JPH07245258A

JPH07245258A - 露光方法及び露光装置

Info

Publication number: JPH07245258A
Application number: JP6036750A
Authority: JP
Inventors: Masato Shibuya; 眞人渋谷; Masaya Komatsu; 雅也小松; Toshihiko Ozawa; 稔彦小澤; Yasushi Oki; 裕史大木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-03-08
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 1995-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】従来の露光波長及び光学系をほとんど変えるこ
と無しに、投影光学系の解像限界を超える高解像のパタ
ーンを形成することのできる露光方法及び露光装置を提
供し、更に、投影光学系によってできる高解像のパター
ンのコントラストが高くなるようにする。【構成】被投影原版（レチクル）のパターンを投影光学
系によって所定の感光素材上に投影する投影露光方法に
おいて、感光素材として潜像濃度及び潜像反応濃度が入
射光強度に対して非線型な感度特性を持つものを用い、
露光光の偏光方向が、像面上で形成されるパターンの長
手方向に対して像面上において平行であるようにし、感
光素材上での光強度分布の異なる複数回の露光を行な
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子や液晶板の
製造に用いられる露光装置特に投影型露光装置及び投影
露光方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の露光方法においては、露光する所
望のパターンは全て同一レチクル上に配置され、一度の
露光によって基板に焼き付るようになっていた。その
際、基板上に塗布されているレジストには露光強度Ｉに
応じた潜像反応濃度ξが発生する。例えば、現在一般に
使われているポジ型レジストでは、 ξ＝ｅｘｐ（−ＣＤ），Ｄ＝Ｉ・ｔ (1) と表す事が出来る。より一般的には、以下の様な式に表
現することが出来る。

【０００３】 ξ＝ｅｘｐ（−ＣＤ），Ｄ＝Ｊ・ｔ＝Ｉ^m・ｔ (2) ここでＩは光強度、ｔは露光時間、Ｃは感材によって定
まる定数である。ｍは感光素材の線型性を表す指数であ
り、ｍ＝１のとき線型であるといい、ｍ≠１のとき非線
型であるという。上式に示すように、分り易くする為、
Ｉ^mをＪで置き換え、Ｊを潜像濃度と呼ぶことにする。

【０００４】このような方法において、レジスト中に潜
像を形成する為の露光強度分布Ｉ（ｘ）のスペクトルｉ
は、簡単のため完全にインコヒーレントな結像を仮定す
れば、物体スペクトルをｉ₀，光学系のＯＴＦ（Optica
l Transfer Function）をｆとして、ｉ（ν）＝ｉ₀（ν）・ｆ（ν） (3) ν：空間周波数で与えられる。さて、プロセス的にＯＴＦすなわちｆが
有意でなくなる限界の空間周波数ν₀は、露光波長を
λ、投影光学系の感光素材側の開口数をＮＡとすると
き、 ν₀＝ 0.5ＮＡ／（Ｋ₁・λ）Ｋ₁：プロセス定数 (4) で与えられる。また、光学系の解像限界は開口数ＮＡに
よって原理的に決まり、その場合はＫ₁＝ 0.25 であ
り、光学系のカットオフ周波数νcは、 νc ＝２ＮＡ／λ (5) となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の露
光方法では、５式から明らかなように、高解像とするた
めには開口数ＮＡを大きくするか、波長λを小さくせざ
るを得ない。しかしながら、投影光学系の焦点深度Ｆd
は次式に示すように、波長λに比例し、ＮＡの２乗に反
比例し、Ｆd ＝Ｋ₂・λ／ＮＡ² (6) Ｋ₂：プロセス定数となるため、いずれの場合にも焦点深度が浅くなる。ま
た、光学系が大型化・特殊化し、実用的でなくなる。ま
た、感光素材上での最終的解像限界は投影光学系により
決定される解像限界を超えることができなかった。

【０００６】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たもので、従来の露光波長及び光学系をほとんど変える
こと無しに、投影光学系の解像限界を超える高解像のパ
ターンを形成することのできる露光方法及び露光装置を
提供することを目的とし、更に、投影光学系によってで
きる高解像のパターンのコントラストが高くなるように
することも目的とする。

【０００７】

【問題を解決するための手段】本発明による露光方法
は、被投影原版（レチクル）のパターンを投影光学系に
よって所定の感光素材上に投影する投影露光方法におい
て、感光素材として潜像濃度及び潜像反応濃度が入射光
強度に対して非線型な感度特性を持つものを用い、露光
光の偏光方向が、像面上で形成されるパターンの長手方
向に対して像面上において平行であるようにし、感光素
材上での光強度分布の異なる複数回の露光により、高コ
ントラストで、投影光学系の解像限界を超える高解像の
パターンを形成することを可能としたものである。

【０００８】本発明における感光素材としては、潜像反
応濃度が入射光強度のｍ乗（ｍ＞１）に対応して強調さ
れるように形成される非線型感度特性を持つ場合のみな
らず、潜像反応濃度が入射光強度のｍ乗（ｍ＜１）に対
応して緩和されるように形成される非線型感度特性を持
つ場合も可能である。そして本発明による露光装置は、
被投影原版（レチクル）のパターンを投影光学系によっ
て所定の感光素材上に投影する投影露光装置において、
感光素材はその潜像反応濃度が入射光強度に対して非線
型な感度特性を有し、被投影原版は所定のパターンを有
し、露光光の偏光方向が、像面上で形成されるパターン
の長手方向に対して像面上において平行であるように
し、各露光毎に前記感光素材と前記被投影原版とを相対
的に所定量だけ移動して複数回の露光を繰り返し、前記
所定のパターンよりも微細なパターンの潜像濃度分布を
形成することを特徴とする投影露光装置である。

【０００９】具体的には、第１パターンを有する第１被
投影原版（第１レチクル）と第２パターンを有する第２
被投影原版（第２レチクル）とを用い、感光素材に対し
て第１被投影原版（第１レチクル）による第１露光後に
第２被投影原版（第２レチクル）による第２露光を行う
ことにより、感光素材上に第１パターン及び第２パター
ンよりも微細なパターンの潜像濃度分布を形成するもの
である。

【００１０】ここで、第１被投影原版（第１レチクル）
と前記第２被投影原版（第２レチクル）とは異なるパタ
ーンを有し、前記第１露光の後に第１被投影原版（第１
レチクル）を第２被投影原版（第２レチクル）に交換し
て第２露光を行うことが可能である。また、第１被投影
原版と第２被投影原版とを交換することなく、同一の被
投影原版（レチクル）を投影光学系の光軸に垂直方向に
所定量だけ移動させて複数回の露光を行うことも可能で
ある。また、この場合には同一の被投影原版（レチク
ル）の複数回露光毎に、感光素材の塗布された感光基板
（ウエハ）を所定量ずつ移動させて複数回の露光により
潜像を形成することも可能である。

【００１１】或いは、被投影原版として液晶板等の電気
光学的素子を用いて１つの被投影原版内のパターン透過
部を電気的に変更して複数回露光することも可能であ
る。それに加え、高コントラストな潜像濃度分布を得る
ために、露光光として、偏光方向が像面上で像面にでき
るパターンに平行であるようにした直線偏光を用いる。
直線偏光を得る為に、被投影原版に偏光膜を設けること
が考えられる。また、投影露光装置に光を供給する照明
光学系と感光素材との間に偏光手段を挿入することも考
えられる。

【００１２】また、第１被投影原版を用いるときと第２
被投影原版を用いるときとで照明光の直線偏光の方向が
変化する場合は、常に露光光の偏光方向を像面上に形成
されるパターンの長手方向に対して像面上において平行
であるように露光する偏光方向保持手段を設ける。

【００１３】

【作用】上記の如き本発明により、潜像反応濃度が入射
光強度のｍ乗（ｍ＞１）に対応して強調される様に形成
される非線型感度特性を持つ感光素材を用い、かつ像面
上で形成されるパターンの長手方向に対して像面上にお
いて平行な直線偏光を用いた場合、投影光学系の解像限
界を超えるパターンの形成が可能であることの原理を以
下に説明する。

【００１４】まず、非線形感度特性による効果を示す。
従来の露光方法では、インコヒーレント照明において全
系を通った後の結像面上の光強度分布Ｉ（ｘ）は、物体
の光強度分布をＩ₀（ｘ）、光学系の点像強度分布をＦ
（ｘ）として、Ｉ（ｘ）＝Ｉ₀（ｘ）＊Ｆ（ｘ） (7) で与えられる。ここでｘは感光素材上での位置座標であ
り、＊はコンボリューションを意味する。これより、像
面上の光強度のスペクトルｉは、フーリエ変換のコンボ
リューションの定理より、ｉ（ν）＝ｉ₀（ν）・ｆ（ν） (8) となる。ここで、νは空間周波数であり、ｉ₀は物体の
光強度のスペクトルであり、ｆが所謂光学系のＯＴＦに
対応し、潜像濃度のスペクトルとしては光学系のカット
オフ周波数（２ＮＡ／λ）を超えるものは形成されな
い。

【００１５】また、従来の露光方法において、非線型な
感度特性を有する感光素材である所謂２光子吸収レジス
トを用いることが提案されている。２光子吸収レジスト
とは２つの光子を吸収すると１つの潜像核を形成するレ
ジストのことであり、これについてはProceedings of
ＳＰＩＥ第１６７４巻(1992 年) 776 頁〜778 頁などに
示されている。この場合、潜像濃度分布Ｊ（ｘ）は露光
強度分布Ｉ（ｘ）の自乗に応じて形成される。即ち、イ
ンコヒーレント照明において、物体の光強度分布をＩ₀
（ｘ）、光学系の点像強度分布をＦ（ｘ）として、Ｊ（ｘ）＝Ｉ（ｘ）²＝｛Ｉ₀（ｘ）＊Ｆ（ｘ）｝² (9) となる。これより、潜像濃度分布のスペクトルｊは、同
様にフーリエ変換のコンボリューションの定理より、ｊ（ν）＝｛ｉ₀（ν）・ｆ（ν）｝＊｛ｉ₀（ν）・ｆ（ν）｝ (10) となる。２光子吸収レジストの場合は(9) 式に応じて潜
像濃度分布が与えられるため、従来の場合の(7) 式に比
べて潜像濃度分布がより急峻になる。このことを露光強
度分布が正弦波状の場合について具体的に図９Ａと図９
Ｂに例示する。

【００１６】図９Ａは通常のレジストにおける潜像濃度
分布であり、露光強度分布と同じく正弦波状になってい
る。図９Ｂは、２光子吸収レジストにおける潜像濃度分
布を表す。図９Ａと図９Ｂとを比較すれば、潜像のコン
トラストが高くなっているが、形成されたパターンのピ
ッチは図９Ａと図９Ｂとで同じであり、２光子吸収レジ
ストを用いただけでは形成される潜像濃度分布のピッチ
は光学系によって作られる像のピッチより微細とはなら
ず、光学系の解像限界を超えることができない。(10)式
より、潜像濃度分布中には光学系の解像限界を超える周
波数の成分が存在するが、形成されたパターンのピッチ
としては飽くまで光学系の解像限界を超えていないので
ある。

【００１７】このように非線型感度特性を持つ感光素材
を用いるだけでは、光学系により決まる解像限界以上に
微細なパターンを形成することは不可能である。しかし
ながら、本発明では非線型感度特性を持つ感光素材を用
い、さらに露光を複数回に分けて行うことにより、光学
系による解像限界を超える微細パターンの形成を可能と
している。

【００１８】本発明の基本的な考え方を説明するため
に、上記と同様に２光子吸収レジストを用いた場合にお
ける光学系による点像の結像を考える。この場合には２
光子吸収レジストにより点像の潜像濃度分布が急峻にな
る。この場合、照明状態にかかわらず光学系による点像
強度分布Ｆ（ｘ）を考えればよく、所望の物体光強度分
布Ｉ₀（ｘ）を点像の重ね合わせによって形成されるも
のとし、これにより潜像濃度分布Ｊ（ｘ）を形成するな
らば、その各々の点像の結像によって作られた光強度の
重ね合わせとなるので、Ｊ（ｘ）＝Ｉ₀（ｘ）＊｛Ｆ（ｘ）｝² (11) と基本的に表される。点像の潜像濃度分布は｛Ｆ
（ｘ）｝²で表されるため、光学系による点像強度分布
Ｆ（ｘ）より鋭い分布となり、高解像になる。(11)式を
フーリエ変換することにより、ｊ（ν）＝ｉ₀（ν）・｛ｆ（ν）＊ｆ（ν）｝ (12) となる。よって、ｆ＊ｆがこの方法において潜像濃度分
布を得る上での光学系のＯＴＦと解釈される。これは
(8) 式で示される従来のＯＴＦすなわちｆのカットオフ
周波数（２ＮＡ／λ）に対してカットオフ周波数（４Ｎ
Ａ／λ）となり、２倍の解像力が得られることになる。

【００１９】図１０にこの比較を模式的に示す。図１０
Ａは従来の方法におけるＯＴＦを表し、図１０Ｂは孤立
パターンを２光子吸収レジスト上に感光させた場合のＯ
ＴＦを表している。これより、２光子吸収レジストを用
い、孤立パターンを基に複数回露光し、潜像を形成すれ
ば光学系の解像限界を超えた微細なパターンの形成がで
きる。このように孤立パターンによる複数回露光と非線
型感度特性を持つ感光素材とを組み合わせることによ
り、光学系の解像限界を超えたパターンの形成が可能と
なる。

【００２０】さらに、完全に孤立ではないが概略孤立と
考えられるパターンを用いて複数回露光する場合にも、
孤立パターンの場合と同様に光学系の解像限界を超えた
パターンの形成が可能である。この場合、潜像濃度分布
のスペクトルｊは、ｊ（ν）＝Σｉ_0j（ν）・｛ｆ（ν）＊ｆ（ν）｝＝ｉ’（ν）・｛ｆ（ν）＊ｆ（ν）｝ (13) ｉ’（ν）＝Σｉ_0j（ν）となる。ここで、ｉ_0jは互いに概略孤立したパターンの
物体スペクトルであり、ｉ’は、孤立的パターンの重ね
合わせにより構成される仮想的なパターンの物体スペク
トルと考えられる。従来の潜像濃度分布のスペクトルは
(8) 式で示されるようにｆのカットオフ周波数（２ＮＡ
／λ）を超えることはないが、本発明よれば(13)式で示
されるように、｛ｆ（ν）＊ｆ（ν）｝のカットオフ周
波数（４ＮＡ／λ）までのスペクトルが潜像濃度分布と
して形成される。

【００２１】このように、従来露光方法で非線型感度特
性を有する感光素材を用いただけでは、形成されるパタ
ーンのピッチとしては光学系の解像限界を超えることは
なかったのに対し、本発明において、さらに感光素材上
での光強度分布が異なる複数回の露光を繰り返すことに
よって、ｉ’を適切に与えれば、光学系の解像限界を超
えるピッチのパターンの潜像濃度分布を形成することが
できる。

【００２２】尚、上記では潜像濃度Ｊが露光強度Ｉの自
乗に比例して形成される、即ち、潜像反応濃度ξが露光
強度Ｉの自乗に応じて形成される所謂２光子吸収レジス
トを用いて説明したが、本発明においてはこれに限られ
るものではなく、潜像反応濃度ξが露光強度Ｉのｍ乗
（ｍ＞１）に応じて形成される非線型感度特性を持つ感
光素材であれば良い。この場合、潜像濃度分布が点像の
光強度分布Ｆ（ｘ）のｍ乗で表され、点像の光強度分布
Ｆ（ｘ）より鋭い分布となり、上記(11)式は次式のよう
に表わされる。

【００２３】Ｊ（ｘ）＝Ｉ₀（ｘ）＊｛Ｆ（ｘ）｝^m (14) そして、照明状態としてはインコヒーレント照明に限ら
ず、斜光照明や種々の変形照明でも同様に極めて微細な
パターンの形成が可能である。勿論、自己発光物体でも
可能である。(14)式をフーリエ変換すると、フーリエ変
換のコンボリューションの定理より、光学系のカットオ
フ周波数のｍ倍の周波数のパターン（潜像濃度分布）ま
でが形成されることが分かる。尚、各露光において完全
に孤立していないパターンを複数回露光することによっ
て、さらに微細なパターンを形成できる可能性がある。

【００２４】以上の説明においては、上記(14)式におい
て乗数ｍが１より大きい（ｍ＞１）場合、即ち潜像濃度
Ｊが光強度Ｉよりも強調される場合について説明した
が、乗数ｍが１より小さい（ｍ＜１）場合においても、
シュミレーションの結果、実質的に投影光学系の解像限
界を超えた微細パターンの形成が可能であることが分か
った。そして、感度特性として(14)式中の乗数ｍが一定
ではなく光強度Ｉに依存する場合においても有効であ
る。

【００２５】複数回露光の各露光において、位相シフト
マスクを用いたり変形照明法を用いることにより高解像
かつ高コントラストなパターンを形成するならば、光学
系の解像限界を超えた潜像濃度分布をさらに高コントラ
ストで、かつ少ない露光回数で形成することができる。
以上の如き構成において、本発明では更に、高コントラ
ストな像を作る為に、偏光方向が像面上に形成されるパ
ターンの長手方向に対して像面上において平行であるよ
うにした直線偏光光を用いる。図１４乃至図１６には、
２光束干渉によって、像強度が作られる場合を示してあ
る。図１４は、光軸を含みパターンの長手方向に垂直な
面での光線の状態を示した図である。図１５は、光軸を
法線とする面、即ち前記図１４の状態を上方からみた図
であり、中央の斜線部は像面上に形成された線状のパタ
ーンを表す。これら図１４及び図１５における両矢印の
記号は、光線の偏光方向（電場の振動方向）を表したも
ので、紙面内方向におけるものである。図１４における
○の中に×印が書いてある記号も光線の偏光方向（電場
の振動方向）を表しているが、この記号は、紙面に垂直
な方向に振動していることを表している。

【００２６】偏光方向が像面上に形成されるパターンの
長手方向に対して像面上において直交する場合（以下、
便宜上この明細書中ではＰ偏光と呼ぶ。）と偏光方向が
像面上に形成されるパターンの長手方向に対して像面上
において平行である場合（以下、便宜上この明細書中で
はＳ偏光と呼ぶ。）との像強度分布を示すと図１６の如
くなり、Ｓ偏光の方がＰ偏光より光強度Ｉの最大値と最
小値の差が大きくなる。これにより、Ｓ偏光の方がＰ偏
光よりコントラストが高くなる。

【００２７】式で書くと、Ｐ偏光の場合には、光強度Ｉ
がＩp ＝｜sinθ[exp((i2π・x・sinθ)/λ)−exp((-i2π・x・sinθ)/λ)]｜² ＋｜cosθ[exp((i2π・x・sinθ)/λ)＋exp((-i2π・x・sinθ)/λ)]｜² ＝2・sin²θ・[1−cos((4π・x・sinθ)/λ)] ＋2・cos²θ・[1＋cos((4π・x・sinθ)/λ)] ＝2[1＋cos2θcos((4π・x・sinθ)/λ)] (15) となる。一方、Ｓ偏光の場合は、Ｉs ＝｜[exp((i2π・x・sinθ)/λ)＋exp((-i2π・x・sinθ)/λ)]｜² ＝2[1＋cos((4π・x・sinθ)/λ)] (16) となる。ここでθは、図１４において、像面に入射する
光線が光軸となす角である。

【００２８】上述の如く(15)及び(16)式より、Ｐ偏光で
は光強度がcos2θ（０°≦θ≦９０°）分だけ低下する
が、Ｓ偏光では低下が無く、Ｓ偏光の方が作られるコン
トラストが高いことが示される。このため、各露光にお
いて、光束がＳ偏光になることが望ましい。尚、２光束
干渉に限らず一般的な露光においても、Ｓ偏光を用いる
ことは有効である。

【００２９】以上の様に、潜像濃度、言い換えれば、潜
像反応濃度が入射光強度に対して非線型な感度特性を持
つ感光素材を用い、偏光方向が像面上で形成されるパタ
ーンの長手方向に対して像面上において平行であるＳ偏
光を用い、該感光素材上で光強度分布が異なる複数回の
露光を行う事により、高コントラストで、投影光学系の
解像限界を超える高解像のパターンを有する半導体素子
を得ることが出来る。

【００３０】

【実施例】以下に、本発明を実施例に基づいて説明す
る。図１に本発明による被投影原版としてのレチクルパ
ターンの断面図を示す。ここでは、紙面に垂直な方向
が、像面上で形成されるパターンの長手方向である。パ
ターンの図１Ａに示すパターンにより第１露光を行い、
図１Ｂのパターンにより第２露光を行う。図１Ａの第１
パターンでは、基板１ａ上に設けられた遮光膜２ａが開
口部４ａを形成している。そして、隣接する開口部４ａ
の一方には位相膜３ａが設けられており、所謂位相シフ
トマスクが構成されている。図１Ｂの第２パターンは同
様に基板１ｂ上に遮光膜２ｂと位相膜３ｂとが設けられ
ており、同じく位相シフトマスクが構成されている。第
１パターンの開口部４ａは第２パターンの遮光膜２ｂの
位置に重なり、第２パターンの開口部４ｂは第１パター
ンの遮光膜２ａの位置に重なるように配置されて、１つ
の感光素材上にそれぞれ別々に露光される。

【００３１】また、偏光方向を制御するたに、図８に示
された装置において、レチクルを照明するための照明光
学系とレチクルの間に偏光板２２を入れ、紙面に垂直な
方向の直線偏光を得ている。図８に示された装置につい
ては、後で詳述する。これら第１及び第２パターンによ
る露光により得られる感光素材上での光量分布を、図２
Ａ、Ｂに示す。ここで、本実施例ではコヒーレントな照
明により±１次回折光のみによって、図２Ａ、図２Ｂに
示すように、正弦波状の光強度Ｉａ、Ｉｂが各露光にお
いて作られる。これら２回の露光において、感光素材上
での光強度分布のピーク位置が位相で半周期ずれてい
る。

【００３２】いま、高解像の場合を考え、各露光におい
て光学系の解像限界の周波数を持つ光強度分布が作られ
るとする。すなわち、±１次回折光が光学系の開口の周
縁部を通過するように開口数を十分有効に使うとし、各
露光において作られるピッチは、解像限界λ／２ＮＡで
あり、その光強度分布は、Ｉa(x)＝１＋ cos（２π・２ＮＡ・ｘ／λ） (17) Ｉb(x)＝１＋ cos（２π・２ＮＡ・ｘ／λ＋π） (18) と表される。レジストが２光子吸収レジストであると、
レジスト中の潜像濃度は光強度の２乗で与えられるた
め、それぞれの潜像濃度分布は、図３Ａ、Ｂに示される
とおり、Ｊa(x)＝Ｉa(x)²＝３／２＋２ cos（２π・２ＮＡ・ｘ／λ）＋ cos（４π・２ＮＡ・ｘ／λ）／２ (19) Ｊb(x)＝Ｉb(x)²＝３／２＋２ cos（２π・２ＮＡ・ｘ／λ＋π）＋ cos（４π・２ＮＡ・ｘ／λ）／２ (20) となる。複数回露光により最終的に得られる潜像濃度分
布は(19)と(20)との和であり、Ｊ(x) ＝Ｊa(x)＋Ｊb(x)＝３＋ cos（４π・２ＮＡ・ｘ／λ） (21) となる。(21)式より、本実施例における潜像濃度分布Ｊ
（ｘ）はピッチ（λ／４ＮＡ）の周期構造を持ち、これ
は光学系の限界解像力（λ／２ＮＡ）の倍の細かさであ
る。この潜像濃度分布Ｊ（ｘ）を図４に示した。この複
数回（ここでは２回）の露光の後に現像を行うことによ
り、微細なレジストパターンが形成される。

【００３３】(12)式及び図１０Ｂより分かるように、完
全な孤立パターン（点物体）の重ね合わせで潜像を形成
すれば、ピッチ（λ／４ＮＡ）の潜像が形成される。た
だ、この場合コントラストはあまり高くないので、上記
実施例では位相シフトマスクを用いたコヒーレント照明
をすることにより、高コントラストな潜像濃度分布を形
成している。

【００３４】従来の非線型でない感光素材を用いた場合
には、上記(17)と(18)式の単純和、すなわち図２Ａと図
２Ｂとの単純和で感光されるため、パターンは全く形成
されない。また、本実施例では、レチクルを照明するた
めの照明光学系とレチクルとの間に偏光板を入れること
により直線偏光を得ている。この為、新たなレチクルパ
ターンが元のレチクルパターンをパターン平面上で９０
°回転させて得られる様なパターンを有する場合、偏光
手段をそのままの状態にしておくと、Ｐ偏光で新たなレ
チクルパターンを照明することになる。前述の如く、Ｐ
偏光ではＳ偏光のときより高いコントラストが得られな
い為、新たなレチクルパターンに対してもＳ偏光が得ら
れるようにする。これを実現する為に、後述する図８に
示された装置において、本実施例では、新たなレチクル
パターンが、元のレチクルパターンをパターン平面上で
９０°回転させて得られる様なパターンを有する場合、
偏光板２２を光軸Axを中心に動力装置２３によって９０
°回転させることによりこの問題を解決している。尚、
ここでは９０°の回転を行なう場合を示したが、任意の
角度回転が出来ることは言うまでもない。

【００３５】上記の実施例は２光子吸収レジストを用い
て、光強度の２乗（ｍ＝２）によって潜像濃度が得られ
る場合であったが、光強度の３乗、４乗あるいはそれ以
上（ｍ＝３，４，・・・）の非線型性で潜像濃度が得ら
れる場合には更に高解像が期待できる。例えば図５に示
す潜像濃度分布は、潜像濃度分布が光強度分布の３乗
（ｍ＝３）で得られる場合で、図１Ａに示した被投影原
版のパターンを（１／３）ピッチすなわち（λ／６Ｎ
Ａ）ずつずらして３回露光して得られたものである。こ
こでは、図示のとおり、ピッチ（λ／６ＮＡ）の周期構
造となり光学系の解像限界（λ／２ＮＡ）の３倍の細か
さとなっている。

【００３６】また、光強度の１．５乗（４＝１．５）に
よって潜像濃度が得られる感光素材を用いることも可能
である。図６はｍ＝１．５として図１Ａ、図１Ｂに示し
たレチクルを同様にそれぞれ別個に露光して得られた潜
像濃度分布であり、光学系の解像限界の倍の細かさの潜
像濃度分布が得られている。この場合にも、位相シフト
マスクをコヒーレント照明することにより、コントラス
トを高めることができている。

【００３７】一般には、潜像反応濃度にほぼ比例して現
像後のレジストパターンが作られるが、さらに現像プロ
セスにおいて強調すればさらに高コントラストのレジス
トパターンを形成することができる。次に、レチクルの
パターンによって偏光板を回転させるというような手間
を省き、偏光膜を被投影原版に直接設けた実施例を図７
に示す。

【００３８】図７に本発明による被投影原版としてのレ
チクルパターンの断面図を示す。図７Ａに示すパターン
により第１露光を行い、図７Ｂのパターンにより第２露
光を行う。図７Ａの第１パターンでは、基板１ａ上に設
けられた遮光膜２ａが開口部４ａを形成している。そし
て、隣接する開口部４ａの一方には位相膜３ａが設けら
れており、所謂位相シフトマスクが構成されている。更
に、これらを構成した上から偏光方向がパターンの長手
方向（図７においては、紙面に垂直な方向）に対して平
行であるように偏光膜５ａが全面にわたり設けられてい
る。図７Ｂの第２パターンは同様に基板１ｂ上に遮光膜
２ｂと位相膜３ｂとが設けられており、同じく位相シフ
トマスクが構成されている。また、第１パターン同様、
これらを構成した上から偏光方向がパターンの長手方向
に対して平行であるように偏光膜５ｂが全面にわたり設
けられている。第１パターンの開口部４ａは第２パター
ンの遮光膜１ｂの位置に重なり、第２パターンの開口部
４ｂは第１パターンの遮光膜１ａの位置に重なるように
配置されて、１つの感光素材上にそれぞれ別々に露光さ
れる。

【００３９】以上の如きレチクルパターンを用いること
により、高コントラストで、投影光学系の限界解像以上
に微細な潜像を形成する事が出来る。また、上記実施例
では、基板１ａ及び１ｂの開口部を設けた方に偏光膜を
設けたが、これとは逆に基板１ａ及び１ｂの下側（開口
部を設けていない方）に偏光膜を設けても良い。更に、
乗数ｍが１より小さい（ｍ＜１）場合の実施例について
説明する。例としてｍ＝０．５である感光素材を用いた
場合について説明する。ｍ＝０．５の感材を用いた場合
の潜像濃度は光強度の０．５乗に応じて作られる。即
ち、Ｊ（ｘ）＝Ｉ（ｘ）^0.5 (20) で与えられる。ここでｘは座標である。コヒーレント照
明のもとで前記図１に示す位相シフタ付きレチクルを用
いて、ライン・アンド・スペースを焼き付け、投影レン
ズと感光素材の間に偏光板を挿入し、紙面に垂直な方向
に直線偏光を得る場合を示す。このレチクルの周期は投
影光学系の解像限界λ／２ＮＡになっている。図１１は
像面上に出来る光強度分布の図である。光強度分布Ｉ
（ｘ）はこの様に正弦波状に分布している。即ち、Ｉ（ｘ）＝１＋ＣＯＳ（２π・２ＮＡ・ｘ／λ） (21) である。一方、図１２Ａは(21)式から得られる潜像濃度
分布Ｊ（ｘ）を示す。

【００４０】Ｊ（ｘ）＝（１＋ＣＯＳ（２π・２ＮＡ・ｘ／λ））^0.5 (22) この様に、図１２Ａに示されるとおり、潜像濃度分布Ｊ
（ｘ）は光強度分布Ｉ（ｘ）に比べて明部付近について
はよりなだらかであるが、暗部においては急激に暗くな
りその幅は極めて細くなるという特徴を持つ。しかしな
がら、明らかに潜像濃度分布Ｊ（ｘ）は光強度分布Ｉ
（ｘ）と同じ周期で形成されるので、この状態では投影
光学系の限界解像を越えたパターンを形成できない。

【００４１】一方、図１２Ａを１／２周期ずらしたパタ
ーンによる潜像濃度分布Ｊ（ｘ）（図１２Ｂ）を重ね合
わせれば、図１２Ｃで示されるようにより微細な構造を
像面上に形成する事が出来るため、このパターンは限界
解像の２倍の周期構造を持つ事になる。これに対し、ｍ
＝１の感材を用いた場合には、潜像濃度分布Ｊ（ｘ）は
図１１の光強度分布Ｉ（ｘ）に完全に一致するので、こ
れを図１１Ｄの場合と同様に重ね合わせたとしても、Ｊ（ｘ）＝１＋ＣＯＳ（２π・２ＮＡ・ｘ／λ）＋１−
ＣＯＳ（２π・２ＮＡ・ｘ／λ）＝２ (23) という様に、得られるＪ（ｘ）はフラットになり、まっ
たく用をなさない（図１３）。

【００４２】この様に、ｍ＜１なる感光素材を用いた場
合にも、投影光学系の限界解像以上に微細な潜像を形成
する事が出来る。また、本実施例でも以前に述べた実施
例の通り、偏光方向を制御するたに、図８に示された装
置において、レチクルを照明するための照明光学系とレ
チクルの間に偏光板２２を入れ、直線偏光を得ている。
そして、元のレチクルパターンをパターン平面上で９０
°回転させて得られる様なパターンを有する場合、偏光
板２２を光軸Axを中心に動力装置２３によって９０°回
転させる。

【００４３】本発明に於いては、レジストがポジ型或い
はネガ型のいずれも使用出来ることは言うまでもない。
しかし、特に、ｍ＜１の場合はポジ型に有利であると考
えられ、図１２に示す例では極めて細い残し線を形成す
ることが出来る。図８には、上記の如き感光素材上での
光強度分布が異なる複数の露光を行うための露光装置の
概略構成を示す。光源１１からの照明光束は楕円鏡１２
により集光され、ミラー１３によりコリメータレンズ１
４に導かれ、ほぼ平行光束となってフライアイインテグ
レータ１５に入射する。フライアイインテグレータ１５
を射出した光束はミラー１６によりメインコンデンサー
１７に導かれ、被投影原版としてのレチクル１８ａを均
一に照明する。被投影原版１８ａ上の所定のパターンが
投影光学系１９によって感光素材の塗布されたウエハ２
０上に投影露光される。ここで、レチクル１８ａは露光
の後に、レチクルローダー２１によって異なるパターン
を有するレチクル１８ｂと交換され、第２の露光がなさ
れる。

【００４４】レチクルローダー２１によって異なるパタ
ーンを交換する変わりに、レチクル１８ａによる第１の
露光の後に、レチクル１８ａを投影光学系１９の光軸Ax
に対して垂直方向に所定量だけ移動させて第２の露光を
行うこととしても良い。この所定量とは、例えば前述し
た図１Ａのパターンを用いた場合に、感光素材の潜像濃
度が光強度のに２乗に比例する様な場合は、ウエハ上の
座標に換算して（λ／４ＮＡ）である。また、感光素材
の潜像濃度が光強度の３乗に比例する様な場合は、ウエ
ハ上の座標に換算して（λ／６ＮＡ）とすることが有効
である。

【００４５】偏光膜を被投影原版に直接設けたレチクル
を用いない場合は、以上の光学装置中に偏光板２２を挿
入する。図８に示す実施例では、メインコンデンサー１
７と被投影原版１８ａとの間に挿入するようにしてあ
る。ここで、偏光板２２はモーター等の動力装置２３に
よって回転或いは出し入れが可能なようになっており、
偏光方向がウエハ２０上に形成されるパターンの長手方
向に対して平行になるように配置する。尚、ここではメ
インコンデンサー１７と被投影原版１８ａとの間に偏光
板２２を挿入するようにしたが、一定の偏光状態を得る
ために、被投影原版１８ａと投影光学系１９との間、或
いは投影光学系１９とウエハ２０との間、或いは投影光
学系１９の絞り位置に偏光板２２を挿入してもよい。

【００４６】この際、完全に理想的でないレジストの場
合は、１回目の露光と２回目の露光量とを微妙に変える
ことが望ましい。尚、同一のレチクルパターンを複数回
露光する場合には、レチクルを移動する代わりに、複数
の露光毎にウエハ自体を移動する構成とすることも可能
であることは言うまでもない。

【００４７】複数回露光間でのアライメントは、潜像を
観察してアライメントする所謂潜像アライメントが有効
である。図８の実施例では、逐次繰り返し露光を行なう
ことにより微細な構造の半導体を製造する、いわゆるス
テッパーを念頭において説明しているが、全面一括露光
でなく、光学系の画面サイズが小さいとき用いる露光部
分を走査する、いわゆるスリットスキャン露光装置でも
よいことはいうまでもない。

【００４８】ところで、本発明においては、図１に示し
た実施例のように、高解像パターンを形成するために位
相シフトパターンを用いることが有効である。また、特
開昭６１−９１６６２号公報において提案されている輪
帯照明や、特開平４−２２５３５８号公報等において提
案されている所謂SHRINC照明を用いることも有効であ
る。

【００４９】さらには、結像光学系の瞳に位相差を生じ
るフィルターを設けることにより、焦点深度を大きくす
ることも有効である。また、上記実施例は、特に説明し
ていないが、各露光において、照明条件として、２次光
源の形状，波長幅等を変えることも有効である。尚、本
発明では、像面上で形成されるパターンの長手方向に対
して像面上において平行とすることを主なる特徴として
いるが、厳密に平行である場合に限れるものではなく、
像面上で形成されるパターンの長手方向に対して像面上
において概略平行であるものも含むことは言うまでもな
い。

【００５０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば非線形な
感光特性を示す感光素材とＳ偏光とを用いて異なるパタ
ーンを複数回露光することにより、投影光学系の解像限
界を超えた微細パターンの形成が可能となる。しかも、
従来の露光波長及び光学系をほとんど変えることなしに
高解像のパターンを形成することができる。

【００５１】そして、本発明による露光方法によれば、
従来の投影型露光装置では実現し得なかった極めて微細
な回路パターンを有する半導体素子の製造が可能とな
り、集積回路の集積度を格段に高めることができるとい
う大きな効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる第１被投影原版及び第２被投影
原版のパターンを示す断面図。

【図２】図１に示したパターンによる光強度分布図。

【図３】図１に示したパターンによる潜像濃度分布図。

【図４】本発明の実施例における合成潜像濃度分布図。

【図５】３回露光による合成潜像濃度分布図。

【図６】他の実施例における合成潜像濃度分布図。

【図７】偏光膜を設けた非投影原版の例。

【図８】本発明に好適な露光装置の概略構成図。

【図９】従来の露光方法により形成される潜像濃度分布
図。

【図１０】ＯＴＦの特性図。

【図１１】図１に示したパターンによる光強度分布図。

【図１２】他の実施例による潜像の合成濃度分布図。

【図１３】線型レジストを用いた場合の合成潜像濃度分
布図。

【図１４】２光束干渉を示す図。

【図１５】２光束干渉を示す図。

【図１６】２光束干渉による強度分布図。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ・・・被投影原版の基板２ａ，２ｂ・・・斜光膜３ａ，３ｂ・・・位相シフター４ａ，４ｂ・・・開口部５・・・偏光板５１，５２，５３，５４・・・光透過部５２ｓ，５４ｓ・・・位相シフター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大木裕史東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被投影原版のパターンを投影光学系によっ
て所定の感光素材上に投影する投影露光方法において、
前記感光素材として潜像反応濃度が入射光強度に対して
非線型な感度特性を持つものを用い、露光光の偏光方向
が像面上に形成されるパターンの長手方向に対して像面
上において平行であるように露光し、感光素材上での光
強度分布が異なる複数回の露光を行うことにより、投影
光学系の解像限界を超える高解像のパターンの形成を可
能とすることを特徴とする露光方法。
【請求項２】前記感光素材として潜像反応濃度が入射光
強度のｍ乗（ｍ≠１）に対応して形成されるような非線
型感度特性を持つものを用いることを特徴とする請求項
１記載の露光方法。
【請求項３】前記感光素材として潜像反応濃度が入射光
強度のｍ乗に対応して形成され、ｍ＞１の非線型感度特
性を持つものを用いることを特徴とする請求項２記載の
露光方法。
【請求項４】前記感光素材として潜像反応濃度が入射光
強度のｍ乗に対応して形成され、ｍ＜１の非線型感度特
性を持つものを用いることを特徴とする請求項２記載の
露光方法。
【請求項５】被投影原版の所定パターンを投影光学系に
よって所定の感光素材上に投影する投影露光装置におい
て、前記感光素材はその潜像反応濃度が入射光強度に対
して非線型な感度特性を有し、露光光の偏光方向が像面
上に形成されるパターンの長手方向に対して像面上にお
いて平行であるように露光し、各露光毎に前記感光素材
と前記被投影原版とを相対的に所定量だけ移動して複数
回の露光を繰り返し、前記所定のパターンよりも微細な
パターンの潜像濃度分布を形成することを特徴とする投
影露光装置。
【請求項６】被投影原版のパターンを投影光学系によっ
て所定の感光素材上に投影する投影露光装置において、
前記感光素材は非線型な感度特性を有し、前記被投影原
版として第１パターンを有する第１被投影原版と第２パ
ターンを有する第２被投影原版とを有し、露光光の偏光
方向が像面上に形成されるパターンの長手方向に対して
像面上において平行であるように露光し、前記感光素材
に対して前記第１被投影原版による第１露光後に前記第
２被投影原版による第２露光を行うことにより、前記感
光素材上に前記第１パターン及び第２パターンよりも微
細なパターンの潜像濃度分布を形成することを特徴とす
る投影露光装置。
【請求項７】被投影原版の所定パターンを投影光学系に
よって所定の感光素材上に投影する投影露光装置におい
て、該投影露光装置中に配置する前記投影光学系と前記
投影光学装置中に配置される感光素材との間に、所定の
偏光状態に変換する偏光手段を設けた事を特徴とする請
求項５又は６記載の投影露光装置。
【請求項８】被投影原版の所定パターンを投影光学系に
よって所定の感光素材上に投影する投影露光装置におい
て、該投影露光装置中に配置する前記投影光学系と前記
投影光学装置中に配置する被投影原版との間に、所定の
偏光状態に変換する偏光手段を設けた事を特徴とする請
求項５又は６記載の投影露光装置。
【請求項９】被投影原版の所定パターンを投影光学系に
よって所定の感光素材上に投影する投影露光装置におい
て、該投影露光装置に光を供給する照明光学系と前記投
影光学装置中に配置する被投影原版との間に、所定の偏
光状態に変換する偏光手段を設けた事を特徴とする請求
項５又は６記載の投影露光装置。
【請求項１０】被投影原版の所定パターンを投影光学系
によって所定の感光素材上に投影する投影露光装置にお
いて、該投影露光装置中に配置する前記投影光学系の絞
りの位置に、所定の偏光状態に変換する偏光手段を設け
た事を特徴とする請求項５又は６記載の投影露光装置。
【請求項１１】前記第１被投影原版と前記第２被投影原
版とは同一であり、前記第１露光の後に前記第１被投影
原版を前記投影光学系の光軸と直行する方向に所定量だ
け移動させて第２露光を行うことを特徴とする請求項６
乃至１０記載の露光装置。
【請求項１２】前記第１被投影原版と前記第２被投影原
版とは同一であり、前記第１露光の後に前記感光素材を
前記投影光学系の光軸と直行する方向に所定量だけ移動
させて第２露光を行うことを特徴とする請求項６乃至１
０記載の露光装置。
【請求項１３】前記第１被投影原版と前記第２被投影原
版とは異なるパターンを有し、前記第１露光の後に前記
第１被投影原版を前記第２被投影原版に交換して第２露
光を行うことを特徴とする請求項６乃至１０記載の露光
装置。
【請求項１４】被投影原版の所定パターンを投影光学系
によって所定の感光素材上に投影する投影露光装置にお
いて、該投影露光装置に光を供給する照明光学系と前記
投影光学装置中に配置する感光素材との間に、常に露光
光の偏光方向を像面上に形成されるパターンの長手方向
に対して像面上において平行であるように露光する偏光
方向保持手段を設けた事を特徴とする請求項５乃至１３
の投影露光装置。
【請求項１５】被投影原版のパターンを投影光学系によ
って所定の感光素材上に投影する投影露光装置におい
て、前記感光素材は非線型な感度特性を有し、前記被投
影原版として第１パターンを有する第１被投影原版と第
２パターンを有する第２被投影原版とを有し、偏光方向
がパターンの長手方向に対して平行であるように前記各
被投影原版の透過部に偏光膜が設けられており、前記感
光素材に対して前記第１被投影原版による第１露光後に
前記第２被投影原版による第２露光を行うことにより、
前記感光素材上に前記第１パターン及び第２パターンよ
りも微細なパターンの潜像濃度分布を形成することを特
徴とする投影露光装置。