JPH09223661A

JPH09223661A - 露光装置

Info

Publication number: JPH09223661A
Application number: JP8052440A
Authority: JP
Inventors: Hideki Komatsuda; 秀基小松田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1996-02-15
Publication date: 1997-08-26

Abstract

(57)【要約】【課題】露光すべきパターンの形状に応じて二次光源
の形状を変更しても、被露光面における照度均一性と照
明光の垂直性とを同時に満たすことのできる露光装置。【解決手段】複数のレンズエレメントの各々に入射す
る照明光の感光基板上における照度をほぼ均一にすると
ともに、光軸に関して点対称に位置する２つのレンズエ
レメントに入射する照明光の感光基板上における照度を
互いにほぼ等しくするために、フライアイレンズの各レ
ンズエレメントに入射する照明光の強度分布を補正す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は露光装置に関し、特
に半導体集積回路の製造における露光工程に好適な露光
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば半導体素子をフォトリソグラフ
ィ工程で製造する際に、マスクに形成されたパターンを
ウエハのような感光基板に転写する露光装置が使用され
ている。この種の露光装置では、フライアイレンズを介
して二次光源を形成し、二次光源からの光束を集光して
マスクを重畳的に照明する。

【０００３】なお、二次光源の最適形状は、露光すべき
パターン形状に依存する。そこで、近年の露光装置で
は、パターン形状に応じて二次光源の形状を適宜変更す
ることができるように、開口形状が可変の開口絞りを用
いている。ちなみに、開口形状が可変の開口絞りは、た
とえば異なる開口形状を有する複数の切り換え可能な開
口絞りや、開口形状を変化させることが可能な同一の開
口絞りなどから構成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、開口形状の変
化により二次光源の形状を変更する場合、被露光面に
おける照度均一性の低下、および被露光面に入射する
照明光の垂直性の低下が起こる。露光装置では、被露光
面に塗布されたレジストの受けるエネルギー量を被露光
面内で均一にすることによって、現像したときの像の線
幅を均一にすることができる。したがって、の被露光
面における照度均一性は、露光装置において重要な性能
である。

【０００５】また、被露光面に入射する照明光の垂直性
が低下すると、光軸に沿った被露光面の変動に応じて結
像倍率が変化してしまう。露光とエッチングとを複数回
に亘って繰り返す半導体製造工程では、段差のある被露
光面にパターンを焼き付けなければならない。したがっ
て、照明光の垂直性の低下は、被露光面上において段差
の形成を許容することができないことを、ひいては装置
を実用に供することができないことを意味する。

【０００６】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、露光すべきパターンの形状に応じて二次光源
の形状を変更しても、被露光面における照度均一性と照
明光の垂直性とを同時に満たすことのできる露光装置を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては、所定のパターンが形成されたマ
スクを照明し、前記マスクのパターン像を感光基板上に
形成する露光装置において、照明光を供給するための光
源手段と、光軸に関して点対称に配置された複数のレン
ズエレメントからなり、前記感光基板とほぼ共役に位置
決めされた入射面を有し、前記光源手段からの光束に基
づいて複数の光源像を形成するためのフライアイレンズ
と、前記複数の光源像からの光束を可変の開口形状に基
づいて制限するための開口絞りと、前記開口絞りを介し
た前記複数の光源像からの光束を集光して前記マスクを
重畳的に照明するためのコンデンサー光学系と、前記複
数のレンズエレメントの各々に入射する照明光の前記感
光基板上における照度をほぼ均一にするとともに、前記
光軸に関して点対称に位置する２つのレンズエレメント
に入射する照明光の前記感光基板上における照度を互い
にほぼ等しくするために、前記フライアイレンズの各レ
ンズエレメントに入射する照明光の強度分布を補正する
ための補正手段とを備えていることを特徴とする露光装
置を提供する。

【０００８】本発明の好ましい態様によれば、前記補正
手段は、前記光軸に対して垂直な面内において互いに直
交する２つの軸線に関して対称に位置する４つのレンズ
エレメントに入射する照明光の前記感光基板上における
照度を互いにほぼ等しくするために、前記フライアイレ
ンズの各レンズエレメントに入射する照明光の強度分布
を補正する。また、前記補正手段は、前記フライアイレ
ンズの各レンズエレメントの入射面に対応する領域にお
いてそれぞれ所定の透過率分布を有する透過フィルター
であることが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】まず、二次光源の形状を変更する
と被露光面において照度均一性が低下する理由について
説明する。フライアイレンズを使用する露光装置では、
フライアイレンズを介して光源からの光束を波面分割
し、複数の光源像からなる二次光源を形成する。次い
で、コンデンサー光学系を介して二次光源からの光束を
集光し、マスクを重畳的に照明する。こうして、マスク
上および感光基板上では、比較的均一な照度を得ること
ができる。

【００１０】ただし、実際の装置では、製造誤差等の理
由により、完全に均一な照度分布を得ることはできず、
たとえば数％程度の照度変動が発生することがある。こ
のため、光学系中に複数の補正素子を設け、この複数の
補正素子を適宜調整することによって、所定形状の二次
光源に対して所望の照度均一性を実現している。この状
態から二次光源の形状を変更すると、光学系を構成する
各光学部材を光束が通過する位置が異なってしまう。そ
の結果、反射防止膜の作用、光学材料の透過率による光
束の減衰作用、光学系の収差作用、製造時の光学部材の
偏心作用などが変化しまう。

【００１１】この場合、照度均一性が低下しないよう
に、二次光源の形状の変更に伴って複数の補正素子を再
調整する方法も考えられる。しかしながら、露光装置に
おいて可動部分が増大すると装置の信頼性が著しく損な
われるので、複数の補正素子を再調整する方法は現実的
ではない。こうして、所定形状の二次光源に対して所望
の照度均一性が実現されている露光装置において、露光
すべきパターンの形状変化に応じて二次光源の形状を変
更すると、被露光面における照度均一性が低下する。

【００１２】次に、二次光源の形状を変更すると被露光
面において照明光の垂直性が低下する理由について説明
する。図５は、対称な強度分布を有する照明光に対して
二次光源の形状を変更すると照明光の垂直性が低下する
様子を示す図である。図５において、フライアイレンズ
Ｆには、光軸ＡＸに関して点対称なガウス分布状の強度
分布を有する照明光が入射する。なお、フライアイレン
ズＦの入射面は、被露光面（不図示）およびマスクＭと
光学的にほぼ共役に位置決めされている。

【００１３】したがって、フライアイレンズＦを構成す
るレンズエレメントｅ1 〜e3の中心軸線から−ｙ方向に
距離ｄだけ間隔を隔てた点ａ、ｆおよびｂに入射した光
線５０、５３および５１は、開口絞りＳおよびコンデン
サー光学系ＣＮを介して、マスクＭ上の点ｃに入射す
る。ここで、フライアイレンズＦの入射面上の点ａに入
射する光線５０は強度αを有し、点ｂに入射する光線５
１は強度αよりも小さい強度βを有する。すなわち、マ
スクＭ上の点ｃにおいても、光線５０の強度が光線５１
の強度よりも大きくなる。このため、マスクＭ上におい
て、照明光の実効的な主光線５２（図中二点鎖線で示
す）が、光軸ＡＸに平行な幾何光学的な主光線５３から
ずれてしまう。照明光の実効的な主光線が幾何光学的な
主光線からずれる現象は、被露光面においても発生す
る。

【００１４】実際の装置では、実効的な主光線が被露光
面に対して垂直になるように、光学系中に設けられた複
数の補正素子を調整している。しかしながら、開口絞り
Ｓの開口形状を変化させて二次光源の形状を変更する
と、照明に寄与するレンズエレメントが変化する。その
結果、実効的な主光線と幾何光学的な主光線とのずれ量
が変化し、被露光面における照明光の垂直性が低下して
しまう。

【００１５】なお、前述したように、可動部分が増大す
ると装置の信頼性が著しく損なわれるので、照明光の垂
直性が低下しないように複数の補正素子を再調整するこ
とは現実的ではない。こうして、所定形状の二次光源に
対して照明光の垂直性を確保した露光装置において、二
次光源の形状を変更すると、露光すべきパターンの形状
変化に応じて被露光面における照明光の垂直性が低下す
る。特に、光源が偏心してフライアイレンズＦに入射す
る光束の強度分布が光軸ＡＸに関して非対称になった状
態で二次光源の形状を変更すると、実効的な主光線と幾
何光学的な主光線とのずれ量はさらに大きくなる。

【００１６】図６は、非対称な強度分布を有する照明光
に対して二次光源の形状を変更すると光軸上においても
照明光の垂直性が低下する様子を示す図である。図６に
示すように、製造誤差等の理由により、光軸ＡＸに関し
て非対称な強度分布を有する照明光がフライアイレンズ
Ｆに入射する場合がある。この場合、レンズエレメント
ｅ1 〜e3の中心軸線を通過する光線５６、５５および５
７は、開口絞りＳおよびコンデンサー光学系ＣＮを介し
て、マスクＭと光軸ＡＸとの交点ｏに入射する。なお、
照明光が光軸ＡＸに関して非対称な強度分布を有するの
で、レンズエレメントｅ1 に入射する光線５６は強度γ
を有し、レンズエレメントe3に入射する光線５７は強度
γよりも小さい強度δを有する。

【００１７】したがって、マスクＭ上の点ｏにおいて
も、光線５６の強度が光線５７の強度よりも大きくな
る。このため、マスクＭ上において、照明光の実効的な
主光線５４（図中二点鎖線で示す）が、光軸ＡＸと一致
している幾何光学的な主光線５５からずれてしまう。照
明光の実効的な主光線が幾何光学的な主光線からずれる
現象は、被露光面においても発生する。

【００１８】図５に示す対称な強度分布を有する照明光
に対しては、光軸ＡＸ上において実効的な主光線と幾何
光学的な主光線とは一致する。しかしながら、図６に示
すように、非対称な強度分布を有する照明光に対して
は、光軸ＡＸ上においても実効的な主光線が幾何光学的
な主光線からずれてしまう。二次光源の形状を変更する
と、光軸上における実効的な主光線と幾何光学的な主光
線とのずれ量は変化し、被露光面における照明光の垂直
性が低下する。

【００１９】以上の考察に基づいて、被露光面における
照度均一性は、各レンズエレメントに入射する照明光の
局部的な強度分布に依存することがわかる。また、被露
光面における照明光の垂直性は、光軸に関して点対称に
位置する２つのレンズエレメントに入射する照明光の強
度バランスに依存することがわかる。したがって、各レ
ンズエレメントに入射する照明光の被露光面における照
度を均一化することにより、二次光源の形状を変更して
も照度均一性の低下を回避することができる。さらに、
光軸に関して点対称に位置する２つのレンズエレメント
に入射する照明光の被露光面における照度を互いに等し
くすれば、二次光源の形状を変更しても照明光の垂直性
の低下を回避することができる。

【００２０】そこで、本発明では、フライアイレンズの
各レンズエレメントに入射する照明光の強度分布を補正
することによって、複数のレンズエレメントの各々に入
射する照明光の感光基板上における照度をほぼ均一にす
るとともに、光軸に関して点対称に位置する２つのレン
ズエレメントに入射する照明光の感光基板上における照
度を互いにほぼ等しくする。その結果、二次光源の形状
を変更しても、感光基板上における照度均一性と照明光
の垂直性とを同時に満たすことができる。

【００２１】また、露光装置の結像性能をさらに高める
ために、光軸に対して垂直な面内において互いに直交す
る２つの軸線に関して対称に位置する４つのレンズエレ
メントに入射する照明光の感光基板上における照度を互
いにほぼ等しくすることが好ましい。さらに、各レンズ
エレメントに入射する照明光の強度分布を補正するの
に、フライアイレンズの各レンズエレメントの入射面に
対応する複数の領域においてそれぞれ所定の透過率分布
を有する透過フィルターを用いることができる。

【００２２】本発明の実施例を、添付図面に基づいて説
明する。図１は、本発明の実施例にかかる露光装置の構
成を概略的に示す図である。図示の露光装置は、たとえ
ば超高圧水銀ランプからなる光源１１を備えている。光
源１１は、回転楕円面からなる反射面を有する楕円鏡１
２の第１焦点位置に位置決めされている。したがって、
光源１１から射出された照明光束は、コールドミラー１
３を介して、楕円鏡１２の第２焦点位置に光源像を形成
する。

【００２３】この光源像からの光束は、コリメートレン
ズ１４によりほぼ平行な光束に変換された後、所望の波
長域の光束のみを透過する干渉フィルター１５に入射す
る。干渉フィルター１５で選択された露光波長の照明光
は、フライアイレンズ１７を構成する各レンズエレメン
トの入射面に対応する複数の領域においてそれぞれ所定
の透過率分布を有する透過フィルター１６に入射する。
なお、透過フィルター１６の構成および作用について
は、後述する。

【００２４】透過フィルター１６を介した照明光は、フ
ライアイレンズ１７に入射する。フライアイレンズ１７
に入射した光束は、フライアイレンズ１７を構成する複
数のレンズエレメントにより波面分割され、フライアイ
レンズ１７の後側焦点位置（すなわち射出面近傍）に複
数の光源像からなる二次光源を形成する。二次光源から
の光束は、開口絞り３０により制限された後、コンデン
サーレンズ１８に入射する。なお、開口絞り３０は、可
変の開口形状を有し、照明に寄与する二次光源の範囲を
規定する。

【００２５】開口絞り３０を介して制限された光束は、
マスク２３の照明範囲を規定するための視野絞り１９に
入射する。視野絞り１９を介した光束は、リレー光学系
（２０、２２）およびリレー光学系の光路中に配置され
た折り曲げミラー２１を介して、所定のパターンが形成
されたマスク２３を重畳的に照明する。マスク２３を透
過した光束は、投影光学系２４を介して、感光基板であ
るウエハ２５に達する。こうして、ウエハ２５上には、
マスク２３のパターン像が形成される。

【００２６】なお、フライアイレンズ１７の入射面は、
ウエハ２５およびマスク２３とほぼ共役に位置決めされ
ている。また、ウエハ２５は、投影光学系２４の光軸Ａ
Ｘに対して垂直な平面内において二次元的に移動可能な
ウエハステージ（不図示）上に支持されている。したが
って、ウエハ２５を二次元的に移動させながら露光を行
うことにより、ウエハ２５の各露光領域にマスク２３の
パターンを逐次転写することができる。

【００２７】図２は、図１の透過フィルター１６の構成
を概略的に示す図であって、（Ａ）は透過フィルター１
６およびフライアイレンズ１７を光軸ＡＸに沿って入射
面側から見た図であり、（Ｂ）は透過フィルター１６お
よびフライアイレンズ１７の側面図である。図２（Ａ）
および（Ｂ）に示すように、フライアイレンズ１７は、
光軸ＡＸに垂直な平面内において矩形の断面形状を有す
る多数のレンズエレメント１７ａを光軸ＡＸに関して点
対称に配列することによって構成されている。また、透
過フィルター１６は、フライアイレンズ１７の各レンズ
エレメント１７ａの入射面に対応する複数の領域におい
てそれぞれ所定の透過率分布を有する半透過部３１を備
えている。

【００２８】図３は、透過フィルター１６の作用を説明
する図である。図３では、光軸ＡＸに関して非対称な強
度分布を有する光束が、透過フィルター１６に入射す
る。透過フィルター１６は、各レンズエレメントに入射
する照明光の感光基板上における照度がほぼ均一になる
とともに、光軸ＡＸに関して対称に位置する２つのレン
ズエレメントに入射する照明光の感光基板上における照
度が互いにほぼ等しくなるように、各レンズエレメント
に入射する照明光の強度分布を補正する作用を有する。

【００２９】なお、図３では、隣接する２つの半透過部
３１の間に間隙が形成され、この間隙に入射する照明光
は透過フィルター１６の作用を受けていない。これは、
通常の露光装置において、フライアイレンズ１７を構成
する各レンズエレメントの入射面の周辺部分が露光に寄
与しないように倍率設計されているからである。透過フ
ィルター１６の半透過部３１は、たとえばクロム等の金
属からなり解像が不可能なほど微小なドットから構成さ
れ、半透過部３１の透過率分布はドットの形成密度分布
に依存する。

【００３０】各半透過部の透過率分布は、各レンズエレ
メントを介した照明光の被露光面における照度分布を順
次測定することによって決定することができる。このた
め、たとえば各レンズエレメントの入射面に対応する開
口部を有する開口絞りをレンズエレメントの数だけ準備
する。そして、開口絞りを順次交換しながら受光面積の
十分小さな照度センサーで被露光面を二次元的に走査す
る。こうして、各レンズエレメントを介した照明光の被
露光面における照度分布を求め、求めた照度分布に基づ
いて各レンズエレメントに対応する半透過部の透過率分
布を決定することができる。

【００３１】透過フィルターの各半透過部の透過率分布
が決定されると、たとえばレーザーを利用した描画機に
よりフィルターの原盤を形成する。そして、半導体露光
用の露光装置により原盤に形成されたパターンを縮小露
光することにより、透過フィルターを製造することがで
きる。

【００３２】このように、上述の実施例では、透過フィ
ルターの作用により、各レンズエレメントに入射する照
明光の感光基板上における照度をほぼ均一にするととも
に、２つの対称レンズエレメントに入射する照明光の感
光基板上における照度を互いにほぼ等しくすることがで
きる。したがって、開口形状を変化させて二次光源の形
状を変更しても、感光基板上における照度均一性と照明
光の垂直性とを同時に満たすことができる。すなわち、
露光すべきパターン形状に応じて二次光源を最適な形状
に変更しても、照度均一性と照明光の垂直性とを同時に
確保しながら高精度な露光を行うことができる。

【００３３】図４は、本発明の変形例にかかる露光装置
の構成の要部を概略的に示す図である。図４の変形例で
は、図１の実施例におけるコリメートレンズ１４と干渉
フィルター１５との間の光路中に対して挿脱自在なビー
ム整形光学系を付設している。なお、ビーム整形光学系
は、たとえば一対のレンズ成分２６および２７から構成
することもできるし、たとえばプリズム部材２８から構
成することもできる。

【００３４】照明光が一定の断面形状を有する場合、二
次光源の形状を変更すると光量損失が発生する。図４の
変形例では、ビーム整形光学系の作用により照明光束の
断面形状を適宜整形することによって、二次光源の形状
変化に起因する光量損失を回避することができる。この
場合、光束の断面形状の変化に応じて、光束の強度分布
の形状が変化するので、所定の透過率分布を有する透過
フィルターに交換する必要がある。

【００３５】なお、上述の実施例では、マスクパターン
を投影光学系を介して感光基板に転写する投影露光装置
に対して本発明を適用している。しかしながら、マスク
パターンをマスクに近接して配置された感光基板に直接
転写するプロキシミティ方式の露光装置にも本発明を適
用することができる。

【００３６】

【効果】以上説明したように、本発明によれば、開口形
状を変化させて二次光源の形状を変更しても、感光基板
上における照度均一性と照明光の垂直性とを同時に満た
すことができる。その結果、露光すべきパターン形状に
応じて二次光源を最適な形状に変更しても、照度均一性
と照明光の垂直性とを同時に確保しながら高精度な露光
を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかる露光装置の構成を概略
的に示す図である。

【図２】図１の透過フィルター１６の構成を概略的に示
す図であって、（Ａ）は透過フィルター１６およびフラ
イアイレンズ１７を光軸ＡＸに沿って入射面側から見た
図であり、（Ｂ）は透過フィルター１６およびフライア
イレンズ１７の側面図である。

【図３】透過フィルター１６の作用を説明する図であ
る。

【図４】本発明の変形例にかかる露光装置の構成の要部
を概略的に示す図である。

【図５】対称な強度分布を有する照明光に対して二次光
源の形状を変更すると照明光の垂直性が低下する様子を
示す図である。

【図６】非対称な強度分布を有する照明光に対して二次
光源の形状を変更すると光軸上においても照明光の垂直
性が低下する様子を示す図である。

【符号の説明】

１１光源１２楕円鏡１３コールドミラー１４コリメートレンズ１５干渉フィルター１６透過フィルター１７フライアイレンズ１８コンデンサーレンズ１９視野絞り２０、２２リレー光学系２１折り曲げミラー２３マスク２４投影光学系２５ウエハ３０開口絞り３１半透過部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のパターンが形成されたマスクを照
明し、前記マスクのパターン像を感光基板上に形成する
露光装置において、照明光を供給するための光源手段と、光軸に関して点対称に配置された複数のレンズエレメン
トからなり、前記感光基板とほぼ共役に位置決めされた
入射面を有し、前記光源手段からの光束に基づいて複数
の光源像を形成するためのフライアイレンズと、前記複数の光源像からの光束を可変の開口形状に基づい
て制限するための開口絞りと、前記開口絞りを介した前記複数の光源像からの光束を集
光して前記マスクを重畳的に照明するためのコンデンサ
ー光学系と、前記複数のレンズエレメントの各々に入射する照明光の
前記感光基板上における照度をほぼ均一にするととも
に、前記光軸に関して点対称に位置する２つのレンズエ
レメントに入射する照明光の前記感光基板上における照
度を互いにほぼ等しくするために、前記フライアイレン
ズの各レンズエレメントに入射する照明光の強度分布を
補正するための補正手段とを備えていることを特徴とす
る露光装置。
【請求項２】前記補正手段は、前記光軸に対して垂直
な面内において互いに直交する２つの軸線に関して対称
に位置する４つのレンズエレメントに入射する照明光の
前記感光基板上における照度を互いにほぼ等しくするた
めに、前記フライアイレンズの各レンズエレメントに入
射する照明光の強度分布を補正することを特徴とする請
求項１に記載の露光装置。
【請求項３】前記補正手段は、前記フライアイレンズ
の各レンズエレメントの入射面に対応する領域において
それぞれ所定の透過率分布を有する透過フィルターであ
ることを特徴とする請求項１または２に記載の露光装
置。