JPH0772320A - リングパターン露光装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 任意のリング幅の分布を有する高精細なリン
グパターンを描画できるリングパターン露光装置及び方
法とする。 【構成】 表面の一部に基準リングパターンを設けた基
板の残部に感光材料を形成し、これを回転支持手段に回
転軸と基準リングパターンの中心とが略一致するように
取付けて、前記基板を回転させつつ感光材料部に描画用
光スポットを照射し、基準リングから反射光を受けて基
準パターンの中心と基板の回転中心との偏心を検出し、
検出した偏心データに基づいて描画用光スポットと基板
とを相対的に変位させ、描かれるパターンと回転中心と
が一致するように調整し、描かれるパターンが同心円に
なるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高解像結像システム
におけるリングパターンの露光装置及びその方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電子ビームあるいはＸ線に代表される原
子粒子物質に基づいた高解像システムのような他の技術
が利用できるにもかかわらず、半導体工業で用いられる
光リソグラフィーシステムや幅広い応用に用いられる顕
微鏡システムに於けるように高解像結像システムの応用
は続いて増えている。電子ビームやＸ線のシステムは像
形成に長い時間を要する他、膨大な費用を要し、操作性
も悪く、予見できる将来の多くの応用に対しては、光結
像方式がなお好ましいものとして残ることを確実にして
いる。

【０００３】しかし、より精密な技術に対して常に増し
ている要求により、光結像方式が屈折光学系によって達
成できる解像値の限界に実際上達してしまった。たとえ
ば、高密度大規模集積回路の大きさは常に小さくなり、
より高い素子密度で作られている。その一つの客観的目
安は最小線幅の仕様である。最近まで１ミクロンの線幅
で適当であったのが、産業界の現在の目標は0.5 ミクロ
ン以下更には、0.3 ミクロン以下とサブミクロン領域の
線幅にまで下がってきている。これは１ミリメートルに
数千本のオーダーの線解像を屈折光学システムに要求す
るが、適当なアパーチャと焦点深度を持つ光結像システ
ムでこれまで達成不可能であった。

【０００４】これらの問題に答えて、光学産業界ではす
ぐれたレンズ設計電子計算機プログラムを用いて、もっ
と精巧な多くの枚数のレンズシステムをだんだんと考案
してきた。その進んだ技術水準は、“ｉ線”と呼ばれる
レンズシステムによって例証される。この“ｉ線”レン
ズシステムは最高品質のガラスからなるおよそ二十枚の
屈折要素を複合的に配置することを利用している。しか
し、このシステムが達成できる最高の結果は0.7 ミクロ
ンの線幅解像の範囲にある。これは複雑なレンズ設計に
伴う多数の要因（色収差，コマ収差，非点収差，球面収
差が含まれる）及び目標地点で十分な均一性と適当な波
動エネルギーを実現するという問題により、現在約0.7
ミクロンと言う最終的な限界に置かれているからであ
る。このオーダーでの精度を扱う時に、製造に於ける固
有の制限もある。例えば、最高のダイアモンド旋削手段
をもってしても、短波長での動作に対しては非常に荒い
光学表面となってしまう（たとえば、紫外) 。

【０００５】しかし、半導体産業では光結像方式に基づ
いた多くの生産及び検査手段を考案してきた。また、今
後もこれらを利用するのが好ましい。というのはこれら
の手段が特別な利益を提供するからである。例えばシリ
コンあるいは他のウェーハの上に積み重なった層を作る
際、高解像屈折光学系を取り入れた“ウェーハステッパ
ー”が利用される。作られるそれぞれの層に対し、異な
った高精度のフォトマスクがある。最初、ウェーハは適
量の光エネルギーで露光することにより像が、そこで定
着され得るようなタイプの感光材料の層でおおわれる。
そして、ウェーハステッパーの機構によりウェーハは光
軸に対してえらばれたマトリクス位置に正確かつ連続的
に置かれる。ウェーハ上のマトリクスパターンでのおの
おのの位置で、代表的には像をある値（普通は５分の１
あるいは１０分の１）だけ縮小する光学システムでフォ
トマスクを通じて露光が行なわれる。このタイプのシス
テムに対する本来の要求は個々の露光で光エネルギーが
適当であること、露光された像は全像面において均一で
あること、そして焦点深度が十分で、解像力が設計仕様
を満足することである。これらの要求を同時に満たすの
は易しいことではない。というのは、像の大きさが極め
て小さいことと極めて高い精度が要求されることから可
能な設計の選択余地が大きく制限されるからである。い
ったんマトリクスのすべての位置で露光が行なわれ、定
着されていない物質が洗い落とされると、像再生の精度
と均一性について像の検査が可能となる。統計的な基礎
の上に、いろいろな像の性質を調べるのには一般に光学
顕微鏡が利用される。検査は、線幅あるいは他の特性の
自動あるいは手動測定を含む作業の組合せの一つあるい
はそれ以上より成るであろうが、これらの作業のすべて
には像の正確でかつ高解像の拡大が必要である。

【０００６】実際に利用するもっと高い解像の光結像方
式を作るという問題はすでに限界に近づいたと見える。
もっと複雑な多数枚のレンズシステムをもってしても、
そのような限界が最終的に乗り越えられないとわかるか
どうかは今後に残っている。しかし、光結像システムを
設計と生産での束縛から解放できるような大幅に異なる
アプローチが必要となったように思える。その束縛は光
学設計の方程式に含まれる多くの高次の項をうまくまと
めるに際し本来的に課されている。何年か前に、レンズ
システムに特別な性質の非球面素子が入れられるべきだ
という提案によって、この方向での試行的な動きがあっ
た。これらの提案は宮本健郎 ( KenroMiyamoto) が書い
た“位相フレネル・レンズ”というタイトルの論文で最
もよく述べられている。これは米国光学協会 (Optical
Society of America)の1960年１１月での学会で発表さ
れ、またその後すぐに、ジャーナル・オブ・ジ・オプテ
ィカル・ソサエティ・オブ・アメリカ (Journal of the
Optical Society ofAmerica)，1961年１月，１７〜２
０ページに掲載された。宮本はまたその論文で理念的に
同類の以前の論文を参照している。彼が基本的に提案し
たのは、“位相フレネル・レンズ”を、例えば、球面収
差を補正するように、そこを通る波面を変形させるべ
く、光学システムの瞳面に置くということである。彼の
提案は全く一般的なものであり、高い透過率、半導体工
業のニーズにアプローチするような高い解像、あるいは
適当な焦点深度を得るというような問題に対しては何の
考慮も払われていなかった。一つの例をあげると、宮本
は0.63ミリメートルの最小半径寸法を持つ単層薄膜リン
グの利用を提案した。もっと精密なシステム、すなわ
ち、ブレーズ型透過グレーティングを作るのに関わる困
難に関しては言及していない。

【０００７】宮本は次の量だけ波面を変形させるべく、
位相フレネル・レンズを作ることができると述べてい
る。

【０００８】φ（ｕ，ｖ）−（ｋ−ｌ）λ

【０００９】ここで、ｋ＝１，２，・・・ｍで、すべて
のゾーンで変形の量がλより小さい。これはいろいろの
輪帯に（単層）薄膜をつけることによって実現される。
そして、彼はこのように変形された波面は波面をφ
（ｕ，ｖ）の量で変形させるレンズと“まったく等価”
であると述べている。

【０００９】彼の方程式は完全なブレーズ位相グレーテ
ィングを記述し、しかも単層薄膜を用いるという彼の方
法の記述は、また“位相反転ゾーン・プレート”とも呼
べる二値的な位相グレーティングの創作に導く。このタ
イプのグレーティングはただ位相遅延の二つの値の間で
の交番を与えるようにはたらくだけである。

【００１０】“ゾーン・プレートと移動ゾーン・プレー
トの効率”という論文 (AppliedOptics, Nov. 1967,pp.
2011-2013)の中で Melvin H. Horman により位相反転
ゾーン・プレートは研究されている。 Hormanはゾーン
・プレートあるいは位相プレートの効率を“照明光波面
における光束の主像(principal images)に到達するパー
センテージ”として定義し、そしてこの定義を用いて彼
は位相反転ゾーン・プレートの１次効率40.5％を与え
た。Hormanは、もし位相フレネル・レンズができたとし
たならそれの効率が１００％に近づくだろうことを示し
た。しかし、この間、よく補正された光学系と一緒には
たらく高効率の位相フレネル・レンズの製作は明らかに
まだ試みられておらず、また報告もされていない。マイ
クロレンズとして独立に用いられる三角形プロファイル
のプレートがある応用に対しては作られている。

【００１１】宮本の提案はレンズ設計に対しより大きな
自由度を与えるものと認められるが、文献から知る限
り、それはまだ実施されていない。これは、導かれる利
益に関して考えられている制限、書かれている形での位
相フレネル・レンズ製作のむずかしさ、屈折光学素子だ
けを利用する光学設計での他の進歩、問題に固有なより
更に複雑な要因に対する認識の不足といった理由のいく
つかによるものであろう。例えば、グレーティングのブ
レーズ角で入射した光の平行成分と垂直成分の間での効
率には相当の違いがあり得る。また、宮本は、個々のス
ペクトル成分の時間コヒーレンスが位相フレネル・レン
ズの解像あるいは空間−バンド積(space-bandwith prod
uct)を維持する面で重要な役割をはたすことを認識、少
なくとも議論することをしなかった。この後は、波面収
差の操作に於いて波面の成分分布、照明エネルギーの正
確な分布、位相関係の局所的、時間的、空間的な再配列
等の要素をうまく考慮することにより、屈折レンズを一
緒に組み込んだ形で、光結像あるいは光読み出しシステ
ムの解像を有用な焦点深度、高い効率と共に、以前は達
成できないと考えられていたレベル以上に向上させ得る
ということが示される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】位相グレーティングと
光学屈折素子を組み合せることにより達成される高解像
光結像または読み出しが依拠する原則と同じ原則が他の
光学応用にも利用できる。この応用には、顕微鏡検査と
OTF （光学的伝達関数）、球面対物レンズと組み合せた
円すいアキシコン位相グレーティング、従来の円柱レン
ズと組み合せた円柱形位相グレーティング、そしてトロ
イダル非球面グレーティング・レンズを含む。円すいア
キシコン位相グレーティングは光学屈折素子との組合せ
に於いて、特に有用的であり、オート・フォーカス・シ
ステムを要せず、光ディスクの書き込み及び読み出し素
子として所望の長さの細い光線を提供する。システム設
計に於いて、位相プレートの特有なスペクトル特性が認
められ説明されるならば、屈折光学系の限界がどこで来
ようとも、波面収差を精密に補正する能力というのは、
いいかえると、潜在的な有用性となり得る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によるシステムと
方法では屈折光学系の配列の中に、少なくとも１つの、
ホログラフィックな、領域的に配置された透過グレーテ
ィング素子が置かれ、この素子の１つは一般に、臨界開
口(critical aperture)、即ち瞳にある。グレーティン
グ素子と他の素子は、増加的に変化する位相遅れを起こ
すように、多数に分布した空間的インコヒーレント、時
間的コヒーレントな光源により単色で照明される。これ
らの増加的な変動は照明フィールド全体にわたり制御さ
れた形で非線形的に変わり、ある特定の収差を補正する
合成波面を形成する。光学結像システムでは、補正は屈
折光学系に於ける予定された球面収差のためだけでな
く、予定された色収差のためでもある。波面の遅延は波
長の何分の一かの増分ずつ変化し、高回折効率を与え
る、複数のプラトーにより定められた部分よりなる透過
グレーティングにより生じる。その部分の場所的な構成
は、相互に関連した多くの瞳を作るよう波面成分の相互
作用を変えるため、位相反転、透過率変化を含むことも
ある。この相互に関連した瞳の合成の効果として、例え
ば焦点深度の増大、コントラスト、解像の改善が考えら
れる。

【００１４】結像システムの一つの一般的な例に於い
て、単色光光源、拡大されたビーム領域全体でビームを
一様に分布させる手段、空間的コヒーレンスを効果的に
取り除き、ある決められた最小以上の光波の時間的コヒ
ーレンスを形成する手段を含む一つの照明系が用いられ
る。この例での位相プレートは一つの透過素子を含む。
この素子は多数の同心リングがあり、おのおののリング
は波長の何分の１かの増分ずつ変わる複数プラトーがあ
って、リングのプラトーは局部波面に小さい角度の曲げ
を与える。位相プレートは屈折光学系の臨界開口(criti
cal apertrue) に配置され、設計は位相プレートと統合
されて行なわれるため、手順が簡単になる。例えば、屈
折光学系はコリメーターレンズ部分と対物レンズ部分を
含むことになるが、標準的には、そのシステムに対し、
既知であるがしかし全体としての制限内にある許容でき
る収差しかもたないよう相対的に少ない素子板で設計さ
れる。位相プレートはマイクロリソグラフィー技術によ
って、各個のリング内で連続的にプラトーの高さが変わ
る形で半径の変わるリングを与えるように作られる。違
うリング・グループでのプラトーの段の関係を変えるこ
とにより、位相プレートの異なる区分を通る光波の位相
関係がいくつかの瞳を形成させるように選択的に反転さ
れる。一部分のリングあるいはリング・グループはある
領域から来た光が遮蔽あるいは減衰されるように、不透
明あるいは部分透過であってもよい。こうすると、複数
光源からの照明光の空間的分布と位相関係は屈折光学系
に於いてはやむを得なかった収差を打ち消すように、再
び構成される。このシステムと方法によって１ミリメー
トルあたり、2500本のオーダーでの解像、高い透過率、
深い焦点深度、そしてすぐれたコントラストが得られ
る。このシステムに利用される屈折光学系は大幅に少な
い素子数しか要求しないだけでなく、また球面収差と色
収差のような特殊な特性に対して、設計手順にもっと大
きい許容度を持たせることができる。

【００１５】高いビーム強度、強度分布の均一性及び色
消しを得るのに半導体製造に対してはパルス・レーザが
好ましい照明光源である。しかし、強度分布、フィルタ
リング及び色収差の問題を克服するための従来の方法と
組み合せて水銀アーク・システムのような他の光源を利
用することもできる。

【００１６】この発明の更なる特徴によれば、ある一つ
の例として照明系は、２４８ｎｍのような紫外線領域で
動作するエキシマレーザとエタロン同調キャビティの組
み合せを含む。これは50000 の波を越す時間的コヒーレ
ンスがある光エネルギーのバーストを与えるものであ
る。照明光エネルギーのバーストは一対の離れて配置さ
れたランダム位相板と、中間のビームシフト装置を含
み、フォトマスクあるいは物体面上に統計的に均一な形
で空間的インコヒーレントな複数光源を分布させる位相
ランダマイザーを通過する。位相プレートは１次光の高
い透過率を保ちつつ、３°のオーダーの光線の曲がりを
与えるように構成される。一つの好適な構成としては、
位相プレートの一区分内でプラトーの連なりの選択的反
転により実現され、互いに位相の反転する部分により定
められる６つの（円）帯状の瞳を含む。一つのシステム
には一つ以上の位相プレートが配置でき、一つは臨界開
(critical aperture) に配置され、その他は特定の非球
面的特性を与えるよう、ビーム経過に沿って隣接され
る。２４８nmの光源を用いる時には、位相プレートのプ
ラトー領域の最大厚みは、各リングが８段のプラトーよ
り成るとき、約0.427 ミクロンに制限され、各個プラト
ーは、最も狭いリングのところでわずか1.5 ミクロンの
オーダーの幅となる。波面 (Wavelets) での時間的コヒ
ーレンスは複数プラトー領域によって生じる最大位相遅
れより５０倍かそれ以上の大きさで維持される。

【００１７】この発明に沿ういくつかの異なったシステ
ムにより、この概念の汎用性が示される。例えば、顕微
鏡システムに置いて照明系から被検物へ向かう光は、臨
界開口 (critical aperture)の所に置かれ、被検試料上
のカバープレートにより生じる球面収差と共に、システ
ム内の屈折素子による収差を補正する位相板を用いて、
従来以上の高い解像で結像される。アキシコンタイプの
システムでは、発明による位相プレートは、表面波を円
すい形焦点にもって来るべく、一つかあるいはそれ以上
の球面素子と一緒に作用するように形成される。収束波
は光軸に沿って、アキシコンの設計の特色をなす比較的
長い針状の光を作る。円柱レンズ・システムでも、もっ
と高い解像と精度のために、波面補正が同心プラトーで
はなく、平行プラトーによって行なわれる。

【００１８】更に、位相プレートが有利なのは、分離し
た光屈曲グレーティングと基準パターンを与える同心円
リングの外側輪状領域を含められることである。結像の
波長と異なる波長 (例えば赤の波長) のコヒーレントな
光は感光性表面に影響を与えずに目標面と投影像とのア
ライメントに用いられる異なった部分つまりこの外側輪
状領域を通過できる。

【００１９】本発明による位相プレートは、所定の特性
のリング・パターンを与えるため、一連の二値的な操作
を組み合わせるのが好ましいが、デポジションまたはエ
ッチングの各々の段階に対しフォトマスクを用いるかま
たは直描により作られる。例えば、１、２、そして４の
プラトー高さに対しデポジション層を定めるべく３回の
一連の手順が利用でき、フォトレジストの洗い流し、塗
布を３回行う一連の工程により、堆積的に零から７番目
のレベルまでの一連のプラトーを与えることができる。
各々のデポジション工程に、例えば、予め決められてい
るリングの半径の変化に対し、波長の何分の１かの違い
だけ高純度シリカを付加することもある。このように直
径が１０ｃｍオーダーでの素子の上に、１つが８つのプ
ラトー・レベルを持つリングが約1700個ある一つの位相
プレートが作られる。この寸法は、近年の半導体製造に
要求される大きいウェーハと高い解像をもたらす現在の
ウェーハステッパー装置に必要な範囲にある。相補的な
工程を、即ち、層のデポジションのかわりにエッチング
を用いることもできる。

【００２０】アライメント用に、第２の波長の光源につ
いて用いられる外側環状リングも同様に結像領域のリン
グと同時に位相マスクから記録されるか、あるいは直描
で形成される。しかし、波長とそれに伴い要求される層
の厚みが違うため外部リングは別々にデボジットされ
る。

【００２１】０から１６分の１５波長までの光学的位相
遅延を起こすように一連の０から１５レベルまでのレベ
ルを与えるため、４つの二値的マスクを用い、一連の１
６のプラトー高さを作ることによって、グレーティング
の上にもう少しなめらかな、そしてもっと効率の高いブ
レーズ角が形成できる。同じように、ただ４つのプラト
ー・レベルを用いれば、特定の応用に対し粗い、効率の
低いグレーティングが、かわりに形成できる。

【００２２】別の回折または反射リングの組が都合よく
位相プレート上に配列される。この目的のために、この
素子は始めに少なくとも一定の領域に１つのベース（例
えば、クロム）層がおおわれる。リングは回転させなが
ら描くことによりあるいはフォトエッチング技術により
定められる。

【００２３】リングのある１組は、レンズの芯出しと間
隔出しのグレーティングのいくつかのグループを形成す
る。これらのグレーティングは異なった個々のレンズ素
子あるいはレンズ素子群に関して設けられ、特別に配置
される。

【００２４】コリメートされた光線が臨界開口 (critir
al aperture)にあるグレーティングを通過して導か
れ、選ばれたレンズ群内のレンズ素子が適当な位置に置
かれた時、これらのグレーティングは光軸上に集束ビー
ムを与える。従って、個々のレンズの芯と光軸上位置
は、それが組み込まれる際、正確な規準を与えられるこ
とになる。

【００２５】第２の組の反射リングは、始めに、後に続
くパターンの中心として働くことになる名目上の軸と同
心の外側周辺の組 (grouping) として描かれる。分離し
た別々のトラックが回転システムに於いて位相プレート
製作の間、直接描かれている時は、このリング組はフォ
トマスクに対する、あるいは位相プレートの偏心の補償
のための、基準としてはたらく。

【００２６】サブ・ミクロンの解像を得るために位相プ
レートの上に複数プラトーを配置することに関して要求
される精度は、どんな書き込み技術が用いられようと非
常にきびしい要求を課する。これらの要求は中心の近く
に第３の反射リングの組を生成し、位相プレート自身を
利用することにより満たされる。回転の中心は始めは、
限度内で任意に選ばれるが、反射リングを書き込んだ後
に、その位置は正確に決められる。これは、各々の反射
リングが通過する時、干渉計による（干渉）縞測定を行
いつつ中心線の両側でリングを走査することによりなさ
れる。同じように内側リングと外側リングを利用するこ
とにより、名目上の位置の間でのしまの数から正確な読
みを得ることもできる。これらの読みから、その時点に
於ける温度、気圧、光束の正確な補正を用いて校正がで
き、それにより、リングを１／30ミクロンのオーダーの
精度で配置できる。

【００２７】この発明による、際立って有効な直描シス
テムはベース上の空気軸受にささえられたエアースピン
ドルを用いる。単一（往復）方向的に移動できる架台
が、書き込みレーザービーム用として、制御システムに
より、スピンドルに対し、別トラックの書き込み位置ま
で移動する。

【００２８】スピンドルに隣接して設置された偏心セン
サー・システムが外側基準リングの像を一つのパターン
の上に投影し、そして位相プレートが正確に中心に置か
れていない時、合成信号中の正弦波状変化を検知する。
回転中の芯ずれによる変動を補償するよう、レーザー書
き込みビームを偏向させるのに信号変動が利用される。
周辺で保持される位相プレートは目視で一ミクロンの範
囲内に調節することができ、偏心の補正はこれを0.1 ミ
クロンあるいはそれ以下にまで減ずる。このシステム
は、特定のレンズ組み立て品に対し補正を行うよう、位
相プレートを作り得るその精度を、従来のコンタクト転
写工程の精度を越えるところまで、向上させる。また、
これは、大きな中心出し誤差や累積誤差を生じさせるこ
となくフォトレジスト塗布、処理、そしてデポジション
またはエッチングを行うのに、位相プレートをエアース
ピンドルの上に置いたり、そこから取ったりできるよう
にするためでもある。

【００２９】

【実施例】図１の、概略的な一般化した表記は、尺度と
比率に於いて違いがあるため、システムの大きな要素
と、システム内に於ける光波エネルギーの細かな分布及
びその空間的配置とを共には、表わし得ていない。他の
図も正しい比率で相対的な寸法を表わせていないが、そ
の特徴と関係をよりよく理解するためには、それら他の
図を参照しなければならない。

【００３０】本システムは、極めて微細な非常に高い解
像の像となるべく、フォトレジストを適当に照明するた
め、ウェーハステッパーのような光結像ユニットに用い
るのに好適な形で説明される。ウェーハステッパーの制
御、位置決め、オートフォーカス、及び関連技術の詳細
は公知であり、簡単のために、ここではそれらに触れな
い。ある特性のエネルギー源となる光が、紫外領域の２
４８ｎｍでおよそガウシアン分布の矩形ビームを生成す
るKrF タイプのエキシマーレーザー１２を含む照明系１
０で初め生成される。エキシマー・レーザー１２は一秒
に約１５０パルス、パルス幅が1.2 ×１０^-8秒、そして
約３７５ｍｊ／パルスでパルス発光する。これから示さ
れるように、このシステムは十分な強度の放射光を、像
を記録するフォトレジスト層へ導き、また、本光結像シ
ステムが十分高効率であるため、有益なことに短時間で
露光できる。これから列挙する、いろいろな要素を適当
に考慮すれば、他にも利用できるシステムは多くある
が、このタイプの好適なレーザーが、Lumonics Hyperex
-460 Model HE-SMとして出されている。

【００３１】レーザー１２から出るビームはかなりの程
度空間的にコヒーレントであり、６２０分の１の程度で
時間的にコヒーレントである。このファクターは所望の
空間的な及び時間的な分布と一致しない。したがって、
レーザー１２は一般にエタロン１４と言われる一つの共
振同調キャビティと一緒にはたらく。このエタロン１４
はＱ値と、124000波長分ぐらいまで合う光の波連の予期
性 (Predictability)を上げる。あるいは代わりに、同
程度の時間的コヒーレンスを生じさせるのに、キャビテ
ィ内エタロン同調のあるレーザーを使ってもよい。しか
し、干渉縞の影響が出る可能性があるので、過ぎた同調
は好ましくない。従ってエタロン１４は時間的コヒーレ
ンスを10000 波長分の程度の範囲まで下げるため、わず
かに離調される。このような手直しの理由は後程より詳
しく説明する。

【００３２】ビームはレーザ１２から出た後エキシマー
・レーザー１２の長方形ビームを一辺が１″（１イン
チ）の正方形ビームに変える二重プリズム・ビーム・エ
キスパンダで拡大される。このビームは、SiO₂基板の上
にデポジットされSiO₂の準ランダム・パターンで定めら
れる第一の準ランダム位相面１９を含む空間コヒーレン
スランダマイザー(randomizer)１８の中に入る。このラ
ンダマイザー１８の構造は断面領域に渡って位相のラン
ダム化の度合いを知らせる光透過素子を提供する。この
ような準ランダム位相面は、平均厚さ約１ミクロン、平
均幅約１０ミクロンのデポジットされたパターンによっ
て得られる。第１のフィールド・レンズ２０はビームを
必要ならモータ駆動もできるレチクルマスキング装置２
２に伝える。マスキング装置２２はビームを周辺で、制
御可能な大きさの選べる物体面外形に制限し、ビームは
以下に記すように小さな弧状に動的に動かされる可動コ
ーナー鏡２４へと向かう。このコーナー鏡２４からビー
ムは結像リレー・レンズ２６の方に向けられる。このリ
レー・レンズは第一の準ランダム表面１９の像を似た特
性をもつ第二の準ランダム位相表面２７に結像する。そ
の後、ビームは第二のフィールド・レンズ２９を含む関
連光学系に向かい、ビーム結合コーナー鏡２８を経由
し、そして像が向けられるウエーハ平面に行く。この角
度のついたビーム経路により、かなりのパワーと体積を
必要とするレーザー１２を、システムの像形成部分より
十分離れたところに置くことが可能になる。

【００３３】第二の準ランダム位相表面２７はより一層
のランダム化を行い、すべてのビーム分布領域で空間的
な位相のランダム性を友好的に増す。しかし、ランダム
性の度合いを変えられることが望ましく、このために、
サバール板とソレイユ補償板を用いた部分的コヒーレン
ス度の測定装置がランダマイザー(randomizer)１８から
のビームのこの特性を検知するため置かれる。そのよう
な装置は“準単色光源の像に於けるコヒーレンス度(S.M
allick, Applied Optics, Vol.6, No.8,August1967,pp.
1403-1405)”と題された論文での報告に従って用意でき
る。装置３６は部分的コヒーレンス度に応じた信号を可
動コーナー鏡２４と結合されたPZT アクチュエータ３４
を動かす制御回路３８に返す。測定装置３６による部分
的コヒーレンスのコントラストの読みによって、アクチ
ュエータ制御３８はＰＺＴアクチュエータ３４を駆動
し、レーザー１２から出たパルス・発光の間で、像での
小さいが可変的な（６０ミクロン程度の）動きの増分を
起こす。これらの発光は一秒に１５０−２００回起こ
り、（１パルスの発光）時間が短かいため、またコーナ
ー鏡２４は非常に小さな角度で動けばよいため、異なっ
た発光源からの光を適当に空間的にランダム化すること
は、必要な程度まで、かつ可能な間隔内で、直ちにでき
る。

【００３４】他の例として、第一の面１９を回転ディス
クの一部分として形成し、得られるランダム性の度合い
を変えるために回転速度を少し変えることによって、準
ランダム位相面１９，２７の間での相対的な動きを作る
ことも可能である。

【００３５】結像リレー・レンズ２６と第二のフィール
ド・レンズ２９も１：１の関係でレチクルマスキング装
置２２をフォトマスク平面４２に配置されたフォトマス
ク４０の上に結像する。この例に於いて、この平面での
ビームはレチクルマスキング装置２２によって、適当な
厳しさの許容誤差（± 0.005″) で、一辺が1.5 インチ
から4.5 インチまで連続的に選択できる矩形に開口が制
限される。

【００３６】空間的コヒーレンスのランダマイザー(ran
domizer)１８の重要性は、それがビームの平均ラグラン
ジュ積を増加させるということからより明解に理解でき
る。エキシマレーザー１２から出たレーザー・ビームは
約1.8 ×１０^-7ｃｍ² Sterに制限されたラグランジュ積
を持つ。これは一つの典型的な露光（約0.3 秒) で、狭
帯域化されたエキシマー・レーザー・ビーム中に多くの
光源があることを示す。いずれの瞬間でもレーザから出
てくる２２×5.4 ＝１２２のオーダーの統計的にインコ
ヒーレントな空間モードがあることを示すことができ
る。また、一つのパルスに２０の波連、0.3 秒毎に１５
０パルスがある。従って、レーザーは、露光毎に1.22×
１０² ×２×１０×1.5 ×１０² ＝3.66×１０⁵ の統計
的に独立な光源を提供する。しかし、光源が、所望の空
間的なインコヒーレンス度で像を照明するためには、像
の各点は約１０² 個の光源で照明されなければいけな
い。ウエーハ面の像の寸法でミリ当たり約4000本の解像
ということから導かれる必要な全部の光源の数はおよそ

【００３７】10⁵ ×10⁵／(1.75)² ×10² ＝3.27×10¹¹

【００３８】これが露光毎に必要な統計的に独立な光源
の全数である。レーザー・ビームは従って、一様にしか
も空間的にはインコヒーレントに照明された像を形成す
るためには約５×１０⁴ 分だけ足りない。フォトマスク
を通り結像レンズへの入射円錐光束内ビームのラグラン
ジュ積は約次の通りのはずである。

【００３９】2.56×１０^-2ｃｍ² ster

【００４０】第一及び第二の準ランダム位相面１９，２
７の各々は像の大きさ全体にわたり主光線の高さに実質
的に影響せず、約2.2 ×１０² 分だけビームの角発散(a
ngular divergence)を散乱させる。これは、システムに
とって望ましい５×１０⁴ 分の全体の増加に結びつく。
ラグランジュ積は従って５×１０⁴ 分まで調節できる。
この調節は自動的に行なうこともできるが、選んだ限界
内の値に維持するために、ある特定の像の大きさと露光
特性に対して、操作者が部分的コヒーレンス度測定装置
３６から得られた読みに従ってアクチュエータ制御を予
めセットしておくだけで普通十分である。空間的コヒー
レンス長の調整範囲は、フォトマスク４０にて約1.5 ミ
クロン、これは実質的にインコヒーレント光であること
を示すが、この値から約１５ミクロンまでとできる。

【００４１】その結果、光波エネルギーはウェーハ面で
測って±１％の一様強度で４インチ×４インチ（４″×
４″）のマスク平面に分布し、その振幅は±１％の範囲
で調節できる。露光時間0.3 秒で供給される所与のエキ
シマからの全エネルギーはウェーハにて１５０ｍｊ／ｃ
ｍ²より大きくなる。

【００４２】しかし、所望の度合いまで空間的コヒーレ
ンスをランダム化することは時間的コヒーレンスまたは
この統計的に異なる複数の光源における各々の光波の周
期的予期性(predictability)に影響を与えることはでき
ない。位相プレートにより合成波面中に続いて生じる位
相の遅れはビームの分布全体に渡り変化し、可能な遅れ
量は相当に大きい。時間的コヒーレンスは、その大きさ
のオーダーが、波面が正確に再構成されるために可能な
遅れより大きくなるよう維持されなければいけない。ま
た、この例で、多くの位相遅れの増加的変化（１００波
程度）がある。これらの位相調節を適当に行うために要
求される時間的コヒーレンスはそのシステムで予定して
いる遅れの最大の波の数の約５０倍である。エタロン同
調レーザーはコヒーレントな１つの波連内に124000の波
（の数）を与え、この位相調節手段に要求される約２５
倍ぐらいとなるが、このファクターは時間的に独立な光
源の最大可能な数を与えるのに反するよう作用する。こ
れらのことは時間的コヒーレンスを約5000波まで減らす
ことにより確かめられるが、しかし、逆にこれはレンズ
設計で色収差問題を引き起こす。従って、このファクタ
ーは10000 から約100000に維持するのが望ましく、前者
の値がここの例では仮定されている。レーザー露光制御
４４によって、１回の露光でウェーハ面に入射する光の
量を選択的に決めることができる。このレーザー露光制
御はレーザーが連続的に発光している間引き出されるエ
ネルギーを積分し、適量のエネルギーが供給されたら、
露光を停止する。以下に説明するアラインメト・システ
ム４６は光軸に沿って独立にはたらき、図７と一緒に以
下に説明するように、紫外以外の波長が違う環状ビーム
（典型的には赤あるいは青）の向きをビーム結合鏡２８
及びいろいろな光学素子に向ける。

【００４３】図では一般的に示しているが、フォトマス
ク面４２とウェーハステッパメカニズム５４のＸＹ軸駆
動システムにより、レジストをコートしたウエーハ５２
を正確に位置決めしたウエーハ面５０とフォトマスク面
４２との間に結合光学システム５６が配置される。光学
システム５６は屈折素子と発明のいくつかの特徴を具現
しているホログラフィックな波面の調節手段の組み合せ
を含む。図示した配列では、システムはコリメーター・
レンズ群５８を形成する一組の三枚の屈折レンズ素子、
レンズ・システムの臨界開口(critical aperture) に置
いた一つの複数プラトー位相プレート６０、そして５分
の１に縮小した像をウェーハ面５０に投影する４枚のレ
ンズの対物レンズ群６２より成る。レンズ群５８，６２
そして複数プラトー位相プレート６０の相互の関係は屈
折素子の数を減らしつつ屈折レンズの設計を簡単にする
こと、また、解像だけでなく、焦点深度、コントラスト
及び効率に寄与する波面の調節の高い効果を得ることを
共に考慮し決められる。

【００４４】そのレンズ集合体は球面の石英素子を含
み、位相プレート６０は、新しい合成波面を与えるため
像の成分を領域的に調節する波面の位相遅延及び再配向
システムを含む。統合光学システム５６は像面側でテレ
セントリックで、位相プレート６０及び臨界開口(criti
cal aperture) での放射束は正確には平行でなく、若干
発散している。石英の素子は、球面収差多項式 (の分)
を除きいかなる程度のすべての収差成分も、球面素子に
よって半径、位置、面頂間厚さ、間隔として与えられる
自由度を利用し、打ち消されるように、また、位相プレ
ートにより臨界開口(critical aperture) で起き半径方
向で変化する位相遅れも考慮して設計される。球面収差
はしかし、位相プレートの半径方向に変化する位相遅れ
により完全に補正される光路差約７５波分に制限され
る。位相プレート６０の対物側素子について３枚は近似
的にアプラナティックな群として設計され、四番目は像
面に一番近い負のメニスカスであり、像面を平坦化する
性質があるためよく用いられる。コリメーター群５８の
３枚のレンズは累積的に、また位相プレートと組み合わ
さって、システムのコマと非点収差をなくすことに大き
な役割をになっている。更に、球面石英レンズは、色分
散を波長λに対する屈折率の変化の割合、即ちdn/dλと
すると、負の色分散を持ち、本発明の一つの特徴は位相
プレート６０に示される透過グレーティングが少し正の
ベースのパワーの曲率のベンディング効果を起こすこと
である。この曲率は色消し条件を作るため、小さなレー
ザーバンド幅範囲でのグレーティングの色分散が球面石
英レンズの色分散に十分適合して打ち消されるように選
ばれる。このベースの球面のパワーはスケールファクタ
ーが非常に小さいので、図示できない。

【００４５】照明系１０からの光波エネルギーは実質的
には単色と言えるが、しかし、エキシマー・レーザー１
２のようなどの様な光源にもバンド幅あるいは色の拡が
りがある。もしこのバンド幅を極度に狭くすると、それ
は得られる光のエネルギーを減らし、空間的コヒーレン
スの問題を増す。本システムにより提供される色消し作
用の能力はエキシマー・レーザー１２の0.003ｎｍから
0.02ｎｍまでの色の広がり範囲を0.03ｎｍあるいはそれ
以上に広くすることを可能にする。従って照明系は実質
的に単色でなければならないが、システムとしての得ら
れる付随的利点を伴いつつ、いくらかの色の広がりは補
償できる。

【００４６】位相プレート６０の中心部分に隣接し、図
２〜図４を参照しつつこれから説明する内側基準リング
の外から始まる一つの領域は、位相プレート基板６４に
デポジション又はエッチングにより極めて低い最大高さ
でマイクロリソグラフィー的に起伏をつけられた面を含
む。起伏をつけられた面は多数のリング６８の形で構成
され、各々のリングは増加する高さが正確に決められた
デポジットされるSiO₂の細密な複数プラトーまたはリン
グを含む。代表的なリング６８はその半径位置と非線性
的な関係がある半径方向の寸法を持ち、高さ零から最大
７／８波長の高さまで１／８波長毎に光学的遅延を増加
させる８つのプラトー７０のレベルがある。図２〜図６
における位相プレートの図でその関係の概略を示す。図
４から分かるように、各々のリング６８で、プラトー７
０は代表的には（基板６４に対して）高さ零から連続的
なステップで最大 ７／８λの高さまで累進的に変わ
る。２４８ｎｍの波長で、１／８のプラトーの高さは約
６１ｎｍで、７／８の高さは約４２７ｎｍである。リン
グ６８の半径方向の最も狭い幅は（位相プレート６０の
外縁で）８ミクロンのオーダーであり、各々のプラトー
の半径方向の最小寸法はおよそ１ミクロンとなる。リン
グ６８に占められる半径方向の寸法が変わるので、含ま
れるプラトー７０により決められる合成的起伏の傾きが
変わる。ここでは一番急な場合を示している。傾きは
３．４９゜以上であり、波面の曲がりは約２°である。
最大の波面の曲がりはこのタイプのブレーズド・グレー
ティングを通る光エネルギーの高効率の透過を達成する
ため約５°に制限される。プレート上のトラックの高さ
の差分は、最大で入射単色光の波長を、その選んだ波長
にて、プレートの屈折率から１を引いたもので割った割
合に比例する。

【００４７】各々８つのプラトーのリングが約２００あ
るが、これらは規則的に続くわけではない。導入される
位相遅れの位相が反転する６つの別個のグループ（８０
〜８５）内で連続的なリングが配列される。一連のグル
ープ（８０〜８５）はその位相が０，π，０，π，０，
πといった形で変わるように配設されている。この例で
は、これらの円帯の相対半径が次の表で示したように決
められる。

【００４８】 円帯境界の半径 位 相 ．９９〜．８０ ０ ．８０〜．６５ π ．６５〜．４０ ０ ．４０〜．３０ π ．３０〜．２０ ０ ．２０〜．０ π

【００４９】細かく分けられたリング６８と細密に分け
られたプラトー７０のある複数プラトーの位相プレート
６０が介在することにより、波面に沿って空間的に分布
した形で、開口半径の関数として、増加的で波長と関係
した光路長が付け加わる。位相プレート６０の厚さの差
分は非常に小さくこの例では遅れは７／８波長あるいは
約４２７ｎｍより大きくはならない。しかし、光源が実
質的に単色であるので、位相基準に対して波面を揃える
ことで解像は維持される。従って図３から分かるよう
に、その効果は、照明単色光により形成される合成波面
の累積的遅延による。図４から分かるように、屈折光学
素子が合成波面を曲げる場合も、位相は揃ったまま維持
される。しかし、位相プレート６０が後に続く屈折光学
系での収差を前もって補償することと、その様な補償は
図３と図４で示していないということは注意すべきであ
る。

【００５０】位相プレート６０はより特定的にはブラッ
グ条件(regime)で作用するホログラフィックな素子とし
て、屈折素子と組み合わさった形で非球面として、その
両方として機能する。非球面特性の結果として、屈折光
学系の設計では許される範囲の残存球面収差が波面全体
に渡り、必要な（部分）量だけ補正され、それと同時
に、他の幾何光学的収差と色収差も打ち消される。臨界
開口(critical aperture)で向けられる複数の点光源は
独立な波面成分として再配向されるので、位相プレート
６０の区分（８０〜８５）も独特の形で光を像面内に再
分布させる。位相プレート６０内の個々の位相反転は、
数多くの有益な効果を伴う共同的な結像を可能とするシ
ステム内に複数の瞳を定めることになる。

【００５１】この分野に熟知した人なら、プラトーの数
をこの例で与えられた８つから変えてもよいということ
も理解するであろう。規則的な一続き(progression) に
おいてλ／１６毎に変わるプラトーを１６個用いると、
製造の時間と問題が増大するが、ブレーズ角をより滑ら
かにし、また、より高効率にできる。

【００５２】この場合でも既に記した様に累積的に二値
的な一連の方法手順を行うことによりこれらのレベルは
実現できる。逆に、ある応用に対して許容できるなら結
果としていくらか粗くて効率の低いグレーティングとな
るが、もっと少ない数（例えば４）のレベルを用いるこ
ともできる。

【００５３】この光学システム設計で求められる主要な
特徴は解像の増大、サイドバンド強度の減少及び焦点深
度の増大であり、これらすべてが複数の瞳を定めるリン
グ６８の配置を利用することによって向上される。図５
と図６から分かるようにπの位相反転が必要な所ではプ
ラトー７０の規則的な連続性は位相ステップ８６の外側
で中断される。その後、プラトー７０は次の中断が起こ
るまで零から七番目までの順で継続的に変わる。別々の
瞳からのビーム成分が再結合され、合成波面を形成する
時、別々の瞳からの像の微妙なずれがすべてのあるいは
多くの注目すべきファクターが向上するのを可能とす
る。数多くの円帯の組み合せを解像、焦点深度あるいは
コントラストを強化するために採用できるということが
認識されるであろうが、２つ、３つ、そして４つといっ
た半径の異なる配置のπ位相反転が特定の応用には有益
的だということがわかっている。図に示すようにこれを
６つ（８０〜８５）にするのがウェーハステッパーへの
応用には望ましい。それはこれらの複数の瞳が、コント
ラストを維持しながら、焦点深度を増加させ、これらフ
ァクターは半導体製造工程で極めて重要だからである。
それに加えて、完全な(unobstructed)エアリー・レンズ
以上に解像を上げることも実現される。

【００５４】位相プレート６０を通って伝搬するビーム
の波面の再分布は完全不透明あるいは部分透過の環状リ
ングあるいはリング配置を用いて行うこともできる。レ
ンズ・システムの設計解析で性能を限定するビーム成分
を打ち消すあるいは減らすために望ましいとわかった所
なら、どこにでも不透明なリングを置くことができる。

【００５５】光学設計について、本発明によるシステム
は収差をバランスさせるのにかなり大きな設計自由度を
与える。Hopkins が“収差の波動理論”(“Wave Theory
ofAberration", Clarendon Press,1950.pp.50)で議論
しているように、光路差は多項式として解析でき、この
光路差は物体上の一点ｈを出て、半径がρ、子午角がφ
で異なる点を通過する光線の任意の組の間で、瞳あるい
は臨界開口(criticalaperture) に於いてρ＝０でｈか
ら出る主光線の光路とを比較して取られる。展開の後、
多項式のそれぞれの項は、ρだけ含む項（システムの球
面収差を表す級数）、ρとｈだけ含む項（それを“球面
型収差”と見なしてもよい）、そして、ｈ，ρ及び cos
φのあるべき乗の項に分けられる。ρとｈだけを含む項
は像面湾曲（収差）と関係があり、ｈ，ρおよび cosφ
を含む項はコマと非点の収差を含む。

【００５６】臨界開口(critical aperture) に置かれた
位相プレートはそれぞれの光線に対して半径と光線が臨
界開口(critical aperture) を通る時の角度に依存する
あらかじめ決められた関数として光路の遅れを加える。
球面収差は半径だけに依存する軸上の収差であるため、
臨界開口(critical aperture) で正しい高さで適当な位
相遅延を起こしてやればすべてのオーダーの球面収差を
完全に補正することができる。

【００５７】多項式展開での全ての球面型収差の項は位
相プレートによって対称的に扱われる。レンズ設計者の
役割は残っているコマの項と非点の項を、それらが相互
にバランスし、またそれらの残留 (収差) が位相プレー
トにより起こる半径方向に変化する遅延をバランスさせ
る所まで減らすようシステムの屈折素子を選ぶことであ
る。

【００５８】この分野に熟知した人なら、この収差のバ
ランスは技巧的なレンズ・コンピューター・プログラム
で普通は行われるが、しかし、 cosφの各々のべき乗成
分を含む項の補正は独立して零あるいは零近くまでバラ
ンスさせられることが必要であるということを理解する
であろう。位相プレートはすべてのオーダーの球面収差
を潜在的には取り除くという事実は設計手順の残りの部
分を非常に簡便にし、また、かなりの少ない素子 (数)
で解を与えるのを可能にする。

【００５９】要約すると、このシステムは予期できる(p
redictable) 周期性と空間的なランダム性を持つ一連の
時間的に変化する光波の微細構造の再配分を用いること
により動作する。エキシマー・レーザーからの連続的突
発光(bursts)を利用して、均等に分布した光が複数光源
として、全露光の間隔にわたり、ホログラフィックな位
相プレート素子上に表れる。位相プレート６０で、効率
の高い透過を保ちながら、ビーム波面での位相調節が達
成される。このシステムは合成波面の全体に渡り１／10
波よりよい精度を与える。このシステムは現在存在して
いる線解像の限界を克服しつつ、従来使われて来たもの
に比べて、球面石英レンズ素子の数を減らすことを可能
とする。照明ビームの限定されたバンド幅は、位相プレ
ートの特性と相俟って球面収差と色収差との十分な補償
を可能とする。

【００６０】レーザー以外の光波エネルギー源も、必要
な特性を持っていれば使うことができる。例えば、いく
つかの水銀アーク光源の個々の発光線(line)がこの要求
を容易に満足する。このことはKevin Burns とKenneth
B. Adamsの論文 ("Energy Levels and Wavelengths of
the Isotopes of Mercury -199 and -200", Journalof
the Optical Societyof America, vol. 42, No.10, Oc
tober 1952, pp.717-718) に見ることができる。その論
文の、Hg199 のある線に対する線解像を示す表１ａは、
必要な時間的コヒーレンスを示している。これらの線は
ランプ放射の２５６ｎｍのバンドも一緒に含む。従来の
方法で色消し（バンド全域にわたって計算される）の問
題を解決していることから、これらの線の成分のそれぞ
れが利用できる十分な時間的コヒーレンスを持つ光源で
あることがわかる。

【００６１】もう一つの例をあげると、その論文の表１
ｂは、３６５ｎｍのバンドのHg199の詳細を示してい
る。ここで、色消しの問題は従来の方法で解決されてお
り、従って位相プレートを従来と同様の、しかし非常に
汎用性のあるパワーの小さい非球面レンズとして機能す
るように設計することもできる。その様な設計の結果、
必要なガラス素子の数が減り、またその性能も改善され
る。位相プレートはブラッグ・グレーティングとして、
中心波長が最大の効率を持つように計算される。しか
し、表１ａと表１ｂをよく調べると、所与のHg放射バン
ドの頂点から下までのトータルの広がりは1000分の２よ
り小さいということが分かる。従って同調は比較的小さ
な問題である。

【００６２】位相プレート技術を３６５ｎｍ，４０４ｎ
ｍあるいは４３８ｎｍのような時間的コヒーレンスの高
い光源がえられるものより従来のものに近い波長領域で
のレンズ設計に応用すると、その技術は著しい簡便さを
もたらす。というのは、より高次の非球面を、設計の要
求からだけでなく、球面素子そのものの小さいが実際に
ある理想からのずれを補償するために、規定できかつ正
確に構成できるからである。

【００６３】図２と図５をもう一度参照していうと、位
相プレート６０は、リング６８により規定されるブレー
ズ透過グレーティング領域の外側に、多数の分離した同
心透過複数プラトーリング８８を含む。これらのリング
８８は同じくSiO₂から成りフェーズレンズ６０を与える
べく、基板表面にデポジションまたはエッチングするこ
とにより形成される。リング８８の幅と傾きはより長い
赤の波長に対して選ばれる。その波長はフォトマスク４
０により定められる像が結像されるウェーハ５２のアラ
イメントに用いるものである。従って、幅と傾きは紫外
線範囲で用いられるリング６８のものより大きくなる
が、８段階に高さが増す手法は同様に用いられる。層を
２値的に累加したりあるいはエッチングしたりする同様
の工程が用いられるが、用いられる厚みがより厚いた
め、リング８８は普通にはリング６８と別に形成しなく
てはいけない。

【００６４】リング８８の目的は同時に光学システム５
８，６２と組み合わさってウェーハ５２の上にビームを
集束させ、信号が、基準参照マークを有するフォトマス
ク４０に対するウェーハ５２の正確な位置を示すように
発生されるようにすることである。ウェーハ５２上の基
準マークは単独で検知することもできる。

【００６５】赤の波長はウェーハ５２上のフォトレジス
ト層に影響しないため、それを紫外の照明と同時に用い
ることができる。ここで図７を参照するとアライメント
のためウェーハ５２上に精細に集光した基準ビームを与
えるためのアラインメントシステム４６が示されてい
る。

【００６６】このシステムはスペクトルの赤の部分にあ
る６３３ｎｍの単色波長を持つHE-NE(ヘリウム−ネオ
ン）レーザーを利用する。レーザー９０はガウス分布し
た狭い出力ビームを発生し、そのビームはビームエキス
パンダ９１によってもっと広いパターンに広げられる。
この広がったビームは第一と第二の液浸した非球面９
３，９４によって一つの環状パターンに変えられ、第一
の非球面はリング状の分布を作り、所与の半径上に集光
する集束ビームに光を形成し、一方、第２の液浸非球面
９４は、環状瞳パターンを形成するようビームを実質上
コリメートする。この環状瞳パターンは第一のコーナー
反射器９６とダイクロイック反射型の第二のコーナー反
射器９７で反射され、第１図のシステムの紫外ビームの
光路中に入る。環状ビームは第二のフィールド・レンズ
２９と組みあわさってレンズ９５によってフォトマスク
面４２の上に集束し、フォトマスク４０上の基準パター
ン領域を照明する。その後、このビームは光学システム
５６に入り、位相プレート６０上の複数プラトー・リン
グ８８領域を被うような環状の瞳として再び結像され、
またレンズの組５８，６２によってウェーハ５２上に集
束及び再結像され、そして反射してまた光路にもどされ
る。反射した赤の光の基準パターンはダイクロイックコ
ーナー鏡９７を通ってアラインメント検出器９９に到達
する。検出器は直接と反射の基準像を比較し、必要なオ
ーダーの精度のある既知の方法でウェーハの位置決めを
するためウェーハステッパー５４を制御するアイライン
メント信号を作る。

【００６７】このように、図１〜図７のシステムは、ウ
ェーハの位置決めをするのに必要な正確な調節を可能と
する非干渉的なアラインメント・システムを統合的に含
む。外側のリング８８は紫外用の同心リング６８と同じ
中心軸に対し配置できるので、同心性が保証される。

【００６８】位相プレート６０の上で正確に配置された
同心トラックを定めるための直描システムの主要な素子
が図８に示されているが、ここではこの図を参照する。
ここで位相プレート６０は精度の高いエアースピンドル
１１０の上にマウントされ、このスピンドルは安定な例
えばグラナイト（花崗岩）のベース１１２にある凹部１
１１内の空気軸受により回転する。スピンドル駆動装置
１１４は磁気式あるいは空気式のいずれであってもよい
が、例えば２５rps のような決まったレートでエアース
ピンドル１１０を回転させるように結合される。エアス
ピンドル１１０の上面に置かれる位相プレート６０は、
直交Ｘ，Ｙ軸に沿って完全ではないが実際上十分な精度
で位置決めされる。これはエアスピンドル１１０の周辺
にあるポスト１１７から延びる高精度な調節ねじ１１６
による。空圧源１１８はベース１１２内の導管１１９を
通じ、エアースレッド１２０に対してエアースピンドル
１１０の中心軸の垂直位置と水平芯位置の両方を保つよ
う圧縮空気を送り出す。しかし、見て分かるように、中
心軸に対して位相プレート６０の位置を決めるのに芯出
しシャフトあるいは他の機構は使われていない。エアー
スピンドル１１０の上部に隣接したエアスレッド１２０
はエアスレッド１２０の下に突き出る空気軸受式フット
パッド(foot pads）１２１と水平に伸びる空気軸受式サ
イド・パッド(side pads）１２２に乗ってスピンドル１
１０に対して横方向に動かすことができる。フットパッ
ド１２１はグラナイト（花崗岩）ベース１１２の上面基
準面の上で浮上させる形でエアースレッド１２０を支
え、一方サイド・パッド１２２はグラナイトベース１１
２の垂直延長部１２６（又は、ベース１１２と固定され
た関係の分離した部位）の垂直側面基準壁１２５からの
小さな距離を一定に保つ。エアースレッド１２０をブロ
ック１２６上で垂直基準面の方向に機械的に偏位させる
方法は示されていないが、空圧源あるいはサーボ機構を
含むこともある。側面でのこの空気軸受は、従ってエア
ースレッド１２０が壁１２５に平行な方向あるいは位相
プレート６０に対して半径方向に動くことができても、
側壁１２５からの距離は正確に維持される。空気軸受に
加圧する内部の導管は詳しくは示されていない。

【００６９】エアースレッド１２０は、高剛性なステン
レス鋼構造の、エアースレッド１２０と結合されたバー
１３２につながるアクチュエータ１３０によってブロッ
ク１２６の垂直基準面に平行な方向で位置決めできる。
バー１３２のアクチュエータ１３０によるこの軸に沿っ
た移動は位相プレート６０の半径方向位置とエアースレ
ッド１２０の上に設けられた偏向システムからの書き込
みビームの半径方向位置を変えるが、これについて以下
詳しく述べる。位相プレート６０の概略の位置決め制御
のため、エアースレッド１２０上のレトロ反射器１３４
はレーザー・ビームを干渉計（ヒューレット・パッカー
ド社モデル5110でもよい）１３６に戻す。この干渉計１
３６とアクチュエータ１３０を制御するガイド位置決め
サーボ１３８で、エアースレッド１２０とエアースピン
ドル１１０の位置を楽に１ミクロン以下に維持すること
ができる。位相プレート６０上のトラックの位置は、磁
気あるいは光データディスク用のマスタートラック書き
込みシステムの形式の、コンピュータ１４６とデータ収
納部１４８を含んだトラックデータ収納部及びシーケン
スシステムにより定められる。データ収納部１４８は正
確なトラック位置、トラック幅及びトラック・パターン
変調に関する必要な情報を保持する。コンピュータ１４
６の制御のもとで、トラックパターン変調信号はデータ
収納部１４８から変調器駆動部１５０を通って書き込み
ビーム制御に送られる。これについて以下詳しく説明す
る。

【００７０】これまでの記述から分かるように、エアー
スレッド１２０は直交する２方向の各々に対しかなり高
い精度で位置決めされる。この位置の一つはアクチュエ
ータ１３０の制御のもとで位相プレート１６０上の異な
るトラックを選べるよう変わる。エアースピンドル１１
０自身は凹部１１１内でその名目上の軸に関し空気芯出
しされ(air centered)ており、位相プレート６０はエア
ースピンドル１１０上で周辺にある位置決めねじ１１６
によってある程度大まかに固持される。

【００７１】最終的な正確で動的な位置決めのために、
システムは位相プレート６０の外縁に配置された基準リ
ング１５１に対してレーザー・ビームを偏向する。これ
らのリング１５１はクロムあるいは他の不透明材料でで
きており、フォトマスク上の高精度リングを用いたデポ
ジションあるいはエッチング工程によって、前もって位
相プレート６０の上に作られる。しかし、また、これら
は直描シーケンスによって位相プレート６０が最初にエ
アースピンドル１１０上で芯出しされる時、その周囲の
表面に分離して作ることもできる。この手法が本例では
用いられる。これらリング１５１の約２０個は、位相プ
レート６０をその任意に決めた芯のまわりで回転させ、
フォトリソグラフィー技術あるいは高精度なカッティン
グ技術で円環を作ることにより1.5 ミクロンから4.0 ミ
クロンまで変わる特定の幅と間隔のものとして組み入れ
られる。そしてリング１５１は手動調節の間の位相プレ
ート６０のその後の各々の再位置決めのための、また更
に微小な偏心を補償するための書き込みレーザー・ビー
ムの動的制御のための芯出し基準として利用される。従
って、機械手段では一般に不可能な精度が達成できる。

【００７２】グラナイトベース１１２の上に設けられた
観察及び検出システムは、最初の、及び動的な調節のた
めに用いられる。支柱１５２は基準リング１５１を横切
り位相プレート６０の、ある固定位置まで延びるアーム
１５４を含む。自動焦点のための従来と同様な光源やボ
イスコイル・アクチュエータ・システムは簡単のために
ここで示していないが、しばしば用いられることにな
る。位相プレート６０に近接したレンズ１５６により、
光源１５７の像を写し、ビームスプリッター１５８から
第２のビームスプリッター１６０を経て、接眼部１６２
へ反射させる。光源１５７の波長は位相プレート６０上
のフォトレジスト材料が反応する波長とは異なる。接眼
レンズ１６２を通して操作者は基準リング１５１の相対
位置を見て、位置決めねじ１１６を調節して、エアース
ピンドル１１０上の位相プレート６０の大まかな芯出し
（例えば約１ミクロンまで）をすることができる。

【００７３】その後の書き込み操作の間、幾つかの（例
えば２０）基準リング１５１がビーム・スプリッタ１６
０を通ってミラー１６１へ、更にレンズ１６４を通って
レチクル１６６上に結像される。レチクル１６６は、基
準リング１５１の特定の幅と間隔に対応する不透明な線
１６８を有し、その上に位相プレート６０からの反射リ
ング像が重なる。位相プレート６０上の反射基準リング
の間の空白間隔がレチクル１６６上の不透明な縞１６８
とちょうど重なった時は最大信号が与えられ、リング１
５１の反射した像がレチクル１６６の透明な線の部分に
重なった時は最小の信号が与えられる。パターンでいく
らくの偏心があると、レチクル１６６の後方の光検出器
１７０が前置増幅器１７２を通し、偏心変動に伴う正弦
波状に変化する信号を与える。この正弦波状変化の周期
は比較的長く、回転レートで決まる。代わりに、レチク
ル１６６は与えられた角度内で基準リングの像による線
の数より少ないかあるいは多い線を含んだものを用いる
こともできる。これは、ある決まった形で基準リング・
パターンと相互相関するパターンを形成し、振幅が偏心
変位と関係した交番信号が発生される。

【００７４】この偏心変化は位相プレート６０に向かう
書き込みビームの半径方向での位置を決め、偏心を0.1
ミクロン以内に保つために利用される。この目的のため
に、安定なグラナイト基準ベース１１２にレーザー１８
０が固定され、レーザー・ビームは、固定された反射器
１８１からエアースレッド１２０の上に設けられたハウ
ジング１８２へ向けられる。ビームは反射器１８１から
音響光学変調器１８４へ偏向される。レーザー１８０は
その波長がフォトレジストを効果的に露光し、定められ
た像を形成するように選ばれる。変調の後のビームはコ
ーナー鏡１８６，１８６から一対の反射器１８７，１８
７へ向かいハウジング１８２の側方アーム１８９の中の
音響光学偏向器１８８を通って、その後、ミラー１９０
で偏向し、レンズ１９２を通って位相プレート６０のあ
る下の方の領域に集光する。ここでも従来からの自動焦
点システムを使えるが、それは示していない。音響光学
変調器１８４は変調器駆動部１５０から変調信号を受
け、音響光学偏向器１８８は偏心センサー回路１７０，
１７２から制御信号を受ける。偏向器１８８はトラック
に当たるレーザー・ビームの半径方向位置をエアースレ
ッド１２０の位置により決められるビームの名目位置に
対して変えて、光検出器からの信号に応じて、残った偏
心を取り除く。

【００７５】サブミクロンの分解能が、光学システムに
対しプラトーを配置する際に達成されるように、位置決
め精度が望まれるとき、特別の考慮が装置の校正に対し
なされなければならない。装置を校正するためには、位
相プレート６０そのものを基準として利用する。外側反
射基準リング１５１に加えて、フォトリソグラフィー技
術によってあるいはクロム表面に描いて、位相プレート
６０の中心に非常に近いところに第２の組のリング１９
３を書き込む。これらのリング１９３を一般的に図２と
図５で示す。外側及び内側基準リング１５１と１９３そ
れぞれを初めの回転中心に対し、中心を同じくして書き
込む。この初めの回転中心は位相プレート６０を回転エ
アースピンドル１１０上で位置決めすることによりある
任意の制限内に定まるが、この時点ではそれ以上正確に
はわからない。測定と計算の手順は一人の操作者によっ
て行うことができるが、校正のためにリングの位置を正
確に決めるのに干渉計１３６とコンピューター１４６を
含む図８のシステムを有効に利用できる。エアースレッ
ド１２０はレーザー１８０のビームと反射信号を検出す
る図８のセンサー（示されていない）を伴って半径方向
位置の全長に亘り移動する。この検出器は各々のリング
を集光ビームが通過する間、信号変化を与え、そのパル
スのおのおのはトリガー信号として利用される。干渉計
１３６の読みを同時に取って、データ・プローセッサー
でそれをトリガー信号と相関させる。この様に、最初は
外側の組１５１の各々のリングが検出され、干渉計１３
６からの干渉縞の数は半径方向位置の正確な表示として
計算機１４６に入る。半径方向の走査は内側リングの組
１９３を通り中心の両側で実行され、それぞれの分離し
たリングが基準点を通った時、トリガーがかかり読み取
る。コンピューター１４６を使って線形回帰を行い、正
確な平均値を計算し、回転中心を非常に高い精度で決め
ることができる干渉計１３６の測定を利用して、外側リ
ングの組１５１の、この計算による中心に対する半径方
向の距離を決めることができる。この計算はその時の温
度、圧力及び光速といった条件に対して正確な校正を行
うことを可能にする。後の校正と比較するため規準が設
定され、全ての有意の変動に対して小さいが有意の補正
を計算することができる。こうして、干渉計の測定値を
利用して複数プラトーの半径方向での位置を決める時、
その精度は±１／１０ミクロンに維持され異なる領域で
の位相遅れが保証できる。

【００７６】従って、操作において、名目上中心となっ
ているエアースピンドル１１０と位相プレート６０は決
められた規準に対し、位相プレート６０に連続トラック
を書き込むのに必要な高いオーダーの精度まで初めに精
度よく置く必要はない。マイクロリソグラフィーの工程
を始めるに際し位相プレート６０の中間領域にフォトレ
ジスト材料を塗布した後、操作者は基準リング１５１を
観察することにより、位置決めねじ１１６で、初めに位
相プレート６０の概略位置を決めればよい。エアースピ
ンドル１１０が回転している状態に於いて基準リング１
５１に対するどの様な偏心があっても長い周期の正弦波
状の偏心信号が発生され、偏向器１８８による偏心の動
的補正が行なわれることになる。逆の、即ちエアースレ
ッド上に偏心センサーを置きレーザー・ビームを固定す
る配置をとることもできるということがわかるであろ
う。しかし、ここで示した配置がエアースピンドル１１
０に対してより良い安定性を与える。

【００７７】スピンドル駆動サーボループは所望のリン
グの半径方向位置とわずかに異なる位置に駆動する可能
性もある。しかし、この違いも音響光学偏向器によって
加えられるビーム補正の成分として補正される。外側及
び内側基準リングを、それらのリング間距離と幅を規則
的でない形で配列することによって、有利に配置するこ
とができる。基準（リング）の組のリング間間隔の配列
は、純規則的から疑似ランダム、ランダムあるいは例え
ば数学的級数による関数的な配置まで変えることができ
る。

【００７８】従って、複数リングの組の中の各々のリン
グの同定は、配置間隔の特性から可能となり、一つのリ
ングが他のリングと間違えられると生ずるあいまいさが
避けられる。リングをこのように規則的でない間隔で配
置することの更なる利点は、以下に説明する偏心センサ
ーシステムの光検出器から来る特有の誤差信号が、その
誤差曲線に於いてあいまいさも位相反転も含まないよう
に形成できることである。

【００７９】位相プレート６０の始めの表面処理、独立
のフォトリソグラフィー工程あるいはエアースピンドル
１１０上にある時のカッティングのどちらかにより外側
基準リングが作り込まれた後、一つの代表的な位相プレ
ート６０への直描工程が始まる。どんな時でも位相プレ
ート６０をエアースピンドル１１０上の保持システムか
ら取り去り、必要な深さまでフォトレジスト層を塗布す
ることができる。この層は複数プラトーレベルが形成さ
れるべき領域がその中にある基準リング１５１を含んだ
領域全体に亘り設けられる。フォトレジストが実質上赤
色光に対して透明であるので、偏心検出器で基準リング
を見ることができる。

【００８０】次に位相プレート６０がエアースピンドル
１１０の上に再び配置され、操作者は初めに接眼部１６
２で監察しながら、概略、芯が出るまで、手動で調節を
行なう。その後、エアースピンドル１１０が決められた
レートで回転し、レーザーが選んだトラック位置に集光
され、トラックが前もって決められた幅で書き込まれ
る。トラックのそれぞれの書き込みに従って、エアース
レッド１２０の位置がコンピューター１４６の命令のも
とでのアクチュエータ１３０によって別の半径方向のト
ラック位置へ再位置決めされる。次のデポジションある
いはエッチング段階の後、そのプラトー・レベルを持つ
ことになるすべてのトラックに対し完全に露光が行なわ
れるまで、他のトラックが連続的に書き込まれる。

【００８１】それとは別の手順としては、エアースレッ
ド１２０をスピンドル１回転で 0.1ミクロン・ピッチと
いう一定のレートで動かすことである。このように作ら
れたスパイラル・パターンは断続的駆動によって形成さ
れた円形パターンと実効的には区別できない。

【００８２】そして位相プレート６０をエアースピンド
ル１１０上の位置から取り去り、光露光された像を固定
して、決められた像を残すよう現像されていない部分を
落とす。その後、デポジションあるいはエッチングを必
要なレベルまで行ない、固定したレジスト層を全部落と
し、代わって、次のトラック・グループのパターンを書
き込むため新しいレジスト層を置く。その後、この手順
を繰り返す。すなわち、フォトレジストを露光し、固定
されていない部分を洗い落とし、次のプラトーまでデポ
ジションあるいはエッチングし、そしてもし必要があれ
ばこのサイクルを再び繰り返すことができるよう固定さ
れたフォトレジストをもう一度取り去る。

【００８３】高精度同心トラック位相プレート上に直接
書き込むこの方法によって、デポジションあるいはエッ
チングされるプラトーの各々のレベルに別々のマスクを
作って置くということが避けられる。このことは超高解
像システムにとり、特に重要である。このシステムに於
いては、仕上げられたレンズ要素の実際の特性に応じ最
良の補正を施すため、計算によって位相プレートは個別
化される。この目的のため、最初にレンズ要素を設計
し、決められた理想特性に最も近い状態まで、研削研摩
する。その後、これらの要素の理想からの程度と内容を
解析し、実際の特性に合わせた補正が計算される。この
情報は計算され、ディスクファイル、テープ送りあるい
は他のメモリーシステムのようなトラックデータ収納部
に入れられる。校正した値に基づいてトラック・データ
収納部の内容を更に修正することができる。このような
個々に応じた調整は個々のシステムに最大の解像を与え
ることができる。

【００８４】このすぐれた方法はデポジションあるいは
エッチングに個々のマスクを用いることを不可能としな
い。その方法をそれぞれ図９と図１０で示す。この二つ
の図は段階的手順によって、決められた高さの八つのプ
ラトーの規則的なつながり（明確にするために図９と図
１０では誇張されているが、紫外波長に対して、一般に
４２７ｎｍより大きくならない）がどう形成されるかを
示す。プラトーの位置は、一番低いプラトーから一番高
いプラトーの範囲に零から七までに設計される。簡単の
ため、いくつかの段階は組み合わされる。

【００８５】まず図９を参照すると、第１のマスク２０
０が用意され、従来の形の密着転写機構を用い、基板表
面に塗布された第１のレジスト層２０２の上に密着して
置かれる。三つのデポジション段階だけで八つの異なる
層を得るために、デポジションが２値的に、層の厚みが
波長（を単位とした）最小増分の倍数で変わるよう行な
われる。用いるレジストはポジのものであってもあるい
はネガのものであってもかまわない。ポジかネガかによ
って第１マスク２００を通じて露光された後、露光され
たあるいは露光されなかった領域のどちらかが洗い落と
される。同様に、マスク上での像がポジであっても、ネ
ガであってもよい。この例では、ポジのレジスト材料を
用い、光を受けたフォトレジストは固定されず、洗い落
とされるが、一方、未露光部は固定される。洗浄後、基
板上の遮蔽された材料のパターンは、図９の（Ａ）の第
１のマスク２００で不透明とされた領域に対応する。ベ
ーパーデポジション工程を用い、またベーパー状シリカ
が基板２０４に堆積するとき、その厚さを監視すること
によって、図９の（Ｂ）から分かるように、第１のプラ
トーが位置１，３，５及び７に作られるがレジスト層２
０２は洗い流されている。図９の（Ｃ）に示されるよう
に、その後、第２のレジスト層２０５が置かれ、位置
０，１，４，５を隠す第２のマスク２０６で被われる。
図９の（Ｄ）に示されるように、マスク２０６を通じて
露光し、マスク２０６を取り去り、そして洗浄した後第
２のプラトーをデポジションし、すべての露光領域に第
１（プラトーの）二倍の厚みを加える。図９の（Ｄ）か
ら分かるように、この手順は基板を残す。位置０，４を
ゼロ平面として始まる２つの４段階手順があるというこ
とが分かるであろう。図９の（Ｅ）が第３のマスク２０
７の適用を示す。すなわち、それが第３のレジスト層２
０８の上にあって、露光されたフォトレジストを除去し
た後、４つ分の高さの層が付加され、０〜７（図９の
（Ｆ））のプラトーの規則的な継ながりが残るよう位置
０〜３をおおう。一連のマスク２００，２０６，２０７
を置く際、位置を正確に決めるために、位相プレートの
外周の基準リングが利用される。マスクを用いる順番を
逆にして同じ結果を得ることも可能である。

【００８６】図１０は一連のプラトーを基板にエッチン
グする手順を示す。マスクの透明な領域は物質が基板か
ら除去されるレジスト層の領域を示す。同様な３段階の
層形成手順が用いられるが、プラトー形成の順番が逆に
なり、初めに一番深いエッチングが行われる。第１のマ
スク２１０（図１０の（Ａ））は第１のレジスト層２１
１上で位置４〜７をおおい、四つ分の深さの層のエッチ
ングが位置０〜３（図１０の（Ｂ））で低いプラトーを
作るために用いられる。図１０の（Ｄ）における４つの
２つ分の高さの増加分を残すために、第二のレジスト層
２１３上の第二のマスク２１２は位置２，３，６及び７
を被い隠す。その後、第三のレジスト層上の第三のマス
ク２１４は位置１，３，５，７を被い、第三の単層エッ
チングにより図１０の（Ｆ）の規則的な一連のプラトー
が残る。

【００８７】すでに説明した理由のため、直描技術が望
ましいが、個々のフォトマスクを第８図で示す高精度な
ビーム書込みシステムを用いて作ることもできる。基準
パターンと個々のトラックを書き込む間、感光材料をエ
アースピンドル上のフレーム内に保持し、位置を保つこ
とができる。

【００８８】基準リング１５１，１９３は最初の書込み
の間に、クロム面に配置することができる。スピンドル
１１０の位置精度が高いので基準リングはほとんど環状
でリング・パターンの中心を規定し、また中心軸と同心
であるので、偏心補正を必要としない。外側基準リング
用のマスク２２０の一部を図１１で示すが、個々のトラ
ックが非常に小さいので、これらを大きく拡大してい
る。各々のマスク２２０の芯を保証するように、位相プ
レートの周辺近くの外側基準クロムリングとのアライメ
ントのため、基準リング２２２は外側領域に与えられ
る。複数プラトー・パターンの個々のプラトーを規定す
るトラックは不透明領域２２４と透過領域２２５として
示されている。

【００８９】従来の方法によるシステムで個々のレンズ
素子の精密な芯出しとアライメントは、長い時間と大変
な努力を必要とする。この仕事を簡単化するため、位相
プレート６０の外側部分に近いクロム基板に初めから何
組もの芯出し及び位置決めグレーティング・リング２２
８（図２及び図５）が組み込まれる。従って、位相プレ
ート６０がその位置にある時、これらのリング２２８は
自動的に芯出しされ、また臨界開口(critical apertur
e) にあることになる。多くのその様なグレーティング
・リング・バンドは外側基準リング１５１と赤色光波長
透過グレーティング８８の間に置かれる。図１２で示す
ように、個々のバンドは初めの組み立てとアライメント
の手順にかなり有利に用いられる。これはこれらのバン
ドが角度に於いてもエレメントの間隔に於いても必要な
精度を保つからである。位相プレート６０は初めに臨界
開口(critical aperture) に配置され、それを基準とし
て、すべてのレンズ素子の位置決めと芯出しがなされ
る。図１２の（Ａ）に見る様に、この目的のため光源
（示していない）からの平行光は、位相プレート６０上
の芯出し及び位置決めグレーティング２３２の第一のバ
ンドに照射されるよう、開口板２３０を通過することに
よりリング形状にまず成形される。その後、第一のレン
ズ素子２３４を光軸の中心に対して調整し、光を光軸上
での正確な点２３５に集光するようにする。この点はそ
の後軸上の基準となる。非常に小さな穴があるついたて
２３６がこの位置に置かれる。芯出しと位置決めグレー
ティング・リング２２８の組のこのバンド２３２はその
特定の素子だけで集光するよう第一のレンズ素子２３４
の実際の特性に関する情報によって形成される。その
後、位相プレート６０上の芯出しリングと位置決めリン
グの第二のバンド２３７が第二の開口板２３８を通して
平行光で照明される。ここで第二のバンド２３７は第一
のレンズ素子２３４と第二の素子２４０の組み合せの特
性に従って光線を曲げるように設計される。再び同様に
光軸上の選んだ点２３５で焦点を結ぶまで第二の素子２
４０は動かされる。なお、図示した実施例では第二のレ
ンズ素子として１つのレンズを示しているが、これに限
定されるものではなく複数のレンズ素子を用いるように
しても良い。

【００９０】図１２の（Ｃ）から分かるように、位相プ
レート６０の臨界開口 (critical aperture) 位置の同
じ側で全部の光学素子が付加され組み込まれるまで、こ
の手順は、個々の光学素子とグレーティング・リングの
バンドについて繰り返される。位相プレート６０の反対
側にあるレンズ２４８の位置合わせを行なう場合には、
ついたて２３６の焦点２３５に対応する穴が後ろからレ
ーザー２５０と縮小結像レンズ２５２で照明される。こ
の穴を透過した光は、図１２の（Ａ），（Ｂ）の場合と
同様に、図示しない成形開口板２４６を経てリング状と
なる。このビームは、先に芯出しされたレンズ素子２３
４、２４２、２４４を通過して位相プレートの別のバン
ドの組２４５を照明する。バンド２４５を透過したビー
ムがレンズ２４８を透過して軸上の集光点２４９を作
る。この点が基準として他のレンズ素子２４８を反対側
で芯出しし、軸上の位置決めをすることができる。全部
のレンズ組み立てが終了するまで、その後も別のレンズ
素子についてこれらのステップを繰返すことができる。
即ち、レンズ２４８に加えて更に他のレンズの芯出しを
行なう場合には、レンズ２３４、２４０等について説明
したのと同様に、位相プレート６０上の更に別のバンド
を用いて集光点２４９にビームが焦点を結ぶように他の
レンズを動かせばよい。

【００９１】従来の芯出しそして軸方向位置決めの技術
も利用できると考えられるが、最も精密に作られたレン
ズでも製造許容誤差があるため、またこれらはレンズ素
子のいろいろの累積的な組み合せに対して決定されるた
め、そして更に位相プレート６０は臨界開口(critical
aperture) に固定されるため、位相プレートそれ自身を
用いることはこの点で特に有利である。

【００９２】ここで図１３を参照すると、この発明によ
る顕微鏡２６０の主な素子は、顕微鏡２６０の臨界開口
(critical aperture) の位相プレート２６２を含む。被
検標本２６４は透明基板２６６の上そして一般的には厚
さ0.18ｍｍの薄いカバー・ガラス２６８の下に置かれ
る。発明による照明器２７０は複数光源を含む空間的に
ランダム化された、時間的にコヒーレントな光ビームを
標本２６４を通り顕微鏡２６０の対物レンズの方へ向か
わせる。位相プレート２６２の設計は光学システムの屈
折素子の球面収差を補正し、そして単色照明は横の色補
正に対する必要をなくす。カバー・ガラス２６８は当た
る光線に特有な球面収差を加えるが、それも同様に補正
できる。特に平らな像面の対物がしばしばカメラ観察に
要求され、球面収差補正は、非点収差と像の平面度も更
により良く補正されることを可能とするので顕微鏡に対
するこの応用には更に総合的な有利性がある。

【００９３】"Axicon, ; A New Type Optical Element"
(J.H.McLeod, "The Axicon, A NewType of Optical El
ement", Journal of the Optical Society of America,
August 1954, pp.592-592) と題された論文に、平面波
を光軸と共軸な実際のあるいは実質的な線状の像に変換
する円錐平面レンズシステムの記述がある。このタイプ
のシステムの長所はそれが非常に細い相当な長さの円錐
形針状光を与え、光学記憶再生装置のような多くの最近
の光学システムに必要なオートフォーカス・システムを
必要としないことである。その効果は、アキシコン面で
屈折した平面波の収束と強め合いにより達せられる。線
状光の軸方向位置は収束アキシコン素子の開口で制御で
き、線状光の幅あるいは大きさは開口数あるいはビーム
の収束角度で制御できる。しかし、特別な円錐形のそし
て他の非球面表面が必要となるので、このタイプの光学
システムの十分な可能性はこれまでの所まだ実現に到っ
ていない。

【００９４】しかし、この発明によれば、アキシコン効
果が照明器２７０を位相プレート２７２及び球面レンズ
２７４（必要なら２個以上の屈折素子を用いてもよい）
と一緒に用いることにより得られる。位相プレート２７
２に複数のプラトーを半径とは無関係に実質的に等しい
幅と厚さをもつよう配列することによって、球面レンズ
２７４との組み合わせに於いて円錐レンズの効果は２倍
となる。位相プレートでの光線の曲がりは約３°に制限
される。図１４から分かるように、収束平面波は有用な
かなりの程度の焦点深度を与える。もし必要なら複数の
プラトー・リングに変化を持たせることにより、同じ位
相プレート２７２で、球面レンズ２７４の球面収差が補
正できるということがわかるであろう。

【００９５】図１５と図１６で、発明の概念の円柱レン
ズ・システムへの応用が示されている。このような応用
では、照明器２７０は規定された特性の光を傾きと幅が
変わる平行な線の形で変形複数プラトー２８４を有する
位相プレート２８２を通るように向ける。プラトーの傾
きと幅は同じ光路内にある円柱レンズの組２８６，２８
８の中心光軸に対して非線形に変わる。円柱レンズの組
２８６，２８８に於ける位置遅延による収差の補正は光
軸に対する位置に応じ、位相プレート２８２全体に亘り
取り入られる。

【００９６】位相プレートが、適当な光投影器との組み
合わせで、その光学システムから拡がり、円柱（レン
ズ）の軸を含む面内にあるシート状の光を形成する浅い
プリズム又は複プリズム(bi-prism)に近い作用をする、
そのような位相プレートと円柱レンズの組み合わせがで
きるということもわかるであろう。これに加えて、これ
まで述べた他のシステムもこの様に作られる像界内で結
像システムとしても読み出しシステムとしても等しくう
まく作用することができる。

【００９７】多くの方法、手段及び変形を述べたが、こ
の発明はそれだけに限られるのではなく、特許請求の範
囲に記載された範囲内の全ての形態と変形を含むことが
認められるであろう。

【００９８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、任意のリ
ング幅の分布を有する高精細なリングパターンを描画で
き、更に各リングの断面が２の累乗の段数を有する階段
形状で近似された、高い回折効率を有する透過グレーテ
ィング素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、照明系及び位相プレートを含むこの発
明によるシステムの主要な要素の簡略化した概略構成図
である。

【図２】図２は、図１のシステムに用いることのできる
位相プレートの一部分の正面図であり、少し理想化され
た形で、一般的なリング配列を示す。

【図３】図３は、位相プレートの部分側断面図であり、
位相プレートに於けるプラトーの変化と波面の変動の補
正を示す。

【図４】図４は、図３と同様な別の部分側断面図である
が、ただし、波面補正の異なる様相を示す。

【図５】図５は、プラトーに加えて内側と外側のグレー
ティングリングを説明する位相プレートの拡大した断面
の一部描写である。

【図６】図６は、位相プレートの他の部分側断面図であ
り、位相反転を組み入れる方法で示す。

【図７】図７は、図１のシステムで用いるウエーハ・ア
ライメント・システムのより細部を示す構成及び概略図
である。

【図８】図８は、この発明に従って、位相プレートを作
るための直描システムを示す断面構成図である。

【図９】図９は、ＡからＦの部分から成り、デポジショ
ンによって位相プレートを形成するのに用いられる各ス
テップの描写である。

【図１０】図１０は、ＡからＦの部分から成り、エッチ
ングによって位相プレートを形成するのに用いられる各
ステップの描写である。

【図１１】図１１は、この発明により位相プレートを作
るのに用いることのできるフォトマスクの一部分の平面
図である。

【図１２】図１２は、ＡからＣにて、システム内のレン
ズ素子のアライメントに用いることのできる個々のステ
ップを示す。

【図１３】図１３は、この発明による高い解像の顕微鏡
法に用いられるシステムの一例の側面概略図である。

【図１４】図１４は、本発明による、光軸に沿った針状
の光の線を与えるアキシコンタイプのシステムの側面概
略図である。

【図１５】図１５は、本発明による位相プレートを用い
た円柱レンズ・システムの簡略な配置図である。

【図１６】図１６は、図１５のシステムの平面図であ
る。

【符号の説明】

１１０ エアースピンドル １２０ エアースレッド １７０ 光検出器 １８８ ＡＯ偏光器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の同心円リングパターンを基板上に
   描画するためのパターン露光装置であって、 表面に基準リングパターンを配設してなる基板を保持
   し、回転させる回転支持手段と、 光源を含み、前記基板表面に露光用スポット光を与える
   ための光学系と、 前記回転支持手段と前記光学系とを相対的に１次元移動
   させる駆動手段と、 前記基準リングパターンに光を照射し、該基準リングパ
   ターンからの反射光を受けて、前記基準リングパターン
   の中心と前記回転支持手段の回転軸との偏心を検出する
   手段と、 検出された偏心データに基づいて、前記露光用スポット
   光の前記基板表面上での位置を、前記回転支持手段の回
   転に同期して回転方向と交差する方向に移動させる偏心
   調整手段と、を備えたことを特徴とするリングパターン
   露光装置。
2. 【請求項２】 基板上に複数の同心円リングパターンを
   描画するためのリングパターン露光方法において、 表面に基準リングパターンを有する基板上に感光材料層
   を形成するステップと、 該基板を回転装置に取付けて、その回転軸と基準リング
   パターンの中心とが略一致するように調整するステップ
   と、 前記基板を回転させつつ基準リングパターンに光を照射
   し、基準リングからの反射光を受けて基準パターンの中
   心と基板の回転中心との偏心を検出するステップと、 前記感光材料層に描画用光スポットを照射し、前記ステ
   ップにより検出した偏心データに基づいて前記光スポッ
   トの位置を変位させ、感光材料上に描かれるリングパタ
   ーンの中心と前記基準リングパターンの中心とを一致さ
   せて描画するステップと、を備えたことを特徴とするリ
   ングパターン露光方法。