JPH05217839A

JPH05217839A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH05217839A
Application number: JP4019140A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石; Shigeru Hirukawa; 茂蛭川; Masaomi Kameyama; 雅臣亀山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-02-04
Filing date: 1992-02-04
Publication date: 1993-08-27

Abstract

(57)【要約】【目的】 σ値の小さな照明光学系を有する投影露光装
置においても、照明光の均一性や光量を損なうことなく
高解像度、大焦点深度を実現する。また、擬似的にσ値
可変を可能とする。【構成】レチクルＲの入射側にΔｔだけ離して所定ピ
ッチの回折格子パターンＲＧを設け、パターンＲＧから
発生する±１次回折光Ｌ₁、Ｌ₂をレチクルＲに対して
所定角度ψだけ傾けて対称的に入射する。パターンＲＧ
とパターンＲＧとは所定間隔だけ離して配置し、回折光
Ｌ₁、Ｌ₂の半影ボケを遮光する遮光部（２３、ＬＳ
Ｂ）を設けた。バターンＲＧはパターンＲＰに応じて最
適となるように、又はσ値を可変とするように交換部材
２６により交換可能となっており、σ値は０．１〜０．
３程度に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子や液晶表示
素子製造のリソグラフィ工程で使用されるマスクのパタ
ーンを感光基板に転写する投影露光装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の装置においては、レチク
ル上のパターンが存在する面のフーリエ変換面となる照
明光学系の面（以後、照明光学系の瞳面と称す）、もし
くはその近傍の面内において、照明光束を照明光学系の
光軸を中心としたほぼ円形（あるいは矩形）に制限して
レチクルを照明する構成を採っていた。このため、照明
光束はレチクルに対してほぼ垂直に近い角度で入射して
おり、このとき、レチクルパターンから発生する０次回
折光と±１次回折光とのなす角θ（レチクル側）は、露
光光の波長をλ（μｍ）、投影光学系のレチクル側開口
数をＮＡとすると、 sinθ＝λ／Ｐにより決まる。

【０００３】ところで、上記の如き従来の露光方法にお
いて、透過部と遮光部のみからなるレチクル（以後、通
常レチクルと称す）を使用する場合、ウエハ上に解像で
きるレチクルパターンの微細度（最小パターンピッチ）
Ｐは、 sinθ＝ＮＡ_Rより、Ｐ≒λ／ＮＡ_Rなる関係式
で与えられる。これより、最小パターンサイズはピッチ
Ｐの半分であるから、最小パターンサイズは０．５×λ
／ＮＡ程度となるが、実際のフォトリソグラフィ工程で
はウエハの湾曲、プロセスによるウエハの段差等の影
響、またはフォトレジスト自体の厚さのために、ある程
度の焦点深度が必要となる。このため、実用的な最小解
像パターンサイズは、ｋ×λ／ＮＡとして表される。こ
こで、ｋはプロセス係数と呼ばれ、通常０．６〜０．８
程度である。

【０００４】以上のことから、従来の露光方法において
より微細なパターンを露光転写するためには、より短い
波長の露光用光源（エキシマレーザ光源等）を使用する
か、あるいはより開口数の大きな投影光学系を使用する
必要があった。しかしながら、露光光源を現在より短波
長化することは、エキシマレーザ光源等のランニングコ
ストが上昇すること、短波長領域では光の吸収が大きく
なるのでレジストの開発が困難であること等の理由によ
り現時点では難しい。また、投影光学系の開口数は現状
でも既に理論的限界に近く、これ以上の大開口化はほぼ
絶望的である。仮に現状以上の大開口化が可能であると
しても、装置が大型化して高価になる上、±λ／ＮＡ²
で定まる焦点深度は開口数の増加に伴って急激に減少す
るため、実使用に必要な焦点深度がより小さくなり、実
用的な露光装置となり得ないといった問題がある。

【０００５】そこで、レチクルの回路パターンの透過部
分のうち、特定の部分からの透過光の位相を、他の透過
部からの透過光に対してπ(rad) だけずらす、位相シフ
ター（誘電体薄膜等）を備えた位相シフトレチクルを使
用することも提案されている。位相シフトレチクルにつ
いては、例えば特公昭６２−５０８１１号公報に開示さ
れており、この位相シフトレチクルを使用すると、通常
レチクルを使用する場合に比べてより微細なパターンの
転写が可能となる。すなわち、解像力を向上させる効果
がある。

【０００６】また、最近では照明条件の最適化、あるい
は露光方法の工夫等によって微細パターンの転写を可能
とする試みがなされており、例えば特定線幅のパターン
に対して最適な照明光学系の開口数と投影光学系の開口
数（N.A.）との組み合わせをパターン線幅毎に選択する
ことによって、解像度や焦点深度を向上させる方法が提
案されている。さらに、照明光学系の瞳面、もしくはそ
の近傍面内における照明光束の光量分布（以下「２次光
源形状」という」）を輪帯状に規定し、レチクルパター
ンに照明光束を照射する輪帯照明法、あるいはレチクル
パターンの周期性に対応して特定方向から照明光束を所
定角度だけ傾斜させて照射する傾斜照明法等も提案され
ている。

【０００７】この傾斜照明法は２次光源形状を変形する
ことと等価であり、レチクルへの照明光の入射角度は、
照明光学系の瞳面での位置に相当する。ここで、２次光
源の形状として、輪帯状の他に、２次光源形状を部分的
に制限し、一層変形した形状（以下「変形光源」とい
う）にする技術が報告されている（１９９１年秋期応用
物理学会にて）。

【０００８】これらの方法により、投影光学系の解像度
や焦点深度をこれまでの円形状の２次光源形状の場合に
比べて改善することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の如
き従来の技術において、位相シフトレチクルについては
その製造工程が複雑になる分コストも高く、また検査及
び修正方法も未だ確立されていないなど、多くの問題が
残されている。また、輪帯照明法や傾斜照明法では照明
光学系の構成が複雑になってコストが上昇するといった
問題がある。

【００１０】さらに、変形２次光源形状の形成は２次光
源面（特にフライアイレンズの射出面）に、変形絞りを
配置することで実現していた。このため、かなりの光量
を遮光することとなり、大幅に照度（照明パワー）が低
下するという問題点がある。また、変形絞りはフライア
イレンズ中の有効なレンズエレメント数を減少させるた
め、フライアイレンズ本来の照明均一化、平均化効果を
低下させ、レチクル面、及びウェハ面での照度均一性を
悪化させるという問題点もある。

【００１１】また、照明光学系の開口数と投影光学系の
開口数の比、いわゆるσ値（コヒーレンスファクター）
が、σ≧０．８程度でないと変形光源の効果を充分に引
き出すことは難しく、σ値の大きい照明光学系が必要で
ある。ところが、大σ値の照明光学系は、設計、製造と
もに困難であり、また、実際に製造しても大型化し、か
つ、コスト的にも高価となるという問題点がある。

【００１２】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、位相シフトレチクルや大σ値の照明光学系を必要と
せず、比較的σ値の小さな照明光学系を用いて高解像度
かつ大焦点深度の投影露光を光量損失や照度均一化を低
下させることなく実現する投影露光装置を得ることを目
的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記問題点の解決の為に
本発明では、光源（１）からの照明光をほぼ均一な強度
分布に成形するとともに、均一な照明光をマスク（Ｒ）
に照射するための照明光学系（３、４、７、１１、１
２）と、マスクに形成された微細パターン（ＲＰ）の像
を感光基板（Ｗ）に結像投影するための投影光学系（Ｐ
Ｌ）とを備えた投影露光装置において、微細パターンに
対して照明光の少なくとも一部を所定角度だけ偏向させ
る偏向部材（１４、ＲＧ）と、投影光学系と偏向部材と
の間に設けられ、偏向部材による光束の広がりを遮光す
る遮光部材（２３、ＬＳＢ）とを備え、偏向部材を微細
パターンの入射側に所定間隔（Δｔ）だけ離して配置し
た。また、複数の偏向部材を備え、交換可能とすること
により、微細パターンに対して最適化を図ったり、コヒ
ーレンスファクター（σ値）を可変とした。

【００１４】

【作用】本発明によれば、レチクルパターンに対して照
明光の入射側（光源側）に所定間隔だけ離して偏向部材
を設けたので、従来レチクルをそのまま使用して、高解
像度、大焦点深度を従来通りの小さなσ値の照明光学系
で実現することができる。

【００１５】本発明の原理を簡単に説明する。偏向部材
として、例えば回折格子パターンを用いることとし、当
該パターンの周期（ピッチ）方向とレチクルパターンの
ピッチ方向とがほぼ一致するように配置する（図１参
照）。このとき、照明光ＩＬが光軸ＡＸに対して角度ψ
（レチクルパターンのピッチＰ_Rから一義的に定められ
る角度）だけ傾いてレチクルパターンＲＰ₁に入射す
る。このとき、回折格子パターンＲＧ₁は照明光ＩＬを
角度ψだけ偏向（回折）させる必要があるため、そのピ
ッチＰ_GをＰ_G＝２×Ｐ_Rなる関係に定めておく。

【００１６】この結果、従来通りのσ値の小さな照明光
学系を採用しても、回折格子パターンＲＧ₁からは回折
角ψ(sinψ＝λ／Ｐ_G＝λ／２Ｐ_R）で±１次回折光Ｌ
₁、Ｌ₂が発生し、これらの回折光Ｌ₁、Ｌ₂は角度ψ
だけ傾いてレチクルパターンＲＰ₁に照射されることに
なる。これにより、レチクルパターンＲＰ₁から発生す
る０次回折光Ｄ₀と１次回折光Ｄ_mとが角度ψ₀(sinψ
₀＝λ／Ｐ_R＝２ sinψ）をもって投影光学系ＰＬの瞳
面Ｅｐに入射する、換言すれば０次回折光Ｄ₀と１次回
折光Ｄ_mとはその光軸ＡＸに対する角度（射出角）がと
もにψとなって発生することになり、従来のレチクルを
そのまま利用しながらも、高解像度のパターン転写が可
能となる。尚、回折格子パターンＲＧ₁からの±１次回
折光Ｌ₁、Ｌ₂は光軸ＡＸに対して対称的に傾いてレチ
クルパターンＲＰ₁に照射されるので、例えばレチクル
パターンＲＰ₁が１次元のラインアンドスペースパター
ンの場合、投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐにおける照度分
布、すわなちレチクルパターンＲＰ₁からの回折光が通
過する２つの部分領域の各照度をほぼ等しくすることが
できる。特に回折格子パターンＲＧ₁を位相型回折格子
とし、露光波長λ、ピッチＰ_Gのもとで最適化されてい
るとき、回折格子パターンＲＧ₁からの０次光の発生を
防止して±１次回折光Ｌ₁、Ｌ₂のみを発生させること
が可能となり、原理的には傾斜照明法と全く等しくな
る。

【００１７】一方、偏向部材を交換して、０次光の発生
を残した場合には、０次光を含めた全回折光がレチクル
パターンを照明することになり、見掛け上照明光学系の
コヒーレンスファクター（σ値）を増大させる効果が得
られ、σ値を可変とすることができる。ここで、図１１
を参照して傾斜照明により、焦点深度が大きくなる理由
を説明する。図１１に示すような傾斜照明を行うと、照
明光ＩＬはレチクルパターンＲＰ₁により回折され、光
軸ＡＸに対してψだけ傾いた方向に進む０次回折光
Ｄ₀、０次回折光に対してθ_Pだけ傾いて進む＋１次回
折光Ｄ_P、及び０次回折光Ｄ ₀に対してθ_mだけ傾いて
進む−１次回折光Ｄ_mを発生する。ここで、＋１次回折
光Ｄ_Pは光軸ＡＸに対して（θ_P＋ψ）の方向に進行
し、−１次回折光Ｄ_mは光軸ＡＸに対して（θ_m−ψ）
の方向に進行する。このとき、レチクルパターンのピッ
チをＰ_Rとすると、回折角θ_P、θ_mは次式で表され
る。尚、ここでは＋１次回折光Ｄ_Pと−１次回折光Ｄ_m
の両方が投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐを通過しているもの
とする。

【００１８】

【数１】sin(θ_P＋ψ）− sinψ＝λ／Ｐ_R sin(θ_m−ψ）＋ sinψ＝λ／Ｐ_R ところで、レチクルパターンＲＰ₁の微細化に伴って回
折角が増大すると、sin(θ_P＋ψ）＞ＮＡ_Rの関係にな
ってくる（ＮＡ_R：投影光学系ＰＬのレチクル側開口
数）。しかし、照明光ＩＬが光軸ＡＸに対して傾いて入
射すると、このときの回折角でも−１次回折光Ｄ_mは、
投影光学系ＰＬに入射可能となる。すなわち、sin(θ_m
−ψ）＜ＮＡ_Rの関係になる。

【００１９】従って、ウエハＷ上には０次回折光Ｄ₀と
−１次回折光Ｄ_mとの２光束によるレチクルパターンＲ
Ｐ₁の像が生じる。このときの解像限界は、sin(θ_m−
ψ）＝ＮＡ_Rとなるときであり、従って、転写可能な最
小パターンのレチクル側でのピッチは次式で表される。

【００２０】

【数２】Ｐ_R＝λ／（ＮＡ_R＋sinψ）一例として、 sinψを０．５×ＮＡ_R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
次式で表される。

【００２１】

【数３】Ｐ_R＝λ／（ＮＡ_R＋０．５ＮＡ_R) ＝２λ／３ＮＡ_R 一方、上述した如く照明光の瞳面Ｅｐ上での光量分布が
光軸ＡＸを中心とする円形領域内である従来の垂直照明
の場合、解像限界はＰ_R≒λ／ＮＡ_Rであった。従っ
て、傾斜照明法では従来の垂直照明より高い解像度が実
現できることがわかる。

【００２２】ところで、次にレチクルパターンに対して
特定の入射角で照明光を照射することで、焦点深度も大
きくなる理由について簡単に説明する。ウエハＷが投影
光学系ＰＬの焦点位置（最良結像面）に一致している場
合には、レチクルパターンＲＰ₁中の１点を出てウエハ
Ｗ上の一点に達する各回折光成分は、投影光学系ＰＬの
どの部分を通るものであっても全て等しい光路長を有す
る。このため、従来のように０次回折光成分が投影光学
系ＰＬの瞳面Ｅｐのほぼ中心（光軸近傍）を通過する場
合でも、０次回折光成分とその他の回折光成分とで光路
長は相等しく、相互の波面収差も零である。

【００２３】しかし、ウエハＷが投影光学系ＰＬの焦点
位置に一致していないデフォーカス状態の場合、斜めに
入射する高次の回折光成分の光路長は光軸近傍を通る０
次回折光成分に対して焦点前方（投影光学系ＰＬから遠
ざかる方）では短く、焦点後方（投影光学系ＰＬ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、・・・・の各回折光成分は
相互に波面収差を形成して、焦点位置の前後におけるボ
ケを生じることとなる。

【００２４】前述のデフォーカスによる波面収差は、ウ
エハＷの焦点位置からのずれ量をΔＦ、各回折光成分が
−（負）側に入射するときの入射角θ_wの正弦をｒ（＝
sinθ_w) とすると、ΔＦｒ²／２で与えられる量であ
る。このとき、ｒは各回折光成分の瞳面Ｅｐでの光軸Ａ
Ｘからの距離を表わす。従来の投影型露光装置（ステッ
パー）では、０次回折光Ｄ₀は光軸ＡＸの近傍を通るの
でｒ（０次）＝０となる。一方、±１次回折光Ｄ_P、Ｄ
_mは、ｒ（１次）＝Ｍ・λ／Ｐ_Rとなる（Ｍは投影光学
系の結像倍率）。従って、０次回折光Ｄ₀と±１次回折
光Ｄ_P、Ｄ_mとのデフォーカスによる波面収差は、ΔＦ
・Ｍ²(λ／Ｐ_R)²／２となる。

【００２５】一方、本発明における投影型露光装置で
は、図１１に示すように０次回折光成分Ｄ₀は光軸ＡＸ
から角度ψだけ傾いた方向に発生するから、瞳面Ｅｐに
おける０次回折光成分の光軸ＡＸからの距離は、ｒ（０
次）＝Ｍ・ sinψである。さらに、−１次回折光成分Ｄ
_mの瞳面における光軸からの距離はｒ（−１次）＝Ｍ・
sin(θ_m−ψ）となる。そしてこのとき、 sinψ＝sin
(θ_m−ψ）となれば、０次回折光成分Ｄ₀と−１次回
折光成分Ｄ_mのデフォーカスによる相対的な波面収差は
零となり、ウエハＷが焦点位置より光軸方向に若干ずれ
てもパターンＲＰ₁の像ボケは従来程大きく生じないこ
とになる。すなわち、焦点深度が増大することになる。
また、上記数式２のようにsin(θ_m−ψ）＋ sinψ＝λ
／Ｐ_Rであることから、照明光束ＩＬのレチクルＲへの
入射角ψを、ピッチＰ_Rのパターンに対して sinψ＝λ
／２Ｐ_R（＝λ／Ｐ_G）なる関係に定めれば、焦点深度
を極めて増大させることが可能である。

【００２６】本発明では、上記の如く偏向部材によって
sinψ＝λ／２Ｐ_Rなる関係を達成しているので、大焦
点深度も得られることになる。

【００２７】

【実施例】図１を参照して本発明の第１の実施例につい
て説明する。水銀ランプ１から射出した照明光ＩＬは楕
円鏡２、リレーレンズ系３を経て、フライアイレンズ４
に入射する。フライアイレンズ４の射出面４ａはレチク
ルパターンに対するフーリエ変換面となっており、射出
面４ａ近傍には開口絞り５が設けられている。開口絞り
５は照明光学系の開口数ＮＡ_IL、すなわちσ値（投影光
学系の開口数ＮＡ_Rと照明光学系の開口数ＮＡ_ILとの
比）を規定するための絞りであり、駆動部６によりその
開口部の大きさが可変となる。本実施例ではσ値（コヒ
ーレンスファクター）が０．１〜０．３程度となるよう
にその開口径が定められている。

【００２８】さて、フライアイレンズ４からの照明光Ｉ
Ｌは、リレーレンズ７を経て、視野絞り（レチクルブラ
インド）８に達する。視野絞り８はレチクルパターンＲ
Ｐ₁とほぼ共役な位置に設けられており、この視野絞り
８の開口部を駆動部９により可変とすることでレチクル
パターン上での照明エリアを任意に変更可能となる。視
野絞り８を通過した光束ＩＬはミラー１０、コンデンサ
ーレンズ１１、１２を介してミラー１３に達し、ミラー
１３でほぼ垂直に下方に反射された後、裏面（レチクル
側の面）に回折格子パターン（本発明の偏向部材）ＲＧ
₁が形成されたガラス基板１４を介して、レチクルＲに
照射される。ガラス基板１４は照明光ＩＬに対して透明
な基板であり、回折格子パターンＲＧ₁は石英基板等の
ガラス基板１４の表面（片面）上に所定のピッチで設け
られている位相格子である。位相格子パターンＲＧ₁は
誘電体薄膜をパターンニングしたもので、デューティは
１：１であり、そのピッチについての詳細は後述する。
ここで、位相格子の製造にあたってはガラス基板１４自
体をエッチング加工して段差を形成し、位相差を付けて
もよく、或いはガラス基板面中の特定部の屈折率を変え
てもよい。屈折率を変える方法としては例えばイオン打
ち込み等を行えばよい。

【００２９】さて、ガラス基板１４にほぼ垂直に入射し
た照明光ＩＬは回折格子パターンＲＧ₁を照射する。露
光光ＩＬがほぼ垂直に位相格子型の回折格子パターンＲ
Ｇ₁に照射されると、パターンＲＧ₁からは±１次回折
光Ｌ₁、Ｌ₂のみが発生し、ここで回折された±１次回
折光は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対して所定角度傾
いて遮光部ＬＳＢで囲まれたパターン領域ＰＡ内に形成
されたレチクルパターンＲＰ₁に入射する。ここで、位
相型格子を用いたのは，遮光部と透光部とのみからなる
回折格子パターンでは、解像力向上や焦点深度増大に好
ましくない０次回折光を発生させないためである。

【００３０】ガラス基板１４は保持部材１６上に保持さ
れ、駆動部１８により投影光学系ＰＬの光軸ＡＸとほぼ
垂直な面内で２次元移動、及び回転可能である。さらに
ガラス基板１４は駆動素子（ピエゾ素子等）１７により
光軸ＡＸ方向に移動可能であり、駆動素子１７は駆動部
１９により駆動される。また、レチクルＲはレチクルス
テージ１５上に載置されており、駆動部２０により投影
光学系ＰＬの光軸ＡＸとほぼ垂直な面内で２次元移動、
及び回転可能である。本実施例では駆動系１８、または
駆動部２０により、ガラス基板１４がレチクルＲに対し
て相対移動、及び相対回転可能に構成されており、例え
ばレチクルパターンの周期性に応じて基板１４を回転さ
せることで、レチクルパターンと回折格子パターンとの
周期方向をほぼ一致させることが可能となっている。こ
の移動量、及び回転量に関する情報は、ガラス基板１
４、及びレチクルＲ上に設けられたアライメント用のマ
ーク（不図示）をマーク検出系２５（Ｘ方向のみ図示）
により検出する等により得ることができる。基板１４と
レチクルＲとの間には回折格子パターンＲＧ₁からの回
折光の半影ぼけ（詳細後述）を遮光するための可動遮光
部２３が設けられており、光軸ＡＸに対して垂直な面内
での可動遮光部２３の位置は駆動部２４により移動され
る。第１制御系２２にはマーク検出系２５からの情報も
入力され、駆動部１９の他、駆動部１８、２０、２４も
制御する。尚、マーク検出系２５がレチクルＲ上のアラ
イメントマークを検出する際には、可動遮光部２３は退
避されているものとする。

【００３１】さらに、ガラス基板１４を含み、互いにピ
ッチが異なる１次元または２次元の位相型回折格子パタ
ーンを有する複数のガラス基板と複数の保持部材が交換
部材２６に設けられており、駆動系２７によって任意の
ガラス基板が照明光路中に配置されるように構成されて
いる。交換部材２６は回転ターレット板であり、ここに
は保持部材１６を介して、互いに異なるピッチの回折格
子パターンが設けられた複数のガラス板が載置されてお
り、ターレット板を駆動することによりガラス板（回折
格子パターン）が交換可能となっている。

【００３２】従って、レチクルパターンのピッチに応じ
てガラス基板を交換することにより、レチクルパターン
に対して最適ピッチ（詳細後述）を有する回折格子パタ
ーンを照明光路中に配置することが可能となっている。
さて、パターン領域ＰＡを通過した照明光ＩＬは、両側
テレセントリックな投影光学系ＰＬに入射し、投影光学
系ＰＬはレチクルＲのレチクルパターンＲＰ₁の投影像
を、表面にレジスト層が形成され、ウエハＷ上に投影
（結像）する。尚、本実施例では投影光学系ＰＬの瞳面
Ｅｐ、もしくはその近傍面内には可変開口絞り２８が設
けられており、これによって投影光学系ＰＬの開口数Ｎ
Ａを変更できるように構成されている。ウエハＷはその
表面が最良結像面とほぼ一致するようにウエハステージ
２９上に保持されており、ウエハステージ２９はモータ
３０により光軸方向（Ｚ方向）に微動可能であるととも
に、ステップ・アンド・リピート方式で２次元移動可能
に構成されている。そして、ウエハＷ上の１つのショッ
ト領域に対するレチクルＲの転写露光が終了すると、次
のショット位置までステッピングされる。尚、ウエハス
テージ２９の２次元的な位置は不図示の干渉計によっ
て、例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出され
る。

【００３３】ところで、図１には装置全体を統括制御す
る主制御装置３１と、レチクルＲが投影光学系ＰＬの直
上に搬送される途中でレチクルパターンの脇に形成され
た名称を表すバーコードＢＣを読み取るバーコードリー
ダ３２が設けられている。主制御装置３１内には、この
投影露光装置（例えばステッパー）で扱うべき複数枚の
レチクルの名称と、各名称に対応したステッパーの動作
パラメータとが予め登録されている。そして、主制御装
置３１はバーコードリーダ３２がレチクルバーコードＢ
Ｃを読み取ると、その名称に対応した動作パラメータの
１つとして、予め登録されているパターン情報（パター
ンピッチやピッチ方向等）に最も見合ったガラス基板を
交換部材２６の中から１つ選択する。主制御系装置３１
は、所定のガラス基板がレチクルＲ上に設定されるよう
に、駆動指令を駆動系２７に出力して交換部材２６を駆
動するとともに、第１制御系２２を介してレチクルパタ
ーンと回折格子パターンとの周期方向がほぼ一致するよ
うにガラス基板を回転させる。尚、ガラス基板を回転さ
せる際、第１制御系１９は前述のマーク検出系２５から
の情報に基づいて駆動系１８の駆動を制御する。この情
報はマーク検出系２５の他に、駆動系１８に設けられた
ロータリーエンコーダ（不図示）の出力情報、あるいは
ガラス基板とレチクルの各々に設けられたパターンを直
接観察するためのパターン検出系（不図示）からの出力
情報を用いてもよい。

【００３４】さらに、上記名称に対応した動作パラメー
タとして、先に選択されたガラス基板（すなわちレチク
ルパターン）のもとでの、開口絞り５、視野絞り８、可
動遮光部２３、可変開口絞り２８の最適な設定条件等も
登録されており、この条件設定もガラス基板の設定と同
時に行われる。これによって、レチクルステージ１５に
載置されたレチクルＲに対して最適なガラス基板（回折
格子パターン）が正確に設定されることになる。パター
ン情報の入力はバーコードリーダに限るものではなく、
キーボード等により、オペレータが入力するようにして
もよい。

【００３５】さて、図２は、回折格子状パターンＲ
Ｇ₁、及びレチクルＲ付近の拡大図である。回折格子状
パターンＲＧ₁から発生した±１次回折光Ｌ₁、Ｌ₂は
レチクルＲと垂直な方向（投影光学系の光軸ＡＸ方向）
に対して互いに角度ψ(sinψ＝λ／Ｐ_G、λ：露光光の
波長）だけ傾いて対称的にレチクルパターンＲＰ₁に入
射することになる。この結果、レチクルパターンＲＰ₁
から発生する±１次回折光のいずれか一方と０次回折光
とが、投影光学系ＰＬ中のレチクルパターンに対するフ
ーリエ変換面（以下、投影光学系の瞳面と称す）Ｅｐ、
もしくはその近傍の面内で、投影光学系の光軸ＡＸから
ほぼ等距離だけ離れた２つの部分領域ＳＰ₁、ＳＰ₂を
通過し（図３（ｃ）参照）、高解像度と大焦点深度とが
得られることになる。このとき、図２においてレチクル
パターンＲＰ₁の一点に着目すると、パターンＲＰ₁か
らは回折光Ｌ₁による０次回折光Ｌ₁(0)と回折光Ｌ₂に
よる−１次回折光Ｌ₂(-1) とが同一方向に発生するとと
もに、回折光Ｌ₁による＋１次回折光Ｌ₁(+1) と回折光
Ｌ₂による０次回折光Ｌ₂(0)とが同一方向に発生するこ
とになる。これは、レチクルパターンＲＰ₁に対して±
１次回折光Ｌ₁、Ｌ₂の各々が対称的に傾斜して照射さ
れるためである。従って、投影光学系の瞳面Ｅｐでの照
度分布、すなわち回折光Ｌ₁(0)とＬ₂(-1) とが通過する
部分領域（例えばＳＰ₁)と、回折光Ｌ₁(+1) とＬ₂(0)と
が通過する部分領域（例えばＳＰ₂)との各照度がほぼ等
しくなり、これによってレジスト像にだれ等が生じるこ
とがなくなる。尚、回折格子パターンＲＧ₁への入射角
も垂直のみでなく、垂直を中心としてある範囲（照明光
の開口数ＮＡ_IL）を持つが、この場合発生する回折光も
上記のψ方向を中心としてＮＡ_ILの範囲を有する。

【００３６】本発明は前述の回折格子パターン等の偏向
部材をレチクルＲ近傍に設けることにより、原理的には
傾斜照明と等価な照明を実現させたものである。さて、
上述した如く本実施例ではレチクルＲの近傍に設けられ
たガラス板１４のガラス面に回折格子パターンＲＧ₁を
形成しているが、レチクルＲと垂直な方向（投影光学系
の光軸ＡＸ方向）に関するレチクルパターンＲＰ₁と回
折格子パターンＲＧ₁との間隔Δｔは狭い方が良い。こ
れはパターンＲＧ₁の半影ぼけの影響等を除去するため
である。そこで、レチクルパターンに対する傾斜照明を
実現するための間隔Δｔ（最小値）について説明する。

【００３７】レチクルパターンＲＰ₁に対する照明光
（±１次回折光）の入射角ＮＡ₀(＝ sinψ）、照明光学
系の開口数ＮＡ_ILのもとで、パターンＲＰ₁への照明光
の最大、最小入射角（正弦）ＮＡ₁、ＮＡ₂は次式で表
される。

【００３８】

【数４】ＮＡ₁＝ＮＡ₀−ＮＡ_IL ＮＡ₂＝ＮＡ₀＋ＮＡ_IL ところで、間隔（デフォーカス量に相当）Δｔのもとで
の光軸近傍を通る光に対する入射角ＮＡ₁、ＮＡ₂の光
の各光路差ｋ₁、ｋ₂は次式で表される。

【００３９】

【数５】ｋ₁＝Δｔ・ＮＡ₁ ²／２ｋ₂＝Δｔ・ＮＡ₂ ²／２従って、光路差ｋ₁とｋ₂との差が露光波長λ程度より
長ければ、回折格子パターンＲＧ₁の像コントラストは
ほぼ零となる。すなわち、次式を満足すれば良い。

【００４０】

【数６】ｋ₂−ｋ₁＝Δｔ（ＮＡ₂ ²−ＮＡ₁ ²）／２≧λ ここで、上記数式４から次式が得られる。

【００４１】

【数７】ＮＡ₂ ²−ＮＡ₁ ²＝４ＮＡ₀・ＮＡ_IL また、Ｐ_G・ＮＡ₀＝λが成り立つことから、上記数式
６は次式のように表される。

【００４２】

【数８】２Δｔ・（λ／Ｐ_G）・ＮＡ_IL≧λ 従って、レチクルＲのパターン面と回折格子パターンＲ
Ｇ₁の形成面との間隔Δｔは、次式を満足すれば良いこ
となる。

【００４３】

【数９】Δｔ≧Ｐ_G／２ＮＡ_IL 次に、レチクルパターンＲＰ₁と回折格子パターンＲＧ
₁の詳細を図３にしめす。図３を参照して一次元のレチ
クルパターンＲＰ₁に対して最適となる回折格子パター
ンＲＧ₁の一例を説明する。図３（Ａ）はピッチＰ₁で
並ぶレチクルパターン（クロムパターン）ＲＰ₁であ
り、図３（Ｂ）はピッチＰ₂＝２×Ｐ₁で並ぶ位相格子
パターンＲＧ₁である。図２において、レチクルＲの下
面には図３（Ａ）のレチクルパターンＲＰ₁が設けられ
ており、このような周期性パターンに対しては前述の如
くｓｉｎψ＝λ／２Ｐ₁となる入射角で照明を行うと、
焦点深度が増大する。従って、レチクルＲ近傍にある回
折格子パターンＲＧ₁よりの回折光を上記と同様な角度
ψで発生させればよい。すなわち、Ｐ₂＝２Ｐ₁（ｓｉ
ｎψ＝λ／２Ｐ₁＝λ／Ｐ₂、∴Ｐ₂＝２Ｐ₁）であれ
ば周期パターンＲＰ₁の焦点深度を最大とすることがで
き、図３（Ｂ）の回折格子パターンＲＧ₁はこの条件を
満たしている。このとき、レチクルパターンＲＰ₁と回
折格子パターンＲＧ₁とは、互いにほぼ平行となるよう
に配置され、回折格子パターンＲＧ₁の周期（ピッチ）
方向とレチクルパターンＲＰ₁の周期（ピッチ）方向と
がほぼ一致するようにガラス板１４とレチクルＲとを相
対移動させる。また、本実施例では位相型回折格子を用
いることとし、レチクルＲの屈折率をｎとしたとき、回
折格子の溝の深さｄを

【００４４】

【数式１０】ｄ（ｎ−１）＝λ／２としたので、位相シフト部を透過する光の位相がπ、或
いは（２ｍ−１）πだけシフトし、また、幅のデューテ
ィを１：１としたので０次光は相殺され、回折格子パタ
ーンＲＧ₁からは±１次回折光のみが発生することにな
る（ここで、ｍは自然数である）。尚、露光動作中にレ
チクルＲを回転させる場合は、回折格子パターンＲＧ₁
の周期（ピッチ）方向とレチクルパターンＲＰ₁の周期
（ピッチ）方向とを合わせたあと、ガラス板１４とレチ
クルＲとを一体に回転させるようにしてもよい。ここ
で、回折格子パターンＲＧ₁のデューティ比は任意で構
わないが、０次、及び２次回折光の発生を防止する上で
１：１に定めておくことが望ましい。

【００４５】図３（Ｃ）はレチクルＲに入射する照明光
の入射角度をレチクルＲのフーリエ変換面（例えば図１
中のフライアイレンズ４の射出面４ａ又は面３２）で表
したものである。円ＳＰ₁、ＳＰ₂は図３（Ｂ）に示す
位相格子パターンＲＧ₁（位相差π）を透過した照明光
のレチクル入射角度（面３２上での位置）を表すもので
ある。このときＳＰ₁、ＳＰ₂の中心の光軸ＡＸからの
距離（開口数）ｌ₁はλ／Ｐ₂である。すなわち、図３
（Ａ）の位相格子パターンＲＧ₁をレチクルの上に付加
することは、２次光源形状を図３（Ｃ）の２つの円ＳＰ
₁、ＳＰ₂内に制限する変形光源と等価である。そし
て、このような条件でレチクルを傾斜照明することによ
り、投影光学系の瞳面Ｅｐ上を通過する０次光と±１次
光のどちらか一方とが光軸ＡＸから等距離となる。

【００４６】一方、破線円ＳＰ₀はフーリエ変換面（こ
こでは面３２）におけるσ絞り６の像であり、その半径
ｒは照明系の開口数（角度の正弦）を表し、σ値と関連
している。すなわち、投影光学系のレチクル側開口数を
ＮＡ_Rとすると、ｒ＝ＮＡ_R×σである。ここで、垂直
に入射する光束があるとしたならば、図中の円ＳＰ₀の
位置に相当する領域を通過する。

【００４７】ところで、図２に示すように、レチクルパ
ターンＲＰと回折格子パターンＲＧには前述の如く間隔
Δｔ（Δｔ＝ｄ１＋ｄ２、ｄ１：レチクル上面と回折格
子パターンとの距離、ｄ２：レチクル厚）があるため、
照明エリアの端部においては、レチクルパターンＲＰ₁
上で回折による半影ボケＤ１が生じてしまう。この様子
を図４に示す。図４でＢ１は回折格子パターンＲＧ₁上
での照明光量分布を示し、Ｂ２はレチクルパターンＰＲ
₁上での照明光量分布を示している。ここで、横軸は位
置を表し、縦軸は光量を示している。この照明光量分布
位置は前述の視野絞り８の可変にともなって変動する。
Ｂ１の明暗境界における幅Ｗ０は視野絞り８の共役面、
すなわち、レチクルパターンＲＰ₁と回折格子パターン
ＲＧ₁との光軸ＡＸ方向との距離によるデフォーカスボ
ケである。一方、レチクルパターンＲＰ₁上での照明光
量はＢ２の如くなり、その半影幅Ｗ１は半影幅Ｗ０に比
べて広くなる。これは，図に示す回折光Ｌ₁（Ｌ₂）の
半影ボケによるものであり、半影幅Ｗ１はほぼ

【００４８】

【数式１１】Ｗ１＝（２×λ／Ｐ₂＋２ＮＡ_IL）×（ｄ
１＋ｄ２／ｎ）（ｎ：レチクルの屈折率）となる。次に図５を参照して、この半影による影響を防止するこ
とについて述べる（便宜上図５の説明ではΔｔは固定値
として説明する）。半影の影響を防止するためには、回
折格子パターンＲＧ₁の形成領域ＧＡを、Ｘ、Ｙ方向の
各々でパターン領域ＰＡよりＷ１／２程度広げておく必
要がある。これに伴って、前述の如く照度分布の位置は
移動し、レチクルパターンＲＰ₁の形成領域全てに渡っ
て、±１次回折光Ｌ₁、Ｌ₂が対称的に照射され、かつ
照度が均一となる。尚、視野絞り８もこれに合わせてＷ
１／２程度相当分だけ広げておく必要がある。

【００４９】また、半影の影響を防止するためには、遮
光部材が必要であり、例えばレチクルパターンＲＰ₁の
必要領域の外周に、幅Ｗ１の遮光帯（遮光パターン）を
設けておく等の必要がある。ここで、遮光帯はレチクル
上に設けておく必要はなく、回折格子パターンＲＧ₁と
投影レンズＰＬとの間、例えば回折格子パターンＲＧ ₁
とレチクルＲとの間に遮光板２３を設けてもよい。本実
施例の装置（図１）では、可動遮光板２３が設けられて
おり、その幅はＷ１以上となっていて半影ぼけをカット
できる。さらに、この可動遮光板２３は視野絞り８に連
動して（Ｗ１／２程度の差に相当するオフッセットをも
ったまま連動して）可動となっており、回路パターンＲ
Ｐ₁のピッチやパターン領域の大きさが異なり、かつ遮
光帯が補正されていないレチクルに対しても対応可能と
なっている。これにより、回折格子パターンＲＧ₁で回
折された光が、レチクルパターンＲＰ₁形成領域以外
の、かつ透明部分を通過した光が投影レンズＰＬに入射
するのを防ぐことができる。

【００５０】また、ここではΔｔを固定値として説明し
たが、半影幅Ｗ１の許容値を予め決めておき、半影幅Ｗ
１が許容値以下となるように間隔Δｔを、回折格子パタ
ーンのピッチに合わせて数式１１から求めるようにして
もよい。次に、図６を参照して本発明の第２の実施例に
ついて説明する。本実施例では、レチクルパターンとし
て２次元の周期性パターンを用いる場合について述べ
る。図６（Ａ）においてレチクルパターンＲＰ₂は、遮
光材（クロム等）で形成されたＸ、Ｙ方向にピッチ
Ｐ_RX、Ｐ_RYを持つ２次元周期パターンである。また、回
折格子パターンＲＧ₂は、透過光の位相をその膜厚に応
じて所定量だけずらす位相シフト材（例えばＳＯＧ等）
で形成された矩形パターンＰＳが、Ｘ、Ｙ方向にピッチ
Ｐ_GX、Ｐ_GYで繰り返し配列されたもの（デューティ比は
１：１）であり、換言すれば矩形パターン（位相シフト
部）ＰＳと光透過部（ガラス裸面部）とが市松格子状に
配列されたものである。ここでは特にピッチＰ_GX、Ｐ_GY
がＰ_GX＝２Ｐ_Rx、Ｐ_GY＝２Ｐ_RYなる関係に定められてい
る。また、この場合にはいずれか一方の方向に関するピ
ッチ及びその方向が上記条件を満足するように形成すれ
ば良い。さらに回折格子パターンＲＧ₂は、上記の如く
レチクルパターンＲＰ₂に対してそのピッチＰ_G及びピ
ッチ方向のみを正確に設定しておくだけで良く、回折格
子パターンＲＧ₁がレチクルパターンＲＰ₁に対してＸ
Ｙ平面内で相対的にシフト（位置ずれ）していても構わ
ない。但し、互いのピッチ方向を一致させるため、当然
ながら相対回転誤差はほぼ零にしておく必要がある。

【００５１】また、本実施例では位相シフト材を用いて
いるので、矩形パターンＰＳの膜厚（第１の実施例での
溝の深さｄに相当）は上記数式１０を満足するように定
めておくことが望ましい。上記数式１０を満足すれば、
位相シフト部を透過する光の位相が光透過部を通過する
光の位相に対してπだけシフトし、回折格子パターンＲ
Ｇ₂からは±１次回折光のみが発生することになる。

【００５２】これにより、露光光ＩＬがほぼ垂直に回折
格子パターンＲＧ₂に照射されると、パターンＲＧ₂か
らはＸ、Ｙ方向の各々に関して２組の±１次回折光
Ｌ₃、Ｌ ₃'、Ｌ₄、Ｌ₄'のみが発生し、２組の±１次回
折光の各々はレチクル１と垂直な方向（投影光学系の光
軸方向）に対して互いに角度ψ(sinψ＝λ／Ｐ_G）だけ
傾いて対称的にレチクルパターンＲＰ₂に入射すること
になる。図６（Ｃ）は図３（Ｃ）と同様に、レチクルパ
ターンＲＰ₂に入射する照明光の角度範囲（２次光源形
状）を示したものであり、角度範囲は光軸ＡＸと領域Ｓ
Ｐ₃、ＳＰ₄、ＳＰ ₅、ＳＰ₆の位置となる。図６
（Ａ）のＸ、Ｙ方向と図６（Ｃ）のＸ、Ｙ方向が対応し
ているとすると、ｌ₂はλ／Ｐ_GXとなり、ｌ₃はλ／Ｐ
_GYとなる。この結果、レチクルパターンＲＰ₂から発生
する±１次回折光のいずれか一方と０次回折光とは、投
影光学系の瞳面Ｅｐ内で、投影光学系の光軸ＡＸからほ
ぼ等距離だけ離れた４つの部分領域を通過し、高解像度
と大焦点深度とが得られることになる。このとき、４つ
の部分領域の各照度はほぼ等しくなっている。ここで、
回折格子パターンＲＧ₂のデューティ比は任意で構わな
いが、高次回折光の発生を防止する上で１：１に定めて
おくことが望ましい。また、回折格子パターンＲＧ₂の
他の形成条件、例えばレチクルパターンＲＰ₂との間
隔、その形成領域の大きさ、及びパターン面に設けられ
る遮光帯の幅等の条件については、上記第１の実施例と
同様であるので、その詳しい説明は省略するが、レチク
ルパターンＲＰ₂のピッチがＸ、Ｙ方向で異なれば、回
折格子パターンのピッチもＸ、Ｙ方向で異なることとな
り、前述の遮光体の幅や回折格子パターン領域を拡げる
幅もＸ、Ｙ方向で異なる。例えば、回折格子パターン
（レチクルパターン）のＸ方向のピッチがＹ方向よりも
小さい時は、遮光体の幅や回折格子パターン領域を拡げ
るＸ方向の幅はＹ方向の幅に比べて大きくなる。

【００５３】ここで、本発明の如く、レチクル近傍に回
折格子パターンＲＧ₁を設ける場合と、従来の如く実際
の２次光源形状を変形する場合とを比較してみる。従来
法により実際に２次光源形状を変形する場合は、ほぼ均
一で太い光束径を持つ照明光束を遮光板により、図６
（Ｃ）中のＳＰ₃〜ＳＰ₆に示すごとき部分のみを選択
して２次光源としていた。従って、光量損失が多く、レ
チクル面上の照度は大幅に低下する。また、図６（Ｃ）
に示す如き、４光束が領域ＳＰ₃〜ＳＰ₆を通過させる
ために、照明光学系は大きな開口数を必要としており、
図６（Ｃ）中の半径ｒ₀（領域ＳＰ₃〜ＳＰ₆と光軸Ａ
Ｘとの距離）より大きな開口数が必要だからである。

【００５４】これに対して、本発明においては、照明光
束ははじめから、細い光束径をもつ照明光束（σ値＝
０．１〜０．３程度）で十分あり、レチクルＲ近傍に設
けた回折格子パターンで変形光源と等価な照明を実現し
ている。このため、遮光板は不要であり、かつ光量損失
は少ない。さらに、光束が細い（開口数ｒ）ため、照明
光学系もコンパクトにできるというメリットがある。一
方、解像度向上、焦点深度増大の効果は、従来の変形光
源と同等に得られる。

【００５５】ところで、本発明で使用する回折格子、特
に位相型回折格子であるが、これはいわゆるシフター遮
光型の位相シフトレチクルと基本的構造はかわらない。
ただし、位相シフトレチクルは位相型格子がレチクル面
（ウェハ共役面）にあるため、シフター（位相格子）の
欠陥がそのままウェハに転写されてしまうという問題点
がある。欠陥のない位相シフトレチクルの製造は極めて
難しく、現在の技術では実用化は困難であると考えられ
る。これに対して、本発明で使用する回折格子パターン
は、レチクル面より前述のΔｔだけ離れた位置（ウェハ
共役面からずれた位置）に設けられており、欠陥や格子
パターン自身がウェハ上に転写されるおそれは全くな
い。

【００５６】これを図７を用いて説明する。位相格子上
の１点Ｓ₁を通る光束は±１次光Ｉａ、Ｉｂとなってレ
チクルパターンＲＰを照明する。さらに、Ｓ₁に入射す
る光束は照明光の開口数ＮＡ_ILだけの解像範囲をもつの
で、レチクルパターン上では±１次の各光束についてそ
れぞれ２ＮＡ_IL（ｄ₁＋ｄ₂／ｎ）の範囲Ｄ₄₁、Ｄ₄₂に
広がる。従って、例えＳ₁に欠陥があったとしても、そ
の像はレチクルパターンＲＰ上ではきわめてボケたもの
となり、事実上（実用上）影響はなくなる。図７（Ｂ）
は逆にレチクルパターンＲＰ上のＲ₁に到達する光束の
様子を示すが、Ｉ_in1，Ｉ_in2、の光束がＲ₁に達する
ことになり、位相格子上の欠陥は平均化されて影響がな
いことがわかる。図７でＩ₀、Ｄ₄₀、Ｉ_in0、Ｉ₀’は
０次光の発生のある場合を示している。

【００５７】一方、格子パターンそのものの転写である
が、照明光束がある程度の太さを有している（開口数＞
０を有する）ことと、レチクルパターンＲＰと回折格子
パターンＲＧが前述の如く充分離れていることを考慮す
ると、これも全く問題がない。例えば、実際の投影露光
装置の場合について実際の定数を用いて考えてみると、
ウェハ側ＮＡ_W＝０．５、レチクル側ＮＡ_R＝０．１、
レチクルパターンピッチ＝３．５μｍ、λ＝０．３６５
μｍ（ｉ線）、σ＝０．３（すなわち、ＮＡ_IL＝レチク
ル側ＮＡ_R×σ＝０．０３）とすると、望ましい回折格
子ピッチは７．０μｍであり、回折角ψはｓｉｎψ＝
０．０５２１である。このとき、この位相回折格子の焦
点深度はプロキシミティー露光機の焦点深度とほぼ同等
の値であり、光路差＝λとして、２λ／（０．０５２１
＋０．０３）²−（０．０５２１−０．０３）²＝１１
７μｍである。

【００５８】従って、レチクルパターンＲＰと回折格子
パターンＲＧは空気間で１１７μｍ以上離れていれば、
格子そのものの転写はない。実際はレチクルの厚さだけ
で２ｍｍ程度あり、空気換算では１．３ｍｍ（１３００
μｍ）にも及ぶので、レチクルＲと離れた設けた回折格
子パターンＲＧの転写は全く心配ない。

【００５９】次に、図８を参照して本発明の第３の実施
例を説明する。本実施例では、互いにピッチの異なる複
数個（図６では２個）の１次元のラインアンドスペース
パターン群から成るレチクルパターンＲＰ₃を用いる場
合について述べる。レチクルパターンＲＰ₃はＸ方向の
ピッチがＰ_R2、Ｐ_R3で配列された２組の１次元のライン
アンドスペースパターン群ＲＰ_3a、ＲＰ_3bで構成されて
いる。この場合、本実施例の回折格子パターンＲＧ₃は
１次元（Ｘ方向）の回折格子パターンＲＧ₃(デューティ
比は１：１）であり、そのピッチＰ_G3がＰ_G3＝２Ｐ_R3な
る関係に定められている。回折格子パターンＲＧ₃は、
その周期方向がレチクルパターンＲＰ₃の周期方向（図
ではＸ方向）とほぼ一致するように配置される。尚、回
折格子パターンＲＧ₃は位相型回折格子であっても、位
相シフト材で形成しても良く、ここでは位相型回折格子
とし、上記数式１０を満足しているものとする。これよ
り、回折格子パターンＲＧ₃からは±１次回折光のみが
発生することになる。

【００６０】この結果、第１の実施例と同様に回折格子
パターンＲＧ₃から発生する±１次回折光が、レチクル
Ｒと垂直な方向（投影光学系の光軸方向）に対して互い
に角度ψ(sinψ＝λ／Ｐ_G3）だけ傾いて対称的にレチク
ルパターンＲＰ₃に入射することになり、高解像度と大
焦点深度とが得られることになる。本実施例ではピッチ
Ｐ_G3をＰ_G3＝２Ｐ_R3なる関係に定めているため、ライン
アンドスペースパターン群ＲＰ_3bに対しては照明光の傾
斜照明条件（入射角ψ）の最適化が行われないが、パタ
ーン群ＲＰ_3bにおいても十分な高解像度と大焦点深度と
が得られる。

【００６１】ここで、本実施例では複数個のラインアン
ドスペースパターン群に対して、回折格子パターンＲＧ
₃のピッチＰ_G3を特定のパターン群についてのみ最適化
する、すなわちピッチＰ_G3をただ１つの値に定めること
としたが、複数個のラインアンドスペースパターン群の
各々に対応して、ピッチ（及びピッチ方向）が最適化さ
れた複数の回折格子パターンが設けられた偏向部材を備
えておき、レチクルパターンに応じて交換可能とするよ
うにしてもよい。また、上記実施例では１次元のライン
アンドスペースパターンについて述べたが、２次元の周
期性パターンに対しても全く同様に適用できる。また、
例えば微細な周期性パターンＲＰ_Sに対してのみ回折格
子パターンＲＧを設けて傾斜照明を行い、比較的粗いパ
ターンＲＰ_Bに対しては従来通りの垂直照明を行うだけ
でも良い。この場合には、ウエハ上でのパターンＲ
Ｐ_S、ＲＰ_Bの各像の照度が大きく異なり得るため、減
光フィルターを用いてパターンＲＰ_Bに照射される照明
光の照度を予め低く設定する、あるいは薄膜の蒸着によ
りパターンＲＰ_Bの形成領域の光透過率を低くしておく
ことが望ましく、これによってパターンＲＰ_S、ＲＰ_B
のいずれに対しても最適露光量で露光することが可能と
なる。また、パターンＲＰ_Bに対してはオーバー露光と
なることから、予めパターンＲＰ_Bの線幅を、パターン
ＲＰ_Bに対する最適露光量に対応して設計値より太く形
成しておくだけでも良い。

【００６２】次に本発明の第４の実施例について説明す
る。ところで、前述の第１〜第３の実施例のような回折
格子パターンをレチクルに応じて製造するにはコストと
時間を要するが、１台の投影露光装置において使用する
レチクルパターンのピッチは、一般にその解像度に応じ
てほぼ一定の値となっている。解像度はＮＡと波長から
求まるので、本実施例は、倍率と解像度から実用上充分
な回折格子パターンのピッチを定めるものである。

【００６３】例えば、投影光学系のウェハ側開口数をＮ
Ａ_W＝０．５とすると、ｉ線の場合、解像度は０．３５
μｍＬ／Ｓ程度であり、投影倍率を１／５とすると、使
用されるレチクルパターンのピッチはほぼ０．７０μｍ
×５＝３．５μｍ前後となる。従って、７μｍピッチの
回折格子を設けておくだけでも実用上、充分な効果を有
することになる。

【００６４】次に、図９を参照して本発明の第５の実施
例について説明する。本実施例では、回折格子パターン
ＲＧで疑似的にσ値を可変とするものである。図９
（Ａ）に示すようにレチクルＲには比較的粗い２次元の
パターンＲＰ_5bが形成されている。一方、図８（Ｂ）に
示すように傾斜照明による効果が小さい２次元パターン
ＲＰ_5bに対応して２次元の位相型回折格子パターンＲＧ
_5bが、回折格子パターン（偏向部材）ＲＧ₅として形成
されている。

【００６５】ここでは見掛け上２次元パターンＲＰ_5bに
対する照明光学系のσ値を大きくするといった効果を得
るため、回折格子パターンＲＧ_5bから０次回折光も発生
するように、回折格子パターンＲＧ_5bのデューティ比を
１：３程度に定めておく。従って、回折格子パターンＲ
Ｇ_5bに対して照明光がほぼ垂直に照射されると、当該パ
ターンＲＧ_5bからは±１次回折光とともに０次回折光も
発生し、これらの回折光は２次元パターンＲＰ_5bを照射
する。このときの投影光学系の瞳面Ｅｐでの照度分布を
図１０に示す。図１０に示すように、２次元パターンＲ
Ｐ_5bからは種々の次数の回折光が発生しており、これに
よって照明光学系中に空間フィルターを配置してその開
口径を変化させることを行うことなく、２次元パターン
ＲＰ_5bに対して照明光学系のσ値を増大させる効果が得
られる。ここで、回折格子パターンＲＧ_5bの溝の深さ
は、前述の数式１０を満たすように設定すればよい。ま
た、上述した如くデューティ比を面積比にして１：３程
度に設定しておけば、±１次回折光のいずれか一方と０
次回折光との強度比をほぼ１：１にすることが可能であ
る。

【００６６】さらに、実際の照明光学系の開口数ＮＡ_IL
（σ値で表すと、σ≦０．１〜０．３程度）に対して、
粗いレチクルパターンＲＰ_5bの露光に際して必要とされ
る照明光学系の開口数をＮＡ_RPとし、回折格子パターン
ＲＧ_5bのＸ、Ｙ方向の各ピッチが等しいものとしてその
ピッチをＰ_R5とすると、回折格子パターンＲＧ_5bから発
生する１次回折光の回折角ψ₅は、次式を満足する。

【００６７】

【数１２】Ｐ_R5・sinψ₅＝λ このとき、 sinψ₅とＮＡ_IL、ＮＡ_RPとの間には、次式
が成り立っている。

【００６８】

【数１３】ＮＡ_RP＝ＮＡ_IL＋sinψ₅ 従って、回折格子パターンＲＧ_5bのピッチＰ_R5は、次式
を満足するように定めれば良い。

【００６９】

【数１４】Ｐ_R5＝λ／（ＮＡ_RP−ＮＡ_IL）以上の構成により本実施例では、２次元パターンＲＰ_5b
に対して、照明光学系のσ値が０．１〜０．３程度であ
っても、疑似的に大きなσ値で照明することができ、大
焦点深度が得られることになる。このときの回折格子の
形状は位相差≠（２ｎ−１）πの位相格子であっても、
透過率格子であってもよい。また、そのデューティも任
意でよい。また、レチクルパターンのうち、微細なパタ
ーンと比較的粗いパターンが混在している場合は、比較
的粗いパターンに対してのみσ値を増大させるように回
折格子パターンを形成し、照明視野内で部分的にσ値を
変化させるようにしても良い。

【００７０】さらに、積極的に０次回折光を発生させる
ことで、疑似的にσ値の大きな通常照明（入射角度特定
がほぼ円形状）を実現することができる。このような回
折格子を装置内に複数備え、かつ、交換して使用するこ
とにより、疑似的にσ可変の照明系を実現することもで
きる。次に、前述の第１〜第５の実施例における回折格
子パターンの最適化について説明する。

【００７１】前述の露光装置（図１）においては、前述
の第１〜第５の実施例に示したような回折格子パターン
が設けられた複数のガラス基板が不図示の保管部に設け
られている。前述の如く、バーコードリーダ３２（図
１）がレチクルバーコードＢＣからパターン情報（パタ
ーンピッチやピッチ方向）を読み取ると、複数のガラス
板の中から最適な回折格子パターンが形成されたガラス
板を選択する。最適化の条件はレチクルパターンのピッ
チやピッチ方向に応じて最適な回折格子パターンを選択
し、交換部材２６を駆動させることにより最適化を図
る。尚、交換部材はターレット板に限らず、スライダー
であってもよく、また、保管部より保持部１６へ各々搬
送するようにしてもよい。また、第５の実施例のように
疑似的にσ値を可変としたり、疑似的にσ値の大きな通
常照明とする場合は、レチクルバーコードＢＣには図９
（Ｂ）のようなパターンを選択する情報をピッチ情報と
は別に登録しておいてもよい。また、レチクルパターン
に応じて回折格子パターンを製造し、レチクル一体に装
置に装填して使用してよい。また、回折格子を照明光路
からとり除いて、通常照明と傾斜照明との切替えするよ
うに使用してもよいことはいうまでもない。また、いず
れの実施例においても、回折格子パターン（偏向部材）
によって照明光束を傾斜させてレチクルパターンに照射
する傾斜照明法について述べていたが、例えば回折格子
パターンを複数の方向に配列することによって、レチク
ルパターンに対して輪帯照明を行うことも可能である。

【００７２】この際、前述の如く、開口絞り５、視野絞
り８、可動遮光部２３の最適条件もレチクルバーコート
の情報から設定する。また、前述の回折格子パターンと
レチクルパターンとの間隔Δｔの情報は主制御系３１
が、レチクルバーコートの情報から求めるようにしても
よいし、Δｔ情報を予めレチクルバーコードに登録して
おいてもよい。

【００７３】尚、これで設定された照明系のσ値を変更
する場合は、これに伴い、間隔Δｔや視野絞り８、可動
遮光部２３の設定条件も変わるが、この場合は主制御系
３１は、変更後の設定条件を算出し、これに合わせて各
駆動部を制御すればよい。ここで、本装置には基板１４
とレチクルＲとの光軸ＡＸ方向の間隔を検出するギャッ
プセンサ２１が設けられており（図１参照）、駆動素子
１７の制御精度をチエックできるようになっている。

【００７４】また、投影光学系の開口数を変化させる、
特に小さくするときは、レチクルパターンからの回折光
がその瞳面を通過できなくなり得る。そこで、投影光学
系の開口数の変化に応じて回折格子パターン（偏向部
材）を交換可能に構成し、ピッチが異なる回折格子パタ
ーンを用いることでレチクルパターンへの照明光の入射
角を変化させることが望ましい。

【００７５】また、一般的に変形光源を用いる場合、２
次光源中の１つの光源領域、例えば、図３（Ｃ）中の領
域ＳＰ₁の半径（開口数）は投影光学系ＰＬのレチクル
側開口数の０．３倍程度以下であることが好ましい。光
源領域がこれ以上大きいと解像度や焦点深度の向上の効
果が得にくくなり、一方、あまり小さくなると回折格子
の欠陥の影響が無視できなくなる。このため、本発明で
は開口絞り５の大きさをσ値が０．１〜０．３程度とな
るように設定するとよい。

【００７６】また、前述の如く回折格子パターンＲＧを
光路から除去して、通常の装置として使用する場合には
σ値が０．６から０．７となる方が、解像度、焦点深度
の点有利なので、傾斜照明と通常照明とを切り換える場
合、０．１≦σ≦０．７までσ値の可変範囲を有する装
置であることが望ましい。σ値の可変は開口絞りにより
可変としてもよいし、前述の如く、装置としてのσ値は
傾斜照明に適切な０．１〜０．３程度で固定としてお
き、σ値が疑似的に大きくなような回折格子パターンＲ
Ｇを選択するようにしてもよい。

【００７７】また、開口絞りの大きさを単純に可変とす
ると、絞りによる光量ロスが発生する。このため、リレ
ーレンズをズーム系としてフライアイレンズに入射する
光束をσ絞りに合わせて最適な値となるように、その径
を拡大または縮小するようにしてもよい。さらに孤立パ
ターン、例えば１本のラインパターンまたはスペースパ
ターン等に対しては、回折格子パターン（偏向部材）か
ら０次回折光を発生させることが有効である。また、回
折格子パターン（偏向部材）から０次回折光を発生させ
ることは、例えば５本のラインアンドスペースパターン
を露光するとき、その両端のレジスト像で生じる膜べり
を低減できるといった効果も得られる。

【００７８】ところで、以上の各実施例では偏向部材と
して位相型回折格子（ガラス基板にエッチングにより凹
凸にて形成したもの、または位相シフト材にて形成した
もの等）を用いていたが、例えば振幅型回折格子を設け
ても良く、この場合にも±１次回折光が発生するので、
解像力・焦点深度の向上が見込める。また、偏向部材と
して断面形状が正弦波状の凹凸を、その１周期をレチク
ルパターンのピッチの約２倍に定めてガラス基板に形成
するようにしても構わない。レチクルパターンが２次元
パターンのときは、上記正弦波状の凹凸を有する２組の
格子板を、互いに正弦波の進行方向が２次元パターンの
周期性に応じて交差するように重ねて配置すれば良い。
または、１枚のガラス基板の表面と裏面とに２組の正弦
波状の回折格子を形成するようにしても構わない。さら
に偏向部材として、断面形状が三角波状の凹凸を、上記
と同様にガラス基板に形成しても良い。また、偏向部材
として微細なフレネルゾーンプレートを多数敷き詰めた
ものを用いても構わない。また、回折格子パターンより
発生する０次回折光をなくすために、位相差を（２ｍー
１）π（ｍは自然数）とする位相格子としたが、回折格
子は位相格子に限定されるものではない。

【００７９】尚、各実施例のレチクルの露光に際して使
用するレジストはポジ型であっても、ネガ型であっても
良い。さらに回折格子パターン（偏向部材）をレチクル
のガラス面に設けておいてもよい。また、ペリクル枠等
を利用して、回折格子パターンが形成されたガラス基板
をレチクルに近接して載置（固定）するようにしても良
い。あるいは照明光学系にリレーレンズ系を配置し、こ
のリレーレンズ系によって、例えばレチクルパターン面
とほぼ共役な面内から所定量だけずらして、回折格子パ
ターン（偏向部材）を設けるようにしても良い。また、
異物付着防止の透明基板を回折格子パターンに密着して
設けてもよい。尚、本発明によるフォトマスクを適用可
能な露光装置は、投影光学系を有するものであれば良
く、さらに投影光学系は屈折型、反射型、あるいはこれ
らを組み合わせた型のいずれであっても良い。

【００８０】前述の実施例では、光源１は水銀ランプや
エキシマレーザ光源であるとしたが、他の光源であって
もよい。また、露光光の波長域は投影光学系ＰＬ、及び
照明光学系の色収差補正状況によって、単色、準単色、
広帯域が選択されるが、本発明で使用する回折格子パタ
ーンは基本的に単色、準単色、広帯域のいずれの波長域
の露光でも使用可能である。例えば、λ₁の露光光はピ
ッチＰ₁のレチクルパターンにｓｉｎψ₁＝λ₁／２Ｐ
₁で入射するように、回折格子パターンのピッチをＰ₂
＝２Ｐ₁（ｓｉｎψ＝λ₁／Ｐ₂）とするが、λ₂の露
光光に対してはｓｉｎψ₂＝λ₂／２Ｐ₁、ｓｉｎψ₂
＝λ₂／Ｐとなり、Ｐ₂＝２Ｐ₁の関係はこれらから定
められる関係であり、露光波長が異なっても回折格子ピ
ッチを変更する必要はない。

【００８１】以上の通り第１〜第５の実施例では、照明
光路中に回折格子パターン（光偏向部材）を設けること
で、レチクルパターンに対する傾斜照明を実現するた
め、照明光学系の改良を行うことなく、しかも従来のレ
チクルをそのまま利用して高解像度、大焦点深度を達成
することが可能となる。尚、以上の第２〜第５の実施例
では偏向部材としての回折格子パターンのピッチ以外の
他の形成条件、例えばレチクルパターンとの間隔（Δ
ｔ）、その形成領域の大きさ、及びパターン面に設けら
れる遮光帯の幅等の条件について特に述べていなかった
が、いずれの条件も第１の実施例と全く同様に定めれば
良い。

【００８２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光偏向部
材を感光基板とほぼ共役な面、もしくはその近傍から僅
かに離して追加するだけで、投影光学系の解像度、及び
焦点深度を実現することができる。また、解像度、及び
焦点深度をコヒーレンスファクターの小さな照明系で実
現することができ、照明光学系が安価で製造のし易いも
のとなり、露光装置のコストが低減する。

【００８３】さらに、光偏向部材を適当に選択すること
によりコヒーレンスファクターを可変とすることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による投影露光装置の構
成を示す図、

【図２】図１の装置におけるレチクルＲ近傍の拡大図、

【図３】本発明の第１の実施例による（Ａ）一次元のレ
チクルパターンを示す図、（Ｂ）（Ａ）のパターンに最
適な回折格子パターンを示す図、（Ｃ）（Ｂ）の回折格
子パターンによる回折光の角度範囲を、照明光学系の瞳
面上の領域位置で表した図、

【図４】図３（Ｂ）の回折格子パターンからの回折光の
半影ボケを示す図、

【図５】図４の半影ボケをカットするための遮光帯、及
び可動遮光部を示す図、

【図６】本発明の第２の実施例による（Ａ）二次元のレ
チクルパターンを示す図、（Ｂ）（Ａ）のパターンに最
適な回折格子パターンを示す図、（Ｃ）（Ｂ）の回折格
子パターンによる回折光の角度範囲を、照明光学系の瞳
面上の領域位置で表した図、

【図７】本発明の第１、第２の実施例による回折格子パ
ターンの像がウエハ上に転写されない理由を説明する
図、

【図８】本発明の第３の実施例を説明する図、

【図９】本発明の第５の実施例による（Ａ）比較的粗い
レチクルパターンを説明する図、（Ｂ）（Ａ）のパター
ンを擬似的にσ値を大きくして照明するための回折格子
パターンを示す図、

【図１０】図９（Ｂ）の回折格子パターンからの回折光
による投影光学系の瞳面での分布を示す図、

【図１１】傾斜照明により高解像度、大焦点深度が得ら
れる原理を説明する図である。

【符号の説明】

１…光源４…フライアイレンズ３、７、１１、１２…レンズ系１４…ガラス板１７…駆動素子２１…ギャップセンサ２２…第１制御系２３…可動遮光部３１…主制御系３２…バーコードリーダＰＬ…投影レンズＬＳＢ…遮光帯Ｒ…レチクルＷ…ウエハＩＬ…照明光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの照明光をほぼ均一な強度分布
に成形するとともに、該均一な照明光をマスクに照射す
るための照明光学系と、前記マスクに形成された微細パ
ターンの像を感光基板に結像投影するための投影光学系
とを備えた投影露光装置において、前記微細パターンの入射側に所定間隔だけ離して配置さ
れ、かつ前記照明光が入射したとき、該入射光の少なく
とも一部を前記微細パターンに対して所定角度だけ偏向
させる偏向部材を有し、前記入射光の前記偏光部材への入射領域を前記微細パタ
ーンの照明領域より所定量大きくしたことを特徴とする
投影露光装置。
【請求項２】前記投影光学系と前記偏向部材との間に
設けられ、前記偏向部材による光束の広がりを遮光する
遮光部材を有することを特徴とする請求項１記載の投影
露光装置。
【請求項３】前記照明光学系のコヒーレンスファクタ
ーを０．１から０．３程度に定めたことを特徴とする請
求項１記載の投影露光装置。
【請求項４】前記偏向部材は、前記照明光に対してほ
ぼ透明な基板に形成された回折格子状パターンであるこ
とを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項５】前記照明光学系の開口数をＮＡ_IL、前記
回折格子パターンのピッチをＰ_Gとしたとき、前記光軸
方向にかんする前記微細パターンと前記回折格子パター
ンとの間隔を、 Δｔ≧Ｐ_G／２ＮＡ_IL なる関係で定まるΔｔとすることを特徴とする請求項４
記載の投影露光装置。
【請求項６】前記回折格子状パターンのピッチは前記
投影光学系の解像度、及び投影光学系の倍率に応じて定
められていることを特徴とする請求項４記載の投影露光
装置。
【請求項７】前記照明光学系のコヒーレンスファクタ
ーの可変機構を有することを特徴とする請求項１記載の
投影露光装置。
【請求項８】前記偏向部材は、前記照明光の偏向量が
互いに異なる少なくとも２つの偏向部材からなり、前記少なくとも２つの偏向部材を前記微細パターンに応
じて交換する交換手段を有することを特徴とする請求項
１記載の投影露光装置。
【請求項９】前記照明光学系中の照明光束径を可変と
する可変開口絞りを有し、該可変開口絞りの調整と前記
偏向部材の交換との少なくとも一方に基づいて、前記照
明光学系のコヒーレンスファクターを０．１から０．７
程度にまで可変とする調整手段を有することを特徴とす
る請求項８記載の投影露光装置。