JPH07335536A

JPH07335536A - 投影露光装置及び回路パターン製造方法

Info

Publication number: JPH07335536A
Application number: JP6132896A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石; Shigeru Hirukawa; 茂蛭川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-06-15
Filing date: 1994-06-15
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】レチクル上の離散的なパターンの投影像に関
する焦点深度を拡大させつつ、そのレチクル内に混在す
る周期的なパターンも確実に露光転写する。【構成】投影光学系内のマスクに対する光学的なフー
リエ変換面、もしくはその近傍面には、投影光学系の光
軸を中心として同心円的、かつ段階的に透過率、又は透
過光の位相差、又は透過光の可干渉状態の少なくとも１
つの光学特性を変化させる空間フィルターを設けるとと
もに、照明光学系中のマスクに対する光学的なフーリエ
変換面、もしくはその近傍面であって、かつ空間フィル
ターとほぼ共役な面には、空間フィルターの光学特性の
段階的な変化の境界領域とほぼ結像関係にあるほぼ円環
状の領域を遮光する遮光部材を設ける。

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
ディスプレイ用基板等の微細パターンの形成に用いる投
影露光装置、及びそのような露光装置を用いた回路パタ
ーンの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の投影露光装置に使われている投
影光学系は、高度な光学設計、硝材の厳選、硝材の精密
加工、及び精密な組立て調整をへて装置内に組み込まれ
る。現在、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（マスク）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
系を介して感光基板（ウェハ等）上に結像するステッパ
ーが主に使われている。また評価用、あるいは研究用と
してエキシマレーザ（波長２４８ｎｍのＫｒＦレーザ）
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：デプ
スオブフォーカス）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
で像側の開口数（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。焦点深度は照明光の波長
をλとしたとき、ほぼＤＯＦ＝±λ／（２×ＮＡ²）と
なる。

【０００４】ところで解像力を高めるためには、投影光
学系の感光基板側（像側）の開口数ＮＡｗ（あるいはマ
スク側の開口数ＮＡｒ）を大きくする訳であるが、この
ことは換言すれば瞳ｅｐの径を大きくすること、さらに
レンズ系又はミラー系の有効径を大きくすることに他な
らない。ところが、焦点深度ＤＯＦの方は開口数ＮＡｗ
の２乗に反比例して減少してしまうため、例え高開口数
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。

【０００５】照明光の波長をｉ線の３６５ｎｍとし、開
口数ＮＡｗ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、感光基板とし
てのウェハＷ上の１つのショット領域（２０ｍｍ角〜３
０ｍｍ角程度）内で、表面の凹凸や湾曲が焦点深度ＤＯ
Ｆ以上の部分については解像不良を起こすことになる。

【０００６】このような問題に対して、位相シフト法
（特公昭６２−５０８１１号公報）や、ＳＨＲＩＮＣ法
（特開平４−１０１１４８号公報、特開平４−１８０６
１２号公報、特開平４−１８０６１３号公報等）などの
いわゆる超解像技術が提案されている。しかしながらこ
れらの技術では、転写する回路パターンとして、比較的
パターン密度の高い、かつ周期的なパターンに対して
は、解像度の向上及び焦点深度の増大に極めて有効であ
るが、コンタクトホールパターンと呼ばれるような離散
的（孤立的）なパターンに対しては、ほとんど効果がな
い。

【０００７】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、ウェハ上の１つのショット領域に対する
露光を複数回に分け、各露光の間にウェハ上を光軸方向
に一定量だけ移動させる方法が、例えば特開昭６３−４
２１２２号公報で提案された。この露光方法はＦＬＥＸ
（ＦｏｃｕｓＬａｔｉｔｕｄｅｅｎｈａｎｃｅｍｅ
ｎｔＥＸｐｏｓｕｒｅ）法と呼ばれ、コンタクトホー
ル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。ただしＦＬＥＸ法は、わずかにデ
フォーカスしたコンタクトホール像を多重露光すること
を必須とするため、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となる。

【０００８】またＦＬＥＸ法のように露光動作中にウェ
ハ上を光軸方向に移動させなくても、コンタクトホール
パターンの投影時の焦点深度を拡大する試みとして、１
９８１年春季応用物理学会の予稿集２８ａ−ＺＣ−８、
９で発表されたＳｕｐｅｒ−ＦＬＥＸ法も知られてい
る。このＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法は、投影光学系の瞳面
（すなわちレチクルに対するフーリエ変換面）に、光軸
を中心とする同心円的な振幅透過率分布を有するフィル
ターを設け、このフィルターの作用により、解像度、及
び焦点深度を増大するものである。

【０００９】このときの、振幅透過率分布は、瞳面の半
径方向に連続的に変化することが望ましいが、現実的に
はこのようなフィルターの製造は難しく、特定の半径に
て振幅透過率（位相差）が、負から正に段階的に変化す
るフィルター（以後「位相差型瞳フィルター」と略す）
が検討されている。尚、上記のＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法
の如く投影光学系の瞳面でのフィルタリングにより透過
率分布や位相差を変化させ焦点深度を向上する方法は、
多重焦点フィルター法として一般に知られている。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。また瞳
面でのフィルタリングにより像質を改善する方法は、一
般に瞳フィルター法と呼ばれている。

【００１０】一方、本出願人は新しいタイプの瞳フィル
ターとして光軸近傍の円形領域を遮光する型の瞳フィル
ター（以後「遮光型瞳フィルター」と略す）を特開平４
−１７９９５８号公報において提案している。さらに本
出願人は、瞳面内の同心円的ないくつかの領域間での透
過光束の相互の可干渉性を低減するタイプの瞳フィルタ
ー（以後「ＳＦＩＮＣＳ型瞳フィルター」と略す）を特
開平６−１２０１１０号公報、及び特開平６−１２４８
７０号公報等で提案している。

【００１１】なおこれらの瞳フィルターはいずれもコン
タクトホールパターンの如き、レチクルの遮光領域（ク
ロム蒸着等）中に、微小透過開口パターンが孤立的に存
在するパターンに対して有効なものであり、例えば、ラ
インアンドスペースパターン（明暗の幅が約１：１で周
期的に並ぶ繰り返し、かつ近接パターン）に対しては、
逆に焦点深度を低下させたり、解像度を低下（偽解像）
させたりするという欠点がある。

【００１２】また、以上のような瞳フィルターの一種と
して古典的に知られたものとして、瞳面近傍に可変絞り
を設け、投影光学系の実効的な瞳径（有効瞳径）を変更
することによって開口数（ＮＡ）を可変とした露光装置
も製品化されている。ところで、半導体集積回路等の製
造に際しては、微細パターンを何層にもわたって形成し
ていくため、各層間の高精度な位置合わせ（アライメン
ト）が不可欠である。このアライメントに際しては、前
回までのパターン形成工程で、ウェハ上に回路パターン
と同時に形成（露光転写及びエッチング）されたアライ
メントマークを、投影露光装置に備えられたアライメン
トセンサー（顕微鏡、レーザーシートビーム、撮像素子
等）を用いて位置検出し、その検出位置とアライメント
マークの設計位置とに基づいて回路パターン（ショット
領域）の正確な位置を求めて、重ね合わせ露光を行な
う。もちろんこのときの露光においても、次工程以後用
の新たなアライメントマークをウェハ上に形成するため
に、レチクル（マスク）上にウェハへ転写すべきアライ
メントマーク用のパターンを設けておくのが一般的であ
る。

【００１３】また、ウェハ上のアライメントマークの形
状としては、平均化による検出位置精度向上のために、
位置計測のためのマークエッジが多数個配置されるよう
なマーク、すなわち繰り返しのマーク（ラインアンドス
ペースマーク）が使用されることが多い。ただし、マー
クの繰り返しピッチは、平坦化プロセス等によりマーク
が平坦化されないように、回路パターン内に存在するラ
インアンドスペースパターンのピッチに比べて粗くする
のが一般的であり、ライン、スペースの各幅を３〜６
〔μｍ〕、ピッチを６〜１２〔μｍ〕程度とすることが
多い。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上の背景から考察す
ると、コンタクトホール用の瞳フィルターを使用して、
コンタトホールをもつ回路パターンレチクルを投影露光
する場合、そのレチクル上に混在するラインアンドスペ
ースパターンに対する解像度は劣化するおそれがある。
すなわち、ラインアンドスペース型のアライメントマー
クがウェハ上に形成できなくなるという問題がある。

【００１５】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
であり、コンタクトホールパターン等の孤立したパター
ンに適した瞳フィルターを備え、コンタクトホールパタ
ーンの結像性能を向上させると共に、ラインアンドスペ
ース型（周期構造）のアライメントマークも確実に転写
可能とする投影露光装置の提供を目的とし、さらにその
ような装置を用いて孤立的なパターンに対しては焦点深
度を拡大させつつ同時に周期的なパターンの解像を向上
させた回路パターン製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】かかる問題点を解決する
ため本発明においては、微細なパターン（コンタクトホ
ールパターンとラインアンドスペース状のマークパター
ン）が形成されたマスク（レチクルＲ）を露光用の照明
光で照明する照明手段（１〜１４）と、マスクパターン
から発生した光を入射してパターンの像を感光基板（ウ
ェハＷ）上に結像投影する投影光学系（ＰＬ）と、投影
光学系内のマスクに対する光学的なフーリエ変換面（Ｆ
ＴＰ）、もしくはその近傍面に、投影光学系の光軸（Ａ
Ｘ）を中心として同心円的、かつ段階的に透過率、又は
透過光の位相差、又は透過光の可干渉状態の少なくとも
１つの光学特性を変化させる空間フィルター（ＰＦ、Ｐ
Ｆ１）を備えた投影露光装置に適用され、照明光学系
（２〜１４）中のマスクに対する光学的なフーリエ変換
面（例えばフライアイレンズ７の射出側面）、もしくは
その近傍面であって、かつ空間フィルター（ＰＦ、ＰＦ
１）とほぼ共役な面に、その空間フィルター中の光学特
性の段階的な変化の境界領域（例えば遮光部ＬＢの周
縁）とほぼ結像関係にあるほぼ円環状の領域（輪帯状遮
光部８１）を遮光する遮光部材（８）を設けるように構
成した。

【００１７】さらに本発明は、離散的なパターン（コン
タクトホールパターン）と周期的なパターン（ラインア
ンドスペース状のマークパターン）とが混在した回路パ
ターン製造用のマスク（レチクルＲ）を、照明光学系
（２〜１４）からの照明光束によって一様に照射し、パ
ターンを投影光学系（ＰＬ）を介して感光基板（ウェハ
Ｗ）上に結像させることにより、その感光基板上に回路
パターンを製造する方法に適用され、投影光学系内の瞳
面（ほぼフーリエ変換面ＦＴＰ）を通る結像光束の径方
向の光学的な性質、又は強度分布を段階的に変化させる
空間フィルター（ＰＦ、ＰＦ１）を瞳面（ＦＴＰ）、も
しくはその近傍面に配置した状態で、照明光学系内の空
間フィルターとほぼ共役な共役面を通る照明光束の分布
が空間フィルター上の段階的な変化の境界部分（例えば
遮光部ＬＢの周縁）に対応した範囲で実質的に最小とな
るように照明光束の分布を調整し、その調整された照明
光束をマスクに照射することによって、離散的なパター
ンの投影像に関する焦点深度を拡大させつつ周期的なパ
ターンの解像を改善するように構成した。

【００１８】

【作用】本発明においては、瞳（空間）フィルターの配
置される投影光学系中の瞳面（レチクルパターンに対す
る光学的フーリエ変換面）と共役（結像関係）な照明光
学系中の瞳面（これもレチクルパターンに対する光学的
フーリエ変換面となる）に、瞳フィルターの境界領域と
結像関係となる円周上及びその近傍のほぼ円環状の領域
に照明光を遮光する遮光部材を設けたために、ラインア
ンドスペース型アライメントマークに対して、偽解像、
あるいはコントラスト低下を生じさせるような照明光束
がレチクルへ入射することを防止できる。従って、コン
タクトホール用の瞳フィルターを使用しても、ラインア
ンドスペース型のアライメントマークを良好に露光転写
することが可能となる。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の実施例を示し、レチクルＲの
下面（投影光学系ＰＬ側の面）には転写すべき回路パタ
ーン、及びラインアンドスペース状のアライメントマー
クが描画されており、これらのパターンは少なくとも像
側がテレセントリックな投影光学系ＰＬを介してウェハ
Ｗ等の被露光基板上に投影され、露光転写される。レチ
クルＲを照明する照明光束ＩＬＢは、水銀ランプ１等の
光源より発生し、楕円鏡２、インプットレンズ４、短波
長カットフィルター５、及び干渉フィルター６により、
例えばｉ線（波長０．３６５μｍ）のみが選択され、フ
ライアイレンズ７に入射する。尚、本発明による露光装
置で使用する光源は、水銀ランプ等の輝線ランプに限定
されるものではなく、たとえばレーザー光源等を用いて
もよい。

【００２０】フライアイレンズ７の射出側面は、レチク
ルパターンに対する照明光学系中のフーリエ変換面とな
っており、そこにはフライアイレンズの各エレメントの
配列で決まる面光源像が形成され、ここに面光源像の形
状を規制する遮光部材８を設ける。遮光部材８の詳細に
ついては後述する。フライアイレンズ７を発し、遮光部
材８を透過した照明光は、ミラー９、１８、コンデンサ
ーレンズ１０、１２、１４を経て、レチクルＲを均一な
照度分布で照明する。このとき照明視野絞り（レチクル
ブラインド）１１は、レチクルＲのパターン面と共役に
なっており、レチクルＲへの照明範囲を可変とすること
ができる。

【００２１】レチクルＲを透過、回折した光束は、投影
光学系ＰＬにより結像され、ウェハＷ上にレチクルＲの
パターンの像を形成する。本実施例においては、図１の
如く、投影光学系ＰＬ中の瞳面ＦＴＰ、すなわちレチク
ルＲに対する光学的フーリエ変換面またはその近傍に瞳
フィルターＰＦを有するが、その詳細な構造については
後述する。

【００２２】ところで投影光学系ＰＬの近傍には、アラ
イメントセンサー（顕微鏡）２４が設けられており、ウ
ェハＷへのレチクルＲのパターンの露光転写に先立っ
て、ウェハＷ上のアライメントマークの位置検出を行な
う。アライメントマークの検出位置は、アライメント顕
微鏡２４からの光量信号変化と、レーザー干渉計２３に
よるウェハステージＷＳＴの計測位置に従って、ステー
ジコントローラー２２あるいは主制御系２５が算出す
る。

【００２３】主制御系２５は、算出されたウェハマーク
の位置と、予め設定されているウェハ上のアライメント
マークの設計位置（ウェハ上の回路パターンとの相対位
置）とに基づいて、ウェハＷ上のショット領域とレチク
ルＲのパターン投影像との重ね合わせ位置を決定し、ス
テージコントローラー２２へウェハステージＷＳＴの移
動位置の指令を送り、ウェハＷ（ウェハステージＷＳ
Ｔ）を露光位置へと移動させる。このときのウェハステ
ージＷＳＴの位置は、もちろんレーザー干渉計２３によ
りモニターされ、ステージＷＳＴの現在位置が目標位置
（露光位置）と一致するようにサーボ制御される。

【００２４】主制御系２５は、ステージコントローラー
２２に対して指令を送るのみでなく、シャッターコント
ローラー２６、σ絞り（不図示）及びレチクルブライン
ド１１のコントローラー２７等にも指令を送り、シャッ
ター３の開閉や、レチクルブラインド１１の開口設定も
行う。尚、σ絞りはフライアイレンズ７の射出側に形成
される面光源の大きさや形状、又は光源像の分布を変更
するものである。

【００２５】また、瞳フィルター交換機構２０は、露光
するパターンに対して最適となるような瞳フィルターＰ
Ｆの交換、あるいは装脱を行うように構成される。この
場合の瞳フィルターＰＦの交換等の指令も主制御系２５
より成される。尚、瞳フィルターＰＦの交換等に応じ
て、本実施例による遮光部材８も交換等を行なう必要が
あり、遮光部材コントローラー２８が、主制御系２５の
指令のもとに交換動作を行なう。

【００２６】また、露光に際してどのような種類、形態
の瞳フィルターを使用するかの指令は、コンソール（不
図示）等を介して主制御系２５にオペレーターが入力す
るが、適切な瞳フィルターＰＦの種類は専ら転写するレ
チクルパターンの種類によって決まるので、使用するレ
チクルＲの名称、コード等をバーコードリーダー１５等
に認識させ、これを基に使用する瞳フィルターＰＦの種
類を決定してもよい。

【００２７】瞳フィルターＰＦ及び遮光部材８の交換
は、一般の投影露光装置でレチクルＲを交換する際に用
いられているようなロードアームによる差し替えによっ
て行なっても良く、あるいは予め何個かの瞳フィルター
ＰＦ、あるいは遮光部材８がターレット状に配置された
円形保持板を回転して行なっても良い。尚、遮光部材８
が配置されるフライアイレンズ７の射出側面は、従来、
σ絞りが配置されていた場所であり、この位置に各種
（各径）のσ絞りを遮光部材８とともにターレット状に
配置し、交換可能としてもよい。

【００２８】また、本実施例による投影露光装置が、専
らコンタクトホールパターンの露光工程でのみ使用され
るのであれば、使用する各種瞳フィルターＰＦは全てコ
ンタクトホール用のもので良いが、一般に投影露光装置
は生産性向上のために各種パターン（微細なラインアン
ドスペースパターンを含む）の転写にも使用されるた
め、ラインアンドスペースパターン用の瞳フィルター
（例えば素ガラス又は、瞳フィルターを全く使用しない
ための中空）も備えておくことが望ましい。また、遮光
部材８については、一般の円形開口を作るσ絞り、ある
いは輪帯照明用の輪帯開口絞り、または変形照明用の２
つ目、又は４つ目開口絞りをターレット上に備えてお
き、それら絞りと遮光部材８とを直ちに交換可能とする
ことが望ましい。

【００２９】次に、本発明による瞳フィルターＰＦ、及
び遮光部材８の第１の実施例について図２を用いて説明
する。図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ遮光部材８及び、
遮光型瞳フィルターＰＦ１を表わす。両者は共にレチク
ルパターンに対する光学的なフーリエ変換面（瞳面）に
配置され、従って、相互に結像関係となっている。両者
間の結像倍率は実寸では投影光学系及び照明光学系の設
計方式により全く任意の値となるが、図２（Ａ）では、
遮光部材８の輪帯状遮光部８１を投影光学系の瞳面、す
なわち瞳フィルターＰＦ１上に投影した投影像として表
わしており、両者の倍率は便宜上１：１としてある。
尚、図２中に示した各種の半径の値は実際は長さ（例え
ばｍｍ）であるが、ここでは、瞳面での半径方向の位置
に比例するウェハ側での光線の入射角の正弦（従って最
大がＮＡ）で表わしてある（当然ながら、ベストフォー
カス位置にあるウェハＷ面は、瞳面と光学的にフーリエ
変換の関係にある）。

【００３０】さて、図２（Ｂ）の瞳フィルターＰＦ１
は、瞳面半径ＮＡは投影レンズＰＬのの像側開口数ＮＡ
ｗが０．６に対応するものとし、半径ＮＡの０．４倍の
半径内を通る光束を遮光する円形遮光部ＬＢを有する遮
光型瞳フィルターである。そして、図２（Ａ）の遮光部
８１は、同一スケール上で、半径０．４×ＮＡの円周を
中心として幅Δｒの遮光円環として構成される。また、
遮光部材８は一般のσ絞りの役割も兼ね、半径０．６×
ＮＡの外の照明光束を遮光するものとする。すなわち、
遮光部８１がないときはσ値が０．６の通常照明系とし
て機能する。一般にσ値は、レチクル上の照明光の開口
数（最大入射角の正弦）と、投影光学系のレチクル側開
口数ＮＡｒの比であるが、図２の如く、レチクルに対す
るフーリエ変換面上で考えると、半径の比として表わさ
れることは周知である。

【００３１】次に幅Δｒの値（ｒ₁、ｒ₂の値）につい
て図３、４、５を用いて説明する。図３（Ａ）は、本実
施例において転写すべきレチクルＲ上のアライメントマ
ークＡＬＭの平面図であり、格子状の遮光ラインパター
ン（斜線）が周期Ｐ〔μｍ〕で繰り返し並んだラインア
ンドスペースマークとなっている。尚、マークＡＬＭの
周期Ｐはウェハ上換算での値であり、レチクル上では、
投影光学系の縮小倍率Ｍ（例えばＭ＝５）倍だけ大きく
なる。

【００３２】図３（Ｂ）はこのようなマークに対して入
射角θで照明光が入射した場合の０次回折光ＤＯ、及び
±１次の回折光ＤＰ、ＤＭの発生の様子を模式的に表わ
す断面図である。０次光ＤＯは入射各と同じく射出角θ
で発生するが、照明光（露光光）の波長をλ〔μｍ〕と
したとき、＋１次光ＤＰは、ｓｉｎθ_P−ｓｉｎθ＝λ
／Ｐで決まる射出角θ_Pで発生し、−１次光ＤＭはｓｉ
ｎθ−ｓｉｎθ_M＝λ／Ｐで決まる射出角θ_Mで発生す
る。

【００３３】実際の装置においては、レチクルパターン
（アライメントマークＡＬＭ）への入射角はさまざまな
値をもつが、例えば図４に示すように、照明光学系中の
瞳面ＥＰ’（フーリエ変換面）上で、光軸ＡＸ近傍の点
ａより発する照明光は、アライメントマークＡＬＭに垂
直に近い（入射角の正弦は、点ａの光軸ＡＸからの距離
に比例）入射角度で入射し、やはり、０次光と±１次回
折光Ｌａとを生じる。しかし、これらの回折光は垂直に
近い射出角のため、投影光学系ＰＬのフーリエ変換作用
をもつレンズ群ＰＬＡを介して瞳面ＦＴＰに達すると、
遮光型瞳フィルターＰＦ１の円形遮光部ＬＢによりすべ
て遮光されることとなり、ウェハＷに達することはな
い。すなわち、ウェハ上にアライメントマークＡＬＭの
像を形成することはできない。

【００３４】一方、光軸ＡＸよりもう少し離れた瞳面Ｅ
Ｐ’上の点ｂを発した照明光線によって、マークＡＬＭ
で発生する３つの回折光（０次、±１次）Ｌｂはやや傾
いて射出し、投影光学系の瞳面ＦＴＰでは、図中左側の
１次回折光のみが瞳フィルターＰＦ１を透過する。ただ
しこのときウェハＷ上には、１つの１次回折光のみが達
するので、アライメントマークＡＬＭのラインアンドス
ペース像を形成することはできず、単に一様な明るさの
ゴーストのみが生じることになる。従って、点ｂからの
照明光束はアライメントマークの転写にとってはコント
ラストを低下させるだけの望ましくない光束であり、点
ｂに位置する光源部分は存在しない方がよいことがわか
る。

【００３５】また、点ｂに対してさらに光軸ＡＸから離
れた点ｃを発した照明光束によって発生する回折光Ｌｃ
は、図中右側の１次回折光の１つと０次回折光とが瞳面
ＦＴＰを透過することになり、２光束干渉によってマー
ク像がウェハ上に形成され得る。この結果、点ｃからの
照明光束は、アライメントマーク像の形成に寄与するこ
ととなるが、この像は、２光束干渉像であるためそのフ
ィネスが低く、場合によっては形成されたアライメント
マークのエッジのプロファイルを悪化させることもあ
る。

【００３６】一方、さらに光軸ＡＸから離れた点ｄから
の照明光では、発生する回折光Ｌｄに含まれる０次光、
±１次回折光が円形遮光部ＬＢに遮られることなく共に
瞳面ＦＴＰを透過し、極めて良好なアライメントマーク
像の転写を可能とする。ところで、最初の光軸近傍の点
ａからの照明光束はアライメントマークの転写には良く
も悪くも全く影響を与えないが、コンタクトホールパタ
ーンの転写にはもちろん貢献する。

【００３７】以上の如く図４を用いて説明したアライメ
ントマーク転写に関する各点の貢献度を２次元的に表わ
したものが図５である。図５は図２（Ａ）と同様に照明
光学系の瞳面における実効的な光源面を表わした図であ
るが、外径（σ絞り値）は、半径０．６×ＮＡであり、
その内部にそれぞれ光軸ＡＸ上、及び光軸ＡＸから±δ
だけずれた点Ｂ₁、Ｃ₁上に中心を有し、かつ共に半径
が０．４×ＮＡである３つの円を含んでいる。このと
き、ずれ量δは、アライメントマークのピッチをＰ〔μ
ｍ〕、露光波長をλ〔μｍ〕とすると、λ／Ｐに相当す
る。すなわち、１次回折光の０次光に対する回折角の正
弦（瞳面での両回折光の距離）に対応している。また、
アライメントマークのピッチ方向は点Ｃ₁、Ｂ₁の光軸
ＡＸからの偏心方向と一致している。

【００３８】図５において、中心の領域Ａはアライメン
トマーク像の形成に全く関係しない光源部分（図４中の
点ａ）を表わし、領域Ｂはアライメントマーク像にオフ
セットを与えるような極めて好ましくない光源部分（図
４中の点ｂ）を表わし、領域Ｃはフィネスの低い像を形
成するあまり好ましくない光源部分（図４中の点ｃ）を
表わす。また、外周の領域Ｄは、アライメントマークの
転写に好都合な光源部分（図４中の点ｄ）を表わす。

【００３９】従って図２（Ａ）の如き瞳フィルターを使
用し、かつラインアンドスペース状のアライメントマー
クを正確に転写するには、少なくとも領域Ｂを遮光し、
できればさらに領域Ｃをも遮光してしまうと良い。尚、
以上の説明ではアライメントマークＡＬＭを１次元方向
のみの周期パターンとしたが、実際には互いに直交する
Ｘ方向とＹ方向との夫々に周期をもつアライメントマー
クがレチクルＲ上に形成されるので、遮光、もしくは減
衰すべき面光源の領域は、図５の領域Ｂ、Ｃと、さらに
図５を光軸ＡＸを中心として９０゜回転した場合の領域
Ｂ’、Ｃ’とを重ね合わせたものとなり、それは結局図
２（Ａ）で示した遮光部８１に相当する。

【００４０】従って図２（Ａ）中の幅Δｒ、（＝ｒ₂−
ｒ₁）は、領域Ｂ、Ｃ（Ｂ’、Ｃ')共に遮光する場合、ｒ₁＝０．４×ＮＡ−λ／Ｐｒ₂＝０．４×ＮＡ＋λ／Ｐより、 Δｒ＝２λ／Ｐとなり、領域Ｂ、Ｂ’のみを遮光する場合、ｒ₁＝０．４×ＮＡ−λ／Ｐｒ₂＝０．４×ＮＡより、 Δｒ＝λ／Ｐとなる。

【００４１】以上の値は、投影光学系ＰＬの瞳面ＦＴＰ
上で、ウェハ側開口数ＮＡｗを基準として表わしたが、
これを、遮光部材８を透過した照明光のレチクルへの入
射角度θの正弦（ψ＝ｓｉｎθ）として表わすと、領域
Ｂ、Ｃ（Ｂ’、Ｃ')の遮光時には、投影倍率Ｍ＝ＮＡｗ
／ＮＡｒの関係から、 ψ₁＝０．４×ＮＡｒ−λ／ＭＰ ψ₂＝０．４×ＮＡｒ＋λ／ＭＰより、 Δψ＝２λ／ＭＰとなり、領域Ｂ（Ｂ')のみの遮光時には、 ψ₁＝０．４×ＮＡｒ−λ／ＭＰ ψ₂＝０．４×ＮＡｒより、 Δψ＝λ／ＭＰとなる。

【００４２】ここでＮＡｒは前述した、投影光学系ＰＬ
のレチクル側開口数であり、Ｍは投影光学系の縮小倍率
（例えば５倍）である。なお、上記実施例のように、遮
光型瞳フィルターを使用する場合には、領域Ｂ（Ｂ')は
完全に遮光すべきであるが、領域Ｃ（Ｃ')については、
アライメントマーク像への悪影響が小さいので、完全に
ではなく、部分的な遮光あるいは減光でも良い。この場
合、例えば上式中で、ｒ₂（又はψ₂）の値を０．４×ＮＡ≦ｒ₂≦０．４×ＮＡ＋λ／Ｐ（０．４×ＮＡｒ≦ψ₂≦０．４×ＮＡｒ＋λ／ＭＰ）とすればよい。

【００４３】なお、上記の遮光型瞳フィルターＰＦ１の
遮光部ＬＢの瞳面半径（ＮＡ）に対する比０．４は、こ
れに限定されるものではなく任意の値でかまわないが、
本件出願人によるシミュレーションの結果、この比は
０．３から０．４５程度が最も良いことがわかってい
る。０．３以下ではコンタクトホール像のＤＯＦの増大
効果が少なく、０．４５以上ではコンタクトホール像の
周囲に光強度分布上で副ピークが形成されてしまい問題
があるためである。

【００４４】上記の実施例では、瞳フィルターとして遮
光型瞳フィルターを用いたが、他の型の瞳フィルター
（位相差型（ＳｕｐｅｒＦＬＥＸ型）、ＳＦＩＮＣＳ
型）に対しても、もちろん本発明を適用することができ
る。ただし、これらの瞳フィルターでは、図４中の瞳フ
ィルターＰＦ１の内部（遮光部ＬＢ）が透過部となるた
め、前述の図４中の点ｃ、（図５中の領域Ｃ）からの照
明光、及び回折光Ｌｃによる像もアライメントマーク像
の形成に、強い悪影響を与えてしまう。なぜなら、位相
差型フィルターであっては図４中の回折光Ｌｃの図中左
側の１次回折光にπの位相差が付加されるため、アライ
メントマーク像は偽解像明暗反転を起こし、また、ＳＦ
ＩＮＣＳ型であっては、図４の回折光Ｌｃの左側の１次
回折光が、０次光及び右側の１次回折光と干渉しなくな
るため像の形成に寄与せず、単なるオフセット光となっ
て、像コントラストを低下させるからである。

【００４５】従って、位相差型やＳＦＩＮＣＳ型の瞳フ
ィルターを使用する場合には、図５中のＢ、Ｃ、
（Ｂ’、Ｃ')領域をすべて遮光する必要がある。尚、位
相差型フィルターの場合、光軸近傍（中心）の振幅透過
率が−１で、周辺では＋１に段階的に変化するタイプに
おいては、この振幅透過率変化の半径と、瞳面半径との
比は、０．２から０．２５程度が良いことが、本件出願
人のシミュレーション結果より判明している。

【００４６】さらに、遮光型、位相差型、ＳＦＩＮＣＳ
型の各種瞳フィルターを組み合わせたような瞳フィルタ
ー（例えば中心近傍の円形領域は遮光、中間部の輪帯領
域と周辺部の輪帯領域では位相変化）に対しても本発明
は同様に適用でき、各境界部分と結像関係にある照明系
内の瞳面上の円周及びその近傍を、上記の方法に従って
遮光すればよい。

【００４７】ところで、ウェハ上に転写すべきアライメ
ントマークのマークピッチＰは、使用する工程によって
異なることがあるが、一般にウェハ上では６≦Ｐ≦１２
〔μｍ〕となることが多いので、遮光部材８の円環部の
幅Δｒは、開口数で定義した幅Δψに対して、 λ／１２Ｍ≦Δψ≦２×λ／６Ｍ程度としておくとよい。あるいは、装置の組み立て調整
時の調整マージンを見込んで、遮光輪帯の幅を、上記の
各種関係式より、１割程度広くしておいてもよい。

【００４８】また本発明では、露光動作中に投影光学系
とウェハとの間隔、正確には投影像のベストフォーカス
面とウェハ表面との間隔を光軸方向に連続移動させる方
式、又はＦＬＥＸ法のように光軸方向の離散的な２、３
ヶ所の位置にウェハを段階的に位置決めしては露光を行
なう多重露光方式を併用してもよい。その場合、光軸方
向の相対的な移動範囲、又は段階はλ／ＮＡ²(λは露光
波長、ＮＡは投影光学系のウェハ側開口数）以上とする
のが望ましく、最も簡単には、ウェハ保持用のウェハホ
ルダーを光軸方向に微動させるＺステージを利用するの
がよい。Ｚステージは本来、ウェハ表面を投影像のベス
トフォーカス面に合致させる自動焦点合わせ機構の駆動
部として作用するが、自動焦点合わせ時にλ／ＮＡ²に
応じたオフセット範囲を与えるようにすればよい。

【００４９】

【発明の効果】以上、本発明によれば、コンタクトホー
ル用の各種空間（瞳）フィルターを使用してコンタクト
ホール用のレチクルパターンを露光する際、そのレチク
ル内に混在するラインアンドスペースパターン（例えば
次工程用に形成すべき周期構造のアライメントマーク
等）をも確実に露光転写することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による投影露光装置の構成を示
す図。

【図２】（Ａ）は照明光学系中の遮光部材の構成の一例
を示す図、（Ｂ）は投影光学系中の遮光型瞳フィルター
の構成の一例を示す図。

【図３】（Ａ）は、ウェハに転写すべきレチクル上のア
ライメントマークを示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のアラ
イメントマークに対して入射角θで照明光が入射した場
合の０次回折光、及び±１次の回折光の発生の様子を模
式的に表わす断面図。

【図４】照明光学系の瞳面と投影光学系の瞳面の間の照
明光路を模式的に表わす図。

【図５】照明光学系の瞳面における実効的な光源面を表
わす図。

【符号の説明】

８遮光部材ＰＦ瞳フィルターＰＬ投影光学系ＦＴＰ投影光学系の瞳面（フーリエ変換面）ＲレチクルＷウェハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/30 ５１６Ｂ５２５Ｘ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微細なパターンが形成されたマスクを露
光用の照明光で照明する照明手段と、前記マスクパター
ンから発生した光を入射して前記パターンの像を感光基
板上に結像投影する投影光学系と、前記投影光学系内の
前記マスクに対する光学的なフーリエ変換面、もしくは
その近傍面に、前記投影光学系の光軸を中心として同心
円的、かつ段階的に透過率、又は透過光の位相差、又は
透過光の可干渉状態の少なくとも１つの光学特性を変化
させる空間フィルターを備えた投影露光装置において、前記照明光学系中の前記マスクに対する光学的なフーリ
エ変換面、もしくはその近傍面であって、かつ前記空間
フィルターとほぼ共役な面に、前記空間フィルター中の
前記光学特性の段階的な変化の境界領域とほぼ結像関係
にあるほぼ円環状の領域を遮光する遮光部材を設けたこ
とを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記遮光部材は、前記円環状の領域に分
布する照明光を遮光する遮光円環部を有し、該円環部の
幅は、前記照明光の波長をλ、前記投影光学系の倍率を
Ｍ、そして前記円環部の幅に対応した前記マスク上での
入射角度の正弦の範囲をΔψとしたとき、ほぼλ／６Ｍ
≦Δψ≦λ／３Ｍの関係を満たすように設定される請求
項第１項に記載の装置。
【請求項３】前記遮光部材は、前記円環状の領域に分
布する照明光を遮光する遮光円環部を有し、該円環部の
幅は、前記照明光の波長をλ、前記投影光学系の倍率を
Ｍ、前記円環部の幅に対応した前記マスク上での入射角
度の正弦の範囲をΔψ、そして前記感光基板上に投影さ
れる周期構造パターンの像のピッチをＰとしたとき、ほ
ぼλ／ＰＭ≦Δψ≦２λ／ＰＭの関係を満たすように設
定される請求項第１項に記載の装置。
【請求項４】前記周期構造パターンは前記感光基板上
に転写すべきラインアンドスペース状のアライメントマ
ークであり、該アライメントマークのパターンは前記マ
スク上に回路要素として形成されたコンタクトホール用
パターンの領域の周辺に部分的に形成されている請求項
第３項に記載の装置。
【請求項５】前記空間フィルター及び前記遮光部材を
挿脱、及び交換可能とする交換機構を有する請求項第１
項〜第４項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】前記空間フィルターは、前記投影光学系
内のフーリエ変換面に相当する瞳面の有効半径に対し
て、０．３〜０．４５倍の半径以内の円形領域を遮光す
る遮光型瞳フィルターである請求項第１項〜第５項のい
ずれか１項に記載の装置。
【請求項７】前記空間フィルターは、前記投影光学系
内のフーリエ変換面に相当する瞳面の有効半径に対し
て、０．２〜０．２５倍の半径以内の円形領域の透過光
の位相を、それ以外の領域の透過光の位相に対してπ
〔ｒａｄ〕ずらす位相シフト部分を有する位相差型瞳フ
ィルターである請求項第１項〜第５項のいずれか１項に
記載の装置。
【請求項８】前記感光基板への投影露光動作中に、前
記感光基板を前記投影光学系の前記光軸方向へ連続的又
は段階的に、少なくともλ／ＮＡ²（λは前記照明光の
波長、ＮＡは前記投影光学系の前記感光基板側の開口
数）以上移動可能とする可動ステージを有する請求項第
１項〜第７項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】離散的なパターンと周期的なパターンと
が混在した回路パターン製造用のマスクを、照明光学系
からの照明光束によって一様に照射し、前記パターンを
投影光学系を介して感光基板上に結像させることによ
り、該感光基板上に回路パターンを製造する方法におい
て、前記投影光学系内の瞳面を通る結像光束の径方向の光学
的な性質、又は強度分布を段階的に変化させる空間フィ
ルターを前記瞳面、もしくはその近傍面に配置した状態
で、前記照明光学系内の前記空間フィルターとほぼ共役
な共役面を通る前記照明光束の分布が前記空間フィルタ
ー上の段階的な変化の境界部分に対応した範囲で実質的
に最小となるように前記照明光束の分布を調整し、該調
整された照明光束を前記マスクに照射することによっ
て、前記離散的なパターンの投影像に関する焦点深度を
拡大させつつ前記周期的なパターンの解像を改善するこ
とを特徴とする回路パターン製造方法。
【請求項１０】前記照明光束の分布を調整するため
に、前記空間フィルターの段階的な変化の境界部分に対
応した範囲のみを遮光する遮光部材を、前記照明光学系
内の共役面に挿脱可能に設けた請求項第９項に記載の方
法。
【請求項１１】前記空間フィルターは、前記投影光学
系の円形の瞳の中心部に、瞳の有効径に対して０．３〜
０．４５倍の径をもつ円形遮光部で構成され、前記遮光
部材は該円形遮光部の外周境界部分に対応した領域を所
定の幅で輪帯状に遮光する形状に設定した請求項第１０
項に記載の方法。