JP4011896B2 - 露光方法 - 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）や位相シフトマスクを使用して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、瞳の径を１として瞳の径に対する瞳の遮光又は吸収される領域の径の割合を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】
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、かかる問題が、特に、位相シフトマスクにおいて大きくなることを発見した。
【００１３】
そこで、本発明は、中抜けのある投影光学系と位相シフトマスクを使用した場合に、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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面としての露光方法は、瞳の中央が常に遮光される投影光学系で、位相シフトマスクのパターン像を被処理体に投影するステップと、前記投影光学系の瞳上に所定の有効光源を形成する照明光で、前記位相シフトマスクを照明するステップと、を有し、前記投影光学系の瞳の中央の遮光領域は、半径α（瞳の半径を１としたときの値）の円形であり、前記位相シフトマスクのパターンは、所定の方向に周期的に並べられた複数のラインパターンを含み、前記所定の有効光源は、前記所定の方向と直交する方向に並んだ２つの極を持つ二重極状であり、中央の半径が前記αである円形の領域が遮光されていることを特徴とする。
【００２８】
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。
【００２９】
【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。
【００３０】
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。
【００３１】
レーザー１１０は照明光を発光する光源で、波長約１５７ｎｍのＦ２エキシマレーザーである。しかし、レーザー１１０は波長約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の間に設けてもよい。
【００３２】
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、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。
【００３３】
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。これらは公開特許平成５年第４７６３９号公報のようにアフォーカル系の各倍率を変えることにより入射光速のビーム断面形状を変化可能に構成される。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交する方向に光束を拡大及び縮小可能にする。かかる光学系よりアフォーカル系（光学系１２０）を構成することで、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は公開特許平成５年第４７６４０号公報のようにズームレンズ等からなり、レンズを光軸方向に移動させ角倍率を変えられるようにしてもよい。
【００３４】
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。
【００３５】
開口絞り１４０は可変開口絞りであり、通常の円形開口及び後述する図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。
【００３６】
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。なお、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及び２重極照明が照明可能に構成されている。なお、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。本実施形態において、マスク２００はレベンソン型とエッジシフト型の位相シフトパターンの少なくとも一を有する。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及び図３を参照するに、本実施例のマスク２００は位相シフトマスクであり、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及び図３は、（ａ）はマスク２００及び２００Ａの概略平面図、（ｂ）は（ａ）に示すマスク２００及び２００Ｂ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、マスク２００には所望の回路パターンが形成可能である。マスク２００はパターン２１０の周囲が暗く、パターン２１０の内部が光を透過し明るく示されおり、マスク２００はパターン透過型である。ここで、パターン２１０は線幅と間隔が等しいＬ＆Ｓとし、光の位相が隣同士でπずれている。なお、マスク２００は、図３に示すパターン２１０が遮光されたパターン遮光型のマスク２００Ａであってもよい。マスク２００Ａは、マスク２００と同様、線幅と間隔が等しいＬ＆Ｓであり、光の位相が隣同士でπずれている。
【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の中抜けの半径αはあらかじめわかっているので、有効光源を投影光学系３００の瞳上に投影させた輪帯照明の内側半径σｉｎをαに一致させ、図３の輪帯照明の外側半径σｍａｘを投影光学系３００の瞳の半径に一致させている。また、メモリには予めマスク２００の名前と照明条件を対応させた情報を格納させておく、あるいは、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が格納されている。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。
【００４２】
本実施例において制御装置４００はマスクバーコードリーダ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の照明条件を切り替える。また、制御装置４００はマスク２００のパターン２１０と照明条件を比較し、かかるパターン２１０が解像可能であるか判断する。かかる判断において、解像不可能と判断された場合、制御装置４００は露光動作を中止する。更に、制御装置４００はマスク２００のパターン２１０と照明条件を比較し、パターン２１０のコントラストが必要とするコントラスト（例えば、０．６）であるか判断する。かかる判断において、パターン２１０のコントラストが必要とするコントラストより小さいと判断すれば、照明条件が不適切でる旨をオペレータに知らせる。なお、オペレータへの伝達方法は入出力装置４２０の例えば、液晶ディスプレイにかかる旨を表示したり、アラームを使用したりしてもよい。
【００４３】
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。
【００４４】
露光装置１０の動作を説明する前に、中抜けのある投影光学系３００を有する露光装置１０に位相シフトマスクを適用したときの露光原理について説明する。露光装置１０は波長がＦ２（λ＝１５７ｎｍ）、開口数ＮＡ＝０．７０とし、コヒーレンス度がσ＝０．３の一様分布の照明とした。コヒーレンス度σは、図４のように有効光源における光透過部分の半径を示す。ここで、図４は、コヒーレンス度σ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図である。
【００４５】
図５に示すように、位相シフトマスクであるマスク２００のパターン２１０によって光が回折する。ここで、図５は、図１に示す投影光学系３００にマスク２００を介し入射する光の様子を示した模式図である。このうち入射した方向に進む０次回折光は位相がπだけ異なる隣接する光と干渉することで消失し、０次以外の回折光はパターンのピッチに応じた回折角の方向に進む。なお、高次の回折光のうち偶数次の回折光についても、０次と同様、消失する。図５では、実際には消失する０次回折光を点線の矢印で示し、±１次回折光を実線の矢印で示した。なお、±１次回折光のなす各（回折角）は、位相の反転しないパターンの１／２の角度となる。
【００４６】
かかる条件において、マスク２００を介し照明した時の１次元強度分布を計算した結果を図６及び図７に示す。ここで、図６及び図７は、ウェハ上に到達する光の１次元強度分布を示した図である。図６は線幅が０．２７μｍ、中抜け半径αが０の場合であって、図７は線幅が０．２７μｍ、中抜け半径αが０．３の場合を示している。以下、明細書において、線幅は線幅を（λ／ＮＡ）で割って規格化した数式３で表したｋ１を使用する。
【００４７】
【数３】
【００４８】
例えば、線幅０．２７μｍはｋ１＝１．２（ｋ１＝０．２７μｍ／（１５７ｎｍ／０．７０））である。
【００４９】
図より、中抜けがあると強度ピークが下がり、かかる強度ピーク間の最小値の強度が大きくなっていることがわかる。また、これより線幅が大きくなると、強度ピークの間の強度がさらに大きくなり、パターンとして分離しなくなったり、本来のパターンとは別の偽解像が生じたりする。
【００５０】
また計算結果から、（１）瞳中抜け（α）が大きくなるほど、限界解像より大きな線幅で、特に０．５≦ｋ１のピークコントラストの低下があること、（２）コントラスト深度は限界解像付近の線幅ｋ１＜０．７で瞳中抜けによって増加するが、０．７≦ｋ１の限界解像より大きな線幅では瞳中抜けの大きいほど低下の割合が大きいことが分かっている。瞳中抜けのある光学系は、ｋ１≦０．５において所望のコントラストと焦点深度（ＤＯＦ）を有するが、限界解像線幅は中抜けのない光学系と変わらない。また、理論的解像限界は、線幅又はピッチを投影光学系のＮＡと波長λによって規格化された長さｋ１によってあらわすと、次式のようになる。
【００５１】
【数４】
【００５２】
位相シフトマスクは、隣り合う微細パターンの光の位相がπずれていることによって解像が可能であるから、２本線以上の周期パターンである必要がある。そのため、限界解像を次のようにピッチで定義してもよい。
【００５３】
【数５】
【００５４】
このような中抜けのある光学系において、位相シフトマスクの解像は、限界解像近傍では所望のコントラストを有するが、限界解像より大きな線幅、特にｋ１≧１．０ではコントラストが低下し、解像しなくなるという欠点を有する。そこで、本発明者はかかる欠点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をなくすことができることを発見した。
【００５５】
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）の中の、ある角度だけ傾いてマスク２００上に入射する。これらの回折光が投影光学系３００の瞳面上に入射した位置を模式的に示したものが図８である。ここで、図８は、マスク２００を介し投影光学系３００に入射する光の当該投影光学系３００の瞳上に入射する回折光の位置を、条件が異なる場合を（ａ）乃至（ｃ）で示した図である。位相シフトマスクの線幅と間隔が等しいＬ＆Ｓにおいて０次の回折光は消滅するが、光の入射方向を考える意味で０次の回折光と、±１次、±３次回折光までを考える。図８において、丸で示した点が回折光の分布の中心を示す。白い丸が０次回折光で、灰色の丸が１次と３次の回折光を示している。斜線部分は、中抜けの遮光領域３１０を示す。
【００５６】
図８（ａ）は、瞳上に±１次回折光が入射している。中抜けで遮光される領域３１０は消滅した０次回折光が入っているが結像に関与しないために、±１次回折光のみが干渉して結像する。その結果、図９（ａ）のような、パターン２１０に近い像が形成される。ここで、図９（ａ）乃至（ｃ）は、図８（ａ）乃至（ｃ）に示す照明方法を行ったときのウェハＷ上の光強度分布を示した図８（ａ）乃至（ｃ）に対応する図である。
【００５７】
次に、図８の（ｂ）は、（ａ）よりピッチが大きく形成されており、各回折光の回折角（各回折光が飛ぶ間隔）が小さくなっている。また、図８の（ｂ）は０次回折光の位置が投影光学系３００の瞳上の中心からずれている。図８（ｂ）は、瞳上に±１次と＋３次の回折光が入射しているが、＋１次回折光は中抜けで遮光されているので−１次回折光と＋３次回折光のみが干渉して結像する。その結果、図９（ｂ）のような周期数が図９（ａ）と比べて約２倍の像が形成される。
【００５８】
次に、図８の（ｃ）は、（ｂ）と同一のピッチに形成されており、０次回折光の位置が投影光学系３００の瞳上の中心に位置している。図８（ｃ）は、瞳上に０次、±１次と±３次の回折光が入射しているが、±１次回折光は遮光されているので、±３次の回折光のみが干渉して結像する。その結果、図９（ｃ）のような、細かい間隔でピークを持ち、周期数は（ａ）と比べて約３倍の像が形成される。
【００５９】
図８及び図９に示されるように、投影光学系３００の瞳上に入射する回折光のうち±１次回折光の２つが干渉しないと、パターンの強度最大位置（ＩＭＡＸ）の強度が下がり、強度最小位置（ＩＭＩＮ）の強度が上がっていることが理解される。これらの強度からコントラストを計算すると、ＩＭＡＸとＩＭＩＮの間の差が無くなりコントラストが得られなくなる。なお、周知のように、コントラストＭは次式で与えられる。
【００６０】
【数６】
【００６１】
図８の（ｂ）及び（ｃ）のような入射方法では元のパターン２１０からかけ離れた像ができてしまう。パターン２１０のピッチであるピークとピークの間隔は２つの１次回折光の間隔で決まる。従って、ピーク間の間隔がパターン２１０と等間隔に保たれるためには±１次回折光の干渉が必要であることが理解される。
【００６２】
次に、２つの１次回折光が同時に入射する照明条件を考える。図８（ａ）のように瞳中央に光が入射しても、ピッチが小さければ１次回折光の回折角は大きいので、かかる１次回折光は瞳の端（外周側）のほうに入射する。１次回折光は中抜けによって遮光されないが、一方、ピッチが大きければ図８（ｃ）に示すように１次回折光が遮光される。また、斜入射照明の場合は、図８（ｂ）に示すように片側の１次回折光のみが通過しても、もう一方の１次回折光以上が瞳を通過しない場合もある。なお、パターン２１０は図２に示すように、ｘ方向に周期があってｙ方向には十分に長いものを仮定しており、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、線幅ｋ１のＬ＆Ｓパターンからの回折光において、±１次回折光の瞳上での距離は１／（２ｋ１）である。
【００６３】
図１０は、投影光学系３００の瞳面上での回折光の分布を模式的に示したものである。図中、瞳面上の中央の円は中抜けによって光が遮光される領域３１０である。上述したように０次回折光は消滅しているが、光の入射方向を示すものとして、これを消失した０次回折光として表示する。図１０の（ａ）乃至（ｄ）は、各々パターン２１０の線幅がｋ１＝０．４、０．５、０．７、１．０のときの、１次回折光が入射する様子を模式的に示したものである。図１０は、白丸を光の０次回折光の入射方向、黒丸を１次回折光として表示している。図１０（ａ）乃至（ｄ）のように、パターンピッチに応じて瞳上の±１次回折光の距離が変化している。
【００６４】
結像に必要な２つの１次回折光を瞳内に入射させるためには、まず、中抜けの領域３１０に１次回折光が入射しないようにしなければならない。０次回折光の入射が領域３２０（図中、２つの円内）にあるとき、中抜けの領域３１０にいずれかの１回折次光が入射してしまう。パターンの線幅が大きくなるにつれ（図１０（ａ）から（ｄ）にかけて）、領域３２０の２つの円は中心に移動して線幅ｋ１＝１．０以上では瞳中心を覆ってしまう。
【００６５】
一方、結像に必要な２つの１次回折光を投影光学系３００の瞳内に入射させるためには、次いで、瞳から１次回折光がけられないようにしなければならない。０次回折光の入射が領域３３０（図中の灰色領域）にあるとき、いずれかの１次回折光は瞳外側にけられてしまう。パターン２１０の線幅が小さくなるにつれ（図１０、（ｄ）から（ａ）にかけて）、領域３３０は中心に移動する。図示しないが、解像限界の線幅ｋ１＝０．２５以下では領域３３０は瞳全部をほぼ覆ってしまう。従って、パターン２１０の解像限界まで線幅を解像しようとすると、瞳中心付近しか１次回折光を瞳内に入射させる光の入射方向が残らない。これが位相シフトマスクの照明でσを小さくするほど微細線幅が解像できる、つまり解像限界までの性能をひきだせる理由であるが、瞳中抜けの光学系においても同様である。従って、２つの１次回折光が瞳内に入射する条件は領域３２０及び領域３３０以外の領域に０次回折光の入射があるときになる。
【００６６】
σを０に近づけると光の入射する方向は瞳の中心付近になり、ｋ１が大きくなると、図１０（ｃ）や図１０（ｄ）に示すように、１次回折光は中抜けに遮光されてしまう。上述したように、解像できる最大線幅の１次回折光の瞳上の距離は、線幅をｋ１で表すと１／（２ｋ１）であるので、これが中抜けの直径以上であれば中抜けに遮光されずに瞳に入射する。１次回折光が瞳の内側に入り、かつ中抜けに遮光されない最大線幅は中抜けの直径が２αであるから、
【００６７】
【数７】
【００６８】
ここで、数式３よりｋ１＝（線幅）／（λ／ＮＡ）
ゆえに、ｋ１は以下のようになる。
【００６９】
【数８】
【００７０】
例えば、α＝０．４のときｋ１≦０．６２５、α＝０．３のときｋ１≦０．８３３、α＝０．２のときｋ１≦１．２５となる。
【００７１】
図１１のように中抜け（領域３１０）の半径αより大きな半径σになるように有効光源をとれば、線幅がｋ１＝０．４、ｋ１＝０．５、ｋ１＝０．７、ｋ１＝１．０それぞれで、２つの１次回折光が瞳内に入るようになる。ここで、図１１は、α＜σとしたときの投影光学系３００の瞳面上での回折光の分布を模式的に示したものである。図１１は、図１０と同様に、黒丸を瞳内を通過する１次回折光として、白丸を瞳内を通過する０次回折光として示している。領域３３０（図中の薄い灰色領域）は、その位置に０次回折光がある場合にいずれかの１次回折光が瞳から外れる領域である。また、白丸（０次回折光）が領域３２０部分と重なると、いずれかの１次回折光は中抜け領域３１０（図中、半径αの円）に含まれることになる。領域３４０（図中、濃い灰色部分）に０次回折光が入射すると、２つの１回折次光が瞳内に入射する。
【００７２】
更に、図１２に示すように中抜け半径αより小さい半径σの有効光源を考える。ここで、図１２は、σ＜αとしたときの投影光学系３００の瞳面上での回折光の分布を模式的に示したものである。図１２において領域３４０（濃い灰色部分）は、そこに０次回折光があると２つの１次回折光が瞳に入射する領域である。線幅がｋ１＝０．４、ｋ１＝０．５のようなピッチの小さいところでは領域３４０が有効光源のうちで大きな部分を占めるので、２つの１次回折光が瞳内にはいる光の割合が大きい。しかし、半径σの有効光源のうちこれ以外の部分は２つの１次回折光が瞳内に入らないのでコントラストを下げる成分となる。線幅がｋ１＝１．０では領域３４０がなく、２つの１次回折光が瞳内にはいる確率はゼロである。従って、ウェハＷ上のレジストが５本線パターンとして解像せずにぼけた像になる。
【００７３】
即ち、有効光源の半径σを小さくするにつれて、線幅、ピッチが小さいときに（例えば、図１２（ａ）において領域３２０が半径σの有効光源領域を侵食していないことから理解されるように）２つの１次回折光が瞳内にはいる確率が大きくなるので、コントラストの損失が小さく、位相シフト本来の効果が期待できることが理解される。ここで、位相シフトの効果とは周期パターンのコントラストをあげ、焦点深度（ＤＯＦ）を拡大することである。
【００７４】
逆に、有効光源の半径σを大きくするにつれて、（例えば、図１１（ａ）において領域３２０が半径σの有効光源領域を侵食していることから理解されるように）線幅、ピッチが小さいときに２つの１次回折光が瞳内にはいる確率が多少少なくなるのでコントラストが低下する。このことは、位相シフトマスクでは、コヒーレントに近い（即ち、σが０に近い）照明でないと効果が発揮されないのと同じ理由による。しかし、線幅の大きいパターンは（例えば、図１２（ｄ）においては領域３２０が半径σの有効光源領域をほぼ完全に侵食しているのに対して図１１（ｄ）においてはこれを残していることから理解されるように）解像できるようになり、有効光源の半径σをαより大きくしていくにつれてパターンの線幅が大きいものが解像できるようになる。
【００７５】
以上をまとめると、中抜けのある投影光学系３００ではマスク２００のパターン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、２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次回折光に対応する±１次回折光がマスク２００を照明した＋１次回折光（又は、−１次回折光）の内の多くが対応する−１次回折光（又は、＋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。
【００７６】
Ｓ１／Ｓが１であれば、必ず２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２つの１次回折光の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、±１次回折光の一方の６割以上が他方と干渉することを意味している。
【００７７】
これより、２つの１次回折光が同時に入射する入射領域の割合（Ｓ１／Ｓ）を大きくするためのための有効光源は半径σのパーシャリーコヒーレント照明で、瞳面上での有効光源の半径をσとすると、瞳半径を１として、σは最大でも０．５乃至０．６以下であると結論できる。
【００７８】
更に、任意のパターンの２次元像から、図２２の（ｂ）に示すような、すべての線幅、ピッチの任意の複雑なパターンを解像するためには
【００７９】
【数９】
【００８０】
図２２の（ａ）に示すような、すべての線幅、ピッチの単純なパターンを解像するためには
【００８１】
【数１０】
【００８２】
線幅、ピッチが、数式８が示す式を満たすような小さいものに限定されるパターンを解像するためには
【００８３】
【数１１】
【００８４】
であることが考えられる。ここで、図２２は、（ａ）がσ≧２、（ｂ）がσ≧３αの照明条件となるマスクの例示的なパターンを示した概略上面図である。なお、単純なパターンとはＬ／Ｓに近く、多種の線幅が入り組んで、複雑に曲がっていたりしないようなパターンである。パターンをある方向からみたとき、その方向と直角に交わる線を引きこの線とパターンが交わる点間の幅を線幅と定義するとき、縦方向から見ると、図２２（ａ）は１種の線幅のパターンのみから成り、図２２（ｂ）は４種の線幅から成る。このようにある方向から見て多種の線幅の線から成るパターンを「複雑なパターン」という。
【００８５】
図３のように、パターン２１０周辺が光を透過し、パターン２１０が遮光された位相シフトマスク（マスク２００Ａ）については、パターン周辺が大きな透過パターンと考えられるので、位相シフトマスクでも０次回折光が関与する結像である。しかし、上記と同様な考え方で、σ≧２α、パターン形状によっては、σ≧３αでなければ解像は難しい。一方、マスク２００を透過型パターンに限定し、線幅及びピッチを微細なものに限定すれば、σを２α以下に小さくしてもよい。線幅が微細なものに限定されている場合、むしろ、位相シフトの効果を発揮するためには、σを０に近づけたほうがよい場合もある。
【００８６】
しかしながら、本来、位相シフトマスクはｋ１≦０．５の微細な線幅を解像することが目的であるから微細な線幅のみでパターンが構成される場合が多い。限界解像で解像性能を良好にするような位相シフトの効果を発揮するためには、σを２αより小さくし、σを０に近づけたほうがよく、その場合、透過型パターンの最大線幅以下の微細線幅を解像できる（最大線幅より大きな線幅は解像性能が悪化し、像が分離できない、偽解像の不要パターンができたりする）。最大線幅は中抜け半径αに依存し、線幅をｋ１で表現すると数式８の関係にある。例えば、α＝０．４のときｋ１≦０．６２５、α＝０．３のときｋ１≦０．８３３、α＝０．２のときｋ１≦１．２５である。
【００８７】
σが２αより小さい場合、σを０より大きくしていくと、最大線幅より小さいパターンにおいてコントラストは減少するが、最大線幅付近のパターンも解像できるようになり、最大線幅以下の線幅が多種に及ぶようなパターンに対応できるようになる。線幅に関して付け加えると、位相シフトマスクは隣り合う位相の周期性によって解像を得ようとするものであるが、パターンは線幅と間隔が等しいＬ＆Ｓばかりでなく、線幅より間隔が大きいものや、逆に線幅が大きいものもある。図３のようなパターン遮光の位相シフトマスクの場合、孤立線のパターンも考えられるのでピッチでなく線幅で定義した。図３のようなパターン遮光位相シフトマスクのものは、遮光部分（クロムで形成される部分）が得ようとする線幅よりも細く形成されていたり、極端な場合には遮光部分（クロムで形成される部分）がまったくない場合もあるが、得ようとする（最終的に得られる）線幅で定義する。
【００８８】
また、周期の方向に直交した１方向のみの解像でいいなら、図１３のような、中抜けαより外側の位置に光源の一方をおき、周期の方向を遮光するような２重極照明の開口絞り１４０ａ及び１４０ｂを用いた有効光源にすると良好となる。この場合、２重極の一方の半径を０．４（瞳半径を１として）以下にすると、限界解像以上のすべての線幅でコントラストが得られる。ここで、図１３は、開口絞り１４０ａ及び１４０ｂを示した概略平面図である。
【００８９】
以下、上述した露光装置１０並びにシミュレーション結果に基づく露光装置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光学系１１５の開口制御装置１４０ａと光学系１２０に信号を送り、絞り１４０および光学系１２０を起動させる。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、ここでの詳細な説明は省略する。また、後述する実施例において、かかる照明条件は更に理解されるであろう。
【００９０】
なお、例えば、制御装置４００につながった入出力装置４２０から照明条件を入力するようにしてもいい。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、明らかに像性能をおとすようなものだったら、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。あるいはワーニングメッセージをモニターにだして警告するなどの機能を持たせてもいい。
【００９１】
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おとすと予想された場合、ワーニングメッセージをモニターにだして警告するなどの機能を持たせてもよい。例えば、中抜け半径がα＝０．２の例で示すと、透過型パターンのｋ１≦１．０以下の微細線のみであれば、σ＝０．１からσ＝０．２の極端な小σに指示し、設定してもいい。あるいは、σ＝０．１の指示にも拘らずパターン２１０のパターン線幅がｋ１≧１．２５の大きなものを含んでいれば解像は不可能なので、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とよい。あるいはσ＝０．４の指示にもかかわらず、パターン２１０のパターン線幅がｋ１≧１．２５の大きなものでパターンが複雑なものであれば、大きな線幅のパターンや複雑な形状の解像は難しいので、ワーニングメッセージと最適σ値をモニターに表示して入力指示を再考するようにすればよい。
【００９２】
なお、投影露光装置１０の制御装置４００の中にマスク２００のパターン２１０のデータの１部または全部を記憶させておいてもよい。また、制御装置４００の中に強度分布を計算する図示しないシミュレーションツールを含んでおいてもよい。これにより、マスク２００のパターンデータをシミュレーションツールによってウェハ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してもよい。
【００９３】
あるいは、瞳面上において、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割合が大きな照明条件をもとめて最適照明条件を設定してもよい。かかる構成においては、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次回折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。その後、かかる照明条件に基づいて露光装置１０を最適照明条件に設定する。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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１０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。
【００９７】
【実施例】
【実施例１】
図１の投影露光装置１０を用いて実施例１を説明する。このような中抜け（半径α）のある投影光学系３００からなる露光装置１０において、中抜け半径αを変えて露光した例を示す。露光装置１０は、波長Ｆ２（λ＝１５７ｎｍ）、ＮＡ＝０．７０、照明条件は図４のような半径σの円形照明とした。パターン２１０は図２のようなものとし、線幅を限界解像線幅から大きな線幅まで細かく変えてある。照明条件がσ＝０．３のとき、中抜け半径をα＝０．０、０．１、０．１５、０．２、０．３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に示す。ここで、図１４は、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したグラフである。
【００９８】
中抜け半径αが大きくなると、限界解像より大きな線幅で、数式８に基き、特に０．５≦ｋ１のコントラストの低下がある。また、図示しないが、コントラスト深度は限界解像付近の線幅ｋ１＜０．７で瞳中抜けによって増加するが、ｋ１≧０．７の限界解像より大きな線幅では瞳中抜けの大きいほど低下の割合が大きいことが解っている。数式１０を満足する中抜け半径αが０．１５までは、すべての線幅（ピッチ）にわたって、ピークコントラストが７５％以上得られており、２次元シミュレーションの結果から、単純な周期パターンでは通常の使用が可能である。しかし、複雑なパターンの２次元シミュレーションでは、すべての線幅（ピッチ）にわたって通常の使用ができるのは、中抜け半径αが０．１までである。数式１１を満足する中抜け半径αが０．１５より大きい場合、線幅を限定する。ｋ１≦１／（４α）より、α＝０．２のときｋ１≦１．２５まで、α＝０．３のときｋ１≦０．８までで使用できる。
【００９９】
【実施例２】
図１の投影露光装置１０を用いて実施例２を説明する。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３のような半径σの円形照明とし、図２のようなパターン２１０を露光した場合のピークコントラストを計算した。露光装置１０は波長Ｆ２（λ＝１５７ｎｍ）、ＮＡ＝０．７０、照明条件をσ＝０．５とし、中抜け半径をα＝０．０、０．１、０．２、０．２５、０．３（瞳半径を１として）まで変えた場合のシミュレーション結果を図１４同様、図１５に示す。ここで、図１５は、照明条件σ＝０．５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したグラフである。
【０１００】
数式１０を満足する中抜け半径αが０．２５までは、すべての線幅（ピッチ）にわたって、ピークコントラストが６０％以上得られ、中抜け半径αが０．２０までは、ピークコントラストが７５％以上得られるので、２次元シミュレーションの結果からも単純な周期パターンでは通常の使用が可能である。しかし、複雑なパターンの２次元シミュレーションでは、すべての線幅（ピッチ）にわたって通常の使用ができるのは、数式１１を満足する中抜け半径αが０．２より小のときである。本実施例２は、実施例１に比べて、σの値が大きいので、線幅の多様性や複雑な形状に対して要求されるな中抜けの半径の許容値が大きくなっている。また、中抜けがあっても、通常の中抜けのないもの同様、限界解像付近の微細線のコントラストが得にくく、大きな線幅のコントラストが得やすくなっている。
【０１０１】
【実施例３】
図１の投影露光装置１０を用いて実施例３を説明する。このような中抜け（半径α）のある投影光学系３００からなる露光装置１０において、照明条件σを変えて露光した例を示す。露光装置１０は波長Ｆ２（λ＝１５７ｎｍ）、ＮＡ＝０．７０、照明条件は図４のような半径σの円形照明とした。パターン２１０は図２のようなものとし、線幅を限界解像線幅から大きな線幅まで細かく変えてある。露光装置の中抜け半径がα＝０．２のとき、照明条件をσ＝０．２、０．３、０．４、０．５、０．６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１６に示す。ここで、図１６は、中抜け半径α＝０．２において照明条件σ（図中、ｓｉｇｍａで表示）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。
【０１０２】
図１６より、有効光源σが小さいほど低いｋ１側で高いコントラストが得られ、σが大きいほどｋ１の大きい線幅でも高いコントラストが得られる。ｋ１＝１．０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の逆転現象が起こっている。σを小さくしていくと、数式８の式にあるようにパターンの線幅がｋ１≦１／（４α）＝１．２５でゼロに近づき、これより大きな線幅は解像できない。すべての線幅で、８０％以上のピークコントラストが得られ解像可能なのは、数式１１にあるように中抜けαの３倍のσ＝０．６の照明のときである。しかし、位相シフトマスクで本来解像を期待する線幅ｋ１＝０．５以下において高コントラストが若干得られない。
【０１０３】
σを０．２以下にすると、０．３≦ｋ１≦１．０の線幅を８０％以上の高コントラストで解像することができる。σが小さいと理論的限界のピッチｋ１≧１／（４α）（α＝０．２のとき、線幅ｋ１≧１．２５）でコントラストが大きく低下し、これ以上の線幅は解像が難しいことを示す。しかし、σを大きくしていくと高いコントラストの値がより得られるようになり、中抜け半径αの２倍のσ＝０．４では解像が可能になる。従って、パターンの線幅がｋ１≦１／（４α）＝１．２５で限界解像に近い線幅のみで構成されていればσを０に近づければよく、ｋ１≦１．２５の範囲内でより大きな線幅が含まれていればσをより大きくする。ｋ１≧１．２５の大きな線幅が含まれていればσを０．４以上にする。
【０１０４】
露光装置１０の照明条件は、このような中抜け半径がα＝０．２のとき、すべての線幅で解像可能な中抜けαの３倍のσ＝０．６の照明をデフォルトの照明条件とする。しかし、マスク２００のパターン２１０の情報によりσが最適な値となるよう開口絞り１４０および光学系１２０を起動させることが可能である。なお、最適σ値は、マスク２００のバーコードに書き込んでおいてもいいし、バーコードに線幅の種類を書き込んでおき、予め制御装置４００のメモリに線幅の種類と最適σ値のテーブルを用意しておき、これに基づいて最適σ値を決定してもいい。あるいは、制御装置４００のメモリにマスク番号と線幅の種類や、詳細なパターンデータを記憶しておくなど種類の方法が考えられる。
【０１０５】
マスク２００が図３のようにパターン２１０周辺で光が透過し、パターン２１０部が遮光される位相シフトマスク（マスク２００Ａ）であれば、デフォルトの照明条件のままとする。パターン線幅がｋ１≦１／（４α）＝１．２５で限界解像に近い線幅のみであれば中抜けαの２倍のσ＝０．４に設定する。
【０１０６】
マスク２００が図２のようにパターン部が透過型の位相シフトマスクで、線幅がｋ１≧１．２５の大きなものを含み、複雑なパターンであればデフォルトの照明条件のままとする。この中でも、パターンが長い線で構成された比較的単純なものであればσ＝０．４からσ＝０．５に設定する。
【０１０７】
パターン線幅がｋ１≦１／（４α）＝１．２５で限界解像に近い線幅のみであればσ＝０．４以下に設定してもよく、たとえばｋ１≦１．０以下の微細線のみであれば、σ＝０．３からσ＝０．４と位相シフトマスクでの通常のσ値に設定する。
【０１０８】
【実施例４】
図１の投影露光装置１０を用いて実施例４を説明する。露光装置１０の投影光学系３００の中抜け半径がα＝０．４の場合の実施例を示す。マスク２００が位相シフトマスクの場合、デフォルトの照明条件は、位相シフトマスクの効果が得られなくなるので、σ＝０．６より大きくはしない。中抜け半径をα＝０．４と固定し、照明条件をσ＝０．１，０．２，０．３，０．４，０．５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１７に示す。ここで、図１７は、中抜け半径α＝０．４において照明条件σ（図中、Ｓで表示）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。
【０１０９】
コントラストは、σが小さいほどｋ１≦１／（４α）＝０．６２５でゼロに近づいている。σが中抜け半径αを越えσ＝０．６で、最大線幅のｋ１＝０．６２５付近でも解像ができるようになる。マスク２００が図３に示す位相シフトマスクであれば、デフォルトの照明条件のままとする。パターン線幅がｋ１≦１／（４α）＝０．６２５で限界解像に近い線幅のみであれば解像できる。マスク２００が図２に示す位相シフトマスクであれば、線幅がｋ１≧０．６２５の大きなものを含み、パターン２１０が長い線で構成された比較的単純なものであればデフォルトの照明条件のままとする。更に、パターン２１０の線幅がｋ１≦０．６２５であれば、パターンと必要なコントラストに応じてσを０．６より小さく設定する。
【０１１０】
しかし、パターン２１０の方向を１方向に限れば、例えば、図１０における領域３３０（１次回折光が瞳外にぬける光の入射方向）又は領域３２０（１次回折光が中抜けにぬける光の入射方向）と重ならない有効光源に設定してもよい。即ち、図１３の（ａ）のようなｘ軸上を遮光するような２重極照明の有効光源となるような開口絞り１４０を使用してもよい。また、図１３の（ｂ）のように開口絞り１４０を変形してもよい。このようにすると、ｘ方向に周期のあるｙ方向に長いパターンのみ高コントラストが得られる。
【０１１１】
なお、図示しないが中抜け半径α＝０．４の投影光学系３００において、照明条件は図１３の（ｂ）のような２重極照明とし（１つの光源の半径がＳ）、図２のようなパターンを露光した場合のピークコントラスト線幅特性は、ｋ１≧０．５のすべての線幅にわたってピークコントラストが８０％以上得られている。ただし、２重極照明の大きさＳが０．４以下と小さい方が、ｋ１≦０．５の微細線幅から、それより大きなすべての線幅で高コントラストが得られる。パターンの方向を１方向に限る位相シフトマスクは、特殊な用途、たとえば多重露光のなかの１回露光に用いられるようなものである。
【０１１２】
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。
【０１１３】
【発明の効果】
本発明の露光方法及び装置は、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】 本発明の例示的な露光装置の概略構成図である。
【図２】 （ａ）は図１に示すマスクの概略平面図であって、（ｂ）は（ａ）に示すマスクのパターンに入射した光の振幅の分布を示した図である。
【図３】 （ａ）は図１に示すマスクの概略平面図であって、（ｂ）は（ａ）に示すマスクのパターンに入射した光の振幅の分布を示した図である。
【図４】 コヒーレンス度σ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５】 図１に示す投影光学系にマスクを介し入射する光の様子を示した模式図である。
【図６】 ウェハ上に到達する光の１次元強度分布を示した図である。
【図７】 ウェハ上に到達する光の１次元強度分布を示した図である。
【図８】 条件が変えた場合のマスクを介し投影光学系に入射する光の当該投影光学系の瞳上に入射する回折光の位置を（ａ）乃至（ｃ）に示した図である。
【図９】 図８に示す照明を行ったときのウェハＷ上の光強度分布を示した図８の（ａ）乃至（ｃ）に対応する図である。
【図１０】 （ａ）は図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．４のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｂ）は図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．５のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｃ）は図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．７のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｄ）は図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が１．０のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布をそれぞれ模式的に示したものである。
【図１１】 （ａ）はα＜σとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．４のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｂ）はα＜σとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．５のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｃ）はα＜σとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．７のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｄ）はα＜σとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が１．０のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布を模式的に示したものである。
【図１２】 （ａ）はσ＜αとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．４のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｂ）はσ＜αとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．５のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｃ）はσ＜αとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．７のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｄ）はσ＜αとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が１．０のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布を模式的に示したものである。
【図１３】 （ａ）は図１に示す開口絞りの例示的一態様を示した概略平面図、（ｂ）は図１に示す開口絞りの別の例示的一態様を示した概略平面図である。
【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したグラフである。
【図１５】 照明条件σ＝０．５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したグラフである。
【図１６】 中抜け半径α＝０．２において照明条件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】 中抜け半径α＝０．４において照明条件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１８】 図１に示す露光装置を使用したデバイス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に示すウェハプロセスの詳細なフローチャートである。
【図２０】 カタディオプトリック投影露光系の代表的なシュバルツシルド型投影光学系を示す概略断面図である。
【図２１】 図２０に示すシュバルツシルド型投影光学系の瞳面を示す概略断面図である。
【図２２】 （ａ）はσ≧２の照明条件となるマスクの例示的なパターンを示した概略上面図、（ｂ）は及びσ≧３αの照明条件となるマスクの例示的なパターンを示した概略上面図である。
【符号の説明】
１ 投影光学系
１０ 露光装置
１００ 照明装置
１１０ レーザー
１１５ 照明光学系
１２０ 光学系
１３０ オプティカルインテグレータ
１４０ 開口絞り
１４０ａ 開口制御装置
１５０ 集光レンズ
１６０ 絞り
１７０ 結像レンズ
２００ マスク
３００ 投影光学系
４００ 制御部
４２０ 入出力装置
４３０ マスクバーコードリーダ
【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）や位相シフトマスクを使用して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、瞳の径を１として瞳の径に対する瞳の遮光又は吸収される領域の径の割合を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】
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、かかる問題が、特に、位相シフトマスクにおいて大きくなることを発見した。
【００１３】
そこで、本発明は、中抜けのある投影光学系と位相シフトマスクを使用した場合に、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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面としての露光方法は、瞳の中央が常に遮光される投影光学系で、位相シフトマスクのパターン像を被処理体に投影するステップと、前記投影光学系の瞳上に所定の有効光源を形成する照明光で、前記位相シフトマスクを照明するステップと、を有し、前記投影光学系の瞳の中央の遮光領域は、半径α（瞳の半径を１としたときの値）の円形であり、前記位相シフトマスクのパターンは、所定の方向に周期的に並べられた複数のラインパターンを含み、前記所定の有効光源は、前記所定の方向と直交する方向に並んだ２つの極を持つ二重極状であり、中央の半径が前記αである円形の領域が遮光されていることを特徴とする。
【００２８】
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。
【００２９】
【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。
【００３０】
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。
【００３１】
レーザー１１０は照明光を発光する光源で、波長約１５７ｎｍのＦ２エキシマレーザーである。しかし、レーザー１１０は波長約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の間に設けてもよい。
【００３２】
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、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。
【００３３】
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。これらは公開特許平成５年第４７６３９号公報のようにアフォーカル系の各倍率を変えることにより入射光速のビーム断面形状を変化可能に構成される。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交する方向に光束を拡大及び縮小可能にする。かかる光学系よりアフォーカル系（光学系１２０）を構成することで、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は公開特許平成５年第４７６４０号公報のようにズームレンズ等からなり、レンズを光軸方向に移動させ角倍率を変えられるようにしてもよい。
【００３４】
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。
【００３５】
開口絞り１４０は可変開口絞りであり、通常の円形開口及び後述する図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。
【００３６】
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。なお、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及び２重極照明が照明可能に構成されている。なお、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。本実施形態において、マスク２００はレベンソン型とエッジシフト型の位相シフトパターンの少なくとも一を有する。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及び図３を参照するに、本実施例のマスク２００は位相シフトマスクであり、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及び図３は、（ａ）はマスク２００及び２００Ａの概略平面図、（ｂ）は（ａ）に示すマスク２００及び２００Ｂ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、マスク２００には所望の回路パターンが形成可能である。マスク２００はパターン２１０の周囲が暗く、パターン２１０の内部が光を透過し明るく示されおり、マスク２００はパターン透過型である。ここで、パターン２１０は線幅と間隔が等しいＬ＆Ｓとし、光の位相が隣同士でπずれている。なお、マスク２００は、図３に示すパターン２１０が遮光されたパターン遮光型のマスク２００Ａであってもよい。マスク２００Ａは、マスク２００と同様、線幅と間隔が等しいＬ＆Ｓであり、光の位相が隣同士でπずれている。
【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の中抜けの半径αはあらかじめわかっているので、有効光源を投影光学系３００の瞳上に投影させた輪帯照明の内側半径σｉｎをαに一致させ、図３の輪帯照明の外側半径σｍａｘを投影光学系３００の瞳の半径に一致させている。また、メモリには予めマスク２００の名前と照明条件を対応させた情報を格納させておく、あるいは、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が格納されている。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。
【００４２】
本実施例において制御装置４００はマスクバーコードリーダ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の照明条件を切り替える。また、制御装置４００はマスク２００のパターン２１０と照明条件を比較し、かかるパターン２１０が解像可能であるか判断する。かかる判断において、解像不可能と判断された場合、制御装置４００は露光動作を中止する。更に、制御装置４００はマスク２００のパターン２１０と照明条件を比較し、パターン２１０のコントラストが必要とするコントラスト（例えば、０．６）であるか判断する。かかる判断において、パターン２１０のコントラストが必要とするコントラストより小さいと判断すれば、照明条件が不適切でる旨をオペレータに知らせる。なお、オペレータへの伝達方法は入出力装置４２０の例えば、液晶ディスプレイにかかる旨を表示したり、アラームを使用したりしてもよい。
【００４３】
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。
【００４４】
露光装置１０の動作を説明する前に、中抜けのある投影光学系３００を有する露光装置１０に位相シフトマスクを適用したときの露光原理について説明する。露光装置１０は波長がＦ２（λ＝１５７ｎｍ）、開口数ＮＡ＝０．７０とし、コヒーレンス度がσ＝０．３の一様分布の照明とした。コヒーレンス度σは、図４のように有効光源における光透過部分の半径を示す。ここで、図４は、コヒーレンス度σ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図である。
【００４５】
図５に示すように、位相シフトマスクであるマスク２００のパターン２１０によって光が回折する。ここで、図５は、図１に示す投影光学系３００にマスク２００を介し入射する光の様子を示した模式図である。このうち入射した方向に進む０次回折光は位相がπだけ異なる隣接する光と干渉することで消失し、０次以外の回折光はパターンのピッチに応じた回折角の方向に進む。なお、高次の回折光のうち偶数次の回折光についても、０次と同様、消失する。図５では、実際には消失する０次回折光を点線の矢印で示し、±１次回折光を実線の矢印で示した。なお、±１次回折光のなす各（回折角）は、位相の反転しないパターンの１／２の角度となる。
【００４６】
かかる条件において、マスク２００を介し照明した時の１次元強度分布を計算した結果を図６及び図７に示す。ここで、図６及び図７は、ウェハ上に到達する光の１次元強度分布を示した図である。図６は線幅が０．２７μｍ、中抜け半径αが０の場合であって、図７は線幅が０．２７μｍ、中抜け半径αが０．３の場合を示している。以下、明細書において、線幅は線幅を（λ／ＮＡ）で割って規格化した数式３で表したｋ１を使用する。
【００４７】
【数３】
例えば、線幅０．２７μｍはｋ１＝１．２（ｋ１＝０．２７μｍ／（１５７ｎｍ／０．７０））である。
【００４９】
図より、中抜けがあると強度ピークが下がり、かかる強度ピーク間の最小値の強度が大きくなっていることがわかる。また、これより線幅が大きくなると、強度ピークの間の強度がさらに大きくなり、パターンとして分離しなくなったり、本来のパターンとは別の偽解像が生じたりする。
【００５０】
また計算結果から、（１）瞳中抜け（α）が大きくなるほど、限界解像より大きな線幅で、特に０．５≦ｋ１のピークコントラストの低下があること、（２）コントラスト深度は限界解像付近の線幅ｋ１＜０．７で瞳中抜けによって増加するが、０．７≦ｋ１の限界解像より大きな線幅では瞳中抜けの大きいほど低下の割合が大きいことが分かっている。瞳中抜けのある光学系は、ｋ１≦０．５において所望のコントラストと焦点深度（ＤＯＦ）を有するが、限界解像線幅は中抜けのない光学系と変わらない。また、理論的解像限界は、線幅又はピッチを投影光学系のＮＡと波長λによって規格化された長さｋ１によってあらわすと、次式のようになる。
【００５１】
【数４】
位相シフトマスクは、隣り合う微細パターンの光の位相がπずれていることによって解像が可能であるから、２本線以上の周期パターンである必要がある。そのため、限界解像を次のようにピッチで定義してもよい。
【００５３】
【数５】
このような中抜けのある光学系において、位相シフトマスクの解像は、限界解像近傍では所望のコントラストを有するが、限界解像より大きな線幅、特にｋ１≧１．０ではコントラストが低下し、解像しなくなるという欠点を有する。そこで、本発明者はかかる欠点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をなくすことができることを発見した。
【００５５】
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）の中の、ある角度だけ傾いてマスク２００上に入射する。これらの回折光が投影光学系３００の瞳面上に入射した位置を模式的に示したものが図８である。ここで、図８は、マスク２００を介し投影光学系３００に入射する光の当該投影光学系３００の瞳上に入射する回折光の位置を、条件が異なる場合を（ａ）乃至（ｃ）で示した図である。位相シフトマスクの線幅と間隔が等しいＬ＆Ｓにおいて０次の回折光は消滅するが、光の入射方向を考える意味で０次の回折光と、±１次、±３次回折光までを考える。図８において、丸で示した点が回折光の分布の中心を示す。白い丸が０次回折光で、灰色の丸が１次と３次の回折光を示している。斜線部分は、中抜けの遮光領域３１０を示す。
【００５６】
図８（ａ）は、瞳上に±１次回折光が入射している。中抜けで遮光される領域３１０は消滅した０次回折光が入っているが結像に関与しないために、±１次回折光のみが干渉して結像する。その結果、図９（ａ）のような、パターン２１０に近い像が形成される。ここで、図９（ａ）乃至（ｃ）は、図８（ａ）乃至（ｃ）に示す照明方法を行ったときのウェハＷ上の光強度分布を示した図８（ａ）乃至（ｃ）に対応する図である。
【００５７】
次に、図８の（ｂ）は、（ａ）よりピッチが大きく形成されており、各回折光の回折角（各回折光が飛ぶ間隔）が小さくなっている。また、図８の（ｂ）は０次回折光の位置が投影光学系３００の瞳上の中心からずれている。図８（ｂ）は、瞳上に±１次と＋３次の回折光が入射しているが、＋１次回折光は中抜けで遮光されているので−１次回折光と＋３次回折光のみが干渉して結像する。その結果、図９（ｂ）のような周期数が図９（ａ）と比べて約２倍の像が形成される。
【００５８】
次に、図８の（ｃ）は、（ｂ）と同一のピッチに形成されており、０次回折光の位置が投影光学系３００の瞳上の中心に位置している。図８（ｃ）は、瞳上に０次、±１次と±３次の回折光が入射しているが、±１次回折光は遮光されているので、±３次の回折光のみが干渉して結像する。その結果、図９（ｃ）のような、細かい間隔でピークを持ち、周期数は（ａ）と比べて約３倍の像が形成される。
【００５９】
図８及び図９に示されるように、投影光学系３００の瞳上に入射する回折光のうち±１次回折光の２つが干渉しないと、パターンの強度最大位置（ＩＭＡＸ）の強度が下がり、強度最小位置（ＩＭＩＮ）の強度が上がっていることが理解される。これらの強度からコントラストを計算すると、ＩＭＡＸとＩＭＩＮの間の差が無くなりコントラストが得られなくなる。なお、周知のように、コントラストＭは次式で与えられる。
【００６０】
【数６】
図８の（ｂ）及び（ｃ）のような入射方法では元のパターン２１０からかけ離れた像ができてしまう。パターン２１０のピッチであるピークとピークの間隔は２つの１次回折光の間隔で決まる。従って、ピーク間の間隔がパターン２１０と等間隔に保たれるためには±１次回折光の干渉が必要であることが理解される。
【００６２】
次に、２つの１次回折光が同時に入射する照明条件を考える。図８（ａ）のように瞳中央に光が入射しても、ピッチが小さければ１次回折光の回折角は大きいので、かかる１次回折光は瞳の端（外周側）のほうに入射する。１次回折光は中抜けによって遮光されないが、一方、ピッチが大きければ図８（ｃ）に示すように１次回折光が遮光される。また、斜入射照明の場合は、図８（ｂ）に示すように片側の１次回折光のみが通過しても、もう一方の１次回折光以上が瞳を通過しない場合もある。なお、パターン２１０は図２に示すように、ｘ方向に周期があってｙ方向には十分に長いものを仮定しており、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、線幅ｋ１のＬ＆Ｓパターンからの回折光において、±１次回折光の瞳上での距離は１／（２ｋ１）である。
【００６３】
図１０は、投影光学系３００の瞳面上での回折光の分布を模式的に示したものである。図中、瞳面上の中央の円は中抜けによって光が遮光される領域３１０である。上述したように０次回折光は消滅しているが、光の入射方向を示すものとして、これを消失した０次回折光として表示する。図１０の（ａ）乃至（ｄ）は、各々パターン２１０の線幅がｋ１＝０．４、０．５、０．７、１．０のときの、１次回折光が入射する様子を模式的に示したものである。図１０は、白丸を光の０次回折光の入射方向、黒丸を１次回折光として表示している。図１０（ａ）乃至（ｄ）のように、パターンピッチに応じて瞳上の±１次回折光の距離が変化している。
【００６４】
結像に必要な２つの１次回折光を瞳内に入射させるためには、まず、中抜けの領域３１０に１次回折光が入射しないようにしなければならない。０次回折光の入射が領域３２０（図中、２つの円内）にあるとき、中抜けの領域３１０にいずれかの１回折次光が入射してしまう。パターンの線幅が大きくなるにつれ（図１０（ａ）から（ｄ）にかけて）、領域３２０の２つの円は中心に移動して線幅ｋ１＝１．０以上では瞳中心を覆ってしまう。
【００６５】
一方、結像に必要な２つの１次回折光を投影光学系３００の瞳内に入射させるためには、次いで、瞳から１次回折光がけられないようにしなければならない。０次回折光の入射が領域３３０（図中の灰色領域）にあるとき、いずれかの１次回折光は瞳外側にけられてしまう。パターン２１０の線幅が小さくなるにつれ（図１０、（ｄ）から（ａ）にかけて）、領域３３０は中心に移動する。図示しないが、解像限界の線幅ｋ１＝０．２５以下では領域３３０は瞳全部をほぼ覆ってしまう。従って、パターン２１０の解像限界まで線幅を解像しようとすると、瞳中心付近しか１次回折光を瞳内に入射させる光の入射方向が残らない。これが位相シフトマスクの照明でσを小さくするほど微細線幅が解像できる、つまり解像限界までの性能をひきだせる理由であるが、瞳中抜けの光学系においても同様である。従って、２つの１次回折光が瞳内に入射する条件は領域３２０及び領域３３０以外の領域に０次回折光の入射があるときになる。
【００６６】
σを０に近づけると光の入射する方向は瞳の中心付近になり、ｋ１が大きくなると、図１０（ｃ）や図１０（ｄ）に示すように、１次回折光は中抜けに遮光されてしまう。上述したように、解像できる最大線幅の１次回折光の瞳上の距離は、線幅をｋ１で表すと１／（２ｋ１）であるので、これが中抜けの直径以上であれば中抜けに遮光されずに瞳に入射する。１次回折光が瞳の内側に入り、かつ中抜けに遮光されない最大線幅は中抜けの直径が２αであるから、
【００６７】
【数７】
ここで、数式３よりｋ１＝（線幅）／（λ／ＮＡ）
ゆえに、ｋ１は以下のようになる。
【００６９】
【数８】
例えば、α＝０．４のときｋ１≦０．６２５、α＝０．３のときｋ１≦０．８３３、α＝０．２のときｋ１≦１．２５となる。
【００７１】
図１１のように中抜け（領域３１０）の半径αより大きな半径σになるように有効光源をとれば、線幅がｋ１＝０．４、ｋ１＝０．５、ｋ１＝０．７、ｋ１＝１．０それぞれで、２つの１次回折光が瞳内に入るようになる。ここで、図１１は、α＜σとしたときの投影光学系３００の瞳面上での回折光の分布を模式的に示したものである。図１１は、図１０と同様に、黒丸を瞳内を通過する１次回折光として、白丸を瞳内を通過する０次回折光として示している。領域３３０（図中の薄い灰色領域）は、その位置に０次回折光がある場合にいずれかの１次回折光が瞳から外れる領域である。また、白丸（０次回折光）が領域３２０部分と重なると、いずれかの１次回折光は中抜け領域３１０（図中、半径αの円）に含まれることになる。領域３４０（図中、濃い灰色部分）に０次回折光が入射すると、２つの１回折次光が瞳内に入射する。
【００７２】
更に、図１２に示すように中抜け半径αより小さい半径σの有効光源を考える。ここで、図１２は、σ＜αとしたときの投影光学系３００の瞳面上での回折光の分布を模式的に示したものである。図１２において領域３４０（濃い灰色部分）は、そこに０次回折光があると２つの１次回折光が瞳に入射する領域である。線幅がｋ１＝０．４、ｋ１＝０．５のようなピッチの小さいところでは領域３４０が有効光源のうちで大きな部分を占めるので、２つの１次回折光が瞳内にはいる光の割合が大きい。しかし、半径σの有効光源のうちこれ以外の部分は２つの１次回折光が瞳内に入らないのでコントラストを下げる成分となる。線幅がｋ１＝１．０では領域３４０がなく、２つの１次回折光が瞳内にはいる確率はゼロである。従って、ウェハＷ上のレジストが５本線パターンとして解像せずにぼけた像になる。
【００７３】
即ち、有効光源の半径σを小さくするにつれて、線幅、ピッチが小さいときに（例えば、図１２（ａ）において領域３２０が半径σの有効光源領域を侵食していないことから理解されるように）２つの１次回折光が瞳内にはいる確率が大きくなるので、コントラストの損失が小さく、位相シフト本来の効果が期待できることが理解される。ここで、位相シフトの効果とは周期パターンのコントラストをあげ、焦点深度（ＤＯＦ）を拡大することである。
【００７４】
逆に、有効光源の半径σを大きくするにつれて、（例えば、図１１（ａ）において領域３２０が半径σの有効光源領域を侵食していることから理解されるように）線幅、ピッチが小さいときに２つの１次回折光が瞳内にはいる確率が多少少なくなるのでコントラストが低下する。このことは、位相シフトマスクでは、コヒーレントに近い（即ち、σが０に近い）照明でないと効果が発揮されないのと同じ理由による。しかし、線幅の大きいパターンは（例えば、図１２（ｄ）においては領域３２０が半径σの有効光源領域をほぼ完全に侵食しているのに対して図１１（ｄ）においてはこれを残していることから理解されるように）解像できるようになり、有効光源の半径σをαより大きくしていくにつれてパターンの線幅が大きいものが解像できるようになる。
【００７５】
以上をまとめると、中抜けのある投影光学系３００ではマスク２００のパターン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、２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次回折光に対応する±１次回折光がマスク２００を照明した＋１次回折光（又は、−１次回折光）の内の多くが対応する−１次回折光（又は、＋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。
【００７６】
Ｓ１／Ｓが１であれば、必ず２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２つの１次回折光の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、±１次回折光の一方の６割以上が他方と干渉することを意味している。
【００７７】
これより、２つの１次回折光が同時に入射する入射領域の割合（Ｓ１／Ｓ）を大きくするためのための有効光源は半径σのパーシャリーコヒーレント照明で、瞳面上での有効光源の半径をσとすると、瞳半径を１として、σは最大でも０．５乃至０．６以下であると結論できる。
【００７８】
更に、任意のパターンの２次元像から、図２２の（ｂ）に示すような、すべての線幅、ピッチの任意の複雑なパターンを解像するためには
【００７９】
【数９】
図２２の（ａ）に示すような、すべての線幅、ピッチの単純なパターンを解像するためには
【００８１】
【数１０】
線幅、ピッチが、数式８が示す式を満たすような小さいものに限定されるパターンを解像するためには
【００８３】
【数１１】
であることが考えられる。ここで、図２２は、（ａ）がσ≧２、（ｂ）がσ≧３αの照明条件となるマスクの例示的なパターンを示した概略上面図である。なお、単純なパターンとはＬ／Ｓに近く、多種の線幅が入り組んで、複雑に曲がっていたりしないようなパターンである。パターンをある方向からみたとき、その方向と直角に交わる線を引きこの線とパターンが交わる点間の幅を線幅と定義するとき、縦方向から見ると、図２２（ａ）は１種の線幅のパターンのみから成り、図２２（ｂ）は４種の線幅から成る。このようにある方向から見て多種の線幅の線から成るパターンを「複雑なパターン」という。
【００８５】
図３のように、パターン２１０周辺が光を透過し、パターン２１０が遮光された位相シフトマスク（マスク２００Ａ）については、パターン周辺が大きな透過パターンと考えられるので、位相シフトマスクでも０次回折光が関与する結像である。しかし、上記と同様な考え方で、σ≧２α、パターン形状によっては、σ≧３αでなければ解像は難しい。一方、マスク２００を透過型パターンに限定し、線幅及びピッチを微細なものに限定すれば、σを２α以下に小さくしてもよい。線幅が微細なものに限定されている場合、むしろ、位相シフトの効果を発揮するためには、σを０に近づけたほうがよい場合もある。
【００８６】
しかしながら、本来、位相シフトマスクはｋ１≦０．５の微細な線幅を解像することが目的であるから微細な線幅のみでパターンが構成される場合が多い。限界解像で解像性能を良好にするような位相シフトの効果を発揮するためには、σを２αより小さくし、σを０に近づけたほうがよく、その場合、透過型パターンの最大線幅以下の微細線幅を解像できる（最大線幅より大きな線幅は解像性能が悪化し、像が分離できない、偽解像の不要パターンができたりする）。最大線幅は中抜け半径αに依存し、線幅をｋ１で表現すると数式８の関係にある。例えば、α＝０．４のときｋ１≦０．６２５、α＝０．３のときｋ１≦０．８３３、α＝０．２のときｋ１≦１．２５である。
【００８７】
σが２αより小さい場合、σを０より大きくしていくと、最大線幅より小さいパターンにおいてコントラストは減少するが、最大線幅付近のパターンも解像できるようになり、最大線幅以下の線幅が多種に及ぶようなパターンに対応できるようになる。線幅に関して付け加えると、位相シフトマスクは隣り合う位相の周期性によって解像を得ようとするものであるが、パターンは線幅と間隔が等しいＬ＆Ｓばかりでなく、線幅より間隔が大きいものや、逆に線幅が大きいものもある。図３のようなパターン遮光の位相シフトマスクの場合、孤立線のパターンも考えられるのでピッチでなく線幅で定義した。図３のようなパターン遮光位相シフトマスクのものは、遮光部分（クロムで形成される部分）が得ようとする線幅よりも細く形成されていたり、極端な場合には遮光部分（クロムで形成される部分）がまったくない場合もあるが、得ようとする（最終的に得られる）線幅で定義する。
【００８８】
また、周期の方向に直交した１方向のみの解像でいいなら、図１３のような、中抜けαより外側の位置に光源の一方をおき、周期の方向を遮光するような２重極照明の開口絞り１４０ａ及び１４０ｂを用いた有効光源にすると良好となる。この場合、２重極の一方の半径を０．４（瞳半径を１として）以下にすると、限界解像以上のすべての線幅でコントラストが得られる。ここで、図１３は、開口絞り１４０ａ及び１４０ｂを示した概略平面図である。
【００８９】
以下、上述した露光装置１０並びにシミュレーション結果に基づく露光装置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光学系１１５の開口制御装置１４０ａと光学系１２０に信号を送り、絞り１４０および光学系１２０を起動させる。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、ここでの詳細な説明は省略する。また、後述する実施例において、かかる照明条件は更に理解されるであろう。
【００９０】
なお、例えば、制御装置４００につながった入出力装置４２０から照明条件を入力するようにしてもいい。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、明らかに像性能をおとすようなものだったら、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。あるいはワーニングメッセージをモニターにだして警告するなどの機能を持たせてもいい。
【００９１】
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おとすと予想された場合、ワーニングメッセージをモニターにだして警告するなどの機能を持たせてもよい。例えば、中抜け半径がα＝０．２の例で示すと、透過型パターンのｋ１≦１．０以下の微細線のみであれば、σ＝０．１からσ＝０．２の極端な小σに指示し、設定してもいい。あるいは、σ＝０．１の指示にも拘らずパターン２１０のパターン線幅がｋ１≧１．２５の大きなものを含んでいれば解像は不可能なので、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とよい。あるいはσ＝０．４の指示にもかかわらず、パターン２１０のパターン線幅がｋ１≧１．２５の大きなものでパターンが複雑なものであれば、大きな線幅のパターンや複雑な形状の解像は難しいので、ワーニングメッセージと最適σ値をモニターに表示して入力指示を再考するようにすればよい。
【００９２】
なお、投影露光装置１０の制御装置４００の中にマスク２００のパターン２１０のデータの１部または全部を記憶させておいてもよい。また、制御装置４００の中に強度分布を計算する図示しないシミュレーションツールを含んでおいてもよい。これにより、マスク２００のパターンデータをシミュレーションツールによってウェハ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してもよい。
【００９３】
あるいは、瞳面上において、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割合が大きな照明条件をもとめて最適照明条件を設定してもよい。かかる構成においては、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次回折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。その後、かかる照明条件に基づいて露光装置１０を最適照明条件に設定する。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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１０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。
【００９７】
【実施例】
【実施例１】
図１の投影露光装置１０を用いて実施例１を説明する。このような中抜け（半径α）のある投影光学系３００からなる露光装置１０において、中抜け半径αを変えて露光した例を示す。露光装置１０は、波長Ｆ２（λ＝１５７ｎｍ）、ＮＡ＝０．７０、照明条件は図４のような半径σの円形照明とした。パターン２１０は図２のようなものとし、線幅を限界解像線幅から大きな線幅まで細かく変えてある。照明条件がσ＝０．３のとき、中抜け半径をα＝０．０、０．１、０．１５、０．２、０．３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に示す。ここで、図１４は、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したグラフである。
【００９８】
中抜け半径αが大きくなると、限界解像より大きな線幅で、数式８に基き、特に０．５≦ｋ１のコントラストの低下がある。また、図示しないが、コントラスト深度は限界解像付近の線幅ｋ１＜０．７で瞳中抜けによって増加するが、ｋ１≧０．７の限界解像より大きな線幅では瞳中抜けの大きいほど低下の割合が大きいことが解っている。数式１０を満足する中抜け半径αが０．１５までは、すべての線幅（ピッチ）にわたって、ピークコントラストが７５％以上得られており、２次元シミュレーションの結果から、単純な周期パターンでは通常の使用が可能である。しかし、複雑なパターンの２次元シミュレーションでは、すべての線幅（ピッチ）にわたって通常の使用ができるのは、中抜け半径αが０．１までである。数式１１を満足する中抜け半径αが０．１５より大きい場合、線幅を限定する。ｋ１≦１／（４α）より、α＝０．２のときｋ１≦１．２５まで、α＝０．３のときｋ１≦０．８までで使用できる。
【００９９】
【実施例２】
図１の投影露光装置１０を用いて実施例２を説明する。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３のような半径σの円形照明とし、図２のようなパターン２１０を露光した場合のピークコントラストを計算した。露光装置１０は波長Ｆ２（λ＝１５７ｎｍ）、ＮＡ＝０．７０、照明条件をσ＝０．５とし、中抜け半径をα＝０．０、０．１、０．２、０．２５、０．３（瞳半径を１として）まで変えた場合のシミュレーション結果を図１４同様、図１５に示す。ここで、図１５は、照明条件σ＝０．５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したグラフである。
【０１００】
数式１０を満足する中抜け半径αが０．２５までは、すべての線幅（ピッチ）にわたって、ピークコントラストが６０％以上得られ、中抜け半径αが０．２０までは、ピークコントラストが７５％以上得られるので、２次元シミュレーションの結果からも単純な周期パターンでは通常の使用が可能である。しかし、複雑なパターンの２次元シミュレーションでは、すべての線幅（ピッチ）にわたって通常の使用ができるのは、数式１１を満足する中抜け半径αが０．２より小のときである。本実施例２は、実施例１に比べて、σの値が大きいので、線幅の多様性や複雑な形状に対して要求されるな中抜けの半径の許容値が大きくなっている。また、中抜けがあっても、通常の中抜けのないもの同様、限界解像付近の微細線のコントラストが得にくく、大きな線幅のコントラストが得やすくなっている。
【０１０１】
【実施例３】
図１の投影露光装置１０を用いて実施例３を説明する。このような中抜け（半径α）のある投影光学系３００からなる露光装置１０において、照明条件σを変えて露光した例を示す。露光装置１０は波長Ｆ２（λ＝１５７ｎｍ）、ＮＡ＝０．７０、照明条件は図４のような半径σの円形照明とした。パターン２１０は図２のようなものとし、線幅を限界解像線幅から大きな線幅まで細かく変えてある。露光装置の中抜け半径がα＝０．２のとき、照明条件をσ＝０．２、０．３、０．４、０．５、０．６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１６に示す。ここで、図１６は、中抜け半径α＝０．２において照明条件σ（図中、ｓｉｇｍａで表示）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。
【０１０２】
図１６より、有効光源σが小さいほど低いｋ１側で高いコントラストが得られ、σが大きいほどｋ１の大きい線幅でも高いコントラストが得られる。ｋ１＝１．０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の逆転現象が起こっている。σを小さくしていくと、数式８の式にあるようにパターンの線幅がｋ１≦１／（４α）＝１．２５でゼロに近づき、これより大きな線幅は解像できない。すべての線幅で、８０％以上のピークコントラストが得られ解像可能なのは、数式１１にあるように中抜けαの３倍のσ＝０．６の照明のときである。しかし、位相シフトマスクで本来解像を期待する線幅ｋ１＝０．５以下において高コントラストが若干得られない。
【０１０３】
σを０．２以下にすると、０．３≦ｋ１≦１．０の線幅を８０％以上の高コントラストで解像することができる。σが小さいと理論的限界のピッチｋ１≧１／（４α）（α＝０．２のとき、線幅ｋ１≧１．２５）でコントラストが大きく低下し、これ以上の線幅は解像が難しいことを示す。しかし、σを大きくしていくと高いコントラストの値がより得られるようになり、中抜け半径αの２倍のσ＝０．４では解像が可能になる。従って、パターンの線幅がｋ１≦１／（４α）＝１．２５で限界解像に近い線幅のみで構成されていればσを０に近づければよく、ｋ１≦１．２５の範囲内でより大きな線幅が含まれていればσをより大きくする。ｋ１≧１．２５の大きな線幅が含まれていればσを０．４以上にする。
【０１０４】
露光装置１０の照明条件は、このような中抜け半径がα＝０．２のとき、すべての線幅で解像可能な中抜けαの３倍のσ＝０．６の照明をデフォルトの照明条件とする。しかし、マスク２００のパターン２１０の情報によりσが最適な値となるよう開口絞り１４０および光学系１２０を起動させることが可能である。なお、最適σ値は、マスク２００のバーコードに書き込んでおいてもいいし、バーコードに線幅の種類を書き込んでおき、予め制御装置４００のメモリに線幅の種類と最適σ値のテーブルを用意しておき、これに基づいて最適σ値を決定してもいい。あるいは、制御装置４００のメモリにマスク番号と線幅の種類や、詳細なパターンデータを記憶しておくなど種類の方法が考えられる。
【０１０５】
マスク２００が図３のようにパターン２１０周辺で光が透過し、パターン２１０部が遮光される位相シフトマスク（マスク２００Ａ）であれば、デフォルトの照明条件のままとする。パターン線幅がｋ１≦１／（４α）＝１．２５で限界解像に近い線幅のみであれば中抜けαの２倍のσ＝０．４に設定する。
【０１０６】
マスク２００が図２のようにパターン部が透過型の位相シフトマスクで、線幅がｋ１≧１．２５の大きなものを含み、複雑なパターンであればデフォルトの照明条件のままとする。この中でも、パターンが長い線で構成された比較的単純なものであればσ＝０．４からσ＝０．５に設定する。
【０１０７】
パターン線幅がｋ１≦１／（４α）＝１．２５で限界解像に近い線幅のみであればσ＝０．４以下に設定してもよく、たとえばｋ１≦１．０以下の微細線のみであれば、σ＝０．３からσ＝０．４と位相シフトマスクでの通常のσ値に設定する。
【０１０８】
【実施例４】
図１の投影露光装置１０を用いて実施例４を説明する。露光装置１０の投影光学系３００の中抜け半径がα＝０．４の場合の実施例を示す。マスク２００が位相シフトマスクの場合、デフォルトの照明条件は、位相シフトマスクの効果が得られなくなるので、σ＝０．６より大きくはしない。中抜け半径をα＝０．４と固定し、照明条件をσ＝０．１，０．２，０．３，０．４，０．５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１７に示す。ここで、図１７は、中抜け半径α＝０．４において照明条件σ（図中、Ｓで表示）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。
【０１０９】
コントラストは、σが小さいほどｋ１≦１／（４α）＝０．６２５でゼロに近づいている。σが中抜け半径αを越えσ＝０．６で、最大線幅のｋ１＝０．６２５付近でも解像ができるようになる。マスク２００が図３に示す位相シフトマスクであれば、デフォルトの照明条件のままとする。パターン線幅がｋ１≦１／（４α）＝０．６２５で限界解像に近い線幅のみであれば解像できる。マスク２００が図２に示す位相シフトマスクであれば、線幅がｋ１≧０．６２５の大きなものを含み、パターン２１０が長い線で構成された比較的単純なものであればデフォルトの照明条件のままとする。更に、パターン２１０の線幅がｋ１≦０．６２５であれば、パターンと必要なコントラストに応じてσを０．６より小さく設定する。
【０１１０】
しかし、パターン２１０の方向を１方向に限れば、例えば、図１０における領域３３０（１次回折光が瞳外にぬける光の入射方向）又は領域３２０（１次回折光が中抜けにぬける光の入射方向）と重ならない有効光源に設定してもよい。即ち、図１３の（ａ）のようなｘ軸上を遮光するような２重極照明の有効光源となるような開口絞り１４０を使用してもよい。また、図１３の（ｂ）のように開口絞り１４０を変形してもよい。このようにすると、ｘ方向に周期のあるｙ方向に長いパターンのみ高コントラストが得られる。
【０１１１】
なお、図示しないが中抜け半径α＝０．４の投影光学系３００において、照明条件は図１３の（ｂ）のような２重極照明とし（１つの光源の半径がＳ）、図２のようなパターンを露光した場合のピークコントラスト線幅特性は、ｋ１≧０．５のすべての線幅にわたってピークコントラストが８０％以上得られている。ただし、２重極照明の大きさＳが０．４以下と小さい方が、ｋ１≦０．５の微細線幅から、それより大きなすべての線幅で高コントラストが得られる。パターンの方向を１方向に限る位相シフトマスクは、特殊な用途、たとえば多重露光のなかの１回露光に用いられるようなものである。
【０１１２】
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。
【０１１３】
【発明の効果】
本発明の露光方法及び装置は、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】 本発明の例示的な露光装置の概略構成図である。
【図２】 （ａ）は図１に示すマスクの概略平面図であって、（ｂ）は（ａ）に示すマスクのパターンに入射した光の振幅の分布を示した図である。
【図３】 （ａ）は図１に示すマスクの概略平面図であって、（ｂ）は（ａ）に示すマスクのパターンに入射した光の振幅の分布を示した図である。
【図４】 コヒーレンス度σ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５】 図１に示す投影光学系にマスクを介し入射する光の様子を示した模式図である。
【図６】 ウェハ上に到達する光の１次元強度分布を示した図である。
【図７】 ウェハ上に到達する光の１次元強度分布を示した図である。
【図８】 条件が変えた場合のマスクを介し投影光学系に入射する光の当該投影光学系の瞳上に入射する回折光の位置を（ａ）乃至（ｃ）に示した図である。
【図９】 図８に示す照明を行ったときのウェハＷ上の光強度分布を示した図８の（ａ）乃至（ｃ）に対応する図である。
【図１０】 （ａ）は図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．４のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｂ）は図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．５のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｃ）は図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．７のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｄ）は図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が１．０のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布をそれぞれ模式的に示したものである。
【図１１】 （ａ）はα＜σとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．４のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｂ）はα＜σとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．５のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｃ）はα＜σとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．７のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｄ）はα＜σとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が１．０のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布を模式的に示したものである。
【図１２】 （ａ）はσ＜αとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．４のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｂ）はσ＜αとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．５のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｃ）はσ＜αとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が０．７のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布、（ｄ）はσ＜αとしたときの図１に示すマスクのパターンの線幅ｋ１が１．０のときの投影光学系の瞳面上での回折光の分布を模式的に示したものである。
【図１３】 （ａ）は図１に示す開口絞りの例示的一態様を示した概略平面図、（ｂ）は図１に示す開口絞りの別の例示的一態様を示した概略平面図である。
【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したグラフである。
【図１５】 照明条件σ＝０．５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したグラフである。
【図１６】 中抜け半径α＝０．２において照明条件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】 中抜け半径α＝０．４において照明条件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１８】 図１に示す露光装置を使用したデバイス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に示すウェハプロセスの詳細なフローチャートである。
【図２０】 カタディオプトリック投影露光系の代表的なシュバルツシルド型投影光学系を示す概略断面図である。
【図２１】 図２０に示すシュバルツシルド型投影光学系の瞳面を示す概略断面図である。
【図２２】 （ａ）はσ≧２の照明条件となるマスクの例示的なパターンを示した概略上面図、（ｂ）は及びσ≧３αの照明条件となるマスクの例示的なパターンを示した概略上面図である。
【符号の説明】
１ 投影光学系
１０ 露光装置
１００ 照明装置
１１０ レーザー
１１５ 照明光学系
１２０ 光学系
１３０ オプティカルインテグレータ
１４０ 開口絞り
１４０ａ 開口制御装置
１５０ 集光レンズ
１６０ 絞り
１７０ 結像レンズ
２００ マスク
３００ 投影光学系
４００ 制御部
４２０ 入出力装置
４３０ マスクバーコードリーダ
Claims (1)
- 瞳の中央が常に遮光される投影光学系で、位相シフトマスクのパターン像を被処理体に投影するステップと、
前記投影光学系の瞳上に所定の有効光源を形成する照明光で、前記位相シフトマスクを照明するステップと、を有し、
前記投影光学系の瞳の中央の遮光領域は、半径α（瞳の半径を１としたときの値）の円形であり、
前記位相シフトマスクのパターンは、所定の方向に周期的に並べられた複数のラインパターンを含み、
前記所定の有効光源は、前記所定の方向と直交する方向に並んだ２つの極を持つ二重極状であり、中央の半径が前記αである円形の領域が遮光されていることを特徴とする露光方法。
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