JPS63177124A - 投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、たとえば半導体素子、磁気バブル素子、超電
導素子等の微細パターンの形成に用いられる投影露光装
置に関する。

〔従来の技術〕

周知のように、半導体装置や磁気バブルメモリ装置など
の各種微細パターンの形成には、投影露光法が広く用い
られている。投影露光法、とくに縮小投影露光法は極め
て微細なパターンの形成に有用であるが、従来の投影露
光法においては、露光光学系の焦点裕度は投影レンズの
開口数と露光波長に強く依存していた。投影レンズの焦
点深度はその開口数の２乗に反比例し、露光波長に比例
するので、解像度を向上するために開口数を大きくした
り、露光波長を短波長化すると、それに伴なって焦点深
度は浅くなってしまう。このため、投影レンズの像面歪
や基板表面の凹凸段差によって生ずる障害への対処が次
第に困難となってきている。比較的微細なパターンによ
って生ずる段差による障害については、これまで周知の
多層レンズ法による平滑化によって対処されてきた。し
かし、この方法を用いても大面積パターンによって生じ
た段差を完全に平坦化することはできず、段差の一ヒ部
もしくは下部に、結像不良が生ずるのは避けられなかっ
た。

なお、多層レジスト法については例えば、ジャーナル　
オブ　バキューム　サイエンス　アンドテクノロジー、
ビー１　（４）、（１９８３）第１２３５頁から第１２
４０頁（Ｊ、　Ｖａｃ、’　Ｓｃｉ。

”Ｉ’ｅｃｈｎｏ１．　Ｂｌ　（１９８３）　ｐｐ　ｉ
　２３５−１２４０）などに記載されている。

また、縮小投影露光装置に関しては、種々のものが知ら
れており、たとえばセミコンダクター・ワールド（Ｓｅ
ｍｉｃｏｄｕｃｔｏｒ　Ｗｏｒｌｄ　）ｙ　　１９８４
年７月号第１１０〜１１４頁などに示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

近年の半導体集積回路の高集積化に伴ない、パターンの
微細化が進む一方基板表面凹凸段差が著しく増大し、そ
れらへの対応が要求されている。

パターン形成に投影露光法を用いる場合、凹凸段差の増
大に対応するためには、露光光学系としてはより大きな
焦点深度が必要となる。しかし、解像度を向１−させる
ためには上記のように投影レンズの開口数を大きくする
必要があるため、焦点深度は逆に浅くなっている。さら
にまた、投影レンズの像面歪により結像面は完全平面で
はないため、露光領域全面にわたり、その表面凹凸段差
に対応して焦点深度を確保するのが困難となってきてい
る。

Ｏｉｊ記多層レンし法では大面積パターンの凹凸段差を
完全に平坦化することはできず、又、完全平坦化が達成
されたとしてもレンズの像面歪と基板の全体的な傾斜の
ためマスクパターンの結像面は基板表面と一致せず、上
記問題点に対処するのが困難であった。

本発明の目的は、基板の平坦化に拠らず、露光光学系の
実効的焦点深度を増大することのできる新らしい装置を
提供し基板の凹凸段差の増大とレンズの像面歪、基板の
傾斜、投影レンズの高開口数化と露光光の短波長化に伴
ない焦点裕度の減少に対処することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者の検討によれば、露光光学系の実効的焦点深度
は、同一マスクパターンの結像面を同一光軸Ｊ二の相対
的に異なる位置に有する複数の像を重ね合せる多重結像
露光を行なうことにより増大することが明らかとなった
。

そこで同一マスクパターンの結像面を同一光軸」−の異
なる位置に設定し上記［１的を達成するために、複数の
光線を用いてマスクパターンを照明する機能と、マスク
パターンを通過した複数の光線の各々を相対的に発散さ
せ互いに分散する機能を縮少投影露光装置に設けた。こ
の機能により分散された各光線は同一光軸上の異なる位
置に各々の結像する。

上記発散作用は、例えば互いに直交する２つの直線偏光
に対する複屈折現象や、異なる波長の光に対する分散現
泉による屈折率変化を利用することにより得られる。

〔作用〕

露光領域の全面で基板表面凹凸段差の上下においてレジ
スト入りにパターンが良好に解像するためには、投影レ
ンズの偉面歪、ｊ！板の平坦度、基板表面凹凸段差の高
さで決まる光軸方向のある一定範囲内において、一定水
準以」−の光強度コントラストが保持されていることが
好ましい。一方、投影露光法においては、レジスト層に
パターンを形成するための光強度のコントラストがマス
クパターンを忠実に反映するト分な値を有するのは、マ
スクパターンの結像面の近傍（いわゆる焦点深度の範囲
）のみであり、そこから遠ざかるにつれコントラストは
急激に低下する。

従って、焦点深度が浅くなると、一定水準以上の光強度
コントラス１−を必要とする範囲内に必要なコントラス
トを保持することができなくなり、その結果解像不良が
発生する。

そこで、一定水準以」−の光強度コントラストの必要と
される光軸−ヒの範囲内の異なる位置に結像面を有する
同一パターンの複数の像を重ね合せてみる。第３図ａ）
〜Ｃ）は各々、光軸上の位置Ｚ＝１．５μｍに結像する
像、Ｚ＝−１，５μｍに結像する像、及び」ユ記２つの
像を合成して得られた作の光強度分布の計算結果を、光
軸方向のいくつかの位置に　して示したもので本発明の
原理を示すものである。パターンは０．５μｍの穴パタ
ーンを仮定している。合成の結果、単一結像面の上下に
おける光強度と比べて、光軸方向のより広い範囲でパタ
ーン形成に有効な光強度分布が実現されている。

第３図において結像面から離れるにつれて、光強度はＯ
に近づく。このため重ね合せの結果パターン形成に有効
な光強度のみが残るが、この性質は穴パターンをはじめ
とする遮光部中の孤立露光部に特徴的なことがある。ラ
イン・アンド・スペースをはじめとするより一般的なパ
ターンでは、結像面より離れるにつれて光強度分布は一
様にある水準に近づく。従ってこの一様な光強度分布を
パターン形成に有効な光強度分布に重ね合せることによ
り、光強度のコントラストは一般に低下する。しかし、
この場合もやはり実効的焦点深度は増大する。

第４図に、光軸方向の位置と０．７μｍラインアンドス
ペースの光強度コントラストの計算値の関係を、単一結
像点の場合と、互いに２μｍ、４μｍ、６μｍ離れた２
点を結像点とする光の合成による場合の各々に対して示
す。第４図において光軸方向位置の原点は単−結像点及
び２つの結像点の中心点としである。第４図が示す様に
異なる結像点を有する光の合成により、単一結像点の場
合に比べて光強度コントラストの絶対値は一般に減少す
るものの、より広範囲に一定水準以上のコントラスト了
維持されていることがわかる。又。

２つの結像点間の距離を適当な値とすることにより、光
軸方向のある範囲内で一定の光強度コントラストが得ら
れる。方法による実効的焦点深度増加率は、使用するレ
ンズ１〜、現像液、コントラスト・エンハンスメント・
マテリアル等の材料とプロセスで解像し得る光強度コン
トラス１〜の下限界により決定される。第４図によれば
、本方法を用いること−による実効的焦点深度の増加率
は、２結像点間距離を３．５μｍとすると、Ｆ配光強度
コントラストの下限界が０．５のとき４５％であるのに
対し、上記光強度コン１〜ラストの下限界が０．４のと
きには約７０％となる。さらに上記下　　、限界が０．
３の場合、結像面の異なる光を３つ重ね合せることによ
り実効的焦点深度は１．５０％向Ｅ―する。０．３のコ
ントラストはＣＥＬを用いれば１−分に解像可能であり
、又０．４のコントラストは東京応化（株）製のＴ　Ｓ
　Ｍ　Ｔ＜　８８００のようなγが２．５以上のレジス
トを用いれば十分解像可能である。

穴パターン等の遮光部中の孤立露光部に対しては、重ね
合せによるコントラスｌ−の低下は殆んどないので、設
定する結像面の数を増やすことにより、事実上限りなく
実効的焦点深度を増大することができる。

本投影露光装置ｉ？は数種の異なる光線を発する光源を
備えており、マスクパターンにはこの複数種の光の合成
光が照射される。又、本装置は、１１記の複数種の光線
に対して異なる屈折率を示す光学素子を備えている。二
の光学素子は」ユ記複数種の異なる光線をｎいに分離す
る。ここに複数種の光線とは、例えば異なる偏光面を有
する光であり、又異なる波長を有する光でもよい。これ
らの光は各々複ｋ１１折現墨又は分散現象を示す材料よ
り成る光学素子により分離することができる。

マスクパターンを通過した複数の光線は、各々の光線に
対して異なる屈折率を示す上記光学素子（以ド発散素子
と称す）により互いに分離された後、投影レンズにより
基板上に投影露光される。

よって、マスクパータンは各光線毎に同一光軸上の異な
る位置に結像する。従って、本装置によれば同−光軸上
の異なる位置に結像する複数の像の合成像を用いて露光
を行なうことができる。即ち。

本装置は多重結像露光機能を実現する。既に述べた様に
、この機能により像の光強度コントラストが光線方向の
より広い範囲で維持でき、実効的焦点深度が増大する。

〔実施例〕

実施例１ 第１図に本発明の１実施例を示す。

実施例は、第１図に示すように光源１．照明光学系２、
マスク３、補助光学系４、投影光学系５、基板ステージ
６、及びその他通常の投影露光装置に必要な各種構成要
素より成る。補助光学系４は、発散素子７．収斂素子８
より構成される。これらの構成要素は第１図に示す様に
配置されている。

光源１は実線で示した光線Ａ及び破線で示した光線Ｂの
複合光線を発する。ここに光線Ａと光線Ｉ３は偏光面が
互いに直交する直線偏光光である。

両光線は共に照明光学系２によりマスク３」二のマスク
パターンを介して補助光学系４へ入射する。

補助光学系４内において２つの光線は発散素子７の発散
作用（光線分離作用）により２つに分割された後、収斂
素子８を介して投影光学系５へ入射する。投影光学系５
により、光線Ａはマスク３上のパターンを、基板ステー
ジ６上に固定された基板表面９近傍の位置１０に結像す
る。一方、光線Ｂは上記パターンを同一光軸上で位置１
０より距離Δ隔てた位置１１に結像する。但し、上記距
離Δは露光波長λと投影レンズの開口数ＮＡにより、次
式で与えられる範囲内に設定される。即ち。

λ Ｏｈｍ≦３ ここで用いた発散素子７はガラス乎凹レンズと水晶平凹
レンズのはり合せより成る。両光線のガラスに対する屈
折率と光線Ａの水晶に対する屈折率は等しい。一方、光
線Ｂの水晶に対する屈折率は光線へのそれより大きい。

このため、この発散素子は光ＡＷＡに対してはガラス平
板として作用するが、光線Ｂに対しては凹レンズとして
作用する。

従って、光線Ｂを光線Ａに対して発散させる機能を有す
る。一方、収斂素子は同じガラス材料よりなる平凹レン
ズと水晶平凸レンズのはり合わせより成り、光線Ａに対
してはガラス平板として作用するが、光線Ｂに対しては
凸レンズとして作用する。従って、光線Ａより発散され
た光線Ｂを再たび光線へへ収斂させる機能を有する。発
散素子、収斂素子の構造としてはここに示したものの他
にもいろいろな方法が可能である。又、発散素子。

収斂素子は、ここに示した様に光線■３に対してのみ各
々凹レンズ、凸レンズとして作用しなければならないと
いうことはなく、両光線に対して屈折作用を示してよい
。

光線Ａ及び光線Ｂの各々によるマスクパターンの結像位
置１０及び１１における上記パターンの倍率を等しくす
る必要がある。このためには発散素子７により相対的に
発散された光線Ａと光線Ｂを収斂素子８により収斂させ
、両光線の交点を投影光学系５のマスク側焦点に一致さ
せなければならない。画素子の配置は上記の条件を満足
すべき光線追跡を行なうことにより決定される。

又、両光線の交点を投影光学系５のマスク側焦点に一致
させながら、発散素子７及び収斂素子８の位置を前述の
Δの許容範囲内で調整することができる。これにより２
つの結像間距離Δをマスクパターンに応じて変更するこ
とができる。なお、発散素子７自体を投影光学系５のマ
スク側焦点位置に正確に配置できるならば、収斂素子８
を用いることなく２つの結像位置におけるマスクパター
ンの倍率を等しくすることができる。しかし、この場合
２つの結像点間の距離Δを調整することはできない。前
述の様にマスクパターンに応じて結像点距離Δには最適
値が存在する。Ｎ、Ａ、＝０．４２の投影レンズと波長
３６５ｎｍの露光光を用いた場合の各種パターンに対す
る好ましいΔの値の一例を第１表に示す。これらの値は
前述のΔの設定範囲内に収まっている。

以上の機能により、マスク」二のパターンを上記マスク
パターンの投影像の焦点深度以下の距離だけ隔たった同
一光軸上の異なる２点に、同−倍率節　　　１　　　表 本装置を用いてレジストを塗布した平坦な基板」〕に基
板ステージの高さを種々に設定して露光を行ない、その
後現像してレジストパターンを形成した。このとき、パ
ターンが解像する基板ステージ高さの範囲がそのパター
ンの焦点裕度となる。

使用した投影光学系の開口数は０．４２で、露光波長は
３６５’ｎｍである。露光したパターンは０．５μｍ径
の穴パターン、線巾０．５μｍのライン・アンド・スペ
ース・パターン等である。まず。

発散素子７と収斂素子８の位置を調整して、２つの結像
点間の距離Δを２μｍとして露光を行なったところ、０
．５μｍ径の穴パターンに対する焦点裕度は±１．５μ
ｍであることがわかった。さらに画素子の位置を光軸上
ですらしΔ＝４μｍとして露光を行なったところ前記パ
ターンの焦点裕度は±μｍとなった。又、線巾０．５μ
ｍのライン・アンド・スペース・パターンに対してもほ
ぼ同様の結果を得た。

一方、同じ投影レンズと露光波長を用いた従来型の露光
装置では、これらのパターンに対する焦点裕度として±
１μｍ以下しか得られていなかった。

本装置の投影レンズは巾１．０μｍの像面歪をもち、使
用した基板には、露光領域内で基板傾斜に起因する約１
μｍの実効段差が存在する。従って、基板表面に段差が
全く存在しなくても従来装置では露光領域の全面に上記
パターンを解像させることは不可能であった。しかし、
本装置を用いることにより高さ２μｍの段差が基板表面
に存在する場合にもこれが可能となった。これにより、
０．５μｍルールデバイスの製造に光りソグラフィを適
用することが可能となった。

又９本装置を用いて基板トの同一位置に同一マスクパタ
ーンを、基板ステージの高さを結像点間距離Δの２倍だ
けを変更して重ね露光した。その結果、０．５μｍ穴パ
ターンの焦点裕度をさらに２倍（従来法の４倍）の±４
μｍとすることができた。さらに、ステージ高さを２Δ
ずつずらして０回重ね露光することにより、焦点裕度を
従来方法の２ｎ倍とすることができた。

なおパターン断面の急しゅんさけマスクパターンの種類
や寸法及び使用したレジスト等の材料・プロセスに依存
した。一般にライン・アンド・スペース等のパターンで
は本装置を用いて多重結像露光を行なうとレジストパタ
ーン断面の急しゆんさが失なわれるので、ＣＥＬ法や高
γレジストプロセス等を併用するのが好ましい。しかし
、穴パターンの場合には本装置を用いて多重結像露光法
を適用してもパターン形状の劣化は認められなかった・ 実施例２ 実施例１における光線Ａ及びＢを、互いに直交する直線
偏光にかえて、２つの異なる波長を有する光線とした。

これに伴ない発散素子及び収斂素子の材料を複屈折現象
を示す物質にかえて、前記２つの波長に対して分散現象
により異なる屈折率を示す物質とした６発敗素子及び収
斂素子以外の光学素子の構成材としては前記２波長に対
して顕著な分１校現象を示さないものを選んだ。

異なる波長を有する２つの光線を合成するために２つの
光源を設け、その各々に対してフィルタにより異なる波
長を選択し、これをハーフミラ−等により合成した。も
ちろん１つの光源を発した光をハーフミラ−を用いて２
つに分離し、その各々を異なる波長を通過させる、フィ
ルターに通した後再たびハーフミラ−により合成する等
してもよい。

本装置を用いて実施例１と同様の実験を行ない、同様の
効果を得た。

実施例３ 第２図に本発明の他の実施例を示す。

本装置は互いに異なる波長を有するエキシマレーザ光Ａ
、Ｂを発する２つの光源１，２と実施例１に示したと同
様の各種構成要素より構成されている。各々の光源を発
した２つのレーザー光はハーフミラ−１０３により合成
され、照明光学系１０４によりマスク５上のマスクパタ
ーン及び補助光学系１０６を介して投影光学系１０７の
入射瞳」；に結像する。マスク１０５を通過したレーザ
ー光線Ａ及びＢは、実施例１同様補助光学系１０６及び
投影光学系１０７により基板表面１０８近傍の同一光軸
上の異なる２点１０９及び１１０に前記マスク１０５上
のマスクパターンを各々結像する。

照明光学系１０４．投影光学系１０７を含む全ての屈折
光学系はエキシマ・レーザーに対する吸収の小さな石英
系の材料よりつくられている。この材料は分散現象によ
り２つのレーザー光Ａ、　Ｂに対して異なる屈折率を示
す。両光線を分離して同一光軸上の別々の位置に結像さ
せることが可能である。但し、照明光学系１０４と投影
光学系１０７も両光線に対して発散作用を有するため、
全ての光学系の構成は第１実施例より若干複雑である。

まず照明光学系１０４に対して異なる屈折率を示す両光
線を１等しく投影光学系１０７の入射瞳上に結像させる
ために２つの光源１０１，１０２とハーフミラ−１０３
間の距離を調整する必要があった。

補助光学系１０６は実施例１同様に発散素子１１１、収
斂素子１１２より構成した。前述の様に投影光学系１０
７自体も両光線に対して発散作用を有するため１発散素
子１１１と収斂素子１１２の配置条件は実施例１とは異
なる事はいうまでもない、又、この場合、発散素子１１
１、収斂素子１１２を投影光学系１０７と特に区別する
必要はない。さらに両光線による投影像の倍率誤差が無
視できるならば特に発散素子と収斂素子を設けることな
く、投影光学系自体の光線分離作用だけを用いてもよい
。

２つの波長に対して異なる分散と十分な透過率を示す２
種類以上の物質が使用可能な場合は、これらを組み合せ
て使用することが好ましい。例えば石英ガラスの他にホ
タル石等を併用するとよい。

本実施例に示した２つの光源はエキシマ・レーザー光源
以外の１例えば通常の紫外線光源に適当な波長を選択す
るフィルタを取り付けたものでもかまわない。この場合
、各種屈折光学系構成要素に対する制約が格段に軽減さ
れることはいうまでもない。

本装置を用い、第１実施例同様の実験を行ない同様の効
果を確認した。

〔発明の効果〕

上記説明より明らかなように、本発明を用いれば、投影
露光法における効果的焦点深度を増大させることができ
るので、投影レンズの高開口数化、露光光の短波長化、
投影レンズの像面歪、基板表面の傾斜な凹凸段差の増大
に対処することが可能である。本発明とＣＥＬ法をはじ
めとする高コントラストレジストプロセスをイ井用する
と、サブミクロンパータンの実効的焦点深度を従来法と
比べて設定結像数が２つの場合約７０〜１００％程度増
大させることができる。従って、例えば基板表面に２μ
ｍ以上の高段差が存在する場合にも、レンズの像面歪、
基板の傾斜度等に特別の改善を行なうことなく、ｎ光領
域の全面に０．５μｍ以下のパターンを解像することが
できた。

これにより、従来、焦点裕度の不足により０．５μｍの
線巾を有するＬＳＩの製造に光りソグラフィを適用する
ことは事実上不可能であったが、本発明を採用すること
により、これを８０％以上の歩留まりで行なうことが可
能となった。

また最近次世代の光りソグラフィ用光源としてエキシマ
レーザ−が注目されているが、これを用いた場合、露光
波長はさらに短かくなり焦点裕度はますます減少する。

従ってエキシマレーザ−の利用技術としても本発明は非
常に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、それぞれ本発明の異なる実施例
を示す図、第３図は、本発明の詳細な説明するための模
式図、第４図は、本発明の効果を示す曲線図である。 １・・・光源、２・・・照明光学系、３・・・マスク、
４・・・補助光学系、５・・・投影光学系、６・・・基
板ステージ、７・・・発散素子、８・・・収斂素子、９
・・・基板表面、１０・・・光線Ａの結像位置、１１・
・・光線Ｂの結像位置、Ａ・・・光線、Ｂ・・・光線。 １０１．１０２・・・エキシマレーザ−光源。 １０３・・・ハーフミラ−１１０４・・・照明光学系、
１０５・・・マスク、１０６・・・補助光学系、１０７
・・・投影光学系、１０８・・・基板表面、１０９・・
レーザーＡの結像位置、１１０・・・レーザーＢの結像
位置。 １１１・・・発散素子、１１２・・・収斂素子。１垢２
　回 雨３面 ａ）　　　　　ｂ）　　　　　、ｃ） ｖＪ　ｑ　圓 −ｌｌ　　−６−４−：２　　　θ　２　　ぐ　　６８
ｔ−７１′″百稜ｔ〔所コ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マスクパターンを基板上に投影露光する投影露光装
   置において投影光が複数の光線からなり、上記複数の光
   線のマスクパターンに対するそれぞれの共役結像点が基
   板近傍でかつ同一光軸上の異なる点となる機能を有する
   ことを特徴とする投影露光装置。 ２、上記複数の光線の各々を基板近傍の同一光軸上の異
   なる点に結像させる機像させる機能は、上記マスクパタ
   ーンを通過した複数の光線の各々を屈折角の違いにより
   相対的に発散させ分離する機能と、分離されたおのおの
   の光線を基板近傍の同一光軸上の異なる点に結像させる
   機能の組み合わせよりなることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の投影露光装置。 ３、上記同一光軸上の異なる結像点間の最短距離Δが、 Δ＝ｍ｛λ／（ＮＡ＾２）｝ 但し、 ０＜ｍ≦３ の範囲にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の投影露光装置。 ４、上記複数の光線が２種類の光線であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の投影露光装置。 ５、上記複数の光線が互いに直交する２つの直線偏光で
   あり、かつ上記複数の光線の各々を相対的に発散させる
   機能が複屈折特性を有する材料からなる素子により行な
   われることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の投
   影露光装置。 ６、上記複数の光線が複数の異なる波長を有する光線で
   あり、かつ上記複数の光線の各々を相対的に発散させる
   機能が、上記各々の波長を有する光に対して異なる屈折
   率を示す分散特性を有する材料からなる素子により行な
   われることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の投
   影露光装置。