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JP3201027B2 - 投影露光装置及び方法 - Google Patents

投影露光装置及び方法

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Publication number
JP3201027B2
JP3201027B2 JP34231692A JP34231692A JP3201027B2 JP 3201027 B2 JP3201027 B2 JP 3201027B2 JP 34231692 A JP34231692 A JP 34231692A JP 34231692 A JP34231692 A JP 34231692A JP 3201027 B2 JP3201027 B2 JP 3201027B2
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light
light source
pattern
optical system
illumination
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直正 白石
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Nikon Corp
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Publication date
Family has litigation
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Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
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    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70058—Mask illumination systems
    • G03F7/70091—Illumination settings, i.e. intensity distribution in the pupil plane or angular distribution in the field plane; On-axis or off-axis settings, e.g. annular, dipole or quadrupole settings; Partial coherence control, i.e. sigma or numerical aperture [NA]
    • G03F7/701—Off-axis setting using an aperture
    • G—PHYSICS
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    • G03F7/70425—Imaging strategies, e.g. for increasing throughput or resolution, printing product fields larger than the image field or compensating lithography- or non-lithography errors, e.g. proximity correction, mix-and-match, stitching or double patterning

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Light Sources And Details Of Projection-Printing Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路、液晶
表示素子等の微細パターンの露光転写に使用される投影
露光装置に関し、特に転写すべきパターンの形成された
マスク（レチクル）の照明方法に工夫を施した露光装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】年々微細化が進むリソグラフィ工程にお
いては、現在、６４ＭＤ−ＲＡＭ製造用の実用的な投影
露光装置の導入が必須となっている。このような微細な
パターンの投影露光転写を十分な精度で達成するため
に、従来より様々の工夫が提案されている。そのうち、
特に転写すべきパターンがライン・アンド・スペース
（以下Ｌ＆Ｓとする）のように、ある方向に周期性をも
つときに、従来よりも格段に解像力と焦点深度とを拡大
させる手法として、特開平４−１０８６１２号公報、特
開平４−２２５５１４号公報等のような超解像技術が提
案された。
【０００３】この超解像技術は、投影露光すべきＬ＆Ｓ
パターンが形成されたマスク基板（レチクル）への照明
光の配向特性だけを特殊なものにすることで、従来の照
明方法では解像しなかった微細なパターンを十分な焦点
深度をもって解像させるものである。その照明光の配向
特性は照明光学系内のレチクルに対するフーリエ変換面
内での照明光束の分布、すなわち２次光源像の分布を、
レチクルのＬ＆Ｓのパターンの微細度（ピッチ等）に対
応して制御することによって作られる。
【０００４】図１は、上記公報に開示された技術を適用
した照明光学系の模式的な構成を示す斜視図である。こ
こでは照明光源として水銀ランプ１を用い、この水銀ラ
ンプ１の発光点を楕円鏡２の第１焦点に配置する。楕円
鏡２で反射した照明光ＩＬａは第２焦点３で一度収れん
した後、不図示のミラーで反射されてコリメータレンズ
系４に入射する。一般に図１のように楕円鏡２と水銀ラ
ンプ１とを組み合わせると、照明光ＩＬａの断面は輪帯
状（ドーナツ状）の強度分布をもつ。この輪帯状の断面
の照明光ＩＬａはコリメータレンズ系４でほぼ平行光束
に変換されて、照明系内のフーリエ変換面に配置された
遮光板８に達する。遮光板８上には光軸ＡＸから等距離
の位置に４つの開口が設けられ、この開口の夫々にはフ
ライアイレンズ７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄが設けられる。
これらフライアイレンズ７Ａ〜７Ｄの夫々の入射面は、
いずれも輪帯状断面の照明光束ＩＬａ内に位置する。ま
た、フライアイレンズ７Ａ〜７Ｄの夫々の射出側には、
そのフライアイレンズ内のエレメントレンズの数分だ
け、水銀ランプ１の点光源像が形成される。従って、フ
ライアイレンズ７Ａ〜７Ｄの各射出面には２次光源像
（面光源）が形成される。
【０００５】各フライアイレンズ７Ａ〜７Ｄの夫々から
の照明光は、コンデンサーレンズ等を含む逆フーリエ変
換光学系１１（以後便宜的にコンデンサーレンズと呼
ぶ）によって、レチクルＲのパターン形成領域ＰＡ上に
一様に重畳して照射される。レチクルＲのパターン領域
ＰＡの中心に光軸ＡＸが通るように、レチクルＲを配置
し、その中心を座標系ＸＹの原点としたとき、Ｌ＆Ｓ状
のレチクルパターンは、多くの場合、Ｘ方向にピッチを
もつＬ＆Ｓパターン（縦パターン）ＰｖとＹ方向にピッ
チをもつＬ＆Ｓパターン（横パターン）Ｐｈとに分けら
れる。すなわち、パターン領域ＰＡ内にはＸ方向とＹ方
向との２方向について周期性をもつパターン群が集合し
て形成される。
【０００６】Ｌ＆ＳパターンＰｖ、ＰｈのＸ、Ｙ方向の
ピッチのうち、最小のものに対して照明条件を最適化す
るものとすると、フライアイレンズ７Ａ〜７Ｄの夫々の
光軸ＡＸからの偏心量ｙα、ｘβは、そのＬ＆Ｓパター
ンの最小ピッチと一義的な関係で決められる。例えばＬ
＆ＳパターンＰｈのＹ方向の最小ピッチをＧｙ（μ
ｍ）、照明光ＩＬａの波長をλ（μｍ）、コンデンサー
レンズ１１からレチクルＲまでの距離、すなわち焦点距
離をｆ（ｍｍ）とし、Ｌ＆ＳパターンＰｈから発生する
１次回折光の回折角（０次光からの角度）を２θｙ（ｒ
ａｄ）としたとき、着目する１つのフライアイレンズの
Ｙ方向の偏心量ｙαは、sin2θｙ＝λ／Ｇｙ、ｙα＝ｆ
・sin θｙがほぼ同時に満たされるように決められる。
【０００７】さらに、Ｌ＆ＳパターンＰｖのＸ方向の最
小ピッチをＧｘ（μｍ）とし、Ｌ＆ＳパターンＰｖから
発生する１次回折光の回折角を２θｘ（ｒａｄ）とした
とき、着目する１つのフライアイレンズのＸ方向の偏心
量ｘβは、sin2θｘ＝λ／Ｇｘ、ｘβ＝ｆsin θｘがほ
ぼ同時に満足するように決められる。以上のように、従
来の特殊照明法（変形光源）では、レチクルＲ上のＬ＆
Ｓパターンのうち、Ｘ方向にピッチを有するパターンＰ
ｖの超解像投影には、フーリエ変換面上でＸ方向に対称
的に偏心した２次光源像のペア（フライアイレンズ７Ａ
と７Ｄ、またはフライアイレンズ７Ｂと７Ｃ）からの傾
斜照明光が寄与し、Ｙ方向にピッチを有するパターンＰ
ｈの超解像投影には、フーリエ変換面上でＹ方向に対称
的に偏心した２次光源像のペア（フライアイレンズ７Ａ
と７Ｂ、またはフライアイレンズ７Ｃと７Ｄ）からの傾
斜照明光が寄与する。
【０００８】尚、図１において第２焦点３には露光の開
始と中断とを制御するロータリーシャッター等が配置さ
れ、第２焦点３はフライアイレンズ７Ａ〜７Ｄの夫々の
射出面側に形成される２次光源像と共役であり、フライ
アイレンズ７Ａ〜７Ｄの夫々の入射面はレチクルＲのパ
ターン面と共役になっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来技術に
おいては、転写すべき回路原版（レチクル）の特定の方
向、例えば直交する２方向の周期パターンについてのみ
解像度や焦点深度を改善する効果がある。ところが、他
の方向、特に上記の直交する２方向の夫々に対して４５
°回転した方向に周期性をもつパターンについては、通
常の照明法を適用した露光装置よりも解像度や焦点深度
が低下するという問題があった。
【００１０】本発明は、このような問題に鑑みて成され
たものであり、レチクル上の、特にレチクル外形と平行
な縦横方向の夫々に周期性を有する２方向パターンの解
像度と焦点深度を大幅に向上させつつ、これらとは方向
の異なる斜め（例えば４５°回転）パターンについて
も、通常の装置より高解像かつ大焦点深度が得られる投
影露光装置の提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明においては、投影
露光装置のマスク照明用の照明光学系内のフーリエ変換
面に形成される光源像（面光源）の２次元的な形状を、
従来の形状に加えて若干変形するようにした。具体的に
は、図２に示すように、ほぼ円形の領域Ｃ１内に包含さ
れる面光源（ここではフライアイレンズ７の射出面）の
うち、原点から所定半径の円Ｃ２よりも外側の輪帯部分
は全く遮光しないようにする。そして、円Ｃ２の内側に
原点からＸ、Ｙ方向の夫々に延びた十字状遮光部８Ａを
設け、Ｘ、Ｙ座標軸で規定された４つの象限の夫々に、
互いに分離した透過部（光源面）を形成するようにし
た。その４つの象限の透過部は従来と同様にＸ、Ｙ方向
の夫々にピッチを有する周期性パターンの超解像に寄与
する。
【００１２】従来においては十字状遮光部８Ａの４つの
先端部が全て面光源の半径（ほぼ円Ｃ１の半径）以上に
延設されていたが、本発明では十字状遮光部８の４つの
先端部を面光源の半径よりも小さくし、それら４つの先
端部の外側にも、面積的に小さな面光源が存在するよう
にした。尚、この図２中の直交座標系ＸＹの設定は、図
１のものと全く同じであり、座標系ＸＹの原点は照明光
学系、あるいは投影光学系の光軸ＡＸと一致している。
また、図２においてＥＰは、２次元光源像（面光源）と
してのフライアイレンズ７の射出面内で見た投影光学系
の瞳面を表す。
【００１３】一般にこの種の投影露光装置では、投影光
学系の瞳面（フーリエ変換面）内に面光源像（フライア
イレンズ７の射出面の像）が形成されるようになってい
る。そして照明光学系内のフーリエ変換面上で見た投影
光学系の瞳ＥＰの半径ｒ0 と、面光源の半径ｒとの比ｒ
／ｒ0 のことはσ値と呼ばれる。そこで、図２において
円Ｃ１の半径をσ値で０．７〜０．８程度、円Ｃ２の半
径ｒ’を０．６４ｒ0＝０．６４ｒ／σ程度にしておく
と、Ｘ、Ｙ方向の夫々に対して４５°だけ回転した方向
にピッチを有する０．４〜０．４５μｍの線幅の周期パ
ターンに対しても超解像の効果が十分に得られるように
なる。尚、図２に示した円Ｃ１、Ｃ２の設定条件や十字
状遮光部８Ａの寸法条件については、以後の実施例にお
いて詳細に例示する。
【００１４】
【作用】本発明においては、いわゆる変形光源の光源形
状として、レチクル上の縦横パターンに最適化された部
分を多く含みながら、かつ、斜めパターンについても最
適な部分（図２の十字状遮光部８Ａの先端の外側）も、
わずかに含ませるようにした。このため、従来の変形光
源ではむしろ通常照明より悪化してしまっていた斜めパ
ターンの解像度及び焦点深度も、通常照明に比べて改善
することができる。また、縦横パターンに最適化された
光源部の面積（光量）と、斜めパターンに最適化された
光源部の面積（光量）のバランスも最適化されているた
めに、縦横パターンの投影時の解像度や焦点深度の改善
も従来の変形光源形状の場合とほぼ同程度に実現でき
る。尚、図２のように十字状遮光部８Ａの外側に輪帯状
の面光源部（半径ｒ’〜ｒ）を設けた場合、斜めパター
ンの周期性の方向はＸ、Ｙ方向の夫々に対して必ずしも
４５°（又は１３５°）でなくても、本発明の効果が得
られる。
【００１５】
【実施例】図３は本発明の実施例による投影露光装置の
全体的な概略構成を示す図である。そして、図３中の部
材で、図１中のものと同じ機能のものには同一の符号を
付してある。水銀ランプ１からの照明光ＩＬａは楕円鏡
２で第２焦点３に収れんされたのち、コリメータレンズ
系４、ミラー５、インプット側フィールドレンズ６を介
してフライアイレンズ７に入射する。第２焦点３の位置
には一方向に回転するロータリーシャッター１９Ａが配
置され、シャッター１９Ａは駆動ユニット（モータ、駆
動回路等）１９Ｂによって制御される。また、照明光Ｉ
Ｌａはフライアイレンズ７に入射する際、図１の場合と
同様に輪帯状の強度分布をもつが、それはフライアイレ
ンズ７の射出側に設ける遮光板（絞り）８の形状が、図
２のような変形光源を作るものの場合に適している。し
かしながら、遮光板８を従来と同様の円形開口絞りをも
つ遮光板９に切り換えて通常照明を行う場合、照明光Ｉ
Ｌａの輪帯状の強度分布はあまり好ましくない。特にレ
チクルＲが位相シフト法を適用したものの場合、レチク
ルＲへの照明光の開口数は比較的小さな値（σ値で０．
２〜０．４程度）に絞られる。その場合、フライアイレ
ンズ７の中央部分のエレメントレンズからの照明光、す
なわち照明光ＩＬａの輪帯状の強度分布の中央部の光の
みがレチクル照明に利用されることになり、照度低下を
招くことになる。
【００１６】そこで通常照明に切り替えるときは、例え
ば USP. 4,637,691 等に開示されているようなプリズム
３０を、コリメータレンズ４とフィールドレンズ６との
間に交換可能に配置し、照明光ＩＬａの輪帯状の強度分
布を円形状の分布に整形するとよい。さて、フライアイ
レンズ７の射出側には、図２のような変形光源用の遮光
板８や通常光源用の遮光板９を交換可能に保持するタ−
レット１０が設けられる。タ−レット１０は駆動ユニッ
ト１０Ａによって、所定角度毎に回転させられる。図３
では遮光板８がフライアイレンズ７の射出側に位置決め
されている。こうして遮光板８の透過部を通った照明光
ＩＬｂはアウトプット側フィールドレンズ１３、ミラー
１２を介してコンデンサーレンズ１１に入射する。フラ
イアイレンズ７中の選ばれた複数のエレメントレンズの
夫々の点光源からの光は、コンデンサーレンズ１１によ
って全てレチクルＲのパターン領域上で重畳して一様に
照射される。図３中に示した照明光ＩＬａは、選ばれた
１つのエレメントレンズの点光源からの光を代表して表
したものである。
【００１７】ここで、遮光板８の遮光部形状とフライア
イレンズ７のエレメントレンズ配置との関係は、図２に
示したものと同じであり、現実的には図２中の円Ｃ１の
外側も遮光部とし、十字状遮光部８Ａも含めて石英板等
の透過板の上に金属層等を蒸着して作る。また、フライ
アイレンズ７の射出面（もしくは遮光板８の面）は、レ
チクルＲのパターン面に対して光学的なフーリエ変換の
関係になっている。従ってフライアイレンズ７の１つの
エレメントレンズで作られた点光源からの光は、コンデ
ンサーレンズ１１によって入射角θの平行光束となって
レチクルＲを傾斜照明する。このとき、１つの点光源の
フーリエ変換面上での偏心量（光軸ＡＸからの距離）
は、入射角θの正弦（sin θ）と比例関係にある。この
入射角θは、レチクルＲ上の周期的なパターンのピッチ
に応じて適量値が存在する。Ｘ、Ｙ方向の夫々に周期的
なパターンに対する偏心量ｙα、ｘβの決定方法につい
ては、先の特開平４−２２５５１４号公報等に開示され
ているので、ここではその説明を省略する。
【００１８】照明光ＩＬｂの照射によって、レチクルＲ
上の特定ピッチの周期パターンから発生した各回折光の
うち、０次回折光Ｄ0 と１つの１次回折光Ｄ1 とは、両
側テレセントリックな投影光学系ＰＬの瞳ＥＰ内で対称
的に分布した後、ウェハＷに達する。従ってレチクルＲ
上の特定ピッチの周期パターンは、１つの１次回折光Ｄ
1 と０次回折光Ｄ0 との干渉によって作られる明暗像と
してウェハＷ上に結像される。ウェハＷの表面にはレジ
スト層が塗布されているので、シャッター１９Ａの開時
間を制御して、そのレジストに見合った最適露光光量を
与えると、レチクルＲの周期パターンの縮小像がレジス
ト層に形成される。
【００１９】そのウェハＷは、光軸ＡＸと垂直な面内で
２次元移動するステージＷＳＴ上に載置され、ステージ
ＷＳＴはレーザー干渉計１８Ａによる座標位置の計測結
果に基づいて、モータ等の駆動ユニット１８Ｂにより駆
動される。制御ユニット２０は、そのウェハステージＷ
ＳＴ、シャッター用駆動ユニット１９Ｂ、タ−レット用
駆動ユニット１０Ａを統括的に制御する。特にタ−レッ
ト用駆動ユニット１０Ａに対しては、レチクルＲの登録
名による自動制御、またはオペレータからの指示による
手動制御が可能となっている。
【００２０】図４は第１の実施例による遮光板８の具体
的な形状を示す平面図であり、図５は図４中の座標系Ｘ
Ｙと同一の座標系で見たときのレチクルＲ上の周期パタ
ーン配置を模式的に示したものである。図５に示したよ
うに、レチクルＲ上にはレチクルの外形各辺の方向Ｘ、
Ｙと平行な周期的な縦パターンＰｖ（ピッチはＸ方向）
と横パターンＰｈ（ピッチはＹ方向）とが多く存在し、
それらにくらべて割合としては少ないが、Ｘ、Ｙ方向の
夫々に対して４５°（又は、１３５°）回転した周期的
な斜めパターンＴａ、Ｔｂも存在する。このようなパタ
ーンの構成は、本実施例に限らず、半導体デバイス用の
回路原版としてのレチクルでは普通のことであり、縦パ
ターンＰｖ、横パターンＰｈの割合は多く、斜めパター
ンＴａ、Ｔｂの割合は少ないのが一般的である。
【００２１】これらのパターンを有するレチクルＲに対
して、図４に示した遮光板８を適用した照明光学系から
の照明光を照射すると、幅２ａ、長さ２ｂの十字状遮光
部８Ａによって区画された４つの扇状透明部８１ａ、８
１ｂ、８１ｃ、８１ｄの夫々を面光源として、レチクル
Ｒ上の縦パターンＰｖと横パターンＰｈとの投影時の解
像度や焦点深度が従来と同様に向上する。ここで、遮光
板８は最外周に外径値ｒ0 、内径ｒの輪帯遮光部８Ｂを
有し、原点（光軸ＡＸの通る点）から十字状遮光部８Ａ
の先端までの長さｂは、ｒ＞ｂの関係に設定されてい
る。尚、輪帯遮光部８Ｂの内径エッジが図２中の円Ｃ１
に相当し、輪帯遮光部８Ｂの外径値ｒ0 が投影光学系Ｐ
Ｌの瞳ＥＰの実効的な最大径（すなわち最大開口数N.
A.）に対応するものとすると、輪帯遮光部８Ｂの内径値
ｒと外径値ｒ0 との比ｒ／ｒ0 は、コヒーレンスファク
ターのσ値に他ならない。
【００２２】さらに、図４の遮光板８において、十字状
遮光部８ＡのＸ、Ｙ方向の各先端部には、斜めパターン
Ｔａ、Ｔｂの結像に有効な透明部８１ｅ、８１ｆ、８１
ｇ、８１ｈが形成されている。従来のこの種の照明方法
では、その４つの透明部８１ｅ、８１ｆ、８１ｇ、８１
ｈは全て遮光部とされていた。この４つの透明部８１ｅ
〜８１ｈの夫々に光源像（面光源）を作ると、縦パター
ンＰｖや横パターンＰｈの投影時の解像度や焦点深度を
多少劣化させる副作用がある。しかしながら、縦パター
ンＰｖ、横パターンＰｈに対して有効な扇状透明部８１
ａ〜８１ｄの個々の面積（あるいは光量）に比べて、４
つの透明部８１ｅ〜８１ｈの個々の面積（あるいは光
量）は十分に小さいため、縦パターンＰｖや横パターン
Ｐｈについての投影性能を大きく損なうものとはならな
い。
【００２３】ここで遮光板８の各値ｒ（σ）、ａ、ｂの
関係は、 0.1ｒ／σ≦ａ≦ 0.4ｒ／σ、 0.4ｒ／σ≦ｂ
≦ 0.8ｒ／σ程度に定められる。値ａが 0.1ｒ／σ（す
なわち 0.1ｒ0 ）よりも小さくなると、変形光源として
の効果が消失し、通常照明（光軸ＡＸを中心とする単な
る円形又は多角形面光源）と何ら変わらなくなる。さら
に、値ａが 0.4ｒ／σ（すなわち 0.4ｒ0 ）よりも大き
くなると、４つの扇状透明部８１ａ〜８１ｄの夫々の面
積上の重心点が、遮光板８の原点から大きく離れた所に
出来るため、レチクルＲ上のパターンＰｖ、Ｐｈのうち
ピッチがより微細になったものに対しては照明光の傾斜
角の最適化がはかられるが、それよりもピッチが粗くな
ったパターンに対しては最適化がはかられず、焦点深度
の拡大効果が得られにくくなる。
【００２４】また値ｂについても、 0.4ｒ／σより小さ
いと縦パターンＰｖ、横パターンＰｈの解像に不適当な
面光源、すなわち透明部８１ｅ〜８１ｈの面積が増大す
るため、縦横パターンＰｖ、Ｐｈの投影時の焦点深度が
著しく減少してくることになる。逆に値ｂが 0.8ｒ／σ
より大きくなると、斜めパターンＴａ、Ｔｂの投影時の
解像度や焦点深度の改善効果が薄らいでしまう。
【００２５】また図４に示した遮光板８の形状では、わ
ずかながらも斜めパターンＴａ、Ｔｂの結像に有効な面
光源部を含んでおり、かつ中央の十字状遮光部８Ａの大
部分は縦パターンＰｖ、横パターンＰｈのみでなく、斜
めパターンＴａ、Ｔｂに対しても不適当な面光源部をも
遮光している。このため斜めパターンＴａ、Ｔｂの結像
においても、従来の通常照明（光軸ＡＸを中心とする単
なる円形又は多角形面光源）よりは格段に高い解像度や
焦点深度を得ることができる。
【００２６】さて、図６は遮光板８の第２実施例による
形状を示し、図４の遮光板８の構成と同じ部分には同一
の符号を付けてある。本実施例は基本的には図４の遮光
板と同じであるが、中央の十字状遮光部８Ａ’の中心に
半径ｒc （ｒc ＞ａ）の円形遮光部を設けた点が異な
る。このように面光源の中心部を円形遮光部で遮へいす
ると、縦パターンＰｖ、横パターンＰｈの結像に関して
特に有効な光源部、すなわち４つの扇状透明部８１ａ〜
８１ｄの夫々の面積が図４の場合よりも少なくなり、相
対的に斜めパターンＴａ、Ｔｂの結像に関して有効な光
源部、すなわち４つの透明部８１ｅ〜８１ｈの夫々の面
積の割合が増大する。この為、斜めパターンＴａ、Ｔｂ
の結像時の解像度や焦点深度を図４の場合よりもさらに
改善することができる。
【００２７】また図６の遮光板８によって新たに遮光さ
れる部分は、比較的に光軸ＡＸに近い位置であり、やや
粗め（例えばウェハ上での線幅が０．５μｍ以上）のピ
ッチの縦パターンＰｖ、横パターンＰｈの結像時に焦点
深度を改善する効果はあるものの、より微細なピッチの
縦、横パターンＰｖ、Ｐｈに対しては解像度や焦点深度
を改善する効果があまりない。そのため、投影露光すべ
きレチクルＲ上のＬ＆Ｓパターンが、比較的微細なピッ
チのものに限られていて、かつ同程度のピッチの斜めパ
ターンも、少ないながらも適度の割合で含まれている場
合、図６の遮光板８を用いた縦、横パターンＰｖ、Ｐｈ
の総合的な結像性能は、図４の遮光板８を用いたときと
比べて特に劣化することはない。
【００２８】ここで図６の遮光板８の中央の円形遮光部
の半径ｒ２は、 0.3ｒ／σ≦ｒ２≦0.4ｒ／σ程度に定
められ、厳密にはａ＜ｒ２＜ｂの条件も加味される。こ
こで半径ｒ２の値が小さくなって結局、ａ≧ｒ２となる
と、図４の遮光板８の形状と何ら変わらなくなってしま
うため、斜めパターンＴａ、Ｔｂの結像時の焦点深度拡
大作用はやや減少することになる。逆に半径ｒ２の値を
大きくしていくと、その面光源形状は輪帯に近づくた
め、縦、横パターンＰｖ、Ｐｈの結像時の焦点深度拡大
作用が減少してしまう。
【００２９】図７は遮光板８の第３実施例による形状を
示し、基本的には図４の遮光板８の形状と同じである
が、外周の輪帯状遮光部８Ｂの内側で、４つの扇状透過
部８１ａ〜８１ｄの夫々の一部に９０°のコーナをもつ
微少遮光部８Ｃ、８Ｄを設けた点が異なる。これら微少
遮光部８Ｃ、８ＤはＸ軸、Ｙ軸の夫々と平行なエッジを
有し、Ｘ軸からＹ方向に距離ｄｙだけ離れており、Ｙ軸
と平行エッジはＹ軸からＸ方向に距離ｄｘだけ離れてい
る。その微少遮光部８Ｃ、８Ｄは扇状遮光部８１ａ〜８
１ｄの夫々の中で、Ｘ軸、Ｙ軸の夫々から最も遠い部分
に設けられており、この遮光部８Ｃ、８Ｄの部分からの
照明光束は縦パターンＰｖ、横パターンＰｈとして最も
ピッチが小さいもの、あるいは微細なピッチの斜めパタ
ーンに対して最適化された配向特性を持つ。このため、
そのように最もピッチが小さい縦、横パターン、あるい
は微細な斜めパターンの結像時に、焦点深度拡大作用が
得られる。ところが遮光部８Ｃ、８Ｄの部分から照明光
束は、中程度（例えば０．４〜０．５μｍの線幅）の微
細度のＬ＆Ｓパターンの結像時に、むしろ焦点深度を減
少させる方向に作用してしまう。
【００３０】従って図７の遮光板８は、ここでの変形光
源方式によって理論上結像可能な最小ピッチ程度に微細
な縦横パターンは含まないが、それよりも粗い中程度の
微細度のＬ＆Ｓパターンを含むレチクルＲを投影露光す
るのに適していると言える。尚、図７から明らかなよう
に、微少遮光部８Ｃ、８Ｄのエッジの距離ｄｘ、ｄｙ
は、ここではｄｘ＜ｒ、ｄｙ＜ｒに定められ、レチクル
上の縦パターン、横パターン、斜めパターンの各ピッチ
がほぼ同程度であれば、さらにｄｘ＝ｄｙに定められ
る。そして図７の遮光板８内の扇状透明部８１ａ〜８１
ｄの夫々の面積的な重心点（光量重心点）の位置は、微
少遮光部８Ｃ、８Ｄが存在しないときの重心点位置とそ
れ程変化していない。また微少遮光部８Ｃ、８Ｄの各エ
ッジのＸ、Ｙ軸からの距離ｄｘ、ｄｙを小さくしていく
と、各扇状透明部８１ａ〜８１ｄは矩形（又は正方形）
に近づいていく。
【００３１】図８は、微少遮光部８Ｃ、８Ｄの各エッジ
のＸ、Ｙ軸からの距離ｄｘ、ｄｙを比較的小さくすると
ともに、十字状遮光部８Ａ、輪帯状遮光部８Ｂ、微少遮
光部８Ｃ、８Ｄの夫々のエッジをフライアイレンズ７の
エレメントレンズの断面形状（ここでは正方形とする）
に合わせた場合の遮光板８の形状を示す。尚、先の図
４、図６、７の各遮光板の場合も遮光部エッジはエレメ
ントレンズの断面形状に合わせるのが好ましい。図８に
おいて、斜めパターンＴａ、Ｔｂの結像時に有効な光源
部分を形成する４つの透明部８１ｅ〜８１ｈ夫々には、
２個のエレメントレンズがＸ軸、Ｙ軸をはさんで位置す
る。また、十字状遮光部８Ａの幅の半値ａはエレメント
レンズの１個分の寸法に定められ、長さｂは５個分の寸
法に定められている。そして扇状透明部８１ａ〜８１ｄ
の夫々には、４×４個のエレメントレンズの集合から最
外角の１個のエレメントレンズを取り除いたものが位置
する。尚、微少遮光部８Ｃ、８Ｄに相当する部分は、そ
れぞれ２個のエレメントレンズを遮へいしている。ま
た、この図の遮光板８の場合、４つの扇状透明部８１ａ
〜８１ｄと透明部８１ｅ〜８１ｈとは、今までの各実施
例のようにつながっておらず、互いに独立したものとな
っている。さらに４つの扇状透明部８１ａ〜８１ｄの夫
々の最内角（最も原点に近い隅）に位置する１個のエレ
メントレンズを遮へいするように、すなわち中心部に４
×４個のエレメントレンズの集合体の大きさと同じ正方
形（又は矩形）の遮光部を付加してもよい。このような
正方形の遮光部の付加によって、先の図６に示した第２
の実施例の遮光板８と同様の作用、効果を得ることがで
きる。この場合、中心の四角形遮光部の各辺のエッジの
Ｘ軸、Ｙ軸からの距離は、図６の円形遮光部の半径Ｃと
同程度の範囲に定められる。
【００３２】さらに図８中に示した扇状透明部８１ａ〜
８１ｄの夫々に位置するフライアイレンズ７のエレメン
トレンズ群は、全てＸ軸、及びＹ軸に対して対称な配置
になっている。このような対称配置を採ることによっ
て、レチクル上のＬ＆Ｓパターンの投影像のテレセン誤
差（ベストフォーカス面からウェハ面がわずかにずれた
ときの像の横ずれ）が皆無となる。
【００３３】ここで図９を参照して、図４、図６〜８の
遮光板８を用いたとき、レチクルＲから発生して投影光
学系ＰＬに入射した結像光束の瞳面ＥＰ内での分布につ
いて説明する。図９は図２に対応して表したもので、所
定のピッチの縦、横パターンＰｖ、Ｐｈに対して最適化
された４つの扇状面光源部の光量重心点８０Ａ、８０
Ｂ、８０Ｃ、８０Ｄと、その縦、横パターンＰｖ、Ｐｈ
と同一のピッチの斜めパターンＴａに対して最適化され
た４つの光量重心点のうちの代表的な１つの重心点８０
Ｅとを、瞳面ＥＰ上で示したものである。４つの重心点
８０Ａ〜８０Ｄの夫々は、各実施例中の４つの扇状透明
部８１ａ〜８１ｄの夫々の面積的な重心とほぼ一致して
おり、重心点８０Ｅは透明部８１ｅの面積的な重心点と
ほぼ一致している。まず、４つの重心点８０Ａ〜８０Ｄ
は、対象となる縦、横パターンのピッチに対して最適化
されているので、例えばレチクルＲからの結像光束のう
ち、重心点８０Ａを通る照明光線の照射によって縦、横
パターンから発生する０次光は、重心点８０Ａを通り、
±１次回折光の一方は、Ｘ軸、Ｙ軸の夫々と対称に位置
する重心点８０Ｂ、８０Ｄを重畳して通る。
【００３４】一方、重心点８０Ｅを通るように配向され
た照明光線によって縦パターンＰｖから発生する±１次
回折光±Ｄｘ1 （回折光束の重心）は、重心点８０Ｅを
通りＸ軸と平行な線上に分布するが、その位置は図９の
ように瞳面ＥＰの最大径の外側になってしまうので、縦
パターンＰｖの結像には影響を与えない。ところが横パ
ターンＰｈから発生する１つの１次回折光−Ｄｙ1 （回
折光束の重心）は瞳ＥＰ内のＹ軸上に分布するため、横
パターンＰｈの結像に影響を与える。この１次回折光−
Ｄｙ1 は横パターンＰｈの変形照明法による理想的な分
布位置とは異なるため、横パターンＰｈの結像にとって
はあまり好ましくない光である。しかしながら、重心点
８０Ｅを作る照明光量は、小さな面積の透明部８１ｅで
決まり、他の４つの重心点８０Ａ〜８０Ｄの照明光量に
比べて格段に小さい。その比は例えば図８の場合、フラ
イアイレンズ７のエレメントレンズの数の比で決まり、
そのため、好ましくない１次回折光−Ｄｙ1 の光量自体
も格段に小さく、横パターンＰｈの結像性能を実用上大
きく劣化させることはない。
【００３５】次に斜めパターンＴａ（４５°）からの結
像光束の分布について考えてみる。ここでは、代表して
重心点８０Ｂを０次光が通るように配向された照明光
（扇状透明部８１ｂの透過部）の照射によって斜めパタ
ーンＴａから発生する回折光について述べる。斜めパタ
ーンＴａのピッチが縦、横パターンＰｖ、Ｐｈのピッチ
と同程度であるとすると、斜めパターンＴａからの１次
回折光−Ｄｔ1 （回折光束の重心）は、重心点８０Ｂを
中心とした半径２ｙα（あるいは２ｘβ）の円上で、か
つ重心点８０Ｂと８０Ｂとを光軸ＡＸを通って結ぶ線
（１３５°）上に位置する。この１次回折光−Ｄｔ
1 は、２つの重心点８０Ａ、８０Ｃを結ぶ４５°の線に
関して、重心点８０Ｂを通る０次光束と対称的な関係に
なっていないために、斜めパターンＴａの結像に対して
は好ましくない光になっている。
【００３６】ところが、重心点８０Ｅに斜めパターンＴ
ａからの０次光が位置するように，、遮光板８に透明部
８１ｅが設けられているので、透明部８１ｅからの照明
光によって斜めパターンＴａから発生した１次回折光−
Ｄｔ1 ’は、重心点８０Ｅを中心とした半径２ｙα（あ
るいは２ｘβ）の円上で、かつ重心点８０Ｅを通る１３
５°の線（重心点８０Ｂと８０Ｄを結ぶ線と平行）上に
位置する。その重心点８０Ｅと１次回折光−Ｄｔ1 ’と
の位置関係は、重心点８０Ａと８０Ｃとを結ぶ４５°の
線（斜めパターンＴａのフーリエ変換像における中心
軸）に対してほぼ対称になっている。従って、透明部８
１ｅからの照明光は、斜めパターンＴａの結像に対して
有効な成分になり、斜めパターンの解像度や焦点深度を
改善する方向に働く。尚、図９の場合、重心点８０Ｅを
０次光とする斜めパターンＴａからの１次回折光−Ｄｔ
1 ’はほぼＸ軸上に位置し、さらにその位置は遮光板８
の斜めパターン用の他の透明部８１ｈからの照明光の重
心点（８０Ｈとする）に接近している。このように、１
次回折光−Ｄｔ1 ’の位置に透明部８１ｈの重心点８０
Ｈが位置することは、斜めパターンＴａがそのピッチ方
向に対称的に傾斜した２つの照明光束で照明されること
を意味する。
【００３７】以上のことから、投影露光すべき縦、横パ
ターンＰｖ、Ｐｈ、斜めパターンＴａ、Ｔｂの各ピッチ
が１枚のレチクル上で同程度とすると、斜めパターン用
に付加した面光源部（透明部８１ｅ〜８１ｈ）の夫々の
光量重心点は、理想的にはＸ軸、Ｙ軸上で原点から、√
（ｘβ2 ＋ｙα2 ）の距離の所に配置すればよい。この
関係は理想的な条件であって、現実的にはその関係から
若干（例えば２０％〜３０％程度）はずれていても、本
発明の効果はそれなりに得られる。
【００３８】図１０は本発明の第４の実施例による照明
光学系の部分構成を示し、ここでは図３に示したフライ
アイレンズ７の部分を、特公平３−７８６０７号公報に
開示されているような２連のフライアイレンズ系に変更
する。 図３中のコリメータレンズ４とプリズム３０と
を通った照明光ＩＬａは、図１０のように１段目のフラ
イアイレンズ７Ｅに入射する。このフライアイレンズ７
ＥはＸ、Ｙ方向に４個ずつのエレメントレンズを束ねた
ものとする。フライアイレンズ７Ｅの各エレメントレン
ズの射出端に結像した点光源像の夫々からの照明光は、
レンズ系２５を介して２段目のフライアイレンズ７Ｆの
入射面の全面を重畳して照射する。２段目のフライアイ
レンズ７Ｆは６×６個の配列でエレメントレンズを束ね
たもので、各エレメントレンズの射出面から数ｍｍ程度
離れた空間中に３次元光源像（点光源）が結像される。
この２連フライアイレンズ系の場合、２段目のフライア
イレンズ７Ｆの個々のエレメントレンズの射出側には、
１段目のフライアイレンズ７Ｅの射出面に形成された４
×４個の点光源像が形成されるので、３次元光源像は１
６×３６個の点光源が２次元的に集合した面光源とな
る。
【００３９】さて、本実施例の場合、図４、図６〜８に
示した遮光板８は、２段目のフライアイレンズ７Ｆの射
出側で、３次元光源像が形成される空間中の面内に配置
される。図１１はフライアイレンズ７Ｆの射出側に形成
された３次元光源像と遮光板８の遮光部８Ａ（８Ａ')、
８Ｂの各エッジとの配置関係を示したものである。図１
１に示すように、フライアイレンズ７Ｆの１つのエレメ
ントレンズの射出側には、４×４個の点光源ＳＰがＸ、
Ｙ方向にほぼ等ピッチで整列している。このとき、十字
状遮光部８Ａ（８Ａ')の外形エッジや周辺の輪帯状遮光
部８Ｂの内径円Ｃ１に対応するエッジは、全て３次元光
源像を形成する点光源のピッチに合わせて屈曲される。
すなわち、単一のフライアイレンズ系のときは図８に示
したようにフライアイレンズのエレメントレンズの断面
形状に合わせて各遮光部のエッジを規定する必要があっ
たが、２連（タンデム）フライアイレンズ系では、その
ような必要がない。しかも３次元光源像を形成する点光
源の数は、単一フライアイレンズ系の場合よりも格段に
増えているため、面光源としての平均的な照度分布は極
めて平坦になる。
【００４０】図１２は本発明の第５の実施例によせる照
明系の構成を示し、ここでは特開平４−２２５５１４号
公報に開示されているように、照明系内のフーリエ変換
面上のＸＹ座標系で４つの象限の夫々に位置する縦横パ
ターン用の面光源を、それぞれ独立したフライアイレン
ズ７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄで構成する。そして
コリメータレンズ４からの輪帯状分布の照明光束を四角
錐プリズム２６で４つの光束に分割し、それぞれを４つ
のフライアイレンズ７０Ａ〜７０Ｄへ入射する。また、
斜めパターン用の面光源は、４本のオプチカルファイバ
ー９０の先端部７０Ｅ、７０Ｆ、７０Ｇ、７０Ｈで構成
し、その４本のオプチカルファイバー９０の他端（入射
端）側は１本に束ねられ、シャッター１９Ａの後で分岐
された照明光の一部がその入射端に集光される。
【００４１】本実施例では斜めパターン用の面光源を作
る系が、縦横パターン用の面光源を作る系と独立してい
るので、投影対象となったレチクル上に斜めパターンが
全く存在していないときは、オプチカルファイバー９０
の入射端側の光路中に別のシャッターや減光フィルター
（ＮＤフィルター）を挿入して、先端部７０Ｅ〜７０Ｈ
の発光を禁止するか、大幅に光量低下させることができ
る。さらに、そのＮＤフィルターの減光率の調整等によ
って先端部７０Ｅ〜７０Ｈの発光強度を変化させること
ができるので、レチクルＲ上のＬ＆Ｓパターンのうち斜
めパターンがしめる割合に応じて最適な光量を与えるこ
とができる。従って、オペレータがレチクルＲ上の斜め
パターンの割合に関する情報を、図３中の主制御ユニッ
ト２０に入力する構成にしておけば、４つの先端部７０
Ｅ〜７０Ｈの発光強度を、予め定められたテーブルに従
って自動的に最適値（零も含む）に調整することもでき
る。 また、図１２に示したように、４つのフライアイ
レンズ７０Ａ〜７０Ｄ、４つの先端部７０Ｅ〜７０Ｈが
独立に設けられるから、レチクルＲ上のＬ＆Ｓのパター
ンのピッチに応じて、個々のフライアイレンズ、または
先端部をＸＹ面内で２次元、または１次元に可動にして
おいてもよい。その場合、縦横パターン、斜めパターン
のピッチが同程度であり、４つのフライアイレンズ７０
Ａ〜７０Ｄの夫々の射出側の面光源の光量重心点が、Ｘ
Ｙ面内で光軸ＡＸを中心とする正方形の４隅に対応した
配置をとるときは、４つのフライアイレンズ７０Ａ〜７
０Ｄの光量重心点の光軸ＡＸからの偏心量と、先端部７
０Ｅ〜７０Ｈの光量重心点の光軸からの偏心量とがほぼ
等しくなるような関係で可動にするとよい。
【００４２】尚、図１２の構成において、４つのフライ
アイレンズ７０Ａ〜７０Ｄの夫々は、図１０と同様にタ
ンデム・フライアイレンズ系としてもよく、また各フラ
イアイレンズ７０Ａ〜７０Ｄの夫々の射出側に個別に絞
り（遮光板）を設け、４つの面光源のそれぞれの大きさ
を個別に、又は連動して変えられるようにしてもよい。
ところで図１２において、フライアイレンズ７０Ａ〜７
０Ｄの夫々の間には、特別に遮光板等を設けていない
が、各フライアイレンズの間の空間を通ってくる迷光が
無視できない程に多いときは、簡単な遮光板（十字状）
を設けるのが望ましい。従ってその迷光成分が十分に小
さければ、特別に遮光板を設ける必要はない。このこと
は、先の図４、図６〜８に示した遮光板８に対しても同
様に適用できることであって、十字状遮光部８Ａ、８
Ａ’や輪帯状遮光部８Ｂ等を完全な遮光層にしなくても
よいことを意味する。例えば遮光板８上の各遮光部を、
露光用の照明光の波長（ｉ線では３６５ｎｍ、ＫｒＦエ
キシマレーザでは２４８ｎｍ）において９０％以上の減
光率をもつ誘電体薄膜等で構成してもよい。
【００４３】さて、ここで以下のシミュレーションの説
明のために、これまでに発表されている従来の変形光源
の絞り形状の例を図１３、１４に示す。図１３は特定の
ピッチを有する縦パターンＰｖ、横パターンＰｈに最適
化された中心位置（ｘβ、ｙα）と、適当な半径（σ値
で０．１〜０．３）を有する円形４光源用の遮光板の例
である。図１４は図１３の円形開口の代わりに夫々正方
形の開口とし、かつそれら４つの正方形開口の周辺の一
部が照明光学系のσ値に相当する半径ｒより大きい扇状
４光源用の遮光板の例である。
【００４４】一例として、図１４に示す光源形状を用い
た縦横Ｌ＆Ｓパターン、及び斜め（４５°または１３５
°方向）Ｌ＆Ｓパターンの投影時に得られるＬ＆Ｓパタ
ーン像のライン、又はスペースの線幅サイズ〔μｍ〕に
対する焦点深度ＤＯＦ〔μｍ〕のシミュレーション結果
を図１５に示す。ここでシミュレーションの条件は、波
長λをｉ線の０．３６５〔μｍ〕、投影光学系ＰＬのウ
ェハ側の開口数 N.A. を０．５０（レチクル側では０．
１）、遮光板８の輪帯状遮光部８Ｂの内径ｒをσ値（ｒ
／ｒ0 ）として０．８（通常の円形面光源のσ値も０．
８とする）、十字状遮光部の幅の半値ａを開口数換算で
０．２８、すなわちａ＝０．２８ｒ／σ＝０．３５ｒと
した（通常照明ではａ＝０で十字状遮光部なし）。ここ
で焦点深度（ＤＯＦ）の値は、１：１ラインアンドスペ
ース（Ｌ／Ｓ）パターン像のコントラストが６０％以上
になる範囲（全幅）から、パターンニングすべきレジス
トの厚さ１．２μｍ、その屈折率１．７によって決まる
一定値、１．２／１．７≒０．７０６〔μｍ〕を差し引
いた値とした。図１５中で２点鎖線で表したシミュレー
ション結果の特性ＤＶ１は、図１４の従来の遮光板を用
いたときの縦、横Ｌ＆Ｓパターンに対する焦点深度特性
を示し、破線のシミュレーション特性ＤＯ１は、同様に
図１４の遮光板を用いたときの斜め（４５°、１３５
°）Ｌ＆Ｓパターンに対する焦点深度特性を示す。図１
４の如き従来の変形光源形状では、斜めパターンに対す
る焦点深度特性ＤＯ１が、比較のためにシュミレートし
た通常の円形面光源を用いたときの斜めパターンに対す
る焦点深度特性ＤＣよりわずかに劣る結果となる。尚、
通常の円形光源形状の場合は縦、横、斜めパターンのい
ずれに対しても焦点深度特性ＤＣになる。
【００４５】図１６は本発明の第１実施例（図４）によ
る遮光板８を用いたときの焦点深度特性のシミュレーシ
ョン結果を示す。このとき、図４中の十字状遮光部８Ａ
の幅の半値ａはａ＝０．２８ｒ0 ＝０．３５ｒに定めら
れ、長さの半値ｂはｂ＝０．５６ｒ0 ＝０．７ｒとし、
露光波長λ、N.A.、σは図１５の場合と同じにした。こ
の条件での縦横の１：１のＬ＆Ｓパターンでの焦点深度
特性ＤＶ２は、図１５中の従来の変形光源（図１４）に
よる特性ＤＶ１よりわずかに劣るが、一方斜めＬ＆Ｓパ
ターンに対する焦点深度特性ＤＯ２は、通常の円形面光
源を用いたときの焦点深度特性ＤＣより上まわってお
り、本発明の効果が確認されている。また、縦横パター
ンに対する焦点深度特性ＤＶ２も十分にあり、変形光源
が本質的に持つ能力を損なうものではない。尚、本シミ
ュレーションでは、十字状遮光部の幅の半値ａと長さの
半値ｂをそれぞれａ＝０．２８ｒ0 （投影光学系の開口
数N.A.の０．２８倍）、ｂ＝０．５６ｒ0 （開口数 N.
A.の０．５６倍）としたが、これらの値はそれに限定さ
れるものではなく先に述べたように、値ａは 0.1ｒ
0 （ 0.1・N.A.）≦ａ≦ 0.4ｒ0( 0.4・N.A.）程度であ
ればよく、値ｂについては 0.4ｒ0( 0.4・N.A.）≦ｂ＜
0.8ｒ0( 0.8・N.A.) 程度であれば、本発明の効果を得
ることができる。ただし、値ｂの上限は、半径ｒの値に
対してｂ＜ｒになっている必要がある。
【００４６】図１７は本発明の第２の実施例（図６）に
よる遮光板８を用いたときの焦点深度特性のシミュレー
ション結果を示す。このとき遮光板８は図６に示した通
り、十字状遮光部と中心円形遮光部とを組み合わせたも
ので、シミュレーション条件は露光波長λを０．３６５
μｍ（ｉ線）、投影光学系ＰＬのウェハ側開口数N.A.を
０．５０、遮光板８の外周の輪帯状遮光部８Ｂの内径ｒ
をσ値（ｒ／ｒ0 ）換算で０．７、十字状遮光部の幅の
半値ａを０．２８ｒ0 、長さの半値ｂを０．５６ｒ0 、
そして中心円形遮光部の半径ｃを０．４６ｒ0 とした。
図１７のシミュレーション結果のように、斜めＬ＆Ｓパ
ターンの焦点深度特性ＤＯ３は、従来の通常の円形面光
源（σ＝０．７）での焦点深度特性ＤＣに比べて格段に
改善されており、かつ、縦、横のＬ＆Ｓパターンに対す
る焦点深度特性ＤＶ３も十分に大きな値となっている。
【００４７】ここでのシミュレーションでは、中心円形
遮光部の半径ｃの値を０．４６ｒ／σとしたが、これも
前述の半値ａ、ｂ同様、０．４６ｒ／σに限定されるわ
けではなく、 0.3ｒ／σ（ 0.3・N.A.）＜ｃ＜ 0.6ｒ／
σ（ 0.6・N.A.）程度であれば本発明の効果を十分に得
ることができる。ただし、半径ｃの値があまりにも小さ
いと、図６の遮光板８は図４の遮光板と同様の形状とな
るため、斜めパターンについての焦点深度の改善度はや
や減少することになる。すなわち、図１７中の特性ＤＯ
３が、図１６中の特性ＤＯ２のようになる。また、半径
ｃの値があまり大きいと、それは輪帯照明（後述）に近
づくため、縦横のＬ＆Ｓパターンに対する焦点深度特性
ＤＶ３中で、パターンサイズが０．４５μｍ付近に見ら
れるような焦点深度が特に大きくなる部分が存在しなく
なり、やはり望ましくない。
【００４８】図１８は本発明の第３の実施例（図７）に
よる遮光板８を用いたときのシミュレーション結果を示
す。この場合のシミュレーション条件は、投影光学系の
開口数 N.A. を０．５０、面光源の最大半径であるσ値
（ｒ／ｒ0 ）を０．８、十字遮光部８Ａの各寸法、半値
ａ、半値ｂをそれぞれ０．２８ｒ0 、０．５６ｒ0 、そ
して周辺の微小遮光８Ｃ、８Ｄまでの距離ｄを０．６４
ｒ0 とした。この図１８のシミュレーション結果と、前
述の図１６に示したシミュレーション結果とを比べる
と、図７の遮光板８を用いたときの斜めパターンについ
ての焦点深度特性ＤＯ４は、図４の遮光板８を用いたと
きの焦点深度特性ＤＯ２（図１６）、又は図６の遮光板
を用いたときの焦点深度特性ＤＯ３（図１７）と同程度
に改善されていながら、縦横のＬ＆Ｓパターンのうち、
特に０．４５μｍ程度のライン幅の中程度の微細度のパ
ターンについても、焦点深度特性ＤＶ４の如く、焦点深
度が改善されることがわかる。
【００４９】尚、図７の遮光板中の微小遮光部８Ｃ、８
Ｄのエッジ距離ｄの値も、０．６４ｒ0 に限定されるわ
けではなく、０．５ｒ0 ＜ｄ＜０．８ｒ0 程度の範囲で
あればよい。ただし距離ｄがあまり小さいと縦横パター
ンに対する解像度が低下してしまうことになり、あまり
大きいと効果が表れない。そこで図７に示した遮光板８
の光軸近傍をさらに遮光する図６のような中心円形遮光
部、あるいは四角形遮光部を追加してもよい。
【００５０】図１９は比較のために輪帯照明での同様の
シミュレーション結果を示すものである。このときの条
件は露光波長λを０．３６５μｍとし、そして０．７・
N.A.（σ＝０．７）に相当する半径の円形面光源のう
ち、その半分の半径（σ＝０．３５）に相当する中心円
形部を遮光部とした輪帯状面光源を考える。このような
輪帯照明で得られるＬ＆Ｓパターンに対する焦点深度特
性ＤＡでは、０．４２μｍ以上のライン（又はスペー
ス）幅をもつ粗いパターンについて、幅でほぼ１．５μ
ｍ程度の焦点深度が得られる。従来の円形面光源のとき
の焦点深度特性ＤＣでは１μｍもないのが実情である。
ただし、実際のメモリーパターンの露光時を考えると、
特に金属配線層の露光工程では大きな焦点深度が要求さ
れ、例えば６４ＭＤＲＡＭでは０．４５μｍ程度の線幅
のＬ＆Ｓパターンに対して、幅で２μｍ以上の焦点深度
が必要とされる。従って図１９の如く輪帯照明で得られ
る焦点深度特性ＤＡではこの要求を満たすことは難し
い。また、上述の金属配線層の露光工程でも、特に焦点
深度が必要とされているのは段差（１μｍ程度）部に形
成されている縦、横のＬ＆Ｓパターンであるため、本発
明のような変形光源形状はきわめて有効なものである。
【００５１】尚、実施例中においては、光源を水銀ラン
プとしてｉ線を用いるものとしたが、これは他の波長で
あってもレーザ等の光源であってもよい。またシミュレ
ーションの条件では、投影光学系の開口数 N.A. を０．
５とし、遮光板によって作られる最大の面光源の半径ｒ
をσ値で０．７、又は０．８としたが、開口数 N.A.、
σ値はこれに限定されるものではない。ただしσ値につ
いては、０．７以上程度が効果的である。また光源形状
の最外形は、遮光板８の輪帯遮光部８Ｂの内径エッジで
規定される円（σ）によって制限されるものとしたが、
その最外形は四角形、六角形等で規定してもよい。さら
に各実施例中の遮光板８の遮光部形状はＸ方向、Ｙ方向
に関して同形状（対称形）としたが、その形状はＸ方向
とＹ方向とで異なってもよい。すなわち、各遮光部の寸
法値ａ、ｂ、ｄ、あるいは中心に四角形遮光部を設けた
場合の各エッジの中心からの距離ｃの値が、Ｘ方向とＹ
方向とで異なってもよい。
【００５２】実際の照明系中では、フライアイレンズの
射出面の光量分布はフライアイレンズの各エレメントレ
ンズの配列に応じて離散的、すなわち点光源の離散的な
集合となる。このとき、各エレメントレンズの断面形状
が長方形であると、離散的な点光源のそれぞれの間隔も
Ｘ、Ｙ方向で異なってくる。そこで実効的な照明条件
（レチクルへの照明光の配向特性）をＸ、Ｙ方向で揃え
るために、各遮光部の寸法値ａ、ｂ、ｃ、ｄの値をＸ、
Ｙ方向で積極的に異ならせることが必要となることもあ
る。また、本発明の各実施例で用いる遮光板８の各透過
部８１ａ〜８１ｄ、８１ｅ〜８１ｈに対して効率よく照
明光を集中させて光量損失を減らすために、遮光板８の
前に、それらの透過部に照明光を集中させる集光手段
（プリズム、ミラー、ファイバー等）を設けるとよい。
さらに各実施例の遮光板８は透過部と遮光部より成ると
したが、遮光部の一部、または全てを半透過部（望まし
くは透過率が５０％以下）としてもよい。また、露光を
行う工程によって、必要な焦点深度や縦横パターンと斜
めパターンの重要度が異なるため、それらに対応できる
形状をもった複数の遮光板８を、図３のターレット１０
に用意し、交換使用可能としておくことが望ましい。シ
ミュレーションにおいては、使用するレチクルを遮光部
（クロム層）と透過部から成る通常のレチクルとした
が、本発明を、いわゆるハーフトーン位相シフト（遮光
部の代わりに１〜１５％程度の透過率を持ち、かつ透過
部を通る光との間の位相をπだけ異ならしめるハーフト
ーン透過部（薄膜）を設ける）方式のレチクルの投影時
に用いると、本発明の効果をさらに高めることができ
る。
【００５３】以上の各シミュレーション結果から明らか
なように、縦横パターンＰｖ、Ｐｈのウェハ上での線幅
が、６４Ｍ−ＤＲＡＭ製造時に使われる０．４〜０．５
μｍ程度のとき、各実施例に示した遮光板８は焦点深度
の改善に良好に作用している。しかも、同時に斜めパタ
ーンＴａ、Ｔｂについても焦点深度の改善効果が得られ
ている。ただし縦横パターンと斜めパターンとで同じ線
幅サイズでの焦点深度を比べてみると、確かに斜めパタ
ーンの方の焦点深度はそれ程大きくない。しかしなが
ら、１枚のレチクル内での縦横パターンのピッチ（線幅
サイズ）に対して、斜めパターンのピッチ（線幅サイ
ズ）の方が１．２〜１．５倍程度粗い場合、例えば図１
７中の縦横パターンに対する特性ＤＶ３中で線幅サイズ
が０．４２μｍのとき、斜めパターンの線幅サイズがそ
の１．５倍（０．６３μｍ）であると、斜めパターンに
対する特性ＤＯ３中の線幅サイズ０．６３μｍでの焦点
深度は２μｍ程度得られることになる。
【００５４】ところで先の図９から明らかなように、対
象とする縦横パターンのピッチに対して最適化された４
つの光量重心点（０次光の重心点）８０Ａ〜８０Ｄが、
投影光学系ＰＬの瞳ＥＰ内で正方形の各角に位置すると
き、対象とする斜めパターンのピッチが縦横パターンの
ピッチの約１．４倍程度である場合、斜めパターン用に
補助的に加えられる照明光の光量重心点８０Ｅは、理想
的には２つの重心点８０Ａ、８０Ｂを結ぶ線分とＹ軸と
の交点に一致する。
【００５５】図２０は、縦横パターンと斜めパターンと
のピッチ関係とが上述のように約１．４倍になっている
ときに、ほぼ理想的な関係で各光量重心点を配置した様
子を示す。この図２０中で、瞳ＥＰに分布する０次光、
１次回折光は各重心点の回りに所定の大きさで広がりを
持つものとする。その広がりの形（領域）は、本来、遮
光板８の透明部８１ａ〜８１ｄ、８１ｅ〜８１ｈ等の面
光源の形状に一致するが、ここでは単に円形で表してあ
る。
【００５６】図２０の場合、斜めパターン（４５°、１
３５°）から発生する４つの０次光（重心点８０Ａ〜８
０Ｄ）の夫々に対応した１次回折光−Ｄｔ1 は、瞳ＥＰ
のほぼ中心を重畳して通る。また、重心点８０Ｅを０次
光として通る斜めパターンからの１次回折光−Ｄｔ1 ’
は、斜めパターン用の補助光源の重心点８０Ｈと８０Ｆ
の夫々の近傍、又は一致した位置を通る。同時に、重心
点８０Ｅを０次光として通る横パターンからの１次回折
光−Ｄｙ1 は、斜めパターン用の補助光源の重心点８０
Ｇの近傍、又は一致した位置を通る。
【００５７】このような０次光、１次回折光の分布のう
ち、変形光源を用いたときの斜めパターンに対する焦点
深度拡大効果を低減させる成分は、瞳ＥＰの中心に現れ
る４つの１次回折光−Ｄｔ1 である。そこでこのような
条件のときには、投影光学系の瞳ＥＰの中央部のみに減
光フィルター（ＮＤフィルター）を配置し、４つの１次
回折光−Ｄｔ1 の光量を適度に減衰させるとよい。
【００５８】尚、図２０中の縦横パターン用の４つの光
量重心点８０Ａ〜８０Ｄを作る円形領域と、斜めパター
ン用の４つの光量重心点８０Ｅ〜８０Ｈを作る小さな円
形領域との配置関係は、そのまま照明系内に設ける変形
光源用の遮光板８の透明部形状と相似になる。従って遮
光板８として、図２０中の４つの大きな円形領域と４つ
の小さな円形領域とを透明にした形状のものがそのまま
使える。
【００５９】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、これまで
変形光源で問題とされていた斜めパターンに対する結像
性能、特に焦点深度改善度の劣化を防止することがで
き、また縦横パターンについても従来の変形光源とほぼ
同様の性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基礎となる変形光源を持った照明系の
斜視図。
【図２】本発明による変形光源の原理的な形状を示す
図。
【図３】本発明の実施例としての投影露光装置の全体構
成を示す図。
【図４】第１の実施例による変形光源用の遮光板の形状
を示す図。
【図５】レチクル上のＬ＆Ｓパターンの周期方向の一例
を示す図。
【図６】第２の実施例による変形光源用の遮光板の形状
を示す図。
【図７】第３の実施例による変形光源用の遮光板の形状
を示す図。
【図８】図７の遮光板の形状とフライアイレンズとの配
置関係の一例を示す図。
【図９】各実施例に示した変形光源を用いたときの、投
影光学系の瞳面での光束分布を模式的に示す図。
【図１０】第４の実施例による照明系の一部の構成を示
す図。
【図１１】図１０の照明系に好適な遮光板の形状を示す
図。
【図１２】第５の実施例による照明系の一部の構成を示
す図。
【図１３】従来の変形光源用の遮光板の形状を示す図。
【図１４】従来の変形光源用の遮光板の形状を示す図。
【図１５】図１４の遮光板を用いたときの焦点深度特性
のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１６】図４の遮光板を用いたときの焦点深度特性の
シミュレーション結果を示すグラフ。
【図１７】図６の遮光板を用いたときの焦点深度特性の
シミュレーション結果を示すグラフ。
【図１８】図７の遮光板を用いたときの焦点深度特性の
シミュレーション結果を示すグラフ。
【図１９】輪帯照明を行ったときの焦点深度特性のシミ
ュレーション結果を示すグラフ。
【図２０】本発明による変形光源を用いたときの投影光
学系の瞳面での光束分布を模式的に示す図。
【符号の説明】
１・・・・水銀ランプ ７、７Ａ〜７Ｆ、７０Ａ〜７０Ｄ・・・・フライアイレ
ンズ ７０Ｅ〜７０Ｈ・・・・オプチカルファイバー先端 ８・・・・遮光板 １１・・・・コンデンサーレンズ Ｒ・・・・レチクル ＰＬ・・・・投影光学系 Ｗ・・・・ウェハ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】投影すべきパターンが形成されたマスクを
    照明する照明系と、前記パターンの像を感光基板上に投
    影する投影光学系とを備えた投影露光装置において、 前記照明系は、前記マスクのパターン面に対して光学的
    にフーリエ変換の関係となる面を内部に有する照明光学
    系と、前記フーリエ変換面上、もしくはその近傍面上で
    光軸を中心とした所定半径内に照明光を分布させる光分
    布設定手段とを含み、 前記光分布設定手段は前記光軸を中心とした所定幅の輪
    帯状の領域内に前記照明光を分布させるとともに、前記
    輪帯状の領域の内側で中心部を除く離散的な複数の領域
    に前記照明光を分布させることを特徴とする投影露光装
    置。
  2. 【請求項２】前記パターンは、互いに直交する２方向に
    それぞれ周期性を有する第１要素と、前記２方向と交差
    する方向に周期性を有する第２要素とを含み、前記複数
    の領域は、前記光軸を原点とし、かつ前記２方向に対応
    して規定される直交座標系で区画されることを特徴とす
    る請求項１に記載の投影露光装置。
  3. 【請求項３】前記複数の領域は、前記光軸を中心として
    前記直交座標系上に規定される十字領域で区画され、前
    記フーリエ変換面上で見た前記投影光学系の瞳面の半径
    をｒ0、前記十字領域の幅を２×ａ、長さを２×ｂとす
    ると、0.1ｒ0≦ａ≦0.4ｒ0、0.4ｒ0≦ｂ≦0.8ｒ0を満た
    すことを特徴とする請求項２に記載の投影露光装置。
  4. 【請求項４】前記中心部は円形であり、前記フーリエ変
    換面上で見た前記投影光学系の瞳面の半径をｒ0とする
    と、前記中心部の半径ｒ２は0.3ｒ0≦ｒ２≦0.4ｒ0を満
    たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記
    載の投影露光装置。
  5. 【請求項５】前記光分布設定手段は、前記複数の領域で
    それぞれ外縁部の一部以外に前記照明光を分布させ、前
    記フーリエ変換面上で見た前記投影光学系の瞳面の半径
    をｒ0とすると、前記外縁部の一部は前記直交座標系の
    座標軸との距離ｄが0.5ｒ0＜ｄ＜0.8ｒ0を満たすことを
    特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の投影露
    光装置。
  6. 【請求項６】マスクに照射する照明光を発生する光源
    と、前記マスクのパターン面に対して光学的にフーリエ
    変換の関係となるフーリエ変換面、もしくはその近傍面
    に前記光源の２次光源を形成する照明光学系と、前記照
    明光学系からの照明光によって照射された前記マスクの
    パターンからの光を入射して、前記パターンの像を感光
    基板上に投影する投影光学系とを備えた投影露光装置に
    おいて、 前記パターンが互いに直交する２方向にそれぞれ周期性
    を持つ第１要素と、前記２方向と交差する方向に周期性
    を持つ第２要素とを有し、かつ前記マスク上で前記第１
    要素の占める割合が前記第２要素の占める割合よりも多
    いとき、前記第１要素の周期方向に対応した傾斜照明光
    を作るように、前記フーリエ変換面、もしくはその近傍
    面上で前記照明光学系の光軸から偏心して互いに対称的
    に位置する４つの領域の夫々に第１の光源面を設定する
    とともに、前記第２要素の周期方向に対応した傾斜照明
    光を作るように、前記フーリエ変換面、もしくはその近
    傍面上で前記照明光学系の光軸から偏心して互いに対称
    的に位置する４つの領域の夫々に第２の光源面を設定す
    る設定部材を備え、前記第１の光源面の面積を前記第２
    の光源面の面積よりも大きくしたことを特徴とする投影
    露光装置。
  7. 【請求項７】前記設定部材は、前記照明光学系のフーリ
    エ変換面、もしくはその近傍面に配置された遮光板又は
    半透過板によって前記第１及び第２の光源面を規定した
    ことを特徴とする請求項６に記載の投影露光装置。
  8. 【請求項８】マスク上で直交する２方向に周期性を持つ
    第１要素と、前記２方向と異なる方向に周期性を持つ第
    ２要素とを含むパターンを感光基板上に投影する投影光
    学系と、光源からの光を入射して面光源を形成するとと
    もに、前記面光源内の各点からの光を前記マスク上で重
    畳させる照明光学系とを備えた投影露光装置において、 前記面光源の中心を原点として前記２方向に対応した２
    つの座標軸を設定するとき、前記２つの座標軸で規定さ
    れる４つの象限の夫々にほぼ同一面積で形成される第１
    透過部と、前記原点からほぼ等距離で前記２つの座標軸
    上の夫々の４ヶ所に、ほぼ同一面積で形成される第２透
    過部とを有する遮光板を備え、前記第１及び第２要素の
    重要度に応じて前記第１透過部と前記第２透過部とでそ
    の面積を異ならせたことを特徴とする投影露光装置。
  9. 【請求項９】前記遮光板は、前記第１及び第２透過部以
    外が半透過部であることを特徴とする請求項８に記載の
    投影露光装置。
  10. 【請求項１０】前記第２要素から発生して前記投影光学
    系の瞳面の中央部に分布する回折光の光量を減衰させる
    減光フィルターを更に備えたことを特徴とする請求項８
    又は９に記載の投影露光装置。
  11. 【請求項１１】マスクのパターンを感光基板上に投影す
    る投影光学系と、光源からの光を入射して、前記マスク
    に対する光学的なフーリエ変換面、もしくはその近傍面
    に面光源を形成し、前記面光源からの光を前記マスクに
    照射する照明光学系とを備えた投影露光装置において、 前記面光源の中心を原点として直交座標系ＸＹを定め、
    前記面光源の外形に近似した円の半径をｒ、前記面光源
    のコヒーレンスファクターをσ値としたとき、係数ａ、
    ｂをそれぞれ0.1ｒ／σ≦ａ≦0.4ｒ／σ、0.4ｒ／σ≦
    ｂ≦0.8ｒ／σとして、前記面光源上で−ａ≦Ｘ≦ａ、
    かつ−ｂ≦Ｙ≦ｂの領域内と−ａ≦Ｙ≦ａ、かつ−ｂ≦
    Ｘ≦ｂの領域内との光強度を他の領域よりも小さくする
    か、もしくはほぼ零にする光強度分布調整部材を設けた
    ことを特徴とする投影露光装置。
  12. 【請求項１２】前記光強度分布調整部材は、係数ｃを0.
    3ｒ／σ≦ｃ≦0.6ｒ／σとしたとき、前記面光源上で、
    Ｘ2＋Ｙ2≦ｃ2の領域内の光強度を他の領域よりも小さ
    くするか、もしくはほぼ零とすることを特徴とする請求
    項１１に記載の投影露光装置。
  13. 【請求項１３】前記照明光学系は前記面光源の原点を前
    記投影光学系の瞳面の中心に結像するように構成され、
    前記投影光学系の実効的な瞳径の前記面光源上での半径
    をｒ0としたとき、前記面光源の半径ｒとの比ｒ／ｒ0で
    ある前記σ値を０．７以上にしたことを特徴とする請求
    項１１又は１２に記載の投影露光装置。
  14. 【請求項１４】前記パターンは透過部とハーフトーン透
    過部とで形成されることを特徴とする請求項１〜１３の
    いずれか一項に記載の投影露光装置。
  15. 【請求項１５】照明光学系を通してマスクに照明光を照
    射するとともに、投影光学系を介して前記マスクのパタ
    ーン像を感光基板上に投影する投影露光方法において、 前記照明光学系内で前記マスクのパターン面に対して光
    学的にフーリエ変換の関係となる面上、もしくはその近
    傍面上で光軸を中心とした所定幅の輪帯状の領域内に前
    記照明光を分布させるとともに、前記輪帯状の領域の内
    側で中心部を除く離散的な複数の領域に前記照明光を分
    布させることを特徴とする投影露光方法。
  16. 【請求項１６】照明光学系を通してマスクに照明光を照
    射するとともに、投影光学系を介して前記マスクのパタ
    ーン像を感光基板上に投影する投影露光方法において、 前記照明光を、前記マスク上で直交する２方向に周期性
    を持つ第１要素と、前記２方向と異なる方向に周期性を
    持つ第２要素とを含むパターンに照射するとき、前記照
    明光学系内の前記マスクのパターン面に対する光学的な
    フーリエ変換面、もしくはその近傍面上で光軸を原点と
    する前記２方向に対応した直交座標系で規定される４つ
    の象限の夫々に設定される第１領域、及び前記原点から
    ほぼ等距離で前記直交座標系の座標軸上に設定される第
    ２領域以外で光量を少なくする、もしくはほぼ零にする
    とともに、前記第１及び第２要素の重要度に応じて前記
    第１領域と前記第２領域とでその面積を異ならせること
    を特徴とする投影露光方法。
  17. 【請求項１７】照明光学系を通してマスクに照明光を照
    射するとともに、投影光学系を介して前記マスクのパタ
    ーン像を感光基板上に投影する投影露光方法において、 前記照明光学系内の前記マスクのパターン面に対する光
    学的なフーリエ変換面、もしくはその近傍面に形成され
    る面光源の中心を原点として直交座標系ＸＹを定め、前
    記面光源の外形に近似した円の半径をｒ、前記面光源の
    コヒーレンスファクターをσ値としたとき、係数ａ、ｂ
    をそれぞれ0.1ｒ／σ≦ａ≦0.4ｒ／σ、0.4ｒ／σ≦ｂ
    ≦0.8ｒ／σとして、前記面光源上で−ａ≦Ｘ≦ａ、か
    つ−ｂ≦Ｙ≦ｂの領域内と−ａ≦Ｙ≦ａ、かつ−ｂ≦Ｘ
    ≦ｂの領域内との光量を他の領域よりも小さくするか、
    もしくはほぼ零にすることを特徴とする投影露光方法。
  18. 【請求項１８】係数ｃを0.3ｒ／σ≦ｃ≦0.6ｒ／σとし
    て、前記面光源上でＸ2＋Ｙ2≦ｃ2の領域内の光強度を
    他の領域よりも小さくするか、もしくはほぼ零とするこ
    とを特徴とする請求項１７に記載の投影露光方法。
  19. 【請求項１９】前記マスクはハーフトーン位相シフトマ
    スクであることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか
    一項に記載の投影露光方法。
  20. 【請求項２０】照明光学系を通してマスクに照明光を照
    射するとともに、投影光学系を介して前記マスクのパタ
    ーン像を感光基板上に投影する投影露光方法において、 前記照明光を、直交する２方向に周期性を持つ第１要素
    と、前記２方向と異なる方向に周期性を持つ第２要素と
    を含むハーフトーン位相シフトマスクに照射するとき、
    前記照明光学系内の前記マスクのパターン面に対する光
    学的なフーリエ変換面、もしくはその近傍面上で光軸を
    原点とする前記２方向に対応した直交座標系で規定され
    る４つの象限の夫々に設定される第１領域、及び前記第
    ２要素に対応して前記原点からほぼ等距離に設定される
    複数の第２領域以外でその光量を少なくする、もしくは
    ほぼ零にすることを特徴とする投影露光方法。
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