JPH1079337A

JPH1079337A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH1079337A
Application number: JP8234158A
Authority: JP
Inventors: Sumio Hashimoto; 純夫橋本; Shintaro Kudo; 慎太郎工藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 1998-03-24

Abstract

(57)【要約】【課題】輪帯照明や変形照明を行った場合の高次の球
面収差変動を抑える。【解決手段】投影光学系１３の瞳面ＰＳ１と共役な照
明系瞳面ＰＳ２に、光軸ＡＸの近傍の円形領域２５では
直線偏光成分を通過させて、輪帯状の領域２６では照明
光をそのまま通過させる部分偏光板１０を設け、投影光
学系１３とウエハ１５との間に、部分偏光板１０の領域
２５の偏光方向と直交する直線偏光成分を通過させる偏
光板１４を設けることにより、輪帯照明を用いる場合と
同様に高い解像度を得る。この場合、投影光学系１３内
を部分偏光板１０の輪帯状の領域を通過した光束以外
に、中央の円形領域を通過した直線偏光成分も通過する
ため、投影光学系１３内の照度分布が均一化され、その
直線偏光成分は偏光板１４で遮光される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素
子、液晶表示素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、又は薄膜磁
気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ工程で
マスク上のパターンの像を感光基板上に露光するために
使用される投影露光装置に関し、特に輪帯照明等を行う
か、又は中心遮光型の瞳フィルターを使用する投影露光
装置に適用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば半導体素子を製造する際
に、マスクとしてのレチクル（又はフォトマスク等）の
パターンの像を投影光学系を介して感光基板としてのフ
ォトレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート
等）上に転写するステッパー等の投影露光装置が使用さ
れている。これらの投影露光装置では、ウエハにできる
だけ高集積度のパターンを露光するため、露光光として
出来るだけ短波長の照明光を使用すると共に、投影光学
系の開口数（ＮＡ）を大きくして、パターンの解像度を
上げるという努力がなされてきた。

【０００３】但し、単に投影光学系の開口数を大きくす
ると、焦点深度が狭くなりすぎるため、開口数にあまり
依存することなく、或る程度以上の焦点深度を確保し
て、且つ高い解像度を得る方法として、露光光をレチク
ルに対して傾斜させて照明するという照明法が開発され
ている。この照明法には、照明光学系の２次光源の形状
を輪帯状とする輪帯照明及びその２次光源の形状を光軸
から偏心した複数（例えば４個）の小光源とする、所謂
変形照明等がある。このような照明法によれば、同じ露
光波長、及び同じ投影光学系の開口数でも、投影光学系
の解像度が向上する。また、投影光学系の瞳面に輪帯状
等の瞳フィルターを配置して、所謂「超解像」により解
像度を向上させる方法も開発されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上の従来技術におい
て、輪帯照明等を使用せず、レチクルをレチクルに対し
て垂直に入射する光束を中心として一様に分布する露光
光で照明する照明方法によれば、主にレチクルのパター
ンを通過した０次回折光、＋１次回折光、及び−１次回
折光の３光束によってウエハ上にそのパターンの像を形
成するために、投影光学系の瞳面付近のレンズは中心部
も周辺部もほぼ一様に照明される。また、通常の照明法
のもとで投影光学系の瞳面に中心部を遮蔽する輪帯状の
瞳フィルターを配置しない場合も、投影光学系の瞳面の
近くのレンズは一様に照明される。このような照明状態
であれば、レンズの中心部が主に温度上昇するために、
位置に関して２次以下の関数となる熱変形や屈折率変化
が主に起こり、ガウス（Gauss)像面の移動だけが光軸付
近の主な収差変動として生じる。従って、投影光学系の
高次の球面収差変動が発生する恐れは少なかった。

【０００５】しかし、輪帯照明や変形照明法により照明
を行った場合には、レチクルのパターンを通過した露光
用の照明光の内の主に０次回折光及び１次回折光によっ
てウエハ上にそのパターンの像を形成するため、投影光
学系の解像度の限界線幅に近いパターンが多い場合に
は、投影光学系の光軸付近を透過する光線の量が周辺部
に比べて極めて少なくなる。また、投影光学系の瞳面に
光軸付近を遮光した瞳フィルターを配置した場合でも、
瞳面よりもウエハに近い側に配置されているレンズの光
軸付近を透過する光線の量は周辺部に比べて極めて少な
くなる。

【０００６】このように投影光学系のレンズに対する照
射エネルギーの分布が不均一になると、レンズの周辺部
が主に熱を吸収して温度上昇し、中心部が温度上昇しな
いという現象が起こる。このような温度上昇に比例し
て、部分的にレンズの屈折率が変動したり、レンズが熱
変形したりするので、２次よりも高次の非球面やそれに
相当する屈折率分布が新たに形成される。そのため、投
影光学系の光軸に近い部分では、照明光の照射によりガ
ウス像面の移動だけでなく、新たに高次の球面収差変動
が生じるという不都合があった。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑み、輪帯照明や変形
照明等を用いるか、又は光軸付近を遮光する瞳フィルタ
ーを使用して露光を行う際に、投影光学系の高次の球面
収差変動を抑えて高い解像度が得られる投影露光装置を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による投影露光装
置は、露光光（ＩＬ）のもとでマスク（１２）上のパタ
ーンの像を感光基板（１５）上に投影する投影光学系
（１３）を有し、その露光光（ＩＬ）の内でそのマスク
（１２）から傾斜して射出される光束、又はそのマスク
（１２）に対して傾斜して入射する光束を有効な結像光
束として使用する投影露光装置であって、その投影光学
系（１３）の瞳面（ＰＳ１）、即ちそのマスクのパター
ン面に対する光学的フーリエ変換面と共役な面上で実質
的に光軸（ＡＸ）を中心とする円形の領域に一様に分布
する光源（６Ｃ）（２次光源を含む）からのその露光光
（ＩＬ）を用いてそのマスク（１２）を照明する照明光
学系（７〜９，１１）と、その投影光学系（１３）の瞳
面（ＰＳ１）、又はこの瞳面と共役な面（ＰＳ２）上
で、その有効な結像光束が通過する領域（２６；２７Ａ
〜２７Ｄ；２６Ａ）以外の領域（２５；２８；２５Ａ）
を通過するその露光光（ＩＬ）の偏光方向を所定方向に
設定する第１偏光部材（１０；１０Ａ；１０Ｃ）と、そ
の投影光学系（１３）とその感光基板（１５）との間に
配置されその投影光学系（１３）を通過したその露光光
（ＩＬ）の内でその所定方向に偏光する光束を遮光する
第２偏光部材（１４）と、を設けたものである。

【０００９】斯かる本発明の投影露光装置によれば、そ
のマスク（１２）から傾斜して射出される光束を有効な
結像光束とする場合には、その第１偏光部材（１０Ｃ）
はその瞳面上に配置されて実質的に中心遮光型の瞳フィ
ルターとして作用する。一方、そのマスク（１２）に対
して傾斜して入射する光束を有効な結像光束とする場合
には、その第１偏光部材（１０；１０Ａ）はその照明光
学系内でその投影光学系の瞳面と共役な面上に配置され
て、実質的に輪帯照明又は変形照明法で照明が行われる
ことになる。

【００１０】また、その第１偏光部材（１０；１０Ａ；
１０Ｃ）とその第２偏光部材（１４）との間を、その有
効な結像光束と、その第１偏光部材により所定方向に偏
光された光束とが合成されて通過する。従って、その第
１偏光部材（１０；１０Ａ；１０Ｃ）とその第２偏光部
材（１４）との間に配置された投影光学系（１３）の特
に瞳面（ＰＳ１）近傍のレンズにおける照度分布が均一
になり、その瞳面（ＰＳ１）の近傍のレンズの高次の熱
変形や屈折率の変化が抑えられ、結果的に投影光学系
（１３）の高次の球面収差変動が抑えられる。しかも、
その結像光束以外の光束は、その第２偏光部材（１４）
によって遮光されるため、その感光基板上では高い解像
度が得られる。

【００１１】この場合、その第１偏光部材（１０；１０
Ａ；１０Ｃ）の一例は、その光軸（ＡＸ）の周りの輪帯
状領域の内側の領域（２５；２５Ａ）、又はその光軸か
ら偏心した複数の領域（２７Ａ〜２７Ｄ）を除く領域
（２８）を通過するその露光光（ＩＬ）の偏光方向をそ
の所定方向に設定する部材である。その第１偏光部材が
輪帯領域の内側の領域を除く領域での偏光方向をその所
定方向に設定する部材（１０；１０Ｃ）であるときに
は、輪帯照明又は中心遮光型の瞳フィルターを使用する
場合と等価になる。一方、その第１偏光部材が光軸から
偏心した複数の領域を除く領域での偏光方向をその所定
方向に設定する部材（１０Ａ）であるときには、変形照
明法を使用する場合と等価になる。

【００１２】また、その第１偏光部材（１０；１０Ａ；
１０Ｃ）と、その第２偏光部材（１４）とを一定の相対
角度関係を保ってそれぞれ回転する駆動手段（２１〜２
３）を設けることが好ましい。露光中にその第１偏光部
材（１０；１０Ａ；１０Ｃ）及びその第２偏光部材（１
４）を回転することによって、感光基板（１５）上に入
射する露光光の偏光方向が回転する。従って、マスクパ
ターンの周期方向に依らずに、その感光基板（１５）に
結像されるそのマスクパターンの像の線幅異常の発生が
抑えられる。更に、その第１偏光部材（１０）と、その
第２偏光部材（１４）とは一定の相対角度関係を保って
回転するため、その第１偏光部材（１０）により偏光さ
れた光束はその第２偏光部材（１４）により確実に遮光
される。

【００１３】また、そのように駆動手段（２１〜２３）
を設ける代わりに、その第２偏光部材（１４）とその感
光基板（１５）との間に、その第２偏光部材（１４）を
通過したその露光光（ＩＬ）を円偏光に変換する第３偏
光部材（１７）を設けるようにしてもよい。これによ
り、感光基板（１５）上に結像する結像光束は円偏光と
なるため、マスクパターンの周期方向による線幅異常は
減少する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の投影露光装置の実
施の形態の一例につき図１〜図３を参照して説明する。
本例は、レチクル上のパターンを投影光学系を介してウ
エハ上の各ショット領域に投影するステッパー型の投影
露光装置で、実質的に輪帯照明又は変形照明を行う場合
に本発明を適用したものである。

【００１５】図１は、本例の投影露光装置の構成を説明
するためのウエハ側から見た斜視図を示し、この図１に
おいて、露光時には、水銀ランプよりなる光源１から射
出されたウエハ１５上のフォトレジストに感光性の照明
光ＩＬは、楕円鏡２によって集光された後、インプット
レンズ３及び不図示の干渉フィルターに入射し、干渉フ
ィルターにより、例えばｉ線（波長３６５ｎｍ）の照明
光ＩＬが抽出される。照明光ＩＬとしては、ｉ線の他に
ｇ線等の輝線、又はＡｒＦエキシマレーザ光やＫｒＦエ
キシマレーザ光、あるいは銅蒸気レーザやＹＡＧレーザ
の高調波等が使用される。

【００１６】照明光ＩＬはインプットレンズ３により平
行光束となってオプティカルインテグレータとしてのフ
ライアイレンズ４に入射する。フライアイレンズ４の各
レンズエレメントの夫々の射出面には２次光源が形成さ
れ、これらの２次光源により面光源が作られる。フライ
アイレンズ４の射出面には、面光源の大きさを調整する
ために複数の開口絞り６Ａ〜６Ｃ（図２（ａ）参照）か
ら選択された１つの開口絞りが配置されている。これら
の開口絞り６Ａ〜６Ｃは、ターレット状の円板５に固定
され、円板５を不図示の駆動装置により回転することで
所望の開口絞りをフライアイレンズ４の射出面に設定で
きる。

【００１７】図２（ａ）は、図１の円板５上の開口絞り
の具体的な構成を説明するための平面図を示し、この図
２（ａ）において、３個の開口絞り６Ａ〜６Ｃはターレ
ット状の円板５上に等角度間隔で固定されている。第１
の開口絞り６Ａは通常の照明を行う場合に使用される円
形開口を有し、第２の開口絞り６Ｂは小さいコヒーレン
スファクタ（σ値）で照明を行う場合に使用される小さ
い円形開口を有する。第３の開口絞り６Ｃは、大きな円
形開口を有し、本例では輪帯照明、又は変形照明を行う
場合にその第３の開口絞り６Ｃをフライアイレンズ４の
射出面に設定する。即ち、通常輪帯照明時には図２
（ｂ）に示す輪帯状の開口絞り６Ｄが使用され、変形照
明時には図２（ｃ）に示す光軸を中心として配置された
４個（又は２個）の小さい開口を有する開口絞り６Ｅが
使用される。しかし、本例では後述の部分偏光板１０等
によって、実質的に開口絞り６Ｄ等が兼用される。図１
では第３の開口絞り６Ｃが照明光ＩＬの光路上に配置さ
れている。

【００１８】開口絞り６Ｃを通過した照明光ＩＬは、第
１リレーレンズ７を透過し、視野絞り（レチクルブライ
ンド）８により照明範囲が規定される。照明範囲が規定
された照明光ＩＬは、第２リレーレンズ９を透過して部
分偏光板１０に入射する。部分偏光板１０に入射する照
明光ＩＬは自然光と同様にランダムな偏光成分からな
る、所謂ランダム偏光の光束である。開口絞り６Ｃの配
置面と部分偏光板１０の配置面（以下、「照明系瞳面」
と呼ぶ）ＰＳ２とは共役である。

【００１９】図３（ａ）は、部分偏光板１０の平面図を
示し、この図３（ａ）において、部分偏向板１０の中心
は照明光学系の光軸ＡＸにほぼ一致するように配置され
ており、その光軸ＡＸを中心とする円形の領域２５は、
入射する光束の内で偏光方向が矢印で示す方向である直
線偏光成分のみを通過させる偏光板となっている。即
ち、領域２５に入射する照明光ＩＬの内で矢印で示す直
線偏光成分のみが領域２５を通過する。なお、その矢印
は電気ベクトルの方向を示している（以下同様）。一
方、円形の領域２５の外周２５Ａの外側の輪帯状の領域
２６を透過する照明光ＩＬは、ランダム偏光のまま部分
偏光板１０を透過する。輪帯状の領域２６の外周は、図
１の開口絞り６Ｃの開口の像の外周より大きくなるよう
に設定されている。また、図１に示すように、部分偏光
板１０は照明光学系の光軸ＡＸを中心として１８０°回
転可能に構成されており、回転角制御系２２により回転
駆動体２１を介して部分偏光板１０の光軸ＡＸ周りの回
転角が制御される。更に、部分偏光板１０は回転駆動体
２１を介して他の変形照明用の部分偏光板と交換できる
と共に、照明光ＩＬの光路から随時退避できるように構
成されている。

【００２０】図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、変形照明用
の部分偏光板を示し、この図３（ｂ）において、部分偏
光板１０Ａの周辺部に等角度間隔で４個の円形の開口２
７Ａ〜２７Ｄが設けられており、その周囲の領域２８は
矢印の方向の直線偏光成分を通過させる偏光板となって
いる。部分偏光板１０Ａの中心を図１の照明光学系の光
軸ＡＸに一致するように配置すれば、光軸ＡＸから偏心
した４個の円形の開口２７Ａ〜２７Ｄをランダム偏光の
照明光ＩＬが通過し、それ以外の領域２８では直線偏光
成分のみが通過する。

【００２１】また、図３（ｃ）に示すように、両端に２
つの開口２９Ａ，２９Ｂを設け、その周囲の領域３０を
矢印の方向に直線偏光する光束を通過させる偏光板とし
た部分偏光板１０Ｂも使用される。その開口２９Ａ，２
９Ｂを通過する照明光の偏光状態もランダム偏光が維持
される。そして、これらの部分偏光板１０Ａ，１０Ｂも
回転駆動体２１によって回転される。

【００２２】図１において、部分偏光板１０を通過した
ランダム偏光の光束と直線偏光の光束とからなる照明光
ＩＬは、コンデンサレンズ１１によりレチクル１２上に
照射される。レチクル１２上に照射された照明光ＩＬ
は、レチクル１２上のパターン領域を通過し、投影光学
系１３を介して偏光板１４に入射する。偏光板１４の偏
光特性は入射する光束の内で、部分偏光板１０の円形の
領域２５を通過する直線偏光成分と直交する方向に直線
偏光する成分のみを通過させるように設定されており、
部分偏光板１０の円形の領域２５を通過した直線偏光成
分は偏光板１４により遮光され、部分偏光板１０の輪帯
状の領域２６を通過したランダム偏光の光束の内の偏光
板１４の偏光方向と平行な直線偏光成分だけが、偏光板
１４を通過してウエハ１５上に照射される。照明光ＩＬ
のもとでレチクル１２のパターン面とウエハ１５の表面
とは投影光学系１３に関して共役であり、その偏光板１
４を通過した光束によりレチクル１２上のパターンの像
がウエハ１５上に転写される。

【００２３】更に、偏光板１４も部分偏光板１０と同様
に、光軸ＡＸを中心として１８０°回転可能に構成され
ており、回転角制御系２２により回転駆動体２３を介し
て偏光板１０の光軸ＡＸ周りの回転角が制御される。こ
の際に、部分偏光板１０と偏光板１４とは常に相対角度
関係が一定の状態で、即ち部分偏光板１０の領域２５と
偏光板１４との偏光方向が直交した状態で同期して回転
される。この場合、投影光学系１３内の瞳面ＰＳ１、即
ちレチクル１２のパターン面に対する光学的フーリエ変
換面は開口絞り６Ｃの配置面、ひいては部分偏光板１０
の配置面である照明系瞳面ＰＳ２と共役である。図１に
おいて、照明光学系の光軸ＡＸは投影光学系１３の光軸
と合致しており、以下では光軸ＡＸに平行にＺ軸を取
り、Ｚ軸に垂直な２次元平面内の直交座標系をＸ軸、及
びＹ軸として説明する。

【００２４】レチクル１２はＸ方向、Ｙ方向、及び回転
方向に微動可能なレチクルステージ（不図示）上に載置
されている。レチクル１２の位置は外部のレーザ干渉計
（不図示）により精密に計測されており、そのレーザ干
渉計の測定値に基づいてレチクル１２の位置が制御され
ている。一方、ウエハ１５は不図示のウエハホルダを介
してＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向にウエハ１５を位置決め
するウエハステージ１６上に載置され、ウエハステージ
１６のＸ方向、Ｙ方向の位置は外部のレーザ干渉計によ
り精密に計測されており、その計測値に基づいてウエハ
ステージ１６の位置が制御されている。ウエハステージ
１６によりウエハ１５の各ショット領域の中心を投影光
学系１３の露光中心に移動する動作と露光動作とがステ
ップ・アンド・リピート方式で繰り返されて、レチクル
１２上のパターンの像がウエハ１５上の各ショット領域
に順次転写される。

【００２５】次に、本例の投影露光装置の露光動作につ
いて説明する。先ず、本例で輪帯照明を行う場合には、
図１に示すように、大きな開口の開口絞り６Ｃをフライ
アイレンズ４の射出面に設定し、回転駆動体２１で照明
光ＩＬの光路上に部分偏光板１０を設定する。この場
合、フライアイレンズ４から射出される照明光ＩＬは、
あらゆる偏光成分を含む光束である。そして、照明系瞳
面ＰＳ２に配置された部分偏光板１０により、その照明
光ＩＬの内で光軸ＡＸの近傍の領域２５を通過する光束
は直線偏光成分のみである。また、照明光ＩＬは部分偏
光板１０の周辺の輪帯状の領域２６をランダム偏光のま
ま透過する。このように、照明系瞳面ＰＳ２で或る開口
数よりも小さい光束が直線偏光であり、周辺の光束がラ
ンダム偏光であるような照明光ＩＬによりレチクル１２
を照明すると、投影光学系１３の瞳面ＰＳ１の近傍のレ
ンズでは光軸ＡＸの近傍を主に直線偏光の光束が透過す
る。従って、レンズの周辺部ばかりでなく、中心部も照
射エネルギーを吸収して温度上昇するので、レンズの熱
変形や屈折率変化において高次の変動成分に対する２次
の変動成分の比率が増し、結果的に高次の球面収差変動
が少なくなる。

【００２６】また、部分偏光板１０の領域２５と偏光方
向が直交する偏光板１４が投影光学系１３とウエハ１５
との間に配置されており、部分偏光板１０の円形の領域
２５により選択された直線偏光成分は偏光板１４によっ
て遮光されて、ウエハ１５の結像には関与しない。しか
し、部分偏光板１０の輪帯状の領域２６を通過した照明
光ＩＬのうち、偏光板１４の偏光方向に平行な偏光成分
はウエハ１５の結像に関与するので、結果的に図２
（ｂ）に示すような中心部が遮光された輪帯状の開口部
を有する開口絞り６Ｄを用いて輪帯照明を行った場合と
等価になる。

【００２７】この場合、ウエハ１５の結像に関係する照
明光ＩＬは直線偏光であるため、その直線偏光の偏光方
向と、レチクル１２のパターンの周期方向との角度差に
よって、ウエハ１５上のパターンの像の線幅が異なると
いう線幅異常が起こる恐れがある。そこで、露光中に部
分偏光板１０及び偏光板１４を回転制御系２２により、
それぞれ回転駆動体２１及び２３を介して互いの偏光方
向が直交する状態を保って同期して回転駆動する。即
ち、露光中に部分偏光板１０及び偏光板１４をそれぞれ
１８０°回転する。これによって、レチクル１２のパタ
ーンの周期方向に依らずに、ウエハ１５上のパターンの
像の線幅異常の発生が抑えられる。

【００２８】なお、上述のように部分偏光板１０及び偏
光板１４を回転する機構を設ける代わりに、直線偏光の
偏光方向とレチクルのパターンの周期方向との角度差に
よる線幅異常を解消するために、図１の２点鎖線で示す
ように、偏光板１４とウエハ１５との間の照明光ＩＬの
光路上に、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板１
７を配置してもよい。これによって、ウエハ１５に入射
する結像光束は円偏光となる。更に、１／４波長板１７
の代わりに、１／２波長板を設けてこの１／２波長板を
回転させてもよい。これらの場合には、部分偏光板１０
及び偏光板１４の回転機構、即ち図１の回転駆動体２
１，２３及び回転角制御系２２を省略できる。

【００２９】また、偏光板１４は、投影光学系１３の全
てのレンズが部分偏光板１０の領域２５を通過した直線
偏光成分で照射されるように、投影光学系１３とウエハ
１５との間に配置するのが最も望ましい。しかし、球面
収差変動には投影光学系１３の瞳面ＰＳ１付近のレンズ
に対する不均一な照度分布による熱変形や屈折率変動が
大きく関与しているので、偏光板１４は少なくとも投影
光学系１３内で瞳面ＰＳ１に対してウエハ１５に近い位
置に配置すればよい。

【００３０】また、図１に示すように、部分偏光板１０
を照明系瞳面ＰＳ２に配置すると、投影光学系１３の瞳
面ＰＳ１付近のレンズの中心部は直線偏光光、周辺部は
ランダム偏光光が主に照射される。ランダム偏光光は、
２つの互いに直交する直線偏光成分がそれぞれ１／２ず
つ混合された光束と見なすことができる。従って、瞳面
ＰＳ１付近のレンズの中心部は周辺部に比較して１／２
の照射エネルギー密度となる。このために高次の球面収
差変動が充分小さくならない場合は、照明系瞳面ＰＳ２
の部分偏光板１０の輪帯状の領域２６での照度を下げる
必要がある。そのためには、輪帯状の領域２６に光強度
を弱めるためのＮＤフィルタ（NeutralDensity filte
r）を設けてもよい。

【００３１】次に、変形照明を行う場合には、図１の回
転駆動体２１を介して照明光ＩＬ１の光路上に、図３
（ｂ）の部分偏光板１０Ａ、又は図３（ｃ）の部分偏光
板１０Ｂを配置する。この際に、部分偏光板１０Ａの４
個の開口２７Ａ〜２７Ｄ以外の領域２８、又は部分偏光
板１０Ｂの２個の開口２９Ａ，２９Ｂ以外の領域３０を
通過した照明光ＩＬの直線偏光成分が、図１の投影光学
系１３の瞳面ＰＳ１付近のレンズの光軸近傍を通過する
ため、高次の球面収差変動が抑制される。また、その直
線偏光成分は偏光板１４で遮光されるため、実質的に変
形照明を行った場合と等価となって、所定の周期的パタ
ーンに対して高い解像度が得られる。

【００３２】特に図３（ｃ）に示す部分偏光板１０Ｂを
用いるときには、図３（ｂ）のように局在化した４個の
部分に開口を設けるよりも解像力が向上することがあ
る。即ち、部分偏光板１０Ｂを使用した場合には、結果
的に偏光方向と垂直な方向に傾斜した直線偏光によって
ウエハ１５が照明されることになる。この部分偏光板１
０Ｂを１回の露光中に少なくとも１８０°回転するよう
な機構を設けると、あらゆる方向の周期性のパターンに
対して、照明の傾斜方向と偏光方向とが垂直になる。こ
れは、特開平６−５３１２０号公報に開示されているよ
うに、ラジアル方向に垂直な方向（円周方向）に偏光す
るような輪帯偏光板を照明光学系中に配置したのと同様
の解像度の向上効果がある。解像力の向上効果について
は、特開平６−５３１２０号公報に詳しく書かれている
のでその説明を省略する。

【００３３】次に、通常の照明法で露光を行う場合に
は、図２（ａ）の開口絞り６Ａ又は６Ｂを図１のフライ
アイレンズ４の射出面に設定すると共に、回転駆動体２
１を介して部分偏光板１０，１０Ａ，１０Ｂを照明光Ｉ
Ｌの光路から退避させる。更に、偏光板１４をも退避さ
せてもよい。これによって、通常の露光が行われる。な
お、上述の実施の形態において、部分偏光板１０及び偏
光板１４の代わりにそれぞれ偏光ビームスプリッタを使
用してもよい。部分偏光板１０の円形の領域２５の代わ
りに偏光ビームスプリッタを使用したときには、その周
囲の領域は例えば素通しの領域とすればよい。

【００３４】次に、本発明の投影露光装置の実施の形態
の他の例について、図４を参照して説明する。本例は、
実質的に中心遮光型の瞳フィルターを使用する場合に本
発明を適用したものであり、図４において図１に対応す
る部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図４は、本例の投影露光装置の概略構成を示す斜視図を
示し、この図４において、レチクル１２は図１の光源１
からコンデンサレンズ１１までの照明光学系と同様の照
明光学系によって照明されている。但し、本例の照明光
学系（不図示）では図１中の部分偏光板１０等は配置さ
れていない。即ち、図４のレチクル１２はランダム偏光
の照明光ＩＬによって照明されている。以下では簡単の
ため、投影光学系１３を上部レンズ系１３Ａ、及び下部
レンズ系１３Ｂに分けて説明する。この図４に示すよう
に、本例の投影光学系１３の瞳面ＰＳ１の近傍に図１の
部分偏光板１０と同様の部分偏光板１０Ｃが設置されて
いる。レチクル１２から上部レンズ系１３Ａに入射した
ランダム偏光の照明光ＩＬは、部分偏光板１０Ｃに入射
する。部分偏光板１０Ｃは光軸ＡＸを中心とする円形の
領域２５Ａが矢印で示す方向の直線偏光成分を通過させ
る偏光板となり、その周囲の輪帯状の領域２６Ａはラン
ダム偏光の光束をそのまま通過させる領域となってい
る。部分偏光板１０Ｃに入射した照明光ＩＬの内で、領
域２５Ａを通過した直線偏光成分と、領域２６Ａを通過
したランダム偏光の光束とは、下部レンズ系１３Ｂを透
過し、部分偏光板１０Ｃの領域２５Ａの偏光方向に直交
する直線偏光成分を通過させる偏光板１４に入射する。
そして、偏光板１４を通過した直線偏光成分によりレチ
クル１２上のパターンの像がウエハ１５上に転写され
る。なお、本例においても、部分偏光板１０Ｃは光軸Ａ
Ｘの周りに１８０°回転可能に構成されており、部分偏
光板１０Ｃに同期して、且つ偏光方向が直交する状態を
保って偏光板１４も回転駆動される。

【００３５】本例によれば、投影光学系１３に入射した
結像光束の内で、部分偏光板１０Ｃの円形の領域２５Ａ
を通過するのは直線偏光成分のみであり、この直線偏光
成分は偏光板１４で遮光される。従って、投影光学系１
３の瞳面ＰＳ１に輪帯状の開口部を有する瞳フィルター
を配置した場合と等価となり、高い解像度が得られる。
また、下部レンズ系１３Ｂのレンズの中心部も直線偏光
成分により照射されるため、不均一な照度分布による投
影光学系１３内の熱変形や屈折率の変化が抑えられ、結
果として投影光学系１３の高次の収差変動成分が減少す
る。

【００３６】また、部分偏光板１０Ｃ及び偏光板１４は
１８０°回転可能で、且つ同期して同じ角度関係を保よ
うに駆動される構成を有するため、露光中に２つの偏光
板１０Ｃ，１４を例えば１８０°回転することにより、
レチクル１２のパターンの周期方向に基づく線幅異常の
発生が抑えられる。なお、図１の実施の形態と同様に、
図４の偏光板１４とウエハ１５との間の光路上に１／４
波長板を設置し、偏光板１４により直線偏光された光束
を円偏光に変換するようにすれば、部分偏光板１０Ｃ及
び偏光板１４を回転する機構を設けなくとも、パターン
の周期方向に起因する線幅異常は生じない。

【００３７】次に、上述の実施の形態において、投影光
学系１３のレンズに対する照度分布が均一化され、高次
の収差変動が抑えられることを計算例に基づいて説明す
る。先ず、照明光の照射による上昇後の温度分布を計算
する。レンズを円筒形に近似して、レンズの側面から周
辺の空気を通して熱が流出せず、レンズの縁が金属と接
することにより、その縁からのみ熱が流出し、レンズに
おける吸収エネルギー密度分布が光軸ＡＸの回りの角度
に対して一定であるとする。そのレンズの半径方向の距
離を表す変数をｒとすれば、上昇後の温度分布は変数ｒ
の関数Ｔ（ｒ）となり、レンズの単位体積当たりの熱吸
収量及び熱伝導率をそれぞれ、ω（ｒ）及びλとし、レ
ンズの外半径をａとすると、熱平衡状態での円筒座標系
での熱伝導方程式は、次式のように表せる。

【００３８】

【数１】∂² Ｔ／∂ｒ² ＋（１／ｒ）∂Ｔ／∂ｒ＋ω
（ｒ）／λ＝０この熱伝導方程式を解くと、次式のようになる。

【００３９】

【数２】

【００４０】ここで、Ｊ_n(ｐ_i ・ｒ）は第１種第ｎ次
（ｎ＝０，１，２，…）のベッセル（Ｂessel)関数で、
ｐ_i はＪ₁(ｐ_i ・ａ）＝０を満たす数列である（ｉ＝
１，２，３，…）。また、係数Ｂ_i は次式により求めら
れる。

【００４１】

【数３】

【００４２】特に、熱吸収量ω（ｒ）が照射径内で階段
状の関数で表されるとき、即ち或るｊ（１≦ｊ≦Ｎ）に
おいて、変数ｒが、ｈ_j ≦ｒ≦ｈ_j+1 を満たす区間にお
いて、熱吸収量ω（ｒ）が一定値ω_j をとるとき、次の
関係が成立する。

【００４３】

【数４】

【００４４】従って、（数４）を（数３）に代入するこ
とにより係数Ｂ_i が求められ、この係数Ｂ_i を（数２）
に代入することにより、上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）が求
められる。次に、上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）により、ど
の次数の収差変動が多く現れるかを調べるために、上昇
後の温度分布Ｔ（ｒ）を以下のように最小２乗法でｒ¹⁰
の項までベキ級数展開すると、次式のようになる。

【００４５】

【数５】Ｔ（ｒ）＝Ｔ₀ ＋Ｃ₂ ・ｒ² ＋Ｃ₄ ・ｒ⁴ ＋Ｃ
₆ ・ｒ⁶ ＋Ｃ₈ ・ｒ⁸＋Ｃ₁₀・ｒ¹⁰ この場合、上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）の単位は℃、変数
ｒの単位はｍｍである。また、Ｔ₀ は、光軸ＡＸ、即ち
変数ｒが０の位置における上昇後の温度分布Ｔ（０）で
ある。

【００４６】以下、実際の数値に基づく計算例について
説明する。投影光学系の入射側の開口数（ＮＡ）に対す
る照明光学系の出射側の開口数の比の値（コヒーレンス
ファクタ）をσ値とし、このσ値を０．７５に設定す
る。そして、σ値が０．７５の照明系によって外半径４
０ｍｍの円筒形の石英からなるレンズが照明され、レン
ズ上の照射半径ｄが３０ｍｍであるような場合につい
て、（数２）〜（数４）の熱伝導方程式の解に基づいて
計算する。石英の熱伝導率を０．０１３８Ｗ／（ｃｍ・
℃）とし、ウエハ上のフォトレジストに感光性の照明光
に対するレンズの光エネルギーの吸収率を２％／ｃｍと
する。

【００４７】第１の計算例では、先ず比較のため、照明
光の全照射エネルギー量が１Ｗで、σ値が０．７５の範
囲内でレンズが一様に照射されている場合について計算
する。図５（ａ）は、第１の計算例による上昇後の温度
分布Ｔ（ｒ）を示し、横軸は変数ｒ、縦軸は上昇後の温
度分布Ｔ（ｒ）を表す。実線の曲線３１Ａに示すよう
に、上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）は原点、即ち光軸ＡＸに
最大値ＴＡを有し、光軸ＡＸに関して軸対称な山型の変
化を示す。なお、参考として、照明光の照射エネルギー
密度分布Ｐ（ｒ）を点線３２Ａにより示す。照射エネル
ギー密度分布Ｐ（ｒ）は、変数ｒが０〜ｄ（照射半径）
の間で一定の値Ｐ１となる。また、光軸ＡＸでの温度分
布Ｔ₀ 、及び温度分布Ｔ（ｒ）を（数５）によりベキ級
数に展開したときの係数Ｃ₂ 〜Ｃ₁₀を表１に示す。

【００４８】

【表１】

【００４９】次に、第２の計算例について説明する。こ
の計算例は輪帯照明又は瞳フィルターを用いた場合の例
であり、第１の計算例と同様に比較のための計算例であ
る。σ値は最大で０．７５で、輪帯の内側のσ値は０．
５である。そのσ値が０．５〜０．７５の間でレンズが
一様に照明され、全照射エネルギー量が１Ｗである場合
について上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）を計算したものであ
る。

【００５０】図５（ｂ）は、第２の計算例による上昇後
の温度分布Ｔ（ｒ）を示し、この図５（ｂ）において、
実線の曲線３１Ｂに示すように、上昇後の温度分布Ｔ
（ｒ）は変数ｒがほぼ０〜ｅの間で一定の温度ＴＢとな
る。点線３２Ｂで示す照射エネルギー密度分布Ｐ（ｒ）
は、変数ｒがｅ〜ｄの間で一定の値Ｐ２となり、変数ｒ
が０〜ｅの間では０となっている。第１の計算例と同様
に、光軸ＡＸでの上昇後の温度分布Ｔ₀ 、及び上昇後の
温度分布Ｔ（ｒ）を（数５）によりベキ級数に展開した
ときの係数Ｃ₂ 〜Ｃ₁₀を表２に示す。

【００５１】

【表２】

【００５２】次に、第３の計算例について説明する。こ
の計算例は、図１及び図４に示す実施の形態のように、
部分偏光板１０又は１０Ｃを使用してレンズが照明され
ている場合の上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）を求めるもので
ある。この場合、σ値が０．７５から０．５の範囲内で
は、ランダム偏光光により全照射エネルギー量が１Ｗで
レンズが一様に照明され、σ値が０．５から０．０の範
囲内においては、直線偏光成分での照明により、σ値が
０．７５から０．５の範囲の２分の１の照射エネルギー
密度でレンズが照明されているものとする。

【００５３】図５（ｃ）は、第３の計算例による上昇後
の温度分布Ｔ（ｒ）を示し、この図５（ｃ）において、
実線の曲線３１Ｃに示すように、上昇後の温度分布Ｔ
（ｒ）は原点、即ち光軸ＡＸに最大値ＴＣを有し、光軸
ＡＸに関して軸対称な山型の変化を示す。また、照射エ
ネルギー密度分布Ｐ（ｒ）は階段状に変化する点線３２
Ｃに示すように、変数ｒがｅ〜ｄの間で一定の値Ｐ２と
なり、変数ｒが０〜ｅの間では一定の値Ｐ３（＝（１／
２）・Ｐ２）となっている。また、光軸ＡＸでの温度分
布Ｔ₀ 、及び温度分布Ｔ（ｒ）を（数５）によりベキ級
数に展開したときの係数Ｃ₂ 〜Ｃ₁₀を表３に示す。

【００５４】

【表３】

【００５５】なお、第１及び第２の計算例においては、
全照射エネルギー量を１Ｗとし、第３の計算例において
は、σ値が０．７５から０．５の範囲内における照射エ
ネルギー量を１Ｗとしている。この第３の計算例におい
ては、σ値が０．５〜０．０の範囲における照射エネル
ギー量を加えると、全照射エネルギー量は１Ｗを超え
る。これは、第１〜第３の計算例におけるウエハ１３上
のフォトレジストに対する感光性の照明光の照射エネル
ギー量を等しくして、露光時間（スループット）が等し
くなるように設定したものである。

【００５６】第１の計算例に示す一様照明方式と、第２
の計算例に示す輪帯照明方式又は瞳フィルター方式（輪
帯照明方式等）とを比較した場合、表１及び表２で示す
ように、輪帯照明方式等の方が一様照明方式に比較し
て、光軸ＡＸにおける温度が低い。それにもかかわら
ず、例えばベキ級数の係数Ｃ₄ を比較すると、一様照明
方式の場合の係数Ｃ₄ の値が、４．４０００×１０^-8に
対して、輪帯照明方式等の場合の係数Ｃ₄ は、２．７３
２８×１０^-7と、輪帯照明方式等の方が大きくなってい
る。即ち、一様照明方式と輪帯照明方式等とを比較する
と、係数Ｃ₂ 以外のベキ級数の係数の絶対値は全て輪帯
照明方式等の方が大きくなっている。熱変形や屈折率変
化は上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）に比例するので、収差変
動も上昇後の温度分布Ｔ（ｒ）に比例する。係数Ｃ₂ よ
り高次のベキ級数の係数が全て輪帯照明方式等の方が大
きいということは、輪帯照明方式等の方が高次の収差変
動が大きいことを意味する。

【００５７】ここで、図１及び図４に示す実施の形態の
露光方法を「部分偏光板方式」とすれば、この部分偏光
板方式により光軸近傍にも直線偏光成分を照射すると、
第３の計算例に示すように、全照射量が一様照明方式や
輪帯照明方式等よりも多いのにもかかわらず、表３及び
表２に示すように、係数Ｃ₄ の値（＝１．７６２４×１
０^-7）は、輪帯照明方式等での係数Ｃ₄ の値（＝２．７
３２８×１０^-7）よりも小さくなっている。更に、係数
Ｃ₆,Ｃ₈,Ｃ₁₀の絶対値を比較すると、何れの係数におい
ても部分偏光板方式の方が輪帯照明方式等よりも小さく
なっている。これは、部分偏光板方式により高次の収差
変動が小さくなることを意味する。

【００５８】また、第３の計算例においては、σ値が０
〜０．５の間における照射エネルギー密度を、σ値が
０．５〜０．７５の間における密度分布の１／２とし
た。これに対して、σ値が０〜０．７５の範囲において
全て一様な照射エネルギー分布により照射されるよう
に、例えば前述のようにＮＤフィルターを使用するか、
又は図３（ｂ）及び図３（ｃ）のように変形照明法を用
いて極在化した部分のみランダム偏光光を透過させ、そ
れ以外の部分で直線偏光成分を通過させる場合の温度分
布Ｔ（ｒ）について計算し、図５（ｂ）の輪帯照明方式
等の場合と比較してみる。この場合、図３（ｂ）及び
（ｃ）の極在化した部分を透過するランダム偏光光の全
照射量を１Ｗとする。

【００５９】この場合のレンズに照射される全照射量Ｔ
Ｐ（Ｗ）は次式により求められる。ＴＰ＝１Ｗ・０．７５² ／（０．７５² −０．５² ）＝
１．８Ｗ従って、図５（ｃ）のような部分偏光板方式において、
σ値が０．５以内の範囲もその周囲の領域と等しい照射
エネルギー密度で照射する場合には、図５（ａ）の一様
照明方式において、照射エネルギー密度を１．８倍した
状態と等価である。従って、ベキ級数の係数も全て表１
の値を１．８倍したものとなるため、係数Ｃ₄,Ｃ₆,Ｃ₈,
Ｃ₁₀はそれぞれ、７．９２００×１０^-8，−１．７８２
１×１０ ^-10 ，１．４９３７×１０^-13 ，−３．７３４
１×１０^-17 となる。これらの係数の値を表２のそれぞ
れの係数と比較した場合、光軸ＡＸ近傍の上昇後の温度
分布Ｔ₀ が輪帯照明方式等の場合よりもかなり大きいに
もかかわらず、係数Ｃ₄ 〜Ｃ₁₀までの係数は輪帯照明方
式等の場合より全て小さくなっている。即ち、部分偏光
板方式でσ値が０〜０．７５の範囲内において、平坦な
照射エネルギー密度Ｐ２で照射した場合でも、輪帯照明
方式等の場合より高次の収差変動が少ないことを意味し
ている。

【００６０】なお、本発明はステッパー型の投影露光装
置に限らず、レチクルのパターンの一部を投影光学系を
介してウエハ上に投影した状態で、レチクルとウエハと
を投影光学系に対して同期走査してレチクルのパターン
を順次ウエハ上の各ショット領域に転写露光するステッ
プ・アンド・スキャン方式等の走査露光型の投影露光装
置にも同様に適用できる。

【００６１】このように、本発明は上述の実施の形態に
限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構
成を取り得る。

【００６２】

【発明の効果】本発明の投影露光装置によれば、マスク
から傾斜して射出される光束又はマスクに対して傾斜し
て入射する光束以外の光束を第１偏光部材により所定方
向に偏光した後、その偏光した光束を第２偏光部材によ
り遮光するため、感光基板上に結像する光束はマスクか
ら傾斜して射出される光束、又はマスクに対して傾斜し
て入射する光束だけとなり、中心遮光型の瞳フィルター
を用いる方式、又は輪帯照明や変形照明を用いる場合と
ほぼ等価の高い解像度が得られる利点がある。また、第
１偏光部材と第２偏光部材との間を、有効な結像光束と
第１偏光部材により所定方向に偏光された光束とが通過
する。従って、第１偏光部材と第２偏光部材との間に配
置された投影光学系の瞳面近傍におけるレンズの照度分
布がほぼ均一になり、投影光学系内のレンズの高次の熱
変形や屈折率の変化が抑えられ、結果的に投影光学系の
高次の球面収差変動が抑えられる利点がある。

【００６３】また、第１偏光部材が、光軸の周りの輪帯
状領域の内側の領域、又は光軸から偏心した複数の領域
を除く領域を通過する露光光の偏光方向を所定方向に設
定する場合には、有効な結像光束は光軸の周りの輪帯状
の領域、又は光軸から偏心した複数の領域を通過し、第
２偏光部材を通過して感光基板上に結像する。一方、有
効な結像光束以外の光束は、第２偏光部材により遮光さ
れ、感光基板上に結像しない。従って、その第１偏光部
材が投影光学系の瞳面と共役な面上にあるときには、輪
帯照明や変形照明を行った場合と等価になる。一方、そ
の第１偏光部材がその瞳面上にあり、光軸の周りの輪帯
状領域の内側の領域で直線偏光光を通過させるときに
は、中心遮光型の瞳フィルターを使用する場合と等価に
なる。

【００６４】また、第１偏光部材と、第２偏光部材とを
一定の相対角度関係を保ってそれぞれ回転する駆動手段
を設ける場合には、第１及び第２偏光部材を露光中に回
転させることによって、感光基板に結像したパターンの
像の線幅がパターンの周期方向により変化する線幅異常
の発生が抑えられる利点がある。

【００６５】また、第２偏光部材と感光基板との間に、
第２偏光部材を通過した露光光を円偏光に変換する第３
偏光部材を設ける場合には、第１及び第２偏光部材を回
転する駆動手段を設けることなく、パターンの周期方向
による線幅異常が抑えられる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投影露光装置の実施の形態の一例を示
す一部を切り欠いた斜視図である。

【図２】図１の照明光学系に設けられた各種の開口絞り
を示す平面図である。

【図３】（ａ）は図１の部分偏光板１０を示す平面図、
（ｂ）は変形照明用の部分偏光板１０Ａを示す平面図、
（ｃ）は部分偏光板の他の例を示す平面図である。

【図４】本発明の投影露光装置の実施の形態の他の例の
要部を示す斜視図である。

【図５】本発明の実施の形態において、照射エネルギー
による温度分布の計算例を説明するための図である。

【符号の説明】

１光源４フライアイレンズ６Ａ〜６Ｃ開口絞り１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ部分偏光板１２レチクル１３投影光学系１３Ａ上部レンズ系１３Ｂ下部レンズ系ＰＳ１瞳面ＰＳ２照明系瞳面１４偏光板１５ウエハ１６ウエハステージ１７１／４波長板２１，２３回転駆動体２２回転角制御系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】露光光のもとでマスク上のパターンの像
を感光基板上に投影する投影光学系を有し、前記露光光の内で前記マスクから傾斜して射出される光
束、又は前記マスクに対して傾斜して入射する光束を有
効な結像光束として使用する投影露光装置であって、前記投影光学系の瞳面と共役な面上で実質的に光軸を中
心とする円形の領域に一様に分布する光源からの前記露
光光を用いて前記マスクを照明する照明光学系と、前記投影光学系の瞳面、又は該瞳面と共役な面上で、前
記有効な結像光束が通過する領域以外の領域を通過する
前記露光光の偏光方向を所定方向に設定する第１偏光部
材と、前記投影光学系と前記感光基板との間に配置され前記投
影光学系を通過した前記露光光の内で前記所定方向に偏
光する光束を遮光する第２偏光部材と、を設けたことを
特徴とする投影露光装置。
【請求項２】請求項１記載の投影露光装置であって、前記第１偏光部材は、前記光軸の周りの輪帯状領域の内
側の領域、又は前記光軸から偏心した複数の領域を除く
領域を通過する前記露光光の偏光方向を前記所定方向に
設定することを特徴とする投影露光装置。
【請求項３】請求項１、又は２記載の投影露光装置で
あって、前記第１偏光部材と、前記第２偏光部材とを一定の相対
角度関係を保ってそれぞれ回転する駆動手段を設けたこ
とを特徴とする投影露光装置。
【請求項４】請求項１、又は２記載の投影露光装置で
あって、前記第２偏光部材と前記感光基板との間に、前記第２偏
光部材を通過した前記露光光を円偏光に変換する第３偏
光部材を設けたことを特徴とする投影露光装置。