JPH08316124A - 投影露光方法及び露光装置 - Google Patents

投影露光方法及び露光装置

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JPH08316124A
JPH08316124A JP7121114A JP12111495A JPH08316124A JP H08316124 A JPH08316124 A JP H08316124A JP 7121114 A JP7121114 A JP 7121114A JP 12111495 A JP12111495 A JP 12111495A JP H08316124 A JPH08316124 A JP H08316124A
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JP
Japan
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mask
optical system
light
diffraction grating
pattern
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Application number
JP7121114A
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English (en)
Inventor
Hiroshi Fukuda
Fuon Bunoo Rudorufu
ルドルフ・フォン・ブノー
宏 福田
Original Assignee
Hitachi Ltd
株式会社日立製作所
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd, 株式会社日立製作所 filed Critical Hitachi Ltd
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Publication of JPH08316124A publication Critical patent/JPH08316124A/ja
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    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Exposure apparatus for microlithography
    • G03F7/70058Mask illumination systems
    • G03F7/70125Use of illumination settings tailored to particular mask patterns
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Exposure apparatus for microlithography
    • G03F7/70216Systems for imaging mask onto workpiece
    • G03F7/70316Details of optical elements, e.g. of Bragg reflectors or diffractive optical elements

Abstract

(57)【要約】 【構成】 マスク1を投影光学系2,23により基板4
上へ投影露光する際、基板4と投影光学系2,23の間
に回折格子Bを設け、これにより回折された光の干渉に
より基板面近傍でマスクパターンの像が再生されるよう
に、投影光学系2,23とマスク1の間又はマスク1と
照明光学系52の間に回折格子C又は結像光学系を設け
る。 【効果】 従来露光装置の光学系の基本的な構成を大き
く変更することなく、光学系のNAを実質的に最大2倍
にした効果が得られる。このため、大きな露光フィール
ドを持ち大量生産に適した縮小投影光リソグラフィを用
いて、寸法0.1μmクラスのLSIの製造が可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【産業上の利用分野】本発明は、各種固体素子の微細パ
タ−ンを形成するための投影露光方法、及びこれに用い
られる投影露光装置に関する。

【0002】

【従来の技術】LSI等の固体素子の集積度及び動作速
度を向上するため、回路パタ−ンの微細化が進んでい
る。又、レーザー等の光・電子素子や各種の量子効果素
子、誘電体・磁性体素子等の特性向上のため、パターン
の微細化が望まれている。現在これらのパタ−ン形成に
は、量産性と解像性能に優れた縮小投影露光法が広く用
いられている。この方法の解像限界は露光波長に比例し
投影レンズの開口数(NA)に反比例するため、短波長
化と高NA化により解像限界の向上が行われてきた。

【0003】又、縮小投影露光法の解像度をさらに向上
するための手法として、位相シフト法、変形照明法(斜
入射照明法)、瞳フィルター法等、様々な像改良法が適
用されている。これらは、従来光学系の性能を理論的な
回折限界(遮断空間周波数=2NA/λ)ぎりぎりまで
有効に使用しようというものである。これら像改良法
(しばしば超解像法と呼ばれる)については、例えば、
ULSIリソグラフィ技術の革新、第1章、第34頁か
ら第49頁(サイエンスフォーラム社刊、1994年、
東京)に論じられている。

【0004】一方、顕微鏡の解像度を、従来の上記回折
限界を越えて向上する方法として、光学系の空間周波数
帯域を拡大する方法がいくつか知られている。これら空
間周波数帯域拡大法については、例えば、応用物理、第
37巻、第9号、第853頁から第859頁(1968
年)に論じられている。このうちの1つの方法は、2つ
の格子パターンを物体及び像の直上(少なくとも焦点深
度内)で互いに共役関係を保ちつつスキャンするもの
で、物体とその直上の第1格子パターンの重ねあわせに
よりモアレパターンを形成し、このモアレパターンをレ
ンズ系を通過させ、像側で第2の格子パターンと重ねる
ことにより復調を行なう。モアレパターンは、物体及び
第1格子パターンより低い空間周波数を有するため、レ
ンズ系を通過することができる。この方法を縮小投影露
光法に適用することが出願されている。一般に、ウエハ
ー直上で格子パターンを機械的にスキャンするのは困難
なため、ホトクロミック材料をウエハ上に直接設け、こ
れに干渉縞を重ねてスキャンすることにより、格子とし
て機能させている。

【0005】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記様
々な従来技術には次のような課題がある。

【0006】まず露光光の短波長化は、光学(レンズ)
材料の透過率の問題からArFエキシマレーザ(波長1
93nm)が限界と考えられる。又、レンズ設計及び製
造上の問題から、投影光学系のNAは0.6〜0.7が限
界と考えられる。しかるに、従来露光法の解像限界は一
般に0.5λ/NA、周期型位相シフト法を用いた場合
は0.3λ/NA程度であり、従って、上記短波長化及
び高NA化の限界を用いても、0.1μm以下のパター
ンは形成は難しい。又、上記周期型位相シフト法ではマ
スクパターンが制限されるため、より一般的な回路パタ
ーンに関して、実際の限界寸法はさらに後退する。又、
LSIの大規模化に伴い露光面積の拡大が要求されてい
るが、投影光学系の露光フィールドの拡大と高NA化の
要求を同時に満足することは極めて困難となっている。

【0007】一方、従来の回折限界を越えることを目的
とする各種空間周波数帯域拡大法は顕微鏡を対象とし、
微小な物体を拡大することを目的とする。このため、光
リソグラフィで要求される微小な光学像を形成するのに
は必ずしも適してはいないという問題点があった。例え
ば、前記モアレパターンを利用する方法では、2つの格
子をマスク及びウエハーの直上で互いに共役関係を保ち
つつスキャンするための機構又は光学系が著しく複雑と
なる。レジストの露光が実質的にエバネッセント光で行
われるため波長レンジで光が減衰して厚いレジストを露
光するのが困難となる等の問題がある。さらに、ホトク
ロミックを使用する場合でも適当な材料がない。従っ
て、LSIの大量生産を考えた場合、必ずしも実用的と
はいえないという問題点があった。

【0008】本発明の目的は、各種固体素子の微細パタ
ーンを形成する投影露光法において、その解像度を、従
来の回折限界(遮断空間周波数)を越えて向上する方法
を提供することにある。具体的には、投影光学系のNA
を変えることなしに、そのNAを実質的に最大2倍にし
たのとほぼ同等の効果が得られる新規な投影露光方法
と、これを可能とする露光装置を提供することにある。

【0009】本発明の別の目的は、従来型の露光装置の
構成と光学系を大きく変更することなく、これらに多少
の改良を加えるだけで解像力向上効果の得ることが可能
で、かつ大きな露光フィールドと高い解像力を同時に満
足するLSIの大量生産に適した投影露光方法を提供す
ることにある。

【0010】

【課題を解決するための手段】上記目的は、波長λの光
を用いてマスクパターンをの投影光学系(開口数=N
A、縮小率=1:M)により基板上へ結像させてパター
ンを形成する際、上記基板と上記投影光学系の間に、上
記基板と平行に、空間周期P1(但し、λ/(1.42
・NA)≦P1≦λ/NAであることが望ましい)の第
1の回折格子を設けるとともに、上記第1の回折格子に
より回折された光の干渉により基板面近傍でマスクパタ
ーンの像が再生されるように、前記投影光学系と前記マ
スクの間又は前記マスクと前記照明光学系の間に回折格
子又は結像光学系を設けることにより達成される。この
際、基板と第1の回折格子の間に、幅がZ1・NA以下
で、空間周期がほぼ2・Z1・NAの第1の遮光パタ−ン
を、又、前記マスクの直上又は直下に上記第1の遮光パ
タ−ンとほぼ共役な領域を遮光する第2の遮光パタ−ン
を設けて露光領域を制限することが好ましい。さらに、
必要に応じて、上記制限された露光領域を基板上で走査
して露光するか、もしくはステップ状に移動しながら露
光することが好ましい。

【0011】第1の回折格子の回折光によりマスクパタ
ーンの像を忠実に再生するためには、上記光学系を前記
マスクと前記投影光学系の間に、上記回折格子と平行に
空間周期P2(望ましくはP2≦M・P1)である第2
の回折格子を設け、かつ、マスク入射角θiがほぼ、sin
(θi)=±[λ/(M・P1)+λ/P2]を満たす少なく
とも1組の異なる2方向から互いにコヒーレントな光を
用いてマスクを照明する。この際、第1の回折格子と理
想像面間の距離Z1、及びマスク面と第2の回折格子間
の距離Z2を、ほぼZ2=M・(P2/P1)・Z1となる
ように設定することが望ましい。又、上記角度でマスク
を照明するためには、マスク上方に第2の回折格子と平
行に空間周期P3がほぼ、1/P3=1/(M・P1)+
1/P2である第3の回折格子を設け、上記第3の回折
格子を介して、前記マスクをほぼ上方からコヒーレント
もしくは部分コヒーレント照明する。これら各回折格子
は、位相格子であることが好ましい。

【0012】第1の回折格子の回折光によりマスクパタ
ーンの像を再生するためには、別の方法として、第2及
び第3の回折格子の代わりにマスクと投影光学系の間に
第2の結像光学系を設け、第2の結像光学系と元の投影
光学系の間に、マスクの共役面及びその第1の回折格子
とほぼ共役な位置に第4の回折格子を設け、マスクをほ
ぼ上方から照明してもよい。又、さらに別の方法とし
て、第2、第3及び第4の回折格子、第2の結像光学系
の代わりに、マスク上の2ヵ所に同一パターンを設け、
上記パターンの各々を少なくとも異なる2方向から互い
にコヒーレントな光で照明するようにしてもよい。

【0013】なお、光軸に対して軸対称な入射角をもつ
互いにコヒーレントな一対のマスク照明光でマスクを照
明する場合、投影光学系の波面収差を、瞳上で上記照明
方向と垂直な方向の直径を軸として、線対称となるよう
に収差補正することが好ましい。又、本発明は、マスク
として周期型位相シフトマスクを用いた場合、特に大き
な効果を発揮する。さらに、必要に応じて回折格子の周
期及び方向に応じて、微細なパターンの周期や方向を制
限したり、パターン形状を補正することが望ましい。
又、第1の回折格子と前記基板の間を屈折率nが1より
大きい液体で満たし、前記投影光学系のNAを、 0.5<NA<n/2 の範囲に設定すると、さらに微細なパターンの形成が可
能となる。

【0014】

【作用】本発明は、投影光学系(厳密にはその最終エレ
メント)とウエハの間に回折格子を設け、ウエハ面へ入
射する光ビームの入射角を大きくすることにより、実効
的にNAを増大するのと等価な効果を得ようというもの
である。しかし、単純に従来光学系のレンズ−ウエハ間
に回折格子を設けただけでは、本来像面上の1点に集約
するはずの回折光は、像面上のばらばらな位置に散らば
ってしまい、マスクパターンの再生は到底困難である。
従って、干渉の結果元のマスクパターンに忠実な像が再
生されるように、光学系を再構成する必要がある。しか
も実用性の観点から、これらの光学系は、従来の投影光
学系を大きく改造することなく、しかも従来のマスクが
使用可能であることが好ましい。本発明は、以下述べる
ようにこれらの要求を満足するものである。

【0015】本発明の作用を説明するために、本発明に
よる結像の原理を従来法と比較して説明する。本発明の
一形態に基づく光学系における結像を図1に、又比較の
ため、従来縮小投影露光光学系で従来マスク又は位相シ
フトマスクを、各々垂直に照明した場合と斜めに照明し
た場合の結像の様子を図2a、b、c、dに示す。いず
れの図でも、2:1縮小光学系とコヒーレント照明、1
次元パターンを仮定し、近軸結像近似した。

【0016】まず、従来光学系で通常マスクを垂直照明
した場合(図2a)、透過型マスク21に垂直入射した
光22はマスク上のパターンにより回折され、回折光の
うち投影光学系23の瞳24(絞り20の内側)を通過
した光線が像面25上に収斂し、干渉してパターンを形
成する。ここで、瞳を通過できる最大の回折角を与える
パターン周期を解像限界と定義すると、解像限界は、λ
/(2NA)(但しNA=sinθ0)となる。さら
に、この光学系に周期型位相シフトマスク26を適用す
ると、図2bに示したように0次回折光が消滅して光軸
29(図中1点鎖線)に対して対称に回折光が乗じる。
このため、瞳を通過できる最大の回折角は2倍となり、
解像限界はλ/(4NA)まで向上する。

【0017】又、従来光学系に斜め照明を適用すると
(図2c、簡単のためマスク回折光の0次光27が図中
瞳の左端を通過すると仮定した)、マスク回折光のうち
0次光を中心として正負どちらかの回折角をもつ片側成
分(図では+1次光28)だけが瞳を通過し、像面に収
斂する。垂直入射の場合の2倍の回折角を有する回折光
が瞳を通過できるため、解像限界はやはりλ/(4N
A)となる。しかし、回折スペクトルの片側しか用いな
いため、例えば孤立パターンの解像度は垂直照明の場合
と変わらず、又、周期パターンの場合でもコントラスト
が低下する等の問題がある。さらに、マスクを周期型位
相シフトマスク26に変更すると複数の回折光が瞳を通
過できないため、パターンは解像しない(図2d)。

【0018】次に、本発明の一形態に基づく光学系にお
ける結像を図1に示す。図1の光学系は、図2の従来光
学系において、マスク1と投影光学系2の間に回折格子
Aを、又、投影光学系2とウエハー4の間に回折格子B
を挿入し、かつマスクを異なる方向から斜めに照明した
ものである。ここでは、回折格子A、Bとも位相格子、
2方向からの照明光R、Lは互いにコヒーレントである
と仮定する。

【0019】斜め方向からマスクに入射した光Rがマス
ク面で回折され生じた回折光のうち、0次回折光R0と
+1次回折光R1を考えよう。0次光R0は、回折格子
A上の点A0に達し、そこで+1次方向に回折された光
が瞳3の左端を通過し、回折格子B上の点B0に至る。
その後、回折格子Bで+1次、−1次方向に回折され、
各々像面上の2点Q、Pに達する。又、+1次回折光R
1は、回折格子A上の点A1に達し、そこで+1次方向
に回折された光が瞳の右端を通過し(A1で−1次方向
に回折された光は瞳面上の絞り5により遮断される)、
回折格子B上の点B1に至る。その後、回折格子Bで+
1次、−1次方向に回折され、やはり像面上の点Q、P
に達する。一方、もう片方のマスク入射光Lに対する回
折光の光路は、上述のマスク入射光Rに対する回折光の
光路と光軸6(図中一点鎖線)に対して対称となる。即
ち、マスク通過後の0次回折光L0及び−1次回折光L
1の回折格子Aによる−1次光は、各々回折格子B上の
点B0、点B1’に至り、さらに、両者共回折格子Bで
+1次、−1次方向に回折され、像面上の点P、Q’に
達する。従って、P点ではマスクで回折された0次光、
及び+1次、−1次光線の3つの光線が交わる。図1で
は、瞳を通過し得るぎりぎりの回折角を有する回折光線
R1、L1を示したが、これ以下の回折角を有する回折
光についても、やはり点Pにおいて回折角に対応する角
度で交わるのは明らかである。従って、点Pでは回折像
が忠実に再生される。

【0020】従来法(図2a)と比べると、同一のN
A、倍率を持つ光学系を用いて、2倍の回折角を有する
回折光まで瞳を通過させることができることがわかる。
即ち、実質的にNAを2倍したのと同様の効果が得られ
る。又、斜め照明(図2b)と比べると、斜め照明の場
合0次光を中心として正負どちらか片方の回折光しか像
面で再生できないのに対して、本発明では両側の回折光
を像面で再生できる。このため、斜め照明では困難であ
った孤立パターンの解像度向上が可能で、また周期パタ
ーンに対して大きなコントラストを得ることができる。
さらに、本光学系において周期型位相シフトマスクを用
いた場合の結像の様子を図3aに示す。0次回折光が消
滅して通常の倍の回折角を有する+1次光R1'と−1
次光L1'が干渉する結果、最小解像度はλ/(8N
A)となる。これは、これまで周期型位相シフトマスク
や斜め照明を用いた場合の理論限界であるλ/(4N
A)の半分であり、本発明により飛躍的な解像度の向上
が可能となる。また、本光学系において斜め照明を適用
した場合の結像の様子を図3bに示す。但し、図1のマ
スク照明光R、L各々を同一方向に一定角度だけ傾け
R"、L"とした。斜め照明により、片側のみに対してだ
が大きな回折角をもつ回折光R1"まで瞳を通過させる
ことが可能となり、従来光学系に対して斜め照明を適用
したのと同様、垂直照明時と比べて解像度を最大2倍ま
で向上できる。即ち、最小解像度はλ/(8NA)とな
る。又、マスク入射角の異なる様々な照明光を用いれ
ば、従来光学系におけるのと全く同様に部分コヒーレン
ト照明の効果を得ることができる。

【0021】本発明の原理をフーリエ回折理論の立場か
ら説明すると次のようになる(図4)。以下の説明で
は、光学系の倍率は1、回折格子は1次元位相格子で±
1次回折光のみを考えるものとする。像面上の点Pか
ら、回折格子Bを介して瞳3を見ると、回折により瞳は
2つに分かれて見える(図4a)。各瞳の中には、各々
ある特定の角度で瞳を通過するマスクフーリエ変換像が
見える。一方、マスク側について考えると、マスクによ
り回折された光は回折格子Aで回折されて、瞳上に複数
のマスクフーリエ変換像を形成する。このうち、ある特
定の角度で瞳を通過したものが、上で見えた瞳の中に見
えることになる(図4b)。即ち、図4の場合、図4b
の右から1つめと3つめのフーリエ回折像が図4aの左
側の瞳の中に見え、図4bの右から2つめと4つめのフ
ーリエ回折像が図4aの右側の瞳の中に見える。このと
き、点Pで正しく像が再生されるための条件は次の2点
である。

【0022】(1)2つの瞳を介してマスク上の同一点
のスペクトルが見えること。

【0023】(2)2つのスペクトルが、2つの瞳の接
点で連続して接続すること。

【0024】言い替えれば、1つの連続するスペクトル
を複数の瞳を介して見ることができるようにする必要が
ある。

【0025】像から見て、回折格子Bを介してf'シフ
トした複数の瞳が見え、その各瞳の中に回折格子Aを介
してやはりf"シフトした複数のフーリエ回折像が見え
るとすると、本発明における真の像の振幅分布u(x)は
次式で表わされる。

【0026】 u(x)=F[Σp(f−f')・Σo(f−f")] f'=±SB f"=±(SA+SB)−Si ここで、F[ ]はフーリエ変換、p(f)は瞳関数、o
(f)はマスクフーリエ回折像、xは実空間座標、fは空
間周波数座標、SA、SBは回折格子A、Bの回折角のsi
n(正弦)、Siはマスク照明光の入射角のsin(正
弦)、Σは異なるいくつかの照明角と回折次数に対して
和をとることを表す。従って、 Si=±(SA+SB) とすると、 f"=0、又は、±2・(SA+SB) となり、f'=±SBの両方に対して共にf"=0となる
項を得ることができる。即ち2つの瞳p(f±SB)を介
して1つのスペクトルo(f)を見ることができる。さら
に、点Pでマスク上同一点に対する像を得るためには、 SA・ZA=SB・ZB とすればよい。

【0027】上の条件を縮小率M:1、像側開口数NA
の光学系に適用すると、回折格子A、Bの周期PA、P
B、マスク照明角θi、マスク面と回折格子A間の距離Z
A、回折格子Bと理想像面間の距離ZBをほぼ次のように
設定すればよいことがわかる。

【0028】 sin(θi)=±[λ/(M・PB)+λ/PA] ZA=M・(PA/PB)・ZB さらに、本発明により十分な解像度向上効果を得るため
には、 λ/NA≦PB≦√2・λ/NA PA≦M・PB とすることが好ましい。なお、図1は、特にPB=PA/
M=λ/NAとした場合に相当する。

【0029】ZBの値については自由度があるが、後で
述べるようにこれにより露光領域の幅が決まる。像面に
おいて0次光を中心として左右方向からの光を互いに干
渉させるためには、2方向からのマスク照明光が互いに
コヒーレントである必要がある。このように大きな角度
で交わる互いにコヒーレントな2つのビームを生成する
には、回折格子を用いるのが便利である。この場合、図
5aに示したように、周期PCが、ほぼ1/PC=1/
(M・PB)+1/PAである回折格子C(位相格子)をマ
スク面の上方に設けて上方からコヒーレント照明すれば
よい。即ち、有効光源面51上の1点を発した光を照明
光学系52によりほぼ平行光とし、これを用いて回折格
子Cを介してマスク1を照射する。

【0030】回折格子A、Cは、位相格子であることが
好ましい。回折格子A、Cが完全な位相格子でなく0次
光を透過する場合、本方法より解像性に劣る従来光学系
や斜入射光学系等の効果が本方法の効果に重なる。この
ため解像性が劣化する恐れがある。一方、回折格子Bは
位相変調格子であっても振幅強度変調格子であっても構
わない。回折格子Bの周期はかなり小さく、屈折率1.
5のシリコン酸化膜を考えると格子パターンの断面縦横
比はほぼ1程度となる。この場合、パターン断面での光
の散乱効果に注意する必要がある。遮光パターンからな
る回折格子の場合、遮光膜の厚さはかなり薄くできるた
め散乱の影響は低減できる。但し、後で述べるように、
位相変調格子を用いる方が露光領域を広くすることがで
きる。

【0031】回折格子Bの基板側を屈折率nが1より大
きい液体151等で満たすと、この領域の波長と回折角
のsinが1/nとなる。そこで、さらに回折格子Bの
周期を細かくし、回折角を液体を満たさない場合と等し
くすると、波長だけが1/nとなるため解像度も1/n
に向上する(図15a)。この場合、マスク側ではより
回折角の大きな回折光が瞳を通過できる様マスク照明角
を増大させる必要があるが、このとき回折角の小さな回
折光は瞳を通過できなくなる。そこで、瞳の径をこれに
応じて増大することが望ましい。このことは次のように
言い替えることもできる。回折格子Bと基板の間の屈折
率が1の場合、本発明で用いる投影光学系のNAを0.
5以上にしても何ら解像度向上は得られない。sinθ>
0.5の角度θで周期λ/NAの回折格子Bに入射する
光線に対する回折角は90度以上となり、エバネッセン
ト波として回折格子表面に局在化してウエハーには伝わ
らないためである。一方、回折格子Bと基板の間の屈折
率をnとすると、sinθ=NAの角度で回折格子B(瞳
の端を通過した0次光がウエハーに垂直入射するために
は周期λ/NAでなければならない)へ入射した光の回
折角θ'は sinθ'=(λ/PB+sinθ)/n=2NA/n となり、θ'<90度であるための条件は、NA<n/
2となる。即ち、本発明を最大NA=n/2の光学系ま
で有効に適用できる(図15b)。一般に液浸光学系は
特別な光学設計を必要とするが、上述の様に本発明に適
用した場合には何ら特別のレンズを必要としない。従っ
て、半導体プロセスにおいて通常使用されているNA
0.6程度の投影レンズを用いて、回折格子Bと基板の
間を水(屈折率約1.3)で満たして露光すれば、実質
的にNAを1.2としたのと等価な効果が得られる。こ
の場合、位相シフトマスクを用いれば、水銀ランプのi
線の波長(365nm)でも、0.1μm以下の解像度
が得られることになる。なお、本方法では、ウエハー近
傍で干渉する光の入射角は極めて大きいため、結像性能
は光の偏光状態に強く依存する。一般に、電場ベクトル
が光の入射面に垂直な偏光状態を有する光の方が、高い
コントラストの像を形成する上で望ましい。

【0032】以上の議論は全て近軸近似を仮定し、回折
格子の基板の屈折率を1としたものであり、実際には回
折格子の基板の屈折率の効果や、回折格子により生じる
収差の影響を厳密に考慮する必要がある。このため、各
回折格子の設置位置等は若干変更する場合がある。複数
の回折格子のパターンの周期方向は十分な精度で一致さ
せることが好ましいことはいうまでもない。

【0033】次に、本発明において注意すべき点につい
て4点述べる。

【0034】第1に、本光学系では従来露光法と比べ
て、一般に露光領域が制限される。図1より分かるよう
に、像面上の点Q、Q’においても2光線が交わり互い
に干渉して像が形成される。この像は、本来形成される
べきでない位置に生じる偽の像であり、一般に好ましく
ない。これを回避するため、本方法では図6aに示すよ
うに像面61の直上(ウエハーと回折格子Bの間)に遮
光マスク62を設けてこれらの偽の像を遮断することが
望ましい。回折格子Bと遮光マスク62は、図に示した
ように同一の石英基板63の両面に形成することができ
る。(別々の基板上に形成しても構わない。)又、これ
と同時に同様にして、マスクの直上又は直下に上記遮光
マスクとほぼ共役な領域を遮光するマスキングブレード
を設けるか、もしくはマスク照明領域を上記共役な領域
に制限することが好ましい。1回の露光で転写可能な露
光領域は、真の像(P点)と偽の像(Q点)の間の距離
(ほぼ2・NA・ZB)に相当する領域で、上記距離の2
倍を周期として繰返し現れる。従って、露光可能領域が
露光したい面積より狭い場合には、図6bに示した様
に、露光領域をウエハー上でスキャンすることが望まし
い。この際、光学系の縮小率がM:1であったならば、
マスクスキャン速度とウェハースキャン速度の比も厳密
にM:1とすることが望ましいことはいうまでもない。
これら露光領域をマスク及びウェハー上で同期スキャン
する方法に関しては、既存の露光装置で用いられている
方法をそのまま用いることができる。一方、露光可能領
域が露光したい面積より大きい場合、即ち、真の像と偽
の像の間の距離が例えば1個のチップをカバーする場合
には、スキャンせずに露光可能である。露光領域の大き
さは回折格子Bの設置位置によって決まり、回折格子B
を像面から離すほど、1つの露光領域の幅は増大する。
但し、同時に転写不可能な領域の幅も増大するため、両
者の割合はほぼ1:1のまま変わらない。偽の像の影響
を排除するために、ウエハー上露光領域の幅Wは、W≦
NA・ZBとすることが望ましい。又、回折格子Bに振幅
強度変調格子を用いた場合には、格子の0次回折光が真
の像と偽の像の中間点にもう一つの偽の像を形成するた
め、露光領域は位相格子の場合のほぼ半分となる。

【0035】第2に、本方法では一般に露光強度が低下
する。本方法でウェハー上で結像する光線は、光学系中
に挿入された回折格子により回折された光線のうち特定
の回折次数の光だけを用いている。従って、回折格子を
通過する度に露光に寄与する光強度は低下することにな
る。また、上で述べたようにマスク及びウェハー上で露
光領域を制限していることも、スループット低下の原因
となる。このため、本方法では十分に強度の強い光源を
用いる、感度の高い化学増幅系レジスト等のレジスト材
料を用いる等の対策を行うことが望ましい。

【0036】第3に、前の説明で示したように、瞳上に
は、f"=0の望ましい回折像に加えて、f"=±2(SA
+SB)だけシフトしたフーリエ変換像が生じる。即ち、
フーリエ変換像の高次スペクトル(図4bの4つのフー
リエ回折像のうち両端の2つの端の部分)が、本来の像
のスペクトル(図4bの4つのフーリエ回折像のうち真
中の2つ)に重なってしまう。これは、例えば図1にお
いて、回折角θがθi<θ<2θiの範囲にある回折光
は、θ<θiの回折光と光軸に対して対称な方向からθ
i−θの角度で像面に入射することに相当する。この場
合、マスクパターンの空間周波数スペクトルにおいて2
NA/λ<f<4NA/λの範囲のスペクトル成分が、
空間周波数f=2NA/λで折り返されて、0<f<2
NA/λの範囲のスペクトルに重なり、高次スペクトル
が実質的に低い空間周波数に移動する。一般に高次スペ
クトル成分の強度は小さいのでその影響も小さいもの
の、ウエハー面上に大きな空間周期で光強度の振動が生
じる等の恐れがある。この効果は、2つのマスク照明光
の照明角度分布にある程度の広がりを与えることにより
緩和される。照明光の入射角度が変わると高次スペクト
ル成分の生じる空間周波数が変化するため、低周波の振
動の周期が平均化されるからである。2つのマスク照明
光の照明角度分布に広がりを持たせるには、図5bに示
すようにマスク上方に設けた回折格子Cを照明する光自
体を部分コヒーレント光とすればよい。即ち、通常の投
影露光装置で用いられているのと同様に、マスクのフー
リエ面たる2次光源面において2次光源を空間的に広が
りを有するインコヒーレント点光源の集合とすればよ
い。

【0037】なお、以上の説明では異なる2方向からの
照明光は互いにコヒーレントであると仮定したが、イン
コヒーレントの場合にはほぼ従来斜め照明法と同等の効
果が得られる。即ち、この場合には0次光を中心として
正負どちらか片方の回折光のみが結像に寄与する。従っ
て、周期型位相シフトマスクの場合のように±1次回折
光同志の干渉を用いる必要がある場合には、互いにコヒ
ーレントでなければならない。

【0038】第4に、本発明の光学系では、投影光学系
に回折格子を導入するのに伴い収差が発生する恐れがあ
る。回折格子により発生する収差について、図7を用い
て説明する。図7の光学系が無収差であるためには、例
えばOX12I、OY12I、及びOZ12Iの各光路
長の差が0でなければならない。しかし、これらの間に
光路長差があるとこれが収差となる。ここで投影光学系
は収差0の理想的な光学系であると仮定すると、X12
=Y12=Z12より、OX1+X2I、OY1+Y2I、
及びOZ1+Z2Iの差を考えればよい。縮小倍率Mが1
の場合2つの三角形OX11とIX22は合同だから、
瞳上を通過する光線の収差は瞳の中心を通る光線OY1
2Iを中心として(X1122面内で)対称とな
る。従って、投影光学系の設計段階において、この収差
を補正することができる。一方、縮小倍率Mが1でない
場合、ある角度をもってマスクを照明する光に対して瞳
上収差は一般に非対称となる。しかしながら、図1の光
学系では少なくとも異なる2方向からマスクを照明する
必要があるから、この2方向からの照明光に対する収差
を同時に投影光学系で補正することは困難となってしま
う。この場合の収差は、マスクと投影光学系の間、もし
くは投影光学系とウエハーの間いずれかで補正すること
が望ましい。適当な厚さと屈折率を持つ透明平行平板を
挿入する等の方法により、これらを補正することが可能
である。このように、一方向からの照明に対して収差を
瞳上で照明方向と垂直な方向を対称軸として線対称にす
ることにより、向かいあう一組の照明角に対して同時に
収差補正することができる。

【0039】以上、簡単のためマスクパターンとして1
次元のパターンを想定したが、実際には2次元パターン
を考える必要がある。すべての方向に対して本発明の効
果を得るためには、例えば図8a、bに示すように各回
折格子を2次元回折格子とすればよい。この場合、照明
と見かけ上の瞳の形は4回対称となる。しかしながら、
互いに垂直な2組の照明に対して瞳上で同時に収差補正
することは、上で述べた事情によりやや困難である。こ
のため、マスク上ですべての方向に対して同等に本発明
の効果を得ることはやや難しく、実用的には図9のよう
な回折格子と瞳を用いることが考えられる。図9a、
b、cは3つの代表的な回折格子と見かけ上の瞳形状で
ある。図9aの場合、x方向のパターンに対して実質的
なNAは2倍近く増大するが、y方向のパターンに対し
ては減少する。図9bの場合、x方向のパターンに対し
て実質的なNAは√2倍となり、y方向のパターンに対
しては1/√2となる。図9cの場合、x,y両方向と
もNAは√2倍となるが、x,y方向以外に対する結像
性能は著しくパターン方向に依存すると考えられる。何
れの場合にも、マスク上でパターンのレイアウトルール
等に方向による制限を課すことが望ましい。

【0040】結像性能のパターン方向依存性をなくすた
めには、図9a、b、cの条件を、各々例えば90度回
転させて多重露光を行ってもよい。特に、図9cにこれ
を適用した場合には、x,y方向以外に対するパターン
方向依存性を抑制し、かつ像コントラストを犠牲とせず
にx,y両方向ともNAを√2倍したのと同等な像を得
ることができる。但し、回折格子を90度回転させた場
合、収差特性も90度回転する。そこで、収差補正を瞳
フィルターを用いて行い、回折格子とともにこれを90
度回転させる等の対策を施すことが望ましい。なお、収
差抑制が困難な場合には、必要に応じて瞳にスリットフ
ィルターを設ける等してもよい。

【0041】図3に示したように周期型位相シフトマス
クを左右対称な角度から完全コヒーレント照明した場合
(図5aの照明系を用いた場合)には、ウエハー近傍で
干渉する±1次光の光路は光軸に対して常に対称であ
り、各々の光路長は等しい。従って、光学系が収差補正
されていなくても微細パターン形成可能である。即ち、
完全コヒーレント照明下で周期型位相シフトマスクを用
いる場合には、図8に示したような2次元回折格子が使
用可能で、位相シフトマスクの効果をパターン方向に依
らず最大限に発揮することができる。様々なパターンの
混在するマスクパターンを転写する場合には、微細周期
パターンのみを上記方法で露光し、その後その他の部分
を従来露光法で露光すればよい。

【0042】また、上記収差は一般にNAの値とともに
急激に増大する。このため、NA0.1〜0.2程度の光
学系では比較的問題とならない。従って、低NA・低倍
率の大面積用露光装置や、反射型の軟X線縮小投影露光
装置等に適用する場合には、上で述べたような様々な制
約が軽減される。

【0043】本発明は又、0次回折光線を中心としたフ
ーリエ回折像の左右片側を各々別々に瞳を通過させ、こ
れを像側で合成するものであるといえる。この考え方自
体は、前述の文献に論じられている様に既に光学顕微鏡
に応用されているものであるが、これを縮小投影光学系
の上で実現可能な光学系の構成はこれまで考案されてい
なかった。本発明は、これを縮小投影露光系においてた
くみに実現したものに他ならない。即ち、図1の光学系
は、投影光学系とウエハの間に回折格子を設け、ウエハ
面へ入射する光ビームの入射角を大きくするとともに、
ウエハ面干渉の結果元のマスクパターンに忠実な像が再
生されるように、光学系を構成したものである。

【0044】この効果を実現するための光学系は図1に
限らず、他にもいくつかの形態が考えられる。本発明の
別の形態を図10及び図11に示す。

【0045】図10は、図1のマスクと投影光学系の間
の回折格子Aを外し、代わりにマスクと投影光学系の間
に第2結像光学系101と回折格子Dを設けたものであ
る。マスク共役面102を介してマスクとウエハー面を
共役に結ぶリレー光学系となっており、回折格子Dは、
第2結像光学系と元の投影光学系の間のウエハ上方の回
折格子Bとほぼ共役な位置に置かれる。又、マスクをほ
ぼ垂直方向からコヒーレント照明するようにした。この
方法は、原理的に第2結像光学系により回折格子Aと基
板の間に生じる収差を完全に抑制可能であり、従って、
図8に示したような2次元的な瞳配置も実現できる。し
かし、光学系が複雑になるという欠点がある。

【0046】図11は、やはり図1の回折格子Aを外
し、マスクを同一パターンを2ヵ所O1、O2に有する
分割マスク103に変更し、さらに2つのパターンを各
々図中に示した方向から互いにコヒーレントな光で照明
したものである。異なる2点を異なる方向からコヒーレ
ント照明するためにプリズム(図示せず)等を用いるこ
とができる。この光学系では、1つのパターンを露光す
るためにマスク上に2つのパターンが必要であり、従っ
て1つのデバイスパターンを露光するために2枚のマス
クを重ね露光する必要があるという欠点がある。又、こ
の方法では収差の補正がかなり困難である点も問題とな
る。いずれの方法によっても、図1の光学系と類似の効
果が得られることは、像側における回折光線の様子が図
1のそれと全く同等であることから明らかである。しか
しながら、図1の光学系は、回折格子をマスクと投影光
学系の間に設けるだけでこれら他の形態の欠点の多くを
解決できるため、実用面でより好ましいといえる。

【0047】本発明は、屈折光学系、反射光学系、及び
これらの組合せ、縮小光学系、等倍光学系等、様々な投
影光学系に適用できる。これらの光学系を用いてマスク
パターンをウェハー上へ露光する場合の露光方法として
も、一括転写、スキャン方式、ステップアンドリピー
ト、ステップアンドスキャン等のいずれにも適用可能で
ある。又、以上の説明より明らかなように、本発明は純
粋に幾何光学的な効果に基づいている。従って、前述の
モアレ縞を用いる方法における様なエバネッセント光利
用に起因する問題点は生じない。又、回折格子はウエハ
ーより離して設置可能で、しかも同期スキャン等の必要
もないため、はるかに容易に実現可能である。

【0048】

【実施例】

(実施例1)本発明に基づき、1:1ダイソン光学系
(NA=0.4、露光波長λ=365nm)を用いた投
影露光装置を、図12に示すように改造した。マスク1
21は投影光学系122を介して試料台134上のウエ
ハー123上に投影される。投影光学系122のマスク
121と対面する面及びウエハー123と対面する面上
には各々位相格子パターン124、125を設けた。さ
らに、位相格子パターン125とウエハーの間に周期的
遮光パターンにより露光領域を制限するマスク板126
を設けた。また、マスクの照明光学系127とマスクの
間に、片面に周期的遮光パターン、もう片方の面に位相
格子パターンを有する透明石英板128を、周期的遮光
パターンの側がマスクに対面するように挿入した。位相
格子パターン124、125は各々周期λ/NAのSi
酸化膜パターン、透明石英板128上の位相格子パター
ンは周期λ/(2NA)のSi酸化膜パターンである。
Si酸化膜の膜厚は、膜の存在部と存在しない部分を透
過した光の位相が180度ずれるように設定した。マス
ク板126及び透明石英板128上の遮光パターンは各
々周期50μmのCrパターンで、両者は遮光部が互い
に共役となるように設定されている。これらのパターン
はEBリソグラフィを用いて形成した。さらに、マスク
板126の挿入に伴う収差補正のためダイソン光学系の
ミラーとレンズの位置を微調整した。露光は、マスク及
びウエハーを同一方向へ等速度でスキャンしながら行な
う。スキャン及び露光は露光制御系120からの信号に
よって制御される。

【0049】上記露光装置を用いて、周期型位相シフト
パターンを含む様々な寸法のパターンを含むマスクを、
高解像度ポジ型レジスト上へ転写した。その後所定の現
像処理を行い、走査型電子線顕微鏡で観察した結果、上
記位相格子の周期と同じ方向に対して周期型位相シフト
マスクにより周期0.13μmのレジストパターンが形
成できた。この寸法は露光波長の約1/3に相当し、本
発明を用いることによって、始めて実現可能となったも
のである。さらに、上記パターンは、改造前の露光装置
の露光可能領域の全面で解像されていることを確認し
た。

【0050】(実施例2)本発明に基づき、開口数=
0.6、光源波長λ=248nm、縮小率4:1のスキ
ャン型KrFエキシマレーザ投影露光装置を、図13に
模式的に示すように改造した。まず、マスクステージ1
30上に設置したマスク131と投影光学系132の間
に、位相格子パターンを有する透明石英板133を挿入
した。又、ウエハーステージ134上に設置したウエハ
ー135と投影光学系132の間に、片面に遮光パター
ン、もう片面に位相格子パターンを有する透明石英板1
36を、遮光パターンの側がウエハーに対面するように
挿入した。遮光パターンは周期20μmのCrパター
ン、位相格子パターンは周期=√2・λ/NAのSi酸
化膜パターンとした。マスク側の位相格子パターンの周
期は、ウエハー側の4倍である。Si酸化膜厚は、膜の
存在部と存在しない部分を透過した光の位相が180度
ずれるように設定した。又、マスクの照明光学系137
側に、周期=λ/(√2・NA)の位相格子パターンと
遮光パターンを同一表面上に有する透明石英板138を
設けた。(透明石英板138上のパターン平面図を図1
3中に示す。斜線部分が遮光部、点々部が位相シフト部
を各々示す。)透明石英板138の設置位置と遮光パタ
ーンの周期と幅は、マスク上の照明領域が、透明石英板
136上遮光パターンの透過領域と共役となるように定
めた。これらのパターンはEBリソグラフィを用いて、
通常のマスク又はいわゆるクロムレス位相シフトマスク
の作製プロセスと同様にして形成した。さらに、収差補
正のため、収差補正フィルター139を投影光学系の瞳
位置に挿入した。ここで、収差補正フィルター139
は、主に上記回折格子の周期方向と垂直な方向の非点収
差を補正するものである。投影光学系自体をあらかじめ
上記回折格子に対して収差補正を施してもよく、この場
合には収差補正フィルターは必要ない。なお、これらの
回折格子等を有する透明石英板と収差補正フィルター
は、いずれも交換可能で、所定の位置にすみやかに設定
できるようにした。又、透明石英板の位置ぎめを正確に
行うために、各石英基板のホルダー(図示せず)は微動
機構(図示せず)を有し、各石英基板の位置を計測して
これを所望の位置に設定することができる。さらに、ウ
エハーステージ134上に設けたオートフォーカスモニ
ター(図示せず)により像をモニターすることにより、
像面上で最適な結像特性が得られるように、モニター結
果をフィードバックして各石英基板の位置を調整するこ
とも可能とした。

【0051】露光は、マスク及びウエハーを同期スキャ
ンしながら行なう。ステージ制御系129は、マスクス
テージ130とウエハーステージ134を、各々4:1
の速度比で同期走査して行なった。

【0052】上記露光装置を用いて、周期型位相シフト
パターンを含む様々な寸法のパターンを有するマスク
を、化学増幅系ポジ型レジスト上へ転写した。露光後所
定の現像処理を行い、走査型電子線顕微鏡で観察した結
果、上記位相格子の周期方向(x方向)に対して周期型
位相シフトマスクにより寸法90nm(周期180n
m)のレジストパターンが形成できた。一方、上記方向
と垂直な方向(y方向)の解像度は、位相シフトマスク
を用いて寸法140nm(周期280nm)程度であっ
た。そこで、次に、上記3枚の位相格子及び収差補正フ
ィルターを90度回転して同じマスクを露光してレジス
トパターンを形成したところ、x方向とy方向に対する
解像度は逆転した。

【0053】(実施例3)実施例2同様のKrF縮小投
影露光装置において、実施例2のマスクステージ130
上に、マスク131に代えて、図14に模式的に示す光
学系を及びマスクの組み合わせ構造を搭載した。同時
に、マスク直上直下の位相回折格子と遮光パターンを有
する透明石英板133、138を取り除いた。図14に
おいて、マイクロレンズアレイ141はマスク142の
像を位相回折格子143を介して遮光パターン144を
有する面上に形成する。マイクロレンズアレイ141、
位相回折格子143、遮光パターン144は一体化さ
れ、遮光パターン面をマスクステージ130上に設置す
る。従って、位相回折格子143を介したマスク142
の像が縮小投影露光装置のマスク面上(マスクステージ
130の上面とほぼ一致する)に生じる。ウエハーと投
影露光光学系の間に位相回折格子を設けることは他の実
施例と同様である。1個のマイクロレンズがマスク上の
1露光領域をカバーするように、マイクロレンズアレイ
の周期と遮光パターン露光領域の周期は等しく設定し
た。又、マスクパターンはアレイの周期でサブフィール
ドに分割し、サブフィールド毎に所望のパターンを反転
させ、これをアレイの周期毎に並べたものを用いる。各
マイクロレンズは、その収差が十分に小さいとみなせる
よう、作動距離と露光領域を十分に小さく設定した。本
実施例により、実施例2同様の解像度向上効果を得るこ
とができた。

【0054】なお、以上の実施例では、光学系の種類、
NA、光源波長、縮小率、レジスト、マスクパターンの
種類と寸法、回折格子と遮光パターンの周期や設置位置
等、きわめて限定された例を示したが、これらの各種条
件は本発明の主旨に反しない範囲内で様々に変更可能で
ある。

【0055】(実施例4)次に、実施例2に示した露光
装置を用いて、0.1μm設計ルールのDRAMを作成
した例について述べる。図16は、上記デバイスの作製
工程を露光プロセスを中心に示したものである。

【0056】まず、ウエル等(図示せず)を形成したS
i基板201上にアイソレーション202及びゲート2
03を形成した(図16a)。アイソレーション及びゲ
ートパターンは周期型位相シフトマスクを用い、実施例
3に示した露光装置により露光した。ここで、シミュレ
ーションにより周期パターンの周辺部においてパターン
形状が歪む部分が生じることが予測されたため、この不
要部分を除去するためのマスクを用意した。上記マスク
を上記露光を行ったものと同一レジスト膜に対して従来
露光装置を用いて重ね露光した後現像して、回路性能上
好ましくない部分を除去した。なお、上記不要部分を除
去せずに、回路的に無視することによって対処してもよ
い。

【0057】次に、キャパシター204及びコンタクト
ホール205を形成した(図16b)。コンタクトホー
ルのパターン露光には、電子線直接描画法を用いた。次
に、第1層配線206、スルーホール(図示せず)、第
2層配線207を形成した(図16c)。第1層配線
(0.1μmL/S)は周期型位相シフトマスクと実施
例2に示した露光装置を用いて露光した。但し、ここで
各回折格子の方向と寸法を、図9cに示したものに変更
し、さらにこれを90度回転させて多重露光を行った。
このとき、同時に収差補正フィルター139も回折格子
とともに90度回転させた。これにより、縦横の両方向
に延びる配線に対して方向依存性なしに0.1μmL/
Sを形成できた。スルーホールの形成はコンタクトホー
ルと同様、電子線直接描画法を用いた。以降の多層配線
パターン及びファイナルパッシベーションパターンは
0.2μmルールで設計されており、本発明を用いない
通常のKrFエキシマレーザ投影露光法により形成し
た。なお、デバイスの種類、構造、材料等に関し、上記
実施例で用いたものにとらわれず変更可能である。

【0058】(実施例5)次に、本発明の別の実施例と
して、本発明を分布帰還型(DFB)レーザーの製作に
適用した例について述べる。露光装置には、NA0.5
のArFエキシマレーザ縮小投影露光装置を実施例2同
様にして改造したものを用いた。従来の1/4波長シフ
トDFBレーザーの作製工程において、電子線描画法等
を用いて形成していた周期140nmの回折格子を、周
期型位相シフトマスクと上記露光装置を用いて形成し
た。これにより、電子線描画法等を用いて作製したもの
とほぼ同等の性能を有するDFBレーザーを、より短期
間で製作することが可能となった。

【0059】

【発明の効果】以上、本発明によれば、照明光学系を介
して光をマスクに照射し、マスクパターンを投影光学系
により基板上へ結像させてパターンを形成する際、上記
基板と上記投影光学系の間に上記基板と平行に回折格子
を設けるとともに、上記回折格子により回折された光の
干渉により基板面近傍でマスクパターンの像が再生され
るように、投影光学系とマスクの間又はマスクと照明光
学系の間に回折格子又は結像光学系を設けることによ
り、従来露光装置の解像限界を越えた微細パターンの形
成が可能となる。具体的には、投影光学系のNAを変え
ることなしに、そのNAを実質的に最大2倍にしたのと
ほぼ同等の効果が得られる。これにより、従来露光装置
の光学系の基本的な構成を大きく変更することなく、大
きな露光フィールドと高い解像力が得られ、大量生産に
適した縮小投影光リソグラフィを用いて、寸法0.1μ
mクラスのLSIの製造が可能となる。

【0060】

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明による一光学系の結像の原理を幾何学的
に示す模式図である。

【図2】各種従来露光法による結像の原理を示す模式図
である。

【図3】本発明による一光学系に位相シフトマスク又は
斜め照明法を適用した場合の結像の原理を示す模式図で
ある。

【図4】本発明による一光学系の結像の原理を回折光学
的に示す模式図である。

【図5】本発明による一光学系のマスク照明方法の一例
を示す模式図である。

【図6】本発明による一光学系の一部と露光方法の一例
を示す模式図である。

【図7】本発明による一光学系の特性を示す模式図であ
る。

【図8】本発明で用いる光学部品とそれにより得られる
効果を示す模式図である。

【図9】本発明で用いる光学部品とそれにより得られる
効果を示す模式図である。

【図10】本発明による別の光学系における結像の原理
を示す模式図である。

【図11】本発明による別の光学系における結像の原理
を示す模式図である。

【図12】本発明の一実施例による露光装置の構成を示
す模式図である。

【図13】本発明の別の実施例による露光装置の構成を
示す模式図である。

【図14】本発明の別の実施例による露光装置の構成を
示す模式図である。

【図15】本発明による光学系の一部と結像の原理を示
す模式図である。

【図16】本発明の別の実施例によるデバイスの製作工
程を示す模式図である。

【符号の説明】

1…マスク、2、23…投影光学系、3、24…瞳、4
…ウエハー、5、20…絞り、6、29…光軸、A、
B、C、D…回折格子、R、L、R"、L"…照明光、R
0、L0…0次回折光、R1、R1'、R1"…+1次回
折光、L1、L1'…−1次回折光、A0、A1、A1'
…回折格子A上の点、B0、B1、B1’…回折格子B
上の点、Q、P、Q’…像面上の点、21…従来透過型
マスク、22…光、25…像面、26…周期型位相シフ
トマスク、27…マスク回折光の0次光、28…+1次
光、51…有効光源面、52…照明光学系、61…像
面、62…遮光マスク、63…石英基板、O…マスク上
の点、X1、Y1、Z1…回折格子A上の点、X2、Y2
2…回折格子B上の点、I…像面上の点、101…第
2結像光学系、102…マスク共役面、103…分割マ
スク、O1、O2…マスク上の点、120…露光制御
系、121…マスク、122…投影光学系、123…ウ
エハー、124、125…位相格子パターン、126…
マスク板、127…照明光学系、128…透明石英板、
129…ステージ制御系、130…マスクステージ、1
31…マスク、132…投影光学系、133…透明石英
板、134…ウエハーステージ(試料台)、135…ウ
エハー、136…透明石英板、137…照明光学系、1
38…透明石英板、139…収差補正フィルター、14
1…マイクロレンズアレイ、142…マスク、143…
位相回折格子、144…遮光パターン、151…液体、
201…Si基板、202…アイソレーション、203
…ゲート、204…キャパシター、205…コンタクト
ホール、206…第1層配線、207…第2層配線。

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マスクを準備する工程と、 光源からの光を上記マスクに照射する工程と、 上記マスクのパターンを通過した光が投影光学系を通し
    て回折する工程と、 該回折した光から試料上に上記マスクパターンを再生し
    露光する工程から成ることを特徴とする投影露光方法。
  2. 【請求項2】マスクを準備する工程と、 光源からの光を上記マスクに照射する工程と、 上記マスクのパターンからの光を回折し投影光学系を通
    して回折して試料上に上記マスクパターンを再生し露光
    する工程から成ることを特徴とする投影露光方法。
  3. 【請求項3】マスクを準備する工程と、 光源からの光を回折し上記マスクに照射する工程と、 上記マスクのパターンからの光を回折し投影光学系を通
    して回折し試料上に上記マスクパターンを再生し露光す
    る工程から成ることを特徴とする投影露光方法。
  4. 【請求項4】光源と、 マスク上のパターンを試料上に投影する投影光学系と、 該投影光学系からの光を回折するための回折手段と、 該回折手段の下に配置された試料を載置する試料台から
    なることを特徴とする投影露光装置。
  5. 【請求項5】光源と、 マスク上のパターンの光を回折する第1の回折手段と、 回折した光を試料上に投影する投影光学系と、 該投影光学系からの光を回折する第2の回折手段と、 該第2の回折手段の下に配置された試料を載置する試料
    台からなることを特徴とする投影露光装置。
  6. 【請求項6】光源と、 上記光源からの光をマスクに斜め入射させるための第1
    の回折手段と、 マスクのパターンを試料上に投影する投影光学系と、 該投影光学系からの光を回折する第2の回折手段と、 該第2の回折手段の下に配置された試料を載置する試料
    台からなることを特徴とする投影露光装置。
  7. 【請求項7】光源を発した波長λの光を照明光学系を介
    してマスクに照射し、上記マスク上のパターンを開口数
    NA、縮小率M:1の投影光学系により基板上へ結像さ
    せることにより上記基板上にパターンを形成する方法に
    おいて、 上記基板と上記投影光学系の間に、基板と平行な第1の
    回折格子を有し、上記第1の回折格子により回折された
    光が前記基板面近傍で干渉して上記マスクパターンの像
    が再生されることを特徴とする投影露光方法。
  8. 【請求項8】前記第1の回折格子により回折された光の
    干渉により基板面近傍でマスクパターンの像が再生され
    るように、前記投影光学系と前記マスクの間又は前記マ
    スクと前記照明光学系の間に回折格子又は結像光学系を
    設けることを特徴とする請求項7記載の投影露光方法。
  9. 【請求項9】前記回折格子を設けた光学系の遮断空間周
    波数fが、前記回折格子を設けない光学系の遮断空間周
    波数f0より大きく、かつf0の2倍以下であることを
    特徴とする請求項7記載の投影露光方法。
  10. 【請求項10】前記第1の回折格子の、少なくとも一方
    向に対する空間周期P1は、 λ/(1.42・NA)≦P1≦λ/NA の範囲にあることを特徴とする請求項7記載の投影露光
    方法。
  11. 【請求項11】前記基板と前記第1の回折格子の間に、
    前記一方向に対する幅がZ1・NA以下で(Z1は前記
    第1の回折格子と前記基板の間の光学距離)、空間周期
    がほぼ2・Z1・NAの第1の遮光パタ−ンを設けるとと
    もに、前記マスクの直上又は直下に、マスク上の上記第
    1の遮光パタ−ンとほぼ共役な領域を遮光する第2の遮
    光パタ−ンを設けて露光領域を制限し、上記制限された
    露光領域を基板上で走査して露光するか、もしくはステ
    ップ状に移動しながら露光することを特徴とする請求項
    7記載の投影露光方法。
  12. 【請求項12】前記第1の回折格子は、位相格子である
    ことを特徴とする請求項7記載の投影露光方法。
  13. 【請求項13】前記マスクと前記投影光学系の間に、前
    記マスクと平行で、かつ前記一方向に対して空間周期P
    2を有する第2の回折格子を有し、かつ、少なくとも上
    記周期方向と光軸を含む面内でマスク入射角θi(入射
    光と光軸のなす角)がほぼ sin(θi)=±[λ/(M・P1)+λ/P2]) である異なる2方向から互いにコヒーレントな光で、同
    時に前記マスクを照明することを特徴とする請求項8記
    載の投影露光方法。
  14. 【請求項14】前記回折格子と前記基板の間の光学距離
    Z1と、前記第2の回折格子と前記マスク間の光学距離
    Z2は、ほぼZ2=M・(P2/P1)・Z1となるように
    設定されていることを特徴とする請求項13記載の投影
    露光方法。
  15. 【請求項15】前記マスクと前記照明光学系の間に、前
    記マスクと平行で、かつ前記一方向に対する空間周期P
    3がほぼ 1/P3=1/(M・P1)+1/P2 である第3の回折格子を有し、上記第3の回折格子を介
    して、前記マスクをほぼ上方からコヒーレントもしくは
    部分コヒーレント照明することを特徴とする請求項13
    記載の投影露光方法。
  16. 【請求項16】前記第2及び第3の回折格子は、位相格
    子であることを特徴とする請求項4および請求項15記
    載の投影露光方法。
  17. 【請求項17】前記マスクと前記投影光学系の間に第2
    の結像光学系を有し、上記第2の結像光学系と前記投影
    光学系の間に、前記マスクの共役面と第2の回折格子を
    有し、上記第2の回折格子は前記一方向に対する空間周
    期P2がほぼ P2=P1・M で、かつ前記第1の回折格子とほぼ共役な位置に設けた
    ことを特徴とする請求項8記載の投影露光方法。
  18. 【請求項18】前記マスクは、所望の同一パターンを前
    記マスク上の2ヵ所に有し、上記2ヵ所に存在する上記
    パターンの各々を少なくとも異なる2方向から互いにコ
    ヒーレントな光で照明することを特徴とする請求項8記
    載の投影露光方法。
  19. 【請求項19】光軸に対して軸対称な入射角をもつ互い
    にコヒーレントな一対のマスク照明光で前記マスクを照
    明するとともに、前記投影光学系の波面収差が、瞳上で
    の上記照明方向と垂直な方向の直径を軸として、線対称
    となるように収差補正されていることを特徴とする請求
    項7記載の投影露光方法。
  20. 【請求項20】前記マスクは、周期型位相シフトマスク
    を含むことを特徴とする請求項7記載の投影露光方法。
  21. 【請求項21】前記マスクは、前記第1の回折格子の周
    期及び方向に応じて、特定方向に微細なパターンを有す
    ることを特徴とする請求項7記載の投影露光方法。
  22. 【請求項22】前記マスクは、前記第1の回折格子の周
    期及び方向に応じて、パターン形状を補正したことを特
    徴とする請求項7記載の投影露光方法。
  23. 【請求項23】前記第1の回折格子と前記基板の間を、
    屈折率nが1より大きい液体で満たし、前記投影光学系
    のNAを、 0.5<NA<n/2 の範囲に設定したことを特徴とする請求項7記載の投影
    露光方法。
  24. 【請求項24】光源を発した波長λの光をマスクステー
    ジ上のマスクに照射する照明光学系と上記マスク上のパ
    ターンを基板ステージ上の基板表面近傍で結像させる開
    口数NA、縮小率M:1の投影光学系を有する投影露光
    装置において、上記基板と上記投影光学系の間に、基板
    表面から光学距離Z1の位置に、少なくとも一方向に空
    間周期P1(λ/(1.42・NA)≦P1≦λ/N
    A)の第1回折格子を有し、上記第1回折格子により回
    折された光の干渉により上記基板表面近傍で上記マスク
    パターンの像が再生されるように、上記投影光学系と上
    記マスクの間又は上記マスクと上記照明光学系の間に回
    折格子又は結像光学系を有することを特徴とする投影露
    光装置。
  25. 【請求項25】前記基板と前記第1の回折格子の間に、
    前記一方向に対する幅がZ1・NA以下で、空間周期が
    ほぼ2・NA・Z1の遮光パタ−ンを有するか、又は、
    上記遮光パタ−ンにより制限された露光領域を基板上で
    走査して露光するか、もしくはステップ状に移動しなが
    ら露光する機能を有することを特徴とする請求項24記
    載の投影露光装置。
  26. 【請求項26】前記マスクと平行でかつ前記一方向に対
    して空間周期P2を有する第2の位相回折格子を、前記
    マスクと前記投影光学系の間、前記マスクから光学距離
    Z2がほぼZ2=M・(P2/P1)・Z1の位置に有し、
    かつ、前記マスクと前記照明光学系の間に、前記マスク
    と平行で、かつ前記一方向に対する空間周期P3がほぼ 1/P3=1/(M・P1)+1/P2 である第3の位相回折格子を有し、上記第3の位相回折
    格子を介して、前記マスクをほぼ上方からコヒーレント
    もしくは部分コヒーレント照明することを特徴とする請
    求項24記載の投影露光装置。
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