JPH07221007A

JPH07221007A - 縮小投影露光装置

Info

Publication number: JPH07221007A
Application number: JP6027254A
Authority: JP
Inventors: Tadao Yasusato; 直生安里
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1994-01-31
Publication date: 1995-08-18
Anticipated expiration: 2013-10-30
Also published as: KR0140911B1; JP2817615B2; US5636005A; KR950024027A

Abstract

(57)【要約】【目的】任意の角度のデバイスパターンに対して最適
な照明条件を得ることのできる縮小投影露光装置を提供
する。【構成】レチクルパターン３の傾きに合わせて、開口
部を有する絞り２を回転させる。さらに、複数の単体レ
ンズよりなるフライアイレンズ１についてもレチクルパ
ターン３の傾きに合わせて回転させる。これにより、よ
り多くの単体レンズ４の光が絞り２の開口部を通過する
ため、レチクルにおける照度を高めることが可能とな
る。したがって、本発明によれば任意の角度のデバイス
パターンに対して最適な照明条件を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は縮小投影露光装置、詳し
くは半導体装置の製造に利用される縮小投影露光装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】これまで半導体装置の製造工程の一つで
あるリソグラフィー工程では、主に光リソグラフィーが
用いられてきた。現在、光リソグラフィーにおいては、
縮小投影露光装置のレンズの高ＮＡ（開口数）化によ
り、縮小線幅が０．５μｍ以下の半導体装置の量産も可
能となってきた。しかし、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。よっ
て、さらに微細な０．３５μｍ以下のパターン形成を行
おうとした場合、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。

【０００３】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。この照明法を用いた縮小投影露光装置は、例えば、
特開昭６１−９１６６２号公報の「投影露光装置」に示
されている。図５に従来の縮小投影露光装置を示す。

【０００４】この縮小投影露光装置において、光源とし
て超高圧水銀ランプ１１を用い、放射された光を楕円ミ
ラー１２で集光し、コールドミラー１３で反射する。そ
してレンズ１４により平行光とした後、この平行光を干
渉フィルタ１５に通す。超高圧水銀ランプ１１は露光光
であるｇ線（波長４３６ｎｍ）、あるいはｉ線（波長３
６５ｎｍ）の光を効率よく放射するように設計されてい
るが、この超高圧水銀ランプ１１からは連続した波長の
光が発生される。そのため、楕円ミラー１２およびコー
ルドミラー１３を用いて光路を変えると同時に、波長の
長い光（熱線）を分離し、干渉フィルタ１５によりさら
に所定の波長の光のみを通過させる。

【０００５】干渉フィルタ１５に隣接した位置には、照
明を均一にするためのフライアイレンズ１が配設されて
いる。フライアイレンズ１は、一般には四角系の細長い
同型の単体レンズを数十本束ねた光学素子であり、それ
ぞれの単体レンズが焦点を結び、光源群を形成するもの
である。超高圧水銀ランプ１１からは比較的広い範囲で
光が発生されるためその光は干渉性が高いとはいえな
い。ところが、フライアイレンズのそれぞれの単体レン
ズにより焦点を結んだ光は干渉性が高い点光源となる。
すなわち、結像特性は水銀ランプの光源形状によっては
影響されず、フライアイレンズ１で形成される点光源群
の形状のみにより影響を受ける。このような理由によ
り、フライアイレンズで形成される点光源群は有効光源
と呼ばれている。

【０００６】フライアイレンズ１の直後（焦点位置付
近）には絞り２が設けられ、この絞り２により有効光源
の形状が決定される。この有効光源の光はレンズ１６、
ミラー１７、コンデンサレンズ１８等の光路を介して、
フォトマスクであるレチクル１９上に均一に照明され
る。ところで、１つの点光源のみによっては、その光源
とレチクル１９の各位置との距離が異なることから照明
強度が均一でなくなる。そこで、フライアイレンズ１に
よって複数の有効光源を用いることにより、レチクル１
９全面において良好な照明均一性を得ることができるも
のである。レチクル１９の開口部を通過した光は投影レ
ンズ系２０を介して感光性樹脂の塗布された半導体基板
２１上に結像される。

【０００７】次に、フライアイレンズ１および絞り２の
関係を図６を参照しながら説明する。同図の（ａ）、
（ｂ）の縮小露光投影装置におけるフライアイレンズ１
の直後の絞り２は円形の開口部を備えている。円形の開
口部を用いるのは、パターン方向によって解像特性に差
異が生じないようにするためである。すなわち、絞り２
の形状を四角形とすると縦横方向パターンと斜め（４５
度、１３５度方向）パターンとの解像特性が異なってし
まうからである。また、絞り２の開口部の大きさは照明
系のＮＡおよび解像特性に影響を及ぼす。通常照明系の
ＮＡと投影レンズ系２０のＮＡの比であるσ値により有
効光源の大きさは示される。一般に、σ値が０．３から
０．７程度となるようレチクルパターン（レチクルの開
口部の形状）は決定されている。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
は小さい方がよいことが知られている。

【０００８】さらに、σ値の最適化だけではなく、それ
ぞれのレチクルパターンに対して有効光源形状の最適化
を図る必要もある。同図（ａ）に示すような通常の円形
開口の絞り２にあっては、同図（ｂ）に示すようにレチ
クル１９に対してほぼ垂直に光が入射する。この場合、
レチクルパターン３を解像するためには、その回折光の
うち、０次光と＋１次光あるいは−１次光を集めること
が必要である。ところが、パターン３が微細になると回
折角が大きくなり投影レンズ系２０に光が入らなくな
る。このため、直角に入射する光は解像には寄与しない
ノイズ成分となり、結像面での光強度分布のコントラス
トが低下する。

【０００９】そこで、例えば図６の（ｃ）、（ｄ）に示
すように４つの開口部が形成されたフライアイレンズ１
を用いる４点照明法が用いられている。同図（ｃ）に示
すように４つの開口部を有する絞り２を用いた場合、レ
チクル１９には斜め方向の光のみが入射し、＋１次光あ
るいは−１次回折光のいずれかが投影レンズ系２０に入
るようになる。これにより、ノイズ成分となる垂直方向
の入射光を除去でき、より微細なパターンまで解像する
ことが可能となる。同図（ｃ）、（ｄ）に示す４点照明
法は、半導体素子のパターンの主要部分が主に縦横パタ
ーンである場合に有効である。なお、縦パターンあるい
は横パターンのみに対しては２点のみの方が効果は大き
い。また、これ以外にもリング形状の開口等種々の絞り
形状が提案されており、レチクルパターン３に合わせて
最適な絞り２を使い分けることにより解像特性を向上さ
せることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術の問
題点を述べるにあたって、まずフライアイレンズにおけ
る光強度分布を説明する。図７の（ａ）は、フライアイ
レンズ１上において光が照射される有効範囲を表し、同
図の（ｂ）は、同図の（ａ）のＡ−Ａ’上の光強度分布
を表している。この図に示されるように、フライアイレ
ンズ１によって形成される有効光源は点光源の集まりで
あり、フライアイレンズ１を通過した直後の光強度分布
は同図（ｂ）のようにフライアイレンズ１の目、すなわ
ちフライアイレンズ１を構成する各単体レンズの中心に
ピークをもつ離散的な分布となっている。

【００１１】しかしながら、従来は、有効光源を均一の
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。これは以下の理由によるものである。すなわち、フ
ライアイレンズ１を構成するレンズの径が大きく、レン
ズの数が十数個程度以下と少ない場合には離散的な点光
源として取り扱う必要がある。ところが、フライアイレ
ンズ１の径が小さく、その数が十個以上である場合に
は、点光源の数およびその位置等は結像特性に影響がな
く、フライアイレンズ１を全体として均一の光強度分布
を持つ一つの光源として扱うことができたためである。
そして、半導体素子製造用の縮小投影露光装置において
は、照明の均一性を向上させるため製造技術の許す限り
の細かい単体レンズを有するフライアイレンズ１が用い
られており、フライアイレンズ１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とらえ
ることに問題は生じていなかった。

【００１２】したがって、従来は、４点照明等の変形照
明を行う場合においても、有効光源を連続した光強度分
布を有する光源と考え、フライアイレンズ１の直後に位
置する絞り２の形状を決定していた。しかしながら、絞
り２の開口部を最適な形状に設計したとしても、実際に
はフライアイレンズ１の単体レンズの中心付近の光強度
の高い領域がその絞りの開口部に位置せず、照度が極端
に低下していた。この結果、所望の解像特性を得ること
ができないという問題が生じていた。

【００１３】特に、４点照明法を用いた場合には、かか
る問題は顕著である。例えば、正方形の単体レンズで構
成されたフライアイレンズ１の場合、０，４５，９０度
方向のレチクルパターンに対しては、４点照明の絞りの
開口部にフライアイレンズの目が位置するようになる。
しかし、図８（ａ）に示すような１５度方向のパターン
に対しては、絞り２の開口部の形状を最適に設計して
も、同図（ｂ）に示すように、絞り２の開口部にフライ
アイレンズ１の単体レンズが正確に位置しなくなり、フ
ライアイレンズ１における有効な単体レンズ４の数が極
端に少なくなってしまう。このため、４点照明法の効果
を充分得ることはできず、最適な照明条件を実現するこ
とが困難であった。

【００１４】なお、図８に示すような傾いたパターン
は、近年の半導体集積回路の高密度化に伴い使用される
ことが多くなってきている。従来、縦、横、および４５
度（１３５度）以外の上述したような角度方向のパター
ンは、使用頻度が少なかった。それは、レチクルを描画
する電子線描画装置において、上記以外の方向のパター
ンがあった場合、描画データが極端に増えるとともに描
画パターンのエッジにラフネスが発生するという問題が
あったためである。ところが、ＤＲＡＭのフィールド等
における素子の集積密度を上げるために１５度程度傾い
たパターンを配置する必要性が高まっている。

【００１５】よって、今後の半導体集積回路の高密度化
を実現するためにも、上述したように任意の角度のデバ
イスパターンに対して最適な照明条件を得ることのでき
る縮小投影露光装置を実現する必要がある。すなわち、
本発明は、任意の角度のデバイスパターンに対して最適
な照明条件を得ることのできる縮小投影露光装置を提供
することを目的とするものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
光源から、所定のパターンが形成されたレチクルに至る
光軸上に、複数の単体レンズを備えたフライアイレンズ
と、所定形状の開口部を有する絞りとが少なくとも配設
された縮小投影露光装置において、上記フライアイレン
ズを、光軸を中心として回動可能な回動機構を備えたこ
とを特徴とする縮小投影露光装置である。

【００１７】請求項２記載の発明は、光源から、所定の
パターンが形成されたレチクルに至る光軸上に、複数の
単体レンズを備えたフライアイレンズと、所定形状の開
口部を有する絞りとが少なくとも配設された縮小投影露
光装置において、上記絞りを、光軸を中心として回動可
能な回動機構を備えたことを特徴とする縮小投影露光装
置である。

【００１８】請求項３記載の発明は、請求項１記載の回
動機構は、上記フライアイレンズおよび上記絞りを回動
可能であることを特徴とした縮小投影露光装置である。

【００１９】請求項４記載の発明は、請求項１〜請求項
３のいずれかに記載の回動機構は、上記レチクル上にお
ける照度が最大となった場合に、回動を停止することを
特徴とした縮小投影露光装置である。

【００２０】

【作用】請求項１記載の発明において、回動機構はフラ
イアイレンズを、光軸を中心として回動可能である。例
えば、レチクル上のパターンおよび絞りが傾いている場
合には、この傾きに合わせてフライアイレンズを回転さ
せる。これにより、より多くの単体レンズの光が絞りの
開口部を透過するため、光量を増加させることができ
る。したがって、任意の角度のデバイスパターンに対し
て最適な照明条件を得ることが可能となる。より具体的
には、レチクルのパターンの傾きに合わせて絞りが図１
（ｂ）に示すように所定角度に傾いていたとする。この
場合、同図の（ｄ）に示すようにフライアイレンズ１を
同様に傾ける。これにより、絞り２の開口部に光を通過
させることの可能な単体レンズの個数を増加させること
ができる。すなわち、絞り２の開口部を通過する光量を
増加させることができ、任意のデバイスパターンに対し
て最適な照明条件を得ることが可能となる。

【００２１】請求項２記載の発明において、回動機構
は、レチクルのパターンに応じて絞りを回動可能であ
る。すなわち、レチクルとフライアイレンズとの傾きを
合わせることにより、より多くの単体レンズが絞りの開
口部に光を通過させることができ、この結果最適な照明
条件を得ることが可能となる。

【００２２】請求項３記載の発明において、請求項１記
載の回動機構は、フライアイレンズおよび絞りをともに
回動可能である。フライアイレンズおよび絞りのそれぞ
れの角度が最適となるよう（絞りの開口部を通過可能な
光量が最大となるよう）に保持したままフライアイレン
ズおよび絞りをレチクル等のパターンの傾きに合わせて
回転することができる。これにより、任意の角度のパタ
ーンに対して最適な照明条件を得ることが可能となる。

【００２３】請求項４記載の発明において、請求項１〜
請求項３のいずれかに記載の回動機構は、レチクル上に
おける照度が最大となった場合に、回転を停止する。し
たがって、レチクル上における照度を向上させることが
でき、任意の角度のパターンに対して最適な照明条件を
得ることが可能となる。

【００２４】

【実施例】次に本発明の実施例を図面を参照しながら説
明する。本実施例に係る縮小投影露光装置の全体構成
を、上述した図５を参照しながら説明する。すなわち、
本実施例に係る縮小投影装置は、光源である超高圧水銀
ランプ１１、楕円ミラー１２、コールドミラー１３、レ
ンズ１４、干渉フィルタ１５、フライアイレンズ１、絞
り２、レンズ１６、ミラー１７、コンデンサレンズ１
８、レチクル１９、投影レンズ系２１等を備えて構成さ
れている。干渉フィルタ１５に隣接した位置には、照明
を均一にするためのフライアイレンズ１が配設されてい
る。フライアイレンズ１は、一般には四角系の細長い同
型の単体レンズを数十本束ねた光学素子であり、それぞ
れの単体レンズによる光源群を形成するものである。

【００２５】図２にフライアイレンズ１の回動機構を示
す。同図の（ａ）は回動機構の正面図であり、同図の
（ｂ）は回動機構の側面図である。この図において、内
部にフライアイレンズ１が配設されたフライアイレンズ
１の鏡筒５は固定部６ａ，６ｂによって回動自在に軸支
されている。鏡筒５の外周には歯車７が設けられ、歯車
７にはステッピングモータ１０により駆動される歯車８
が噛み合わされている。また、フライアイレンズ鏡筒５
にはスリットを有する板（未図示）が固着され、このス
リットをフォトセンサで検出することによりフライアイ
レンズ１の初期位置を検出している。フライアイレンズ
１を回転させる場合、ステッピングモータ１０に所定数
のパルスを与えることにより初期位置に対するフライア
イレンズ１の回転角度を制御することができる。また、
フライアイレンズ１に取り付ける歯車７の歯の数をあら
かじめ３６０個としておき、ステッピングモータ１０で
回転させた後、この歯車７に角度固定部９を噛み合わせ
ることにより正確に１度単位で角度が制御できるように
なる。なお、角度固定部９には、歯車７と同一ピッチの
歯車を形成するのが望ましい。

【００２６】また、レチクル１９上における照度を検出
するフォトセンサと、このフォトセンサからの信号を検
出してステッピンブモータ１０を制御する制御手段１０
１とを設けてもよい。これにより、フライアイレンズ１
を一定ステップで回転させながら、照度（像面上）をモ
ニタし、照度が最適となる位置においてフライアイレン
ズ１を停止させることができる。すなわち、レチクル１
９上の照度が最大となるよう、フライアイレンズ１を自
動的に回動させることが可能となる。

【００２７】図１に本実施例に係るフライアイレンズ１
等を示す。同図の（ａ）はレチクルパターン３（半導体
素子パターン）を表し、同図の（ｂ）は絞り２を表して
いる。４点照明法による絞り２の開口部の形状はレチク
ルパターン３に合わせて最適化したものである。絞り２
およびフライアイレンズ１の回転角度は、以下のように
決定される。ここで、縮小投影露光装置はＮＡ＝０．
５，σ＝０．６のｉ線ステッパーであるとする。まず同
図（ａ）に示すように、レチクルパターン３におけるパ
ターンの配列方向に対応して対象軸ｘ’，ｙ’をとる。
ｙ’軸方向に延びたレチクルパターン３は０．３５ミク
ロンパターンであり、半導体素子の設計上の基準となる
ｘｙ座標に対して１５度（または１０５度）傾いてい
る。次に、レチクルパターン３用の絞り２を作成する。
これは、同図（ｂ）に示すように、通常の縦横パターン
用の４点照明の絞りを１５度回転させたものである。そ
して、フライアイレンズ１についても同様にレチクルパ
ターン３に合わせて１５度回転させる。フライアイレン
ズ１を回転させるには、上述した図２に示す回動機構を
使用する。

【００２８】このように、フライアイレンズ１をレチク
ルパターン３の回転角度に合わせて回転させることによ
り、絞り２の開口部に有効に光を入射することが可能と
なり、最適な照明条件を得ることができる。フライアイ
レンズ１を回転させない場合には、先の従来の問題点で
示したように（図８）絞りの４個の開口部に３個、計１
２個の単体レンズの光が通過するにすぎない。これに対
して、レチクルパターン３の角度に合わせてフライアイ
レンズ１を回転させることにより、計２４個の単体レン
ズ４からの光を絞り２の開口部に通過させることがで
き、従来に比べて約２倍の照度を得ることが可能とな
る。これにより、解像特性が均一になるという効果も生
じる。

【００２９】図３は、本発明の第２実施例に係る縮小投
影露光装置を説明するためのものである。本実施例に係
る縮小投影露光装置は、絞り２とフライアイレンズ１と
が固定されている点において第１実施例に係る縮小投影
露光装置と異なっている。図３に示すように、本実施例
によれば、レチクルパターン３の回転角度（同図の
（ａ））に合わせて、フライアイレンズ１および絞り２
を同時に回転させることが可能となる（同図の（ｂ）
（ｃ））。

【００３０】図４は、本発明の第３実施例に係る縮小投
影露光装置を説明するためのものである。同図（ａ）に
示すように、フライアイレンズ１を回転させる前の状態
では、絞り２の開口部のそれぞれには、フライアイレン
ズ１の一つの単体レンズを通過する光が照射されるのみ
である。すなわち、フライアイレンズ１のうちの計４個
の単体レンズのみが有効に使用されているにすぎない。
ここで同図（ｂ）に示すようにフライアイレンズ１を４
５度回転させ、固定する。同図に示すように、フライア
イレンズ１を回転させることにより、絞り２の開口部の
それぞれに、フライアイレンズの４個の単体レンズを通
過した光を照射することができる。すなわち、フライア
イレンズ１のうちの１６個の単体レンズを有効に使用す
ることが可能となる。

【００３１】よって、４点照明法においても、フライア
イレンズ１を回転させることにより、照度を最適化でき
ることが可能である。なお、このときの回転角度はフラ
イアイレンズ１のレイアウトおよび絞り２の開口形状に
より決定することが望ましい。また、フライアイレンズ
１を絞り２の直後に配設してもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、レ
チクルパターンの角度に合わせてフライアイレンズおよ
び絞りを回転させることにより、絞りの開口部を通過可
能な光量を増加でき、最適な照明条件を実現することが
可能となる。また、通常の縦横パターンを有するレチク
ルパターンに対しても、フライアイレンズを絞りの開口
部形状に合わせて適切な回転角度にすることにより、照
度を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る縮小投影露光装置を
説明するための図である。

【図２】本発明の第１実施例に係るフライアイレンズの
回動機構を示す図である。

【図３】本発明の第２実施例に係る縮小投影露光装置を
説明するための図である。

【図４】本発明の第３実施例に係る縮小投影露光装置を
説明するための図である。

【図５】従来の縮小投影露光装置の概略構成図である。

【図６】従来の縮小投影露光装置における４点照明法を
説明するための図である。

【図７】フライアイレンズを透過した光の強度分布を示
した模式図である。

【図８】従来の縮小投影露光装置におけるフライアイレ
ンズを説明するための図である。

【符号の説明】

１フライアイレンズ２絞り３レチクルパターン５鏡筒（回動機構）６ａ，６ｂ固定部（回動機構）７，８歯車（回動機構）９角度固定部１０ステッピングモータ（回動機構）１９レチクル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から、所定のパターンが形成された
レチクルに至る光軸上に、複数の単体レンズを備えたフライアイレンズと、所定形状の開口部を有する絞りとが少なくとも配設され
た縮小投影露光装置において、上記フライアイレンズを、光軸を中心として回動可能な
回動機構を備えたことを特徴とする縮小投影露光装置。
【請求項２】光源から、所定のパターンが形成された
レチクルに至る光軸上に、複数の単体レンズを備えたフライアイレンズと、所定形状の開口部を有する絞りとが少なくとも配設され
た縮小投影露光装置において、上記絞りを、光軸を中心として回動可能な回動機構を備
えたことを特徴とする縮小投影露光装置。
【請求項３】請求項１記載の回動機構は、上記フライ
アイレンズおよび上記絞りを回動可能であることを特徴
とした縮小投影露光装置。
【請求項４】請求項１〜請求項３のいずれかに記載の
回動機構は、上記レチクル上における照度が最大となっ
た場合に、回動を停止することを特徴とした縮小投影露
光装置。