JPH04179958A - 投影露光装置および投影露光方法 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体等回路パターン転写に使用される投影型
露光装置に関し、特に、ホールパターンの転写に好適な
投影型露光装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のこの種の投影露光装置の１つとして、照明光学系
の臆面て輪帯状の照明光量分布とするか、又は投影光学
系の瞳面付近に輪帯状の透過部を存する空間フィルター
を使用する装置が特開平２−１６６７１７号公報等て提
案されている。

ここで投影光学系の臆面（絞り面）付近に、輪帯状の透
過部を有する空間フィルターを設けた場合の効果につい
て、第８図、第９図を用いて簡単に説明する。

第８図（ａ）は、瞳に空間フィルターを持たない投影光
学系の略図であって、フォトマスク９に描画されたホー
ルパターン１０からの回折光は、投影光学系１１の瞳面
１２ａ上で、Ｌ８２に示す如き、光量分布を示す。この
とき、ウェハー１３上に生じるホールパターンｌＯの像
は回折光Ｌ８２の振幅分布のフーリエ変換の２乗で表わ
されるが、ホールパタ−ン１０の径かほぼ投影光学系の
解像限界程度以下であると、第８図（ｂ）に示す光量分
布Ｌ８４かウェハ１３上ての光量分布となる。

この光量分布はいわゆる第１種ベッセル関数の２乗とな
っており、光量のピークから暗点まての距離αは１゜２
２×λ／　（２ＸＮ、　、Ａ）　　（λは露光波長、Ｎ
、Ａは投影光学系の開口数）である。

第９図（ａ）は投影光学系の臆面に輪帯状の透過部を持
つ空間フィルター１２を設けた光学系の略図である。こ
のとき、輪帯の外側の径は、瞳の径と同一としである。

第９図（ｂ）はこのときの、ウェハ１３上ての微小ホー
ルパターンｌＯの像を表わす。

第９図（ａ）の空間フィルター１２を設けることにより
、像のピークから暗点まての距離が短くなる、すなわち
、像の分布の広さか小さくなる。このことは、アポダイ
ゼーションとして広く知られている。

また、このとき、同時に焦点深度の増大の効果も得られ
る。

また、露光中に、露光されるへきウェハを、投影光学系
の光軸方向の複数位置に移動して多重露光することで、
特にホールパターンにおいて実用上の焦点深度を増大さ
せる露光装置も提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら従来の如き装置では、光の回折現象及び焦
点深度等の関係て、０，７λ／Ｎ、　Ａ　（λは露光波
長、ＮＡは投影光学系の開口数）の大きさのパターンか
、実用的な最小パターンサイズとなっていた。

照明光量を、照明光学系中の瞳て輪帯とした装置におい
てもこの最小パターンサイズは改善されない。

投影光学系の臆面に輪帯状透過部を持つ空間フィルター
を有する装置においては、この最小ノくターンサイズを
より微細化することは可能であるか、一方、フォトマス
ク上のパターンサイズと、投影されたウェハ上のパター
ンサイズ（光量）のリニアリティーか慝くなる等の問題
があった。以下にその理由を示す。

第４〜７図は前述の第８図と同様に瞳面に、輪帯状の透
過部を設けた投影光学系の例である。

第４図、及び第６図は、フォトマスク９上のホールパタ
ーンＩＯは、十分小さく、従ってホールパターンＩＯに
よる回折光Ｌ４１、Ｌ６１の広かり角は大きい。

第５図及び第７図はフォトマスク９上のホールパターン
１０は十分大きく、従ってホールパターンｌＯによる回
折光Ｌ５１．Ｌ７１の広かり角は小さい。

回折光の広がりはホールパターンの径（又は輻）をｄと
すると、はぼ±λ／ｄ（ｒａｄ）で与えられる。

第４図及び第５図は、いわゆるσ値（投影光学系の瞳の
大きさに対する光源像の大きさで、通常、０くσ≦１で
表される）の小さな照明系からの照明光（Ｌ４０、Ｌ５
０）によってマスク９を照明した場合であり、ホールパ
ターン１０による回折光Ｌ４１゜ＬＳＩはそれぞれ、ホ
ールパターン１０の大きさに応じた広がり角で広がる。

投影光学系１１の瞳におかれた空間フィルター１２上で
の回折光の強度分布は、それぞれＬ４２、及びＬ５２と
なる。これより明らかなように、小さなホールパターン
の像は暗いながらウェハ１３に投影されるが、大きなホ
ールパターンの像は、回折光かはとんとすべて空間フィ
ルター１２で遮光されるため、ウェハ１３に投影される
ことかない。従って、輪帯状の透明部をもつ空間フィル
ターを投影光学系１１の瞳面に設けた場合、微細なホー
ルパターンの転写には向くが、それと同時に大きなホー
ルパターンを転写することはできないことかわかる。

第６図及び第７図は、照明光学系中の瞳面にできる光源
像を輪帯状にしたときに得られる照明光（Ｌ６０、Ｌ７
０）によってマスク９を照明した場合である。第７図に
示す大きなホールパターンの場合、投影レンズ１１の臆
面における回折光の強度分布し７２は、空間フィルター
１２の輪帯状の開口部とほぼ一致し、従ってウェハ１３
上には大きなホールパターンの像が転写される。

一方、第６図に示す小さなホールパターンの場合、回折
光は投影レンズ１１の瞳面で大きく広がった強度分布Ｌ
６２となり、空間フィルター１２の輪帯部を透過する光
量はきわめて少なく、またウェハｔ３に到達する光束の
実質的な開口数も小さくなるため、ウェハ１３上には、
本来投影されるべきパターンより、ホヤけた（広かった
）、且つきわめて暗い像か転写されることとなってしま
う。この様子を第１０図に示す。第１０図中、Ｌｌｏｏ
は−様な照明光、ＬｉＯ２は瞳面における強度分布、Ｌ
ｉＯ２はウェハ１３への結像に寄与する光束、ＬｉＯ２
は像の強度分布を表す。

また、もしこの両者を同時に満たす照明、即ちσ値か１
に近い様な照明を行なった場合にも、微細ホールパター
ンの像はきわめて暗く（強度か小さく）、大きなホール
パターンの像は明るい（強度か大きい）という問題は、
同様に発生してしまう。

このときウェハ１３上に塗布されたポジ型フォトレジス
トでは大きなホールパターンに合わせて露光量を決める
と大きなホールパターンのみか形成され、小さなホール
パターンは光量不足のため形成されない。また小さなホ
ールパターンに合わせて露光量を増せば、大きなパター
ンの径（幅）は光量の増大に伴なってさらに大きくなっ
てしまう。

また、露光中に、ウェハを光軸方向の複数位置に移動さ
せては同一パターンを多重露光する装置では、特にホー
ルパターンの焦点深度を増大する効果はあっても、最小
パターンサイズをより微細化する、すなわち、解像度を
向上させることは原理的に不可能であった。

本発明はこの様な従来の技術に鑑みてなされたもので、
特にホールパターンの転写について、解像度の高い、か
つ焦点深度の大きい投影型露光装置の実現を目的とする
。

〔課題を解決する為の手段〕

上記目的の為に、本発明における投影型露光装置では、 照明光学系の瞳面あるいはその近傍において照明光の光
量分布を、光軸を中心とする半径ｒ１のほぼ円形内の第
１領域と、半径ｒ２のほぼ円形と、半径ｒ、のほぼ円形
（ｒ＋　＜ｒ、＜ｒｓ　）との中間の輪帯状の第２領域
とで強くする光学部材を設け、この光学部材により、上
記の第１領域に対する第２領域の光量の比を、少なくと
も２倍以上となるようにした。

同時に、投影光学系の瞳面もしくはその近傍には着脱及
び交換可能な、輪帯状の透過部を持つ空間フィルターを
設けた。

〔作　用〕

本発明においては、照明光学系の瞳面近傍での照明光量
の分布は、前述のσ値の小さい照明系（半径ｒ１内のほ
ぼ円形の第１領域）と、輪帯状の照明系（半径ｒ、から
ｒｓの輪帯状の第２領域）とを同時に使ったときの和と
して表わされる。ただし、輪帯状の照明系からの照明光
量は、σ値の小さな照明系からの照明光に比べ半分以下
である。

このため、σ値の小さな照明系を使ったときと等価な、
半径ｒ１内のほぼ円形部よりの照明光により、微細なホ
ールパターンの像がウェハに投影され、輪帯状の照明系
を使ったときと等価な半径ｒ、〜ｒ、の輪帯部からの照
明により、大きなホールパターンの像がウェハに投影さ
れる。

また、このとき、半径ｒ１のほぼ円内からの光量は、半
径ｒ、からｒｓの輪帯からの光量に比べて少なくとも２
倍以上であり、従来のσ値かｌに近い、露光装置で問題
となっていた微細パターンと大きなパターンとの光量比
の相違は解決される。

また、前述のとおり、投影光学系内の瞳面に設けた輪帯
状の空間フィルターにより、解像度か向上し、焦点深度
が増大する効果は本発明においても同様に得られる。

〔実　施　例〕

第１図は本発明の実施例による投影露光装置の構成を示
す略図てあって、水銀ランプｌより発する照明光は、楕
円鏡２、ミラー３により反射され、リレーレンズ４に至
る。リレーレンズ４を透過した照明光は、照明光学系４
〜８中の、フォトマスク９のフーリエ変換面に設けられ
た空間フィルター５により一部遮光される。第２図は、
空間フィルター５を光軸方向から見た図であり、中心０
（光軸か通る点）から半径ｒ１の円内５ｃと、中心Ｏか
ら半径ｒ、とｒｓまでの間の輪帯部５ｅは透過部となっ
ており、他の部分は遮光部（斜線部）である。このとき
、中心の円内５ｃからの透過光量が、輪帯部５ｅからの
透過光量に比へて、少なくとも２倍以上大である様に、
両者の面積比を決定する。

あるいは第１図に示す如く、輪帯部５ｅには、減光部材
（ＮＤフィルター等）５ｆを設けて、輪帯部５ｅからの
透過光量を減少させても良い。

また、空間フィルター５の遮光部は、減光部材５ｆを含
めた輪帯部５ｅの透過率の１／２程度以下であれば透過
率を有していても良い。

空間フィルター５を透過した照明光は、コンデンサーレ
ンズ６．８、ミラー７によりフォトマスク９に照射され
る。

フォトマスク９を透過した光（回折光）は、片側、又は
両側テレセントリックな投影光学系１１により、ウェハ
１３上に集光され、フォトマスク９上のパターンはウェ
ハ】３上に塗布されたレジストを感光させる。

投影光学系１】の瞳面（絞りの位置）には輪帯状の透過
部を有する空間フィルター１２が設けられており、この
空間フィルター１２の位置は、照明光学系中の空間フィ
ルター５と共役になっている。従って、投影光学系１１
によるウェハ１３の露光は、ケーラー照明法によって行
われる。

第３図は輪帯状の空間フィルター１２を光軸方向から見
た図である。

輪帯状の透過部の内円の半径ｒａ及び外円の半径ｒｂは
ウェハ１３上に転写されるホールパターンの最小サイズ
により決定する。ホールパターン径か小さい程半径ｒｂ
を大きくとり、ホールパターン径か大きい程半径ｒｂを
小さくすることか望ましい。また、半径ｒａは半径ｒｂ
の０．５〜０．８倍程度とする。半径ｒａが半径ｒｂに
対して０．５以下であると、ホールパターンの解像度向
上、及び焦点深度増大の効果は減少する。また、０．８
以上であると、本来のホールパターンの周囲の、回折に
よるサブピークが増大し、ホールパターンの像質を劣化
させる。尚、半径ｒｂは、投影光学系１１の瞳面の半径
と一致していても構わない。

ところで照明光学系中の瞳面と、投影光学系中の臆面と
は結像関係となっている。この結像倍率をＭ倍とすると
き、照明光学系の臆面の空間フィルター５の輪帯状の透
過部５ｅの内径ｒ２と外径ｒ、はそれぞれ、 ｒ　２　＝　ｒ　ａ　／　Ｍ　−−・＝（１）ｒｓ＝ｒ
ｂ／Ｍ・・・・・・・・・（２）程度の関係にすると良
い。

このとき、照明光学系中の瞳面の空間フィルター５の輪
帯状の透過部５ｅを透過し、且つ、フォトマスク９上の
大きなパターンを透過した回折光はほぼすべて、投影光
学系の瞳面の空間フィルター１２を透過できる。

あるいは、先の（１）、（２）式の関係から、径ｒｘ、
ｒ、の値を故意にずらすことにより、上記の大きなパタ
ーンを透過した回折光を減少させ、ウェハ１３上におけ
る大きなホールパターン像と小さなホールパターン像と
の光量比を制御しても良い。

照明光学系及び投影光学系中に設ける空間フィルター５
．１２は、透明基板上に、金属膜等をバターニングした
ものでも良（、また、金属等の薄板より、透過部分を穴
開けしたものでも良い。

第１１図は、空間フィルター１２の変形例である。

第１１図に示す様に、内径ｒｌｌ、外径ｒ、の輪帯状の
透過部の一部に、遮光部１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ
，１２０Ｄかあっても本発明の効果は損なわれることは
ない。第１１図の様な構成とすると、金属等の薄板より
透過部分を穴開けした空間フィルターが容易に実現でき
る。

第１２図は、第１１図に示した空間フィルターに冷却部
材を設けた例である。

冷却装置１２ｈより送り出される冷却用流体（気体、液
体等）は、冷却パイプ１２ｇにより空間フィルター遮光
部分を冷却する。冷却パイプ１２ｇは、すべて空間フィ
ルター１２の遮光部上にのみ付着しており、透過部へ悪
影響をおよぼすことはない。

なお、この様な冷却パイプ１２ｇは、空間フィルター１
２の光照射側（光源側）と反対側（ウェハ側）の面に設
けると良い。

冷却部材により空間フィルター１２、または空間フィル
ター５を冷却、あるいは温調することにより、空間フィ
ルター１２（又は５）の、光吸収による温度上昇を防止
できる。従って空間フィルターの温度上昇による投影光
学系各部の温度上昇を防ぐことがてき、温度上昇による
焦点位置や、倍率、デイスト−ジョン等のずれを防止で
きる。尚、冷却部材としては、空間フィルター１２に温
度制御された気体を吹きつけるだけでも良い。

本実施例では、照明光学系の瞳面近傍で、前記の光量分
布を作り出す光学部材として空間フィルター５を使用し
たか、他の部材を用いても良い。例えば楕円鏡２の焦点
距離を、中心部と周辺部で異なる様にし、中心からの反
射光束は半径ｒ、内に、周辺からの反射光束は半径ｒ、
〜ｒ、の輪帯部に集光するようにしても良い。その他、
空間フィルター５に達する照明光束の分布をフィルター
５の半径方向に変化させるように、光源ｌとフィルター
５の間に同心状のＮＤフィルターを別設してもよい。

また、光源として水銀ランプの代わりに他の輝線ランプ
やレーザーを用いても良い。

また、従来報告されている、露光中にウェハを光軸方向
の複数位置に移動する露光方法、あるいは、ウェハを連
続的に光軸方向に移動する露光方法を各実施例に示した
露光装置に適用し、焦点深度をさらに増大させても良い
。また、本発明はステップアンドリピート方式のステッ
パー以外に、等倍、又は縮小投影系を備え、マスクとウ
ェハとか投影系に対して相対走査されるステップスキャ
ン方式においても同様に応用できる。ところで、マスク
９とウエノ＼１３とのアライメントのためには、投影光
学系を介してウェハ１３上のアライメントマークを検出
する必要がある。ウェハ１３上のマーク検出には各種の
方式かあるか、露光用の照明光と異なる波長のレーザ光
やランプ放射光を用いるものか実用化されている。

このようなマーク検出系は、アライメントセンサと呼ば
れ、非露光波長の照明光をマーク検出に使う場合、投影
レンズ１１の瞳面に設けた空間フィルター１２の透過部
形状によっては、アライメント用の照明光やウェハマー
クからの検出光か遮光（又は減光）されてしまうことが
ある。そこで投影レンズ１１の瞳面の空間フィルター１
２として、薄膜（誘電体多層膜等）をガラス（石英）板
に所望の遮光形状に合わせて蒸着して、シャープカット
フィルターとし、露光用照明光の波長（短波長）はカッ
トしてアライメント用の照明光や検出光の波長（長波長
）は全面で高い透過率を有するようにする。このように
すると、別波長アライメントセンサの光学的な設計は従
来と同じにすることができるといった利点かある。

〔発明の効果〕

以上の様に本発明によれば、半導体回路パターン、特に
ホールパターンの解像度か向上し、焦点深度を増大させ
ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による投影露光装置の構成を示
す図、第２図は照明光学系中に配置される空間フィルタ
ーの形状を示す平面図、第３図は投影光学系中に配置さ
れる空間フィルターの形状を示す平面図、第４図、第５
図、第６図、第７図は投影光学系内に空間フィルターを
配置して、照明光の入射状態と、レチクル（マスク）上
のパターンサイズとを変えたときの露光の様子を示す図
、第８図、第９図、第１０図は従来の技術による投影露
光の様子を示す図、第１１図、第１２図は本発明の実施
例に好適な空間フィルターの変形例を示す平面図である
。 〔主要部分の符号の説明〕 ｌ・・・光源、５・・・空間フィルター、５Ｃ・・・円
形透過部、５ｅ・・・輪帯状透過部、９・・・フォトマ
スク（レチクル）、１１・・・投影レンズ、１２・・・
空間フィルター、Ｉ３・・・ウェハ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　投影光学系を介して露光すべきフォトマスクのパター
   ンのフーリエ変換面となる照明光学系中の位置、あるい
   はその近傍の面において、照明光の光量分布を、前記照
   明光学系の光軸を中心とする半径ｒ＿１のほぼ円形の内
   側の第１領域と、前記光軸を中心とする半径ｒ＿２のほ
   ぼ円形と、半径ｒ＿３（ただしｒ＿１＜ｒ＿２＜ｒ＿３
   ）のほぼ円形とで囲まれたほぼ輪帯状の第２の領域とで
   強くするとともに、前記第１領域内の光量を、前記第２
   領域内の光量に対して、少なくとも２倍程度以上大きく
   する光学部材を設けるとともに、前記投影光学系の瞳面
   に輪帯状の透過部を持つ空間フィルターを設けたことを
   特徴とする投影型露光装置。