JP3351417B2

JP3351417B2 - 露光方法

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Publication number: JP3351417B2
Application number: JP2000100521A
Authority: JP
Inventors: 直正白石; 茂蛭川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-02-28
Filing date: 2000-04-03
Publication date: 2002-11-25
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: JP2000306830A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体等の回路パター
ン形成技術、特にリソグラフィー工程で使われるマス
ク、あるいはそのマスクを使った投影露光方法、及び露
光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体等の回路パターン形成に際して、
現在の微細化したＬＳＩの場合、実際のパターンの５倍
から１０倍に拡大された遮光部分と透過部分とからなる
原版（マスク、レチクル）を、縮小投影型露光装置を用
いて、半導体基板（ウェハ）等の表面に塗布された感光
性膜（レジスト）上に結像し、これを感光する方法がと
られる。

【０００３】従来、使用されるレチクル上には、転写す
べき回路パターンが、投影型露光装置の倍率だけ拡大さ
れて描画されており、従ってウェハ上には回路パターン
が所望の大きさとなって転写される。従来この種の装置
においては、図１５に示す如く照明光束Ｌ１０は、照明
光学系の瞳面（フーリエ変換面）付近に、投影光学系Ｐ
Ｌの瞳ｅｐとほぼ共役に配置されたほぼ円形の開口絞り
１００により照明光学系の光軸を中心とする円形領域内
を通る光束Ｌ１１となってレチクル（マスク）Ｒを照明
していた。ここで、光束を表す実線は１点から出た光の
主光線を表している。

【０００４】このとき、照明光学系の開口数と投影光学
系ＰＬのレチクル側開口数との比、所謂σ値は開口絞り
１００により決定され、その値は０．３〜０．６程度が
一般的である。照明光Ｌ１１はレチクルＲにパターニン
グされたパターンＰＰにより回折され、パターンＰＰか
らは０次回折光Ｄo、＋１次回折光Ｄｒ、−１次回折光
Ｄｌが発生する。それぞれの回折光は投影光学系ＰＬに
より集光され、ウェハ(試料基板）Ｗ上に干渉縞を発生
させる。この干渉縞がパターンＰＰの像である。

【０００５】このとき、０次回折光Ｄoと±１次回折光
Ｄｒ、Ｄｌとのなす角θはsinθ＝λ／Ｐ（λ：露光波
長、Ｐ：パターンピッチ）により決まる。パターンピッ
チが微細化するとsinθが大きくなり、sinθが投影光学
系のレチクル側開口数(ＮＡ_R)より大きくなると±１次
回折光Ｄｒ、Ｄｌは投影光学系ＰＬに入射できなくな
る。

【０００６】このとき、ウェハＷ上には０次回折Ｄoの
みしか到達せず干渉縞は生じない。つまりsinθ＞ＮＡ_R
となる場合にはパターンＰＰの像は得られず、パターン
ＰＰをウェハＷ上に転写することができなくなってしま
う。

【０００７】以上より従来の露光装置においては、sin
θ＝λ／Ｐ≒ＮＡ_RとなるピッチＰは次式で得られ、こ
のピッチＰがウェハＷ上に転写可能となるパターンのレ
チクル上での最小ピッチである。

【０００８】Ｐ≒λ／ＮＡ_R …（１）従って、最小パターン幅としては、この半分の０．５×
λ／ＮＡ_R程度となるが、実際には焦点深度との関係
上、０．６×λ／ＮＡ_R程度が最小パターン幅となって
いる。これを投影光学系の像面 (ウェハＷ) 側に直すと
０．６×λ／ＮＡ _W（ＮＡ_Wは投影光学系のウェハ側開口
数であり、ＮＡ_W＝Ｂ・ＮＡ_R、Ｂは投影光学系の縮小
率) 程度となる。

【０００９】以後、この値を投影光学系の解像限界と呼
ぶ。この投影光学系自体の解像限界以上に微細なパター
ンを転写するために、レチクルパターン自体を変更して
解像度を高めようという方法も提案されている。これは
位相シフトと呼ばれる方法であり、レチクル上に他の部
分とは透過光の位相がπだけずれる、いわゆる位相シフ
ター膜を形成し、位相シフター部と、他の部分との透過
光の干渉効果（特に相殺効果）を利用して解像度、及び
焦点深度を高めるものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の投影型露光装置
においては、ウェハ上に転写可能な回路パターンの微細
度（サイズ）は、露光波長をλ、投影光学系のウェハ側
開口数をＮＡ_Wとして、０．６×λ／ＮＡ_W程度が限界で
あった。これは、光が波動である為に生じる回折現象の
為であり、従って露光波長をより短くすれば解像度は原
理的には向上する。

【００１１】しかし、波長が２００ｎｍより短くなる
と、これを透過する適当な光学材料が存在せず、また空
気による吸収が発生するなど問題点が多い。また開口数
NA_Wは現在、既に技術的限界にあり、これ以上の大ＮＡ
化は望めない状況である。また、位相シフト法を使用し
た露光では解像度の向上、及び焦点深度の増大は可能で
あるが、位相シフト法で使用する位相シフター付レチク
ルは、製造工程が複雑で、従って欠陥の発生率が高く、
また製造コストもきわめて高価となる。また、検査方法
及び修正方法も未だ確立されていないなど問題点が多
く、実用化には多くの問題が残る。

【００１２】現在のＬＳＩ製造工程においては、成膜、
フォトリソグラフィー（回路パターン転写）、エッチン
グのサイクルが２０回程度繰り返されるのが普通であ
る。また、各膜の膜厚は０．０５μｍから１μｍ程度で
あり、従って工程が進むにつれウェハ上には数μｍ程度
の段差が形成され、この上部と下部に同時にパターニン
グを行なうには、焦点深度の大きな投影型露光方法が必
要になる。

【００１３】一方で、焦点深度を拡大する１つの手法と
して、多重焦点露光法も知られている。この露光方法に
よる深度増大法においては、特に単独で存在するパター
ン（パターンサイズに対してパターン以外のサイズが
１：３程度以上であるパターン、以後孤立パターンと略
す）に対して、通常の露光方法に比べ、大きな実用上の
焦点深度が得られるが、解像度を向上することは原理的
に不可能であった。

【００１４】本発明はこの様な現状に鑑みてなされたも
ので、従来と同じ遮光部と透過部から成るレチクル（マ
スク）を使用し、かつ高解像度及び深い焦点深度を得ら
れる露光方法、及び装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的の為に請求項１
に記載の発明においては、照明光学系を通してマスクに
照明光を照射し、投影光学系を介して照明光で感光基板
を露光する方法において、周期的な第１パターンを第１
の露光量で感光基板上に転写し、第１パターンとは異な
る形状を持ち、感光基板上で第１パターンの一部と重ね
合わされる第２パターンを、第１の露光量よりも小さい
第２の露光量で感光基板上に転写することとした。また
請求項９に記載の発明では、照明光学系を通してマスク
に照明光を照射し、投影光学系を介して照明光で感光基
板を露光する方法において、感光基板上に転写されると
市松模様パターンが形成される第１パターンを照明し
て、市松模様パターンを感光基板上に形成し、第１パタ
ーンとは異なる形状の第２パターンを、感光基板上で第
１パターンの一部と重ね合わせるように感光基板上に転
写し、これにより前記第１パターンと前記第２パターン
との重ね合わせ露光部分を前記基板上に形成すべきパタ
ーンとすることとした。また請求項１７に記載の発明で
は、照明光学系を通してマスクに照明光を照射し、投影
光学系を介して照明光で感光基板を露光する方法におい
て、複数の要素パターンが所定方向に周期的に配列され
た第１パターンを、感光基板上に転写し、所定方向にお
ける大きさが、要素パターンの所定方向における大きさ
の２〜３倍程度の大きさを持つ第２パターンを、感光基
板上で前記第１パターンの一部と重ね合わせるように感
光基板上に転写することとした。

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【作用】上記各請求項に記載の発明によれば、上述した
ような多重露光方法を使用することにより、微細なパタ
ーンも高精度に転写できるという効果を得ることができ
る。加えて請求項１に記載の発明によれば、周期的な第
１パターンを第１の露光量で、第１パターンとは異なる
形状の第２パターンを第１パターンの一部と重ね合わせ
ながら第２の露光量で、それぞれ感光基板上に転写する
ように構成されている。即ち各マスクパターンはそれぞ
れ応じた露光量で、且つ各マスクパターン間での露光量
バランスも鑑みて露光量設定を行うので、基板上に高解
像度で最終的なパターン形成を行うことができる。また
請求項９に記載の発明では、市松模様パターンを形成す
るために第１パターンを感光基板上に形成し、それとは
異なる形状の第２パターンを第１パターンの一部と重ね
合わせるように転写するよう構成されている。このため
細かいパターンであっても市松模様パターンを利用する
ことにより比較的容易に形成するころが可能となる。ま
た請求項１７に記載の発明では、複数の要素パターンが
周期的に配列された第１パターンを転写し、要素パター
ンの幅よりも２〜３倍程度の大きい幅を持つ第２パター
ンを第１パターンの一部と重ね合わせ転写するように構
成されている。このため最終的にパターン形状を規定す
るための第２パターンの製造が比較的容易となるという
効果を得ることができる。なお、レチクルパターンとフ
ーリエ変換の関係となる照明光学系中の面内において、
レチクルを照明する照明光束が光軸以外の１点以上を中
心とする１つ以上の領域に集中した投影露光装置を使用
すると、特に周期的なレチクルパターンに対して、解像
度及び焦点深度を増大することができる。

【００２１】以下、図面を用いてこの原理について説明
する。

【００２２】従来の投影露光装置では、レチクルに対し
て上方から種々の入射角で入射する露光光が無差別に用
いられ、レチクルパターンで発生した０次、±１次、±
２次、…の各回折光がほぼ無制限に投影光学系を透過し
てウェハ上に結像していた。

【００２３】これに対して、本発明の投影露光装置で
は、図１６の如く照明光Ｌ１０から照明光学系中のレチ
クルパターン面と略フーリエ変換の関係となる面内に於
いて、照明光学系の光軸ＡＸが通る中央部以外に透過部
を有する遮光板１００’を設け、照明光学系の光軸上を
通らない光束、つまりレチクルパターンに対して特定の
方向と角度で斜めに入射する任意の２つの光束Ｌ１２、
Ｌ１３、或いは２ｎ本（ｎは自然数）の光束を形成さ
せ、レチクルパターンＰＰを照明する。レチクルパター
ンＰＰは通常、光透過部と遮光部とが所定のピッチで繰
り返し形成された周期構造を有するパターンを多く含ん
でいる。そしてレチクルパターンＰＰで発生した０次回
折光と±１次回折光とを投影光学系ＰＬを介してウェハ
Ｗ上に結像させる。

【００２４】すなわち、レチクルパターンＰＰの微細度
に応じてパターンＰＰに所定の方向と角度で２本、或い
は２ｎ本の光束を入射させることによって、最適な０次
回折光と±１次光を発生させることにより、従来では十
分に解像できなかったパターンをウェハＷ上に高コント
ラストに、かつ、大きい焦点深度を持って結像させるこ
とが可能となる。ここで、レチクルＲに入射する光束Ｌ
１２、Ｌ１３は、前述の遮光板１００’によって投影光
学系ＰＬの光軸ＡＸに対して対称に所定の角度ψだけ傾
いて入射する主光線を有する２本の光束に変換されたも
のである。ここでも、光束を表す実線は１点から出た光
の主光線を表している。まず図１６に基づいて照明光Ｌ
１２による回折光について説明する。照明光Ｌ１２はレ
チクルパターンＰＰにより回折され０次回折光Ｄo、＋
１次回折光Ｄｒ、−１次回折光Ｄｌを発生する。しかし
ながら、照明光Ｌ１２は投影光学系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ＰＰに入射する
ので、０次回折光Ｄoもまた投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ
に対して角度ψだけ傾いた方向に進行する。ここで、投
影光学系ＰＬは両側テレセントリック系とする。

【００２５】従って、＋１次光Ｄｒは光軸ＡＸに対して
θp＋ψの方向に進行し、−１次回折光Ｄｌは光軸ＡＸ
に対してθm−ψの方向に進行する。このとき、θp、θ
mはそれぞれ sin(θp＋ψ)−sinψ＝λ／Ｐ …（２） sin(θm−ψ)−sinψ＝λ／Ｐ …（３）である。

【００２６】仮にいま＋１次回折光Ｄｒ、−１次回折光
Ｄｌの両方が投影光学系ＰＬに入射しているとする。レ
チクルパターンＰＰの微細化に伴って回折角が増大する
と、先ずθp＋ψの方向に進行する＋１次回折光Ｄｒが
投影光学系ＰＬを透過できなくなる（sin(θp＋ψ)＞Ｎ
Ａ_Rとなる）。しかし、照明光Ｌ１２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Ｄｌは、投影光学系ＰＬを透過可能となる（si
n(θm−ψ)＜ＮＡ_Rとなる）。

【００２７】従って、ウェハＷ上には０次回折光Ｄoと
−１次回折光Ｄｌの２光束による干渉縞が生じる。

【００２８】この干渉縞はレチクルパターンＰＰの像で
ありレチクルパターンＰＰが１：１のラインアンドスペ
ースの時、約９０％のコントラストとなり、表面にレジ
ストが塗布されたウェハＷ上にパターンＰＰをパターニ
ングすることが可能となる。このときの解像限界は、 sin(θm−ψ)＝ＮＡ_R …（４）となるときであり、従って、ＮＡ_R＋sinψ＝λ／ＰＰ＝λ／(ＮＡ_R＋sinψ) …（５）がレチクル上の転写可能な最小パターンのピッチであ
る。

【００２９】今、sinψを０．５×ＮＡ_R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Ｐ＝λ／(ＮＡ_R＋０．５ＮＡ_R)＝２λ／３ＮＡ_R …（６）である。

【００３０】一方、図１５に示したように、照明光が投
影光学系ＰＬの光軸ＡＸを中心とする円形領域内を通る
光束である従来の露光装置の場合、解像限界は（１）式
に示したようにＰ≒λ／ＮＡ_Rであった。従って、従来
の露光装置より高い解像度が実現できる。

【００３１】照明光Ｌ１３についても同様に考えて、＋
１次光Ｄｒ₁は光軸ＡＸに対してθp ₁−ψの方向に進行
し、−１次回折光Ｄｌ₁は光軸ＡＸに対してθm₁＋ψの
方向に進行する。Ｄo₁は０次回折光を表している。

【００３２】このとき、θp₁、θm₁はそれぞれ sin(θm₁＋ψ)−sinψ＝λ／Ｐ …（７） sin(θp₁−ψ)＋sinψ＝λ／Ｐ …（８）であり、解像限界はsin(θp₁−ψ)＝ＮＡ_Rのときであ
る。

【００３３】従って、照明光Ｌ１２の場合と同様に
（５）式に示すパターンピッチが転写可能なパターンの
最小ピッチとなる。照明光Ｌ１２とＬ１３の両方を使う
ことにより投影光学系の光軸に対して光量重心が偏らな
いようにしている。

【００３４】次に、レチクルパターンに対して特定の入
射方向と入射角で露光光を入射して、０次回折光と１次
回折光とを用いてウェハ上に結像パターンを形成するこ
とにより、焦点深度が大きくなる理由を説明する。

【００３５】ウェハが投影光学系の焦点位置に一致して
いる場合には、レチクル上の１点を出てウェハ上の一点
に達する各回折光は、投影光学系のどの部分を通るもの
であってもすべて等しい光路長を有する。このため、従
来のように０次回折光が投影光学系の瞳面のほぼ中心を
貫通する場合でも、０次回折光とその他の回折光とで光
路長は相等しく、相互の波面収差も０である。しかし、
ウェハが投影光学系の焦点位置に一致していない場合
（デフォーカスを起こした場合）、斜めに入射する高次
の回折光の光路長は光軸付近を通る０次回折光に対して
焦点前方（投影光学系から遠ざかる方）では短く、焦点
後方（投影光学系に近づく方）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、
…の各回折光は相互に波面収差を形成して焦点位置の前
後における結像パターンのぼけを発生する。この波面収
差ΔＷは次式で表される。

【００３６】ΔＷ＝１／２×(ＮＡ)²Δｆ Δｆ：デフォーカス量ＮＡ：瞳面上の中心からの距離を開口数で表した値従って、瞳面のほぼ中心を貫通する０次回折光（ΔＷ＝
０）に対して、瞳面の周囲、半径ｒ₁（〔ＮＡ〕を単位
とする）を通る１次回折光では、 ΔＷ＝１／２×ｒ₁ ²Δｆの波面収差をもつこととなり、焦点位置の前後での解像
度、すなわち焦点深度を低くしている。

【００３７】一方、本発明で使用する投影型露光装置の
場合、例えば図１６の如く、θm＝２ψとなる入射角で
レチクルパターンＰＰに２つの光束を入射した場合、パ
ターンＰＰからの０次回折光Ｄoと１次回折光Ｄｌとが
瞳面ｅｐ上でほぼ中心から等距離となる位置（共に半径
ｒ₂とする）を通るようになり、０次回折光Ｄoと１次回
折光Ｄｌの波面収差は相等しく、ΔＷ＝１／２×ｒ₂ ²Δ
ｆとなり、０次回折光に対する１次回折光の収差は零と
なって、ある範囲内ではデフォーカスによるぼけが無く
なる。従って、その分だけ従来装置よりも焦点深度が大
きくなることになる。

【００３８】以上、本発明で使用する投影型露光装置で
は、特に周期的なパターンについて、解像度及び焦点深
度の増大が可能である。

【００３９】本発明に於いては、レチクル上の異なる複
数のパターンを、ウェハ上の同一の部分に重ね合わせ露
光して１つの回路パターンを形成する。従って、半導体
ウェハ等の被露光基板上に形成されるパターンは、複数
のレチクルパターンの合成像となる。この合成像は、各
複数のレチクルパターンを、その透過率に応じて“０”
部（概遮光部）と、“１”部（概透過部）とすれば、こ
れら複数のレチクルパターンの論理和として形成され
る。すなわち、各レチクルパターンのすべてが“０”部
（概遮光部）の部分のみが、他の部分と異なった状態と
なる。使用する感光性膜（フォトレジスト）がポジ型
（光照射部が除去される）であれば、重ね合わせるレチ
クルパターンのすべてが“０”部となる部分のみレジス
トが残り、他部はレジストが除去された、いわゆる孤立
ラインパターン、あるいは、孤立アイランドパターンが
形成される。

【００４０】使用するフォトレジストがネガ型（光照射
部が残膜する）であれば、いわゆる孤立スペースパター
ン、あるいは、孤立ホールパターンが形成される。

【００４１】このとき、重ね合わされる複数のレチクル
パターンのうち、少なくとも１つはほぼ周期的な配列を
有するパターンであり、かつ、使用する投影型露光装置
の照明光学系は、前述の如く、このほぼ周期的な配列か
ら成るパターンについて、解像度及び焦点深度を、最大
とするよう調整されているものとする。また、重ね合わ
せにより形成すべき回路パターンのうち、特に重要であ
るものは周期的配列から成るパターン、あるいは周期的
配列から成る複数のパターンからの合成で作ることによ
り、合成像の実質的な焦点深度の増大が可能となる。

【００４２】あるいは、同一の投影光学系を使用して
も、線幅の太いパターン程焦点深度が深くなる性質を利
用し、上記の周期的配列から成るパターン以外のパター
ンの線幅は、投影光学系の解像限界の２倍程度以上とす
れば、重ね合わせるレチクルパターンのすべてにおい
て、投影像の焦点深度を十分に大きくとることが可能と
なる。

【００４３】

【発明の実施の形態】図１は本発明で使用する投影型露
光装置の実施例であって、水銀ランプ１を発した照明光
（ｉ線、又はｇ線）は楕円鏡２で第２焦点に集光され
る。第２焦点には照明光の遮断、解放を行うシャッター
３が配置され、モータ４によって駆動される。シャッタ
ー３を通った照明光はリレーレンズ（コリメータレン
ズ）５でほぼ平行光束にされ、フライアイレンズ６に入
射する。

【００４４】フライアイレンズ６の各エレメントレンズ
の射出端の夫々に形成される２次光源（点光源像の集
合）からの各光束は、リレーレンズ７によって集光さ
れ、ミラーＭ₁で反射された後、光分割器８の入射部８
Ａに重畳される。従って、入射部８Ａの位置で、照明光
束の強度分布はほぼ均一なものになっている。図１では
フライアイレンズ６の射出側に現れる点光源像のうち光
軸上の１つの点光源からの光束のみを代表的に図示し
た。

【００４５】さて、光分割器８は入射部８Ａからの照明
光を複数の射出部８Ｂ、８Ｃへほぼ等しい強度で分割す
る。射出部８Ｂ、８Ｃの各断面積はともに等しいものと
し、その中心点は光軸ＡＸから所定量だけ偏心させてお
く。この光分割器８の詳しい構造については後で述べ
る。尚、射出部８Ｂ、８Ｃは、投影露光をケーラ−照明
で行うために、投影レンズＰＬの射出瞳ｅｐ（又は入射
瞳）と共役な面９、即ちフーリエ変換面内に配置され
る。

【００４６】射出部８Ｂ、８Ｃ上の一点から射出した発
散光束は第１リレーレンズ（コリメータレンズ）１０に
よってほぼ平行光束となってレチクルブラインドＡＲＢ
を一様な照度で照明する。図１では簡略のために、射出
部８Ｂ、８Ｃ上の一点から発散した光束の進行状態のみ
を示してある。レチクルブラインドＡＲＢは４辺のエッ
ジ位置を駆動部１１によって任意に調整することによっ
て、レチクルＲ上の照明領域を制限するものである。レ
チクルブラインドＡＲＢによって決まる矩形開口部を通
った照明光束には、図１の場合、基本的には光軸ＡＸに
関して対称的に傾いた複数（射出部８Ｂ、８Ｃ……の数
に対応）の平行光束だけが含まれ、光軸ＡＸと平行に進
む平行光束は存在しない。

【００４７】これら平行光束は第２リレーレンズ１２で
集光され、ミラーＭ₂で反射された後、主コンデンサー
レンズ１３に入射して再び互いに入射角が異なる複数の
平行光束となってレチクルＲを照射する。この際、レチ
クルＲのパターン面（投影レンズＰＬと対向する面）
は、主コンデンサーレンズ１３と第２リレーレンズ１２
との合成系に関してレチクルブラインドＡＲＢと共役に
なっているため、レチクルＲ上にはレチクルブラインド
ＡＲＢの矩形開口像が投影されることになる。

【００４８】レチクルＲの透明部を通った照明光は投影
レンズＰＬを介してウェハＷ上に投影され、フォトレジ
スト層にレチクルＲのパターン像が結像される。ここ
で、図１のレチクルブラインドＡＲＢからウェハＷまで
の光路中に示した破線は、瞳共役を意味する光線であ
る。先に述べたように、本実施例ではレチクルＲを対称
的に傾いた少なくとも２光束で照明することによって、
通常のレチクルパターン構成であっても、解像力と焦点
深度とを高めるものであり、この機能を達成するために
新規に設けられたものが光分割器８である。

【００４９】ここで、図２を参照して、照明光束の詳細
な振る舞いについて説明する。図２は図１中の光分割器
８の２つの射出部８Ｂ、８ＣからレチクルＲまでの系を
模式的に表したものであり、特に射出部８Ｂ側の照明光
束の進み方を示したものである。まず、射出部８Ｂの射
出端の中心が光軸ＡＸからΔＨだけ偏心しているものと
する。そして、射出端の両端の点Ｐ₁、Ｐ₂から発生した
光束の夫々がレチクルＲまで進む様子を実線で示した。
また、図２中の光路内に示した破線Ｌ₁、Ｌ₂は、それぞ
れ点Ｐ₁、Ｐ₂からの光束の１本の光線を表し、瞳空間で
は光軸ＡＸと平行になるものとする。この図２から明ら
かなように、点Ｐ₁、Ｐ₂は第２リレーレンズ１２と主コ
ンデンサーレンズ１３との間の瞳空間内の面ＥＰ’で点
Ｐ₁’、Ｐ₂’として結像する。従って、面ＥＰ’は面９
と共役であり、同様にフーリエ変換面である。

【００５０】さて、点Ｐ₁（点Ｐ₁’）からの光束はレチ
クルＲ上ではほぼ平行光束となって一定領域内を照射
し、点Ｐ₂（点Ｐ₂’）からの光束もほぼ平行光束となっ
て一定領域内を照明する。このとき、レチクルＲ上に達
する２つの平行光束は角度Δθだけ入射角がずれてい
る。この角度Δθは面９内での点Ｐ₁と点Ｐ₂のずれ、す
なわち射出部８Ｂの実効的な光源としての大きさ（又は
断面積）に依存して決まるもので、射出部８Ｂの断面積
が限りなく小さくなれば角度Δθも限りなく小さくな
る。しかしながら、実際には射出部８Ｂの射出端に形成
される光源像には実用上ある程度の大きさ（ただし瞳径
よりは十分に小さい）があり、角度Δθを完全に零にす
ることは難しく、また完全に零にする必要はない。ま
た、射出部８Ｂの端面（光源像）は２次元的な大きさを
持っているため、角度Δθは図２中の紙面内の方向以外
に紙面と垂直な方向にも存在する。そして、先に図１６
で述べたように、射出部８Ｂからの光束の中心線は光軸
ＡＸに対して角度ψだけ傾いており、この角度ψはずれ
量ΔＨと関連して、ΔＨ＝ｍ・sinψ（ただしｍは定
数）の関係にある。また、一例として、光軸ＡＸに関し
て対称に配置された他の射出部８Ｃからの照明光束の振
る舞いも、射出部８Ｂからの光束を光軸ＡＸを中心に折
り返したようになる。

【００５１】再び図１を参照して装置の構成を説明す
る。ウェハＷは２次元に移動するウェハステージＷＳＴ
上に載置され、モータ２０によって駆動される。ウェハ
ステージＷＳＴの座標位置はステージＷＳＴ上の移動鏡
と投影レンズＰＬの下端に取り付けされた固定鏡との相
対距離をレーザビームを用いた干渉計２１によって逐次
モニターされる。

【００５２】一方、レチクルＲも２次元に微動するレチ
クルステージＲＳＴ上に載置され、不図示のモータ等に
よって駆動される。レチクルＲの光軸ＡＸに対するアラ
イメントは、レチクルアライメント系２２によって行わ
れ、レチクルＲとウェハＷの直接的なアライメント（ダ
イ・バイ・ダイアライメント）はＴＴＲ（スルー・ザ・
レチクル）アライメント系２３によって行われる。さら
にウェハＷの単独のアライメントは、投影レンズＰＬを
介してウェハＷ上のマークを検出するＴＴＬ（スルー・
ザ・レンズ）アライメント系２４、或いは投影レンズＰ
Ｌの視野に接近した位置で投影レンズＰＬを介すること
なくウェハＷ上のマークを検出するＯＦＦ−ＡＸＩＳ
（オフ・アキシス）アライメント系２５によって行われ
る。

【００５３】各アライメント系２２、２３、２４、２５
からのアライメント信号は制御装置３０によって統括的
に処理され、ウェハステージＷＳＴ、又はレチクルステ
ージＲＳＴの精密な位置決めに使われる。この制御装置
３０は、シャッター３の開閉用のモータ４、光分割器８
の射出部８Ｂ、８Ｃの位置を調整するモータ（不図
示）、レチクルブラインドＡＲＢの駆動部１１、及びウ
ェハステージＷＳＴの駆動用のモータ２０等の制御も行
う。尚、図１中には示していないが、水銀灯１から主コ
ンデンサーレンズ１３までの照明系の光路中の適当な位
置には、レチクルＲへの照明光量（露光量）を検出する
測光素子が設けられ、積分回路と組み合わせることで、
シャッター３を適正露光量で閉じる自動露光制御が行わ
れる。

【００５４】次に、図３、図４を参照して、光分割器８
の詳細な構成について説明する。図３は光分割器８を横
から見た様子を示し、図４は、図３を光軸ＡＸの方向か
ら見た図である。入射部８Ａからの光束は光ファイバー
８０によって４つに分割され、それぞれ４つの射出部８
Ｂ、８Ｃ、８Ｄ、８Ｅに導かれる。４つの射出部８Ｂ、
８Ｃ、８Ｄ、８Ｅの夫々は、瞳共役面９上の瞳像範囲９
Ａ内に位置するように可変長支持棒８１Ｂ、８１Ｃ、８
１Ｄ、８１Ｅによって支持される。そして４本の支持棒
８１Ｂ〜８１Ｅは、環状のガイド８３に沿って円周方向
に移動可能な可動部材８２Ｂ、８２Ｃ、８２Ｄ、８２Ｅ
の夫々に結合される。４本の支持棒８１Ｂ〜８１Ｅは、
各射出部８Ｂ〜８Ｅを光軸ＡＸに対して放射方向に移動
させる。これら支持棒８１Ｂ〜８１Ｅと可動部材８２Ｂ
〜８２Ｅとはモータによって駆動される。尚、入射部８
Ａの光ファイバーを保持する金具は、光軸ＡＸを中心と
して自在に回転できるように構成され、４つの射出部８
Ｂ〜８Ｅの回動によって生じる光ファイバー８０のスト
レスを低減する。

【００５５】本実施例で使用する装置では、４つの射出
部８Ｂ〜８Ｅを設けたが、その数は４つに限定されるも
のではなく、２つ（原理的には１つ）以上であればよ
い。また、本実施例では照明光束の分割を光ファイバー
により行なったが、他の部材、例えば回折格子や多面プ
リズムなどを用いても良い。また光分割器８よりレチク
ルＲ側に、さらに別のフライアイレンズを追加しても良
い。このとき、フライアイレンズは単独のものであって
も複数のフライアイレンズ群より成っていても良い。

【００５６】また、投影レンズＰＬはここでは屈折系と
したが反射系であっても良く、また反射屈折系であって
もよい。またその投影倍率は任意でよいが、微細なパタ
ーンの露光・転写の為には縮小系であることが望まし
い。さらに、光源として水銀ランプを使用したが、他の
光源、例えば輝線ランプやレーザー光源等であってもか
まわない。

【００５７】次に、本発明による方法で使用するレチク
ルパターンの原理的な一例と露光方法について、図５を
参照して説明する。図５は、本発明による方法で孤立ラ
インパターン（ポジ型レジスト使用時）、あるいは孤立
スペースパターン（ネガ型レジスト使用時）を形成する
為の模式的なパターン例を示す。

【００５８】まず図５（Ａ）に示すように、重ね合わせ
露光すべき一方のパターンＰＡは、一例として３本の遮
光性ラインパターンＰＡ₁、ＰＡ₂、ＰＡ₃をラインアン
ドスペース状（デューティ１：１）にしておく。そし
て、このパターンＰＡ（レチクル）上の特定の点に光軸
ＡＸが通るようにレチクルＲを位置決めして、ウェハＷ
上のレジスト層に１回目の露光を行う。この図５（Ａ）
の場合、本来ウェハＷ上に形成すべき孤立ラインパター
ンは遮光性パターンＰＡ₂である。

【００５９】図５（Ａ）のように周期性を持ったパター
ンＰＡの投影にあたって、図１に示した装置は極めて有
効である。先にも述べた通り、図１の装置はレチクルＲ
上のパターンの周期性に合わせて照明光学系内の複数の
射出部８Ｂ〜８Ｅの位置を最適化するため、パターンＰ
Ａが微細化してもコントラストが高く（つまり解像度が
高く）なり、焦点深度が深くなるといった特徴がある。

【００６０】もし仮に、ウェハＷ上に形成すべき本来の
孤立ラインパターンＰＡ₂のみをレチクルＲ上に設け
て、図１の装置で投影露光を行なっても、ラインパター
ンＰＡ ₂のみでは±１次回折成分がほとんど発生しない
ため、十分な解像は望めない。すなわち、図５（Ａ）に
示した両脇のラインパターンＰＡ₁、ＰＡ₃は、パターン
ＰＡに全体として周期性を与える為のダミーパターンと
して作用する。

【００６１】さて、図５（Ａ）の１回目の露光時のレジ
スト層への露光量（ドーズ量）は、一例としてレジスト
層が現像時に完全に除去される最小露光量Ｅｔｈ（又は
膜減りが開始される最小露光量Ｅｃ）よりも大きくなる
ように設定される。図６（Ａ）は１回目露光によってポ
ジ型レジスト層に与えられた露光量の分布（強度分布と
相似）ＩＡを断面方向で表したものである。図６（Ａ）
の縦軸は露光量を表し、横軸はパターンＰＡの周期方向
での位置を表す。

【００６２】ここで、具体的な数値例をあげてみる。
今、ウェハＷ上に形成すべきラインパターンＰＡ₂の線
幅を０．３μｍ（ピッチ０．６μｍ）、露光用照明光の
波長λを３６５ｎｍ（ｉ線）、そして投影レンズＰＬの
縮小倍率を１／５とすると、回折角の理論式から、照明
光学系内の１つの射出部から発生してレチクルＲを照明
する光束の入射角ψは、図１６で説明したように次式で
表される。

【００６３】 sin２ψ＝λ／５・Ｐ＝０．３６５×１０^-6／(５×０．６×１０^-6) ≒０．１２２従って、入射角ψは約３．５°になる。

【００６４】次に、図５（Ｂ）に示すように重ね合わせ
露光すべき他方のパターンＰＢをパターンＰＡの代りに
配置してウェハＷ上の同一位置に２回目の露光を行う。
このとき、パターンＰＢの幅Ｄｂは、先のパターンＰＡ
の両脇のラインパターンＰＡ ₁とＰＡ₃の間隔Ｄａよりも
狭く、かつラインパターンＰＡ₂の線幅よりは大きく定
められている。すなわち、パターンＰＢはウェハＷ上に
潜像として形成されたラインパターンＰＡ₂の像のみを
遮光し、その周辺は全て透過部とするような形状、大き
さに定められている。従って、図５のようなパターン形
状の場合、ラインパターンＰＡのピッチＰから、パター
ンＰＢの幅Ｄｂは０．５Ｐ＜Ｄｂ＜１．５Ｐの範囲に設
定される。このパターンＰＢのみによってレジスト層に
与えられる露光量分布は、図６（Ｂ）に示すようにＩＢ
となる。ここで２回目の露光の際も、レジスト層には最
小露光量Ｅｔｈよりも大きな露光量が与えられたものと
する。こうしてウェハＷ上に２重露光が行われると、レ
ジスト層には図６（Ａ）の分布ＩＡと図６（Ｂ）の分布
ＩＢとの合成された光量分布ＩＳが図６（Ｃ）に示すよ
うに与えられる。この図６（Ｃ）から明らかなように、
合成された光量分布ＩＳの像（合成像と呼ぶ）は、周期
性をもつパターンＰＡと周期性をもたない（孤立した）
パターンＰＢとのいずれにおいても遮光部となっている
部分（ラインパターンＰＡ₂）のみが十分に暗く、他の
部分は全て最小露光量Ｅｔｈ以上に明るくなっている。
従って、ポジ型レジストの場合には、図６（Ｄ）のよう
に現像によって最小露光量（スレッシホールド値）Ｅｔ
ｈ以下の部分が残膜した孤立ラインパターンＰｒとな
る。この孤立ラインパターンＰｒが図５（Ａ）中のライ
ンパターンＰＡ₂に対応していることは明らかである。

【００６５】以上の実施例では、周期性のパターンＰＡ
の解像度を従来の露光方法に比べて、１．５〜２倍程度
に高めることが可能であり、同時に周期性パターンＰＡ
の転写像（潜像）から孤立パターンのみを残すように、
別のパターンＰＢで２重露光するため、最終的にウェハ
Ｗ上に形成されるレジストパターンは極めて微細な孤立
パターンとなる。先に述べた通り、非周期性のパターン
ＰＢの幅Ｄｂは周期性パターンＰＡの１本のラインパタ
ーンの幅（ピッチ／２）に対して２〜３倍程度がよい。
周期性パターンＰＡの１本のラインパターン（ＰＡ₂）
の幅が従来の解像度の１／２〜１／１．５であるとき、
非周期性パターンＰＢの幅は、従来の解像限界の２倍程
度となり、パターンＰＢの投影に関しては十分な焦点深
度が得られる。

【００６６】尚、ポジ型レジストの場合は、露光量と残
膜厚の関係が図１７（Ａ）に示すようになるが、ネガ型
レジストの場合は、図１７（Ｂ）に示すようにレジスト
が完全に除去される最大露光量Ｅｃとレジストが完全に
残膜する最小露光量Ｅｔｈとが決められる。このため、
ネガ型レジストを使って図５（Ａ）、図５（Ｂ）の露光
を行うと、従来よりも１．５〜２倍程度微細な孤立スペ
ースパターンを形成することができる。

【００６７】図７及び図８は、共に、孤立アイランドパ
ターン（ポジ型レジスト使用時）及び孤立ホールパター
ン（ネガ型レジスト使用時）を形成するためのレチクル
パターン例を表わす。

【００６８】図７（Ａ）は、投影光学系の解像限界
（０．６×λ／ＮＡ_R）程度以下に微細な遮光パターン
ＰＡｎが左右に３列、上下に３行の計９個が周期的に並
び、かつ遮光パターンＰＡｎの中間に、遮光パターンＰ
Ａｎより微細な遮光パターンＰＡｓが配置されたもので
ある。この図７（Ａ）の周期パターンのうち、実際にウ
ェハＷ上に形成すべきレジストパターンは、中央の遮光
パターンＰＡ₂である。

【００６９】一方図７（Ｂ）は、上記の遮光パターンＰ
Ａｎより、上下方向、左右方向、ともに２〜２．５倍程
度大きな遮光パターンＰＢを表わす。ここで、９個の遮
光パターンＰＡｎはいずれも正方形とし、左右方向、上
下方向のスペース幅は、パターンＰＡｎの幅と等しいも
のとする。さらに、中央の遮光パターンＰＡ₂を左右で
挟み込む遮光パターンＰＡｎの間隔をＤａｘ、遮光パタ
ーンＰＡ₂を上下で挟み込む遮光パターンＰＡｎの間隔
をＤａｙとすると、図７（Ｂ）の遮光パターンＰＢの左
右方向の幅Ｄｂｘは、Ｄｂｘ＜Ｄａｘであり、上下方向
の幅ＤｂｙはＤｂｙ＜Ｄａｙである。

【００７０】図７（Ａ）の周期性パターンの投影像も図
６の場合と同様に、その周期性の為に、従来に比べて高
い解像度と、深い焦点深度をともなって露光される。一
方、図７（Ｂ）のパターンＰＢの投影像も十分な大きさ
を持つ為に、やはり深い焦点深度をともなって露光され
る。従って、２重露光による合成像により形成される孤
立アイランドパターンＰＳ５（ポジ型レジスト使用時）
は、図７（Ｃ）に示すようにやはり十分な焦点深度を持
って形成されることとなる。この周期性パターンＰＡｎ
と、パターンＰＢとの重ね合わせは、９個の遮光パター
ンのうち中心の遮光パターンＰＡ₂と、パターンＰＢの
中心が一致するようにレチクルＲとウェハＷをそれぞれ
位置合わせして多重露光するものとする。周期性パター
ンＰＡｎと、非周期性パターンＰＢとのいずれもが遮光
部となる部分（ＰＡ₂）でのみ、レジストが残膜する理
由は図６に示す例と同様である。

【００７１】なお、非周期的パターンＰＢの四隅は小さ
い方の周期的パターンＰＡｓと重ね合わせにより合致す
るように配置されている。このため、複数のレチクルパ
ターンの重ね合わせでいずれもが遮光部の状態となる
が、周期的パターンＰＡｓは解像限界に比べ十分小さ
く、ウェハＷ上の投影像において十分な遮光効果を与え
ることはない。その結果、周期的パターンＰＡｓと非周
期パターンＰＢとの合致部にレジストパターンは形成さ
れない。周期的パターンＰＡｓは、形成すべき孤立アイ
ランドパターンＰＳ５の形状を、より正方形に近づける
ための補助的なパターン（コーナ強調）であり、従って
周期的パターンＰＡｓがなくとも、孤立アイランドパタ
ーンＰＳ５の形成は可能である。

【００７２】図８（Ａ）は、同図中左右方向に周期性を
有するラインアンドスペースパターンＰＡ₁、ＰＡ₂、Ｐ
Ａ₃を示し、図８（Ｂ）は同図中上下方向に周期性を有
するラインアンドスペースパターンＰＢ₁、ＰＢ₂、ＰＢ
₃を示す。これら２つのパターンの斜線部はいずれも遮
光部を表わす。これら２つの周期性パターンＰＡ、ＰＢ
はいずれも周期的なパターンであり、従っていずれのパ
ターンの露光に於いても本発明の特徴である高解像度、
及び大焦点深度を得ることができる。この２つのパター
ンＰＡ、ＰＢの重ね合わせ露光による合成像（レジスト
像）が図８（Ｃ）に示す孤立アイランドパターンＰＳ６
となる。

【００７３】ここで、周期性パターンＰＡの左右のライ
ンパターンＰＡ₁とＰＡ₃の間隔をＤａｘとし、３本のラ
インパターンＰＡ₁、ＰＡ₂、ＰＡ₃の長さをともにＤａ
ｙとすると、他方の周期性パターンＰＢの上下のライン
パターンＰＢ₁とＰＢ₃の間隔Ｄｂｙは、Ｄｂｙ＞Ｄａｙ
に設定され、３本のラインパターンＰＢ₁、ＰＢ₂、ＰＢ
₃の長さＤｂｘは、Ｄｂｘ＜Ｄａｘに設定される。そし
て、ウェハＷ上に形成すべきレジストパターンは、ライ
ンパターンＰＡ₂とＰＢ₂の交差によってできる正方形部
分である。

【００７４】この重ね合わせ露光においては、周期性パ
ターンＰＡの中心と周期性パターンＰＢの中心がウェハ
Ｗ上の同一点でそれぞれ一致するように多重露光を行な
う。なお、レジスト像として必要なのは、各３本の遮光
ラインパターンの中心のラインパターンＰＡ₂、ＰＢ₂の
交差部のみなので、他の部分で遮光部が重なり合わない
ように、各ラインアンドスペースの長さ（長辺側寸法）
は、幅（短辺側寸法）の３倍より短かい程度とする。あ
るいは各ラインアンドスペースパターンの長さをこれよ
り長くし、これにより発生する不必要な遮光部の重なり
に対して、さらに図７（Ｂ）のパターンＰＢと同等のパ
ターンを用意して重ね合わせ露光により、これを除去し
てもよい（不必要な遮光部はこれにより露光され
る。）。このことについては後で実施例として詳しく述
べる。

【００７５】以上、図７、図８を用いて、孤立アイラン
ドパターンの形成例について説明したが、これはポジ型
レジストの使用を前提としたものである。ネガ型レジス
トを使用すれば同様の方法により、孤立ホールパターン
の形成が可能である。

【００７６】また、以上の図６、図７、図８において、
周期的パターンの例として３本のラインパターン、ある
いは３行、３列のドットパターンを挙げたが、周期的パ
ターンを構成するライン、又はドットの個数はこれに限
ったものではなく、５本、あるいは７本等、または５行
５列等、任意でよい。また、周期的パターンの透光部と
遮光部の線幅比（デューティー）は、１：１に限らず任
意でよい。ただし、遮光部の線幅を、透光部の線幅に対
して２割程度大きくしたものが、実験的によりよい結果
を得られることがわかった。

【００７７】また、周期的パターンの周期性は、それ程
厳密である必要はない。例えば周期的パターンを形成す
るパターン、すなわち３本ラインであれば両端の２本
は、中心部のパターンより細くなっていても良い。

【００７８】以上、本発明により重ね合わせ露光（多重
露光）される様々なパターンの実施例について述べた
が、それらを応用した実際の各レチクルパターンのレチ
クル上での位置関係、及び重ね合わせ方法の実施例につ
いて図９、及び図１０を用いて説明する。図９は一例と
して先の図５、図７、図８の夫々に示したパターンＰＡ
とパターンＰＢとの両方を一緒に描画したレチクルＲの
パターン配置図である。このレチクルＲはＩＣ製造プロ
セス中のコンタクトホール形成に使われるものである。

【００７９】図９において、レチクルＲのパターン形成
領域は遮光帯ＳＢで囲まれており、その外側にはレチク
ルアライメント用のマークＲＭ₁、ＲＭ₂が形成されてい
る。パターン領域内には、黒の正方形ドットで表したパ
ターンＰＡと白の正方形ドットで表したパターンＰＢと
が規則的にＸ、Ｙ方向に配列される。そして、これらパ
ターンＰＡ、ＰＢの周辺は全て光透過部となっている。

【００８０】このレチクルは、２つのパターンＰＡ、Ｐ
Ｂの重ね合わせ露光をネガレジストに対して行うことで
孤立ホール（コンタクトホール）パターンが形成される
ものとする。メモリーＩＣにおいては、一般的に単位メ
モリーセルが規則的に（周期的に）配列してメモリーセ
ル群を形成している。従って、各メモリーセルに対応す
るコンタクトホールもまた、周期的に配列されている。
図９においても、パターンＰＡとパターンＰＢの各中心
は、いずれもＸ方向のピッチがＰｘ、Ｙ方向のピッチが
Ｐｙで配列されており、かつパターンＰＢは、パターン
ＰＡと、それぞれ（Ｐｘ／２、Ｐｙ／２）離れたところ
に形成されている。

【００８１】このようなレチクルＲを使用して、先ずウ
ェハＷ上に適性露光量Ｅｔｈ以上で第１の露光を行な
う。従って、ウェハ表面のレジストは、各パターンＰ
Ａ、ＰＢに応じた光量で露光される。続いて、レチクル
ＲとウェハＷとのＸ、Ｙ方向での相対位置を、ウェハス
テージＷＳＴ、又はレチクルステージＲＳＴによって
（Ｐｘ／２、Ｐｙ／２）（レチクル上寸法）だけ移動さ
せてから適性露光量Ｅｔｈ以上で第２の露光を行う。図
９の場合は右斜め上に動かす。この移動は図１に示した
装置の場合、ウェハステージＷＳＴの駆動用のモータ２
０、干渉計２１、及び制御装置３０で行われる。

【００８２】前述のとおり、パターンＰＡとパターンＰ
Ｂとの距離は、（Ｐｘ／２、Ｐｙ／２）であったから、
上記第１と第２の露光により、ウェハＷ上において、パ
ターンＰＡとパターンＰＢは重ね合わせ露光されること
になる。

【００８３】尚、図９のレチクルパターン配置から明ら
かなようにパターンＰＡとパターンＰＢとをウェハＷ上
で精密に重ね合わせる相対移動方向は４方向に存在す
る。すなわち図９の紙面内でレチクルＲ、又はウェハＷ
を斜め右上、斜め左上、斜め右下、及び斜め左下のいず
れか一方向に移動させることができる。どの方向に相対
移動を行うかは任意に設定できる。

【００８４】また、図９のパターン配置の場合、パター
ン形成領域内の最外周に位置するパターンＰＡ（黒の正
方形）のうち、Ｙ方向の一辺に並ぶ列とＸ方向の一辺に
並ぶ列に存在する各パターンＰＡは、パターンＰＢと２
重露光されることがなく、残膜することになる。この残
りパターンはコンタクトホールパターンとしては不完全
なものであるから、レジスト像として形成されないこと
が望ましい。

【００８５】そこで、図９中の最外周のパターンＰＡの
並びと遮光帯ＳＢとの間に幅Ｐｘ、Ｐｙ程度の余白（透
明部）を設けておくとよい。このようにすると、その余
白部が最外周のパターンＰＡの潜像と２重露光され、不
要な残りパターンの形成を防止することができる。

【００８６】以上のようにして、ネガレジストを用いた
場合、ウェハＷ上には図７（Ｃ）のレジストパターンＰ
Ｓ５、又は図８（Ｃ）のレジストパターンＰＳ６のよう
なコンタクトホールが、Ｘ、Ｙ方向にピッチＰｘ／２
Ｍ、Ｐｙ／２Ｍ（ただし１／Ｍは投影倍率）で形成され
る。このようなコンタクトホールパターンは周期性を持
つものの、各ホールパターンが離散的に配置しているた
め、実質的には孤立パターンと考えてよく、図１に示し
た露光装置に、従来通りのコンタクトホール形成用のレ
チクルパターンを設定して露光しても、十分な解像が得
られない。

【００８７】図１０は、図９のレチクルパターンを、図
８に示したパターンＰＡとパターンＰＢで構成した場合
の２重露光の様子を表したものである。Ｘ方向に周期性
をもつパターンＰＡとＹ方向に周期性をもつパターンＰ
Ｂとの２重露光によって、コンタクトホールとなるレジ
ストパターンＰＳ６が形成される。同図中、破線で示し
たパターンＰＡ、ＰＢは１回目の露光によるもので、実
線で示したパターンＰＡ、ＰＢは２回目の露光によるも
のである。

【００８８】図１１は、多重露光すべきレチクルパター
ンの別の位置関係を示す実施例である。本実施例では、
レチクルＲとウェハＷとを２回ずらして３回の重ね合わ
せ露光を行うものとする。先の図８、又は図１０に示し
たように、回折光の発生しやすい周期性パターンＰＡ、
ＰＢを使う場合、回折効率から考えると、各パターンＰ
Ａ、ＰＢのラインアンドスペースの繰り返し数は極力多
い方が好ましい。

【００８９】そこで、３つのパターンＰＡ、ＰＢ、ＰＣ
を同一レチクル上に形成する。パターンＰＡはＸ方向に
周期性を有するデューティほぼ１：１の回折格子状に形
成され、その遮光ラインパターン（斜線部）は５本とし
てある。パターンＰＢはＹ方向に周期性を有するデュー
ティほぼ１：１の回折格子状に形成され、その遮光ライ
ンパターン（斜線部）は５本としてある。

【００９０】ここで、パターンＰＡの中心とパターンＰ
Ｂの中心とはＹ方向にΔＹだけ離れ、３番目のパターン
ＰＣの中心は、パターンＰＢの中心から距離ΔＸだけＸ
方向に離して形成された正方形の遮光部（斜線部）であ
る。また、パターンＰＣの周辺の領域ＡＢは２つのパタ
ーンＰＡとＰＢを重ね合わせたときの形状、及び面積と
ほぼ等しい。また、各パターンＰＡ、ＰＢ、ＰＣの周辺
はいずれも透明部分である。コンタクトホールパターン
の形成にあたっては、パターンＰＡの中央の遮光ライン
パターンとパターンＰＢの中央の遮光ラインパターンと
の重ね合わせによる正方形の重複部が使われる。パター
ンＰＣは、パターンＰＡとＰＢの重ね合わせによって生
じた不要な重複部（潜像）を消去するためのものであ
る。

【００９１】このようなレチクルを使用し、ウェハに対
して第１の露光を行った後、その第１の露光位置から、
レチクルＲとウェハＷとの各面内方向の相対的位置をレ
チクル上で（０、＋ΔＹ）だけずらして第２の露光を行
う。その後、第１の露光位置から、レチクルＲとウェハ
Ｗとの各面内方向の相対位置をレチクル上で（−ΔＸ、
−ΔＹ）だけずらして第３の露光を行う。

【００９２】図１２は、図１１中のパターンＰＡとパタ
ーンＰＢとを重ね合わせ露光したときにネガレジスト上
に形成される潜像ＰＡ’、ＰＢ’の様子を示したもので
ある。図１２中、破線は各パターンの潜像のエッジを表
し、黒く塗り潰した複数の孤立領域は２回の重ね合わせ
露光によって全く露光されなかった未露光部分を表す。
これら複数の孤立領域のうち、中央の正方形パターンＰ
Ｓ８は、３回目のパターンＰＣとの重ね合わせ露光によ
っても未露光のままであり、パターンＰＳ８の周辺に位
置する他の未露光の孤立領域は、パターンＰＣの周囲の
透明部（領域ＡＢ）によって完全に感光される。従っ
て、最終的にウェハＷ上には正方形のパターンＰＳ８の
みが形成される。ネガレジストの場合、現像によってパ
ターンＰＳ８の部分が除去され、その周辺のレジストは
ほぼ完全に残膜した状態になるため、先の図１０で説明
したのと同様に、コンタクトホールパターンが形成され
る。

【００９３】図１３は、図１１に示した１組のパターン
配列の複数を規則的にレチクルＲ上に形成してコンタク
トホールパターンを作る場合の一例を示すものである。
図１３中、図１１のパターンＰＡは○印で表し、パター
ンＰＢは□印で表し、パターンＰＣは△印で表してあ
る。このようなレチクルＲを用いて、同様にウェハＷと
の相対位置ずらしを２回行い、３回の重ね合わせ露光を
行うと、ウェハＷのレジストにはＸ方向のピッチがΔ
Ｘ、Ｙ方向のピッチがΔＹのコンタクトホールパターン
群が形成される。

【００９４】以上の図１１、又は図１３に於いては、レ
チクル中に形成するパターンをＰＡ、ＰＢ、ＰＣの３個
としたが、数はこれに限定されるものではなく、２個、
４個等のパターンを作っておき、各２回、４回の重ね合
わせ露光を行なってもよい。また、パターンＰＡ、Ｐ
Ｂ、ＰＣ等のパターン群を１ブロックとして、それが複
数ブロック存在していてもよい。

【００９５】また、図５、図７、図１１に示したよう
に、孤立したホールパターンのみを重ね合わせ露光で形
成する場合は、第１の露光、第２の露光、又は第３の露
光での照射光量（露光量）は、２回、又は３回共等しく
なくてもよく、むしろ各露光毎に異なっていることが望
ましい。例えば、周期的パターン（ＰＡ、ＰＢ）の露光
時には、非周期的パターン（ＰＣ）の露光時より照射光
量を大きくすると良い。

【００９６】前述の図１に示す露光装置に於いてはこの
照射量の制御は、制御装置３０及びシャッタ３、及び照
射量計（不図示）により行なう。制御装置３０は現在行
なわれている露光が上部の第ｎの露光であることを認識
し、前述の照射量計からの出力信号に応じて照射光量を
求め、それが目標値に達したときに露光停止の指令をシ
ャッタ３の駆動モータ４へ送る。なお、図９、図１０、
図１３に示したように、同一レチクル上にパターンＰ
Ａ、ＰＢ（又はＰＣ）の組が規則的に複数設けられる場
合は第１の露光と、第２の露光、又は第３の露光での照
射光量は同一とすることが望ましい。

【００９７】以上の各実施例で説明した方法でレチクル
とウェハとの相対位置の移動を実現する場合、図１の装
置では、ウェハーステージＷＳＴが、制御装置３０の指
示により、前述の第１と第２の露光の間に、あるいは第
２と第３の露光の間に移動するものとした。あるいは、
他の方法としてレチクルＲを保持するステージＲＳＴが
移動しても、両方のステージが移動してもかまわない。
ただし、現実の投影型露光装置の多くは、既に２次元移
動するウェハステージを有しており、これによりステッ
プアンドリピート、あるいはステップアンドスキャン露
光を行なっており、従って、ウェハステージＷＳＴのみ
を干渉計２１による計測座標値に基づいて移動する方法
は、従来の装置においても、最も簡単に実現できるもの
である。

【００９８】図１４は、本発明による露光方法に用いら
れるレチクルのほぼ全面を表わす図である。図１４中に
示す投影レンズＰＬの有効エリア円９１内、すなわち投
影光学系の解像度及びディストーション、照度均一性等
の諸性能が良好に保証される領域に内接するように、レ
チクルパターンエリア（パターン形成領域）９２が存在
する。従来の露光方法においてはこのレチクルパターン
エリア９２内のすべてに回路パターンを描画し、かつウ
ェハＷへ露光転写可能であった。しかしながら、本発明
に於いては、例えば図９、図１０に示す如く、第１露光
と第２露光に於いて、レチクルとウェハとの相対位置関
係が異なっている。図１４に於いては、第１の露光に使
用されるエリアは破線９３内となり、第２の露光に使用
されるエリアは２点鎖線９４内となる。

【００９９】従って、第１、第２の露光に、共に使用さ
れる領域（斜線部）が本発明を使用したときにおける有
効なレチクルパターンエリアとなり、従来のものより減
少することとなる。ただし、例えば現在のステップアン
ドリピート式投影型露光装置に於いては、図１４に示す
ようにレチクルパターンエリア９２の大きさ（Ｘ₀、
Ｙ₀）は、共に１００ｍｍ前後（レチクル上寸法）であ
り、また、図９、図１０に示す、第１の露光と第２の露
光との相対的位置ずれ量（Ｐｘ／２、Ｐｙ／２）は、ほ
ぼメモリーセルサイズと等しく、レチクル上の寸法で１
０μｍ前後である（図１４中のΔＸ、ΔＹ）。

【０１００】従って、従来のレチクル有効エリア１０
０，０００μｍ×１００，０００μｍに対して本発明に
於いては（１００，０００−２×１０）μｍ×（１０
０，０００−２×１０）μｍとなる。この値の比は、
１：０．９９９６であり、従って、本発明により減少す
るレチクルパターン有効エリアは、従来の場合の面積の
わずかに０．０４％程度に過ぎないことになる。

【０１０１】なお、図１４に於いては、特に投影光学系
の有効エリアが円形であるステップアンドリピート型の
投影型露光装置について示したが、他の投影型露光装
置、例えばステップアンドスキャン型の露光装置であっ
ても同様であり、減少するレチクルパターンエリアの面
積はやはり微少である。

【０１０２】以上の各実施例で、図１に示した装置を使
う場合、レチクルＲとウェハＷとの相対位置を（ΔＸ、
ΔＹ）だけずらす手法の１つとして、各アライメント系
２２〜２５におけるマーク検出中心を光学的（平行平板
ガラスの傾斜）、又は電気的にオフセットさせ、オフセ
ットしたマーク検出中心に対してレチクルＲのマーク、
又はウェハＷのマークを追い込むように、レチクルステ
ージＲＳＴ、又はウェハステージＷＳＴをサーボ制御し
てもよい。

【０１０３】さらに、今までの説明ではレチクルＲとウ
ェハＷのうちいずれか一方を（ΔＸ、ΔＹ）だけシフト
させるとしたが、レチクルＲとウェハＷの両方を逆方
向、又は同一方向にシフトさせてもよい。等倍投影光学
系で鏡像投影を行う装置では、レチクルとウェハを光軸
に対して逆方向に同一距離だけシフトさせることは意味
がないが、逆方向に異なる距離で、もしくは同一方向に
レチクルとウェハを移動させると同様のシフトが可能で
ある。また、縮小投影光学系（鏡像投影）の場合は、投
影倍率を１／Ｍとしたとき、レチクルの移動量に対して
ウェハの移動量が１／Ｍで逆方向にシフトさせることは
意味がないが、それ以外の移動量比によるシフト方法
（同一方向の移動も含む）であれば、同様の位置ずらし
が可能である。また、縮小投影の場合は、レチクルＲと
ウェハＷとは装置上で静止したままにして、投影光学系
のみを光軸ＡＸと垂直な方向に平行移動させても、同様
に投影像とウェハとの相対的な位置ずらしができる。

【０１０４】以上の実施例においては、使用する投影型
露光装置は前述の如く、照明光学系中の瞳面において光
軸から偏心した位置に中心を有する局所領域に照明光束
の光量分布が集中しているものとしたが、変形例として
上記瞳面（若しくは、照明光学系内のフーリエ変換面）
上において輪帯状の光量分布を有する露光装置を使用す
ることもできる。この場合、輪帯状光量分布の外径はσ
値相当で０．６〜０．８程度、内径はσ値相当で０．３
〜０．６程度とするとよい。

【０１０５】

【発明の効果】上記各請求項に記載の発明によれば、上
述したような多重露光方法を使用することにより、微細
なパターンも高精度に転写できるという効果を得ること
ができる。加えて請求項１に記載の発明によれば、周期
的な第１パターンを第１の露光量で、第１パターンとは
異なる形状の第２パターンを第１パターンの一部と重ね
合わせながら第２の露光量で、それぞれ感光基板上に転
写するように構成されている。即ち各マスクパターンは
それぞれ応じた露光量で、且つ各マスクパターン間での
露光量バランスも鑑みて露光量設定を行うので、基板上
に高解像度で最終的なパターン形成を行うことができ
る。また請求項９に記載の発明では、市松模様パターン
を形成するために第１パターンを感光基板上に形成し、
それとは異なる形状の第２パターンを第１パターンの一
部と重ね合わせるように転写するよう構成されている。
このため細かいパターンであっても市松模様パターンを
利用することにより比較的容易に形成するころが可能と
なる。また請求項１７に記載の発明では、複数の要素パ
ターンが周期的に配列された第１パターンを転写し、要
素パターンの幅よりも２〜３倍程度の大きい幅を持つ第
２パターンを第１パターンの一部と重ね合わせ転写する
ように構成されている。このため最終的にパターン形状
を規定するための第２パターンの製造が比較的容易とな
るという効果を得ることができる。更に、レチクルパタ
ーンとフーリエ変換の関係となる照明光学系中の面内に
おいて、レチクルを照明する照明光束が光軸以外の１点
以上を中心とする１つ以上の領域に集中した投影露光装
置を使用すると、特に周期的なレチクルパターンに対し
て、解像度及び焦点深度を増大することができるように
なり、従来では実現の難しかった微細パターン、特に微
細孤立パターンの良好な露光転写が可能となる。

【０１０６】また本実施例に示すように、多重露光すべ
き複数のパターンを別々のマスクに形成するのではな
く、一枚のマスク上に形成すれば、多重露光の際のマス
ク交換が不要となるためそれだけスループットが高くな
る。

【０１０７】同時にマスクの製造コストも低減される。
また、重ね合わせられる複数のパターンは、同一マスク
中の近接した位置であるため、マスク製造誤差による重
ね合わせずれの量は極めて少なくすることができる。ま
た、同一マスクに重ね合わせるパターンが存在するた
め、アライメント誤差に起因する重ね合わせ誤差は発生
しない。

【０１０８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で使用する投影露光装置の全体構成を示
す図、

【図２】図１の装置の照明系を模式的に表した光路図、

【図３】光分割器の構成を示す側面図、

【図４】光分割器の構成を示す正面図、

【図５】本発明の露光方法の原理及び動作を説明する斜
視図、

【図６】図５の露光方法によって得られるパターン露光
時の光量分布を説明する図、

【図７】本発明の他の実施例によるレチクルパターンの
組合せを説明する図、

【図８】本発明の他の実施例によるレチクルパターンの
組合せを説明する図、

【図９】図８に示したレチクルパターンを設けたレチク
ルのパターン配置図、

【図１０】図９のレチクルを使ったときの多重露光の様
式を示す図、

【図１１】本発明の他の実施例によるレチクルパターン
の配置を示す図、

【図１２】図１１のレチクルパターンを多重露光とした
ときの様子を示す図、

【図１３】図１１のレチクルパターンを実際のレチクル
上に配列する場合の一例を示す図、

【図１４】本発明を使用したレチクル上のパターン有効
領域を説明する図、

【図１５】従来の投影露光装置の構成、及び露光状態を
説明する図、

【図１６】本発明で使用する露光装置の原理を説明する
図、

【図１７】レジスト層への露光量と残膜厚との関係を示
すグラフである。

【符号の説明】

１…光源、３…シャッター、８…光分割器、８Ｂ〜８Ｅ
…射出部、９…フーリエ変換面、２０…モータ、２１…
干渉計、３０…制御装置、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウェハ、
ＰＬ…投影光学系、ＲＳＴ…レチクルステージ、ＷＳＴ
…ウェハステージ、ＰＡ…第１の周期性パターン、ＰＢ
…第２のパターン、ＰＣ…第３のパターン

───────────────────────────────────────────────────── 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 G03F 1/08 G03F 7/20 521

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】照明光学系を通してマスクに照明光を照
射し、投影光学系を介して前記照明光で感光基板を露光
する方法において、周期的な第１パターンを第１の露光量で前記感光基板上
に転写し、前記第１パターンとは異なる形状を持ち、前記感光基板
上で前記第１パターンの一部と重ね合わされる第２パタ
ーンを、前記第１の露光量よりも小さい第２の露光量で
前記感光基板上に転写することを特徴とする露光方法。
【請求項２】前記第１パターンの転写時に、前記照明
光学系内で前記マスクのパターン面に対してほぼフーリ
エ変換の関係となる所定面上での前記照明光の光量分布
を中心部よりもその外側で高め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】前記照明光は、前記所定面上での光量分
布が前記照明光学系の光軸から偏心した局所領域内で高
められることを特徴とする請求項２に記載の露光方法。
【請求項４】前記光量分布は、前記照明光学系の光軸
からの距離がほぼ等しい複数の局所領域内でそれぞれ高
められることを特徴とする請求項３に記載の露光方法。
【請求項５】前記第２パターンは、非周期的なパター
ンであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に
記載の露光方法。
【請求項６】前記照明光の前記第１パターンへの照射
光量は、前記第２パターンへの照射光量よりも大きいこ
とを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の露光
方法。
【請求項７】前記第２パターンは、前記感光基板上に
形成すべきパターンの形状を規定するためのパターンで
あることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載
の露光方法。
【請求項８】前記第１パターンと前記第２パターンと
は、同一マスク上の異なる領域に形成されていることを
特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の露光方
法。
【請求項９】照明光学系を通してマスクに照明光を照
射し、投影光学系を介して前記照明光で感光基板を露光
する方法において、前記感光基板上に転写されると市松模様パターンが形成
される第１パターンを照明して、前記市松模様パターン
を前記感光基板上に形成し、前記第１パターンとは異なる形状の第２パターンを、前
記感光基板上で前記第１パターンの一部と重ね合わせる
ように前記感光基板上に転写し、これにより前記第１パ
ターンと前記第２パターンとの重ね合わせ露光部分を前
記基板上に形成すべきパターンとすることを特徴とする
露光方法。
【請求項１０】前記第１パターンは、前記市松模様パ
ターンと、該市松模様パターン間に配置され且つ前記投
影光学系の解像限界より小さい補助パターンとを有する
ことを特徴とする請求項９に記載の露光方法。
【請求項１１】前記第２パターンは、前記第１パター
ン内の前記市松模様パターンを構成する１つの要素パタ
ーンよりも大きいことを特徴とする請求項９又は１０に
記載の露光方法。
【請求項１２】前記第２パターンは、前記要素パター
ンより上下及び左右方向において２〜２．５倍程度大き
いことを特徴とする請求項１１に記載の露光方法。
【請求項１３】前記第１パターンの中心部分と前記第
２パターンの中心部分とが一致するように前記両パター
ンを重ね合わせて露光することを特徴とする請求項９〜
１２の何れか一項に記載の露光方法。
【請求項１４】前記第１パターンの転写時に、前記照
明光学系内で前記マスクのパターン面に対してほぼフー
リエ変換の関係となる所定面上での前記照明光の光量分
布を中心部よりもその外側で高めることを特徴とする請
求項１又は１３に記載の露光方法。
【請求項１５】前記照明光は、前記所定面上での光量
分布が前記照明光学系の光軸から偏心した局所領域内で
高められることを特徴とする請求項１４に記載の露光方
法。
【請求項１６】前記光量分布は、前記照明光学系の光
軸からの距離がほぼ等しい複数の局所領域内でそれぞれ
高められることを特徴とする請求項１５に記載の露光方
法。
【請求項１７】照明光学系を通してマスクに照明光を
照射し、投影光学系を介して前記照明光で感光基板を露
光する方法において、複数の要素パターンが所定方向に周期的に配列された第
１パターンを、前記感光基板上に転写し、前記所定方向における大きさが、前記要素パターンの前
記所定方向における大きさの２〜３倍程度の大きさを持
つ第２パターンを、前記感光基板上で前記第１パターン
の一部と重ね合わせるように前記感光基板上に転写する
ことを特徴とする露光方法。
【請求項１８】前記複数の要素パターンのうちの１つ
は、前記感光基板上に形成すべき微細パターンに相当す
ることを特徴とする請求項１７に記載の露光方法。