(57)【要約】【課題】  一方向密集型のパターンを転写する際に、高い解像度を得るとともに広い焦点深度を確保する。【解決手段】  Ｘ方向に所定ピッチで配列された一方向密集パターンを露光する際に、照明光学系の瞳面において、光軸ＡＸを通りＸ軸に平行な直線２５Ａに沿って配置された４つの二次光源２３Ａ，２３Ｃ，２３Ｄ，２３Ｂで光量が大きくなる一列４極照明を用いるとともに、照明光の偏光状態を外側の二次光源２３Ａ，２３Ｂで直線２５Ａに直交するＤ１方向の直線偏光として、内側の二次光源２３Ｃ，２３Ｄで直線２５Ａに平行なＤ２方向の直線偏光とする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子状に配列された複数のパターンを投影光学系を介して物体上に転写露光する露光方法において、
照明光学系からの露光ビームで複数の前記パターンを照明するに際して、前記照明光学系の瞳面上で光軸からほぼ対称にずれた２つの第１領域と、この２つの第１領域の内側で前記光軸に対してほぼ対称にずれた２つの第２領域とにおける前記露光ビームの光量を他の領域よりも高める工程と、
前記露光ビームの偏光状態を、前記照明光学系の瞳面上で前記２つの第１領域と前記２つの第２領域とで偏光方向が実質的に直交する直線偏光に設定する工程とを備えたことを特徴とする露光方法。
【請求項２】
複数の前記パターンの像を前記投影光学系を介して前記物体上に投影する際に、前記パターンの像と前記物体とを前記投影光学系の光軸方向に相対移動する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
【請求項３】
前記照明光学系の瞳面上のそれぞれ２つの前記第１領域及び第２領域は実質的に前記光軸を通る直線に沿って配置され、
２つの前記第１領域における前記露光ビームの偏光方向は前記直線に直交する方向であり、２つの前記第２領域における前記露光ビームの偏光方向は前記直線に平行な方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の露光方法。
【請求項４】
複数の前記パターンは、前記直線に平行な方向に対応する方向に周期的に配置されるとともに、前記直線に直交する方向に対応する方向に実質的に孤立的であることを特徴とする請求項３に記載の露光方法。
【請求項５】
２つの前記第１領域の外側のコヒーレンスファクタは０．８から０．９５であり、
２つの前記第２領域の中心の前記光軸との距離はコヒーレンスファクタに換算して０．１５から０．３５であり、前記第２領域はコヒーレンスファクタに換算して０．０５から０．２の半径の円形領域であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の露光方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の露光方法を用いて回路パターンを感光体上に転写する露光工程を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
【請求項７】
前記露光工程は、コンタクトホールの形成工程の一部であることを特徴とする請求項６に記載のデバイス製造方法。
【請求項８】
照明光学系からの露光ビームで所定パターンを照明し、前記所定パターンの投影光学系を介した像で物体を露光する露光装置において、
前記所定パターンが、格子状に配列された複数のパターンを含むときに、
複数の前記パターンの配置に応じて、前記照明光学系の瞳面上で光軸からほぼ対称にずれた２つの第１領域と、この２つの第１領域の内側で前記光軸に対してほぼ対称にずれた２つの第２領域とにおける前記露光ビームの光量を他の領域よりも高めるとともに、
前記露光ビームの偏光状態を、前記照明光学系の瞳面上で前記２つの第１領域と前記２つの第２領域とで偏光方向が実質的に直交する直線偏光に設定する照明条件制御系を備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項９】
前記所定パターンの像と前記物体とを前記投影光学系の光軸方向に相対移動する移動装置をさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
【請求項１０】
前記照明光学系の瞳面上のそれぞれ２つの前記第１領域及び第２領域は実質的に前記光軸を通る直線に沿って配置され、前記照明条件制御系は、
２つの前記第１領域における前記露光ビームの偏光方向を前記直線に直交する方向として、２つの前記第２領域における前記露光ビームの偏光方向を前記直線に平行な方向とすることを特徴とする請求項８又は９に記載の露光装置。
【請求項１１】
複数の前記パターンは、前記直線に平行な方向に対応する方向に周期的に配置されるとともに、前記直線に直交する方向に対応する方向に実質的に孤立的であることを特徴とする請求項１０に記載の露光装置。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか一項に記載の露光装置を用いて回路パターンを感光体上に転写する露光工程を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、格子状に配列された複数のパターンを投影光学系を介して物体上に転写するための露光技術に関し、例えば格子状に配列されたコンタクトホール用のパターンをウエハ等の物体上に転写するためのデバイス製造工程中で使用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体デバイスの製造工程の一つであるリソグラフィ工程においては、レチクルやフォトマスク等のマスクに形成されているパターンを感光体としてのレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上に転写露光するために、露光装置が使用されている。露光装置としては、ステッパー等の一括露光型（静止露光型）の投影露光装置やスキャニングステッパー等の走査露光型の投影露光装置（走査型露光装置）などが使用されている。
【０００３】
これらの露光装置においては、解像度を高めるために投影光学系の開口数が次第に大きくなるとともに、露光波長が次第に短波長化して来ている。現在は露光光源として主にＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）等のエキシマレーザ光源が用いられている。ところが、単に開口数を大きくして露光波長を短くすると、投影光学系の焦点深度は許容範囲よりも狭くなる恐れがある。そこで、所定の焦点深度を確保した上で解像度を高めることができる露光方法として、位相シフトマスクを用いる露光方法や（例えば特許文献１参照）、輪帯照明等を用いる変形照明法などが提案されている。
【特許文献１】特公昭６２−５０８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体デバイスの製造工程中で高い解像度が必要とされる工程の一つに、格子状に配列された複数の微細な開口パターンであるコンタクトホールをウエハ上に形成する工程がある。そのコンタクトホール用のパターンの中には、一方向に孤立的でそれに直交する方向に微細ピッチで周期的に配列された一方向密集パターンがある。このような一方向密集パターンを露光する工程において、焦点深度を確保した上で解像度を高めるために、従来は２極照明のような変形照明法を用いる露光方法が使用されていた。
【０００５】
最近はデバイスの集積度が一層向上しており、コンタクトホールにおいてもその配列ピッチの微細化が進んでいる。しかしながら、一方向密集型のコンタクトホールのパターンにおいて、その配列ピッチが微細化すると、変形照明法を用いただけでは十分な焦点深度が確保できないという問題があった。
本発明はかかる点に鑑み、一方向密集パターンのように格子状に配列された複数のパターンを転写する際に、高い解像度が得られるとともに広い焦点深度が確保できる露光技術及びデバイス製造技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による露光方法は、格子状に配列された複数のパターン（３１）を投影光学系（ＰＬ）を介して物体上に転写露光する露光方法において、照明光学系（２〜９）からの露光ビームで複数のそのパターンを照明するに際して、その照明光学系の瞳面上で光軸からほぼ対称にずれた２つの第１領域（２３Ａ，２３Ｂ；２４Ａ，２４Ｂ）と、この２つの第１領域の内側でその光軸に対してほぼ対称にずれた２つの第２領域（２３Ｃ，２３Ｄ；２４Ｃ，２４Ｄ）とにおけるその露光ビームの光量を他の領域よりも高める工程と、その露光ビームの偏光状態を、その照明光学系の瞳面上でその２つの第１領域とその２つの第２領域とで偏光方向が実質的に直交する直線偏光に設定する工程とを備えたものである。
【０００７】
かかる本発明によれば、変形照明の適用によってその複数のパターンの像を高い解像度で露光できる。さらに、その露光ビームの偏光状態の制御によって、その複数のパターンが一方向に孤立的でそれに直交する方向に周期的な場合に、広い焦点深度を確保できる。
本発明において、複数のそのパターンの像をその投影光学系を介してその物体上に投影する際に、そのパターンの像とその物体とをその投影光学系の光軸方向に相対移動する工程をさらに備えてもよい。これによって焦点深度がさらに広くなることがある。
【０００８】
また、一例として、その照明光学系の瞳面上のそれぞれ２つのその第１領域及び第２領域は実質的にその光軸を通る直線（２５Ａ；２５Ｂ）に沿って配置され、２つの第１領域におけるその露光ビームの偏光方向はその直線に直交する方向であり、２つの第２領域におけるその露光ビームの偏光方向はその直線に平行な方向であってもよい。
この場合、複数のそのパターンは、その直線に平行な方向に対応する方向に周期的に配置されるとともに、その直線に直交する方向に対応する方向に実質的に孤立的であってもよい。このとき、その２つの第１領域からの直線偏光の露光ビームによってその周期的な方向における解像度及び焦点深度が改善され、その第２領域からの直線偏光の露光ビームによってその孤立的な方向における解像度及び焦点深度が改善される。
【０００９】
また、一例として、その２つの第１領域の外側のコヒーレンスファクタは０．８から０．９５であり、その２つの第２領域の中心のその光軸との距離はコヒーレンスファクタに換算して０．１５から０．３５であり、その第２領域はそれぞれコヒーレンスファクタに換算して０．０５から０．２の半径の円形領域である。
次に、本発明による露光装置は、照明光学系（２〜９）からの露光ビームで所定パターン（Ｒ）を照明し、その所定パターンの投影光学系（ＰＬ）を介した像で物体（Ｗ）を露光する露光装置において、その所定パターンが、格子状に配列された複数のパターン（３１）を含むときに、複数のそのパターンの配置に応じて、その照明光学系の瞳面上で光軸からほぼ対称にずれた２つの第１領域（２３Ａ，２３Ｂ；２４Ａ，２４Ｂ）と、この２つの第１領域の内側でその光軸に対してほぼ対称にずれた２つの第２領域（２３Ｃ，２３Ｄ；２４Ｃ，２４Ｄ）とにおけるその露光ビームの光量を他の領域よりも高めるとともに、その露光ビームの偏光状態を、その照明光学系の瞳面上でその２つの第１領域とその２つの第２領域とで偏光方向が実質的に直交する直線偏光に設定する照明条件制御系（１２〜１６，６０〜６３）を備えたものである。
【００１０】
本発明によれば、変形照明の適用によってその複数のパターンの像を高い解像度で露光できる。さらに、その露光ビームの偏光状態の制御によって、その複数のパターンが一方向に孤立的でそれに直交する方向に周期的な場合に、広い焦点深度を確保できる。
本発明において、その所定パターンの像とその物体とをその投影光学系の光軸方向に相対移動する移動装置（３８）をさらに備えてもよい。その移動装置を用いて、その所定パターンの像とその物体とをその光軸方向に相対移動することで、焦点深度がさらに改善されることがある。
【００１１】
また、一例として、その照明光学系の瞳面上のそれぞれ２つのその第１領域及び第２領域は実質的にその光軸を通る直線（２５Ａ；２５Ｂ）に沿って配置され、その照明条件制御系は、２つの第１領域におけるその露光ビームの偏光方向をその直線に直交する方向として、２つの第２領域におけるその露光ビームの偏光方向をその直線に平行な方向としてもよい。
【００１２】
また、複数のそのパターンは、その直線に平行な方向に対応する方向に周期的に配置されるとともに、その直線に直交する方向に対応する方向に実質的に孤立的であってもよい。このとき、その第１領域からの露光ビームによってその周期的な方向で解像度及び焦点深度が改善され、その第２領域からの露光ビームによってその孤立的な方向で解像度及び焦点深度が改善される。
【００１３】
次に、本発明によるデバイス製造方法は、本発明の露光方法又は露光装置を用いて回路パターンを感光体上に転写する露光工程を含むものである。本発明によれば、その露光工程において、一方向密集パターンのように格子状に配列されたパターンを転写する際に、広い焦点深度を確保した上で高い解像度が得られるため、コンタクトホールのようなパターンを含むデバイスを高い歩留まりで製造できる。また、本発明のデバイス製造方法は、一例としてフラッシュメモリ又はＣＰＵを製造する際にも適用できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、変形照明と露光ビームの偏光状態の制御とを組み合わせることによって、一方向密集パターンのように格子状に配列された複数のパターンを転写する際に、高い解像度が得られるとともに広い焦点深度が確保できる。
また、露光中にそのパターンの像と物体とを投影光学系の光軸方向に相対移動することによって、さらに焦点深度が改善できる場合がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい第１の実施形態につき図１〜図７を参照して説明する。本例は、格子状に配列されたコンタクトホール用のパターンを転写する際に本発明を適用したものである。
図１は、本例の露光装置の構成を概略的に示す図である。図１において、感光性基板（感光体）であるフォトレジストの塗布されたウエハＷの表面（ウエハ面）の法線方向に沿ってＺ軸を、ウエハ面に平行な面内において図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、図１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。
【００１６】
本実施形態の露光装置は、露光ビームとしての照明光（露光光）を供給するためのレーザ光源１を備えている。レーザ光源１（露光光源）として、本例では波長１９３ｎｍの光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源を用いているが、その他に例えば波長２４８ｎｍの光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源、Ｆ2 レーザ光源（波長１５７ｎｍ）、又はＹＡＧレーザや固体レーザ（半導体レーザ等）の高調波発生装置なども使用できる。
【００１７】
レーザ光源１からＺ方向に沿って射出されたほぼ平行な光束は、Ｘ方向に沿って細長く延びた矩形状の断面を有し、一対のレンズ２ａ及び２ｂからなるビームエキスパンダ２に入射する。各レンズ２ａ及び２ｂは、第１図の紙面内（ＹＺ平面内）において負の屈折力及び正の屈折力をそれぞれ有する。従って、ビームエキスパンダ２に入射した光束は、第１図の紙面内において拡大され、所定の矩形状の断面を有する光束に整形される。整形光学系としてのビームエキスパンダ２を介したほぼ平行な光束は、折り曲げミラー３でＹ方向に偏向された後、位相部材１０、デポラライザ（非偏光化素子）２０、及び回折光学素子４を介して、アフォーカルズームレンズ５に入射する。位相部材１０及びデポラライザ２０の構成及び作用については後述する。一般に、回折光学素子は、基板に入射する光の波長程度のピッチを有する段差を形成することによって構成され、入射ビームを所望の角度に回折する作用を有する。具体的には、回折光学素子４は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、そのファーフィールド（又はフラウンホーファー回折領域）に円形状の光強度分布を形成する機能を有する。
【００１８】
従って、回折光学素子４から射出される光束は、アフォーカルズームレンズ５の瞳位置に円形状の光強度分布、即ち円形状の断面を有する光束を形成する。回折光学素子４は、照明光路から退避可能に構成されている。アフォーカルズームレンズ５は、アフォーカル系（無焦点光学系）を維持しながら所定の範囲で倍率を連続的に変化させることができるように構成されている。アフォーカルズームレンズ５を介した光束は、輪帯照明用の回折光学素子６に入射する。アフォーカルズームレンズ５は、回折光学素子４の発散原点と回折光学素子６の回折面とを光学的にほぼ共役に結んでいる。そして、回折光学素子６の回折面又はその近傍の面の一点に集光する光束の関口数は、アフォーカルズームレンズ５の倍率に依存して変化する。
【００１９】
輪帯照明用の回折光学素子６は、平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドにリング状の光強度分布を形成する機能を有する。回折光学素子６は、照明光路に対して挿脱自在に構成され、かつ後述の一列の４極照明用の回折光学素子６０及び６１、通常の４極照明用の回折光学素子６２、並びに通常照明用の回折光学素子６３と切り換え可能に構成されている。
【００２０】
回折光学素子６から射出された光束は、照明光学系の光軸ＡＸに沿ってズームレンズ７に入射する。ズームレンズ７の後側焦点面の近傍には、マイクロレンズアレイ（又はフライアイレンズ）８の入射面が位置決めされている。マイクロレンズアレイ８は、縦横にかつ稠密に配列された多数の正屈折力を有する微小レンズからなる光学素子である。一般に、マイクロレンズアレイは、例えば平行平面板にエッチング処理を施して微小レンズ群を形成することによって構成される。
【００２１】
ここで、マイクロレンズアレイ８を構成する各微小レンズは、フライアイレンズを構成する各レンズエレメントよりも微小である。また、マイクロレンズアレイ８は、互いに隔絶されたレンズエレメントからなるフライアイレンズとは異なり、多数の微小レンズ（微小屈折面）が互いに隔絶されることなく一体的に形成されている。しかしながら、正屈折力を有するレンズ要素が縦横に配置されている点でマイクロレンズアレイ８はフライアイレンズと同じ波面分割型のオプティカルインテグレータである。
【００２２】
上述したように、回折光学素子４を介してアフォーカルズームレンズ５の瞳位置に形成される円形状の光強度分布からの光束は、アフォーカルズームレンズ５から射出された後、様々な角度成分を有する光束となって回折光学素子６に入射する。即ち、回折光学素子４は、角度光束形成機能を有するオプティカルインテグレータを構成している。一方、回折光学素子６は、平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドにリング状の光強度分布を形成する光束変換素子としての機能を有する。従って、回折光学素子６から射出される光束は、ズームレンズ７の後側焦点面に（ひいてはマイクロレンズアレイ８の入射面に）、例えば光軸ＡＸを中心とした輸帯状の照野を形成する。
【００２３】
マイクロレンズアレイ８の入射面に形成される輸帯状の照野の外径は、ズームレンズ７の焦点距離に依存して変化する。このように、ズームレンズ７は、回折光学素子６とマイクロレンズアレイ８の入射面とを実質的にフーリエ変換の関係に結んでいる。マイクロレンズアレイ８に入射した光束は二次元的に分割され、マイクロレンズアレイ８の後側焦点面である照明光学系の瞳面（以下、「照明系瞳面」と言う）ＰＩＬには、入射光束によって形成される照野と同じ輪帯状の多数光源（以下、「二次光源」という）が形成される。二次光源は、他の領域よりも照明光の光量が多い領域ともみなすことができ、その二次光源が輪帯領域又は４極領域のように光軸ＡＸから偏心した領域を含むときに、照明条件は変形照明となる。
【００２４】
図１において、マイクロレンズアレイ８の後側焦点面（照明系瞳面ＰＩＬ）に形成された輪帯状の二次光源からの光束は、コンデンサー光学系９の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたレチクル又はフォトマスクよりなるマスクＭを重畳的に照明する。マスクＭのパターン面（下面）の近傍には視野絞り（不図示）が配置されている。なお、コンデンサー光学系９内で一度結像を行って、その結像面の近傍に視野絞りを配置してもよい。本例では、ビームエキスパンダ２からコンデンサー光学系９までの光学部材を含んで照明光学系が構成されている。
【００２５】
マスクＭのパターンを透過した光束は、光軸ＡＸ１の投影光学系ＰＬを介して、感光性基板（感光体）であるフォトレジストが塗布されたウエハＷ上にマスクパターンの像を形成する。ウエハＷ上の一つのショット領域の大きさを３３ｍｍ角として、投影光学系ＰＬの倍率を１／４とすると、マスクＭのパターン形成領域の大きさは１３２（＝３３×４）ｍｍ角となる。また、投影光学系ＰＬの瞳ＰＰＬ（投影光学系ＰＬの像側の開口数ＮＡに対応する領域）は、不図示の開口絞りによって規定されている。投影光学系ＰＬの瞳ＰＰＬの位置と照明系瞳面ＰＩＬとは共役である。そして、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ１と直交する平面（ＸＹ平面）内においてウエハＷを二次元的に駆動制御しながら一括露光又はスキャン露光を行うことにより、ウエハＷの各ショット領域（区画領域）にはマスクＭのパターンの像が逐次露光される。
【００２６】
本実施形態では、回折光学素子６が照明光路に配置されている場合、アフォーカルズームレンズ５の倍率が変化すると、輪帯状の二次光源の中心高さ（輪帯の中心線の光軸ＡＸからの距離）が変化することなく、その幅（外径と内径との差の１／２）だけが変化する。即ち、アフォーカルズームレンズ５の倍率を変化させることにより、輪帯状の二次光源の大きさ（外径）及びその形状（輪帯比＝内径／外径）をともに変更することができる。
【００２７】
また、ズームレンズ７の焦点距離が変化すると、輪帯状の二次光源の輪帯比が変化することなく、中心高さ及びその幅がともに変化する。即ち、ズームレンズ７の焦点距離を変化させることにより、輸帯状の二次光源の輪帯比を変更することなくその外径を変更することができる。以上より、本実施形態では、アフォーカルズームレンズ５の倍率とズームレンズ７の焦点距離とを適宜変化させることにより、輪帯状の二次光源の外径を変化させることなくその輪帯比だけを変更することができる。
【００２８】
なお、回折光学素子６に代えて回折光学素子６０を照明光路中に設定することによって一列の４極照明を行うことができる。回折光学素子６０は、平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドに４点状の光強度分布を形成する機能を有する。従って、回折光学素子６０を介した光束は、マイクロレンズアレイ８の入射面に、例えば光軸ＡＸを通る直線に沿った４箇所の照野（４極状の照野）を形成し、これに応じて図２（Ａ）に示すように、マイクロレンズアレイ８の後側焦点面（照明系瞳面ＰＩＬ）に４極状の二次光源が形成される。
【００２９】
図２（Ａ）の照明系瞳面ＰＩＬにおいて、光軸ＡＸをＸ方向に挟むように対称に配置されたＺ方向に細長いほぼ楕円状の２つの二次光源２３Ａ及び２３Ｂ（第１領域）と、これらの二次光源２３Ａ及び２３Ｂの間に光軸ＡＸをＸ方向に挟むように対称に配置された２つの円形の二次光源２３Ｃ及び２３Ｄ（第２領域）とにおいて、照明光の光量がほぼ均一に大きく設定され、その他の領域では照明光の光量はほぼ０になるように設定されている。また、二次光源２３Ａ，２３Ｃ，２３Ｄ，２３Ｂの中心は、それぞれ光軸ＡＸを通りＸ軸に平行な直線２５Ａ上に一列に配置されている。照明系瞳面ＰＩＬ上のＸ方向及びＺ方向は、それぞれ図１のマスクＭ上のＸ方向及びＹ方向に対応している。
【００３０】
その４極照明においても輪帯照明の場合と同様に、アフォーカルズームレンズ５の倍率を変化させることにより、４極状の二次光源の外径（２つの外側の二次光源２３Ａ，２３Ｂに外接する円の直径Ｄｏ）及び一種の輪帯比（２つの内側の二次光源２３Ｃ，２３Ｄに内接する円の直径Ｄｉをその外接円の直径Ｄｏで割った値）をともに変更することができる。また、ズームレンズ７の焦点距離を変化させることにより、４極状の二次光源２３Ａ〜２３Ｄのその輪帯比を変更することなくその外径を変更することができる。その結果、アフォーカルズームレンズ５の倍率とズームレンズ７の焦点距離とを適宜変化させることにより、４極状の二次光源２３Ａ〜２３Ｄの外径を変化させることなくその一種の輪帯比だけを変更することもできる。
【００３１】
図３は、図２（Ａ）の４極状の二次光源２３Ａ〜２３Ｄの形状の説明図である。ここで、照明光学系の開口数ＮＡｉを、投影光学系ＰＬの物体側（マスク側）の開口数ＮＡOBに対する比率であるコヒーレンスファクタ（σ値）を用いて表すとともに、照明系瞳面ＰＩＬにおける二次光源の大きさや形状を適宜そのコヒーレンスファクタ（σ値）に換算して表すものとする。このとき、照明光学系の開口数ＮＡｉのσ値は次のようになる。
【００３２】
σ＝ＮＡｉ／ＮＡOB      …（１）
図３において、光軸ＡＸを通りＸ軸に平行な直線２５Ａ上で、光軸ＡＸから＋Ｘ方向及び−Ｘ方向に距離Ｒ５の位置に点２８Ａ及び２８Ｂを取り、光軸ＡＸから二次光源２３Ａ及び２３Ｂの中心までの距離をＲ４として、二次光源２３Ａ及び２３ＢのＸ方向の幅をｔ、Ｚ方向の幅をｈとする。また、光軸ＡＸを中心として半径がＮＡOBの円周２６及び半径がＮＡｉの円周２７を描き、光軸ＡＸから内側の２つの二次光源２３Ｃ及び２３Ｄの中心までの距離をＲ３、円形の二次光源２３Ｃ及び２３Ｄの半径をＲ２とする。このとき、一例として点２８Ａ及び２８Ｂを中心として半径がＮＡｉの円周２９Ａ及び２９Ｂを描くと、円周２７と円周２９Ａ（又は２９Ｂ）とで囲まれるＺ方向に細長い楕円状の領域が二次光源２３Ａ（又は２３Ｂ）となっている。
【００３３】
従って、距離Ｒ５は次のように距離Ｒ４の２倍になる。
Ｒ５＝２×Ｒ４              …（２）
また、円周２７の半径ＮＡｉは距離Ｒ４よりも大きいため、以下の条件が成立する。
ＮＡｉ＞Ｒ４                …（３）
ｔ＝２（ＮＡｉ−Ｒ４）      …（４）
また、内側の二次光源２３Ｃ，２３Ｄは外側の二次光源２３Ａ，２３Ｂに重ならないとともに、内側の二次光源２３Ｃ，２３Ｄは離れているため、以下の条件が成立する。
【００３４】
Ｒ４−ｔ／２＞Ｒ３＋Ｒ２    …（５）
Ｒ３＞Ｒ２                  …（６）
この場合、一例として、円周２７及び円周２９Ａ，２９Ｂの半径ＮＡｉ、即ち二次光源２３Ａ，２３Ｂの外側の半径を次のようにσ値換算で０．８〜０．９５に設定する。このように二次光源２３Ａ，２３Ｂの外側の半径を大きく設定するのは、Ｘ方向にできるだけ高い解像度を得るためである。
【００３５】
０．８ＮＡOB≦ＮＡｉ≦０．９５ＮＡOB  …（７）
また、距離Ｒ５（距離Ｒ４の２倍）は、一例として転写対象の周期的パターンによるＸ方向の１次回折光の回折角に対応する距離に設定される。この結果、図３の円周２６を投影光学系ＰＬの瞳とみなしたときに、一方の二次光源２３Ａ（又は２３Ｂ）によるＸ方向の１次回折光は他方の二次光源２３Ｂ（又は２３Ａ）の位置を通過するため、像面には二次光源２３Ａからの傾斜した０次光と二次光源２３Ａからの光束の１次回折光とによる像と、二次光源２３Ｂからの傾斜した０次光と二次光源２３Ｂからの光束の１次回折光とによる像とを加算した形で、焦点深度が深い状態で周期的パターンの像が形成される。
【００３６】
また、外側の二次光源２３Ａ及び２３ＢのＺ方向の幅ｈは、Ｘ方向の幅ｔの２倍〜４倍程度である。要は、二次光源２３Ａ及び２３ＢのＺ方向の幅ｈは、二次光源２３Ａ及び２３Ｂが半径ＮＡｉの円周２７からはみ出ない範囲で広く設定することが好ましい。このため、二次光源２３Ａ及び２３Ｂの形状をＺ方向に細長い楕円にしてもよい。
そして、内側の２つの二次光源２３Ｃ及び２３Ｄの中心の光軸との距離Ｒ３は、次のようにσ値に換算して０．１５から０．３５の間に設定され、二次光源２３Ｃ及び２３Ｄの半径Ｒ２はσ値に換算して０．０５から０．２の間に設定される。なお、二次光源２３Ｃ及び２３Ｄも、楕円形等の円形以外の形状にすることも可能である。
【００３７】
０．１５ＮＡOB≦Ｒ３≦０．３５ＮＡOB  …（８）
０．０５ＮＡOB≦Ｒ２≦０．２ＮＡOB    …（９）
この場合、内側の２つの二次光源２３Ｃ及び２３Ｄからの光束は、主にＺ方向（マスクＭ上のＹ方向に対応する）に孤立的なパターンの像を形成するために使用される。この際に、距離Ｒ３を（８）式の範囲に設定することで、Ｘ方向に周期的なパターンの像に対して悪影響を与えないとともに、そのＺ方向に孤立的なパターンからのウエハ面に垂直に入射する０次光が無くなるために、その孤立的なパターンの像の焦点深度を広くできる。また、二次光源２３Ｃ，２３Ｄの半径Ｒ２について（９）式の条件を満たすことで、その孤立的なパターンに対してＺ方向に小σ照明と同様に解像度を向上できる。このように図２（Ａ）のＸ方向に一列の４極照明を用いることで、Ｚ方向に対応する方向に孤立的でＸ方向に周期的な一方向密集パターンを高い解像度で、かつ深い焦点深度で投影できる。
【００３８】
また、図１において、回折光学素子６に代えて回折光学素子６１を照明光路中に設定することによって別の一列の４極照明を行うことができる。回折光学素子６１も、平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドに４点状の光強度分布を形成する機能を有する。従って、回折光学素子６１を介した光束は、マイクロレンズアレイ８の入射面に、例えば光軸ＡＸを通る直線に沿った４箇所の照野（４極状の照野）を形成し、これに応じて図２（Ｂ）に示すように、マイクロレンズアレイ８の後側焦点面（照明系瞳面ＰＩＬ）に４極状の二次光源が形成される。
【００３９】
図２（Ｂ）の照明系瞳面ＰＩＬにおいて、図２（Ａ）の二次光源２３Ａ〜２３Ｄを９０°反時計周りに回転した配置で、光軸ＡＸをＺ方向に挟むように対称に２つの二次光源２４Ａ及び２４Ｂ（第１領域）と、２つの二次光源２４Ｃ及び２４Ｄ（第２領域）とが配置され、これらの二次光源２４Ａ〜２４Ｄにおいて、照明光の光量がほぼ均一に大きく設定され、その他の領域では照明光の光量はほぼ０になるように設定されている。また、二次光源２４Ａ〜２４Ｄの中心は、それぞれ光軸ＡＸを通りＺ軸に平行な直線２５Ｂ上に一列に配置されている。この図２（Ｂ）のＺ方向に一列の４極照明を用いることで、Ｘ方向に孤立的でＺ方向に対応する方向に周期的な一方向密集パターンを高い解像度で、かつ深い焦点深度で投影できる。
【００４０】
なお、本例では図２（Ａ）又は図２（Ｂ）の一列の４極照明を用いる際に、さらに焦点深度を改善するために、照明光の偏光状態の制御も併用する（詳細後述）。
さらに、図１の回折光学素子６に代えて回折光学素子６２を照明光路中に設定することによって、光軸ＡＸの周囲に４５°間隔で配置された二次光源からの照明光を用いる通常の４極照明を行うことができる。
【００４１】
また、回折光学素子４を照明光路から退避させるとともに、回折光学素子６に代えて通常の円形照明用の回折光学素子６３を照明光路中に設定することによって、通常の円形照明を行うことができる。この場合、アフォーカルズームレンズ５には光輪ＡＸに沿って矩形状の断面を有する光束が入射する。アフォーカルズームレンズ５に入射した光束は、その倍率に応じて拡大又は縮小され、矩形状の断面を有する光束のまま光軸ＡＸに沿ってアフォーカルズームレンズ５から射出され、回折光学素子６３に入射する。
【００４２】
ここで、円形照明用の回折光学素子６３は、回折光学素子４と同様に、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、ファーフィールドに円形状の光強度分布を形成する機能を有する。従って、回折光学素子６３により形成された円形光束は、ズームレンズ７を介して、マイクロレンズアレイ８の入射面において光軸ＡＸを中心とした円形状の照野を形成する。その結果、マイクロレンズアレイ８の後側焦点面にも、光軸ＡＸを中心とした円形状の二次光源が形成される。この場合、アフォーカルズームレンズ５の倍率又はズームレンズ７の焦点距離を変化させることにより、円形状の二次光源の外径を適宜変更することができる。
【００４３】
なお、図１の回折光学素子６、６０〜６３は例えば駆動モータ１３によって回転されるターレット板（不図示）の円周上に等角度間隔で固定されており、駆動モータ１３がそのターレット板を回転することで、所望の回折光学素子を照明光路上に設置できる。駆動モータ１３は、装置全体の動作を統轄制御する主制御系１１からの指令に基づいて駆動系１２によって制御される。
【００４４】
次に、図４は、図１の位相部材及びデポラライザの構成を概略的に示す図である。図４を参照すると、位相部材１０は、光軸ＡＸを中心として結晶光学軸が回転自在に構成された１／２波長板より構成されている。一方、デポラライザ２０は、楔形状の水晶プリズム２０ａと、この水晶プリズム２０ａと相補的な形状を有する楔形状の石英プリズム２０ｂとから構成されている。水晶プリズム２０ａと石英プリズム２０ｂとは、一体的なプリズム組立体として、照明光路に対して挿脱自在に構成されている。レーザ光源１として本例のようにＡｒＦエキシマレーザ光源（又はＫｒＦエキシマレーザ光源でも同じ）を用いている場合、その光源から射出される光の偏光度は典型的には９５％以上の偏光度を有するため、１／２波長板１０にはほぼ直線偏光の光が入射する。
【００４５】
１／２波長板１０の結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して０°又は９０°の角度をなすように設定された場合、１／２波長板１０に入射した直線偏光の光は偏光面が変化することなくそのまま通過する。また、１／２波長板１０の結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５°の角度をなすように設定された場合、１／２波長板１０に入射した直線偏光の光は偏光面が９０°だけ変化した直線偏光の光に変換される。さらに、水晶プリズム２０ａの結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して４５°の角度をなすように設定された場合、水晶プリズム２０ａに入射した直線偏光の光は非偏光状態の光に変換（非偏光化）される。
【００４６】
本実施形態では、デポラライザ２０が照明光路中に位置決めされたときに、水晶プリズム２０ａの結晶光学軸が入射する直線偏光の光の偏光面に対して４５°の角度をなすように構成されている。ちなみに、水晶プリズム２０ａの結晶光学軸が入射する直線偏光の光の偏光面に対して０°又は９０°の角度をなすように設定された場合、水晶プリズム２０ａに入射した直線偏光の光は偏光面が変化することなくそのまま通過する。また、１／２波長板１０の結晶光学軸が入射する直線偏光の偏光面に対して２２．５°の角度をなすように設定された場合、１／２波長板１０に入射した直線偏光の光は、偏光面が変化することなくそのまま通過する直線偏光成分と偏光面が９０°だけ変化した直線偏光成分とを含む非偏光状態の光に変換される。
【００４７】
本実施形態では、上述したように、レーザ光源１からの直線偏光の光が１／２波長板１０に入射するが、以下の説明を簡単にするために、Ｐ偏光（図１中で１／２波長板１０の位置においてＺ方向に偏光した直線偏光、以下「Ｚ方向偏光」と称する）の光が１／２波長板１０に入射するものとする。デポラライザ２０を照明光路中に位置決めした場合、１／２波長板１０の結晶光学軸が入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光面に対して０°又は９０°の角度をなすように設定すると、１／２波長板１０に入射したＰ偏光（Ｚ方向偏光）の光は偏光面が変化することなくＰ偏光（Ｚ方向偏光）のまま通過して水晶プリズム２０ａに入射する。水晶プリズム２０ａの結晶光学軸は入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光面に対して４５°の角度をなすように設定されているので、水晶プリズム２０ａに入射したＰ偏光（Ｚ方向偏光）の光は非偏光状態の光に変換される。
【００４８】
水晶プリズム２０ａを介して非偏光化された光は、光の進行方向を補償するためのコンペンセータとしての石英プリズム２０ｂを介して、非偏光状態でマスクＭ（ひいてはウエハＷ）を照明する。一方、１／２波長板１０の結晶光学軸が入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光面に対して４５°の角度をなすように設定すると、１／２波長板１０に入射したＰ偏光（Ｚ方向偏光）の光は偏光面が９０°だけ変化し、Ｓ偏光（図１中で１／２波長板１０の位置においてＸ方向に偏光する直線偏光で、以下「Ｘ方向偏光」と称する）の光になって水晶プリズム２０ａに入射する。水晶プリズム２０ａの結晶光学軸は入射するＳ偏光（Ｘ方向偏光）の偏光面に対しても４５°の角度をなすように設定されているので、水晶プリズム２０ａに入射したＳ偏光（Ｘ方向偏光）の光は非偏光状態の光に変換され、石英プリズム２０ｂを介して、非偏光状態でマイクロレンズアレイ８ひいてはマスクＭを照明する。
【００４９】
これに対し、デポラライザ２０を照明光路から退避させた場合、１／２波長板１０の結晶光学軸が入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光方向に対して０°又は９０°の角度をなすように設定すると、１／２波長板１０に入射したＰ偏光（Ｚ方向偏光）の光は偏光面が変化することなくＰ偏光（Ｚ方向偏光）のまま通過し、Ｐ偏光（Ｚ方向偏光）状態の光でマイクロレンズアレイ８を照明する。一方、１／２波長板１０の結晶光学軸が入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光方向に対して４５°の角度をなすように設定すると、１／２波長板１０に入射したＰ偏光の光は偏光面が９０°だけ変化してＳ偏光の光になり、Ｓ偏光（Ｘ方向偏光）状態の光でマイクロレンズアレイ８を照明する。
【００５０】
以上のように、本実施形態では、デポラライザ２０を照明光路中に挿入して位置決めすることにより、非偏光状態でマイクロレンズアレイ８（ひいてはマスクＭ）を照明することができる。また、デポラライザ２０を照明光路から退避させ且つ１／２波長板１０の結晶光学軸が入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光方向に対して０°又は９０°の角度をなすように設定することにより、Ｐ偏光（Ｚ方向偏光）状態でマイクロレンズアレイ８を照明することができる。さらに、デポラライザ２０を照明光路から退避させ、且つ１／２波長板１０の結晶光学軸が入射するＰ偏光（Ｚ方向偏光）の偏光方向に対して４５°をなすように設定することにより、Ｓ偏光（Ｘ方向偏光）状態でマイクロレンズアレイ８を照明することができる。
【００５１】
さらに、本例のマイクロレンズアレイ８の後側焦点面である照明系瞳面ＰＩＬの照明光路上には、偏光分布設定板１４がスライダ１５に沿って駆動モータ１６によって挿脱自在に配置されている。駆動モータ１６も、主制御系１１からの指令に基づいて駆動系１２によって制御されている。偏光分布設定板１４、スライダ１５、駆動モータ１６、及び駆動系１２から偏光状態制御系が構成され、この偏光状態制御系（１２，１４〜１６）、回折光学素子６，６０〜６３、及び駆動モータ１３から照明条件制御系が構成されている。
【００５２】
図２（Ａ）は、照明系瞳面ＰＩＬ上の偏光分布設定板１４を示し、この図２（Ａ）において、円板状の偏光分布設定板１４は、外側の二次光源２３Ａ及び２３Ｂを覆う輪帯状の１／２波長板１４Ａと、内側の二次光源２３Ｃ及び２３Ｄを覆う円形の１／２波長板１４Ｂとを連結して構成されている。この場合、外側の１／２波長板１４Ａの光学結晶軸１７ＡはＺ軸に平行であり、内側の１／２波長板１４Ｂの光学結晶軸１７ＢはＺ軸に対して４５°傾斜している。
【００５３】
また、偏光分布設定板１４を照明系瞳面ＰＩＬの照明光路上に設置した状態では、図１のデポラライザ２０を照明光路から退避させて、かつ１／２波長板１０の回転角は、射出される照明光の偏光方向がＺ方向となるように設定される。この結果、図２（Ａ）において、外側の１／２波長板１４Ａを通過した直線偏光の照明光の偏光方向はＺ軸に平行なＤ１方向であり、内側の１／２波長板１４Ｂを通過した直線偏光の照明光の偏光方向はＸ軸に平行なＤ２方向である。即ち、Ｘ方向に一列に配置された４極の二次光源２３Ａ〜２３Ｄを用いる４極照明において、外側の１対の二次光源２３Ａ及び２３Ｂからの照明光の偏光状態は、Ｚ方向（直線２５Ａに直交する方向）に偏光した直線偏光であり、内側の１対の二次光源２３Ｃ及び２３Ｄからの照明光の偏光状態は、Ｘ方向（直線２５Ａに平行な方向）に偏光した直線偏光である。
【００５４】
さらに、図２（Ｂ）のＺ方向に一列に配置された二次光源２４Ａ〜２４Ｄを用いる４極照明においては、図１のデポラライザ２０を照明光路から退避させて、かつ１／２波長板１０の回転角は、射出される照明光の偏光方向がＸ方向となるように設定する。この結果、外側の１対の二次光源２４Ａ及び２４Ｂからの照明光の偏光状態は、Ｘ方向（直線２５Ｂに直交する方向）に偏光した直線偏光であり、内側の１対の二次光源２４Ｃ及び２４Ｄからの照明光の偏光状態は、Ｚ方向（直線２５Ｂに平行な方向）に偏光した直線偏光である。なお、偏光分布の設定装置としては、上記の複数の１／２波長板を組み合わせた偏光分布設定板１４の他に、偏光板を用いる機構や、複数の独立の光源を用いる機構等の他の機構を用いてもよい。
【００５５】
次に、本例の露光装置を用いて格子状に配列された複数のコンタクトホール用のパターンを図１のウエハＷ上に転写する際の動作の一例につき説明する。
図６（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ本例で露光されるコンタクトホール用のパターンの一部の拡大図を示している。これらのパターンは、例えば図１のマスクＭのパターン形成領域の一部に形成されている。
【００５６】
図６（Ａ）のＸ方向に周期的に配置されたコンタクトホール用のパターンとしてのＸ方向密集パターン３２Ｘは、遮光部を背景としてＸ方向の幅ａでＹ方向の幅ｃの透過率６％のハーフトーンの矩形の開口パターン３１をＸ方向にピッチｂで配置したパターンである。即ち、Ｘ方向密集パターン３２Ｘは、Ｙ方向に孤立的でＸ方向にピッチｂの周期的なパターンである。この場合、マスクＭ上でのＸ方向及びＹ方向は、それぞれ照明系瞳面ＰＩＬ（例えば図２（Ａ））上ではＸ方向及びＺ方向に対応している。
【００５７】
また、一例として、図１の投影光学系ＰＬを介してウエハ上に投影された状態で、幅ａは７５ｎｍ、幅ｃは１５０ｎｍであり、ピッチｂは１５０ｎｍである。なお、図６（Ａ）のＸ方向密集パターン３２Ｘに対してＹ方向にピッチｂの数倍のピッチでＸ方向密集パターン３２Ｘと同様の複数のＸ方向密集パターンが配置されている場合にも、個々のＸ方向密集パターンはそれぞれＹ方向に孤立的な一方向密集パターンであるとみなすことができる。そのＸ方向密集パターン３２Ｘを転写する際には、図２（Ａ）のＸ方向に一列に配置された二次光源２３Ａ〜２３Ｄを用いて、各二次光源２３Ａ〜２３Ｄからの偏光状態を図２（Ａ）のように設定した一列の４極照明が使用される。
【００５８】
図６（Ｂ）のＹ方向密集パターン３２Ｙは、図６（Ａ）のＸ方向密集パターン３２Ｘを９０°回転したパターンである。即ち、Ｙ方向密集パターン３２Ｙは、Ｘ方向に孤立的でＹ方向にピッチｂの周期的なパターンである。そのＹ方向密集パターン３２Ｙを転写する際には、図２（Ｂ）のＺ方向に一列に配置された二次光源２４Ａ〜２４Ｄを用いて、各二次光源２４Ａ〜２４Ｄからの偏光状態を図２（Ｂ）のように設定した一列の４極照明が使用される。
【００５９】
次に、図６（Ａ）の格子状に配列されたＸ方向密集パターン３２Ｘを、図１の投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上の各ショット領域に露光転写する際には、第１段階として、回折光学素子６の代わりに回折光学素子６０を配置する。これによって、照明系瞳面ＰＩＬ上には図２（Ａ）のＸ方向に一列４極の二次光源２３Ａ〜２３Ｄが形成される。この設定は、露光対象のマスクパターンの種類に応じて主制御系１１が行う。
【００６０】
次に、第２段階として、主制御系１１は、駆動系１２を介して照明系瞳面ＰＩＬに偏光分布設定板１４を配置して、入射する照明光の偏光状態をＺ方向偏光にする。これによって、図２（Ａ）に示すように、外側の二次光源２３Ａ及び２３Ｂから射出される照明光の偏光状態はＺ方向に直線偏光となり、内側の二次光源２３Ｃ及び２３Ｄから射出される照明光の偏光状態はＸ方向に直線偏光となる。
【００６１】
以上の条件のもとで、図６（Ａ）のＸ方向密集パターン３２Ｘの像を図１の投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上の各ショット領域に投影する。この結果、図２（Ａ）の主に外側の２つの二次光源２３Ａ及び２３Ｂからの照明光によってＸ方向密集パターン３２ＸのＸ方向（周期方向）における像の解像度及び焦点深度が向上する。また、主に内側の２つの二次光源２３Ｃ及び２３Ｄからの照明光によってＸ方向密集パターン３２ＸのＹ方向（孤立方向）における像の解像度及び焦点深度が向上する。さらに、外側の２つの二次光源２３Ａ及び２３Ｂからの照明光はＺ方向（図６（Ａ）ではＹ方向）に偏光しているため、各開口パターン３１の像において照明光がＹ方向への直線偏光となり、各開口パターン３１の像の解像度が向上する。また、内側の２つの二次光源２３Ｃ及び２３Ｄからの照明光はＸ方向に偏光しているため、図６（Ａ）のＸ方向密集パターン３２ＸをＸ方向に伸びる孤立線パターンとみなした場合に、照明光の偏光方向が孤立線に沿った方向となるため、孤立線パターンとしての解像度が向上する。
【００６２】
また、外側の二次光源２３Ａ及び２３Ｂからの照明光と内側の二次光源２３Ｃ及び２３Ｄからの照明光とは偏光方向が直交しており、両者の光量はウエハ面上で実質的に単純加算されるため、周期方向（Ｘ方向）及び孤立方向（Ｙ方向）における解像度及び焦点深度の拡大効果が相殺されることがなく、全体として解像度及び焦点深度が向上する。
一方、図６（Ｂ）の格子状に配列されたＹ方向密集パターン３２Ｙを、図１の投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上の各ショット領域に露光転写する際には、第１段階として、回折光学素子６の代わりに回折光学素子６１を配置する。これによって、照明系瞳面ＰＩＬ上には図２（Ｂ）のＺ方向に一列４極の二次光源２４Ａ〜２４Ｄが形成される。次に、第２段階として、照明系瞳面ＰＩＬに偏光分布設定板１４を配置し、入射する照明光の偏光状態をＸ方向偏光にする。これによって、図２（Ｂ）に示すように、外側の二次光源２４Ａ及び２４Ｂから射出される照明光の偏光状態はＸ方向に直線偏光となり、内側の二次光源２４Ｃ及び２４Ｄから射出される照明光の偏光状態はＺ方向に直線偏光となる。
【００６３】
以上の条件のもとで、図６（Ｂ）のＹ方向密集パターン３２Ｙの像を図１の投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上の各ショット領域に投影する。この結果、図２（Ｂ）の主に外側の２つの二次光源２４Ａ及び２４Ｂからの照明光によってＹ方向密集パターン３２ＹのＹ方向（周期方向）における像の解像度及び焦点深度が向上する。また、主に内側の２つの二次光源２４Ｃ及び２４Ｄからの照明光によってＹ方向密集パターン３２ＹのＸ方向（孤立方向）における像の解像度及び焦点深度が向上する。
【００６４】
次に、図７（Ａ）及び（Ｂ）は、図２（Ａ）の一列４極の二次光源２３Ａ〜２３Ｄを用いて偏光状態を制御した照明条件のもとで、図６（Ａ）のＸ方向密集パターン３２Ｘの像を投影光学系ＰＬを介して露光した場合の露光量の誤差（ドーズ誤差）と投影光学系ＰＬの焦点深度（ＤＯＦ）との関係を、コンピュータのシミュレーションによって求めた結果を示している。
【００６５】
なお、比較のために、図５に示すように、図２（Ａ）と同様の一列４極の二次光源２３Ａ〜２３Ｄを用いる際に、二次光源２３Ａ〜２３Ｄから射出される照明光の偏光方向を全部Ｚ方向（Ｄ１方向）とした場合についてもシミュレーションを行った。また、露光波長λは１９３．３ｎｍ（ＡｒＦエキシマレーザ）、投影光学系ＰＬの像側の開口数ＮＡは０．８５、投影倍率は１／４倍とした。さらに、図３において、σ値換算で、照明光学系の開口数ＮＡｉ（円周２７の半径）を０．９０、内側の２つの二次光源２３Ｃ及び２３Ｄの光軸からの距離Ｒ３を０．２５、それら二次光源２３Ｃ及び２３Ｄの半径Ｒ２を０．１２とした。
【００６６】
また、マスクパターンの誤差をウエハ上で±１ｎｍ、許容されるドーズ誤差の幅を６％として、転写される図６（Ａ）の各開口パターン３１の像の線幅（クリティカルディメンジョンＣＤ）の許容される誤差ΔＣＤを±１０％とした。
図７（Ａ）は図５の偏光方向が全部Ｚ方向の４極照明を用いた場合のシミュレーション結果、図７（Ｂ）は図２（Ａ）の外側の偏光方向がＺ方向で内側の偏光方向がＸ方向の４極照明を用いた場合のシミュレーション結果を示し、図７（Ａ）及び（Ｂ）の横軸はベストフォーカス位置からのウエハ面のデフォーカス（ｎｍ）であり、縦軸は誤差を与えた露光量Ｅを適正露光量Ｅ0 で割った値の自然対数ｌｎ（Ｅ／Ｅ0 ）である。また、図７（Ａ）の曲線３３Ａ及び３３Ｂはそれぞれ投影像の線幅誤差が−１０％及び＋１０％となるシミュレーション結果を示し、図７（Ｂ）の曲線３４Ａ及び３４Ｂはそれぞれ投影像の線幅誤差が−１０％及び＋１０％となるシミュレーション結果を示している。
【００６７】
図７（Ａ）において、ドーズ誤差が６％以内の範囲３３Ｃのデフォーカス量の幅である焦点深度幅DOF1は、６７ｎｍであり、図７（Ｂ）において、ドーズ誤差が６％以内の範囲３４Ｃのデフォーカス量の幅である焦点深度幅DOF2は、１８４ｎｍである。従って、図５の比較例（図７（Ａ））に対して、本例の図２（Ａ）のように内外で偏光方向を直交させた一列の４極照明を用いた場合（図７（Ｂ））には、一方向密集パターンを露光するに際して焦点深度がほぼ３倍程度に大幅に改善されることが分かる。
【００６８】
なお、露光対象のパターンが例えばＸ方向に所定ピッチで配置されたライン・アンド・スペースパターン（以下、「Ｌ＆Ｓパターン」と言う）である場合、例えば図６（Ａ）において各開口パターン３１がＹ方向に細長いパターンである場合には、図１の照明系瞳面ＰＩＬにおける光量分布が図８（Ａ）のようになるＸ方向の２極照明を用いてもよい。以下の図８（Ａ），（Ｂ）及び図９（Ａ），（Ｂ）において、図２（Ａ）及び（Ｂ）に対応する部分には同一符号を付している。また、図８（Ａ），（Ｂ）及び図９（Ａ），（Ｂ）において、直線２５Ａ，２５Ｂ及び直線２５Ｃ，２５Ｄはそれぞれ二次光源の配列を説明するための仮想的な直線であり、円周２７は、照明光学系の最大の開口数ＮＡｉを半径とする円周である。
【００６９】
図８（Ａ）の照明系瞳面ＰＩＬにおいて、光軸ＡＸをＸ方向に挟むように対称に、かつ開口数ＮＡｉの円周２７にほぼ内接するように配置された２つのＺ方向（マスク上のＹ方向に対応する方向）に細長い楕円状の二次光源２３Ａ及び２３Ｂにおいて照明光の光量が大きく設定され、その他の領域では照明光の光量はほぼ０に設定されている。なお、転写対象のパターンがＹ方向に配列されたＬ＆Ｓパターンである（図６（Ｂ）において各開口パターン３１がＸ方向に細長いパターンである）場合には、図８（Ａ）の光量分布を９０°回転したＺ方向の２極照明が使用される。
【００７０】
図８（Ａ）の２極照明を用いて、露光波長を１９３ｎｍ、投影光学系ＰＬの像側の開口数ＮＡを０．９２、照明光学系の開口数ＮＡｉのσ値を０．９７として、転写対象のＬ＆Ｓパターンのウエハ上での線幅が６０ｎｍ、ピッチが１２０ｎｍである場合について焦点深度のシミュレーションを行った。その結果、ドーズ誤差が４％のときの焦点深度はほぼ３００ｎｍであった。
【００７１】
さらに、図８（Ａ）の２極照明において、照明光の偏光状態を２つの二次光源２３Ａ及び２３ＢにおいてＺ軸に平行なＤ１方向に偏光した直線偏光として、同様に焦点深度のシミュレーションを行った。その結果、ドーズ誤差が４％のときの焦点深度はほぼ４００ｎｍであり、偏光状態の制御を併用することで、焦点深度がほぼ３０％改善されることが分かった。
【００７２】
次に、メモリセルのパターンと周辺回路のパターンとが混在するマスクパターンを一回の露光で転写する場合には、図１の照明系瞳面ＰＩＬにおける光量分布が図８（Ｂ）のようになるＸ方向及びＺ方向の４極照明を用いてもよい。
図８（Ｂ）の照明系瞳面ＰＩＬにおいて、光軸ＡＸをＸ方向及びＺ方向に挟むように対称に、かつ開口数ＮＡｉの円周２７にほぼ内接するように１対のＺ方向に細長い楕円状の二次光源２３Ａ及び２３Ｂと、１対のＸ方向に細長い楕円状の二次光源２４Ａ及び２４Ｂとが設定されている。そして、二次光源２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂにおいて照明光の光量が大きく設定され、その他の領域では照明光の光量はほぼ０に設定されている。この４極照明を用いることで、マスク上でＸ方向及びＹ方向のどの方向に配列されたパターンもそれぞれ必要な解像度で、かつ十分な焦点深度でウエハ上に転写することができる。
【００７３】
この４極照明においても、照明光の偏光状態の制御を併用してもよい。この場合には、図８（Ｂ）において、照明光の偏光状態をＸ方向に離れた２つの二次光源２３Ａ及び２３ＢにおいてＺ軸に平行なＤ１方向に偏光した直線偏光として、Ｚ方向に離れた２つの二次光源２４Ａ及び２４ＢにおいてＸ軸に平行なＤ２方向に偏光した直線偏光とする。このように４極照明で、実質的に円周方向に偏光した直線偏光とすることで、焦点深度を改善できる。
【００７４】
また、図６（Ａ）のＸ方向密集パターン３２Ｘを露光する場合には、図１の照明系瞳面ＰＩＬにおける光量分布が図９（Ａ）のようになるＸ方向の３極照明を用いてもよい。
図９（Ａ）の照明系瞳面ＰＩＬにおいて、光軸ＡＸをＸ方向に挟むように対称に配置された２つのＺ方向（マスク上のＹ方向に対応する方向）に細長い楕円状の二次光源２３Ａ及び２３Ｂと、光軸ＡＸ上に配置された小さい輪帯状の二次光源４１とにおいて照明光の光量が大きく設定され、その他の領域では照明光の光量はほぼ０に設定されている。なお、転写対象のパターンが図６（Ｂ）のＹ方向密集パターン３２Ｙである場合には、図９（Ａ）の光量分布を９０°回転したＺ方向の３極照明が使用される。
【００７５】
図９（Ａ）の３極照明を用いると、外側の２つの二次光源２３Ａ及び２３Ｂからの照明光によって周期方向であるＸ方向の解像度及び焦点深度が向上し、中央の輪帯状の二次光源４１からの照明光によって孤立方向であるＹ方向の解像度及び焦点深度が向上する。
さらに、図９（Ａ）の３極照明において、照明光の偏光状態をＺ軸に平行なＤ１方向に偏光した直線偏光とする偏光状態の制御を併用してもよい。これによって、焦点深度がさらに改善される。
【００７６】
また、例えばメモリセルの周辺回路のパターンを転写するような場合には、図１の照明系瞳面ＰＩＬにおける光量分布が図９（Ｂ）のようになる９極照明を用いてもよい。
図９（Ｂ）の照明系瞳面ＰＩＬにおいて、光軸ＡＸ上の大きい輪帯状の二次光源４２、それを囲む４個の円形の二次光源４３、及びさらにそれを囲む４個の円形の二次光源４４からなる９個の領域において照明光の光量が大きく設定され、その他の領域では照明光の光量はほぼ０に設定されている。また、Ｘ軸に＋４５°で交差する直線２５Ｃ及び−４５°で交差する直線２５Ｄを用いて、直線２５Ｃ及び２５Ｄに沿ってそれぞれ５個の二次光源が配置されている。
【００７７】
この場合、中央の二次光源４２からの照明光によって孤立的なパターンの解像度及び焦点深度が向上し、それを囲む４個の二次光源４３からの照明光によって中程度のピッチのＬ＆Ｓパターンの解像度及び焦点深度が向上し、さらにそれを囲む４個の二次光源４４からの照明光によって微細ピッチのＬ＆Ｓパターンの解像度及び焦点深度が向上する。従って、図９（Ｂ）の９極照明を用いることによって、種々のパターンを含む周辺回路のパターンを高解像度で、かつ深い焦点深度で露光できる。
【００７８】
なお、図８（Ａ）、（Ｂ）又は図９（Ａ）、（Ｂ）の二次光源を用いる照明を行う場合には、図１において、回折光学素子６が対応する二次光源を生成するための別の回折光学素子と交換される。その後、図８（Ａ）、（Ｂ）又は図９（Ａ）の二次光源を用いる照明を行う場合には、さらに１／２波長板１０の回転角制御、デポラライザ２０の照明光路からの退避、及び偏光分布設定板１４の他の偏光分布設定板との交換を含む偏光制御が行われる。即ち、図１の露光装置においては、図２（Ａ）、（Ｂ）、図８（Ａ）、（Ｂ）、及び図９（Ａ）、（Ｂ）の二次光源を用いる複数の照明方法から選択された任意の照明方法を用いることができる。
【００７９】
また、図２（Ａ）（図３）、図２（Ｂ）、図８（Ａ）、（Ｂ）、及び図９（Ａ）に示した外側の二次光源２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂは、それぞれ細長い楕円状であることが好ましいが、円形などの他の形状でもよい。さらに、図２（Ａ）（図３）（又は図２（Ｂ））中の外側の二次光源２３Ａ，２３Ｂ（又は２４Ａ，２４Ｂ）と内側の二次光源２３Ｃ，２３Ｄ（又は２４Ｃ，２４Ｄ）とで必ずしも照明光の強度をほぼ同一にしなくともよい。
【００８０】
次に、本発明の第２の実施形態につき図１０及び図１１を参照して説明する。本例でも基本的に図１の露光装置を使用する。本例では、上記の実施形態の動作に加えて、露光時にさらにマスクパターンの投影光学系ＰＬによる像とウエハ面とを投影光学系ＰＬの光軸方向に相対移動（又は相対振動）させる。
図１０は、図１の露光装置のウエハステージ系の要部を示し、この図１０において、ウエハＷは、Ｚレベリングステージ３５上に吸着保持され、Ｚレベリングステージ３５は、３箇所のＺ方向に駆動可能なアクチュエータ３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃを介してＸＹステージ３７上に支持され、ＸＹステージ３７は、不図示のリニアモータ等を含む駆動機構によってウエハベース３９上をＸ方向、Ｙ方向に駆動される。Ｚレベリングステージ３５、アクチュエータ３６Ａ〜３６Ｃ、及びＸＹステージ３７を含んでウエハＷを保持するウエハステージ３８（マスクパターンの像とウエハＷとを投影光学系ＰＬの光軸方向に相対移動する移動装置）が構成されている。
【００８１】
この場合、投影光学系ＰＬの側面近傍には、ウエハＷの表面のフォーカス位置（光軸ＡＸ１方向の位置）を計測する光学式の斜入射方式の焦点位置検出系（不図示）が配置されており、この焦点位置検出系の検出結果に基づいてアクチュエータ３６Ａ〜３６ＣのＺ方向の駆動量を制御することで、露光中にもウエハＷのフォーカス位置を制御できる。これによって、露光中にマスクＭのパターンの投影光学系ＰＬによる像とウエハ面とを光軸ＡＸ１方向に相対移動する。即ち、露光中に投影光学系ＰＬの焦点深度内でその像面に対するウエハ面の相対的な位置関係が連続的又は段階的に変化し、露光対象となるウエハ面の所定領域は異なるフォーカス位置でそれぞれ照明光がショットが照射される。なお、ウエハ面をＺ方向に移動する代わりに、あるいはそれと組み合わせて、例えばマスク面をＺ方向に移動する、又は投影光学系ＰＬの少なくとも１つの光学素子を移動することなどによって、投影光学系ＰＬの像面（パターン面）を移動してもよいことは明らかである。
【００８２】
本例では、図２（Ａ）（又は図２（Ｂ））の偏光方向が直交する一列の４極照明を用いて図６（Ａ）のＸ方向密集パターン３２Ｘ（又は図６（Ｂ）のＹ方向密集パターン３２Ｙ）のような一方向密集パターンを露光する際に、図１０に示すようにウエハＷを投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ１に沿ってΔＺだけ移動する。その移動幅ΔＺは、ウエハＷ上のフォトレジストの厚さよりも小さく、かつ投影光学系ＰＬの焦点深度の幅程度又はこれより小さい程度である。
【００８３】
図１１（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ露光中にウエハ面を光軸方向に静止している場合、及びウエハ面を光軸方向に移動する場合の露光量誤差（ドーズ誤差）と焦点深度（ＤＯＦ）との関係を求めたシミュレーション結果の一例を示し、図１１（Ａ）及び（Ｂ）の横軸はドーズ誤差（％）、縦軸は焦点深度（ＤＯＦ）である。マスクパターンや照明条件等は図７の場合と同様である。なお、図１１（Ａ）及び（Ｂ）において、焦点深度ＤＯＦａは焦点深度の実用的な下限値の一例、ドーズ誤差ΔＥはドーズ誤差の制御可能な下限値の一例である。
【００８４】
また、図１１（Ａ）の曲線４０Ａは、例えば通常の２極照明で図６（Ａ）のＸ方向密集パターン３２Ｘを露光した場合のドーズ誤差と焦点深度との関係を示し、曲線４０Ｂは、例えば図２（Ａ）の偏光方向が直交する一列の４極照明を用いて図６（Ａ）のＸ方向密集パターン３２Ｘを露光した場合のドーズ誤差と焦点深度との関係を示している。このように図２（Ａ）の一列の４極照明を用いても焦点深度が実用的な下限値ＤＯＦａに達しない場合に、ウエハ面を光軸方向に移動する動作を併用することが望ましい。
【００８５】
図１１（Ｂ）において、曲線４０Ａ及び４０Ｂは図１１（Ａ）の場合と同じであり、曲線４０Ｃは、例えば図２（Ａ）の偏光方向が直交する一列の４極照明を用いて図６（Ａ）のＸ方向密集パターン３２Ｘを露光する際に、図１０に示すようにウエハ面を光軸ＡＸ１方向に所定幅だけ移動した場合のドーズ誤差と焦点深度との関係を示し、曲線４０Ｄは、曲線４０Ｃの場合よりもウエハ面の光軸ＡＸ１方向への移動幅を広くした場合のドーズ誤差と焦点深度との関係を示している。
【００８６】
図１１（Ａ）から、図２（Ａ）（又は図２（Ｂ）でも同様）の偏光方向が直交する一列の４極照明を用いることによって、ドーズ誤差の許容範囲及び焦点深度の許容範囲の両方を拡大できることが分かる。また、図１１（Ｂ）から、ウエハ面を光軸方向に移動する動作を併用することによって、さらに焦点深度の許容範囲を拡大できるとともに、ウエハ面の移動量を広くすることで、焦点深度の許容範囲の拡大量も大きくなることが分かる。
【００８７】
このように、本例によれば、図２（Ａ）又は図２（Ｂ）の偏光方向が直交する一列の４極照明に対して、露光中にマスクパターンの像とウエハ面との投影光学系ＰＬの光軸方向の相対移動を行うことによって、一方向密集パターンを露光する際の焦点深度をさらに広くすることができる。
なお、上記の実施形態では転写対象のパターンはコンタクトホール用のパターンであるが、そのパターンは、例えばフラッシュメモリ（ＳＲＡＭなど）やＣＰＵ等の半導体デバイスに設けられるパターンである。しかしながら、上記の実施形態において、転写対象のパターンは他のどのような１次元又は２次元の格子状に配列されたパターンであってもよい。
【００８８】
なお、上述の実施形態の露光装置は、不図示のコラム機構を設置した後、複数のレンズから構成される照明光学系、反射屈折系からなる投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をして、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより製造することができる。なお、その露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
【００８９】
また、上記の実施形態の露光装置を用いて半導体デバイスを製造する場合、この半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、このステップに基づいてレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを形成するステップ、上記の実施形態の露光装置によりアライメントを行ってレチクルのパターンをウエハに露光するステップ、エッチング等の回路パターンを形成するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、及び検査ステップ等を経て製造される。なお、この半導体デバイスは、少なくともフラッシュメモリ（ＳＲＡＭなど）やＣＰＵを含むことが好ましい。
【００９０】
また、本発明は、例えば国際公開第９９／４９５０４号で開示されている液浸型の露光装置で露光を行う場合にも適用できる。また、本発明は、波長数ｎｍ〜１００ｎｍ程度の極端紫外光（ＥＵＶ光）を露光ビームとして用いる投影露光装置で露光を行う場合にも適用できる。
また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。
【００９１】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明によれば、一方向密集型の格子状に配列された複数のパターンを転写する際に、高い解像度が得られるとともに広い焦点深度が確保できる。従って、例えばコンタクトホールを含むようなデバイスを高い歩留りで高精度に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の第１の実施形態で使用される露光装置を示す図である。
【図２】（Ａ）は図１の照明系瞳面ＰＩＬ上のＸ方向に一列４極の二次光源２３Ａ〜２３Ｄを示す図、（Ｂ）は照明系瞳面ＰＩＬ上のＺ方向に一列４極の二次光源２４Ａ〜２４Ｄを示す図である。
【図３】図２（Ａ）の二次光源２３Ａ〜２３Ｄの詳細な配置を示す図である。
【図４】図１中の偏光状態を制御する一部の光学部材を示す図である。
【図５】図２（Ａ）の一列４極の二次光源２３Ａ〜２３Ｄにおいて照明光の偏光方向を同一方向にした状態を示す図である。
【図６】（Ａ）は転写対象のＸ方向密集パターン３２Ｘを示す拡大図、（Ｂ）は転写対象のＹ方向密集パターン３２Ｙを示す拡大図である。
【図７】（Ａ）は図５の照明を用いた場合の結像特性のシミュレーション結果を示す図、（Ｂ）は図２（Ａ）の照明を用いた場合の結像特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】第１の実施形態で使用される他の照明方法の説明図である。
【図９】第１の実施形態で使用されるさらに別の照明方法の説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態で使用される露光装置のウエハステージ系の要部を示す図である。
【図１１】（Ａ）は図２（Ａ）の照明を用いた場合の結像特性のシミュレーション結果を示す図、（Ｂ）はさらに図１０のウエハ面を移動する動作を併用した場合の結像特性のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００９４】
Ｍ…マスク、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、６，６０〜６３…回折光学素子、８…マイクロレンズアレイ、１２…駆動系、１４…偏光分布設定板、２３Ａ〜２３Ｄ…Ｘ方向に一列４極の二次光源、２４Ａ〜２４Ｄ…Ｚ方向に一列４極の二次光源、３１…開口パターン、３２Ｘ…Ｘ方向密集パターン、３２Ｙ…Ｙ方向密集パターン
【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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