JPH0757993A

JPH0757993A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH0757993A
Application number: JP5201650A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-08-13
Filing date: 1993-08-13
Publication date: 1995-03-03
Also published as: US5467166A

Abstract

(57)【要約】【目的】比較的接近した複数の孤立パターンに対して
も転写忠実度を損なうことなく深い焦点深度で投影露光
を行う。【構成】投影光学系の瞳面（フーリエ変換面）又はこ
の近傍の面上の、中央の円形の透過部ＦＡの結像光と周
辺の輪帯状の透過部ＦＢの結像光との間の可干渉性を低
減する干渉性低減部材ＣＣＭと、中央の透過部ＦＡを通
る光束の合焦位置と、周辺の透過部ＦＢを通る光束の合
焦位置とを、投影光学系の光軸方向に異ならしめる二重
焦点化部材ＤＦＭとを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体集積回
路、又は液晶ディスプレイ等の微細パターンを形成する
際に用いられる投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の投影型露光装置に使われている
投影光学系は、硝材の超精密加工、及び精密な組立て調
整工程を経て装置内に組み込まれる。現在、半導体集積
回路等の製造工程では、水銀ランプのｉ線（波長３６５
ｎｍ）を照明光としてレチクル（マスク）を照明し、そ
のレチクル上の回路パターンの透過光を投影光学系を介
して感光基板（フォトレジストが塗布されたウエハ等）
上に結像するステッパーが主に使われている。また、評
価用、あるいは研究用としてエキシマレーザ光（波長２
４８ｎｍのＫｒＦレーザ等）を照明光とする所謂エキシ
マステッパーも使われている。エキシマステッパー用の
投影光学系は、屈折レンズのみで構成した場合、使用で
きる硝材が石英や蛍石等に限定される。

【０００３】一般に、投影光学系を用いた露光によって
微細なレチクルパターンを感光基板へ忠実に転写するた
めには、投影光学系の解像力と焦点深度（ＤＯＦ：デプ
スオブフォーカス）とが重要なファクタとなっている。
現在実用化されている投影光学系のうち、ｉ線用のもの
で開口数（ＮＡ）として０．６程度のものが得られてい
る。使用する照明光の波長が同じであるとき、投影光学
系の開口数を大きくすると、それに応じて解像力も向上
する。しかしながら焦点深度（ＤＯＦ）は開口数ＮＡの
増大に伴って減少する。焦点深度は照明光の波長をλと
したとき、ＤＯＦ＝±λ／ＮＡ²によって定義される。

【０００４】図１は従来の投影光学系の結像光路を模式
的に表したものであり、投影光学系は前群のレンズ系Ｇ
Ａと後群のレンズ系ＧＢとによって構成される。この種
の投影光学系はレチクルＲ側とウエハＷ側との両方をテ
レセントリックにしたもの、あるいはウエハＷ側のみを
テレセントリックにしたものが一般的である。さて、図
１においてレチクルＲのパターン面（投影光学系の物体
面）上に任意の３つの点Ａ、Ｂ、Ｃを想定する。点Ａか
ら様々の方向に進む光線Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、Ｌａ、Ｌ
ａ’、Ｌａ”のうち、光線Ｌ₁は投影光学系のレンズ系
ＧＡに入射できないような角度で発生する。また、前群
のレンズ系ＧＡに入射した光線のうち、光線Ｌ₂、Ｌ₃
は投影光学系内のフーリエ変換面ＦＴＰに位置する瞳ｅ
ｐを通過することができない。一方、他の光線Ｌａ、Ｌ
ａ’、Ｌａ”は瞳ｅｐを通過して後群のレンズ系ＧＢに
入射し、ウエハＷの表面（投影光学系の像面）上の点
Ａ’に収斂する。従って、レチクルＲ上の点Ａから発生
した光線のうち、投影光学系の瞳ｅｐ（光軸ＡＸを中心
とする円形領域）を通過した光線が点Ａ’に点像を結像
するのに寄与する。ここで点Ａから点Ａ’に向う光線の
うち瞳ｅｐの中心点ＣＣ（光軸ＡＸ上の位置）を通る光
線Ｌａを主光線と呼び、この主光線Ｌａは両側がテレセ
ントリックな投影光学系の場合、物体面側、像面側の夫
々の空間で光軸ＡＸと平行になっている。

【０００５】また、レチクルＲ上の他の点Ｂ、Ｃの夫々
から発生した光線についても全く同じであり、瞳ｅｐを
通過する光線のみが点像Ｂ’、Ｃ’の結像に寄与する。
同様に点Ｂ、Ｃの夫々から光軸ＡＸと平行に進んでレン
ズ系ＧＡに入射する光線Ｌｂ、Ｌｃは、何れも瞳ｅｐの
中心点ＣＣを通る主光線となる。このように瞳ｅｐはレ
チクルＲのパターン面とウエハＷの表面との夫々に対し
てフーリエ変換、及び逆フーリエ変換の関係にあり、レ
チクルＲ上のパターンからの光線のうち結像に寄与する
光線は全て瞳ｅｐを重畳して通ることになる。

【０００６】このような投影光学系の開口数は一般にウ
エハ側の値として表されている。図１において、点像
Ａ’の結像に寄与する光線のうち、瞳ｅｐ内の最外部を
通る光線Ｌａ’、Ｌａ”がウエハＷ上で主光線Ｌａと成
す角度θｗが、この投影光学系のウエハ（像面）側での
開口数ＮＡｗに相当し、ＮＡｗ＝ｓｉｎθｗで表され
る。従って光線Ｌａ’、Ｌａ”がレチクルＲ側で主光線
Ｌａと成す角度θｒは、レチクル（物体面）側での開口
数ＮＡｒに相当し、ＮＡｒ＝ｓｉｎθｒで表される。更
に、投影光学系の結像倍率を１／Ｍ（１／５縮小の場合
はＭ＝５）とすると、Ｍ・ＮＡｒ＝ＮＡｗの関係にあ
る。

【０００７】ところで解像力を高めるためには、開口数
ＮＡｗ（ＮＡｒ）を大きくする訳であるが、このことは
換言すれば瞳ｅｐの径を大きくすること、更にレンズ系
ＧＡ、ＧＢの有効径を大きくすることに他ならない。と
ころが、焦点深度ＤＯＦの方は開口数ＮＡｗの２乗に反
比例して減少してしまうため、たとえ高開口数の投影光
学系が製造できたとしても、必要な焦点深度が得られな
いことになり、実用上の大きな障害となる。

【０００８】照明光の波長をｉ線の３６５ｎｍとし、開
口数ＮＡｗを０．６とすると、焦点深度ＤＯＦは幅で約
１μｍ（±０．５μｍ）になってしまい、ウエハＷ上の
１つのショット領域（２０ｍｍ角〜３０ｍｍ角程度）内
で表面の凹凸や湾曲がＤＯＦ以上の部分については解像
不良を起こすことになる。またステッパーのシステム上
でも、ウエハＷのショット領域毎のフォーカス合わせ、
レベリング等を格段に高精度に行う必要が生じ、機械
系、電気系、ソフトウェアの負担（計測分解能、サーボ
制御精度、設定時間等の向上努力）が増大することにな
る。

【０００９】そこで本件出願人は、このような投影光学
系の諸問題を解決し、しかも特公昭６２−５０８１１号
公報に開示されているような位相シフトレチクルを使わ
なくとも、高い解像力と大きな焦点深度との両方を得る
ことができる新たな投影露光技術を、特開平４−１０１
１４８号公報、特開平４−２２５３５８号公報等で提案
した。この露光技術は、投影光学系は既存のままで、レ
チクルへの照明方法を特殊な形態に制御することで解像
力と焦点深度とを増大させるものであり、ＳＨＲＩＮＣ
(Super High Resolution by IllumiNation Control) 法
と呼んでいる。このＳＨＲＩＮＣ法は、レチクルＲ上の
ライン・アンド・スペースパターン（Ｌ＆Ｓパターン）
のピッチ方向に対称的に傾斜した２つの照明光（又は４
つの照明光）をレチクルへ照射し、Ｌ＆Ｓパターンから
発生する０次回折光成分と±１次回折光成分の一方と
を、投影光学系の瞳ｅｐ内で中心点ＣＣに関して対称的
に通し、２光束干渉（一方の１次回折光と０次回折光と
の干渉）の原理を利用して、Ｌ＆Ｓパターンの投影像
（干渉縞）を生成するものである。

【００１０】このように２光束干渉を利用した結像によ
ると、デフォーカス時の波面収差の発生が従来の方法
（通常の垂直照明）の場合よりも抑制されるため、焦点
深度が大きくなるのである。ところが、このＳＨＲＩＮ
Ｃ法はレチクルＲ上に形成されるパターンがＬ＆Ｓパタ
ーン（格子）のように、周期構造を持つときに所期の効
果が得られるのであり、コンタクトホール等の孤立した
パターンに対してはその効果が得られない。一般に、孤
立した微小パターンの場合、そこからの回折光は回折角
についてほとんど一様なフラウンホーファ回折として発
生し、投影光学系の瞳ｅｐ内では０次回折光と高次回折
光とに明確に分離せずに、ほぼ一様に分布する。

【００１１】そこでコンタクトホール等の孤立パターン
に対して見かけ上の焦点深度を拡大させる露光方法とし
て、ウエハＷの１つのショット領域に対する露光を複数
回に分け、各露光の間にウエハＷを光軸方向に一定量だ
け移動させる方法が、例えば特開昭６３−４２１２２号
公報で提案された。この露光方法はＦＬＥＸ(Focus Lat
itude enhancement EXposure) 法と呼ばれ、コンタクト
ホール等の孤立パターンに対しては十分な焦点深度拡大
効果を得ることが出来る。但し、ＦＬＥＸ法は、僅かに
デフォーカスしたコンタクトホール像を多重露光するこ
とを必須とするため、現像後に得られるレジスト像は必
然的に鮮鋭度が低下したものとなる。この鮮鋭度低下
（プロファイル悪化）の問題は、ガンマ値が高いレジス
トを用いたり、多層レジストを用いたり、あるいはＣＥ
Ｌ(Contrast Enhancement Layer)を用いたりすることで
補うことができる。

【００１２】また、ＦＬＥＸ法のように露光動作中にウ
エハＷを光軸方向に移動させなくても、コンタクトホー
ルパターンの投影時の焦点深度を拡大する試みとして、
１９９１年春季応用物理学会の予稿集２９ａ−ＺＣ−
８，９で発表されたＳｕｐｅｒ−ＦＬＥＸ法も知られて
いる。このＳｕｐｅｒ−ＦＬＥＸ法は、投影光学系の瞳
ｅｐに透明な位相板（位相差は、π［ｒａｄ］）を設
け、この位相板によって結像光に与えられる複素振幅透
過率が光軸ＡＸから周辺に向かって順次変化するような
特性を持たせたものである。このようにすると、投影光
学系によって結像された像はベストフォーカス面（レチ
クルＲと共役な面）を中心に光軸方向に一定の幅（従来
よりは広い）でシャープさを保つことになり、焦点深度
が増大するのである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上で述べた各種従来
技術のうち、ＦＬＥＸ法、及びＳｕｐｅｒ−ＦＬＥＸ法
では、孤立的なコンタクトホールパターンに対して十分
な焦点深度の増大効果を得ることができる。しかしなが
ら、ある程度接近した複数のコンタクトホールパターン
では、コンタクトホール間のフォトレジストに不要な膜
減りを生じさせてしまい、事実上使用することが困難に
なることが分かった。

【００１４】また、露光作業中にウエハを光軸方向に連
続的に移動又は振動する方式のＦＬＥＸ法では走査露光
方式の露光装置への適用が難しく、更に、露光を第１の
露光と第２の露光とに分割し、各露光動作の間の非露光
期間中にウエハを光軸方向に一定量だけ移動させておく
方式では、処理能力の低下が大きく、スループットが著
しく低下するという不都合がある。

【００１５】本発明は斯かる点に鑑み、コンタクトホー
ルパターン等の孤立したパターンの投影露光の際に、焦
点深度を拡大した投影露光装置を提供することを目的と
し、特に比較的接近した複数の孤立パターンに対しても
転写忠実度を損なうことなく焦点深度拡大効果が得られ
る投影露光装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【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、例えば図２、図４、及び図１０に示すように、転
写用のパターンが形成されたマスク（Ｒ）を露光用の照
明光で照射する照明手段（１〜１４）と、その照明光の
もとでマスク（Ｒ）のパターンの像を感光性の基板
（Ｗ）上に結像投影する投影光学系（ＰＬ）とを備えた
投影露光装置において、投影光学系（ＰＬ）内のマスク
（Ｒ）のパターン形成面及び基板（Ｗ）の露光面の双方
に対する光学的フーリエ変換面（ＦＴＰ）、又はその近
傍の結像光の通過面上の、投影光学系（ＰＬ）の光軸
（ＡＸ）を中心とする所定半径の円形領域及び光軸（Ａ
Ｘ）を中心とする所定幅の輪帯領域の内の少なくとも一
方の領域よりなる第１の領域（ＦＡ）に分布する結像光
（ＬＦａ）と、その結像光の通過面上で第１の領域（Ｆ
Ａ）以外の第２の領域（ＦＢ）に分布する結像光（ＬＦ
ｂ）との間の可干渉性を低減する干渉性低減部材（ＣＣ
Ｍ）と、第１の領域（ＦＡ）を通る光束（ＬＦａ）の合
焦位置と、第２の領域（ＦＢ）を通る光束（ＬＦｂ）の
合焦位置とを、投影光学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）方向
に異ならしめる二重焦点化部材（ＤＦＭ）とを設けたも
のである。

【００１７】この場合、その二重焦点化部材の一例は、
例えば図１０（Ａ）に示すように、第１の領域（ＦＡ）
の焦点距離と第２の領域（ＦＢ）の焦点距離とが異なる
光学部材である。また、その二重焦点化部材の他の例
は、例えば図１１（Ａ）に示すように、第１の領域（Ｆ
Ａ）中のその投影光学系の光軸を中心とする軸対称の部
分領域を通過する照明光の位相を、第１の領域（ＦＡ）
中のその部分領域以外の領域を通過する照明光の位相に
対してπ／２［ｒａｄ］程度異ならしめる位相差部材で
ある。

【００１８】同様にその二重焦点化部材は、第２の領域
（ＦＢ）中のその投影光学系の光軸を中心とする軸対称
の部分領域を通過する照明光の位相を、第２の領域（Ｆ
Ｂ）中のその部分領域以外の領域を通過する照明光の位
相に対してπ／２［ｒａｄ］程度異ならしめる位相差部
材であってもよい。また、その干渉性低減部材の一例
は、第１の領域（ＦＡ）を透過する照明光の偏光状態
と、第２の領域（ＦＢ）を透過する照明光の偏光状態と
を互いに干渉しない状態に設定する偏光状態可変部材で
ある。

【００１９】また、その干渉性低減部材の他の例は、第
１の領域（ＦＡ）を透過する照明光と、第２の領域（Ｆ
Ｂ）を透過する照明光との間にその照明光の波長範囲よ
り定まる可干渉距離以上の光路差を与える光路差部材で
ある。また、本発明においては、第１の領域（ＦＡ）を
通過する光束の合焦位置と、第２の領域（ＦＢ）を通過
する光束の合焦位置との投影光学系（ＰＬ）の光軸（Ａ
Ｘ）方向のずれ量をΔＦ₁₂、投影光学系（ＰＬ）の開口
数をＮＡ、その照明光の中心波長をλとして、そのずれ
量ΔＦ₁₂について次の条件を満たすことが望ましい。

【００２０】 1.6・λ／ＮＡ²≦ΔＦ₁₂≦3.2・λ／ＮＡ² （１）

【００２１】

【作用】斯かる本発明においては、マスク（以下、レチ
クルとする）のパターン面に対して、光学的にフーリエ
変換の関係となる投影光学系内の面（以下、「瞳面」と
略称する）、又はその近傍の面に干渉性低減部材を設
け、その瞳面内で円形又は輪帯状に分布する結像光の一
部と、それ以外の部分に分布する結像光とを互いに干渉
し合わない状態とする。この結果、レチクルパターン中
の、特にコンタクトホールパターンを透過、回折した露
光光束（結像光）は瞳面内で干渉し合わない２つの光束
に空間的に分割され、被露光体である基板（以下、ウエ
ハとする）に到達する。ウエハ上でも２つの光束は干渉
し合わない（インコヒーレントである）ために、それぞ
れの光束が作り出す像（コンタクトホールの像）の光量
上での強度合成像が得られる。従来の露光方式ではレチ
クル上の微小コンタクトホールパターンを透過、回折し
た光束は投影光学系を経てウエハ面に達すると、ここで
全て振幅的に合成（コヒーレント加算）されてレチクル
パターンの像（光学像）を形成していた。従来のＳｕｐ
ｅｒ−ＦＬＥＸ法においても、瞳面に分布する結像光を
部分的に位相シフトさせているだけなので、コヒーレン
ト加算であることに変わりはない。

【００２２】さて、投影光学系の瞳面に位相シフト板等
がないものとすると、ベストフォーカス（合焦状態）で
は、レチクル上の任意の１点からウエハ上の対応する像
点までの光路長は投影光学系中のどの光線路を通るかに
拘らず全て等しく（フェルマーの原理）、従ってウエハ
上の振幅合成は位相差のない光の合成となり、全てコン
タクトホールパターンの像の強度を増大する方向に作用
する。

【００２３】ところがウエハがデフォーカスすると、上
記の光路長は投影光学系内の光線路によって異なった長
さとなる。この結果、上記の振幅合成は光路差（位相
差）を有する光の加算となり、一部で相殺効果が生じ、
コンタクトホールパターンの中心強度を弱めることにな
る。このとき生じる光路差は、ウエハ上の１つの像点に
入射する任意の光線の入射角をθとし、且つウエハに垂
直に入射する光線（主光線）の光路長を基準（＝０）と
すると、ほぼ（１／２）（ΔＦ・ｓｉｎ²θ）と表され
る。ここで、ΔＦはデフォーカス量を表す。ｓｉｎθの
最大値は投影光学系のウエハ側の開口数ＮＡｗであるか
ら、従来の如く微小コンタクトホールパターンからの回
折光のうち瞳ｅｐを通過した全ての光がウエハ上で振幅
合成される場合、最大で（１／２）（ΔＦ・ＮＡｗ²)の
光路差を生じてしまうことになる。このとき焦点深度と
してλ／４の光路差まで許容すると仮定すれば、以下の
関係が成り立つ。

【００２４】（１／２）（ΔＦ・ＮＡｗ²)＝λ／４（２）この式を纏め直すと、ΔＦ＝λ／（２ＮＡｗ²)となって
一般に言われる焦点深度幅と一致する。例えば露光用照
明光の波長λとして現在使われているｉ線（波長０．３
６５μｍ）を前提とし、開口数ＮＡｗとして０．５０を
想定すると、焦点深度である±ΔＦ／２は±０．７３μ
ｍとなり、ウエハ上のプロセス段差１μｍ程度に対して
ほとんど余裕のない値となっている。

【００２５】一方、本発明では図２に示すように、投影
光学系の瞳面（フーリエ変換面ＦＴＰ）に干渉性低減部
材ＣＣＭ、及び二重焦点化部材ＤＦＭを設ける。このと
き、レチクルＲのパターン面に形成された孤立パターン
Ｐｒで回折した結像光束（主光線はＬＬｐ）は、投影光
学系ＰＬの前群レンズ系ＧＡに入射した後、フーリエ変
換面ＦＴＰに達する。そしてフーリエ変換面ＦＴＰにお
いて、瞳内の中心部の円形状の透過部ＦＡと輪帯状の透
過部ＦＢとの夫々を透過する光束が互いに干渉し合わな
い状態に制御（変換）される。このためウエハＷ上で
は、干渉性低減部材ＣＣＭの円形状の透過部ＦＡを透過
した光束ＬＦａと周辺の透過部ＦＢを通過した光束ＬＦ
ｂとは干渉を起こさない。その結果、円形の透過部ＦＡ
からの光束ＬＦａと周辺の透過部ＦＢからの光束ＬＦｂ
とはそれぞれ独立して自分自身のみで干渉し合い、それ
ぞれコンタクトホールパターンの像（強度分布）Ｐｒ’
を形成する。即ち、光束ＬＦａのみの干渉によってウエ
ハＷ上に生成される像と、光束ＬＦｂのみの干渉によっ
て生成される像とを、単純に強度的に加算したものが、
本発明によって得られるコンタクトホール等の孤立パタ
ーンの像Ｐｒ’となる。

【００２６】更に本発明においては、図１０（Ａ）に示
すように、干渉性低減部材ＣＣＭと共に二重焦点化部材
ＤＦＭが設けられているため、図２において、光束ＬＦ
ａの作る像の合焦位置（ベストフォーカス面）と、光束
ＬＦｂの作る像の合焦位置とが、ウエハ近傍で光軸方向
にずれて、従来のＦＬＥＸ法と同様な焦点深度の拡大効
果が得られる。その上に本発明では、光束ＬＦａ及びＬ
Ｆｂの各々が作る像自体の焦点深度が増大する効果もあ
る。

【００２７】そこで、本発明における結像原理を、更に
図３を参照して説明する。図３は干渉性低減部材ＣＣＭ
の構造と、コンタクトホールの像Ｐｒ’を生成する結像
光束の様子と、デフォーカス時の各光束の光路差ΔＺと
の各関係を模式的に示したものである。図３（Ａ）の如
く中心部を通る光束ＬＦａ内での振幅合成では、光束Ｌ
Ｆａが垂直入射光（主光線ＬＬｐ）から入射角度θ₁ま
での角度範囲を含むため、デフォーカス量がΔＦのとき
の光路差の最大値ΔＺ₁は次のようになる。

【００２８】 ΔＺ₁＝（１／２）（ΔＦ・ｓｉｎ²θ₁) （３）なお、図３の最下段のグラフの横軸は入射角の正弦を表
し、ｓｉｎθ₁＝ＮＡ ₁とする。一方、図３（Ｂ）の如
く周辺部を通る光束ＬＦｂ内での振幅合成では、光束Ｌ
Ｆｂが入射角度θ₁から開口数ＮＡｗ（ｓｉｎθｗ）ま
での入射角度範囲を有するので、デフォーカス量がΔＦ
のときの最大光路長差ΔＺ₂は、次のようになる。

【００２９】 ΔＺ₂＝(1/2)(ΔＦ)(ＮＡｗ²−ｓｉｎ²θ₁) （４）第１の光束ＬＦａと第２の光束ＬＦｂは互いには干渉し
合わないので、光束ＬＦａのみの干渉による像Ｐｒ'
₁と、光束ＬＦｂのみの干渉による像Ｐｒ'₂の劣化は、
各光束内での光路長差ΔＺ₁、ΔＺ₂のみに起因する。
例えば、ｓｉｎ²θ₁＝（１／２）（ＮＡｗ²)であるよ
うにｓｉｎθ₁を設定する、即ち、２ｓｉｎ²θ₁＝ＮＡｗ² の関係をほぼ満たすように第１の透過部ＦＡの半径を設
定すると、第１の光束ＬＦａによる最大光路差ΔＺ
₁と、第２の光束ＬＦｂによる最大光路差ΔＺ₂はそれ
ぞれ以下のようになる。

【００３０】 ΔＺ₁＝(1/2)(ΔＦ・ｓｉｎ²θ₁)＝(1/4)(ΔＦ・ＮＡｗ²) （５Ａ）、 ΔＺ₂＝(1/2)(ΔＦ)(ＮＡｗ²−ｓｉｎ²θ₁)＝(1/4)(ΔＦ・ＮＡｗ²) （５Ｂ）このように、２つのインコヒーレントな光束ＬＦａ、Ｌ
Ｆｂの夫々は、何れもΔＦのデフォーカス時にほぼ同一
の最大光路差、(1/4)(ΔＦ・ＮＡｗ²)を持つことにな
り、この値は従来の場合の半分である。換言すると、従
来の２倍のデフォーカス量（２ΔＦ）でも、従来の投影
方式でのデフォーカス量ΔＦのときと同じ最大光路長差
で済むこととなり、その結果、孤立パターンＰｒの結像
時の焦点深度は役２倍に増大することになる。このよう
に投影光学系ＰＬの瞳面ＦＴＰにおいて、結像光束を互
いに干渉しない複数の光束に変換する手法を、以下、Ｓ
ＦＩＮＣＳ(Spatial Filter for INCoherent Stream)法
と呼ぶことにする。

【００３１】以上の様に、ＳＦＩＮＣＳ法によって特に
コンタクトホールパターンの像の焦点深度は増大し、こ
れは投影光学系中の瞳面に配した干渉性低減部材による
ものである。更に本発明では、同じく瞳面又はその近傍
に配置した二重焦点化部材により、ＳＦＩＮＣＳ法によ
りそれぞれ焦点深度の拡大された２つのインコヒーレン
トな像を、従来のＦＬＥＸ法と同様に、フォーカス方向
に（光軸方向に）ずらして足し合わせることができるた
め、より一層大きな焦点深度の拡大効果が得られる。

【００３２】また、第１の領域（ＦＡ）を通過する光束
の合焦位置と、第２の領域（ＦＢ）を通過する光束の合
焦位置との投影光学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）方向のず
れ量ΔＦ₁₂について（１）式の条件を満たす場合には、
焦点深度の拡大効果が特に大きい。

【００３３】

【実施例】以下、本発明による投影露光装置の実施例に
つき図面を参照して説明する。図４は本実施例の投影露
光装置の全体的な構成を示し、この図４において、水銀
ランプ１から放射された高輝度光は楕円鏡２によって第
２焦点に収斂した後、発散光となってコリメータレンズ
４に入射する。その第２焦点の位置にはロータリーシャ
ッター３が配置され、このロータリーシャッター３によ
り照明光の通過、遮断を制御する。コリメータレンズ４
によってほぼ平行光束に変換された照明光は、干渉フィ
ルター５に入射し、ここで露光に必要とされる所望のス
ペクトル、例えばｉ線のみが抽出される。干渉フィルタ
ー５を射出した照明光（ｉ線）は、偏光方向を揃えるた
めの偏光制御部材６を通った後、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７に入射する。偏光制
御部材６は、投影光学系ＰＬ内の干渉性低減部材ＣＣＭ
の構成と光源の性質によっては省略してもよく、そのこ
とについては後述する。

【００３４】さて、フライアイレンズ７に入射した照明
光（ほぼ平行光束）は、フライアイレンズ７の複数のレ
ンズエレメントによって分割され、各レンズエレメント
の夫々の射出側には２次光源像（水銀ランプ１の発光点
の像）が形成される。従ってフライアイレンズ７の射出
側にはレンズエレメントの数と同じ数の点光源像が分布
し、面光源像が作られる。フライアイレンズ７の射出側
には、面光源像の大きさを調整するための可変絞り８を
設ける。この絞り８を通った照明光（発散光）はミラー
９で反射され、集光レンズ系１０に入射した後、レチク
ルブラインド１１の矩形の開口部を均一な照度分布で照
射する。図４では、フライアイレンズ７の射出側に形成
される複数の２次光源像（点光源）のうち、光軸ＡＸ上
に位置する１つの２次光源像からの照明光のみを代表的
に図示してある。また集光レンズ系１０によって、フラ
イアイレンズ７の射出側（２次光源像が形成される面）
はレチクルブラインド１１の矩形開口面に対するフーリ
エ変換面になっている。従って、フライアイレンズ７の
複数の２次光源像の夫々から発散して集光レンズ系１０
に入射した各照明光は、レチクルブラインド１１上で互
いに僅かずつ入射角が異なる平行光束となって重畳され
る。

【００３５】レチクルブラインド１１の矩形開口を通過
した照明光はレンズ系１２、ミラー１３を介してコンデ
ンサーレンズ１４に入射し、コンデンサーレンズ１４を
射出する光が照明光ＩＬＢとなってレチクルＲに達す
る。ここでレチクルブラインド１１の矩形開口面とレチ
クルＲのパターン面とは、レンズ系１２とコンデンサー
レンズ１４との合成系によって互いに共役に配置され、
レチクルブラインド１１の矩形開口の像が、レチクルＲ
のパターン面内に形成された矩形のパターン形成領域を
含むように結像される。図４に示すように、フライアイ
レンズ７の２次光源像のうち光軸ＡＸ上に位置する１つ
の２次光源像からの照明光ＩＬＢは、レチクルＲ上では
光軸ＡＸに対して傾きのない平行光束になっているが、
これは投影光学系ＰＬのレチクル側がテレセントリック
であるからである。勿論、フライアイレンズ７の射出側
には光軸ＡＸ上からずれて位置する多数の２次光源像
（軸外の点光源）が形成されるが、それらからの照明光
は何れもレチクルＲ上では光軸ＡＸに対して傾いた平行
光束となってパターン形成領域内で重畳される。

【００３６】なお、レチクルＲのパターン面とフライア
イレンズ７の射出側面（光源像面）とが、集光レンズ系
１０、レンズ系１２、及びコンデンサーレンズ１４の合
成系によって光学的にフーリエ変換の関係になっている
ことは言うまでもない。また、レチクルＲへの照明光Ｉ
ＬＢの入射角度範囲ψ（図２参照）は絞り８の開口径に
よって変化し、絞り８の開口径を小さくして面光源の実
質的な面積を小さくすると、入射角度範囲ψも小さくな
る。そのため絞り８は、照明光の空間的コヒーレンシィ
を調整することになる。その空間的コヒーレンシィの度
合いを表すファクタとして、照明光ＩＬＢの最大入射角
ψ／２の正弦と投影光学系ＰＬのレチクル側の開口数Ｎ
Ａｒとの比（σ値）が用いられている。このσ値は通
常、σ＝ｓｉｎ（ψ／２）／ＮＡｒで定義され、現在稼
働中のステッパーの多くは、σ＝０．５〜０．７程度の
範囲で使われている。

【００３７】さて、レチクルＲのパターン面にはクロム
層によって所定のレチクルパターンが形成されている
が、ここではクロム層が全面に蒸着され、その内に微小
な矩形開口部（クロム層のない透明部）で形成された複
数のコンタクトホールパターンが存在するものとする。
コンタクトホールパターンはウエハＷ上に投影したと
き、０．５μｍ角（又は径）以下の寸法になるように設
計されていることもあり、投影光学系ＰＬの投影倍率１
／Ｍを考慮してレチクルＲ上での寸法が決められてい
る。また、互いに隣接するコンタクトホールパターン間
の寸法は、通常１つのコンタクトホールパターンの開口
部寸法に対してかなり大きくなっているため、孤立的な
微小パターンとして存在する。即ち、隣接する２つのコ
ンタクトホールパターンは、それぞれから発生した光
（回折、散乱光）が、回折格子のように互いに強く影響
し合うことがない程度に離れていることが多い。ところ
が後で詳しく述べるが、かなり接近した配置でコンタク
トホールパターンを形成したレチクルも存在する。

【００３８】図４において、レチクルＲはレチクルステ
ージＲＳＴに保持され、レチクルＲのコンタクトホール
パターンの光学像（光強度分布）は投影光学系ＰＬを介
してウエハＷの表面のフォトレジスト層に結像される。
ここで、図４中のレチクルＲからウエハＷまでの光路
は、結像光束の主光線のみで示す。そして投影光学系Ｐ
Ｌ内のフーリエ変換面ＦＴＰには、先の図２、図３で説
明した干渉性低減部材ＣＣＭ、及び二重焦点化部材ＤＦ
Ｍを設ける。これら干渉性低減部材ＣＣＭ、及び二重焦
点化部材ＤＦＭは、瞳ｅｐの最大径をカバーする直径を
有し、スライダー機構２０によって光路外へ退出させた
り、光路内に進入させたりすることができる。仮にその
ステッパーが専らコンタクトホールパターンを露光する
ために使われるのであれば、干渉性低減部材ＣＣＭ、及
び二重焦点化部材ＤＦＭは投影光学系ＰＬ内に固定して
おいてもよい。

【００３９】しかしながら、複数台のステッパーによっ
てリソグラフィ工程の露光作業を行う場合、各ステッパ
ーの最も効率的な運用を考えると、特定の一台のステッ
パーをコンタクトホールパターン専用の露光に割り当て
ることは躊躇される。そのため、干渉性低減部材ＣＣ
Ｍ、及び二重焦点化部材ＤＦＭは投影光学系ＰＬの瞳ｅ
ｐに対して挿脱自在に設け、コンタクトホールパターン
以外のレチクルパターンの露光時にも、そのステッパー
が使えるようにしておくことが望ましい。なお、投影光
学系によっては、その瞳位置（フーリエ変換面ＦＴＰ）
に実効的な瞳径を変えるための円形開口絞りを設けるこ
ともある。この場合、その開口絞りと干渉性低減部材Ｃ
ＣＭ、及び二重焦点化部材ＤＦＭとは機械的に干渉しな
いように、且つできるだけ接近して配置される。

【００４０】さて、ウエハＷは、光軸ＡＸと垂直な面内
で２次元移動（以下、「ＸＹ移動」という）すると共
に、光軸ＡＸと平行な方向に微動（以下、「Ｚ移動」と
いう）するウエハステージＷＳＴ上に保持される。ウエ
ハステージＷＳＴのＸＹ移動、及びＺ移動は、ステージ
駆動ユニット２２によって行われ、ＸＹ移動に関しては
レーザ干渉計２３による座標計測値に従って制御され、
Ｚ移動に関してはオートフォーカス用のフォーカスセン
サー２４の検出値に基づいて制御される。ステージ駆動
ユニット２２、スライダー機構２０等は、主制御ユニッ
ト２５からの指令で動作する。この主制御ユニット２５
は、更にシャッタ駆動ユニット２６へ指令を送り、シャ
ッター３の開閉を制御すると共に、開口制御ユニット２
７へ指令を送り、絞り８、又はレチクルブラインド１１
の各開口の大きさを制御する。また主制御ユニット２５
は、レチクルステージＲＳＴへのレチクルの搬送路中に
設けられたバーコードリーダー２８が読み取ったレチク
ル名を入力できるようになっている。従って主制御ユニ
ット２５は、入力したレチクル名に応じてスライダー機
構２０の動作、開口駆動ユニット２７の動作等を統括的
に制御し、絞り８、レチクルブラインド１１の各開口寸
法、干渉性低減部材ＣＣＭ、及び二重焦点化部材ＤＦＭ
の要、不要を、そのレチクルに合わせて自動的に調整す
ることができる。

【００４１】ここで図４中の投影光学系ＰＬの一部分の
構造を、図５を参照して説明する。図５は全て屈折性硝
材で作られた投影光学系ＰＬの部分的な断面を示し、前
群のレンズ系ＧＡの最下部のレンズＧＡ₁と後群のレン
ズ系ＧＢの最上部のレンズＧＢ₁との間の空間中にフー
リエ変換面ＦＴＰが存在する。投影光学系ＰＬは複数枚
のレンズを鏡筒で保持しているが、干渉性低減部材ＣＣ
Ｍ、及び二重焦点化部材ＤＦＭの挿脱のために、鏡筒の
一部に開口部を設ける。また干渉性低減部材ＣＣＭ、二
重焦点化部材ＤＦＭ、及びスライダー機構２０の全部、
又は一部を、外気に直接露出させないようなカバー２０
Ｂを、鏡筒の開口部から延設する。このカバー２０Ｂは
外気に浮遊する微小なダストが投影光学系ＰＬの瞳空間
内に進入するのを防ぐ。スライダー機構２０には、回転
モータ、ペンシリンダー、ソレノイド等のアクチュエー
タ２０Ａが結合されている。更に、鏡筒の一部に瞳空間
に連通する流路Ａｆを設け、パイプ２９を介して温度制
御されたクリーンエアを瞳空間へ供給することで、干渉
性低減部材ＣＣＭ、及び二重焦点化部材ＤＦＭの露光光
の一部吸収による温度上昇、及び瞳空間全体の温度上昇
を抑えるようにする。なお、瞳空間へ強制的に供給され
たクリーンエアを、スライダー機構２０、アクチュエー
タ２０Ａを介して強制的に排出するようにすれば、スラ
イダー機構２０等で発生した塵埃が瞳空間内に進入する
ことを防止できる。

【００４２】図６は干渉性低減部材の第１実施例による
構造を示し、本実施例では干渉性低減のために、結像光
の偏光状態を制御するようにした。このように偏光作用
を利用した干渉性低減部材を、以下、偏光状態制御部材
ＰＣＭと呼ぶ。図６（Ａ）はその偏光状態制御部材ＰＣ
Ｍの断面図、図６（Ｂ）は平面図である。先に図３と共
に説明した通り、円形透過部ＦＡの半径ｒ₁は瞳ｅｐの
実効的な最大半径ｒ₂に対して、２ｒ₁ ²＝ｒ₂ ² に設定されるが、実際はこの関係を厳密に満たさなくて
もよい。この式から明らかなように、円形透過部ＦＡの
面積πｒ₁ ²は実効的な瞳開口の面積πｒ₂ ²に対して約半
分になっている。

【００４３】さて、図４中の光源（水銀ランプ１）はラ
ンダムな偏光状態の光（種々の偏光状態の光の合成され
た光であり、且つその偏光状態が時間と共に変化する）
を発生する。本発明の第１実施例では、図６の偏光状態
制御部材ＰＣＭとして直線偏光板を用いることにするの
で、図４中の偏光制御部材６を省略する。その場合、レ
チクル上のコンタクトホールパターンを透過して偏光状
態制御部材ＰＣＭに達する光束の偏光状態もランダムで
ある。図６に示す偏光状態制御部材ＰＣＭは中心点ＣＣ
から半径ｒ₁の円形透過部ＦＡ内を、特定方向の直線偏
光のみを透過させる偏光板で構成し、中心点ＣＣと同軸
の輪帯状の周辺透過部ＦＢを、円形透過部ＦＡとは直交
する方向の直線偏光のみを透過させる偏光板で構成す
る。従って、図６の偏光状態制御部材ＰＣＭを透過した
後の結像光束の偏光状態は図６（Ｃ）に示す如く、中央
の透過部ＦＡでは、例えば図６（Ｃ）中の右上から左下
への電場の振動面（偏光面）となり、周辺透過部ＦＢで
は左上から右下への偏光面となり、互いに直交する偏光
方向を持った直線偏光となり、互いに干渉し合わない光
束（ＬＦａ、ＬＦｂ）となる。図３に示すように、これ
ら互いに干渉し合わない中心部と周辺部との両光束がウ
エハＷに達し、それぞれが自分自身とのみ振幅合成し、
別々に像（強度分布）Ｐｒ₁ ^'、Ｐｒ₂ ^'を作ることで、そ
の各々の像（強度分布）の焦点深度が増大する原理は作
用の項で述べた通りである。

【００４４】あるいは、図６に示す偏光状態制御部材Ｐ
ＣＭの射出側（ウエハ側）に１／４波長板を設け、中心
透過部ＦＡを透過した第１の直線偏光と、その第１の直
線偏光とは直交する周辺透過部ＦＢを透過した第２の直
線偏光とを、それぞれ互いに逆回りの円偏光に変換して
もよい。このように、互いに逆回りの円偏光も、互いに
干渉し合うことがなく、本発明に好適である。

【００４５】以上の第１実施例では、投影光学系ＰＬ中
の偏光状態制御部材ＰＣＭが偏光板で構成されているた
め、投影光学系ＰＬを透過すべき本来の光量のうち半分
の光量は偏光状態制御部材ＰＣＭとしての偏光板に吸収
されることになる。これは露光パワーの低下も意味する
が、投影光学系内に熱（吸収した露光光のエネルギー）
が蓄積することとなり、光学系や硝材の安定性という点
で問題となる。

【００４６】そこで、この熱の問題（露光パワーの損
失）を解決する実施例を干渉性低減部材の第２実施例と
して図７を参照して説明する。本実施例では、照明光Ｉ
ＬＢの偏光特性が重要になる。そこで、図４中の偏光制
御部材６として偏光板を用いる。あるいは光源がレーザ
等で最初から直線偏光であれば、この偏光板は用いなく
てもよい。

【００４７】このような、偏光制御部材６を用いてレチ
クルＲへの照明光ＩＬＢの偏光特性を揃えておくと、コ
ンタクトホールパターンを透過、回折して、投影光学系
ＰＬ中の偏光状態制御部材ＰＣＭに達する結像光束も特
定の直線偏光に揃った状態となっている。そこで照明光
ＩＬＢが直線偏光に揃っている場合には、図７（Ｂ）に
示すように偏光状態制御部材ＰＣＭとして１／２波長板
を使用する。図７（Ａ）は偏光状態制御部材ＰＣＭに入
射する直前の光の偏光状態を示し、ここでは図７（Ａ）
中で上下方向に電場の振動面をもつ直線偏光であるもの
とする。図７（Ｂ）は偏光状態制御部材ＰＣＭの平面構
造を示し、半径ｒ₁の中心の円形透過部ＦＡ₁は１／２
波長板で構成され、周辺の輪帯状透過部ＦＢ₁は透過部
ＦＡ₁（１／２波長板）とほぼ同等の厚さ（光学的厚
さ）を持った通常の透明板（例えば石英）である。この
図７の偏光状態制御部材ＰＣＭを通過した直後の光の偏
光状態は、図７（Ｃ）に示すように円形透過部ＦＡ₁の
部分偏光状態が左右方向の直線偏光に変換され、周辺の
輪帯状透過部ＦＢ₁の部分では偏光状態は何ら変化しな
い。このため、先の第１実施例と同様に結像光束の中心
部と周辺部とで互いに干渉し合わない偏光状態を得るこ
とができる。ここで、透過部ＦＡ₁としての１／２波長
板の軸方向（面内の回転）は、入射する直線偏光の方向
をそれと直交する方向に変換する軸方向に設定される
が、１／２波長板の軸方向と照明光ＩＬＢの偏光方向と
を最適化するように、偏光状態制御部材ＰＣＭと偏光制
御部材６とを面内で回転方向に相対的に調整出来るよう
にしてもよい。

【００４８】また、変形例として、中心の透過部ＦＡ₁
と周辺の輪帯状透過部ＦＢ₁とを共に１／４波長板と
し、且つ両者の軸方向（平板面内で、屈折率の高い方
向）を互いに直交させたものを用いてもよい。このとき
は、両方の透過部ＦＡ₁、ＦＢ₁の透過光は互いに逆回
りの円偏光となり、やはり干渉し合うことはない。な
お、このときの両者の軸方向と照明光の直線偏光の偏光
方向とは、４５°ずつずれるように調整する。

【００４９】あるいは、上記２つの構成の波長板に対し
て、照明光ＩＬＢ自体を円偏光として使用してもよい。
この場合、偏光状態制御部材ＰＣＭとして１／２波長板
を利用しているときは、中心透過部ＦＡ₁と周辺透過部
ＦＢ₁とを通った光が、互いに逆回りの円偏光状態とな
り、偏光状態制御部材ＰＣＭとして１／４波長板を利用
しているときは、互いに直交する直線偏光となる。照明
光ＩＬＢ自体を円偏光とするには、照明系中の前述の偏
光制御部材（偏光板）６よりレチクル寄りに、１／４波
長板やフレネルの斜方体等を設ければよい。

【００５０】このように入射光束（照明光ＩＬＢ）が円
偏光であると、１／２波長板や１／４波長板の軸方向を
照明光の偏光特性に合わせて回転調整する必要がなくな
るので好都合である。以上のような偏光状態制御部材Ｐ
ＣＭを用いると、先に述べた第１実施例のような露光エ
ネルギーの吸収の問題がなくなり、投影光学系ＰＬ内で
の熱蓄積が抑えられる点で極めて好都合である。しかし
ながら、今度は照明光学系中で照明光ＩＬＢを１つの偏
光状態に揃えることに伴う光量損失（半分以上）が問題
点として残る。

【００５１】そこで照明光の光量損失を低減させた照明
系の一例を、第３実施例として図８を参照して説明す
る。図８の系は図４中の偏光制御部材６の代わりに設け
られるものである。先ず、図８（Ａ）において入射光束
は２つの偏光ビームスプリッター６Ｃ、６Ｄにより分
割、合成される。即ち、１番目の偏光ビームスプリッタ
ー６ＣではＰ偏光（上下方向の偏光）成分が透過して２
番目の偏光ビームスプリッター６Ｄも透過して直進す
る。一方、ビームスプリッター６Ｃで分割されたＳ偏光
（図８（Ａ）の紙面に垂直な方向の偏光）成分は、間隔
ｄ₁だけ離れたミラー６Ｅ、６Ｆを介してビームスプリ
ッター６Ｄで合成され、Ｐ偏光成分と同軸になって進
む。このとき、ミラー６Ｅ、６Ｆの光路によってＰ偏光
とＳ偏光とに光路差２×ｄ₁を与える。

【００５２】従って入射光束の時間的コヒーレント長Δ
Ｌｃが２ｄ₁より短かければ、合成後のＰ偏光成分とＳ
偏光成分とは、偏光方向が相補的であることの他に時間
的にもインコヒーレント（非可干渉）になる。これら２
つの偏光成分を持った照明光が使われ、偏光状態制御部
材ＰＣＭとして図７のものが使われると、図９に示す通
り、偏光状態制御部材ＰＣＭに入射するとＰ偏光成分
（例えば白ヌキの矢印方向）とＳ偏光成分（例えば黒ヌ
リの矢印方向）とは、それぞれ図９（Ｃ）のように偏光
状態制御部材ＰＣＭを透過した後では互いに干渉し合わ
ない４つの光束となる。即ち、円形透過部ＦＡ₁（１／
２波長板）では元の偏光方向が９０°だけ回転させられ
る。これら４つの光束はそれぞれ偏光方向が異なると共
に、透過部ＦＡ₁、ＦＢ₁の夫々で偏光方向が同一であ
っても時間的にインコヒーレントであるために干渉し合
うことはない。即ち、透過部ＦＡ₁を通過したＳ偏光成
分はＰ偏光成分に変換され、透過部ＦＢ₁を透過したＰ
偏光成分と同一偏光方向となるが、その２つの光は時間
的にインコヒーレントであるので干渉しない。

【００５３】仮に、図８（Ａ）のように構成された偏光
制御部材からの照明光を用いないと、図９のＰ偏光とＳ
偏光とは時間的にはコヒーレントのままであるため、偏
光状態制御部材ＰＣＭを透過した後の各光束も偏光方向
が同じであれば互いに干渉し合うこととなり、本発明の
効果は薄らぐ。図８（Ａ）に示した系は合成すべき２つ
の偏光成分の光路長差を大きくとることができるので、
比較的時間的コヒーレント長の長い光源、例えば狭帯化
したレーザ光源等に適している。

【００５４】なお、レーザ光源として直線偏光光を射出
する光源を使用する場合は、あえて図８（Ａ）の構成の
偏光制御手段を用いなくても、本発明の効果を得ること
ができる。但し、直線偏光のレーザ光源に対して図８
（Ａ）の如き偏光制御手段を用いると、照明光を時間的
にインコヒーレントな２つの光束とすることができるた
め、レーザ光源の使用時に問題となるスペックルや干渉
縞（照度ムラ）を低減することができるという効果があ
る。この場合、図８（Ａ）の１段目のビームスプリッタ
ー６Ｃに入射する直線偏光の偏光方向は、偏光ビームス
プリッター６Ｃに対して図８（Ａ）に示すように、Ｐ偏
光方向とＳ偏光方向との中間（両者から４５°方向）の
偏光方向ＬＰＬにするとよい。

【００５５】ところで、光源が水銀ランプのように比較
的大きなスペクトル幅を有する光源の場合にはその時間
的コヒーレント長は短いので、図８（Ｂ）のような簡単
な部材を図４中の偏光制御部材６として用いることがで
きる。この部材は石英等の透明平行平板６Ｇの表面に偏
光反射膜６Ｈを付け、裏面に金属等で全反射膜６Ｊを付
けたもので、水銀ランプからのコリメートされた光束を
所定角度で反射するように配置される。このとき、水銀
ランプからのランダム偏光の入射光のうち、Ｓ偏光成分
（図８（Ｂ）の紙面と垂直な方向）は表面の膜６Ｈで反
射され、Ｐ偏光成分は表面の膜６Ｈ、平行平板６Ｇを透
過して裏面の膜６Ｊで反射され、Ｓ偏光成分とＰ偏光成
分とには、ほぼ平行平板６Ｇの厚さ（光学的厚さ）のほ
ぼ２倍に相当する光路差が与えられる。

【００５６】例えば水銀ランプからのｉ線の場合、中心
波長λが３６５ｎｍ、波長幅Δλが５ｎｍ程度なので、
一般に使われるコヒーレント長の式、ΔＬｃ＝λ²／Δ
λより、コヒーレント長ΔＬｃは２６μｍ程度となる。
従って、十分に薄い平行平板６Ｇ（例えば１ｍｍ厚程
度）であっても、時間的コヒーレンスを消すために十分
な光路長差を与えることができる。

【００５７】勿論、上記の実施例であっても照明光ＩＬ
Ｂを互いに直交する直線偏光で、且つ時間的にインコヒ
ーレントな２つの光束にする代わりに、互いに逆回りの
円偏光で、且つ時間的にインコヒーレントな２つの光束
としても、前述の実施例と同様に良好な効果が得られ、
光量損失もない。照明光ＩＬＢ、あるいは偏光状態制御
部材ＰＣＭに達する前の光束を円偏光にするには、やは
り図８（Ａ）、（Ｂ）に示した系から偏光状態制御部材
ＰＣＭまでの光路中に１／４波長板等を設ければよい。

【００５８】以上、投影光学系の瞳面に設ける干渉性低
減部材として、偏光特性を利用した偏光板や、１／４波
長板、１／２波長板を使用する実施例を示したが、干渉
性低減部材として、上述の時間的コヒーレンシーを利用
する部材を用いてもよい。即ち、瞳面の中心部分と周辺
部分とを通る結像光の間に、その光のコヒーレント長以
上の光路差を与える部材を用いてもよい。

【００５９】例えば図６（Ａ）、（Ｂ）に示した偏光状
態制御部材ＰＣＭと同様の構成であって、中心透過部Ｆ
Ａと周辺透過部ＦＢとを厚さの多少異なる通常のガラ
ス、又は石英等とすると、中心透過部ＦＡを透過した光
束と、周辺透過部ＦＢを透過した光束との間の時間的コ
ヒーレンシーをほとんど消失させることができる。例え
ば、上述の如くｉ線のコヒーレント長ΔＬｃは約２６μ
ｍであるから、使用するガラスの屈折率ｎを１．５とす
ると、両者（ＦＡ、ＦＢ）の厚さの違いをｔとしたと
き、（ｎ−１）ｔ≧２６μｍであればよく、ｔ≧５２μ
ｍの厚さの差があればよい。あるいは、両方の透過部
（ＦＡ、ＦＢ）は同じ厚さとして両者の材質の屈折率を
異ならしめる（異なる材料を用いる）ことで、コヒーレ
ント長以上の光路長差を与えることもできる。前述の如
く、偏光作用により瞳面内の光束の干渉性を低減させて
も、光路長差により干渉性を低減させても、本発明の効
果は同様に得られる。

【００６０】以上、投影光学系の瞳面に設ける干渉性低
減部材の各実施例を述べたが、次に投影光学系の瞳面に
設けるもう１つの部材である二重焦点化部材について説
明する。図１０は、図４中の二重焦点化部材ＤＦＭの各
種実施例を示し、図１０（Ａ）中の二重焦点化部材ＤＦ
Ｍは、前述した干渉性低減部材ＣＣＭに近接して投影光
学系の瞳面ＦＴＰに配置される。干渉性低減部材ＣＣＭ
の中心の透過部ＦＡ及び周辺の透過部ＦＢに位置的にそ
れぞれ対応して（図６参照）、二重焦点化部材ＤＦＭ
も、円形の中心部の透過部ＦＡと輪帯状の周辺の透過部
ＦＢとに分かれる。従って、干渉性低減部材ＣＣＭの中
心の透過部ＦＡを透過した光束は、二重焦点化部材ＤＦ
Ｍの中心の透過部ＦＡを透過し、干渉性低減部材ＣＣＭ
の周辺の透過部ＦＢを透過した光束は、二重焦点化部材
ＤＦＭの周辺の透過部ＦＢを透過する。図１０（Ａ）の
例では、二重焦点化部材ＤＦＭは、周辺の透過部ＦＢで
は平行平板となっているが、中心の透過部ＦＡでは屈折
力の小さな平凸レンズとなっている。即ち、二重焦点化
部材ＤＦＭは結像部材として、周辺の透過部ＦＢでは焦
点距離が無限大（屈折力が０）となっており、中心の透
過部ＦＡでは焦点距離が正の有限値（屈折力も正の有限
値）となっている。

【００６１】このため、レチクル上の１点から射出され
てウエハ上の１点に至る全光束のうち、投影光学系の瞳
面ＦＴＰ近傍で、二重焦点化部材ＤＦＭの中心の透過部
ＦＡを透過する光束は、周辺の透過部ＦＢを透過する光
束に比べて、より強い屈折作用を受けることとなり、中
心の透過部ＦＡを透過する光束は、周辺の透過部ＦＢを
透過した光束による焦点位置よりも、光軸方向により投
影光学系に近い位置に焦点を結ぶこととなる。この結
果、中心の透過部ＦＡを透過した光束による像と、周辺
の透過部ＦＢを透過した光束による像とは、ウエハ近傍
で互いに光軸方向に離れた位置に形成され、従来のＦＬ
ＥＸ法と同様の焦点深度の改善効果が得られる。

【００６２】勿論、本発明においては、中心の透過部Ｆ
Ａを透過した光束の像及び周辺の透過部ＦＢを透過した
光束の像の何れもが、従来の結像による像よりも大きな
焦点深度を有するため、二重焦点化部材ＤＦＭによる焦
点深度の拡大は、従来のＦＬＥＸ法より、遥かに大きな
ものとなる。図１０（Ｂ）は、二重焦点化部材ＤＦＭの
第２実施例を示し、図１０（Ｂ）において、中心の透過
部ＦＡ中の光軸近傍の円形の部分領域に位相シフターＰ
Ｓ１が設けられている。この位相シフターＰＳ１は、こ
の位相シフターＰＳ１を通過する照明光（波長λ）と、
それ以外の領域を通過する照明光との間に、λ／４の位
相差を与えるものである。

【００６３】また、図１０（Ｃ）は、二重焦点化部材Ｄ
ＦＭの第３実施例を示し、図１０（Ｃ）において、周辺
の透過部ＦＢ中の外周側の部分輪帯領域にλ／４の位相
差を与える位相シフターＰＳ２が設けられている。実際
には、図１０（Ｂ）及び（Ｃ）において、二重焦点化部
材ＤＦＭの上面又は下面に干渉性低減部材ＣＣＭが配置
される。このように、中心の透過部ＦＡ又は周辺の透過
部ＦＢ内で部分的にλ／４の位相差を与えると、これら
の領域の透過光による焦点位置を、位相差を与えない場
合に対して、光軸方向に異ならしめることができる。

【００６４】図１１は、λ／４の位相差を与える位相シ
フターによる焦点位置の変化を説明するための図であ
り、図１１（Ａ）は、図１０（Ｂ）に示したものと同様
の二重焦点化部材ＤＦＭを示す。図１１（Ｂ）は、二重
焦点化部材ＤＦＭを透過した直後の結像光の波面の状態
を示し、図１１（Ｂ）において、中心の透過部ＦＡ内の
光軸近傍の部分領域ＦＡ₁を透過した照明光の波面は、
周辺の部分領域ＦＡ₂を透過した照明光の波面に比べて
λ／４だけ遅れたものとなっている（照明光の進行方向
は下方である）。このとき、これらの波面を仮想的につ
なぐと、等波面ＩＣは、破線の円で示す如く円弧状とな
り、透過光は弱い集光作用を受けながらウエハへと達す
る。これは前述の図１０（Ａ）に示した凸レンズと全く
同じ作用であり、前述の凸レンズを用いた場合と同様に
λ／４の位相差を与える位相シフターを用いても、中心
の透過部ＦＡを透過した光束を、周辺の透過部ＦＢを透
過した光束の合焦位置よりも投影光学系に近い側で合焦
させることができる。

【００６５】一方、図１０（Ｃ）の例では、周辺の透過
部ＦＢの中の最外周の部分領域にλ／４の位相差を与え
るため、周辺の透過部ＦＢを透過した光束は発散光束と
なり、レンズとしては負の屈折力を持つもの（凹レン
ズ）と同等である。このため、図１０（Ｃ）の実施例で
あっても、周辺の透過部ＦＢを透過した光束の合焦位置
を、中心の透過部ＦＡを透過した光束の合焦位置より
も、投影光学系から離れた位置にすることができる。

【００６６】図１０（Ｂ）、（Ｃ）の何れの実施例にお
いても、中心の透過部ＦＡを透過した光束と周辺の透過
部ＦＢを透過した光束とは、相互には可干渉性がないた
め、上記で述べた等波面は、それぞれ中心の透過部ＦＡ
内、又は周辺の透過部ＦＢ内のみで考えればよい。な
お、図１０（Ｂ）、（Ｃ）の実施例においては、λ／４
の位相差を与える位相シフターは中心の透過部ＦＡ、又
は周辺の透過部ＦＢの何れか一方の中に設けられている
が、位相シフターを透過部ＦＡ及びＦＢの両方に設けて
もよい。この場合、中心の透過部ＦＡを透過した光の焦
点位置は位相シフターの無い場合より投影光学系に近づ
き、周辺の透過部ＦＢを透過した光の焦点位置は、位相
シフターの無い場合より投影光学系から遠ざかるため、
透過部ＦＡを透過した光の焦点位置と、透過部ＦＢを透
過した光の焦点位置とは、片方のみに位相シフターを設
けた場合に比べてより大きく離れる。

【００６７】また、以上の実施例では、λ／４の位相差
を与える位相シフターを二重焦点化部材ＤＦＭの基板の
下側（ウエハ側）に設けているが、これをその基板の上
側（干渉性低減部材ＣＣＭ側）に設けても構わない。な
お、本実施例で用いるλ／４の位相差を与える位相シフ
ターＰＳ１、ＰＳ２は、透過後の波面に適当な変形を与
え、仮想波面を円弧状に変形するだけの目的で使用され
ているものである。従って、位相シフターＰＳ１、ＰＳ
２による位相シフト量は正確にλ／４（即ち、π／２
［ｒａｄ］）でなくても特に問題はなく、０より大きく
λ／３（即ち、２π／３［ｒａｄ］）程度より小さい範
囲内であれば良い。

【００６８】また、干渉性低減部材ＣＣＭと二重焦点化
部材ＤＦＭとの位置関係について、図４では干渉性低減
部材ＣＣＭが二重焦点化部材ＤＦＭの上面側（レチクル
Ｒ側）に設けられているが、干渉性低減部材ＣＣＭを二
重焦点化部材ＤＦＭの下面側（ウエハＷ側）に設けても
構わない。更に、干渉性低減部材ＣＣＭと二重焦点化部
材ＤＦＭとを一体化することもできる。

【００６９】図１２は、干渉性低減部材ＣＣＭと、二重
焦点化部材ＤＦＭとを一体化した部材（以下、単に「瞳
フィルター部材ＰＦ」と略称する。）の実施例を示す。
それらの内、図１２（Ａ）は、図１０（Ａ）に示した実
施例を変形し、干渉性低減部材ＣＣＭと二重焦点化部材
ＤＦＭとを密着させた例を示す。図１０（Ａ）のように
両者を分離して配置する場合、光束の透過面が４面であ
るため、反射（フレアー）や各面の加工の点で問題があ
るが、図１２（Ａ）のように両者を密着すると、空気面
は２面となるため、反射や加工の点で好ましい。

【００７０】図１２（Ｂ）は、特にコヒーレント長以上
の光路差によって可干渉性を低減するタイプの干渉性低
減部材に好適な一体化の実施例を示し、この図１２
（Ｂ）において、瞳フィルター部材ＰＦは中心の透過部
ＦＡが平凸レンズで、周辺の透過部ＦＢが平行平板であ
る一枚のガラス板より成る。このとき、中心の透過部Ｆ
Ａと周辺の透過部ＦＢとの境界での段差Δｄを、ガラス
板の屈折率ｎ及び照明光のコヒーレント長ΔＬｃを用い
て次の関係を満たすように設定する。

【００７１】（ｎ−１）Δｄ≧ΔＬｃ（６）図１２（Ｃ）は、瞳フィルター部材ＰＦの別の実施例を
示し、図１２（Ｃ）において、中心の透過部ＦＡは屈折
率ｎ₁で中心の厚さがｔ₁且つ周辺の厚さがｔ ₂の平凸
レンズであり、周辺の透過部ＦＢは屈折率ｎ₂で厚さが
ｔ₃の平行平板である。

【００７２】なお、図１２（Ｂ）、（Ｃ）の実施例共
に、中心の透過部ＦＡを両凸レンズとしても良い。ある
いは、中心の透過部ＦＡを凸レンズとする代わりに、周
辺の透過部ＦＢを凹レンズとしても良く、あるいは中心
の透過部ＦＡを凸レンズとして周辺の透過部ＦＢを凹レ
ンズとしても良い。また、以上の全ての実施例とは逆
に、中心の透過部ＦＡが凹レンズ、あるいは周辺の透過
部ＦＢが凸レンズであってもよい。このように中心を凹
レンズ、周辺を凸レンズとする構成は、上記の何れの実
施例に適用することも可能である。また、λ／４の位相
差を与える位相シフターを用いる実施例に対しても、中
心の透過部ＦＡ内の周辺の部分領域、又は周辺の透過部
ＦＢ内の内周の部分領域にλ／４の位相差を与える位相
シフターを配置することで、それぞれ中心部を凸レンズ
として周辺部を凹レンズとする構成と同等の効果を得る
ことができる。

【００７３】この場合も、以下の（７）式又は（８）式
の何れかを満たすことにより、中心の透過部ＦＡを透過
する光束と、周辺の透過部ＦＢを透過する光束との間の
可干渉性を消すことができる。ｎ₁ｔ₂−｛ｎ₂ｔ₃＋（ｔ₂−ｔ₃)｝＝（ｎ₁−１）ｔ₂−（ｎ₂−１）ｔ₃≧ΔＬｃ（７）ｎ₂ｔ₃−｛ｎ₁ｔ₁＋（ｔ₃−ｔ₁)｝＝（ｎ₂−１）ｔ₃−（ｎ₁−１）ｔ₁≧ΔＬｃ（８）なお、このとき、屈折率ｎ₁，ｎ₂、及び厚さｔ₁，ｔ
₂，ｔ₃の値を、次の関係を満たすように設定すると、
投影光学系の光学収差に与える影響を、最も小さくする
ことができる。

【００７４】ｔ₂(１−１／ｎ₁)≦ｔ₃(１−１／ｎ₂)≦ｔ₁(１−１／ｎ₁) （９）

【００７５】次に、干渉性低減部材ＣＣＭ、及び二重焦
点化部材ＤＦＭの変形例について、図１３及び図１４を
用いて説明する。図１３は干渉性低減部材ＣＣＭとして
の偏光状態制御部材ＰＣＭの変形例を示し、図１３
（Ａ）において、二重の輪帯状の透過部ＦＡ及びＦＢの
内側の中心部に円形遮光部ＦＤ₁が設けられている。こ
のとき結像光束のウエハＷへの入射角度範囲は、遮光部
ＦＤ₁の半径をＫ₁とすると、図１３（Ｃ）のようにｓ
ｉｎθ _K1から開口数ＮＡｗまでの２光束（透過部ＦＡ及
びＦＢの各透過光）に限定される。このとき遮光部ＦＤ
₁を含めて考えると、入射角度範囲ＮＡｗ内に存在する
結像光束は３分割されるため、１つの光束の角度範囲
（デフォーカスによる光路長差ΔＺ）も３分割され、そ
れだけ、デフォーカス時に悪影響を与える光路差が減少
する。これによって、透過部ＦＡ及びＦＢの各部分につ
いて更なる焦点深度の拡大が図れる。

【００７６】図１４（Ａ）及び（Ｂ）は、図１３に示し
た透過部ＦＡと遮光部ＦＤ₁との関係を逆にし、円形の
透過部ＦＡと輪帯状の遮光部ＦＢとの間に輪帯状遮光部
ＦＤ ₂を設けたものである。このとき遮光部ＦＤ₂の幅
は（Ｋ₂−Ｋ₁)であり、図１４（Ｃ）に示すように入射
角度範囲（θ_K2−θ_K1）の間で結像光束の一部が遮蔽さ
れる。この図１４の場合も図１３の場合と同等の効果が
得られる。

【００７７】ところで、図１３及び図１４に示した偏光
状態制御部材ＰＣＭでは、中心の円形の透過部、又は輪
帯状の透過部を偏光板としたが、図７及び図９に示した
如く１／４波長板、１／２波長板あるいは旋光物質を用
いてもよい。また図１３及び図１４中の遮光部ＦＤ₁、
ＦＤ₂は、例えば偏光板や波長板上に金属膜等を蒸着し
た遮光膜でもよく、更には偏光状態制御部材ＰＣＭとは
離して設けられた金属板等でもよい。

【００７８】また、遮光部ＦＤ₁、ＦＤ₂は二重焦点化
部材ＤＦＭ上に形成してもよく、あるいは図１２に示す
如く、干渉性低減部材ＣＣＭと二重焦点化部材ＤＦＭと
が一体化されている瞳フィルター部材ＰＦでは、この一
体化された瞳フィルター部材ＰＦ上に遮光部ＦＤ₁、Ｆ
Ｄ₂を形成してもよい。また、遮光部ＦＤ₁、ＦＤ₂、
あるいはそれと等価な遮光板は、露光波長の光について
のみ遮光すればよいので、誘電体薄膜等による光学的な
シャープカットフィルター等を用いて、露光波長（紫外
光）等の短波長域を吸収してしまうものでもよい。この
ようにすると、例えばＨｅ−Ｎｅレーザを光源としてウ
エハＷ上のアライメントマークを照射し、その反射光等
を投影光学系ＰＬを介して検出するＴＴＬ方式のアライ
メント系を使う場合、瞳面に位置する遮光部ＦＤ₁、Ｆ
Ｄ ₂、又は遮光板がマークからの反射光に対して悪影響
（遮光）を与えるなどの問題はなくなる。あるいはウエ
ハマーク照明用のレーザビームやマークからの反射光が
通る上述の金属膜の遮光板又は遮光部ＦＤ₁、ＦＤ₂上
の位置だけ透過領域としてもよく、その面積が小さけれ
ば本発明の効果を特に損なうものとはならない。

【００７９】図１５は、干渉性低減部材と、二重焦点化
部材とが一体となった瞳フィルター部材の別の実施例を
示し、図１５（Ａ）及び（Ｂ）に示す如く、中心の円形
の透過部ＦＡ₁と周辺の輪帯状の透過部ＦＡ₂とは、同
じ偏光方向の光を透過する偏光板であり、中間の輪帯状
の透過部ＦＢは、透過部ＦＡ₁及びＦＡ₂の偏光方向と
直交する偏光方向の光を透過する偏光板である。従っ
て、中心の透過部ＦＡ₁を透過する光束と周辺の透過部
ＦＡ₂を透過する光束とは可干渉となる。但し、周辺の
透過部ＦＡ₂を透過する光束は、中心の透過部ＦＡ₁を
透過する光束に対して、位相シフターＰＳ３によりλ／
４（即ち、π／２［ｒａｄ］）の位相差が付加されてい
る。従って、両光束の仮想波面はやはり円弧状となり
（図１０（Ｃ）の場合と同様）、両光束の焦点位置は、
位相シフターＰＳ３の無い場合の焦点位置（これは中間
の透過部ＦＢの焦点位置と一致する）に比べて、投影光
学系から遠い位置にずれる。

【００８０】なお、図１５では、干渉性低減部材を偏光
フィルターより形成したが、この干渉性低減部材を１／
２波長板、又は１／４波長板より形成してもよく、ある
いは、コヒーレント長以上の光路差を与える部材より形
成してもよい。また、図４に示したウエハステージＷＳ
Ｔの駆動ユニット２２のうち、ウエハＷを光軸方向に微
動させる制御の中に、従来のＦＬＥＸ法の機能を持たせ
てもよい。ＦＬＥＸ法の併用により本発明による焦点深
度の増大効果を更に増大させることもできる。また、本
発明は投影露光装置であればどのタイプのものにも適用
できる。例えば投影レンズを用いたステッパータイプの
ものでもよく、あるいは反射屈折光学系を用いたステッ
プ・アンド・スキャン型のものであっても、１：１のミ
ラープロジェクションタイプのものであってもよい。特
にスキャンタイプ（ステップ・アンド・スキャン）やミ
ラープロジェクション方式では、レチクルやウエハを投
影光学系の光軸と垂直な面内で走査移動させながら露光
するため、従来のＦＬＥＸ法の適用が難しいとされてい
たが、本発明はそのような走査型の露光方式の装置に極
めて簡単に適用できるといった利点がある。

【００８１】なお、上記のミラープロジェクション方式
及びステップ・アンド・スキャン方式の一部の形式で
は、投影光学系の瞳面が反射面に一致するか、あるいは
その近傍となる場合がある。その場合、二重焦点化部材
として、上記反射面自体の曲率半径を、光軸近傍と周辺
とで異ならしめたものを使用することもできる。また、
反射面の光軸近傍と周辺とに段差Ｓｄ（Ｓｄ≧（１／
２）ΔＬｃ）を設けることにより、上記反射面自体を光
路長差による干渉性低減部材として用いることもでき
る。

【００８２】次に、上述実施例の効果について、シミュ
レーション結果に基づいて説明する。図１６は、上述実
施例によるコンタクトホールパターンの投影像（光学像
の強度分布）を示す。投影光学系ＰＬ内に配置する干渉
性低減部材ＣＣＭ及び二重焦点化部材ＤＦＭよりなる瞳
フィルター部材ＰＦの実施形態としては、図１０
（Ａ）、又は図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の実施例の
ものを使用するとした。なお、露光用の照明光をｉ線
（波長λ：０．３６５μｍ）、投影光学系のウエハ側の
開口数ＮＡを０．５７として、レチクルＲ上のコンタク
トホールパターンとしては、ウエハ上の換算値で０．３
０μｍ角のものを使用した。

【００８３】また、例えば図１２（Ａ）において、瞳フ
ィルター部材ＰＦの中心の透過部ＦＡの半径ｒ₁は瞳の
半径ｒ₂（投影光学系の開口数ＮＡに相当する値）に対
して０．６５倍であり、中心の透過部ＦＡを通る光束の
ベストフォーカス位置と、周辺の透過部ＦＢを通る光束
のベストフォーカス位置との差は、光軸方向に３μｍ
（＝２．６７×λ／ＮＡ²)（透過部ＦＡを通る光束のベ
ストフォーカス位置の方が投影光学系に近い）とした。

【００８４】図１６（Ｂ）は、合成像のほぼベストフォ
ーカス位置でのコンタクトホールパターンの光学像Ｉ₂
を示す。この位置は、中心の透過部ＦＡの光束のベスト
フォーカス位置より２μｍだけ投影光学系から遠く、周
辺の透過部ＦＢの光束のベストフォーカス位置より１μ
ｍだけ投影光学系に近い位置である。図１６において、
実線で示す露光量Ｅｔｈは、ポジタイプのフォトレジス
トを完全に（現像後に完全に溶解するレベルまで）感光
させるのに必要な露光量を表し、且つ光学像Ｉ ₂のゲイ
ンは、上記露光量Ｅｔｈでのスライス幅が０．３μｍ
（設計値）となるように定めた。

【００８５】図１６（Ａ）及び（Ｃ）は、図１６（Ｂ）
と同一のゲインであるが、各々＋１μｍデフォーカス位
置（投影光学系に近づく側）、及び−１μｍデフォーカ
ス位置（投影光学系から遠ざかる側）での光学像Ｉ₁及
びＩ₃を表す。図１６より、本実施例による像では、ベ
ストフォーカス位置での光学像Ｉ₂と、その位置からそ
れぞれ＋１μｍデフォーカス位置、及び−１μｍデフォ
ーカス位置での光学像に大きな違いがない、即ち焦点深
度が大きいことが分かる。

【００８６】一方、図１８は従来の通常の露光方法での
像を示し、この場合には、ベストフォーカス位置の光学
像Ｉ₈（図１８（Ａ））と、＋１μｍデフォーカス位置
での光学像Ｉ₇(図１８（Ａ））、及び−１μｍデフォー
カス位置での光学像Ｉ₉(図１８（Ｃ））とに大きな違い
があるため、デフォーカスによる像の劣化が大きく、焦
点深度が小さいことが分かる。なお、図１８に示すシミ
ュレーション結果も、瞳フィルター部材以外の条件、即
ち、投影光学系の開口数、露光波長λ、照明光学系のコ
ヒーレンスファクター（σ値）、コンタクトホールパタ
ーンのサイズ、及び光学像のゲインの設定方法は全て図
１６の場合と同一であり、以後のシミュレーションでも
同様である。

【００８７】図１９は、従来のＦＬＥＸ法による光学像
のシミュレーション結果であるが、本実施例による図１
６のシミュレーション結果は、図１９のＦＬＥＸ法によ
るシミュレーション結果と同程度の焦点深度が得られる
ことが分かった。なお、ここでのＦＬＥＸ法は、光軸方
向に各１．２５μｍずつ離れた離散的な３点で、それぞ
れ等しい露光量の露光を各１回ずつ行う方式とした。

【００８８】一方、図１７のシミュレーション結果は、
図１６の場合とは別の実施例の瞳フィルター部材を用い
た場合に形成される光学像Ｉ₄〜Ｉ₆を示す、用いる瞳
フィルター部材は図１３（Ａ）に示した如きものとし
た。フィルターの各領域の半径は、周辺の透過部ＦＢの
外半径（瞳の半径）に対して、中心の遮光部ＦＤ₁の半
径は０．３倍、中間の透過部ＦＡの外半径は、０．７倍
とした。また、中間の透過部ＦＡの光束による像のベス
トフォーカス位置は、外側の透過部ＦＢの光束による像
のベストフォーカス位置に対して、３μｍだけ投影光学
系側になるようにしたが、これは、図１０（Ａ）、又は
図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示した何れの方法を用
いてもよい。図１７に示した如く、図１３のような実施
例によっても本発明の特徴である大きな焦点深度を持つ
像が得られることが分かる。

【００８９】図２０は、コンタクトホールパターンが或
る程度近接して２個配列されたパターンに対しての光学
像（投影像）のシミュレーション結果を示し、２個のコ
ンタクトホールパターンのそれぞれは０．３０μｍ角の
大きさとし、その中心間隔は１．０５μｍとする。図２
０（Ａ）は、本実施例における図１６に示した場合と同
一条件下でのベストフォーカス位置での光学像Ｉ₁₃を示
し、図２０（Ｂ）は、本実施例における図１７に示した
場合と同一条件下でのベストフォーカス位置での光学像
Ｉ₁₄を示す。なお、光学像Ｉ₁₃及びＩ₁₄のゲインは、図
２０（Ａ）及び（Ｂ）の各々で、露光量Ｅｔｈでのスラ
イス幅が０．３μｍとなるように設定した。

【００９０】一方、図２０（Ｃ）は、従来のＳｕｐｅｒ
−ＦＬＥＸ法を用いた場合の光学像Ｉ₁₅のシミュレーシ
ョン結果であり、ここでのＳｕｐｅｒ−ＦＬＥＸフィル
ター（二重焦点フィルター）は、半径ｒ₁が瞳面の半径
ｒ₂の０．３８倍であり、その半径ｒ₁以内の円形領域
で透過光の位相をπ［ｒａｄ］ずらすものとした。な
お、この条件でのＳｕｐｅｒ−ＦＬＥＸ型フィルター
は、孤立したコンタクトホールパターンについて焦点深
度を最大とするように半径比を最適化したものである
が、図２０（Ｃ）に示す如く、或る程度近接した２個の
コンタクトホールパターンに対しては両コンタクトホー
ルパターンのリンギング（サブピーク）が重なり合って
いる。この結果、リンギングは露光量Ｅｃ（ポジタイプ
のフォトレジストが膜減りし始める露光量）を越えてし
まい、従ってフォトレジストに不要なパターンを誤転写
してしまうことになる。

【００９１】また、図２０（Ｃ）で用いたＳｕｐｅｒ−
ＦＬＥＸ型フィルターより効果の弱い（半径ｒ₁の小さ
い）フィルターを用いると、リンギングを図２０（Ｃ）
より小さくすることができるが、この場合には、フィル
ターによる焦点深度の向上効果も同時に小さくなり、本
実施例のように大きな焦点深度を得ることはできなくな
る。

【００９２】一方、図２０（Ａ）及び（Ｂ）に示すよう
に、本実施例による光学像では、コンタクトホールパタ
ーンの像の周囲に生じるリンギングが小さいため、２個
のリンギングが合成されても、ポジタイプのフォトレジ
ストを膜減りさせる心配は全くない。以上の実施例（シ
ミュレーション）においては全て、露光波長をｉ線（波
長λ：０．３６５μｍ）、投影光学系の開口数ＮＡを
０．５７とし、コンタクトホールパターンのサイズを
０．３０μｍ角としたが、本発明は他の如何なる条件下
でも当然に使用することができる。また、透過部ＦＡの
光束によるベストフォーカス位置が、透過部ＦＢの光束
によるベストフォーカス位置より３μｍ（＝２．６７×
λ／ＮＡ²)だけ投影光学系寄りであるとしたが、この位
置関係もこれに限定されるわけではなく、透過部ＦＢの
光束によるベストフォーカス位置の方が投影光学系寄り
であってもよい。また、両ベストフォーカス位置の間隔
も、１．６λ／ＮＡ²から３．２λ／ＮＡ²程度までの
間であれば、本発明による効果を十分に発揮することが
できる。

【００９３】また、上述のシミュレーションでは示さな
かったが、図１０（Ｂ）、（Ｃ）に示したように、λ／
４の光路差によりベストフォーカス位置をずらす方法に
よっても、上記のシミュレーション結果と同等の良好な
結果を得ることができる。例えば、図１０（Ｂ）の実施
例で、投影光学系の開口数ＮＡを０．５７、透過部ＦＡ
の半径ｒ₁を０．６５×ｒ₂とし、λ／４の位相差を与
える位相シフターＰＳ１の半径ｒ_Pを０．７×ｒ₁とす
ると、半径ｒ_Pは、投影光学系の開口数ＮＡで規格化し
た表現では、次のようになる。

【００９４】ｒ_P＝０．５７×０．６５×０．７＝０．２６（１０）この場合、一般に用いられるデフォーカスによる波面収
差の式は次のようなものである。但し、ΔＷが波面収
差、ΔＦがデフォーカス量である。 ΔＷ＝（１／２）ΔＦ・ＮＡ² （１１）この式と、位相シフターＰＳ１による位相差λ／４とか
ら、次の式が得られる。

【００９５】 ΔＷ＝λ／４＝（１／２）ΔＦ・ＮＡ² （１２）この式より、デフォーカス量ΔＦは次のようになる。 ΔＦ＝λ／（２ＮＡ²) （１３）この（１３）式において、開口数ＮＡとして、位相シフ
ターＰＳ１の半径ｒ_Pの値を用いると、ΔＦ＝２．７
［μｍ］となる。即ち、上記のλ／４の位相差を与える
位相シフターＰＳ１により、図１０（Ｂ）の例では、中
央の透過部ＦＡのベストフォーカス位置は、周辺の透過
部ＦＢのベストフォーカス位置よりも約２．７μｍだけ
投影光学系に近い位置に来ることになる。勿論、位相シ
フターＰＳ１の半径ｒ_Pの値等は、この条件のみに限定
されるわけではない。

【００９６】以上、本発明の各実施例とその作用につい
て説明したが、レチクルＲへの照明光ＩＬＢに特定の偏
光方向を持たせるとき、その偏光方向の適、不適を判断
したり、あるいは干渉性低減部材ＣＣＭを通過した後の
結像光束の偏光状態の良否を判断するために、投影光学
系を通った光束の一部を光電検出する手段をウエハステ
ージＷＳＴ上に設けてもよい。また、ライン・アンド・
スペースパターンを持つレチクルを使用するときは、干
渉性低減部材ＣＣＭを投影光学系ＰＬ外へ退出させ、照
明系の一部をＳＨＲＩＮＣ法に適するように交換可能と
してもよい。なお、コンタクトホールパターンの投影露
光時に干渉性低減部材ＣＣＭを用いると共に、ＳＨＲＩ
ＮＣ法又は輪帯照明光源等の変形照明系を併用するよう
にしてもよい。その場合、露光すべきレチクルをコンタ
クトホール用からライン・アンド・スペース用に交換す
るときは、干渉性低減部材ＣＣＭ及び二重焦点化部材Ｄ
ＦＭを一緒に退出させればよい。このように干渉性低減
部材ＣＣＭ及び二重焦点化部材ＤＦＭを退出させたとき
には、投影光学系の結像状態が変化しないように、両者
と同等の光学的厚さを有する透明基板（石英板等）を光
路中に挿入することが望ましい。

【００９７】また、本発明の各実施例に示した干渉性低
減部材ＣＣＭは、円形状、あるいは輪帯状の透過部又は
遮光部で構成したが、これは文字通りの形状に限られる
ものではない。例えば円形状の透過部又は遮光部は矩形
を含む多角形に、輪帯状の透過部又は遮光部はその多角
形を環状に取り囲む形状に、それぞれ変形してもよい。

【００９８】更に、例えば図１５の実施例において中心
の円形透過部ＦＡ₁、中間の輪帯状透過部ＦＢ、及び周
辺の輪帯状透過部ＦＡ₂の各境界はそれぞれ半径ｒ₁及
びｒ ₂の位置で一致しているものとしたが、例えば干渉
性低減部材の製造上の都合等により各領域の境界に遮光
部（輪帯状）を設けても良い。この場合には、図４、図
５中に示したデフォーカスによる波面収差が遮光部によ
り更に減少するので、本発明による焦点深度の増大効果
を更に増すことができる。なお、この場合、半径ｒ₁、
ｒ₂は夫々の遮光部（輪帯状）の中間として考えると良
い。また、中心透過部ＦＡ₁中の光軸近傍部を遮光する
ことにより、上記と同様に焦点深度の増大効果を更に増
すことも可能である。

【００９９】このように本発明は上述実施例に限定され
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。

【０１００】

【発明の効果】本発明によれば、干渉性低減部材及び二
重焦点化部材を備えているため、コンタクトホールパタ
ーン等の孤立的なパターンの投影時の焦点深度を、ＦＬ
ＥＸ法あるいはＳｕｐｅｒ−ＦＬＥＸ法と同程度に拡大
出来ると共に、ＦＬＥＸ法のように、感光性の基板を光
軸方向に移動又は振動させる必要がないという利点があ
る。また、Ｓｕｐｅｒ−ＦＬＥＸ法で使用されるような
瞳フィルターでは生じ易いリンギングについても、本発
明においては十分小さく抑えられる。従って、本発明に
よれば、或る程度近接した複数のコンタクトホールパタ
ーンに対しても、誤転写のない良好な結像特性を得るこ
とができる。

【０１０１】また、投影光学系のフーリエ変換面又はこ
の近傍の面内の第１の領域を通過する光束の合焦位置
と、その第１の領域とは異なる第２の領域を通過する光
束の合焦位置との投影光学系の光軸方向のずれ量ΔＦ₁₂
が、投影光学系の開口数ＮＡ、照明光の中心波長λを用
いて、（1.6・λ／ＮＡ²≦ΔＦ₁₂≦3.2・λ／ＮＡ²)の条
件を満足する場合には、解像力をほとんど低下させるこ
となく、焦点深度を深くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常の投影露光方法の説明図である。

【図２】本発明による投影露光装置の原理的な説明に供
する投影光学系内の光路図である。

【図３】本発明で使用される干渉性低減部材の原理的な
構成及び動作の説明に供する図である。

【図４】本発明による投影露光装置の一実施例の全体を
示す構成図である。

【図５】図４の投影光学系ＰＬ内の一部の詳細な構成を
示す断面図である。

【図６】本発明による干渉性低減部材ＣＣＭの第１実施
例としての偏光状態制御部材ＰＣＭの構成及び動作の説
明に供する図である。

【図７】干渉性低減部材ＣＣＭの第２実施例としての偏
光状態制御部材ＰＣＭの構成及び動作の説明に供する図
である。

【図８】偏光方向を制御した照明光学系内の一部の部材
の構成例を示す図である。

【図９】図７の第２実施例による干渉性低減部材ＣＣＭ
と図８の照明光学系とを組み合わせたときの状態の説明
に供する図である。

【図１０】本発明による二重焦点化部材ＤＦＭの種々の
実施例の説明に供する図である。

【図１１】二重焦点化部材ＤＦＭを位相シフターを用い
て形成した場合の構成及び動作の説明に供する図であ
る。

【図１２】本発明による干渉性低減部材ＣＣＭ及び二重
焦点化部材ＤＦＭを一体化した瞳フィルター部材の種々
の実施例を示す断面図である。

【図１３】干渉性低減部材ＣＣＭの中央に円形の遮光帯
を設けた変形例の構成及び動作の説明に供する図であ
る。

【図１４】干渉性低減部材ＣＣＭに輪帯状の遮光帯を設
けた変形例の構成及び動作の説明に供する図である。

【図１５】干渉性低減部材ＣＣＭ及び二重焦点化部材Ｄ
ＦＭを一体化した瞳フィルター部材の他の実施例の構成
及び動作の説明に供する図である。

【図１６】単一のコンタクトホールパターンを本実施例
の所定の瞳フィルターを用いて（ＳＦＩＮＣＳ法で）投
影露光して得られる光学像の強度分布のシミュレーショ
ン結果を示す図である。

【図１７】単一のコンタクトホールパターンを本実施例
の別の瞳フィルターを用いて（ＳＦＩＮＣＳ法で）投影
露光して得られる光学像の強度分布のシミュレーション
結果を示す図である。

【図１８】単一のコンタクトホールパターンを従来の通
常の露光法で投影露光して得られる光学像の強度分布の
シミュレーション結果を示す図である。

【図１９】単一のコンタクトホールパターンを従来のＦ
ＬＥＸ法で投影露光して得られる光学像の強度分布のシ
ミュレーション結果を示す図である。

【図２０】或る程度近接して形成された２個のコンタク
トホールパターンの光学像の強度分布のシミュレーショ
ン結果を示し、（Ａ）は図１６の場合と同じ本実施例の
ＳＦＩＮＣＳ法で投影露光した場合の図、（Ｂ）は図１
７の場合と同じ本実施例のＳＦＩＮＣＳ法で投影露光し
た場合の図、（Ｃ）は従来のＳｕｐｅｒ−ＦＬＥＸ法で
投影露光した場合の図である。

【符号の説明】

ＲレチクルＷウエハＰＬ投影光学系ＦＴＰフーリエ変換面（瞳面）ＡＸ光軸ＣＣＭ干渉性低減部材ＤＦＭ二重焦点化部材ＦＡ円形状の透過部ＦＢ輪帯状の透過部ＩＬＢ照明光１水銀ランプ５干渉フィルター６偏光制御部材７フライアイレンズ８可変絞り１１レチクルブラインド２０スライダー機構２５主制御ユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】転写用のパターンが形成されたマスクを
露光用の照明光で照明する照明手段と、前記照明光のも
とで前記マスクのパターンの像を感光性の基板上に結像
投影する投影光学系とを備えた投影露光装置において、前記投影光学系内の前記マスクのパターン形成面及び前
記基板の露光面の双方に対する光学的フーリエ変換面又
はその近傍の結像光の通過面上の、前記投影光学系の光
軸を中心とする所定半径の円形領域及び前記光軸を中心
とする所定幅の輪帯領域の内の少なくとも一方の領域よ
りなる第１の領域に分布する結像光と、前記結像光の通
過面上で前記第１の領域以外の第２の領域に分布する結
像光との間の可干渉性を低減する干渉性低減部材と、前記第１の領域を通過する光束の合焦位置と、前記第２
の領域を通過する光束の合焦位置とを、前記投影光学系
の光軸方向に所定量だけ異ならしめる二重焦点化部材
と、を設けたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記二重焦点化部材は、前記第１の領域
の焦点距離と前記第２の領域の焦点距離とが異なる光学
部材よりなることを特徴とする請求項１記載の投影露光
装置。
【請求項３】前記二重焦点化部材は、前記第１の領域
中の前記投影光学系の光軸を中心とする軸対称の部分領
域を通過する照明光の位相を、前記第１の領域中の前記
部分領域以外の領域を通過する照明光の位相に対してπ
／２程度異ならしめる位相差部材よりなることを特徴と
する請求項１記載の投影露光装置。
【請求項４】前記二重焦点化部材は、前記第２の領域
中の前記投影光学系の光軸を中心とする軸対称の部分領
域を通過する照明光の位相を、前記第２の領域中の前記
部分領域以外の領域を通過する照明光の位相に対してπ
／２程度異ならしめる位相差部材よりなることを特徴と
する請求項１記載の投影露光装置。
【請求項５】前記干渉性低減部材は、前記第１の領域
を透過する照明光の偏光状態と、前記第２の領域を透過
する照明光の偏光状態とを互いに干渉しない状態に設定
する偏光状態可変部材よりなることを特徴とする請求項
１、２、３、又は４記載の投影露光装置。
【請求項６】前記干渉性低減部材は、前記第１の領域
を透過する照明光と、前記第２の領域を透過する照明光
との間に前記照明光の波長範囲より定まる可干渉距離以
上の光路差を与える光路差部材よりなることを特徴とす
る請求項１、２、３、又は４記載の投影露光装置。
【請求項７】前記第１の領域を通過する光束の合焦位
置と、前記第２の領域を通過する光束の合焦位置との前
記投影光学系の光軸方法のずれ量をΔＦ₁₂、前記投影光
学系の開口数をＮＡ、前記照明光の中心波長をλとし
て、前記ずれ量ΔＦ₁₂について 1.6・λ／ＮＡ²≦ΔＦ₁₂≦3.2・λ／ＮＡ² の条件を満足することを特徴とする請求項１、２、３、
４、５、又は６記載の投影露光装置。