JPH07153675A

JPH07153675A - 縮小投影露光装置

Info

Publication number: JPH07153675A
Application number: JP5323339A
Authority: JP
Inventors: Tadao Yasusato; 直生安里
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1995-06-16
Anticipated expiration: 2014-09-13
Also published as: JP2947038B2

Abstract

(57)【要約】【目的】フライアイレンズを用いて変形照明により縮
小投影露光を行う露光装置の解像特性を改善し、かつ露
光強度を向上してスループットを改善する。【構成】複数の単体レンズ６２を並列配置したフライ
アイレンズ６Ａは、その周辺部における単体レンズ６２
の光強度が中央部の単体レンズの光強度よりも高くなる
ように設定される。例えば、周辺部の対角方向の４箇所
の光強度を高めることで、４点照明を行う際に光強度の
高い光を有効に利用して露光を行うことができ、変形照
明による露光に際してのスループットを改善し、かつ解
像特性を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造等に利
用される縮小投影露光装置に関し、特にフライアイレン
ズを有効光源としてレチクルを変形照明する縮小投影露
光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に半導体装置の製造工程の一つであ
るリソグラフィ工程では、主に光リソグラフィ技術が用
いられている。現在、光リソグラフィにおいては、縮小
投影露光装置のレンズの高ＮＡ化により、最小線幅が
０．５μｍ以下の半導体装置の量産も可能とされている
が、レンズの高ＮＡ化により解像力は向上するものの反
対に焦点深度が減少する方向にある。したがって、０．
３５μｍ以下の微細なパターン形成を考えると、これま
でのような投影レンズの高ＮＡ化だけでは、安定した量
産が困難になってきた。そこで、照明系の最適化による
解像特性の向上、いわゆる変形照明法が注目されるよう
になってきた。この変形照明法として、例えば特開昭６
１−９１６６２号公報に記載されたものがある。

【０００３】即ち、一般の照明法では、図６（ａ）のよ
うに、図外の光源からの光により点光源群からなる有効
光源を構成するために、複数の単体レンズ６１を並列配
置したフライアイレンズ６が用いられており、このフラ
イアイレンズ６の直後に円形の開口を有する絞り７を設
け、この絞り７を透過した光でレチクル１０を照明し、
投影レンズ系１１によりレチクルパターンを半導体基板
１２に露光するように構成されている。ここで、絞り７
の開口部を円形とするのは解像特性にパターン方向依存
性が生じないようにするためである。例えば、絞り形状
が四角形では縦横方法パターンと斜め４５度あるいは１
３５度の方向パターンとの解像特性が異なってしまう。
そして、この絞りの開口の大きさが、照明系のＮＡを決
定し解像特性に影響を及ぼす。また、投影レンズ系１１
のＮＡと照明系のＮＡの比であるσ値によりその有効光
源の大きさは示され、０．３から０．７程度のσ値がレ
チクルパターンにより選択される。例えば、ラインアン
ドスペースパターンではσ値は大きい方が解像特性が良
く、コンタクトホールのようなパターンに対してはσ値
は小さい方がよい。更に、σ値の最適化だけでなく、そ
れぞれのレチクルパターンに対して有効光源形状を最適
化することも行われる。

【０００４】そこで、前記公報では、図７（ａ）に示す
ように中心部分を完全に遮光した円環状の開口部７０を
有する絞り７Ａを用いてリング形状の有効光源とする輪
帯照明法が採用される。図６（ａ）に示したように、レ
チクル１０のパターンを解像するためには、回折光のう
ち、０次光と＋１あるいは−１次光を集めることが必要
である。そして、パターンが微細になると回折角θが大
きくなり投影レンズ系１１に入らなくなり、パターンは
解像しなくなる。しかし、前記したリング形状の絞り７
Ａを用いると、図６（ｂ）に示すように、レチクル１０
に斜めに光が入射し、その分、＋１あるいは−１次回折
光のいずれかが投影レンズ系１１に入るようになり、よ
り微細なパターンまで解像できるようになる。

【０００５】なお、前記公報では、輪帯照明用の絞りと
類似の効果を示すものとして、図７（ｂ）に示すような
透過率分布の開口部７１を有する絞り７Ｂも用いられて
いる。これは透明基板上に遮光材料を極薄く成膜するこ
とにより形成される。また、輪帯照明以外にも、特に縦
横パターンの解像特性の向上を目的として、図７（ｃ）
に示すように、周辺４箇所に開口部７２を有する絞り７
Ｃを用いて４点で照明する４点照明が用いられる。そし
て、レチクルパターン毎にそれぞれに最適な絞りを使い
分けることにより、半導体装置の製造のマージンを広げ
ることが可能となる。あるいは、特開昭６１−２７６２
１７号公報に示されているように、フライアイレンズ６
の直前に中心部の光強度を低下させるフィルタを入れる
ことによっても、変形照明は実現できる。

【０００６】ここで、レチクル照明系にフライアイレン
ズを用いて有効光源を構成する理由を説明する。フライ
アイレンズ直後の光強度分布は図８に示すようにフライ
アイレンズ６の目、すなわちフライアイレンズ６を構成
する複数の単体レンズ６１の中心にピークをもつ点光源
の集まりであり、離散的な分布となっている。しかし、
これまではこれを均一の光強度分布を持つ一つの光源と
みなして取り扱ってきた。実際、シュミレーションによ
り、フライアイレンズ単体の寸法が比較的に大きく、単
一レンズの数が数十個程度以下と少ないときには、離散
的な点光源として取り扱う必要があるものの、フライア
イレンズの目が細かくなり数十個以上であれば、点光源
の数及びその位置等は結像特性に影響が無く、フライア
イレンズを全体として均一の光強度分布をもつ一つの光
源として扱っている。

【０００７】そして、半導体装置製造用の縮小投影露光
装置においては、照明均一性を向上させるため、できる
限りの細かい目のフライアイレンズが用いられており、
フライアイレンズで形成される有効光源を連続した光強
度分布を有する一つの光源として考えて問題なかった。
そこでこれまでは、輪帯照明あるいは４点照明を行う場
合にも、有効光源を連続した光強度分布を有する一つの
光源として考えており、この有効光源に対してフライア
イレンズ直後に置く絞りの形状を図７（ａ）に示したよ
うな形状に設定することが行われていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに設定された絞りの開口では、フライアイレンズの各
単一レンズとの対応が取られていないため、変形照明の
絞りのように開口部の面積が小さい場合には、この開口
を通してレチクルを照明する際に有効とされるフライア
イレンズの目の数が少なくなり、結果としてフライアイ
レンズを均一な光源として扱うことに問題が生じてき
た。すなわち、絞りの開口形状をいくら最適に設計して
も、実際にはフライアイレンズの各レンズの中心近傍の
光強度の高い領域がその絞りの開口部に位置されないと
きには、開口を通して高強度の照明光がレチクルに入ら
なくなるため、設計通りの解像特性が得られていなかっ
た。また、光強度の強い位置に絞りの遮光部のエッジが
掛かると、レチクル上での照明状態が不均一となるため
露光面内での解像特性のばらつきを生じさせていた。

【０００９】このように、従来の露光装置では、フライ
アイレンズのレイアウトを無視した絞りを用いると、開
口を通過する光量が低減されるため、露光強度が極端に
低下され、露光時間が大幅に延びてスループットの低下
を招き、あるいはレチクル及び半導体基板のステージの
振動のため露光特性が悪化するという問題も生じる。ま
た、フライアイレンズの直前にフィルタを介挿する場合
にも、中心部の光を遮光することによる露光量の低下が
同様に問題となっている。さらに、図７（ｂ）に示した
ような、連続した透過率分布を有する絞りには特殊なス
パッタ条件で遮光膜を成膜する必要があり、その作製が
困難であるという問題もある。本発明の目的は、変形照
明により縮小投影露光を行う際の解像特性を改善し、か
つ露光強度を向上してスループットを改善した縮小投影
露光装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の縮小投影露光装
置は、複数の単体レンズを並列配置したフライアイレン
ズは、その周辺部における単体レンズの光強度が中央部
の単体レンズの光強度よりも高く設定される。例えば、
周辺部の対角方向の４箇所の光強度を高めている。ま
た、この場合、フライアイレンズからの光を絞る絞りの
周辺部の対角方向の４箇所に開口部が開設され、この開
口部にフライアイレンズの光強度のピークが対向位置さ
れるようにする。あるいは、光強度の高い領域は、他の
領域の単体レンズよりも微小寸法に形成され、かつ多数
の単体レンズが集合された構成とする。この場合、微小
寸法の単体レンズが周辺部に配置された構成とされる。

【００１１】

【作用】フライアイレンズからの光は周辺部に光強度の
高い領域が存在するため、４点照明や輪帯照明を行う際
に、光強度の高い光を有効に利用して露光を行うことが
でき、露光に際してのスループットを改善し、かつ解像
特性を改善する。

【００１２】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。図１は本発明が適用される縮小投影露光装置の概略
構成図である。この露光装置は、光源として超高圧水銀
ランプ１を用い、放射された光を楕円ミラー２で集光
し、コールドミラー３で反射する。さらに、レンズ４に
より平行光とした後、干渉フィルタ５を通す。前記した
超高圧水銀ランプ１は露光光であるｇ線（波長４３６ｎ
ｍ）あるいはｉ線（波長３６５ｎｍ）の光を効率よく放
射するように設計されているが、連続した波長の光が発
生される。そのため、楕円ミラー２及びコールドミラー
３で光路を変えると同時に、波長の長い光（熱線）を分
離し、さらに干渉フィルタ５で所定の波長の光のみに制
限する。

【００１３】その上で、照明の均一性を得るためフライ
アイレンズ６に透過させる。フライアイレンズ６は、一
般には四角形の細長い同型の単体レンズ６１を数十本束
ねた光学素子であり、それぞれの単体レンズ６１が焦点
を結び、有効光源を形成する。前記水銀ランプ１からは
比較的広い範囲で光が発生されるので、その光は干渉性
が高いとはいえないが、フライアイレンズ６のそれぞれ
の単体レンズ６１で焦点を結んだ光は干渉性が高まり、
それぞれが独立の点光源となる。すなわち、結像特性を
考えるとき、水銀ランプ１の光源形状の影響はなくな
り、このフライアイレンズ６で形成される点光源群の形
状のみが影響を与えることになるため、フライアイレン
ズ６で形成される点光源群が有効光源と称される。さら
に、このフライアイレンズ６の直後には、絞り７が設け
られ、有効光源の形状を決定する。この有効光源の光は
ミラー８及びコンデンサーレンズ９を通してレチクル１
０を照明する。そして、レチクル１０を透過した光は投
影レンズ系１１により、感光性樹脂の塗布された半導体
基板１２上に結像される。

【００１４】図２は前記フライアイレンズ６と絞り７と
の関係を示す図である。図２（ａ）に示すように、フラ
イアイレンズ６Ａは従来の倍以上の大きさの四角形の単
体レンズ６２を４個用いて構成されており、この４個の
単体レンズ６２で光路のすべてをカバーしている。ま
た、絞り７Ｄは前記４個の単体レンズ６２の光軸を含む
大きさで、かつレチクル照明系の最大ＮＡに対応する円
形の開口部７３が開設されている。このとき、各単体レ
ンズ６２の光軸は開口部７３の周辺部に位置されるよう
に構成される。

【００１５】したがって、この構成では、図２（ｂ）に
示すように、フライアイレンズ６Ａの４個の各単体レン
ズ６２は絞り７Ｄの開口部７３内の周辺４箇所において
光強度のピークが存在する光強度分布となる。したがっ
て、疑似的に変形照明としての４点照明が実現されるこ
とになり、かつ一方では各単体レンズ６２の光強度のピ
ークがその照明に利用されるため、露光に際しての光量
低下が生じることはない。これにより、設計通りの解像
特性が得られるとともに、露光に際してのスループット
を改善することが可能となる。

【００１６】ここで、この光強度分布のピークの位置
は、シミュレーションにより最適化される。例えば、連
続した光強度をそのまま扱う代わりに、簡易的に光強度
の平均値で２値化し、これを周辺部に配置した４個の光
源でモデル化し、これらの位置をレチクル照明形の最大
ＮＡ範囲で最適化する。

【００１７】図３は本発明の第２実施例を示す図であ
る。この実施例では、フライアイレンズで均一な光強度
分布の有効光源が形成されているものとし、かつ絞りに
は図７（ｃ）で示したように、周辺の４点に開口部７２
を有する４点照明用の絞り７Ｃを用いる例である。この
場合、フライアイレンズ６Ｂの複数の単体レンズ６３の
レイアウトを設定する際に、絞り７Ｃの４個の開口部７
２のそれぞれに各単体レンズ６３の光強度のピークが位
置されるように設定を行い、これにより単体レンズ６３
からの光が有効に開口部７２を透過するように構成す
る。

【００１８】このように、絞り７Ｃの開口部７２に対応
して単体レンズ６３がレイアウトされたフライアイレン
ズ６Ｂを用いることにより、絞り７Ｃは設計通りの露光
特性が得られるようになり、かつ露光強度の低下も改善
できる。また、この場合、開口部７２のエッジ部が単体
レンズ６３の光強度の高い部分に掛かることがないた
め、レチクル１０上での照明状態が不均一となることは
なく、露光面内での解像特性の均一化が可能とされる。

【００１９】なお、ここではフライアイレンズ６Ｂの単
体レンズ６３は実際に光の光路上に位置する部分のみを
図示している。すなわち、複数の単体レンズを並列に並
べ、一つの光学素子として組み立てるためには、光の当
たらない部分あるいは部分的にしか当たらない部分にも
レンズを配置することが必要となるが、ここでは実際に
利用されるレンズのみを図示している。

【００２０】図４は本発明の第３実施例を示す図であ
る。図４（ａ）はフライアイレンズ６Ｃと絞り７Ｃの開
口部との関係を示す図であり、絞りにはその周辺の４点
にそれぞれ開口部７２が開設され、４点照明を行うよう
に構成された第２実施例と同じ絞り７Ｃが用いられる。
一方、フライアイレンズ６Ｃは、絞り７Ｃの前記４個の
開口部７２に対応する領域の単体レンズ６５が他の領域
の単体レンズ６４に比較して縦横寸法が１／２と細く形
成された微小単体レンズとして構成されており、結果と
して各開口部７３には４個の微小単体レンズ６５が配置
されるように構成されている。

【００２１】このように、絞り７Ｃの周辺部に設けた開
口部７２に対応するフライアイレンズ６Ｃの周辺部の単
体レンズを微小単体レンズ６５で構成し、かつそのレン
ズ数の密度を高めることにより、図４（ｂ）に示すよう
に、絞り７Ｃの開口部７２を透過する光量が増加し、結
果として変形照明としての４点照明が実現されることに
なる。また、開口部７２では各微小単体レンズ６５の光
強度のピークがその照明に利用されるため、露光に際し
ての光量低下が生じることはない。これにより、設計通
りの解像特性が得られるとともに、露光に際してのスル
ープットを改善することが可能となる。

【００２２】なお、フライアイレンズの全体を微小単体
レンズで構成すると、フライアイレンズの製造が困難と
なるが、この実施例のように、周辺の一部のみを微小単
体レンズで構成することで、その製造を可能としてい
る。すなわち、変形照明の場合には、中央付近は絞りで
遮光され実際には利用されないため、中央付近のレンズ
にはその性能を要求しないことで、フライアイレンズの
歩留りを上げることができる。

【００２３】図５は本発明の第４実施例を示しており、
フライアイレンズ６Ｄの正面図である。この実施例で
は、フライアイレンズ６Ｄを、その中央に配置した１個
の大型単体レンズ６６と、その４辺に配置した通常寸法
の４個の単体レンズ６７と、前記各単体レンズを包囲す
るように周辺部に配列した多数の微小単体レンズ６８と
で構成している。このフライアイレンズ６Ｄを用いるこ
とにより、微小単体レンズ６８が集合されている周辺部
の光強度が高くされるため、このフライアイレンズ６Ｄ
に対して図７（ａ）に示したような輪帯状の開口部を有
する絞り７Ａを用いることにより、フライアイレンズ６
Ｄを透過した光強度の高い光が開口部７０を透過するよ
うになり、有効な輪帯照明を実現することができる。こ
れにより、有効な光源の数を十分確保し、照明強度の面
内均一性及び解像特性のパターン方向依存性を改善する
ことができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、フライア
イレンズの周辺部における単体レンズの光強度が中央部
の単体レンズの光強度よりも高く設定されているので、
４点照明や輪帯照明等の変形照明を行う際に、光強度の
高い光を有効に利用して露光を行うことができ、露光に
際してのスループットを改善し、かつ面内均一性を高め
て解像特性を改善することができる効果がある。特に、
周辺部の対角方向の４箇所の光強度を高めることで、４
点照明用の絞りに設けた開口部に光強度のピークが存在
することになり、４点照明を効果的に行うことができ
る。また、光強度の高い領域は、他の領域の単体レンズ
よりも微小寸法に形成され、かつ多数の単体レンズが集
合された構成とし、この微小単体レンズをフライアレイ
レンズの周辺部に配置することで、輪帯照明を効果的に
行うことができる。この場合、部分的に単体レンズの寸
法を相違させることで、フライアイレンズの製造を可能
とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される縮小投影露光装置の概略構
成図である。

【図２】本発明の第１実施例における絞りとフライアイ
レンズとの関係を示す図である。

【図３】本発明の第２実施例における絞りとフライアイ
レンズとの関係を示す図である。

【図４】本発明の第３実施例における絞りとフライアイ
レンズとの関係を示す図である。

【図５】本発明の第４実施例におけるフライアイレンズ
の正面図である。

【図６】一般的な縮小投影露光装置の要部の概念構成図
である。

【図７】従来用いられている絞りを説明するための図で
ある。

【図８】フライアイレンズの光強度分布を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１水銀ランプ（光源）６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄフライアイレンズ７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ絞り１０レチクル１１投影レンズ系１２半導体基板６１〜６８単体レンズ７０〜７３開口部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を複数の単体レンズを並列
配置したフライアイレンズを透過した上でレチクルを照
明し、このレチクルのパターンを投影レンズ系により所
定の位置に結像させる縮小投影露光装置において、前記
フライアイレンズの各単体レンズはその周辺部における
光強度が中央部の光強度よりも高く設定されていること
を特徴とする縮小投影露光装置。
【請求項２】周辺部の対角方向の４箇所の光強度を高
めてなる請求項１の縮小投影露光装置。
【請求項３】レチクルとフライアイレンズとの間に介
挿される絞りを有し、この絞りの周辺部の対角方向の４
箇所に開口部が開設され、この開口部にフライアイレン
ズの光強度のピークが対向位置されてなる請求項２の縮
小投影露光装置。
【請求項４】光強度の高い領域は、他の領域の単体レ
ンズよりも微小寸法に形成され、かつ多数の単体レンズ
が集合されてなる請求項１ないし３のいずれかの縮小投
影露光装置。
【請求項５】微小寸法の単体レンズが周辺部に配置さ
れてなる請求項４の縮小投影露光装置。