JPH05234850A - 投影露光装置及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

投影露光装置及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法

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JPH05234850A
JPH05234850A JP4069446A JP6944692A JPH05234850A JP H05234850 A JPH05234850 A JP H05234850A JP 4069446 A JP4069446 A JP 4069446A JP 6944692 A JP6944692 A JP 6944692A JP H05234850 A JPH05234850 A JP H05234850A
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JP
Japan
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crystal
optical
projection
optical axis
optical system
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JP4069446A
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Akiyoshi Suzuki
章義 鈴木
Hirohiko Shinonaga
浩彦 篠永
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70058—Mask illumination systems
    • G03F7/70091—Illumination settings, i.e. intensity distribution in the pupil plane or angular distribution in the field plane; On-axis or off-axis settings, e.g. annular, dipole or quadrupole settings; Partial coherence control, i.e. sigma or numerical aperture [NA]
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
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    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70216—Mask projection systems
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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多重焦点系を構成し、焦点深度を増加させて
高解像度の投影パターン像が得られる投影露光装置及び
それを用いた半導体デバイスの製造方法を得ること。 【構成】 照明系１からの光束で第１物体面２上の回路
パターンを照明し、該第１物体面上の回路パターンを投
影光学系３で第２物体面５上に投影露光する際、該第１
物体と第２物体との間の光路中に光学軸を互いに直交さ
せた２つの結晶光学素子４を配置すると共に該投影光学
系の瞳面近傍に十字状の開口を有する絞り７をその開口
方向が該結晶光学素子の光学軸方向に向くように配置し
たこと。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は投影露光装置及びそれを
用いた半導体デバイスの製造方法に関し、具体的には半
導体素子（半導体デバイス）の製造装置である所謂ステ
ッパーにおいてレチクル面上の回路パターンを投影光学
系の焦点深度を拡大させてウエハ面上に高い光学性能を
有して投影することができるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】最近の半導体素子の製造技術の進展は目
覚ましく、又それに伴う微細加工技術の進展も著しい。
特に光加工技術は１ＭＤＲＡＭの半導体素子の製造を境
にサブミクロンの解像力を有する微細加工技術まで達し
ている。解像力を向上させる手段としてこれまで多くの
場合、露光波長を固定して、光学系のＮＡ（開口数）を
大きくしていく方法を用いていた。しかし最近では露光
波長をｇ線からｉ線に変えて、超高圧水銀灯を用いた露
光法により解像力を向上させる試みも種々と行われてい
る。
【０００３】露光波長としてｇ線やｉ線を用いる方法の
発展と共にレジストプロセスも同様に発展してきた。こ
の光学系とプロセスの両者が相まって、光リソグラフィ
が急激に進歩してきた。
【０００４】一般にステッパーの焦点深度は投影光学系
のＮＡの２乗に反比例することが知られている。この為
サブミクロンの解像力を得ようとすると、それと共に焦
点深度が浅くなってくるという問題点が生じてくる。
【０００５】これに対してエキシマレーザーに代表され
る更に短い波長の光を用いることにより解像力の向上を
図る方法が種々と提案されている。短波長の光を用いる
効果は一般に焦点深度が波長に反比例する効果を持って
いることが知られており、波長を短くした分だけ焦点深
度は深くなる。
【０００６】短波長化の光を用いる他に解像力を向上さ
せる方法として位相シフトマスクを用いる方法（位相シ
フト法）が種々と提案されている。この方法は従来のマ
スクの一部に、他の部分とは通過光に対して１８０度の
位相差を与える薄膜を形成し、解像力を向上させようと
するものであり、ＩＢＭ社（米国）のＬｅｖｅｎｓｏｎ
らにより提案されている。解像力ＲＰは波長をλ、パラ
メータをｋ1 、開口数をＮＡとすると一般に式 ＲＰ＝ｋ1 λ／ＮＡ で示される。通常０．７〜０．８が実用域とされるパラ
メータｋ1 は、位相シフト法によれば０．３５ぐらい迄
大幅に改善できることが知られている。
【０００７】位相シフト法には種々のものが知られてお
り、それらは例えば日経マイクロデバイス１９９０年７
月号１０８ページ以降の福田等の論文に詳しく記載され
ている。
【０００８】前述した位相シフトに代表される結像法は
繰り返しのある周期性パターンにしか適用できないとい
う問題がある。従って最も問題となるコンタクトホール
のような孤立した所謂孤立パターンの結像に対する効果
は期待できない。孤立パターンに対する結像法として
は、又別の結像法が要求される。孤立パターンの焦点深
度を伸ばす方法としては所謂ＦＬＥＸと呼ばれる手法が
知られている。この方法は投影光学系の光軸方向に多重
像を作って露光して重ねあわせ、トータルとして孤立パ
ターンの焦点深度を伸ばそうというものである。
【０００９】このように光露光法はパターンの特殊性ま
で考慮した別個の結像法を採用する必要に迫られてい
る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来のＦＬＥＸ方法で
はパターンを投影結像する結像系（投影光学系）の光軸
方向に沿って、被露光対象であるウエハを移動させ、多
重露光することにより解像力を維持しつつ結像系の焦点
深度を伸ばしている。しかしながらこの方法は多重露光
を行うために部材の移動が行われたり、シャッターを多
数回切らねばならないといった制約があり、更に露光に
時間がかかるという問題点があった。
【００１１】又、別の方法として多重像を複数の光学系
で形成し合成する方法とか、投影露光光学系の瞳面に位
相型のフィルターを入れ、多重焦点系を構成するという
方法もある。しかしながら複数の光学系の合成方法はこ
の種の超精密光学系では困難であり、又位相型フィルタ
ーを用いる方法はその作成が困難であると同時に、高次
回折光が出てきて結像に悪影響を与えるという問題点が
ある。
【００１２】本発明は多重焦点光学系を露光時に被露光
物体を動かすことなく、しかも一回の露光で行うことの
できるように構成し、しかも通常の結像光学系の結像性
能を何んら損なうことなく構成することにより焦点深度
が深く、かつ高い光学性能を有した投影パターン像が容
易に得られる投影露光装置及びそれを用いた半導体デバ
イスの製造方法の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を達成
するため多重焦点光学系を構成する手段として投影光学
系内に結晶光学素子を入れ、投影光学系のテレセントリ
ック性と結晶光学素子の複屈折性を利用することを特徴
としている。結晶光学素子を入れると複屈折のため結像
作用が複雑になる場合には結像作用に悪影響を与える成
分をカットするため、投影光学系の瞳面に振幅型のフィ
ルターを挿入することを特徴としている。振幅型のフィ
ルターは単に光を遮光するだけで良いので位相型と異な
って作成が容易であり、従来の投影光学系に容易に適用
することができる。また孤立パターン以外のパターンを
結像する際にも本発明の構成によれば振幅型のフィルタ
ーと結晶光学素子は簡単に入れ換え可能なので、パター
ンの特性に合わせた機動性のある結像系を構成できるこ
とも本発明の特徴である。
【００１４】本発明の投影露光装置の構成は （イ）照明系からの光束で第１物体面上の回路パターン
を照明し、該第１物体面上の回路パターンを投影光学系
で第２物体面上に投影露光する際、該第１物体と第２物
体との間の光路中に光学軸を互いに直交させた２つの結
晶光学素子を配置すると共に、該投影光学系の瞳面近傍
に十字状の開口を有する絞りをその開口方向が該結晶光
学素子の光学軸方向に向くように配置したことを特徴と
している。
【００１５】特に前記結晶光学素子の光学軸の方向及び
前記絞りの十字状の開口方向が前記第１物体面上の回路
パターンの主たる方向と一致していることや、前記投影
光学系は前記第２物体側がテレセントリック系より成
り、前記２つの結晶光学素子は該テレセントリック系中
に設けていること等を特徴としている。
【００１６】（ロ）照明系からの光束で第１物体面上の
回路パターンを照明し、該第１物体面上の回路パターン
を投影光学系で第２物体面上に投影露光する際、該第１
物体と第２物体との間の光路中に結晶光学素子をその光
学軸を該投影光学系の光軸方向と略一致させて配置し、
該投影光学系の光軸方向に２重焦点を形成するようにし
たことを特徴としている。
【００１７】（ハ）マスクのパターンをウエハ上に投影
する投影光学系と前記パターンを前記投影光学系の光軸
方向の複数カ所に結像させるべく前記パターンを結像す
る各結像光束の主光線が前記投影光学系の光軸と略平行
になる場所に配した複屈折性部材とを有することを特徴
としている。
【００１８】特に前記複屈折部材が前記場所から退避可
能に設けられることや、前記複屈折部材が単一の結晶板
を備え、該結晶板の光学軸の方向を前記光軸の方向に一
致させることや、前記複屈折部材が第１、第２の結晶板
を備え、該第１、第２の結晶板の光学軸の方向が互いに
直交しかつ前記光軸に直交する平面に存するよう設定す
ることや、前記光軸を中心とし前記各光学軸の方向を
ｘ，ｙ軸の方向としたｘｙ座標を設定したときの各象限
に相当する部分に入射又は通過する光を遮光する為のフ
ィルターを配したこと等を特徴としている。
【００１９】又、本発明の半導体デバイスの製造方法と
しては （ニ）照明系からの光束で照明されたレチクル面上の回
路パターンを投影光学系でウエハ面上に投影露光し、現
像処理工程を経て半導体デバイスを製造する際、該レチ
クルとウエハとの間の光路中には光学軸を互いに直交さ
せた２つの結晶光学素子を配置しており、かつ該投影光
学系の瞳面近傍に十字状の開口を有する絞りをその開口
方向が該結晶光学素子の光学軸方向に向くように配置し
ていることを特徴としている。
【００２０】特に前記結晶光学素子の光学軸の方向及び
前記絞りの十字状の開口方向が前記レチクル面上の回路
パターンの主たる方向と一致していることや、前記投影
光学系は前記ウエハ側がテレセントリック系より成り、
前記２つの結晶光学素子は該テレセントリック系中に設
けていること等を特徴としている。
【００２１】（ホ）照明系からの光束で照明したレチク
ル面上の回路パターンを投影光学系でウエハ面上に投影
露光し、現像処理工程を経て半導体デバイスを製造する
際、該レチクルと該ウエハとの間の光路中に結晶光学素
子をその光学軸を該投影光学系の光軸方向と略一致させ
て配置し、該投影光学系の光軸方向に２重焦点を形成す
るようにしたことを特徴としている。
【００２２】（ヘ）投影光学系により回路パターンをウ
エハ上に投影することにより該回路パターンを該ウエハ
上にプリントし、該回路パターンがプリントされたウエ
ハを処理することにより半導体デバイスを製造する方法
において、前記回路パターンを結像する各結像光束の主
光線が前記投影光学系の光軸と略平行になる場所に前記
回路パターンを前記投影光学系の光軸方向の複数カ所に
結像させる複屈折性部材を配したことを特徴としてい
る。
【００２３】特に前記回路パターンがホール等の孤立パ
ターンより成ることや、前記複屈折部材が単一の結晶板
を備え、該結晶板の光学軸の方向を前記光軸の方向に一
致させることや、前記複屈折部材が第１、第２の結晶板
を備え、該第１、第２の結晶板の光学軸の方向が互いに
直交し、かつ前記光軸に直交する平面に存するよう設定
することや、前記光軸を中心とし、前記各光学軸の方向
をｘ，ｙ軸の方向としたｘｙ座標を設定したときの各象
限に相当する部分に入射又は通過する光を遮光する為の
フィルターを配したこと等を特徴としている。
【００２４】
【実施例】本発明は投影光学系内に結晶光学素子を設
け、投影光学系のテレセントリック性と結晶光学素子の
複屈折性とを利用して多重焦点光学系（２重焦点）を構
成していることを主たる特徴としている。
【００２５】この為、本発明の構成を説明する前にまず
結晶光学素子中での光の挙動（伝播）について説明す
る。
【００２６】図２は本発明で利用する結晶光学素子４の
要部斜視図である。図２に示されているように座標軸ｘ
ｙｚをとり、結晶光学素子４の表面にある原点２２に角
度θで入射する光Ｌ２３を考える。入射光線のｘｙ平面
への射影がなす角度はαである。本発明で利用する結晶
光学素子４は２枚の結晶光学素子（以下単に「結晶」と
もいう。）４ａ，４ｂを貼り合わせて構成しており、各
々の厚さはｄである。
【００２７】１枚目の結晶４ａの光学軸の方向はｙ軸と
一致しており、２枚目の結晶４ｂの光学軸の方向はｘ軸
と一致し、２枚の結晶４ａ，４ｂの光学軸は互いに直交
した関係にある。また結晶の常光線の屈折率をｎo ，異
常光線の屈折率をｎe とする。
【００２８】入射した光線Ｌ２３は結晶の中で常光線と
異常光線の２つに別れる。１枚目の結晶での常光線は２
枚目の結晶で異常光線となり、一方１枚目の結晶での異
常光線は２枚目の結晶で常光線となる。この２つの光が
多重焦点像を形成する２つの光を形成する。分離した２
つの光は偏光的に直交しており、入射光が無偏光であれ
ば等強度の２つの光に分離される。
【００２９】従来技術で位相型のフィルターを用いた場
合には高次の回折光が生じるが、本実施例の場合には２
種類の光しか生じない。しかも一般に半導体素子製造用
の投影露光装置での露光光は無偏光の光が用いられるの
で、両者の強度は等しく結像特性のコントロールが容易
である。
【００３０】入射する光線がｘ＝０，ｙ＝０を通過した
として射出する側での座標を計算する。１枚目の結晶に
異常光線で入る光が２枚目の結晶を出るときの点をＰ
（ｘP，ｙP ）、１枚目の結晶に常光線で入る光が２枚
目の結晶を出るときの点をＱ（ｘQ ，ｙQ ）とする。ま
た実際には存在しない光線であるが、２枚の結晶をとも
に常光線で通る仮想的な光線が２枚目の結晶を出るとき
の点をＳ（ｘS ，ｙS ）とする。これらは上記のパラメ
ーターを用いて次のように表すことができる。
【００３１】 ｘP −ｘS ＝−（Δｎ／ｎO ）ｄ cosα tanθO ｙP −ｙS ＝（Δｎ／ｎO ）ｄ sinα tanθO ｘQ −ｘS ＝（Δｎ／ｎO ）ｄ cosα tanθO ｙQ −ｙS ＝−（Δｎ／ｎO ）ｄ sinα tanθO ｘS ＝−２ｄ cosα tanθO ｙS ＝−２ｄ sinα tanθO ただしここでθO は常光線の屈折の法則より次式より導
かれる値である。
【００３２】 sin θ＝ｎO sinθO Δｎ＝ｎe −ｎO 図３は点Ｐ，Ｑ，Ｓの関係を示した説明図である。同図
は入射角θを固定したときのアジムスαに対して点Ｐ，
Ｑが点Ｓに対し、どのように動くかが示されている。点
Ｓは常光線の経路をたどるものなので入射角に対応した
円上を動く。これに対し点Ｐと点Ｑは恰も惑星運動をす
るかのような関係を保って点Ｓの回りを回転することが
わかる。
【００３３】図２の結晶光学素子２１は外面的には平行
平面板でパワーを持っていないため、通過した光線は入
射した角度を保って結晶板を出ていく。本発明はこのよ
うな結晶板の性質の解折に基づいてなされている。
【００３４】図１０は本発明で利用する結晶光学素子１
０１の他の実施例の光学的作用の説明図である。同図で
は結晶光学素子１０１を１枚の結晶光学素子より構成し
ている。
【００３５】図１３は結晶光学素子１０１の要部断面図
である。図１３において６１は石英基板、１０１ａは水
晶である。図１０に示されているように座標軸ｘｙｚを
取り、結晶光学素子１０１の表面にある原点１０２に角
度θで入射する光Ｌ１０３を考える。本発明で利用する
結晶光学素子（以下「結晶」ともいう。）１０１は図２
で示した結晶光学素子とは異なり、一軸結晶の光学軸の
方向はｚ軸と一致した関係にある。また結晶は厚みｄの
平行平面板でできており、常光線の屈折率をｎ 0 、異常
光線の屈折率をｎe とする。このとき常光線の光線速度
面は ｎ0 2（ｘ2 ＋ｙ2 ＋ｚ2 ）＝１ なる球面で表され、異常光線の光線速度面は ｎe 2（ｘ2 ＋ｙ2 ）＋ｎ0 2ｚ2 ＝１ なる回転楕円体面で表される。両者とも後述する投影光
学系の光軸に対して回転対象の関係にあるので、ここで
はｙ，ｚを含む断面で代表して結晶内での光の伝播につ
いて図示した。結晶１０１に入射した光線Ｌ１０３は結
晶の中で常光線と異常光線の２つに別れる。この２つの
光が２重焦点像を形成する。
【００３６】図１１は光線が結晶を通過して結像する様
子を示したものである。図中実線で示されているのが常
光線で結晶を通過する光線の結像を示すもので、破線で
示されているのが異常光線で結晶を通過する光線の結像
を示すものである。図１０の結晶は外面的には平行平面
板でパワーを持っていないため、通過した光線は入射し
た角度を保って結晶を出ていく。
【００３７】従って２つに別れた光は図１１に示したよ
うに互いに光軸上距離Δｆだけ異なったところに結像す
る。即ち２重焦点が達成される。図１２は光線が結晶１
０１に入射する角度θに対する結像位置のずれ量を示し
た説明図である。同図に示すように常光線と異常光線の
結像位置が異なり、この２つの光が２重焦点像を形成し
ていることがわかる。このときの光軸方向の焦点位置の
ずれΔｆの近軸量は Δｆ＝（１／ｎ0 −ｎ0 ／ｎe 2）・ｄ で表され、結晶の材質を水晶、波長をλ＝４０４．６ｎ
ｍとし、ｎ0 ＝１．５５３９６、ｎe ＝１．５６３４０
を用いてΔｆを計算すると Δｆ＝０．００７７・ｄ が得られる。
【００３８】ここでこの焦点ずれの量を例えば２μｍに
設定する場合にはｄ≒０．２６ｍｍに設定すれば良いこ
とがわかる。結晶光学素子１０１を通過し、分離した２
つの光は偏光的に直交しており、入射光が無偏光であれ
ば等強度の２つの光に分離される。
【００３９】従来技術で位相型のフィルターを用いた場
合には高次の回折光が生じるが、本実施例の場合には２
種類の光しか生じない。しかも一般に半導体素子製造用
の投影露光装置での露光光は無偏光の光が用いられるの
で、両者の強度は等しく結像特性のコントロールが容易
である。本発明はこのような結晶の性質の解折に基づい
てなされている。
【００４０】次に本発明の投影露光装置の構成上の特徴
について説明する。図１は本発明の投影露光装置の実施
例１の要部概略図である。
【００４１】図中１は照明系であり、光源として例えば
超高圧水銀灯やエキシマレーザ等を有し、露光光でレチ
クル２を照明している。レチクル２の面上には回路パタ
ーンが設けられている。
【００４２】３は投影光学系（投影レンズ）であり、レ
チクル２面上の回路パターンをウエハ保持機構６に載置
したウエハ５面上に投影している。投影光学系３のウエ
ハ５側はテレセントリック系となっている。
【００４３】４は結晶光学素子であり、投影光学系３と
ウエハ５との間のテレセントリック系となっている光路
中に挿脱可能に設けている。結晶光学素子４は図２に示
した構成より成っている。
【００４４】一般に投影光学系は露光時にデフォーカス
した状態で焼かれても像の位置が変わらないよう、ウエ
ハ側でテレセントリック系となるように構成される。本
実施例では後述するように結晶光学素子４を投影光学系
３とウエハ５との間に配置し、テレセントリック性を利
用していることを特徴としている。
【００４５】８は平行平面板であり、結晶光学素子４を
用いないときに光路長を同一とする為に結晶光学素子４
の代わりに光路長に挿脱可能となるように設けている。
７は絞りであり、図５に示すような幅ＤＷの十字状の開
口径を有しており、投影光学系３の瞳面近傍に挿脱可能
に設けている。絞り７は結晶光学素子４を使用するとき
に用いている。絞り７の十字状の開口方向と結晶光学素
子４を構成する２つの結晶光学素子４ａ，４ｂの光学軸
方向が略一致するようにして用いている。
【００４６】９は絞りであり、通常の円形開口より成
り、投影光学系３の瞳面近傍に絞り７と交換可能となる
ように設けている。絞り９は結晶光学素子４を用いない
通常の投影露光のときに平行平面板８と共に用いてい
る。１０は照明系１中に設けた絞り等の切り換え機構で
あり、結晶光学素子４を用いたときの照明条件を変更
し、最適な照明が出来るようにしている。
【００４７】同図に示す投影露光装置は、この他例えば
ウエハ５の投影光学系３の光軸方向の位置を検出するフ
ォーカス系、及びウエハの駆動系等が通常の構成要素と
して装置の中に組み込まれている。
【００４８】本実施例においてはレチクル２面上の回路
パターンを投影光学系３によりウエハ５面上に投影露光
する際、結晶光学素子４を用いて２重焦点像を形成して
焦点深度を増やして高解像力のパターン像を得ている。
【００４９】次にこのときの光学的作用について説明す
る。図４は結晶光学素子（結晶）４を通過した後のウエ
ハ５側への結像状態を示すものである。図中実線で示さ
れているのが仮想光線である常光線のみで結晶４を通過
する光線の結像を示すものである。ここでは説明の簡単
上、常光線は結像点である点Ａに理想結像するものであ
るとする。実際半導体製造用の投影光学系は高度に収差
補正がされており、このような仮定を行っても何んら差
し支えがない。
【００５０】図２と対応させて言えば仮想の光線である
常光線の結晶光学素子４での出口点Ｓが図４の点Ｓに当
たる。実際の光線は第１または第２の結晶を異常光線と
して通るので、図４（Ａ）のｚｙ断面では図のように点
Ｐが点Ｓの外にあり、点Ｑが点Ｓの内にあるのに対し、
図４（Ｂ）のｘｚ断面では点Ｑが点Ｓの外にあり、点Ｐ
が点Ｓの内にあるという逆転した関係が生じている。
【００５１】この様子については既に図３で説明した通
りである。点Ｓから点Ｐ，Ｑとの距離ａは ａ＝（Δｎ／ｎ0 ）ｄ tanθ0 である。
【００５２】結晶４を出た後の光線は入射角度と同じ角
度で伝播する光となる。従って２つに別れた光は図４に
示すように互いに焦点位置の異なったところに結像す
る、即ち２重焦点が達成される。この距離ａという量は
点Ｓから出る光線の焦点位置を基準とすると、丁度横収
差の量に対応する。
【００５３】非常に粗い近似で tanθ0 ≒ sinθ／ｎ0 とおくと、 ａ＝（Δｎ／ｎ0 2）ｄ sinθ となり、この横収差量はデフォーカス量と対応した収差
となっていることが分かる。
【００５４】結像系がテレセントリックであるというこ
とは結像光束の中心である主光線が投影光学系３を通過
後ウエハ５面に対して垂直になっていることを意味して
いる。
【００５５】本実施例での結晶光学素子４は投影光学系
３とウエハ５の間に配置されている為、主光線は結晶光
学素子４に垂直に入射する。垂直入射した光はそのまま
垂直に通過するので、２つに別れた光の主光線のずれは
生じない。従って結晶光学素子４を入れても２つの光の
像点が投影光学系３の光軸に垂直な方向にずれるという
ことはない。２つに別れた光の結像点の位置は投影光学
系３の光軸方向のずれを生じるのみである。
【００５６】このように図２に示すような結晶光学素子
４を挿入することにより、光軸方向に垂直な方向のずれ
である倍率や、ディストーションに影響させることなし
に、２重焦点を達成することができる。
【００５７】しかしながらこの２重焦点は単純なもので
はなく、ｚｙ断面とｚｘ断面でのフォーカス状態の逆転
関係に見られるように、断面によって焦点位置のずれが
異なってくる。
【００５８】そこで本発明では断面によって結像位置の
ずれ量が異なるという問題に対処する為、結像を行う方
向に制限を加えることを特徴とする。その役目を果たす
のが図１で示した絞り７である。集積回路パターンは周
知のように主として縦横のパターンで構成されている。
これを図２に示した座標系で言うと、ｘ及びｙ軸に相当
する。
【００５９】本発明ではこのｘ軸及びｙ軸の方向をパタ
ーンの主たる方向と定義する。結晶光学素子４を構成す
る結晶の光学軸の方向は集積回路パターンの主たる方向
に一致するように配置される。
【００６０】図５は絞り７の開口形状を示している。絞
り７は±４５°方向を遮蔽するようになっており、ｘ軸
及びｙ軸上近辺の光束のみを通過する役目を果たす。絞
り７の開口形状は従ってｘ軸及びｙ軸に平行な直線群で
構成される十字状の形状をしている。投影光学系３の瞳
の半径を１に規格化したとき、瞳面に形成される照明系
１の有効光源の径をＤＷとしたとき、絞り７の光束通過
部の幅はやはりＤＷ近辺の値であることが望ましい。図
５に示されているのは有効光源の径ＤＷが０．３の場合
で絞り７の透過部の幅ＤＷも０．３となっている。
【００６１】±４５°方向の結像は実際の結像において
像の横ずれを生じる。図３の点Ｐと点Ｑの関係を見れば
明らかなように、ｘ軸上及びｙ軸上での２つの光のずれ
は結像面では焦点位置のずれとなる。しかしながらｘ軸
上とｙ軸上では点Ｐと点Ｑの関係が逆転しており、ｘ軸
上でプラスのデフォーカス効果を持つ光は、ｙ軸上では
マイナスのデフォーカス効果を持つ。±４５°方向の断
面の結像は丁度この２つの過渡域にあり、２つの光のフ
ォーカス位置は一致するが、一方で副作用として像の横
ずれを生じる。
【００６２】即ち±４５°方向の結像は投影光学系３の
光軸に対して直交方向にずれた方向の２重像になる。焦
点深度を増やす為に本発明で利用しているのは投影光学
系３の光軸方向のずれなので、±４５°方向の結像成分
は邪魔な成分である。
【００６３】ずれ量は先に点Ｐ，Ｑの座標を求めた式よ
り明らかなように sinθ0 に比例しているので、図５に
示した絞り７の開口形状のように±４５°方向での角度
の広がりを制限してやれば、ずれは許容範囲内に納める
ことができる。
【００６４】従って絞り７の透過部の形状は必ずしも直
線に限らず、横ずれ量が許容値を越える場合には制限を
加えるような、具体的には中心から離れる程、幅が小さ
くなるような形状のものが好ましいこともある。また別
の方法として照明条件でのσを小さくする方法も考えら
れる。この場合には開口部の幅もσの条件に合わせて小
さくすることが可能である。
【００６５】投影光学系の焦点位置のずれ量は結晶光学
素子の厚みｄによって任意にコントロールすることがで
きる。数種の厚みの結晶光学素子を入れ換え可能として
おけばパターンに応じたずれ量を発生させることができ
る。また２重像は同時に発生する為、２重露光する手間
が発生しない為、スループットの低下を押えることが可
能である。
【００６６】本発明では投影光学系を構成するレンズ等
のパワーを持った素子は固定であるため図１に示したよ
うに結晶光学素子４と絞り７とを交換して、通常の投影
結像系の構成に戻すことも容易である。
【００６７】実際に結晶光学素子として最も使用しやす
い水晶を用いた場合には、結晶の厚さは０．１ｍｍオー
ダーの薄い厚みの板の加工を要求される。このため実際
には図６に示すように水晶板４ａ，４ｂを石英あるいは
ＢＫ７といった一定の厚みを持った補強部材６１に貼り
付けて製作することが必要である。結晶板と補強部材は
真空接着で接着される。図６はそのようにして作成した
結晶光学素子４を示している。
【００６８】このように結晶光学素子を製作した場合、
通常の投影光学系に戻すには通常光学系用に補強部材を
含めた光路長と同一の光路長を持った平行平面板を交換
する必要がある。
【００６９】本発明のような結晶光学素子を用いる場合
には最適の照明条件があり、結晶光学素子の挿入の有無
で照明条件を変える必要がある場合がある。このような
場合の照明条件の変化法、いわゆるσの変化法について
は例えば切り換え機構１０により照明系１内の絞りを変
えるなど種々の公知の方法を用いることができる。
【００７０】図７，図８は各々本発明の投影露光装置の
実施例２，３の要部概略図である。図中、図１で示した
要素と同一要素には同符番を付している。図７の実施例
２では結晶光学素子４をレチクル２側に挿着している。
【００７１】本実施例において像点のずれを起こさない
ようにこの場合の投影光学系３はウエハ５側だけでな
く、レチクル２側についてもテレセントリック系となっ
ている。結像の基本関係として縦倍率は横倍率の自乗で
あり、通常用いられている１／５倍の縮小系で考えると
結晶４の厚さは実施例１でウエハ側に挿入した場合の２
５倍にすることができる。
【００７２】先に述べたように結晶として水晶を用いた
場合にウエハ側の挿入で０．１ｍｍオーダーの管理がい
るとすると、レチクル側での管理量はｍｍオーダーと大
きくなり、加工上の管理が容易化される。
【００７３】図８の実施例３では結晶光学素子４を投影
光学系３内で主光線が投影光学系３の光軸と平行になる
位置に挿入している。投影光学系をウエハ側でテレセン
トリックに設計する際、投影光学系の内部にこのような
箇所が表れる場合がある。
【００７４】本発明の結晶光学素子はそのようなところ
にも挿入可能である。この場合の結晶の厚みは挿入箇所
と結像位置との近軸倍率の関係によって決定されるが、
一般には実施例１より厚い結晶が要求される。
【００７５】図７においても図８でも、本発明で用いる
結晶光学素子４と交換可能な平行平面板８が用意される
が、結晶４と平行平面板８の光学的な厚みは一致してい
る。又絞り７の十字状の開口の方向と結晶４の光学軸の
方向がレチクル２上のパターンの主たる方向と一致して
いることも実施例１と同じである。
【００７６】本実施例において実際の露光においては投
影光学系３のコンソール上からパターン情報を入れるこ
とによって、結晶光学素子の挿入の種類及び有無、絞り
７の挿入の種類及び有無が指示され、これらの素子類が
自動的にセットアップが行われる。又照明条件について
も同様である。
【００７７】本発明では投影光学系の特長を何んら損な
うことなく光学系の結像特性を変え、コンタクトホール
のような孤立パターンに対する光学系の深度を増大する
ことができるため、実施上の効果が大きい。
【００７８】図９，図１４，図１５は各々本発明の投影
露光装置の実施例４，５，６の要部概略図である。実施
例４，５，６では図１の実施例１に比べて結晶光学素子
として図１３に示す結晶光学素子１０１を用いて絞り７
を省略した点が大きく異なっており、その他の構成は実
質的に略同じである。
【００７９】次に図９の実施例４の構成について図１の
実施例１と一部重複するが説明する。図中１は照明系で
あり、光源として例えば超高圧水銀灯やエキシマレーザ
等を有し、露光光でレチクル２を照明している。レチク
ル２の面上には回路パターンが設けられている。
【００８０】３は投影光学系（投影レンズ）であり、レ
チクル２面上の回路パターンをウエハ保持機構６に載置
したウエハ５面上に投影している。投影光学系３のウエ
ハ５側はテレセントリック系となっている。
【００８１】１０１は結晶光学素子であり、投影光学系
３とウエハ５との間のテレセントリック系となっている
光路中に挿脱可能に設けている。結晶光学素子１０１は
図１３に示した構成より成っている。一般に投影光学系
は露光時にデフォーカスした状態で焼かれても像の位置
が変わらないよう、ウエハ側でテレセントリック系とな
るように構成される。
【００８２】本実施例では実施例１と同様に結晶光学素
子１０１を投影光学系３とウエハ５との間に配置し、テ
レセントリック性を利用していることを特徴としてい
る。
【００８３】８は平行平面板であり、結晶光学素子１０
１を用いないときに光路長を同一とする為に結晶光学素
子１０１の代わりに光路長に挿脱可能となるように設け
ている。１０は照明系１中に設けた絞り等の切り換え機
構であり、結晶光学素子１０１を用いたときの照明条件
を変更し、最適な照明が出来るようにしている。同図に
示す投影露光装置は、実施例１と同様にこの他、例えば
ウエハ５の投影光学系３の光軸方向の位置を検出するフ
ォーカス系、及びウエハの駆動系等が通常の構成要素と
して装置の中に組み込まれている。
【００８４】本実施例においてはレチクル２面上の回路
パターンを投影光学系３によりウエハ５面上に投影露光
する際、結晶光学素子１０１を用いて２重焦点像を形成
して焦点深度を増やして高解像力のパターン像を得てい
る。
【００８５】本実施例において結像がテレセントリック
であるということは結像光束の中心である主光線が投影
光学系３を通過後ウエハ５面に対し、垂直になっている
ことを意味している。
【００８６】本実施例での結晶光学素子１０１は投影光
学系３とウエハ５との間に配置されているため、主光線
は結晶光学素子１０１に垂直に入射する。垂直入射した
光はそのまま垂直に通過するので、２つに別れた光の主
光線のずれは生じない。
【００８７】従って、結晶光学素子を入れても２つの光
の像点が投影光学系の光軸に垂直な方向にずれるという
ことはない。２つに別れた光の結像点の位置は投影光学
系の光軸方向のずれを生じるのみである。
【００８８】このように図１３に示すような結晶光学素
子１０１を挿入することにより、光軸方向に垂直な方向
のずれである倍率やディストーションに影響させること
なしに、２重焦点を達成している。
【００８９】本実施例において投影光学系の焦点位置の
ずれ量は実施例１と同様結晶光学素子の厚みｄによって
任意にコントロールすることができる。数種の厚みの結
晶光学素子を入れ換え可能としておけば、パターンに応
じたずれ量を発生させることができる。又２重像は同時
に発生するため２重露光する手間が発生しないため、ス
ループットの低下を押えることが可能である。
【００９０】本実施例では投影光学系を構成するレンズ
等のパワーを持った素子は固定であるため、図９に示し
たように結晶光学素子１０１を交換して、通常の投影結
像系の構成に戻すことも容易である。実際に結晶光学素
子として最も使用しやすい水晶を用いた場合には、結晶
の厚さが実用的な厚さより薄い場合が発生する。この為
実際には図１３に示すように水晶板１０１ａを石英ある
いはＢＫ７といった一定の厚みを持った補強部材６１に
貼り付けて製作している。結晶板と補強部材は真空接着
で接着される。図５はそのようにして作成した結晶光学
素子を示している。
【００９１】このように結晶光学素子を製作した場合、
通常の投影光学系に戻すには通常光学系用に補強部材を
含めた光路長と同一の光路長を持った平行平面板を交換
する必要がある。
【００９２】本実施例でも図１の実施例１と同様に結晶
光学素子を用いる場合には最適の照明条件があり、結晶
光学素子の挿入の有無で照明条件を変える必要がある場
合がある。このような場合の照明条件の変化法、いわゆ
るσの変化法については例えば切り換え機構１０により
照明系１内の絞りを変える等、種々の公知の方法を用い
ることができる。
【００９３】次に図１４，図１５の実施例５，６につい
て説明する。図１４の実施例５では結晶光学素子１０１
をレチクル２側に挿着している。
【００９４】本実施例において像点のずれを起こさない
ようにこの場合の投影光学系３はウエハ５側だけでな
く、レチクル２側についてもテレセントリック系となっ
ている。結像の基本関係として縦倍率は横倍率の自乗で
あり、通常用いられている１／５倍の縮小系で考えると
結晶１０１の厚さは実施例４でウエハ側に挿入した場合
の２５倍にすることができる。
【００９５】先に述べたように結晶として水晶を用いた
場合にウエハ側の挿入で０．１ｍｍオーダーの管理がい
るとすると、レチクル側での管理量はｍｍオーダーと大
きくなり、加工上の管理が容易化される。
【００９６】図１５の実施例６では結晶光学素子１０１
を投影光学系３内で主光線が投影光学系３の光軸と平行
になる位置に挿入している。投影光学系をウエハ側でテ
レセントリックに設計する際、投影光学系の内部にこの
ような箇所が表れる場合がある。
【００９７】本発明の結晶光学素子はそのようなところ
にも挿入可能である。この場合の結晶の厚みは挿入箇所
と結像位置との近軸倍率の関係によって決定されるが、
一般には実施例４より厚い結晶が要求される。
【００９８】図１４においても図１５でも、本発明で用
いる結晶光学素子１０１と交換可能な平行平面板８が用
意されるが、結晶１０１と平行平面板８の光学的な厚み
は一致している。
【００９９】本実施例において実際の露光においては投
影光学系３のコンソール上からパターン情報を入れるこ
とによって、結晶光学素子の挿入の種類及び有無が指示
され、これらの素子類が自動的にセットアップが行われ
る。又照明条件についても同様である。
【０１００】特に本発明では投影光学系の特長を何んら
損なうことなく光学系の結像特性を変え、コンタクトホ
ールのような孤立パターンに対する光学系の深度を増大
することができるため、実施上の効果が大きい。
【０１０１】
【発明の効果】本発明によれば投影光学系のテレセント
リックな箇所に結晶光学素子を挿入すると共に図２で示
す結晶光学素子を用いたときには投影光学系の瞳位置に
絞りを挿入することによって孤立パターンに対する深い
焦点深度の結像を達成している。
【０１０２】特に本発明では通常のパターンの露光に当
たっては、結晶光学素子及び図２で示す結晶光学素子を
用いたときは絞りを除去し、照明系等の条件を再設定す
ることで、露光系が本来持っている機能は何んら損なう
ことがない。又結晶光学素子や絞りはそれ自体が光学的
なパワーを持っている素子ではないので切り換えに際し
ての位置精度も高いものが要求されないという特徴があ
り、実施に当たっての大きなメリットとなる。
【０１０３】又、本発明は投影光学系を通過する光束を
効果的に２分する為、２つの光路のパワー系の部分はす
べて共通である。従って製造誤差によって発生するディ
ストーション等の性質は２つの光に対して全く同等であ
り、投影レンズ一本一本に固有の癖は完全にキャンセル
される。２つの光学系を用いて合成して２重焦点を達成
する際にはディストーションのマッチングが大きな問題
となるので、本発明の効果は大きい。
【０１０４】又、本発明では２つの像が同時に発生する
為、露光を同時に行うことができる。この為、被露光対
象物を投影光学系の光軸方向に動かしたごとにシャッタ
ーを切るといった操作を必要としない。従ってスループ
ット的に有利であり、移動に伴う誤差要因が除去できる
為、システム全体としての安定性も向上するという効果
を持っている。
【０１０５】更に本発明では結晶光学素子や絞りの交換
が容易である為、複数個の結晶光学素子や絞りを用意す
ることにより、投影するパターンの特徴に応じたものを
選択することが可能で、パターンの特殊性に応じた結像
を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の投影露光装置の実施例１の要部概
略図
【図２】 本発明で用いる結晶光学素子の説明図
【図３】 結晶光学素子を出るときの光の射出点の説
明図
【図４】 結晶光学素子を出てからの光の伝播を示す
図
【図５】 絞りの形状を示す図
【図６】 結晶光学素子の実際の構成を示す図
【図７】 本発明の投影露光装置の実施例２の要部概
略図
【図８】 本発明の投影露光装置の実施例３の要部概
略図
【図９】 本発明の投影露光装置の実施例４の要部概
略図
【図１０】 本発明で用いる結晶光学素子の光の伝播を
示す図
【図１１】 結晶光学素子を通過した光が結像する様子
を示す図
【図１２】 結晶光学素子に光が入射する角度と結像点
とのずれの関係を示すグラフ
【図１３】 結晶光学素子の実際の構成を示す図
【図１４】 本発明の投影露光装置の実施例５の要部概
略図
【図１５】 本発明の投影露光装置の実施例６の要部概
略図
【符号の説明】
１ 照明系 ２ レチクル ３ 投影光学系 ４，１０１ 結晶光学素子 ５ ウエハ ６ ウエハ保持系 ７ 十字絞り ８ 平行平面板 ９ 円形絞り １０ 照明条件切り換え機構

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 照明系からの光束で第１物体面上の回路
    パターンを照明し、該第１物体面上の回路パターンを投
    影光学系で第２物体面上に投影露光する際、該第１物体
    と第２物体との間の光路中に光学軸を互いに直交させた
    ２つの結晶光学素子を配置すると共に、該投影光学系の
    瞳面近傍に十字状の開口を有する絞りをその開口方向が
    該結晶光学素子の光学軸方向に向くように配置したこと
    を特徴とする投影露光装置。
  2. 【請求項２】 前記結晶光学素子の光学軸の方向及び前
    記絞りの十字状の開口方向が前記第１物体面上の回路パ
    ターンの主たる方向と一致していることを特徴とする請
    求項１の投影露光装置。
  3. 【請求項３】 前記投影光学系は前記第２物体側がテレ
    セントリック系より成り、前記２つの結晶光学素子は該
    テレセントリック系中に設けていることを特徴とする請
    求項１の投影露光装置。
  4. 【請求項４】 照明系からの光束で照明されたレチクル
    面上の回路パターンを投影光学系でウエハ面上に投影露
    光し、現像処理工程を経て半導体デバイスを製造する
    際、該レチクルとウエハとの間の光路中には光学軸を互
    いに直交させた２つの結晶光学素子を配置しており、か
    つ該投影光学系の瞳面近傍に十字状の開口を有する絞り
    をその開口方向が該結晶光学素子の光学軸方向に向くよ
    うに配置していることを特徴とする半導体デバイスの製
    造方法。
  5. 【請求項５】 前記結晶光学素子の光学軸の方向及び前
    記絞りの十字状の開口方向が前記レチクル面上の回路パ
    ターンの主たる方向と一致していることを特徴とする請
    求項４の半導体デバイスの製造方法。
  6. 【請求項６】 前記投影光学系は前記ウエハ側がテレセ
    ントリック系より成り、前記２つの結晶光学素子は該テ
    レセントリック系中に設けていることを特徴とする請求
    項４の半導体デバイスの製造方法。
  7. 【請求項７】 照明系からの光束で第１物体面上の回路
    パターンを照明し、該第１物体面上の回路パターンを投
    影光学系で第２物体面上に投影露光する際、該第１物体
    と第２物体との間の光路中に結晶光学素子をその光学軸
    を該投影光学系の光軸方向と略一致させて配置し、該投
    影光学系の光軸方向に２重焦点を形成するようにしたこ
    とを特徴とする投影露光装置。
  8. 【請求項８】 照明系からの光束で照明したレチクル面
    上の回路パターンを投影光学系でウエハ面上に投影露光
    し、現像処理工程を経て半導体デバイスを製造する際、
    該レチクルと該ウエハとの間の光路中に結晶光学素子を
    その光学軸を該投影光学系の光軸方向と略一致させて配
    置し、該投影光学系の光軸方向に２重焦点を形成するよ
    うにしたことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
  9. 【請求項９】 投影光学系により回路パターンをウエハ
    上に投影することにより該回路パターンを該ウエハ上に
    プリントし、該回路パターンがプリントされたウエハを
    処理することにより半導体デバイスを製造する方法にお
    いて、前記回路パターンを結像する各結像光束の主光線
    が前記投影光学系の光軸と略平行になる場所に前記回路
    パターンを前記投影光学系の光軸方向の複数カ所に結像
    させる複屈折性部材を配したことを特徴とする半導体デ
    バイスの製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記回路パターンがホール等の孤立パ
    ターンより成ることを特徴とする請求項９の半導体デバ
    イスの製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記複屈折部材が単一の結晶板を備
    え、該結晶板の光学軸の方向を前記光軸の方向に一致さ
    せることを特徴とする請求項９の半導体デバイスの製造
    方法。
  12. 【請求項１２】 前記複屈折部材が第１、第２の結晶板
    を備え、該第１、第２の結晶板の光学軸の方向が互いに
    直交し、かつ前記光軸に直交する平面に存するよう設定
    することを特徴とする請求項９の半導体デバイスの製造
    方法。
  13. 【請求項１３】 前記光軸を中心とし、前記各光学軸の
    方向をｘ，ｙ軸の方向としたｘｙ座標を設定したときの
    各象限に相当する部分に入射又は通過する光を遮光する
    為のフィルターを配したことを特徴とする請求項１２の
    半導体デバイスの製造方法。
  14. 【請求項１４】 マスクのパターンをウエハ上に投影す
    る投影光学系と前記パターンを前記投影光学系の光軸方
    向の複数カ所に結像させるべく前記パターンを結像する
    各結像光束の主光線が前記投影光学系の光軸と略平行に
    なる場所に配した複屈折性部材とを有することを特徴と
    する投影露光装置。
  15. 【請求項１５】 前記複屈折部材が前記場所から退避可
    能に設けられることを特徴とする請求項１４の投影露光
    装置。
  16. 【請求項１６】 前記複屈折部材が単一の結晶板を備
    え、該結晶板の光学軸の方向を前記光軸の方向に一致さ
    せることを特徴とする請求項１４の投影露光装置。
  17. 【請求項１７】 前記複屈折部材が第１、第２の結晶板
    を備え、該第１、第２の結晶板の光学軸の方向が互いに
    直交し、かつ前記光軸に直交する平面に存するよう設定
    することを特徴とする請求項１４の投影露光装置。
  18. 【請求項１８】 前記光軸を中心とし、前記各光学軸の
    方向をｘ，ｙ軸の方向としたｘｙ座標を設定したときの
    各象限に相当する部分に入射又は通過する光を遮光する
    為のフィルターを配したことを特徴とする請求項１７の
    投影露光装置。
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