JPH0831734A

JPH0831734A - 半導体露光装置及び多重結像露光法の最適化法

Info

Publication number: JPH0831734A
Application number: JP18896894A
Authority: JP
Inventors: Masaya Uematsu; 政也植松
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-07-19
Filing date: 1994-07-19
Publication date: 1996-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】ＦＬＥＸステッΔＺの最適値を自動的に求め得
る多重結像露光法の最適化法を提供する。【構成】多重結像露光法の最適化法は、（イ）投影光学
系から基板ステージ上に配置されたフォトクロミック材
料までの距離初期値をＺ₀とし、投影光学系からかかる
フォトクロミック材料までの距離ＺをＺ₀＋ΔＺ×ｉ
（但し、ｉ＝０，１，２，・・，Ｋ）に変えて、レチク
ルのパターン光学像をフォトクロミック材料に（Ｋ＋
１）回結像させる多重結像露光法によってフォトクロミ
ック材料へパターンの潜像を形成する工程を、ΔＺの値
を一定として、距離初期値Ｚ₀の値を変化させてＭ回繰
り返し、Ｍ個のパターン潜像を形成し、（ロ）前記
（イ）の工程をΔＺを変えてＮ回繰り返し、Ｍ×（Ｎ＋
１）個のパターン潜像を形成し、（ハ）Ｍ×（Ｎ＋１）
個のパターン潜像を光学的に観察し、その結果に基づき
最適なΔＺの値を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大きな焦点深度を付与
するための所謂多重結像露光法（ＦＬＥＸ法、Focus La
titude Enhancement Exposure法）を最適化する機構、
より詳しくは、多重結像露光法におけるＦＬＥＸステッ
プを自動的に最適化する機構を有する半導体露光装置、
並びにかかる半導体露光装置を用いた多重結像露光法の
最適化法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体露光装置においては、レジストの
露光に用いる光の波長をλ、レンズの開口数をＮＡとし
たとき、解像度及び焦点深度ＤＯＦは、以下の式で表わ
される。解像度＝ｋ₁λ／ＮＡ式（１）ＤＯＦ＝ｋ₂λ／ＮＡ² 式（２）ここでｋ₁、ｋ₂は半導体露光装置に依存した定数であ
る。

【０００３】従来の半導体露光装置においては、半導体
集積回路の集積度を高めるために、式（１）から明らか
なように、短波長の露光光源を使用する必要がある。こ
の露光光源として、例えば超高圧水銀アークランプやエ
キシマ・レーザを挙げることができる。

【０００４】従来の露光光源においては、射出される露
光光の波長は一定であり、単焦点であるため、波長λが
短くなるに従い、式（２）にて求められる焦点深度が十
分でなくなっている。そのため、段差を有するような領
域（例えば、コンタクトホール部）上のレジストにパタ
ーンを焼き付ける場合、十分な解像度を得ることが困難
になりつつある。

【０００５】このような焦点深度の問題を解決するため
の一手段に多重結像露光法がある。この多重結像露光法
の概要を、以下、簡単に説明する。通常、レチクルに形
成されたパターンを縮小投影光学系（縮小投影レンズ
等）を用いて、ウエハステージに載置されたウエハ上に
形成されたレジストに転写する。この際、多重結像露光
法においては、ウエハ上に形成されたレジストと縮小投
影光学系との間の距離を変えて、最低２回露光を行う。
ウエハ上に形成されたレジストと縮小投影光学系との間
の距離（ｚ）は、ウエハステージをＺ軸方向に移動させ
ることで変化させることができる。

【０００６】このような多重結像露光法によって得られ
るレジストの厚さ方向の光強度分布を模式的に図１４及
び図１５に示す。ウエハ上に形成されたレジストと縮小
投影光学系との間の距離がｚの場合の露光によって、図
１４の左側の（ａ）のような光強度分布が得られる。ま
た、ウエハ上に形成されたレジストと縮小投影光学系と
の間の距離をｚ−ΔＺ（あるいはｚ＋ΔＺ）に変化させ
て露光することによって、図１４の中央の（ｂ）のよう
な光強度分布が得られる。尚、多重結像露光法におい
て、このように、ウエハ上に形成されたレジストと縮小
投影光学系との間の距離を各露光毎に変化させるが、こ
のような距離の変化量をＦＬＥＸステップと呼び、以
下、ΔＺで示す。

【０００７】このような２回の露光の結果、図１４の右
側の（ｃ）に示すような、レジストの厚さ方向の光強度
分布を得ることができる。図１４の（ｃ）に示した光強
度分布のピークを結んだ光強度分布を図１５の（Ａ）に
示す。このような最低２回の露光を行うことによって、
通常の１回の露光と比較して光強度のピークコントラス
トは低下するものの、焦点深度ＤＯＦの値を大きくする
ことが可能になる。尚、露光回数は２回に限定されず、
最適焦点深度及びピークコントラストを得るように、適
宜変更することができる。尚、ｋ回の露光の場合には、
ウエハ上に形成されたレジストと縮小投影光学系との間
の距離を、例えば、ｚ、ｚ＋ΔＺ、ｚ＋２ΔＺ、・・
・、ｚ＋ｋΔＺに変化させる。

【０００８】このような多重結像露光法は焦点深度の値
を大きくする効果的な方法である。そして、ＦＬＥＸス
テップΔＺの値を最適化することが重要である。もしも
ＦＬＥＸステップΔＺの値が大きすぎると、図１５の
（Ｂ）に示すように、ベストフォーカス付近におけるコ
ントラストが低下する。一方、ＦＬＥＸステップΔＺの
値が小さすぎると、図１５の（Ｃ）に示すように、焦点
深度ＤＯＦが狭くなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】多重結像露光法を採用
する上での問題点は、レジストに形成すべきパターンサ
イズ及びパターン密度に依存して、ＦＬＥＸステップΔ
Ｚの最適値が変化する点にある。パターンサイズ０．４
μｍ、パターン密度１：２において、ＦＬＥＸステップ
ΔＺを種々変化させて露光したときのベストフォーカス
からの距離のずれと露光されたレジストにおけるパター
ンサイズの関係を、図１６に示す。また、パターンサイ
ズ０．３２μｍ、パターン密度１：２、及び、パターン
サイズ０．３２μｍ、パターン密度１：１．７における
同様の関係を図１７及び図１８に示す。更に、図１６〜
図１８から求めた、それぞれの条件におけるＦＬＥＸス
テップΔＺの最適値を下表に示す。尚、パターンサイズ
とは、ウエハ上に形成されたレジストに形成されるパタ
ーンの大きさ（幅）を意味し、パターン密度とは、レジ
ストに形成されたパターンの大きさ（幅）と、パターン
とパターンとの間のスペースの大きさ（幅）の比を意味
する。

【００１０】パターンサイズパターン密度ＦＬＥＸステップΔＺの最適値０．４μｍ１：２２．４μｍ０．３２μｍ１：２１．８μｍ０．３２μｍ１：１．７２．４μｍ

【００１１】上記の表からも明らかなように、パターン
サイズ及びパターン密度が変化すると、ＦＬＥＸステッ
プΔＺの最適値も変化する。従って、従来の技術におい
ては、パターンサイズ及びパターン密度が変化する度
に、ＦＬＥＸステップΔＺの値を変化させて、実際にパ
ターンをウエハ上に形成されたレジストに焼き付け、か
かる焼き付けられたパターンの測長を例えば測長ＳＥＭ
を用いて行い、ＦＬＥＸステップΔＺの最適値を求める
といった煩雑な作業を行わなければならなかった。

【００１２】従って、本発明の目的は、大きな焦点深度
を付与するための所謂多重結像露光法の最適化を行うの
に適した、ＦＬＥＸステッΔＺの最適値を自動的に求め
得る一種の自己診断機構を有する半導体露光装置、並び
にかかる半導体露光装置を用いた多重結像露光法の最適
化法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の半導体露光装置は、（イ）投影光学系用光
源と、（ロ）投影光学系用光源からの光をレチクルに照
射することによって得られる光学像を基板に結像させる
ための投影光学系と、（ハ）基板を載置する基板ステー
ジと、（ニ）基板ステージ上に配置されたフォトクロミ
ック材料、（ホ）投影光学系用光源からの光をレチクル
に照射することによって得られたフォトクロミック材料
に形成されたパターン潜像を光学的に観察するための潜
像検出系、を具備したことを特徴とする。

【００１４】本発明の半導体露光装置においては、投影
光学系用光源は、レーザ光源、並びにこのレーザ光源か
ら射出された光が入射されそしてこの光の第２高調波に
基づいた波長を有する光を射出する第２高調波発生装置
から成り、レーザ光源は、潜像検出系用光源及びパター
ン潜像を消色するための消色用光源を兼ねていることが
好ましい。この場合、レーザ光源は、レーザダイオー
ド、Ｎｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質及び非線形光
学結晶素子から構成されたＬＤ励起固体レーザから成
り、非線形光学結晶素子から射出された光を潜像検出系
用光源及び消色用光源として用いることができる。ある
いは又、レーザ光源は、レーザダイオード、Ｎｄ：ＹＡ
Ｇから成る固体レーザ媒質及び非線形光学結晶素子から
構成されたＬＤ励起固体レーザから成り、レーザダイオ
ードから射出された光を潜像検出系用光源及び消色用光
源として用いることができる。

【００１５】あるいは又、本発明の半導体露光装置にお
いては、投影光学系用光源は、レーザ光源、並びにこの
レーザ光源から射出された光が入射されそしてこの光の
第２高調波に基づいた波長を有する光を射出する第２高
調波発生装置から成り、第２高調波発生装置から射出さ
れた光から長波長成分を有する光を分光するバンドパス
フィルターを更に備え、かかる長波長成分を有する光を
潜像検出系用光源及び消色用光源として用いることが好
ましい。

【００１６】本発明の半導体露光装置においては、潜像
検出系と、オフアクシス・アライメント検出系とを兼用
させることができる。この場合、投影光学系用光源から
の光をオフアクシス・アライメント検出系を通してフォ
トクロミック材料に照射することが望ましい。

【００１７】上記の目的を達成するための本発明の多重
結像露光法の最適化法は、（イ）投影光学系から基板ス
テージ上に配置されたフォトクロミック材料までの距離
初期値をＺ₀とし、投影光学系から基板ステージ上に配
置されたフォトクロミック材料までの距離ＺをＺ₀＋Δ
Ｚ×ｉ（但し、ｉ＝０，１，２，・・・，Ｋ）に順次変
えて、パターンが形成されたレチクルに投影光学系用光
源からの光を照射して得られたパターン光学像を投影光
学系を介してフォトクロミック材料に（Ｋ＋１）回結像
させる多重結像露光法によってフォトクロミック材料へ
パターンの潜像を形成する工程を、ΔＺの値を一定とし
て、距離初期値Ｚ₀の値を変化させてＭ回繰り返し、Ｚ
の値が異なるＭ個のパターン潜像を形成し、（ロ）前記
工程（イ）を、ΔＺの値を変えてＮ回繰り返し、最終的
にＭ×（Ｎ＋１）個のパターン潜像を形成し、（ハ）得
られたパターン潜像を光学的に観察し、（ニ）このパタ
ーン潜像観察結果に基づき最適なΔＺの値を求める、各
工程から成ることを特徴とする。

【００１８】本発明の多重結像露光法の最適化法におい
ては、フォトクロミック材料に形成されたパターン潜像
に消色用光源からの光を照射することによってパターン
潜像を消色する工程を更に含むことができる。また、パ
ターン潜像の光学的な観察はパターン潜像のコントラス
トの測定から成り、オフアクシス・アライメント検出系
を用いて行うことができる。

【００１９】

【作用】本発明においては、投影光学系用光源からの光
をレチクルに照射することによって得られるフォトクロ
ミック材料に形成されたパターン潜像を光学的に観察す
ることによって、ＦＬＥＸステッΔＺの最適値を自動的
に求めることができる。それ故、レチクルの交換等によ
ってレジストに形成すべきパターンサイズ及びパターン
密度が変化した場合でも、従来技術のような時間、労
力、費用を費やすことなく、容易に且つ短時間で多重結
像露光法におけるＦＬＥＸステップΔＺの最適化を図る
ことができる。また、パターン潜像が形成されたフォト
クロミック材料を消色することによって、多重結像露光
法の最適化法を繰り返し実行することができる。尚、本
発明の半導体露光装置の好ましい態様においては、投影
光学系用光源が潜像検出系用光源や消色用光源を兼ねて
いるので、半導体露光装置の構造を簡素化することがで
きる。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明を説明する。

【００２１】（実施例１）実施例１の半導体露光装置
は、図１、図２、図３及び図９に概念図を示すように、
投影光学系用光源１０，２０と、投影光学系用光源１
０，２０からの光をレチクル６１に照射することによっ
て得られる光学像を基板６４に結像させるための投影光
学系６２と、基板６４を載置する基板ステージ６６とを
具備している。更に、基板ステージ６６上に配置された
フォトクロミック材料７０と、投影光学系用光源からの
光をレチクル６１に照射することによって得られた、フ
ォトクロミック材料７０に形成されたパターン潜像を光
学的に観察するための潜像検出系を具備している。尚、
実施例１においては、更に、フォトクロミック材料７０
に形成されたパターン潜像を消色するための消色用光源
が備えられており、投影光学系用光源が、潜像検出系用
光源及び消色用光源を兼ねている。また、パターン潜像
を光学的に観察するための（具体的にはパターン潜像の
コントラストを測定するための）潜像検出系は、オフア
クシス・アライメント検出系を兼用している。

【００２２】フォトクロミック材料７０に形成されるパ
ターン潜像は、例えば回路パターンの一部から成る。そ
して、図１に示すように、投影光学系用光源１０，２０
からの光を回路パターンが形成されたレチクル６１の一
部分に照射して得られた回路パターン光学像を投影光学
系６２によってフォトクロミック材料７０に結像させ
る。これによって、フォトクロミック材料７０にパター
ン潜像を形成することができる。尚、レチクル６１にテ
スト用パターンを形成しておいてもよい。パターン潜像
の形成に関しては後述する。

【００２３】フォトクロミック材料７０は、例えばスピ
ロピラン系材料から成り、基板チャック６７の近傍の基
板ステージ６６の表面に蒸着法若しくはスパッタ法にて
形成することができる。フォトクロミック材料７０の表
面をＰＶＡあるいはガラス板にて被覆し、フォトクロミ
ック材料７０を保護することが望ましい。

【００２４】投影光学系用光源は、図１１に模式図を示
すように、例えば、レーザ光源１０、並びにこのレーザ
光源１０から射出された光が入射されそしてこの入射光
の第２高調波に基づいた波長を有する光を射出する第２
高調波発生装置２０から成る。レーザ光源１０は、レー
ザダイオード１１、Ｎｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒
質１２及び非線形光学結晶素子１３から構成されたＬＤ
励起固体レーザから成る。また、第２高調波発生装置２
０は、非線形光学結晶素子２１、光共振器２２及び共振
器長制御装置３０から成る。これらのレーザ光源１０、
第２高調波発生装置２０及び共振器長制御装置３０の詳
細については後述する。

【００２５】実施例１においては、投影光学系用光源を
構成するレーザ光源１０が、潜像検出系用光源及び消色
用光源を兼ねており、レーザ光源１０（より具体的に
は、非線形光学結晶素子１３）から射出された光が、パ
ターン潜像の光学的な観察並びにフォトクロミック材料
７０の消色のために用いられる。レーザ光源１０は、更
に、オフアクシス・アライメント検出系光源をも兼ねて
いる。

【００２６】潜像検出系を兼用しているオフアクシス・
アライメント検出系は、図１０に示すように、アライメ
ント顕微鏡４０、０次の回析光を検出する第１の光検出
器４１、±１次の回析光を検出する第２の光検出器４
２、基板６４に形成されたアライメントマーク６５で反
射された０次の回析光を第１の光検出器４１に入射させ
るためのハーフミラー４３、光検出器４１，４２からの
信号出力を処理する信号処理装置４４から構成されてい
る。アライメント顕微鏡４０は、小さな開口数ＮＡを有
する通常の光学顕微鏡である。オフアクシス・アライメ
ント検出系用の照明光は、レーザ光源１０（具体的に
は、非線形光学結晶素子１３）から射出された光を光路
分割手段５０で分割することによって得ることができ
る。

【００２７】尚、オフアクシス・アライメント検出系に
は、例えば多面回転ミラー（ポリゴンミラー）（図示せ
ず）が設けられており、光路分割手段５０から分割され
た光がスキャンされるようになっている。即ち、レーザ
光源１０から射出されそして光路分割手段５０にて分割
されたオフアクシス・アライメント検出系用の照明光
は、多面回転ミラーを介して、ハーフミラー４３、アラ
イメント顕微鏡４０を通過し、レジスト６３及びアライ
メントマーク６５が形成された基板６４を一定速度で照
射・スキャンする。アライメントマーク６５で回析、散
乱、屈折反射した光を、第１及び第２の光検出器４１，
４２で検出する。

【００２８】フォトクロミック材料７０には、多重結像
露光法の最適化法におけるパターン潜像形成工程（詳細
は後述する）において、パターン潜像が形成される。ま
た、実施例１の半導体露光装置においては、図２及び図
３に示すように、レーザ光源１０（より具体的には、非
線形光学結晶素子１３）から射出された光によって、フ
ォトクロミック材料７０に形成されたパターン潜像を光
学的に観察し、あるいはパターン潜像を消色する。具体
的には、図２及び図３に示すように、レーザ光源１０か
ら射出され、ビームスプリッターあるいはハーフミラー
５０、ハーフミラー４３、アライメント顕微鏡４０を透
過した光によって、基板ステージ６６上に配置されたフ
ォトクロミック材料７０を照射し、これによって、フォ
トクロミック材料７０に形成されたパターン潜像を光学
的に観察し、あるいはパターン潜像を消色する。

【００２９】以下、図１、図２及び図４を参照して、本
発明の多重結像露光法の最適化法、より具体的には多重
結像露光法におけるＦＬＥＸステップΔＺの最適化法に
ついて説明する。尚、このＦＬＥＸステップΔＺの最適
化法のフロー図を図６に示す。

【００３０】［パターン潜像形成工程−１］先ず、図１
に示すように、投影光学系６２から基板ステージ６６上
に配置されたフォトクロミック材料７０までの距離初期
値をＺ₀とする。そして、投影光学系６２から基板ステ
ージ６６上に配置されたフォトクロミック材料７０まで
の距離ＺをＺ₀＋ΔＺ×ｉ（但し、ｉ＝０，１，２，・
・・，Ｋ）に順次変えて、パターンが形成されたレチク
ル６１に投影光学系用光源１０，２０からの光を照射す
る。これによって得られたパターン光学像を投影光学系
６２を介してフォトクロミック材料に（Ｋ＋１）回結像
させる多重結像露光法によって、フォトクロミック材料
７０へパターンの潜像を形成する。このようなパターン
潜像形成工程を、ΔＺの値を一定として、距離初期値Ｚ
₀の値を変化させてＭ回繰り返し、Ｚの値が異なるＭ個
のパターン潜像を形成する。ここで、ΔＺがＦＬＥＸス
テップである。距離Ｚの変更は、基板ステージ６６をＺ
軸方向に移動させることで行うことができる。

【００３１】実施例１においては、Ｋ＝１、Ｍ＝２１と
した。即ち、投影光学系６２から基板ステージ６６上に
配置されたフォトクロミック材料７０までの距離Ｚを、
Ｚ₀及びＺ₀＋ΔＺに順次変えて、フォトクロミック材料
に（Ｋ＋１）＝２回、パターン光学像を結像させて、フ
ォトクロミック材料７０へパターン潜像を形成する。そ
して、ΔＺの値を一定（例えばΔＺ＝２．０μｍ）とし
て、距離初期値Ｚ₀の値を例えば０．２μｍ刻みで変化
させて、上記のパターン潜像形成工程をＭ＝２１回繰り
返し、Ｚの値が異なるＭ＝２１個のパターン潜像を形成
した。尚、この際、基板ステージ６６を（Ｘ，Ｙ）方向
に適宜移動して、フォトクロミック材料７０におけるパ
ターン潜像形成位置を変えた。

【００３２】フォトクロミック材料７０に投影光学系用
光源からの光を照射してパターン潜像を形成すると、図
４に模式的に示すように、パターン潜像が形成された部
分のフォトクロミック材料７０の光吸収特性は、短波長
領域に吸収ピークを有する特性（図４に（ａ）で示す）
から、長波長領域に吸収ピークを有する特性（図４に
（ｂ）で示す）に変化する。

【００３３】［パターン潜像形成工程−２］次に、［パ
ターン潜像形成工程−１］を、ΔＺを０．２μｍ刻みで
変えてＮ回（実施例１においては、Ｎ＝２）繰り返し、
最終的にＭ×（Ｎ＋１）個＝６３個のパターン潜像を形
成した。尚、［パターン潜像形成工程−１］の繰り返し
の際、距離初期値Ｚ₀の値や変化量は常に同じでなくと
もよいし、ＭやＫの値を代えてもよい。

【００３４】［パターン潜像のコントラスト測定工程］
次に、得られたＭ×（Ｎ＋１）個のパターン潜像の光学
的な観察を行う。具体的には、潜像検出系を兼用するオ
フアクシス・アライメント検出系を用いて、パターン潜
像のコントラストの測定を行う（図２参照）。そのため
に、先ず、フォトクロミック材料７０に形成されたパタ
ーン潜像がアライメント顕微鏡４０の直下に位置するよ
うに、基板ステージ６６を移動させる。そして、フォト
クロミック材料７０に形成されたパターン潜像のコント
ラストをオフアクシス・アライメント検出系を用いて測
定する。即ち、レーザ光源１０から射出されそして光路
分割手段５０にて分割され、多面回転ミラーを介して、
ハーフミラー４３及びアライメント顕微鏡４０を通過し
た光（この光は、オフアクシス・アライメント検出系の
照明光と同等である）で、フォトクロミック材料７０の
パターン潜像を照射・スキャンする。パターン潜像が形
成されたフォトクロミック材料７０の領域にて反射され
た光は、アライメント顕微鏡４０及びハーフミラー４３
を経由して、ＣＣＤカメラから成る第１の光検出器４１
に入射する。

【００３５】第１の光検出器４１からの信号出力は信号
処理装置４４によって信号処理され、図４に（ｂ）にて
示したフォトクロミック材料７０の光吸収曲線、即ちコ
ントラストを得ることができる。

【００３６】例えば基板ステージ６６をＺ方向に移動さ
せることによってアライメント顕微鏡４０からフォトク
ロミック材料７０までの距離を変えて、各パターン潜像
に対して、最もシャープなコントラスト（最も高いピー
クを有する吸収曲線及び／又は最も狭い半値幅を有する
吸収曲線）を有するフォトクロミック材料７０の潜像が
得られたときのコントラスト値（ピーク値）を決定す
る。このような操作を各パターン潜像に対して実行す
る。そして、ΔＺの値毎に、投影光学系６２から基板ス
テージ６６上に配置されたフォトクロミック材料７０ま
での距離Ｚをパラメータとして、コントラスト値（ピー
ク値）を結び、コントラストカーブを得る。このような
コントラストカーブを模式的に図５に示す。実施例１に
おいては、Ｎ＝２としたので、合計３本のコントラスト
カーブを得る。尚、このようなコントラストカーブの作
成は小型コンピュータを用いて容易に行うことができ
る。

【００３７】［最適ＦＬＥＸステップΔＺの算出工程］
その後、パターン潜像の光学的な観察結果（具体的に
は、パターン潜像のコントラスト測定結果）に基づき、
多重結像露光法におけるＦＬＥＸステップΔＺの最適値
を求める。

【００３８】例えば、図５の曲線（ｃ）に示すコントラ
ストカーブは、ＦＬＥＸステップΔＺの値が大きすぎる
ために、凹部が生じ、ピークが２つ存在する。従って、
ベストフォーカス付近におけるコントラストが低下して
しまい、このようなコントラストカーブを得たときのＦ
ＬＥＸステップΔＺの値は最適値ではない。図５の曲線
（ａ）に示すコントラストカーブは、ＦＬＥＸステップ
ΔＺの値が小さすぎるために、平坦部が狭い。即ち、焦
点深度ＤＯＦの値が小さい。従って、このようなコント
ラストカーブを得たときのＦＬＥＸステップΔＺの値も
最適値ではない。一方、図５の曲線（ｂ）に示すコント
ラストカーブは、ＦＬＥＸステップΔＺの値が最適であ
り、平坦部が広く、しかも凹部は存在しない。即ち、焦
点深度ＤＯＦの値が大きく、しかもコントラストカーブ
が広い焦点深度領域に亙って平坦である。従って、この
ようなコントラストカーブを得たときのＦＬＥＸステッ
プΔＺの値が最適値である。このようにして、ＦＬＥＸ
ステップΔＺの最適値を決定する。

【００３９】［パターン潜像消色工程］以上の操作で、
多重結像露光法の最適化が行われる。即ち、具体的に
は、ＦＬＥＸステップΔＺの最適値が求まる。その後、
フォトクロミック材料７０に形成されたパターン潜像に
消色用光源からの光を照射することによってパターン潜
像を消色することが望ましい。実施例１の半導体露光装
置においては、図３に示すように、消色用光源を兼ねた
レーザ光源１０（より具体的には、非線形光学結晶素子
１３）から射出された光を用いて、フォトクロミック材
料７０に形成されたパターン潜像を消色する。

【００４０】即ち、レーザ光源１０から射出され、ビー
ムスプリッターあるいはハーフミラー５０、ハーフミラ
ー４３、アライメント顕微鏡４０を通過した光で、基板
ステージ６６上に配置されたフォトクロミック材料７０
を照射する。［パターン潜像のコントラスト測定工程］
において、フォトクロミック材料７０に形成されたパタ
ーン潜像のコントラストを測定する場合には、フォトク
ロミック材料７０へのレーザ光源１０からの光の照射時
間を短時間にする。こうすることによって、フォトクロ
ミック材料７０に形成されたパターン潜像が消色される
ことを防ぎ得る。フォトクロミック材料７０に形成され
たパターン潜像を消色する場合には、フォトクロミック
材料７０をレーザ光源１０からの光に長時間晒せばよ
い。

【００４１】以下、参考のために、レジスト露光工程及
びオフアクシス・アライメント方式によるアライメント
操作について、簡単に説明する。

【００４２】レジスト露光工程においては、図９に示す
ように、レーザ光源１０から射出された光は第２高調波
発生装置２０に入射される。第２高調波発生装置２０
は、この入射光の第２高調波に基づいた波長を有する光
を射出する。第２高調波発生装置２０から射出された光
は、レチクル６１を照射し、レチクル６１に形成された
回路パターン等を投影光学系（例えば、縮小投影レン
ズ）６２を介して基板６４上に形成されたレジスト６３
に転写する。レチクル６１に形成されたパターンは、レ
ジスト６３上に形成すべきパターンが例えば５倍に拡大
されたものである。投影光学系６２は、入射した光を透
過し、例えば１／５に縮小した光学像を基板６４に形成
されたレジスト６３に投影する。これによって、レジス
ト６３には微細な回路パターン等が形成される。尚、基
板６４は基板ステージ６６に載置されている。

【００４３】レジスト露光工程においては、［最適ＦＬ
ＥＸステップΔＺの算出工程］にて求めたＦＬＥＸステ
ップΔＺの最適値を用いた多重結像露光法によって、レ
ジストを露光する。即ち、基板６４上に形成されたレジ
スト６３と縮小投影光学系６２との間の距離をｚとし
て、レチクル６１に形成された回路パターン等をレジス
ト６３に焼き付ける。次に、基板６４上に形成されたレ
ジスト６３と縮小投影光学系６２との間の距離をｚ−Δ
Ｚ×ｉ（あるいはｚ＋ΔＺ×ｉ）（但し、ｉ＝１，２，
・・・ｋ）に順次変えて、レジスト露光を行う。これを
ｋ回繰り返す。

【００４４】オフアクシス・アライメント方式によるア
ライメント操作においては、図１０に示すように、レー
ザ光源１０から射出したオフアクシス・アライメント検
出系用の照明光によって、アライメントマーク６５を照
射する。そして、アライメントマーク６５で回析、散
乱、屈折反射した光を、第１及び第２の光検出器４１，
４２で検出する。

【００４５】この場合、０次の回析光を受光した第１の
光検出器４１からの出力信号を信号処理装置４４で信号
処理することによって、明視野像を得ることができる。
この明視野像をＣＲＴにて観察する。明視野像は、信号
の重ね合わせ処理を行うことによって得ることができ、
信号出力の平均化効果により再現性の良い像を得ること
ができるが、アライメントマーク検出分解能は低い。基
板６４に形成されたグレーティングから成るアライメン
トマーク６５からの±１次の回析光を受光した第２の光
検出器４２からの出力信号を信号処理装置４４で信号処
理することによって、暗視野像を得ることができる。明
視野像と比較して、この暗視野像はアライメントマーク
検出分解能は高いが、像の再現性が低い。回析角がアラ
イメントマーク６５の形状等に大きく依存するからであ
る。図１０に、基板に形成されたアライメントマーク６
５が観察されたときの第１及び第２の光検出器４１，４
２からの信号出力を模式的に示した。明視野像及び暗視
野像を組み合わせることによって、アライメントマーク
６５の位置を高い精度で検出することができる。

【００４６】このように、潜像検出系用光源、消色用光
源及びオフアクシス・アライメント検出系用の光源をレ
ーザ光源１０が兼ねることによって、従来の半導体露光
装置において用いられているＨｅ−Ｎｅレーザ等から成
る独立したオフアクシス・アライメント検出系用光源が
不要となり、あるいは独立した潜像検出系用光源や消色
用光源が不要となり、半導体露光装置の製造コストや保
守コストの低減を図ることができる。尚、レーザ光源１
０から射出される光は干渉性が強いので、オフアクシス
・アライメント検出系のアライメントマーク検出分解能
を向上させることができる。

【００４７】（実施例２）実施例２は、実施例１の変形
である。レーザ光源１０を、レーザダイオード１１、Ｎ
ｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質１２及び非線形光学
結晶素子１３から成るＬＤ励起固体レーザから構成する
点は、実施例１と同様である。実施例１においては、非
線形光学結晶素子１３から射出された光を、潜像検出系
用光源及び消色用光源として用いた。これに対して、実
施例２においては、図７に概念図を示すように、レーザ
ダイオード１１から射出された光を、潜像検出系用光源
及び消色用光源として用いる。この点が実施例１と相違
する。即ち、レーザ光源１０を構成するレーザダイオー
ド１１から射出され、ビームスプリッターあるいはハー
フミラー５０を介して、ハーフミラー４３、アライメン
ト顕微鏡４０を通過した光で、基板ステージ６６上に配
置されたフォトクロミック材料７０を照射し、パターン
潜像の光学的観察あるいは消色を行う。その他の半導体
露光装置の構造及び多重結像露光法の最適化法は、実施
例１と同様とすることができるので、詳細な説明は省略
する。尚、レーザダイオード１１から射出された光を、
オフアクシス・アライメント検出系用の照明光として用
いることもできる。

【００４８】（実施例３）実施例３における投影光学系
用光源は、実施例１あるいは実施例２と同様に、レーザ
光源１０、並びにこのレーザ光源から射出された光が入
射されそしてこの入射光の第２高調波に基づいた波長を
有する光を射出する第２高調波発生装置２０から成る。
実施例３が実施例１若しくは実施例２と相違する点は、
図８に概念図を示すように、（Ａ）半導体露光装置が第
２高調波発生装置から射出された光から長波長成分を有
する光を分光するバンドパスフィルター８０を備えてい
る点、及び、（Ｂ）かかる長波長成分を有する光を、潜
像検出系用光源及び消色用光源として用いる点にある。

【００４９】第２高調波発生装置２０から射出される光
には、レーザ光源１０から射出された光の波長（長波長
成分）を有する光が混在している。実施例３において
は、かかる長波長成分を有する光をバンドパスフィルタ
ー８０によって分光する。そして、こうして得られた光
を、フォトクロミック材料７０に形成されたパターン潜
像の観察用（コントラスト測定用）あるいは消色用とし
て用いる。即ち、第２高調波発生装置２０から射出さ
れ、バンドパスフィルター８０を介して、ハーフミラー
４３、アライメント顕微鏡４０を通過した光で、基板ス
テージ６６上に配置されたフォトクロミック材料７０を
照射する。その他の半導体露光装置の構造及び多重結像
露光法の最適化法は、実施例１と同様とすることができ
るので、詳細な説明は省略する。尚、バンドパスフィル
ター８０によって得られた長波長成分を有する光を、オ
フアクシス・アライメント検出系用の照明光として用い
ることもできる。

【００５０】以上、各実施例にて説明した投影光学系用
光源としての使用に適したレーザ光源１０及び第２高調
波発生装置２０を、図１１、図１２及び図１３を参照し
て、以下、説明する。

【００５１】図１１に示すように、レーザ光源１０は、
レーザダイオード１１、Ｎｄ：ＹＡＧから成る固体レー
ザ媒質１２、非線形光学結晶素子１３から構成された、
第２高調波を射出し得るＬＤ励起固体レーザから成る。
また、第２高調波発生装置２０は、非線形光学結晶素子
２１及び光共振器２２から成る。第２高調波発生装置２
０には、光共振器２２の共振器長を制御するための共振
器長制御装置３０が更に備えられている。

【００５２】実施例１及び実施例２においては、レーザ
光源１０から射出された光は、光路分割手段５０によっ
て分割され、多重結像露光法の最適化法の実行時及びア
ライメント操作時にはオフアクシス・アライメント検出
系に送られ、一方、レジスト露光時には、第２高調波発
生装置２０を構成する光共振器２２に入射する。第２高
調波発生装置２０は、光共振器２２に入射された光の第
２高調波に基づいた波長を有する光（固体レーザ媒質が
生成するレーザ光を基準とした場合、第４高調波）を射
出する。実施例３においては、第２高調波発生装置２０
から射出された光は、バンドパスフィルター８０によっ
て分光され、多重結像露光法の最適化法の実行時及びア
ライメント操作時にはオフアクシス・アライメント検出
系に送られ、一方、レジスト露光時には、レチクル６１
へと送られる。尚、図１１には、実施例１での使用に適
した投影光学系用光源を図示した。

【００５３】図１１に示すように、レーザ光源１０は、
例えば、複数のレーザダイオード１１（射出光の波長：
８０８ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質１
２（射出光の波長：１０６４ｎｍ）、及びＫＴＰ（ＫＴ
ｉＯＰＯ₄）から成る非線形光学結晶素子１３から構成
されている。固体レーザ媒質１２は、端面励起方式であ
る。このような構成により、レーザ光源１０からは、Ｎ
ｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質の第２高調波である
５３２ｎｍの光が射出される。レーザ光源１０には、Ｎ
ｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質１２の前方に１／４
波長板１４が配置されている。これによって、レーザ光
源において、所謂ホールバーニング効果による多モード
発振を抑制することができる。

【００５４】非線形光学結晶素子１３は、平面鏡１５及
び凹面鏡１６から成る光共振器の光路内に配置されてお
り、所謂外部ＳＨＧ方式（レーザ発振器の外部に構成し
た光共振器中に配置する方式）を構成する。平面鏡１５
は光の殆どを反射する。また、凹面鏡１６はＮｄ：ＹＡ
Ｇから成る固体レーザ媒質の第２高調波の殆どを透過
し、その他の波長を有する光を殆ど反射する。凹面鏡１
６は、例えばダイクロイックミラーで構成することがで
きる。

【００５５】図１１に示すように、第２高調波発生装置
２０は、例えばＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）から成る非線
形光学結晶素子２１及び光共振器２２から構成されてい
る。第２高調波発生装置２０を構成する非線形光学結晶
素子２１は、光共振器２２の光路内に配置されている。
即ち、第２高調波発生装置２０は、所謂外部ＳＨＧ方式
である。この光共振器２２においては、所謂フィネス値
（共振のＱ値に相当する）を例えば１００〜１０００程
度と大きくして、光共振器２２内部の光密度を、光共振
器２２に入射される光の光密度の数百倍とすることによ
って、光共振器２２内に配置された非線形光学結晶素子
２１の非線形効果を有効に利用することができる。

【００５６】光共振器２２は、一対の凹面鏡２３，２４
及び一対の平面鏡２５，２６から構成されている。第２
高調波発生装置２０に入射した光（例えば、５３２ｎｍ
の波長を有する光）は、第１の凹面鏡２３を透過し、非
線形光学結晶素子２１を透過して少なくとも一部が第２
高調波（例えば、波長２６６ｎｍの光）にされた後、第
２の凹面鏡２４によって反射され、次に、平面鏡２５，
２６によって反射され、更には、第１の凹面鏡２３によ
って反射される。このような状態において、第２の凹面
鏡２４に入射した光（例えば、波長２６６ｎｍの光）の
少なくとも一部が第２の凹面鏡２４を透過し、第２高調
波発生装置２０からレチクル６１に向かって射出され
る。また、平面鏡２６から第１の凹面鏡２３へと入射し
た光の一部分（例えば、波長５３２ｎｍの光）は、第１
の凹面鏡２３を透過し、後述する共振器長制御装置３０
へと入射する。尚、第１及び第２の凹面鏡２３，２４、
平面鏡２５，２６は、以上の説明のように光を反射・透
過させるように設計する。第２の凹面鏡２４は、例えば
ダイクロイックミラーで構成することができる。尚、実
施例３での使用に適した光共振器２２においては、光共
振器２２へ入射した光の一部を第２の凹面鏡２４から射
出させ得る構造とする。

【００５７】第２高調波発生装置２０から射出された光
の波長は、第２高調波発生装置２０に入射する光を基準
とすれば、かかる入射光の第２高調波である。即ち、第
２高調波発生装置２０に入射する入射光の波長は５３２
ｎｍであり、第２高調波発生装置２０から射出する光は
２６６ｎｍである。尚、Ｎｄ：ＹＡＧから成る固体レー
ザ媒質１２から射出されるレーザ光の波長（１０６４ｎ
ｍ）を基準とすれば、第２高調波発生装置２０から射出
される光は第４高調波に相当する。第２高調波発生装置
２０からは、波長２６６ｎｍの狭帯域を有するレーザ光
が連続的に射出され、かかる光のモード均一性は高い。
尚、第２高調波発生装置２０から射出された光には、５
３２ｎｍの波長を有する光も混在する。

【００５８】第２高調波発生装置２０には、更に、共振
器長制御装置３０が備えられている。光共振器２２の共
振器長（Ｌ）は、共振器長制御装置３０によって精密に
制御され一定長に保持される。この光共振器２２の共振
器長（Ｌ）を一定長に精密に保持することにより、第２
高調波発生装置２０から射出される射出光の強度を一定
に保持することができる。尚、共振器長（Ｌ）は、第１
の凹面鏡２３、第２の凹面鏡２４、平面鏡２５、平面鏡
２６、及び第１の凹面鏡２３のそれぞれの反射面を結ん
だ光路長に相当する。

【００５９】第２高調波発生装置２０から射出される射
出光（第２高調波発生装置２０に入射する入射光の第２
高調波）の波長をλとしたとき、光共振器２２の共振器
長Ｌ₀が、λ＝Ｌ₀／Ｎ（但し、Ｎは正数）を満足すると
き（ロック状態とも呼ぶ）、光共振器２２は共振し、第
２高調波発生装置２０は高強度の光を安定に射出する。
言い換えれば、光共振器２２における光路位相差Δが２
πの整数倍のとき、第２高調波発生装置２０を構成する
光共振器２２は共振状態となる。即ち、ロック状態とな
る。ここで、非線形光学結晶素子２１の屈折率をｎ、厚
さをｌとしたとき、光路位相差Δは（４πｎｌ／λ）で
表わすことができる。

【００６０】また、光共振器２２の共振器長Ｌ₀±ΔＬ₀
が、λ≠（Ｌ₀±ΔＬ₀）／Ｎ’（但し、Ｎ’は正数）の
とき（アンロック状態とも呼ぶ）、第２高調波発生装置
２０は低強度の光を射出する。言い換えれば、光共振器
２２における光路位相差Δが２πの整数倍からずれたと
き、第２高調波発生装置２０を構成する光共振器２２は
非共振状態となる。即ち、アンロック状態となる。

【００６１】従って、第２高調波発生装置２０から波長
λの光を安定に射出するためには、光共振器２２の共振
器長（Ｌ）の経時的な変動（具体的には、例えば、凹面
鏡２３，２４、平面鏡２５，２６の位置の変動）を出来
る限り小さくする必要がある。そこで、共振器長制御装
置３０の制御によって、第１の凹面鏡２３と第２の凹面
鏡２４とを結ぶ光軸上で、第１の凹面鏡２３を移動させ
たり、かかる光軸に対する第１の凹面鏡２３の配置角度
を変化させ、光共振器２２の共振器長（Ｌ）の経時的な
変動を抑制し、光共振器２２の共振器長（Ｌ）を一定に
保持する。

【００６２】共振器長制御装置３０は、本出願人が平成
４年３月２日付で特許出願した「レーザ光発生装置」
（特開平５−２４３６６１号）に詳述されている。

【００６３】この形式の共振器長制御装置３０は、図１
１に示すように、フォトダイオード等の光検出器３１、
ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）３２、ボイスコイルモー
タ制御回路（ＶＣＭ制御回路）３３、位相変調器３４か
ら構成される。位相変調器３４は、レーザ光源１０と第
２高調波発生装置２０との間の光路内に配置されてお
り、レーザ光源１０から射出された光を位相変調する所
謂ＥＯ（電気光学）素子やＡＯ（音響光学）素子から成
る。位相変調器３４と第２高調波発生装置２０との間に
は、集光レンズ３５が配置されている。ボイスコイルモ
ータ３２には、光共振器２２を構成する第１の凹面鏡２
３が取り付けられている。

【００６４】図１２に模式図を示すように、ボイスコイ
ルモータ３２は、磁性材料から成る基体３２０、１つ以
上の電磁石（所謂ボイスコイル）３２２、磁性体から成
るヨーク３２３、及び少なくとも１つのコイルバネ（あ
るいは渦巻き状の板バネ）３２１から構成された電磁ア
クチュエータである。コイルバネ３２１は、その一端が
基体３２０に取り付けられ、そして他端がヨーク３２３
に取り付けられている。また、ヨーク３２３には、第１
の凹面鏡２３及び電磁石３２２が取り付けられている。
電磁石３２２に電流を流すと、磁界が形成され、ヨーク
３２３と基体３２０との間の距離が変化する。その結
果、第１の凹面鏡２３の位置を移動させることができ
る。即ち、電磁石３２２に流す電流を制御することによ
って、光共振器２２の共振器長（Ｌ）を変化させること
ができる。ボイスコイルモータ３２に対して、サーボ制
御が行われる。

【００６５】ボイスコイルモータ３２の駆動電流は数十
〜数百ｍＡ程度である。従って、駆動回路構成を安価に
作製することができる。しかも、サーボループの複共振
の周波数を数十ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ以上とすることが
でき、位相回りの少ない周波数特性を有するため、サー
ボ帯域を数十ＭＨｚと広帯域化することができ、安定し
た制御を得ることができる。

【００６６】光共振器２２がロック状態にあるとき、例
えば第１の凹面鏡２３から射出され光検出器３１に到達
する光の強度が極小となり、また、かかる光の位相が大
きく変化する。このような変化を利用して光共振器の制
御を行うことが、例えば、R.W.P.Drever, et al. "Lase
r Phase and Frequency Stabilization Using an Optic
al Resonator", Applied Physics B31. 97-105(1983)に
開示されている。光共振器２２のロック状態の制御は、
基本的にはこの技術を応用している。

【００６７】即ち、例えば第１の凹面鏡２３を透過し、
光検出器３１に到達する光の強度が常に極小値（例えば
０）となるように、ＶＣＭ制御回路３３によってボイス
コイルモータ３２を駆動して第１の凹面鏡２３の位置を
変化させれば、光共振器２２のロック状態を安定して保
持することができる。言い換えれば、レーザ光源１０か
ら射出された光を位相変調信号に基づき位相変調を施し
て、第２高調波発生装置２０に入射させ、第２高調波発
生装置２０からの戻り光を光検出器３１によって検出す
ることで検出信号を得る。そして、かかる検出信号を、
位相変調信号にて同期検波し、誤差信号を取り出す。こ
の誤差信号が０となるようにＶＣＭ制御回路３３によっ
て、ボイスコイルモータ３２を駆動して第１の凹面鏡２
３の位置を変化させる。

【００６８】ＶＣＭ制御回路３３は、図１３に構成図を
示すように、例えば、発振器３３０、位相変調器駆動回
路３３１、同期検波回路３３２、ローパスフィルタ３３
３、及びボイスコイルモータ駆動回路（ＶＣＭ駆動回
路）３３４から構成されている。

【００６９】発振器３３０から出力された周波数ｆ
_m（例えば１０ＭＨｚ）の変調信号は、位相変調器駆動
回路３３１を介して位相変調器３４に送られる。位相変
調器３４においては、レーザ光源１０から射出された光
（周波数ｆ_O。１０¹⁴Ｈｚオーダー）に位相変調が施さ
れ、周波数ｆ_O±ｆ_mのサイドバンドが生成される。

【００７０】光共振器２２を構成する第１の凹面鏡２３
を通過して光共振器２２の系外に射出された光（周波
数：ｆ_O及びｆ_O±ｆ_m）は、光検出器３１によって検出
される。このような周波数（ｆ_O及びｆ_O±ｆ_m）を有す
る光の間のビートを検出するＦＭサイドバンド法によっ
て、極性を有する誤差信号を得ることができ、かかる誤
差信号に基づき光共振器２２の共振器長（Ｌ）を制御す
る。

【００７１】即ち、この光検出器３１から出力された信
号は、同期検波回路３３２に送られる。この信号は、周
波数ｆ_Oの光の強度信号と、周波数ｆ_mの変調信号に対応
する信号とが重畳された信号である。同期検波回路３３
２には、発振器３３０から出力された変調信号も（必要
に応じて波形整形や位相遅延等が施されて）供給され
る。光検出器３１から出力された信号と変調信号とは同
期検波回路３２２において乗算され、同期検波が行われ
る。同期検波回路３３２から出力された検波出力信号は
ローパスフィルタ３３３に入力され、ローパスフィルタ
３３３においてこの検波出力信号から変調信号成分を除
去することで、光共振器２２の共振器長の誤差信号が生
成される。ここで、誤差信号とは、光共振器２２の設定
共振器長（Ｌ₀）に対する測定共振器長（Ｌ₀±ΔＬ₀）
の差（±ΔＬ₀）を表わす信号である。

【００７２】この誤差信号はＶＣＭ駆動回路３３４に送
られ、かかる誤差信号に基づきボイスコイルモータ３２
が駆動され（具体的には、電磁石３２２に流れる電流を
制御し）、第１の凹面鏡２３を透過しそして光検出器３
１に到達する光が極小値となるように（言い換えれば、
光共振器２２の共振器長がＬ₀となり、誤差信号が０と
なるように）、光共振器２２の共振器長（Ｌ）が調整さ
れる。

【００７３】光共振器２２の共振器長（Ｌ）がＬ₀に設
定されている場合（即ち、ロック状態においては）、共
振器長制御装置３０の制御によって、光共振器２２の共
振器長（Ｌ）の経時的な変動を、第２高調波発生装置２
０に入射する光の波長の１／１０００〜１／１００００
に抑えることができる。

【００７４】以上、本発明を好ましい実施例に基づき説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。実施例にて説明した［パターン潜像形成工程−
１］、［パターン潜像形成工程−２］及び［パターン潜
像のコントラスト測定工程］の順序を以下のように変更
することも、本発明の多重結像露光法の最適化法に包含
される。（１）［パターン潜像形成工程−１］（２）［パターン潜像のコントラスト測定工程］（３）［パターン潜像形成工程−２］（４）［パターン潜像のコントラスト測定工程］（５）必要に応じて（３）及び（４）の繰り返し

【００７５】更には、［パターン潜像形成工程−１］に
て説明したパターン潜像形成工程の実行の後、直ちに
［パターン潜像のコントラスト測定工程］を行い、これ
らの操作を必要回数繰り返すことも、本発明の多重結像
露光法の最適化法に包含される。

【００７６】光ファイバを使用して、光路分割手段５０
やバンドパスフィルター８０からアライメント顕微鏡４
０を介さず、直接、フォトクロミック材料７０へと光を
伝達することができる。光路分割手段５０は、ビームス
プリッターやハーフミラー以外にも、光路を分割し得る
如何なる手段とすることもできる。

【００７７】本発明の半導体露光装置は、上述した実施
例のような屈折系の光学系を用いた投影露光装置にのみ
限定されるものでなく、例えば反射系の光学系を用いた
半導体露光装置や近接露光装置にも応用することができ
る。

【００７８】フォトクロミック材料は、スピロピラン以
外にも、各種有機系フォトクロミック材料あるいは無機
系フォトクロミック材料を用いることができる。有機系
フォトクロミック材料として、光酸化還元（メチレンブ
ルー＋Ｆｅ²⁺）、光解離反応による遊離基の生成（βテ
トラクロロ−１−ケトジヒドロナフタレン）、分子内水
素移動に伴う互変異性化（サリチリデンアニリン）、シ
ス−トランス光異性化（アゾベンゼン）、光重合（アン
トラセン）等の反応形態によるフォトクロミック材料を
例示することができる。また、無機系フォトクロミック
材料として、ＳｒＴｉＯ₃などの酸化物に遷移金属元素
をドープしたもの、ＣａＦ₂などのフッ化物に稀土類元
素をドープしたもの、ケイ酸塩ガラスなどのガラスに銀
ハライドを分散させたものを用いることができる。以下
に、物質とドーパントを例示する。物質ドーパントＳｒＴｉＯ₃ Ｆｅ／Ｍｏ，Ｎｉ／ＭｏＣａＴｉＯ₃ Ｆｅ，Ｚｎ，Ｓｂ，Ｖ，Ｎｉ／ＭｏＴｉＯ₂ Ｆｅ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｎａ，ＭｎＢａＴｉＯ₃ Ｆｅ，Ｚｎ，Ｓｂ，ＶＣａＷＯ₄ ＢｉＮｂ₂Ｏ₅ ＦｅＳｎＯ₂ ＣｕＣａＦ₂ Ｃｅ，Ｇｄ，Ｔｂ，ＬａＣａＦ₂ Ｅｕ／ＳｍＢａＦ₂ Ｅｕ／Ｓｍケイ酸塩ガラスＥｕ，Ｃｅ，Ｚｒケイ酸塩ガラスＡｇＢｒ，ＡｇＣｌＡｇＩ・ＨｇＩ₂ −−

【００７９】投影光学系用光源を構成するレーザ光源１
０、第２高調波発生装置２０及び共振器長制御装置３０
の構造は例示であり、適宜設計変更することができる
し、他の形式の投影光学系用光源を用いることもでき
る。潜像検出系や消色用光源を投影光学系用光源とは独
立して設けてもよい。

【００８０】レーザ光源１０、第２高調波発生装置２０
及び共振器長制御装置３０から投影光学系用光源を構成
する場合、固体レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＡＧ以外にも、
Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｎｄ：ＢＥＬ、ＬＮＰ等から構成する
ことができる。レーザダイオードによる固体レーザ媒質
の励起方式も、端面励起方式だけでなく、側面励起方式
や表面励起方式とすることができ、更にはスラブ固体レ
ーザを用いることもできる。また、非線形光学結晶素子
として、ＫＴＰやＢＢＯの他にも、ＬＮ、ＱＰＭＬ
Ｎ、ＬＢＯ、ＫＮ等、入射光や射出光に要求される光の
波長に依存して適宜選定することができる。

【００８１】一対の反射鏡から成る光共振器の光路内に
固体レーザ媒質と非線形光学結晶素子が配置された、所
謂内部ＳＨＧ方式のレーザ光源を用いることもできる。
また、固体レーザ媒質１２からの射出光を非線形光学結
晶素子１３に通すような構造（即ち、平面鏡１５及び凹
面鏡１６から成る光共振器を省略する構造）とすること
もできる。更には、レーザ光源として、ＬＤ励起固体レ
ーザの代わりに、例えば青色半導体レーザを使用し、か
かる半導体レーザの射出光を第２高調波発生装置に直接
入射させることもできるし、かかる半導体レーザと非線
形光学結晶素子とを組み合わせた所謂内部ＳＨＧ方式か
ら成るレーザ光源と第２高調波発生装置との組み合わせ
構造とすることもできる。また、平面鏡１５及び凹面鏡
１６から成る光共振器の共振器長の制御のために、共振
器長制御装置３０を別途設けることもできる。

【００８２】第２高調波発生装置２０における光共振器
２２の構造を、例えば、凹面鏡と平面鏡から構成された
ファブリ−ペロー型共振器とすることもできる。この場
合、第２高調波発生装置２０に入射する入射光を透過
し、そして第２高調波発生装置２０からの戻り光を反射
する反射鏡を、第２高調波発生装置２０の手前に配置
し、かかる反射鏡で反射された光を光検出器３１で検出
すればよい。光共振器２２の共振器長を変えるために
は、第１の凹面鏡２３を移動させるだけでなく、他の鏡
を移動させてもよい。

【００８３】共振器長制御装置３０の別の態様として、
ＰＺＴ等から成る共振器長制御装置を挙げることができ
る。即ち、光共振器２２を構成する第１の凹面鏡２３を
移動させるために、ＰＺＴ等から成る積層圧電素子及び
共振器長（Ｌ）の長さ変化に比例した信号をこの積層圧
電素子に供給する制御装置から成る共振器長制御装置を
用い、かかる信号をフィードバックしてサーボループを
構成する。これによって、光共振器２２の共振器長の制
御を行い、第２高調波発生装置２０から射出される射出
光の強度制御を行うこともできる。

【００８４】第２高調波発生装置から射出される光は、
レーザ光源からの入射光の第２高調波に基づいた波長を
主に有する光であるが、この第２高調波発生装置から射
出される光の波長は、実施例にて説明したように、固体
レーザ媒質の射出する光を基準とした第４高調波だけで
なく、第５高調波とすることもできる。この場合には、
例えばＮｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質から射出さ
れる光（波長：１０６４ｎｍ）と、第２高調波発生装置
２０から射出される光（波長：２６６ｎｍ）とを合成し
て、再び別の第２高調波発生装置２０（例えば、非線形
光学結晶素子として有機結晶の urea ＣＯ（ＮＨ₂）₂
を用いる）を通すことによって、Ｎｄ：ＹＡＧから成る
固体レーザ媒質の第５高調波（波長：２１３ｎｍ）を生
成することができる。

【００８５】基板としては、シリコン半導体基板や、Ｇ
ａＡｓ等の化合物半導体基板、ＴＦＴ等を形成するため
のガラス基板等を例示することができる。

【００８６】

【発明の効果】本発明の多重結像露光法の最適化法によ
り、レチクルの交換等によってレジストに形成すべきパ
ターンサイズ及びパターン密度が変化した場合でも、従
来技術のような時間、労力、費用を費やすことなく、容
易に短時間で多重結像露光法におけるＦＬＥＸステップ
ΔＺの最適化を図ることができる。また、パターン潜像
が形成されたフォトクロミック材料を消色することによ
って、多重結像露光法の最適化法を繰り返し実行するこ
とができる。更には、本発明の半導体露光装置の好まし
い態様においては、投影光学系用光源が潜像検出系の光
源や消色用光源を兼ねているので、半導体露光装置の構
造を簡素化することができ、半導体露光装置のコストア
ップや保守のために多くの費用を必要とすることがな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の半導体露光装置の概念図であり、多
重結像露光法の最適化法における潜像形成工程を示す図
である。

【図２】実施例１の半導体露光装置の概念図であり、多
重結像露光法の最適化法における潜像のコントラスト測
定工程を示す図である。

【図３】実施例１の半導体露光装置の概念図であり、多
重結像露光法の最適化法における潜像消色工程を示す図
である。

【図４】フォトクロミック材料の光吸収曲線の変化を模
式的に示す図である。

【図５】種々のΔＺにおけるコントラストカーブを模式
的に示す図である。

【図６】多重結像露光法の最適化法の工程のフロー図で
ある。

【図７】実施例２の半導体露光装置の概念図であり、多
重結像露光法の最適化法における潜像のコントラスト測
定工程を示す図である。

【図８】実施例３の半導体露光装置の概念図であり、多
重結像露光法の最適化法における潜像のコントラスト測
定工程を示す図である。

【図９】レジスト露光工程を説明するための半導体露光
装置の概念図である。

【図１０】オフアクシス・アライメント方式によるアラ
イメント操作を説明するための半導体露光装置の概念図
である。

【図１１】レーザ光源、第２高調波発生装置及び共振器
長制御装置の模式図である。

【図１２】ボイスコイルモータの模式図である。

【図１３】共振器長制御装置を構成するＶＣＭ制御回路
の構成図である。

【図１４】多重結像露光法によって得られるレジストの
厚さ方向の光強度分布を模式的に示す図である。

【図１５】多重結像露光法によって得られるレジストの
厚さ方向の光強度分布を模式的に示す図である。

【図１６】ＦＬＥＸステップΔＺを変化させて露光した
ときのベストフォーカスからの距離のずれと露光パター
ンサイズの関係を示す図である。

【図１７】ＦＬＥＸステップΔＺを変化させて露光した
ときのベストフォーカスからの距離のずれと露光パター
ンサイズの関係を示す図である。

【図１８】ＦＬＥＸステップΔＺを変化させて露光した
ときのベストフォーカスからの距離のずれと露光パター
ンサイズの関係を示す図である。

【符号の説明】

１０レーザ光源１１レーザダイオード１２固体レーザ媒質１３非線形光学結晶素子１４１／４波長板１５平面鏡１６凹面鏡２０第２高調波発生装置２１非線形光学結晶素子２２光共振器２３第１の凹面鏡２４第２の凹面鏡２５，２６平面鏡３０共振器長制御装置３１光検出器３２ボイスコイルモータ３２０基体３２１コイルバネ３２２電磁石３２３ヨーク３３ＶＣＭ制御回路３３０発振機３３１位相変調器駆動回路３３２同期検波回路３３３ローパスフィルタ３３４ＶＣＭ駆動回路３４位相変調器３５集光レンズ４０アライメント顕微鏡４１，４２光検出器４３，７１ハーフミラー４４信号処理装置５０光路分割手段６１レチクル６２投影光学系６３レジスト６４基板６５アライメントマーク６６基板ステージ６７基板チャック７０フォトクロミック材料８０バンドパスフィルター

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）投影光学系用光源と、（ロ）投影光学系用光源からの光をレチクルに照射する
ことによって得られる光学像を基板に結像させるための
投影光学系と、（ハ）基板を載置する基板ステージと、（ニ）基板ステージ上に配置されたフォトクロミック材
料、（ホ）投影光学系用光源からの光をレチクルに照射する
ことによって得られたフォトクロミック材料に形成され
たパターン潜像を光学的に観察するための潜像検出系、
を具備したことを特徴とする半導体露光装置。
【請求項２】投影光学系用光源は、レーザ光源、並びに
該レーザ光源から射出された光が入射されそして該光の
第２高調波に基づいた波長を有する光を射出する第２高
調波発生装置から成り、該レーザ光源は、潜像検出系用光源及びパターン潜像を
消色するための消色用光源を兼ねていることを特徴とす
る請求項１に記載の半導体露光装置。
【請求項３】レーザ光源は、レーザダイオード、Ｎｄ：
ＹＡＧから成る固体レーザ媒質及び非線形光学結晶素子
から構成されたＬＤ励起固体レーザから成り、非線形光
学結晶素子から射出された光を潜像検出系用光源及び消
色用光源として用いることを特徴とする請求項２に記載
の半導体露光装置。
【請求項４】レーザ光源は、レーザダイオード、Ｎｄ：
ＹＡＧから成る固体レーザ媒質及び非線形光学結晶素子
から構成されたＬＤ励起固体レーザから成り、レーザダ
イオードから射出された光を潜像検出系用光源及び消色
用光源として用いることを特徴とする請求項２に記載の
半導体露光装置。
【請求項５】投影光学系用光源は、レーザ光源、並びに
該レーザ光源から射出された光が入射されそして該光の
第２高調波に基づいた波長を有する光を射出する第２高
調波発生装置から成り、第２高調波発生装置から射出された光から長波長成分を
有する光を分光するバンドパスフィルターを更に備え、かかる長波長成分を有する光を、潜像検出系用光源及び
パターン潜像を消色するための消色用光源として用いる
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体露光装置。
【請求項６】前記潜像検出系は、オフアクシス・アライ
メント検出系を兼用していることを特徴とする請求項１
乃至請求項５のいずれか１項に記載の半導体露光装置。
【請求項７】（イ）投影光学系から基板ステージ上に配
置されたフォトクロミック材料までの距離初期値をＺ₀
とし、投影光学系から基板ステージ上に配置されたフォ
トクロミック材料までの距離ＺをＺ₀＋ΔＺ×ｉ（但
し、ｉ＝０，１，２，・・・，Ｋ）に順次変えて、パタ
ーンが形成されたレチクルに投影光学系用光源からの光
を照射して得られたパターン光学像を投影光学系を介し
てフォトクロミック材料に（Ｋ＋１）回結像させる多重
結像露光法によってフォトクロミック材料へパターンの
潜像を形成する工程を、ΔＺの値を一定として、距離初
期値Ｚ₀の値を変化させてＭ回繰り返し、Ｚの値が異な
るＭ個のパターン潜像を形成し、（ロ）前記工程（イ）を、ΔＺの値を変えてＮ回繰り返
し、最終的にＭ×（Ｎ＋１）個のパターン潜像を形成
し、（ハ）得られたパターン潜像を光学的に観察し、（ニ）該パターン潜像観察結果に基づき最適なΔＺの値
を求める、各工程から成ることを特徴とする多重結像露
光法の最適化法。
【請求項８】フォトクロミック材料に形成されたパター
ン潜像に消色用光源からの光を照射することによってパ
ターン潜像を消色する工程を更に含むことを特徴とする
請求項７に記載の多重結像露光法の最適化法。
【請求項９】パターン潜像の光学的な観察はパターン潜
像のコントラストの測定から成り、オフアクシス・アラ
イメント検出系を用いて行うことを特徴とする請求項７
又は請求項８に記載の多重結像露光法の最適化法。