(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定幅を持つ線状パターンと、前記線状パターンの端部に設けられ、且つ前記所定幅よりも広い幅を持つ端部パターンとから構成されるゲートパターンの像を投影光学系を介して基板上に転写する転写方法であって、
前記ゲートパターンに対応する形状を持つ第１のマスクパターンと、減光部を背景として前記線状パターンと実質的に同程度の長さ及び同程度の線幅を有する複数個の直線パターンが前記線状パターンの幅方向に周期的に配列された第２のマスクパターンとを、それぞれ前記基板上に重ねて転写する工程を含み、
前記第１のマスクパターンを前記基板上に転写するときの第１露光条件と、前記第２のマスクパターンを前記基板上に転写するときの第２露光条件とを異ならせると共に、
前記第２露光条件は、転写対象のマスクパターンにそれぞれ照明光を照射する照明光学系内の、該マスクパターンに対する光学的フーリエ変換面上において、前記照明光学系の光軸を含む領域よりもその外側の領域で前記照明光の強度分布を高める変形照明条件を含むことを特徴とする転写方法。
【請求項２】
前記第１のマスクパターンは、前記ゲートパターンに対応する形状の部分が減光部とされ、且つその他の部分が透過部とされ、
前記第２のマスクパターンは、前記線状パターンに対応する部分に接するように前記直線パターンが透過パターンとして配置されることを特徴とする請求項１に記載の転写方法。
【請求項３】
前記第１のマスクパターンの中のゲート電極に対応する部分の線幅は、前記線状パターンの線幅の１倍〜２倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の転写方法。
【請求項４】
前記第１露光条件は、前記光学的フーリエ変換面上において、前記照明光学系の光軸を含む領域における照明光の強度分布を、その外側の領域での前記照明光の強度分布よりも高める通常照明条件を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の転写方法。
【請求項５】
前記変形照明条件は、前記光学的フーリエ変換面上における前記照明光の強度分布を、輪帯状の領域において高める第１変形照明条件と、前記強度分布を前記光軸よりも外側に配置された複数の位置をそれぞれ中心とした複数の局所領域において高める第２変形照明条件とのうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の転写方法。
【請求項６】
前記ゲートパターンは、第１の線状パターンを含む第１ゲートパターンと、前記第１の線状パターンの長辺方向に直交する方向を長手方向とする第２の線状パターンを含む第２ゲートパターンとを含み、
前記第１のマスクパターンは、前記第１及び第２ゲートパターンにそれぞれ対応する形状を持つパターンを含み、
前記第２のマスクパターンは、減光部を背景として前記第１の線状パターンと実質的に同程度の長さ及び同程度の線幅を有し且つ前記第１の線状パターンの幅方向に周期的に配列された複数個の第１直線パターンと、減光部を背景として前記第２の線状パターンと実質的に同程度の長さ及び同程度の線幅を有し且つ前記第２の線状パターンの幅方向に周期的に配列された複数個の第２直線パターンとを含み、
前記第２のマスクパターンの像を転写する際の前記変形照明条件を、前記光学的フーリエ変換面での照明光の強度分布が、前記光軸を中心として前記第１及び第２直線パターンの長辺方向に対応する方向からそれぞれ実質的に４５°回転した方向に沿った４箇所の位置を中心とした分布となるものとすることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の転写方法。
【請求項７】
前記ゲートパターンは、第１の線状パターンを含む第１ゲートパターンと、前記第１の線状パターンの長辺方向に直交する方向を長手方向とする第２の線状パターンを含む第２ゲートパターンとを含み、
前記第１のマスクパターンは、前記第１及び第２ゲートパターンにそれぞれ対応する形状を持つパターンを含み、
前記第２のマスクパターンは、減光部を背景として前記第１の線状パターンと実質的に同程度の長さ及び同程度の線幅を有し且つ前記第１の線状パターンの幅方向に周期的に配列された複数個の第１直線パターンと、減光部を背景として前記第２の線状パターンと実質的に同程度の長さ及び同程度の線幅を有し且つ前記第２の線状パターンの幅方向に周期的に配列された複数個の第２直線パターンとを含み、
前記第１直線パターンを前記基板上に転写する際の前記変形照明条件と、前記第２直線パターンを前記基板上に転写する際の前記変形照明条件とが異なることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の転写方法。
【請求項８】
前記第１直線パターンの像を転写する際の照明条件を、前記光学的フーリエ変換面での照明光の強度分布が、前記第１直線パターンの長辺方向に直交する方向に対応する方向に前記光軸から離れた２箇所の位置を中心とした分布となる変形照明とし、
前記第２直線パターンの像を転写する際の照明条件を、前記光学的フーリエ変換面での照明光の強度分布が、前記第２直線パターンの長辺方向に直交する方向に対応する方向に前記光軸から離れた２箇所の位置を中心とした分布となる変形照明とすることを特徴とする請求項７に記載の転写方法。
【請求項９】
前記第１直線パターンと前記第２直線パターンとは、それぞれ異なるマスク上に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の転写方法。
【請求項１０】
前記第１及び第２露光条件は、前記マスクパターンを転写するときの露光量を含むことを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の転写方法。
【請求項１１】
前記第２のマスクパターンを転写するときの露光量を、前記第１のマスクパターンを転写するときの露光量よりも大きくすることを特徴とする請求項１０に記載の転写方法。
【請求項１２】
前記第２のマスクパターンは、該マスクパターンに照射された照明光の位相をほぼ１８０°シフトさせる半透明部を含むことを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載の転写方法。
【請求項１３】
前記第１及び前記第２のマスクパターンはそれぞれ互いに異なるマスクに形成され、
前記各マスクは、前記第１のマスクパターンのうち前記線状パターンに対応する部分の長手方向と前記第２のマスクパターンの周期方向とが直交するように、前記投影光学系の物体面側に順次配置されることを特徴とする請求項１〜１２の何れか一項に記載の転写方法。
【請求項１４】
前記第１のマスクパターンは、前記線状パターンに対応する形状の直線パターンを複数隣接して有しており、
前記第１のマスクパターンを前記基板上に転写することにより、前記線状パターンを備えた複数のゲートパターンを、前記基板上に隣接して形成することを特徴とする請求項１〜１３の何れか一項に記載の転写方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４の何れか一項記載の転写方法を用いて、マスク上に形成されたデバイスパターンを前記基板上に転写する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
本発明は、例えば半導体集積回路、撮像素子（ＣＣＤ等）、又は液晶表示素子等の電子デバイスの微細パターンを形成するためのリソグラフィ工程中で、マスクパターンの像をウエハ等の基板上に転写する際に使用される転写方法、及び露光装置に関する。
背景技術
従来より半導体集積回路等の微細パターンは、投影露光装置（ステッパー等）を用いて、マスクとしてのレチクル上に描画された原版パターンの像を感光膜としてのフォトレジストが塗布されたウエハ等の基板上に投影露光した後、現像によってポジレジストであれば感光部分の膜を除去してから、所定の加工工程を経ることによって形成されている。その半導体集積回路等のパターンの微細化、即ち集積度向上のためには、投影露光装置に備えられている投影光学系の解像度の向上が必要である。
投影光学系の解像度は、照明光（露光光）の波長をλ、開口数をＮＡとして、一般にλ／ＮＡに比例する。現在主流となっている露光波長λは、ＫｒＦエキシマレーザ光の２４８ｎｍであるが、今後はＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）の使用も検討されている。ただし、これ以上短波長化すると、投影光学系を構成するレンズとして使用できる適当な硝材が無いことから、屈折系を用いて投影光学系を構成するのは困難となる。一方、現在の投影光学系の開口数ＮＡは、０．７程度に大きくなっているため、開口数ＮＡの更なる向上は望めなくなっている。
また、実際の微細パターンの転写に際しては焦点深度（ＤＯＦ）も重要であるが、焦点深度は、露光波長λの短波長化及び開口数ＮＡの向上の何れによっても減少してしまう。焦点深度は、転写するパターンの種類によっても異なるが、パターンが比較的近接して並ぶ密集パターン（周期パターン）の場合には、日本国特開平４−１０１１４８号公報、及び対応する米国特許第５６３８２１１号、日本国特開平５−２０６００７号公報及び対応する米国特許第５７１９７０４号に開示されているように、照明光学系中のレチクルパターンに対する光学的なフーリエ変換面において、照明光の光量分布の形状を制御する、即ち照明光のレチクルへの入射角を制御する変形照明を行うことによって、その解像度及び焦点深度を大幅に向上させることができる。
これに対して、孤立線と呼ばれ、他のパターンに対して比較的孤立的に配置される微小線幅の線状パターン（細線パターン）は、特に焦点深度の得にくいパターンである。そして、半導体集積回路及び液晶表示素子等の電子デバイスにおいては、そのデバイスの性能を決定するゲートパターンと呼ばれるパターンが、孤立線を含んでいる。
孤立線に対して、解像度及び焦点深度を向上させる技術としては、例えば日本国特開平４−２６８７１４号公報及び対応する米国特許第５３５７３１１号に開示されているように、孤立線の両端に補助パターンを付加し、更に変形照明（輪帯照明を含む）を併用する方法（以下「補助パターン法」と呼ぶ）がある。この方法により孤立線の結像特性を或る程度改善することはできる。更には、日本国特開平４−２７３４２７号公報に開示されている如く、孤立線を、孤立線と周期パターンとの合成露光（多重露光）によって形成する方法（以下「合成露光法」と呼ぶ）も提案されている。この方法においても、周期パターンの露光に際しては変形照明を使用することで解像度及び焦点深度を向上させており、総合的に、孤立線の像の解像度や焦点深度が大幅に向上している。
上記の如く従来より、ゲートパターン等に含まれる孤立線の像の解像度や焦点深度を向上させるための方法が提案されている。しかしながら、前者の補助パターン法では、孤立線の像の解像度、及び焦点深度の向上が十分ではない場合があった。また、後者の合成露光法は、従来要求されている結像特性に対してはほぼ対応できていたが、今後一層微細化する回路パターンの露光を高精度に行う上では、次のような問題点がある。
その一つは、実際のゲートパターンは単なる孤立線ではなく、孤立線のどちらかの端部又は両方の端部に、配線パターンとの接続のための幅の広い重ね合わせ用パターンを有しているため、特に今後一層微細化するゲートパターンを孤立線と周期パターンとに分解することが容易でないことである。
もう一つの問題点として、合成される２種類のパターンの一方の周期パターンの露光に際しては、解像度及び焦点深度の一層の向上のために変形照明を使用しているが、その際に上記の照明光学系中の光学的フーリエ変換面における照明光束を、できるだけ光軸から離れた小さな領域に制限する必要のあることが挙げられる。このようにその照明光学系中のフーリエ変換面で、照明光束が小さく絞られていると、それに応じて投影光学系中での光束の広がりも小さくなり、その結果、投影光学系が露光光束により局所的に加熱されて、局所的な熱膨張や屈折率変化が生じ、投影光学系の結像特性が次第に微妙に劣化してしまう。
本発明は斯かる点に鑑み、ゲートパターンのように線状パターンとこの端部の幅の広いパターンとからなるような回路パターンの像を高精度にウエハ等の基板上に転写できる転写方法を提供することを第１の目的とする。
更に本発明は、孤立線のようなパターンの像を高精度に基板上に転写できる転写方法を提供することを第２の目的とする。
更に本発明は、照明条件の一部に変形照明を用いるような場合に、投影光学系の結像特性の劣化を抑制することができる転写方法を提供することを第３の目的とする。
更に本発明は、そのような転写方法を使用できる露光装置、この露光装置の効率的な製造方法、及びそのような転写方法を使用して高精度にデバイスを製造できるデバイスの製造方法を提供することをも目的とする。
発明の開示
本発明による第１の転写方法は、所定の線状パターン（Ｐ１ａ）を含む所定形状のパターン（Ｐ１）の像をその投影光学系を介して基板（１６）上に転写する転写方法であって、その所定形状のパターンに対応する部分（Ａ１）が減光部とされ、その他の部分（３５）が透過部とされた第１のマスクパターン（９Ａ）と、その線状パターンに対応する部分（Ｐ１ａ’）に接するように、それぞれその線状パターンと実質的に同程度の線幅を有する複数個の透過パターン（Ｂ１）がその線状パターンの幅方向に周期的に配列され、かつ、少なくともその線状パターンに対応する部分の近傍のその透過パターン以外の領域が減光部（３２）とされた第２のマスクパターン（９Ｂ）とを用い、それら２つのマスクパターンの像をその投影光学系を介してその基板上に順次互いに位置合わせして転写すると共に、その第２のマスクパターンの像を露光する際の照明条件を、照明光学系の露光対象のパターンに対する光学的フーリエ変換面（５）での強度分布が、光軸近傍よりもこの外側の領域で強い変形照明とするものである。
斯かる本発明において、変形照明を用いることによって、それ以外の照明のもとでの解像限界よりも微細な周期パターンの像を深い焦点深度で高精度に投影できるため、その所定形状のパターンを第１及び第２のマスクパターンに分割するに際して、第２のマスクパターンにはその線状パターンの近傍に相当する位置にのみ周期的に配置される透過パターン（Ｂ１）を形成し、その他の部分は減光部とした。
その結果、第１のマスクパターンの形状は、転写すべき所定形状のパターンと実質的に同一で良く、新たに作成するパターンデータは殆ど無い。一方、第２のマスクパターンは、線状パターンの周囲にのみ配置すれば良く、全体としてパターンデータの作成量は僅かで済む。更に、その所定形状のパターンがゲートパターンである場合、その第２のマスクパターンには、線状パターンの端部の重ね合わせ用パターンのような幅の広いパターンは形成する必要がなく、実質的に容易にゲートパターンが孤立線と周期パターンとに分解されたことになる。
また、第２のマスクパターンに含まれる透過パターンは、線状パターンの周囲の微少な周期パターン部のみであり、パターン全体の透過率（透過パターンの占める割合）は低くなるため、第２のマスクパターンを使用して変形照明を行う際に、投影光学系中を透過する光量は少なくなる。このため、変形照明によって投影光学系中で局所的に結像光束が集中しても、光学系が局所的に加熱されて変形する恐れはなくなり、高解像度の変形照明を安定して使用することが可能になる。
また、その第２のマスクパターンを転写するときの露光量を、その第１のマスクパターンを転写するときの露光量よりも大きく設定することが望ましい。
次に、本発明による第２の転写方法は、投影光学系を介して孤立的な線状パターンの像を基板上に転写する転写方法において、その線状パターンを減光部とした孤立的な第１パターン（Ａ１）と、複数の透過パターンからなる周期的な第２パターン（Ｂ１）とをそれぞれ照明光で照明し、その基板上でその第１パターンの減光部と、その複数の透過パターンに挟まれる１つの減光部とが重なるように、その第１及び第２パターンを用いてその基板を多重露光するものである。
この発明によれば、周期的な第２パターンの転写によってその孤立的な線状パターンの最終的な線幅が正確に規定され、不要な周期的パターンは第１パターンの転写によって覆われるため、孤立的な線状パターンを高精度に転写できる。
また、その第１パターンを転写するときの露光量とその第２パターンを転写するときの露光量とを異ならせることが望ましい。
また、その第１パターンの線幅は前記線状パターンの線幅のほぼ１倍〜２倍であり、その第２パターンの線幅は前記線状パターンの線幅と同程度であることが望ましい。
次に、本発明による第３の転写方法は、投影光学系を介して孤立的な線状パターンの像を基板上に転写する転写方法において、その線状パターンと実質的に同一形状の第１パターン（Ａ１）と、その線状パターンと実質的に同一線幅の直線部を含む周期的な第２パターン（Ｂ１）とをそれぞれ照明光で照射し、その基板上でその第１パターンとその第２パターンの直線部とが重なるように、その第１及び第２パターンを用いてその基板を多重露光するものである。斯かる本発明の第３の転写方法によれば、本発明の第２の転写方法と同様に、孤立的な線状パターンを高精度に転写できる。
また、その第１パターンを転写するときその基板の露光条件と、その第２パターンを転写するときのその基板の露光条件とを異ならせることが望ましい。
また、その露光条件は、その第１及び第２パターンにそれぞれその照明光を照射する照明光学系内の、そのパターンに対する光学的なフーリエ変換面上でのその照明光の強度分布を含み、その第２パターンを用いてその基板を露光するとき、その照明光学系の光学軸を含む領域よりもその外側でその照明光の強度分布を高めることが望ましい。
また、その露光条件は、その基板の露光量を含むことが望ましい。
また、その第２パターンは、その照明光の位相をほぼ１８０°シフトさせる透過部を含み、その透過部は、その照明光を減光する半透明部であることが望ましい。
また、その線状パターンは少なくとも一端での線幅が中心部よりも太くなっていることが望ましい。そして、その線状パターンは、一例としてゲート電極パターンである。
上記の各発明において、その線状パターンの線幅は、一例として投影光学系の実質的に解像限界程度の線幅である。このような線状パターンとは、一例としてマスクパターンに対する光学的フーリエ変換面において光軸を中心としたほぼ円形の領域を通過する照明光を用いる照明条件（通常照明）で照明したときに、その理想的な投影像の幅がその投影光学系の理論的な解像限界の１／２〜５倍程度であるパターンを言う。
次に、本発明による露光装置は、所定のマスクを照明する照明光学系（１〜４，６Ａ，６Ｂ，７）と、そのマスクのパターンの像を基板上に転写する投影光学系（１４）と、を有する露光装置において、その照明光学系の照明条件を、露光対象のパターンの光学的フーリエ変換面（５）での強度分布が、光軸近傍よりもこの外側の領域で強い変形照明と、それ以外の照明との何れかに切り換える照明条件制御系（２３，４２，４３）と、そのマスクのパターンとして複数のマスクパターン（９Ａ，９Ｂ）の内の何れかを選択するパターン選択装置（１１〜１３）と、このパターン選択装置で順次選択される複数のマスクパターンの相互の位置合わせを行うアライメント系（８Ａ，８Ｂ，２５）と、そのパターン選択装置によって選択されたパターンに応じて、その照明条件制御系を介してその照明条件を切り換えて多重露光を行う露光制御系（２７）と、を有するものである。この露光装置によって、本発明の第１及び第２の転写方法が実施できる。
次に、本発明による露光装置の製造方法は、所定のマスクを照明する照明光学系（１〜４，６Ａ，６Ｂ，７）と、そのマスクのパターンの像を基板上に転写する投影光学系（１４）と、その照明光学系の照明条件を、露光対象のパターンの光学的フーリエ変換面（５）での強度分布が、光軸近傍よりもこの外側の領域で強い変形照明と、それ以外の照明との何れかに切り換える照明条件制御系（２３，４２，４３）と、そのマスクのパターンとして複数のマスクパターン（９Ａ，９Ｂ）の内の何れかを選択するパターン選択装置（１１〜１３）と、このパターン選択装置で順次選択される複数のマスクパターンの相互の位置合わせを行うアライメント系（８Ａ，８Ｂ，２５）と、そのパターン選択装置によって選択されたパターンに応じて、その照明条件制御系を介してその照明条件を切り換えて多重露光を行う露光制御系（２７）と、を所定の位置関係で組み上げるものである。
また、本発明によるデバイスの製造方法は、或るレイヤにおいて、使用される露光装置の投影光学系（１４）の投影像の実質的に解像限界程度の線幅を有するパターンを含む所定形状の回路パターンが形成されるデバイスの製造方法であって、本発明による露光方法を用いてその露光装置でそのレイヤへの露光を行うものである。これによって、その投影光学系の解像限界程度の線幅のパターンを高精度に形成できる。また、例えばその線状パターンは、電界効果型トランジスターのゲート電極パターンである。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の好適な実施の形態の一例につき図面を参照して説明する。
図１は、本例で使用される投影露光装置を示し、この図１において、露光光源１を発した露光光としての照明光ＩＬ０は、リレー光学系２によってビーム形状を整えられた後、照明光ＩＬ１としてミラー３に反射されて照度分布整形光学系４に入射する。露光光源１としては、本例ではＡｒＦエキシマレーザ光源（波長１９３ｎｍ）が使用されているが、それ以外にＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、Ｆ２レーザ（波長１５７ｎｍ）、Ａｒ２レーザ（波長１２６ｎｍ）、又はＹＡＧレーザの高調波発生装置等も使用できる。
本例の照度分布整形光学系４は、オプティカル・インテグレータ（ホモジナイザー）としてのフライアイレンズ４１と、この射出面５に回転自在に配置されると共に、回転軸を中心として複数の開口絞り（以下「σ絞り」と呼ぶ）が配置された回転板４２と、この回転板４２を回転させる駆動モータ４３と、を備えている。フライアイレンズ４１の射出面５は、露光対象のマスクとしてのレチクルのパターン面に対して光学的なフーリエ変換の関係にあり、回転板４２を回転して所望のσ絞りの中心が照明光学系の光軸ＡＸ１に合致するように、そのσ絞りを射出面５に設置することによって、所望の照明条件を設定できる。
回転板４２には、図５（Ａ）〜（Ｅ）に示すようにそれぞれ射出面５に設置した状態で、遮光板中に光軸ＡＸ１を中心として等角度間隔で形成された４個の円形開口４４ａ〜４４ｄを有するσ絞り４４、光軸ＡＸ１を中心とした円形の開口４５ａを有するσ絞り４５、光軸ＡＸ１を所定方向に挟むように形成された２つの小さい円形の開口４６ａ，４６ｂを有するσ絞り４６、及びそのσ絞り４６を９０°回転した形状の開口４７ａ，４７ｂを有するσ絞り４７が配置されている。図５（Ａ）は図５（Ｂ）のＡＡ線に沿う断面図である。これらのσ絞り４４〜４７の各開口の位置によって、露光対象のレチクルパターンの光学的なフーリエ変換面を通過する際の照明光の強度分布、即ち照明条件が規定されて、レチクルパターンに入射する照明光の入射角、及び方向の分布が規定される。σ絞り４４，４６，４７はそれぞれ、その光学的なフーリエ変換面において、照明光が光軸ＡＸ１を含まない領域を通過する照明条件である変形照明を行うためのσ絞りである。
図１に戻り、装置全体の動作を統轄制御する主制御系２７には、露光対象のレチクルパターンの周期方向や微細度に応じて、σ絞り４４〜４７中の最適なσ絞りの情報がテーブルとして記憶されている。そこで、露光前に主制御系２７は、露光対象のレチクルパターンに最適なσ絞りの情報を露光制御系２３に供給し、露光制御系２３は、駆動モータ４３を介して最適なσ絞りをフライアイレンズ４１の射出面５に設定する。また、露光制御系２３は、露光光源１の発光状態の制御も行う。なお、種々のレチクルパターンに対して最適なσ絞りの形状については、例えば日木国特開平４−１０１１４８号公報、米国特許第５６３８２１１号、及び米国特許第５３３５０４４号に詳細に述べられており、本国際出願で指定した指定国、又は選択した選択国の国内法令の許す限りにおいて、上記公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。
照度分布整形光学系４から射出された照明光ＩＬ２は、コンデンサレンズ系６Ａ、ミラー７、及びコンデンサレンズ６Ｂを経て、図１の状態ではマスクとしての第１のレチクル９Ａのパターン面の照明領域を照明する。その照明光ＩＬ２のもとで、レチクル９Ａのパターンの像が投影光学系１４を介して投影倍率β（βは例えば１／４，１／５等）で、基板としてのフォトレジストが塗布されたウエハ（ｗａｆｅｒ）１６の表面に投影露光される。なお、コンデンサレンズ系６Ａには、実際には照明領域を規定する視野絞り（レチクルブラインド）等も含まれている。また、フライアイレンズ４１の射出面５は、コンデンサレンズ系６Ａ、ミラー７及びコンデンサレンズ６Ｂよりなる光学系に関して、露光対象のレチクルのパターン面の光学的なフーリエ変換面となっている。また、投影光学系１４内のレチクル９Ａのパターン面に対する光学的なフーリエ変換面（瞳面）には、開口絞り１５が配置されている。
レチクル９Ａは、レチクルステージ１１上のレチクルホルダ１０Ａ，１０Ｂ上に吸着保持されている。後述のように本例では、ウエハ１６への所定のパターン像の露光を、複数のレチクルパターンの合成露光（多重露光）により行う。そこで、レチクルステージ１１上のレチクル９Ａに近接した領域に、レチクルホルダ１０Ｂ，１０Ｃを介して第２のレチクル９Ｂが吸着保持され、これらのレチクルを交換しつつ露光を行うことが可能となっている。以下、投影光学系１４の光軸ＡＸ２に垂直な平面内で、図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。
まず、レチクルステージ１１上にレチクル９Ａ，９ＢはＸ方向に近接して載置されている。そして、レチクルステージ１１は、レチクルベース１２上に、Ｘ方向に長いストロークで移動できると共に、Ｘ方向、Ｙ方向、回転方向に所定範囲で位置決め自在に載置されている。レチクルステージ１１の２次元的な位置は、移動鏡１３ｍ及びこれに対向して配置されたレーザ干渉計１３によって計測され、この計測値、及び主制御系２７からの制御情報に基づいてレチクルステージ駆動系２１がレチクルステージ１１の動作を制御する。
また、コンデンサレンズ６Ｂの周辺部の下方に１対のレチクルアライメント顕微鏡（以下「ＲＡ顕微鏡」という）８Ａ，８Ｂが設置され、ＲＡ顕微鏡８Ａ，８Ｂの撮像信号がアライメント信号処理系２６に供給されている。レチクルアライメント時に、ＲＡ顕微鏡８Ａ，８Ｂはそれぞれレチクル９Ａ（又はレチクル９Ｂ）のアライメントマーク、及びこれに対応するウエハステージ側の基準マークの像を撮像し、アライメント信号処理系２６ではそれら２対のマークの位置ずれ量を算出して主制御系２７に供給する。主制御系２７は、例えばそれらの位置ずれ量が対称に最小になるようにレチクルステージ１１を位置決めすることで、両レチクル９Ａ，９Ｂのパターン像を所定の位置関係を維持して、高精度に位置合わせすることができる。ただし、本例ではレチクル９Ａ，９Ｂの交換を行う際にも、レチクルステージ１１の位置（Ｘ座標を含む）はレーザ干渉計１３によって高精度に計測されているため、上記のレチクルアライメントは、これらのレチクル９Ａ，９Ｂを不図示のレチクルローダ系よりレチクルステージ１１上にロードした際に１度だけ行えば良く、それ以後にレチクル９Ａ，９Ｂを交換して露光を行う際には、レーザ干渉計１３の計測値に基づいてレチクルステージ１１を位置決めするだけでも良い。
一方、ウエハ１６は、不図示のウエハホルダを介してウエハステージ１７上に保持され、ウエハステージ１７は、定盤１８上でＸ方向、Ｙ方向にウエハ１６をステップ移動すると共に、不図示のオートフォーカスセンサの計測値に基づいて、ウエハ１６の表面のフォーカス位置（Ｚ方向の位置）及び傾斜角をオートフォーカス方式で投影光学系１４の像面に合わせ込む。ウエハステージ１７の２次元的な位置は、移動鏡１９ｍ及びレーザ干渉計１９によって計測され、この計測値、及び主制御系２７からの制御情報に基づいてウエハステージ駆動系２２がウエハステージ１７の動作を制御する。露光時には、ウエハ１６上の一つのショット領域へのレチクルパターン像の露光（又は二重露光）が終わると、ウエハステージ１７のステップ移動によって次のショット領域が露光位置に移動して露光を行うという動作がステップ・アンド・リピート方式で繰り返される。このように本例の投影露光装置は、ステッパー型（一括露光型）であるが、投影露光装置としてステップ・アンド・スキャン方式のような走査露光型を使用する場合にも本発明が適用できるのは言うまでも無い。
また、ウエハ１６の各ショット領域への重ね合わせ露光時のアライメントを行うために、オフ・アクシス方式で画像処理型のアライメントセンサ２５が備えられ、アライメントセンサ２５の撮像信号もアライメント信号処理系２６に供給されている。ウエハステージ１７上にはＲＡ顕微鏡８Ａ，８Ｂを介してレチクルアライメントを行う際に使用される基準マーク、及びアライメントセンサ２５用の基準マークが形成された基準マーク部材２０も設置されている。
次に、本例の投影露光装置を用いて所定のパターンの像を露光する際の動作の一例につき説明する。本例では、ウエハ１６上の各ショット領域に対して２つのレチクルを交換しつつ二重露光を行うが、始めに第１のレチクル９Ａを用いてウエハ１６上の全ショット領域を露光し、続いてレチクルを第２のレチクル９Ｂに交換して、再びウエハ１６上の全ショット領域を露光するシーケンスを採用した方が、各ショット領域毎にレチクル９Ａ，９Ｂを交換して露光を行うよりもスループットが高い。そこで、以下では各レチクル毎にウエハの全部のショット領域への露光を連続して行う動作について説明する。
図２は、本例でウエハの各ショット領域に形成する電子デバイスの或るレイヤの回路パターン３１を部分的に拡大した図を示し、この図２において、幅ｄＹ１でＸ方向に細長く伸びた細線パターンＰ１ａの両端部に、それより広い幅ｄＹ２（ｄＹ２はｄＹ１のほぼ１．５倍程度）の重ね合わせ用パターンＰ１ｃ，Ｐ１ｄを配置した形の第１のゲートパターンＰ１が形成されている。同様に、幅ｄＸ１でＹ方向に細長く伸びた細線パターンＰ２ａの端部に、それより広い幅ｄＸ２（ｄＸ２はｄＸ１のほぼ１．５倍程度）の重ね合わせ用パターンＰ２ｃを配置した形の第２のゲートパターンＰ２と、それぞれＹ方向に伸びた幅ｄＸ１の細線パターンＰ３ａ，Ｐ３ｂの反対側の端部に、それより広い幅ｄＸ２の重ね合わせ用パターンＰ３ｃ，Ｐ３ｄを配置した形のゲートパターンＰ３Ａ，Ｐ３Ｂを中心間隔ｅＸ１（本例ではｅＸ１＝２・ｄＸ１）で配置した第３のゲートパターンＰ３とが形成されている。この場合、ｄＸ１＝ｄＹ１となっている。
それらの孤立線的な細線パターンＰ１ａ，Ｐ２ａ，Ｐ３ａ，Ｐ３ｂの幅ｄＹ１（即ちｄＸ１）は、変形照明を用いない場合の本例の投影光学系１４の解像限界程度の幅、又はこの解像限界より僅かに細い幅であり、細線パターンＰ１ａ，Ｐ２ａ，Ｐ３ａ，Ｐ３ｂが本発明の線状パターンに対応している。即ち、露光波長をλ、投影光学系１４の開口数をＮＡとすると、変形照明を用いない場合の投影光学系１４の解像限界は、所定のプロセス係数ｋ１を用いてほぼｋ１・λ／ＮＡであり、幅ｄＹ１（ｄＸ１）はｋ１・λ／ＮＡ程度、又はこれより僅かに細い程度である。一方、重ね合わせ用パターンＰ１ｃ，Ｐ２ｃ等の幅ｄＹ２（即ちｄＸ２）は、その解像限界ｋ１・λ／ＮＡよりも１．５倍程度は太く設定されている。
ゲートパターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３の細線パターンＰ１ａ，Ｐ２ａ，Ｐ３ａ，Ｐ３ｂの部分は、例えば電界効果型トランジスタのゲート電極となるパターンであり、ウエハの各ショット領域の当該レイヤ上にそれらのゲートパターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３を残しパターン（その部分にのみ金属膜等の膜が残るパターン）として形成する必要がある。実際のデバイスにはこのようなゲートパターンが数千万個以上形成されている場合があるが、このゲート電極が細く、且つデバイスの全箇所で、その線幅が一定しているほど、その電子デバイスを高速に動作させることができる。
このようなゲートパターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３の形成には、これと相似形状の拡大された遮光パターン（原版パターン）を有するレチクルを作成し、その縮小像を投影露光装置でウエハ上に転写露光すればよいが、変形照明を用いない露光方法では、そのｋ１・λ／ＮＡ程度の解像限界より細いパターン像を高精度に、かつ適正な焦点深度を維持して露光することは困難である。そこで、本例では図２の回路パターン３１を図１の投影光学系１４の投影倍率βの逆数（１／β）倍で拡大した原版パターンより、２つのレチクルパターンを生成し、これらのレチクルパターンを図１のレチクル９Ａ及び９Ｂに別々に形成する。なお、実際のレチクルパターンの長さは、ウエハ上での長さの目標値に（１／β）倍を乗じた値であるが、以下では説明の便宜上、レチクルパターンの各部の長さをウエハ上の長さに換算した値で表示する。更に、図１の投影光学系１４は、例えば反転投影を行っているが、分かり易くするために、レチクルパターンとこの投影像とは同じ方向であるものとして説明する。
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ第１のレチクル９Ａ及び第２のレチクル９Ｂに描画されているレチクルパターンを示し、前者の第１のレチクル９Ａに描画されているレチクルパターンは、透過部３５中に図２のゲートパターンＰ１〜Ｐ３とそれぞれ同じ形状の（より正確には１／β倍した）遮光膜よりなる遮光パターンＡ１〜Ａ３を形成したものである。即ち、遮光パターンＡ１は、図２の細線パターンＰ１ａ及び重ね合わせ用パターンＰ１ｃ，Ｐ１ｄとそれぞれ同じ形状のパターンＡ１ａ及びＡ１ｃ，Ａ１ｄよりなる。この場合、パターンＡ１ｃ，Ａ１ｄの幅は重ね合わせ用パターンＰ１ｃ，Ｐ１ｄの幅と同じｄＹ２であるが、中央のパターンＡ１ａの幅は細線パターンＰ１ａの幅ｄＹ１に対してｄＹ３で表されている。
これは、細線パターンＰ１ａに対応するパターンＡ１ａの幅ｄＹ３は、幅ｄＹ１と同じでもよいが、幅ｄＹ１の１倍〜２倍の間に設定してもよいことを意味している。このようにパターンＡ１ａの幅ｄＹ３を広く設定することによって、変形照明を用いない照明条件下での解像限界付近の像の露光によってパターンＡ１ａの像の線幅が狭くなるか、又は２つのレチクルパターンの僅かな位置ずれによって線幅が狭くなることが防止される。また、パターンＡ１ａの幅ｄＹ３を広く設定しても、パターンＡ１ａの像の最終的な線幅は第２のレチクル９Ｂのパターン像の露光によって規定されるため問題は無い。
同様に、遮光パターンＡ２は、図２の細線パターンＰ２ａ及び重ね合わせ用パターンＰ２ｃとそれぞれ同じ形状の幅ｄＸ３（＝ｄＹ３）のパターンＡ２ａ及び幅ｄＸ２のパターンＡ２ｃよりなる。更に、遮光パターンＡ３は、図２の細線パターンＰ３ａ及び重ね合わせ用パターンＰ３ｃと同じ形状のパターンＡ３ａ及びＡ３ｃよりなる第１の遮光パターンＡ３Ａと、細線パターンＰ３ｂ及び重ね合わせ用パターンＰ３ｄと同じ形状のパターンＡ３ｂ及びＡ３ｄよりなる第２の遮光パターンＡ３Ｂとから構成されており、幅ｄＸ３のパターンＡ３ａ，Ａ３ｂの中心間隔は、細線パターンＰ３ａ，Ｐ３ｂの中心間隔ｅＸ１と同じである。
次に、図３（Ｂ）の第２のレチクル９Ｂに描画されているパターンは、図２の細線パターンＰ１ａ、細線パターンＰ２ａ、及び細線パターンＰ３ａ，Ｐ３ｂの原版パターンに相当する位置にそれぞれ所定方向に複数個の透過パターンＢ１，Ｂ２及びＢ３を配置し、それ以外の領域を遮光部３２としたものである。そして、第１の透過パターンＢ１は、図２の細線パターンＰ１ａを正確に投影倍率の逆数（１／β）倍した点線で示すＸ方向に細長い原版パターンＰ１ａ’を挟み込む（接する）ように、原版パターンＰ１ａ’と同じ形状の幅がほぼｄＹ１の４個の透過パターンを、Ｙ方向に（即ち、原版パターンＰ１ａ’の長辺方向（長手方向）に直交する方向に）ほぼ２・ｄＹ１のピッチで配置したパターンである。
また、第２の透過パターンＢ２は、図２の細線パターンＰ２ａのＹ方向に細長い原版パターンＰ２ａ’を挟み込む（接する）ように、原版パターンＰ２ａ’と同じ形状の幅がほぼｄＸ１の４個の透過パターンを、Ｘ方向にほぼ２・ｄＸ１のピッチで配置したパターンである。同様に、第３の透過パターンＢ３は、図２の細線パターンＰ３ａ，Ｐ３ｂの原版パターンＰ３ａ’，Ｐ３ｂ’を挟み込む（接する）ように、原版パターンＰ３ａ’と同じ形状の幅がほぼｄＸ１の６個の透過パターンを、Ｘ方向にほぼ２・ｄＸ１のピッチで配置したパターンである。なお、透過パターンＢ１，Ｂ２としては、矩形の透過パターンをそれぞれ２個〜８個程度周期的に配置したパターンを使用できる。同様に、透過パターンＢ３としては、矩形の透過パターンをそれぞれ３個〜９個程度周期的に配置したパターンを使用できる。
図３（Ｂ）より分かるように、各透過パターンＢ１〜Ｂ３の長辺方向は対応する各細線パターンＰ１ａ〜Ｐ３ａ，Ｐ３ｂの原版パターンの長辺方向（Ｙ方向、又はＸ方向）と一致しており、かつ、各透過パターンＢ１〜Ｂ３の周期方向は、対応する各細線パターンの長辺方向と直交する方向である。更に、図２の各細線パターンＰ１ａ〜Ｐ３ａ，Ｐ３ｂの原版パターンＰ１ａ’〜Ｐ３ａ’，Ｐ３ｂ’に対応する部分はそれぞれ遮光パターンとなっている。そして、第１のレチクル９Ａに含まれる各遮光パターンＡ１〜Ａ３と、第２のレチクル９Ｂに含まれる各透過パターンＢ１〜Ｂ３との位置関係は、合成露光に際し、正確に重なりあうように配置されている。そのため、不図示であるがレチクル９Ａ及び９Ｂのパターン領域には、それぞれＸ方向に所定間隔で１対のアライメントマークが形成されている。
次に本例の露光動作につき図７のフローチャートを参照して説明する。まず、図７のステップ１０１において、１ロットのウエハに対してポジ型のフォトレジストが塗布される。その１ロットのウエハの各ショット領域の下地のレイヤには、それぞれそれまでの工程で所定の回路パターンが形成されている。その後、その１ロットのウエハは図１の投影露光装置の近傍の不図示のウエハカセットに搬送される。次に、その１ロットの内の１枚のウエハを図１のウエハステージ１７上にロードして、アライメントセンサ２５を介してウエハアライメントを行う（ステップ１０２）。その後、レチクルステージ１１を駆動して第１のレチクル９Ａを照明光ＩＬ２による照明領域に移動して、ＲＡ顕微鏡８Ａ，８Ｂ、又はレーザ干渉計１３を用いてレチクルアライメントを行う（ステップ１０３）。
それに続くステップ１０４において、回転板４２を回転して対応するσ絞りをフライアイレンズ４１の射出面５に設置することによって、照明条件をレチクル９Ａ用に最適化する。このレチクル９Ａに描画されている図３（Ａ）の遮光パターンＡ１〜Ａ３は周期性が低いため、特に変形照明を使用する必要はなく、図５（Ｃ）に示す円形の開口４５ａを持つσ絞り４５がその射出面５に設置される。開口４５ａは、例えばコヒーレファレンスファクタ（σ値）が０．３から０．７程度の通常の円形開口である。σ絞り４５を使用する照明条件をここでは「通常照明」と呼ぶ。ただし、必要に応じて他の形状の絞りを使用しても良い。その照明条件のもとで、ウエハの各ショット領域にレチクル９Ａのパターン像が投影露光される。
次に、ステップ１０５において、レチクルステージ１１を駆動して、第２のレチクル９Ｂを照明領域に移動して、レチクルアライメントを行う。その後のステップ１０６において、照明条件を図３（Ｂ）のレチクル９Ｂの周期的な透過パターンＢ１〜Ｂ３に最適化する。この場合には、直交する２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に周期性を有するパターンの形成に好適な変形照明とするために、図５（Ｂ）に示す４つの開口４４ａ〜４４ｄを有するσ絞り４４を射出面５に設定する。なお、図５（Ｂ）〜（Ｅ）におけるＸ方向及びＹ方向は、それぞれ図１のウエハステージ１７上でのＸ方向及びＹ方向に対応する方向である。σ絞り４４の開口４４ａ〜４４ｄは、光軸ＡＸ１を中心として図３（Ｂ）の透過パターンＢ１の周期方向（Ｙ方向）、及び透過パターンＢ２，Ｂ３の周期方向（Ｘ方向）に対してそれぞれ４５°ずつ回転した４方向に沿って、光軸ＡＸ１から等距離の位置を中心とした小さい円形である。このようなσ絞り４４を使用すると、Ｘ方向及びＹ方向に周期性を有するパターンの解像度及び焦点深度を向上することができるが、その原理は、日本国特開平５−２０６００７号公報及び米国特許第５７１９７０４号に詳細に述べられているので、ここでの説明は省略するが、本国際出願で指定した指定国、又は選択した選択国の国内法令の許す限りにおいて、上記公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。
なお、σ絞り４４の配置される射出面５は、前述の通りレチクル９Ｂのパターン面に対する光学的フーリエ変換面であるため、その射出面５は、投影光学系１４内の開口絞り１５の配置面と共役（結像関係）になっている。そして、図５（Ｂ）のσ絞り４４の開口４４ａ〜４４ｄの像は、対応する開口絞り１５の開口内のできるだけ周辺部に位置するように、即ちできるだけ光軸から離れた位置とすると共に、その間口４４ａ〜４４ｄの各内径もできるだけ小さくすることによって、より一層微細な線状パターンＰ１ａ，Ｐ２ａ，Ｐ３ａ，Ｐ３ｂに対応する透過パターンＢ１〜Ｂ３の像を高精度に転写することが可能となる。
ただし、転写すべき線状パターンの線幅が露光波長λ、投影光学系の開口数ＮＡに対して、０．４×λ／ＮＡ程度より太ければ、使用する変形照明は、上記のように、照明光学系瞳面で、できるだけ光軸から離れ、且つ、できるだけ小さな開口を用いる変形照明には限定されず、照明光学系瞳面での照明光の強度分布が、光軸近傍で弱く、これ以外（この外側）の部分で強くなるような、比較的集中度の弱い変形照明を用いることもできる。また、輪帯照明を使用することもできる。もちろん、転写すべき線状パターンの線幅が、０．４×λ／ＮＡ程度より細い場合には、上記の如き、照明光学系瞳面で、できるだけ光軸から離れ、且つ、できるだけ小さな開口を用いる変形照明を使用することが望ましい。
その変形照明のもとで、ウエハの各ショット領域にレチクル９Ｂのパターン像が投影露光される。そして、ステップ１０７で未露光のウエハが無くなるまで、ステップ１０２〜１０６が繰り返されて、１ロットの全部のウエハにそれぞれ２枚のレチクル９Ａ，９Ｂの像が合成露光（二重露光）される。
ところで、変形照明を使用すると、通常はレチクルを透過した結像光束が、投影光学系内の特定箇所に集光された状態で通過することとなり、露光を長時間行う過程でその結像光束の吸収によりその投影光学系が局所的に加熱され、局所的な変形や屈折率変化が生じて、結像特性が劣化する恐れがある。しかしながら、本例において変形照明を行う際に使用される第２のレチクル９Ｂは、転写すべき線状パターンＰ１ａ，Ｐ２ａ，Ｐ３ａ，Ｐ３ｂに相当する部分の近傍のみに、周期的な透過パターンＢ１，Ｂ２，Ｂ３を有するのみで、それ以外の部分は全て遮光部３２とされている。従って、照明光束の殆どはレチクル９Ｂにより遮光されて投影光学系１４内を透過する結像光束の光量は僅かであり、上記の如き結像特性の劣化が生じる恐れは全くない。
上記の各ウエハについて２回の露光によって、各ウエハの各ショット領域上のフォトレジストには、２つのレチクル９Ａ，９Ｂのパターンの像が論理和的に記録される。即ち、少なくともどちらか一方の露光で明部（透過パターン）であった領域のフォトレジストは感光し、２回とも暗部（遮光パターン）であった領域のフォトレジストは感光していない。
次にステップ１０８に移行して、二重露光後の１ロットのウエハの現像を行う。本例のフォトレジストはポジ型であるため、現像後には未感光の部分のみが残膜し、その結果、図２のゲートパターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３に対応する部分がレジストパターンとして形成される。この際に、レチクル９Ｂに存在する多くの遮光部３２は、それと対応するレチクル９Ａにおいて、転写すべきゲートパターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３に対応する部分以外の領域が透過部３５となっていることから、レジストが残膜する（誤転写される）ことはない。
本例の合成露光を、従来のような１回で露光する方法、即ち実質的に第１のレチクル９Ａのみを使用する露光方法と比べると、本例では第２のレチクル９Ｂを使用する露光において、ゲートパターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３中の細線パターンＰ１ａ，Ｐ２ａ，Ｐ３ａ，Ｐ３ｂの解像度及び焦点深度を著しく向上させることが可能である。従って、合成露光後においてもこの特徴が活かされており、細線パターンＰ１ａ，Ｐ２ａ，Ｐ３ａ，Ｐ３ｂの像の解像度及び焦点深度の向上が達成される。上記２回の露光における各露光量は、フォトレジストの感度から定められる適正露光量の均等分け、即ちその半分ずつでなくても良く、レチクル９Ｂを用いた露光時の露光量を多めに設定すると、一層効果的である。
その後、ステップ１０９の加工工程において、１ロットのウエハに対して現像後に残されたレジストパターンをマスクとしてエッチング等を行うことによって、当該レイヤに図２のゲートパターンが形成される。その後、加工工程後の不要なレジストを除去するレジスト除去工程等を経た後、ウエハの更に上のレイヤに対して順次レジスト塗布、露光、現像、加工、レジスト除去等の各工程を繰り返すことで、ウエハプロセスが終了する。ウエハプロセスが終了すると、実際の組立工程にて、焼き付けられた回路毎にウエハを切断してチップ化するダイシング工程、各チップに配線等を行うボンディング工程、各チップ毎にパッケージングするパッケージング工程等を経て、最終的に半導体デバイスが製造される。
次に、本発明の実施の形態の他の例につき図３〜図５を参照して説明する。
図４（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ図３（Ｂ）の第２のレチクル９Ｂの代わりに本例で使用される第２のレチクル９Ｃ、及び第３のレチクル９Ｄを示している。本例では、図３（Ａ）のレチクル９Ａ、及び図４の２枚のレチクル９Ｃ，９Ｄのパターン像を順次位置合わせしながら三重露光（合成露光）して、図２のゲートパターンＰ１〜Ｐ３を形成する。
図４（Ａ）に示すように、レチクル９Ｃには、図３（Ｂ）のレチクル９Ｂに描画されていたパターンの内、Ｙ方向に周期性を有するパターンである周期的な透過パターンＢ１のみが描画されている。図４（Ｂ）に示すように、レチクル９Ｄには、レチクル９Ｂに描画されていたパターンの内、Ｘ方向に周期性を有するパターンである周期的な透過パターンＢ２，Ｂ３のみが描画されている。そして、両レチクル９Ｃ，９Ｄとも、その透過パターン以外の部分は遮光部３３，３４である。
このように、周期的な透過パターンの周期方向が、Ｙ方向のみ及びＸ方向のみに限定されているレチクル９Ｃ，９Ｄの露光に際しては、その照明条件として、それぞれ図５（Ｄ），（Ｅ）に示すような、２箇所の開口を有すσ絞り４６，４７を図１のフライアイレンズ４１の射出面５に設置する変形照明を用いると、一層の解像度及び焦点深度の向上が可能である。なお、この原理についても上記の日本国特開平４−１０１１４８号公報に詳細に述べられている。
即ち、Ｙ方向に周期性を有する透過パターンＢ１を有するレチクル９Ｃの露光に際しては、図５（Ｄ）のＹ軸（照明光学系の光軸ＡＸ１を通るＹ方向の直線）上の、光軸ＡＸ１から等距離離れた２箇所に開口４６ａ，４６ｂを有するσ絞り４６を用いることが好ましい。一方、Ｘ方向に周期性を有する透過パターンＢ２，Ｂ３を有するレチクル９Ｄの露光に際しては、図５（Ｅ）のＸ軸（照明光学系の光軸ＡＸ１を通るＸ方向の直線）上の、光軸ＡＸ１から等距離離れた２箇所に開口４７ａ，４７ｂを有するσ絞り４７を用いることが好ましい。
本例では、透過パターンＢ１と透過パターンＢ２，Ｂ３とで最適な照明条件が異なるので、３枚のレチクル９Ａ，９Ｃ，９Ｄを用いてウエハを三重露光するものとしたが、前述の実施の形態で使用した２枚のレチクル９Ａ，９Ｂを用いて三重露光を行うようにしてもよい。即ち、レチクル９Ａによる露光が行われたウエハに対して、レチクル９Ｂによる露光を行う前に、レチクル９Ｂ上の透過パターンＢ１を含む所定領域のみに照明光ＩＬ２が照射されるように、照明光学系内でレチクルのパターン面とほぼ共役な面に配置される視野絞り（レチクルブラインド）によって、レチクル９Ｂ上での照明光ＩＬ２による照明領域を調整する。これは、例えばσ絞りの交換と並行して行われる。そして、σ絞り４６を通して照明光ＩＬ２を透過パターンＢ１に照射し、ウエハＷ上の遮光パターンＡ１の像に透過パターンＢ１の像を重ねて転写する。次に、透過パターンＢ２，Ｂ３を含む所定領域のみに照明光ＩＬが照射されるように、視野絞りによってレチクル９Ｂ上での照明領域を調整するとともに、σ絞りの交換を行う。しかる後、σ絞り４７を通して照明光ＩＬ２を透過パターンＢ２，Ｂ３に照射し、遮光パターンＡ２，Ａ３の像に透過パターンＢ２，Ｂ３の像を重ねて転写する。これにより、最適な照明条件が異なる複数の透過パターンがレチクル９Ｂ上に混在していても、レチクルの交換を行うことなく、１つ又は複数の透過パターン毎に最適な照明条件でその転写像をウエハ上に形成することができる。
なお、前述の実施の形態ではレチクル９Ａを用いてウエハの露光を行い、しかる後にレチクル９Ｂ（又はレチクル９Ｃ，９Ｄ）を用いてウエハの露光を行うものとしたが、その順序は逆でもよい。即ち、多重露光に用いる複数のレチクルの使用順序は任意で構わない。
なお、上記の実施の形態において、変形照明用のσ絞り４４，４６，４７の小さい円形の開口４４ａ〜４４ｄ，４６ａ，４６ｂ，４７ａ，４７ｂの内径が上記の如く小さい場合には、照度分布整形光学系４として、図１に示したような、フライアイレンズ４１とσ絞りとの組み合わせを用いると、変形照明用のσ絞りの各小開口を透過する照明光の効率（透過率）が大きく低下してしまう。これを避けるために、例えば、日本国特開平５−２０６００７号公報に開示されているような、光束分割系と、集光光学系と、照度均一化光学系とを組合わせた光学系を使用してもよい。また、照度均一化光学系（オプティカル・インテグレータ）としてガラスロッドを使用することもできる。さらに、光束分割系として一対のアキシコンを使用して、照明光学系内のフーリエ変換面上での照明光ＩＬ２の光量分布を輪帯状としてもよく、その一対のアキシコンの間隔を調整してその大きさを変更することもできる。このとき、図５（Ｂ）に示したσ絞り４４を併用すると、前述したフライアイレンズ４１とσ絞り４４との組み合わせに比べて光量損失を小さく抑えることができる。以上のように、照明条件、即ち照明光学系内のフーリエ変換面上での照明光ＩＬ２の光量分布（形状と大きさとの少なくとも一方）を変更する機構はいかなる構成でも構わない。
また、以上の実施の形態においては、レチクルパターンは全て透過部と遮光部とよりなるものとしたが、遮光部の代わりに、透過光の位相を、透過部に対して１８０°シフトさせ、かつ透過率を例えば３〜１０％程度とする減光型（ハーフトーン型）位相シフト部としたレチクルパターンを採用しても良い。この場合には、レチクル９Ｂ，９Ｃ，９Ｄに示したような周期的パターンの解像度を一層向上させることができる。このとき、変形照明（輪帯照明を含む）が組み合わされて使用される。
ただし、レチクル９Ｂ，９Ｃ，９Ｄの遮光部（非パターン部）を全て減光型位相シフト部とすると、図２に示したゲートパターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３中の細線パターンの端部の重ね合わせ用パターンＰ１ｃ，Ｐ１ｄ，Ｐ２ｃ，Ｐ３ｃ，Ｐ３ｄに対応する部分は、その減光型位相シフト部からの透過光により、僅かに露光されることとなる。ただし、その露光量は、減光型位相シフト部の減光作用により少ないが、それが問題となる場合には、レチクル９Ｂ，９Ｃ，９Ｄの代わりに、図６に示すレチクル９Ｅを使用してもよい。
図６のレチクル９Ｅのパターンは、各周期的透過パターン部のみを、透過部９１で構成し、その間のみを減光型位相シフト部９２で構成し、それ以外の部分を遮光部９３で構成したものである。このレチクルパターンを使用すれば、上記の重ね合わせ用パターンＰ１ｃ，Ｐ１ｄ，Ｐ２ｃ，Ｐ３ｃ，Ｐ３ｄ等の部分への悪影響を完全に防止することができる。
なお、例えば日本国特開平５−１３３０５号公報及び対応する米国特許第５３４３２７０号、日本国特開平４−２７７６１２号公報及び対応する米国特許第５１９４８９３号に開示されているように、レチクル９Ａを用いてウエハ上の１つのショット領域を露光している間、投影光学系１４の光軸ＡＸ２と平行なＺ方向にウエハを移動させるようにしてもよい。この方法と併用して、あるいは単独で、例えば日本国特開平４−１７９９５８号公報及び対応する米国特許第５５５２８５６号に開示されているように、投影光学系１４内のフーリエ変換面（瞳面）上でその光軸を中心とする円形領域内に分布する照明光を遮光する光学フィルタ、いわゆる瞳フィルタを用いるようにしてもよい。本国際出願で指定した指定国、又は選択した選択国の国内法令の許す限りにおいて、上記３件の公報、及び３件の米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。また、例えばレチクル９Ｂ〜９Ｄをそれぞれ空間周波数変調型の位相シフトレチクルとしてもよく、この場合には変形照明（輪帯照明を含む）を採用せず、コヒーレンスファクタ（σ値）が０．１〜０．４程度となる円形開口を有するσ絞りを使用する通常照明が採用される。
また、以上の実施の形態において、より解像度が必要なパターンの長辺方向は、Ｘ方向又はＹ方向に限定されているが、その長辺方向はＸ方向、Ｙ方向以外の任意の方向であっても良い。また、例えば長辺方向が互いに９０°以外の角度で交差している２つのパターンを露光対象としてもよい。これらの場合には、レチクル９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ内の各周期性の透過パターンの周期方向、及び変形照明の条件もそれに合わせて、その長辺方向と直交する方向に変更することが望ましい。また、例えば長辺方向が互いに交差する少なくとも３つのパターンを露光対象としてもよく、この場合には輪帯照明を採用する用にしてもよい。
また、上記の実施の形態では、多重露光するパターンは互いに異なるレチクルに描画されているが、多重露光するパターンを１枚のレチクルのパターン面の異なる領域に描画して、露光時に視野絞りで露光すべきパターンを規定すると共に、ウエハステージを移動して位置合わせを行うようにしてもよい。
また、上記の実施の形態では、本発明を適用するパターンの例としてゲートパターンを想定しているが、もちろん他のパターンや他の工程についても本発明を適用することができる。
なお、露光用の照明光としてエキシマレーザ等の遠紫外線を用いる場合には、投影光学系の硝材として石英（ＳｉＯ２）や蛍石（ＣａＦ２）等の遠紫外線を透過する材料を用いる。また、投影光学系は屈折系、反射系、及び反射屈折系の何れでもよい。
また、ＤＦＢ半導体レーザ又はファイバレーザから発振される赤外域又は可視域の単一波長レーザを、例えばエルビウム（Ｅｒ）（又はエルビウムとイッテルビウム（Ｙｂ）の両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、かつ非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を露光用の照明光として用いてもよい。さらに、例えば水銀ランプから発生する輝線（例えばｇ線、ｉ線等）、あるいはレーザ励起プラズマ光源、又はＳＯＲ等から発生する軟Ｘ線領域（波長５〜５０ｎｍ程度）、例えば波長１３．４ｎｍ、又は１１．５ｎｍのＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ）光を、露光用の照明光として用いてもよい。即ち、本発明が適用される投影露光装置で使用する露光用の照明光の波長は任意で構わない。なお、ＥＵＶ光を用いる露光装置では反射型レチクルが用いられ、かつ投影光学系が複数枚、例えば３〜８枚程度の反射光学素子（ミラー）のみからなる。また、前述した通り本発明は、例えば日本国特開平４−１９６５１３号公報及び対応する米国特許第５４７３４１０号に開示される走査型の投影露光装置にも適用でき、本国際出願で指定した指定国、又は選択した選択国の国内法令の許す限りにおいて、上記公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。
そして、本例の照度分布整形光学系４を含む照明光学系、及び投影光学系を投影露光装置本体に組み込み光学調整をすると共に、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを投影露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより本実施の形態の投影露光装置を製造することができる。なお、投影露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
なお、投影露光装置の用途としては半導体製造用の投影露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに液晶表示素子パターンを露光する液晶用の投影露光装置や、薄膜磁気ヘッドを製造するための投影露光装置にも広く適用できる。また、フォトマスクやレチクルの製造に用いられ、例えば遠紫外光又は真空紫外光を露光用照明光として使用するステップ・アンド・スティッチ方式の縮小投影露光装置にも本発明を適用することができる。
このように本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。更に、明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約を含む、１９９８年６月１０日付提出の日本国特許出願第１０−１６１８９６号の全ての開示内容は、そっくりそのまま引用してここに組み込まれている。
産業上の利用の可能性
本発明の第１の転写方法によれば、転写すべきパターンが形成された第１のマスクパターンと、線状パターンに対応する部分を周期的な透過パターンとした第２のマスクパターンとを用いて合成露光を行っているため、ゲートパターンのように線状パターンとこの端部の幅の広いパターンとからなるような回路パターンの像を高精度に露光できる利点がある。
また、変形照明を行う第２のマスクパターンでは、その透過パターン以外の領域が減光部とされて、投影光学系を通過する結像光束の光量が少ないため、照明条件の一部に変形照明を用いるような場合に、投影光学系の結像特性の劣化を抑制することができる。
次に、本発明の第２及び第３の転写方法によれば、孤立線のようなパターンの像を高精度に転写できる。
また、本発明の露光装置によれば、そのような露光方法を使用できると共に、本発明のデバイスの製造方法によれば、そのような露光方法を使用して高精度にデバイスを製造できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態の一例で使用される投影露光装置を示す構成図である。図２は、その実施の形態で形成されるデバイスの或るレイヤの回路パターンの一例を部分的に拡大して示す図である。図３は、図２の回路パターンの像を投影するために使用される２枚のレチクルのパターン構成を示す図である。図４（Ａ）は、本発明の実施の形態の他の例で使用される第２のレチクルのパターンを示す図、図４（Ｂ）は、その実施の形態で使用される第３のレチクルを示す図である。図５（Ａ）は、図１のフライアイレンズ４１の射出面にσ絞り４４を配置した状態を示す図５（Ｂ）のＡＡ線に沿う断面図、図５（Ｂ）は、変形照明用のσ絞り４４を示す図、図５（Ｃ）は、円形開口を持つσ絞り４５を示す図、図５（Ｄ）及び図５（Ｅ）はそれぞれ変形照明用のσ絞り４６及び４７を示す図である。図６は、周期的な透過パターンのみを透過部で構成し、その間のみを減光型位相シフト部で構成し、それ以外の部分を遮光部で構成したレチクルを示す図である。図７は、本発明の実施の形態の一例の露光動作を示すフローチャートである。
【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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