JP3984710B2 - 露光方法及び露光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光方法及び露光装置に関し、特に微細な回路パターンで感光基板上を露光し、例えばＩＣ，ＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル等の表示素子、磁気ヘッド等の検出素子、ＣＣＤ等の撮像素子といった各種デバイスの製造に用いられる際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＩＣ、ＬＳＩ、液晶パネル等のデバイスをフォトリソグラフィー技術を用いて製造するときには、フォトマスク又はレチクル等（以下、「マスク」と記す。）の面上に形成した回路パターンを投影光学系によってフォトレジスト等が塗布されたシリコンウエハ又はガラスプレート等（以下、「ウエハ」と記す。）の感光基板上に投影し、そこに転写する（露光する）投影露光方法及び投影露光装置が使用されている。
【０００３】
近年、上記デバイスの高集積化に対応して、ウエハに転写するパターンの微細化、即ち高解像度化とウエハにおける１チップの大面積化とが要求されている。従ってウエハに対する微細加工技術の中心を成す上記投影露光方法及び投影露光装置においても、現在、０．５／μｍ以下の寸法（線幅）の像（回路パターン像）を広範囲に形成するべく、解像度の向上と露光面積の拡大が計られている。
【０００４】
従来の投影露光装置の摸式図を図３７に示す。図３７中、１９１は遠紫外線露光用の光源であるエキシマーレーザ、１９２は照明光学系、１９３は照明光学系１９２から照射される照明光、１９４はマスク、１９５はマスク１９４から出て光学系（投影光学系）１９６に入射する物体側露光光、１９６は縮小型の投影光学系、１９７は投影光学系１９６から出て基板１９８に入射する像側露光光、１９８は感光基板であるウエハ、１９９は感光基板を保持する基板ステージを、示す。
【０００５】
エキシマレーザ１９１から出射したレーザ光は、引き回し光学系（１９０ａ，１９０ｂ）によって照明光学系１９２に導光され、照明光学系１９２により所定の光強度分布、配光分布、開き角（関口数ＮＡ）等を持つ照明光１９３となるように調整され、マスク１９４を照明する。マスク１９４にはウエハ１９８上に形成する微細パターンを投影光学系１９６の投影倍率の逆数倍（例えば２倍や４倍や５倍）した寸法のパターンがクロム等によって石英基板上に形成されており、照明光１９３はマスク１９４の微細パターンによって透過回折され、物体側露光光１９５となる。投影光学系１９６は、物体側露光光１９５を、マスク１９４の微細パターンを上記投影倍率で且つ充分小さな収差でウエハ１９８上に結像する像側露光光１９７に変換する。像側露光光１９７は図３７の下部の拡大図に示されるように、所定の開口数ＮＡ（＝Ｓｉｎ（θ））でウエハ１９８上に収束し，ウエハ１９８上に微細パターンの像を結ぶ。基板ステージ１９９は、ウエハ１９８の互いに異なる複数の領域（ショット領域：１個又は複数のチップとなる領域）に順次、微細パターンを形成する場合に、投影光学系の像平面に沿ってステップ移動することによりウエハ１９８の投影光学系１９６に対する位置を変えている。
【０００６】
現在主流となりつつある上記のエキシマレーザを光源とする投影露光装置は高い投影解像力を有しているが、例えば０．１５μｍ以下のパターン像を形成することが技術的に困難である。
【０００７】
投影光学系１９６は、露光（に用いる）波長に起因する光学的な解像度と焦点深度との間のトレードオフによる解像度の限界がある。投影露光装置による解像パターンの解像度Ｒと焦点深度ＤＯＦは，次の（１）式と（２）式の如きレーリーの式によって表される。
【０００８】
Ｒ＝ｋ1 ＝（λ／ＮＡ） ‥‥‥（１）
ＤＯＦ＝ｋ2 ＝（λ／ＮＡ2 ） ‥‥‥（２）
ここで、λは露光波長、ＮＡは投影光学系１９６の明るさを表す像側の開口数、ｋ1 ，ｋ2 はウエハ１９８の現像プロセス特性等によって決まる定数であり、通常０．５〜０．７程度の値である。この（１）式と（２）式から、解像度Ｒを小さい値とする高解像度化には開口数ＮＡを大きくする「高ＮＡ化」がある。しかしながら、実際の露光では投影光学系１９６の焦点深度ＤＯＦをある程度以上の値にする必要があるため、高ＮＡ化をある程度以上に進めることが難しいこと、この為、高解像度化には結局、露光波長λを小さくする「短波長化」が必要となることとが分かる。
【０００９】
ところが露光波長の短波長化を進めていくと重大な問題が発生してくる。それは投影光学系１９６を構成するレンズの硝材がなくなってしまうことである。殆どの硝材の透過率は遠紫外線領域では０に近く、特別な製造方法を用いて露光装置用（露光波長約２４８ｎｍ）に製造された硝材として溶融石英が現存するが、この溶融石英の透過率も波長１９３ｎｍ以下の露光波長に対しては急激に低下するし。線幅０．１５μｍ以下の微細パターンに対応する露光波長１５０ｎｍ以下の領域では実用的な硝材の開発は非常に困難である。また遠紫外線領域で使用される硝材は、透過率以外にも、耐久牲，屈折率均一性，光学的歪み，加工性等の複数条件を満たす必要があり、この事から、実用的な硝材の存在が危ぶまれている。
【００１０】
このように従来の投影露光方法及び投影露光鼓置では、ウエハ上に線幅０．１５μｍ以下のパターンを形成する為には１５０ｎｍ程度以下まで露光波長の短波長化が必要である。これに対し、現在のところ、この波長領域では実用的な硝材が存在しないので、ウエハに線幅０．１５μｍ以下のパターンを形成することができなかった。
【００１１】
米国特許夢５４１５８３５号公報は２光束干渉露光によって敏細パターンを形成する技術を開示しており、この２光束干渉露光によれば、ウエハに線幅０．１５μｍ以下のパターンを形成することができる。
【００１２】
２光束干渉露光の原理を図３３を用いて説明する。２光束干渉露光は、レーザ１５１からの可干渉牲を有し且つ平行光線束であるレーザ光Ｌ１５１をハーフミラー１５２によってレーザ光Ｌ１５１ａ，Ｌ１５１ａｂの２光束に分割し、分割した２光束を夫々平面ミラー１５３ａ，１５３ｂによって反射することにより２個のレーザ光（可干渉性の平行光線束）を０より大きく９０度末満のある角度を成してウエハ１５４面上で交差させることにより交差部分に干渉縞を形成している。この干渉縞（の光強度分布）によってウエハ１５４を露光して感光させることで干渉縞の光強度分布に応じた微細な周期パターンをウエハ１５４に形成するものである。
【００１３】
２光束Ｌ１５１ａ，Ｌ１５１ｂがウエハ１５４面の立てた垂線に対して互いに逆方向に同じ角度だけ傾いた状態でウエハ面で交差する場合、この２光束干渉露光における解像度Ｒは次の（３）式で表される。
【００１４】
ここで、ＲはＬ＆Ｓ（ライン・アンド・スペース）の夫々の幅、即ち干渉縞の明部と暗部の夫々の幅を示している。又βは２光束の夫々の像面に対する入射角度（絶対値）を表し、ＮＡ＝Ｓｉｎθである。
【００１５】
通常の投影露光における解像度の式である（ｌ）式と２光束干渉露光における解像度の式である（３）式とを比較すると、２光束干渉露光の解像度Ｒは（１）式においてｋ1 ＝０．２５とした場合に相当するから、２光束干渉露光ではｋ1 ＝０．５〜０．７である通常の投影露光の解像度より２倍以上の解像度を得ることが可能である。
【００１６】
上記米国特許には開示されていないが、例えばλ＝０．２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマ）でＮＡ＝０．６の時は、Ｒ＝０．１０μｍが得られる。
【００１７】
一方、解像力に伴って、半導体投影露光装置におけるウエハとレチクルを相対位置合わせするアライメントについても高精度化が必要とされている。従来、行われているアライメントでは、ウエハ面に形成したアライメントマークを投影レンズなどの光学系を介してＣＣＤカメラなどの撮像素子上に結像投影し、その電気信号を画像処理してウエハの位置情報を得ている。
【００１８】
このウエハ像を検出する方法として半導体投影露光装置で行われている方式としては、例えば次の３つの方法がある。
【００１９】
▲１▼露光光ＴＴＬ方式‥‥‥露光光を用い、投影光学系を通す方式
▲２▼Off-Axis 方式 ‥‥‥非露光光を用い、投影光学系を通さない方式
▲３▼非露光光TTL 方式 ‥‥‥非露光光を用い、投影光学系を通す方式
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
２光束干渉露光は、基本的に干渉縞の光強度分（露光量分布）に相当する単純な縞パターンしか得られないので、所望の形状の回路パターンをウエハに形成することが難しい。
【００２１】
そこで上記米国特許第５４１５８３５号公報は、２光束干渉露光によって単純な縞パターン（周期パターン）即ち２値的な露光量分布をウエハ（のレジスト）に与えた後、露光装置の分解能の範囲内の大きさのある開口が形成されたマスクを用いて通常リソグラフィー（露光）を行なって更に別の２値的な露光量分布をウエハに与えることにより、孤立の線（パターン）を得ることを提案している。
【００２２】
しかしながら、上記米国特許第５４１５８３５号公報の多重露光の方法は、２光束干渉露光用の露光装置にウエハを設置して露光した後で、別の通常露光用の露光装置にウエハを設置し直して露光を行うので、時間がかかるという問題があった。
【００２３】
本発明の目的は、比較的短い時間で多重露光が行える露光方法及び露光装置を提供することにある。
【００２４】
一方、前述したようにパターン像の高解像力化を図るにはマスクとウエハとの位置合わせを高精度に行うことが重要になっている。
【００２５】
感光基板上の同一領域を異なったパターンを有するマスクで多重露光し、高解像度のパターンを形成する多重露光方法では特に感光基板とマスクとの位置合わせ（アライメント）を高精度に行うことが重要になってくる。
【００２６】
従来よりデバイス製造用の露光装置においてマスクとウエハとのアライメントを行う方法は種々と提案されているが多重露光に際してのアライメント方法については特に提案されていなかった。
【００２７】
本発明は、感光基板上の同一領域を異なったパターンで多重露光するときに、感光基板とマスクとを位置合わせする為の位置合わせマーク（アライメントマーク）や、オーバーレイ測定マーク等を感光基板上に適切に形成することにより、感光基板とマスクのそれぞれのパターンの重ね合わせを高精度に行い高集積度のパターンを容易に形成することができる露光方法及び露光装置の提供を目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の露光方法は、感光基板上の同一領域を互いに異なったパターンで多重露光して回路パターンを形成する露光方法において、
第１の露光で第１の位置検出マークを該感光基板上に露光し、第２の露光時に該感光基板上に第１の位置検出マークを露光した位置と同じ位置に第２の位置検出マークを該感光基板上に露光し、該第１の位置検出マーク及び該第２の位置検出マークの多重露光により合成された合成パターンの位置を検出して、該互いに異なったパターンで多重露光して形成した回路パターンの位置を求めることを特徴としている。
【００２９】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記位置検出マークが、位置ずれ検出方向に対して前記回路パターンと同じ線幅、ピッチで構成されることを特徴としている。
【００３０】
請求項３の発明の露光方法は、感光基板上の同一領域を互いに異なったパターンで多重露光して回路パターンを形成する露光方法において、一方の露光で該感光基板上に位置検出マークを形成し、他の露光では該位置検出マークの領域を露光しないようにし、該位置検出マークの位置を検出して該互いに異なったパターンで多重露光して形成した回路パターンの位置を求めることを特徴としている。
【００３１】
請求項４の発明の露光方法は、感光基板上の同一領域を互いに異なったパターンで多重露光して回路パターンを形成する露光方法において、第１の露光で第１の位置検出マークを該感光基板上に露光し、第２の露光時に該感光基板上に第１の位置検出マークとは異なる位置に第２の位置検出マークを該感光基板上に露光し、該第１の露光時には、第２の位置検出マークの領域を露光しないようにし、該第２の露光時には、第１の位置検出マークの領域を露光しないようにしており、該第１の位置検出マーク及び該第２の位置検出マークの位置を検出し、第１の位置検出マークの位置と第２の位置検出マークの位置の平均値を用いて、該互いに異なったパターンで多重露光して形成した回路パターンの位置を求めることを特徴としている。
【００３２】
請求項５の発明は請求項３又は４の発明において、前記位置検出マークが、位置ずれ検出方向に対して前記パターンの最小線幅の二倍以上の線幅で構成されることを特徴としている。
【００３３】
請求項６の発明は請求項１乃至５のいずれか１項の発明において、第１のレチクルのパターンと第２のレチクルのパターンを縮小投影レンズを介して感光基板上の同一領域を二重露光して回路パターンを露光転写することを特徴としている。
【００３４】
請求項７の発明は請求項６の発明において、前記第１のレチクルと第２のレチクルのうち、片方のレチクルのパターンがレベンソン型位相シフトマスクで構成されていることを特徴としている。
【００３５】
請求項８の発明は請求項６の発明において、前記二重露光のうち、少なくとも１回の露光が変形照明露光により行うことを特徴としている。
【００３６】
請求項９の発明のデバイスの製造方法は請求項１から８のいずれか１項の露光方法を用いて、該パターンと該位置検出マークを感光剤を塗布した該基板上に露光転写後、現像処理し、エッチング又は成膜工程を行い、次いで基板上に感光剤を塗布し、該基板上の該位置検出マークの位置を測定し、位置合わせを行った後に感光剤に半導体素子パターンを露光転写してデバイスを製造することを特徴としている。
【００３７】
請求項１０の発明のデバイスの製造方法は、請求項１から８のいずれか１項の露光方法を用いて、第一のパターンと第１の位置検出マークを感光剤を塗布した基板上に露光転写後、現像処理し、エッチング工程又は成膜工程を行い、次いで基板上に感光剤を塗布し、第２のパターンと第２の位置検出マークを該基板上に露光転写後、現像処理し、該第１の位置検出マークと第２の位置検出マーク間の相対的な位置ずれを測定する工程を利用してデバイスを製造していることを特徴としている。
【００３８】
請求項１１の発明の露光装置は、請求項１から８のいずれか１項の露光方法を用いて感光性の基板にマスク上のパターンを転写していることを特徴としている。
【００３９】
請求項１２の発明のデバイスの製造方法は、請求項１から８のいずれか１項の露光方法を用いてマスク面上のパターンをウエハ面上に露光した後、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造していることを特徴としている。
【００４０】
請求項１３の発明のデバイスの製造方法は、請求項１１の露光装置を用いてマスク面上のパターンをウエハ面上に露光した後、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造していることを特徴としている。
【００４３】
尚、本発明において「多重露光」とは「感光基板上の同一領域を互いに異なる光パターンで途中に現像処理工程を介さずに露光すること」を言う。
【００４４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の露光装置の実施形態１の要部概略図である。図中、１は投影レンズ( 投影光学系) であり、レチクルステージ３ａに裁置したレチクル（第１マスク）３のパターンをＸＹＺ方向に駆動可能なウエハステージ５上に裁置したウエハ（感光基板）７上にステップアンドリピート方式又はステップアンドスキャン方式で微小投影している。
【００４５】
レチクル３はパターンが異なるレチクル（第２マスク）１３と交換可能となっており、レチクル３とレチクル１３とを交換してウエハ７上の同一領域を多重露光（二重露光）している。２は照明系であり、超高圧水銀灯やエキシマレーザ等からの露光光でレチクル３（１３）を照明している。８はレチクルアライメント検出系であり、例えば図２，図３に示すようなレチクルアライメントマーク２２（３２）を検出してそのアライメント信号を中央処理系６に入力している。
【００４６】
４はウエハアライメント検出系であり、ウエハ７上のパターン転写領域の位置情報（アライメント信号）をウエハ７上のパターン転写領域の位置情報（アライメント信号）をウエハ７上に設けたアライメントマークを観察して得ている。
【００４７】
ウエハアライメント検出系４は明視野／暗視野の切り替えが可能となっており、像コントラストの良い信号を選択して用いている。ウエハアライメント検出系４からのアライメント信号は中央処理系６に入力されている。
【００４８】
中央処理系６はレチクルアライメント検出系８からのアライメント信号又は／及びウエハアライメント検出系４からのアライメント信号とを用いてレチクルとウエハとの位置合わせを行っている。
【００４９】
ウエハアライメント検出系４は投影レンズ１を介さない非ＴＴＬオフアクシスを用いているが、投影レンズ１を介して行うＴＴＬオフアクシス方式、ＴＴＬオンアクシス方式等を用いても良い。
【００５０】
本実施形態では二重露光により基板（ウエハ）上に微細パターンを露光転写する露光方法において、第１と第２の二重露光により位置検出マーク（アライメントマーク）を該基板上に露光し、該位置検出マークの位置を検出し、該基板上の微細パターンの位置を計測することを特徴としている。
【００５１】
具体的には本実施形態において、レチクル（第１マスク）１３として微細な周期的パターンよりなる周期パターンマスク（Ｆレチクル）を用いて第１露光を行い、レチクル（第２マスク）３としてゲートパターン等の回路パターンより成る通常パターンマスク（Ｒレチクル）を用いて第２露光を行い、２重露光を行っている。
【００５２】
これによって後述するようにウエハ面上に微細パターン（回路パターン）を形成している。このときの２重露光プロセスにおいて図２，図３に示すレチクル３又は／及び１３に設けたアライメントマーク２２又は／及び３２をウエハ（感光基板）７上に投影露光してアライメントマーク（ＡＡマーク）を形成している。
【００５３】
そして次の工程において、ウエハ面上に形成したアライメントマークを用いてマスクとの相対的な位置合わせを行っている。図２において、２１は回路パターン領域を示し、領域２３には例えば図１０に示す回路パターン（ゲートパターン）が形成されている。図３において３１は回路パターン領域を示し、領域３３には図１１に示すような周期的パターンが形成されている。
【００５４】
次に本実施形態においてウエハ上に位置合わせマーク（アライメントマーク）を形成する方法について説明する。
【００５５】
図４は第１と第２露光でウエハ面上にアライメントマークを形成する実施形態の説明図である。同図（Ａ）は第１マスク（Ｆレチクル）に設けたアライメントマークＦａと、第２マスク（Ｒレチクル）に設けたアライメントマークＲａとの２つのマスクのアライメントマークを２重露光に際してウエハ上の同一領域に投影して、現像処理工程を行って合成像としてのアライメントマークＦＲａを形成している。尚、このときの位置合わせ方向（アライメント方向）は同図（Ｃ）の矢印で示す方向である。
【００５６】
図４（Ｂ）は同図（Ａ）に比べて第２マスク（Ｒレチクル）に設けたアライメントマークＲａの形状が異なっている。この結果、ウエハ面上に形成される合成像としてのアライメントマークＦＲａのパターン形状も異なっている。
【００５７】
同図（Ｂ）では位置合わせ方向は矢印で示すように同図（Ａ）とは９０度方向が異なっている。
【００５８】
本実施形態では第１，第２露光の２重露光でアライメントマークを形成している為、２重露光で形成した回路パターン（ＩＣパターン）の位置を正確に反映している。
【００５９】
本発明においてウエハにアライメントマークを形成するとき、多重露光で形成するときは多重露光におけるパターン形成と同様に全露光の露光量の合計値がレジストのしきい値をＥｔｈを超えるようにしている。尚、単一露光で形成するときはレジストのしきい値Ｅｔｈ以上の露光量を与えている。
【００６０】
図５〜図８は２重露光により、所定の層にパターンを形成するとき、次の工程用のアライメントマーク（ＡＡマーク）を２重露光で作成する方法を示している。
【００６１】
このときはＦレチクルとＲレチクルのパターンのうち、次工程で位置合わせを行うレチクル側のアライメントマークの線幅を他方のレチクルのアライメントマークの線幅よりも小さくしている。
【００６２】
例えば次工程においてＦレチクルのパターンとアライメントをしたいときは図５に示すようにＦレチクルのアライメントマークの線幅をＲレチクルのアライメントマークの線幅よりも小さくしておく。
【００６３】
又、次工程においてＲレチクルのパターンとアライメントしたいときにはＲレチクルのアライメントマークの線幅をＦレチクルのアライメントマークの線幅よりも小さくしておく。
【００６４】
次に図５〜図８に示した２重露光によりＩＣパターン（回路パターン）とアライメントマーク（ＡＡマーク）を形成する様子を示した概略図について説明する。図５はＦレチクルとアライメントをする場合を示している。図５はＦレチクルＦに形成した線幅のＡＡマークがレジストに形成される様子を示している。
【００６５】
図５（Ａ）はＲレチクルのＡＡマークとＩＣパターンの投影露光（第１露光）による露光量分布を示し、図５（Ｂ）はＦレチクルのＡＡマークとＩＣパターンの投影露光（第２露光）による露光量分布を示している。図５（Ｃ）はレジストの第１，第２露光の露光量分布の合計を示している。スレッシュホールドを同図（Ｃ）の点線の如く設定し、これによって同図（Ｄ）に示すようなＡＡマークとＩＣパターンを形成している。
【００６６】
図６はＲレチクルとアライメントする場合を示している。図６は図５と基本的には同様であるが、Ｒレチクルに形成した線幅のＡＡマークが２重露光によってレジストに形成される様子を示している。
【００６７】
露光工程は図５（Ａ）〜（Ｄ）と基本的に同じである。
【００６８】
図７は次工程においてアライメントを行うレチクル（Ｆレチクル）に一定の線幅のアライメントマークを形成し、そうでないレチクル（Ｒレチクル）には幅の広いべたマークを形成した場合を示している。
【００６９】
これによって図７に示すようにレジストにＦレチクルと同じ線幅のアライメントマークを形成している。
【００７０】
図８は次工程においてアライメントを行うレチクルをＲレチクルとし、図７に比べてＦレチクルとＲレチクルに形成するアライメントマークの線幅を逆にしたものである。
【００７１】
図９はウエハ上のレジスト層に回路パターンとＡＡマークが形成される様子を示している。同図（Ａ）ではＦレチクルの回路パターンをパターン部にＡＡマークをマーク領域に各々第１露光でレジスト層に露光している。
【００７２】
同図（Ｂ）でＲレチクルの回路パターンとＡＡマークを各々第２露光でレジスト層に露光している。そして多重露光した後に現像処理して同図（Ｃ）に示すようにウエハ面上に回路パターンとＡＡマークが形成している。
【００７３】
図１２は本発明のＡＡマークのパターン形成の説明図である。図１２（Ａ）のレチクル３上のＡＡマーク２２はその位置合わせ方向の線幅が３Ｌで間隔がＬ、レチクル１３上のＡＡマーク３２はその線幅がＬで間隔がＬのレベンソン型位相シフトパターンより成っており、ＡＡマーク２２とＡＡマーク３２との合成したＡＡマークの幅が３Ｌで間隔Ｌの場合を示している。これは図１０の回路パターンの領域Ａにおける位置合わせ精度を検出する為に、該回路パターンの形状に合わせている。
【００７４】
図１２（Ｂ）のレチクル３上のＡＡマーク２２は位置合わせ方向の線幅がＬ、レチクル１３上のＡＡマークが線幅Ｌで間隔Ｌのレベンソン型位相シフトパターンより成り、合成したＡＡマークの幅がＬ、間隔がＬの場合を示している。これは図１０の回路パターンの領域Ｂにおける位置合わせ精度を検出する為に該回路パターンの形状に合わせている。
【００７５】
本実施形態では回路パターンと同様な線幅のパターンよりＡＡマークを形成している。このように図１２では第１及び第２露光で転写される位置検出マークが、位置ずれ検出方向に対して該回路パターンと同じ線幅、ピッチ構成されることを特徴としている。
【００７６】
これによってレチクル３とレチクル１３との位置合わせに誤差があるとき、ＩＣパターンの合成像位置にＡＡマークの合成像の位置が正確に一致するようにしている。
【００７７】
図１３は図１２のレチクル３のＡＡマーク２２とレチクル１３のＡＡマーク３２のレジスト面上での露光量分布と、双方の露光量分布を合成し、スレッショホールドをＴＬ２としたときの得られる合成像（パターン像）を示している。
【００７８】
図１２（Ａ），（Ｂ）に対応してＡ部では幅３Ｌ、間隔ＬのＡＡマークが、Ｂ部では幅Ｌ、間隔ＬのＡＡマークが形成される様子を示している。
【００７９】
図１４は図１２の合成パターン（ＡＡマーク）４２Ｌ，４２Ｒをアライメント検出系４で検出したときのアライメント検出信号の説明図である。
【００８０】
図１４において位置４２Ｌａ，４２ＲａはＡＡマーク４２Ｌ，４２Ｒに入射した光束の正反射光とエッジ散乱光との干渉で生じてくる光強度変化の位置を示し、位置４２ＬＲがＡＡマーク４２Ｌ，４２Ｒの位置の平均値であるこの４２ＬＲを用いてアライメントを行っている。
【００８１】
図１５は本発明の実施形態であり、Ｙ方向の位置検出用のＡＡマークのパターン形成方法の説明図である。同図は一方のレチクル（例えばレチクル３）にのみＡＡマークが設けられており、レチクル３のＡＡマーク２２を１回の露光でウエハ面上に形成している。
【００８２】
このときレチクル１３の回路パターンをウエハ面上に投影露光するとき、ウエハ面上のレチクル３のＡＡマーク２２を露光形成した領域は露光しないように、レチクル１３のそれに相当する領域を遮光領域３２としている。
【００８３】
レチクル３のＡＡマーク２２の線幅は回路パターンの最小線幅の１０倍程度としている（２倍程度であれば良い）。
【００８４】
このように本実施形態では二重露光により基板上に微細パターンを露光転写するときに片方の露光で位置検出マークを該基板上に露光し、他方の露光時には、該位置検出マークの領域を露光しないようにし、該位置検出マークの位置を検出して該基板上に微細パターンの位置を求めることを特徴としている。
【００８５】
図１６は本発明の実施形態３の説明図である。同図の本実施形態はウエハ面上に形成したオーバーレイマークのＸ方向の検出を示している。
【００８６】
同図はレチクルとウエハとの位置合わせを行い、多重露光した後のウエハ面上で下地パターン（下地ＡＡマーク）４３Ｌ，４３Ｒと今回転写したレジストパターン（ＡＡマーク）４２Ｌ，４２Ｒとの位置ずれを測定し、次のウエハの位置合わせの際にオフセットを与えている。
【００８７】
図１２で説明したＡＡマークの形成方法と同様にオーバーレイマーク４２Ｌ，４２Ｒを形成する。ここでオーバーレイマーク４３Ｌ，４３Ｒは下地パターンであり、前工程で露光転写されたパターンを示している。
【００８８】
同図では二重露光により基板（ウエハ）上に微細パターンを露光転写する２重露光において、第１の露光で第１の位置検出マーク（ＡＡマーク）４２Ｌ，４３Ｌを該基板上に露光し、第２の露光時に該基板上に第１の位置検出マークとは異なる位置に第２の位置検出マーク（ＡＡマーク）４３Ｌ，４３Ｒを該基板上に露光し、該第１の露光時には、第２の位置検出マークの領域を露光しないようにし、該第２の露光時には、第１の位置検出マークの領域を露光しないようにし、該第１の位置検出マーク４２Ｌ，４２Ｒ及び該第２の位置検出マーク４３，４３Ｒの位置を検出し、第１の位置検出マークの位置と第２の位置検出マークの位置の平均値により、該基板上に微細パターンの位置を求めることを特徴としている。
【００８９】
図１７はウエハ７面上に形成したオーバーレイマーク７ｂを検出するときの概略図である。同図では照明系５２からの光束で投影レンズ５１の一部を介してウエハ７上のオーバーレイマーク７ｂを照明している。そしてオーバーレイマーク７ｂの画像情報を投影レンズ５１を介してＣＣＤカメラ５３で検出している。
【００９０】
このとき得られる画像情報より下地パターン４３Ｌ，４３Ｒとレジストパターン４２Ｌ，４３Ｒとの位置ずれを検出している。
【００９１】
図１８は図１７で示すＣＣＤカメラ５３で得られたオーバーレイマークに関する画像信号の説明図である。４２Ｌａ，４２Ｒａはレジストパターン４２Ｌ，４２Ｒに基づく画像信号、４３Ｌａ，４３Ｒａは下地パターン４３Ｌ，４３Ｒに基づく画像信号である。
【００９２】
同図では画像信号４２Ｌａ，４２Ｒａの位置の平均値と、画像信号４３Ｌａ，４３Ｒａの位置の平均値の差分ΔＸを位置合わせ誤差として求めている。
【００９３】
このときの位置合わせ誤差ΔＸをオフセットとして次のレチクルとウエハとの位置合わせに用いている。
【００９４】
次に本実施形態における多重露光によってウエハ面上に回路パターンを形成する露光方法について説明する。以下の説明では例として２重露光について説明するが、２重露光プロセスの適切なプロセス工程において前述したようにウエハ面上にアライメントマークを形成して、位置合わせ（アライメント）を行っている。
【００９５】
図１９〜図２７は本発明の露光方法の実施形態１の説明図である。図１９は本発明の露光方法を示すフローチャートである。図１９には本発明の露光方法を構成する周期パターン露光ステップ、投影露光ステップ（通常パターン露光ステップ）、現像ステップの各ブロックとその流れが示してある。同図において周期パターン露光ステップと投影露光ステップの順序は、逆でもいいし、どちらか一方のステップが複数回の露光段階を含む場合は各ステップを交互に行うことも可能である。また、各露光ステップ間には．精密な位置合わせを行なうステップ等があるが、ここでは図示を略した。
【００９６】
本発明の露光方法及び露光装置は、被露光基板（感光基板）に対して周期パターン露光と通常の露光の二重露光を行うことを特徴としている。
【００９７】
ここで通常パターン露光とは周期パターン露光より解像度が低いが任意のパターンで露光が行える露光であり、代表的なものとして図３７に示した投影光学系によってマスクのパターンを投影する投影露光があげられる。
【００９８】
通常パターン露光によって露光されるパターン（通常パターン）は解像度以下の微細なパターンを含み、周期パターン露光はこの微細なパターンと略同線幅の周期パターンを形成するようにする。通常パターン露光の解像度以上の大きなパターンは、周期パターン露光の線幅に限定されないが整数倍が効果的である。
【００９９】
通常パターン露光は任意の形状をしているのでいろいろな方向を向いていてもよい。一般にＩＣパターンでは、方向がある方向とそれに直行する方向の２方向を向いている場合が多く、最も微細なパターンはある特定の１方向のみに限定される場合が多い。
【０１００】
二重露光で周期パターン露光をする際、その通常パターンの最も微細なパターンの方向に、周期パターンの方向を合致させることが重要である。
【０１０１】
また、周期パターンのピークの中心は、通常パターンにおける解像度以下の微細なパターンの中心に合致するように露光する。
【０１０２】
本発明における二重露光とは周期パターン露光と通常パターン露光の二重露光という意味であって、周期パターン露光は、通常パターン露光の最も微細なパターンの方向に平行にして何回繰り返して露光しても良い。
【０１０３】
本発明の露光方法及び露光装置の周期パターン露光と通常パターン露光のそれぞれは、１回または、複数回の露光段階よりなり、複数回の露光段階を取る場合は、各露光階ごとに異なる露光量分布を感光基板に与えている。
【０１０４】
図１９のフローに従って露光を行なう場合、まず周期パターンによりウエハ（感光基板）を図２０に示すような周期パターンで露光する。図２０中の数字は露光量を表しており、図２０（Ａ）の斜線部は露光量１（実際は任意）で白色部は露光量０である。
【０１０５】
このような周期パターンのみを露光後現像する場合、通常，感光基板のレジストの露光しきい値Ｅｔｈは図２０（Ｂ）の下部のグラフに示す通り露光量０と１の間に設定する。尚、図２０（Ｂ）の上部は最終的に得られるリソグラフィーパターン（凹凸パターン）を示している。
【０１０６】
図２１に、この場合の感光基板のレジストに関して、現像後の膜厚の露光量依存性と露光しきい値とをポジ型レジスト（以下、「ポジ型」と記す。）とネガ型レジスト（以下、「ネガ型」配す。）の各々について示す。ポジ型の場合は露光しきい値Ｅｔｈ以上の場合に、ネガ型の場合は露光しきい値Ｅｔｈ以下の場合に、現像後の膜厚が０となる。
【０１０７】
図２２はこのような露光を行った場合の現像とエッチングプロセスを経てリソグラフィーパターンが形成される様子を、ネガ型とポジ型の場合に関して示した摸式図である。
【０１０８】
本実施形態においては、この通常の露光感度設定とは異なり、図２３（図２０（Ａ）と同じ）及び図２４に示す通り、周期パターン露光での中心露光量を１としたとき、露光基板のレジストの露光しきい値Ｅｔｈを１よりも大きく設定している。この感光基板は図２０に示す下地パターン露光のみ行った露光パターン（露光量分布）を現像した場合は露光量が不足するので、多少の膜厚変動はあるものの現像によって膜厚が０となる部分は生じず、エッチングによってリソグラフィーパターンは形成されない。これは即ち周期パターンの消失と見做すことができる（尚、ここではネガ型を用いた場合の例を用いて本発明の説明を行うが、本発明はポジ型の場合も実施できる。）。
【０１０９】
尚、図２４において、上部はリソグラフィーパターンを示し（何もできない）、下部のグラフは露光量分布と露光しきい値の関係を示す。尚、下部に記載のＥ1 は周期パターン露光における露光量を、Ｅ2 は通常の投影露光における露光量を表している。
【０１１０】
本実施形態の特徴は、周期パターン露光のみでは一見消失する高解像度の露光パターンを通常の投影露光による露光装置の分解能以下の大きさのパターンを含む任意の形状の露光パターンと融合して所望の領域のみ選択的にレジストの露光しきい値以上の露光をし、最終的に所望のリソグラフィーパターンを形成できるところにある。
【０１１１】
図２５（Ａ）は通常の投影露光（通常パターン露光）による露光パターンであり、微細なパターンである為、解像できずに被露光物体上での強度分布はぼけて広がっている。本実施形態では通常の投影露光の解像度の約半分の紙幅の微細パターンとしている。
【０１１２】
図２５（Ａ）の露光パターンを作る投影露光を、図２３の周期パターン露光の後に、現像工程なしで、同一レジストの同一領域に重ねて行ったとすると、このレジスト面上への合計の露光量分布は図２５（Ｂ）の下部のグラフのようになる。尚、ここでは周期パターン露光の露光量Ｅ1 と投影露光の露光量Ｅ2 の比が１：１、レジストの露光しきい値Ｅｔｈが露光量Ｅ1 （＝１）と露光量Ｅ1 と投影露光の露光量Ｅ2 の和（＝２）の間に設定されている為、図２５（Ｂ）の上部に示したリソグラフィーパターンが形成される。
【０１１３】
その際、通常パターンの中心が周期パターンのピークと合致させておく。又、通常パターンの方向と周期パターンの方向とを合致させている。
【０１１４】
図２５（Ｂ）の上部に示す孤立線パターンは、解像度が周期パターン露光のものであり且つ単純な周期パターンもない。従って通常の投影露光で実現できる解像度以上の高解像度のパターンが得られたことになる。
【０１１５】
ここで仮に、図２６の露光パターンを作る投影露光（図２３の露光パターンの２倍の線幅で露光しきい値以上（ここではしきい値の２倍の露光量）の投影露光）を、図２３の周期パターン露光の後に、現像工程なしで、同一レジストの同一領域に重ねる。この際、通常パターンの中心が周期パターン露光のピーク位置と合致させることで重ね合わせたパターンの対称性が良く、良好なるパターン像が得られる。
【０１１６】
このレジストの合計の露光量分布は図２６（Ｂ）のようになり、２光束干渉露光（周期パターン露光）の露光パターンは消失して最終的に投影露光によるリソグラフィーパターンのみが形成される。
【０１１７】
また、図２７に示すように、図２３の露光パターンの３倍の線幅で行う場合も理屈は同様であり、４倍以上の線幅の露光パターンでは、基本的に２倍の線幅の露光パターンと３倍の線幅の露光パターンの組み合わせから、最終的に得られるリソグラフィーパターンの線幅は自明でであり、投影露光で実現できるリソグラフィーパターンは全て、本実施形態でも、形成可能である。
【０１１８】
以上簡潔に説明した周期パターン露光と投影露光の夫々による露光量分布（絶対値及び分布）と感光基板のレジストのしきい値の調整を行うことにより、図２４，図２５（Ｂ），図２６（Ｂ），及び図２７（Ｂ）で示したような多種のパターンの組み合わせより成り且つ最小線幅が周期パターン露光の解像度（図２５（Ｂ）のパターンとなる回路パターンを形成することができる。
【０１１９】
以上の露光方法の原理をまとめると、
(ア-1) 投影露光（通常パターン露光）をしないパターン領域即ちレジストの露光しきい値以下の周期露光パターンは現像により消失する。
【０１２０】
(ア-2) レジストの露光しきい値以下の露光量で行った投影露光のパターン領域に関しては投影露光と周期パターン露光のパターンの組み合わせにより決まる周期パターン露光の解像度を持つ露光パターンが形成される。
【０１２１】
(ア-3) 露光しきい値以上の露光量で行った投影露光のパターン領域は投影露光のみでは解像しなかった微細パターンも同様に（マスクに対応する）形成する。ということになる。更に露光方法の利点として、最も解像力の高い周期パターン露光を２光束干渉露光で行えば、通常の露光に比してはるかに大きい焦点深度が得られることが挙げられる。
【０１２２】
以上の説明では周期パターン露光と投影露光の順番は周期パターン露光を先としたが、この順番に限定されない。
【０１２３】
次に本発明の実施形態２を説明する。
【０１２４】
本実施形態は露光により得られる回路パターン（リソグラフィーパターン）として、図１０に示す所謂ゲート型のパターンを対象としている。
【０１２５】
図２８のゲートパターンは横方向の即ち図中Ａ−Ａ’方向の最小線幅が０．１μｍであるのに対して、縦方向では０．２μｍ以上である。本発明によれば、このような１次元方向のみ高解像度を求められる２次元パターンに対しては２光束干渉露光（周期パターン露光）をかかる高解像度の必要な１次元方向のみで行えばいい。
【０１２６】
本実施形態では、図２９を用いて１次元方向のみの２光束干渉露光と通常の投影露光の組み合わせの一例を示す。
【０１２７】
図２９において、図２９（Ａ）は１次元方向のみの２光束干渉露光による周期的な露光パターンを示す。この露光パターンの周期は０．２μｍであり、この露光パターンは線幅０．１μｍＬ＆Ｓパターンに相当する。図２９の下部における数値は露光量を表すものである。
【０１２８】
このような２光束干渉露光を実現する露光装置としては、図３３で示すような、レーザ１５１，ハーフミラー１５２，平面ミラー１５３による干渉計型の分波合波光学系を備えるものや、図３４で示すような、投影露光装置においてマスクと照明方法を図３５又は図３６のように構成した装置がある。
【０１２９】
図３３の露光装置について説明を行う。
【０１３０】
図３３の露光装置では前述した通り合波する２光束の夫々が角度θでウエハ１５４に斜入射し、ウエハ１５４に形成できる干渉縞パターン（露光パターン）の線幅は前記（３）式で表される。角度θと分波合波光学系の像面側のＮＡとの関係はＮＡ＝ｓｉｎθである。角度θは一対の平面ミラー１５３（１５３ａ，１５３ｂ）の夫々の角度を変えることにより任意に調整、設定可能で、一対の平面ミラーで角度θの値を大きく設定すれば干渉縞パターンの夫々の縞の線幅は小さくなる。例えば２光束の波長が２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマ）の場合、θ＝３８度でも各縞の線幅は約０．１μｍの干渉縞パターンが形成できる。尚、この時のＮＡ＝ｓｉｎθ＝０．６２である。角度θを３８度よりも大きく設定すれば、より高い解像度が得られるということは言うまでもない。
【０１３１】
次に図３４乃至図３６の露光装置に関して説明する。
【０１３２】
図３４の露光装置は、例えば通常のステップアンドリピート方式又はステップアンドスキャン方式の縮小投影光学系（多数枚のレンズより成る）を用いた投影露光装置であり、現状で露光波長２４８ｎｍに対してＮＡ０．６以上のものが存在する。
【０１３３】
図３４中、１６１はマスク、１６２はマスク１６１から出て光学系１６３に入射する物体側露光光、１６３は投影光学系、１６４は開口絞り、１６５は投影光学系１６３から出てウエハ１６６に入射する像側露光光、１６６は感光基板であるウエハを示し、１６７は絞り１６４の円形開口に相当する瞳面での光束の位置を一対の黒点で示した説明図である。
【０１３４】
図３４は２光束干渉露光を行っている状態の摸式図であり、物体側露光光１６２と像側露光光１６５は双方とも、図３７の通常の投影露光とは異なり、２つの平行光線束だけから成っている。
【０１３５】
図３４に示すような通常の投影露光装置において２光束干渉露光（周期パターン露光）を行う為には、マスク１６１とその照明方法を図３５又は図３６のように設定すれば良い。以下これら３種の例について説明する。
【０１３６】
図３５（Ａ）はレベンソン型の位相シフトマスク１７３を示しており、クロムより成る遮光部１７１のピッチＰＯが（４）式で０、位相シフタ１７２のピッチＰＯＳが（５）式で表されるマスクである。
【０１３７】
Ｐ0 ＝ＭＰ＝２ＭＲ＝Ｍλ／（２ＮＡ） ‥‥‥（４）
ＰOS＝２Ｐ0 ＝Ｍλ／（ＮＡ） ‥‥‥（５）
ここで、Ｍは投影光学系１６３の投影倍率、λは露光波長、ＮＡは投影光学系１６３の像側の開口数を示す。
【０１３８】
一方、図３５（Ｂ）が示すマスク１７４はクロムより成る遮光部のないシフタエッジ型の位相シフトマスクであり、レベンソン型と同様に位相シフタ１７５のピッチＰＯＳを上記（５）式を満たすように構成したものである。
【０１３９】
図３５（Ａ），（Ｂ）の夫々の位相シフトマスクを用いて２光束干渉露光を行うには、これらのマスクをσ＝０（又は０に近い値）所謂コヒーレント照明を行う。具体的には図３５に示すようにマスク面１７０に対して垂直な方向（光軸に平行な方向）から平行光線束をマスク１７０に照射する。
【０１４０】
ここで、σ＝照明光学系の開口数／投影光学系の開口数 である。
【０１４１】
このような照明を行うと、マスク１７０から上記垂直な方向に出る０次透過回折光に関しては、位相シフタ１７２（１７５）により隣り合う透過光の位相差がπとなって打ち消し合い存在しなくなり、±１次の透過回折光の２平行光線束はマスク１７０から投影光学系１６３の光軸に対して対称に発生し、図３４の２個の物体側露光１６５がウエハ１６６上で干渉する。また２次以上の高次の回折光は投影光学系１６３の開口絞り１６４の開口に入射しないので結像には寄与しない。
【０１４２】
図３６に示したマスク１８０は、クロムより成る遮光部１８１のピッチＰＯが（４）式と同様の（６）式で表されるマスクである。
【０１４３】
Ｐ0 ＝ＭＰ＝２ＭＲ＝Ｍλ／（２ＮＡ） ‥‥‥（６）
ここで、Ｍは投影光学系１６３の投影倍率、λは露光波長、ＮＡは投影光学系１６３の像側の開口数を示す。
【０１４４】
図３６の位相シフタを有していないマスクには、１個又は２個の平行光線束による斜入射照明とする。この場合の平行光線束のマスク１８０への入射角θ0 は（７）式を満たすように設定される。２個の平行光線束を用いる場合が、光軸を基準にして互いに逆方向にθ0 傾いた平行光線束によりマスクを照明する。
【０１４５】
ｓｉｎθ0 ＝Ｍ／ＮＡ ‥‥‥（７）
ここでも、Ｍは投影光学系１６３の投影倍率、ＮＡは投影光学系１６３の像側の開口数を示す。
【０１４６】
図３６が示す位相シフタを有していないマスクを上記（７）式を満たす平行光線束により斜入射照明を行うと、マスク１８０からは、光軸に対して角度θ0 で直進する０次透過回折光とこの０次透過回折光の光路と投影光学系の光軸に関して対称な光路に沿って進む（光軸に対して角度−θ0 で進む）−１次透過回折光の２光束が図３４の２個の物体側露光光１６２として生じ、この２光束が投影光学系１６３の開口絞り１６４の開口部に入射し、結像が行われる。
【０１４７】
尚、本発明においてはこのような１個又は２個の平行光線束による斜入射照明も「コヒーレント照明」として取り扱う。
【０１４８】
以上が通常の投影露光装置を用いて２光束干渉露光を行う技術であり、図３７に示したような通常の投影露光装置の照明光学系は部分的コヒーレント照明を行うように構成してあるので、図３７の照明光学系の０＜σ＜１に対応する不図示の開口絞りをσ≒０に対応する特殊開口絞りに交換可能にする等して、投影露光装置において実質的にコヒーレント照明を行うよう構成することができる。
【０１４９】
図２８及び図２９が示す実施形態２の説明に戻る。本実施形態では前述した２光束干渉露光（周期パターン露光）の次に行う通常の投影露光（通常パターン露光）（例えば図３７の装置でマスクに対して部分的コヒーレント照明を行うもの）によって図２９（Ｂ）が示すゲートパターンの露光を行う。図２９（Ｃ）の上部には２光束干渉露光による露光パターンとの相対的位置関係と通常の投影露光の露光パターンの領域での露光量を示し、同図の下部は、通常の投影露光によるウエハのレジストに対する露光量を縦横を最小線幅のピッチの分解能でマップ化したものである。
【０１５０】
図２９の下部に示す露光量分布は、マスクから入射される光強度を１としてウエハに露光される強度分布を示したものである。
【０１５１】
図２９（Ａ）の周期パターンの露光による露光量分布は、理想的には１と０の矩形波であるはずだが、２光束干渉露光の解像限界付近の線幅を用いているので、０次光と１次光のみで形成されるsin 波となっている。そのsin 波の最大値をIo、最小値をI1とあらわす。このとき、照明条件のσによって、I0とI1の値が定まる。
【０１５２】
図２９(B) の通常の投影露光による露光量分布は、各部分での代表的な値を示している。この投影露光による露光パターンの最小線幅の部分は、解像せずぼけて広がり、光強度の各店の値は下がる。露光量は、大まかにパターン中心部をｂ，両サイドをｄ，両側からのぼけ像がくる中心部をｃとする。最小線幅の２倍の線幅は、b,c,d の値よりも大きいが、投影露光の解像限界付近の線幅であるため、少しぼけてa の値をとる。これら、a,b,c,d の値は、照明条件によって変化する。
【０１５３】
図２９(C) の露光量分布は、図２９(A) の露光パターンと図２９(B) の露光パターンの露光量の加算した結果生じたものである。
【０１５４】
２光束干渉露光と投影露光の各露光での光量比は、それぞれの露光の照明条件により異なる。加算における各露光での光量比は、照明系の照度比として、
２光束干渉露光：投影露光＝１：ｋ
とし、ｋの値は次のようにして求める。
【０１５５】
図２９(C) の露光量分布は、上記の露光量分布、光量比を用いて、以下の式で表せる。
【０１５６】
a' = k×a + I0
a" = k×a + I1
b' = k ×b + I0
c' = k×c+ I1
d' = k×d + I1
所望のゲートパターンを得るためには、レジストの感光のしきい値Icとの関係式を得る。
たとえば、レジストがネガ型の場合、以下のようになる。
【０１５７】
a' ＞IC
a" ＞IC
b' ＞IC
c' ＜IC
d' ＜IC
a',a",b'は差が小さい方が望ましく、c'と特にb'との差がある方が望ましい。
これらの式を解くことにより、各照明条件での最適光量比が求められる。
特に微細パターンの関係する以下の２式は重要である。
レジストがネガ型の場合、
ｋ×ｂ＋I0＞IC
ｋ×ｃ＋I1＜IC
レジストがポジ型の場合、
ｋ×ｂ＋I1＜IC
ｋ×ｃ＋I0＞IC
レジストがポジ型の場合、露光量分布の大小関係が反転し、レジストしきい値Icとの不等号が逆になるが、同様に最適光量比が求められる。
【０１５８】
以上説明した２光束干渉露光と通常の投影露光の照明方法の異なった２つを組み合わせによって図３０の微細回路パターンが形成される様子について述べる。本実施形態においては２光束干渉露光と通常の投影露光の間には現像過程はない。従って各露光の露光パターンが重なる領域での露光量は加算され、加算後の露光量（分布）により新たな露光パターンが生じることと成る。
【０１５９】
図３０，図３１，図３２は波長248nm のＫｒＦエキシマステッパーを用いたときの具体的な実施例である。
【０１６０】
図３０に示すような、最小線幅0.12μｍのゲートパターンを通常露光し、重ねてレベンソンタイプの位相シフトマスクで、その最小線幅と重なるように周期パターンを露光したものである。
【０１６１】
投影レンズのNAは0.6 、照明系のσは、レベンソンマスクによる露光では、0.3 とした。通常マスク露光時では、σ＝0.3,0.6,0.8,輪帯照明とした。
【０１６２】
位相シフトマスクなどの２光束干渉により周期パターンを露光する場合の、コヒーレント照明はσの値がゼロまたは、それに近い値であるが、あまり小さくすると単位時間当たりの露光量が小さくなり、露光に要する時間が長くなるので実際的でない。
【０１６３】
周期パターン露光のときはσが0.3 以下であることが望ましく、レベンソンマスクによる露光ではその最大であるσ＝0.3 とした。
【０１６４】
通常露光では、一般的に部分的コヒーレント照明にするが、σを大きくすると複雑な形状の再現性はよくなり、かつ深度は広がる。照度分布が外側に比べて内側が低いいわゆる輪帯照明では、この傾向は顕著になるが、コントラストは落ちるという欠点がある。
【０１６５】
図３１（Ａ）に示すように、通常露光のσを周期パターン露光のσと同じ0.3 にして同じ照明条件で二重露光を行うと、ゲートパターンがデフォーカス０±0.2 μｍの範囲で解像されるが、線パターンの部分がうねっており、くびれた部分が断線の原因となるため好ましくない。
【０１６６】
又、通常パターン露光のときはσ＝０．６以上にするのが良い。図３１（Ｂ）に示すように、通常露光のσを0.6 にするとデフォーカス０±0.4 μｍの範囲でゲートパターンが解像されるようになり、線パターンの部分がうねりは解消されている。通常露光と周期パターン露光の露光量比を 通常露光：周期パターン露光=1.5 ：１とした。
【０１６７】
図３２（Ａ）に示すように、通常露光のσが0.8 と大きくなると、複雑な形状の再現性は若干よくなる。通常露光と周期パターン露光の露光量比を通常パターン露光：周期パターン露光=2 ：１とした。通常パターン露光のときは周期パターン露光に比べて２倍以上の露光量とするのが良い。
【０１６８】
図３２（Ｂ）では、通常露光を輪帯照明とし、リング内側の0.6 から外側の0.8 までの照度を１、リング内側の0.6 以下を照度０とした場合の二次元強度分布である。通常露光と周期パターン露光の露光量比を 通常露光：周期パターン露光=2.5：１とした。
【０１６９】
輪帯照明では、σが0.8 の時よりも、複雑な形状の再現性はよくなり、かつ深度は広がる。デフォーカス±0.4 μｍ以下で良好な像が得られた。
【０１７０】
このように微細な回路パターンは、周期パターン露光との二重露光によって形成される。通常露光パターンの微細なパターンは光強度が低くコントラストも低いので、通常は解像されないが、コントラストが高い周期パターン露光と二重に露光し重ね合わせることによって、微細なパターンはコントラストが増強され解像されるようになる。
【０１７１】
一方、通常露光パターンの解像度以上の大きなパターンも、周期パターン露光の強度と重ね合わされコントラストが増強されるので、周期パターン露光の線幅の整数倍にするとエッジがシャープな像となる。本発明の露光方法によって、0.12μｍといった微細な線幅を有する回路パターンが、例えばσや照度の光量比を可変とする照明条件の切り替え可能な照明光学系を有する投影露光装置を用いて形成可能としている。
【０１７２】
周期パターン露光と通常パターン露光の光量比は、照明条件の組み合わせによる最適値を前述の計算式によって求めた。
【０１７３】
照明条件１ 周期パターンの露光はσ=0.3、通常パターン露光はσ=0.3
図２９(A) の下部に示した周期パターンの露光による露光量分布と、図２９(B) の下部に示した通常の投影露光による露光量分布（ベストフォーカス）を以下に示す。
【０１７４】
I0 = 0.80 I1 = 0.23
a = 1.31 b = 0.34 c = 0.61 d = 0.09
k = 1.0 のとき最適であり、
a' = 2.11 a" = 1.54 b'= 1.21 c'= 0.89 d'= 0.32
となり、後の比較のため、最大値のa'を１で規格化すると次のようになる。
【０１７５】
a' = 1.0 a" = 0.73 b'= 0.57 c'= 0.42 d'= 0.15 I0 = 0.38
照明条件２ 周期パターンの露光はσ=0.3、通常パターン露光はσ=0.6
I0 = 0.80 I1 = 0.23
a = 1.25 b = 0.44 c = 0.53 d = 0.13
k = 1.5 のとき最適であり、
a' = 2.68 a" = 2.11 b'= 1.46 c'= 1.03 d'= 0.43
となり、後の比較のため、最大値のa'を１で規格化すると次のようになる。
【０１７６】
a' = 1.0 a" = 0.79 b'= 0.55 c'= 0.38 d'= 0.16 I0 = 0.30
照明条件３ 周期パターンの露光はσ=0.3、通常パターン露光はσ=0. ８
I0 = 0.80 I1 = 0.23
a = 1.20 b = 0.48 c = 0.47 d = 0.16
k = 2.0 のとき最適であり、
a' = 3.20 a" = 2.63 b'= 1.76 c'= 1.17 d'= 0.55
となり、最大値のa'を１で規格化すると次のようになる。
【０１７７】
a' = 1.0 a" = 0.82 b'= 0.55 c'= 0.37 d'= 0.17 I0 = 0.25
照明条件４ 周期パターンの露光はσ=0.3、通常パターン露光はσ=0. ８で輪帯照明とし、内側（輪帯内側）σ0.６以下の照度分布をゼロとした。
【０１７８】
I0 = 0.80 I1 = 0.23
a = 1.10 b = 0.47 c = 0.36 d = 0.19
k = 2.5 のとき最適であり、
a' = 3.55 a" = 2.98 b'= 1.98 c'= 1.13 d'=0.71
となり、最大値のa'を１で規格化すると次のようになる。
【０１７９】
a' = 1.0 a" = 0.84 b'= 0.56 c'= 0.32 d'=0.20 I0 = 0.23
今までの議論で、レジストしきい値は、最大露光量３のとき1.5 だったので、最大露光量で規格化するとレジストしきい値は0.5 となる。
この規格化された露光量分布を見ると、a',a",b'は規格化されたレジストしきい値0.5 より大きく、c',d',I0 はしきい値より小さい。
【０１８０】
現像によって露光量がレジストしきい値より大きい部分がのこるから、露光量がa',a",b'のみパターンとして現像後残ることになる。従って、図１１(C) の下部で灰色に示された部分が、現像後の形状である。
【０１８１】
一般に、通常露光パターンを露光するときは、周期パターンを露光するときの約２倍の露光量が適切で、通常露光パターンを露光するときの照明条件と、周期パターンを露光するときの照明条件の組合わせによって最適な露光量比があり、前述の計算式で求められる。
【０１８２】
前述の計算式から、種々の照明条件の組合わせを計算した結果、次のことが示された。周期パターン露光のときσ＝０．３で通常パターン露光の照明条件σが0.8 より小さいときは、通常パターンを露光するときの露光量を周期パターンを露光するときの露光量より２倍以下にするとよい。
【０１８３】
周期パターンのときσ＝０．３で通常パターンを露光するときの照明条件が輪帯照明のときは、輪帯の巾が小さいときは、通常パターンを露光する露光量が周期パターンを露光するときの露光量より２倍以上にするとよい。
【０１８４】
周期パターンを露光するときの照明条件σが0.3 より小さいときは、通常パターンを露光する露光量は、周期パターンを露光するときの露光量より２倍以上にするとよい。
【０１８５】
図３８は本発明に係る２光束干渉露光用の露光装置の一例を示す概略図であり、図３８において、２０１は２光束干渉露光用の光学系で、基本構成は図３３の光学系と同じである。２０２はＫｒＦ又はＡｒＦエキシマレーザー、２０３はハーフミラー、２０４（２０４ａ，２０４ｂ）は平面ミラー、２０５は光学系２０１との位置関係が固定又は適宜ベースライン（量）として検出できるオフアクシス型の位置合わせ光学系で、ウエハ２０６上の２光束干渉用位置合わせマークを観察し、その位置を検出する。２０６は感光基板であるウエハ、２０７は光学系２０１の光軸に直交する平面及びこの光軸方向に移動可能なＸＹＺステージで、レーザー干渉計等を用いてその位置が正確に制御される。装置２０５とＸＹＺステージ２０７の構成や機能は周知なので具体的な説明は略す。
【０１８６】
図３９は本発明の２光束干渉用露光装置と通常の投影露光装置より成る高解像度の露光装置を示す概略図である。
【０１８７】
図３９において、２１２は図３０の光学系２０１、装置２０５を備える２光束干渉露光装置であり、２１３は、不図示の照明光学系とレチクル位置合わせ光学系２１４、ウエハ位置合わせ光学系（オフアクシス位置合わせ光学系）２１７とマスク２１５の回路パターンをウエハ２１８上に縮小投影する投影光学系２１６とを備える通常の投影露光装置である。
【０１８８】
レチクル位置合わせ光学系２１４はマスク２１５上の位置合わせマークを観察し、その位置を検出する。ウエハ位置合わせ光学系２１７はウエハ２０６上の投影露光用又は２光束干渉と兼用の位置合わせマークを観察し、その位置を検出する。光学系２１４，２１６，２１７の構成や機能は周知なので、具体的な説明は略す。
【０１８９】
図３９の２１９は２光束干渉用露光装置２１２と投影露光装置２１３で共用される１つのＸＹＺステージであり、このステージ２１９は、装置２１２、２１３の各光軸に直交する平面及びこの光軸方向に移動可能で、レーザー干渉計等を用いてそのＸＹ方向の位置が正確に制御される。
【０１９０】
ウエハ２１８を保持したステージ２１９は、図３９の位置（１）に送り込まれてその位置が正確に測定され、測定結果に基づいて位置（２）で示す装置２１２の露光位置に送り込まれてウエハ２１８へ２光束干渉露光が行われ、その後、位置（３）に送り込まれてその位置が正確に測定され位置（４）で示す装置２１３の露光位置に送り込まれてウエハ２１８へ投影露光が行われる。
【０１９１】
装置２１３においては、オフアクシスの位置合わせ光学系２１７の代わりに、投影光学系２１６を介してウエハ２１８の位置合わせマークを観察し、その位置を検出する不図示のＴＴＬの位置合わせ光学系や、投影光学系２１６とマスク（レチクル）２１５とを介してウエハ２１８上の位置合わせマークを観察し、その位置を検出する不図示のＴＴＲの位置合わせ光学系も使用できる。
【０１９２】
図４０は本発明の２光束干渉用露光と通常の投影露光の双方が行える高解像度の露光装置を示す概略図である。
【０１９３】
図４０において、２２１はＫｒＦ又はＡｒＦエキシマレーザー、２２２は照明光学系、２２３はマスク（レチクル）、２２４はマスクステージ、２２７はマスク２２３の回路パターンをウエハ２２８上に縮小投影する投影光学系、２２５はマスク（レチクル）チェンジャであり、ステージ２２４に、通常のレチクルと前述したレベンソン位相シフトマスク（レチクル）又はエッジシフタ型のマスク（レチクル）又は位相シフタを有していない周期パターンマスク（レチクル）の一方を選択的に供給する為に設けてある。
【０１９４】
また、マスクステージは微細パターンの方向と周期パターンの方向と平行にする為に、予めマスクにバーコード等に描かれてある情報をもとにマスクを回転させる機能を持たせてある。
【０１９５】
図４０の２２９は２光束干渉露光と投影露光で共用される１つのＸＹＺステージであり、このステージ２２９は、光学系２２７の光軸に直交する平面及びこの光軸方向に移動可能で、レーザー干渉計等を用いてそのＸＹ方向の位置が正確に制御される。
【０１９６】
また、図４０の装置は、不図示のレチクル位置合わせ光学系、ウエハ位置合わせ光学系（図３９で説明したオフアクシス位置合わせ光学系とＴＴＬ位置合わせ光学系とＴＴＲ位置合わせ光学系）とを備える。
【０１９７】
図４０の露光装置の照明光学系２２２は部分的コヒーレント照明とコヒーレント照明とを切換え可能に構成してあり、コヒーレント照明の場合には、ブロック２３０内の図示した前述した（１ａ）又は（１ｂ）の照明光を、前述したレベンソン型位相シフトレチクル又はエッジシフタ型レチクル又は位相シフタを有していない周期パターンレチクルの１つに供給し、部分的コヒーレント照明の場合にはブロック２３０内に図示した（２ａ）の照明光を所望のレチクルに供給する。部分的コヒーレント照明からコヒーレント照明とを切換えは、通常光学系２２２のフライアイレンズの直後に置かれる開口絞りを、この絞りに比して開口径が十分に小さいコヒーレント照明用絞りと交換すればいい。
【０１９８】
本発明の露光方法及び露光装置における２重露光における前記第１露光と前記第２露光の露光波長は、第２露光が投影露光の場合、双方とも４００ｎｍ以下であり、好ましくは２５０ｎｍ以下である。２５０ｎｍ以下の露光波長の光を得るにはＫＪｒＦエキシマレーザ（約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（約１９３ｎｍ）を用いる。
【０１９９】
尚、本発明において「投影露光」というのは、マスクに形成された任意のパターンからの３個以上の平行光線束が互いに異なる様々な角度で像面に入射して露光が行なわれるものである。
【０２００】
本発明の露光装置はマスクのパターンをウエハに投影する投影光学系と、部分的コヒーレント照明とコヒーレント照明の双方の照明が可能なマスク照明光学系とを有し、部分的コヒーレント照明によって通常の露光を行い、コヒーレント照明によって２光束干渉露光を行うことにより、周期パターン露光を特徴とする。「部分的コヒーレント照明」とはσ＝（照明光学系の開口数／投影光学系の開口数）の値がゼロより大きく１より小さい照明であり、「コヒーレント照明」とは、σの値がゼロまたはそれに近い値であり、部分的コヒーレント照明のσに比べて相当小さい値である。
【０２０１】
周期パターン露光でのコヒーレント照明ではσを０．３以下にする。通常露光を行う際の部分的コヒーレント照明はσを０．６以上にする。σ＝０．８が望ましい。さらに照度分布が外側に比べて内側が低い輪帯照明にすると、なお効果的である。
【０２０２】
この露光装置の露光波長は、４００ｎｍ以下であり、好ましくは２５０ｎｍ以下である。２５０ｎｍ以下の露光波長の光を得るにはＫｒＦエキシマレーザ（約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（約１９３ｎｍ）を用いる。
【０２０３】
発明の実施形態においては、マスク照明光学系として部分的コヒーレント照明とコヒーレント照明とが切換え可能な光学系を開示している。
【０２０４】
本発明の露光装置は２光束干渉露光装置と通常（投影）露光装置を両装置で共用される被露光基板（感光基板）を保持する移動ステージとを有している。
【０２０５】
この露光装置の露光波長も、４００ｎｍ以下であり、好ましくは２５０ｎｍ以下である。２５０ｎｍ以下の露光波長の光を得るにはＫｒＦエキシマレーザ（約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（約１９３ｎｍ）を用いている。
【０２０６】
以上説明した露光方法及び露光装置を用いてＩＣ，ＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル等の表示素子、磁気ヘッド等の検出素子、ＣＣＤ等の撮像素子といった各種デバイスの製造が可能である。
【０２０７】
本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々に変更することが可能である。特に２光束干渉露光及び通常露光の各ステップでの露光回数や露光量の段数は適宜選択することが可能であり、更に露光の重ね合わせもずらして行なう等適宜調整することが可能である。このような調整を行うことで形成可能な回路パターンにバリエーションが増える。
【０２０８】
尚、本発明において
（ａ）照明光学系の照明方法としては、ＫｒＦエキシマレーザー、ＡｒＦエキシマレーザー又はＦ２エキシマレーザーから光でマスクパターンを照明することが適用可能である。
【０２０９】
（ｂ）露光装置においては屈折系、反射−屈折系、又は反射系のいずれかより成る投影光学系によって前記マスクパターンを投影することが適用可能である。
【０２１０】
（ｃ）露光装置としては本発明の露光方法を露光モードとして有するステップアンドリピート型縮小投影露光装置や本発明の露光方法を露光モードとして有するステップアンドスキャン型縮小投影露光装置等が適用可能である。
【０２１１】
次に上記説明した投影露光装置を利用した半導体デバイスの製造方法の実施形態を説明する。
【０２１２】
図４１は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローを示す。
【０２１３】
ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。
【０２１４】
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意したマスクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。
【０２１５】
次のステップ５（組立）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。
【０２１６】
ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【０２１７】
図４２は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。
【０２１８】
ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では前記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。
【０２１９】
ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【０２２０】
本実施形態の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易に製造することができる。
【０２２１】
【発明の効果】
本発明は以上のように、
(イ-1) 感光基板上の同一領域を異なったパターンを有するマスクを用いて多重露光するときに、感光基板とマスクとを位置合わせする為の位置合わせマーク（アライメントマーク）や、オーバーレイ測定マーク等を感光基板上に適切に形成することにより、感光基板とマスクとの相対的位置合わせを高精度に行い高集積度のパターンを容易に形成することができる露光方法及び露光装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の露光装置の実施形態１の要部概略図
【図２】図１のレチクルの要部平面図
【図３】図１のレチクルの要部平面図
【図４】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図５】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図６】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図７】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図８】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図９】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図１０】本発明に係るレチクル面上の回路パターンの説明図
【図１１】本発明に係るレチクル面上の周期パターンの説明図
【図１２】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図１３】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図１４】本発明に係るアライメントマークで得られるアライメント信号の説明図
【図１５】本発明に係るアライメントマークの説明図
【図１６】本発明に係るアライメントマークの説明図
【図１７】本発明に係るオーバーレイの検出装置の説明図
【図１８】本発明に係るオーバーレイの検出信号の説明図
【図１９】本発明の露光方法のフローチャート
【図２０】２光束干渉露光による露光パターンを示す説明図
【図２１】レジストの露光感度特性を示す説明図
【図２２】現像によるパターン形成を示す説明図
【図２３】通常の２光束干渉露光による露光パターンを示す説明図
【図２４】本発明における２光束干渉露光による露光パターンを示す説明図
【図２５】本発明の実施形態１において形成できる露光パターン（リソグラフィーパターン）の一例を示す説明図
【図２６】本発明の実施形態１において形成できる露光パターン（リソグラフィーパターン）の他の一例を示す説明図
【図２７】本発明の実施形態１において形成できる露光パターン（リソグラフィーパターン）の他の一例を示す説明図
【図２８】本発明の実施形態２に係るゲートパターンを示す説明図
【図２９】本発明の実施形態２を示す説明図
【図３０】ゲートパターンを説明する図
【図３１】形成されたゲートパターンの説明図
【図３２】形成されたゲートパターンの説明図
【図３３】従来の２光束干渉用露光装置の一例を示す概略図
【図３４】２光束干渉露光を行なう投影露光装置の一例を示す概略図
【図３５】図３４の装置に使用するマスク及び照明方法の１例を示す説明図
【図３６】図３４の装置に使用するマスク及び照明方法の他の１例を示す説明図
【図３７】従来の投影露光装置を示す概略図
【図３８】本発明の２光束干渉露光装置の一例を示す概略図
【図３９】本発明の高解像度の露光装置の一例を示す概略図
【図４０】本発明の高解像度の露光装置の一例を示す概略図
【図４１】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【図４２】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【符号の説明】
２２１ エキシマレーザ
２２２ 照明光学系
２２３ マスク（レチクル）
２２４ マスク（レチクル）ステージ
２２５ ２光束干渉用マスクと通常投影露光用のマスク
２２６ マスク（レチクル）チェンジャ
２２７ 投影光学系
２２８ ウエハ
２２９ ＸＹＺステージ
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光方法及び露光装置に関し、特に微細な回路パターンで感光基板上を露光し、例えばＩＣ，ＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル等の表示素子、磁気ヘッド等の検出素子、ＣＣＤ等の撮像素子といった各種デバイスの製造に用いられる際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＩＣ、ＬＳＩ、液晶パネル等のデバイスをフォトリソグラフィー技術を用いて製造するときには、フォトマスク又はレチクル等（以下、「マスク」と記す。）の面上に形成した回路パターンを投影光学系によってフォトレジスト等が塗布されたシリコンウエハ又はガラスプレート等（以下、「ウエハ」と記す。）の感光基板上に投影し、そこに転写する（露光する）投影露光方法及び投影露光装置が使用されている。
【０００３】
近年、上記デバイスの高集積化に対応して、ウエハに転写するパターンの微細化、即ち高解像度化とウエハにおける１チップの大面積化とが要求されている。従ってウエハに対する微細加工技術の中心を成す上記投影露光方法及び投影露光装置においても、現在、０．５／μｍ以下の寸法（線幅）の像（回路パターン像）を広範囲に形成するべく、解像度の向上と露光面積の拡大が計られている。
【０００４】
従来の投影露光装置の摸式図を図３７に示す。図３７中、１９１は遠紫外線露光用の光源であるエキシマーレーザ、１９２は照明光学系、１９３は照明光学系１９２から照射される照明光、１９４はマスク、１９５はマスク１９４から出て光学系（投影光学系）１９６に入射する物体側露光光、１９６は縮小型の投影光学系、１９７は投影光学系１９６から出て基板１９８に入射する像側露光光、１９８は感光基板であるウエハ、１９９は感光基板を保持する基板ステージを、示す。
【０００５】
エキシマレーザ１９１から出射したレーザ光は、引き回し光学系（１９０ａ，１９０ｂ）によって照明光学系１９２に導光され、照明光学系１９２により所定の光強度分布、配光分布、開き角（関口数ＮＡ）等を持つ照明光１９３となるように調整され、マスク１９４を照明する。マスク１９４にはウエハ１９８上に形成する微細パターンを投影光学系１９６の投影倍率の逆数倍（例えば２倍や４倍や５倍）した寸法のパターンがクロム等によって石英基板上に形成されており、照明光１９３はマスク１９４の微細パターンによって透過回折され、物体側露光光１９５となる。投影光学系１９６は、物体側露光光１９５を、マスク１９４の微細パターンを上記投影倍率で且つ充分小さな収差でウエハ１９８上に結像する像側露光光１９７に変換する。像側露光光１９７は図３７の下部の拡大図に示されるように、所定の開口数ＮＡ（＝Ｓｉｎ（θ））でウエハ１９８上に収束し，ウエハ１９８上に微細パターンの像を結ぶ。基板ステージ１９９は、ウエハ１９８の互いに異なる複数の領域（ショット領域：１個又は複数のチップとなる領域）に順次、微細パターンを形成する場合に、投影光学系の像平面に沿ってステップ移動することによりウエハ１９８の投影光学系１９６に対する位置を変えている。
【０００６】
現在主流となりつつある上記のエキシマレーザを光源とする投影露光装置は高い投影解像力を有しているが、例えば０．１５μｍ以下のパターン像を形成することが技術的に困難である。
【０００７】
投影光学系１９６は、露光（に用いる）波長に起因する光学的な解像度と焦点深度との間のトレードオフによる解像度の限界がある。投影露光装置による解像パターンの解像度Ｒと焦点深度ＤＯＦは，次の（１）式と（２）式の如きレーリーの式によって表される。
【０００８】
Ｒ＝ｋ1 ＝（λ／ＮＡ） ‥‥‥（１）
ＤＯＦ＝ｋ2 ＝（λ／ＮＡ2 ） ‥‥‥（２）
ここで、λは露光波長、ＮＡは投影光学系１９６の明るさを表す像側の開口数、ｋ1 ，ｋ2 はウエハ１９８の現像プロセス特性等によって決まる定数であり、通常０．５〜０．７程度の値である。この（１）式と（２）式から、解像度Ｒを小さい値とする高解像度化には開口数ＮＡを大きくする「高ＮＡ化」がある。しかしながら、実際の露光では投影光学系１９６の焦点深度ＤＯＦをある程度以上の値にする必要があるため、高ＮＡ化をある程度以上に進めることが難しいこと、この為、高解像度化には結局、露光波長λを小さくする「短波長化」が必要となることとが分かる。
【０００９】
ところが露光波長の短波長化を進めていくと重大な問題が発生してくる。それは投影光学系１９６を構成するレンズの硝材がなくなってしまうことである。殆どの硝材の透過率は遠紫外線領域では０に近く、特別な製造方法を用いて露光装置用（露光波長約２４８ｎｍ）に製造された硝材として溶融石英が現存するが、この溶融石英の透過率も波長１９３ｎｍ以下の露光波長に対しては急激に低下するし。線幅０．１５μｍ以下の微細パターンに対応する露光波長１５０ｎｍ以下の領域では実用的な硝材の開発は非常に困難である。また遠紫外線領域で使用される硝材は、透過率以外にも、耐久牲，屈折率均一性，光学的歪み，加工性等の複数条件を満たす必要があり、この事から、実用的な硝材の存在が危ぶまれている。
【００１０】
このように従来の投影露光方法及び投影露光鼓置では、ウエハ上に線幅０．１５μｍ以下のパターンを形成する為には１５０ｎｍ程度以下まで露光波長の短波長化が必要である。これに対し、現在のところ、この波長領域では実用的な硝材が存在しないので、ウエハに線幅０．１５μｍ以下のパターンを形成することができなかった。
【００１１】
米国特許夢５４１５８３５号公報は２光束干渉露光によって敏細パターンを形成する技術を開示しており、この２光束干渉露光によれば、ウエハに線幅０．１５μｍ以下のパターンを形成することができる。
【００１２】
２光束干渉露光の原理を図３３を用いて説明する。２光束干渉露光は、レーザ１５１からの可干渉牲を有し且つ平行光線束であるレーザ光Ｌ１５１をハーフミラー１５２によってレーザ光Ｌ１５１ａ，Ｌ１５１ａｂの２光束に分割し、分割した２光束を夫々平面ミラー１５３ａ，１５３ｂによって反射することにより２個のレーザ光（可干渉性の平行光線束）を０より大きく９０度末満のある角度を成してウエハ１５４面上で交差させることにより交差部分に干渉縞を形成している。この干渉縞（の光強度分布）によってウエハ１５４を露光して感光させることで干渉縞の光強度分布に応じた微細な周期パターンをウエハ１５４に形成するものである。
【００１３】
２光束Ｌ１５１ａ，Ｌ１５１ｂがウエハ１５４面の立てた垂線に対して互いに逆方向に同じ角度だけ傾いた状態でウエハ面で交差する場合、この２光束干渉露光における解像度Ｒは次の（３）式で表される。
【００１４】
【００１５】
通常の投影露光における解像度の式である（ｌ）式と２光束干渉露光における解像度の式である（３）式とを比較すると、２光束干渉露光の解像度Ｒは（１）式においてｋ1 ＝０．２５とした場合に相当するから、２光束干渉露光ではｋ1 ＝０．５〜０．７である通常の投影露光の解像度より２倍以上の解像度を得ることが可能である。
【００１６】
上記米国特許には開示されていないが、例えばλ＝０．２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマ）でＮＡ＝０．６の時は、Ｒ＝０．１０μｍが得られる。
【００１７】
一方、解像力に伴って、半導体投影露光装置におけるウエハとレチクルを相対位置合わせするアライメントについても高精度化が必要とされている。従来、行われているアライメントでは、ウエハ面に形成したアライメントマークを投影レンズなどの光学系を介してＣＣＤカメラなどの撮像素子上に結像投影し、その電気信号を画像処理してウエハの位置情報を得ている。
【００１８】
このウエハ像を検出する方法として半導体投影露光装置で行われている方式としては、例えば次の３つの方法がある。
【００１９】
▲１▼露光光ＴＴＬ方式‥‥‥露光光を用い、投影光学系を通す方式
▲２▼Off-Axis 方式 ‥‥‥非露光光を用い、投影光学系を通さない方式
▲３▼非露光光TTL 方式 ‥‥‥非露光光を用い、投影光学系を通す方式
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
２光束干渉露光は、基本的に干渉縞の光強度分（露光量分布）に相当する単純な縞パターンしか得られないので、所望の形状の回路パターンをウエハに形成することが難しい。
【００２１】
そこで上記米国特許第５４１５８３５号公報は、２光束干渉露光によって単純な縞パターン（周期パターン）即ち２値的な露光量分布をウエハ（のレジスト）に与えた後、露光装置の分解能の範囲内の大きさのある開口が形成されたマスクを用いて通常リソグラフィー（露光）を行なって更に別の２値的な露光量分布をウエハに与えることにより、孤立の線（パターン）を得ることを提案している。
【００２２】
しかしながら、上記米国特許第５４１５８３５号公報の多重露光の方法は、２光束干渉露光用の露光装置にウエハを設置して露光した後で、別の通常露光用の露光装置にウエハを設置し直して露光を行うので、時間がかかるという問題があった。
【００２３】
本発明の目的は、比較的短い時間で多重露光が行える露光方法及び露光装置を提供することにある。
【００２４】
一方、前述したようにパターン像の高解像力化を図るにはマスクとウエハとの位置合わせを高精度に行うことが重要になっている。
【００２５】
感光基板上の同一領域を異なったパターンを有するマスクで多重露光し、高解像度のパターンを形成する多重露光方法では特に感光基板とマスクとの位置合わせ（アライメント）を高精度に行うことが重要になってくる。
【００２６】
従来よりデバイス製造用の露光装置においてマスクとウエハとのアライメントを行う方法は種々と提案されているが多重露光に際してのアライメント方法については特に提案されていなかった。
【００２７】
本発明は、感光基板上の同一領域を異なったパターンで多重露光するときに、感光基板とマスクとを位置合わせする為の位置合わせマーク（アライメントマーク）や、オーバーレイ測定マーク等を感光基板上に適切に形成することにより、感光基板とマスクのそれぞれのパターンの重ね合わせを高精度に行い高集積度のパターンを容易に形成することができる露光方法及び露光装置の提供を目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の露光方法は、感光基板上の同一領域を互いに異なったパターンで多重露光して回路パターンを形成する露光方法において、
第１の露光で第１の位置検出マークを該感光基板上に露光し、第２の露光時に該感光基板上に第１の位置検出マークを露光した位置と同じ位置に第２の位置検出マークを該感光基板上に露光し、該第１の位置検出マーク及び該第２の位置検出マークの多重露光により合成された合成パターンの位置を検出して、該互いに異なったパターンで多重露光して形成した回路パターンの位置を求めることを特徴としている。
【００２９】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記位置検出マークが、位置ずれ検出方向に対して前記回路パターンと同じ線幅、ピッチで構成されることを特徴としている。
【００３０】
請求項３の発明の露光方法は、感光基板上の同一領域を互いに異なったパターンで多重露光して回路パターンを形成する露光方法において、一方の露光で該感光基板上に位置検出マークを形成し、他の露光では該位置検出マークの領域を露光しないようにし、該位置検出マークの位置を検出して該互いに異なったパターンで多重露光して形成した回路パターンの位置を求めることを特徴としている。
【００３１】
請求項４の発明の露光方法は、感光基板上の同一領域を互いに異なったパターンで多重露光して回路パターンを形成する露光方法において、第１の露光で第１の位置検出マークを該感光基板上に露光し、第２の露光時に該感光基板上に第１の位置検出マークとは異なる位置に第２の位置検出マークを該感光基板上に露光し、該第１の露光時には、第２の位置検出マークの領域を露光しないようにし、該第２の露光時には、第１の位置検出マークの領域を露光しないようにしており、該第１の位置検出マーク及び該第２の位置検出マークの位置を検出し、第１の位置検出マークの位置と第２の位置検出マークの位置の平均値を用いて、該互いに異なったパターンで多重露光して形成した回路パターンの位置を求めることを特徴としている。
【００３２】
請求項５の発明は請求項３又は４の発明において、前記位置検出マークが、位置ずれ検出方向に対して前記パターンの最小線幅の二倍以上の線幅で構成されることを特徴としている。
【００３３】
請求項６の発明は請求項１乃至５のいずれか１項の発明において、第１のレチクルのパターンと第２のレチクルのパターンを縮小投影レンズを介して感光基板上の同一領域を二重露光して回路パターンを露光転写することを特徴としている。
【００３４】
請求項７の発明は請求項６の発明において、前記第１のレチクルと第２のレチクルのうち、片方のレチクルのパターンがレベンソン型位相シフトマスクで構成されていることを特徴としている。
【００３５】
請求項８の発明は請求項６の発明において、前記二重露光のうち、少なくとも１回の露光が変形照明露光により行うことを特徴としている。
【００３６】
請求項９の発明のデバイスの製造方法は請求項１から８のいずれか１項の露光方法を用いて、該パターンと該位置検出マークを感光剤を塗布した該基板上に露光転写後、現像処理し、エッチング又は成膜工程を行い、次いで基板上に感光剤を塗布し、該基板上の該位置検出マークの位置を測定し、位置合わせを行った後に感光剤に半導体素子パターンを露光転写してデバイスを製造することを特徴としている。
【００３７】
請求項１０の発明のデバイスの製造方法は、請求項１から８のいずれか１項の露光方法を用いて、第一のパターンと第１の位置検出マークを感光剤を塗布した基板上に露光転写後、現像処理し、エッチング工程又は成膜工程を行い、次いで基板上に感光剤を塗布し、第２のパターンと第２の位置検出マークを該基板上に露光転写後、現像処理し、該第１の位置検出マークと第２の位置検出マーク間の相対的な位置ずれを測定する工程を利用してデバイスを製造していることを特徴としている。
【００３８】
請求項１１の発明の露光装置は、請求項１から８のいずれか１項の露光方法を用いて感光性の基板にマスク上のパターンを転写していることを特徴としている。
【００３９】
請求項１２の発明のデバイスの製造方法は、請求項１から８のいずれか１項の露光方法を用いてマスク面上のパターンをウエハ面上に露光した後、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造していることを特徴としている。
【００４０】
請求項１３の発明のデバイスの製造方法は、請求項１１の露光装置を用いてマスク面上のパターンをウエハ面上に露光した後、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造していることを特徴としている。
【００４３】
尚、本発明において「多重露光」とは「感光基板上の同一領域を互いに異なる光パターンで途中に現像処理工程を介さずに露光すること」を言う。
【００４４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の露光装置の実施形態１の要部概略図である。図中、１は投影レンズ( 投影光学系) であり、レチクルステージ３ａに裁置したレチクル（第１マスク）３のパターンをＸＹＺ方向に駆動可能なウエハステージ５上に裁置したウエハ（感光基板）７上にステップアンドリピート方式又はステップアンドスキャン方式で微小投影している。
【００４５】
レチクル３はパターンが異なるレチクル（第２マスク）１３と交換可能となっており、レチクル３とレチクル１３とを交換してウエハ７上の同一領域を多重露光（二重露光）している。２は照明系であり、超高圧水銀灯やエキシマレーザ等からの露光光でレチクル３（１３）を照明している。８はレチクルアライメント検出系であり、例えば図２，図３に示すようなレチクルアライメントマーク２２（３２）を検出してそのアライメント信号を中央処理系６に入力している。
【００４６】
４はウエハアライメント検出系であり、ウエハ７上のパターン転写領域の位置情報（アライメント信号）をウエハ７上のパターン転写領域の位置情報（アライメント信号）をウエハ７上に設けたアライメントマークを観察して得ている。
【００４７】
ウエハアライメント検出系４は明視野／暗視野の切り替えが可能となっており、像コントラストの良い信号を選択して用いている。ウエハアライメント検出系４からのアライメント信号は中央処理系６に入力されている。
【００４８】
中央処理系６はレチクルアライメント検出系８からのアライメント信号又は／及びウエハアライメント検出系４からのアライメント信号とを用いてレチクルとウエハとの位置合わせを行っている。
【００４９】
ウエハアライメント検出系４は投影レンズ１を介さない非ＴＴＬオフアクシスを用いているが、投影レンズ１を介して行うＴＴＬオフアクシス方式、ＴＴＬオンアクシス方式等を用いても良い。
【００５０】
本実施形態では二重露光により基板（ウエハ）上に微細パターンを露光転写する露光方法において、第１と第２の二重露光により位置検出マーク（アライメントマーク）を該基板上に露光し、該位置検出マークの位置を検出し、該基板上の微細パターンの位置を計測することを特徴としている。
【００５１】
具体的には本実施形態において、レチクル（第１マスク）１３として微細な周期的パターンよりなる周期パターンマスク（Ｆレチクル）を用いて第１露光を行い、レチクル（第２マスク）３としてゲートパターン等の回路パターンより成る通常パターンマスク（Ｒレチクル）を用いて第２露光を行い、２重露光を行っている。
【００５２】
これによって後述するようにウエハ面上に微細パターン（回路パターン）を形成している。このときの２重露光プロセスにおいて図２，図３に示すレチクル３又は／及び１３に設けたアライメントマーク２２又は／及び３２をウエハ（感光基板）７上に投影露光してアライメントマーク（ＡＡマーク）を形成している。
【００５３】
そして次の工程において、ウエハ面上に形成したアライメントマークを用いてマスクとの相対的な位置合わせを行っている。図２において、２１は回路パターン領域を示し、領域２３には例えば図１０に示す回路パターン（ゲートパターン）が形成されている。図３において３１は回路パターン領域を示し、領域３３には図１１に示すような周期的パターンが形成されている。
【００５４】
次に本実施形態においてウエハ上に位置合わせマーク（アライメントマーク）を形成する方法について説明する。
【００５５】
図４は第１と第２露光でウエハ面上にアライメントマークを形成する実施形態の説明図である。同図（Ａ）は第１マスク（Ｆレチクル）に設けたアライメントマークＦａと、第２マスク（Ｒレチクル）に設けたアライメントマークＲａとの２つのマスクのアライメントマークを２重露光に際してウエハ上の同一領域に投影して、現像処理工程を行って合成像としてのアライメントマークＦＲａを形成している。尚、このときの位置合わせ方向（アライメント方向）は同図（Ｃ）の矢印で示す方向である。
【００５６】
図４（Ｂ）は同図（Ａ）に比べて第２マスク（Ｒレチクル）に設けたアライメントマークＲａの形状が異なっている。この結果、ウエハ面上に形成される合成像としてのアライメントマークＦＲａのパターン形状も異なっている。
【００５７】
同図（Ｂ）では位置合わせ方向は矢印で示すように同図（Ａ）とは９０度方向が異なっている。
【００５８】
本実施形態では第１，第２露光の２重露光でアライメントマークを形成している為、２重露光で形成した回路パターン（ＩＣパターン）の位置を正確に反映している。
【００５９】
本発明においてウエハにアライメントマークを形成するとき、多重露光で形成するときは多重露光におけるパターン形成と同様に全露光の露光量の合計値がレジストのしきい値をＥｔｈを超えるようにしている。尚、単一露光で形成するときはレジストのしきい値Ｅｔｈ以上の露光量を与えている。
【００６０】
図５〜図８は２重露光により、所定の層にパターンを形成するとき、次の工程用のアライメントマーク（ＡＡマーク）を２重露光で作成する方法を示している。
【００６１】
このときはＦレチクルとＲレチクルのパターンのうち、次工程で位置合わせを行うレチクル側のアライメントマークの線幅を他方のレチクルのアライメントマークの線幅よりも小さくしている。
【００６２】
例えば次工程においてＦレチクルのパターンとアライメントをしたいときは図５に示すようにＦレチクルのアライメントマークの線幅をＲレチクルのアライメントマークの線幅よりも小さくしておく。
【００６３】
又、次工程においてＲレチクルのパターンとアライメントしたいときにはＲレチクルのアライメントマークの線幅をＦレチクルのアライメントマークの線幅よりも小さくしておく。
【００６４】
次に図５〜図８に示した２重露光によりＩＣパターン（回路パターン）とアライメントマーク（ＡＡマーク）を形成する様子を示した概略図について説明する。図５はＦレチクルとアライメントをする場合を示している。図５はＦレチクルＦに形成した線幅のＡＡマークがレジストに形成される様子を示している。
【００６５】
図５（Ａ）はＲレチクルのＡＡマークとＩＣパターンの投影露光（第１露光）による露光量分布を示し、図５（Ｂ）はＦレチクルのＡＡマークとＩＣパターンの投影露光（第２露光）による露光量分布を示している。図５（Ｃ）はレジストの第１，第２露光の露光量分布の合計を示している。スレッシュホールドを同図（Ｃ）の点線の如く設定し、これによって同図（Ｄ）に示すようなＡＡマークとＩＣパターンを形成している。
【００６６】
図６はＲレチクルとアライメントする場合を示している。図６は図５と基本的には同様であるが、Ｒレチクルに形成した線幅のＡＡマークが２重露光によってレジストに形成される様子を示している。
【００６７】
露光工程は図５（Ａ）〜（Ｄ）と基本的に同じである。
【００６８】
図７は次工程においてアライメントを行うレチクル（Ｆレチクル）に一定の線幅のアライメントマークを形成し、そうでないレチクル（Ｒレチクル）には幅の広いべたマークを形成した場合を示している。
【００６９】
これによって図７に示すようにレジストにＦレチクルと同じ線幅のアライメントマークを形成している。
【００７０】
図８は次工程においてアライメントを行うレチクルをＲレチクルとし、図７に比べてＦレチクルとＲレチクルに形成するアライメントマークの線幅を逆にしたものである。
【００７１】
図９はウエハ上のレジスト層に回路パターンとＡＡマークが形成される様子を示している。同図（Ａ）ではＦレチクルの回路パターンをパターン部にＡＡマークをマーク領域に各々第１露光でレジスト層に露光している。
【００７２】
同図（Ｂ）でＲレチクルの回路パターンとＡＡマークを各々第２露光でレジスト層に露光している。そして多重露光した後に現像処理して同図（Ｃ）に示すようにウエハ面上に回路パターンとＡＡマークが形成している。
【００７３】
図１２は本発明のＡＡマークのパターン形成の説明図である。図１２（Ａ）のレチクル３上のＡＡマーク２２はその位置合わせ方向の線幅が３Ｌで間隔がＬ、レチクル１３上のＡＡマーク３２はその線幅がＬで間隔がＬのレベンソン型位相シフトパターンより成っており、ＡＡマーク２２とＡＡマーク３２との合成したＡＡマークの幅が３Ｌで間隔Ｌの場合を示している。これは図１０の回路パターンの領域Ａにおける位置合わせ精度を検出する為に、該回路パターンの形状に合わせている。
【００７４】
図１２（Ｂ）のレチクル３上のＡＡマーク２２は位置合わせ方向の線幅がＬ、レチクル１３上のＡＡマークが線幅Ｌで間隔Ｌのレベンソン型位相シフトパターンより成り、合成したＡＡマークの幅がＬ、間隔がＬの場合を示している。これは図１０の回路パターンの領域Ｂにおける位置合わせ精度を検出する為に該回路パターンの形状に合わせている。
【００７５】
本実施形態では回路パターンと同様な線幅のパターンよりＡＡマークを形成している。このように図１２では第１及び第２露光で転写される位置検出マークが、位置ずれ検出方向に対して該回路パターンと同じ線幅、ピッチ構成されることを特徴としている。
【００７６】
これによってレチクル３とレチクル１３との位置合わせに誤差があるとき、ＩＣパターンの合成像位置にＡＡマークの合成像の位置が正確に一致するようにしている。
【００７７】
図１３は図１２のレチクル３のＡＡマーク２２とレチクル１３のＡＡマーク３２のレジスト面上での露光量分布と、双方の露光量分布を合成し、スレッショホールドをＴＬ２としたときの得られる合成像（パターン像）を示している。
【００７８】
図１２（Ａ），（Ｂ）に対応してＡ部では幅３Ｌ、間隔ＬのＡＡマークが、Ｂ部では幅Ｌ、間隔ＬのＡＡマークが形成される様子を示している。
【００７９】
図１４は図１２の合成パターン（ＡＡマーク）４２Ｌ，４２Ｒをアライメント検出系４で検出したときのアライメント検出信号の説明図である。
【００８０】
図１４において位置４２Ｌａ，４２ＲａはＡＡマーク４２Ｌ，４２Ｒに入射した光束の正反射光とエッジ散乱光との干渉で生じてくる光強度変化の位置を示し、位置４２ＬＲがＡＡマーク４２Ｌ，４２Ｒの位置の平均値であるこの４２ＬＲを用いてアライメントを行っている。
【００８１】
図１５は本発明の実施形態であり、Ｙ方向の位置検出用のＡＡマークのパターン形成方法の説明図である。同図は一方のレチクル（例えばレチクル３）にのみＡＡマークが設けられており、レチクル３のＡＡマーク２２を１回の露光でウエハ面上に形成している。
【００８２】
このときレチクル１３の回路パターンをウエハ面上に投影露光するとき、ウエハ面上のレチクル３のＡＡマーク２２を露光形成した領域は露光しないように、レチクル１３のそれに相当する領域を遮光領域３２としている。
【００８３】
レチクル３のＡＡマーク２２の線幅は回路パターンの最小線幅の１０倍程度としている（２倍程度であれば良い）。
【００８４】
このように本実施形態では二重露光により基板上に微細パターンを露光転写するときに片方の露光で位置検出マークを該基板上に露光し、他方の露光時には、該位置検出マークの領域を露光しないようにし、該位置検出マークの位置を検出して該基板上に微細パターンの位置を求めることを特徴としている。
【００８５】
図１６は本発明の実施形態３の説明図である。同図の本実施形態はウエハ面上に形成したオーバーレイマークのＸ方向の検出を示している。
【００８６】
同図はレチクルとウエハとの位置合わせを行い、多重露光した後のウエハ面上で下地パターン（下地ＡＡマーク）４３Ｌ，４３Ｒと今回転写したレジストパターン（ＡＡマーク）４２Ｌ，４２Ｒとの位置ずれを測定し、次のウエハの位置合わせの際にオフセットを与えている。
【００８７】
図１２で説明したＡＡマークの形成方法と同様にオーバーレイマーク４２Ｌ，４２Ｒを形成する。ここでオーバーレイマーク４３Ｌ，４３Ｒは下地パターンであり、前工程で露光転写されたパターンを示している。
【００８８】
同図では二重露光により基板（ウエハ）上に微細パターンを露光転写する２重露光において、第１の露光で第１の位置検出マーク（ＡＡマーク）４２Ｌ，４３Ｌを該基板上に露光し、第２の露光時に該基板上に第１の位置検出マークとは異なる位置に第２の位置検出マーク（ＡＡマーク）４３Ｌ，４３Ｒを該基板上に露光し、該第１の露光時には、第２の位置検出マークの領域を露光しないようにし、該第２の露光時には、第１の位置検出マークの領域を露光しないようにし、該第１の位置検出マーク４２Ｌ，４２Ｒ及び該第２の位置検出マーク４３，４３Ｒの位置を検出し、第１の位置検出マークの位置と第２の位置検出マークの位置の平均値により、該基板上に微細パターンの位置を求めることを特徴としている。
【００８９】
図１７はウエハ７面上に形成したオーバーレイマーク７ｂを検出するときの概略図である。同図では照明系５２からの光束で投影レンズ５１の一部を介してウエハ７上のオーバーレイマーク７ｂを照明している。そしてオーバーレイマーク７ｂの画像情報を投影レンズ５１を介してＣＣＤカメラ５３で検出している。
【００９０】
このとき得られる画像情報より下地パターン４３Ｌ，４３Ｒとレジストパターン４２Ｌ，４３Ｒとの位置ずれを検出している。
【００９１】
図１８は図１７で示すＣＣＤカメラ５３で得られたオーバーレイマークに関する画像信号の説明図である。４２Ｌａ，４２Ｒａはレジストパターン４２Ｌ，４２Ｒに基づく画像信号、４３Ｌａ，４３Ｒａは下地パターン４３Ｌ，４３Ｒに基づく画像信号である。
【００９２】
同図では画像信号４２Ｌａ，４２Ｒａの位置の平均値と、画像信号４３Ｌａ，４３Ｒａの位置の平均値の差分ΔＸを位置合わせ誤差として求めている。
【００９３】
このときの位置合わせ誤差ΔＸをオフセットとして次のレチクルとウエハとの位置合わせに用いている。
【００９４】
次に本実施形態における多重露光によってウエハ面上に回路パターンを形成する露光方法について説明する。以下の説明では例として２重露光について説明するが、２重露光プロセスの適切なプロセス工程において前述したようにウエハ面上にアライメントマークを形成して、位置合わせ（アライメント）を行っている。
【００９５】
図１９〜図２７は本発明の露光方法の実施形態１の説明図である。図１９は本発明の露光方法を示すフローチャートである。図１９には本発明の露光方法を構成する周期パターン露光ステップ、投影露光ステップ（通常パターン露光ステップ）、現像ステップの各ブロックとその流れが示してある。同図において周期パターン露光ステップと投影露光ステップの順序は、逆でもいいし、どちらか一方のステップが複数回の露光段階を含む場合は各ステップを交互に行うことも可能である。また、各露光ステップ間には．精密な位置合わせを行なうステップ等があるが、ここでは図示を略した。
【００９６】
本発明の露光方法及び露光装置は、被露光基板（感光基板）に対して周期パターン露光と通常の露光の二重露光を行うことを特徴としている。
【００９７】
ここで通常パターン露光とは周期パターン露光より解像度が低いが任意のパターンで露光が行える露光であり、代表的なものとして図３７に示した投影光学系によってマスクのパターンを投影する投影露光があげられる。
【００９８】
通常パターン露光によって露光されるパターン（通常パターン）は解像度以下の微細なパターンを含み、周期パターン露光はこの微細なパターンと略同線幅の周期パターンを形成するようにする。通常パターン露光の解像度以上の大きなパターンは、周期パターン露光の線幅に限定されないが整数倍が効果的である。
【００９９】
通常パターン露光は任意の形状をしているのでいろいろな方向を向いていてもよい。一般にＩＣパターンでは、方向がある方向とそれに直行する方向の２方向を向いている場合が多く、最も微細なパターンはある特定の１方向のみに限定される場合が多い。
【０１００】
二重露光で周期パターン露光をする際、その通常パターンの最も微細なパターンの方向に、周期パターンの方向を合致させることが重要である。
【０１０１】
また、周期パターンのピークの中心は、通常パターンにおける解像度以下の微細なパターンの中心に合致するように露光する。
【０１０２】
本発明における二重露光とは周期パターン露光と通常パターン露光の二重露光という意味であって、周期パターン露光は、通常パターン露光の最も微細なパターンの方向に平行にして何回繰り返して露光しても良い。
【０１０３】
本発明の露光方法及び露光装置の周期パターン露光と通常パターン露光のそれぞれは、１回または、複数回の露光段階よりなり、複数回の露光段階を取る場合は、各露光階ごとに異なる露光量分布を感光基板に与えている。
【０１０４】
図１９のフローに従って露光を行なう場合、まず周期パターンによりウエハ（感光基板）を図２０に示すような周期パターンで露光する。図２０中の数字は露光量を表しており、図２０（Ａ）の斜線部は露光量１（実際は任意）で白色部は露光量０である。
【０１０５】
このような周期パターンのみを露光後現像する場合、通常，感光基板のレジストの露光しきい値Ｅｔｈは図２０（Ｂ）の下部のグラフに示す通り露光量０と１の間に設定する。尚、図２０（Ｂ）の上部は最終的に得られるリソグラフィーパターン（凹凸パターン）を示している。
【０１０６】
図２１に、この場合の感光基板のレジストに関して、現像後の膜厚の露光量依存性と露光しきい値とをポジ型レジスト（以下、「ポジ型」と記す。）とネガ型レジスト（以下、「ネガ型」配す。）の各々について示す。ポジ型の場合は露光しきい値Ｅｔｈ以上の場合に、ネガ型の場合は露光しきい値Ｅｔｈ以下の場合に、現像後の膜厚が０となる。
【０１０７】
図２２はこのような露光を行った場合の現像とエッチングプロセスを経てリソグラフィーパターンが形成される様子を、ネガ型とポジ型の場合に関して示した摸式図である。
【０１０８】
本実施形態においては、この通常の露光感度設定とは異なり、図２３（図２０（Ａ）と同じ）及び図２４に示す通り、周期パターン露光での中心露光量を１としたとき、露光基板のレジストの露光しきい値Ｅｔｈを１よりも大きく設定している。この感光基板は図２０に示す下地パターン露光のみ行った露光パターン（露光量分布）を現像した場合は露光量が不足するので、多少の膜厚変動はあるものの現像によって膜厚が０となる部分は生じず、エッチングによってリソグラフィーパターンは形成されない。これは即ち周期パターンの消失と見做すことができる（尚、ここではネガ型を用いた場合の例を用いて本発明の説明を行うが、本発明はポジ型の場合も実施できる。）。
【０１０９】
尚、図２４において、上部はリソグラフィーパターンを示し（何もできない）、下部のグラフは露光量分布と露光しきい値の関係を示す。尚、下部に記載のＥ1 は周期パターン露光における露光量を、Ｅ2 は通常の投影露光における露光量を表している。
【０１１０】
本実施形態の特徴は、周期パターン露光のみでは一見消失する高解像度の露光パターンを通常の投影露光による露光装置の分解能以下の大きさのパターンを含む任意の形状の露光パターンと融合して所望の領域のみ選択的にレジストの露光しきい値以上の露光をし、最終的に所望のリソグラフィーパターンを形成できるところにある。
【０１１１】
図２５（Ａ）は通常の投影露光（通常パターン露光）による露光パターンであり、微細なパターンである為、解像できずに被露光物体上での強度分布はぼけて広がっている。本実施形態では通常の投影露光の解像度の約半分の紙幅の微細パターンとしている。
【０１１２】
図２５（Ａ）の露光パターンを作る投影露光を、図２３の周期パターン露光の後に、現像工程なしで、同一レジストの同一領域に重ねて行ったとすると、このレジスト面上への合計の露光量分布は図２５（Ｂ）の下部のグラフのようになる。尚、ここでは周期パターン露光の露光量Ｅ1 と投影露光の露光量Ｅ2 の比が１：１、レジストの露光しきい値Ｅｔｈが露光量Ｅ1 （＝１）と露光量Ｅ1 と投影露光の露光量Ｅ2 の和（＝２）の間に設定されている為、図２５（Ｂ）の上部に示したリソグラフィーパターンが形成される。
【０１１３】
その際、通常パターンの中心が周期パターンのピークと合致させておく。又、通常パターンの方向と周期パターンの方向とを合致させている。
【０１１４】
図２５（Ｂ）の上部に示す孤立線パターンは、解像度が周期パターン露光のものであり且つ単純な周期パターンもない。従って通常の投影露光で実現できる解像度以上の高解像度のパターンが得られたことになる。
【０１１５】
ここで仮に、図２６の露光パターンを作る投影露光（図２３の露光パターンの２倍の線幅で露光しきい値以上（ここではしきい値の２倍の露光量）の投影露光）を、図２３の周期パターン露光の後に、現像工程なしで、同一レジストの同一領域に重ねる。この際、通常パターンの中心が周期パターン露光のピーク位置と合致させることで重ね合わせたパターンの対称性が良く、良好なるパターン像が得られる。
【０１１６】
このレジストの合計の露光量分布は図２６（Ｂ）のようになり、２光束干渉露光（周期パターン露光）の露光パターンは消失して最終的に投影露光によるリソグラフィーパターンのみが形成される。
【０１１７】
また、図２７に示すように、図２３の露光パターンの３倍の線幅で行う場合も理屈は同様であり、４倍以上の線幅の露光パターンでは、基本的に２倍の線幅の露光パターンと３倍の線幅の露光パターンの組み合わせから、最終的に得られるリソグラフィーパターンの線幅は自明でであり、投影露光で実現できるリソグラフィーパターンは全て、本実施形態でも、形成可能である。
【０１１８】
以上簡潔に説明した周期パターン露光と投影露光の夫々による露光量分布（絶対値及び分布）と感光基板のレジストのしきい値の調整を行うことにより、図２４，図２５（Ｂ），図２６（Ｂ），及び図２７（Ｂ）で示したような多種のパターンの組み合わせより成り且つ最小線幅が周期パターン露光の解像度（図２５（Ｂ）のパターンとなる回路パターンを形成することができる。
【０１１９】
以上の露光方法の原理をまとめると、
(ア-1) 投影露光（通常パターン露光）をしないパターン領域即ちレジストの露光しきい値以下の周期露光パターンは現像により消失する。
【０１２０】
(ア-2) レジストの露光しきい値以下の露光量で行った投影露光のパターン領域に関しては投影露光と周期パターン露光のパターンの組み合わせにより決まる周期パターン露光の解像度を持つ露光パターンが形成される。
【０１２１】
(ア-3) 露光しきい値以上の露光量で行った投影露光のパターン領域は投影露光のみでは解像しなかった微細パターンも同様に（マスクに対応する）形成する。ということになる。更に露光方法の利点として、最も解像力の高い周期パターン露光を２光束干渉露光で行えば、通常の露光に比してはるかに大きい焦点深度が得られることが挙げられる。
【０１２２】
以上の説明では周期パターン露光と投影露光の順番は周期パターン露光を先としたが、この順番に限定されない。
【０１２３】
次に本発明の実施形態２を説明する。
【０１２４】
本実施形態は露光により得られる回路パターン（リソグラフィーパターン）として、図１０に示す所謂ゲート型のパターンを対象としている。
【０１２５】
図２８のゲートパターンは横方向の即ち図中Ａ−Ａ’方向の最小線幅が０．１μｍであるのに対して、縦方向では０．２μｍ以上である。本発明によれば、このような１次元方向のみ高解像度を求められる２次元パターンに対しては２光束干渉露光（周期パターン露光）をかかる高解像度の必要な１次元方向のみで行えばいい。
【０１２６】
本実施形態では、図２９を用いて１次元方向のみの２光束干渉露光と通常の投影露光の組み合わせの一例を示す。
【０１２７】
図２９において、図２９（Ａ）は１次元方向のみの２光束干渉露光による周期的な露光パターンを示す。この露光パターンの周期は０．２μｍであり、この露光パターンは線幅０．１μｍＬ＆Ｓパターンに相当する。図２９の下部における数値は露光量を表すものである。
【０１２８】
このような２光束干渉露光を実現する露光装置としては、図３３で示すような、レーザ１５１，ハーフミラー１５２，平面ミラー１５３による干渉計型の分波合波光学系を備えるものや、図３４で示すような、投影露光装置においてマスクと照明方法を図３５又は図３６のように構成した装置がある。
【０１２９】
図３３の露光装置について説明を行う。
【０１３０】
図３３の露光装置では前述した通り合波する２光束の夫々が角度θでウエハ１５４に斜入射し、ウエハ１５４に形成できる干渉縞パターン（露光パターン）の線幅は前記（３）式で表される。角度θと分波合波光学系の像面側のＮＡとの関係はＮＡ＝ｓｉｎθである。角度θは一対の平面ミラー１５３（１５３ａ，１５３ｂ）の夫々の角度を変えることにより任意に調整、設定可能で、一対の平面ミラーで角度θの値を大きく設定すれば干渉縞パターンの夫々の縞の線幅は小さくなる。例えば２光束の波長が２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマ）の場合、θ＝３８度でも各縞の線幅は約０．１μｍの干渉縞パターンが形成できる。尚、この時のＮＡ＝ｓｉｎθ＝０．６２である。角度θを３８度よりも大きく設定すれば、より高い解像度が得られるということは言うまでもない。
【０１３１】
次に図３４乃至図３６の露光装置に関して説明する。
【０１３２】
図３４の露光装置は、例えば通常のステップアンドリピート方式又はステップアンドスキャン方式の縮小投影光学系（多数枚のレンズより成る）を用いた投影露光装置であり、現状で露光波長２４８ｎｍに対してＮＡ０．６以上のものが存在する。
【０１３３】
図３４中、１６１はマスク、１６２はマスク１６１から出て光学系１６３に入射する物体側露光光、１６３は投影光学系、１６４は開口絞り、１６５は投影光学系１６３から出てウエハ１６６に入射する像側露光光、１６６は感光基板であるウエハを示し、１６７は絞り１６４の円形開口に相当する瞳面での光束の位置を一対の黒点で示した説明図である。
【０１３４】
図３４は２光束干渉露光を行っている状態の摸式図であり、物体側露光光１６２と像側露光光１６５は双方とも、図３７の通常の投影露光とは異なり、２つの平行光線束だけから成っている。
【０１３５】
図３４に示すような通常の投影露光装置において２光束干渉露光（周期パターン露光）を行う為には、マスク１６１とその照明方法を図３５又は図３６のように設定すれば良い。以下これら３種の例について説明する。
【０１３６】
図３５（Ａ）はレベンソン型の位相シフトマスク１７３を示しており、クロムより成る遮光部１７１のピッチＰＯが（４）式で０、位相シフタ１７２のピッチＰＯＳが（５）式で表されるマスクである。
【０１３７】
Ｐ0 ＝ＭＰ＝２ＭＲ＝Ｍλ／（２ＮＡ） ‥‥‥（４）
ＰOS＝２Ｐ0 ＝Ｍλ／（ＮＡ） ‥‥‥（５）
ここで、Ｍは投影光学系１６３の投影倍率、λは露光波長、ＮＡは投影光学系１６３の像側の開口数を示す。
【０１３８】
一方、図３５（Ｂ）が示すマスク１７４はクロムより成る遮光部のないシフタエッジ型の位相シフトマスクであり、レベンソン型と同様に位相シフタ１７５のピッチＰＯＳを上記（５）式を満たすように構成したものである。
【０１３９】
図３５（Ａ），（Ｂ）の夫々の位相シフトマスクを用いて２光束干渉露光を行うには、これらのマスクをσ＝０（又は０に近い値）所謂コヒーレント照明を行う。具体的には図３５に示すようにマスク面１７０に対して垂直な方向（光軸に平行な方向）から平行光線束をマスク１７０に照射する。
【０１４０】
ここで、σ＝照明光学系の開口数／投影光学系の開口数 である。
【０１４１】
このような照明を行うと、マスク１７０から上記垂直な方向に出る０次透過回折光に関しては、位相シフタ１７２（１７５）により隣り合う透過光の位相差がπとなって打ち消し合い存在しなくなり、±１次の透過回折光の２平行光線束はマスク１７０から投影光学系１６３の光軸に対して対称に発生し、図３４の２個の物体側露光１６５がウエハ１６６上で干渉する。また２次以上の高次の回折光は投影光学系１６３の開口絞り１６４の開口に入射しないので結像には寄与しない。
【０１４２】
図３６に示したマスク１８０は、クロムより成る遮光部１８１のピッチＰＯが（４）式と同様の（６）式で表されるマスクである。
【０１４３】
Ｐ0 ＝ＭＰ＝２ＭＲ＝Ｍλ／（２ＮＡ） ‥‥‥（６）
ここで、Ｍは投影光学系１６３の投影倍率、λは露光波長、ＮＡは投影光学系１６３の像側の開口数を示す。
【０１４４】
図３６の位相シフタを有していないマスクには、１個又は２個の平行光線束による斜入射照明とする。この場合の平行光線束のマスク１８０への入射角θ0 は（７）式を満たすように設定される。２個の平行光線束を用いる場合が、光軸を基準にして互いに逆方向にθ0 傾いた平行光線束によりマスクを照明する。
【０１４５】
ｓｉｎθ0 ＝Ｍ／ＮＡ ‥‥‥（７）
ここでも、Ｍは投影光学系１６３の投影倍率、ＮＡは投影光学系１６３の像側の開口数を示す。
【０１４６】
図３６が示す位相シフタを有していないマスクを上記（７）式を満たす平行光線束により斜入射照明を行うと、マスク１８０からは、光軸に対して角度θ0 で直進する０次透過回折光とこの０次透過回折光の光路と投影光学系の光軸に関して対称な光路に沿って進む（光軸に対して角度−θ0 で進む）−１次透過回折光の２光束が図３４の２個の物体側露光光１６２として生じ、この２光束が投影光学系１６３の開口絞り１６４の開口部に入射し、結像が行われる。
【０１４７】
尚、本発明においてはこのような１個又は２個の平行光線束による斜入射照明も「コヒーレント照明」として取り扱う。
【０１４８】
以上が通常の投影露光装置を用いて２光束干渉露光を行う技術であり、図３７に示したような通常の投影露光装置の照明光学系は部分的コヒーレント照明を行うように構成してあるので、図３７の照明光学系の０＜σ＜１に対応する不図示の開口絞りをσ≒０に対応する特殊開口絞りに交換可能にする等して、投影露光装置において実質的にコヒーレント照明を行うよう構成することができる。
【０１４９】
図２８及び図２９が示す実施形態２の説明に戻る。本実施形態では前述した２光束干渉露光（周期パターン露光）の次に行う通常の投影露光（通常パターン露光）（例えば図３７の装置でマスクに対して部分的コヒーレント照明を行うもの）によって図２９（Ｂ）が示すゲートパターンの露光を行う。図２９（Ｃ）の上部には２光束干渉露光による露光パターンとの相対的位置関係と通常の投影露光の露光パターンの領域での露光量を示し、同図の下部は、通常の投影露光によるウエハのレジストに対する露光量を縦横を最小線幅のピッチの分解能でマップ化したものである。
【０１５０】
図２９の下部に示す露光量分布は、マスクから入射される光強度を１としてウエハに露光される強度分布を示したものである。
【０１５１】
図２９（Ａ）の周期パターンの露光による露光量分布は、理想的には１と０の矩形波であるはずだが、２光束干渉露光の解像限界付近の線幅を用いているので、０次光と１次光のみで形成されるsin 波となっている。そのsin 波の最大値をIo、最小値をI1とあらわす。このとき、照明条件のσによって、I0とI1の値が定まる。
【０１５２】
図２９(B) の通常の投影露光による露光量分布は、各部分での代表的な値を示している。この投影露光による露光パターンの最小線幅の部分は、解像せずぼけて広がり、光強度の各店の値は下がる。露光量は、大まかにパターン中心部をｂ，両サイドをｄ，両側からのぼけ像がくる中心部をｃとする。最小線幅の２倍の線幅は、b,c,d の値よりも大きいが、投影露光の解像限界付近の線幅であるため、少しぼけてa の値をとる。これら、a,b,c,d の値は、照明条件によって変化する。
【０１５３】
図２９(C) の露光量分布は、図２９(A) の露光パターンと図２９(B) の露光パターンの露光量の加算した結果生じたものである。
【０１５４】
２光束干渉露光と投影露光の各露光での光量比は、それぞれの露光の照明条件により異なる。加算における各露光での光量比は、照明系の照度比として、
２光束干渉露光：投影露光＝１：ｋ
とし、ｋの値は次のようにして求める。
【０１５５】
図２９(C) の露光量分布は、上記の露光量分布、光量比を用いて、以下の式で表せる。
【０１５６】
a' = k×a + I0
a" = k×a + I1
b' = k ×b + I0
c' = k×c+ I1
d' = k×d + I1
所望のゲートパターンを得るためには、レジストの感光のしきい値Icとの関係式を得る。
たとえば、レジストがネガ型の場合、以下のようになる。
【０１５７】
a' ＞IC
a" ＞IC
b' ＞IC
c' ＜IC
d' ＜IC
a',a",b'は差が小さい方が望ましく、c'と特にb'との差がある方が望ましい。
これらの式を解くことにより、各照明条件での最適光量比が求められる。
特に微細パターンの関係する以下の２式は重要である。
レジストがネガ型の場合、
ｋ×ｂ＋I0＞IC
ｋ×ｃ＋I1＜IC
レジストがポジ型の場合、
ｋ×ｂ＋I1＜IC
ｋ×ｃ＋I0＞IC
レジストがポジ型の場合、露光量分布の大小関係が反転し、レジストしきい値Icとの不等号が逆になるが、同様に最適光量比が求められる。
【０１５８】
以上説明した２光束干渉露光と通常の投影露光の照明方法の異なった２つを組み合わせによって図３０の微細回路パターンが形成される様子について述べる。本実施形態においては２光束干渉露光と通常の投影露光の間には現像過程はない。従って各露光の露光パターンが重なる領域での露光量は加算され、加算後の露光量（分布）により新たな露光パターンが生じることと成る。
【０１５９】
図３０，図３１，図３２は波長248nm のＫｒＦエキシマステッパーを用いたときの具体的な実施例である。
【０１６０】
図３０に示すような、最小線幅0.12μｍのゲートパターンを通常露光し、重ねてレベンソンタイプの位相シフトマスクで、その最小線幅と重なるように周期パターンを露光したものである。
【０１６１】
投影レンズのNAは0.6 、照明系のσは、レベンソンマスクによる露光では、0.3 とした。通常マスク露光時では、σ＝0.3,0.6,0.8,輪帯照明とした。
【０１６２】
位相シフトマスクなどの２光束干渉により周期パターンを露光する場合の、コヒーレント照明はσの値がゼロまたは、それに近い値であるが、あまり小さくすると単位時間当たりの露光量が小さくなり、露光に要する時間が長くなるので実際的でない。
【０１６３】
周期パターン露光のときはσが0.3 以下であることが望ましく、レベンソンマスクによる露光ではその最大であるσ＝0.3 とした。
【０１６４】
通常露光では、一般的に部分的コヒーレント照明にするが、σを大きくすると複雑な形状の再現性はよくなり、かつ深度は広がる。照度分布が外側に比べて内側が低いいわゆる輪帯照明では、この傾向は顕著になるが、コントラストは落ちるという欠点がある。
【０１６５】
図３１（Ａ）に示すように、通常露光のσを周期パターン露光のσと同じ0.3 にして同じ照明条件で二重露光を行うと、ゲートパターンがデフォーカス０±0.2 μｍの範囲で解像されるが、線パターンの部分がうねっており、くびれた部分が断線の原因となるため好ましくない。
【０１６６】
又、通常パターン露光のときはσ＝０．６以上にするのが良い。図３１（Ｂ）に示すように、通常露光のσを0.6 にするとデフォーカス０±0.4 μｍの範囲でゲートパターンが解像されるようになり、線パターンの部分がうねりは解消されている。通常露光と周期パターン露光の露光量比を 通常露光：周期パターン露光=1.5 ：１とした。
【０１６７】
図３２（Ａ）に示すように、通常露光のσが0.8 と大きくなると、複雑な形状の再現性は若干よくなる。通常露光と周期パターン露光の露光量比を通常パターン露光：周期パターン露光=2 ：１とした。通常パターン露光のときは周期パターン露光に比べて２倍以上の露光量とするのが良い。
【０１６８】
図３２（Ｂ）では、通常露光を輪帯照明とし、リング内側の0.6 から外側の0.8 までの照度を１、リング内側の0.6 以下を照度０とした場合の二次元強度分布である。通常露光と周期パターン露光の露光量比を 通常露光：周期パターン露光=2.5：１とした。
【０１６９】
輪帯照明では、σが0.8 の時よりも、複雑な形状の再現性はよくなり、かつ深度は広がる。デフォーカス±0.4 μｍ以下で良好な像が得られた。
【０１７０】
このように微細な回路パターンは、周期パターン露光との二重露光によって形成される。通常露光パターンの微細なパターンは光強度が低くコントラストも低いので、通常は解像されないが、コントラストが高い周期パターン露光と二重に露光し重ね合わせることによって、微細なパターンはコントラストが増強され解像されるようになる。
【０１７１】
一方、通常露光パターンの解像度以上の大きなパターンも、周期パターン露光の強度と重ね合わされコントラストが増強されるので、周期パターン露光の線幅の整数倍にするとエッジがシャープな像となる。本発明の露光方法によって、0.12μｍといった微細な線幅を有する回路パターンが、例えばσや照度の光量比を可変とする照明条件の切り替え可能な照明光学系を有する投影露光装置を用いて形成可能としている。
【０１７２】
周期パターン露光と通常パターン露光の光量比は、照明条件の組み合わせによる最適値を前述の計算式によって求めた。
【０１７３】
照明条件１ 周期パターンの露光はσ=0.3、通常パターン露光はσ=0.3
図２９(A) の下部に示した周期パターンの露光による露光量分布と、図２９(B) の下部に示した通常の投影露光による露光量分布（ベストフォーカス）を以下に示す。
【０１７４】
I0 = 0.80 I1 = 0.23
a = 1.31 b = 0.34 c = 0.61 d = 0.09
k = 1.0 のとき最適であり、
a' = 2.11 a" = 1.54 b'= 1.21 c'= 0.89 d'= 0.32
となり、後の比較のため、最大値のa'を１で規格化すると次のようになる。
【０１７５】
a' = 1.0 a" = 0.73 b'= 0.57 c'= 0.42 d'= 0.15 I0 = 0.38
照明条件２ 周期パターンの露光はσ=0.3、通常パターン露光はσ=0.6
I0 = 0.80 I1 = 0.23
a = 1.25 b = 0.44 c = 0.53 d = 0.13
k = 1.5 のとき最適であり、
a' = 2.68 a" = 2.11 b'= 1.46 c'= 1.03 d'= 0.43
となり、後の比較のため、最大値のa'を１で規格化すると次のようになる。
【０１７６】
a' = 1.0 a" = 0.79 b'= 0.55 c'= 0.38 d'= 0.16 I0 = 0.30
照明条件３ 周期パターンの露光はσ=0.3、通常パターン露光はσ=0. ８
I0 = 0.80 I1 = 0.23
a = 1.20 b = 0.48 c = 0.47 d = 0.16
k = 2.0 のとき最適であり、
a' = 3.20 a" = 2.63 b'= 1.76 c'= 1.17 d'= 0.55
となり、最大値のa'を１で規格化すると次のようになる。
【０１７７】
a' = 1.0 a" = 0.82 b'= 0.55 c'= 0.37 d'= 0.17 I0 = 0.25
照明条件４ 周期パターンの露光はσ=0.3、通常パターン露光はσ=0. ８で輪帯照明とし、内側（輪帯内側）σ0.６以下の照度分布をゼロとした。
【０１７８】
I0 = 0.80 I1 = 0.23
a = 1.10 b = 0.47 c = 0.36 d = 0.19
k = 2.5 のとき最適であり、
a' = 3.55 a" = 2.98 b'= 1.98 c'= 1.13 d'=0.71
となり、最大値のa'を１で規格化すると次のようになる。
【０１７９】
a' = 1.0 a" = 0.84 b'= 0.56 c'= 0.32 d'=0.20 I0 = 0.23
今までの議論で、レジストしきい値は、最大露光量３のとき1.5 だったので、最大露光量で規格化するとレジストしきい値は0.5 となる。
この規格化された露光量分布を見ると、a',a",b'は規格化されたレジストしきい値0.5 より大きく、c',d',I0 はしきい値より小さい。
【０１８０】
現像によって露光量がレジストしきい値より大きい部分がのこるから、露光量がa',a",b'のみパターンとして現像後残ることになる。従って、図１１(C) の下部で灰色に示された部分が、現像後の形状である。
【０１８１】
一般に、通常露光パターンを露光するときは、周期パターンを露光するときの約２倍の露光量が適切で、通常露光パターンを露光するときの照明条件と、周期パターンを露光するときの照明条件の組合わせによって最適な露光量比があり、前述の計算式で求められる。
【０１８２】
前述の計算式から、種々の照明条件の組合わせを計算した結果、次のことが示された。周期パターン露光のときσ＝０．３で通常パターン露光の照明条件σが0.8 より小さいときは、通常パターンを露光するときの露光量を周期パターンを露光するときの露光量より２倍以下にするとよい。
【０１８３】
周期パターンのときσ＝０．３で通常パターンを露光するときの照明条件が輪帯照明のときは、輪帯の巾が小さいときは、通常パターンを露光する露光量が周期パターンを露光するときの露光量より２倍以上にするとよい。
【０１８４】
周期パターンを露光するときの照明条件σが0.3 より小さいときは、通常パターンを露光する露光量は、周期パターンを露光するときの露光量より２倍以上にするとよい。
【０１８５】
図３８は本発明に係る２光束干渉露光用の露光装置の一例を示す概略図であり、図３８において、２０１は２光束干渉露光用の光学系で、基本構成は図３３の光学系と同じである。２０２はＫｒＦ又はＡｒＦエキシマレーザー、２０３はハーフミラー、２０４（２０４ａ，２０４ｂ）は平面ミラー、２０５は光学系２０１との位置関係が固定又は適宜ベースライン（量）として検出できるオフアクシス型の位置合わせ光学系で、ウエハ２０６上の２光束干渉用位置合わせマークを観察し、その位置を検出する。２０６は感光基板であるウエハ、２０７は光学系２０１の光軸に直交する平面及びこの光軸方向に移動可能なＸＹＺステージで、レーザー干渉計等を用いてその位置が正確に制御される。装置２０５とＸＹＺステージ２０７の構成や機能は周知なので具体的な説明は略す。
【０１８６】
図３９は本発明の２光束干渉用露光装置と通常の投影露光装置より成る高解像度の露光装置を示す概略図である。
【０１８７】
図３９において、２１２は図３０の光学系２０１、装置２０５を備える２光束干渉露光装置であり、２１３は、不図示の照明光学系とレチクル位置合わせ光学系２１４、ウエハ位置合わせ光学系（オフアクシス位置合わせ光学系）２１７とマスク２１５の回路パターンをウエハ２１８上に縮小投影する投影光学系２１６とを備える通常の投影露光装置である。
【０１８８】
レチクル位置合わせ光学系２１４はマスク２１５上の位置合わせマークを観察し、その位置を検出する。ウエハ位置合わせ光学系２１７はウエハ２０６上の投影露光用又は２光束干渉と兼用の位置合わせマークを観察し、その位置を検出する。光学系２１４，２１６，２１７の構成や機能は周知なので、具体的な説明は略す。
【０１８９】
図３９の２１９は２光束干渉用露光装置２１２と投影露光装置２１３で共用される１つのＸＹＺステージであり、このステージ２１９は、装置２１２、２１３の各光軸に直交する平面及びこの光軸方向に移動可能で、レーザー干渉計等を用いてそのＸＹ方向の位置が正確に制御される。
【０１９０】
ウエハ２１８を保持したステージ２１９は、図３９の位置（１）に送り込まれてその位置が正確に測定され、測定結果に基づいて位置（２）で示す装置２１２の露光位置に送り込まれてウエハ２１８へ２光束干渉露光が行われ、その後、位置（３）に送り込まれてその位置が正確に測定され位置（４）で示す装置２１３の露光位置に送り込まれてウエハ２１８へ投影露光が行われる。
【０１９１】
装置２１３においては、オフアクシスの位置合わせ光学系２１７の代わりに、投影光学系２１６を介してウエハ２１８の位置合わせマークを観察し、その位置を検出する不図示のＴＴＬの位置合わせ光学系や、投影光学系２１６とマスク（レチクル）２１５とを介してウエハ２１８上の位置合わせマークを観察し、その位置を検出する不図示のＴＴＲの位置合わせ光学系も使用できる。
【０１９２】
図４０は本発明の２光束干渉用露光と通常の投影露光の双方が行える高解像度の露光装置を示す概略図である。
【０１９３】
図４０において、２２１はＫｒＦ又はＡｒＦエキシマレーザー、２２２は照明光学系、２２３はマスク（レチクル）、２２４はマスクステージ、２２７はマスク２２３の回路パターンをウエハ２２８上に縮小投影する投影光学系、２２５はマスク（レチクル）チェンジャであり、ステージ２２４に、通常のレチクルと前述したレベンソン位相シフトマスク（レチクル）又はエッジシフタ型のマスク（レチクル）又は位相シフタを有していない周期パターンマスク（レチクル）の一方を選択的に供給する為に設けてある。
【０１９４】
また、マスクステージは微細パターンの方向と周期パターンの方向と平行にする為に、予めマスクにバーコード等に描かれてある情報をもとにマスクを回転させる機能を持たせてある。
【０１９５】
図４０の２２９は２光束干渉露光と投影露光で共用される１つのＸＹＺステージであり、このステージ２２９は、光学系２２７の光軸に直交する平面及びこの光軸方向に移動可能で、レーザー干渉計等を用いてそのＸＹ方向の位置が正確に制御される。
【０１９６】
また、図４０の装置は、不図示のレチクル位置合わせ光学系、ウエハ位置合わせ光学系（図３９で説明したオフアクシス位置合わせ光学系とＴＴＬ位置合わせ光学系とＴＴＲ位置合わせ光学系）とを備える。
【０１９７】
図４０の露光装置の照明光学系２２２は部分的コヒーレント照明とコヒーレント照明とを切換え可能に構成してあり、コヒーレント照明の場合には、ブロック２３０内の図示した前述した（１ａ）又は（１ｂ）の照明光を、前述したレベンソン型位相シフトレチクル又はエッジシフタ型レチクル又は位相シフタを有していない周期パターンレチクルの１つに供給し、部分的コヒーレント照明の場合にはブロック２３０内に図示した（２ａ）の照明光を所望のレチクルに供給する。部分的コヒーレント照明からコヒーレント照明とを切換えは、通常光学系２２２のフライアイレンズの直後に置かれる開口絞りを、この絞りに比して開口径が十分に小さいコヒーレント照明用絞りと交換すればいい。
【０１９８】
本発明の露光方法及び露光装置における２重露光における前記第１露光と前記第２露光の露光波長は、第２露光が投影露光の場合、双方とも４００ｎｍ以下であり、好ましくは２５０ｎｍ以下である。２５０ｎｍ以下の露光波長の光を得るにはＫＪｒＦエキシマレーザ（約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（約１９３ｎｍ）を用いる。
【０１９９】
尚、本発明において「投影露光」というのは、マスクに形成された任意のパターンからの３個以上の平行光線束が互いに異なる様々な角度で像面に入射して露光が行なわれるものである。
【０２００】
本発明の露光装置はマスクのパターンをウエハに投影する投影光学系と、部分的コヒーレント照明とコヒーレント照明の双方の照明が可能なマスク照明光学系とを有し、部分的コヒーレント照明によって通常の露光を行い、コヒーレント照明によって２光束干渉露光を行うことにより、周期パターン露光を特徴とする。「部分的コヒーレント照明」とはσ＝（照明光学系の開口数／投影光学系の開口数）の値がゼロより大きく１より小さい照明であり、「コヒーレント照明」とは、σの値がゼロまたはそれに近い値であり、部分的コヒーレント照明のσに比べて相当小さい値である。
【０２０１】
周期パターン露光でのコヒーレント照明ではσを０．３以下にする。通常露光を行う際の部分的コヒーレント照明はσを０．６以上にする。σ＝０．８が望ましい。さらに照度分布が外側に比べて内側が低い輪帯照明にすると、なお効果的である。
【０２０２】
この露光装置の露光波長は、４００ｎｍ以下であり、好ましくは２５０ｎｍ以下である。２５０ｎｍ以下の露光波長の光を得るにはＫｒＦエキシマレーザ（約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（約１９３ｎｍ）を用いる。
【０２０３】
発明の実施形態においては、マスク照明光学系として部分的コヒーレント照明とコヒーレント照明とが切換え可能な光学系を開示している。
【０２０４】
本発明の露光装置は２光束干渉露光装置と通常（投影）露光装置を両装置で共用される被露光基板（感光基板）を保持する移動ステージとを有している。
【０２０５】
この露光装置の露光波長も、４００ｎｍ以下であり、好ましくは２５０ｎｍ以下である。２５０ｎｍ以下の露光波長の光を得るにはＫｒＦエキシマレーザ（約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（約１９３ｎｍ）を用いている。
【０２０６】
以上説明した露光方法及び露光装置を用いてＩＣ，ＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル等の表示素子、磁気ヘッド等の検出素子、ＣＣＤ等の撮像素子といった各種デバイスの製造が可能である。
【０２０７】
本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々に変更することが可能である。特に２光束干渉露光及び通常露光の各ステップでの露光回数や露光量の段数は適宜選択することが可能であり、更に露光の重ね合わせもずらして行なう等適宜調整することが可能である。このような調整を行うことで形成可能な回路パターンにバリエーションが増える。
【０２０８】
尚、本発明において
（ａ）照明光学系の照明方法としては、ＫｒＦエキシマレーザー、ＡｒＦエキシマレーザー又はＦ２エキシマレーザーから光でマスクパターンを照明することが適用可能である。
【０２０９】
（ｂ）露光装置においては屈折系、反射−屈折系、又は反射系のいずれかより成る投影光学系によって前記マスクパターンを投影することが適用可能である。
【０２１０】
（ｃ）露光装置としては本発明の露光方法を露光モードとして有するステップアンドリピート型縮小投影露光装置や本発明の露光方法を露光モードとして有するステップアンドスキャン型縮小投影露光装置等が適用可能である。
【０２１１】
次に上記説明した投影露光装置を利用した半導体デバイスの製造方法の実施形態を説明する。
【０２１２】
図４１は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローを示す。
【０２１３】
ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。
【０２１４】
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意したマスクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。
【０２１５】
次のステップ５（組立）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。
【０２１６】
ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【０２１７】
図４２は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。
【０２１８】
ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では前記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。
【０２１９】
ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【０２２０】
本実施形態の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易に製造することができる。
【０２２１】
【発明の効果】
本発明は以上のように、
(イ-1) 感光基板上の同一領域を異なったパターンを有するマスクを用いて多重露光するときに、感光基板とマスクとを位置合わせする為の位置合わせマーク（アライメントマーク）や、オーバーレイ測定マーク等を感光基板上に適切に形成することにより、感光基板とマスクとの相対的位置合わせを高精度に行い高集積度のパターンを容易に形成することができる露光方法及び露光装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の露光装置の実施形態１の要部概略図
【図２】図１のレチクルの要部平面図
【図３】図１のレチクルの要部平面図
【図４】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図５】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図６】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図７】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図８】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図９】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図１０】本発明に係るレチクル面上の回路パターンの説明図
【図１１】本発明に係るレチクル面上の周期パターンの説明図
【図１２】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図１３】本発明に係るアライメントマークの形成方法の説明図
【図１４】本発明に係るアライメントマークで得られるアライメント信号の説明図
【図１５】本発明に係るアライメントマークの説明図
【図１６】本発明に係るアライメントマークの説明図
【図１７】本発明に係るオーバーレイの検出装置の説明図
【図１８】本発明に係るオーバーレイの検出信号の説明図
【図１９】本発明の露光方法のフローチャート
【図２０】２光束干渉露光による露光パターンを示す説明図
【図２１】レジストの露光感度特性を示す説明図
【図２２】現像によるパターン形成を示す説明図
【図２３】通常の２光束干渉露光による露光パターンを示す説明図
【図２４】本発明における２光束干渉露光による露光パターンを示す説明図
【図２５】本発明の実施形態１において形成できる露光パターン（リソグラフィーパターン）の一例を示す説明図
【図２６】本発明の実施形態１において形成できる露光パターン（リソグラフィーパターン）の他の一例を示す説明図
【図２７】本発明の実施形態１において形成できる露光パターン（リソグラフィーパターン）の他の一例を示す説明図
【図２８】本発明の実施形態２に係るゲートパターンを示す説明図
【図２９】本発明の実施形態２を示す説明図
【図３０】ゲートパターンを説明する図
【図３１】形成されたゲートパターンの説明図
【図３２】形成されたゲートパターンの説明図
【図３３】従来の２光束干渉用露光装置の一例を示す概略図
【図３４】２光束干渉露光を行なう投影露光装置の一例を示す概略図
【図３５】図３４の装置に使用するマスク及び照明方法の１例を示す説明図
【図３６】図３４の装置に使用するマスク及び照明方法の他の１例を示す説明図
【図３７】従来の投影露光装置を示す概略図
【図３８】本発明の２光束干渉露光装置の一例を示す概略図
【図３９】本発明の高解像度の露光装置の一例を示す概略図
【図４０】本発明の高解像度の露光装置の一例を示す概略図
【図４１】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【図４２】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【符号の説明】
２２１ エキシマレーザ
２２２ 照明光学系
２２３ マスク（レチクル）
２２４ マスク（レチクル）ステージ
２２５ ２光束干渉用マスクと通常投影露光用のマスク
２２６ マスク（レチクル）チェンジャ
２２７ 投影光学系
２２８ ウエハ
２２９ ＸＹＺステージ
Claims (13)
- 感光基板上の同一領域を互いに異なったパターンで多重露光して回路パターンを形成する露光方法において、
第１の露光で第１の位置検出マークを該感光基板上に露光し、第２の露光時に該感光基板上に第１の位置検出マークを露光した位置と同じ位置に第２の位置検出マークを該感光基板上に露光し、該第１の位置検出マーク及び該第２の位置検出マークの多重露光により合成された合成パターンの位置を検出して、該互いに異なったパターンで多重露光して形成した回路パターンの位置を求めることを特徴とする露光方法。 - 前記位置検出マークが、位置ずれ検出方向に対して前記回路パターンと同じ線幅、ピッチで構成されることを特徴とする請求項１の露光方法。
- 感光基板上の同一領域を互いに異なったパターンで多重露光して回路パターンを形成する露光方法において、一方の露光で該感光基板上に位置検出マークを形成し、他の露光では該位置検出マークの領域を露光しないようにし、該位置検出マークの位置を検出して該互いに異なったパターンで多重露光して形成した回路パターンの位置を求めることを特徴とする露光方法。
- 感光基板上の同一領域を互いに異なったパターンで多重露光して回路パターンを形成する露光方法において、第１の露光で第１の位置検出マークを該感光基板上に露光し、第２の露光時に該感光基板上に第１の位置検出マークとは異なる位置に第２の位置検出マークを該感光基板上に露光し、該第１の露光時には、第２の位置検出マークの領域を露光しないようにし、該第２の露光時には、第１の位置検出マークの領域を露光しないようにしており、該第１の位置検出マーク及び該第２の位置検出マークの位置を検出し、第１の位置検出マークの位置と第２の位置検出マークの位置の平均値を用いて、該互いに異なったパターンで多重露光して形成した回路パターンの位置を求めることを特徴とする露光方法。
- 前記位置検出マークが、位置ずれ検出方向に対して前記パターンの最小線幅の二倍以上の線幅で構成されることを特徴とする請求項３又は４の露光方法。
- 第１のレチクルのパターンと第２のレチクルのパターンを縮小投影レンズを介して感光基板上の同一領域を二重露光して回路パターンを露光転写することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項の露光方法。
- 前記第１のレチクルと第２のレチクルのうち、片方のレチクルのパターンがレベンソン型位相シフトマスクで構成されていることを特徴とする請求項６の露光方法。
- 前記二重露光のうち、少なくとも１回の露光が変形照明露光により行うことを特徴とする請求項６の露光方法。
- 請求項１から８のいずれか１項の露光方法を用いて、該パターンと該位置検出マークを感光剤を塗布した該基板上に露光転写後、現像処理し、エッチング又は成膜工程を行い、次いで基板上に感光剤を塗布し、該基板上の該位置検出マークの位置を測定し、位置合わせを行った後に感光剤に半導体素子パターンを露光転写してデバイスを製造することを特徴とするデバイスの製造方法。
- 請求項１から８のいずれか１項の露光方法を用いて、第一のパターンと第１の位置検出マークを感光剤を塗布した基板上に露光転写後、現像処理し、エッチング工程又は成膜工程を行い、次いで基板上に感光剤を塗布し、第２のパターンと第２の位置検出マークを該基板上に露光転写後、現像処理し、該第１の位置検出マークと第２の位置検出マーク間の相対的な位置ずれを測定する工程を利用してデバイスを製造していることを特徴とするデバイスの製造方法。
- 請求項１から８のいずれか１項の露光方法を用いて感光性の基板にマスク上のパターンを転写していることを特徴とする露光装置。
- 請求項１から８のいずれか１項の露光方法を用いてマスク面上のパターンをウエハ面上に露光した後、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造していることを特徴とするデバイスの製造方法。
- 請求項１１の露光装置を用いてマスク面上のパターンをウエハ面上に露光した後、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造していることを特徴とするデバイスの製造方法。
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