JPH06215997A

JPH06215997A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH06215997A
Application number: JP5004907A
Authority: JP
Inventors: Koichi Matsumoto; 宏一松本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-01-14
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 1994-08-05

Abstract

(57)【要約】【目的】１枚のフォトマスクを用いて感光基板への露
光を行うと共に、フォトマスクから射出される光の可干
渉性を積極的に利用して感光基板上での結像性能を向上
する。【構成】露光光供給部２０からの露光光ＩＬ１で偏光
ビームスプリッター１５等を介してフォトマスク１４を
照明し、フォトマスク１４の像を第１レンズ系１３によ
り平面鏡１２上に結像し、平面鏡１２からの反射光によ
り第１レンズ系１３を介してフォトマスク１４上にフォ
トマスク１４のパターン像を結像する。この結像光のも
とで、フォトマスク１４のパターン像を偏光ビームスプ
リッター１５等及び第２レンズ系１８を介して感光基板
１９上に結像する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子、液
晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で
製造する際に、フォトマスク上のパターンを感光基板上
に投影露光するために使用される投影露光装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えばＬＳＩ等の半導体素子、液晶表示
素子又は薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造す
る際に、フォトマスク又はレチクル（以下、「フォトマ
スク」と総称する）のパターンをフォトレジストを塗布
したウエハ等の感光基板上に投影露光する投影露光装置
が使用されている。

【０００３】図３は従来の投影露光装置の要部を示し、
この図３において、フォトマスク１０１は、照明光学系
（図示せず）の光軸に対してほぼ垂直に水平に保持さ
れ、照明光学系から射出された所定波長の露光光によっ
て透過照明されている。従来から汎用されているフォト
マスク１０１は、透明基板上にクロム等の金属からなる
遮光パターンを形成した構造であり、透過照明されるこ
とによって、パターン形状に応じた回折光が発生する。
これらの回折光は、結像光学系１０３で再度像面に集め
られ、これにより像面に合致するように保持されたウエ
ハ１０５の露光面上にフォトマスク１０１のパターン像
が転写される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
に於いては、フォトマスク１０１を露光光により均一な
照度で照明しなければならないという装置上の要請があ
るため、照明光学系の光源に空間コヒーレンシーを持た
せることができなかった。つまり、フォトマスク１０１
を照明する露光光のうち、投影光学系の光軸に対する傾
斜角である照明角の異なるもの同士が可干渉性を有して
いると、フオトマスク１０１上に干渉縞が形成されてし
まい、フォトマスク１０１を均一に照明するという要請
と相入れなくなってしまう。そのため、光源の空間コヒ
ーレンシーを投影光学系の性能向上を図るためのパラメ
ータとして採り得なかった。

【０００５】これに関して、最近特願平４−２７７０３
２号及び特願平４−２７７０３３号において本出願人が
開示しているように、本発明者により２枚のフォトマス
クを用いて露光を行う方法が発明された。図４はその本
出願人の先願に係る投影露光装置を示し、この図４にお
いて、照明光学系１から所定の波長の露光光が射出され
る。その照明光学系１から順に、第１フォトマスク２、
第１結像光学系３、第２フォトマスク４、第２結像光学
系５及び感光基板６が配置される。そして、直列的に配
置された第１結像光学系３及び第２結像光学系５より投
影光学系が構成され、第２結像光学系５に関して、感光
基板６と第２フォトマスク４とが共役であり、第１結像
光学系３に関して、第２フォトマスク４と第１フォトマ
スク２とがほぼ共役である。

【０００６】図４の構成では、第１フォトマスク２は、
上方に配置された照明光学系１からの露光光７に照明さ
れ、第１フォトマスク２上に形成されたパターンにより
その露光光７の回折光８，９が生じ、この回折光８，９
が第１結像光学系３を介して第２フォトマスク４上のパ
ターンを照明する。この際、各回折光８及び９は互いに
可干渉性を有している。更に、それら回折光８，９によ
り照明された結果、第２フォトマスク４上に形成された
パターンから回折光１０，１１が生じ、それらが第２結
像光学系５を介して感光基板６の上に像を形成する。

【０００７】図４の構成において、一例として第１フォ
トマスク２及び第２フォトマスク４上に共に孤立した開
口パターンを形成した場合を考える。そして、第１結像
光学系３の投影倍率をβとすると、第２フォトマスク４
上の孤立開口パターンはほぼ第１フォトマスク２上の孤
立開口パターンのβ倍である。但し、それら孤立開口パ
ターンの実際の大きさ及び形状は、良好な結像特性が得
られるように、第１フォトマスク２上及び第２フォトマ
スク４上でそれぞれ独立に調整される。この場合には、
第１フォトマスク２から射出される回折光８及び９が互
いに可干渉性を有していることから、第２フォトマスク
４の感光基板６上の投影像には、エッジ強調型位相シフ
トマスクを使用した場合と類似の結像特性が得られる。

【０００８】また、図４の構成における別の例として、
第１フォトマスク２及び第２フォトマスク４上に共に、
一次元的な周期パターンであるライン・アンド・スペー
スパターンを形成した場合を考える。そして、それら２
個の一次元的な周期パターンのピッチ方向（周期方向）
が互いに平行であるとする。この場合には、所謂変形照
明のような斜照明が適しているのであるが、その斜照明
の場合を考えると第１フォトマスク２から射出される回
折光８及び９が互いに可干渉性を有していることから、
第２フォトマスク４の感光基板６上の投影像には、所謂
変形照明法を使用した場合よりもコントラストの高い結
像特性が得られる。

【０００９】更に、例えば第１フォトマスク２に位相パ
ターンのみを形成し、第２フォトマスク４に遮光パター
ンのみを形成した場合にも、位相シフトマスクを使用し
た場合と同様の結像特性を得ることができる。即ち、そ
の本出願人の先願に係る投影露光装置は、１枚目のフォ
トマスク２上の一点で回折される光が互いに可干渉性を
有していることを積極的に利用して、感光基板６上での
結像性能を向上させるものである。

【００１０】しかしながら、その本出願人の先願に係る
投影露光装置においては、１枚の感光基板を露光するの
に２枚のフォトマスクを必要とするという不都合があっ
た。本発明は斯かる点に鑑み、１枚のフォトマスクを用
いて感光基板への露光を行うと共に、フォトマスクから
射出される光の可干渉性を積極的に利用して感光基板上
での結像性能を向上できる投影露光装置を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による投影露光装
置は、例えば図１に示すように、転写用のパターンが形
成されたフォトマスク（１４）を露光光で照明する照明
光学系（１５，１６，２０）を有し、フォトマスク（１
４）のパターンの像を感光基板（１９）上に投影する投
影露光装置において、その露光光のもとでフォトマスク
（１４）のパターンの像をフォトマスク（１４）上に結
像する第１結像光学系（１３，１２）と、この第１結像
光学系による結像光のもとでフォトマスク（１４）のパ
ターンの像を感光基板（１９）上に結像する第２結像光
学系（１５〜１８）とを有するものである。

【００１２】この場合、例えば図２に示すように、その
照明光学系（２０，２１）とその第１結像光学系（２２
〜２６，２１）とその第２結像光学系（２２〜２４）と
が互いに光路の一部を共有していてもよい。

【００１３】

【作用】斯かる本発明によれば、フォトマスク（１４）
上にこのフォトマスク（１４）自体の像が合焦状態又は
デフォーカスされた状態で投影され、この結像光のもと
でフォトマスク（１４）の像が感光基板（１９）上に露
光される。従って、２枚のフォトマスクを用いた場合と
等価な光学系が構成され、フォトマスク（１４）が互い
に可干渉性のある照明光で照明されることになるので、
例えば位相シフトマスクを用いた場合のように結像性能
が向上する。

【００１４】また、その照明光学系（２０，２１）とそ
の第１結像光学系（２２〜２６，２１）とその第２結像
光学系（２２〜２４）とが互いに光路の一部を共有する
場合には、第１結像光学系及び第２結像光学系の光学系
が全体として簡略化される。

【００１５】

【実施例】以下、本発明による投影露光装置の一実施例
につき図１を参照して説明する。図１は本例の投影露光
装置を示し、この図１において、平面鏡１２の下に順
に、第１レンズ系１３、転写対象とするパターンが形成
されたレチクル１４、両面に１／４波長板１６及び１７
が固定された偏光ビームスプリッター１５、第２レンズ
系１８及び感光基板１９を配置する。また、偏光ビーム
スプリッター１５の側面方向に露光光供給部２０を配置
する。

【００１６】この場合、平面鏡１２の反射面とフォトマ
スク１４のパターン形成面とは第１レンズ系１３に関し
て共役である。但し、第１レンズ系１３に関してフォト
マスク１４のパターン形成面と共役な面からその平面鏡
１２の反射面を僅かにデフォーカスさせる場合もある。
同様に、フォトマスク１４のパターン形成面と感光基板
１９の露光面とは、１／４波長板１６、偏光ビームスプ
リッター１５、１／４波長板１７及び第２レンズ系１８
に関して共役である。

【００１７】次に、本例の動作につき説明する。先ず、
露光光供給部２０から射出された露光光ＩＬ１が、偏光
ビームスプリッター１５の接合面１５ａで反射された
後、１／４波長板１６を経てフォトマスク１４を照明す
る。フォトマスク１４上のパターンにて回折された光
は、第１レンズ系１３により平面鏡１２上にフォトマス
１４のパターン像を結像し、平面鏡１２から反射された
光は、第１レンズ系１３によりフォトマスク１４上にフ
ォトマス１４のパターン像を再結像する。即ち、フォト
マスク１４のパターン形成面は、平面鏡１２方向からの
フォトマス１４のパターン像の結像光束により照明され
ることになる。

【００１８】すると、フォトマスク１４より下方に向か
って回折光が発生し、これら回折光は、１／４波長板１
６、偏光ビームスプリッタ１５、１／４波長板１７及び
第２レンズ系１８を経て、感光基板１９上にフォトマス
ク１４上のパターン像を結像する。このように本例によ
れば、１枚のフォトマスク１４のみを用いながら、図４
に示した本出願人の先願に係る投影露光装置のように、
２枚のレチクルを用いた二重結像系と等価な系を構成し
ていることが分かる。

【００１９】なお、図１のフォトマスク１４としては、
特に下方側（偏光ビームスプリッター１５側）に反射防
止膜等を施し、下方側から照明される露光光がフォトマ
スク１４で反射されて、偏光ビームスプリッター１５及
び第２レンズ系１８等を介して感光基板１９に到達する
のを防止するのが望ましい。次に図１における偏光ビー
ムスプリッタ１５及び１／４波長板１６，１７の機能に
ついて述べる。本実施例では、露光光供給部２０から射
出される露光光ＩＬ１は、図１の紙面に垂直な方向に電
場ベクトルが振動している直線偏光（以下、「ｓ偏光」
と呼ぶ）の状態になっているものとする。更に、ｓ偏光
と直交する直線偏光をｐ偏光と呼ぶ。仮に、露光光供給
部２０としてエキシマレーザーなどのレーザー光源を用
いる場合は、レーザー発光の偏光方向がｓ偏光になる様
に配置すればよい。また、水銀ランプ等を光源とする場
合は、露光光供給部２０の中に偏光板を配置して露光光
供給部２０から射出する光がｓ偏光となる様にしてもよ
い。或いは、偏光ビームスプリッタ１５に非偏光のまま
入射させて、ｓ偏光のみ反射させてｐ偏光成分は透過さ
せて除いてしまう構成でもよい。

【００２０】ここでは、露光光供給部２０からｓ偏光の
状態で露光光ＩＬ１が射出されて、偏光ビームスプリッ
タ１５に入射するものとすると、入射した光は全て偏光
ビームスプリッター１５で反射されて１／４波長板１６
に向かう。１／４波長板１６の主軸方向が偏光方向に対
して４５°回転した方向に一致する様に、１／４波長板
１６が配置してあるものとする。すると、１／４波長板
１６を通過する光は右（又は左）回りの円偏光となり、
フォトマスク１４及び第１レンズ系１３を経て反射鏡１
２へ至る。

【００２１】反射鏡１２での反射により、右（又は左）
回りの円偏光は、左（又は右）回りの円偏光となり、再
度第１レンズ系１３及びフォトマスク１４を経て１／４
波長板１６へ至る。１／４波長板１６を通過してｐ偏光
となった光は、偏光ビームスプリッタ１５を全て透過し
て１／４波長板１７へ至る。そして、１／４波長板１７
を通過して円偏光となった光は、第２レンズ系１８を介
して感光基板１９上へフォトマスク１４のパターン像を
結像する。１／４波長板１７の機能は、仮に直線偏光
（ｐ偏光）のまま光を結像させると、フォトマスク１４
上のパターンの方向性によって結像性能が変わってしま
う虞があるので、それを避けるためである。

【００２２】仮に、フォトマス１４上のパターンの主た
る空間周波数の方向が図１の紙面に垂直な方向ならば、
１／４波長板１７は必ずしも配置する必要が無い。以上
の偏光素子を配置することにより、光量の損失を少なく
することができる。例えば、偏光ビームスプリッタ１５
の代わりに通常のハーフミラーを用いると、反射又は透
過の度に光量が半分になってしまうのに対し、本実施例
に示した光学系では、反射又は透過に伴う光量の損失が
無い。

【００２３】次に、本発明の他の実施例につき図２を参
照して説明する。図２は本例の投影露光装置を示し、こ
の図２において、露光光供給部２０から射出された露光
光ＩＬ２は、第１ハーフミラー２１により反射されてフ
ォトマスク１４を照明する。フォトマスク１４上のパタ
ーンにより回折された光は、第１凹面鏡２２の内面２２
ａで反射されて第１凸面鏡２３に入射し、この第１凸面
鏡２３で反射されて再び第１凹面鏡２２に向かう。そし
て、第１凹面鏡２２の内面２２ａで反射された光が、第
２ハーフミラー２４を透過してフォトマスク１４のパタ
ーンの中間像を形成する。この中間像から発散する光
が、更に第２凹面鏡２５の内面２５ａ、第２凸面鏡２６
及び第２凹面鏡２５の内面２５ａにて順次反射された
後、第１ハーフミラー２１を透過してフォトマスク１４
上にフォトマスク１４のパターン像を形成する。

【００２４】フォトマスク１４のパターン像の結像光
は、フォトマスク１４上のパターンに対する照明光とし
て機能し、この結像光により照明されたフォトマスク１
４からの回折光は、第１凹面鏡２２、第１凸面鏡２３及
び第１凹面鏡２２により順次反射されて第１ハーフミラ
ー２４に入射する。このハーフミラー２４により反射さ
れた光が、感光基板１９上にフォトマスク１４のパター
ン像を結像する。

【００２５】即ち、本例においては、露光光供給部２０
及び第１ハーフミラー２１によりフォトマスク１４が照
明され、このフォトマスク１４のパターンの像が、第１
凹面鏡２２、第１凸面鏡２３、第２ハーフミラー２４、
第２凹面鏡２５、第２凸面鏡２６及び第１ハーフミラー
２１よりなる結像光学系により再びフォトマスク１４上
に結像される。そして、その結像光のもとで、フォトマ
スク１４のパターン像が、第１凹面鏡２２、第１凸面鏡
２３及び第２ハーフミラー２４よりなる結像光学系によ
り感光基板１９上に結像されている。

【００２６】この場合、フォトマスク１４のパターンで
回折された光の内で、第２ハーフミラー２４でそのまま
反射される光により結像される像は、従来の結像法に対
応する結像成分であり、第２ハーフミラー２４を１回通
過した後にこの第２ハーフミラー２４で反射される光に
より結像される像は、本出願人の先願に係る図４の二重
結像系による結像成分である。また、第２ハーフミラー
２４を２回以上通過した後にこの第２ハーフミラー２４
で反射される光により結像される像は、三重以上の多重
結像系による結像成分である。

【００２７】この様に、本例においては図４のような二
重結像系による結像成分以外に、図３のような一重結像
系による結像成分及び三重以上の多重結像系による結像
成分が含まれている。また、露光光供給部２０から射出
された後に第１ハーフミラー２１を透過する光、及び第
２凹面鏡２５で反射された後に第１ハーフミラー２１で
反射される光は、全て無駄になる構成となっている。

【００２８】これに対して、感光基板１９上での結像を
二重結像系による結像成分のみとして、光の利用効率を
更に高めたい場合は、第１ハーフミラー２１及び第２ハ
ーフミラー２４をそれぞれｓ偏光を反射してｐ偏光を透
過させる第１偏光ミラー２７及び第２偏光ミラー２８と
交換すればよい。偏光ミラーとは偏光ビームスプリッタ
ーと同様な働きをするミラーである。更に、図２におい
て破線で示したように、フォトマスク１４と第１凹面鏡
２２との間に１／２波長板２９を配置し、第２偏光ミラ
ー２８と感光基板１９との間に１／４波長板３０を配置
し、露光光供給部２０から射出される露光光ＩＬ２をｓ
偏光とすればよい。

【００２９】この場合、露光光供給部２０から射出され
る露光光ＩＬ２は、ｓ偏光であるため第１偏光ミラー２
７で全部反射されて、フォトマスク１４に入射する。フ
ォトマスク１４の直後の１／２波長板２９の主軸が、ｓ
偏光の振動方向から４５°回転した方向に設置されてい
るとして、フォトマスク１４を通過したｓ偏光の光は、
１／２波長板２９によりｐ偏光となる。その後、第１凹
面鏡２２、第１凸面鏡２３及び第１凹面鏡２２により反
射された光は、ｐ偏光であるため第２偏光ミラー２８を
全部が透過する。次に、第２凹面鏡２５、第２凸面鏡２
６及び第２凹面鏡２５により反射された光は、依然ｐ偏
光であるため第１偏光ミラー２１を全て透過してフォト
マスク１４上にフォトマスク１４のパターン像を結像す
る。

【００３０】そして、フォトマスク１４を通過したｐ偏
光の光は、１／２波長板２９によりｓ偏光に変換され
る。その後、第１凹面鏡２２、第１凸面鏡２３及び第１
凹面鏡２２により順次反射された光は、ｓ偏光であるた
め第２偏光ミラー２８により全て反射されて、感光基板
１９上にフォトマスク１４のパターン像を結像する。こ
の場合、感光基板１９上に結像される像は、二重結像系
による結像成分のみであり、結像性能は良好である。更
に、露光光供給部２０から射出された露光光ＩＬ２の光
量損失が少なく光の利用効率が極めて高い。また、感光
基板１９の上方に設置してある１／４波長板３０は、ｓ
偏光という直線偏光を円偏光に変換するものであり、こ
れによりフォトマスク１４上のパターンの方向性による
結像特性の差が解消される。

【００３１】なお、上述の図１の実施例は結像光学系と
して屈折系が使用され、図２の実施例は結像光学系とし
て反射系が使用されているが、屈折系と反射系とを併用
しても良いことは言うまでもない。更に、フォトマスク
を反射型としても良く、フォトマスクが反射型の場合の
光学系としては、種々の形態が考えられる。このように
本発明は上述実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱
しない範囲で種々の構成を取り得る。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、１枚のフォトマスクを
用いるだけで２枚以上のフォトマスクを用いる多重結像
系と同様に、フォトマスクから射出される光の可干渉性
を積極的に利用して感光基板上での結像性能を向上でき
る利点がある。これにより、フォトマスク作成に要する
コストの低減を図れると共に、複数枚のフォトマスクの
相対位置合わせが不要となり、装置構成の簡略化及び装
置稼働時のスループットの向上に寄与できる。

【００３３】また、本発明は各種偏光素子を併用するこ
とにより光量損失の少ない形態で装置として実現でき
る。また、照明光学系と第１結像光学系と第２結像光学
系とが互いに光路の一部を共有している場合には、全体
の光学系を簡略化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の一実施例を示す概
略構成図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す概略構成図である。

【図３】従来の投影露光装置の要部を示す概略構成図で
ある。

【図４】本出願人の先願に係る投影露光装置を示す概略
構成図である。

【符号の説明】

１２平面鏡１３第１レンズ系１４フォトマスク１５偏光ビームスプリッター１６，１７１／４波長板１８第２レンズ系１９感光基板２０露光光供給部２１，２４ハーフミラー２７，２８偏光ミラー２９１／２波長板３０１／４波長板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】転写用のパターンが形成されたフォトマ
スクを露光光で照明する照明光学系を有し、前記フォト
マスクのパターンの像を感光基板上に投影する投影露光
装置において、前記露光光のもとで前記フォトマスクのパターンの像を
前記フォトマスク上に結像する第１結像光学系と、該第１結像光学系による結像光のもとで前記フォトマス
クのパターンの像を前記感光基板上に結像する第２結像
光学系とを有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記照明光学系と前記第１結像光学系と
前記第２結像光学系とが互いに光路の一部を共有してい
ることを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。