JPH0794398A - 投影露光装置及び投影露光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 縦方向Ｙ及び横方向Ｘに沿って所定周期で繰
り返し配置されたパターンを有し、横方向Ｘにおけるパ
ターン周期が投影露光装置の限界解像度近傍の値であ
り、縦方向Ｙのパターン周期が横方向Ｘのパターン周期
のおよそ２倍程度であるフォトマスクのパターンを、パ
ターン周期の小さい横方向Ｘのパターンに対しては、基
板に塗布した感光性材料上で十分な焦点深度を得ること
ができ、しかも縦及び横の両方向のパターンに対して
も、適正な寸法再現性を得ることができる。 【構成】 光源の像を２次元的に多数形成する結像光学
系の像面又はその近傍に配置されるアパーチャ６０を、
その中心軸Ａに対して線対称となるよう配置された、一
対の略台形形状の光透過領域６１を有する構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は投影露光装置及び投影
露光方法に関し、特にＬＳＩ製造プロセスに用いられる
投影露光装置及び投影露光方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０に特開平４―１８０６１２号公報
に記載された従来の投影露光装置の光学系の基本的機能
を果たす部分を抜粋して示す。図１０において、１はラ
ンプ、２は楕円反射鏡、３は楕円反射鏡２の第２焦点、
４はインプットレンズ、５はオプチカルインテグレー
タ、６はアウトプットレンズ、７はコリメーションレン
ズ、８はフォトマスク、２０はアパーチャ、９はフィル
タ、１０，１１はコールドミラー、１２はランプハウ
ス、１３はレンズまたはミラー、あるいはその組み合わ
せによりフォトマスク８上の転写パターンの像を基板上
に投影する投影光学系、１４はフォトレジスト等の感光
性材料が塗布された基板、１５は投影光学系開口絞りで
ある。図１１は前記アパーチャの構成を示す図であり、
図中２０は光透過領域２１及び遮光領域２２からなるア
パーチャで、上記光透過領域２１はアパーチャの４箇所
に設けられている。

【０００３】次に動作について説明する。図１０に示し
た装置は従来の代表的な集光方法を用いたものであり、
楕円反射鏡２の第１焦点にランプ１を置き、楕円反射鏡
２の第２焦点３付近に一旦光束を集める。そして、第２
焦点３とほぼ焦点位置を共有するインプットレンズ４に
より光束をほぼ平行光束に直し、オプチカルインテグレ
ータ５に入射させる。オプチカルインテグレータ５は多
数の棒状レンズを束ねたもので、フライアイレンズとも
呼ばれる。オプチカルインテグレータ５の個々の要素レ
ンズの出射面にランプ１の像が形成される。

【０００４】従来の投影露光装置は、光源の各点を出た
光が平行光線となって試料の全面を照らす、いわゆるケ
ーラー照明光学系を用いており、この照明光学系におい
ては、オプチカルインテグレータ５の出射面は投影光学
系開口絞り１５を含む光軸に垂直な面（瞳面）と光学的
に共役な位置関係にあり、オプチカルインテグレータ５
の出射面の像が前記瞳面上に形成されるような構成にな
っており、オプチカルインテグレータ５の出射面は２次
光源面あるいは有効光源面と呼ばれる。

【０００５】ここで上記インプットレンズ４はオプチカ
ルインテグレータ５を通る光線のケラレを低減し集光効
率を高める役割を果たす。このオプチカルインテグレー
タ５を出た光は、アウトプットレンズ６及びコリメーシ
ョンレンズ７によって、オプチカルインテグレータ５の
各要素レンズから出た光がフォトマスク８上に重畳して
当たるよう集光される。

【０００６】また上記アウトプットレンズ６とコリメー
ションレンズ７は、オプチカルインテグレータ５の出射
面をフォトマスク８上において光学的にフーリエ変換す
る機能を有する。オプチカルインテグレータ５に入射さ
れる光線は強度分布を有するが、オプチカルインテグレ
ータ５の各要素レンズから出る光がほぼ等しく重畳され
る結果、フォトマスク８上では照射強度がほぼ均一にな
る。

【０００７】上記オプチカルインテグレータ５の出射側
にはアパーチャ２０が設置されている。このアパーチャ
２０は２次光源形状を決定する機能を有しており、光透
過領域２１により、２次光源が４つの領域に分割され
る。この２次光源の４箇所の光透過領域２１の重心位置
は、それらの位置から出射した光が、フォトマスク８上
に存在するある特定周期の、光透過部分（ライン部分）
と遮光部分（スペース部分）が交互に並んだいわゆるラ
イン・アンド・スペース・パターン（以下、Ｌ／Ｓパタ
ーンと称する）により回折された時に、その０次回折光
と＋１次回折光、あるいは０次回折光と−１次回折光の
光軸中心に対する角度が互いに等しくなるように設定さ
れている。つまりここでは、上記光透過領域２１の重心
は、投影光学系内にある前記オプチカルインテグレータ
５の出射面と光学的に共役な関係にある面（瞳面）上
で、相互にλ／（ＮＡ・Ｐ）で求められる間隔を隔て
て、投影光学系の光軸中心に対して対称な位置に位置す
るようになっている。ただし、Ｐは基板上でのパターン
周期、ＮＡは像側から見た開口数である。またこのとき
ＮＡは、瞳面上で考えて、前記４箇所の光透過領域２１
が全て入る最小の大きさであればよい。

【０００８】図１２は、前記４箇所の光透過領域２１の
内の１箇所からの光による、前記特定周期のＬ／Ｓパタ
ーンの像の形成概念を示している。図１２において、１
００は前記４箇所の光透過領域２１のうちの１箇所から
の光の主光線、１０１は前記照明光がフォトマスク８に
より回折された後の０次回折光、１０２は前記照明光が
フォトマスク８により回折された後の＋１次回折光、θ
0 は０次回折光と光軸がなす角度、θ1 は＋１次回折光
と光軸がなす角度である。また３０はレンズであり、図
１０中のレンズ６，７によるフーリエ変換光学系と等価
な機能を果たす。また４０、４１はレンズであり、図１
０中の投影光学系１３を構成する光学素子を便宜的に示
したもので、特にレンズに限定されるものではなく、ミ
ラーなどの反射型光学系等でもよい。

【０００９】図１２において、θ0 ＝θ1 である。図１
２に示すように、像は互いに光軸に対して等しい角度で
入射する０次回折光１０１と＋１次回折光１０２の２光
束の干渉により形成され、焦点はずれの位置においても
０次回折光と＋１次回折光の相対的な位相差がゼロにな
り、光学像の劣化が抑制されて大きい焦点深度が得られ
る。その結果、従来の投影露光装置では、限界解像度近
傍での周期的パターンの焦点深度の拡大を図ることがで
きる。この方法は、照明光学系内に形成される２次光源
の強度分布を変化させるという意味から、変形光源法ま
たは変形照明法などと呼ばれている。

【００１０】また上記フィルタ９は、光学系が収差補正
されている波長の光を通すためのものであり、またコー
ルドミラー１０，１１は光路を曲げて装置の高さを低く
するとともに、長波長光熱線を透過させてランプハウス
１２の冷却可能部分に吸収させる働きがある。そして上
記フォトマスク８上に照射された光は、その内部に開口
数を決定する投影光学系開口絞り１５が設置されている
投影光学系１３を通り、フォトマスク８のパターンの像
が基板１４上の感光性材料に投影露光転写される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところが従来の投影露
光装置では、以下の示すように２つの問題があった。 課題１．このような投影露光装置を用いて、図１３及び
図１４に示すような一方向Ｘとそれと直交する方向Ｙの
両方向に対して周期的でかつそれぞれの基板上でのパタ
ーン周期Ｐx ，Ｐy （Ｐy はＰx の約２倍程度であ
る。）が異なるパターンを露光転写する場合、前記変形
照明の理論からアパーチャ５０の光透過領域５１の設置
位置は図１５に示す如くなる。すなわち、Ｘ及びＹ方向
のパターン周期に対応した位置にその中心を配置するこ
とになる。これらの光透過領域の間隔は、投影光学系の
瞳面上の座標に換算した場合、各方向の周期に応じて、
それぞれλ／（Ｐx ・ＮＡ）、λ／（Ｐy ・ＮＡ）とな
る。ここで、λは露光光の波長であり、ＮＡは投影光学
系の開口絞り１５の径により規定される像側から見た開
口数である。ところが、前記形状のアパーチャ５０を用
いて露光を行うと以下に記すような問題が発生する。

【００１２】以下に、前記パターンの像形成概念をパタ
ーン周期の小さい方向（Ｘ方向）と大きい方向（Ｙ方
向）に分けて説明する。パターン周期の小さい方向につ
いては図１２に示した場合と同様であるので省略する。
図１６は、パターン周期が大きい方向のパターンの結像
の概念を示した図である。図中、２００は大きい周期の
Ｌ／Ｓパターンに対して最適化された４箇所の透過領域
５１の内の１箇所からの光の主光線、２０１は前記照明
光がフォトマスク８により回折された後の０次回折光で
ある。また、２０２〜２０４は高次回折光であり、次数
はそれぞれ、−１次、＋１次、＋３次である。また、θ
0 ’は０次回折光と光軸がなす角度、θ1’は＋１次回
折光と光軸がなす角度であり、図１６においてθ0 ’＝
θ1 ’である。前記高次回折光は、実際には、図１６に
示されたもの２０２〜２０４よりも多く存在するが、一
般的には、回折の次数が大きくなると光の強度が弱くな
るので、ここでは簡単のため４光束（０次回折光を含め
て）とした。

【００１３】図１６からわかるように、周期の大きいＬ
／Ｓパターンの結像においては、０次回折光と＋１次回
折光のみならず、−１次や＋３次回折光などが結像に寄
与するようになる。その結果、回折された光の投影光学
系の光軸に対する対称性が崩れ、焦点はずれ位置におい
て、各々の回折光の位相ずれが発生し像が劣化すること
となる。これは、投影光学系の開口数が大きい周期のパ
ターンに対して大き過ぎるからであるが、開口数を小さ
くすると周期が小さい方のパターンが解像できなくな
る。すなわちフォトマスクが、一方向Ｘとそれと直交す
る方向Ｙの両方向に周期的なパターンを有し、前記一方
向Ｘのパターン周期Ｐx が前記投影露光装置の限界解像
度近傍のもので、前記直交する方向Ｙのパターン周期Ｐ
y が前記方向Ｘのパターン周期Ｐx のおおよそ２倍程度
である場合において、前記大きい周期の方向Ｙに対して
は、光透過部分を前記理論から求められる位置，つまり
０次回折光と＋１次回折光、あるいは０次回折光と−１
次回折光の光軸中心に対する角度が互いに等しくなるよ
うな位置に配置しても何等効果が得られない。

【００１４】更に、大きい周期のパターンに対しては以
下のような問題も発生する。例えば、像側から見た開口
数が０．５、露光光波長が０．３６５μｍであるような
投影光学系を想定し、一方向の周期がマスク上で０．８
μｍ（ライン部０．４μｍ、スペース部０．４μｍ）
で、直交する方向の周期が１．６μｍ（ライン部０．４
μｍ、スペース部１．２μｍ）のパターンに対して、前
記概念に従いアパーチャ５０ａの形状を決定すると図１
７のようになる。図１７において、Ｘ方向は周期０．８
μｍのパターンの方向と対応しており、Ｘ方向の光透過
部５１ａの間隔は、ＮＡ＝０．５の投影光学系の瞳面に
おいて瞳の半径を１として換算して０．９１３である。
また、Ｙ方向は周期１．６μｍのパターンの方向と対応
しており、Ｙ方向の光透過部５１ａの間隔は、ＮＡ＝
０．５の投影光学系の瞳面において瞳の半径を１として
換算して０．４５６である。また、光透過部５１ａの半
径は、前記と同様な換算をした場合、０．１５である。

【００１５】ここで、前記投影光学系の限界解像度に対
応するパターンは、周期０．７３μｍ（λ／ＮＡ＝０．
３５６μｍ／０．５＝０．７３）の周期的パターンであ
るので、前記０．８μｍの周期のパターンは限界解像度
近傍のパターンであると見なすことができる。図１７に
示したようなアパーチャ形状（２次光源形状）による照
明を行うと、それぞれの周期のパターンの光学像は図１
８(a) ，(b) に示す如くなる。すなわち、周期１．６μ
ｍのパターンの光学像のピーク強度はおよそ０．７４、
周期０．８μｍのパターンはピーク強度はおよそ０．６
７となり、大きい周期のパターンの方がピーク強度が大
きく、その結果、小さい周期の方のパターンが規格寸法
に仕上がる露光量で露光を行うと、周期が大きい方のパ
ターンに対して露光過剰となり寸法が規格値からずれる
という問題が発生する。

【００１６】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、一方向とそれと直交する方向の両
方向に周期的なパターンを有し、前記一方向のパターン
周期が投影露光装置の限界解像度近傍の値であり、前記
直交する方向のパターン周期が前記方向の周期のおおよ
そ２倍程度であるフォトマスクによる露光を、周期の小
さい方向のパターンに対して十分な焦点深度を確保する
と同時に、両方向のパターンに対して適正な寸法再現性
を確保しつつ行うことができる投影露光装置及び投影露
光方法を提供することを目的とする。

【００１７】課題２．また以上説明した変形照明法の理
論から分かるように、アパーチャ２０により結像に寄与
する回折光を０次と１次あるいは−１次に限定すること
により、焦点深度等の拡大が図れるが、その反面光学像
の絶対強度が低下するという問題が発生する。この光強
度の低下が発生するのは、回折光を限定し光学像として
寄与する回折成分を削除しているためである。また、こ
の問題は、ライン部とスペース部の寸法比率を表すいわ
ゆるデューティー比が１対１からずれると更に顕著にな
る。これはデューティー比が１対１からずれると高次回
折光の強度が１対１の場合に比べて強くなり、削除成分
が増加するからである。

【００１８】このような光学像の絶対強度の低下は、露
光量変化に対してレジストパターン寸法の変化が大きく
なるという問題や、レジスト断面形状が悪くなるなどの
問題を生じ、これらの問題は安定した露光プロセスを得
る上で大きな障害となっていた。従って、上述したよう
な変形照明理論から求められるＮＡ値はプロセスの安定
性の観点から考えると必ずしも最適ではなかった。

【００１９】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、トレードオフの関係にある焦点深
度の深さと光学像の強度とを最適値に設定することがで
き、これにより変形照明を用いる露光プロセスにおい
て、プロセスの安定性を図ることができる投影露光装置
を得ることを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る投影露光装
置は、光源の像を２次元的に多数形成する結像光学系
と、前記結像光学系の像面又はその近傍に配置されたア
パーチャと、前記結像光学系の像面又はその近傍の面を
光学的にフーリエ変換するフーリエ変換光学系と、前記
フーリエ変換光学系のフーリエ変換面又はその近傍に設
置されたフォトマスクと、前記フォトマスクを通過した
光を感光性材料が塗布された基板上に集光させる投影光
学系とを備え、前記アパーチャを、線対称な一対の略台
形形状の光透過部を有する構造としたものである。

【００２１】この発明に係る投影露光方法、及び投影露
光装置は、上記投影露光装置を用いて、第１方向及びこ
れと直交する第２方向の両方向に沿って所定周期で順次
配置されたパターンを有し、前記第１方向におけるパタ
ーン周期が本投影露光装置の限界解像度近傍の値であ
り、前記第２方向におけるパターン周期が前記第１方向
におけるパターン周期の約２倍程度であるフォトマスク
のパターンを、基板上に塗布した感光性材料上に露光転
写するものである。

【００２２】また、この発明に係る投影露光装置は、光
源の像を２次元的に多数形成する結像光学系と、前記結
像光学系の像面又はその近傍に配設され、４箇所の光透
過部を有するアパーチャと、前記結像光学系の像面又は
その近傍の面を光学的にフーリエ変換するフーリエ変換
光学系と、前記フーリエ変換光学系のフーリエ変換面又
はその近傍に設置され、周期的な転写パターンを有する
フォトマスクと、前記フォトマスクを通過した光を感光
性材料が塗布された基板上に集光させる投影光学系とを
備え、前記アパーチャを、その光透過部の重心が、投影
光学系内にある前記結像光学系の像面又はその近傍の面
と光学的に共役な関係にある瞳面上で、光源の波長λ，
投影光学系の像側から見た開口数ＮＡ，前記フォトマス
クを構成する主たる周期的パターンの基板上でのパター
ン周期Ｐにより規定される間隔λ／（ＮＡ・Ｐ）で、投
影露光系の光軸中心に対して対称に位置するよう構成
し、上記投影光学系の像側から見た開口数ＮＡを、前記
光源の波長λと前記フォトマスクのパターン周期Ｐの比
率λ／Ｐに対応させて、 λ／Ｐ＝０．５２の場合は、０．５８＜ＮＡ≦０．６０ λ／Ｐ＝０．４６の場合は、０．５５＜ＮＡ≦０．５８ ０．３７≦λ／Ｐ≦０．４１の場合は、０．５３＜ＮＡ
≦０．５５ としたものである。

【００２３】

【作用】この発明においては、光源の像を２次元的に多
数形成する結像光学系の像面又はその近傍に配置された
アパーチャを、線対称な一対の略台形形状の光透過部を
有する構造としたから、第１方向及びこれと直交する第
２方向の双方向に所定周期で繰り返し配置されたパター
ンを有し、前記第１方向におけるパターン周期が前記投
影露光装置の限界解像度近傍の値であり、前記第２方向
のパターン周期が第１方向のパターン周期のおよそ２倍
程度であるフォトマスクのパターンを感光性材料上に露
光転写した場合、パターン周期の小さい第１方向のパタ
ーンに対しては十分な焦点深度を得ることができ、しか
も上記アパーチャの光透過部が第２方向に広がった分、
第２方向のパターンの結像に悪影響を与える高次回折光
を低減でき、これにより第１及び第２の両方向のパター
ンに対して適正な寸法再現性を得ることができる。

【００２４】また、この発明においては、光源の像を２
次元的に多数形成する結像光学系の像面又はその近傍に
配置されたアパーチャを、その光透過部の重心が、投影
光学系内にある前記結像光学系の像面又はその近傍の面
と光学的に共役な関係にある瞳面上で、光源の波長λ，
投影光学系の像側から見た開口数ＮＡ，前記フォトマス
クを構成する主たる周期的パターンの基板上でのパター
ン周期Ｐにより規定される間隔（λ／ＮＡ・Ｐ）で、投
影露光系の光軸中心に対して対称に位置するよう構成
し、上記投影光学系の像側から見た開口数ＮＡを、前記
光源の波長λと前記フォトマスクのパターン周期Ｐの比
率λ／Ｐに対応させて、上記所定の範囲内に設定したの
で、フォトマスクの周期的なパターンをフォトレジスト
等の感光性材料上に露光転写した場合、露光量変化に強
い光学像が得られることとなり、これにより露光量変化
に強いレジストパターンを形成でき、またその断面形状
も良好なものとできる。

【００２５】

【実施例】実施例１．以下、本発明の第１の実施例によ
る投影露光装置を図について説明する。図１は、本発明
の第１の実施例に係る投影露光装置を構成するアパーチ
ャの構造を示す図である。なお本実施例では、投影露光
装置のアパーチャ以外の構成要素は従来の投影露光装置
と同一であるので説明を省略する。図において、６０は
本実施例の投影露光装置を構成するアパーチャで、一対
の略台形形状の光透過領域６１と、遮光領域６２とから
なり、上記一対の光透過領域６１はアパーチャ６０の中
心軸Ａに対して線対称となるよう台形形状の底辺を中心
軸Ａと平行にして配置されている。

【００２６】次に作用効果について説明する。図１に示
すようにアパーチャ６０は、２箇所に台形状の光透過領
域６１を有しているため、該アパーチャ６０の光透過領
域６１により、２次光源が２つの領域に分割される。こ
こで、上記アパーチャ６０をその中心線Ａが、縦方向
（Ｙ方向），横方向（Ｘ方向）にそれぞれ所定周期で複
数配置されたパターンを有するフォトマスクの縦方向Ｙ
と平行になるよう位置決めした場合、上記フォトマスク
の周期の小さい方向（Ｘ方向）のパターンに対しては、
図１５に示す４つの光透過領域を有する従来のアパーチ
ャ５０と同様にしてパターンの光学像が得られ、周期の
大きい方向Ｙのパターンに対しては、上記従来のアパー
チャ５０を用いた場合よりも、形成されるパターンの光
学像のピーク強度が弱められるという効果が現れる。こ
れは、上記光透過領域を縦方向Ｙに拡張することによ
り、その方向での光の干渉性が低下し、光の干渉によっ
て得られる光学像のピーク強度が低下するからである。

【００２７】以下に、前記計算例と同様な条件で計算を
行った結果を用いて、その効果の説明を行う。図１８
(a) ，(b) で説明した前記計算例と同一のパターンに対
しては、略台形形状の光透過領域を有するアパーチャと
して、図２に示すような寸法形状の光透過領域６１ａと
遮光領域６２ａからなるアパーチャ６０ａが最適とな
る。

【００２８】すなわち、アパーチャ６０ａでのパターン
周期が０．８μｍの方向Ｘに対しては、図１７のアパー
チャ５０ａと同じ位置に開口（光透過領域）の中心を設
置し、周期が１．６μｍの方向Ｙに対しては、特に制限
を行わない。その結果、開口部分（光透過領域）６１ａ
の形状は図２に示したようにおおよそ台形状となる。図
２において、Ｘ方向は周期０．８μｍのパターンの方向
と対応しており、Ｘ方向の光透過領域６１ａの中心の間
隔は、ＮＡ＝０．５の投影光学系の瞳面において瞳の半
径を１として換算して０．９１３である。光透過領域６
１ａのＸ方向の幅は、前記と同様な換算をした場合、
０．３０である。

【００２９】図３は、上記アパーチャ６０ａを用いて照
明を行った場合に得られる、Ｘ方向のパターン周期が
０．８μｍ、Ｙ方向のパターン周期が１．６μｍである
周期的パターンの光学像の光強度分布を計算した結果を
示す。図３より、周期１．６μｍのパターンの光学像の
ピーク強度はおよそ０．６８、周期０．８μｍのパター
ンはピーク強度はおよそ０．６５となっていることが分
かる。

【００３０】すなわち、図１７に示したような２次光源
形状（アパーチャ形状）を用いた場合に比べて、周期の
大きい方向Ｙのパターンの光学像のピーク強度が小さく
なるという効果が得られ、双方向のパターンに対してほ
ぼ同一のピーク強度を有する光学像が得られ、これによ
って両方向での寸法再現性を良好にできる。

【００３１】このように本実施例では、光源の像を２次
元的に多数形成する結像光学系の像面又はその近傍に配
置されたアパーチャとして、線対称な一対の略台形形状
の光透過領域６１ａを有するアパーチャ６０ａを用いた
ので、縦，横に所定周期で繰り返し配置されたパターン
を有し、横方向Ｘにおけるパターン周期が投影露光装置
の限界解像度近傍の値であり、縦方向Ｙのパターン周期
が横方向Ｘのパターン周期のおよそ２倍程度であるフォ
トマスクのパターンを感光性材料上に露光転写した場
合、パターン周期の小さい横方向Ｘのパターンに対して
は十分な焦点深度を得ることができ、しかもアパーチャ
の光透過部がＹ方向に広がった分、該Ｙ方向のパターン
の結像に悪影響を与える高次回折光を低減でき、これに
より縦及び横の両方向のパターンに対して適正な寸法再
現性を得ることができる。

【００３２】実施例２．以下、本発明の第２の実施例に
よる投影露光装置を図について説明する。図４は、第２
の実施例による投影露光装置を構成するアパーチャの構
造を示す図であり、図において、７０は本実施例の投影
露光装置を構成するアパーチャで、扇型の４つの光透過
領域７１と、遮光領域７２とから構成されている。その
他の構成は、従来の投影露光装置の構成と概ね同一とな
っている。

【００３３】すなわち、前記アパーチャ７０は、前記光
透過部（光透過領域）７１の重心の位置が、結像光学系
の像面又はその近傍の面と光学的に共役な関係にある面
（瞳面）上で、投影光学系（図１０参照）の像側から見
た開口数ＮＡと、光源の波長λと、前記フォトマスク８
（図１０参照）を構成する主たる周期的パターンの基板
上でのパターン周期Ｐとによって規定される間隔λ／
（ＮＡ・Ｐ）を隔てて、投影光学系１３の光軸中心に対
して対称な位置に位置するよう構成されている。

【００３４】また上記投影光学系は、前記光源の波長λ
と前記フォトマスクのパターン周期Ｐの比率λ／Ｐに対
応させて、その像側から見た開口数ＮＡを、例えば、 λ／Ｐ＝０．５２の場合は、０．５８＜ＮＡ≦０．６０ λ／Ｐ＝０．４６の場合は、０．５５＜ＮＡ≦０．５８ ０．３７≦λ／Ｐ≦０．４１の場合は、０．５３＜ＮＡ
≦０．５５ としている。

【００３５】また、Ｒは投影光学系内にある瞳面上に
て、像側から見た投影光学系の開口数がＮＡ＝０．５の
とき、Ｒ／ＮＡがおよそ０．７となるような大きさとな
っている。

【００３６】次に作用効果について説明する。図５に
は、光源の波長がλ＝０．３６５μｍ（高圧水銀ランプ
のｉ線）で、上記アパーチャ７０を備えた投影露光装置
を用いて、基板上にパターン周期０．８μｍとなる種々
のデューティー比を有する周期的パターンを結像させた
場合に、デフォーカス０及び１μｍにおいて得られる光
学像のパターンエッヂ部分での傾きを指標（log-slope
値）により示しており、横軸はパターンのデューティー
比とライン部分の寸法の双方を示している。前記パター
ンエッヂ部分での傾きを表す指標は、パターンエッヂ部
分での光強度の自然対数値の傾きとして定義した。また
デューティー比はスペース寸法に対するライン寸法の比
（ライン寸法／スペース寸法）として定義した。

【００３７】図から、デューティー比が１より小さくな
ると、log-slope 値が小さくなることが分かる。光学像
の傾きが小さいと露光量変化が発生した場合にパターン
寸法変化が大きくなる。これは図６に示すように、光学
像の傾きが小さいと露光量が減少あるいは増加した場合
に感光性材料の感光しきい値近傍での寸法変動が大きく
なるからである。従って、よりlog-slope 値が大きくな
る、つまりパターンエッヂ部で急峻な光学像を得るよう
な光学条件が必要となる。これは、図５から分かるよう
にフォーカス位置では、ＮＡの増加により達成できる
が、デフォーカス位置では、ＮＡを過度に増大すると、
log-slope 値が小さくなって像の劣化を招くので、最適
なＮＡが存在することになる。

【００３８】一般的に用いられているポジ型感光性材料
の露光プロセスにおいては、感光性材料の現像後の形状
（仕上がり形状と呼ぶ）で考えて、スペース部分（光学
像でライン部分に相当する）である、いわゆる抜きパタ
ーンにおいて、抜き寸法が小さくなると完全に感光性材
料が感光せずに現像後に残る場合がある。逆に、仕上が
り形状で考えてライン部分（光学像でスペース部分に相
当する）である、いわゆる残しパターンにおいては、残
し寸法が小さくなると現像後に残るべき膜厚が減少する
場合がある。ＬＳＩ製造プロセスにおいては、前者の抜
き部分での残膜の問題の方が後者に比べて重大である。
なぜならこの残膜は、配線のショートの原因となるから
である。従って、抜き寸法（光学像でいうライン寸法）
が小さい場合についての最適な条件がプロセス上重要と
なる。

【００３９】一般的には、焦点深度として２μｍ程度あ
ればＬＳＩ製造に適用できるので、片側（プラスまたは
マイナス側）１μｍのデフォーカス位置での光学像の劣
化が少なければよい。基板上での周期が０．７、０．
９、１．０μｍの３種類のＬ／Ｓパターンについて、デ
ューティー比を種々変化させ、デフォーカス０及び１μ
ｍでの光学像のパターンエッヂ部分でのlog-slope 値を
求めると、それぞれ図７〜図９に示す通りとなる。

【００４０】抜き寸法が小さい場合（デューティー比が
１より小さい場合）について、デフォーカス１μｍでの
log-slope 値を激しく劣化させない、例えばlog-slope
値の劣化が５パーセント程度となる開口数ＮＡは、図７
〜図９から、前記フォトマスクを構成する主たる周期的
パターンの前記基板上でのパターン周期Ｐに対応させ
て、 Ｐ＝０．７μｍの場合は、０．５８＜ＮＡ≦０．６０ Ｐ＝０．８μｍの場合は、０．５５＜ＮＡ≦０．５８ ０．９≦Ｐ≦１．０μｍの場合は、０．５３＜ＮＡ≦
０．５５ の範囲とするのが良いことが分かる。

【００４１】一般的に結像光学系においては、パターン
周期と光源の波長の比率が同一であれば、結像性能は同
一であるので、前記結果から、上記開口数ＮＡは、前記
光源の波長λと前記フォトマスクを構成する主たる周期
的パターンの前記基板上でのパターン周期Ｐの比率λ／
Ｐに対応させて、 λ／Ｐ＝０．５２の場合は、０．５８＜ＮＡ≦０．６０ λ／Ｐ＝０．４６の場合は、０．５５＜ＮＡ≦０．５８ ０．３７≦λ／Ｐ≦０．４１の場合は、０．５３＜ＮＡ
≦０．５５ とするのが良いことが分かる。

【００４２】このように本実施例では、光源の像を２次
元的に多数形成する結像光学系の像面又はその近傍に配
置されたアパーチャを、その光透過部の位置が、投影光
学系内にある、オプチカルインテグレータ（結像光学
系）５の像面又はその近傍の面と光学的に共役な関係に
ある瞳面上で、間隔λ／（ＮＡ・Ｐ）隔てて光軸中心に
対して対称な位置に位置するよう構成し、上記投影光学
系の像側から見た開口数ＮＡを、前記光源の波長λと前
記フォトマスクのパターン周期Ｐの比率λ／Ｐに対応さ
せて、上記所定の範囲内に設定したので、基板上の主た
るパターン周期となる周期的なパターンをフォトレジス
ト等の感光性材料上に露光転写した場合、露光量変化に
強い光学像が得られることとなり、これにより露光量変
化に強いレジストパターンを形成でき、またその断面形
状も良好なものとできる。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光源の像
を２次元的に多数形成する結像光学系の像面又はその近
傍に配置されたアパーチャを、線対称な一対の略台形形
状の光透過部を有する構造としたので、第１方向及びこ
れと直交する第２方向の双方向に所定周期で繰り返し配
置されたパターンを有し、前記第１方向におけるパター
ン周期が前記投影露光装置の限界解像度近傍の値であ
り、前記第２方向のパターン周期が第１方向のパターン
周期のおよそ２倍程度であるフォトマスクのパターンを
感光性材料上に露光転写した場合、パターン周期の小さ
い第１方向のパターンに対しては十分な焦点深度をえる
ことができ、かつ第１及び第２の両方向のパターンに対
して適正な寸法再現性を得ることができる効果がある。

【００４４】また、この発明によれば、光源の像を２次
元的に多数形成する結像光学系の像面又はその近傍に配
置されたアパーチャを、その光透過部の重心が、投影光
学系内にある前記結像光学系の像面又はその近傍の面と
光学的に共役な関係にある瞳面上で、光源の波長λ，投
影光学系の像側から見た開口数ＮＡ，前記フォトマスク
を構成する主たる周期的パターンの基板上でのパターン
周期Ｐにより規定される間隔（λ／ＮＡ・Ｐ）で、投影
露光系の光軸中心に対して対称に位置するよう構成し、
上記投影光学系の像側から見た開口数ＮＡを、前記光源
の波長λと前記フォトマスクのパターン周期Ｐの比率λ
／Ｐに対応させて、上記所定の範囲内に設定したので、
パターン周期Ｐとなる周期的なパターンをフォトレジス
ト等の感光性材料上に露光転写した場合、露光量変化に
強い光学像が得られることとなり、これにより露光量変
化に強いレジストパターンを形成でき、またその断面形
状も良好なものとできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による投影露光装置を構
成するアパーチャの構造を示す図である。

【図２】上記アパーチャとして、Ｘ方向のパターン周期
０．８μｍ、Ｙ方向の周期１．６μｍの周期的パターン
に対応するものの寸法形状を、投影光学系の瞳面上での
換算寸法及び形状により示す図である。

【図３】図２の２次光源形状（アパーチャ形状）を用い
て照明を行った場合に得られる、Ｘ方向の周期０．８μ
ｍ、Ｙ方向の周期１．６μｍの周期的パターンの光学像
を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施例による投影露光装置を構
成するアパーチャの構造を示す図である。

【図５】図４に示した２次光源形状（アパーチャ形状）
を用いて照明を行った場合に得られる、基板上における
周期０．８μｍのＬ／Ｓパターンのパターンエッヂ部分
での光学像の傾きを指標（log-slope 値）により示す図
である。

【図６】Ｌ／Ｓパターンのパターンエッヂ部分での光学
像の傾きの大きさと、露光量の変化に対するパターン寸
法変動の関係を示す図である。

【図７】図４に示した２次光源形状（アパーチャ形状）
を用いて照明を行った場合に得られる、基板上における
周期０．７μｍのＬ／Ｓパターンのパターンエッヂ部分
での光学像の傾きを指標（log-slope 値）により示す図
である。

【図８】図４に示した２次光源形状（アパーチャ形状）
を用いて照明を行った場合に得られる、基板上における
周期０．９μｍのＬ／Ｓパターンのパターンエッヂ部分
での光学像の傾きを指標（log-slope 値）により示す図
である。

【図９】図４に示した２次光源形状（アパーチャ形状）
を用いて照明を行った場合に得られる、基板上における
周期１．０μｍのＬ／Ｓパターンのパターンエッヂ部分
での光学像の傾きを表す指標（log-slope 値）を示す図
である。

【図１０】従来の投影露光装置の構成を示す図である。

【図１１】図１０に示した従来の投影露光装置の２次光
源形状を規定するアパーチャの構成を示す図である。

【図１２】従来の投影露光装置により、投影光学系の限
界解像度近傍の周期のパターンの光学像が形成される様
子を示す概念図である。

【図１３】本発明及び従来の投影露光装置に用いられる
フォトマスクのパターンの一例を示す図である。

【図１４】本発明及び従来の投影露光装置に用いられる
フォトマスクのパターンの他の例を示す図である。

【図１５】図１３及び図１４に示したフォトマスクパタ
ーンに対応した、従来の投影露光装置の２次光源形状を
規定するアパーチャの構成を示す図である。

【図１６】図１３及び図１４に示したフォトマスクパタ
ーンにおけるパターン周期の大きい方向のパターンに対
して従来の投影露光装置により光学像が形成される様子
を示す概念図である。

【図１７】図１５に示したアパーチャの、Ｘ方向のパタ
ーン周期０. ８μｍ、Ｙ方向のパターン周期１. ６μｍ
の周期的パターンに対する、投影光学系の瞳面上での換
算寸法及び形状を示す図である。

【図１８】図１７に示した２次光源形状を用いて照明を
行った場合に得られる、Ｘ方向の周期０．８μｍ、Ｙ方
向の周期１．６μｍの周期的パターンの光学像を示す図
である。

【符号の説明】

１ ランプ ２ 楕円反射鏡 ３ 楕円反射鏡の第２焦点 ４ インプットレンズ ５ オプチカルインテグレータ ６ アウトプットレンズ ７ コリメーションレンズ ８ フォトマスク ９ フィルタ １０ コールドミラー １１ コールドミラー １２ ランプハウス １３ 投影光学系 １４ 基板 １５ 投影光学系開口絞り ３０ レンズ６及び７と等価なレンズ ４０，４１ 投影光学系１３に相当するレンズ ２０，５０，５０ａ，６０，６０ａ，７０ アパーチャ ２１，５１，５１ａ，６１，６１ａ，７１ アパーチャ
の光透過領域 ２２，５２，５２ａ，６２，６２ａ，７２ アパーチャ
の遮光領域 １００，２００ 光透過領域からの光の主光線 １０１，２０１ ０次回折光 １０２，２０３ ＋１次回折光 ２０２ −１次回折光 ２０４ ３次回折光

【手続補正書】

【提出日】平成６年１０月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】

【作用】この発明においては、光源の像を２次元的に多
数形成する結像光学系の像面又はその近傍に配置された
アパーチャを、線対称な一対の略台形形状の光透過部を
有する構造としたから、第１方向及びこれと直交する第
２方向の双方向に所定周期で繰り返し配置されたパター
ンを有し、前記第１方向におけるパターン周期が前記投
影露光装置の限界解像度近傍の値であり、前記第２方向
のパターン周期が第１方向のパターン周期のおよそ２倍
程度であるフォトマスクのパターンを感光性材料上に露
光転写した場合、パターン周期の小さい第１方向のパタ
ーンに対しては十分な焦点深度を得ることができ、しか
も上記アパーチャの光透過部が第２方向に広がったこと
により、第１及び第２方向のパターンの像のピーク強度
をほぼ同一とすることができ、これにより第１及び第２
の両方向のパターンに対して適正な寸法再現性を得るこ
とができる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３１】このように本実施例では、光源の像を２次
元的に多数形成する結像光学系の像面又はその近傍に配
置されたアパーチャとして、線対称な一対の略台形形状
の光透過領域６１ａを有するアパーチャ６０ａを用いた
ので、縦，横に所定周期で繰り返し配置されたパターン
を有し、横方向Ｘにおけるパターン周期が投影露光装置
の限界解像度近傍の値であり、縦方向Ｙのパターン周期
が横方向Ｘのパターン周期のおよそ２倍程度であるフォ
トマスクのパターンを感光性材料上に露光転写した場
合、パターン周期の小さい横方向Ｘのパターンに対して
は十分な焦点深度を得ることができ、しかもアパーチャ
の光透過部がＹ方向に広がったことにより、Ｘ及びＹ方
向のパターンの像のピーク強度をほぼ同一とすることが
でき、これにより縦及び横の両方向のパターンに対して
適正な寸法再現性を得ることができる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４０】抜き寸法が小さい場合（デューティー比が
１より小さい場合）について、デフォーカス１μｍでの
log-slope 値をＮＡ＝０．５０の結果と比較して激しく
劣化させない、例えばlog-slope 値の劣化が５パーセン
ト程度となる開口数ＮＡは、図５及び図７〜図９から、
前記フォトマスクを構成する主たる周期的パターンの前
記基板上でのパターン周期Ｐに対応させて、 Ｐ＝０．７μｍの場合は、０．５８＜ＮＡ≦０．６０ Ｐ＝０．８μｍの場合は、０．５５＜ＮＡ≦０．５８ ０．９≦Ｐ≦１．０μｍの場合は、０．５３＜ＮＡ≦
０．５５ の範囲とするのが良いことが分かる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】

【手続補正８】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１２】

【手続補正９】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１６】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 玉田 尚久 兵庫県伊丹市瑞原４丁目１番地 三菱電機 株式会社ユー・エル・エス・アイ開発研究 所内 (72)発明者 松下 琢哉 兵庫県伊丹市瑞原４丁目１番地 三菱電機 株式会社ユー・エル・エス・アイ開発研究 所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 前記光源の像を２次元的に多数形成する結像光学系と、 前記結像光学系の像面又はその近傍に配設され、線対称
   な一対の略台形形状の領域を光透過部とするアパーチャ
   と、 前記結像光学系の像面又はその近傍の面を光学的にフー
   リエ変換するフーリエ変換光学系と、 前記フーリエ変換光学系のフーリエ変換面又はその近傍
   に設置されたフォトマスクと、 前記フォトマスクを通過した光を感光性材料が塗布され
   た基板上に集光させる投影光学系とを備えたことを特徴
   とする投影露光装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の投影露光装置において、 上記フォトマスクが、 第１方向及びこれと直交する第２方向の両方向に沿って
   それぞれ所定周期で順次配置された複数の転写パターン
   を有し、前記第１方向におけるパターン周期が上記投影
   露光装置の限界解像度近傍の値であり、前記第２方向に
   おけるパターン周期が前記第１方向におけるパターン周
   期の約２倍程度であるフォトマスクであることを特徴と
   する投影露光装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の投影露光装置を用い、 第１方向及びこれと直交する第２方向の両方向に沿って
   それぞれ所定周期で順次配置された複数の転写パターン
   を有し、前記第１方向におけるパターン周期が上記投影
   露光装置の限界解像度近傍の値であり、前記第２方向に
   おけるパターン周期が前記第１方向におけるパターン周
   期の約２倍程度であるフォトマスクのパターンを、基板
   上に塗布した感光性材料上に露光転写することを特徴と
   する投影露光方法。
4. 【請求項４】 光源と、 前記光源の像を２次元的に多数形成する結像光学系と、 前記結像光学系の像面又はその近傍に配設され、４箇所
   の光透過部を有するアパーチャと、 前記結像光学系の像面又はその近傍の面を光学的にフー
   リエ変換するフーリエ変換光学系と、 前記フーリエ変換光学系のフーリエ変換面又はその近傍
   に設置され、所定の周期で順次配置された複数の転写パ
   ターンを有するフォトマスクと、 前記フォトマスクを通過した光を感光性材料が塗布され
   た基板上に集光させる投影光学系とを備え、 前記アパーチャは、その光透過部の重心が、投影光学系
   内にある前記結像光学系の像面又はその近傍の面と光学
   的に共役な関係にある瞳面上で、光源の波長λ，投影光
   学系の像側から見た開口数ＮＡ，前記フォトマスクを構
   成する主たる周期的パターンの基板上でのパターン周期
   Ｐにより規定される間隔λ／（ＮＡ・Ｐ）で、投影露光
   系の光軸中心に対して対称に位置するよう構成したもの
   であり、 上記投影光学系は、前記光源の波長λと前記フォトマス
   クのパターン周期Ｐの比率λ／Ｐに対応させて、その像
   側から見た開口数ＮＡを、 λ／Ｐ＝０．５２の場合は、０．５８＜ＮＡ≦０．６０ λ／Ｐ＝０．４６の場合は、０．５５＜ＮＡ≦０．５８ ０．３７≦λ／Ｐ≦０．４１の場合は、０．５３＜ＮＡ
   ≦０．５５ の範囲内の値としたものであることを特徴とする投影露
   光装置。