JPH0878311A

JPH0878311A - 露光方法及び露光装置

Info

Publication number: JPH0878311A
Application number: JP6212440A
Authority: JP
Inventors: Masato Shibuya; 眞人渋谷; Toshihiko Ozawa; 稔彦小澤; Yasushi Oki; 裕史大木; Masaya Komatsu; 雅也小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-07-08
Filing date: 1994-09-06
Publication date: 1996-03-22

Abstract

(57)【要約】【目的】従来の露光波長及び光学系を殆ど変えること無
しに、光学的にに決定される解像限界を超える高解像の
パターンを形成し、更に、位相シフト法、又は変形光源
法を使用したときに、与えられた条件の下でほぼ最良の
解像度でレチクルのパターンをウエハ上に露光できる露
光方法及び露光装置を提供する。【構成】感光素材として入射光強度の自乗に比例して感
光する非線型な感度特性を有すものを使用し、前記感光
素材上での光強度分布が異なる複数回の露光を行い、照
明光のコヒーレンスファクターσ、感光素材上での必要
なコントラストＣ’、投影光学系の焦点深度ｄ、照明光
の波長λ等を用い、最も適切な投影光学系の開口数ＮＡ
の値を計算によって導出し、その値の前後内に適切な投
影光学系の開口数ＮＡを設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子や液晶板の
製造に用いられる露光方法及び露光装置、特に投影露光
方法及び投影型露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子、液晶表示素子又
は薄膜磁気ヘッド等をフォトリソグラフィ工程で製造す
る際に、光源からの照明光でフォトマスク又はレチクル
（以下、「レチクル」と総称する）を均一な照度で照明
し、レチクルのパターンを感光材が塗布されたウエハ
（又はガラスプレート等）上に投影露光する露光方法及
びこの露光方法を実現するための露光装置が使用されて
いる。

【０００３】従来の露光方法においては、露光する所望
のパターンは全て同一レチクル上に配置され、一度の露
光によって基板に焼き付るようになっていた。その際、
基板上に塗布されているレジストには露光強度Ｉに応じ
た潜像反応濃度ξが発生する。例えば、現在一般に使わ
れているポジ型レジストでは、

【０００４】

【数５】ξ＝ｅｘｐ（−ＣＤ），Ｄ＝Ｉ・ｔと表す事が出来る。より一般的には、以下の様な式に表
現することが出来る。

【０００５】

【数６】 ξ＝ｅｘｐ（−ＣＤ），Ｄ＝Ｊ・ｔ＝Ｉ^m・ｔここでＩは光強度、ｔは露光時間、Ｃは感材によって定
まる定数である。ｍは感光素材の線型性を表す指数であ
り、ｍ＝１のとき線型であるといい、ｍ≠１のとき非線
型であるという。上式に示すように、分り易くする為、
Ｉ^mをＪで置き換え、Ｊを潜像濃度と呼ぶことにする。
現在一般に使用されているレジストは、ｍ＝１の線型レ
ジストである。

【０００６】このような方法において、レジスト中に潜
像を形成する為の露光強度分布Ｉ（ｘ）のスペクトルｉ
は、簡単のため完全にインコヒーレントな結像を仮定す
れば、物体スペクトルをｉ₀，光学系のＯＴＦ（Optica
l Transfer Function）をｆとして、

【０００７】

【数７】ｉ（ν）＝ｉ₀（ν）・ｆ（ν） ν：空間周波数で与えられる。さて、プロセス的にＯＴＦすなわちｆが
有意でなくなる限界の空間周波数ν₀は、露光波長を
λ、投影光学系の感光素材側の開口数をＮＡとすると
き、

【０００８】

【数８】ν₀＝ 0.5ＮＡ／（Ｋ₁・λ）Ｋ₁：プロセス定数で与えられる。また、光学系の解像限界は開口数ＮＡに
よって原理的に決まり、その場合はＫ₁＝ 0.25 であ
り、光学系のカットオフ周波数νcは、

【０００９】

【数９】νc ＝２ＮＡ／λ となる。それ故、高解像とするためには短波長化する
か、開口数ＮＡを大きくせざるを得なかった。更に、最
近、半導体素子等が益々高集積化するのに応じて、ウエ
ハ上に投影露光されるパターンの解像度を更に高めるこ
とが要求されている。このような要求に応えるために
は、上記のごとく、単に投影光学系の解像力を高めるだ
けでは限界があると共に、単に投影光学系の解像力を高
めた場合には焦点深度が浅くなりすぎて実用的でなくな
る。そこで、照明光学系の構成、又はレチクルのパター
ンの構成を工夫することにより、投影光学系と組み合わ
せた場合の全体としての解像度を向上する手法が種々提
案されている。

【００１０】先ず、レチクルのパターン構成を工夫する
手法としては、同一出願人が特公昭62−50811 号公報で
提案しているように、位相シフターを用いてレチクル上
のパターンを通過する照明光の間に所定の位相差を付与
する所謂位相シフト法がある。一方、照明光学系の構成
を工夫する手法の一例としては、同一出願人が提案して
いるように、光源からの照明光により光軸の回りに等角
度間隔で配置された複数の２次光源を形成し、その複数
（例えば４個）の２次光源からの照明光でレチクルを照
明する所謂変形光源法（変形照明法、又は傾斜照明法と
も呼ばれる）がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来の露光方法に加えて照明光学系の構成またはレチク
ルのパターンの構成を工夫することだけでは、最終的な
解像限界は、光学的に決定される解像限界を超えること
ができなかった。また、従来は、露光のための最良の条
件を求めるために、厳密なフーリエ結像論に基づく計算
を行ったり、実際に露光を行ったりしていたが、最良の
解像度を得るための解析的条件はよく分からないという
不都合があった。

【００１２】そこで、本発明はかかる点に鑑み、従来の
露光波長及び光学系を殆ど変えること無しに、光学的に
決定される解像限界を超える高解像のパターンを形成
し、更に、位相シフト法、又は変形光源法を使用したと
きに、与えられた条件の下でほぼ最良の解像度でレチク
ルのパターンをウエハ上に露光できる露光方法及び露光
装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【問題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、転写用のライン・アンド・スペースパ
ターンが隣接するスペース部の位相が逆位相となるよう
に形成されたマスクを光源からの照明光で照明を行い、
前記マスクのパターンの像を感光素材上に投影結像を行
う露光方法において、前記感光素材は入射光強度の自乗
に比例して感光する非線型な感度特性を有し、感光素材
上での光強度分布が異なる複数回の露光を行い、投影光
学系の解像限界を越える高解像のパターンを形成し、前
記照明を行う照明光学系の開口数を前記投影結像を行う
投影光学系の開口数で割った値に相当する照明光のコヒ
ーレンスファクターをσ、前記マスクのパターンの像の
前記感光素材上での必要なコントラストをＣ’、前記投
影光学系の焦点深度をｄ、前記照明光の波長をλとした
場合、前記投影光学系の開口数ＮＡの値を次の式で定ま
る値に対して±２０％以内に設定することを特徴とする
露光方法を提供する。

【００１４】

【数１０】

【００１５】また、本発明では、光源からの照明光で光
軸の回りに等角度間隔で配列された４個の２次光源を形
成し、転写用のパターンが形成されたマスクを前記４個
の２次光源からの照明光で照明を行い、前記マスクのパ
ターンの像を感光素材上に結像投影を行う露光方法にお
いて、前記感光素材は入射光強度の自乗に比例して感光
する非線型な感度特性を有し、感光素材上での光強度分
布が異なる複数回の露光を行い、投影光学系の解像限界
を越える高解像のパターンを形成し、前記４個の２次光
源の各中心からの光により定められる前記照明を行う照
明光学系の開口数を前記結像投影を行う投影光学系の開
口数の２^0.5倍で割った値に相当する照明光のコヒーレ
ンスファクターをσ₀、前記４個の２次光源からの照明
光が前記照明光学系をそれぞれ射出するときの前記４個
の２次光源からの照明光のそれぞれに関する開口数を前
記投影光学系の開口数で割った値に相当する前記４個の
２次光源からの照明光のそれぞれのコヒーレンスファク
ターをσ、前記マスクのパターンの像の前記感光素材上
での必要なコントラストをＣ’、前記投影光学系の焦点
深度をｄ、前記照明光の波長をλ、定数２／πをａとし
た場合、前記投影光学系の開口数ＮＡの値を次の式で定
まる値に対して−２０％から＋１０％以内に設定するこ
とを特徴とする露光方法も提供する。

【００１６】

【数１１】

【００１７】更に、本発明では、転写用のライン・アン
ド・スペースパターンが隣接するスペース部の位相が逆
位相となるように形成されたマスクを光源からの照明光
で照明する照明光学系と、前記マスクのパターンの像を
感光素材上に投影結像する投影光学系とを有す露光装置
において、前記感光素材は入射光強度の自乗に比例して
感光する非線型な感度特性を有し、感光素材上での光強
度分布が異なる複数回の露光を行い、投影光学系の解像
限界を越える高解像のパターンを形成し、前記照明光学
系の開口数を前記投影光学系の開口数で割った値に相当
する照明光のコヒーレンスファクターをσ、前記マスク
のパターンの像の前記感光素材上での必要なコントラス
トをＣ’、前記投影光学系の焦点深度をｄ、前記照明光
の波長をλとした場合、前記投影光学系の開口数ＮＡの
値を次の式で定まる値に対して±１０％以内に設定する
ことを特徴とする露光装置を提供する。

【００１８】

【数１２】

【００１９】また更に、本発明では、光源からの照明光
で光軸の回りに等角度間隔で配列された４個の２次光源
を形成し、転写用のパターンが形成されたマスクを前記
４個の２次光源からの照明光で照明する照明光学系と、
前記マスクのパターンの像を感光素材上に結像投影する
投影光学系とを有す露光装置において、前記感光素材は
入射光強度の自乗に比例して感光する非線型な感度特性
を有し、感光素材上での光強度分布が異なる複数回の露
光を行い、投影光学系の解像限界を越える高解像のパタ
ーンを形成し、前記４個の２次光源の各中心からの光に
より定められる前記照明光学系の開口数を前記投影光学
系の開口数の２^0.5倍で割った値に相当する照明光のコ
ヒーレンスファクターをσ₀、前記４個の２次光源から
の照明光が前記照明光学系をそれぞれ射出するときの前
記４個の２次光源からの照明光のそれぞれに関する開口
数を前記投影光学系の開口数で割った値に相当する前記
４個の２次光源からの照明光のそれぞれのコヒーレンス
ファクターをσ、前記マスクのパターンの像の前記感光
素材上での必要なコントラストをＣ’、前記投影光学系
の焦点深度をｄ、前記照明光の波長をλ、定数２／πを
ａとした場合、前記投影光学系の開口数ＮＡの値を次の
式で定まる値に対して−２０％から＋１０％以内に設定
することを特徴とする露光装置も提供する。

【００２０】

【数１３】

【００２１】

【作用】従来の露光方法において、非線型な感度特性を
有する感光素材である所謂２光子吸収レジストを用いる
ことが提案されている。２光子吸収レジストとは２つの
光子を吸収すると１つの潜像核を形成するレジストのこ
とであり、（数６）においてｍ＝２として表されるレジ
ストで、これについてはProceedings of ＳＰＩＥ第１
６７４巻(1992 年) 776 頁〜778 頁などに示されてい
る。このレジストの場合、潜像濃度分布Ｊ（ｘ）は露光
強度分布Ｉ（ｘ）の自乗に応じて形成される。即ち、イ
ンコヒーレント照明において、物体の光強度分布をＩ₀
（ｘ）、光学系の点像強度分布をＦ（ｘ）として、

【００２２】

【数１４】Ｊ（ｘ）＝Ｉ（ｘ）²＝｛Ｉ₀（ｘ）＊Ｆ（ｘ）｝² となる。これより、潜像濃度分布のスペクトルｊは、同
様にフーリエ変換のコンボリューションの定理より、

【００２３】

【数１５】ｊ（ν）＝｛ｉ₀（ν）・ｆ（ν）｝＊｛ｉ
₀（ν）・ｆ（ν）｝となる。２光子吸収レジストの場合は（数１４）に応じ
て潜像濃度分布が与えられるため、従来のレジストの場
合に比べてより急峻になる。このことを露光強度分布が
正弦波状の場合について具体的に図１Ａと図１Ｂに例示
する。

【００２４】図１Ａは通常のレジストにおける潜像濃度
分布であり、露光強度分布と同じく正弦波状になってい
る。図１Ｂは、２光子吸収レジストにおける潜像濃度分
布を表す。図１Ａと図１Ｂとを比較すれば、潜像のコン
トラストが高くなっているが、形成されたパターンのピ
ッチは図１Ａと図１Ｂとで同じであり、２光子吸収レジ
ストを用いただけでは形成される潜像濃度分布のピッチ
は光学系によって作られる像のピッチより微細とはなら
ず、光学系の解像限界を超えることができない。（数１
５）より、潜像濃度分布中には光学系の解像限界を超え
る周波数の成分が存在するが、形成されたパターンのピ
ッチとしては飽くまで光学系の解像限界を超えていない
のである。

【００２５】次に、２光子吸収レジストを用いた場合に
おける光学系による点像の結像を考える。この場合には
２光子吸収レジストにより点像の潜像濃度分布が急峻に
なる。この場合、照明状態にかかわらず光学系による点
像強度分布Ｆ（ｘ）を考えればよく、所望の物体光強度
分布Ｉ₀（ｘ）を点像の重ね合わせによって形成される
ものとし、これにより潜像濃度分布Ｊ（ｘ）を形成する
ならば、その各々の点像の結像によって作られた光強度
の重ね合わせとなるので、

【００２６】

【数１６】Ｊ（ｘ）＝Ｉ₀（ｘ）＊｛Ｆ（ｘ）｝² と基本的に表される。点像の潜像濃度分布は｛Ｆ
（ｘ）｝²で表されるため、光学系による点像強度分布
Ｆ（ｘ）より鋭い分布となり、高解像になる。（数１
６）をフーリエ変換することにより、

【００２７】

【数１７】ｊ（ν）＝ｉ₀（ν）・｛ｆ（ν）＊ｆ（ν）｝となる。よって、ｆ＊ｆがこの方法において潜像濃度分
布を得る上での光学系のＯＴＦと解釈される。これは従
来のＯＴＦすなわちｆのカットオフ周波数（２ＮＡ／
λ）に対してカットオフ周波数（４ＮＡ／λ）となり、
２倍の解像力が得られることになる。

【００２８】図２にこの比較を模式的に示す。図２Ａは
従来の方法におけるＯＴＦを表し、図２Ｂは孤立パター
ンを２光子吸収レジスト上に感光させた場合のＯＴＦを
表している。これより、２光子吸収レジストを用い、孤
立パターンを基に複数回露光し、潜像を形成すれば光学
系の解像限界を超えた微細なパターンの形成ができる。
このように孤立パターンによる複数回露光と２光子吸収
レジストを組み合わせることにより、光学系の解像限界
を超えたパターンの形成が可能となる。

【００２９】さらに、完全に孤立ではないが概略孤立と
考えられるパターンを用いて複数回露光する場合にも、
孤立パターンの場合と同様に光学系の解像限界を超えた
パターンの形成が可能である。この場合、潜像濃度分布
のスペクトルｊは、

【００３０】

【数１８】ｊ（ν）＝Σｉ_0j（ν）・｛ｆ（ν）＊ｆ（ν）｝＝ｉ’（ν）・｛ｆ（ν）＊ｆ（ν）｝ｉ’（ν）＝Σｉ_0j（ν）となる。ここで、ｉ_0jは互いに概略孤立したパターンの
物体スペクトルであり、ｉ’は、孤立的パターンの重ね
合わせにより構成される仮想的なパターンの物体スペク
トルと考えられる。従来の潜像濃度分布のスペクトルは
ｆのカットオフ周波数（２ＮＡ／λ）を超えることはな
いが、本発明よれば（数１８）で示されるように、｛ｆ
（ν）＊ｆ（ν）｝のカットオフ周波数（４ＮＡ／λ）
までのスペクトルが潜像濃度分布として形成される。

【００３１】このように、従来露光方法で２光子吸収レ
ジストを用いただけでは、形成されるパターンのピッチ
としては光学系の解像限界を超えることはなかったのに
対し、さらに感光素材上での光強度分布が異なる複数回
の露光を繰り返すことによって、ｉ’を適切に与えれ
ば、光学系の解像限界を超えるピッチのパターンの潜像
濃度分布を形成することができる。

【００３２】以上の様に、潜像濃度、言い換えれば、潜
像反応濃度が入射光強度に対して自乗で反応する特性を
持つ感光素材を用い、該感光素材上で光強度分布が異な
る複数回の露光を行う事により、投影光学系の解像限界
を超える高解像のパターンを有する半導体素子を得るこ
とが出来る。また、ほぼ最良の解像度でレチクルのパタ
ーンをウエハ上に露光するために、本発明においては、
位相シフト法、又は変形光源法を使用した場合に、それ
ぞれ最良の解像度を得るためのパラメータとして、照明
光の波長λ、照明光学系のレチクル側の開口数と投影光
学系のレチクル側の開口数との比である照明光のコヒー
レンスファクター（所謂σ値、変形光源法では更に
σ₀）、基板上での影像の必要なコントラストＣ’、及
び投影像の焦点深度（レジスト厚、ウエハ等の基板のそ
り及び曲がり、焦点調節ずれ等の要因を含めて、投影光
学系において要求される焦点深度）ｄを選択する。

【００３３】そして、これらのパラメータが与えられて
いるときに最良の解像度を与える投影光学系の開口数Ｎ
Ａの値をそれぞれ（数１０）から（数１３）で設定す
る。以下の実施例で詳しい説明を行うが、これらの設定
値から、（数１０）及び（数１２）に対しては±２０％
以内で、（数１１）及び（数１３）に対しては−２０％
から＋１０％以内では、ほぼ最良の解像度が得られる。
更に、上記の設定値から、（数１０）及び（数１２）に
対しては±１０％以内、（数１１）及び（数１３）に対
しては−１０％から＋５％以内とすると、かなり良好な
解像度が得られる。

【００３４】

【実施例】以下に、位相シフト法を用い、２光子吸収レ
ジストを使用し、光強度分布が異なる複数回の露光を行
うときの実施例を示す。また、ここで、投影光学系の開
口数ＮＡの最適値の求め方も示す。先ず、位相シフト法
を用い、従来のレジストを使用し、従来の露光方法を行
う場合の投影光学系の開口数ＮＡ、解像力Ｒ、波長λ、
コヒーレンスファクターσ、デフォーカスｄの関係を示
す。

【００３５】位相シフト法は、レチクルの開口部間に所
定の位相差を生じさせ、それらの干渉効果を利用して、
高解像、且つ高コントラストな像を形成する手法である
（特公昭62−50811 号公報参照）。例えば、レチクル上
のライン・アンド・スペースパターンの隣合う開口部間
にλ／２（１８０°）の位相差を与えると、それらの干
渉効果により基本的に０次回折光がなくなり、図３に示
すように±１次回折光だけを考えればよいことになる。
図３において、レチクル１６上には図３の紙面に平行な
方向にピッチ２Ｒで遮光膜よりなるライン部が形成さ
れ、各ライン部間のスペース部に１つ置きに（ピッチ４
Ｒで）位相シフター１７が被着されている。この場合に
ウエハＷ上に結像される像の基本周波数は、レチクル１
６からの２つの回折光の開き角で決まるので、従来法に
比べてより微細なパターンが形成されることが予想され
る。ウエハＷ上での露光強度分布Ｉ（ｘ）は次のように
なる。以下の（数１９），（数２０），（数２１），
（数２２）は、光学23巻１号(1994)29〜37頁の中の（２
１）式、（２２）式、（２３）式、（２４）式にそれぞ
れ対応する。

【００３６】

【数１９】

【００３７】また、その像のコントラストＣは次のよう
になる。

【００３８】

【数２０】

【００３９】更に、（数２０）中のベッセル関数Ｊ₁を
展開して近似すると、次のようになる。

【００４０】

【数２１】

【００４１】位相シフト法の場合にコヒーレンスファク
ターσを大きくすれば、従来法の場合と同様に投影光学
系の瞳によるけられを考慮して（数１９）を書き換える
必要があるが、実際の位相シフト法でのコヒーレンスフ
ァクターσは小さいので問題は無い。（数２０）では、
±１次回折光がすべて瞳を通過すると仮定しているが、
ガウス像面上（即ち、デフォーカス量ｄ＝０）でのコン
トラストは、±１次回折光のけられによって決まる。そ
のときの、解像力ＲとコントラストＣとの関係は次式で
与えられる。

【００４２】

【数２２】

【００４３】ここで、従来のレジストを用いるのではな
く、２光子吸収レジストを用い露光を行うと、ウエハ上
に塗布された２光子吸収レジスト中に図４Ａに示すごと
き潜像濃度分布が得られる。次に、図３中に示されるレ
チクル１６を半ピッチＲだけ光軸と直交する方向に移動
し、２回目の露光を行うことにより、ウエハ上に塗布さ
れた２光子吸収レジスト中に図４Ｂに示すごとき潜像濃
度分布が得られる。２回目の露光により得られる潜像濃
度分布は、１回目の露光により得られる潜像濃度分布が
半周期ずれたものとなっている。このとき、それぞれの
潜像濃度は、図１に示されるように、２光子吸収レジス
トによって、光強度の高いところはより高く、光強度の
低いところはより低くなっている。このため、１回目の
露光得られる潜像濃度分布と２回目の露光得られる潜像
濃度分布を足し合わせると、図５に示される潜像濃度分
布が得られ、光学系の解像限界を超えたパターンを形成
することが可能となる。

【００４４】尚、２回目の露光方法としては、ウエハ
を、ウエハＷ上でレチクル１６が半ピッチＲ分だけ移動
するのに相当する量移動させ２回目の露光を行うか、或
いはレチクル１６のパターンが半ピッチＲ分だけ光軸方
向に移動したパターンを有する新たなレチクルを使用す
ることも考えられる。また、この様に２回露光を行うこ
とを、以下では、２回露光と呼ぶことにする。

【００４５】ここでレジストの感光特性を考えると、レ
ジストによっては、１回目の露光と２回目の露光とで潜
像濃度に関し微妙に効果が異なる場合がある。この様な
場合には、それぞれの露光量を適当に変えることが望ま
しい。ところで、１回の露光において作られる露光強度
分布Ｉ（ｘ）のコントラストＣが正弦波状の場合に、２
光子吸収レジストを用い、２回露光を行う場合では、そ
の潜像濃度Ｊは、

【００４６】

【数２３】

【００４７】となる。ここで、Ｃは１回の露光における
露光強度分布Ｉ（ｘ）のコントラストであり、Ｃ’は露
光後の潜像のコントラストであり、Ｒ’は潜像の線幅で
ある。Ｃ、Ｃ’、Ｒ、Ｒ’は、

【００４８】

【数２４】

【００４９】の関係がある。数２１及び数２２に、数２
４の関係を代入すると、

【００５０】

【数２５】

【００５１】

【数２６】

【００５２】となる。（数２５）及び（数２６）は、図
６に示される関係をもつ。（数２５）及び（数２６）の
交点が、２光子吸収レジストを用い２回露光を行う場合
の最適なＮＡを与える。即ち、Ｒ’を消去して、

【００５３】

【数２７】

【００５４】となる。図６より最適なＮＡ値から±２０
％以内なら解像度はそれほど劣化しないことが分かる。
次に、変形光源法を用い、２光子吸収レジストを使用
し、２回露光を行うときの実施例を示す。また、ここ
で、投影光学系の開口数ＮＡの最適値の求め方も示す。

【００５５】先ず、変形光源法を用い、従来のレジスト
を使用し、従来の露光方法を行う場合の投影光学系の開
口数ＮＡの最適値の求め方を示す。変形光源法では、０
次回折光と±１次回折光とにより像が形成される。図７
に、変形光源法の場合の投影光学系の瞳に対する２次光
源の形状を示す。その２次光源は、光軸の回りに９０°
間隔で配列された４個の小光源１８Ａ〜１８Ｄより構成
されている。それら小光源１８Ａ〜１８Ｄのそれぞれの
半径をσ・ＮＡ、小光源１８Ａ〜１８Ｄの各中心の瞳座
標系のξ軸、及びη軸からの距離をσ₀・ＮＡとする。こ
れは照明光学系中の４個の２次光源のそれぞれからの照
明光のコヒーレンスファクターがσで、且つそれら４個
の２次光源の各中心からの照明光によるコヒーレンスフ
ァクターの１／２^1/2がσ₀であることを意味してい
る。この場合、比例定数を除いてウエハ上での投影像の
露光強度Ｉ（ｘ）は次のようになる。以下の（数２
８），（数２９），（数３０），（数３１），（数３
２），（数３３）は、光学23巻１号(1994)29〜37頁の中
の（３０）式，（３１）式，（３２）式，（３３）式，
（３４）式，（３５）式にそれぞれ対応する。

【００５６】

【数２８】

【００５７】ここで、ａは、１次回折光と０次回折光と
の振幅の比であり、通常マスクで透過部と遮光部の幅が
等しいときは、ａ＝２／πである。また、その投影像の
コントラストＣは、次のようになる。

【００５８】

【数２９】

【００５９】更に、余弦関数及びベッセル関数を展開し
て近似すると、コントラストＣは次のようになる。

【００６０】

【数３０】

【００６１】そして、線幅が微小となったときのガウス
像面での解像力Ｒは、次のようになる。

【００６２】

【数３１】

【００６３】図８は、変形光源法を使用した場合の投影
光学系の開口数ＮＡと解像力Ｒとの関係を示し、この図
８において、（数３０）及び（数３１）による結果を実
線で、厳密な回折積分による結果を黒丸で示し、（数３
０）式で十分よく近似できることが分かる。デフォーカ
ス時において、パターン寸法が粗くなると、かえってコ
ントラストが低下する傾向がある。これは、対になって
いる小光源によって形成される像強度分布の位相のずれ
が大きくなるためである。これも（数３０）の解として
与えられるものであり、それを図８には点線で示してあ
る。この点線はほぼ垂直になっているので、変形光源法
における最適な開口数ＮＡを、実線と点線との交点と考
えてよいであろう。この最適な開口数ＮＡを表す点を図
８中に△を付して示してある。この解像力Ｒは、次のよ
うになる。

【００６４】

【数３２】

【００６５】図８において実線と点線との交点の開口数
は最適な開口数ＮＡであり、（数３０）及び（数３２）
より、最適な開口数ＮＡは次のようになる。

【００６６】

【数３３】

【００６７】ここで、前記実施例とほぼ同様に、２光子
吸収レジストを用い、２回露光を行うことによって、光
学系の解像限界を超えたパターンを形成することが可能
となる。非線型レジスト（ｍ＝２）を用い、変形光源法
によって２回露光した場合には、（数３３）に、

【００６８】

【数３４】

【００６９】を代入して、最適なＮＡは、

【００７０】

【数３５】

【００７１】となる。本実施例でも、上記位相シフト法
を用いたときの実施例同様、最適なＮＡ値から−２０％
以内なら解像度はそれほど劣化しない。但し、上限は、
＋１０％を超えると、図８から分かるように、解像力が
劣化してしまう。尚、上記のごとき変形光源法を、２光
子吸収レジストを用い、２回露光を行う場合において、
特開平4-162039号公報に開示された位相シフトマスク
（一般に、ハーフトーン位相マスクと呼ばれているも
の）を用いると、０次回折光と１次回折光の比が等しく
なり、コントラストが良くなるという優れた効果を得る
ことが可能となる。

【００７２】尚、上記２つの実施例は、２光子吸収レジ
ストについてのみ説明を行ったが、一般的な投影光学系
の開口数ＮＡの最適値の求め方を先ず求めて、次にレジ
ストの非線型性を考慮した式を代入することによって、
ｍ＝３のときや、ｍ＝０．５のときも同様に、最良の投
影光学系の開口数ＮＡを求めることができる。更に、以
下に本発明の装置の実施例を、図面を参照しながら説明
する。

【００７３】図９は、本実施例の投影露光装置の概略構
成を示し、この図９において、水銀ランプ１から射出さ
れた照明光は、楕円鏡２で反射された後、インプットレ
ンズ４、所定の波長帯の光を選択して通過させる第１の
フィルター板５及び第２のフィルター板６を経てフライ
アイレンズ７に入射する。楕円鏡２の第２焦点の近傍に
照明光の照射及び遮断を切り換えるためのシャッター３
を配置し、装置全体の動作を制御する主制御系２３が駆
動装置２４を介してシャッター３の開閉を行う。

【００７４】フライアイレンズ７の後側（レチクル側）
焦点面に、照明光用の可変開口絞り（以下、「可変σ絞
り」という）８が配置され、可変σ絞り８内の多数の２
次光源からの照明光が、ミラー９で反射された後、第１
のリレーレンズ１０、可変視野絞り（レチクルブライン
ド）１１、第２のリレーレンズ１２、ミラー１３及びコ
ンデンサーレンズ１４を介して、フォトマスクのパター
ン領域を均一な照度で照明する。この場合、可変視野絞
り１１の配置面はレチクル１６のパターン形成面と共役
であり、可変σ絞り８の配置面は、投影光学系ＰＬの瞳
面（レチクル１６のパターン領域のフーリエ変換面）と
共役である。主制御系２３が、駆動装置２５を介して可
変σ絞り８及び可変視野絞り１１の開口部の形状を所定
の形状に設定する。

【００７５】具体的に、可変σ絞り８の開口の形状を光
軸を中心とする円形に設定すると、従来の照明法とな
り、その開口径を調整することにより、照明光のコヒー
レンスファクター（σ値）が調整される。また、可変σ
絞り８の開口を光軸の回りに４個設けると変形光源法と
なる。更に、露光対象のレチクル１６のパターンの一部
に位相シフターを設けることにより、位相シフト法によ
る露光が可能となる。

【００７６】また、レチクル１６をレチクルステージＲ
ＳＴ上に保持し、レチクルステージＲＳＴの近傍にレチ
クルリーダ２６を配置する。図示省略されたレチクルロ
ーダ系によりレチクル１６をレチクルステージＲＳＴ上
にロードする際に、レチクル１６上に形成されたレチク
ル情報（バーコード等）をレチクルリーダ２６で読み取
り、読み取ったレチクル情報を主制御系２３に供給す
る。これにより、主制御系２３は、現在レチクルステー
ジＲＳＴ上に保持されているレチクル１６の内容（パタ
ーンの種類、パターンの最小線幅等）を認識し、この結
果に応じて可変σ絞り８の開口の種類、及び開口のそれ
ぞれの大きさを最適化する。また、レチクル１６の内容
によっては、レチクル移動装置２７によって、レチクル
１６を投影光学系ＰＬの光軸と直交する方向に微妙に移
動させる。

【００７７】そして、コンデンサーレンズ１４から射出
される照明光ＩＬＢのもとで、レチクル１６のパターン
像が投影光学系ＰＬを介して非線型レジストが塗布され
たウエハＷ上に投影露光される。ウエハＷはウエハステ
ージＷＳＴ上に載置され、ウエハステージＷＳＴは、ウ
エハＷを投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直なＸＹ平面内
で位置決めするＸＹステージ、及びウエハＷを光軸ＡＸ
に平行なＺ方向に位置決めするＺステージ等より構成さ
れている。レチクル１６の内容によっては、ＸＹステー
ジを、Ｘ方向またはＹ方向に極微小移動させる。主制御
系２３が、ウエハ駆動装置２２を介してウエハステージ
ＷＳＴの動作を制御することにより、ウエハＷの所望の
ショット領域が投影光学系ＰＬのイメージフィールド内
に位置決めされると共に、そのショット領域の投影光学
系ＰＬの光軸方向の位置（フォーカス位置）が投影光学
系ＰＬの結像面の位置に設定される。

【００７８】また、本例では、投影光学系ＰＬの瞳面
（即ち、フォトマスクＲのパターン形成面に対するフー
リエ変換面）に、可変開口絞り１５を配置する。駆動装
置２１が、主制御系２３からの指令に応じてその可変開
口絞り１５の開口径を最適な値に設定する。本実施例で
は、可変σ絞り８で設定する開口により、従来の照明法
か変形照明法かの何れかの照明法を使用できる。また、
レチクルステージＲＳＴ上に載置するレチクル１６の種
類に応じて、位相シフト法をも使用できる。そして、そ
れらの各方式を使用した場合に、それぞれ照明光のコヒ
ーレンスファクターσ、及び投影光学系ＰＬの開口数Ｎ
Ａを、ウエハＷ上に投影されるパターン像の解像度が最
も高くなるように最適な値に設定して露光を行う。

【００７９】更に、光源からの光強度が時間的に変動す
る場合には、積算露光量モニター２９からの出力信号に
合わせて露光時間を適当に変えることにより、適正な露
光量を得ることができる。一般的に、積算露光量モニタ
ー２９は、可変視野絞り１１と第２のリレーレンズ１２
との間の極一部の光束の強度を測定する。可変視野絞り
１１と第２のリレーレンズ１２との間には反射鏡２８が
置かれ、積算露光量モニター２９まで光束を導くように
なっている。積算露光量モニター２９からの出力信号は
駆動装置２４に伝達され、更に駆動装置２４はシャッタ
ー３を動かす。この積算露光量モニター２９は、１回目
の露光と２回目の露光とで光強度が変動した場合も、露
光時間を適当に変化させることができる。

【００８０】

【発明の効果】本発明の露光方法及び露光装置によれ
ば、光学的に与えられる解像限界を超えたパターンを形
成可能なうえ、位相シフト法又は変形光源法を使用した
場合に、投影光学系の開口数を所定の範囲内に設定する
ことにより、ほぼ最良の解像度で露光を行うことができ
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のレジストと２光子吸収レジストとの潜像
濃度分布の比較の図である。

【図２】従来のレジストを用いた場合と２光子吸収レジ
ストを用いた場合とのＯＴＦの比較の図である。

【図３】位相シフト法の原理説明図である。

【図４】２光子吸収レジストと位相シフト法を用いて２
回露光法を行うときの説明図である。

【図５】２光子吸収レジストと位相シフト法を用いて２
回露光法を行うとき、最終的に得られる潜像濃度分布図
である。

【図６】位相シフト法を使用した際に、波長λ、コヒー
レンスファクターσ、コントラストＣ、及びデフォーカ
ス量ｄを所定の値に設定した場合の、開口数と解像力と
の関係を示す図である。

【図７】所謂変形光源法における２次光源の配置の一例
を示す図である。

【図８】変形光源法を使用した際に、波長λ、コヒーレ
ンスファクターσ、コントラストＣ、及びデフォーカス
量ｄを所定の値に設定した場合の、開口数と解像力との
関係を示す図である。

【図９】本発明の露光装置の実施例を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１水銀ランプ７フライアイレンズ８可変σ絞り１０第１リレーレンズ１１視野絞り１２第２リレーレンズ１４メインコンデンサーレンズ１５可変開口絞り１６レチクルＰＬ投影光学系Ｗウエハ２２ウエハ駆動装置２３主制御系２７レチクル移動装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小松雅也東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】転写用のライン・アンド・スペースパター
ンが隣接するスペース部の位相が逆位相となるように形
成されたマスクを光源からの照明光で照明を行い、前記
マスクのパターンの像を感光素材上に投影結像を行う露
光方法において、前記感光素材は入射光強度の自乗に比例して感光する非
線型な感度特性を有し、感光素材上での光強度分布が異
なる複数回の露光を行い、投影光学系の解像限界を越え
る高解像のパターンを形成し、前記照明を行う照明光学系の開口数を前記投影結像を行
う投影光学系の開口数で割った値に相当する照明光のコ
ヒーレンスファクターをσ、前記マスクのパターンの像
の前記感光素材上での必要なコントラストをＣ’、前記
投影光学系の焦点深度をｄ、前記照明光の波長をλとし
た場合、前記投影光学系の開口数ＮＡの値を次の式で定
まる値に対して±２０％以内に設定することを特徴とす
る露光方法。【数１】
【請求項２】光源からの照明光で光軸の回りに等角度間
隔で配列された４個の２次光源を形成し、転写用のパタ
ーンが形成されたマスクを前記４個の２次光源からの照
明光で照明を行い、前記マスクのパターンの像を感光素
材上に結像投影を行う露光方法において、前記感光素材は入射光強度の自乗に比例して感光する非
線型な感度特性を有し、感光素材上での光強度分布が異
なる複数回の露光を行い、投影光学系の解像限界を越え
る高解像のパターンを形成し、前記４個の２次光源の各中心からの光により定められる
前記照明を行う照明光学系の開口数を前記結像投影を行
う投影光学系の開口数の２^0.5倍で割った値に相当する
照明光のコヒーレンスファクターをσ₀、前記４個の２
次光源からの照明光が前記照明光学系をそれぞれ射出す
るときの前記４個の２次光源からの照明光のそれぞれに
関する開口数を前記投影光学系の開口数で割った値に相
当する前記４個の２次光源からの照明光のそれぞれのコ
ヒーレンスファクターをσ、前記マスクのパターンの像
の前記感光素材上での必要なコントラストをＣ’、前記
投影光学系の焦点深度をｄ、前記照明光の波長をλ、定
数２／πをａとした場合、前記投影光学系の開口数ＮＡ
の値を次の式で定まる値に対して−２０％から＋１０％
以内に設定することを特徴とする露光方法。【数２】
【請求項３】転写用のライン・アンド・スペースパター
ンが隣接するスペース部の位相が逆位相となるように形
成されたマスクを光源からの照明光で照明する照明光学
系と、前記マスクのパターンの像を感光素材上に投影結
像する投影光学系とを有す露光装置において、前記感光素材は入射光強度の自乗に比例して感光する非
線型な感度特性を有し、感光素材上での光強度分布が異
なる複数回の露光を行い、投影光学系の解像限界を越え
る高解像のパターンを形成し、前記照明光学系の開口数を前記投影光学系の開口数で割
った値に相当する照明光のコヒーレンスファクターを
σ、前記マスクのパターンの像の前記感光素材上での必
要なコントラストをＣ’、前記投影光学系の焦点深度を
ｄ、前記照明光の波長をλとした場合、前記投影光学系
の開口数ＮＡの値を次の式で定まる値に対して±２０％
以内に設定することを特徴とする露光装置。【数３】
【請求項４】光源からの照明光で光軸の回りに等角度間
隔で配列された４個の２次光源を形成し、転写用のパタ
ーンが形成されたマスクを前記４個の２次光源からの照
明光で照明する照明光学系と、前記マスクのパターンの
像を感光素材上に結像投影する投影光学系とを有す露光
装置において、前記感光素材は入射光強度の自乗に比例して感光する非
線型な感度特性を有し、感光素材上での光強度分布が異
なる複数回の露光を行い、投影光学系の解像限界を越え
る高解像のパターンを形成し、前記４個の２次光源の各中心からの光により定められる
前記照明光学系の開口数を前記投影光学系の開口数の２
^0.5倍で割った値に相当する照明光のコヒーレンスファ
クターをσ₀、前記４個の２次光源からの照明光が前記
照明光学系をそれぞれ射出するときの前記４個の２次光
源からの照明光のそれぞれに関する開口数を前記投影光
学系の開口数で割った値に相当する前記４個の２次光源
からの照明光のそれぞれのコヒーレンスファクターを
σ、前記マスクのパターンの像の前記感光素材上での必
要なコントラストをＣ’、前記投影光学系の焦点深度を
ｄ、前記照明光の波長をλ、定数２／πをａとした場
合、前記投影光学系の開口数ＮＡの値を次の式で定まる
値に対して−２０％から＋１０％以内に設定することを
特徴とする露光装置。【数４】