JPH06291009A

JPH06291009A - 露光方法及び露光装置

Info

Publication number: JPH06291009A
Application number: JP5236031A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Ozawa; 稔彦小沢; Masaya Komatsu; 雅也小松; Masato Shibuya; 眞人渋谷; Yasushi Oki; 裕史大木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-02-03
Filing date: 1993-09-22
Publication date: 1994-10-18
Anticipated expiration: 2020-04-27
Also published as: KR100282810B1; JP3644041B2

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ず
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。【構成】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、感光素材上での光強度
分布が異なる複数の露光を行う。具体的には、被投影原
版として複数のパターンを用い、例えば第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
影原版とを用い、感光素材に対して第１被投影原版によ
る第１露光後に第２被投影原版による第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。

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。それ故、高解像とするためには短波長化する
か、開口数ＮＡを大きくせざるを得なかった。

【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、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、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、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、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】更に、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。

【００１２】

【作用】上記の如き本発明により、潜像反応濃度が入射
光の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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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
ストで形成することができる。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、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、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。

【００２５】

【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。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。

【００２６】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２Ａ、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。

【００２７】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） (15) Ｉb(x)＝１＋ cos（２π・２ＮＡ・ｘ／λ＋π） (16) 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 (17) Ｊb(x)＝Ｉb(x)²＝３／２＋２ cos（２π・２ＮＡ・ｘ／λ＋π）＋ cos（４π・２ＮＡ・ｘ／λ）／２ (18) 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(17)と(18)との和であり、Ｊ(x) ＝Ｊa(x)＋Ｊb(x)＝３＋ cos（４π・２ＮＡ・ｘ／λ） (19) となる。(19)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。

【００２８】(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コヒーレント照明するこ
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。

【００２９】従来の非線型でない感光素材を用いた場合
には、上記(15)と(16)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。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。

【００３０】また、光強度の１．５乗（ｍ＝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。

【００３１】尚、上記の実施例においては、感光素材と
して所謂２光子吸収レジストを使用したが、これに限ら
れるものではない。本発明においてはその他の手法、例
えばＣＥＬ法（B.F.Griffing, P.R.West著IEEE,EDL 第
４巻(1983)14頁参照）等のコントラストを強調し得る感
光素材を用いることも可能である。さらに、所謂多層レ
ジスト法の上層レジストとして非線型性な感度特性を持
つレジストを用いることによっても可能である。

【００３２】次に、本発明における別の実施例について
説明する。図１に示した上記の実施例では所謂位相シフ
ト法を用いてコヒーレント結像によって光強度分布を形
成したが、この実施例は通常のレチクルを用い、部分コ
ヒーレント結像を行うものである。光学系の条件は使用
波長λ＝０．３６５μｍ、開口数ＮＡ＝０．５、コヒー
レンス度σ＝０．６とした。図８Ａは２光子吸収レジス
トを使い、０．２５μｍ幅の孤立線を３回ずらして露光
し、０．２５μｍの孤立線３本を形成した時の潜像濃度
分布である。図８Ｂは２光子吸収レジストを用い、０．
２５μｍ幅の３本線を一括露光した場合の潜像濃度分布
である。図８Ｃは従来の方法による０．２５μｍ幅の３
本線の潜像濃度分布である。

【００３３】これらの図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃの比較に
より、本発明の方法により得られた潜像濃度分布図８Ａ
が他の方法と比較して格段に優れた微細パターンの形成
に有効であることが明らかである。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。

【００３４】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／２
ＮＡ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。

【００３５】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。

【００３６】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）。

【００３７】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。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。

【００３８】図７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１４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２０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。

【００３９】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。

【００４０】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。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。

【００４１】また、実際の半導体素子に於ける２次元パ
ターンの場合の実施例を示す。図１４に於いて、Ａが最
終的に形成される所望のパターンであり、Ｂが第１の露
光用レチクルのパターン図、Ｃが第２の露光用レチクル
のパターン図である。５１，５２，５３及び５４は光を
透過する部分を表し、５２及び５４の光透過部には位相
シフター５２ｓ，５４ｓが施されている。．図１４のＡ
に示したパターンの５１，５２，５３及び５４のそれぞ
れの間隔は最も狭い所が投影光学系の解像限界であり、
位相シフト等の方法を用いることによって一括露光にお
いて十分なコントラストの像を形成することが可能であ
る。ここで、図１４Ａの様な２次元パターンの場合には
０°，１８０°の位相シフトをどのように配置しても解
像出来ない部分が生じてしまう。しかしながら、本発明
に基づいて２光子吸収レジストを用い、図１４Ｂのパタ
ーンにより第１露光を行った後図１４Ｃのパターンによ
り第２露光を行うと、図１４Ａに示す如き従来までは解
像し得なかった極めて微細なパターンを有する半導体素
子を得ることが出来る。

【００４２】尚、図１４のＢ及びＣに示したパターンは
夫々別のレチクルに形成する事としたが、レチクルに液
晶板等の電気光学的素子を用いることにより、１つの液
晶板において、パターン透過部を電気的に変更して、図
１４のＢ及びＣのパターンを形成し、実質的に複数の各
被投影原版を得ることが可能である。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４−２２５３
５８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。

【００４３】

【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。

【００４４】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】本発明に好適な露光装置の概略構成図。

【図８】他の実施例による合成潜像濃度分布図。

【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】本発明による実際の半導体素子用の２次元パ
ターン及び該パターン用の被投影原版の説明図。

【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、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、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、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】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５記載の露光装置。
【請求項８】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に垂直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５記載の
露光装置。
【請求項９】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に垂直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５記載の露光装
置。