JPH06244082A

JPH06244082A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH06244082A
Application number: JP5030019A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-02-19
Filing date: 1993-02-19
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】コンタクトホールパターンの投影露光時の焦
点深度を拡大する。【構成】投影光学系ＰＬの瞳面上の光軸を中心とする
輪帯透過部ＦＢを通過する結像光束ＬＦｂと、その内側
透過部ＦＡ及び外側透過部ＦＣを通過する結像光束ＬＦ
ａ、ＬＦｃとの間の干渉性を低減させる干渉性低減部材
ＣＣＭを瞳面に配置する。さらに、透過部ＦＡの結像光
ＬＦａと透過部ＦＣの結像光ＬＦｃとの間に（２ｍ＋
１）π〔ｒａｄ〕の位相差を与える位相シフターを設け
ることにより、少なくとも２つの結像光束（ＬＦａ、Ｌ
Ｆｃ）、ＬＦｂをインコヒーレントな状態に変換するＳ
ＦＩＮＣＳ法を適用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路、液晶デ
ィスプレイ等の微細パターンの形成に用いる投影型露光
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の投影型露光装置に使われている
投影光学系は、高度な光学設計、硝材の厳選、硝材の超
精密加工、及び精密な組立て調整をへて装置内に組み込
まれる。現在、半導体製造工程では水銀ランプのｉ線
（波長３６５ｎｍ）を照明光としてレチクル（マスク）
を照射し、そのレチクル上の回路パターンの透過光を投
影光学系を介して感光基板（ウェハ等）上に結像するス
テッパーが主に使われている。また評価用、あるいは研
究用としてエキシマレーザ（波長２４８ｎｍのＫｒＦレ
ーザ）を照明光とするエキシマステッパーも使われてい
る。エキシマステッパー用の投影光学系は屈折レンズの
みで構成した場合、使用できる硝材が石英やホタル石等
に限定される。

【０００３】一般に、投影光学系を用いた露光によって
微細なレチクルパターンを感光基板へ忠実に転写するた
めには、投影光学系の解像力と焦点深度（ＤＯＦ：デプ
スオブフォーカス）とが重要なファクタとなっている。
現在実用化されている投影光学系のうち、ｉ線用のもの
で開口数（ＮＡ）として０．６程度のものが得られてい
る。使用する照明光の波長が同じであるとき、投影光学
系の開口数を大きくすると、それに応じて解像力も向上
する。しかしながら焦点深度（ＤＯＦ）は開口数ＮＡの
増大に伴って減少する。焦点深度は照明光の波長をλと
したとき、ＤＯＦ＝±λ／ＮＡ²によって定義される。

【０００４】図１は従来の投影光学系の結像光路を模式
的に表したものであり、投影光学系は前群のレンズ系Ｇ
Ａと後群のレンズ系ＧＢとによって構成される。この種
の投影光学系はレチクルＲ側とウェハＷ側との両方をテ
レセントリックにしたもの、あるいはウェハＷ側のみを
テレセントリックにしたものが一般的である。さて、図
１においてレチクルＲのパターン面（投影光学系の物体
面）上に任意の３つの点Ａ、Ｂ、Ｃを想定する。点Ａか
ら様々の方向に進む光線Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、Ｌａ、Ｌ
ａ’、Ｌａ”のうち、光線Ｌ₁は投影光学系のレンズ系
ＧＡに入射できないような角度で発生する。また、前群
のレンズ系ＧＡに入射した光線のうち、光線Ｌ₂、Ｌ₃
は投影光学系内のフーリエ変換面ＦＴＰに位置する瞳ｅ
ｐを通過することができない。そして他の光線Ｌａ、Ｌ
ａ’、Ｌａ”は瞳ｅｐを通過して後群のレンズ系ＧＢに
入射し、ウェハＷの表面（投影光学系の瞳面）上の点
Ａ’に収斂する。従って、レチクルＲ上の点Ａから発生
した光線のうち、投影光学系の瞳ｅｐ（光軸ＡＸを中心
とする円形領域）を通過した光線が点Ａ’に点像を結像
するのに寄与する。ここで点Ａから点Ａ’に向う光線の
うち瞳ｅｐの中心点ＣＣ（光軸ＡＸの位置）を通る光線
Ｌａを主光線と呼び、この主光線Ｌａは両側がテレセン
トリックな投影光学系の場合、物体面側、像面側の夫々
の空間で光軸ＡＸと平行になっている。

【０００５】またレチクルＲ上の他の点Ｂ、Ｃの夫々か
ら発生した光線についても全く同じであり、瞳ｅｐを通
過する光線のみが点像Ｂ’、Ｃ’の結像に寄与する。同
様に点Ｂ、Ｃの夫々から光軸ＡＸと平行に進んでレンズ
系ＧＡに入射する光線Ｌｂ、Ｌｃは、いずれも瞳ｅｐの
中心点ＣＣを通る主光線となる。このように瞳ｅｐはレ
チクルＲのパターン面とウェハＷの表面との夫々に対し
てフーリエ変換、及び逆フーリエ変換の関係にあり、レ
チクル上のパターンからの光線のうち結像に寄与する光
線は全て瞳ｅｐを重畳して通ることになる。

【０００６】このような投影光学系の開口数は一般にウ
ェハ側の値として表されている。図１において、点像
Ａ’の結像に寄与する光線のうち、瞳ｅｐ内の最外部を
通る光線Ｌａ’、Ｌａ”がウェハＷ上で主光線Ｌａと成
す角度θｗが、この投影光学系のウェハ（像面）側での
開口数ＮＡ_Wに相当し、ＮＡｗ＝ｓｉｎθｗで表され
る。従って光線Ｌａ’、Ｌａ”がレチクルＲ側で主光線
Ｌａと成す角度θｒは、レチクル（物体面）側での開口
数ＮＡｒと呼ばれ、ＮＡｒ＝ｓｉｎθｒで表される。さ
らに投影光学系の結像倍率をＭ（１／５縮小の場合はＭ
＝０．２）とすると、ＮＡｒ＝Ｍ・ＮＡｗの関係にあ
る。

【０００７】ところで解像力を高めるためには、開口数
ＮＡｗ（ＮＡｒ）を大きくする訳であるが、このことは
換言すれば瞳ｅｐの径を大きくすること、さらにレンズ
系ＧＡ、ＧＢの有効径を大きくすることに他ならない。
ところが、焦点深度ＤＯＦの方は開口数ＮＡｗの２乗に
反比例して減少してしまうため、例え高開口数の投影光
学系が製造できたとしても、必要な焦点深度が得られな
いことになり、実用上の大きな障害となる。

【０００８】照明光の波長をｉ線の３６５ｎｍとし、開
口数ＮＡｗを０．６とすると、焦点深度ＤＯＦは幅で約
１μｍ（±０．５μｍ）になってしまい、ウェハＷ上の
１つのショット領域（２０ｍｍ角〜３０ｍｍ角程度）内
で表面の凹凸や湾曲が焦点深度ＤＯＦ以上の部分につい
ては解像不良を起こすことになる。またステッパーのシ
ステム上でも、ウェハＷのショット領域毎のフォーカス
合わせ、レベリング等を格段に高精度に行う必要が生
じ、メカ系、電気系、ソフトウェアの負担（計測分解
能、サーボ制御精度、設定時間等の向上努力）が増大す
ることになる。

【０００９】そこで本件出願人は、このような投影光学
系の諸問題を解決し、しかも特公昭６２−５０８１１号
公報に開示されているような位相シフトレチクルを使わ
なくとも、高い解像力と大きな焦点深度との両方を得る
ことができる新たな投影露光技術を、特開平４−１０１
１４８号公報、特開平４−２２５３５８号公報等で提案
した。この露光技術は、投影光学系は既存のままで、レ
チクルへの照明方法を特殊な形体に制御することで見か
け上の解像力と焦点深度とを増大させるものであり、Ｓ
ＨＲＩＮＣ（ＳｕｐｅｒＨｉｇｈＲｅｓｏｌｕｔｉ
ｏｎｂｙＩｌｌｕｍｉＮａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏ
ｌ）法と呼んでいる。このＳＨＲＩＮＣ法は、レチクル
Ｒ上のライン・アンド・スペースパターン（Ｌ＆Ｓパタ
ーン）のピッチ方向に対称的に傾斜した２つの照明光
（又は４つの照明光）をレチクルへ照射し、Ｌ＆Ｓパタ
ーンから発生する０次回折光成分と±１次回折光成分の
一方とを、投影光学系の瞳ｅｐ内で中心点ＣＣに関して
対称的に通し、２光束干渉（一方の１次回折光と０次回
折光との干渉）の原理を利用して、Ｌ＆Ｓパターンの投
影像（干渉縞）を生成するものである。

【００１０】このように２光束干渉を利用した結像によ
ると、デフォーカス時の波面収差の発生が従来の方法
（通常の垂直照明）の場合よりも押さえられるため、焦
点深度が大きくなるのである。ところが、このＳＨＲＩ
ＮＣ法はレチクルＲ上に形成されるパターンがＬ＆Ｓパ
ターン（格子）のように、周期構造を持つときに所期の
効果が得られるのであり、コンタクトホール等の孤立し
たパターンに対してはその効果が得られない。一般に、
孤立した微小パターンの場合、そこからの回折光はほと
んどフランフォーファ回折として発生するため、投影光
学系の瞳ｅｐ内では０次回折光と高次回折光とに明確に
分離しないためである。

【００１１】そこで、コンタクトホール等の孤立パター
ンに対して見かけ上の焦点深度を拡大させる露光方法と
して、ウェハＷの１つのショット領域に対する露光を複
数回に分け、各露光の間にウェハＷを光軸方向に一定量
だけ移動させる方法が、例えば特開昭６３−４２１２２
号公報で提案された。この露光方法はＦＬＥＸ（Ｆｏｃ
ｕｓＬａｔｉｔｕｄｅｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔＥ
Ｘｐｏｓｕｒｅ）法と呼ばれ、コンタクトホール等の孤
立パターンに対しては十分な焦点深度拡大効果を得るこ
とができる。ただしＦＬＥＸ法は、わずかにデフォーカ
スしたコンタクトホール像を多重露光することを必須と
するため、現像後に得られるレジスト像は必然的に鮮鋭
度が低下したものとなる。この鮮鋭度低下（プロファイ
ル悪化）の問題は、ガンマ値が高いレジストを用いた
り、多層レジストを用いたり、あるいはＣＥＬ（Ｃｏｎ
ｔｒａｓｔＥｎｈａｎｃｅｍｅｎｔＬａｙｅｒ）を
用いたりすることで補うことができる。

【００１２】またＦＬＥＸ法のように露光動作中にウェ
ハＷを光軸方向に移動させなくても、コンタクトホール
パターンの投影時の焦点深度を拡大する試みとして、１
９９１年春季応用物理学会の予稿集２９ａ−ＺＣ−８、
９で発表されたＳｕｐｅｒ−ＦＬＥＸ法も知られてい
る。このＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法は、投影光学系の瞳ｅ
ｐに透明な位相板を設け、この位相板によって結像光に
与えられる複素振幅透過率が光軸ＡＸから周辺に向かっ
て順次変化するような特性を持たせたものである。この
ようにすると、投影光学系によって結像された像はベス
トフォーカス面（レチクルＲと共役な面）を中心に光軸
方向に一定の幅（従来よりは広い）でシャープさを保つ
ことになり、焦点深度が増大するのである。

【００１３】尚、上記のＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法の如く
投影光学系の瞳面でのフィルタリングにより透過率分布
や位相差を変化させ焦点深度を向上する方法は多重焦点
フィルター法として一般に知られている。多重焦点フィ
ルターについては、昭和３６年１月２３日付で発行され
た機械試験所報告第４０号の「光学系における結像性能
とその改良方法に関する研究」と題する論文中の第４１
頁〜第５５頁に詳しく述べられている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上で述べた各種従来
技術のうち、ＦＬＥＸ法、及びＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法
では、孤立的なコンタクトホールパターンに対して十分
な焦点深度の増大効果を得ることができる。しかしなが
ら、ある程度接近した複数のコンタクトホールパターン
では、ホール間のフォトレジストに不要な膜べりを生じ
させてしまい、事実上使用することが困難になることが
わかった。

【００１５】さらに、ＦＬＥＸ法では、孤立的なコンタ
クトホールパターンについてもその像（多重露光で得ら
れる合成光学像）のシャープネスを必然的に悪化させる
ために、焦点深度は増大しても露光量裕度が減少すると
いう問題もある。また露光作業中にウェハを光軸方向に
連続的に移動又は振動する方式のＦＬＥＸ法では走査露
光方式の露光装置への適用が難しく、また露光を第１の
露光と第２の露光に分割し、各露光間にウェハを光軸方
向に移動する方式では処理能力の低下が大きく、スルー
プットが著しく低下するという問題がある。

【００１６】そこで本発明は、コンタクトホール等の孤
立したパターンの投影露光の際に、焦点深度を拡大した
投影露光装置を得ることを目的とし、特に比較的接近し
た複数の孤立パターンに対しても忠実な転写を可能と
し、同時に焦点深度拡大効果が得られる装置を提供する
ことを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記問題点の解決の為に
本発明では微細なパターンが形成されたマスク（レチ
クルＲ）を露光用の照明光で照射する照明手段（１〜１
４）と、マスクのパターンから発生した光を入射してパ
ターンの像を感応基板（ウェハＷ）上に結像投影する投
影光学系（ＰＬ）とを備えた投影露光装置において、マ
スクと感応基板との間の結像光路内のフーリエ変換面
（ＦＴＰ）、又はその近傍面に配置され、フーリエ変換
面上、又はその近傍面上の投影光学系の光軸を中心とす
る輪帯状領域（ＦＢ）内に分布する結像光と、その内側
領域（ＦＡ）及び外側領域（ＦＣ）に分布する結像光と
の間の干渉性を低減させる干渉性低減手段（ＣＣＭ）を
設けた。さらに、上記の輪帯状領域の内側領域に分布す
る結像光と外側領域に分布する結像光とに（２ｍ＋１）
π〔ｒａｄ〕（ｍは整数）の位相差を与える位相シフタ
ーを設けるようにした。そして、それらの領域の各径の
比を最適化した。

【００１８】

【作用】本発明においては、レチクルパターン面に対し
て、光学的にフーリエ変換の関係となる投影光学系内の
面（以後瞳面と略す）、又はその近傍面に干渉性低減部
材を設け、その瞳面内で円形または輪帯状に分布する結
像光の一部と、それ以外の部分に分布する結像光とを互
いに干渉し合わない状態とする。この結果レチクルパタ
ーン中の、特にコンタクトホールパターンを透過、回折
した露光光束（結像光）は瞳面内で干渉し合わない２つ
の光束に空間的に分割され、ウェハ等の被露光体に到達
する。ウェハ上でも２つの光束は干渉し合わない（イン
コヒーレントである）ために、それぞれの光束が作り出
す像（コンタクトホールの像）の光量上での強度合成像
が得られる。従来の露光方式ではレチクル上の微小コン
タクトホールパターンを透過、回折した光束は投影光学
系を経てウェハ面に達すると、ここですべて振幅的に合
成（コヒーレント加算）されてレチクルパターンの像
（光学像）を形成していた。従来のＳｕｐｅｒ−ＦＬＥ
Ｘ法においても、瞳面に分布する結像光を部分的に位相
シフトさせているだけなので、コヒーレント加算である
ことに変わりはない。

【００１９】さて、投影光学系の瞳面に位相シフト板等
がないものとすると、ベストフォーカス（合焦状態）で
は、レチクル上の任意の１点からウェハ上の対応する像
点までの光路長は投影光学系中のどこの光線路を通るか
にかかわらずすべて等しく（フェルマーの原理）、従っ
てウェハ上の振幅合成は位相差のない光の合成となり、
すべてコンタクトホールパターンの強度を増大する方向
に作用する。

【００２０】ところがウェハがデフォーカス（ウェハ表
面とベストフォーカス面との光軸方向のずれ）すると、
上記の光路長は投影光学系内の光線路によって異なった
長さとなる。この結果上記の振幅合成は光路差（位相
差）を有する光の加算となり、一部で相殺効果が生じ、
コンタクトホールパターンの中心強度を弱めることにな
る。このとき生じる光路差はウェハ上の１つの像点に入
射する任意の光線の入射角をθとし、かつウェハに垂直
に入射する光線（主光線）の光路長を基準（＝０）とす
ると、ほぼ１／２（ΔＦ・ｓｉｎ²θ）と表される。こ
こでΔＦはデフォーカス量を表す。ｓｉｎθの最大値は
投影光学系のウェハ側の開口数ＮＡｗであるから、従来
の如く微小ホールパターンからの回折光のうち瞳ｅｐを
通過したすべての光がウェハ上で振幅合成される場合、
最大で１／２（ΔＦ・ＮＡｗ²）の光路差を生じてしま
うことになる。このとき焦点深度としてλ／４の光路差
までを許容すると仮定すれば、以下の関係が成り立つ。

【００２１】１／２（ΔＦ・ＮＡｗ²）＝λ／４この式をまとめ直すと、ΔＦ＝λ／（２ＮＡｗ²）とな
って一般に言われる焦点深度幅と一致する。例えば露光
用照明光波長として現在使われているｉ線（波長０．３
６５μｍ）を前提とし、開口数としてＮＡｗ＝０．５０
を想定すると、焦点深度±ΔＦ／２は±０．７３μｍと
なり、ウェハ上のプロセス段差１μｍ程度に対してほと
んど余裕のない値となっている。

【００２２】以上の原理を模式的に表したものが図６で
ある。図６の横軸は光軸を中心（０）とした瞳の径方向
の距離を表す。図６（Ａ）中のｔｃは瞳の振幅透過率を
表すが、通常の結像では瞳面には位相シフト板や、吸光
物質を置かないので、コンスタントに＋１の振幅透過率
となっている。図６（Ｂ）はウェハに入射する光束の角
度範囲を表し、ｓｉｎθｎ＝ＮＡ（ウェハ側開口数）で
あり、最大値はθｗ、ＮＡｗである。

【００２３】さて、瞳面に位相板等がなく、かつ−θｎ
から＋θｎの入射角度範囲の光がウェハに達するとき、
すなわちベストフォーカス（ΔＦ＝０）状態のときは、
図６（Ｃ）に示すように、レチクル上の一点とウェハ上
の像点との光路長差ΔＬＣＯはウェハへの入射角度又は
その正弦（ｓｉｎ）によらず等しくなる（ΔＬＣＯ＝
０）。一方、ウェハＷがΔＦ＝Ｆだけデフオォーカスす
ると上記の光路長差は入射角度（θ）の正弦に応じて１
／２ΔＦｓｉｎ²θだけ異なってくる。これを図６
（Ｄ）に示す。θ＝０からｓｉｎθ＝ＮＡｗの間にはΔ
ＬＣＦだけの光路差（デフォーカスによる波面収差）が
生じる。この光路差（波面収差）が像のプロファイルを
悪化させる。これがすなわちデフォーカスによる像の劣
化である。

【００２４】一方、図７はいわゆる多重焦点フィルター
の１例として２重焦点フィルターによる結像の原理を模
式的に示すものである。ここでは図７（Ａ）のように２
重焦点フィルターとして瞳面の中心部と周辺部で透過光
の位相をπ〔ｒａｄ〕だけ異ならしめるフィルターを用
いる。すなわちフィルターの振幅透過率は中心（円形領
域）で負、周辺（輪帯領域）で正となるが、この符号関
係は相対的なものであり、正負を反対にしても勿論構わ
ない。

【００２５】振幅透過率が負である領域は、図７（Ｂ）
のようにウェハへの入射角として、−θ₁＜θ＜θ₁で
あり、振幅透過率が正である領域はウェハへの入射角と
して、−θｗ＜θ＜θ₁及びθ₁＜θ＜θｗとなる（ｓ
ｉｎθ₁＝ＮＡ₁とする）。さて、レチクル上の一点か
らウェハ上の像点までの光路長差は、図７（Ｃ）のよう
に使用する２重焦点フィルタのためにベストフォーカス
（ΔＦ＝０）においてもΔＬＦＯ＝λ／２だけの光路差
を含んでいる。このためベストフォーカス（ΔＦ＝０）
における像は、通常の（２重焦点フィルターを用いな
い）場合の像よりもむしろ劣化したものとなる。ところ
が、ΔＦ＝Ｆのデフォーカス状態においては、図７
（Ｄ）のように２重焦点フィルターの位相シフト効果に
より発生する位相差ΔＬＦＦを、図６（Ｄ）の通常の光
路長差ΔＬＣＦよりも少なくすることができる。従っ
て、２重焦点フィルターによりある程度デフォーカスし
た位置での像を改善できることとなり、焦点深度を増大
することができる。

【００２６】尚、上記の説明では片側（正方向）のみの
デフォーカスを考えたが、逆側（負方向）のデフォーカ
スに対しても同様に２重焦点フィルターの効果は表れ
る。逆側のデフォーカスでは、図６（Ｄ）、図７（Ｄ）
共に放物線が上に凸となるが、このとき図６（Ｄ）中で
−ＮＡｗ〜−ＮＡ₁、及びＮＡ₁〜ＮＡｗの間に相当す
る光束は、図７（Ｄ）に示した−ＮＡ₁〜ＮＡ₁の間の
光束より１波長分ずれた（−側）の光束と干渉し、従っ
てΔＦ＝−Ｆの場合も光路差は同様にΔＬＦＦとなる。

【００２７】一方、本発明では図２に示すように、投影
光学系の瞳面（ＦＴＰ）に干渉性低減部材ＣＣＭを設け
る。このとき、レチクルＲのパターン面に形成された孤
立パターンＰｒで回折した結像光束（主光線はＬＬｐ）
は投影光学系ＰＬの前群レンズ系ＧＡに入射した後、フ
ーリエ変換面ＦＴＰに達する。そしてフーリエ変換面Ｆ
ＴＰにおいて、瞳面ｅｐ内の中心部の円形状透過部分Ｆ
Ａ及び周辺部の輪帯状透過部ＦＣを透過する光束（それ
ぞれＬＦａ、ＬＦｃ）と、中間部の輪帯状透過部ＦＢを
透過する光束（ＬＦｂ）とが互いに干渉し合わない状態
に制御（変換）される。このため、ウェハＷ上では干渉
性低減部材ＣＣＭの円形状の透過部ＦＡ及び周辺の輪帯
状透過部ＦＣを透過した光束ＬＦａ、ＬＦｃと、中間の
透過部ＦＢを通過した光束ＬＦｂとは干渉を起こさな
い。その結果、中心透過部ＦＡ及び周辺透過部ＦＣから
の光束ＬＦａ、ＬＦｃと中間部ＦＢからの光束ＬＦｂと
はそれぞれ独立して自分自身のみで干渉し合い、それぞ
れホールパターンの像（強度分布）Ｐｒ’を形成する。
すなわち光束ＬＦａ、ＬＦｃのみの干渉によってウェハ
Ｗ上に生成される像と、光束ＬＦｂのみの干渉によって
生成される像とを、単純に強度的に加算したものが、本
発明によって得られるコンタクトホール等の孤立パター
ンの像Ｐｒ’となる。

【００２８】尚、レチクルＲへの照明光ＩＬＢは従来と
同様に一定の開口数ｓｉｎψ／２をもつものとする。但
し、投影光学系ＰＬのレチクル側の開口数ＮＡｒに対し
ては、ＮＡｒ＞ｓｉｎψ／２の条件に設定される。そこ
で、本発明における結像原理を、さらに図３、図４、及
び図５を参照して説明する。図３は本発明で用いる瞳フ
ィルターとしての干渉性低減部材ＣＣＭの平面図及び振
幅透過率を表す。

【００２９】前述の如く中心の半径ｒ₁の円形透過部Ｆ
Ａ、及び周辺の内半径ｒ₂の輪帯状透過部ＦＣに対し
て、中間部の内半径ｒ₁、外半径ｒ₂の輪帯状透過部Ｆ
Ｂには、上記透過部ＦＡ、ＦＣの各透過光との干渉性を
低減する部材が設けられている。従って、透過部ＦＡ、
ＦＣと透過部ＦＢとの振幅透過率を同一の座標上に表す
ことはあまり意味がない。なぜなら、２つの透過部Ｆ
Ａ、ＦＣの各透過光（ＬＦａ、ＬＦｃ）と透過部ＦＢの
透過光（ＬＦｂ）とは、振幅的に合成（干渉）し合うこ
とがないからである。従って図３では、図３（Ｂ）、
（Ｃ）のように夫々の振幅透過率を別々に、｜ａ＞（ケ
ットａ）、及び｜ｂ＞（ケットｂ）として表した。この
｜ａ＞、｜ｂ＞は互いに干渉しない光を意味する。

【００３０】｜ａ＞（透過部ＦＡとＦＣの振幅透過率）
については、本発明では両部の透過光に（２ｍ＋１）π
〔ｒａｄ〕の位相差を与える位相シフト手段を用いるの
で、中央部（ＦＡ）と周辺部（ＦＣ）では逆符号とな
る。図３（Ｂ）中では中心を負とし、外周を正とした
が、この符号関係は相対的なものなので、正負を逆の関
係にしても構わない。また図３（Ｃ）に示すように、中
間の輪帯透過部ＦＢの振幅透過率はここでは正とした
が、この値はその絶対値が１であればどのようなもので
あっても良い、また、図３（Ｃ）の振幅透過率と図３
（Ｂ）の振幅透過率とは全く無関係なものである。

【００３１】図４の如く、中間の輪帯透過部ＦＢを通る
光束ＬＦｂ内での振幅合成では、光束ＬＦｂのウェハへ
の入射角度θは輪帯透過部ＦＢの半径ｒ₁、ｒ₂に対応
してθ₁＜θ＜θ₂の範囲となるので、ΔＦ＝Ｆのとき
の光路長差ΔＬは図４（Ｄ）のようにΔＬＢＦ＝１／２
Ｆ（ｓｉｎ²θ₂−ｓｉｎ²θ₁）となる。勿論、ΔＦ
＝０では、図４（Ｃ）のように光路長差ΔＬＢＯは０で
ある。

【００３２】一方、図５の如く中心透過部ＦＡ、及び周
辺透過部ＦＣの透過光ＬＦａ、ＬＦｂによる像（振幅
合成）は、透過率分布｜ａ＞が前述の２重焦点フィルタ
ーと同様になっている。従って、ベストフォーカスΔＦ
＝０においても、図５（Ｃ）のようにΔＬＡＯ＝λ／２
の光路長差を生じるが、ΔＦ＝Ｆのデフォーカス時には
光路長差が図５（Ｄ）のようにΔＬＡＦ程度となり、ベ
ストフォーカス時（ΔＦ＝±Ｆ）の方が波面収差が少な
い、すなわちプロファイルの良い像が得られることにな
る。

【００３３】第１の光束ＬＦａ及びＬＦｃと第２の光束
ＬＦｂは互いには干渉し合わないので、光束ＬＦａ、Ｌ
Ｆｃのみの干渉による像Ｐｒ'₁と、光束ＬＦｂのみの干
渉による像Ｐｒ'₂の劣化は、各光束内での光路長差ΔＬ
ＢＦ、ΔＬＡＯ、ΔＬＡＦのみに起因する。これらの光
路長差のうち、ΔＬＢＦ、ΔＬＡＦについては、図４、
５より明らかなように、従来のΔＦ＝Ｆのデフォーカス
時の光路長差ΔＬＣＦ＝１／２ＦＮＡ²ｗより小さく、
またΔＬＡＯ＝λ／２については２重焦点フィルター用
の光路長差であり、一概に像を悪化させるものではな
い。

【００３４】この結果、本発明では同一量のデフォーカ
ス時において、従来の結像より光路長差を少なくするこ
とができ、すなわちより大きな焦点深度を得ることがで
きるようになる。このように投影光学系ＰＬの瞳面ｅｐ
において、結像光束を互いに干渉しない複数の光束に交
換する手法を、以後ＳＦＩＮＣＳ（ＳｐａｔｉａｌＦｉ
ｌｔｅｒｆｏｒＩＮＣｏｈｅｒｅｎｔＳｔｒｅａ
ｍ）法と呼ぶことにする。

【００３５】また本発明によると、前述のような従来の
２重焦点フィルター、あるいは３重焦点フィルターのみ
の使用時に問題となるリンギングも、全く問題がなくな
るが、この作用については実施例中で詳しく述べる。

【００３６】

【実施例】図８は本発明の実施例による投影露光装置の
全体的な構成を示す。図８において、水銀ランプ１から
放射された高輝度光は楕円鏡２によって第２焦点に収斂
した後、発散光となってコリメータレンズ４に入射す
る。その第２焦点の位置にはロータリーシャッター３が
配置され、照明光の通過、遮断を制御する。コリメータ
レンズ４によってほぼ平行光束に変換された照明光は、
干渉フィルター５に入射し、ここで露光に必要とされる
所望のスペクトル、例えばｉ線のみが抽出される。干渉
フィルター５を射出した照明光（ｉ線）は、オプチカル
インテグレータとしてのフライアイレンズ７に入射す
る。もちろんｉ線以外の波長、あるいは複数の波長を使
用してもよく、また光源自体もレーザー等でもよい。図
中、偏光制御部材６は本発明の実施形態によっては使用
するものであり、詳しくは後述する。

【００３７】さて、フライアイレンズ７に入射した照明
光（ほぼ平行光束）は、フライアイレンズ７の複数のレ
ンズエレメントによって分割され、各レンズエレメント
の夫々の射出側には２次光源像（水銀ランプ１の発光点
の像）が形成される。従ってフライアイレンズ７の射出
側にはレンズエレメントの数と同じ数の点光源像が分布
し、面光源像が作られる。フライアイレンズ７の射出側
には、面光源像の大きさを調整するための可変絞り８が
設けられる。この絞り８を通った照明光（発散光）はミ
ラー９で反射され、集光レンズ系１０に入射した後、レ
チクルブラインド１１の矩形の開口部を均一な照度分布
で照射する。図８では、フライアイレンズ７の射出側に
形成される複数の２次光源像（点光源）のうち、光軸Ａ
Ｘ上に位置する１つの２次光源像からの照明光のみを代
表的に図示してある。また集光レンズ系１０によって、
フライアイレンズ７の射出側（２次光源像が形成される
面）はレチクルブラインド１１の矩形開口面に対するフ
ーリエ変換面になっている。従ってフライアイレンズ７
の複数の２次光源像の夫々から発散して集光レンズ系１
０に入射した各照明光は、レチクルブラインド１１上で
互いにわずかずつ入射角が異なる平行光束となって重畳
される。

【００３８】レチクルブラインド１１の矩形開口を通過
した照明光はレンズ系１２、ミラー１３を介してコンデ
ンサーレンズ１４に入射し、コンデンサーレンズ１４を
射出する光が照明光ＩＬＢとなってレチクルＲに達す
る。ここでレチクルブラインド１１の矩形開口面とレチ
クルＲのパターン面とは、レンズ系１２とコンデンサー
レンズ１４との合成系によって互いに共役に配置され、
レチクルブラインド１１の矩形開口の像が、レチクルＲ
のパターン面内に形成された矩形のパターン形成領域を
含むように結像される。図８に示すように、フライアイ
レンズ７の２次光源像のうち光軸ＡＸ上に位置する１つ
の２次光源像からの照明光ＩＬＢは、レチクルＲ上では
光軸ＡＸに対して傾きのない平行光束になっているが、
これは投影光学系ＰＬのレチクル側がテレセントリック
だからである。もちろん、フライアイレンズ７の射出側
には光軸ＡＸ上からずれて位置する多数の２次光源像
（軸外の点光源）が形成されるから、それらからの照明
光はいずれもレチクルＲ上では光軸ＡＸに対して傾いた
平行光束となってパターン形成領域内で重畳される。
尚、レチクルＲのパターン面とフライアイレンズ７の射
出側面とが、集光レンズ系１０、レンズ系１２、コンデ
ンサーレンズ１４の合成系によって光学的にフーリエ変
換の関係になっていることは言うまでもない。またレチ
クルＲへの照明光ＩＬＢの入射角度範囲ψ（図２参照）
は絞り８の開口径によって変化し、絞り８の開口径を小
さくして面光源の実質的な面積を小さくすると、入射角
度範囲ψも小さくなる。そのため絞り８は、照明光の空
間的コヒーレンシィを調整することになる。その空間的
コヒーレンシィの度合いを表すファクタとして、照明光
ＩＬＢの最大入射角ψ／２の正弦と投影光学系ＰＬのレ
チクル側の開口数ＮＡｒとの比（σ値）が用いられてい
る。このσ値は通常、σ＝ｓｉｎ（ψ／２）／ＮＡｒで
定義され、現在稼働中のステッパーの多くは、σ＝０．
５〜０．７程度の範囲で使われている。本発明では、そ
のσ値がどのような値であってもよく、極端な場合σ＝
０．１〜０．３程度であってもよい。

【００３９】さて、レチクルＲのパターン面にはクロム
層によって所定のレチクルパターンが形成されている
が、ここではクロム層が全面に蒸着され、その内に微小
な矩形開口部（クロム層のない透明部）で形成された複
数のコンタクトホールパターンが存在するものとする。
コンタクトホールパターンはウェハＷ上に投影したと
き、０．５μｍ角（又は径）以下の寸法になるように設
計されていることもあり、投影光学系ＰＬの投影倍率Ｍ
を考慮してレチクルＲ上での寸法が決められている。ま
た互いに隣接するコンタクトホールパターン間の寸法
は、通常１つのコンタクトホールパターンの開口部寸法
に対してかなり大きくなっているため、孤立的な微小パ
ターンとして存在する。すなわち、隣接する２つのコン
タクトホールパターンは、それぞれから発生した光（回
折、散乱光）が、回折格子のように互いに強く影響し合
うことがない程度に離れていることが多い。ところが後
で詳しく述べるが、かなり接近した配置でコンタクトホ
ールパターンを形成したレチクルも存在する。

【００４０】図８において、レチクルＲはレチクルステ
ージＲＳＴに保持され、レチクルＲのコンタクトホール
パターンの光学像（光強度分布）は投影光学系ＰＬを介
してウェハＷの表面のフォトレジスト層に結像される。
ここで、図８中のレチクルＲからウェハＷまでの光路
は、結像光束の主光線のみで示す。そして投影光学系Ｐ
Ｌ内のフーリエ変換面ＦＴＰには、先の図２、図３で説
明した干渉性低減部材ＣＣＭが設けられる。この干渉性
低減部材ＣＣＭは、瞳ｅｐの最大径をカバーする直径を
有し、スライダー機構２０によって光路外へ退出した
り、光路内に進入したりすることができる。仮りにその
ステッパーが専らコンタクトホールパターンを露光する
ために使われるのであれば、干渉性低減部材ＣＣＭは投
影光学系ＰＬ内に固定しておいてもよい。しかしなが
ら、複数台のステッパーによってリソグラフィ工程の露
光作業を行う場合、各ステッパーのもっとも効率的な運
用を考えると、特定の一台のステッパーをコンタクトホ
ールパターン専用の露光に割り当てることは躊躇され
る。そのため、干渉性低減部材ＣＣＭは投影光学系ＰＬ
の瞳ｅｐに対して挿脱可能に設け、コンタクトホールパ
ターン以外のレチクルパターンの露光時にも、そのステ
ッパーが使えるようにしておくことが望ましい。尚、投
影光学系によっては、その瞳位置（フーリエ変換面ＦＴ
Ｐ）に実効的な瞳径を変えるための円形開口絞り（ＮＡ
可変絞り）を設けることもある。この場合、その開口絞
りと干渉性低減部材ＣＣＭは機械的に干渉しないよう
に、かつできるだけ接近して配置される。

【００４１】さて、ウェハＷは、光軸ＡＸと垂直な面内
で２次元移動（以下、ＸＹ移動とする）するとともに、
光軸ＡＸと平行な方向に微動（以下、Ｚ移動とする）す
るウェハステージＷＳＴ上に保持される。ウェハステー
ジＷＳＴのＸＹ移動、Ｚ移動は、ステージ駆動ユニット
２２によって行われ、ＸＹ移動に関してはレーザ干渉計
２３による座標計測値に従って制御され、Ｚ移動に関し
てはオートフォーカス用のフォーカスセンサー２４の検
出値に基づいて制御される。ステージ駆動ユニット２
２、スライダー機構２０等は、主制御ユニット２５から
の指令で動作する。この主制御ユニット２５は、さらに
シャッタ駆動ユニット２６へ指令を送り、シャッター３
の開閉を制御するとともに、開口制御ユニット２７へ指
令を送り、絞り８、又はレチクルブラインド１１の各開
口の大きさを制御する。また主制御ユニット２５は、レ
チクルステージＲＳＴへのレチクルの搬送路中に設けら
れたバーコードリーダー２８が読み取ったレチクル名を
入力できるようになっている。従って主制御ユニット２
５は、入力したレチクル名に応じてスライダー機構２０
の動作、開口駆動ユニット２７の動作等を統括的に制御
し、絞り８、レチクルブラインド１１の各開口寸法、及
び干渉性低減部材ＣＣＭの要、不要を、そのレチクルに
合わせて自動的に調整することができる。

【００４２】ここで図８中の投影光学系ＰＬの一部分の
構造を、図９を参照して説明する。図９は全て屈折性硝
材で作られた投影光学系ＰＬの部分的な断面を示し、前
群のレンズ系ＧＡの最下部のレンズＧＡ₁と後群のレン
ズ系ＧＢの最上部のレンズＧＢ₁との間の空間中にフー
リエ変換面ＦＴＰが存在する。投影光学系ＰＬは複数枚
のレンズを鏡筒で保持しているが、干渉性低減部材ＣＣ
Ｍの挿脱のために、鏡筒の一部に開口部を設ける。また
干渉性低減部材ＣＣＭ、及びスライダー機構２０の全
部、又は一部を、外気に直接露出させないようなカバー
２０Ｂを、鏡筒の開口部から延設する。このカバー２０
Ｂは外気に浮遊する微小なダストが投影光学系ＰＬの瞳
空間内に進入するのを防ぐ。スライダー機構２０には、
回転モータ、ペンシリンダー、ソレノイド等のアクチュ
エータ２０Ａが結合されている。さらに、鏡筒の一部に
瞳空間に連通する流路Ａｆを設け、パイプ２９を介して
温度制御されたクリーンエアを瞳空間へ供給すること
で、干渉性低減部材ＣＣＭの露光光の一部吸収による温
度上昇、及び瞳空間全体の温度上昇を押さえるようにす
る。尚、瞳空間へ強制的に供給されたクリーンエアを、
スライダー機構２０、アクチュエータ２０Ａを介して強
制的に排出するようにすれば、スライダー機構２０等で
発生した埃塵が瞳空間内に進入することを防止すること
ができる。

【００４３】図１０は干渉性低減部材ＣＣＭの第１の実
施例による構造を示し、図１０（Ａ）は光軸ＡＸを通る
点での断面図、図１０（Ｂ）は平面図である。さて、図
８中の光源（水銀ランプ１）からの光はランダムな偏光
状態（種々の偏光状態の光の合成された光であり、かつ
その偏光状態が時間と共に変化する）であるとともに、
そのコヒーレント長ΔＬｃは極めて短い。今、照明光を
ｉ線として、中心波長λ₀＝３６５ｎｍ、波長幅Δλ＝
５ｎｍであると、コヒーレント長ΔＬｃは以下のように
求まる。

【００４４】ΔＬｃ＝λ₀ ²／Δλ≒２６μｍ図１０に示す干渉性低減部材ＣＣＭは、紫外線に対して
高い透過率を有する透明平行平板上に、中心ＣＣから半
径ｒ₁から半径ｒ₂の輪帯領域ＦＢに厚さｈ₁の平行平
板状の透過物体を貼りつけたものである。このとき、貼
りつける透過物体の屈折率をｎ₁とすると、厚さｈ
₁は、（ｎ₁−１）ｈ₁≧ΔＬｃ（コヒーレント長）を
満たすようにする。すると、透過部ＦＡ、ＦＣの各透過
光と、透過部ＦＢの透過光との間には（ｎ−１）ｈ₁、
すなわちコヒーレント長ΔＬｃ以上の光路差が与えら
れ、両光束相互間の可干渉性が消失する。透過物体はガ
ラスや石英、蛍石等であり、屈折率ｎ₁は１．５程度な
ので、厚さｈ₁は５２μｍ以上であれば良い。

【００４５】また、中心透過部ＦＡには、周辺透過部Ｆ
Ｃの透過光との間に（２ｍ＋１）π〔ｒａｄ〕の位相シ
フターを付加する。これはＳｉＯ₂等の薄膜を蒸着、ス
パッター、ＣＶＤ等で形成したものである。位相シフタ
ーの屈折率をｎ₂とすれば、厚さｄは（ｎ₂−１）ｄ＝
（ｍ＋１／２）λ₀、（λ₀＝０．３６５μｍ）とすれ
ばよい。屈折率ｎ₂が１．５程度であれば、例えばｍ＝
０としたとき、厚さｄはｄ＝０．３６５μｍとすればよ
い。

【００４６】厚さｄはｍ＝１、２、３‥‥に対応してよ
り厚くすることも可能ではあるが、シフターとしての薄
膜の材質による光の吸収の問題が生じたり、厚くするこ
とによって透過部ＦＢの透過光と透過部ＦＡの透過光と
の間に可干渉性が残留してしまう等の問題が生じたりす
るので、実用上はｍ＝０、１、２程度に対応した厚さと
する方が良い。同様に、透過部ＦＢに付加する透過平行
平板の厚さｈ₁も、あまり厚いと吸収や幾何光学的な収
差への悪影響を生じるので、必要以上に厚くすることは
得策ではない。

【００４７】また図１０に示した例の変形として、平行
平板状である基板自体を加工して、輪帯透過部ＦＢに凸
部又は凹部の段差を与えてもよい。この場合も段差ｈ₁'
（すなわち透過部ＦＡ、ＦＣと透過部ＦＢの厚さの段）
は基板の屈折率をｎ₀として、（ｎ₀−１）ｈ₁'≧ΔＬ
ｃとする。図１１は干渉性低減部材の第２の実施例を示
す。図１１の例では、中間の輪帯透過部ＦＢに別の平行
平板を貼り付ける代わりに、その透過部ＦＢにイオン打
ち込み法等によって部分的に他より屈折率の高い領域を
作る。この部分の屈折率をｎ₃、他の部分の屈折率をｎ
₀とし、かつ深さをｈ₂とすれば、（ｎ₃−ｎ₀）ｈ₂
≧ΔＬｃであれば、透過部ＦＢの透過光と他の透過部Ｆ
Ａ、ＦＣの透過光との間の干渉性は消失する。この例で
も、中心の透過部ＦＡには厚さｄの位相シフターを設け
た。厚さｄの条件は図１０の例と同様である。

【００４８】図１２に干渉性低減部材ＣＣＭの第３の実
施例による構成を示す。これは、顕微鏡による試料観察
用のプレパラートのカバーガラス、高分子による薄膜
（ペリクル）、又はアクリル薄板等のような薄い透明基
板（厚さｈ₃）の一部を図１２（Ｂ）に示す如くくり抜
いたものであり、くり抜き部が中間の透過部ＦＢにあた
る。中心の透過部ＦＡを周辺の透過部ＦＣと分離させな
いために、何本かの支柱ｅによって両者を結合させてお
く。薄い透明基板の厚さをｈ₃、屈折率をｎ₅としたと
き、（ｎ₅−１）ｈ₃≧ΔＬｃであれば、透過部ＦＡ、
ＦＣの各透過光と透過部ＦＢの透過光との間の干渉性は
消失する。尚、この例でも中心の透過部ＦＡには厚さｄ
の位相シフターを付加する。支柱ｅは遮光性であるのが
望ましいが、透過性であってもその支柱部の面積は小さ
いため、結像性能への悪影響はほとんどなく、金属膜等
を付けて遮光部にしてしまうこともできる。

【００４９】尚、図１２の例では干渉性低減部材ＣＣＭ
の厚さｈ₃を薄くする（≒５２μｍ程度）ことができる
ので、干渉性低減部材ＣＣＭ等の平行平板を瞳面に設け
ることを前提にせずに設計、製造されている従来の投影
光学系に挿入しても、干渉性低減部材ＣＣＭにより発生
する幾何光学的な諸収差を少なく押さえるこができる。
一方、図１０、１１に示したように、ある程度厚さ（基
板の厚さ）のある干渉性低減部材ＣＣＭでは、投影光学
系として瞳面に平行平板を備えて使用することを前提と
して、設計、製造されたものと用いることとなる。この
場合には逆に、瞳面から干渉性低減部材ＣＣＭを除いた
状態では幾何光学的な諸収差が悪化するので、コンタク
トホール等以外の工程で使用する場合には干渉性低減部
材ＣＣＭを光学系から取り除き、代わりにほぼ同様の厚
さの平行平板を挿入するとよい。

【００５０】以上の各実施例では、干渉性低減部材とし
て光束間に時間的なコヒーレント長以上の光路差をつけ
る部材を用いたが、他の方式の部材をもちいてもよい。
図１３は別の方式による干渉性低減部材の構成を示す第
４の実施例であって、図１３（Ａ）、（Ｂ）は夫々断面
図及び平面図を示す。中心透過部ＦＡと周辺透過部ＦＣ
とは、図１３（Ｃ）に示すように中間透過部ＦＢに対し
て直交する方向の直線偏光のみを透過する偏光板で構成
し、透過部ＦＢの透過光は透過部ＦＡ、ＦＣの透過光の
直線偏光方向と直交する。偏光方向の直交する直線偏光
同士は互いに干渉し合わないので、このように偏光特性
を制御することでも、両光束の干渉性を解消（低減）す
ることができる。

【００５１】尚、図１３（Ａ）の如くこの場合も中心透
過部ＦＡには厚さｄの位相シフト部材を設ける。これに
よって、透過部ＦＡと透過部ＦＣとが２重焦点フィルタ
ーを形成することは、これまでの実施例と全く同様であ
る。また、厚さｄの条件も前述と同様である。あるい
は、図１３（Ａ）の位相シフターを廃止し、その代わり
に透過部ＦＡ、ＦＣの各偏光板の厚さ自体を異ならせ
て、（２ｍ＋１）π〔ｒａｄ〕の位相差を与えてもよ
い。

【００５２】また、図１３の例の偏光板による干渉性低
減部材ＣＣＭよりもウェハ側に１／４波長板（λ／４
板）を設けて、上記２つの直交する直線偏光を、互いに
逆回転の円偏光に変えてしまってもよい。この場合に
も、互いに逆回転の円偏光は干渉し合わないので、偏光
板と１／４波長板とを組み合わせた干渉性低減部材とし
て用いることができる。このとき、１／４波長板の軸方
向（屈折率の高い方向）は、上記の直交する２偏光の両
者の偏光方向に対して４５°ずれた方向としておく。

【００５３】以上の偏光板を用いる実施例では、投影光
学系ＰＬ中の干渉性低減部材ＣＣＭが偏光板で構成され
ているため、投影光学系ＰＬを透過すべき本来の光量の
うち半分の光量は干渉性低減部材ＣＣＭとしての偏光板
に吸収されることになる。これは露光パワーの低下も意
味するが、投影光学系内に熱（吸収した露光光のエネル
ギー）が蓄積することとなり、光学系や硝材の安定性と
いう点で問題となる。

【００５４】そこで、この熱の問題（露光パワーの損
失）を解決する実施例を図１４、１５、１６、１７を参
照して説明する。本実施例では、照明光ＩＬＢの偏光特
性が重要になるので、まずそのことから説明する。図１
４は照明光学系中に設ける偏光制御部材６（図８）のい
くつかの実施例を示したものである。図１４（Ａ）は偏
光制御部材６として偏光板６Ａを用いる例であり、ラン
ダム偏光である水銀ランプ１からの入射光は特定の直線
偏光となって射出される。図１４（Ｂ）は偏光制御部材
６として偏光板６Ａと１／４波長板６Ｂとを組み合わせ
た例を示す。このときも、ランダム偏光である入射光
は、偏光板６Ａによって先ず直線偏光にされ、次に１／
４波長板６Ｂにより、右回りまたは左回りのいずれか一
方の円偏光となって射出される。このときも１／４波長
板６Ｂの軸方向は偏光板６Ａからの直線偏光を円偏光に
変換する軸方向としておく。また光源からの光束（入射
光束）自体が、直線偏光の場合、例えばレーザ光源を使
用した場合には、レチクルＲに達する照明光ＩＬＢは偏
光制御部材６は設けなくても直線偏光となっている。し
かしながら、後述する投影光学系内の偏光状態制御部材
の構成によっては、図１４（Ｃ）に示す如く、１／４波
長板６Ｂのみを偏光制御部材６として設けて、円偏光に
しておくとよい。この場合の１／４波長板６Ｂの軸方向
も上述した通りに設定される。

【００５５】さて、図１４に示したような偏光制御部材
６を用いてレチクルＲへの照明光ＩＬＢの偏光特性を揃
えておくと、コンタクトホールパターンを透過、回折し
て、投影光学系ＰＬ中の干渉性低減部材ＣＣＭに達する
結像光束も特定の直線偏光、又は円偏光に揃った状態と
なっている。そこで照明光ＩＬＢが、例えば図１４
（Ａ）のように直線偏光に揃っている場合に好適な干渉
性低減部材ＣＣＭの構造を第５の実施例として図１５に
示す。図１５（Ａ）は干渉性低減部材ＣＣＭとして１／
２波長板を使用する例である。図１５（Ａ）は干渉性低
減部材ＣＣＭに入射する直前の光（照明光ＩＬＢ）の偏
光状態を示し、ここでは同図中で上下方向に電場の振動
面をもつ直線偏光であるものとする。図１５（Ｂ）は干
渉性低減部材ＣＣＭの平面構造を示し、半径ｒ₁〜ｒ₂
の輪帯状透過部ＦＢは１／２波長板で構成され、中心透
過部ＦＡ、周辺の輪帯状透過部ＦＣは中間の透過部ＦＢ
（１／２波長板）とほぼ同等の厚さ（光学的厚さ）を持
った通常の透明板（例えば石英）である。この図１５の
干渉性低減部材ＣＣＭを通過した直後の光の偏光状態は
図１５（Ｃ）に示すように、中間の輪帯状透過部ＦＢの
部分の偏光状態が左右方向の直線偏光に変換され、中心
透過部ＦＡ及び周辺の輪帯状透過部ＦＣの部分では偏光
状態は何ら変化しない。このため、先の第１の実施例と
同様に結像光束を互いに干渉し合わない偏光状態に分け
ることができる。ここで、透過部ＦＢとしての１／２波
長板の軸方向（面内の回転）は、入射する直線偏光の方
向をそれと直交する方向に変換する軸方向に設定される
が、１／２波長板の軸方向と照明光ＩＬＢの偏光方向と
を最適化するように、干渉性低減部材ＣＣＭと偏光制御
部材６とを面内で回転方向に相対的に調整できるように
してもよい。

【００５６】あるいは干渉性低減部材ＣＣＭとして、半
径ｒ₁〜ｒ₂の輪帯状透過部ＦＢと中心の円形透過部Ｆ
Ａ、周辺の輪帯状透過部ＦＣとを共に１／４波長板（ほ
ぼ同一厚）で構成してもよい。この場合も入射する光束
は図１５（Ａ）のように全て直線偏光なので、各透過部
ＦＡ、ＦＢの１／４波長板の軸方向を入射光束の偏光状
態に対して互いに逆方向の円偏光となるように最適化す
ることにより、輪帯状透過部ＦＢを通過した光束は右回
りの円偏光に、中心の円形部ＦＡ及び周辺の輪帯状透過
部ＦＣを通過した光束は左回りの円偏光に変換でき、互
いに偏光状態の異なる（干渉し合わない）光束を得るこ
とができる。この場合も、上述の実施例と同様に干渉性
低減部材ＣＣＭとしての１／４波長板の軸方向に合わせ
て、照明光ＩＬＢの偏光方向を偏光制御部材６により調
整できるようにしておくとよい。尚、図１５（Ｂ）に示
した中間の輪帯状透過部ＦＢとしての１／２波長板は、
水晶等の旋光物質に代えてもよく、その場合でも全く同
様に直線偏光の方向を変換することができる。

【００５７】また、上記の１／２波長板又は１／４波長
板を用いる実施例に対しては、照明光は直線偏光ではな
くて、図１４（Ｂ）、（Ｃ）のような円偏光を用いるこ
ともできる。すなわち、円偏光は図１５（Ｂ）の如き干
渉性低減部材によって輪帯透過部ＦＢの透過光は逆回り
の円偏光に変換され、他の透過部ＦＡ、ＦＣの透過光は
元の円偏光のままである。

【００５８】あるいは透過部ＦＡ、ＦＣと透過部ＦＢと
を軸方向の異なる１／４波長板とする例でも、入射する
円偏光は夫々直交する直線偏光に変換され、やはり互い
に干渉し合わない２つの光束に分割される。また、入射
光束（照明光ＩＬＢ）が円偏光であると、１／２波長板
や１／４波長板の軸方向を照明光の偏光特性に合わせて
回転調整する必要がなくなるので好都合である。

【００５９】以上のように図１４に示した偏光制御部材
６と図１５に示した干渉性低減部材ＣＣＭを用いると、
先に述べたような偏光板を用いた干渉性低減部材ＣＣＭ
での露光エネルギーの吸収の問題がなくなり、投影光学
系ＰＬ内での熱蓄積が押さえられる点で極めて好都合で
ある。しかしながら、今度は照明光学系中で照明光ＩＬ
Ｂを１つの偏光状態に揃えることに伴う光量損失（半分
以上）が問題点として残る。そこで照明光の光量損失を
低減させた照明系の一例を、図１６を参照して説明す
る。図１６の系は図１４中の偏光制御部材６の代わりに
設けられるものである。先ず、図１６（Ａ）において入
射光束は２つの偏光ビームスプリッター６Ｃ、６Ｄによ
り分割、合成される。すなわち、１番目の偏光ビームス
プリッター６ＣではＰ偏光（上下方向の偏光）成分が透
過して２番目の偏光ビームスプリッター６Ｄも透過して
直進する。一方、ビームスプリッター６Ｃで分割された
Ｓ偏光（紙面と垂直な方向の偏光）成分はミラー６Ｅ、
６Ｆを介してビームスプリッター６Ｄで合成され、Ｐ偏
光成分と同軸になって進む。このとき、ミラー６Ｅ、６
Ｆの光路によってＰ偏光とＳ偏光とに光路差２×ｄ₁を
与える。従って入射光束の時間的コヒーレント長ΔＬｃ
が２ｄ₁より短かければ、合成後のＰ偏光成分とＳ偏光
成分とは、偏光方向が相補的であることの他に時間的に
もインコヒーレント（非可干渉）になる。これら２つの
偏光成分を持った照明光が使われ、干渉性低減部材ＣＣ
Ｍとして図１５（Ｂ）のものが使われると、図１７
（Ａ）に示す通り、干渉性低減部材ＣＣＭに入射するＰ
偏光成分（例えば白ヌキの矢印方向）とＳ偏光成分（例
えば黒ヌリ矢印方向）は、それぞれ図１７（Ｃ）のよう
に干渉性低減部材ＣＣＭを透過した後では互いに干渉し
合わない４つの光束となる。すなわち、中間の輪帯状透
過部ＦＢ（１／２波長板）では元の偏光方向が９０°だ
け回転させられる。この４つの光束はそれぞれ偏光方向
が異なるとともに、透過部ＦＡ、ＦＣと透過部ＦＢとで
偏光方向が同一であっても時間的にインコヒーレントで
あるために干渉し合うことはない。すなわち、透過部Ｆ
Ｂを通過したＳ偏光成分はＰ偏光成分に変換され、透過
部ＦＡ、ＦＣを透過したＰ偏光成分と同一偏光方向とな
るが、その２つの光は時間的にインコヒーレントである
ので干渉しない。もし、図１６（Ａ）のような構成の偏
光制御部材からの照明光を用いないと、図１７中のＰ偏
光とＳ偏光は時間的にはコヒーレントのままであるた
め、干渉性低減部材ＣＣＭを透過した後の各光束も偏光
方向が同じであれば互いに干渉し合うこととなり、本発
明の効果は薄らぐ。図１６（Ａ）に示した系は合成すべ
き２つの偏光成分の光路長差を大きくとることができる
ので、比較的に時間的コヒーレント長の長い光源、例え
ば狭帯化したレーザ光源等に適している。

【００６０】尚、レーザ光源として直線偏光を使用する
場合は、あえて図１６（Ａ）の構成の偏光制御手段を用
いなくても、本発明の効果を得ることができる。ただ
し、直線偏光のレーザ光源に対して図１６（Ａ）の如き
偏光制御手段を用いると、照明光を時間的にインコヒー
レントな２つの光束とすることができるため、レーザ光
源使用時に問題となるスペックルや干渉縞（照度ムラ）
を低減することができるという効果がある。この場合、
図１６（Ａ）の１段目のビームスプリッター６Ｃに入射
する直線偏光の偏光方向は、偏光ビームスプリッタ−６
Ｃに対して図１６（Ａ）に示すように、Ｐ偏光方向とＳ
偏光方向との中間（両者から４５°方向）の偏光方向Ｌ
ＰＬとするとよい。

【００６１】ところで、光源が水銀ランプのように比較
的大きなスペクトル幅を有する光源の場合にはその時間
的コヒーレント長は短いので、図１６（Ｂ）のような簡
単な部材を図８中の偏光制御部材６として用いることが
できる。この部材は石英等の透明平行平板６Ｇの表面に
偏光反射膜６Ｈを付け、裏面に金属等で全反射膜６Ｊを
付けたもので、水銀ランプからのコリメートされた光束
を所定角度で反射するように配置される。このとき、水
銀ランプからのランダム偏光の入射光のうち、Ｓ偏光成
分（紙面と垂直な方向）は表面の膜６Ｈで反射され、Ｐ
偏光成分は表面の膜６Ｈ、平行平板６Ｇを透過して裏面
の膜６Ｊで反射され、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とにはほ
ぼ平行平板６Ｇの厚さ（光学的厚さ）のほぼ２倍に相当
する光路差が与えられる。例えば水銀ランプからのｉ線
の場合、前述の如くコヒーレント長ΔＬｃは２６μｍ程
度となる。従って、十分に薄い平行平板６Ｇ（例えば１
ｍｍ厚程度）であっても、時間的コヒーレンスを消すた
めに十分な光路長差を与えることができる。

【００６２】また、別の実施例として図１６（Ａ）、又
は（Ｂ）の系の射出側に１／４波長板を設けて２つの直
線偏光を、互いに逆方向の円偏光に変換してもよい。こ
のとき、図１７（Ｂ）の干渉性低減部材ＣＣＭを透過し
た後の光束は同様に、４つの互いに干渉し合わない光束
に分割される。そしてそれらは互いに時間的に干渉し合
わないか、逆回りの円偏光であるために干渉し合わない
かのいずれかになっている。

【００６３】尚、以上の１／２波長板、又は１／４波長
板を用いる干渉性低減部材の実施例中での説明を省略し
たが、ここでも当然に中心透過部ＦＡと周辺透過部ＦＣ
との透過光の間に（２ｍ＋１）π〔ｒａｄ〕の位相差を
与える位相シフターを設ける。また、以上のいずれの実
施例でも位相シフターは中心透過部ＦＡに設けるとした
が、位相差は相対的なものなので、位相シフターを周辺
透過部ＦＣに設けても全く同様の効果が得られる。

【００６４】また、１／２波長板、１／４波長板を用い
る実施例については、図１５、１７の構成のように輪帯
状透過部ＦＢのみに、あるいは透過部ＦＡ、ＦＣにも１
／２ないし１／４波長板を基板となる透明板に貼り付け
る構成としてもよい。また、以上のすべての実施例にお
いて中心の円形透過部ＦＡの外半径及び中間部の輪帯状
透過部ＦＢの内半径をｒ₁、中間部の輪帯状透過部ＦＢ
の外半径及び周辺部の輪帯状透過部ＦＣの内半径をｒ₂
としたが、このとき、ｒ₁：ｒ₂の比ｒ₂／ｒ₁はほぼ
１．７から２．０程度であるものとした。この理由につ
いては後述する。また、半径ｒ₃は投影光学系の実効的
な最大開口数（ＮＡｗ）に相当する値となる。ところ
で、図８に示したウェハステージＷＳＴの駆動ユニット
２２のうち、ウェハＷを光軸方向に微動させる制御の中
に、従来のＦＬＥＸ法の機能を持たせてもよい。ＦＬＥ
Ｘ法の併用により本発明による焦点深度の増大効果をさ
らに増大させることができる。さらに本発明は投影型露
光装置であればどのタイプのものにも適用できる。例え
ば投影レンズを用いたステッパータイプのものでもよ
く、あるいは反射屈折光学系を用いたステップアンドス
キャン型のものであっても、１：１のミラープロジェク
ションタイプのものであってもよい。特にスキャンタイ
プ（ステップアンドスキャン）やミラープロジェクショ
ン方式では、レチクルやウェハを投影光学系の光軸と垂
直な面内で走査移動させながら露光するため、従来のＦ
ＬＥＸ法の適用が難しいとされていたが、本発明はその
ような走査型の露光方式の装置に極めて簡単に適用でき
るといった利点がある。

【００６５】そこで等倍のミラープロジェクション方式
のアライナーに本発明を適用した場合を図１８、１９を
参照して説明する。図１８において、水銀ランプ（Ｘｅ
−Ｈｇ）ランプ１からの照明光は照明光学系ＩＬＳを介
してレチクル（マスク）Ｒ上で円弧スリット状の照明領
域内に投射される。レチクルＲは１次元走査可能なレチ
クルステージＲＳＴに保持され、ウェハステージＷＳＴ
と同期して同一速度で移動する。投影光学系はレチクル
側とウェハ側の夫々に反射面ＭＲ₁、ＭＲ₄を有する台
形状の光学ブロックと、大きな凹面ミラーＭＲ₂と小さ
な凸面ミラーＭＲ₃とで構成され、凸面ミラーＭＲ₃の
曲率半径に対して凹面ミラーＭＲ₂の曲率半径は約２倍
に設定されている。この図２１のような系の場合、凸面
ミラーＭＲ₃の表面がレチクルパターン面（又はウェハ
面）に対するフーリエ変換面ＦＴＰに一致していること
が多い。

【００６６】このとき、レチクルＲ上の点Ｐｒから発生
した結像光束は主光線ＬＬＰに沿って、反射面ＭＲ₁、
凹面ミラーＭＲ₂の上側、凸面ミラーＭＲ₃の全面、凹
面ミラーＭＲ₂の下側、及び反射面ＭＲ₄の順に進み、
ウェハＷ上の点Ｐｒ’に収斂する。このように凸面ミラ
ーＭＲ₃の表面が系の瞳面となっているときでも、今ま
で述べてきた各実施例で使用した干渉性低減部材ＣＣＭ
がそのまま、あるいは若干の変形によって同様に用いる
ことができる。

【００６７】具体的には図１９（Ａ）に示すように干渉
性低減部材ＣＣＭを凸面ミラーＭＲ ₃の直近に配置し、
凹面ミラーＭＲ₂から凸面ミラーＭＲ₃へ入射してくる
ときと、凸面ミラーＭＲ₃から凹面ミラーＭＲ₂へ射出
していくときとの２回（往復）の光路で、中心の円形透
過部ＦＡと周辺透過部ＦＣを通った光束と中間の輪帯透
過部ＦＢを通った光束とがコヒーレント長ΔＬｃ以上の
光路長差をもつように構成すればよい。

【００６８】あるいは図１９（Ｂ）に示すように、フー
リエ変換面となっいる凸面ミラーＭＲ₃’の表面に所定
の半径（面積）で微小な段差を設け、その段差の上面部
と下面部とが反射光束に対してコヒーレント長ΔＬｃ以
上の光路長差（段差量の２倍）を与えるようにしてもよ
い。この場合、その段差はミラーＭＲ₃’と一体に形成
されることもあるが、いずれにしろその段差部分が干渉
性低減部材ＣＣＭに相当する。尚、図１９（Ｂ）に示し
た凸面ミラーＭＲ'₃の表面に形成する段差部は、透過物
体（薄膜）としてもよい。その場合、凸面ミラーＭＲの
表面とその透過物体（透過部ＦＡに相当）の表面との段
差、すなわち透過物体の厚みｄは、屈折率ｎの透過物体
中を光束が往復することにより生じる光路長差２（ｎ−
１）ｄがコヒーレント長ΔＬｃより大きくなるように定
められる。

【００６９】また透過部ＦＡ，ＦＢ、ＦＣのいずれかに
１／２波長板や１／４波長板を組み合わせ、偏光状態を
制御する場合は往復の光路で２倍の偏光作用を受けるこ
とを考慮して１／２波長板は１／４波長板に、１／４波
長板は１／８波長板にそれぞれ変更する必要がある。ま
たエキシマレーザを光源とする投影露光装置では、投影
光学系の瞳面に、フライアイレンズ等の射出側に形成さ
れる２次光源面（多数の点光源）が再結像されるため、
その瞳面に光学素子（レンズ、反射面、開口絞り、ＣＣ
Ｍ等）を配置すると長期間の使用によって、その光学素
子が収斂した光源像のために劣化する可能性がある。そ
のため干渉性低減部材ＣＣＭ等は瞳面に厳密に配置する
のではなく、むしろ若干ずらして配置した方が好まし
い。

【００７０】また、以上の各実施例において、干渉性低
減部材ＣＣＭを透過部材として使用する場合には、その
界面（表面）に反射防止コートを施しておくとよい。以
上、本発明の各実施例のうち、光束（照明光ＩＬＢ）の
時間的なコヒーレント長ΔＬｃ以上の光路差を与える方
式の干渉性低減部材ＣＣＭによって分割された結像光束
間の光路長差は、従来のＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法で与え
られる光路長差（波長１／２〜数波長分）と比べて格段
に大きなものとなる。さらにＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法で
は、投影光学系の瞳面に配置されたフィルター（複素振
幅透過率）を通った結像光束の全てがウェハＷ上で干渉
（振幅合成）することにより変わりはなく、本発明とＳ
ｕｐｅｒＦＬＥＸ法とは原理的に全く異なるものであ
る。その原理的な違いによって、本発明においてはＳｕ
ｐｅｒＦＬＥＸ法で得られなかった新たな効果が得ら
れる。このことについては以下で述べるシミュレーショ
ンを参考にして説明する。尚、本発明で用いる干渉性低
減部材ＣＣＭは、瞳面を通る結像光束（コンタクトホー
ルパターンの場合、ほぼ一様に分布する）を瞳の径方向
で複数部分に分割し、各部分光束間の干渉性を低減させ
る目的のためのみに作用する。従って各実施例で用いた
干渉性低減部材ＣＣＭには、各部分光束によって互いに
独立に結像した複数の像（Ｐｒ'₁、Ｐｒ'₂等）の夫々の
ベストフォーカス位置（焦点位置）を、投影光学系の光
軸ＡＸ方向に相互にずらす効果、すなわちある種の球面
収差を与える効果は全くない。

【００７１】次に本発明の各実施例によって得られる作
用、効果について、シミュレーション結果をもとに説明
する。図２０（Ａ）は以下のシミュレーションに用いた
１辺がウェハ上で０．３μｍに相当する正方形のコンタ
クトホールパターンＰＡであり、以下のシミュレーショ
ンでは図２０（Ａ）中のＡ−Ａ’断面でのウェハ上での
像強度分布を扱うものとする。図２０（Ｂ）は先の図３
等に示した干渉性低減部材ＣＣＭを示すもので、中心の
円形透過部ＦＡの半径ｒ₁と中間の輪帯状透過部ＦＢの
外半径ｒ₂との比ｒ₁：ｒ₂（ＮＡ₁：ＮＡ₂）は、前
述のように１：１．７３（≒√３）になるように定めら
れている。また、投影光学系の最大開口数ＮＡｗに対応
する半径ｒ₃とｒ₁、ｒ₂の比は、ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝
１：√３：√３．５を満たすように決められている。
尚、以下のシミュレーションは、全てＮＡｗ＝０．５
７、露光波長はｉ線（波長０．３６５μｍ）という条件
のもとで行った。また、照明光束のコヒーレンスファク
ターであるσ値は０．６とした。

【００７２】さて、図２０（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）はパ
ターンＰＡのウェハ上での像強度分布を示し、それぞれ
ベストフォーカス位置での強度分布Ｉ₁、１μｍのデフ
ォーカス位置での強度分布Ｉ₂、２μｍのデフォーカス
位置での強度分布Ｉ₃である。また図２０（Ｃ）、
（Ｄ）、（Ｅ）中のＥｔｈはウェハ上のポジ型フォトレ
ジストを完全に除去（感光）させるに必要な強度を示
し、Ｅｃはポジレジストが溶解（膜ベリ）し始める強度
を示す。各強度分布の縦方向の倍率（露光量）はベスト
フォーカスでのコンタクトホール径（Ｅｔｈを横切るス
ライス部の幅）が０．３μｍとなるように設定した。比
較のために図２１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）にそれぞれ通
常の露光装置（低減部材ＣＣＭを取り除いたもの）によ
るベストフォーカス位置での強度分布Ｉ₄、１μｍのデ
フォーカス位置での強度分布Ｉ₅、２μｍのデフォーカ
ス位置での強度分布Ｉ₆を示す。このときのシミュレー
ション条件も同様にＮＡｗ＝０．５７、波長λ＝０．３
６５μｍ、σ＝０．６である。

【００７３】図２１（Ａ）〜（Ｃ）と先の図２０（Ｃ）
〜（Ｅ）とを比較すると、本発明によるＳＦＩＮＣＳ法
ではデフォーカス時の像強度の変化（コントラスト低
下）が減少し、焦点深度が増大することがわかる。一
方、図２２は通常の投影露光装置にＦＬＥＸ法を組み合
わせたときの像強度分布Ｉ₇、Ｉ₈、Ｉ₉の変化を表し
たものである。ＦＬＥＸ法の露光条件はベストフォーカ
ス位置と、±１．２５μｍだけデフォーカスした位置の
夫々とで各１回の計３回の分割露光とした。この図２１
のシミュレーション結果と図２０（Ｃ）〜（Ｅ）のシミ
ュレーション結果とを比較すると、本発明での焦点深度
の増大効果はＦＬＥＸ法と同程度に得られることがわか
る。

【００７４】次に本発明による上記各種の干渉性低減部
材の各領域の半径ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃の比率について説明
する。図２３は前述の「光学系における結像性能とその
改良方法に関する研究」等に述べられている理想的な２
重焦点フィルターの振幅透過率ｔｆを示す。尚、図２３
のグラフの横軸ｒは投影光学系の光軸からの距離を表す
が、その縮尺はここでは任意としておく。振幅透過率ｔ
ｆはデフォーカスによる波面収差が１／２ΔＦ・α・ｒ
²であるため（αは比例定数）、ｔｆ＝ｃｏｓ（β
ｒ²）（βは比例定数）となっている。このように理想
的な振幅透過率ｔｆは距離ｒに応じて連続的に変化する
が、このような透過率、かつ位相差を与えることは現実
的には非常に難しく、実際には距離ｒのある範囲で正の
一定値、又は負の一定値を与えるようなフィルター（位
相シフター）として作られる。

【００７５】本発明で用いる干渉性低減部材ＣＣＭの中
心透過部ＦＡ及び周辺透過部ＦＣは、図２３の振幅透過
率ｔｆの絶対値がある値以上となる距離ｒの領域の夫々
と対応している。例えば、振幅透過率ｔｆの絶対値が√
０．５（≒０．７０７）である領域とすると、図２３に
示す如く中心部ＦＡの半径ｒ₁と周辺部ＦＣの内半径ｒ
₂の比率は、１：√３（≒１：１．７３）となる。

【００７６】振幅透過率ｔｆの絶対値の境界は√０．５
（≒０．７０７）に限定する必要はなく、例えば０．７
５程度を境界にしてもよい。この場合のｒ₁：ｒ₂はほ
ぼ１：１．８３となる。但し、種々の条件でシミュレー
ションを行なった結果、ｒ₁：ｒ₂は１：１．７（｜ｔ
ｆ｜＝√０．５の場合）から１：２．０（｜ｔｆ｜＝
０．８の場合）程度の範囲が良いことがわかった。要す
るに、図２３中でｔｆの絶対値が０．７〜０．８よりも
小さくなる距離ｒの範囲内の光を、その範囲外の光に対
してインコヒーレントにするのが本発明のＳＦＩＮＣＳ
法である。

【００７７】例えば図２４に示すシミュレーション結果
は、ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝１：１．８３：１．９５とした
場合のものであるが、先に図２０に示した本発明による
結果とほぼ同等の結果を得ることができる。また、図２
５に示すシミュレーション結果は、ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝
１：１．９５：２．１１の場合であるが、この場合も良
好な結果を得ることができる。尚、図２４、２５中の像
強度分布Ｉ₁₀〜Ｉ₁₅はいずれも図２０のコンタクトホー
ルパターンＰＡによるものである。

【００７８】反対に図２６、２７に示すシミュレーショ
ン結果は、夫々ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃が１：２．３１：２．
５０及び１：１．４３：１．６７の場合であるが、前者
（図２６）では焦点深度の増大効果が十分でなく、後者
（図２７）では２重焦点フィルターの効果（透過部Ｆ
Ａ、ＦＣの各透過光同志のコヒーレント加算の効果）が
強すぎて、１μｍデフォーカス時の強度が強くなりすぎ
てしまう。すなわち、１μｍデフォーカス時のコンタク
トホールの径（Ｅｔｈレベルでのスライス幅）が設計値
（０．３μｍ）に比べて大きくなり過ぎてしまうことに
なる。

【００７９】図２８、２９は、さらにｒ₁、ｒ₂とｒ₃
との最適な関係を調べるためにそれぞれｒ₁：ｒ₂：ｒ
₃＝１：√３：√３（ｒ₂＝ｒ₃)、及びｒ₁：ｒ₂：ｒ
₃＝１：√３：√４（√４＝２）としてシミュレーショ
ンを行った結果を示す。前者の場合は図２８の如く焦点
深度の増大効果があまりなく、後者の場合は図２９の如
く２重焦点効果が強くなりすぎる（コンタクトホール径
が大きくなり過ぎる）という問題がある。

【００８０】従って、ｒ₁、ｒ₂とｒ₃との関係は図２
０の例の如くｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝１：√３：√３．５程
度が良いことがわかる。また、ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃の各比
率はこのように一義的な組み合わせのみが良いわけでは
なく、例えば図２４、２５に示したような結果を与える
ｒ₁ｒ₂、ｒ₃の組み合わせであってもよい。これらの
組み合わせ、ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝１：√３：√３．５（図２０）＝１：１．８３：１．９５（図２４）＝１：１．９５：２．１０（図２５）においては、（ｒ₁＋ｒ₂）／２ｒ₃の値が、それぞれ
０．７３０２、０．７２５６、０．７０２４という関係
が成り立つ。そこで、ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃は多少のマージ
ンを考慮して、０．７０≦（ｒ₁＋ｒ₂）／２ｒ₃≦
０．７５程度の関係を満たすとよい。図２４〜２８に示
した各シミュレーションの諸条件は、ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃
の比率以外は以前のシミュレーションと同一の条件であ
る。従って、ｒ₃はＮＡｗ＝０．５７に相当している。

【００８１】尚、最近の投影露光装置では投影光学系の
ＮＡ、即ち瞳面での半径ｒ₃を絞りにより可変とするこ
とができるものがあるが、本発明に於いて、ＮＡｗ（ｒ
₃）の値が変化すると前述のｒ₁、ｒ₂、ｒ₃の比率が
変動することになる（但し、ｒ₁：ｒ₂は変化しな
い）。従って、本発明の干渉性低減部材において半径ｒ
₁、ｒ₂の比は変えずに絶対値を変えたものを複数用意
し、ＮＡの可変に応じて交換して使用するようにしても
よい。

【００８２】あるいは、ＮＡ（ｒ₃）が変化し、ｒ₁、
ｒ₂、ｒ₃の比が上述した最適条件よりずれる場合に
は、前述のＦＬＥＸ法を併用し、ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃の比
の変化による焦点深度の減少等を補うこともできる。も
ちろん、ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃の比が最適化されたものであ
っても、ＦＬＥＸ法の併用により焦点深度をさらに増す
ことができる。

【００８３】図３０は本発明のさらに別の実施例でのシ
ミュレーション結果を示す。諸条件は以上のシミュレー
ションと同様であり、ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃も図２０の例と
同様、１：√３：√３．５である。ただし、中心透過部
ＦＡの振幅透過率を−１．０から−０．４に変更した
（透過部ＦＣの振幅透過率を＋１とする）。図３０
（Ｃ）〜（Ｅ）に示した像強度分布Ｉ₂₈〜Ｉ₃₀のよう
に、中心透過部ＦＡの振幅透過率を低下させる（透過部
ＦＡに減光手段を設ける）と、コンタクトホール像の周
囲に生じるリンギングを、図２０の場合（減光手段を設
けない場合）に比べて低減できるという利点がある。も
ちろん焦点深度の改善効果についても、図２０の例と同
様に得られる。また、図２４、２５に示したシミュレー
ション条件で、やはり透過部ＦＡに減光手段を設けても
よい。減光手段は、図３０（Ｂ）等に示した干渉性低減
手段ＣＣＭの中心円形透過部ＦＡに薄い金属膜等を蒸着
して形成する。

【００８４】図３１は比較のために従来のＳｕｐｅｒ
ＦＬＥＸ法でのシミュレーション結果を示したものであ
る。図３１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は開口数ＮＡｗが
０．５７で、瞳中心点から０．５４８ＮＡｗの半径内の
部分の複素振幅透過率を−０．３にしたフィルターを瞳
に設けたときに得られるベストフォーカス位置での像強
度分布Ｉ₃₁、１μｍのデフォーカス位置での像強度分布
Ｉ₃₂、２μｍのデフォーカス位置での像強度分布Ｉ₃₃を
示す。ＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法では図３１のようにベス
トフォーカス位置での中央強度が高く、像プロファイル
がシャープであるが、デフォーカス量による中心強度低
下は、ある量から急峻に起こっている。しかしながら焦
点深度の拡大効果としては、図２０、２４、２５、３０
に示した本発明による効果と同程度である。ただし、Ｓ
ｕｐｅｒＦＬＥＸ法では本来の像（中心強度）の周辺
に、図３１（Ａ）に示すようなサブピーク（リンギン
グ）が発生する。これは、図３１でシミュレーションの
モデルとなった孤立したコンタクトホールパターンＰＡ
では問題ないが、後述する近接した複数のコンタクトホ
ールパターンへの適用時に大きな問題となる。

【００８５】図３２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそのよう
なリンギングを防止するために、図３１でシミュレーシ
ョンモデルとしたＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法の瞳フィルタ
ーよりも作用を弱めたフィルターを用いた場合のシミュ
レ−ション結果を示す。この場合、投影光学系の開口数
ＮＡｗは０．５７とし、瞳中心部の半径０．４４７ＮＡ
ｗに相当する部分内の複素振幅透過率を−０．３とした
フィルターを用いる。図３２（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ
ベストフォーカス位置での像強度分布Ｉ₃₄、１μｍのデ
フォーカス位置での像強度分布Ｉ₃₅、２μｍのデフォー
カス位置での像強度分布Ｉ₃₆を示し、確かに図３１の場
合に比べてリンギングは弱くなるが、同時に焦点深度の
増大効果も低減してしまう。

【００８６】図３３は中心間距離が０．９６μｍ（ウェ
ハ上換算）で並んだ２つのコンタクトホール像（ウェハ
上で０．３μｍ角）のベストフォーカス位置での強度分
布のシミュレーション結果である。図２０に示した条件
でのＳＦＩＮＣＳ法（本発明）による像強度分布Ｉ
₃₇は、図３３（Ａ）のように２つのホール像の間が膜べ
り値Ｅｃより暗く、良好なレジストパターンが形成でき
る。ところが、図３１に示した条件でのＳｕｐｅｒＦ
ＬＥＸ法（１）では、図３３（Ｂ）の強度分布Ｉ₃₈のよ
うに、２つのホールパターンの夫々によるリンギングが
合成（加算）されてしまい、２つのホール像の中間に明
るいサブピーク（膜ベリ強度Ｅｃ以上）が生じ、この部
分のレジストが膜ベリしてしまう。このため、良好なレ
ジスト像を得ることができない。一方、図３２に示した
条件でのＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法（２）によって中心間
距離が０．９６μｍの２つのホールパターンを投影する
と、その像強度分布Ｉ₃₉は図３２（Ｃ）に示すようにな
る。このように比較的効果の弱いＳｕｐｅｒＦＬＥＸ
法（２）の場合は、リンギングが少なく膜ベリもないた
め、良好なレジスト像を得ることができる。ところが、
この条件では図３２で説明した通り、本発明でのＳＦＩ
ＮＣＳ法に比べて十分な焦点深度拡大効果を得ることが
できない。

【００８７】以上、本発明の各実施例とその作用につい
て説明したが、レチクルＲへの照明光ＩＬＢに特定の偏
光方向を持たせるとき、その偏光方向の適、不適を判断
したり、あるいは干渉性低減部材ＣＣＭを通過した後の
結像光束の偏光状態の良否を判断するために、投影光学
系を通った光束の一部を光電検出する手段をウェハステ
ージＷＳＴ上に設けてもよい。また、ラインアンドスペ
ースをもつレチクルを使用するときは、干渉性低減部材
ＣＣＭを投影光学系ＰＬ外へ退出させ、照明系の一部を
ＳＨＲＩＮＣ法に適するように交換可能としてもよい。
尚、コンタクトホールパターンの投影露光時に干渉性低
減部材ＣＣＭを用いるとともに、ＳＨＲＩＮＣ法又は輪
帯照明光源等の変形照明系を併用するようにしてもよ
い。その場合、露光すべきレチクルをコンタクトホール
用からラインアンドスペース用に交換するときは、干渉
性低減部材ＣＣＭのみを退出させればよい。

【００８８】また、本発明の各実施例に示した干渉性低
減部材ＣＣＭは、円形状、あるいは輪帯状の透過部又は
遮光部で構成したが、これは文字通りの形状に限られる
ものではない。例えば円形状の透過部又は遮光部は矩形
を含む多角形に、輪帯状の透過部又は遮光部はその多角
形を環状に取り囲む形状に、それぞれ変形してもよい。

【００８９】さらに、以上の各実施例において中心の円
形透過部ＦＡ、中間の輪帯状透過部ＦＢ、及び周辺の輪
帯状透過部ＦＣの各境界はそれぞれ半径ｒ₁及びｒ₂の
位置で一致しているものとしたが、例えば干渉性低減部
材の製造上の都合等により各領域の境界に遮光部（輪帯
状）を設けても良い。この場合には、図４、図５中に示
したデフォーカスによる波面収差が遮光部によりさらに
減少するので、本発明による焦点深度の増大効果をさら
に増すことができる。尚、この場合、半径ｒ₁、ｒ₂は
夫々の遮光部（輪帯状）の中間として考えると良い。ま
た、中心透過部ＦＡ中の光軸近傍部を遮光することによ
り、上記と同様に焦点深度の増大効果をさらに増すこと
も可能である。

【００９０】

【発明の効果】以上、本発明によれば、コンタクトホー
ル等の孤立的なパターンの投影露光時の焦点深度を、Ｆ
ＬＥＸ法、あるいはＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法と同程度に
拡大させることができるとともに、ＦＬＥＸ法のように
感光基板を光軸方向に移動、又は振動させることなく、
またＳｕｐｅｒＦＬＥＸ法のように複雑な複素振幅透
過率の関数をもつ空間フィルターを作成する必要もない
と言った利点がある。特に本発明では、投影光学系の瞳
面（フーリエ変換面）での空間的フィルタリングに伴っ
て発生し易いリンギング自体が十分に小さく押さえられ
るため、複数個のコンタクトホールパターンが比較的接
近して配置される場合であっても、ＳｕｐｅｒＦＬＥ
Ｘ法のようにリンギングのサブピーク部の重畳によって
生じる悪影響（ゴースト像の発生等）は皆無になるとい
った大きな効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の投影露光方法を説明する図。

【図２】本発明の投影露光方法を実施するための原理的
な構成を示す図。

【図３】本発明における露光装置に使用する干渉性低減
部材の原理的な構成を説明する図。

【図４】図３の干渉性低減部材による焦点深度増大の原
理を説明する図。

【図５】図３の干渉性低減部材による焦点深度増大の原
理を説明する図。

【図６】従来の投影露光法における焦点深度の考え方を
説明する図。

【図７】従来の２重焦点フィルターにおける焦点深度の
考え方を説明する図。

【図８】本発明の実施例による投影露光装置の全体的な
構成を示す図。

【図９】投影光学系の一部の構造を詳細に示す断面図。

【図１０】本発明の第１の実施例による干渉性低減部材
ＣＣＭの構成を示す図。

【図１１】本発明の第２の実施例による干渉性低減部材
ＣＣＭの構成を示す図。

【図１２】本発明の第３の実施例による干渉性低減部材
ＣＣＭの構成を示す図。

【図１３】本発明の第４の実施例による干渉性低減部材
ＣＣＭの構成を示す図。

【図１４】本発明の実施例に適用される照明光学系の一
部の変形例を示す図。

【図１５】本発明の第５の実施例による干渉性低減部材
ＣＣＭの構成とその作用を説明する図。

【図１６】偏光方向を制御した照明光学系の一部の構成
を示す図。

【図１７】図１５の第５の実施例による干渉性低減部材
ＣＣＭと図１６の照明光学系とを組み合わせたときの状
態を示す図。

【図１８】本発明の各実施例が適用されるミラープロジ
ェクション方式のアライナーの構成を示す図。

【図１９】図１８のアライナーに、本発明の各実施例に
よる干渉性低減部材ＣＣＭを適用した様子を示す図。

【図２０】単独のホールパターンに対する本発明のＳＦ
ＩＮＣＳ法（ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝１：１．７３：１．８
７）による効果を像強度分布としてシミュレーションし
たグラフ。

【図２１】単独のホールパターンに対する従来の通常露
光法による効果を像強度分布としてシミュレーションし
たグラフ。

【図２２】単独のホールパターンに対する従来のＦＬＥ
Ｘ法による効果を像強度分布としてシミュレーションし
たグラフ。

【図２３】コヒーレント加算（振幅合成）方式の２重焦
点フィルターにおける振幅透過率の一例を示すグラフ。

【図２４】干渉性低減部材の半径比ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝
１：１．９５：２．１１の場合のシミュレーション結果
を示すグラフ。

【図２５】干渉性低減部材の半径比ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝
１：１．８３：１．９５の場合のシミュレーション結果
を示すグラフ。

【図２６】干渉性低減部材の半径比ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝
１：２．３１：２．５０の場合のシミュレーション結果
を示すグラフ。

【図２７】干渉性低減部材の半径比ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝
１：１．４３：１．６７の場合のシミュレーション結果
を示すグラフ。

【図２８】干渉性低減部材の半径比ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝
１：√３：√３の場合のシミュレーション結果を示すグ
ラフ。

【図２９】干渉性低減部材の半径比ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝
１：√３：√４の場合のシミュレーション結果を示すグ
ラフ。

【図３０】単独のホールパターンに対する本発明のＳＦ
ＩＮＣＳ法による効果を像強度分布としてシミュレーシ
ョンしたグラフ。

【図３１】単独のホールパターンに対する従来のＳｕｐ
ｅｒＦＬＥＸ法（１）による効果を像強度分布として
シミュレーションしたグラフ。

【図３２】単独のホールパターンに対する従来のＳｕｐ
ｅｒＦＬＥＸ法（２）による効果を像強度分布として
シミュレーションしたグラフ。

【図３３】２個の接近したホールパターンに対する各種
露光法による効果を像強度分布としてシミュレーション
したグラフ。

【符号の説明】

Ｒ・・・レチクルＷ・・・ウェハＰＬ・・・投影光学系ＦＴＰ・・・フーリエ変換面（瞳面）ＡＸ・・・光軸ＰＡ・・・ホールパターンＣＣＭ・・・干渉性低減部材ＦＡ・・・円形状透過部ＦＢ・・・輪帯状透過部ＩＬＢ・・・照明光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微細なパターンが形成されたマスクを露光
用の照明光で照射する照明手段と、前記マスクのパター
ンから発生した光を入射して前記パターンの像を感応基
板上に結像投影する投影光学系とを備えた投影露光装置
において、前記マスクと前記感応基板との間の結像光路内のフーリ
エ変換面上、又はその近傍面上の光軸を中心とする内半
径ｒ₁、外半径ｒ₂の輪帯状領域内に分布する結像光
と、該輪帯状領域の内側、及び外側に分布する結像光と
の間の干渉性を低減させるとともに、前記輪帯状領域の
内半径ｒ₁と外半径ｒ₂の比ｒ₂／ｒ₁をほぼ１．７か
ら２．０の間に定めた干渉性低減手段と；前記輪帯状領
域の内側に分布する結像光と前記輪帯状領域の外側に分
布する結像光との間に、ほぼ（２ｍ＋１）π〔ｒａｄ〕
（ｍは整数）の位相差を与える位相シフト手段とを備え
たことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記輪帯状領域の内半径ｒ₁と外半径ｒ₂
との平均値と、前記フーリエ変換面の半径ｒ₃の比を
０．７０〜０．７５程度に定めたことを特徴とする請求
項１に記載の投影露光装置。
【請求項３】前記輪帯状領域の内側の透過率を前記輪帯
状領域の外側の透過率よりも低くする減光手段を備えた
ことを特徴とする請求項第１項、又は第２項に記載の投
影露光装置。
【請求項４】前記干渉性低減手段として、異なる領域に
分布する結像光にコヒーレント長以上の光路差を与える
時間的コヒーレント低減部材を用いることを特徴とする
請求項第１項から第３項のいずれか１項に記載の投影露
光装置。
【請求項５】前記干渉性低減手段として、異なる領域に
分布する結像光の偏光状態を相互に干渉し合わない状態
とする偏光制御部材を用いることを特徴とする請求項第
１項から第３項のいずれか１項に記載の投影露光装置。
【請求項６】前記照明手段は、輪帯照明系、又は変形光
源系であることを特徴とする請求項第１項から第５項の
いずれか１項に記載の投影露光装置。