JP3255312B2

JP3255312B2 - 投影露光装置

Info

Publication number: JP3255312B2
Application number: JP10308693A
Authority: JP
Inventors: 進牧野内
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-04-28
Filing date: 1993-04-28
Publication date: 2002-02-12
Anticipated expiration: 2017-02-12
Also published as: JPH06314646A; US5742376A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばパルス光源又は
連続発光光源からの露光光により矩形又は円弧状等の照
明領域を照明し、その照明領域に対してマスク及び感光
基板を同期して走査することにより、マスク上のパター
ンを逐次感光基板上に露光する所謂スリットスキャン露
光方式の投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子、液晶表示素子又
は薄膜磁気ヘッド等をフォトリソグラフィー技術を用い
て製造する際に、フォトマスク又はレチクル（以下、
「レチクル」と総称する）のパターンを投影光学系を介
して、フォトレジスト等が塗布されたウエハ又はガラス
プレート等の基板上に投影露光する投影露光装置が使用
されている。半導体素子等が益々高集積化するのに伴
い、斯かる投影露光装置では、基板上に投影されるパタ
ーンの解像度を向上することが求められている。一般に
露光光の波長をλ、投影光学系の開口数をＮＡ、プロセ
ス定数をＫ₁とすると、投影光学系の解像度はＫ₁・λ／
ＮＡで表されるため、解像度を向上するためには、開口
数ＮＡを大きくすることが考えられる。

【０００３】しかしながら、所定の係数をＫ₂として、
投影光学系の焦点深度はＫ₂・λ／ＮＡ²で表されるた
め、単に開口数ＮＡを大きくするだけでは、焦点深度が
浅くなり過ぎる場合がある。これに関して、露光対象と
するパターンがメモリーの回路部のように周期的な格子
状のパターンである場合には、本出願人が提案している
ように照明光学系からの露光光の主光線を傾斜させる所
謂変形照明法により、解像度を向上した上で焦点深度を
向上できることが分かっている。一方、基板上の各ショ
ット領域にそれぞれレチクルのパターン像を一括露光す
る通常の投影露光装置において、コンタクトホールのよ
うな孤立的パターンを露光する際には、基板を投影光学
系の光軸方向に移動させて多重露光を行う所謂フレック
ス法により、焦点深度を向上できることが分かってい
る。

【０００４】図５（ａ）は、基板としてのウエハ上の各
ショット領域にそれぞれレチクルのパターンを一括露光
する従来の投影露光装置の要部を示し、この図５（ａ）
において、図示省略された照明光学系からの露光光のも
とで、レチクル５１上のパターン像が投影光学系５２を
介して所定の縮小倍率でフォトレジスト５４が塗布され
たウエハ５３上に投影される。また、ウエハ５３は、ウ
エハ５３を投影光学系５２の光軸に平行なＺ方向に移動
させるＺステージ５５上に保持され、Ｚステージ５５は
ウエハ５３をＺ軸に垂直なＸＹ平面内で位置決めするＸ
Ｙステージ５６上に取り付けられている。

【０００５】この場合、フレックス法で露光を行うに
は、先ず図５（ｂ）に示すように、投影光学系５２の結
像面５７に対してウエハ５３の露光面（例えばフォトレ
ジスト５４の中間の厚さの面）をＺ方向に幅ａだけ低下
させた状態で、ウエハ５３の露光面にレチクル５１のパ
ターン像の１回目の露光を行う。その後、図５（ｃ）に
示すように、結像面５７に対してウエハ５３の露光面を
Ｚ方向に幅ａだけ上昇させた状態で、ウエハ５３の露光
面にレチクル５１のパターン像の２回目の露光を行う。

【０００６】図６は、そのように２重露光を行った場合
のフォーカス位置（Ｚ方向の露光位置）と露光量との関
係を示し、この図６において、縦軸はウエハ５３の露光
面のフォーカス位置Ｚであり、位置Ｚ₀は投影光学系５
２の結像面５７のＺ方向の位置を示す。また、図６の横
軸はウエハ５３の露光面がフォーカス位置Ｚにあるとき
の露光エネルギーＥ（Ｚ）を示し、従来例では分布曲線
５８で示すように、２つのフォーカス位置（Ｚ₀+ａ）及
び（Ｚ₀-ａ）の近傍に露光エネルギーが集中している。
このようなフレックス法での露光により、露光対象とす
るパターンが孤立的なパターンである場合に、投影光学
系５２の焦点深度が実質的に深くなることが分かってい
る。

【０００７】またフレックス法には、そのように断続的
にフォーカス位置を変えて２重露光を行うのではなく、
図７（ａ）の曲線５９で示すように、フォーカス位置Ｚ
を位置（Ｚ₀+ａ）と位置（Ｚ₀-ａ）との間で連続的に変
化させる方式もある。この方式は特開平３−１３３０５
号公報で開示されている。この場合でも、位置（Ｚ₀+
ａ）及び位置（Ｚ₀-ａ）で露光されている時間が長いた
め、フォーカス位置Ｚにおける露光エネルギーＥ（Ｚ）
の分布は、図７（ｂ）の分布曲線６０で示すように位置
（Ｚ₀+ａ）及び位置（Ｚ₀-ａ）で大きな値になる。この
ように連続的にウエハ５３の露光面のフォーカス位置を
振動させる方式でも、焦点深度が深くなることが分かっ
ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】最近は、半導体素子等
の１個のチップパターンが大型化する傾向にあり、投影
露光装置においては、レチクル上のより大きな面積のパ
ターンを基板上に露光するという大面積化が求められて
いる。また、半導体素子等のパターンが微細化するのに
応じて、投影光学系の解像度の向上も求められている
が、投影光学系の解像力を向上するためには、投影光学
系の露光フィールドを大きくすることが設計上及び製造
上困難であるという問題がある。特に、投影光学系とし
て、反射屈折系を使用するような場合には、無収差の露
光フィールドの形状が円弧状の領域となることもある。

【０００９】斯かる被転写パターンの大面積化及び投影
光学系の露光フィールドの制限に対応するために、例え
ば矩形、円弧状又は６角形等の照明領域（これを「スリ
ット状の照明領域」という）に対してレチクル及び感光
性の基板を同期して走査することにより、レチクル上の
パターンを基板上に逐次投影露光する所謂スリットスキ
ャン露光方式の投影露光装置が提案されている。そし
て、スリットスキャン露光方式の投影露光装置において
も、焦点深度を浅くすることなく解像度を向上すること
が求められている。

【００１０】このため、従来のフレックス法による露光
方法をスリットスキャン露光方式の投影露光装置にその
まま適用しようとすると、それぞれ基板のフォーカス位
置を変えた状態で複数回のスキャン露光を行う必要があ
る。しかしながら、複数回のスキャン露光を行うので
は、露光時間が数倍になり、露光工程のスループットが
低下するという不都合がある。

【００１１】本発明は斯かる点に鑑み、スリットスキャ
ン露光方式の投影露光装置において、露光時間を長くす
ることなく焦点深度を実質的に深くできるようにするこ
とを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の投影
露光装置は、例えば図１及び図２に示すように、露光光
で所定形状の照明領域（３２）を照明する照明光学系
（２〜１０）と、転写用のパターンが形成されたマスク
（１１）の照明領域（３２）内のパターンの像を感光性
の基板（１９）上に投影する投影光学系（１８）とを有
し、照明領域（３２）に対してマスク（１１）を所定の
走査方向に走査し、マスク（１１）の走査と同期してそ
の走査方向と共役な方向に基板（１９）を走査すること
により、マスク（１１）のパターンの像を逐次基板（１
９）上に投影露光する装置において、マスク（１１）の
走査と同期して基板（１９）を走査する基板側ステージ
（２１）と、投影光学系（１８）の結像面と基板（１
９）の露光面との投影光学系（１８）の光軸方向の相対
位置を変化させる相対変位手段（２０，３１）とを有す
る。

【００１３】更に本発明は、マスク（１１）のパターン
の像を逐次基板（１９）上に投影露光する際に、照明領
域（３２）に対して基板（１９）上で共役な露光領域
（３３）のその走査方向と共役な方向の幅Ｄと等しい距
離を基板側ステージ（２１）が移動する時間の２倍又は
１／ｎの周期で（ｎは１以上の整数）、相対変位手段
（２０，３１）を介して投影光学系（１８）の結像面と
基板（１９）の露光面とを相対的に正弦波状又は階段状
等に移動させる制御手段（１６，２５）を有するもので
ある。次に、本発明による第２の投影露光装置は、露光
光で所定形状の照明領域を照明する照明光学系と、所定
のパターンが形成されたマスクのパターンの像を基板上
に投影する投影光学系とを有し、その照明領域に対して
そのマスクを所定の走査方向に走査するとともに、その
マスクの走査と同期して、その照明領域に対応する露光
領域に対してその基板を所定の走査方向に走査すること
により、その基板を走査露光する投影露光装置におい
て、その投影光学系の結像面とその基板の露光面とのそ
の投影光学系の光軸方向の相対位置を変化させる相対変
位手段と、その基板の走査露光中に、その投影光学系の
結像面とその基板の露光面との相対位置が所定の周期で
変化するようにその相対変位手段を制御する制御手段と
を有するものである。また、本発明による第３の投影露
光装置は、露光光で所定形状の照明領域を照明する照明
光学系と、所定のパターンが形成されたマスクのパター
ンの像を基板上に投影する投影光学系とを有し、その照
明領域に対してそのマスクを所定の走査方向に走査する
とともに、そのマスクの走査と同期して、その照明領域
に対応する露光領域に対してその基板を所定の走査方向
に走査することにより、その基板を走査露光する投影露
光装置において、その投影光学系の結像面とその基板の
露光面とのその投影光学系の光軸方向の相対位置を変化
させるためにその基板の露光面をその光軸方向へ移動す
る相対変位手段と、その基板の走査露光中、その基板上
の或る点がその露光領域を通過する間に、その基板の露
光面がその光軸方向に関する第１位置と第２位置との間
を往復するようにその相対変位手段を制御する制御手段
とを有するものである。

【００１４】

【作用】斯かる本発明によれば、スリットスキャン露光
方式で１回露光を行う際に、基板（１９）の露光面が投
影光学系（１８）の結像面に対して投影光学系（１８）
の光軸方向に相対的に周期的に移動する。また、相対的
な移動の周期Ｔ_nは、例えば図２（ａ）〜（ｃ）に示す
ように、基板（１９）上のスリット状の露光領域（３
３）の走査方向の幅Ｄを、基板（１９）上の或る露光点
（３４ａ）が通過する時間Ｔ₀の２倍又は整数分の１
（１／ｎ）である。従って、周期Ｔ_nが例えば時間Ｔ₀
の１／ｎであり、例えば図２（ｃ）においてフォーカス
位置Ｚ₀に投影光学系（１８）の結像面があるものとし
て、その周期Ｔ_nの間にその露光点（３４ａ）が結像面
に対して相対的に、フォーカス位置（Ｚ₀+ｂ）と（Ｚ₀-
ｂ）との間を１往復するように移動すると、基板（１
９）上の任意の露光点が露光領域（３３）で相対的に走
査されているときに、それぞれフォーカス位置（Ｚ₀+
ｂ）と（Ｚ₀-ｂ）との間をｎ往復するように移動する。
また、周期Ｔ_nが例えば時間Ｔ ₀の２倍であっても、そ
の周期Ｔ_nの間に、基板（１９）上の任意の露光点が露
光領域（３３）で相対的に走査されているときに、それ
ぞれフォーカス位置（Ｚ ₀+ｂ）と（Ｚ₀-ｂ）との間を１
回移動する。

【００１５】そのため、基板（１９）上の任意の露光点
において、フォーカス位置と露光エネルギーとの関係は
図２（ｄ）に示すように、フォーカス位置（Ｚ₀+ｂ）及
び（Ｚ₀-ｂ）において露光エネルギーＥ（Ｚ）が大きく
なるか、又はフォーカス位置（Ｚ₀+ｂ）からフォーカス
位置（Ｚ₀-ｂ）の間でほぼ均一に露光エネルギーＥ
（Ｚ）が所定の値を取るような関係となる。従って、例
えば図６及び図７（ｂ）に示すように従来の通常のフレ
ックス法の場合と同様の露光エネルギーの分布が得られ
るため、基板（１９）の全面で焦点深度が実質的に深く
なる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき図面を参照し
て説明する。本実施例は、光源としてエキシマレーザ光
源等のパルス発振型の露光光源を有するスリットスキャ
ン露光方式の投影露光装置に本発明を適用したものであ
る。図１は本例の投影露光装置の構成を示し、この図１
において、エキシマレーザ光源等のパルス発振型の光源
２から射出されたパルスレーザ光は、シリンドリカルレ
ンズやビームエクスパンダ等で構成されるビーム整形光
学系３により、後続のフライアイレンズ５に効率よく入
射するようにビームの断面形状が整形される。ビーム整
形光学系３から射出されたレーザ光は、ミラー４を経て
フライアイレンズ５に入射する。

【００１７】フライアイレンズ５から射出されたレーザ
光は、第１リレーレンズ６により視野絞り７上を均一な
照度で照明する。本実施例の視野絞り７の開口部の形状
は長方形である。視野絞り７を通過したレーザ光は、第
２リレーレンズ８、折り曲げミラー９及びメインコンデ
ンサーレンズ１０を経て、レチクルステージ１２上のレ
チクル１１を均一な照度で照明する。視野絞り７とレチ
クル１１のパターン形成面とは共役であり、視野絞り７
の開口部と共役なレチクル１１上の長方形のスリット状
の照明領域３２にレーザ光が照射される。後述の投影光
学系１８の光軸に平行にＺ軸をとり、その光軸に垂直な
平面内で照明領域３２に対するレチクル１１の走査方向
をＸ方向（又は−方向）とする。Ｘ方向は図１の紙面に
平行な方向である。

【００１８】レチクルステージ１２を、レチクル支持台
１３上にＸ方向に沿って摺動自在に支持し、レチクルス
テージ１２のＸ方向の端部に移動鏡１４を固定する。外
部のレーザ干渉計１５からの測長ビームを移動鏡１４で
反射し、レチクルステージ１２のＸ方向の座標をレーザ
干渉計１５により常時モニターする。レーザ干渉計１５
により計測された座標は、装置全体の動作を制御する主
制御系１６に供給され、主制御系１６はレチクルステー
ジ制御部１７を介してレチクルステージ１２のＸ方向の
動きを制御する。

【００１９】レチクル１１上のスリット状の照明領域３
２内のパターン像を、投影光学系１８を介してウエハ１
９上の露光領域３３に投影露光する。ウエハ１９上には
フォトレジストを塗布し、ウエハ１９をＺステージ２０
を介して、少なくともＸ方向に走査可能なＸＹステージ
２１上に載置する。Ｚステージ２０は、投影光学系１８
の光軸ＡＸに平行なＺ方向にウエハ１９を移動させる。
スリットスキャン露光方式で露光を行う際には、レチク
ル１１がレチクルステージ１２によりＸ方向（又は−Ｘ
方向）に走査されるのに同期して、ＸＹステージ２１を
介してウエハ１９は−Ｘ方向（又はＸ方向）に走査され
る。投影光学系１８のレチクル１１からウエハ１９への
投影倍率をβ₀（β₀は例えば１／５，１／４等）とす
ると、レチクル１１がＸ方向に速度Ｖ／β₀で走査され
るのに同期して、ウエハ１９は−Ｘ方向に速度Ｖで走査
される。

【００２０】Ｚステージ２０上に、アライメント用の種
々の基準マークが形成された基準マーク部材２２及び移
動鏡２３を固定する。外部のレーザ干渉計２４からの測
長ビームを移動鏡２３で反射し、ＸＹステージ２１のＸ
方向及びＸ方向に垂直なＹ方向の座標をレーザ干渉計２
４により常時モニターする。レーザ干渉計２４により計
測された２次元座標は主制御系１６に供給され、主制御
系１６はウエハステージ制御部２５を介してＸＹステー
ジ２１のＸ方向及びＹ方向の動きを制御する。更に、主
制御系１６は、トリガー制御部２６を介して光源２の発
振のタイミング及び発振周波数を制御し、不図示の電源
制御部を介して光源２から発光される各パルスレーザ光
の光量を制御する。

【００２１】また、投影光学系１８の側面にはウエハ１
９の露光面のＺ方向の高さ（フォーカス位置）を検出す
るオートフォーカス用のセンサー（以下、「ＡＦセンサ
ー」という）を配設する。本例のＡＦセンサーは送光系
２７及び受光系２８より構成され、送光系２７はウエハ
１９の露光面に投影光学系１８の光軸ＡＸに斜めにスリ
ットパターン像を結像投影する。送光系２７からウエハ
１９に射出される検出光としては、例えばウエハ１９上
のフォトレジストに対する感光性の低い波長帯の光、又
はフォトレジスト層での薄膜干渉が生じにくい比較的広
い波長帯の光が使用される。送光系２７から射出された
後、ウエハ１９の露光面で反射された検出光は、受光系
２８内で振動ミラー及び結像光学系を経てスリット状の
受光面を有する光電検出器上にスリットパターン像を再
結像する。

【００２２】受光系２８内の振動ミラーの駆動信号で光
電検出器の光電変換信号を同期整流することによりフォ
ーカス信号が得られ、このフォーカス信号が主制御系１
６に供給される。この場合、ウエハ１９の露光面がＺ方
向に移動すると、その露光面でのスリットパターン像の
位置がＸ方向に移動し、それに応じて受光系２８内の光
電検出器の受光面上で再結像されるスリットパターン像
の位置も横ずれし、フォーカス信号の値が変化する。ま
た、予め試し焼き（テストプリント）等により、計測用
のウエハの露光面が投影光学系１８の結像面にあるとき
のフォーカス位置（ベストフォーカス位置）を計測して
おき、計測用のウエハの露光面をベストフォーカス位置
に設定した状態で、フォーカス信号が所定の値（例えば
０）になるようにキャリブレーションを行っておく。

【００２３】これにより、主制御系１６は、そのフォー
カス信号からウエハ１９の露光面のフォーカス位置とベ
ストフォーカス位置（結像面の位置）とのずれ量を知る
ことができる。そして、後述のようにスリットスキャン
露光方式で露光を行う際に、主制御系１６は、フォーカ
ス信号に応じてＺステージ２０を介してウエハ１９の露
光面のフォーカス位置を階段状又は正弦波状等に周期的
に移動させる。なお、ＡＦセンサーの送光系２７からウ
エハ１９の露光面に対して多数のスリットパターン像を
投影し、ウエハ１９の露光面の多数の計測点のフォーカ
ス位置を同時に計測するようにしても良い。

【００２４】なお、投影光学系１８の結像面に対してウ
エハ１９の露光面をＺ方向に移動させる代わりに、ウエ
ハ１９の露光面のＺ方向の位置を固定して、投影光学系
１８の結像面の位置自体を変化させても等価である。そ
こで、本例では投影光学系１８の結像面の位置をＺ方向
に移動させるための機構が組み込まれている。具体的
に、投影光学系１８は、レチクル１１側から順にレンズ
２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ，２９Ｄ，‥‥より構成され、
最もレチクル１１に近いレンズ２９Ａと次のレンズ２９
Ｂとの間に３個の圧電素子よりなるアクチュエータ３０
Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが装着されている。そして、主制御
系１６からの指示により駆動部３１がアクチュエータ３
０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの厚さを変化させることにより、
レンズ２９Ａとレンズ２９Ｂとの間隔が調整され、これ
により投影光学系１８の結像面の位置がＺ方向で所定の
範囲内で調整される。

【００２５】また、レチクル１１を光軸ＡＸの方向に移
動させた場合にも、投影光学系１８の結像面の位置がＺ
方向に移動する。そこで、レチクル１１の光軸ＡＸの方
向の位置を変えるレチクル昇降機構を設け、このレチク
ル昇降機構により、投影光学系１８の結像面とウエハ１
９の露光面とのＺ方向の相対的な位置関係を変えるよう
にしても良い。また、以下ではＺステージ２０を介して
ウエハ１９の露光面のフォーカス位置を周期的に移動さ
せているが、上述のように投影光学系１８のレンズ２９
Ａを移動させるか又はレチクル１１を昇降させて、投影
光学系１８の結像面側をウエハ１９の露光面に対して周
期的に移動させても良い。

【００２６】次に、本例の投影露光装置において、レチ
クル１１のパターンをスリットスキャン露光方式で逐次
ウエハ１９上に投影露光する際の動作の一例につき説明
する。先ず露光対象とするウエハ１９をＺステージ２０
上に保持して、レチクル１１及びウエハ１９のアライメ
ントを行う。その後、レチクルステージ１２を介してレ
チクル１１を、スリット状の照明領域３２に対して−Ｘ
方向に速度Ｖ／β₀で走査するのと同期して、ＸＹステ
ージ２１を介して照明領域３２と共役なスリット状の露
光領域３３に対してウエハ１９をＸ方向に速度Ｖで走査
する。

【００２７】図２（ａ）は、ウエハ１９の露光面の一部
を示し、この図２（ａ）に示すように、ウエハ１９上の
ショット領域３４がスリット状の露光領域３３に対して
Ｘ方向に速度Ｖで走査される。露光領域３３の走査方向
（Ｘ方向）の幅をＤとする。また、図２（ｂ）の分布曲
線３５は露光領域３３のＸ方向の照度分布Ｉ（Ｘ）を示
し、分布曲線３５で示すように、照度分布Ｉ（Ｘ）は最
大値がＩ₀の台形状になっており、照度分布Ｉ（Ｘ）の
Ｘ方向の両端部で値がＩ₀/２になる点のＸ方向の間隔が
幅Ｄである。

【００２８】本例の光源２はパルス発光型であり、パル
ス発光の周期は例えばウエハ１９が走査方向（Ｘ方向）
に幅Ｄだけ移動する時間Ｔ₀の１／ｍ（ｍは所定の最小
の整数Ｎ_nim以上の整数）である。整数Ｎ_nimは、パル
ス発光毎の露光エネルギーのばらつきを考慮した場合
に、所望の照度均一性等が得られる最小のパルスとして
定められる。また、ウエハ１９がＸ方向に幅Ｄだけ移動
する時間Ｔ₀とは、ウエハ１９のＸ方向への走査速度Ｖ
を用いて次式で表される。Ｔ₀＝Ｄ／Ｖ（１）

【００２９】従って、光源２の発振周波数はｍ／Ｔ₀(＝
ｍ・Ｖ／Ｄ）であり、ウエハ１９上の或る露光点３４ａ
が幅Ｄの露光領域３３を横切る際に、その露光点３４ａ
にはｍパルス分のレーザ光の露光エネルギーが照射され
る。言い替えると、パルス発光の発振周期は、ウエハ１
９上が一定間隔だけ走査される毎にパルス発光が行われ
るように設定されている。そして、１回のスリットスキ
ャン露光方式の露光により、ウエハ１９上の任意の露光
点にはそれぞれＮ_nimパルス以上の整数パルス分の露光
エネルギーが照射され、照度均一性は良好である。

【００３０】更に、ウエハ１９のショット領域３４を露
光領域３３に対して走査する際に、図１の主制御系１６
は、Ｚステージ２０を動作させて、ウエハ１９の露光面
を投影光学系１８の結像面に対してＺ方向に周期的に振
動させる。図２（ｃ）の曲線３６は、そのときのウエハ
１９の露光面のＺ方向の位置（フォーカス位置Ｚ）の時
間ｔによる変化の様子を示し、図２（ｃ）において、位
置Ｚ₀が投影光学系１８の結像面の位置である。曲線３
６が示すように、ウエハ１９の露光面のフォーカス位置
Ｚは、位置（Ｚ₀+ｂ）と位置（Ｚ₀-ｂ）との間を一定の
周期Ｔ₁で正弦波状に変化している。結像面Ｚ₀からの
フォーカス方向へのずれ量の幅である振れ幅２ｂは、投
影光学系１８自体の焦点深度、及びウエハ１９上のフォ
トレジストの膜厚等に応じて設定される。そして、ウエ
ハ１９のフォーカス方向の初期位置、即ちフォーカス方
向への移動を開始するときのフォーカス位置Ｚは、位置
（Ｚ₀+ｂ）と位置（Ｚ₀-ｂ）との間の任意の位置で良
い。また、その周期Ｔ₁は、ウエハ１９上の任意の点が
露光領域３３の幅ＤをＸ方向に横切る時間Ｔ₀と同一に
設定されている。

【００３１】図３は、スリットスキャン露光方式で露光
を行う際のＺステージ２０のフォーカス方向（Ｚ方向）
への速度Ｖ_Zの制御方法を示し、この図３で示すよう
に、フォーカス位置Ｚが位置（Ｚ₀-ｂ）から位置（Ｚ₀+
ｂ）へ移動する際には、Ｚステージ２０の速度Ｖ_Zは、
折れ線４２で示すように台形状に変化する。即ち、傾斜
部４２ａで示すように、次第に速度Ｖ_Zを０から高める
ことにより、フォーカス位置Ｚが位置（Ｚ₀-ｂ）から上
昇し、傾斜部４２ｂで示すように、フォーカス位置Ｚが
位置（Ｚ₀+ｂ）へ近づくと速度Ｖ_Zは次第に０になる。
そして、フォーカス位置Ｚが位置（Ｚ₀+ｂ）から位置
（Ｚ₀-ｂ）へ移動する際には、Ｚステージ２０の速度Ｖ
_Zは、折れ線４２と逆極性の折れ線４３で示すように台
形状に変化する。従って、本例では、光源２のパルス発
振はウエハ１９及びレチクル１１の走査に同期させて行
うが、Ｚステージ２０のＺ方向への移動の制御は、図３
のような速度特性で速度制御を行うだけで良い。

【００３２】一般に、本例では、ウエハ１９の露光面の
フォーカス方向への振動の周期をＴ _nとすると（ｎは１
以上の整数）、その周期Ｔ_nを、ウエハ１９上の任意の
点が露光領域３３の幅ＤをＸ方向に横切る時間Ｔ₀の１
／ｎに設定する。即ち、ウエハ１９の走査速度Ｖ及び露
光領域３３の幅Ｄを用いて、周期Ｔ_nは次のように表さ
れる。なお、周期Ｔ_nは時間Ｔ₀の２倍でも良い場合が
ある（後述）。Ｔ_n＝Ｔ₀／ｎ＝Ｄ／（ｎ・Ｖ）（２）

【００３３】また、図２（ｃ）では振動の周期が時間Ｔ
₀と等しいＴ₁である場合（ｎが１の場合）を示してい
る。ｎが１の場合、図２（ａ）のウエハ１９上のショッ
ト領域３４内の或る露光点３４ａが幅Ｄの露光領域３３
をＸ方向に横切る間に、その露光点３４ａのフォーカス
位置は位置（Ｚ₀+ｂ）と位置（Ｚ₀-ｂ）との間を１回往
復する。また、露光点３４ａが露光領域３３を横切って
いる間は、図１の光源２はｍ個のパルスレーザービーム
をほぼ一定の周期で発光すると共に、その露光点３４ａ
には図１のレチクル１１上の同一のパターンの像が投影
露光される。従って、その露光点３４ａにおけるフォー
カス位置Ｚに対する露光エネルギーＥ（Ｚ）の分布は、
図２（ｄ）の分布曲線３７のようになり、位置（Ｚ₀+
ｂ）及び位置（Ｚ₀-ｂ）における露光エネルギーが大き
くなる。

【００３４】同様にして、ウエハ１９のショット領域３
４内の任意の露光点は、幅Ｄの露光領域３３をＸ方向に
横切る間に、フォーカス位置が位置（Ｚ₀+ｂ）と位置
（Ｚ₀-ｂ）との間を１回往復する。従って、任意の露光
点の露光エネルギーの分布は、位置（Ｚ₀+ｂ）及び位置
（Ｚ₀-ｂ）において大きくなり、投影光学系１８の焦点
深度が実質的に深くなる。従って、解像度を向上させる
ため投影光学系１８の開口数を大きくして、スリットス
キャン露光方式で露光を行う際に、ウエハ１９の露光面
に凹凸があるような場合でも、ウエハ１９の露光面の全
面にレチクル１１のパターン像が高い解像度で結像投影
される。また、１回の走査で焦点深度を深くした露光が
行われるため、スループットは低下しない。この場合、
特にコンタクトホールのような孤立的なパターンを露光
する際に、焦点深度の増大効果が大きくなる。

【００３５】なお、（２）式の条件から外れるが、図２
（ｃ）の破線の曲線３６Ａで示すように、ウエハ１９上
の任意の点が露光領域３３の幅ＤをＸ方向に横切る時間
Ｔ₀の２倍の周期で、ウエハ１９の露光面を投影光学系
１８の結像面に対してＺ方向に周期的に振動させても良
い。この場合でも、ウエハ１９のショット領域内の任意
の露光点は、幅Ｄの露光領域３３をＸ方向に横切る間
に、フォーカス位置が位置（Ｚ₀+ｂ）と位置（Ｚ₀-ｂ）
との間を移動する。従って、焦点深度の増大効果が得ら
れる。

【００３６】更に、フォーカス位置Ｚに対する露光エネ
ルギーＥ（Ｚ）の分布は、図２（ｄ）の曲線３７Ａで示
すように、位置（Ｚ₀-ｂ）から位置（Ｚ₀+ｂ）にかけて
ほぼ均一な（フラットな）値となっても良い。また、
（２）式の条件を満たす他の例として、例えばウエハ１
９上の任意の点が露光領域３３の幅ＤをＸ方向に横切る
時間Ｔ₀の１／２の周期Ｔ₂で、ウエハ１９の露光面を
投影光学系１８の結像面に対してＺ方向に周期的に振動
させると、ウエハ１９の露光面のフォーカス位置Ｚは図
４（ａ）の曲線３８のように変化する。この場合には、
ウエハ１９のショット領域内の任意の露光点は、幅Ｄの
露光領域３３をＸ方向に横切る間に、フォーカス位置が
位置（Ｚ₀+ｂ）と位置（Ｚ ₀-ｂ）との間を２回往復す
る。従って、任意の露光点の露光エネルギーの分布は、
図２（ｄ）のようになり、焦点深度の増大効果が得られ
る。

【００３７】なお、上述実施例ではウエハ１９の露光面
を投影光学系１８の結像面に対して正弦波状に振動させ
ているが、例えば三角波状に振動させても良い。ウエハ
１９上の任意の点が露光領域３３の幅ＤをＸ方向に横切
る時間Ｔ₀と同じ周期Ｔ₁で、ウエハ１９の露光面を投
影光学系１８の結像面に対してＺ方向に三角波状に振動
させると、ウエハ１９の露光面のフォーカス位置Ｚは図
４（ｂ）の折れ線３９のように変化する。この場合に
も、ウエハ１９上の任意の露光点の露光エネルギーの分
布は、ほぼ図２（ｄ）に近い分布となり、焦点深度の増
大効果が得られる。

【００３８】また、上述実施例では、スリットスキャン
露光方式で露光を行う際に、ウエハ１９の露光面をＺ方
向に連続的に振動（移動）させているが、ウエハ１９の
露光面をＺ方向に階段状又は断続的に移動させるように
しても良い。図４（ｃ）の折れ線４０は、ウエハ１９の
露光面をＺ方向に階段状又は断続的に周期的に移動させ
た場合のその露光面のフォーカス位置Ｚの変化を示し、
折れ線４０で示すように、フォーカス位置Ｚは位置（Ｚ
₀+ｂ）と位置（Ｚ₀-ｂ）との間を断続的に周期Ｔ₁で移
動する。この周期Ｔ₁は、ウエハ１９上の任意の露光点
が露光領域３３の幅ＤをＸ方向に横切る時間Ｔ₀と同じ
である。

【００３９】また、本例の光源はパルス発光型であるた
め、ウエハ１９の露光面上の或る露光点のフォーカス位
置が位置（Ｚ₀+ｂ）にある期間Ｔ₃では黒丸を付して示
す時点４４においてそれぞれ光源をパルス発光させると
共に、フォーカス位置が位置（Ｚ₀-ｂ）にある期間Ｔ₄
では黒丸を付して示す時点４５においてそれぞれ光源を
パルス発光させる。また、期間Ｔ₃及びＴ₄をそれぞれ
周期Ｔ₁だけずらした時点においてもそれぞれ光源をパ
ルス発光させる。このような露光方法により、ウエハ１
９上の任意の露光点において、フォーカス位置に対する
露光エネルギーの分布は図６の従来例とほぼ同じ分布と
なり、大きな焦点深度の増大効果が得られる。但し、図
４（ｃ）において、フォーカス位置が位置（Ｚ₀+ｂ）と
位置（Ｚ ₀-ｂ）との間で変化している時点４６及び４７
においても続けてパルス発光させても、実用上は十分な
焦点深度の増大効果が得られる。

【００４０】また、上述実施例では露光光の光源として
パルス光源が使用されているが、水銀ランプのような連
続発光の光源を用いた場合でも、ウエハの露光面と投影
光学系の結像面とを投影光学系の光軸方向に相対的に且
つ周期的に移動させることにより、焦点深度の増大効果
を得ることができる。更に、ウエハ１９をフォーカス方
向に移動させる代わりに、レチクル１１をＺ方向に移動
するか、又は投影光学系１８内の所定のレンズを移動さ
せること等により、投影光学系１８の結像面側をウエハ
１９に対してフォーカス方向に移動させても、同じく焦
点深度の増大効果が得られることは明かである。

【００４１】このように本発明は上述実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り
得る。

【００４２】本発明によれば、スリットスキャン露光方
式で露光を行う際に、１回の露光を行うだけでその基板
上の任意の露光点において、投影光学系の結像面に対し
て異なる複数の位置での露光量を大きくすることができ
る。従って、露光工程のスループットを低下させること
なく、焦点深度を実質的に深くできる利点がある。

【００４３】また、投影光学系の結像面の高さを固定し
て基板の露光面を移動させる方式、基板の露光面の高さ
を固定して投影光学系の結像面を移動させる方式、又は
投影光学系の結像面と基板の露光面とを同時に移動させ
る方式の何れの方式でも、焦点深度の増大効果は同じで
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の一実施例を示す一
部を切り欠いた構成図である。

【図２】（ａ）はウエハ上のスリット状の露光領域３３
及びショット領域３４を示す平面図、（ｂ）は露光領域
３３の走査方向の照度分布を示す分布図、（ｃ）はウエ
ハの露光面のフォーカス位置の変化の一例を示す図、
（ｄ）はウエハの露光面のフォーカス位置と露光エネル
ギーとの関係を示す図である。

【図３】実施例の投影露光装置でスリットスキャン露光
方式で露光を行う際のＺステージ２０のＺ方向への移動
速度の一例を示す図である。

【図４】（ａ）はウエハの露光面のフォーカス位置の変
化の他の例を示す図、（ｂ）はウエハの露光面を三角波
状に移動させる場合のフォーカス位置の変化を示す図、
（ｃ）はウエハの露光面を階段状又は断続的に移動させ
る場合のフォーカス位置の変化を示す図である。

【図５】（ａ）は従来の投影露光装置の要部を示す側面
図、（ｂ）はウエハの露光面を投影光学系の結像面から
下げた状態を示す要部の拡大図、（ｃ）はウエハの露光
面を投影光学系の結像面から上昇させた状態を示す要部
の拡大図である。

【図６】従来のフレックス法で２つのフォーカス位置で
２重露光した場合の、ウエハ上のフォーカス位置毎の露
光エネルギーを示す図である。

【図７】（ａ）は従来の一括露光方式でフォーカス位置
を連続的に変えて露光した場合の、フォーカス位置の変
化の様子を示す図、（ｂ）は図７（ａ）の場合のウエハ
上のフォーカス位置毎の露光エネルギーを示す図であ
る。

【符号の説明】

２光源７視野絞り１１レチクル１２レチクルステージ１６主制御系１８投影光学系１９ウエハ２０Ｚステージ２１ＸＹステージ２７ＡＦセンサーの送光系２８ＡＦセンサーの受光系３１駆動部３２スリット状の照明領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03B 27/32 G03F 7/20 521

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】露光光で所定形状の照明領域を照明する
照明光学系と、転写用のパターンが形成されたマスクの
前記照明領域内のパターンの像を感光性の基板上に投影
する投影光学系とを有し、前記照明領域に対して前記マ
スクを所定の走査方向に走査し、前記マスクの走査と同
期して前記走査方向と共役な方向に前記基板を走査する
ことにより、前記マスクのパターンの像を逐次前記基板
上に投影露光する装置において、前記マスクの走査と同期して前記基板を走査する基板側
ステージと、前記投影光学系の結像面と前記基板の露光面との前記投
影光学系の光軸方向の相対位置を変化させる相対変位手
段と、前記マスクのパターンの像を逐次前記基板上に投影露光
する際に、前記所定形状の照明領域に対して前記基板上
で共役な露光領域の前記走査方向と共役な方向の幅と等
しい距離を前記基板側ステージが移動する時間の２倍又
は１／ｎの周期で（ｎは１以上の整数）、前記相対変位
手段を介して前記投影光学系の結像面と前記基板の露光
面とを相対的に移動させる制御手段と、を有することを
特徴とする投影露光装置。
【請求項２】露光光で所定形状の照明領域を照明する
照明光学系と、所定のパターンが形成されたマスクのパ
ターンの像を基板上に投影する投影光学系とを有し、前
記照明領域に対して前記マスクを所定の走査方向に走査
するとともに、前記マスクの走査と同期して、前記照明
領域に対応する露光領域に対して前記基板を所定の走査
方向に走査することにより、前記基板を走査露光する投
影露光装置において、前記投影光学系の結像面と前記基板の露光面との前記投
影光学系の光軸方向の相対位置を変化させる相対変位手
段と、前記基板の走査露光中に、前記投影光学系の結像面と前
記基板の露光面との相対位置が所定の周期で変化するよ
うに前記相対変位手段を制御する制御手段と、を有する
ことを特徴とする投影露光装置。
【請求項３】前記所定の周期は、前記走査露光中の前
記基板の移動速度に応じて決定されることを特徴とする
請求項２記載の投影露光装置。
【請求項４】前記所定の周期は、前記露光領域の前記
走査方向の幅に応じて決定されることを特徴とする請求
項２又は３記載の投影露光装置。
【請求項５】前記所定の周期は、前記走査露光中に前
記基板上の或る点が、前記露光領域を通過するのに要す
る時間に基づいて決定されることを特徴とする請求項２
〜４の何れか一項記載の投影露光装置。
【請求項６】前記所定の周期は、前記基板上の或る点
が、前記露光領域を通過するのに要する時間の２倍、ま
たは１／ｎ（ｎは１以上の整数）の周期であることを特
徴とする請求項５記載の投影露光装置。
【請求項７】前記相対変位手段は、前記投影光学系の
結像面と前記基板の露光面との少なくとも一方を移動さ
せることを特徴とする請求項２〜６の何れか一項記載の
投影露光装置。
【請求項８】露光光で所定形状の照明領域を照明する
照明光学系と、所定のパターンが形成されたマスクのパ
ターンの像を基板上に投影する投影光学系とを有し、前
記照明領域に対して前記マスクを所定の走査方向に走査
するとともに、前記マスクの走査と同期して、前記照明
領域に対応する露光領域に対して前記基板を所定の走査
方向に走査することにより、前記基板を走査露光する投
影露光装置において、前記投影光学系の結像面と前記基板の露光面との前記投
影光学系の光軸方向の相対位置を変化させるために前記
基板の露光面を前記光軸方向へ移動する相対変位手段
と、前記基板の走査露光中、前記基板上の或る点が前記露光
領域を通過する間に、前記基板の露光面が前記光軸方向
に関する第１位置と第２位置との間を往復するように前
記相対変位手段を制御する制御手段と、を有することを
特徴とする投影露光装置。
【請求項９】前記露光光を射出するパルス発振型の光
源をさらに備え、前記基板上の或る点には、前記露光領域を通過する間
に、前記露光光がｍパルス分（ｍは整数）だけ照射され
ることを特徴とする請求項２〜８の何れか一項記載の投
影露光装置。
【請求項１０】前記基板上の或る点が前記露光領域を
通過するのに要する時間をＴ₀ としたとき、前記光源の発振周波数は、ｍ／Ｔ₀ で規定されることを
特徴とする請求項９記載の投影露光装置。
【請求項１１】前記露光領域の前記走査方向に関する
照度分布の形状は実質的に台形であって、前記台形の上底の照度をＩ₀ としたとき、前記露光領域
の前記走査方向の幅を照度がＩ₀ ／２となる位置の間隔
で規定することを特徴とする請求項９又は１０記載の投
影露光装置。
【請求項１２】前記走査露光中に、前記光軸方向に関
する前記投影光学系の結像面と前記基板の露光面との相
対的な位置関係を検出する検出手段をさらに備えたこと
を特徴とする請求項２〜１１の何れか一項記載の投影露
光装置。