前記所定のパターンを照明する照明光学装置と、前記所定のパターンを照明する光の偏光状態を調整するために前記偏光測定装置の測定結果を用いて前記照明光学装置を制御する制御部とを備えていることを特徴とする請求項２４に記載の露光装置。
【請求項２６】
被検査物体を介した被検光を受光する受光光学系と、
該受光光学系を介した前記被検光の偏光状態を測定する請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の偏光測定装置とを備える、検査装置。
【請求項２７】
投影光学系を介して所定のパターンを基板に露光する露光方法において、
請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の偏光測定装置または請求項１９乃至２３のいずれか１項に記載の偏光測定方法を用いて、前記投影光学系を経た光の偏光状態を測定することと、
前記偏光状態の測定結果を用いて前記所定のパターンを照明する光の偏光状態を調整することと、を含むことを特徴とする露光方法。
【請求項２８】
請求項２４または２５に記載の露光装置または請求項２７に記載の露光方法を用いて、前記所定のパターンを前記基板に露光することと、
前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、
前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
【請求項２９】
所定のパターンを前記基板に露光することと、
前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、
前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、
請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の偏光測定装置または請求項１９乃至２３のいずれか１項に記載の偏光測定方法を用いて、加工された前記基板からの光の偏光状態を測定すること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】
偏光測定装置、偏光測定方法、検査装置、露光装置、露光方法、およびデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子等のデバイスの製造に用いられる露光装置では、露光すべきパターンに応じた所要の偏光状態の光でマスク（ひいてはウェハ）を照明する手法が用いられることが多い。この場合、ウェハ（またはマスク）に対する照明光（露光光）が所望の偏光状態であることを確認するために、回転移相法を利用して投影光学系を経た光の偏光状態を、ひいては投影光学系の偏光特性を測定する装置および方法が提案されている（たとえば特許文献１を参照）。
【０００３】
回転移相法を利用した偏光測定装置では、移相子としての波長板または偏光子を回転させつつ少なくとも４つの強度縞画像を取得しなければ偏光状態を知ることができない。換言すれば、回転移相法を利用した偏光測定装置では、光の偏光状態を迅速に測定することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８５４２３５６号
【非特許文献１】K. Oka and T. Kaneko「Compact complete imaging polarimeter using birefringen wedge prisms」, Opt. Express, vol.11, p.1510 (2003)
【非特許文献２】Jay S. Van Delden「Ortho-Babinet polarization-interrogating filter: an interferometric approach to polarization measurement」, Opt. Lett., vol.28, p.1173 (2003)
【発明の概要】
【０００５】
第１形態では、光の偏光状態を測定する偏光測定装置において、
入射した光を互いに直交する偏光成分を有する第１の光および第２の光に分離し、且つ前記第１の光および前記第２の光を第１面内で互いに異なる向きに射出する第１偏光分離部材と、
前記第２偏光分離部材を介した前記第１の光を互いに直交する偏光成分を有する第３の光および第４の光に分離すると共に、前記第２の光を互いに直交する偏光成分を有する第５の光および第６の光に分離し、前記第３の光および前記第４の光を前記第１面内で互いに異なる向きに射出すると共に、前記第５の光および前記第６の光を前記第１面内で互いに異なる向きに射出する第２偏光分離部材と、
前記第２偏光分離部材を介した前記第３の光および前記第５の光が入射する撮像素子とを備える、偏光測定装置を提供する。
【０００６】
第２形態では、被検光の偏光状態を測定する偏光測定方法において、
入射した前記被検光を、互いに直交する偏光成分を有する第１の光および第２の光に分離し、且つ前記第１の光および前記第２の光を第１面内で互いに異なる向きに射出することと、
射出された前記第１の光を互いに直交する偏光成分を有する第３の光および第４の光に分離すると共に、射出された前記第２の光を互いに直交する偏光成分を有する第５の光および第６の光に分離することと、
前記第３の光および前記第４の光を第１面内で互いに異なる向きに射出すると共に、前記第５の光および前記第６の光を第１面内で互いに異なる向きに射出することと、
射出された前記第３の光または射出された前記第３の光から生成される光と、射出された前記第５の光または射出された前記第５の光から生成される光とから強度縞画像を形成することと、
前記強度縞画像を検出することと、
前記強度縞画像と、参照光について予め検出した参照光の強度縞画像とを用いて、前記被検光の偏光状態を求めることと、を含むことを特徴とする偏光測定方法を提供する。
【０００７】
第３形態では、所定のパターンの像を基板上に形成する投影光学系と、該投影光学系を経た光の偏光状態を測定する第１形態の偏光測定装置とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。
【０００８】
第４形態では、被検査物体を介した被検光を受光する受光光学系と、
該受光光学系を介した前記被検光の偏光状態を測定する第１形態の偏光測定装置とを備える、検査装置を提供する。
【０００９】
第５形態では、投影光学系を介して所定のパターンを基板に露光する露光方法において、
第１形態の偏光測定装置または第２形態の偏光測定方法を用いて、前記投影光学系を経た光の偏光状態を測定することと、
前記偏光状態の測定結果を用いて前記所定のパターンを照明する光の偏光状態を調整することと、を含むことを特徴とする露光方法を提供する。
【００１０】
第６形態では、第３形態の露光装置または第５形態の露光方法を用いて、前記所定のパターンを前記基板に露光することと、
前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、
前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、を含むことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態にかかる偏光測定装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】実施形態にかかる偏光測定装置の内部構成を概略的に示す図である。
【図３】複数の構成部材により一体に形成された偏光位相素子を概略的に示す図である。
【図４】偏光位相素子の複数の構成部材を互いに離間させた状態で概略的に示す図である。
【図５】偏光分離部材に求められる機能を説明する図である。
【図６】４つの構造複屈折タイプの半波長板要素により偏光分離部材の１ピッチ分を形成した例を概略的に示す図である。
【図７】構造複屈折を利用して偏光分離部材の半波長板要素を作成する例を概略的に示す図である。
【図８】１６個の構造複屈折タイプの半波長板要素により偏光分離部材の１ピッチ分を形成した例を概略的に示す図である。
【図９】偏光位相素子の作用を説明する第１の図である。
【図１０】偏光位相素子の作用を説明する第２の図である。
【図１１】偏光位相素子を経た４つの光が撮像面において互いに同じ位置に入射する条件を説明する図である。
【図１２】強度縞画像から得られるスペクトルのピークおよびその位置を概略的に示す図である。
【図１３】偏光分離部材として使用可能なウォラストンプリズムを概略的に示す図である。
【図１４】偏光分離部材として使用可能な液晶回折素子を概略的に示す図である。
【図１５】偏光測定装置の撮像面を結像光学系の像面に配置した変形例を概略的に示す図である。
【図１６】変形例にかかる偏光測定装置の要部構成を概略的に示す図である。
【図１７】半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。
【図１８】液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、実施形態にかかる偏光測定装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。図１では、投影光学系ＰＬの像面の法線方向（すなわち投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向：図１の紙面における鉛直方向）にＺ軸を、投影光学系ＰＬの像面内において図１の紙面に平行にＸ軸を、投影光学系ＰＬの像面内において図１の紙面に垂直にＹ軸を設定している。
【００１３】
図１を参照すると、本実施形態の露光装置には、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ＬＳから露光光（照明光）が供給される。光源ＬＳとして、２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源や、他の適当な光源を用いることもできる。本実施形態の露光装置は、光源ＬＳから射出された照明光により、転写すべきパターンが形成されたマスク（レチクル）Ｍを照明する照明光学系ＩＬを備えている。
【００１４】
照明光学系ＩＬは、偏光設定部２０、オプティカル・インテグレータ（ホモジナイザー）、視野絞り、コンデンサレンズ等を備えている。偏光設定部２０は、照明光学系ＩＬの瞳面、マスクＭのパターン面（被照射面）などにおける光の偏光状態を所望の状態に設定したり調整したりする機能を有する。偏光設定部の具体的な構成および作用については、例えば米国特許第７，４２３，７３１号公報などを参照することができる。照明光学系ＩＬは、例えばマスクＭの矩形状のパターン領域全体、あるいはパターン領域全体のうちＸ方向に沿って細長いスリット状の領域（例えば矩形状の領域）を照明する。
【００１５】
マスクＭのパターンからの光は、投影光学系ＰＬを介して、フォトレジストが塗布されたウェハ（感光性基板）Ｗの単位露光領域にマスクＭのパターン像を形成する。すなわち、マスクＭ上での照明領域に光学的に対応するように、ウェハＷの単位露光領域において、マスクＭのパターン領域全体と相似な矩形状の領域、あるいはＸ方向に細長い矩形状の領域（静止露光領域）にマスクパターン像が形成される。
【００１６】
マスクＭは、マスクステージＭＳ上においてＸＹ平面とほぼ平行に保持されている。マスクステージＭＳには、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ軸廻りの回転方向などにマスクＭを移動させる機構が組み込まれている。ウェハＷは、ウェハステージＷＳ上においてＸＹ平面とほぼ平行に保持されている。ウェハステージＷＳには、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、Ｘ軸廻りの回転方向、Ｙ軸廻りの回転方向およびＺ軸廻りの回転方向に、ウェハステージＷＳ（ひいてはウェハＷ）を移動させる機構が組み込まれている。
【００１７】
ステップ・アンド・リピート方式では、ウェハＷ上に縦横に設定された複数の単位露光領域のうちの１つの単位露光領域に、マスクＭのパターン像を一括的に露光する。その後、制御系ＣＲが、ウェハステージＷＳをＸＹ平面に沿ってステップ移動させることにより、ウェハＷの別の単位露光領域を投影光学系ＰＬに対して位置決めする。こうして、マスクＭのパターン像をウェハＷの単位露光領域に一括露光する動作を繰り返す。
【００１８】
ステップ・アンド・スキャン方式では、制御系ＣＲは、投影光学系ＰＬの投影倍率に応じた速度比でマスクステージＭＳおよびウェハステージＷＳをＹ方向に移動させつつ、マスクＭのパターン像をウェハＷの１つの単位露光領域に走査露光する。その後、制御系ＣＲは、ウェハステージＷＳをＸＹ平面に沿ってステップ移動させることにより、ウェハＷの別の単位露光領域を投影光学系ＰＬに対して位置決めする。こうして、マスクＭのパターン像をウェハＷの単位露光領域に走査露光する動作を繰り返す。
【００１９】
すなわち、ステップ・アンド・スキャン方式では、矩形状（一般にはスリット状）の静止露光領域の短辺方向であるＹ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長辺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領域に対してマスクパターンが走査露光される。
【００２０】
本実施形態では、一例として、投影光学系ＰＬと感光性基板であるウェハＷとの間の光路中を液体（典型的には水）で満たす液浸法を用いている。この場合、例えば米国特許出願公開第２００７／２４２２４７号明細書に開示されているように、投影光学系ＰＬの先端の光学部材とウェハＷとの間に照明光ＩＬを透過する液体（例えば純水）を供給して回収する局所液浸装置が設けられる。液浸型の場合には解像度をさらに高めることができる。
【００２１】
本実施形態の露光装置は、たとえばウェハステージＷＳの内部に収められて投影光学系ＰＬを経た光の偏光状態を測定する偏光測定装置１を備えている。偏光測定装置１は、図２に示すように、投影光学系ＰＬの像面に対応する高さ位置に配置された開口部材１１と、投影光学系ＰＬおよび開口部材１１の開口部（光透過部）１１ａを経た光を集光するリレーレンズ１２と、リレーレンズ１２を介して投影光学系ＰＬの瞳面と光学的に共役な位置に撮像面１３ａを有する撮像素子１３と、撮像面１３ａの直前に配置された偏光位相素子１４と、撮像素子１３の出力信号を処理する信号処理部１５とを有する。ここで、偏光位相素子１４は、入射した光を互いに直交する偏光成分を持つ第１の光および第２の光に分離し、撮像素子１３の撮像面１３ａ上で第１の光と第２の光とを少なくとも部分的に重畳させる機能を有する。
【００２２】
撮像素子１３として、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサのようなイメージセンサを用いることができる。この場合、偏光位相素子１４は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサの画素毎に配置された多数のレンズ要素からなるマイクロレンズアレイの直前に配置される。あるいは、偏光位相素子１４と撮像素子１３との間にＦＯＰ(ファイバー・オプティック・プレート：多数の光ファイバ素線を、全体が平板状となるように二次元的に配置して、入射端の像を射出端に伝える部材)を介在させて、ＦＯＰにより偏光位相素子１４を経た光を撮像素子１３の撮像面１３ａまで伝送しても良い。
【００２３】
本実施形態では、投影光学系ＰＬとウェハＷとの間に液体が介在する液浸系の露光装置であるため、浸液が偏光測定装置１の内部へ侵入しないように開口部材１１の開口部１１ａを光透過部として形成している。しかしながら、投影光学系ＰＬとウェハＷとの間に気体が介在する乾燥系の露光装置の場合、開口部材１１の開口部１１ａを貫通孔として形成しても良い。
【００２４】
偏光位相素子１４は、図３に示すように、光の入射側から順に、１／４波長板３１と、第１偏光分離部材３２と、第２偏光分離部材３３と、１／４波長板３４と、第３偏光分離部材３５と、第４偏光分離部材３６と、直線偏光子３７とにより一体に形成されている。図４では、偏光位相素子１４の構成を明瞭に示すために、複数の構成部材３１〜３７を互いに離間させた状態で示している。図３および図４では、偏光位相素子１４の光軸方向（複数の構成部材３１〜３７の配列方向：投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向と平行な方向）に沿ってｚ軸を、図の紙面において鉛直方向および水平方向にｘ軸およびｙ軸をそれぞれ設定している。
【００２５】
１／４波長板３１および３４は、その光学軸がｙ方向と一致するように設定されている。直線偏光子３７は、その透過軸がｘ方向およびｙ方向と４５度の角度をなすように設定され、入射光のうち透過軸に沿った偏光方向の偏光成分の光を通過させる。第１偏光分離部材３２と、第２偏光分離部材３３と、第３偏光分離部材３５と、第４偏光分離部材３６とは、互いに同じ形態を有する。以下、図５〜図８を参照して、第１偏光分離部材３２の構成および作用を説明する。
【００２６】
第１偏光分離部材３２に求められる機能は、図５に示すように、入射した光Ｌ１を互いに直交する偏光成分を有する第１の光Ｌ１１および第２の光Ｌ１２に分離し、且つ第１の光Ｌ１１および第２の光Ｌ１２をｙｚ面内で互いに異なる向きに射出することである。別の表現をすれば、第１偏光分離部材３２は、入射した光Ｌ１から互いに直交する偏光成分を有し且つ互いに異なる向きに射出される第１の光Ｌ１１および第２の光Ｌ１２がｙｚ面内を進行するように、これらの光Ｌ１１，Ｌ１２を生成する。一例として、第１の光Ｌ１１は入射光Ｌ１の右廻り円偏光成分であり、第２の光Ｌ１２は入射光Ｌ１の左廻り円偏光成分である。この場合、第１偏光分離部材３２の特性を表す透過率ジョーンズ行列Ｊ（ｘ，ｙ）は、次の式（１）で表される。
【００２７】
【数１】
2017072526.tif 000003
【００２８】
式（１）において、ｐは、後述するように、ｙ方向に沿った周期構造を有する第１偏光分離部材３２のｙ方向ピッチである。第１偏光分離部材３２から射出される第１の光Ｌ１１と第２の光Ｌ１２とがなす角度は、第１偏光分離部材３２のｙ方向ピッチｐに依存する。式（１）で表される透過率ジョーンズ行列Ｊ（ｘ，ｙ）を、次の式（２）に示すように変形することができる。
【００２９】
【数２】
2017072526.tif 000004
【００３０】
式（２）を参照すると、第１偏光分離部材３２の特性を表す透過率ジョーンズ行列Ｊ（ｘ，ｙ）は、半波長板の光学軸がｙ方向に進むにつれて空間的に回転しながら変化していることを意味していることがわかる。したがって、図６に示すように、複数の構造複屈折タイプの半波長板要素をｙ方向に沿って光学軸が変化するように配置することにより、第１偏光分離部材３２の所要特性を実現することができる。図６では、ｙ方向に沿った周期構造を有する第１偏光分離部材３２の１ピッチ分だけを示している。また、図６では、一例として、４つの半波長板要素Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４により、第１偏光分離部材３２の１ピッチ分を形成している。
【００３１】
半波長板要素Ｅ１〜Ｅ４は、図７に示すように、構造複屈折を利用して、例えば石英ガラス基板に光の波長（本実施形態では、波長λ≒１９３ｎｍ）よりも十分小さい周期を有する一次元周期構造を形成することにより作成される。図７に示す一次元周期構造では、一例として、線幅Ｗ１が０．０５μｍで高さＤが０．８μｍの直線状の凸部が、０．１μｍの周期Ｐｅで形成されている。換言すれば、線幅Ｗ２が０．０５μｍで深さＤが０．８μｍの直線状の凹部（溝部）が、０．１μｍＰｅ（＝Ｗ１＋Ｗ２）の周期で形成されている。こうして、半波長板要素Ｅ１〜Ｅ４の透過光には、凸部が直線状に延びる方向に偏光方向を有する成分と、凸部が直線状に延びる方向と直交する方向に偏光方向を有する成分との間に、１８０度の位相差が付与される。
【００３２】
以下、構造複屈折による複屈折特性の原理・作用について説明する。一般に、本来は複屈折特性を持たない屈折率の異なる平板を光の波長より十分小さい（＜λ／２）周期で並べることにより複屈折が発生することが知られている。偏光方向が溝（凹部）に平行な光の屈折率ｎｐと垂直な光の屈折率ｎνは、それぞれ式（３）および（４）で示される。
【００３３】
【数３】
2017072526.tif 000005
【００３４】
式（３）および（４）において、ｎ１は構造複屈折が形成された物質の屈折率、ｎ２は構造複屈折中の溝を埋める物質の屈折率であり、ｔは構造複屈折の凸部の幅Ｗ１と凹部（溝部）の幅Ｗ２とのデューティ比であり、次の式（５）で表される。
ｔ＝Ｗ１／（Ｗ１＋Ｗ２）      （５）
【００３５】
このように、水晶や方解石の複屈折特性はその物質固有のものであり、その特性を変えることが殆どできないものであるのに対して、構造複屈折では、材料や形状を変えることで複屈折特性を容易に制御することが可能である。偏光方向が溝に平行な光と垂直な光との位相差（遅延量）Ｒｅは、構造複屈折の高さ（溝の深さ）をＤとすると、次の式（６）で表される。
Ｒｅ＝（ｎｐ−ｎν）×Ｄ       （ ６ ）
【００３６】
従って、構造複屈折を形成する材料（屈折率）及び構造複屈折の形状（デューティ比及び溝の深さ）により、任意の位相差の波長板を作製することができる。なお、１／２波長板（半波長板）は位相差が波長の１／２となる場合だけでなく、１／２波長の奇数倍であれば１／２波長板として機能する。
【００３７】
再び図６を参照すると、第１偏光分離部材３２の１ピッチ分は、図６中左側から、周期方向が図６中水平方向に沿った第１半波長板要素Ｅ１と、第１半波長板要素Ｅ１の周期方向を時計廻りに４５度だけ回転させた方向に周期を有する第２半波長板要素Ｅ２と、第２半波長板要素Ｅ２の周期方向を時計廻りに４５度だけ回転させた方向、すなわち図６中鉛直方向に周期を有する第３半波長板要素Ｅ３と、第３半波長板要素Ｅ３の周期方向を時計廻りに４５度だけ回転させた方向に周期を有する第４半波長板要素Ｅ４とにより構成されている。
【００３８】
図６に示す４分割型の第１偏光分離部材３２は、４つの構造複屈折タイプの半波長板要素Ｅ１〜Ｅ４をピッチ方向（図６中水平方向：第１偏光分離部材３２ではｙ方向に対応）に沿って光学軸が４５度ずつ変化するように配置することにより構成されている。第１偏光分離部材３２の１ピッチ分の分割数は４つに限定されることなく、例えば図８に示すように、１６個の構造複屈折タイプの半波長板要素Ｅ１〜Ｅ１６をピッチ方向（図８中水平方向）に沿って光学軸が１１．２５度ずつ変化するように配置することにより第１偏光分離部材３２を構成することもできる。
【００３９】
第１偏光分離部材３２は、上述したように、複数の構造複屈折タイプの半波長板要素をｙ方向に沿って光学軸が変化するように配置した形態を有する。換言すれば、第１偏光分離部材３２は、入射した光の波長λよりも短い周期構造をそれぞれ有し且つｙ方向に沿って配列された複数の構造複屈折部分を有し、該複数の構造複屈折部分の周期方向はｙ第２方向において変化している。そして、第１偏光分離部材３２から射出される互いに直交する偏光成分の光の位相差は、第１偏光分離部材３２に入射する光の進行方向を横切る方向において変化している。
【００４０】
第２偏光分離部材３３は、第１偏光分離部材３２と同じ形態を有し、そのピッチ方向はｙ方向であって第１偏光分離部材３２のピッチ方向と同じである。第３偏光分離部材３５および第４偏光分離部材３６は、第１偏光分離部材３２と同じ形態を有するが、そのピッチ方向はｘ方向であって第１偏光分離部材３２および第２偏光分離部材３３のピッチ方向と直交している。したがって、第３偏光分離部材３５は、入射した光を互いに直交する偏光成分を有する２つの光に分離し、且つ該２つの光をｘｚ面内で互いに異なる向きに射出する機能を有する。換言すれば、第３偏光分離部材３５は、入射した光から互いに直交する偏光成分を有し且つ互いに異なる向きに射出される第１の光および第２の光がｘｚ面内を進行するように、これら２つの光を生成する。
【００４１】
後述するように、第２偏光分離部材３３は、第１偏光分離部材３２と同じ作用に基づいて、第１偏光分離部材３２を介した２つの光をｙ方向において互いに近づく向きに偏向する機能を有する。また、第４偏光分離部材３６は、第３偏光分離部材３５と同じ作用に基づいて、第３偏光分離部材３５を介した２つの光をｘ方向において互いに近づく向きに偏向する機能を有する。
言い換えると、第２偏光分離部材３３は、ｙｚ平面内で互い異なる向きに２つの光を射出し、第４偏光分離部材３６は、ｘｚ平面内で互いに異なる向きに２つの光を射出する。
【００４２】
偏光位相素子１４は、上述したように、１／４波長板３１と、第１偏光分離部材３２と、第２偏光分離部材３３と、１／４波長板３４と、第３偏光分離部材３５と、第４偏光分離部材３６と、直線偏光子３７とにより一体に形成されている。すなわち、第１偏光分離部材３２と第２偏光分離部材３３とは互いに接触して配置されており、第１偏光分離部材３２から射出される２つの光は、他の光学部材を介することなく、直接的に、第２偏光分離部材３３に入射する。別の表現をすると、第１偏光分離部材３２から射出される２つの光の向きは偏向されない。その結果、第１偏光分離部材３２から射出される第１の光の射出角と第２偏光分離部材３３に入射する第１の光の入射角とは等しく、第１偏光分離部材３２から射出される第２の光の射出角と第２偏光分離部材３３に入射する第２の光の入射角とは等しい。
【００４３】
同様に、第３偏光分離部材３５と第４偏光分離部材３６とは互いに接触して配置されており、第３偏光分離部材３５から射出される２つの光は、他の光学部材を介することなく、直接的に、第４偏光分離部材３６に入射する。その結果、第３偏光分離部材３５から射出される第１の光の射出角と第２偏光分離部材３３に入射する第１の光の入射角とは等しく、第３偏光分離部材３５から射出される第２の光の射出角と第４偏光分離部材３６に入射する第２の光の入射角とは等しい。
【００４４】
しかしながら、偏光位相素子１４において、すべての構成部材が互いに接触して配置されている必要はなく、任意の２つの構成部材が互いに近接するように間隔を隔てて配置されていても良い。ただし、この場合も、第１偏光分離部材３２から射出される第１の光の射出角と第２偏光分離部材３３に入射する第１の光の入射角とが等しく、第１偏光分離部材３２から射出される第２の光の射出角と第２偏光分離部材３３に入射する第２の光の入射角とが等しくなるように、第１偏光分離部材３２から射出される２つの光を、他の光学部材を介することなく、直接的に、第２偏光分離部材３３に入射させることができる。
【００４５】
同様に、第３偏光分離部材３５から射出される第１の光の射出角と第４偏光分離部材３６に入射する第１の光の入射角とが等しく、第３偏光分離部材３５から射出される第２の光の射出角と第４偏光分離部材３６に入射する第２の光の入射角とが等しくなるように、第３偏光分離部材３５から射出される２つの光を、他の光学部材を介することなく、直接的に、第４偏光分離部材３６に入射させることができる。
【００４６】
次に、図９および図１０を参照して、偏光位相素子１４の作用を説明する。図９を参照すると、偏光位相素子１４に入射した光Ｌ２は、１／４波長板３１および第１偏光分離部材３２の基板部３２ｂを透過し、一次元周期構造が形成された偏光分離部３２ａに達する。偏光分離部３２ａにより、偏光位相素子１４への入射光Ｌ２は右廻り円偏光の光Ｌ２１と左廻り円偏光の光Ｌ２２とに分離され、２つの光Ｌ２１およびＬ２２はｙ方向において互いに異なる向きに射出される。
【００４７】
第１偏光分離部材３２の偏光分離部３２ａから射出された右廻り円偏光の光Ｌ２１は、第２偏光分離部材３３の基板部３３ｂを透過し、一次元周期構造が形成された偏向部３３ａに達する。偏向部３３ａにより、光Ｌ２１は右廻り円偏光の光（不図示）と左廻り円偏光の光Ｌ３とに分離され、光Ｌ２２は右廻り円偏光の光Ｌ４と左廻り円偏光の光（不図示）とに分離される。光Ｌ２１から分離された右廻り円偏光の光および光Ｌ２２から分離された左廻り円偏光の光は、光路の外へ導かれ光の偏光状態の測定には寄与しない。
【００４８】
このように、第２偏光分離部材３３は、第１偏光分離部材３２を介した光Ｌ２１を、互いに直交する偏光成分を持つ右廻り円偏光の光（不図示）と左廻り円偏光の光Ｌ３とに分離し、これらの光が互いに異なる方向に進行するように射出する。そして、第２偏光分離部材３３は、第１偏光分離部材３２を介した光Ｌ２２を、互いに直交する偏光成分を持つ右廻り円偏光の光Ｌ４と左廻り円偏光の光（不図示）とに分離し、これらの光が互いに異なる方向に進行するように射出する。ここで、光Ｌ３と光Ｌ４とに着目すると、第２偏光分離部材３３は、これらの光Ｌ３とＬ４とをｙ方向において互いに近づく向きに偏向していることになる。第２偏光分離部材３３の偏向部３３ａから射出された左廻り円偏光の光Ｌ３および右廻り円偏光の光Ｌ４は、１／４波長板３４を経て第３偏光分離部材３５に入射する。図９では、第３偏光分離部材３５、第４偏光分離部材３６および直線偏光子３７がｙｚ平面において光Ｌ３およびＬ４を偏向しないため、第３偏光分離部材３５乃至直線偏光子３７の図示を省略している。図９において破線で示すように、第３偏光分離部材３５乃至直線偏光子３７が介在しない場合、１／４波長板３４を経た光Ｌ３とＬ４とは、撮像面１３ａにおいて互いに同じ位置に入射する。
【００４９】
図１０を参照すると、第３偏光分離部材３５に入射した光Ｌ３およびＬ４は、その基板部３５ｂを透過し、一次元周期構造が形成された偏光分離部３５ａに達する。偏光分離部３５ａにより、光Ｌ３は右廻り円偏光の光Ｌ３１と左廻り円偏光の光Ｌ３２とに分離され、２つの光Ｌ３１およびＬ３２はｘ方向において互いに異なる向きに射出される。同様に、光Ｌ４は、偏光分離部３５ａにより、右廻り円偏光の光Ｌ４１と左廻り円偏光の光Ｌ４２とに分離され、２つの光Ｌ４１およびＬ４２はｘ方向において互いに異なる向きに射出される。
【００５０】
第３偏光分離部材３５の偏光分離部３５ａから射出された右廻り円偏光の光Ｌ３１，Ｌ４１および左廻り円偏光の光Ｌ３２，Ｌ４２は、第４偏光分離部材３６の基板部３６ｂを透過し、一次元周期構造が形成された偏向部３６ａに達する。偏向部３６ａにより、光Ｌ３１およびＬ４１は、右廻り円偏光の２つの光（不図示）と、左廻り円偏光の光Ｌ５１，Ｌ５２とに分離される。光Ｌ３２およびＬ４２は、右廻り円偏光の光Ｌ５３，Ｌ５４と、左廻り円偏光の２つの光（不図示）とに分離される。
【００５１】
光Ｌ３１およびＬ４１から分離された右廻り円偏光の２つの光および光Ｌ３２およびＬ４２から分離された右廻り円偏光の２つの光は、光路の外へ導かれ光の偏光状態の測定には寄与しない。このように、第４偏光分離部材３６は、第３偏光分離部材３５を介した光Ｌ３１を、右廻り円偏光の光（不図示）と、左廻り円偏光の光Ｌ５１とに分離し、これらの光が互いに異なる方向に進行するように射出すると共に、第３偏光分離部材３５を介した光Ｌ４１を、右廻り円偏光の光（不図示）と、左廻り円偏光の光Ｌ５２とに分離し、これらの光が互いに異なる方向に進行するように射出する。そして、第４偏光分離部材３６は、第３偏光分離部材３５を介した光Ｌ３２を、右廻り円偏光の光Ｌ５３と、左廻り円偏光の光（不図示）とに分離し、これらの光が互いに異なる方向に進行するように射出すると共に、第３偏光分離部材３５を介した光Ｌ４２を、右廻り円偏光の光Ｌ５４と、左廻り円偏光の光（不図示）とに分離し、これらの光が互いに異なる方向に進行するように射出する。ここで、４つの光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ４１，Ｌ４２に着目すると、第４偏光分離部材３６は、これらの光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ４１，Ｌ４２をｘ方向において互いに近づく向きに偏向していることになる。第４偏光分離部材３６の偏向部３６ａから射出された左廻り円偏光の光Ｌ５１，Ｌ５２および右廻り円偏光の光Ｌ５３，Ｌ５４は、直線偏光子３７を経て、撮像面１３ａにおいて互いに同じ位置に入射する。
【００５２】
以下、図１１を参照して、偏光位相素子１４を経た４つの光Ｌ５１〜Ｌ５４が撮像面１３ａにおいて互いに同じ位置に入射する条件について説明する。ただし、図１１では、説明の理解を容易にするために、第１偏光分離部材３２および第２偏光分離部材３３が満たすべき条件に着目している。４つの光Ｌ５１〜Ｌ５４が撮像面１３ａにおいて形成する干渉縞のｘ方向周期をｐｘ／２と決定すると、４つの光Ｌ５１〜Ｌ５４が撮像面１３ａにおいて互いに同じ位置に入射する条件は、次の式（７ａ）および（７ｂ）により表される。
【００５３】
式（７ａ），（７ｂ）において、ｐ１は第１偏光分離部材３２の偏光分離部３２ａのｙ方向ピッチであり、ｐ２は第２偏光分離部材３３の偏向部３３ａのｙ方向ピッチである。ｄ１は偏光分離部３２ａと偏向部３３ａとの間の空気換算距離であり、ｄ２は偏向部３３ａと撮像面１３ａとの間の空気換算距離であり、λは光の波長である。第３偏光分離部材３５および第４偏光分離部材３６が満たすべき条件も同様に求められる。
【００５４】
【数４】
2017072526.tif 000006
【００５５】
撮像素子１３により計測される強度縞画像Ｉ（ｘ，ｙ）は、次の式（８）により表される。式（８）において、Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３はストークスパラメータであり、ｐｙ／２は撮像面１３ａにおいて形成される干渉縞のｙ方向周期であり、ｃ.ｃ.は複素共役である。
【００５６】
【数５】
2017072526.tif 000007
【００５７】
式（８）で表される強度縞画像Ｉ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換すると、図１２に示す位置にスペクトルのピークＦ０，Ｆ２，Ｆ１３が得られる。スペクトルピークＦ０，Ｆ２，Ｆ１３次の式（９ａ），（９ｂ），（９ｃ）によりそれぞれ表される。図１２において、フーリエスペクトル空間の座標軸の横軸ｕはｘ軸に対応し、縦軸ｖはｙ軸に対応している。
【００５８】
【数６】
2017072526.tif 000008
【００５９】
本実施形態の偏光測定装置１では、投影光学系ＰＬを経た被検光が、開口部材１１の開口部１１ａおよびリレーレンズ１２を介して、偏光位相素子１４に入射する。偏光位相素子１４において、第１偏光分離部材３２は、１／４波長板３１を経て入射した光Ｌ２を、互いに直交する偏光成分を有する第１の光Ｌ２１および第２の光Ｌ２２に分離し、且つ第１の光Ｌ２１および第２の光Ｌ２２をｙ方向において互いに異なる向きに射出する。第２偏光分離部材３３は、第１偏光分離部材３２を経て入射した第１の光Ｌ２１および第２の光Ｌ２２を、ｙ方向において互いに近づく向きに偏向する。
【００６０】
第３偏光分離部材３５は、第２偏光分離部材３３により偏向されて１／４波長板３４を経た第１の光Ｌ３から、互いに直交する偏光成分を有し且つｘ方向において互いに異なる向きに射出される第３の光Ｌ３１および第４の光Ｌ３２を生成するとともに、第２偏光分離部材３３により偏向されて１／４波長板３４を経た第２の光Ｌ４から、互いに直交する偏光成分を有し且つｘ方向において互いに異なる向きに射出される第５の光Ｌ４１および第６の光Ｌ４２を生成する。第４偏光分離部材３６は、第３偏光分離部材３５を経て入射した第３の光Ｌ３１および第４の光Ｌ３２をｘ方向において互いに近づく向きに偏向し、且つ第５の光Ｌ４１および第６の光Ｌ４２をｘ方向において互いに近づく向きに偏向する。
【００６１】
第４偏光分離部材３６により偏向され直線偏光子３７を経た４つの光Ｌ５１〜Ｌ５４は、撮像素子１３の撮像面１３ａにおいて互いに同じ位置に入射して干渉縞を形成する。撮像素子１３は、撮像面１３ａに形成された強度縞画像を検出する。撮像素子１３により検出された被検光に関する強度縞画像Ｉｍ（ｘ，ｙ）の情報は、信号処理部１５に供給される。信号処理部１５は、被検光に関する強度縞画像Ｉｍ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換することにより、式（９ａ）〜（９ｃ）でそれぞれ表されるスペクトルピークＦ０，Ｆ２，Ｆ１３を得る。
【００６２】
本実施形態の偏光測定装置１では、被検光に関する強度縞画像Ｉｍ（ｘ，ｙ）の検出に先立って、参照光に関する強度縞画像Ｉｒ（ｘ，ｙ）を予め検出する。参照光として、例えば図４においてｙ軸と２２．５度をなす方向に偏光した直線偏光の光を用いることができる。信号処理部１５は、撮像素子１３から供給された参照光に関する強度縞画像Ｉｒ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換することにより、式（９ａ）〜（９ｃ）に対応する式でそれぞれ表されるスペクトルピークＧ０，Ｇ２，Ｇ１３を求め、これらのスペクトルピークＧ０，Ｇ２，Ｇ１３を記憶している。
【００６３】
信号処理部１５は、投影光学系ＰＬを経た被検光について随時検出した強度縞画像Ｉｍ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換することにより得られたスペクトルピークＦ０，Ｆ２，Ｆ１３と、内部記憶している参照光に関するスペクトルピークＧ０，Ｇ２，Ｇ１３とを用いて、次の式（１０ａ），（１０ｂ），（１０ｃ）によりそれぞれ表される規格化ストークスパラメータＳ１（ｘ，ｙ）／Ｓ０（ｘ，ｙ），Ｓ２（ｘ，ｙ）／Ｓ０（ｘ，ｙ），Ｓ３（ｘ，ｙ）／Ｓ０（ｘ，ｙ）を算出し、ひいては偏光状態画像（ストークスパラメータの空間分布画像）を得る。
【００６４】
【数７】
2017072526.tif 000009
【００６５】
以上のように、本実施形態にかかる偏光測定装置１では、随時検出した１つの強度縞画像だけを用いて、いわゆるスナップショット撮像により、投影光学系（結像光学系）ＰＬを経た光の偏光状態を迅速に測定し、ひいては投影光学系ＰＬの偏光特性を迅速に測定することができる。具体的には、撮像素子１３の撮像面１３ａが投影光学系ＰＬの瞳面と光学的に共役な位置に配置されているので、投影光学系ＰＬの瞳面における光の偏光状態を迅速に測定することができる。
【００６６】
また、偏光位相素子１４を経た４つの光Ｌ５１〜Ｌ５４が撮像面１３ａにおいて互いに同じ位置に入射するので、像の横ずれを抑えて良好な干渉縞を得ることができ、ひいては光の偏光状態を精度良く測定することができる。偏光測定装置１が測定した偏光状態に関する情報は、制御系ＣＲに供給される。制御系ＣＲは、投影光学系ＰＬの瞳面における光の偏光状態が所望の偏光状態であるか否かを確認し、必要に応じて、偏光設定部２０により投影光学系ＰＬの瞳面における光の偏光状態を調整する。
【００６７】
なお、上述の実施形態では、偏光位相素子１４を経た４つの光Ｌ５１〜Ｌ５４が、撮像素子１３の撮像面１３ａにおいて互いに同じ位置に入射している。しかしながら、撮像面において干渉縞を得るためには、偏光位相素子の第４偏光分離部材から射出される４つの光が撮像面において互いに同じ位置に入射する必要はなく、第４偏光分離部材から射出される４つの光の少なくとも一部が撮像面において互いに重畳すればよい。ただし、上述したように、４つの光が互いに同じ位置に入射しない場合、像の横ずれに起因して高精度の測定をすることができない。特に、インコヒーレントな光に適用する場合、４つの光が互いに同じ位置に入射しないと干渉縞自体が得られない。
【００６８】
また、上述の実施形態では、偏光分離部材３２および３５が、複数の構造複屈折タイプの半波長板要素を所定方向に沿って光学軸が変化するように配置した形態を有する。しかしながら、これに限定されることなく、偏光分離部材として、図１３に示すように、例えばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）により形成されたウォラストンプリズム４１を用いることができる。複屈折プリズムの形態を有するウォラストンプリズム４１は、偏光分離部材３２，３５と同様に、入射した光Ｌ６を互いに直交する偏光成分を有する２つの光、すなわち第１の直線偏光の光Ｌ６１および第２の直線偏光の光Ｌ６２に分離し、且つ第１の光Ｌ６１および第２の光Ｌ６２を所定方向において互いに異なる向きに射出する。分離された２つの光Ｌ６１とＬ６２とがなす角度２θの大きさは、複屈折プリズムの複屈折差と頂角とに依存する。偏光分離部材３２（３５）におけるｙ方向（ｘ方向）ピッチｐ１（ｐ２）と、角度θとの間には、ｐ１（ｐ２）＝λ／sinθの関係が成立する。
【００６９】
あるいは、偏光分離部材として、図１４に示すような液晶回折格子４２を用いることができる。液晶回折格子４２は、原理的には、偏光分離部材３２，３５において無数の構造複屈折タイプの半波長板要素を光学軸が連続的に変化するように配置した形態に対応している。その結果、液晶回折格子４２は、偏光分離部材３２，３５の場合と同様に、入射した光Ｌ７を互いに直交する偏光成分を有する２つの光、すなわち第１の右廻り円偏光の光Ｌ７１および第２の左廻り円偏光の光Ｌ７２に分離し、且つ第１の光Ｌ７１および第２の光Ｌ７２を所定方向において互いに異なる向きに射出する。ただし、液晶回折格子４２は、アゾベンゼンなどの有機材料により形成されるため、可視光に対しては適用可能であるが、ＡｒＦエキシマレーザ光のような紫外光には適用することができない。
【００７０】
また、上述の実施形態では、露光装置に搭載された投影光学系ＰＬの瞳と光学的に共役な位置に偏光測定装置１の撮像面１３ａを配置して、投影光学系ＰＬを経た光の偏光状態を、ひいては投影光学系ＰＬの瞳面における光の偏光状態を測定している。しかしながら、図１５に示すように、偏光照明光学系ＩＬ１により偏光照明される結像光学系ＰＬ１の像面の位置に偏光測定装置１Ａの撮像面１３ａを配置して、結像光学系ＰＬ１を経た光の偏光状態を、ひいては結像光学系ＰＬ１の像面または物体面における光の偏光状態を測定することもできる。この場合、結像光学系ＰＬ１は、露光装置に搭載される前の投影光学系であっても良いし、露光装置の投影光学系以外の結像光学系であっても良い。一般に、被検物体は、紫外光や可視光などを使用する光学系や光学部材である。
【００７１】
また、上述の実施形態では、構成部材３１〜３７を備えた偏光位相素子１４を用いることにより、撮像した１つの強度縞画像だけを用いて光の偏光状態を測定している。しかしながら、図１６に示すように、構成部材３１〜３７を備えた偏光位相素子１４から、１／４波長板３４、第３偏光分離部材３５および第４偏光分離部材３６を取り除き、且つ１／４波長板３１を光軸廻りに回転可能に設ける変形例も可能である。この変形例にかかる偏光位相素子１４Ａを備えた偏光測定装置では、光学軸が第１の方位角（例えば図１６におけるｘ方向）に設定された１／４波長板３１を経て入射した被検光について検出した第１の強度縞画像と、光学軸が第２の方位角（例えば図１６においてｘ方向およびｙ方向と４５度をなす方向）に変更された１／４波長板３１を経て入射した被検光について検出した第２の強度縞画像とを用いて、被検光の偏光状態を測定することができる。このように、図１６の変形例では、１／４波長板３１を光軸廻りに回転駆動する機構が必要になる。逆に言えば、実施形態にかかる偏光測定装置１は、機械的・電気的駆動を要することなく、コンパクトに構成することができる。
【００７２】
なお、図１６の変形例において、１／４波長板３１を他の構成部材３２〜３４，３７と一体的に設けてもよい。この場合には、構成部材３１〜３４，３７を光軸回りに回転させつつ２以上の強度縞画像を撮像すればよい。
【００７３】
上述の実施形態では、マスクの代わりに、所定の電子データに基づいて所定パターンを形成する可変パターン形成装置を用いることができる。なお、可変パターン形成装置としては、たとえば所定の電子データに基づいて駆動される複数の反射素子を含む空間光変調素子を用いることができる。空間光変調素子を用いた露光装置は、たとえば米国特許公開第２００７／０２９６９３６号公報に開示されている。また、上述のような非発光型の反射型空間光変調器以外に、透過型空間光変調器を用いても良く、自発光型の画像表示素子を用いても良い。
【００７４】
上述の実施形態の露光装置は、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、組み立てることで製造される。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等が含まれる。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っても良い。
【００７５】
次に、上述の実施形態にかかる露光装置を用いたデバイス製造方法について説明する。図１７は、半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図１７に示すように、半導体デバイスの製造工程では、半導体デバイスの基板となるウェハＷに金属膜を蒸着し（ステップＳ４０）、この蒸着した金属膜上に感光性材料であるフォトレジストを塗布する（ステップＳ４２）。つづいて、上述の実施形態の投影露光装置を用い、マスク（レチクル）Ｍに形成されたパターンをウェハＷ上の各ショット領域に転写し（ステップＳ４４：露光工程）、この転写が終了したウェハＷの現像、つまりパターンが転写されたフォトレジストの現像を行う（ステップＳ４６：現像工程）。
【００７６】
その後、ステップＳ４６によってウェハＷの表面に生成されたレジストパターンをマスクとし、ウェハＷの表面に対してエッチング等の加工を行う（ステップＳ４８：加工工程）。ここで、レジストパターンとは、上述の実施形態の投影露光装置によって転写されたパターンに対応する形状の凹凸が生成されたフォトレジスト層であって、その凹部がフォトレジスト層を貫通しているものである。ステップＳ４８では、このレジストパターンを介してウェハＷの表面の加工を行う。ステップＳ４８で行われる加工には、例えばウェハＷの表面のエッチングまたは金属膜等の成膜の少なくとも一方が含まれる。なお、ステップＳ４４では、上述の実施形態の投影露光装置は、フォトレジストが塗布されたウェハＷを感光性基板としてパターンの転写を行う。
【００７７】
図１８は、液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図１８に示すように、液晶デバイスの製造工程では、パターン形成工程（ステップＳ５０）、カラーフィルタ形成工程（ステップＳ５２）、セル組立工程（ステップＳ５４）およびモジュール組立工程（ステップＳ５６）を順次行う。ステップＳ５０のパターン形成工程では、プレートＰとしてフォトレジストが塗布されたガラス基板上に、上述の実施形態の投影露光装置を用いて回路パターンおよび電極パターン等の所定のパターンを形成する。このパターン形成工程には、上述の実施形態の投影露光装置を用いてフォトレジスト層にパターンを転写する露光工程と、パターンが転写されたプレートＰの現像、つまりガラス基板上のフォトレジスト層の現像を行い、パターンに対応する形状のフォトレジスト層を生成する現像工程と、この現像されたフォトレジスト層を介してガラス基板の表面を加工する加工工程とが含まれている。
【００７８】
ステップＳ５２のカラーフィルタ形成工程では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応する３つのドットの組をマトリックス状に多数配列するか、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルタの組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルタを形成する。ステップＳ５４のセル組立工程では、ステップＳ５０によって所定パターンが形成されたガラス基板と、ステップＳ５２によって形成されたカラーフィルタとを用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。具体的には、例えばガラス基板とカラーフィルタとの間に液晶を注入することで液晶パネルを形成する。ステップＳ５６のモジュール組立工程では、ステップＳ５４によって組み立てられた液晶パネルに対し、この液晶パネルの表示動作を行わせる電気回路およびバックライト等の各種部品を取り付ける。
【００７９】
また、上述の実施形態は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、上述の実施形態は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。
【００８０】
なお、上述の実施形態では、露光装置の投影光学系の偏光特性を測定したが、測定対象は露光装置の投影光学系には限定されない。例えば、リソグラフィプロセスを監視するために、パターンを与えられた基板のパラメータ、例えば基板中または基板上に形成された連続する層間のオーバレイエラー（重ね誤差）や、パターンのクリティカルディメンジョン（ＣＤ）、パターンの幅、パターンの高さ、パターン側面（側壁）の角度等を測定しても良い。
【００８１】
このような測定手法は、一例として、米国特許第７，５５７，９３４号、米国特許第７，５６４，５５５号、米国特許第７，９１６，９２７号、米国特許第８，１２０，００１号、米国特許公開第２０１２／２０６７０３Ａ１号、および米国特許公開第２０１３／０８３３０６Ａ１号に開示されており、ここでは、これらの公報の開示を援用する。
【００８２】
例えば、米国特許第７，５５７，９３４号に開示されるスキャトロメータに適用する場合、米国特許第７，５５７，９３４号の図５に示される検出器４５の位置に撮像面が位置するように、本実施形態の偏光測定装置を設ける。これにより、オーバーレイエラー（重ね誤差）、パターン線幅、ＣＤなどを測定することができる。
【００８３】
また、米国特許第７，５６４，５５５号に開示されるスキャトロメータに適用する場合、米国特許第７，５６４，５５５号の図３に示される検出器１８の位置に撮像面が位置するように、本実施形態の偏光測定装置を設ける。このとき、本実施形態における第１の１／４波長板３１〜直線偏光子３７は、米国特許第７，５６４，５５５号の図３における参照ビーム（要素１４および１６の双方を介したビーム）にかからないように、撮像面上に部分的に設ける。これにより、オーバーレイエラー（重ね誤差）などを測定することができる。
【００８４】
また、米国特許第７，９１６，９２７号に開示されるスキャトロメータに適用する場合、米国特許第７，９１６，９２７号の図３に示される検出器１８の位置に撮像面が位置するように、本実施形態の偏光測定装置を設ける。このとき、本実施形態における第１の１／４波長板３１〜直線偏光子３７は、米国特許第７，９１６，９２７号の図３における参照ビーム（要素１４および１６の双方を介したビーム）にかからないように、撮像面上に部分的に設ける。これにより、パターンのフォーカス計測およびドーズ（露光量）計測を行うことができる。
【００８５】
また、米国特許第８，１２０，００１号に開示されるスキャトロメータに適用する場合、米国特許第８，１２０，００１号の図２に示される検出器１８の位置に撮像面が位置するように、本実施形態の偏光測定装置を設ける。
【００８６】
また、米国特許公開第２０１２／２０６７０３Ａ１号に開示されるスキャトロメータに適用する場合、米国特許公開第２０１２／２０６７０３Ａ１号の図１０，図１２に示されるＣＣＤの位置に撮像面が位置するように、本実施形態の偏光測定装置を設ける。これにより、オーバーレイ計測（重ね計測）およびパターンの非対称性の計測が可能となる。
【００８７】
また、米国特許公開第２０１３／０８３３０６Ａ１号に開示されるスキャトロメータに適用する場合、米国特許公開第２０１３／０８３３０６Ａ１号の図５に示される検出器５１０，５１２および５１４の位置に撮像面が位置するように、本実施形態の偏光測定装置をそれぞれ設ける。これにより、オーバーレイ計測（重ね計測）およびパターンのＣＤ計測が可能となる。
【００８８】
また、アライメント装置に本実施形態の偏光測定装置を適用してもよい。このようなアライメント装置は、一例として、米国特許第７，６３３，６８９号および米国特許公開第２００９／０９７００８号に開示されており、ここでは、これらの公報の開示を援用する。ここで、米国特許第７，６３３，６８９号に開示されるアライメント装置に適用する場、米国特許第７，６３３，６８９号の図４に示される検出器４４６の位置に撮像面が位置するように、本実施形態の偏光測定装置を設ける。これにより、高精度なアライメントを行うことができる。
【００８９】
また、米国特許公開第２００９／０９７００８号に開示されるアライメント装置に適用する場合、米国特許公開第２００９／０９７００８号の図３に示される検出器１８の位置に撮像面が位置するように、本実施形態の偏光測定装置を設ける。このとき、本実施形態における第１の１／４波長板３１〜直線偏光子３７は、米国特許公開第２００９／０９７００８号の図３における参照ビーム（要素１４および１６の双方を介したビーム）にかからないように、撮像面上に部分的に設ける。これにより、高精度なアライメントを行うことができる。
【００９０】
また、パターンが形成された基板を斜め方向から直線偏光で照明し、その基板からの正反射光を受光光学系を介して検出し、受光光学系の像面に、本実施形態の偏光測定装置を配置する構成も可能である。この構成により、基板に形成されたパターンによる偏光状態の変化量が計測できる。この偏光状態の変化量は、パターンの状態、例えば線幅やパターン側面の角度、エッジラフネスの度合いに対応しているため、当該パターンの欠陥検査を行うことができる。
【００９１】
また、例えば米国特許第６，４８３，５８０号や第６，７３４，９６８号に開示されるエリプソメータに本実施形態の偏光測定装置を適用しても良い。これにより、基板表面に形成された膜（レジスト層等）の特性を検査することができる。
【００９２】
また、本実施形態の偏光測定装置を用いて、例えば液晶表示装置に用いられる偏光フィルムや位相差フィルム等の光学フィルムの光学軸を検査してもよい。また、生体の所定部位の表層の偏光画像を計測し、病変部等からの表出組織を識別するために、本実施形態の偏光測定装置を用いてもよい。
【００９３】
また、衛星や航空機を利用した地表の環境等の計測や、大気の状態の計測を行うリモートセンシングの分野にも、本実施形態の偏光測定装置を適用することができる。また、顕微鏡を介して標本を介した光の偏光特性を計測する手法にも、本実施形態の偏光測定装置を適用することができる。
【００９４】
したがって、上述の実施形態を検査装置として、以下のように記載することもできる。検査装置は、被検査物体を介した被検光を受光する受光光学系と、該受光光学系を介した前記被検光の偏光状態を測定する偏光測定装置とを備える。ここで、前記被検査物体を偏光照明する偏光照明光学系を備え、前記偏光測定装置は、前記被検査物体で正反射された前記偏光照明光学系からの正反射光を前記受光光学系を介して受光する。前記撮像素子の出力信号から、前記被検査物体で生じた偏光状態の変化量を算出する算出部を備える。前記算出部からの出力を用いて、前記被検査物体の欠陥を検査する。
【００９５】
あるいは、前記算出部からの出力を用いて、前記被検査物体に形成されたパターンを検査する。ここで、前記パターンのＣＤ、前記パターンの幅、前記パターンの高さ、また前記パターンの側壁の角度を検査する。あるいは、前記算出部からの出力を用いて、前記被検査物体に形成されたパターンの重ね合わせ状態を検査する。あるいは、前記算出部からの出力を用いて、前記被検査物体の表面に形成された膜の特性を検査する。
【００９６】
また、所定のパターンを基板上に露光することと、上述の検査装置を用いて、露光されたパターンを検査することと、前記露光されたパターンの検査結果を用いて、露光する際の露光条件を変更することと、を含む露光方法に対して、本発明を適用することができる。また、この露光方法を用いて、前記所定のパターンを前記基板に露光することと、前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、を含むことを特徴とするデバイス製造方法に対して、上述の実施形態を適用することができる。
【００９７】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【符号の説明】
【００９８】
ＬＳ  光源
ＩＬ  照明光学系
Ｍ  マスク
ＭＳ  マスクステージ
ＰＬ  投影光学系
Ｗ  ウェハ
ＷＳ  ウェハステージ
ＣＲ  制御系
１  偏光測定装置
１１  開口部材
１２  リレーレンズ
１３  撮像素子
１４  偏光位相素子
１５  信号処理部
２０  偏光設定部
３１，３４  １／４波長板
３２，３３，３５，３６  偏光分離部材
３７  直線偏光子
【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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【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】
2017072526.tif 000023
【図１５】
2017072526.tif 000024
【図１６】
2017072526.tif 000025
【図１７】
2017072526.tif 000026
【図１８】
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