WO1992003842A1 - Method and device for optical exposure - Google Patents

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WO1992003842A1
WO1992003842A1 PCT/JP1991/001103 JP9101103W WO9203842A1 WO 1992003842 A1 WO1992003842 A1 WO 1992003842A1 JP 9101103 W JP9101103 W JP 9101103W WO 9203842 A1 WO9203842 A1 WO 9203842A1
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diffracted light
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Naomasa Shiraishi
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Nikon Corporation
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Definitions

  • the present invention relates to an exposure method and apparatus, and more particularly, to a projection exposure method and apparatus used in a lithography process for a semiconductor memory element or a liquid crystal element having a regular fine pattern.
  • a method of transferring a mask pattern onto a substrate by photolithography is generally employed.
  • illumination light for exposure such as ultraviolet rays is irradiated onto a substrate having a photosensitive resist layer formed on the surface thereof through a mask on which a mask pattern is formed, whereby a mask pattern is formed on the substrate.
  • Photographically transcribed is generally employed.
  • a general fine mask pattern such as a semiconductor memory element or a liquid crystal element can be regarded as a regular lattice pattern arranged at equal intervals in the vertical or horizontal direction.
  • the transparent line and the opaque line at even intervals that realize the minimum line width that can be formed on the substrate are arranged in the X direction and / or the Y direction.
  • a lattice pattern alternately arranged in the direction is formed, while a pattern having a relatively low degree of fineness is formed in other regions. In any case, diagonal patterns are exceptional.
  • general photosensitive resist materials have non-linear photosensitive characteristics, and when a light reception level above a certain level is applied, the chemical change proceeds rapidly, but when the light reception level is lower than that, chemical conversion hardly progresses. . Therefore, as for the projected image of the mask pattern on the substrate, as long as a sufficient light amount difference between the bright part and the dark part is ensured, even if the contrast at the boundary between the bright part and the dark part is slightly lower, the required resist according to the mask pattern is required. There is a background that an image can be obtained.
  • the required value of the resolution line width of the pattern approaches the wavelength of the illuminating light, so that the effect of diffracted light generated when the illuminating light passes through the mask pattern is ignored.
  • the 0th order, ⁇ 1st order, and ⁇ 2nd order or higher diffracted light generated at each point on the mask pattern by the illumination light incident on the mask from above passes through the projection optical system, Each point is re-aggregated and imaged at each point on the substrate conjugate to each point.
  • the diffracted light of the 1st and ⁇ 2nd or higher order has a larger diffraction angle than the 0th order diffracted light.
  • the size becomes even larger the light is incident on the substrate at a shallower angle, and as a result, the depth of focus of the projected image is significantly reduced, and sufficient exposure energy is supplied to only a part of the thickness of the resist layer. This caused a problem that it would not be possible.
  • Japanese Patent Application Publication No. 2-50417 discloses that the illumination optical system and the projection optical system are provided with a stop concentric with the optical axis. It is shown that the angle of incidence of the illumination light with respect to the mask is restricted, and the aperture diameter of the stop is adjusted according to the mask pattern to secure the depth of focus while maintaining the contrast of the projected image on the sample substrate. Have been. However, even in this known method, the 0th-order diffracted light that reaches the substrate surface almost perpendicularly is more than ⁇ 1st-order diffracted light.
  • part of the first-order diffracted light may fall within the field of view of the projection lens and reach the substrate, but in this part of the ⁇ 1st-order diffracted light, the 0th-order diffracted light is almost perpendicular to the substrate.
  • sufficient depth of focus could not be secured because the light was incident on the substrate at a shallower angle.
  • the illumination light source must be arranged in an off-axis direction with respect to the mask, and only the 0th-order diffracted light and one of the + or 1st-order diffracted light interfere with each other.
  • the contrast of the edge of the pattern image obtained by the interference due to the unbalance of the light amount difference from the first-order diffracted light was still insufficient.
  • An object of the present invention is to provide a projection exposure method and apparatus capable of obtaining a projection image of a sufficient light and dark contrast on a substrate with a deep depth of focus from a fine mask pattern in an ordinary mask having no phase shift means. More specifically, the illumination light has a narrow wavelength distribution as described above, the mask pattern can be substantially regarded as a diffraction grating, and the resist material has It is an object of the present invention to form a resist image of a finer mask pattern even when the wavelength of illumination light is the same, by positively utilizing the fact that it has nonlinear photosensitive characteristics.
  • an illumination optical brown for illuminating at least a partially patterned mask with illumination light, and the illuminated micropattern.
  • a fine pattern of the mask is transferred onto the substrate by using an exposure apparatus having a projection optical system for projecting an image of the turn onto the substrate, and the illumination light is emitted from the mask from at least two places.
  • the illumination light is emitted from the mask from at least two places.
  • any one of the ⁇ 1st-order diffracted light and the 0th-order diffracted light generated from the fine pattern by the oblique illumination light is incident on the fine pattern of the mask.
  • the Fourier transform plane in the projection optical system passes through an optical path that is approximately equidistant from the optical axis of the projection optical system, and is mainly composed of one of the first-order diffracted light and the zero-order diffracted light.
  • a projected image of the fine pattern is formed on the substrate.
  • the unnecessary light other than one of the first-order diffracted light and the zero-order diffracted light does not substantially reach the substrate surface.
  • mainly spatial filter means are arranged in the illumination optics and Z or in the projection optical system.
  • the illumination optical system may have a configuration for guiding illumination light along the optical axis.Since the illumination light is incident on the mask at a specific incident angle, the illumination optical system includes an optical element in front of the mask. For example, a condenser lens means is provided.
  • An exposure apparatus includes: an illumination optical system that irradiates a mask with illumination light; a projection optical system that projects an image of the illuminated fine pattern of the mask onto a substrate; The illumination optical system for the pattern and a spatial filter means disposed at or near a Fourier transform surface in the projection optical system or z, and the spatial filter means comprises: The system and at least two window means defined by Z and at a position remote from the optical axis of the projection optical system, each having a relatively higher light transmittance than the surroundings, each being defined by an independent limited area.
  • the Fourier transform plane on which the spatial filter means is disposed may be, for example, a position substantially on the pupil plane of the illumination optical system, a position on a substantially conjugate plane of the pupil plane, or a position substantially on the pupil plane of the projection optical system.
  • the spatial filter means may be located in at least one of these locations.
  • the two window means are located at positions substantially symmetrical with respect to an optical axis of the illumination optical system and the Z or the projection optical system in which the spatial filter means is disposed. have.
  • the number of window means in the spatial filter means is 2 n ( n is a natural number).
  • the window means is preferably provided at a plurality of positions determined based on a Fourier transform pattern of the fine pattern.
  • the illumination optical system includes an optical integrator such as a fly-eye lens, and in this case, the spatial filter means is located at a position near an emission end of the optical integrator. Are located.
  • the part of the spatial filter means other than the window means is generally a dark part, that is, a light-shielding part having a light transmittance of substantially 0% or close thereto, or a predetermined light transmittance less than the light transmittance of the window means. It is formed as a light-attenuating section having a low light transmittance.
  • the spatial filter means is arranged in the illumination, and the position of each window means is any one of ⁇ first-order folded light generated from the fine pattern and 0-order diffracted light. Are defined so as to pass separately from the optical axis of the projection optical system at substantially the same distance from the optical axis of the projection optical system at or near the Fourier transform plane in the projection optical tea with respect to the fine pattern of the mask.
  • the spatial filter means is disposed in the illumination optical system, and the spatial filter means is a first window means which forms a substantially symmetric pair with respect to an optical axis of the illumination optical system. And the second window means.
  • Each of the first window means and the second window means, and the fine pattern is illuminated by irradiating the illumination light beam passing through the first window means and reaching the mask. Soil generated from the fine pattern by irradiation of two diffracted light fluxes, one of the first-order diffracted light and the 0th-order folded light, and the illumination light flux that passes through the second window means and reaches the mask.
  • Two diffracted light beams one of the folded lights and the 0th-order diffracted light, are separated from each other by a distance of approximately the same distance from the optical axis of the projection optical system at or near the Fourier transform plane in the projection optical system.
  • Two diffracted light beams passing through the optical path and passing through one of the first-order diffracted light of the soil by the illumination light from the second window means and the zero-order diffracted light by the illumination light from the first window means pass through the second optical path. It is set to pass.
  • at least one of the exposure apparatus and the angular position of the window means around the optical axis and the interval distance from the optical axis are adjusted according to the fine pattern of the mask.
  • a driving means for changing for switching is provided.
  • a mechanism for replacing the light-shielding plate or the light-transmitting plate with one having a window means at another position is used.
  • an electro-optical element capable of making a limited area at an arbitrary position transparent and opaque for example, a liquid crystal element or an electrochromic element
  • the electro-optical element is made transparent to the limited area and It can be constituted by an electric circuit means which is driven for opacity.
  • the projection exposure apparatus of the present invention selectively uses illumination light obliquely incident at a specific direction and angle from a specific position on a plane orthogonal to the optical axis with respect to the mask pattern.
  • One of the first-order diffracted light and the 0th-order diffracted light generated from the mask pattern by the illumination light are mainly guided on the substrate, and are mainly involved in forming a projected image of the fine pattern on the substrate. That is, in the present invention, for this purpose, spatial filter means corresponding to the mask pattern is used, and this spatial filter means allows only one of the optimal ⁇ 1st-order diffracted light and only the 0th-order diffracted light to be selected from the illumination light.
  • the contrast of the edge of the fine pattern is larger than before and a pattern projection image with a deeper depth of focus is obtained on the substrate.
  • the spatial filter means is disposed on the Fourier transform plane in the illumination optical system or at a position near the Fourier transform plane.
  • the ⁇ 1st-order diffracted light generated from the mask pattern by the illumination light obliquely incident at a specific direction and angle from a specific position in a plane orthogonal to the optical axis.
  • the spatial filter means is disposed at the Fourier transform plane in the projection optical system or at a position in the vicinity thereof.
  • the spatial filter means emits light involved in forming a pattern projection image on the substrate at an oblique illumination light incident at a specific inclination angle. Accordingly, it limits either one of the ⁇ 1st-order diffracted lights generated from the mask pattern and the 0th-order diffracted light, and serves to restrict other unnecessary light from reaching the substrate surface.
  • the spatial filter means is disposed at or near the Fourier transform surface in the illumination optical system, the illumination light having a predetermined wavelength is emitted from a predetermined eccentric position in a specific angular direction around the optical axis.
  • the light is incident on the diffraction grating mask pattern, and as a result, the zeroth-order, first-order, and second-order or higher that are Fourier-expanded theoretically on or near the Fourier transform plane of the projection optical system A spot array is formed by each of the diffracted lights.
  • second-order or higher order diffracted light is eclipsed by the lens barrel of the projection optical system.
  • the spatial filter means disposed at or near the Fourier transform plane in the illumination optical system also shields or diminishes the illumination light incident substantially perpendicularly to the mask, and in a specific angular direction around the optical axis. Illumination light to be incident on the mask at a specific incident angle from a certain eccentric position is selectively passed with a high light transmittance.
  • another spatial filter means is further provided on or near the Fourier transform surface in the projection optical system to shield or reduce the light.
  • a high-contrast projected pattern image is formed on the substrate by the 0th-order diffracted light and the 1st-order ⁇ light generated from the mask pattern by the illumination light having a preferable incident angle.
  • a pattern of a portion requiring high-resolution transfer in the mask pattern is basically a transparent opaque line having a regular interval.
  • a grid pattern which is arranged regularly and alternately. This is generally a rectangular wave pattern with a duty ratio of 0.5. It can be regarded as a return pattern.
  • diffraction lines generated from the lattice pattern cause the grating line to be formed on the Fourier transform surface of the projection optical system. Spots of the 0th order, ⁇ 1st order, and ⁇ 2nd or higher order diffracted light distributed in the direction traversing (the direction in which the lines are arranged) are formed.
  • the 0th-order diffracted light gives a reference level of the amount of light in the projected image on the substrate, and the ⁇ 1st-order diffracted light has a sine
  • these diffracted light components are condensed on the substrate, they interfere with each other to form a high-contrast contrast with a sufficient amount of light necessary for the exposure of the resist layer.
  • the resulting imaging pattern is obtained.
  • a mask pattern for a general semiconductor memory element or liquid crystal element can be regarded as a combination of a plurality of vertical and horizontal grids arranged on a mask. If the spatial filter means is prepared so that the illuminating light flux having the optimal eccentric position and the incident angle in the direction of the angle around the optical axis is secured, the Fourier pattern formed on the Fourier transform plane of the projection optical system becomes The spots are arranged in an angular direction corresponding to the line arrangement direction, and are arranged at intervals according to the wavelength of the illumination light and the line pitch of the grating. The light intensity of each spot depends on the pitch number of the grating and the order of the diffracted light.
  • the spatial filter means arranged at or near the Fourier transform plane in the projection optical system has a window means at the spot of useful diffracted light on the Fourier transform plane, thereby making it useful. Selectively allows diffracted light to pass, while blocking unnecessary diffracted light that causes a decrease in contrast on the substrate surface.
  • the spatial filter is naturally replaced together when the mask is replaced. And precisely aligned with the mask Should be.
  • illumination light at a specific incident angle is incident from a predetermined eccentric position at a specific angle around the optical axis with respect to the mask pattern, and ⁇ 1st-order diffracted light generated from the mask pattern by the illumination light.
  • the diffracted light of each order that passes from one point on the mask and reaches one point on the substrate passes through any part of the projection optical system.
  • the optical path of the 0th-order diffracted light and the diffracted lights of the other orders are different.
  • the lengths are equal, and the difference between the optical path length of the light beam passing through an arbitrary position on the Fourier transform surface and the reference optical path length with respect to the optical path length of the light beam that passes through substantially the center of the Fourier transform surface, that is, the wavefront aberration is 0 is there.
  • the substrate when the substrate is at a defocus position that does not coincide with the focal position of the projection optical system, the light passes through the portion of the Fourier transform surface in the projection optical system near the outer periphery and is obliquely incident on the substrate.
  • the optical path length of the diffracted light becomes shorter when the substrate is located in front of the focal point and the defocus amount is negative with respect to the 0th-order diffracted light passing near the center of the Fourier transform plane, and the substrate is located behind the focal point.
  • the difference in the optical path lengths has an amount corresponding to the difference in the incident angle of the diffracted light of each order to the substrate, which is due to the defocus. It is called wavefront aberration.
  • the spatial filter means by disposing the spatial filter means, one of the earth-order diffracted light and the 0-order diffracted light generated from the mask pattern by the illumination light beam having a specific incident angle is It is arranged to pass almost centrosymmetric eccentricity position on the Fourier transform plane of the projection optical system (together with eccentricity radius r 2). Therefore, in the case of the exposure apparatus of the present invention, the wavefront aberrations of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light before and after the focal point of the projection optical system are both
  • the image quality is not degraded (blurred) due to the wavefront aberration due to defocusing, that is, a deeper depth of focus is obtained.
  • the spatial filter means is arranged in the illumination optical system, a pair of illumination light passing through each pair of window means which are symmetric with respect to the optical axis is oblique to the mask surface and symmetric on both sides of the normal line.
  • One of ⁇ 1st-order diffracted light generated from the lattice pattern of the mask due to these light beams is positioned symmetrically with respect to the optical axis of the projection optical system with respect to the 0th-order diffracted light with respect to the optical axis.
  • the light is incident on the substrate at an incident angle as deep as the 0th-order light.
  • the substantial numerical aperture of the projection optical system involved in the imaging is reduced, and a deeper depth of focus can be obtained.
  • the spatial filter means having a pair of windows sandwiching the optical axis allows the preferred order of the diffracted light generated from the fine pattern of the mask by the illuminating light beam having a preferred incident angle to be obtained.
  • the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light are selectively condensed on the same position on the substrate to form a pattern image, even a fine pattern that has been hardly resolvable in the past can be illuminated or projected. Without changing the optical system, it is possible to ensure a sufficient contrast of light and dark and a sufficiently deep depth of focus for the exposure of the resist layer in the image pattern on the substrate.
  • the pair of windows of the spatial filter means includes one of first-order soil diffracted light generated from a fine lattice pattern of the mask by the illumination light passing through one of the windows.
  • the distance between them is determined so that the o-order diffracted light passes through almost the same eccentric position on the Fourier transform plane of the projection optical system.
  • a pair of windows of the spatial filter means is provided with a fine grid pattern of the mask by the illumination light having the preferred incident angle.
  • One of the first-order diffracted light and the zero-order diffracted light generated from the ground are separated from each other so that they pass through different eccentric positions.
  • the spatial filter is rotated around the optical axis by a certain angle or translated in the arrangement plane by using an appropriate adjusting mechanism, so that the window of the spatial filter with respect to the mask pattern is moved.
  • the displacement can be corrected.
  • the same spatial filter can be used together with a mask having the above pattern.
  • a spatial filter incorporating an electro-optical element such as a liquid crystal element or an electrochromic element is employed, and the position and size of the window can be adjusted by an electric signal.
  • the limited area at any position of the spatial filter composed of the electro-optical element can be freely adjusted to be transparent or opaque by the electric signal, so that the optimal positional relationship between the mask pattern and the window of the spatial filter can be adjusted.
  • the spatial filter can be shared with a mask having another pattern.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an exposure apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a basic optical path configuration of the embodiment
  • FIG. 3 shows a spatial filter arranged in the illumination optical system of the exposure apparatus according to the first embodiment.
  • Plan view showing an example of
  • FIG. 4 is a schematic plan view showing an example of a mask pattern.
  • 5a and 5b are schematic plan views showing different examples of spatial filters
  • FIGS. 6 a and 6 b are diagrams schematically showing the intensity distribution of the diffracted light on the Fourier transform surface of the projection optical system, corresponding to FIGS. 5 a and 5 b, respectively.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an optical path configuration of a projection exposure apparatus according to a reference example
  • Fig. 8 is a diagram schematically showing the intensity distribution of diffracted light on the Fourier transform plane of the projected light character system shown in the previous figure.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an optical path configuration of a projection exposure apparatus according to another reference example.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing the intensity distribution of diffracted light on the Fourier transform surface of the projection optical system of the reference example of the preceding figure,
  • FIG. 11 is a diagram showing a light amount distribution of a projected image in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing a light amount distribution of a projected image in another reference example of FIG.
  • a one-dimensional lattice pattern 12 having a duty ratio of 0.5 is formed on the mask 11 as an example of a typical fine pattern.
  • the illumination optics for illuminating the mask 11 are: a mercury lamp 1, an ellipsoidal mirror 2, a cold mirror 3, a condenser optics 4, an optical integrator 5, a relay lens 8 (pupil relay system), a mirror 9, Consisting of a condenser lens 10, the Fourier transform surface of the illumination optical system, that is, the vicinity of the exit end surface of the integrator element 5 where the secondary light source image of the mercury lamp 1 is formed (in other words, the pupil of the illumination optical system)
  • a spatial filter 6 is arranged on the plane or its conjugate plane, and at positions near them. The position and size of the spatial filter 6 are determined based on the two-dimensional Fourier transform of the mask pattern 12.
  • a pair of light transmitting windows 6a and 6b are provided.
  • a spatial filter 15 having light-transmitting windows 15a and 15b is arranged on the Fourier transform surface 14 of the projection optical system 13 for projecting the image of the pattern 12 onto the plane 17 as well.
  • both the spatial filters 6 and 15 have a pair of translucent windows 6a, 6b or 15a, A pair of light-transmitting windows are located at almost symmetrical positions with respect to the optical axis of the optical system in each arrangement plane, and the arrangement direction is the line pitch direction of the lattice pattern 12. And are arranged so as to be optically aligned.
  • Each of the spatial filters 6 and 15 is provided with a drive mechanism 7 or 16 composed of a motor, a cam, etc., and the spatial filters 6 and 15 can be replaced with different ones according to the mask pattern. This allows fine adjustment of the positions of the translucent windows 6a, 6b or 15a, 15b in the arrangement plane.
  • the aperture shapes of the light-transmitting windows 6a, 6 and 15a, 15b of the spatial filters 6, 15 may be arbitrary, and FIG. 1 shows an example in which both are circular apertures. It is shown.
  • the spatial filters 6 and 15 are formed by forming a pair of openings as light-transmitting windows in a light-shielding plate.
  • the spatial filters 6 and 15 are composed of an electro-optical element such as a liquid crystal element or an electrochromic element. In such a case, the drive mechanisms 7 and 16 shown in the figure may be provided in an arbitrary area where the electro-optical element is limited. Be composed.
  • the illumination light generated from the mercury lamp 1 arranged at the first focal point of the ellipsoidal mirror 2 is reflected by the ellipsoidal mirror 2 and the cold mirror 3, and After being focused at the second focal point of 2, the light passes through a collimator lens ⁇ ⁇ a light-collecting optical element 4 composed of a cone-shaped prism for correcting light flux distribution, etc., and is integrated by an integrator element 5 composed of a fly-eye lens group.
  • a substantial surface light source is formed on the surface on which the spatial filter 6 is arranged.
  • so-called vignetting illumination is used in which the secondary light source image of the integrator element 5 is formed on the Fourier transform surface 14 of the projection optical system 13.
  • the surface light source itself is supposed to provide illumination light that enters the mask from above at various angles of incidence, as in the past, but here, before the condenser lens 10 Since the spatial filter 6 is not provided, only the parallel light beam passing through the two translucent windows 6 a and 6 b of the spatial filter 6 passes through the relay lens 8, the mirror 9 , and the condenser lens 10, and passes through the grating. The light is incident on the mask 11 at a predetermined oblique angle of incidence symmetrical with respect to the optical axis within a plane crossing the line of the pattern 12.
  • the pattern 12 When the parallel light beam is incident on the pattern 12 of the mask 11, the pattern 12 generates diffracted lights of the 0th order, ⁇ 1st order, ⁇ 2nd order or more.
  • the distance from the optical axis and the position around the optical axis are determined by the translucent windows 6 a and 6 of the spatial filter 6 arranged on the Fourier transform surface 14 of the illumination optical system, and Since the incident angle of the mask 11 to the pattern 12 is determined by the condenser lens 10, any one of the first-order diffracted light of the above-mentioned order is incident on the projection optical system 13.
  • most of the diffracted light is the 0th-order diffracted light, and the other diffracted light is extremely small.
  • the main diffracted light spot of either the ⁇ 1st-order diffracted light and the 0th-order diffracted light, and the diffracted light spots of other unnecessary orders are reflected.
  • Another spatial filter 14 arranged on the Fourier transform plane of the projection optical system 13 selectively passes only the main diffracted light to the side 17 and blocks unnecessary diffracted light of other orders. I do.
  • the driving mechanism 7 is designed so that one of the ⁇ 1st-order diffracted lights and the 0th-order diffracted light can pass at the maximum intensity and that the unnecessary diffracted lights are completely cut off.
  • 16 are used to adjust the positions of the spatial filters 6 and 15 with respect to the pattern 12 of the mask 11.
  • FIG. 2 schematically shows a basic optical path configuration of illumination light in the exposure apparatus of the present embodiment.
  • the spatial filter 6 is disposed directly above the condenser lens 10, but this position is a plane conjugate to the spatial filter 6 in FIG.
  • the effect is substantially the same as in FIG.
  • the numerical aperture of the projection optical system 13! ⁇ Given the wavelength of the illumination light, the pattern 12 has a pitch of 0.75 times the L / NA, the pattern 12 line's and base ratio is 1: 1 (the duty ratio of the grating). 0.5).
  • the Fourier transform q (u, v) considering the wavelength of the pattern 1; I, and the pattern 1 2 as p (x, y)
  • FIGS. 3 and 5a are plan views of the spatial filter 6 for the illumination optical system and the spatial filter 15 for the projection optical system provided in the present embodiment, respectively.
  • the spatial filters 6 and 15 determine the energy distribution of the Fourier transform I q (peak position of uv 2
  • the spatial filters 6 and 15 are the spatial filters 6 and 15.
  • the position is adjusted by the drive mechanism 7 or 16 in FIG. 1 so that coincides with the optical axes of the illumination optical system (1 to 10) and the projection optical system 13 respectively.
  • the spatial filters 6 and 15 can be formed by removing a part of the opaque metal plate to form a light-transmitting window, or by patterning an opaque metal thin film or the like on a transparent holding plate such as glass. It may be formed. Further, in the example shown in FIG. 1, the mercury lamp 1 is exemplified as the illumination light source, but this may be another light source such as a laser light source.
  • a line 'and' space pattern which changes with a duty ratio of 1: 1 only in the X direction as a pattern 1 2 of the mask 11 is shown, but it changes regularly in any other arbitrary directions.
  • the present invention is also applicable to such patterns.
  • pattern 12 is illuminated by providing spatial filter 6 as shown on the Fourier transform surface of pattern 12 in the illumination optical system.
  • the illuminating light L i is limited like the parallel light flux L i J2, L ir.
  • the illumination light L i JZ and L i r are applied to the pattern 12, the diffraction light is generated from the pattern 12.
  • the diffracted light of the illumination light L i J2 is L 10
  • the + 1st-order diffracted light is L J2 1
  • the 0th-order diffracted light of the illumination light Lir is L r
  • the-1 st -order diffracted light is L r 1
  • the diffracted light The separation angles of LJ £ 0 and diffracted light LJZ1, diffracted light Lr0 and diffracted light Lr1 are both
  • the diffracted light ⁇ 0 and the diffracted light L r 1 become Both pass through the same first optical path, and both the diffracted light L r0 and the diffracted light L JZ 1 pass through the same second optical path.
  • the first optical path and the second optical path are symmetrically separated from the optical axis of the projection optical system 13 by the same distance.
  • 06a schematically shows the intensity distribution of the diffracted light on the Fourier transform surface 14 of the projection optical system 13.
  • the spot 22 formed on the Fourier transform surface 14 is focused by the diffracted lights Lr0 and LJ21, and the spot 22r is focused by the diffracted lights LJ20 and Lr1. It is a spot.
  • the 0th-order diffracted light and the + 1st or 1st-order diffracted light from the pattern 12 having a line pitch of 0.75 ⁇ / ⁇ finer than 1 / NA It can be converged to approximately 100% through the projection optical system 13 on the beam 17, so that a pattern with a finer pattern than the pitch ( ⁇ / ⁇ ), which was the resolution limit of the conventional exposure apparatus, can be obtained. Also in this case, it is possible to perform exposure transfer with a sufficient resolution by using a spatial filter having a light-transmitting window corresponding to the line bitch of the mask pattern.
  • FIG. 5B shows a spatial filter used in the case of a line and space pattern where the mask pattern intersects in the X and y directions.
  • FIG. 6B shows the corresponding spot of the diffracted light formed on the Fourier transform surface of the projection optical system in that case.
  • Reference Example-FIGS. 7 and 8 show the optical path configuration of the illumination light in the projection exposure apparatus shown in the aforementioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-50417 (see FIG. 7) and the projection optical system.
  • the light intensity distribution (Fig. 8) on the Fourier transform plane of Fig. 8 is schematically shown.
  • members having the same functions and functions as those of the apparatus according to the embodiment of the present invention are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
  • an aperture stop (a spatial filter having a circular light-transmitting window concentric with the optical axis) 6 A is provided on the Fourier transform surface of the illumination optical tea to limit the incident angle of the illumination light to the mask 11. ing.
  • the 0th-order diffracted light (solid line) and ⁇ 1st-order diffracted light (dashed line) generated from the pattern 12 of the mask 11 both enter the projection optical system 13 and travel on separate optical paths.
  • ⁇ i 14 + 1st order diffracted light The bot 20, the spot 20 c of the 0th-order diffracted light, and the spot 20 r of the 1st-order diffracted light are formed separately at different positions.
  • FIGS. 9 and 10 show the optical path configuration of the illumination light in the projection exposure apparatus as another reference example (FIG. 9) and the light quantity distribution (FIG. 10) on the Fourier transform plane of the projection optical system, respectively. This is schematically shown.
  • a spatial filter 6B having an annular light-transmitting window concentric with the optical axis is employed instead of the aperture stop 6A in FIG.
  • a spatial filter 6B is provided on the Fourier transform surface of the illumination optical system, in which a substantially annular translucent window is formed concentrically with the optical axis, and the illumination light is oblique to the mask 11, that is, an inverted cone. Incident.
  • the 0th-order diffracted light solid line
  • the 1st-order diffracted light dashed line
  • a spot 21c of a donut-shaped 0th-order diffracted light concentric with the optical axis is overlapped on the Fourier transform surface 14 of the projection optical system 13 and partially adjacent thereto. + A spot 21 1 r of the first-order diffracted light and a spot 21 r of the first-order diffracted light are formed.
  • most of the spots 21 and 21r protrude outside the projection optical system 13, and the light of the protruding portions is vignetted by the lens barrel of the projection optical system.
  • FIGS. 11 to 14 show the distribution of the light intensity I of the projection image on the wafer 17 in the embodiment of the present invention shown in FIG. 2 in the case of FIGS. 7 and 9 It is the diagram compared with.
  • This light intensity distribution is obtained by setting the NA of the projection optical system to 0.5, the wavelength of the illuminating light; I to (365 ⁇ , the pattern line pitch of the mask pattern 12 from the wafer 1 obtained from the magnification of the projection optical system 13). 7 and 0.5 ⁇ m (approximately 0.685 X ⁇ / ⁇ ) in accordance with the result calculated on the plane crossing the optical axis in the line bitch direction of pattern 12 on the substrate.
  • FIG. 11 shows the light intensity distribution of the projected image formed on the substrate by the exposure apparatus according to the above-described embodiment of the present invention (Fig. 2). You can see that it has.
  • Fig. 12 In the reference example of Fig. 7, when the diameter of the aperture stop 6A is relatively small and the ratio of the numerical aperture of the illumination optical system to the numerical aperture of the projection optical system, that is, the so-called ⁇ value is set to 0.5. The light intensity distribution of the projected image on the substrate is shown.
  • the ratio (0 value) between the numerical aperture of the illumination optical system and the numerical aperture of the projection optical system is set to 0.5, so that the projected image may have a flat light intensity distribution with almost no contrast. I understand.
  • FIG. 13 shows the case where the aperture of the aperture stop 6 mm is relatively large in the reference example of FIG. 7 and the ratio of the numerical aperture of the illumination optical system to the numerical aperture of the projection optical system, that is, the so-called ⁇ value is 0.9.
  • the light intensity distribution of the projected image on the substrate is shown.
  • the ratio ( ⁇ value) between the numerical aperture of the illumination optical system and the numerical aperture of the projection optical system is 0.9, the contrast of the projected image is higher than in the case of FIG.
  • the light intensity distribution is still nearly flat, with relatively large amounts of second-order diffracted light components, indicating that the resist is inadequate in view of the photosensitive characteristics of the resist.
  • Fig. 14 shows the light intensity distribution of the projected image on the substrate in the case of another reference example of Fig. 9.
  • the inner edge of the annular light-transmitting window of the spatial filter 6 The outer edge is an example corresponding to a ⁇ value of 0.9.
  • This projected image has a higher contrast than the case of Fig. 12, but still has a relatively flat light intensity distribution with relatively large 0th-order diffracted light components. It can be seen that the photosensitive characteristics are insufficient.
  • the embodiment of the present invention shown in FIG. 2 has a substantial improvement in the substantial resolution of the projected image on the substrate as compared with the cases of FIGS. are doing.
  • a spatial filter similar to the spatial filter 15 used in the above-described embodiment of FIG. 2 is similarly arranged on the Fourier transform surface 14 of the projection optical system 13, FIG. It is possible to selectively focus the 0th and ⁇ 1st order diffracted light on the area indicated by the cross hatch, and to slightly improve the resolution of the projected image on ⁇ ha17 compared to the case of Fig.14. It is.
  • the effect of improving the resolution of the projected image in the embodiment of FIG. 2 according to the present invention is comparable to that of the phase shifter, but the conventional photomask without the phase shifter can be used as it is.
  • the conventional photomask inspection technology can be followed as it is.
  • phase shifter also has the effect of substantially increasing the depth of focus of the projection optical system.
  • FIG. G 2 2 J 2 and 2 2 ⁇ are equidistant from the center of the pupil, and therefore are not susceptible to the wavefront aberration due to defocus, as described above, and provide a deep depth of focus. is there.
  • the line-and-space pattern showing a regular change in the X direction has been exemplified as the mask pattern.
  • the effect described above is a general pattern other than the line-and-space pattern. Can be sufficiently achieved by combining appropriate spatial filters.
  • the change in the mask pattern has a one-dimensional change only in the X direction
  • there are two light-transmitting windows on the spatial filter in the case of a pattern having a plurality of n-dimensional changes, Will have 2 n transparent windows according to the spatial frequency of
  • FIG. 6B four corresponding diffracted light spots are formed on the Fourier transform plane of the projection optical system.
  • the light-shielding portion of the spatial filter has been treated as not transmitting the illuminating light at all.
  • the contrast of the projected image of only a specific fine pattern can be selectively improved during exposure using the cross section of the front light beam of the illumination light as in the past. It is possible to do.
  • the operation and effect of the spatial filter in the projection optical system can be basically considered to be the same. That is, the same effect can be obtained by disposing a spatial filter that satisfies the above condition on at least one of the almost Fourier transform surface of the illumination optical system and the almost Fourier transform surface of the projection optical system.
  • a spatial filter as shown in FIG. 3 may be provided on the Fourier transform surface of the illumination optical system, and a spatial filter having an annular translucent window may be provided on the Fourier transform surface of the projection optical system. I don't know.
  • the 0th-order diffracted light and the + 1st-order (or-1st-order) diffracted light from the mask pattern are both transmitted. It goes without saying that it is necessary to arrange an annular translucent window. Also, by using both spatial filters together, there is also an effect of cutting diffusely reflected light from the projection optical brown or wafer and preventing stray light.
  • the spatial filter (6, 15) is mechanically exchanged according to the mask pattern.
  • a liquid crystal display element or an EC (Electro-Electrochromic) element or the like is used. If the used spatial filter is adopted, a mechanical filter exchange mechanism is not required, and the position adjustment and change of the translucent window can be achieved by the electric circuit device, and the surroundings of the device become compact.
  • adjustment and change of the size, shape, and position of the light-transmitting window can be performed easily and at high speed.

Description

明 細 書
露光方法および装置
[技術分野]
本発明は露光方法および装置に関し、 更に詳しくは規則的な微細パターンをも つ半導体メモリ素子や液晶素子等のためのリソグラフィ工程に用いられる投影露 光方法および装置に関するものである。
[背景技術]
半導体メモリや液晶素子の製造には、 一般的に、 フォ ト リソグラフィ手法によ つてマスクパターンを基板上に転写する方法が採用される。 この場合、 紫外線等 の露光のための照明光は、 感光レジス卜層が表面に形成された基板上に、 マスク パターンを形成したマスクを介して照射され、 それにより基板上にはマスクパタ 一ンが写真的に転写される。
半導体メモリ素子や液晶素子等の微細なマスクパターンの一般的なものは、 縦 または横に等間隔で配列された規則的な格子パターンと見なすことができる。 言 ぃ換えれば、 この種のマスクパターンにおいて最も密集したパターン領域には、 基板上に形成可能な最小の線幅を実現するところの等間隔の透明ラインと不透明 ラインとを X方向および/または Y方向に交互に配列した格子パターンが形成さ れ、 一方、 その他の領域では比較的ゆるい微細度のパターンが形成される。 また いずれにせよ斜めのパターンは例外的である。
更に、 一般的な感光レジス ト材料は非線形の感光特性を有し、 あるレベル以上 の受光量を与えると急速に化学変化が進むが、 それ以下の受光量では、 ほとんど 化学 1!化が進行しない。 従って、 基板上におけるマスクパターン投影像について は、 明部と暗部の光量差が充分に確保されていさえすれば、 明部と暗部の境界の コントラストは多少低くても、 マスクパターンどおりの所要のレジスト像を得る ことができるという背景がある。
近年、 半導体メモリや液晶素子のパターン構成の微細化に伴って、 マスクバタ 一ンを基板上に縮小投影して転写するステツパー等の投影露光装置が多用されて きており、 露光用の照明光としても、 より短い波長を有すると共に波長分布幅の 狭い特殊な紫外線が使用されるようになった。 ここで、 波長分布幅を狹くする理 由ほ、 露光装置の投影光学系の色収差による投影像の像賞の劣化を除くためであ り、 より短い波長を選択する理由ほ、 投影像のコン トラス トを向上させるためで ある。 しかし、 この照明光の短波長化も、 要求されるマスクパターンの一層の微 細化、 例えばサブミクロンォーダの線幅の投影露光に対しては、 適当な光源が無 いことや、 レンズ材料やレジスト材料の制約等から限界を迎えているのが現状で ある。
このような微細化されたマスクパターンにおいては、 パターンの解像線幅の要 求値が照明光の波長に接近するため、 照明光がマスクパターンを透過する時に発 生する回折光の影響が無視できず、 基板上のマスクパターン投影像における十分 な明暗コントラストの確保が困難となり、 特にパターンのラインエツジの明暗コ ントラストが著しく低下する。
すなわち、 マスクに対して上方から入射する照明光によりマスクパターン上の 各点において発生される 0次、 ± 1次、 および ± 2次以上の各回折光は、 投影光 学系を経て、 これらの各点と共役な基板上のそれぞれの点に再集合して結像する が、 より微細なマスクパターンに対して土 1次および ± 2次以上の回折光は 0次 回折光よりも回折角度がさらに大きくなるため、 基板上へより浅い角度で入射す るようになり、 その結果、 投影像の焦点深度が著しく低下して、 レジス卜層の厚 みの一部にしか充分な露光エネルギーを供給できなくなるという問題を発生させ た。
このような焦点深度の低下に対する一つの対策として、 日本特許出願公開 No . 2-50417 (1930 .2 .20公開） には、 照明光学系と投影光学系に光軸と同心の絞りを 設けて照明光のマスクに対する入射角度を制約するとともに、 マスクパターンに 応じて該絞りの開口径を調整して、 試料基板上の投影像の明暗コン トラストを維 持しつつ焦点深度を確保することが示されている。 しかし、 この公知の方式にお いても、 ほぼ垂直に基板表面に達する 0次回折光に対して、 ± 1次以上の回折光 はその回折角度が依然として大きいため殆どの部分が投影レンズの視野からはみ 出してしまい、 結果的に基板上にはほぼ 0次光成分のみからなるコン トラス トの 悪いマスクパターン投影像しか得られなかった。
またこの場合、 土 1次回折光の一部は投影レンズの視野内に納まって基板に達 する可能性があるが、 この一部の ± 1次回折光は、 0次回折光が基板にほぼ垂直 に入射するのに対して、 それよりも浅い角度で基板に入射するため、 やはり十分 な焦点深度が確保できないことが指摘された。
—方、 ティー ' ィ一 · ジュゥエル等 （T . E . J ewel l et a l ) に付与されたァメ リ 力合衆国特許第 4 , 947 , 413号には、 オファクシスの照明光源を用い、 投影光学系 内のフーリェ変換面内で空間フィルタ処理を利用してマスクパターンからの 0次 回折光と +または一 1次回折光の一方のみとを干渉可能にすることにより、 基板 上に高いコン トラストのパターン投影像を高解像度で形成する投影リソグラフィ 方式が開示されている。 しかしながらこの方式では、 照明光源をマスクに対して 斜めに向けたオファクシス配置としなければならず、 また 0次回折光と +または 一 1次回折光の一方のみとを干渉させるだけであるので 0次回折光と 1次回折光 との光量差のアンバランスによってそれらの干渉で得られるパターン像のエツジ の明暗コン トラス トは未だ不充分であった。
[発明の開示]
本発明の目的は、 位相シフ卜手段をもたない通常のマスクにおける微細なマス クパターンから基板上で十分な明暗コントラス卜の投影像を深い焦点深度で得る ことのできる投影露光方法および装置を提供することであり、 より具体的な目的 は、 上述のように照明光が狭い波長分布を持つこ と 、 マスクパターンが実質的 に回折格子とみなせることと、 レジス卜材料が受光量に対して非線形の感光特性 を有すること等を積極的に利用して、 照明光の波長を同じとした場合に、 より一 層微細なマスクパターンのレジスト像を形成できるようにすることである。
本発明の基本理念に従えば、 少なく とも部分的に微細パターンが形成されたマ スクを照明光によつて照明するための照明光学茶と、 この照明された前記微細パ ターンの像を基板上に投影するための投影光学系とを有する露光装置を使用して 前記マスクの微細パターンが基板上に転写され、 その際に、 前記照明光は少なく とも 2個所から前記マスクに特定の入射角で斜めに向いあうように入射され、 こ の斜めの照明光によって前記微細パターンから生じる ± 1次回折光のいずれか一 方と 0次回折光とが、 前記マスクの微細パターンに対する前記投影光学系中のフ 一リェ変換面またはその近傍において前記投影光学系の光軸から互いにほぼ等距 離だけ離れた光路を通過し、 主に前記土 1次回折光のいずれか一方と 0次回折光 とによって前記基板上に前記微細パターンの投影像が形成される。 この場合、 前 記士 1次回折光のいずれか一方と 0次回折光とを除く他の不要な光は実質的に基 板面へ到達しない。 この目的のための光学的手段として、 主に空間フィルタ手段 が前記照明光学某および Zまたは前記投影光学系に配置される。 また照明光学系 は光軸に沿つて照明光を導く構成をとることができ、 照明光を前記マスクに特定 の入射角で入射するため、 前記照明光学系には、 前記マスクの手前に光学要素、 例えばコンデンサレンズ手段が配置される。
本発明の好ましい態様に係る露光装置は、 マスクに照明光を照射する照明光学 系と、 この照明されたマスクの微細パターンの像を基板上に投影するための投影 光学系と、 前記マスクの微細パターンに対する前記照明光学系および zまたは前 記投影光学系中のフーリェ変換面もしくはその近傍に配置された空間フィルタ手 段とを備えており、 前記空間フィルタ手段は、 それが配置された前記照明光学系 および Zまたは前記投影光学系の光軸から離れた位置に周囲よりも比較的高い光 透過率をもつようにそれぞれ独立した限定領域によって画定された少なく とも 2 つの窓手段を有している。 この空間フィルタ手段が配置される前記フーリエ変換 面は、 例えば前記照明光学系のほぼ瞳面上の位置、 または該瞳面のほぼ共役面上 の位置、 または前記投影光学系のほぼ瞳面上の位置にあり、 前記空間フ ィルタ手 段ほこれら位置のうちの少なく とも 1個所に配置される得る。
本発明の一つの好ましい態様において、 前記空間フィルタ手段ほ、 それが配置 された前記照明光学系および Zまたは前記投影光学系の光軸に対してほぼ対称な 対をなす位置に前記 2つの窓手段を有している。 本発明別の好ましい態様において、 空間フィルタ手段における窓手段の数は 2 n個 （ nは自然数） である。 また前記窓手段は、 好ましくは前記微細パターンの フーリェ変換パターンに基づいて定められた複数の位置に設けられる。
本発明の別の好ましい態様においては、 前記照明光学系はフライアイレンズ等 のォブチカルインテグレ一タを備えており、 この場合、 前記空間フィルタ手段は ォブチカルインテグレータの射出端の近傍位置に配置されている。
本発明において、 空間フィルタ手段の前記窓手段を除く部分は一般に暗部、 す なわち光透過率が実質的に 0 %もしくはそれに近い遮光部、 または窓手段の光透 過率よりは少ない予め定められた光透過率をもつ減光部として形成されている。 本発明の更に別の好ましい態様においては、 前記空間フィルタ手段は前記照明 中に配置され、 その各窓手段の位置は、 前記微細パターンから発生する ± 1次回 折光のいずれか一方と 0次回折光とが前記マスクの微細パターンに対する前記投 影光学茶中のフーリエ変換面またはその近傍位置において前記投影光学系の光軸 からほぼ等距離だけ離れて別々に通過するように定められている。
本発明の更に別の好ましい態様においては、 前記空間フィルタ手段が前記照明 光学系中に配置され、 前記空間フィルタ手段が前記照明光学系の光軸に関してほ ぼ対称な対をなす第 1 の窓手段と第 2の窓手段とを有し、 この第 1 の窓手段と第 2の窓手段の各位置ほ、 第 1の窓手段を通過して前記マスクへ至る照明光束の照 射によって前記微細パターンから発生する土 1次回折光のいずれか一方と 0次回 折光との二つの回折光束と、 第 2の窓手段を通過して前記マスクへ至る照明光束 の照射によって前記微細パターンから発生する土 1次回折光のいずれか一方と 0 次回折光との二つの回折光束とが、 前記投影光学系中の前記フーリェ変換面また ほその近傍位置において投影光学系の光軸からほぼ等距離で離れた別々の第 1 と 第 2の光路を交: L (al te rnatively) に、 即ち第 1の窓手段からの照明光による土 1次回折光のいずれか一方と第 2の窓手段からの照明光による 0次回折光との二 つの回折光束が例えば第 1の光路を通過し、 第 2の窓手段からの照明光による土 1次回折光のいずれか一方と第 1 の窓手段からの照明光による 0次回折光との二 つの回折光束が例えば第 2の光路を通過するように定められている。 本発明の別の好ましい態様によれば、 前記露光'装置ほ、 前記窓手段の前記光軸 回りの角度位置および前記光軸からの間隔距離の少なく とも一方をマスクの微細 パターンに対応して調整または切換えのために変える駆動手段を備えている。 こ の駆動手段ほ、 前記空間フィルタ手段として幾つかの窓手段を有する遮光板また は減光板を用いるときは、 遮光板または透光板を別の位置に窓手段をもつものと 交換する機構によって構成され、 また前記空間フィルタ手段として任意の位置の 限定領域を透明化および不透明化できる電気光学素子、 例えば液晶素子やエレク トロクロミツク素子を用いるときは、 この電気光学素子を前記限定領域の透明化 および不透明化のために駆動する電気回路手段によって構成され得る。
従来の投影露光装置でほ、 マスクに対して上方から種々の入射角で入射する照 明光が無差別に用いられ、 マスクパターンで発生した 0次、 ± 1次、 および ± 2 次以上の各回折光がほぼ無秩序な向きに向けられ、 各回折光が投影光学系を通過 して基板上に結像する位置は別々の異なった位置であった。 これに対して、 本発 明の投影露光装置でほ、 マスクパターンに対して光軸に直交する平面内の特定の 位置から特定の方向と角度で斜めに入射する照明光が選択的に用いられ、 この照 明光によってマスクパターンから発生した土 1次回折光のいずれか一方と 0次回 折光とが基板上に主に導かれて、 基板上における微細パターンの投影像の形成に 主に関与する。 すなわち本発明においてほ、 この目的のためにマスクパターンに 応じた空間フィルタ手段が利用され、 この空間フィルタ手段によって照明光のな かから最適な ± 1次回折光のいずれか一方と 0次回折光だけを主に選択して基板 上に導くことにより、 微細パターンのエッジの明暗コントラス卜が従来よりも大 きく、 そして焦点深度の深いパターン投影像を基板上に得るものである。
ここで、 本発明における空間フィルタ手段の適用にほ以下の二通りのやり方が ある。 すなわち、 その第 1 はマスクの手前で照明光束をそのビーム断面の一部で 遮光または減光し、 主要な照明光として、 光軸に直交する平面内の特定の位置か ら特定の方向と角度で斜めに入射する照明光を選択するやり方であり、 このため には前記空間フィルタ手段は前記照明光学系中の前記フーリェ変換面またはその 近傍位置に配置される。 第 2は、 種々の入射角をもつ照明光によって照明された マスクパターンから発生する種々の回折光成分のうちの、 光軸に直交する平面内 の特定の位置から特定の方向と角度で斜めに入射する照明光によってマスクバタ ーンから発生した ± 1次回折光のいずれか一方と 0次回折光との両成分光を投影 光学系内で選択するやり方であり、 このためには前記空間フィルタ手段は投影光 学系中の前記フーリエ変換面またはその近傍位置に配置される。 これら第 1 と第 2のやり方を併用してもよく、 いずれにせよ前記空間フィルタ手段は、 基板上に おけるパターン投影像の形成に関与する光を、 特定の傾斜角で入射する斜めの照 明光によりマスクパターンから発生する ± 1次回折光のいずれか一方と 0次回折 光とに制限し、 他の不要な光が基板面に到達するのを制限する役目を果たす。 照明光学系中の前記フ一リェ変換面またはその近傍位置に空間フィルタ手段を 配置した場合、 所定の波長を有する照明光が、 光軸回りの特定の角度方向にある 所定の離心位置から特定の入射角で回折格子状のマスクパターンに入射し、 その 結果として、 理論的にほ投影光学系のフーリエ変換面またはその近傍位置に、 フ 一リエ展開された 0次、 1次、 および 2次以上の各回折光によるスポッ ト列が形 成される。 ただし、 通常の投影露光装置では 2次以上の高次回折光は投影光学系 のレンズ鏡筒によってケラレ（ec l i psed)てしまう。
照明光学系中の前記フーリェ変換面またはその近傍位置に配置した空間フィル タ手段はまた、 マスクに対してほぼ垂直に入射する照明光を遮光または減光し、 光軸回りの特定の角度方向にある所定の離心位置から特定の入射角でマスクへ入 射すべき照明光を選択的に高い光透過率で通過させる。 ここで、 2次以上の高次 回折光が邪魔な場合には、 さらに投影光学系中の前記フ一リェ変換面またはその 近傍に別の空間フィルタ手段を設けてこれを遮光ないし減光する。 これにより、 基板上には、 好ましい入射角の照明光によってマスクパターンから発生した 0次 回折光と 1次回 ^光とによるハイコン トラス 卜の投影パターン像が形成される。 ここで、 半導体メモリ素子や液晶素子のためのマスクパターンにおいては、 多 くの場合、 マスクパターン中で高解像度の転写が必要とされる部分のパターンは 基术的に等間隔の透明♦不透明ラインを規則的に交互に配列した格子状パターン によって構成されており、 これは一般的にほデューティ比 0 . 5 の矩形波状の繰り 返しパターンとみなすことができる。 照明光学系中のフ一リェ変換面またはその その近傍位置に空間フィルタ手段を設けた場合、 この格子状パターンから発生す る回折光によって、 投影光学系のフ一リェ変換面には格子のラインを横断する方 向 （ラインの配列方向） に分布する 0次、 ± 1次、 および ± 2次以上の各次数回 折光のスポッ トが形成される。 このとき、 一般的な矩形波のフーリエ展開として 知られているのと同じように、 0次回折光ほ基板上の投影像における光量の基準 レベルを与え、 ± 1次回折光は格子と同周期の正弦波の光量変化成分であり、 こ れらの回折光成分が基板上に集光されると、 互いの干渉によって基板上にはレジ スト層の感光に必要十分な光量で高い明暗コン トラス トを持つた結像パターンが 得られる。
またこの場合、 一般的な半導体メモリ素子や液晶素子のためのマスクパターン は、 マスク上に配列された縦方向と横方向の各格子を複数個組合せたものとみな せるから、 各格子に対して光軸回りの最適な角度方向の離心位置と入射角をもつ 照明光束がそれぞれ確保されるように空間フィルタ手段を準備すれば、 投影光学 系のフーリェ変換面に形成されるフーリェパターンは、 各格子のライン配列方向 に応じた角度方向に並んだ、 照明光の波長と格子のラインピッチとに応じた相互 間隔のスポッ ト群を形成する。 この各スポッ トの光の強度は、 格子のピッチ数と 回折光の次数とに依存している。
このことから解るように、 必要なスポッ 卜位置に対応した位置にのみ窓手段を 設けた空間フィルタ手段を投影光学系内に配置することによって基板へ至る回折 光の選択を行っても、 同様の効果を得ることができる。 この場合、 投影光学系中 のフーリェ変換面またはその近傍位置に配置される空間フィルタ手段は、 該フー リエ変換面における有用な回折光のスボッ 卜位置に窓手段を有し、 それにより有 用な回折光を選択的に通過させ、 一方、 基板面でのコン トラスト低下の原因にな る不要な回折光を遮断する。
このように、 空間フィルタ手段の窓の個数と位置はマスクパターンに応じたそ れぞれ異なる固有なものであるから、 空間フィルタ手段は、 当然のことながらマ スクが交換されれば一緒に交換され、 かつマスクに対して厳密に位置調整される べきものである。
次に、 マスクパターンに対して光軸回りの特定の角度方向にある所定の離心位 置から特定の入射角の照明光を入射し、 該照明光によってマスクパターンから発 生される ± 1次回折光のいずれか一方と 0次回折光とを用いて基板上に結像バタ 一ンを形成することにより、 焦点深度が深くなる理由を説明する。
一般に、 基板が投影光学系の焦点位置に一致している場合には、 マスク上の 1 点から出て基板上の 1点に達する各次数の回折光ほ、 投影光学系のどの部分を通 るものであってもすべて等しい光路長を有するから、 従来のように 0次回折光が 投影光学系の瞳面のほぼ中心を莨通する場合でも、 0次回折光とその他の次数の 回折光とで光路長は相等しく、 フーリェ変換面のほぼ中心を貫通する光束の光路 長を基準としてフーリェ変換面の任意の位置を通過する光束の光路長と前記基準 光路長との差、 即ち波面収差は 0である。 しかし、 基板が投影光学系の焦点位置 に一致していないデフォーカス位置にある場合、 投影光学系中のフーリェ変換面 の外周寄り部分を通過して基板に斜めに入射する 1次以上の次数の回折光の光路 長は、 前記フーリエ変換面の中心付近を通過する 0次回折光に対して、 基板が焦 点前方に位置してデフォーカス量が負の場合には短くなり、 また基板が焦点後方 に位置してデフォーカス量が正の場合には長くなり、 これらの光路長の差は、 各 次数の回折光の基板への入射角の差に応じた量をもち、 これはデフオーカスによ る波面収差と呼ばれている。 即ち、 このようなデフォーカスの存在によって、 1 次以上の次数の各回折光は 0次回折光に対して相互に波面収差を形成し、 焦点位 置の前後における結像パターンのぼけを発生する。 この波面収差 A Wは、 次式 厶 ¥ = 1/2 X (NA) 2 · Δ f
ただし、 厶 f ： デフォ一カス量
NA ： フーリエ変換面上の中心からの距離を開口数で表わした値 で表わされる。 従って、 フーリエ変換面のほぼ中心を貫通する 0次回折光 （A W = 0 ) に対して、 フーリエ変換面の外周寄りの半径 の位置を通過する 1次回 折光では、
△ W = ΙΛ Χ Γ ^ Χ厶 ： f の波面収差を持つこととなり、 この波面収差の存在が従来技術における焦点位置 の前後での解像度を劣化させ、 焦点深度を浅ぐしていることの原因である。
これに対して、 本発明の露光装置では、 前記空間フィルタ手段を配置すること によって、 特定の入射角をもつ照明光束によってマスクパターンから生じる土次 回折光のいずれか一方と 0次回折光とが、 投影光学系中のフーリェ変換面上のほ ぼ中心対称な離心位置 （共に離心半径 r 2 とする） を通るようにしている。 従つ て本発明の露光装置の場合、 投影光学系の焦点の前後における前記 0次回折光と 1次回折光の波面収差は、 いずれも
Δ W = 1/2 X r 2 2 厶 f
となり、 互いに等しくなる。 従ってデフォーカスに伴う波面収差による像質の劣 化 （ぼけ） が無く、 すなわち、 この分だけ深い焦点深度が得られるのである。 また、 照明光学系中に空間フィルタ手段を配置した場合、 その光軸対称の一対 をなす各窓手段を通った一対の照明光は、 マスク面に対して斜めに且つ法線の両 側で対称的に入射する光束となるが、 これら光束によってマスクの格子状パタ一 ンから生じる ± 1次回折光のどちらか一方は、 投影光学系の光軸についてその 0 次回折光と光軸に関して対称な位置を通り、 基板に 0次光と同程度の深い入射角 で入射する。 これにより、 結像に関与する投影光学系の実質的な開口数が小さく なり、 より深い焦点深度が得られる。
このように、 本発明のにおいては、 光軸を挟む対構成の窓を有する空間フィル タ手段により、 好ましい入射角の照明光束によってマスクの微細パターンから発 生される回折光のうちの好ましい次数、 即ち 0次回折光と 1次回折光とを選択的 に基板上の同一位置に集光させてパターン像を結像させるから、 従来でほ解像不 能とされた微細なパターンでも、 照明光や投影光学系の変更なしに、 基板上の結 像パターンにおけるレジス卜層の感光に十分な明暗コン トラスト と十分に深い焦 点深度とを確保できるものである。
照明光学系中に空間フィルタ手段を配置する場合、 空間フィルタ手段の一対の 窓は、 一方の窓を通過した照明光によってマスクの微細な格子状パタンーンから 生じる土一次回折光のいずれか一方と、 他方の窓を通過した照明光によって生じ る o次回折光とが、 投影光学系のフ一リェ変換面上のほぼ同一の離心位置を通過 するように、 それらの相互間隔が定められている。
投影光学系中に空間フィルタ手段を配置する場合、 空間フィルタ手段の一対の 窓は、 前記好ましい入射角を有する照明光によってマスクの微細な格子状パタン
—ンから発生される土 1次回折光のいずれか一方と 0次回折光とが、 夫々別々の 離心位置を通過するように、 それらの相互間隔が定められている。
本発明の露光装置においては、 適当な調整機構を用いて、 空間フィルタを光軸 回りに或る角度だけ回転させ、 または配置面内で平行移動させることにより、 マ スクパターンに対する空間フィルタの窓の位置ずれを補正できる。 また、 対をな す窓の相互間隔を調整可能に構成して、 マスクバターンのフーリエパターンによ り良く適合させることもできる。 この場合、 調整機構により、 空間フィルタの窓 の位置または窓間の間隔を変化できるように構成すれば、 マスクと空間フィルタ の窓との最適な位置関係を得ることが可能であり、 また、 別のパターンを有する マスクに対しても同一の空間フィルタを併用できるようになる。
本発明の別の態様では、 液晶素子やエレク トロクロミック素子等の電 光学素 子を組込んだ空間フィルタが採用され、 電気信号により窓の位置および寸法の調 整を行うことができるようになつている。 この場合、 電気信号によって、 電気光 学素子で構成された空間フィルタの任意の位置の限定された領域を透明 .不透明 に自由に調整できるから、 マスクパターンと空間フィルタの窓との最適な位置関 係を得ることが可能であり、 勿論、 この場合も別のパターンを有するマスクに対 して空間フィルタを共用することが可能である。
术発明の上述およびそれ以外の特徴と利点を一層理解し易くするため、 本発明 の好適な幾つかの実施例を添付図面と共に以下に説明する。
[図面の簡単な説明]
図 1 ほ、 本発明の一実施例に係る露光装置の構成を示す斜視図、
図 2は、 前記実施例の原理的な光路構成を示す模式図、
図 3は、 前 実施例に係る露光装置の照明光学系中に配置される空間フィルタ の一例を示す平面図、
図 4ほ、 マスクパターンの一例を示す模式平面図、
図 5 aおよび 5 bは、 空間フィルタの別々の例を示す模式平面図、
図 6 aおよび 6 bは、 図 5 aと 5 bに各々対応して、 投影光学系のフーリエ変 換面における回折光の強度分布を模式的に示す図、
図 7は、 参考例に係る投影露光装置の光路構成を示す模式図、
図 8は、 前図の投影光字系のフーリェ変換面における回折光の強度分布を模式 的に示す図
図 9ほ、 別の参考例に係る投影露光装置の光路構成を示す模式図、
図 1 0は、 前図の参考例の投影光学系のフーリエ変換面における回折光の強度 分布を模式多岐に示す図、
図 1 1は、 本発明の実施例における投影像の光量分布を示す線図、
図 1 2は、 図 7の参考例 （ σ = 0 . 5とした場合） における投影像の光量分布 を示す線図、
図 1 3は、 図 7の参考例 （ σ = 0 . 9とした場合） における投影像の光量分布 を示す線図、
図 1 4は、 図 9の別の参考例における投影像の光量分布を示す線図である。
[発明を実施するための最良の形態]
図 1に示す実施例において、 マスク 1 1 にほ、 代表的な微細パターンの一例と して、 デューティ比 0 . 5の 1次元の格子状パターン 1 2が形成されている。 マ スク 1 1を照明する照明光学系は、 水銀ランプ 1、 楕円面鏡 2、 コールドミラー 3、 集光光学素子 4、 光学的インテグレータ素子 5、 リ レーレンズ 8 (瞳リ レー 系） 、 ミラー 9、 コンデンサーレンズ 1 0からなり、 照明光学系のフーリエ変換 面、 即ち、 ここでほ水銀ランプ 1の 2次光源像が形成されるインテグレータ素子 5の射出端面の近傍 （換言すれば、 照明光学系の瞳面またはその共役面、 および それらの近傍の位置） には空間フィルタ 6が配置されている。 この空間フィルタ 6には、 マスクパターン 1 2の 2次元フーリエ変換に基づいて位置と大きさが定 められる一対の透光窓 6 a、 6 bが設けられている。
またパターン 1 2の像をゥヱハ 1 7上に投影する投影光学系 1 3のフーリエ変 換面 1 4にも、 同様に透光窓 1 5 a、 1 5 bを備えた空間フィルタ 1 5が配置さ れている。 ここで、 本実施例では、 マスクパターン 1 2として 1次元の回折格子 パターンを用いているので、 空間フィルタ 6および 1 5には、 共に一対の透光窓 6 a , 6 bまたは 1 5 a , 1 5 bが形成されており.、 それぞれの配置面内で一対 の透光窓が光学系の光軸を挟んでほぼ対称位置に、 且つその配列方向が格子パタ ーン 1 2のラインピッチ方向と光学的に揃うように配置されている。 また空間フ ィルタ 6と 1 5には、 それぞれモータやカム等で構成される駆動機構 7または 1 6が設けられており、 マスクパターンに応じて空間フィルタ 6 , 1 5が別のもの と交換可能で、 かつ配置面内での透光窓 6 a , 6 bまたは 1 5 a , 1 5 bの位置 の微調整が可能となっている。 尚、 空間フィルタ 6 , 1 5の透光窓 6 a , 6 わお よび 1 5 a , 1 5 bの開口形状は任意でよく、 図 1 では限定を意図しない例とし て、 ともに円形開口の場合が示されている。 また、 この空間フィルタ 6 , 1 5は 遮光板に透光窓としての一対の開口を形成したものであるが、 空間フィルタ 6 , 1 5ほ液晶素子やエレクトロクロミック素子等の電気光学的素子によって構成す ることもあり、 その場合は図示した駆動機構 7や 1 6は電気光学的素子の限定さ れた任意の領域に適宜の大きさ ♦形状の透光部を出現させるための電気回路装置 によって構成される。
このように構成された露光装置において、 楕円面鏡 2の第 1焦点に配置された 水銀ランプ 1から発生された照明光は、 楕円面鏡 2とコールドミラー 3で反射さ れて、 楕円面鏡 2の第 2焦点に集光された後に、 コリメータレンズゃ光束分布補 正用のコーン状プリズム等からなる集光光学素子 4を通過して、 フライアイレン ズ群からなるィンテグレ一タ素子 5により、 空間フィルタ 6の配置面上に実質的 な面光源を形成する。 尚、 本実施例ではインテグレータ素子 5の 2次光源像が投 影光学系 1 3のフーリエ変換面 1 4に形成される、 いわゆるケラ一照明となって いる。 この面光源自体は、 従来同様に、 マスクに上方から種々の入射角で入射す る照明光を与えるはずものであるが、 ここでほコンデンサーレンズ 1 0の手前に 空間フィルタ 6が配置ざれているため、 空間フ ィ タ 6の 2つの透光窓 6 a , 6 bを通過する平行光束だけがリ レーレンズ 8、 .ミラー9、 コンデンサーレンズ 1 0を介して、 格子パターン 1 2のラインを横切る面内で光軸対称に斜めの所定入 射角でマスク 1 1へ入射する。
前記平行光束がマスク 1 1のパターン 1 2に入射すると、 パターン 1 2からは 0次、 ± 1次、 および ± 2次以上の各回折光が生じる。 ここで、 前記平行光束は 照明光学系のフーリエ変換面 1 4に配置された空間フィルタ 6の透光窓 6 a , 6 わにより光軸からの距離と光軸回りの位置とが定められ、 またコンデンサレンズ 1 0によりマスク 1 1のパターン 1 2への入射角が定められているので、 投影光 学系 1 3に入射するのは前記各次数の回折光のうちの土 1次回折光のいずれか一 方と 0次回折光とがその殆どとなり、 その他の回折光は極く僅かとなる。 その結 果、 投影光学系 1 3のフーリエ変換面には ± 1次回折光のいずれか一方と 0次回 折光との主要な回折光スポッ トと、 その他の不要な次数の回折光スボッ トとがフ —リエ展開パターンに從つて形成される。 投影光学系 1 3のフーリエ変換面に配 置された別の空間フィルタ 1 4は、 前記主要な回折光だけを選択的にゥヱハ 1 7 側に通過させ、 その他の次数の不要な回折光を遮断する。 この場合、 前記 ± 1次 回折光のいずれか一方と 0次回折光との主要な回折光が最大強度で通過できるよ うに、 また前記不要な回折光が完全に遮断されるように、 駆動機構 7、 1 6を用 いて、 マスク 1 1のパターン 1 2に対する空間フィルタ 6、 1 5の位置調整が行 われる。
図 2は、 本実施例の露光装置における照明光の基本的な光路構成を模式的に示 している。 ここでは、 図示の都合上、 空間フィルタ 6がコンデンサレンズ 1 0の 直上に配置されているが、 この位置はリ レーレンズ 8に対して図 1の空間フィル タ 6と共役な面であり、 機能と効果に関して図 1の場合と実質的に同じである。 図 2において、 投影光学系 1 3の開口数を！^、 照明光の波長をんとすると、 バ ターン 1 2のビ チは； L /NAの 0 .75倍、 パターン 1 2のライン ' アンド · スベー スの比は 1 ： 1 (格子のデューティ比を 0 .5)としてある。 この場合、 パターン 1 2の波長; Iを考慮したフーリエ変換 q (u , v) は、 パターン 1 2を p (x，y) とする と、
q (u、 v) = ¾ p (x、 y) -exp {-2 π i (ux+vy) Zん} dxdy
で与えられる。 更に、 パターン 1 2が、 第 4図に示されるように、 上下すなわち y方向には一様で、 X方向に規則的な変化をもつ場合は、 X方向のライン * アン ド 'スペースの比が 1 ： 1、 ラインピッチが 0.75 λ/ΝΑであるとすると、 q (U、 V) = q i (u) X q 2 (v)
と表わすことができ、 従って
q 1 iu) = 1, u = 0
q i (u) = 0.637, u =土 NA/0.75
q i (u) =-0.212, 11 = ± 3 ノ0.75 q ! (u) = 0.637/ (2n-l) (-1) (n+1 , u = ± (2 n - 1) -NA/0.75
q i (u) = 0, uは上記以外
および、
q 2 (v) = l, v = 0
q 2 (v) = 0, v≠ 0
と表わすことができる。
図 3と図 5 aは、 それぞれ本実施例に供される照明光学系用の空間フィルタ 6 と投影光学系用の空間フィルタ 1 5の平面図である。
空間フィルタ 6と 1 5は、 上記フーリエ変換のエネルギー分布 I q (u.v 2 の ピーク位置
(u.v) = (0, 0) , (±NA/0.75, 0) , (± 3 ΝΑ/0.75, 0)…
の 1/2 であるところの
(u,v) = (0, 0) , (土 NAZI.5， 0) , (± 2NA，. 0)···
のうち、 投影光学系 1 3の開口数以内に入る位置、
(u、 V) = (土 NAZ1.5 , 0)
およびその近傍位置を透光窓 6 a , 6 bと 1 5 a , 1 5 bとし、
(u、 v) = (0, 0) の位置を遮光部としたものである。
尚、 空間フィルタ 6、 1 5は、 その位置
(u、 V) = (0, 0)
がそれぞれ照明光学系 （ 1〜 1 0 ) および投影光学系 1 3の光軸と一致するよう に、 図 1の駆動機構 7または 1 6により位置調整される。 空間フィルタ 6と 1 5 は、 不透明な金属板の一部を取り去って透光窓を形成したものでも、 またガラス 等の透明保持板上に不透明な金属薄膜等をパターンニングして透光窓を形成した ものでもよい。 また図 1 に示した例においては、 照明光源として水銀ランプ 1を 例示したが、 これはレーザ光源等の別の光源であってもよい。 更にこの実施例で ほマスク 1 1のパターン 1 2として X方向のみにデューティ 1 ： 1 で変化するラ イン ' アンド 'スペース 'パターンを示したが、 この他の任意の複数方向に規則 的に変化するパターンについても本発明は適用可能である。
図 2において、 ラインピッチが 0.75ん/ であるパターン 1 2に対して、 照明 光学系中のパターン 1 2のフーリェ変換面に図示のような空間フィルタ 6を設け ることにより、 パターン 1 2を照明する照明光 L i は平行光束 L i J2、 L i rの ごとく制限される。 この照明光 L i JZ、 L i rがパターン 1 2に照射されるとパ ターン 1 2からその回折光が発生する。
照明光 L i J2の 0次回折光を L 1 0、 + 1次回折光を L J2 1 とし、 照明光 L i rの 0次回折光を L r 0、 - 1次回折光を L r 1 とすると、 回折光 L J£ 0と回折 光 L JZ 1、 回折光 L r 0 と回折光 L r 1の離角はともに、
δΐηθ = λ/ (パターン 1 2のラインピッチ）
= λ/ (0.75λ/ΝΑ)
= ΝΑ/0.75
となるが、 もともと、 入射光 L i J と入射光 L i rは 2 NA/1.5 だけ離れている ので、 投影光学系 1 3のフーリエ変換面では、 回折光し^ 0と回折光 L r 1が共 に同じ第 1の光路を通り、 また回折光 L r 0と回折光 L JZ 1が共に同じ第 2の光 路を通ることになる。 ここで第 1の光路と第 2の光路とは投影光学系 1 3の光軸 から対称的に等距離だけ離れている。 0 6 aに投影光学系 1 3のフーリエ変換面 1 4での回折光の強度分布を模式的 に示す。 図 6において、 フーリエ変換面 1 4に形成されたスポッ ト 2 2 は回折 光 L r 0と L J2 1が、 またスポッ ト 2 2 rは回折光 L J2 0 と L r 1がそれぞれ集 束したスポッ 卜である。
図 6 aより明らかなように、 本実施例においては、 ラインピッチが； 1 /NAより 微細な 0 . 75 λ /ΝΑのパターン 1 2からの 0次回折光と + 1次又は一 1次回折光を 投影光学系 1 3を介してほぼ 1 0 0 %ゥヱハー 1 7上へ集光させることができ、 従って、 従来の露光装置における解像度の限界であったピッチ （ λ /ΝΑ ) よりも さらに細いパターンの場合も、 マスクパターンのラインビッチに応じた諸元の透 光窓をもつ空間フィルタを用いることにより、 充分な解像度での露光転写が可能 である。
尚、 図 5 bはマスクパターンが Xおよび y方向に交差するライン . アンド 'ス ペース ·パターンの場合に用いられる空間フィルタを示している。 また図 6 bは その場合に投影光学系のフ一リェ変換面に形成される回折光の対応するスボッ ト の様子を示している。
次に、 本実施例の露光装置における基板 1 7上のパターン解像度を、 種々の参 考例に係る露光装置におけるそれとの比較において以下に説明する。
=参考例の場合- 図 7と図 8は、 参考例として掲げる前述の日本公開特許 No . 2 -5041 7に示された 投影露光装置における照明光の光路構成 （図 7 ) と、 投影光学系のフーリエ変換 面における光量分布 （図 8 ) とを夫々模式的に示している。 尚、 これらの図にお いては、 本発明の前記実施例に係る装置と同じ作用 ♦機能の部材に図 2中の符号 と同じ符号を付してある。
図 7において、 照明光学茶のフーリエ変換面には開口絞り （円形の透光窓を光 軸と同心に備えた空間フィルタ） 6 Aが設けられ、 マスク 1 1 に対する照明光の 入射角を制限している。 マスク 1 1のパターン 1 2から発生した 0次回折光 （実 線） と ± 1次回折光 （破線） とは、 共に投影光学系 1 3に入射して別々の光路を 進み、 ここでほ図 8に示すごとくフ一リェ変換^ i 1 4において + 1次回折光のス ボッ ト 2 0 と、 0次回折光のスポッ 卜 2 0 cと、 — 1次回折光のスポッ ト 2 0 rとが別々の位置に離れて形成される。
また図 9と図 1 0は、 別の参考例としての投影型露光装置における照明光の光 路構成 （図 9 ) と、 投影光学系のフーリエ変換面における光量分布 （図 1 0 ) と を夫々模式的に示している。 この別の参考例では、 図 7の開口絞り 6 Aの代りに 光軸と同心の円環状の透光窓を設けた空間フィルタ 6 Bが採用されている。
図 9において、 照明光学系のフーリェ変換面にほ円環状の透光窓を光軸と同心 に形成した空間フィルタ 6 Bが設けられ、 マスク 1 1 に対して照明光が斜めに、 すなわち逆円錐状に入射されている。 これにより、 少なく ともパターン 1 2のラ インピッチ方向に光軸を横切る面内では、 図 2に示した本願発明の実施例の場合 と同様に、 0次回折光 （実線） が 1次回折光 （破線） 並みに斜めに投影光学系に 入射され、 反対側から来た別の 1次回折光と一部重なって投影光学系を通過し、 ウェハ 1 7にまで達して投影像を形成する。 このとき、 投影光学系 1 3のフーリ ェ変換面 1 4には図 1 0に示すように光軸と同心のドーナッツ状の 0次回折光の スポッ ト 2 1 cと、 それに隣接して一部重なる + 1次回折光のスポッ 卜 2 1 ぉ よび一 1次回折光のスポッ ト 2 1 rとが形成される。 ここで、 スポッ ト 2 1 と 2 1 rとの大部分は投影光学系 1 3の外側にはみ出し、 これらはみ出した部分の 光は投影光学系の鏡筒によってケラレてしまう。
=本発明の実施例の場合- 図 1 1〜図 1 4は、 図 2に示した本発明の実施例におけるゥュハ 1 7上の投影 像の光強度 Iの分布を図 7と図 9の場合と比較した線図である。 この光強度分布 は、 投影光学系の NAを 0 .5、照明光の波長； Iを （Κ 365 μ πι、 マスクパターン 1 2の パターンラインピッチを投影光学系 1 3の倍率から求めたウェハ 1 7上での換算 で 0 .5 μ m (ほぼ 0 . 6 8 5 X λ /ΝΑ ) として、 基板上でパターン 1 2のライン ビッチ方向に光軸を横切る面内について計算により求めた結果に従っている。 図 1 1 は、 本発明の前述の実施例 （図 2 ) に従った露光装置によって基板上に 形成された投影像の光強度分布を示し、 これは、 パターンのエッジの明暗コント ラストを十分にもっていることが判る。 図 1 2ほ、 図 7の参考例において開口絞り 6 Aの径を比較的小さく、 照明光学 系の開口数と投影光学系の開口数との比、 いわゆる σ値を 0 . 5とした場合の基 板上の投影像の光強度分布を示している。 ここでは、 照明光学系の開口数と投影 光学系の開口数との比 （ 0値） を0 . 5としているので、 投影像は明暗コン トラ ストがほとんど無い平坦な光強度分布をもつことが判る。
図 1 3は、 図 7の参考例において開口絞り 6 Αの孔を比較的大きく、 照明光学 系の開口数と投影光学系の開口数との比、 いわゆる σ値を 0 . 9 とした場合の基 板上の投影像の光強度分布を示している。 ここでは、 照明光学系の開口数と投影 光学系の開口数との比 （ σ値） を 0 . 9としているので、 図 1 2の場合よりも投 影像の明暗コントラストがついているが、 やはり 0次回折光成分が比較的多い依 然として平坦に近い光強度分布となっており、 レジス卜の感光特性からみて不充 分であることが判る。
図 1 4は、 図 9の別の参考例の場合の基板上の投影像の光強度分布を示してお り、 この場合、 空間フィルタ 6 Βの円環状の透光窓の内縁は σ値で 0 . 7、 外縁 は σ値で 0 . 9に相当している例である。 この投影像は、 図 1 2の場合よりも明 暗コントラストがついたものとなっているが、 やはり 0次回折光成分が比較的多 い依然として平坦に近い光強度分布となっており、 レジス卜の感光特性からみて 不充分であることが判る。
図 1 1〜図 1 4に明らかなように、 図 7や図 9の場合と比較して、 図 2に示し た本発明の実施例では基板上の投影像の実質的な解像度が大幅に向上している。 ところで、 図 9の場合において、 投影光学系 1 3のフーリエ変換面 1 4に前述 の図 2の実施例において使用した空間フィルタ 1 5と同様な空間フィルタを同様 に配置すれば、 図 1 0でクロスハッチで示される部分に 0次および ± 1次の回折 光を選択的に集光させて、 ゥ ハ 1 7上における投影像の解像度を図 1 4の場合 よりも少しだけ向上させることは可能である。 しかしながらこの場合、 投影光学 系に入射される照明光の利用率が大幅に低下し、 露光に寄与しないエネルギー成 分が投影光学系内に蓄積されてその光学特性を変化させる欠点が不可避である。 本発明に従った図 2の実施例では投影光学系へ入射される照明光の殆どのェネル ギ一が露光に寄与する。
さて、 従来においても、 マスクパターンにおける回折光を積極的に利用して投 影光学系の解像度を向上する技術があり、 これは、 パターンの光透過部の 1つお きに照明光の位相を反転させる誘電体、 いわゆる位相シフターを設ける技術であ る。 しかしながら、 複雑な半導体回路パターン上に位相シフターを適切に設ける ことは現実には極めて難しく、 位相シフター付フォ トマスクの検査方法も未だに 確立されていない。
本願発明に従った前記図 2の実施例における投影像の解像度向上の効果は、 位 相シフタ一のそれに匹敵するものでありながら、 位相シフタ一をもたない従来の フォ トマスクがそのまま使用でき、 従来のフオ トマスク検査技術もそのまま踏襲 することができるものである。
また、 位相シフターを採用すると投影光学系の焦点深度が実質的に増大する効 果も得られるが、 図 2の実施例においても、 図 6に示されるとおり、 フーリエ変 換面 1 4でのスポッ ト 2 2 J2、 2 2 Γは瞳の中心から等距離の位置にあり、 従つ て先に述べたようにデフォーカスによる波面収差の影響を受けにく く、 深い焦点 深度が得られるものである。
尚、 前述の実施例では、 マスクパターンとして X方向に規則的な変化を示すラ イン · アン ド ' スペース ' パターンを例示したが、 以上の効果はライン ♦ アン ド •スペース以外の一般的なパターンについても、 それぞれ適正な空間フィルタを 組合せることにより、 十分に達成される。 ここで、 マスクパターンの変化が X方 向のみの 1次元の変化をもつ場合には空間フィルタ上の透光窓は 2個であるが、 複数の n次元の変化をもつパターンの場合は、 パターンの空間周波数に応じて 2 n個の透光窓を持つことになる。 例えば Xおよび y方向の 2次元の変化をもつ回 折格子状パターンでは、 図 5 bに示したように十字線上に配置した 2対、 計 4個 の透光窓を空間フィルタに形成すればよく、 これによつて図 6 bに示したように 対応した 4つの回折光スポッ トが投影光学系のフーリェ変換面に形成される。 また前述の実施例では、 説明を簡略化するために、 空間フィルタの遮光部は照 明光を全く透過させないものとして扱ってきたが、 これを或る定められた光透過 率をもつ減光部として構成してもよく、 その場合は、 従来と同様の照明光の前光 束断面による露光に際して、 特定の微細パターンについてのみ、 その投影像のコ ントラストを選択的に向上させることが可能となる。
更に前述の実施例では、 特に照明光学系中の空間フィルタを中心に説明を行つ たが、 投影光学系中の空間フィルタについても作用および効果は基本的に同様な ものと考えることができる。 つまり、 照明光学系のほぼフーリエ変換面と、 投影 光学某のほぼフーリェ変換面との少なく とも一方に上記条件を満足する空間フィ ルターを配置すれば、 同様の効果を得ることができる。 また、 例えば、 照明光学 系のフーリェ変換面に図 3に示したような空間フィルタを設けるとともに、 投影 光学系のフーリェ変換面に円環状の透光窓を備えた空間フィルタを配置してもか まわない。 なお、 この場合、 後者の円環状の透光窓を備えた空間フィルタにおい ては、 マスクパターンからの 0次回折光と + 1次 （または— 1次） 回折光とがと もに透過するように円環状の透光窓を配置することが必要であることは言うまで もない。 また、 両方の空間フィルタを併用することにより、 投影光学茶またはゥ ュハによる乱反射光をカツ 卜し、 迷光を防止する効果もある。
更にまた前述の実施例では、 空間フィルタ （ 6、 1 5 ) をマスクパターンに応 じて機械的に交換場合を主に説明したが、 例えば液晶表示素子や E C (エレク ト 口クロミック） 素子等を用いた空間フィルタを採用した場合には機械的なフィル タ交換機構が不要になると共に、 透光窓の位置調整と変更が電気回路装置によつ て達成でき、 装置まわりがコンパク トになるとともに、 透光窓の大きさと形状、 位置の調整や変更等が簡単に、 しかも高速に行えるようになるといった利点があ る。
以上に述べた各実施例ほ限定を意図しない例示を目的とするものであり、 本発 明の技術的範囲は添付の請求の範囲各項の記載の基いて定められるべきである。

Claims

請求の範囲
. マスクに照明光を照射する照明光学系と、 この照明されたマスクの微細バタ 一ンの像を基板上に投影するための投影光学系とを有する投影露光装置を使用 してマスクの微細パターンを基板上に転写する露光方法であって、
前記照明光を前記マスクに対して傾けて照射し、 それによつて照明されたマ スクの微細パターンから生じる士 1次回折光のいずれか一方と 0次回折光とが 前記マスクの微細パターンに対する前記投影光学系中のフーリェ変換面または その近傍.において前記投影光学系の光軸から互いに等距離だけ離れて通過する ようにする露光方法。 . 前記 ± 1次回折光のいずれか一方と 0次回折光とを除く光を基板へ到達しな いように制限する請求項 1 による露光方法。 . マスクに照明光を照射する照明光学系、
この照明されたマスクの微細パターンの像を基板上に投影するための投影光 学系、 および
前記マスクの前記微細パターンに対する前記照明光学系および Zまたは前記 投影光学系中のフーリェ変換面もしくはその近傍位置に配置され、 それが配置 された前記照明光学系および Zまたは前記投影光学系の光軸から離れた位置に 周囲よりも比較的高い光透過率をもつようにそれぞれ独立した限定領域によつ て画定された少なく とも 2つの窓手段を有する空間フィルタ手段、
を備えた、 マスクの微細パターンを基板上に投影するための露光装置。 . 請求項 3による露光装置において、 前記空間フィルタ手段はそれが配置され た前記照明光学茶および Zまたほ前記投影光学系の光軸に対して対称な対をな す 2つの窓手段を含むもの。 . 請求項 3による露光装置において、 前記空間フィルタ手段が 2 n個 （ nは自 然数） の窓手段を有するもの。
6 . 請求項 3による露光装置において、 前記空間フィルタ手段が、 前記微細バタ ーンのフーリエ変換パターンに基いて定められた複数の位置に前記窓手段を有 するもの。
7 . 請求項 3による露光装置において、 前記照明光学系がフライアイレンズ等の ォブチカルインテグレータを備え、 前記空間フィルタ手段が前記ォブチカルイ ンテグレータの射出端近傍位置に配置されたもの。
8 . 請求項 3による露光装置において、 前記空間フィルタ手段の前記窓手段を除 く部分が遮光部に形成されているもの。
9 . 請求項 3による露光装置において、 前記空間フィルタ手段の前記窓手段を除 く部分が減光部に形成されているもの。
10. 請求項 3による露光装置において、 前記空間フィルタ手段が前記照明光学系 中に配置され、 その各窓手段の位置は、 前記微細パターンから発生する ± 1次 回折光のいずれか一方と 0次回折光とが前記マスクの微細パターンに対する前 記投影光学系中のフ一リェ変換面において前記投影光学系の光軸からほぼ等距 離だけ離れて別々に通過するように定められているもの。 1. 請求項 4による露光装置において、 前記空間フィルタ手段が前記照明光学系 中に配置され、 前記対を構成する第 1 の窓手段およびそれに光軸対称な第 2の 窓手段の各位置は、 第 1の窓手段を通過して前記マスクへ至る照明光束の照射 によって前記微細パターンから発生する士 1次回折光のいずれか一方と 0次回 折光との二つの回折光束と、 第 2の窓手段を通過して前記マスクへ至る照明光 束の照射によって前記微細パターンから発生する ± 1次回折光のいずれか一方 と 0次回折光との二つの回折光束とが、 前記投影光学系のフーリェ変換面にお いて投影光学系の光軸からほぼ等距離で離れた別々の第 1 と第 2の光路を交互 に、 即ち、 第 1の窓手段からの照明光による ± 1次回折光のいずれか一方と第 2の窓手段からの照明光による 0次回折光との二つの回折光束が第 1の光路を 通過し、 第 2の窓手段からの照明光による ± 1次回折光のいずれか一方と第 1 の窓手段からの照明光による 0次回折光とのニづの回折光束が第 2の光路を通 過するように定められているもの。
12. 請求項 3による露光装置において、 前記窓手段の前記光軸回りの角度位置お よび前記光軸からの間隔距離の少なくとも一方をマスクの微細パターンに対応 して調整またほ切換えのために変える駆動手段を更に備えたもの。
13. 請求項 12による露光装置において、 前記空間フィルタ手段が少なくとも一対 の窓手段を有する遮光または減光板素子を含み、 前記駆動手段が、 前記板素子 を相対的に異なる位置に窓手段をもつ別の板素子と交換する機構を備えている もの。
14. 請求項 12による露光装置において、 前記空間フィルタ手段が少なくとも一対 の任意の位置の限定領域を透明化および不透明化できる電気光学素子を含み、 前記駆動手段が、 この電気光学素子を前記限定領域の透明化および不透明化の ために駆動する電気回路手段を備えているもの。
15. マスクに照明光を照射する照明光学系、
この照明されたマスクの微細パターンの像を基板上に投影するための投影光 学系、 および
前記マスクの前記微細パターンに対する前記照明光字系中のフ一リェ変換面 もしくほその近傍位置における前記照明光の強度分布を前記照明光学系の光軸 から離れた少なくとも 2つの個所で前記強度が極大となるように制限する光学 的制限手段、
を備え、 前記各個所の各々の中心が前記マスクの微細パターンの微細度に従つ て選択された間隔だけ互いに離れている、 マスクの微細パターンを基板上に投 影するための露光装置。
1 6. 請求項 15による露光装置において、 前記照明光学系が、 前記光学的制限手段 の前記 2個所からの照明光束を前記マスク上でほぼ対称的に傾ける光学要素を 含むもの。
17. マスクを照明するための照明光を発生する照明手段、
前記照明光を前記マスク上で傾けるための光学要素、 および
前記マスクに対してほぼ垂直な光軸を有し、 傾けられた前記照明光によって マスクから生じる光により前記マスクの微細パターンの像を基板上に投影する 投影光学系、
を備え、 前記照明光によって前記マスクの微細パターンから生じる土 1次回折 光のいずれか一方と 0次回折光とが前記マスクとほぼ垂直な線に関してほぼ対 称的な傾斜角で前記投影光学系に入射される、 マスクの微細パターンを基板上 に投影するための露光装置。
18. 請求項 17による露光装置において、 前記照明光学系が、 前記光学的制限手段 の前記 2個所からの照明光束を前記マスク上でほぼ対称的に傾ける光学要素を 含むもの。
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