JPH07326573A

JPH07326573A - パターン形成方法および投影露光装置

Info

Publication number: JPH07326573A
Application number: JP7351095A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Terasawa; 恒男寺澤; Shinji Okazaki; 信次岡崎; Minoru Chokai; 実鳥海
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-04-06
Filing date: 1995-03-30
Publication date: 1995-12-12

Abstract

(57)【要約】【目的】従来の投影露光装置の解像限界を越えた、極度
に微細なパターンを形成できるパターン形成方法および
それに用いる投影露光装置を提供する。【構成】転写すべきマスクパターンを有するレテイクル
の近傍に、第２の格子縞を配置して光照射を行って上記
マスクパターンを変調し、この変調されたマスクパター
ンを、光化学反応が可逆的に起こる材料からなる感光性
膜内に形成された第１の格子縞によって復調して、復調
された上記マスクパターンの像を、上記感光性膜の下に
配置されたレジスト膜内に形成する。【効果】従来の投影露光装置の、解像限界を越えた各種
微細パターンが各種基板上に形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パターン形成方法およ
び投影露光装置に関し、詳しくは、従来よりはるかに微
細な各種パターンを、所望基板上に高い精度で形成する
ことができるパターン形成方法およびこのパターン形成
方法に好適な投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、各種半導体集積回路や液
晶素子などのパターンの形成には、リソグラフィ技術が
広く用いられている。この技術は、所望のマスクパター
ンを有するレテイクルに光を照射して、上記マスクパタ
ーンの像を、所望の基板上に形成された感光性膜（レジ
スト膜）に投影し結像させることによって、上記マスク
パターンを上記感光性膜に転写する方法である。上記光
としては、例えば、紫外線、エキシマ・レーザ、電子線
あるいはＸ線などが用いられ、上記レテイクルに形成さ
れたマスクパターンを、例えば１／５に縮小して上記感
光性膜に転写する縮小投影投影露光装置が、もっとも広
く用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】半導体集積回路などの
パターンの微細化が進むに従って、従来より微細なパタ
ーンを、従来より高い解像度で転写することが要求され
ている。周知のように、パターン形成における解像度
は、一般に、投影レンズの開口数（ＮＡ）が大きいほ
ど、あるいは露光光の波長が短いほど向上する。しか
し、大面積のパターンを感光性膜に形成するためには、
広い領域を露光できることが、投影レンズに要求される
ので、ＮＡをあまり大きくするのは困難である。また、
露光光の波長を短くすることも、対応できる光源、投影
レンズの材料およびレジスト膜の材料などから制約され
るので、限界に近づいてきている。

【０００４】このように、ＮＡをさらに大きくするこ
と、および露光光の波長をさらに短くすることが、いず
れも困難であるため、従来の投影露光装置を用いて、従
来の解像限界より小さな微細パターンを転写できる方法
が、いくつか提案されている。

【０００５】例えば、特公昭６２−５０８１１号には、
マスク自体によって露光光の位相差を生じさせることに
より、特に周期性を有する開口パターンに対して、解像
力を大幅に向上させる方法（位相シフト法）が開示され
ている。また、実質的に孤立したパターンを転写する場
合であっても、補助的な位相差パターンをさらに加える
ることによって、解像力を向上させる方法が、特開昭６
２−６７５１４号に開示されている。さらに、特定方向
のみの露光光の強度を大きくすることによって、解像力
を向上させる方法が、特開平０４−１０１１４８号およ
び特開平０４−６７５１５号にそれぞれ開示されてい
る。

【０００６】また、投影像の解像限界について、小瀬輝
次著「フーリエ結像論」（共立出版）の１１１頁、およ
び応用物理第３７巻第９号（１９６８）の８５３頁から
８５９頁に記載されており、従来の解像限界より微細な
高い空間周波数のパターンを投影する方法として、物体
面および像面に所定の周波数の格子パターンをそれぞれ
配置して、変調および復調の作用をそれぞれ行わせる方
法が提案されている。

【０００７】この方法においては、ｘのみの関数で表さ
れる空間周波数νであるパターンが物体面に配置され、
空間周波数がτである第１の格子縞がこのパターンに重
ねて配置される。これにより、ν＋τ、ν−τという和
と差の空間周波数をもつ縞（モアレ縞）が形成される。
周波数νが、投影レンズのコヒーレント遮断周波数（λ
／ＮＡ）より大きいマスクパターンに、適当な第１の格
子縞を重ねると、ν−τなる差の周波数を遮断周波数以
下とすることができる。このモアレ縞は、投影レンズの
光学系を通ることができるから、像面上で再び空間周波
数τなる第２の格子縞を重ねて復調することによりパタ
ーンを投影転写することができる。

【０００８】上記特公昭６２−５０８１１号および特開
昭６２−６７５１４号に開示された方法においては、マ
スクの遮光領域の中の１個おきの開口部に、露光光の位
相を１８０度変化させる透明な位相部材を設けることに
よって、解像力が向上されている。また、特開平０４−
１０１１４８号および特開平０４−２６７５１５号で
は、マスクを斜めに照明する、いわゆる斜入射照明法を
採用することによって、従来の解像力よりすぐれた解像
力を得ている。

【０００９】一般に投影露光装置の投影レンズの解像性
能は、パターンを露光する光の波長λと投影レンズの開
口数ＮＡで定まり、解像限界の寸法ＲはＲ＝ｋ₁λ／ＮＡと表わされる。ここで、λは露光光の波長、ｋ₁はパタ
ーンの露光および現像処理法に依存した値であり、実用
上０．６〜０．８程度である。また、投影像のコントラ
ストは、パターンの寸法が大きいほど１に近づき、パタ
ーンが微細化するととともに、すなわち空間周波数が高
くなるに従って、０に近づく。また、空間周波数が２Ｎ
Ａ／λより高い微細なパターンを転写することはできな
い。これらの制約のもとに、上記特公昭６２−５０８１
１号および特開昭６２−６７５１４号に開示された方法
は、高い空間周波数領域での投影像コントラストを向上
させるものである。

【００１０】また、前記特開平０４−１０１１４８号お
よび特開平０４−２６７５１５号に開示されている方法
は、低い空間周波数領域における投影像のコントラスト
を、わずかに低下させると同時に高い空間周波数領域で
の投影像コントラストを向上させるものである。これら
の方法は、高い空間周波数領域においては、従来法と比
べて解像性能が向上するが、上記のように転写可能なパ
ターンの空間周波数の限界は２ＮＡ／λであるから、空
間周波数がこれより高い微細パターンを転写することは
不可能である。

【００１１】一方、前記瀬輝次著「フーリエ結像論」
（共立出版）の１１１頁、あるいは応用物理第３７巻第
９号（１９６８）の８５３頁から８５９頁に示されてい
る方法は、物体面および像面に所定周波数の格子パター
ンをそれぞれ配置して、変調および復調の作用が行われ
る。空間周波数が２ＮＡ／λより高い微細パターンを投
影できる可能性を有してる。しかし、この方法におい
て、投影レンズを透過した差の周波数の情報を復調し
て、所望パターンを形成すべきウエーハの上にマスクパ
ターンの像を再生するためには、上記ウェーハの表面上
に第２の格子縞を配置し、走査する必要があるが、実際
のウェーハの表面には約１μｍあるいはそれ以上の段差
を有する場合が多く、このような凹凸を有する像面上
に、復調のための格子縞を密着して形成し、かつ走査す
ることは不可能である。

【００１２】上記説明から明らかなように、形成すべき
パターンの寸法が微細になると、空間周波数が高くなっ
て、コントラストがいちじるしく低下してしまい、露光
光としてｉ線およびエキシマ・レーザを用いたときの解
像限界は波長程度が限度であり、それぞれ、ほぼ０．３
５μｍおよび０．２５μｍ程度より微細なパターンを形
成することは困難であった。また、マスク自体に露光光
の位相差を与える上記方法においても、上記ｋ₁の実用
的な値はほぼ０．３５であり、ほぼ波長の１／２より微
細なパターンを形成するのは困難であった。

【００１３】本発明の目的は、従来のパターン形成方法
の有する前記問題を解決し、投影レンズの従来の解像限
界より微細で、投影レンズの空間周波数２ＮＡ／λを超
える空間周波数を有する微細パターンを形成することが
できるパターン形成方法およびそれに用いる投影露光装
置を提供することである。

【００１４】本発明の他の目的は、変調および復調の作
用を利用して、凹凸を有するウエハの表面上に、投影レ
ンズの従来の解像限界を超える微細パターンを転写する
ことができるパターン形成方法およびそれに用いる投影
露光装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、マスクパターンのフーリエ変換パターン
が形成される面上において、該フーリエ変換パターンの
位置を、光軸に対して垂直な方向に所定量シフトさせ
て、空間周波数の変調を行なうとともに、被露光基板で
あるウェーハ基板の表面上に形成された、光化学反応が
短時間に可逆的に生ずる感光性膜内に干渉縞（第１のパ
ターン）を形成し、さらに上記干渉縞を、所定の周波数
を有する光を照射することによって、上記感光性膜内に
おいて面方向に移動させて復調を行うものである。

【００１６】上記空間周波数の変調は、例えば、マスク
パターンあるいはその共役面に、所定の空間周波数を有
する格子縞パターン（第２のパターン）を配置すること
によって行なわれる。また、上記第１のパターンである
干渉縞は、少なくとも２方向からウェーハ基板上に光を
入射させることにより形成される。

【００１７】前記第２のパターンは、上記空間周波数を
変調する手段であり、マスクパターンと干渉して、空間
周波数が異なるパターンすなわちモアレ縞が形成され
る。このモアレ縞を形成する回折光が、投影レンズを通
過することによって、マスクパターン情報が、ウェーハ
の表面上に形成された感光性膜に伝達される。この感光
性膜は、実質的に干渉縞を形成するために光が照射され
ている時間のみに感光して、透過率あるいは屈折率が変
化し、光照射が終われば、透過率あるいは屈折率が直ち
に元の値に戻る材料から形成されている。この感光性膜
に対して、対向する２方向からごく浅い角度でレーザ光
を照射すると、前記感光性膜内に干渉縞が形成され、こ
の干渉縞が、パターン転写を行なう露光光に対して、第
１のパターンとして作用する。したがって、上記干渉縞
の形成に用いられた光の位置を変えることによって、上
記干渉縞を走査すると、第１のパターンである当該干渉
縞は、上記感光性膜内において移動する。

【００１８】前記感光性膜は、干渉光（レーザ光などコ
ヒーレントな光）によって照射されている間だけ露光光
（上記レテイクルの露光に用いられた光）に対する複素
屈折率が変化し、上記干渉光の照射が終れば、上記複素
屈折率はもとの値に戻る性質を有している。しかも、こ
のような可逆的な反応の、時間応答性は数十ナノセカン
ド以下であり、極めて迅速である。例えば、前記露光光
の波長が３６５ｎｍ、前記干渉光の波長が２６５ｎｍで
ある場合、ナフタレンとノボラック樹脂を１：５の重量
組成比で溶媒に溶解した材料からなる感光性膜を使用で
きる。この材料から形成された感光性膜の時間応答性
は、１ナノセカンド（１ｎｓ）以下で極めて迅速であ
り、かつ可逆的に反応する。なお、前記感光性膜にマス
クパターンが転写されるので、前記感光性膜の膜厚は格
子縞が形成される範囲でできるだけ薄い値、例えば０．
２μｍ以下にすることが望ましい。

【００１９】第１のパターンは、マスクパターンを転写
する１回の露光中に、少なくとも数縞分走査される必要
があるが、上記感光性膜が、上記のような性質を有して
いるため、支障なく操作を行うことができる。

【００２０】説明を簡単にし、かつ、理解を容易にする
ため、光学系の座標系について説明する。投影レンズの
倍率の絶対値をｍ、ウェーハ側の開口数をＮＡとする
と、投影レンズのマスク側の開口数はｍ×ＮＡで表わさ
れる。通常の投影露光装置では、ｍの値は０．２が広く
採用されている。マスク側の長さの単位をλｍ／ＮＡ
で、ウェーハ側の長さの単位をλ／ＮＡでそれぞれ無次
元化した単位を採用すると、レンズの倍率を考える必要
がなく、見かけ上倍率１の結像光学系としてあつかうこ
とができるので、上記無次元化した座標によって空間周
波数などを説明する。

【００２１】本発明では、マスクパターンを変調する手
段である第２のパターン（格子縞）として、多数の線状
の凹凸を、透明基板の表面に設けて形成された透過型位
相格子を用いた。マスクパターンを斜めに照明しても、
同様の効果が得ることができる。また、前記第２のパタ
ーン（格子縞）は、必ずしも透過型位相格子でなくても
良く、前記透明基板の表面に、線状の遮光線を多数設け
て形成された回折格子であってもよい。この第２のパタ
ーンである格子縞の空間周波数をτとすると、上記のよ
うに、空間周波数ν−τを有する縞が得られ、この縞が
投影レンズを通過する。

【００２２】ウェーハの表面上に塗布された感光性膜内
にも、上記レーザ干渉を用いて空間周波数がτである前
記第１のパターンを形成しておく。このようにすると、
投影レンズを通過した空間周波数ν−τをもつ縞と第１
のパターンとによって、（ν−τ）＋τ、ν−２τとい
う和と差の空間周波数をそれぞれ有する縞が得られる。
これらのうち、和の空間周波数νをもつ縞のみを取り出
すことによって、パターンの転写が行なわれる。

【００２３】次に、上記作用を詳細に説明する。マスク
パターンが、図４に示すようにｙ方向に伸びる線状の周
期パターン４０であるとき、その振幅透過率は、ｘのみ
の関数として式（１）のように表わされるとする。

【００２４】

【数１】Ｍ(ｘ)＝Σａ_nexp(2πnνxi)
…………（１）また、第２のパターンである格子縞の振幅透過率の振幅
透過率は下記式（２）で表わされるものとする。

【００２５】

【数２】Ｏ(ｘ)＝Σｂ_n exp(2πnτxi)
…………（２）前記Ｍ(ｘ)およびＯ(ｘ)のフーリエ変換を、それぞれｍ
(ξ)およびｏ(ξ)とすると、第２のパターンである格子
縞を重ねたマスクパターンのスペクトルｏ'(ξ)は、ｍ
(ξ)とｏ(ξ)との合成積であり、下記式（３）のように
表わされる。

【００２６】

【数３】ｏ'(ξ)＝∫ｏ(ξ)ｍ(ξ−ξ’)dξ＝Σａ
_no(ξ−nν) …（３）結像に寄与する成分は、投影レンズの瞳４２の内側を通
過したスペクトル成分のみであり、投影レンズの瞳４２
の外側を通過したスペクトル成分は結像に寄与しない。
したがって、上記スペクトル成分のうち、高次の成分は
考慮する必要はなく、低次の成分のみを考えればよい。
図４に示したマスクパターンの寸法は解像限界に近いも
のとし、さらに、第２のパターンである格子縞が、図５
に示したような位相格子４１であるとすると、上記Ｍ
(ｘ)およびＯ(ｘ)は、ｎ＝−１およびｎ＝１として、第
２のパターンを示す下記式（４）およびマスクパターン
を示す下記式（５）のように表わされる。

【００２７】

【数４】Ｍ(ｘ)＝ａ_-1exp(-2πνxi)＋ａ₀＋ａ₁exp
(2πνxi) ……（４）

【００２８】

【数５】Ｏ(ｘ)＝ｂ_-1exp(-2πτxi)＋ｂ₁exp(2π
τxi) ……（５）このとき、投影レンズの瞳４２の近傍に形成されるフー
リエ変換パターンｍ(ξ)およびｏ(ξ)は、それぞれ図６
に示したスペクトル４３，４４，４５および図７にした
すスペクトル４６，４７のようになる。したがって、瞳
４２の内側を通過するスペクトル成分は図８に示す４
８、４９のようになる。

【００２９】さらに、第２のパターンの格子縞を重ねた
マスクパターンのスペクトルｏ'(ξ)は、下記式（６）
で表わされる。

【００３０】

【数６】ｏ'(ξ)＝ａ_-1ｂ₁δ{ξ＋(ν−τ)}＋ａ₁ｂ_-1
δ{ξ−(ν−τ) }…（６）式（６）において、ａ_-1＝ａ₁、ｂ_-1＝ｂ₁、ｃ＝ａ_-1ｂ
₁とすると、ウェーハ上に投影される光の振幅分布ｕ
(ｘ)は、ｏ'(ξ)をフーリエ逆変換することにより、式
（７）のように表わされる。

【００３１】

【数７】ｕ(ｘ)＝２ｃcos{2π(τ−ν)}ｘ
………（７）なお、図７に示す変調用のスペクトルを得るためには、
例えば、図９に示したように、光源５１を遮光部５０の
内側の、中心からずらした位置に形成し、図１０に示し
たように、レティクル３を、斜め方向から照明するよう
に構成してもよい。このように構成すると、第２のパタ
ーンは不要である。

【００３２】上記のように、マスクパターンを転写すべ
き基板の表面上には、化学反応が短時間に可逆的に生じ
る感光性膜を形成し、この感光性膜内に、第１のパター
ンとである格子縞が形成される。第１のパターンである
格子縞の空間周波数をτとすると、最終的に上記レジス
ト膜の表面に到達する光の光振幅分布は下記式（８）で
表わされる。

【００３３】

【数８】ｕ(ｘ)＝２ｃcos{2π(τ−ν)}ｘcos(2π
ν)ｘ＝ｃcos(2πτ)ｘ＋ｃcos{2π(τ−2ν)}ｘ
………（８）式（８）において右辺の第２項は、格子縞をその周期を
保ったまま走査すれば平均化されて消滅し、第１項に示
されるパターン情報のみが残るので、最終的に空間周波
数τの投影像が得られる。式（８）は式（５）で表され
るパターンの投影像を表す。式（８）の第２項を光の照
射によって消去し、しかも、この消去を上記光化学反応
が可逆的に起こる感光性膜内において行うことが、本発
明の大きな特徴である。

【００３４】第１のパターンである格子縞の走査は、対
向する２方向からレーザ光を照射し、これら二つのレー
ザ光の位相を、同時に変化させて干渉縞を移動させてる
ことによって、容易に行なうことができる。上記レーザ
光は、マスクパターンの転写すべき領域をすべて照射で
きるように、幅を適宜拡大し、かつ１回の露光によって
数縞分の走査ができるように位相が制御される。第１の
パターンである格子縞として、回折格子を基板（ウエー
ハ）の表面に近接させて設ける場合は、基板と回折格子
の相対的な位置を変えるよって、第１のパターンである
格子縞の走査が行なわれる。この場合も、基板と回折格
子の相対移動速度は、１回の露光中に数縞分の走査を行
なえるように設定される。

【００３５】上記第１のパターンとして回折格子を用い
ても、基板の表面が極めて平坦であれば、レジスト膜に
マスクパターンを形成することは可能である。しかし、
例えば半導体装置の製造に用いられるシリコン基板のよ
うに、通常の場合は、基板の表面に段差や凹凸が存在す
るので、上記のように、感光性膜内に第１のパターンを
形成した方が、はるかに良好な結果が得られる。

【００３６】

【発明の実施例】

〈実施例１〉図１は、本発明のパターン形成方法を実施
するのに用いられる投影露光装置の構成の一例を示す模
式図である。図１において、光源１から発した露光光
（波長＝３６５ｎｍ）はコンデンサレンズ２によってほ
ぼ平行な光束に変換され、レテイクル３を照明する。レ
ティクル３に形成されたパターン５は、倍率１／５の投
影レンズ７を介して、上記パターン５を転写すべきウェ
ーハ８上に投影される。

【００３７】レティクル３は、レティクル位置制御手段
１９によって制御されたステージ６上に置かれ、レティ
クル３の中心と投影レンズ７の光軸は、互いに合致する
ように正確に位置合わせされている。ウェーハ８は、投
影レンズ７の光軸方向すなわちＺ方向に移動可能なＺス
テージ１３、およびＸＹ方向に移動可能なＸＹステージ
１４上に置かれている。Ｚステージ１３およびＸＹステ
ージ１４は、主制御系１８からの制御命令に応じてそれ
ぞれの駆動手段１６、１７によって駆動されるので、投
影露光装置のベース１５に対して所望の露光位置に移動
できる。ウエーハ８の位置はＺステージ１３に固定され
たミラー１１を介して、レーザ測長器１２によって正確
にモニタされる。

【００３８】ウェーハ８の表面位置は、投影露光装置の
通常の焦点位置計測手段によって計測され、計測結果に
応じてＺステージ１３を駆動させることにより、ウェー
ハ８の表面は常に投影レンズ７の結像面と一致される。
本実施例では、第２のパターンである格子縞として作用
する透過型の格子状の光学素子４を、レティクル３の上
方の極近傍に配置したが、レティクル３に対して共役な
位置に配置してもよい。光学素子４として、本実施例で
はピッチが２μｍの位相格子４を用い、この位相格子４
は、図２に示したように透明基板４´の表面に多数の線
状の凹凸２２を設けて形成されたものであり、凹部およ
び凸部とを透過する照明光の位相が反転される。

【００３９】上記位相格子４の凹凸２２の空間周波数を
τとすると、そのスペクトルは、投影レンズ７の入射瞳
上では図７に示した分布を有する。上記位相格子４はス
テージ２１に装着されており、駆動手段２０によって面
内を所望方向に移動できる。一方、レティクル３には、
図２に示したように、従来と同様のマスクパターン５が
形成されており、このマスクパターン５の空間周波数ν
が投影レンズの遮断周波数より大い場合は、マスクパタ
ーン５のスペクトルは図６に示した分布となる。従っ
て、図１に示したように、第２のパターンである格子縞
（この場合は上記位相格子４）とレティクル３を重ねて
投影露光を行うと、図８に示した合成パターンのフーリ
エスペクトルが得られた。

【００４０】ウェーハ８の表面上に形成された感光性膜
２６に格子縞（干渉縞）を形成するため、レーザ光源１
０であるＹＡＧレーザの４倍波（波長２６５ｎｍ）のビ
ーム３０を、図３に示したように、ビームスプリッタ３
１で一旦分岐し、反射制御部９およびミラー３２を介し
て斜めに対向して上記感光性膜２６を照射した。

【００４１】図３に示したように、ミラー３２および反
射制御部９から照射されたレーザ光２３、２４によっ
て、ピッチ０．４μｍの格子縞２５が、上記感光性膜２
５内に形成された。このピッチ０．４μｍは、第２のパ
ターンである格子縞（位相格子４）のピッチ（２μｍ）
に投影レンズ７の倍率（１／５）を乗じた値である。

【００４２】図３に示したように、ウェーハ８上にはホ
トレジスト膜２７が周知の塗布法によって形成され、さ
らにその上に、光化学反応が短時間に可逆的に生じる材
料からなる厚さ約０．２μｍの上記感光性膜２６が、周
知の塗布法によって形成されている。この感光性膜２６
の材料として、本実施例では、ナフタレンとノボラック
樹脂を１：５の重量組成比で溶媒に溶解したものを用い
た。上記感光性膜２６は、波長２６５ｎｍの光に対して
ピコ秒オーダーの時間応答性を有し、かつ可逆的に反応
する。したがって、レーザ光２３、２４によって照射さ
れている間のみ格子縞２５が記録され、レティクル３に
対する露光光である光（３６５ｎｍ）に対して複素屈折
率が変化する。その結果、空間周波数τなる第１のパタ
ーンである格子縞２５が形成されるので、この第１パタ
ーンである格子縞２５を変調手段として用いた。

【００４３】第１のパターンである格子縞２５は、反射
制御部９を用いて、レーザ光２４の位相を連動して変化
させることによって、感光性膜２６内を移動される。こ
の作用を用い、第２および第１のパターンである格子縞
を、投影レンズ７の倍率（１／５）に対応した５：１の
速度比でそれぞれ走査しながら、パターン露光を行なう
ことによって、従来の解像限界より小さい微細パターン
（線幅０．２μｍ）をホトレジスト膜２７に形成するこ
とができた。また、第１および第２の格子パターンを、
それぞれ所定の位置に配置して露光し、半ピッチ移動さ
せた後に第２の露光を行っても、同様の効果をえること
ができる。

【００４４】第１のパターンである格子縞２５は、２光
束干渉によって形成された縞なので、ウェーハ８の表面
に、通常の半導体プロセスによって形成された段差が存
在しても、劣化することがなく、良好な形状の格子縞が
形成できた。

【００４５】感光性膜２６の材料として、Ｎ，Ｎ’−ジ
−（ｐ−メチルフェニル）−γ，γ’−ジピリジリウム
−ジメチルアニリン錯体とノボラック樹脂を１：５の重
量組成比で溶媒に溶解したもの、フルオレンとノボラッ
ク樹脂を１：５の重量組成比で溶媒に溶解したもの、ビ
フェニルとノボラック樹脂を１：１０の重量組成比で溶
媒に溶解したもの、等を用いても同様の効果が得られ
た。また、感光性膜２６とフォトレジスト膜２７の材料
を予め混合させたものをウェーハ８上に塗布しても、同
様にパターン転写を行なうことができた。いずれの場合
も、通常の現像処理によって、従来の解像限界より小さ
い微細なレジストパターンが得られた。なお、ビームス
プリッタ３１、反射制御部９、ミラー３２等は、マスク
パターン５をウェーハ８上に投影する露光光路をさえぎ
らないように配置されていることはいうまでもない。

【００４６】〈実施例２〉本実施例は、図１１に示した
ように、上記実施例１において使用された第２のパター
ンである位相格子４の代わりに、レティクル３を斜めに
照明して、マスクパターンの変調を行った例である。上
記実施例１において用いられた位相格子４は用いられて
いないが、その他の装置構成および第１のパターンであ
る格子縞を用いることは、上記実施例１と同じなので、
図１１には光学系のみを示した。

【００４７】レティクル３を照明する光の入射角をθと
すると、波長λの光によってレティクル３を入射角θで
斜めに照明することは、λ/sinθなるピッチの格子を、
第２のパターンとして、上記実施例１と同様に配置した
場合と等価である。したがって、上記位相格子４を用い
なくても、露光光によってレテイクル３を斜めに照明す
ることによって、上記実施例１と同様な結果が得られ
た。

【００４８】上記入射角θを投影レンズのレティクル側
のＮＡに対応する角より大きくすると、ピッチがλ/sin
θである格子（第２のパターン）は、投影レンズ７の遮
断周波数をより大きくなる。

【００４９】光源の形状を定める面５０の開口部を通
り、レティクル３を斜めから照明する照明光５２、５３
の位相を、位相変換手段５４、５５によって互いに連動
して変化させるようにした。これによって実施例１にお
ける位相格子４を走査することと全く同一の効果が得ら
れた。

【００５０】一方、上記実施例１と同様に、ウェーハ８
の表面上にはホトレジスト膜２７と感光性膜２６が積層
して形成され、この感光性膜２６が、斜め２方向からレ
ーザ光２３、２４が照射されて、図３に示したように、
第１のパターンである格子縞２５が形成されている。こ
の第１のパターンである格子縞２５を、実施例１の場合
と同様に走査することによって、従来の解像限界より小
さい微細パターン（線幅０．２μｍ）をホトレジスト膜
２７に形成することができた。

【００５１】本実施例では、第２のパターンである格子
縞を、レティクル３の近傍に配置する必要がなく、しか
も、第２のパターンである格子縞を走査する必要もない
ので、実施例１の場合より装置が簡単であり、しかも、
実施例１と同様の効果が得らた。
〈実施例３〉本実施例では、第１および第２
のパターンである格子縞を、投影光学系に対してそれぞ
れ固定して形成し、レティクル３およびウェーハ８を走
査するものであり、走査型の投影露光装置に適用した例
を、図１２を用いて説明する。

【００５２】レティクル３は照明光源１０１から発する
光で照明され、レティクル３に形成されたマスクパター
ンは、平面鏡６０、６３、凹面鏡６１および凸面鏡６２
から構成された結像光学系を介してウェーハ８上に投影
される。このとき、露光光によって照明されるレティク
３の領域は限られているが、レティクル３およびウェー
ハ８を同期走査することによって、レティク３に形成さ
れたマスクパターンの広い領域の転写できる。

【００５３】第１および第２のパターンである格子縞
は、実施例１と同様に配置した。すなわち、第２のパタ
ーンである格子縞として位相格子４を用い、これをレテ
イクル３の極近傍に配置し、第１のパターンである格子
縞としては、図３に示したように、反射部９、３２でそ
れぞれ反射されたレーザ光によって形成された格子縞を
用いた。第２の格子縞および第１の格子縞の走査は行な
わないが、レティクル３がその上に置かれたレティクル
ステージ１０３およびウェーハ８がその上に置かれたウ
ェーハステージ１０２は、同期走査されるので、上記実
施例１、２と同様に、従来の解像限界より小さい微細パ
ターン（線幅０．２μｍ）を、ウエハ８の表面上に形成
されたホトレジスト膜に形成することができた。

【００５４】図１２に示した装置は等倍投影装置なの
で、レティクル３とウェーハ８は同じ速さで移動する。
縮小投影装置の場合は、縮小倍率に応じた速度の比率を
保ってレティクル３とウェーハ８をそれぞれ移動させれ
ばよい。

【００５５】本実施例は、従来の走査型露光装置のレテ
イクルおよびウェーハに形成された感光性膜にそれぞれ
格子縞を形成するのみでよく、この格子縞を光学系に対
して走査するための手段を付加する必要はないという利
点がある。

【００５６】なお、本実施例では走査型の投影露光装置
におけるレティクル３に、第２のパターンである格子縞
を重ねて変調を行ったが、第２のパターンである格子縞
を用いる代わりに、レティクル３を斜めに照明しても同
じ効果が得られた。さらに、変調手段として用いた第２
のパターンである格子縞として、ウェーハ上に形成され
た第１のパターンである格子縞と同様の格子縞を、レテ
ィクル３の近傍に配置しても同じ効果が得られた。

【００５７】ウエーハ８の表面が極めて平坦な場合、ま
たは、あまり高い精度精度が必要でない場合は、上記実
施例１〜３において用いた復調手段の代わりに、ウェー
ハ８の上面に透過型の格子を配置し、これを機械的に走
査して復調を行ってもよい。この場合、更にウェーハ８
と透過型の格子との間に屈折率が１より大きな流体（気
体あるいは液体）を介在させると、潤滑の効果ばかりで
なく、油浸による解像力向上の効果も得られる。

【００５８】〈実施例４〉本実施例では、レティクル３
の極近傍に配置される第２のパターンである格子縞とし
て、レーザ光の２光束干渉によって形成された格子縞を
用いた。

【００５９】図１３に示したように、レティクル３の極
近傍に、透明基板８１が配置され、この透明基板８１の
表面上には、光化学反応が短時間に可逆的に生じる材料
からなる厚さ約０．２μｍの感光性膜８０が形成されて
いる。このような透明基板８１を、レティクル３の極近
傍に配置すること以外の装置の構成、および第１のパタ
ーンである格子縞を用いることは、上記実施例１と同じ
である。したがって、図１３には、上記感光性膜８０が
表面上に形成された透明基板８１をレティクル３の極近
傍に配置して、第２のパターンである格子縞を発生させ
る部分のみを示し、他の部分は図示が省略されている。

【００６０】図１３に示したように、光源７０から射出
されたレーザ光７１は、ビームスプリッタ７２によって
分岐される。それぞれの分岐光は、拡幅光学系７３、７
４によって広い幅を持つ平行ビームに成形され、ミラー
７５および反射制御部７６で反射されて、２光束７７、
７８となって上記感光性膜８０に入射される。その結
果、感光性膜８０内に第２のパターンである格子縞７９
が形成される。この際、反射制御部７６によってビーム
７８の位相を制御し、第２のパターンである格子縞７９
を、ビーム７８によって走査した。

【００６１】この走査の速度と、図３に示した第１のパ
ターンである格子縞２５の走査速度を、投影レンズの倍
率（１／５）に応じて同期させた。すなわち、第２のパ
ターンである格子縞７９を、ウェーハ８上における第１
のパターンである格子縞２５の走査速度の５倍の速さで
走査することによって、第２のパターンでる格子縞７９
を機械的に移動させることなしに、上記実施例１と同一
の効果が得られた。その結果、従来の解像限界より小さ
い微細パターン（線幅０．２μｍ）をホトレジスト膜
（図示せず）に形成することができた。

【００６２】上記感光性膜８０を構成する、光化学反応
が短時間に可逆的に生じる材料は、実施例１において、
第１のパターンでる格子縞を形成させるために用いた感
光性膜２６（図３）と同じ材料を用いてもよい。

【００６３】なお、図１３に示したレティクル３と、第
２のパターンである格子縞７９は、例えば図１２に示し
た走査型の露光光学系にも、そのまま適用できる。この
場合、格子縞７９を走査する必要はない。

【００６４】〈実施例５〉本実施例では、図１４に示し
たように、第２のパターンでる格子縞９２を、レティク
ル３と共役な位置に設けた。レティクル３からウェーハ
８までの間の光学系および第１のパターンとして格子縞
を用いることは、図１と同じなので、図１４には光学系
のみを示した。

【００６５】図１４に示したように、光源形状を定める
面９０の開口部を通過した光は、第１のコンデンサレン
ズ９１を介して、第２のパターンである格子縞９２を照
射し、第２のパターンでる格子縞９２を通過した光９３
は、第２のコンデンサレンズ９４によって収束されてテ
ィクル３を照射する。上記第２のパターンである格子縞
９２は、第２のコンデンサレンズ９４を介してレティク
ル３と共役な位置に配置されており、実施例１の場合と
同様に、透過型の位相格子として走査できるようになっ
ている。

【００６６】ウェーハ８上に設けられた上記感光性膜
（図示せず）内に形成される第１のパターンでる格子縞
は、実施例１と同じであり、この格子縞を走査すること
によって、レティクル３の極近傍に第２のパターンでる
格子縞を配置することなしに、従来の解像限界より小さ
い微細パターンを形成することができた。

【００６７】なお、本実施例において、レーザ光の２光
束干渉によって形成された格子縞を、第２のパターンで
ある格子縞９２として用いても、全く同一の効果が得ら
れた。

【００６８】上記実施例１〜５では１次元パターンを転
写した例を示したが、図１５（Ａ）に示したように、第
１の格子縞と第２の格子縞を共にｘ，ｙ軸から傾けた方
向に設定することにより、２次元パターンを転写するに
も、本発明をそのまま適用できる。第１の格子縞と第２
の格子縞とは、互いに平行に形成する必要があるが、５
度程度までの傾き誤差は許容できる。また、格子縞のピ
ッチは約５％までの誤差は許容できた。第１の格子縞お
よび第２の格子縞の形状は、直線格子に限られるもので
はなく、例えば図１５（Ｂ）および図１５（Ｃ）に示し
たように、種々に変形しても同様の効果が得られた。こ
れらの格子縞としては、透明基板の上に、凹凸を設けて
位相格子を形成したものてもよく、あるいは遮光パター
ンによって格子縞を形成したものでもよい。また、少な
くとも２方向から入射されたレーザ光の格子縞を用いて
よい。図１５ｂに示した格子９６は、４方向から斜めに
入射された光の干渉によって形成される。また、図１５
ｂに示した格子９７は、発散光と平行光との干渉で形成
される。

【００６９】上記実施例では、ウェーハ基板上に半導体
集積回路等の微細パターンを形成する例を示したが、本
発明は半導体集積回路に限られることはなく、微細光学
素子、光記録装置等、微細パターンを必要とする種々の
分野に適用できる。本発明によれば、光学式の投影露光
装置を用いて、従来の解像限界より小さいパターンを転
写することができる。すなわち、より高性能な投影レン
ズを使用することなしに、従来より微細な加工が実現で
きるので、半導体集積回路等の高集積化に極めて有用で
ある。

【００７０】なお、上記各実施例では、露光光として紫
外線を用いたが、紫外線（ｉ線）のもではなく、エキシ
マレーザやＸ線を用いることができる。露光光としてＸ
線を用いたときの光学系を図１６に示した。図１６にお
いて、光源１０１から発した光は、シャッタ１０２およ
びミラー１０３を介して、マスク・ステージ１０４上に
配置されたレテイクル１０５を照明する。レテイクル１
０５上には第２の格子１０６が設けられ、レテイクル１
０５からの回折光は、複数のミラー１０７〜１０９から
なる結像光学系を介してウエーハ８上に像を形成する。

【００７１】レテイクル１０５に近接して第２の格子１
０６が配置され、レーザ光源１０から発した光によっ
て、上記実施例１と同様にしてウエーハ８上に第１の格
子パターンが形成される。この場合、マスクステージ駆
動手段１１０と、ｘ−ｙステ−ジ１４によって、レテイ
クル１０５とウエーハ８が同期して動くので、ウエ−ハ
８は動くが、上記第１および第２の格子パターンは動か
ない。なお、図１６において、図１と同じ符号は、図１
の場合と同じものを表す。

【００７２】

【発明の効果】上記説明から明らかなように、本発明に
よれば、従来の解像限界を越えた極度に微細なパターン
を、極めて高い精度で形成することができ、各種半導体
集積回路装置などの集積密度の向上に極めて有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投影露光装置の構成の一例を示す図、

【図２】変調するための第２のパターンである位相格子
とレティクルを示す断面図、

【図３】変調光を復調する第１のパターンである格子縞
を形成する方法を示す図、

【図４】１次元のレティクルパターンの１例を示す平面
図、

【図５】位相格子の平面構造および断面構造の１例を示
す図、

【図６】レティクルパターンのフーリエ変換パターンの
１例を示す図、

【図７】位相格子のフーリエ変換パターンの１例を示す
図、

【図８】レティクルパターンと位相格子から得られるパ
ターンのフーリエ変換パターンを示す図、

【図９】レティクルパターンを斜め入射照明するための
光源の形状を示す図、

【図１０】レティクルパターンを斜め入射照明する際の
露光光学系を説明するための図、

【図１１】レティクルパターンの変調手段として斜入射
照明を用いた場合の投影光学系を説明するための図、

【図１２】レティクルとウェーハを同期して走査する実
施例を示す図、

【図１３】光の干渉によって、レティクル面の近傍に第
２のパターンである格子縞を形成した実施例を示す図、

【図１４】第２のパターンである格子縞を、レティクル
と共役位置に配置した実施例を示す図、

【図１５】第１あるいは第２のパターンである格子縞の
平面形状の例を示す図、

【図１６】Ｘ線を露光光として用いた場合の投影光学系
を説明するための図。

【符号の説明】

１……光源、２……コンデンサレンズ、３……レテ
イクル、４……格子状の光学素子、７……投影レン
ズ、８……ウエーハ、１０……干渉縞発生用レーザ光
源、１３……Ｚステージ、１４……ＸＹステージ、
１８……システム制御部、２６……フオトクロミック材
料、６０……平面鏡、６１……凹面鏡、６２……凸
面鏡、７０……干渉縞発生用レーザ光源、７３、７４
……拡幅光学系、９１……第１のコンデンサレンズ、
９４……第２のコンデンサレンズ、１０１……Ｘ線
源、１０２……シャッタ１０４……マスクステージ、１０５……マスク、１
０６第２の格子、１０７、１０８……凹面鏡、１１０
……マスクステージ駆動手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】転写すべきマスクパターンを有するレテイ
クルに、露光光を照射して形成された上記マスクパター
ンの像を変調し、変調された上記マスクパターンの像
を、光化学反応が可逆的に起こる材料からなる感光性膜
内に形成された第１の格子縞パターンによって復調し
て、上記マスクパターンに対応した像を、上記感光性膜
の下に形成されたレジスト膜に形成することを特徴とす
るパターン形成方法。
【請求項２】上記変調は上記マスクパターンとほぼ同一
の面あるいは共役面に配置された第２の格子縞パターン
によって行われることを特徴とする請求項１に記載のパ
ターン形成方法。
【請求項３】上記第１および第２の格子縞パターンの空
間周波数は、使用された投影露光装置の投影露光光学系
の倍率に応じて定められることを特徴とする請求項２に
記載のパターン形成方法。
【請求項４】上記第１の格子縞パターンは、上記感光性
膜に、少なくとも２方向から第２の光を入射させること
によって、上記感光性膜中に形成されることを特徴とす
る請求項１若しくは２に記載のパターン形成方法。
【請求項５】上記第２の格子縞パターンは、格子状の光
学格子である請求項２から４のいずれか一に記載のパタ
ーン形成方法。
【請求項６】上記格子状の光学格子は上記レテイクルの
近傍に、当該レテイクルと重ねて配置されることを特徴
とする請求項５に記載のパターン形成方法。
【請求項７】上記格子状の光学格子は位相格子であるこ
とを特徴とする請求項５若しくは６に記載のパターン形
成方法。
【請求項８】上記位相格子は、透明基板上に形成された
互いに平行な複数の凹凸を有していることを特徴とする
請求項７に記載のパターン形成方法。
【請求項９】上記第１の格子縞パターンの空間周波数と
上記第２の格子縞パターンの空間周波数はほぼ等しいこ
とを特徴とする請求項２から８のいずれか一に記載のパ
ターン形成方法。
【請求項１０】上記第１および第２の格子縞パターン
は、互いに同期して、上記レテイクルに対して相対的に
移動されることを特徴とする請求項２から９のいずれか
一に記載のパターン形成方法。
【請求項１１】上記第２の光の波長は上記露光光の波長
よりも短いことを特徴とする請求項４から１０のいずれ
か一に記載のパターン形成方法。
【請求項１２】上記露光光は上記レテイクルの面法線方
向に対して斜め方向から、上記レテイクルに入射される
ことを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項１３】上記レテイクルの近傍には、上記レチク
ルに重ねて透明基板が配置されており、当該透明基板の
上には上記感光性膜が形成されていることを特徴とする
請求項１２に記載のパターン形成方法。
【請求項１４】上記第１の格子縞パターンのピッチは、
上記第２の格子縞パターンのピッチと使用された投影露
光装置の有する投射レンズの倍率の積に等しいことを特
徴とする請求項２から１３のいずれか一に記載のパター
ン形成方法。
【請求項１５】上記露光光は、紫外線、エキシマレーザ
およびＸ線からなる群から選ばれることを特徴とする請
求項１から１３のいずれか一に記載のパターン形成方
法。
【請求項１６】所定のマスクパターンを有するレチクル
に露光光を照射する照射手段と、上記マスクパターン
を、パターンを形成すべき基板上に投影する投影手段
と、上記照射によって形成された上記マスクパターンの
像を変調する手段と、変調された上記マスクパターンの
の像を変調する手段を少なくとも具備することを特徴と
する投影露光装置。
【請求項１７】上記変調されマスクパターンの像を複調
させる手段は、第１の格子縞パターンを上記基板上に形
成する手段であり、上記マスクパターンの像を変調する
手段は、第２の格子縞パターンを上記レテイクルの近傍
に形成する手段であることを特徴とする請求項１６に記
載の投影露光装置。
【請求項１８】上記第１の格子縞パターンを形成する手
段は、上記基板の表面に少なくとも２方向から光を入射
する手段であることを特徴とする請求項１７に記載の投
影露光装置。
【請求項１９】上記第２の格子縞パターンを形成する手
段は、上記レチクルのマスクパターン面あるいは共役面
に、少なくとも２方向から光を入射させる手段であるこ
とを特徴とする請求項１７若しくは１８に記載の投影露
光装置。
【請求項２０】上記第２の格子縞パターンを形成する手
段は位相格子であることを特徴とする請求項１７若しく
は１８に記載の投影露光装置。
【請求項２１】上記第１および第２の格子縞パターン
を、上記基板および上記レテイクルの面内方向に、それ
ぞれ相対移動させる走査手段をさらに具備していること
を特徴とする請求項１７から２０のいずれか一に記載の
投影露光装置。