JP7531462B2 - 露光装置、露光方法および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置、露光方法、および、半導体装置の製造方法に関する。

露光装置の焦点深度を拡大する方法として、ＦＬＥＸ（Ｆｏｃｕｓ Ｌａｔｉｔｕｄｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｅｘｐｏｓｕｒ
ｅ）法が知られている。ＦＬＥＸ法は、基板を複数のデフォーカス状態で露光する方法、あるいは、原版によって投影光学系の像面近傍に形成される光強度が光軸方向について重ね合わされるように基板を露光する方法として定義されうる。特許文献１には、ホールパターンのような孤立パターンあるいは微細パターンを良好に解像するための露光方法が記載されている。この露光方法では、合焦点および複数のデフォーカス点のそれぞれで基板を露光する多段階露光が行われ、合焦点の露光では複数のデフォーカス点での露光よりもコヒーレンシファクタ（σ）の値が小さくされる。

特開平７－１５３６５８号公報

本発明は、露光装置の焦点深度の向上に有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、露光装置に係り、前記露光装置は、周期パターンを有する原版を照明する照明光学系と、前記原版の像を基板に投影する投影光学系と、前記基板に対する露光を制御する制御部と、を備え、前記照明光学系からの光は前記原版に斜入射し、前記周期パターンからの２次以上の回折光を含む複数の回折光は、前記投影光学系の瞳領域に、前記瞳領域の原点を通り前記周期パターンの周期方向と直交する直線に対して線対称な４つの高光強度部を含む光強度分布を形成し、前記４つの高光強度部からの４つの光束のうち２つの光束は、フォーカス状態によって周期的に位相差が変化し、前記制御部は、前記２つの光束のフォーカス状態と位相差との関係に基づいた２以上のフォーカス状態で、前記基板のショット領域の各点を露光するように制御する。

明細書に記載された発明の１つの側面は、周期パターンを有する原版を照明する照明光学系と、前記原版の像を基板に形成する投影光学系とを備える露光装置に係り、前記露光装置は、前記周期パターンからの２次以上の回折光を含む複数の回折光が、前記投影光学系の瞳領域に、前記周期パターンの周期方向と直交する方向に平行な線について線対称に配置された少なくとも２つの高光強度部を含む光強度分布を形成するように、前記照明光学系を調整する調整部と、前記基板のショット領域の各点が２以上のデフォーカス状態で露光されるように前記基板の露光を制御する制御部と、を備え、前記少なくとも２つの高光強度部は、前記光強度分布における他の部分よりも光強度が高い。

本発明によれば、露光装置の焦点深度の向上に有利な技術が提供される。

第１実施形態の露光装置の構成を模式的に示す図。 第１実施形態の露光装置におけるＦＬＥＸ露光を説明する図。 原版に設けられうる周期パターンを例示する図。 実施例１における照明光学系の瞳領域の光強度分布（ａ）および投影光学系の瞳領域の光強度分布（ｂ）を例示する図。 投影光学系の像面近傍に形成される光強度分布を例示する図。 シングル露光におけるデフォーカス量と光強度分布との関係を例示する図。 実施例２における照明光学系の瞳領域の光強度分布（ａ）および投影光学系の瞳領域の光強度分布（ｂ）を例示する図。 原版に設けられうる２次元の周期パターンを例示する図。 実施例３における照明光学系の瞳領域の光強度分布（ａ）および投影光学系の瞳領域の光強度分布（ｂ）を例示する図。 実施例４における照明光学系の瞳領域の光強度分布（ａ）および投影光学系の瞳領域の光強度分布（ｂ）を例示する図。 照明光学系の瞳領域における光強度分布と投影光学系の像面近傍に形成される光強度分布との関係を例示する図。 照明光学系の瞳領域における光強度分布と投影光学系の像面近傍に形成される光強度分布との関係を例示する図。 第２実施形態の露光装置におけるＦＬＥＸ露光を説明する図。 第３実施形態の露光装置におけるＦＬＥＸ露光を説明する図。 第３実施形態の露光装置において投影光学系の像面近傍に形成される光強度分布を例示する図。 第４実施形態の露光装置の構成を模式的に示す図。 第４実施形態の露光方法を説明する図。 第５実施形態の露光方法を説明する図。 第６実施形態の露光方法を説明する図。 第６実施形態の露光方法を説明する図。 第７実施形態の露光装置の構成（ａ）および露光方法を説明する図。 照明光学系の瞳領域の光強度分布（ａ）および投影光学系の瞳領域の光強度分布（ｂ）を例示する図。 撮像素子の製造工程を例示する図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

以下では、ＸＹＺ座標系によって方向が示される。ＸＹＺ座標系は、基板の表面に平行な面をＸＹ平面、基板の表面の法線方向に平行な軸をＺ軸とするように定義される。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、それぞれＸＹＺ座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に平行な方向である。

図１には、第１実施形態の露光装置ＥＸＰの構成が模式的に示されている。露光装置ＥＸＰは、原版２のパターンを基板７に投影することによって基板７を露光する投影露光装置として構成される。また、露光装置ＥＸＰは、原版２および基板７を走査しながら基板７を走査露光する走査露光装置として構成されうる。露光装置ＥＸＰは、照明光学系１と、原版駆動機構３と、投影光学系４と、基板駆動機構８と、調整部ＡＤと、制御部ＣＮとを備えうる。原版２は、周期パターンを有しうる。原版駆動機構３は、原版２を保持し走査方向（Ｙ方向）に駆動する。照明光学系１は、原版駆動機構３によって保持された原版２を照明する。調整部ＡＤは、制御部ＣＮによって制御されるように構成されうる。調整部ＡＤは、制御部ＣＮに組み込まれてもよい。

投影光学系４は、照明光光学系１によって照明された原版２のパターンの像を基板７に形成する。あるいは、投影光学系４は、照明光光学系１によって照明された原版２のパターンを基板７に投影する。照明光光学系１によって照明された原版２のパターンは、複数の回折光を発生する。原版２のパターンからの複数の回折光は、投影光学系４の像面近傍に原版２のパターンの像（原版２のパターンに対応する光強度分布）を形成する。ここで、像面近傍は、像面およびその近傍を含むものとする。基板駆動機構８は、基板７を保持し走査方向（Ｙ方向）に駆動する。基板駆動機構８は、基板７を非走査方向（Ｘ方向）にも駆動可能である。

基板７は、複数のショット領域を有しうる。ショット領域は、リソグラフィー工程において既に形成されたパターン（層）を有する場合もあるし、そのようなパターン（層）を有しない場合もある。基板７は、特に言及しない限り、半導体または非半導体で構成された部材（例えば、ウエハ）の上にフォトレジスト層を有するものとする。該部材と該フォトレジスト層との間には、１又は複数の層が配置されてもよい。

照明光学系１は、瞳領域を有する。照明光学系１の瞳領域は、照明光学系１の瞳面のうち不図示の光源からの光が入射しうる領域である。投影光学系４は、瞳領域を有する。投影光学系４の瞳領域は、投影光学系４の瞳面のうち照明光学系１からの光が入射しうる領域である。露光装置ＥＸＰのコヒーレンスファクタをσ、原版２から見た照明光学系１の開口数をＮＡ１、原版２から見た投影光学系４の開口数をＮＡ２とすると、σは以下の式で定義される。

σ＝ＮＡ１／ＮＡ２
調整部ＡＤあるいは制御部ＣＮは、原版２の周期パターンからの複数の回折光が、投影光学系４の瞳領域に、少なくとも２つの高光強度部を含む光強度分布を形成するように、照明光学系１を調整しうる。ここで、該複数の回折光は、２次以上の回折光を含む。ここで、高光強度部は、光強度分布における他の部分（高光強度部以外の部分）よりも光強度が高い部分を意味する。高光強度部の形状は、円形等の特定の形状に限定されず、例えば、矩形でもよい。高光強度部は、該高光強度部よりも光強度が低い領域によって全周的に囲まれるか、高光強度部よりも光強度が低い領域および瞳領域の境界によって全周的に囲まれた領域でありうる。また、該少なくとも２つの高光強度部は、該周期パターンの周期方向と直交する方向に平行な線（直線）について線対称に配置される。調整部ＡＤは、例えば、原版２の周期パターンの情報に応じて、投影光学系４の瞳領域に該周期パターンの周期方向と直交する方向に平行な線について線対称に配置された少なくとも２つの高光強度部を含む光強度分布が形成されるように照明光学系１を調整しうる。原版２の周期パターンの情報は、例えば、周期パターンのピッチ、および、周期パターンの周期方向等の情報を含みうる。

他の観点において、調整部ＡＤあるいは制御部ＣＮは、原版２の周期パターンからの２次以上の回折光を含む複数の回折光が、投影光学系４の瞳領域に所定の光強度分布を形成するように、照明光学系１からの光を原版２に斜入射させうる。該所定の光強度分布は、投影光学系４の瞳領域の原点を通り原版２の周期パターンの周期方向と直交する直線に対して線対称な光強度分布でありうる。

調整部ＡＤは、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙの略。）などのＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅの略。）、又は、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔの略。）、又は、プログラムが組み込まれた汎用又は専用のコンピュータ、又は、これらの全部または一部の組み合わせによって構成されうる。以下では、高光強度部のことを極とも呼ぶ。極という用語が用いられる場合においても、その形状は、円形等の特定の形状に限定されず、例えば、矩形でもよい。

調整部ＡＤは、例えば、原版２の周期パターンの情報（例えば、周期パターンのピッチ、周期パターンの周期方向等に）応じて、複数の照明モードから１つの照明モードを選択し、該選択した照明モードが設定されるように照明光学系１を制御しうる。調整部ＡＤは、例えば、予め設定されたテーブルを参照することにより、原版２の周期パターンの情報に応じた照明モードを選択することができる。該テーブルは、原版２の周期パターンの情報と照明モードとの対応関係を規定しうる。照明モードは、照明光学系１の瞳領域に形成される光強度分布を規定する。複数の照明モードには、例えば、通常照明（円形照明）、小σ照明、極照明（２重極、４重極等）、輪帯照明等が含まれうる。照明モードの設定あるいは選択は、例えば、複数の開口絞りが配置されたターレットの回転、または、複数のＣＧＨ（計算機生成ホログラム）が配置されたターレットの回転によってなされうる。調整部ＡＤは、例えば、ユーザによる指令に基づいて照明モードを決定してもよい。

制御部ＣＮは、基板７のショット領域の各点が２以上のフォーカス状態（あるいは、２以上のデフォーカス状態）で露光されるように基板７の露光を制御しうる。より具体的には、制御部ＣＮは、投影光学系４の瞳領域に上記のような所定の光強度分布が形成された状態で、基板７のショット領域の各点が２以上のデフォーカス状態（あるいは、２以上のデフォーカス状態）で露光されるように基板７の露光を制御しうる。このような露光方法を以下では、ＦＬＥＸ法と呼ぶ。制御部ＣＮは、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙの略。）などのＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅの略。）、又は、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔの略。）、又は、プログラムが組み込まれた汎用又は専用のコンピュータ、又は、これらの全部または一部の組み合わせによって構成されうる。制御部ＣＮの全部または一部は、調整部ＡＤの全部または一部と共通化あるいは一体化されてもよい。

ＦＬＥＸ法は、種々の具現化方法によって具現化されうる。第１実施形態では、制御部ＣＮは、基板７の表面の法線方向を投影光学系４の光軸（Ｚ軸に平行）に対して傾けた状態で基板７の走査露光がなされるように基板７の露光を制御する。図２には、第１実施形態の露光方法が模式的に示されている。基板７に入射する露光光（スリットによって規定された露光光）の範囲は、点線１０ａ、１０ｂで示されている。走査露光において、基板７は、ＸＹ平面に対してＸ軸周りに関して傾斜した平面に沿って走査方向（Ｙ方向）に走査される。基板７のショット領域の１つの点が点線１０ｂから点線１０ａまで移動すると、該１つの点は、投影光学系４のベストフォーカス面９を挟む２つの面の間の距離Ｚ１を移動しながら露光されることになる。

換言すると、ＦＬＥＸ法が適用された走査露光では、基板７のショット領域の任意点が第１フォーカス状態（あるいは、第１デフォーカス状態）から第２フォーカス状態（あるいは、第２デフォーカス状態）に至るように露光される。該第１フォーカス状態（第１デフォーカス状態）での該任意点の位置と該第２フォーカス状態（第２デフォーカス状態）での該任意点の位置との間の投影光学系４の光軸方向における距離Ｚ１は、該任意点におけるデフォーカス量の範囲である。距離Ｚ１は、ＦＬＥＸ法による焦点深度の拡大に寄与する距離あるいは量であり、以下では、これをＦＬＥＸ量ともいう。

図２では、基板７の表面の法線方向を投影光学系４の光軸方向（Ｚ軸に平行）に対して傾けた状態で基板７の走査露光がなされるが、原版２の表面の法線方向を投影光学系４の光軸方向（Ｚ軸に平行）に対して傾けた状態で基板７の走査露光がなされてもよい。

図３には、原版２に設けられた周期パターン１１が例示されている。Ｐは周期パターン１１のピッチ（周期）、Ｓは透過部の線幅、Ｌは遮光部の線幅である。この例では、周期パターン１１の周期方向はＸ方向である。

図４（ａ）には、第１実施形態の露光装置ＥＸＰの照明光学系１の瞳領域２１における実施例１の露光光の光強度分布（有効光源分布）が模式的に示されている。σｘ、σｙは、瞳領域２１における位置を示す瞳座標であり、２つの座標軸は、それぞれＸ軸、Ｙ軸に平行である。瞳座標の原点は、照明光学系１の光軸と一致する。図４（ａ）は、２重極（ダイポール）照明の例であり、Ｄ１、Ｄ２は、極を示している。極Ｄ１、Ｄ２は、σｙ軸（Ｙ軸）について線対称な位置に配置されている。

図４（ｂ）には、図４（ａ）の光強度分布によって原版２に設けられた図３の周期パターン１１を照明した時に周期パターン１１からの複数の回折光によって投影光学系４の瞳領域３１に形成される光強度分布（回折光分布）が模式的に示されている。ＰＯｘ、ＰＯｙは、瞳領域３１における位置を示す瞳座標であり、２つの座標軸は、それぞれＸ軸、Ｙ軸に平行である。瞳座標の原点は、投影光学系４の光軸と一致する。Ｄ１０は、極Ｄ１からの０次回折光である。Ｄ１１、Ｄ１－１は、それぞれ、極Ｄ１からの＋１次回折光、－１次回折光である。Ｄ１－２は、極Ｄ１からの－２次回折光である。この例では、＋２次回折光と３次以上の回折光は、投影光学系４の瞳領域３１に入射しない。

図４（ｂ）には示されていないが、投影光学系４の瞳領域３１には、極Ｄ２からの回折光も入射する。具体的には、極Ｄ２からの０次回折光Ｄ２０がＤ１－１の位置に入射する。また、極Ｄ２からの＋１次回折光Ｄ２１、－１次回折光Ｄ２－１が、それぞれ、Ｄ１０、Ｄ１－２の位置に入射する。また、極Ｄ２からの＋２次回折光Ｄ２２がＤ１１の位置に入射する。基板７には、回折光Ｄ１０、Ｄ１１、Ｄ１－１、Ｄ１－２、Ｄ２０、Ｄ２１、Ｄ２－１、Ｄ２２によって周期パターン１１の像が形成される。

投影光学系４の瞳領域３１に形成される光強度分布は、周期パターン１１の周期方向と直交する方向（Ｙ方向）に平行な線（ＰＯｙ軸）について線対称に配置された少なくとも２つの極、具体的には４つの極を含む。該４つの極の位置および領域は、Ｄ１０、Ｄ１１、Ｄ１－１、Ｄ１－２、Ｄ２０で示されている。

ここで、図３の周期パターン１１のピッチＰと、図４（ａ）の瞳領域２１における極Ｄ１、Ｄ２と、図４（ｂ）の瞳領域３１における回折光Ｄ１０、Ｄ１－１、Ｄ１１、Ｄ１－２との関係を説明する。投影光学系４の開口数をＮＡ、露光光の波長をλとする。まず、図４（ａ）の極Ｄ１、Ｄ２の中心の座標（位置）は、
Ｄ１：σｘ＝ λ／（２×Ｐ×ＮＡ）
Ｄ２：σｘ＝ －λ／（２×Ｐ×ＮＡ）
である。

同様に、図４（ｂ）の瞳領域３１における回折光Ｄ１０、Ｄ１－１、Ｄ１１、Ｄ１２の中心の座標（位置）は、
Ｄ１０：ＰＯｘ＝λ／（２×Ｐ×ＮＡ）
Ｄ１１：ＰＯｘ＝３λ／（２×Ｐ×ＮＡ）
Ｄ１－１：ＰＯｘ＝－λ／（２×Ｐ×ＮＡ）
Ｄ１－２：ＰＯｘ＝－３λ／（２×Ｐ×ＮＡ）
である。

例えば、周期パターン１１の像面上でのピッチＰが８００ｎｍ、ＮＡ＝０．５５、λ＝２４８ｎｍの場合、σｘ＝０．２８２である。

図５（ａ）には、周期パターン１１の透過部の像面上での線幅Ｓを２００ｎｍ、遮光部の幅Ｌを６００ｎｍとして、図４（ａ）の有効光源分布を使用して、図２のようなＦＬＥＸ露光を行った場合の光学像が示さされている。図４（ａ）の有効光源分布における極Ｄ１、Ｄ２の中心の位置をσ＝±０．２８２として、極Ｄ１、Ｄ２の半径をσ値に換算した値を０．０５に設定した。また、基板７の露光における設定フォーカス面の位置（Ｚ方向）に対してＦＬＥＸ法においてデフォーカスさせる量（ＦＬＥＸ量）を±１．２μｍの範囲とした（Ｚ１＝２．４μｍ）。

図５（ａ）の横軸は、周期パターン１１の透過部Ｓの中心を０として、周期パターン１１の一周期に相当する±４００ｎｍの範囲の光強度分布を示している。中心の±１００ｎｍがパターン１１の透過部Ｓに相当する。投影光学系４のベストフォーカス面９に対する設定フォーカス面のずれ量（デフォーカス量）を０μｍから２．７μｍまで０．３μｍ間隔で変化させた。図５（ａ）から分かるように、ベストフォーカス面９に対する設定フォーカス面のずれ量（デフォーカス量）を２．７μｍとした場合でも光強度分布がほとんど変化しておらず、焦点深度が大幅に拡大されることが分かる。

図５（ｂ）、（ｃ）には比較例が示されている。図５（ｂ）には、σ＝０．７の円形照明で通常の走査露光を行った結果が示されている。図５（ｃ）には、σ＝０．７の円形照明で、設定フォーカス面の位置（Ｚ方向）に対してＦＬＥＸ法においてデフォーカスさせる量（ＦＬＥＸ量）を±１．２μｍの範囲（Ｚ１＝２．４μｍ）としてＦＬＥＸ露光を行った結果が示されている。

図５（ｂ）の比較例では、ベストフォーカス面９に対する設定フォーカス面のずれ量（デフォーカス量）が０．９μｍを超える条件では光強度分布はほぼフラットになることから、焦点深度は±１μｍ以下である。図５（ｃ）の比較例では、ベストフォーカスでの光強度は平均化によって低下するものの、デフォーカスによる光強度分布の変化の仕方が緩やかになり、±１．２μｍ以上まで焦点深度を拡大できる。

図５（ａ）、（ｂ）はともにＦＬＥＸ露光の結果であるが、図４（ａ）、（ｂ）に示される照明条件で照明を行うことによる焦点深度の拡大の効果が絶大であることが分かる。このような焦点深度の拡大は、例えば、厚膜レジストを使用するプロセス等において有利である。

ここで、周期パターン１１のピッチＰと、投影光学系４のＮＡと、露光光の波長λとの関係を説明する。図４（ａ）、（ｂ）の例では、周期パターン１１からの２次以上の回折光を含む複数の回折光が投影光学系４の瞳領域３１に周期パターン１１の周期方向と直交する方向に平行な線について線対称に配置された少なくとも２つの極を含む光強度分布を形成する。したがって、Ｄ１１およびＤ１－２の瞳座標上での位置は１以内である必要がある。図４（ｂ）においてＤ１－２のＰＯｘ座標が－１になる条件でのＤ１０の中心は、瞳座標上では（１／３，０）であるので、周期パターン１１のピッチＰは、Ｐ＝（３／２）×（λ／ＮＡ）である。したがって、周期パターン１１のピッチＰは、式（１）を満たす必要がある。

Ｐ＞（３／２）×（λ／ＮＡ） ・・・（１）
また、図４（ａ）、（ｂ）の例では、調整部ＡＤは、照明光学系１の瞳領域２１に形成される光強度分布に含まれる極Ｄ１、Ｄ２のそれぞれの中心位置のσ値が１／３以下であるように、照明光学系１を調整する。他の観点において、調整部ＡＤは、照明光学系１の瞳領域２１の半径をｒとしたとき、光強度分布に含まれる極Ｄ１、Ｄ２のそれぞれの中心位置が瞳領域２１原点からｒ／３以下の範囲に位置するように、照明光学系１を調整するように構成されうる。

図２２（ａ）には、第１実施形態の露光装置ＥＸＰの照明光学系１の瞳領域２１における露光光の光強度分布（有効光源分布）の他の例が模式的に示されている。σｘ、σｙは、瞳領域２１における位置を示す瞳座標であり、２つの座標軸は、それぞれＸ軸、Ｙ軸に平行である。瞳座標の原点は、照明光学系１の光軸と一致する。図２２（ａ）は、２重極（ダイポール）照明の例であり、Ｄ１、Ｄ２は、極を示している。極Ｄ１、Ｄ２は、σｙ軸（Ｙ軸）について線対称な位置に配置されている。

図２２（ｂ）には、図２２（ａ）の光強度分布（２重極照明）によって原版２に設けられた図３の周期パターン１１を照明した時に、周期パターン１１からの複数の回折光によって投影光学系４の瞳領域３１に形成される光強度分布が模式的に示されている。ＰＯｘ、ＰＯｙは、瞳領域３１における位置を示す瞳座標であり、２つの座標軸は、それぞれＸ軸、Ｙ軸に平行である。瞳座標の原点は、投影光学系４の光軸と一致する。Ｄ１０は、極Ｄ１からの０次回折光である。Ｄ１－１は、極Ｄ１からの－１次回折光である。Ｄ１－２は、極Ｄ１からの－２次回折光である。Ｄ１－３は、極Ｄ１からの－３次回折光である。

図２２（ｂ）には示されていないが、投影光学系４の瞳領域３１には、極Ｄ２からの回折光も入射する。具体的には、極Ｄ２からの０次回折光Ｄ２０がＤ１－３の位置に入射する。また、極Ｄ２からの＋１次回折光Ｄ２１が、Ｄ１－２の位置に入射する。また、極Ｄ２からの＋２次回折光Ｄ２２がＤ１－１の位置に入射する。また、極Ｄ２からの＋３次回折光Ｄ２３がＤ１０の位置に入射する。

次に、２次以上の回折光を含む複数の回折光が投影光学系４の瞳領域に線対称な光強度分布を形成する照明条件とＦＬＥＸ露光との組合せによって、焦点深度が拡大する理由を説明する。図６には、図５（ａ）の計算で使用した周期パターンおよび有効光源を使用し、ＦＬＥＸ露光ではない通常露光を行った時に形成される光強度分布が示されている。図６において、Ｆの値はデフォーカス量を示している。例えば、Ｆ＝０は、デフォーカス量が０の位置（つまり、ベストフォーカス面）における光強度分布を示している。また、Ｆ＝３．６は、デフォーカス量３．６μｍの位置における光強度分布を示している。図６には、デフォーカス量を０．６μｍピッチで変化させた結果が示されている。図６の各グラフの横軸は、図５（ａ）の横軸と同じであり、周期パターン１１の透過部Ｓの中心を０として、パターンの一周期に相当する±４００ｎｍの範囲の光強度分布を示している。

図６から分かるように、２．４μｍを一周期として、同様な光強度分布が周期的に現れる。したがって、デフォーカス量の変化に対して周期的に変化する光強度分布を、その周期の整数倍のデフォーカス量の範囲で平均化することによって、図５（ａ）に示したような、デフォーカスによってほとんど光強度分布が変化しない光学像が得られる。ここで、このような平均化は、第１実施形態では、ＦＬＥＸ法による走査露光によって実現される。図６において、Ｆ＝０．６とＦ＝３．０とでは光強度分布がわずかに異なり、また、Ｆ＝１．２とＦ＝３．６とでも光強度分布がわずかに異なる。このように同位相における２つの光強度分布は、互いにわずかに異なる。これは、図４（ａ）のような有効光源における極が点でなく、相応の半径（例えば、σ値に換算した値で０．０５）を有するからである。

次に、周期パターン１１のピッチＰと、露光光の波長λと、ＦＬＥＸ露光によって平均化すべき最適なデフォーカス量範囲（ＦＬＥＸ量）との関係を説明する。図６を参照して説明したように、周期パターン１１の光学像はデフォーカス量に対して周期的に変化する。そこで、図４（ｂ）の様な投影光学系４の瞳領域３１における線対称な回折光分布によって形成される光学像がデフォーカス量の変化に応じて変化する周期を計算する。

投影光学系４の瞳領域３１における線対称な位置からの２つの回折光は、デフォーカスによって位相差が生じない為、該２つの回折光のよる光強度分布は、デフォーカス量の変化によっては変化しない。図４（ｂ）の例では、Ｄ１０とＤ１－１との組み合わせ、および、Ｄ１１とＤ１－２との組み合わせは、この条件に相当する。一方で、Ｄ１０とＤ１１との組み合わせ、および、Ｄ１１とＤ１－１との組み合わせは、瞳領域３１における線対称な位置の組み合わせではないので、デフォーカス量の変化によって位相差が発生するので、デフォーカス量の変化によって光強度分布が変化する。これらの回折光間の位相差は、デフォーカスによって変化するので、所定のデフォーカス量で位相差がゼロになる。位相差がゼロになるデフォーカス量の間隔が周期ＰＰであり、光強度分布の形状は、デフォーカス量の変化によって周期的に変化する。

図４（ｂ）の例では、Ｄ１０とＤ１－１とは瞳領域３１における線対称な位置に配置され、Ｄ１１とＤ１－２とは瞳領域３１における線対称な位置に配置されている。よって、Ｄ１０とＤ１１との位相差を計算すればよい。Ｄ１０とＤ１１の光軸方向の波長成分をλ_Ｄ１０、λ_Ｄ１１とすると、
λ_Ｄ１０＝λ／（１－λ^２／Ｐ^２／４）^１／２
λ_Ｄ１１＝λ／（１－９×λ^２／Ｐ^２／４）^１／２
ここで、周期ＰＰは、式（２）で与えられる。

ＰＰ＝λ_Ｄ１０×λ_Ｄ１１／（λ_Ｄ１１－λ_Ｄ１０）
＝λ／［（１－λ^２／Ｐ^２／４）^１／２－（１－９×λ^２／Ｐ^２／４）^１／２］
・・・（２）
Ｐ＝８００ｎｍ、波長λ＝２４８ｎｍを式（２）に代入すると、ＰＰ＝２４１７ｎｍとなり、図６で説明したように、デフォーカス量＝約２．４μｍの周期で光強度分布が変化する。そこで、式（２）で定義される周期ＰＰの整数倍の範囲で光強度分布の平均化を行うことで、デフォーカス量の変化に対して変化が小さい像が形成される。

焦点深度の拡大においては、式（２）に従って周期パターンのピッチＰと露光光の波長λから計算された周期ＰＰの整数倍の範囲（ＦＬＥＸ量）でデフォーカス量を変化させるＦＬＥＸ露光を行えば、焦点深度の拡大が最大化される。

一方、ＦＬＥＸ法におけるデフォーカス量の範囲である距離Ｚ１（ＦＬＥＸ量）が小さい方が露光装置ＥＸＰの構成の単純化において有利である。したがって、距離Ｚ１は、式（２’）で与えられることが好ましい。

Ｚ１＝λ／［（１－λ^２／Ｐ^２／４）^１／２－（１－９×λ^２／Ｐ^２／４）^１／２］
・・・（２’）
式（２’）で与えられる距離Ｚ１の７０％であっても焦点深度は拡大するため、距離Ｚ１は、必ずしも周期ＰＰでなくてもよい。

図７（ａ）には、第１実施形態の露光装置ＥＸＰの照明光学系１の瞳領域２２における実施例２の露光光の光強度分布（有効光源分布）が模式的に示されている。図７（ａ）の例では、σｘ軸方向については、ＦＬＥＸ露光による平均化効果を得るために幅が小さく設定されているが、σｙ軸方向の位置については周期方向への結像への影響が無いので、σｙ軸方向に長い矩形の極Ｄ３、Ｄ４が規定されている。図３に示された周期パターン１１のピッチをＰとすると、Ｄ３、Ｄ４のそれぞれの中心のσｘ軸方向の座標は、±λ／（２×Ｐ×ＮＡ）である。図７（ｂ）には、図７（ａ）の極Ｄ３で周期パターン１１を照明した場合に投影光学系４の瞳領域３２に形成される光強度分布（回折光分布）が模式的に示されている。図７（ｂ）には示されていないが、投影光学系４の瞳領域３２には、極Ｄ４からの回折光も入射する。具体的には、極Ｄ４からの０次回折光Ｄ４０がＤ３－１の位置に入射する。また、極Ｄ４からの＋１次回折光Ｄ４１、－１次回折光Ｄ４－１が、それぞれ、Ｄ３０、Ｄ３－２の位置に入射する。また、極Ｄ４からの＋２次回折光Ｄ４２がＤ３１の位置に入射する。これにより、実施例１と同様に、ＦＬＥＸ露光による焦点深度の拡大の効果が得られる。

実施例２は、０次回折光であるＤ３０と－１次回折光Ｄ３－１はそれらの全てが瞳領域３２に入射するが、＋１次回折光Ｄ３１と－２次回折光Ｄ３－２はそれらの一部が瞳領域３２に入射せず、像形成に寄与しない点で実施例１と異なる。そのため、実施例２において像面近傍に形成される光強度分布は実施例１と異なるが、実施例２は、ＦＬＥＸ露光による焦点深度の拡大の効果については実施例１と同等である。実施例２は、照明光学系の瞳領域における極（有効光源）の面積が実施例１よりも大きいので、照度の向上および照度の均一性の向上に有利である。

図８（ａ）には、第１実施形態の露光装置ＥＸＰの照明光学系１の瞳領域２２における実施例３で使用される周期パターン１２が示されている。実施例３で使用される原版２は、２次元の周期パターン１２を有する。２次元の周期パターン１２は、Ｘ方向にピッチＰ２の周期性を有するとともに、Ｙ方向にもピッチＰ２の周期性を有する。

図９には、第１実施形態の露光装置ＥＸＰの照明光学系１の瞳領域２３における実施例３の露光光の光強度分布（有効光源分布）が模式的に示されている。図９に示された光強度分布は、図８に示された周期パターン１２を使った基板の露光において使用されうる。調整部ＡＤは、図８に例示される周期パターン１２を有する原版２を使って基板７を露光する場合に、周期パターン１２の情報に基づいて図９に例示される光強度分布が照明光学系１の瞳領域２３に形成されるように照明光学系１を調整しうる。

瞳領域２３に形成される光強度分布は、極Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８を含む。極Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８の中心のσｘ、σｙの絶対値（σｘ＝σｙ）は、λ／（２×Ｐ２×ＮＡ）でありうる。このような光強度分布が瞳領域２３に形成されるように照明光学系１を調整し、式（２）のＰにＰ２を代入して得られた光軸方向の距離Ｚ１をＦＬＥＸ量としてＦＬＥＸ露光を行うことができる。これにより、２次元の周期パターンを使用する場合においても、１次元の周期パターンを使用する場合と同様に、焦点深度の拡大の効果が得られる。

図１０には、第１実施形態の露光装置ＥＸＰの照明光学系１の瞳領域２４における実施例４の露光光の光強度分布（有効光源分布）が模式的に示されている。実施例４では、実施例２における極Ｄ３、Ｄ４を有する光強度分布に対して極Ｄ９が追加された光強度分布が照明光学系１の瞳領域２４に形成される。極Ｄ３、Ｄ４は、周期パターンの周期方向と直交する方向に平行な線について線対称かつ互いに離隔して配置されていて、焦点深度の拡大に寄与る。一方、極Ｄ９は、照明光学系１の光軸上に配置されていて、焦点深度の拡大に寄与しないが、ベストフォーカス面およびその近傍における像質の改善に寄与しうる。

図１１には、図１０に示された照明光学系１の瞳領域２４における光強度分布の全体の光量に対する極Ｄ９の光量の比率を変化させたときの像面近傍における光強度分布の変化が示されている。ここで、図１１の光強度分布は、図３に示された周期パターン１１を使って、透過部の線幅Ｓを２００ｎｍ、ピッチＰを８００ｎｍとして計算された。図１１（ａ）は瞳領域２４における光強度分布の全体の光量に対する極Ｄ９の光量の比率が０の場合の例、図１１（ｂ）は該比率が１５％の場合の例、図１１（ｃ）は該比率が３０％の場合の例である。図１１（ａ）に示されるように、極Ｄ９の光量の比率がゼロの場合は、デフォーカス量を０μｍから２．７μｍまで変化させたときの像面近傍に形成される光強度分布はほとんど変化しない。一方、図１１（ｂ）に示されるように、極Ｄ９の光量の比率を１５％にすると、ベストフォーカス（デフォーカス量＝０μｍ）での中心部分の光量が増加するが、デフォーカス量の変化に伴って像性能が変化する。更に、図１１（ｃ）に示されるように、極Ｄ９の光量の比率を３０％にすると、ベストフォーカス（デフォーカス量＝０μｍ）での中心部分の光量は更に改善するが、デフォーカス量の変化に伴う像性能の変化量が更に大きくなる。

ここで、瞳領域２４における光強度分布の全体の光量に対する極Ｄ９の光量を増加させることは、瞳領域２４における光強度分布の全体の光量に対する極Ｄ３、Ｄ４の光量の比率を減少させることを意味する。逆に、瞳領域２４における光強度分布の全体の光量に対する極Ｄ９の光量を減少させることは、瞳領域２４における光強度分布の全体の光量に対する極Ｄ３、Ｄ４の光量の比率を増加させることを意味する。瞳領域２４における光強度分布の全体の光量に対する極Ｄ３、Ｄ４の光量の比率を増加させることは、焦点深度の拡大に寄与する。一方、瞳領域２４における光強度分布の全体の光量に対する極Ｄ３、Ｄ４の光量の比率を減少させることは、ベストフォーカスにおける像性能の向上に寄与する。瞳領域２４における光強度分布の全体の光量に対する極Ｄ３、Ｄ４（周期方向と直交する方向に平行な線について線対称かつ互いに離隔して配置された少なくとも２つの極）の光量の比率は、焦点深度の向上の観点において、５０％以上であることが好ましい。図１０に示された例では、極Ｄ９の中心が光軸に一致しているが、極Ｄ９の中心は、例えばσｙ軸上のσｙ≠０の位置に配置されてもよい。

図１２には、図４に示された照明光学系１の瞳領域２１における光強度分布に含まれる極Ｄ１、Ｄ２の大きさを変化させたときの像面近傍における光強度分布の変化が示されている。ここで、図１２の光強度分布は、図３に示された周期パターン１１を使って、透過部の線幅Ｓを２００ｎｍ、ピッチＰを８００ｎｍとして計算された。投影光学系４のベストフォーカス面９に対する設定フォーカス面のずれ量（デフォーカス量）を０μｍから２．７μｍまで０．３μｍ間隔で変化させた。極Ｄ１、Ｄ２の半径を、σ値に換算した値（瞳座標）において、０．０５、０．１０、０．１５とした。図１２（ａ）は極Ｄ１、Ｄ２の半径が０．０５の結果、図１２（ｂ）は極Ｄ１、Ｄ２の半径が０．１０の結果、図１２（ｃ）は極Ｄ１、Ｄ２の半径が０．１５の結果である。極Ｄ１、Ｄ２の半径を変化させることは、周期パターンの周期方向における極Ｄ１、Ｄ２の幅（直径）を変化させることと等価である。

焦点深度の拡大させる観点では、極Ｄ１、Ｄ２の半径が小さいことが好ましく、基板における照度の均一性を向上させる観点では、極Ｄ１、Ｄ２の半径が大きいことが好ましい。換言すると、焦点深度の拡大させる観点では、周期パターンの周期方向における極Ｄ１、Ｄ２の幅が小さいことが好ましく、基板における照度の均一性を向上させる観点では、周期パターンの周期方向における極Ｄ１、Ｄ２の幅が大きいことが好ましい。周期パターンの周期方向における極Ｄ１、Ｄ２の幅は、例えば、σ値に換算した値において０．３以下であることが好ましい。

以下の実施形態では、ＦＬＥＸ法の他の具体化方法を説明する。なお、以下の各実施形態で言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。

図１３には、第２実施形態の露光装置ＥＸＰのＦＬＥＸ露光時の基板の動きが示されている。第２実施形態の露光装置ＥＸＰは、図１で示された第１実施形態の露光装置ＥＸＰと同様の構成を有しうるが、露光方法が第１実施形態と異なる。図１３に示された第２実施形態の露光装置ＥＸＰは、ステップアンドリピート方式の逐次移動型露光装置である。

第２実施形態の露光装置ＥＸＰでは、基板７の露光は、原版２および基板７が静止した状態で行われる。そこで、第２実施形態の露光装置ＥＸＰでは、ＦＬＥＸ露光は、図１３に模式的に示されるように、Ｚ方向の第１位置Ｐ１からＺ方向の第２位置Ｐ２まで、距離Ｚ１の範囲で、基板７を等速で移動させながら基板７を露光することによってなされる。

第１実施形態と第２実施形態との違いは、基板７のＦＬＥＸ露光の方法だけであり、焦点深度を拡大するための照明条件の設定や焦点深度の拡大の効果は全く同じである。原版の周期パターンのピッチＰが同じであれば、第１実施形態と第２実施形態とでは、基板７の光軸方向の移動量Ｚ１は同じ値である。

図１４には、第３実施形態の露光装置ＥＸＰのＦＬＥＸ露光時の基板の動きが示されている。第３実施形態の露光装置ＥＸＰにおけるＦＬＥＸ露光時の基板の動きは、第２実施形態の露光装置ＥＸＰと同様である。第３実施形態では、制御部ＣＮは、基板７のショット領域が第１フォーカス状態（あるいは、第１デフォーカス状態）と第２フォーカス状態（あるいは、第２デフォーカス状態）とのそれぞれで露光されるように、基板７の露光を制御する。第１デフォーカス状態では、通常の露光量の半分の露光量でショット領域が露光される。その後、第１フォーカス状態（第１デフォーカス状態）から第２フォーカス状態（第２デフォーカス）状態に変更され、通常の露光量の半分の露光量で該ショット領域が更に露光される。

第１フォーカス状態（第１デフォーカス状態）での投影光学系４の光軸方向（Ｚ方向）における基板７の位置Ｐ１’と第２フォーカス状態（第２デフォーカス状態）での投影光学系４の光軸方向における基板７の位置Ｐ２’との距離(ＦＬＥＸ量)をＺ２とする。このとき、Ｚ２＝Ｚ１／２の関係がある。つまり、距離Ｚ２は、式（３）で与えられうる。

Ｚ２＝λ／［（１－λ^２／Ｐ^２／４）^１／２－（１－９×λ^２／Ｐ^２／４）^１／２］／２
・・・（３）
以下、第３実施形態の露光装置ＥＸＰによるＦＬＥＸ法によって焦点深度が拡大されることを説明する。ここでは、図３に示された周期パターン１１および図４（ａ）に示された有効光源を使用した例を説明する。ＦＬＥＸ露光を行わない場合に像面近傍に形成される光強度分布は、既に説明した図６に示されたものとなる。第１実施形態では、図６の光強度分布をＺ方向（光軸方向）に２．４μｍの幅で平均化（積算）した。これは、第１実施形態では、基板７を傾斜させてＦＬＥＸ露光が行われるので、設定フォーカス面の位置を中心として±１．２μｍの範囲の光強度分布が平均されるためである。これに対し、第３実施形態では、Ｚ方向（光軸方向）に距離Ｚ２離れた２つのＺ方向位置で露光される。周期的に変化する光強度分布の平均は、周期ＰＰの半分の距離だけ離れた２つのＺ方向位置での光強度分布の平均を求めることによって得られ、これは周期全域で平均した結果を同様の結果となる。

図１５には、図６に示された複数の光強度分布からデフォーカス量が１．２μｍ離れた２つの光強度分布を選択し、選択された２つの光強度分布を平均化して得られる光強度分布が示されている。例えば、デフォーカス量＝０μｍにおける光強度分布は、デフォーカス量＝－０．６μｍおよびデフォーカス量＝０．６μｍにおける光強度分布を平均化することで得られる。また、デフォーカス量＝６μｍにおける光強度分布は、デフォーカス量＝０μｍおよびデフォーカス量＝１．２μｍにおける光強度分布を平均化することで得られる。図１５の光強度分布は、図５（ａ）の光強度分布と同様の光強度分布であり、焦点深度の拡大の効果が得られることが分かる。

図１６には、第４実施形態の露光装置ＥＸＰの構成が模式的に示されている。第４実施形態では、露光光の中心波長を変更することによってデフォーカス量を変化させ、これによってＦＬＥＸ露光が行われる。

第４実施形態の露光装置ＥＸＰには、照明光学系１に露光光を供給する光源４１を備えうる。一般的には、露光装置の光源としては、水銀のｇ線（４３６ｎｍ）またはｉ線（３６５ｎｍ）の光を使用する水銀ランプと、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）またはＡｒＦ（１９３ｎｍ）の光を使用するエキシマレーザとを挙げることができる。水銀ランプを光源とする露光装置では、一般に、光源は照明光学系の内部に配置されうる。エキシマレーザを光源とする露光装置では、一般に、光源は照明光学系の外に配置されうる。

第４実施形態では、露光光の波長を変化させる機能が必要であるため、光源４１として、エキシマレーザが採用される。エキシマレーザの発光スペクトルは、通常は、半値幅が１００～３００ｎｍのレーザであるが、光源４１のレーザ共振器内にスペクトルの狭帯化ユニットを有することで、半値幅が１ｐｍ以下に狭帯化されうる。また、光源４１は、投影光学系の露光履歴による光学特性の変化や、気圧による光学特性の変化を補正する目的で、中心波長を制御する機能も有している。制御部ＣＮは、光源４１が発生する露光光の波長を制御する機能を有する。

図１７には、第４実施形態の露光装置ＥＸＰにおけるＦＬＥＸ露光の方法が例示されている。図１７において、横軸は時間を示し、縦軸は光源４１が発生する露光光の中心波長を示している。「１ショット露光期間」は、１つのショット領域が走査露光される期間である。走査露光装置では、図２の点線１０ａと点線１０ｂとの間の区間を基板７のショット領域の１点が通過する間に該１点が露光されるので、該区間を該１点が通過する期間において、波長λ０＋Δλ／２からλ０－Δλ／２まで波長を変化させる必要がある。光源４１としてのエキシマレーザは、パルスレーザであるので、露光光の中心波長は、λ０＋Δλ／２および０－Δλ／２の２つの波長の間で、パルス毎に等間隔で変更されうる。λ０は、ＦＬＥＸ露光を行わない場合に光源４１が発生する露光光の中心波長である。

投影光学系４の軸上色収差をＣとすると、ＦＬＥＸ露光時に基板７のショット領域の各点をＺ方向に駆動する際の駆動量Ｚ１に相当する中心波長の変化量Δλは、Δλ＝Ｚ１／Ｃである。ここで、周期パターン１１のピッチをＰとして、波長変化に対する光強度分布の変化を、１周期分の波長変化による平均化で焦点深度を拡大させるとすると、式（２’）から、Δλを規定する式（４）が得られる。ここで、λ０は、露光光のピーク波長であり、λはλ０で近似される。

Δλ＝λ０／［（１－λ０^２／Ｐ^２／４）^１／２－（１－９×λ０^２／Ｐ^２／４）^１／２］／Ｃ
・・・（４）
図１８を参照して第５実施形態の露光装置ＥＸＰにおけるＦＬＥＸ露光を説明する。第５実施形態の露光装置ＥＸＰは、図１６に示された第４実施形態の露光装置ＥＸＰと同様の構成を有しうる。第５実施形態では、光源４１が発生する露光光の中心波長を時間的に変化させるのではなく、露光光の発光スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）が大きくされる。図１８（ａ）には、第５実施形態の露光装置ＥＸＰが通常の露光を行う場合に光源４１が発生する露光光の発光スペクトルが示されている。図１８（ｂ）には、第５実施形態の露光装置ＥＸＰがＦＬＥＸ露光を行う場合に光源４１が発生する露光光の発光スペクトルの例が示されている。図１８（ａ）、（ｂ）において、横軸は波長を示し、縦軸はスペクトル強度を示している。ＦＬＥＸ露光においては、発光スペクトルのＦＷＨＭがΔλになるように制御部ＣＮによって光源４１が制御される。発光スペクトルのＦＷＨＭをΔλの値に設定することで、波長を変化させることなく、第５実施形態のＦＬＥＸ露光と同等の効果を得ることができる。Δλは、最も焦点深度を拡大する条件を満たすように、式（４）で与えられることが望ましい。

図１９を参照して第６実施形態の露光装置ＥＸＰにおけるＦＬＥＸ露光を説明する。第６実施形態の露光装置ＥＸＰは、図１６に示された第４実施形態の露光装置ＥＸＰと同様の構成を有しうる。第６実施形態では、光源４１が発生する露光光の中心波長の変化の仕方が異なっている。図１９において、横軸は時間を示し、縦軸は光源４１が発生する露光光の中心波長を示している。光源４１が発生する露光光として、λ０＋Δλ２／２およびλ０－Δλ２／２の２つの中心波長の光を交互に使用される。λ０は、ＦＬＥＸ露光を行わない場合に光源４１が発生する露光光の中心波長である。Δλ２は、第３実施形態で説明したＦＬＥＸ量を距離Ｚ２とするＦＬＥＸ露光と同等の効果を得るための２つの中心波長の差である。

投影光学系４の軸上色収差をＣとすると、波長差Δλ２は、式（３）から式（５）が得られる。

Δλ２＝Ｚ２／Ｃ
＝λ０／［（１－λ０^２／Ｐ^２／４）^１／２－（１－９×λ０^２／Ｐ^２／４）^１／２］ ／２／Ｃ
・・・（５）
図１９の例では、２つの波長の露光光をパルス毎に交互に発振させているが、ステップアンドリピート方式の露光装置の場合は、露光の前半と後半で波長を分けて基板を露光してもよい。

図２０には、第６実施形態の変形例が示されている。図１９で説明した方式では、光源４１は、λ０＋Δλ２／２およびλ０－Δλ２／２の２つの中心波長の露光光を交互に発生するが、図２０のように、２つの中心波長の露光光を同時に発生させてもよい。２つの中心波長の間隔はΔλ２で、２つの中心波長の中心がλ０である。

第１乃至第３実施形態では、基板のショット領域の各点が２以上のデフォーカス状態（あるいは、２以上のデフォーカス状態）で露光されるように基板を駆動することでＦＬＥＸ露光が実現される。第４乃至第６実施形態では、基板のショット領域の各点が２以上のデフォーカス状態（あるいは、２以上のデフォーカス状態）で露光されるように露光光の波長を変化させることでＦＬＥＸ露光が実現される。第７実施形態では、制御部ＣＮは、基板のショット領域の各点が２以上のデフォーカス状態（あるいは、２以上のデフォーカス状態）で露光されるように、基板を駆動する動作、および、露光光の波長を変更する動作を実行する。

基板を駆動する動作は、基板の位置を連続的に変更する動作を含みうる。あるいは、基板を駆動する動作は、第１フォーカス状態（あるいは、第１デフォーカス状態）での露光の後に第２デフォーカス状態での露光のために、第１デフォーカス状態から第２フォーカス状態（あるいは、第２デフォーカス状態）に変更する動作を含みうる。

制御部ＣＮは、基板のショット領域の各点が２以上のデフォーカス状態（あるいは、２以上のデフォーカス状態）で露光されるように、１つのショット領域に対して第１動作および第２動作を実行してもよい。該第１動作は、投影光学系４の光軸方向における基板７の位置を第１位置とし、露光光の波長を第１波長としてショット領域を露光する動作でありうる。該第２動作は、投影光学系４の光軸方向における基板７の位置を該第１位置と異なる第２位置とし、露光光の波長を該第１波長と異なる第２波長として該ショット領域を露光する動作でありうる。

光源４１の中心波長を変化させる方法では、パルス間での中心波長の変更量がΔλである。現在主流のエキシマレーザの発振周波数は、４ＫＨｚであるので、パルス間隔は０．２５ｍ秒である。中心波長の精度を維持しながら０．２５ｍ秒の間に変更可能な波長には限界がある。

図２１を参照しながら第７実施形態を説明する。図２１（ａ）は、第７実施形態の露光装置ＥＸＰによるＦＬＥＸ法における基板７の駆動量（距離Ｚ３）が模式的に示されている。図２１（ｂ）には、第７実施形態の露光装置ＥＸＰによるＦＬＥＸ法における露光光の波長の変更量（Δλ３）が示されている。光軸方向の２つの位置（第１位置Ｐ１”、第２位置Ｐ２”）で基板７を露光する場合に焦点深度拡大を最大化する条件は、式（３）で与えられうる。２つの波長で基板７を露光する場合に焦点深度拡大を最大化する条件は、式（５）で与えられうる。ＦＬＥＸ法における露光光の波長の最大変更量がΔλ３であり、Δλ３＜Ｚ２／Ｃである場合には、焦点深度を最大化することができない。

投影光学系４が屈折系である場合、軸上色収差によって、長波長（つまりλ０＋Δλ３／２）の場合は像面がＺ軸のマイナス方向に移動し、短波長（つまりλ０－Δλ３／２）の場合は像面がＺ軸のプラス方向に移動する。基板７に対する像面の移動量を大きくするために、投影光学系４に近い第１位置Ｐ１”では波長をλ０＋Δλ３／２とし、投影光学系４から遠い第２位置Ｐ２”では波長をλ０－Δλ３／２とすることが有利である。この場合、投影光学系４の軸上色収差の値をＣとすると、式（６）を満たす場合に、焦点深度が最大化されうる。

Ｚ３＋Δλ３×Ｃ＝Ｚ２ ・・・（６）
上記の各実施形態において、１つのショット領域を所定デフォーカス範囲でＦＬＥＸ露光する場合において、該所定デフォーカス範囲を複数の小範囲に分割し、各小範囲についてＦＬＥＸ露光を行ってもよい。

（物品の製造方法）
本実施形態に代表される露光装置を利用して半導体装置（メモリや撮像素子等の光電変換装置）を製造する方法について説明する。本実施形態の露光装置は、厚膜プロセスを含む半導体装置の製造方法に好適に用いられる。厚膜プロセスは、必要なレジスト膜の厚さが厚いプロセスのことであり、厚膜プロセスの一例として、撮像素子（光電変換装置）における画素分離部の形成工程が挙げられる。

以下、図２３を用いて、撮像素子の製造工程における画素分離部の形成工程について説明する。工程Ｓ１０１において、互いに反対側の面である第１面Ｓ１および第２面Ｓ２を有する半導体基板１０１を準備する。半導体基板１０１は、典型的には、シリコン基板あるいはシリコン層である。次いで、工程Ｓ１０２において、半導体基板１０１の第１面Ｓ１の上に絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜）１０２を形成する。

次いで、工程Ｓ１０３において、半導体基板１０１の第１面Ｓ１の上、より具体的には、半導体基板１０１の第１面Ｓ１の上の絶縁膜１０２の上に、レジスト１０３を塗布する。また、工程Ｓ１０４において、上記実施形態のように、投影光学系の瞳面に所定の光強度分布が形成された状態で半導体基板１０１のショット領域の各点が２以上のデフォーカス状態（あるいは、２以上のデフォーカス状態）で露光されるように露光動作を行う。これにより、レジスト１０３に対してパターン像を形成し、エッチング処理等を経て溝（トレンチ）１０４を形成する。焦点深度を拡大した状態で露光動作を行うことで、レジスト１０３に対して所望の形状のパターン像を形成することができる。

次に、工程Ｓ１０５において、半導体基板１０１をドライエッチング法等によりエッチングすることにより、半導体基板１０１の第１面Ｓ１の側に溝１０５を形成する。このエッチングにおいて半導体基板１０１の第１面Ｓ１を保護するために、レジスト１０３を厚く塗布することが求められる。

続いて、工程Ｓ１０６では、レジスト１０３を除去した上で、溝１０５を通して半導体基板１０１にイオンを注入することによってゲッタリング領域１０６を形成する。即ち、工程Ｓ１０６では、半導体基板１０１の第１面Ｓ１のうち溝１０５が存在する領域以外が絶縁膜１０２でマスクされた状態で溝１０５を通して半導体基板１０１にイオンを注入する。ゲッタリング領域１０６は、溝１０５の底の下に位置する第１部分と、溝１０５の側方に位置する第２部分とを含み得る。一例において、該第１部分における第１４族元素の濃度が、該第２部分における第１４族元素の濃度よりも高い。イオンは、半導体基板１０１がシリコン基板である場合、シリコン以外の第１４族元素のイオンでありうる。イオンの注入には、イオン注入装置が使用されうる。イオンを注入するための加速エネルギーは、ハードマスクとしての絶縁膜１０２をイオンが突き抜けて半導体基板１０１に到達しないように決定されうる。例えば、イオンを注入する際の絶縁膜１０２の厚さが３００ｎｍであり、加速エネルギーが２０ｋｅＶ程度であれば、イオンが絶縁膜１０２を突き抜けることは殆どない。

半導体基板１０１がシリコン基板である場合、工程Ｓ１０６において半導体基板１０１に注入されるイオンを構成する材料は、炭素が好適であるが、炭素を含む分子である炭化水素が採用されてもよい。半導体基板１０１がシリコン基板である場合、工程Ｓ１０６において半導体基板１０１に注入されるイオンを構成する材料は、ゲルマニウム、スズまたは鉛であってもよい。半導体基板１０１としてのシリコン基板に炭素、ゲルマニウム、スズまたは鉛のイオンを注入することによって、シリコン基板に局所的なひずみを与え、ゲッタリングサイトとして機能させることができる。溝１０５を通して半導体基板１０１にイオンを注入することによって、比較的低い加速エネルギーであっても、半導体基板１０１の深い位置にゲッタリング領域１０６を形成することができる。

次いで、工程Ｓ１０７において、絶縁膜１０２が除去される。工程Ｓ１０８において、溝１０５の中に絶縁体が配置あるいは充填されるように、例えば、減圧ＣＶＤ法等の膜形成方法によって、溝１０５の中および半導体基板１０１の第１面Ｓ１の上に絶縁膜（例えば、シリコン窒化膜）１０７を形成する。次いで、工程Ｓ１０９において、絶縁膜１０７のうち半導体基板１０１の第１面Ｓ１の上に存在する部分をＣＭＰ法等によって除去する。これにより、絶縁膜１０７のうち溝１０５の中に存在する部分が、溝１０５に配置あるいは充填された画素分離部１０８として残る。

なお、工程Ｓ１０８および工程Ｓ１０９は、必ずしも必要ではなく、工程Ｓ１０８および工程Ｓ１０９が実施されない場合には、溝１０５が空隙として残り、これが画素分離部として機能しうる。溝１０５の中に配置される画素分離部１０８は、溝１０５を完全に充填する必要はなく、溝１０５の中に空隙が存在してもよい。画素分離部１０８は絶縁体のみで構成することができるが、絶縁体と非絶縁体（半導体あるいは導電体）とを組み合わせた構造とすることができる。この場合、非絶縁体と半導体基板１０１との接触を避けるため、絶縁体が非絶縁体と半導体基板１０１との間に配置されうる。

以上説明したように、半導体基板１０１に溝１０５を形成する第１形成工程と、溝１０５の中に画素分離部１０８を形成する第２形成工程を経て、画素分離部１０８が形成される。その後、複数の画素分離部の間の領域に電荷蓄積領域、ゲート電極等が形成されることで撮像素子が構成される。本実施形態における物品の製造方法は、従来に比べて、物品の性能、品質、生産性及び生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

以下、実施形態の物品製造方法を説明する。物品製造方法は、例えば、デバイス（半導体素子、磁気記憶媒体、液晶表示素子など）、カラーフィルターなどの物品を製造するのに好適である。かかる製造方法は、上記の露光装置を用いて、感光剤が塗布された基板を露光する工程と、露光された基板を現像する工程を含む。また、該製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージングなど）を含みうる。本実施形態における物品の製造方法は、従来に比べて、物品の性能、品質、生産性及び生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

ＥＸＰ：露光装置、１：照明光学系、２：原版、４：投影光学系、７：基板、ＡＤ：調整部、ＣＮ：制御部、１１：周期パターン

Claims (22)

1. 周期パターンを有する原版を照明する照明光学系と、
   前記原版の像を基板に投影する投影光学系と、
   前記基板に対する露光を制御する制御部と、を備え、
   前記照明光学系からの光は前記原版に斜入射し、
   前記周期パターンからの２次以上の回折光を含む複数の回折光は、前記投影光学系の瞳領域に、前記瞳領域の原点を通り前記周期パターンの周期方向と直交する直線に対して線対称な４つの高光強度部を含む光強度分布を形成し、
   前記４つの高光強度部からの４つの光束のうち２つの光束は、フォーカス状態によって周期的に位相差が変化し、
   前記制御部は、前記２つの光束のフォーカス状態と位相差との関係に基づいた２以上のフォーカス状態で、前記基板のショット領域の各点を露光するように制御する、
   ことを特徴とする露光装置。
2. 前記投影光学系の前記瞳領域に前記光強度分布が形成されるように前記照明光学系を調整する調整部を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記調整部は、前記照明光学系の瞳領域に形成される光強度分布が、前記照明光学系の光軸上に配置された極を含むように前記照明光学系を調整する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
4. 前記調整部は、前記照明光学系の瞳領域に、前記周期方向と直交する方向に平行な線について線対称かつ互いに離隔して配置された少なくとも２つの第２高光強度部を含む第２光強度分布が形成されるように前記照明光学系を調整し、前記少なくとも２つの第２高光強度部は、前記第２光強度分布における他の部分よりも光強度が高い、
   ことを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
5. 前記照明光学系の瞳領域の半径をｒとしたときに、前記調整部は、前記照明光学系の瞳領域に形成される光強度分布に含まれる前記少なくとも２つの第２高光強度部のそれぞれの中心位置が、前記照明光学系の瞳領域の中心位置からｒ／３以下の範囲に位置するように、前記照明光学系を調整する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の露光装置。
6. 前記照明光学系の前記瞳領域に形成される前記光強度分布の全体の光量に対する、前記照明光学系の前記瞳領域の前記少なくとも２つの第２高光強度部の光量の比率が５０％以上である、
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の露光装置。
7. 前記投影光学系の前記瞳領域に形成される前記光強度分布に含まれる前記４つの高光強度部のそれぞれの前記周期方向における幅をσ値に換算した値が０．３以下である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
8. 前記周期方向における前記周期パターンのピッチをＰ、露光光の波長をλ、前記投影光学系の開口数をＮＡとしたときに、前記照明光学系は、Ｐ＞（３／２）×（λ／ＮＡ）を満たす場合に、前記複数の回折光が、前記投影光学系の前記瞳領域に前記４つの高光強度部を含む前記光強度分布を形成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
9. 前記制御部は、前記基板の表面の法線方向を前記投影光学系の光軸方向に対して傾けた状態で前記基板の走査露光がなされるように前記基板の露光を制御する、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の露光装置。
10. 前記走査露光では、前記ショット領域の任意点が第１フォーカス状態から第２フォーカス状態に至るように前記ショット領域が露光され、前記第１フォーカス状態での前記任意点と前記第２フォーカス状態での前記任意点との間の前記光軸方向における距離をＺ１、前記周期方向における前記周期パターンのピッチをＰ、露光光の波長をλとしたときに、Ｚ１＝λ／［（１－λ^２／Ｐ^２／４）^１／２－（１－９×λ^２／Ｐ^２／４）^１／２］を満たす、
    ことを特徴とする請求項９に記載の露光装置。
11. 前記制御部は、前記ショット領域が第１フォーカス状態と第２フォーカス状態とのそれぞれで露光されるように、前記基板の露光を制御する、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の露光装置。
12. 前記第１フォーカス状態における前記投影光学系の光軸方向における前記基板の位置と前記第２フォーカス状態における前記光軸方向における前記基板の位置との距離をＺ２、前記周期方向における前記周期パターンのピッチをＰ、露光光の波長をλとしたときに、Ｚ２＝λ／［（１－λ^２／Ｐ^２／４）^１／２－（１－９×λ^２／Ｐ^２／４）^１／２］／２を満たす、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の露光装置。
13. 露光光の中心波長が２つの波長の間で連続的に変更され、
    前記２つの波長をλ０－Δλ／２、λ０＋Δλ／２、前記投影光学系の軸上色収差の値をＣ、前記周期方向における前記周期パターンのピッチをＰとしたときに、Δλ＝λ０／［（１－λ０^２／Ｐ^２／４）^１／２－（１－９×λ０^２／Ｐ^２／４）^１／２］／Ｃを満たす、
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の露光装置。
14. 前記投影光学系の軸上色収差の値をＣ、前記周期方向における前記周期パターンのピッチをＰ、露光光の半値全幅をΔλ、前記露光光のピークをλ０としたときに、Δλ＝λ０／［（１－λ０^２／Ｐ^２／４）^１／２－（１－９×λ０^２／Ｐ^２／４）^１／２］／Ｃを満たす、
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の露光装置。
15. 中心波長が互いに異なる２つの波長の露光光が使用され、
    前記２つの波長をλ０－Δλ／２、λ０＋Δλ／２、前記投影光学系の軸上色収差の値をＣ、前記周期方向における前記周期パターンのピッチをＰとしたときに、Δλ＝λ０／［（１－λ０^２／Ｐ^２／４）^１／２－（１－９×λ０^２／Ｐ^２／４）^１／２］／２／Ｃを満たす、
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の露光装置。
16. 前記制御部は、前記基板のショット領域の各点が２以上のフォーカス状態で露光されるように、前記基板を駆動する動作、および、露光光の波長を変更する動作を実行する、
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の露光装置。
17. 前記基板を駆動する動作は、前記基板の位置を連続的に変更する動作を含む、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の露光装置。
18. 前記制御部は、前記ショット領域の各点が２以上のフォーカス状態で露光されるように、前記投影光学系の光軸方向における前記基板の位置を第１位置とし、露光光の波長を第１波長として前記ショット領域を露光する動作、および、前記投影光学系の光軸方向における前記基板の位置を前記第１位置と異なる第２位置とし、前記露光光の波長を前記第１波長と異なる第２波長として前記ショット領域を露光する動作を実行する、
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の露光装置。
19. 原版を照明する照明光学系と、前記原版の像を基板に形成する投影光学系とを備える露光装置であって、
    前記照明光学系の瞳領域には、前記瞳領域の原点を通り前記照明光学系の光軸に直交する線に対して線対称に配置された、他の部分よりも光強度が高い高光強度部を少なくとも２つ含む光強度分布が形成され、
    前記瞳領域の半径をｒとしたとき、前記高光強度部の中心位置は、前記瞳領域の原点からｒ／３以下の範囲に位置することを特徴とする露光装置。
20. 周期パターンを有する原版を照明する照明光学系と、前記原版の像を基板に形成する投影光学系とを使って前記基板を露光する露光方法であって、
    前記周期パターンからの２次以上の回折光を含む複数の回折光が、前記投影光学系の瞳領域に、前記瞳領域の原点を通り前記周期パターンの周期方向と直交する直線に対して線対称な４つの高光強度部を含む光強度分布を形成するように、前記照明光学系からの光を前記原版に斜入射させ、前記基板のショット領域の各点が前記４つの高光強度部からの４つの光束のうちフォーカス状態によって周期的に位相差が変化する２つの光束におけるフォーカス状態と位相差との関係に基づいた２以上のフォーカス状態で露光されるように前記基板の露光を制御することを含む、
    ことを特徴とする露光方法。
21. 基板に溝を形成する第１形成工程と、前記溝の中に画素分離部を形成する第２形成工程と、を含む半導体装置の製造方法であって、
    前記第１形成工程は、原版の周期パターンからの２次以上の回折光を含む複数の回折光によって、投影光学系の瞳領域に、前記瞳領域の原点を通り前記周期パターンの周期方向と直交する直線に対して線対称な４つの高光強度部を含む光強度分布を形成するように、照明光学系からの光を前記原版に斜入射させ、前記基板のショット領域の各点が前記４つの高光強度部からの４つの光束のうちフォーカス状態によって周期的に位相差が変化する２つの光束におけるフォーカス状態と位相差との関係に基づいた２以上のフォーカス状態で前記基板を露光する露光工程を含む、
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
22. 基板に溝を形成する第１形成工程と、前記溝の中に画素分離部を形成する第２形成工程と、を含む半導体装置の製造方法であって、
    前記第１形成工程は、請求項２０に記載の露光方法によって前記基板を露光する動作を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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