JPH07254542A

JPH07254542A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH07254542A
Application number: JP4344894A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Nitani; 広貴二谷
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1994-01-25
Filing date: 1994-03-15
Publication date: 1995-10-03

Abstract

(57)【要約】【目的】反射防止膜を形成することなく基板からの反
射波の反射率を低減して解像力の低下を抑えることがで
き、フォトレジスト膜厚が変化しても微細かつ高精度な
パターンを形成することができる他、被露光物中の解像
力を向上させることができるとともに、基板からの反射
光の影響を低減することができ、パターン不良を生じ難
くすることができる。【構成】照明光学系からの光束をマスク４に照射し、
該マスク４のパターンを投影光学系５を通して被露光部
材６に投影露光する投影露光装置において、該照明光学
系中の該マスク４と共役な面、若しくは該共役な面の近
傍に配置され、かつ該光束がマスク４に入射する際、所
定の偏光状態で入射するように、該光束に対して特定の
偏光方向成分のみを透過させる偏光光学部材２を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、投影露光装置に係り、
詳しくは、半導体素子等の作成における微細加工に有用
なフォトリソグラフィー技術に適用することができ、特
に、反射防止膜を形成することなく基板からの反射波の
反射率を低減して解像力の低下を抑えることができる
他、被露光物中の解像力を向上させることができるとと
もに、基板からの反射光の影響を低減することができる
投影露光装置に関する。

【０００２】近年、半導体の高集積化とともに、微細パ
ターンを安定に形成するためにフォトリソグラフィーの
露光波長は、より短波長なものへと変わってきている。
より微細なパターンを形成するためには、位相シフト等
の超解像技術を用いることによって、解像限界以上のパ
ターン形成が可能であるが、それは特定の偏光状態の照
明を用いることによって更に解像効果を高めることがで
きる。解像しようとするパターンの解像限界付近では、
マスクに照射された照明光は大きく回折するために、照
明光をベクトル波として考えた方が実際に近い考え方で
あり、このように考えることによって、より一層解像効
果を高めることができる投影露光装置を実現することが
できる。

【０００３】

【従来の技術】従来の投影露光装置では、照明光学系か
らの光束をマスクに照射し、マスクのパターンを投影光
学系を通して被露光部材に投影露光している。投影露光
法には、反射鏡を使用して等倍で一括露光する方式と、
レンズを使用して等倍あるいは縮小投影露光する方式が
あるが、何れの場合もマスクや被露光部材に欠陥を発生
させないで露光することができる。解像度は、一般に露
光光の波長、投影光学系の開口数に依存しており、この
解像度を向上させるために、反射投影では、露光光の波
長を短くしたり、また、レンズ投影では、開口数を大き
くしたりしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近時、
半導体の高集積化とともに、光によるパターン形成は限
界となりつつあり、このような状況の中で、少しでも寿
命を延ばすために各種の露光技術が開発されているが、
光によるパターン転写では、常に基板からの反射波が生
じ、この反射波は以下に説明するように、半導体素子等
の作成における微細加工に有用なフォトリソグラフィー
に望ましくない結果を齎す。

【０００５】基板からの反射波は、フォトレジスト膜内
で多重干渉し、その結果、フォトレジスト内の光強度
は、特に、段差基板上にフォトレジストを塗布した時に
フォトレジスト膜厚が段差基板上で変化していると、フ
ォトレジスト膜厚の変化とともに多重干渉して、強め合
う場合と弱め合う場合が生じる。このため、強め合って
いる部分ではパターン寸法が所定値よりも大きくなって
しまい、また、弱め合っている部分ではパターン寸法が
所定値よりも小さくなってしまい、フォトレジスト膜厚
の変化とともにパターン寸法が変化してしまうという問
題があった。

【０００６】そこで、基板からの反射波の悪影響を少な
くするために、従来では、基板上に反射防止膜を形成し
ているが、反射防止膜を形成すると、その分工程数が増
加するうえ、コストが増加する他、特に段差基板上に反
射防止膜を形成すると、均一な膜厚で精度良く反射防止
膜を形成し難いという問題があった。さて、マスクを透
過してきた光を被露光物に結像する際、結像した光は、
被露光物表面で反射してしまうため、実際の被露光物中
での像強度が低下して解像力が低下してしまい、特に、
パターン寸法が微細になってくると、パターン不良が生
じ易くなるという問題もあった。

【０００７】また、被露光物下の基板からの反射光の影
響が大きくなると、定圧波の多重干渉が顕著に生じるよ
うになるため、パターン寸法が変動し易くなってパター
ン不良が生じ易くなるという問題もあった。そこで、本
発明は、反射防止膜を形成することなく基板からの反射
波の反射率を低減して解像力の低下を抑えることがで
き、フォトレジスト膜厚が変化しても微細かつ高精度な
パターンを形成することができる他、被露光物中の解像
力を向上させることができるとともに、基板からの反射
光の影響を低減することができ、パターン不良を生じ難
くすることができる投影露光装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
照明光学系からの光束をマスクに照射し、マスクのパタ
ーンを投影光学系を通して被露光部材に投影露光する投
影露光装置において、該照明光学系中の該マスクと共役
な面、若しくは該共役な面の近傍に配置され、かつ該光
束がマスクに入射する際、所定の偏光状態で入射するよ
うに、該光束に対して特定の偏光方向成分のみを透過さ
せる偏光光学部材を有することを特徴とするものであ
る。

【０００９】請求項２記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、前記偏光光学部材は、前記光束が前記
偏光光学部材を透過する際、前記光束が前記偏光光学部
材を透過する位置が異なる場合には、前記光束の異なる
偏光成分のみを透過させることを特徴とするものであ
る。請求項３記載の発明は、上記請求項１記載の発明に
おいて、前記偏光光学部材は、前記光束が所定の偏光状
態で前記マスクを照射する際、入射光電場の振動方向ベ
クトルが所定のマスクパターンに入射した際にマスク接
線成分が最小となる偏光成分のみを透過させることを特
徴とするものである。

【００１０】請求項４記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、前記偏光光学部材は、前記光束が所定
の偏光状態で前記マスクを照射する際、入射光電場の振
動方向ベクトルが所定のマスクパターンに入射した際に
マスク接線成分が最大となる偏光成分のみを透過させる
ことを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】本発明者は、鋭意検討した結果、特定の偏光状
態の照明を用いれば、更に解像限界以上のパターン形成
に効果的であることに着目し、後述する実施例の如く、
照明光学系からの光束をマスクに照射し、マスクのパタ
ーンを投影レンズを通して被露光物のフォトレジストに
投影露光する投影露光装置を、該照明光学系中のマスク
と共役な面（偏光光学部材面）若しくはこの共役な面の
近傍に配置され、かつ光束がマスクに入射する際、所定
の偏光状態で入射するように、光束に対して特定の偏光
成分のみを透過させる偏光光学部材を有するように構成
したところ、被露光物中での解像力を向上させることが
できるとともに、基板からの反射光の影響を低減するこ
とができ、パターン不良を生じ難くすることができた。
また、反射防止膜を形成することなく基板からの反射波
の反射率を低減して解像力の低下を抑えることができ、
フォトレジスト膜厚が変化しても微細かつ高精度なパタ
ーンを形成することができた。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。（実施例１）図１は本発明に係る実施例１の投影露光装
置の構成を示す図である。ここでは、説明の便宜上光源
より出る一光線についてのみ示している。図１におい
て、１〜４は各々光源、偏光光学部材、コンデンサレン
ズ、マスクであり、５〜７は各々投影レンズ、フォトレ
ジスト、Ｓｉ基板である。なお、偏光光学部材２は、照
明光学系中のマスク４と共役な面（若しくは共役な面Ｍ
近傍）に配置する。本実施例では、まず、図１に示す如
く、光源１より出た光を偏光光学部材２で被露光物のフ
ォトレジスト６とＳｉ基板７の境界で反射が少ない偏光
成分のみを透過させる。

【００１３】ここで、図１における偏光光学部材２を光
の進行方向であるａ方向から見た様子を図２に示す。偏
光光学部材２は、図２に示す如く、輪帯状に組み合わせ
られた８つの偏光素子２ａを有し、各々の偏光素子２ａ
は、各々異なる偏光方向の光のみを透過させる。この
時、透過させる偏光方向は、例えば図２の偏光光学部材
２のＡ位置にある偏光素子２ａであれば、図２の矢印Ｂ
方向の偏光光学部材２中心と偏光光学部材２周辺に向う
方向で振動する光のみを透過させる。また、偏光光学部
材２のＡ位置以外の残り７つの偏光素子２ａについても
同様、各々の偏光素子２ａに示す矢印方向の如く、偏光
光学部材２中心と偏光光学部材２周辺に向う方向で振動
する光のみが透過される。ここでの偏光光学部材２は、
光束が偏光光学部材２を透過する際、光束が偏光光学部
材２を透過する位置が異なる場合に、光束の異なる偏光
成分のみを透過させることができる。

【００１４】そして、偏光光学部材２は、図１の光軸ｘ
近傍を透過する直進光がないように、図２のＣｒ等から
なる偏光光学部材２の中心近傍領域２ｂで光を遮断する
ように構成する。これにより、特殊な偏光状態による解
像力の低下を防ぐことができる。図２の偏光光学部材２
は、通常の光源絞りと同様の機能を有し、通常と異なる
点は、光をマスク４に入射する際、入射光電場の振動方
向ベクトルのマスク接線成分が最小となる偏光状態で入
射するように、透過する光を選択的に偏光させることで
ある。しかも、マスク入射角度によって異なる偏光状態
で照射することができる。

【００１５】そして、本実施例では、上記の如く、偏光
光学部材２により特殊な偏光成分のみを取り出して、コ
ンデンサレンズ３を介してマスク４を照射する。その
後、マスク４を透過した光は、投影レンズ５によってＳ
ｉ基板７上のフォトレジスト６に結像する。この時、結
像に関与する光は、偏光光学部材２によって、図１の光
軸ｘを中心として放射状に偏光した光であり、フォトレ
ジスト６に入射する時も略同一の偏光状態を保ってい
る。ここで、図１において、フォトレジスト６に入射し
た光線の１つが略同一の偏光状態を保っている様子を図
３に示す。この図３から判るように、光は横波であるた
め、空気中では入射する電場の振動方向は波１０の進行
方向１１に対して直行しており、このような偏光状態の
光は、フォトレジスト６とＳｉ基板７の境界での反射率
を最小とすることができるので、反射波の影響を少なく
することができる。これに対し、波の伝播方向を軸とし
て９０度回転させた光の振動成分は、同じ入射角度でも
反射率は最大である。

【００１６】（実施例２）本実施例も、基本的には図１
の投影露光装置を用いることができる。本実施例は、照
明光をベクトル波として考え、マスクパターンの結像に
有益な偏光状態の照明光で露光するものである。図４，
５は本発明に係る実施例２の照明光をベクトル波と考え
た時のマスク４を透過する光の偏光状態を示す図であ
る。但し、マスクパターンの大きさは、照明光の平均波
長よりも十分に大きいものとする。図４，５において、
太い矢印、及び×印は電場の振動方向を示し、×印は紙
面垂直方向に手前側に矢印が向いていることを示す。図
４に示す如く、電場の振動が紙面に含まれるような場合
をＰ偏光と呼び、図５に示す如く、電場が紙面に対して
垂直方向に振動しているような場合をＳ偏光と呼ぶこと
にする。

【００１７】通常の照明でマスク４を照射した場合、マ
スク４を透過する電場は、上記Ｐ波、Ｓ波の合成とな
る。また、マスク４を透過した後もＰ波で照射した場合
は、Ｐ波の透過光であり、Ｓ波で照射した場合は、Ｓ波
の透過光である。即ち、照射波がＰ波、Ｓ波の合成であ
る場合は、透過光もＰ波、Ｓ波を合成したものである。
また、マスク４パターンが周期的な場合、透過する光は
光学的干渉の結果、特定の角度で強め合った光が生じ
る。このような光は、一般に回折光と呼ばれるが、この
光の振動方向も、Ｐ波で照射している場合には、Ｐ波の
回折光であるというように、上記した原理が成り立つ。
即ち、マスク４を照射する光源の偏光状態によっては、
マスク４を透過する光の偏光状態が定まる。仮に、光源
からマスク４を図４の矢印Ａで示されるような偏光状態
の光で照射すれば、マスク４を透過する光の振動も略Ｐ
波となる。これは、図５に示すＳ波についても同様のこ
とが言え、透過波は略Ｓ波となる。

【００１８】ここで、マスク４を透過する光がＳ波の
み、及びＰ波のみであると想定して、各々の光が光学系
を通過して、被露光物上に結像する場合を説明する。図
６において、２１は被露光物表面近傍に結像する像強度
を示し、２２は被露光物の表面を示す。Ｐ波同士による
結像の場合、結像してできる被露光物表面２２近傍の像
強度２１は、Ｓ波の場合と比べて弱くなる。この理由を
この図６を用いて以下に説明する。図６では、３光束に
よる結像を例示しているが、これは３光束に限ったこと
ではなく、多光束による結像でも同じである。図６にお
いて、電場ベクトル２３はベクトル２４及びベクトル２
５の和であり、電場ベクトル２６は、ベクトル２７、ベ
クトル２８の和である。ここで、ベクトル２４及びベク
トル２８は、結像の際、互いに打ち消し合い結像に関与
しない。即ち、結像に関与するのは、光束電場ベクトル
２３のベクトル２５の成分、電場ベクトル２６のベクト
ル２７の成分、及び電場ベクトル２９である。即ち、図
６に示すベクトル２４及びベクトル２８の成分が打ち消
し合う分だけ結像した像強度は弱くなる。

【００１９】しかしながら、Ｓ波については、図６に示
すベクトル２４，２８のような成分がなく、その結果、
結像した像は、Ｐ波によるものより像強度が強くなる。
また、Ｐ偏光の場合は、図６の光束の被露光物への入射
角度θが大きい程、図６のベクトル２４，２８の成分が
大きくなるため、像の劣化は著しくなる。従って、像の
解像力を上げるには、マスク４に入射する光が、図５に
示すようなＳ偏光状態であればよい。

【００２０】次に、図６の像強度２１のように、結像し
た光は、被露光物の表面で反射するために実際の被露光
物中での像強度は低下する。また、Ｐ波に比べてＳ波の
方が反射率が大きいので、Ｓ波結像による高い像強度も
被露光物の中に進入しないのではないかと推定される。
ここで、どのくらい低下するかをフレネルの公式を用い
て計算した例を以下に示し、被露光物表面での反射率、
透過率の違いを考慮に入れてもＰ波よりＳ波の方が優れ
ていることを説明する。被露光物はフォトレジストとし
て屈折率は１．７で計算している。

【００２１】次に、図７は本発明に係る実施例２の空気
中の電場が被露光物に進入する時の被露光物表面でのエ
ネルギー反射率を示す図である。図７において、○はＳ
波のエネルギー反射率、●はＰ波のエネルギー反射率で
ある。図７の横軸は電場の被露光物への入射角度であ
り、図６のθに相当する。投影露光装置のレンズが開口
数０．５７のものを使用している時にθは、最大で約３
５°である。入射角度θが３５°の時には、Ｐ波、Ｓ波
の反射率は極端に異なり、Ｐ波が約３％であるのに対
し、Ｓ波では約１１％である。

【００２２】次に、図８は本発明に係る実施例２の空気
中の電場が被露光物に進入する時のエネルギー透過率を
示す図である。図８において、○はＳ波のエネルギー透
過率であり、●はＰ波のエネルギー透過率である。図８
の横軸は電場の被露光物への入射角度であり、図６のθ
に相当する。上記と同様θが３５°の時のエネルギー透
過率について、Ｓ波、Ｐ波の値を比べて見る。図８よ
り、Ｐ波の透過率は約５０％であるのに対し、Ｓ波では
約４５％である。これから、Ｓ波のエネルギー反射率
は、Ｐ波の倍以上でもエネルギー透過率では、Ｓ波、Ｐ
波の違いはそれ程なく、Ｓ波による結像強度がＰ波によ
るものより大きいという優位性は、被露光物中でも変わ
らないと言える。以上述べたように、被露光物中での解
像力を上げるには、Ｐ波よりもＳ波で露光するのが良
い。

【００２３】（実施例３）本実施例も、基本的には図１
の投影露光装置を用いることができる。実施例２では、
Ｐ波はＳ波よりエネルギー反射率が少ないことを示した
が、これを利用して、被露光物のフォトレジスト６下の
Ｓｉ基板７における電場の反射を少なくすることができ
る。図９は本発明に係る実施例３の屈折率１．７の被露
光物中のフォトレジスト６中の電場が仮想的に屈折率４
のＳｉ基板７に入射する時のエネルギー反射率をフレネ
ルの公式により計算した結果を示す図である。

【００２４】図９に示す如く、Ｐ波でエネルギー反射率
が少なくなる効果は、基板への入射角θが２０°以上で
ある。図１０に示すような基板の状態では、基板への入
射角が２０°以上になり、Ｐ波による低反射率の効果を
得ることができる。図１０において、電場３１は基板７
に入射する電場である。従って、解像力が多少落ちても
基板反射の影響を少なくしたい場合は、Ｓ波ではなくＰ
波で露光することによって実現することができる。

【００２５】（実施例４）本実施例も、基本的には図１
の投影露光装置を用いることができる。本実施例では、
ｘ，ｚの方向を図１に示す如く定め、ｙ方向を紙面垂直
方向に手前側に＋に取るものとする。図１の光源絞りと
なる偏光光学部材２にＡの方向から見ると、図１１に示
すようなものを使用する。この偏光光学部材２は、光束
が所定の偏光状態でマスク４を照射する際、入射光電場
の振動方向ベクトルが所定のマスクパターンに入射した
際に、マスク接線成分が最大となる偏光成分のみを透過
させることができる。即ち、偏光光学部材２を、偏光光
学部材２の中心線に対して対向する部分にｙ方向に振動
する電場のみを透過する偏光素子２ｃ，２ｄを備付け、
その他の部分では電場が透過しないようにＣｒ等の光遮
蔽膜２ｅを形成して構成する。この偏光光学部材２の光
源絞りを用いて、ｙ方向に伸びる線状のパターンでｘ方
向に周期的であるものを露光すると、解像度良くフォト
レジストにパターンを転写することができる。

【００２６】（実施例５）本実施例も、基本的には図１
の投影露光装置を用いる。本実施例は、図１の光源絞り
となる偏光光学部材２にＡの方向から見ると、図１２に
示すようなものを使用する。即ち、この偏光光学部材２
は、光束が所定の偏光状態でマスク４を照射する際、入
射光電場の振動方向ベクトルが所定のマスクパターンに
入射した際に、マスク接線成分が最小となる偏光成分の
みを透過させることができる。偏光光学部材２を、偏光
光学部材２の中心線に対して対向する部分にｘ方向に振
動する電場のみを透過する偏光素子２ｆ，２ｇを備付
け、その他の部分では電場が透過しないようにＣｒ等の
光遮蔽膜２ｈを形成して構成する。この偏光光学部材２
の光源絞りを用いて、ｙ方向に伸びる線状のパターンで
ｘ方向に周期的であるものを露光した結果、基板からの
反射光の影響が少ない状態でパターンをフォトレジスト
６に転写することができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、反射防止膜を形成する
ことなく基板からの反射波の反射率を低減して解像力の
低下を抑えることができ、フォトレジスト膜厚が変化し
ても微細かつ高精度なパターンを形成することができる
他、被露光物中の解像力を向上させることができるとと
もに、基板からの反射光の影響を低減することができ、
パターン不良を生じ難くすることができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例１の投影露光装置の構成を
示す図である。

【図２】図１に示す偏光光学部材を示す平面図である。

【図３】入射光線の一つがフォトレジストに入射した時
に略同一の偏光状態を保っている様子を示す図である。

【図４】本発明に係る実施例２の照明光をベクトル波と
した時のマスクを透過する光の偏光状態を示す図であ
る。

【図５】本発明に係る実施例２の照明光をベクトル波と
した時のマスクを透過する光の偏光状態を示す図であ
る。

【図６】本発明に係る実施例２のマスクを透過する光が
Ｓ波のみ及びＰ波のみであると想定して各々の光が光学
系を通過して被露光物上に結像する様子を示す図であ
る。

【図７】本発明に係る実施例２の空気中の電場が被露光
物に進入する時の被露光物表面でのエネルギー反射率を
示す図である。

【図８】本発明に係る実施例２の空気中の電場が被露光
物に進入する時のエネルギー透過率を示す図である。

【図９】本発明に係る実施例３の屈折率１．７の被露光
物中の電場が仮想的に屈折率４の基板に入射する時のエ
ネルギー反射率をフレネルの公式により計算した結果を
示す図である。

【図１０】本発明に係る実施例３の基板への入射角が２
０°以上でＰ波による低反射率の効果が得られる様子を
示す図である。

【図１１】本発明に係る実施例４の偏光光学部材の構成
を示す平面図である。

【図１２】本発明に係る実施例５の偏光光学部材の構成
を示す平面図である。

【符号の説明】

１光源２偏光光学部材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｆ，２ｇ偏光素子２ｅ，２ｈ光遮蔽膜３コンデンサレンズ４マスク５投影レンズ６フォトレジスト７Ｓｉ基板１０波１１波の進行方向２１像強度２２表面２３，２６，２９電場ベクトル２４，２５，２７，２８ベクトル３１電場

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】照明光学系からの光束をマスク（４）に照
射し、マスク（４）のパターンを投影光学系（５）を通
して被露光部材（６）に投影露光する投影露光装置にお
いて、該照明光学系中の該マスク（４）と共役な面、若
しくは該共役な面の近傍に配置され、かつ該光束がマス
ク（４）に入射する際、所定の偏光状態で入射するよう
に、該光束に対して特定の偏光方向成分のみを透過させ
る偏光光学部材（２）を有することを特徴とする投影露
光装置。
【請求項２】前記偏光光学部材（２）は、前記光束が前
記偏光光学部材（２）を透過する際、前記光束が前記偏
光光学部材（２）を透過する位置が異なる場合には、前
記光束の異なる偏光成分のみを透過させることを特徴と
する請求項１記載の投影露光装置。
【請求項３】前記偏光光学部材（２）は、前記光束が所
定の偏光状態で前記マスク（４）を照射する際、入射光
電場の振動方向ベクトルが所定のマスクパターンに入射
した際にマスク接線成分が最小となる偏光成分のみを透
過させることを特徴とする請求項１記載の投影露光装
置。
【請求項４】前記偏光光学部材（２）は、前記光束が所
定の偏光状態で前記マスク（４）を照射する際、入射光
電場の振動方向ベクトルが所定のマスクパターンに入射
した際にマスク接線成分が最大となる偏光成分のみを透
過させることを特徴とする請求項１記載の投影露光装
置。