JPH10161295A

JPH10161295A - 露光装置

Info

Publication number: JPH10161295A
Application number: JP5873897A
Authority: JP
Inventors: Seiji Nishiwaki; 青児西脇; Junichi Asada; 潤一麻田; Keiichi Matsuzaki; 圭一松▲ざき▼
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-03-18
Filing date: 1997-03-13
Publication date: 1998-06-19
Anticipated expiration: 2017-03-13
Also published as: JP3735441B2

Abstract

(57)【要約】【課題】露光面上の投影パターンのピッチが光源の波長
以下に出来ないと言う課題。【解決手段】光源１を出射するレーザー光２（波長λ）
が、ミラー３ａ，３ｂを反射し、ビームエクスパンダー
光学系４に導かれ、更にフォーカシングレンズ４ａによ
り集光し、フォーカシングレンズ４ａの焦平面に位置す
るピンホール４ｃをすり抜け、コリメートレンズ４ｂに
よってビーム径の拡大した平行光束５に変換され、この
平行光束５が屈折率ｎの透明材質で構成された平行平板
の出射面側に凹部と凸部が繰り返し形成された位相シフ
ター６に垂直入射し、透過し、その結果±１次の回折光
が発生し、スペーサー７を介して位相シフター６に対面
する感光膜上で±１次の回折光が干渉しあい、微細な干
渉縞を形成して感光膜を露光する構成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微細なパターンを
露光出来る露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術について、例えば微小光学ハ
ンドブック（応用物理学会編集、朝倉書店出版、１９９
５）ｐ．６９０に記載の投影露光装置があり、この装置
に基づいて説明する。図１１０は従来の露光装置の構成
図を示す。光源１４からの光束はビームコンプレッサー
１５（またはビームエクスパンダー）で適当な光束に変
換されてホモジナイザー１６に入射する。ホモジナイザ
ー１６は３〜６ｍｍ角のレンズアレイより構成されてお
り、照明系の照度分布を均一にするとともに、射出端面
付近で二次光源１７を形成する。二次光源１７からの光
は照明レンズ１８で露光パターンが描かれているレチク
ル１９を照明し、結像レンズ２０で露光面２２上に結像
する。このとき二次光源１７の像は結像レンズ２０の入
射瞳面２１にできる。

【０００３】この従来の露光装置の解像度Ｒは、照明光
の波長をλ、結像光学系の開口数をＮＡ（Numerical Ap
erture）として次式で表される。

【０００４】

【数１】Ｒ＝２ｋ₁λ／ＮＡ・・・式１ただし、ｋ₁は露光・現像プロセスの条件によって決ま
る定数であり、一般に０．５〜０．８前後の値をなす。

【０００５】一方、結像光学系の焦点深度Ｚは次式で与
えられる。

【０００６】

【数２】Ｚ＝λ／２ＮＡ² ・・・式２波長λは光源の種類によって一義的に決まり、一般には
４３５ｎｍ（ｇ線）や３６５ｎｍ（ｉ線）が用いられ
る。光源の短波長化は解像度の向上を図る最も素直な方
法であるが、高い値のＮＡの採用でも解像度向上は可能
である。しかし、高ＮＡ化は式（２）に基づき焦点深度
を浅くし露光位置の誤差余裕をなくすので、せいぜい
０．５〜０．６程度が限界である。従って、従来の露光
装置の解像度Ｒはｋ₁＝０．５、ＮＡ＝０．６としてピ
ッチで１．６λ程度が限界であった。

【０００７】また、この解像限界を向上させる意味で、
位相シフト法と呼ばれる手法も提案されている（微小光
学ハンドブックのｐ．６９４に記載）。

【０００８】これは、従来の露光装置に於けるレチクル
上に解像力を向上させるための位相シフターを形成した
ものである。図１２（Ａ）は、従来の露光装置の原理図
を示し、図１２（Ｂ）は、従来の露光装置に於ける位相
シフト法の原理図を示す。従来法でのレチクル１９は透
明基板１９ａとマスク１９ｂで構成されるが、このとき
の露光面上での光振幅は２３、光強度は２４で示され
る。これに対し位相シフト法では、マスク間の隙間に一
つおきの割合で位相シフター１９ｃを形成し、位相シフ
ター１９ｃを透過する光の位相をπだけ遅らすことで、
露光面上で２３ａ、２４ａに示す光振幅、光強度を得る
ことができ、従来法に比べコントラストを向上させるこ
とができる。

【０００９】またマスク１９ｂを用いない方法もあり、
図１３はその原理図を示す。この場合、レチクル１９は
透明基板１９ａと位相シフター１９ｃで構成される。位
相シフター１９ｃを透過する光の位相をπだけ遅らすこ
とで、露光面上で２３ｂ、２４ｂに示す光振幅、光強度
を得ることができ、コントラストの向上が可能である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の露光装置に於て、位相シフター１９ｃの有無に関わ
らず、次の様な課題があった。

【００１１】以下、より解像度の高い、位相シフター１
９ｃを有する露光装置の場合を例にとり、その課題につ
いて説明する。

【００１２】すなわち、この場合、図１３に示した原理
に従うと、露光面上での光強度２４ｂの周期はレチクル
上の位相シフター１９ｃの周期の半分であり、位相シフ
ト法の採用により露光装置の解像度は、倍になるはずで
ある。しかし、現実にはレチクル１９と露光面の間に結
像光学系が介在するため、理論通りの解像度が得られな
い。

【００１３】その理由は、つぎの通りである。即ち、図
１４は位相シフター付きのレチクルを透過した光の光路
を示している。レチクル１９に入射する光２５（波長
λ）は位相シフター１９ｃを透過することでそのまま透
過する光（０次光）と回折する光（±１次光）に分離す
る。位相シフター１９ｃの周期をΛとすると、回折光の
回折角θは次式で与えられる。

【００１４】

【数３】 sinθ＝λ／Λ ・・・式３これらの透過、回折光は結像レンズ２０に入射してそれ
ぞれ２６、２６Ａ、２６Ｂのように瞳面２１上に結像す
る。０次光の結像点は光軸２７上にあるが、±１次光は
進行方向が光軸２７に比べθだけ傾いているため、光軸
上からｂだけ離れた位置に結像する。ｂの大きさはsin
θに比例するので、周期Λがある値よりも小さくなる
と、±１次光の結像点は瞳面の開口外に位置し（ｂ＞
ａ）、瞳の開口外の領域で遮光されてしまう。露光面上
の投影パターンは瞳面２１を透過する光によって形成さ
れるので、透過光の一部が蹴られることは投影パターン
の解像度の劣化につながる。

【００１５】この様なことから、位相シフト法の効果
は、大きく見積もっても、解像力が３〜４割増しとなる
のが限界である。即ち、露光装置の解像度を、露光面２
２上に形成される投影パターンのピッチに置き換えて表
現すると、１．２λ程度のピッチを形成するのが限界で
あると言える。

【００１６】以上の解像度の劣化は、位相シフター１９
ｃの有無に関わらず、本質的に発生し、位相シフター１
９Ｃを用いない場合は、更に解像度は落ちる。

【００１７】本発明は、従来の露光装置のこの様な課題
を考慮し、露光面上の露光パターンのピッチが光源の波
長以下である微細パターンを露光出来る高解像度の露光
装置を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、レーザー光源と、前記レーザー光源から出射する波
長λのレーザー光を拡大し平行光束の平面波とするため
の拡大手段と、屈折率ｎの透明材質により形成された板
状部材と、前記板状部材に近接して置かれた、表面に感
光膜が形成された露光基板とを備え、前記板状部材の露
光基板側に面した表面には、凹部及び凸部が繰り返し形
成されており、前記拡大手段により拡大された平面波が
前記凹部又は凸部を透過することで±１次の回折光が発
生するものであり、前記感光膜は、前記＋１次の回折光
と前記−１次の回折光とが互いに交差する位置に置かれ
ており、前記回折光間の干渉により発生する干渉縞が前
記感光膜を感光する露光装置である。

【００１９】この様な構成により、例えば感光膜上では
上記凹部又は凸部のピッチの半分のピッチを持つ干渉縞
がコントラストよく形成されるので、高解像の露光装置
が実現出来る。

【００２０】請求項５記載の本発明は、上記凹部又は凸
部は、屈折率ｎ₀（但し、ｎ₀＞ｎ）の透明層に覆われて
おり、前記透明層の膜厚は、前記凹部又は凸部のピッチ
より大きい露光装置である。

【００２１】この様な構成により、±２次以上の回折光
の発生を抑えることが出来る。

【００２２】請求項７記載の本発明は、レーザー光源
と、前記レーザー光源から出射する波長λのレーザー光
を拡大し平行光束の平面波とするための拡大手段と、屈
折率ｎの透明材質により形成された板状部材と、前記板
状部材に近接して置かれた、表面に感光膜が形成された
露光基板とを備え、前記板状部材の露光基板側に面した
表面には、凹部及び凸部が繰り返し形成されており、前
記拡大手段により拡大された平面波が前記凹部又は凸部
を透過することで０次及び±１次から±ｑ次（ｑ≧１）
までの回折光が発生するものであり、前記光の内、偶数
次の回折光の光量和と、前記光の内、奇数次の回折光の
光量和との比が０．５から２．０の間にあり、前記感光
膜はこれらの回折光が互いに交差する位置に置かれてお
り、前記回折光間の干渉により発生する干渉縞が前記感
光膜を感光する露光装置である。

【００２３】この様な構成により、例えば感光膜上では
上記凹部又は凸部のピッチと当ピッチを持つ干渉縞がコ
ントラストよく形成されるので、高解像の露光装置が実
現出来る。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を図１から図７に基づいて説明する。

【００２５】図１は本発明の実施の形態における露光装
置の構成を示す。同図に示す様に、本露光装置は、レー
ザー光源１、反射ミラー３ａ，３ｂ、ビームエクスパン
ダー光学系４、位相シフター６、スペーサー７、露光基
板９で構成されている。図１に於いて、Ａｒレーザーや
Ｈｅ−Ｃｄレーザーなどの光源１から出射するレーザー
光２（波長λ）はミラー３ａ，３ｂを反射し、ビームエ
クスパンダー光学系４に導かれる。

【００２６】ビームエクスパンダー光学系４はフォーカ
シングレンズ４ａ、コリメートレンズ４ｂ、ピンホール
４ｃから構成され、レーザー光はフォーカシングレンズ
４ａにより集光し、フォーカシングレンズ４ａの焦平面
に位置するピンホール４ｃをすり抜け、コリメートレン
ズ４ｂによってビーム径の拡大した平行光束５に変換さ
れる。このとき、ピンホール４ｃは、レーザーのスペッ
クルノイズを除去する作用をなす。平面波の平行光束５
は屈折率ｎの透明材質で形成された平行平板状の位相シ
フター６に垂直入射し、これを透過する。

【００２７】位相シフター６の出射面側には、平行平板
をエッチングするなどの方法で、深さλ／｛２(ｎ−
１)｝の周期的凹凸構造６ａ（尚、周期的凹凸構造と
は、平板上に凹部と凸部が所定のピッチにより繰り返し
形成されている構造を言う）が形成されている。そのた
め、平面波は、この周期構造を透過することでπの位相
差を周期的に繰り返す波面に変換され、その結果±１次
の回折光が発生する。

【００２８】露光基板９の表面には感光膜８が積層され
ており、この感光膜上で±１次の回折光が干渉しあい、
微細なピッチの干渉縞を形成して感光膜を露光する。感
光膜８はスペーサー７を介して位相シフター６に対面し
ており、周期構造面６ａと感光膜８の間はスペーサー７
の厚さ分の隙間が存在する。

【００２９】図２は、本発明の第１の実施の形態におけ
る露光装置の位相シフターの断面図を示している。

【００３０】図２に示す様に、周期的凹凸構造６ａのピ
ッチをΛ、深さをｈとし、凹凸構造が矩形の場合、凸部
の幅をεΛで与え、周期的構造面の中心からその法線方
向に沿って距離ｚの位置に原点Ｏを置き、点Ｏを通り周
期的構造の格子ベクトル（グレーティング方向に直交す
るベクトル）に沿った方向に座標軸ｘを考える。

【００３１】図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、本発明の第１
の実施の形態における露光装置の感光膜上での光強度分
布の特性を示す第１説明図であり、λ＝０．４５７９μ
ｍ、凹凸構造をΛ＝０．８μｍ、ｈ＝λ／｛２(ｎ−
１)｝、ε＝０．５の矩形状として解析した計算結果で
ある。

【００３２】図３（Ａ）はｚ＝λの位置での、ｘ座標に
沿った光強度分布である。凹凸構造１０のピッチが０．
８μｍであるにも関わらず、半ピッチ（０．４μｍピッ
チ）の強度分布パターン１１が得られている。尚、凹凸
構造１０は、説明の便宜上、図２に示す周期的凹凸構造
６ａを模式的に表し、図３（Ａ）の横軸の目盛りに合わ
せて点線で描いたものである。尚、後述する図４（Ａ）
〜図６（Ａ）についても同様の趣旨により、点線で描い
た凹凸構造１０が描かれている。

【００３３】この強度分布のｘ＝０μｍに於ける光強度
Ｐ１とｘ＝−０．４μｍに於ける光強度Ｐ２が距離ｚと
どのような関係にあるかをプロットしたのが図３（Ｂ）
であり、実線１２は光強度Ｐ１、破線１３は光強度Ｐ２
に対応する。いずれも凹凸構造のｘ軸方向に於ける始終
点位置（図２に示す、凹凸構造６ａの境界線６０１，６
０２）で発生する境界回折波の影響でわずかなうねりを
有するが、おおむねｚによらず等しく均一な値をなす。

【００３４】すなわち、感光膜８の位置（スペーサー７
の厚さ分の隙間）に誤差があっても、強度分布パターン
の劣化はなく、露光のコントラストは良好である。従っ
て、露光基板の位置設定は半導体プロセスで用いられる
高価な高精度ステッパーである必要がなく、本実施の形
態のごとくスペーサー７を挟んで押し当てる程度の位置
決めでよい。

【００３５】図４（Ａ）、図４（Ｂ）は本発明の第１の
実施の形態における露光装置の感光膜上での光強度分布
の特性を示す第２説明図であり、λ＝０．４５７９μ
ｍ、凹凸構造をΛ＝０．８μｍ、ｈ＝λ／｛２(ｎ−
１)｝、ε＝０．４の矩形状として解析した計算結果で
ある。

【００３６】図４（Ａ）はｚ＝λの位置での、ｘ座標に
沿った光強度分布である。図３（Ａ）、（Ｂ）と同様、
凹凸構造１０のピッチが０．８μｍであるにも関わらず
半ピッチ（０．４μｍピッチ）の強度分布パターン１１
が得られるが、凹凸構造１０のデューティ比εが０．５
からずれることで、ｘ＝０μｍに於ける光強度Ｐ１とｘ
＝−０．４μｍに於ける光強度Ｐ２の間に差異が生じて
いる。

【００３７】これらの光強度Ｐ１、Ｐ２が距離ｚとどの
ような関係にあるかをプロットしたのが図４（Ｂ）であ
り、実線１２は光強度Ｐ１、破線１３は光強度Ｐ２に対
応する。光強度Ｐ１、Ｐ２ともｚに依存した逆位相のう
ねりを有しているが、最悪条件下でも１．０：０．６程
度の強度比である。

【００３８】図５（Ａ）、図５（Ｂ）は本発明の第１の
実施の形態における露光装置の感光膜上での光強度分布
の特性を示す第３説明図であり、λ＝０．４５７９μ
ｍ、凹凸構造をΛ＝０．８μｍ、ｈ＝５λ／｛６×２
(ｎ−１)｝、ε＝０．５の矩形状として解析した計算結
果である。

【００３９】図５（Ａ）はｚ＝λの位置での、ｘ座標に
沿った光強度分布である。図３（Ａ），（Ｂ）と同様、
凹凸構造１０のピッチが０．８μｍであるにも関わらず
半ピッチ（０．４μｍピッチ）の強度分布パターン１１
が得られるが、凹凸構造１０の深さがλ／｛２(ｎ−
１)｝からずれることで、ｘ＝０μｍに於ける光強度Ｐ
１とｘ＝−０．４μｍに於ける光強度Ｐ２の間に差異が
生じている。

【００４０】これらの光強度Ｐ１、Ｐ２が距離ｚとどの
ような関係にあるかをプロットしたのが図５（Ｂ）であ
り、実線１２は光強度Ｐ１、破線１３は光強度Ｐ２に対
応する。光強度Ｐ１、Ｐ２ともｚに依存した逆位相のう
ねりを有しており、最悪条件下では１．０：０．４程度
の強度比である。

【００４１】図６（Ａ）、図６（Ｂ）は本発明の第１の
実施の形態における露光装置の感光膜上での光強度分布
の特性を示す第４説明図であり、λ＝０．４５７９μ
ｍ、凹凸構造をΛ＝０．８μｍ、ｈ＝λ／｛２(ｎ−
１)｝の正弦波形状として解析した計算結果である。

【００４２】図６（Ａ）はｚ＝λの位置での、ｘ座標に
沿った光強度分布である。図３（Ａ），（Ｂ）と同様、
凹凸構造１０のピッチが０．８μｍであるにも関わらず
半ピッチ（０．４μｍピッチ）の強度分布パターン１１
が得られるが、凹凸構造１０の断面形状が矩形形状から
ずれることで、ｘ＝０μｍに於ける光強度Ｐ１とｘ＝−
０．４μｍに於ける光強度Ｐ２の間に大きな差異が生じ
ている。

【００４３】これらの光強度Ｐ１、Ｐ２が距離ｚとどの
ような関係にあるかをプロットしたのが図６（Ｂ）であ
り、実線１２は光強度Ｐ１、破線１３は光強度Ｐ２に対
応する。光強度Ｐ１、Ｐ２ともｚに依存した逆位相の大
きなうねりを有しており、最悪条件下では１．０：０．
１５程度の強度比である。

【００４４】露光基板位置の誤差余裕を考慮する場合、
図３（Ａ）〜図６（Ｂ）に示したことから分かるよう
に、露光のコントラストを最適にするには凹凸構造の断
面形状が、ｈ＝λ／｛２(ｎ−１)｝、ε＝０．５の矩形
形状であることが好ましく、断面形状を決定する、各パ
ラメータの許容範囲としては、０．３≦ε≦０．７、
０．８≦２（ｎ−１）ｈ／λ≦１．２が上げられる。即
ち、凹部の深さｈは、ｋ×λ／｛２(ｎ−１)｝（但し、
０．８≦ｋ≦１．２）であれば良い。

【００４５】次に、図７は本発明の第１の実施の形態に
おける露光装置の、位相シフター６上の凹部又は凸部の
ピッチと露光パターンのピッチとの関係を示す原理説明
図である。即ち、同図を参照しながら、凹部又は凸部の
ピッチと露光パターンのピッチとの関係について説明す
る。

【００４６】位相シフター６の周期的構造面６ａに垂直
入射する波長λの光５は周期的構造を透過した後回折し
て、±１次の回折光５Ａ、５Ｂが発生する。周期的構造
面６ａ上の点Ｑ₁の位置（ｘ＝ｘ₁）での周期的構造のピ
ッチをΛ₁、点Ｑ₂の位置（ｘ＝ｘ₂）での周期的構造の
ピッチをΛ₂とすると（Λ₁、Λ₂は、位相シフター６上
の凹部又は凸部のピッチを表している）、点Ｑ₁、Ｑ₂に
於ける回折光の回折角は次式で与えられる。

【００４７】

【数４】 sinθ₁＝λ／Λ₁ ・・・式４

【００４８】

【数５】 sinθ₂＝λ／Λ₂ ・・・式５点Ｑ₁で回折した＋１次の回折光と点Ｑ₂で回折した−１
次の回折光が露光面８上の点Ｑ₁₂で交差するとすれば、
２光束干渉の原理により点Ｑ₁₂上で干渉縞を形成する。
点Ｑ₁₂の位置（ｘ＝ｘ₃）は次式で与えられる。

【００４９】

【数６】ｘ₃＝ｘ₁＋（ｘ₂−ｘ₁）tanθ₁／(tanθ₁＋tanθ₂）・・・式６また、点Ｑ₁₂での干渉縞のピッチΛ₁₂は式（４）、式
（５）より次式で与えられる。

【００５０】

【数７】 Λ₁₂＝λ／（sinθ₁＋sinθ₂）＝Λ₁Λ₂／（Λ₁＋Λ₂）・・・式７従って、均一ピッチの場合（Λ₁＝Λ₂）にはΛ₁₂＝Λ₁
／２となり、周期的構造６ａの半ピッチの強度分布パタ
ーンが得られることが分かる。又、Λ₁≦λ、Λ₂≦λで
ある限り回折光が発生するので、強度分布パターンの最
小ピッチ（解像度の限界）はΛ₁₂≧λ／２まで可能であ
る。すなわち、従来例に於ける露光装置に比べ２倍以上
の解像度が得られる。

【００５１】ピッチが位置により異なる場合（Λ₂＝Λ₁
（１＋Δ））点Ｑ₁₂に対応した周期的構造面上の点をＱ
₃とし、この位置（ｘ＝ｘ₃）での周期的構造のピッチを
Λ₃とすると、ピッチの変化がｘに関して連続であると
してΛ₃は次式に近似できる。

【００５２】

【数８】 Λ₃＝（Λ₁tanθ₂＋Λ₂tanθ₁）／(tanθ₁＋tanθ₂）・・・式８従ってΔ≪１の場合（露光位置が周期的構造面に近接し
ている場合はΔ≪１の関係が十分成り立つ）には、tan
θ₂＝tanθ₁(１−Δ/cos²θ₁)より次式が成り立つ。

【００５３】

【数９】 Λ₃＝Λ₁（１＋Δ／２）・・・式９一方、Δ≪１の場合には、式（７）より干渉縞のピッチ
Λ₁₂が次式に近似できる。

【００５４】

【数１０】 Λ₁₂＝Λ₁（１＋Δ／２）／２・・・式１０従って、干渉縞のピッチΛ₁₂はそれに対応した周期的構
造面上の位置での周期的構造のピッチΛ₃の半分に相当
し、ピッチが位置により異なる場合でも、半ピッチの関
係が精度よく守られる。このように、従来例の露光装置
ではレチクル上の露光パターンを歪みなく露光面上に投
影するために高精度の結像レンズを必要としたが、本実
施の形態では露光位置を周期的構造面（即ち、平板上に
凹部と凸部が所定のピッチにより繰り返し形成されてい
る構造面）に近接させるだけで歪みのない半ピッチのパ
ターニングがなされることになる。

【００５５】なお、露光面８上で干渉縞が形成されるの
は、２光束が互いに交差する領域に限られ、周期的構造
の始点Ａと終点Ｂから発生する回折光の交点をＣとする
と、露光は三角形ＡＢＣに囲まれ、周期的構造に近接し
た領域に限られる。

【００５６】周期的構造面６ａを透過する光が０次光
（回折せずに透過する成分）やその他の次数の光を含む
場合、点Ｑ₁₂での干渉は多光束間でなされるので、干渉
縞のコントラストは劣化し、またそのコントラストは露
光面位置にも関係してくる。図３（Ａ）、（Ｂ）の例で
良好なコントラストの干渉縞が得られたのは、以下に説
明するように、±１次以外の回折光が発生しないためで
ある。一般に図２で示した矩形断面の位相シフターを透
過することで発生するｎ次回折光の強度をＩ_nとして各
回折光の強度比は次式の通りである。

【００５７】

【数１１】Ｉ₀/Ｉ₁=π²{1-2ε(1-ε)(1-cosδ)}/{2(1-cosδ)sin²πε}・・・式１１

【００５８】

【数１２】Ｉ₂/Ｉ₁=cos²πε ・・・式１２ただし、δは次式に従う。

【００５９】

【数１３】 δ＝2π(n-1)h/λ ・・・式１３図３（Ａ）、図３（Ｂ）の条件（ｈ＝λ／｛２(ｎ−
１)｝、ε＝０．５）ではλ＜Λ＜２λであり、２次光
は存在せず、式（１１）から０次光もＩ₀＝０である。
かりに２λ＜Λであっても式（１２）から２次光もＩ₂
＝０である。

【００６０】一方、図４（Ａ）、図４（Ｂ）の条件（ｈ
＝λ／｛２(ｎ−１)｝、ε＝０．４）でもλ＜Λ＜２λ
で２次光は存在しないが、Ｉ₀/Ｉ₁＝０．１１であり、
０次光が発生する（２λ＜Λになると式（１２）から２
次光も発生する）。

【００６１】この様に露光面の位置によらず良好なコン
トラストの干渉縞を得るためには、０次光量の全回折光
量に対する比が小さいこと（例えばＩ₀/（Ｉ₀＋２Ｉ₁）
≦０．１）が条件といえる。

【００６２】次に、本発明の第２の実施の形態について
説明する。

【００６３】第２の実施の形態は周期的構造の周期幅、
即ち、凹部又は凸部のピッチΛが、λ＜Λ＜２λに限定
される以外は第１の実施の形態と全く同一であるので、
第１の実施の形態と同じ図面を引用し、重複した説明は
省略する。

【００６４】第１の実施の形態では周期的凹凸構造の断
面を矩形としたが、実際には凹凸の境で、だれが存在
し、例えば図８に示すような台形状断面となる。図８に
おいて、位相シフター６の凹部の底面ＰＱ、凸部の上面
ＲＳに入射する光ａ，ｂは界面をそのまま透過するが、
斜面部ＱＲ、ＳＴに入射する光ｃ，ｄはこの面を全反射
し、凸部の上面ＲＳや対向する斜面部ＳＴ、ＱＲの界面
を透過する。

【００６５】従って光ｃ、ｄが光ａやｂに重畳するた
め、透過光の位相変調だけでなく振幅変調も乱される。
（式１１）、（式１２）はシフターを位相格子とし、位
相変調だけを考慮して得られた結果であり、位相変調が
乱され、これに振幅変調が加わる場合にはこれらの関係
式は成り立たない。（表１）はΛ＝１．０μｍ、ｎ＝
１．５、ｈ＝λ／｛２(ｎ−１)｝、λ＝０．４５７９μ
ｍの仕様を目標にして試作したシフターを透過する光の
各回折光強度を評価した実験結果を示している。

【００６６】尚、（表１）にその結果を示した実験は、
後述する（表２）に示す実験結果と比較するための比較
実験である。

【００６７】

【表１】

【００６８】Ｉ₀/Ｉ₁（=０．１）がゼロに近いのでδ＝
πかつε＝０．５が近似的に成り立ちＩ₂/Ｉ₁＝０のは
ずだが、実際のＩ₂/Ｉ₁（=０．４）は異常に大きく、
（式１１）と（式１２）の連立が難しい。この矛盾は図
８で示したような全反射による位相変調、振幅変調の乱
れの効果が存在するためである。

【００６９】従って、０次光を無くしたにも関わらず、
強い２次光が存在するため、干渉パターンは１次／２次
の間の干渉によるシフター周期の等倍が支配的であり、
半ピッチ化が実現できない。

【００７０】しかし、第２の実施の形態では周期幅をλ
＜Λ＜２λに限定することを特徴としている。この時、
１次までの回折光が発生して２次以上の回折光は原理的
に存在しない。

【００７１】仮に図８に示した如く、斜面部の存在によ
り透過光の光分布が乱される場合でも、２次回折光は存
在しない。０次光を消滅させる条件は式（１１）の近傍
に必ず存在するので、±１次以外の回折光の発生をほぼ
完全に抑えられる。

【００７２】（表２）はΛ＝１．０μｍ、ｎ＝１．５、
ｈ＝λ／｛２(ｎ−１)｝、λ＝０．５１４５μｍの仕様
を目標にして試作したシフターを透過する光の各回折光
強度を評価した実験結果を示している。

【００７３】

【表２】

【００７４】この実験では、理論通り±１次以外の回折
光の発生をほぼ完全に抑えることができ、顕微鏡観察で
半ピッチの強度分布パターンが確認出来た。

【００７５】次に、本発明の第３の実施の形態を説明す
る。

【００７６】第３の実施の形態は位相シフターの構成が
異なる以外は第１の実施の形態と全く同一であるので、
第１の実施の形態と同じ図面を引用し、重複した説明は
省略する。

【００７７】図９は本発明の第３の実施の形態における
露光装置の、位相シフターの断面図を示している。図９
において、位相シフター表面は屈折率ｎ₀（ｎ₀＞ｎ、ｎ
はシフター６の屈折率）の透明層６ｂに覆われており、
凹凸の高さをｈとして屈折率ｎ₀は次の関係式を満た
す。

【００７８】

【数１４】ｈ＝λ／｛２（ｎ₀−ｎ）｝・・・式１４位相シフター６の凹部の底面ＰＱ、凸部の上面ＲＳに入
射する光ａ，ｂは透明層６ｂとの界面をそのまま透過す
る。また斜面部ＱＲ、ＳＴに入射する光ｃ，ｄは、ｎ₀
＞ｎの関係から斜面部での全反射は無くなり、界面をそ
のまま屈折透過し、一部がｃ’、ｄ’のように反射す
る。光ｃ’、ｄ’は凸部ＲＳや対向する斜面部ＳＴ、Ｑ
Ｒの界面を透過して光ａやｂに重畳するが、光量が小さ
いのでその影響度も小さい。従って透明層６ｂの存在に
より位相変調、振幅変調の乱れが抑えられるので、２λ
＜Λの場合でも（式１１）、（式１２）で示した関係式
が成り立ち、±１次以外の回折光の発生を抑えることが
できる。

【００７９】（表３）は（表１）で示したサンプルにＺ
ｎＳ（ｎ₀＝２．０）を成膜し（膜厚２μｍ）、表面に
残ったわずかな凹凸を２Ｐ法によるＵＶ樹脂の充填で平
滑化して評価した実験結果を示している（測定波長はλ
＝０．４８８μｍ）。

【００８０】

【表３】

【００８１】この実験では、±１次回折光の強度に比べ
他の回折光の強度は十分小さく抑えられており、顕微鏡
観察でも半ピッチの強度分布パターンが確認出来た。
尚、凹部の深さｈは、λ／｛２(ｎ₀−ｎ)｝である必要
はなく、±１次以外の回折光の発生を抑えられさえすれ
ば良い。

【００８２】次に、請求項７に記載の本発明の一実施の
形態について説明する。

【００８３】尚、本実施の形態は、従来の露光装置の解
像度を改善するものではないが、露光面上に形成した干
渉縞を用いて、パターンを形成するものである。

【００８４】本実施の形態は位相シフターの断面仕様が
異なる以外は第１の実施の形態と全く同一であるので、
第１の実施の形態と同じ図面を引用し、重複した説明は
省略する。本実施の形態に於ける位相シフター断面の仕
様は第１の実施の形態での仕様（ε＝０．５、ｈ＝λ／
｛２(ｎ−１)｝）から大きくずらす。例えば、ε＝０．
４、δ＝１００度とすると、（式１１）、（式１２）か
らＩ₀/Ｉ₁＝２．０３、Ｉ₂/Ｉ₁＝０．０９５、すなわち
±１次回折光の強度和（Ｉ₁＋Ｉ_-1）が０次、±２次回
折光の強度和（Ｉ₀＋Ｉ₂ ＋Ｉ_-2）にほぼ等しくなる。
図１０の曲線１０はε＝０．４、δ＝１００度の条件
で、１０λ離れた感光膜上での光強度分布を示してお
り、λ＝０．４５７９μｍ、凹凸構造をΛ＝１．０μｍ
の矩形状（破線１１で表示）として解析した計算結果で
ある。±１次と０次、±１次と±２次回折光の干渉で、
シフターと等ピッチ（１．０μｍピッチ）の強度分布パ
ターンが得られている。

【００８５】本実施の形態における周期的構造の断面仕
様の条件は緩く、±１次回折光（または奇数次回折光）
の強度和を他の回折光（または偶数次回折光）の強度和
と同レベル（例えば１／２〜２倍）にするだけで、容易
にシフターと等ピッチの干渉縞を形成できる。すなわ
ち、本実施の形態ではシフターの半ピッチの干渉縞を形
成できないが、断面形状に関する複雑な制限条件や２次
回折光の除去課題などの複雑な課題がなく、シフターの
作製が容易になる。

【００８６】尚、上記第１、２、３の実施の形態、及び
最後の実施の形態では周期的凹凸構造のパターンをスト
ライプ状（直線に沿った形状）として説明したが、円な
どの曲線に沿った周期パターン（即ち、繰り返し形成さ
れたパターン）であってもよく、また、その凹部又は凸
部のピッチが位置によって異なってもよく、凹凸構造の
半ピッチ（または等ピッチ）の微細パターン露光が可能
であるという効果は同様に得られる。

【００８７】また、周期的凹凸構造の形成は、平行平板
をエッチングする以外に平行平板に屈折率ｎの透明膜を
成膜し、パターニングの後この膜をエッチングする方法
や、マスターを作製してＵＶ樹脂により形状転写する方
法もある。

【００８８】また、位相シフターへの入射光は、垂直入
射である必要はなく、斜入射であっても同等の効果が得
られる。さらに、位相シフターは平行平板である必要は
なく、出射側が周期的構造付きの平面でありさえすれば
よい。また、露光光源にレーザーを用いた例で説明した
が、部分的コヒーレントな光を放出する光源であっても
よい。

【００８９】また、本発明の板状部材は、上記各実施の
形態では、位相シフターを有するレチクルであったが、
これに限らず例えば、位相シフターを備えていないレチ
クルであってもよい。

【００９０】以上述べた様に、上記実施の形態によれ
ば、複雑な光学系を用いずに、解像度の限界がピッチで
λ／２まで可能な高解像度の露光装置を容易に提供でき
る。また、ピッチが位置に依存するような複雑な露光パ
ターンも歪みなく露光面に転写されるので、高精度の光
学系を用いる必要はなく、露光基板の設定位置に多少の
誤差があっても露光のコントラストが維持されるので、
高価なステッパー（露光基板の移送系）を必要としない
効果もある。

【００９１】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように本
発明は、露光面上の露光パターンのピッチを光源の波長
以下に出来ると言う長所を有する。又、本発明は、パタ
ーンの露光を従来に比べて容易に出来ると言う長所を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における露光装置の
構成図

【図２】本発明の第１の実施の形態における露光装置の
位相シフターの断面図

【図３】本発明の第１の実施の形態における露光装置の
感光膜上での光強度分布の特性を示す第１説明図で、（Ａ）は、ｚ＝λの位置での、ｘ座標に沿った光強度分
布図（Ｂ）は、ｘ＝０μｍとｘ＝−０．４μｍに於ける光強
度の関係図

【図４】本発明の第１の実施の形態における露光装置の
感光膜上での光強度分布の特性を示す第２説明図で、（Ａ）は、ｚ＝λの位置での、ｘ座標に沿った光強度分
布図（Ｂ）は、ｘ＝０μｍとｘ＝−０．４μｍに於ける光強
度の関係図

【図５】本発明の第１の実施の形態における露光装置の
感光膜上での光強度分布の特性を示す第３説明図で、（Ａ）は、ｚ＝λの位置での、ｘ座標に沿った光強度分
布図（Ｂ）は、ｘ＝０μｍとｘ＝−０．４μｍに於ける光強
度の関係図

【図６】本発明の第１の実施の形態における露光装置の
感光膜上での光強度分布の特性を示す第４説明図で、（Ａ）は、ｚ＝λの位置での、ｘ座標に沿った光強度分
布図（Ｂ）は、ｘ＝０μｍとｘ＝−０．４μｍに於ける光強
度の関係図

【図７】本発明の実施の形態における露光装置の周期構
造の周期と露光パターンの周期との関係を示す原理説明
図

【図８】本発明の第２の実施の形態に於ける台形断面の
周期的凹凸構造を透過する光の光路図

【図９】本発明の第３の実施の形態における台形断面の
周期的凹凸構造を透過する光の光路図である。

【図１０】本発明の一実施の形態における露光装置の感
光膜上での光強度分布図

【図１１】従来の露光装置の構成図

【図１２】（Ａ）は、従来の露光装置の原理図（Ｂ）は、従来の露光装置における位相シフト法の原理
図

【図１３】従来の露光装置における他の位相シフト法の
原理図

【図１４】従来の露光装置における、位相シフター付き
のレチクルを透過した光の光路図

【符号の説明】

１・・・レーザー光源２・・・レーザー光３ａ，３ｂ・・・反射ミラー４・・・ビームエクスパンダー光学系４ａ・・・フォーカシングレンズ４ｂ・・・コリメートレンズ４ｃ・・・ピンホール５・・・平行光束６・・・位相シフター６ａ・・・周期的凹凸構造７・・・スペーサー８・・・感光膜９・・・露光基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー光源と、前記レーザー光源から出射する波長λのレーザー光を拡
大し平行光束の平面波とするための拡大手段と、屈折率ｎの透明材質により形成された板状部材と、前記板状部材に近接して置かれた、表面に感光膜が形成
された露光基板とを備え、前記板状部材の露光基板側に面した表面には、凹部及び
凸部が繰り返し形成されており、前記拡大手段により拡
大された平面波が前記凹部又は凸部を透過することで±
１次の回折光が発生するものであり、前記感光膜は、前
記＋１次の回折光と前記−１次の回折光とが互いに交差
する位置に置かれており、前記回折光間の干渉により発
生する干渉縞が前記感光膜を感光することを特徴とする
露光装置。
【請求項２】回折せずにそのまま透過する０次光の光
量は、前記凹部又は凸部を透過する全ての光の光量に対
する比が０．１以下であることを特徴とする請求項第１
記載の露光装置。
【請求項３】前記凹部の深さが、ｋ×λ／｛２(ｎ−
１)｝（但し、０．８≦ｋ≦１．２）であり、前記凹部
又は凸部の断面が実質上矩形形状であり、前記凸部のピ
ッチに対する前記凸部の幅の比が、０．３から０．７の
間にあることを特徴とする請求項第１記載の露光装置。
【請求項４】前記凹部又は凸部のピッチが、λと２λ
の間にあることを特徴とする請求項第１記載の露光装
置。
【請求項５】前記凹部又は凸部は、屈折率ｎ₀（但
し、ｎ₀＞ｎ）の透明層に覆われており、前記透明層の
膜厚は、前記凹部又は凸部のピッチより大きいことを特
徴とする請求項１記載の露光装置。
【請求項６】前記凹部の深さが、ｋ×λ／｛２(ｎ₀−
ｎ)｝（但し、０．８≦ｋ≦１．２）であり、前記凹部
又は凸部の断面が実質上矩形形状であり、前記凸部のピ
ッチに対する前記凸部の幅の比が、０．３から０．７の
間にあることを特徴とする請求項第５記載の露光装置。
【請求項７】レーザー光源と、前記レーザー光源から出射する波長λのレーザー光を拡
大し平行光束の平面波とするための拡大手段と、屈折率ｎの透明材質により形成された板状部材と、前記板状部材に近接して置かれた、表面に感光膜が形成
された露光基板とを備え、前記板状部材の露光基板側に面した表面には、凹部及び
凸部が繰り返し形成されており、前記拡大手段により拡
大された平面波が前記凹部又は凸部を透過することで０
次及び±１次から±ｑ次（ｑ≧１）までの回折光が発生
するものであり、前記光の内、偶数次の回折光の光量和
と、前記光の内、奇数次の回折光の光量和との比が０．
５から２．０の間にあり、前記感光膜はこれらの回折光
が互いに交差する位置に置かれており、前記回折光間の
干渉により発生する干渉縞が前記感光膜を感光すること
を特徴とする露光装置。
【請求項８】前記板状部材の前記表面上に形成された
前記凹部及び／又は前記凸部は直線状、または円状、ま
たは曲線状に形成されていることを特徴とする請求項第
１〜７の何れか一つに記載の露光装置。
【請求項９】前記凹部又は凸部のピッチが、前記表面
上の位置により異なることを特徴とする請求項第１〜７
の何れか一つに記載の露光装置。