JPH0541342A

JPH0541342A - 微細パタン投影露光装置

Info

Publication number: JPH0541342A
Application number: JP3218098A
Authority: JP
Inventors: Emi Tamechika; 恵美為近; Kazuhiko Komatsu; 一彦小松; Seitaro Matsuo; 誠太郎松尾; Yoshinobu Takeuchi; 良亘竹内; Katsuyuki Harada; 勝征原田; Yoshiaki Mimura; 義昭三村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1991-08-05
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1993-02-19

Abstract

(57)【要約】【目的】開口絞りによる光強度低下を防ぎ、かつ位置
合わせも容易に限定方向斜入射を実現する。【構成】マスクを照明する光線を投影レンズの開口数
に対応した角度だけ傾ける手段として、例えば光ファイ
バ４もしくはコーンレンズを用いる。これと同時に特定
の一方向または有限個の複数の方向から照明する手段と
して、特殊開口絞り６を用いる。これにより、光ファイ
バ４やコーンレンズを用いて光源の有効半径を広げると
ともに、光強度を周辺部あるいは周辺部内のいくつかの
領域に集中させ、その後方に所望の形の特殊開口絞りを
挿入することにより、開口絞りによる光強度を防止でき
る。さらに限定方向斜入射により、光学素子を挿入する
ことなくＬＳＩパタンに適した解像度の向上がはかれ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩ等の微細パタン
を投影レンズを用いてウエハ（基板）上に形成するとき
の微細パタン形成装置いわゆる投影露光装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりＬＳＩ等の微細パタンを形成す
るための投影露光装置には、高い解像力が要求されてい
る。そのため、最近の投影露光装置の投影レンズは、光
の波長から決まる理論限界に近い解像度を有している。
それにもかかわらず、近年のＬＳＩパタンの微細化に対
応するため、さらに高解像化が要求されている。この要
求に答えるため近年、レチクル上の隣合う光透過部に１
８０度に近い位相差を設けることにより遮光部での光強
度を零に近づける位相シフト法が提案され、解像度が向
上することが示された。しかし、位相シフト法にはレチ
クル製作と検査の困難さや、効果的なシフタ配置の難し
さなどの欠点があった。

【０００３】これに対して、同一出願人は、微細パタン
投影露光装置においてレチクルに入射する光を投影光学
系の開口数に対応した角度だけ光軸から傾けて照射して
露光する方法を提案している（特願平３−９９８２２
号）。この露光方法では位相シフト法と同等の解像度向
上が可能であることが理論的にかつ数値的に示され
た。。この方法について図８を用いて図９の従来方法と
対比して簡単に説明する。

【０００４】図８は同一出願人にて提案された前述の斜
入射投影法（特願平３−９９８２２号）を、図９は従来
の投影法を示している。従来の投影法においては、図９
に示すように、入射光Ｉ（波数ｋ₀ ）はレチクル３１の
面に垂直に入射し、光軸ｚの両側に回折光（波数ｋ₁ ）
を生ずる。レチクル３１下部の開口絞り（アパーチャ）
３２により、図の投影系を通過することの出来る最大波
数はｋ₁ となり、これにより波数の大きい光すなわち２
π／ｋ₁ より短い周期のパタンによる回折光は遮られて
しまう。ここで回折角をα′とすると

【０００５】ｋ₁＝ｋ₀・ｓｉｎα′ ・・・・・(1)

【０００６】であるから、最小解像寸法は２π／（ｋ₀
・ｓｉｎα′）の１／２となる。一方、図８に示す斜入
射投影法においては、入射光Ｉ（波数ｋ₀ ）の直進によ
り得られる０次光が投影系開口絞りの最外周を通るよう
な傾きを持つ時、図に示すごとく回折角２α′をもつ回
折光と０次光とが最も高い解像度を与える。この回折光
の波数は

【０００７】ｋ₁′＝ｋ₀・ｓｉｎ（２α′） ≒２ｋ₀・ｓｉｎ（α′）・・・・・(2)

【０００８】と近似できるから最小解像寸法は２π／
（２ｋ₀ ・ｓｉｎα′）の１／２、すなわち従来の露光
法に比べて１／２の寸法が解像できることになる。この
ようにレチクルを照射する光を光軸に対して傾けること
によって、より大きな回折角の光を通過させ解像度を上
げることができる。０次光が最外周を通るとき最も大き
な回折角の光を通すことができるので、最大の解像度が
実現できるというものであった。しかし、上記先願のも
のではこの斜入射投影法の具体的な実現方法については
触れていない。

【０００９】また同一出願人は、露光装置に光学素子を
挿入することによりマスクに垂直な光線を傾ける方法
（特願平３−１４２８７２号）や、光ファイバ，コーン
レンズおよび特殊開口絞りを用いて光源の見かけ上の半
径を広げかつ外縁部の光のみを用いることによりマスク
照明光を傾ける方法（特願平３−１４８１３３号）を提
案している。これらの方法における照明方式の違いを図
６，図７を用いて説明する。

【００１０】図６は光学素子の挿入により実現される斜
入射光源の効果を説明したもので、レチクルに入射する
光束を２次光源の射出面上に置き換えたもの（図６(a
1)，(b1)）と、その光束がレチクルに入射するときの角
度を概念的に表わしたもの（図６(a2)，(b2)）である。
図６における原点はｘｙ平面と光軸の交わる点に一致す
る。図６(a1)，(a2)は同図(a) に示す直角三角形プリズ
ム２１の場合を表わし、図６(b1)，(b2)は同図(b) に示
す二等辺三角形プリズム２２または１次元回折格子の場
合を表わす。小円の半径は通常の露光装置における２次
光源の開口絞りの半径に対応し、原点から小円の中心ま
での距離ｒは斜入射照明における傾き度に対応してい
る。

【００１１】一方、図７は光ファイバや円輪形開口絞り
によって斜入射照明を実現した場合の光源の効果を説明
するための図である。図７(a) は２次光源の開口絞りの
図であり、図７(b) は図６におけるのと同様その光源か
らのレチクル照射光の角度を概念的に表わした図であ
る。図６，図７の両者を比較すると明らかなように、同
じように投影レンズの開口数に対応した傾きを与えた照
明であっても実際にマスクを照明する光の性質はその実
現方法により異なる。図６(a) のようなプリズムによる
照明法を一方向斜入射とすれば、円輪形開口絞りによる
照明は一定角度の全方向からの斜入射と表現できる。

【００１２】ここで縮小投影露光における斜入射照明の
傾き度を規格化入射角Ｒで、通常露光において光の可干
渉性σに対応する光束の広がり度をσ_D として次のよう
に定義する。

【００１３】Ｒ＝ｍ・ｓｉｎβ／ＮＡ σ_D ＝ｍ・ｓｉｎβ′／ＮＡ・・・・・(3)

【００１４】ここで、ｍは縮小倍率、βは入射光束中心
の光軸からの傾き角、β′は光束の広がり角で、ＮＡは
投影系の開口数である。図６，図７に示すように、円環
などの全方向入射の場合とプリズムなどの限定方向入射
の場合とで、σ_D の意味が若干異なる。なお、図６及び
図７ともｒ，ｓは次式で近似的に表される。

【００１５】ｒ≒ｓｉｎβ＝（Ｒ・ＮＡ）／ｍｓ≒ｓｉｎβ′＝（σ_D・ＮＡ）／ｍ・・・・・(4)

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】斜入射照明による露光
法を実現する具体的手法のうち特に二等辺三角形プリズ
ムの場合は両方向の光が重畳される領域が狭くなるた
め、レチクル全面に両側斜入射するためには非常に面積
の広い両側プリズムに大面積の光が入射する必要があ
り、現状では困難である。また、直角三角形プリズムも
含む光学素子挿入法においては光学素子設置方向とパタ
ンのｘ，ｙ方向との位置合わせを精確に行うことが必要
で、これは着脱可能な装置においても素子を差し替えて
使用する場合には常に問題となる。光源を円環状にする
全方向斜入射の方法は、あらゆる角度のパタンに対して
最適角斜入射を実現しようとするので、ＬＳＩパタンの
ようにｘ，ｙ方向の線パタンが多い場合にはあまり適さ
ず、解像度向上効果は一方向斜入射の法が高い。

【００１７】このように斜入射照明法を実現しようとす
る前記の二種類の方法において、それぞれ光学素子の挿
入に関する位置合わせの問題と直交する線パタンが多い
ＬＳＩパタンにおいては解像度向上効果が最大とはなら
ないという問題点があった。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は以上の点に鑑み
てなされたもので、次のような手段を最も主要な特徴と
する。すなわち、前述の問題点を解決するためには、光
学素子の挿入によらずに特定の一方向もしくは有限個の
複数の方向からの斜入射照射を実現すればよい。円環照
射の場合のように２次光源の工夫またはコンデンサレン
ズの倍率の工夫によって投影系の開口数に対応した傾き
を実現すると共に、２次光源における射出光の形状を１
点斜入射や２点斜入射などの所望の入射方法に合った形
状となるような特殊開口絞りを２次光源射出部に挿入す
ることにより、これを実現する。

【００１９】

【作用】本発明によれば、光ファイバやコーンレンズを
用いて光源の有効半径を広げるとともに、光強度を周辺
部もしくは周辺部内のいくつかの領域に集中させ、その
後方に所望の形の特殊絞りを挿入することにより、開口
絞りによる光強度低下を防ぎつつ位置合わせも容易に限
定方向斜入射を実現することができる。この限定方向斜
入射により、光学素子を挿入することなくＬＳＩパタン
に適した解像度向上効果が得られる。

【００２０】

【実施例】実施例１：本発明の方法は、基本的に所望の
傾き角を得るために光源の有効半径を広げることと、一
方向などの限定方法斜入射を実現するためにそれに合わ
せた光源の射出孔を設けるという２つの要素を含んでい
る。また、射出孔の面積が小さくなることによる照度の
低下を防ぐため、あらかじめ射出しようとする部分に光
束を集中させるという機能を付加させることもできる。
以下に本発明方法の具体的な実施例を上記機能別に図を
用いて説明する。

【００２１】第１の実施例は、同一出願人の出願に係る
特願平３−１４８１３３号に挙げた方法で光源の有効半
径を広げかつ円環上に光束を集中し、かつその先願にお
ける円環開口絞りの代わりに図１に示すような各種の特
殊開口絞りを用いる方法である。ここで光源の有効半径
を広げる方法は前記先願に示されている３つの方法、す
なわち光ファイバを用いた方法、コーンレンズを用いた
方法、及び実半径はそのままでコンデンサレンズの倍率
を上げることにより斜入射照明の角度を実現する方法の
うちどれを適用してもよい。これらの方法と以下に示す
特殊開口絞りを組み合わせることにより、所望の斜入射
光源を実現する。

【００２２】図１に示す特殊開口絞りは、図２のような
露光装置においてフィルタ３より後方アウトプットレン
ズ７より前方に挿入する。この特殊開口絞りは着脱交換
可能とする。図１は２次光源射出部における開口絞りの
開口Ａを示しており、ｘ軸，ｙ軸は射出面上においてレ
チクル上のｘ軸ｙ軸に対応し、原点は光軸が射出面と交
わる点である。図１(a) の絞りは一方向からの斜入射を
実現するもので、光学素子では直角三角形（片屋根）プ
リズムを挿入した場合に相当する。この方法は対応する
一方向のみの解像度を向上させるもので、例えばｙ方向
のみに細い線パタンが多く存在し、ｘ方向にはその３倍
位の線幅のパタンやそれより大きいパタンのみが存在す
るような場合に適しており、その場合には最も高い解像
度と焦点深度の向上が得られる。ｘ方向とｙ方向のパタ
ン形状の特性が逆でｘ方向のパタンが細い線パタンが多
い場合には図１(a) の開口絞りを９０度回転させて取り
付ければよい。

【００２３】図１(b) の絞りは、光軸に対称な２方向か
らの斜入射を実現する開口絞りで、光学素子では二等辺
三角形（両屋根）プリズムを挿入した場合に相当する。
プリズム挿入の場合両方向の入射光の重なる領域を広く
とるのが困難であるのに比べて、この開口絞りによる方
法ではほぼ全面に両方向入射光を照射することができる
利点がある。この図１(b)の絞りを用いた場合も同図(a)
の場合と同様ｘ，ｙ両方向のパタンがあったときにどち
らか一方向のパタンの解像度を著しく向上させることが
できる。図１(a) の場合と比較すると焦点深度の向上は
比較的小さいが、解像度向上についてはほぼ同様の効果
が得られ、２次光源射出孔の面積が２倍となるため露光
強度が大きいという利点がある。

【００２４】図１(c) の絞りは光軸に直交する面内でみ
たときに、互いに直交する２方向からの斜入射を実現す
る開口絞りである。この方法では、ｘ，ｙ両方向のパタ
ン解像度を同時に向上させることができる。図１(d) の
絞りは光軸に対して対称な２方向と、光軸に直交する面
内でみたときにそれに対して直交する光軸に対して対称
な２方向とを合わせて４方向からの斜入射を実現する開
口絞りである。この方法も図１(c) の方法と同様にｘ，
ｙ両方向のパタンの解像度を向上させることができ、図
１(c) の場合よりさらに露光強度が大きくなり露光時間
を短くすることができる。

【００２５】図１(e) の絞りは各入射光の光軸に対する
角度（６０°）が等しく、かつ互いに等しい角度を持つ
６つの方向からの入射光による斜入射照明法のための開
口絞りで、図１(f) の絞りは同様な性質を持つ８方向か
らの斜入射照明のための開口絞りである。いずれも円環
形開口絞りと近い性質を持つ。以上示したいずれの開口
絞りを用いた場合も光ファイバやコーンレンズなどによ
る光源半径拡大法と組み合わせて、通常の露光法により
パタン形成する場合に比べて、一方向あるいは複数方向
のパタンの解像度を向上させることができる。また、以
下に示す例と比較すると入射の限定方向の数が少ないと
きは、露光強度の低下が大きいが、形成しようとするパ
タンに応じてレチクル入射光の方向を開口絞りの交換の
みで簡単に変えられるという利点を持つ。

【００２６】実施例２次に開口絞りを用いないか、あるいは用いたとしても補
助的に用いるのみとして、他の方法によって図１に示し
たいくつかの開口絞りと同じような２次光源を実現する
方法の実施例を示す。図３は光ファイバを用いて光束を
１点に集中させて一方向斜入射を行う方法を示してい
る。図３の１は楕円反射鏡の第２焦点で、図２に示した
ような投影露光装置において光源ランプ１１を出た光を
楕円反射鏡１２などにより１点に集めた点である。この
焦点１を出た光はインプットレンズ２を通って平行光と
なり、フィルタ３を通るところまでは通常の露光と同様
である。この後に一端の半径（２ｒ₁）が他端の半径
（２ｒ₀）より小さい光ファイバの束４を図３に示すよ
うな形で設置し、光束を小さな領域に集中しかつ所望の
傾きを与えるような位置に移動させる。例えば投影系の
開口数０．５で縮小倍率５分の１、設定されたσ値０．
５でこれに対応する入射瞳の半径が１．５ｃｍの場合を
考える。

【００２７】この時斜入射照明法の一例として、光束の
広がり度σ_D ＝０．２、傾き度Ｒ＝０．８とすれば、光
ファイバ４により光束を半径０．６ｃｍの円に集中させ
るとともに、その円の中心を光軸からｘ方向２．４ｃｍ
の点に移動させることにより所望の斜入射光源が実現で
きる。このようにして光ファイバ４から出た光は通常の
露光装置の場合と同様にオプチカルインテグレータ５を
通り、照明系のアウトプットレンズ７へ入射する。オプ
チカルインテグレータ５を入れない系も可能であり、ま
た同様の役割を光ファイバ４の射出端に各々小さいレン
ズをつけておくという方法も有効である。

【００２８】オプチカルインテグレータを入れる場合は
特にオプチカルインテグレータ５とアウトプットレンズ
７との間に、光軸からｘ方向２．４ｃｍの点を中心とす
る半径０．６ｃｍの円形の孔のある開口絞り６を挿入す
ることが望ましい。ここで開口絞り６は、所望の斜入射
光源を得るために挿入することが望ましいが、既に光フ
ァイバ４により所望の位置に所望の径の光束が作られて
いるので、この絞りにより遮られる光は少ない。ここで
は光束を１点に集中させる場合について説明したが、例
えば図１(c) に対応するような２方向からの入射の場合
には、光ファイバの束４を２等分して一方の射出口をｘ
方向にもう一方をｙ方向に、それぞれ所定の場所に導く
ことで所望の光源が得られる。同様に図１に示した全て
の開口絞りに対応した斜入射光源を光ファイバによって
作ることができる。

【００２９】なお、図２中符号１３はコールドミラー、
１４はコンデンサレンズ、１５はレチクル、１６は投影
光学系、１７はその投影系開口絞り、１８はウエハ、１
９はランプハウスをそれぞれ示している。

【００３０】実施例３次に光ファイバの代わりにコーンレンズと凸レンズ，凹
レンズの組み合わせにより、斜入射照明を行う方法を説
明する。図４は光軸について対称な２方向からの斜入射
の場合を例にこの方法を説明する図である。インプット
レンズ２を通過した光がフィルタ３を通るところまでは
図３の光ファイバの例と同様である。フィルタ３を通過
した光は円錐を重ねた形のレンズ、つまりコーンレンズ
８を通過し、この過程で所望の傾き度になるように光束
の半径を広げる。コーンレンズ８を通過した光は断面が
幅の広い円環状の平行光束になっている。その後、円環
状の光軸に対称な２箇所に凸レンズ９を置き、続けてそ
の凸レンズ９の焦点よりも前に凸レンズの中心軸に軸を
合わせて凹レンズ１０を置く。幅の広い円環状になった
光束の２箇所に凸レンズ９を置くと２つの凸レンズ９に
入射した光は各々集光され、焦点より前に凹レンズ１０
が置かれるために各々が半径の小さい円形の平行光束と
なる。

【００３１】この時、この円形光束の位置および円の半
径が傾き度と光束の広がり度に対応する。例えば前述の
例と同様に設定σ値０．５でそれに対応する光源半径
１．５ｃｍの露光装置において、傾き度Ｒ＝０．７、光
束の広がり度σ_D ＝０．２の斜入射照明を実現しようと
する場合には２つの光束が光軸からそれぞれ２．１ｃｍ
の距離にある光軸に対称な２点を中心とする半径０．６
ｃｍの円になればよい。そのためにはコーンレンズ８に
おいて円環光束最大半径を４．２ｃｍまで拡大する。よ
り多くの光を集めるために、２つの凸レンズ９の半径は
大きい方がよく、他の凸レンズと重ならない範囲で設定
する。この場合は半径２．１ｃｍの凸レンズ２つを各々
のレンズ中心が光軸から２．１ｃｍの距離にくるように
設置する。

【００３２】この凸レンズ９の焦点距離をｆ₁とする
と、凸レンズから５／７ｆ₁離れ光軸からは凸レンズ同
様２．１ｃｍの点に凸レンズの中心と凹レンズの中心が
合うように半径１ｃｍ程度の凹レンズ１０を置けば、こ
の凹レンズ１０を通過した光は半径０．６ｃｍの平行光
束となる。このようなレンズ系では、コーンレンズ８を
通過した後、凸レンズ９に入射する段階で、凸レンズに
入らない光は光源形成に寄与しないので、凸レンズの周
りに遮光板もしくは凸レンズ部を開口する開口絞りを設
置して周りの光を遮光することが望ましい。

【００３３】いくつかの限定方向斜入射における遮光領
域を図５に斜線部で示す。ここで、図５中符号６０１は
上記コーンレンズ８からの光通過領域、６０２は凸レン
ズ９への光入射領域をそれぞれ表わす。図５(a)は一方
向入射の場合であり、図５(b)は２方向斜入射の場合、
図５(c)は４方向斜入射の場合、図５(d)は光強度低下抑
制のための一方向斜入射の場合である。この時コーンレ
ンズ８通過後の光強度が全面に均一であるとすると、遮
光による光強度低下は上記の例では５０％である。同様
に光軸に対称な４箇所に凸レンズを置く場合には光強度
は約３１％低下する。

【００３４】すなわち、大きな凸レンズを使用して集光
すれば、斜入射光源実現のための遮光による露光強度の
低下分は一方向斜入射の場合でも高々３／４であるが、
一方向などの偏った光強度分布が必要な場合コーンレン
ズの代わりにプリズムを用いるなどして、あらかじめ必
要な部分に光を集めておくなどの工夫をすればさらに強
度の低下を抑えることができる。これらの光ファイバや
レンズの組み合わせにより直接限定方向斜入射光源を作
り出す方法は、その限定方向を容易に変えることはでき
ないが、露光強度の低下が少ないという利点がある。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、従来装置
が用いていたレチクル照射光の傾きの範囲を投影レンズ
の開口数に応じて設定することにより解像度を大幅に向
上させることができる。しかも、ＬＳＩ等に多く用いら
れる線パタンに対応した限定方向入射を光源によって実
現することにより、位置合わせの困難な光学素子を挿入
すること無しに、ＬＳＩ等のパタンにおいてさらに高い
解像度を得ることができる。このように本発明を用いれ
ば、ＬＳＩ等の微細パタン形成において集積度向上と信
頼性の向上が図れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる特殊開口絞りをそれぞれ示す図
である。

【図２】本発明において用いる通常の露光装置の概略図
である。

【図３】本発明の一実施例を示す光ファイバによる一方
向斜入射光源の説明図である。

【図４】本発明の他の実施例を示すコーンレンズによる
２方向斜入射光源の説明図である。

【図５】本実施例における凸レンズ周辺の遮光領域の説
明図である。

【図６】同一出願人にて提案された光学素子の挿入によ
る斜入射光源の説明図である。

【図７】同一出願人にて提案された光ファイバや円環開
口絞りによる斜入射光源の説明図である。

【図８】同一出願人にて提案された斜入射露光法による
レチクル照射の原理説明図である。

【図９】図８と比較するための従来法によるレチクル照
射の説明図である。

【符号の説明】

１楕円反射鏡の第２焦点２インプットレンズ３フィルタ４光ファイバの束５オプチカルインテグレータ６開口絞り７アウトプットレンズ８コーンレンズ９凸レンズ１０凹レンズ１１光源ランプ１４コンデンサレンズ１５レチクル１６投影光学系１７投影系開口絞り１８ウエハ６０１コーンレンズからの光通過領域６０２凸レンズへの光入射領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹内良亘東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者原田勝征東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者三村義昭東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物面マスク上のパタンを投影光学系を介
してウエハ上に投影露光する投影露光装置において、マ
スクを照射する光線を投影レンズの開口数に対応した角
度だけ傾け、かつ特定の一方向または有限個の複数の方
向から照明するような手段を設けたことを特徴とする微
細パタン投影露光装置。
【請求項２】請求項１において、マスクを照射する光
線を投影レンズの開口数に対応した角度だけ傾け、かつ
特定の一方向または有限個の複数の方向から照明する手
段として光ファイバを用いたことを特徴とする微細パタ
ン投影露光装置。
【請求項３】請求項１において、マスクを照射する光
線を投影レンズの開口数に対応した角度だけ傾け、かつ
特定の一方向または有限個の複数の方向から照明する手
段として凸レンズと凹レンズを組み合わせて用いたこと
を特徴とする微細パタン投影露光装置。
【請求項４】請求項１において、マスクを照明する光
線を投影レンズの開口数に対応した角度だけ傾ける手段
として光ファイバもしくはコーンレンズを用いるか、あ
るいは通常よりも焦点距離の短いコンデンサレンズを用
いると同時に、特定の一方向または有限個の複数の方向
から照明する手段として特殊開口絞りを用いたことを特
徴とする微細パタン投影露光装置。