JP2998691B2 - 半導体露光装置の照明光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板上への
回路パターンの形成に用いられる半導体露光装置の照明
光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板上への回路パターンの形成に
は、一般にフォトリソグラフィと呼ばれる工程が用いら
れる。この工程では、通常、半導体露光装置により、レ
チクル（マスク）パターンが半導体基板上に転写され
る。半導体基板上にはフォトレジストが塗布されてお
り、レチクルパターンの透明部分のパターン形状に応じ
て、フォトレジストに回路パターンが転写される。半導
体露光装置（例えば、ステッパ）では、レチクルに描画
された回路パターン像が、半導体露光装置の投影光学系
によって半導体基板上に投影、結像される。

【０００３】半導体露光装置の照明光学系には、フライ
アイレンズ等のオプティカルインテグレータが用いられ
る。レチクル上では、フライアイレンズの各レンズエレ
メントからの照明光（２次光源）は、コンデンサーレン
ズ等によってそれぞれ加算（重畳）されることで平均化
され、レチクル上に照射される照明光の強度分布がほぼ
均一化される。

【０００４】ところで、最近では、半導体集積回路の高
密度化に伴い、半導体基板上に形成される回路パターン
の微細化が進んでいる。このため、超解像技術と呼ばれ
る、回路パターンの転写解像力の向上を目的とした技術
が開発されている。

【０００５】その超解像技術の一つに、特公昭６２−５
０８１１号公報に開示されている空間周波数変調型の位
相シフトレチクルがある。位相シフトレチクルは、レチ
クルの回路パターンのうち、特定の部分からの透過光の
位相を他の透過部分からの透過光の位相よりπ（ｒａ
ｄ）だけずらす特性を有する。この位相シフトレチクル
を使用すると、従来よりも微細な回路パターンの転写が
可能となる。ところが、位相シフトレチクルは製造工程
が複雑であり、また、検査および修正方法も十分に確立
されていない等、多くの問題が残されている。

【０００６】そこで、位相シフトレチクルを使用せずに
従来と同じレチクルを用い、レチクルの照明方法を改良
することで転写解像力を向上させる超解像技術が開発さ
れている。

【０００７】その一つの方式として、フライアイレンズ
の出射側焦点面近傍に輪帯状の絞りを有する空間フィル
ターを配置し、照明光学系の光軸回りに分布する照明光
束を部分的にカットして形成される２次光源の形状を輪
帯状に規定することで、レチクルに達する照明光束に一
定の傾斜を持たせる方式（いわゆる輪帯照明法）が提案
されている。特開平４−１０１１４８号公報に輪帯照明
法を用いた半導体露光装置の一例が開示されている。図
９は、特開平４−１０１１４８号公報に開示された従来
の半導体露光装置の照明光学系を示す構成図である。

【０００８】図９に示す照明光学系１０１では、フライ
アイレンズ（不図示）から照射された照明光１０２は、
フライアイレンズの出射側焦点面近傍であって照明光学
系１０１の光軸に対して偏心した複数（２つまたは４
つ）の位置の各々に配置されている円環開口絞り１０３
ａを有する遮光板１０３（空間フィルター）を通過した
後にコンデンサーレンズ１０４によって集光され、レチ
クル１０５に対して特定方向から特定角度だけ傾斜され
てレチクル１０５を照射する。

【０００９】また、特開平５−３２６３６号公報には、
転写解像力を向上させる超解像技術の他の方式が開示さ
れている。図１０は、特開平５−３２６３６号公報に開
示された従来の半導体露光装置の照明光学系を示す構成
図、図１１は、図１０に示した半導体照明装置の照明光
学系の照明光分割部を示す斜視図である。

【００１０】図１０に示す照明光学系２０１では、１次
光源（不図示）から照射された照明光２０２は、後述す
る照明光分割部２０３を透過して４本の光束に分割され
る。各光束は、４組のフライアイレンズ部２０４（図１
０には２組のみ図示）の一のフライアイレンズ部２０４
に入射され、フライアイレンズ部２０４の焦点面にそれ
ぞれ複数の点光源からなる４つの２次光源２０５（図１
０には２つのみ図示）が形成される。

【００１１】照明光分割部２０３は、図１０および図１
１に示すように、Ｖ型の凹部を有する第１のプリズム２
０５と、Ｖ型の凸部を有する多面体プリズム２０６ａと
Ｖ型の凹部を有する多面体プリズム２０６ｂとが貼り合
わされた第２のプリズム２０６と、Ｖ型の凸部を有する
第３のプリズム２０７とから構成されている。これらの
プリズム２０５，２０６，２０７の屈折作用により、第
１のプリズム２０５を透過した照明光は２つの光束に分
割される。この２つの光束がさらに第２のプリズム２０
６を透過すると、各々の光束は再び２つの光束に分割さ
れる。このようにして、照明光分割部２０３に入射した
照明光２０２は、４つの光束に分割される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９に
示した従来の照明光学系では、遮光板によって照明光の
一部が遮られるので、照明効率が低下し、露光時間が増
大するという問題が生じる。さらに、フライアイレンズ
の有効なエレメントレンズ（すなわち遮光板を通過する
照明光を出射するエレメントレンズ）の数が減少するの
で、レチクル上での照明光の均一な強度分布を保証する
ことが困難になる。

【００１３】一方、図１０に示した従来の照明光学系で
は、２次光源同士の間隔の広さがプリズムからの照明光
の出射範囲内に制限される。そのため、２次光源同士の
間隔の広さはプリズムの大きさに依存するので、２次光
源同士の間隔を所望に応じてより広くするためにはさら
に大きいプリズムを用いなければならず、半導体露光装
置が大型化してしまう。また、図１０に示した照明光学
系では照明光を２方向もしくは４方向のみにしか分割で
きないため、２次光源の形状の自由度が小さいという問
題がある。

【００１４】そこで本発明は、レチクル上での照明光の
強度分布を均一にするとともに、簡素な構成で２次光源
同士の間隔をより広くすることができる半導体露光装置
の照明光学系を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体露光装置の照明光学系は、光源から
照射された照明光を該照明光の光軸に対して斜めに複数
の方向に分割偏向させる偏向部材と、前記偏向部材で分
割偏向された各前記照明光が受光面に垂直に入射するよ
うに方向付けられて配置され、前記照明光を集光して複
数の点光源からなる２次光源を形成する複数のエレメン
トレンズで構成されるフライアイレンズと、前記フライ
アイレンズの出射端側に前記光軸を中心として配置さ
れ、前記２次光源から発する照明光を回路パターンが形
成されたレチクル上に集光するコンデンサーレンズとを
有する半導体露光装置の照明光学系であって、前記２次
光源は、前記光軸に垂直な平面に対して傾いて形成され
るとともに、前記コンデンサーレンズは前記平面に対す
る前記２次光源の傾きを光学的に補正する球面収差特性
を有することを特徴とする。

【００１６】このように構成された半導体露光装置の照
明光学系では、光源から照射された照明光が偏向部材に
よって光軸に対して斜めに分割偏向される。偏向部材で
偏向された照明光はフライアイレンズによって集光さ
れ、点光源からなる複数の２次光源が形成される。２次
光源から発する照明光は、コンデンサーレンズによって
レチクル上に集光され、レチクルを照明する。これによ
り、各２次光源は、偏向部材の大きさよりも広い間隔を
もって形成される。すなわち、小型化された偏向部材に
よって複数の２次光源が形成される。さらに、形成され
る２次光源の形状の自由度が向上する。さらに、レチク
ルには、２次光源とコンデンサーレンズとの間の距離差
が等距離となるように光学的に補正された状態の照明光
が照射される。

【００１７】前記半導体露光装置の照明光学系は、前記
偏向部材は前記照明光を円環放射状に偏向させる偏向プ
リズムであり、前記フライアイレンズは円環状に形成さ
れている構成であってもよい。これにより、輪帯状の２
次光源が形成される。

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００２１】（第１の実施形態）図１は、本発明の半導
体露光装置の照明光学系の第１の実施形態の構成図、図
２は、図１に示した偏向プリズムを示す斜視図である。

【００２２】図１に示すように、本実施形態の照明光学
系１は、１次光源（不図示）から照射された照明光２を
偏向させる偏向部材としての偏向プリズム３と、偏向プ
リズム３で偏向された照明光２の強度分布を均一化し、
複数の点光源からなる２次光源４を形成するフライアイ
レンズ５と、形成された２次光源４をレチクル６上に集
光させてレチクル６を照明するコンデンサーレンズ７と
を有する。これらの偏向プリズム３、フライアイレンズ
５、コンデンサーレンズ７は、共に、１次光源からの照
明光２の光軸８を中心にして配置されている。

【００２３】偏向プリズム３には、図１および図２に示
すように、四角錐形状の凹部３ａが形成されている。偏
向プリズム３に入射した照明光２は、Ｘ方向とＹ方向と
でそれぞれ２分割されるので、偏向プリズム３からは４
方向に分割偏向された照明光２ａが出射される。偏向プ
リズム３の出射端側には、４つのフライアイレンズ５
（図１には２つのみ図示）が、４方向に分割偏向された
照明光２ａに対応して配置されている。フライアイレン
ズ５は複数のエレメントレンズ５ｂで構成され、これら
各エレメントレンズ５ｂは、それぞれ偏向された照明光
２ａが受光面５ａに垂直に入射するように方向付けられ
て配置されている。さらに、各エレメントレンズ５ｂの
焦点距離ｆ１，ｆ２，ｆ３は、光軸８に垂直な平面９上
に照明光２ａを集光させる焦点距離となるように、出射
端５ｃの曲率半径が調整されている。上記のように構成
された照明光学系１では、偏向プリズム３で４方向に分
割偏向された各照明光２ａが各々に対応する一のフライ
アイレンズ５に入射する。フライアイレンズ５を構成す
る各エレメントレンズ５ｂは、前述したように光軸８に
垂直な平面９上に照明光２ａを集光させるように設定さ
れているので、フライアイレンズ５を透過して出射した
照明光２ａは平面９上に集光され、図３に示すように、
平面９上に照明強度が均一な４つの２次光源４（４点照
明）が形成される。各２次光源４から発する照明光２ｂ
は、コンデンサーレンズ７によってレチクル６上に集光
され、レチクル６を照明する。

【００２４】このように、本実施形態の照明光学系１
は、照明光２を光軸８に対して偏向させる偏向プリズム
３と、偏向プリズム３で偏向された照明光２ａが受光面
５ａに垂直に入射するように方向付けられて配置され、
照明光２ａを集光して２次光源４を形成する複数のエレ
メントレンズ５ｂで構成されるフライアイレンズ５とを
有するので、２次光源４同士の間隔を偏向プリズム３の
大きさよりも広くすることができる。そのため、小型か
つ簡素な構成の偏向プリズム３を用いて２次光源４同士
の間隔を広くすることができるので、半導体露光装置の
大型化を抑えることができる。

【００２５】さらに、光軸８に垂直な平面９上に２次光
源４が形成されることにより、コンデンサーレンズ７に
よってレチクル６上に照明光２ｂが均一に結像される。
従って、レチクル６を均一に分布された照明強度で照明
することができる。また、照明光学系１には遮光板が用
いられていないので、１次光源からの照射光を効率よく
利用することができる。

【００２６】なお、上記の説明では４つの２次光源４が
形成される場合について説明したが、形成される２次光
源の数は４つに限られない。偏向プリズムでの照明光の
分割数を任意に変化させ、その分割数に応じたフライア
イレンズを設けることにより、任意数の２次光源を形成
することができる。

【００２７】次に、本実施形態の照明光学系の変形例を
説明する。

【００２８】図４は、図１に示した照明光学系の変形例
の構成図、図５は、図４に示した偏向プリズムを示す斜
視図である。

【００２９】図４および図５に示すように、偏向プリズ
ム１３には円錐形状の凹部３ａが形成されている。従っ
て、図４に示す向きで照明光１２が偏向プリズム１３を
透過すると、照明光１２は光軸１８を中心に円環放射状
に偏向される。フライアイレンズ１５は、図４に示すよ
うに円環状に形成されており、フライアイレンズ１５を
構成する複数のエレメントレンズ１５ｂは、偏向プリズ
ム１３で偏向された照明光１２ａが受光面１５ａに垂直
に入射するように方向付けられている。さらに、各エレ
メントレンズ１５ｂの焦点距離ｆ１，ｆ２，ｆ３は、光
軸１８に垂直な平面１９上に照明光１２ａを集光させて
焦点面を形成する焦点距離となるように、出射端１５ｃ
の曲率半径が設定されている。その他、１次光源（不図
示）、コンデンサーレンズ１７およびレチクル１６の構
成は図１に示した照明光学系１と同様であるので、説明
は省略する。

【００３０】上記のように構成された照明光学系１１で
は、１次光源から出射された照明光１２が偏向プリズム
１３に入射すると、照明光１２は光軸１８を中心に円環
放射状に偏向されて偏向プリズム１３から出射する。偏
向プリズム１３から出射した照明光１２ａは、フライア
イレンズ１５に入射する。フライアイレンズ１５を構成
する各エレメントレンズ１５ｂは、前述したように光軸
１８に垂直な平面１９上に照明光１２ａを集光させるよ
うに設定されているので、フライアイレンズ１５を透過
して出射した照明光１２ａは平面１９上に集光され、図
６に示すように、照明強度が均一な輪帯状の２次光源１
４が平面１９上に形成される。複数の点光源からなる２
次光源１４から発する照明光１２ｂは、コンデンサーレ
ンズ１７によってレチクル１６上に集光され、レチクル
１６を照明する。

【００３１】このように、本変形例の照明光学系１１
は、照明強度が均一な輪帯状の２次光源１４が平面１９
上に形成されるので、形成された２次光源１４をコンデ
ンサーレンズ１７でレチクル１６上に集光することによ
り、小型かつ簡素な構成の偏向プリズム１３で、レチク
ル１６を均一に分布された照明強度でかつ輪帯状に照明
することができる。また、照明光学系１１には遮光板が
用いられていないため、照明光が遮られないので、照明
光を効率よく利用することができる。

【００３２】（第２の実施形態）図７は、本発明の半導
体露光装置の照明光学系の第２の実施形態の構成図であ
る。

【００３３】図７に示すように、本実施形態の照明光学
系２１における偏向プリズム２３には、図５に示した偏
向プリズム３と同様に、円錐形状の凹部２３ａが形成さ
れている。さらに、フライアイレンズ２５も、図４に示
したフライアイレンズ１５と同様に円環状に形成されて
いる。フライアイレンズ２５を構成する複数のエレメン
トレンズ２５ｂは、それぞれ偏向プリズム２３に偏向さ
れた照明光２２ａが受光面２５ａに垂直に入射するよう
に方向付けられて配置されている。ただし、図４に示し
たエレメントレンズ１５ａと異なり、各エレメントレン
ズ２５ｂの焦点距離ｆ０は全て一定に設定されている。
また、本実施形態の照明光学系２１には、後述する特性
を有するコンデンサーレンズ２７が用いられる。その
他、１次光源（不図示）、照明光２２、レチクル２６お
よび光軸２８の構成は、図４に示した照明光学系と同様
であるので説明は省略する。

【００３４】円環放射状に偏向されて偏向プリズム２３
から出射した照明光２２ａは、フライアイレンズ２５に
入射する。前述の通り、フライアイレンズ２５の各エレ
メントレンズ２５ｂは、偏向された照明光２２ａが受光
面２５ａに垂直に入射されるように方向付けられ、さら
に各エレメントレンズ２５ｂの焦点距離が一定に設定さ
れているので、フライアイレンズ２５で集光された照明
光２２ａは、図７に示すように、光軸２８に垂直な平面
２９に対して傾きを持つ輪帯状の２次光源２４を形成す
る。そのため、２次光源２４を構成する各点光源とコン
デンサーレンズ２７との距離は一様ではないので、図４
に示したコンデンサーレンズ１７を用いた場合には、照
明光２２がレチクル２６上に均一に結像されない。その
ため、レチクル２６上に集光される２次光源２４の照明
光は、レチクル２６を均一な照明強度で照明することが
できない。

【００３５】そこで、本実施形態で用いられるコンデン
サーレンズ２７は、図８に示すように、２次光源とコン
デンサーレンズとの間の距離差に応じた球面収差特性を
備えている。これにより、レチクル２６には、２次光源
２４とコンデンサーレンズ２７との間の距離差が等距離
となるように光学的に補正された状態の照明光２２ｂが
照射される。従って、レチクル２６を均一に分布された
照明強度で、かつ輪帯状に照明することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体露
光装置の照明光学系は、偏向部材によって分割偏向され
た照明光が受光面に垂直に入射するように方向付けられ
て配置された複数のエレメントレンズで構成されるフラ
イアイレンズを有するので、偏向部材を小型化できると
ともに、２次光源の形状の自由度を向上させることがで
きる。さらに、２次光源は光軸に垂直な平面に対して傾
いて形成されるとともに、コンデンサーレンズは前記の
平面に対する２次光源の傾きを光学的に補正する球面収
差特性を有しているので、２次光源とコンデンサーレン
ズとの間の距離差が等距離となるように光学的に補正さ
れた状態の照明光がレチクルに照射されるので、レチク
ルを均一に分布された照明強度で照明することができ
る。

【００３７】また、照明光を円環放射状に偏向させる偏
向プリズムで偏向部材を構成し、フライアイレンズを円
環状に形成することにより、輪帯状の２次光源を形成す
ることができる。

【００３８】

【００３９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体露光装置の照明光学系の第１の
実施形態の構成図である。

【図２】図１に示した偏向プリズムを示す斜視図であ
る。

【図３】光軸に垂直な平面上に形成された２次光源を示
す図である。

【図４】図１に示した半導体露光装置の照明光学系の変
形例の構成図である。

【図５】図４に示した偏向プリズムを示す斜視図であ
る。

【図６】光軸に垂直な平面上に形成された２次光源を示
す図である。

【図７】本発明の半導体露光装置の照明光学系の第２の
実施形態の構成図である。

【図８】図７に示したコンデンサーレンズの収差特性を
示す図である。

【図９】従来の半導体露光装置の照明光学系を示す構成
図である。

【図１０】従来の半導体露光装置の照明光学系を示す構
成図である。

【図１１】図１０に示した照明光分割部を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１，１１，２１ 半導体露光装置の照明光学系 ２，２ａ，２ｂ，１２，１２ａ，１２ｂ，２２，２２
ａ，２２ｂ 照明光 ３，１３，２３ 偏向プリズム ３ａ，１３ａ，２３ａ 凹部 ４，１４，２４ ２次光源 ５，１５，２５ フライアイレンズ ５ａ，１５ａ，２５ａ 受光面 ５ｂ，１５ｂ，２５ｂ エレメントレンズ ５ｃ，１５ｃ，２５ｃ 出射端 ６，１６，２６ レチクル ７，１７，２７ コンデンサーレンズ ８，１８，２８ 光軸 ９，１９，２９ 平面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−204123（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−217853（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−283317（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−20914（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−335208（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−259033（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−251308（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/20 521

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から照射された照明光を該照明光の
   光軸に対して斜めに複数の方向に分割偏向させる偏向部
   材と、前記偏向部材で分割偏向された各前記照明光が受
   光面に垂直に入射するように方向付けられて配置され、
   前記照明光を集光して複数の点光源からなる２次光源を
   形成する複数のエレメントレンズで構成されるフライア
   イレンズと、前記フライアイレンズの出射端側に前記光
   軸を中心として配置され、前記２次光源から発する照明
   光を回路パターンが形成されたレチクル上に集光するコ
   ンデンサーレンズとを有する半導体露光装置の照明光学
   系であって、 前記２次光源は、前記光軸に垂直な平面に対して傾いて
   形成されるとともに、前記コンデンサーレンズは前記平
   面に対する前記２次光源の傾きを光学的に補正する球面
   収差特性を有することを特徴とする半導体露光装置の照
   明光学系。
2. 【請求項２】 前記偏向部材は前記照明光を円環放射状
   に偏向させる偏向プリズムであり、前記フライアイレン
   ズは円環状に形成されている請求項１記載の半導体露光
   装置の照明光学系。