JPH0590128A

JPH0590128A - 露光装置

Info

Publication number: JPH0590128A
Application number: JP3291465A
Authority: JP
Inventors: Koichi Matsumoto; 宏一松本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-06-13
Filing date: 1991-11-07
Publication date: 1993-04-09

Abstract

(57)【要約】【目的】微細パターンの高コントラストの像を得るこ
とのできる露光装置を提供する。【構成】照明光学系４は、好ましくは光源の中心部が
遮蔽された輪帯照明の構成をとっており、パターン形成
されたフォトマスク１を所定波長の露光光で透過照明す
る。フォトマスク１の下方には投影光学系２が設けられ
ており、この投影光学系２の瞳面には、フォトマスク１
のパターンの辺と平行な方向に電気ベクトルが振動する
光のみを透過させる偏光部材５が配置されている。フォ
トマスク１が透過照明されることにより生じた回折光は
投影光学系２で集められ、偏光部材５によって電気ベク
トルの振動方向が揃ったTE偏光に変換され、像面３にパ
ターン像を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子製造のリソ
グラフィ工程において、フォトマスクに形成された回路
パターンの像をウエハ面に転写するために用いられる露
光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子製造のリソグラフィ工程にお
いて一般的に用いられている露光装置は、図３に示され
るような構成であった。図において、フォトマスク21
は、照明光学系24の光軸に対して直交するように水平に
保持されており、照明光学系24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る。従来から汎用されて
いるフォトマスク21は、透明基板上にクロム等の金属か
らなる遮光パターンが形成された構造をなしており、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、投影光学系22により
再度、像面23上に集められ、これにより結像面23に合致
するように保持されたウエハ面上にフォトマスク21のパ
ターン像が転写される。この際、従来の露光装置の投影
光学系には、偏光部材は含まれていないので、像面23に
集められる光は、偏光特性のない状態、つまり、ＴＥ偏
光（後述）とＴＭ偏光（後述）の平均状態になってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来の露光装置においては、半導体素子の高集積化に
伴なう回路パターンの微細化に対応できないという問題
点があり、微細パターンの高コントラストの像を形成で
きる技術の開発が求められている。こうした中で、パタ
ーン像のコントラストを高める方法として、近年、フォ
トマスクの光透過部の特定の箇所に透過光の位相を変化
させる位相シフト部を設けた位相シフトマスクを用いて
投影露光を行なう位相シフト法が種々提案されている。
例えば、特公昭62−50811 号公報には、空間周波数変調
型の位相シフトマスクに関する技術が開示されている。
位相シフト法は、光の振幅の情報に加えて光の位相の情
報を利用してパターン像を形成するものであり、光透過
部（基板裸面部）と遮光部だけからなるフォトマスクを
使用する方法に比べればある程度の結像性能の改善が実
現されている。

【０００４】しかしながら、この位相シフト法にも自ら
限界があり、微細パターンについて満足すべき高コント
ラストの像は得られていない。この発明は、かかる点に
鑑みてなされたものであり、光の振幅と位相以外の第三
の情報を利用することにより、高解像性・高コントラス
トの結像性能を実現でき、光リソグラフィー技術の新た
な展開を図ることが可能な露光装置を提供することを目
的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の露光装置は、フ
ォトマスク上のパターンを投影する投影光学系を備えて
おり、上記の課題を達成するために、前記投影光学系の
ほぼ瞳面に、前記パターンの辺と平行な方向に電気ベク
トルが振動している光を透過させる偏光部材が配置され
たものである。

【０００６】本発明で好ましく用いられる偏光部材は、
具体的には、前記投影光学系の光軸を中心とする円の接
線方向に電気ベクトルが振動している光のみを透過させ
るものである。

【０００７】

【作用】図２を参照して本発明の作用を説明する。図２
は、図３で説明した露光装置の像面23付近の回折光の様
子を模式的に示したものである。まず、図２（ａ）は、
ＴＥ(transverse electric）偏光と呼ばれる状態であ
り、電気ベクトルの振動方向が入射面（紙面内面）に垂
直な光である。一方、図２（ｂ）はＴＭ（transverse m
agnetic)偏光と呼ばれる状態であり、磁気ベクトルの振
動方向が入射面に垂直、即ち、電気ベクトルの振動方向
が入射内面にある。投影光学系に偏光部材を含まない従
来の装置では、図２（ａ）のＴＥ偏光と図２（ｂ）のＴ
Ｍ偏光の平均状態の光で結像されることになるが、フォ
トレジスト等の感光材料の光化学反応は電磁波である光
の電場の作用によって進行するので、リソグラフィ工程
においては電気ベクトルの振動方向が問題となる。

【０００８】図２（ａ）と図２（ｂ）を比較すると解る
ように、ＴＥ偏光の場合は、０次、±１次・・・の各回折
光の電気ベクトルの振動方向が全て紙面に垂直な方向に
そろっており、回折光同志の干渉効果が最大となって、
高コントラストの像となる。ＴＭ偏光の場合は、次数の
異なる回折光の電気ベクトルの振動方向は各回折光の進
行方向のなす角に応じた分だけずれることになり、回折
光同志の干渉効果が低減して、像のコントラストを落と
す方向に作用する。

【０００９】本発明においては、投影光学系のほぼ瞳位
置に、フォトマスクに形成されたパターンの辺に平行な
方向に電気ベクトルが振動する光のみを透過させる偏光
部材が配置されているので、フォトマスクで発生した非
偏光状態の回折光は、回折角を形成する平面（入射面）
に直交する振動面を有するＴＥ偏光に変換され、コント
ラストの高い像が得られる。

【００１０】ここで、フォトマスクに形成される実際の
回路パターンの配列方向はさまざまであり、一定の周期
で繰り返されるラインアンドスペースパターンの他にホ
ールパターン等の孤立パターンも含まれるから、本発明
で用いる偏光部材としては、投影光学系の光軸を中心と
する円の接線方向に電気ベクトルが振動している光のみ
を透過させるものを用いることが好ましい。このような
偏光部材を用いれば、パターンがどのような方向に配列
されていても、常にパターンの辺と平行な方向に電気ベ
クトルが振動する光のみが偏光部材を透過することにな
る。

【００１１】さて、次に、更に説明を解りやすくするた
めに、フォトマスク21に紙面垂直方向に伸長するライン
アンドスペースパターン（遮光部と光透過部が同じ幅で
交互に繰り返されるパターン）が設けられており、フォ
トマスク21からの回折光のうち０次回折光と±１次回折
光によりパターン像が形成される場合を考える。この場
合、０次回折光の振幅は１／２、±１次回折光の振幅は
１／πである。

【００１２】図２に示してある様に、ｘ（紙面左右方
向），ｙ（紙面垂直方向），ｚ（紙面上下方向）座標軸
を設定し、０次回折光の方向余弦を（０，０，１）、±
１次回折光の方向余弦を（±α，０，γ）として、０次
回折光、±１次回折光の波動（ベクトル量）をψ₀、ψ
±₁とすると、ＴＥ偏光の場合の各回折光の波動は式１
〜３で表わされる。式中ｋは定数（＝２π／λ）であ
る。

【００１３】

【数１】

【００１４】０次回折光及び±１次回折光の波動ψ₀，
ψ±₁を合成した波動場Ψ_TEは式４となり、強度分布Ｉ
_TE（ｘ，ｚ）＝｜Ψ｜²は、式５となる。

【００１５】

【数２】

【００１６】一方、ＴＭ偏光の場合の各回折光の波動は
式６〜８で表わされる。

【００１７】

【数３】

【００１８】０次回折光及び±１次回折光の波動ψ₀，
ψ±₁を合成した波動場Ψ_TMは、式９となり、強度分布
Ｉ_TM（ｘ，ｚ）＝｜Ψ｜²は、式10となる。

【００１９】

【数４】

【００２０】ここで、像の評価指標として、ログ・スロ
ープ(log slope）値を考える。このログ・スロープ値と
は、幾何光学的な明暗の境界における強度Ｉの対数をと
った時の微分値であり、即ち∂ logＩ／∂ｘの値であ
る。そして、この値が大きい方が、いわゆる高コントラ
ストの像であることを示している。式５と式10より、お
のおのＴＥ偏光、ＴＭ偏光の時のログ・スロープ値を計
算できる。簡単のため、ベスト・フォーカス面にて考え
るものとして、Ｚ＝０として計算すると、ＴＥ偏光のと
きのログ・スロープ値ＬＳ_TEは式11、ＴＭ偏光のときの
ログ・スロープ値ＬＳ_TMは式12となる。また非偏光状態
のときのログ・スロープ値は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の平
均状態である。

【００２１】

【数５】

【００２２】式12のうち、４λ／αに掛かっている項を
考えると、分子は１より小さく、分母は１より大きいの
で、全体として式12の値は、式11の値より小さいことが
理解される。このことは、ＴＥ偏光での結像の方が、Ｔ
Ｍ偏光での結像よりも高いログ・スロープ値を有してい
ることを示している。また、αは回折角に対応するの
で、回折角の大きい微細パターン程、ＴＥ偏光の優位性
は大きくなる。

【００２３】更に、非偏光状態は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光
の平均状態であるから、ＴＥ偏光による結像は、当然、
非偏光による結像より、高いログ・スロープ値を有して
いて、いわゆる高コントラストな像を達成することにな
る。また、光の偏光と位相は独立した情報であるから、
本発明の露光装置に位相シフトマスクを用いることもで
き、光の振幅，位相，偏光の３つの情報を適宜組み合わ
せることにより結像性能の一層の向上を図ることが可能
である。

【００２４】

【実施例】図１は、本発明実施例による露光装置の構成
を模式的に示した構成図である。図において、照明光学
系４は、超高圧水銀ランプ，エキシマレーザ等を光源と
し、リソグラフィ行程で使用されるフォトレジストを感
光させ得る波長の露光光を射出する。

【００２５】フォトマスク１は、照明光学系４の光軸と
直交するように、水平面内に保持されている。フォトマ
スク１に形成されるパターンの形状は特に限定されるも
のではないが、ここでは、説明を具体的にするために、
光透過部とクロム等の遮光部が交互に繰り返されるいわ
ゆるラインアンドスペースパターンが形成されており、
パターンは紙面と垂直な方向に伸長しているものとす
る。

【００２６】フォトマスク１の下方には、投影光学系２
が配置されており、投影光学系２の光源（照明光学系
４）側焦点とフォトマスク１のパターン形成面がほぼ一
致するように光軸方向の位置が調整されている。この投
影光学系２の瞳面（厳密に瞳位置である必要はない）に
は、図１（ｂ）に示されているように、投影光学系２の
光軸（瞳中心）を中心とした同心円の接線方向に電気ベ
クトルが振動する光のみを透過させる偏光部材５が配置
されている。

【００２７】投影光学系２の下方には、ウエハ（図示せ
ず）を載置するウエハステージ（図示せず）が設けら
れ、投影光学系２の結像面３とウエハ表面とが合致する
ように、光軸上の位置が調整されている。また、ウエハ
ステージは、水平面内にも移動可能となっており、露光
に先立ち、不図示のアライメント手段を用いてウエハと
フォトマスク１の相対的位置の調整が行なわれる。

【００２８】上述した構成の露光装置において、照明光
学系４からの露光光によってフォトマスク１が透過照明
されると、図１（ａ）に示されるようにフォトマスク１
からは、紙面内左右方向（パターンの配列方向）に広が
る回折光が発生する。この段階で回折光は、ＴＥ偏光と
ＴＭ偏光の状態が平均された状態であり、振動方向の偏
りはない。

【００２９】次いで、回折光は投影光学系２に入射し、
瞳面に配置された偏光部材５に至る。ここで、フォトマ
スク１からの回折光のうち０次回折光は、パターンの形
成位置によらず（パターンが照明領域の中央部になって
も端にあっても）、投影光学系２の瞳中心（偏光部材５
中心）に入射し、±１次，±２次，・・・の各回折光は、
瞳中心から半径方向（パターン配列方向）に所定距離ず
つ離れた位置に入射する。本実施例のように、パターン
の配列方向が紙面左右方向である場合は、各次数の回折
光の偏光部材５への入射位置は、投影光学系２の光軸を
中心とした円（図１（ｂ）参照）を紙面左右方向に横切
る直径上に所定の間隔で並ぶことになる。偏光部材５
は、上述したように、投影光学系２の光軸を中心とした
円の接線方向に電気ベクトルが振動する光のみを透過さ
せるものであるから、各次数の回折光はそれぞれ図１
（ｂ）の上下方向に電気ベクトルが振動する成分のみが
偏光部材５を透過することになる。

【００３０】この際、図１（ｂ）のような偏光部材５の
中心においては、透過する光の偏光状態が不安定になる
ため、０次回折光の入射位置を偏光部材５の中心から偏
位させることが望ましい。このことは、照明光学系４の
光源の中心部を遮蔽して輪帯照明とすることで容易に実
現される。即ち、輪帯照明とすることで、フォトマスク
１は、垂直方向（光軸方向）から僅かに傾いた方向から
照明されることになり、０次回折光は傾きに応じた分だ
け偏光部材５の中心から半径方向にずれた位置に入射す
ることになるので（このとき１次以上の回折光の位置も
順に半径方向外側にずれる）、振動方向の異なる光が偏
光部材５を透過することを防止できる。

【００３１】図１（ａ）に戻って、投影光学系２の偏光
部材５を透過した露光光は、電気ベクトルの振動方向が
紙面垂直方向（パターンの辺と平行な方向）に揃ったＴ
Ｅ偏光となり、結像面３にフォトマスク１のラインアン
ドスペースパターンの像を結ぶ。これにより、結像面３
に保持されたウエハの所定の位置にパターン像の転写が
行なわれる。

【００３２】本実施例では、上述のようにして、振動方
向の揃った光だけで像が形成されるので、回折光同志の
干渉効果が増し、コントラストの高い像がウエハ面に転
写される。また、パターンピッチが小さくなる程１次以
上の回折光の回折角が大きくなるため、従来のように、
非偏光状態（ＴＥ偏光＋ＴＭ偏光）の光で結像される場
合は、ＴＭ偏光の振動方向のずれが大きくなる分だけ像
のコントラストが低下することになるが、本実施例のよ
うにＴＥ偏光だけで結像される場合は、回折角が変わっ
ても電気ベクトルの振動方向は変わらないので、高いコ
ントラストが維持される。即ち、図１のような構造の露
光装置を用いることにより、パターンのピッチが非常に
小さくなっても高コントラストの像を得ることができ、
微細パターン程、従来の露光装置に対する優位性が明確
になる。

【００３３】なお、上記においては、説明のためにフォ
トマスク１のパターンは紙面左右方向に配列されている
としたが、配列方向が他の方向であっても同様にコント
ラストの高い像を得ることができることは言うまでもな
く、本実施例の露光装置はあらゆる形状のパターンに対
応できる。つまり、パターンの配列方向が変われば、そ
れに対応して回折光の広がる方向が変わり、投影光学系
２の瞳面における各次数の回折光の入射位置の整列方向
も変わるが（例えばパターンの配列方向が図１（ｂ）の
紙面上下方向であれば、各次数の回折光の入射位置は図
１（ｂ）の同心円を紙面上下方向に横切る直径上に整列
する）、本実施例における偏光部材５は、図１（ｂ）の
同心円の接線方向に振動面を有する光のみを透過させる
ものであるから、パターンがどのうよな方向に配列され
ていても常にパターンの辺と平行な方向に電気ベクトル
が振動する光のみが偏光部材５を透過することになる。

【００３４】逆に、パターンの配列方向が一方向に限ら
れているような場合は、円周方向の位置によって透過す
る光の振動方向が変わるような偏光部材５（図１
（ｂ））を用いなくとも、入射位置によらず同じ方向
（パターンの辺と平行な方向）に振動する光だけを透過
させる偏光部材を用いれば良い。次に、例として、露光
波長λ＝365 nmとして、式11〜12から、各偏光状態（Ｔ
Ｅ偏光，ＴＭ偏光，ＴＥ偏光とＴＭ偏光の平均）で得ら
れるベスト・フォーカスでのパターン像のログ・スロー
プ値を求めた結果を示す。この表１の結果からも、微細
パターン程、本発明の優位性が発揮されることが明らか
であり、例えば64Ｍ DRAM等の集積度の高い半導体素子
を製造するにあたって本発明の露光装置が非常に有効で
あることが理解される。

【００３５】

【表１】

【００３６】さて、上記においては、説明を簡単にする
ために、遮光膜だけでパターン形成されているフォトマ
スクを用いた場合について説明したが、本発明の露光装
置は位相シフトマスクと組み合わせて使用することもで
きる。位相シフトマスクについては、遮光部を介して隣
合う光透過部の一方に位相シフト部材を付加する空間周
波数変調方式（例えば特公昭62−50811 号公報に記載の
方式）の他、厚さの異なる位相部材を設ける多段方式、
遮光パターンの周縁部に位相シフト部材からなる補助パ
ターンを設ける補助パターン方式、遮光部と光透過部の
境界に位相シフト部材を設けるエッジ強調方式、位相シ
フト部材だけでパターン形成するクロムレス方式等種々
の方式が提案されているが、本発明は何れの方式の位相
シフトマスクとも組み合わせることができる。

【００３７】また、上記の説明においては、透過型のフ
ォトスマクを使用する場合について述べてきたが、本発
明は、透明基板上に反射部材（反射膜）を設けた反射型
のフォトマスクを使用する場合にも適用できるものであ
る。反射型マスクにおいては、フォトマスクを落射照明
して、反射膜からの反射光を結像光学系で集めることに
より像が形成され、光透過部が像の暗部、反射部が像の
明部に対応することになるが、結像光学系の瞳面にパタ
ーンの辺に平行な方向に電気ベクトルが振動する光を透
過させる偏光部材を設けることにより、透過型マスクを
用いる場合と同様に像のコントラストを高めることが可
能である。

【００３８】

【発明の効果】以上の様に本発明の露光装置において
は、転写すべきパターンの辺と平行な方向に電気ベクト
ルが振動する光のみを透過させる偏光部材を投影光学系
の瞳面に設けているので、電気ベクトルの振動方向が同
一方向に揃った光で像が形成されることになり、回折光
同志の干渉が増し、コントラストの高い像を得ることが
できる。

【００３９】また、本発明によれば、回路パターンが微
細化してフォトマスクからの光の回折角が大きくなって
も、高いコントラスを維持できるので、微細パターン
程、従来の露光装置に対する優位性が発揮される。更
に、本発明の露光装置は、近年開発された位相シフトマ
スクとの組み合わせて光の振幅，位相，偏光の３つの情
報を利用して像を形成することができ、リソグラフィ技
術の新たな展開を図る上で非常に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明実施例による露光装置の構造を
示す構成図、（ｂ）は本発明実施例で使用した偏光部材
の模式的な平面図である。

【図２】（ａ）,(ｂ）は、各々ＴＥ，ＴＭ偏光による結
像の様子を示す概念図である。

【図３】従来の露光装置の構成を示す構成図である。

【主要部分の符号の説明】

１フォトマスク２投影光学系３結像面４照明光学系５偏光部材

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年９月９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来の露光装置においては、半導体素子の高集積化に
伴なう回路パターンの微細化に対応できないという問題
点があり、微細パターンの高コントラストの像を形成で
きる技術の開発が求められている。こうした中で、パタ
ーン像のコントラストを高める方法として、例えば特公
昭62-50811号公報には、フォトマスクの光透過部の特定
の箇所に透過光の位相を変化させる位相シフト部を設け
た位相シフトマスクを用いて投影露光を行なう位相シフ
ト法が開示されている。このような位相シフト法は、光
の振幅の情報に加えて光の位相の情報を利用してパター
ン像を形成するものであり、例えば光透過部(基板裸面
部) と遮光部だけからなるフォトマスクを使用する方法
に比べればある程度の結像性能の改善が実現されてい
る。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】なお、上記においては、説明のためにフォ
トマスク１のパターンは紙面左右方向に配列されている
としたが、配列方向が他の方向であっても同様にコント
ラストの高い像を得ることができることは言うまでもな
く、本実施例の露光装置はあらゆる形状のパターンに対
応できる。つまり、パターンの配列方向が変われば、そ
れに対応して回折光の広がる方向が変わり、投影光学系
２の瞳面における各次数の回折光の入射位置の整列方向
も変わる（例えばパターンの配列方向が図１（ｂ）の紙
面上下方向であれば、各次数の回折光の入射位置は図１
（ｂ）の同心円を紙面上下方向に横切る直径上に整列す
る）が、本実施例における偏光部材５は、図１（ｂ）の
同心円の接線方向に振動面を有する光のみを透過させる
ものであるから、パターンがどのような方向に配列され
ていても常にパターンの辺と平行な方向に電気ベクトル
が振動する光のみが偏光部材５を透過することになる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３６】さて、上記においては、説明を簡単にする
ために、遮光膜だけでパターン形成されているフォトマ
スクを用いた場合について説明したが、本発明の露光装
置は位相シフトマスクと組み合わせて使用することもで
きる。位相シフトマスクについては、遮光部を介して隣
合う光透過部の一方に位相シフト部材を付加する空間周
波数変調方式の他、厚さの異なる位相部材を設ける多段
方式、遮光パターンの周縁部に位相シフトマスク部材か
らなる補助パターンを設ける補助パターン方式、遮光部
と光透過部の境界に位相シフト部材を設けるエッジ強調
方式、位相シフト部材だけでパターン形成するクロムレ
ス方式等、種々の方式が提案されているが、本発明は何
れの方式の位相シフトマスクとも組み合わせることがで
きる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フォトマスク上のパターンを投影する投
影光学系を備えた露光装置において、前記投影光学系の
ほぼ瞳面に、前記パターンの辺と平行な方向に電気ベク
トルが振動している光を透過させる偏光部材が配置され
たことを特徴とする露光装置。
【請求項２】前記偏光部材は、前記投影光学系の光軸
を中心とする円の接線方向に電気ベクトルが振動してい
る光のみを透過させるものであることを特徴とする請求
項１記載の露光装置。