JPH06140306A

JPH06140306A - 投影露光方法及び投影露光装置

Info

Publication number: JPH06140306A
Application number: JP4291187A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Suzuki; 一明鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-10-29
Filing date: 1992-10-29
Publication date: 1994-05-20
Anticipated expiration: 2017-09-09
Also published as: JP3322274B2

Abstract

(57)【要約】【目的】照明光の偏光状態を考慮した場合に、より解
像度を高める。【構成】レチクルＲ上の転写用の開口パターン１９を
空間周波数成分の方向に応じて、レチクルＲ１上の開口
パターン２１とレチクルＲ２上の開口パターン２３とに
分解する。開口パターン２１，２３のそれぞれを照明す
る照明光を空間周波数成分が存在する方向に垂直な方向
（Ｘ方向及びＹ方向）に偏光させ、この偏光状態の照明
光のもとで開口パターン２１，２３の像を順次感光基板
上に露光する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば微細なパターン
よりなる半導体集積回路等をフォトリソグラフィー工程
で製造する際に使用される投影露光方法及び投影露光装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子又は液晶表示素子等をフォト
リソグラフィー技術を用いて製造する際に、フォトマス
ク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）のパ
ターンを感光基板上に転写する投影露光装置が使用され
ている。斯かる投影露光装置においては、半導体素子等
の高集積化に伴い、より微細なパターンを高解像度で焼
き付けることが要求されている。これを実現する方法と
して最近は、レチクルのパターン構成の面からの提案
と、照明光学系の構成の面からの提案とが行われてい
る。

【０００３】レチクルのパターン構成の面からの提案と
しては、特公昭６２−５０８１１号公報に開示されてい
る位相シフトレチクル法がある。位相シフトレチクル法
においては、レチクルのパターン領域に所定の規則で位
相シフターが形成され、そのパターン領域の異なる透明
部からの光の干渉効果が利用される。この方法をライン
・アンド・スペースパターンに応用すると基本的に０次
回折光がなくなり、±１次回折光のみによる結像とな
り、同一の開口数の投影光学系でも従来のレチクルの場
合よりも微細なライン・アンド・スペースパターンの像
を高い解像度で焼き付けることができる。

【０００４】また、より解像度を高めるための照明光学
系の構成の面からの提案として、照明光学系を工夫し
て、微細なパターンを高い解像度で且つ比較的深い焦点
深度で焼き付ける所謂変形光源法が本出願人により提案
されている。変形光源法においては、光軸に対して偏心
した複数の２次光源を形成することにより、レチクル上
のパターンをパターンに応じて主光線が光軸に対して傾
斜した照明光で照明している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来より
解像度を高めるための種々の提案が行われているが、何
れも照明光をスカラー量として考え、照明光の偏光状態
と結像特性との関係についての具体的な検討は行われて
いなかった。即ち、上記の如き従来の技術においては、
感光基板上のレジスト等の感光材の感光反応が光の電場
ベクトルのみによって生じ、磁場ベクトルは寄与してい
ないということが考慮されていなかった。従って、最良
な結像特性を得るために考慮すべき条件が不足していた
という不都合があった。

【０００６】本発明は斯かる点に鑑み、照明光の偏光状
態を考慮した場合に、より解像度を高めることができる
投影露光方法を提供することを目的とする。また、本発
明は、そのような投影露光方法を実施できる投影露光装
置を提供することをも目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による投影露光方
法は、例えば図２に示す如く、転写用のパターン（１
９）が形成されたマスク（Ｒ）を照明光で照明し、この
照明光のもとでそのマスクの転写用のパターンの像を感
光基板上に投影する投影露光方法において、転写用のパ
ターン（１９）を空間周波数成分の方向に応じて複数の
部分パターン（２１，２３）に分解し、複数の部分パタ
ーン（２１，２３）のそれぞれを照明するその照明光を
対応する部分パターン（２１，２３）の空間周波数成分
が存在する方向（Ｙ方向、Ｘ方向）に垂直な方向（Ｘ方
向、Ｙ方向）に偏光させ、この偏光状態の照明光のもと
で複数の部分パターン（２１，２３）の像を順次その感
光基板上に投影するようにしたものである。

【０００８】また、本発明による投影露光装置は、例え
ば図１に示す如く、転写用のパターンが形成されたマス
ク（Ｒ１）を照明光で照明する照明光学系（６，７，
９，１１，１２）と、その照明光のもとでマスク（Ｒ
１）の転写用のパターンの像を感光基板（Ｗ）上に投影
する投影光学系（１３）とを有する投影露光装置におい
て、マスク（Ｒ１）の転写用のパターンの空間周波数成
分が存在する方向に垂直な方向にその照明光を偏光させ
る偏光状態制御手段（８，１６，１７）を設けたもので
ある。

【０００９】また、その投影露光装置において、その照
明光学系中に、その照明光による感光基板（Ｗ）上の積
算露光エネルギーを計測する露光量検出手段（１０，１
４）を配置し、偏光状態制御手段（８，１６，１７）に
より設定されたその照明光の偏光状態に応じて、露光量
検出手段（１０，１４）の検出信号と感光基板（Ｗ）上
の積算露光エネルギーとの換算係数を変更する演算手段
（１６）を設けることが望ましい。

【００１０】

【作用】斯かる本発明の投影露光方法によれば、先ず転
写用のパターン（１９）が空間周波数成分の方向に応じ
て複数の部分パターン（２１，２３）に分解され、複数
の部分パターン（２１，２３）の像が感光基板上に多重
露光される。この多重露光の際に複数の部分パターン
（２１，２３）はそれぞれパターン形成面に沿って偏光
している照明により照明される。一般に照明光は、照明
光学系の光軸に対して傾斜している傾斜成分を有する
が、その傾斜成分のパターン形成面での偏光方向（電場
ベクトルの振動方向）もパターン形成面に沿った方向、
即ちその傾斜成分の入射面に垂直な方向である。このよ
うに入射面に垂直な方向に偏光している光はＳ偏光であ
るため、本発明の照明光はパターン形成面においてＳ偏
光となっている。

【００１１】ここで、照明光がＳ偏光の場合とＰ偏光の
場合とにおける結像特性の相違につき図４を参照して検
討する。一般に、マスク上の転写用のパターンで回折さ
れた光が感光基板上で干渉することにより、その感光基
板上にその転写用のパターンの像が結像される。

【００１２】図４（ａ）は、感光基板（１）上でそれぞ
れ入射面に電場ベクトルが垂直なＳ偏光の２つの光束
（２）及び（３）が干渉する状態を示し、図４（ｂ）
は、感光基板（１）上でそれぞれ入射面に電場ベクトル
が平行なＰ偏光の２つの光束（４）及び（５）が干渉す
る状態を示す。また、光束（２）及び（３）の入射角の
絶対値θ及び光束（４）及び（５）の入射角の絶対値θ
は互いに同一であるとする。この場合、図４（ａ）に示
すように、Ｓ偏光の光束（２）及び（３）同士は感光基
板（１）上で全ての振幅が干渉し合うが、図４（ｂ）に
示すように、Ｐ偏光の光束（４）及び（５）同士は感光
基板（１）上で、部分的に干渉し合うだけである。即
ち、光束（４）と光束（５）とがなす角は２θであり、
θが０の場合に対して、干渉効果はｃｏｓ（２θ）倍に
なってしまう。従って、例えば入射角θが４５゜のとき
には、光束（４）及び光束（５）は互いに偏光方向が垂
直となり干渉しない。そして、Ｐ偏光の光束（４）及び
（５）の内で干渉に寄与しない成分は、結像光束として
は単なる直流成分となるため結像には有害である。

【００１３】また、マスクのパターンを投影するための
投影光学系の開口枚（ＮＡ）が大きい程、感光基板上に
入射する光束の最大入射角が大きくなるため、照明光を
Ｐ偏光にすると照明光の内で干渉に寄与しない成分の量
が増えて解像度が悪くなる。これに対して、本発明での
照明光はＳ偏光であるため、感光基板に入射する光束の
最大入射角が大きくなった場合でも、解像度が悪化する
ことがない。また、輪帯照明や、２個の２次光源若しく
は４個の２次光源等を使用する変形光源法で照明を行う
際にも、感光基板上の照明光の最大入射角が大きくなる
が、本発明によれば、照明光はＳ偏光であるため結像特
性は悪化しない。

【００１４】更に、本発明では、その照明光のＳ偏光の
方向が、対応する部分パターン（２１，２３）の空間周
波数成分が存在する方向に垂直な方向に設定される。こ
れは、例えば図２の場合には、Ｙ方向に所定間隔で形成
された部分パターン（２１）を照明する照明光の偏光方
向はＸ方向であり、Ｘ方向に所定ピッチで形成された部
分パターン（２３）を照明する照明光の偏光方向はＹ方
向であることを意味する。これにより、解像度がより向
上する。

【００１５】また、本発明の投影露光装置によれば、偏
光状態制御手段（８，１６，１７）が設けられているの
で、上述の投影露光方法をそのまま実施することができ
る。また、その照明光による感光基板（Ｗ）上の積算露
光エネルギーを計測する露光量検出手段（１０，１４）
と、偏光状態制御手段（８，１６，１７）により設定さ
れたその照明光の偏光状態に応じて、露光量検出手段
（１０，１４）の検出信号と感光基板（Ｗ）上の積算露
光エネルギーとの換算係数を変更する演算手段（１６）
とを設けた場合には、照明光の偏光状態に依らずに常に
正確に感光基板（Ｗ）上の積算露光エネルギーをモニタ
ーできる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき図１〜図３を
参照して説明する。図１は本実施例の投影露光装置を示
し、この図１において、露光光源６としては水銀灯又は
エキシマレーザー光源等を使用できる。電光光源６から
射出された光ビームＬＢ１は、ビームエクスパンダ等よ
りなる光ビーム整形手段７に入射し、この光ビーム整形
手段７により後段のフライアイレンズ９に効率良く入射
する形状に整形される。但し、本例では光ビーム整形手
段７とフライアイレンズ９との間に偏光制御手段８が配
置され、光ビーム整形手段７から射出された光ビームＬ
Ｂ２は、偏光制御手段８を経てフライアイレンズ９に入
射する。

【００１７】偏光制御手段８は、入射する光ビームＬＢ
２の偏光状態を主制御系１６に指示された方向への直線
偏光に設定し、このように直線偏光にされた光ビームＬ
Ｂ３をフライアイレンズ９に供給する。この実施例で
は、光ビームＬＢ３の偏光方法は、互いに直交する２方
向の中で何れかに切り換えられる。偏光制御手段８とし
ては、露光光源６が水銀灯のようなランダム偏光の照明
光を射出する光源の場合には、例えば回転機構に支持さ
れた偏光板、又は交互に取り外しができる２枚の偏光方
向が直交の偏光板等が使用できる。但し、ランダム偏光
の照明光に対して偏光板を使用した場合、照明光の光量
が半分に減衰する。

【００１８】また、露光光源６が、スペクトル狭帯化素
子としてグレーティングを使用しているエキシマレーザ
ー光源のような直線偏光の照明光を射出する光源の場
合、偏光制御手段８としては、例えば着脱式の１／２波
長板、常時装着の１／２波長板又はファラデーローテー
タ等が使用できる。着脱式の１／２波長板を使用した場
合には、１／２波長板の挿入時に偏光方向が９０゜回転
させられ、常時挿入の１／２波長板を使用した場合に
は、１／２波長板を４５゜回転させて偏光方向が９０゜
回転させられる。また、ファラデーローテータを使用し
た場合には、ファラデーローテータ内の磁場の強さを適
切に制御して偏光方向を９０゜回転させてやればよい。
また、露光光源６が楕円偏光か円偏光の照明光を射出す
る光源の場合には、偏光制御手段８としては、適切な角
度に設置され円偏光等を直線偏光に変換する１／４波長
板と、前述の１／２波長板又はファラデーローテータと
を組み合わせて使用すればよい。

【００１９】次に、フライアイレンズ９の後側（レチク
ル側）焦点面には多数の２次光源が形成され、これら２
次光源からの光ビームはその一部がビームスプリッター
１０にて反射され、この反射された光ビームが光電変換
素子よりなる露光量モニター１４の受光面に入射する。
露光量モニター１４の光電変換信号は増幅器１５を介し
て主制御系１６に供給される。一方、ビームスプリッタ
ー１０を透過した光ビームはミラー１１で反射された後
に、主コンデンサーレンズ１２を経て均一な照度でレチ
クルＲ１を照明する。レチクルＲ１は、主制御系１６か
らの指令によりレチクルＲ２と交換される。主制御系１
６は、レチクルの交換と同期して偏光制御手段８に偏光
方向を９０゜回転するよう指示する。このように偏光方
向が所定の方向に設定された光ビームのもとで、レチク
ルＲ１又はレチクルＲ２のパターンの像が投影光学系１
３を介してフォトレジストが塗布されたウエハＷ上に投
影される。

【００２０】ウエハＷ上への露光を行う際には、主制御
系１６は、露光量モニター１４からの光電変換信号に基
づいて露光光源６の発光動作を制御する。即ち、主制御
系１６は、露光光源６がエキシマレーザー光源である場
合には、そのパルス発光のトリガー等を制御し、露光光
源６が水銀灯である場合には、シャッターの開閉により
発光の期間を制御する。これによりウエハＷ上の適正露
光量が確保される。主制御系１６には、適正露光量等の
露光に必要な情報が入出力装置１７を介して入力され
る。また、主制御系１６は、露光結果を必要に応じて入
出力装置１７の表示部に表示する。

【００２１】また、偏光制御手段８により設定される偏
光方向により、露光量モニター１４の光電変換信号とウ
エハＷが載置されているステージ上での実際の積算露光
エネルギーとの換算係数が変化する場合もある。そこ
で、予め偏光制御手段８により設定される偏光方向とウ
エハＷが設置されているステージ上での実際の積算露光
エネルギーとの換算係数を、テーブル又は偏光方向の角
度の関数として求めておき、このテーブル又は関数の形
の換算係数を主制御系１６に記憶させておく。この換算
係数を用いて主制御系１６は、レチクルＲ１又はＲ２の
何れを用いる場合でも、露光量モニター１４の光電変換
信号に基づいてリアルタイムでウエハＷ上の正確な積算
露光エネルギーを求めることができる。なお、使用する
レチクルがレチクルＲ１及びＲ２の２個のみである場合
には、換算係数として２個の換算係数を記憶しておき、
使用するレチクルに応じてどちらかの換算係数を使用す
るだけで対応してもよい。

【００２２】次に、本実施例の露光動作の一例につき説
明する。この際に、ウエハＷ上に露光するパターンは、
図２（ａ）に示すレチクルＲに形成されたパターンであ
るとする。即ち、図２（ａ）において、レチクルＲ上の
パターン領域には遮光部１８の中に転写用の開口パター
ン１９が形成されており、開口パターン１９はＸ方向に
所定ピッチで形成された開口パターンと、Ｘ方向に垂直
なＹ方向に所定間隔で形成された開口パターンとの合成
パターンである。

【００２３】このとき、本例では、図２（ａ）の開口パ
ターン１９を、図２（ｂ）に示すＹ方向に所定間隔で配
置された開口パターン２１ａ及び２１ｂよりなる開口パ
ターン２１と、図２（ｃ）に示すＸ方向に所定ピッチで
配列された開口パターン２３ａ〜２３ｅよりなる開口パ
ターン２３とに分割する。言い替えると、開口パターン
１９を、Ｙ方向に空間周波数成分を有する開口パターン
２１とＸ方向に空間周波数成分を有する開口パターン２
３とに分割する。そして、レチクルＲ１のパターン領域
の遮光部２０の中に開口パターン２１を形成し、レチク
ルＲ２のパターン領域の遮光部２２の中に開口パターン
２３を形成する。

【００２４】その後、先ず図２（ａ）のレチクルＲ１を
図１の投影露光装置にセットして、主制御系１６は偏光
制御手段８を介して、レチクルＲ１を照明する光ビーム
の偏光方向をＸ方向に設定する。この結果、図３に示す
ように、Ｙ方向に所定間隔で配置された開口パターン２
１ａ及び２１ｂよりなる開口パターン２１を照明する光
ビームの照明領域２４の全領域において、光ビームの偏
光方向Ｄ１は一律にそのＹ方向に垂直なＸ方向に設定さ
れる。この偏光状態の光ビームのもとで、レチクルＲ１
の開口パターン２１の像がウエハＷ上に露光される。こ
の際に、ウエハＷ上の照明光（光ビーム）はＳ偏光であ
ると共に、露光されるパターンの空間周波数成分を有す
る方向に垂直な方向に偏光している。従って、その開口
パターン２１の像は高い解像度でウエハＷ上に露光され
る。

【００２５】次に、図２（ｃ）のレチクルＲ２を図１の
投影露光装置にセットして、主制御系１６は偏光制御手
段８を介して、レチクルＲ２を照明する光ビームの偏光
方向をＹ方向に設定する。この結果、Ｘ方向に所定間隔
で配置された開口パターン２３ａ〜２３ｅよりなる開口
パターン２３を照明する光ビームの照明領域の全領域に
おいて、光ビームの偏光方向は一律にそのＸ方向に垂直
なＹ方向に設定される。この偏光状態の光ビームのもと
で、レチクルＲ２の開口パターン２３の像が、ウエハＷ
上のレチクルＲ１の像の上に重ねて露光される。この際
に、ウエハＷ上の照明光（光ビーム）はＳ偏光であると
共に、露光されるパターンの空間周波数成分を有する方
向に垂直な方向に偏光している。従って、その開口パタ
ーン２３の像も高い解像度でウエハＷ上に露光される。
このように２重露光により、実質的に図２（ａ）のレチ
クルＲの開口パターン１９の像がウエハＷ上に高い解像
度で露光される。

【００２６】この際に、ウエハＷ上のフォトレジストが
ポジレジストの場合には、或る光量以上の照明光の照射
領域にて、現像後にそのフォトレジストが剥離される。
また、フォトレジストがネガレジストの場合には、或る
光量以上の照明光の照射領域のみで、現像後にそのフォ
トレジストが残される。また、レチクルＲ１の開口パタ
ーン２１及びレチクルＲ２の開口パターン２３により重
ねて露光される共通照射パターン領域、即ち、図２
（ａ）の開口パターン１９中の領域１９ａの像の投影領
域では、照射光量が他の照射領域の２倍になる。しかし
ながら、ポジレジストを用いる場合には、その共通照射
パターン領域のフォトレジストは他の照射領域と同様に
現像後に剥離され、ネガレジストを用いる場合には、そ
の共通照射パターン領域のフォトレジストは他の照射領
域と同様に現像後に残され、何れの場合でも現像後のレ
ジスト像に歪等は生じない。

【００２７】なお、図１においては、偏光制御手段８は
光ビーム整形手段７とフライアイレンズ９との間に配置
されているが、偏光制御手段８は露光光源６からレチク
ルＲ１又はＲ２までのどこに配置しても構わない。但
し、光ビームがほぼ平行な領域に配置した方が、偏光制
御手段８へ入射する光ビームの入射角がほぼ一定になる
ため偏光制御がし易い。

【００２８】また、転写対象とするパターンが図２
（ａ）に示すように２方向にのみ空間周波数成分を有す
る開口パターン１９である場合には、２個のレチクルＲ
１及びＲ２のパターンをウエハ上に２重露光するだけで
済んでいる。しかしながら、転写対象とするパターンが
３方向以上の空間周波数成分を有する場合には、そのパ
ターンを３個以上のレチクルのパターンに分割し、各レ
チクルのパターンをそれぞれ空間周波数成分を有する方
向に垂直な方向に偏光した照明光のもとで順次ウエハ上
に露光すればよい。

【００２９】また、上述実施例ではレチクル上のパター
ンを２つの部分パターンに分けて、これら部分パターン
を夫々異なるレチクルＲ１及びＲ２上に形成し、これら
レチクルのパターンを時系列的に露光していた。しかし
ながら、レチクル上のパターンの方向性が領域毎に異な
る場合には、これら異なる領域のパターン（部分パター
ン）を夫々異なるレチクルに形成する必要はない。そし
て、夫々視野絞り（レチクルブラインド）を有する照明
光学系を複数組設けて、そのレチクル上の異なる領域の
複数の部分パターンを対応する照明光学系により夫々偏
光状態を設定して独立に照明することにより、複数の部
分パターンを同時に露光できる。なお、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。

【００３０】

【発明の効果】本発明の投影露光方法によれば、感光基
板上の結像に寄与する照明光として、転写パターン像の
空間周波数成分が存在する方向に垂直な方向に偏光した
Ｓ偏光成分が使用され、Ｐ偏光成分が極力少なくされて
いるので、解像度を高めることができる利点がある。

【００３１】また、本発明の投影露光装置によれば、偏
光状態制御手段が設けられているので、上述の投影露光
方法をそのまま実施することができる。また、照明光に
よる感光基板上の積算露光エネルギーを計測する露光量
検出手段と、その偏光状態制御手段により設定されたそ
の照明光の偏光状態に応じて、その露光量検出手段の検
出信号と感光基板上の積算露光エネルギーとの換算係数
を変更する演算手段とを設けた場合には、照明光の偏光
状態に依らずに常に正確に感光基板上の積算露光エネル
ギーをモニターできる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の投影露光装置を示す構成図
である。

【図２】（ａ）は転写対象とするパターンが形成された
レチクルを示す平面図、（ｂ）はそのパターンの一方向
の空間周波数成分が形成されたレチクルを示す平面図、
（ｃ）はそのパターンの他の方向の空間周波数成分が形
成されたレチクルを示す平面図である。

【図３】その実施例におけるレチクル上のパターンと照
明光の偏光方向との関係の説明図である。

【図４】本発明の原理説明図であり、（ａ）はＳ偏光の
光束による結像の説明図、（ｂ）はＰ偏光の光束による
結像の説明図である。

【符号の説明】

６露光光源８偏光制御手段１２主コンデンサーレンズ１３投影光学系１４露光量モニター１６主制御系Ｒ１，Ｒ２レチクルＷウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】転写用のパターンが形成されたマスクを
照明光で照明し、該照明光のもとで前記マスクの転写用
のパターンの像を感光基板上に投影する投影露光方法に
おいて、前記転写用のパターンを空間周波数成分の方向に応じて
複数の部分パターンに分解し、該複数の部分パターンのそれぞれを照明する前記照明光
を対応する前記部分パターンの空間周波数成分が存在す
る方向に垂直な方向に偏光させ、該偏光状態の照明光のもとで前記複数の部分パターンの
像を順次前記感光基板上に投影する事を特徴とする投影
露光方法。
【請求項２】転写用のパターンが形成されたマスクを
照明光で照明する照明光学系と、前記照明光のもとで前
記マスクの転写用のパターンの像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、前記マスクの転写用のパターンの空間周波数成分が存在
する方向に垂直な方向に前記照明光を偏光させる偏光状
態制御手段を設けた事を特徴とする投影露光装置。
【請求項３】前記照明光学系中に配置され、前記照明
光による前記感光基板上の積算露光エネルギーを計測す
る露光量検出手段と、前記偏光状態制御手段により設定された前記照明光の偏
光状態に応じて、前記露光量検出手段の検出信号と前記
感光基板上の積算露光エネルギーとの換算係数を変更す
る演算手段とを有する事を特徴とする請求項２記載の投
影露光装置。