(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定面に光強度分布を形成する複数のセルを備える計算機ホログラムであって、
前記複数のセルは、
等方性媒質と異方性媒質とからなる複数の第１のセルと、
等方性媒質からなる複数の第２のセルと、
異方性媒質からなる複数の第３のセルと、
を含み、
前記複数の第１のセルのそれぞれにおける等方性媒質及び前記複数の第２のセルのそれぞれにおける等方性媒質は、第１の方向の直線偏光成分に対する屈折率と前記第１の方向に直交する第２の方向の直線偏光成分に対する屈折率とが等しく、
前記複数の第１のセルのそれぞれにおける異方性媒質及び前記複数の第３のセルのそれぞれにおける異方性媒質は、前記第１の方向の直線偏光成分に対する屈折率と前記第２の方向の直線偏光成分に対する屈折率とが異なり、
前記複数の第１のセルのそれぞれにおける異方性媒質及び前記複数の第３のセルのそれぞれにおける異方性媒質は、構造複屈折を生じる周期構造であって、互いに異なる複数種類のフィリングファクターから選択される１つのフィリングファクターを有する周期構造で構成されていることを特徴とする計算機ホログラム。
【請求項２】
前記複数の第１のセルのそれぞれにおける異方性媒質及び前記複数の第３のセルのそれぞれにおける異方性媒質は、前記複数のセルのそれぞれに入射する入射光の波長よりも小さい周期を有する１次元の周期構造で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の計算機ホログラム。
【請求項３】
前記第１のセルにおける異方性媒質は、前記複数種類のフィリングファクターから選択される第１のフィリングファクターを有する周期構造で構成され、
前記第３のセルにおける異方性媒質は、前記複数種類のフィリングファクターから選択される第２のフィリングファクターを有する周期構造で構成され、
前記第１のセルにおける等方性媒質は、前記第１のフィリングファクターと前記第２のフィリングファクターとが異なることに起因する位相差を補正する厚さを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の計算機ホログラム。
【請求項４】
前記複数の第１のセルにおける異方性媒質のそれぞれは、前記複数種類のフィリングファクターから選択される第１のフィリングファクターを有する周期構造、又は、前記複数種類のフィリングファクターから選択される第２のフィリングファクターを有する周期構造で構成され、
前記複数の第１のセルにおける等方性媒質のそれぞれは、前記第１のフィリングファクターと前記第２のフィリングファクターとが異なることに起因する位相差を補正する厚さを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の計算機ホログラム。
【請求項５】
前記複数の第１のセルのそれぞれにおける異方性媒質及び前記複数の第３のセルのそれぞれにおける異方性媒質は、同じ厚さを有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の計算機ホログラム。
【請求項６】
前記複数の第１のセルのそれぞれにおける異方性媒質及び前記複数の第３のセルのそれぞれにおける異方性媒質は、前記第１の方向に周期方向を有する周期構造で構成される異方性媒質と、前記第２の方向に周期方向を有する周期構造で構成される異方性媒質と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の計算機ホログラム。
【請求項７】
前記複数のセルのそれぞれに入射する入射光は、前記第１の方向の直線偏光成分と、前記第２の方向の直線偏光成分と、を含むことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の計算機ホログラム。
【請求項８】
前記複数のセルのそれぞれに入射する入射光は、直線偏光であることを特徴とする請求項７に記載の計算機ホログラム。
【請求項９】
光源からの光でレチクルを照明する照明光学系と、
前記レチクルのパターンを基板に投影する投影光学系と、
を有し、
前記照明光学系は、請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の計算機ホログラムを含むことを特徴とする露光装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
露光された前記基板を現像するステップと、
を有することを特徴とするデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計算機ホログラム、露光装置及びデバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて半導体メモリや論理回路などの微細な半導体デバイスを製造する際に、投影露光装置が従来から使用されている。投影露光装置は、レチクル（マスク）に描画された回路パターンを投影光学系によってウエハ等の基板に投影して回路パターンを転写する。
【０００３】
投影露光装置の解像度Ｒは、露光光の波長λ、投影光学系の開口数（ＮＡ）及び現像プロセスなどによって定まるプロセス定数ｋ１を用いて、以下の数式１で与えられる。
【０００４】
【数１】
0005078765.tif 000002
【０００５】
従って、露光光の波長を短くすればするほど、或いは、投影光学系のＮＡを上げれば上げるほど、解像度はよくなる。但し、露光光の波長が短くなると硝材の透過率が低下するため、現在の露光光を更に短波長化することは困難である。また、投影光学系のＮＡに反比例して焦点深度が小さくなること、及び、高ＮＡの投影光学系を構成するためのレンズの設計及び製造は困難であることから、投影光学系の高ＮＡ化を進めることも難しい。
【０００６】
そこで、プロセス定数ｋ１を小さくすることにより解像度の向上を図る超解像技術（ＲＥＴ：Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）が提案されている。かかるＲＥＴの１つとして、変形照明法（又は斜入射照明法）と呼ばれるものがある。
【０００７】
変形照明法は、一般的に、光学系の光軸上に遮光板を有する開口絞りを、均一な面光源を形成するオプティカルインテグレータの射出面近傍に配置することによって、レチクルに対して露光光を斜めに入射させる。変形照明法は、開口絞りの形状（即ち、光強度分布の形状）に応じて、輪帯照明法や四重極照明法などを含む。また、変形照明法においては、露光光の利用効率（照明効率）を向上させるため、開口絞りの代わりに計算機ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  Ｈｏｌｏｇｒａｍ）を用いた技術も提案されている。
【０００８】
一方、投影光学系の高ＮＡ化に伴って、露光光の偏光状態を制御した偏光照明法も、投影露光装置の高解像度化には必要な技術となってきている。偏光照明法とは、基本的に、Ｓ偏光とＰ偏光のうち、光軸に対して同心円方向成分を有するＳ偏光のみを用いてレチクルを照明する照明法である。
【０００９】
近年では、変形照明法（所望の形状（例えば、四重極形状）を有する光強度分布の形成）と偏光照明法（偏光状態の制御）とを同時に実現する技術が提案されている（特許文献１乃至３参照）。
【００１０】
例えば、特許文献１は、変形照明法及び偏光照明法を１つの素子で実現する技術を開示している。特許文献１では、光強度分布の形状（再生像）をＣＧＨで制御すると共に、構造複屈折を用いて偏光状態を制御している。具体的には、同一の偏光方向の光に対応した複数のＣＧＨ（以下、「サブＣＧＨ」と称する）を並列に配置して１つのＣＧＨを構成し、偏光方向に応じた構造複屈折をサブＣＧＨ毎に適用している。
【００１１】
特許文献２は、サブＣＧＨに適用する偏光を制御する手段として偏光制御器を用いることで、所望の偏光を選択的に使用している。
【００１２】
特許文献３は、変形照明法及び偏光照明法で代表的に形成される四重極形状の光強度分布において、４つの極のバランスを制御することが可能な技術を開示している。具体的には、特許文献３は、ＣＧＨを４分割してサブＣＧＨを構成し、入射光の強度分布を変化させることで、ＣＧＨによる再生像の極のバランスを変化させることを可能としている。
【特許文献１】特開２００６−１９６７１５号公報
【特許文献２】特開２００６−４９９０２号公報
【特許文献３】特開２００６−５３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来技術では、１つのＣＧＨを複数に分割してサブＣＧＨを構成しているため、入射光の強度分布がオプティカルインテグレータで補正しきれていない場合（例えば、ＣＧＨの一部にしか光が入射しない場合）、再生像に照度ムラが生じてしまう。
【００１４】
また、複数のサブＣＧＨを組み合わせた場合、サブＣＧＨの境界で生じる構造の不連続性から不要な回折光が発生してしまうため、ＣＧＨによる再生像を劣化させてしまう。そこで、サブＣＧＨの境界で生じる構造の不連続性を設計で解消することも考えられるが、設計コストが非常に増大するという別の問題が生じてしまう。
【００１５】
また、偏光制御器で偏光を選択的に使用した場合、露光光源からの光（露光光）の利用効率（照明効率）が著しく低下してしまう（即ち、光量損失が大きくなってしまう）。
【００１６】
また、ＣＧＨは、一般的に、フーリエ変換を用いて無限に薄い素子として設計される。従って、ＣＧＨの設計や製造において、素子の薄型化は常に要求される課題である。更には、製造誤差を低減するために、少ない段数のＣＧＨで所望の位相分布を形成することが要求されている。
【００１７】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みて、照度ムラ及び光量損失を抑えると共に、所望の形状及び偏光状態の光強度分布（再生像）を形成することができる、製造上有利な段数の少ない計算機ホログラムを提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計算機ホログラムは、所定面に光強度分布を形成する複数のセルを備える計算機ホログラムであって、前記複数のセルは、等方性媒質と異方性媒質とからなる複数の第１のセルと、等方性媒質からなる複数の第２のセルと、異方性媒質からなる複数の第３のセルと、を含み、前記複数の第１のセルのそれぞれにおける等方性媒質及び前記複数の第２のセルのそれぞれにおける等方性媒質は、第１の方向の直線偏光成分に対する屈折率と前記第１の方向に直交する第２の方向の直線偏光成分に対する屈折率とが等しく、前記複数の第１のセルのそれぞれにおける異方性媒質及び前記複数の第３のセルのそれぞれにおける異方性媒質は、前記第１の方向の直線偏光成分に対する屈折率と前記第２の方向の直線偏光成分に対する屈折率とが異なり、前記複数の第１のセルのそれぞれにおける異方性媒質及び前記複数の第３のセルのそれぞれにおける異方性媒質は、構造複屈折を生じる周期構造であって、互いに異なる複数種類のフィリングファクターから選択される１つのフィリングファクターを有する周期構造で構成されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、例えば、照度ムラ及び光量損失を抑えると共に、所望の形状及び偏光状態の光強度分布（再生像）を形成する、製造上有利な段数の少ない計算機ホログラムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１は、本発明の一側面としての計算機ホログラム１００を説明するための図である。計算機ホログラム１００は、図１に示すように、入射光の波面を変化させて、所定面ＰＳ（例えば、アパーチャの位置）に光強度分布（再生像）ＬＩを形成する。また、計算機ホログラム１００は、第１の方向の直線偏光成分としてのＸ偏光の波面及び第２の方向の直線偏光成分としてのＹ偏光の波面のそれぞれについて互いに異なる位相分布を形成する。これにより、Ｘ偏光（入射光のＸ軸方向の偏光成分）が形成する第１の光強度分布ＬＩ１とＹ偏光（入射光のＹ軸方向の偏光成分）が形成する第２の光強度分布ＬＩ２とを異ならせることができる。ここで、第１の方向の直線偏光成分としてのＸ偏光は、Ｘ軸方向を偏光方向とする直線偏光であり、第２の方向の直線偏光成分としてのＹ偏光は、Ｙ軸方向を偏光方向とする直線偏光である。なお、第１の方向の直線偏光成分としてのＸ偏光と第２の方向の直線偏光成分としてのＹ偏光とは、互いに直交する偏光である。
【００２３】
以下、計算機ホログラム１００について具体的に説明する。図２は、計算機ホログラム１００を構成するセル構造を示す概略斜視図である。
【００２４】
入射光の波面を変化させて、Ｘ偏光の波面及びＹ偏光の波面のそれぞれについて互いに異なる位相分布を形成するためには、計算機ホログラム１００は、各偏光方向に対して波面を独立に制御する必要がある。計算機ホログラム１００として、Ｘ偏光の波面及びＹ偏光の波面のそれぞれについて４種類の位相を含む位相分布を形成する計算機ホログラムを考えると、２つの偏光方向のそれぞれに対して４値の位相を波面に与える必要がある。従って、計算機ホログラム１００のセル１１０においては、４×４＝１６種類のセル構造（即ち、複数のセル）が必要となる。図２に示す複数のセル１１０（セル１１０ａ乃至１１０ｇ）は、１６種類のセル構造のうち特徴的な７種類のセル構造を示している。計算機ホログラム１００は、図２に示すセル１１０ａ乃至１１０ｇを含む１６種類のセルを正方格子状に配列して構成されている。
【００２５】
複数のセル１１０は、図２に示すように、Ｘ偏光に対する屈折率とＹ偏光に対する屈折率とが等しい等方性媒質１１２及びＸ偏光に対する屈折率とＹ偏光に対する屈折率とが異なる異方性媒質１１４で構成される。詳細には、複数のセル１１０は、異方性媒質１１４からなるセル１１０ａ及び１１０ｂ（第３のセル）と、等方性媒質１１２と異方性媒質１１４とからなるセル１１０ｃ乃至１１０ｆ（第１のセル）と、等方性媒質１１２からなるセル１１０ｇ（第２のセル）とを含む。但し、等方性媒質１１２は、異方性媒質１１４と比較して、入射光の偏光状態を変化させなければよく、本実施形態では、Ｘ偏光に対する屈折率とＹ偏光に対する屈折率との差が０以上０．００１以下であれば等方性媒質とみなす。
【００２６】
異方性媒質１１４は、Ｘ偏光の波面とＹ偏光の波面との間に位相差を形成する媒質であって、異方性材料や構造複屈折を生じる周期構造（凹凸形状）などで構成することが可能である。異方性媒質１１４は、本実施形態では、０次以外の回折光の発生を防止するために、入射光の波長よりも小さい周期（ピッチ）Ｐを有する１次元の周期構造で構成されている。
【００２７】
異方性媒質１１４は、図２に示すように、第１の方向ＯＡ１に周期方向を有する周期構造の異方性媒質１１４ａと、第１の方向ＯＡ１に直交する第２の方向ＯＡ２に周期方向を有する周期構造の異方性媒質１１４ｂとを含む。これにより、Ｘ偏光の波面をＹ偏光の波面よりも進ませるセルとＸ偏光の波面をＹ偏光の波面よりも遅らせるセルとを実現することができる。
【００２８】
構造複屈折を生じる周期構造は、例えば、石英を用いた回折格子として特許文献１に開示されている。特許文献１には、波長１９３ｎｍに対して１．５６の屈折率を有する石英で、構造複屈折領域のデューティ比（フィリングファクター）を１：１（＝０．５）とする周期構造を構成した例を記載している。かかる周期構造において、周期構造の周期方向の屈折率ｎ⊥は１．１９、周期構造の周期方向に直交する方向の屈折率ｎＩＩは１．３１となる。
【００２９】
セル１１０ａ乃至１１０ｆのそれぞれにおける異方性媒質１１４は、互いに異なる複数種類のフィリングファクターから選択される１つのフィリングファクターを有する周期構造（凹凸形状）で構成される。具体的には、セル１１０ａ乃至１１０ｆのそれぞれにおける異方性媒質１１４は、位相分布が２段よりも多い位相レベル（２種類の位相を含む位相分布）、本実施形態では、４段で形成するような周期構造で構成される。
【００３０】
具体的には、セル１１０ａ及び１１０ｂにおける異方性媒質１１４の周期構造のフィリングファクターは０．９３である。また、セル１１０ｃ及び１１０ｄにおける異方性媒質１１４の周期構造のフィリングファクターは０．８３である。また、セル１１０ｅ及び１１０ｆにおける異方性媒質１１４の周期構造のフィリングファクターは０．５０である。なお、セル１１０ｇは、異方性媒質１１４を有していないが、０．００のフィリングファクターを有する周期構造の異方性媒質１１４を有しているとみなすこともできる。このように、各セルにおける異方性媒質１１４の周期構造のフィリングファクターを互いに異なるように選択（設定）する。これにより、異方性媒質１１４における周期構造の周期方向と周期方向に直交する方向との屈折率差が、セル１１０ａ及び１１０ｂと、セル１１０ｃ及び１１０ｄと、セル１１０ｅ及び１１０ｆと、セル１１０ｇとの間で、１：２：３：０となる。
【００３１】
異方性媒質でＸ偏光とＹ偏光との位相差を制御する場合、一般的には、異方性媒質の厚さを調整することでＸ偏光とＹ偏光との位相差を制御する。但し、異方性媒質を構造複屈折を生じる周期構造（凹凸形状）で構成した場合には、かかる周期構造のフィリングファクターを調整することでＸ偏光とＹ偏光との位相差を制御することができる。
【００３２】
また、本実施形態のように、屈折率差が１：２：３：０の関係になるフィリングファクターを選択（設定）すれば、全てのセルにおける異方性媒質の厚さを一定に維持したまま、Ｘ偏光とＹ偏光に１：２：３：０の位相差を付加することが可能となる。図２に示す計算機ホログラム１００においては、異方性媒質１１４は、セル１１０ａ乃至１１０ｆにおいて、一定の厚さ（同じ厚さ）を有している。
【００３３】
このように、複数のセル１１０のそれぞれは、互いに異なる複数種類のフィリングファクターから選択される１つのフィリングファクターを有する周期構造で構成された異方性媒質１１４を含む。等方性媒質のみで構成される従来の計算機ホログラムにおいて、フィリングファクターによって位相を制御する場合、入射光の偏光状態を変化させてしまうため、フィリングファクターによって位相を制御することは非常に困難である。一方、本実施形態の計算機ホログラム１００は、意図的に入射光の偏光状態を変化させる異方性媒質１１４を用いているため、フィリングファクターによって位相を制御することが可能となっている。
【００３４】
ここで、セル１１０ａ乃至１１０ｇにおける異方性媒質１１４の周期構造のフィリングファクターを上述したように選択（設定）することで、屈折率差が１：２：３：０となることについて、数値を用いて具体的に説明する。
【００３５】
セル１１０ａ及び１１０ｂにおける異方性媒質１１４の周期構造のフィリングファクターは、上述したように、０．９３である。従って、異方性媒質１１４の周期構造の周期方向の屈折率ｎ⊥０．９３は１．４９、異方性媒質１１４の周期構造の周期方向に直交する方向の屈折率ｎII０．９３は１．５３となる。また、異方性媒質１１４の周期構造の周期方向と周期方向に直交する方向との屈折率差Δｎ０．９３は０．０４となる。
【００３６】
セル１１０ｃ及び１１０ｄにおける異方性媒質１１４の周期構造のフィリングファクターは、上述したように、０．８３である。従って、異方性媒質１１４の周期構造の周期方向の屈折率ｎ⊥０．８３は１．４０、異方性媒質１１４の周期構造の周期方向に直交する方向の屈折率ｎII０．８３は１．４８となる。また、異方性媒質１１４の周期構造の周期方向と周期方向に直交する方向との屈折率差Δｎ０．８３は０．０８となる。
【００３７】
セル１１０ｅ及びセル１１０ｆにおける異方性媒質１１４の周期構造のフィリングファクターは、上述したように、０．５０である。従って、異方性媒質１１４の周期構造の周期方向の屈折率ｎ⊥０．５０は１．１９、異方性媒質１１４の周期構造の周期方向に直交する方向の屈折率ｎII０．５０は１．３１となる。また、異方性媒質１１４の周期構造の周期方向と周期方向に直交する方向との屈折率差Δｎ０．５０は０．１２となる。
【００３８】
セル１１０ｇは、上述したように、０．００のフィリングファクターを有する周期構造の異方性媒質１１４を有しているとみなすことができる。従って、異方性媒質１１４の周期構造の周期方向の屈折率ｎ⊥０．００は１．００、異方性媒質１１４の周期構造の周期方向に直交する方向の屈折率ｎII０．００は１．００となる。また、異方性媒質１１４の周期構造の周期方向と周期方向に直交する方向との屈折率差Δｎ０．００は０．００となる。
【００３９】
従って、異方性媒質１１４における周期構造の周期方向と周期方向に直交する方向との屈折率差が、セル１１０ａ及び１１０ｂと、セル１１０ｃ及び１１０ｄと、セル１１０ｅ及び１１０ｆと、セル１１０ｇとの間で、１：２：３：０となることが分かる。
【００４０】
図３を参照して、図２に示す計算機ホログラム１００のセル１１０を構成する異方性媒質１１４の厚さｈ０及び等方性媒質の厚さｈ１乃至ｈ３について説明する。図３は、Ｘ偏光とＹ偏光との位相の関係を示す概念図である。図３では、入射光が−Ｚ方向に進んでいるものとする。
【００４１】
図３（ａ）は、入射光に関する図であって、Ｘ０及びＹ０のそれぞれは、Ｘ偏光の位相及びＹ偏光の位相のそれぞれを定義（決定）するための電場ベクトルを示している。図３（ａ）を参照するに、Ｘ０及びＹ０のＺ座標は、Ｘ偏光の偏光成分の波面の位置及びＹ偏光の偏光成分の波面の位置を示していると考えることができる。また、図３（ａ）では、入射光がＸ偏光及びＹ偏光を含み、Ｘ偏光の位相とＹ偏光の位相が揃っているため、入射光が直線偏光であることも示している。
【００４２】
図３（ｂ）は、計算機ホログラム１００が形成する位相分布の位相を定義するための電場ベクトルを示している。図３（ｂ）において、Ｘ０’及びＹ０’のそれぞれは、Ｘ０及びＹ０に対応しており、Ｙ１乃至Ｙ３は、計算機ホログラム１００によってシフトされた位相を定義するための電場ベクトルを示している。従って、Ｙ０’のＸ０’に対する波面のずれは０、Ｙ１のＸ０’に対する波面のずれはＬ、Ｙ２のＸ０’に対する波面のずれは２Ｌ、Ｙ３のＸ０’に対する波面のずれは３Ｌとなる。
【００４３】
４種類の位相を含む位相分布を形成する計算機ホログラムは、一般的には、π／２（λ／４）、π（λ／２）、３π／２（３λ／４）及び０を使用する。Ｌの波面ずれに対応した位相差をπ／２（λ／４）とすると、２Ｌの波面ずれに対応した位相差はπ（λ／２）、３Ｌの波面ずれに対応した位相差は３π／２（３λ／４）となる。従って、位相差π／２（λ／４）、π（λ／２）、３π／２（３λ／４）及び０を、セル１１０ａ及び１１０ｂと、セル１１０ｃ及び１１０ｄと、セル１１０ｅ及び１１０ｆと、セル１１０ｇとで形成すればよい。これを実現するためには、図２に示す計算機ホログラム１００を構成するセル１１０における異方性媒質１１４は、以下の数式２で示される厚さｈ０を有すればよい。
【００４４】
【数２】
0005078765.tif 000003
【００４５】
波長１９３ｎｍ及び屈折率１．５６を用いて具体的に計算すると、異方性媒質１１４の厚さｈ０は、１２０６［ｎｍ］となる。
【００４６】
なお、位相差のみを考慮して周期構造のフィリングファクターを設定すると、例えば、セル１１０ａ及び１１０ｂ、セル１１０ｃ及び１１０ｄ、セル１１０ｅ及び１１０ｆ、及び、セル１１０ｇによって形成される位相は、Ｘ偏光でもＹ偏光でも揃っていない。従って、計算機ホログラム１００を構成するセル１１０ａ乃至１１０ｇにおいて、Ｘ偏光又はＹ偏光について位相を揃える必要がある。
【００４７】
位相を揃えるためには、Ｘ偏光の方向、即ち、周期構造の周期方向の屈折率ｎ⊥０．９３と屈折率ｎ⊥ｆｆ（ｆｆ＝０．８３、０．５０、０．００）との屈折率差に起因する波面のずれをキャンセル（補正）すればよい。従って、屈折率の低い、即ち、異方性媒質１１４における周期構造のフィリングファクターが小さいセル１１０ｃ乃至１１０ｇに等方性媒質１１２を付加すればよい。なお、セル１１０ｃ及び１１０ｄにおける等方性媒質１１２は、以下の数式３で示す厚さｈ１を有する。
【００４８】
【数３】
0005078765.tif 000004
【００４９】
波長１９３ｎｍ及び屈折率１．５６を用いて具体的に計算すると、セル１１０ｃ及び１１０ｄにおける等方性媒質１１２の厚さｈ１は、１９４［ｎｍ］となる。同様にして、セル１１０ｅ及び１１０ｆにおける等方性媒質１１２の厚さｈ２は、６４６［ｎｍ］となる。また、セル１１０ｇにおける等方性媒質１１２の厚さｈ３は、８６１［ｎｍ］となる。
【００５０】
このように、セル１１０ａ乃至１１０ｇのそれぞれは、Ｘ偏光及びＹ偏光に対して、（０，−π／２）、（−π／２，０）、（０，−π）、（−π，０）、（０，−３π／２）、（−３π／２，０）、（０，０）の位相変換を行うことが分かる。これで、計算機ホログラム１００を構成する１６種類のセル構造のうち７種類のセル構造について説明したことになる。また、１６種類のセル構造のうち残りの９種類のセル構造は、セル１１０ａ乃至１１０ｇに示されるセル構造に、Ｘ偏光とＹ偏光に同一の位相を与える構造、即ち、等方性媒質１１２を組み合わせることで構成する。
【００５１】
２種類の位相を含む位相分布を形成する計算機ホログラムだけを考えると、位相の進み及び遅れを示す位相の符号を任意に選択することができるため、符号について議論する必要はない。但し、本実施形態では、４種類の位相を含む位相分布を形成する計算機ホログラムを考えているため、位相の符号も必要となり、位相の符号を考慮して説明した。
【００５２】
ここで、各セルの異方性媒質１１４における周期構造のフィリングファクターが異なることに起因する位相差（位相のずれ）をキャンセル（補正）する具体的な例について説明する。
【００５３】
セル１１０ａは、上述したように、等方性媒質１１２を含まず、第１のフィリングファクターを有する周期構造で構成された異方性媒質１１４を含む。また、セル１１０ｃは、上述したように、厚さｈ１の等方性媒質１１２と、第２のフィリングファクターを有する周期構造で構成された異方性媒質１１４とを含む。この際、セル１１０ｃにおける等方性媒質１１２の厚さｈ１が第１のフィリングファクターと第２のフィリングファクターとが異なることに起因する位相差を補正する厚さとなるように、セル１１０ｃにおける等方性媒質１１２を構成する。
【００５４】
また、セル１１０ｃは、上述したように、厚さｈ１の等方性媒質１１２と、第１のフィリングファクターを有する周期構造で構成された異方性媒質１１４とを含む。セル１１０ｅは、上述したように、厚さｈ２の等方性媒質１１２と、第２のフィリングファクターを有する周期構造で構成された異方性媒質１１４とを含む。この際、等方性媒質１１２の厚さｈ２−厚さｈ１が第１のフィリングファクターと第２のフィリングファクターとが異なることに起因する位相差を補正する厚さとなるように、セル１１０ｃ及びセル１１０ｅにおける等方性媒質１１２を構成する。
【００５５】
図４は、４種類の位相を含む位相分布を形成する計算機ホログラム１００を構成するための１６種類のセル構造の構成要素を示す図である。図４を参照するに、各ボックスにおいて、１行目はＸ偏光及びＹ偏光の位相変換を示し、２行目は各セルにおける異方性媒質１１４のフィリングファクター（即ち、図２に示すセル１１０ａ乃至１１０ｇのうちどれを選択するか）を示している。縦０．９３、横０．９３、縦０．８３、横０．８３、縦０．５０、横０．５０及び０のそれぞれは、セル１１０ａ乃至１１０ｇに対応している。３行目は、等方性媒質１１２によって遅らせるＸ偏光及びＹ偏光の両方の位相の量を示している。ｉ＝０、１、２、３とし、位相をｉπ／２（ｉλ／４）遅らせるために必要な等方性媒質１１２の厚さＨｉは、以下の数式４で表される。
【００５６】
【数４】
0005078765.tif 000005
【００５７】
波長１９３ｎｍ及び屈折率１．５６を用いて具体的に計算すると、等方性媒質１１２の厚さＨｉは、Ｈ０＝０［ｎｍ］、Ｈ１＝８６［ｎｍ］、Ｈ２＝１７２［ｎｍ］、Ｈ３＝２５８［ｎｍ］となる。これで、計算機ホログラム１００を構成する１６種類のセル構造の全てについて説明したことになる。
【００５８】
計算機ホログラム１００を構成する複数のセル１１０のそれぞれにおいて、異方性媒質１１４における周期構造を互いに異なるフィリングファクターにすることで、異方性媒質１１４の段数を１段にする（異方性媒質１１４の厚さを同じにする）ことができる。これにより、少ない段数の計算機ホログラムで設計された位相分布を形成することが可能となり、製造誤差を低減させることができる。
【００５９】
これまで、４種類の位相を含む位相分布を形成する計算機ホログラムという表現を用いて説明してきたが、４種類の位相を含む位相分布とは、あくまで設計された計算機ホログラムが形成（生成）する位相分布である。従って、計算機ホログラムの製造誤差や異方性媒質の周期構造（凹凸形状）の周期（ピッチ）が荒いことに起因する位相のずれ、即ち、計算機ホログラムが形成する１段分の位相差未満のずれは、位相の種類に含める必要はない。換言すれば、計算機ホログラムが形成する位相分布に１段分未満の位相ずれが生じていても、同一の位相であるとみなす。
【００６０】
また、本実施形態では、計算機ホログラム１００のセル構造についてのみ説明したが、図２に示すように、構造複屈折を生じる周期構造が宙に浮いた状態となっており、この状態を保持することは難しい。そこで、実際には、セル１１０ａ乃至１１０ｇは、例えば、石英などの基板上に配置される。また、図２では、セル１１０ａ乃至１１０ｇの構成を分かり易くするために、異方性媒質（構造複屈折を生じる周期構造）を上方に、等方性媒質を下方に配置しているが、これらの配置は逆にしてもよく、製造方法に適した配置を選択することができる。
【００６１】
次に、計算機ホログラム１００の製造方法の一例について説明する。
【００６２】
まず、塗布装置を用いて、計算機ホログラム１００の基板に感光性樹脂（フォトレジスト）を均一に塗布する。
【００６３】
次いで、露光装置を用いて、所定の計算機ホログラムのパターンをフォトレジストに転写した後、現像装置を用いてフォトレジストを現像し、フォトレジストによる周期構造（凹凸形状のパターン）を形成する。
【００６４】
次に、反応性イオンエッチング装置を用いて、フォトレジストによる凹凸形状のパターンをエッチングマスクとしてドライエッチングを施し、所定の深さの溝を形成する。そして、溶剤又はガスを用いたアッシングによって、フォトレジストを除去する。
【００６５】
このような工程を経ることで、上述した計算機ホログラム１００を製造することができる。なお、本実施形態で説明した計算機ホログラム１００の製造方法は一例であり、上述した計算機ホログラム１００を製造できるのであれば、ナノインプリントなどの他の微細加工技術を用いてもよい。
【００６６】
以下、計算機ホログラム１００の具体的な設計例や計算機ホログラム１００を適用した露光装置について説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態では、Ｓ偏光による光強度分布をターゲット像とし、４種類の位相を含む位相分布を形成する計算機ホログラムの設計例を説明する。具体的には、計算機ホログラム１００が、図５に示すような照明形状の光強度分布（ターゲット像）ＬＩを形成する場合を説明する。図５は、計算機ホログラム１００が形成する光強度分布（ターゲット像）ＬＩの一例を示す図である。
【００６７】
図５に示す光強度分布ＬＩにおける偏光方向ＰＤは、複数の偏光方向ＰＤ１及びＰＤ２を含み、同心円方向に沿っている（即ち、Ｓ偏光になっている）。以下では、図４に示す１６種類のセル構造（セル）を用いて、図５に示す光強度分布ＬＩを形成する計算機ホログラム１００をどのように設計するのかを説明する。
【００６８】
まず、図５に示す光強度分布ＬＩを、強度比に応じてＸ偏光成分とＹ偏光成分とに分割する。但し、図５に示す光強度分布ＬＩはＸ偏光とＹ偏光に分割されている分布であるため、Ｘ偏光が形成する光強度分布ＬＩ１とＹ偏光が形成する光強度分布ＬＩ２とに分けて考えればよい。
【００６９】
次いで、分割されたＸ偏光成分及びＹ偏光成分のそれぞれの位相を偏光方向ＰＤに応じて決定する。但し、光強度分布ＬＩにおいて、光強度分布ＬＩ１と光強度分布ＬＩ２とは独立しているため、Ｘ偏光成分及びＹ偏光成分のそれぞれの位相を考慮する必要はない。
【００７０】
次いで、Ｘ偏光成分及びＹ偏光成分の強度及び位相に対応した計算機ホログラムを設計する。ここで、計算機ホログラムを設計するという表現を用いたが、Ｘ偏光及びＹ偏光のそれぞれに対応する光強度分布ＬＩ１及びＬＩ２は、点像を中心から１ピクセルずらしただけである。従って、Ｘ偏光成分及びＹ偏光成分の強度及び位相に対応した計算機ホログラムの位相分布は、図６に示すように、ブレーズド格子となる。図６（ａ）は、Ｘ偏光成分の強度及び位相（光強度分布ＬＩ１）に対応する計算機ホログラムの位相分布を示す図である。また、図６（ｂ）は、Ｙ偏光成分の強度及び位相（光強度分布ＬＩ２）に対応する計算機ホログラムの位相分布を示す図である。
【００７１】
そして、Ｘ偏光成分及びＹ偏光成分のそれぞれに対応して設計された２つの計算機ホログラム（図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す計算機ホログラム）を統合する。なお、計算機ホログラムの統合は、図４に示す１６種類のセル構造（セル）に基づいて行えばよい。
【００７２】
図７は、図６（ａ）に示す計算機ホログラムと図６（ｂ）に示す計算機ホログラムとを統合させた計算機ホログラム１００の各セルの厚さを示す図である。白黒の濃淡が各セルの厚さ（Ｚ方向）を表しており、色が白に近い方が厚く、黒に近い方が薄いことを示している。図７に示す数値は、計算機ホログラム１００における各セルの厚さを示しており、単位はμｍである。但し、図７に示す数値は、波長１９３ｎｍに対する屈折率が１．５６の石英で異方性媒質１１４（周期構造）を構成した場合の例である。図７に示す計算機ホログラム１００のセルの配置は、図４に示す１６種類のセル構造の配置に一致している。
【００７３】
第１の実施形態では、計算機ホログラム１００に入射させる入射光を直線偏光としている。但し、図５に示す光強度分布（ターゲット像）ＬＩは、Ｘ偏光及びＹ偏光のみの偏光方向（例えば、偏光方向ＰＤ１及びＰＤ２）を含むため、入射光のＸ偏光とＹ偏光とが同じ振幅であれば、Ｘ偏光とＹ偏光との位相差は任意に設定（選択）することが可能である。従って、Ｘ偏光とＹ偏光とが同じ振幅であれば、入射光は、円偏光、楕円偏光又は無偏光であってもよい。
【００７４】
第１の実施形態では、互いに異なる複数種類のフィリングファクターから選択される１つのフィリングファクターを有する周期構造でセル１１０ａ乃至１１０ｇにおける異方性媒質１１４を構成している。これにより、異方性媒質１１４の段数を１段にする（即ち、異方性媒質１１４の厚さを同じにする）ことができる。従って、少ない段数の計算機ホログラムで設計された位相分布を形成することが可能となり、製造誤差を低減させることができる。
【００７５】
このように、第１の実施形態によれば、照度ムラ及び光量損失を抑えると共に、所望の形状及び偏光状態の光強度分布（再生像）を形成する計算機ホログラムを提供することができる。
［第２の実施形態］
第２の実施形態では、Ｓ偏光による輪帯形状の光強度分布をターゲット像とし、４種類の位相を含む位相分布を形成する計算機ホログラムの設計例を説明する。
【００７６】
第１の実施形態では、Ｘ偏光とＹ偏光に位相差を与える際に、図３に示す位相の関係を用いた。図３に示す位相の関係を用いて位相変換を行うと、上述したように、最大で３π／２（３λ／４）の位相差を、Ｘ偏光とＹ偏光に与える必要がある。しかしながら、位相は２πの周期性を有しているため、３π／２（３λ／４）の位相変換は、−π／２（―λ／４）の位相変換と同等である。従って、３π／２（３λ／４）の位相変換の代わりに、−π／２（―λ／４）の位相変換を用いることで、Ｘ偏光とＹ偏光に与える最大の位相差をπ（λ／２）にすることができる。
【００７７】
図８は、Ｘ偏光とＹ偏光との位相の新たな関係を示す概念図である。図８では、入射光が−Ｚ方向に進んでいるものとする。
【００７８】
図８（ａ）は、入射光に関する図であって、Ｘ０及びＹ０のそれぞれは、Ｘ偏光の位相及びＹ偏光の位相のそれぞれを定義（決定）するための電場ベクトルを示している。図８（ａ）を参照するに、Ｘ０及びＹ０のＺ座標は、Ｘ偏光の偏光成分の波面の位置及びＹ偏光の偏光成分の波面の位置を示していると考えることができる。
【００７９】
図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す入射光に対して、計算機ホログラム１００が形成する位相分布の位相を定義するための電場ベクトルを示している。図３（ｂ）において、Ｘ０’及びＹ０’のそれぞれは、Ｘ０及びＹ０に対応しており、Ｙ１乃至Ｙ３は、計算機ホログラム１００によってシフトされた位相を定義するための電場ベクトルを示している。Ｙ３は、位相差３π／２（３λ／４）に対応している。また、Ｙ３’は、位相差３π／２（３λ／４）の代わりに用いた位相差−π／２（−λ／４）に対応している。Ｘ０’を基準とすると、Ｙ２、Ｙ１、Ｙ０’及びＹ３’は、±２Ｌの範囲、即ち、位相にしてπ（λ／２）の範囲に入っていることがわかる。
【００８０】
図８（ｃ）は、入射光に関する図であって、Ｘ０及びＹ０のそれぞれは、Ｘ偏光の位相及びＹ偏光の位相のそれぞれを定義（決定）するための電場ベクトルを示している。図８（ｃ）を参照するに、Ｘ０は−Ｘ方向を向いているため、Ｘ偏光の偏光成分はＹ偏光の偏光成分より遅れていることを示している。Ｘ０及びＹ０のＺ座標は、Ｘ偏光の偏光成分の波面の位置及びＹ偏光の偏光成分の波面の位置を示していると考えることができる。
【００８１】
図８（ｄ）は、図８（ｃ）に示す入射光に対して、計算機ホログラム１００が形成する位相分布の位相を定義するための電場ベクトルを示している。
【００８２】
図８（ｃ）では、波面のずれＬの半分の波面のずれＬ’に相当する位相差π／４（λ／８）を入射光に与えていることを示している。その結果、図８（ｄ）に示すように、Ｘ０’を基準とすると、Ｙ２、Ｙ１、Ｙ０’及びＹ３’は、±３Ｌ／２Ｌの範囲、即ち、位相にして３π／４（３λ／８）の範囲に入っていることがわかる。これは、位相差π／４（λ／８）を与えた右回りの楕円偏光を入射光とすることで、計算機ホログラムによるＸ偏光とＹ偏光の位相差の最大値が３π／４（３λ／８）になることを意味する。
【００８３】
図８（ａ）及び（ｃ）では、入射光の位相差について説明したが、これは、ターゲット像がＸ偏光又はＹ偏光の偏光方向と異なる偏光方向を含む場合（例えば、輪帯照明など）には、必要となる条件である。上述したように、ターゲット像がＸ偏光及びＹ偏光のみの偏光方向を含む場合、入射光のＸ偏光とＹ偏光とが同じ振幅であれば、Ｘ偏光とＹ偏光との位相差は任意に設定（選択）することが可能である。従って、Ｘ偏光とＹ偏光とが同じ振幅であれば、入射光は、円偏光、楕円偏光又は無偏光であってもよい。この場合であっても、計算機ホログラムによるＸ偏光とＹ偏光の位相差の最大値は３π／４（３λ／８）となる。
【００８４】
図９は、計算機ホログラム１００を構成する１６種類のセル構造のうち４種類のセル構造を示す概略斜視図である。図９に示すセル１１０ａ１乃至１１０ｄ１は、図８（ｃ）及び（ｄ）に示す位相の関係に対応した４種類のセル構造を示している。
【００８５】
セル１１０ａ１及び１１０ｃ１における異方性媒質１１４は、フィリングファクターが０．９３の周期構造（凹凸形状）で構成されている。また、セル１１０ｂ１及び１１０ｄ１における異方性媒質１１４は、フィリングファクターが０．５０の周期構造（凹凸形状）で構成されている。
【００８６】
セル１１０ａ１乃至１１０ｄ１における異方性媒質１１４の厚さｈ０’は、全て同じである。従って、セル１１０ａ１及び１１０ｃ１が形成するＸ偏光とＹ偏光の位相差とセル１１０ｂ１及び１１０ｄ１が形成するＸ偏光とＹ偏光の位相差との比は、１：３となる。なお、セル１１０ａ１及び１１０ｂ１における異方性媒質１１４の周期構造の周期方向ＯＡ１’とセル１１０ｃ１及び１１０ｄ１における異方性媒質１１４の周期構造の周期方向ＯＡ２’とは、互いに直交する。
【００８７】
異方性媒質１１４の厚さｈ０’は、位相差３π／４（３λ／８）を形成する位相板の厚さであって、以下の数式５で表される。
【００８８】
【数５】
0005078765.tif 000006
【００８９】
波長１９３ｎｍ及び屈折率１．５６を用いて具体的に計算すると、異方性媒質１１４の厚さｈ０’は、６０３［ｎｍ］となる。
【００９０】
なお、位相差のみを考慮して異方性媒質１１４における周期構造のフィリングファクターを設定すると、例えば、セル１１０ａ１及び１１０ｂ１によって形成される位相は、Ｘ偏光でもＹ偏光でも揃っていない。従って、計算機ホログラム１００を構成するセル１１０ａ１乃至１１０ｄ１において、Ｘ偏光又はＹ偏光について位相を揃える必要がある。ここでは、Ｘ偏光について位相を揃える場合について説明する。
【００９１】
Ｘ偏光について位相を揃えるためには、Ｘ偏光の方向、即ち、異方性媒質１１４における周期構造の周期方向の屈折率ｎ⊥０．５０と屈折率ｎ⊥０．９３との屈折率差に起因する波面のずれをキャンセル（補正）すればよい。従って、屈折率の低い、即ち、異方性媒質１１４における周期構造のフィリングファクターが０．５であるセル１１０ｂ１及び１１０ｄ１に等方性媒質１１２を付加すればよい。なお、セル１１０ｂ１及び１１０ｄ１における等方性媒質１１２の厚さｈ１’は、数式３から求めることができる。波長１９３ｎｍ及び屈折率１．５６を用いて具体的に計算すると、等方性媒質１１２の厚さｈ１’は、４３［ｎｍ］となる。
【００９２】
図１０は、４種類の位相を含む位相分布を形成する計算機ホログラムを構成するための１６種類のセルの構成要素を示す図である。図１０を参照するに、各ボックスにおいて、１行目はＸ偏光及びＹ偏光の位相変換を示し、２行目は各セルにおける異方性媒質１１４のフィリングファクター（即ち、図９に示すセル１１０ａ１乃至１１０ｄ１のうちどれを選択するか）を示している。縦０．９３、縦０．５０、横０．９３及び横０．５０のそれぞれは、セル１１０ａ１乃至１１０ｄ１に対応している。３行目は、等方性媒質１１２によって遅らせるＸ偏光及びＹ偏光の両方の位相の量を示している。ｉ＝０、１、２、・・・とし、位相をｉπ／４（ｉλ／８）遅らせるために必要な等方性媒質１１２の厚さＨｉ’は、以下の数式６で表される。
【００９３】
【数６】
0005078765.tif 000007
【００９４】
波長１９３ｎｍ及び屈折率１．５６を用いて具体的に計算すると、等方性媒質１１２の厚さＨｉは、Ｈ０＝０［ｎｍ］、Ｈ１＝４３［ｎｍ］、Ｈ２＝８６［ｎｍ］、・・・となる。なお、４種類の位相を含む位相分布を形成する計算機ホログラムの１６種類のセル構造の構成要素を示す図１０の配置は、図４の配置と一致している。
【００９５】
以下、図１１に示すような輪帯形状の光強度分布（ターゲット像）ＬＩを形成する計算機ホログラムの設計例を具体的に説明する。図１１は、計算機ホログラム１００が形成する輪帯形状の光強度分布（ターゲット像）ＬＩの一例を示す図である。
【００９６】
図１１に示す光強度分布ＬＩにおける偏光方向ＰＤは、複数の偏光方向ＰＤ１乃至ＰＤ４を含み、同心円方向に沿っている（即ち、Ｓ偏光になっている）。以下では、図１０に示す１６種類のセル構造（セル）を用いて、図１１に示す光強度分布ＬＩを形成する計算機ホログラム１００をどのように設計するのかを説明する。
【００９７】
まず、図１１に示す光強度分布ＬＩを、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、強度比に応じてＸ偏光成分とＹ偏光成分とに分割する。図１２（ａ）及び（ｂ）は、図１１に示す光強度分布ＬＩを強度比に応じて分割した場合のＸ偏光成分の強度及びＹ偏光成分の強度を示す図である。図１１に示す光強度分布ＬＩのように、ターゲット像がＸ偏光又はＹ偏光以外の偏光方向を含む場合、例えば、偏光方向ＰＤ３やＰＤ４を含んでいる場合には、ターゲット像の強度（即ち、振幅）だけではなく、位相も考慮する必要がある。
【００９８】
次いで、分割されたＸ偏光成分及びＹ偏光成分のそれぞれの位相を偏光方向ＰＤに応じて決定する。第２の実施形態では、所定面ＰＳにおいてＸ偏光の位相とＹ偏光の位相とが揃っている場合を基準に考えるため、＋Ｘ方向と＋Ｙ方向とを含む偏光方向（例えば、偏光方向ＰＤ４）では、Ｘ偏光とＹ偏光との位相を等しくする必要がある。また、＋Ｘ方向と−Ｙ方向とを含む偏光方向（例えば、偏光方向ＰＤ３）では、Ｘ偏光とＹ偏光との位相をπずらす必要がある。
【００９９】
図１３（ａ）及び（ｂ）は、図１１に示す光強度分布ＬＩを強度比に応じて分割した場合のＸ偏光成分（図１２（ａ））の位相及びＹ偏光成分（図１２（ｂ））の位相を示す図である。なお、図１３（ａ）及び（ｂ）は、所定面ＰＳの各領域（ピクセル）における組み合わせの一例を示している。
【０１００】
次いで、Ｘ偏光成分及びＹ偏光成分の強度及び位相に対応した計算機ホログラムを設計する。図１４（ａ）は、図１２（ａ）及び図１３（ａ）のそれぞれに示すＸ偏光成分の強度及び位相に対応するように、ダイレクト・バイナリー・サーチ（ＤＢＳ）で設計された計算機ホログラムの位相分布を示す図である。また、図１４（ｂ）は、図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）のそれぞれに示すＹ偏光成分の強度及び位相に対応するように、ＤＢＳで設計された計算機ホログラムの位相分布を示す図である。
【０１０１】
そして、Ｘ偏光成分及びＹ偏光成分のそれぞれに対応して設計された２つの計算機ホログラム（図１４（ａ）及び（ｂ）に示す計算機ホログラム）を統合する。なお、計算機ホログラムの統合は、図１０に示す１６種類のセル構造（セル）に基づいて行えばよい。
【０１０２】
図１５は、図９に示すセル１１０ａ１乃至１１０ｄ１を選択して、図１４（ａ）に示す計算機ホログラムと図１４（ｂ）に示す計算機ホログラムとを統合させた計算機ホログラム１００の各セルの厚さを示す図である。白黒の濃淡が各セルの厚さ（Ｚ方向）を表しており、色が白に近い方が厚く、黒に近い方が薄いことを示している。図１５に示す数値は、計算機ホログラム１００における各セルの厚さを示しており、単位はμｍである。但し、図１５に示す数値は、波長１９３ｎｍに対する屈折率が１．５６の石英で異方性媒質１１４（周期構造）を構成した場合の例である。
【０１０３】
図１５に示す計算機ホログラム１００は、Ｘ偏光がＹ偏光より位相にしてπ／４（λ／８）遅れている右回りの楕円偏光が入射された場合に、４種類の位相を含む位相分布を形成し、図１１に示す光強度分布ＬＩを再生像として形成する。
【０１０４】
第２の実施形態では、入射光のＸ偏光とＹ偏光に適切な位相差を与えることで、計算機ホログラムの厚さをλ／２位相板よりも薄くすることができる。
【０１０５】
このように、第２の実施形態によれば、照度ムラ及び光量損失を抑えると共に、所望の形状及び偏光状態の光強度分布（再生像）を形成する計算機ホログラムを提供することができる。
【０１０６】
また、第１の本実施形態及び第２の実施形態では、計算機ホログラムを構成するセルの数が少ない場合を例に説明したが、計算機ホログラムのセルの数を増加させても所望の形状及び偏光状態の光強度分布を形成することができる。計算機ホログラムを構成するセルの数を増加させることで、光強度分布（ターゲット像）を分割するピクセルサイズが小さくなり、なめらかな形状の光強度分布を形成することが可能となる。
【０１０７】
また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、２種類又は４種類の位相を含む位相分布を形成する計算機ホログラムについて説明した。但し、２種類又は４種類以外（例えば、３種類、８種類又は１６種類など）の位相を含む位相分布を形成する計算機ホログラムも同様にして構成することができることは言うまでもない。
【０１０８】
また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、異方性媒質として周期構造（凹凸形状）という表現を用いたが、これは媒質と空気とが入射光の波長以下の周期（ピッチ）で交互に並んでいる構造のことである。空気を他の媒質に置換し、互いに異なる２つの媒質を入射光の波長以下の周期で交互に並べた構造であっても、素子の厚さを変更することで上述した周期構造と同等の機能を得ることが可能となる。従って、異方性媒質における周期構造は、空気と媒質に限らず、互いに異なる２つの媒質で構成されていてもよい。
［第３の実施形態］
第３の実施形態では、図１６を参照して、本発明に係る計算機ホログラム１００を適用した露光装置１について説明する。図１６は、本発明の一側面としての露光装置１の構成を示す図である。
【０１０９】
露光装置１は、本実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル２０のパターンをウエハ４０に露光する投影露光装置である。但し、露光装置１は、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式も適用することができる。
【０１１０】
露光装置１は、図１６に示すように、照明装置１０と、レチクル２０を支持するレチクルステージ（不図示）と、投影光学系３０と、ウエハ４０を支持するウエハステージ（不図示）とを有する。
【０１１１】
照明装置１０は、転写用の回路パターンが形成されたレチクル２０を照明し、光源１６と、照明光学系１８とを有する。
【０１１２】
光源１６は、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどのエキシマレーザーを使用する。但し、光源１６は、エキシマレーザーに限定されず、波長約１５７ｎｍのＦ２レーザーや狭帯域化した水銀ランプなどを使用してもよい。
【０１１３】
照明光学系１８は、光源１６からの光を用いてレチクル２０を照明する光学系であり、本実施形態では、所定の照度を確保しながら所定の偏光状態でレチクル２０を変形照明する。照明光学系１８は、引き回し光学系１８１と、ビーム整形光学系１８２と、偏光制御部１８３と、位相制御部１８４と、射出角度保存光学素子１８５と、リレー光学系１８６と、多光束発生部１８７と、計算機ホログラム１００とを含む。また、照明光学系１８は、リレー光学系１８８と、アパーチャ１８９と、ズーム光学系１９０と、多光束発生部１９１と、開口絞り１９２と、照射部１９３とを含む。
【０１１４】
引き回し光学系１８１は、光源１６からの光を偏向してビーム整形光学系１８２に導光する。ビーム整形光学系１８２は、光源１６からの光の断面形状の寸法の縦横比率を所望の値に変換して（例えば、断面形状を長方形から正方形にして）、光源１６からの光の断面形状を所望の形状に整形する。ビーム整形光学系１８２は、多光束発生部１８７を照明するために必要な大きさ及び発散角を有する光束を形成する。
【０１１５】
偏光制御部１８３は、直線偏光子などで構成され、不要な偏光成分を除去する機能を有する。偏光制御部１８３で除去（遮光）される偏光成分を最小限にすることで、光源１６からの光を効率よく所望の直線偏光にすることができる。
【０１１６】
位相制御部１８４は、偏光制御部１８３によって直線偏光となった光を、計算機ホログラム１００に適した光（入射光）に変換する。位相制御部１８４は、例えば、λ／４の位相差を与えて円偏光に変換したり、λ／４未満の位相差を与えて楕円偏光に変換したり、位相差を与えずに直線偏光を維持したりする。
【０１１７】
射出角度保存光学素子１８５は、例えば、オプティカルインテグレータ（複数の微小レンズより構成されるハエの目レンズやファイバー束等）で構成され、一定の発散角度で光を射出する。
【０１１８】
リレー光学系１８６は、射出角度保存光学素子１８５から射出した光を多光束発生部１８７に集光する。射出角度保存光学素子１８５の射出面と多光束発生部１８７の入射面は、リレー光学系１８６によって、互いにフーリエ変換の関係（物体面と瞳面又は瞳面と像面の関係）になっている。
【０１１９】
多光束発生部１８７は、計算機ホログラム１００を均一に照明するためのオプティカルインテグレータ（複数の微小レンズより構成されるハエの目レンズやファイバー束等）で構成される。多光束発生部１８７の射出面は、複数の点光源からなる光源面を形成する。多光束発生部１８７から射出された光は、計算機ホログラム１００に入射する。
【０１２０】
計算機ホログラム１００は、リレー光学系１８８を介して、アパーチャ１８９の位置に、所望の光強度分布（例えば、図５や図１１に示すような光強度分布ＩＬ）を形成する。計算機ホログラム１００は、上述した通りのいかなる形態をも適用可能であり、ここでの詳細な説明は省略する。
【０１２１】
アパーチャ１８９は、計算機ホログラム１００によって形成される光強度分布のみを通過させる機能を有する。計算機ホログラム１００とアパーチャ１８９とは、互いにフーリエ変換面の関係になるように配置されている。
【０１２２】
ズーム光学系１９０は、計算機ホログラム１００によって形成される光強度分布を所定の倍率で拡大して多光束発生部１９１に投影する。
【０１２３】
多光束発生部１９１は、照明光学系１８の瞳面に配置され、アパーチャ１８９の位置に形成された光強度分布に対応した光源像（有効光源分布）を射出面に形成する。多光束発生部１９１は、本実施形態では、ハエの目レンズやシリンドリカルレンズアレイなどのオプティカルインテグレータで構成される。なお、多光束発生部１９１の射出面近傍には、開口絞り１９２が配置される。
【０１２４】
照射部１９３は、コンデンサー光学系等を有し、多光束発生部１９１の射出面に形成される有効光源分布でレチクル２０を照明する。
【０１２５】
レチクル２０は、回路パターンを有し、図示しないレチクルステージに支持及び駆動される。レチクル２０から発せされた回折光は、投影光学系３０を介して、ウエハ４０に投影される。露光装置１は、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であるため、レチクル２０とウエハ４０とを走査することによって、レチクル２０のパターンをウエハ４０に転写する。
【０１２６】
投影光学系３０は、レチクル２０のパターンをウエハ４０に投影する光学系である。投影光学系３０は、屈折系、反射屈折系、或いは、反射系を使用することができる。
【０１２７】
ウエハ４０は、レチクル２０のパターンが投影（転写）される基板であり、図示しないウエハステージに支持及び駆動される。但し、ウエハ４０の代わりにガラスプレートやその他の基板を用いることもできる。ウエハ４０には、フォトレジストが塗布されている。
【０１２８】
計算機ホログラム１００は、１つの偏光方向の波面だけではなく、全面にわたってＸ偏光の波面及びＹ偏光の波面のそれぞれについて互いに異なる位相分布を形成するため、光量損失を実質的に発生させることなく、光強度分布を形成することができる。
【０１２９】
露光において、光源１６から発せられた光は、照明光学系１８によってレチクル２０を照明する。レチクル２０のパターンを反映する光は、投影光学系３０によってウエハ４０上に結像する。露光装置１が使用する照明光学系１８は、計算機ホログラム１００によって、照明ムラ及び光量損失を抑えると共に、所望の形状及び偏光状態の光強度分布を形成することができる。従って、露光装置１は、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。かかるデバイスは、露光装置を用いてフォトレジスト（感光剤）が塗布された基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、露光された基板を現像する工程と、その他の周知の工程と、を経ることによって製造される。
【０１３０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明の一側面としての計算機ホログラムを説明するための図である。
【図２】図１に示す計算機ホログラムを構成するセル構造を示す概略斜視図である。
【図３】Ｘ偏光とＹ偏光との位相の関係を示す概念図である。
【図４】図１に示す計算機ホログラムを構成するための１６種類のセル構造の構成要素を示す図である。
【図５】図１に示す計算機ホログラムが形成する光強度分布（ターゲット像）の一例を示す図である。
【図６】図５に示す光強度分布（ターゲット像）のＸ偏光成分及びＹ偏光成分のそれぞれに対応する計算機ホログラムの位相分布を示す図である。
【図７】図６に示す２つの計算機ホログラムを統合させた計算機ホログラムの各セルの厚さを示す図である。
【図８】Ｘ偏光とＹ偏光との位相の新たな関係を示す概念図である。
【図９】図１に示す計算機ホログラムを構成する１６種類のセル構造のうち４種類のセル構造を示す概略斜視図である。
【図１０】４種類の位相を含む位相分布を形成する計算機ホログラムを構成するための１６種類のセルの構成要素を示す図である。
【図１１】図１に示す計算機ホログラムが形成する輪帯形状の光強度分布（ターゲット像）の一例を示す図である。
【図１２】図１１に示す光強度分布を強度比に応じて分割した場合のＸ偏光成分の強度及びＹ偏光成分の強度を示す図である。
【図１３】図１１に示す光強度分布ＬＩを強度比に応じて分割した場合のＸ偏光成分の位相及びＹ偏光成分の位相を示す図である。
【図１４】図１２及び図１３のそれぞれに示すＸ偏光成分及びＹ偏光成分の強度及び位相に対応して設計された計算機ホログラムの位相分布を示す図である。
【図１５】図１４に示す２つの計算機ホログラムを統合させた計算機ホログラムの各セルの厚さを示す図である。
【図１６】本発明の一側面としての露光装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１                                  露光装置
１０                                照明装置
１６                                光源
１８                                照明光学系
１８１                              引き回し光学系
１８２                              ビーム整形光学系
１８３                              偏光制御部
１８４                              位相制御部
１８５                              射出角度保存光学素子
１８６                              リレー光学系
１８７                              多光束発生部
１８８                              リレー光学系
１８９                              アパーチャ
１９０                              ズーム光学系
１９１                              多光束発生部
１９２                              開口絞り
１９３                              照射部
１９４                              λ／４位相板
２０                                レチクル
３０                                投影光学系
４０                                ウエハ
１００                              計算機ホログラム
１１０、１１０ａ乃至１１０ｇ        セル
１１２                              等方性媒質
１１４、１１４ａ、１１４ｂ          異方性媒質
ＰＳ                                所定面
ＬＩ                                光強度分布
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１６】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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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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