JP2000021753A

JP2000021753A - 露光方法及び露光装置

Info

Publication number: JP2000021753A
Application number: JP10201333A
Authority: JP
Inventors: Miyoko Kawashima; 美代子川島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2000-01-21

Abstract

(57)【要約】【課題】高解像度のパターンが得られる露光方法及び
露光装置を得ること。【解決手段】第１物体面上のパターンを投影光学系に
より第２物体面上に投影露光する投影方法において、該
投影光学系の解像力が最も良くなる方向と、該第１物体
面上の微細パターンの回折光の出射方向とが一致するよ
うにし、かつ該第２物体を第１物体に対して位置調整し
て投影露光していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、露光方法及び露光
装置に関し、特に微細な回路パターンで感光基板上を露
光し、例えばＩＣ，ＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネ
ル等の表示素子、磁気ヘッド等の検出素子、ＣＣＤ等の
撮像素子といった各種デバイスの製造に用いられる際に
好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＩＣ、ＬＳＩ、液晶パネル等
のデバイスをフォトリソグラフィー技術を用いて製造す
るときには、フォトマスク又はレチクル等（以下、「マ
スク」と記す。）の面上に形成した回路パターンを投影
光学系によってフォトレジスト等が塗布されたシリコン
ウエハ又はガラスプレート等（以下、「ウエハ」と記
す。）の感光基板上に投影し、そこに転写する（露光す
る）投影露光方法及び投影露光装置が使用されている。

【０００３】近年、上記デバイスの高集積化に対応し
て、ウエハに転写するパターンの微細化、即ち高解像度
化とウエハにおける１チップの大面積化とが要求されて
いる。従ってウエハに対する微細加工技術の中心を成す
上記投影露光方法及び投影露光装置においても、現在、
０．５μｍ以下の寸法（線幅）の像（回路パターン像）
を広範囲に形成するべく、解像度の向上と露光面積の拡
大が計られている。

【０００４】従来の投影露光装置の摸式図を図２８に示
す。図２８中、１９１は遠紫外線露光用の光源であるエ
キシマーレーザ、１９２は照明光学系、１９３は照明光
学系１９２から照射される照明光、１９４はマスク、１
９５はマスク１９４から出て光学系（投影光学系）１９
６に入射する物体側露光光、１９６は縮小型の投影光学
系、１９７は投影光学系１９６から出て基板１９８に入
射する像側露光光、１９８は感光基板であるウエハ、１
９９は感光基板を保持する基板ステージを、示す。

【０００５】エキシマレーザ１９１から出射したレーザ
光は、引き回し光学系（１９０ａ，１９０ｂ）によって
照明光学系１９２に導光され、照明光学系１９２により
所定の光強度分布、配光分布、開き角（関口数ＮＡ）、
投影倍率等を持つ照明光１９３となるように調整され、
マスク１９４を照明する。マスク１９４にはウエハ１９
８上に形成する微細パターンを投影光学系１９６の投影
倍率の逆数倍（例えば２倍や４倍や５倍）した寸法のパ
ターンがクロム等によって石英基板上に形成されてお
り、照明光１９３はマスク１９４の微細パターンによっ
て透過回折され、物体側露光光１９５となる。投影光学
系１９６は、物体側露光光１９５を、マスク１９４の微
細パターンを上記投影倍率で且つ充分小さな収差でウエ
ハ１９８上に結像する像側露光光１９７に変換する。像
側露光光１９７は図２８の下部の拡大図に示されるよう
に、所定の開口数ＮＡ（＝Ｓｉｎ（θ））でウエハ１９
８上に収束し，ウエハ１９８上に微細パターンの像を結
ぶ。基板ステージ１９９は、ウエハ１９８の互いに異な
る複数の領域（ショット領域：１個又は複数のチップと
なる領域）に順次、微細パターンを形成する場合に、投
影光学系の像平面に沿ってステップ移動することにより
ウエハ１９８の投影光学系１９６に対する位置を変えて
いる。

【０００６】現在主流となりつつある上記のエキシマレ
ーザを光源とする投影露光装置は高い投影解像力を有し
ているが、例えば０．１５μｍ以下のパターン像を形成
することが技術的に困難である。

【０００７】投影光学系１９６は、露光（に用いる）波
長に起因する光学的な解像度と焦点深度との間のトレー
ドオフによる解像度の限界がある。投影露光装置による
解像パターンの解像度Ｒと焦点深度ＤＯＦは，次の
（１）式と（２）式の如きレーリーの式によって表され
る。

【０００８】Ｒ＝ｋ₁ （λ／ＮＡ） ‥‥‥（１）ＤＯＦ＝ｋ₂ （λ／ＮＡ² ） ‥‥‥（２）ここで、λは露光波長、ＮＡは投影光学系１９６の明る
さを表す像側の開口数、ｋ₁ ，ｋ₂ はウエハ１９８の現
像プロセス特性等によって決まる定数であり、通常０．
５〜０．７程度の値である。この（１）式と（２）式か
ら、解像度Ｒを小さい値とする高解像度化には開口数Ｎ
Ａを大きくする「高ＮＡ化」がある。しかしながら、実
際の露光では投影光学系１９６の焦点深度ＤＯＦをある
程度以上の値にする必要があるため、高ＮＡ化をある程
度以上に進めることが難しいこと、この為、高解像度化
には結局、露光波長λを小さくする「短波長化」が必要
となることとが分かる。

【０００９】ところが露光波長の短波長化を進めていく
と重大な問題が発生してくる。それは投影光学系１９６
を構成するレンズの硝材がなくなってしまうことであ
る。殆どの硝材の透過率は遠紫外線領域では０に近く、
特別な製造方法を用いて露光装置用（露光波長約２４８
ｎｍ）に製造された硝材として溶融石英が現存するが、
この溶融石英の透過率も波長１９３ｎｍ以下の露光波長
に対しては急激に低下するし、線幅０．１５μｍ以下の
微細パターンに対応する露光波長１５０ｎｍ以下の領域
では実用的な硝材の開発は非常に困難である。また遠紫
外線領域で使用される硝材は、透過率以外にも、耐久
牲，屈折率均一性，光学的歪み，加工性等の複数条件を
満たす必要があり、この事から、実用的な硝材の存在が
危ぶまれている。

【００１０】このように従来の投影露光方法及び投影露
光鼓置では、ウエハ上に線幅０．１５μｍ以下のパター
ンを形成する為には１５０ｎｍ程度以下まで露光波長の
短波長化が必要である。これに対し、現在のところ、こ
の波長領域では実用的な硝材が存在しないので、ウエハ
に線幅０．１５μｍ以下のパターンを形成することがで
きなかった。

【００１１】米国特許第５４１５８３５号公報は２光束
干渉露光によって敏細パターンを形成する技術を開示し
ており、この２光束干渉露光によれば、ウエハに線幅
０．１５μｍ以下のパターンを形成することができる。

【００１２】２光束干渉露光の原理を図２０を用いて説
明する。２光束干渉露光は、レーザ１５１からの可干渉
牲を有し且つ平行光線束であるレーザ光Ｌ１５１をハー
フミラー１５２によってレーザ光Ｌ１５１ａ，Ｌ１５１
ａｂの２光束に分割し、分割した２光束を夫々平面ミラ
ー１５３ａ，１５３ｂによって反射することにより２個
のレーザ光（可干渉性の平行光線束）を０より大きく９
０度末満のある角度を成してウエハ１５４面上で交差さ
せることにより交差部分に干渉縞を形成している。この
干渉縞（の光強度分布）によってウエハ１５４を露光し
て感光させることで干渉縞の光強度分布に応じた微細な
周期パターンをウエハ１５４に形成するものである。

【００１３】２光束Ｌ１５１ａ，Ｌ１５１ｂがウエハ１
５４面の立てた垂線に対して互いに逆方向に同じ角度だ
け傾いた状態でウエハ面で交差する場合、この２光束干
渉露光における解像度Ｒは次の（３）式で表される。

【００１４】Ｒ＝λ／（４ｓｉｎθ）＝λ／４ＮＡ＝０．２５（λ／ＮＡ） ‥‥‥（３）ここで、ＲはＬ＆Ｓ（ライン・アンド・スペース）の夫
々の幅、即ち干渉縞の明部と暗部の夫々の幅を示してい
る。又βは２光束の夫々の像面に対する入射角度（絶対
値）を表し、ＮＡ＝Ｓｉｎθである。

【００１５】通常の投影露光における解像度の式である
（ｌ）式と２光束干渉露光における解像度の式である
（３）式とを比較すると、２光束干渉露光の解像度Ｒは
（１）式においてｋ₁ ＝０．２５とした場合に相当する
から、２光束干渉露光ではｋ₁＝０．５〜０．７である
通常の投影露光の解像度より２倍以上の解像度を得るこ
とが可能である。

【００１６】上記米国特許には開示されていないが、例
えばλ＝０．２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマ）でＮＡ＝
０．６の時は、Ｒ＝０．１０μｍが得られる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】露光装置に用いられる
最近の投影レンズは設計技術もすすみ、設計値ではほと
んど収差がゼロに近いが、製作時の誤差によっておこる
ランダムな収差が残存する。この製作時の収差は、空中
像から波面収差を測定し、波面各点の収差の詳細な量が
分かっている。

【００１８】収差の影響は、例えば球面収差があると像
がぼけるため線幅が広がったり、デフォーカスのプラス
とマイナスで線幅が違ってくる。またコマ収差がある
と、パターンの左側と右側の線幅が違うなどの悪影響が
ある。

【００１９】特に投影光学系は製作誤差より、光軸に対
して回転非対称な収差の発生により、光軸に対して直交
する面内において方向によって投影解像力にバラツキが
生じてくる。

【００２０】又、投影レンズの波面収差は中心部より周
辺部の方が収差が大きいため、パターンが微細化してく
ると収差の影響が大きくでる。そのため、微細パターン
の線幅はマスクの設計値通りにならず、線幅再現性が非
常に悪いものとなっている。

【００２１】又前述した２光束干渉露光は、基本的に干
渉縞の光強度分（露光量分布）に相当する単純な縞パタ
ーンしか得られないので、所望の形状の回路パターンを
ウエハに形成することが難しい。

【００２２】そこで上記米国特許第５４１５８３５号公
報は、２光束干渉露光によって単純な縞パターン（周期
パターン）即ち２値的な露光量分布をウエハ（のレジス
ト）に与えた後、露光装置の分解能の範囲内の大きさの
ある開口が形成されたマスクを用いて通常リソグラフィ
ー（露光）を行なって更に別の２値的な露光量分布をウ
エハに与えることにより、孤立の線（パターン）を得る
ことを提案している。

【００２３】しかしながら上記米国特許第５４１５８３
５号公報の露光方法は、２光束干渉露光と通常露光の２
つの露光法の夫々において通常の２値的な露光量分布し
か形成していないので、より複雑な形状の回路パターン
を得ることが難しい。

【００２４】また、上記米国特許第５４１５８３５号公
報は２光束干渉露光と通常露光の２つの露光法を組み合
わせることは開示しているが、このような組み合せを達
成する露光装置を具体的に示してはいない。

【００２５】この為マスク面上のパターンを投影光学系
によりウエハ面上に投影露光するとき、投影光学系の最
も解像力の良い方向（解像力方向）が微細パターンの形
成方向と合っていないと良好なる解像度が得られない。

【００２６】特に２光束干渉露光と通常露光で多重露光
する露光方法においては解像力の良い方向に微細パター
ンの形成方向が一致していないと良好なるパターン像が
得られない。

【００２７】本発明は、投影光学系の解像力方向とマス
クの微細パターンの方向とを適切に設定することによ
り、高い解像力が容易に得られる露光方法及び露光装置
の提供を目的とする。

【００２８】この他本発明は、２光束干渉露光に代表さ
れる周期パターン露光と周期パターンを含まない通常パ
ターン露光（通常露光）の２つの露光方法を用いること
により、複雑な形状の回路パターンをウエハに形成する
ことが可能な露光方法及び露光装置の提供を目的とす
る。

【００２９】また本発明の他の目的は線幅０．１５μｍ
以下の部分を備える回路パターンを容易に得ることが可
能な露光方法及び露光装置の提供にある。

【００３０】また本発明の他の目的は周期パターン露光
と通常露光の２つの露光法が実施できる露光装置を提供
することにある。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明の露光方法は、 (1-1) 第１物体面上のパターンを投影光学系により第２
物体面上に投影露光する投影方法において、該投影光学
系の解像力が最も良くなる方向と、該第１物体面上の微
細パターンの回折光の出射方向とが一致するようにして
いることを特徴としている。

【００３２】特に、 (1-1-1) 前記投影光学系の複数の像高において解像力が
最も良くなる方向を計測しておき、前記第１物体面上の
微細パターンの位置するパターン像高と同じ高さでの投
影光学系の像高における解像力が最も良い方向とを一致
させていることを特徴としている。

【００３３】(1-2) 互いに異なったパターンを有する複
数の第１物体を用いて投影光学系で第２物体上の同一領
域を異なったパターンで多重露光する露光方法におい
て、該投影光学系の解像力が最も良くなる方向と、該第
１物体面上の微細パターンの回折光の出射方向とが一致
するようにしていることを特徴としている。

【００３４】特に、 (1-2-1) 前記投影光学系の解像力が最も良くなる方向を
複数の像高において計測しておき、前記第１物体面上の
微細パターンの位置するパターン像高と同じ高さでの投
影光学系の像高における解像力が最も良い方向とを一致
させていることを特徴としている。

【００３５】この他構成(1-1) 又は(1-2) において、 (1-2-2)前記投影レンズの解像力が最も良い方向は測定
した波面収差のｒｍｓ（ｒｏｏｔｍｅａｎｓｑｕａｒ
ｅ）が最も小さくなる方向であること。

【００３６】(1-2-3) 前記第１物体面のパターンの最も
微細なパターンの回折光の出射方向は、最も微細なパタ
ーンの長手方向に直角な方向とすること。

【００３７】(1-2-4)前記像高と測定されたこの像高で
の収差量、あるいはＺｅｒｎｉｋｅ展開された係数を露
光装置のコントロール部に記憶しておき、各方向の収差
量のｒｍｓを計算すること。

【００３８】(1-2-5)あらかじめ計算されたｒｍｓが最
も最小になる方向を露光装置のコントロール部に記憶し
ておき、この記憶から読み込むこと。

【００３９】(1-2-6)収差が最も小さくなる方向を露光
時に入力すること。

【００４０】(1-2-7)前記第１物体の微細パターンのあ
る部分の像高と、微細パターンの回折光の出射方向を第
１物体のバーコードに書き込むこと。

【００４１】(1-2-8)第１物体のアライメント時に第１
物体のバーコードを読み取ること。

【００４２】(1-2-9) 第１物体のパターンの最も微細な
パターンの回折光の出射方向を露光時に入力すること。

【００４３】(1-2-10) 前記投影レンズをある一方向だ
けが収差が小さくなるように調整して製作し、その方向
を基準方向としておくこと。

【００４４】(1-2-11) 一方向の収差を補正できる収差
補正系を回転できるようにして、微細パターンの回折光
の出射方向を収差補正すること。

【００４５】(1-2-12)前記投影レンズの収差量のｒｍｓ
が最も最小になる方向に直角にスキャンして露光してい
ること。等を特徴としている。

【００４６】本発明の露光装置は、 (2-1) 構成(1-1) 又は(1-2) の露光方法を用いて感光性
の基板にマスク上のパターンを転写していることを特徴
としている。

【００４７】本発明のデバイスの製造方法は、 (3-1) 構成(1-1) 又は(1-2) の露光方法を用いてマスク
面上のパターンをウエハ面上に露光した後、該ウエハを
現像処理工程を介してデバイスを製造していることを特
徴としている。

【００４８】(3-2) 構成(2-1) の露光装置を用いてマス
ク面上のパターンをウエハ面上に露光した後、該ウエハ
を現像処理工程を介してデバイスを製造していることを
特徴としている。

【００４９】尚、本発明において「多重露光」とは「感
光基板上の同一領域を互いに異なる光パターンで途中に
現像処理工程を介さずに露光すること」を言う。

【００５０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の２光束干渉用露光
と通常の投影露光の双方が行える高解像度の露光装置を
示す概略図である。

【００５１】本実施形態は解像限界付近の微細なパター
ンの線幅再現性を向上するために、マスクパターンの最
も微細なパターンに直角な方向を投影レンズの収差が最
も小さくなる方向に合わせて露光するようにマスクとウ
エハを同一方向に同量、投影レンズに対して相対的に回
転できるようにする。

【００５２】あるいは１方向の収差を補正できる収差補
正系を回転できるようにして、マスクパターンの最も微
細なパターンに直角な方向に平行にして収差補正を行う
ことを特徴としている。

【００５３】図１において、２２１はＫｒＦ又はＡｒＦ
エキシマレーザー、２２２は照明光学系、２２３はマス
ク（レチクル）、２２４はマスクステージ、２２７はマ
スク２２３の回路パターンをウエハ２２８上に縮小投影
する投影光学系で２３１の補正光学系が含まれる。２３
１は１方向のみの収差補正系であり、任意の回転が可能
である。２２５はマスク（レチクル）チェンジャであ
り、ステージ２２４に、通常のレチクルと前述したレベ
ンソン位相シフトマスク（レチクル）又はエッジシフタ
型のマスク（レチクル）又は位相シフタを有していない
周期パターンマスク（レチクル）の一方を選択的に供給
する為に設けてある。

【００５４】また、マスクステージは微細パターンの方
向と周期パターンの方向と平行にする為に、予めマスク
にバーコード等に描かれてある情報をもとにマスクを回
転させる機能を持たせてある。

【００５５】図１の２２９は２光束干渉露光と投影露光
で共用される１つのＸＹＺステージであり、このステー
ジ２２９は、光学系２２７の光軸に直交する平面及びこ
の光軸方向に移動可能で、レーザー干渉計等を用いてそ
のＸＹ方向の位置が正確に制御される。２２４，２２９
は記憶された或いは入力された投影レンズの収差が最も
小さくなる方向の情報とマスクの微細パターンの回折光
の出射方向の情報により相対的に回転がなされる。

【００５６】また、図１の装置は、不図示のレチクル位
置合わせ光学系、ウエハ位置合わせ光学系（オフアクシ
ス位置合わせ光学系とＴＴＬ位置合わせ光学系とＴＴＲ
位置合わせ光学系）とを備える。

【００５７】図１の露光装置の照明光学系２２２は部分
的コヒーレント照明とコヒーレント照明とを切換え可能
に構成してあり、コヒーレント照明の場合には、ブロッ
ク２３０内の図示した前述した（１ａ）又は（１ｂ）の
照明光を、前述したレベンソン型位相シフトレチクル又
はエッジシフタ型レチクル又は位相シフタを有していな
い周期パターンレチクルの１つに供給し、部分的コヒー
レント照明の場合にはブロック２３０内に図示した（２
ａ）の照明光を所望のレチクルに供給する。部分的コヒ
ーレント照明からコヒーレント照明とを切換えは、通常
光学系２２２のフライアイレンズの直後に置かれる開口
絞りを、この絞りに比して開口径が十分に小さいコヒー
レント照明用絞りと交換すればいい。

【００５８】次に本実施形態の特徴について説明する。
本実施形態ではまず露光装置全体を組み立てて、この時
の状態を基準状態としている。そして、この基準状態の
位置でマスク（第１物体）面上のパターンをウエハ（第
２物体）面上に投影光学系（投影レンズ）２２７を基準
状態の位置より光軸を回転中心として段階的に何度か回
動しながら順次投影露光する。

【００５９】又は画面全体にわたり解像力チャート（パ
ターン）が配置されているマスクをウエハ面上に投影露
光する。そしてウエハ面上に投影されたパターン像を測
定して投影光学系の画面上で最も解像力の良い方向（収
差が最も補正された方向）を検出する。

【００６０】このとき、投影光学系の各像高における最
も解像力の良い方向も同時に検出しておく、あるいはあ
らかじめ波面収差測定機により空中像から直接波面収差
を測定しておく。以下、この方向「解像力方向」ともい
う。

【００６１】図２は投影レンズの基準方向ＳＤに対して
反時計方向に角度θ回転した方向が測定により求めた最
も解像力の良い方向（ｘａ方向）であることを示してい
る。

【００６２】このＸａ方向は投影レンズの基準方向ＳＤ
からの各方向での解像力（収差量）のｒｍｓ（ｒｏｏｔ
ｍｅａｎｓｑｕａｒｅ）を計算し、ｒｍｓが最も小さ
い方向として求めている。

【００６３】次に図３に示すようにマスク（第１物体）
Ｍ面上の微細パターン（最も線幅の小さいパターン）Ｍ
Ｐから生じる回折光の出射方向ＤＰとＸａ方向とが一致
するようにマスクＭを基準方向ＳＤより角度θ′だけ反
時計方向に回動させる。

【００６４】図４は投影レンズのＸａ方向とマスクのＤ
Ｐ方向とを一致させた状態を示している。

【００６５】次に図５に示すようにウエハ（第２物体）
Ｗを基準位置ＳＤより角度θ−θ′だけ反時計方向に回
動させる。これによってマスクのＸａ方向とウエハの焼
き付け方向Ｘｂとを一致させている。

【００６６】以上により投影レンズの解像力方向にマス
クを角度θ′回動させて、マスク面上の微細パターンか
らの回折光出射方向を一致させ、更にウエハも角度θ′
回動させて投影露光準備を完了している。

【００６７】次にステップアンドリピート方式における
投影露光やステップアンドスキャン方式（スキャナー）
における投影走査露光、そして後述する多重露光等を行
っている。

【００６８】特にスキャナーに対しては投影レンズの収
差量のｒｍｓが最も最小になる方向に直角にスキャンす
るようにするのが良い。

【００６９】本実施形態では、このような操作を行うこ
とにより、マスク面上のパターンをウエハ面上に高い解
像力で投影露光ができるようにしている。

【００７０】尚、本実施形態において投影光学系の解像
力方向を各像高毎に求めておいて、マスク（第１物体）
面上の微細パターンが位置している像高と対応させて、
投影光学系の解像力方向とマスクのＤＰ方向とを一致さ
せるのが良い。

【００７１】この他、像高と測定されたこの像高での波
面各点での収差量、あるいはＺｅｒｎｉｋｅ展開された
係数を露光装置のコントロール部に記憶しておき、収差
量のｒｍｓを計算してもいいし、あるいは像高とこの像
高でのｒｍｓが最も最小になる方向をあらかじめ計算し
て露光装置のコントロール部に記憶しておき、この記憶
から読み込むようにしても良い。又は露光時に入力して
も良い。これによれば、より高解像度のパターン像が容
易に得られる。

【００７２】本実施形態においては投影光学系の光路中
に収差補正系を回転可能に設けて、該収差補正系を回動
させてあらかじめわかっている収差を補正してこの方向
にマスクのＤＰ方向１及びウエハの焼き付け方向とを一
致させるようにしても良い。

【００７３】又マスクの微細パターンの回折方向の出射
方向は、微細パターンのある部分の像高と微細パターン
の回折光の出射方向をマスクのバーコードに書き込み、
マスクアライメント時にマスクのバーコードを読み取
り、マスクとウエハを同一方向に同量回転する。また
は、露光時に入力しても良い。

【００７４】又投影レンズをある一方向だけが収差が小
さくなるように調整して製作し、その方向を基準方向と
してマスクとウエハを同一方向に同量回転するようにし
ても良い。

【００７５】本実施形態はマスク面上のパターンをウエ
ハ面上に１回露光する露光装置に適用できる他に多重露
光においても同様に適用することができる。

【００７６】次に前述したように投影光学系とマスクそ
して、ウエハとを調整してウエハ面上の同一領域に異な
ったパターンを複数、投影露光する多重露光について説
明する。

【００７７】本発明の露光方法及び露光装置における２
重露光における前記第１露光と前記第２露光の露光波長
は、第２露光が投影露光の場合、双方とも４００ｎｍ以
下であり、好ましくは２５０ｎｍ以下である。２５０ｎ
ｍ以下の露光波長の光を得るにはＫｒＦエキシマレーザ
（約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（約１９３ｎ
ｍ）を用いる。

【００７８】尚、本発明において「投影露光」というの
は、マスクに形成された任意のパターンからの３個以上
の平行光線束が互いに異なる様々な角度で像面に入射し
て露光が行なわれるものである。

【００７９】本発明の露光装置はマスクのパターンをウ
エハに投影する投影光学系と、部分的コヒーレント照明
とコヒーレント照明の双方の照明が可能なマスク照明光
学系とを有し、部分的コヒーレント照明によって通常の
露光を行い、コヒーレント照明によって２光束干渉露光
を行うことにより、周期パターン露光を特徴とする。
「部分的コヒーレント照明」とはσ＝（照明光学系の開
口数／投影光学系の開口数）の値がゼロより大きく１よ
り小さい照明であり、「コヒーレント照明」とは、σの
値がゼロまたはそれに近い値であり、部分的コヒーレン
ト照明のσに比べて相当小さい値である。

【００８０】周期パターン露光でのコヒーレント照明で
はσを０．３以下にする。通常露光を行う際の部分的コ
ヒーレント照明はσを０．６以上にする。σ＝０．８が
望ましい。さらに照度分布が外側に比べて内側が低い輪
帯照明にすると、なお効果的である。

【００８１】この露光装置の露光波長は、４００ｎｍ以
下であり、好ましくは２５０ｎｍ以下である。２５０ｎ
ｍ以下の露光波長の光を得るにはＫｒＦエキシマレーザ
（約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（約１９３ｎ
ｍ）を用いる。

【００８２】本発明の実施形態においては、マスク照明
光学系として部分的コヒーレント照明とコヒーレント照
明とが切換え可能な光学系を開示している。

【００８３】本発明の露光装置は２光束干渉露光装置と
通常（投影）露光装置を両装置で共用される被露光基板
（感光基板）を保持する移動ステージとを有している。

【００８４】この露光装置の露光波長も、４００ｎｍ以
下であり、好ましくは２５０ｎｍ以下である。２５０ｎ
ｍ以下の露光波長の光を得るにはＫｒＦエキシマレーザ
（約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（約１９３ｎ
ｍ）を用いている。

【００８５】以上説明した露光方法及び露光装置を用い
てＩＣ，ＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル等の表示
素子、磁気ヘッド等の検出素子、ＣＣＤ等の撮像素子と
いった各種デバイスの製造が可能である。

【００８６】本発明は以上説明した実施形態に限定され
るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲におい
て種々に変更することが可能である。特に２光束干渉露
光及び通常露光の各ステップでの露光回数や露光量の段
数は適宜選択することが可能であり、更に露光の重ね合
わせもずらして行なう等適宜調整することが可能であ
る。このような調整を行うことで形成可能な回路パター
ンにバリエーションが増える。

【００８７】図６〜図１４は本発明の多重露光方法（以
下単に「露光方法」ともいう。）の実施形態１の説明図
である。図６は本発明の露光方法を示すフローチャート
である。図６には本発明の露光方法を構成する周期パタ
ーン露光ステップ、投影露光ステップ（通常パターン露
光ステップ）、現像ステップの各ブロックとその流れが
示してある。同図において周期パターン露光ステップと
投影露光ステップの順序は、逆でもいいし、どちらか一
方のステップが複数回の露光段階を含む場合は各ステッ
プを交互に行うことも可能である。また、各露光ステッ
プ間には．精密な位置合わせを行なうステップ等がある
が、ここでは図示を略した。

【００８８】本発明の露光方法及び露光装置は、被露光
基板（感光基板）に対して周期パターン露光と通常の露
光の二重露光を行うことを特徴としている。

【００８９】ここで通常パターン露光とは周期パターン
露光より解像度が低いが任意のパターンで露光が行える
露光であり、代表的なものとして投影光学系によってマ
スクのパターンを投影する投影露光があげられる。

【００９０】通常パターン露光によって露光されるパタ
ーン（通常パターン）は解像度以下の微細なパターンを
含み、周期パターン露光はこの微細なパターンと略同線
幅の周期パターンを形成するようにする。通常パターン
露光の解像度以上の大きなパターンは、周期パターン露
光の線幅に限定されないが整数倍が効果的である。

【００９１】通常パターン露光は任意の形状をしている
のでいろいろな方向を向いていてもよい。一般にＩＣパ
ターンでは、方向がある方向とそれに直行する方向の２
方向を向いている場合が多く、最も微細なパターンはあ
る特定の１方向のみに限定される場合が多い。

【００９２】二重露光で周期パターン露光をする際、そ
の通常パターンの最も微細なパターンの方向に、周期パ
ターンの方向を合致させることが重要である。

【００９３】また、周期パターンのピークの中心は、通
常パターンにおける解像度以下の微細なパターンの中心
に合致するように露光する。

【００９４】本発明における二重露光とは周期パターン
露光と通常パターン露光の二重露光という意味であっ
て、周期パターン露光は、通常パターン露光の最も微細
なパターンの方向に平行にして何回繰り返して露光して
も良い。

【００９５】本発明の露光方法及び露光装置の周期パタ
ーン露光と通常パターン露光のそれぞれは、１回また
は、複数回の露光段階よりなり、複数回の露光段階を取
る場合は、各露光階ごとに異なる露光量分布を感光基板
に与えている。

【００９６】図６のフローに従って露光を行なう場合、
まず周期パターンによりウエハ（感光基板）を図７に示
すような周期パターンで露光する。図７中の数字は露光
量を表しており、図７（Ａ）の斜線部は露光量１（実際
は任意）で白色部は露光量０である。

【００９７】このような周期パターンのみを露光後現像
する場合、通常，感光基板のレジストの露光しきい値Ｅ
ｔｈは図７（Ｂ）の下部のグラフに示す通り露光量０と
１の間に設定する。尚、図７（Ｂ）の上部は最終的に得
られるリソグラフィーパターン（凹凸パターン）を示し
ている。

【００９８】図８に、この場合の感光基板のレジストに
関して、現像後の膜厚の露光量依存性と露光しきい値と
をポジ型レジスト（以下、「ポジ型」と記す。）とネガ
型レジスト（以下、「ネガ型」配す。）の各々について
示す。ポジ型の場合は露光しきい値Ｅｔｈ以上の場合
に、ネガ型の場合は露光しきい値Ｅｔｈ以下の場合に、
現像後の膜厚が０となる。

【００９９】図９はこのような露光を行った場合の現像
とエッチングプロセスを経てリソグラフィーパターンが
形成される様子を、ネガ型とポジ型の場合に関して示し
た摸式図である。

【０１００】本実施形態においては、この通常の露光感
度設定とは異なり、図１０（図７（Ａ）と同じ）及び図
１１に示す通り、周期パターン露光での中心露光量を１
としたとき、露光基板のレジストの露光しきい値Ｅｔｈ
を１よりも大きく設定している。この感光基板は図７に
示す下地パターン露光のみ行った露光パターン（露光量
分布）を現像した場合は露光量が不足するので、多少の
膜厚変動はあるものの現像によって膜厚が０となる部分
は生じず、エッチングによってリソグラフィーパターン
は形成されない。これは即ち周期パターンの消失と見做
すことができる（尚、ここではネガ型を用いた場合の例
を用いて本発明の説明を行うが、本発明はポジ型の場合
も実施できる。）。

【０１０１】尚、図１１において、上部はリソグラフィ
ーパターンを示し（何もできない）、下部のグラフは露
光量分布と露光しきい値の関係を示す。尚、下部に記載
のＥ₁ は周期パターン露光における露光量を、Ｅ₂ は通
常の投影露光における露光量を表している。

【０１０２】本実施形態の特徴は、周期パターン露光の
みでは一見消失する高解像度の露光パターンを通常の投
影露光による露光装置の分解能以下の大きさのパターン
を含む任意の形状の露光パターンと融合して所望の領域
のみ選択的にレジストの露光しきい値以上の露光をし、
最終的に所望のリソグラフィーパターンを形成できると
ころにある。

【０１０３】図１２（Ａ）は通常の投影露光（通常パタ
ーン露光）による露光パターンであり、微細なパターン
である為、解像できずに被露光物体上での強度分布はぼ
けて広がっている。本実施形態では通常の投影露光の解
像度の約半分の紙幅の微細パターンとしている。

【０１０４】図１２（Ａ）の露光パターンを作る投影露
光を、図１０の周期パターン露光の後に、現像工程なし
で、同一レジストの同一領域に重ねて行ったとすると、
このレジスト面上への合計の露光量分布は図１２（Ｂ）
の下部のグラフのようになる。尚、ここでは周期パター
ン露光の露光量Ｅ₁ と投影露光の露光量Ｅ₂ の比が１：
１、レジストの露光しきい値Ｅｔｈが露光量Ｅ₁ （＝
１）と露光量Ｅ₁ と投影露光の露光量Ｅ₂ の和（＝２）
の間に設定されている為、図１２（Ｂ）の上部に示した
リソグラフィーパターンが形成される。

【０１０５】その際、通常パターンの中心が周期パター
ンのピークと合致させておく。又、通常パターンの方向
と周期パターンの方向とを合致させている。

【０１０６】図１２（Ｂ）の上部に示す孤立線パターン
は、解像度が周期パターン露光のものであり且つ単純な
周期パターンもない。従って通常の投影露光で実現でき
る解像度以上の高解像度のパターンが得られたことにな
る。

【０１０７】ここで仮に、図１３の露光パターンを作る
投影露光（図１０の露光パターンの２倍の線幅で露光し
きい値以上（ここではしきい値の２倍の露光量）の投影
露光）を、図１０の周期パターン露光の後に、現像工程
なしで、同一レジストの同一領域に重ねる。この際、通
常パターンの中心が周期パターン露光のピーク位置と合
致させることで重ね合わせたパターンの対称性が良く、
良好なるパターン像が得られる。

【０１０８】このレジストの合計の露光量分布は図１３
（Ｂ）のようになり、２光束干渉露光（周期パターン露
光）の露光パターンは消失して最終的に投影露光による
リソグラフィーパターンのみが形成される。

【０１０９】また、図１４に示すように、図１０の露光
パターンの３倍の線幅で行う場合も理屈は同様であり、
４倍以上の線幅の露光パターンでは、基本的に２倍の線
幅の露光パターンと３倍の線幅の露光パターンの組み合
わせから、最終的に得られるリソグラフィーパターンの
線幅は自明でであり、投影露光で実現できるリソグラフ
ィーパターンは全て、本実施形態でも、形成可能であ
る。

【０１１０】以上簡潔に説明した周期パターン露光と投
影露光の夫々による露光量分布（絶対値及び分布）と感
光基板のレジストのしきい値の調整を行うことにより、
図１１，図１２（Ｂ），図１３（Ｂ），及び図１４
（Ｂ）で示したような多種のパターンの組み合わせより
成り且つ最小線幅が周期パターン露光の解像度（図１２
（Ｂ）のパターンとなる回路パターンを形成することが
できる。

【０１１１】以上の露光方法の原理をまとめると、 (ア-1) 投影露光（通常パターン露光）をしないパターン
領域即ちレジストの露光しきい値以下の周期露光パター
ンは現像により消失する。

【０１１２】(ア-2) レジストの露光しきい値以下の露光
量で行った投影露光のパターン領域に関しては投影露光
と周期パターン露光のパターンの組み合わせにより決ま
る周期パターン露光の解像度を持つ露光パターンが形成
される。

【０１１３】(ア-3) 露光しきい値以上の露光量で行った
投影露光のパターン領域は投影露光のみでは解像しなか
った微細パターンも同様に（マスクに対応する）形成す
る。ということになる。更に露光方法の利点として、最
も解像力の高い周期パターン露光を２光束干渉露光で行
えば、通常の露光に比してはるかに大きい焦点深度が得
られることが挙げられる。

【０１１４】以上の説明では周期パターン露光と投影露
光の順番は周期パターン露光を先としたが、この順番に
限定されない。

【０１１５】次に本発明の実施形態２を説明する。

【０１１６】本実施形態は露光により得られる回路パタ
ーン（リソグラフィーパターン）として、図１５に示す
所謂ゲート型のパターンを対象としている。

【０１１７】図１５のゲートパターンは横方向の即ち図
中Ａ−Ａ’方向の最小線幅が０．１μｍであるのに対し
て、縦方向では０．２μｍ以上である。本発明によれ
ば、このような１次元方向のみ高解像度を求められる２
次元パターンに対しては２光束干渉露光（周期パターン
露光）をかかる高解像度の必要な１次元方向のみで行え
ばいい。

【０１１８】本実施形態では、図１６を用いて１次元方
向のみの２光束干渉露光と通常の投影露光の組み合わせ
の一例を示す。

【０１１９】図１６において、図１６（Ａ）は１次元方
向のみの２光束干渉露光による周期的な露光パターンを
示す。この露光パターンの周期は０．２μｍであり、こ
の露光パターンは線幅０．１μｍＬ＆Ｓパターンに相当
する。図１６の下部における数値は露光量を表すもので
ある。

【０１２０】このような２光束干渉露光を実現する露光
装置としては、図２０で示すような、レーザ１５１，ハ
ーフミラー１５２，平面ミラー１５３による干渉計型の
分波合波光学系を備えるものや、図２１で示すような、
投影露光装置においてマスクと照明方法を図２２又は図
２３のように構成した装置がある。

【０１２１】図２０の露光装置について説明を行う。

【０１２２】図２０の露光装置では前述した通り合波す
る２光束の夫々が角度θでウエハ１５４に斜入射し、ウ
エハ１５４に形成できる干渉縞パターン（露光パター
ン）の線幅は前記（３）式で表される。角度θと分波合
波光学系の像面側のＮＡとの関係はＮＡ＝ｓｉｎθであ
る。角度θは一対の平面ミラー１５３（１５３ａ，１５
３ｂ）の夫々の角度を変えることにより任意に調整、設
定可能で、一対の平面ミラーで角度θの値を大きく設定
すれば干渉縞パターンの夫々の縞の線幅は小さくなる。
例えば２光束の波長が２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマ）の
場合、θ＝３８度でも各縞の線幅は約０．１μｍの干渉
縞パターンが形成できる。尚、この時のＮＡ＝ｓｉｎθ
＝０．６２である。角度θを３８度よりも大きく設定す
れば、より高い解像度が得られるということは言うまで
もない。

【０１２３】次に図２１乃至図２３の露光装置に関して
説明する。

【０１２４】図２１の露光装置は、例えば通常のステッ
プアンドリピート方式又はステップアンドスキャン方式
の縮小投影光学系（多数枚のレンズより成る）を用いた
投影露光装置であり、現状で露光波長２４８ｎｍに対し
てＮＡ０．６以上のものが存在する。

【０１２５】図２１中、１６１はマスク、１６２はマス
ク１６１から出て光学系１６３に入射する物体側露光
光、１６３は投影光学系、１６４は開口絞り、１６５は
投影光学系１６３から出てウエハ１６６に入射する像側
露光光、１６６は感光基板であるウエハを示し、１６７
は絞り１６４の円形開口に相当する瞳面での光束の位置
を一対の黒点で示した説明図である。

【０１２６】図２１は２光束干渉露光を行っている状態
の摸式図であり、物体側露光光１６２と像側露光光１６
５は双方とも、通常の投影露光とは異なり、２つの平行
光線束だけから成っている。

【０１２７】図２１に示すような通常の投影露光装置に
おいて２光束干渉露光（周期パターン露光）を行う為に
は、マスク１６１とその照明方法を図２２又は図２３の
ように設定すれば良い。以下これら３種の例について説
明する。

【０１２８】図２２（Ａ）はレベンソン型の位相シフト
マスク１７３を示しており、クロムより成る遮光部１７
１のピッチＰＯが（４）式で０、位相シフタ１７２のピ
ッチＰＯＳが（５）式で表されるマスクである。

【０１２９】Ｐ₀ ＝ＭＰ＝２ＭＲ＝Ｍλ／（２ＮＡ） ‥‥‥（４）Ｐ_OS＝２Ｐ₀ ＝Ｍλ／（ＮＡ） ‥‥‥（５）ここで、Ｍは投影光学系１６３の投影倍率、λは露光波
長、ＮＡは投影光学系１６３の像側の開口数を示す。

【０１３０】一方、図２２（Ｂ）が示すマスク１７４は
クロムより成る遮光部のないシフタエッジ型の位相シフ
トマスクであり、レベンソン型と同様に位相シフタ１７
５のピッチＰＯＳを上記（５）式を満たすように構成し
たものである。

【０１３１】図２２（Ａ），（Ｂ）の夫々の位相シフト
マスクを用いて２光束干渉露光を行うには、これらのマ
スクをσ＝０（又は０に近い値）所謂コヒーレント照明
を行う。具体的には図２２に示すようにマスク面１７０
に対して垂直な方向（光軸に平行な方向）から平行光線
束をマスク１７０に照射する。

【０１３２】ここで、σ＝照明光学系の開口数／投影光
学系の開口数である。

【０１３３】このような照明を行うと、マスク１７０か
ら上記垂直な方向に出る０次透過回折光に関しては、位
相シフタ１７２（１７５）により隣り合う透過光の位相
差がπとなって打ち消し合い存在しなくなり、±１次の
透過回折光の２平行光線束はマスク１７０から投影光学
系１６３の光軸に対して対称に発生し、図１６の２個の
物体側露光１６５がウエハ１６６上で干渉する。また２
次以上の高次の回折光は投影光学系１６３の開口絞り１
６４の開口に入射しないので結像には寄与しない。

【０１３４】図２３に示したマスク１８０は、クロムよ
り成る遮光部１８１のピッチＰＯが（４）式と同様の
（６）式で表されるマスクである。

【０１３５】Ｐ₀ ＝ＭＰ＝２ＭＲ＝Ｍλ／（２ＮＡ） ‥‥‥（６）ここで、Ｍは投影光学系１６３の投影倍率、λは露光波
長、ＮＡは投影光学系１６３の像側の開口数を示す。

【０１３６】図２３の位相シフタを有していないマスク
には、１個又は２個の平行光線束による斜入射照明とす
る。この場合の平行光線束のマスク１８０への入射角θ
₀ は（７）式を満たすように設定される。２個の平行光
線束を用いる場合が、光軸を基準にして互いに逆方向に
θ₀ 傾いた平行光線束によりマスクを照明する。

【０１３７】ｓｉｎθ₀ ＝Ｍ／ＮＡ ‥‥‥（７）ここでも、Ｍは投影光学系１６３の投影倍率、ＮＡは投
影光学系１６３の像側の開口数を示す。

【０１３８】図２３が示す位相シフタを有していないマ
スクを上記（７）式を満たす平行光線束により斜入射照
明を行うと、マスク１８０からは、光軸に対して角度θ
₀ で直進する０次透過回折光とこの０次透過回折光の光
路と投影光学系の光軸に関して対称な光路に沿って進む
（光軸に対して角度−θ₀ で進む）−１次透過回折光の
２光束が図１６の２個の物体側露光光１６２として生
じ、この２光束が投影光学系１６３の開口絞り１６４の
開口部に入射し、結像が行われる。

【０１３９】尚、本発明においてはこのような１個又は
２個の平行光線束による斜入射照明も「コヒーレント照
明」として取り扱う。

【０１４０】以上が通常の投影露光装置を用いて２光束
干渉露光を行う技術であり、通常の投影露光装置の照明
光学系は部分的コヒーレント照明を行うように構成して
あるので、照明光学系の０＜σ＜１に対応する不図示の
開口絞りをσ≒０に対応する特殊開口絞りに交換可能に
する等して、投影露光装置において実質的にコヒーレン
ト照明を行うよう構成することができる。

【０１４１】図１５及び図１６が示す実施形態２の説明
に戻る。本実施形態では前述した２光束干渉露光（周期
パターン露光）の次に行う通常の投影露光（通常パター
ン露光）（例えばマスクに対して部分的コヒーレント照
明を行うもの）によって図１６（Ｂ）が示すゲートパタ
ーンの露光を行う。

【０１４２】図１６（Ｃ）の上部には２光束干渉露光に
よる露光パターンとの相対的位置関係と通常の投影露光
の露光パターンの領域での露光量を示し、同図の下部
は、通常の投影露光によるウエハのレジストに対する露
光量を縦横を最小線幅のピッチの分解能でマップ化した
ものである。

【０１４３】図１６の下部に示す露光量分布は、マスク
から入射される光強度を１としてウエハに露光される強
度分布を示したものである。

【０１４４】図１６（Ａ）の周期パターンの露光による
露光量分布は、理想的には１と０の矩形波であるはずだ
が、２光束干渉露光の解像限界付近の線幅を用いている
ので、０次光と１次光のみで形成されるsin 波となって
いる。そのsin 波の最大値をIo、最小値をI₁とあらわ
す。このとき、照明条件のσによって、I₀とI₁の値が定
まる。

【０１４５】図１６(B) の通常の投影露光による露光量
分布は、各部分での代表的な値を示している。この投影
露光による露光パターンの最小線幅の部分は、解像せず
ぼけて広がり、光強度の各店の値は下がる。露光量は、
大まかにパターン中心部をｂ，両サイドをｄ，両側から
のぼけ像がくる中心部をｃとする。最小線幅の２倍の線
幅は、b,c,d の値よりも大きいが、投影露光の解像限界
付近の線幅であるため、少しぼけてa の値をとる。これ
ら、a,b,c,d の値は、照明条件によって変化する。

【０１４６】図１６(C) の露光量分布は、図１６(A) の
露光パターンと図１６(B) の露光パターンの露光量の加
算した結果生じたものである。

【０１４７】２光束干渉露光と投影露光の各露光での光
量比は、それぞれの露光の照明条件により異なる。加算
における各露光での光量比は、照明系の照度比として、２光束干渉露光：投影露光＝１：ｋとし、ｋの値は次のようにして求める。

【０１４８】図１６(C) の露光量分布は、上記の露光量
分布、光量比を用いて、以下の式で表せる。

【０１４９】a' = k×a + I₀ a" = k×a + I₁ b' = k ×b + I₀ c' = k×c+ I₁ d' = k×d + I₁ 所望のゲートパターンを得るためには、レジストの感光
のしきい値Icとの関係式を得る。たとえば、レジストが
ネガ型の場合、以下のようになる。

【０１５０】a' ＞I_C a" ＞I_C b' ＞I_C c' ＜I_C d' ＜I_C a',a",b'は差が小さい方が望ましく、c'と特にb'との差
がある方が望ましい。

【０１５１】これらの式を解くことにより、各照明条件
での最適光量比が求められる。特に微細パターンの関係
する以下の２式は重要である。レジストがネガ型の場合、ｋ×ｂ＋I₀＞I_C ｋ×ｃ＋I₁＜I_C レジストがポジ型の場合、ｋ×ｂ＋I₁＜I_C ｋ×ｃ＋I₀＞I_C レジストがポジ型の場合、露光量分布の大小関係が反転
し、レジストしきい値Icとの不等号が逆になるが、同様
に最適光量比が求められる。

【０１５２】以上説明した２光束干渉露光と通常の投影
露光の照明方法の異なった２つを組み合わせによって図
１７の微細回路パターンが形成される様子について述べ
る。本実施形態においては２光束干渉露光と通常の投影
露光の間には現像過程はない。従って各露光の露光パタ
ーンが重なる領域での露光量は加算され、加算後の露光
量（分布）により新たな露光パターンが生じることと成
る。

【０１５３】図１７，図１８，図１９は波長248nm のＫ
ｒＦエキシマステッパーを用いたときの具体的な実施例
である。

【０１５４】図１７に示すような、最小線幅0.12μｍの
ゲートパターンを通常露光し、重ねてレベンソンタイプ
の位相シフトマスクで、その最小線幅と重なるように周
期パターンを露光したものである。

【０１５５】投影レンズのNAは0.6 、照明系のσは、レ
ベンソンマスクによる露光では、0.3 とした。通常マス
ク露光時では、σ＝0.3,0.6,0.8,輪帯照明とした。

【０１５６】位相シフトマスクなどの２光束干渉により
周期パターンを露光する場合の、コヒーレント照明はσ
の値がゼロまたは、それに近い値であるが、あまり小さ
くすると単位時間当たりの露光量が小さくなり、露光に
要する時間が長くなるので実際的でない。

【０１５７】周期パターン露光のときはσが0.3 以下で
あることが望ましく、レベンソンマスクによる露光では
その最大であるσ＝０．３とした。通常露光では、一般
的に部分的コヒーレント照明にするが、σを大きくする
と複雑な形状の再現性はよくなり、かつ深度は広がる。
照度分布が外側に比べて内側が低いいわゆる輪帯照明で
は、この傾向は顕著になるが、コントラストは落ちると
いう欠点がある。

【０１５８】また通常露光では、レンズ周辺の収差が大
きいと微細パターンの解像では影響がでやすく、同じ微
細線幅の周期パターン露光では収差の影響がでにくい。
なぜならば、周期パターンでは微細線が微細線と同じ幅
の間隔で多数本並んでいて、ピッチが一定の繰り返しパ
ターンなのでピッチが固定されパターンの両端以外では
左右などの位置による線幅の差はでにくく、ここで行わ
れる多重露光では周期パターンの中央付近の一部を使う
ためである。なおかつ、深度が通常露光に比べて非常に
広いので、デフォーカスの非対称性もでにくいからであ
る。

【０１５９】露光装置に用いられるレンズは、よく調整
され充分な収差補正がなされており、通常の解像力範囲
では収差による影響はほとんどなく、問題とならない
が、解像度以下の微細なパターンには影響を及ぼす。こ
の例を図１９（Ａ）に示し、本発明の方法を用いて露光
した結果を図１９（Ｂ）に示す。

【０１６０】図１９（Ａ）は比較のために調整前の収差
が大きく残っているレンズの収差のｒｍｓが最大となる
方向と、微細パターン回折光の出射方向を一致させて露
光した結果である。

【０１６１】非対称性収差の影響で特に微細部分が左右
非対称な形状をしており、また球面収差の影響でデフォ
ーカスに対して非対称な結果となっている。

【０１６２】図１９（Ｂ）は収差のｒｍｓが最小となる
方向と、微細パターン回折光の出射方向を一致させて非
対称性収差を最小にして、かつ球面収差を１方向収差補
正系を用いて収差を補正した露光装置により露光した結
果を示す。

【０１６３】この図においてパターンは左右対称な形状
になり、デフォーカスに対しても対称な結果となり、デ
フォーカス±０．１μｍ以下で良好な像が得られた。

【０１６４】従って、本発明の方法を実現した露光装置
において、形状の再現性はよくなり、かつ深度は広が
る。

【０１６５】このように微細な回路パターンは周期パタ
ーン露光との二重露光によって形成される。通常露光パ
ターンの微細なパターンは光強度が低くコントラストも
低いので、通常は解像されないが、コントラストが高い
周期パターン露光と二重に露光し重ねあわせる事によっ
て、微細なパターンはコントラストが増強され、解像さ
れるようになる。

【０１６６】このとき通常露光では収差の影響がでやす
いので、微細パターン回折光の出射方向に収差が最小と
なる方向を一致させて露光すると収差の影響が最小とな
る。さらに、微細パターン回折光の出射方向の収差を補
正すれば、一層効果的である。

【０１６７】一方、通常露光の解像度以上の大きなパタ
ーンでは収差による影響は比較的少ないので、任意の形
状をした回折光の出射方向が任意な方向を持つパターン
であっても、前に述べたように、通常の解像力範囲では
形状の悪化は問題とはならない。しかも、周期パターン
露光の線幅の整数倍にすると、収差の影響がでにくい周
期パターン露光と重ね合わされることによってコントラ
ストが増強され、エッジがシャープな像となり、形状も
補正される。

【０１６８】本発明の露光方法によって０．１２μmと
いった微細な線幅を有する回路パターンが、例えば微細
パターン回折光の出射方向に収差が最小となる方向を一
致させる手段、あるいは微細パターン回折光の出射方向
の収差を補正する収差補正系、σや照度の光量比を可変
とする照明条件の切り替え可能な照明光学系を有する投
影露光装置を用いて形成可能としている。

【０１６９】周期パターンと通常露光パターンの光量比
は、照明条件の組み合わせによる最適値を前述の組み合
わせによる最適値を前述の計算式によって求めた。

【０１７０】図１８（Ａ）に示すように、通常露光のσ
を周期パターン露光のσと同じ0.3にして同じ照明条件
で二重露光を行うと、ゲートパターンがデフォーカス０
±0.2 μｍの範囲で解像されるが、線パターンの部分が
うねっており、くびれた部分が断線の原因となるため好
ましくない。

【０１７１】又、通常パターン露光のときはσ＝０．６
以上にするのが良い。図１８（Ｂ）に示すように、通常
露光のσを0.6 にするとデフォーカス０±0.4 μｍの範
囲でゲートパターンが解像されるようになり、線パター
ンの部分がうねりは解消されている。通常露光と周期パ
ターン露光の露光量比を通常露光：周期パターン露光=
1.5 ：１とした。

【０１７２】図１９（Ａ）に示すように、通常露光のσ
が0.8 と大きくなると、複雑な形状の再現性は若干よく
なる。通常露光と周期パターン露光の露光量比を通常パ
ターン露光：周期パターン露光=2 ：１とした。通常パ
ターン露光のときは周期パターン露光に比べて２倍以上
の露光量とするのが良い。

【０１７３】図１９（Ｂ）では、通常露光を輪帯照明と
し、リング内側の0.6 から外側の0.8 までの照度を１、
リング内側の0.6 以下を照度０とした場合の二次元強度
分布である。通常露光と周期パターン露光の露光量比を
通常露光：周期パターン露光=2.5：１とした。

【０１７４】輪帯照明では、σが0.8 の時よりも、複雑
な形状の再現性はよくなり、かつ深度は広がる。デフォ
ーカス±0.4 μｍ以下で良好な像が得られた。

【０１７５】このように微細な回路パターンは、周期パ
ターン露光との二重露光によって形成される。通常露光
パターンの微細なパターンは光強度が低くコントラスト
も低いので、通常は解像されないが、コントラストが高
い周期パターン露光と二重に露光し重ね合わせることに
よって、微細なパターンはコントラストが増強され解像
されるようになる。

【０１７６】一方、通常露光パターンの解像度以上の大
きなパターンも、周期パターン露光の強度と重ね合わさ
れコントラストが増強されるので、周期パターン露光の
線幅の整数倍にするとエッジがシャープな像となる。本
発明の露光方法によって、0.12μｍといった微細な線幅
を有する回路パターンが、例えばσや照度の光量比を可
変とする照明条件の切り替え可能な照明光学系を有する
投影露光装置を用いて形成可能としている。

【０１７７】周期パターン露光と通常パターン露光の光
量比は、照明条件の組み合わせによる最適値を前述の計
算式によって求めた。

【０１７８】照明条件１周期パターンの露光はσ=0.
3、通常パターン露光はσ=0.3 図１６(A) の下部に示した周期パターンの露光による露
光量分布と、図１６(B)の下部に示した通常の投影露光
による露光量分布（ベストフォーカス）を以下に示す。

【０１７９】 I₀ = 0.80 I₁ = 0.23 a = 1.31 b = 0.34 c = 0.61 d = 0.09 k = 1.0 のとき最適であり、 a' = 2.11 a" = 1.54 b'= 1.21 c'= 0.89 d'= 0.32 となり、後の比較のため、最大値のa'を１で規格化する
と次のようになる。

【０１８０】a' = 1.0 a" = 0.73 b'= 0.57 c'= 0.42
d'= 0.15 I₀ = 0.38 照明条件２周期パターンの露光はσ=0.3、通常パター
ン露光はσ=0.6 I₀ = 0.80 I₁ = 0.23 a = 1.25 b = 0.44 c = 0.53 d = 0.13 k = 1.5 のとき最適であり、 a' = 2.68 a" = 2.11 b'= 1.46 c'= 1.03 d'= 0.43 となり、後の比較のため、最大値のa'を１で規格化する
と次のようになる。

【０１８１】a' = 1.0 a" = 0.79 b'= 0.55 c'= 0.38
d'= 0.16 I₀ = 0.30 照明条件３周期パターンの露光はσ=0.3、通常パター
ン露光はσ=0. ８ I₀ = 0.80 I₁ = 0.23 a = 1.20 b = 0.48 c = 0.47 d = 0.16 k = 2.0 のとき最適であり、 a' = 3.20 a" = 2.63 b'= 1.76 c'= 1.17 d'= 0.55 となり、最大値のa'を１で規格化すると次のようにな
る。

【０１８２】a' = 1.0 a" = 0.82 b'= 0.55 c'= 0.37
d'= 0.17 I₀ = 0.25 照明条件４周期パターンの露光はσ=0.3、通常パター
ン露光はσ=0. ８で輪帯照明とし、内側（輪帯内側）σ
0.６以下の照度分布をゼロとした。

【０１８３】I₀ = 0.80 I₁ = 0.23 a = 1.10 b = 0.47 c = 0.36 d = 0.19 k = 2.5 のとき最適であり、 a' = 3.55 a" = 2.98 b'= 1.98 c'= 1.13 d'=0.71 となり、最大値のa'を１で規格化すると次のようにな
る。

【０１８４】a' = 1.0 a" = 0.84 b'= 0.56 c'= 0.32
d'=0.20 I₀ = 0.23 今までの議論で、レジストしきい値は、最大露光量３の
とき1.5 だったので、最大露光量で規格化するとレジス
トしきい値は0.5 となる。この規格化された露光量分布
を見ると、a',a",b'は規格化されたレジストしきい値0.
5 より大きく、c',d',I₀ はしきい値より小さい。

【０１８５】現像によって露光量がレジストしきい値よ
り大きい部分がのこるから、露光量がa',a",b'のみパタ
ーンとして現像後残ることになる。従って、図１６(C)
の下部で灰色に示された部分が、現像後の形状である。

【０１８６】一般に、通常露光パターンを露光するとき
は、周期パターンを露光するときの約２倍の露光量が適
切で、通常露光パターンを露光するときの照明条件と、
周期パターンを露光するときの照明条件の組合わせによ
って最適な露光量比があり、前述の計算式で求められ
る。

【０１８７】前述の計算式から、種々の照明条件の組合
わせを計算した結果、次のことが示された。周期パター
ン露光のときσ＝０．３で通常パターン露光の照明条件
σが0.8 より小さいときは、通常パターンを露光すると
きの露光量を周期パターンを露光するときの露光量より
２倍以下にするとよい。

【０１８８】周期パターンのときσ＝０．３で通常パタ
ーンを露光するときの照明条件が輪帯照明のときは、輪
帯の巾が小さいときは、通常パターンを露光する露光量
が周期パターンを露光するときの露光量より２倍以上に
するとよい。

【０１８９】周期パターンを露光するときの照明条件σ
が0.3 より小さいときは、通常パターンを露光する露光
量は、周期パターンを露光するときの露光量より２倍以
上にするとよい。

【０１９０】図２４は本発明に係る２光束干渉露光用の
露光装置の一例を示す概略図であり、図２４において、
２０１は２光束干渉露光用の光学系で、基本構成は図２
０の光学系と同じである。２０２はＫｒＦ又はＡｒＦエ
キシマレーザー、２０３はハーフミラー、２０４（２０
４ａ，２０４ｂ）は平面ミラー、２０５は光学系２０１
との位置関係が固定又は適宜ベースライン（量）として
検出できるオフアクシス型の位置合わせ光学系で、ウエ
ハ２０６上の２光束干渉用位置合わせマークを観察し、
その位置を検出する。２０６は感光基板であるウエハ、
２０７は光学系２０１の光軸に直交する平面及びこの光
軸方向に移動可能なＸＹＺステージで、レーザー干渉計
等を用いてその位置が正確に制御される。装置２０５と
ＸＹＺステージ２０７の構成や機能は周知なので具体的
な説明は略す。

【０１９１】図２５は本発明の２光束干渉用露光装置と
前述した如く解像力方向を設定した投影露光装置より成
る高解像度の露光装置を示す概略図である。

【０１９２】図２５において、２１２は図２４の光学系
２０１、装置２０５を備える２光束干渉露光装置であ
り、２１３は、不図示の照明光学系とレチクル位置合わ
せ光学系２１４、ウエハ位置合わせ光学系（オフアクシ
ス位置合わせ光学系）２１７とマスク２１５の回路パタ
ーンをウエハ２１８上に縮小投影する投影光学系２１６
とを備える通常の投影露光装置である。

【０１９３】レチクル位置合わせ光学系２１４はマスク
２１５上の位置合わせマークを観察し、その位置を検出
する。ウエハ位置合わせ光学系２１７はウエハ２０６上
の投影露光用又は２光束干渉と兼用の位置合わせマーク
を観察し、その位置を検出する。光学系２１４，２１
６，２１７の構成や機能は周知なので、具体的な説明は
略す。

【０１９４】図２５の２１９は２光束干渉用露光装置２
１２と投影露光装置２１３で共用される１つのＸＹＺス
テージであり、このステージ２１９は、装置２１２、２
１３の各光軸に直交する平面及びこの光軸方向に移動可
能で、レーザー干渉計等を用いてそのＸＹ方向の位置が
正確に制御される。

【０１９５】ウエハ２１８を保持したステージ２１９
は、図２５の位置（１）に送り込まれてその位置が正確
に測定され、測定結果に基づいて位置（２）で示す装置
２１２の露光位置に送り込まれてウエハ２１８へ２光束
干渉露光が行われ、その後、位置（３）に送り込まれて
その位置が正確に測定され位置（４）で示す装置２１３
の露光位置に送り込まれてウエハ２１８へ投影露光が行
われる。

【０１９６】装置２１３においては、オフアクシスの位
置合わせ光学系２１７の代わりに、投影光学系２１６を
介してウエハ２１８の位置合わせマークを観察し、その
位置を検出する不図示のＴＴＬの位置合わせ光学系や、
投影光学系２１６とマスク（レチクル）２１５とを介し
てウエハ２１８上の位置合わせマークを観察し、その位
置を検出する不図示のＴＴＲの位置合わせ光学系も使用
できる。

【０１９７】尚、本発明において（ａ）照明光学系の照明方法としては、ＫｒＦエキシマ
レーザー、ＡｒＦエキシマレーザー又はＦ２エキシマレ
ーザーから光でマスクパターンを照明することが適用可
能である。

【０１９８】（ｂ）露光装置においては屈折系、反射−
屈折系、又は反射系のいずれかより成る投影光学系によ
って前記マスクパターンを投影することが適用可能であ
る。

【０１９９】（ｃ）露光装置としては本発明の露光方法
を露光モードとして有するステップアンドリピート型縮
小投影露光装置や本発明の露光方法を露光モードとして
有するステップアンドスキャン型縮小投影露光装置等が
適用可能である。

【０２００】尚、本発明において、投影光学系の製作誤
差に伴う光学性能の補正に関しては本出願人が先の特願
平８−３５７７４６号で提案した方法が適用できる。

【０２０１】例えば、図２９に示すような補正レンズ２
３１を投影光学系中に設ければ良い。

【０２０２】同図は一方向の収差補正系を示しており、
これは２枚の平行平面板からなり、向かい合う面の面形
状は、次のようなｘの関数として表される非球面形状を
している。

【０２０３】ｚ＝ｆ（ｘ）この関数は補正される収差によって異なり、例えば、低
次の球面収差補正ならば、ｚ＝ａｘ⁵ であり、ａは収
差補正量と相対偏心量によってきまる定数である。

【０２０４】次に上記説明した投影露光装置を利用した
半導体デバイスの製造方法の実施形態を説明する。

【０２０５】図２６は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等
の半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造
のフローを示す。

【０２０６】ステップ１（回路設計）では半導体デバイ
スの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では
設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。

【０２０７】一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリ
コン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４
（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意したマ
スクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ
上に実際の回路を形成する。

【０２０８】次のステップ５（組立）は後工程と呼ば
れ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導
体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシ
ング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封
入）等の工程を含む。

【０２０９】ステップ６（検査）ではステップ５で作製
された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト
等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイス
が完成し、これが出荷（ステップ７）される。

【０２１０】図２７は上記ウエハプロセスの詳細なフロ
ーを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸
化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶
縁膜を形成する。

【０２１１】ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に
電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打
込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５
（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステ
ップ１６（露光）では前記説明した露光装置によってマ
スクの回路パターンをウエハに焼付露光する。

【０２１２】ステップ１７（現像）では露光したウエハ
を現像する。ステップ１８（エッチング）では現像した
レジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジス
ト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジスト
を取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことに
よってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

【０２１３】本実施形態の製造方法を用いれば、従来は
製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易に製
造することができる。

【０２１４】

【発明の効果】本発明は以上のように、 (イ-1) ２光束干渉露光に代表される周期パターン露光と
周期パターンを含まない通常パターン露光（通常露光）
の２つの露光方法を用いることにより、複雑な形状の回
路パターンをウエハに形成することが可能な露光方法及
び露光装置。

【０２１５】(イ-2) 線幅０．１５μｍ以下の部分を備え
る回路パターンを容易に得ることが可能な露光方法及び
露光装置。

【０２１６】(イ-3) 周期パターン露光と通常露光の２つ
の露光法が実施できる露光装置。を、達成することがで
きる。

【０２１７】特に、本発明によれば、 (イ-4) ２光束干渉露光と通常の露光を融合して例えば
０．１５μｍ以下の微細な線幅を有する複雑なパターン
を得ることができる。

【０２１８】又、本発明によれば (イ-5) 投影光学系の解像力方向とマスクの微細パターン
の方向とを適切に設定することにより、高い解像力が容
易に得られる露光方法及び露光装置を達成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の露光装置の実施形態の要部概略図

【図２】本発明の露光装置の実施形態１の一部分の説明
図

【図３】本発明の露光装置の実施形態１の一部分の説明
図

【図４】本発明の露光装置の実施形態１の一部分の説明
図

【図５】本発明の露光装置の実施形態１の一部分の説明
図

【図６】本発明の露光方法のフローチャート

【図７】２光束干渉露光による露光パターンを示す説明
図

【図８】レジストの露光感度特性を示す説明図

【図９】現像によるパターン形成を示す説明図

【図１０】通常の２光束干渉露光による露光パターンを
示す説明図

【図１１】本発明における２光束干渉露光による露光パ
ターンを示す説明図

【図１２】本発明の実施形態１において形成できる露光
パターン（リソグラフィーパターン）の一例を示す説明
図

【図１３】本発明の実施形態１において形成できる露光
パターン（リソグラフィーパターン）の他の一例を示す
説明図

【図１４】本発明の実施形態１において形成できる露光
パターン（リソグラフィーパターン）の他の一例を示す
説明図

【図１５】本発明の実施形態２に係るゲートパターンを
示す説明図

【図１６】本発明の実施形態２を示す説明図

【図１７】ゲートパターンを説明する図

【図１８】形成されたゲートパターンの説明図

【図１９】形成されたゲートパターンの説明図

【図２０】従来の２光束干渉用露光装置の一例を示す概
略図

【図２１】２光束干渉露光を行なう投影露光装置の一例
を示す概略図

【図２２】図１６の装置に使用するマスク及び照明方法
の１例を示す説明図

【図２３】図１６の装置に使用するマスク及び照明方法
の他の１例を示す説明図

【図２４】本発明の２光束干渉露光装置の一例を示す概
略図

【図２５】本発明の高解像度の露光装置の一例を示す概
略図

【図２６】本発明のデバイスの製造方法のフローチャー
ト

【図２７】本発明のデバイスの製造方法のフローチャー
ト

【図２８】従来の投影露光装置を示す概略図

【符号の説明】

２２１エキシマレーザ２２２照明光学系２２３マスク（レチクル）２２４マスク（レチクル）ステージ２２５２光束干渉用マスクと通常投影露光用のマスク２２６マスク（レチクル）チェンジャ２２７投影光学系２２８ウエハ２２９ＸＹＺステージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１物体面上のパターンを投影光学系に
より第２物体面上に投影露光する投影方法において、該
投影光学系の解像力が最も良くなる方向と、該第１物体
面上の微細パターンの回折光の出射方向とが一致するよ
うにしていることを特徴とする露光方法。
【請求項２】前記投影光学系の複数の像高において解
像力が最も良くなる方向を計測しておき、前記第１物体
面上の微細パターンの位置するパターン像高と同じ高さ
での投影光学系の像高における解像力が最も良い方向と
を一致させていることを特徴とする請求項１の露光方
法。
【請求項３】互いに異なったパターンを有する複数の
第１物体を用いて投影光学系で第２物体上の同一領域を
異なったパターンで多重露光する露光方法において、該
投影光学系の解像力が最も良くなる方向と、該第１物体
面上の微細パターンの回折光の出射方向とが一致するよ
うにしていることを特徴とする露光方法。
【請求項４】前記投影光学系の解像力が最も良くなる
方向を複数の像高において計測しておき、前記第１物体
面上の微細パターンの位置するパターン像高と同じ高さ
での投影光学系の像高における解像力が最も良い方向と
を一致させていることを特徴とする請求項３の露光方
法。
【請求項５】前記投影レンズの解像力が最も良い方向
は測定した波面収差のｒｍｓ（ｒｏｏｔｍｅａｎｓｑ
ｕａｒｅ）が最も小さくなる方向であることを特徴とす
る請求項１，２，３又は４の露光方法。
【請求項６】前記第１物体面のパターンの最も微細な
パターンの回折光の出射方向は、最も微細なパターンの
長手方向に直角な方向とすることを特徴とする請求項
１，２，３又は４の露光方法。
【請求項７】前記像高と測定されたこの像高での収差
量、あるいはＺｅｒｎｉｋｅ展開された係数を露光装置
のコントロール部に記憶しておき、各方向の収差量のｒ
ｍｓを計算することを特徴とする請求項２又は４の露光
方法。
【請求項８】あらかじめ計算されたｒｍｓが最も最小
になる方向を露光装置のコントロール部に記憶してお
き、この記憶から読み込むことを特徴とする請求項１，
２，３又は４の露光方法。
【請求項９】収差が最も小さくなる方向を露光時に入
力することを特徴とする請求項１，２，３又は４の露光
方法。
【請求項１０】前記第１物体の微細パターンのある部
分の像高と、微細パターンの回折光の出射方向を第１物
体のバーコードに書き込むことを特徴とする請求項２又
は４の露光方法。
【請求項１１】第１物体のアライメント時に第１物体
のバーコードを読み取ることを特徴とする請求項１，
２，３又は４の露光方法。
【請求項１２】第１物体のパターンの最も微細なパタ
ーンの回折光の出射方向を露光時に入力することを特徴
とする請求項１，２，３又は４の露光方法。
【請求項１３】前記投影レンズをある一方向だけが収
差が小さくなるように調整して製作し、その方向を基準
方向としておくことを特徴とする請求項１，２，３又は
４の露光方法。
【請求項１４】一方向の収差を補正できる収差補正系
を回転できるようにして、微細パターンの回折光の出射
方向を収差補正することを特徴とする請求項１，２，３
又は４の露光方法。
【請求項１５】前記投影レンズの収差量のｒｍｓが最
も最小になる方向に直角にスキャンして露光しているこ
とを特徴とする請求項１，２，３又は４の露光方法。
【請求項１６】請求項１から１５のいずれか１項の露
光方法を用いて感光性の基板にマスク上のパターンを転
写していることを特徴とする露光装置。
【請求項１７】請求項１〜１５のいずれか１項の露光
方法を用いてマスク面上のパターンをウエハ面上に露光
した後、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製
造していることを特徴とするデバイスの製造方法。
【請求項１８】請求項１６の露光装置を用いてマスク
面上のパターンをウエハ面上に露光した後、該ウエハを
現像処理工程を介してデバイスを製造していることを特
徴とするデバイスの製造方法。