JP3339631B2

JP3339631B2 - 走査型露光装置、及び該装置を用いる素子製造方法

Info

Publication number: JP3339631B2
Application number: JP2000111825A
Authority: JP
Inventors: 直正白石; 健爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-04-22
Filing date: 2000-04-13
Publication date: 2002-10-28
Anticipated expiration: 2017-10-28
Also published as: JP2000311855A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子又は
液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際
に、マスクパターンを感光性の基板上に投影露光するた
めに使用される走査型露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子、液晶表示素子又は薄
膜磁気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ工
程では、照明光を発生する光源と、その照明光により転
写用のパターンが形成されたフォトマスク又はレチクル
（以下、まとめて「レチクル」という）を照明する照明
光学系と、そのレチクルのパターン像を感光材が塗布さ
れた基板（ウエハ、ガラスプレート等）上に投影する投
影光学系とを有する投影露光装置が使用されている。従
来の投影露光装置としては、ステッパーのように基板上
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
括して露光するものが多く使用されていた。

【０００３】また、投影露光装置において、基板上の感
光材層に高い解像度でレチクルのパターン像を露光する
ためには、その基板の露光面と投影光学系に関して共役
なレチクルのパターン形成面での、照明光の照度均一性
を良好に維持する必要がある。そのため、従来の投影露
光装置内の照明光学系には、それぞれ照明光から２次光
源を形成するレンズエレメントを束ねて形成されるフラ
イアイレンズ型のオプティカルインテグレータ（以下、
「フライアイ・インテグレータ」という）が配設されて
いる。このフライアイ・インテグレータにより形成され
る多数の２次光源からの照明光で重畳的にレチクルを照
明することにより、レチクルのパターン形成面での照度
均一性が向上している。

【０００４】また、照度均一性をより高めるために、第
１のフライアイ・インテグレータの前に第２のフライア
イ・インテグレータを配置し、この第２のフライアイ・
インテグレータにより形成された多数の２次光源から、
第１のフライアイ・インテグレータにより更に多数の３
次光源を形成するようにした照明光学系も提案されてい
る。

【０００５】従来のフライアイ・インテグレータを構成
する各レンズエレメントとしては、一般に或る程度の厚
さを有する両凸レンズが使用され、且つ各レンズエレメ
ントの入射側の面と射出側の面とが光学的にフーリエ変
換の関係となっていることが多い。但し、特にエキシマ
レーザ光源のような大出力のパルスレーザ光源をステッ
パーに使用する場合には、フライアイ・インテグレータ
の各レンズエレメントを上記のように形成すると、射出
面側でレーザビームが集光し、この強力な光エネルギー
のために各レンズエレメント（ガラス又は石英等よりな
る）が損傷を受けることがある。これを避けるため、そ
れぞれの射出面の入射側の面に対する関係をフーリエ変
換の関係からずらしたレンズエレメントを採用したフラ
イアイ・インテグレータも使用されている。この場合、
レンズエレメントは例えば平凸レンズとなる。

【０００６】しかしながら、フライアイ・インテグレー
タがどのような形状のレンズエレメントからなる場合で
あっても、各レンズエレメントの入射側の面は、レチク
ルのパターン形成面に対して共役（結像関係）になって
おり、且つそれら各レンズエレメントの入射側の面は、
照明光を発生する水銀ランプ等の光源のフーリエ変換像
が形成される面となっている。この結果、フライアイ・
インテグレータの各レンズエレメントの射出側の面（正
確には入射側の面に対するフーリエ変換面）には、光源
の像が形成される。

【０００７】ところで、フライアイ・インテグレータの
各レンズエレメントの入射側の面は、上述の如くレチク
ルのパターン形成面と共役なので、各レンズエレメント
の入射側の面とレチクルの有効パターン領域（基板側に
投影されるパターンの最大の領域）とが相似であるとき
に、照明光の光量損失が最小になる。実際には、ＬＳＩ
等のチップパターンが長方形であることから、レチクル
の有効パターン領域も長方形であることが多い。このた
め、フライアイ・インテグレータの各レンズエレメント
の入射側の面の形状（勿論、射出側の面も同じ形状であ
る）は長方形となっている。

【０００８】但し、ステッパーに使用される投影光学系
の露光フィールドは、かなり正方形に近い長方形、即ち
縦の長さと横の長さとがそれ程違わない長方形であった
ため、それとほぼ共役なフライアイ・インテグレータの
各レンズエレメントの入射側の面の形状も正方形に近い
長方形となっていた。また、レチクルの有効パターン領
域自体が正方形であり、フライアイ・インテグレータの
各レンズエレメントの断面形状が正方形であるようなス
テッパーも存在している。

【０００９】従って、従来のステッパー用のフライアイ
・インテグレータは、断面が正方形又は正方形に近い長
方形のレンズエレメントを縦横に並べて形成されてい
る。そして、上述の如く、各レンズエレメントの射出側
の面又はこの近傍の面にはそれぞれ光源像が形成される
ので、それら光源像は縦方向と横方向とでピッチが同一
か又は僅かに異なる状態で格子状に配列された集合体と
なっている。

【００１０】また、最近は半導体素子等の集積度が益々
高まっているため、基板上に投影露光されるパターンの
解像度をより高めることが求められている。これに関し
て、単に投影光学系の開口数を高めて解像力を向上させ
るのでは、焦点深度が浅くなり過ぎて、実用的でなくな
る。そこで、照明光学系側で２次光源（又は３次光源
等）の形状を種々に変形することにより投影光学系の解
像力や焦点深度を向上させようという所謂変形照明法が
提案されている。この変形照明法では、フライアイ・イ
ンテグレータの射出側の面又はこの近傍の面、即ちレチ
クルに対してはフーリエ変換面となる面に、各種形状の
絞りが設定される。また、２次光源等の形状を輪帯状に
する輪帯照明法では、その絞りとして輪帯状の絞りが使
用される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
において、投影露光装置がステッパーである場合には、
フライアイ・インテグレータの射出側の面又はこの近傍
の面に格子状の光源像の集合体として形成される２次光
源（又は３次光源等）の縦方向及び横方向のピッチは、
それ程異なったものとはならない。

【００１２】しかしながら、最近、レチクル上の有効パ
ターン領域の縦横比が１：１から大きく外れた所謂スリ
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。このスリットスキャン露光方式では、長方形、円弧
状等のスリット状の照明領域でレチクルを照明し、その
照明領域に対してレチクルを所定の方向に走査するのと
同期して、その走査方向と共役な方向に基板を走査する
ことにより、レチクルのパターンが一部ずつ逐次基板上
に投影露光される。従って、実際に基板上に転写される
チップパターン面積に比べて、投影光学系の露光フィー
ルドの面積を小さくできるため、その分だけ投影光学系
の結像性能を向上させることができる。

【００１３】例えば従来のステッパーでは、有効パター
ン領域がレチクル上で100 ｍｍ角、即ち、投影光学系
（投影倍率を１とする）の露光フィールドの良像範囲が
直径（φ）141(＝2^1/2×100)ｍｍの範囲であったとす
る。これに対して、スリットスキャン露光方式では、投
影光学系の良像範囲を同じくφ141 ｍｍの範囲とした場
合、レチクル上のスリット状の照明領域を走査方向の幅
が44.7ｍｍで、走査方向に垂直な非走査方向の幅が134.
2 ｍｍ程度の領域にすることができる。即ち、スリット
状の照明領域の縦横比は、ほぼ１：３である。そして、
露光時に、そのスリット状の照明領域に対して走査方向
にレチクル及び基板を同期して走査することにより、１
回の走査露光で基板上に露光されるチップパターンの面
積をレチクル上で、134.2 ｍｍ×（走査される長さ）に
することができる。従って、チップパターンの面積を通
常のステッパーの場合の１００ｍｍ角より、かなり大き
くとることが可能となる。

【００１４】ところが、斯かるスリットスキャン露光方
式の投影露光装置において、照明光量の損失を少なくす
るためには、レチクル上のスリット状の照明領域の形状
に合わせて、フライアイ・インテグレータの各レンズエ
レメントの断面形状も縦横比が１：３の長方形にしなけ
ればならない。このような断面形状のレンズエレメント
は、加工上では全く不都合は無く、光量的にも全く不都
合は無い。しかしながら、このような断面形状のレンズ
エレメントでも、各レンズエレメントの射出側の面に、
それぞれ１個ずつの光源像（２次光源）が形成されてい
ることに変わりはない。従って、上述の格子状の２次光
源のピッチは縦方向と横方向とで３倍も異なってしまう
ことになる。

【００１５】このように、２次光源の配列ピッチが縦方
向（走査方向）と横方向（非走査方向）とで大きく異な
ると、レチクルのパターン上の走査方向と非走査方向と
に対する結像特性（露光量、解像度及び焦点深度等）が
異なってしまうという不都合が生ずる。更に、上述の輪
帯照明法や変形照明法を採用する場合には、各種形状の
絞りにより、フライアイ・インテグレータ中の特定のレ
ンズエレメントからの照明光を遮光し、レチクルの照明
に寄与するレンズエレメントの数を減少させることにな
るため、上記の不都合がより顕在化することになる。

【００１６】一方、従来の通常のステッパーのように、
レチクル上の有効パターン領域の縦横比がほぼ１：１に
近い長方形であるような投影露光装置においても、特に
輪帯照明法又は変形照明法を適用する場合には、上述の
ように方向によって結像特性が異なるという不都合が生
ずる。本出願人は既に、特願平４−３９７５４号及び特
願平４−１３２９９６号においてその改善策を提案して
いる。

【００１７】しかし、上記の出願における改善案は、レ
チクル上の有効パターン領域の縦横比が１：１．５程度
までは有効であるが、その有効パターン領域が縦横比が
１：２程度以上の長方形である場合にはそれ程有効と言
えるものではない。本発明は斯かる点に鑑み、照明光学
系によるマスク（レチクル）上の照明領域の縦横比が
１：１から大きく異なるような走査型露光装置におい
て、マスク（レチクル）上のパターンを良好に基板（ウ
エハ）上に形成することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の走査
型露光装置は、例えば図１に示す如く、マスク（１３）
上に照射される露光光の照度均一性を向上させるインテ
グレータ（７）を有する照明系（３，４，５，７，１
１，１２）から射出される露光光の照明領域に対してマ
スク（１３）を所定の走査方向に移動するとともに、そ
の走査方向に対応する方向に基板（１６）を移動するこ
とによって、その基板を走査露光する走査型露光装置に
おいて、その照明系は、マスク（１３）上における露光
光の照明領域を、その走査方向の幅とその走査方向に垂
直な非走査方向の幅との比が１：ｎ（ｎは２以上）の長
方形に規定するとともに、そのマスクを変形照明法を用
いて照明するための変形照明手段（２５ａ〜２５ｄ）
と、その露光光を発生する光源（１）とそのインテグレ
ータとの間に配置され、その変形照明手段を用いてその
マスクを照明するときにそのマスク上の照明領域の走査
方向と非走査方向とで結像性能をほぼ等しくするための
光学部材（６）とを有するものである。また、本発明に
よる第２の走査型露光装置は、その第１の走査型露光装
置において、その変形照明手段の代わりに、そのマスク
を輪帯照明法を用いて照明するための輪帯照明手段
（９）を有するものである。また、本発明による第３の
走査型露光装置は、照明光に対してマスク（１３）を所
定の走査方向へ移動するとともに、この走査方向に対応
する方向に基板（１６）を移動することによって、その
マスクのパターンを用いてその基板を走査露光する走査
型露光装置において、その照明光を発生する光源（１）
と、その照明光の照度均一性を向上させるためのインテ
グレータ（７）を有し、その照明光の照明領域を、その
走査方向に平行な短手方向の幅とその走査方向に垂直な
長手方向の幅との比が１：ｎ（ｎは２以上）の長方形に
規定する照明系と、そのマスク上のその走査方向と平行
な方向に周期性を持つパターンに対する結像性能と、そ
のマスク上のその走査方向に垂直な方向に周期性を持つ
パターンに対する結像性能とをほぼ等しくするための光
学部材（６）とを備えたものである。

【００１９】この場合、そのインテグレータは、その照
明領域の縦横比とほぼ等しい縦横比のエレメントを有す
ることが望ましい。また、そのマスクには、その走査方
向及びその非走査方向の少なくとも一方に周期性を有す
るパターンが形成されていることが望ましい。

【００２０】次に、本発明による素子製造方法は、本発
明の走査型露光装置を用いて、その基板を走査露光する
工程を含むものである。

【００２１】

【作用】斯かる本発明においては、マスク上の照明領域
の縦横比が１：１から大きく異なる場合にも、マスクの
パターンを良好に基板上に形成することができる。特
に、マスク上にスキャン方向あるいは非スキャン方向に
周期性を有するパターンが存在する場合には、解像度や
焦点深度の増大によって、マスクのパターンを良好に基
板上に形成することができる。

【００２２】また、そのインテグレータが、その照明領
域の縦横比とほぼ等しい縦横比のエレメントを有すると
きは、高い照明効率が得られる。

【００２３】

【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。図１は本実施例の投影露光装置の概略的な
構成を示し、この図１において、水銀ランプ等の光源１
より放射された照明光ＩＬ１は、楕円鏡２で反射及び集
光されインプットレンズ系３で集光された後、折り曲げ
ミラー４及びインプットレンズ５を経てほぼ平行光束と
なる。この平行光束よりなる照明光ＩＬ１が、射出側に
位相型の１次元の回折格子Ｇが形成された光透過性基板
６に入射し、光透過性基板６の回折格子Ｇからの０次回
折光及び±１次回折光がフライアイ・インテグレータ７
に入射する。

【００２４】フライアイ・インテグレータ７は、それぞ
れ断面形状が長方形の両凸のレンズエレメント７ａ，７
ｂ，‥‥を密着するように束ねたものであり、レンズエ
レメント７ａ，７ｂ，‥‥の入射側の面はそれぞれレチ
クル１３のパターン形成面とほぼ共役（結像関係）とな
っている。また、各レンズエレメント７ａ，７ｂ，‥‥
の射出側の面にはそれぞれ光源１の像（２次光源）が形
成されると共に、フライアイ・インテグレータ７の射出
側の面はレチクルＲのパターン形成面に対して光学的に
フーリエ変換の関係となっている。

【００２５】また、フライアイ・インテグレータ７の射
出側の面の近傍に、通常の円形開口８ａが形成された開
口絞り（σ絞り）８を設ける。この開口絞り８は、輪帯
状の開口９ａが形成された輪帯照明用の開口絞り９や、
変形照明用の開口絞り（図示省略）と共に、保持部材
（例えばターレット板、スライダ等）１０に一体的に固
定されており、保持部材１０を駆動系１０ａによって回
転することにより、それらの開口絞りの内の所望の開口
絞りを照明光路中に配置することができる。

【００２６】さて、開口絞り８を通過した照明光ＩＬ２
は、コンデンサーレンズ群１１及びミラー１２を介して
レチクル１３のパターン１４をほぼ均一な照度で照明す
る。パターン１４を透過するか、又はパターン１４で回
折された光は投影光学系１５により集光結像され、ウエ
ハ１６上にパターン１４の像を形成する。ウエハ１６は
ウエハステージ１７上に保持され、ウエハステージ１７
は、モータ１８により投影光学系１５の光軸ＡＸに垂直
な面内で２次元的にウエハ１６を移動させるＸＹステー
ジ、及び光軸ＡＸ方向にウエハ１６の位置決めを行うＺ
ステージ等より構成されている。

【００２７】また、本実施例の投影露光装置をスリット
スキャン露光方式として使用する場合には、レチクル１
３を保持するレチクルステージ１９を、レチクル支持台
２０上で一次元的に移動できるように配置する。そして
露光時には、レチクル支持台２０に組み込まれた駆動装
置により、レチクル支持台２０上でレチクルステージ１
９を図１の紙面の手前側に走査するのと同期して、ウエ
ハステージ１７を図１の紙面の向こう側に走査する。こ
の場合、レチクルステージ１９と、ウエハステージ１７
とを同期して走査するための制御を主制御系２１が行
う。更に主制御系２１は、駆動系１０ａを介して保持部
材１０の回転角を制御して、開口絞り８を他の変形照明
用の開口絞り等と交換するなど、装置全体の動作を制御
する。

【００２８】次に、本例の動作につき説明する。先ず、
本例の投影露光装置がスリットスキャン露光方式のもの
であるとする。この場合、レチクル１３上で照明光学系
により照明される照明領域（有効パターン領域）は、か
なり細長い長方形（例えば縦横比が３：１程度）とな
る。このため、フライアイ・インテグレータ７の各レン
ズエレメント７ａ，７ｂ，‥‥も断面形状の縦横比が
３：１程度のものが照明光量的に好適となる。

【００２９】図３（ｂ）は、本例のフライアイ・インテ
グレータ７の射出面及び各レンズエレメントが形成する
光源像（２次光源）を光軸上のレチクル側から見た図で
あり、黒丸で示す光源像２２ｂ，２２ｄ，‥‥が従来方
式で各レンズエレメントにより形成される光源像を示
す。そして、開口絞りの円形開口８ａ内に、格子状に配
列された各レンズエレメント（７ｂ等）の縦方向の幅を
ΔＸ、横方向の幅をΔＹとすると、縦横比（即ちΔＸ：
ΔＹ）が３：１なので、黒丸を付した光源像２２ｂ，２
２ｄ，‥‥の配列ピッチの縦横比も３：１となってしま
う。

【００３０】ところで、本実施例においては、図１に示
すごとく、フライアイ・インテグレータ７の前面に回折
格子Ｇが形成された光透過性基板６が設けられている。
この回折格子Ｇの作用を図２を参照して説明する。図２
は、フライアイ・インテグレータ７及び光透過性基板６
の側面図であり、この図２において、光透過性基板６の
射出面には図２の紙面に平行な方向に凸部Ｇａと凹部Ｇ
ｂとをピッチＰで形成することにより位相型の回折格子
Ｇが形成されている。図３（ａ）はその回折格子Ｇをフ
ライアイ・インテグレータ７側から見た図であり、回折
格子Ｇは、斜線を施して示す凸部Ｇａと白地で示す凹部
ＧｂとをピッチＰで縦方向に並べた１次元の位相格子で
ある。図２に戻り、ほぼ平行光束に変換された照明光Ｉ
Ｌ１は、光透過性基板６に入射して回折格子Ｇに達した
後、回折格子Ｇにより例えば０次回折光ＩＬ(0) 及び±
１次回折光ＩＬ(+1)，ＩＬ(-1)の計３個の回折光に分割
され、これら３個の回折光はそれぞれ異なる角度（回折
角）で回折格子Ｇから射出されてフライアイ・インテグ
レータ７に入射する。

【００３１】これら３個の回折光の内、実線で示す０次
回折光ＩＬ(0) は、回折格子Ｇが無い従来例と同様に、
各レンズエレメント７ａ，７ｂ，‥‥の射出面の中央に
それぞれ光源像２２ａ，２２ｂ，‥‥を形成する。ま
た、破線で示す＋１次回折光ＩＬ(+1)は、各レンズエレ
メントの射出面の上部にそれぞれ光源像２３ａ，２３
ｂ，‥‥を形成し、破線で示す−１次回折光ＩＬ(-1)
は、各レンズエレメントの射出面の下部にそれぞれ光源
像２４ａ，２４ｂ，‥‥を形成することになり、１個の
レンズエレメントにそれぞれ３個の光源像が形成され
る。これを一般化して、回折格子Ｇから射出されるｎ個
（ｎは２以上の整数）の回折光を使用すると、各レンズ
エレメントの射出面にはそれぞれｎ個の光源像が形成さ
れる。

【００３２】また、既に説明したように、図３（ｂ）は
本例のフライアイ・インテグレータ７の射出面及び各レ
ンズエレメントが形成する光源像（２次光源）を光軸上
のレチクル側から見た図であり、この図３（ｂ）のレン
ズエレメント７ｂについて代表して示すように、黒丸を
付して示す０次回折光による光源像２２ｂは、回折格子
Ｇの無い従来例と同様に、レンズエレメント７ｂのほぼ
中心に形成されている。一方、±１次回折光によりそれ
ぞれ形成される白丸で示す光源像２３ｂ及び２４ｂは、
回折格子Ｇの周期性に応じて中心から縦方向にずれた位
置に形成されている。当然ながら、＋１次回折光による
光源像２３ｂ及び−１次回折光による光源像２４ｂのず
れの方向は逆になっている。

【００３３】ところで、最近になって変形照明法が注目
されるようになり、この結果、フライアイ・インテグレ
ータ７の射出面（２次光源形成面）での光源像の位置に
より、光源像としての効果が異なることが明らかとなっ
た。これは例えば前述の特願平４−３９７５４号や特願
平４−１３２９９６号において説明されているが、原理
的には、特開平４−２２５３５８号公報等で説明されて
いる。即ち、具体的には図３（ｂ）中の光源像（２次光
源）の内、左右方向の両側の破線で示す縦長の領域Ｖ１
及びＶ２内の光源像は、レチクルパターンのうち、縦方
向に周期性を持つパターンの解像度及び焦点深度の増大
に効果があり、上下方向の両側の２点鎖線で示す横長の
領域Ｈ１及びＨ２内の光源像は、横方向に周期性を持つ
パターンの解像度及び焦点深度の増大に効果がある。

【００３４】これに関して、従来の照明光学系では、形
成される光源像（２次光源）は本実施例の０次回折光に
よる像（２２ｂ等）だけであるので、縦長の領域Ｖ１，
Ｖ２中の光源像の数と、横長の領域Ｈ１，Ｈ２中の光源
像の数とが異なってしまう。このため、レチクル上の縦
方向に周期性を持つパターンと横方向に周期性を持つパ
ターンとの間に、焦点深度の差、あるいは更に、線幅の
差（露光量の差）が生じてしまうことになる。

【００３５】ところが、本実施例においては、回折格子
Ｇが形成された光透過性基板６を従来例とほぼ同様の照
明光学系中に配置することにより、図３（ｂ）に示すよ
うに、開口絞りの円形開口８ａ中に形成される２次光源
の数を縦方向に増している。そのため、その２次光源の
配列の縦方向のピッチと横方向のピッチとの差（縦横
差）を小さくすることができ、より理想的な分布を有す
る（一様な分布に近い）２次光源を形成することができ
る。更に、縦長の領域Ｖ１，Ｖ２中の光源像の数を、横
長の領域Ｈ１，Ｈ２中の光源像の数と等しく、又は殆ど
等しくすることができるため、縦方向に周期性を持つパ
ターンと横方向に周期性を持つパターンとの間に、線幅
差や焦点深度の差が生じることはなくなる。

【００３６】ここで、フライアイ・インテグレータ７の
射出側の面に通常の開口絞り８の代わりに、輪帯照明法
用の開口絞り又は変形照明法用の開口絞りを配置した場
合について説明する。図４は、フライアイ・インテグレ
ータ７の射出側の面に輪帯照明用の開口絞りの輪帯開口
９ａを配置した場合を示し、この図４において、図１の
回折格子Ｇが無いものとすると、輪帯開口９ａの内部に
は黒丸を付して示す０次回折光のみの光源像（２２ｂ
等）が形成される。しかしながら、０次回折光による光
源像のみでは、縦長の領域Ｖ１，Ｖ２中の光源像の数
（図４では６個）と、横長の領域Ｈ１，Ｈ２中の光源像
の数（図４では８個）とが異なり、縦方向に周期性を持
つパターンと横方向に周期性を持つパターンとの間に、
線幅差や焦点深度の差が生じる。これに対して、本実施
例のように回折格子Ｇを配置し、±１次回折光により形
成される光源像（２３ａ等）を付加すると、縦長の領域
Ｖ１，Ｖ２中の光源像の数（図４では１８個）と、横長
の領域Ｈ１，Ｈ２中の光源像の数（図４では１８個）と
が等しくなり、縦方向に周期性を持つパターンと横方向
に周期性を持つパターンとの間の結像性能が等しくな
る。

【００３７】また、図５は、フライアイ・インテグレー
タ７の射出側の面に４個の開口２５ａ〜２５ｄが形成さ
れた変形照明法用の開口絞りを配置した場合を示し、こ
の図５において、図１の回折格子Ｇが無いものとする
と、開口２５ａ〜２５ｄの内部には黒丸を付して示す０
次回折光のみの光源像（２２ｄ等）が形成される。しか
しながら、０次回折光による光源像のみでは、縦長の領
域Ｖ１，Ｖ２中の光源像の数（図５では４個）と、横長
の領域Ｈ１，Ｈ２中の光源像の数（図５では１２個）と
が異なり、縦方向に周期性を持つパターンと横方向に周
期性を持つパターンとの間に、線幅差や焦点深度の差が
生じる。これに対して、本実施例のように回折格子Ｇを
配置し、±１次回折光により形成される光源像（２３ａ
等）を付加すると、縦長の領域Ｖ１，Ｖ２中の光源像の
数（図５では２０個）と、横長の領域Ｈ１，Ｈ２中の光
源像の数（図５では２０個）とが等しくなり、縦方向に
周期性を持つパターンと横方向に周期性を持つパターン
との間の結像性能が等しくなる。

【００３８】次に、本実施例で使用される回折格子Ｇに
ついて説明する。図２に示すように、回折格子Ｇは位相
型の１次元の回折格子であるが、位相型の回折格子では
入射した光束のほぼ全てが射出されるため、振幅型の回
折格子に比べて照明光の光量の利用効率の点で有利であ
る。そして、回折格子Ｇから発生する回折光の内で、０
次回折光ＩＬ(0) 及び±１次回折光ＩＬ(+1)，ＩＬ(-1)
の３個の回折光の強度が互いにほぼ等しいことが望まし
い。

【００３９】このための条件を求めるために、回折格子
ＧのピッチＰに対して、位相格子Ｇの位相（単位はラジ
アン）が０の凸部Ｇａの幅をａ，位相がδの凹部Ｇｂの
幅をｂとする（Ｐ＝ａ＋ｂ）。この場合、０次回折光の
強度Ｉ₀、＋１次回折光の強度Ｉ₊₁、及び−１次回折光
の強度Ｉ_-1は、所定の定数Ａを用いてそれぞれ次のよう
になる。

【００４０】Ｉ₀＝Ａ｜ａ＋ｂ・exp(ｉδ)|² （１）Ｉ₊₁＝Ｉ_-1 ＝Ａ｜（Ｐ／π)[sin(πａ／Ｐ）−exp(ｉδ)sin(πｂ／Ｐ)]|² （２）それら（１）式及び（２）式を計算すると次のようにな
る。Ｉ₀／Ａ＝Ｐ²−２ａ（Ｐ−ａ）（１−ｃｏｓδ）（３）Ｉ₊₁／Ａ＝Ｉ_-1／Ａ＝（２Ｐ²／π²)sin²(πａ／Ｐ)(１−ｃｏｓδ）（４）従って、（３）式と（４）式とが等しくなるように幅ａ
及び位相δを定めることにより、０次回折光ＩＬ(0) 及
び±１次回折光ＩＬ(+1)，ＩＬ(-1)の３個の回折光の強
度が互いにほぼ等しくなる。

【００４１】次に、回折格子ＧのピッチＰの値は、フラ
イアイ・インテグレータ７内のレンズエレメント７ａ，
７ｂ，‥‥の焦点距離等により異なる。レンズエレメン
ト７ａの焦点距離をｆ、入射する照明光束ＩＬ１の波長
（露光波長）をλとすると、０次回折光による光源像２
２ａと＋１次回折光による光源像２３ａ（又は−１次回
折光による光源像２４ａ）とは、射出面上で次式の間隔
Ｑだけ離れる。

【００４２】Ｑ＝（λ／Ｐ）ｆ（５）仮に、フライアイ・インテグレータ７の各レンズエレメ
ント７ａ，７ｂ，‥‥の断面形状の縦方向の幅がΔＸ
で、横方向（図２の紙面に垂直な方向）の幅がΔＸ／３
であれば、０次回折光による光源像と±１次回折光によ
る光源像との縦方向の間隔ＱはΔＸ／３であることが望
ましい。即ち、これにより、２次光源の縦方向のピッチ
と横方向のピッチとが一致するからである。（５）式よ
り、間隔ＱがΔＸ／３となるための条件は次のようにな
る。

【００４３】（λ／Ｐ）ｆ＝ΔＸ／３（６）具体的に、各レンズエレメントの焦点距離ｆを60ｍｍ、
各レンズエレメントの縦方向の幅ΔＸを30ｍｍ、露光波
長λを0.365 μｍとすると、（６）式より位相格子Ｇの
ピッチＰは2.19μｍとなる。ところで、このような回折
格子Ｇをフライアイ・インテグレータ７の入射面近傍に
設けると、その回折格子Ｇの像がレチクル上及びウエハ
上に転写され、照度むら等の原因となる虞がある。しか
しながら、実際には焦点深度の関係で回折格子Ｇの像が
ウエハ上に転写される虞は全く無い。例えば、フライア
イ・インテグレータ７の各レンズエレメントの入射側の
面からウエハの露光面に対する結像倍率が等倍であると
すると、フライアイ・インテグレータ７の入射面と、回
折格子Ｇとの間隔が数μｍ（即ち、通常の投影露光装置
のウエハ側での焦点深度程度）だけ離れていれば、もは
やウエハ上に回折格子Ｇの像が誤って転写されてしまう
虞は無くなる。

【００４４】実際には、フライアイ・インテグレータ７
の入射面と回折格子Ｇとを数ｍｍ離して設けてもよく、
また、ウエハ上では複数個のレンズエレメントからの照
明光による回折格子像の平均化も行われるため、回折格
子Ｇの像の誤転写の虞はほとんど無い。また、特にスリ
ットスキャン型の露光装置においては、図３（ａ）に示
した回折格子Ｇの方向性をスキャン方向に対してわずか
に傾けて（回転させて）（１ｍｒａｄ程度）おくこと
で、ウエハ上に形成される恐れのある、回折格子の転写
によるごくわずかな光量ムラを、スキャン（露光動作）
により平均化することもでき、回折格子の転写の心配は
全くなくなる。

【００４５】なお、このとき、回折格子により発生する
回折光の方向も微妙に変化し、従って図３（ｂ）中の、
白丸で示す光源像（２３ｂ等）の位置も微妙に左右にシ
フトするが、その量はきわめて微量であり、結像特性に
何ら悪影響を与えるものではない。なお、上述実施例に
おいては、図１の如く、フライアイ・インテグレータ７
を１段としたが、例えば特開平１−２５９５３３号公
報、特開平１−２７１７１８号公報に開示されているよ
うに、図１中のフライアイ・インテグレータ７及び回折
格子Ｇが形成された光透過性基板６より光源側に第２の
フライアイ・インテグレータ（又はロッド型インテグレ
ータ）を設けてもよい。この場合、第２のフライアイ・
インテグレータの各レンズエレメントの断面形状は、図
３（ｂ）に示すフライアイ・インテグレータ７の外形に
合わせてそれぞれほぼ正方形あるいは正六角形にしてお
くとよい。このように２段のフライアイ・インテグレー
タを設けると、図３（ｂ）における各光源像は、０次回
折光のみの光源像についても１つではなくなり、０次回
折光による光源像の個数は第２のフライアイ・インテグ
レータのレンズエレメントの個数に等しくなる。勿論、
±１次回折光が形成する光源像の個数も、それぞれ第２
のフライアイ・インテグレータのレンズエレメントの個
数に等しくなり、ウエハの露光面での照度均一性を一層
高めることができる。

【００４６】また、上述実施例では、回折格子Ｇを用い
てフライアイ・インテグレータ７に入射する光束の波面
を分割していたが、例えばブレーズド型の回折格子を用
いて波面を分割しても良い。図６は、ブレーズド型の回
折格子２６をフライアイ・インテグレータ７の前に配置
した状態を示し、この図６において、回折格子２６には
ほぼ平行光束化された照明光束ＩＬ１が入射している。
回折格子２６の射出側の面には、図６の紙面に平行な方
向に所定ピッチで、時計方向に傾斜した面２７ａ及び反
時計方向に傾斜した面２９ａが周期的に形成されてい
る。そして、回折格子２６をそのまま透過した光束（０
次回折光）により、フライアイ・インテグレータ７の各
レンズエレメント７ａ，７ｂ，‥‥の射出側の面の近傍
に光源像２２ａ，２２ｂ，‥‥が形成される。また、傾
斜した面２７ａで屈折された光束により、各レンズエレ
メント７ａ，７ｂ，‥‥の射出側の面の近傍に光源像２
３ａ，２３ｂ，‥‥が形成され、傾斜した面２９ａで屈
折された光束により、各レンズエレメント７ａ，７ｂ，
‥‥の射出側の面の近傍に光源像２４ａ，２４ｂ，‥‥
が形成される。

【００４７】なお、図６中ではブレーズド型の回折格子
２６のピッチを、フライアイ・インテグレータ７のピッ
チと同程度にしているが、実際には、回折格子２６のピ
ッチは、前述の図２中の回折格子Ｇのピッチと同様とす
る。このように、ブレーズド型の回折格子２６を用いて
照明光束ＩＬ１の波面を分割した場合でも、フライアイ
・インテグレータ７の射出面に形成される光源像の数を
所定の方向に増加させることができ、光源像の縦方向の
ピッチと横方向のピッチとを容易にほぼ等しくすること
ができる。

【００４８】また、波面分割部材として例えばウォラス
トンプリズムを使用して、入射する照明光束ＩＬ１の波
面を２つの偏光成分に応じて２分割しても良い。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。上述の実施例
によれば、フライアイ・インテグレータ７の入射側の面
の近傍に、回折格子又は所定のプリズム等の波面分割部
材として光透過性基板６（回折格子Ｇ）を設けることに
より、インテグレータ７へ入射する光束がそれぞれ異な
る方向に進む複数の光束に分割される。これにより、イ
ンテグレータ７には、それぞれ異なる入射角で複数の光
束が入射する。

【００４９】一方、インテグレータ７の射出側の面（光
源像形成面）は、入射側の面とほぼフーリエ変換の関係
であるため、入射側の異なる入射角は、射出側の異なる
位置となる。この結果、インテグレータ７の射出側に
は、１つのレンズエレメントに対して、それぞれ複数の
光源像が形成される。また、マスクとしてのレチクル１
３上の照明領域の縦横比が例えば１：ｎ（ｎは２以上の
整数）である場合には、レンズエレメントの縦横比もほ
ぼ１：ｎとなっている。このとき上述の実施例では、イ
ンテグレータ７に入射する光束の波面を、波面分割部材
（光透過性基板６）を用いて横方向にｎ分割する。これ
により、インテグレータ７の射出側の面に形成されて格
子状に分布する光源像の、縦方向のピッチと横方向のピ
ッチとがほぼ等しくなる。従って、マスク（レチクル１
３）上の照明領域で縦方向及び横方向に重畳される光源
像からの照明光の密度がほぼ等しくなり、その照明領域
の縦方向及び横方向の結像性能がほぼ等しくなる。

【００５０】上述の実施例によれば、光源像形成手段
（フライアイ・インテグレータ７）の前に波面分割部材
（光透過性基板６）を配置している。そこで、照明光学
系によるマスク（レチクル１３）上の照明領域の縦横比
が１：１から大きく異なり、それに応じて光源像形成手
段を構成する各レンズエレメントの縦横比も１：１から
大きく異なる場合には、縦方向又は横方向の内の長い方
向にその波面分割手段で照明光の波面を分割することに
より、光源像形成手段により形成される離散的に分布し
た光源像の縦方向のピッチと横方向のピッチとをほぼ等
しくすることができる。その結果、マスク上の縦方向に
周期性を持つパターンと、横方向に周期性を持つパター
ンとに対する結像性能をほぼ等しくすることができる。

【００５１】

【発明の効果】斯かる本発明においては、スリットスキ
ャン露光方式のように照明領域の縦横比が１：１から大
きく異なる場合にも、マスクのパターンを良好に基板上
に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例において使用される投影露光装
置を示す構成図である。

【図２】図１中の光透過性基板６及びフライアイ・イン
テグレータ７を拡大して示す側面図である。

【図３】（ａ）は図１中の回折格子Ｇをフライアイ・イ
ンテグレータ７側から見た図、（ｂ）は図１中のフライ
アイ・インテグレータ７及び開口絞りをレチクル側から
見た図である。

【図４】図１中のフライアイ・インテグレータ７の射出
面側に輪帯照明用の開口絞りを配置した状態を示す図で
ある。

【図５】図１中のフライアイ・インテグレータ７の射出
面側に変形照明用の開口絞りを配置した状態を示す図で
ある。

【図６】波面分割部材としてブレーズド型の回折格子を
使用した場合の要部を拡大して示す側面図である。

【符号の説明】

１光源３インプットレンズ群５インプットレンズ６光透過性基板Ｇ回折格子７フライアイ・インテグレータ７ａ，７ｂレンズエレメント８，９開口絞り１１コンデンサーレンズ群１３レチクル１５投影光学系１６ウエハ２１主制御系２６ブレーズド型の回折格子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−225359（ＪＰ，Ａ) 特開平４−196513（ＪＰ，Ａ) 特開平５−45605（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−115718（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−2540（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上に照射される露光光の照度均一
性を向上させるインテグレータを有する照明系から射出
される露光光の照明領域に対して前記マスクを所定の走
査方向に移動するとともに、その走査方向に対応する方
向に基板を移動することによって、前記基板を走査露光
する走査型露光装置において、前記照明系は、前記マスク上における前記露光光の照明
領域を、前記走査方向の幅と前記走査方向に垂直な非走
査方向の幅との比が１：ｎ（ｎは２以上）の長方形に規
定するとともに、前記マスクを変形照明法を用いて照明
するための変形照明手段と、前記露光光を発生する光源
と前記インテグレータとの間に配置され、前記変形照明
手段を用いて前記マスクを照明するときに前記マスク上
の照明領域の走査方向と非走査方向とで結像性能をほぼ
等しくするための光学部材とを有することを特徴とする
走査型露光装置。
【請求項２】マスク上に照射される露光光の照度均一
性を向上させるインテグレータを有する照明系から射出
される露光光の照明領域に対して前記マスクを所定の走
査方向に移動するとともに、その走査方向に対応する方
向に基板を移動することによって、前記基板を走査露光
する走査型露光装置において、前記照明系は、前記マスク上における前記露光光の照明
領域を、前記走査方向の幅と前記走査方向に垂直な非走
査方向の幅との比が１：ｎ（ｎは２以上）の長方形に規
定するとともに、前記マスクを輪帯照明法を用いて照明
するための輪帯照明手段と、前記露光光を発生する光源
と前記インテグレータとの間に配置され、前記輪帯照明
手段を用いて前記マスクを照明するときに前記マスク上
の照明領域の走査方向と非走査方向とで結像性能をほぼ
等しくするための光学部材とを有することを特徴とする
走査型露光装置。
【請求項３】照明光に対してマスクを所定の走査方向
へ移動するとともに、該走査方向に対応する方向に基板
を移動することによって、前記マスクのパターンを用い
て前記基板を走査露光する走査型露光装置において、前記照明光を発生する光源と、前記照明光の照度均一性を向上させるためのインテグレ
ータを有し、前記照明光の照明領域を、前記走査方向に
平行な短手方向の幅と前記走査方向に垂直な長手方向の
幅との比が１：ｎ（ｎは２以上）の長方形に規定する照
明系と、前記マスク上の前記走査方向と平行な方向に周期性を持
つパターンに対する結像性能と、前記マスク上の前記走
査方向に垂直な方向に周期性を持つパターンに対する結
像性能とをほぼ等しくするための光学部材とを備えたこ
とを特徴とする走査型露光装置。
【請求項４】前記光学部材は回折手段を含むことを特
徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の走査型露光
装置。
【請求項５】前記光学部材はプリズムを含むことを特
徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の走査型露光
装置。
【請求項６】前記光学部材は、前記走査方向と直交す
る方向に関する複数の方向から前記インテグレータに光
束を入射させることを特徴とする請求項１〜５の何れか
一項に記載の走査型露光装置。
【請求項７】請求項１〜６の何れか一項に記載の走査
型露光装置を用いる素子製造方法。