JPH07142338A - 像投影方法及びそれを用いた露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パターンを最適な偏光状態の光束を用いて高
解像度で投影するようにした像投影方法及びそれを用い
た露光装置を得ること。 【構成】 照明系からの光束でパターンを照明し、該パ
ターンから生じる回折光を利用して投影光学系により該
パターンを所定面上に投影する際、前記投影光学系の瞳
面で前記回折光の偏光状態を制御し、該パターンを投影
していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は像投影方法及びそれを用
いた露光装置に関し、特に半導体素子の製造装置である
ステッパーにおいてレチクル又はマスク（以下「レチク
ル」と称する。）面上の線幅の小さい電子回路パターン
（パターン）を適切なる光束で照明し、ウエハ面上に高
い解像力で投影することができる像投影方法及びそれを
用いた露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の高集積化に対する要
求は益々高まっており、露光光として紫外光を用いて回
路パターンの縮小転写を行う所謂ステッパー（縮小投影
露光装置）においても解像力の向上のために様々な改良
がなされている。

【０００３】従来、より解像力を高める方法として縮小
投影レンズのＮＡを大きくする方法、及び露光用の光の
波長を短くする方法等が採られてきた。又最近ではこれ
らの方法とは別に所謂位相シフト法や斜入射照明方法等
の適用により解像力を高める方法が種々と提案されてい
る。

【０００４】この位相シフト法や、斜入射照明法の原理
の説明をする前に、まず周期性のある微細なパターンの
像を照明系と投影レンズ（投影光学系）を用いて形成す
る光学的作用について説明する。

【０００５】図２５はパターンとして３本の微細なスリ
ットからなる１次元パターンの振幅透過率を縦軸に、パ
ターン幅を横軸にとったときを表す。図中、透過率１の
部分は光が透過し、透過率０の部分は光が遮られること
を示す。

【０００６】このような振幅透過率をもつパターンをコ
ヒーレントな光で照明すると、回折の効果によって入射
光は０次，＋１次，−１次、及び更に高次の回折光へと
分かれる。このうち像の形成に寄与するのは投影光学系
の瞳に入射する成分のみであるが、一般には０次，＋１
次，−１次の成分によって像が形成される。

【０００７】図２６はそれら３つの成分の瞳上における
振幅の説明図である。図中１００，１０１，１０２はそ
れぞれ０次，＋１次，−１次の回折光成分のピーク位置
ＩＡは振幅の大きさを表す。

【０００８】図２７はそこから最終的に形成される像面
上のパターンの強度分布を示している。縦軸は強度Ｉを
示している。ここで例えば、投影するパターンのスリッ
ト幅が更に狭くなって０次の回折光成分しか投影レンズ
に入射できなくなると、もはや像は形成されなくなって
しまう。

【０００９】これに対して所謂位相シフト法では、光が
パターンを透過する際、隣合うスリットからの回折光の
位相が１８０度ずれるようにパターンに細工をして、投
影レンズの瞳上で０次の回折光成分が現れないようにし
ている。そして最終的なパターンの像は＋１次と−１次
の回折光成分によって形成している。

【００１０】３本の微細スリットから成るパターンを、
位相シフト法を用いて投影した際に投影レンズの瞳上に
できる振幅分布を図２８に示す。図中１０３，１０４は
それぞれ＋１次，−１次の回折光成分のピーク位置を表
す。

【００１１】ここで注目すべきことは、それらの位置が
図２６の対応する成分の位置に比べて座標として半分に
なっていることである。投影レンズの瞳上の座標はパタ
ーンの空間周波数に対応するため、位相シフト法を用い
ると、より微細なパターンからの回折光成分も投影レン
ズの瞳上に到達でき、解像度が向上することがわかる。

【００１２】一方、斜入射照明による解像度の向上も、
原理的には位相シフト法に良く似ている。

【００１３】図２６の瞳上の振幅分布は、光をパターン
が描かれた平面に対して垂直な方向から入射させた場合
のものであるが、これを斜めから入射させることによっ
て、瞳上にできる回折光成分の位置を横方向にずらして
いる。

【００１４】図２９は瞳上に０次と＋１次の成分が入る
ように横ずらししたときの瞳面上の振幅分布の説明図で
ある。図中１０５，１０６はそれぞれ０次，＋１次の回
折光成分のピーク位置を表す。

【００１５】ここでこの２つの回折光成分によって像を
形成することを考えれば、位相シフト法の場合と同様
に、より微細なパターンからの回折光成分も投影レンズ
の瞳上に到達でき、解像度が向上する。このとき０次と
＋１次の回折光の代わりに０次と−１次の回折光成分を
用いて像を形成するようにしても結果は全く同じであ
る。

【００１６】以上のように従来の像の再生には主に０
次，＋１次，−１次の３つの回折光成分を用い、所謂位
相シフト法及び斜入射照明法による像の再生には０次，
＋１次，−１次のうちの２つの回折光成分を用いてい
る。

【００１７】一方、瞳フィルタリング法は、投影レンズ
の瞳を透過する光の振幅透過率を制御することによって
解像度の向上を実現するものであり、投影するパターン
の種類によって幾つかの方法が提案されている。またこ
の方法は、前述の位相シフト法、或は斜入射照明法と組
み合わせて使用することができるのが特徴である。

【００１８】それでここでは、斜入射照明法と瞳フィル
ター法を組み合わせて解像度の向上を実現する公知の方
法について詳しく説明を行う。尚、この方法は例えば
“月刊Semiconductor World”誌 1992年 3月号 P.50〜
に開示されているものである。

【００１９】まず、図３６は投影露光装置の主要構成部
を摸式的に描いたものであり、図中３００はレチクル、
３０１は投影レンズ、３０２はウエハを表す。

【００２０】図３６に示すようにレチクル３００を垂直
方向からの光で照明すると、投影レンズ３０１にはレチ
クル３００上のパターンからの回折光のうち主に０次，
＋１次，−１次の成分が取り込まれてウエハ３０２上に
前記パターンの像が形成される。

【００２１】しかしパターンが微細になって回折角が大
きくなり、＋１次，−１次の回折光が投影レンズ３０１
内に入れなくなるとウエハ３０２上に前記パターンの像
は形成されなくなってしまう。

【００２２】そこで図３７のように照明光を垂直方向か
ら傾けてレチクル３００を照明し、０次の回折光が投影
レンズ３０１の瞳の周辺部を通るようにして、０次と＋
１次（又は−１次）の回折光によって結像を行うように
したのが、所謂“斜入射照明法”と呼ばれるものであ
る。

【００２３】この方法では図３６の通常の照明法に比べ
て、より微細なパターンの像を転写することが可能にな
るが、投影レンズ３０１の瞳の周辺部を通過する０次の
回折光の振幅が他の回折光成分（＋１次又は−１次）に
比べて大きいため像のコントラストが低下するという問
題がある。

【００２４】この問題に対して、図３８に示すように投
影レンズ３０１の瞳の位置にフィルター３０３を挿入
し、０次の回折光成分の振幅を低減させて結像を行い、
像のコントラストを向上させるというのが上記の文献に
開示されている技術の内容である。

【００２５】このように、瞳面上で光の振幅透過率を制
御することは、投影露光装置の解像度を向上させる上で
非常に有効な手段である。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】前述した位相シフト法
や斜入射照明法による解像度の向上の効果には結像に寄
与する光の偏光状態が大きくかかわっていることが本発
明者の行ったシュミレーションの結果から明らかになっ
た。そのため、結像に寄与する光の偏光状態を最適な状
態にしないと、位相シフト法や斜入射照明法等を用いて
も大きな解像度の向上が得られないという問題点が生じ
てくる。

【００２７】ここで、一般的な結像特性のシュミレーシ
ョンに用いられる所謂スカラー回折理論と、本発明者が
シュミレーションに用いた上記スカラー回折理論よりも
精度の高い理論について説明する。

【００２８】まずスカラー回折理論では、物体パターン
が照明されるとそのパターンのフーリエ変換像が投影レ
ンズの入射瞳上に形成され、それを投影レンズのＮＡの
範囲内で再びフーリエ変換して像面上での振幅分布が求
まるとされる。これを式で表現すると、像面上の点
（ｘ，ｙ）における振幅Ａ（ｘ，ｙ）は

【００２９】

【数１】 と書ける。

【００３０】式中Ｆ（Ｕ（ｘ₁ ，ｙ₁ ））はパターンの
振幅透過率Ｕ（ｘ₁ ，ｙ₁ ）のフーリエ変換であり、そ
れを投影レンズのＮＡから決まる瞳面の範囲内で再びフ
ーリエ変換している。但し式中（α，β）は瞳面上の座
標であり、Ｆ（Ｕ（ｘ₁ ，ｙ₁ ））は（α，β）の関数
になっている。

【００３１】この式は照明光がコヒーレントの場合のも
のであるが、光源が有限の面積をもって照明光の扱いを
部分コヒーレントとする場合にも、扱いは多少複雑にな
るが基本的には同じである。

【００３２】上に述べた式を用いたシュミレーションで
は、投影レンズのＮＡが小さい場合は正しい結果が得ら
れるが、ＮＡが大きくなってくるといくつかの問題が生
じることが本発明者の行った検討により明らかになっ
た。

【００３３】詳細は省略するが、上式の一番の問題点は
結像に寄与する光の偏光状態が扱われていないことであ
る。このことを図を用いて説明する。説明には前述の１
次元の３本のスリットより成るパターンの例を用いる。

【００３４】図３０は図２６で示した瞳上の振幅分布と
同じものを、投影レンズのガウス像点（図中１１０）を
基準とした参照球面（図中１１１）上に描いている。像
面１１２上の点１１０における振幅は、上記参照球面１
１１上の振幅の積分によって、又像面１１２上で点１１
０から距離ｘだけずれた点における振幅は、距離ｘと参
照球面１１１上の座標から決まる、ある位相差を考えて
上記参照球面１１１上の振幅を積分することによって計
算される。

【００３５】ここから先は話を簡単にするために、上記
点１１０における振幅の計算に議論を限ることにする。
又ここで便宜上座標軸の定義を行っておく。

【００３６】図３０に示すように光軸をｚ軸とし、紙面
内でｚ軸に垂直な軸をｘ軸、及び紙面に垂直な方向の軸
をｙ軸とする。上に述べたスカラー回折理論による考え
方では、上記点１１０における振幅は上記参照球面１１
１上の振幅をそのまま足し合わせた形で計算される。

【００３７】ところで光には偏光というものがあり、例
え完全にコヒーレントな光同士であっても、その偏光方
向が異なっていると完全には干渉しないし、それが例え
ば直交していると干渉は全く起こらない。

【００３８】パターンを構成するスリットがｙ軸に平行
でｘ軸方向に周期を持つとして、ｚ軸に平行な光で上記
スリットを照明すれば参照球面上では図３０の振幅分布
が形成される。

【００３９】パターンが、特別な偏光方向をもたない所
謂非偏光の光で照明されている場合に、図３０の振幅分
布によって像面１１２上にできる光の強度分布を計算す
るには、参照球面１１１上の光をｙ軸に平行な方向に偏
光面を有する直線偏光成分とｙ軸に直交する方向（ｘｚ
面内）に偏光面を有する直線偏光成分に分解して考える
ことができる。

【００４０】そしてその際の像面１１２上の光強度は、
分解したそれぞれの成分による光強度分布を平均したも
のになる。

【００４１】まず、参照球面１１１上で偏光面がｙ軸に
平行な直線平行成分の場合は、像面１１２上でもｙ軸方
向の偏光成分のみを持つため、点１１０における振幅は
参照球面１１１上の振幅をそのまま積分することによっ
て求まり、光強度はそれを自乗すれば計算できる。

【００４２】一方、参照球面１１１上で偏光面がｙ軸と
直交する直線偏光成分の場合は図３１に示すように、参
照球面１１１から点１１０に向けた代表的な光線１２０
〜１２４を考えた場合、偏光方向と光の進行方向は直交
するという条件から、それらの光線の偏光方向はそれぞ
れ図中１２５〜１２９の矢印のようになる。この場合偏
光はｘ，ｚ両成分を持っており、点１１０における振幅
はそれぞれの成分毎に考える必要がある。そして点１１
０における光の強度はそれぞれの偏光成分による振幅か
ら得られる強度の合計となる。

【００４３】次にこの考え方を適用してシュミレーショ
ンを行った結果について説明する。まず図２６で説明し
た０次，＋１次，−１次の回折光成分を用いる結像で
は、参照球面１１１の２つの偏光方向に対して最終的な
強度分布はそれぞれ図３２，図３３のようになる。

【００４４】図３２は参照球面１１１上での偏光がｙ軸
に平行な場合であり、像は偏光のｙ成分のみで形成され
る。一方図３３は参照球面１１１上での偏光がｙ軸に垂
直（ｘｚ面内）な場合であり、像は偏光のｘ成分及びｚ
成分の合計として形成される。

【００４５】両図から分かるようにこの場合は、参照球
面１１１上の光の偏光方向によって結果に余り大きな違
いは、生じない。

【００４６】尚照明光が非偏光の場合の像面上の光強度
分布は図３２，図３３の強度分布を平均することによっ
て計算される。

【００４７】同様のシュミレーションによって、位相シ
フト法や斜入射照明法のように上記０次，＋１次，−１
次の３つの回折光成分のうちの２つの回折光成分を用い
る結像を評価したものを次に示す。

【００４８】像面上の強度分布の結果のみを示すと、参
照球面１１１上の偏光がｙ軸に平行な方向の場合には図
３４、偏光がｙ軸に垂直な方向の場合には図３５とな
る。

【００４９】ここでは偏光方向がｙ軸に垂直な場合に
は、偏光のｚ成分の影響で偏光方向がｙ軸に平行な場合
に比べて像のコントラストがかなり悪化してしまってい
る。照明光が非偏光とすると像面上の強度分布は図３
４，図３５の強度分布を平均したものになるが、その場
合でも図３４の強度分布に比べてコントラストが劣化し
ていることは明らかである。

【００５０】このように位相シフト法や斜入射照明法を
用いて像を形成する際には、結像に寄与する光の偏光状
態が結像特性に大きな影響を与えることが本発明者の行
った精度の高いシミュレーションの結果から明らかにな
った。

【００５１】以上説明したように解像度を高めるたるめ
に位相シフト法又は斜入射照明法を適用した場合に結像
に寄与する光の偏光を適切に制御しないと期待通りの解
像度が得られなくなるという問題点が生じてくる。

【００５２】本発明の第１の目的は原板上のパターンを
投影光学系で所定面上に投影する際、結像に寄与する光
束の偏光状態を適切に設定することにより、高い解像力
を維持しつつ高いコントラストで投影することができる
半導体素子の製造に好適な像投影方法及びそれを用いた
露光装置の提供にある。更には高集積度の半導体素子の
製造方法の提供を目的とする。

【００５３】一方前述したように投影レンズの瞳面で光
の振幅透過率を一様でなくしてしまう方法は、ある種の
照明条件、パターンに対しては非常に有効であるが、他
の照明条件、パターンに対しては解像度向上の効果が得
られないばかりか逆に解像度の劣化を招いてしまう場合
もある。

【００５４】言い換えれば、解像度の向上に最適な瞳の
透過率分布は、照明条件、パターンの形状、パターンの
大きさ等に大きく依存するということである。

【００５５】そのため、露光の際の照明条件、投影を行
うパターンに応じて透過率が一様なフィルターを用い
る、或は異なった振幅透過率を持つフィルターを入れ換
えて使用する、という必要性がでてくる。

【００５６】しかし実際の投影レンズの構造を考える
と、瞳位置におかれたフィルターを交換するという作業
は非常に困難を伴うことが多い。

【００５７】本発明の第２の目的は投影光学系の瞳面上
での振幅透過率を連続的に容易に変えることにより、ス
ループットの向上を図りつつ、高い解像力を有したパタ
ーン像が得られる像投影方法及びそれを用いた露光装置
の提供にある。

【００５８】

【課題を解決するための手段】本発明の像投影方法は、 （１−１）照明系からの光束でパターンを照明し、該パ
ターンから生じる回折光を利用して投影光学系により該
パターンを所定面上に投影する際、該回折光の偏光状態
を制御して該パターンを投影していることを特徴として
いる。

【００５９】特に、前記投影光学系の瞳面で前記回折光
の偏光状態を制御していることや、前記投影光学系の瞳
面の中心に対する同心円の接線方向に偏光面を有する回
折光成分を主として透過させていること等を特徴として
いる。

【００６０】（１−２）照明系からの光束でパターンを
照明し、該パターンから生じる回折光を利用して投影光
学系により該パターンを所定面上に投影する際、該投影
光学系の瞳面近傍に設けた光学手段により、該瞳面の所
定領域を通過する光束の振幅分布を連続的に変化させて
いることを特徴としている。

【００６１】特に、前記光学手段は２つの偏光部材の相
対的位置を制御して前記瞳面の所定領域を通過する光束
の振幅分布を連続的に変化させていることや、前記光学
手段は前記パターンの形状・大きさ及び前記照明系の配
置に応じて前記投影光学系の瞳面の所定領域を通過する
光束の振幅透過率を制御していること等を特徴としてい
る。

【００６２】本発明の露光装置は、 （２−１）照明系からの光束でレチクル面上のパターン
を照明し、該パターンから生じる回折光を投影光学系の
瞳に入射させて、該パターンの像をウエハ面上に投影す
る際、該投影光学系の瞳面近傍に偏光制御装置を設け、
該瞳面の中心に対する同心円の接線方向に偏光面を有す
る回折光成分を主として透過させていることを特徴とし
ている。

【００６３】（２−２）照明系からの光束で原板上のパ
ターンを照明し、該パターンを投影光学系により所定面
上に投影露光する際、該投影光学系の瞳面近傍に光学手
段を設け、該瞳面の所定領域を通過する光束の振幅分布
を連続的に変化させていることを特徴としている。

【００６４】特に、前記光学手段は前記投影光学系の瞳
面への入射光のうち、特定方向の偏光成分を透過させる
第１偏光部材と該第１偏光部材を透過した光のうち特定
方向の偏光成分を透過させる第２偏光部材とを有してい
ることや、前記第１偏光部材と第２偏光部材との相対的
位置を変えることにより、前記投影光学系の瞳面の所定
領域を通過する光束の振幅分布を連続的に変化させてい
ること等を特徴としている。

【００６５】又本発明の半導体素子の製造方法として
は、 （３−１）回路パターンを持った原板とウエハとを用意
する工程と、前述の像投影方法（１−１）又は（１−
２）の何れかの方法によって原板の回路パターンをウエ
ハに露光転写する工程を有することを特徴としている。

【００６６】

【実施例】図１は本発明の像投影方法を半導体素子の製
造用のステッパー（投影露光装置）に適用したときの実
施例１の要部概略図である。

【００６７】図中１は超高圧水銀灯等の光源である。光
源１から出た光はオプティカルインテグレータ５２によ
って光量分布を均一化した後、アパーチャー８と偏光装
置９を介して照明レンズ３によりレチクル４面上のパタ
ーン（回路パターン）４ａを照明している。そしてレチ
クル４のパターン４ａで回折された光は、投影レンズ
（投影光学系）５に入射し、これによってステージ７の
上に載った半導体ウエハー６上にパターンを投影してい
る。

【００６８】ここでオプティカルインテグレータ５２か
ら射出した光は、その全ての光束が照明レンズ３に到達
するのではなく、オプティカルインテグレータ５２に接
近して置かれたアパーチャー８によって照明に適した部
分のみが選択される。

【００６９】更にレチクル４面上のパターン４ａで回折
され、投影レンズ５に入射した光は投影レンズ５内の瞳
位置に設けられた偏光制御装置９によって、所定の偏光
方向を有する光成分のみが透過され、半導体ウエハ６上
でのパターン形成に寄与するようになっている。

【００７０】図１において１０〜１８は各々光線であ
り、レチクル４のパターン４ａで回折され半導体ウエハ
６上に達する光の経路を摸式的に描いている。

【００７１】ここで、本実施例のステッパーとして各要
素について説明する。

【００７２】レチクル４には、転写を行うための線幅の
小さい回路パターン（パターン）４ａが描かれており、
照明レンズ３を介した照明光は上記回路パターン４ａに
応じてレチクル４を透過する。半導体ウエハ６上にはレ
ジスト等の感光材料が塗布されており、光によってパタ
ーン４ａを投影転写することが可能になっている。

【００７３】投影レンズ５はレチクル４上の回路パター
ン４ａの像を半導体ウエハ６上に所定の倍率に縮小（一
般に１／５又は１／１０）して投影している。その際、
レチクル４と半導体ウエハ６はステージ７を駆動するこ
とによって所定の位置関係に調整されている。更に１回
の露光が終了すると、半導体ウエハ６はステージ７によ
って水平方向に所定量移動され、そこで、又、露光を行
うことを繰り返す所謂ステップ＆リピート方式を適用し
ている。

【００７４】以上のようにしてステッパーではレチクル
４上のパターン４ａを半導体ウエハ６上に正確にかつ効
率良く投影転写している。

【００７５】次に本実施例においてレチクル４面上のパ
ターン４ａが図２に示すようにｘ方向に周期性を有する
スリット状のパターンである場合について説明する。

【００７６】図２において２０〜２４が開口であり、光
はこの部分のみを透過している。又一点鎖線２５はスリ
ット状の開口２０〜１４の繰り返し方向（ｘ方向）に引
いた基準線であり、後の説明で用いる。

【００７７】ここでパターン４ａが微細になり、通常の
照明法では前記パターンを高コントラストで半導体ウエ
ハ６上に転写できない場合でも、主光線がレチクル４に
対して鉛直な方向から傾いた光束で照明すること、所謂
斜入射照明法により像のコントラストが向上することは
前述した通りである。

【００７８】図３は図２のパターン４ａの一点鎖線２５
上の要部断面図である。斜入射照明法により光束３０，
３１を傾ける方向としては、同図に示すようにパターン
が繰り返している面内で光束の主光線が斜めになるよう
にする。その条件を満たすには、図１のアパーチャー８
の開口を図４に示すような開口３３，３４にしている。

【００７９】図４において斜線部分３２は光が通らない
ように遮光されている遮光領域である。２つの円形開口
３３，３４は透過領域であり、この領域３３，３４から
の光が結像に寄与している。図中、３５は円形開口３
３，３４の中心を通るように引いた基準線であり、レチ
クル４上の基準線２５とアパーチャー８上の基準線３５
はお互いに平行になるように設定されている。

【００８０】本実施例では以上のような構成によりレチ
クル４面上のパターン４ａをウエハ面６上に投影露光す
ると投影レンズ５内の瞳の位置（図１中で偏光制御装置
９の描かれている位置）には、光がパターン４ａで回折
される効果により、露光波長及びパターン周期から決ま
る振幅分布が形成される。更にその振幅分布はレチクル
４に平行な瞳の面内で考えると、図５に示す太線４０で
示した位置になる。

【００８１】ここで図５は投影レンズ５の瞳を摸式的に
描いたものであり、４１はその外周である。また太線４
０は図５に示すレチクル４上の基準線２５、及び図４に
示すアパーチャー８上の基準線３５とは同一の面内に存
在する。

【００８２】そのようにして形成された瞳上の振幅分布
は、例えば図３０を用いて説明したように、参照球面１
１１を介して像面上に達し、そこにレチクル４上の元の
パターン４ａの像を形成する。その際、前述したよう
に、本実施例の斜入射照明を用いた結像では結像に寄与
する光の偏光状態でパターン像のコントラストが大きく
影響される。光が瞳面（または図３０の参照球面１１
１）を透過する際、図５のｙ軸方向、即ち両矢印４２〜
４８の方向の偏光成分からは高コントラストの像が得ら
れる。

【００８３】しかしながらそれと直交する方向の偏光成
分によるパターン像はコントラストが大きく劣化するこ
とは前に図３４及び図３５を用いて示した通りである。

【００８４】本実施例では投影レンズ５の瞳面上におい
て結像に寄与する光の偏光を制御することを特徴として
いる。即ち高コントラストの像が得られる偏光成分のみ
を透過させてパターン像を形成するようにしている。

【００８５】具体的には投影レンズ５の瞳面上に図５の
両矢印４２〜４８で示される偏光成分のみを透過させる
ことができる偏光板等の偏光制御装置９を設けて露光を
行っている。

【００８６】ここまでの説明はレチクル４上のパターン
が図２に示すようにｘ方向に周期性をもつパターンとし
て扱っていたが、実際の回路パターンは様々な方向のパ
ターンから構成されている。そこでそれらの様々な方向
のパターンに対して斜入射照明の条件を満たすには図１
のアパーチャー８として、例えば図６に示したものが用
いられる。

【００８７】図中斜線部５０，５１が遮光部、５２が開
口である。これは一般に輪帯照明と呼ばれる斜入射照明
法の一種で任意の方向のパターンに対して解像度向上の
効果がある。

【００８８】図４に示したアパーチャー８の代わりに図
６に示したアパーチャー８を用い、様々な方向を持った
レチクル４上のパターンを照明すると、投影レンズ５中
の瞳面上には図５の太線４０で示した部分以外にも光の
振幅分布が形成されるが、それらは瞳の中心に対して対
称なものになることは明らかである。

【００８９】そこでそのような分布全てに対して、上で
述べたように高コントラストのパターン像が得られるよ
うに偏光成分を選択するには、投影レンズ５内の瞳の位
置に設置され図１で示された偏光制御装置９は図７に示
すように中心に対する同心円の接線方向（図中両矢印で
示してある）の偏光成分のみを透過することができるも
のであれば良いことが分かる。

【００９０】更に図７に示した偏光制御装置９は図８に
示すように瞳面を複数の部分に分割し、近似的に図７に
示したものと同様の効果を持たせたものを使用すること
も可能である。

【００９１】ここで図８中、両矢印はその部分を透過で
きる光の偏光方向を表しており、図７の構成のものに比
べて作成が簡単になっている。

【００９２】本実施例では以上のような構成により、レ
チクル４上のパターンで回折され投影レンズ５の瞳に入
射した光のうち偏光制御装置９により瞳の中心に対する
同心円の接線方向の偏光成分のみを透過させてパターン
像を形成することにより常にコントラストの高いパター
ン像を得ている。

【００９３】本実施例ではレチクル４上のパターン４ａ
は５本のライン＆スペースで形成されているとして説明
を行ったが、５本以外のライン＆スペースパターンにつ
いても同様に適用可能である。又、ライン＆スペースの
幅の比は１対１に限られるものではなく、更にパターン
の周期性がある程度不規則になった場合でも本発明は同
様に適用可能である。

【００９４】次に本発明の実施例２について説明する。
実施例２の装置構成は図１の実施例１と略同じである。
実施例２が実施例１と異なる点はレチクル４上のパター
ンに位相シフト法を適用していることである。

【００９５】図９は本実施例のレチクル４面上のパター
ン４ａの説明図である。同図に示すようにパターン４ａ
が５本のスリット状の開口６０〜６４から成っている点
では図２の実施例１と同じであるが、図９のパターンで
は斜線部分６０，６２，６４に透過する光の位相を１８
０度変化させる位相シフターが設けられている点に特徴
がある。

【００９６】又、この場合のアパーチャー８は、照明光
をレチクル４に対して鉛直な方向から入射させる必要が
あるので、アパーチャー８の形状としては図１０のよう
に斜線部分６５は遮光されていて、中心の円形部分６６
からの光のみが透過できるものを用いている。

【００９７】レチクル４上のパターン４ａが図９に示す
ようにｘ方向に周期を持つ場合には投影レンズ５の瞳上
では図５中太線４０で示される部分に光の振幅分布が形
成される。その場合は瞳上で図５中の両矢印４２〜４８
で示される方向の偏光成分の光のみを用いれば高いコン
トラストのパターン像が得られることは実施例１と同様
であり、図３４，図３５等を用いて説明した通りであ
る。

【００９８】更にレチクル４上に様々な方向のパターン
が存在し、それらのパターンに位相シフト法を用いて解
像度の向上を図る場合には、偏光制御装置９として図７
又は図８に示したものを用いていれば、よりコントラス
トの高いパターン像が得られることは実施例１の場合と
同様である。

【００９９】以上のように、本実施例ではレチクル４上
の位相シフターを付加したパターンで回折され、投影レ
ンズ５の瞳に入射した光のうち瞳の中心に対する同心円
の接線方向の偏光成分のみを透過させてパターン像を形
成することにより位相シフト法の効果が充分に生かされ
たコントラストの高いパターン像を得ることができる。

【０１００】実施例２ではレチクル上のパターンが５本
のライン＆スペースで形成されている場合を例にとり示
したが、５本以外のライン＆スペースパターンについて
も同様に適用可能である。

【０１０１】又、ラインとスペースの幅の比は１対１に
限られるものではなく、更にパターンの周期性がある程
度不規則になった場合でも同様に適用可能である。

【０１０２】以上のように実施例１，２によれば原板上
のパターンを投影光学系で所定面上に投影する際、投影
光学系の瞳位置でパターンで回折された光のうち瞳中心
に対する同心円の接線方向の偏光成分のみを選択して透
過させ、パターン像を形成することにより、高い解像力
を維持しつつ高コントラストで投影することができる半
導体素子の製造に好適な像投影方法及び露光装置更には
製造方法を達成することができる。

【０１０３】図１１は本発明を半導体素子製造用のステ
ッパー（投影露光装置）に適用したときの実施例３の要
部概略図である。

【０１０４】図中１は超高圧水銀灯等の光源、２は光源
１から出た光を均一する為のオプティカルインテグレー
タ、３は照明レンズ、４は転写を行う回路パターンの描
かれたレチクル、５は投影レンズ、６は半導体ウエハ、
７はステージ、８はアパーチャー、９ａは光学手段とし
ての瞳フィルター部である。

【０１０５】ここで図１１の構成をとるステッパーと呼
ばれる投影露光装置の一般的な動作について図１と一部
重複するが順次説明を行う。

【０１０６】光源１から射出された紫外光はオプティカ
ルインテグレータ２によって光量分布が均一化される。
オプティカルインテグレータ２から出た光は、その全て
が照明レンズ３に到達するのではなく、オプティカルイ
ンテグレータ２に接近しておかれたアパーチャー８によ
って照明に適した部分のみが選択される。そのように選
択された光は照明レンズ３を介してレチクル４を照明す
る。レチクル４上には半導体素子用の回路パターン４ａ
が描かれており、前記回路パターンで回折された光は、
投影レンズ５に入射する。投影レンズ５はレチクル４上
の前記回路パターンの像を半導体ウエハ６上に所定の倍
率に縮小（一般に１／５又は１／１０）して投影を行
う。

【０１０７】半導体ウエハ６上にはレジスト等の感光材
料が塗布されており、光によってパターンを転写するこ
とが可能になっている。実際に露光を行う際には、ま
ず、レチクル４と半導体ウエハ６はステージ７を駆動す
ることによって所定の位置関係に調整される。そして１
回の露光が終了すると半導体ウエハ６はステージ７によ
って水平方向に所定量移動され、そこで又露光を繰り返
すという所謂ステップ＆リピート方式が適用される。

【０１０８】以上のようにして、ステッパーではレチク
ル４上のパターンを半導体ウエハ６上に正確にかつ効率
よく転写できるようにしている。

【０１０９】尚図１１中の瞳のフィルター部９ａは所定
の振幅透過率分布を有しており、投影レンズ５の瞳に入
射する光の振幅分布を変換する働きをもつものである。
更に後で詳しく説明するように、瞳フィルター部９ａは
本発明によって前記振幅透過率分布を容易に変化させる
ことが可能となったものである。

【０１１０】本実施例では前述の“斜入射照明法”の効
果を実現するために、アパーチャー８の形状は図１２に
示すものとする。

【０１１１】図中斜線部２２０，２２２が遮光部で２２
１が開口部である。これは所謂“輪帯照明”と呼ばれる
配置で、開口部２２１から射出した光はレチクル４を斜
め方向から照明することになるので微細なパターンまで
転写することが可能になる。ただこのままでは、０次回
折光の振幅が他の回折光成分（−１次又は＋１次）の振
幅に比べて大きくなるので高いコントラストの像が得ら
れない。

【０１１２】そこで従来から、投影レンズ５内でアパー
チャー８と光学的に共役となる瞳の位置にフィルターを
挿入して０次回折光の振幅を低減させるようにしてい
る。

【０１１３】図１３は投影レンズ５の瞳面を摸式的に描
いたものであり、図中網線部２２３はアパーチャー８と
して図１２に示す輪帯状のものを用いた場合に、開口部
２２１の像ができる部分である。

【０１１４】従ってレチクル４上のパターンで回折され
た０次の回折光成分は網線部２２３を通過することにな
る。そのため網線部２２３の振幅透過率を他の部分より
所定の値だけ低くすることにより像のコントラストが向
上する。その際、図１３中破線２２４に沿った断面の振
幅透過率は図１４に示すものになる。図１４中の横軸は
瞳の径方向の座標であり、点０が瞳の中心に対応する。
また縦軸が振幅透過率であり、瞳の中心と周辺部で１、
図１３中の網線部２２３に対応する部分では１より低い
所定の値になっている。

【０１１５】ここで網線部２２３の振幅透過率を変化さ
せたい場合、或は瞳面の振幅透過率を一様にしたい場
合、従来は瞳フィルターを交換する以外に方法が全く存
在しなかった。

【０１１６】しかし本実施例の露光装置では、本発明を
用いた瞳フィルター部９ａを以下の構成にすることによ
ってフィルターを交換することなく瞳の振幅透過率分布
を変化させることが可能になっている。

【０１１７】そこで次に瞳フィルター部９ａについて詳
しい説明を行う。まず図１５は本発明で用いた瞳フィル
ター部９ａの要部断面図である。ここで瞳フィルター部
９ａは図中それぞれ２３０，２３１で示された第１偏光
部材としてのフィルターＡと、第２偏光部材としてのフ
ィルターＢの２枚のフィルターで構成されていること、
そしてフィルターＡ２３０は投影レンズ５内に固定され
ているが、フィルターＢは２３１は駆動部２３２によっ
て面内方向に回転可能になっていることが特徴である。

【０１１８】次に図１６はフィルターＡ２３０の瞳面内
方向の構成を表したものである。図１６に示すようにフ
ィルターＡ２３０は３つの部分２４０，２４１，２４２
から構成されており、部分２４０，２４２はそこに入射
する光をそのまま透過させ、一方部分２４１はそこに入
射する光のうち、図中両矢印で示した方向の偏光成分の
みを透過させる偏光フィルターになっている。

【０１１９】図中の座標軸はこの後の説明のために用い
るもので、軸の決め方は、部分２４１を透過する光の偏
光の方向、つまり両矢印と平行な方向をｙ軸とし、面内
で前記ｙ軸と直交する方向をｘ軸としてある。

【０１２０】図１７はフィルターＢ２３１の瞳面内方向
の構成を表したものである。この場合フィルターＢ２３
１はそこに入射する光のうち図中両矢印で示した方向の
偏光成分のみを透過させる偏光フィルターから成ってい
る。ここでθは、図中両矢印、即ちフィルターＢ２３１
を透過できる光の偏光方向とｙ軸のなす角度を表したも
ので、この後の説明を用いる。

【０１２１】投影露光装置では、通常特別に偏光してい
ない非偏光の光でパターンを照明するため、瞳フィルタ
ー部９ａに入射する光も当然、非偏光と考えることがで
きる。非偏光の光が図１６に示したフィルターＡ２３０
を透過すると、図中部分２４０，２４２を通った光は非
偏光のままであるが、部分２４１を通った光はｘ軸方向
の偏光成分がカットされ、ｙ軸方向の直線偏光光とな
る。

【０１２２】そのような光が引き続いて偏光フィルター
であるフィルターＢ２３１を透過すると、光の振幅分布
は図１７に示した角度θによって図１８（Ａ）〜（Ｃ）
のようになる。

【０１２３】図１８は図１４と同様に瞳中心Ｏを通る断
面上での瞳の径方向の振幅透過率分布を表したものであ
る。

【０１２４】まずθ＝０度の場合は、フィルターＡ２３
０の部分２４１で直線偏光になった光は全てフィルター
Ｂ２３１を透過でき、フィルターＡ２３０で変換を受け
なかった光はフィルターＢ２３１で直線偏光に変換され
るだけなので、フィルターＡ２３０，Ｂ２３１の両者を
透過した光の振幅分布は図１８（Ａ）に示すように瞳面
内で一様になる。

【０１２５】一方、θ＝９０度の場合は、フィルターＡ
２３０の部分２４１で直線偏光になった光はフィルター
Ｂ２３１を全く透過することができないので、フィルタ
ーＡ２３０，Ｂ２３１の両者を透過した光の振幅分布は
図１８（Ｃ）に示すようになる。

【０１２６】最後にθが０度と９０度の間にある場合
は、フィルターＡ２３０の部分２４１で直線偏光になっ
た光は、その一部分がフィルターＢ２３１を透過するこ
とができるので、フィルターＡ２３０，Ｂ２３１の両者
を透過した光の振幅分布は図１８（Ｂ）に示すようにな
る。

【０１２７】但しここで、振幅透過率が１に満たない部
分の透過率の値はθの値を変化させることによって、即
ち偏光フィルターＢ２３１を駆動部２３２によって面内
方向で回転させることによって、０から１の間の任意の
値に調整することができる。その為図１４に示した振幅
透過率分布もこの構成で実現が可能になる。

【０１２８】以上説明したように、本発明に係るフィル
ター部９ａを用いれば、投影レンズ５内の瞳の透過率分
布を瞳内で完全に均一な状態からの瞳内の一部で透過率
が０になる状態まで連続的に変化させることが可能にな
る。

【０１２９】よって本発明を適用した以上の構成の投影
露光装置を用いて、パターン又は照明条件に最適な透過
率分布を持った瞳フィルターを容易に実現することがで
きるので、微細な像を常に高コントラストで転写するこ
とが可能になる。

【０１３０】本実施例ではアパーチャー８として図１２
に示したものを用い、所謂“輪帯照明”の場合について
話を進めたが、本発明がそれ以外の様々な照明条件につ
いて適用可能である。

【０１３１】本実施例では瞳フィルター部９ａは２枚の
フィルターＡ２３０，Ｂ２３１で構成され、そのうちの
１枚が瞳の面内で回転可能であるとしたが、その部分を
３枚以上のフィルターで構成することが可能である。ま
た回転可能な部分が２つ以上となる構成が可能である。

【０１３２】本実施例では瞳フィルター部９ａを構成す
るフィルターは全て投影レンズの瞳の位置にあるとした
が、その一部が前記瞳の位置以外の光学系中の何れかの
位置に置かれるような構成が可能である。

【０１３３】次に実施例３と同様の構成で、瞳フィルタ
ー部９ａを構成するフィルターＡ２３０を別のものに置
き換えることで実現可能な、瞳の振幅透過率分布につい
て説明を行う。尚フィルターＢ２３１としては図１７に
示した実施例３と同様のものを用いるとする。

【０１３４】まずフィルターＡ２３０として図１６に示
すものの代わりに、図１９に示すものを用いる場合につ
いて説明する。

【０１３５】図１９中で部分２５０はそこに入射する光
をそのまま通過させ、部分２５１はそこに入射する光を
図中両矢印で示した方向（ｙ軸方向）に偏光面を持つ直
線偏光光に変換させる。

【０１３６】そのようにしてフィルターＡ２３０を通過
して更に図１７に示すフィルターＢ２３１を通過した光
の振幅分布は、実施例３の場合と同様、図１７中に示し
た角度θに依存する。そこでθを変化させることによっ
て得られる瞳の振幅透過率分布を図２０に示す。

【０１３７】図２０（Ａ）はθ＝０度の場合であり、図
１８（Ａ）の分布が得られるのと同様の理由で瞳面内で
均一な透過率分布が得られる。図１９（Ｃ）はθ＝９０
度の場合であり、瞳中心で透過率が０になる分布が得ら
れる。θが０度と９０度の間に位置する場合は、図２０
（Ｂ）に示す透過率分布が得られ、中央部の透過率の値
はθを変えることで連続的に変化させることができる。

【０１３８】次にフィルターＡ２３０として図２１に示
すものを用いる場合について説明を行う。

【０１３９】図中、部分２６０はそこに入射する光を両
矢印で示した方向（ｙ軸方向）の直線偏光光に変換し、
部分２６１はそこに入射する光を同様に両矢印で示した
方向（ｘ軸方向）の直線偏光光に変換する。

【０１４０】このようにして上の例と同様にθを変化さ
せた場合に得られる瞳の振幅透過率分布を図２２に示
す。θの値によって図に示すような透過率分布が得られ
る理由は前述の通りなのでここでは詳しい説明は省略す
る。

【０１４１】尚本発明を用いることにより、ここに述べ
た以外にも転写を行うパターン、照明条件に最適な瞳の
振幅透過率分布を容易に実現できる。

【０１４２】次に上記説明した露光を利用した半導体デ
バイスの製造方法の実施例を説明する。

【０１４３】図２３は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等
の半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造
のフローを示す。ステップ１（回路設計）では半導体デ
バイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）
では設計した回路パターンを形成したマスクを製作す
る。

【０１４４】一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリ
コン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４
（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマ
スクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ
上に実際の回路を形成する。

【０１４５】次のステップ５（組立て）は後工程と呼ば
れ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導
体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシ
ング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封
入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ
５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久
性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体
デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

【０１４６】図２４は上記ウエハプロセスの詳細なフロ
ーを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸
化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶
縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ
上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオ
ン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１
５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。

【０１４７】ステップ１６（露光）では上記説明した露
光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露
光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現
像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジ
スト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト
剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを
取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによ
って、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

【０１４８】本実施例の製造方法を用いれば、従来は製
造が難しかった高集積度の半導体デバイスを製造するこ
とができる。

【０１４９】

【発明の効果】本発明によれば以上のようにパターンを
投影光学系で所定面上に投影する際、投影に用いる光束
の偏光状態を適切に設定することにより、高い解像力を
維持しつつ高コントラストで投影することができる半導
体素子の製造に好適な像投影方法及び露光装置、更には
製造方法を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の像投影方法をステッパーに適用し
たときの実施例１の要部概略図

【図２】 図１のレチクルの説明図

【図３】 図１のレチクルの説明図

【図４】 斜入射照明の説明図

【図５】 瞳面上の偏光成分の説明図

【図６】 アパーチャーの説明図

【図７】 瞳を透過する偏光成分の説明図

【図８】 瞳を透過する偏光成分の説明図

【図９】 レチクルのパターンの説明図

【図１０】 アパーチャーの説明図

【図１１】 本発明の像投影方法をステッパーに適用し
たときの実施例３の要部概略図

【図１２】 図１１のアパーチャーの説明図

【図１３】 図１１の瞳面上の振幅透過率の説明図

【図１４】 図１１の瞳面上の振幅透過率の説明図

【図１５】 図１１の瞳フィルターの説明図

【図１６】 図１１の瞳フィルターの説明図

【図１７】 図１１の瞳フィルターの説明図

【図１８】 図１１の瞳面上の振幅透過率の説明図

【図１９】 図１１の瞳フィルターの説明図

【図２０】 図１１の瞳上の振幅透過率の説明図

【図２１】 図１１の瞳フィルターの説明図

【図２２】 図１１の瞳上の振幅透過率の説明図

【図２３】 本発明の半導体素子の製造方法のフローチ
ャート

【図２４】 本発明の半導体素子の製造方法のフローチ
ャート

【図２５】 レチクルの振幅透過率を表す説明図

【図２６】 瞳上の振幅分布を表す説明図

【図２７】 像面上の強度分布を表す説明図

【図２８】 位相シフト法を用いた場合の瞳上の振幅分
布を表す説明図

【図２９】 斜入射照明を用いた場合の瞳上の振幅分布
を表す説明図

【図３０】 射出瞳上の振幅分布を表す説明図

【図３１】 光線の角度による偏光方向の違いを説明す
るための説明図

【図３２】 通常結像による像面上の強度分布を表す説
明図（入射高偏光はスリットに平行）

【図３３】 通常結像による像面上の強度分布を表す説
明図（入射高偏光はスリットに垂直）

【図３４】 位相シフト法、斜入射照明による像面上の
強度分布の説明図（入射高偏光はスリットに平行）

【図３５】 位相シフト法、斜入射照明による像面上の
強度分布の説明図（入射高偏光はスリットに垂直）

【図３６】 従来の通常照明の説明図

【図３７】 従来の斜入射照明の説明図

【図３８】 従来の斜入射照明でフィルターを用いたと
きの説明図

【符号の説明】

１ 光源 ２ オプティカルインテグレータ ３ 照明レンズ ４ レチクル ５ 投影レンズ ６ 半導体ウエハ ７ ステージ ８ アパーチャー ９ 偏光制御装置 ９ａ 瞳フィルター部

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 照明系からの光束でパターンを照明し、
   該パターンから生じる回折光を利用して投影光学系によ
   り該パターンを所定面上に投影する際、該回折光の偏光
   状態を制御して該パターンを投影していることを特徴と
   する像投影方法。
2. 【請求項２】 前記投影光学系の瞳面で前記回折光の偏
   光状態を制御していることを特徴とする請求項１の像投
   影方法。
3. 【請求項３】 前記投影光学系の瞳面の中心に対する同
   心円の接線方向に偏光面を有する回折光成分を主として
   透過させていることを特徴とする請求項１の像投影方
   法。
4. 【請求項４】 照明系からの光束でレチクル面上のパタ
   ーンを照明し、該パターンから生じる回折光を投影光学
   系の瞳に入射させて、該パターンの像をウエハ面上に投
   影する際、該投影光学系の瞳面近傍に偏光制御装置を設
   け、該瞳面の中心に対する同心円の接線方向に偏光面を
   有する回折光成分を主として透過させていることを特徴
   とする露光装置。
5. 【請求項５】 照明系からの光束でパターンを照明し、
   該パターンから生じる回折光を利用して投影光学系によ
   り該パターンを所定面上に投影する際、該投影光学系の
   瞳面近傍に設けた光学手段により、該瞳面の所定領域を
   通過する光束の振幅分布を連続的に変化させていること
   を特徴とする像投影方法。
6. 【請求項６】 前記光学手段は２つの偏光部材の相対的
   位置を制御して前記瞳面の所定領域を通過する光束の振
   幅分布を連続的に変化させていることを特徴とする請求
   項５の像投影方法。
7. 【請求項７】 前記光学手段は前記パターンの形状・大
   きさ及び前記照明系の配置に応じて前記投影光学系の瞳
   面の所定領域を通過する光束の振幅透過率を制御してい
   ることを特徴とする請求項６の像投影方法。
8. 【請求項８】 照明系からの光束で原板上のパターンを
   照明し、該パターンを投影光学系により所定面上に投影
   露光する際、該投影光学系の瞳面近傍に光学手段を設
   け、該瞳面の所定領域を通過する光束の振幅分布を連続
   的に変化させていることを特徴とする露光装置。
9. 【請求項９】 前記光学手段は前記投影光学系の瞳面へ
   の入射光のうち、特定方向の偏光成分を透過させる第１
   偏光部材と該第１偏光部材を透過した光のうち特定方向
   の偏光成分を透過させる第２偏光部材とを有しているこ
   とを特徴とする請求項８の露光装置。
10. 【請求項１０】 前記第１偏光部材と第２偏光部材との
    相対的位置を変えることにより、前記投影光学系の瞳面
    の所定領域を通過する光束の振幅分布を連続的に変化さ
    せていることを特徴とする請求項８の露光装置。
11. 【請求項１１】 回路パターンを持った原板とウエハと
    を用意する工程と、請求項１，２，３，５，６，７の何
    れかの方法によって原板の回路パターンをウエハに露光
    転写する工程を有することを特徴とする半導体素子の製
    造方法。
12. 【請求項１２】 請求項１１の製造方法によって製造さ
    れたことを特徴とする半導体素子。