JPH06132193A - 投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光源の空間コヒーレンシーを新しいパラメー
タとして捉えることにより、特に周期的パターンに対す
る結像性能を向上する。 【構成】 照明光学系１で第１フォトマスク２を照明
し、第１フォトマスク２の第１結像光学系３による結像
光で第２フォトマスク４を照明し、この結像光のもとで
第２フォトマスク４のパターン像を第２結像光学系５を
介して感光基板６上に投影する。フォトマスク２及び４
として、それぞれ倍率換算後の基本ピッチが同一の周期
的パターンが形成されたフォトマスクを配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子、液
晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で
製造する際に、フォトマスクの周期的パターン等を感光
基板上に投影露光する為に使用される投影露光装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えばＬＳＩ等の半導体素子、液晶表示
素子又は薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造す
る際に、フォトマスク又はレチクル（以下、「フォトマ
スク」と総称する）のパターンをフォトレジストを塗布
したウエハ等の感光基板上に投影露光する投影露光装置
が使用されている。

【０００３】図３は従来の投影露光装置の要部を示し、
この図３において、フォトマスク１０１は、照明光学系
（図示せず）の光軸に対してほぼ直交するように水平に
保持され、照明光学系から射出された所定波長の露光光
によって透過照明されている。従来から汎用されている
フォトマスク１０１は、透明基板上にクロム等の金属か
らなる遮光パターンを形成した構造であり、透過照明さ
れることによって、パターン形状に応じた回折光が発生
する。これらの回折光は、結像光学系１０３で再度像面
に集められ、これにより像面に合致するように保持され
たウエハ１０５の露光面上にフォトマスク１０１のパタ
ーン像が転写される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
に於いては、フォトマスク１０１を露光光により均一な
照度で照明しなければならないという装置上の要請があ
るため、照明光学系の光源に空間コヒーレンシーを持た
せることができなかった。つまり、フォトマスク１０１
を照明する露光光のうち、投影光学系の光軸に対する傾
斜角である照明角の異なるもの同士が可干渉性を有して
いると、フオトマスク１０１上に干渉縞が形成されてし
まい、フォトマスク１０１を均一に照明するという要請
と相入れなくなってしまう。そのため、光源の空間コヒ
ーレンシーを投影光学系の性能向上を図るためのパラメ
ータとして採り得なかった。

【０００５】また、フォトマスク上の転写用のパターン
には、一般に所定のパターンが所定ピッチで繰り返され
る周期的パターンと所謂コンタクトホールのような孤立
パターンとがあり、同一の結像光学系を使用しても周期
的パターンと孤立パターンとでは結像特性が相違してい
る。

【０００６】本発明は、斯かる点に鑑み、光源の空間コ
ヒーレンシー、つまりパターンを照明する照明光の内の
照明角の異なるもの同士の可干渉性を新しいパラメータ
として捉えることにより、特に周期的パターンに対する
結像性能を向上した投影露光装置を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の投影
露光装置は、例えば図１に示す如く、露光光でフォトマ
スクを照明する照明光学系（１）と、そのフォトマスク
上のパターンを感光基板（６）上に投影する投影光学系
とを有する投影露光装置において、その投影光学系は、
照明光学系（１）からのその露光光のもとで第１のフォ
トマスク（２）のパターンの像を第２のフォトマスク
（４）上に結像する第１結像光学系（３）と、第１結像
光学系（３）による結像光のもとで第２のフォトマスク
（４）のパターンの像を感光基板（６）上に結像する第
２結像光学系（５）とを有し、第１のフォトマスク
（２）のパターン及び第２のフォトマスク（４）のパタ
ーンはそれぞれ遮光部及び光透過部より構成される周期
的パターンを有すると共に、第１のフォトマスク（２）
の周期的パターン及び第２のフォトマスク（４）の周期
的パターンの基本ピッチは、第１結像光学系（３）の倍
率換算を行った上で同一であるものである。

【０００８】また、第２の投影露光装置は、例えば図１
に示す如く、露光光でフォトマスクを照明する照明光学
系（１）と、そのフォトマスク上のパターンを感光基板
（６）上に投影する投影光学系とを有する投影露光装置
において、その投影光学系は、照明光学系（１）からの
その露光光のもとで第１のフォトマスク（２）のパター
ンの像を第２のフォトマスク（４）上に結像する第１結
像光学系（３）と、第１結像光学系（３）による結像光
のもとで第２のフォトマスク（４）のパターンの像を感
光基板（６）上に結像する第２結像光学系（５）とを有
し、第１のフォトマスク（２）のパターン及び第２のフ
ォトマスク（４）のパターンの内の一方のパターンを遮
光部及び光透過部よりなる周期的パターンより構成し、
他方のパターンを第１結像光学系（３）の倍率換算を行
った上でその一方のパターンの基本ピッチの整数倍のピ
ッチで配列された位相シフターより構成したものであ
る。

【０００９】

【作用】本発明においては、従来の投影光学系の照明光
学系（１）側に更にもう一組の結像系とフォトマスクと
を配する様にした。２枚のフォトマスクを、照明光学系
（１）側から順に第１及び第２のフォトマスク（２，
４）と呼ぶものとすれば、第１のフォトマスク（２）上
のパターンと第２のフォトマスク（４）上のパターンと
は対応しており、第１のフォトマスク（２）上のパター
ンで回折された光は第２のフォトマスク（４）上の対応
するパターン上に集束されて当該パターンを照明する。
このときに、第１のフォトマスク（２）上の特定のパタ
ーンにて回折された光同士は可干渉性を有するので、第
２のフォトマスク（４）上のパターンを照明する光は、
投影光学系（３，５）の光軸に対する傾斜角である照明
角の異なる光が互いに可干渉性を有していることにな
る。

【００１０】従って、第２のフォトマスク（４）上の照
明光は、例えば位相シフトマスク的な振幅分布特性等を
容易に実現することができ、これにより感光基板（６）
上の解像度が向上する。本発明では、この原理を利用し
て周期的パターンに対する投影光学系の性能向上を図っ
ている。また、本発明の内の第１の投影露光装置は、第
１のフォトマスク（２）及び第２のフォトマスク（４）
として、共に遮光部と透過部でパターンが形成された従
来型のフォトマスクを使用した場合を示す。この場合
は、０次光と１次光との平均化効果により振幅がほぼ等
しくなり、主にコントラストが向上する。

【００１１】一方、第２の投影露光装置は、第１のフォ
トマスク（２）及び第２のフォトマスク（４）の一方
が、遮光部と透過部でパターンが形成された従来型のフ
ォトマスクであり、他方が位相シフターよりなるフォト
マスクである。従って、全体として遮光パターンと位相
シフターとが混在するフォトマスクと同様の作用によ
り、解像度等を向上することができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明による投影露光装置の第１実施
例につき図１を参照して説明する。図１は、本実施例の
投影露光装置の要部を簡略化して示し、この図１におい
て、照明光学系１から所定の波長の露光光が射出されて
いる。照明光学系１から順に、第１フォトマスク２、第
１結像光学系３、第２フォトマスク４、第２結像光学系
５及び感光基板６を配置する。そして、直列的に配置さ
れた第１結像光学系３及び第２結像光学系５より投影光
学系が構成され、第２結像光学系５に関して、感光基板
６と第２フォトマスク４とが共役であり、第１結像光学
系３に関して、第２フォトマスク４と第１フォトマスク
２とがほぼ共役である。

【００１３】本例では、第１フォトマスク２は、上方に
配置された照明光学系１からの露光光７に照明され、第
１フォトマスク２上に形成されたパターンによりその露
光光７の回折光８，９が生じ、この回折光８，９が第１
結像光学系３を介して第２フォトマスク４上のパターン
を照明する。この際、各回折光８及び９は互いに可干渉
性を有している。更に、それら回折光８，９により照明
された結果、第２フォトマスク４上に形成されたパター
ンから回折光１０，１１が生じ、それらが第２結像系５
を介して感光基板５の上に像を形成する。

【００１４】本実施例では、第１フォトマスク２及び第
２フォトマスク４上に共に、一次元的な周期パターンで
あるライン・アンド・スペースパターンを形成する。そ
して、投影光学系の光軸に垂直な面内にｘ軸をとり、投
影光学系の光軸に平行にｚ軸をとり、それら一次元的な
周期パターンのピッチ方向（周期方向）がｘ軸に平行で
あるとする。また、照明光学系１からの露光光７が斜め
に第１フォトマスク２を照明し、第１フォトマスク２か
ら０次回折光８と１次回折光９とが光軸に対して同じ角
度で射出され、それ以外の次数の回折光は、第１結像光
学系３の開口の中には入らないと想定する。

【００１５】そして、ライン・アンド・スペースパター
ンのライン幅とスペース幅とが等しいとして、露光光７
の振幅を１とすると、０次回折光８の振幅は１／２で、
１次回折光９の振幅は１／πである。仮にここで、第２
フォトマスク４の位置に感光基板６が在るとすると、そ
こでのｘ方向の光強度分布Ｉ₁ （ｘ）は、ｋを定数とし
て次のようになる。

【数１】 Ｉ₁ （ｘ）＝｜(1/2)exp(ikx/2)+(1/π)exp(-ikx/2)｜² ＝（１／４）＋（１／π² ）＋（１／π）ｃｏｓｋｘ

【００１６】従って、次の計算により、第２フォトマス
ク４上の光強度分布のコントラストＣ１は約９０．６％
である。

【数２】 Ｃ１＝｛Ｉ₁ （０）−Ｉ₁ （π／ｋ）｝／｛Ｉ₁ （０）＋Ｉ₁ （π／ｋ）｝ ＝（２／π）／［２｛（１／４）＋（１／π² ）｝］ ≒０．９０６

【００１７】次に、第２フォトマスク４での回折を考え
ると、回折光１０は０次回折光８からの１次回折光と、
１次回折光９からの０次回折光との和であるため、次の
計算により回折光１０の振幅は１／πである。

【数３】 （１／２）（１／π）＋（１／π）（１／２）＝１／π また、回折光１１は、０次回折光８からの０次回折光
と、１次回折光９からの１次回折光との和であるので、
次の計算より回折光１１の振幅は、（１／４＋１／π
² ）である。

【数４】 （１／２）（１／２）＋（１／π）（１／π）＝１／４＋１／π²

【００１８】故に、感光基板６の上でのｘ方向の光強度
分布Ｉ₂ （ｘ）は、次のようになる。

【数５】 Ｉ₂ （ｘ）＝｜(1/π)exp(ikx/2)+(1/4+1/π² )exp(-ikx/2)｜² ＝(1/π² )+(1/4+1/π² )² +(2/π)(1/4+1/π² )ｃｏｓｋｘ

【００１９】従って、次の計算により、感光基板６上の
光強度分布のコントラストＣ２は約９９．５％となり、
結像光学系が一段構成の従来技術に比べてコントラスト
が向上しているのが理解できる。

【数６】 Ｃ２＝｛Ｉ₂ （０）−Ｉ₂ （π／ｋ）｝／｛Ｉ₂ （０）＋Ｉ₂ （π／ｋ）｝ ＝(4/π)(1/4+1/π² )/[2{(1/π² )+(1/4+1/π² )² }] ≒０．９９５

【００２０】更に、図１の照明光学系１の照明方式を所
謂輪帯照明にした場合を考えてみる。輪帯照明にする
と、パターンのピッチ方向に対する結像特性の依存性は
なくなる。しかし、パターンのピッチ方向（ｘ方向）と
直交する方向から照明する光（図１において、露光光７
を光軸のまわりに９０°回転した方向から照明する光）
については、±１次回折光が第１結像光学系３の開口内
に入らず０次回折光のみがその開口に入る。従って、第
２フォトマスク４上では、その照明光は像の強度分布を
形成する上での直流成分となってしまい、像のコントラ
ストを低下させる要因となる。

【００２１】ところが、図１の実施例においては、更に
第２結像光学系５が設けられている。従って、上述の干
渉する相手のない第１フォトマスク２での０次回折光
は、第２フォトマスク４で回折を起こし、その０次回折
光の振幅は更に１／２となってしまう。従って、輪帯照
明のときも、従来の光学系を使用する場合より図１に示
した本実施例による光学系を使用した場合の方が像コン
トラストに優れることが分かる。

【００２２】次に、本発明の第２実施例について図２を
参照して説明する。本実施例では、図２（ａ）に示した
様な振幅透過率分布を有する位相シフトマスクを図１の
第１フォトマスク２として配置し、図２（ｂ）に示した
様な振幅透過率分布を有する従来型のフォトマスクを図
１の第２フォトマスク４として配置する。第２フォトマ
スク４のｘ方向のピッチをＰ１、第１フォトマスク２の
ｘ方向のピッチをＰ２とすると、ピッチＰ２はピッチＰ
１の２倍である。本例の第１フォトマスク２は、位相が
０°の部分と位相が１８０°の部分とが１：１で形成さ
れているので、第１フォトマスク２を垂直に照明する
と、０次回折光は消えて±１次回折光のみが射出され
る。この±１次回折光は、第２フォトマスク４を斜め方
向から照明し、この第２フォトマスク４からの０次回折
光と１次回折光とが第２結像光学系５の開口内に入って
いくものとすると、図１に示してある回折光１０及び１
１に相当する回折光の振幅分布は、系の対称性より等し
い。従って、感光基板６の上での光強度分布のコントラ
ストは、１００％となる。

【００２３】本実施例は、第１フォトマスク２を第２フ
ォトマスク４上に投影して、所謂レベンソン型位相シフ
トマスクと等価なものを実現したものとも言える。本実
施例での利点は、クロム等の遮光パターンと位相シフタ
ーとが混在するフォトマスクを、クロム等の遮光パター
ンのみを用いた従来型のフォトマスクと位相シフターの
みを用いたフォトマスクとに分離したことである。本実
施例によれば、遮光パターンと位相シフターとが混在す
るフォトマスクと比較して、フォトマスクの製造時の容
易さが増したと言える。なお、位相シフターだけのフォ
トマスクにおいて問題とされる広い領域の遮光部分は、
遮光パターンを用いたフォトマスク側に形成しておけば
良い。また、図１において第１フォトマスク２と第２フ
ォトマスク４とを入れ替えても、効果は殆ど同様であ
る。

【００２４】また、以上の実施例では、目的とするパタ
ーンを２枚のフォトマスクと２つの結像光学系とを用い
て投影露光したが、同様の原理にて、３枚以上のフォト
マスクを用いて３つ以上の結像光学系によって、投影露
光する構成としても良い。更に、上記の実施例では、結
像光学系を屈折系とし、フォトマスクは透過型のものを
用いたが、本発明の適用範囲はこの例に限定されるもの
ではなく、結像光学系を反射系とした場合、或いは、反
射型のフォトマスクを用いる場合においても同様に適用
される。このように、本発明は上述実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り
得ることは勿論である。

【００２５】

【発明の効果】本発明の第１の投影露光装置によれば、
第１のフォトマスクからの回折光を第２のフォトマスク
の照明光として用いる構成であるため、第２のフォトマ
スクを照明する照明角の異なる光同士の可干渉性を制御
することができる。これにより周期的パターンに対する
結像性能の向上を図ることができる利点がある。

【００２６】また、第２の投影露光装置によれば、第１
のフォトマスク及び第２のフォトマスクとしてそれぞれ
従来の遮光パターンによるフォトマスクと位相シフター
のみによるフォトマスクとを分離して配置することによ
り、遮光パターンと位相シフターとが混在している位相
シフトマスクと同等の結像性能を引き出すことができ、
周期的パターンに対する結像性能を向上できる利点があ
る。更に、遮光パターンと位相シフターとが混在したフ
ォトマスクを使用する場合に比べて、フォトマスクの製
造が容易であるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の第１実施例の全体
を示す概略構成図である。

【図２】（ａ）は本発明の第２実施例における第１フォ
トマスク２の振幅透過率分布を示す図、（ｂ）は第２フ
ォトマスク４の振幅透過率分布を示す図である。

【図３】従来の投影露光装置の要部を示す概略構成図で
ある。

【符号の説明】

１ 照明光学系 ２ 第１フォトマスク ３ 第１結像光学系 ４ 第２フォトマスク ５ 第２結像光学系 ６ 感光基板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 露光光でフォトマスクを照明する照明光
   学系と、前記フォトマスク上のパターンを感光基板上に
   投影する投影光学系とを有する投影露光装置において、 前記投影光学系は、前記照明光学系からの前記露光光の
   もとで第１のフォトマスクのパターンの像を第２のフォ
   トマスク上に結像する第１結像光学系と、該第１結像光
   学系による結像光のもとで前記第２のフォトマスクのパ
   ターンの像を前記感光基板上に結像する第２結像光学系
   とを有し、 前記第１のフォトマスクのパターン及び前記第２のフォ
   トマスクのパターンはそれぞれ遮光部及び光透過部より
   構成される周期的パターンを有すると共に、前記第１の
   フォトマスクの周期的パターン及び前記第２のフォトマ
   スクの周期的パターンの基本ピッチは、前記第１結像光
   学系の倍率換算を行った上で同一である事を特徴とする
   投影露光装置。
2. 【請求項２】 露光光でフォトマスクを照明する照明光
   学系と、前記フォトマスク上のパターンを感光基板上に
   投影する投影光学系とを有する投影露光装置において、 前記投影光学系は、前記照明光学系からの前記露光光の
   もとで第１のフォトマスクのパターンの像を第２のフォ
   トマスク上に結像する第１結像光学系と、該第１結像光
   学系による結像光のもとで前記第２のフォトマスクのパ
   ターンの像を前記感光基板上に結像する第２結像光学系
   とを有し、 前記第１のフォトマスクのパターン及び前記第２のフォ
   トマスクのパターンの内の一方のパターンを遮光部及び
   光透過部よりなる周期的パターンより構成し、他方のパ
   ターンを前記第１結像光学系の倍率換算を行った上で前
   記一方のパターンの基本ピッチの整数倍のピッチで配列
   された位相シフターより構成した事を特徴とする投影露
   光装置。