JP2654418B2

JP2654418B2 - 投影露光装置

Info

Publication number: JP2654418B2
Application number: JP5288329A
Authority: JP
Inventors: 宏福田; 利栄黒崎; 昇雄長谷川; 稔彦田中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-11-17
Filing date: 1993-11-17
Publication date: 1997-09-17
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: JPH0758003A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子、磁気バブ
ル素子、超電導素子等の固体素子における微細加工に用
いて好適な投影露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】投影露光法における光学系の焦点裕度
は、投影レンズの口径と露光波長に強く依存する。即
ち、投影レンズの焦点深度は、その口径の２乗に反比例
し、露光波長に正比例するが、解像度を向上させる目的
で投影レンズの口径を大きくし、露光波長を短くする
と、焦点深度が減少する結果、投影レンズの像面歪や基
板表面の凹凸段差、基板の傾斜等に対する対処が困難に
なる。

【０００３】比較的微細なパタンによる凹凸段差は、例
えば多層レジスト法〔ジャーナル・オブ・サイエンス・
アンド・テクノロジー（Journal of Vacuum Science an
d Technology）Ｂ１(4)(１９８３）第１２３５頁〜第１
２４０頁参照〕によって平滑化することが可能である
が、この方法は、大面積パタンによる凹凸段差の影響を
完全に防止することが出来ない。従来の投影露光装置
は、結像面を光軸上の１点に固定した状態でマスクパタ
ンの露光を行なうものであるため、基板表面の凹凸段差
の平均的な位置に結像面を設定して露光を行なう必要が
あり、凹凸段差が投影レンズの焦点深度より大きい場合
は、段差の上部又は下部において解像不良が生ずるから
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体集積回路
の高集積化に伴い、パタンの微細化と凹凸段差の増大に
対する対策の必要性が強まりつつある。従って、投影露
光法を用いてパタン形成を行なう場合は、凹凸段差の増
大に対応するため、より大きな焦点深度を有する光学系
を使用することが必要であるが、一方では、マスクパタ
ンの解像度を向上させるため、投影レンズの口径を大き
くするか、露光波長を短くすることが必要であり、この
場合、焦点深度は、逆に減少する。しかも、マスクパタ
ンの結像面は、投影レンズの像面歪により、完全に平面
化することが出来ないほか、基板表面には傾斜があるた
め、凹凸段差に対応可能な焦点深度を基板の被露光領域
の全面にわたって確保することは、極めて困難である。

【０００５】多層レジスト法は、大面積パタンの凹凸段
差を完全に平坦化することが困難であり、仮に完全に平
坦化することが出来たとしても、レンズの像面歪のた
め、マスクパタンの結像面を基板表面に一致させること
が出来ず、上記問題点に対処することが困難である。

【０００６】従って、本発明の目的は、基板表面の平坦
化によらないで光学系の実効的焦点裕度を増大するため
の新しい装置を提案することにより、基板表面の凹凸段
差の増大、基板の傾斜、投影レンズの像面歪、投影レン
ズの大口径化、露光光の短波長化等に伴う焦点裕度の減
少を防止することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題（光学系の実効
的焦点深度の増大）は、露光光学系の光軸上における基
板表面からの距離が互いに異なる複数の位置（結像点）
に同一のマスクパタン像を繰り返して投影露光すること
によって解決することが出来る。ここで「結像点」の語
は、マスクパタンの光学系に対する共役面上の点を意味
する。

【０００８】本発明者等は、基板表面のレジスト層に対
して相対的に異なる光軸上の複数の位置にマスクパタン
の共役面（即ち結像面）を設定し、これらの複数の位置
にマスクパタンの像を繰り返して露光した。結像点が単
一である従来の場合と、それぞれ３μｍ、３．５μｍ及
び５μｍ離れて二つの結像点を設定した本発明の場合に
ついて、光軸方向の位置と０．７μｍラインアンドスペ
ースの光強度コントラストの計算値の関係を比較した結
果を図５に示す。光軸方向の原点は、単一結像点及び二
つの結像点の中心においてある。同図から明らかなよう
に、異なる二つの位置に結像点を設定した本発明の場合
は、結像点が単一である従来の場合と比較し、合成光の
光強度コントラストの最高値が減少するものの、より広
い光軸上の範囲で一定以上の光強度コントラストを維持
している。従って、二つの結像点相互間の距離を最適化
することにより、光軸方向の或る範囲内で一定の光強度
コントラストを実現することが可能となる。

【０００９】もっとも、実効的焦点裕度の増加率は、使
用するレジスト、現像液、コントラスト・エンハンスメ
ント・マテリアル等の材料のほか、プロセスによる解像
可能な光強度コントラストの下限値に依存する。例え
ば、二つの結像点相互間の距離を３．５μｍに設定した
ときの実効的焦点裕度の増加率は、解像可能な光強度コ
ントラストの下限値が０．５の場合、４５％であるが、
同下限値が０．４である場合は、約７０％になる。な
お、同下限値が０．３である場合は、光軸上の三つの位
置に結像点を設定することが可能であり、これによって
実効的焦点裕度を約１５０％向上させることが出来た。

【００１０】

【作用】基板の被露光領域の全面にわたり、凹凸段差の
上下に位置するレジスト層にマスクパタン像を良好な解
像度で結像させるには、投影レンズの像面歪、基板の平
坦度及び凹凸段差の高さで決まる光軸方向の或る範囲に
おいて、一定水準以上の光強度コントラストを保証する
必要がある。一方、投影露光の場合、レジスト層にマス
クパタン像を忠実に反映させることが出来る光軸上の位
置は、マスクパタンの共役面即ち結像面の近傍だけであ
り、そこから遠ざかるにつれて光強度コントラストが急
激に低下する。

【００１１】光軸上の複数の位置に結像点を設定した場
合の光強度コントラストは、個々の結像点における光強
度コントラストの平均的な値となる。換言すれば、単一
結像点の場合は、光軸方向の広い範囲の全域にわたって
所望の光強度コントラストを実現することが出来ない
が、光軸上の複数の位置に結像点を設定した場合は、複
数のマスクパタン像を重ね合わせることが出来る結果、
広い範囲の全域にわたって一定水準以上の光強度コント
ラストを実現することが可能となる。

【００１２】

【実施例】〈実施例１〉図１に示した実施例は、レチク
ル１、投影光学系２、ＸＹステージ３及びＺステージ４
からなる基板ステージ、各ステージの位置を感知するた
めのＸＹセンサ５及びＺセンサ６のほか、装置全体の制
御を行なう制御系及び通常の投影露光装置に必要な各種
構成要素をもって構成されている。なお、Ｚ軸は、光軸
方向にとり、Ｘ軸及びＹ軸は、光軸と垂直な平面内にと
るものとする。制御系は、装置全体を統制するための計
算機７のほか、当該計算機の命令によって露光シャッタ
ーの開閉を行なわせるための露光シャッター制御系８、
ＸＹステージを指定された位置に駆動するためのＸＹ制
御系９及びＺステージを指定された位置に駆動するため
のＺ制御系１０をもって構成されており、かつ、光軸方
向だけの基板の移動と露光シャッター制御系８への指令
を行なうための多重結像露光制御系１１を含む。計算機
７及び各制御系８〜１１は、バスラインを介して相互に
接続されている。

【００１３】計算機７には、投影光学系２の光軸上にお
ける基板表面からの距離が互いに異なる複数の位置（結
像点）の情報及び各結像点における露光モードの情報が
予め記憶されている。ここで「露光モード」とは、１回
の露光シーケンスにおいて設定される複数の結像面の数
のほか、当該結像面の光軸上の位置及び個々の結像面ご
との露光量のことをいう。露光モードが指定する結像面
の数が一つである場合は、通常のステップ・アンド・リ
ピート方式によって露光を直接制御し、結像面の数が二
つ以上である場合は、ＸＹステージ３の駆動により、基
板を投影光学系２の露光位置に移動した後、露光シーケ
ンスの制御を多重結像露光制御系１１に引き渡す。結像
面の数が二つである場合の露光シーケンスを図２に示
す。

【００１４】以下、本実施例の装置の動作を図２を参照
して説明する。多重結像露光制御系１１は、Ｚステージ
４を駆動し、基板表面に対する結像点の相対位置を例え
ば図３ａに示したように設定する。この場合、Ｚステー
ジ４の移動に伴って発生するＸＹ方向の基板のずれは、
ＸＹセンサ５を介してＸＹ制御系９へフィードバックさ
れ、ＸＹステージ３の駆動によって補正されるので、基
板移動は、事実上、光軸方向だけになる。多重結像露光
制御系１１は、指定された露光位置に基板が正しく設定
されたことを確認した後、各結像面に対して所定時間の
露光を行なうよう、露光シャッター制御系８へ指令を発
し、露光(１)が実行される。露光(１)の終了を確認後、
多重結像露光制御系１１は、基板を光軸方向に移動し、
基板表面に対する結像面の相対位置を例えば図３Ｂｂに
示すように設定して露光(２)を実行させる。結像面の数
が三つ以上の場合は、同様の露光操作を結像面の数だけ
繰り返して行なう。特定の被露光領域に対する露光動作
が全て完了すると、計算機７は、ＸＹステージ３を駆動
し、基板表面の次の被露光領域が投影光学系２の露光位
置に来るように基板を移動する。以上の露光シーケンス
のタイミングを図４ａに示す。参考のため、露光モード
の結像面の数が一つだけである従来装置のタイミングを
図４ｂに示す。従来装置では、同図に示したシーケンス
でしか露光を行なうことが出来なかった。

【００１５】本実施例では、光軸方向における基板の移
動と露光を別々のタイミングで行なっているが、基板を
光軸方向に移動しながら断続的に露光を行なうことも可
能である。また、ステップ・アンド・リピート法によ
り、例えば基板表面から光軸方向−２μｍの位置におけ
る露光を全ての被露光領域に対して行なった後、基板を
光軸方向に移動し、同じくステップ・アンド・リピート
法により、例えば光軸方向＋２μｍの位置における露光
を全ての被露光領域に対して行なうことも可能である。
但し、基板は、個々の被露光領域に対する露光時間中、
固定されていなければならない。

【００１６】本発明者等は、本実施例の装置を使用し、
種々の高さの凹凸段差を有する基板表面上に１μｍピッ
チの格子パタンや０．５μｍ径の穴パタン等を露光して
現像する実験を行なった。格子パタンの場合、従来の単
一結像面による露光では、基板表面凹凸段差の上下にお
ける良好な解像度を被露光領域の全面にわたって実現す
るためには、凹凸段差の高さが０．５μｍ以下であるこ
とが必要であるが、本実施例の場合は、レジスト表面を
挟んで光軸方向に互いに３μｍ離れた二つの位置に結像
面を設定することにより、凹凸段差が２μｍの場合で
も、被露光領域の全面にわたって良好な解像度をもって
露光することが出来た。また、穴パタンの場合は、光軸
方向に互いに３μｍ離れた三つの位置に結像面を設定す
ることにより、解像可能な段差高さを１０μｍまで拡大
させることが出来た。このような効果は、多層レジスト
法、高コントラスト現像液、高コントラストレジスト、
コントラスト・エンハンスメント・マテリアル等を用い
ることにより、更に増大させることが出来る。

【００１７】本実施例では、基板ステージを光軸方向に
移動させることにより、基板表面に対する結像面の相対
位置の変更を行なったが、この種の相対位置変更は、他
の公知の方法、例えばレンズとレンズとの間を密閉し、
その密閉空間にガスを注入してガスを圧力を変化させる
方法や、レチクル又はレンズを光軸方向に移動させる等
の方法によって実現可能である。なお、エキシマレーザ
を光源とする投影露光装置に本発明の多重結像制御系を
組み合わせたところ、従来のｉ-line、ｇ-line等の紫外
線光源を用いた場合と同様、実効的な焦点裕度増大効果
を得ることが可能となり、エキシマレーザ影露光装置特
有の焦点深度の不足を克服することが出来た。このほ
か、投影露光系をテレセントリックとすることにより、
結像面位置の変更に伴う縮小率の変動をなくすることが
可能となり、チップ全体のパタン寸法精度を向上させる
ことが出来た。

【００１８】〈実施例２〉空気と異なる屈折率を有し、
かつ、露光波長に対して透明な物質からなる平板状又は
レンズ状の焦点調整部材を使用し、当該部材を光学系中
に挿脱自在に設置することによって投影露光装置を構成
した。焦点調整部材は、光学系中に挿入することによっ
て基板近傍における結像面の位置を光軸方向でのみ所望
の距離だけ変更又は移動することが出来るよう、その厚
さ、屈折率及び光軸との直交度等を設定した。同部材
は、厚さ及び屈折率が異なるものを複数枚組み合わせて
使用することも可能であり、この場合は、結像面の位置
をより自由に変更又は移動することが出来る。

【００１９】焦点調整部材の挿脱制御は、実施例１の場
合と同様の機能を有する多重結像制御系に用いて行な
い、基板上の被露光領域に対する露光操作中、任意のタ
イミングをもって露光を中断し、焦点調整部材を出し入
れして基板に対する結像面の位置を変更又は移動させ
た。本実施例の装置を用いて実施例１の場合と同様の実
験を行なった結果、同様の効果を確認することが出来
た。

【００２０】〈実施例３〉投影露光装置の光学系全体を
密閉容器内に収納し、当該容器内の気圧を変化させて任
意の値に設定することが出来るように構成した。そし
て、基板に対する露光操作中、任意のタイミングをもっ
て露光を中断し、密閉容器内の気圧を速やかに変化させ
た後、再び露光を開始した結果、露光中断の前後におい
てマスクパタンの結像面の位置を変更又は移動させるこ
とが出来た。密閉容器内の気圧を緩やかに変化させるこ
とにより、マスクパタンの結像面を光軸方向に移動しな
がら露光することも可能である。気圧の制御は、実施例
１の場合と同様の機能を有する多重結像制御系を用いて
行なった。本実施例の装置を用いて実施例１と同様の実
験を行なった結果、同様の効果を確認することが出来
た。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、投影露光装置の実効的
焦点裕度を格段に増大させることが可能であり、投影レ
ンズの大口径化、像面歪、基板表面の凹凸段差の増大に
充分対処することが出来る。実効的焦点裕度の増大量
は、使用する材料やプロセス又はマスクパタンの種類等
にも依存するが、格子パタンの場合、最大１５０％程度
まで実効的焦点裕度を増大させることが出来た。穴パタ
ンの場合は、結像面の数を多く設定することにより、焦
点深度を事実上無制限に増大することが出来た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る投影露光装置の一実施例を示す構
成図

【図２】前記実施例の動作シーケンスを説明するための
フロ−チャート

【図３】前記実施例の動作概念図

【図４】前記実施例の動作を示すタイミング図

【図５】本発明の作用を説明するための曲線図

【符号の説明】

４…Ｚステージ６…Ｚセンサ７…計算機８…露光シャッター制御系１０…Ｚ制御系１１…多重結像露光制御系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者長谷川昇雄東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者田中稔彦東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献特開昭58−17446（ＪＰ，Ａ) 米国特許4239790（ＵＳ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レチクルの有するパターンを基板の所定領
域に１回の露光シーケンスによって投影露光するための
投影光学系と、上記投影露光における露光シャッタの開
閉を制御するための露光シャッタ制御系と、上記基板を
その上に配置するための基板ステージと、当該基板ステ
ージの上記投影光学系の光軸方向における位置を制御す
るための第１の制御系と、上記基板ステージの上記光軸
方向とは垂直な方向において上記１回の露光シーケンス
によって露光される上記所定領域の位置を制御するため
の第２の制御系と、上記１回の露光シーケンスにおいて
設定された結像面の数を少なくとも記憶するとともに上
記所定領域の上記光軸方向において互いに離間した２以
上の位置にそれぞれ結像面が設定された場合は所定の命
令を行なう計算機と、上記１回の露光シーケンスにおい
て上記計算機からの上記所定の命令にもとづいて、上記
第１の制御系を制御して上記基板ステージを上記光軸方
向に移動するとともに、上記露光シャッタ制御系を制御
して上記基板の所定領域の上記結像面が設定された２以
上の位置ごとにそれぞれ露光を行う多重結像露光制御系
を少なくとも具備することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】上記計算機に記憶された上記１回の露光シ
ーケンスにおいて設定された上記結像面の数が１の場合
は、上記基板の所定領域への露光は上記計算機によって
直接制御され、上記基板の所定領域には１回のみの露光
が行なわれることを特徴とする請求項１に記載の投影露
光装置。
【請求項３】上記計算機には、上記光軸方向における上
記結像面の位置および各結像面における露光量がさらに
記憶されていることを特徴とする請求項２に記載の投影
露光装置。