JPH0250417A - 投影型露光装置及び投影露光方法 - Google Patents

投影型露光装置及び投影露光方法

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JPH0250417A
JPH0250417A JP63201078A JP20107888A JPH0250417A JP H0250417 A JPH0250417 A JP H0250417A JP 63201078 A JP63201078 A JP 63201078A JP 20107888 A JP20107888 A JP 20107888A JP H0250417 A JPH0250417 A JP H0250417A
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projection
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恭一 諏訪
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武司 須藤
Masaomi Kameyama
雅臣 亀山
Shigeru Hirukawa
茂 蛭川
Shinichi Nakamura
信一 中村
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  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

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、投影型露光装置、特にその投影光学系の開口
絞り径を可変にした露光装置に関する。
〔従来の技術〕
従来、LSIや超LSI等の掻微細パターンからなる半
導体素子の製造に縮小投影型露光装置が使用されており
、より一層微細なパターンを転写するために多大の努力
が続けられている。このようなパターンの微細化に対応
するために、露光光の短波長化と共に、投影光学系の開
口数(以下、NAと略称する。)の増大が図られてきて
おり、NA=0.5を越える投影光学系も実現されてき
ている。
そして、このように大きなNAを有する投影光学系を用
いた実際の投影露光においては、照明条件を最適化する
ことが重要となっている。このために、投影光学系のN
Aに対する照明光学系のNAの比に相当する所謂σ値の
調節によって、所定のパターンについての解像力とコン
トラストとの適切なバランスを得るように両光学系のN
Aを調整することが、例えば実開昭61−151号公報
等により知られている。また、NAが増大すればするほ
ど焦点深度が浅くなるため、レチクル上の微細パターン
をウェハ上に露光転写する時の焦点整合条件が極めて厳
しくなり、わずかの焦点変動があってもパターンの転写
が正確になされないという問題があった。このため、投
影光学系のNAを適宜変えることが提案されており、−
iには微細なパターンの露光焼付に際して、投影光学系
のNAを大きくすると限界解像力が良くなる反面焦点深
度が浅くなり、逆にNAを小さくすると限界解像力が悪
化する反面焦点深度が深くなることが知られている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上記の如き従来の装置においては、投影
光学系の最適なNAの値は、投影しようとする所定の微
細パターンに対して種々の実験や試し露光等により実験
的或いは経験的に選定することが必要であるために、多
大の労力と時間を要し、多種類の露光パターンを次々に
投影露光する場合には、製造工程上無視できない負担と
なってきている。
本発明は、上述の如き欠点を解消して、所定のパターン
に対して投影光学系の適切なNAを簡単に求めることが
でき、最適な投影露光状態を容易に設定して、−層微細
化しつつあるパターンの転写を迅速且つ正確に行い得る
投影型露光装置を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、第1図に例示される如き所定の微細パターン
を有するレチクルを照明するための照明光学系と、該レ
チクル上のパターンをウェハ面上に投影するための投影
光学系と、該投影光学系の開口絞りの口径を可変とする
絞り手段とを有する投影型露光装置において、レチクル
上の微細パターンで発生する回折光のうちの大きな回折
角の回折光、すなわち該パターンの像形成に必須でない
高次の回折光を除くように投影光学系の絞り開口を制限
する構成としたものである。具体的には、レチクル上の
最小パターンに対応する情報を取り入れるための最小パ
ターン情報受け入れ手段と、該最小パターン情報受け入
れ手段からの情報に応じて該最小パターンによって発生
する高次回折光を除去し得る絞り径に前記投影光学系の
可変絞り手段の口径を制御するための絞り制御手段を設
けたものである。
このような構成において、最小パターン情報受け入れ手
段は前記最小パターンの線幅の情報を受け入れ、絞り制
御手段は前記最小パターンの線幅の情報に基づいて該最
小パターンによる前記照明光学系から供給される照明光
の2次以上の高次回折光の回折角に対応する絞り開口の
口径を求め、該開口径よりも小さな口径に絞り手段を制
御する構成とすることが好ましい。さらに、絞り制御手
段は、最小パターンにおいて発生する1次回折光の角度
と、照明光学系のレチクルに対する照明光束の開き角度
との和の角度に対応する口径と略同一の口径に、絞り手
段の口径を制御するように構成することが望ましい。
〔作用〕
上記の如き本発明の基本構成によれば、レチクル上の所
定の微細パターンにおいて発生する高次回折光を除き、
0次及び1次の回折光のみによって該微細パターンの投
影転写を行うため、焦点深度を比較的大きく維持するこ
とが可能である。
即ち、レチクル上のパターンにおいて発生する高次回折
光は1次回折光に比較すると、回折角度が大きいため、
ウェハ上へも大きな角度をもって集光する。このため、
ウェハの位置が焦点位置から外れている場合に生ずるボ
ケの程度は、1次回折光よりも高次回折光により著しく
なる。この結果、焦点整合状態においては、高次回折光
の寄与により像の鮮明度は高まるものの、焦点外れの状
態においては高次回折光の存在のために像の鮮明度が急
激に劣化することになり、焦点深度を実質的に浅くする
ことになっている。一方、一般の投影型露光装置による
露光工程では、ウェハ上に塗布されるフォトレジストの
感光特性を示すγ (ガンマ)値は、通常1.5以上で
あるため、0次光と1次回折光との光のみによってフォ
トレジストを感光させることによって十分な解像を得る
ことが可能である。
従って、レチクル上の微細パターンで発生する高次回折
光が投影光学系の入射瞳(開口絞りのレチクル側からみ
た像)の周辺部に入射する性質を利用して、開口絞りの
開口径を高次回折光を遮断して0次光と1次回折光のみ
を通過させて微細パターンの投影に寄与するように構成
することによって、実質的焦点深度を高めつつ実用上十
分な解像を得ることが可能である。そして、投影光学系
の開口絞りの口径を、照明光学系のNAと1次回折光の
角度との和に対応する口径の大きさとすることによって
、照明光学系のNAに対応する照明光束の0次光と1次
回折光とを総てウェハ上での結像に寄与させることがで
きる。
ここで、回折光についての説明を加えるに、半導体素子
の製造に用いられるレチクル上のパターンは、−a的に
は、ラインとスペースとの幅が等しいl:1ライン・ア
ンド・スペースのパターンとみることができる。レチク
ル上のパターンがl:1ライン・アンド・スペースのパ
ターンであるとすると、このパターンからのn次回折光
の回折角θは、照明光の波長をλとして、 sin θ=nλ/ 2 d        (+1の
関係を満たす。ここで、dはライン及びスペースの幅で
あり、nは回折次数であり、n=1.3゜5、・・・で
ある、尚、その他の周期パターンでは、2dの代わりに
パターンのピッチpを用いて表され、n=2.4,6.
・・・の方向にも回折光が発生する。
理想的な1:1ライン・アンド・スペースパターンの場
合の回折光の強度分布は、第2図に示す如く、0次の他
、1次、3次、5次の奇数次のみとなり、偶数次の回折
光は発生しない、そして、図示のとおり0次と1次の回
折光の強度が際立って大きく0次光と1次光とが支配的
である。実際の1:lライン・アンド・スペースパター
ンの場合には、パターン数が有限なため第2図はど明確
な強度分布とはならず、各次回折角の中間にも弱い回折
光が発生するが、0次、1次回折光に比べてその強度は
極めて小さいため、本発明の如く2次以上の高次回折光
を遮光しても、実質的光量の不足を来す恐れはない。
また、孤立線や矩形の孤立穴などの孤立パターンの場合
には、回折角θ方向の回折光強度は、パターン幅をd、
光の波長をλとして、次のように表される。
5incx=      である。
そして、上記(11式の1:lライン・アンド・スペー
スパターンの回折次数を用いて表せば、となり、第3図
の如き強度分布特性を有する。
すなわち、孤立パターンからは、上記1:1ライン・ア
ンド・スペースパターンの回折特性における、0次〜2
次及び2次〜4次、・・・相当の比較的広い角度範囲に
回折光が発生する。そして、このような孤立パターンの
場合にも、1:1ライン・アンド・スペースパターンに
おける、0次〜1次に相当する回折角範囲の回折光が支
配的であり、2次以上の高次相当回折光を遮光しても、
実質的光量を不足をきたす恐れはない。
尚、孤立パターンによる回折光強度の分布は、第3図に
示す如(5inc関数で表されており、この強度分布に
おける0次回折光D0及び1次回折光D1の各成分は、
第2図に示した如きライン・アンド・スペースパターン
の場合の0〜2次、2次〜4次の回折角相当成分に対応
する。従って、上の記述は孤立パターンで発生する回折
光のうち、5inc関数の1次以上の回折光成分を遮光
すると言い換えることができる。
〔実 施 例〕
以下、本発明を図示した実施例に基づいて説明する。
第1図は本発明による投影型露光装置の一実施例の概略
構成を示す斜視図である。
超高圧水銀灯lから発する短波長光は、楕円鏡2で反射
され、コールドミラー3で反射されて楕円鏡の第2焦点
上に集光される。そして、コリメーターレンズや光束分
布補正用のコーン状プリズム等からなる集光光学系4を
通過し、フライアイレンズ群からなる如きインテグレー
タ部材5によって、照明系絞り6の位置に実質的面光源
を形成する。絞り6の位置の実質的光源からの光束は、
リレーレンズ8、ミラー9及びコンデンサーレンズ10
を介して、破線で示す11’の位置に配置されるレチク
ル11をほぼ均一に照明する。レチクル11上の図示な
きパターンは、投影対物レンズ14によってウェハ17
上に所定の倍率で投影され、ウェハ17上のフォトレジ
ストを感光させ所定の化学処理により、レチクルパター
ンに対応するパターンがウェハ上に転写される。投影対
物レンズ14内には口径可変の開口絞り15が配置され
ており、その口径を制御するための絞りアクチュエータ
16が図示なき対物レンズ鏡筒の周囲に設置されている
。絞りアクチュエータ16はリニアエンコーダー等の変
位検出器を内蔵しており、絞り口径に対応する情報を有
している。照明光学系内の開口絞り6と投影対物レンズ
内の開口絞り15とは互いに共役に配置されており、投
影対物レンズ内の開口絞り15上での絞り6の像の大き
さの比がσ値に対応する。
レチクル11は破線で示した11’の位置に、図示なき
レチクル搬送機構によって移動設置される。レチクル搬
送機構に沿って、最小パターン情報受け入れ手段として
のバーコードリーダー13が配置されており、レチクル
11の移動中に、レチクルll上の周囲の所定位置に形
成されたバーコード12を読み取る。このバーコード1
2には、レチクルの整理番号等の情報にに加えて、その
レチクルに形成されたパターン中での最小パターンの線
幅の情報、例えば0.7 μ−(ウェハ上)の情報が盛
り込まれており、バーコードリーダー13により、露光
に用いるレチクルの最小パターン幅の情報を読み取る。
バーコードリーダー13からの最小線幅情報は、演算手
段としてのCPolBに入力される。演算手段18では
、バーコードリーダー13からの情報により、露光パタ
ーンの最小線幅値0.7 μ−の値から、このパターン
から発する1次回折光の回折角θ、を求め、また照明系
絞り6の絞りアクチュエータ7から照明系のNAに対応
するレチクル面上での照明光の開き角θ。
の情報を取り入れる。そして、投影対物レンズの絞り1
5の位置で、1次回折光の回折角θ1と照明光の開き角
θ。との和(θ1 +θ。)に対応する開口口径値を求
め、この口径値になるように絞り制御手段16に信号を
送り、絞りアクチエエータ16により絞り15の口径が
角度(θ1 +θ。
)に対応する開口口径に設定される。
ここで、照明光の開き角θ。は、照明系絞り6の口径で
決定される照明系のNAsとの間に、NAs−5inθ
。(4) の関係がある。また(11式よりレチクルに角度θ。
で入射した光の1次回折角度θ、は、 λ sin  θ、  =sin  θ。+d を満たすので、(4)式より λ sin  θ、=NAs  + d となり、投影対物レンズの物体側開口数N A oをN
Aa=sin θ1 とすれば、1次回折光をすべて結像に寄与させることが
できる。従って、 λ NAa  =NAs  +           t5
)d となるように投影対物レンズの開口絞りを制御すればよ
い。
このようにして、レチクル11が投影露光のための所定
位置に配置されるまでには、投影対物レンズの開口絞り
15がそのレチクルの最小線幅パターンに最適な開口に
設定され、比較的大きな焦点深度を維持しつつ微細パタ
ーンを鮮明に転写することが可能となる。
第4図(A)及び(B)は投影対物レンズによる結像の
様子を示す光線図であり、レチクル上の最も微細なパタ
ーンがI:1ライン・アンド・スペースパターンである
場合を示している0図では、理解し易くするために、投
影対物レンズのが入射瞳と射出瞳との位置が瞳Pとして
一致し、瞳倍率も等倍であるものとして示した。
図示の如く、照明光学系から開き角θ。で照明される1
 :lライン・アンド・スペースパターンからの各回折
光が投影対物レンズの収斂作用によってウェハ17上に
集光される。レチクル11のl:1ライン・アンド・ス
ペースパターンからの1次回折光り、I、D−、はそれ
ぞれ光軸に対して中心角度θ1で投影対物レンズの瞳P
面上に達し、ウェハ17上に集光される。2次の回折光
は第3図に示したとおり、存在しない。3次の回折光D
*3.0−2はそれぞれ光軸に対して中心角度θコで投
影対物レンズの112面上に達し、ウェハ17上に集光
される。
第4図(B)は、第4図(A)に示される如き回折光の
結像状態において、第1図に示した如き構成によって投
影対物レンズの絞り150口径を適切に制御した結果の
状態を示している。すなわち、3次の回折光D−a、D
−sは絞りによって遮光されるため、ウェハ17上・で
の微細パターンの結像に寄与する光束は、0次回折光り
、と1次回折光D−+、D−+のみとなっている0図で
は瞳P面上での絞り像の開口径Φ、の中を、0次回折光
D0と1次回折光り、、、D−、が通過する。尚、絞り
像の開口径Φ2は投影対物レンズの開口数N A 6に
対応しており、実際の開口絞りの口径Φとは、開口絞り
に対する入射瞳(レチクル側瞳)の像倍率をβとすると
き、φ、=βΦ の関係にある。
いま、レチクル上の最も微細なパターンの線幅を8.0
μmとし、露光波長λ”435.8nsによって照明系
のNAをNAs =0.05  とするとき、投影対物
レンズのレチクル側開口数は、(5)式により、0.0
77となる。
第5図(A)(B)は、レチクル上の最も微細なパター
ンが孤立線からなる孤立パターンである場合の結像光線
の様子を示す光線図である。この場合にも、第5図(A
)に示すとおり、照明光学系から開き角θ。で照明され
る孤立パターンからの各回折光が投影対物レンズの収斂
作用によってウェハ17上に集光される。レチクル11
の孤立パターンからの第3図の如き5inc関数でのO
次回折光り、は投影対物レンズの瞳P面上に達し、ウェ
ハ17上に集光される。また、5inc関数での1次の
回折光り、、、IC,はそれぞれ光軸に対して中心角度
θ、で投影対物レンズの瞳P面上に達し、ウェハ17上
に集光される。この孤立パターンの場合には第3図に示
した如く、n=2.4の回折光強度はほぼ零とみなせ、
それを除く範囲にわたって連続的に回折光が分布してい
る。
第5図(B)は、第5図(A)に示される如き孤立パタ
ーンからの回折光の結像状態において、投影対物レンズ
の絞り15の口径を適切に制御した結果の状態を示して
いる。すなわち、1次の回折光り、、、D−、は絞りに
よって遮光されるため、ウェハ17上での微細パターン
の結像に寄与する光束は、O次回折光り、のみとなって
いる。図では12面上での絞り像の開口径Φ、の中を、
0次回折光り、のみが通過する。
この孤立線の線幅が前記ライン・アンド・スペースパタ
ーンの線幅と同一であるとすれば、同一の照明系NAと
同一の露光光の場合には、投影対物レンズの開口数は、
第4図(B)の場合と同様に0.077とすることが適
正である。そして、このような絞りによって高次回折光
を除去したとしても、投影のための光量の撰失は前述し
たとおり実質的には問題ない程度である。
尚、図示した上記の説明では、回折光を生ずるパターン
がいずれも光軸上に位置する場合としたが、これは理解
を容易とするためであり、光軸外に微細パターンが存在
する場合でも12面上では回折光の分布はほぼ同様であ
るため、上記の説明は一船性を失うものではない。
ところで、上記実施例においては、投影対物レンズの開
口絞り径を、レチクル上の最小パターンにおいて発生す
る1次回折光の角度と照明光学系のレチクルに対する照
明光束の開き角度との和の角度に対応する口径と略同一
に制御する構成としたが、第2図や第4図(A)に例示
されるごとき回折光の分布状態からすれば、1次回折光
の回折角度を求める代わりに、高次回折光として3次回
折光の回折角を求め、この3次回折角に対応する口径よ
りもやや小さい口径に開口絞り15の口径を制御するよ
うに構成することも可能である。
また、第1図に示した実施例の構成において、照明光学
系の開口絞り6の口径を絞りアクチュエータフによって
可変にすることができる。この場合、演算手段18にお
いて照明系開口絞り6の開口口径の値に対応して変化す
る照明系のNAの値を求め、投影対物レンズの開口絞り
15の口径を上記(5)式によって最適に調整すること
が好ましい。
尚、本実施例では最小パターン情報受け入れ手段として
バーコードリーダーを用いたが、これに限らず例えばレ
ーザ光を照射してその回折光を検出することによって最
小パターン幅を自動的に検出する装置とすることも可能
であり、マニュアルで最小パターンの線幅値を直接演算
手段に入力するための最小線幅入力手段として構成する
ことも可能である。
また、例えば本願と同一出願人による特開昭59−94
032号公報に開示されるように、ウェハステージ上に
移動可能なスリットとその透過光を受光する光電検出器
とを設けて、レチクルを所定の露光位置に配置した状態
において、露光と同一の照明状態で照明してステージ上
のレチクルパターン像の幅を計測することによって、レ
チクルパターンの最小線幅を求める構成とすることも可
能である。これとは逆に、ステージ上からスリットをレ
チクル側に投影して照明光学系内の光分割器を介して、
レチクルパターンに対してステージスリットを移動させ
てレチクルパターンの幅を光電検出する構成とすること
も可能である。このように投影対物レンズそのものを介
してステージスリットによりレチクルパターンの線幅計
測を行う際に、投影対物レンズの絞り径を適宜変化させ
て計測することによって、そのレチクルパターンについ
ての最適な開口数を求めることも可能であり、このよう
な手段も前記演算手段が包含しj″iIるものである。
第6図(A)はこのような投影対物レンズそのものを介
してステージスリットによりレチクルパターンの線幅計
測を行うに好適なレチクルの概要を示す斜視図である。
矩形の有効パターン領域PAは所定幅の遮光帯SLで囲
まれており、遮光帯SLの外側の3個所にはレチクル1
1のアライメントのためのマークRMx、RMy、RM
θが設けられている0例えば、マークRMxの近傍には
パターン領域PA内に形成された最小線幅と同一幅の参
照パターンTPx、TPyが設けられている。参照パタ
ーンTPxは、y方向に伸びた直線状パターンの集合体
であり、参照パターンTPyは、X方向に伸びた直線状
パターンの集合体である0例えば、参照パターンTPx
は第6図(B)に拡大して示されるように、暗部の孤立
線P1とl=1ライン・アンド・スペースパターンP2
及び明部の孤立線P、とで構成されている。このような
レチクル上の参照パターンのステージ上での像を前述し
た如くステージスリットで走査することとすれば、各参
照パターンの線幅を直接計測することが可能となる。こ
の際、照明光学系内に配置されている図示なき視野絞り
(レチクルブラインド)の開口形状を遮光帯SLよりも
拡げて参照パターンTPx、TPyをも照明することと
するのが好ましい、このような構成によれば、種々のパ
ターンが混在するレチクルにおいて、参照パターンとし
て代表的なパターンを設けておけるので、そのレチクル
の露光に最適な投影対物レンズの開口数を迅速かつ的確
に選定することが可能である。
〔発明の効果〕
以上の如き本発明によれば、レチクル上の最も微細なパ
ターンに対して投影光学系の適切なNAを簡単に求める
ことができ、最適な投影露光状態を容易に設定すること
ができる。従って、−層微細化しつつあるパターンの転
写を迅速且つ正確に行い得る投影型露光装置が実現でき
、超LSI等の高集積半導体素子の製造に大きく寄与し
得るものである。
尚、本発明は例示した水銀灯を光源とする投影型露光装
置に限らず、レーザを光源とする投影型露光装置におい
ても同様に有効であり、レーザを光源とする場合には、
照明光学系内の開口絞りの位置において実質的面光源を
形成するためのインテグレータやビーム操作手段等を設
けて、上記実施例と同様にパーシャルコヒーレントな照
明状態とすることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による実施例の構成を示す概略斜視図、
第2図はレチクルのパターンが理想的なtarライン・
アンド・スペースパターンである場合の回折光の強度分
布を示す図、第3図はレチクルのパターンが孤立パター
ンである場合の回折光の強度分布を示す図、第4図(A
)(B)はレチクル上のパターンが1:1ライン・アン
ド・スペースパターンである場合の結像光線の様子を示
す説明図であり(A)は投影対物レンズの絞りを制御し
ない状態を示しくB)は本発明に基づいて投影対物レン
ズの絞りを適切に制御した場合を示し、第5図(A)(
B)はレチクル上のパターンが孤立パターンである場合
の結像光線の様子を示す説明図であり(A)は投影対物
レンズの絞りを制御しない状態を示しくB)は本発明に
基づいて投影対物レンズの絞りを適切に制御した場合を
示し、第6図(A)はレチクルパターンの線幅計測を行
うに好適なレチクルの概要を示す斜視図、第6図(B)
はレチクル上に設けられた参照パターンを示す拡大斜視
図である。 14・・・投影光学系(投影対物レンズ)15・・・投
影光学系内の開口絞り

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)所定の微細パターンを有するレチクルを照明する
    ための照明光学系と、該レチクル上のパターンをウェハ
    面上に投影するための投影光学系と、該投影光学系の開
    口絞りの口径を可変とする絞り手段とを有する投影型露
    光装置において、前記レチクル上の最小パターンに対応
    する情報を得るための最小パターン情報受け入れ手段と
    、該最小パターン情報受け入れ手段からの情報に応じて
    、該最小パターンによって発生する回折光のうち回折角
    の大きな回折光を除去し得る絞り径に前記投影光学系の
    可変絞り手段の口径を制御するための絞り制御手段を有
    することを特徴とする投影型露光装置。
  2. (2)前記絞り制御手段は、前記絞り手段の口径を、前
    記最小パターンにおいて発生する1次回折光の角度と前
    記照明光学系の前記レチクルに対する照明光束の開き角
    度との和の角度に対応する口径と略同一の口径に制御す
    ることを特徴とする請求項1記載の投影型露光装置。
  3. (3)前記最小パターン情報受け入れ手段は前記最小パ
    ターンの線幅の情報を受け入れ、前記絞り制御手段は前
    記最小パターンの線幅の情報に基づいて、前記照明光学
    系から供給される照明光にて該最小パターンによって発
    生する回折光のうち回折角の大きな回折光の角度に対応
    する前記絞り手段の開口口径値を求め、該開口口径値よ
    りも小さな口径に前記絞り手段を制御することを特徴と
    する請求項1記載の投影型露光装置。
  4. (4)前記照明光学系は、前記レチクルに対する照明光
    束の開き角度を制御し得る開口絞り手段を有し、前記絞
    り制御手段は該照明光学系における絞り手段の口径をも
    制御し得ることを特徴とする請求項1乃至3記載の投影
    型露光装置。
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