JP2016517034A - 周期的パターンを印刷するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

幾何要素の周期的パターンを感光性層に印刷する方法であって、当該方法は、周期的パターンを有するマスクを設けるステップと、前記感光性層を支持する基板を設けるステップと、前記基板を前記マスクに対して実質的に平行に配置するステップと、前記マスクによって透過された光場が、タルボ距離だけ離隔されたタルボ像面を形成するように、前記マスクパターンに照射するためのコリメートされた単色光のビームを成形するステップと、前記ビームを用いて前記マスクのＮ回の部分露光を行うステップと、前記マスクパターンを、各部分露光ごとに等しい照射エネルギー密度で露光するステップとを有し、前記部分露光は、第１の部分露光中の離隔距離に対して第ｉの露光中の相対的な離隔距離が、（ｍｉ＋ｎｉ／Ｎ）×タルボ距離となるように、各部分露光間の離隔距離を変化させながら行い、０次および１次の回折次数のみが前記マスクによって透過されるように、周期を波長との関係において選択することを特徴とする方法。

Description

リソグラフィ製法により、表面上にマイクロパターンやナノパターンを形成することができる。フォトリソグラフィ技術ではこのパターン形成を実現するために、所望のパターンに応じた強度分布を有する光場を感光性の表面に露光する。感光性の表面は通常、たとえばフォトレジスト等の感応性材料の薄膜を基板表面上に直接被膜したもの、または、他の材料の中間層を介在させて間接的に成膜したものである。上記露光により感光性層にて生じる化学的または物理的変化を連続プロセスにおいて利用して、基板材料または他の材料の中間層に所望のパターンを形成する。最も一般的に使用されるフォトリソグラフィ技術は、マスクにて規定されたパターンの像を、光学システムを用いて基板表面上に投影するというものである。上述の通常のシステムにおいて一般的に使用されるマスクは、パターン幾何要素を、透明基板上に設けられた不透明材料の層の孔領域として画定した振幅マスクであり、この不透明材料は、通常はクロムである。これに代えて択一的に、位相シフトマスク（ＰＳＭ）も用いられる。この位相シフトマスクは、パターン幾何要素を通って伝搬する光の位相が他の伝搬光の位相に対してシフトして、像面において相互干渉することにより所望のパターンを形成するように、材料の特性の厚さを用いて、または材料に所定の深さの凹入部を設けることにより、パターン幾何要素を画定したものである。投影式タルボリソグラフィ、密着式タルボリソグラフィ、近接式タルボリソグラフィまたは通常のタルボリソグラフィにおいて用いられるＰＳＭの場合、そのマスクは、当該マスクと任意の光学系とによって透過されるあらゆる回折次数間の干渉を考慮して構成される。１次元パターンの場合、ＰＳＭにより、印刷可能な最小周期を振幅マスクの１／２に小さくすることができる。このことは主に、０次の回折ビームを抑圧することにより、０次の回折ビームと１次回折ビームとの干渉により生じる強度変調を消失させることによって実現される。

多くの用途では、パターン幾何要素の単位セルを１次元または２次元で繰り返したものを含むパターンが、すなわち周期的パターンが必要とされる。このようなパターンをマスクから基板に転写するための特殊なフォトリソグラフィ技術は、タルボ効果に基づいたものである。マスクにて画定された周期的パターンに、単色光のコリメートビームを照射すると、透過した光場における回折次数が、いわゆるタルボ平面においてマスクから規則的な距離にてパターンの「自己像」を再構築する。タルボ距離との名称でも知られているこの自己像Ｌ_Ｔの離隔距離は、照射波長λと、パターンの周期ｐとに依存し、以下の数式により表される：
Ｌ_Ｔ≒ｋｐ^２／λ 数式（１）
同式中、ｋは定数である。

線とスペースとの１次元の周期的パターンの場合にはｋ＝２であるのに対し、２次元の周期的パターンの場合、ｋの値は、パターンのアレイ対称性に依存する。ｐ≫λの場合（すなわち、１次回折次数の角度が小さい場合）、上記数式の精度は良好であるが、当該数式の近似は、ｐの大きさがλに近づくにつれて良好でなくなっていく。フォトレジストを被膜した基板を自己像面のうちいずれか１つに配置すると、当該フォトレジストにマスクパターンが印刷される（たとえば、C. Zanke, et al., “Large area patterning for photonic crystals via coherent diffraction lithography”, J. Vac. Sci. Technol. B 22, 3352 (2004) を参照されたい）。さらに、各自己像面間の中間地点において、マスクのパターンの空間周波数より高い空間周波数を有するタルボ部分像が形成され、これは、フォトレジスト被膜した基板を、その部分像面のうち１つに配置することにより印刷することができる。この技術を用いて得られる印刷結果は、タルボ平面または部分像面における強度変化のコントラストが高くなるようにマスクパターンのデューティ比（すなわち、幾何要素周期の一部としての当該幾何要素の寸法）を選択することによって改善する（米国特許第４，３６０，５８６号明細書を参照されたい）。また、従来技術では、位相シフト材料を用いてマスクに周期的パターンを形成することにより、タルボ像のコントラストをさらに強調できることも知られている。特に、高解像度の周期的パターンを印刷するために、タルボイメージングを利用したフォトリソグラフィを使用すると、高解像度パターンを印刷するための従来の投影型フォトリソグラフィ装置のコストとの比較において有利である。

しかし、タルボ技術の主な欠点は、自己像および部分像の強度分布が、マスクまでの距離に影響を受けやすいこと、つまり、自己像および部分像の被写界深度が限られていることである。よって、パターンを正確に印刷するためには、マスクに対する基板の位置決めを高精度で行う必要がある、ということになる。自己像および部分像の被写界深度はパターン周期の２乗に比例するので、上述の欠点は、格子周期が小さくなるほど一層深刻になっていく。その上、あまり平坦でない基板表面上にパターンを印刷する必要がある場合、または高凹凸の微細パターンを既に有する表面にパターンを印刷する場合、またはフォトレジストの薄層にパターンを印刷する場合には、所望の結果を実現することができない場合がある。

最近、高解像度の周期的パターンを高コストパフォーマンスで印刷する新規の手法として、アクロマティックタルボリソグラフィ（ＡＴＬ）が紹介された（H. H. Solak, et al., “Achromatic Spatial Frequency Multiplication: A Method for Production of Nanometer-Scale Periodic Structures”, J. Vac. Sci. Technol., 23, pp. 2705-2710 (2005) および米国特許出願第２００８／０１８６５７９号を参照されたい）。このアクロマティックタルボリソグラフィは、リソグラフィ用途において２つの重要な利点を奏する。１つ目は、古典的なタルボ手法を用いた場合に直面する被写界深度の問題を克服できることであり、２つ目は、多くのパターンタイプにおいて空間周波数を倍増できること、つまり、マスクのパターンに対して、印刷される幾何要素の解像度を増大できることである。ＡＴＬでは、スペクトル帯域幅が広い光源からコリメートビームを当該マスクに照射し、マスクからの距離が特定の距離を超えると、透過した光場が、距離が更に大きくなっても強度分布が実質的に不変であるいわゆる定常像を形成する。線とスペースとの１次元のパターン（すなわち直線グレーティング）の場合、上記定常像生じる、マスクからの最小距離ｄ_ｍｉｎは、マスクのパターンの周期ｐ、および、ビームのスペクトル特性の半値全幅λΔと相関関係にあり、以下の関係式により表される：
ｄ_ｍｉｎ≒２ｐ^２／Δλ 数式（２）
この距離を上回ると、マスクまでの距離が大きくなるにつれて、異なる波長に対応する複数のタルボ像面が連続分布し、これにより定常像が生じる。よって、この領域に、フォトレジストを被膜した基板を配置することにより、特定の波長で、連続したタルボ平面間に形成された横方向強度分布の全範囲に至るまで当該基板が露光される。したがって、基板上に印刷されたパターンは、横方向強度分布のこの全範囲を平均または積分したものとなり、これは、マスクと比較して、基板の縦方向変位に格段に影響を受けにくい。よって、この技術により、標準的なタルボイメージングを用いた場合よりも格段に大きな被写界深度を実現することができ、かつ、従来の投影、近接または密着印刷方式を用いた場合よりも格段に大きな被写界深度を実現することができる。

特定のマスクパターンから得られるＡＴＬ像における強度分布は、マスクを通過する電磁波の伝播と、マスク通過後の電磁波の伝播とをシミュレートするモデリングソフトウェアを用いて計算することができる。このシミュレーションツールは、基板表面にて特定の印刷パターンを得るためにマスクのパターンを最適化するために用いることができる。

ＡＴＬ法は元々、単位セルを少なくとも一方向に一定の周期で繰り返したものを含む周期的パターンを印刷するために開発されたものであるが、周期が実質一定であるマスクの一部によって、定常像の特定の部分を形成する回折次数が生成されるように、当該マスクにおいて周期が十分に「緩慢」に漸次的に空間的に変化するパターンに当該技術を適用して成功させることも可能である。このようなパターンは、準周期的という場合がある。

ＡＴＬの欠点は、マスクと基板との間に必要とされる離隔距離が不都合に大きくならないようにするため、相当広幅のスペクトル帯域幅を有する光源を必要とすることである。マスクから伝播した複数の異なる回折次数の角発散により、基板表面において各異なる次数間において空間的オフセットが生じ、これにより、パターンエッジにおける像再構成が不完全となる。このことは、離隔距離が大きくなると更に悪化する。回折次数のエッジにおけるフレネル回折もまた、印刷パターンのエッジを劣化させる原因となり、このこともまた、離隔距離が増大することによって更に悪化する。それゆえ、スペクトル帯域幅が比較的小さいレーザ光源は、ＡＴＬに適さない場合が非常に多い。

ＡＴＬに非レーザ光源を、たとえばアークランプまたは発光ダイオード等を使用する場合には、製造工程にて高スループットを実現するために高出力であることと、高解像度の幾何要素の像を形成するために良好なコリメートを実現できることとを兼ね備えた、所要寸法の露光ビームを生成することが問題となる。空間的フィルタリングによって、上述のような光源からのビームのコリメートを所要のレベルにまで改善することができるが、このことによって一般的に、ビーム出力の損失が許容範囲外となる。

ＡＴＬ技術の利点は、米国特許出願第２００８／０１８６５７９号に記載された別の関連技術を用いることにより実現することができる。この手法は、マスクの周期的パターンに単色光のコリメートビームを照射し、露光中に、タルボ平面間の強度分布を平均したものが基板上に印刷されるように、連続したタルボ平面間の離隔距離の整数倍に等しい範囲において、基板からマスクまでの距離を変化させる、というものである。よって、使用可能な最小移動は、連続したタルボ平面の離隔距離に等しい（整数＝１の場合）。露光中にこのように移動させることにより、基板に印刷されるパターンは、ＡＴＬ技術を用いて印刷したものと実質同一になる。上記刊行物には、前記範囲において基板を複数の離散した位置において露光することによって離散的に、または連続的に、上記移動を行うことが可能であることが記載されている。この一般的技術を、移動型タルボリソグラフィ（ＤＴＬ）という場合がある。

ＡＴＬ技術を用いて基板上に生成される平均強度分布と、ＤＴＬ技術を用いて基板に生成された平均強度分布とは、実質的に同等であり、被写界深度を大きくすることと、印刷されるパターンの空間周波数の倍増との双方を実現することができる。ＤＴＬ方式は、基板とマスクとの離隔距離をＡＴＬ方式よりも格段に小さくして使用することができる。このように離隔距離を小さくできることにより、パターンエッジの劣化が小さくなり、コリメートに課される要求が緩和するので、光源からの出力をより高効率で利用することが可能になる。さらに、ＤＴＬ技術により、製造プロセスに好適なレーザ光源を使用することも可能になる。このような光源からの光は、良好にコリメートされたビームに成形することができ、なおかつ、パワー損失を無視できる程度にすることができるので、幾何要素の解像度の損失を最小限にして、像コントラストを最大限にすることができる。

ＤＴＬを用いて特定のマスクパターンから印刷されるパターンの構造は、シミュレーションソフトウェアを用いて理論的に求めることもできる。

米国特許出願第２００８／０１８６５７９号に記載されたＤＴＬ技術の制限要因は、露光中におけるマスクに対する基板の縦方向の相対移動量が、タルボ距離の整数倍に正確に一致しなければならないことである。この移動量が正確に整数倍である場合、基板を露光する平均強度分布は、基板とマスクとの初期の離隔距離に依存せず、マスクと基板とが正確に平坦でなくても、また正確に平行でなくても、基板にパターンの幾何要素を均一に露光することができる。他方、たとえば移動アクチュエータの機械的ヒステリシスに起因して、または移動アクチュエータのステップ分解能が制限されていることに起因して、または、照射システムによる露光持続時間と基板の移動との同期が不正確であることに起因して、基板の縦方向の相対移動量がタルボ距離の整数倍に正確に等しくならないと、平均強度分布は初期の離隔距離に依存してしまう。その際には、マスクと基板とが正確に平坦でなかったり、また正確に平行でない場合、幾何要素サイズの空間的なばらつきが、印刷されるパターンに取り込まれてしまう。または、マスクと基板とが正確に平坦でなく、また正確に平行でもなく、異なる基板ごとにマスクと当該基板との離隔距離も異なる場合には、印刷される幾何要素のサイズが基板ごとに変化してしまう。これらのことはいずれも、特定の用途において問題となる場合がある。幾何要素のこのようなばらつきは、マスクに対する基板の縦方向の相対移動を多数のタルボ距離で行うことにより低減することができるが、このことによってたとえば、幾何要素の解像度の低下（照射ビームが良好にコリメートされていない場合）、幾何要素の形状の歪み（移動方向が正確に縦方向でない場合）、パターンエッジの劣化（ギャップが過度に大きくなる場合）等の他の問題を引き起こす可能性が生じ、また、機械系システムにおいて必要とされる移動範囲が大きくなるという欠点も生じる。

米国出願第１３／０３５，０１２号には、露光中の基板の縦方向移動量をタルボ距離の整数倍に正確に一致させる必要なく、周期的パターンまたは準周期的パターンを均一かつ再現可能に印刷できるように上記制限を解消するためのＤＴＬ技術の改良が記載されている。当該刊行物の記載内容は、引用により本願の開示内容に含まれることとする。また、マスクから透過した光場中に２次以上の回折次数が存在することによって、正確なタルボ像形成や正確なタルボ距離が阻害される場合にも、周期的パターンを均一かつ再現可能に印刷することができる。さらに、各異なる軸に沿ったパターンの周期がそれぞれ異なる場合にも、基板に幾何要素の２次元の周期的パターンを均一かつ再現可能に印刷することもできる。さらに、マスクのパターンの周期が一定でなく、マスクにおいてチャープ回折格子のように連続的に変化するか、または階段状に変化する場合にも、幾何要素のパターンを基板に均一かつ再現可能に印刷することもできる。当該出願公開では、移動速度を変化させることによって、または、露光ビームの強度を変化させることによって、マスクに対する基板の相対的な移動増分ごとの露光量を露光中に変化させることが記載されている。具体的には、ガウス分布または同等の分布にしたがって、必要な当該分布に応じて照射強度を変化させることにより、または、当該分布を反転した分布に応じて移動速度を変化させることにより、基板の移動増分ごとの露光量を変化させるべき旨が記載されている。

しかし、この改良ＤＴＬ技術も、ある程度の欠点を有する。マスクに対する基板の相対移動中に照射ビームの強度を変化させると、必然的に、照射源の出力が最大限に利用されないこととなり、このことによって露光時間が長くなり、このことは製造プロセスにとって望ましくない。また、ガウス分布または同等の分布を反転した分布に一致するように、マスクに対する基板の相対移動速度を変化させることは、露光システムにさらに機械的要求を課すこととなり、このさらなる機械的要求を満たすのは困難であったり、高コストとなる場合がある。特に、所要露光時間が短い場合、および／または、基板が大型である場合、さらなる機械的要求を満たすのは困難、高コストになる。

米国特許出願第１２／７０６，０８１号および同１３／２１８，５６７号には、関連する技術が記載されており、この技術は、１つの入射角だけで周期的パターンを露光するのではなく、一定の角度範囲で周期的パターンを露光する照射ビームを用いて、ＡＴＬまたはＤＴＬ露光を行う、というものである。これら両刊行物には、適切な実施形態を用いて、この角度範囲内の複数の異なる角度の光を、マスクに順次照射または同時照射することができる。このような照射手法により、印刷される幾何要素の形状および解像度の範囲を、単純なＡＴＬ技術やＤＴＬ技術よりも拡大することができる。

国際特許出願ＩＢ２０１１／０５５１３３号では、パターンを印刷するためにＡＴＬ型またはＤＴＬ型露光と共に用いられる、周期的パターンを有する位相シフトマスクの種々の構成が記載されており、この種々の位相シフトマスク構成は、数多くの有利な特性を有する。

国際特許出願第ＩＢ２０１１／０５５８２７号には、関連する技術が記載されており、この関連技術は、印刷先である基板に対して所定の角度にマスクの周期的パターンを傾けてから、露光中に基板に対して当該マスクの周期的パターンを移動させることにより、連続したタルボ平面間の横方向強度分布の範囲で基板を露光することが記載されている。その結果実現される露光は、ＡＴＬ技術やＤＴＬ技術によって生成される露光と同等なものとなる。

国際特許出願第ＩＢ２０１２／０５０１２８号に、関連する技術が記載されており、この技術は、近傍に配置された基板の露光中にスペクトル帯域幅にわたって波長を掃引しながら瞬間的に単色のビームをマスクの周期的パターンに照射する、というものである。この帯域幅は、当該帯域幅により実現される露光が、ＡＴＬによって生成される露光と同等となるように、基板とマスクとの離隔距離との関係において配置される。

国際特許出願第ＩＢ２０１２／０５２７７８号にも、関連する技術が記載されており、これは、スペクトル帯域幅における複数の波長で光を放出する複数のレーザのアレイを用いて、基板に近接して配置されたマスクの周期的パターンを照射する、というものである。その波長帯域幅、および、基板とマスクとの離隔距離は、それにより実現される基板の露光が、ＡＴＬによって実現される露光と同等となるように配置される。

最後に挙げた２つの技術はそれぞれ、ＡＴＬ型露光を実現するための代替手段を実現するものであるが、これらは双方とも、照射システムを更に複雑にし、関連するコストを増大させてしまい、このことは望ましくない。

よって、本発明の課題は、ＡＴＬ技術や、フォトレジスト被膜された基板に幾何要素の周期的パターンまたは準周期的パターンを印刷する関連技術と同じ利点を奏するがこれらの技術の欠点を有さない方法および装置、つまり、焦点深度が大きく、かつ、マスクと印刷パターンとの間で空間周波数を倍増させることができる方法および装置を実現することである。具体的には本発明の課題は、照射源をレーザとすることができ、露光中に速度を変化させながら基板を移動させる必要がなく、複数のレーザ光源を、または露光中に波長が可変であるレーザを備えた複雑および／または高コストの照射システムを必要とせず、かつ、露光中にマスクに対して基板を傾ける必要がない、ＡＴＬと等価の技術を実現することである。

本発明の第１の対象は、幾何要素の所望の１次元または２次元の周期的パターンを感光性層に印刷する方法であって、
前記方法は、
ａ）幾何要素の周期的マスクパターンを有するマスクを設けるステップと、
ｂ）前記感光性層を支持する基板を設けるステップと、
ｃ）前記基板を前記マスクに対して実質的に平行に、かつ、当該マスクから離隔距離をおいて配置するステップと、
ｄ）前記マスクによって透過された光場が、タルボ距離だけ離隔されたタルボ像面を形成するように、前記マスクパターンに照射するためのコリメートされた単色光のビームを成形するステップと、
ｆ）前記ビームを用いて前記マスクのＮ回の部分露光を行うステップと
を有し、
前記ステップｆ）の部分露光は、第１の部分露光中の離隔距離に対して第ｉの部分露光中の相対的な離隔距離が、（ｍ_ｉ＋ｎ_ｉ／Ｎ）×タルボ距離となるように、各部分露光間の離隔距離を変化させながら行い、ここで、値ｍ_ｉは整数であり、値ｎ_ｉは、異なる部分露光ごとに０からＮ−１までの整数値をとり、
実質的に０次および１次の回折次数のみが前記マスクによって透過されるように、周期を照射波長との関係において選択する
ことを特徴とする方法である。

本発明の第２の対象は、幾何要素の所望の１次元または２次元の周期的パターンを感光性層に印刷する装置であって、
前記装置は、
ａ）幾何要素の周期的マスクパターンを有するマスクと、
ｂ）前記感光性層を支持する基板と、
ｃ）前記基板を前記マスクに対して実質的に平行に、かつ、当該マスクから離隔距離をおいて配置するための手段と、
ｄ）前記マスクによって透過された光場が、タルボ距離だけ離隔されたタルボ像面を形成するように、前記マスクパターンに照射するためのコリメートされた単色光のビームを成形する手段と、
ｆ）前記ビームを用いて前記マスクのＮ回の部分露光を行う手段と
を有し、
前記部分露光は、第１の部分露光中の離隔距離に対して第ｉの部分露光中の相対的な離隔距離が、（ｍ_ｉ＋ｎ_ｉ／Ｎ）×タルボ距離となるように、各部分露光間の離隔距離を変化させながら行われ、ここで、値ｍ_ｉは整数であり、値ｎ_ｉは、異なる部分露光ごとに０からＮ−１までの整数値をとり、
実質的に０次および１次の回折次数のみが前記マスクによって透過されるように、周期は照射波長との関係において選択されている
ことを特徴とする装置である。

本発明の第３の対象は、幾何要素の所望の１次元または２次元の周期的パターンを感光性層に印刷する方法であって、
前記方法は、
ａ）幾何要素の１次元または２次元の周期的マスクパターンを有するマスクを設けるステップと、
ｂ）前記感光性層を支持する基板を設けるステップと、
ｃ）前記基板を前記マスクに対して実質的に平行に、かつ、当該マスクから離隔距離をおいて配置するステップと、
ｄ）前記マスクパターンに照射するためのコリメートされた単色光のビームを成形するステップと、
ｅ）前記層に強度分布を露光するように、第１の部分露光において前記ビームを前記マスクパターンに照射するステップと、
ｆ）第２の部分露光において前記層に露光される前記強度分布を、前記第１の部分露光に対して横方向に、前記マスクパターンの幾何要素と当該マスクパターン中の１点との間の方向および距離に相当する方向および距離に相対移動させて配置するステップと
を有し、
１次元パターンの場合、前記１点は、前記マスクの２つの隣接する幾何要素から等距離にある１点であり、２次元パターンの場合、前記１点は、前記マスクの少なくとも３つの隣接する幾何要素から等距離にある１点であり、
前記方法はさらに、
ｅ）前記第２の部分露光において前記層に前記強度分布を露光するように、前記ビームを前記マスクパターンに照射するステップと
を有し、
実質的に０次および１次の回折次数のみが前記マスクによって生成されるように、周期を照射波長との関係において選択する
ことを特徴とする方法である。

本発明の第４の対象は、幾何要素の所望の１次元または２次元の周期的パターンを感光性層に印刷する装置であって、
前記方法は、
ａ）幾何要素の１次元または２次元の周期的マスクパターンを有するマスクと、
ｂ）前記感光性層を支持する基板と、
ｃ）前記基板を前記マスクに対して実質的に平行に、かつ、当該マスクから離隔距離をおいて配置するための手段と、
ｄ）前記マスクパターンに照射するためのコリメートされた単色光のビームを成形する手段と、
ｅ）前記ビームを用いて、前記マスクの各部分露光にて送られるエネルギー密度を制御して、当該部分露光を行う手段と、
ｆ）各部分露光間において、前記層に露光される前記強度分布を横方向に、前記マスクパターンの幾何要素と当該マスクパターン中の１点との間の方向および距離に相当する方向および距離に移動させて配置する手段と
を有し、
ただし１次元パターンの場合には、前記１点は、前記マスクの２つの隣接する幾何要素から等距離にある１点であり、２次元パターンの場合には、前記１点は、前記マスクの少なくとも３つの隣接する幾何要素から等距離にある１点であり、
実質的に０次および１次の回折次数のみが前記マスクによって生成されるように、周期が照射波長との関係において選択されている
ことを特徴とする装置である。

好適には、第１の露光に対する感光性層における強度分布の相対移動は、各部分露光の合間に基板およびマスクのうちいずれか１つを移動させて行うか、またはこれと等価の手段として、マスクと基板との離隔距離と照射ビームの角度の変化分との積が所要の移動量に一致するように、各部分露光の合間に当該照射ビームの角度を変えることにより、上記相対移動を実現することも可能である。

本発明のすべての実施形態において、マスクの幾何要素のパターンを透明な幾何要素とし、かつ、不透明である層に形成することができ、または、遮光性幾何要素として、かつ、透明なマスクに設けることもできる。これに代えて択一的に、幾何要素とその周辺領域との双方を透明または半透明とし、当該幾何要素によって透過される光と当該周辺領域によって透過される光とで幾何要素の相対厚さおよび／または相対深さによって位相差を生じさせる１つまたは複数の材料に、当該幾何要素とその周辺領域との双方を形成することもできる。すなわち、マスクを位相シフトマスクとする。

本発明のすべての実施形態において、各部分露光における照射ビームの強度を等しくするのが有利である。さらに好適なのは、各部分露光の合間に離隔距離を変化させているとき、または、第２の部分露光の前に層における強度分布の移動を配置するときに、照射を不連続とすること（すなわちシャッタを用いること）である。これに代えて択一的に、各部分露光中と、離隔距離の変化または強度分布の移動を行う間に、照射を連続的とすることもできる。その際には、離隔距離の変化中または強度分布の移動中に露光のエネルギー密度によって印刷結果に及ぼされる影響が無視できる程度になるように、部分露光にかかる時間と比較して無視できる程度の時間（有利には、部分露光にかかる時間の１／５０未満）以内に、離隔距離を変化させるか、または強度分布を移動させなければならない。

本発明のすべての実施形態において、好適には、マスクから０次および１次の回折次数のみが伝播するが、２次以上の回折次数が印刷強度分布に有意に影響することがない場合には、この回折次数も許容することができる。たとえば、印刷される幾何要素サイズの、上述の高次の回折次数の存在に起因して生じるばらつきは、好適には、幾何要素サイズの１／１０または１／２０未満とすべきである。

本発明のすべての実施形態において、横方向または縦方向の移動の精度は有利には、目標移動量の１０％より良好な精度とすべきであり、最も好適なのは、２％より良好な精度とすることである。

以下、図面を参照して、本発明の有利な実施例を説明する。

本発明の第１，第２および第３の実施形態において使用される装置を示す図である。 第２の実施形態において使用される、６角形に配置された孔を有するマスクパターンの単位セルを示す図である。 マスクの平面における回折次数の方向を示す図である。 側面から見た回折次数の方向を示す図である。 第２の実施形態のマスクパターンから複数の異なる距離において計算される強度分布のコンピュータシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態のマスクと露光手順とを使用した場合の、ウェハとマスクとの初期離隔距離範囲で当該ウェハにおいて得られた平均強度分布のコンピュータシミュレーション結果を示す図である。 第３の実施形態において使用される、正方形に配置された孔を有するマスクパターンの単位セルを示す図である。 第３の実施形態にて使用されるマスクパターンから複数の異なる距離において計算される強度分布のコンピュータシミュレーション結果を示す図である。 第３の実施形態のマスクと露光手順とを使用した場合の、ウェハとマスクとの初期離隔距離範囲で当該ウェハにおいて得られた平均強度分布のコンピュータシミュレーション結果を示す図である。 第５の実施形態にて用いられる６角形配列マスクのタルボ像面における強度分布のコンピュータシミュレーションを示す図である。 第５の実施形態のマスクと露光手順とを使用した場合の、ウェハとマスクとの初期離隔距離範囲で当該ウェハにおいて得られた平均強度分布のコンピュータシミュレーション結果を示す図である。 第６の実施形態にて用いられる正方形配列マスクのタルボ像面における強度分布のコンピュータシミュレーションを示す図である。 第６の実施形態のマスクと露光手順とを使用した場合の、ウェハとマスクとの初期離隔距離範囲で当該ウェハにおいて得られた平均強度分布のコンピュータシミュレーション結果を示す図である。 第７の実施形態において用いられるマスクを上から見た図と、当該マスクの側面図である。 第７の実施形態のマスクと露光手順とを使用した場合の、ウェハとマスクとの初期離隔距離範囲で当該ウェハにおいて得られた平均強度分布のコンピュータシミュレーション結果を示す図である。 第８の実施形態にて使用される装置を示す図である。 本発明の第９の実施形態にて使用されるマスクの上面図および側面図である。 第９の実施形態にて使用される装置を示す図である。 第９の実施形態にて択一的に使用可能な照射ビームの強度プロファイルを示す図である。 第１０の実施形態にて用いることができるマスクを示す図である。

図１に、本発明の第１の実施例を示しており、同図を参照すると、アルゴンイオンレーザ１が、３６３．８ｎｍの波長かつ最大２ｍｍの径長を有する、実質的に単色の光のビーム２を放出する。これはＴＥＭ００横モードであるから、ガウス強度プロファイルを有する。この光は平面偏光であり、その偏光ベクトルは、図平面に対して直交している。電子的に操作されるシャッタ３を通過すると、ビーム２の径長は、一対のレンズを有するビームエキスパンダ４によって拡大される。このようにして拡大された、コリメート光のビームは、ビーム変換器６に入射し、このビーム変換器６は、当該ビームのガウス強度プロファイルを、実質的に方形の強度分布に変換することにより、当該ビームの強度がその中心領域にわたって実質均一になるようにする。このビーム変換器はたとえば、モルテック社（Moltech GmbH）から市販されている（特に、同社の piShaper 製品シリーズ）。変換器６からのコリメート光の均質化されたビームは、第２のビームエキスパンダ８に入射し、当該第２のビームエキスパンダ８は、ビームの均一領域の径長が、露光すべきパターンより大きくなるように、当該ビームを拡大する。このビームはミラー１０によってマスク１２の方向に反射されることにより、マスク１２には、良好にコリメートされた光が法線入射で照射される。マスクの下側表面には、１次元の周期的パターン１３が存在する。すなわち、不透明な線とその間の透明なスペースとから成る周期６００ｎｍを有する直線グレーティングが存在する。この線の方向は、図平面に対して直交している。パターン１３は、溶融シリカ基板上に設けられたクロム層に、電子ビームマスク製造技術を用いて作成されたものである。図１には、マスクパターン１３の少数の線とスペースしか示していないが、更に多くの線およびスペースを設けること、および、マスクパターンの寸法は数ｃｍにもなることが明らかである。マスク１２は、たとえば真空チャック等の機械的支持台（図中に示していない）にしっかり固定されている。

マスク１２の下方に、フォトレジスト層１５が設けられたウェハ１４が存在し、このフォトレジスト層１５は、スピンコーティング法によってウェハ１４の上表面に成膜されたものである。層１５は１μｍの厚さを有し、フォトレジスト１５は、標準的なｉ線感光材料である。ウェハ１４は真空チャック１６に取り付けられており、この真空チャック１６は、ウェハとマスクとの間の離隔距離を変化させたり傾けたりするための精密位置決めアクチュエータと手動調整部との双方を含む位置決めシステム１７に取り付けられている。精密位置決めアクチュエータは、３０μｍの変位範囲を有する圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）であり、また、ＰＺＴの正確な閉ループ動作を実現するための内蔵センサも有する。位置決めシステム１７の精密位置決め機構は、露光中にウェハ１４の必要な縦方向移動が、マスク１２の平面に対して正確に直交するのを保証するリニアガイドも有し、特に、露光中の横方向移動が、印刷すべきパターンの周期の１／１０未満になるのを保証するガイドを有する。位置決めシステム１７およびシャッタ３は、制御システム１８を介して制御される。

ウェハ１４は、ウェハ位置決めシステム１７と参照スペーサとを用いて、マスク１２に対して平行に、かつ、当該マスク１２から最大４０μｍの離隔距離をおいて配置される。この参照スペーサは、マスク１２とウェハ１４との間のギャップを手動で調べるのに用いられるものである。マスク１２とウェハ１４との離隔距離は、照射ビーム１１のコリメートが不完全であることに起因してフォトレジスト層１５にまたはフォトレジスト層１５近傍に形成されるタルボ像またはタルボ部分像のぼけが、印刷されるパターンの周期に対して無視できる程度となるように、有利には、印刷パターンの周期の１／１０未満となるように配置される。当該分野にて周知であるように、上述の像のぼけの大きさは、マスクパターンの任意の１点に照射される光の発散角に、ウェハとマスクとの離隔距離を乗算して得られた積として評価することができる。

ウェハ１４は、以下の手順を用いて露光される。レーザシャッタ３の開放による露光量が、マスク１２が無い場合に、現像後にウェハ１４の露光された領域からフォトレジスト１５を完全に除去するために必要とされる露光量のほぼ半分になるのに必要な時間にわたって、当該レーザシャッタ３を開放する。マスク１２の、照射された回折格子１３は、０次の回折次数と、２つの１次回折次数との３つの回折次数を生成し、これら３つの回折次数が干渉することによってタルボ像を形成する。マスク１２からこのタルボ像までの距離は周期的になっている。各像面はタルボ距離だけ離隔している。このタルボ距離は、直線グレーティング１３および当該照射波長の場合、１．７８μｍである。基板１４とマスク１２との離隔距離および平行性は正確には調整されていないので（また、マスク１２およびウェハ１４は厳密に平坦ではないので）、フォトレジスト１５は特定のタルボ像面内に存在することはなく、よって、フォトレジスト１５の露光が高度に不均一である強度分布となる。実際、フォトレジスト１５の露光は、タルボ像が良好に合焦された領域と、タルボ像が一部合焦された領域と、タルボ像が完全に焦点はずれした領域とが混ざったものを含む。

第１の部分露光の次に、位置決めステージに設けられた精密位置決めアクチュエータを使用して、タルボ距離の半分に相当する距離だけ、すなわち０．８９μｍだけ、ウェハ１４を縦方向に移動させる。この移動は、離隔距離が増大または減少する方向にすることができる。というのも、これによってフォトレジスト１５において生じる強度分布は、マスク１２からの光場のタルボ周期で見ると同じになるからである。また、これと等価的に、同じ理由により、ウェハ１４を択一的に、（ｍ＋1/2）タルボ距離の距離だけ移動させることも可能である。ここで、ｍは整数である（正または負とすることができる）。このように移動を行った後、前の部分露光と等しい露光量でウェハ１４の露光を行う第２の部分露光を行う。露光の合間にウェハ１４を縦方向に移動させたので、フォトレジスト１５に照射される強度分布は、第１の部分露光の強度分布とは非常に大きく異なる。上記２回の部分露光においてフォトレジスト１５に露光される有効強度分布または正味強度分布は、当該２回の部分露光を平均したものとなる。第２の部分露光を行った後、ウェハ１４を露光装置から取り出し、標準的な手法を用いてフォトレジスト１５を現像する。

上述の２重露光手順の結果は、数学的に導出することができる。マスク回折格子１３がｘｙ平面内にあり、マスク回折格子１３の各線がｙ軸に平行であり、かつ、照射がｚ方向である場合、マスクによって透過された３つの回折次数によって形成される電場全体は、以下の数式によって表すことができる：
上記式中、Ａ_１は、０次に対する１次回折次数の相対的な大きさであり、±θは１次回折次数の角度である。

よって、マスク１２から特定の距離ｚ_０における強度分布は、以下のようになる。

同式中、Λは回折格子１３の周期であり、Ｌ_Ｔ＝λ／（１−ｃｏｓθ）はタルボ距離である。

したがって、マスク１２から距離（ｚ_０＋Ｌ_Ｔ／２）にある平面における強度は、以下のようになる：

よって、等しい露光量の２つの露光の合間において基板１４を縦方向にＬ_Ｔ／２だけ移動させることによって当該基板１４に生じる平均強度分布は、以下の通りである。

この結果により、フォトレジスト１５に印刷される像は、ウェハ１４とマスク１２との初期離隔距離に依存せず、マスクパターン１３の周期の半分である周期を有する回折格子パターンとなることが分かる。したがって、その点ではＡＴＬ技術やＤＴＬ技術と同等のものであり、表面平坦性に乏しい基板や、タルボ像の焦点深度より大きい厚さのフォトレジストであっても、その表面に回折格子パターンを均一かつ再現可能に印刷することができる。

フォトレジスト１５に印刷されるパターンを最適化するためには、標準的な技術を用いて現像後のフォトレジスト構造を評価しなければならず、その後にさらに、同じ手順を用いるが２つの部分露光の露光量の最適化を伴って印刷された後の、フォトレジスト被膜されたウェハを評価しなければならない。適切な露光量を求めるためのこの実験的な手順は、すべての実施形態に適用可能である。

上記実施形態の一態様では、第３の部分露光に際して同一のまたは異なる離隔距離を用いて、上述の露光順序を繰り返し、その後、第４の部分露光を行う前に、マスクとウェハとの間の離隔距離をタルボ距離の半分（または、（ｍ＋1/2）タルボ距離）だけ変化して、第３の部分露光の露光量と同じ露光量を第４の部分露光に用いる。この繰り返しシーケンスは、６回、８回等の部分露光にまで拡張することができる。このように繰り返されるシーケンスにより、２つの露光の合間にウェハをタルボ距離の半分だけ移動させる精度に課される要求を緩和することができ、これにより、より均一かつ再現可能な露光を実現することができる。上述のように露光手順を繰り返すことは、マスクおよび基板の表面によって光が反射されることに起因する干渉作用を低減することにも寄与することができ、この原理は、本発明の他の実施形態にも適用することができる。

第１の実施形態の他の一態様では、上述の態様に代えて、１回の露光を３回の部分露光に分割し、第１の部分露光と第２の部分露光との間、および、第２の部分露光と第３の部分露光との間に、ウェハとマスクとの間の離隔距離をタルボ距離の１／３だけ変化させる。この離隔距離の変化は同一方向に行われる。マスクからの光場のタルボ距離は周期的であるから、択一的に、各部分露光の合間のウェハの移動量を（ｍ±1/3）タルボ距離とすることもできる。ここでｍは、２つの移動に対してそれぞれ異なる値とすることができる整数である（かつ、２つの移動における１／３の符号は等しい）。この移動量もまた、上記択一的な移動量と等価の態様である。よって、タルボ距離の整数部を減算または加算した後の、第１の部分露光の離隔距離に対する、３回の部分露光におけるウェハとマスクとの相対的な離隔距離は、タルボ距離のｎ／３として表すことができる。ここでｎは、０，１および２のうちそれぞれいずれかの値をとる。各部分露光においてマスクを露光する露光量は等しく、現像後のフォトレジストにおいて必要な構造が生成されるように、総露光量を選択する。次に、他のウェハの露光における１回の部分露光あたりの露光量を最適化することができる。

他の一態様では、上記態様に代えて、１回の露光をより多いＮ回の部分露光に、たとえば４，５または６回の部分露光に分割し、異なる部分露光の合間に、ウェハとマスクとの間の離隔距離をＬ_Ｔ／Ｎだけ変化させる。この離隔距離の変化はすべて、同一方向に行われる。マスクからの光場のタルボ距離は周期的であるから、択一的に、各部分露光の合間のウェハの移動量を（ｍ±１／Ｎ）Ｌ_Ｔとすることもできる。ここでｍは、異なる移動ごとに異なる値とすることができる整数であり、かつ、すべての移動における１／Ｎの符号は等しい）。この移動量もまた、上記択一的な移動量と等価の態様である。さらに、この数式によって暗黙的に示されている順序で上記部分露光を実施する必要はなく、他の任意の順序で実施することができる。たとえば、離隔距離のすべての変化においてｍ＝０である単純なケースでは、すべての部分露光の合間において離隔距離をＬ_Ｔ／Ｎだけ変化させなくてもよい。ここで必要なのは、第１の部分露光に対する部分露光の相対的な離隔距離は、ｎ／Ｎによって得られることである。ここでｎは、０からＮ−１までのそれぞれいずれかの整数値をとる。すなわち、ｎは時系列も定義するものではない（ただし例外として、ｎ＝０は常に第１の露光に相当する）。この要件をさらに一般化した表現にすると、タルボ距離の整数部を減算または加算した後の、第１の部分露光を基準とした３回の部分露光における相対的な離隔距離は、タルボ距離のｎ／Ｎによって定まるべきものである。ここでｎは、０からＮ−１までのそれぞれいずれかの整数値である。各部分露光においてマスクに露光する照射エネルギー密度は等しい。

あまり好適ではない場合があるが、部分露光のうちいずれか任意のものを下位分割し、本実施形態の他の一態様では、総露光量の和が１回の部分露光の露光量に等しくなるように、１回の部分露光を、部分露光と等しい離隔距離で実施される細分部分露光のセットに分割することも可能である。しかし、細分部分露光は連続して実施されるものではなく、複数の他の部分露光の合間に（または、当該他の部分露光の細分部分露光の合間に）時間的に分散して行われるものである。特定の細分部分露光セットの露光量の総和は、当該セットを導出した元である部分露光の露光量に等しいので、細分部分露光セットを１回の部分露光と等価であるとみなして扱うことが可能である。

一般的な事例では、連続した部分露光（または、それと等価のもの）の合間においてウェハとマスクとの間の離隔距離をＬ_Ｔ／Ｎだけ変化させながら、露光量が等しいＮ回の部分露光すべてを行う間にマスクに照射される平均強度は、以下の数式によって求められる：

Ｎの値に関係なく、加算項は０に等しくなるので、Ｉ_mean（ｘ、ｙ）についての上記式は、数式（３）によって表される同じ分布に簡略化することができる。よって、上述の離隔距離セットを用いてＮ回の部分露光を行うことにより、印刷結果も、マスク１２とウェハ１４との間の初期離隔距離、および、マスク１２ならびにウェハ１４の表面の平坦度に影響を受けることがなくなるので、同様に、問題の高解像度パターンの均一かつ再現可能な印刷を可能にする。

本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態と大部分が同じ露光装置を用いるが、当該露光装置が第１の実施形態のものと異なる点は、第１に、シャッタ３とビームエキスパンダ４との間のビーム光路に４分の１波長板が含まれており、この４分の１波長板は、露光ビーム１１を円偏光することである。第２の相違点は、第１の実施形態において用いられるマスク１２を他のマスクに置き換えたことである。この他のマスクにも符号１２を付しており、このマスクは、第１の実施形態とは異なり、クロム層において孔のパターンを画定するものである。このクロム層には、本実施形態でも符号１３を付している。この孔は、図２にて示した格子の長方形の単位セルによって示されたような、６角形のグリッドになるように配置されている。各孔の径長は０．３μｍであり、各孔と最近傍の隣の孔との距離は０．６μｍである。マスクによる光の回折がｘｚ平面とｙｚ平面との双方において同じになるようにするため、２次元のアレイに照射されるビームを円偏光とし、直線偏光としないのが有利である。

ウェハ１４をマスク１２に対して平行に、かつ、マスク１２からの離隔距離を同じ最大４０μｍとして配置するため、第１の実施形態と同じ手順を用いる。また、当該マスクパターン１３および波長の場合にタルボ距離の半分に一致させるため、各部分露光の合間においてウェハを縦方向に移動させる移動量を０．６４μｍとする以外は、実質的に同一の２重露光シーケンスを用いる。

６角形パターン１３を有するマスク１２を用いた２重露光の結果も、理論的に求めることができる。孔１３の６角形パターンにより、０次の回折次数と、６つの１次回折次数とが生成される。これらの次数の方向を、図２ａおよび図２ｂに示している。図２ａは、マスク１２上方から見たときの回折次数の方向であり、図２ｂは、マスク１２の側面から見たときの回折次数の方向である。図２ａには６つの１次回折次数を示しており、これらの各回折次数には波長ベクトルｋ_１，ｋ_２，・・・ｋ_６を割り当ててている。同図にはまた、ｘｙ平面におけるｙ軸を基準とした、各次数の方位角成分φ_ｉも示している。周期的パターン１３の各孔の、最近傍の隣の孔までの距離ａも示している。図２ｂには、ｘｙ平面において回折する２つの１次回折次数と０次回折次数との双方を示している。図２ｂでは、０次回折次数に波長ベクトルｋ_０が割り当てられており、また、すべての１次回折次数の極角成分θも示している。０次回折次数の振幅はＥ_０、位相はω_０、単位偏光ベクトルは
で表しており、ｉ番目の１次回折次数の振幅はＥ_ｉ、位相はω_ｉ、単位偏光ベクトルは
で表している。

６角形アレイによって回折される電場全体は、以下の数式によって表される：

同式から、マスクから距離ｚ_０の場所においてウェハ１４に露光される強度分布は、以下の数式により得られることが分かる：

ウェハをタルボ距離の半分Ｌ_Ｔ／２だけ移動させると、その結果としてウェハにて得られる強度分布は、第３項の符号が負である点を除いて同じ数式により求められる。よって、ウェハをタルボ距離の半分だけ移動させることにより生成される平均強度分布は、数式（５）の、ｚ_０に依存しない最初の２項によって与えられる。したがって、露光量が等しい２つの部分露光の合間においてタルボ距離の半分だけ縦方向移動することにより、基板に６角形パターンを均一かつ再現可能に印刷することができる。これに対して択一的態様である、各部分露光の合間において（ｎ＋1/2）タルボ距離だけ移動させることも等価であることは明らかである。

マスク１２から複数の異なる距離における強度分布は、マスク１２のパターン１３によって生成される回折次数の振幅および位相、および、当該回折次数がマスク１２とウェハ１４との間の空間中にて伝播するときの相互干渉を、スカラー回折理論に基づいて計算するソフトウェアを用いてシミュレートすることができる。マスク１２からの１０〜１２μｍの間の複数の異なる距離にて測定された強度分布の６つの例を、図３に示す。これらの各例は、６角形格子を繰り返す単位セル内における強度分布である。この範囲は一例として選択しただけであることに留意されたい。他の距離の場合にも、同様に大きく変動する強度分布が生じる。強度分布がマスク１２からの距離と、それにより制限されるタルボ像面の焦点深度とに大きく依存することは、明らかである。ソフトウェアはまた、本実施形態において使用される２重露光手順により生成される実効強度分布または平均強度分布を求めるためにも用いられる。図４に示した結果により、ウェハ１４とマスク１２との間の初期離隔距離が１０μｍから１１μｍまでの間で変動したときにウェハ１４にて生じる強度分布が分かる。平均分布はウェハ１４とマスク１２との初期離隔距離に依存しないことが明らかであり、これによっても、本露光技術がＡＴＬやＤＴＬと同等の技術であること、および、本露光技術によって基板に幾何要素の６角形パターンを均一かつ再現可能に印刷することについて、ＡＴＬやＤＴＬと同じ利点を奏することが可能であることが分かる。

第１の実施形態の一態様では、まず最初に、上述の離隔距離を用いて第１の部分露光と第２の部分露光とを行う。その後、この離隔距離を他の値（第１の部分露光または第２の部分露光のいずれかに用いられる値とは異なる値）に変更してから、第３の部分露光を行う。その後、第４の部分露光を実施する前に、離隔距離をタルボ距離の半分だけ変化させる。第１の部分露光に用いられる露光量と第２の部分露光に用いられる露光量とは等しく、第３の部分露光に用いられる露光量と第４の部分露光に用いられる露光量とは等しい。この露光シーケンスは、６回、８回等の部分露光にまで拡張することができることが明らかである。多重部分露光シーケンスにより、２つの露光の合間にウェハをタルボ距離の半分だけ移動させる精度に課される要求を緩和することができ、これにより、より均一かつ再現可能な露光を実現することができる。

他の一態様では、１回の露光を３回（またはＮ回）の部分露光に分割し、ウェハ１４において生じる平均強度分布が同じになるように、各部分露光の合間に離隔距離をタルボ距離の１／３（または１／Ｎ）だけ変化させる。各部分露光の合間に離隔距離をタルボ距離の１／Ｎだけ変化させながらＮ回の部分露光を行うことにより生じる、上述の等価的な結果は、第１の実施形態にて説明したのと同じ手法を用いて、数式（５）から容易に導出することができる。この実施形態に関しては、第１の部分露光の離隔距離を基準とした各部分露光中のマスク１２とウェハ１４との相対的な離隔距離が、ｎ／Ｎによって得られ、かつ、ｎは０からＮ−１までのいずれかの整数値をとる限り、部分露光を任意の順序で実施することができる。

第１の実施形態についても、択一的に、任意の部分露光を複数の細分部分露光のセットに細分化し、マスク１２とウェハ１４との間の離隔距離を１回の部分露光の場合と同じにし、かつ、積算露光量を同じにして、他の部分露光の合間（または、他の部分露光の各下位部分露光の合間）に時間的に分散させて、この細分部分露光セットを露光することもできる。細分部分露光セットも同様に、当該細分部分露光セットの導出元である部分露光と全く等価とみなすことができる。

本発明の第３の実施形態では、使用されるマスクがクロム層において画定する孔のパターンが、図５の格子の単位セルによって示されているように正方形のグリッドに配置されている点を除いて、第２の実施形態の露光装置と実質同一の露光装置を用いる。同図においても、マスクには符号１２を付しており、孔のパターンには符号１３を付している。孔の直径は０．３μｍであり、正方形格子の周期は０．５μｍである。

ウェハ１４をマスク１２に対して平行に、かつ、マスク１２から最大４０μｍの同じ離隔距離に配置するため、同じ手順を用いる。当該パターン１３および波長の場合にタルボ距離の半分に一致させるため、各部分露光の合間においてウェハ１４を縦方向に移動させる移動量を０．５８μｍとする以外は、第１の実施形態と実質的に同一の露光手順を用いる。マスク１２を通過する光の伝播と、当該マスク１２を通過した後の複数の異なる各回折次数間の干渉とをシミュレートするスカラー回折理論に基づくソフトウェアを用いて、マスク１２からの複数の異なる距離においてそれぞれ生じる強度分布を推定することができる。マスク１２からの１０〜１２μｍの間の複数の異なる距離にて計算された強度分布の複数の例を、図６に示す。これらの各例は、正方形格子を繰り返す単位セル内における強度分布である。同図からも、強度分布と、タルボ像面の制限された焦点深度との強い依存関係が明らかである。このソフトウェアは、各部分露光の合間においてウェハ１４を縦方向にタルボ距離の半分だけ移動させる２重露光によって生成された実効強度分布または平均強度分布を求めるため、および、マスク１２とウェハ１４との間の初期離隔距離に対する当該実効強度分布または平均強度分布の依存関係を特定するためにも用いられる。その結果を図７に示しており、同図では、ウェハ１４とマスク１２との間の初期離隔距離は１０μｍから１２μｍまでの間で変化する。同図から、強度ピークの密度はマスク１２の孔の密度の２倍であることが明らかであり、これは、パターン解像度の√２倍の増加に相当する。同図の結果により、平均強度分布はウェハ１４とマスク１２との初期離隔距離に依存しないことも分かる。このことにより、基板に幾何要素の正方形のアレイを均一かつ再現可能に印刷するに際し、ＤＴＬやＡＴＬと同じ利点が奏される。

第１および第２の実施形態の上記態様にて説明した複数の択一的な手順は、本実施形態の各態様にも同様に適用することができる。

本発明の第４の実施形態では、ウェハ位置決めシステム１７がマスク１２に対してウェハ１４を横方向に移動させる精密位置決めステージも含む点を除いて、図１に示した装置と同様の装置を使用する。前記精密位置決めステージは特に、変位範囲が１００μｍであるＰＺＴアクチュエータを備えたステージであって、ＰＺＴ位置の閉ループフィードバックを行うための内蔵センサを備えたステージである。使用されるマスク１２は第１の実施形態にて使用されたものと同じである。すなわち、０．６μｍの周期の直線グレーティングである。第１の実施形態と同様、まず最初に、ウェハ１４がマスク１２に対して平行になり、かつ、たとえば４０μｍの離隔距離をおくように、当該ウェハ１４を配置する。この前述の実施形態と同様に、第１の部分露光を行う。その後、ウェハ１４を横方向に、回折格子周期の半分の距離だけ、すなわち０．３μｍだけ、グレーティング１３の線に対して直交方向に移動させる。その後、第１の部分露光のときと等しい露光量を用いて、第２の部分露光を行う。各部分露光の合間にウェハ１４を横方向に移動させることにより、第２の露光中にフォトレジスト１５の各点に照射される強度は、第１の露光中に照射される強度とは非常に異なり、これにより、２つの露光が重なり合って生成される実効強度分布は、実質的に、当該２つの露光を平均したものになる。その後、ウェハ１４を露光装置から取り外して、露光されたフォトレジスト１５を現像する。

上述の２重露光手順の結果は、数学的に導出することができる。第１の実施形態と同様、マスクから特定の距離ｚ_０にある平面における強度分布は、数式（１）によって得られる。第２の部分露光については、ｘ方向にウェハを横方向にΛ／２だけ移動させることは、（ｘｙｚ座標系に対してウェハを固定させた状態に維持しながら）ｘ方向にマスクを−Λ／２だけ移動させることと等価であるから、その結果、ウェハにおいて生じる強度分布は、以下の通りになる。

この分布は、第１の実施形態の数式（２）により表された分布と同じであるから、２つの部分露光によって生成される平均強度分布も数式（３）によって与えられ、よって、ｚ_０に依存しない。したがって、ウェハ１４を横方向に、マスク１２に対して回折格子周期の半分だけ、その各線に対して直交方向に移動させながら、直線グレーティングの２重露光によって生成される実効露光もまた、ＡＴＬまたはＤＴＬの露光と同等となり、これらの技術と同じ利点を奏する。

回折格子の線がその長さ方向において連続的かつ均一であるという特性に鑑みれば、必ずしも、各線に対して厳密に直交方向に横方向移動を行う必要はない。ここで重要なのは、当該移動の、各線に対する直交方向成分が、回折格子周期の半分になることである。

マスクパターンが回折格子の線に対して直交方向に周期的であることから、線に対して直交方向の成分が（ｍ_ｉ±1/2）回折格子周期によって与えられる距離だけ、マスクをウェハに対して相対移動させることにより、同じ結果が等価的に得られる。ここで、ｍは整数である。しかし、いかなる縦方向移動も最小限にするため、または、横方向移動と同時に生じる離隔距離の変化を最小限にするためには、ｍを小さくすること、有利には０にすることが有利である。縦方向の離隔距離の変化によって、ウェハに露光される強度分布も変化するので、平均露光に歪みが生じる。有利には、離隔距離の変化はタルボ距離の１／１０未満にすべきである。

本発明の第５の実施形態では、シャッタ２とビームエキスパンダ３との間のビーム光路に４分の１波長板が包含されており、当該４分の１波長板は、マスク１２に入射する光を円偏光するという点を除いて、第４の実施形態におけるもの（図１に示している）と同じ装置が用いられる。またマスクパターン１３は、第２の実施形態にて用いられたのと同じもの、すなわち、直径が０．３μｍであり、かつ、最近傍の隣の孔までの距離が０．６μｍである孔の６角形パターンを不透明層に設けたものである。図８に、シミュレーションソフトウェアを用いて、照射されたマスク１２によって生成された像面の単位セルの強度分布を計算したものを示す。同図には、分布の中心に強い強度ピークがあり、かつ、単位セルの角に４つの他の強いピークが示されている。前記中心にある強度ピークには、符号０を付している。よって、当該像面における強いピークの分布は、マスクの幾何要素の分布に等しい。すなわち、同じ周期の６角形アレイである。図８にはまた、中心のピークを囲む６角形の頂角に位置する、６つの比較的弱い「２次的ピーク」も示されている。この２次的ピークには、符号「１」から「６」までを付している。各頂角は実際には、隣り合った３つの強いピークの中央に来ているので、これら３つの強いピークから等距離にある。さらに注目すべき点は、２次的ピーク４，５および６はそれぞれ、当該分布において直立方向に立っている３角形の各頂角に位置する主ピークから等距離にあり、それに対して２次的ピーク１，２および３はそれぞれ、当該分布において逆立ちになる３角形の各頂角に位置する主ピークから等距離にあることである。２次的ピーク１〜６の各強度は等しい。

説明しやすくするため、マスク１２とウェハ１４との間の離隔距離は当初、図８に示されている像強度分布をフォトレジスト１５に露光するように配置されていると仮定する。ウェハ１４の露光によって生じるエネルギー密度が、マスク１２がない場合にフォトレジスト１５の全厚を完全に露光するために必要とされるエネルギー密度の約１／３になる露光時間にわたって、ウェハ１４に上記分布を露光する。ここで、第１の部分露光にて主ピーク「０」が照射される、ウェハ１４上の位置について検討する。当該部分露光の後、位置決めステージ１７を用いて、第２の部分露光において当該位置を２次的ピーク「３」の中心と整合させる方向および距離で、ウェハ１４を並進移動させる。第２の部分露光は、第１の部分露光にて使用したのと同じエネルギー密度を用いて実施される。その後、ウェハ１４を横方向に再度並進移動させる。今回のこの並進移動の距離および方向は、第３の部分露光においてウェハ１４上の同一位置を２次的ピーク「５」と整合させる距離および方向である。第３の部分露光は、第１，２の各部分露光にて使用したのと同じエネルギー密度を用いて実施される。

上記３つの部分露光が重なり合うことにより得られる実効強度分布または平均強度分布、および、マスク１２とウェハ１４との離隔距離に対する実効強度分布または平均強度分布の依存特性は、数式（５）から導出することができ、またはシミュレーションソフトウェアを用いて導出することができる。平均分布と、離隔距離に対する当該平均分布の依存特性とを示すシミュレーション結果を、図９に示す。同図中、離隔距離は１０．３μｍから１１．９μｍまで変化している。同図から分かるように、この平均強度分布には、強度が等しいピークの周期的パターンが含まれており、この周期的パターンの周期は、マスクのパターンの周期より√３小さく、また、当該分布はマスク‐ウェハ間離隔距離に依存しない。よって、初期の段階で、図８に示された像分布にウェハ１４を配置する必要はなく、マスク１２から任意の距離にウェハ１４を配置することができる（ただし、上記にて説明したように、照射ビームのコリメートが不完全であることに起因して生じるぼけによって課される制限は、考慮する必要がある）。よって本実施形態により、ウェハに高解像度の６角形アレイを均一かつ再現可能に印刷することも可能になる。

本実施形態にて重要なのは、各部分露光の合間に行われる、ウェハ１４に対する強度分布の相対的な横方向移動が、上記の横方向移動に、またはこれと等価の横方向移動に一致することである。後者については、２次的ピーク位置１，２および３（上記にて言及したもの）と等価であるものとは、第２の部分露光前のウェハ１４の移動が択一的に、当該ウェハ上の該当位置に２次的ピーク１および２のいずれかが露光され、２次的ピーク３は露光されないように行われることを意味する。また、２次的ピーク３の第２の部分露光を行った後、択一的に、ウェハ上の該当位置に２次的ピーク４および６のいずれかが露光され、２次的ピーク５は露光されないように、ウェハを移動させることも可能である。

マスクパターン１３の周期性に鑑みれば、本実施形態の他の態様では、各部分露光の合間に行われるウェハ１４の移動量は、ｘ方向およびｙ方向の各方向におけるパターンの単位セルの整数の任意個数と、上記にて説明した値のうちいずれかとを加算したものとすることができることが明らかである。しかし、横方向移動に起因して生じうる、マスク１２とウェハ１４との離隔距離の変化を最小限にするために有利なのは、各部分露光の合間における当該横方向移動の大きさを最小限にすることである。好適には、各部分露光の合間の離隔距離の変化が、０．１×タルボ距離未満になるようにすることであり、より好適なのは、０．０２×タルボ距離未満になるようにすることである。

よって、本実施形態において各部分露光の合間に用いることができる種々の等価的な移動は、以下のように説明することができる。第１の部分露光と第２の部分露光との間の移動は、マスクパターン１３の幾何要素と、当該マスクパターン１３の中の、３つの隣り合った幾何要素から等距離にある１点との間のベクトルに相当する方向および距離で行わなければならず、第２の露光と第３の露光との間の移動は、マスク幾何要素と、当該マスクパターン１３の中の、３つの第２の隣り合った幾何要素から等距離にある第２の点との間のベクトルに相当する方向および距離で行わなければならない。最後に、当該マスクパターンにおける３つの隣り合った第２の幾何要素は、並進操作だけでは前記３つの隣り合った第１の幾何要素と置き換わることができないように（回転も要するように）選択しなければならない。

本発明の第６の実施形態では、マスク１４を第３の実施形態にて用いたものと同じマスクとした点を除いて、つまり、不透明層に複数の孔を、直径が０．３μｍであり周期が０．５μｍである正方形のグリッドに配置したパターンとした点を除いて、第４の実施形態の装置と同じ装置を用いている。図１０に、シミュレーションソフトウェアを用いて、照射されたマスク１２によって生成された像面の単位セルにおける強度分布を計算したものを示す。同図から、分布の中心に強い強度ピークが存在し、単位セルの４つの各角の中央にそれぞれ位置する４つのより弱い「２次的ピーク」が存在するのが分かる。ここで、強い強度ピークには符号「０」を付しており、４つのより弱い「２次的ピーク」には符号「１」〜「４」を付している。各２次的ピークから４つの強い強度ピークまでの各距離は、図中にて符号０を付された強度ピークと同様に等距離である。これらのピークを観察しにくい像面も一部あるが、その位置が単位セルの各角にあることは、図７においてより容易に観察することができる。

上記実施形態に関し、マスク１２とウェハ１４との間の離隔距離は当初、当該マスク１２によって透過された光場における像がフォトレジストに露光されるように配置されていると仮定する。第１の部分露光は、マスク１２が無い場合にフォトレジスト１３の全厚を完全に露光するために必要とされる露光量とほぼ等しい露光量を用いて実施される。この第１の露光が、図１０に示された強度分布でウェハ１４の特定の位置に照射されることを考慮する。この部分露光の次に、位置決めステージ１７を用いて第２の部分露光のために、ウェハ１４を横方向に、当該ウェハ１４上の、主ピーク０の中心が露光された当該特定の位置を、２次的ピーク１〜４のうちいずれかの２次的ピークの中心に整合させる方向および距離で移動させる。その後、第２の部分露光にて、第１の部分露光と等しい露光量を用いてウェハ１４を露光する。上記２つの露光が重なり合うことにより得られる実効強度分布または平均強度分布、および、マスク１２とウェハ１４との離隔距離に対する実効強度分布または平均強度分布の依存特性は、またはシミュレーションソフトウェアを用いて計算することができる。その結果を図１１に示しており、同図の強度分布は、離隔距離を１０．３μｍから１１．８μｍまでの間で変化させて計算したものである。同図から分かるように、平均強度分布には、単位セルの中心におけるピークと、当該単位セルの４つの各角に位置する等しい強度のピークとが含まれている。よって、当該平均分布における強度ピークの密度は、マスクの孔の密度の２倍となるとの結論が導き出され、このことは、幾何要素解像度の√２倍の増加に相当する。またこの結果により、上述のようにして得られた強度分布は、マスク１２とウェハ１４との初期の離隔距離に依存しないことが分かる。このことにより、本実施形態によって、ウェハに高解像度の正方形アレイを均一かつ再現可能に印刷できることも分かる。

マスクパターン１３の周期性に鑑みれば、本実施形態の他の態様では、各部分露光の合間に行われるウェハ１４の移動量は、ｘ方向およびｙ方向の各方向におけるパターンの単位セルの整数の任意個数と、上記にて説明した値のうちいずれかとを加算したものとすることができることが明らかである。しかし、横方向移動に起因して生じうる、マスク１２とウェハ１４との離隔距離の変化を最小限にするために有利なのは、各部分露光の合間における当該横方向移動の大きさを最小限にすることである。好適には、各部分露光の合間の離隔距離の変化が、０．１×タルボ距離未満になるようにすることであり、より好適なのは、０．０２×タルボ距離未満になるようにすることである。

よって、第５の実施形態と同様、第１の部分露光の合間にて使用できる等価的な移動は種々存在し、この等価的な移動については、以下のように表現することができる。２つの部分露光の合間の移動は、マスクパターン１３の幾何要素と、当該マスクパターン１３の中の、４つの隣接する幾何要素から等距離にある１点との間のベクトルに相当する方向および距離で行わなければならない。

第７の実施形態では、不透明層に孔を長方形グリッドに配置したパターンを有するマスク１４を使用する点を除いて、第４の実施形態にて使用したものと同じ装置を用いている。各孔の直径は０．３μｍであり、これらの孔は、ｘ方向における周期が０．５μｍであり、ｙ方向における周期が０．７μｍである長方形のグリッドに配置されている。図１１ａに、シミュレーションソフトウェアを用いて、照射されたマスク１２によって生成された像面の単位セルにおける強度分布を計算したものを示す。同図中、分布の中心に強い強度ピークがあり、単位セルの左縁辺および右縁辺の各中央に、より弱い２次的ピークが位置しており、かつ、当該単位セルの上部と下部とに比較的弱い強度領域が位置している。前記強い強度ピークには、符号「０」を付している。単位セルの左側に位置する２次的ピークの中心に符号１を付しており、右上の角には符号２を付しており、比較的弱い強度領域の上縁辺の中央に符号３を付している。

上記実施形態に関し、マスク１２とウェハ１４との間の離隔距離は当初、当該マスク１２によって透過された光場における像がフォトレジストに露光されるように配置されていると仮定する。マスク１２が無い場合にフォトレジスト１３の全厚を完全に露光するために必要とされる露光量の約１／４の露光量を用いて、第１の部分露光を実施する。この第１の露光が、図１１ａに示された強度分布でウェハ１４の特定の位置に照射されることを考慮する。この部分露光の次に、位置決めステージ１７を用いて第２の部分露光のために、ウェハ１４を横方向に、当該ウェハ１４上の、主ピーク０の中心が露光された当該特定の位置を、図１１ａに示した分布の中の位置２に整合させる方向および距離で移動させる。その後、第２の部分露光にて、第１の部分露光と等しい露光量を用いてウェハ１４を露光する。次に、ウェハ１４を横方向に再度移動させる。今度の移動は、第１の部分露光にて主ピーク０の中心が露光された位置を、強度分布における２次的ピーク１の中心と整合させる方向および距離で行う。その後、第３の部分露光にて、第１の部分露光と等しい露光量を用いてウェハ１４を露光する。ウェハ１４を再度、横方向に移動させる。今度の移動は、第１の部分露光にて主ピーク０が露光された位置を、図１１ａに示された強度分布における位置３と整合させる方向および距離で行う。その後、第４の部分露光にて、第１の部分露光と等しい露光量を用いてウェハ１４を露光する。

上記２つの露光が重なり合うことにより得られる実効強度分布または平均強度分布、および、マスク１２とウェハ１４との離隔距離に対する実効強度分布または平均強度分布の依存特性は、シミュレーションソフトウェアを用いて計算することができる。その結果を図１１ｂに示しており、同図は、離隔距離を１０μｍから１２μｍまでの間で変化させて強度分布を計算したものである。同図から分かるように、平均強度分布には、単位セルの中心におけるピークと、当該単位セルの４つの各角および４辺の各中心における等しい強度のピークとが含まれている。このことから、平均分布における強度ピークの密度は、マスクの孔の密度の４倍になるとの結論が導き出され、このことは、両方向における幾何要素解像度の２倍の増加に相当する。またこの結果により、上述のようにして得られた強度分布は、マスク１２とウェハ１４との初期の離隔距離に依存しないことが分かる。このことにより、本実施形態によって、ウェハに高解像度の長方形アレイを均一かつ再現可能に印刷できることも分かる。

マスクパターン１３の周期性に鑑みれば、本実施形態の他の態様では、各部分露光の合間に行われるウェハ１４の移動量は、ｘ方向およびｙ方向の各方向におけるパターンの単位セルの整数の任意個数と、上記にて説明した値のうちいずれかとを加算したものとすることができることが明らかである。しかし、横方向移動に起因して生じうる、マスク１２とウェハ１４との離隔距離の変化を最小限にするために有利なのは、各部分露光の合間における当該横方向移動の大きさを最小限にすることである。好適には、各部分露光の合間の離隔距離の変化が、０．１×タルボ距離未満になるようにすることであり、より好適なのは、０．０２×タルボ距離未満になるようにすることである。

よって、本実施形態において各部分露光の合間に用いることができる種々の等価的な移動は、以下のように説明することができる。第１の部分露光と第２の部分露光との間の移動は、マスクパターン１３の幾何要素と、当該マスクパターン１３の中の、４つの隣り合った幾何要素から等距離にある１点との間のベクトルに相当する方向および距離で行わなければならず、第２の部分露光と第３の部分露光との間の移動は、マスク幾何要素と、１つの第１の対の隣り合った幾何要素から等距離にある、当該マスクパターン１３の第２の点との間のベクトルに相当する方向および距離で行わなければならない。第３の部分露光と第４の部分露光との間の移動は、マスク幾何要素と、第２の対の隣り合った幾何要素から等距離にある、当該マスクパターン１３の第２の点との間のベクトルに相当する方向および距離で行わなければならない。第１の対と第２の対とにおける幾何要素のオフセットの方向は、互いに直交すべきである。

上記の第４から第７までの実施形態にて説明した、各部分露光の合間に行われる強度分布の移動は、ウェハを移動する代わりに択一的に、マスクを移動させることによっても生成することができる。こうするためには、マスクを真空チャックに保持して、各部分露光の合間においてウェハに対して（１つまたは複数の）所要方向と（１つまたは複数の）所要距離とで並進移動させるためのアクチュエータを、たとえば圧電トランスデューサ等を備えた、精密位置決めステージに取り付けなければならない。

さらに択一的に、第８の実施形態において、各部分露光の合間に照射ビームの角度を変化させることによっても、上記の第４から第６までの実施形態にて説明した、各部分露光の合間にて行われる強度分布の移動を実現することができる。このような移動を実現するための装置を、図１１ｃに示す。このシステムは、コリメートされたビームをマスクに向けて反射させるミラーが、複数の直交平面において当該ミラー１０を傾斜させるためのアクチュエータを備えたステージ２１に取り付けられている点を除いて、図１のシステムと実質同じである。ミラーを傾斜させることにより、マスクにおけるビームの入射角が変化する。マスクとウェハとの離隔距離をＬとすると、ｘｚ平面およびｙｚ平面における照射ビームの角度変位Δθ_ｘ，Δθ_ｙにより、ウェハに照射される強度分布が、ｘ方向に距離ＬΔθ_ｘだけ移動し、かつ、ｙ方向に距離ＬΔθ_ｙだけ移動する。当該装置はさらに、目標離隔距離Ｌを十分な精度で達成できるように離隔距離を測定するための手段を有することもできる（図１１ｃには示されていない）。この測定を行うために、干渉計システムを使用することができる。このような依存関係により、各部分露光の合間において強度分布の所望の移動を実現するため、各部分露光の合間においてミラーを所要量だけ傾斜させることができる。複数の異なる照明光学系を用いる他の関連の実施形態では、光学分野の当業者が容易に特定できる他の手法で、照射ビームの角度を変化させることも可能である。また、複数の異なる照明光学系を用いて、複数の異なる所要角度でマスクに同時に照射される複数のビームを生成することも可能である。適した照明光学系の例が、米国特許出願第１２／７０６，０８１号および同第１３／２１８，５６７号に記載されている。

すべての実施形態において、マスクとウェハとの間で２重反射する光の干渉や、マスクとウェハとの間の離隔距離が空間的に変動することに起因して、印刷パターンに生じうる不均一性を抑圧するため、各部分露光を行う間に、マスクとウェハとの間の距離を少なくともλ／４の距離だけ振動させると、さらに好適である。

上記すべての実施形態において同一のレーザ光源を使用しているが、本発明の他の実施形態では択一的に、同一のまたは異なるスペクトル領域内の他の波長（たとえば深紫外線）を放出する他のレーザ光源を、適した光学系、マスクおよびフォトレジストとともに用いることも可能である。さらに、レーザ光源が連続波（ＣＷ）光を放出する必要もなく、パルス光を放出することも可能である。後者のタイプのレーザを用いる場合、各部分露光のパルス数を同数とするのが有利である。また択一的に、実質的に単色光の他の光源を、たとえばＥＵＶ光源等を用いることも可能であり、または、放電ランプ（たとえば水銀／キセノン）の出力をスペクトルフィルタリングして１つの狭いスペクトル線にすることも可能である。

上記すべての実施形態において、特定の選択されたレーザから放出されたビームのガウス強度プロファイルを、マスクに照射するための実質的に均一強度のビームに変換するために、同一のビーム成形システムを用いたが、本発明の他の実施形態では、レーザによって放出されたガウス強度または他の強度を変換して、ウェハまたは基板に印刷されるパターンを十分に均一に露光するため、他のビーム成形光学系を用いることも可能である。たとえば択一的に、走査システム、光パイプまたは１つもしくは複数のマイクロレンズアレイを用いることも可能である。

上記の第１から第６までの実施形態では、第２（および第３）の部分露光に使用される露光量は第１の部分露光の露光量と等しいと述べたが、最適な結果を実現するために、第２（および第３）の部分露光の相対的な露光量の何らかの実験的な微調整または最適化をさらに行うことにより、第１の部分露光によって生成された感光性層の光化学反応および／または感応性の小さい変化を補償することもできる。

パターンを２次元パターンとする上記すべての実施形態において、幾何要素を孔としたが、他の実施形態では、クロムの開口部は円形に限定されることはなく、たとえば正方形とすることもできる。さらに、周期的パターンの各幾何要素を、クロムの１つの開口部とすることに限定されることは必ずしもなく、各幾何要素を２つ以上の開口部とし、これらの開口部の一群がパターンにおいて周期的になるようにすることも可能である。これに代えて択一的に、幾何要素をクロムの孔とせずに逆方向のものとすること、すなわち、幾何要素をクロムとし、その単位セル内の周辺領域を透明とすることも可能である。

第９の実施形態では、図１２を参照すると、直線グレーティングを印刷するためのマスクを、上方および側面から見た概略図で示している。マスクの右側および左側の領域に直線グレーティングが設けられている。これは、マスク表面に対して垂直方向にタルボ周期の半分だけシフトしたものである。すなわち、マスクのパターン形成された面に高さ段差がある。グレーティングの線は、マスクのこの高さ段差に対して垂直に設けられている。この段差の左側と右側とにある直線グレーティングは、実質的に同一の光学的特性を有し、不透明な直線状の幾何要素、部分的に不透明な直線状の幾何要素、位相シフトする直線状の幾何要素、または、これらの幾何要素の任意の組合せを含むことができる。さらに上述の直線状の幾何要素は、図１２に示した上面図にて概略的に示しているように、縁辺に対して平行方向に同一位相を有する。すなわち、高さ段差が介在しているが、片側にある幾何要素は、もう片側にある幾何要素の連続したものであるように見える。直線状の幾何要素は、実際にこの段差部まで一貫して連続することが可能であり、または、エッジの、不透明であるいずれか片側においてある程度の幅の区域を設けることも可能である。直線グレーティングの周期は、０次および１次の回折次数のみが有意なパワーを有するように選択される。

フォトレジスト被膜された基板に直線グレーティングを印刷するために図１２に示されたマスクを用いる露光装置を、図１３に示す。光のコリメートされたビーム５０を、マスク５１のグレーティングの各線に対して平行なｘ方向に基板上を走査しながら、当該マスク５１のグレーティングに照射する。フォトレジスト被膜基板５３はホルダ５４に取り付けられており、このホルダ５４は、基板をｘ方向に移動させるように電動駆動される。また、ホルダ５４には、移動中にあらゆる方向における当該ホルダの位置および向きの変化を測定するセンサも備えつけられている。ホルダ５４およびそのセンサの移動は、コントローラ５５によって制御される。照射されているマスクの下方にて基板を走査すると、当該基板上の各点には、マスクから離れていく方向において互いにタルボ周期の半分だけ相対的にシフトしている２つの強度分布の総和が露光される。この手法の原理は、２つの定置露光の合間にマスク‐基板間距離をタルボ周期の半分だけ変化させる２重露光方式の原理と等価である。マスクに形成された上記段差と、この走査動作とを併用することにより、限られたサイズの照射ビームとマスクとを用いて大面積に印刷することが容易になる。基板移動およびマスク位置は、ホルダ５２，５４に設けられた電子回路と、アクチュエータと、センサと、コントローラ５５とを介して、マスクの線に対して垂直方向における両者の相対移動を、印刷されるグレーティングの周期に対して小さくするように制御される。このことは、印刷された像がぼけないようにするために必要でなものであり、コントローラ５５によってホルダ５４からセンサ情報をホルダ５２のアクチュエータへフィードバックすることにより実現される。たとえば用途によっては、照射される領域の下方を通過するときの、線に対して垂直方向における基板５３上の１点の相対移動を、０．１Λまたは０．０２Λ未満としなければならない場合がある。ここで、Λはグレーティングマスクの周期である。ビーム強度と、マスク透過率と、フォトレジスト感光度と、基板表面の光学的特性とに依存して、所要露光量を送るため、基板の移動速度を調整する。タルボ長の半分だけ離隔した２つの面の平均強度分布を基板に印刷できるように、グレーティングの線のいずれか１つの線に沿って測定される、マスクと基板との間の距離は、主に、マスクに形成された段差部によって特定しなければならないことに留意すべきである。上記方向での相対傾斜等の他の態様では、タルボ長のスケールで前記距離を変化しない方が良い。たとえば、このような外的要因（たとえば、マスクまたは基板の傾きまたは曲げ）に起因するばらつきを、０．１Ｌ_Ｔまたは０．０１Ｌ_Ｔ未満にしなければならない場合がある。マスクの線に対して直交方向におけるマスク‐基板間距離のばらつきがタルボ長より大きいと、印刷される像に及ぼす劣化作用が同様でなくなる。また、照射される領域を基板上の１点が通過するときは、マスクに設けられた段差の作用を除いて、当該１点からマスク表面までの距離のばらつきは０．１Ｌ_Ｔまたは０．０１Ｌ_Ｔを超えてもならない。基板ホルダ５４に設けられたセンサと、マスクホルダ５２に設けられたアクチュエータとは、コントローラ５５によって使用されて、この基準によって規定されたように離隔距離が維持される。他の実施形態では、マスクとウェハとの間の離隔距離がタルボ長の１／Ｎ変化する、上記の実施形態と等価の露光が実現されるように、直線グレーティングマスクは２つまたは３つの高さ段差を、または、一般的にＮ個の高さ段差を有することができる。たとえばマスクは、高さＬ_Ｔ／３の２つの高さ段差を間に介在させた３つの領域を含むことができる。さらに、タルボ長の整数部を段差高さに加算することも可能であり、このことによって結果物に影響が及ぼされることはない。

印刷される像のコントラストおよび解像度を増加させるため、マスクと基板との間のスペースに液浸液を充填することが可能である。

図１２に示すタイプのグレーティングマスクには、図１４に示した手順にしたがって照射することができる。このグレーティングマスクには、図１４（ａ）に概略的に示したように、当該グレーティングの線に沿って均一な強度分布を有するビームを照射することができる。これに代えて択一的に、照射ビームの強度分布は、滑らかに変化する分布とすることができ、たとえば、図１４（ｂ）に概略的に示したようなガウス分布とすることができる。このように滑らかに変化する強度分布を用いることにより、照射光学系の設計を容易にすることができ、または、ビームのエッジ付近における干渉作用の回避に寄与することができる。図１４（ｃ）に示した択一的な照射プロファイルによって、グレーティングの両半部間の段差への照射が回避される。このようにして、段差による途切れ部分への照射に起因する不所望の干渉作用を回避することができる。

第１０の実施形態では、直線グレーティングを印刷するために、図１５ａの概略的な上面図および側面図にて示したマスク構成を用いる。マスクの右側の領域と左側の領域とに回折格子が設けられており、これらの回折格子は横方向に、当該回折格子の周期の半分だけシフトしている。このマスクは、図１３に示した走査露光装置にて用いられる。照射されているマスクの下方を基板が通過するとき、上記第４の実施形態にて説明した強度分布と等価である平均強度分布が基板へ送られる。このことにより、マスクのグレーティングの周期の半分を有するグレーティングが均一に印刷されるのが保証される。グレーティング線に対して直交方向にマスクグレーティング周期の半分だけシフトした２つの強度分布が加算されるのを保証する種々のマスク構成例を、図１５ａ〜１５ｃに示す。均一な露光を保証するためには、図１４に示したものと同様の種々の照射手順を用いることができる。また、印刷される像の劣化やぼけを回避するため、第９の実施形態において図１３の装置の使用について説明した、動きおよび位置の制御手順を、図１５ａ〜１５ｃに示されたマスクの使用と共に併用することも可能である。

Claims (13)

1. 幾何要素の所望の１次元または２次元の周期的パターンを感光性層に印刷する方法であって、
   前記方法は、
   ａ）幾何要素の周期的マスクパターンを有するマスクを設けるステップと、
   ｂ）前記感光性層を支持する基板を設けるステップと、
   ｃ）前記基板を前記マスクに対して実質的に平行に、かつ、当該マスクから離隔距離をおいて配置するステップと、
   ｄ）前記マスクによって透過された光場が、タルボ距離だけ離隔されたタルボ像面を形成するように、前記マスクパターンに照射するためのコリメートされた単色光のビームを成形するステップと、
   ｆ）前記ビームを用いて前記マスクのＮ回の部分露光を行うステップと
   を有し、
   前記ステップｆ）の部分露光は、第１の部分露光中の離隔距離に対して第ｉの部分露光中の相対的な離隔距離が、（ｍ_ｉ＋ｎ_ｉ／Ｎ）×タルボ距離となるように、各部分露光間の離隔距離を変化させながら行い、ここで、値ｍ_ｉは整数であり、値ｎ_ｉは、異なる部分露光ごとに０からＮ−１までの整数値をとり、
   実質的に０次および１次の回折次数のみが前記マスクによって透過されるように、周期を照射波長との関係において選択する
   ことを特徴とする方法。
2. 前記照射ビームの強度は、すべての部分露光において等しく、
   前記露光時間は、すべての部分露光において等しい、
   請求項１記載の方法。
3. 前記部分露光中に離隔距離を変化させる間、前記ビームを前記マスクに連続照射し、
   前記離隔距離の各変化にかかる時間は、各部分露光にかかる時間より格段に短い、
   請求項１記載の方法。
4. 幾何要素の所望の１次元または２次元の周期的パターンを感光性層に印刷する装置であって、
   前記装置は、
   ａ）幾何要素の周期的マスクパターンを有するマスクと、
   ｂ）前記感光性層を支持する基板と、
   ｃ）前記基板を前記マスクに対して実質的に平行に、かつ、当該マスクから離隔距離をおいて配置するための手段と、
   ｄ）前記マスクによって透過された光場が、タルボ距離だけ離隔されたタルボ像面を形成するように、前記マスクパターンに照射するためのコリメートされた単色光のビームを成形する手段と、
   ｆ）前記ビームを用いて前記マスクのＮ回の部分露光を行い、各部分露光ごとに等しい照射エネルギー密度で前記マスクパターンを露光する手段と
   を有し、
   前記部分露光は、第１の部分露光中の離隔距離に対して第ｉの部分露光中の相対的な離隔距離が、（ｍ_ｉ＋ｎ_ｉ／Ｎ）×タルボ距離となるように、各部分露光間の離隔距離を変化させながら行われ、ここで、値ｍ_ｉは整数であり、値ｎ_ｉは、異なる部分露光ごとに０からＮ−１までの整数値をとり、
   実質的に０次および１次の回折次数のみが前記マスクによって透過されるように、周期は照射波長との関係において選択されている
   ことを特徴とする装置。
5. 幾何要素の所望の１次元または２次元の周期的パターンを感光性層に印刷する方法であって、
   前記方法は、
   ａ）幾何要素の１次元または２次元の周期的マスクパターンを有するマスクを設けるステップと、
   ｂ）前記感光性層を支持する基板を設けるステップと、
   ｃ）前記基板を前記マスクに対して実質的に平行に、かつ、当該マスクから離隔距離をおいて配置するステップと、
   ｄ）前記マスクパターンに照射するためのコリメートされた単色光のビームを成形するステップと、
   ｅ）前記層に強度分布を露光するように、第１の部分露光において前記ビームを前記マスクパターンに照射するステップと、
   ｆ）第２の部分露光において前記層に露光される前記強度分布を、前記第１の部分露光に対して横方向に、前記マスクパターンの幾何要素と当該マスクパターン中の１点との間の方向および距離に相当する方向および距離に相対移動させて配置するステップと
   を有し、
   １次元パターンの場合、前記１点は、前記マスクの２つの隣接する幾何要素から等距離にある１点であり、２次元パターンの場合、前記１点は、前記マスクの少なくとも３つの隣接する幾何要素から等距離にある１点であり、
   前記方法はさらに、
   ｅ）前記第２の部分露光において前記層に前記強度分布を露光するように、前記ビームを前記マスクパターンに照射するステップと
   を有し、
   実質的に０次および１次の回折次数のみが前記マスクによって生成されるように、周期を照射波長との関係において選択する
   ことを特徴とする方法。
6. 前記２次元のパターンは正方形アレイであり、
   前記マスクパターンの前記１点は、前記マスクの４つの隣接する幾何要素から等距離にある、
   請求項５記載の方法。
7. 前記２次元のパターンは６角形アレイであり、
   前記マスクパターンの前記１点は、前記マスクの３つの隣接する幾何要素から等距離にあり、
   前記方法はさらに、
   前記マスクの第２の幾何要素と、前記マスクパターンの第２の点との間の距離および方向に相当する第２の距離および第２の方向で、第３の部分露光において前記層に露光される前記強度分布を、前記第１の部分露光に対して横方向に相対移動させて配置するステップと、
   第３の部分露光において前記マスクパターンに前記ビームを照射するステップと
   を有し、
   前記第２の点は、前記マスクの３つの隣接する第２の幾何要素から等距離にある点であり、かつ、前記３つの隣接する第２の幾何要素は、並進操作だけでは前記３つの隣接する幾何要素に置き換えることができないものである、
   請求項５記載の方法。
8. 前記２次元のパターンは長方形アレイであり、
   前記マスクパターンの前記１点は、前記マスクの４つの隣接する幾何要素から等距離にあり、
   前記方法はさらに、
   前記マスクの第２の幾何要素と、前記マスクパターンの第２の点との間の距離および方向に相当する第２の距離および第２の方向で、第３の部分露光において前記層に露光される前記強度分布を、前記第１の露光に対して横方向に相対移動させて配置するステップと、
   第３の部分露光において前記マスクパターンに前記ビームを照射するステップと
   を有し、
   前記第２の点は、２つの隣接する第１の幾何要素から等距離にある点であり、
   前記方法はさらに、
   前記マスクの第３の幾何要素と、前記マスクパターンの第３の点との間の距離および方向に相当する第３の距離および第３の方向で、第４の部分露光において前記層に露光される前記強度分布を、前記第１の露光に対して横方向に相対移動させて配置するステップと、
   第４の部分露光において前記マスクパターンに前記ビームを照射するステップと
   を有し、
   前記第３の点は、２つの隣接する第２の幾何要素から等距離にある点であり、
   前記２つの隣接する第１の幾何要素間のオフセットの方向は、前記２つの隣接する第２の幾何要素間のオフセットの方向に対して直交している、
   請求項５記載の方法。
9. 前記マスクおよび前記基板のうちいずれか１つを横方向に移動させることにより、前記強度分布の移動を行う、
   請求項５記載の方法。
10. 前記マスクに照射される前記ビームの角度を変化させることにより、前記層における前記強度分布の横方向移動を行い、
    前記部分露光を連続的に実施する、
    請求項５記載の方法。
11. 異なる入射角で前記マスクに光を照射することにより、前記層における前記強度分布の横方向移動を行い、
    前記複数の部分露光を同時に行う、
    請求項５記載の方法。
12. 前記複数の部分露光を同時に行う、
    請求項５記載の方法。
13. 幾何要素の所望の１次元または２次元の周期的パターンを感光性層に印刷する装置であって、
    前記方法は、
    ａ）幾何要素の１次元または２次元の周期的マスクパターンを有するマスクと、
    ｂ）前記感光性層を支持する基板と、
    ｃ）前記基板を前記マスクに対して実質的に平行に、かつ、当該マスクから離隔距離をおいて配置するための手段と、
    ｄ）前記マスクパターンに照射するためのコリメートされた単色光のビームを成形する手段と、
    ｅ）前記ビームを用いて、前記マスクの各部分露光にて送られるエネルギー密度を制御して、当該部分露光を行う手段と、
    ｆ）各部分露光間において、前記層に露光される前記強度分布を横方向に、前記マスクパターンの幾何要素と当該マスクパターン中の１点との間の方向および距離に相当する方向および距離に移動させて配置する手段と
    を有し、
    ただし１次元パターンの場合には、前記１点は、前記マスクの２つの隣接する幾何要素から等距離にある１点であり、２次元パターンの場合には、前記１点は、前記マスクの少なくとも３つの隣接する幾何要素から等距離にある１点であり、
    実質的に０次および１次の回折次数のみが前記マスクによって生成されるように、周期が照射波長との関係において選択されている
    ことを特徴とする装置。