JPH04355910A

JPH04355910A - マスク及び露光方法及び露光装置

Info

Publication number: JPH04355910A
Application number: JP3032996A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石; Shigeru Hirukawa; 茂蛭川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1991-02-27
Publication date: 1992-12-09

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】

【０００１】

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

【０００２】

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

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

【０００４】このとき照明光学系の開口数と投影光学系
ＰＬのレチクル側開口数の比、所謂σ値は開口絞り１０
０により決定され、その値は０．３〜０．６程度が一般
的である。照明光Ｌ１１はレチクルＲにパターニングさ
れたパターンＰＰにより回折され、パターンＰＰからは
０次回折光Ｄ０　、＋１次回折光Ｄｒ、−１次回折光Ｄ
ｌが発生する。それぞれの回折光は投影光学系ＰＬによ
り集光され、ウェハ（　試料基板）Ｗ上に干渉縞を発生
させる。この干渉縞がパターンＰＰの像である。

【０００５】このとき０次回折光Ｄ０　と±１次回折光
Ｄｒ、Ｄｌのなす角θはｓｉｎθ＝λ／Ｐ（λ：露光波
長、Ｐ：パターンピッチ）により決まる。パターンピッ
チが微細化するとｓｉｎθが大きくなり、ｓｉｎθが投
影光学系のレチクル側開口数　（ＮＡＲ　）　より大き
くなると±１次回折光Ｄｒ、Ｄｌは投影光学系ＰＬに入
射できなくなる。

【０００６】このときウェハＷ上には０次回折Ｄ０　の
みしか到達せず干渉縞は生じない。つまり　ｓｉｎθ＞
ＮＡＲ　となる場合にはパターンＰＰの像は得られず、
パターンＰＰをウェハＷ上に転写することができなくな
ってしまう。以上より従来の露光装置においては、ｓｉ
ｎθ＝λ／Ｐ≒ＮＡＲ　となるピッチＰは次式で得られ
、　　Ｐ≒λ／ＮＡＲ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　……（１）このピッチＰがウェハＷ上に転写
可能となるパターンのレチクル上での最小ピッチである
。

【０００７】従って最小パターン幅としては、この半分
の０．５×λ／ＮＡＲ　程度となるが、実際には焦点深
度との関係上、０．６×λ／ＮＡＲ　程度が最小パター
ン幅となっている。これを投影光学計の像面　（ウェハ
Ｗ）　側に直すと０．６×λ／ＮＡＷ　（　ＮＡＷ　は
投影光学系のウェハ側開口数であり、ＮＡＷ　＝Ｂ・Ｎ
ＡＲ　、Ｂは投影光学系の縮小率）　程度となる。

【０００８】以後この値を投影光学系の解像限界と呼ぶ
。この投影光学系自体の解像限界以上に微細なパターン
を転写するために、レチクルパターン自体を変更して解
像度を高めようという方法も提案されている。これは位
相シフトと呼ばれる方法であり、レチクル上に他の部分
とは透過光の位相がπだけずれる、いわゆる位相シフタ
ー膜を形成し、位相シフター部と、他の部分との透過光
の干渉効果（特に相殺効果）を利用して解像度、及び焦
点深度を高めるものである。

【０００９】

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

【００１０】しかし波長が　２００ｎｍより短くなると
、これを透過する適当な光学材料が存在せず、また空気
による吸収が発生するなど問題点が多い。また開口数Ｎ
ＡＷ　は現在、既に技術的限界にあり、これ以上の大Ｎ
Ａ化は望めない状況である。また、位相シフト法を使用
した露光では解像度の向上、及び焦点深度の増大は可能
であるが、位相シフト法で使用する位相シフター付レチ
クルは、製造工程が複雑で、従って欠陥の発生率が高く
、また製造コストもきわめて高価となる。また、検査方
法及び修正方法も未だ確立されていないなど問題点が多
く、実用化には多くの問題が残る。

【００１１】現在のＬＳＩ製造工程においては、成膜、
フォトリソグラフィー（　回路パターン転写）　、エッ
チングのサイクルが２０回程度繰り返されるのが普通で
ある。また各膜の膜厚は０．０５μｍから１μｍ程度で
あり、従って工程が進むにつれウェハ上には数μｍ程度
の段差が形成され、この上部と下部に同時にパターニン
グを行なうには、焦点深度の大きな投影型露光方法が必
要になる。

【００１２】一方で、焦点深度を拡大する１つの手法と
して、多重焦点露光法も知られている。この露光方法に
よる深度増大法においては、特に単独で存在するパター
ン（パターンサイズに対してパターン以外のサイズが１
：３程度以上であるパターン、以後孤立パターンと略す
）　に対して、通常の露光方法に比べ、大きな実用上の
焦点深度が得られるが、解像度を向上することは原理的
に不可能であった。

【００１３】本発明はこの様な現状に鑑みてなされたも
ので、従来と同じ遮光部と透過部から成るレチクル（マ
スク）を使用し、かつ高解像度及び深い焦点深度を得ら
れる露光方法、及び装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的の為に本発明の
おいては、レチクルパターンのフーリエ変換面となる照
明光学系中の面内に於いて、前記レチクルパターンを照
明する照明光量分布が前記照明光軸以外の任意の一つ以
上の点をそれぞれ中心とする任意の１つ以上の領域に集
中している投影型露光装置を使用するものとした。

【００１５】また、被露光基板（半導体ウェハ等）の表
面に形成された感光性膜の露光は複数のサブ露光に分割
して行い、かつ、この複数のサブ露光のそれぞれに於い
て、前記レチクルと前記被露光基板との位置関係は投影
光学系の光軸と垂直な面内に於いて、相対的に異なる位
置となるようにした。このときのレチクルとウェハとの
相対位置関係は、ウェハ上の少なくとも１つ以上の領域
が、前記複数のサブ露光の全てに於いて、前記レチクル
上のそれぞれ異なるパターンの重ね合わせ露光となるも
のとした。

【００１６】また、このとき上記の重ね合わせ露光され
る複数のパターンのうち、少なくとも１つはほぼ周期的
に配列されたパターン群より成るものとした。或いは、
上記重ね合わせ露光される複数のパターンのうち少なく
とも２つはほぼ周期的に配列されたパターン群より成る
ものとし、かつ、それらの周期的なパターンの周期又は
方向性はそれぞれ異なるものとした。

【００１７】さらに上記周期的パターンを形成するパタ
ーン群は前記投影光学系の解像限界以下程度に微細なも
のであり、それ以外のパターンは上記解像限界の２倍以
上程度に大きなパターン又はパターン群より成るものと
した。また、前記複数のサブ露光のそれぞれに於いて、
前記レチクルと前記被露光物（半導体ウェハ等）との前
記相対的位置関係の変更は、前記被露光物を保持するス
テージの前記投影光学系の光軸に対する移動により成さ
れるものとした。

【００１８】

【作用】本発明で使用するレチクルパターンとフーリエ
変換の関係となる照明光学系中の面内に於いて、レチク
ルを照明する照明光束が光軸以外の１点以上を中心とす
る１つ以上の領域に集中した投影型露光装置を使用する
と、特に周期的なレチクルパターンに対して、解像度及
び焦点深度を増大することができる。

【００１９】以下、図面を用いてこの原理について説明
する。従来の投影露光装置では、レチクルに対して上方
から種々の入射角で入射する露光光が無差別に用いられ
、レチクルパターンで発生した０次、±１次、±２次、
…の各回折光がほぼ無制限に投影光学系を透過してウェ
ハ上に結像していた。これに対して、本発明の投影露光
装置では、図１６の如く照明光Ｌ１０から照明光学系中
のレチクルパターン面と略フーリエ変換の関係となる面
内に於いて、照明光学系の光軸ＡＸが通る中央部以外に
透過部を有する遮光板１００’を設け、照明光学系の光
軸上を通らない光束、つまりレチクルパターンに対して
特定の方向と角度で斜めに入射する任意の２つの光束Ｌ
１２、Ｌ１３、或いは２ｎ本（ｎは自然数）の光束を形
成させ、レチクルパターンＰＰを照明する。レチクルパ
ターンＰＰは通常、光透過部と遮光部とが所定のピッチ
で繰り返し形成された周期構造を有するパターンを多く
含んでいる。そしてレチクルパターンＰＰで発生した０
次回折光と±１次回折光とを投影光学系ＰＬを介してウ
ェハＷ上に結像させる。

【００２０】すなわち、レチクルパターンＰＰの微細度
に応じてパターンＰＰに所定の方向と角度で２本、或い
は２ｎ本の光束を入射させることによって、最適な０次
回折光と±１次光を発生させることにより従来では十分
に解像できなかったパターンをウェハＷ上に高コントラ
ストに、かつ、大きい焦点深度を持って結像させること
が可能となる。ここで、レチクルＲに入射する光束Ｌ１
２、Ｌ１３は、前述の遮光板１００’によって投影光学
系ＰＬの光軸ＡＸに対して対称に所定の角度ψだけ傾い
て入射する主光線を有する２本の光束に変換されたもの
である。ここでも、光束を表す実線は１点から出た光の
主光線を表している。まず図１６に基づいて照明光Ｌ１
２による回折光について説明する。照明光Ｌ１２はレチ
クルパターンＰＰにより回折され０次回折光Ｄ０　、＋
１次回折光Ｄｒ、−１次回折光Ｄｌを発生する。しかし
ながら、照明光Ｌ１２は投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対
して角度ψだけ傾いてレチクルパターンＰＰに入射する
ので、０次回折光Ｄ０　もまた投影光学系ＰＬの光軸Ａ
Ｘに対して角度ψだけ傾いた方向に進行する。ここで、
投影光学系ＰＬは両側テレセントリック系とする。

【００２１】従って、＋１次光Ｄｒは光軸ＡＸに対して
θＰ　＋ψの方向に進行し、−１次回折光Ｄｌは光軸Ａ
Ｘに対してθｍ　−ψの方向に進行する。このときθＰ
　、θｍ　はそれぞれｓｉｎ（θＰ　＋ψ）−ｓｉｎψ＝λ／Ｐ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（２）ｓｉ
ｎ（θｍ　＋ψ）−ｓｉｎψ＝λ／Ｐ　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　……（３）である。

【００２２】仮にいま＋１次回折光Ｄｒ、−１次回折光
Ｄｌの両方が投影光学系ＰＬに入射しているとする。レ
チクルパターンＰＰの微細化に伴って回折角が増大する
と先ずθＰ　＋ψの方向に進行する＋１次回折光Ｄｒが
投影光学系ＰＬを透過できなくなる（ｓｉｎ（θＰ　＋
ψ）＞ＮＡＲ　となる）。しかし照明光Ｌ１２が光軸Ａ
Ｘに対して傾いて入射している為、このときの回折角で
も−１次回折光Ｄｌは、投影光学系ＰＬを透過可能とな
る（ｓｉｎ（θｍ　＋ψ）＜ＮＡＲ　となる）。

【００２３】従って、ウェハＷ上には０次回折光Ｄ０　
と−１次回折光Ｄｌの２光束による干渉縞が生じる。こ
の干渉縞はレチクルパターンＰＰの像でありレチクルパ
ターンＰＰが１：１のラインアンドスペースの時、約９
０％のコントラストとなり、表面にレジストが塗布され
へたウェハＷ上にパターンＰＰをパターニングすること
が可能となる。このときの解像限界は、ｓｉｎ（θｍ　＋ψ）＝ＮＡＲ　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…
…（４）となるときであり、従ってＮＡＲ　＋ｓｉｎψ＝λ／ＰＰ＝λ／（ＮＡＲ　＋ｓｉｎψ）　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（
５）がレチクル上の転写可能な最小パターンのピッチで
ある。

【００２４】今ｓｉｎψを０．５×ＮＡＲ　程度に定め
るとすれば転写可能なレチクル上のパターンの最小ピッ
チはＰ＝λ／（ＮＡＲ　＋０．５ＮＡＲ　）＝２λ／３ＮＡ
Ｒ　　　　　　　　　　　　　……（６）である。一方
、図１５に示したように、照明光が投影光学系ＰＬの光
軸ＡＸを中心とする円形領域内を通る光束である従来の
露光装置の場合、解像限界は（１）式に示したようにＰ
≒λ／ＮＡＲ　であった。従って、従来の露光装置より
高い解像度が実現できる。

【００２５】照明光Ｌ１３についても同様に考えて、＋
１次光Ｄｒ１　は光軸ＡＸに対してθＰ１−ψの方向に
進行し、−１　次回折光Ｄｌ１　は光軸ＡＸに対してθ
ｍ１＋ψの方向に進行する。Ｄ０１は０次回折光を表し
ている。このときθＰ１、θｍ１はそれぞれｓｉｎ（θｍ１＋ψ）−ｓｉｎψ＝λ／Ｐ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（７）ｓｉ
ｎ（θＰ１−ψ）＋ｓｉｎψ＝λ／Ｐ　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　……（８）であり、
解像限界はｓｉｎ（θＰ１−ψ）＝ＮＡＲ　のときであ
る。

【００２６】従って、照明光Ｌ１２の場合と同様に（５
）式に示すパターンピッチが転写可能なパターンの最小
ピッチとなる。照明光Ｌ１２とＬ１３の両方を使うこと
により投影光学系の光軸に対して光量重心が偏らないよ
うにしている。次に、レチクルパターンに対して特定の
入射方向と入射角で露光光を入射して、０次回折光と１
次回折光とを用いてウェハ上に結像パターンを形成する
ことにより、焦点深度が大きくなる理由を説明する。

【００２７】ウェハが投影光学系の焦点位置に一致して
いる場合には、レチクル上の１点を出てウェハ上の一点
に達する各回折光は、投影光学系のどの部分を通るもの
であってもすべて等しい光路長を有する。このため従来
のように０次回折光が投影光学系の瞳面のほぼ中心を貫
通する場合でも、０次回折光とその他の回折光とで光路
長は相等しく、相互の波面収差も０である。しかし、ウ
ェハが投影光学系の焦点位置に一致していない場合（デ
フォーカスを起こした場合）、斜めに入射する高次の回
折光の光路長は光軸付近を通る０次回折光に対して焦点
前方（投影光学系から遠ざかる方）では短く、焦点後方
（投影光学系に近づく方）では長くなりその差は入射角
の差に応じたものとなる。従って、０次、１次、…の各
回折光は相互に波面収差を形成して焦点位置の前後にお
ける結像パターンのぼけを発生する。この波面収差ΔＷ
は、次式、 ΔＷ＝１／２×（ＮＡ）２　Δｆ Δｆ：デフォーカス量ＮＡ：瞳面上の中心からの距離を開口数で表した値で表
され、従って、瞳面のほぼ中心を貫通する０次回折光（
ΔＷ＝０）に対して、瞳面の周囲、半径ｒ１　（〔ＮＡ
〕を単位とする）を通る１次回折光では、ΔＷ＝１／２
×ｒ１　２　Δｆの波面収差をもつこととなり、焦点位置の前後での解像
度、すなわち焦点深度を低くしている。

【００２８】一方、本発明で使用する投影型露光装置の
場合、例えば図１６の如く、θｍ　＝２ψとなる入射角
でレチクルパターンＰＰに２つの光束を入射した場合、
パターンＰＰからの０次回折光Ｄ０　と１次回折光Ｄｌ
とが瞳面ｅｐ上でほぼ中心から等距離となる位置（共に
半径ｒ２　とする）を通るようになり、０次回折光Ｄ０
　と１次回折光Ｄｌの波面収差は相等しく、ΔＷ＝１／
２×ｒ２　２　Δｆとなり、０次回折光に対する１次回
折光の収差は零となって、ある範囲内ではデフォーカス
によるぼけが無くなる。従ってその分だけ従来装置より
も焦点深度が大きくなることになる。

【００２９】以上、本発明で使用する投影型露光装置で
は、特に周期的なパターンについて、解像度及び焦点深
度の増大が可能である。本発明に於いては、レチクル上
の異なる複数のパターンを、ウェハ上の同一の部分に重
ね合わせ露光して１つの回路パターンを形成する。従っ
て、半導体ウェハ等の被露光基板上に形成されるパター
ンは、複数のレチクルパターンの合成像となる。この合
成像は、各複数のレチクルパターンを、その透過率に応
じて“０”部（概遮光部）と、“１”部（概透過部）と
すれば、これら複数のレチクルパターンの論理和として
形成される。すなわち、各レチクルパターンのすべてが
“０”部（概遮光部）の部分のみが、他の部分と異なっ
た状態となる。使用する感光性膜（フォトレジスト）が
ポジ型（光照射部が除去される）であれば、重ね合わせ
るレチクルパターンのすべてが“０”部となる部分のみ
レジストが残り、他部はレジストが除去された、いわゆ
る孤立ラインパターン、あるいは、孤立アイランドパタ
ーンが形成される。

【００３０】使用するフォトレジストがネガ型（光照射
部が残膜する）であれば、いわゆる孤立スペースパター
ン、あるいは、孤立ホールパターンが形成される。この
とき、重ね合わされる複数のレチクルパターンのうち、
少なくとも１つはほぼ周期的な配列を有するパターンで
あり、かつ、使用する投影型露光装置の照明光学系は、
前述の如く、このほぼ周期的な配列から成るパターンに
ついて、解像度及び焦点深度を、最大とするよう調整さ
れているものとする。また、重ね合わせにより形成すべ
き回路パターンのうち、特に重要であるものは周期的配
列から成るパターン、あるいは周期的配列から成る複数
のパターンからの合成で作ることにより、合成像の実質
的な焦点深度の増大が可能となる。

【００３１】あるいは、同一の投影光学系を使用しても
、線幅の太いパターン程焦点深度が深くなる性質を利用
し、上記の周期的配列から成るパターン以外のパターン
の線幅は、投影光学系の解像限界の２倍程度以上とすれ
ば、重ね合わせるレチクルパターンのすべてにおいて、
投影像の焦点深度を十分に大きくとることが可能となる
。

【００３２】

【実施例】図１は本発明で使用する投影型露光装置の実
施例であって、水銀ランプ１を発した照明光（ｉ線、又
はｇ線）は楕円鏡２で第２焦点に集光される。第２焦点
には照明光の遮断、解放を行うシャッター３が配置され
、モータ４によって駆動される。シャッター３を通った
照明光はリレーレンズ（コリメータレンズ）５でほぼ平
行光束にされ、フライアイレンズ６に入射する。フライ
アイレンズ６の各エレメントレンズの射出端の夫々に形
成される２次光源（点光源像の集合）からの各光束は、
リレーレンズ７によって集光され、ミラーＭ１　で反射
された後、光分割器８の入射部８Ａに重畳される。従っ
て、入射部８Ａの位置で、照明光束の強度分布はほぼ均
一なものになっている。図１ではフライアイレンズ６の
射出側に現れる点光源像のうち光軸上の１つの点光源か
らの光束のみを代表的に図示した。さて、光分割器８は
入射部８Ａからの照明光を複数の射出部８Ｂ、８Ｃへほ
ぼ等しい強度で分割する。射出部８Ｂ、８Ｃの各断面積
はともに等しいものとし、その中心点は光軸ＡＸから所
定量だけ偏心させておく。この光分割器８の詳しい構造
については後で述べる。尚、射出部８Ｂ、８Ｃは、投影
露光をケーラ−照明で行うために、投影レンズＰＬの射
出瞳ｅｐ（又は入射瞳）と共役な面９、即ちフーリエ変
換面内に配置される。

【００３３】射出部８Ｂ、８Ｃ上の一点から射出した発
散光束は第１リレーレンズ（コリメータレンズ）１０に
よってほぼ平行光束となってレチクルブラインドＡＲＢ
を一様な照度で照明する。図１では簡略のために、射出
部８Ｂ、８Ｃ上の一点から発散した光束の進行状態のみ
を示してある。レチクルブラインドＡＲＢは４辺のエッ
ジ位置を駆動部１１によって任意に調整することによっ
て、レチクルＲ上の照明領域を制限するものである。レ
チクルブラインドＡＲＢによって決まる矩形開口部を通
った照明光束には、図１の場合、基本的には光軸ＡＸに
関して対称的に傾いた複数（射出部８Ｂ、８Ｃ……の数
に対応）の平行光束だけが含まれ、光軸ＡＸと平行に進
む平行光束は存在しない。これら平行光束は第２リレー
レンズ１２で集光され、ミラーＭ２　で反射された後、
主コンデンサーレンズ１３に入射して再び互いに入射角
が異なる複数の平行光束となってレチクルＲを照射する
。この際、レチクルＲのパターン面（投影レンズＰＬと対
向する面）は、主コンデンサーレンズ１３と第２リレー
レンズ１２との合成系に関してレチクルブラインドＡＲ
Ｂと共役になっているため、レチクルＲ上にはレチクル
ブラインドＡＲＢの矩形開口像が投影されることになる
。

【００３４】レチクルＲの透明部を通った照明光は投影
レンズＰＬを介してウェハＷ上に投影され、フォトレジ
スト層にレチクルＲのパターン像が結像される。ここで
図１のレチクルブラインドＡＲＢからウェハＷまでの光
路中に示した破線は、瞳共役を意味する光線である。先
に述べたように、本実施例ではレチクルＲを対称的に傾
いた少なくとも２光束で照明することによって、通常の
レチクルパターン構成であっても、解像力と焦点深度と
を高めるものであり、この機能を達成するために新規に
設けられたものが光分割器８である。

【００３５】ここで図２を参照して、照明光束の詳細な
振る舞いについて説明する。図２は図１中の光分割器８
の２つの射出部８Ｂ、８ＣからレチクルＲまでの系を模
式的に表したものであり、特に射出部８Ｂ側の照明光束
の進み方を示したものである。まず射出部８Ｂの射出端
の中心が光軸ＡＸからΔＨだけ偏心しているものとする
。そして射出端の両端の点Ｐ１　、Ｐ２　から発生した
光束の夫々がレチクルＲまで進む様子を実線で示した。また図２中の光路内に示した破線Ｌ１　、Ｌ２　は、そ
れぞれ点Ｐ１　、Ｐ２　からの光束の１本の光線を表し
、瞳空間では光軸ＡＸと平行になるものとする。この図
２から明らかなように、点Ｐ１　、Ｐ２　は第２リレー
レンズ１２と主コンデンサーレンズ１３との間の瞳空間
内の面ＥＰ’で点Ｐ１　’、Ｐ２　’として結像する。従って、面ＥＰ’は面９と共役であり、同様にフーリエ
変換面である。さて、点Ｐ１　（点Ｐ１　’）からの光
束はレチクルＲ上ではほぼ平行光束となって一定領域内
を照射し、点Ｐ２　（点Ｐ２　’）からの光束もほぼ平
行光束となって一定領域内を照明する。このとき、レチ
クルＲ上に達する２つの平行光束は角度Δθだけ入射角
がずれている。この角度Δθは面９内での点Ｐ１　と点
Ｐ２　のずれ、すなわち射出部８Ｂの実効的な光源とし
ての大きさ（又は断面積）に依存して決まるもので、射
出部８Ｂの断面積が限りなく小さくなれば角度Δθも限
りなく小さくなる。しかしながら、実際には射出部８Ｂ
の射出端に形成される光源像には実用上ある程度の大き
さ（ただし瞳径よりは十分に小さい）があり、角度Δθ
を完全に零にすることは難しく、また完全に零にする必
要はない。また、射出部８Ｂの端面（光源像）は２次元
的な大きさを持っているため、角度Δθは図２中の紙面
内の方向以外に紙面と垂直な方向にも存在する。そして
、先に図１６で述べたように、射出部８Ｂからの光束の
中心線は光軸ＡＸに対して角度ψだけ傾いており、この
角度ψはずれ量ΔＨと関連して、ΔＨ＝ｍ・ｓｉｎψ（
ただしｍは定数）の関係にある。また、一例として、光
軸ＡＸに関して対称に配置された他の射出部８Ｃからの
照明光束の振る舞いも、射出部８Ｂからの光束を光軸Ａ
Ｘを中心に折り返したようになる。

【００３６】再び図１を参照して装置の構成を説明する
。ウェハＷは２次元に移動するウェハステージＷＳＴ上
に載置され、モータ２０によって駆動される。ウェハス
テージＷＳＴの座標位置はステージＷＳＴ上の移動鏡と
投影レンズＰＬの下端に取り付けされた固定鏡との相対
距離をレーザビームを用いた干渉計２１によって逐次モ
ニターされる。

【００３７】一方、レチクルＲも２次元に微動するレチ
クルステージＲＳＴ上に載置され、不図示のモータ等に
よって駆動される。レチクルＲの光軸ＡＸに対するアラ
イメントは、レチクルアライメント系２２によって行わ
れ、レチクルＲとウェハＷの直接的なアライメント（ダ
イ・バイ・ダイアライメント）はＴＴＲ（スルー・ザ・
レチクル）アライメント系２３によって行われる。さら
にウェハＷの単独のアライメントは、投影レンズＰＬを
介してウェハＷ上のマークを検出するＴＴＬ（スルー・
ザ・レンズ）アライメント系２４、或いは投影レンズＰ
Ｌの視野に接近した位置で投影レンズＰＬを介すること
なくウェハＷ上のマークを検出するＯＦＦ−ＡＸＩＳ（
オフ・アキシス）アライメント系２５によって行われる
。各アライメント系２２、２３、２４、２５からのアラ
イメント信号は制御装置３０によって統括的に処理され
、ウェハステージＷＳＴ、又はレチクルステージＲＳＴ
の精密な位置決めに使われる。この制御装置３０は、シ
ャッター３の開閉用のモータ４、光分割器８の射出部８
Ｂ、８Ｃの位置を調整するモータ（不図示）、レチクル
ブラインドＡＲＢの駆動部１１、及びウェハステージＷ
ＳＴの駆動用のモータ２０等の制御も行う。尚、図１中
には示していないが、水銀灯１から主コンデンサーレン
ズ１３までの照明系の光路中の適当な位置には、レチク
ルＲへの照明光量（露光量）を検出する測光素子が設け
られ、積分回路と組み合わせることで、シャッター３を
適正露光量で閉じる自動露光制御が行われる。

【００３８】次に、図３、図４を参照して、光分割器８
の詳細な構成について説明する。図３は光分割器８を横
から見た様子を示し、図４は、図３を光軸ＡＸの方向か
ら見た図である。入射部８Ａからの光束は光ファイバー
８０によって４つに分割され、それぞれ４つの射出部８
Ｂ、８Ｃ、８Ｄ、８Ｅに導かれる。４つの射出部８Ｂ、
８Ｃ、８Ｄ、８Ｅの夫々は、瞳共役面９上の瞳像範囲９
Ａ内に位置するように可変長支持棒８１Ｂ、８１Ｃ、８
１Ｄ、８１Ｅによって支持される。そして４本の支持棒
８１Ｂ〜８１Ｅは、環状のガイド８３に沿って円周方向
に移動可能な可動部材８２Ｂ、８２Ｃ、８２Ｄ、８２Ｅ
の夫々に結合される。４本の支持棒８１Ｂ〜８１Ｅは、
各射出部８Ｂ〜８Ｅを光軸ＡＸに対して放射方向に移動
させる。これら支持棒８１Ｂ〜８１Ｅと可動部材８２Ｂ
〜８２Ｅとはモータによって駆動される。尚、入射部８
Ａの光ファイバーを保持する金具は、光軸ＡＸを中心と
して自在に回転できるように構成され、４つの射出部８
Ｂ〜８Ｅの回動によって生じる光ファイバー８０のスト
レスを低減する。

【００３９】本実施例で使用する装置では、４つの射出
部８Ｂ〜８Ｅを設けたが、その数は４つに限定されるも
のではなく、２つ（原理的には１つ）以上であればよい
。また、本実施例では照明光束の分割を光ファイバーに
より行なったが、他の部材、例えば回折格子や多面プリ
ズムなどを用いても良い。また光分割器８よりレチクル
Ｒ側に、さらに別のフライアイレンズを追加しても良い
。このとき、フライアイレンズは単独のものであっても
複数のフライアイレンズ群より成っていても良い。

【００４０】また、投影レンズＰＬはここでは屈折系と
したが反射系であっても良く、また反射屈折系であって
もよい。またその投影倍率は任意でよいが、微細なパタ
ーンの露光・転写の為には縮小系であることが望ましい
。さらに、光源として水銀ランプを使用したが、他の光
源、例えば輝線ランプやレーザー光源等であってもかま
わない。

【００４１】次に本発明による方法で使用するレチクル
パターンの原理的な一例と露光方法について、図５を参
照して説明する。図５は、本発明による方法で孤立ライ
ンパターン（ポジ型レジスト使用時）、あるいは孤立ス
ペースパターン（ネガ型レジスト使用時）を形成する為
の模式的なパターン例を示す。まず図５（Ａ）に示すよ
うに、重ね合わせ露光すべき一方のパターンＰＡは、一
例として３本の遮光性ラインパターンＰＡ１　、ＰＡ２
　、ＰＡ３　をラインアンドスペース状（デューティ１
：１）にしておく。そして、このパターンＰＡ（レチク
ル）上の特定の点に光軸ＡＸが通るようにレチクルＲを
位置決めして、ウェハＷ上のレジスト層に１回目の露光
を行う。この図５（Ａ）の場合、本来ウェハＷ上に形成
すべき孤立ラインパターンは遮光性パターンＰＡ２　で
ある。図５（Ａ）のように周期性を持ったパターンＰＡの投影
にあたって、図１に示した装置は極めて有効である。先
にも述べた通り、図１の装置はレチクルＲ上のパターン
の周期性に合わせて照明光学系内の複数の射出部８Ｂ〜
８Ｅの位置を最適化するため、パターンＰＡが微細化し
てもコントラストが高く（つまり解像度が高く）なり、
焦点深度が深くなるといった特徴がある。もし仮に、ウ
ェハＷ上に形成すべき本来の孤立ラインパターンＰＡ２
　のみをレチクルＲ上に設けて、図１の装置で投影露光
を行なっても、ラインパターンＰＡ２　のみでは±１次
回折成分がほとんど発生しないため、十分な解像は望め
ない。すなわち、図５（Ａ）に示した両脇のラインパタ
ーンＰＡ１、ＰＡ３　は、パターンＰＡに全体として周
期性を与える為のダミーパターンとして作用する。

【００４２】さて、図５（Ａ）の１回目の露光時のレジ
スト層への露光量（ドーズ量）は、一例としてレジスト
層が現像時に完全に除去される最小露光量Ｅｔｈ（又は
膜減りが開始される最小露光量Ｅｃ）よりも大きくなる
ように設定される。図６（Ａ）は１回目露光によってポ
ジ型レジスト層に与えられた露光量の分布（強度分布と
相似）ＩＡを断面方向で表したものである。図６（Ａ）
の縦軸は露光量を表し、横軸はパターンＰＡの周期方向
での位置を表す。

【００４３】ここで具体的な数値例をあげてみる。今、
ウェハＷ上に形成すべきラインパターンＰＡ２　の線幅
を０．３μｍ（ピッチ０．６μｍ）、露光用照明光の波
長λを３６５ｎｍ（ｉ線）、そして投影レンズＰＬの縮
小倍率を１／５とすると、回折角の理論式から、照明光
学系内の１つの射出部から発生してレチクルＲを照明す
る光束の入射角ψは、図１６で説明したように次式で表
される。ｓｉｎ２ψ＝λ／５・Ｐ＝０．３６５×１０−６／（５
×０．６×１０−６）　　　　　　　　　　≒０．１２
２従って入射角ψは約３．５°になる。

【００４４】次に図５（Ｂ）に示すように重ね合わせ露
光すべき他方のパターンＰＢをパターンＰＡの代りに配
置してウェハＷ上の同一位置に２回目の露光を行う。こ
のとき、パターンＰＢの幅Ｄｂは、先のパターンＰＡの
両脇のラインパターンＰＡ１　とＰＡ３　の間隔Ｄａよ
りも狭く、かつラインパターンＰＡ２　の線幅よりは大
きく定められている。すなわち、パターンＰＢはウェハ
Ｗ上に潜像として形成されたラインパターンＰＡ２　の
像のみを遮光し、その周辺は全て透過部とするような形
状、大きさに定められている。従って、図５のようなパ
ターン形状の場合、ラインパターンＰＡのピッチＰから
、パターンＰＢの幅Ｄｂは０．５Ｐ＜Ｄｂ＜１．５Ｐの
範囲に設定される。このパターンＰＢのみによってレジ
スト層に与えられる露光量分布は、図６（Ｂ）に示すよ
うにＩＢとなる。ここで２回目の露光の際も、レジスト
層には最小露光量Ｅｔｈよりも大きな露光量が与えられ
たものとする。こうしてウェハＷ上に２重露光が行われ
るとレジスト層には図６（Ａ）の分布ＩＡと図６（Ｂ）
の分布ＩＢとの合成された光量分布ＩＳが図６（Ｃ）に
示すように与えられる。この図６（Ｃ）から明らかなよ
うに、合成された光量分布ＩＳの像（合成像と呼ぶ）は
、周期性をもつパターンＰＡと周期性をもたない（孤立
した）パターンＰＢとのいずれにおいても遮光部となっ
ている部分（ラインパターンＰＡ２　）のみが十分に暗
く、他の部分は全て最小露光量Ｅｔｈ以上に明るくなっ
ている。従ってポジ型レジストの場合には、図６（Ｄ）
のように現像によって最小露光量（スレッシホールド値
）Ｅｔｈ以下の部分が残膜した孤立ラインパターンＰｒ
となる。この孤立ラインパターンＰｒが図５（Ａ）中の
ラインパターンＰＡ２　に対応していることは明らかで
ある。

【００４５】以上の実施例では、周期性のパターンＰＡ
の解像度を従来の露光方法に比べて、１．５〜２倍程度
に高めることが可能であり、同時に周期性パターンＰＡ
の転写像（潜像）から孤立パターンのみを残すように、
別のパターンＰＢで２重露光するため、最終的にウェハ
Ｗ上に形成されるレジストパターンは極めて微細な孤立
パターンとなる。先に述べた通り、非周期性のパターン
ＰＢの幅Ｄｂは周期性パターンＰＡの１本のラインパタ
ーンの幅（ピッチ／２）に対して２〜３倍程度がよい。周期性パターンＰＡの１本のラインパターン（ＰＡ２　
）の幅が従来の解像度の１／２〜１／１．５であるとき
、非周期性パターンＰＢの幅は、従来の解像限界の２倍
程度となり、パターンＰＢの投影に関しては十分な焦点
深度が得られる。

【００４６】尚、ポジ型レジストの場合は、露光量と残
膜厚の関係が図１７（Ａ）に示すようになるが、ネガ型
レジストの場合は、図１７（Ｂ）に示すようにレジスト
が完全に除去される最大露光量Ｅｃとレジストが完全に
残膜する最小露光量Ｅｔｈとが決められる。このため、
ネガ型レジストを使って図５（Ａ）、図５（Ｂ）の露光
を行うと、従来よりも１．５〜２倍程度微細な孤立スペ
ースパターンを形成することができる。

【００４７】図７及び図８は、共に、孤立アイランドパ
ターン（ポジ型レジスト使用時）及び孤立ホールパター
ン（ネガ型レジスト使用時）を形成するためのレチクル
パターン例を表わす。図７（Ａ）は、投影光学系の解像
限界（０．６×λ／ＮＡＲ　）程度以下に微細な遮光パ
ターンＰＡｎが左右に３列、上下に３行の計９個が周期
的に並び、かつ遮光パターンＰＡｎの中間に、遮光パタ
ーンＰＡｎより微細な遮光パターンＰＡｓが配置された
ものである。この図７（Ａ）の周期パターンのうち、実
際にウェハＷ上に形成すべきレジストパターンは、中央
の遮光パターンＰＡ２　である。

【００４８】一方図７（Ｂ）は、上記の遮光パターンＰ
Ａｎより、上下方向、左右方向、ともに２〜２．５倍程
度大きな遮光パターンＰＢを表わす。ここで、９個の遮
光パターンＰＡｎはいずれも正方形とし、左右方向、上
下方向のスペース幅は、パターンＰＡｎの幅と等しいも
のとする。さらに中央の遮光パターンＰＡ２　を左右で
挟み込む遮光パターンＰＡｎの間隔をＤａｘ、遮光パタ
ーンＰＡ２　を上下で挟み込む遮光パターンＰＡｎの間
隔をＤａｙとすると、図７（Ｂ）の遮光パターンＰＢの
左右方向の幅Ｄｂｘは、Ｄｂｘ＜Ｄａｘであり、上下方
向の幅ＤｂｙはＤｂｙ＜Ｄａｙである。

【００４９】図７（Ａ）の周期性パターンの投影像も図
６の場合と同様に、その周期性の為に、従来に比べて高
い解像度と、深い焦点深度をともなって露光される。一
方、図７（Ｂ）のパターンＰＢの投影像も十分な大きさ
を持つ為に、やはり深い焦点深度をともなって露光され
る。従って、２重露光による合成像により形成される孤
立アイランドパターンＰＳ５（ポジ型レジスト使用時）
は、図７（Ｃ）に示すようにやはり十分な焦点深度を持
って形成されることとなる。この周期性パターンＰＡｎ
と、パターンＰＢとの重ね合わせは、９個の遮光パター
ンのうち中心の遮光パターンＰＡ２　と、パターンＰＢ
の中心が一致するようにレチクルＲとウェハＷをそれぞ
れ位置合わせして多重露光するものとする。周期性パタ
ーンＰＡｎと、非周期性パターンＰＢとのいずれもが遮
光部となる部分（ＰＡ２　）でのみ、レジストが残膜す
る理由は図６に示す例と同様である。

【００５０】なお、非周期的パターンＰＢの四隅は小さ
い方の周期的パターンＰＡｓと重ね合わせにより合致す
るように配置されている。このため複数のレチクルパタ
ーンの重ね合わせでいずれもが遮光部の状態となるが、
周期的パターンＰＡｓは解像限界に比べ十分小さく、ウ
ェハＷ上の投影像において十分な遮光効果を与えること
はない。その結果、周期的パターンＰＡｓと非周期パタ
ーンＰＢとの合致部にレジストパターンは形成されない
。周期的パターンＰＡｓは、形成すべき孤立アイランド
パターンＰＳ５の形状を、より正方形に近づけるための
補助的なパターン（コーナ強調）であり、従って周期的
パターンＰＡｓがなくとも、孤立アイランドパターンＰ
Ｓ５の形成は可能である。

【００５１】図８（Ａ）は、同図中左右方向に周期性を
有するラインアンドスペースパターンＰＡ１　、ＰＡ２
　、ＰＡ３　を示し、図８（Ｂ）は同図中上下方向に周
期性を有するラインアンドスペースパターンＰＢ１　、
ＰＢ２　、ＰＢ３　を示す。これら２つのパターンの斜
線部はいずれも遮光部を表わす。これら２つの周期性パ
ターンＰＡ、ＰＢはいずれも周期的なパターンであり、
従っていずれのパターンの露光に於いても本発明の特徴
である高解像度、及び大焦点深度を得ることができる。この２つのパターンＰＡ、ＰＢの重ね合わせ露光による
合成像（レジスト像）が図８（Ｃ）に示す孤立アイラン
ドパターンＰＳ６となる。ここで、周期性パターンＰＡ
の左右のラインパターンＰＡ１　とＰＡ３　の間隔をＤ
ａｘとし、３本のラインパターンＰＡ１　、ＰＡ２　、
ＰＡ３　の長さをともにＤａｙとすると、他方の周期性
パターンＰＢの上下のラインパターンＰＢ１　とＰＢ３
　の間隔Ｄｂｙは、Ｄｂｙ＞Ｄａｙに設定され、３本の
ラインパターンＰＢ１　、ＰＢ２　、ＰＢ３　の長さＤ
ｂｘは、Ｄｂｘ＜Ｄａｘに設定される。そして、ウェハ
Ｗ上に形成すべきレジストパターンは、ラインパターン
ＰＡ２　とＰＢ２　の交差によってできる正方形部分で
ある。この重ね合わせ露光においては、周期性パターン
ＰＡの中心と周期性パターンＰＢの中心がウェハＷ上の
同一点でそれぞれ一致するように多重露光を行なう。な
お、レジスト像として必要なのは、各３本の遮光ライン
パターンの中心のラインパターンＰＡ２　、ＰＢ２　の
交差部のみなので、他の部分で遮光部が重なり合わない
ように、各ラインアンドスペースの長さ（長辺側寸法）
は、幅（短辺側寸法）の３倍より短かい程度とする。あ
るいは各ラインアンドスペースパターンの長さをこれよ
り長くし、これにより発生する不必要な遮光部の重なり
に対して、さらに図７（Ｂ）のパターンＰＢと同等のパ
ターンを用意して重ね合わせ露光により、これを除去し
てもよい（不必要な遮光部はこれにより露光される。）
。このことについては後で実施例として詳しく述べる。

【００５２】以上、図７、図８を用いて、孤立アイラン
ドパターンの形成例について説明したが、これはポジ型
レジストの使用を前提としたものである。ネガ型レジス
トを使用すれば同様の方法により、孤立ホールパターン
の形成が可能である。また、以上の図６、図７、図８に
おいて、周期的パターンの例として３本のラインパター
ン、あるいは３行、３列のドットパターンを挙げたが、
周期的パターンを構成するライン、又はドットの個数は
これに限ったものではなく、５本、あるいは７本等、ま
たは５行５列等、任意でよい。また、周期的パターンの
透光部と遮光部の線幅比（デューティー）は、１：１に
限らず任意でよい。ただし、遮光部の線幅を、透光部の
線幅に対して２割程度大きくしたものが、実験的により
よい結果を得られることがわかった。

【００５３】また、周期的パターンの周期性は、それ程
厳密である必要はない。例えば周期的パターンを形成す
るパターン、すなわち３本ラインであれば両端の２本は
、中心部のパターンより細くなっていても良い。以上、
本発明により重ね合わせ露光（多重露光）される様々な
パターンの実施例について述べたが、それらを応用した
実際の各レチクルパターンのレチクル上での位置関係、
及び重ね合わせ方法の実施例について図９、及び図１０
を用いて説明する。図９は一例として先の図５、図７、
図８の夫々に示したパターンＰＡとパターンＰＢとの両
方を一緒に描画したレチクルＲのパターン配置図である
。このレチクルＲはＩＣ製造プロセス中のコンタクトホ
ール形成に使われるものである。図９において、レチク
ルＲのパターン形成領域は遮光帯ＳＢで囲まれており、
その外側にはレチクルアライメント用のマークＲＭ１　
、ＲＭ２　が形成されている。パターン領域内には、黒
の正方形ドットで表したパターンＰＡと白の正方形ドッ
ト表したパターンＰＢとが規則的にＸ、Ｙ方向に配列さ
れる。そしてこれらパターンＰＡ、ＰＢの周辺は全て光
透過部となっている。このレチクルは、２つのパターン
ＰＡ、ＰＢの重ね合わせ露光をネガレジストに対して行
うことで孤立ホール（コンタクトホール）パターンが形
成されるものとする。メモリーＩＣにおいては、一般的
に単位メモリーセルが規則的に（周期的に）配列してメ
モリーセル群を形成している。従って、各メモリーセル
に対応するコンタクトホールもまた、周期的に配列され
ている。図９においても、パターンＰＡとパターンＰＢ
の各中心は、いずれもＸ方向のピッチがＰｘ、Ｙ方向の
ピッチがＰｙで配列されており、かつパターンＰＢは、
パターンＰＡと、それぞれ（Ｐｘ／２、Ｐｙ／２）離れ
たところに形成されている。

【００５４】このようなレチクルＲを使用して、先ずウ
ェハＷ上に適性露光量Ｅｔｈ以上で第１の露光を行なう
。従ってウェハ表面のレジストには、各パターンＰＡ、
ＰＢに応じた光量が露光される。続いて、レチクルＲと
ウェハＷとのＸ、Ｙ方向での相対位置を、ウェハステー
ジＷＳＴ、又はレチクルステージＲＳＴによって（Ｐｘ
／２、Ｐｙ／２）（レチクル上寸法）だけ移動させてか
ら適性露光量Ｅｔｈ以上で第２の露光を行う。図９の場
合は右斜め上に動かす。この移動は図１に示した装置の
場合、ウェハステージＷＳＴの駆動用のモータ２０、干
渉計２１、及び制御装置３０で行われる。

【００５５】前述のとおり、パターンＰＡとパターンＰ
Ｂとの距離は、（Ｐｘ／２、Ｐｙ／２）であったから、
上記第１と第２の露光により、ウェハＷ上において、パ
ターンＰＡとパターンＰＢは重ね合わせ露光されること
になる。尚、図９のレチクルパターン配置から明らかな
ようにパターンＰＡとパターンＰＢとをウェハＷ上で精
密に重ね合わせる相対移動方向は４方向に存在する。す
なわち図９の紙面内でレチクルＲ、又はウェハＷを斜め
右上、斜め左上、斜め右下、及び斜め左下のいずれか一
方向に移動させることができる。どの方向に相対移動を
行うかは任意に設定できる。また図９のパターン配置の
場合、パターン形成領域内の最外周に位置するパターン
ＰＡ（黒の正方形）のうち、Ｙ方向の一辺に並ぶ列とＸ
方向の一辺に並ぶ列に存在する各パターンＰＡは、パタ
ーンＰＢと２重露光されることがなく、残膜することに
なる。この残りパターンはコンタクトホールパターンと
しては不完全なものであるから、レジスト像として形成
されないことが望ましい。そこで図９中の最外周のパタ
ーンＰＡの並びと遮光帯ＳＢとの間に幅Ｐｘ、Ｐｙ程度
の余白（透明部）を設けておくとよい。このようにする
と、その余白部が最外周のパターンＰＡの潜像と２重露
光され、不要な残りパターンの形成を防止することがで
きる。

【００５６】以上のようにして、ネガレジストを用いた
場合、ウェハＷ上には図７（Ｃ）のレジストパターンＰ
Ｓ５、又は図８（Ｃ）のレジストパターンＰＳ６のよう
なコンタクトホールが、Ｘ、Ｙ方向にピッチＰｘ／２Ｍ
、Ｐｙ／２Ｍ（ただし１／Ｍは投影倍率）で形成される
。このようなコンタクトホールパターンは周期性はもつ
ものの、各ホールパターンが離散的に配置しているため
、実質的には孤立パターンと考えてよく、図１に示した
露光装置に、従来通りのコンタクトホール形成用のレチ
クルパターンを設定して露光しても、十分な解像が得ら
れない。

【００５７】図１０は、図９のレチクルパターンを、図
８に示したパターンＰＡとパターンＰＢで構成した場合
の２重露光の様子を表したものである。Ｘ方向に周期性
をもつパターンＰＡとＹ方向に周期性をもつパターンＰ
Ｂとの２重露光によって、コンタクトホールとなるレジ
ストパターンＰＳ６が形成される。同図中、破線で示し
たパターンＰＡ、ＰＢは１回目の露光によるもので、実
線で示したパターンＰＡ、ＰＢは２回目の露光によるも
のである。

【００５８】図１１は、多重露光すべきレチクルパター
ンの別の位置関係を示す実施例である。本実施例では、
レチクルＲとウェハＷとを２回ずらして３回の重ね合わ
せ露光を行うものとする。先の図８、又は図１０に示し
たように、回折光の発生しやすい周期性パターンＰＡ、
ＰＢを使う場合、回折効率から考えると、各パターンＰ
Ａ、ＰＢのラインアンドスペースの繰り返し数は極力多
い方が好ましい。そこで３つのパターンＰＡ、ＰＢ、Ｐ
Ｃを同一レチクル上に形成する。パターンＰＡはＸ方向
に周期性を有するデューティほぼ１：１の回折格子状に
形成され、その遮光ラインパターン（斜線部）は５本と
してある。パターンＰＢはＹ方向に周期性を有するデュ
ーティほぼ１：１の回折格子状に形成され、その遮光ラ
インパターン（斜線部）は５本としてある。ここでパタ
ーンＰＡの中心とパターンＰＢの中心とはＹ方向にΔＹ
だけ離れ、３番目のパターンＰＣの中心は、パターンＰ
Ｂの中心から距離ΔＸだけＸ方向に離して形成された正
方形の遮光部（斜線部）である。またパターンＰＣの周
辺の領域ＡＢは２つのパターンＰＡとＰＢを重ね合わせ
たときの形状、及び面積とほぼ等しい。また各パターン
ＰＡ、ＰＢ、ＰＣの周辺はいずれも透明部分である。コ
ンタクトホールパターンの形成にあたっては、パターン
ＰＡの中央の遮光ラインパターンとパターンＰＢの中央
の遮光ラインパターンとの重ね合わせによる正方形の重
複部が使われる。パターンＰＣは、パターンＰＡとＰＢ
の重ね合わせによって生じた不要な重複部（潜像）を消
去するためのものである。

【００５９】このようなレチクルを使用し、ウェハに対
して第１の露光を行った後、その第１の露光位置から、
レチクルＲとウェハＷとの各面内方向の相対的位置をレ
チクル上で（０、＋ΔＹ）だけずらして第２の露光を行
う。その後、第１の露光位置から、レチクルＲとウェハ
Ｗとの各面内方向の相対位置をレチクル上で（−ΔＸ、
−ΔＹ）だけずらして第３の露光を行う。

【００６０】図１２は、図１１中のパターンＰＡとパタ
ーンＰＢとを重ね合わせ露光したときにネガレジスト上
に形成される潜像ＰＡ’、ＰＢ’の様子を示したもので
ある。図１２中、破線は各パターンの潜像のエッジを表
し、黒く塗り潰した複数の孤立領域は２回の重ね合わせ
露光によって全く露光されなかった未露光部分を表す。これら複数の孤立領域のうち、中央の正方形パターンＰ
Ｓ８は、３回目のパターンＰＣとの重ね合わせ露光によ
っても未露光のままであり、パターンＰＳ８の周辺に位
置する他の未露光の孤立領域は、パターンＰＣの周囲の
透明部（領域ＡＢ）によって完全に感光される。従って
最終的にウェハＷ上には正方形のパターンＰＳ８のみが
形成される。ネガレジストの場合、現像によってパター
ンＰＳ８の部分が除去され、その周辺のレジストはほぼ
完全に残膜した状態になるため、先の図１０で説明した
のと同様に、コンタクトホールパターンが形成される。

【００６１】図１３は、図１１に示した１組のパターン
配列の複数を規則的にレチクルＲ上に形成してコンタク
トホールパターンを作る場合の一例を示すものである。図１３中、図１１のパターンＰＡは○印で表し、パター
ンＰＢは□印で表し、パターンＰＣは△印で表してある
。このようなレチクルＲを用いて、同様にウェハＷとの
相対位置ずらしを２回行い、３回の重ね合わせ露光を行
うと、ウェハＷのレジストにはＸ方向のピッチがΔＸ、
Ｙ方向のピッチがΔＹのコンタクトホールパターン群が
形成される。

【００６２】以上の図１１、又は図１３に於いては、レ
チクル中に形成するパターンをＰＡ、ＰＢ、ＰＣの３個
としたが、数はこれに限定されるものではなく、２個、
４個等のパターンを作っておき、各２回、４回の重ね合
わせ露光を行なってもよい。また、パターンＰＡ、ＰＢ
、ＰＣ等のパターン群を１ブロックとして、それが複数
ブロック存在していてもよい。

【００６３】また、図５、図７、図１１に示したように
、孤立したホールパターンのみを重ね合わせ露光で形成
する場合は、第１の露光、第２の露光、又は第３の露光
での照射光量（露光量）は、２回、又は３回共等しくな
ってもよく、むしろ各露光毎に異なっていることが望ま
しい。例えば、周期的パターン（ＰＡ、ＰＢ）の露光時
には、非周期的パターン（ＰＣ）の露光時より照射光量
を大きくするとよい。前述の図１に示す露光装置に於い
てはこの照射量の制御は、制御装置３０及びシャッタ３
、及び照射量計（不図示）により行なう。制御装置３０
は現在行なわれている露光が上部の第ｎの露光であるこ
とを認識し、前述の照射量計からの出力信号に応じて照
射光量を求め、それが目標値に達したときに露光停止の
指令をシャッタ３の駆動モータ４へ送る。なお、図９、
図１０、図１３に示したように、同一レチクル上にパタ
ーンＰＡ、ＰＢ（又はＰＣ）の組が規則的に複数設けら
れる場合は第１の露光と、第２の露光、又は第３の露光
での照射光量は同一とすることが望ましい。

【００６４】以上の各実施例で説明した方法でレチクル
とウェハとの相対位置の移動を実現する場合、図１の装
置では、ウェハーステージＷＳＴが、制御装置３０の指
示により、前述の第１と第２の露光の間に、あるいは第
２と第３の露光の間に移動するものとした。あるいは、
他の方法としてレチクルＲを保持するステージＲＳＴが
移動しても、両方のステージが移動してもかまわない。ただし、現実の投影型露光装置の多くは、既に２次元移
動するウェハステージを有しており、これによりステッ
プアンドリピート、あるいはステップアンドスキャン露
光を行なっており、従って、ウェハステージＷＳＴのみ
を干渉計２１による計測座標値に基づいて移動する方法
は、従来の装置においても、最も簡単に実現できるもの
である。

【００６５】図１４は、本発明による露光方法に用いら
れるレチクルのほぼ全面を表わす図である。図１４中に
示す投影レンズＰＬの有効エリア円９１内、すなわち投
影光学系の解像度及びディストーション、照度均一性等
の諸性能が良好に保証される領域に内接するように、レ
チクルパターンエリア（パターン形成領域）９２が存在
する。従来の露光方法においてはこのレチクルパターン
エリア９２内のすべてに回路パターンを描画し、かつウ
ェハＷへ露光転写可能であった。しかしながら、本発明
に於いては、例えば図９、図１０に示す如く、第１露光
と第２露光に於いて、レチクルとウェハとの相対位置関
係が異なっている。図１４に於いては、第１の露光に使
用されるエリアは破線９３内となり、第２の露光に使用
されるエリアは２点鎖線９４内となる。

【００６６】従って、第１、第２の露光に、共に使用さ
れる領域（斜線部）が本発明を使用したときにおける有
効なレチクルパターンエリアとなり、従来のものより減
少することとなる。ただし、例えば現在のステップアン
ドリピート式投影型露光装置に於いては、図１４に示す
ようにレチクルパターンエリア９２の大きさ（Ｘ０　、
Ｙ０　）は、共に１００ｍｍ前後（レチクル上寸法）で
あり、また、図９、図１０に示す、第１の露光と第２の
露光との相対的位置ずれ量（Ｐｘ／２、Ｐｙ／２）は、
ほぼメモリーセルサイズと等しく、レチクル上の寸法で
１０μｍ前後である（図１４中のΔＸ、ΔＹ）。

【００６７】従って、従来のレチクル有効エリア１００
，０００μｍ×１００，０００μｍに対して本発明に於
いては（１００，０００−２×１０）μｍ×（１００，０００
−２×１０）μｍとなる。この値の比は、１：０．９９
９６であり、従って、本発明により減少するレチクルパ
ターン有効エリアは、従来の場合の面積のわずかに０．
０４％程度に過ぎないことになる。

【００６８】なお、図１４に於いては、特に投影光学系
の有効エリアが円形であるステップアンドリピート型の
投影型露光装置について示したが、他の投影型露光装置
、例えばステップアンドスキャン型の露光装置であって
も同様であり、減少するレチクルパターンエリアの面積
はやはり微少である。以上の各実施例で、図１に示した
装置を使う場合、レチクルＲとウェハＷとの相対位置を
（ΔＸ、ΔＹ）だけずらす手法の１つとして、各アライ
メント系２２〜２５におけるマーク検出中心を光学的（
平行平板ガラスの傾斜）、又は電気的にオフセットさせ
、オフセットしたマーク検出中心に対してレチクルＲの
マーク、又はウェハＷのマークを追い込むように、レチ
クルステージＲＳＴ、又はウェハステージＷＳＴをサー
ボ制御してもよい。さらに、今までの説明ではレチクル
ＲとウェハＷのうちいずれか一方を（ΔＸ、ΔＹ）だけ
シフトさせるとしたが、レチクルＲとウェハＷの両方を
逆方向、又は同一方向にシフトさせてもよい。等倍投影
光学系で鏡像投影を行う装置では、レチクルとウェハを
光軸に対して逆方向に同一距離だけシフトさせることは
意味がないが、逆方向に異なる距離で、もしくは同一方
向にレチクルとウェハを移動させると同様のシフトが可
能である。また縮小投影光学系（鏡像投影）の場合は、
投影倍率を１／Ｍとしたとき、レチクルの移動量に対し
てウェハの移動量が１／Ｍで逆方向にシフトさせること
は意味がないが、それ以外の移動量比によるシフト方法
（同一方向の移動も含む）であれば、同様の位置ずらし
が可能である。また縮小投影の場合は、レチクルＲとウ
ェハＷとは装置上で静止したままにして、投影光学系の
みを光軸ＡＸと垂直な方向に平行移動させても、同様に
投影像とウェハとの相対的な位置ずらしができる。

【００６９】

【発明の効果】以上の様に本発明によれば、１枚の原版
（マスク）中の異なる場所に設けられた１つの周期性パ
ターンと別のパターンとを重ね合わせ露光し、かつ、特
殊な照明光学系を有する投影型露光装置を使用すること
により、従来では実現の難しかった微細パターン、特に
微細孤立パターンの露光転写が可能となる。

【００７０】また、本発明は多重露光すべき複数のパタ
ーンを別々のマスクに形成するのではなく、一枚のマス
ク上に形成する為、それだけスループットが高い。同時
にマスクの製造コストも低減される。また、重ね合わせ
られる複数のパターンは、同一マスク中の近接した位置
であるため、マスク製造誤差による重ね合わせずれの量
は極めて少なくすることができる。また、同一マスクに
重ね合わせるパターンが存在するため、アライメント誤
差に起因する重ね合わせ誤差は発生しない。

【００７１】また、本発明で使用するマスクは、透過率
のみの情報を持つ通常のマスクであり、位相シフターを
設ける必要がないといった利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で使用する投影露光装置の全体構成を示
す図、

【図２】図１の装置の照明系を模式的に表した光路図、

【図３】光分割器の構成を示す側面図、

【図４】光分割
器の構成を示す正面図、

【図５】本発明の露光方法の原
理及び動作を説明する斜視図、

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

【図７】本発明の他の実施例によるレチクルパターンの
組合せを説明する図、

【図８】本発明の他の実施例によるレチクルパターンの
組合せを説明する図、

【図９】図８に示したレチクルパターンを設けたレチク
ルのパターン配置図、

【図１０】図９のレチクルを使ったときの多重露光の様
式を示す図、

【図１１】本発明の他の実施例によるレチクルパターン
の配置を示す図、

【図１２】図１１のレチクルパターンを多重露光とした
ときの様子を示す図、

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

【図１４】本発明を使用したレチクル上のパターン有効
領域を説明する図、

【図１５】従来の投影露光装置の構成、及び露光状態を
説明する図、

【図１６】本発明で使用する露光装置の原理を説明する
図、

【図１７】レジスト層への露光量と残膜厚との関係を示
すグラフである。

【符号の説明】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　回路パターン等の原版上のパターンを
、投影光学系を介して被露光基板へ露光・転写せしめる
投影型露光装置を使った露光方法であって、転写すべき
原版上のパターン面に対してほぼフーリエ変換の関係と
なる前記露光装置の照明光学系中の面内に於いて、該照
明光学系の光軸以外の任意の１つ以上の点のそれぞれを
中心とする任意の領域に、前記原版を照明するための照
明光量を集中させ、前記被露光基板上の１つの被露光領
域への露光を複数の露光に分割して行い、該複数の露光
の夫々において、前記原版と前記被露光基板との前記投
影光学系の光軸と垂直な面内での相対位置関係を異なら
せ、前記複数の露光に於いて、前記被露光基板上の少な
くとも１つ以上の領域は、前記複数の露光のすべてに於
いて前記原版上のそれぞれ異なるパターンが重ね合わさ
れて露光され、かつ、前記重ね合わせ露光される複数の
パターンのうち、少なくとも１つはほぼ周期的に配列さ
れたパターン群であることを特徴とするパターン露光方
法。
【請求項２】　　前記重ね合わせて露光される複数のパ
ターンのうち、少なくとも２つはほぼ周期的に配列され
たパターン群より成り、かつ、それらのパターンの周期
又は方向性がそれぞれ異なっていることを特徴とする請
求項１記載の露光方法。
【請求項３】　　前記ほぼ周期的に配列されたパターン
は、前記投影光学系の解像限界以下程度に微細なパター
ン群から成り、それ以外のパターンは前記解像限界に比
べて２倍程度以上大きなパターン、又はパターン群より
成ることを特徴とする請求項１、又は請求項２記載の露
光方法。
【請求項４】　　前記原版と前記被露光基板との前記相
対的位置関係の変更は前記被露光基板を保持するステー
ジを前記投影光学系の光軸と垂直な方向に移動させて行
うことを特徴とする前記請求項１、請求項２、又は請求
項３記載の露光方法。
【請求項５】　　前記請求項１から請求項４に記載され
た露光方法を実現する露光装置。
【請求項６】　　感光基板の感光層に露光すべき原画パ
ターンを備えたマスクにおいて、前記感光層に転写可能
な微細度の周期構造を持った第１パターンと、該第１パ
ターンのうち特定の部分のみと合致し得る形状をもった
第２パターンとを所定の間隔で近接して並置し、前記感
光層への露光を少なくとも２回に分けて行い、１回目の
露光と２回目の露光の間に前記第１パターンと第２パタ
ーンの両影像と前記感光基板とを前記所定の間隔に応じ
た量だけ相対的に移動させて、前記第１パターンの影像
と前記第２パターンの影像とを前記感光層上で重ね合わ
せ露光することによって、前記第１パターンのうち特定
の部分のみのパターン形状を前記感光層に形成する如く
使用することを特徴とするマスク。
【請求項７】　　原画パターンを有するマスクを投影露
光装置の投影光学系の物体面側に配置し、前記原画パタ
ーンの転写される感光基板を前記投影光学系の像面側に
配置し、前記投影露光装置の照明系からの照明光を前記
マスクに照射して前記原画パターンの投影像を前記感光
基板に露光する方法において、前記マスクには、微細な
周期構造を持った第１パターンと、該第１パターンのう
ち特定の部分のみと合致し得る形状をもった第２パター
ンとが所定の間隔だけずらして設けられ；前記投影露光
装置の照明系は、前記マスクに対してフーリエ変換の関
係にある面内であって、かつ光軸から前記第１パターン
の周期性に応じて決まる量だけ離れた領域に前記照明光
を集中するように設定され、前記マスクと感光基板とを
相対的に位置合わせした後、前記第１パターンと第２パ
ターンとを前記感光基板に露光する第１露光工程と；該
第１露光工程の後、前記第１パターンと前記第２パター
ンとの所定の間隔に応じた量だけ、前記マスクの投影像
と前記感光基板とを相対的にずらして、前記第２パター
ンの像と前記感光基板上にすでに露光された前記第１パ
ターンの像とが重なり合うように相対的に位置合わせす
る工程と；前記マスク上の第１パターンと第２パターン
を前記感光基板に露光する第２露光工程とを含むことを
特徴とする露光方法。
【請求項８】　　リソグラフィーに使用する投影式の露
光装置において、（ａ）　　微細な周期構造を持った第
１パターンと、該第１パターンのうち特定の部分のみと
合致し得る形状をもった第２パターンとが所定の間隔だ
けずらして形成されたマスクを、前記投影式の露光装置
内の投影光学系の物体面側に保持するマスクステージと
；（ｂ）　　前記投影光学系の像面側に感光基板を保持
する基板ステージと；（ｃ）　　前記第１パターンの投影像と前記第２パター
ンの投影像が、前記感光基板上の同一位置に択一的に投
影され得るように、前記投影像と前記感光基板との相対
位置をシフトさせるシフト手段と；（ｄ）　　前記マスクを照明する照明系であって、該照
明系は光源と複数の光学素子とで構成され、該複数の光
学素子によって前記投影光学系の瞳面とほぼ共役なフー
リエ変換面を有し、該照明系はさらに、前記光源からの
照明光を、前記フーリエ変換面内の光軸から前記マスク
の第１パターンの周期に応じた量だけ離れた複数の領域
の夫々に集中させる光分配器を備え；（ｅ）　　前記照明系からの照明光を前記マスクに照射
して、前記第１パターンと第２パターンの各投影像の前
記感光基板への露光動作回数を少なくとも２回に分ける
とともに、各露光動作の間に前記シフト手段を作動させ
る露光動作制御手段を備え、前記第１パターンのうち特
定の部分のみのパターン形状を前記感光基板上に形成す
ることを特徴とする露光装置。