JP5126646B2 - 露光方法及び装置、並びにデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定パターンをウエハ等の基板上に転写するために使用される露光技術に関し、更に詳しくは所謂変形照明に関連した照明技術を用いる露光技術に関する。更に本発明は、その露光技術を用いるデバイス製造技術に関する。

半導体素子又は液晶表示素子等のデバイス（電子デバイス又はマイクロデバイス）を製造するためのリソグラフィ工程で、レチクル（又はフォトマスク等）のパターンを被露光基板としてのウエハ（又はガラスプレート等）上に転写するために、ステッパーのような一括露光型又はスキャニング・ステッパーのような走査露光型の露光装置が使用されている。この種の露光装置では、様々のパターンをそれぞれ十分な焦点深度を確保しつつ高解像度でウエハ上に転写するために、様々の照明方式を用いた露光方法が提案されている。

例えば、転写対象のパターンが実質的に単独開口からなる孤立的パターンである場合には、露光装置の照明光学系の瞳面において、光軸を中心とする１つの比較的小さい円形領域で照明光の光量を大きくする照明方式、即ち照明光学系のコヒーレンスファクタ（σ値）を比較的小さくする照明方式（小σ照明方式）が有効である。また、転写対象のパターンが、直交する２つの方向に微細な周期（ピッチ）で配列された密集パターンである場合、この密集パターンを深い焦点深度でかつ高解像度でウエハ上に転写するためには、照明光学系の瞳面において、光軸に対して斜め方向に偏心した４個の領域で照明光の光量を大きくする所謂４極照明よりなる変形照明方式（変形光源方式）が有効である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１７６７６６号公報

最近は、転写対象のパターンとして、直交する２つの方向に周期性を持つ密集パターンの他に、デバイスの集積密度をより高めるために、斜めに交差する２つの方向に周期性を持つ２次元の密集パターンが用いられることがある。このように２つの周期方向が斜めに交差している密集パターンの場合には、従来の変形照明方式の内の４極照明では、十分な焦点深度を確保した上で必要な解像度を得ることができない恐れがある。

本発明は斯かる点に鑑み、斜めに交差する２つの方向に周期性を持つ密集パターンを深い焦点深度でかつ高解像度に転写できる露光技術を提供することを目的とする。
また、本発明は、その露光技術を用いて、デバイスの集積密度を向上できるデバイス製造技術を提供することをも目的とする。

本発明による露光方法は、照明系（１２）からの光束でパターンを照明し、その光束でそのパターン及び投影系（ＰＬ）を介して基板（Ｗ）を露光する露光方法において、そのパターンは、斜めに交差する第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｓ方向）にそれぞれ周期性を持つ周期的パターン（３６）であり、その照明系の瞳面又はこの共役面（所定面）におけるその光束の光量分布を、その周期的パターンからその第１方向に発生する回折光、その第２方向に発生する回折光、及び０次光がその投影系を通過するように配置された第１の１対の領域（４１Ａ，４１Ｂ）、その周期的パターンからその第１方向に発生する回折光及び０次光がその投影系を通過するように配置された第２の１対の領域（４２Ａ，４２Ｂ）、並びにその周期的パターンからその第２方向に発生する回折光及び０次光がその投影系を通過するように配置された第３の１対の領域（４３Ａ，４３Ｂ）よりなる６個の領域における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きくなるように設定したものである。

本発明によれば、その所定面において、２つの周期方向の結像特性に同時に影響を与える第１の領域の他に、主に第１方向の結像特性に寄与する第２の領域及び主に第２方向の結像特性に影響を与える第３の領域で照明光の光量を大きくしているため、その斜めに交差する第１方向及び第２方向に周期性を持つ密集パターンを深い焦点深度でかつ高解像度に基板上に転写できる。

また、本発明による露光装置は、照明系（１２）からの光束でパターンを照明し、その光束でそのパターン及び投影系（ＰＬ）を介して基板（Ｗ）を露光する露光装置において、その照明系の瞳面又はこの共役面（所定面）におけるその光束の光量分布を設定する光量分布設定機構（４，５，２１，７１，７２）と、そのパターンに応じてその光量分布設定機構を制御する制御装置（１７）とを備え、その制御装置は、そのパターンが、斜めに交差する第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｓ方向）にそれぞれ周期性を持つ周期的パターン（３６）であるときに、その光量分布設定機構を制御して、その所定面におけるその光束の光量分布を、その周期的パターンからその第１方向に発生する回折光、その第２方向に発生する回折光、及び０次光がその投影系を通過するように配置された第１の１対の領域（４１Ａ，４１Ｂ）、その周期的パターンからその第１方向に発生する回折光及び０次光がその投影系を通過するように配置された第２の１対の領域（４２Ａ，４２Ｂ）、並びにその周期的パターンからその第２方向に発生する回折光及び０次光がその投影系を通過するように配置された第３の１対の領域（４３Ａ，４３Ｂ）よりなる６個の領域における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きくなるように設定するものである。この露光装置によれば、本発明の露光方法を使用することができ、斜めに交差する第１方向及び第２方向に周期性を持つ密集パターンを深い焦点深度でかつ高解像度に基板上に転写できる。

また、本発明のデバイス製造方法は、リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、そのリソグラフィ工程で本発明の露光方法又は露光装置を用いてパターンを感光体（Ｗ）に転写するものである。本発明によって、斜めに交差する２つの方向に周期性を持つ密集パターンを高解像度で基板上に転写することができるため、デバイスの集積密度を高めることができる。

なお、以上の本発明の所定要素に付した括弧付き符号は、本発明の一実施形態を示す図面中の部材に対応しているが、各符号は本発明を分かり易くするために本発明の要素を例示したに過ぎず、本発明をその実施形態の構成に限定するものではない。

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。
図１（Ａ）は、本例のスキャニング・ステッパーよりなる走査露光型の露光装置（投影露光装置）の構成を示し、この図１（Ａ）において、その露光装置は、露光光源１と、露光光源１からの照明光ＩＬ（露光用の光束又は露光ビーム）で転写用のパターンが形成されたレチクルＲを照明する照明光学系１２と、レチクルＲの位置及び速度を制御するレチクルステージ系と、レチクルＲのパターンの像を基板としてのフォトレジストが塗布されたウエハＷ上に投影する投影光学系ＰＬと、ウエハＷの位置及び速度を制御するウエハステージ系と、装置全体の動作を統括制御するコンピュータよりなる主制御系１７とを含んで構成されている。露光光源１としてはＡｒＦエキシマレーザ光源（波長１９３ｎｍ）が使用されている。なお、露光光源１としては、ＫｒＦエキシマレーザ光源（波長２４８ｎｍ）、Ｆ₂ レーザ光源（波長１５７ｎｍ）などのレーザ光源、水銀ランプ、又はＹＡＧレーザの高調波発生光源若しくは固体レーザ（例えば半導体レーザ等）等の高調波発生装置なども使用することができる。

露光光源１から射出された紫外パルス光よりなる照明光ＩＬは、ビームエキスパンダ２により光束の断面形状が所望の形状に変換された後、光路折り曲げ用のミラー３を介して第１の回折光学素子２１に入射して、後述のように所定面（本例では、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１で、照明光学系１２の瞳面に等しい）で所定の光量分布が得られるように複数の方向に回折する光束ＤＬに変換される。回折光学素子２１は、駆動部２３で回転されるレボルバ２４に取り付けられており、レボルバ２４には、別の回折特性を持つ第２の回折光学素子２２及び他の回折光学素子（不図示）も取り付けられている。主制御系１７が、駆動部２３を介してレボルバ２４の回転角を制御して、照明光ＩＬの光路上に回折光学素子２１，２２等の何れかを設置することによって、照明条件（照明光学系１２の瞳面上での照明光ILの光量分布）を切り替えることができるように構成されている。

回折光学素子２１は、一例として、光透過性の基板上に２方向に規則性を持つ凹凸の格子を形成することによって製造することができる。また、回折光学素子２１は、複数枚の位相型の回折格子を組み合わせたものでもよい。これらの場合、回折光学素子２１は、位相型であるため、光の利用効率が高いという利点がある。なお、回折光学素子２１としては、屈折率分布を回折格子状の分布で変化させた光学素子を使用することも可能である。なお、特定の回折特性を持つ回折光学素子の構造及び製造方法については、例えば本出願人による特開２００１−１７６７６６号公報に詳細に開示されている。

図１（Ａ）において、回折光学素子２１により回折された光束ＤＬは、リレーレンズ４により集光され、第１プリズム７１及び第２プリズム７２（可動プリズム）を経てオプティカル・インテグレータとしてのフライアイレンズ５の入射面に集光される。この場合、回折光学素子２１は、リレーレンズ４の前側焦点よりも僅かに露光光源１側にずれた位置に配置され、フライアイレンズ５の入射面はほぼリレーレンズ４の後側焦点の位置に配置されている。そして、回折光学素子２１から互いに異なる方向に回折された複数の光束は、フライアイレンズ５の入射面上で互いに異なる領域に集光されており、フライアイレンズ５の射出面（射出側焦点面）Ｑ１には、ほぼその入射面の光量分布に対応する分布の面光源（本例では多数の光源像からなる２次光源）が形成される。その射出面Ｑ１が照明光学系１２の瞳面であり、リレーレンズ４とフライアイレンズ５とからなる合成レンズ系によって、回折光学素子２１の射出面とフライアイレンズ５の射出面Ｑ１とはほぼ共役（結像関係）となっている。

本例では、リレーレンズ４、回折光学素子２１、第１プリズム７１、及び第２プリズム７２を含んで、その所定面での照明光ＩＬを所定の光量分布に設定するための光量分布設定系（成形光学系）が構成されている。なお、この成形光学系はズーム光学系（例えばアフォーカル系）も含んでよく、例えばコヒーレンスファクタ（σ値）などを連続的に変更することができる。さらに、前述の所定面またはその共役面に、例えば交換可能な開口絞りを配置し、回折光学素子との組み合わせで光量損失を抑えつつ特殊な形状の光量分布を設定することとしてもよい。
図１（Ｂ）に示すように、第１プリズム７１は、照明光学系１２の光軸ＢＸを中心とする円形領域で平行平面板７１ａとなり、その周辺部で凹の円錐体７１ｂとなる部材であり、第２プリズム７２は、第１プリズム７１に対して凹凸が逆になると共に、第１プリズム７１と合わせたときに全体として平行平面板を構成する部材である。プリズム７１，７２の周辺の円錐部（斜面）を通る光束は、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１上で光量が高められる複数の領域を通過する。また、プリズム７１，７２の少なくとも一方、例えば本例では第２プリズム７２のみが光軸ＢＸに沿って不図示の駆動機構によって変位可能に支持されている。本例では、第２プリズム７２を光軸ＢＸに沿って変位させて、プリズム７１及び７２の間隔を変えることによって、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１における光量の大きい複数の領域の位置を半径方向に調整できる。即ち、レチクルＲのパターン面がほぼ平行に配置されるＸＹ平面のＸ方向、Ｙ方向に対応する、射出面（所定面、瞳面）Ｑ１上での直交２軸方向に関する複数の領域の位置（光軸ＢＸとの距離）を可変としている。なお、図１（Ａ）ではその直交２軸方向がＹ、Ｚ方向となるが、以下の説明では、ＸＹ平面におけるレチクルＲのパターンの周期方向（配列方向）と、射出面Ｑ１における複数の領域の配置との対応付けを明確にして説明を分かり易くするため、射出面Ｑ１においてもその直交２軸方向を、パターンの周期方向などと対応させてＸ、Ｙ方向と呼ぶものとする。

なお、プリズム７１及び７２の代わりに、円錐体の部分が角錐体（又はピラミッド状）となったプリズム、光軸近傍が中空のプリズム、又は複数の部分を別々に加工して一体に固定したもの等を用いてもよい。また、２つのプリズム７１，７２を用いることなく、第１プリズム７１のみを用いてこの位置を光軸ＢＸに沿って可変としてもよい。更に、可動プリズムとしては、図１（Ｃ）に示すように、一方向に屈折力がありそれに直交する方向には屈折力の無い１対のＶ字型の間隔可変のプリズム７１Ａ，７１Ｂを用いてもよい。

この構成では、プリズム７１Ａ，７１Ｂの間隔可変によって、図１（Ｃ）の紙面内上下方向（例えば、照明光学系１２の瞳面における照明光の光量分布を示す図４ではＹ方向に対応）に関する光量の大きい領域の位置（光軸ＢＸとの距離）が変化する。そこで、それに直交する方向（図１（Ｃ）の紙面と垂直な方向で、図３ではＸ方向に対応）に関する光量の大きい領域の位置（光軸ＢＸとの距離）を調整するために、１対のプリズム７１Ａ，７１Ｂを光軸ＢＸの回りに９０°回転した構成の別の１対のプリズム７１Ｃ，７１Ｄを配置してもよい。これによって、互いに直交する２つの方向の光量の大きい領域の位置（光軸ＢＸとの距離）を独立に調整できる。

ただし、図１（Ａ）において、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１における光量の大きい複数の領域の位置を半径方向に変化させる必要の無い場合には、第１プリズム７１及び第２プリズム７２は省略することも可能である。また、フライアイレンズ５としては、一例として縦横の幅が数ｍｍ程度の長方形の断面形状を持つ多数のレンズエレメントを束ねたものの他に、断面形状が幅数１０μｍ程度の四角形又は直径が数１０μｍ程度の円形の多数の微小レンズを束ねた構成のマイクロ・フライアイレンズを用いることも可能である。

フライアイレンズ５から射出された光束よりなる照明光ＩＬは、コンデンサレンズ系６によって面Ｑ２上に一度集光される。面Ｑ２の僅かに手前側に、被照明体としてのレチクルＲ上の照明領域を走査方向に直交する非走査方向に細長い形状に規定するための固定視野絞り（固定ブラインド）７が配置され、面Ｑ２上に可動視野絞り（可動ブラインド）８が配置されている。可動視野絞り８は、走査露光の前後でその照明領域の走査方向の幅を制御して不要な露光を防止すると共に、走査露光中のその照明領域の非走査方向の幅を規定するために使用される。一例として、後述のレチクルステージ駆動系１６が、レチクルステージ１４の動作と同期して駆動部１３を介して可動視野絞り８の開閉動作を制御する。

視野絞り７及び８を通過した照明光ＩＬは、結像用レンズ系９、光路折り曲げ用のミラー１０、及び主コンデンサレンズ系１１を介して、レチクルＲのパターン面（以下、「レチクル面」という）の回路パターン領域上でスリット状（本例では矩形状）に規定される照明領域を一様な強度分布で照明する。ビームエキスパンダ２、ミラー３、回折光学素子２１等、リレーレンズ４、プリズム７１，７２、フライアイレンズ５、コンデンサレンズ系６、視野絞り７，８、結像用レンズ系９、ミラー１０、及び主コンデンサレンズ系１１を含んで、光軸ＢＸを持つ照明光学系１２が構成されている。この場合、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１は、照明光学系１２の瞳面、即ちレチクル面に対して光学的なフーリエ変換面と一致しており、可動視野絞り８の配置されている面Ｑ２は、そのレチクル面の共役面である。なお、固定視野絞り７は、例えばレチクル面の近傍に配置してもよい。

また、照明光学系１２において、転写されるパターンの解像度をより向上させるために、駆動部７４と偏光状態設定板７３とを含み、その射出面Ｑ１における照明光ＩＬの偏光状態を制御する偏光制御系を設けてもよい。主制御系１７が駆動部７４を介して偏光状態設定板７３を射出面Ｑ１の近傍の照明光ＩＬの光路上に配置することによって、照明光ＩＬの偏光状態が所望の状態に設定される（詳細後述）。

照明光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領域内の所定の回路パターンの像が、両側テレセントリックの投影光学系ＰＬを介して投影倍率β（βは例えば１／４，１／５等）で、投影光学系ＰＬの結像面に配置されたウエハＷ上の複数のショット領域の内の一つのショット領域のフォトレジスト層に転写される。ウエハＷは、例えば半導体（シリコン等）又はＳＯＩ(silicon on insulator)等の直径が２００ｍｍ又は３００ｍｍ等の円板状の基板である。

投影光学系ＰＬの光軸ＡＸは、レチクルＲ上で照明光学系１２の光軸ＢＸと合致している。また、投影光学系ＰＬの瞳面Ｑ３（レチクル面に対する光学的なフーリエ変換面）は、フライアイレンズ５の射出面Ｑ１（照明光学系１２の瞳面）と共役であり、瞳面Ｑ３の近傍に開口絞りＡＳが設置されている。本例の投影光学系ＰＬとしては、屈折系の他に、例えば特開２０００−４７１１４号公報に開示されているように、互いに交差する光軸を持つ複数の光学系を持つ反射屈折投影光学系、又は例えば国際公開（ＷＯ）０１／０６５２９６号パンフレットに開示されているように、レチクルからウエハに向かう光軸を持つ光学系と、その光軸に対してほぼ直交する光軸を持つ反射屈折系とを有し、内部で中間像を２回形成する反射屈折投影光学系等を使用できる。さらに、例えば国際公開（ＷＯ）２００４／１０７０１１号パンフレットに開示されているように、複数の反射面を有しかつ中間像を少なくとも１回形成する光学系（反射系または反屈系）がその一部に設けられ、単一の光軸を有する、いわゆるインライン型の反射屈折投影光学系も使用できる。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内でレチクルＲ及びウエハＷの走査方向に直交する非走査方向（ここでは図１（Ａ）の紙面に平行な方向）にＸ軸を取り、その走査方向（ここでは図１（Ａ）の紙面に垂直な方向）にＹ軸を取って説明する。

先ずレチクルＲは、そのレチクル面がＸＹ平面と平行な投影光学系ＰＬの物体面（第１面）に配置されるようにレチクルステージ１４上に吸着保持され、レチクルステージ１４は、レチクルベース１５上にＹ方向に等速移動できると共に、少なくともＸ方向、Ｙ方向、及びＺ軸の周りの回転方向に微動できるように載置されている。レチクルステージ１４の位置（回転も含む）は、レチクルステージ駆動系１６内のレーザ干渉計によって計測されている。レチクルステージ駆動系１６は、その計測情報及び主制御系１７からの制御情報に基づいて、不図示の駆動機構を介してレチクルステージ１４の位置及び速度を制御する。レチクルステージ１４、レチクルベース１５、及びその駆動機構を含んでレチクルステージ系が構成されている。

一方、ウエハＷは、不図示のウエハホルダを介してウエハステージ１８上に吸着保持され、ウエハステージ１８は、ウエハベース１９上にＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されている。ウエハステージ１８の位置（回転も含む）は、ウエハステージ駆動系２０内のレーザ干渉計によって計測されている。ウエハステージ駆動系２０は、その計測情報及び主制御系１７からの制御情報に基づいて、不図示の駆動機構を介してウエハステージ１８の位置及び速度を制御する。また、ウエハステージ１８には、不図示のオートフォーカスセンサの計測情報に基づいて、走査露光中に露光領域（投影光学系ＰＬに関して照明領域と共役な照明光ＩＬの照射領域）内でウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの結像面（第２面）に合わせ込むための合焦機構が組み込まれている。ウエハステージ１８、ウエハベース１９、及びその駆動機構を含んでウエハステージ系が構成されている。

走査露光時には、主制御系１７、レチクルステージ駆動系１６、及びウエハステージ駆動系２０の制御のもとで、レチクルステージ１４を介して照明領域に対してＹ方向に速度ＶＲで走査するのに同期して、ウエハステージ１８を介して露光領域に対してウエハＷ上の一つのショット領域を対応する方向に速度β・ＶＲ（βは投影倍率）で走査する動作と、照明光ＩＬの照射を停止して、ウエハステージ１８を介してウエハＷをＸ方向、及び／又はＹ方向にステップ移動する動作とが繰り返される。このステップ・アンド・スキャン動作によって、ウエハＷ上の全部のショット領域にレチクルＲの回路パターンの像が転写される。

次に、本例の露光装置の照明光学系及び露光方法につき詳細に説明する。
図２（Ａ）は、図１（Ａ）中のレチクルＲに形成され、ＤＲＡＭ(Dymamic Random Access Memory)の製造過程における所定の層の回路パターンを形成する際に使用される転写用のパターン３６の一部を示す拡大図である。この図２（Ａ）において、そのパターン３６は、遮光膜３５を背景として、Ｘ方向の幅Ｐ１ＡでＹ方向の長さＰ２Ａの矩形の多数の透過部３１をＸ方向及びＹ方向に２次元的に配置したものである。具体的に、複数の透過部３１（明部）をＹ方向に長さＰ２Ｂの遮光部３２（暗部）を隔てて、周期（ピッチ）Ｐ２（＝Ｐ２Ａ＋Ｐ２Ｂ）で配列することによって、１次元の格子パターン３３Ａが形成され、この格子パターン３３Ａに平行にＸ方向に幅Ｐ１Ｂの遮光部３４を隔てて、周期Ｐ１（＝Ｐ１Ａ＋Ｐ１Ｂ）で、それぞれ格子パターン３３Ａと同様に複数の透過部３１をＹ方向に周期Ｐ２で配列してなる１次元の格子パターン３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄ，３３Ｅ，３３Ｆ，…が配列されている。これらの格子パターン３３Ａ〜３３Ｆがパターン３６に含まれている。

ただし、隣接する格子パターン３３Ａ及び３３Ｂ（又は３３Ｂ及び３３Ｃ、３３Ｃ及び３３Ｄ等）は、隣接する透過部３１の位置がＹ方向に次第にシフト量Ｄだけ変位している。このように格子パターン３３Ａ〜３３Ｅ等に対して隣接する格子パターン３３Ｂ〜３３Ｆ等を次第にＹ方向にシフト量Ｄだけ変位させることによって、最終的に形成されるデバイス（本例ではＤＲＡＭ）の複数のセルの間隔を実質的に狭くすることが可能になり、デバイスの集積密度を高めることができる。本例では、シフト量ＤはＹ方向の周期Ｐ２の１／４であるが、シフト量Ｄは、例えばデバイスの集積密度が最も高まるように選択することができる。

本例ではさらに、格子パターン３３Ａ〜３３Ｆにおいて、透過部３１の長さＰ２Ａに対してその間の遮光部３２の長さＰ２Ｂはほぼ１／３以下に短く設定され、この長さＰ２Ｂは、ウエハに格子パターンが所望の寸法で形成されるように設定される。また、格子パターン３３Ａ〜３３Ｆの幅Ｐ１Ａに対してその間の遮光部３４の幅Ｐ１Ｂは同等かそれより狭く設定されている。これらの長さは、透過部３１の像の寸法を目標値にするために設定されている。一例として、パターン３６の各部の寸法は、投影光学系ＰＬによる投影像の状態で、Ｘ方向の周期Ｐ１が１５４ｎｍ、幅Ｐ１Ａが７７ｎｍ（幅Ｐ１Ｂが７７ｎｍ）、Ｙ方向の周期Ｐ２が２００ｎｍ、長さＰ２Ａが１６６ｎｍ（長さＰ２Ｂが３４ｎｍ）であり、パターン３６はＸ方向及びＹ方向に密集したパターンとみなすことができる。なお、必要とされる集積密度が低いような場合には、幅Ｐ１Ａに対して幅Ｐ１Ｂを同等かそれ以上に設定してもよく、さらに透過部３１の長さＰ２Ａに対して遮光部３２の長さＰ２Ｂをそれ以上に設定してもよい。

図２（Ｂ）に示すように、図２（Ａ）のパターン３６は、Ｘ方向に周期Ｐ１で配列されたライン・アンド・スペースパターン（以下、「Ｌ＆Ｓパターン」という）６０Ｘと、Ｘ軸に対して反時計回りに９０°よりも小さい角度θで交差する方向（以下、「Ｓ方向」という）に周期Ｐ３で配列されたＬ＆Ｓパターン６０Ｓとの重ね合わせとみなすことができる。図２（Ｂ）において、Ｘ方向のＬ＆Ｓパターン６０Ａは、遮光膜３５中にＹ方向に伸びた幅Ｐ１Ａの複数の透過性のラインパターン３７をＸ方向に周期Ｐ１で配列して形成され、Ｓ方向のＬ＆Ｓパターン６０Ｓは、遮光膜３５中にＳ方向に直交する方向に伸びた幅Ｐ３Ａの複数の透過性のラインパターン３８をＳ方向に間隔Ｐ３Ｂ、即ち周期Ｐ３（＝Ｐ３Ａ＋Ｐ３Ｂ）で配列して形成されている。従って、パターン３６は、斜めに交差する２つの方向（Ｘ方向及びＳ方向）にそれぞれ周期性を持つ２次元の周期的パターンである。

この場合、図２（Ａ）の格子パターン３３Ａ，３３Ｂ間のシフト量Ｄ及び周期Ｐ１を用いると、角度θは次のようになる。
θ＝９０°−arctan（Ｄ／Ｐ１） …（１）
また、角度θを用いると、図２（Ａ）の格子パターン３３Ａ〜３３ＦのＹ方向の周期Ｐ２、透過部３１のＹ方向の長さＰ２Ａ、及び遮光部３２のＹ方向の長さＰ２Ｂに対して、図２（Ｂ）のラインパターン３８のＳ方向の周期Ｐ３、幅Ｐ３Ａ、及び間隔Ｐ３Ｂは次のようにsin θに比例して小さくなる。

Ｐ３＝Ｐ２・sin θ，Ｐ３Ａ＝Ｐ２Ａ・sin θ，Ｐ３Ｂ＝Ｐ２Ｂ・sin θ …（２）
なお、上述の具体例のように、Ｘ方向の周期Ｐ１が１５４ｎｍ、Ｙ方向の周期Ｐ２が２００ｎｍで、シフト量ＤがＰ２／４である場合には、式（１）より角度θは約７２°、sin θは約０．９５、Ｐ３は約１９０ｎｍとなる。
次に、図３（Ａ）は、図２（Ｂ）又は図２（Ａ）の斜めに交差する２つの方向に周期性を持つパターン３６に照明光ＩＬを照射した場合に、パターン３６から発生する多数の回折光（０次光を含む）の図１（Ａ）の投影光学系ＰＬの瞳面Ｑ３における光量分布に相当する回折パターン４７を説明する図である。この図３（Ａ）において、回折パターン４７は、Ｘ軸に平行に等間隔で配置された複数の直線４６と、Ｘ軸に対して反時計回りに角度θで交差するＳ方向に平行に等間隔で配置された複数の直線４４との交点である全部の格子点４５をそれぞれ回折光の中心とする光量分布となる。各格子点４５と中心がほぼ一致してそれぞれ異なる次数の回折光が通過するが、実際には格子点４５中には回折光の光量が殆ど無いものもある。図３（Ａ）の瞳面Ｑ３上のＸ方向及びＹ方向の距離を、投影光学系ＰＬに入射する回折光の開口数（入射角の正弦）を単位として表すものとして、照明光ＩＬの波長をλとして、図２（Ｂ）のパターン３６のＸ方向の周期Ｐ１及びＳ方向の周期Ｐ３を用いると、Ｘ軸に平行な直線４６上の隣接する２つの格子点４５（回折光）の間隔はλ／Ｐ１となり、Ｓ方向に平行な直線４４上の隣接する２つの格子点４５（回折光）の間隔はλ／Ｐ３となる。

また、図３（Ａ）の回折パターン４７は、Ｘ軸に平行な辺ＡＤの長さがλ／Ｐ１で、Ｓ方向に平行な辺ＡＢの長さがλ／Ｐ３の平行四辺形ＡＢＣＤの４つの頂点（格子点４５）Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤをＸ方向にλ／Ｐ１の整数倍だけ平行移動して得られる複数の格子点を、さらにＳ方向にλ／Ｐ３の整数倍だけ平行移動して得られる全部の格子点をそれぞれ回折光の中心とする光量分布とみなすこともできる。

本例では、その回折パターン４７のうちで図３（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ），（Ｇ）に示す格子点を通過する回折光を重畳して用いることによって、図２（Ｂ）のパターン３６の像をウエハ上に形成する。図３（Ｂ）〜（Ｇ）の光軸ＡＸを中心とする円形領域６２は、図３（Ａ）の投影光学系ＰＬの瞳面Ｑ３上の回折パターン４７（回折光）のうちで、図１（Ａ）の投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳを通過して結像に寄与する光束の範囲をそれぞれ表している。

先ず、図３（Ｂ）の円形領域６２内には、Ｘ方向に隣接する２つの格子点４５Ａ，４５ＤとＳ方向に隣接する２つの格子点４５Ａ，４５Ｂとが含まれており、格子点４５Ａは、Ｘ方向及びＳ方向の間の方向で、望ましくは図３（Ａ）の平行四辺形ＡＢＣＤの長い対角線ＡＣにほぼ平行に、光軸ＡＸから−Ｘ方向及び−Ｓ方向にずれている。この回折光を発生するために、図１（Ａ）の照明光学系１２から図２（Ａ）のパターン３６に対して、図３（Ｂ）の格子点４５Ａを０次光が通過するように照明光４１ＡＰを斜めに照射する。この結果、その０次光、パターン３６からＸ方向に発生する格子点４５Ｄ上の＋１次回折光、及びＳ方向に発生する格子点４５Ｂ上の＋１次回折光が投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳを通過する。

また、図３（Ｃ）の円形領域６２内には、光軸ＡＸに関して図３（Ｂ）の円形領域６２内の格子点４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｄとほぼ回転対称な３つの格子点４５Ｃ，４５Ｄ，４５Ｂが含まれている。この場合、図２（Ａ）のパターン３６に対して、図３（Ｃ）の格子点４５Ｃを０次光が通過するように照明光４１ＢＰを斜めに照射することで、その０次光、パターン３６からＸ方向に発生する格子点４５Ｂ上の−１次回折光、及びＳ方向に発生する格子点４５Ｄ上の−１次回折光が投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳを通過する。図３（Ｂ）の格子点４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｄ及び図３（Ｃ）の格子点４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄを通過する回折光によって、図２（Ｂ）のパターン３６の像のＸ方向及びＳ方向の両方の周期構造が形成される。このように、要はパターン３６の像の２つの方向の周期構造が形成されればよいため、図３（Ｂ）及び（Ｃ）において、０次光、Ｘ方向への±１次回折光、及びＳ方向への±１次回折光以外の回折光（例えばＸ方向に＋１次（又は−１次）で、かつＳ方向に＋１次（又は−１次）の回折光など）が開口絞りＡＳを通過するようにしてもよい。

次に、図３（Ｄ）の円形領域６２内の光軸ＡＸから僅かに上の位置には、Ｘ方向に隣接する２つの格子点４５Ｂ，４５Ｃが含まれ、図３（Ｅ）の円形領域６２内の光軸ＡＸから僅かに下の位置には、Ｘ方向に隣接する２つの格子点４５Ａ，４５Ｄが含まれている。これらの回折光を発生するために、図１（Ａ）の照明光学系１２から図２（Ａ）のパターン３６に対して、図３（Ｄ）の−Ｘ方向の格子点４５Ｂを０次光が通過するような照明光４２ＡＰ、及び図３（Ｅ）の＋Ｘ方向の格子点４５Ｄを０次光が通過するような照明光４２ＢＰを斜めに照射する。この結果、それらの０次光の他に、パターン３６からＸ方向に発生する図３（Ｄ）の格子点４５Ｃ上の＋１次回折光、図３（Ｅ）の格子点４５Ａ上の−１次回折光が投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳを通過する。図３（Ｄ）の格子点４５Ｂ，４５Ｃ及び図３（Ｅ）の格子点４５Ａ，４５Ｄを通過する回折光によって、図２（Ｂ）のパターン３６の像のＸ方向の周期構造、即ち幅Ｐ１Ａのラインパターン３７をＸ方向に周期Ｐ１で配列してなるＬ＆Ｓパターン６０Ｘの像が形成される。

このように、要はパターン６０Ｘの像が形成されればよいため、図３（Ｄ）及び（Ｅ）において、０次光及びＸ方向への±１次回折光以外の回折光（例えばＸ方向に±１次でかつＳ方向に±１次の回折光、及び／又はＸ方向への±２次回折光など）が開口絞りＡＳを通過するようにしてもよい。さらに、図３（Ｂ）及び（Ｃ）の格子点を通過する回折光の光量と、図３（Ｄ）及び（Ｅ）の格子点を通過する回折光の光量との比を制御することによって、そのＬ＆Ｓパターン６０Ｘのラインパターン３７（図２（Ａ）の格子パターン３３Ａ〜３３Ｆ）の像の幅とＬ＆Ｓパターン６０Ｘの像の周期との比を正確に設計値であるＰ１Ａ：Ｐ１に制御することができる。

また、図３（Ｆ）の円形領域６２内の光軸ＡＸを通りＳ方向に平行な直線に対して僅かに右側の位置には、Ｓ方向に隣接する２つの格子点４５Ｃ，４５Ｄが含まれ、図３（Ｇ）の円形領域６２内の光軸ＡＸを通りＳ方向に平行な直線に対して僅かに左側の位置には、Ｓ方向に隣接する２つの格子点４５Ａ，４５Ｂが含まれている。これらの回折光を発生するために、図１（Ａ）の照明光学系１２から図２（Ａ）のパターン３６に対して、図３（Ｆ）の＋Ｓ方向の格子点４５Ｃを０次光が通過するような照明光４３ＡＰ、及び図３（Ｇ）の−Ｓ方向の格子点４５Ａを０次光が通過するような照明光４３ＢＰを斜めに照射する。この結果、それらの０次光の他に、パターン３６からＸ方向に発生する図３（Ｆ）の格子点４５Ｄ上の−１次回折光、図３（Ｇ）の格子点４５Ｂ上の＋１次回折光が投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳを通過する。図３（Ｆ）の格子点４５Ｃ，４５Ｄ及び図３（Ｇ）の格子点４５Ａ，４５Ｂを通過する回折光によって、図２（Ｂ）のパターン３６の像のＳ方向の周期構造、即ち幅Ｐ３Ａのラインパターン３８をＳ方向に周期Ｐ３で配列してなるＬ＆Ｓパターン６０Ｓの像が形成される。

このように、要はパターン６０Ｓの像が形成されればよいため、図３（Ｆ）及び（Ｇ）において、０次光及びＳ方向への±１次回折光以外の回折光（例えばＸ方向に±１次でかつＳ方向に±１次の回折光、及び／又はＳ方向への±２次回折光など）が開口絞りＡＳを通過するようにしてもよい。さらに、図３（Ｂ）及び（Ｃ）の格子点を通過する回折光の光量と、図３（Ｆ）及び（Ｇ）の格子点を通過する回折光の光量との比を制御することによって、そのＬ＆Ｓパターン６０Ｓのラインパターン３８の像の幅とその間の暗部の像の幅との比、ひいては、図２（Ａ）の格子パターン３３Ａ〜３３Ｆの透過部３１の像の長さと遮光部３２の像の長さとの比を正確に設計値であるＰ２Ａ：Ｐ２Ｂに制御することができる。

また、図１（Ａ）において、投影光学系ＰＬの瞳面Ｑ３と照明光学系１２の瞳面（射出面Ｑ１）とは共役であるため、図３（Ｂ）〜（Ｇ）の円形領域６２と共役な照明光学系１２の瞳面上の領域であるコヒーレンスファクタ（σ値）が最大（＝１）の領域を図４（Ａ）の最大σ領域４０とする。さらに、図３（Ｂ）の格子点４５Ａ、図３（Ｃ）の格子点４５Ｃ、図３（Ｄ）の格子点４５Ｂ、図３（Ｅ）の格子点４５Ｄ、図３（Ｆ）の格子点４５Ｃ、及び図３（Ｇ）の格子点４５Ａと共役な図４（Ａ）の最大σ領域４０内の点を中心とする領域をそれぞれ主領域４１Ａ、主領域４１Ｂ、Ｘ方向用の副領域４２Ａ、Ｘ方向用の副領域４２Ｂ、Ｓ方向用の副領域４３Ａ、及びＳ方向用の副領域４３Ｂとする。そして、図２（Ａ）のパターン３６に照明光ＩＬを照射する際に、図１（Ａ）の回折光学素子２１を含む光量分布設定系によって、図４（Ａ）の最大σ領域４０内の１対の主領域４１Ａ，４１Ｂ、１対のＸ方向用の副領域４２Ａ，４２Ｂ、及び１対のＳ方向用の副領域４３Ａ，４３Ｂよりなる６個の領域の照明光ＩＬの光量（強度）をそれ以外の領域よりも高めるようにする。本例では、照明光ＩＬの強度は、その６個の領域でほぼ均一に所定のレベルであり、それ以外の領域ではほぼ０である。

なお、より実用的には、回折光学素子２１によって得られる光量分布を、図４（Ａ）の６個の領域４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂを含む領域でほぼ一定の光量となるようにしておき、それらの６個の領域４１Ａ〜４３Ｂに対応する部分に開口が形成された開口絞りを、図１（Ａ）のフライアイレンズ５の射出面Ｑ１（瞳面）若しくはその共役面、又はそれらの近傍の面に配置してもよい。この場合にも、照明光ＩＬの利用効率が高いという利点は得られている。

これによって、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、最大σ領域４０の主領域４１Ａ及び４１Ｂを通過する照明光ＩＬの０次光、その照明光ＩＬによるパターン３６からのＸ方向への±１次回折光４８ＡＤ，４８ＣＢ、及びＳ方向への±１次回折光４８ＡＢ，４８ＣＤが投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳ内を通過して結像に寄与する。これと同時に、図５（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、最大σ領域４０のＸ方向用の副領域４２Ａ及び４２Ｂを通過する照明光ＩＬの０次光、及びその照明光ＩＬによるパターン３６からのＸ方向への±１次回折光４８ＢＣ，４８ＤＡが投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳ内を通過し、図５（Ｅ）及び（Ｆ）に示すように、最大σ領域４０のＳ方向用の副領域４３Ａ及び４３Ｂを通過する照明光ＩＬの０次光、及びその照明光ＩＬによるパターン３６からのＳ方向への±１次回折光４８ＡＢ，４８ＣＤが投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳ内を通過して結像に寄与する。これによって、図２（Ａ）の２方向に周期性を持つパターン３６（密集パターン）の投影光学系ＰＬによる像がウエハＷ上に深い焦点深度で、かつ高い解像度で形成される。

なお、図４（Ａ）の最大σ領域４０内の光量が大きい６個の領域のうち、１対の主領域４１Ａ，４１Ｂは、照明光学系１２の光軸ＢＸに関して対称で、かつほぼＸ方向及びＳ方向の間の方向に図２（Ｂ）のパターン３６のＸ方向の周期Ｐ１及びＳ方向の周期Ｐ３に応じた間隔だけ離れた領域であり、１対のＸ方向用の副領域４２Ａ，４２Ｂは、光軸ＢＸに関して対称で、かつほぼＸ方向にパターン３６のＸ方向の周期Ｐ１に応じた間隔だけ離れた領域であり、１対のＳ方向用の副領域４３Ａ，４３Ｂは、光軸ＢＸに関して対称で、かつほぼＳ方向にパターン３６のＳ方向の周期Ｐ３に応じた間隔だけ離れた領域である。従って、これらの６個の領域の配置は、図２（Ｂ）のパターン３６の２つの周期方向、その角度θ、及びその周期方向の周期Ｐ１，Ｐ３に応じて最適化されている。また、その角度θが９０°〜１８０°の場合には、図４（Ａ）の最大σ領域４０内の光量が大きい領域は、ほぼ図４（Ａ）の６個の領域を、光軸ＢＸを通りＹ軸に平行な直線に関して折り返した領域とすればよい。

また、より好ましくは、図４（Ａ）の最大σ領域４０内の１対の主領域４１Ａ，４１Ｂの中心を結ぶ方向は、図３（Ａ）のＸ方向の幅がλ／Ｐ１でＳ方向の幅がλ／Ｐ３の平行四辺形ＡＢＣＤと共役な図形の長い対角線方向であり、１対の主領域４１Ａ，４１Ｂの開口数に換算した間隔は、その平行四辺形ＡＢＣＤと共役な図形の長い対角線よりも狭く、かつその平行四辺形ＡＢＣＤと共役な図形の長い辺よりも長い。これによって、２方向の周期Ｐ１及びＰ３が微細であっても、２方向に周期性を持つ像を良好に形成することができる。また、より好ましくは、１対のＸ方向用の副領域４２Ａ，４２Ｂの開口数に換算した間隔は、その平行四辺形ＡＢＣＤと共役な図形のＸ方向の辺の長さ（＝λ／Ｐ１＝Ａ１）にほぼ等しく、１対のＳ方向用の副領域４３Ａ，４３Ｂの開口数に換算した間隔は、その平行四辺形ＡＢＣＤと共役な図形のＳ方向の辺の長さ（＝λ／Ｐ３＝Ａ３）にほぼ等しい。ほぼ等しいとは、例えば副領域４２ＡからのＸ方向への０次光及び＋１次回折光と、副領域４２ＢからのＸ方向への０次光及び−１次回折光とが投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳを通過し、それ以外のＳ方向への回折光が開口絞りＡＳを通過しないと共に、例えば副領域４３ＡからのＳ方向への０次光及び−次回折光と、副領域４３ＢからのＳ方向への０次光及び＋１次回折光とが開口絞りＡＳを通過し、それ以外のＸ方向への回折光が開口絞りＡＳを通過しない程度であることを意味している。

なお、図４（Ａ）の主領域４１Ａ，４１Ｂを通過する光束による像の焦点深度（ＤＯＦ）が最も大きくなるのは、図３（Ｂ）、（Ｃ）に対応して、図１（Ａ）の投影光学系ＰＬの瞳面Ｑ３上の開口絞りＡＳ内の円形領域６２における回折パターンを示す図６（Ａ）において、主領域４１Ａからの照明光４１ＡＰ（０次光）と、照明光４１ＡＰによる回折光４８ＡＤ，４８ＡＢとが光軸ＡＸを中心とする同じ円周Ｃ１上にあり、主領域４１Ｂからの照明光４１ＢＰ（０次光）と、照明光４１ＢＰによる回折光４８ＣＢ，４８ＣＤとが光軸ＡＸを中心とする同じ円周（円周Ｃ１と異なってもよい）上にあるときである。この場合には、ウエハ面に入射するときの各次数の回折光（０次光を含む）の入射角が互いに等しくなり、デフォーカスが生じてもそれらの回折光間の位相差が一定に保たれるからである。

同様に、図４（Ａ）の副領域４２Ａ，４２Ｂを通過する光束による像の焦点深度が最も大きくなるのは、図３（Ｄ）、（Ｅ）に対応する図６（Ｂ）において、副領域４２Ａからの照明光４２ＡＰ（０次光）と、これによる回折光４８ＢＣとが光軸ＡＸを中心とする同じ円周Ｃ２上にあり、副領域４２Ｂからの照明光４２ＢＰ（０次光）と、これによる回折光４８ＤＡとが光軸ＡＸを中心とする同じ円周（円周Ｃ２と異なってもよい）上にあるときである。また、図４（Ａ）の副領域４３Ａ，４３Ｂを通過する光束による像の焦点深度が最も大きくなるのは、図３（Ｆ）、（Ｇ）に対応する図６（Ｃ）において、副領域４３Ａからの照明光４３ＡＰ（０次光）と、これによる回折光４８ＣＤとが光軸ＡＸを中心とする同じ円周Ｃ３上にあり、副領域４３Ｂからの照明光４３ＢＰ（０次光）と、これによる回折光４８ＡＢとが光軸ＡＸを中心とする同じ円周（円周Ｃ３と異なってもよい）上にあるときである。

また、上述のように、図４（Ａ）の主領域４１Ａ，４１Ｂの光量（これによって図３（Ｂ）及び（Ｃ）の格子点を通過する回折光の光量が規定される）と、副領域４２Ａ，４２Ｂの光量（これによって図３（Ｄ）及び（Ｅ）の格子点を通過する回折光の光量が規定される）との比を制御することによって、図２（Ａ）の格子パターン３３Ａ〜３３Ｆの像の幅とそのＸ方向の周期との比を制御できる。さらに、主領域４１Ａ，４１Ｂの光量と、副領域４３Ａ，４３Ｂの光量（これによって図３（Ｆ）及び（Ｇ）の格子点を通過する回折光の光量が規定される）との比を制御することによって、図２（Ａ）の格子パターン３３Ａ〜３３Ｆの透過部３１の像の長さと遮光部３２の像の長さとの比を制御できる。なお、光量比を制御するには、主領域４１Ａ，４１Ｂと副領域４２Ａ，４２Ｂ（４３Ａ，４３Ｂ）との面積比を変えてもよく、それとは別に又はそれと併用して部分的に照明光ＩＬの照度（強度）を変えてもよい。

さらに、図２（Ｂ）のパターン３６の像の解像度を高めるために、図１（Ａ）の偏光状態設定板７３を射出面Ｑ１の近傍に配置して、図４（Ｂ）に示すように、主領域４１Ａ，４１Ｂを通過する照明光ＩＬを円偏光（又はランダム偏光でもよい）に、Ｘ方向用の副領域４２Ａ，４２Ｂを通過する照明光ＩＬをＸ方向に直交する方向（Ｙ方向）の直線偏光に、Ｓ方向用の副領域４３Ａ，４３Ｂを通過する照明光ＩＬをＳ方向に直交する方向の直線偏光に設定してもよい。これは、主領域４１Ａ，４１Ｂを通過する照明光ＩＬは、図２（Ｂ）のパターン３６の２つの方向の結像に関与し、副領域４２Ａ，４２Ｂを通過する照明光ＩＬは、Ｙ方向に長いラインパターン３７の結像に関与し、副領域４３Ａ，４３Ｂを通過する照明光ＩＬは、Ｓ方向に直交する方向に長いラインパターン３８の結像に関与するためである。

このためには、図４（Ｂ）において、射出面Ｑ１に入射する照明光ＩＬの偏光方向を矢印７５で示すＹ方向として、偏光状態設定板７３上で、主領域４１Ａ（４１Ｂも同様）を含む領域７３Ａには１／４波長板を配置し、副領域４２Ａ，４２Ｂは素通しとし、副領域４３Ａ（４３Ｂも同様）を含む領域７３Ｂには結晶軸の方向７６が必要な偏光方向とＹ方向との中間の１／２波長板を配置すればよい。また、本例では、図２（Ａ）のパターン３６を構成する透過部３１は、Ｙ方向に細長いため、主領域４１Ａ，４１Ｂを通過する照明光ＩＬの偏光状態をＹ方向の直線偏光としてもよい。

次に、図１（Ａ）の照明光学系１２の射出面Ｑ１（瞳面）の光量分布を図４（Ａ）の状態に設定して、図２（Ａ）のパターン３６の投影光学系ＰＬによる像をウエハＷ上のフォトレジストに転写して、そのフォトレジストを現像する。これによって、図７に示すように、レジスト膜３５Ｐの間に矩形の窓部３１Ｐ（図２（Ａ）の透過部３１の像）をＹ方向に周期Ｐ２Ｐ（周期Ｐ２に投影倍率を乗じた値）で配列した格子パターン像３３ＡＰを、Ｘ方向に周期Ｐ１Ｐ（周期Ｐ１に投影倍率を乗じた値）で、かつ次第にＹ方向にシフト量ＤＰ（シフト量Ｄに投影倍率を乗じた値）ずつシフトさせた形状の格子パターン像３３ＢＰ，３３ＣＰ，３３ＤＰ，３３ＥＰ，…よりなるレジストパターン３６Ｐが形成される。なお、図７では簡単のために図２（Ａ）のパターン３６の正立像が投影されるものとしている。

そのレジストパターン３６ＰをマスクとしてウエハＷのエッチング等を行い、さらに薄膜材料の積層等を行うことで、一例として各窓部３１Ｐの位置にＤＲＡＭのストレージ・ノード形成用のコンデンサが形成できる。この際に、格子パターン像３３ＡＰ〜３３ＦＰが次第にＹ方向にシフトしているため、隣接するセル間の距離を実質的に短くでき、デバイスの集積密度が向上する。

次に、図８は、図１（Ａ）の露光装置を用いて、露光量（ドーズ）とデフォーカス量とを次第に変えながら、図４（Ａ）の光量分布を用いて図２（Ａ）のパターン３６を投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上のフォトレジスト層に投影したときに形成される図２（Ａ）の透過部３１の像の幅のコンピュータによるシミュレーション結果の一例を示す。図８において、横軸はデフォーカス量Ｆ（μｍ）、縦軸はその像の幅の値であるＣＤ(critical dimension)値（μｍ）を示し、曲線５０、５１、及び５２はそれぞれ露光量が適正値よりも２．５％多い場合、適正値である場合、適正値よりも２．５％少ない場合を示している。図８の結果より、ＣＤ値の許容範囲を目標値の±１０％にした場合、露光量が±２．５％変化したときでも、焦点深度が８００ｎｍ程度の広い範囲になることが分かる。

なお、図１（Ａ）ではオプティカル・インテグレータとしてフライアイレンズ５が使用されているが、オプティカル・インテグレータとして内面反射型インテグレータあるいは回折光学素子などを使用してもよい。内面反射型インテグレータでは、それに入射する照明光の入射角度範囲を変化させることで、照明光学系の瞳面上での照明光の光量分布（２次光源の大きさや形状）を制御できる。
また、図２（Ａ）の転写用のパターン３６を構成する格子パターン３３Ａ〜３３ＦはＹ軸に平行であるが、これらの格子パターンの配列方向はＸ方向又はＹ方向と必ずしも一致していなくてもよい。

また、上記の実施形態の投影露光装置を用いてＤＲＡＭ等の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基板（ウエハ）に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程などを含む基板処理ステップ、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）、並びに検査ステップ等を経て製造される。

また、複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をすると共に、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、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより上記の実施形態の露光装置を製造することができる。なお、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。

なお、本発明は、走査露光型の投影露光装置のみならず、一括露光型（ステッパー型）の投影露光装置を用いて露光する場合にも適用することが可能である。また、本発明は、例えば国際公開第９９／４９５０４号パンフレット、国際公開第２００４／０１９１２８号パンフレット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。この場合には、走査露光時に、図１（Ａ）において、不図示の液体回収装置から投影光学系ＰＬとウエハＷとの間に純水等の液体が局所的に供給され、供給された液体は不図示の液体回収装置によって回収される。

また、例えば特表２００４−５１９８５０号公報（及び対応する米国特許第 ６，６１１，３１６号明細書）に開示されているように、２つのレチクルのパターンを投影光学系を介して基板上で合成し、１回の走査露光によって基板上の１つのショット領域をほぼ同時に二重露光する露光装置を用いる場合にも本発明を適用することができる。さらに、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。ＥＵＶ光を用いる場合には、マスクは反射型であり、マスクパターンの照明用に反射光学部材からなる照明系が使用され、そのパターンを投影するために反射光学部材からなる投影系が使用される。

なお、上述の実施形態においては、転写用のパターンが形成されたマスク（レチクル）を用いたが、このマスクに代えて、例えば米国特許第６，７７８，２５７号公報に開示されているように、露光すべきパターンの電子データに基づいて透過パターンまたは反射パターンを形成する電子マスクを用いてもよい。この電子マスクは、可変成形マスクとも呼ばれ、例えば非発光型画像表示素子（空間光変調器）の一種であるＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などを含むものである。

また、本発明は、半導体デバイスの製造プロセス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の製造プロセスや、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems：微小電気機械システム)、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスの製造プロセス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）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、製造工程にも適用することができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、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、斜めに交差する２つの方向に周期性を持つ密集パターンを深い焦点深度でかつ高解像度に基板上に転写することができるため、デバイスの集積密度を高めることができる。

（Ａ）は本発明の実施形態の一例の露光装置の構成を示す図、（Ｂ）は図１（Ａ）中のプリズム７１，７２を示す拡大斜視図、（Ｃ）はプリズム７１，７２の別の構成例を示す図である。 （Ａ）は転写用のパターンの一部を示す拡大図、（Ｂ）は図２（Ａ）のパターンを２つのＬ＆Ｓパターンの重ね合わせで示す図である。 （Ａ）は図２（Ｂ）のパターンから発生する回折パターンの一部を示す図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）、及び（Ｇ）はそれぞれ図１（Ａ）の投影光学系ＰＬの開口絞り内にある回折パターンの格子点（回折光）を示す図である。 （Ａ）は図１（Ａ）のフライアイレンズ５の射出面（瞳面）に設定される光量の大きい６個の領域を示す図、（Ｂ）は図４（Ａ）の光量分布に対して偏光制御を行った場合の偏光状態の一例を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は図４（Ａ）の主領域４１Ａ，４１Ｂを通過する照明光による回折光の状態を示す図、（Ｃ）及び（Ｄ）は図４（Ａ）の副領域４２Ａ，４２Ｂを通過する照明光による回折光の状態を示す図、（Ｅ）及び（Ｆ）は図４（Ａ）の副領域４３Ａ，４３Ｂを通過する照明光による回折光の状態を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）は、それぞれ焦点深度が最も大きくなるときの回折パターンの例を示す図である。 図２（Ａ）のパターンの像をウエハ上に投影して形成されるレジストパターンの一部を示す拡大図である。 図４（Ａ）の光量分布で露光を行った場合の転写像のシミュレーションによる評価結果を示す図である。

Ｒ…レチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、Ｑ１…フライアイレンズの射出面（瞳面）、５…フライアイレンズ、２１…回折光学素子、３１…透過部、３３Ａ〜３３Ｆ…格子パターン、３６…周期的なパターン、４０…最大σ領域、４１Ａ，４１Ｂ…主領域、４２Ａ，４２Ｂ…Ｘ方向用の副領域、４３Ａ，４３Ｂ…Ｓ方向用の副領域、４５Ａ〜４５Ｄ…格子点（回折光）、４７…回折パターン、７３…偏光状態設定板

Claims (14)

1. 照明系からの光束でパターンを照明し、前記光束で前記パターン及び投影系を介して基板を露光する露光方法において、
   前記パターンは、斜めに交差する第１方向及び第２方向にそれぞれ周期性を持つ周期的パターンであり、
   前記照明系の瞳面又はこの共役面における前記光束の光量分布を、
   前記周期的パターンから前記第１方向に発生する回折光、前記第２方向に発生する回折光、及び０次光が前記投影系を通過するように配置された第１の１対の領域、
   前記周期的パターンから前記第１方向に発生する回折光及び０次光が前記投影系を通過するように配置された第２の１対の領域、並びに
   前記周期的パターンから前記第２方向に発生する回折光及び０次光が前記投影系を通過するように配置された第３の１対の領域よりなる６個の領域における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きくなるように設定したことを特徴とする露光方法。
2. 前記第１の１対の領域は、前記照明系の光軸に関して対称で、かつほぼ前記第１方向及び第２方向の間の方向に前記周期的パターンの前記第１方向及び第２方向の周期に応じた間隔だけ離れた２つの領域であり、
   前記第２の１対の領域は、前記光軸に関して対称で、かつほぼ前記第１方向に前記周期的パターンの前記第１方向の周期に応じた間隔だけ離れた２つの領域であり、
   前記第３の１対の領域は、前記光軸に関して対称で、かつほぼ前記第２方向に前記周期的パターンの前記第２方向の周期に応じた間隔だけ離れた２つの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. 前記光束の波長をλ、前記周期的パターンの前記第１方向及び第２方向の周期をそれぞれＰ１及びＰ３として、
   前記第１の１対の領域の中心を結ぶ方向は、前記第１方向の幅がλ／Ｐ１で前記第２方向の幅がλ／Ｐ３の平行四辺形の長い対角線方向であり、
   前記第１の１対の領域の開口数に換算した間隔は、前記平行四辺形の長い対角線よりも狭く、
   前記第２の１対の領域の開口数に換算した間隔は、前記平行四辺形の前記第１方向の辺の長さにほぼ等しく、
   前記第３の１対の領域の開口数に換算した間隔は、前記平行四辺形の前記第２方向の辺の長さにほぼ等しいことを特徴とする請求項２に記載の露光方法。
4. 前記周期的パターンは、それぞれ前記第１方向に直交する方向に明部と暗部とを第１周期で配列してなる複数の格子パターンを、前記第１方向に第２周期で、かつ隣接する２つの前記格子パターンの前記明部が前記第１方向に直交する方向に次第にシフトするように配列したパターンであり、
   複数の前記格子パターンの前記明部と前記暗部との長さの比に応じて、前記第１の１対の領域と前記第３の１対の領域との光量比を制御し、
   複数の前記格子パターンの幅と前記第２周期との比に応じて、前記第１の１対の領域と前記第２の１対の領域との光量比を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の露光方法。
5. 前記格子パターンの前記明部の長さに対して前記暗部の長さが短いことを特徴とする請求項４に記載の露光方法。
6. 前記第１の１対の領域の前記光束の偏光状態をランダム偏光又は円偏光として、
   前記第２の１対の領域の前記光束の偏光方向を前記第１方向に直交する方向として、
   前記第３の１対の領域の前記光束の偏光方向を前記第２方向に直交する方向とすることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の露光方法。
7. 照明系からの光束でパターンを照明し、前記光束で前記パターン及び投影系を介して基板を露光する露光装置において、
   前記照明系の瞳面又はこの共役面における前記光束の光量分布を設定する光量分布設定機構と、
   前記パターンに応じて前記光量分布設定機構を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記パターンが、斜めに交差する第１方向及び第２方向にそれぞれ周期性を持つ周期的パターンであるときに、前記光量分布設定機構を制御して、前記照明系の瞳面又はこの共役面における前記光束の光量分布を、
   前記周期的パターンから前記第１方向に発生する回折光、前記第２方向に発生する回折光、及び０次光が前記投影系を通過するように配置された第１の１対の領域、
   前記周期的パターンから前記第１方向に発生する回折光及び０次光が前記投影系を通過するように配置された第２の１対の領域、並びに
   前記周期的パターンから前記第２方向に発生する回折光及び０次光が前記投影系を通過するように配置された第３の１対の領域よりなる６個の領域における光量がそれ以外の領域における光量よりも大きくなるように設定することを特徴とする露光装置。
8. 前記第１の１対の領域は、前記照明系の光軸に関して対称で、かつほぼ前記第１方向及び第２方向の中間の方向に前記周期的パターンの前記第１方向及び第２方向の周期に応じた間隔だけ離れた２つの領域であり、
   前記第２の１対の領域は、前記光軸に関して対称で、かつほぼ前記第１方向に前記周期的パターンの前記第１方向の周期に応じた間隔だけ離れた２つの領域であり、
   前記第３の１対の領域は、前記光軸に関して対称で、かつほぼ前記第２方向に前記周期的パターンの前記第２方向の周期に応じた間隔だけ離れた２つの領域であることを特徴とする請求項７に記載の露光装置。
9. 前記光束の波長をλ、前記周期的パターンの前記第１方向及び第２方向の周期をそれぞれＰ１及びＰ３として、
   前記第１の１対の領域の中心を結ぶ方向は、前記第１方向の幅がλ／Ｐ１で前記第２方向の幅がλ／Ｐ３の平行四辺形の長い対角線方向であり、
   前記第１の１対の領域の開口数に換算した間隔は、前記平行四辺形の長い対角線よりも狭く、
   前記第２の１対の領域の開口数に換算した間隔は、前記平行四辺形の前記第１方向の辺の長さにほぼ等しく、
   前記第３の１対の領域の開口数に換算した間隔は、前記平行四辺形の前記第２方向の辺の長さにほぼ等しいことを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
10. 前記周期的パターンは、それぞれ前記第１方向に直交する方向に明部と暗部とを第１周期で配列してなる複数の格子パターンを、前記第１方向に第２周期で、かつ隣接する２つの前記格子パターンの前記明部が前記第１方向に直交する方向に次第にずれるように配列したパターンであり、
    前記制御装置は、前記光量分布設定機構を介して、
    複数の前記格子パターンの前記明部と前記暗部との長さの比に応じて、前記第１の１対の領域と前記第３の１対の領域との光量比を制御し、
    複数の前記格子パターンの幅と前記第２周期との比に応じて、前記第１の１対の領域と前記第２の１対の領域との光量比を制御することを特徴とする請求項７から９のいずれか
    一項に記載の露光装置。
11. 前記格子パターンの前記明部の長さに対して前記暗部の長さが短いことを特徴とする請求項１０に記載の露光装置。
12. 前記第１の１対の領域の前記光束の偏光状態をランダム偏光又は円偏光として、
    前記第２の１対の領域の前記光束の偏光方向を前記第１方向に直交する方向として、
    前記第３の１対の領域の前記光束の偏光方向を前記第２方向に直交する方向とする偏光制御機構を備えたことを特徴とする請求項７から１１のいずれか一項に記載の露光装置。
13. リソグラフィ工程を含むデバイスの製造方法であって、
    前記リソグラフィ工程で請求項１から６のいずれか一項に記載の露光方法を用いてパターンを感光体に転写することを特徴とするデバイス製造方法。
14. 前記デバイスはＤＲＡＭであることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス製造方法。

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