JP3259220B2 - 光学装置及び投影露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路、液晶デ
ィスプレイ等の微細パターンの形成に用いる投影型露光
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の投影型露光装置に使われている
投影光学系は、高度な光学設計、硝材の厳選、硝材の超
精密加工、及び精密な組立て調整をへて装置内に組み込
まれる。現在、半導体製造工程では水銀ランプのｉ線
（波長３６５ｎｍ）を照明光としてレチクル（マスク）
を照射し、そのレチクル上の回路パターンの透過光を投
影光学系を介して感光基板（ウェハ等）上に結像するス
テッパーが主に使われている。また評価用、あるいは研
究用としてエキシマレーザ（波長２４８ｎｍのＫｒＦレ
ーザ）を照明光とするエキシマステッパーも使われてい
る。エキシマステッパー用の投影光学系は屈折レンズの
みで構成した場合、使用できる硝材が石英やホタル石等
に限定される。

【０００３】一般に、投影光学系を用いた露光によって
微細なレチクルパターンを感光基板へ忠実に転写するた
めには、投影光学系の解像力と焦点深度（ＤＯＦ：デプ
スオブフォーカス）とが重要なファクタとなっている。
現在実用化されている投影光学系のうち、ｉ線用のもの
で開口数（ＮＡ）として０．６程度のものが得られてい
る。使用する照明光の波長が同じであるとき、投影光学
系の開口数を大きくすると、それに応じて解像力も向上
する。しかしながら焦点深度（ＤＯＦ）は開口数ＮＡの
増大に伴って減少する。焦点深度は照明光の波長をλと
したとき、ＤＯＦ＝±λ／ＮＡ2 によって定義される。

【０００４】図１は従来の投影光学系の結像光路を模式
的に表したものであり、投影光学系は前群のレンズ系Ｇ
Ａと後群のレンズ系ＧＢとによって構成される。この種
の投影光学系はレチクルＲ側とウェハＷ側との両方をテ
レセントリックにしたもの、あるいはウェハＷ側のみを
テレセントリックにしたものが一般的である。さて、図
１においてレチクルＲのパターン面（投影光学系の物体
面）上に任意の３つの点Ａ、Ｂ、Ｃを想定する。点Ａか
ら様々の方向に進む光線Ｌ1 、Ｌ2 、Ｌ3 、Ｌａ、Ｌ
ａ’、Ｌａ”のうち、光線Ｌ1 は投影光学系のレンズ系
ＧＡに入射できないような角度で発生する。また、前群
のレンズ系ＧＡに入射した光線のうち、光線Ｌ2 、Ｌ3
は投影光学系内のフーリエ変換面ＦＴＰに位置する瞳ｅ
ｐを通過することができない。そして他の光線Ｌａ、Ｌ
ａ’、Ｌａ”は瞳ｅｐを通過して後群のレンズ系ＧＢに
入射し、ウェハＷの表面（投影光学系の瞳面）上の点
Ａ’に収斂する。従って、レチクルＲ上の点Ａから発生
した光線のうち、投影光学系の瞳ｅｐ（光軸ＡＸを中心
とする円形領域）を通過した光線が点Ａ’に点像を結像
するのに寄与する。ここで点Ａから点Ａ’に向う光線の
うち瞳ｅｐの中心点ＣＣ（光軸ＡＸの位置）を通る光線
Ｌａを主光線と呼び、この主光線Ｌａは両側がテレセン
トリックな投影光学系の場合、物体面側、像面側の夫々
の空間で光軸ＡＸと平行になっている。

【０００５】またレチクルＲ上の他の点Ｂ、Ｃの夫々か
ら発生した光線についても全く同じであり、瞳ｅｐを通
過する光線のみが点像Ｂ’、Ｃ’の結像に寄与する。同
様に点Ｂ、Ｃの夫々から光軸ＡＸと平行に進んでレンズ
系ＧＡに入射する光線Ｌｂ、Ｌｃは、いずれも瞳ｅｐの
中心点ＣＣを通る主光線となる。このように瞳ｅｐはレ
チクルＲのパターン面とウェハＷの表面との夫々に対し
てフーリエ変換、及び逆フーリエ変換の関係にあり、レ
チクル上のパターンからの光線のうち結像に寄与する光
線は全て瞳ｅｐを重畳して通ることになる。

【０００６】このような投影光学系の開口数は一般にウ
ェハ側の値として表されている。図１において、点像
Ａ’の結像に寄与する光線のうち、瞳ｅｐ内の最外部を
通る光線Ｌａ’、Ｌａ”がウェハＷ上で主光線Ｌａと成
す角度θｗが、この投影光学系のウェハ（像面）側での
開口数ＮＡW に相当し、ＮＡｗ＝ｓｉｎθｗで表され
る。従って光線Ｌａ’、Ｌａ”がレチクルＲ側で主光線
Ｌａと成す角度θｒは、レチクル（物体面）側での開口
数ＮＡｒと呼ばれ、ＮＡｒ＝ｓｉｎθｒで表される。さ
らに投影光学系の結像倍率をＭ（１／５縮小の場合はＭ
＝０．２）とすると、ＮＡｒ＝Ｍ・ＮＡｗの関係にあ
る。

【０００７】ところで解像力を高めるためには、開口数
ＮＡｗ（ＮＡｒ）を大きくする訳であるが、このことは
換言すれば瞳ｅｐの径を大きくすること、さらにレンズ
系ＧＡ、ＧＢの有効径を大きくすることに他ならない。
ところが、焦点深度ＤＯＦの方は開口数ＮＡｗの２乗に
反比例して減少してしまうため、例え高開口数の投影光
学系が製造できたとしても、必要な焦点深度が得られな
いことになり、実用上の大きな障害となる。

【０００８】照明光の波長をｉ線の３６５ｎｍとし、開
口数ＮＡｗを０．６とすると、焦点深度ＤＯＦは幅で約
１μｍ（±０．５μｍ）になってしまい、ウェハＷ上の
１つのショット領域（２０ｍｍ角〜３０ｍｍ角程度）内
で表面の凹凸や湾曲がＤＯＦ以上の部分については解像
不良を起こすことになる。またステッパーのシステム上
でも、ウェハＷのショット領域毎のフォーカス合わせ、
レベリング等を格段に高精度に行う必要が生じ、メカ
系、電気系、ソフトウェアの負担（計測分解能、サーボ
制御精度、設定時間等の向上努力）が増大することにな
る。

【０００９】そこで本件出願人は、このような投影光学
系の諸問題を解決し、しかも特公昭６２−５０８１１号
公報に開示されているような位相シフトレチクルを使わ
なくとも、高い解像力と大きな焦点深度との両方を得る
ことができる新たな投影露光技術を、特開平４−１０１
１４８号公報、特開平４−２２５３５８号公報等で提案
した。この露光技術は、投影光学系は既存のままで、レ
チクルへの照明方法を特殊な形体に制御することで見か
け上の解像力と焦点深度とを増大させるものであり、Ｓ
ＨＲＩＮＣ（Ｓｕｐｅｒ Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉ
ｏｎ ｂｙ ＩｌｌｕｍｉＮａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏ
ｌ）法と呼んでいる。このＳＨＲＩＮＣ法は、レチクル
Ｒ上のライン・アンド・スペースパターン（Ｌ＆Ｓパタ
ーン）のピッチ方向に対称的に傾斜した２つの照明光
（又は４つの照明光）をレチクルへ照射し、Ｌ＆Ｓパタ
ーンから発生する０次回折光成分と±１次回折光成分の
一方とを、投影光学系の瞳ｅｐ内で中心点ＣＣに関して
対称的に通し、２光束干渉（一方の１次回折光と０次回
折光との干渉）の原理を利用して、Ｌ＆Ｓパターンの投
影像（干渉縞）を生成するものである。

【００１０】このように２光束干渉を利用した結像によ
ると、デフォーカス時の波面収差の発生が従来の方法
（通常の垂直照明）の場合よりも押さえられるため、見
かけ上焦点深度が大きくなるのである。ところが、この
ＳＨＲＩＮＣ法はレチクルＲ上に形成されるパターンが
Ｌ＆Ｓパターン（格子）のように、周期構造を持つとき
に所期の効果が得られるのであり、コンタクトホール等
の孤立したパターンに対してはその効果が得られない。
一般に、孤立した微小パターンの場合、そこからの回折
光はほとんどフランフォーファ回折として発生するた
め、投影光学系の瞳ｅｐ内では０次回折光と高次回折光
とに明確に分離しないためである。

【００１１】そこでコンタクトホール等の孤立パターン
に対して見かけ上の焦点深度を拡大させる露光方法とし
て、ウェハＷの１つのショット領域に対する露光を複数
回に分け、各露光の間にウェハＷを光軸方向に一定量だ
け移動させる方法が、例えば特開昭６３−４２１２２号
公報で提案された。この露光方法はＦＬＥＸ（Ｆｏｃｕ
ｓ Ｌａｔｉｔｕｄｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ＥＸ
ｐｏｓｕｒｅ）法と呼ばれ、コンタクトホール等の孤立
パターンに対しては十分な焦点深度拡大効果を得ること
ができる。ただしＦＬＥＸ法は、わずかにデフォーカス
したコンタクトホール像を多重露光することを必須とす
るため、現像後に得られるレジスト像は必然的に鮮鋭度
が低下したものとなる。この鮮鋭度低下（プロファイル
悪化）の問題は、ガンマ値が高いレジストを用いたり、
多層レジストを用いたり、あるいはＣＥＬ（Ｃｏｎｔｒ
ａｓｔ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｌａｙｅｒ）を用い
たりすることで補うことができる。

【００１２】またＦＬＥＸ法のように露光動作中にウェ
ハＷを光軸方向に移動させなくても、コンタクトホール
パターンの投影時の焦点深度を拡大する試みとして、１
９９１年春季応用物理学会の予稿集２９ａ−ＺＣ−８，
９で発表されたＳｕｐｅｒ−ＦＬＥＸ法も知られてい
る。このＳｕｐｅｒ ＦＬＥＸ法は、投影光学系の瞳ｅ
ｐに透明な位相板を設け、この位相板によって結像光に
与えられる複素振幅透過率が光軸ＡＸから周辺に向かっ
て順次変化するような特性を持たせたものである。この
ようにすると、投影光学系によって結像された像はベス
トフォーカス面（レチクルＲと共役な面）を中心に光軸
方向に一定の幅（従来よりは広い）でシャープさを保つ
ことになり、焦点深度が増大するのである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上で述べた各種従来
技術のうち、ＦＬＥＸ法、及びＳｕｐｅｒ ＦＬＥＸ法
では、孤立的なコンタクトホールパターンに対して十分
な焦点深度の増大効果を得ることができる。しかしなが
ら、ある程度接近した複数のコンタクトホールパターン
では、両方法共にホール間のフォトレジストに不要な膜
べりを生じさせてしまい、事実上使用することが困難に
なることがわかった。

【００１４】さらに、ＦＬＥＸ法では、孤立的なコンタ
クトホールパターンについてもその像（多重露光で得ら
れる合成光学像）のシャープネスを必然的に悪化させる
ために、焦点深度は増大しても露光量裕度が減少すると
いう問題もある。また露光作業中にウェハを光軸方向に
連続的に移動又は振動する方式のＦＬＥＸ法では走査露
光方式の露光装置への適用が難しく、また露光を第１の
露光と第２の露光に分割し、各露光間にウェハを光軸方
向に移動する方式では処理能力の低下が大きく、スルー
プットが著しく低下するという問題がある。

【００１５】本発明は、光路内や鏡筒内にダスト等の異
物の進入を防ぐこと光学装置及びそれを備えた投影露光
装置を得ることを目的とする。また、投影光学系を介し
た正確なアライメントマークの計測が行なえる投影露光
装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明で
は、照明光で照明されるマスクのパターンを基板に転写
する露光装置において、前記照明光の光路中に配置され
る光学素子と、前記光学素子を駆動し、塵埃を生じさせ
る駆動機構と、前記光学素子と前記駆動機構の少なくと
も一部とを収容する空間に、気体を供給する供給手段と
を備え、前記空間に供給された前記気体が、前記空間内
に収容された前記駆動機構の少なくとも一部を介して排
気されるように構成した。

【００１７】

【作用】本発明では、光路内空間に供給された気体を駆
動機構を介して排気することができる。また、レチクル
パターン面に対して、光学的にフーリエ変換の関係とな
る投影光学系内の面（以後瞳面と略す）、又はその近傍
面に偏光状態制御部材を設け、その瞳面内で円形または
輪帯状に分布する結像光の一部と、それ以外の部分に分
布する結像光とを互いに干渉し合わない偏光状態とす
る。この結果レチクルパターン中の、特にコンタクトホ
ールパターンを透過、回折した露光光束（結像光）は瞳
面内で干渉し合わない２つの光束に空間的に分割され、
ウェハ等の被露光体に到達する。ウェハ上でも２つの光
束は干渉し合わない（インコヒーレントである）ため
に、それぞれの光束が作り出す像（コンタクトホールの
像）の光量上での強度合成像が得られる。従来の露光方
式ではレチクル上の微小コンタクトホールパターンを透
過、回折した光束は投影光学系を経てウェハ面に達する
と、ここですべて振幅的に合成（コヒーレント加算）さ
れてレチクルパターンの像（光学像）を形成していた。
従来のＳｕｐｅｒ−ＦＬＥＸ法においても、瞳面に分布
する結像光を部分的に位相シフトさせているだけなの
で、コヒーレント加算であることに変わりはない。

【００１８】さて、投影光学系の瞳面に位相シフト板等
がないものとすると、ベストフォーカス（合焦状態）で
は、レチクル上の任意の１点からウェハ上の対応する像
点までの光路長は投影光学系中のどこの光線路を通るか
にかかわらずすべて等しく（フェルマーの原理）、従っ
てウェハ上の振幅合成は位相差のない光の合成となり、
すべてコンタクトホールパターンの強度を増大する方向
に作用する。

【００１９】ところがウェハがデフォーカスすると、上
記の光路長は投影光学系内の光線路によって異なった長
さとなる。この結果上記の振幅合成は光路差（位相差）
を有する光の加算となり、一部で相殺効果が生じ、コン
タクトホールパターンの中心強度を弱めることになる。
このとき生じる光路差はウェハ上の１つの像点に入射す
る任意の光線の入射角をθとし、かつウェハに垂直に入
射する光線（主光線）の光路長を基準（＝０）とする
と、ほぼ１／２（ΔＦ・ｓｉｎ2 θ）と表される。ここ
でΔＦはデフォーカス量を表す。ｓｉｎθの最大値は投
影光学系のウェハ側の開口数ＮＡｗであるから、従来の
如く微小ホールパターンからの回折光のうち瞳ｅｐを通
過したすべての光がウェハ上で振幅合成される場合、最
大で１／２（ΔＦ・ＮＡｗ2 ）の光路差を生じてしまう
ことになる。このとき焦点深度としてλ／４の光路差ま
でを許容すると仮定すれば、以下の関係が成り立つ。

【００２０】１／２（ΔＦ・ＮＡｗ2 ）＝λ／４ この式をまとめ直すと、ΔＦ＝λ／（２ＮＡｗ2 ）とな
って一般に言われる焦点深度幅と一致する。例えば露光
用照明光波長として現在使われているｉ線（波長０．３
６５μｍ）を前提とし、開口数としてＮＡｗ＝０．５０
を想定すると、焦点深度±ΔＦ／２は±０．７３μｍと
なり、ウェハ上のプロセス段差１μｍ程度に対してほと
んど余裕のない値となっている。

【００２１】一方、本発明では図２に示すように、投影
光学系の瞳面（ＦＴＰ）に偏光状態制御部材ＰＣＭを設
ける。このとき、レチクルＲのパターン面に形成された
孤立パターンＰｒで回折した結像光束（主光線はＬＬ
ｐ）は投影光学系ＰＬの前群レンズ系ＧＡに入射した
後、フーリエ変換面ＦＴＰに達する。そしてフーリエ変
換面ＦＴＰにおいて、瞳面ｅｐ内の中心部の円形状透過
部分ＦＡと輪帯状の透過部ＦＢとの夫々を透過する光束
が互いに干渉し合わない偏光状態に制御（変換）され
る。このためウェハＷ上では偏光状態制御部材ＰＣＭの
円形状の透過部ＦＡを透過した光束ＬＦａと周辺の透過
部ＦＢを通過した光束ＬＦｂは干渉を起こさない。その
結果、円形の透過部ＦＡからの光束ＬＦａと周辺部ＦＢ
からの光束ＬＦｂはそれぞれ独立して自分自身のみで干
渉し合い、それぞれホールパターンの像（強度分布）Ｐ
ｒ’を形成する。すなわち光束ＬＦａのみの干渉によっ
てウェハＷ上に生成される像と、光束ＬＦｂのみの干渉
によって生成される像とを、単純に強度的に加算したも
のが、本発明によって得られるコンタクトホール等の孤
立パターンの像Ｐｒ’となる。

【００２２】尚、レチクルＲへの照明光ＩＬＢは従来と
同様に一定の開口数ｓｉｎψ／２をもつものとする。た
だし投影光学系ＰＬのレチクル側の開口数ＮＡｒに対し
ては、ＮＡｒ＞ｓｉｎψ／２の条件に設定される。そこ
で、本発明における結像原理を、さらに図３を参照して
説明する。図３は偏光状態制御部材ＰＣＭの構造と、コ
ンタクトホールの像Ｐｒ’を生成する結像光束の様子
と、デフォーカス時の各光束の光路差ΔＺとの各関係を
模式的に示したものである。

【００２３】図３（Ａ）の如く中心部を通る光束ＬＦａ
内での振幅合成では、光束ＬＦａが垂直入射光（主光線
ＬＬｐ）から入射角度θ1 までの角度範囲を含むから、
デフォーカス量がΔＦの時の光路差の最大値ΔＺ1 はΔ
Ｚ1 ＝１／２（ΔＦ・ｓｉｎ2 θ1 ）となる。尚、図３
の最下段のグラフの横軸は入射角の正弦を表し、ｓｉｎ
θ1 ＝ＮＡ1 とする。一方、図３（Ｂ）の如く周辺部を
通る光束ＬＦｂ内での振幅合成では、光束ＬＦｂが入射
角度θ1 から開口数ＮＡｗ（ｓｉｎθｗ）までの入射角
度範囲を有するので、デフォーカス量がΔＦの時の最大
光路長差ΔＺ2 は、ΔＺ2 ＝１／２（ΔＦ）（ＮＡｗ2
−ｓｉｎ2 θ1 ）となる。

【００２４】第１の光束ＬＦａと第２の光束ＬＦｂは互
いには干渉し合わないので、光束ＬＦａのみの干渉によ
る像Ｐｒ'1と、光束ＬＦｂのみの干渉による像Ｐｒ'2の
劣化は、各光束内での光路長差ΔＺ1 、ΔＺ2 のみに起
因する。例えば、ｓｉｎ2 θ1 ＝１／２（ＮＡｗ2 ）で
あるようにｓｉｎθ1 を設定する、すなわち

【００２５】

【数１】

【００２６】の関係をほぼ満たすように第１の透過部Ｆ
Ａの半径を設定すると、第１の光束ＬＦａによる最大光
路差ΔＺ1 と、第２の光束ＬＦｂによる最大光路差ΔＺ
2 はそれぞれ以下のようになる。 ΔＺ1 ＝１／２（ΔＦ・ｓｉｎ2 θ1 ）＝１／４（ΔＦ
・ＮＡｗ2 ） ΔＺ2 ＝１／２（ΔＦ）（NAw2−sin2θ1 ）＝１／４
（ΔＦ・NAw2） このように、２つのインコヒーレントな光束ＬＦａ、Ｌ
Ｆｂの夫々は、いずれもΔＦのデフォーカス時にほぼ同
一の最大光路差、１／４（ΔＦ・ＮＡｗ2 ）をもつこと
になり、この値は従来の場合の半分である。換言する
と、従来の２倍のデフォーカス量（２ΔＦ）でも、従来
の投影方式でのデフォーカス量ΔＦのときと同じ最大光
路長差で済むこととなり、その結果、孤立パターンＰｒ
の結像時の焦点深度は約２倍に増大することになる。こ
のように投影光学系ＰＬの瞳面ｅｐにおいて、結像光束
を互いに干渉しない複数の光束に交換する手法を、以後
ＳＦＩＮＣＳ（Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｉｌｔｅｒ ｆｏｒ
ＩＮＣｏｈｅｒｅｎｔ Ｓｔｒｅａｍ）法と呼ぶこと
にする。

【００２７】

【実施例】図４は本発明の実施例による投影露光装置の
全体的な構成を示す。図４において、水銀ランプ１から
放射された高輝度光は楕円鏡２によって第２焦点に収斂
した後、発散光となってコリメータレンズ４に入射す
る。その第２焦点の位置にはロータリーシャッター３が
配置され、照明光の通過、遮断を制御する。コリメータ
レンズ４によってほぼ平行光束に変換された照明光は、
干渉フィルター５に入射し、ここで露光に必要とされる
所望のスペクトル、例えばｉ線のみが抽出される。干渉
フィルター５を射出した照明光（ｉ線）は、偏光方向を
揃えるための偏光制御部材６を通った後、オプチカルイ
ンテグレータとしてのフライアイレンズ７に入射する。
この偏光制御部材６は投影光学系ＰＬ内の偏光状態制御
部材ＰＣＭの構成と光源の性質によっては省略してもよ
く、そのことについては後述する。また偏光制御部材６
はフライアイレンズ７に入射する照明光を一定の偏光方
向に揃えるだけなので、偏光板でよい。

【００２８】さて、フライアイレンズ７に入射した照明
光（ほぼ平行光束）は、フライアイレンズ７の複数のレ
ンズエレメントによって分割され、各レンズエレメント
の夫々の射出側には２次光源像（水銀ランプ１の発光点
の像）が形成される。従ってフライアイレンズ７の射出
側にはレンズエレメントの数と同じ数の点光源像が分布
し、面光源像が作られる。フライアイレンズ７の射出側
には、面光源像の大きさを調整するための可変絞り８が
設けられる。この絞り８を通った照明光（発散光）はミ
ラー９で反射され、集光レンズ系１０に入射した後、レ
チクルブラインド１１の矩形の開口部を均一な照度分布
で照射する。図４では、フライアイレンズ７の射出側に
形成される複数の２次光源像（点光源）のうち、光軸Ａ
Ｘ上に位置する１つの２次光源像からの照明光のみを代
表的に図示してある。また集光レンズ系１０によって、
フライアイレンズ７の射出側（２次光源像が形成される
面）はレチクルブラインド１１の矩形開口面に対するフ
ーリエ変換面になっている。従ってフライアイレンズ７
の複数の２次光源像の夫々から発散して集光レンズ系１
０に入射した各照明光は、レチクルブラインド１１上で
互いにわずかずつ入射角が異なる平行光束となって重畳
される。

【００２９】レチクルブラインド１１の矩形開口を通過
した照明光はレンズ系１２、ミラー１３を介してコンデ
ンサーレンズ１４に入射し、コンデンサーレンズ１４を
射出する光が照明光ＩＬＢとなってレチクルＲに達す
る。ここでレチクルブラインド１１の矩形開口面とレチ
クルＲのパターン面とは、レンズ系１２とコンデンサー
レンズ１４との合成系によって互いに共役に配置され、
レチクルブラインド１１の矩形開口の像が、レチクルＲ
のパターン面内に形成された矩形のパターン形成領域を
含むように結像される。図４に示すように、フライアイ
レンズ７の２次光源像のうち光軸ＡＸ上に位置する１つ
の２次光源像からの照明光ＩＬＢは、レチクルＲ上では
光軸ＡＸに対して傾きのない平行光束になっているが、
これは投影光学系ＰＬのレチクル側がテレセントリック
だからである。もちろん、フライアイレンズ７の射出側
には光軸ＡＸ上からずれて位置する多数の２次光源像
（軸外の点光源）が形成されるから、それらからの照明
光はいずれもレチクルＲ上では光軸ＡＸに対して傾いた
平行光束となってパターン形成領域内で重畳される。
尚、レチクルＲのパターン面とフライアイレンズ７の射
出側面とが、集光レンズ系１０、レンズ系１２、コンデ
ンサーレンズ１４の合成系によって光学的にフーリエ変
換の関係になっていることは言うまでもない。またレチ
クルＲへの照明光ＩＬＢの入射角度範囲ψ（図２参照）
は絞り８の開口径によって変化し、絞り８の開口径を小
さくして面光源の実質的な面積を小さくすると、入射角
度範囲ψも小さくなる。そのため絞り８は、照明光の空
間的コヒーレンシィを調整することになる。その空間的
コヒーレンシィの度合いを表すファクタとして、照明光
ＩＬＢの最大入射角ψ／２の正弦と投影光学系ＰＬのレ
チクル側の開口数ＮＡｒとの比（σ値）が用いられてい
る。このσ値は通常、σ＝ｓｉｎ（ψ／２）／ＮＡｒで
定義され、現在稼働中のステッパーの多くは、σ＝０．
５〜０．７程度の範囲で使われている。

【００３０】さて、レチクルＲのパターン面にはクロム
層によって所定のレチクルパターンが形成されている
が、ここではクロム層が全面に蒸着され、その内に微小
な矩形開口部（クロム層のない透明部）で形成された複
数のコンタクトホールパターンが存在するものとする。
コンタクトホールパターンはウェハＷ上に投影したと
き、０．５μｍ角（又は径）以下の寸法になるように設
計されていることもあり、投影光学系ＰＬの投影倍率Ｍ
を考慮してレチクルＲ上での寸法が決められている。ま
た互いに隣接するコンタクトホールパターン間の寸法
は、通常１つのコンタクトホールパターンの開口部寸法
に対してかなり大きくなっているため、孤立的な微小パ
ターンとして存在する。すなわち、隣接する２つのコン
タクトホールパターンは、それぞれから発生した光（回
折、散乱光）が、回折格子のように互いに強く影響し合
うことがない程度に離れていることが多い。ところが後
で詳しく述べるが、かなり接近した配置でコンタクトホ
ールパターンを形成したレチクルも存在する。

【００３１】図４において、レチクルＲはレチクルステ
ージＲＳＴに保持され、レチクルＲのコンタクトホール
パターンの光学像（光強度分布）は投影光学系ＰＬを介
してウェハＷの表面のフォトレジスト層に結像される。
ここで、図４中のレチクルＲからウェハＷまでの光路
は、結像光束の主光線のみで示す。そして投影光学系Ｐ
Ｌ内のフーリエ変換面ＦＴＰには、先の図２、図３で説
明した偏光状態制御部材ＰＣＭが設けられる。この偏光
状態制御部材ＰＣＭは、瞳ｅｐの最大径をカバーする直
径を有し、スライダー機構２０によって光路外へ退出し
たり、光路内に進入したりすることができる。仮りにそ
のステッパーが専らコンタクトホールパターンを露光す
るために使われるのであれば、偏光状態制御部材ＰＣＭ
は投影光学系ＰＬ内に固定しておいてもよい。しかしな
がら、複数台のステッパーによってリソグラフィ工程の
露光作業を行う場合、各ステッパーのもっとも効率的な
運用を考えると、特定の一台のステッパーをコンタクト
ホールパターン専用の露光に割り当てることは躊躇され
る。そのため、偏光状態制御部材ＰＣＭは投影光学系Ｐ
Ｌの瞳ｅｐに対して挿脱可能に設け、コンタクトホール
パターン以外のレチクルパターンの露光時にも、そのス
テッパーが使えるようにしておくことが望ましい。尚、
投影光学系によっては、その瞳位置（フーリエ変換面Ｆ
ＴＰ）に実効的な瞳径を変えるための円形開口絞りを設
けることもある。この場合、その開口絞りと偏光状態制
御部材ＰＣＭは機械的に干渉しないように、かつできる
だけ接近して配置される。

【００３２】さて、ウェハＷは、光軸ＡＸと垂直な面内
で２次元移動（以下、ＸＹ移動とする）するとともに、
光軸ＡＸと平行な方向に微動（以下、Ｚ移動とする）す
るウェハステージＷＳＴ上に保持される。ウェハステー
ジＷＳＴのＸＹ移動、Ｚ移動は、ステージ駆動ユニット
２２によって行われ、ＸＹ移動に関してはレーザ干渉計
２３による座標計測値に従って制御され、Ｚ移動に関し
てはオートフォーカス用のフォーカスセンサー２４の検
出値に基づいて制御される。ステージ駆動ユニット２
２、スライダー機構２０等は、主制御ユニット２５から
の指令で動作する。この主制御ユニット２５は、さらに
シャッタ駆動ユニット２６へ指令を送り、シャッター３
の開閉を制御するとともに、開口制御ユニット２７へ指
令を送り、絞り８、又はレチクルブラインド１１の各開
口の大きさを制御する。また主制御ユニット２５は、レ
チクルステージＲＳＴへのレチクルの搬送路中に設けら
れたバーコードリーダー２８が読み取ったレチクル名を
入力できるようになっている。従って主制御ユニット２
５は、入力したレチクル名に応じてスライダー機構２０
の動作、開口駆動ユニット２７の動作等を統括的に制御
し、絞り８、レチクルブラインド１１の各開口寸法、及
び偏光状態制御部材ＰＣＭの要、不要を、そのレチクル
に合わせて自動的に調整することができる。

【００３３】ここで図４中の投影光学系ＰＬの一部分の
構造を、図５を参照して説明する。図５は全て屈折性硝
材で作られた投影光学系ＰＬの部分的な断面を示し、前
群のレンズ系ＧＡの最下部のレンズＧＡ1 と後群のレン
ズ系ＧＢの最上部のレンズＧＢ1 との間の空間中にフー
リエ変換面ＦＴＰが存在する。投影光学系ＰＬは複数枚
のレンズを鏡筒で保持しているが、偏光状態制御部材Ｐ
ＣＭの挿脱のために、鏡筒の一部に開口部を設ける。ま
た偏光状態制御部材ＰＣＭ、及びスライダー機構２０の
全部、又は一部を、外気に直接露出させないようなカバ
ー２０Ｂを、鏡筒の開口部から延設する。このカバー２
０Ｂは外気に浮遊する微小なダストが投影光学系ＰＬの
瞳空間内に進入するのを防ぐ。スライダー機構２０に
は、回転モータ、ペンシリンダー、ソレノイド等のアク
チュエータ２０Ａが結合されている。さらに、鏡筒の一
部に瞳空間に連通する流路Ａｆを設け、パイプ２９を介
して温度制御されたクリーンエアを瞳空間へ供給するこ
とで、偏光状態制御部材ＰＣＭの露光光の一部吸収によ
る温度上昇、及び瞳空間全体の温度上昇を押さえるよう
にする。尚、瞳空間へ強制的に供給されたクリーンエア
を、スライダー機構２０、アクチュエータ２０Ａを介し
て強制的に排出するようにすれば、スライダー機構２０
等で発生した埃塵が瞳空間内に進入することを防止する
ことができる。

【００３４】図６は偏光状態制御部材ＰＣＭの第１の実
施例による構造を示し、図６（Ａ）は断面図、図６
（Ｂ）は平面図である。先に図３とともに説明した通
り、第１の偏光状態を与える円形透過部ＦＡの半径ｒ1
は瞳ｅｐの実効的な最大半径ｒ2 に対して、

【００３５】

【数２】

【００３６】に設定されるが、実際はそれよりも数％程
度大きい方がよい。この式から明らかなように、円形透
過部ＦＡの面積πｒ12は実効的な瞳開口の面積πｒ22に
対して約半分になっている。さて、図４中の光源（水銀
ランプ１）はランダムな偏光状態の光（種々の偏光状態
の光の合成された光であり、かつその偏光状態が時間と
共に変化する）を発生する。本発明の第１の実施例で
は、図６の偏光状態制御部材ＰＣＭとして直線偏光板を
用いることにするので、図４中の偏光制御部材６を省略
する。その場合、レチクル上のコンタクトホールパター
ンを透過して偏光状態制御部材ＰＣＭに達する光束の偏
光状態もランダムである。図６に示す偏光状態制御部材
ＰＣＭは中心点ＣＣから半径ｒ1 の円形透過部ＦＡ内
を、特定方向の直線偏光のみを透過させる偏光板で構成
し、中心点ＣＣと同軸の輪帯状の周辺透過部ＦＢを、円
形透過部ＦＡとは直交する方向の直線偏光のみを透過さ
せる偏光板で構成する。従って、図６の偏光状態制御部
材ＰＣＭを透過した後の結像光束の偏光状態は図６
（ｃ）に示す如く、中央透過部ＦＡでは、例えば同図中
の右上から左上への電場の振動面（偏光面）となり、周
辺透過部ＦＢでは左上から右下への偏光面となり、互い
に直交する偏光方向を持った直線偏光となり、互いに干
渉し合わない光束（ＬＦａ、ＬＦｂ）となる。これら互
いに干渉し合わない中心部と周辺部の両光束がウェハＷ
に達し、それぞれが自分自身とのみ振幅合成し、別々に
像（強度分布）Ｐｒ1 ’、Ｐｒ2 ’を作ることで、その
合成像（合成強度分布）の焦点深度が増大する原理は作
用の項で述べた通りである。

【００３７】図７は偏光状態制御部材ＰＣＭの第２の実
施例による構造を示す。本実施例では、図６と同様に中
心の円形透過部ＦＡと周辺の輪帯状透過部ＦＢとは互い
に直交する偏光方向の直線偏光のみを通す偏光板となっ
ている点は全く同じであるが、その射出側の全面にさら
に１／４波長板ＦＣを設けた点が異なる。１／４波長板
ＦＣの軸方向（入射光束に対して結晶の屈折率の高い方
向）は、円形透過部ＦＡを透過した直線偏光と輪帯状透
過部ＦＢを透過した直線偏光とを、それぞれ逆の（左・
右）円偏光に交換する軸方向としてある。ここで、１／
４波長板ＦＣの波長とは、もちろん露光光の波長λであ
る。１／４波長板ＦＣの材質は水晶等の複屈折物質を用
いる。さて、図７（Ａ）、（Ｂ）に示した偏光状態制御
部材ＰＣＭを透過した結像光束の偏光状態は、図７
（Ｃ）に示す如く、透過部ＦＡの部分では、例えば右回
り円偏光になり、周辺透過部ＦＢの部分では左回り円偏
光となっており、互いに干渉し合わない偏光状態にな
る。当然ながら、この円偏光状態は中心透過部ＦＡの透
過光が左回りで周辺透過部ＦＢの透過光が右回りである
ように１／４波長板ＦＣと偏光板ＦＡ、ＦＢの回転方向
を定めてもよい。

【００３８】以上の第１、第２の実施例では、投影光学
系ＰＬ中の偏光状態制御部材ＰＣＭが偏光板で構成され
ているため、投影光学系ＰＬを透過すべき本来の光量の
うち半分の光量は偏光状態制御部材ＰＣＭとしての偏光
板に吸収されることになる。これは露光パワーの低下も
意味するが投影光学系内に、熱（吸収した露光光のエネ
ルギー）が蓄積することとなり、光学系や硝材の安定性
という点で問題となる。

【００３９】そこで、この熱の問題（露光パワーの損
失）を解決する実施例を図８、９、１０、１１、１２を
参照して説明する。本実施例では、照明光ＩＬＢの偏光
特性が重要になるので、まずそのことから説明する。図
８は照明光学系中に設ける偏光制御部材６のいくつかの
実施例を示したものである。図８（Ａ）は偏光制御部材
６として偏光板６Ａを用いる例であり、ランダム偏光で
ある水銀ランプ１からの入射光は特定の直線偏光となっ
て射出される。図８（Ｂ）は偏光制御部材６として偏光
板６Ａと１／４波長板６Ｂとを組み合わせた例を示す。
このときも、ランダム偏光である入射光は、偏光板６Ａ
によって先ず直線偏光にされ、次に１／４波長板６Ｂに
より、右回りまたは左回りのいずれか一方の円偏光とな
って射出される。このときも１／４波長板６Ｂの軸方向
は偏光板６Ａからの直線偏光を円偏光に変換する軸方向
としておく。また光源からの光束（入射光束）自体が、
直線偏光の場合、例えばレーザ光源を使用した場合に
は、レチクルＲに達する照明光ＩＬＢは偏光制御部材６
は設けなくても直線偏光となっている。しかしながら、
後述する投影光学系内の偏光状態制御部材の構成によっ
ては、図８（Ｃ）に示す如く、１／４波長板６Ｂのみを
偏光制御部材６として設けて、円偏光にしておくとよ
い。この場合の１／４波長板６Ｂの軸方向も上述した通
りに設定される。

【００４０】さて、図８に示したような、偏光制御部材
６を用いてレチクルＲへの照明光ＩＬＢの偏光特性を揃
えておくと、コンタクトホールパターンを透過、回折し
て、投影光学系ＰＬ中の偏光状態制御部材ＰＣＭに達す
る結像光束も特定の直線偏光又は円偏光に揃った状態と
なっている。そこで照明光ＩＬＢが直線偏光に揃ってい
る場合に好適な偏光状態制御部材ＰＣＭの構造を第３の
実施例として図９に示す。図９（Ａ）は偏光状態制御部
材ＰＣＭとして１／２波長板を使用する例である。図９
（Ａ）は偏光状態制御部材ＰＣＭに入射する直前の光の
偏光状態を示し、ここでは同図中で上下方向に電場の振
動面をもつ直線偏光であるものとする。図９（Ｂ）は偏
光状態制御部材ＰＣＭの平面構造を示し、半径ｒ1 の円
形透過部ＦＡ1 は１／２波長板で構成され、周辺の輪帯
状透過部ＦＡ2 は透過部ＦＡ1 （１／２波長板）とほぼ
同等の厚さ（光学的厚さ）を持った通常の透明板（例え
ば石英）である。この図９の偏光状態制御部材ＰＣＭを
通過した直後の光の偏光状態は図９（Ｃ）に示すように
円形透過部ＦＡ1 の部分偏光状態が左右方向の直線偏光
に変換され、周辺の輪帯状透過部ＦＡ2 の部分では偏光
状態は何ら変化しない。このため、先の第１の実施例と
同様に結像光束の中心部と周辺部とで互いに干渉し合わ
ない偏光状態を得ることができる。ここで、透過部ＦＡ
1 としての１／２波長板の軸方向（面内の回転）は、入
射する直線偏光の方向をそれと直交する方向に変換する
軸方向に設定されるが、１／２波長板の軸方向と照明光
ＩＬＢの偏光方向とを最適化するように、偏光状態制御
部材ＰＣＭと偏光制御部材６とを面内で回転方向に相対
的に調整できるようにしてもよい。

【００４１】一方、図１０（Ｂ）は偏光状態制御部材Ｐ
ＣＭとして、半径ｒ1 の円形透過部ＦＡ2 と周辺の輪帯
状透過部ＦＢ2 とを共に１／４波長板（同一厚）で構成
した第４の実施例である。この場合も入射する光束は図
１０（Ａ）のように全て直線偏光なので、各透過部ＦＡ
2 、ＦＢ2 の１／４波長板の軸方向を入射光束の偏光状
態に対して最適化することにより、図１０（Ｃ）に示す
ように円形透過部ＦＡ2 を通過した光束は右回りの円偏
光に、輪帯状透過部ＦＢ2 を通過した光束は左回りの円
偏光に変換でき、互いに偏光状態の異なる（干渉し合わ
ない）光束（ＬＦａ、ＬＦｂ）を得ることができる。こ
の第４の実施例の場合も、第３の実施例と同様に偏光状
態制御部材ＰＣＭとしての１／４波長板の軸方向に合わ
せて、照明光ＩＬＢの偏光方向を偏光制御部材６により
調整できるようにしておくとよい。尚、図９（Ｂ）に示
した円形透過部ＦＡ1 としての１／２波長板は、水晶等
の旋光物質に代えてもよく、その場合でも全く同様に直
線偏光の方向を変換することができる。

【００４２】また図１１は、円偏光の照明光ＩＬＢに対
して好適な偏光状態制御部材ＰＣＭの構成を示す第５の
実施例である。この第５の実施例は、基本的には先の第
３の実施例（図９）の偏光状態制御部材ＰＣＭと同じも
のを使う。従って図１１（Ｂ）のように円形透過部ＦＡ
1 を１／２波長板で構成するだけで透過光の円偏光状態
を図１１（Ｃ）に示すように逆にすることができる。周
辺の輪帯状透過部ＦＢ1 は透過部ＦＡ1 の１／２波長板
と同程度の厚さの透過物体（石英板等）である。尚、図
１１（Ｂ）の場合も図９（Ｂ）のときと同様に、輪帯状
透過部ＦＢ1 の方を１／２波長板で構成してもよい。

【００４３】図１２は、円偏光の照明光ＩＬＢに対して
好適な第６の実施例による偏光状態制御部材ＰＣＭの構
成を示し、先の図１０の場合と全く同一のものでよい。
すなわち、円形透過部ＦＡ2 と輪帯状透過部ＦＢ2 とを
それぞれ１／４波長板で構成し、各１／４波長板の軸方
向を互いに直交するように調整して組み合わせておく。
この図１２の場合、各透過部ＦＡ2 、ＦＢ2 の透過光は
図１２（Ｃ）のように互いに直交した直線偏光となる。

【００４４】以上、図１１、図１２のように入射光束
（照明光ＩＬＢ）が円偏光であると、１／２波長板や１
／４波長板の軸方向を照明光の偏光特性に合わせて回転
調整する必要がなくなるので好都合である。以上のよう
に図８に示した偏光制御部材６と図９〜図１２の夫々に
示した偏光状態制御部材ＰＣＭを用いると、先に述べた
ような偏光状態制御部材ＰＣＭでの露光エネルギーの吸
収の問題がなくなり、投影光学系ＰＬ内での熱蓄積が押
さえられる点で極めて好都合である。しかしながら、今
度は照明光学系中で照明光ＩＬＢを１つの偏光状態に揃
えることに伴う光量損失（半分以上）が問題点として残
る。そこで照明光の光量損失を低減させた照明系の一例
を、第７の実施例として図１３を参照して説明する。図
１３の系は図４中の偏光制御部材６の代わりに設けられ
るものである。先ず、図１３（Ａ）において入射光束は
２つの偏光ビームスプリッター６Ｃ、６Ｄにより分割、
合成される。すなわち、１番目の偏光ビームスプリッタ
ー６ＣではＰ偏光（上下方向の偏光）成分が透過して２
番目の偏光ビームスプリッター６Ｄも透過して直進す
る。一方、ビームスプリッター６Ｃで分割されたＳ偏光
（紙面と垂直な方向の偏光）成分はミラー６Ｅ、６Ｆを
介してビームスプリッター６Ｄで合成され、Ｐ偏光成分
と同軸になって進む。このとき、ミラー６Ｅ、６Ｆの光
路によってＰ偏光とＳ偏光とに光路差２×ｄ1 を与え
る。従って入射光束の時間的コヒーレント長ΔＬｃが２
ｄ1 より短かければ、合成後のＰ偏光成分とＳ偏光成分
とは、偏光方向が相補的であることの他に時間的にもイ
ンコヒーレント（非可干渉）になる。これら２つの偏光
成分を持った照明光が使われ、偏光状態制御部材ＰＣＭ
として図９のものが使われると、図１４に示す通り、偏
光状態制御部材ＰＣＭに入射するとＰ偏光成分（例えば
白ヌキの矢印方向）とＳ偏光成分（例えば黒ヌリ矢印方
向）は、それぞれ図１４（Ｃ）のように偏光状態制御部
材ＰＣＭを透過した後では互いに干渉し合わない４つの
光束となる。すなわち円形透過部ＦＡ1 （１／２波長
板）では元の偏光方向が９０°だけ回転させられる。こ
の４つの光束はそれぞれ偏光方向が異なるとともに、透
過部ＦＡ1 、ＦＢ1 の夫々で偏光方向が同一であっても
時間的にインコヒーレントであるために干渉し合うこと
はない。すなわち、透過部ＦＡ1 を通過したＳ偏光成分
はＰ偏光成分に変換され、透過部ＦＢ1 を透過したＰ偏
光成分と同一偏光方向となるが、その２つの光は時間的
にインコヒーレントであるので干渉しない。もし、図１
３（Ａ）のような構成の偏光制御部材からの照明光を用
いないと、図１４のＰ偏光とＳ偏光は時間的にはコヒー
レントのままであるため、偏光状態制御部材ＰＣＭを透
過した後の各光束も偏光方向が同じであれば互いに干渉
し合うこととなり、本発明の効果は薄らぐ。図１３
（Ａ）に示した系は合成すべき２つの偏光成分の光路長
差を大きくとることができるので、比較的時間的コヒー
レント長の長い光源、例えば狭帯化したレーザ光源等に
適している。

【００４５】尚、レーザ光源として直線偏光を使用する
場合は、あえて図１３（Ａ）の構成の偏光制御手段を用
いなくても、本発明の効果を得ることができる。ただ
し、直線偏光のレーザ光源に対して図１３（Ａ）の如き
偏光制御手段を用いると、照明光を時間的にインコヒー
レントな２つの光束とすることができるため、レーザ光
源使用時に問題となるスペックルや干渉縞（照度ムラ）
を低減することができるという効果がある。この場合、
図１３（Ａ）の１段目のビームスプリッター６Ｃに入射
する直線偏光の偏光方向は、偏光ビームスプリッタ−６
Ｃに対して図１３（Ａ）に示すように、Ｐ偏光方向とＳ
偏光方向との中間（両者から４５°方向）の偏光方向Ｌ
ＰＬとするとよい。

【００４６】ところで、光源が水銀ランプのように比較
的大きなスペクトル幅を有する光源の場合にはその時間
的コヒーレント長は短いので、図１３（Ｂ）のような簡
単な部材を図４中の偏光制御部材６として用いることが
できる。この部材は石英等の透明平行平板６Ｇの表面に
偏光反射膜６Ｈを付け、裏面に金属等で全反射膜６Ｊを
付けたもので、水銀ランプからのコリメートされた光束
を所定角度で反射するように配置される。このとき、水
銀ランプからのランダム偏光の入射光のうち、Ｓ偏光成
分（紙面と垂直な方向）は表面の膜６Ｈで反射され、Ｐ
偏光成分は表面の膜６Ｈ、平行平板６Ｇを透過して裏面
の膜６Ｊで反射され、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とにはほ
ぼ平行平板６Ｇの厚さ（光学的厚さ）のほぼ２倍に相当
する光路差が与えられる。

【００４７】例えば水銀ランプからのｉ線の場合、中心
波長λが３６５ｎｍ、波長幅Δλが５ｎｍ程度なので、
一般に使われるコヒーレント長の式、ΔＬｃ＝λ2 ／Δ
λより、コヒーレント長ΔＬｃは２６μｍ程度となる。
従って十分に薄い平行平板６Ｇ（例えば１ｍｍ厚程度）
であっても、時間的コヒーレンスを消すために十分な光
路長差を与えることができる。

【００４８】次に、以上の図１３（Ａ）、又は１３
（Ｂ）の偏光制御手段と図９の偏光状態制御部材ＰＣＭ
とを組み合わせた第８の実施例を図１５により説明す
る。この実施例では図１３（Ａ）、又は（Ｂ）の系の射
出側に１／４波長板を設けて２つの直線偏光を、図１５
（Ａ）に示すように互いに逆方向の円偏光に変換してお
く。このとき偏光状態制御部材ＰＣＭを透過した後の光
束は図１５（Ｃ）に示すようになり、同様に干渉し合わ
ない４つの光束となっている。図１５（Ｃ）において例
えば透過部ＦＡ1 を通った左回りの偏光成分（白ヌキ矢
印）と透過部ＦＢ1 を通った左回りの偏光成分（黒ヌリ
矢印）とは時間的にインコヒーレントであるため、互い
に干渉しない。

【００４９】図１６は偏光状態制御部材ＰＣＭの第９の
実施例による構造を示し、中心の円形透過部ＦＡ1 とそ
の直近の周辺の輪帯透過部ＦＢ2 と、さらにその周辺の
輪帯透過部ＦＢ3 との３重構造となっている。ここで円
形透過部ＦＡ1 と最外の輪帯透過部ＦＢ3 とは同じ偏光
状態を透過する偏光板であり、中間の輪帯透過部ＦＢ2
はそれらと直交する偏光状態を通す偏光板であり、偏光
方向は図１６（Ｃ）に示すようになる。ここで中間の輪
帯透過部ＦＢ2 の透過光と円形透過部ＦＢ1 の透過光と
が作る光束による焦点深度が増大する原理は先に述べた
通りだが、円形透過部ＦＡ1 と最外の輪帯透過部ＦＢ3
の透過光束は同じ偏光状態であり、ウェハＷへの入射角
度範囲もｓｉｎθ＝０（垂直入射）からＮＡｗまでと広
い範囲となっている。しかしながら、円形透過部ＦＡ1
と輪帯透過部ＦＢ3 とは一種の３重焦点フィルターを構
成するため、大きな焦点深度を得ることができる。その
３重焦点フィルターについては、昭和３６年１月２３日
付で発行された。機械試験所報告第４０号の「光学系に
おける結像性能とその改良方法に関する研究」と題する
論文中の第４１頁〜第５５頁に詳しく述べられている。

【００５０】図１７は図１６の偏光状態制御部材ＰＣＭ
の変形例を示し、円形透過部ＦＡ1と最外の輪帯透過部
ＦＢ3 は同じ偏光成分を通す偏光板であり、中間の輪帯
透過部ＦＢ2 はそれらと直交する方向の偏光成分を通す
偏光板である。ただし、円形透過部ＦＡ1 には、図１７
（Ａ）に示すように、さらに最外の輪帯透過部ＦＢ3の
透過光に対して光路長差を１／２波長だけずらす位相板
（位相膜）ＦＣ2 を設けてある。これにより、円形透過
部ＦＡ1 と最外の輪帯透過部ＦＢ3 との各透過光の位相
（振幅）を反転させることで、その部分で２重焦点フィ
ルターを形成し、焦点深度の増大効果が得られる。もち
ろん中間の輪帯状透過部ＦＢ2 からの光束もウェハＷへ
の入射角度範囲が狭いため、焦点深度の増大に寄与す
る。尚、図１６、１７に示した各透過部ＦＡ1 、ＦＢ2
、ＦＢ3 は面積的にほぼ等しくなるように各径を決め
ておくと最大の効果が得られる。このことは、先の図３
に示した光路長差ΔＺを各透過部ＦＡ1 、ＦＢ2 、ＦＢ
3 の夫々の光束によってほぼ等分することを意味する。

【００５１】さて図１８は偏光状態制御部材ＰＣＭの第
１０の実施例であって、２重の輪帯透過部ＦＡと、ＦＢ
とで構成され、さらに中心に円形遮光部ＦＤ1 を設けた
ものである。このとき結像光束のウェハＷへの入射角度
範囲は、遮光部ＦＤ1 の半径をＫ1 とすると、図１８
（Ｃ）のようにｓｉｎθK1からＮＡｗまでの２光束（透
過部ＦＡ，ＦＢの各透過光）に限定される。このとき遮
光部ＦＤ1 を含めて考えると、入射角度範囲ＮＡｗ内に
存在する結像光束は３分割されるため、１つの光束の角
度範囲（デフォーカスによる光路長差ΔＺ）も３分割さ
れ、それだけ、デフォーカス時に悪影響する光路差が減
少する。これによって、さらなる焦点深度の拡大が図れ
る。

【００５２】図１９は図１８に示した透過部ＦＡと遮光
部ＦＤ1 との関係を逆にし、輪帯状遮光部ＦＤ2 を設け
たものである。このとき遮光部ＦＤ2 の幅はＫ2 −Ｋ1
であり、図１９（Ｃ）に示すように入射角度範囲θK2−
θK1の間で結像光束の一部が遮蔽される。この図１９の
場合も図１８の場合と同等の効果が得られる。ところ
で、図１６〜１９に示した偏光状態制御部材ＰＣＭで
は、中心円形透過部，又は輪帯透過部を偏光板としたが
図９〜図１２に示した如く１／４波長板、１／２波長板
あるいは旋光物質を用いてもよい。また図１８、１９中
の遮光部ＦＤ1 、ＦＤ2 は、例えば偏光板や波長板上に
金属膜等を蒸着した遮光膜でもよく、さらには偏光状態
制御部材ＰＣＭとは離して設けられた金属板等でもよ
い。

【００５３】また、遮光部ＦＤ1 、ＦＤ2 、あるいはそ
れと均等の遮光板は、露光波長についてのみ遮光すれば
よいので、誘電体薄膜等による光学的なシャープカット
フィルター等を用いて、露光波長（紫外光）等の短波長
域を吸収してしまうものでもよい。このようにすると、
例えばＨｅ−Ｎｅレーザーを光源としてウェハＷ上のア
ライメントマークを照射し、その反射光等を投影光学系
ＰＬを介して検出するＴＴＬ方式のアライメント系を使
う場合、瞳面に位置する遮光部ＦＤ1 、ＦＤ2、又は遮
光板がマークからの反射光に対して悪影響（遮光）を与
えるなどの問題はなくなる。あるいはウェハマーク照明
用のレーザビームやマークからの反射光が通る上述の金
属等の遮光板又は遮光部ＦＤ1 、ＦＤ2 上の位置だけ透
過領域としてもよく、その面積が小さければ本発明の効
果を特に損なうものとはならない。

【００５４】図２０は、第１１の実施例としてのＴＴＬ
アライメント系の一例を示し、ウェハＷ上に格子マーク
ＧＲが形成され、このマークＧＲの格子ピッチ方向の位
置ずれを検出するものとする。ここで図２０（Ａ）は紙
面上の左右方向がピッチ方向となるような方向からアラ
イメント系を見たもので、図２０（Ｂ）は図２０（Ａ）
の系を９０°回転した方向から見たものである。レチク
ルＲの上方に設けられたアライメント光学系の対物レン
ズＯＢＪからはコヒーレントなレーザビーム（Ｈｅ−Ｎ
ｅ）ＡＬＢ1 、ＡＬＢ2 の２本が、ミラーＭＲで反射さ
れて面ＣＦで交差した後、レチクルＲの周辺の窓ＲＭを
介して投影光学系ＰＬに入射する。まず図２０（Ａ）に
示すように、２本のビームＡＬＢ1 、ＡＬＢ2 は、瞳に
位置する偏光状態制御部材ＰＣＭに形成された屈曲性補
正素子ＰＧ1 、ＰＧ2 の夫々に入射し、ここで投影光学
系ＰＬの軸上色収差分に対応した量で２本のビームＡＬ
Ｂ1 、ＡＬＢ2 の進行方向を変える。これによって２本
のビームＡＬＢ1 、ＡＬＢ2 はウェハＷ上の格子マーク
ＧＲを、そのピッチ方向に関して対称的に傾いた角度で
照射する。このとき、格子マークＧＲのピッチＰｇ、ビ
ームＡＬＢ1 、ＡＬＢ2 の波長λａ、及びビームＡＬＢ
1 、ＡＬＢ2 の入射角θａが、ｓｉｎθａ＝λａ／Ｐｇ
を満たしていると、ビームＡＬＢ1 の照射によって格子
マークＧＲから発生した＋１次回折光と、ビームＡＬＢ
2 の照射によってマークＧＲから発生した−１次回折光
とは、図２０（Ａ）のように２本のビームＡＬＢ1 、Ａ
ＬＢ2の丁度中間の光路を同軸となって干渉ビームＡＤ
Ｌとして逆進する。この干渉ビームＡＤＬは偏光状態制
御部材ＰＣＭに形成された屈曲性補正素子ＰＧ3 で進行
方向を変えられ、レチクルＲの窓ＲＭを通ってアライメ
ント光学系の方へ戻っていく。このとき、図２０（Ｂ）
にも示すように、ウェハＷのマークＧＲに達する２本の
ビームＡＬＢ1 、ＡＬＢ2 はピッチ方向と直交する方向
（非計測方向）に関して傾斜しているため、干渉ビーム
ＡＤＬも傾斜して発生する。また図２０（Ａ）に示すよ
うに、２本のビームＡＬＢ1 、ＡＬＢ2 は面ＣＦで交差
するとしたが、実際は面ＣＦを窓ＲＭの位置に一致させ
ることができる。すなわち２本のビームＡＬＢ1 、ＡＬ
Ｂ2 に対して生ずる軸上色収差分をほぼ完全に補償する
ことができる。さらに図２０（Ｂ）のように２本のビー
ムＡＬＢ1 、ＡＬＢ2 を非計測方向に関してテレセント
リックな条件からずらして窓ＲＭに入射させることによ
って、倍率色収差分を補償することができる。尚、対物
レンズＯＢＪの光軸ＡＸａはレチクルＲに対して垂直に
設定される。

【００５５】マークＧＲの位置ずれ計測にあたっては、
２つの方法がある。その１つは、２本のビームＡＬＢ1
、ＡＬＢ2 の交差によってマークＧＲ上に形成される
干渉縞を基準にしてマークＧＲのピッチ方向の位置ずれ
を検出するものである。そのためには、アライメント光
学系内に、戻ってきた干渉ビームＡＤＬを光電検出する
光電センサーを設け、その出力信号レベルを計ればよ
い。もつ１つの方法は、２本のビームＡＬＢ1 、ＡＬＢ
2 の間にわずかな周波数差（例えば２０〜１００ＫＨｚ
程度）を与え、マークＧＲ上に生成された干渉縞をその
周波数差に応じた速度で走らせるヘテロダイン法であ
る。この場合、２本のビームＡＬＢ1 、ＡＬＢ2 の周波
数差をもつ基準交流信号を作り、光電センサーからの出
力信号（ヘテロダインの場合、干渉ビームＡＤＬはビー
ト周波数で強度変化しているため、交流信号となる）と
の間で位相差を求めることで、マークＧＲの位置ずれが
計測できる。

【００５６】このように、投影光学系ＰＬの瞳面に、色
収差補償用の屈曲補正素子ＰＧ1 、ＰＧ2 、ＰＧ3 を設
ける場合、それらの配置によっては図１８、１９で示し
た遮光部ＦＤ1 、ＦＤ2 （又は遮光板）の形状と位置的
に干渉してしまうこともある。しかしながら、この種の
アライメント方式のビームＡＬＢ1 、ＡＬＢ2 、又は干
渉ビームＡＤＬは極めて小さなスポット径であるため、
補正素子ＰＧ1 、ＰＧ2 、ＰＧ3 の夫々の寸法も極めて
小さくてよい。通常、補正素子ＰＧ1 〜ＰＧ3は透明な
硝材の表面にエッチング等によって位相格子として作り
込まれる。そのため先にも述べたように、遮光部ＦＤ1
、ＦＤ2 が位置的に干渉するときは、その位置の遮光
部のみを透明部にしておけばよい。

【００５７】また図２０では、補正素子ＰＧ1 〜ＰＧ3
を偏光状態制御部材ＰＣＭ上に直接形成するように示し
たが、補正素子ＰＧ1 〜ＰＧ3 を形成した通常の石英板
を瞳面に固定的に配置し、偏光状態制御部材ＰＣＭはそ
の石英板の極近傍に挿脱可能に配置するようにしてもよ
い。尚、投影光学系ＰＬの瞳面内の中心部に小さな径の
補正レンズ（凸レンズ）を設け、それによってアライメ
ントビームの色収差分を補償する方式が、例えばＵＳ
Ｐ．５，１００，２３７に提案されている。この場合、
その補正レンズの部分に露光波長に対する透過率が小さ
く、アライメントビームの波長に対する透過率が極めて
高いダイクロイック膜を蒸着しておくと、図１８に示し
た偏光状態制御部材ＰＣＭの中心遮光部ＦＤ1 と実質等
価なものが容易に構成できる。ただし、上記ＵＳＰ．
５，１００，２３７には、図１８のような透過部ＦＡ、
ＦＢも同時に設けておくことについては全く示唆されて
いない。

【００５８】また図４に示したウェハステージＷＳＴの
駆動ユニット２２のうち、ウェハＷを光軸方向に微動さ
せる制御の中に、従来のＦＬＥＸ法の機能を持たせても
よい。ＦＬＥＸ法の併用により本発明による焦点深度の
増大効果を飛躍的に増大させることができる。本発明は
投影型露光装置であればどのタイプのものにも適用でき
る。例えば投影レンズを用いたステッパータイプのもの
でもよく、あるいは反射屈折光学系を用いたステップア
ンドスキャン型のものであっても１：１のミラープロジ
ェクションタイプのものであってもよい。特にスキャン
タイプ（ステップアンドスキャン）やミラープロジェク
ション方式では、レチクルやウェハを投影光学系の光軸
と垂直な面内で走査移動させながら露光するため、従来
のＦＬＥＸ法の適用が難しいとされていたが、本発明は
そのような走査型の露光方式の装置に極めて簡単に適用
できるといった利点がある。

【００５９】そこで等倍のミラープロジェクション方式
のアライナーに本発明を適用した場合を第１２の実施例
として図２１、２２を参照して説明する。図２１におい
て、水銀ランプ（Ｘｅ−Ｈｇ）ランプ１からの照明光は
照明光学系ＩＬＳを介してレチクル（マスク）Ｒ上で円
弧スリット状の照明領域内に投射される。レチクルＲは
１次元走査可能なレチクルステージＲＳＴに保持され、
ウェハステージＷＳＴと同期して同一速度で移動する。
投影光学系はレチクル側とウェハ側の夫々に反射面ＭＲ
1 、ＭＲ4 を有する台形状の光学ブロックと、大きな凹
面ミラーＭＲ2と小さな凸面ミラーＭＲ3 とで構成さ
れ、凸面ミラーＭＲ3 の曲率半径に対して凹面ミラーＭ
Ｒ2 の曲率半径は約２倍に設定されている。この図２１
のような系の場合、凸面ミラーＭＲ3 の表面がレチクル
パターン面（又はウェハ面）に対するフーリエ変換面Ｆ
ＴＰに一致していることが多い。

【００６０】このとき、レチクルＲ上の点Ｐｒから発生
した結像光束は主光線ＬＬＰに沿って、反射面ＭＲ1 、
凹面ミラーＭＲ2 の上側、凸面ミラーＭＲ3 の全面、凹
面ミラーＭＲ2 の下側、及び反射面ＭＲ4 の順に進み、
ウェハＷ上の点Ｐｒ’に収斂する。このように凸面ミラ
ーＭＲ3 の表面が系の瞳面となっているときでも、今ま
で述べてきた各実施例で使用した偏光状態制御部材ＰＣ
Ｍがそのまま、あるいは若干の変形によって同様に用い
ることができる。

【００６１】具体的には図２２に示すように偏光状態制
御部材ＰＣＭを凸面ミラーＭＲ3 の直近に配置し、凹面
ミラーＭＲ2 から凸面ミラーＭＲ3 へ入射してくるとき
と、凸面ミラーＭＲ3 から凹面ミラーＭＲ2 へ射出して
いくときとの２回（往復）の光路で、結像光束の偏光状
態を制御するようにすればよい。ただし、中心の円形
（又は輪帯）透過部ＦＡと周辺の輪帯透過部ＦＢとがい
ずれも図６、図１６、図１８、図１９に示すように、単
純に偏光板のみで構成されているときは、そのまま使用
することができるが、透過部ＦＡ、ＦＢの一部に１／２
波長板や１／４波長板を用いた図７、図９〜図１２、図
１７の構成を使用するときは、往復の光路で２倍の偏光
作用を受けることを考慮して１／２波長板は１／４波長
板に、１／４波長板は１／８波長板にそれぞれ変更する
必要がある。

【００６２】またエキシマレーザを光源とする投影露光
装置では、投影光学系の瞳面に、フライアイレンズ等の
射出側に形成される２次光源面（多数の点光源）が再結
像されるため、その瞳面に光学素子（レンズ、反射面、
開口絞り、ＰＣＭ等）を配置すると長期間の使用によっ
て、その光学素子が収斂した光源像のために劣化する可
能性がある。そのため偏光状態制御部材ＰＣＭ等は瞳面
に厳密に配置するのではなく、むしろ若干ずらして配置
した方が好ましい。

【００６３】また以上の各実施例では、図４中の偏光制
御部材６を照明光学系内に設けたが、この偏光制御部材
６は投影光学系ＰＬ内の偏光状態制御部材ＰＣＭに達す
る直前までの光路中であれば、どこに配置してもよい。
例えば光源として直線偏光レーザを用い、偏光制御部材
６としての１／４波長板をレチクルＲと投影光学系ＰＬ
との間に挿入し、レチクルＲから発生する結像光束の全
体を円偏光に変換してもよい。

【００６４】ところで、この種の露光装置に使われる投
影光学系のレンズや反射面は極めて均一な硝材で作られ
ているため、投影光学系に入射する光束の偏光方向と射
出する光束の偏光方向とがよく一致しているはずである
が、わずかにずれてくることも起こり得る。この場合、
偏光状態制御部材ＰＣＭを理想的に配置しても、２つの
光束ＬＦａ、ＬＦｂの偏光方向が完全に相補的な関係に
ならないことになる。しかしながら、その相補的な関係
からのずれはわずかな量でしかないため、本発明の効果
を大きく損なうことは皆無である。

【００６５】次に本発明の各実施例によって得られる作
用、効果について、シミュレーション結果をもとに説明
する。図２３（Ａ）は以下のシミュレーションに用いた
１辺がウェハ上で０．３μｍに相当する正方形のコンタ
クトホールパターンＰＡであり、以下のシミュレーショ
ンでは図２３（Ａ）中のＡ−Ａ’断面でのウェハ上での
像強度分布を扱うものとする。図２３（Ｂ）は先の図６
に示した偏光状態制御部材ＰＣＭを示すもので、中心の
円形透過部ＦＡの半径ｒ1 と瞳の最大半径ｒ2との比ｒ1
／ｒ2 は、原理説明のところで述べたようにＮＡ1 ／
ＮＡｗ＝０．７０７になるように定められている。すな
わち、透過部ＦＡを通った結像光束の最大入射角をθ1
とすると、ｓｉｎ2 θ1 ＝１／２（ＮＡｗ2 ）を満たす
ように決められている。尚、以下のシミュレーション
は、全てＮＡｗ＝０．５７、露光波長はｉ線（波長０．
３６５μｍ）という条件のもとで行った。また照明光束
のコヒーレンスファクターであるσ値は０．６とした。
さて図２３（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）はパターンＰＡのウ
ェハ上での像強度分布を示し、それぞれベストフォーカ
ス位置での強度分布Ｉ1 、１μｍのデフォーカス位置で
の強度分布Ｉ2 、２μｍのデフォーカス位置での強度分
布Ｉ3 である。また図２３（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）中の
Ｅｔｈはウェハ上のポジ型フォトレジストを完全に除去
（感光）させるに必要な強度を示し、Ｅｃはポジレジス
トが溶解（膜ベリ）し始める強度を示す。各強度分布の
縦方向の倍率（露光量）はベストフォーカスでのコンタ
クトホール径（Ｅｔｈを横切るスライス部の幅）が０．
３μｍとなるように設定した。比較のために図２４
（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）にそれぞれ通常の露光装置（制
御部材ＰＣＭを取り除いたもの）によるベストフォーカ
ス位置での強度分布Ｉ7 、１μｍのデフォーカス位置で
の強度分布Ｉ8 、２μｍのデフォーカス位置での強度分
布Ｉ9 を示す。このときのシミュレーション条件も同様
にＮＡｗ＝０．５７、波長λ＝０．３６５μｍ、σ＝
０．６である。

【００６６】この図２４（Ａ）〜（Ｃ）と先の図２３
（Ｄ）〜（Ｆ）とを比較すると、デフォーカス時の像強
度の変化（コントラスト低下）が減少し、焦点深度が増
大することがわかる。一方、図２５は通常の投影露光装
置にＦＬＥＸ法を組み合わせたときの像強度分布Ｉ10、
Ｉ11、Ｉ12の変化を表したものである。ＦＬＥＸ法の露
光条件はベストフォーカス位置と、±１．２５μｍだけ
デフォーカスした位置の夫々とで各１回の計３回の分割
露光とした。この図２５のシミュレーション結果と図２
３（Ｃ）〜（Ｅ）のシミュレーション結果とを比較する
と、本発明での焦点深度の増大効果はＦＬＥＸ法と同程
度に得られることがわかる。図２６は本発明の実施例中
の図１８に示した偏光状態制御部材ＰＣＭを用いた場合
のシミュレーション結果を示す。このとき図２６（Ｂ）
に示すように偏光状態制御部材ＰＣＭの中心の円形遮光
部ＦＤ1 の半径Ｋ1 は０．３１ｒ2 （すなわちｓｉｎθ
K1＝０．３１ＮＡｗ）の関係に決定され、その外側の中
間の輪帯状透過部ＦＡの半径Ｋ2 は０．７４ｒ2 （すな
わちｓｉｎθK2＝０．７４ＮＡｗ）の関係に設定されて
いるものとする。もちろん露光条件として、ＮＡｗ＝
０．５７、σ＝０．６、λ＝０．３６５μｍはそのまま
である。この図２６（Ｂ）のような制御部材ＰＣＭで
も、図２６（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）に示す通りベストフ
ォーカス位置での強度分布Ｉ4 、１μｍのデフォーカス
位置での強度分布Ｉ5 、２μｍのデフォーカス位置での
強度分布Ｉ6 の如く、十分な焦点深度増大効果が得られ
る。

【００６７】図２７は比較のために従来のＳｕｐｅｒ
ＦＬＥＸ法でのシミュレーション結果を示したものであ
る。図２７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は開口数ＮＡｗが
０．５７で、瞳中心点から０．５４８ＮＡｗの半径内の
部分の複素振幅透過率を−０．３にしたフィルターを瞳
に設けたときに得られるベストフォーカス位置での強度
分布Ｉ13、１μｍのデフォーカス位置での強度分布Ｉ1
4、２μｍのデフォーカス位置での強度分布Ｉ15を示
す。Ｓｕｐｅｒ ＦＬＥＸ法では図２７のようにベスト
フォーカス位置での中央強度が高く、プロファイルがシ
ャープであるが、デフォーカス量による中心強度低下
は、ある量から急峻に起こっている。しかしながら焦点
深度の拡大効果としては、図２３、図２６に示した本発
明による効果と同程度である。ただし、Ｓｕｐｅｒ Ｆ
ＬＥＸ法では本来の像（中心強度）の周辺に、図２７
（Ａ）に示すようなサブピーク（リンギング）が発生す
る。これは、図２７でシミュレーションのモデルとなっ
た孤立したコンタクトホールパターンＰＡでは問題ない
が、後述する近接した複数のコンタクトホールパターン
への適用時に大きな問題となる。

【００６８】図２８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそのよう
なリンギングを防止するために、図２７でシミュレーシ
ョンモデルとしたＳｕｐｅｒ ＦＬＥＸ法の瞳フィルタ
ーよりも作用を弱めたフィルターを用いた場合のシミュ
レ−ション結果を示す。この場合、投影光学系の開口数
ＮＡｗは０．５７とし、瞳中心部の半径０．４４７ＮＡ
ｗに相当する部分内の複素振幅透過率を−０．３とした
フィルターを用いる。図２８（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ
ベストフォーカス位置での強度分布Ｉ16、１μｍのデフ
ォーカス位置での強度分布Ｉ17、２μｍのデフォーカス
位置での強度分布Ｉ18を示し、確かに図２７の場合に比
べてリンギングは弱くなるが、同時に焦点深度の増大効
果も低減してしまう。

【００６９】図２９（Ａ）〜（Ｄ）は、近接した２つの
コンタクトホールパターンＰＡ1 、ＰＡ2 が例えば図２
９（Ｅ）のように中心間距離０．６６μｍ（ウェハ上換
算）だけ離れて並ぶ場合に、各種露光方法で得られる像
強度分布をシミュレーションした結果を示す。図２９
（Ａ）は、図１４と同じシミュレーション条件によるＳ
ＦＩＮＣＳ法（本発明）によって得られた像強度分布を
示し、図２９（Ｂ）は従来のＦＬＥＸ法によって得られ
た像強度分布を示し、図２９（Ｃ）は図２７と同じ条件
でのＳｕｐｅｒ ＦＬＥＸ法（１）で得られた像強度分
布を示し、そして図２９（Ｄ）は図２８と同じ条件での
Ｓｕｐｅｒ ＦＬＥＸ法（２）で得られた像強度分布を
示し、いずれの強度分布もベストフォーカス位置でのも
のである。このシミュレーション結果からわかるよう
に、図２９（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）で得られる像は、２
つのホール像の間の強度が膜ベリ強度Ｅｃより低いた
め、両ホール間のレジスト（ポジ型）は完全に残膜し、
両ホールのレジスト像は分離して良好に形成される。と
ころが、図２９（Ｂ）に示したＦＬＥＸ法では、２つの
ホール像の間の強度が十分に低くなく、両ホール間のレ
ジストが膜ベリし、良好なパターンは形成できない。す
なわち、わずかな露光量のちがいによって、２つのコン
タクトホールの像がつながってしまうこともある。この
ように孤立的なコンタクトホールパターンの投影時の焦
点深度は本発明のＳＦＩＮＣＳ法と従来のＦＬＥＸ法と
では同程度の拡大効果が得られたが、近接したホールパ
ターンの解像度（忠実度）の点では本発明のＳＦＩＮＣ
Ｓ法の方がＦＬＥＸ法より優れていることがわかる。

【００７０】尚、図２９（Ｃ）、（Ｄ）のシミュレーシ
ョンでは一方のホールパターンによるリンギングのピー
ク部が他方のホールパターンの中心強度部と重なるよう
な条件で２つのホールパターンＰＡ1 、ＰＡ2 の中心間
距離を定めたので、２つのホールパターン像の間にはリ
ンギングの影響が現れない。このことは逆に、２つのホ
ールパターンＰＡ1 、ＰＡ2 の中心間距離が先の条件
（ウェハ上で０．６６μｍ）と異なってくると、リンギ
ングの影響が現れることを意味する。

【００７１】図３０は中心間距離が０．９６μｍ（ウェ
ハ上換算）で並んだ２つのコンタクトホール像のベスト
フォーカス位置での強度分布のシミュレーション結果で
ある。図２６に示した条件でのＳＦＩＮＣＳ法（本発
明）による像強度分布Ｉ23は、図３０（Ａ）のように２
つのホール像の間が十分に暗く、良好なレジストパター
ンが形成できる。ところが、図２７に示した条件でのＳ
ｕｐｅｒ ＦＬＥＸ法（１）では、図３０（Ｂ）の強度
分布Ｉ24のように、２つのホールパターンの夫々による
リンギングが合成（加算）されてしまい、２つのホール
像の中間に明るいサブピーク（膜ベリ強度Ｅｃ以上）が
生じ、この部分のレジストが膜ベリしてしまう。このた
め、良好なレジスト像を得ることができない。一方、図
２８に示した条件でのＳｕｐｅｒ ＦＬＥＸ法（２）に
よって中心間距離が０．９６μｍの２つのホールパター
ンを投影すると、その像強度分布Ｉ25は図３０（Ｃ）に
示すようになる。このように比較的効果の弱いＳｕｐｅ
ｒ ＦＬＥＸ法（２）の場合は、リンギングが少なく膜
ベリもないため、良好なレジスト像を得ることができ
る。ところが、この条件では図２８で説明した通り、本
発明でのＳＦＩＮＣＳ法に比べて十分な焦点深度拡大効
果を得ることができない。

【００７２】図３１は、その他の投影露光法として、投
影光学系の瞳面に瞳の実効的な半径ｒ2 に対して０．７
０７倍の半径（ＮＡｗ×０．７０７）をもつ円形遮光板
のみを配置したときに得られる孤立したホールパターン
の像強度分布Ｉ26を示したものである。この場合も、や
はり本来の像の周囲にリンギングが生じることになり、
近接したコンタクトホールパターンの投影露光への適用
は難しい。

【００７３】図３２は近接した複数のコンタクトホール
の例として、ＤＲＡＭ中のメモリーセル部に使われるコ
ンタクトホールパターンＰＡ1 、ＰＡ2 、ＰＡ3 、ＰＡ
4 の２次元的な配列の一例を示すものである。このよう
なホールパターン群に対してＳｕｐｅｒ ＦＬＥＸ法を
使うと、各ホールの周囲にはリンギング（サブピーク）
Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄが生じ、それらが重なる領域Ｒ
ｏでは４つのリンギングの夫々のピーク強度が重なり合
うことになる。このような場合には２個のホールパター
ン（２つのリンギングが重なる）のみの場合には膜ベリ
の発生しなかった比較的効果の弱いＳｕｐｅｒ ＦＬＥ
Ｘ法（２）であっても、サブピークの大きさが図３０
（Ｃ）に示す状態の約２倍となり、やはり膜ベリ強度Ｅ
ｃ以上となるため、良好なパターン転写ができなくな
る。すなわち、ウェハ上の領域Ｒｏの位置に本来レチク
ル上には存在しないホールの像（ゴースト像）を形成し
てしまうことになる。

【００７４】一方、本発明によるＳＦＩＮＣＳ法であれ
ば図３０（Ａ）に示すように、２つのホールパターンの
中間の光強度分布は膜ベリ強度Ｅｃの１／２以下である
ので、図３２に示した領域Ｒｏ内では、その加算強度が
図３０（Ａ）の状態からさらに２倍となっても膜ベリ強
度Ｅｃ以下にすることができる。以上、本発明の各実施
例とその作用について説明したが、レチクルＲへの照明
光ＩＬＢに特定の偏光方向を持たせるとき、その偏光方
向の適、不適を判断したり、あるいは偏光状態制御部材
ＰＣＭを通過した後の結像光束の偏光状態の良否を判断
するために、投影光学系を通った光束の一部を光電検出
する手段をウェハステージＷＳＴ上に設けてもよい。ま
た、ラインアンドスペースをもつレチクルを使用すると
きは、偏光状態制御部材ＰＣＭを投影光学系ＰＬ外へ退
出させ、照明系の一部をＳＨＲＩＮＣ法に適するように
交換可能としてもよい。尚、コンタクトホールパターン
の投影露光時に偏光状態制御部材ＰＣＭを用いるととも
に、ＳＨＲＩＮＣ法又は輪帯照明光源等の変形照明系を
併用するようにしてもよい。その場合、露光すべきレチ
クルをコンタクトホール用からラインアンドスペース用
に交換するときは、偏光状態制御部材ＰＣＭのみを退出
させればよい。

【００７５】また本発明の各実施例に示した偏光状態制
御部材ＰＣＭは、円形状、あるいは輪帯状の透過部で構
成したが、これは文字通りの形状に限られるものではな
い。例えば円形状の透過部は矩形を含む多角形に、輪帯
状の透過部はその多角形を環状に取り囲む形状に、それ
ぞれ変形してもよい。さらに、偏光状態制御部材ＰＣＭ
は、中心の円形透過部を取り囲んで最大２重の輪帯透過
部で構成するようにしたが、その輪帯透過部はそれ以上
に分割した構成にしてもよい。その場合、円形透過部と
ｎ重の各輪帯透過部の夫々の面積はほぼ等しくなるよう
に、すなわち瞳の実効的な開口面積をｎ＋１等分するよ
うな面積に設定される。

【００７６】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、光路内
空間に対し、外気や、駆動機構によって発生する塵埃の
進入を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の投影露光方法を説明する図である。

【図２】本発明の投影露光方法を実施するための原理的
な構成を示す図である。

【図３】本発明の露光方法により焦点深度が増大する原
理を説明する図である。

【図４】本発明の実施に好適な投影露光装置の全体的な
構成を示す図である。

【図５】投影光学系の部分的な構造を示す部分断面図で
ある。

【図６】本発明の第１の実施例による偏光状態制御部材
ＰＣＭの構成を示す図。

【図７】本発明の第２の実施例による偏光状態制御部材
ＰＣＭの構成を示す図。

【図８】照明光の偏光特性を一様に揃えるための偏光制
御手段の構成を示す図。

【図９】本発明の第３の実施例による偏光状態制御部材
ＰＣＭの構成を示す図。

【図１０】本発明の第４の実施例による偏光状態制御部
材ＰＣＭの構成を示す図。

【図１１】本発明の第５の実施例による偏光状態制御部
材ＰＣＭの構成を示す図。

【図１２】本発明の第６の実施例による偏光状態制御部
材ＰＣＭの構成を示す図。

【図１３】照明光の偏光特性を互いに異ならせ、同時に
時間的にインコヒーレントにするための第７の実施例に
よる偏光制御手段の構成を示す図。

【図１４】本発明の第７の実施例による偏光状態制御部
材ＰＣＭの構成を示す図。

【図１５】本発明の第８の実施例による偏光状態制御部
材ＰＣＭの構成を示す図。

【図１６】本発明の第９の実施例による偏光状態制御部
材ＰＣＭの構成を示す図。

【図１７】図１６の構成に対する変形例を示す図。

【図１８】本発明の第１０の実施例による偏光状態制御
部材ＰＣＭの構成を示す図。

【図１９】図１８の構成に対する変形例を示す図。

【図２０】本発明の第１１の実施例による構成を示し、
アライメント系を用いたときの投影光学系の構成を示
す。

【図２１】本発明の第１２実施例によるミラープロジェ
クション方式のアライナーの構成を示す。

【図２２】図２１のアライナーに、本発明の各実施例に
よる偏光状態制御部材ＰＣＭを適用した様子を示す。

【図２３】単独のホールパターンに対する本発明のＳＦ
ＩＮＣＳ法による効果を像強度分布としてシュミレーシ
ョンしたグラフを示す。

【図２４】単独のホールパターンに対する従来の通常露
光法による効果を像強度分布としてシュミレーションし
たグラフを示す。

【図２５】単独のホールパターンに対する従来のＦＬＥ
Ｘ法による効果を像強度分布としてシュミレーションし
たグラフを示す。

【図２６】単独のホールパターンに対する本発明のＳＦ
ＩＮＣＳ法による効果を像強度分布としてシュミレーシ
ョンしたグラフを示す。

【図２７】単独のホールパターンに対する従来のＳｕｐ
ｅｒ ＦＬＥＸ法（１）による効果を像強度分布として
シュミレーションしたグラフを示す。

【図２８】単独のホールパターンに対する従来のＳｕｐ
ｅｒ ＦＬＥＸ法（２）による効果を像強度分布として
シュミレーションしたグラフを示す。

【図２９】２個の接近したホールパターンに対する各種
露光法による効果を像強度分布としてシュミレーション
したグラフを示す。

【図３０】接近した２個のホールパターンの間隔を図２
９の場合と考えたときに各種露光法による効果を像強度
分布としてシュミレーションしたグラフを示す。

【図３１】瞳の中心に円形遮光部のみを設けたときに、
単独のホールパターンの像強度分布にリンギングが生じ
ることを示すグラフ。

【図３２】２次元的に分布したコンタクトホールパター
ンとリンギングの発生位置との関係を示す。

【符号の説明】

Ｒ・・・レチクル Ｗ・・・ウェハ ＰＬ・・・投影光学系 ＡＸ・・・光軸 ＰＡ、ＰＡ1 、ＰＡ2 ・・・ホールパターン ＰＣＭ・・・偏光状態制御部材 ＦＡ・・・円形状透過部 ＦＢ・・・輪帯状透過部 ＩＬＢ・・・照明光

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】照明光で照明されるマスクのパターンを基
   板に転写する露光装置において、 前記照明光の光路中に配置される光学素子と、 前記光学素子を駆動し、塵埃を生じさせる駆動機構と、 前記光学素子と前記駆動機構の少なくとも一部とを収容
   する空間に、気体を供給する供給手段とを備え、 前記空間に供給された前記気体が、前記空間内に収容さ
   れた前記駆動機構の少なくとも一部を介して排気される
   ことを特徴とする露光装置。
2. 【請求項２】前記駆動機構は、アクチュエータを備え、 前記気体は、前記照明光の光路を挟んだ一方側から供給
   されると共に、前記照明光の光路を挟んだ他方側で、か
   つ前記駆動機構の少なくとも一部及び前記アクチュエー
   タを介して排出されることを特徴とする請求項１に記載
   の露光装置。
3. 【請求項３】前記マスクのパターンの像を基板に転写す
   る投影光学系を有し、 前記光学素子は、前記投影光学系を構成する２つのレン
   ズの間に配置され、 前記空間は、前記２つのレンズと、該２つのレンズを保
   持する鏡筒とによって形成されることを特徴とする請求
   項１又は請求項２に記載の露光装置。
4. 【請求項４】前記光学素子は、前記投影光学系内の前記
   マスクのパターン面に対する光学的なフーリエ変換面又
   はその近傍に配置されることを特徴とする請求項３に記
   載の露光装置。