JPH02234411A - 投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体素子や液晶素子等を製造するために、
マスクに形成された原画パターンを惑応基板上に投影露
光する装置に関するものである．〔従来の技術〕 半導体素子の製造においては年々微細化と高集積化が進
み、ＩＭｂｉｔメモリ、”４Ｍｂｉｔメモリと増々線幅
の細いリソグラフィ工程が要求されてきている． この要求に答えるべく、現在リングラフィ工程で使われ
る露光装置は、縮小投影型露光装置（ステッパー）が土
流である．特に原画パターンを有するレチクルを１／５
縮小投影レンズで１５×１５閣角程度に縮小してウェハ
上のレジスト層に露光する方法が多用されている。

このステンパーの投影レンズは年々、解像力を上げるた
めに高開口数（Ｎ．Ａ．　）化され、露光用照明光の波
長が４３６ｎｍ（ｇ線）のとき、Ｎ．Ａ，−０．４８程
度のものが実用化されている。

このように投影レンズの開口数を大きくすることは、そ
れに応じて実効的な焦点深度が小さくなることを意味し
、Ｎ．　Ａ．　−０．４　８にした投影レンズの焦点深
度は、例えば±０，８μｍ以下である。

すなわち、ウエハ上の１つのショット領域を１５×１５
柵角とすると、この領域全体の表面（レジスト層）が、
投影レンズの最良結像面に対して±０．８μｍ以内（望
ましくは±０．２μｍ以内）に正確に位置決めされなけ
ればならない。

そこで投影レンズの焦点深度の不足に対応するために、
投影レンズに対してウエハを光軸方向に変位させつつ、
同一レチクルのパターンを多重露光する方法が提案され
ている。

この方法は、投影レンズのみかけ上の焦点深度を増大さ
せることになり、１つの脊効な露光方法である。

〔発明が解決しようとする問題点］ この多重焦点露光方法は、ベストフォーカスのコントラ
ストは若干低下させるものの、広い焦点範囲に渡ってコ
ントラストを保証しようとするものである。この方法は
実験等の結果から、レチクルのパターン面がほとんど暗
部（遮へい部）であり、その中に矩形の開口部（透過部
）が散在するような、所謂コンタクトホール工程用のパ
ターンに対しては有効であるが、その他のパターン、特
に明暗の直線状のパターンが繰返されるような配線層等
のレチクルパターンに対してはコンタクトホルの場合ほ
どには存効でないのが現状である。

さらに、多重焦点露光方法の最も大きな問題点は、ショ
ット露光中（１つの露光領域に対して最通な露光量が与
え終るまでの間）に、ウェハを正確に上下動させる必要
があることから、スループットが極端に低下することで
ある。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、よ
り微細なパターンを投影光学系の開口数の極端な増大、
照明光の極端な短波長化を計ることなく転写可能にする
ことを第１の目的とする。

さらに本発明は、コンタクトホール以外のほとんどのパ
ターンに対しても、多重焦点露光法と同等に見かけ上の
焦点深度を広げた効果が十分に得られ、かつスルーブッ
トが高くなるような装置を得ることを第２の目的とする
。

〔問題点を解決する為の手段］ 本発明では、マスク（又はレチクル）のパターンをウェ
ハ上に投影露光するための投影光学系に、予め設計され
た球面収差特性をもたせるようにした。球面収差は、従
来の装置では単に橿力小さくするように設計されていた
。

本発明では、球面収差量をウェハ上の感光層に露光され
た像のコントラストを考慮し、このコントラスラストを
極端に悪化させない範囲で球面収差をもたせるように設
計した． 〔作用〕 球面収差を残した投影光学系は、像コントラストの点で
若干劣るものの、見かけ上の焦点深度を拡大させること
ができる． 従来、球面収差を残すことは、像買上のコントラスト低
下を招くために極力さけられてきた．しかしながら、高
Ｎ，Ａ，化された投影光学系が実用的に使える段階にな
ってくると、焦点深度に関する問題がクローズアップさ
れてきた。

この焦点深度に対する要求は、ウヱハ上の１つのショッ
ト領域表面のわずかな傾斜、うねり、文は凹凸の程度と
、焦点深度とが接近してきたことにも原因がある。

〔実施例］ 第３図は本発明の実施例に好適な投影型露光装置（ステ
ッパー）の構成を示す斜視図である。このステンバーの
基本構成は、例えば特開昭６２１４５７３０号公報に開
示されたものと同様であるので、以下簡単に説明する。

露光用光ａ２からの照明光は、レチクルブラインド（照
明視野絞り）等を有する照明光学系４を通り、レチクル
ステージ６上の１枚のレチクルを照明する．レチクルス
テージ６には、ここでは４枚のレチクルＲ＋　、Ｒ２　
、Ｒ３　、Ｒ４が同時に載置可能で、ｘ，ｙ方向に２次
元移動する。このレチクルステージ６には、位置計測用
のレーザ干渉計１０からのレーザビームを反射する移動
鏡８ｘ、８ｙが互いに直角に固定されている．レチクル
アライメント系１２はレチクルのアライメントマーク（
レチクルマーク）を検出するとともに、ウエハＷ上のア
ライメントマーク（ウエハマーク）も検出可能に設けら
れる。このため、アライメント系１２は４枚のうちの１
枚のレチクルを装置に対して位置決めする場合、あるい
はレチクルマークとウェハマークを同時に検出してグイ
・パイ・ダイアライメントする場合の両方に利用できる
．尚、第３図ではアライメント系１２は１ケ所にしか設
けられていないが、各レチクル上の複数ケ所にマークが
設けられる場合、又はウェハ上のショット領域の複数ケ
所にマークが設けられる場合アライメント系１２はそれ
らマークの位置に対応して複数ケ所に配置されている．
レチクルマーク、又はウェハマークの光電検出は、マー
ク検出系Ｉ４によって行なわれる。

さて、レチクルのパターン領域の像は投影レンズ系ｌ６
を介してウェハＷ上予め形成されたチップ領域ＣＰに結
像投影される。ウェハＷはｘ，　ｙ方向に移動するウエ
ハステージ２６上に載置されるが、このウェハステージ
はｙ方向に移動するＹステージ２６ｙ，Ｙステージ２６
ｙ上をＸ方向に移動するＸステージ２６ｘ，Ｘステージ
２６ｘ上で投影光軸方向（Ｚ方向）に微動するＺステー
ジ２６ｚで構成される．Ｚステージ２６ｚ上には、レー
ザ干渉計３０ｘ、３０ｙからのレーザビームを反射する
移動鏡２８ｘ、２８ｙが互いに直角に固定されている．
またＺステージ２６ｚには、ウェハＷとほぼ同じ高さに
なるように基準マークＦＭが固定されている。Ｘステー
ジ２６ｘ．．Ｙステージ２６ｙの各軸方向の駆動はモー
タ２７ｘ、２７ｙで行なわれる。ここで投影レンズ系１
６には、結像補正機構１８が組み込まれ、露光光の入射
によるエネルギー蓄積状態、環境条件等によって変動す
る投影レンズ系１６の光学特性（倍率、焦点、ある種の
ディストーション等）を時々刻々自動的に補正している
。この結像補正機構１８は、例えば特開昭６０−７８４
５４号公報に詳しく開示されているので、ここでは説明
を省略する。また、このステンバーには、レチクルステ
ージ６の下方から投影レンズ系１６のみを介してウェハ
Ｗ上のマークを検出するアライメント光学系２０と、こ
のアライメント光学系２０で検出されたマーク光情報を
光電検出するマーク検出系２２とで構成されたＴＴＬ（
スルーザレンズ）方式のアライメント系と、投影レンズ
系ｌ６の直近に別設されたオフ・アクシス方式のアライ
メント系２４とを備えている。

また第３図には示していないが、特開昭６０７８４５４
号公報に開示されているのと同様に、ウェハＷの表面の
高さ位置を高分解能で検出する斜入射光式フォーカスセ
ンサーが設けられ、Ｚステージ２６ｚとともに、投影レ
ンズ系の最良結像面とウエハ表面とを常に合致させる自
動焦点合わせ４１横として動作する。

ここで第３図の構成における照明光学系４と投影レンズ
系１Ｇとの光学的な関係及びレチクル上の代表的なパタ
ーンの結像の様子を第４図を用いて説明する。照明光学
系４は、投影レンズ系１６の瞳ＥＰ内に２盗光源像（面
光源）を投射するように構成され、所謂ケーラー照明法
が採用される。

瞳ＥＰの大きさに対して、面光源像はわずかに小さくな
るように設定されている。ライン・アンド・スペース（
Ｌ／Ｓ）状のパターンＰ．を有するレチクルＲの１点に
着目してみると、この点に到？する照明光ＩＬには、あ
る立体角θ、／２が存在する。この立体角θ．．／２は
パターンＰ．を透過した後も保存され、０次光の光束Ｄ
．。とじて投影レンズ系１６に入射する．この照明光Ｉ
Ｌの立体角θ，／２は、照明光の開口数とも呼ばれてい
る．また投影レンズ系１６が両側テレセントリンク系で
あるものとすると、レチクルＲ側とウエハＷ側の夫々で
、瞳ＢＰの中心（光軸ＡＸが通る点）を通る主光線２．
は光軸ＡＸと平行になる。

こうして瞳ＥＰを通った光束はウェハＷ側で結像光束Ｉ
Ｌ．となってウエハＷ上の１点に結像する。

この場合、投影レンズ系Ｉ６の縮小倍率が１／５である
と、光束ＩＬ．の立体角θ．，／２はθ．＝５・θ，の
関係になる。立体角θ，／２はウェハＷ上での結像光束
の開口数とも呼ばれている。また投影レンズ系１６単体
でのウェハ側の開口数は、瞳ＥＰいっぱいに光束を通し
たときの光束ＩＬ，の立体角で定義される。

さて、パターンＰ．がＬ／Ｓ状であるために、０次光Ｄ
．。以外にも１次以上の高次回折光Ｄ■、Ｄ．、・・・
・・・が発生する．これらの高次光には、０次光束Ｄ．
。の外側に広がって発生するものと、０次光束Ｄ．。の
内側に分布して発生するものとがある，特に０次光束Ｄ
１。の外側に分布する高次光の一部は、例え投影レンズ
系１６に入射したとしても瞳ＢＰでけられることになり
、ウエハＷへは達しない。従って、より多くの高次回折
光を結像に利用するとなると、瞳ＥＰの径をできるだけ
大きくすること、すなわち投影レンズ系１６の開口数（
Ｎ，Ａ，）をさらに大きくしなければならない。

あるいは、照明光ｒＬの開口数（立体角θ，／２）を小
さくすること（面光源像の径を小さくすること）で、パ
ターンＰ，からの高次光Ｄ．，，　Ｄ．２等の広がり角
を小さく押えることも可能である。

ただしこの場合、ウェハＷ側での０次の結像光束ＩＬ．
の開口数（立体角θ、／２）を極端に小さくしてしまう
と、本来の解像性能を損うことになる．さらに元来、パ
ターンＰ．のピッチやデューティによって高次光の回折
角は一義的に決まってしまうので、仮りに照明光ＩＬの
立体角θ７／２を零に近づけることが可能だとしても、
高次回折光のうちのある次数以上は瞳ＢＰでけられるこ
とになる。もちろん立体角θ．．／２が零に近いと、パ
ターンの結像そのものが困難となる。

ところで、第３図においては４枚のレチクルＲ１”’Ｒ
４が同一のレチクルステージ６上に載置され、そのうち
任意の１枚のレチクルの中心が投影レンズ系１６の光軸
ＡＸ上に位置するように交換可能である。この交換時の
各レチクル位置決め精度は、レーザ干渉計１０を用いて
いるため、極めて高精度（例えば±０．０２μｍ）にで
きる。このため、４枚のレチクルＲ，−Ｒ．の相互の位
置関係を予め精密に計測しておけば、レーザ干渉計１０
の座標計測値のみに基づいてレチクルステージ６を移動
させることで各レチクルを位置決めできる．また各レチ
クルＲ，〜Ｒ４の相互位置関係を予め計測しない場合で
あっても、各レチクル毎にアライメント系１２、マーク
検出系１４、基準マークＦＭ等を用いて精密に位置決め
することができる． 尚、Ｚステージ２６ｚを露光動作中に上下動させる多焦
点露光法の代りに、結像補正機構１８を用いて、投影レ
ンズ系１Ｇそのものの最良結像面（レチクル共役面）を
上下動させることも考えられる。この場合、特開昭６０
−７８４５４号公報に開示されているように、結像補正
機横１８は投影レンズ系１６内の密封されたレンズ空間
内の気体圧力を調整する方式であるので、本来の補正の
ための圧力調整値に、結像面を±０．５μｍ程度上下動
させるためのオフセット圧力値を露光動作中に加えれば
よい．この際、圧力オフセットによって焦点面のみを変
動させ、倍率やディストーション等は変動させないよう
なレンズ空間の組み合わせを選定する必要がある。

さらに、投影レンズ系１６が両側テレセントリックであ
るときには、レチクルを上下動させることで、同様に最
良結像面の高さ位置を変化させることもできる．一般に
縮小投影の場合、像側（ウエハ側）での焦点ずれ量は、
物体側（レチクル側）の焦点ずれ量に換算すると、縮小
倍率の２乗で決まってくる．このため、ウェハ側で±０
．５μｍの焦点ずれが必要なとき、縮小倍率を１７５と
すると、レチクル側では±０．５／（１／５）”＝±１
２．５μｍとなる． 本実施例では、以上のように、結像面そのものを光軸方
向に上下動させる方式の代りに、投影レンズ系１６に積
極的に球面収差を与えるようにし、実用上の焦点深度を
拡大させるようにした．このため露光動作中に付随的に
行なわれる多重焦点制御のためのｉ械的な駆動等をほと
んど不要とした露光方式が採用できる。

次に本発明の実施例を具体的に説明するが、ここでは多
重焦点露光法のようにウェハ面と最良結像面を相対的に
光軸方向に移動させる必要がない程度、もしくは移動さ
せてもその量が少なくて済む程度に、投影レンズそのも
のの焦点深度を広げる例を説明する． 第１図は投影レンズのＷＥＰよりもウェハ側の部分を模
式的に表わしたものであり、複数枚のレンズ素子は１つ
のレンズ系Ｇで代表してある．？影レンズの光軸ＡＸが
所定の像面ＩＰと垂直であるものとすると、像面ＩＰ内
で光軸ＡＸから離れた点に結像する光束は、全て瞳ＥＰ
（開口絞り面）の中心を通る主光線Ｌａ，Ｌｂに沿って
進む．主光線Ｌａ，，Ｌｂはテレセントリ７ク系である
ことから、像面ＩＰ上では光軸ＡＸと平行である。像面
ＩＰ内の１点に結像する光束の開口数（Ｎ．　Ａ．）は
瞳ＥＰの有効径で制限されるが、瞳ＥＰ内で最も外側を
通る光線を１，　、ｌｉＥＰ内で光線ｌ１よりも内側を
通る光線を２■としたとき、光線１１ｌによる結像点（
像面ＩＰ）と光線ｌ２による結像点との光軸方向の偏差
Δｚｈが球面収差である。従来の投影レンズでは、この
球面収差が無視できる程度に小さく押えられていた．本
実施例では、この球面収差をある程度発生させるように
レンズ設計を行なう。

この際、主光線Ｌａ，Ｌｂに関して対称な光線ｌ，によ
る結像点と、光＊　Ｘ　Ｚによる結像点とは、必らず主
光線Ｌａ，Ｌｂ上にできるように補正する．すなわち、
像面上で非対称となる非点収差、コマ収差は発生させな
いように設計しておく。

ここで光線ｉｔ　，ｉｔは、瞳ＥＰの中心（主光線Ｌａ
，Ｌｂと光軸ＡＸが交わる点）からの距離ｈで定義でき
る．そこで像面内の１点における球面収差Δｚｈを距Ｍ
ｈをパラメータとして表わすと、第２図のような収差特
性になる．特性Ｃｖｆは一般的な球面収差特性を示し、
特性Ｃｖ２は他の形状を示す．特性ＣＶＩになるか、特
性ＣＶ！になるかは収差の補正の方法によって決まり、
義的には決まらない。

この第２図の特性ＣＶ＋　，ＣＶｔで、収差の幅ΔＺｌ
、ΔＺ，が、像面上の各点における球面収差量と呼ばれ
るものである．本実施例では従来の投影レンズよりも、
この幅ΔＺｌ、又はΔＺ２を大きくすることで焦点深度
の増大を計るようにした．この輻ΔＺｌ、又はΔＺ２は
、露光すべきパターンの線幅、ラインアンドスペースパ
ターンのピンチ、及びベストフォーカス点でのコントラ
スト特性等によって最１！ｉ値を決める必要がある。こ
のような球面収差をもたせる場合、無収差レンズに比較
してコントラスト特性は低下するが、実用上、特定のＬ
／Ｓパターンでのコントラスト特性はほぼ無収差の投影
レンズの６０％程度までに低下させても良好な露光が可
能であり、従ってコントラスト特性は多少悪化するもの
の、その代りに広い焦点深度を確保することができる．
ここで像コントラストとは、例えば第４図に示したＬ／
Ｓ状のパターンＰ．を適正露光量及びベストフォーカス
位置（ウェハ表面が第１図中のΔｚｈの真中に位置した
状態）で、ウェハＷ上のレジスト層に焼き付けた後、そ
のパターン像を現像したときに得られるレジストパター
ン上でのライン幅とスペース幅との比と考えてよい．通
常レチクル上に形成するパターンＰ．ばライン幅とスペ
ース幅とが１対１であるため、レジストパターン上での
ライン幅Ｄｆｆｉとスペース輻Ｄｓとを計測装置等で計
測し、その比、Ｄｓ／Ｄｊ！（又はＤｆ／（ＤＪ！＋Ｄ
ｓ）、Ｄｓ／　（Ｄｆｆｉ＋Ｄｓ）を求めればよい， 一方、ある開口数（Ｎ．　Ａ，　）で設計される投？レ
ンズについては、球面収差が最も少なく、かつコントラ
ストも大きくなるように設計し、このような無収差のも
とで、レジスト層の特性も考慮して焼き付け後の像（レ
ジスト）コントラスト（理想的なコントラスト）をシミ
エレーション等で求める．そのシミュレーションの後、
理想的なコントラストを６０〜８０％程度に低下させる
まで球面収差のみを増していく再シミュレーションを行
なう． 以上、本実施例によれば、第４図のようにＬＺＳ状のパ
ターンＰ．を想定して考えた．このことを第１図に対応
してみてみると、第４図中に示した高次回折光Ｄ■、Ｄ
．２等は、投影レンズ系１６の瞳ＥＰ面において、瞳中
心から離れた領域を通ることになる．従って、瞳中心部
分に集中して通る０次光Ｄ．。の結像点と、０次光Ｄｉ
ｅの外側に広がる高次回折光Ｄ０、Ｄ１等の結像点とは
、球面収差量Δｚｈの分だけ光軸ＡＸ方向にずれること
になる． このため、パターンＰ１からの結像光束は、ウエハＷ上
において、より高次の回折光（瞳ＥＰの周辺を通る光）
によって見かけ上の焦点深度を拡大されていると考えて
もよい。もちろん、瞳ＥＰ内のＯ次光Ｄ．。のサイズ（
２次光源像の大きさ）が大きければ、０次光Ｄ，。によ
る結像光束のみでも見かけ上の焦点深度の拡大に寄与す
る。

〔発明の効果〕

以上の様に本発明によれば、コントラストを低下させて
も焦点深度が増大するので、ＩＣ製造上、焦点深度が増
大する効果がある。

また、同一のＮ．Ａ．をもち、照明系のσ値（瞳ＥＰ内
での２次光源面の割合）を一定にした投影レンズに比較
して、深度が増大するので、多重焦点露光方法のように
同一点で複数回の露光をくり返し、スループントの低下
を生じることもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における原理を説明する図、第
２図は球面収差特性の一例を示すグラフ、第３図は本発
明の実施例が適用される縮小投影露光装置の構成を示す
斜視図、第４図はレチクル上のパターンの結像の様子を
模式的に示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ４・・・照明系、 Ｇ，１６・・・投影レンズ系、 Ｒ，Ｒ，，Ｒ．，Ｒ．，Ｒ，・・・レチクルＰ１・・・
ラインアンドスペース状パターン、Ｗ・・・ウエハ、 ＥＰ・・・瞳、 Δｚｈ・・・球面収差量

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）原画パターンの形成されたマスクを照明系からの
   照明光で照射し、該原画パターンを投影光学系を介して
   感光基板上の所定領域へ結像投影する装置であって、 前記投影光学系に、予め所定の球面収差特性をもたせた
   ことを特徴とする投影露光装置。
2. （２）前記投影光学系は、ほぼ理想的に無収差に設計し
   て得られる像コントラストを１としたとき、これに対し
   てほぼ０．６〜０．８の像コントラストが得られるよう
   に前記球面収差の量を設定したことを特徴とする請求項
   第１項に記載の装置。