JPH0737781A

JPH0737781A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH0737781A
Application number: JP5178907A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-07-20
Filing date: 1993-07-20
Publication date: 1995-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】複数のホールパターンを高解像度、大焦点深
度で投影露光する。【構成】投影光学系ＰＬ中のフーリエ変換面ＦＴＰ、
又はその近傍に、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸを中心とす
る内半径ｒ₁、外半径ｒ₂の輪帯透過部ＦＢ内に分布す
る照明光と、その内側、及び外側の透過部ＦＡ、ＦＣ内
に分布する照明光との間にπ [rad]の位相差を与える瞳
フィルターＰＦを配置し、かつ投影光学系ＰＬの瞳面の
半径をｒ₃とすると、内半径ｒ₁、外半径ｒ₂を、 0.95×0.25×ｒ₃≦ｒ₁≦1.05×0.25×ｒ₃ 0.95×0.92×ｒ₃≦ｒ₂≦1.05×0.92×ｒ₃ なる範囲内に定める。【効果】十分な焦点深度が得られるとともに、複数の
ホールパターンの分離能力（解像度）が高く、かつリン
ギングも小さくできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路、液晶
ディスプレイ等の微細パターンの形成に使用される投影
露光装置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、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、半導体製造工程では水銀ランプのｉ線（波長３６
５ｎｍ）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、最近ではエキシマレーザ（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。エキシマステッパー用の投
影光学系は屈折レンズのみで構成した場合、使用できる
硝材が石英やホタル石等に限定される。

【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。焦点深度は照明光の波長をλとしたとき、ＤＯＦ＝
±λ／ＮＡ²によって定義される。尚、照明光を短波長
化しても解像力は向上するが、同様に短波長化に伴って
焦点深度は減少する。

【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、焦点深度（フォーカスマージ
ン）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３６５
ｎｍ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、ウェハ
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ＤＯＦ以上の部分について
は解像不良を起こすことになる。またステッパーのシス
テム上でも、ウェハのショット領域毎のフォーカス合わ
せ、レベリング等を格段に高精度に行う必要が生じ、メ
カ系、電気系、ソフトウェアの負担（計測分解能、サー
ボ制御精度、設定時間等の向上努力）が増大することに
なる。

【０００５】そこで本件出願人は、このような投影光学
系の諸問題を解決し、しかも特公昭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を使わ
なくとも、高解像力と大きな焦点深度との両方を得るこ
とができる新たな投影露光技術を、例えば特開平４−１
０１１４８号公報、特開平４−２２５３５８号公報で提
案した。この露光技術は、投影光学系は既存のままで、
レチクルへの照明方法を特殊な形体に制御することで見
かけ上の解像力と焦点深度とを増大させるものであり、
ＳＨＲＩＮＣ（ＳｕｐｅｒＨｉｇｈＲｅｓｏｌｕｔ
ｉｏｎｂｙＩｌｌｕｍｉＮａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏ
ｌ）法と呼んでいる。ＳＨＲＩＮＣ法は、レチクルＲ上
のラインアンドスペースパターン（Ｌ＆Ｓパターン）の
ピッチ方向に対称的に傾斜した２つの照明光（又は４つ
の照明光）をレチクルへ照射し、Ｌ＆Ｓパターンから発
生する０次回折光成分と±１次回折光成分の一方とを、
投影光学系の瞳内で光軸に関して対称的に通し、２光束
干渉（一方の１次回折光と０次回折光との干渉）の原理
を利用して、Ｌ＆Ｓパターンの投影像（干渉縞）を生成
するものである。このように２光束干渉を利用した結像
によると、デフォーカス時の波面収差の発生が従来の方
法（通常の垂直照明）の場合よりも押さえられるため、
見かけ上焦点深度が大きくなるのである。

【０００６】ところが、ＳＨＲＩＮＣ法はレチクル上で
比較的近接したパターン間での光の干渉性を利用して、
解像度や焦点深度の向上を図るものである。すなわち、
レチクル上に形成されるパターンがＬ＆Ｓパターン（格
子）のように周期構造を持つときに所期の効果が得られ
るのであり、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。一般に孤立した微小パターンの場合、
そこからの回折光は回折角度方向にほとんど一様な分布
として発生するため、投影光学系の瞳内では０次回折光
と高次回折光とに明確に分離しないためである。

【０００７】そこで、コンタクトホール等の孤立パター
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６３−４２１２２号
公報で提案された。この露光方法はＦＬＥＸ（Ｆｏｃｕ
ｓＬａｔｉｔｕｄｅｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔＥＸ
ｐｏｓｕｒｅ）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。しかしながら、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、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
したものになることは否めない。このため、近接したコ
ンタクトホールパターンでは解像度が劣化するという問
題がある。

【０００８】最近になって投影光学系の瞳面、すなわち
レチクルパターン面とウェハ表面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提案がなされてい
る。例えば、１９９１年春季応用物理学会の予稿集２９
ａ−ＺＣ−８、９で発表されたＳｕｐｅｒ−ＦＬＥＸ法
がある。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のである。尚、ＳｕｐｅｒＦ
ＬＥＸ法の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。

【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（暗下地中の
微小明パターン）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、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、フォトレジストに不
要な膜べりを生じさせてしまうという問題があった。

【００１０】本発明はこの様な問題点を鑑みてなされた
ものであり、コンタクトホール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るとともに、比
較的近接した複数の孤立パターンの間に誤転写（不要パ
ターンの転写）を生じさせない投影露光装置を提供する
ことを目的としている。

【００１１】

【問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）で照射する照明手
段（１〜１４）と、マスクのパターンから発生した光を
入射してそのパターンの像を感応基板（Ｗ）上に結像投
影する投影光学系（ＰＬ）とを備えた投影露光装置にお
いて、マスクと感応基板との間の結像光路内のフーリエ
変換面（ＦＴＰ）、又はその近傍に、そのフーリエ変換
面、又はその近傍面上の投影光学系（ＰＬ）の光軸（Ａ
Ｘ）を中心とする内半径ｒ₁、外半径ｒ₂（ｒ₂＞
ｒ₁）の輪帯状領域（ＦＢ）内に分布する照明光と、輪
帯状領域（ＦＢ）の内側領域（ＦＡ）、及び外側領域
（ＦＣ）に分布する照明光との間に（２ｍ＋１）π [ra
d]（但し、ｍは整数）の位相差を与える位相板（瞳フィ
ルターＰＦ）を配置し、かつ投影光学系（ＰＬ）の瞳面
の半径をｒ₃とすると、内半径ｒ₁、外半径ｒ₂を、０．９５×０．２５×ｒ₃≦ｒ₁≦１．０５×０．２５
×ｒ₃ ０．９５×０．９２×ｒ₃≦ｒ₂≦１．０５×０．９２
×ｒ₃ なる範囲内に定めることとした。

【００１２】また、位相板（ＰＦ）を結像光路中に挿脱
可能とし、かつ位相板（ＰＦ）を結像光路外へ退避した
際に、フーリエ変換面（ＦＴＰ）、又はその近傍に位相
板とほぼ等しい光学的厚さを有する透明な平行平面板
（ＰＦ３）を配置する交換手段（３０、２０Ａ）を設け
ることとした。

【００１３】

【作用】本発明においては、投影光学系内のフーリエ変
換面、又はその近傍面上の光軸を中心とする内半径
ｒ₁、外半径ｒ₂の輪帯状領域内に分布する照明光と、
この輪帯状領域の内側（半径ｒ₁の円形領域内）、及び
外側（内半径ｒ₂、外半径が投影光学系の開口数に相当
する瞳半径ｒ₃である輪帯状領域内）に分布する照明光
との間に（２ｍ＋１）π [rad]の位相差を与える位相型
の瞳フィルターを用いることとし、さらに光軸を中心と
した３つの領域の境界となる半径ｒ₁、ｒ₂の値を最適
化した。これにより、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、かつ近接した複数のホールパターンを十分に分離で
きるとともに、ホールパターン間に不要なパターン（す
なわちリンギング）が生じることを防ぐことができる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例による投影露光装置の
全体的な構成を示す。図１において、水銀ランプ１から
放射された高輝度光は楕円鏡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。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、照明光の通過、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は、
短波長カットフィルター５、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を射出した
照明光（ｉ線）は、オプチ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。もちろんｉ線以外の波
長、あるいは複数の波長を使用してもよく、また光源自
体もレーザ等でもよい。

【００１５】さて、フライアイレンズ７に入射した照明
光（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、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。この絞り８を通った照明光（発散光）は
ミラー９で反射されて集光レンズ系１０に入射した後、
レチクルブラインド１１の矩形の開口部を均一な照度分
布で照射する。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、集光レンズ系１０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）はレチクルブラインド１１の矩形開口面に対す
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集光レン
ズ系１０に入射した各照明光は、レチクルブラインド１
１上で互いにわずかずつ入射角が異なる平行光束となっ
て重畳される。

【００１６】レチクルブラインド１１の矩形開口を通過
した照明光はレンズ系１２、ミラー１３を介してコンデ
ンサーレンズ１４に入射し、コンデンサーレンズ１４を
射出する光が照明光ＩＬＢとなってレチクルＲに達す
る。ここでレチクルブラインド１１の矩形開口面とレチ
クルＲのパターン面とは、レンズ系１２とコンデンサー
レンズ１４との合成系によって互いに共役に配置され、
レチクルブラインド１１の矩形開口の像が、レチクルＲ
のパターン面内に形成された矩形のパターン形成領域を
含むように結像される。図１に示すように、フライアイ
レンズ７の２次光源像のうち光軸ＡＸ上に位置する１つ
の２次光源像からの照明光ＩＬＢは、レチクルＲ上では
光軸ＡＸに対して傾きのない平行光束になっているが、
これは投影光学系ＰＬのレチクル側がテレセントリック
だからである。もちろん、フライアイレンズ７の射出側
には光軸ＡＸ上からずれて位置する多数の２次光源像
（軸外の点光源）が形成されるから、それらからの照明
光はいずれもレチクルＲ上では光軸ＡＸに対して傾いた
平行光束となってパターン形成領域内で重畳される。
尚、レチクルＲのパターン面とフライアイレンズ７の射
出側面とが、集光レンズ系１０、レンズ系１２、コンデ
ンサーレンズ１４の合成系によって光学的にフーリエ変
換の関係になっていることは言うまでもない。また、レ
チクルＲへの照明光ＩＬＢの入射角度範囲ψは絞り８の
開口径によって変化し、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
シィの度合い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
稼動中のステッパーの多くは、σ＝０．５〜０．７程度
の範囲で使われている。本発明では、そのσ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、必要によっては、前述のＳ
ＨＲＩＮＣ法による変形光源絞りや輪帯絞りを用いても
よい。

【００１７】さて、レチクルＲのパターン面にはクロム
層によって所定のレチクルパターンが形成されている
が、ここではクロム層が全面に蒸着され、その中に微小
な矩形開口部（クロム層のない透明部）で形成された複
数のコンタクトホールパターンが存在するものとする。
コンタクトホールパターンはウェハＷ上に投影したと
き、０．５μｍ角（又は径）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ＰＬ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、孤立的な微小パ
ターンとして存在する。すなわち、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。ところが後
で詳しく述べるが、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存在する。

【００１８】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
してウェハ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からウェハ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ＦＴＰには、位相型の瞳フィル
ターＰＦが設けられる。この瞳フィルターＰＦは、投影
光学系ＰＬの瞳面の最大径をカバーする直径を有し、ス
ライダー機構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。

【００１９】仮りにそのステッパー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ＰＦ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、複数台のステッパーによってリソ
グラフィ工程の露光作業を行う場合、各ステッパーの最
も効率的な運用を考えると、特定の一台のステッパーを
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
は躊躇される。そのため、瞳フィルターＰＦは投影光学
系ＰＬの瞳面（フーリエ変換面ＦＴＰ）に対して挿脱可
能に設け、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、そのステッパーが使えるようにし
ておくことが望ましい。尚、投影光学系によっては、そ
の瞳位置（フーリエ変換面ＦＴＰ）に実効的な瞳径を変
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、そのＮＡ可変絞りと瞳フィルターＰ
Ｆ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。

【００２０】さて、ウェハＷは、光軸ＡＸと垂直な面内
で２次元移動（以下、ＸＹ移動とする）するとともに、
光軸ＡＸと平行な方向に微動（以下、Ｚ移動とする）す
るウェハステージＷＳＴ上に保持される。ウェハステー
ジＷＳＴのＸＹ移動、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
出値に基づいて制御される。ステージ駆動ユニット２
２、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、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、絞り８、又はレチクルブラインド１１の各開口の大
きさを制御する。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
ーコードリーダー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、
入力し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、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ＰＦの要、不要を、そのレチクルに合わせて自動的に
調整することができる。

【００２１】ここで図１中の投影光学系ＰＬの一部分の
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の部分的な断面を示し、前
群のレンズ系ＧＡの最下部のレンズＧＡ₁と後群のレン
ズ系ＧＢ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ＰＬ
は複数枚のレンズを鏡筒で保持しているが、本実施例で
は瞳フィルターＰＦの交換（保持部材３０の回転）のた
めに、鏡筒の一部に開口部を設ける。また、複数個の瞳
フィルター（図３中の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、鏡筒の開口
部から延設する。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。また、交換機構２０には回転モータ等のアクチュ
エータ２０Ａが結合されており、保持部材３０の回転に
より複数個の瞳フィルターを交互に投影光学系ＰＬの瞳
面ＦＴＰに配置可能となっている。さらに、鏡筒の一部
に瞳空間に連通する流路Ａｆを設け、パイプ２９を介し
て温度制御されたクリーンエアを瞳空間へ供給すること
で、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を抑えるようにする。尚、瞳
空間へ強制的に供給されたクリーンエアを、交換機構２
０、アクチュエータ２０Ａを介して強制的に排出するよ
うにすれば、交換機構２０、保持部材３０等で発生した
埃塵が瞳空間内に進入することを防止することができ
る。

【００２２】図３は、図２中の保持部材３０の具体的な
構成を示し、本実施例ではターレット状の円板に３個の
瞳フィルターＰＦ１〜ＰＦ３を等角度間隔で固定してい
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の瞳の最大径をカバーする直径を有して
おり、瞳面ＦＴＰ内に分布する結像光は前述したＮＡ絞
りの開口径に依らず、保持部材３０で遮光されることな
く瞳フィルターを透過することになる。尚、保持部材３
０は３個の瞳フィルターＰＦ１〜ＰＦ３以外の領域は全
て遮光部となっている。

【００２３】さて、瞳フィルターＰＦ３は、瞳フィルタ
ーを用いない通常の露光（ＳＨＲＩＮＣ法や輪帯照明法
も含む）を行う場合に瞳面ＦＴＰに配置されるものであ
り、瞳フィルターＰＦ１、ＰＦ２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。これは、瞳フィルターＰＦ１、又はＰＦ２
を用いた露光から通常の露光へ変更したときに、投影光
学系ＰＬの結像特性（収差）の変動を極力抑えるための
ものである。

【００２４】一方、瞳フィルターＰＦ１、ＰＦ２は本発
明による位相型の瞳フィルターであり、石英等の透明基
板の一部（斜線で示す輪帯状領域）に所定の膜厚で位相
シフター（例えばＳＯＧ等）ＰＳ１、ＰＳ２を被着して
形成したものである。また、瞳フィルターＰＦ１とＰＦ
２とは形成条件、すなわち位相シフターＰＳ１、ＰＳ２
が被着された輪帯状の光透過部（斜線部）の内半径と外
半径とが互いに異なっているものとする。

【００２５】図４（Ａ）は、本発明による位相型の瞳フ
ィルターの構成の一例を示し、ここでは瞳フィルターＰ
Ｆが投影光学系ＰＬに装填されてその中心が光軸ＡＸと
一致しているものとする。図４（Ａ）において、瞳フィ
ルターＰＦは、光軸ＡＸを中心とする半径ｒ₁の円形領
域ＦＡ、その外側の内半径ｒ₁、外半径ｒ₂の輪帯領域
ＦＢ、及びその外側の内半径ｒ₂、外半径ｒ₃の輪帯領
域ＦＣから成り、輪帯領域ＦＢ内を透過する光と、その
内側、及び外側の領域（ＦＡ、ＦＣ）内を透過する光と
の間に（２ｍ＋１）π [rad]（但し、ｍは整数）の位相
差を与えるために、輪帯領域ＦＢのみに位相シフターＰ
Ｓが形成されている。これは、ＳＯＧ、ＳｉＯ₂等の薄
膜を蒸着、スパッター、又はＣＶＤ等で形成したもので
ある。従って瞳フィルターＰＦは、円形透過部ＦＡ、及
び輪帯透過部ＦＣ（共に基板裸面部）と輪帯状の位相シ
フト透過部ＦＢとを有することになる。図４（Ｂ）は、
図４（Ａ）の瞳フィルターＰＦの半径方向の振幅透過率
ｔを表しており、円形透過部ＦＡ及び輪帯透過部ＦＣに
対して位相シフト透過部ＦＢは振幅の符号が反転してい
る。

【００２６】また、瞳フィルターＰＦ上の位相シフター
ＰＳの屈折率をｎ₂とすれば、その厚さｄは（ｎ₂−
１）ｄ＝（ｍ＋１／２）λ₀（λ₀＝０．３６５μｍ）
とすればよい。屈折率ｎ₂が１．５程度であれば、例え
ばｍ＝０としたとき、厚さｄはｄ＝０．３６５μｍとす
ればよい。膜厚ｄはｍ＝１、２、３・・・・に対応してより
厚くすることも可能ではあるが、位相シフターとしての
薄膜の材質による光の吸収が生じる等の問題があるの
で、実用上はｍ＝０、１、２程度に対応した厚さとする
方がよい。

【００２７】ここで、瞳フィルターＰＦの半径ｒ₃は投
影光学系ＰＬの最大開口数（すなわち瞳面の最大径）に
対応している。尚、半径ｒ₃以上の領域では投影光学系
ＰＬ中のＮＡ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ＰＦの半径ｒ₃が瞳面の最大径より
大きくても全く問題ない。ところで、本実施例では図３
のように輪帯状の位相シフト透過部（斜線部）の内半径
と外半径とが互いに異なる２つの瞳フィルターＰＦ１、
ＰＦ２を保持部材３０に設けるようにした。これは、本
発明による瞳フィルターでは投影光学系ＰＬの開口数Ｎ
Ａ（すなわち瞳面の半径ｒ₃）に応じて中間の輪帯透過
部ＦＢ（本実施例では位相シフト透過部とした）の内半
径ｒ₁と外半径ｒ₂とが共に変化するためであり、前述
の如きＮＡ可変絞りによって投影光学系ＰＬの開口数Ｎ
Ａが可変となっているステッパーにおいて、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
いるべく、互いに条件が異なる２つの瞳フィルターを用
意したのである。従って、保持部材３０の構造を変更し
て４種類以上の瞳フィルターを設けるようにし、３通り
以上の開口数ＮＡに対してそれぞれ中間の輪帯透過部の
半径ｒ₁、ｒ₂の最適化を行う、すなわち最適な瞳フィ
ルターを用いることができるようにしてもよい。

【００２８】また、本実施例では図１に示したウェハス
テージＷＳＴの駆動ユニット２２のうち、ウェハＷを光
軸方向に微動させる制御の中に、従来のＦＬＥＸ法の機
能、すなわち露光中にウェハＷを光軸ＡＸ方向に移動、
又は振動させる機能を持たせてもよい。ＦＬＥＸ法の併
用によって、本発明による焦点深度拡大効果をさらに増
大させることができる。さらに本発明は投影型露光装置
であればどのタイプのものにも適用できる。例えば投影
レンズを用いたステッパータイプのものでもよく、ある
いは反射屈折光学系を用いたステップアンドスキャンタ
イプのものであっても、１：１のミラープロジェクショ
ンタイプのものであってもよい。特にスキャンタイプ
（ステップアンドスキャン）やミラープロジェクション
方式では、レチクルやウェハを投影光学系の光軸と垂直
な面内で走査移動させながら露光するため、従来のＦＬ
ＥＸ法の適用が難しいとされていたが、本発明はそのよ
うな走査型の露光方式の装置に極めて簡単に適用できる
といった利点がある。

【００２９】さて、本発明では本件発明者の膨大なシミ
ュレーションの結果、図４の瞳フィルターＰＦでは３つ
の透過部ＦＡ、ＦＢ、ＦＣの境界となる半径ｒ₁、ｒ₂
を、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡに対応する瞳面半径ｒ
₃（最大径、又はＮＡ絞りで規定される半径であって、
ｒ₃＞ｒ₂＞ｒ₁））に対して、ｒ₁＝０．２５×ｒ₃ ｒ₂＝０．９２×ｒ₃ 程度に設定すると、最良の結像特性が得られることがわ
かった。これが、瞳フィルターＰＦにおいて十分な焦点
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値である。すなわち、半径ｒ₁、
ｒ₂がこの値に近いときが、微小コンタクトホールパタ
ーンを十分大きな焦点深度で、かつある程度近接した複
数のコンタクトホールにおいてもその中間に不要なゴー
ストパターンを生じることなく転写可能となる。

【００３０】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、上記式中の瞳面
半径ｒ₃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、ｒ₂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、ｒ₂が上式
の±５％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。すなわち、図４の瞳フィルターＰＦで
は、０．９５×０．２５×ｒ₃≦ｒ₁≦１．０５×０．２５
×ｒ₃ ０．９５×０．９２×ｒ₃≦ｒ₂≦１．０５×０．９２
×ｒ₃ なる範囲内で半径ｒ₁、ｒ₂の値を決定するようにして
もよい。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±５％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。

【００３１】次に、本実施例（図４）の瞳フィルターＰ
Ｆのシミュレーション結果を基に、本発明による効果に
ついて説明する。図６は、図４中の輪帯透過部ＦＢの半
径ｒ₁、ｒ₂をｒ₁＝０．２５、ｒ₂＝０．９２とした
ときのコンタクトホールパターンの光学像シミュレーシ
ョン結果（断面強度分布）である。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（ウェハ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。

【００３２】図６（Ａ）は、図５（Ａ）に示すようにウ
ェハ上換算で０．３０μｍ角の２個のコンタクトホール
が、中心間距離で０．７５μｍ（ウェハ上換算値）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６（Ｂ）は、図５（Ｂ）に示すよう
にウェハ上換算で０．３０μｍ角の２個のコンタクトホ
ールが、中心間距離で１．０５μｍ（ウェハ上換算値）
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。図６（Ａ）、（Ｂ）では共に、実
線がベストフォーカス位置での像強度分布、一点鎖線が
±１μｍのデフォーカス位置での像強度分布、二点鎖線
が±２μｍのデフォーカス位置での像強度分布を表して
いる。また、図６（Ａ）、（Ｂ）中のＥthは、ポジ型フ
ォトレジストを完全に溶解するのに必要な露光光強度を
表している。従って、図中でこの強度値Ｅthのもとでの
光学像のスライス幅が、ウェハ上に形成されるホールパ
ターンの径になると考えられる。尚、図６（Ａ）、
（Ｂ）中の光学像のゲイン（縦方向倍率）は、強度値Ｅ
thのもとでの光学像のスライス幅が、ベストフォーカス
位置での像強度分布（実線）で０．３μｍとなるように
定めている。

【００３３】図６（Ａ）、（Ｂ）に示した通り本発明に
おいては、ホールパターンの像がベストフォーカス位置
（実線）と±１μｍのデフォーカス位置（一点鎖線）と
でほとんど変化しない（図では両者がほとんど重なって
いる）、すなわち極めて大きな焦点深度でコンタクトホ
ールパターンを投影露光することが可能である。また、
特に図６（Ａ）に示すように、近接した２個のホールパ
ターンに対しても十分な分離能力（解像力）があり、か
つ両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。

【００３４】図７は比較のために、従来の通常露光での
光学像シミュレーション結果を示したものであり、図７
（Ａ）は図５（Ａ）のパターンの光学像、図７（Ｂ）は
図５（Ｂ）のパターンの光学像を示している。尚、露光
条件（ＮＡ、σ、λ）や使用するパターン、フォーカス
位置は図６と全く同様である。図１３（Ａ）、（Ｂ）で
は、共に±１μｍのデフォーカス位置での像（１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わかる。

【００３５】図８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８でのＦＬ
ＥＸ法の条件は、離散的な３点の各々で露光を行うもの
とし、かつ各間隔は共に１．５μｍとした。図８
（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、すなわ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５（Ｂ）の如きある程度離れて並
ぶ複数のホールパターンの像（図８（Ｂ))では両ホール
は完全に分離するが、それよりも近接した図５（Ａ）の
ホールパターンの像（図８（Ａ))では両ホールの分離が
十分でなく、両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８（Ａ）中のホール間の像強度が
Ｅth／２に近づいているためである。尚、図６〜図１１
中のＥth／２は、ポジ型フォトレジストで膜ベリが生じ
始める露光量にほぼ対応しているものとする。従って、
従来のＦＬＥＸ法では、両ホールの中間のフォトレジス
トが膜ベリを起こしてしまう可能性がある。これに対し
て、前述の本発明による像（図６）では両ホールの中間
部の光量は十分に小さく膜ベリの心配は全くない。

【００３６】次に、従来提案されている２重焦点型瞳フ
ィルター（位相差フィルター）、例としてＳｕｐｅｒ
ＦＬＥＸ法を使用した場合のシミュレーション結果を図
９、図１０、図１１に示す。図９〜図１１ではいずれも
シミュレーション条件（ＮＡ、λ、σ、ホールパター
ン、フォーカス位置）は全て図６〜図８での条件と同様
であるが、瞳フィルターとしては本発明とは異なる条件
の位相型フィルター、すなわち瞳中心部（光軸を中心と
する半径ｒ₁の円形領域内）を透過する光と、その外側
（内半径ｒ₁、外半径が投影光学系の開口数に対応する
瞳面半径ｒ₃である輪帯領域内）を透過する光との間に
π [rad]の位相差を与える２重焦点型フィルターを用い
るものとした。

【００３７】また、図９では半径ｒ₁＝０．５×ｒ₃と
し、図１０では半径ｒ₁＝０．４×ｒ₃とし、図１１で
は半径ｒ₁＝０．３×ｒ₃とした。さらに、図９では中
心透過部の振幅透過率がその外側の領域に対して−０．
３となるような減光部材を用いるものとし、図１０、図
１１では中心透過部の振幅透過率をその外側の領域に対
して−１．０として減光部材を用いないものとした。ま
た、図９〜図１１では（Ａ）が図５（Ａ）のパターンの
光学像を示し、（Ｂ）が図５（Ｂ）のパターンの光学像
を示している。

【００３８】さて、図９〜図１１のシミュレーション結
果から明らかなように、従来の２重焦点型フィルターに
おいても、ベストフォーカス位置での像（実線）と±１
μｍのデフォーカス位置での像（一点鎖線）との間に大
きな差がない、すわなち比較的大きな焦点深度が得られ
ることがわかる。しかしながら、本来のホールパターン
の周囲に不要な副ピーク（リンギング）が強く発生し、
特に各図中（Ｂ）に示すようにある程度離れて並ぶ２個
のホールパターンにおいては、両ホールパターンのリン
ギングがその中間で加算されて（重なり合って）極めて
強い副ピークが生じる。従って、両ホールパターン間に
不要なパターン（ゴースト像）が転写されてしまうこと
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。

【００３９】これは、図９〜図１１の３通りの条件の各
々で副ピークの強度が変化していることからわかるよう
に、瞳フィルターの中心透過部の半径ｒ₁や振幅透過率
を変更することでリンギングの大きさをある程度低減す
ることはできるが、リンギングを低減するような半径ｒ
₁、及び透過率の条件では焦点深度拡大効果も低下して
しまい、良好な結像特性は得られないことがわかった。
例えば、図９〜図１１の各条件で、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）との差が最も小さい、すなわち焦点深度が
最も大きくなっているのは図１０の条件であるが、その
一方で図１０中のリンギングの大きさは３つの条件の中
で最も大きくなっている。また、リンギングが最も小さ
いのは図１１の条件であるが、図１１ではベストフォー
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）との差が最も大きい、すなわち焦点
深度が最も小さくなっている。

【００４０】これに対して、本発明による瞳フィルター
では、既に図６に示したように、十分に大きな焦点深度
を確保しつつリンギングも極めて小さくでき、しかも近
接した複数のコンタクトホールパターンの分離能力（解
像力）も良好であり、かつある程度離れた複数のコンタ
クトホールパターン間も十分な暗くすることができ、不
要なパターンの誤転写の心配は全くない。

【００４１】ところで、上述の実施例では中間の輪帯領
域ＦＢに位相シフターＰＳを形成して位相シフト透過部
としたが、逆に中心透過部ＦＡ、及び輪帯透過部ＦＣの
各々に位相シフターを形成してもよい。さらに、透明基
板の全面に位相シフターを被着し、かつ透過部ＦＡ、Ｆ
Ｃの透過光と透過部ＦＢの透過光との間に（２ｍ＋１）
π [rad]の位相差を与えるべくその膜厚を異ならせるよ
うしてもよい。また、本発明による瞳フィルターは透明
基板に位相シフターを被着して形成する方法以外にも、
例えば透明基板をエッチングして形成するようにしてよ
く、要は透過部ＦＡ、ＦＣの透過光と透過部ＦＢの透過
光との間に（２ｍ＋１）π [rad]の位相差を与えられれ
ば、いかなる形成方法を採用しても構わない。

【００４２】さて、以上の実施例（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
ェハ上換算で０．３μｍ角（又は径）のパターン、すな
わち１／５縮小系ならレチクル上では１．５μｍ角（又
は径）を、ウェハ上で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ェハ上換
算で所望のサイズでなくてもよい。例えば、ウェハ上換
算で０．４μｍ角となるレチクル上の２μｍ角のホール
パターンがウェハ上で０．３μｍ角となるように、露光
量を調整して転写してもよい。

【００４３】さらに本発明による投影露光装置に、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良い。

【００４４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、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コンタクトホール
パターンの分離能力（解像度）が高く、かつある程度離
れて並ぶコンタクトホール間に不要な誤転写を生じな
い、すなわちリンギングの小さな投影露光装置を実現す
ることができる。

【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全体的な
構成を示す図。

【図２】図１中の投影光学系の一部分の構造を示す断面
図。

【図３】図２中の複数の位相型瞳フィルターを備えた保
持部材の構成例を示す図。

【図４】図１中の位相型瞳フィルターの具体的な構成の
一例を示す図。

【図５】（Ａ）は近接した２個のコンタクトホールを示
す図、（Ｂ）はある程度離れた２個のコンタクトホール
を示す図。

【図６】（Ａ）、（Ｂ）は複数のホールパターンに対す
る本発明による効果を像強度分布としてシミュレーショ
ンしたグラフ。

【図７】（Ａ）、（Ｂ）は複数のホールパターンに対す
る従来の通常露光法による効果を像強度分布としてシミ
ュレーションしたグラフ。

【図８】（Ａ）、（Ｂ）は複数のホールパターンに対す
る従来の通常露光法とＦＬＥＸ法との併用による効果を
像強度分布としてシミュレーションしたグラフ。

【図９】（Ａ）、（Ｂ）は複数のホールパターンに対す
る従来の２重焦点型フィルターによる効果を像強度分布
としてシミュレーションしたグラフ。

【図１０】（Ａ）、（Ｂ）は複数のホールパターンに対
する従来の２重焦点型フィルターによる効果を像強度分
布としてシミュレーションしたグラフ。

【図１１】（Ａ）、（Ｂ）は複数のホールパターンに対
する従来の２重焦点型フィルターによる効果を像強度分
布としてシミュレーションしたグラフ。

【主要部分の符号の説明】

ＰＦ、ＰＦ１、ＰＦ２瞳フィルターＰＳ、ＰＳ１、ＰＳ２位相シフターＰＬ投影光学系ＡＸ光軸ＦＴＰフーリエ変換面（瞳面）ＲレチクルＷウェハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微細パターンが形成されたマスクを露光
用の照明光で照射する照明手段と、前記マスクのパター
ンから発生した光を入射して前記パターンの像を感応基
板上に結像投影する投影光学系とを備えた投影露光装置
において、前記マスクと前記感応基板との間の結像光路内のフーリ
エ変換面、又はその近傍に、該フーリエ変換面、又はそ
の近傍面上の前記投影光学系の光軸を中心とする内半径
ｒ₁、外半径ｒ₂の輪帯状領域内に分布する照明光と、
該輪帯状領域の内側、及び外側に分布する照明光との間
に（２ｍ＋１）π [rad]（但し、ｍは整数）の位相差を
与える位相板を配置し、かつ前記投影光学系の瞳面の半
径をｒ₃（ｒ₃＞ｒ₂＞ｒ₁）とすると、前記内半径ｒ
₁、外半径ｒ₂を、０．９５×０．２５×ｒ₃≦ｒ₁≦１．０５×０．２５
×ｒ₃ ０．９５×０．９２×ｒ₃≦ｒ₂≦１．０５×０．９２
×ｒ₃ なる範囲内に定めたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記位相板を前記結像光路中に挿脱可能
とし、かつ前記位相板を前記結像光路外へ退避した際
に、前記フーリエ変換面、又はその近傍に前記位相板と
ほぼ等しい光学的厚さを有する透明な平行平面板を配置
する交換手段を有することを特徴とする請求項第１項に
記載の投影露光装置。