(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
線形構造の所望の周期的パターンを、基板上に形成された感光性層に印刷するための方法であって、前記方法は、
ａ）前記所望の周期的パターンの周期の２倍の周期を備えていて、第１の方向に対して平行な線形構造のマスクパターンを有するマスクを準備するステップと、
ｂ）前記感光性層を、前記マスクに対して実質的に平行に、前記マスクパターンから間隔をあけて配列するステップと、
ｃ）単波長の実質的に単色光を発生させるステップと、
ｄ）前記マスクパターンを、所定の角度範囲を有する前記光により、実質的に、前記第１の方向に対して平行な第１の面において照明するステップであって、前記照明により、前記マスクを透過する照明の各角度における前記光が、タルボット面間に横断強度分布の範囲を形成し、前記感光性層に光照射野の部分を形成し、前記光照射野の部分の重ね合わせ部分が前記所望の周期的パターンを印刷するステップと、
を含む方法において、
前記光照射野の部分の重ね合わせ部分が、前記照明角度のうちの１つで光により形成された前記横断強度分布の範囲の平均に実質的に等価であり、かつ、前記光照射野の部分の重ね合わせ部分が、前記感光層に静止画像を形成するように、前記所定の角度範囲が、前記波長、前記間隔および前記周期に関連して選択される、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記マスクパターンの各構造は、前記所定の角度範囲の各角度で光により同時に照明される方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記マスクパターンの各構造は、前記所定の角度範囲の各角度で光により連続的に照明される方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記マスクパターンの構造は同時に照明される方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
前記マスクパターンの構造は連続的に照明される方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記光は、前記所定の角度範囲にわたり滑らかにまたは急激に変化する強度分布を有する方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、
前記光は、前記所定の角度範囲にわたり実質的に均一または実質的にガウス分布である強度分布を有する方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、
前記所定の角度範囲は、１０°から６０°の範囲に平均角を有する方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、
前記所定の角度範囲の角度幅は、前記平均角よりも少なくとも二分の一以下である方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、
前記所定の角度範囲は、分析式、コンピュータシミュレーションおよび実験的最適化のうち少なくとも１つを使用して選択される方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、
前記マスクの線形構造は、不透明材料および位相シフト材料のうちの少なくとも１つのラインを備える方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、
前記マスクの線形構造は、厚さが前記構造にわたって変化する透明材料のラインを備える方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法であって、
前記マスクパターンの周期ごとに少なくとも２つの線形構造が存在する方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法であって、
前記線形構造の前記所望の周期的パターンの周期と前記線形構造の前記マスクパターンの周期とは正確には均一ではなく、前記パターンにわたって緩慢に変化し、前記マスクパターンと前記所望の周期的パターンとは擬似周期的である方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の方法であって、
前記マスクは、第２の周期を備える線形構造の第２のパターンを有し、前記第２の周期を備える線形構造は前記第１の方向に対して平行であり、前記第２の周期の半分の線形構造である第２の所望のパターンを前記感光性層に付加的に印刷するためのものであり、
前記両方のマスクパターンは前記光により所定の角度範囲にわたり照明され、
該所定の角度範囲は、前記波長、前記間隔および前記両方のマスクパターンの周期に関連して選択され、これにより前記光照射野の部分の重ね合わせ部分が、前記所望のパターンの両方を印刷する方法。
【請求項１６】
線形構造の所望の周期的パターンを、基板上に形成された感光性層に印刷するための装置であって、前記装置は、
ａ）前記所望の周期的パターンの周期の２倍の周期を備えていて、第１の方向に対して平行な線形構造のマスクパターンを有するマスクと、
ｂ）前記感光性層を、前記マスクに対して実質的に平行に、前記マスクパターンから間隔をあけて配列する手段と、
ｃ）単波長の実質的に単色光を発生させる手段と、
ｄ）前記マスクパターンを、所定の角度範囲を有する前記光により、実質的に、前記第１の方向に対して平行な第１の面において照明する手段と、を有し、
これにより前記マスクを透過する照明の各角度における前記光が、タルボット面間に横断強度分布の範囲を形成し、前記感光性層に光照射野の部分を形成し、前記光照射野の部分の重ね合わせ部分が、前記所望の周期的パターンを印刷する、装置において、
前記光照射野の部分の重ね合わせ部分が、前記照明角度のうちの１つで光により形成された前記横断強度分布の範囲の平均に実質的に等価であり、かつ、前記光照射野の部分の重ね合わせ部分が、前記感光層に静止画像を形成するように、前記所定の角度範囲が、前記波長、前記間隔および前記周期に関連して選択される、装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装置であって、
前記照明する手段が光ビームを形成し、前記マスクパターンにおける前記光ビームの照明の角度は前記光ビームにわたり変化し、
前記照明する手段は、前記所望の周期的パターンの印刷中に前記マスクを基準にする前記光ビームの走査運動を提供する装置。
【請求項１８】
請求項１６に記載の装置であって、
前記照明する手段が光ビームを形成し、前記マスクパターンにおける前記光ビームの照明の角度は実質的に均一であり、
前記照明する手段は、前記所望の周期的パターンの印刷中に前記マスクを基準にして前記照明の角度を変化する装置。
【請求項１９】
請求項１６に記載の装置であって、
前記照明する手段が光ビームを形成し、前記マスクパターンにおける前記光ビームの照明の角度は前記光ビームの各ポイントで所定の角度範囲にわたり変化し、
前記照明する手段は、前記所望の周期的パターンの印刷中に前記マスクを基準にして前記光ビームが実質的に静止するように配列する装置。
【請求項２０】
請求項１６に記載の装置であって、
前記照明する手段が光ビームを形成し、前記光ビームは該光ビームの各ポイントにおいて所定の照明角度範囲を有し、
前記照明する手段は、前記所望の周期的パターンの印刷中に前記マスクを基準にする前記光ビームの走査運動を提供する装置。
【請求項２１】
請求項１６に記載の装置であって、
前記マスクパターンと感光性層との間に液体を付加的に含む装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には、ミクロ構造体、ナノ構造体を作製するために使用されるフォトリソグラフの分野に関連し、とりわけ基板上の感光性層上のマスクに規定される構造の周期的パターンを転写するために使用されるタルボット画像処理の分野に関連するものであり、より詳細には一次元に周期的なパターンの印刷に関連するものである。
【背景技術】
【０００２】
リソグラフィックな作製により、マイクロパターンおよびナノパターンを表面上に形成することができる。フォトグラフィック技術はこのことを、所望のパターンに対応する強度分布を備える照射野に感光性表面を露光することによって達成する。感光性表面は通常、フォトレジストのような感光性フィルムの薄い層であり、基板上に直接コーティングされるか、または他の材料または構造化された材料の介在層を介して間接的にコーティングされる。続いてフォトレジストに発生する化学的または物理的変化が、所望のパターンを基板材料にまたは基板上の他の材料層に獲得する処理のために使用される。多くの場合に共通して使用されるフォトリソグラフ技術では、最初はマスクに規定されるパターンの画像が基板表面に光学系を使用して投影される。多くの適用が高精度の格子パターンの形成を必要とする。この格子パターンは、一方向にサブミクロン周期で反復する平行なラインとスペースを有する。このような適用の例は回折偏光子、生物医学的センサのための結合格子、および太陽電池のための光トラッピンググリッドである。タルボット効果に基づく特別のフォトリソグラフ技術は、そのようなパターンをマスクから基板に転写するのに有利である。なぜなら高精度パターン用の従来の画像システムを使用する必要がないからである。そのような画像システムは一般に複雑であり、高価である。この技術では、周期的パターンを規定するマスクが視準化された単色光ビームにより照明され、光はパターン構造体、すなわちタルボット画像面のマスクから所定の間隔を置いたパターンの「自己画像」によって回折される（たとえば非特許文献１参照）。連続するタルボット画像面間のセパレーションＳは照明波長λとパターンの周期ｐに関連する。
【０００３】
Ｓ≒２ｐ２／λ            （式１）
【０００４】
タルボット面の自己画像の間にはいわゆるタルボットサブ画像があり、これは高い空間周波数を有している。これらのフラクショナルタルボット面の１つにフォトレジストのコーティングされた基板を配置することにより、周期的パターンが印刷され、その空間周波数はオリジナルのマスクよりも高い。この技術により、マスクのパターンのデューティ比、すなわちラインの幅とスペースの幅との比が最適化され、フラクショナルタルボット面にコントラストの強い強度分布が形成される（特許文献１参照）。この従来技術ではタルボット画像のコントラストを、位相シフト材料からなるマスクに周期的パターンを形成することによりさらに強化することができる。しかしタルボット技術では、自己画像とサブ画像の強度分布がマスクからの距離に対して非常にセンシティブである。すなわちこれらは非常に狭い被写界深度を有する。このことは、正しく印刷されたグリッドを得るためにはマスクを基準にして基板を非常に正確に位置決めしなければならないことを意味する。このことはグリッド周期が低下するとさらに困難性が増す。なぜなら自己画像とサブ画像の被写界深度はパターン周期の二乗に比例するからである。さらにパターンを平坦ではない基板、もしくは表面に地形的構造を有する基板に印刷する必要がある場合、または層の厚いフォトレジストに印刷する必要がある場合には、所望の結果を達成することが不可能になる。
【０００５】
色消しタルボットリソグラフが近年、高精度の周期的パターンをコスト的に有利に印刷するための新規の方法として導入された（非特許文献２、非特許文献３、および特許文献２）。これは２つの重要な利点をリソグラフ適用にもたらす。第１は、この方法により上に述べた古典的なタルボット法で発生する被写界深度の問題が克服されることである。第２は、多くのパターン形式では印刷されるパターンがマスクよりも高い空間周波数を有しており、すなわちこの方法は空間周波数乗算を実行することができることである。アクロマチックなタルボットリソグラフ（ＡＴＬ）は、広帯域源からの平行ビームによりマスクを照明し、印刷すべき基板がマスクに配置されるか、またはマスクから所定の間隔で配置され、このマスクに発生された画像が静止される。すなわちそれ以上間隔は増大しない。形成すべき静止画像に必要な最小間隔ｄｍｉｎは、マスクのパターンの周期ｐと照明のスペクトル幅Δλに関連している。
【０００６】
ｄｍｉｎ≒２ｐ２／Δλ                  （式２）
【０００７】
基板とマスクとの間隔の変化に対して、印刷されるパターンが反応しない所望のレベルにおける間隔は、コンピュータシミュレーションによって正確に決定することができる。この間隔において、種々の波長に対するタルボット画像面は、マスクからの間隔が連続的に増大するように分散されており、この間隔を越えて基板を配置すると、特定波長に対する連続タルボット面の間に発生する側方強度分布の全範囲で基板が効率的に露光される。したがって基板上に印刷されるパターンは、横断強度分布のこの範囲の積分または平均に対応し、マスクからの間隔がさらに増大しても反応しない。結果として被写界深度が拡張され、これはたとえ投影印刷、近接印刷もしくは密着焼付け印刷のような従来のリソグラフ技術を使用して形成された画像の被写界深度より実質的にも大きい。
【０００８】
ＡＴＬが１次元、ライン／スペースパターンに適用されると、基板上に印刷される静止画像は一般的に空間周波数の倍増を示す。すなわちパターンの周期は係数２により低減される。特定のマスクパターンにより形成されたＡＴＬ画像中の強度分布はモデリングソフトウエアを使用して決定することができる。このモデリングソフトウエアは、電磁波がマスク、他の材料の層、および空間を通って伝播することをシミュレートする。したがってこのようなシミュレーションツールは、基板表面に特定の印刷パターンを得るためのマスクにおけるパターンデザインを最適化するのに使用される。
【０００９】
ＡＴＬ法は最初、少なくとも一方向に一定の周期で反復するユニットセルを有する周期的パターンを印刷するために開発された。しかしこの技術は、十分に「ゆっくり」とマスクにわたり徐々に空間的に周期が変化するパターンにも適用することができ、静止画像の特定の部分を形成する回折の順序が、周期が実質的に一定であるマスクの一部によって発生される。このような周期変動に対する公差は分析的方法または上記のモデリングソフトウエアによって決定することができ、関連するパターンは擬似周期的として特徴付けられる。
【００１０】
式（２）から生じるＡＴＬの欠点は、かなりのスペクトル幅を有する光源を必要とすることである。これは、静止画像を形成するためにマスクと基板との間に要求される間隔が不利に大きくならないようにするためである。これが問題となるのは、マスクから異なって回折される次数の角度差が基板表面での照明エリア間に空間的オフセットを形成するためであり、これがパターンエッジでの不完全な画像再現を引き起こし、このことはセパレーションの上昇とともに必然的に悪化する。回折次数のエッジにおけるフレネル回折も印刷パターンのエッジを劣化させ、これも同様にセパレーションの上昇とともに悪化する。これらの理由から、比較的狭いスペクトル幅を有するレーザ光源は、多くの場合ＡＴＬに不適当である。
【００１１】
非レーザ光源、たとえばアークランプまたはＬＥＤをＡＴＬに適用する際の困難性は、高出力かつ良好に視準化された露光ビームを獲得することにある。高出力はスループットの高い製品処理を可能にするために要求され、良好な視準化はハイコントラスト静止画像を印刷するために必要である（照明ビームの入射角が変化すると、静止画像が側方にずれ、マスクパターンの各ポイントを所定範囲のビーム角で照明すると画像コントラストが悪化する。）。非レーザ光源から良好な視準化を得るためには、一般的に出力ビームの空間的フィルタリングを必要とするが、このことは出力損失につながる。
【００１２】
ＡＴＬ技術により達成される利点は、古典的タルボット法の従来の別の変形法を使用しても得ることができる。この択一的なスキームでは、マスクの周期的パターンが良好に視準化された光ビームにより照明され、露光中に基板がマスクに対して縦方向に、連続するタルボット画像面間の分離（セパレーション）に実質的に対応する間隔で配置される。変位タルボットリソグラフ（ＤＴＬ）と称されるこの技術により、基板がタルボット画像面間の側方強度分布の全範囲で露光され、これによりタルボット面間の横断強度分布の全範囲の積分または平均が露光持続期間にわたって形成される（特許文献３も参照）。
【００１３】
ＡＴＬ技術とＤＴＬ技術により基板に形成される積分強度分布は実質的に同じであり、両者とも大きな被写界深度と空間周波数乗算を可能にするが、ＤＴＬスキームは、狭帯域光源を使用すると基板とマスクとの非常に小さな分離を可能にするという利点を有する。このことは、回折次数およびフレネル回折の空間分離に起因する印刷パターンのエッジでの劣化を低減し、光源の高い使用効率を可能にする。なぜなら視準化への要求がさほど厳密ではないからである。さらにＤＴＬ技術は、一般的には実質的に単色光を供給し、製造プロセスに好ましいレーザ光源の使用を容易にする。レーザ光源からの光は出力損失なしで良好に視準化することができる。このことは、大きなゆがみまたは地形を有する基板上に印刷するためにマスクと基板との間の分離が大きく構成されている場合であっても、印刷すべきパターンの高いコントラストを可能にする。
【００１４】
またＤＴＬを使用して特定のマスクパターンから印刷されるパターン構造は、理論的にはシミュレーションソフトウエアを使用して決定することができる。ＡＴＬと同じように、ＤＴＬも純粋な周期的パターンに制限されず、擬似周期的なパターンに適用することができる。
【００１５】
ＤＴＬ技術の欠点は、露光装置が露光中にマスクを基準にして基板を制御して変位する必要があることであり、このことはシステムの複雑性とコストを増加させ、信頼性を低下させることがある。このことは、基板が非常に大きいか、または短時間の露光を達成するために相対的に小さなビームにより高速で基板を走査するストラテジーで基板が露光される場合に当てはまる。
【００１６】
本出願人による現在未公開の特許文献４には、基板上に大きな焦点深度によって周期的な構造を印刷するＡＴＬおよびＤＴＬ技術の改善が記載されている。この改善は、ＡＴＬおよびＤＴＬ技術の原理を、印刷パターンの焦点深度の上昇のために取り込んでおり、必然的にこれらの技術と同じ欠点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第４３６０５８６号
【特許文献２】米国特許願第２００８／０１８６５７９号参照
【特許文献３】米国特許願第１１／６６５３２３号
【特許文献４】米国特許願第１２／７０６０８１号
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】C. Zanke, et al., "Large area patterning for photonic crystals via coherent diffraction lithography", J. Vac. Sci. Technol. B 22, 3352 (2004)
【非特許文献２】N. Guerineau et al., "Talbot experiment re-examined. demonstration of an achromatic and continuous self-imaging regime", Opt. Commun. 180, pp. 199-203 (2000)
【非特許文献３】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)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
したがって本発明の課題は、周期的に一次元である構造のパターンを基板に印刷する方法であって、大きな焦点深度を提供し、露光中にマスクと基板との相対的変位を必要としない方法を提供することである。
【００２０】
本発明のさらなる課題は、周期的に一次元である構造のパターンを基板に印刷する方法であって、レーザ光源の使用を可能にする方法を提供することである。
【００２１】
高分解能の格子パターンを大きな基板に短時間の印刷時間で印刷する方法を提供することも本発明の特別の課題である。
【００２２】
本発明のさらなる課題は、周期的に一次元である構造のパターンを印刷する装置であって、ＡＴＬおよびＤＴＬ技術の大きな焦点深度が得られ、しかもこれら２つの技術の上記欠点を伴わない装置を提供することである。
【００２３】
本発明のさらなる課題は、たとえばバイオセンサのための格子カプラおよび太陽電池のための光カプラのような偏光格子を製造するための方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の第１の側面によれば、タルボット画像形成に関連するフォトリソグラフ方法が、基板の感光層に線形構造の所望の周期的パターンを印刷するために提供される。この方法は、
ａ）所望のパターンの周期の２倍の周期を備えていて、第１の方向に対して平行な線形構造のマスクパターンを有するマスクを準備するステップと、
ｂ）感光層を前記マスクに対して実質的に平行に、前記マスクパターンから分離して配列するステップと、
ｃ）単波長の実質的に単色光を発生するステップと、
ｄ）前記マスクパターンを前記光により、前記第１の方向に対して実質的に平行な第１の面で所定の角度範囲にわたり照明するステップであって、マスクを透過する照明の各角度において光がタルボット面間の横断強度分布を形成し、感光層に光照射野の部分を形成し、当該光照射野の部分の重ね合わせ部分が所望のパターンを印刷するステップと、
を有する方法であって、前記角度範囲は、前記波長、前記分離および前記周期に関連して選択され、前記部分の重ね合わせ部分は、１つの照明角度での光によりタルボット面間に形成された横断強度分布の範囲の平均に実質的に対応する。
【００２５】
前記所定の角度範囲を、１つの角度でマスクパターンを照明することによりタルボット面間に形成される横断強度分布の範囲の平均で、前記基板が露光されるように選択することによって、ＡＴＬまたはＤＴＬ技術により生じるのと等価の露光が達成される。したがって本発明は、高分解能パターンを大きな被写界深度により印刷するのを可能にすることで、一方向に周期的なパターンに対してＡＴＬおよびＤＴＬ技術と同じ重要な利点を提供する。レーザを照明源として使用することができるので、ＡＴＬの主たる欠点が克服される。さらに露光中にマスクを基準にして基板を相対的に変位する必要がないので、ＤＴＬの大きな欠点が克服される。
【００２６】
照明角度の異なる光は、マスクの構造を同時または連続的に照明することができる。
【００２７】
好ましくは照明角度の異なる光は、所定範囲にわたり滑らかに変化する強度分布を有し、この分布は有利にはガウス分布である。
【００２８】
光は前記角度範囲にわたり別の強度分布を有することができ、これは長方形分布のようなより急なまたはより突然の変化を有する分布か、または離散角度の集合により構成されるような不連続分布であって良い。
【００２９】
好ましくは角度範囲は、１０°から６０°の範囲の平均角を有する。
【００３０】
有利には角度範囲の角度幅、すなわち最大角と最小角との差は平均角度と比較して小さい。
【００３１】
好ましくは、角度範囲は少なくとも１つの分析的公式、照明の角度範囲にわたる光により照明されたマスクパターンを透過した光照射野部分のコンピュータシミュレーション、および実験的最適化を使用して選択される。
【００３２】
本発明の第２の側面によれば、タルボット画像形成に関連するフォトリソグラフ装置が、基板の感光層に線形構造の所望の周期的パターンを印刷するために提供される。この装置は、
ａ）所望のパターンの周期の２倍の周期を備えていて、第１の方向に対して平行な線形構造のマスクパターンを有するマスクと、
ｂ）感光層を前記マスクに対して実質的に平行に、前記マスクパターンから分離して配列する手段と、
ｃ）単波長の実質的に単色光を発生する手段と、
ｄ）前記マスクパターンを前記光により、前記第１の方向に対して平行な第１の面で前記角度範囲にわたり照明する手段であって、これによりマスクを透過する照明の各角度において光によりタルボット面間の横断強度分布が形成され、感光層に光照射野の部分が形成され、当該光照射野の部分の重ね合わせ部分により所望のパターンが印刷されるようにする手段と、を有する装置であって、前記角度範囲は、前記波長、前記分離および前記周期に関連して選択され、前記部分の重ね合わせは、１つの照明角度での光により形成された横断強度分布の範囲の平均に実質的に対応する。
【００３３】
マスクの線形構造は有利には不透明材料のラインまたは位相シフト材料のラインを有する。
【００３４】
好ましくはマスクパターンの周期ごとに単一の線形構造が存在するが、パターンの周期ごとに１つまたは複数の材料の複数の線形構造を使用することもできる。
【００３５】
好ましくは照明手段が光ビームを形成し、マスクにおけるこの光ビームの照明角がビームにわたって変化し、照明手段は所望のパターンの印刷中にマスクを基準にするビームの走査運動を提供する。走査運動はラスタパターンのような２次元パターンまたは１次元走査とすることができる。走査運動時の変位は好ましくはビーム自体によって行われる。しかし択一的にマスクと基板サブシステムにより実行することもできる。２次元走査パターンの場合は有利には、一部はビームによって、一部はマスクと基板サブシステムによって実行される。
【００３６】
択一的に照明手段は光ビームを形成し、この光ビームの照明角はビームにわたって実質的に一定であり、マスクパターンにおけるこのビームの照明角が、所望のパターンの印刷中に所定の角度範囲にわたって変化するようにする。
【００３７】
有利には照明手段はマスクパターンにおいてビームを形成し、そのビームの光はビームの各ポイントにおいて所定の照明角範囲を有し、好ましくはビームは所望のパターンの印刷中に実質的に静止している。
【００３８】
択一的に照明手段は、マスクパターンにおける光がビームの各ポイントで所定の照明角範囲を有するビームを形成し、所望のパターンの印刷中にビームがマスクを基準に走査されるようにする。走査運動での実際の変位はビームによって、またはマスクと基板によって、または両者の組み合わせによって実行することができる。
【００３９】
所定の照明波長を使用してより小さい周期のパターンを印刷するために、浸漬液がマスクパターンと感光層との間に含まれていることも有利である。
【００４０】
さらに線形構造の所望のパターンの周期と線形構造のマスクパターンの周期とは、それぞれのパターンにわたって正確に一定である必要はない。しかし周期は実質的に周期的、すなわち擬似周期的である。
【００４１】
基板の感光層は、感光性に処理された基板自体の材料内の層とすることができるが、好ましくは基板上にデポジットされた他の材料の層である。デポジットは基板の表面に直接行うことも、１つまたは複数の材料の層を感光層と基板の間に形成または構造化して間接的に行うこともできる。有利には感光層はフォトレジストの層である。
【００４２】
本発明の上記側面および他の側面は、添付図面と関連して以下に記載された実施例から明らかとなりより容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】斜角に入射されたビームにより照明されたマスクによるタルボット画像の発生を示す図である。
【図２】照明ビームの入射角の変化により形成されたタルボット画像面の変位を示す図である。
【図３】所定範囲の照明角を使用して基板上に静止画像を発生する様子を示す図である。
【図４】所定の入射角範囲にわたって均一の強度分布を有するビームにより照明された格子によって発生された透過照射野の部分のコンピュータシミュレーションを示す図である。
【図５】図４の光照射野の中心に沿ったマスクからの間隔の増大により変化する強度を示す図である。
【図６】所定の照射角範囲にわたってガウス強度分布を有するビームにより照明された格子によって発生された透過光照射野の部分のコンピュータシミュレーションを示す図である。
【図７】図６の光照射野の中心に沿ったマスクからの間隔の増大により変化する強度を示す図である。
【図８】静止画像が形成された間隔での図６に示された光照射野にわたる強度分布を示す図である。
【図９】所定の角度範囲にわたりガウス強度分布する場合での照明の角度幅と静止画像との関係性を示す図である。
【図１０】所定の角度範囲にわたりガウス強度分布する場合での照明の平均角度と静止画像との関係性を示す図である。
【図１１】格子が照明の所定角度範囲で、実質的に視準化された光ビームの角度走査により露光される本発明の第１実施例を示す図である。
【図１２】格子が照明の所定角度範囲で、ビーム入射角が所定の角度範囲で変化する光ビームの並進走査により露光される本発明の第２実施例を示す図である。
【図１３】格子が照明の所定角度範囲で、ビームの各ポイントに角度範囲を有する光ビームにより露光される本発明の第３実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明の基本的コンセプトを表すために使用される図１を参照すると、波長λを有する単色光の視準化されたビーム１が（空気から）マスク３に入射される。このマスクは、周期ｐを備える不透明な平行ラインと透明スペースからなる格子パターン２を有する。マスク３は、（図示された軸を基準にして）ｘｙ面に平行であり、格子パターン２のラインはｘ軸に対して平行である。ビーム１はマスク３を斜角に照明する。この入射角の成分は、ｙｚ面およびｘｚ面ではそれぞれ０°までおよびθｉである。ビーム１と格子パターン２の周期的構造との相互作用で、透過回折次数の集合４が発生し（０次と１次だけが図示されているが、より高次も存在する）、ビームはマスク３から発散する。回折理論の基本原理から、ｍ次の回折次数の角座標φｍ（すなわちｍ次の回折次数がマスク３に対する垂線と形成する角度）は次式により与えられる。
【００４５】
ｓｉｎ２φｍ＝ｓｉｎ２θｉ＋（ｍλ／ｐ）２，  ｍ＝０，±１，±２...  （式３）
【００４６】
伝搬する回折次数の集合４間の干渉は、マスク３に対して平行な面内に横断強度分布を形成し、この横断強度分布はマスクからの間隔が増大するにつれ発振的に変化する。すなわち所定の周期間隔で自己画像５またはタルボット画像がマスク３の格子２に形成される。タルボット画像を形成するためには、少なくとも１次の回折光が格子の後に伝播することが必要である。したがって格子の周期および入射ビームの角度を波長に関連して選択することが重要である。１次の回折光の各座標は式（３）を使用してφ１＜９０°と計算される。古典的なタルボット画像によれば、０次と１次の回折光の相対位相は連続タルボット画像面５間の２Πにより変化する。０次の回折光は入射ビームの方向に伝播するから、連続画像面５のセパレーションＳは、
Ｓ＝λ／（ｃｏｓθｉ−ｃｏｓφ１）        式（４）
により表すことができる。
【００４７】
したがってタルボット面５のセパレーションは照明ビーム１の入射角およびθ１に依存するということができ、ｘｚ面におけるビーム角の変化は、マスク３の下方に配置された基板６に接近または離間するようにタルボット画像５を変位させる。このことが図２ａ，ｂ，ｃにコンピュータシミュレーションの結果として示されており、透過光照射野と入射角との関係性を示す。範囲は照明される格子から１０から１３μｍであり、格子はｙ値以上５００ｎｍの周期である。図２ａ，ｂ，ｃはそれぞれ、波長３５５ｎｍの光により入射角２２．５°、２４°および２５．５°の入射角で照明することにより形成された強度分布を示す。図中の白色破線はタルボット画像面の位置を示し、角度の変化とともにこれらが変位することが明確である。
【００４８】
対称性の理由から自己画像は角度が変化してもｙ方向では変位しないことを述べておく。自己画像はｘ方向にはわずかに変位するが、これは無視することができる（パターンエッジを除いて）。なぜならマスク３における格子パターン２のラインは一様であり、ｘ方向に連続しているからである。
【００４９】
図３を参照すると、ここではマスク３の格子２の各ポイントではなく、ｘｚ面において所定の入射角範囲により照明される。この角度範囲の限界、θ１とθ２は、マスク３からの基板６の間隔ｄ、格子３の周期、およびビーム７の波長（およびｙｚ面での０°までの入射角）に関連して、連続タルボット面間の横断強度分布の全範囲で基板６が露光されるように選択される。そして、回折光照射野８により基板６で形成される露光はＡＴＬおよびＤＴＬ技術により形成されるものと同等であり、マスク３の格子２の周期の半分の「静止画像」（すなわち拡張された被写界深度による静止画像）が基板６に印刷される。
【００５０】
逆に言えば、限界θ１とθ２との間の入射角範囲で、これら角度限界に対するタルボット面のそれぞれのセパレーションがＳ１と２であるビーム７により格子２が照明されると、基板６は、マスク３からの最小間隔ｄｍｉｎにこれが配置されている場合、タルボット面間の全体横断強度分布の平均で露光される。最小間隔ｄｍｉｎは、
ｄｍｉｎ＝Ｓ１Ｓ２／（Ｓ１−Ｓ２）            式（５）
により規定される。
【００５１】
静止画像を形成するための照明ビームに必要な角度幅または収束／拡散角Δθｉが入射角θ１の平均角に比較して小さい場合、これはさらに式（３）および（４）を使用して導出される。
【００５２】
Δθ１≧Ｓｃｏｓφ１（ｄｓｉｎθｉ）        式（６）
【００５３】
ここでｄはマスク３からの基板６の間隔、Ｓは入射角の平均に対する連続するタルボット面のセパレーション、φ１は入射角の平均の光により形成される１次の回折光の角座標である。
【００５４】
式（６）は透過光照明野の１次の回折光に対する角座標しか含んでいないが、それより高次の回折光が存在する場合に必要な角度範囲の評価にも使用することができる。
【００５５】
数式により示されるように、マスク３から所定の間隔で配置された基板６に静止画像を形成するために必要な角度幅Δθｉは、マスク３における格子２の周期、照明ビーム７の波長が特定のものであっても、特定の値には制限されず、むしろ最小値に関連する。したがって所定の角度範囲にわたる変化によって形成される基板６での横断強度分布の縦方向の変位の大きさが、少なくとも連続タルボット面のセパレーションに等しければ十分である。
【００５６】
さらに所定の入射角範囲にわたるビーム強度の分布は均一である必要はなく、種々異なる形を取ることができる。たとえばガウス分布または直交包絡線もしくはガウス包絡線による離散角集合であって良い。他の多くの角度分布の形も考えられ、使用することができる。
【００５７】
式（６）に示された分析的数式は特定の格子周期、照明波長および平均入射角に必要な角度幅の良好な評価を可能にするが、基板６を露光する光照射野のコンピュータシミュレーションを追加でまたは択一的に実行することが推奨される。とりわけ所定の角度範囲にわたる強度分布がガウス形状または他の自明でない形状を有する場合には推奨される。シミュレーションによって角度範囲、格子デザイン（とりわけ周期、デューティ比、クロムの厚さ、位相シフト層の厚さ）およびビーム偏光を、照明波長および特定のリソグラフプロセスの要求に関して最適化することができ、これによりフォトレジストを露光する光照射野が所望のパターンを印刷するために必要な強度とコントラストを有するようになる。１次の回折光が照明された格子から伝播できるためには次数においてφ１＜９０°であることが必要であるが、このことは基板を露光する光照射野が所望のパターンを印刷するために十分なコントラストを有することを保証するものではない。１次の回折光がたとえばφ１＜７０°の小さな極座標で伝播すると有利である。この角座標は特定の適用およびフォトレジストプロセスのためのコンピュータシミュレーションによって正確に決定することができる。コンピュータシミュレーションは、ＧＳｏｌｖｅｒ（Grating Solver Development Coによる製品）のような市販のプログラムまたはＭＥＥＰ（ＭＩＴによる）のようなフリーウエアを使用して実行することができる。この２つの特定のプログラムは、周期的構造を通って伝播するビームを計算するための理論的方法論に基づいている。すなわちそれぞれ厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ）および有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）である。このようなプログラムを使用してマスク３の格子２の特定の構造を透過する電場分布を、照明ビーム７の特定の波長および入射角について計算することができ、この計算は入射角の所定の範囲にわたって繰り返される。そして基板６で発生される光照射野を照明ビーム７の各角度成分について決定することができ、所定の入射角範囲の照明により形成される基板６での光照射野の重ね合わせを決定するために積分することができる。この積分は、所定の角度範囲にわたる照明の相対的強度の変動を考慮して行うべきである。このストラテジーまたは類似のストラテジーの数学的および計算的詳細は容易に理解され、当業者によって実現することができる。より洗練されたまたはより正確な他の計算的ストラテジーも、本発明の技術思想または実施形態による基板６を露光する積分強度分布のシミュレーションに使用することができる。コンピュータシミュレーションによる最適化および検証に続いて、実験的最適化がたとえば以下の実施形態を使用して実行される。
【００５８】
所定の角度範囲にわたってビーム７の強度分布が均一な場合、この角度範囲にわたる入射角の変化によって形成される基板６での横断強度分布の縦方向変位の大きさが、連続タルボット面のセパレーションにほぼ等しくなるようにこの角度範囲を選択するのがもっとも有利である。すなわち、
Δθｉ≒Ｓｃｏｓφ１／（ｄｓｉｎθｉ）        式（７）
【００５９】
この範囲により、マスク３を基準にする基板６のセパレーションの調整が不正確であっても生じる画像の強度が最大となる。基板６上に印刷されるパターン９は実質的に静止しているが（すなわち大きな被写界深度を有する）、セパレーションが変化すると印刷される格子９のライン幅に揺れが生じる。連続タルボット面のセパレーションの倍数である横断強度分布の変位に対応する角度範囲は、セパレーションの不正確な調整に対してより不感であるという結果を生じる。しかしこれらの実際的実現は、角度範囲またはセパレーションが大きいのでさほど好ましくはない。中間の角度範囲も使用することができるが、印刷されるパターン９があまり静止せず、そのライン幅は基板６とマスクのセパレーションの変動に対してより鋭敏である。角度範囲の選択の影響が、図４と５により明確に示されている。
【００６０】
図４には、θ１とθ２との間の入射角範囲にわたり強度が均一に分布するビーム７により照明した格子２によって形成された静止画像が示されている。この図は、周期５００ｎｍの格子パターンを透過した光照射野のコンピュータシミュレーションを示す。この格子パターンは、厚さ８０ｎｍのクロム層に形成された４００ｎｍ幅の不透明ラインと、溶融シリカ基板上の１００ｎｍ幅の透明スペースとを有する。この格子パターンが波長３５５ｎｍのビームにより照明される。このビームの光はθ１＝２１°とθ２＝２４°（θ１とθ２は図３のように定義される）の間の入射角範囲にわたり均一に分布しており、入射面に偏光Ｐを有する。光照射野の部分は、格子パターン２の１つの周期に対応する幅と、光照射野の伝搬方向に５０μｍ長さを示す。マスクに近接する領域ではタルボット画像面と中間逆転面とが良く規定されているが、マスクからの距離が増大すると、所定の入射角範囲により引き起こされるタルボット面の縦方向分散がビーム伝搬方向での変調を低減し、約３０μｍの距離で変調が最小になる。この距離において、所定の角度範囲にわたる入射角の変化により引き起こされる横断強度分布の縦方向変位の大きさが、連続タルボット面のセパレーションに対応し、式（７）により規定される種々のパラメータ値の相互依存性に一致する。図４に示された光照射野の部分の中心（すなわちｙ＝２５０ｎｍ）における強度とマスクからの距離の増大との関係性が図５に示されている。この図５から、強度発振のコントラストが距離の増大とともに約３０μｍで最小に達するまで徐々に低減することが明らかである。
【００６１】
図６は、所定の角度範囲にわたる強度分布がガウスプロフィールを有する場合において、マスクを透過した強度分布のコンピュータシミュレーションの結果を示す。マスクのパターンは５００ｎｍ周期の格子であり、これは厚さ８０ｎｍのクロム層に形成された幅４００ｎｍの不透明ラインと、溶融シリカ基板上の幅１００ｎｍの透明スペースとを交互に有する。この格子が波長３５５ｎｍの光ビームにより照明される。このビームの平均入射角は２２．５°であり、格子ラインに対して平行な面内での角度分布は１．５°のσ値を有するガウス分布である。ビームは入射面でＰ偏光される。図６に示された光照射野の部分は、格子パターンの１つの周期に対応する幅と、光照射野が伝搬方向に５０μｍの長さを有する。マスクに近接する領域では、タルボット画像面と中間逆転面とが良く規定されている。しかしマスクからの距離が増大すると、所定の入射角範囲により引き起こされる面の縦方向分散がビーム伝搬方向での変調を低減し、マスクから約３０μｍの距離を超えると、伝搬方向での強度分布の変調が消失し、真の静止画像が得られる。
【００６２】
図６に示された光照射野の部分の中心（すなわちｙ＝２５０ｎｍ）における強度とマスクからの距離の増大との関係性が図７に示されている。強度発振のコントラストがマスクからの距離の増大とともに徐々に低減することがよく示されている。またマスクからの距離が約４０μｍより大きくなると、強度は一定の安定した値に達することが分かる。
【００６３】
照明ビームの所定の角度範囲にわたる強度分布がガウスプロフィールを有する場合、照明の所与の平均角に対して必要なビームの角度幅を評価するために式（７）を使用することができるが、ガウス分布の±σ値におけるビームの最小角度幅に結果が相当することが推奨される。より正確な最適化と検証のためにはコンピュータシミュレーションを実行すべきである。
【００６４】
図８は、図６の伝播する光照射野にわたる強度分布をマスクから５０μｍの距離で示す。すなわち、縦方向に依存性が消失し、静止画像が形成される領域である。発振の周期はマスクの格子の半分であり、周波数の乗算が達成されており、画像における強度発振のコントラストは約６５％であり、効率的なリソグラフプロセスに適することが分かる。
【００６５】
図４から７に示された結果から、所定の角度範囲にわたる強度分布がガウス分布であるビームを使用するのが、長方形分布のものを使用するより有利であることが明らかである。より一般的には、所定の角度範囲にわたってスムーズに徐々に変化する強度分布が、長方形分布の場合のように鋭く変化する分布よりも印刷されるパターンの焦点深度を増大するためには好ましい。択一的に使用することのできるスムーズな強度分布の別の例はコサイン２乗関数であり、ここではＩ（θ−θｉ）＝Ｉθｉｃｏｓ２（θ−θｉ）であり、関数の変数が±Π／２に達する箇所で好ましくは切り捨てられる。三角関数は別の例である。
【００６６】
照明ビームの角度幅の変化Δθｉが、ビームの伝搬方向でマスクの後方で強度発振に及ぼす効果が図９ａ，９ｂ，９ｃに示されている。ここで平均入射角θｉは維持される。それぞれの図は、伝搬する光照射野の同じｙ座標での距離の増大ともに強度が変化することを示す。それぞれの図で、平均入射角２２．５°、波長３５５ｎｍのビームにより周期０．５μｍの格子が照明されるが、角度幅はそれぞれ異なっている。図９ａではガウス角度分布のσ値は１．５°であり、図９ｂでは３°、図９ｃでは４．５°である。これらから、照明ビームの角度幅が増大すると平均入射角は同じであっても、静止画像が形成される距離が減少することが分かる。
【００６７】
照明ビームの平均入射角θｉの変化が、ビーム伝搬方向でマスクの後方で強度発振に及ぼす効果が図１０ａ，１０ｂ，１０ｃに示されている。ここではビームの角度幅Δθｉは維持される。それぞれの図は、伝搬する光照射野の同じｙ座標での距離の増大ともに強度が変化することを示す。それぞれの図で、σ値１．５°の角度収束を有する波長３５５ｎｍのビームにより周期０．５μｍの格子が照明されるが、平均入射角の値はそれぞれ異なっている。図１０ａでは平均角が約１５°、図１０ｂでは約２２．５°、図１０ｃでは約３０°である。これらからも、ビームの入射角が増大すると角度幅は同じであっても、静止画像が形成される距離が減少することが分かる。
【００６８】
図９ａ、９ｂ、９ｃおよび図１０ａ，１０ｂ，１０ｃのシミュレーション結果に示された依存性は、式（７）から推定することもできる。
【００６９】
一方、格子ラインに対して平行な面でのビームの照明角の範囲は、基板に所望の静止画像を露光するために十分でなければならない。入射に直交する面での入射ビームの角度幅は非常に小さな値に制限されるべきである（すなわち実質的に１つの角度に）。それにより照明角の範囲は実質的に格子ラインに対して平行の面内となる。しかしこの面での照明角の範囲はマスクに対して垂直である必要はないが、明細書記載のように選択され、実際的に有利であり、明細書の明確性の理由から実施形態で使用されている。この面が選択されると、照明角の範囲は入射角の範囲に正確に対応する。ｙｚ面では照明ビームが、印刷パターンへの不都合なしに数度またはそれ以上傾斜することができる。しかし直交面で角度が変化すると、基板での静止画像がこの静止画像のラインに直交する方向に変位し、そのためこの面での角度範囲による露光は画像コントラストを劣化させる。とりわけビーム角がΔωだけ、格子ラインに直交する入射面で変化し、マスクからの基板の距離がｄであれば、静止画像はこの距離によりΔｘで変化する。
【００７０】
Δｘ＝ｄΔω          式（８）
【００７１】
典型的には、画像コントラストの許容できない損失を回避するためにΔｘが印刷パターンのライン幅Ｌの四分の一より小さくなるべき場合、直交面における許容角度範囲を、マスクからの基板の特定の距離ｄについて評価することができる。
【００７２】
Δω≦Ｌ／（４ｄ）          式（９）
【００７３】
特定の適用要求に応じてこの条件は厳しくすることも、緩和することもできる。
【００７４】
図１１を参照すると、この図は本発明の第１実施例を示し、周波数３倍パルスダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳ）１５が、波長３５５ｎｍ、出力約０．５Ｗ、直径約１ｍｍの視準化ビーム１７を形成する。したがってビーム１７は単一横モード（すなわちガウス強度プロフィールを有する）にあり、ｘｚ面（図示の軸を参照）で偏光される。ＤＰＳＳレーザのパルス率は好ましくは、照明材料の損傷を避けるために非常に低いエネルギーで＞１０ｋＨｚである。ビーム１７は、拡散および集束レンズ１９，２１を有する第１のビームエクスパンダを通過し、このビームエクスパンダはビームの直径を６ｍｍの値に拡大する。このビームは屈折ビーム変換器２２に入射し、この変換器はビームのガウスプロフィールを実質的にシルクハット形、または長方形分布に変換する。すなわち出力ビームは視準化される。ガウス形から長方形へのビーム変換器は、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ＧｍｂＨのような企業から市販されている。変換器２２の出力ビームは、拡散レンズ２４とそれに続く集束レンズ２６を有する第２のビームエクスパンダに入射する。このビームエクスパンダは非常に大きな倍率を有し、中央均一部分にわたって６０ｍｍの直径の視準化出力ビームを形成する。このビームは大型ミラー２８に向けられ、この大型ミラーはビームを、支持体（図示せず）に保持されたマスク３４に反射する。これにより反射ビーム２９はマスク３４を、ｘｚ面では角度θｉ＝２５°で、ｙｚ面では約０°で照明する。ミラー２８は、コンピュータ制御される電動アクチュエータ３２を有するステージ３０に取り付けられており、コンピュータ制御によりマスク上のビーム２９の角度を±５°で調整することができる。シャッタ１８が光学系に含まれており、後続の光学系に入る前にビーム１７をブロックすることができる。
【００７５】
マスク３４は格子パターン３６を有している。この格子パターンは２０ｍｍ×２０ｍｍの面積を有し、従来のマスク描画技術を使用して溶融シリカ基板上のクロム層に形成された透明ラインと不透明スペースを交互に有する格子３６の平行ラインとスペースは０．５μｍの周期を有し、ｘ軸に平行に配向されている。マスク３４の下方にはシリコンウェハ３８があり、このシリコンウェハには標準ｉライン感光性フォトレジストの０．５μｍ厚の層がコーティングされている。ウェハ３８は真空チャック４０により保持されている。この真空チャックはｚ軸アクチュエータ（この機構は当該分野で周知であるので図面には明示されていない）を備えるステージシステム４２に取り付けられており、マスク３４を基準にしてウェハ３８のセパレーションと傾斜を調整することができる。このアクチュエータを使用してたとえば基準ゲージの厚さ、マスク３４からのウェハ３８のセパレーションがウェハ３８の表面にわたり約４０μに調整される。
【００７６】
シャッタ１８の開放とミラー２８の回転により露光が開始され、これによりマスク３４を照明するビーム２９の入射角が、露光の持続中に所要の範囲で走査される。所定の範囲（この範囲はミラー回転の均一な速度を使用して得ることができる）にわたって均一な強度分布を使用する有利な角度範囲は、関連のパラメータに対するそれぞれの値（ｐ＝０．５μｍ、θｉ＝２５°、ｄ＝４０μｍそしてλ＝３５５ｎｍ）を式（３）、（４）および（７）に代入することにより決定することができ、ここからΔθ≒２°、すなわち範囲約２４°〜２６°が得られる。またはその代わりに、上記のようにコンピュータシミュレーション法を使用することもできる。
【００７７】
ｙｚ面ではマスク３４を照明するビーム２９の角度が露光中に一定である。したがってこの面でマスク３４を照明する光線の角度分布は式（９）の条件を満たす。
【００７８】
露光の終了時にシャッタ１８は閉鎖される。露光の持続時間（または角度走査の速度）は、照明ビーム２９の強度と、標準手続きを使用するフォトレジスト処理を基準にして最適化される。標準手続きは、種々の露光量のよる連続露光の実行と、フォトレジストに印刷された周期０．２５μｍの格子パターン結果の、フォトレジスト現像後での評価とを含む。同じ角度範囲またはガウス分布のような異なる角度範囲にわたる非均一な強度分布は、本実施例の装置を使用して発生することができる。このことは例えば、一定速度での角度走査中にレーザビーム１５の出力を変化させるか、またはビーム２８の出力は一定に保ってミラー２８の回転速度を変化させることによって行われる。このような非均一分布に対しては、要求される角度範囲は好ましくはウェハ３８を露光する時間積分強度分布のコンピュータシミュレーションによって決定される。
【００７９】
上記の本発明の第１実施形態では、ビーム光２９が格子３６を所定の入射角範囲で連続的に照明し、ここではビーム光２９は実質的に均一の入射角を有し、ビーム２９の角度が露光中に変化される。格子３６を所定の入射角範囲にわたる光により照明するという例示されたやり方は、光源、光学要素および機械要素の多数の択一的組み合わせを使用しても同等に達成することができることは理解されよう。したがってこの実施形態は、ここで選択された特定の光源、ビーム視準化光学系、ビーム偏光エレメントに制限されるものではない。１つの可能な変形例では、マスクを基準にするビームの角度走査が、マスクとウェハサブシステムを１つのユニットとして、静止のビームに対して傾斜させることによって実行される。
【００８０】
図１２を参照すると、本発明の第２実施形態が概略的に示されている。ここでは周波数３倍ダイオード励起固体レーザ４４が、波長３５５ｎｍ、出力約０．５Ｗ、直径約１ｍｍの視準化ビーム４６を形成する。ビーム４６は単一横モードであり、ｘｚ面で偏光されている（図示の軸を参照）。ビーム４６は最初に第１のビームエクスパンダを通過する。このビームエクスパンダは、拡散レンズと集束レンズ４８，５０を有し、ビーム１／ｅ２の半径（ビーム強度が軸値の１／ｅ２である箇所の半径）を２０ｍｍに拡大する。このビームは次にミラー５２に入射し、ミラーはこれをｙ方向に第１のミラー５４に向けて反射する。この第１のミラーは走査システム（図示せず）の第１電動並進ステージに取り付けられたモジュール５７の一部である。ミラー５４はビームをｘ方向にシリンダレンズ５５に向けて反射する。このシリンダレンズは透過するビームがｘｚ面に収束するよう配向されている。レンズ５５の焦点距離は約４０５ｍｍであり、したがって１／ｅ２光線（ｙ方向での最初のビーム光の積分後）は角度約±２．８°で収束する。収束ビームはミラー５６に入射する。このミラーは、反射されたビーム６０がマスク６２をｘｚ面でθｉ＝２０°の平均入射角で照明し、ｙｚ面には実質的に垂直に入射するよう配向されている。シリンダレンズ５５とミラー５６は、走査システム（図示せず）の第２の電動ステージに取り付けられたサブモジュール５８のコンポーネントである。走査システム自体はモジュール５７の一部であり、やはり第１の電動ステージに取り付けられている。第２の電動ステージによって、レンズ５５とミラー５６はミラー５４を基準にしてｘ方向に移動される（図では濃い二重矢印により示されている）。一方、第１の電動ステージによって、ミラー５４，レンズ５５およびミラー５６はミラー５２を基準にしてｙ方向に移動される（図では濃い矢印により示されている）。したがって２つの電動ステージは、ｘ方向でのビーム６０の掃引走査とｙ方向での走査ステップとでビーム６０がマスク６２にわたりラスタ走査を行うように構成され、コンピュータによって制御される（ラスタ走査システムは公知であるので詳細には説明しない）。択一的にラスタパターンの掃引走査をｙ方向に、走査ステップをｘ方向に実行しても同じ効果が達成される（ラスタ以外の２次元走査パターンも別のやり方で同じ効果を達成するために使用することができる）。シリンダレンズ５５からマスク６２までのビーム６０の光路長は、マスク６２を照明するビーム６０の楕円断面が１／ｅ２強度輪郭で約４０ｍｍ×２０ｍｍの大きさを有するように約２０ｃｍに構成されている。他の光路長も使用することができるが、マスクがレンズ５５の焦点面に接近しすぎてはいけない。なぜならビーム光線の角度が焦点面の近傍でずれることがあり、過度のビーム強度はダメージの原因となるからである。レンズの焦点距離も大きいレンズ５５とマスク６２の間の光路長も使用することができる。しかしこれによりマスク６２は、収束ビームではなく所要の角度範囲を備える拡散ビームにより照明されることとなる。マスク６２は、周期０．５μｍの平行ラインとスペースからなるパターン６４を有し、このラインはｘ軸に平行に配向されている。マスク６２の下方では、標準ｉライン感光性フォトレジストの層が被覆されたウェハ６６が真空チャック上に保持されている。この真空チャックは、ウェハ６６の高さとｘ軸およびｙ軸周りの傾斜を調整するためのｚ軸アクチュエータ（図示せず）に組み込まれている。このアクチュエータと例えば基準ゲージの厚さを使用することにより、ウェハ６６は、マスク６２に平行に移動され、４０μｍの距離でマスクから分離される。この分離、前記の照明ビーム６０に対する平均入射角（２０°）、マスクにおける格子の周期（０．５μｍ）、基板上に静止画像を印刷するために必要な角度の参照範囲により、式（３）、（４）および（６）を使用して約１８．６°−２１．４°から約２．８度が得られる。上で推奨したようにガウス角度分布の場合、角度範囲は好ましくは±σ値での幅に相当すべきである。これに基づき、強度がその中心値の１／ｅ２になる箇所でのビームの角度幅は約±２．８°とすべきであり、これは上記ビームエクスパンダレンズ４８，５０とシリンダレンズ５５の特別の選択による角度に収束する。関連する適用の特別の要求に必要な角度範囲をより正確に最適化し、検証するために、コンピュータシミュレーションおよび実験的最適化を追加でまたは択一的に実行することができる。
【００８１】
ｙｚ面ではマスク６２を照明するビーム６０が視準化され、これによりこの面でマスク６２を照明する光線の角度分布は式（９）の条件を満たす。
【００８２】
露光は好ましくは、マスク６２のパターン６４にわたるビーム６０のラスタ走査によって実行される。ｙ方向でのラスタ走査のステップ幅は５ｍｍに選択されている。これはマスク６２のパターン６４のすべてのポイントにわたり、積分露光強度を極めて均一にするためである。この第１実施例では、この場合はビーム６０の出力、走査速度、およびラスタパターンのステップサイズの関数である露光強度が、フォトレジスト処理を基準にして最適化されている。このフォトレジスト処理は、１つまたは複数のウェハの露光シーケンスと、印刷された周期０．２５μｍの格子の評価により実行される。本発明のこの実施形態では、マスクパターン６４の各ポイントを照明するために必要な照明ビーム６０の角度範囲が、収束露光ビームの角度範囲とビーム６０の走査運動とによって形成され、これらが所望の結果を生むために共同する。
【００８３】
本発明の上記第２実施形態では、ビーム光６０が格子６４の各ポイントを所定の入射角範囲により連続的に照明する。ここで格子６４は、ビーム６０の入射角が変化する光により照明され、ビーム６０は格子６４を基準にして並進的に走査される。この実施形態で例示された入射角範囲にわたり格子６４を照明するやり方は、光源、光学的および機械的要素の多数の択一的な組み合わせを使用しても同様に実行することができる。したがって本発明はここで選択された光源、ビーム形成光学系および走査コンポーネントに制限されるものではない。例えば走査は、マスクおよびウェハサブシステムをユニットとしてビームを基準に移動することによっても択一的に実行することができる。別の例は、１つの面にガウス分布に類似する角度成分を有し、その光線が直交面で実質的に視準化されるビームを、線形ディフューザ（ＲＰＣ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ等の会社から市販されている）を視準化されたビームにより照明することにより得ることである。この場合、光は一方の面で所要の角度分布で散乱され、他方の面で光線は実質的に視準化されたままである。散乱された光ビームによりマスクを照明することによって、当該角度範囲にわたる平均入射角、照明波長およびパターン周期は上記の条件を満たし、第２実施形態と同じようにマスクにわたりビームを走査することにより、焦点深度の大きな周期パターンがマスクの下方にあるフォトレジスト被覆基板上に均一に印刷される。線形ディフューザは屈折（すなわち凸型または凹型シリンダマイクロレンズのアレイからなり、その周期が好ましくはディフューザにわたってランダム化されている場合）または回折（格子パターンからなり、その周期が好ましくはディフューザにわたってランダム化されている場合）により拡散光を形成する。
【００８４】
この実施形態の別の変形例では、ビーム成形コンポーネントの種々のセットがｘｚ面でマスクに照明ビームを発生するのに使用される。この照明ビームは図１２に示したものと同様であり、ガウス強度分布で収束する。しかしｙｚ面では直径にわたり実質的に均一な強度で視準化されるように配置されており、直径は少なくともパターンと同じ長さである。このようなビーム特性は例えばディフューザプレートを使用して形成することができる。このディフューザプレートはビームを実質的にシルクハット形分布でｘｙ面に大きな角度範囲にわたり拡散させ、直交面に無理できる程度のまたは小さな角度拡散を形成する（これはＲＰＣ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃから市販されている強化ディフューザの１つである）。このディフューザプレートには、散乱光を視準化するレンズが続いており、他の標準的光学コンポーネントとともにｘｙ面に所要のビーム特性を発生する。このような構成は当業者であれば容易に設計できるである。このビームによるマスクパターンの均一照明はマスクにわたる、ｘ方向でのビームの単一線形走査によって得られる。
【００８５】
本発明の第３実施形態を示す図１３を参照すると、アルゴンイオンレーザ７２がＵＶ光７３の視準化ビームを放射する。このビームの波長は３６４ｎｍであり、直径は２ｍｍである。このビーム７３はＴＥＭ００モードであり、ｘｚ面で偏光されている。ビーム７３はシリンダ状の拡散および集束レンズ７４，７６を含むビームエクスパンダを通過する。ビームエクスパンダはビームの直径をｘｚ面で拡大し、大きさが１／ｅ２の楕円断面の視準化ビームを形成する。この楕円の主軸は３４ｍｍである。ビームは焦点距離が１００ｍｍのシリンダレンズ７８に入射し、このシリンダレンズは光をｙｚ面に集束する。ディフューザプレート８０はシリンダレンズ７８から約７５ｍｍの距離に配置されており、シリンダレンズ７８からの収束ビームはディフューザプレート８０上に約３４ｍｍ×０．５ｍｍの大きさの延長ストライプを形成する。ディフューザプレート８０はミクロ構造表面を備える溶融シリカ基板を含み、高い伝搬効率を有する照明ビームを約１５°×１５°の狭い角度円錐形に、この角度にわたり高い均一性を備えるように拡散する。このような拡散特性を有する拡散基板は、例えばＲＰＣ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｉｎｃ社から市販されている。ディフューザプレート８０は円形であり、その中心は（図示しない）モータに取り付けられている。モータは、ディフューザプレート８０をその面に対して直交する軸を中心に約３００ｒｐｍの速度で回転する。回転するディフューザから放射する拡散光の円錐体は焦点距離５００ｍｍの視準化レンズ８４に入射する。ｙｚ面で光は実質的にレンズによって視準化され、ｙ方向に約１３０ｍｍの直径のビームを形成する。ｘｚ面では、その長さに沿ってガウス強度分布を有するディフューザプレート８０を照明する光の延長ストリップが、視準化レンズ８４の後方で照明ビームに所定の角度範囲を挿入する。これによりビームの各ポイントにおいて光線の角度は、レンズ８４の軸に平行である平均方向を中心に（１／ｅ２光線を基準にして）±１．９°の範囲で分布する。レンズ８４の出力ビームの１００ｍｍまでの中心直径エリアは実質的に均一の強度分布を有する。ｙｚ面では、ディフューザを照明する光ストライプの狭い部分とレンズの長い焦点距離が、レンズの後方で光の角度範囲を制限し、この面では±０．５ｍＲ（相対強度が軸強度の１／ｅ２になる角度で）までである。このビームはミラー８６によって反射される。このミラーは、マスク９０を照明する反射ビーム６８の光の平均角がｘｚ面においては１５°の入射角であり、ｙｚ面においては０°までであるように傾斜されている。マスク９０は５０ｍｍ×５０ｍｍまでの面積の格子パターン９２を有する。この格子パターンは周期０．４５μｍの平行ラインとスペースを有し、ラインはｘ軸に対して平行に配向されている。マスク９０の下方にあるウェハ９４には標準ｉライン感光性フォトレジスト層が被覆されており、ウェハは真空チャック９６に装着されている。この真空チャックは、マスク９０を基準にしてｘ軸とｙ軸を中心にするウェハ９４の高さと傾斜を調整するための機構と一体のステージ９８に取り付けられている。ステージ９８の高さおよび傾斜調節機構と例えば隙間ゲージとを使用して、ウェ���９４はこれがマスク９０に対して平行になり、マスクから格子９２の５０μｍまでの距離で離れるように移動される。このセパレーション、マスク９０上のビーム８８の前記平均角（１５°）、および格子９２の周期（０．４５μｍ）により、ウェハ上に静止画像を印刷するのに必要な最小角度範囲は、式（３）、（４）および（６）を使用して、１．９°までとなる。上で推奨したように、ガウス角度分布の場合、この角度範囲は好ましくは±σ値における幅に対応すべきである。これに基づき、強度が中心値の１／ｅ２である箇所のビームの角度幅は±１．９°までにすべきである。これは上記のように選択されたビームエクスパンダレンズ７４，７６、ディフューザプレート８０および視準化レンズ８４の特定の配置構成により形成される収束角である。関与する適用の特別の要求に対して必要な角度範囲をより正確に最適化し、検証するためには、コンピュータシミュレーションと実験的最適化を付加的にまたは択一的に実行することができる。
【００８６】
ｙｚ面では、冒頭述べたようにマスク９０を照明する光の角度範囲が印刷される格子のコントラストを低減しないことが重要である。この面でマスク９０を照明する光の角度範囲がガウス分布することと式（９）とを考慮すると、シリンダレンズ７８，ディフューザプレート８０および視準化レンズ８４の特定の選択および配置構成により形成される角度範囲に対して上記のように決定された約±０．５ｍＲは、ライン幅１２５ｎｍの所望のパターンを周期０．５μｍの格子パターン９２から５０μｍの距離にあるウェハ９４に印刷するのに適する。
【００８７】
露光はまずディフューザプレート８０の回転を開始することにより実行される。このディフューザプレートは、シャッタ２８が開放しているときに連続的に移動させるために用いられる。結果として生じるコヒーレントなスペックルパターンはマスク９０にわたって均一であり、したがってマスク９０にわたる時間積分された露光が均一になる（回転により、ディフューザプレートを透過する光は事実上、コヒーレントになる）。次にシャッタ２８が、マスク９０および特定のフォトレジストプロセスにおける照明ビームの強度に依存する時間の間、開放され、これによりフォトレジストは現像後に所要の構造を形成するに必要な露光量を受ける。以前の実施形態と同じように、露光時間は有利には、１つ又は複数のウェハ上での連続露光と、周期０．２２５μｍの印刷された格子の引き続く評価により実行されるフォトレジストプロセスを基準にして最適化すべきである。
【００８８】
本発明の上記第３実施形態では、ビーム光６８が所定の入射角度範囲で格子９２を同時に照明する。ここで格子９２はビーム８８の各ポイントで所定の入射角範囲を有する光により照明される。本実施形態により例示される所定の入射角範囲にわたる光により照明される格子９２の照明のやり方は、光源、光学的および機械的コンポーネントを択一的に組み合わせても同等に達成することができる。したがって本発明は、ここに選択された光源およびコンポーネントの特定の選択に制限されるものではない。
【００８９】
ここに示さない本発明の別の実施形態は、第２実施形態と第３実施形態の組み合わせに係るものであり、その実施形態では、第３実施形態と同じようなビーム成形光学系のセットがビーム発生に使用される。このビームの光はビームの各ポイントにおいて、ｘｚ面に所定の角度範囲にわたりガウス強度分布する角度範囲を有する。ただしガウス様の拡散特性を有する従来のディフューザが使用されると、マスクを照明するビームの強度空間変動は均一ではなく、ガウス分布に近似する。したがって他のビーム成形光学コンポーネントが選択され、これによりマスクを照明するビームのサイズはマスクパターンのサイズより格段に小さくなる。第２実施形態に類似する２軸走査システムが、ビームをマスクにわたってラスタパターン（または等間隔）で走査するために用いられる。これは基板上に所望のパターンを印刷するために必要な角度範囲でパターンを均一に照明するためである。この実施形態を使用すると、露光中にディフューザを回転する必要がない。
【００９０】
本発明の前記実施形態は、介在媒体が空気であるマスクと基板との配置構成を記述し、これは製造プロセスの点ではもっとも実際的な配置構成であるが、本発明の別の実施形態では異なる屈折率を有する別の媒体も択一的に使用することができる。所定の照明波長を使用してより小さな格子を印刷するために、有利には空気よりも屈折率の高い浸漬液体がマスクと基板との間に挿入される。そのような材料が使用される場合、基板上に所望のパターンを印刷するために必要な照明の角度範囲は、上記数式の修正変形式を使用し、介在材料の屈折率を考慮して評価することができる。必要な修正は、当業者であれば本発明の開示から容易に決定できるである。同様にコンピュータシミュレーション法が、照明の所要の角度範囲をより正確に決定するために使用される場合、マスクと基板との間の媒体の高屈折率を適切に考慮すべきである。浸漬液体は、露光前であってセパレーションを所要の値に調整した後または調整する前に、マスクと基板との間に挿入すべきであり、露光後にはマスクと感光性表面から注意深く除去してクリーニングすべきである。
【００９１】
さらに一般的概念の上記記述および詳細な説明は、格子形状のマスクパターンを参照し、この格子のラインはパターンにわたって平行であり、その周期はパターンにわたって均一であるが、本発明およびその実施形態は、パターンにわたりその周期が格子ベクトル方向におよび／またはベクトルに直交する方向に緩慢に変化する格子パターンにも、ラインが特定の方向に対して均一に平行ではない格子パターンにも適用することができる。そのような擬似周期的パターンを印刷するために必要な照明の角度範囲は、好ましくは格子周期の最大値から評価すべきである。周期的パターンについても、範囲の最適化のためにコンピュータシミュレーションを好ましくは使用すべきである。
【００９２】
本発明の別の実施形態では、マスクが複数のサブパターンを有し、各サブパターンは線形構造の均一な周期的アレイからなる。しかしサブパターンが異なれば、その周期は同じではない。サブパターンは同時にまたは順次、所定の入射角範囲で照明され、これにより各サブパターンはそれぞれの周期の半分のパターンを基板上のフォトレジスト層に印刷する。この実施形態では、所定の角度範囲にわたる強度変動が実質的にガウス分布に相当し、選択された入射角範囲は好ましくはマスクのサブパターンの最大周期から決定される。
【００９３】
本発明のさらなる実施形態では、基板上のフォトレジスタ層の実質的に同じエリアが、同じパターンにより２回の露光と同じ方法を使用して、しかし露光の間に基板の面に直交する軸を中心に基板を１８０°回転させて２回印刷される。これにより、実質的に正方形または円形構造の２次元周期的パターンがフォトレジスト層に印刷される。加えて上記実施形態では、マスクを照明するビームがマスク上へのその入射面で偏光されるが、本発明の別の実施形態では、マスクを照明するビームが直交面または他の面で偏光されても良い。また択一的に円形偏光または楕円偏光される。
【００９４】
上記実施形態に示された光源は、水銀ランプの放射スペクトルのｉラインに近い出力波長を有するレーザである。これは、標準ｉラインフォトレジストと互換性を取るためであるが、他の標準フォトレジストと号慣性のある他の波長を有するレーザも択一的に使用することができる。例えば出力波長が２４８ｎｍおよび１９３ｎｍのＫｒＦおよびＡｒＦエキシマレーザを本発明の実施形態で、基板にコーティングされた標準ＤＵＶ感光性フォトレジスタとともに使用することができる。これらの場合、レーザ後方にあるビーム成形コンポーネントを、フォトレジストを照明するビームの所要の入射角範囲を得るために適切に選択すべきである。レーザ以外の光源も、実質的に単色光のビームを発生するために使用することができる。例えば水銀ランプまたは水銀キセノンランプのような放電ランプであって、放射スペクトルの狭いラインを透過させるためにスペクトルフィルタを出力ビームに備える放電ランプも使用することができる。狭帯域ＬＥＤも使用することができる。このような光源と後続の光学要素は、マスクを照明するビームが所要の入射角度範囲を有し、フォトレジストの被覆された基板を適切に露光できるようにするため適切に設計し、選択する必要がある。
【００９５】
別の実施形態では、マスクを照明する光が１つ以上の照明光源を使用して発生され、例えば２つ以上のレーザ光源が同じ方向で、マスクにわたりそれぞれ２つ以上のビームでの走査に使用され、所定の入射角範囲でのマスクの照明と走査経路は部分的に重なっており、これによりマスクパターンの時間積分された照明は空間的に良好に同一形を有する。  上記実施形態は本発明の好ましい実施形態として見なされるが、もちろん種々の変更および修正は、本発明の技術思想を逸脱することなく容易に可能である。たがって本発明はここに説明し、図示した実施例の形態に制限されるものではなく、特許請求の範囲の技術範囲に入るすべての変更を含むものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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