JP3962581B2 - 露光方法及びデバイス製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般には、露光装置に関し、特に、瞳の中央が遮光又は吸収される投影光学系を利用して半導体ウェハ用の単結晶基板、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のガラス基板などの被処理体を露光する露光方法及び露光装置、前記被処理体を使用するデバイスの製造方法、及び、前記被処理体から製造されるデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型化及び薄型化の要請から、電子機器に搭載される半導体素子の微細化への要求はますます高くなっている。例えば、マスクパターンに対するデザインルールはライン・アンド・スペース（Ｌ＆Ｓ）０．１μｍ以下の寸法像を広範囲に形成することが要求され、今後は更に８０ｎｍ以下の回路パターン形成に移行することが予想される。Ｌ＆Ｓは露光においてラインとスペースの幅が等しい状態でウェハ上に投影された像であり、露光の解像度を示す尺度である。
【０００３】
半導体製造用の代表的な露光装置である投影露光装置は、（本出願では交換可能に使用する）マスク又はレチクル上に描画されたパターンをウェハ上に投影露光する投影光学系を備えている。投影露光装置の解像度（正確に転写できる最小寸法）Ｒは、光源の波長λと投影光学系の開口数（ＮＡ）を用いて次式で与えられる。
【０００４】
【数１】
【０００５】
従って、波長を短くすればするほど、及び、ＮＡを上げれば上げるほど、解像度は良くなる。また、近年では、変形照明法（又は斜入射照明法）を使用して比例定数（プロセス定数とも呼ばれる）ｋ１を小さくすることも提案されている。ｋ１は、後述するように、規格化された線幅としても機能する。
【０００６】
一方、一定の結像性能を維持できる焦点範囲を焦点深度といい、焦点深度ＤＯＦは次式で与えられる。
【０００７】
【数２】
【０００８】
従って、波長を短くすればするほど、及び、ＮＡを上げれば上げるほど、焦点深度は小さくなる。焦点深度は小さくなるとフォーカス合せが難しくなり、基板のフラットネス（平坦度）やフォーカス精度を上げることが要求されるため、基本的に大きい方が好ましい。
【０００９】
数式１及び２から、波長を短くする方がＮＡを大きくするよりも望ましいことが理解される。近年では、露光光源の波長はＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）からＡｒＦエキシマレーザー（波長約１９３ｎｍ）に、ＮＡは約０.６から約０.７５になろうとしている。また、Ｆ２エキシマレーザー（波長約１５７ｎｍ）の実用化も進んでいる。
【００１０】
しかしながら、光の短波長化が進むと光が透過する硝材が限られてしまうために屈折素子、即ち、レンズを多用することは難しく、投影光学系に反射素子、即ち、ミラーを含めることが有利になる。例えば、色収差を緩和してスペックルを除去するカタディオプトリック光学系は、ミラーとレンズの混成型光学系として、かかる投影光学系に適している。カタディオプトリック光学系の代表例としてのシュバルツシルド（Ｓｃｈｗａｒｚｓｈｉｌｄ）型は、例えば、米国特許第４７５７３５４号公報に開示されている。
【００１１】
シュバルツシルド型光学系は、例えば、図２０に示すように、投影光学系１は４枚のレンズ２、３、６及び７と２枚のミラー４及び５を有する。ここで、図２０は、シュバルツシルド型投影光学系１の概略断面図である。シュバルツシルド型光学系は、光軸上におけるマスクＭとウェハＷの配置を可能にするが、ミラー５が影となって、図２１に示すように、瞳の中央部分が遮光される。ここで、図２１は、投影光学系１の瞳面を示す概略断面図である。図２１において、瞳面上の黒い部分が遮光された領域（中抜け領域）である。また、同図では、瞳の半径を１として瞳の半径に対する瞳の遮光又は吸収される領域の半径をαで表示している。このような投影光学系１において、中抜け半径αが０．４以上のシュバルツシルド型光学系も存在する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、瞳中心に中抜けのある投影光学系は、限界解像よりも大きいパターンを解像する場合やαが大きくなった場合に、ウェハ上でコントラストやＭＥＦ（Ｍａｓｋ ｅｒｒｏｒ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆａｃｔｏｒ）が低下して所望のパターンを転写できないという問題がある。本発明者は、かかる解像の低下の原因を鋭意検討した結果、マスクパターンの結像に必要な光が上記中抜けのために消失してしまうことにあることを発見した。なお、ＭＥＦは次式で与えられ、マスクパターンの機械的誤差によって生じるウェハ面上での所望のパターンに対するズレ（誤差）を示す指標である。
【００１３】
【数３】
【００１４】
そこで、中抜けのある投影光学系を使用した場合に、限界解像よりも大きな線幅のパターンを所望のコントラストで転写して所望の解像度を確保する露光方法及び装置、並びにデバイス製造方法及びデバイスを提供することを本発明の例示的目的とする。
【００１５】
本発明の一側面としての露光方法は、中央に遮光領域を持つ瞳を有する投影光学系によりマスクの周期パターンを被処理体に投影し、前記被処理体を露光する露光方法において、前記周期パターンのハーフピッチＲを、前記マスクを照明する光の波長λ及び前記投影光学系の開口数ＮＡで規格化した値ｋ１（＝Ｒ／（λ／ＮＡ））が、以下の式を満たし、０．７≦ｋ１≦０．９前記周期パターンからの０次回折光及び＋１次回折光、または前記０次回折光及び−１次回折光が、前記瞳内を前記遮光領域で遮光されずに通過し、前記周期パターンからの±３次回折光が、前記瞳内を通過しないように、前記マスクを照明する光が前記瞳に形成する有効光源の遮光部分を設定するステップを有し、前記設定された前記有効光源の遮光部分は、前記瞳の中心を中心とする半径αの円形領域と、前記瞳の中心から前記周期パターンの周期方向に１／２ｋ１だけ離れた位置を中心とする半径αの２つの円形領域または２つの半円領域と、を含み、（１＋σ）は、３／（２ｋ１）以下であることを特徴とする、ここで、αは前記瞳の直径に対する前記遮光領域の外径の割合であり、σは前記瞳の直径に対する前記有効光源の外径の割合である。
【００２６】
本発明の別の側面としてのデバイス製造方法は、上述の露光方法を用いて被処理体を露光する工程と、露光された前記被処理体を現像する工程とを有することを特徴とする。上述の露光方法の作用と同様の作用を奏するデバイス製造方法の請求項は、中間及び最終結果物であるデバイス自体にもその効力が及ぶ。よって、上述したうちいずれかの形態の露光装置を用いて投影露光された前記被処理体より製造されるデバイスも本発明の一部として機能する。また、かかるデバイスは、ＬＳＩやＶＬＳＩなどの半導体チップ、ＣＣＤ、ＬＣＤ、磁気センサー、薄膜磁気ヘッドなどを含む。
【００２７】
本発明の他の目的及び更なる特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の例示的な露光装置１０について説明する。なお、各図において同一の参照符号は同一部材を表している。ここで、図１は露光装置１０の概略構成図である。露光装置１０は、図１に示すように、照明光学系１１５を含む照明装置１００と、マスク２００と、投影光学系３００と、制御装置４００を有する。露光装置１０は、例えば、ステップアンドスキャン方式でマスク２００に形成されたパターンをウェハＷ上に露光する投影露光装置である。ここで、「ステップアンドスキャン方式」は、マスクに対してウェハを連続的にスキャンさせてマスクのパターンをウェハに露光すると共に、１ショットの露光終了後ウェハをステップ移動させて、次のショットの露光領域に移動させる投影露光法をいう。
【００２９】
照明装置１００は、典型的に、光源としてのレーザー１１０と照明光学系１１５とを有し、転写用パターンが形成されたマスク２００を照明する。
【００３０】
レーザー１１０は照明光を発光する光源で、本実施例では、波長約１５７ｎｍのＦ２エキシマレーザーであるが、波長約２４８ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー等に置換されても良い。なお、光源にレーザー１１０が使用される場合、レーザー１１０からの平行光束を所望のビーム形状に整形する光束整形光学系、コヒーレントなレーザー光束をインコヒーレント化するインコヒーレント化光学系をレーザー１１０と照明光学系１１５の間に設けることが好ましい。
【００３１】
照明光学系１１５は、マスク２００へ光束を照射する光学系であり、本実施形態ではマスク２００を変形照明することができる。照明光学系１１５は、光学系１２０、オプティカルインテグレータ（又は、ライトインテグレータ）１３０、開口絞り１４０、集光レンズ１５０、ブレード（絞り）１６０、結像レンズ１７０を有する。
【００３２】
光学系１２０は複数のレンズからなり、入射側および射出側でテレセントリックとなるアフォーカル系を構成している。アフォーカル系は、例えば、一対の光学系より構成可能であり、当該光学系はシリンドリカルレンズによって実現される。かかる光学系のうち一の光学系は光軸と垂直な面において所定の一方向に光束を拡大及び縮小可能にし、また、他方の光学系は光軸と垂直な面において当該所定の一方向と直行する方向に光束を拡大及び縮小可能にする。この一対の光学系を光軸上、且つ、レーザー１１０とオプティカルインテグレータ１３０の間に配置することで、アフォーカル系（光学系１２０）を構成することができる。露光装置１０はアフォーカル系の各倍率を変えることで、レーザー１１０から射出された光束（コヒーレント光のビーム断面）を光軸において直交する２方向に連続的に光束を拡大及び縮小することができる。なお、光学系１２０はズームレンズ等からなりレンズを光軸方向に移動させることで、倍率を変えられるようにしてもよい。
【００３３】
オプティカルインテグレータ１３０は、例えば、ハエの目レンズであって、マスク２００を効率的に均一に照明する作用を有する。
【００３４】
開口絞り１４０は可変開口絞りであり、通常の円形開口を含む後述する図９及び図１３に示すような投影光学系３００の瞳面上の光強度分布を変化させる各種の絞りからなっている。開口絞り１４０は予め代表的な半径の大きさをもつ円形開口の形状の絞りをいくつか入れておいてもいい。可変開口絞りを変えるためにはこれらの開口絞り１４０を形成した円盤状ターレットを用い、開口制御装置１４０ａが開口を切り替えるべくターレットを回転させることで可能となる。
【００３５】
集光レンズ１５０は、例えば、コンデンサーレンズであって、オプティカルインテグレータ１４０から出た光束をできるだけ多く集めて絞り１６０上で重畳的に重ね合わせ絞り１６０をケーラー照明する。結像レンズ１７０は絞り１６０を通過した高速をマスク２００面上に結像する。
【００３６】
なお、上述した光学系１２０及び開口絞り１４０（開口制御装置１４０ａ）は後述する制御装置４００によって制御され、所定半径の円形照明、輪帯２重極照明、輪帯４重極照明を含む各種の変形照明を可能にしている。露光装置１０の照明光学系１１５にはその他当業界で既知のいかなる技術をも適用可能であり、ここでは詳しい説明は省略する。
【００３７】
マスク２００上には所望のパターンが形成されており、マスク２００から発せられた回折光は投影光学系３００を通りウェハＷ上にパターン像を形成する。ウェハＷはウェハや液晶基板などの被処理体でありレジストが塗布されているものである。絞り１６０とマスク２００のフーリエ変換面は共役な関係に配置される。オプティカルインテグレータ１３０はマスク２００のフーリエ変換面の近傍に２次光源を形成する。マスク２００とウェハＷとは共役の関係にある。
【００３８】
また、本実施例ではマスク２００はマスク面上にマスクの種類、名前、パターン２１０の形状などを含むマスク２００を識別するための情報と対応するバーコードが付されている。
【００３９】
図２を参照するに、本実施例のマスク２００はバイナリマスクであり、例示的に５本線のバーパターンより形成される。ここで、図２（ａ）はマスク２００の概略平面図、図２（ｂ）はマスク２００のパターン２１０に入射した光の振幅の分布を示す図である。しかしながら、露光装置１０に適用可能なマスク２００のパターン２１０はかかる形状に限定されるものでなく、本実施例のマスク２００には所望の回路パターン２１０が形成されているにたりるものである。マスク２００は、図２（ａ）で暗く示されているように、パターン２１０の周囲で光を遮光し、図２（ａ）で明るく示されているように、パターン２１０において光を透過する。
【００４０】
投影光学系３００は、本実施例において、瞳の中央部分に中抜け（瞳の半径を１とした場合に中抜け半径α）のある投影光学系である。投影光学系３００は、例えば、全ミラー型光学系又はカタディオプトリック光学系により実現可能である。本実施例の投影光学系３００はレンズの使用数を減らし、色収差を緩和し、スペックルを除去して照明照度を均一にする機能を有し、光源１１０の波長の短波化に寄与する。
【００４１】
制御装置４００はＣＰＵ４１０、図示しないメモリ、入出力装置４２０、マスクバーコードリーダ４３０を有する。また、制御装置４００は上述した開口制御装置１４０ａ及び光学系１２０と接続されている。ＣＰＵ４１０はＭＰＵなど名前の如何を問わずいかなるプロセッサも含み、各部の動作を制御する。メモリはＲＯＭ及びＲＡＭより構成され、露光装置１０を動作するファームウェアを格納する。更に、本実施例ではメモリはデフォルトの照明条件を格納する。デフォルトの照明条件は、例えば、投影光学系３００の瞳の半径に対する中抜け領域の半径の割合αは予め分かっているので、投影光学系３００の瞳の半径に対する有効光源の内円半径σｉｎをαに一致させ、瞳の半径に対する有効光源の外円半径σを後述するσｍａｘと一致させたものである。なお、デフォルトの照明条件は後述する照明条件の代表的なものの１つであってもよいし、マスクパターン２１０の線幅に応じて自動的に最適設定されてもよい。また、メモリは予めマスク２００の名前と照明条件を対応させた情報を格納するか、マスク２００の名前とパターン２１０の線幅や方向などの詳しいパターンデータを格納する。
【００４２】
入出力装置４２０は、例えば、キーボード、液晶ディスプレイ等であって、当該周知のいかなる技術をも適用可能である。かかる入出力装置４２０を使用することで、オペレータは露光装置１０の照明条件及びマスク２００のパターン２１０を把握することができる。更に、オペレータは入出力装置４２０を使用し、任意に照明条件、露光装置１０を操作することができる。マスクバーコードリーダ４３０はマスク２００面上にあるマスクの情報が書き込まれたバーコードを読み取るためのバーコードリーダである。バーコードリーダ４３０は読み取ったマスク２００の情報を制御装置４００に送信する。なお、本実施例ではマスクバーコードリーダ４３０を使用しバーコードを介しマスク２００の情報を取得するが、バーコードリーダ４３０はこれと同様の作用を奏する装置又は技術に代替されてもよい。
【００４３】
本実施例において制御装置４００はマスクリーダ４３０より送られた情報を元にパターン２１０の線幅及び形状を検知し、かかる情報に基づき照明装置１００の照明条件（即ち、σ、σｉｎ）を変更することができる。制御装置４００は、照明光学系１１５の光学系１２０（の、例えば、アフォーカル光学系の倍率）を調節することによってσ及び／又はσｉｎを変更し、開口絞り１４０に含まれる種々の形状の絞りを選択することによってσ及び／又はσｉｎを変更することができる。
【００４４】
ウェハＷにはフォトレジストが塗布されている。フォトレジスト塗布工程は、前処理と、密着性向上剤塗布処理と、フォトレジスト塗布処理と、プリベーク処理とを含む。前処理は洗浄、乾燥などを含む。密着性向上剤塗布処理は、フォトレジストと下地との密着性を高めるための表面改質（即ち、界面活性剤塗布による疎水性化）処理であり、ＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌ−ｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）などの有機膜をコート又は蒸気処理する。プリベークはベーキング（焼成）工程であるが現像後のそれよりもソフトであり、溶剤を除去する。ウェハＷはウェハステージに載置され、ウェハＷは、例えば、マスク２００と所定の速度で同期して互いに逆方向に移動する。
【００４５】
以上説明した露光装置１０を用いることで中抜けのある投影光学系３００を使用した場合に、限界解像よりも大きな線幅のパターンを所望のコントラストで転写して所望の解像度を確保するわけだが、本発明の露光装置１０の動作（露光方法）を説明する前に、本発明の照明方法を使用しない場合の投影光学系３００の露光性能について説明する。今、波長λ＝１５７ｎｍ、開口数ＮＡ＝０．７０、コヒーレンス度σ＝０．８の一様な照明（σｉｎ＝０）をマスク２００に与える場合について考える。コヒーレンス度σは投影光学系３００の瞳の外円半径に対応するため、図３に示すように有効光源の光透過部分の半径を示す。ここで、図３は、コヒーレンス度σにおける投影光学系３００の瞳面上の光透過部分を示す平面図である。図１に示すような露光装置１０を用いてマスク２００を照明光学系１１５によって照明し、投影光学系３００を介してウェハＷ面に露光する。ここで、線幅と共に、線幅を（λ／ＮＡ）で次式のように割って規格化した線幅ｋ１を使用する。
【００４６】
【数４】
【００４７】
この条件で、マスク２００を照明した時の５本バーパターンの中央におけるコントラスト及びＭＥＦを計算した結果を図４及び図５に示す。ここで、図４は、照明条件σ＝０．８において中抜け半径αをパラメータとしたときの線幅、規格化された線幅ｋ１及びコントラストの関係を示すグラフである。図５は、照明条件σ＝０．８において中抜け半径αをパラメータとしたときの線幅、規格化された線幅ｋ１及びＭＥＦの関係を示すグラフである。図４及び図５において、中抜け半径αはｏｂｓ（ｏｂｓｃｕｒａｔｉｏｎ）と記す。高解像レジストは、コントラスト４０％以上で解像可能であり、焦点深度（ＤＯＦ）は０．５μｍ以上で実用可能であり、ＭＥＦは１．５以下で実用可能である。
【００４８】
図４に示すピークコントラスト及び図５に示すＭＥＦから以下のことが分かる。即ち、中抜けのないα＝０において、線幅ｋ１＝０．４のとき、ピークコントラスト＝０．５５、コントラストが４０％以上確保できる焦点深度（ＤＯＦ）＞０．６μｍ、ＭＥＦ＝１．２０＜１．５である。一方、中抜けのあるα＝０．４において、線幅ｋ１＝０．３５のとき、ピークコントラスト＝０．５０、コントラストが４０％以上確保できる焦点深度（ＤＯＦ）＝０．６μｍ、ＭＥＦ＝１．４０＜１．５である。よって、かかる線幅ｋ１において、マスク２００は実用的に解像可能である。
【００４９】
従って、中抜けのないとき、上述のコントラストとＭＴＦの定義により、限界解像線幅は次式であり、
【００５０】
【数５】
【００５１】
中抜けのあるとき限界解像線幅は中抜けの大きさによっても多少異なるが、次式で与えられる。
【００５２】
【数６】
【００５３】
従って中抜けのある光学系では限界解像線幅は中抜けのない光学系よりも限界解像は伸びることが理解される。しかし、この場合の限界解像線幅ｋ１は線幅と間隔が等しい周期パターンを考えているので、間隔が線幅よりもっと大きければ、限界解像線幅ｋ１はこれよりも小さくなる。そのため、限界解像はピッチで定義する。
【００５４】
中抜けのない投影光学系３００のバイナリマスクでの限界解像ピッチ（１／２）は次式となる。
【００５５】
【数７】
【００５６】
一方、瞳中央が吸収または遮光される投影光学系３００のバイナリマスクでの限界解像ピッチ（１／２）は次式となる。
【００５７】
【数８】
【００５８】
しかし、中抜け半径αが大きくなるほど（例えば、図４のα＝０．４に見られるように）限界解像ｋ１より大きな線幅で、特に、０．５≦ｋ１≦１．５において、コントラストが低下し、（図５のα＝０．４に見られるように）ｋ１＝０．８付近でＭＥＦが悪化する。また、図４のα＝０．４に示すように、コントラストは限界解像付近の線幅ｋ１＜０．５（例えば、ｋ１＝０．３乃至０．４）で瞳中抜けによってわずかに増加しているが、ｋ１≧０．５の線幅では中抜け半径αが大きいほど低下の割合が大きい。ｋ１≧０．５の限界解像以上の線幅の大きなパターンや中抜け半径αを大きくした場合、このようなコントラストの低下やＭＥＦの悪化が起こる。
【００５９】
本発明者はかかる原因を鋭意検討した結果、投影光学系３００に入射する光束のうち結像に寄与しない光を除くことによって、コントラストの低下とＭＥＦの悪化を防止することができることを発見した。図６を参照するに、パーシャリーコヒーレントな照明光学系１１５からの光は、コヒーレンス度σにもとづく角度範囲（即ち、０＜σ＜１）のある角度だけ傾いてマスク２００上に入射する。ここで、図６は、図１に示す照明光学系１１５からの光がマスク２００にある傾きで入射する様子を示す模式図である。マスク２００上のパターン２１０によって光が回折するが、このうち０次回折光は入射した方向に進み、０次以外の回折光はパターン２１０のピッチに応じた回折角の方向に進む。図６は、０次回折光を実線の矢印で示し、１次回折光を点線の矢印で示す。
【００６０】
図７（ａ）乃至図７（ｆ）は、異なる照明条件に基づく回折光が投影光学系３００の瞳上に入射した位置を模式的に示す。マスク２００面上のパターン２１０が線幅と間隔が等しいＬ＆Ｓの場合、回折光の次数の３までを考えると±２次回折光は消滅するため、回折光は０、±１次、±３次となる。図において、大きな丸を０次回折光、これより小さな丸を１次あるいは３次の回折光の中心とする。斜線部分は、中抜けの遮光部分を示している。
【００６１】
図７（ａ）乃至図７（ｃ）は０次回折光が遮光される場合を示す。例えば、図７（ａ）は、瞳上に０次と±１次までの回折光が入射し、０次光は遮光される状態を示している。０次回折光は結像に関与しないため、±１次回折光のみが干渉して結像する。その結果、図８（ａ）に示す光強度分布がウェハＷ上に形成される。ここで、図８（ａ）乃至図８（ｆ）は、図７（ａ）乃至図７（ｆ）による照明を行ったときのウェハＷ上での光強度分布である。かかる強度分布は周期数が約２倍になり、パターン２１０の間にもピークが存在する像が形成される。
【００６２】
図７（ｂ）は、投影光学系３００の瞳上に０次、±１次と＋３次の回折光が入射し、０次回折光と＋１次回折光が中抜けによって遮光されている状態を示している。−１次回折光と＋３次回折光のみが干渉して結像する結果、図８（ｂ）に示す光強度分布がウェハＷ上に形成され、像はパターン周期数が約４倍になる。
【００６３】
図７（ｃ）は、投影光学系３００の瞳上に０次、±１次と±３次の回折光が入射し、０次回折光と±１次回折光が中抜けによって遮光されている状態を示している。±３次の回折光のみが干渉して結像する結果、図８（ｃ）に示す光強度分布がウェハＷ上に形成され、非常に細かい間隔でピークを持ちパターン周期数は約６倍となる。
【００６４】
図７（ａ）乃至図７（ｃ）、及び、図８（ａ）乃至図８（ｃ）から理解されるように、０次回折光が他の回折光と干渉しなければ、パターン２１０からかけ離れた像が形成される。
【００６５】
図７（ｄ）乃至図７（ｆ）は、照明光学系１１５がマスク２００を変形照明（又は斜入射照明）して、０次回折光が瞳中央の中抜けを外れている（即ち、０次回折光が遮光されない）状態を示している。例えば、図７（ｄ）は、投影光学系３００の瞳上に０次回折光と±１次回折光が入射し、＋１次回折光は中抜けによって遮光されている状態を示している。０次回折光と−１次回折光のみが干渉して結像する結果、図８（ｄ）に示す光強度分布がウェハＷに形成される。図８（ｄ）に示すように、ウェハＷにはパターン２１０の形状とほとんど近い像が形成される。
【００６６】
図７（ｅ）は、投影光学系３００の瞳上に０次、±１次と＋３次の回折光が入射し、＋１次回折光のみが遮光されている状態を示している。０次回折光と−１次回折と＋３次回折光のみが干渉して結像する結果、図８（ｅ）に示す光強度分布がウェハＷに形成される。図８（ｅ）に示すように、ウェハＷに形成されるパターンは、矩形に近づいているもののそのピークは割れている。
【００６７】
図７（ｆ）は、投影光学系３００の瞳上に０次回折光と＋１次回折光と＋３次回折光が入射し、＋１次回折光が中抜けにより遮光されている状態を示している。０次回折光と＋３次回折光が干渉して結像する結果、図８（ｆ）に示す光強度分布がウェハＷに形成され、０次回折光と＋３次回折光の干渉で３倍周期の像が形成される。
【００６８】
図７（ｄ）乃至図７（ｆ）、及び、図８（ｄ）乃至図８（ｆ）から理解されるように、光強度分布のピークとピークの間隔は０次回折光と１次回折光の間隔で決定される。よって、ピーク間の間隔が保たれるためには、０次回折光と１次回折光が干渉するような照明であることが好ましい。
【００６９】
図７（ａ）乃至図７（ｆ）、図８（ａ）乃至図８（ｆ）から理解されるように、中抜けに０次回折光が入射すると遮光され、１次以上の回折光のみが結像してパターン２１０からかけ離れた像を形成する。従って、中抜けを有する投影光学系３００において、限界解像以上より大きなピッチにおいてコントラストを下げないためには、全てのピッチのパターンからの回折光の０次光が必ず入射するようにしなければならない。また、これと同時に、投影光学系３００の瞳面上において、０次光と少なくとも１つの１次光が同時に入射するようにするようにしなければならないことも理解される。換言すれば、中抜けのある投影光学系３００を利用して解像限界よりも大きな線幅を有するマスクパターン２１０を解像するためには、投影光学系３００の瞳面上における全入射領域Ｓ（図示せず）のなかで、０次回折光と少なくとも１つの１次回折光が同時に入射する入射領域Ｓ１（図示せず）を含み、入射領域の割合（Ｓ１／Ｓ）を大きくすればよいことになる。即ち、記投影光学系３００の瞳面上における０次回折光がマスク２００を照明した０次回折光の内の多くが対応する１次回折光と干渉するように投影光学系３００を照明すればよいことになる。
【００７０】
Ｓ１／Ｓが１であれば、必ず０次回折光及び少なくとも１つの１次回折光が同時に入射するのでコントラストは１になる。Ｓ１／Ｓが０であれば、必ず０次回折光及び少なくとも１つの１次回折光が同時に入射しないから、コントラストは０になる。これから、Ｓ１／Ｓはほぼコントラストに対応する量であることが分かる。例えば、コントラスト０．６以上が解像に必要であるならＳ１／Ｓ≧０．６にすればよく、シミュレーションの結果からこれが正しいことが確認された。「Ｓ１／Ｓ≧０．６」は、０次回折光とそれに対応する±１次回折光のいずれか一方の１次回折光の６割以上が干渉することを意味している。
【００７１】
０次光が必ず入射するためには、中抜け部分に０次回折光を入射させないようにすればよく、例えば、これは図９に示す輪帯照明によって実現することができる。ここで、図９は、輪帯照明における投影光学系３００の瞳面上における光透過部分を示した平面図である。図９は、遮光部分を灰色で、光透過部分を白で示す。図９を参照するに、有効光源の遮光部分の半径σｉｎを投影光学系３００の中抜け半径αと一致させると、０次回折光が中抜けで遮光されることはない。
【００７２】
０次回折光と１次回折光が同時に投影光学系３００の瞳面上に入射する条件より、輪帯照明外側のσの最適条件を求める。パターン２１０は図２のように、ｘ方向に周期があってｙ方向には十分に長く構成され、瞳上のｘ方向の回折光のみを考える。光学の結像理論から導き出される、よく知られた結果から、１／２ピッチｋ１のＬ＆Ｓパターンからの回折光において、０次回折光と１次回折光のなす距離は１／（２ｋ１）であり、０次回折光と３次回折光の距離は３／（２ｋ１）である。回折角は瞳の最大半径に入射する光の距離を１に規格化してある。
【００７３】
図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）は、１／２ピッチｋ１＝０．５、０．６、０．７、１．０の周期パターンにおける投影光学系３００の瞳面上での回折光分布を模式的に示す図である。瞳中央の領域３１０（図中、薄い灰色で示す）は中抜け（半径α）によって光を遮光する部分である。灰色の丸は回折光を示し、大きな丸が０次回折光を、小さな丸が１次回折光を示す。
【００７４】
中抜けに０次回折光を入射させない、即ち、領域３１０以外に０次回折光を入射するような輪帯照明で照明すると、領域３１０には０次回折光は入射しないが１次回折光が入射する場合がある。例えば、１／２ピッチｋ１が０．５のとき、図１０（ａ）に示すように、０次回折光が領域３２０（図中、点線で示す）に入射すると領域３１０に片側の１次回折光が入射する。図示しない他方の１次回折光は投影光学系３００の瞳の外側に外れるため、０次回折光のみが瞳を通過する。同様に、図１０（ｂ）乃至（ｄ）において、０次回折光が領域３２０に入射すると中抜け領域３１０に１次回折光が入射する。つまり、領域３２０に０次回折光が入射しても１次回折光が投影光学系３００の有効となる瞳面上に入射しない。よって、ウェハには所望のコントラストが形成されず、パターンが形成されない。従って、領域３２０を避けるような有効光源にすればパターン転写を有効に行うことができる。
【００７５】
そこで、図１１に示す有効光源を投影光学系３００の瞳面に形成することが考えられる。ここで、図１１（ａ）乃至（ｄ）は、図１０（ａ）乃至（ｄ）に対応し、０次光と１次光が同時に入射する投影光学系３００の瞳面上における有効光源分布を示す図である。図１１（ａ）乃至（ｄ）において、領域３３０（濃い灰色で示す領域）を有効光源にすると、０次光のみが入射する領域３２０との交わりをなくすことができる。
【００７６】
中抜け半径αが図１１に示すそれよりも大きい場合は、図１２に示す有効光源を投影光学系３００の瞳面に形成することが考えられる。ここで、図１２（ａ）乃至（ｄ）は、図１０（ａ）乃至（ｄ）に対応し、投影光学系３００の瞳面における有効光源分布を示す図である。有効光源は図１２（ａ）乃至（ｄ）の領域３３０（濃い灰色で示す領域）のようにすると、１次回折光は領域３２０と交わりを少なくすることができる。しかし、図１２（ｂ）に示す１／２ピッチｋ１＝０．６の場合と、図１２（ｃ）に示す１／２ピッチｋ１＝０．７の場合は、有効光源と領域３２０との交わる部分が存在し、領域３３０が図１２（ａ）１／２ピッチｋ１＝０．５或いは図１２（ｄ）の１／２ピッチｋ１＝１．０場合と比べても小さくなっている。
【００７７】
シミュレーションの結果より、中抜け半径αが０．４以上になると、１／２ピッチｋ１＝０．７以上、特に０．７乃至０．８のパターン２１０では有効光源を輪帯照明にする限り１次回折光が遮光される割合が大きくなる。例えば、図１２に示すようにｋ１が大きいほど０次回折光と１次回折光の間隔が小さくなるため、領域３２０が投影光学系３００の中心に寄ってきて領域３３０と交わってしまう。但し、１／２ピッチｋ１＝０．８以上では、中抜け領域３１０に片側の１次回折光が入射しても他方の１次回折光が瞳面上の入射するので、領域３２０が略半円となり有効光源と領域３２０との交わりが少なくなり、領域３３０は図１２（ａ）とほぼ同じと見なせる。
【００７８】
また、０次回折光と１次回折光が干渉しても３次回折光が加わると、０次回折光と３次回折光の干渉、及び１次回折光と３次回折光の干渉が加わる。この結果、３倍、４倍周期の成分が加わり、図８（ｅ）に示すようなピーク割れが生じてしまう。図５に示すグラフは、中抜けがあると１／２ピッチｋ１＝０．８付近でＭＥＦが悪化することを示しているが、これも、ｋ１＝０．８以上で３次回折光が結像に関与するためである。
【００７９】
ｋ１＝０．８において、０次回折光と３次回折光の瞳面上の距離は３／（２ｋ１）＝１．８７５である。瞳の半径は１だから、０次回折光と３次回折光の距離３／（２ｋ１）が２よりも小さければ０次回折光と３次回折光は投影光学系３００の瞳面に入射する。より詳細には、コヒーレンス度σを考慮すると０次回折光と３次回折光が瞳面上で採り得る最長距離は（１＋σ）であって、距離３／（２ｋ１）が（１＋σ）よりも小さければ０次回折光と３次回折光は瞳面に入射する。即ち、１／２ピッチｋ１＝０．８より小さなピッチでは回折角が（１＋σ）より大きくなり、３次回折光が瞳面に入らなくなる。１／２ピッチｋ１が０．８より大きいと、３次回折光が結像に関与する。３次回折光が結像に関与しないようにするためには、（１＋σ）を小さくするとよいことが理解される。従って、１／２ピッチ０．５≦ｋ１≦１．０で０次回折光と１次回折光が同時に入る領域と、それに３次回折光が入らなくなる領域を考慮すると、σが小さいほうがコントラストの低下とＭＥＦの悪化を小さくすることができる。しかし、通常のパーシャリーコヒーレントの理論から解されるように、σをあまり小さくすると逆に解像力が落ちて形状再現性も悪くなる。よって、次のようにσを決定すればよい。
【００８０】
中抜け（半径α）のある投影光学系３００において、照明条件は図９のような輪帯照明とし、輪帯照明の内円半径σｉｎは次式で与えられる。
【００８１】
【数９】
【００８２】
輪帯照明の外円半径σは次式で与えられる。
【００８３】
【数１０】
【００８４】
但し、σの上限は中抜け半径αと関係し、次式で与えられる。
【００８５】
【数１１】
【００８６】
σはこの範囲内で小さくすると、特に、線幅０．５≦ｋ１≦１．０のコントラストの低下とＭＥＦの悪化が少なく、シミュレーションの結果からこれが正しいことが確認された。
【００８７】
輪帯照明の内円半径σｉｎの最適条件についても詳細に調べた。結果をまとめると、（１）σｉｎ＝αの場合、ピークコントラストの低下とＭＥＦの悪化が最も少ない、（２）σｉｎ＞αの場合、焦点深度（ｋ１≦１．０）や限界解像力が若干伸びるがｋ１＝０．８付近のＭＥＦが悪化する、（３）σｉｎ＜αの場合、コントラストや深度が低下する。従って、σｉｎを中抜け半径α以上にするとコントラストの低下を防止することができる。ただし、σｉｎを中抜け半径αより大きくすると、限界解像力が伸びる代わりにｋ１＝０．８付近でＭＥＦが悪化するため、σｉｎをあまり大きくしない注意が必要である。σｉｎを中抜け半径αと同じにすると、収差の影響も最小になり、総合的に安定した性能が得られる。
【００８８】
また、有効光源分布がσｉｎからσの範囲内であれば、パターン２１０の方向にあわせて図１３（ａ）乃至（ｄ）に示す形状の開口絞り１４０を使用し、かかる形状の変形光源を用いてもいい。ここで、図１３（ａ）乃至（ｄ）は、図１に示す開口絞り１４０の例示的な形状を示す概略平面図である。図１３に示すように、パターンがｙ方向に周期があってｘ方向に長い場合、図１３（ａ）又は図１３（ｂ）のような開口絞り１４０にするとよい。一方、パターン２１０がｘ、ｙ方向に伸びる場合は、図１３（ｃ）又は図１３（ｄ）に示すような開口絞り１４０にするとよい。
【００８９】
上述したように中抜け半径αが０．４以上のとき、輪帯照明はあるピッチにおいて１次回折光が中抜けする領域３２０と有効光源が交わってしまう場合がある（例えば、図１２（ｃ）に示す）。しかし、パターン２１０の方向を一方向に限れば、図１２（ｃ）に示す領域３２０と重ならない有効光源をとることができる。即ち、図１３（ａ）に示す開口絞り１４０を使用し、輪帯照明のｘ軸上を遮光する有効光源である。また、図１３（ｂ）に示す開口絞り１４０を使用してもよい。このようにすると、ｙ方向に周期のあるｘ方向に長いパターンにおいて、線幅ｋ１が０．５以上で高コントラストが得られる。
【００９０】
０次回折光と１次回折光でパターンが形成するパターン２１０として、コンタクトホールやその他任意形状のパターンであってもよい。また、マスク２００はバイナリマスクの他、ハーフトーン型位相シフトマスクでも適用できる。光透過型のコンタクトホールの場合、輪帯照明の外円半径σは０．５付近が性能がよいことが、計算結果より解っている。
【００９１】
以上をまとめると、次のような照明条件が最適である。照明光の瞳上の光源分布を、瞳半径を１としたときの、有効光源分布とする。通常のバイナリマスクでは、図９に示すように、有効光源外円半径σを０．５乃至０．９にし、内円半径σｉｎをα≦σｉｎの輪帯照明にする（α＜０．５）。特に、外円半径σの上限は数式１１に従う。上式より、αが０．２５以下のときはσｍａｘ＝０．９より０．５≦σ≦０．９、αが０．３０のときはσｍａｘ＝０．８より０．５≦σ≦０．８、αが０．４５のときはσｍａｘ＝０．５よりσ＝０．５とすると像性能が良好となる。
【００９２】
以下、本発明の露光装置１０の動作について説明する。図１に良く示されるように、露光装置１０はマスク２００を照明装置１００によって照明し、投影光学系３００を介しウェハ面上に所望のマスク２００のパターン２１０を露光する。より詳細には、露光装置１０は制御装置４００が光学系１２０に信号を送り、デフォルトの照明条件にもとづいて光学系１２０の角倍率を所定の値にしておく。その後、マスク２００の種類、名前などの情報を書き込んだマスク面上のバーコードをバーコードリーダ４３０で読み取り、マスク２００をレチクルステージに設定する。制御装置４００はバーコードの情報に基づいて最適な照明条件をきめ、その照明条件に基づいて照明系１２０の開口制御装置１４０ａと光学系１２０に信号を送り、開口絞り１４０及び光学系１２０を起動させる。
【００９３】
例えば、限界解像のごく近傍の線幅（１／２ピッチ）でｋ１が０．５以下のパターンのみであれば、輪帯照明の外円半径σをσｍａｘに設定したほうがいいので、デフォルト位置に絞りをあわせたままにする。又は、最小の線幅が限界解像より大きい（１／２ピッチ）ｋ１が０．７乃至０．９であれば、輪帯照明の外円半径σを最小値の０．５に設定する。また、よって、制御装置４００はこれに相当する大きさに光学系１２０を動かし、角倍率を変えてσの大きさを変化させる。即ち、制御装置４００はメモリに格納された照明条件に基づいて開口制御装置１４０ａ及び光学系１２０に信号を送り、開口絞り１４０及び光学系１２０を所定の照明条件となるように制御する。なお、照明条件は上述した通りとし、ここでは詳細な説明を省略する。後述する実施例において、かかる照明条件は更によく理解されるであろう。
【００９４】
制御装置４００の中にマスク１００のパターンデータ（例えば、パターンを構成する一又は複数の線幅、主要パターンの形状、パターンそのもの、など）の一部又は全部を記臆させてもよい。更に、制御装置４００に強度分布を計算するシュミレーションツールを含ませてもよい。かかる構成では、制御装置４００はマスク２００のパターンデータからシュミレーションツールによってウェハＷ面上の像強度分布を計算し、必要なコントラストが得られるような照明条件を設定する。
【００９５】
また、制御装置４００に接続された入出力装置４２０から照明条件を入力してもよい。この場合、例えば、モニターに上記で設定された有効光源を投影光学系３００の瞳上に投影させた照明条件を表示するようにしておく。なお、この表示はしてもしなくてもいいように予め設定しておく。かかる場合、この表示を見てから照明条件を入力してもいい。入力された照明条件のうち、かかる照明条件が上述の最適な条件に反し、明らかに像性能を低下させるものであれば、制御装置４００はエラーメッセージをモニターに表示し、オペレータの入力指示を受け付けないようにする。または、上述した最適な条件を表示しその範囲内での入力指示を促すようにする。即ち、照明条件の禁止事項を設けておいて、入力指示がその禁止事項に含まれていれば、エラーメッセージをモニターにだして入力指示を受け付けないようにする。あるいは警告メッセージをモニターに表示してもよい。また、その際の主要なパターンの入力した照明条件のもとでのウェハ上での像やレジスト形状などのシミュレーションによる結果を画像表示してもいい。
【００９６】
照明条件が禁止事項に含まれていない場合でも、読み取られたパターン２１０の線幅から照明条件が最適照明条件と異なり像性能を低下させると予想された場合、警告メッセージをモニターに表示してもよい。例えば、中抜け半径α＝０．３の例で、σｉｎ≦α＝０．３では明らかに像性能を落とすので、エラーメセージをモニターに表示して入力指示を受け付けないようにしてもよい。また、ｋ１≦０．５以下の微細線が多い場合、外円半径σ＝０．５、σｉｎ＝α＝０．３では像性能が得られないので、エラーメッセージをモニターに表示して入力指示を受け付けないようにするか、警告メッセージと最適σ値をモニターに表示して入力指示を再考するように促してもよい。
【００９７】
外円半径σがσｍａｘを超えている場合は、ｋ１≦０．５以下の微細線が多ければ警告メッセージの表示は選択的である。しかし、ｋ１≧０．５の線のみで構成されていれば像性能が得られないので、エラーメッセージ又は警告メッセージを表示することが好ましい。
【００９８】
変形照明の場合であれば外円半径σがσｍａｘを超えていても問題はないので警告メッセージを表示しなくてもいい。又は、線幅が何であってもσｍａｘを超えている場合で、照明光学系のＮＡを超え設定できない場合であれば、エラーメッセージをモニターに表示して入力指示を受け付けないようにする。
【００９９】
あるいは、瞳面上において、０次回折光と少なくとも一の１次回折光が同時に入射する割合が大きな照明条件を求めて最適照明条件を設定してもよい。そのため、０次回折光と少なくとも１つの１次回折光が同時に入射する入射領域（Ｓ１）を含み、０次光が入射する全入射領域（Ｓ）のなかで、入射領域の割合（Ｓ１／Ｓ）を大きくする照明条件を求めればよい。
【０１００】
かかる露光方法並びに露光装置１０は中抜けを有する投影光学系３００を使用した場合であっても、照明条件を要求線幅によって変更することで高コントラストを得ることができる。よって、レジストへのパターン転写を高精度に行って高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。
【０１０１】
次に、図１８及び図１９を参照して、上述の露光装置１０を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。図１８は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）ではデバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。ステップ３（ウェハ製造）ではシリコンなどの材料を用いてウェハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は前工程と呼ばれ、マスクとウェハを用いてリソグラフィ技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウェハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【０１０２】
図１９は、ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）ではウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）ではウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置１によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウェハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施例の製造方法によれば従来は製造が難しかった高品位のデバイスを製造することができる。
【０１０３】
【実施例】
【実施例１】
実施例１では、中抜け（半径α）のある投影光学系３００を有する投影露光装置１０を用いて輪帯照明の内円半径σｉｎを変えて露光した。露光装置１０は、光源１１０としてＦ２エキシマレーザー（波長λ＝１５７ｎｍ）、投影光学系３００のＮＡ＝０．７０を使用し、線幅を限界解像線幅から大きな線幅まで細かく変化させた図２に示すパターン（即ち、５本バーのＬ＆Ｓ）を、図９に示す外円半径σ＝０．８、内円半径σｉｎの照明条件で輪帯照明した。投影光学系３００の中抜け半径α＝０．３のとき、照明条件をσｉｎ＝０．０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５３と変えた場合のピークコントラスト線幅特性の結果を図１４及び図１５に示す。ここで、図１４及び図１５は、照明条件σ＝０．８において内円半径σｉｎをパラメータとしたときの線幅に対するコントラスト及びＭＥＦを示したグラフである。図中、σｉｎをＳｉｎ、σをＳと記した。
【０１０４】
図１４及び図１５から、αとσｉｎを一致させたとき（α＝σｉｎ＝０．３）がコントラストの低下とＭＥＦの悪化が最も少ないことが理解される。なお、結果は示さないが焦点深度の低下も少ないことが確認された。焦点深度は、ｋ１≦１．０の微細な線幅でσｉｎ＝０．５３（＞α）がこの中では最も大きいが、ＭＥＦが最も大きく悪化する。
【０１０５】
結果をまとめると、σｉｎ＝αの場合、ピークコントラストとＭＥＦの悪化が最も少ない。σｉｎ＞αの場合、焦点深度(ｋ１≦１．０)や限界解像力が若干伸びるがｋ１＝０．８付近のＭＥＦを悪化させる。σｉｎ≦αの場合、コントラストや焦点深度の低下が起きる。従って、σｉｎを中抜け半径α以上に設定するとコントラストの低下を防止することができることが確認された。但し、σｉｎを中抜け半径αより大きくすると、限界解像力が伸びる代わりに、ｋ１＝０．８付近でＭＥＦの悪化があるので、σｉｎをあまり大きくしない注意が必要である。なお、図示しないがσｉｎを中抜け半径αと同じにすると、収差の影響も最小になり総合的に安定した性能が得られた。
【０１０６】
【実施例２】
中抜け（半径α）のある投影光学系３００を有する投影露光装置１０を用いて輪帯照明の外円半径σを変化させた実施例２を説明する。露光装置１０は、同様に光源１１０にＦ２エキシマレーザー（波長λ＝１５７ｎｍ）、投影光学系３００のＮＡ＝０．７０を使用し、線幅を限界解像線幅から大きな線幅まで細かく変化させた図２に示すパターン（即ち、５本バーＬ＆Ｓ）を、図９に示す外円半径σ、内円半径σｉｎ＝０．３照明条件で輪帯照明とした。投影光学系３００の中抜け半径α＝０．３のとき、照明条件σを０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０と変化させた場合のピークコントラストと線幅との関係を図１６及び図１７に示す。ここで、図１６及び図１７は、照明条件σｉｎ＝０．３において外円半径σをパラメータとしたときの線幅に対するコントラスト及びＭＥＦの特性を示すグラフである。図中、σｉｎをＳｉｎ、σをＳと記した。
【０１０７】
図１６及び図１７より、０．５≦ｋ１≦１．２で、次のことが確認される。σが小さいほどピークコントラストの悪化が少ない。但し、図示しないが焦点深度は、σ＝０．７乃至０．８が最も大きく、σ＝１．０が最も少ない。一方、ＭＥＦは、σが大きくなるほど低いｋ１側で悪化し、かつ悪化の度合いが大きい。σ≦０．８でＭＥＦ＜１．５となる場合がある。ｋ１＝０．４付近を境として、σの小さいものと大きいものでコントラストの高低が逆転する。σ≦０．５で急激にコントラストが低下し、ＭＥＦが悪化する。従って、α＝０．３では、０．５≦ｋ１においてコントラストの悪化の限界とＭＥＦの実用限界からσ≦０．８、ｋ１≦０．５でコントラストの悪化の限界とＭＥＦの実用限界からσ≦０．５が確認される。
【０１０８】
このように得られた結果から、中抜け半径α＝０．３のとき、ｋ１≧０．５の全ての線幅で８０％以上のコントラストが得られるσ＝０．７、σｉｎ＝α＝０．３の輪帯照明をデフォルトの照明条件とすることが好ましい。また、マスク２００のパターン２１０より、中抜け半径がα＝０．３のときは、σｍａｘ＝０．８より０．５≦σ≦０．８に変更してもよい。例えば、マスク２００が、１／２ピッチｋ１≧０．５のパターンで構成されていれば、デフォルトの照明条件のままでよい。あるいはコンタクトホールパターンのように単純なパターンで高コントラストを要求するものであれば、σ＝０．５、σｉｎ＝α＝０．３と設定する。１／２ピッチｋ１≧０．５の微細パターンを含んでいれば、σを大きくσ＝０．８、σｉｎ＝α＝０．３と設定する。ｋ１≦０．５の微細線が多ければ、外円半径σｍａｘ、内円半径σｉｎ＝α＝０．３の間に分布を持つ変形照明を設定してもいい。
【０１０９】
マスク２００のパターン２１０が図２に示すＸＹ方向のみの縦横パターンであれば、図１３（ｃ）及び図１３（ｄ）のような４重極照明にしてもいい。また、ＸＹ方向以外の方向があれば、外円半径σｍａｘ、内円半径σｉｎ≧αの輪帯照明に設定してもいい。一方向のみのパターンであれば、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）のような輪帯照明（有効光源）を２分割した照明にしてもいい。本露光装置１０では、方向性が限定されているものは、パターン方向と有効光源分布の方向が一致するように自動的に設定するように構成されている。
【０１１０】
このように、中抜け半径αが０．３以外であってもσの範囲の中でσを小さくすると、線幅が０．５≦ｋ１≦１．０の範囲でコントラストの低下とＭＥＦの悪化が少ない。即ち、０．５≦ｋ１の線幅を解像するときは、特にｋ１が０．７乃至０．８のときはσの下限に近づける。σを大きくすると線幅ｋ１≦０．５のコントラストと焦点深度が大きくなる。０．５≦ｋ１の線幅があればσの上限σｍａｘに近づけるか、変形照明になる。あるいは、通常のパーシャリーコヒーレントの議論がここでも適用でき、複雑な二次元形状をしているパターンであれば、σを大きくしたほうが形状再現性をよくすることができるので、パターンが何種類課の線幅を含み、複雑な形状であれば、σの上限σｍａｘに近づけるとよい。
【０１１１】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されずその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【０１１２】
【発明の効果】
本発明の露光方法及び装置は、ＭＥＦの悪化を防止するとともに高いコントラストを被処理体上に確保することができるので被処理体を高品位に露光することができる。また、本発明のデバイス製造方法は、高品位な半導体ウェハ、ＬＣＤ、薄膜磁気ヘッドなどのデバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一側面としての露光装置の概略構成図である。
【図２】 図２（ａ）はマスクの概略平面図で、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すマスクパターンに入射した光の強度分布を示すグラフである。
【図３】 コヒーレンス度σにおける投影光学系の瞳面上の光透過部分を示す平面図である。
【図４】 照明条件σ＝０．８において中抜け半径αをパラメータとしたときの線幅、規格化された線幅及びコントラストの関係を示すグラフである。
【図５】 照明条件σ＝０．８において中抜け半径αをパラメータとしたときの線幅、規格化された線幅及びＭＥＦの関係を示すグラフである。
【図６】 図１に示す照明光学系からの光がマスクにある傾きで入射する様子を示す模式図である。
【図７】 図７（ａ）乃至図７（ｆ）は、図１に示す投影光学系の瞳面上に異なる照明条件で入射した回折光の位置を各々示した図である。
【図８】 図７（ａ）乃至図７（ｆ）に示す照明を行ったときの図１に示すウェハ上に形成される光強度分布を示したグラフである。
【図９】 本発明による輪帯照明における投影光学系の瞳面上における光透過部分を示した図である。
【図１０】 図１０（ａ）は１／２ピッチｋ１＝０．５における瞳面上の回折光分布、図１０（ｂ）は１／２ピッチｋ１＝０．６における瞳面上の回折光分布、図１０（ｃ）は１／２ピッチｋ１＝０．７における瞳面上の回折光分布、図１０（ｄ）は１／２ピッチｋ１＝１．０における瞳面上の回折光分布を模式的に示す図である。
【図１１】 図１１（ａ）乃至図１１（ｄ）は、投影光学系の瞳面における有効光源分布を示す、それぞれ図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）に対応する図である。
【図１２】 図１２（ａ）乃至図１２（ｄ）は、αを大きくした場合の投影光学系の瞳面における有効光源分布を示す、それぞれ図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）に対応する図である。
【図１３】 図１３（ａ）乃至図１３（ｄ）は、図１に示す開口絞りの例示的形状を示す概略平面図である。
【図１４】 照明条件σ＝０．３において中抜け半径αをパラメータとしたときの線幅に対するコントラストを示すグラフである。
【図１５】 照明条件σ＝０．３において中抜け半径αをパラメータとしたときの線幅に対するＭＥＦを示すグラフである。
【図１６】 照明条件σｉｎ＝０．３において外側半径σをパラメータとしたときの線幅に対するコントラストを示したグラフである。
【図１７】 照明条件σｉｎ＝０．３において外側半径σをパラメータとしたときの線幅に対するＭＥＦを示したグラフである。
【図１８】 デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。
【図１９】 図１８に示すステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。
【図２０】 シュバルツシルド型投影光学系の概略断面図である。
【図２１】 投影光学系の瞳面を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 投影光学系
１０ 露光装置
１００ 照明装置
１１５ 照明光学系
１２０ 光学系
１４０ 開口絞り
１４０ａ 開口制御装置
２００ マスク
３００ 投影光学系
４００ 制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般には、露光装置に関し、特に、瞳の中央が遮光又は吸収される投影光学系を利用して半導体ウェハ用の単結晶基板、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のガラス基板などの被処理体を露光する露光方法及び露光装置、前記被処理体を使用するデバイスの製造方法、及び、前記被処理体から製造されるデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型化及び薄型化の要請から、電子機器に搭載される半導体素子の微細化への要求はますます高くなっている。例えば、マスクパターンに対するデザインルールはライン・アンド・スペース（Ｌ＆Ｓ）０．１μｍ以下の寸法像を広範囲に形成することが要求され、今後は更に８０ｎｍ以下の回路パターン形成に移行することが予想される。Ｌ＆Ｓは露光においてラインとスペースの幅が等しい状態でウェハ上に投影された像であり、露光の解像度を示す尺度である。
【０００３】
半導体製造用の代表的な露光装置である投影露光装置は、（本出願では交換可能に使用する）マスク又はレチクル上に描画されたパターンをウェハ上に投影露光する投影光学系を備えている。投影露光装置の解像度（正確に転写できる最小寸法）Ｒは、光源の波長λと投影光学系の開口数（ＮＡ）を用いて次式で与えられる。
【０００４】
【数１】
従って、波長を短くすればするほど、及び、ＮＡを上げれば上げるほど、解像度は良くなる。また、近年では、変形照明法（又は斜入射照明法）を使用して比例定数（プロセス定数とも呼ばれる）ｋ１を小さくすることも提案されている。ｋ１は、後述するように、規格化された線幅としても機能する。
【０００６】
一方、一定の結像性能を維持できる焦点範囲を焦点深度といい、焦点深度ＤＯＦは次式で与えられる。
【０００７】
【数２】
従って、波長を短くすればするほど、及び、ＮＡを上げれば上げるほど、焦点深度は小さくなる。焦点深度は小さくなるとフォーカス合せが難しくなり、基板のフラットネス（平坦度）やフォーカス精度を上げることが要求されるため、基本的に大きい方が好ましい。
【０００９】
数式１及び２から、波長を短くする方がＮＡを大きくするよりも望ましいことが理解される。近年では、露光光源の波長はＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）からＡｒＦエキシマレーザー（波長約１９３ｎｍ）に、ＮＡは約０.６から約０.７５になろうとしている。また、Ｆ２エキシマレーザー（波長約１５７ｎｍ）の実用化も進んでいる。
【００１０】
しかしながら、光の短波長化が進むと光が透過する硝材が限られてしまうために屈折素子、即ち、レンズを多用することは難しく、投影光学系に反射素子、即ち、ミラーを含めることが有利になる。例えば、色収差を緩和してスペックルを除去するカタディオプトリック光学系は、ミラーとレンズの混成型光学系として、かかる投影光学系に適している。カタディオプトリック光学系の代表例としてのシュバルツシルド（Ｓｃｈｗａｒｚｓｈｉｌｄ）型は、例えば、米国特許第４７５７３５４号公報に開示されている。
【００１１】
シュバルツシルド型光学系は、例えば、図２０に示すように、投影光学系１は４枚のレンズ２、３、６及び７と２枚のミラー４及び５を有する。ここで、図２０は、シュバルツシルド型投影光学系１の概略断面図である。シュバルツシルド型光学系は、光軸上におけるマスクＭとウェハＷの配置を可能にするが、ミラー５が影となって、図２１に示すように、瞳の中央部分が遮光される。ここで、図２１は、投影光学系１の瞳面を示す概略断面図である。図２１において、瞳面上の黒い部分が遮光された領域（中抜け領域）である。また、同図では、瞳の半径を１として瞳の半径に対する瞳の遮光又は吸収される領域の半径をαで表示している。このような投影光学系１において、中抜け半径αが０．４以上のシュバルツシルド型光学系も存在する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、瞳中心に中抜けのある投影光学系は、限界解像よりも大きいパターンを解像する場合やαが大きくなった場合に、ウェハ上でコントラストやＭＥＦ（Ｍａｓｋ ｅｒｒｏｒ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆａｃｔｏｒ）が低下して所望のパターンを転写できないという問題がある。本発明者は、かかる解像の低下の原因を鋭意検討した結果、マスクパターンの結像に必要な光が上記中抜けのために消失してしまうことにあることを発見した。なお、ＭＥＦは次式で与えられ、マスクパターンの機械的誤差によって生じるウェハ面上での所望のパターンに対するズレ（誤差）を示す指標である。
【００１３】
【数３】
そこで、中抜けのある投影光学系を使用した場合に、限界解像よりも大きな線幅のパターンを所望のコントラストで転写して所望の解像度を確保する露光方法及び装置、並びにデバイス製造方法及びデバイスを提供することを本発明の例示的目的とする。
【００１５】
本発明の一側面としての露光方法は、中央に遮光領域を持つ瞳を有する投影光学系によりマスクの周期パターンを被処理体に投影し、前記被処理体を露光する露光方法において、前記周期パターンのハーフピッチＲを、前記マスクを照明する光の波長λ及び前記投影光学系の開口数ＮＡで規格化した値ｋ１（＝Ｒ／（λ／ＮＡ））が、以下の式を満たし、０．７≦ｋ１≦０．９前記周期パターンからの０次回折光及び＋１次回折光、または前記０次回折光及び−１次回折光が、前記瞳内を前記遮光領域で遮光されずに通過し、前記周期パターンからの±３次回折光が、前記瞳内を通過しないように、前記マスクを照明する光が前記瞳に形成する有効光源の遮光部分を設定するステップを有し、前記設定された前記有効光源の遮光部分は、前記瞳の中心を中心とする半径αの円形領域と、前記瞳の中心から前記周期パターンの周期方向に１／２ｋ１だけ離れた位置を中心とする半径αの２つの円形領域または２つの半円領域と、を含み、（１＋σ）は、３／（２ｋ１）以下であることを特徴とする、ここで、αは前記瞳の直径に対する前記遮光領域の外径の割合であり、σは前記瞳の直径に対する前記有効光源の外径の割合である。
【００２６】
本発明の別の側面としてのデバイス製造方法は、上述の露光方法を用いて被処理体を露光する工程と、露光された前記被処理体を現像する工程とを有することを特徴とする。上述の露光方法の作用と同様の作用を奏するデバイス製造方法の請求項は、中間及び最終結果物であるデバイス自体にもその効力が及ぶ。よって、上述したうちいずれかの形態の露光装置を用いて投影露光された前記被処理体より製造されるデバイスも本発明の一部として機能する。また、かかるデバイスは、ＬＳＩやＶＬＳＩなどの半導体チップ、ＣＣＤ、ＬＣＤ、磁気センサー、薄膜磁気ヘッドなどを含む。
【００２７】
本発明の他の目的及び更なる特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の例示的な露光装置１０について説明する。なお、各図において同一の参照符号は同一部材を表している。ここで、図１は露光装置１０の概略構成図である。露光装置１０は、図１に示すように、照明光学系１１５を含む照明装置１００と、マスク２００と、投影光学系３００と、制御装置４００を有する。露光装置１０は、例えば、ステップアンドスキャン方式でマスク２００に形成されたパターンをウェハＷ上に露光する投影露光装置である。ここで、「ステップアンドスキャン方式」は、マスクに対してウェハを連続的にスキャンさせてマスクのパターンをウェハに露光すると共に、１ショットの露光終了後ウェハをステップ移動させて、次のショットの露光領域に移動させる投影露光法をいう。
【００２９】
照明装置１００は、典型的に、光源としてのレーザー１１０と照明光学系１１５とを有し、転写用パターンが形成されたマスク２００を照明する。
【００３０】
レーザー１１０は照明光を発光する光源で、本実施例では、波長約１５７ｎｍのＦ２エキシマレーザーであるが、波長約２４８ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー等に置換されても良い。なお、光源にレーザー１１０が使用される場合、レーザー１１０からの平行光束を所望のビーム形状に整形する光束整形光学系、コヒーレントなレーザー光束をインコヒーレント化するインコヒーレント化光学系をレーザー１１０と照明光学系１１５の間に設けることが好ましい。
【００３１】
照明光学系１１５は、マスク２００へ光束を照射する光学系であり、本実施形態ではマスク２００を変形照明することができる。照明光学系１１５は、光学系１２０、オプティカルインテグレータ（又は、ライトインテグレータ）１３０、開口絞り１４０、集光レンズ１５０、ブレード（絞り）１６０、結像レンズ１７０を有する。
【００３２】
光学系１２０は複数のレンズからなり、入射側および射出側でテレセントリックとなるアフォーカル系を構成している。アフォーカル系は、例えば、一対の光学系より構成可能であり、当該光学系はシリンドリカルレンズによって実現される。かかる光学系のうち一の光学系は光軸と垂直な面において所定の一方向に光束を拡大及び縮小可能にし、また、他方の光学系は光軸と垂直な面において当該所定の一方向と直行する方向に光束を拡大及び縮小可能にする。この一対の光学系を光軸上、且つ、レーザー１１０とオプティカルインテグレータ１３０の間に配置することで、アフォーカル系（光学系１２０）を構成することができる。露光装置１０はアフォーカル系の各倍率を変えることで、レーザー１１０から射出された光束（コヒーレント光のビーム断面）を光軸において直交する２方向に連続的に光束を拡大及び縮小することができる。なお、光学系１２０はズームレンズ等からなりレンズを光軸方向に移動させることで、倍率を変えられるようにしてもよい。
【００３３】
オプティカルインテグレータ１３０は、例えば、ハエの目レンズであって、マスク２００を効率的に均一に照明する作用を有する。
【００３４】
開口絞り１４０は可変開口絞りであり、通常の円形開口を含む後述する図９及び図１３に示すような投影光学系３００の瞳面上の光強度分布を変化させる各種の絞りからなっている。開口絞り１４０は予め代表的な半径の大きさをもつ円形開口の形状の絞りをいくつか入れておいてもいい。可変開口絞りを変えるためにはこれらの開口絞り１４０を形成した円盤状ターレットを用い、開口制御装置１４０ａが開口を切り替えるべくターレットを回転させることで可能となる。
【００３５】
集光レンズ１５０は、例えば、コンデンサーレンズであって、オプティカルインテグレータ１４０から出た光束をできるだけ多く集めて絞り１６０上で重畳的に重ね合わせ絞り１６０をケーラー照明する。結像レンズ１７０は絞り１６０を通過した高速をマスク２００面上に結像する。
【００３６】
なお、上述した光学系１２０及び開口絞り１４０（開口制御装置１４０ａ）は後述する制御装置４００によって制御され、所定半径の円形照明、輪帯２重極照明、輪帯４重極照明を含む各種の変形照明を可能にしている。露光装置１０の照明光学系１１５にはその他当業界で既知のいかなる技術をも適用可能であり、ここでは詳しい説明は省略する。
【００３７】
マスク２００上には所望のパターンが形成されており、マスク２００から発せられた回折光は投影光学系３００を通りウェハＷ上にパターン像を形成する。ウェハＷはウェハや液晶基板などの被処理体でありレジストが塗布されているものである。絞り１６０とマスク２００のフーリエ変換面は共役な関係に配置される。オプティカルインテグレータ１３０はマスク２００のフーリエ変換面の近傍に２次光源を形成する。マスク２００とウェハＷとは共役の関係にある。
【００３８】
また、本実施例ではマスク２００はマスク面上にマスクの種類、名前、パターン２１０の形状などを含むマスク２００を識別するための情報と対応するバーコードが付されている。
【００３９】
図２を参照するに、本実施例のマスク２００はバイナリマスクであり、例示的に５本線のバーパターンより形成される。ここで、図２（ａ）はマスク２００の概略平面図、図２（ｂ）はマスク２００のパターン２１０に入射した光の振幅の分布を示す図である。しかしながら、露光装置１０に適用可能なマスク２００のパターン２１０はかかる形状に限定されるものでなく、本実施例のマスク２００には所望の回路パターン２１０が形成されているにたりるものである。マスク２００は、図２（ａ）で暗く示されているように、パターン２１０の周囲で光を遮光し、図２（ａ）で明るく示されているように、パターン２１０において光を透過する。
【００４０】
投影光学系３００は、本実施例において、瞳の中央部分に中抜け（瞳の半径を１とした場合に中抜け半径α）のある投影光学系である。投影光学系３００は、例えば、全ミラー型光学系又はカタディオプトリック光学系により実現可能である。本実施例の投影光学系３００はレンズの使用数を減らし、色収差を緩和し、スペックルを除去して照明照度を均一にする機能を有し、光源１１０の波長の短波化に寄与する。
【００４１】
制御装置４００はＣＰＵ４１０、図示しないメモリ、入出力装置４２０、マスクバーコードリーダ４３０を有する。また、制御装置４００は上述した開口制御装置１４０ａ及び光学系１２０と接続されている。ＣＰＵ４１０はＭＰＵなど名前の如何を問わずいかなるプロセッサも含み、各部の動作を制御する。メモリはＲＯＭ及びＲＡＭより構成され、露光装置１０を動作するファームウェアを格納する。更に、本実施例ではメモリはデフォルトの照明条件を格納する。デフォルトの照明条件は、例えば、投影光学系３００の瞳の半径に対する中抜け領域の半径の割合αは予め分かっているので、投影光学系３００の瞳の半径に対する有効光源の内円半径σｉｎをαに一致させ、瞳の半径に対する有効光源の外円半径σを後述するσｍａｘと一致させたものである。なお、デフォルトの照明条件は後述する照明条件の代表的なものの１つであってもよいし、マスクパターン２１０の線幅に応じて自動的に最適設定されてもよい。また、メモリは予めマスク２００の名前と照明条件を対応させた情報を格納するか、マスク２００の名前とパターン２１０の線幅や方向などの詳しいパターンデータを格納する。
【００４２】
入出力装置４２０は、例えば、キーボード、液晶ディスプレイ等であって、当該周知のいかなる技術をも適用可能である。かかる入出力装置４２０を使用することで、オペレータは露光装置１０の照明条件及びマスク２００のパターン２１０を把握することができる。更に、オペレータは入出力装置４２０を使用し、任意に照明条件、露光装置１０を操作することができる。マスクバーコードリーダ４３０はマスク２００面上にあるマスクの情報が書き込まれたバーコードを読み取るためのバーコードリーダである。バーコードリーダ４３０は読み取ったマスク２００の情報を制御装置４００に送信する。なお、本実施例ではマスクバーコードリーダ４３０を使用しバーコードを介しマスク２００の情報を取得するが、バーコードリーダ４３０はこれと同様の作用を奏する装置又は技術に代替されてもよい。
【００４３】
本実施例において制御装置４００はマスクリーダ４３０より送られた情報を元にパターン２１０の線幅及び形状を検知し、かかる情報に基づき照明装置１００の照明条件（即ち、σ、σｉｎ）を変更することができる。制御装置４００は、照明光学系１１５の光学系１２０（の、例えば、アフォーカル光学系の倍率）を調節することによってσ及び／又はσｉｎを変更し、開口絞り１４０に含まれる種々の形状の絞りを選択することによってσ及び／又はσｉｎを変更することができる。
【００４４】
ウェハＷにはフォトレジストが塗布されている。フォトレジスト塗布工程は、前処理と、密着性向上剤塗布処理と、フォトレジスト塗布処理と、プリベーク処理とを含む。前処理は洗浄、乾燥などを含む。密着性向上剤塗布処理は、フォトレジストと下地との密着性を高めるための表面改質（即ち、界面活性剤塗布による疎水性化）処理であり、ＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌ−ｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）などの有機膜をコート又は蒸気処理する。プリベークはベーキング（焼成）工程であるが現像後のそれよりもソフトであり、溶剤を除去する。ウェハＷはウェハステージに載置され、ウェハＷは、例えば、マスク２００と所定の速度で同期して互いに逆方向に移動する。
【００４５】
以上説明した露光装置１０を用いることで中抜けのある投影光学系３００を使用した場合に、限界解像よりも大きな線幅のパターンを所望のコントラストで転写して所望の解像度を確保するわけだが、本発明の露光装置１０の動作（露光方法）を説明する前に、本発明の照明方法を使用しない場合の投影光学系３００の露光性能について説明する。今、波長λ＝１５７ｎｍ、開口数ＮＡ＝０．７０、コヒーレンス度σ＝０．８の一様な照明（σｉｎ＝０）をマスク２００に与える場合について考える。コヒーレンス度σは投影光学系３００の瞳の外円半径に対応するため、図３に示すように有効光源の光透過部分の半径を示す。ここで、図３は、コヒーレンス度σにおける投影光学系３００の瞳面上の光透過部分を示す平面図である。図１に示すような露光装置１０を用いてマスク２００を照明光学系１１５によって照明し、投影光学系３００を介してウェハＷ面に露光する。ここで、線幅と共に、線幅を（λ／ＮＡ）で次式のように割って規格化した線幅ｋ１を使用する。
【００４６】
【数４】
この条件で、マスク２００を照明した時の５本バーパターンの中央におけるコントラスト及びＭＥＦを計算した結果を図４及び図５に示す。ここで、図４は、照明条件σ＝０．８において中抜け半径αをパラメータとしたときの線幅、規格化された線幅ｋ１及びコントラストの関係を示すグラフである。図５は、照明条件σ＝０．８において中抜け半径αをパラメータとしたときの線幅、規格化された線幅ｋ１及びＭＥＦの関係を示すグラフである。図４及び図５において、中抜け半径αはｏｂｓ（ｏｂｓｃｕｒａｔｉｏｎ）と記す。高解像レジストは、コントラスト４０％以上で解像可能であり、焦点深度（ＤＯＦ）は０．５μｍ以上で実用可能であり、ＭＥＦは１．５以下で実用可能である。
【００４８】
図４に示すピークコントラスト及び図５に示すＭＥＦから以下のことが分かる。即ち、中抜けのないα＝０において、線幅ｋ１＝０．４のとき、ピークコントラスト＝０．５５、コントラストが４０％以上確保できる焦点深度（ＤＯＦ）＞０．６μｍ、ＭＥＦ＝１．２０＜１．５である。一方、中抜けのあるα＝０．４において、線幅ｋ１＝０．３５のとき、ピークコントラスト＝０．５０、コントラストが４０％以上確保できる焦点深度（ＤＯＦ）＝０．６μｍ、ＭＥＦ＝１．４０＜１．５である。よって、かかる線幅ｋ１において、マスク２００は実用的に解像可能である。
【００４９】
従って、中抜けのないとき、上述のコントラストとＭＴＦの定義により、限界解像線幅は次式であり、
【００５０】
【数５】
中抜けのあるとき限界解像線幅は中抜けの大きさによっても多少異なるが、次式で与えられる。
【００５２】
【数６】
従って中抜けのある光学系では限界解像線幅は中抜けのない光学系よりも限界解像は伸びることが理解される。しかし、この場合の限界解像線幅ｋ１は線幅と間隔が等しい周期パターンを考えているので、間隔が線幅よりもっと大きければ、限界解像線幅ｋ１はこれよりも小さくなる。そのため、限界解像はピッチで定義する。
【００５４】
中抜けのない投影光学系３００のバイナリマスクでの限界解像ピッチ（１／２）は次式となる。
【００５５】
【数７】
一方、瞳中央が吸収または遮光される投影光学系３００のバイナリマスクでの限界解像ピッチ（１／２）は次式となる。
【００５７】
【数８】
しかし、中抜け半径αが大きくなるほど（例えば、図４のα＝０．４に見られるように）限界解像ｋ１より大きな線幅で、特に、０．５≦ｋ１≦１．５において、コントラストが低下し、（図５のα＝０．４に見られるように）ｋ１＝０．８付近でＭＥＦが悪化する。また、図４のα＝０．４に示すように、コントラストは限界解像付近の線幅ｋ１＜０．５（例えば、ｋ１＝０．３乃至０．４）で瞳中抜けによってわずかに増加しているが、ｋ１≧０．５の線幅では中抜け半径αが大きいほど低下の割合が大きい。ｋ１≧０．５の限界解像以上の線幅の大きなパターンや中抜け半径αを大きくした場合、このようなコントラストの低下やＭＥＦの悪化が起こる。
【００５９】
本発明者はかかる原因を鋭意検討した結果、投影光学系３００に入射する光束のうち結像に寄与しない光を除くことによって、コントラストの低下とＭＥＦの悪化を防止することができることを発見した。図６を参照するに、パーシャリーコヒーレントな照明光学系１１５からの光は、コヒーレンス度σにもとづく角度範囲（即ち、０＜σ＜１）のある角度だけ傾いてマスク２００上に入射する。ここで、図６は、図１に示す照明光学系１１５からの光がマスク２００にある傾きで入射する様子を示す模式図である。マスク２００上のパターン２１０によって光が回折するが、このうち０次回折光は入射した方向に進み、０次以外の回折光はパターン２１０のピッチに応じた回折角の方向に進む。図６は、０次回折光を実線の矢印で示し、１次回折光を点線の矢印で示す。
【００６０】
図７（ａ）乃至図７（ｆ）は、異なる照明条件に基づく回折光が投影光学系３００の瞳上に入射した位置を模式的に示す。マスク２００面上のパターン２１０が線幅と間隔が等しいＬ＆Ｓの場合、回折光の次数の３までを考えると±２次回折光は消滅するため、回折光は０、±１次、±３次となる。図において、大きな丸を０次回折光、これより小さな丸を１次あるいは３次の回折光の中心とする。斜線部分は、中抜けの遮光部分を示している。
【００６１】
図７（ａ）乃至図７（ｃ）は０次回折光が遮光される場合を示す。例えば、図７（ａ）は、瞳上に０次と±１次までの回折光が入射し、０次光は遮光される状態を示している。０次回折光は結像に関与しないため、±１次回折光のみが干渉して結像する。その結果、図８（ａ）に示す光強度分布がウェハＷ上に形成される。ここで、図８（ａ）乃至図８（ｆ）は、図７（ａ）乃至図７（ｆ）による照明を行ったときのウェハＷ上での光強度分布である。かかる強度分布は周期数が約２倍になり、パターン２１０の間にもピークが存在する像が形成される。
【００６２】
図７（ｂ）は、投影光学系３００の瞳上に０次、±１次と＋３次の回折光が入射し、０次回折光と＋１次回折光が中抜けによって遮光されている状態を示している。−１次回折光と＋３次回折光のみが干渉して結像する結果、図８（ｂ）に示す光強度分布がウェハＷ上に形成され、像はパターン周期数が約４倍になる。
【００６３】
図７（ｃ）は、投影光学系３００の瞳上に０次、±１次と±３次の回折光が入射し、０次回折光と±１次回折光が中抜けによって遮光されている状態を示している。±３次の回折光のみが干渉して結像する結果、図８（ｃ）に示す光強度分布がウェハＷ上に形成され、非常に細かい間隔でピークを持ちパターン周期数は約６倍となる。
【００６４】
図７（ａ）乃至図７（ｃ）、及び、図８（ａ）乃至図８（ｃ）から理解されるように、０次回折光が他の回折光と干渉しなければ、パターン２１０からかけ離れた像が形成される。
【００６５】
図７（ｄ）乃至図７（ｆ）は、照明光学系１１５がマスク２００を変形照明（又は斜入射照明）して、０次回折光が瞳中央の中抜けを外れている（即ち、０次回折光が遮光されない）状態を示している。例えば、図７（ｄ）は、投影光学系３００の瞳上に０次回折光と±１次回折光が入射し、＋１次回折光は中抜けによって遮光されている状態を示している。０次回折光と−１次回折光のみが干渉して結像する結果、図８（ｄ）に示す光強度分布がウェハＷに形成される。図８（ｄ）に示すように、ウェハＷにはパターン２１０の形状とほとんど近い像が形成される。
【００６６】
図７（ｅ）は、投影光学系３００の瞳上に０次、±１次と＋３次の回折光が入射し、＋１次回折光のみが遮光されている状態を示している。０次回折光と−１次回折と＋３次回折光のみが干渉して結像する結果、図８（ｅ）に示す光強度分布がウェハＷに形成される。図８（ｅ）に示すように、ウェハＷに形成されるパターンは、矩形に近づいているもののそのピークは割れている。
【００６７】
図７（ｆ）は、投影光学系３００の瞳上に０次回折光と＋１次回折光と＋３次回折光が入射し、＋１次回折光が中抜けにより遮光されている状態を示している。０次回折光と＋３次回折光が干渉して結像する結果、図８（ｆ）に示す光強度分布がウェハＷに形成され、０次回折光と＋３次回折光の干渉で３倍周期の像が形成される。
【００６８】
図７（ｄ）乃至図７（ｆ）、及び、図８（ｄ）乃至図８（ｆ）から理解されるように、光強度分布のピークとピークの間隔は０次回折光と１次回折光の間隔で決定される。よって、ピーク間の間隔が保たれるためには、０次回折光と１次回折光が干渉するような照明であることが好ましい。
【００６９】
図７（ａ）乃至図７（ｆ）、図８（ａ）乃至図８（ｆ）から理解されるように、中抜けに０次回折光が入射すると遮光され、１次以上の回折光のみが結像してパターン２１０からかけ離れた像を形成する。従って、中抜けを有する投影光学系３００において、限界解像以上より大きなピッチにおいてコントラストを下げないためには、全てのピッチのパターンからの回折光の０次光が必ず入射するようにしなければならない。また、これと同時に、投影光学系３００の瞳面上において、０次光と少なくとも１つの１次光が同時に入射するようにするようにしなければならないことも理解される。換言すれば、中抜けのある投影光学系３００を利用して解像限界よりも大きな線幅を有するマスクパターン２１０を解像するためには、投影光学系３００の瞳面上における全入射領域Ｓ（図示せず）のなかで、０次回折光と少なくとも１つの１次回折光が同時に入射する入射領域Ｓ１（図示せず）を含み、入射領域の割合（Ｓ１／Ｓ）を大きくすればよいことになる。即ち、記投影光学系３００の瞳面上における０次回折光がマスク２００を照明した０次回折光の内の多くが対応する１次回折光と干渉するように投影光学系３００を照明すればよいことになる。
【００７０】
Ｓ１／Ｓが１であれば、必ず０次回折光及び少なくとも１つの１次回折光が同時に入射するのでコントラストは１になる。Ｓ１／Ｓが０であれば、必ず０次回折光及び少なくとも１つの１次回折光が同時に入射しないから、コントラストは０になる。これから、Ｓ１／Ｓはほぼコントラストに対応する量であることが分かる。例えば、コントラスト０．６以上が解像に必要であるならＳ１／Ｓ≧０．６にすればよく、シミュレーションの結果からこれが正しいことが確認された。「Ｓ１／Ｓ≧０．６」は、０次回折光とそれに対応する±１次回折光のいずれか一方の１次回折光の６割以上が干渉することを意味している。
【００７１】
０次光が必ず入射するためには、中抜け部分に０次回折光を入射させないようにすればよく、例えば、これは図９に示す輪帯照明によって実現することができる。ここで、図９は、輪帯照明における投影光学系３００の瞳面上における光透過部分を示した平面図である。図９は、遮光部分を灰色で、光透過部分を白で示す。図９を参照するに、有効光源の遮光部分の半径σｉｎを投影光学系３００の中抜け半径αと一致させると、０次回折光が中抜けで遮光されることはない。
【００７２】
０次回折光と１次回折光が同時に投影光学系３００の瞳面上に入射する条件より、輪帯照明外側のσの最適条件を求める。パターン２１０は図２のように、ｘ方向に周期があってｙ方向には十分に長く構成され、瞳上のｘ方向の回折光のみを考える。光学の結像理論から導き出される、よく知られた結果から、１／２ピッチｋ１のＬ＆Ｓパターンからの回折光において、０次回折光と１次回折光のなす距離は１／（２ｋ１）であり、０次回折光と３次回折光の距離は３／（２ｋ１）である。回折角は瞳の最大半径に入射する光の距離を１に規格化してある。
【００７３】
図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）は、１／２ピッチｋ１＝０．５、０．６、０．７、１．０の周期パターンにおける投影光学系３００の瞳面上での回折光分布を模式的に示す図である。瞳中央の領域３１０（図中、薄い灰色で示す）は中抜け（半径α）によって光を遮光する部分である。灰色の丸は回折光を示し、大きな丸が０次回折光を、小さな丸が１次回折光を示す。
【００７４】
中抜けに０次回折光を入射させない、即ち、領域３１０以外に０次回折光を入射するような輪帯照明で照明すると、領域３１０には０次回折光は入射しないが１次回折光が入射する場合がある。例えば、１／２ピッチｋ１が０．５のとき、図１０（ａ）に示すように、０次回折光が領域３２０（図中、点線で示す）に入射すると領域３１０に片側の１次回折光が入射する。図示しない他方の１次回折光は投影光学系３００の瞳の外側に外れるため、０次回折光のみが瞳を通過する。同様に、図１０（ｂ）乃至（ｄ）において、０次回折光が領域３２０に入射すると中抜け領域３１０に１次回折光が入射する。つまり、領域３２０に０次回折光が入射しても１次回折光が投影光学系３００の有効となる瞳面上に入射しない。よって、ウェハには所望のコントラストが形成されず、パターンが形成されない。従って、領域３２０を避けるような有効光源にすればパターン転写を有効に行うことができる。
【００７５】
そこで、図１１に示す有効光源を投影光学系３００の瞳面に形成することが考えられる。ここで、図１１（ａ）乃至（ｄ）は、図１０（ａ）乃至（ｄ）に対応し、０次光と１次光が同時に入射する投影光学系３００の瞳面上における有効光源分布を示す図である。図１１（ａ）乃至（ｄ）において、領域３３０（濃い灰色で示す領域）を有効光源にすると、０次光のみが入射する領域３２０との交わりをなくすことができる。
【００７６】
中抜け半径αが図１１に示すそれよりも大きい場合は、図１２に示す有効光源を投影光学系３００の瞳面に形成することが考えられる。ここで、図１２（ａ）乃至（ｄ）は、図１０（ａ）乃至（ｄ）に対応し、投影光学系３００の瞳面における有効光源分布を示す図である。有効光源は図１２（ａ）乃至（ｄ）の領域３３０（濃い灰色で示す領域）のようにすると、１次回折光は領域３２０と交わりを少なくすることができる。しかし、図１２（ｂ）に示す１／２ピッチｋ１＝０．６の場合と、図１２（ｃ）に示す１／２ピッチｋ１＝０．７の場合は、有効光源と領域３２０との交わる部分が存在し、領域３３０が図１２（ａ）１／２ピッチｋ１＝０．５或いは図１２（ｄ）の１／２ピッチｋ１＝１．０場合と比べても小さくなっている。
【００７７】
シミュレーションの結果より、中抜け半径αが０．４以上になると、１／２ピッチｋ１＝０．７以上、特に０．７乃至０．８のパターン２１０では有効光源を輪帯照明にする限り１次回折光が遮光される割合が大きくなる。例えば、図１２に示すようにｋ１が大きいほど０次回折光と１次回折光の間隔が小さくなるため、領域３２０が投影光学系３００の中心に寄ってきて領域３３０と交わってしまう。但し、１／２ピッチｋ１＝０．８以上では、中抜け領域３１０に片側の１次回折光が入射しても他方の１次回折光が瞳面上の入射するので、領域３２０が略半円となり有効光源と領域３２０との交わりが少なくなり、領域３３０は図１２（ａ）とほぼ同じと見なせる。
【００７８】
また、０次回折光と１次回折光が干渉しても３次回折光が加わると、０次回折光と３次回折光の干渉、及び１次回折光と３次回折光の干渉が加わる。この結果、３倍、４倍周期の成分が加わり、図８（ｅ）に示すようなピーク割れが生じてしまう。図５に示すグラフは、中抜けがあると１／２ピッチｋ１＝０．８付近でＭＥＦが悪化することを示しているが、これも、ｋ１＝０．８以上で３次回折光が結像に関与するためである。
【００７９】
ｋ１＝０．８において、０次回折光と３次回折光の瞳面上の距離は３／（２ｋ１）＝１．８７５である。瞳の半径は１だから、０次回折光と３次回折光の距離３／（２ｋ１）が２よりも小さければ０次回折光と３次回折光は投影光学系３００の瞳面に入射する。より詳細には、コヒーレンス度σを考慮すると０次回折光と３次回折光が瞳面上で採り得る最長距離は（１＋σ）であって、距離３／（２ｋ１）が（１＋σ）よりも小さければ０次回折光と３次回折光は瞳面に入射する。即ち、１／２ピッチｋ１＝０．８より小さなピッチでは回折角が（１＋σ）より大きくなり、３次回折光が瞳面に入らなくなる。１／２ピッチｋ１が０．８より大きいと、３次回折光が結像に関与する。３次回折光が結像に関与しないようにするためには、（１＋σ）を小さくするとよいことが理解される。従って、１／２ピッチ０．５≦ｋ１≦１．０で０次回折光と１次回折光が同時に入る領域と、それに３次回折光が入らなくなる領域を考慮すると、σが小さいほうがコントラストの低下とＭＥＦの悪化を小さくすることができる。しかし、通常のパーシャリーコヒーレントの理論から解されるように、σをあまり小さくすると逆に解像力が落ちて形状再現性も悪くなる。よって、次のようにσを決定すればよい。
【００８０】
中抜け（半径α）のある投影光学系３００において、照明条件は図９のような輪帯照明とし、輪帯照明の内円半径σｉｎは次式で与えられる。
【００８１】
【数９】
輪帯照明の外円半径σは次式で与えられる。
【００８３】
【数１０】
但し、σの上限は中抜け半径αと関係し、次式で与えられる。
【００８５】
【数１１】
σはこの範囲内で小さくすると、特に、線幅０．５≦ｋ１≦１．０のコントラストの低下とＭＥＦの悪化が少なく、シミュレーションの結果からこれが正しいことが確認された。
【００８７】
輪帯照明の内円半径σｉｎの最適条件についても詳細に調べた。結果をまとめると、（１）σｉｎ＝αの場合、ピークコントラストの低下とＭＥＦの悪化が最も少ない、（２）σｉｎ＞αの場合、焦点深度（ｋ１≦１．０）や限界解像力が若干伸びるがｋ１＝０．８付近のＭＥＦが悪化する、（３）σｉｎ＜αの場合、コントラストや深度が低下する。従って、σｉｎを中抜け半径α以上にするとコントラストの低下を防止することができる。ただし、σｉｎを中抜け半径αより大きくすると、限界解像力が伸びる代わりにｋ１＝０．８付近でＭＥＦが悪化するため、σｉｎをあまり大きくしない注意が必要である。σｉｎを中抜け半径αと同じにすると、収差の影響も最小になり、総合的に安定した性能が得られる。
【００８８】
また、有効光源分布がσｉｎからσの範囲内であれば、パターン２１０の方向にあわせて図１３（ａ）乃至（ｄ）に示す形状の開口絞り１４０を使用し、かかる形状の変形光源を用いてもいい。ここで、図１３（ａ）乃至（ｄ）は、図１に示す開口絞り１４０の例示的な形状を示す概略平面図である。図１３に示すように、パターンがｙ方向に周期があってｘ方向に長い場合、図１３（ａ）又は図１３（ｂ）のような開口絞り１４０にするとよい。一方、パターン２１０がｘ、ｙ方向に伸びる場合は、図１３（ｃ）又は図１３（ｄ）に示すような開口絞り１４０にするとよい。
【００８９】
上述したように中抜け半径αが０．４以上のとき、輪帯照明はあるピッチにおいて１次回折光が中抜けする領域３２０と有効光源が交わってしまう場合がある（例えば、図１２（ｃ）に示す）。しかし、パターン２１０の方向を一方向に限れば、図１２（ｃ）に示す領域３２０と重ならない有効光源をとることができる。即ち、図１３（ａ）に示す開口絞り１４０を使用し、輪帯照明のｘ軸上を遮光する有効光源である。また、図１３（ｂ）に示す開口絞り１４０を使用してもよい。このようにすると、ｙ方向に周期のあるｘ方向に長いパターンにおいて、線幅ｋ１が０．５以上で高コントラストが得られる。
【００９０】
０次回折光と１次回折光でパターンが形成するパターン２１０として、コンタクトホールやその他任意形状のパターンであってもよい。また、マスク２００はバイナリマスクの他、ハーフトーン型位相シフトマスクでも適用できる。光透過型のコンタクトホールの場合、輪帯照明の外円半径σは０．５付近が性能がよいことが、計算結果より解っている。
【００９１】
以上をまとめると、次のような照明条件が最適である。照明光の瞳上の光源分布を、瞳半径を１としたときの、有効光源分布とする。通常のバイナリマスクでは、図９に示すように、有効光源外円半径σを０．５乃至０．９にし、内円半径σｉｎをα≦σｉｎの輪帯照明にする（α＜０．５）。特に、外円半径σの上限は数式１１に従う。上式より、αが０．２５以下のときはσｍａｘ＝０．９より０．５≦σ≦０．９、αが０．３０のときはσｍａｘ＝０．８より０．５≦σ≦０．８、αが０．４５のときはσｍａｘ＝０．５よりσ＝０．５とすると像性能が良好となる。
【００９２】
以下、本発明の露光装置１０の動作について説明する。図１に良く示されるように、露光装置１０はマスク２００を照明装置１００によって照明し、投影光学系３００を介しウェハ面上に所望のマスク２００のパターン２１０を露光する。より詳細には、露光装置１０は制御装置４００が光学系１２０に信号を送り、デフォルトの照明条件にもとづいて光学系１２０の角倍率を所定の値にしておく。その後、マスク２００の種類、名前などの情報を書き込んだマスク面上のバーコードをバーコードリーダ４３０で読み取り、マスク２００をレチクルステージに設定する。制御装置４００はバーコードの情報に基づいて最適な照明条件をきめ、その照明条件に基づいて照明系１２０の開口制御装置１４０ａと光学系１２０に信号を送り、開口絞り１４０及び光学系１２０を起動させる。
【００９３】
例えば、限界解像のごく近傍の線幅（１／２ピッチ）でｋ１が０．５以下のパターンのみであれば、輪帯照明の外円半径σをσｍａｘに設定したほうがいいので、デフォルト位置に絞りをあわせたままにする。又は、最小の線幅が限界解像より大きい（１／２ピッチ）ｋ１が０．７乃至０．９であれば、輪帯照明の外円半径σを最小値の０．５に設定する。また、よって、制御装置４００はこれに相当する大きさに光学系１２０を動かし、角倍率を変えてσの大きさを変化させる。即ち、制御装置４００はメモリに格納された照明条件に基づいて開口制御装置１４０ａ及び光学系１２０に信号を送り、開口絞り１４０及び光学系１２０を所定の照明条件となるように制御する。なお、照明条件は上述した通りとし、ここでは詳細な説明を省略する。後述する実施例において、かかる照明条件は更によく理解されるであろう。
【００９４】
制御装置４００の中にマスク１００のパターンデータ（例えば、パターンを構成する一又は複数の線幅、主要パターンの形状、パターンそのもの、など）の一部又は全部を記臆させてもよい。更に、制御装置４００に強度分布を計算するシュミレーションツールを含ませてもよい。かかる構成では、制御装置４００はマスク２００のパターンデータからシュミレーションツールによってウェハＷ面上の像強度分布を計算し、必要なコントラストが得られるような照明条件を設定する。
【００９５】
また、制御装置４００に接続された入出力装置４２０から照明条件を入力してもよい。この場合、例えば、モニターに上記で設定された有効光源を投影光学系３００の瞳上に投影させた照明条件を表示するようにしておく。なお、この表示はしてもしなくてもいいように予め設定しておく。かかる場合、この表示を見てから照明条件を入力してもいい。入力された照明条件のうち、かかる照明条件が上述の最適な条件に反し、明らかに像性能を低下させるものであれば、制御装置４００はエラーメッセージをモニターに表示し、オペレータの入力指示を受け付けないようにする。または、上述した最適な条件を表示しその範囲内での入力指示を促すようにする。即ち、照明条件の禁止事項を設けておいて、入力指示がその禁止事項に含まれていれば、エラーメッセージをモニターにだして入力指示を受け付けないようにする。あるいは警告メッセージをモニターに表示してもよい。また、その際の主要なパターンの入力した照明条件のもとでのウェハ上での像やレジスト形状などのシミュレーションによる結果を画像表示してもいい。
【００９６】
照明条件が禁止事項に含まれていない場合でも、読み取られたパターン２１０の線幅から照明条件が最適照明条件と異なり像性能を低下させると予想された場合、警告メッセージをモニターに表示してもよい。例えば、中抜け半径α＝０．３の例で、σｉｎ≦α＝０．３では明らかに像性能を落とすので、エラーメセージをモニターに表示して入力指示を受け付けないようにしてもよい。また、ｋ１≦０．５以下の微細線が多い場合、外円半径σ＝０．５、σｉｎ＝α＝０．３では像性能が得られないので、エラーメッセージをモニターに表示して入力指示を受け付けないようにするか、警告メッセージと最適σ値をモニターに表示して入力指示を再考するように促してもよい。
【００９７】
外円半径σがσｍａｘを超えている場合は、ｋ１≦０．５以下の微細線が多ければ警告メッセージの表示は選択的である。しかし、ｋ１≧０．５の線のみで構成されていれば像性能が得られないので、エラーメッセージ又は警告メッセージを表示することが好ましい。
【００９８】
変形照明の場合であれば外円半径σがσｍａｘを超えていても問題はないので警告メッセージを表示しなくてもいい。又は、線幅が何であってもσｍａｘを超えている場合で、照明光学系のＮＡを超え設定できない場合であれば、エラーメッセージをモニターに表示して入力指示を受け付けないようにする。
【００９９】
あるいは、瞳面上において、０次回折光と少なくとも一の１次回折光が同時に入射する割合が大きな照明条件を求めて最適照明条件を設定してもよい。そのため、０次回折光と少なくとも１つの１次回折光が同時に入射する入射領域（Ｓ１）を含み、０次光が入射する全入射領域（Ｓ）のなかで、入射領域の割合（Ｓ１／Ｓ）を大きくする照明条件を求めればよい。
【０１００】
かかる露光方法並びに露光装置１０は中抜けを有する投影光学系３００を使用した場合であっても、照明条件を要求線幅によって変更することで高コントラストを得ることができる。よって、レジストへのパターン転写を高精度に行って高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。
【０１０１】
次に、図１８及び図１９を参照して、上述の露光装置１０を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。図１８は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）ではデバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。ステップ３（ウェハ製造）ではシリコンなどの材料を用いてウェハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は前工程と呼ばれ、マスクとウェハを用いてリソグラフィ技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウェハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【０１０２】
図１９は、ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）ではウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）ではウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置１によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウェハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施例の製造方法によれば従来は製造が難しかった高品位のデバイスを製造することができる。
【０１０３】
【実施例】
【実施例１】
実施例１では、中抜け（半径α）のある投影光学系３００を有する投影露光装置１０を用いて輪帯照明の内円半径σｉｎを変えて露光した。露光装置１０は、光源１１０としてＦ２エキシマレーザー（波長λ＝１５７ｎｍ）、投影光学系３００のＮＡ＝０．７０を使用し、線幅を限界解像線幅から大きな線幅まで細かく変化させた図２に示すパターン（即ち、５本バーのＬ＆Ｓ）を、図９に示す外円半径σ＝０．８、内円半径σｉｎの照明条件で輪帯照明した。投影光学系３００の中抜け半径α＝０．３のとき、照明条件をσｉｎ＝０．０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５３と変えた場合のピークコントラスト線幅特性の結果を図１４及び図１５に示す。ここで、図１４及び図１５は、照明条件σ＝０．８において内円半径σｉｎをパラメータとしたときの線幅に対するコントラスト及びＭＥＦを示したグラフである。図中、σｉｎをＳｉｎ、σをＳと記した。
【０１０４】
図１４及び図１５から、αとσｉｎを一致させたとき（α＝σｉｎ＝０．３）がコントラストの低下とＭＥＦの悪化が最も少ないことが理解される。なお、結果は示さないが焦点深度の低下も少ないことが確認された。焦点深度は、ｋ１≦１．０の微細な線幅でσｉｎ＝０．５３（＞α）がこの中では最も大きいが、ＭＥＦが最も大きく悪化する。
【０１０５】
結果をまとめると、σｉｎ＝αの場合、ピークコントラストとＭＥＦの悪化が最も少ない。σｉｎ＞αの場合、焦点深度(ｋ１≦１．０)や限界解像力が若干伸びるがｋ１＝０．８付近のＭＥＦを悪化させる。σｉｎ≦αの場合、コントラストや焦点深度の低下が起きる。従って、σｉｎを中抜け半径α以上に設定するとコントラストの低下を防止することができることが確認された。但し、σｉｎを中抜け半径αより大きくすると、限界解像力が伸びる代わりに、ｋ１＝０．８付近でＭＥＦの悪化があるので、σｉｎをあまり大きくしない注意が必要である。なお、図示しないがσｉｎを中抜け半径αと同じにすると、収差の影響も最小になり総合的に安定した性能が得られた。
【０１０６】
【実施例２】
中抜け（半径α）のある投影光学系３００を有する投影露光装置１０を用いて輪帯照明の外円半径σを変化させた実施例２を説明する。露光装置１０は、同様に光源１１０にＦ２エキシマレーザー（波長λ＝１５７ｎｍ）、投影光学系３００のＮＡ＝０．７０を使用し、線幅を限界解像線幅から大きな線幅まで細かく変化させた図２に示すパターン（即ち、５本バーＬ＆Ｓ）を、図９に示す外円半径σ、内円半径σｉｎ＝０．３照明条件で輪帯照明とした。投影光学系３００の中抜け半径α＝０．３のとき、照明条件σを０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０と変化させた場合のピークコントラストと線幅との関係を図１６及び図１７に示す。ここで、図１６及び図１７は、照明条件σｉｎ＝０．３において外円半径σをパラメータとしたときの線幅に対するコントラスト及びＭＥＦの特性を示すグラフである。図中、σｉｎをＳｉｎ、σをＳと記した。
【０１０７】
図１６及び図１７より、０．５≦ｋ１≦１．２で、次のことが確認される。σが小さいほどピークコントラストの悪化が少ない。但し、図示しないが焦点深度は、σ＝０．７乃至０．８が最も大きく、σ＝１．０が最も少ない。一方、ＭＥＦは、σが大きくなるほど低いｋ１側で悪化し、かつ悪化の度合いが大きい。σ≦０．８でＭＥＦ＜１．５となる場合がある。ｋ１＝０．４付近を境として、σの小さいものと大きいものでコントラストの高低が逆転する。σ≦０．５で急激にコントラストが低下し、ＭＥＦが悪化する。従って、α＝０．３では、０．５≦ｋ１においてコントラストの悪化の限界とＭＥＦの実用限界からσ≦０．８、ｋ１≦０．５でコントラストの悪化の限界とＭＥＦの実用限界からσ≦０．５が確認される。
【０１０８】
このように得られた結果から、中抜け半径α＝０．３のとき、ｋ１≧０．５の全ての線幅で８０％以上のコントラストが得られるσ＝０．７、σｉｎ＝α＝０．３の輪帯照明をデフォルトの照明条件とすることが好ましい。また、マスク２００のパターン２１０より、中抜け半径がα＝０．３のときは、σｍａｘ＝０．８より０．５≦σ≦０．８に変更してもよい。例えば、マスク２００が、１／２ピッチｋ１≧０．５のパターンで構成されていれば、デフォルトの照明条件のままでよい。あるいはコンタクトホールパターンのように単純なパターンで高コントラストを要求するものであれば、σ＝０．５、σｉｎ＝α＝０．３と設定する。１／２ピッチｋ１≧０．５の微細パターンを含んでいれば、σを大きくσ＝０．８、σｉｎ＝α＝０．３と設定する。ｋ１≦０．５の微細線が多ければ、外円半径σｍａｘ、内円半径σｉｎ＝α＝０．３の間に分布を持つ変形照明を設定してもいい。
【０１０９】
マスク２００のパターン２１０が図２に示すＸＹ方向のみの縦横パターンであれば、図１３（ｃ）及び図１３（ｄ）のような４重極照明にしてもいい。また、ＸＹ方向以外の方向があれば、外円半径σｍａｘ、内円半径σｉｎ≧αの輪帯照明に設定してもいい。一方向のみのパターンであれば、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）のような輪帯照明（有効光源）を２分割した照明にしてもいい。本露光装置１０では、方向性が限定されているものは、パターン方向と有効光源分布の方向が一致するように自動的に設定するように構成されている。
【０１１０】
このように、中抜け半径αが０．３以外であってもσの範囲の中でσを小さくすると、線幅が０．５≦ｋ１≦１．０の範囲でコントラストの低下とＭＥＦの悪化が少ない。即ち、０．５≦ｋ１の線幅を解像するときは、特にｋ１が０．７乃至０．８のときはσの下限に近づける。σを大きくすると線幅ｋ１≦０．５のコントラストと焦点深度が大きくなる。０．５≦ｋ１の線幅があればσの上限σｍａｘに近づけるか、変形照明になる。あるいは、通常のパーシャリーコヒーレントの議論がここでも適用でき、複雑な二次元形状をしているパターンであれば、σを大きくしたほうが形状再現性をよくすることができるので、パターンが何種類課の線幅を含み、複雑な形状であれば、σの上限σｍａｘに近づけるとよい。
【０１１１】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されずその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【０１１２】
【発明の効果】
本発明の露光方法及び装置は、ＭＥＦの悪化を防止するとともに高いコントラストを被処理体上に確保することができるので被処理体を高品位に露光することができる。また、本発明のデバイス製造方法は、高品位な半導体ウェハ、ＬＣＤ、薄膜磁気ヘッドなどのデバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一側面としての露光装置の概略構成図である。
【図２】 図２（ａ）はマスクの概略平面図で、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すマスクパターンに入射した光の強度分布を示すグラフである。
【図３】 コヒーレンス度σにおける投影光学系の瞳面上の光透過部分を示す平面図である。
【図４】 照明条件σ＝０．８において中抜け半径αをパラメータとしたときの線幅、規格化された線幅及びコントラストの関係を示すグラフである。
【図５】 照明条件σ＝０．８において中抜け半径αをパラメータとしたときの線幅、規格化された線幅及びＭＥＦの関係を示すグラフである。
【図６】 図１に示す照明光学系からの光がマスクにある傾きで入射する様子を示す模式図である。
【図７】 図７（ａ）乃至図７（ｆ）は、図１に示す投影光学系の瞳面上に異なる照明条件で入射した回折光の位置を各々示した図である。
【図８】 図７（ａ）乃至図７（ｆ）に示す照明を行ったときの図１に示すウェハ上に形成される光強度分布を示したグラフである。
【図９】 本発明による輪帯照明における投影光学系の瞳面上における光透過部分を示した図である。
【図１０】 図１０（ａ）は１／２ピッチｋ１＝０．５における瞳面上の回折光分布、図１０（ｂ）は１／２ピッチｋ１＝０．６における瞳面上の回折光分布、図１０（ｃ）は１／２ピッチｋ１＝０．７における瞳面上の回折光分布、図１０（ｄ）は１／２ピッチｋ１＝１．０における瞳面上の回折光分布を模式的に示す図である。
【図１１】 図１１（ａ）乃至図１１（ｄ）は、投影光学系の瞳面における有効光源分布を示す、それぞれ図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）に対応する図である。
【図１２】 図１２（ａ）乃至図１２（ｄ）は、αを大きくした場合の投影光学系の瞳面における有効光源分布を示す、それぞれ図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）に対応する図である。
【図１３】 図１３（ａ）乃至図１３（ｄ）は、図１に示す開口絞りの例示的形状を示す概略平面図である。
【図１４】 照明条件σ＝０．３において中抜け半径αをパラメータとしたときの線幅に対するコントラストを示すグラフである。
【図１５】 照明条件σ＝０．３において中抜け半径αをパラメータとしたときの線幅に対するＭＥＦを示すグラフである。
【図１６】 照明条件σｉｎ＝０．３において外側半径σをパラメータとしたときの線幅に対するコントラストを示したグラフである。
【図１７】 照明条件σｉｎ＝０．３において外側半径σをパラメータとしたときの線幅に対するＭＥＦを示したグラフである。
【図１８】 デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。
【図１９】 図１８に示すステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。
【図２０】 シュバルツシルド型投影光学系の概略断面図である。
【図２１】 投影光学系の瞳面を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 投影光学系
１０ 露光装置
１００ 照明装置
１１５ 照明光学系
１２０ 光学系
１４０ 開口絞り
１４０ａ 開口制御装置
２００ マスク
３００ 投影光学系
４００ 制御装置
Claims (4)
- 中央に遮光領域を持つ瞳を有する投影光学系によりマスクの周期パターンを被処理体に投影し、前記被処理体を露光する露光方法において、
前記周期パターンのハーフピッチＲを、前記マスクを照明する光の波長λ及び前記投影光学系の開口数ＮＡで規格化した値ｋ１（＝Ｒ／（λ／ＮＡ））が、以下の式を満たし、
０．７≦ｋ１≦０．９
前記周期パターンからの０次回折光及び＋１次回折光、または前記０次回折光及び−１次回折光が、前記瞳内を前記遮光領域で遮光されずに通過し、
前記周期パターンからの±３次回折光が、前記瞳内を通過しないように、
前記マスクを照明する光が前記瞳に形成する有効光源の遮光部分を設定するステップを有し、
前記設定された前記有効光源の遮光部分は、前記瞳の中心を中心とする半径αの円形領域と、前記瞳の中心から前記周期パターンの周期方向に１／２ｋ１だけ離れた位置を中心とする半径αの２つの円形領域または２つの半円領域と、を含み、
（１＋σ）は、３／（２ｋ１）以下であることを特徴とする露光方法、
ここで、αは前記瞳の直径に対する前記遮光領域の外径の割合であり、σは前記瞳の直径に対する前記有効光源の外径の割合である。 - 前記マスクを照明する光が前記投影光学系の瞳に形成する有効光源の形状は、輪帯状、２重極状、または４重極状であることを特徴とする請求項１記載の露光方法。
- 前記投影光学系の限界解像ハーフピッチは、ｋ１で表すと０．３５であることを特徴とする請求項１記載の露光方法。
- 請求項１乃至３のいずれか一項記載の露光方法を用いて被処理体を露光する工程と、露光された前記被処理体を現像する工程とを有することを特徴とするデバイス製造方法。
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