JPH09190975A - 露光装置及びそれを用いた素子製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パターン形状の線幅や方向等により最適な照
明系を選択して高解像力の投影露光が可能な半導体素子
の製造に好適な露光装置及びそれを用いた素子製造方法
を得ること。 【解決手段】 光源からの光を第１オプティカルインテ
グレータに照射し、前記第１オプティカルインテグレー
タからの光束で第１物体を照明することにより前記第１
物体のパターンを投影光学系により第２物体に投影する
露光装置において、前記第１オプティカルインテグレー
タの近傍の光路中に光軸外に開口を備える開口絞りを設
け、前記光源と前記第１オプティカルインテグレータの
間に、第２オプティカルインテグレータと、該第２オプ
ティカルインテグレータからの光束を前記第１のオプテ
ィカルインテグレータ上に照射する光学系とを設けたこ
と。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は露光装置及びそれを
用いた素子製造方法に関し、具体的には半導体素子の製
造装置である所謂ステッパーにおいてレチクル面上のパ
ターンを適切に照明し、高い解像力が容易に得られるよ
うにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】最近の半導体素子の製造技術の進展は目
覚ましく、又それに伴う微細加工技術の進展も著しい。
特に光加工技術は１ＭＤＲＡＭの半導体素子の製造を境
にサブミクロンの解像力を有する微細加工を技術まで達
している。解像力を向上させる手段としてこれまで多く
の場合、露光波長を固定して、光学系のＮＡ（開口数）
を大きくしていく方法を用いていた。しかし最近では露
光波長をｇ線からｉ線に変えて、超高圧水銀灯を用いた
露光法により解像力を向上させる試みも種々と行なわれ
ている。

【０００３】露光波長としてｇ線やｉ線を用いる方法の
発展と共にレジストプロセスも同様に発展してきた。こ
の光学系とプロセスの両者が相まって、光リソグラフィ
が急激に進歩してきた。

【０００４】一般にステッパーの焦点深度はＮＡの２乗
に反比例することが知られている。この為サブミクロン
の解像力を得ようとすると、それと共に焦点深度が浅く
なってくるという問題点が生じてくる。

【０００５】これに対してエキシマレーザーに代表され
る更に短い波長の光を用いることにより解像力の向上を
図る方法が種々と提案されている。短波長の光を用いる
効果は一般に波長に反比例する効果を持っていることが
知られており、波長を短くした分だけ焦点深度は深くな
る。

【０００６】短波長化の光を用いる他に解像力を向上さ
せる方法として位相シフトマスクを用いる方法（位相シ
フト法）が種々と提案されている。この方法は従来のマ
スクの一部分に、他の部分とは通過光に対して１８０度
の位相差を与える薄膜を形成し、解像力を向上させよう
とするものであり、ＩＢＭ社（米国）のＬｅｖｅｎｓｏ
ｎらにより提案されている。解像力ＲＰは波長をλ、パ
ラメータをｋ₁ 、開口数をＮＡとすると一般に式 ＲＰ＝ｋ₁ λ／ＮＡ で示される。通常０．７〜０．８が実用域とされるパラ
メータｋ₁ は、位相シフト法によれば０．３５ぐらい迄
大幅に改善できることが知られている。

【０００７】位相シフト法には種々のものが知られてお
り、それらは例えば日経マイクロデバイス１９９０年７
月号１０８ページ以降の福田等の論文に詳しく記載され
ている。

【０００８】しかしながら実際に空間周波数変調型の位
相シフトマスクを用いて解像力を向上させるためには未
だ多くの問題点が残っている。例えば現状で問題点とな
っているものとして以下のものがある。 （イ）．位相シフト膜を形成する技術が未確立。 （ロ）．位相シフト膜用の最適なＣＡＤの開発が未確
立。 （ハ）．位相シフト膜を付けれないパターンの存在。 （ニ）．（ハ）に関連してネガ型レジストを使用せざる
をえないこと。 （ホ）．検査、修正技術が未確立。

【０００９】このため実際に位相シフトマスクを利用し
て半導体素子を製造するには様々な障害があり、現在の
ところ大変困難である。

【００１０】これに対して本出願人は位相シフトマスク
を用いずにより解像力を高めた露光装置を特願平３−２
８６３１号（平成３年２月２２日出願）で提案してい
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】一方、特開昭６１−９
１６６２号公報では、通常の均一絞りに換えて均一絞り
とは開口形状が異なる特殊絞りをオプティカルインテグ
レータの後に挿入することにより、有効光源である２次
光源の（強度分布の）形状を周辺部強度が中央部強度よ
り大なるものに変換し、解像性能を高めた状態にする露
光装置を開示している。

【００１２】しかしながら、軸外に開口を持つ絞りを用
いると、レクチル面上での照度分布を均一にするのが難
しくなってくる。

【００１３】本発明の目的は、軸外に開口を有する絞り
を用いてもレチクル面上での照度分布を改善することが
できる露光装置及びそれを用いた素子製造方法の提供を
目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の露光装置は、 (1-1) 光源からの光を第１オプティカルインテグレータ
に照射し、前記第１オプティカルインテグレータからの
光束で第１物体を照明することにより前記第１物体のパ
ターンを投影光学系により第２物体に投影する露光装置
において、前記第１オプティカルインテグレータの近傍
の光路中に光軸外に開口を備える開口絞りを設け、前記
光源と前記第１オプティカルインテグレータの間に、第
２オプティカルインテグレータと、該第２オプティカル
インテグレータからの光束を前記第１のオプティカルイ
ンテグレータ上に照射する光学系とを設けたことを特徴
としている。

【００１５】特に、(1-1-1) 前記第１絞りは光軸外に開
口を４つだけ備えること。

【００１６】(1-1-2) 前記開口絞りと光軸上に１つの開
口を備える第２絞りとを前記光路中に選択的に挿入する
絞り選択手段を有すること。

【００１７】(1-1-3) 前記絞り選択手段は、前記第１、
第２絞りを相異なる位置に配した円盤と該円盤を回転さ
せる駆動手段とを有すること。

【００１８】(1-1-4) 前記４つの開口は、夫々、装置に
関連した主たる方向に対応する互いに直交する２方向を
夫々ｘ軸、ｙ軸の方向とし且つ光軸の位置を中心とした
ｘｙ座標系を前記第２絞り上に仮定した時の第１乃至第
４象限に設けてあること。等を特徴としている。

【００１９】本発明の素子製造方法は、 (2-1) 構成要件(1-1) の露光装置を用いて回路パターン
を前記第２物体に投影して転写する段階を有することを
特徴としている。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１の要部
概略図である。図中１１は超高圧水銀灯等の光源でその
発光点は楕円ミラー１２の第１焦点近傍に配置してい
る。この超高圧水銀灯１１より発した光が楕円ミラー１
２によって集光される。１３は光路を曲げるためのミラ
ー、１４はシャッターで通過光量を制限している。７１
はリレーレンズ系で超高圧水銀灯１１からの光を波長選
択手段としての波長選択フィルター１６を介して第２の
オプティカルインテグレータ７２に効率よく集めてい
る。オプティカルインテグレータ７２は後述するように
複数の微小レンズを２次元的に配列した構成より成って
いる。

【００２１】本実施形態においてはオプティカルインテ
グレータ（インテグレータ）７２への結像状態はクリテ
ィカル照明でもケーラー照明でもよく、また例えば楕円
ミラー１２の射出口をオプティカルインテグレータ７２
に結像するものであっても良い。波長選択フィルター１
６は超高圧水銀灯１１からの光束の波長成分の中から必
要な波長成分の光のみを選択して通過させている。

【００２２】７３はリレーレンズ（光学系）であり第２
オプティカルインテグレータ７２からの光束を第１オプ
ティカルインテグレータ７４に照射している。

【００２３】本実施形態では第２オプティカルインテグ
レータ７２を構成する微小レンズ群の各々はインテグレ
ータの作用にのっとってリレーレンズ７３を介して第１
オプティカルインテグレータ７４でお互いに重なり合
う。この結果、第１オプティカルインテグレータ７４の
入射口７４ａでは一様な照度分布が得られることにな
る。

【００２４】１８は選択手段（絞り選択手段）としての
絞り形状調整部材であり、複数の絞りをターレット式に
配置して構成しており、第１オプティカルインテグレー
タ７４の後に配置している。絞り形状調整部材１８は第
１オプティカルインテグレータ７４の形状に応じてオプ
ティカルインテグレータ７４を構成する複数の微小レン
ズから所定の微小レンズの選択を行なっている。即ち、
本実施形態では絞り形状調整部材１８を絞り駆動系（駆
動装置）５０で駆動させることにより露光を行なう後述
する半導体集積回路のパターン形状に合わせた照明方法
を選択している。このときの複数の微小レンズの選択に
関しては後述する。

【００２５】本実施形態において、各要素１８，５０は
露光に用いる有効光源の形状を変更する変更手段の一要
素を構成している。

【００２６】１９は光路を曲げるためのミラー、２０は
レンズ系であり、絞り形状調整部材１８を通過した光束
を集光している。レンズ系２０は照明の均一性をコント
ロールするために重要な役割を果している。２１はハー
フミラーであり、レンズ系２０からの光束を透過光と反
射光に分割している。このうちハーフミラー２１で反射
した光はレンズ３８、ピンホール３９を介してフォトデ
ィテクター４０に導光している。ピンホール３９は露光
が行なわれるべきパターンを持ったレチクル３０と光学
的に等価な位置にあり、ここを通過した光がフォトディ
テクター４０によって検出して、露光量のコントロール
を行なっている。

【００２７】２２は所謂マスキングを行なうメカニカル
ブレードであり、レチクル３０の露光されるべきパター
ン部の大きさによって駆動系（不図示）によって位置の
調整を行なっている。２３はミラー、２４はレンズ系、
２５はミラー、２６はレンズ系で、これらの各部材を介
した超高圧水銀灯１１からの光でレチクルステージ３７
上に載置されたレチクル（第１物体）３０を照明してい
る。

【００２８】本実施形態において各要素２０，２２，２
４，２６は有効光源からの光束をレチクルに照射する照
射手段の一要素を構成している。

【００２９】３１は投影光学系であり、レチクル３０上
のパターンをウェハー（第２物体）３２に投影結像させ
ている。ウェハー３２はウェハーチャック３３に吸着し
ており、更にウエハーチャック３３はレーザー干渉計３
６によって制御されるステージ３４上に載置している。
尚、３５はミラーであり、ウェハーステージ３４上に載
置しており、あるレーザー干渉計（不図示）からの光を
反射させている。

【００３０】本実施形態においてオプティカルインテグ
レータ７４の射出面７４ｂは各要素１９，２０，２３，
２４，２５，２６を介して投影光学系３１の瞳面３１ａ
と略共役関係と成っている。即ち投影光学系３１の瞳面
３１ａに射出面７４ｂに相当する有効光源像が形成して
いる。

【００３１】ここで各要素２０，２４，２６は射出面７
４ｂに形成される有効光源を投影光学系３１の瞳面３１
ａに形成する有効光源形成手段の一要素を構成してい
る。

【００３２】次に図２を用いて投影光学系３１の瞳面３
１ａとオプティカルインテグレータ７４の射出面７４ｂ
との関係について説明する。オプティカルインテグレー
タ７４の形状は投影光学系３１の瞳面３１ａに形成され
る有効光源の形状に対応している。図２はこの様子を示
したもので、投影光学系３１の瞳面３１ａに形成される
射出面７４ｂの有効光源像７４ｃの形状が重ね描きされ
ている。正規化するため投影光学系３１の瞳３１ａの径
を１．０としており、この瞳３１ａ中にオプティカルイ
ンテグレータ７４を構成する複数の微小レンズが結像し
て有効光源像７４ｃを形成している。本実施形態の場
合、オプティカルインテグレータを構成する個々の微小
レンズは正方形の形状をしている。

【００３３】ここで半導体集積回路のパターンを設計す
るときに用いられる主たる方向となる直交軸をｘおよび
ｙ軸に取る。この方向はレチクル３０上に形成されてい
るパターンの主たる方向と一致した方向であり、正方形
の形状をしているレチクル３０の外形の方向とほぼ一致
している。

【００３４】高解像力の照明系が威力を発揮するのは先
に述べたｋ₁ ファクターが０．５付近の値を取るときで
ある。

【００３５】そこで本実施形態では絞り形状調整部材１
８の絞りによりオプティカルインテグレータ７４を構成
する複数の微小レンズのうちからレチクル３０面上のパ
ターン形状に応じて所定の微小レンズを通過する光束の
みをレチクル３０の照明用として用いるようにしてい
る。

【００３６】具体的には投影光学系３１の瞳面３１ａ上
で中心領域以外の複数の領域を光束が通過するように微
小レンズを選択している。

【００３７】図３（Ａ）、（Ｂ）はオプティカルインテ
グレータ７４を構成する複数の微小レンズのうち絞り形
状調整部材１８の絞りにより所定の微小レンズを通過す
る光束のみを選択したときを示す瞳面３１ａ上における
概略図である。同図において黒く塗りつぶした領域は光
が遮光され、白い領域は光が通過してくる領域を示して
いる。

【００３８】図３（Ａ）はパターンで解像度が必要とさ
れる方向がｘおよびｙ方向であるときに対する瞳面３１
ａ上の有効光源像を示している。瞳面３１ａを表わす円
を ｘ² ＋ｙ² ＝１ としたとき、次の４つの円を考える。

【００３９】（ｘー１）² ＋ｙ² ＝１ ｘ² ＋（ｙー１）² ＝１ （ｘ＋１）² ＋ｙ² ＝１ ｘ² ＋（ｙ＋１）² ＝１ これらの４つの円によって瞳面３１ａを表わす円は領域
１０１〜１０８までの８つの領域に分解される。

【００４０】本実施形態でｘおよびｙ方向に対して高解
像で深度の深い照明系は、これらのうちから偶数の領
域、即ち領域１０２，１０４，１０６，１０８に存在す
る微小レンズ群に優先的に光を通すように選択すること
によって達成している。原点であるｘ＝０，ｙ＝０付近
の微小レンズは主として粗いパターンの深度向上に効果
が大きいため、中心付近の部分を選ぶか否かは焼き付け
ようとするパターンによって定まる選択事項である。

【００４１】図３（Ａ）の例では中心付近の微小レンズ
は除外した例が示してある。尚、オプテイカルインテグ
レータ７４の外側の部分は照明系内でインテグレータ保
持部材（不図示）によって遮光されている。又図３
（Ａ），（Ｂ）では遮光するべき微小レンズと投影レン
ズの瞳３１ａとの関係を分かり易くするため瞳３１ａと
オプティカルインテグレータの有効光源像７４ｃが重ね
描きしている。

【００４２】これに対し図３（Ｂ）は±４５°方向のパ
ターンに対して高解像が必要とされる場合の絞りの形状
を示す。図３（Ａ）の場合と同じく瞳３１ａとオプティ
カルインテグレータ７４の有効光源像７４ｃとの関係を
図示している。±４５°パターンの場合には前と同じと
して

【００４３】

【数１】 なる４つの円を、瞳３１ａに対して重ね描きして図３
（Ａ）の場合と同じく瞳３１ａを領域１１１〜１１８の
８つの領域に区分する。この場合±４５°方向のパター
ンの高解像化に寄与するのは今度は奇数で表わされた領
域、即ち領域１１１，１１３，１１５，１１７である。
この領域に存在しているオプティカルインテグレータ７
４の微小レンズを優先的に選択することにより±４５°
方向のパターンはｋ₁ ファクターが０．５付近で焦点深
度が著しく増大する。

【００４４】図４は絞り形状調整部材１８の各絞り１８
ａ〜１８ｄの切り換えを行なう概略図である。図４に示
すようにターレット式の交換方式を採用している。第１
の絞り１８ａは、ｋ₁ で１以上のそれほど細かくないパ
ターンを焼きつける場合に用いられる。第２の絞り１８
ａはこれまで公知の従来型の照明光学系の構成と同じで
あり、必要に応じてオプティカルインテグレータ７４を
構成する微小レンズ群の外側の部分を遮光する様にも設
定される固定の絞りである。絞り１８ｂ〜１８ｄは本実
施形態に従う第１の絞りとしての種々の絞りである。

【００４５】一般的な傾向として高解像用の照明系の場
合、オプテイカルインテグレータ７４は従来の照明系で
必要とされる大きさより、瞳面上でより外側の領域まで
使う方が高空間周波数に対し有利である。例えば従来の
照明系では半径０．５以内の微小レンズ群を使うことが
好ましいのに対し、高解像用の照明系の場合には中心部
の微小レンズは使用しないものの、例えば最大半径０．
７５以内の円の中ににある微小レンズ群まで使用する方
が好ましいことがある。

【００４６】このためオプテイカルインテグレータ７４
の大きさ、及び、照明系のその他の部分の有効径は、予
め従来型と高解像型の両者を考慮して設定しておくこと
が好ましい。また、オプテイカルインテグレータ７４の
入射口７４ａにおける光の強度分布も、絞りが挿入され
ても十分機能が果たせるような大きさを持っていること
が好ましい。絞り１８ａで外側の微小レンズ群を遮光す
る場合があるのは以上のような理由からで、例えばオプ
ティカルインテグレータ７４としては半径０．７５のと
ころまで用意しておいても、絞り１８ａではそのうちか
ら半径０．５以内の部分を選ぶといったことが行なわれ
る。

【００４７】以上示したように露光を行なうべき半導体
集積回路のパターンの特殊性を考慮したうえで絞りの形
状を決定すれば、パターンに応じた最適の露光装置を構
成することができる。これらの絞りの選択は例えば露光
装置全体の制御コンピュータから与えて、自動的に行な
っている。図４に示したのはこのような絞りを搭載した
絞り形状調整部材１８の一例で、この場合には４種類の
絞り１８ａ〜１８ｄのパターンを選択することが可能で
ある。勿論この数はもっとふやすことも容易である。

【００４８】絞りを選択したとき、絞りの選択に従って
照度むらが変化する場合がある。そこで本実施形態では
オプティカルインテグレータを２段に設けてレチクル３
０面上の照度分布が不均一とならないようにしている。
又本実施形態では、このような場合の照度むらをレンズ
系２０を調整して微調を行なっている。照度むらの微調
については、レンズ系２０を構成する個々の要素レンズ
の光軸方向の間隔で調整可能であることが既に本出願人
の先の出願によって示されている。５１は駆動機構であ
り、レンズ系２０の要素レンズ（可動レンズ）を駆動さ
せている。レンズ系２０の調整は絞りの選択に応じて行
なっている。また場合によっては絞りの形状の変更に応
じてレンズ系２０自体をそっくり他の交換レンズと交換
するようにすることも可能である。そのような場合には
レンズ系２０に相当するレンズ系を複数個用意し、絞り
の形状の選択に従ってターレット式に交換されるように
レンズ系を入れ替えている。尚、本実施形態において各
要素２０，５０は有効光源の形状の変更の際に照度むら
を調整する調整手段の一要素を構成している。

【００４９】本実施形態では、絞りの形状を変更するこ
とによって半導体集積回路のパターンの特徴に応じた照
明系を選択している。また本実施形態の場合、高解像用
の照明系にした場合、大きく有効光源全体を見ると光源
自体が４つの領域に別れることが特徴となっている。こ
の場合の重要要素はこの４つの領域の強度のバランスで
ある。しかしながら図１のような系だと超高圧水銀灯１
１のケーブルの影がこのバランスに悪影響を与える場合
がある。従って、図３に示した絞りを用いる高解像用の
照明系ではケーブルの影になる線状の部分をオプティカ
ルインテグレータ７４で遮光する微小レンズの位置と対
応するようにセットさせることが望ましい。

【００５０】即ち、図３（Ａ）の絞りの場合で言えば図
５（Ａ）に示す様にケーブル１１ａを引っ張る方向はｘ
またはｙ方向にセットすることが好ましく、図３（Ｂ）
の絞りを使用した場合のケーブル１１ａを引っ張る方向
は図５（Ｂ）に示す様にｘ及びｙ方向に対して±４５°
にセットすることが好ましい。本実施形態では超高圧水
銀灯のケーブルを引っ張る方向も、絞りの変更に対応し
て変えることが好ましい。

【００５１】以上述べてきた例は従来良く用いられてい
る超高圧水銀灯を１つ用いたものであった。しかしなが
ら本発明は複数個の光源を用いたり、あるいは光源とし
てエキシマレーザを用いたような場合にも勿論適用する
ことができる。エキシマレーザを用いた照明系の場合に
は時間的にオプティカルインテグレータ上でレーザの位
置が走査される方式があるが、この時走査する範囲を焼
き付けるべきパターンに応じて変化させれば図３にある
ような有効光源分布を容易に実現することができる。

【００５２】又、以上の実施形態では述べなかったが高
解像用の照明系では絞りで大きく４つの部分に分けられ
た各部分同士のバランスも重要である。４つに分けられ
た有効光源同士の分布のモニター、あるいは補正法につ
いては先の出願で既に述べられているのでここでは言及
を省略する。

【００５３】又、絞りを挿入する位置について本発明の
実施形態では最後のオプティカルインテグレータの後側
で行なったが、これはオプティカルインテグレータの前
側で行なっても良い。また他に照明系内でオプティカル
インテグレータと共役な面があればそこで絞りの動作を
行なうようにしても良い。

【００５４】

【発明の効果】本発明の露光装置によれば、軸外に開口
を有する絞りを用いても照度分布を改善することがで
き、これによって高解像度のパターンを有した半導体デ
バイスを容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の要部概略図

【図２】投影光学系の瞳とオプティカルインテグレータ
の関係を示す説明図

【図３】投影光学系の瞳面上を示す説明図

【図４】本発明で使用される絞りの詳細図

【図５】超高圧水銀灯からケーブルの引き出し方を示す
図

【符号の説明】 １１ 超高圧水銀灯 １２ 楕円ミラー １３ ミラー １４ シャッター １５ レンズ １６ 波長選択フィルター １８ メカ絞り １９ ミラー ２０ レンズ ２１ ハーフミラー ２２ マスキングブレード ２３，２５ ミラー ２４，２６ レンズ ３０ レチクル ３１ 投影光学系 ３２ ウェハー ３３ ウェハーチャック ３４ ウェハーステージ ３５ レーザー干渉計のミラー ３６ レーザー干渉計 ３７ レチクルステージ ３８ レンズ ３９ ピンホール ４０ フォトディテクタ ５０ 絞りの駆動系 ５１ レンズ駆動系 ７１，７３ リレーレンズ ７２ 第２オプティカルインテグレータ ７４ 第１オプティカルインテグレータ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光を第１オプティカルインテ
   グレータに照射し、前記第１オプティカルインテグレー
   タからの光束で第１物体を照明することにより前記第１
   物体のパターンを投影光学系により第２物体に投影する
   露光装置において、前記第１オプティカルインテグレー
   タの近傍の光路中に光軸外に開口を備える開口絞りを設
   け、前記光源と前記第１オプティカルインテグレータの
   間に、第２オプティカルインテグレータと、該第２オプ
   ティカルインテグレータからの光束を前記第１のオプテ
   ィカルインテグレータ上に照射する光学系とを設けたこ
   とを特徴とする露光装置。
2. 【請求項２】 前記第１絞りは光軸外に開口を４つだけ
   備えることを特徴とする請求項１の露光装置。
3. 【請求項３】 前記開口絞りと光軸上に１つの開口を備
   える第２絞りとを前記光路中に選択的に挿入する絞り選
   択手段を有することを特徴とする請求項２の露光装置。
4. 【請求項４】 前記絞り選択手段は、前記第１、第２絞
   りを相異なる位置に配した円盤と該円盤を回転させる駆
   動手段とを有することを特徴とする請求項３の露光装
   置。
5. 【請求項５】 前記４つの開口は、夫々、装置に関連し
   た主たる方向に対応する互いに直交する２方向を夫々ｘ
   軸、ｙ軸の方向とし且つ光軸の位置を中心としたｘｙ座
   標系を前記第２絞り上に仮定した時の第１乃至第４象限
   に設けてあることを特徴とする請求項２乃至５の露光装
   置。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５のいずれかの露光
   装置を用いて回路パターンを前記第２物体に投影して転
   写する段階を有する素子製造方法。