JPH05259035A

JPH05259035A - 投影露光装置及びパターン形成方法

Info

Publication number: JPH05259035A
Application number: JP4052750A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fukuda; 宏福田; Susumu Tawa; 邁田和; Tsuneo Terasawa; 恒男寺澤; Seiji Yonezawa; 成二米澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-03-11
Filing date: 1992-03-11
Publication date: 1993-10-08

Abstract

(57)【要約】【目的】複素振幅透過率分布を有する光学フィルターの
光による損傷を防止した投影露光装置及びそれを用いた
パターン形成方法を提供すること。【構成】マスクのパターンを基板上へ投影露光するため
投影露光装置において、所定の振幅透過率分布を有する
光学フィルターが、投影レンズの瞳面より光軸方向にず
らした位置に配置された投影露光装置。又、光透過部と
光不透過部の微細なパターンを有し、光透過部が光不透
過部に対して光学フィルター内の局所的な領域内におい
て占める面積比が、所定の振幅透過率分布の絶対値に実
質的に等しくなるように面内で変化させた光学フィルタ
ーを投影レンズの瞳面に配置した投影露光装置。これら
を用いたパターン形成方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種固体素子の微細パ
ターン形成等に用いられる投影露光装置及びそれを用い
たパターン形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の固体素子の集積度及び動作速
度を向上させるため、回路パターンの微細化が進んでい
る。これらのパターン形成には、量産性と解像性能に優
れた縮小投影露光法が広く用いられている。この方法の
解像限界は、露光波長に比例し、投影レンズの開口数
（ＮＡ）に反比例する。又、その焦点深度は露光波長に
比例し、ＮＡの２乗に反比例する。従って、解像限界の
向上（高ＮＡ化と短波長化）を進めるに伴い焦点深度が
著しく減少しつつある。

【０００３】一方、ＬＳＩの高集積化に伴って回路パタ
ーンが微細化すると共に、ＤＲＡＭ等の電子デバイス構
造の立体化が進んでいる。このためマスクパターンの被
投影面であるＬＳＩ基板表面が、上述のように減少しつ
つある焦点深度をはみ出してしまい、ＬＳＩチップ全面
に微細パターンを形成するのが困難になってきた。従っ
て、高い解像度を必要な焦点深度と同時に確保すること
が重要となった。

【０００４】この問題を解決するために、本願発明者の
一部の者は、特殊な複素振幅透過率分布を有する光学フ
ィルターを投影レンズの瞳の位置に設けることにより、
上記縮小投影露光法の焦点深度と解像度を向上させる方
法を提案した(第３８回応用物理学関係連合講演会講演
予稿集、Ｎｏ．２、第５３４頁)。この方法は、図５に
示すように、マスク１のパターンを投影するための投影
レンズ２の瞳３（レンズの開口を決定する絞り位置）
に、上記瞳又は開口の最大半径で規格化された半径方向
座標ｒの関数として、およそＴ（ｒ）＝ｃｏｓ（２π・β・ｒ²−θ／２）× ｃｉｒｃ（ｒ）（但し、β、θは定数）で表される複素振幅透過率分布を有する光学フィルター
４を設けるものである。これにより、光軸方向の異なる
位置±βに結像する２つの像（図５中の像Ｉ及び像II）
の振幅を角度θに対応する位相差で合成したような像が
得られる。その結果、解像限界を向上するために高ＮＡ
化と短波長化を進めた場合にも、深い焦点深度と高い像
質を維持することができる。

【０００５】典型的な光学フィルターの複素振幅透過率
分布を図９に示す。図９の点線はβ＝０．６５、θ＝２
６０度としたときの複素振幅透過率分布、実線はこれを
離散化近似したもので、微細ホールパターンに最適な分
布である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】レンズの瞳は２次光源
面（有効光源面）に共役であり、従って２次光源の照度
分布が再現される。２次光源は通常フライアイレンズの
射出面であり、フライアイレンズの作用により集光され
た鋭いピーク強度をもった点状の光源の集合となる。従
って、レンズの瞳においても光が点状に集中し、光強度
が局部的に大きくなる。この様なレンズの瞳に光吸収体
からなる複素振幅透過率分布を有する光学フィルターを
挿入した場合、光学フィルターは光を吸収し、局所的に
高い熱が発生するため、光学フィルターが熱損傷を受け
るという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、光により光学フィルター
が損傷することなく、複素振幅透過率分布を有する光学
フィルターの効果を得ることのできる投影露光装置及び
それを用いたパターン形成方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、（１）光源
と、該光源から発せられた光を用いて所望のパターンを
有するマスクを照射する照明光学系と、該マスクを保持
する保持手段と、該マスクのパターンを基板上へ投影露
光するための投影レンズを有する投影露光装置におい
て、所定の振幅透過率分布を有する光学フィルターが、
上記投影レンズの瞳面又は瞳面に共役な面より光軸方向
にずらした位置に配置されたことを特徴とする投影露光
装置、（２）上記１記載の投影露光装置において、上記
光学フィルターは、光軸に垂直な面内における二次光源
像のピークの光強度が、上記瞳面又は瞳面に共役な面で
得られる二次光源像のピークの光強度の５０％以下にな
るように、上記瞳面又は瞳面に共役な面より光軸方向に
離れた位置に配置されたことを特徴とする投影露光装
置、（３）上記１記載の投影露光装置において、上記光
学フィルターは、透明基板と該透明基板上の薄膜パター
ンからなり、該透明基板と該薄膜パターンは、上記瞳面
又は瞳面に共役な面を含まないように配置されたことを
特徴とする投影露光装置、（４）上記１から３のいずれ
か一に記載の投影露光装置において、上記光学フィルタ
ーは、光軸に垂直な面内における二次光源像が上記瞳面
又は瞳面に共役な面で得られる二次光源像と実質的に同
じ形状を保つ範囲内に配置されたことを特徴とする投影
露光装置、（５）上記１から３のいずれか一に記載の投
影露光装置において、上記光学フィルターは、上記瞳面
の近傍の二次光源像の焦点深度内に配置されたことを特
徴とする投影露光装置、（６）上記１から５のいずれか
一に記載の投影露光装置において、上記所定の振幅透過
率分布は、上記瞳の最大半径で規格化された半径方向座
標ｒの関数として、Ｔ（ｒ）＝ｃｏｓ（２π・β・ｒ²−θ／２）× ｃｉｒｃ（ｒ）（但し、β、θは定数である）で表される複素振幅透過
率分布又はこれと実質的に等しい分布であることを特徴
とする投影露光装置、（７）上記１から６のいずれか一
に記載の投影露光装置の光源から照射された光を上記照
明光学系と、上記投影レンズと、上記の位置に設けられ
た光学フィルターを通し、上記マスクのパターンを基板
上へ投影露光し、基板にパターンを形成することを特徴
とするパターン形成方法、（８）光源と、該光源から発
せられた光を用いて所望のパターンを有するマスクを照
射する照明光学系と、該マスクを保持する保持手段と、
該マスクのパターンを基板上へ投影露光するための投影
レンズを有する投影露光装置において、上記投影レンズ
の瞳面又は瞳面に共役な面に、該瞳の半径の十分の一以
下の光透過部と光不透過部のパターンを有する光学フィ
ルターが設けられ、該光透過部が光不透過部に対して光
学フィルター内の局所的な領域内において占める面積比
が、所定の振幅透過率分布の絶対値に実質的に等しくな
るように光学フィルター面内で変化させたことを特徴と
する投影露光装置、（９）上記８記載の投影露光装置に
おいて、上記所定の振幅透過率分布は、上記瞳の最大半
径で規格化された半径方向座標ｒの関数として、Ｔ（ｒ）＝ｃｏｓ（２π・β・ｒ²−θ／２）× ｃｉｒｃ（ｒ）（但し、β、θは定数である）で表される複素振幅透過
率分布又はこれと実質的に等しい分布であることを特徴
とする投影露光装置、（１０）上記８又は９記載の投影
露光装置において、上記光学フィルターを冷却する手段
をさらに有することを特徴とする投影露光装置、（１
１）光源と、該光源から発せられた光を用いて所望のパ
ターンを有するマスクを照射する照明光学系と、該マス
クを保持する保持手段と、該マスクのパターンを基板上
へ投影露光するための投影レンズと、該投影レンズの瞳
面又は瞳面に共役な面に設けられた所定の振幅透過率分
布を有する光学フィルターを有する投影露光装置におい
て、上記光学フィルターを冷却する手段を設けたことを
特徴とする投影露光装置、（１２）上記１１記載の投影
露光装置において、上記所定の振幅透過率分布は、上記
瞳の最大半径で規格化された半径方向座標ｒの関数とし
て、Ｔ（ｒ）＝ｃｏｓ（２π・β・ｒ²−θ／２）× ｃｉｒｃ（ｒ）（但し、β、θは定数である）で表される複素振幅透過
率分布又はこれと実質的に等しい分布であることを特徴
とする投影露光装置、（１３）上記８から１２のいずれ
か一に記載の投影露光装置の光源から照射された光を上
記照明光学系と、上記投影レンズと、上記光学フィルタ
ーを通し、上記マスクのパターンを基板上へ投影露光
し、基板にパターンを形成することを特徴とするパター
ン形成方法、（１４）光源から照射された光を照明光学
系と、投影レンズとを通し、所望のパターンを有するマ
スクのパターンを基板上へ投影露光し、基板上にパター
ンを形成するパターン形成方法おいて、上記マスクの光
透過部の全体に対する割合が所望の値を越えるマスクを
用いて上記投影露光する工程と、上記マスクの光透過部
の全体に対する割合が所望の値以下のマスクを用い、上
記投影レンズの瞳の位置に、所定の振幅透過率分布を有
する光学フィルターを設けて上記投影露光する工程とを
所望の順に行うことを特徴とするパターン形成方法、
（１５）上記１４記載のパターン形成方法において、上
記所定の振幅透過率分布は、上記瞳の最大半径で規格化
された半径方向座標ｒの関数として、Ｔ（ｒ）＝ｃｏｓ（２π・β・ｒ²−θ／２）× ｃｉｒｃ（ｒ）（但し、β、θは定数である）で表される複素振幅透過
率分布又はこれと実質的に等しい分布であることを特徴
とするパターン形成方法、（１６）上記１４又は１５記
載のパターン形成方法において、上記所望の値は、３０
％であることを特徴とするパターン形成方法により達成
される。

【０００９】

【作用】まず、上記１項から７項記載の発明の作用につ
いて説明する。投影露光装置の照明光学系と投影光学系
の関係を図１（ａ）に模式的に示す。但し、投影レンズ
の瞳の位置より像側を省略した。マスク１上にパターン
が存在しない場合（マスク面で光が回折しない場合）、
２次光源面５の像がレンズの瞳３に結像する。図１
（ａ）中に示したレンズの瞳３における２次光源像の光
スポットを図１（ｃ）に示し、そのＡ−Ｂに沿った光強
度分布を図２（ａ）に示す。レンズの瞳の点ｐにおいて
局所的な光強度のピークが生じる。一方、レンズの瞳よ
り光軸方向にずれた位置では、焦点ずれの効果により光
の集中の度合いは急速に低下する。図１（ａ）でレンズ
の瞳より光軸方向にわずかにずれた面Ｓにおける２次光
源像の光スポットを図１（ｂ）に示し、そのＡ’−Ｂ’
に沿った光強度分布を図２（ｂ）に示す。局所的な光強
度のピークが消滅することが分かる。

【００１０】一方、ある一定の画角内に様々なパターン
をもつマスクを置いた場合に瞳上で得られる像は、マス
ク上の位置に応じて様々な入射角を有する光の像の重ね
あわせとなる。マスク上でパターンが何も存在しない領
域を透過してきた光は（２次光源に対応して）瞳上で鋭
く点状に集中する。マスク上の様々なパターンが存在す
る領域を通過してきた光に対しては、瞳上で各々のパタ
ーンに対応するフラウンホーファ回折像が得られる。従
って、一般的なマスクに対して瞳上で得られる像は、２
次光源像と様々なパターンのフラウンホーファ回折像の
合成像となる。ここで、図２（ｃ）に示す瞳面のフラウ
ンホーファ回折像そのもののおよその（巨視的な）形
は、図２（ｄ）に示すようなある程度光軸方向にずれた
図１の面Ｓのそれとほぼおなじである。この傾向は、マ
スク照明光の空間コヒーレンシィが低いほど一層顕著で
ある。なお、マスクパターンによってはフラウンホーフ
ァ回折像もレンズの瞳上で集中するが、その度合いは、
瞳面より光軸方向にわずかにずれると急速に低下する。

【００１１】以上より、レンズの瞳より光軸方向にわず
かにずれた面では、光の集中が抑制されると同時にレン
ズの瞳とほぼ等しい形のフラウンホーファ回折像が得ら
れる。従って、レンズの瞳より光軸方向にわずかにずれ
た位置に光学フィルターを挿入することにより、レンズ
の瞳上で点状に集中する光による熱損傷を避けつつ、マ
スク上の各々のパターンのフラウンホーファ回折像に対
しては有効なフィルタリングを行うことが可能となる。

【００１２】但し、マスク上光軸外の位置を通過した光
線は、レンズの瞳に斜めに入射する。従って、レンズの
瞳より光軸方向にわずかにずれた面では主光線が光学フ
ィルターの中心を通らず、上記近似的なフラウンホーフ
ァ回折像は全体に横方向にずれることになる。即ち、マ
スク上像高が増大すると（パターンが光軸から離れるに
従って）、実効的に光学フィルターの中心ずれが生じ
る。しかし、通常用いられる光学フィルターの場合、こ
のずれは、瞳半径の１０％程度以内であれば結像特性に
さほどの影響を与えない。また、瞳開口の最外縁部（の
片側）を通過する光線は、上記ずれた面上では開口半径
の外側を通過するから、レンズの瞳からずらして配置す
る光学フィルターにおいては、フィルター最外部の振幅
透過率を保ちつつ、透過部の半径を瞳開口の半径より広
げることが好ましい。

【００１３】この発明の作用は、別の角度から次のよう
にも説明できる。図１において、瞳上の点Ｐに達する光
は、瞳よりずれた面Ｓ上の領域ｓを通過する。光学フィ
ルターを面Ｓにずらして置くと、本来点Ｐで行われるべ
きフィルタリングが領域ｓで行われる。ここで、上記ず
れの量が小さい場合、通常領域ｓは瞳開口の面積に比べ
て非常に小さい。光学フィルターの振幅透過率は、通常
半径方向に（例えば図９に示すように）ごく大ざっぱに
変化するので、領域ｓの振幅透過率は点Ｐの振幅透過率
とほぼ等しいとみなせる。従って、瞳上に設定すること
を仮定して設計されたフィルターをずらした位置におい
ても、実質的な効果はほぼ同等であると考えることがで
きる。

【００１４】適当な光軸方向のずらし量は、レンズの瞳
を２次光源面の像面と考えたときのマスク照明用コンデ
ンサーレンズ及び投影レンズの瞳よりマスク側の部分が
つくるレンズ系のレンズの瞳側における開口数と瞳（開
口絞り）の半径に依存する。例えば、マスク露光領域の
最外辺部を通った主光線と光学フィルター中心のずれが
１０％〜２０％の範囲内であることが好ましい。あるい
は、瞳におけるフラウンホーファ回折像の焦点深度の数
倍から数百倍程度としてもよい。

【００１５】さらに、一般に投影レンズ系は、多数の単
レンズから構成されるが、光学フィルターをレンズの瞳
から離した結果、光学フィルターが瞳面を挾むレンズの
外側になっても構わない。いずれにせよ、上に述べた本
発明の作用が有効な範囲内であれば良い。なお、この発
明は輪帯照明光学系を用いた場合にも有効であるが、こ
の場合フィルターの振幅透過率分布を２次光源形状に応
じて最適化する必要がある。

【００１６】さらに上記８項から１０項及び１３項記載
の発明の作用について説明する。光学フィルターを光透
過部と光不透過部の微細なパターンにより構成すれば、
透過率を微妙かつ正確に制御する必要のある光吸収薄膜
を用いずに、比較的厚く熱耐久性に優れた材料からなる
不透明膜と透明基板のみにより光学フィルターを形成で
きる。従って、光学フィルターが熱損傷を受けにくくな
る。この様な光学フィルターを用いた場合、光学フィル
ター通過直後の像の振幅は局所的に０となる部分が散在
する離散的な分布となるが、部分的空間コヒーレント照
明の場合元のスペクトル（光学フィルター前面で得られ
る像）に広がりがあるので問題ない。

【００１７】さらに、上記１１項から１３項記載の発明
の作用について説明する。光学フィルターを強制冷却す
ることにより、温度の上昇を抑えて熱損傷を防ぐことが
できる。

【００１８】さらに、上記１４項から１６項記載の発明
の作用について説明する。マスクの光透過部の全体に対
する割合が大きいと瞳面又は瞳面に共役な面で得られる
二次光源像のピークの光強度が大きく、光学フィルター
が容易に熱損傷を受ける。この光透過部の全体に対する
割合が例えば３０％以下であると光学フィルターが熱損
傷を受けることが少なくなる。

【００１９】

【実施例】

実施例１図３（ａ）及び（ｂ）に模式的斜視図及び断面図を示す
ような光学フィルターを作成した。フィルター面は、開
口部分を持つ遮光膜３１及びその開口部分に設けられた
位相シフタ３２ａと光部分透過膜３２ｂとの複合膜３２
のパターンにより構成され、これらは光学的に十分に平
行な透明基板３３上に形成されている。この光学フィル
ターの複素振幅透過率分布を図３（ｃ）に実線で示す。
図３（ｃ）の点線は、前述の振幅透過率Ｔ（ｒ）の式に
おいて、β＝０．６５、θ＝２６０度としたときの分布
であり、微細ホールパターンに最適な分布である。本実
施例による光学フィルターの複素振幅透過率分布は、上
記分布を離散化近似したものある。なお、ここでは位相
シフタ３２ａ及び光部分透過膜３２ｂは、各々酸化Ｓｉ
膜及び半透明なクロム膜により形成したが、これに限ら
ず様々な物質の組合せを用いることができる。

【００２０】次に、上記光学フィルターを縮小投影露光
装置の投影レンズの瞳付近に挿入した。縮小投影露光装
置は、光源と、光源から発せられた光を用いて所望のパ
ターンを有するマスクを照射する照明光学系と、マスク
を保持する保持手段と、マスクのパターンを基板上へ投
影露光するための投影レンズを有する。この縮小投影露
光装置の投影レンズの開口数（ＮＡ）は０．５、露光波
長はｉ線（３６５ｎｍ）である。

【００２１】図４に、投影レンズの瞳付近の模式図を示
す。図４に示すように、フィルター面３４を投影レンズ
の瞳３よりマスク側に５ｍｍずれた位置に設定した。こ
のずらし量は、瞳開口の半径に比べて十分に小さいの
で、光の振幅の半径方向分布の様子は瞳上のそれと大き
く変わることはない。従って、図４に示した位置でフィ
ルタリングを行っても、瞳位置でフィルタリングを行っ
たのとほぼ同等の結果が得られる。また、この位置は瞳
面近傍の二次光学像の焦点深度の範囲であり、そのた
め、この位置における光軸に垂直な面内の二次光学像
が、瞳面の二次光学像と大きさは異なるが形状はほぼ同
じ状態、すなわち、二次光学像が互いに重なり合わない
状態にある。さらに、この位置の二次光学像のピークの
光強度は、瞳面のそれの５０％以下になっている。ま
た、透明基板３３がフィルター面３４に対してレンズの
瞳と反対側になるように設置したので、透明基板３３
が、レンズの瞳を含むことはない。

【００２２】レンズ全体の設計は、上記フィルターの挿
入を前提にして行なった。なお、フィルター面をレンズ
の瞳よりウエハ側に設定してもよい。この場合にも、透
明基板がレンズの瞳を含むことがない様に、透明基板が
フィルター面に対してレンズの瞳と反対側になるように
設置することが好ましい。また、光学フィルターのずら
し量は、上に示した値に限らないが、ずらし量に応じた
レンズの調整または設計変更が必要である。

【００２３】上記光学フィルターを挿入した状態で、様
々なマスクパターンを様々なフォーカス条件でレジスト
を塗布した基板上に露光した。露光したレジスト膜を現
像して、現像後のパターンを走査型電子顕微鏡で観察し
た。その結果、寸法０．２５μｍのホールパターンが、
±２μｍの焦点深度で形成されていることを確認した。
一方、本光学フィルターを挿入しない場合の解像限界は
０．３５μｍであり、そのときの焦点深度は±０．５μ
ｍであった。

【００２４】また、光学フィルターを挿入した状態で露
光を継続し、光学フィルターの耐久性について調べた。
その結果、少なくとも露光時間の積算が１０００時間を
超えても、フィルターにはなんらの損傷も認められなか
った。

【００２５】実施例２実施例１と同じ光学フィルターを、図６に示すように、
縮小投影露光装置の投影レンズの瞳３付近に挿入した。
この縮小投影露光装置の投影レンズ２ｃ、２ｄ、２ｅの
ＮＡは０．５、露光波長はｉ線（３６５ｎｍ）である。
光学フィルター４は、投影レンズの瞳３に最近接の投影
レンズ２ｄに対して、投影レンズの瞳３の側と逆の側に
置いた。この場合も投影レンズの瞳で得られる光学像よ
り大きく変化しない範囲の光学像が得られる。本実施例
においても実施例１と同様の効果が認められた。

【００２６】実施例３図７（ａ）及び（ｂ）に模式的斜視図及び断面図を示す
ような光学フィルターを作成した。本光学フィルター
は、光学的に十分に平行な透明基板３３の真中に円形開
口が形成されており、さらに上記開口の中心部及び外縁
部に、光透過部３７及び光不透過部３６からなる微細遮
光パターン３５が形成されている。微細遮光パターン３
５の拡大図を図７（ａ）右上に示す。光不透過部３６は
厚いクロム膜からなる。微細遮光パターン３５の寸法は
光学フィルターの半径より十分に小さく、半径の１／１
０以下である。又、光学フィルター内の局所的な領域内
において光透過部の占める面積比を、フィルター半径方
向に図８（ａ）に示すように変化させてある。この分布
は、ホールパターンに対して最適化された従来の複素振
幅透過率分布を有する光学フィルターの振幅透過率（図
９中の実線）の絶対値の分布に等しい。また、上記開口
内で上記微細遮光パターン３５を設けた部分以外の領域
の透明基板３３上に、ＳｉＯ₂膜からなる位相シフター
３２ａを設け、光学フィルターの位相透過率分布を図８
（ｂ）のようにした。これは、図９に示す従来型フィル
ターの位相透過率分布に等しい。

【００２７】次に、この光学フィルターをｉ線縮小投影
露光装置（ＮＡ＝０．５）の投影レンズのおよそ瞳開口
の位置に挿入し、設計寸法０．３μｍ（ウエハ上）のホ
ールパターンを含むマスクパターンを、レジストを塗布
した基板上へ様々なフォーカス条件下で露光した。その
後、所定の現像処理を行って形成したレジストパターン
を走査型電子顕微鏡を用いて観察した。その結果、レジ
スト寸法０．２５μｍのホールパターンが±２μｍの焦
点深度で形成されていることを確認した。一方、上記光
学フィルターを挿入しない場合の解像限界は０．３５μ
ｍであり、そのときの焦点深度は±０．５μｍであっ
た。

【００２８】さらに、露光時間の累計が１０００時間と
なるまで露光を繰返した後、光学フィルターを取り出し
てその性能を確認したところ、何らの性能劣化は認めら
れなかった。透明基板及び光不透過部の膜厚は十分に厚
くかつ熱にたいして変化しにくい性質を持っているた
め、光吸収による熱発生に十分耐えることができる。

【００２９】なお、図７に示した光学フィルターの特性
は、ホールパターンに対して最適化されたものである
が、マスクパターンの種類等に応じて局所領域内の光透
過部の面積比と位相透過率の分布を様々に変化させてよ
い。この際、上記面積比は、従来のフィルタリング法を
用いた場合の所望のパターンに対する光学フィルターの
振幅透過率（瞳の最大半径で規格化された半径方向座標
ｒの関数として、Ｔ（ｒ）＝ｃｏｓ（２π・β・ｒ²
−θ／２）× ｃｉｒｃ（ｒ）、（但し、β、θは定
数）又はこれを適当に離散化近似したものの絶対値にほ
ぼ等しくなるようすることが好ましい。又、位相透過率
は、上記振幅透過率の符号に応じて変化させることが好
ましい。微細遮光パターンの形状は図６に示した碁板格
子状（市松模様）のパターンに限らず、様々な模様を用
いてよい。例えば細かい同心円状のパターンや放射状の
パターン等としてもよい。

【００３０】位相シフターの材料、縮小投影露光装置の
露光波長及びＮＡ等、上に示したものに限らない。な
お、従来投影レンズの瞳にフィルターの基板となる透明
基板を挿入するとレンズの光学特性が変化する。投影レ
ンズは上記透明基板の挿入を前提として調整又は光学設
計されていることが好ましい。

【００３１】さらに、微細遮光パターンは、必ずしも透
明基板の上に形成されている必要はなく、例えば、ステ
ンシル状の遮光マスクパターンを用いてもよい。この場
合、レンズには透明基板が挿入されないので、光学フィ
ルターの挿入により投影レンズの基本的な光学特性が変
化することがない。従って、光学フィルター挿入により
レンズの設計を変更する必要がない。但し、位相シフタ
をステンシルの上に形成しなければならないという難か
しい作業が必要である。

【００３２】本実施例によれば、微妙かつ正確な膜厚コ
ントロールを必要とする各種薄膜を使用せずに、耐久性
に優れた光学フィルターを得ることができる。但し、本
実施例では、瞳面を透過しない光は全て光学フィルター
により吸収される。このため、フィルター面における熱
の発生は避けられない。従って、次の実施例４で述べる
強制冷却手段を併用することがいっそう望ましい。

【００３３】実施例４所定の複素振幅透過率分布を有する従来の光学フィルタ
ーを投影レンズのおよそ瞳位置に設けた投影露光装置の
投影レンズに、光学フィルターを強制冷却する手段を設
けた。本実施例の模式図を図１０に示す。レンズきょう
体４１中の投影レンズ２ａ、２ｂの瞳に設けられた光学
フィルター４の表面に、冷却気体吹き出し口４２より冷
却したＨｅガス４３を流す（もしくは吹き付ける）こと
により、光学フィルター表面近傍で発生した熱が除去さ
れる。複数の冷却気体吹き出し口４２を設けた場合、光
学フィルタ面上の流れ場によどみ点が生じないように各
冷却気体吹き出し口からの流量に適当な揺動を与える等
してもよい。

【００３４】冷却気体の種類は、乾燥空気、Ｎ₂ガス等
他のガスを用いることができ、又強制冷却手段も本実施
例に示したものに限らず、他の様々な手段を用いること
ができる。また、実施例３に述べた光学フィルタを本実
施例の投影露光装置に用いたときも同様の効果が認めら
れた。

【００３５】実施例５ＮＡが０．５、露光波長がｉ線（３６５ｎｍ）の縮小投
影露光装置に、光透過部の全体に占める割合が３０％以
下のマスクを装着し、投影レンズの瞳の位置に従来と同
じ光学フィルターを挿入した。光学フィルターを挿入し
ての露光は、光透過部の全体に占める割合が３０％以下
のマスクが用いられたときにのみ行うようにした。これ
により、光学フィルターの寿命を大幅に伸ばすことがで
きた。さらに、光学フィルターを挿入しての露光は、コ
ンタクトホールパターン、スルーホールパターンの露光
時のみに適用するようにした。これにより、光学フィル
ターの寿命はさらに一層増大した。

【００３６】

【発明の効果】以上、本発明によれば、所定の振幅透過
率分布を有する光学フィルターを投影露光装置の投影レ
ンズの瞳の近傍で、投影レンズの瞳又は瞳と共役な位置
より光軸方向にわずかにずらした面に配置することによ
り、投影レンズの瞳上で点状に集中する光による熱損傷
を避けつつ、マスクパターンのフラウンホーファ回折像
に対しては有効なフィルタリングを行うことができた。

【００３７】また、光学フィルター面に光透過部及び光
不透過部の微細なパターンを有し、かつ光学フィルター
内の局所的な領域内における光透過部の占める面積比
が、この領域における所定の振幅透過率分布にほぼ等し
くなるようにした光学フィルターを縮小投影露光法の投
影レンズのおよそ瞳又は瞳と共役な位置に設けた投影露
光装置により、投影レンズの瞳上で点状に集中する光に
よる熱損傷を避けつつ、マスクパターンのフラウンホー
ファ回折像に対しては有効なフィルタリングを行うこと
ができた。

【００３８】さらにまた、所定の振幅透過率分布を有す
る光学フィルターを投影レンズの瞳に設け、かつこれを
冷却する手段を設けた投影露光装置により、投影レンズ
の瞳上で点状に集中する光による熱損傷を避けることが
できた。

【００３９】さらに、これらの投影露光装置を用いるこ
とにより、又所定の振幅透過率分布を有する光学フィル
ターを投影レンズの瞳に設けた投影露光装置を用い、光
透過部の全体に占める割合がある値以下のマスクを用い
たときのみ光学フィルターを挿入して露光することによ
り、光学フィルターの熱損傷を避けつつパターン形成す
ることができた。

【００４０】これらにより、解像限界を向上するために
高ＮＡ化と短波長化を進めた場合にも、深い焦点深度と
高い像質を維持し、かつ高い耐久性を持った投影露光装
置及びそれを用いたパターン形成方法が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示す模式図である。

【図２】本発明の原理を説明するための特性図である。

【図３】本発明の実施例１で使用した光学フィルターの
模式的な斜視図、断面図及び複素振幅透過率分布図であ
る。

【図４】本発明の実施例１の投影露光装置の一部分の模
式図である。

【図５】本発明を説明するための概念図である。

【図６】本発明の実施例２の投影露光装置の一部分の模
式図である。

【図７】本発明の実施例３で使用した光学フィルターの
模式的な斜視図及び断面図である。

【図８】本発明の実施例３で使用した光学フィルターの
光透過部の面積比を示す図及び位相透過率を示す図であ
る。

【図９】従来の光学フィルターの複素振幅透過率分布図
である。

【図１０】本発明の実施例４の投影露光装置の一部分の
模式図である。

【符号の説明】

１マスク２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ投影レンズ３瞳４光学フィルター５２次光源面６コンデンサーレンズ１０ウエハ３１遮光膜３２ａ位相シフタ３２ｂ光部分透過膜３２複合膜３３透明基板３４フィルター面３５微細遮光パターン３６光不透過部３７光透過部４１レンズきょう体４２冷却気体吹き出し口４３Ｈｅガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者米澤成二東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、該光源から発せられた光を用いて
所望のパターンを有するマスクを照射する照明光学系
と、該マスクを保持する保持手段と、該マスクのパター
ンを基板上へ投影露光するための投影レンズを有する投
影露光装置において、所定の振幅透過率分布を有する光
学フィルターが、上記投影レンズの瞳面又は瞳面に共役
な面より光軸方向にずらした位置に配置されたことを特
徴とする投影露光装置。
【請求項２】請求項１記載の投影露光装置において、上
記光学フィルターは、光軸に垂直な面内における二次光
源像のピークの光強度が、上記瞳面又は瞳面に共役な面
で得られる二次光源像のピークの光強度の５０％以下に
なるように、上記瞳面又は瞳面に共役な面より光軸方向
に離れた位置に配置されたことを特徴とする投影露光装
置。
【請求項３】請求項１記載の投影露光装置において、上
記光学フィルターは、透明基板と該透明基板上の薄膜パ
ターンからなり、該透明基板と該薄膜パターンは、上記
瞳面又は瞳面に共役な面を含まないように配置されたこ
とを特徴とする投影露光装置。
【請求項４】請求項１から３のいずれか一に記載の投影
露光装置において、上記光学フィルターは、光軸に垂直
な面内における二次光源像が上記瞳面又は瞳面に共役な
面で得られる二次光源像と実質的に同じ形状を保つ範囲
内に配置されたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項５】請求項１から３のいずれか一に記載の投影
露光装置において、上記光学フィルターは、上記瞳面の
近傍の二次光源像の焦点深度内に配置されたことを特徴
とする投影露光装置。
【請求項６】請求項１から５のいずれか一に記載の投影
露光装置において、上記所定の振幅透過率分布は、上記
瞳の最大半径で規格化された半径方向座標ｒの関数とし
て、Ｔ（ｒ）＝ｃｏｓ（２π・β・ｒ²−θ／２）× ｃｉｒｃ（ｒ）（但し、β、θは定数である）で表される複素振幅透過
率分布又はこれと実質的に等しい分布であることを特徴
とする投影露光装置。
【請求項７】請求項１から６のいずれか一に記載の投影
露光装置の光源から発せられた光を上記照明光学系と、
上記投影レンズと、上記の位置に設けられた光学フィル
ターを通し、上記マスクのパターンを基板上へ投影露光
し、基板にパターンを形成することを特徴とするパター
ン形成方法。
【請求項８】光源と、該光源から発せられた光を用いて
所望のパターンを有するマスクを照射する照明光学系
と、該マスクを保持する保持手段と、該マスクのパター
ンを基板上へ投影露光するための投影レンズを有する投
影露光装置において、上記投影レンズの瞳面又は瞳面に
共役な面に、該瞳の半径の十分の一以下の光透過部と光
不透過部のパターンを有する光学フィルターが設けら
れ、該光透過部が光不透過部に対して光学フィルター内
の局所的な領域内において占める面積比が、所定の振幅
透過率分布の絶対値に実質的に等しくなるように光学フ
ィルター面内で変化させたことを特徴とする投影露光装
置。
【請求項９】請求項８記載の投影露光装置において、上
記所定の振幅透過率分布は、上記瞳の最大半径で規格化
された半径方向座標ｒの関数として、Ｔ（ｒ）＝ｃｏｓ（２π・β・ｒ²−θ／２）× ｃｉｒｃ（ｒ）（但し、β、θは定数である）で表される複素振幅透過
率分布又はこれと実質的に等しい分布であることを特徴
とする投影露光装置。
【請求項１０】請求項８又は９記載の投影露光装置にお
いて、上記光学フィルターを冷却する手段をさらに有す
ることを特徴とする投影露光装置。
【請求項１１】光源と、該光源から発せられた光を用い
て所望のパターンを有するマスクを照射する照明光学系
と、該マスクを保持する保持手段と、該マスクのパター
ンを基板上へ投影露光するための投影レンズと、該投影
レンズの瞳面又は瞳面に共役な面に設けられた所定の振
幅透過率分布を有する光学フィルターを有する投影露光
装置において、上記光学フィルターを冷却する手段を設
けたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項１２】請求項１１記載の投影露光装置におい
て、上記所定の振幅透過率分布は、上記瞳の最大半径で
規格化された半径方向座標ｒの関数として、Ｔ（ｒ）＝ｃｏｓ（２π・β・ｒ²−θ／２）× ｃｉｒｃ（ｒ）（但し、β、θは定数である）で表される複素振幅透過
率分布又はこれと実質的に等しい分布であることを特徴
とする投影露光装置。
【請求項１３】請求項８から１２のいずれか一に記載の
投影露光装置の光源から発せられた光を上記照明光学系
と、上記投影レンズと、上記光学フィルターを通し、上
記マスクのパターンを基板上へ投影露光し、基板にパタ
ーンを形成することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項１４】光源から照射された光を照明光学系と、
投影レンズとを通し、所望のパターンを有するマスクの
パターンを基板上へ投影露光し、基板上にパターンを形
成するパターン形成方法おいて、上記マスクの光透過部
の全体に対する割合が所望の値を越えるマスクを用いて
上記投影露光する工程と、上記マスクの光透過部の全体
に対する割合が所望の値以下のマスクを用い、上記投影
レンズの瞳の位置に、所定の振幅透過率分布を有する光
学フィルターを設けて上記投影露光する工程とを所望の
順に行うことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項１５】請求項１４記載のパターン形成方法にお
いて、上記所定の振幅透過率分布は、上記瞳の最大半径
で規格化された半径方向座標ｒの関数として、Ｔ（ｒ）＝ｃｏｓ（２π・β・ｒ²−θ／２）× ｃｉｒｃ（ｒ）（但し、β、θは定数である）で表される複素振幅透過
率分布又はこれと実質的に等しい分布であることを特徴
とするパターン形成方法。
【請求項１６】請求項１４又は１５記載のパターン形成
方法において、上記所望の値は、３０％であることを特
徴とするパターン形成方法。