JP2000031047A

JP2000031047A - 露光装置及び方法、並びに半導体素子の製造方法

Info

Publication number: JP2000031047A
Application number: JP11174240A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2000-01-28
Anticipated expiration: 2016-07-16
Also published as: JP3189009B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高解像度、及び大焦点深度でパターン転写を
可能とする。【解決手段】マスク２７に照明光を照射する照明光学
系と、照明光を基板３０上に投射する投影光学系２９と
を備え、照明光の照射によってマスクのパターンを基板
上に転写する。そして、照明光学系の光路中で、マスク
と略共役な位置またはその近傍に設けられる光束変換部
材１２によって、マスクに照射する照明光を、パターン
の微細度に応じて決まる角度だけ傾いた少なくとも２つ
の光束に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路の
製造工程、特に半導体回路パターンの転写に利用される
投影型露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体メモリや液晶素子の回路パターン
の形成には、一般的に、フォトリソグラフ技術と呼ばれ
るマスクパターンを試料基板上に転写する方法が採用さ
れる。ここでは、所定のパターンが形成されたマスクを
紫外線等の露光光で照射し、そのパターン像を投影光学
系を介して、試料基板上の感光レジスト層に結像投影す
るものである。

【０００３】解像可能なマスクパターン（特にライン・
アンド・スペース）のピッチは露光波長と投影光学系の
開口数でほぼ決まり、レンズ材料やレジスト材料等の制
約から露光波長の短波長化にも限界があり、焦点深度の
制約から投影光学系の開口数の増大化にも限界があっ
た。また、従来においてもマスクパターンで生じる回折
光を積極的に利用して投影光学系の解像度を向上する技
術として、パターンの透過部の１つおきに露光光の位相
を反転させる誘電体、所謂位相シフターを設ける技術が
報告されている。しかしながら複雑な半導体回路パター
ン上に位相シフターを設けることは現実には難しく、位
相シフター付フォトマスクの検査方法も未だに確立され
ていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来この種の装置にお
いては、図１０に示す如く照明光束Ｌ１０は、照明光学
系の瞳面付近に、投影光学系２９の瞳３２とほぼ共役に
配置されたほぼ円形の開口絞り１６ｄにより照明光学系
の光軸を中心とする円形領域内を通る光束Ｌ１１となっ
てレチクル（マスク）２７ｂを照明していた。ここで、
光束を表す実線は１点から出た光の主光線を表してい
る。

【０００５】このとき照明光学系の開口数と投影光学系
２９のレチクル側開口数の比、所謂σ値は開口絞りによ
り決定され、その値は０．３〜０．６程度が一般的であ
る。照明光Ｌ１１はレチクル２７ｂにパターニングされ
たパターン２８ｂにより回折され、パターン２８ｂから
は０次回折光Ｄ₀、＋１次回折光Ｄｒ、−１次回折光Ｄ
ｌが発生する。それぞれの回折光は投影光学系２９によ
り集光されウェハ（試料基板）３０上に干渉縞を発生さ
せる。この干渉縞がパターン２８ｂの像である。

【０００６】このとき、０次回折光Ｄ₀と±１次回折光
Ｄｒ、Ｄｌとのなす角θはｓｉｎθ＝λ／Ｐ（λ：露光
波長、Ｐ：パターンピッチ）により決まる。パターンピ
ッチが微細化するとｓｉｎθが大きくなり、ｓｉｎθが
投影光学系のレチクル側開口数（ＮＡ_R）より大きくな
ると±１次回折光Ｄｒ、Ｄｌは投影光学系に入射できな
くなる。

【０００７】このとき、ウェハ３０上には０次回折光Ｄ
₀のみしか到達せず干渉縞は生じない。つまり、ｓｉｎ
θ＞ＮＡ_Rとなる場合にはパターン２８ｂの像は得られ
ず、パターン２８ｂをウェハ３０上に転写することがで
きなくなってしまう。以上より従来の露光装置において
は、ｓｉｎθ＝λ／Ｐ≒ＮＡ_RとなるピッチＰは次式で
与えられ、Ｐ≒λ／ＮＡ_R ・・・（１）このピッチＰがウェハ３０上に転写可能となるパターン
のレチクル上での最小ピッチである。従って、上記
（１）式を満たすピッチよりも微細なピッチを有するパ
ターンは解像できないという問題点があった。又、焦点
深度は±λ／２(ＮＡ_W)²程度となっていた。（ＮＡ_Wは
ウェハ側開口数）一方、位相シフトレチクルも限界解像を上げる方法であ
るが、製造工程が複雑であり、従ってコストも高く、又
検査方法も確立されていないなど多くの問題が残されて
いる。

【０００８】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、従来試料基板上で十分に解像できなかった微細なパ
ターンを従来のレチクルを使用して光量損失を少なく、
かつ、高解像度でウェハ上に転写する露光装置を得るこ
とを目的としている。又、高コントラストを保ったまま
焦点深度を上げることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる問題点を解決する
ため本発明においては、光透過部と遮光部とが形成され
たパターン部分を含むマスクを、光源からの光で照明す
るための照明光学系と、パターン部分を含むマスクの像
を感光性基板に投影する投影光学系とを備えた投影型露
光装置において、前記照明光学系の光路中で、前記マス
クと略共役な位置またはその近傍に設けられ、前記マス
クを照明する光を、前記パターン部分の形状に応じて決
まる角度だけ傾いた少なくとも２つの光束に変換する光
束変換部材と、前記２つの光束の照射により前記マスク
上に生じる前記光束変換部材の像を不鮮明にする像劣化
手段とを設ける。

【００１０】

【作用】従来の投影型露光装置では、レチクルに対して
上方から種々の入射角で入射する露光光が無差別に用い
られ、レチクルパターンで発生した０次、±１次、±２
次、・・・の各回折光がほぼ無制限に投影光学系を透過
してウェハ上に結像していた。

【００１１】これに対して、本発明の投影型露光装置で
は、図９の如く照明光Ｌ１０から照明光学系中のレチク
ルパターン面と略共役な面に設けられた光束変換部材
（回折格子状パターン等の周期構造パターンが形成され
た光透過性平板、ウォラストンプリズム等）により照明
光学系の光軸上を通らない光束、つまりレチクルパター
ンに対して特定の方向と角度で斜めに入射する任意の２
つの光束Ｌ１２，Ｌ１３或いは２ｎ本（ｎは自然数）の
光束を発生させ、レチクルパターン２８ａを照明する。
レチクルパターン２８ａは通常光透過部と遮光部とが所
定のピッチで繰り返し形成された周期構造を有するパタ
ーンを多く含んでいる。そしてレチクルパターン２８ａ
で発生した０次回折光と±１次回折光とを投影光学系２
９を介してウェハ上に結像させる。

【００１２】すなわち、レチクルパターン２８ａの微細
度に応じてパターン２８ａに所定の方向と角度で２本或
いは２ｎ本の光束を入射させることによって、最適な０
次回折光と±１次回折光を発生させることにより従来で
は十分に解像できなかったパターンをウェハ上に高コン
トラストに、かつ、大きい焦点深度を持って結像させる
ことが可能となる。ここで、レチクルに入射する光束
は、光束変換部材によって投影光学系の光軸ＡＸに対し
て対称に所定の角度ψだけ傾いて入射する主光線を有す
る２本の光束に変換されたものである。ここでも、光束
を表す実線は１点から出た光の主光線を表している。ま
ず図９に基づいて照明光Ｌ１２による回折光について説
明する。照明光Ｌ１２はレチクルパターン２８ａにより
回折され０次回折光Ｄ₀、＋１次回折光Ｄｒ、−１次回
折光Ｄｌを発生する。しかしながら、照明光Ｌ１２は投
影光学系２９の光軸ＡＸに対して角度ψだけ傾いてレチ
クルパターン２８ａに入射するので、０次回折光Ｄ₀も
また投影光学系の光軸ＡＸに対して角度ψだけ傾いた方
向に進行する。

【００１３】従って、＋１次回折光Ｄｒは光軸ＡＸに対
してθ_P＋ψの方向に進行し、−１次回折光Ｄｌは光軸
ＡＸに対してθ_m−ψの方向に進行する。このときθ_P、
θ_m はそれぞれｓｉｎ(θ_P＋ψ)−ｓｉｎψ＝λ／Ｐ・・・（２）ｓｉｎ(θ_m−ψ)＋ｓｉｎψ＝λ／Ｐ・・・（３）である。

【００１４】仮にいま＋１次回折光Ｄｒ、−１次回折光
Ｄｌの両方が投影レンズＰＬに入射しているとする。レ
チクルパターン２８ａの微細化に伴って回折角が増大す
ると、先ずθ_P＋ψの方向に進行する＋１次回折光Ｄｒ
が投影光学系２９に入射できなくなる（ｓｉｎ(θ_P＋
ψ)＞ＮＡ_Rとなる）。しかし、照明光Ｌ１２が光軸ＡＸ
に対して傾いて入射している為、このときの回折角でも
−１次回折光Ｄｌは、入射投影光学系２９に入射可能と
なる（ｓｉｎ(θ_m−ψ)＜ＮＡ_Rとなる）。

【００１５】従って、ウェハ３０上には０次回折光Ｄ₀
と−１次回折光Ｄｌの２光束による干渉縞が生じる。こ
の干渉縞はレチクルパターン２８ａの像でありレチクル
パターン２８ａが１：１のラインアンドスペースの時約
９０％のコントラストとなり、表面にレジストが塗布さ
れたウェハ上にパターン２８ａをパターニングすること
が可能となる。

【００１６】このときの解像限界は、ｓｉｎ(θ_m−ψ)＝ＮＡ_R ・・・（４）となるときであり、従ってＮＡ_R＋ｓｉｎψ＝λ／ＰＰ＝λ／ＮＡ_R＋ｓｉｎψ・・・（５）がレチクル上の転写可能な最小パターンのピッチであ
る。

【００１７】今ｓｉｎψを０．５×ＮＡ_R程度に定める
とすれば転写可能なレチクル上のパターンの最小ピッチ
はＰ＝λ／ＮＡ_R＋０．５ＮＡ_R＝２λ／３ＮＡ_R ・・・（６）である。一方、図１０に示す照明光が投影光学系９の光
軸ＡＸを中心とする円形領域内を通る光束である従来の
露光装置の場合、解像限界は（１）式に示したようにＰ
≒λ／ＮＡ_Rであった。

【００１８】従って、従来の露光装置より高い解像度が
実現できる。照明光Ｌ１３についても同様に考えて、＋
１次回折光Ｄｒ₁は光軸ＡＸに対してθ_P1−ψの方向に
進行し、−１次回折光Ｄｌ₁は光軸ＡＸに対してθ_m1＋
ψの方向に進行する。Ｄ₀₁は０次回折光を表している。
このときθ_P1、θ_m1はそれぞれｓｉｎ(θ_m1＋ψ)−ｓｉｎψ＝λ／Ｐ・・・（７）ｓｉｎ(θ_P1−ψ)＋ｓｉｎψ＝λ／Ｐ・・・（８）であり、解像限界はｓｉｎ(θ_P1−ψ)＝ＮＡ_Rのときで
ある。

【００１９】従って、照明光Ｌ１２の場合と同様に
（５）式に示すパターンピッチが転写可能なパターンの
最小ピッチとなる。照明光Ｌ１２とＬ１３の両方を使う
ことにより投影光学系の光軸に対して光量重心が偏らな
いようにしている。次に、レチクルパターンに対して特
定の入射方向と入射角で露光光を入射して、０次回折光
と１次回折光とを用いてウェハ上に結像パターンを形成
することにより、焦点深度が大きくなる理由を説明す
る。

【００２０】ウェハが投影光学系の焦点位置に一致して
いる場合には、マスク上の１点を出てウェハ上の一点に
達する各回折光は、投影光学系のどの部分を通るもので
あってもすべて等しい光路長を有する。このため、従来
のように０次回折光が投影光学系の瞳面のほぼ中心を貫
通する場合でも、０次回折光とその他の回折光とで光路
長は相等しく、相互の波面収差も０である。しかし、ウ
ェハが投影光学系の焦点位置に一致していない場合、斜
めに入射する高次の回折光の光路長は光軸付近を通る０
次回折光に対して焦点前方（投影光学系から遠ざかる
方）では短く、焦点後方（投影光学系に近づく方）では
長くなりその差は入射角の差に応じたものとなる。従っ
て、０次、１次、・・・の各回折光は相互に波面収差を
形成して焦点位置の前後における結像パターンのぼけを
発生する。この波面収差ΔＷは、次式、 ΔＷ＝１／２×（ＮＡ）²Δｆ Δｆ：デフォーカス量ＮＡ：瞳面上の中心からの距離を開口数で表した値で表され、従って、瞳面のほぼ中心を貫通する０次回折
光（ΔＷ＝０）に対して、瞳面の周囲、半径ｒ₁（〔Ｎ
Ａ〕を単位とする）を通る１次回折光では、 ΔＷ＝１／２×(ｒ₁)²Δｆの波面収差を持つこととなり、焦点位置の前後での解像
度、すなわち焦点深度を低くしている。一方、本発明
の投影型露光装置の場合、例えば図９の如く、θ _m＝２
ψとなる入射角でレチクルパターン２８ａに２つの光束
を入射した場合、パターン２８ａからの０次回折光と１
次回折光とが瞳面上でほぼ中心から等距離となる位置
（共に半径ｒ₂とする）を通るようになり０次回折光と
１次回折光の波面収差は相等しくΔＷ＝１／２×(ｒ₂)²
Δｆとなり、０次回折光に対する１次回折光の収差は０
となり、デフォーカスによるぼけが無くなる。この分だ
け焦点深度が大きくなっている。

【００２１】以上照明光学系中のレチクルパターン面と
略共役な面に設けられた光束変換部材により照明光は回
折され照明光学系中の瞳面又は略瞳共役面においては照
明光学系の光軸を中心に対称な位置に上記回折光の±１
次回折光が集光される。またこの集光位置の変更は上記
光束変換部材の条件を変更（回折格子状パターンの形
状、ピッチの変更等）するだけで実現可能である。

【００２２】従って、照明光の光量を大幅に損失するこ
となく照明光学系の瞳面上で任意の照明光量分布を実現
することができ、レチクルパターン２８ａに応じた光束
をパターン２８ａに入射させることができる。このため
投影光学系に入射する光束の角度を所望の角度となるよ
うに調整可能となり、高い解像度をもち、かつ、光量損
失の少ない投影型露光装置を得ることができる。又光束
変換部材は照明光学系の瞳面又は略瞳共役面に光束のパ
ターン２８ａへの入射角に応じた任意形状の光量分布を
発生させる為のものなので、レチクルパターンとの相対
的位置関係の調整は不用である。

【００２３】以上のように構成すると光束変換部材とし
ての回折格子状パターンが照明光学系によりレチクルパ
ターン面に投影（結像）されて、不要な明暗の縞（回折
格子パターンの像）が生じる。この不要な明暗の縞は像
劣化手段により劣化（ホモナイズ）され、或いは時間的
に平均化されて像面光量分布上一様化され、レチクルパ
ターン面での照度むらの悪化を防止できる。

【００２４】以上本発明によれば、解像度の向上効果は
位相シフターに匹敵するものがありながら、従来のフォ
トマスクがそのまま使用でき、従来のフォトマスク検査
技術もそのまま踏襲することができる。更に、位相シフ
ターを採用すると、焦点深度が増大する効果も得られる
が、本発明においてもデフォーカスによる波面収差の影
響を受けにくくなるため、深い焦点深度（焦点裕度）が
得られる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例について詳述する。図１は本発明の第１実施例によ
る投影型露光装置の全体構成図を示したものである。露
光用光源である水銀ランプ１から射出され楕円鏡２によ
り収束された光束Ｌ１はミラー３により反射されリレー
レンズ４を通り波長選択素子５により単色化される。単
色化された光束Ｌ２はミラー６で折り曲げられ、フライ
アイレンズ７に入射する。このときフライアイレンズ７
の入射面はレチクルパターン面２８と結像関係の位置に
ある。また、フライアイレンズ７の射出面は照明光学系
の１種の瞳面となっている。このフライアイレンズ７の
射出面近傍に開口絞り８が設けられている。そして開口
部の大きさを可変とする駆動部９により照明光Ｌ３の開
口数が決定される。照明光束Ｌ３はミラー１０により反
射されコンデンサーレンズ１１により回折格子状パター
ン１３ａが刻まれた光透過性平板１２を照明する。この
光透過性平板１２は本発明における光束変換部材として
機能するものであり、着脱及び交換可能となっている。
このとき光透過性平板１２はレチクル７に形成された微
細なレチクルパターン２８とほぼ結像関係の位置にあ
る。ここで、レチクルパターン２８は孤立パターンであ
ってもよく又周期構造を持ったパターンであってもよ
い。

【００２６】図２は光透過性平板の一例を示す平面図で
ある。光透過性平板１２は石英ガラス等の透明基板であ
り、回折格子状パターン１３ａはＣｒ等の遮光性金属薄
膜で形成されているラインアンドスペースのパターンで
ある。尚、このとき、回折格子状パターン１３ａのピッ
チＰｇはレチクルパターン２８のピッチＰｒに対してＰ
ｇ＝２Ｐｒ×Ｍ（Ｍは回折格子状パターン１３ａとレチ
クルパターン２８間の結像倍率）程度であることが望ま
しい。そのデューティは必ずしも１：１である必要はな
く任意である。

【００２７】さて、図１の説明に戻って、回折格子状パ
ターン１３ａにより発生した−１次回折光Ｌ４及び＋１
次回折光Ｌ５は集光レンズ１５によりそれぞれ照明光学
系の光軸に対して対称となる照明光学系中の別の瞳面上
に集光される。この照明光学系の瞳面近傍に設けられた
空間フィルター１６は回折格子状パターン１３ａから発
生した回折光のうち特定の次数の回折光、本実施例では
±１次回折光Ｌ４，Ｌ５を透過するものである。尚、こ
の空間フィルター１６は透光部を可変可能とする可変型
フィルターでもよく、又着脱、交換可能なフィルターで
もよい。空間フィルター１６は、回折格子状パターン１
３ａから０次回折光が発生する場合は、その０次回折光
を遮光する大きさのＣｒ薄膜を設けた方がよい。また不
必要な次数の光を遮光することもできる。

【００２８】図３は図２の如き回折格子状パターン１３
ａを使用したときに好適な空間フィルター１６ａを表
す。斜線部は遮光部でありその半径は照明光学系の全開
口数以上とする。中心点に対して対称に位置する２つの
白丸部は光透過部（開口部）を示している。ここで、必
要とされる照明光学系の瞳面での強度分布はレチクルパ
ターン２８の方向性によっても異なるが回折格子状パタ
ーン１３ａとしてはレチクルパターン２８と等しい方向
性（レチクルパターン２８に投影された回折格子状パタ
ーン１３ａの方向性がレチクルパターンの大部分の方向
性と一致する。）ことが望ましい。またこれらを実現す
るために、各レチクルパターン２８に対して決められる
固有の回折格子状パターンを各光透過性平板上に刻んで
おき、レチクル２７の交換時に同時に光透過性平板をレ
チクルに合わせて交換すればよい。

【００２９】回折格子状パターン１３ａは、レチクルパ
ターン２８のピッチ或いは線幅及び方向性により決定さ
れるので、ピッチ或いは線幅のほぼ等しいパターンを有
する複数のレチクルに対しては、回折格子状パターン１
３ａの刻まれた同じ光透過性平板を共用してもよい。上
記複数のレチクルの方向性が異なる場合には回折格子状
パターン１３ａを面内で回転してレチクル上のパターン
の方向性に一致させればよい。又、イメージローテータ
でパターン１３ａの像を回転させてもよい。

【００３０】例えば、図２のような回折格子状パターン
１３ａをレチクルパターン２８の方向性に従って任意の
角度となるように照明光学系の光軸を中心として回転さ
せた状態で使用してもよい。さて、図１に示すように、
空間フィルター１６を通過した光束Ｌ４，Ｌ５は集光レ
ンズ１９によりレチクルブラインド２０へ導かれる。レ
チクルブラインド２０はレチクルパターン面と結像関係
の位置にありレチクル２７上の特定エリアのみを照明す
るための視野絞りである。この視野絞りは駆動系２１に
より開閉可能となっており、レチクル２７上の照明エリ
アの大きさを調整可能となっている。レチクルブライン
ド２０を通過した光束Ｌ６，Ｌ７はコンデンサーレンズ
２２，２６及び略瞳面近傍に設けられたミラー２４を介
してレチクル２７を照明する。光束Ｌ６、Ｌ７がレチク
ルパターン２８に入射し、パターン２８から発生した回
折光は投影光学系２９によりウェハステージ３１上に置
かれたウェハ３０上に集光結像される。

【００３１】ここで、前述の如く光束Ｌ６，Ｌ７はレチ
クルパターン２８に投影光学系の光軸に対して互いに対
称に角度ψだけ傾いて入射し、パターン２８からは０次
回折光Ｄ₀、−１次回折光Ｄｌ、＋１次回折光Ｄｒが発
生する。入射角ψはレチクルパターン２８と投影光学系
の開口数ＮＡによって定められ、（５）式で示したよう
に、レチクルパターンピッチの最小値に対応した入射角
に選択される。入射の方向はレチクルパターンのピッチ
配列方向となるようにするのが望ましい。

【００３２】ここで、回折格子状パターン１３ａは照明
光学系によりレチクルパターン２８上に投影されるので
レチクルパターン２８上には回折格子状の明暗像が生
じ、照明光量の均一化を悪化させる。しかしながら上記
回折格子状パターン１３ａの刻まれた光透過性平板１２
をモータ、ピエゾ等の駆動部材１４で１ショット当たり
の露光時間中（ウェハ３０に対して不図示のシャッター
が開いている間）に回折格子状パターン１３ａの１ピッ
チ又はその整数倍程度以上移動又は振動させる。これに
より１ショット当たりの露光時間中に明暗像が１ピッチ
程度以上移動し明暗は時間的に平均化（ホモナイズ）さ
れるため照明光量の均一性は良好に保たれる。上記明暗
像の移動又は振動の方向は回折格子状パターン１３の方
向と相関性の少ないものがよい。例えばパターン１３ａ
のピッチＰｇ以上を直径とする円運動（ｘ方向とｙ方向
の振動の合成）をさせてもよい。

【００３３】このとき光透過性平板１２の代わりに照明
光学系内で、かつ、光透過性平板１２よりレチクル２７
に近い１つ以上の光学部材を同様の条件で移動、振動或
いは円運動させてもよい。図１中ではコンデンサーレン
ズ２２及びミラー２４に駆動部材２３，２５を付けた例
を示してある。

【００３４】上記のような移動、振動或いは円運動を与
えることにより露光時間内に上記明暗像は平均化され
て、レチクルパターン２８上での照明光量は均一に保た
れる。しかしながら、回折格子状パターン１３ａの製造
誤差によるパターン面内の透過率のバラツキや回折効率
のバラツキにより、レチクルパターン面２８にて光量む
らが発生する可能性がある。これを防止するためにはレ
モンスキン等の拡散板などの光散乱部材１７を照明光学
系の瞳面近傍に設ければよい。

【００３５】光散乱部材１７により回折格子状パターン
１３ａ上の一点より出た光は、散乱されてレチクルパタ
ーン面２８の広い面積を照明することになる。これは、
換言するとレチクルパターン面２８上の一点には回折格
子状パターン１３ａの広い面積の部分からの光が到達す
ることになり、回折格子状パターン１３ａの局所的な製
造誤差は緩和される。このとき光散乱部材１７を１ショ
ットの露光時間中にモータ１８等で移動、振動あるいは
回転させると時間的な平均化効果が生じ、より照明光量
のバラツキを除去し易い。

【００３６】尚、光散乱部材１７を移動、振動あるいは
回転させる場合、光透過性平板１２或いはコンデンサー
レンズ２２やミラー２４等の光学部材の移動、振動ある
いは回転は行わなくてもよい。瞳面近傍に設けられたこ
の光散乱部材１７は回折格子状パターン１３ａの像を劣
化させるが、レチクルパターン面２８に入射する照明光
の入射方向の角度範囲を極端に乱すことはない。

【００３７】また、光散乱部材１７の代わりに瞳面上に
ファイバーの束を少なくともスポット光の大きさ以上に
或いは瞳面全体に敷き詰めて光束を劣化させるようにし
てもよい。更に、光散乱部材１７と併用すればより像劣
化の効果を高めることができる。本発明にかかる本実施
例による解像度向上の効果をより強くするために照明系
の開口絞り８を調整することによってσ＝０．２〜０．
３程度とすることが好ましい。これはσ値が大きすぎる
と解像度や焦点深度の向上が実現できず、小さすぎると
像の忠実度が低下する為である。

【００３８】従って、照明光学系のフライアイレンズ７
の射出面積に対して０．３とするようにフライアイレン
ズ７そのものを作ることが望ましく、楕円鏡２からフラ
イアイレンズ７までの照明光学系はσ≒０．３に対して
光量を最大とする構成とするとよい。又、実施例中の各
ミラーの位置はこれに限定されるものではない。例えば
駆動部材２５付のミラー２４はレチクルブラインド２０
より空間フィルター１６側であってもよい。

【００３９】<<変形例>>次に回折格子状パターン１３ａ
の変形例について説明する。レチクルパターン２８の方
向がレチクル全面において均一ではなく部分的に異なる
方向を向いている場合には、図４に示すような部分的に
異なる方向に配列された回折格子状パターン１３ｂが形
成された光透過性平板１２を用いればよい。

【００４０】図４ではレチクルパターン２８がｘ，ｙ２
方向に周期構造を持っている場合について示している。
回折格子状パターン１３ｂ１，１３ｂ３はｙ方向に周期
構造を持つレチクルパターン２８に対応するものであ
り、回折格子状パターン１３ｂ２，１３ｂ３はｘ方向に
周期構造を持つレチクルパターン２８に対応するもので
ある。このとき回折格子状パターン１３ｂ１〜４のピッ
チ配列方向はレチクルパターン２８の方向と等しくなる
ようにする。

【００４１】図５は図４の如き回折格子状パターン１３
ｂに対応する空間フィルター１６ｂを示した図である。
斜線部は遮光部を表し、白丸は光透過部（開口部）を表
す。光透過部１６０ａ，１６０ｃは回折格子状パターン
１３ｂ１，ｂ３から生じる回折光を透過するものであ
る。光透過部１６０ａと１６０ｂの間隔は回折格子状パ
ターン１３ｂ１，ｂ３のピッチにより決まる。空間フィ
ルター１６での回折光の位置、つまり光透過部１６０
ａ，１６０ｃの位置によりレチクルパターンに入射する
回折光の方向、角度が決定する。

【００４２】同様に、光透過部１６０ｂ，１６０ｄは回
折格子状パターン１３ｂ２，ｂ４から生じる回折光を透
過するものであり、回折格子状パターン１３ｂ２，１３
ｂのピッチにより決まる空間フィルター１６上での回折
光位置によりレチクルパターン２８に入射する光束の方
向、角度が決定する。又、回折格子状パターン１３の形
状は図２、図４に示すようなラインアンドスペースに限
らず、図６に示すような市松格子状パターン１３ｃであ
ってもよい。ピッチの配列方向はレチクルパターンの配
列方向に合わせておくことが望ましい。レチクル上の周
期パターン部分がｘ，ｙの両方向に並んでいる場合は図
６に示すように市松格子状パターン１３ｃのピッチを
ｘ，ｙ方向に配列するようにすればよい。そのデューテ
ィは１：１に限るものではない。図７は図６のごとき市
松格子状パターン１３ｃに対する空間フィルター１６ｃ
を示したものであり、斜線部は遮光部を表し、白丸は光
透過部を表す。光透過部１６１ａと１６１ｂ，１６１ｄ
と１６１ｃの間隔は図６に示す回折格子状パターン１３
ｃのｘ方向のピッチによって決まり、光透過部１６１ａ
と１６１ｄ，１６１ｂと１６１ｃの間隔は図６に示す回
折格子状パターン１３ｃのｙ方向のピッチによって決ま
る。レチクルパターン２８がｘ，ｙ２方向に周期構造を
持つ場合、光透過部１６１ａ，１６１ｄを透過した照明
光がｘ方向に周期構造を持つレチクルパターン２８に入
射したことにより発生する＋１次回折光は投影光学系の
瞳面において、それぞれ光透過部１６１ｂ，１６１ｃを
透過した照明光の０次回折光とほぼ同じ位置を通り、逆
に光透過部１６１ｂ，１６１ｃを透過した照明光がｘ方
向に周期構造を持ったレチクルパターン２８に入射した
ことにより発生する−１次回折光は投影光学系の瞳面
で、それぞれ光透過部１６１ａ，１６１ｄを透過した照
明光の０次回折光とほぼ同じ位置を通る。光軸から各光
透過部１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃ，１６１ｄまでの
距離はみな等しく設定してあるので、この場合にも各０
次回折光と各＋１次回折光或いは−１次回折光とは投影
光学系の瞳面で光軸からの距離がほぼ等しい位置を通
る。また、光透過部１６１ａ〜１６１ｄを通る４つの光
束による照明光がレチクルパターン２８に入射すること
により発生する＋１次または−１次のどちらか一方の１
次回折光と０次回折光の組み合わせは全てウェハ３０に
達するので前述の如くコントラストがほぼ９０％の像が
形成される。さらに、各０次回折光と１次回折光は、投
影光学系の瞳面で光軸からほぼ等距離となる位置を通る
為焦点深度も深いものとなる。

【００４３】以上、ｘ方向に周期性を持つパターンの場
合について説明したが、ｙ方向に周期性を持つパターン
であってもよい。格子の方向はこれに限るものではなく
レチクルパターンに応じて、例えば斜め方向であっても
よい。また、図２のような繰り返し回折格子状パターン
１３ａが形成された光透過性基板２枚をパターン面が互
いに向かい合うように配置し、照明光学系の光軸を中心
として２枚の平板を相対的に回転し、夫々のパターンの
相対位置を調整して任意のパターンとしてもよい。さら
に、他の任意の形状の繰り返しパターンであってもよ
い。又回折格子状パターン１３は直線状のパターンのみ
でなく周期構造を持ったパターン、例えば同心円状の格
子パターン（フレネルゾーンプレート等）や同心状の楕
円状のパターンでもよい。

【００４４】又、液晶等を使ってｘ，ｙ２方向について
任意の明暗部を持つパターンを作り出すようにしてもよ
い。これらの場合にも回折光の位置をもとに透過部を決
定した空間フィルター１６を使用すればよい。又、回折
格子状パターン１３の遮光面をＳｉＯ₂ 等の誘電体薄
膜で形成された位相反転透過部（位相シフター部）で作
成してもよい。このように位相シフター部でパターンを
構成すると不要な回折光の発生を抑えることができ、光
量の損失が少なくなる。又図３に示すパターン１３ａの
遮光面を位相シフターとした場合、０次回折光をカット
するための空間フィルター１６は設けなくともよい。

【００４５】次に像劣化手段の変形例として、空間フィ
ルター１６の開口部（白丸部）に光学素子を設けて回折
格子状パターン１３の像を劣化させる方法を説明する。
空間フィルター１６の各開口部にそれぞれ厚さ又は屈折
率の異なる透過性平板を付着させておくとそれぞれの開
口部を透過する光は、前記透過性平板の厚さ×屈折率だ
け長い光路長を通ることになる。各開口を通った光束の
光路長の差が照明光のコヒーレント長より長ければ各開
口部を透過した光同士はレチクルパターン面において互
いに干渉し合わない、つまり、回折格子状パターンの像
を生じないことになる。例えば照明光が水銀ランプのｉ
線（波長＝０．３６５μｍ、波長幅＝０．００５μｍ）
であると照明光のコヒーレント長はほぼ２７μｍであ
る。前述の光透過性平板として屈折率１．５のガラスを
使用すると、空気の屈折率を１として各開口部に付着さ
れた平板の厚さの差（Δｔ）は、 Δｔ×（１．５−１）≧２７μｍであればよくΔｔ≧５４μｍの厚さの差を有していれば
よい。

【００４６】従って、例えば図３に示すような空間フィ
ルター各開口部に例えば屈折率１．５で厚さがそれぞれ
１０００μｍ，１０６０μｍ（厚さの差が６０μｍ）の
ガラスを付着すると、レチクルパターン面上での干渉縞
すなわち回折格子状パターンの像は消失（劣化）するこ
とになる。この様に空間フィルター１６の各開口部に厚
さ又は屈折率の異なる光透過性平板を付着した場合、前
記回折格子状パターン１３、前記光学部材或いは前記光
散乱部材１７の振動、移動或いは回転等は行わなくても
よい。

【００４７】照明光の可干渉距離が長い場合、例えばレ
ーザ光源を使用する場合には、空間フィルター１６の開
口部のうちの片方に水晶等の旋光素子を付着させ透過光
の偏光方向をほぼ９０°回転させるとよい。残りの開口
部には上述旋光素子とほぼ光路長の等しいガラス等の透
過性平板を付着させておく。この様な空間フィルターを
用いるとレチクルパターン面に照射される光束のうちほ
ぼ半数は偏光方向が互いに直交する（又は逆回りの円偏
向となる）ので干渉縞すなわち前記回折格子状パターン
の像は劣化する。また、前記回折格子状パターン１３を
前記レチクルパターン２８との共役位置より僅かに光軸
方向にずらした位置とすることによってレチクルパター
ン２８上に投影される回折格子状パターン１３の像を劣
化（デフォーカス）させてもよい。

【００４８】更に、光束変換部材として周期構造を持っ
たパターンを含む光透過性平板１２の代わりに図８に示
すようにウォラストンプリズム３３等の光学素子でレチ
クルパターン２８に入射する２光束に変換してもよい。
尚、本実施例においては光源を水銀ランプ１としたが他
の輝線ランプあるいはレーザ光源であっても良い。

【００４９】又、光透過性平板１２の代わりに周期構造
を持つパターンを含む反射型平板を用いてもよい。

【００５０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、照明光学
系の瞳面上で任意の照明光量分布を実現することがで
き、レチクルパターンに応じた光束をレチクルパターン
に入射させることができる。このため投影光学系に入射
する光束の角度を調整可能とし、高い解像度をもち、か
つ、光量損失のない投影型露光装置を得ることができ
る。また、レチクル面上に生じる光束変換部材の像は像
劣化手段により劣化され、或いは時間的に平均化されて
劣化し、レチクルパターン面での照度均一化の悪化を防
止できる。このため使用する光束変換部材の製造上の欠
陥に影響されず光束変換部材の製造コストを大幅に低減
できる。さらに、解像度向上度は位相シフターに匹敵す
るものがありながら、従来のフォトマスクがそのまま使
用でき、従来のフォトマスク検査技術もそのまま踏襲す
ることができる。

【００５１】更に、位相シフターを採用すると、焦点深
度が増大する効果も得られるが、本発明においてもデフ
ォーカスによる波面収差の影響を受けにくく、従って、
深い焦点深度が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による全体構成を示す図。

【図２】周期構造のパターンを含む光透過性基板（光束
変換部材）を示す図。

【図３】図２のようなパターンに対応する空間フィルタ
ーを示す図。

【図４】周期構造パターンの変形例を示す図。

【図５】図４のようなパターンに対応する空間フィルタ
ーを示す図。

【図６】周期構造パターンの変形例を示す図。

【図７】図６のようなパターンに対応する空間フィルタ
ーを示す図。

【図８】プリズムを使った光束変換部材の変形例を示す
図。

【図９】本発明の原理説明図。

【図１０】従来の装置を示す図。

【符号の説明】

１…光源、１２…光透過性平板、１３…回折格子状パタ
ーン、１６…空間フィルター、１７，１８，２１，２
３，２５…像劣化手段、２７…レチクル、２８…レチク
ルパターン、２９…投影光学系、３０…ウェハ、３３…
ウォラストンプリズム

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年７月２１日（１９９９．７．２
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】露光装置及び方法、並びに半導体素子の
製造方法

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光透過部と遮光部とが形成されたパター
ン部分を含むマスクを、光源からの光で照明するための
照明光学系と、パターン部分を含むマスクの像を感光性基板に投影する
投影光学系とを備えた投影型露光装置において、前記照明光学系の光路中で、前記マスクと略共役な位置
またはその近傍に設けられ、前記マスクを照明する光
を、前記のパターン部分の形状に応じて決まる角度だけ
傾いた少なくとも２つの光束に変換する光束変換部材を
備えたことを特徴とする投影型露光装置。