JP3304960B2

JP3304960B2 - 露光方法及びその露光方法を用いた回路パターン素子製造方法、並びに露光装置

Info

Publication number: JP3304960B2
Application number: JP2000380753A
Authority: JP
Inventors: 茂蛭川; 直正白石; 雅臣亀山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2002-07-22
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: JP2001210588A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子や液晶表示
素子製造のリソグラフィ工程で使用されるフォトマス
ク、さらにマスクのパターンを感光基板に転写する露光
方法及び投影露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等の回路パターンを形成する
ためのリソグラフィ工程においては、通常マスクまたは
レチクル（以下、レチクルと称す）に形成されたパター
ンを基板（半導体ウエハやガラスプレート等）上に転写
する方法が採用される。基板上には感光性のフォトレジ
ストが塗布されており、照射光像、すなわちレチクルパ
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。投影露光装置（例え
ばステッパー等）では、レチクルパターンの像が投影光
学系を介してウエハ上に結像投影される。

【０００３】この種の装置においては、レチクル上のパ
ターンが存在する面のフーリエ変換面となる照明光学系
の面（以後、照明光学系の瞳面と称す）、もしくはその
近傍の面内において、照明光束を照明光学系の光軸を中
心としたほぼ円形（あるいは矩形）に制限してレチクル
を照明する構成を採っていた。このため、照明光束はレ
チクルに対してほぼ垂直に近い角度で入射していた。ま
た、この装置に使用されるレチクル（石英等のガラス基
板）上には、照明光束に対する透過率がほぼ１００％で
ある透過部（レチクル裸面部）と、透過率がほぼ０％で
ある遮光部（クロム等）とで構成された回路パターンが
描かれていた。

【０００４】さて、上記のようにレチクルに照射された
照明光束はレチクルパターンにより回折され、パターン
からは０次回折光と±１次回折光とが発生する。これら
の回折光は投影光学系により集光され、ウエハ上に干渉
縞、すなわちレチクルパターンの像が形成される。この
とき、０次回折光と±１次回折光とのなす角θ（レチク
ル側）は、露光光の波長をλ（μｍ）、投影光学系のレ
チクル側開口数をＮＡとすると、 sinθ＝λ／Ｐにより
決まる。

【０００５】ところで、パターンピッチが微細化すると
sinθが大きくなり、さらに sinθが投影光学系のレチ
クル側開口数（ＮＡ）よりも大きくなると、±１次回折
光はレチクルパターンのフーリエ変換面となる投影光学
系の面（以後、投影光学系の瞳面と称す）の有効径で制
限され、投影光学系を透過できなくなる。つまり、ウエ
ハ上には０次回折光のみしか到達せず、干渉縞（パター
ンの像）は生じないことになる。従って、上記の如き従
来の露光方法において、前述の透過部と遮光部のみから
なるレチクル（以後、通常レチクルと称す）を使用する
場合、ウエハ上に解像できるレチクルパターンの微細度
（最小パターンピッチ）Ｐは、 sinθ＝ＮＡより、Ｐ≒
λ／ＮＡなる関係式で与えられる。

【０００６】これより、最小パターンサイズはピッチＰ
の半分であるから、最小パターンサイズは０．５×λ／
ＮＡ程度となるが、実際のフォトリソグラフィ工程では
ウエハの湾曲、プロセスによるウエハの段差等の影響、
またはフォトレジスト自体の厚さのために、ある程度の
焦点深度が必要となる。このため、実用的な最小解像パ
ターンサイズは、ｋ×λ／ＮＡとして表される。ここ
で、ｋはプロセス係数と呼ばれ、通常０．６〜０．８程
度である。

【０００７】以上のことから、従来の露光方法において
より微細なパターンを露光転写するためには、より短い
波長の露光用光源（エキシマレーザ光源等）を使用する
か、あるいはより開口数の大きな投影光学系を使用する
必要があった。しかしながら、露光光源を現在より短波
長化することは、エキシマレーザ光源等のランニングコ
ストが上昇すること、短波長領域では光の吸収が大きく
なるのでレジストの開発が困難であること等の理由によ
り現時点では難しい。また、投影光学系の開口数は現状
でも既に理論的限界に近く、これ以上の大開口化はほぼ
絶望的である。仮に現状以上の大開口化が可能であると
しても、装置が大型化して高価になる上、±λ／ＮＡ2
で定まる焦点深度は開口数の増加に伴って急激に減少す
るため、実使用に必要な焦点深度がより小さくなり、実
用的な露光装置となり得ないといった問題がある。

【０００８】そこで、レチクルの回路パターンの透過部
分のうち、特定の部分からの透過光の位相を、他の透過
部からの透過光に対してπ(rad) だけずらす、位相シフ
ター（誘電体薄膜等）を備えた位相シフトレチクルを使
用することも提案されている。位相シフトレチクルにつ
いては、例えば特公昭６２−５０８１１号公報に開示さ
れており、この位相シフトレチクルを使用すると、通常
レチクルを使用する場合に比べてより微細なパターンの
転写が可能となる。すなわち、解像力を向上させる効果
がある。

【０００９】また、最近では照明条件の最適化、あるい
は露光方法の工夫等によって微細パターンの転写を可能
とする試みがなされており、例えば特定線幅のパターン
に対して最適な照明光学系の開口数（すなわちコヒーレ
ンスファクターσ）と投影光学系の開口数（N.A.）との
組み合わせをパターン線幅毎に選択することによって、
解像度や焦点深度を向上させる方法が提案されている。
さらに、照明光学系の瞳面、もしくはその近傍面内にお
ける照明光束の光量分布を輪帯状に規定し、レチクルパ
ターンに照明光束を照射する輪帯照明法、あるいはレチ
クルパターンの周期性に対応して特定方向から照明光束
を所定角度だけ傾斜させて照射する傾斜照明法等も提案
されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の如
き従来の技術において、位相シフトレチクルについては
その製造工程が複雑になる分コストも高く、また検査及
び修正方法も未だ確立されていないなど、多くの問題が
残されている。また、輪帯照明法や傾斜照明法では照明
光学系の構成が複雑になってコストが上昇するといった
問題がある。

【００１１】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、位相シフトレチクルや照明光学系の改良を必要とせ
ず、高解像度かつ大焦点深度の投影露光を実現すること
を目的としている。

【００１２】

【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、レチクルパターンに対して照明
光の入射側に所定間隔だけ離して偏向部材（例えば回折
格子パターン等）を設け、この偏向部材で照明光を偏向
させることにより、照明光をレチクルに対して傾けてパ
ターンに照射することとした。なお且つこの傾斜照明を
行うにあたって、レチクルパターンのピッチＰＲと、回
折格子パターンのピッチＰＧとの関係を「ＰＧ=２Ｐ
Ｒ」とすると共に、照明光学系のコヒーレンスファクタ
ーσを０．５以下程度に設定した。偏向部材は、例えば
レチクルのパターン面と反対側の面（以下、ガラス面と
称す）に形成される。

【００１３】

【作用】本発明によれば、マスクパターンに対して照明
光の入射側に所定間隔だけ離して偏向部材を設けたた
め、露光装置においては照明光学系の改良を行うことな
く従来と全く同様に垂直照明を行うだけで、しかも従来
のレチクルをそのまま利用しながらも、レチクルパター
ンに対しては偏向部材で偏向された照明光による傾斜照
明を行うことができ、高解像力かつ大焦点深度の投影露
光が可能となる。また本発明によれば、レチクルパター
ンのピッチＰＲと、回折格子パターンのピッチＰＧとの
関係を「ＰＧ=２ＰＲ」とするように構成したので、垂
直照明、即ちコヒーレンスファクターσの小さな照明を
採用しても、回折格子パターン（ＲＧ１）からは回折角
Φ(ｓｉｎΦ＝λ／ＰＧ＝λ／２ＰＲ）で±１次回折光
（Ｌ１、Ｌ２）が発生し、これらの回折光Ｌ１、Ｌ２
は角度Φだけ傾いてレチクルパターン（ＲＰ１）に照射
されることになる。これにより、レチクルパターンＲＰ
１から発生する０次回折光Ｄｏと１次回折光Ｄｍとが
角度Φ０（ｓｉｎΦ０＝λ／ＰＲ＝２ｓｉｎΦ）をもっ
て投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐに入射する、換言すれば０
次回折光Ｄｏと１次回折光Ｄｍとはその光軸ＡＸに対す
る角度（射出角）がともにΦとなって発生することにな
り、高解像度のパターン転写が可能となる、という効果
を奏することができる。更に本発明によれば、照明光学
系のコヒーレンスファクターσを０．５以下程度とい
う、傾斜照明において最適な値に設定しているので、効
果的な傾斜照明を実現することができる。

【００１４】以下、図１０を参照して本発明の原理を説
明する。図１０では、照明光（主光線）ＩＬが光軸ＡＸ
に対してψだけ傾いた角度でレチクルＲに入射する様子
を示している。一般に、レチクルパターンＲＰ1 は周期
的なパターンを多く含んでいる。従って、照明光ＩＬが
照射されたレチクルパターンＲＰ1 からは、０次回折光
成分Ｄ0 及び±１次回折光成分ＤP 、Ｄm 及びより高次
の回折光成分が、パターンの微細度に応じた方向に発生
する。このとき、図１０に示すような傾斜照明を行う
と、レチクルパターンから発生した各次数の回折光成分
も、垂直に照明された場合に比べ、ある傾き（角度ず
れ）をもって発生することになる。

【００１５】さて、照明光ＩＬはレチクルパターンＲＰ
1 により回折され、光軸ＡＸに対してψだけ傾いた方向
に進む０次回折光Ｄ0 、０次回折光に対してθP だけ傾
いて進む＋１次回折光ＤP 、及び０次回折光Ｄ0 に対し
てθm だけ傾いて進む−１次回折光Ｄm を発生する。こ
こで、照明光ＩＬは両側テレセントリックな投影光学系
ＰＬの光軸ＡＸに対して角度ψだけ傾いてレチクルパタ
ーンＲＰ1 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。従って、＋１次回折光ＤP は光軸ＡＸに対して
（θP ＋ψ）の方向に進行し、−１次回折光Ｄm は光軸
ＡＸに対して（θm −ψ）の方向に進行する。このと
き、レチクルパターンのピッチをＰR とすると、回折角
θP 、θm は次式で表される。尚、ここでは＋１次回折
光ＤP と−１次回折光Ｄm の両方が投影光学系ＰＬの瞳
面Ｅｐを通過しているものとする。

【００１６】

【数１】

【００１７】ところで、レチクルパターンＲＰ1 の微細
化に伴って回折角が増大すると、まず角度（θP ＋ψ）
の方向に進行する＋１次回折光ＤP が投影光学系ＰＬの
瞳面Ｅｐを透過できなくなる。すなわち、投影光学系Ｐ
Ｌのレチクル側開口数をＮＡR とすると、sin(θP ＋
ψ）＞ＮＡR の関係になってくる。しかし、照明光ＩＬ
が光軸ＡＸに対して傾いて入射しているため、このとき
の回折角でも−１次回折光Ｄm は、投影光学系ＰＬに入
射可能となる。すなわち、sin(θm −ψ）＜ＮＡR の関
係になる。

【００１８】従って、ウエハＷ上には０次回折光Ｄ0 と
−１次回折光Ｄm との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ＲＰ1 の像であり、レチク
ルパターンＲＰ1 が１：１のラインアンドスペースのと
き、約９０％のコントラストとなってウエハＷ上に塗布
されたレジスト層に、レチクルパターンＲＰ1 の像をパ
ターニングすることが可能となる。

【００１９】このときの解像限界は、sin(θm −ψ）＝
ＮＡR となるときであり、従って、転写可能な最小パタ
ーンのレチクル側でのピッチは次式で表される。

【００２０】

【数２】

【００２１】一例として、 sinψを０．５×ＮＡR 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
最小ピッチは次式で表される。

【００２２】

【数３】

【００２３】一方、上述した如く照明光の瞳面Ｅｐ上で
の光量分布が光軸ＡＸを中心とする円形領域内である従
来の垂直照明の場合、解像限界はＰR ≒λ／ＮＡR であ
った。従って、傾斜照明法では従来の垂直照明より高い
解像度が実現できることがわかる。以上のことから本発
明では、レチクルパターンに対して照明光の入射側（光
源側）に所定間隔だけ離して偏向部材を設ける。例えば
偏向部材として回折格子パターンを用いることとし、当
該パターンの周期（ピッチ）方向とレチクルパターンの
ピッチ方向とがほぼ一致するように、回折格子パターン
をレチクルのガラス面に形成することとした（図１参
照）。このとき、照明光ＩＬが光軸ＡＸに対して角度ψ
（上記数式２から明らかなようにレチクルパターンのピ
ッチＰR から一義的に定められる角度）だけ傾いてレチ
クルパターンＲＰ1 に入射するように、回折格子パター
ンＲＧ1 は照明光ＩＬを角度ψだけ偏向（回折）させる
必要があるため、そのピッチＰG をＰG ＝２×ＰR なる
関係に定めておく。

【００２４】この結果、従来通りの垂直照明を採用して
も、回折格子パターンＲＧ1 からは回折角ψ(sinψ＝λ
／ＰG ＝λ／２ＰR ）で±１次回折光Ｌ1 、Ｌ2 が発生
し、これらの回折光Ｌ1 、Ｌ2 は角度ψだけ傾いてレチ
クルパターンＲＰ1 に照射されることになる。これによ
り、レチクルパターンＲＰ1 から発生する０次回折光Ｄ
0 と１次回折光Ｄm とが角度ψ0 (sinψ0 ＝λ／ＰR ＝
２ sinψ）をもって投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐに入射す
る、換言すれば０次回折光Ｄ0 と１次回折光Ｄm とはそ
の光軸ＡＸに対する角度（射出角）がともにψとなって
発生することになり、高解像度のパターン転写が可能と
なる。尚、回折格子パターンＲＧ1 からの±１次回折光
Ｌ1 、Ｌ2 は光軸ＡＸに対して対称的に傾いてレチクル
パターンＲＰ1 に照射されるので、例えばレチクルパタ
ーンＲＰ1 が１次元のラインアンドスペースパターンの
場合、投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐにおける照度分布、す
わなちレチクルパターンＲＰ1 からの回折光が通過する
２つの部分領域の各照度をほぼ等しくすることができ
る。特に回折格子パターンＲＧ1 を位相型回折格子と
し、露光波長λ、ピッチＰG のもとで最適化されている
とき、回折格子パターンＲＧ1 からの０次光の発生を防
止して±１次回折光Ｌ1 、Ｌ2 のみを発生させることが
可能となり、原理的には傾斜照明法と全く等しくなる。
一方、０次光の発生を残した場合には、０次光を含めた
全回折光がレチクルパターンを照明することになり、見
掛け上照明光学系のコヒーレンスファクター（σ値）を
増大させる効果が得られる。

【００２５】ところで、次にレチクルパターンに対して
特定の入射角で照明光を照射することで、０次回折光成
分と１次回折光成分とを用いてウエハ上に結像パターン
を形成する方法によって、焦点深度も大きくなる理由に
ついて簡単に説明する。図１０に示したように、ウエハ
Ｗが投影光学系ＰＬの焦点位置（最良結像面）に一致し
ている場合には、レチクルパターンＲＰ1 中の１点を出
てウエハＷ上の一点に達する各回折光成分は、投影光学
系ＰＬのどの部分を通るものであっても全て等しい光路
長を有する。このため、従来のように０次回折光成分が
投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐのほぼ中心（光軸近傍）を通
過する場合でも、０次回折光成分とその他の回折光成分
とで光路長は相等しく、相互の波面収差も零である。

【００２６】しかし、ウエハＷが投影光学系ＰＬの焦点
位置に一致していないデフォーカス状態の場合、斜めに
入射する高次の回折光成分の光路長は光軸近傍を通る０
次回折光成分に対して焦点前方（投影光学系ＰＬから遠
ざかる方）では短く、焦点後方（投影光学系ＰＬ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、・・・・の各回折光成分は
相互に波面収差を形成して、焦点位置の前後におけるボ
ケを生じることとなる。

【００２７】前述のデフォーカスによる波面収差は、ウ
エハＷの焦点位置からのずれ量をΔＦ、各回折光成分が
−（負）側に入射するときの入射角θw の正弦をｒ（＝
sinθw ) とすると、ΔＦｒ2 ／２で与えられる量であ
る。このとき、ｒは各回折光成分の瞳面Ｅｐでの光軸Ａ
Ｘからの距離を表わす。従来の投影型露光装置（ステッ
パー）では、０次回折光Ｄ0 は光軸ＡＸの近傍を通るの
でｒ（０次）＝０となる。一方、±１次回折光ＤP 、Ｄ
m は、ｒ（１次）＝Ｍ・λ／ＰR となる（Ｍは投影光学
系の結像倍率）。従って、０次回折光Ｄ0 と±１次回折
光ＤP 、Ｄm とのデフォーカスによる波面収差は、ΔＦ
・Ｍ2(λ／ＰR )2／２となる。

【００２８】一方、本発明における投影型露光装置で
は、図１２に示すように０次回折光成分Ｄ0 は光軸ＡＸ
から角度ψだけ傾いた方向に発生するから、瞳面Ｅｐに
おける０次回折光成分の光軸ＡＸからの距離は、ｒ（０
次）＝Ｍ・ sinψである。さらに、−１次回折光成分Ｄ
m の瞳面における光軸からの距離はｒ（−１次）＝Ｍ・
sin(θm −ψ）となる。そしてこのとき、 sinψ＝sin
(θm −ψ）となれば、０次回折光成分Ｄ0 と−１次回
折光成分Ｄm のデフォーカスによる相対的な波面収差は
零となり、ウエハＷが焦点位置より光軸方向に若干ずれ
てもパターンＲＰ1 の像ボケは従来程大きく生じないこ
とになる。すなわち、焦点深度が増大することになる。
また、上記数式２のようにsin(θm −ψ）＋ sinψ＝λ
／ＰRであることから、照明光束ＩＬのレチクルＲへの
入射角ψを、ピッチＰR のパターンに対して sinψ＝λ
／２ＰR （＝λ／ＰG ）なる関係に定めれば、焦点深度
を極めて増大させることが可能である。本発明では、上
記の如く偏向部材によって sinψ＝λ／２ＰR なる関係
が達成されているので、大焦点深度も得られることにな
る。

【００２９】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例によるフォトマ
スク（レチクル）の構成を示す模式図である。本実施例
では、このレチクルを投影露光装置を適用するのを前提
として説明する。図１において、レチクルＲは互いにほ
ぼ平行な２つの面を有する透明基板（露光波長λに対し
てほぼ透明な基板であって、例えば石英等のガラス基
板）の一方の面に、遮光材（クロム等）で１次元のライ
ンアンドスペースパターンＲＰ1 が形成されるととも
に、他方の面（ガラス面）には偏向部材としての１次元
の回折格子パターン（ここでは位相型回折格子とする）
ＲＧ1(デューティ比は１：１）が形成されている。従っ
て、レチクルパターンＲＰ1 と回折格子パターンＲＧ1
とは、互いにほぼ平行に対向して配置される。回折格子
パターンＲＧ1 は、その周期（ピッチ）方向がレチクル
パターンＲＰ1 のピッチ方向（図ではＸ方向）とほぼ一
致するように形成されるとともに、そのピッチＰG がＰ
G ＝２ＰR なる関係に定められている。また、本実施例
では位相型回折格子を用いることとしたので、レチクル
１の屈折率をｎとしたとき、回折格子の溝の深さｄは次
式のように定められる。

【００３０】

【数４】

【００３１】これにより、露光光（ｉ線、ＫｒＦエキシ
マレーザ等）ＩＬがほぼ垂直に回折格子パターンＲＧ1
に照射されると、パターンＲＧ1 からは±１次回折光Ｌ
1 、Ｌ2 のみが発生し、±１次回折光Ｌ1 、Ｌ2 はレチ
クル１と垂直な方向（投影光学系の光軸方向）に対して
互いに角度ψ(sinψ＝λ／ＰG ）だけ傾いて対称的にレ
チクルパターンＲＰ1 に入射することになる。この結
果、レチクルパターンＲＰ1 から発生する±１次回折光
のいずれか一方と０次回折光とが、投影光学系中のレチ
クルパターンに対するフーリエ変換面（以下、投影光学
系の瞳面と称す）Ｅｐ、もしくはその近傍の面内で、投
影光学系の光軸ＡＸからほぼ等距離だけ離れた２つの部
分領域ＳＰ1 、ＳＰ2 を通過し（図３参照）、高解像度
と大焦点深度とが得られることになる。

【００３２】このとき、図１においてレチクルパターン
ＲＰ1 の一点に着目すると、パターンＲＰ1 からは回折
光Ｌ1 による０次回折光Ｌ1(0)と回折光Ｌ2 による−１
次回折光Ｌ2(-1) とが同一方向に発生するとともに、回
折光Ｌ1 による＋１次回折光Ｌ1(+1) と回折光Ｌ2 によ
る０次回折光Ｌ2(0)とが同一方向に発生することにな
る。これは、レチクルパターンＲＰ1 に対して±１次回
折光Ｌ1 、Ｌ2 の各々が対称的に傾斜して照射されるた
めである。従って、投影光学系の瞳面Ｅｐでの照度分
布、すなわち回折光Ｌ1(0)とＬ2(-1) とが通過する部分
領域（例えばＳＰ1)と、回折光Ｌ1(+1) とＬ2(0)とが通
過する部分領域（例えばＳＰ2)との各照度がほぼ等しく
なり、これによってレジスト像にだれ等が生じることが
なくなる。

【００３３】ここで、回折格子パターンＲＧ1 のデュー
ティ比は任意で構わないが、高次回折光の発生を防止す
る上で１：１に定めておくことが望ましい。また、回折
格子パターンＲＧ1 を２次元の周期パターンとしても良
く、この場合にはいずれか一方の方向に関するピッチ及
びその方向が上記条件を満足するように形成すれば良
い。さらに回折格子パターンＲＧ1 は、上記の如くレチ
クルパターンＲＰ1 に対してそのピッチＰG 及びピッチ
方向のみを正確に設定しておくだけで良く、回折格子パ
ターンＲＧ1 がレチクルパターンＲＰ1 に対してＸＹ平
面内で相対的にシフト（位置ずれ）していても構わな
い。但し、互いのピッチ方向を一致させるため、当然な
がら相対回転誤差はほぼ零にしておく必要がある。この
ことは、レチクル製造時に回折格子パターンＲＧ1 を厳
密な位置合わせを行うことなく形成でき、上記構成のレ
チクルの製造が容易であることを意味している。

【００３４】一例として、ピッチＰR ＝３．５μｍのレ
チクルパターンＲＰ1 に対して、上記数式４を満足する
ピッチＰG ＝７μｍの回折格子パターンＲＧ1 を形成し
たレチクルを、ｉ線ステッパー（投影光学系の開口数Ｎ
Ａ＝０．５、照明光学系のコヒーレンスファクターσ＝
０．３、投影光学系の投影倍率Ｍ＝１／５）を使用し
て、１．２μｍ厚のポジレジストを塗布したシリコン基
板へ露光を行い、０．７μｍピッチのラインアンドスペ
ースパターン（最小線幅０．３５μｍ）を形成したとこ
ろ、約２．５μｍの焦点深度を得ることができた。これ
に対して、回折格子パターンＲＧ1 のないレチクルを同
様の条件で露光したときには、約１．０μｍの焦点深度
しか得られなかった。

【００３５】次に、図２を参照して本実施例によるレチ
クルの形成条件について説明する。図２は図１に示した
レチクルを側面及び上面から見た全体構成を示す図であ
り、パターン面には一定幅ΔＳの遮光帯（クロム等）Ｌ
ＳＢが形成され、この遮光帯ＬＳＢに囲まれたパターン
領域ＰＡ内にレチクルパターンＲＰ1 （不図示）が形成
されている。

【００３６】さて、上述した如く本実施例ではレチクル
１のガラス面に回折格子パターンＲＧ1 （図２ではその
形成領域ＧＡを図示）を形成しているが、レチクル１と
垂直な方向（投影光学系の光軸方向）に関するレチクル
パターンＲＰ1 と回折格子パターンＲＧ1 との間隔（本
実施例ではレチクル１の厚さに相当）Δｔは狭い方が良
い。これはパターンＲＧ1 の半影ぼけの影響等を除去す
るためである。そこで、レチクルパターンに対する傾斜
照明を実現するための間隔Δｔ（最小値）について説明
する。

【００３７】レチクルパターンＲＰ1 に対する照明光
（±１次回折光）の入射角ＮＡ0(＝ sinψ）、照明光学
系の開口数ＮＡILのもとで、パターンＲＰ1 への照明光
の最大、最小入射角（正弦）ＮＡ1 、ＮＡ2 は次式で表
される。

【００３８】

【数５】

【００３９】ところで、間隔（デフォーカス量に相当）
Δｔのもとでの光軸近傍を通る光に対する入射角ＮＡ1
、ＮＡ2 の光の各光路差ｋ1 、ｋ2 は次式で表され
る。

【００４０】

【数６】

【００４１】従って、光路差ｋ1 とｋ2 との差が露光波
長λ程度より長ければ、回折格子パターンＲＧ1 の像コ
ントラストはほぼ零となる。すなわち、次式を満足すれ
ば良い。

【００４２】

【数７】

【００４３】ここで、上記数式５から次式が得られる。

【００４４】

【数８】

【００４５】また、ＰG ・ＮＡ0 ＝λが成り立つことか
ら、上記数式７は次式のように表される。

【００４６】

【数９】

【００４７】従って、レチクル１のパターン面と回折格
子パターンＲＧ1 の形成面（ここではガラス面）との間
隔Δｔは、次式を満足すれば良いことなる。

【００４８】

【数１０】

【００４９】尚、間隔（レチクル厚）Δｔを決定する際
には、上記数式１０とともにレチクルの自重による撓み
までも考慮すると良い。これはレチクルが撓むと、レチ
クルパターンの投影像に特にディストーションが生じる
ためである。また、図２では回折格子パターンＲＧ1 の
形成領域ＧＡを、Ｘ、Ｙ方向の各々でパターン領域ＰＡ
（但し、領域ＰＡの全面にレチクルパターンＲＰ1 が形
成されているものとする）よりΔＷだけ大きくなるよう
に定めている。これは図１から明らかなように、レチク
ルパターンＲＰ1 の形成領域全てにわたって±１次回折
光Ｌ1 、Ｌ2 が対称的に照射されるようにするためであ
る。従って、上記ΔＷがΔＷ＞Δｔ× tanψなる関係式
を満足するように、回折格子パターンＲＧ1 の大きさ
（形成領域ＧＡ）を定めておくことが望ましい。さらに
遮光帯ＬＳＢを、その幅ΔＳがΔＳ≧２×ΔＷなる関係
式を満足するように形成しておくことが望ましい。これ
は、回折格子パターンＲＧ1 で回折された光が遮光帯Ｌ
ＳＢの外側を通過するのを防止するためである。

【００５０】次に、図４を参照して本実施例の変形例に
ついて簡単に説明する。図４（Ａ）は、図１に示したレ
チクル１のガラス面（回折格子パターンＲＧ1)側に、別
の透明基板（石英等のガラス基板）ＧＰ1 を一体に固定
したもので、回折格子パターンＲＧ1 の形成面（レチク
ル１のガラス面）に異物等が直接付着するのを防止でき
るといった効果が得られる。また、例えばレチクル１と
透明基板ＧＰ1 とが全体で撓まない程度に透明基板ＧＰ
1 を厚くしておけば、レチクル１の厚さ、すなわち間隔
ΔｔをΔｔ＝ＰPG／２ＮＡILなる値（最小値）に定める
ことができるといった利点もある。

【００５１】図４（Ｂ）、（Ｃ）は、レチクル１とは別
の透明基板ＧＰ2 、ＧＰ3 に回折格子パターンＲＧ1 を
形成し、レチクル１と透明基板ＧＰ2 、ＧＰ3 の各々と
を所定間隔あけて一体に固定したものである。尚、いず
れにおいても間隔Δｔは上記数式１０を満足するように
定めておけば良い。また、ここではレチクル１と透明基
板ＧＰ2 、ＧＰ3 とを所定量だけ離しているが、両者を
密着させて固定しても構わない。図４（Ｂ）では、さら
に図４（Ａ）と同様の異物付着防止用の透明基板ＧＰ1
(点線）を設けるようにしても良い。図４（Ｃ）では、
回折格子パターンＲＧ1 が透明基板ＧＰ3 の下面（レチ
クル１側の面）に形成されているので、透明基板ＧＰ3
自体が異物の付着を防止することになる。

【００５２】次に、図５を参照して本発明の第２の実施
例について説明する。本実施例では、レチクルパターン
として２次元の周期性パターンを用いる場合について述
べる。図５（Ａ）においてレチクルパターンＲＰ2 は、
レチクル（透明基板）の一方の面に、遮光材（クロム
等）で形成された矩形パターン（格子要素）ＤＰが、
Ｘ、Ｙ方向にピッチＰRX、ＰRYで繰り返し配列されたも
のである。また、レチクルのガラス面には偏向部材とし
ての２次元の回折格子パターンＲＧ2(デューティ比は
１：１）が形成されている。回折格子パターンＲＧ2
は、透過光の位相をその膜厚に応じて所定量だけずらす
位相シフト材（例えばＳＯＧ等）で形成された矩形パタ
ーンＰＳが、Ｘ、Ｙ方向にピッチＰGX、ＰGYで繰り返し
配列されたもの、換言すれば矩形パターン（位相シフト
部）ＰＳと光透過部（ガラス裸面部）とが市松格子状に
配列されたものである。さらに回折格子パターンＲＧ2
は、その周期方向がレチクルパターンＲＰ2 の周期方向
（図ではＸ、Ｙ方向）とほぼ一致するように形成される
とともに、矩形パターンＰＳのＸ、Ｙ方向の各辺の長さ
がＰRX、ＰRYとなる、ここでは特にピッチＰGX、ＰGYが
ＰGX＝２ＰRx、ＰGY＝２ＰRYなる関係に定められてい
る。また、本実施例では位相シフト材を用いているの
で、矩形パターンＰＳの膜厚（第１の実施例での溝の深
さｄに相当）は上記数式４を満足するように定めておく
ことが望ましい。上記数式４を満足すれば、位相シフト
部を透過する光の位相が光透過部を通過する光の位相に
対してπだけシフトし、回折格子パターンＲＧ2 からは
±１次回折光のみが発生することになる。

【００５３】これにより、露光光ＩＬがほぼ垂直に回折
格子パターンＲＧ2 に照射されると、パターンＲＧ2 か
らはＸ、Ｙ方向の各々に関して２組の±１次回折光Ｌ3
、Ｌ3'、Ｌ4 、Ｌ4'のみが発生し、２組の±１次回折
光の各々はレチクル１と垂直な方向（投影光学系の光軸
方向）に対して互いに角度ψ(sinψ＝λ／ＰG ）だけ傾
いて対称的にレチクルパターンＲＰ2 に入射することに
なる。ここで、露光波長λは本来、透明基板の屈折率ｎ
によりλ’＝λ／ｎとなるが、ここでは空気中換算で示
した。この結果、レチクルパターンＲＰ2 から発生する
±１次回折光のいずれか一方と０次回折光とは、投影光
学系の瞳面Ｅｐ内で、投影光学系の光軸ＡＸからほぼ等
距離だけ離れた４つの部分領域ＳＰ3 〜ＳＰ6 を通過し
（図５（Ｃ）参照）、高解像度と大焦点深度とが得られ
ることになる。このとき、４つの部分領域ＳＰ3 〜ＳＰ
6 の各照度はほぼ等しくなっている。

【００５４】ここで、回折格子パターンＲＧ2 のデュー
ティ比は任意で構わないが、高次回折光の発生を防止す
る上で１：１に定めておくことが望ましい。また、回折
格子パターンＲＧ2 の他の形成条件、例えばレチクルパ
ターンＲＰ2 との間隔、その形成領域の大きさ、及びパ
ターン面に設けられる遮光帯の幅等の条件については、
上記第１の実施例と全く同様であるため、ここでは説明
を省略する。

【００５５】一例として、ピッチＰRX＝３μｍ、ＰRY＝
４μｍのレチクルパターンＲＰ2 に対して、上記数式４
を満足するピッチＰGX＝６μｍ、ＰGY＝８μｍの回折格
子パターンＲＧ2 を形成したレチクルを、第１の実施例
と全く同様のｉ線ステッパーを使用して、１．２μｍ厚
のポジレジストを塗布したシリコン基板へ露光を行い、
０．６μｍ×０．８μｍピッチの繰り返しパターン（最
小線幅０．３μｍ×０．４μｍ）を形成したところ、約
１．５μｍの焦点深度を得ることができた。これに対し
て、回折格子パターンＲＧ2 のないレチクルを同様の条
件で露光したときには、約０．６μｍの焦点深度しか得
られなかった。

【００５６】次に、図６を参照して本発明の第３の実施
例について説明する。本実施例では、互いにピッチの異
なる複数個（図６では２個）の１次元のラインアンドス
ペースパターン群から成るレチクルパターンＲＰ3 を用
いる場合について述べる。図６に示すようにレチクルパ
ターンＲＰ3 として、レチクル（透明基板）２の一方の
面に遮光材（クロム等）によって、Ｘ方向のピッチがＰ
R2、ＰR3で配列された２組の１次元のラインアンドスペ
ースパターン群ＲＰ3a、ＲＰ3bが形成されている。ま
た、レチクル２のガラス面には偏向部材としての１次元
の回折格子パターンＲＧ3(デューティ比は１：１）がＸ
方向にピッチＰG3で形成されている。回折格子パターン
ＲＧ3 は、その周期方向がレチクルパターンＲＰ3 の周
期方向（図ではＸ方向）とほぼ一致するように形成され
るとともに、そのピッチＰG3がＰG3＝２ＰR3なる関係に
定められている。尚、回折格子パターンＲＧ3 は位相型
回折格子であっても、位相シフト材で形成しても良く、
ここでは位相型回折格子とし、上記数式４を満足してい
るものとする。これより、回折格子パターンＲＧ3 から
は±１次回折光のみが発生することになる。

【００５７】この結果、第１の実施例と同様に回折格子
パターンＲＧ3 から発生する±１次回折光が、レチクル
２と垂直な方向（投影光学系の光軸方向）に対して互い
に角度ψ(sinψ＝λ／ＰG3）だけ傾いて対称的にレチク
ルパターンＲＰ3 に入射することになり、高解像度と大
焦点深度とが得られることになる。本実施例ではピッチ
ＰG3をＰG3＝２ＰR3なる関係に定めているため、ライン
アンドスペースパターン群ＲＰ3bに対しては照明光の傾
斜照明条件（入射角ψ）の最適化が行われないが、パタ
ーン群ＲＰ3bにおいても十分な高解像度と大焦点深度と
が得られる。

【００５８】例えばレチクル上で２．５μｍから５μｍ
までの互いにピッチが異なる複数個の１次元のラインア
ンドスペースパターン群を、回折格子パターンＲＧ3 を
３μｍピッチのラインアンドスペースパターン群に対し
て最適化する、すわなちそのピッチＰG3を６μｍに定
め、第１の実施例と全く同様のｉ線ステッパーで露光を
行ったところ、ウエハ上で０．５６μｍピッチのライン
アンドスペースパターン群まで形成することができた。
すなわち限界解像が０．２８μｍ（線幅）にまで向上し
たことになる。これに対して、回折格子パターンＲＧ3
のないレチクルを同様の条件で露光したときの限界解像
は０．３５μｍでしかなかった。

【００５９】ここで、本実施例では複数個のラインアン
ドスペースパターン群に対して、回折格子パターンＲＧ
3 のピッチＰG3を特定のパターン群についてのみ最適化
する、すなわちピッチＰG3をただ１つの値に定めること
としたが、複数個のラインアンドスペースパターン群の
各々に対応して、ピッチ（及びピッチ方向）が最適化さ
れた複数の回折格子パターン（偏向部材）を、例えばレ
チクルのガラス面に形成するようにしても良い。また、
上記実施例では１次元のラインアンドスペースパターン
について述べたが、２次元の周期性パターンに対しても
全く同様に適用できる。

【００６０】次に、図７を参照して本発明の第４の実施
例について説明する。本実施例では、互いに周期性の異
なる複数個（図６では３個）の周期パターンから成るレ
チクルパターンＲＰ4 を用いる場合について述べる。図
７（Ａ）に示すようにレチクルパターンＲＰ4 として、
レチクル（透明基板）の一方の面に遮光材（クロム等）
によって、Ｘ、Ｙ方向の各々に所定のピッチで配列され
た２組の１次元のラインアンドスペースパターン群ＲＰ
4a、ＲＰ4bと、２次元の周期性パターン群ＲＰ4cとが形
成されている。また、図７（Ｂ）に示すようにレチクル
のガラス面には、３組の周期性パターン群ＲＰ4a、ＲＰ
4b、ＲＰ4cの各々に対応して、偏向部材としての２組の
１次元の回折格子パターンＲＧ4a、ＲＧ4bと、２次元の
回折格子パターン（市松格子状）ＲＧ4cとから成る回折
格子パターンＲＧ4(デューティ比はいずれも１：１）が
形成されている。

【００６１】また、周期性パターン群ＲＰ4a、ＲＰ4b、
ＲＰ4cの各々と回折格子パターンＲＧ4a、ＲＧ4b、ＲＧ
4cの各々とはほぼ平行に、かつレチクル（透明基板）を
挟んで対向して設けられている。さらに回折格子パター
ンＲＧ4a、ＲＧ4b、ＲＧ4cの各々は、その周期方向が周
期性パターンＲＰ4a、ＲＰ4b、ＲＰ4cの各周期方向とほ
ぼ一致するように形成されるとともに、そのピッチがい
ずれも周期性パターンの各ピッチの２倍に定められてい
る。尚、回折格子パターンＲＧ4a、ＲＧ4b、ＲＧ4cは位
相型回折格子であっても、位相シフト材で形成しても良
く、ここでは位相型回折格子とし、上記数式４を満足し
ているものとする。本実施例においても、以上の各実施
例と全く同様に、周期性パターンＲＰ4a、ＲＰ4b、ＲＰ
4cの各々に対して最適化された傾斜照明を行うことがで
き、高解像度と大焦点深度とが得られることになる。

【００６２】次に、図８を参照して本発明の第５の実施
例について説明する。本実施例では、図８（Ａ）に示す
ようにレチクルパターンＲＰ5 として、Ｘ方向に微細な
ピッチ（例えば３μｍ程度）で配列された１次元のライ
ンアンドスペースパターン群ＲＰ5aと、比較的粗い２次
元のパターンＲＰ5bとが形成されている。一方、図８
（Ｂ）に示すようにレチクルのガラス面には、周期性パ
ターン群ＲＰ5aに対して最適化された１次元の位相型回
折格子パターンＲＧ5a（デューティ比は１：１）と、傾
斜照明による効果が小さい２次元パターンＲＰ5bに対応
して２次元の位相型回折格子パターンＲＧ5b（デューテ
ィ比は例えば１：３）とが、回折格子パターン（偏向部
材）ＲＧ5 として形成されている。

【００６３】また、パターンＲＰ5a、ＲＰ5bの各々と回
折格子パターンＲＧ5a、ＲＧ5bの各々とはほぼ平行に、
かつレチクル（透明基板）を挟んで対向して設けられて
いる。さらに回折格子パターンＲＧ5aは、その周期方向
が周期性パターンＲＰ5aの周期方向とほぼ一致するよう
に形成されるとともに、そのピッチが周期性パターンＲ
Ｇ5aのピッチの２倍に定められ、かつ上記数式４を満足
しているものとする。また、２次元パターンＲＰ5bは傾
斜照明による効果が小さいので、特に回折格子パターン
ＲＧ5bを設けなくとも良いが、ここでは見掛け上２次元
パターンＲＰ5bに対する照明光学系のσ値を大きくする
といった効果を得るため、回折格子パターンＲＧ5bから
０次回折光も発生するように、回折格子パターンＲＧ5b
のデューティ比を１：３程度に定めておく。従って、回
折格子パターンＲＧ5bに対して照明光がほぼ垂直に照射
されると、当該パターンＲＧ5bからは±１次回折光とと
もに０次回折光も発生し、これらの回折光は２次元パタ
ーンＲＰ5bを照射する。このときの投影光学系の瞳面Ｅ
ｐでの照度分布を図９に示す。図９に示すように、２次
元パターンＲＰ5bからは種々の次数の回折光が発生して
おり、これによって照明光学系中に空間フィルターを配
置してその開口径を変化させることを行うことなく、２
次元パターンＲＰ5bに対して照明光学系のσ値を増大さ
せる効果が得られる。

【００６４】ここで、回折格子パターンＲＧ5bの溝の深
さは、回折格子パターンＲＧ5aの溝の深さとほぼ等しく
設定しても良く、このように溝の深さを設定することに
より回折格子パターンＲＧ5aとＲＧ5bとを同時（同一工
程）で加工することができる。また、上述した如くデュ
ーティ比を面積比にして１：３程度に設定しておけば、
±１次回折光のいずれか一方と０次回折光との強度比を
ほぼ１：１にすることが可能である。さらに、実際の照
明光学系の開口数ＮＡIL（σ値で表すと、σ≦０．５程
度）に対して、粗いレチクルパターンＲＰ5bの露光に際
して必要とされる照明光学系の開口数をＮＡRPとし、回
折格子パターンＲＧ5bのＸ、Ｙ方向の各ピッチが等しい
ものとしてそのピッチをＰR5とすると、回折格子パター
ンＲＧ5bから発生する１次回折光の回折角ψ5 は、次式
を満足する。

【００６５】

【数１１】

【００６６】このとき、 sinψ5 とＮＡIL、ＮＡRPとの
間には、次式が成り立っている。

【００６７】

【数１２】

【００６８】従って、回折格子パターンＲＧ5bのピッチ
ＰR5は、次式を満足するように定めれば良い。

【００６９】

【数１３】

【００７０】以上の構成により本実施例では、以上の各
実施例と全く同様に周期性パターンＲＰ5aに対して最適
化された傾斜照明を行うことができ、高解像度と大焦点
深度とが得られるとともに、２次元パターンＲＰ5bに対
しては大きなσ値で照明することができ、大焦点深度が
得られることになる。本実施例では、比較的粗いパター
ンＲＰ5bに対しても回折格子パターンＲＧ5bを設けるこ
ととしたが、例えば微細な周期性パターンＲＰ5aに対し
てのみ回折格子パターンＲＧ5aを設けて傾斜照明を行
い、パターンＲＰ5bに対しては従来通りの垂直照明を行
うだけでも良い。この場合には、ウエハ上でのパターン
ＲＰ5a、ＲＰ5bの各像の照度が大きく異なり得るため、
減光フィルターを用いてパターンＲＰ5bに照射される照
明光の照度を予め低く設定する、あるいは薄膜の蒸着に
よりパターンＲＰ5bの形成領域の光透過率を低くしてお
くことが望ましく、これによってパターンＲＰ5a、ＲＰ
5bのいずれに対しても最適露光量で露光することが可能
となる。また、パターンＲＰ5bに対してはオーバー露光
となることから、予めパターンＲＰ5bの線幅を、パター
ンＲＰ5aに対する最適露光量に対応して設計値より太く
形成しておくだけでも良い。

【００７１】尚、以上の第３〜第５の実施例では偏向部
材としての回折格子パターンのピッチ以外の他の形成条
件、例えばレチクルパターンとの間隔（Δｔ）、その形
成領域の大きさ、及びパターン面に設けられる遮光帯の
幅等の条件について特に述べていなかったが、いずれの
条件も第１の実施例と全く同様に定めれば良い。以上の
通り第１〜第５の実施例では、レチクルのガラス面に回
折格子を設けることで、レチクルパターンに対する傾斜
照明を実現するため、照明光学系の改良を行うことな
く、しかも従来のレチクルをそのまま利用して高解像
度、大焦点深度を達成することが可能となる。また、回
折格子パターン（偏向部材）に微小な欠陥（傷等）があ
ったとしても、レチクルの厚さ、すなわち間隔Δｔ分だ
けの進むうちにその影響が緩和されていき、レチクルの
パターン面では回折格子の欠陥による影響は極めて小さ
くなるため、位相シフトレチクルのようにシフター欠陥
の影響は問題とならず、さらに位相シフトレチクルでは
遮光パターンとシフターパターンとを高精度に重ね合わ
せて形成する必要があるが、本発明によるフォトマスク
ではレチクルパターンと回折格子パターン（偏向部材）
との位置合わせに高い精度が要求されず、レチクル製造
が容易であるといった利点がある。

【００７２】また、特に第５の実施例のように回折格子
パターン（偏向部材）から０次回折光を発生させる場合
には、０次回折光を含めた全ての回折光がレチクルパタ
ーンを照明することになり（図９）、照明光学系のσ値
を増大させる効果が得られる。このとき、第５の実施例
のようにレチクルパターンのうち、比較的粗いパターン
に対してのみσ値を増大させるように回折格子パターン
を形成し、照明視野内で部分的にσ値を変化させるよう
にしても良い。また、特に微細なパターン転写を行う必
要のないレチクルにおいては、そのレチクルパターンの
全面にわたってσ値を増大させるための回折格子パター
ンを形成しておくようにしても良い。このように回折格
子パターンによってσ値を設定するようにしておけば、
予め照明光学系のσ値を、本発明のフォトマスク、すな
わち傾斜照明において最適な値（０．５以下程度）に設
定しておけば、露光装置において照明光学系のσ値を可
変とする機構が不要となる。さらに孤立パターン、例え
ば１本のラインパターンまたはスペースパターン等に対
しては、回折格子パターン（偏向部材）から０次回折光
を発生させることが有効である。また、回折格子パター
ン（偏向部材）から０次回折光を発生させることは、例
えば５本のラインアンドスペースパターンを露光すると
き、その両端のレジスト像で生じる膜べりを低減できる
といった効果も得られる。

【００７３】ところで、以上の各実施例では偏向部材と
して位相型回折格子（ガラス基板にエッチングにより凹
凸にて形成したもの、または位相シフト材にて形成した
もの等）を用いていたが、例えば振幅型回折格子を設け
ても良く、この場合にも±１次回折光が発生するので、
解像力・焦点深度の向上が見込める。また、偏向部材と
して断面形状が正弦波状の凹凸を、その１周期をレチク
ルパターンのピッチの約２倍に定めてガラス基板に形成
するようにしても構わない。レチクルパターンが２次元
パターンのときは、上記正弦波状の凹凸を有する２組の
格子板を、互いに正弦波の進行方向が２次元パターンの
周期性に応じて交差するように重ねて配置すれば良い。
または、１枚のガラス基板の表面と裏面とに２組の正弦
波状の回折格子を形成するようにしても構わない。さら
に偏向部材として、断面形状が三角波状の凹凸を、上記
と同様にガラス基板に形成しても良い。また、偏向部材
として微細なフレネルゾーンプレートを多数敷き詰めた
ものを用いても構わない。

【００７４】尚、各実施例のレチクルに対しては従来通
りの照明光学系を用いて、レチクルパターンに対して垂
直照明を行えば良いが、照明光学系のσ値は０．５以下
に定めておくことが望ましい。また、各実施例のレチク
ルの露光に際して使用するレジストはポジ型であって
も、ネガ型であっても良い。さらに上述したいずれの実
施例においても、回折格子パターン（偏向部材）をレチ
クルのガラス面に設けておく必要はなく、図４（Ｂ）、
（Ｃ）に示したように別の透明基板に形成しておいても
構わない。このとき、例えばペリクル枠等を利用して、
回折格子パターンが形成された基板をレチクルに近接し
て載置（固定）するようにしても良い。あるいは上記基
板をレチクルに固定せず、照明光学系の内部に固定して
も構わない。このとき、照明光学系にリレーレンズ系を
配置し、このリレーレンズ系によって、例えばレチクル
のガラス面とほぼ共役な面内に回折格子パターン（偏向
部材）を設けるようにしても良い。また、図４（Ａ）に
示したように異物付着防止用の透明基板を回折格子パタ
ーンに密着して固定するようにしても良い。

【００７５】また、いずれの実施例においても、回折格
子パターン（偏向部材）によって照明光束を傾斜させて
レチクルパターンに照射する傾斜照明法について述べて
いたが、例えば回折格子パターンを複数の方向に配列す
ることによって、レチクルパターンに対して輪帯照明を
行うことも可能である。尚、本発明によるフォトマスク
を適用可能な露光装置は、投影光学系を有するものであ
れば良く、さらに投影光学系は屈折型、反射型、あるい
はこれらを組み合わせた型のいすれであっても良い。ま
た、投影光学系の開口数を変化させる、特に小さくする
ときは、レチクルパターンからの回折光がその瞳面を通
過できなくなり得る。そこで、投影光学系の開口数の変
化に応じて回折格子パターン（偏向部材）を交換可能に
構成し、ピッチが異なる回折格子パターンを用いること
でレチクルパターンへの照明光の入射角を変化させるこ
とが望ましい。

【００７６】次に、図１１を参照して本発明の第６の実
施例について説明する。本実施例では、第１〜第５の実
施例のレチクルが適用可能な投影露光装置について述べ
る。図１１において、照明光学系（フライアイレンズ１
０のみ図示）からの照明光ＩＬは、コンデンサーレンズ
１２を通過してミラー１３でほぼ垂直に下方に反射され
た後、裏面（レチクル側の面）に１次元の位相型回折格
子パターン（本発明の偏向部材）ＲＧが形成されたガラ
ス基板１４を介して、レチクルステージ１５に載置され
たレチクルＲに照射される。フライアイレンズ１０の射
出面（レチクル側焦点面）近傍には、照明光学系の開口
数ＮＡIL、すなわちσ値を規定するための開口絞り（空
間フィルター）１１が配置されており、本実施例ではσ
値が０．３となるようにその開口径が定められている。

【００７７】さて、ガラス基板１４にほぼ垂直に入射し
た照明光は回折格子パターンＲＧを照射し、このパター
ンＲＧからは±１次回折光のみが発生することになる。
ここで回折された±１次回折光は、投影光学系ＰＬの光
軸ＡＸに対して所定角度だけ傾いて、遮光帯ＬＳＢで囲
まれたパターン領域ＰＡ内に形成されたレチクルパター
ン（１次元のラインアンドスペースパターン）に入射す
る。尚、回折格子パターンＲＧの構成や傾斜照明等につ
いては先に述べているので、ここでは説明を省略する。
また、本実施例では駆動系２１によって、ガラス基板１
４がレチクルＲに対して相対回転可能に構成されてお
り、レチクルパターンの周期性に応じて基板１４を相対
回転させることで、レチクルパターンと回折格子パター
ンの周期方向をほぼ一致させることが可能となってい
る。さらに、ガラス基板１４を含み、互いにピッチが異
なる１次元または２次元の位相型回折格子パターンを有
する複数のガラス基板が保持部材（例えば回転ターレッ
ト板、スライダー等）２５に設けられており、不図示の
駆動系によって任意のガラス基板が交換可能に照明光路
中に配置されるように構成されている。従って、レチク
ルパターンのピッチに応じてガラス基板を交換すること
により、レチクルパターンに対して最適、すなわちレチ
クルパターンのピッチの２倍のピッチを有する回折格子
パターンを照明光路中に配置することが可能となってい
る。

【００７８】さらにパターン領域ＰＡを通過した照明光
ＩＬは、両側テレセントリックな投影光学系ＰＬに入射
し、投影光学系ＰＬはレチクルＲの回路パターンの投影
像を、表面にレジスト層が形成され、その表面が最良結
像面とほぼ一致するように保持されたウエハＷ上に投影
（結像）する。尚、本実施例では投影光学系ＰＬの瞳面
Ｅｐ、もしくはその近傍面内には可変開口絞り２４が設
けられており、これによって投影光学系ＰＬの開口数Ｎ
Ａを変更できるように構成されている。ウエハＷはウエ
ハステージ１６上に保持され、ウエハステージ１６はモ
ータ１７により光軸方向（Ｚ方向）に微動可能であると
ともに、ステップ・アンド・リピート方式で２次元移動
可能に構成されており、ウエハＷ上の１つのショット領
域に対するレチクルＲの転写露光が終了すると、次のシ
ョット位置までステッピングされる。尚、ウエハステー
ジＷＳの２次元的な位置は不図示の干渉計によって、例
えば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出される。

【００７９】ところで、図１１には装置全体を統括制御
する主制御装置２０と、レチクルＲが投影光学系ＰＬの
直上に搬送される途中でレチクルパターンの脇に形成さ
れた名称を表すバーコードＢＣを読み取るバーコードリ
ーダ１８と、複数枚のガラス基板が固定された保持部材
（回転ターレット板）２５を駆動するとともに、各ガラ
ス基板を回転するための駆動系（モータ、ギャトレン
等）２１とが設けられている。主制御装置２０内には、
この投影露光装置（例えばステッパー）で扱うべき複数
枚のレチクルの名称と、各名称に対応したステッパーの
動作パラメータとが予め登録されている。そして、主制
御装置２０はバーコードリーダ１８がレチクルバーコー
ドＢＣを読み取ると、その名称に対応した動作パラメー
タの１つとして、予め登録されているパターン情報（パ
ターンピッチやピッチ方向等）に最も見合ったガラス基
板を保持部材２５の中から１つ選択する。コントローラ
１９は、主制御装置２０で選択されたガラス基板がレチ
クルＲ上に設定されるように、所定の駆動指令を駆動系
２１に出力して保持部材２５を駆動するとともに、レチ
クルパターンと回折格子パターンの周期方向がほぼ一致
するようにガラス基板を回転させる。尚、ガラス基板を
回転させる際、コントローラ１９は駆動系２１に設けら
れたロータリーエンコーダ（不図示）の出力情報、ある
いはガラス基板とレチクルの各々に設けられたパターン
を観察するためのパターン検出系２２の出力情報に基づ
いて駆動系２１の駆動を制御する。さらに、上記名称に
対応した動作パラメータとして、先に選択されたガラス
基板（すなわちレチクルパターン）のもとでの可変開口
絞り２４の最適な設定条件等も登録されており、この条
件設定もガラス基板の設定と同時に行われる。これによ
って、レチクルステージＲＳ上に載置されたレチクルＲ
に対して最適なガラス基板（回折格子パターン）が正確
に設定されることになる。

【００８０】以上述べたように、レチクルＲと回折格子
パターンＲＧを有するガラス基板１４とを独立して配置
するととにも、複数枚のガラス基板を交換可能に構成す
ることによって、常に転写すべきレチクルパターンに対
して最適な回折格子パターンを設定して傾斜照明（輪帯
照明でも良い）を行うことができ、高解像度及び大焦点
深度のパターン転写が可能となる。尚、予め保持部材２
５に載置された複数枚のガラス基板の各々において回折
格子パターンを十分広い面積で形成するとともに、ガラ
ス基板１４（表面、裏面のいずれでも良い）に極近接し
て可変絞りを配置しておき、転写すべきレチクルパター
ンの大きさ（面積）に応じて可変絞りを駆動することに
より、先に述べたΔＷの条件（ΔＷ＞Δｔ× tanψなる
関係式）を満足するように、回折格子パターンの大きさ
（照明光の透過領域）を設定することが望ましい。これ
によって、レチクル毎にそのパターンの大きさに応じて
回折格子パターンの大きさも最適化することができ、し
かも仮に遮光帯ＬＳＢの幅ΔＳがΔＳ≧２×ΔＷなる関
係式を満足していなくても、回折格子パターンで回折さ
れた光が遮光帯ＬＳＢの外側を通過して投影光学系ＰＬ
に入射するのを防止できるといった利点がある。また、
本実施例では投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを変化させる
場合には、その開口数ＮＡのもとでのレチクルパターン
に対する最適な照明条件（レチクルへの照明光の入射
角）、すなわち最適なガラス基板を再度選択し、必要が
あれば交換を行うようにすることが望ましい。

【００８１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、マスクパ
ターンに対して照明光の入射側に所定間隔だけ離して、
照明光を偏向させるための偏向部材を配置したので、従
来の露光装置、マスクをそのまま利用して高解像度・大
焦点深度での投影露光が可能となる。また本発明によれ
ば、レチクルパターンのピッチＰＲと、回折格子パター
ンのピッチＰＧとの関係を「ＰＧ=２ＰＲ」とするよう
に構成したので、垂直照明、即ちコヒーレンスファクタ
ーσの小さな照明を採用しても、回折格子パターン（Ｒ
Ｇ１）からは回折角Φ(ｓｉｎΦ＝λ／ＰＧ＝λ／２Ｐ
Ｒ）で±１次回折光（Ｌ１、Ｌ２）が発生し、これら
の回折光Ｌ１、Ｌ２は角度Φだけ傾いてレチクルパタ
ーン（ＲＰ１）に照射されることになる。これにより、
レチクルパターンＲＰ１から発生する０次回折光Ｄｏと
１次回折光Ｄｍとが角度Φ０（ｓｉｎΦ０＝λ／ＰＲ
＝２ｓｉｎΦ）をもって投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐに入
射する、換言すれば０次回折光Ｄｏと１次回折光Ｄｍと
はその光軸ＡＸに対する角度（射出角）がともにΦとな
って発生することになり、高解像度のパターン転写が可
能となる、という効果を奏することができる。更に本発
明によれば、照明光学系のコヒーレンスファクターσを
０．５以下程度という、傾斜照明において最適な値に設
定しているので、効果的な傾斜照明を実現することがで
きる。また、マスクパターンがピッチの異なる複数の周
期性パターンを有していたり、その周期方向が互いに異
なる場合には、各パターンに最適な偏向部材（回折格子
パターン）をマスクパターンに近接して（例えばマスク
のガラス面に）設けることによって、パターン毎にその
照明条件（すなわちマスクに対する照明光の入射角）を
最適化することも可能となる。さらに位相シフトレチク
ルと異なり、その製造が容易であるとともに、偏向部材
（回折格子パターン）の欠陥の影響も極めて小さく、よ
り高解像度の投影露光が可能となるといった利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるフォトマスクの構
成を概略的に説明する図。

【図２】本発明によるフォトマスクの形成条件の説明に
供する図。

【図３】図１に示したフォトマスクの露光時の投影光学
系の瞳面での照度分布を表す図。

【図４】第１の実施例によるフォトマスクの変形例を説
明する図。

【図５】本発明の第２の実施例によるフォトマスクの構
成を概略的に説明する図。

【図６】本発明の第３の実施例によるフォトマスクの構
成を概略的に説明する図。

【図７】本発明の第４の実施例によるフォトマスクの構
成を概略的に説明する図。

【図８】本発明の第５の実施例によるフォトマスクの構
成を概略的に説明する図。

【図９】図８に示したフォトマスクの露光時の投影光学
系の瞳面での照度分布を表す図。

【図１０】本発明の原理説明に供する図。

【図１１】本発明によるフォトマスクを適用可能な投影
露光装置の概略的な構成を示す図。

【符号の説明】

１、２レチクル（透明基板）ＲＰ1 〜ＲＰ5 レチクルパターンＲＧ1 〜ＲＧ5 回折格子パターン（偏向部材）ＰＡパターン領域ＬＳＢ遮光帯ＰＬ投影光学系ＡＸ投影光学系の光軸Ｅｐ投影光学系の瞳面ＲレチクルＷウエハ１０フライアイレンズ１１開口絞り（空間フィルター）１４ガラス基板１８バーコードリーダ１９コントローラ２０主制御装置２１駆動系２４可変開口絞り２５保持部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/30 ５１５Ｆ５２８ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 1/08 G03F 1/14 G03F 7/22

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定波長の照明光を照明光学系を介して
マスクに照射することによって、該マスクに形成された
第１ピッチＰＲの周期的パターン部分を含む微細パター
ンを、投影光学系を介して基板上に露光する露光方法に
おいて、前記照明光学系のコヒーレンスファクターσを０．５以
下程度に設定し、前記微細パターンに対して前記照明光の入射側に所定間
隔Δｔだけ離して配置され、且つ前記周期的パターンの
ピッチ方向とほぼ一致する方向に前記第１ピッチＰＲの
ほぼ２倍の長さを持つ第２ピッチＰＧで周期的に形成さ
れた回折格子パターンを用いて前記照明光を偏向させる
ことにより、該照明光を前記マスクに対して傾けて該微
細パターンに照射することを特徴とする露光方法。
【請求項２】前記コヒーレンスファクターσは、０．
３に設定されることを特徴とする請求項１に記載の露光
方法。
【請求項３】前記照明光学系の開口数をＮＡとする
と、前記所定間隔Δｔは、「Δｔ≧ＰＧ／２ＮＡ」なる
関係を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２
に記載の露光方法。
【請求項４】前記照明光が照射されることにより、前
記微細パターンから発生する回折光のうち±１次回折光
のいずれか一方と０次回折光とが、前記投影光学系中の
該微細パターンに対するフーリエ変換面、もしくはその
近傍の面内で、該投影光学系の光軸からほぼ等距離だけ
離れて通過するように該照明光を偏向させることを特徴
とする請求項１１乃至請求項３のうちのいずれか一項に
記載の露光方法。
【請求項５】前記回折格子パターンの形成領域の各辺
は、前記微細パターンの形成領域の各辺よりも少なくと
もΔＷだけ大きく、前記回折格子パターンによる前記照
明光の回折角を角度Φとすると、 ΔＷ＞Δｔ×ｔａｎΦ なる関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項
４のうちのいずれか一項に記載の露光方法。
【請求項６】前記回折格子パターンは、前記マスク
の、前記微細パターンが形成された面とは反対側の面に
設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項５
のうちのいずれか一項に記載の露光方法。
【請求項７】前記回折格子パターンは、前記マスクと
は別の透明基板上に形成されていることを特徴とする請
求項１乃至請求項５のうちのいずれか一項に記載の露光
方法。
【請求項８】前記微細パターンは二次元の周期性パタ
ーンを含み、前記回折格子パターンは二次元の回折格子
パターンを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項６
のうちのいずれか一項に記載の露光方法。
【請求項９】前記回折格子パターンは位相型回折格子
を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちの
いずれか一項に記載の露光方法。
【請求項１０】前記微細パターンに対する前記コヒー
レンスファクタσは、前記回折格子パターンによって変
化させられることを特徴とする請求項１乃至請求項９の
うちのいずれか一項に記載の露光方法。
【請求項１１】前記コヒーレンスファクタσは、前記
回折格子パターンによって、前記照明光学系の照明視野
内において部分的に変化させられることを特徴とする請
求項１０に記載の露光方法。
【請求項１２】所定の回路パターンを、請求項１乃至
請求項１１のうちのいずれか一項に記載の露光方法を用
いて、前記基板上に露光する工程を含むことを特徴とす
る回路パターン素子製造方法。
【請求項１３】所定波長の照明光をほぼ均一な強度分
布に形成するとともに、該均一な照明光をマスクに照射
するための照明光学系と、前記マスクに形成された第１ピッチＰＲの周期的パター
ン部分を含む微細パターンの像を、基板上に投影する投
影光学系と、前記微細パターンに対して前記照明光の入射側に所定間
隔Δｔだけ離して配置され、且つ前記周期的パターンの
ピッチ方向とほぼ一致する方向に前記第１ピッチＰＲの
ほぼ２倍の長さを持つ第２ピッチＰＧで周期的に形成さ
れた回折格子パターンを備えた偏向部材と、前記照明光学系のコヒーレンスファクターσを規定する
開口絞りとを有し、前記開口絞りにより前記コヒーレンスファクターσを
０．５以下程度に設定すると共に、前記偏向部材により
前記照明光を前記マスクに対して傾けて前記微細パター
ンに照射することを特徴とする露光装置。
【請求項１４】前記開口絞りは、前記コヒーレンスフ
ァクターσを、０．３に設定することを特徴とする請求
項１３に記載の露光装置。
【請求項１５】前記照明光学系の開口数をＮＡとする
と、前記所定間隔Δｔは、「Δｔ≧ＰＧ／２ＮＡ」なる
関係を満たすことを特徴とする請求項１３または請求項
１４に記載の露光装置。
【請求項１６】前記偏向部材を、前記マスクと前記照
明光学系との間に、前記マスクとは独立に配置して保持
する保持部材を更に有することを特徴とする請求項１３
乃至請求項１５のうちのいずれか一項に記載の露光装
置。