JPH07321016A

JPH07321016A - 投影露光方法及び装置

Info

Publication number: JPH07321016A
Application number: JP6112974A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-05-26
Filing date: 1994-05-26
Publication date: 1995-12-08

Abstract

(57)【要約】【目的】コンタクトホールパターン等の孤立的パター
ンの露光に際して、所望の焦点深度を得ると共に、近接
した複数の孤立的パターンを露光する際に、誤転写が生
じないようにする。【構成】レチクルＲのパタ−ン像を投影光学系ＰＬを
介してウエハＷ上に結像投影する投影露光装置におい
て、投影光学系ＰＬの瞳面付近に、中心部とその周辺の
輪帯部とで所定の光学的位相差を与える位相型の瞳フィ
ルターＰＦ１を設ける。この瞳フィルターＰＦ１の形状
及び振幅透過率を、３回の分割露光を行うＦＬＥＸ法と
の併用を前提として最適化する。更に、ＦＬＥＸ法の光
軸ＡＸ方向における３回の分割露光における３つの位置
における露光量比も所定の関係式により最適化し、且つ
その分割露光における光軸方向の位置の間隔も最適化す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路、液晶
ディスプレイ等の微細パターン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装置に
関し、特に近接したコンタクトホールパターンを形成す
る際に適用して卓効あるものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体集積回路、液晶ディスプ
レイ等の微細パターンをフォトリソグラフィー工程で形
成する際に使用される投影露光装置の投影光学系は、高
度な光学設計、硝材の厳選、超精密加工、及び精密な組
立調整を経て装置内に組み込まれる。現在、例えば半導
体製造工程では水銀ランプのｉ線（波長３６５ｎｍ）を
照明光としてレチクル（又はフォトマスク等）を照射
し、そのレチクル上の回路パターンの透過光を投影光学
系を介してフォトレジストが塗布されたウエハ上に結像
するステッパーが主に使われている。また、最近ではエ
キシマレーザ光（波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレー
ザ光等）を照明光とするエキシマステッパーも使われて
いる。

【０００３】一般に、投影光学系を用いた露光によって
微細なレチクルパターンを感光基板へ忠実に転写するた
めには、投影光学系の解像力と焦点深度（ＤＯＦ）とが
重要なファクタとなっている。現在実用化されている投
影光学系のうち、ｉ線用のもので、開口数（ＮＡ）とし
て０．６程度のものが得られている。使用する照明光の
波長が同じであるとき、投影光学系の開口数を大きくす
ると、それに応じて解像力も向上する。しかしながら、
焦点深度（ＤＯＦ）は開口数ＮＡの増大に伴って減少す
る。即ち照明光の波長をλとしたとき、焦点深度ＤＯＦ
は±λ／ＮＡ²によって定義されるからである。また、
照明光を短波長化しても解像力は向上するが、短波長化
に伴って開口数の場合と同様に焦点深度は浅くなる。

【０００４】さて、投影光学系の開口数ＮＡを大きくし
て解像力を向上させても、フォーカスマージンである焦
点深度ＤＯＦは開口数の２乗に反比例して減少してしま
うため、たとえ高開口数の投影光学系が製造できたとし
ても、必要な焦点深度が得られないことになり、実用上
の大きな障害となる。例えば照明光の波長をｉ線の３６
５ｎｍとし、開口数を０．６とすると、焦点深度ＤＯＦ
は幅で約１μｍ（±０．５μｍ）になってしまい、ウエ
ハ上の１つのショット領域（２０ｍｍ角〜３０ｍｍ角程
度）内で表面の凹凸や湾曲がそのＤＯＦ以上の部分につ
いては解像不良を起こすことになる。

【０００５】このような投影光学系の問題を解決するた
め、特公昭６２−５０８１１号公報に開示されているよ
うな位相シフトレチクル法や、特開平４−１０１１４８
号公報、特開平４−２２５３５８号公報で開示されたＳ
ＨＲＩＮＣ（Super High−Resolution by IllumiNation
Control）法が提案されている。これらの方法は、レチ
クル上の特にライン・アンド・スペースパターン（Ｌ＆
Ｓパターン）等の周期的なパターンの転写に際して、解
像度や焦点深度を向上させるのに適した方法であるが、
例えばコンタクトホールパターン（微小角パターン）の
ように孤立的なパターン（他のパターンとの間隔が比較
的離れているパターン）に対してはその効果が得られな
い。

【０００６】そこで、コンタクトホールパターン等の孤
立パターンに対して見かけ上の焦点深度を拡大させる露
光方法として、ウエハ上の１つのショット領域に対する
露光を複数回に分け、各露光の間にウエハを光軸方向に
一定量だけ移動させる方法が、例えば特開昭６３−４２
１２２号公報で提案された。この露光方法はＦＬＥＸ
（Focus Latitude enhancement EXposure)法と呼ばれ、
コンタクトホールパターン等の孤立パターンに対しては
十分な焦点深度拡大効果を得ることができる。しかしな
がら、ＦＬＥＸ法では、僅かにデフォーカスしたコンタ
クトホールパターン像を多重露光しなけれならず、従っ
てこの多重露光で得られる合成光学像、及び現像後に得
られるレジスト像は必然的に鮮鋭度が低下したものにな
る。このため、近接したコンタクトホールパターンの解
像度が劣化したり、あるいは露光量変動に対するマージ
ン（露光量裕度）が低下してしまう等の問題がある。

【０００７】最近になって投影光学系の瞳面（レチクル
パターン面とウエハ表面との双方に対してフーリエ変換
の関係となる投影光学系の面）内に瞳フィルターを設
け、解像度や焦点深度を向上させる方法が提案されてい
る。例えば、１９９１年春季応用物理学会の予稿集２９
ａ−ＺＣ−８、９ではＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法が発表さ
れた。ＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法は、投影光学系の瞳に透
明な位相板を設け、この位相板によって結像光に与えら
れる複素振幅透過率が光軸から周辺に向かって順次変化
するような特性を持たせたものである。このようにする
と、投影光学系によって結像された像はベストフォーカ
ス面（レチクルと共役な面）を中心に光軸方向に一定の
幅（従来よりは広い）でシャープさを保つことになり、
焦点深度が増大する。なお、ＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法で
用いられているような瞳フィルター、いわゆる多重焦点
フィルターについては、昭和３６年１月２３日付で発行
された機械試験所報告第４０号の「光学系における結像
性能とその改良方法に関する研究」と題する論文中の第
４１頁〜第５５頁に詳しく述べられている。

【０００８】また、上記の如く透過光の位相変化を与え
るフィルターではなく、瞳面の中心部（光軸近傍）を遮
光するタイプのコンタクトホールパターン用の瞳フィル
ターが本出願人により、特開平４−１７９９５８号公報
で提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法では、孤立的なコンタクトホー
ルパターンに対して十分な焦点深度増大効果が得られる
ものの、本来のコンタクトホールパターン（暗い下地パ
ターン中の微小な明るいパターン）の近傍に副次的に生
じるサブピーク（リンギング）の強度が比較的強くなっ
てしまう。このため、ある程度近接した複数のコンタク
トホールパターンでは、コンタクトホール間のリンギン
グが重なり合う場所に不必要なゴーストパターンが転写
され、フォトレジストの転写像に不要な膜べりを生じさ
せてしまうという不都合があった。

【００１０】これに関し、本出願人は上記各種の瞳フィ
ルター技術と上記ＦＬＥＸ法との併用時の最適条件につ
いて解析し、その結果を特願平５−１７５１６４号及び
特願平５−１７５１６５号において開示した。これらの
発明は、上述の近接したコンタクトホールパターンの転
写に極めて有効な方法を提供するものであるが、露光が
複数回の分割露光よりなる場合、露光位置が露光波長や
投影光学系のＮＡ（開口数）により一義的に決定され
る。このため、条件によっては、必要以上の焦点深度が
得られる一方、転写に必要な露光量（露光時間）が大き
くなり、結果的に処理能力（スループット）が低下する
不都合があった。

【００１１】本発明は斯かる点に鑑み、コンタクトホー
ルパターン等の孤立的なパターンに対して焦点深度や露
光量裕度を増大させ、かつ比較的近接した複数の孤立的
なパターンの間の誤転写（不要パターンの転写）を低減
させると共に、得られる焦点深度が露光波長や、投影光
学系の開口数によって一義的に決定されない投影露光方
法を提供することを目的とする。更に、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。

【００１２】

【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、転写用のパターンが形成されたマスク（Ｒ）を露
光用の照明光（ＩＬＢ）で照明し、そのマスクのパター
ンの像を投影光学系（ＰＬ）を介して感光性の基板
（Ｗ）上に結像投影する投影露光方法において、投影光
学系（ＰＬ）によるフーリエ変換面（ＦＴＰ）、又はこ
のフーリエ変換面の近傍の面でその照明光が通過できる
投影光学系（ＰＬ）の光軸を中心とする円形領域の半径
をｒ２として、この半径ｒ２の円形領域を、投影光学系
（ＰＬ）の光軸を中心とする半径ｒ１（ｒ１＜ｒ２）の
円形領域（ＦＡ）と、その光軸を中心とする半径ｒ１の
円及び半径ｒ２の円により囲まれた輪帯領域（ＦＢ）と
に分け、輪帯領域（ＦＢ）を通過した照明光の振幅に対
する前記円形領域（ＦＡ）を通過した照明光の振幅の比
の値をｔとして、この振幅の比の値ｔを０以下の値に設
定し、その半径ｒ２に対する半径ｒ１の比の値をその振
幅の比の値ｔに応じた値に設定する。

【００１３】更に、基板（Ｗ）と投影光学系（ＰＬ）の
結像面とのその光軸方向への相対的な位置を順次間隔ｄ
だけ変えた３回の分割露光によりマスク（Ｒ）のパター
ン像を基板（Ｗ）上に露光する際に、その間隔ｄを投影
光学系（ＰＬ）の開口数及びその照明光の波長に応じて
定まる間隔に設定し、且つその３回の分割露光における
その光軸方向の両端の位置での露光量をほぼ等しくし
て、その３回の分割露光の内のその光軸方向の中間位置
での露光量をその間隔ｄに応じて定めるものである。

【００１４】この場合、半径ｒ２に対する半径ｒ１の比
の値ｒ１／ｒ２を、その振幅の比の値ｔを用いて（０．
３４＋０．１２ｔ）で定まる値の±１５％以内に設定す
る、即ち次式を満足することが望ましい。 0.85(0.34+0.12ｔ）≦ｒ１／ｒ２≦1.15(0.34+0.12ｔ）（１）更に、その３回の分割露光における間隔ｄを、照明光の
波長λ及び投影光学系（ＰＬ）の基板（Ｗ）側の開口数
ＮＡを用いて次式で定まる基準間隔Ｕの１倍〜２倍の間
に設定することが望ましい。

【００１５】Ｕ＝λ／［２｛１−（１−ＮＡ²)^1/2｝］（２）且つ、その基準間隔Ｕに対する間隔ｄの倍率を間隔ファ
クタαとすると、（１＜α＜２）が成立し、更に、その
３回の分割露光におけるその光軸方向の両端の位置での
露光量に対するその光軸方向の中間位置での露光量の割
合を次式で定まる最適露光量での割合β１の±５％以内
に設定することが望ましい。

【００１６】 β１＝−２．１４α²＋７．３７α−５．１５（３）また、本発明による投影露光装置は、転写用のパターン
が形成されたマスク（Ｒ）を露光用の照明光で照明し、
マスク（Ｒ）のパターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介
して感光性の基板（Ｗ）上に結像投影する投影露光装置
において、投影光学系（ＰＬ）によるフーリエ変換面
（ＦＴＰ）、又はこのフーリエ変換面の近傍の面でその
照明光が通過できる投影光学系（ＰＬ）の光軸を中心と
する円形領域の半径をｒ２として、該半径ｒ２の円形領
域を、投影光学系（ＰＬ）の光軸を中心とする半径ｒ１
（ｒ１＜ｒ２）の円形領域（ＦＡ）と、その光軸を中心
とする半径ｒ１の円及び半径ｒ２の円により囲まれた輪
帯領域（ＦＢ）とに分けたとき、輪帯領域（ＦＢ）を通
過する照明光の振幅透過率に対する円形領域（ＦＡ）を
通過する照明光の振幅透過率の比の値をｔとして、この
振幅透過率の比の値ｔが０以下の値に設定され、且つ半
径ｒ２に対する半径ｒ１の比の値がその振幅透過率の比
の値ｔに応じた値に設定される位相板（ＰＦ１）を有す
る。

【００１７】更に、その投影露光装置は、基板（Ｗ）と
投影光学系（ＰＬ）の結像面とをその光軸方向に相対的
に移動させる相対高さ調整手段（ＷＳＴ）と、基板
（Ｗ）に対するその照明光による露光量を制御する露光
量制御手段（２５，２６，３）と、を有し、その相対高
さ調整手段を介して基板（Ｗ）と投影光学系（ＰＬ）の
結像面とのその光軸方向への相対的な位置を順次間隔ｄ
だけ変えて行う３回の分割露光によりマスク（Ｒ）のパ
ターン像を基板（Ｗ）上に露光する際に、その間隔ｄを
投影光学系（ＰＬ）の開口数及びその照明光の波長に応
じて定まる間隔に設定し、且つその露光量制御手段を介
してその３回の分割露光におけるその光軸方向の両端の
位置での露光量をほぼ等しくして、その３回の分割露光
の内のその光軸方向の中間位置での露光量をその間隔ｄ
に応じて定めるものである。

【００１８】

【作用】斯かる本発明の投影露光方法によれば、投影光
学系（ＰＬ）によるフーリエ変換面（即ち、瞳面ＦＴ
Ｐ）付近の半径ｒ２の領域が、半径ｒ１の円形領域（Ｆ
Ａ）とその外側の輪帯領域（ＦＢ）とに分けられ、これ
ら２つの領域を通過する照明光の振幅の比の値ｔが０以
下の値になる。即ち、位相型又は中心遮光型の瞳フィル
ターが使用される。また、基板（Ｗ）と投影光学系（Ｐ
Ｌ）の結像面との光軸方向の相対的な位置を変化させて
多重露光を行う露光方法であるＦＬＥＸ法を併用すると
共に、その多重露光の回数を３回としている。

【００１９】そして、３回の分割露光よりなるＦＬＥＸ
法の併用を前提として、その振幅の比の値ｔに対応して
その半径ｒ２に対する半径ｒ１の比の値（ｒ１／ｒ２）
が設定されている。このため、コンタクトホールパター
ンの投影露光に必要な焦点深度、及び露光量マージンを
確保しつつ、近接した複数のコンタクトホールパターン
を十分に分離できると共に、リンギングを小さくしてコ
ンタクトホールパターン間に不要なパターンが生じるこ
とを防止できる。

【００２０】この場合、その比の値（ｒ１／ｒ２）の最
適値は（０．３４＋０．１２ｔ）であるが、この最適値
はシミュレーションにより求められたものである。比の
値（ｒ１／ｒ２）がその最適値のときに、近接した複数
のコンタクトホールパターンが十分に分離できると共
に、リンギングが特に小さくなる。但し、（１）式が成
立する範囲では、ほぼ最適値の場合と同様の作用効果を
奏する。

【００２１】また、３回の分割露光からなるＦＬＥＸ法
を併用する際に、λ／［２｛１−（１−ＮＡ²)^1/2｝］
を基準間隔Ｕとして、その各露光位置の間隔ｄを、その
基準間隔Ｕの１倍〜２倍とした場合、即ち、基準間隔Ｕ
対する間隔ｄの比の値である間隔ファクタαを１＜α＜
２の任意の値とした場合には、この間隔ファクタαを変
える（即ち、間隔ｄを変える）ことにより、過不足のな
い必要十分な焦点深度を得ることができる。従って、過
剰な焦点深度や、スループットの無駄な低下といった不
都合は解決される。

【００２２】また、上記のＦＬＥＸ法の間隔ファクタα
（間隔ｄ）に応じて、各分割露光での露光量の最適な関
係を与える（３）式もシミュレーションによって得られ
たものである。３回の分割露光の内の光軸方向の中間位
置での露光量の割合が（３）式で定められる場合には、
焦点深度内での転写されたコンタクトホールパターンの
サイズのバラツキも極めて小さくなる。但し、（３）式
に対して±５％以内であれば、ほぼ同様の作用効果を奏
する。

【００２３】また、本発明の投影露光装置によれば、上
述の投影露光方法をそのまま実施できる。更に、位相板
（瞳フィルターＰＦ１）の交換手段（２０，３０）を設
けて、位相板（ＰＦ１）に代えて位相板（ＰＦ１）とほ
ぼ等しい光学的厚さを有する透明な平行平面板（ＰＦ
３）を配置することができれば、位相板瞳（ＰＦ１）を
用いない通常の露光（ＳＨＲＩＮＣ法や輪帯照明法も含
む）にも柔軟に対応できる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき図面を参照し
て説明する。図１は本実施例によるステッパー型の投影
露光装置の全体的な構成を示し、この図１において、水
銀ランプ１から放射された照明光ＩＬＢは楕円鏡２によ
って第２焦点に収斂した後、発散光となってコリメータ
レンズ４に入射する。楕円鏡２のその第２焦点の位置に
はロータリーシャッター３が配置され、ロータリーシャ
ッター３により、照明光ＩＬＢの通過、遮断を制御す
る。コリメータレンズ４によってほぼ平行光束に変換さ
れた照明光ＩＬＢは、短波長カットフィルター５を経て
干渉フィルター６に入射し、ここで露光に必要とされる
所望のスペクトル、例えばｉ線のみが抽出される。干渉
フィルター６から射出された照明光ＩＬＢ（ｉ線）は、
オプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズ
７に入射する。なお、この干渉フィルター６により選択
される照明光ＩＬＢはｉ線に限定されるものではなく、
ｉ線以外の波長、あるいは複数の波長を使用してもよ
い。また、露光用光源としては、水銀ランプ１の他に、
エキシマレーザー光源や、金属蒸気レーザー光又はＹＡ
Ｇレーザー光の高調波発生装置等が使用できる。

【００２５】さて、フライアイレンズ７に入射した照明
光ＩＬＢ（ほぼ平行光束）は、フライアイレンズ７の複
数のレンズエレメントによって分割され、その分割され
た照明光ＩＬＢにより、各レンズエレメントの夫々の射
出側には２次光源像（水銀ランプ１の発光点の像）が形
成される。従って、フライアイレンズ７の射出側にはレ
ンズエレメントの数と同じ数の点光源像が分布し、面光
源像が作られる。フライアイレンズ７の射出側には、面
光源像の大きさを調整するための可変絞り８が設けられ
る。この可変絞り８を通った照明光ＩＬＢ（発散光）
は、ミラー９で反射され、第１リレーレンズ系１０、レ
チクルブラインド１１、第２リレーレンズ系１２を透過
してミラー１３で反射された後、コンデンサーレンズ１
４を介して、レチクルＲを均一な照度分布で照射する。

【００２６】なお、図１では、フライアイレンズ７の射
出側に形成される複数の２次光源像（点光源）のうち、
光軸ＡＸ上に位置する１つの２次光源像からの照明光の
みを代表的に図示してある。また、リレーレンズ系１
０，１２、ミラー９，１３及びコンデンサーレンズ１４
によって、フライアイレンズ７の射出側（２次光源像が
形成される面）はレチクルＲのパターン面に対するフー
リエ変換面になっている。従って、フライアイレンズ７
の複数の２次光源像の夫々から発散してリレーレンズ系
１０に入射した各照明光ＩＬＢは、レチクルＲ上で互い
に僅かずつ入射角が異なる平行光束となって重畳され
る。

【００２７】従って、レチクルＲへの照明光ＩＬＢの入
射角度範囲ψは可変絞り８の開口径によって変化し、可
変絞り８の開口径を小さくして面光源の実質的な面積を
小さくすると、入射角度範囲ψも小さくなる。そのため
可変絞り８は、照明光の空間的コヒーレンシィを調整す
ることになる。その空間的コヒーレンシィの程度を表す
ファクタとして、照明光ＩＬＢの最大入射角ψ／２の正
弦と投影光学系ＰＬのレチクル側の開口数ＮＡｒとの比
（σ値）が用いられている。このσ値は通常、σ＝sin
（ψ／２）／ＮＡｒで定義され、現在稼働中のステッパ
ーの多くは、σが０．５〜０．７程度の範囲で使われて
いる。本実施例では、そのσの値がどのような値であっ
てもよく、極端な場合σ＝０．１〜０．３程度であって
もよい。また、必要に応じ、可変絞り８として、前述の
ＳＨＲＩＮＣ法において用いられる変形光源絞り（光軸
に対して偏心した複数の開口よりなる絞り）や輪帯絞り
を用いてもよい。

【００２８】なお、レチクルブラインド１１は、レチク
ルＲに対して結像関係となっており、レチクルブライン
ド１１の開口形状により、レチクルＲ上の照明領域を制
限することができる。さて、レチクルＲのパターン面に
は通常クロム層等によって所定のレチクルパターンが形
成されているが、本実施例におけるレチクルＲのパター
ン面には、その全面にクロム層が蒸着され、その中にそ
れぞれ微小な矩形開口部（クロム層のない透明部）より
なる複数のコンタクトホールパターンが形成されてい
る。コンタクトホールパターンはウエハＷ上に投影した
とき、０．５μｍ角（又は直径０．５μｍ）以下の寸法
になるように設計されていることもあり、投影光学系Ｐ
Ｌの投影倍率Ｍを考慮してレチクルＲ上での寸法が決め
られている。また、互いに隣接するコンタクトホールパ
ターンの間の寸法は、通常１つのコンタクトホールパタ
ーンの開口部寸法に対してかなり大きくなっているた
め、それらのコンタクトホールパターンは孤立的な微小
パターンとして存在する。即ち、互いに隣接する２つの
コンタクトホールパターンは、それぞれから発生した反
射光（回折、散乱光）が、回折格子のように互いに強く
影響し合うことがない程度に離れていることが多い。と
ころが、かなり接近した配置でコンタクトホールパター
ンを形成したレチクルもあるので、それについては後で
詳しく述べる。

【００２９】図１において、レチクルＲはレチクルステ
ージＲＳＴに保持され、レチクルＲのコンタクトホール
パターンの光学像（光強度分布）は投影光学系ＰＬを介
してウエハＷの表面のフォトレジスト層に結像される。
ここで、図１中のレチクルＲからウエハＷまでの光路
は、結像光束の主光線のみで示す。そして、投影光学系
ＰＬ内のフーリエ変換面（以後、「瞳面」と称する）Ｆ
ＴＰには、位相型（あるいは遮光型）の瞳フィルターＰ
Ｆ１〜ＰＦ３（図３参照）が設けられる。なお、図１で
はその内の瞳フィルターＰＦ１が設置されている場合を
示している。

【００３０】なお、本実施例の投影露光装置において、
瞳フィルターが１個の場合、仮にその投影露光装置が専
らコンタクトホールパターンを露光するために使われる
のであれば、瞳フィルターは投影光学系ＰＬ内に固定し
ておいてもよい。しかしながら、複数台の投影露光装置
によってリソグラフィ工程の露光作業を行う場合、各投
影露光装置の最も効率的な運用を考えると、特定の一台
の投影露光装置をコンタクトホールパターン専用の露光
に割り当てることは好ましいことではない。そのため、
瞳フィルターを投影光学系ＰＬの瞳面（フーリエ変換
面）に対して挿脱自在に設け、コンタクトホールパター
ン以外のレチクルパターンの露光時にも、その投影露光
装置が使えるようにしておくことが望ましい。そのため
本実施例においては、挿脱自在に複数個の瞳フィルター
ＰＦ１〜ＰＦ３を設けている。

【００３１】この瞳フィルターＰＦ１〜ＰＦ３はそれぞ
れ、投影光学系ＰＬの瞳面の最大径（開口数ＮＡに相
当）をカバーする直径を有し、かつ保持部材（ターレッ
ト板、スライダー等）に固定され、交換機構２０によっ
て光路外へ退出したり、光路内に進入したりすることが
できる。なお、投影光学系の種類によっては、その瞳面
の位置（フーリエ変換面ＦＴＰ）に実効的な瞳面の径を
変えるための円形開口絞り（ＮＡ可変絞り）を設けるこ
ともある。この場合、ＮＡ可変絞りと瞳フィルターＰＦ
１〜ＰＦ３とは機械的に干渉しないように、かつできる
だけ接近して配置される。ここで、図１のように、光軸
ＡＸと平行にＺ軸を取り、そのＺ軸に垂直な平面内で図
１の紙面に平行にＸ軸、図１の紙面に垂直にＹ軸を取
る。

【００３２】さて、ウエハＷは、光軸ＡＸと垂直な面内
で２次元移動（以下、「ＸＹ移動」と言う）するととも
に、光軸ＡＸと平行な方向（Ｚ方向）に微動（以下、
「Ｚ移動」と言う）するウエハステージＷＳＴ上に保持
される。ウエハステージＷＳＴのＸＹ移動、Ｚ移動（一
般的な合焦動作及びＦＬＥＸ法でのＺ移動）はステージ
駆動ユニット２２によって行われ、ＸＹ移動に関しては
レーザ干渉計２３による座標計測値に従って制御され、
Ｚ移動に関してはオートフォーカス用のフォーカスセン
サー２４の検出値に従って制御される。ステージ駆動ユ
ニット２２、交換機構２０等は、主制御ユニット２５か
らの指令で動作する。この主制御ユニット２５は、さら
にシャッタ駆動ユニット２６へ指令を送り、ロータリー
シャッター３の開閉を制御するとともに、開口制御ユニ
ット２７へ指令を送り、可変絞り８あるいはレチクルブ
ラインド１１の各開口の大きさを制御する。

【００３３】また、本実施例においては、ＦＬＥＸ法
（ウエハを光軸ＡＸ方向に移動させて多重露光を行う露
光方法）での３回の分割露光の際のＺ方向への移動間隔
を任意に設定できるが、この間隔に関する情報について
も、不図示のコンソール等を介して主制御ユニット２５
へ入力する。主制御ユニット２５は、Ｚ方向への移動間
隔の入力値に従ってウエハステージＷＳＴの設定位置を
ステージ駆動ユニット２２に伝達する。また、主制御ユ
ニット２５は、後に詳述する本実施例による以下の関係
式に従ってＦＬＥＸ法での３回の分割露光のうち、Ｚ方
向の両端の露光での各露光量（＝１とする）に対する中
間位置での露光量比β１を求め、この露光量比β１と、
やはり不図示のコンソール等より入力された全露光時間
とより、３回の分割露光の際の各シャッター開閉時間を
算出し、この時間を基に開閉信号をシャッタ駆動ユニッ
ト２６へ伝達する。

【００３４】 β１＝−２．１４α²＋７．３７α−５．１５（４）但し、αは間隔ファクタ（後述）である。あるいは逆
に、コンソール等より３回の分割露光の比率（上記の露
光量比β１）を入力し、（４）式に基づいて上記間隔フ
ァクタαを求めても構わない。また、より厳密な露光量
の制御のために、不図示の露光量モニター（照度計）を
照明光学系内に設け、この検出値を上記シャッター開閉
時間にフィードバックしても良い。同時に上記のコンソ
ール等より入力する全露光時間については、時間でなく
露光エネルギー（照度×露光時間）で入力してもよい。

【００３５】また、主制御ユニット２５は、レチクルス
テージＲＳＴへのレチクルの搬送路中に設けられたバー
コードリーダ２８が読み取ったレチクル名を入力できる
ようになっている。従って主制御ユニット２５は、入力
されたレチクル名に応じて交換機構２０の動作、開口駆
動ユニット２７の動作等を統括的に制御し、可変絞り
８、レチクルブラインド１１の各開口寸法、及び瞳フィ
ルターの要、不要（さらには最適な瞳フィルターの選
択）を、そのレチクルに合わせて自動的に調整する。さ
らには３回の分割露光の上記間隔ファクタα及び露光量
比β１を、読み取ったレチクル名に応じて自動決定して
もよい。

【００３６】ここで図１中の投影光学系ＰＬの一部の構
造を、図２を参照して説明する。図２は全て屈折性硝材
で作られた投影光学系ＰＬの断面の一部を拡大したもの
であり、前群のレンズ系の最下部のレンズＧＡ１と後群
のレンズ系の最上部のレンズＧＢ１との間の空間中にフ
ーリエ変換面（瞳面）ＦＴＰが存在する。投影光学系Ｐ
Ｌにおいては、複数枚のレンズが鏡筒ＭＷで保持されて
いるが、本実施例では瞳フィルターＰＦの交換（保持部
材３０をＸＹ軸に平行に回転して行う）のために、鏡筒
ＭＷの一部に開口部ＭＷＡを設ける。また、複数個の瞳
フィルターＰＦ１〜ＰＦ３を保持する保持部材３０、及
び駆動軸３０Ａの全部、又は一部を、外気に直接露出さ
せないようなカバー２０Ｂを鏡筒ＭＷの開口部ＭＷＡか
ら延設する。このカバー２０Ｂは外気に浮遊する微小な
ダストが投影光学系ＰＬの瞳空間内に進入するのを防
ぐ。

【００３７】また、交換機構２０（図１参照）には回転
モータ等のアクチュエータ２０Ａが備えられており、保
持部材３０の回転により、瞳フィルターＰＦ１〜ＰＦ３
が交互に投影光学系ＰＬの瞳面ＦＴＰに配置される。さ
らに、鏡筒ＭＷの一部には、瞳空間に連通する流路Ａｆ
が設けられ、パイプ２９を介して、温度制御されたクリ
ーンエアが瞳空間へ供給される。これにより、瞳フィル
ターＰＦの露光光の吸収による温度上昇、及び瞳空間全
体の温度上昇が抑えられる。なお、交換機構２０、保持
部材３０等で発生した塵埃が瞳空間内に進入するのを防
止するため、前記流路Ａｆから瞳空間へ強制的に供給さ
れたクリーンエアを、交換機構２０、アクチュエータ２
０Ａを介して強制的に排出するようにしてもよい。

【００３８】図３は、図２中の保持部材３０に搭載され
た瞳フィルターＰＦ１〜ＰＦ３の具体的な構成を示し、
ターレット状の円板に３個の瞳フィルターＰＦ１〜ＰＦ
３が等角度間隔で固定されている。この３個の瞳フィル
ターＰＦ１〜ＰＦ３はいずれも投影光学系ＰＬの瞳面の
最大径をカバーする直径を有しており、前述したＮＡ可
変絞りの開口径に依らず、瞳面ＦＴＰ内に分布する結像
光は、必ず瞳フィルターＰＦ１〜ＰＦ３の内何れか一つ
の瞳フィルターを透過することになる。ここで瞳フィル
ターＰＦ３は、瞳フィルターを用いない通常の露光（Ｓ
ＨＲＩＮＣ法や輪帯照明法も含む）を行う場合に瞳面Ｆ
ＴＰに配置されるものであり、瞳フィルターＰＦ１，Ｐ
Ｆ２とほぼ等しい厚さ（光学的厚さ）を有する透明な平
行平面板（例えば石英基板）である。この瞳フィルター
ＰＦ３は、投影光学系ＰＬの結像特性（収差）の変動を
極力抑えるため使用される。

【００３９】また、瞳フィルターＰＦ１，ＰＦ２は、位
相型の瞳フィルターであり、石英等の透明基板の中心の
円形領域（斜線部）に所定の膜厚で位相シフター（例え
ばＳＯＧ）を被着して形成される。従って、瞳フィルタ
ーＰＦ１，ＰＦ２では共に、その中心の円形透過部（位
相シフト部）を透過する光の振幅（円形透過部の透過率
ｔ１）と、その外側（基板裸面部）を透過する光の振幅
（基板裸面部の透過率ｔ２）とが異なっている。このと
き、円形透過部の透過光と基板裸面部の透過光との間に
（２ｍ＋１）π［ｒａｄ］（但し、ｍは整数）の位相差
を与えるように、位相シフターの膜厚を調整しておく。

【００４０】ところで、瞳フィルターＰＦ１，ＰＦ２の
中心部の振幅透過率をｔ１、周辺部の振幅透過率をｔ２
とすると、それら振幅透過率の比ｔ（＝ｔ１／ｔ２）が
０の瞳フィルターは、「遮光型瞳フィルター」に相当
し、これは金属等の遮光部材（薄板）の周辺部をくり抜
く等により作成することもできる。コンタクトホールパ
ターン用の瞳フィルターとしてこの様な「遮光型」を使
用する場合には、上記の通常露光用瞳フィルターＰＦ３
としては、単なる開口を有する板を使用すれば良い。

【００４１】ところで、本実施例では瞳フィルターＰＦ
１とＰＦ２とで、それぞれの円形透過部の半径ｒ１とｒ
３とを異ならしめると共に、それぞれの円形透過部の振
幅透過率を互いに異ならせるものとする。これは、本実
施例による瞳フィルターでは投影光学系ＰＬの開口数
（瞳面の径）に応じて円形透過部の半径、及び円形透過
部の振幅透過率ｔ１とその外側の振幅透過率ｔ２との比
ｔ（＝ｔ１／ｔ２）（即ち本実施例では、円形透過部に
位相シフターを被着してその比ｔを決定することから、
ここではその比ｔは円形透過部の振幅透過率ｔ１に相当
する）の少なくとも一方の最適値が変化するためであ
る。そこで、前述の如きＮＡ可変絞りによって投影光学
系ＰＬの開口数ＮＡが可変となっている投影露光装置に
おいて、２通りの開口数ＮＡの値に対してそれぞれ最適
な瞳フィルターを用いるため、互いに形成条件が異なる
２つの瞳フィルターを搭載した。従って、３通り以上の
開口数ＮＡに対してそれぞれ円形透過部の半径、振幅透
過率の最適化を行う、即ち最適な瞳フィルターを用いる
ことができるように、保持部材３０の構造を変更して、
３種類以上の瞳フィルターを設けるようにしてもよい。

【００４２】図４は、位相型の瞳フィルターＰＦ１の構
成を示す拡大平面図である。瞳フィルターＰＦ１の中心
は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと一致しているものとす
る。図４において、瞳フィルターＰＦ１には、光軸ＡＸ
を中心とし、半径ｒ１の円形の位相シフターＰＳが被着
されている。ここで、位相シフターＰＳが占める領域を
領域ＦＡとし、瞳フィルターＰＦ１上の領域ＦＡ以外の
領域を領域ＦＢとする。領域ＦＢを透過する光の振幅を
＋１．０（基準）とした場合、位相シフターＰＳによ
り、領域ＦＡを透過する透過光の振幅がｔ（−１≦ｔ≦
０の実数）となるようにする。即ち、位相シフターＰＳ
は、透過光の位相を反転させるとともに、ある程度の減
光作用を有する。この減光作用は、例えば位相シフター
ＰＳ自身を吸光性の材質で形成することによっても得ら
れるが、例えば位相シフターＰＳを薄い金属膜（所定の
透過率を持ち、光が一部透過する）と透光性の位相シフ
ターとの２層膜等により形成しても良い。なお、瞳フィ
ルターＰＦ１の半径ｒ２は投影光学系ＰＬの最大開口数
（即ち瞳面の最大径）に対応している。但し、半径ｒ２
以上の領域では投影光学系ＰＬ中に設けられたＮＡ可変
絞りによって結像光が遮光されるため、実際には瞳フィ
ルターＰＦ１の半径ｒ２が瞳面の最大径より大きくても
全く問題ない。

【００４３】さて、本実施例では前述の位相型瞳フィル
ターと従来のＦＬＥＸ法とを併用することで、十分な焦
点深度や露光量マージンを確保しつつリンギングを小さ
くしようとするものである。そこで本実施例では、図１
中のウエハＷを保持するウエハステージＷＳＴに、従来
のＦＬＥＸ法の機能、即ち３回の各分割露光の間にウエ
ハＷを光軸ＡＸ方向に移動させる機能をもたせている。

【００４４】以上のような構成において、本件発明者が
膨大なシミュレーションを行った結果、図４の瞳フィル
ターＰＦ１では領域ＦＡの半径ｒ１と瞳フィルターＰＦ
１の半径ｒ２とは、振幅透過率ｔ１（−１≦ｔ１≦０の
実数）、即ち領域ＦＢ（基板裸面部）の振幅透過率ｔ２
に対する円形透過部の振幅透過率ｔ１の比ｔ（ｔ１／ｔ
２）を用いて下記（５）式による関係を満足するように
定めると良いことが分かった。

【００４５】ｒ１＝（０．３４＋０．１２ｔ）×ｒ２（５）これが、瞳フィルターＰＦ１を用いて、十分な焦点深
度、露光量マージンを確保しつつリンギングを極めて小
さくするための最適解である。なお、半径ｒ２は投影光
学系ＰＬの開口数ＮＡに比例する瞳面ＦＴＰの半径（最
大径、又はＮＡ可変絞りで規定される半径）でもある。
ここで、領域ＦＢの振幅透過率ｔ２は固定値（＝１）で
あるから、半径ｒ１と振幅透過率ｔ１とを制御して上記
関係を満たすようにする。なお上式中でｔ＝０は、中心
近傍（光軸近傍）が遮光された遮光型フィルターを示し
ている。

【００４６】また、前述のＮＡ可変絞りによって投影光
学系ＰＬの開口数を変更する場合には、上記関係式中の
瞳面半径ｒ２の値が変化することになるから、変更後の
開口数に最適な半径ｒ１と振幅透過率ｔ１との少なくと
も一方の値が異なる瞳フィルターに交換する必要があ
る。但し、実際には半径ｒ１が上式により得られる値の
±１５％程度の範囲内であれば、実用上十分な性能を得
ることができる。即ち、図４の瞳フィルターＰＦ１では
下記（６）式を満足するように、半径ｒ１と振幅透過率
ｔ１とを決定するようにしてもよい。

【００４７】 0.85×(0.34+0.12t)×r2≦r1≦1.15×(0.34+0.12t)×r2 （６）従って、ＮＡ可変絞りによる投影光学系ＰＬの開口数の
変化量が±１５％程度の範囲内であれば、瞳フィルター
を交換せずにそのまま使用することもできる。さらに、
照明光ＩＬＢ（露光光）の波長をλ、投影光学系ＰＬの
ウエハＷ側の開口数をＮＡとすると、ＦＬＥＸ法の３回
の分割露光位置の光軸方向に関しての相互間隔（即ちウ
エハＷの１回の露光当たりのＺ方向への移動量）ｄを次
の範囲内に設定する。このため、先ず次式で定まる規格
化単位Ｕを導入する。

【００４８】Ｕ＝λ／［２×｛１−（１−ＮＡ²)^1/2｝］（７）但し、λは露光波長であり、ＮＡは投影光学系ＰＬのウ
エハ側の開口数である。そして、相互間隔ｄを規格化単
位Ｕで除して得られる間隔ファクタαを導入し、この間
隔ファクタαが、次の範囲内になるように相互間隔ｄを
設定する。

【００４９】１＜α＜２，即ち１＜ｄ／Ｕ＜２（８）また、光軸方向の両端での露光量を共に１（基準露光
量）とした場合、その光軸方向の中間位置での最適な露
光量β１（それら両端における露光量に対する比）は、
下記（９）式に、先に得られた間隔ファクタαの値を代
入することにより得られる。なお、光軸方向の両端での
露光量は正確に等しくする必要はなく、例えば±５％程
度のばらつきがあってもよい。このようなばらつきがあ
る場合の基準露光量としては、それら両端での露光量の
平均値を使用すればよい。

【００５０】 β１＝−２．１４α²＋７．３７α−５．１５（９）この（９）式も、十分な焦点深度、露光量マージンを確
保しつつ、リンギングを極めて小さくするという条件下
で、本件発明者のシミュレーションによって求められた
最適値である。なお、適正な露光量βはこのβ１の値と
厳密に一致する必要はなく、このβ１の値の±５％程度
の範囲であれば実用上充分な性能を得ることができる。
即ち、その中間位置での適正露光量βの範囲は次の通り
である。

【００５１】０．９５β１≦β≦１．０５β１（１０）ところで、前述したウエハＷの移動に際しては、ウエハ
ステージＷＳＴ内部のウエハ移動機構にエンコーダ等の
位置測定器を設けて、その測定値を基にウエハステージ
ＷＳＴの移動を制御してもよく、あるいは図１中のフォ
ーカスセンサー２４等の検出値を基にウエハステージＷ
ＳＴを制御してもよい。また、露光中にウエハＷの代わ
りにレチクルＲを移動するようにしてもよいが、この場
合は投影光学系ＰＬの縦倍率（＝横倍率の二乗）だけ移
動量を大きくする必要がある。即ち、例えば投影光学系
がウエハからレチクルに対して５倍系（１／５縮小露
光）であれば、レチクルＲの移動量はウエハＷの移動量
の２５倍となる。なお、投影光学系ＰＬを構成する少な
くとも一部の光学素子を移動する、またはレチクルＲに
照射する照明光ＩＬＢの波長を僅かに変えて、投影光学
系ＰＬの結像面を光軸方向にシフトさせるように構成し
てもよい。このとき、結像面のシフト量は前述したウエ
ハＷの移動量と同程度とする。

【００５２】次に、本実施例（図４）の位相型の瞳フィ
ルターＰＦ１とＦＬＥＸ法とを併用してシミュレーショ
ンした結果を基に、本実施例の効果について説明する。
図５は、図４中の円形透過部（領域ＦＡ）の振幅透過率
ｔ１を−１（但し、ｔ２＝＋１．０）として、（５）式
より半径ｒ１を０．２２×ｒ２（ｒ２は投影光学系ＰＬ
の開口数ＮＡに相当する瞳面半径）に設定したときの、
ウエハ上で０．３μｍ角のコンタクトホールパターンの
光学像のシミュレーション結果（断面強度分布）を示
す。ここで、露光条件として照明光ＩＬＢの波長をｉ線
の０．３６５μｍとし、投影光学系ＰＬの（ウエハＷ
側）開口数ＮＡを０．５７とし、照明光学系のσ値を
０．６とした。また、光軸方向（Ｚ方向）に離散的な３
つの位置の各々で分割露光を行うＦＬＥＸ法を併用し、
そのＺ方向の３つの位置の相互間隔ｄはそれぞれ２．０
μｍとした。

【００５３】この相互間隔ｄ（＝２．０μｍ）と、露光
波長（照明光ＩＬＢの波長）λと、投影光学系ＰＬの
（ウエハＷ側）開口数ＮＡとで定まる（７）式の規格化
単位Ｕ（Ｕ＝λ／［２×｛１−（１−ＮＡ²)^1/2 ｝］と
の比である間隔ファクタα（ｄ／Ｕ）は次にようにな
る。 α＝2.0/(0.365/(2×(1-(1-0.57²)^1/2))=1.95 （１１）従って、上記の（９）式にこのαの値を当てはめると、
β１＝１．０８が得られる。即ち、このときのＦＬＥＸ
法のＺ方向への相互間隔に対しては、３回の分割露光の
内の中間点位置での露光量は、両端位置での各露光量の
１．０８倍が最適な量であることを表している。

【００５４】図５に示したシミュレーション結果は、上
記の計算結果に基づく露光量の配分により得られたもの
である。即ちシミュレーション上では、ベストフォーカ
ス位置を２．０μｍずつずらした３つの光学像を、露光
量の比に応じた重みをかけて加算（強度合成）してあ
る。なお図５中のレベルＥｔｈは、ポジ型フォトレジス
トが完全に感光（現像後、完全に除去される）されるの
に必要な露光量を表している。即ち、レベルＥｔｈでの
光学像のスライス幅が、現像後のフォトレジストのコン
タクトホールパターンのボトム径に対応する。図５中の
実線はベストフォーカス位置での、一点鎖線は±１μｍ
デフォーカス位置での、二点鎖線は±２μｍデフォーカ
ス位置でのウエハＷ上の光学像をそれぞれ表すが、本実
施例においては、コンタクトホールパターン像の焦点深
度が極めて深いため、３つの像の間にはほとんど変化が
無い。なお、これらの光学像のゲインは、ベストフォー
カス位置でのレベルＥｔｈでのスライス幅が、０．３μ
ｍ（設計値）となるように設定した。

【００５５】ところで、このレベルＥｔｈでのスライス
幅（レジスト像のコンタクトホールパターンのボトム径
に対応）は、デフォーカスによる光学像の変化に応じて
変化する量である。図６は図５の実験に基づくデフォー
カスとレベルＥｔｈでの光学像のスライス幅との関係を
示すが、本実施例においては、デフォーカスによる光学
像の変化が極めて小さいため、レベルＥｔｈでのスライ
ス幅も±１．２５μｍ程度のデフォーカス範囲でほとん
ど変化しない。従って、このような条件で実際に露光を
行うと、約２．５μｍの焦点深度（コンタクトホールボ
トム径の設計値からのずれにより定まる）が得られるこ
とになるが、実際の半導体集積回路の露光転写に必要な
焦点深度は１．６μｍ程度であり、従って上記の条件
（特にＦＬＥＸ法の間隔）で露光転写すると、必要以上
に大きな焦点深度が得られる。

【００５６】一方、光学像のレベルＥｔｈでのスライス
幅を０．３μｍとするための上記ゲインは、２０．３
（完全な素ガラスレチクルを使用してウエハ上のポジ型
フォトレジストを完全に感光させるのに必要な露光量の
２０．３倍）が必要であるとなっており、上記の条件で
は、露光時間の増大、さらにはスループット（処理能
力）の低下を招く恐れがある。なお、前出の特願平５−
１７５１６５号において提案された方法によれば、上記
の露光波長及び開口数ＮＡ等の条件下では、３回分割露
光（各露光の露光量は等しい）間の最適なＺ方向の相互
間隔は、２．０５μｍとされているので、上記結果とほ
ぼ同様に、必要以上に大きな焦点深度が得られ、長い露
光時間が必要となる。

【００５７】図７も同様に、本実施例によるレベルＥｔ
ｈでのスライス幅と、デフォーカスとの関係を示すが、
ここでの露光条件は、ＦＬＥＸ法の３回の分割露光位置
のＺ方向の相互間隔を１．７μｍとし、露光量比（β
１）をそれに応じて次のようにしたものである。 α＝1.7/(0.365/(2×(1-(1-0.57²)^1/2))=1.66 β１＝−２．１４α²＋７．３７α−５．１５＝１．１
８これ以外は、図５、図６の条件と同一である。図７の結
果も、本実施例に従ってＦＬＥＸ法のＺ方向への相互間
隔に応じて各分割露光での露光量比を最適化したため、
±０．８μｍ程度のデフォーカス範囲にわたって、一定
したレベルＥｔｈでのスライス幅が得られている。従っ
て、約１．６μｍの必要かつ十分な焦点深度が得られる
こととなり、また、光学像のゲインも１７．２となり、
即ち、必要な露光量も図６の場合より少なくて済み、ス
ループットも向上する。

【００５８】図８は、さらにＦＬＥＸ法のＺ方向への相
互間隔を狭め、１．２μｍとした場合のレベルＥｔｈで
のスライス幅と、デフォーカスとの関係を示す。このと
きの露光量比（β１）は、上記（９）式より、β１＝
０．５５とした。他の条件は図５、図６、図７での条件
と同一である。図８の結果では、±０．７μｍ程度のデ
フォーカス範囲にわたって、一定したレベルＥｔｈでの
スライス幅が得られており、約１．４μｍの焦点深度が
得られることとなる。光学像のゲインは１４．９となる
ため、必要な露光量はさらに減少し、スループットの向
上度合いも大きい。但し、約１．４μｍの焦点深度は、
実際の半導体集積回路の露光転写には少々小さいが、前
半の露光工程（ウエハ上にあまり大きな段差は形成され
ていない）であれば十分に実用になる値である。本実施
例によれば、このように工程に応じて（必要な焦点深度
に応じて）、ＦＬＥＸ法のＺ方向への相互間隔を可変と
することができる。

【００５９】図９は上述実施例と同様の位相型の瞳フィ
ルターを使用し、各分割露光での露光量が等しいＦＬＥ
Ｘ法を併用し、かつ各分割露光位置のＺ方向への相互間
隔を１．７μｍとした場合の、レベルＥｔｈでのスライ
ス幅とデフォーカスとの関係を示すが、１．０μｍのデ
フォーカス位置近傍でレベルＥｔｈでのスライス幅が設
計値（＝０．３μｍ）よりかなり大きくなり、即ちデフ
ォーカスに伴うコンタクトホールボトム径の変化が大き
く、実際の半導体集積回路の露光転写に使用することは
難しい。

【００６０】以上の例では瞳フィルターとして、図４中
の円形透過部（領域ＦＡ）の半径ｒ１をｒ１＝０．２２
×ｒ２、振幅透過率ｔ１をｔ１＝−１．０（但し、ｔ２
＝＋１．０）としたが、使用する瞳フィルターはこのよ
うな条件に限定されるものではなく、（６）式の関係を
満たす瞳フィルターであれば、上記効果とほぼ同じ効果
を得ることができる。

【００６１】図１０、図１１、及び図１２は、それぞれ
（（５）式の振幅透過率の比ｔ，ｒ１／ｒ２）が、（−
０．６６，０．０２６）、（−０．３３，０．３０）、
及び（０，０．３４）である瞳フィルターを用いた場合
の、レベルＥｔｈでのスライス幅とデフォーカスとの関
係を示す。このときのＦＬＥＸ法の各分割露光位置（３
点）のＺ方向への相互間隔は、図７の例と同様に１．７
μｍとし、最適な露光量β１の値も同様に１．１８とし
た。いずれの条件の瞳フィルターでも図７と同様に１．
６μｍ程度の焦点深度が得られることが分かる。もちろ
んＦＬＥＸ法のＺ方向への相互間隔を１．７μｍ以外の
値にしても、本実施例の条件式に従って露光量β１の値
を決定すれば、図６、図８の結果等と同様に、デフォー
カスに対してレベルＥｔｈでのスライス幅の変化しない
良好な結像特性を得ることができる。

【００６２】ところで、露光転写すべきコンタクトホー
ルパターンの中には、上記の如き孤立的なパターンのみ
でなく、複数個のコンタクトホールパターンが比較的近
接して並ぶパターンもある。図１４（Ａ）は、図１３
（Ａ）に示すようにウエハ上換算で０．３μｍ角の２個
のコンタクトホールが中心間距離で０．７５μｍ（ウエ
ハ上換算値）だけ離れて並んだパターンの像のＡ−Ａ’
断面での像強度分布を示している。図１４（Ｂ）は、図
１３（Ｂ）に示すようにウエハ上換算で０．３０μｍ角
の２個のコンタクトホールが、中心間距離で１．０５μ
ｍ（ウエハ上換算値）だけ離れて並んだパターンの像の
Ｂ−Ｂ’断面での像強度分布を示している。このときの
各条件は、図５に示したものと同一の条件である。

【００６３】図１４（Ａ）、（Ｂ）に示した通り本実施
例の露光方法を用いれば、極めて近接したコンタクトホ
ールパターンに対しても、大きな焦点深度が得られ、さ
らに両コンタクトホール間に不要な転写（明ピーク）が
生じないという利点がある。これは、もちろん本実施例
による他の条件の瞳フィルターを使用し、他のＦＬＥＸ
法の間隔を使用してもほとんど同様に得られる効果であ
る。

【００６４】図１５は比較のために従来の通常露光での
シミュレーション結果（光学像）を示したものであり、
図１５（Ａ）は図１３（Ａ）のパターンの光学像、図１
５（Ｂ）は図１３（Ｂ）のパターンの光学像を示してい
る。図１５（Ａ）、（Ｂ）では、本発明による位相型瞳
フィルターとＦＬＥＸ法との併用方式を採らないため、
共に±１μｍのデフォーカス位置での像（一点鎖線）は
ベストフォーカス位置での像（実線）に比べて大きく劣
化している。従って、通常の結像方法では十分な焦点深
度が得られないことが分かる。

【００６５】図１６も比較のために、従来の通常露光
（瞳フィルター不使用）にＦＬＥＸ法を適用した場合で
のシミュレーション結果を示したものである。図１６で
のＦＬＥＸ法の条件は、離散的な３点の各々で露光を行
うものとし、かつ各Ｚ方向への相互間隔は共に１．５μ
ｍとした。図１６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、通常露
光とＦＬＥＸ法の併用でも±１μｍのデフォーカス位置
での像（一点鎖線）をベストフォーカス位置での像（実
線）に近づけること、即ち焦点深度を増大することは可
能ではある。しかしながら、図１３（Ｂ）の如きある程
度離れて並ぶ複数のコンタクトホールパターンの像（図
１６（Ｂ））では両コンタクトホールは完全に分離する
が、それよりも近接した図１３（Ａ）のコンタクトホー
ルパターンの像（図１６（Ａ））では両コンタクトホー
ルの分離が十分でなく、両コンタクトホールがつながっ
て形成されてしまう恐れがある。これは、図１６（Ａ）
中のコンタクトホール間の像強度がＥｔｈ／２に近づい
ているためである。なお、図５〜図１７中のＥｔｈ／２
は、ポジ型フォトレジストで膜べりが生じ始める露光量
にほぼ対応している。従って、単なるＦＬＥＸ法では、
両コンタクトホールの中間のフォトレジストが膜べりを
起こしてしまう可能性がある。これに対して、前述の本
実施例による像（図５〜図８、図１０〜図１２）では両
コンタクトホールの中間部の光量は十分に小さく膜べり
の心配は全くない。

【００６６】次に図１７は、従来の２重焦点型瞳フィル
ター（位相差型瞳フィルター）のみを使用した場合での
シミュレーション結果を示す。この実験では、シミュレ
ーション条件（ＮＡ、λ、σ）は全て前記の条件と同一
とし、瞳フィルターとしては上述実施例とは異なる条件
の位相差型フィルターを用いた。その位相差型フィルタ
ーの中央部の半径ｒ１を０．４×ｒ３、振幅透過率ｔ１
を−１．０とした。また、使用するパターンは図１３
（Ｂ）に示したある程度離れて２個並ぶコンタクトホー
ルパターンとした。また、図１７（Ａ）はＦＬＥＸ法を
併用しない場合での光学像を示し、図１７（Ｂ）はこの
条件に対して最適化した間隔（３．５μｍ）だけ離れ
た、離散的な２点の各々で露光を行うＦＬＥＸ法を併用
した場合の光学像を示している。

【００６７】図１７で用いた瞳フィルターは、従来提案
されている２重焦点効果（焦点深度拡大効果）が比較的
強い瞳フィルターである。このため、ＦＬＥＸ法を併用
しなくても、図１７（Ａ）に示すようにベストフォーカ
ス位置での像（実線）と±１μｍのデフォーカス位置で
の像（一点鎖線）とがほぼ重なっており、大きな焦点深
度を得ることができる。しかしながら、リンギング（本
来のコンタクトホール像の周囲に生じるサブピーク）は
非常に大きくなっており、両コンタクトホールのリンギ
ングがその中間で加算されて極めて明るいゴースト像を
作り出してしまう。このため、両コンタクトホール間に
不要なコンタクトホールパターンが転写されることにな
り、このような瞳フィルターは実際には使用することが
できない。また、図１７（Ｂ）の如くＦＬＥＸ法を併用
しても、リンギングは多少低減するものの依然大きく、
実際に使用できるものにはならない。

【００６８】これに対して上述実施例においては、瞳フ
ィルター自身としては焦点拡大効果のあまりない瞳フィ
ルター（ｒ１／ｒ２または−ｔ１／ｔ２が比較的小さ
い）を使用するようにし、瞳フィルターの条件と、それ
と併用するＦＬＥＸ法の条件とを最適化したため、既に
図５〜図８、図１０〜図１２、及び図１４に示した通り
十分大きな焦点深度を持ちつつリンギングも十分に小さ
く、かつ近接したコンタクトホール間の分離能力も高い
といった、極めて優れた投影露光装置を実現することが
できる。

【００６９】また、前述の実施例（シミュレーション）
では、レチクル上のコンタクトホールパターンとしてウ
エハ上換算で０．３μｍ角（又は径）のパターン、即ち
１／５縮小系ならレチクル上では１．５μｍ角（又は
径）を、ウエハ上で０．３μｍ角に転写するものとした
が、レチクルパターンのサイズは必ずしもウエハ上換算
で所望のサイズでなくてもよい。例えば、ウエハ上換算
で０．４μｍ角となるレチクル上の２μｍ角のコンタク
トホールパターンがウエハ上で０．３μｍ角となるよう
に、露光量を調整して転写してもよい。

【００７０】もちろん、本実施例による投影露光方法
は、０．３μｍ角のコンタクトホールに対してのみ最適
化されているわけではないので、任意の大きさのコンタ
クトホールパターンを十分な焦点深度及び露光量マージ
ン等をもって露光することが可能である。また、実施例
に示した条件は露光波長（照明光波長）が０．３６５μ
ｍ、投影光学系の開口数が０．５７としたが、この値に
ついても任意のものでよく、例えば、光源としてＫｒＦ
エキシマレーザー光源（発信波長０．２４８μｍ）を使
用してもよい。

【００７１】さらに本発明による投影光学装置に、例え
ば特開平４−１３６８５４号公報、特開平４−１６２０
３９号公報に開示された、いわゆるハーフトーン型位相
シフトレチクルやエッジ強調型位相シフトレチクル等を
併用して露光を行うようにしてもよい。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。

【００７２】

【発明の効果】本発明の投影露光方法により、３回の分
割露光を行うＦＬＥＸ法の併用を前提として最適化され
た位相型又は中心遮光型の瞳フィルターが使用されるの
で、コンタクトホールパターン等の孤立的なパターンに
対して焦点深度や露光量祐度が増大する利点がある。ま
た、コンタクトホールパターンの転写に際して十分な焦
点深度が得られるのみでなく、近接して並ぶ複数の孤立
的なパターンの分離能力（解像度）が高く、且つ或る程
度離れて並ぶ孤立的なパターン間に不要な誤転写を生じ
ない、即ちリンギングが小さい利点がある。更に、得ら
れる焦点深度が、露光波長や投影光学系の開口数によっ
て一義的に決定されない。

【００７３】従って、併用するＦＬＥＸ法の各分割露光
位置の光軸方向への間隔を、必要な焦点頻度に応じて、
任意の値に設定することが可能であり、かつ各分割露光
での各露光量の比を光軸方向への間隔に応じて設定する
ため、どのような間隔に対しても、転写されるコンタク
トホールパターンのボトム径が、光軸方向の位置に対し
て一定であるような露光条件が実現され、即ち十分に広
い焦点深度を得ることができる。特に（１）式が成立す
る場合には、その位相型又は中心遮光型の瞳フィルター
が最適化されるため、特に比較的近接した複数の孤立的
パターン間の誤転写が低減する。

【００７４】また、光軸方向の間隔ｄを基準となる間隔
Ｕのα倍（１＜α＜２）に設定すると、特に焦点深度が
深くなり、且つ中間での露光量の割合を（−２．１４α
²＋７．３７α−５．１５）の±５％の範囲内の値に設
定すると、リンギングが特に減少する。また、本発明の
投影露光装置によれば、上述の投影露光方法がそのまま
実施できる利点がある。

【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】図１の投影光学系の断面の一部を示す拡大断面
図である。

【図３】図２中の保持部材３０に搭載された瞳フィルタ
ーＰＦ１〜ＰＦ３の具体的な構成を示す拡大平面図であ
る。

【図４】図３中の位相型の瞳フィルターＰＦ１の構成を
示す図である。

【図５】図４中の瞳フィルターＰＦ１の円形透過部ＦＡ
の半径ｒ１とｒ２との比（ｒ１／ｒ２）が０．２２及び
振幅透過率ｔ１が−１．０の場合の、ウエハ上のコンタ
クトホールパターンの光学像のシミュレーション結果
（断面強度分布）を示す図である。

【図６】図５のシミュレーション結果に基づくレベルＥ
ｔｈでのスライス幅とデフォーカスとの関係を示す図で
ある。

【図７】図４中の瞳フィルターＰＦ１の円形透過部ＦＡ
の半径ｒ１とｒ２との比（ｒ１／ｒ２）及び振幅透過率
ｔ１を図５の例と同じ条件とし、ＦＬＥＸ法の露光位置
の間隔だけを変えて露光転写した場合の、レベルＥｔｈ
でのスライス幅とデフォーカスとの関係を示す図であ
る。

【図８】図７の例とはＦＬＥＸ法の露光位置の間隔だけ
変え、後は同一の条件で露光転写を行ったシミュレーシ
ョン結果において、レベルＥｔｈでのスライス幅とデフ
ォーカスとの関係を示す図である。

【図９】図４と同様な瞳フィルターを使用し、各分割露
光での露光量が等しいＦＬＥＸ法を併用して露光転写し
た場合のシミュレーション結果において、レベルＥｔｈ
でのスライス幅とデフォーカスとの関係を示す図であ
る。

【図１０】図４中の瞳フィルターＰＦ１の円形透過部Ｆ
Ａの半径ｒ１とｒ２との比（ｒ１／ｒ２）が０．２６及
び振幅透過率ｔ１が−０．６で且つＦＬＥＸ法の露光位
置の間隔を図７の例と同一にして露光転写した場合のシ
ミュレーション結果において、レベルＥｔｈでのスライ
ス幅とデフォーカスとの関係を示す図である。

【図１１】図４中の瞳フィルターＰＦ１の円形透過部Ｆ
Ａの半径ｒ１とｒ２との比（ｒ１／ｒ２）が０．３０及
び振幅透過率ｔ１が−０．３３で且つＦＬＥＸ法の露光
位置の間隔を図７の例と同一にして露光転写した場合の
シミュレーション結果において、レベルＥｔｈでのスラ
イス幅とデフォーカスとの関係を示す図である。

【図１２】図４中の瞳フィルターＰＦ１の円形透過部Ｆ
Ａの半径ｒ１とｒ２の比（ｒ１／ｒ２）が０．３４及び
振幅透過率ｔ１が０で且つＦＬＥＸ法の露光位置の間隔
を図７の例と同一にして露光転写した場合のシミュレー
ション結果において、レベルＥｔｈでのスライス幅とデ
フォーカスとの関係を示す図である。

【図１３】（Ａ）はウエハ上換算で０．７５μｍ離れた
２個のコンタクトホールパターンを示す図、（Ｂ）はウ
エハ上換算で１．０５μｍ離れた２個のコンタクトホー
ルパターンを示す図である。

【図１４】（Ａ）は図５の例の露光条件と同一の露光条
件で図１３（Ａ）のコンタクトホールパターンをウエハ
上に露光転写した場合の、ウエハ上の光学像のシミュレ
ーション結果（断面強度分布）を示す図、（Ｂ）は図５
の例の露光条件と同一の露光条件で図１３（Ｂ）のコン
タクトホールパターンをウエハ上に露光転写した場合
の、ウエハ上の光学像のシミュレーション結果（断面強
度分布）を示す図である。

【図１５】従来の通常露光方法により図１３のコンタク
トホールパターンをウエハ上に露光転写した場合の、ウ
エハ上の光学像のシミュレーション結果（断面強度分
布）を示す図である。

【図１６】従来の通常露光方法とＦＬＥＸ法とを併用し
て図１３のコンタクトホールパターンをウエハ上に露光
転写した場合の、ウエハ上の光学像のシミュレーション
結果（断面強度分布）を示す図である。

【図１７】（Ａ）は従来の２重焦点型瞳フィルター（位
相差型瞳フィルター）のみを使用し、その他の光学条件
（ＮＡ、λ、σ）は図５と同一条件で、図１３Ｂのコン
タクトホールパターンをウエハ上に露光転写した場合
の、ウエハ上の光学像のシミュレーション結果（断面強
度分布）を示す図、（Ｂ）は、ＦＬＥＸ法を併用した場
合の光学像のシミュレーション結果を示す図である。

【符号の説明】

１水銀ランプ２楕円鏡３ロータリーシャッター４コリメーターレンズ５短波長カットフィルター６干渉フィルター７フライアイレンズ８可変絞り９ミラー１０，１２集光レンズ系１１レチクルブラインド１３ミラー１４コンデンサーレンズＲレチクルＰＬ投影光学系ＦＴＰ瞳面ＰＦ１，ＰＦ２，ＰＦ３瞳フィルターＷウエハＷＳＴウエハステージ２５主制御ユニット３０保持部材

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
露光用の照明光で照明し、前記マスクのパターンの像を
投影光学系を介して感光性の基板上に結像投影する投影
露光方法において、前記投影光学系によるフーリエ変換面、又は該フーリエ
変換面の近傍の面で前記照明光が通過できる前記投影光
学系の光軸を中心とする円形領域の半径をｒ２として、
該半径ｒ２の円形領域を、前記投影光学系の光軸を中心
とする半径ｒ１（ｒ１＜ｒ２）の円形領域と、前記光軸
を中心とする半径ｒ１の円及び半径ｒ２の円により囲ま
れた輪帯領域とに分け、前記輪帯領域を通過した照明光の振幅に対する前記円形
領域を通過した照明光の振幅の比の値をｔとして、該振
幅の比の値ｔを０以下の値に設定し、前記半径ｒ２に対
する半径ｒ１の比の値を前記振幅の比の値ｔに応じた値
に設定すると共に、前記基板と前記投影光学系の結像
面との前記投影光学系の光軸方向への相対的な位置を順
次間隔ｄだけ変えて行う３回の分割露光により前記マス
クのパターン像を前記基板上に露光する際に、前記間隔ｄを前記投影光学系の開口数及び前記照明光の
波長に応じて定まる間隔に設定し、且つ前記３回の分割露光における前記光軸方向の両端の
位置での露光量を実質的に等しくして、前記３回の分割
露光の内の前記光軸方向の中間位置での露光量を前記間
隔ｄに応じて定めることを特徴とする投影露光方法。
【請求項２】前記半径ｒ２に対する半径ｒ１の比の値
ｒ１／ｒ２を、前記振幅の比の値ｔを用いて（０．３４
＋０．１２ｔ）で定まる値の±１５％以内に設定し、前記３回の分割露光における前記間隔ｄを、照明光の波
長λ及び前記投影光学系の前記基板側の開口数ＮＡを用
いて次式で定まる基準間隔Ｕの１倍〜２倍の間に設定
し、Ｕ＝λ／［２｛１−（１−ＮＡ²)^1/2｝］前記基準間隔Ｕに対する前記間隔ｄの倍率をα（１＜α
＜２）として、前記３回の分割露光における前記光軸方
向の両端での露光量に対する前記光軸方向の中間位置で
の露光量の割合を（−２．１４α²＋７．３７α−５．
１５）の±５％以内に設定することを特徴とする請求項
１記載の投影露光方法。
【請求項３】転写用のパターンが形成されたマスクを
露光用の照明光で照明し、前記マスクのパターンの像を
投影光学系を介して感光性の基板上に結像投影する投影
露光装置において、前記投影光学系によるフーリエ変換面、又は該フーリエ
変換面の近傍の面で前記照明光が通過できる前記投影光
学系の光軸を中心とする円形領域の半径をｒ２として、
該半径ｒ２の円形領域を、前記投影光学系の光軸を中心
とする半径ｒ１（ｒ１＜ｒ２）の円形領域と、前記光軸
を中心とする半径ｒ１の円及び半径ｒ２の円により囲ま
れた輪帯領域とに分けたとき、前記輪帯領域を通過する照明光の振幅透過率に対する前
記円形領域を通過する照明光の振幅透過率の比の値をｔ
として、該振幅透過率の比の値ｔが０以下の値に設定さ
れ、且つ前記半径ｒ２に対する半径ｒ１の比の値が前記
振幅透過率の比の値ｔに応じた値に設定される位相板
と、前記基板と前記投影光学系の結像面とを前記光軸方向に
相対的に移動させる相対高さ調整手段と、前記基板に対する前記照明光による露光量を制御する露
光量制御手段と、を有し、前記相対高さ調整手段を介して前記基板と前記投影光学
系の結像面との前記光軸方向への相対的な位置を順次間
隔ｄだけ変えて行う３回の分割露光により、前記マスク
のパターン像を前記基板上に露光する際に、前記間隔ｄを前記投影光学系の開口数及び前記照明光の
波長に応じて定まる間隔に設定し、且つ前記露光量制御手段を介して前記３回の分割露光に
おける前記光軸方向の両端での露光量を実質的に等しく
して、前記３回の分割露光の内の前記光軸方向の中間位
置での露光量を前記間隔ｄに応じて定めることを特徴と
する投影露光装置。