JP2006253241A - 露光方法及び装置、並びにデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 格子状に配列されたパターンを転写する際に、広い焦点深度を確保した上で解像度を向上する。
【解決手段】 格子状に配列されたパターンをそれぞれ囲むように位相反転型の補助パターンを形成したマスクパターンを用意する。そのマスクパターンを照明する照明光学系の瞳面ＰＩＬにおける二次光源をσ値の小さい４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄ、又は十字型の二次光源２２にするとともに、二次光源２１Ａ〜２１Ｄ又は２２からの照明光の偏光状態を光軸ＡＸから放射方向に直線偏光となるように設定する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、格子状に配列された複数のパターンを投影光学系を介して物体上に転写するための露光技術に関し、例えば２次元格子状に配列されたコンタクトホール用のパターンをウエハ等の物体上に転写するためのデバイス製造工程中で使用して好適なものである。

例えば半導体デバイスの製造工程の一つであるリソグラフィ工程においては、レチクルやフォトマスク等のマスクに形成されているパターンを感光体としてのレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上に転写露光するために、露光装置が使用されている。露光装置としては、ステッパー等の一括露光型（静止露光型）の投影露光装置やスキャニングステッパー等の走査露光型の投影露光装置（走査型露光装置）などが使用されている。

これらの露光装置においては、解像度を高めるために投影光学系の開口数が次第に大きくなるとともに、露光波長が次第に短波長化して来ている。現在は露光光源として主にＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）等のエキシマレーザ光源が用いられている。ところが、単に開口数を大きくして露光波長を短くすると、投影光学系の焦点深度は許容範囲よりも狭くなる恐れがある。そこで、所定の焦点深度を確保した上で解像度を高めることができる露光方法として、位相シフトマスクを用いる露光方法や（例えば特許文献１参照）、輪帯照明等を用いる変形照明法などが提案されている。
特公昭６２−５０８１１号公報

半導体デバイスの製造工程中で高い解像度が必要とされる工程の一つに、２次元格子状に配列された多数の微細な開口パターンであるコンタクトホールをウエハ上に形成する工程がある。このコンタクトホールのパターンを露光する工程においても、焦点深度を確保した上で解像度を高めるために、従来より位相シフトマスクを用いることが提案されている。

最近はデバイスの集積度が一層向上しており、コンタクトホールについてもその配列ピッチの微細化が進んでいる。しかしながら、コンタクトホールの配列ピッチがより微細化した状態で位相シフトマスクを適用すると、光量の大きい回折光が投影光学系の瞳から外れてしまい、像コントラスト、ひいては解像度が低下するという問題があった。
本発明はかかる点に鑑み、コンタクトホール用のパターンのような格子状に配列されたパターンを転写する際に、或る程度の焦点深度を確保した上で解像度を向上できる露光技術及びデバイス製造技術を提供することを目的とする。

本発明による露光方法は、格子状に配列された複数の第１パターン（３１；３２Ａ〜３２Ｄ）を投影光学系（ＰＬ）を介して物体（Ｗ）上に転写露光する露光方法において、複数のその第１パターンの近傍にそれぞれその第１パターンに対して位相が異なる第２パターン（３３；３４Ａ〜３４Ｄ）を配置する工程と、照明光学系（１〜９）からの露光ビームで複数のその第１パターン及びその第２パターンを照明するに際して、その照明光学系の瞳面上で光軸（ＡＸ）からずれた領域を含む変形領域におけるその露光ビームの光量を他の領域よりも高める工程と、複数のその第１パターンの像をその投影光学系を介してその物体上に投影する工程とを含むものである。

かかる本発明によれば、その第２パターンを配置することによって、その第１パターンからの結像光束のうちの０次光の光量を小さくできるため、焦点深度を向上できる。さらに、その０次光の光量が小さくなることによって他の回折光の光量が増加するが、その第１パターンのピッチが微細であるときには、通常の照明方式ではその回折光はその投影光学系の瞳の外に出てしまう恐れがある。本発明では、その光軸からずれた領域を含む変形領域からの露光ビームを用いることによって、その光量の増加した回折光を投影光学系の瞳内に追い込むことが可能になるため、解像度を向上できる。従って、格子状に微細なピッチで配列されたパターンを転写する際に、或る程度の焦点深度を確保した上で解像度を向上できる。

本発明において、一例として、その照明光学系の瞳面上のその変形領域は、その光軸を囲む輪帯領域（２３）である。
また、別の例として、複数のその第１パターンが、互いに直交する第１及び第２方向（Ｘ方向及びＹ方向）に沿って配置されている場合、その照明光学系の瞳面上のその変形領域は、その第１及び第２方向に対応する方向にそれぞれ離れて配置された４個の領域（２１Ａ〜２１Ｄ）、又はその第１及び第２方向に対応する方向にそれぞれ細長い十字型の領域（２２）からなるものでもよい。

このように複数のその第１パターンが互いに直交する第１及び第２方向に沿って配置されている場合には、その光量が増加する回折光は、その投影光学系の瞳からその第１方向及び第２方向にずれていることがある。この際に、その変形領域がその輪帯領域、その離れた４個の領域、又は十字型の領域である場合には、その光量が増加する回折光をその投影光学系の瞳内に追い込むことができるため、解像度が向上する。

さらに本発明において、その露光ビームの偏光状態を、その照明光学系の瞳面上で実質的にその光軸から放射方向に直線偏光となるように設定してもよい。このとき、その光量が増加する回折光を０次光に対して対称な２つの回折光とすると、その２つの回折光によって形成されるパターンの周期方向はその光軸に対して円周方向となる。従って、その露光ビームの偏光状態をその光軸から放射方向に直線偏光にすることによって、その円周方向を周期方向とするパターンの像コントラストを向上できるため、全体として格子状の複数の第１パターンの像の解像度を向上できる。

また、その照明光学系の瞳面上のその変形領域はコヒーレンスファクタの最大値が０．７を超えないこととしてもよい。本発明では、その光量が増加する回折光をその投影光学系の瞳内に追い込めばよいだけであるため、その変形領域の光軸からのずれ量は通常の変形照明の場合よりも小さくてよい。
さらに、その照明光学系の瞳面上のその変形領域はコヒーレンスファクタの最大値が０．５を超えないこととしてもよい。

また、複数のその第１パターン（３１）が互いに同じ位相であり、その第２パターン（３３）がその第１パターンに対して反転した位相であるときに、一例としてその照明光学系の瞳面上のその変形領域は、その第２パターンの追加によって光量が大きくなった回折光（２４Ｆ，２４Ｉ）の少なくとも一部をその投影光学系の瞳内に追い込むように設定される。これはその第１パターンのピッチが比較的細かい場合に有効である。

また、複数のその第１パターン（３２Ａ〜３２Ｄ）が互いに直交する第１及び第２方向に沿って配置されるとともに、複数のその第１パターンはその第１及び第２方向に沿って順次位相が反転するパターンであるときに、一例としてその第２パターン（３４Ａ〜３４Ｄ）の位相は、最も近いその第１パターンの位相に対して反転しており、その照明光学系の瞳面上のその変形領域は、その第２パターンの追加によって光量が大きくなった回折光（２５Ｊ，２５Ｍ）の少なくとも一部をその投影光学系の瞳内に追い込むように設定される。これはその第１パターンのピッチが比較的粗い場合に有効である。

また、本発明において、複数のその第１パターン（３１）は互いに直交する第１及び第２方向に沿って配置されるとともに、その第１及び第２方向の少なくとも一方で複数のその第１パターンの密集度が中程度であるとき、その少なくとも一方の方向に関してその第１パターンの両側にその第２パターン（３３）が配置され、かつ隣接する２つのその第１パターンの間に配置されるその第２パターンが１つであってもよい。

また、本発明において、複数のその第１パターン（３２Ａ〜３２Ｄ）は互いに直交する第１及び第２方向に沿って配置されるとともに、その第１及び第２方向の少なくとも一方で複数のその第１パターンの密集度が低いとき、その少なくとも一方の方向に関してその第１パターン毎にその両側に異なるその第２パターン（３４Ａ〜３４Ｄ）が配置され、かつその複数の第１及び第２パターンは順次位相が反転してもよい。

次に、本発明の露光装置は、照明光学系（２〜９）からの露光ビームで所定パターンを照明し、そのパターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介して物体（Ｗ）上に投影する露光装置において、その所定パターンが、格子状に配列された複数の第１パターン（３１；３２Ａ〜３２Ｄ）とこの第１パターンの近傍にそれぞれ配置されてその第１パターンに対して位相が異なる第２パターン（３３；３４Ａ〜３４Ｄ）とを含むときに、複数のその第１パターン及びその第２パターンの配置に応じて、その照明光学系の瞳面上で光軸（ＡＸ）からずれた領域を含む変形領域におけるその露光ビームの光量を他の領域よりも高める照明条件制御系（１２，１３，６，６０〜６４）を備えたものである。

本発明によれば、その第２パターンを用いることによって０次光を弱くして焦点深度を向上できる。さらに、その変形領域からの露光ビームを用いることによって、その第２パターンの存在によって光量が増加する回折光をその投影光学系の瞳内に追い込むことが可能になるため、解像度を向上できる。
本発明において、一例としてその照明光学系の瞳面上のその変形領域は、その光軸を囲む輪帯領域（２３）である。

また、別の例として、複数のその第１パターンが、互いに直交する第１及び第２方向（Ｘ方向及びＹ方向）に沿って配置されている場合、その照明光学系の瞳面上のその変形領域は、その第１及び第２方向に対応する方向にそれぞれ離れて配置された４個の領域（２１Ａ〜２１Ｄ）、又はその第１及び第２方向に対応する方向にそれぞれ細長い十字型の領域（２２）からなるものでもよい。

さらに、その露光ビームの偏光状態を、その照明光学系の瞳面上で実質的にその光軸から放射方向に直線偏光となるように設定する偏光制御系（１０，１２，１４〜１６）をさらに備えてもよい。これによって、さらに像コントラスト（解像度）を向上できる。
また、その照明条件制御系は、一例としてその照明光学系の瞳面上のその変形領域のコヒーレンスファクタの最大値が０．７を超えないように制御する。

次に、本発明によるデバイス製造方法は、本発明の露光方法又は露光装置を用いて回路パターンを感光体上に転写する露光工程を含むものである。本発明によれば、その露光工程において、格子状に配列されたパターンを転写する際に、或る程度の焦点深度を確保した上で解像度を向上できるため、コンタクトホールのようなパターンを含むデバイスを高い歩留まりで製造できる。また、本発明のデバイス製造方法は、フラッシュメモリ又はＣＰＵを製造する際にも適用できる。

本発明によれば、第１パターン及び第２パターンを組み合わせて用いることによって、焦点深度を広くできる。さらに、照明光学系の瞳面上で光軸からずれた領域を含む変形領域における露光ビームの光量を他の領域よりも高めることによって、その第１パターンの像の解像度を向上できる。従って、格子状に配列されたパターンを転写する際に、或る程度の焦点深度を確保した上で解像度を向上できる。

また、その露光ビームの偏光状態を、その照明光学系の瞳面上で実質的にその光軸から放射方向に直線偏光となるように設定することで、さらに解像度を向上できる。

以下、本発明の好ましい実施形態の一例につき図面を参照して説明する。本例は、格子状に配列されたコンタクトホール用のパターンを転写する際に本発明を適用したものである。
図１は、本例の露光装置の構成を概略的に示す図である。図１において、感光性基板（感光体）であるウエハＷの法線方向に沿ってＺ軸を、ウエハ面内において図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、ウエハ面内において図１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。

本実施形態の露光装置は、露光ビームとしての照明光（露光光）を供給するためのレーザ光源１を備えている。レーザ光源１（露光光源）として、本例では波長１９３ｎｍの光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源を用いているが、その他に例えば波長２４８ｎｍの光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源、Ｆ₂ レーザ光源（波長１５７ｎｍ）、又はＹＡＧレーザや固体レーザ（半導体レーザ等）の高調波発生装置なども使用できる。

レーザ光源１からＺ方向に沿って射出されたほぼ平行な光束は、Ｘ方向に沿って細長く延びた矩形状の断面を有し、一対のレンズ２ａ及び２ｂからなるビームエキスパンダ２に入射する。各レンズ２ａ及び２ｂは、第１図の紙面内（ＹＺ平面内）において負の屈折力及び正の屈折力をそれぞれ有する。従って、ビームエキスパンダ２に入射した光束は、第１図の紙面内において拡大され、所定の矩形状の断面を有する光束に整形される。整形光学系としてのビームエキスパンダ２を介したほぼ平行な光束は、折り曲げミラー３でＹ方向に偏光された後、位相部材１０、デポラライザ（非偏光化素子）２０、及び回折光学素子４を介して、アフォーカルズームレンズ５に入射する。位相部材１０及びデポラライザ２０の構成及び作用については後述する。一般に、回折光学素子は、基板に入射する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、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（又はフラウンホーファー回折領域）に円形状の光強度分布を形成する機能を有する。

従って、回折光学素子４から射出される光束は、アフォーカルズームレンズ５の瞳位置に円形状の光強度分布、すなわち円形状の断面を有する光束を形成する。回折光学素子４は、照明光路から退避可能に構成されている。アフォーカルズームレンズ５は、アフォーカル系（無焦点光学系）を維持しながら所定の範囲で倍率を連続的に変化させることができるように構成されている。アフォーカルズームレンズ５を介した光束は、輪帯照明用の回折光学素子６に入射する。アフォーカルズームレンズ５は、回折光学素子４の発散原点と回折光学素子６の回折面とを光学的にほぼ共役に結んでいる。そして、回折光学素子６の回折面又はその近傍の面の一点に集光する光束の関口数は、アフォーカルズームレンズ５の倍率に依存して変化する。

輪帯照明用の回折光学素子６は、平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドにリング状の光強度分布を形成する機能を有する。回折光学素子６は、照明光路に対して挿脱自在に構成され、かつ通常の４極照明用の回折光学素子６０、通常よりもコヒーレンスファクタ（σ値）が小さい４極照明用の回折光学素子６１、２次光源が十字型の照明用の回折光学素子６２、σ値が小さい小σ照明用の回折光学素子６３、及び２次光源が円形の通常照明用の回折光学素子６４と切り換え可能に構成されている。回折光学素子６，６０〜６４の構成及び作用については後述する。

回折光学素子６から射出された光束は、照明光学系の光軸ＡＸに沿ってズームレンズ７に入射する。ズームレンズ７の後側焦点面の近傍には、マイクロレンズアレイ（又はフライアイレンズ）８の入射面が位置決めされている。マイクロレンズアレイ８は、縦横にかつ稠密に配列された多数の正屈折力を有する微小レンズからなる光学素子である。一般に、マイクロレンズアレイは、例えば平行平面板にエッチング処理を施して微小レンズ群を形成することによって構成される。

ここで、マイクロレンズアレイ８を構成する各微小レンズは、フライアイレンズを構成する各レンズエレメントよりも微小である。また、マイクロレンズアレイ８は、互いに隔絶されたレンズエレメントからなるフライアイレンズとは異なり、多数の微小レンズ（微小屈折面）が互いに隔絶されることなく一体的に形成されている。しかしながら、正屈折力を有するレンズ要素が縦横に配置されている点でマイクロレンズアレイ８はフライアイレンズと同じ波面分割型のオプティカルインテグレータである。

上述したように、回折光学素子４を介してアフォーカルズームレンズ５の瞳位置に形成される円形状の光強度分布からの光束は、アフォーカルズームレンズ５から射出された後、様々な角度成分を有する光束となって回折光学素子６に入射する。すなわち、回折光学素子４は、角度光束形成機能を有するオプティカルインテグレータを構成している。一方、回折光学素子６は、平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドにリング状の光強度分布を形成する光束変換素子としての機能を有する。従って、回折光学素子６から射出される光束は、ズームレンズ７の後側焦点面に（ひいてはマイクロレンズアレイ８の入射面に）、例えば光軸ＡＸを中心とした輸帯状の照野を形成する。

マイクロレンズアレイ８の入射面に形成される輸帯状の照野の外径は、ズームレンズ７の焦点距離に依存して変化する。このように、ズームレンズ７は、回折光学素子６とマイクロレンズアレイ８の入射面とを実質的にフーリエ変換の関係に結んでいる。マイクロレンズアレイ８に入射した光束は二次元的に分割され、マイクロレンズアレイ８の後側焦点面である照明光学系の瞳面（以下、「照明系瞳面」と言う）ＰＩＬには、図２（Ａ）に示すように、入射光束によって形成される照野と同じ輪帯状の多数光源（以下、「二次光源」という）２３が形成される。二次光源は、他の領域よりも照明光の光量が多い領域ともみなすことができ、その二次光源が輪帯領域のように光軸ＡＸから偏心した領域を含むときに、その二次光源を変形領域とみなすことができる。

ここで、照明光学系の開口数を、投影光学系ＰＬの物体側（マスク側）の開口数ＮＡ_OBに対する比率であるコヒーレンスファクタ（σ値）を用いて表すとともに、照明系瞳面ＰＩＬにおける二次光源の大きさをその照明光学系の開口数に換算して表すものとする。このとき、照明光学系の開口数のσ値が１であるときには、その開口数は投影光学系ＰＬの物体側の開口数ＮＡ_OBに等しい。後述のようにコンタクトホール用のパターンを転写する際に輪帯照明を使用する場合には、一例として本例の輪帯状の二次光源２３の外側の半径は約０．３ＮＡ_OBであり、その内側の半径は約０．２ＮＡ_OBである。また、その輪帯状の二次光源２３の外側の半径は０．７ＮＡ_OB以下（コヒーレンスファクタが０．７以下）であり、さらに０．５ＮＡ_OB以下（コヒーレンスファクタが０．５以下）であることが望ましい。即ち、二次光源２３は半径が０．７ＮＡ_OBの円周２３Ｍ内に収まっている。このように通常の輪帯照明よりもσ値が小さくてよい理由は、本例では変形領域を二次光源とする照明と位相シフトマスクとを併用するからである（詳細後述）。

図１に戻り、マイクロレンズアレイ８の後側焦点面（照明系瞳面ＰＩＬ）に形成された輪帯状の二次光源からの光束は、コンデンサー光学系９の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたレチクル又はフォトマスクよりなるマスクＭを重畳的に照明する。マスクＭのパターン面（下面）の近傍には視野絞り（不図示）が配置されている。なお、コンデンサー光学系９内で一度結像を行って、その結像面の近傍に視野絞りを配置してもよい。本例では、ビームエキスパンダ２からコンデンサー光学系９までの光学部材を含んで照明光学系が構成されている。

マスクＭのパターンを透過した光束は、光軸ＡＸ１の投影光学系ＰＬを介して、感光性基板（感光体）であるフォトレジストが塗布されたウエハＷ上にマスクパターンの像を形成する。ウエハＷ上の一つのショット領域の大きさを３３ｍｍ角として、投影光学系ＰＬの倍率を１／４とすると、マスクＭのパターン形成領域の大きさは１３２（＝３３×４）ｍｍ角となる。また、投影光学系ＰＬの瞳ＰＰＬ（前述の開口数ＮＡ_OBに対応する領域）は、不図示の開口絞りによって規定されている。投影光学系ＰＬの瞳ＰＰＬの位置と照明系瞳面ＰＩＬとは共役である。そして、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ１と直交する平面（ＸＹ平面）内においてウエハＷを二次元的に駆動制御しながら一括露光又はスキャン露光を行うことにより、ウエハＷの各ショット領域（区画領域）にはマスクＭのパターンの像が逐次露光される。

本実施形態では、アフォーカルズームレンズ５の倍率が変化すると、図２（Ａ）の輪帯状の二次光源２３の中心高さ（輪帯の中心線の光軸ＡＸからの距離）が変化することなく、その幅（外径と内径との差の１／２）だけが変化する。すなわち、アフォーカルズームレンズ５の倍率を変化させることにより、輪帯状の二次光源２３の大きさ（外径）及びその形状（輪帯比：内径／外径）をともに変更することができる。
また、ズームレンズ７の焦点距離が変化すると、輪帯状の二次光源２３の輪帯比が変化することなく、中心高さ及びその幅がともに変化する。すなわち、ズームレンズ７の焦点距離を変化させることにより、輸帯状の二次光源の輪帯比を変更することなくその外径を変更することができる。以上より、本実施形態では、アフォーカルズームレンズ５の倍率とズームレンズ７の焦点距離とを適宜変化させることにより、輪帯状の二次光源の外径を変化させることなくその輪帯比だけを変更することができる。

なお、回折光学素子６に代えて回折光学素子６０を照明光路中に設定することによって４極照明を行うことができる。４極照明用の回折光学素子６０は、平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドに４点状の光強度分布を形成する機能を有する。従って、回折光学素子６０を介した光束は、マイクロレンズアレイ８の入射面に、例えば光軸ＡＸを中心とした４つの円形状の照野からなる４極状の照野を形成する。その結果、図２（Ｂ）に示すように、マイクロレンズアレイ８の後側焦点面（照明系瞳面ＰＩＬ）にも、その入射面に形成された照野と同じ４極状の二次光源が形成される。

４極照明においても輪帯照明の場合と同様に、アフォーカルズームレンズ５の倍率を変化させることにより、４極状の二次光源の外径（４つの円形状の面光源に外接する円の直径）Ｄｏ及び輪帯比（４つの円形状の面光源に内接する円の直経Ｄｉ／４つの円形状の面光源に外接する円の直径Ｄｏ）をともに変更することができる。また、ズームレンズ７の焦点距離を変化させることにより、４極状の二次光源の輪帯比を変更することなくその外径を変更することができる。その結果、アフォーカルズームレンズ５の倍率とズームレンズ７の焦点距離とを適宜変化させることにより、４極状の二次光源の外径を変化させることなくその輪帯比だけを変更することができる。

また、回折光学素子４を照明光路から退避させるとともに、回折光学素子６に代えて通常の円形照明用の回折光学素子６４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。この場合、アフォーカルズームレンズ５には光輪ＡＸに沿って矩形状の断面を有する光束が入射する。アフォーカルズームレンズ５に入射した光束は、その倍率に応じて拡大又は縮小され、矩形状の断面を有する光束のまま光軸ＡＸに沿ってアフォーカルズームレンズ５から射出され、回折光学素子６４に入射する。

ここで、円形照明用の回折光学素子６４は、回折光学素子４と同様に、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。従って、回折光学素子６４により形成された円形光束は、ズームレンズ７を介して、マイクロレンズアレイ８の入射面において光軸ＡＸを中心とした円形状の照野を形成する。その結果、マイクロレンズアレイ８の後側焦点面にも、光軸ＡＸを中心とした円形状の二次光源が形成される。この場合、アフォーカルズームレンズ５の倍率又はズームレンズ７の焦点距離を変化させることにより、円形状の二次光源の外径を適宜変更することができる。また、回折光学素子６４に代えて回折光学素子６３を照明光の光路上に配置することによって、図３（Ｃ）に示すようにマイクロレンズアレイ８の後側焦点面（照明系瞳面ＰＩＬ）における二次光源１７の半径のσ値が例えば０．２５の小σ照明を行うことができる。

さらに、図１の回折光学素子４を照明光路に設置して、回折光学素子６に代えて回折光学素子６１を照明光路中に設定することによって、図２（Ｂ）の場合よりもσ値が小さいとともに、４極の二次光源の角度が４５°ずれている４極照明を行うことができる。小σの４極照明用の回折光学素子６１は、平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドに、光軸ＡＸの周りに等角度間隔の４箇所で光量が高くなる光強度分布を形成する機能を有する。従って、回折光学素子６１を介した光束は、マイクロレンズアレイ８の入射面に、光軸ＡＸを中心としてＸ方向及びＺ方向に沿って所定間隔の４極状の照野を形成する。その結果、図３（Ａ）に示すように、マイクロレンズアレイ８の後側焦点面（照明系瞳面ＰＩＬ）にも、その入射面に形成された照野と同じＸ方向及びＺ方向に沿った４極状の二次光源２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄが形成される。後述のようにコンタクトホールのパターンを露光する場合には、一例として４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄの中心の半径Ｒ１は０．２５ＮＡ_OB程度、各二次光源２１Ａ〜２１Ｄの直径は０．１２ＮＡ_OB程度に設定される。この場合にも、その４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄの全体に外接する円周の半径は０．７ＮＡ_OB以下（コヒーレンスファクタが０．７以下）であり、さらに０．５ＮＡ_OB以下（コヒーレンスファクタが０．５以下）であることが望ましい。

さらに、図１の回折光学素子６に代えて回折光学素子６２を照明光路中に設定することによって、二次光源が十字型の照明を行うことができる。回折光学素子６２は、平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドに、光軸ＡＸを中心とした十字型の領域で光量が高くなる光強度分布を形成する機能を有する。回折光学素子６２を介した光束は、マイクロレンズアレイ８の入射面に、光軸ＡＸを中心としてＸ方向及びＺ方向に沿って伸びた十字型の照野を形成する。その結果、図３（Ｂ）に示すように、マイクロレンズアレイ８の後側焦点面（照明系瞳面ＰＩＬ）にも、その入射面に形成された照野と同じＸ方向及びＺ方向に伸びた二次光源２２Ｂ及び２２Ａからなる十字型の二次光源２２が形成される。後述のようにコンタクトホールのパターンを露光する場合には、一例として二次光源２２の長手方向の長さｄ１は０．８０ＮＡ_OB程度、二次光源２２の幅ｄ２は０．１６ＮＡ_OB程度に設定される。この場合にも、その十字型の二次光源２２の全体に外接する円周の半径は０．７ＮＡ_OB以下（コヒーレンスファクタが０．７以下）であり、さらに０．５ＮＡ_OB以下（コヒーレンスファクタが０．５以下）であることが望ましい。

なお、図１の回折光学素子６、６０〜６４は例えば駆動モータ１３によって回転されるターレット板（不図示）の円周上に等角度間隔で固定されており、駆動モータ１３がそのターレット板を回転することで、所望の回折光学素子を照明光路上に設置できる。駆動モータ１３は、装置全体の動作を統轄制御する主制御系１１からの指令に基づいて駆動系１２によって制御される。回折光学素子６、６０〜６４、駆動モータ１３、及び駆動系１２から照明条件制御系が構成されている。

図４は、図１の位相部材及びデポラライザの構成を概略的に示す図である。図４を参照すると、位相部材１０は、光軸ＡＸを中心として結晶光学軸が回転自在に構成された１／２波長板より構成されている。一方、デポラライザ２０は、楔形状の水晶プリズム２０ａと、この水晶プリズム２０ａと相補的な形状を有する楔形状の石英プリズム２０ｂとから構成されている。水晶プリズム２０ａと石英プリズム２０ｂとは、一体的なプリズム組立体として、照明光路に対して挿脱自在に構成されている。レーザ光源１として本例のようにＡｒＦエキシマレーザ光源（又はＫｒＦエキシマレーザ光源でも同じ）を用いている場合、その光源から射出される光の偏光度は典型的には９５％以上の偏光度を有するため、１／２波長板１０にはほぼ直線偏光の光が入射する。

１／２波長板１０の結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して０°又は９０°の角度をなすように設定された場合、１／２波長板１０に入射した直線偏光の光は偏光面が変化することなくそのまま通過する。また、１／２波長板１０の結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５°の角度をなすように設定された場合、１／２波長板１０に入射した直線偏光の光は偏光面が９０°だけ変化した直線偏光の光に変換される。さらに、水晶プリズム２０ａの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５°の角度をなすように設定された場合、水晶プリズム２０ａに入射した直線偏光の光は非偏光状態の光に変換（非偏光化）される。

本実施形態では、デポラライザ２０が照明光路中に位置決めされたときに水晶プリズム２０ａの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５°の角度をなすように構成されている。ちなみに、水晶プリズム２０ａの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して０°又は９０°の角度をなすように設定された場合、水晶プリズム２０ａに入射した直線偏光の光は偏光面が変化することなくそのまま通過する。また、１／２波長板１０の結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して２２．５°の角度をなすように設定された場合、１／２波長板１０に入射した直線偏光の光は、偏光面が変化することなくそのまま通過する直線偏光成分と偏光面が９０°だけ変化した直線偏光成分とを含む非偏光状態の光に変換される。

本実施形態では、上述したように、レーザ光源１からの直線偏光の光が１／２波長板１０に入射するが、以下の説明を簡単にするために、Ｐ偏光（図１中で１／２波長板１０の位置においてＺ方向に偏光した直線偏光、以下「Ｚ方向偏光」と称する）の光が１／２波長板１０に入射するものとする。デポラライザ２０を照明光路中に位置決めした場合、１／２波長板１０の結晶光学軸が入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光面に対して０°又は９０°の角度をなすように設定すると、１／２波長板１０に入射したＰ偏光（Ｚ方向偏光）の光は偏光面が変化することなくＰ偏光（Ｚ方向偏光）のまま通過して水晶プリズム２０ａに入射する。水晶プリズム２０ａの結晶光学軸は入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光面に対して４５°の角度をなすように設定されているので、水晶プリズム２０ａに入射したＰ偏光（Ｚ方向偏光）の光は非偏光状態の光に変換される。

水晶プリズム２０ａを介して非偏光化された光は、光の進行方向を補償するためのコンペンセータとしての石英プリズム２０ｂを介して、非偏光状態でマスクＭ（ひいてはウエハＷ）を照明する。一方、１／２波長板１０の結晶光学軸が入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光面に対して４５°の角度をなすように設定すると、１／２波長板１０に入射したＰ偏光（Ｚ方向偏光）の光は偏光面が９０°だけ変化し、Ｓ偏光（第１図中で１／２波長板の位置においてＸ方向に偏光面を持つ直線偏光、以下Ｘ方向偏光と称する）の光になって水晶プリズム２０ａに入射する。水晶プリズム２０ａの結晶光学軸は入射するＳ偏光（Ｘ方向偏光）の偏光面に対しても４５°の角度をなすように設定されているので、水晶プリズム２０ａに入射したＳ偏光（Ｘ方向偏光）の光は非偏光状態の光に変換され、石英プリズム２０ｂを介して、非偏光状態でマイクロレンズアレイ８ひいてはマスクＭを照明する。

これに対し、デポラライザ２０を照明光路から退避させた場合、１／２波長板１０の結晶光学軸が入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光方向に対して０°又は９０°の角度をなすように設定すると、１／２波長板１０に入射したＰ偏光（Ｚ方向偏光）の光は偏光面が変化することなくＰ偏光（Ｚ方向偏光）のまま通過し、Ｐ偏光（Ｚ方向偏光）状態の光でマイクロレンズアレイ８を照明する。一方、１／２波長板１０の結晶光学軸が入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光方向に対して４５°の角度をなすように設定すると、１／２波長板１０に入射したＰ偏光の光は偏光面が９０°だけ変化してＳ偏光の光になり、Ｓ偏光（Ｘ方向偏光）状態の光でマイクロレンズアレイ８を照明する。

以上のように、本実施形態では、デポラライザ２０を照明光路中に挿入して位置決めすることにより、非偏光状態でマイクロレンズアレイ８（ひいてはマスクＭ）を照明することができる。また、デポラライザ２０を照明光路から退避させ且つ１／２波長板１０の結晶光学軸が入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光方向に対して０°又は９０°の角度をなすように設定することにより、Ｐ偏光（Ｚ方向偏光）状態でマイクロレンズアレイ８を照明することができる。さらに、デポラライザ２０を照明光路から退避させ且つ１／２波長板１０の結晶光学軸が入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光方向に対して４５°をなすように設定することにより、Ｓ偏光（Ｘ方向偏光）状態でマイクロレンズアレイ８を照明することができる。

さらに、本例のマイクロレンズアレイ８の後側焦点面である照明系瞳面ＰＩＬの照明光路上には、偏光分布設定板１４がスライダ１５に沿って駆動モータ１６によって挿脱自在に配置されている。駆動モータ１６も、主制御系１１からの指令に基づいて駆動系１２によって制御されている。偏光分布設定板１４、スライダ１５、駆動モータ１６、及び駆動系１２から偏光状態制御系が構成されている。

図２（Ａ）は、照明系瞳面ＰＩＬ上の偏光分布設定板１４を示し、この図２（Ａ）において、円板状の偏光分布設定板１４は、９０°間隔で４枚の１／２波長板１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄを連結して構成されている。この場合、１対の１／２波長板１４Ａ及び１４ＣはＺ軸に沿って対向するように配置されるとともに、それらの結晶光学軸１７Ａ及び１７ＣはＺ軸に平行である。一方、別の１対の１／２波長板１４Ｂ及び１４ＤはＸ軸に沿って対向するように配置されるとともに、それらの結晶光学軸１７Ｂ及び１７ＤはそれぞれＺ軸に対して４５°傾斜している。

また、偏光分布設定板１４を照明系瞳面ＰＩＬの照明光路上に設置した状態では、図１のデポラライザ２０を照明光路から退避させて、かつ１／２波長板１０の回転角は、射出される照明光の偏光方向がＺ方向となるように設定される。この結果、図２（Ａ）において、Ｚ軸に沿った１／２波長板１４Ａ及び１４Ｃを通過した直線偏光の照明光の偏光方向はＺ軸に平行なＤ１方向であり、Ｘ軸に沿った１／２波長板１４Ｂ及び１４Ｄを通過した直線偏光の照明光の偏光方向はＸ軸に平行なＤ２方向である。すなわち、照明系瞳面ＰＩＬの輪帯状の二次光源２３からの照明光の偏光状態は、実質的に光軸ＡＸから放射方向（半径方向）に直線偏光していることになる。なお、偏光分布設定板１４を構成する複数の１／２波長板の分割数を４より大きくして、照明光の偏光方向をより細かく制御してもよい。

さらに、図３（Ａ）の４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄを用いる場合にも偏光分布設定板１４を用いることによって、Ｚ軸に沿った二次光源２１Ａ及び２１Ｃからの照明光はＤ１方向に直線偏光しており、Ｘ軸に沿った二次光源２１Ｂ及び２１Ｄからの照明光はＤ２方向に直線偏光している。同様に、図３（Ｂ）の十字型の二次光源２２を用いる場合にも、偏光分布設定板１４を用いることによって、Ｚ軸に沿った二次光源２２Ａからの照明光はＤ１方向に直線偏光し、Ｘ軸に沿った二次光源２２Ｂからの照明光はＤ２方向に直線偏光する。言い換えると、４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄ、又は十字型の二次光源２２を用いる場合にも、偏光分布設定板１４を用いることによって、それらの二次光源からの照明光は光軸ＡＸから放射方向に直線偏光状態となる。

次に、本例の投影露光装置を用いて格子状に配列された複数のコンタクトホール用のパターンを図１のウエハＷ上に転写する際の動作の一例につき説明する。
図５（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ本例で露光されるコンタクトホール用のパターンの一部の拡大図を示している。これらのパターンは、例えばコンピュータの画像データ上で生成されている。

図５（Ａ）の複数のパターン３１は、遮光部を背景とするＸ方向の幅ＬＸでＹ方向の幅ＬＹの開口パターンであり、Ｘ方向のスペースＳＸ及びＹ方向のスペースＳＹでＸ方向及びＹ方向に２次元格子状に配置されている。なお、Ｘ方向及びＹ方向はそれぞれ図１のマスクＭ上でのＸ方向（第１方向）及びＹ方向（第２方向）に対応している（以下、同様）。この場合、マスクＭ上でのＸ方向及びＹ方向は、それぞれ照明系瞳面ＰＩＬ上（例えば図３（Ａ））ではＸ方向及びＺ方向に対応している。

また、パターン３１のＸ方向の配列ピッチは（ＬＸ＋ＳＸ）であり、Ｙ方向の配列ピッチは（ＬＹ＋ＳＹ）である。一例として、図１の投影光学系ＰＬを介してウエハ上に投影された状態で、幅ＬＸは６５ｎｍ、幅ＬＹは８７ｎｍであり、Ｘ方向のスペースＳＸは幅ＬＸの１倍〜５倍程度、Ｙ方向のスペースＳＹは幅ＬＹの１倍〜５倍程度である。なお、スペースＳＸとＳＹとは大きく異なっていてもよい。例えばスペースＳＹがスペースＳＸの数倍であるような場合には、パターン３１はＸ方向に配列された１次元格子状のパターンとみなすことも可能である。

また、図５（Ｂ）のパターン３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄは、遮光部を背景とする大きさが図５（Ａ）のパターン３１と同程度の開口パターンであり、そのパターン３１よりも広いピッチでＸ方向及びＹ方向に２次元格子状に配置されている。
図５（Ａ）の格子状に配列されたパターン３１（第１パターン）を転写するためには、第１段階として図６（Ａ）に示すように、マスクパターン上では各パターン３１を囲むように小さい面積の４個の位相反転型の補助パターン３３（第２パターン）を形成する。即ち、各パターン３１の位相を０（ｒａｄ）とすると、各補助パターン３３の位相はπ（ｒａｄ）と反転している。図６（Ａ）のマスクパターンでは、密集度が中程度で隣接するパターン３１の間隔が狭いため、隣接するパターン３１はその間の１つの補助パターン３３を共有した形になっている。また、投影光学系ＰＬの焦点深度を広くするため０次光をほぼ完全に消失させるためには、全部の補助パターン３３の面積の合計は、全部のパターン３１の面積の合計になるのが望ましい。しかしながら、０次光が小さくなるだけでも焦点深度は広くできるため、全部の補助パターン３３の面積の合計は、全部のパターン３１の面積の合計の１／２程度でもよい。図６（Ａ）のマスクパターンは、例えば図１のマスクＭ（位相シフトマスク）の一部に形成される。

一方、図５（Ｂ）の格子状に配列されたパターン３２Ａ〜３２Ｄ（第１パターン）を転写するためには、第１段階として図６（Ｂ）に示すように、マスクパターン上ではＸ方向及びＹ方向に隣接するパターン３２Ａ〜３２Ｄの位相を反転させる。一例として、パターン３２Ａ及び３２Ｄの位相は０（ｒａｄ）であり、パターン３２Ｂ及び３２Ｃの位相はπ（ｒａｄ）であり、それらの周囲の不図示のパターン３２Ａ〜３２Ｄと同様のパターンにおいても、順次位相が反転している。さらに、図６（Ｂ）の配置では密集度が低くパターン３２Ａ〜３２Ｄの間隔が比較的広いため、各パターン３２Ａ〜３２Ｄを囲むようにそれぞれ小さい面積の４個の位相反転型の補助パターン３４Ａ〜３４Ｄ（第２パターン）を形成する。即ち、パターン３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄの位相はそれぞれ０，π，π，０であるため、補助パターン３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄの位相はそれぞれπ，０，０，πに設定されている。また、４個の補助パターン３４Ａ（又は３４Ｂ〜３４Ｄ）の面積の合計は、それぞれその中のパターン３２Ａ（又は３２Ｂ〜３２Ｄ）の面積にほぼ等しく設定されている。これによって、０次光をほぼ完全に消失できるため、投影光学系ＰＬの焦点深度を広くできる。図６（Ｂ）のマスクパターンは、例えば図１のマスクＭと交換して露光される別の位相シフトマスクの一部に形成される。

次に、図６（Ａ）又は図６（Ｂ）の格子状に配列されたパターン３１（又は３２Ａ〜３２Ｄ）及び位相の反転した補助パターン３３（又は３４Ａ〜３４Ｄ）よりなるマスクパターンを、図１の投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上の各ショット領域に露光転写する際には、第２段階として、回折光学素子６の代わりに回折光学素子６１を配置する。これによって、照明系瞳面ＰＩＬ上には図３（Ａ）の４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄが形成されて、小さいσ値でパターン３１（又は３２Ａ〜３２Ｄ）の配列方向に対応するＸ方向及びＺ方向に離れて形成される４極状の二次光源を用いる照明条件が設定される。なお、この設定は、露光対象のマスクパターンの種類に応じて主制御系１１が行う。

次に、第３段階として、主制御系１１は、駆動系１２を介して照明系瞳面ＰＩＬに偏光分布設定板１４を配置する。これによって、図３（Ａ）に示すように、４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄから射出される照明光の偏光状態は、光軸ＡＸから放射方向に偏光する状態に設定される。この場合には、Ｚ方向に対向する二次光源２１Ａ及び２１Ｃから射出される照明光はＺ方向に直線偏光しており、Ｘ方向に対向する二次光源２１Ｂ及び２１Ｄから射出される照明光はＸ方向に直線偏光している。なお、照明光の偏光状態は、必ずしも図３（Ａ）の状態に設定する必要はなく、例えば転写対象のパターンのピッチが粗いような場合には、照明光はランダム偏光（非偏光状態）等でもよい。

以上の条件のもとで、図６（Ａ）又は図６（Ｂ）のマスクパターンの像を図１の投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上の各ショット領域に投影する。先ず、図６（Ａ）のマスクパターンの像を露光する場合につき図７を参照して説明する。
図７（Ａ）は図１の照明系瞳面ＰＩＬの光軸ＡＸ上にのみ二次光源２１Ｅがある仮想的な場合を示し、この照明条件下では図６（Ａ）のマスクパターンからの結像光束は、図１の投影光学系ＰＬの瞳ＰＰＬ上では図７（Ｂ）に示すように、位相反転した補助パターンの作用によって、光軸ＡＸ１上の０次光２４Ａ（より正確にはＸ方向にも０次、Ｙ方向にも０次の（０，０）次光）はほぼ消失しているため、焦点深度は深くなる。

しかしながら、その補助パターンの作用によって光量が増加したＸ方向に±１次でＹ方向に±１次の４個の（±１、±１）次の回折光２４Ｆ，２４Ｇ，２４Ｈ，２４Ｉは瞳ＰＰＬの外にはみ出ており、結像には寄与しない。なお、０又は正負の整数であるａ，ｂを用いて（ａ、ｂ）次の回折光とは、図６（Ａ）のＸ方向、Ｙ方向に格子状に配列されたパターン３１から射出される多数の回折光のうちで、Ｘ方向にａ次であるとともに、Ｙ方向にｂ次である回折光を指している。また、瞳ＰＰＬ内に収まっている（０，±１）次及び（±１，０）次の回折光２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅは、その補助パターンの作用によって光量が低下しているため、図６（Ａ）のパターン３１の像のコントラストは低くなり、解像度が低下する。

これに対して、図７（Ｃ）に示すように、例えば本例の二次光源２１Ｂは光軸ＡＸからＸ方向にずれているため、この二次光源２１Ｂからの照明光のもとでの図６（Ａ）のマスクパターンからの結像光束は、投影光学系ＰＬの瞳ＰＰＬ上では図７（Ｄ）に示すように、回折光が全体としてＸ方向にシフトしている。そのため、補助パターンの作用によって光量が増加した（＋１，＋１）次の回折光２４Ｆ及び（＋１，−１）次の回折光２４Ｉが瞳ＰＰＬ内に引き込まれて結像に寄与できる。さらに、光量は低いが（０，±１）次の回折光２４Ｂ，２４Ｄ及び（＋１，０）次の回折光２４Ｅも瞳ＰＰＬ内に収まっていて結像に寄与できる。従って、光量の大きい回折光２４Ｆ及び２４Ｉを含む６個の回折光が結像に寄与できるため、図６（Ａ）のパターン３１の像のコントラストは高くなり、解像度が向上する。この際に、図７（Ｃ）に示すように、二次光源２１ＢのＸ方向へのずれ量は小さいため、図７（Ｄ）に示すように、（＋１，０）次の回折光２４Ｅは光軸ＡＸ１に関して対応する回折光２４Ｂ及び２４Ｄとほぼ対称な位置にあるため、焦点深度も深くなっている。

また、図７（Ｃ）の他の３個の二次光源２１Ａ，２１Ｃ，２１Ｄのもとでの結像光束はウエハＷ上ではほぼインコヒーレントに加算されるものと考えられる。この際に、二次光源２１Ａ，２１Ｃ，２１Ｄのもとでの結像光束は、それぞれ補助パターンの作用によって光量が強くなった回折光が瞳ＰＰＬ内に引き込まれているため、それぞれ焦点深度が深く解像度が向上する。従って、全体として図６（Ａ）の格子状に配列されたパターン３１の像を深い焦点深度でかつ高い解像度でウエハＷ上に露光できる。

次に、図７（Ｃ）に示すように、二次光源２１Ｂからの照明光がＤ２方向（Ｘ方向）に直線偏光である場合につき説明する。この際に、二次光源２１Ｂのもとで投影光学系ＰＬの瞳ＰＰＬ内で光量が大きい図７（Ｄ）の２つの回折光２４Ｆ及び２４ＩのＹ方向の間隔は、Ｘ方向に離れた２つの回折光（例えば回折光２４Ｆと２４Ｂ）とのＸ方向の間隔のほぼ２倍である。その結果、Ｘ方向に離れた２つの回折光による像の光量分布２６ＸのＸ方向のピッチＰ１に対して、Ｙ方向に離れた２つの回折光２４Ｆ，２４Ｉによる像の光量分布２６ＹのＹ方向のピッチはほぼＰ１／２になる。これに関して、一般にライン・アンド・スペースパターンの投影像のピッチが微細化したときに解像度を高めるためには、結像光束の偏光状態は、そのラインパターンの長手方向（周期方向に直交する方向）に沿った直線偏光が望ましいことが知られている。これを本例に適用すると、二次光源２１Ｂからの光束による空間像のピッチはＸ方向に比べてＹ方向の方が細かいため、照明光はＸ方向に直線偏光している方が望ましいことになる。

すなわち、二次光源２１Ｂの偏光状態をＸ方向（光軸ＡＸに対して放射方向）の直線偏光とすることで、投影像の解像度を向上できる。これは、他の二次光源２１Ａ，２１Ｃ，２１Ｄについても同様である。この場合、図６（Ａ）のパターン３１のＸ方向及びＹ方向のピッチが互いに等しいときには、図７（Ｃ）の全部の二次光源２１Ａ〜２１Ｄからの結像光束を加算することによって、Ｘ方向及びＹ方向の光量分布のピッチは等しくなる。

次に、図６（Ｂ）のマスクパターンの像を露光する場合につき図８を参照して説明する。
図８（Ａ）は図１の照明系瞳面ＰＩＬの光軸ＡＸ上にのみ二次光源２１Ｅがある仮想的な場合を示し、この照明条件下では図６（Ｂ）のマスクパターンからの結像光束は、図１の投影光学系ＰＬの瞳ＰＰＬ上では図８（Ｂ）に示すように、位相反転した補助パターンの作用によって、光軸ＡＸ１上の０次光２５Ａ（（０，０）次光）はほぼ消失しているため、焦点深度は深くなる。

しかしながら、その補助パターンの作用によって光量が増加した４個の（±１、±１）次の回折光２５Ｊ，２５Ｋ，２５Ｌ，２５Ｍは瞳ＰＰＬの外にはみ出ており、結像には寄与しない。また、瞳ＰＰＬ内に収まっている補助パターンに起因する８個の（±１，±１／３）次及び（±１／３，±１）次の回折光２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ，２５Ｅ，２５Ｆ，２５Ｇ，２５Ｈ，２５Ｉは光量が低いため、図６（Ｂ）のパターン３２Ａ〜３２Ｄの像のコントラストは低くなり、解像度が低下する。なお、ここでは、±１次の回折光とは、図６（Ｂ）の本来の転写対象のパターン３２Ａ〜３２Ｄから発生する±１次の回折光と同じ回折角を持つ回折光を指している。そして、次数が±１／３次の回折光とは、図６（Ｂ）の補助パターン３４Ａ〜３４Ｄから発生する回折光のうちで、回折角の正弦関数が本来のパターン３２Ａ〜３２Ｄから発生する±１次の回折光の回折角の正弦関数の１／３となる回折光を指している。

これに対して、図８（Ｃ）に示すように、例えば本例の二次光源２１Ｂは光軸ＡＸからＸ方向にずれているため、この二次光源２１Ｂからの照明光のもとでの図６（Ｂ）のマスクパターンからの結像光束は、投影光学系ＰＬの瞳ＰＰＬ上では図８（Ｄ）に示すように、回折光が全体としてＸ方向にシフトしている。そのため、補助パターンの作用によって光量が増加した（＋１，±１）次の回折光２５Ｊ及び２５Ｍが瞳ＰＰＬ内に引き込まれて結像に寄与できる。さらに、光量は低いが補助パターンによる６個の回折光２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｆ，２５Ｇ，２５Ｈ，２５Ｉも瞳ＰＰＬ内に収まっていて結像に寄与できる。従って、光量の大きい回折光２５Ｊ及び２５Ｍを含む８個の回折光が結像に寄与できるため、図６（Ｂ）のパターン３２Ａ〜３２Ｄの像のコントラストは高くなり、解像度が向上する。この際に、図８（Ｃ）に示すように、二次光源２１ＢのＸ方向へのずれ量は小さいため、図８（Ｄ）に示すように、回折光２５Ｈ，２５Ｉは光軸ＡＸ１に関してほぼ対称な位置にあるため、焦点深度も深くなっている。

また、図８（Ｃ）の他の３個の二次光源２１Ａ，２１Ｃ，２１Ｄのもとでの結像光束はウエハＷ上ではほぼインコヒーレントに加算されるものと考えられる。この際に、二次光源２１Ａ，２１Ｃ，２１Ｄのもとでの結像光束は、それぞれ補助パターンの作用によって光量が強くなった回折光が瞳ＰＰＬ内に引き込まれているため、それぞれ焦点深度が深く解像度が向上する。従って、全体として図６（Ｂ）の格子状に配列されたパターン３２Ａ〜３２Ｄの像を深い焦点深度でかつ高い解像度でウエハＷ上に露光できる。

次に、図８（Ｃ）に示すように、二次光源２１Ｂからの照明光がＤ２方向（Ｘ方向）に直線偏光である場合につき説明する。この際に、図７（Ｄ）と同様にＸ方向に離れた２つの回折光による像の光量分布２６ＸのＸ方向のピッチＰ１に対して、Ｙ方向に離れた２つの回折光２５Ｊ，２５Ｍによる像の光量分布２６ＹのＹ方向のピッチはほぼＰ１／２になる。そこで、二次光源２１Ｂの偏光状態をＸ方向（光軸ＡＸに対して放射方向）の直線偏光とすることで、図７（Ｄ）と同様に投影像の解像度を向上できる。これは、他の二次光源２１Ａ，２１Ｃ，２１Ｄについても同様である。この場合にも、図６（Ｂ）のパターン３２Ａ〜３２ＤのＸ方向及びＹ方向のピッチが互いに等しいときには、図８（Ｃ）の全部の二次光源２１Ａ〜２１Ｄからの結像光束を加算することによって、Ｘ方向及びＹ方向の光量分布のピッチは等しくなる。

次に、図９（Ｂ）は、図３（Ａ）及び図９（Ａ）の４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄ（ただし、二次光源２１Ａ〜２１Ｄの中心の半径のσ値は０．２５、二次光源２１Ａ〜２１Ｄの直径のσ値は０．１とした）を用いて偏光方向をＤ１方向、Ｄ２方向とした照明条件のもとで、図６（Ａ）（又は図６（Ｂ））のマスクパターンの像を投影光学系ＰＬを介して露光した場合の露光量の誤差（ドーズ誤差）と投影光学系ＰＬの焦点深度との関係を、コンピュータのシミュレーションによって求めた結果を示している。図９において横軸はドーズ誤差（％）、縦軸はＤＯＦ（焦点深度）（ｎｍ）であり、図５（Ａ）のパターン３１の幅ＬＸ及びＬＹはそれぞれ６５ｎｍ及び８７ｎｍである。また、図９の曲線Ｂ１Ｘ，Ｂ１Ｙ，Ｂ２，Ｂ３Ｘ，Ｂ３Ｙ，Ｂ５はそれぞれ図５（Ａ）で（スペースＳＸ＝ＬＸでスペースＳＹ＝５ＬＹ）、（スペースＳＸ＝５ＬＸでスペースＳＹ＝ＬＹ）、（スペースＳＸ＝２．５ＬＸでスペースＳＹ＝２．５ＬＹ）、（スペースＳＸ＝３ＬＸでスペースＳＹ＝５ＬＹ）、（スペースＳＸ＝５ＬＸでスペースＳＹ＝３ＬＹ）、（スペースＳＸ＝５ＬＸでスペースＳＹ＝５ＬＹ）の場合に対応している。また、曲線Ｂ６は、図５（Ａ）のパターン３１を孤立パターンとした場合の特性を表している。

図９（Ｂ）から、本例によってドーズ誤差が±３％程度であっても、６０ｎｍ程度の広い焦点深度が得られることが分かる。
図１０は、図５（Ａ）のマスクパターンと従来の輪帯照明とを組み合わせた場合の焦点深度（Ｃ１部）と、図６（Ａ）（又は図６（Ｂ））の位相反転型の補助パターンを用いるマスクパターンと図３（Ａ）の４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄを用いる照明条件とを組み合わせた場合の焦点深度（Ｃ２部）とを、コンピュータのシミュレーションによって比較した結果を示している。図１０の縦軸はＤＯＦ（焦点深度）（ｎｍ）であり、Ｃ１部、Ｃ２部の横軸はそれぞれ図６（Ａ）のパターン３１のＸ方向及びＹ方向の幅に対してＸ方向及びＹ方向のスペースが１．６倍、１．８倍、２倍、２．５倍、３倍、５倍、及び孤立パターンとみなせる場合の結果を示している。また、計算条件としては、パターン３１のＸ方向、Ｙ方向の幅を１００ｎｍ、投影光学系ＰＬの像側の開口数ＮＡを０．９２、マスクパターンの描画誤差を±２ｎｍ、ドーズ誤差を±３％とした。

図１０から、本例の位相反転型の補助パターンを用いるマスクパターンと４極状の二次光源を用いる照明条件との組み合わせによって（Ｃ２部）、従来の輪帯照明を用いる場合（Ｃ１部）に比べて焦点深度がほぼ４０ｎｍ程度大きく改善できることが分かる。
次に、位相反転型の補助パターンを用いるマスクパターンと、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の二次光源を用いる照明条件とを組み合わせた場合の、空間像の光量分布及び焦点深度をコンピュータのシミュレーションによって比較した。マスクパターンとしては、図１１（Ａ）のタイプ１、図１１（Ｂ）のタイプ２、及び図１１（Ｃ）のタイプ３を想定した。図１１（Ａ）のタイプ１は、格子状に配列された位相が０のパターン３１の他に、パターン３１を囲むように配置された位相がπ（ｒａｄ）の補助パターン３３と、パターン３１の対角線方向の中間に配置された位相が０の補助パターン３５とを設けたものである。図１１（Ｂ）のタイプ２は、図６（Ａ）のマスクパターンと同じであり、図１１（Ｃ）のタイプ３は、図６（Ｂ）のマスクパターンと同じである。

先ず、図１１（Ｂ）のタイプ２のマスクパターンと、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の二次光源を用いる照明条件とを組み合わせた場合の、空間像の光量分布の等高線マップをそれぞれ図１２、図１３、及び図１４に示す。この際の露光条件は、露光波長が１９３ｎｍ、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡが０．８５であり、図１１（Ｂ）のパターン３１のピッチはウエハ上で２８０ｎｍ及び３００ｎｍとした。なお、図３（Ａ）の照明条件を用いる場合のピッチには２７０ｎｍも含まれている。また、パターン３１の大きさは、図３（Ａ）の４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄを用いる場合には１３３ｎｍ×１２４ｎｍ、図３（Ｂ）の十字型の二次光源２２を用いる場合には１３５ｎｍ×１２８ｎｍ、図３（Ｃ）の小σの二次光源１７を用いる場合には１３８ｎｍ×１２８ｎｍとした。

図１２は、図３（Ａ）の４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄを用いた場合の空間像の光量分布の等高線マップであり、マップ３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃはそれぞれ図１１（Ｂ）のパターン３１のピッチが３００ｎｍ、２８０ｎｍ、及び２７０ｎｍの場合の光量分布を示している。これらのマップ３６Ａ〜３６Ｃにおいて、中央の分布３７は図１１（Ｂ）のパターン３１に対応しており、それらの間の分布３８はいわゆる不要なサイドローブである。４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄを用いた場合のサイドローブは無視できる程度で、良好な結像が行われることが分かる。

図１３は、図３（Ｂ）の十字型の二次光源２２を用いた場合の空間像の光量分布の等高線マップであり、マップ３９Ａ，３９Ｂはそれぞれ図１１（Ｂ）のパターン３１のピッチが３００ｎｍ及び２８０ｎｍの場合の光量分布を示している。これらのマップ３９Ａ及び３９Ｂにおいて、中央の分布３７は図１１（Ｂ）のパターン３１に対応しており、それらの間の分布３８Ａ及び３８はいわゆる不要なサイドローブである。十字型の二次光源２２を用いた場合、２８０ｎｍピッチのマップ３９Ｂにおいて比較的強いサイドローブ３８が見られるが、その強度は目標とする強度の４０％以下であり、ウエハ上に転写される可能性は低い。

図１４は、図３（Ｃ）の小σの二次光源１７を用いた場合の空間像の光量分布の等高線マップであり、マップ４０Ａ，４０Ｂはそれぞれ図１１（Ｂ）のパターン３１のピッチが３００ｎｍ及び２８０ｎｍの場合の光量分布を示している。これらのマップ４０Ａ及び４０Ｂにおいて、中央の分布３７は図１１（Ｂ）のパターン３１に対応しており、それらの間の分布３８はいわゆる不要なサイドローブである。小σの二次光源１７を用いた場合、２８０ｎｍピッチのマップ４０Ｂにおいて強いサイドローブ３８が見られる。その強度は目標とする強度の約６０％のピーク強度を持ち、感光材料に何らかのパターンが形成される可能性が高い。

以上の比較から、本例の４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄ又は十字型の二次光源２２を用いる照明の適用によって、小σの二次光源１７を用いる場合に比べて、不要なパターンの転写の恐れなく、本来のパターンを高精度に転写できることが分かる。
次に、コンタクトホールのホール径の制御性という観点で、図１１（Ａ）〜（Ｃ）のタイプ１〜タイプ３のマスクパターン（パターン３１及び３２Ａ〜３２Ｄを１００ｎｍ角とする）と、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の二次光源を用いる照明条件とを組み合わせて、パターンのピッチを変えた場合に、形成されるホールパターンの直径の誤差が±１０ｎｍとなるような焦点深度を計算した結果を図１５及び図１６に示す。この際に、マスクパターンの描画誤差を±２ｎｍ、ドーズ誤差を±３％とした。

図１５及び図１６は、それぞれタイプ１、タイプ２、タイプ３のマスクパターンのピッチ（ｎｍ）を２５０ｎｍ（２７０ｎｍ）から孤立パターンとみなせるまで変えた場合に、形成されるホールパターンの直径の誤差が±１０ｎｍとなるようなＤＯＦ（焦点深度）（ｎｍ）の値を示している。また、図１５（Ａ）は図３（Ａ）の４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄを用いる照明条件でのＤＯＦであり、図１５（Ｂ）は図３（Ｂ）の十字型の二次光源２２を用いる照明条件でのＤＯＦであり、図１６は図３（Ｃ）の小σ（σ値で０．２５）の二次光源１７を用いる照明条件でのＤＯＦである。なお、図１６では、タイプ１のマスクパターンを用いたシミュレーションは省略している。

図１５と図１６との比較から、全てのピッチにわたって、各ホールパターンのＤＯＦは、４極状の二次光源又は十字型の二次光源を用いる照明条件では、従来の小σの照明条件を用いる場合とほぼ同等であることが確認できた。
また、図６（Ａ）又は図６（Ｂ）の位相反転型のマスクパターンと、図２（Ａ）の小σの輪帯状の二次光源２３を用いる照明条件（さらに必要に応じて偏光状態を光軸ＡＸに対して放射方向の直線偏光とする）とを組み合わせても、図３（Ａ）の４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄを用いる照明条件を用いる場合と同様に、焦点深度を広くして、高い解像度を得ることができる。

なお、上記の実施形態では転写対象のパターンはコンタクトホール用のパターンであったが、転写対象のパターンは他のどのような１次元又は２次元の格子状に配列されたパターンであってもよい。
なお、上述の実施形態の投影露光装置は、不図示のコラム機構を設置した後、複数のレンズから構成される照明光学系、反射屈折系からなる投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をして、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより製造することができる。なお、その露光装置の製造は温度及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。

また、上記の実施形態の投影露光装置を用いて半導体デバイスを製造する場合、この半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、このステップに基づいてレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを形成するステップ、上記の実施形態の投影露光装置によりアライメントを行ってレチクルのパターンをウエハに露光するステップ、エッチング等の回路パターンを形成するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、及び検査ステップ等を経て製造される。なお、この半導体デバイスは、少なくともフラッシュメモリ（ＳＲＡＭなど）やＣＰＵを含むことが好ましい。

また、本発明は、例えば国際公開第９９／４９５０４号で開示されている液浸型の露光装置で露光を行う場合にも適用できる。また、本発明は、波長数ｎｍ〜１００ｎｍ程度の極端紫外光（ＥＵＶ光）を露光ビームとして用いる投影露光装置で露光を行う場合にも適用できる。
また、本発明は、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、本発明は、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。

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ことは勿論である。

本発明によれば、格子状に配列されたパターンを転写する際に、広い焦点深度を確保した上で解像度を向上できる。従って、例えばコンタクトホールを含むようなデバイスを高い歩留りで高精度に製造できる。

本発明の実施形態の一例の投影露光装置を示す図である。 （Ａ）は図１の照明系瞳面ＰＩＬ上の小σの輪帯状の二次光源２３を示す図、（Ｂ）は照明系瞳面ＰＩＬ上の通常の４極状の二次光源を示す図である。 （Ａ）は図１の照明系瞳面ＰＩＬ上の小σの４極状の二次光源２１Ａ〜２１Ｄを示す図、（Ｂ）は照明系瞳面ＰＩＬ上の十字型の二次光源２２を示す図、（Ｃ）は照明系瞳面ＰＩＬ上の小σの二次光源を示す図である。 図１中の偏光状態を制御する一部の光学部材を示す図である。 （Ａ）は転写対象の格子状のパターンの一例の一部を示す拡大図、（Ｂ）は転写対象の格子状のパターンの他の例の一部を示す拡大図である。 （Ａ）は図５（Ａ）のパターンに位相反転型の補助パターンを加えたマスクパターンを示す図、（Ｂ）は図５（Ｂ）のパターンに位相反転型の補助パターンを加えたマスクパターンを示す図である。 図６（Ａ）のマスクパターンの結像原理の説明図である。 図６（Ｂ）のマスクパターンの結像原理の説明図である。 （Ａ）は照明系瞳面ＰＩＬ上の４極状の二次光源を示す図、（Ｂ）は４極状の二次光源の照明を用いた場合のドーズ誤差と焦点深度との関係を示す図である。 従来の輪帯照明を用いた場合と小σの４極状の二次光源の照明を用いた場合との、焦点深度の比較を示す図である。 位相反転型のマスクパターンの３つのタイプを示す図である。 小σの４極状の二次光源の照明を用いた場合の空間像の光量分布の等高線マップを示す図である。 十字型の二次光源の照明を用いた場合の空間像の光量分布の等高線マップを示す図である。 小σ照明を用いた場合の空間像の光量分布の等高線マップを示す図である。 （Ａ）は小σの４極状の二次光源の照明を用いた場合のパターンピッチとパターン誤差を所定範囲内とするための焦点深度との関係を示す図、（Ｂ）は十字型の二次光源の照明を用いた場合のパターンピッチとパターン誤差を所定範囲内とするための焦点深度との関係を示す図である。 小σ照明を用いた場合のパターンピッチとパターン誤差を所定範囲内とするための焦点深度との関係を示す図である。

符号の説明

Ｍ…マスク、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、６，６０〜６４…回折光学素子、８…マイクロレンズアレイ、１２…駆動系、１４…偏光分布設定板、２１Ａ〜２１Ｄ…４極状の二次光源、２２…十字型の二次光源、２３…小σの輪帯状の二次光源、３１，３２Ａ〜３２Ｄ…格子状に配列されたパターン、３３，３４Ａ〜３４Ｄ…補助パターン

Claims (19)

1. 格子状に配列された複数の第１パターンを投影光学系を介して物体上に転写露光する露光方法であって、
   複数の前記第１パターンの近傍にそれぞれ前記第１パターンに対して位相が異なる第２パターンを配置する工程と、
   照明光学系からの露光ビームで複数の前記第１パターン及び前記第２パターンを照明するに際して、前記照明光学系の瞳面上で光軸からずれた領域を含む変形領域における前記露光ビームの光量を他の領域よりも高める工程と、
   複数の前記第１パターンの像を前記投影光学系を介して前記物体上に投影する工程とを含むことを特徴とする露光方法。
2. 前記照明光学系の瞳面上の前記変形領域は、前記光軸を囲む輪帯領域であることを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
3. 複数の前記第１パターンは、互いに直交する第１及び第２方向に沿って配置され、
   前記照明光学系の瞳面上の前記変形領域は、前記第１及び第２方向に対応する方向にそれぞれ離れて配置された４個の領域、又は前記第１及び第２方向に対応する方向にそれぞれ細長い十字型の領域からなることを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
4. 前記露光ビームの偏光状態を、前記照明光学系の瞳面上で実質的に前記光軸から放射方向に直線偏光となるように設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の露光方法。
5. 前記照明光学系の瞳面上の前記変形領域はコヒーレンスファクタの最大値が０．７を超えないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の露光方法。
6. 前記照明光学系の瞳面上の前記変形領域はコヒーレンスファクタの最大値が０．５を超えないことを特徴とする請求項５に記載の露光方法。
7. 複数の前記第１パターンは互いに同じ位相であり、前記第２パターンは前記第１パターンに対して反転した位相であり、
   前記照明光学系の瞳面上の前記変形領域は、前記第２パターンの追加によって光量が大きくなった回折光の少なくとも一部を前記投影光学系の瞳内に追い込むように設定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の露光方法。
8. 複数の前記第１パターンは互いに直交する第１及び第２方向に沿って配置されるとともに、複数の前記第１パターンは前記第１及び第２方向に沿って順次位相が反転するパターンであり、
   前記第２パターンの位相は、最も近い前記第１パターンの位相に対して反転しており、
   前記照明光学系の瞳面上の前記変形領域は、前記第２パターンの追加によって光量が大きくなった回折光の少なくとも一部を前記投影光学系の瞳内に追い込むように設定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の露光方法。
9. 複数の前記第１パターンは互いに直交する第１及び第２方向に沿って配置されるとともに、前記第１及び第２方向の少なくとも一方で複数の前記第１パターンの密集度が中程度であるとき、前記少なくとも一方の方向に関して前記第１パターンの両側に前記第２パターンが配置され、かつ隣接する２つの前記第１パターンの間に配置される前記第２パターンが１つであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の露光方法。
10. 複数の前記第１パターンは互いに直交する第１及び第２方向に沿って配置されるとともに、前記第１及び第２方向の少なくとも一方で複数の前記第１パターンの密集度が低いとき、前記少なくとも一方の方向に関して前記第１パターン毎にその両側に異なる前記第２パターンが配置され、かつその複数の第１及び第２パターンは順次位相が反転することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の露光方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の露光方法を用いて回路パターンを感光体上に転写する露光工程を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
12. 前記露光工程は、コンタクトホールの形成工程の一部であることを特徴とする請求項１１に記載のデバイス製造方法。
13. 製造対象のデバイスはフラッシュメモリ又はＣＰＵであることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のデバイス製造方法。
14. 照明光学系からの露光ビームで所定パターンを照明し、前記パターンの像を投影光学系を介して物体上に投影する露光装置において、
    前記所定パターンが、格子状に配列された複数の第１パターンと該第１パターンの近傍にそれぞれ配置されて前記第１パターンに対して位相が異なる第２パターンとを含むときに、
    複数の前記第１パターン及び前記第２パターンの配置に応じて、前記照明光学系の瞳面上で光軸からずれた領域を含む変形領域における前記露光ビームの光量を他の領域よりも高める照明条件制御系を備えたことを特徴とする露光装置。
15. 前記照明光学系の瞳面上の前記変形領域は、前記光軸を囲む輪帯領域であることを特徴とする請求項１４に記載の露光装置。
16. 複数の前記第１パターンは、互いに直交する第１及び第２方向に沿って配置され、
    前記照明光学系の瞳面上の前記変形領域は、前記第１及び第２方向に対応する方向にそれぞれ離れて配置された４個の領域、又は前記第１及び第２方向に対応する方向にそれぞれ細長い十字型の領域からなることを特徴とする請求項１４に記載の露光装置。
17. 前記露光ビームの偏光状態を、前記照明光学系の瞳面上で実質的に前記光軸から放射方向に直線偏光となるように設定する偏光制御系をさらに備えたことを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の露光装置。
18. 前記照明条件制御系は、
    前記照明光学系の瞳面上の前記変形領域のコヒーレンスファクタの最大値が０．７を超えないように制御することを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の露光装置。
19. 請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の露光装置を用いて回路パターンを感光体上に転写する露光工程を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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