JPH08316125A

JPH08316125A - 投影露光方法及び露光装置

Info

Publication number: JPH08316125A
Application number: JP7121115A
Authority: JP
Inventors: Fuon Bunoo Rudorufu; ルドルフ・フォン・ブノー; Hiroshi Fukuda; 宏福田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1995-05-19
Publication date: 1996-11-29

Abstract

(57)【要約】【構成】マスク１を投影光学系２により基板４上へ投
影露光する際、マスク１と投影光学系２の間に２枚の回
折格子（Ａ，Ｂ）を、投影光学系と基板の間に１枚の回
折格子Ｃを設け、これにより回折された光の干渉により
基板面近傍でマスクパターンの像が再生されるようにし
た。【効果】従来露光装置の空間部分に回折格子を挿入す
るだけで、光学系のＮＡを実質的に最大２倍にした効果
が得られる。このため、大きな露光フィールドを持ち大
量生産に適した縮小投影光リソグラフィを用いて、寸法
０.１μｍクラスのＬＳＩの製造が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種固体素子の微細パ
タ−ンを形成するためのパタ−ン形成方法、及びこれに
用いられる投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の固体素子の集積度及び動作速
度を向上するため、回路パタ−ンの微細化が進んでい
る。又、レーザー等の光・電子素子や各種の量子効果素
子、誘電体・磁性体素子等の特性向上のため、パターン
の微細化が望まれている。現在これらのパタ−ン形成に
は、量産性と解像性能に優れた縮小投影露光法が広く用
いられている。この方法の解像限界は露光波長に比例し
投影レンズの開口数（ＮＡ）に反比例するため、短波長
化と高ＮＡ化により解像限界の向上が行われてきた。

【０００３】又、縮小投影露光法の解像度をさらに向上
するための手法として、位相シフト法、変形照明法（斜
入射照明法）、瞳フィルター法等、様々な像改良法が適
用されている。これらは、従来光学系の性能を理論的な
回折限界（遮断空間周波数＝２ＮＡ／λ）ぎりぎりまで
有効に使用しようというものである。これら像改良法
（しばしば超解像法と呼ばれる）については、例えば、
ＵＬＳＩリソグラフィ技術の革新、第１章、第３４頁か
ら第４９頁（サイエンスフォーラム社刊、１９９４年、
東京）に論じられている。

【０００４】一方、顕微鏡の解像度を、従来の上記回折
限界を越えて向上する方法として、光学系の空間周波数
帯域を拡大する方法がいくつか知られている。これら空
間周波数帯域拡大法については、例えば、応用物理、第
３７巻、第９号、第８５３頁から第８５９頁（１９６８
年）に論じられている。このうちの１つの方法は、２つ
の格子パターンを物体及び像の直上（少なくとも焦点深
度内）で互いに共役関係を保ちつつスキャンするもの
で、物体とその直上の第１格子パターンの重ねあわせに
よりモアレパターンを形成し、このモアレパターンをレ
ンズ系を通過させ、像側で第２の格子パターンと重ねる
ことにより復調を行なう。モアレパターンは、物体及び
第１格子パターンより低い空間周波数を有するため、レ
ンズ系を通過することができる。この方法を縮小投影露
光法に適用することが出願されている。一般に、ウエハ
ー直上で格子パターンを機械的にスキャンするのは困難
なため、ホトクロミック材料をウエハ上に直接設け、こ
れに干渉縞を重ねてスキャンすることにより、格子とし
て機能させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記様
々な従来技術には次のような課題がある。

【０００６】まず露光光の短波長化は、光学（レンズ）
材料の透過率の問題からＡｒＦエキシマレーザ（波長１
９３ｎｍ）が限界と考えられる。又、レンズ設計及び製
造上の問題から、投影光学系のＮＡは０.６〜０.７が限
界と考えられる。しかるに、従来露光法の解像限界は一
般に０.５λ／ＮＡ、周期型位相シフト法を用いた場合
は０.３λ／ＮＡ程度であり、従って、上記短波長化及
び高ＮＡ化の限界を用いても、０.１μｍ以下のパター
ンは形成は難しい。又、上記周期型位相シフト法ではマ
スクパターンが制限されるため、より一般的な回路パタ
ーンに関して、実際の限界寸法はさらに後退する。又、
ＬＳＩの大規模化に伴い露光面積の拡大が要求されてい
るが、投影光学系の露光フィールドの拡大と高ＮＡ化の
要求を同時に満足することは極めて困難となっている。

【０００７】一方、従来の回折限界を越えることを目的
とする各種空間周波数帯域拡大法は顕微鏡を対象とし、
微小な物体を拡大することを目的とする。このため、光
リソグラフィで要求される微小な光学像を形成するのに
は必ずしも適してはいないという問題点があった。例え
ば、前記モアレパターンを利用する方法では、２つの格
子をマスク及びウエハーの直上で互いに共役関係を保ち
つつスキャンするための機構又は光学系が著しく複雑と
なる。レジストの露光が実質的にエバネッセント光で行
われるため波長レンジで光が減衰して厚いレジストを露
光するのが困難となる等の問題がある。さらに、ホトク
ロミックを使用する場合でも適当な材料がない。従っ
て、ＬＳＩの大量生産を考えた場合、必ずしも実用的と
はいえないという問題点があった。

【０００８】本発明の目的は、各種固体素子の微細パタ
ーンを形成する投影露光法において、その解像度を、従
来の回折限界（遮断空間周波数）を越えて向上する方法
を提供することにある。具体的には、投影光学系のＮＡ
を変えることなしに、そのＮＡを実質的に最大２倍にし
たのとほぼ同等の効果が得られる新規な投影露光方法
と、これを可能とする露光装置を提供することにある。

【０００９】本発明の別の目的は、従来型の露光装置の
構成と光学系を大きく変更することなく、これらに多少
の改良を加えるだけで解像力向上効果の得ることが可能
で、かつ大きな露光フィールドと高い解像力を同時に満
足するＬＳＩの大量生産に適した投影露光方法を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、波長λの光
を用いてマスクパターンをの投影光学系（開口数＝Ｎ
Ａ、縮小率＝１：Ｍ）により基板上へ結像させてパター
ンを形成する際、上記基板と上記投影光学系の間に、上
記基板と平行に、空間周期Ｐ１（但し、λ／（１.４２
・ＮＡ）≦Ｐ１≦λ／ＮＡであることが望ましい）の第
１の回折格子を設けるとともに、上記第１の回折格子に
より回折された光の干渉により基板面近傍でマスクパタ
ーンの像が再生されるように、前記投影光学系と前記マ
スクの間に、上記マスクと平行に、上記マスク側から順
に第２の回折格子と第３の回折格子の２枚の回折格子を
設けることにより達成される。

【００１１】第１の回折格子の回折光によりマスクパタ
ーンの像を忠実に再生するためには、上記第１、第２及
び第３の回折格子の周期方向は等しく、上記第１の回折
格子の空間周期Ｐ１、第２の回折格子の空間周期Ｐ２、
第３の回折格子の空間周期Ｐ３を、ほぼ１／Ｐ３＝１／
Ｐ２−１／(Ｍ・Ｐ１)の関係を満たす様に設定する。
又、上記第１の回折格子の上記基板表面からの光学距離
Ｚ１、及び、上記第２、第３の回折格子の上記マスク表
面からの光学距離Ｚ２、Ｚ３は、ほぼ（Ｚ３−Ｚ２）／Ｐ２＝（Ｚ３／Ｍ＋Ｚ１・Ｍ）／Ｐ１の関係を満たす様に設定する。さらに、Ｐ２≦１／（１
−２・ＮＡ／Ｍ）であることが望ましい。又、第１、第
２、第３の回折格子の設置位置、各回折格子の透明基板
の膜厚、及び第２の回折格子の周期を、上記マスク面と
像面の間の収差が最小となるように設定することが好ま
しい。又、基板と第１の回折格子の間に、幅がＺ１・Ｎ
Ａ以下で、空間周期がほぼ２・Ｚ１・ＮＡの第１の遮光パ
タ−ンを、又、前記マスクの直上又は直下に上記第１の
遮光パタ−ンとほぼ共役な領域を遮光する第２の遮光パ
タ−ンを設けて露光領域を制限することが好ましい。さ
らに、必要に応じて、上記制限された露光領域を基板上
で走査して露光するか、もしくはステップ状に移動しな
がら露光することが好ましい。これら各回折格子は、位
相格子であることが好ましい。

【００１２】なお、前記回折格子は１次元回折格子と
し、前記投影光学系の波面収差を、瞳上での上記回折格
子の周期方向と垂直な方向の直径を軸として、線対称と
なるように収差補正することが好ましい。又、本発明
は、マスクとして周期型位相シフトマスクを用いた場
合、特に大きな効果を発揮する。さらに、必要に応じて
回折格子の周期及び方向に応じて、微細なパターンの周
期や方向を制限したり、パターン形状を補正することが
望ましい。又、第１の回折格子と前記基板の間を屈折率
ｎが１より大きい液体で満たし、前記投影光学系のＮＡ
を、０.５＜ＮＡ＜ｎ／２の範囲に設定すると、さらに微細なパターンの形成が可
能となる。

【００１３】

【作用】本発明は、投影光学系の最終エレメントとウエ
ハの間に回折格子を設け、ウエハ面へ入射する光ビーム
の入射角を大きくすることにより、実効的にＮＡを増大
するのと等価な効果を得ようというものである。しか
し、単純に従来光学系のレンズ−ウエハ間に回折格子を
設けただけでは、本来像面上の１点に集約するはずの回
折光は、像面上のばらばらな位置に散らばってしまい、
マスクパターンの再生は到底困難である。従って、干渉
の結果元のマスクパターンに忠実な像が再生されるよう
に、光学系を再構成する必要がある。しかも実用性の観
点から、これらの光学系は、従来の投影光学系を大きく
改造することなく、しかも従来のマスクが使用可能であ
ることが好ましい。本発明は、以下述べるようにこれら
の要求を満足するものである。

【００１４】本発明の作用を説明するために、本発明に
よる結像の原理を従来法と比較して説明する。本発明の
一形態に基づく光学系における結像を図１に、又比較の
ため、従来投影露光光学系で従来マスク又は位相シフト
マスクを、各々垂直に照明した場合と斜めに照明した場
合の結像の様子を図２ａ、ｂ、ｃ、ｄに示す。いずれの
図でも、２：１縮小光学系とコヒーレント照明、１次元
パターンを仮定し、近軸結像近似した。

【００１５】まず、従来光学系で通常マスクを垂直照明
した場合（図２ａ）、透過型マスク２１に垂直入射した
光２２はマスク上のパターンにより回折され、回折光の
うち投影光学系２３の瞳２４（絞り２０の内側）を通過
した光線が像面２５上に収斂し、干渉してパターンを形
成する。ここで、瞳を通過できる最大の回折角を与える
パターン周期を解像限界と定義すると、解像限界は、λ
／（２ＮＡ）（但しＮＡ＝ｓｉｎθ₀）となる。さら
に、この光学系に周期型位相シフトマスク２６を適用す
ると、図２ｂに示したように０次回折光が消滅して光軸
２９（図中一点鎖線）に対して対称に回折光が生じる。
このため、瞳を通過できる最大の回折角は２倍となり、
解像限界はλ／（４ＮＡ）まで向上する。

【００１６】又、従来光学系に斜め照明を適用すると
（図２ｃ、簡単のためマスク回折光の０次光２７が図中
瞳の左端を通過すると仮定した）、マスク回折光のうち
０次光を中心として正負どちらかの回折角をもつ片側成
分（図では＋１次光２８）だけが瞳を通過し、像面に収
斂する。垂直入射の場合の２倍の回折角を有する回折光
が瞳を通過できるため、解像限界はやはりλ／（４Ｎ
Ａ）となる。しかし、回折スペクトルの片側しか用いな
いため、例えば孤立パターンの解像度は垂直照明の場合
と変わらず、又、周期パターンの場合でもコントラスト
が低下する等の問題がある。さらに、マスクを周期型位
相シフトマスク２６に変更すると複数の回折光は瞳を通
過できないため、パターンは解像しない（図２ｄ）。

【００１７】次に、本発明の一形態に基づく光学系にお
ける結像を図１に示す。図１の光学系は、図２の従来光
学系において、マスク１と投影光学系２の間に回折格子
Ａ及び回折格子Ｂを、又、投影光学系２とウエハー４の
間に回折格子Ｃを挿入したものである。ここで、回折格
子Ａ、Ｂ、Ｃはともに位相格子とする。

【００１８】マスク１に垂直入射した光Ｒはマスク面で
０次回折光Ｒ０、＋１次回折光Ｒ１、−１次回折光Ｒ
１’に回折される。０次光Ｒ０は回折格子Ａ上の点Ａ０
に達し、そこで−１次方向に回折された光は、回折格子
Ｂ上の点Ｂ０で＋１次方向に回折された後、瞳３（絞り
５の内側）の左端を経て回折格子Ｃ上の点Ｃ０で±１次
方向に回折され、各々像面上の２点Ｑ、Ｐに達する。
又、＋１次回折光Ｒ１は、回折格子Ａ上の点Ａ１に達
し、そこで−１次方向に回折された光は回折格子Ｂ上の
点Ｂ１で＋１次方向に回折された後、瞳３の右端を経て
回折格子Ｃ上の点Ｃ１で±１次方向に回折され、やはり
像面上の点Ｑ、Ｐに達する。一方、点Ａ０で＋１次方向
に回折された０次光Ｒ０’と−１次回折光Ｒ１’に対す
る光路は、上述の２光線の光路と光軸６（図中一点鎖
線）に対して対称となる。即ち、両者は、最終的に回折
格子Ｃ上の点Ｃ０で±１次方向に回折され像面上の点
Ｐ、Ｑ’に達する。従って、Ｐ点ではマスクで回折され
た０次光、及び＋１次、−１次光線の３つの光線が交わ
る。このことが、マスク回折角に依らないのは明らかで
ある。従って、点Ｐでは回折像が忠実に再生される。

【００１９】従来法（図２ａ）と比べると、同一のＮ
Ａ、倍率を持つ光学系を用いて、２倍の回折角をもつ回
折光が瞳を通過できるため、実質的にＮＡを２倍したの
と同様の効果が得られる。又、斜め照明（図２ｂ）では
０次光を中心として正負どちらか片方の回折光しか像面
で再生できないのに対して、本発明では両側の回折光を
像面で再生できるため、斜め照明では困難であった孤立
パターンの解像度向上が可能で、また周期パターンに対
して大きなコントラストを得ることができる。さらに、
本光学系に周期型位相シフトマスクを適用すると（図３
ａ）、０次回折光が消滅して通常の倍の回折角を有する
＋１次光Ｒ＋と−１次光Ｒ−が干渉する結果、最小解像
度はλ／（８ＮＡ）となる。これは、これまで周期型位
相シフトマスクや斜め照明を用いた場合の理論限界であ
るλ／（４ＮＡ）の半分であり、本発明により飛躍的な
解像度の向上が可能となる。また、本光学系において斜
め照明を適用した場合の結像の様子を図３ｂに示す。斜
め照明により、片側のみに対して大きな回折角をもつ回
折光Ｒ１"まで瞳を通過させることが可能となり、垂直
照明時の最大２倍、即ちλ／（８ＮＡ）まで解像度を向
上できる。又、マスク入射角の異なる様々な照明光を用
いれば、従来光学系におけるのと全く同様に部分コヒー
レント照明の効果を得ることができる。

【００２０】本発明の原理をフーリエ回折理論の立場か
ら説明すると次のようになる（図４）。以下の説明で
は、光学系の倍率は１、回折格子は１次元位相格子で±
１次回折光のみを考えるものとする。像面上の点Ｐか
ら、回折格子Ｃを介して瞳３を見ると、回折により瞳は
２つに分かれて見える（図４ａ）。各瞳の中には、各々
ある特定の角度で瞳を通過するマスクフーリエ変換像が
見える。一方、マスク側について考えると、マスクによ
り回折された光は回折格子Ａ及びＢで回折されて、瞳上
に複数のマスクフーリエ変換像を形成する。このうち、
ある特定の角度で瞳を通過したものが、上で見えた瞳の
中に見えることになる（図４ｂ）。即ち、図４の場合、
図４ｂの右のフーリエ回折像が図４ａの左側の瞳の中に
見え、図４ｂの左のフーリエ回折像が図４ａの右側の瞳
の中に見える。このとき、点Ｐで正しく像が再生される
ための条件は次の２点である。

【００２１】（１）２つの瞳を介してマスク上の同一点
のスペクトルが見えること。

【００２２】（２）２つのスペクトルが、２つの瞳の接
点で連続して接続すること。

【００２３】言い替えれば、１つの連続するスペクトル
を複数の瞳を介して見ることができるようにする必要が
ある。

【００２４】像から見て、回折格子Ｃを介してｆ'シフ
トした複数の瞳が見え、その各瞳の中に回折格子Ｂ及び
Ａを介してやはりｆ"シフトした複数のフーリエ回折像
が見えるとすると、真の像の振幅分布ｕ(ｘ)は次式で表
わされる。

【００２５】ｕ(ｘ)＝Ｆ[Σｐ(ｆ−ｆ')・Σｏ(ｆ−ｆ")] ｆ'＝±ＳC ｆ"＝±（ＳA−ＳB−ＳC) ここで、Ｆ[ ]はフーリエ変換、ｐ(ｆ)は瞳関数、ｏ
(ｆ)はマスクフーリエ回折像、ｘは実空間座標、ｆは空
間周波数座標、ＳA、ＳB、ＳCは回折格子Ａ、Ｂ、Ｃの
回折角のsin（正弦）、Σは異なる回折次数に対する和
を表す。従って、ＳA＝ＳB＋ＳC とすると、ｆ"＝０となり、ｆ'＝±ＳCの両方に対して共にｆ"＝０となる
項を得ることができる。即ち２つの瞳ｐ(ｆ±ＳC)を介
して１つのスペクトルｏ(ｆ)を見ることができる。さら
に、点Ｐでマスク上同一点に対する像を得るためには、
マスク面と回折格子Ａ、Ｂ間の距離、及び回折格子Ｃと
理想像面間の距離、各々ＺA、ＺB、ＺCを、ＳA・(ＺB−ＺA)＝ＳC・(ＺB＋ＺC) とすればよい。

【００２６】上の条件を近軸近似の下で縮小率Ｍ：１、
像側開口数ＮＡの光学系に適用すると、回折格子Ａ、
Ｂ、Ｃの周期ＰA、ＰB、ＰC、マスク面と回折格子Ａ、
Ｂ間の距離ＺA、ＺB、回折格子Ｃと理想像面間の距離Ｚ
Cをほぼ次のように設定すればよいことがわかる。

【００２７】１／ＰA＝1／ＰB−１／(Ｍ・ＰC) (ＺB−ＺA)／ＰA＝(ＺB／Ｍ＋Ｍ・ＺC)／ＰC さらに、本発明により十分な解像度向上効果を得るため
には、 λ／ＮＡ≦ＰC≦√２・λ／ＮＡとすることが好ましい。

【００２８】回折格子Ａ、Ｂは、位相格子であることが
好ましい。回折格子Ａ、Ｂが完全な位相格子でなく０次
光を透過する場合、本方法より解像性に劣る従来光学系
や斜入射光学系等の効果が本方法の効果に重なる。この
ため解像性が劣化する恐れがある。一方、回折格子Ｃは
位相変調格子であっても振幅強度変調格子であっても構
わない。回折格子Ｃの周期はかなり小さく、屈折率１．
５のシリコン酸化膜を考えると格子パターンの断面縦横
比はほぼ１程度となる。この場合、パターン断面での光
の散乱効果に注意する必要がある。遮光パターンからな
る回折格子の場合、遮光膜の厚さはかなり薄くできるた
め散乱の影響は低減できる。但し、後で述べるように、
位相変調格子を用いる方が露光領域を広くすることがで
きる。

【００２９】回折格子Ｂの基板側を屈折率ｎが１より大
きい液体等で満たすと、この領域の波長と回折角のｓｉ
ｎが１／ｎとなる。そこで、さらに回折格子Ｂの周期を
細かくし、回折角を液体を満たさない場合と等しくする
と、波長だけが１／ｎとなるため解像度も１／ｎに向上
する。この場合、マスク側ではより回折角の大きな回折
光が瞳を通過できる様マスク照明角を増大させる必要が
あるが、このとき回折角の小さな回折光は瞳を通過でき
なくなる。そこで、瞳の径をこれに応じて増大すること
が望ましい。このことは次のように言い替えることもで
きる。回折格子Ｂと基板の間の屈折率が１の場合、本発
明で用いる投影光学系のＮＡを０.５以上にしても何ら
解像度向上は得られない。sinθ＞０.５の角度θで周期
λ／ＮＡの回折格子Ｂに入射する光線に対する回折角は
９０度以上となり、エバネッセント波として回折格子表
面に局在化してウエハーには伝わらないためである。一
方、回折格子Ｂと基板の間の屈折率をｎとすると、sin
θ＝ＮＡの角度で回折格子Ｂ（瞳の端を通過した０次光
がウエハーに垂直入射するためには周期λ／ＮＡでなけ
ればならない）へ入射した光の回折角θ'は sinθ'＝（λ／ＰB＋sinθ）／ｎ＝２ＮＡ／ｎとなり、θ'＜９０度であるための条件は、ＮＡ＜ｎ／
２となる。即ち、本発明を最大ＮＡ＝ｎ／２の光学系ま
で有効に適用できる。一般に液浸光学系は特別な光学設
計を必要とするが、上述の様に本発明に適用した場合に
は何ら特別のレンズを必要としない。従って、半導体プ
ロセスにおいて通常使用されているＮＡ０.６程度の投
影レンズを用いて、回折格子Ｂと基板の間を水（屈折率
約１．３）で満たして露光すれば、実質的にＮＡを１.
２としたのと等価な効果が得られる。この場合、位相シ
フトマスクを用いれば、水銀ランプのｉ線の波長（３６
５ｎｍ）でも、０.１μｍ以下の解像度が得られること
になる。なお、本方法では、ウエハー近傍で干渉する光
の入射角は極めて大きいため、結像性能は光の偏光状態
に強く依存する。一般に、電場ベクトルが光の入射面に
垂直な偏光状態を有する光の方が、高いコントラストの
像を形成する上で望ましい。

【００３０】以上の議論は全て近軸近似を仮定し、回折
格子の基板の屈折率を１としたものであり、実際には回
折格子の基板の屈折率の効果や、回折格子により生じる
収差の影響を厳密に考慮する必要がある。このため、各
回折格子の設置位置等は若干変更する場合がある。複数
の回折格子のパターンの周期方向は十分な精度で一致さ
せることが好ましいことはいうまでもない。

【００３１】次に、本発明において注意すべき点につい
て４点述べる。

【００３２】第１に、本光学系では従来露光法と比べ
て、一般に露光領域が制限される。図１より分かるよう
に、像面上の点Ｑ、Ｑ’においても２光線が交わり互い
に干渉して像が形成される。この像は、本来形成される
べきでない位置に生じる偽の像であり、一般に好ましく
ない。これを回避するため、図５ａに示すように像面５
１の直上（ウエハーと回折格子Ｃの間）に遮光マスク５
２を設けてこれらの偽の像を遮断することが望ましい。
回折格子Ｃと遮光マスク５２は、図に示したように同一
の石英基板５３の両面に形成することができる。（別々
の基板上に形成しても構わない。）又、これと同時に同
様にして、マスクの直上又は直下に上記遮光マスクとほ
ぼ共役な領域を遮光するマスキングブレードを設ける等
して、マスク照明領域を上記共役な領域に制限すること
が好ましい。１回の露光で転写可能な露光領域は、真の
像（Ｐ点）と偽の像（Ｑ点）の間の距離（ほぼ２・ＮＡ・
ＺB）に相当する領域で、上記距離の２倍を周期として
繰返し現れる。従って、露光可能な領域が露光したい面
積より狭い場合には、図５ｂに示した様に、露光領域を
ウエハー上でスキャンすることが望ましい。この際、光
学系の縮小率がＭ：１であったならば、マスクスキャン
速度とウェハースキャン速度の比も厳密にＭ：１とする
ことが望ましいことはいうまでもない。これら露光領域
をマスク及びウェハー上で同期スキャンする方法に関し
ては、既存の露光装置で用いられている方法をそのまま
用いることができる。一方、露光可能領域が露光したい
面積より大きい場合、即ち、真の像と偽の像の間の距離
が例えば１個のチップをカバーする場合には、スキャン
せずに露光可能である。露光領域の大きさは回折格子Ｂ
の設置位置によって決まり、回折格子Ｂを像面から離す
ほど、１つの露光領域の幅は増大する。但し、同時に転
写不可能な領域の幅も増大するため、両者の割合はほぼ
１：１のまま変わらない。偽の像の影響を排除するため
に、ウエハー上露光領域の幅Ｗは、Ｗ≦ＮＡ・ＺBとする
ことが望ましい。又、回折格子Ｂに振幅強度変調格子を
用いた場合には、格子の０次回折光が真の像と偽の像の
中間点にもう一つの偽の像を形成するため、露光領域は
位相格子の場合のほぼ半分となる。

【００３３】第２に、本方法では一般に露光強度が低下
する。本方法でウェハー上で結像する光線は、光学系中
に挿入された回折格子により回折された光線のうち特定
の回折次数の光だけを用いている。従って、回折格子を
通過する度に露光に寄与する光強度は低下することにな
る。また、上で述べたようにマスク及びウェハー上で露
光領域を制限していることも、スループット低下の原因
となる。このため、本方法では十分に強度の強い光源を
用いる、感度の高い化学増幅系レジスト等のレジスト材
料を用いる等の対策を行うことが望ましい。

【００３４】第３に、前の説明で示したように、瞳上に
は、ｆ"＝０の望ましい回折像に加えて、ｆ"＝±２(ＳA
＋ＳB)だけシフトしたフーリエ変換像が生じる。これ
は、マスクパターンの高次スペクトルが実質的に低い空
間周波数領域に重なってしまうことを意味し、一般に好
ましくない。図１の光学系においてこれを避けるために
は、ＰA≦１／（１−２・ＮＡ／Ｍ）とすればよい。この場合、マスクで回折角２・ＮＡ／Ｍ
で回折された回折光（図１中Ｒ１）に対する回折格子Ａ
による＋１次方向の回折光（図１中Ａ１から発する点線
に相当）は存在できないからである。

【００３５】第４に、本発明の光学系では、回折格子導
入に伴う収差に注意する必要がある。回折格子により発
生する収差について、図６を用いて説明する。マスク通
過後の光線が光軸と回折格子の周期方向を含む面内にあ
ると仮定する（例えば、１次元パターンとコヒーレント
照明）。図６ａの光学系が無収差であるためには、例え
ばＯＸ₁Ｘ₂Ｘ₃Ｉ、ＯＹ₁Ｙ₂Ｙ₃Ｉ、及びＯＺ₁Ｚ₂Ｚ₃Ｉ
の各光路長の差が０でなければならない。しかし、これ
らの間に光路長差があるとこれが収差となる。ここで投
影光学系は収差０の理想的な光学系であると仮定する
と、Ｘ₂Ｘ₃＝Ｙ₂Ｙ₃＝Ｚ₂Ｚ₃より、ＯＸ₁Ｘ₂＋Ｘ₃Ｉ、
ＯＹ₁Ｙ₂＋Ｙ₃Ｉ、及びＯＺ₁Ｚ₂＋Ｚ₃Ｉの差が収差とな
る。瞳の直径を横切るＯＸ₁Ｘ₂Ｘ₃ＩからＯＺ₁Ｚ₂Ｚ₃Ｉ
に至る光路の波面収差をＯＹ₁Ｙ₂Ｙ₃Ｉを基準として規
格化した瞳半径座標ｓに対してプロットすると図６ｂの
実線のようになる。マスク通過後光軸に対して＋の角度
を有する光線に対する収差ｗ＋(ｓ)は瞳上で一般に非対
称となることがわかる。同様に光軸に対して−の角度を
有する光線に対する収差ｗ−(ｓ)は、光学系の対称性か
らｗ＋(ｓ)と瞳を中心として対称となる。本発明では、
＋方向に回折した光と−方向に回折した光を同時にウエ
ハー上で干渉させる必要があるから、両者に対する収差
を同時に補正する必要がある。しかし、図６ｂからわか
るように、＋方向と−方向に回折した光に対する瞳上収
差が一致しないことから、これらを同時に投影光学系で
補正することは原理的に困難となる。従って、これらの
収差は、マスクと投影光学系の間、又はウエハーと基板
の間で補正することが好ましい。これは、一般に次のよ
うな方法で行うことができる。

【００３６】ｗ＋(ｓ)とｗ−(ｓ)が等しければ、これを
投影光学系で補正することが可能である。そこで、Δｗ
(ｓ)＝｛ｗ＋(ｓ)｝−｛ｗ−(ｓ)｝を、瞳上（図６では
−１≦ｓ≦１の範囲）で波長と比べて十分に小さい量δ
に抑えればよい。一方、Δｗ±(ｓ)は、各回折格子の設
置位置と周期、回折格子を支える基板の厚さと屈折率、
基板と回折格子の相対位置関係等のパラメータｘｉ（ｉ
＝１、２、…）の関数として表される。そこで、問題
は、−１≦ｓ≦１の範囲で、Δｗ(ｓ、ｘｉ)＜δを満た
すｘｉを求めることに帰着する。実際の最適化の例につ
いては実施例で述べる。いずれにせよ、このようにし
て、マスク通過後光軸に対して±の角度を有する光線に
対する収差を瞳上で対称な形とすれば、これを投影光学
系において補正することができる。又、さらに上で述べ
た方法により収差自体を十分に抑制することができれ
ば、より好ましい。

【００３７】以上、簡単のためマスクパターンとして１
次元のパターンを想定したが、実際には２次元パターン
が存在したり、部分コヒーレント照明を用いた場合に
は、マスク通過後の光線は、光軸と回折格子の周期方向
を含む面内に収まらず、瞳上の様々な点に向かう。この
場合、Δｗとして、瞳上の２次元座標（ｓ、ｔ）の関数
Δｗ(ｓ、ｔ)＝｛ｗ＋(ｓ、ｔ)｝−｛ｗ−(ｓ、ｔ)｝を
考え、瞳面内で、Δｗ(ｓ、ｔ、ｘｉ)＜δを満たすｘｉ
を求めればよい。これは、ｗ±(ｓ、ｔ)を瞳上でｓ＝０
に対してできるだけ対称な形とすることを意味する。

【００３８】さらに、全ての方向に対して本発明の効果
を得るためには、例えば図７ａ、ｂに示すように各回折
格子を２次元回折格子とすることが考えられる。この場
合、見かけ上の瞳の形は４回対称となる。しかしなが
ら、上で述べた事情により、互いに垂直な２組の瞳に対
して瞳上で同時に収差補正することは、光学系のＮＡが
小さい場合を除いてやや困難である。このため、マスク
上ですべての方向に対して同等に本発明の効果を得るこ
とはやや難しく、図８のような１次元回折格子を用いる
のがより現実的である。図８ａ、ｂ、ｃは３つの代表的
な回折格子と見かけ上の瞳形状である。図８ａの場合、
ｘ方向のパターンに対して実質的なＮＡは２倍近く増大
するが、ｙ方向のパターンに対しては減少する。図８ｂ
の場合、ｘ方向のパターンに対して実質的なＮＡは√２
倍となり、ｙ方向のパターンに対しては１／√２とな
る。図８ｃの場合、ｘ，ｙ両方向ともＮＡは√２倍とな
るが、ｘ，ｙ方向以外に対する結像性能は著しくパター
ン方向に依存すると考えられる。何れの場合にも、マス
ク上でパターンのレイアウトルール等に方向による制限
を課すことが望ましい。

【００３９】結像性能のパターン方向依存性をなくすた
めには、図８ａ、ｂ、ｃの条件を、各々例えば９０度回
転させて多重露光を行ってもよい。特に、図８ｃにこれ
を適用した場合には、ｘ，ｙ方向以外に対するパターン
方向依存性を抑制し、かつ像コントラストを犠牲とせず
にｘ，ｙ両方向ともＮＡを√２倍したのと同等な像を得
ることができる。但し、回折格子を９０度回転させた場
合、収差特性も９０度回転する。そこで、収差補正を瞳
フィルターを用いて行い、回折格子とともにこれを９０
度回転させる等の対策を施すことが望ましい。なお、収
差抑制が困難な場合には、必要に応じて瞳にスリットフ
ィルターを設ける等してもよい。

【００４０】図３に示したように周期型位相シフトマス
クを完全コヒーレント照明した場合には、ウエハー近傍
で干渉する±１次光の光路は光軸に対して常に対称であ
り、各々の光路長は等しい。従って、光学系が収差補正
されていなくても微細パターン形成可能である。即ち、
完全コヒーレント照明下で周期型位相シフトマスクを用
いる場合には、図７に示したような２次元回折格子が使
用可能で、位相シフトマスクの効果をパターン方向に依
らず最大限に発揮することができる。様々なパターンの
混在するマスクパターンを転写する場合には、微細周期
パターンのみを上記方法で露光し、その後その他の部分
を従来露光法で露光すればよい。

【００４１】また、上記収差は一般にＮＡの値とともに
急激に増大する。このため、ＮＡ０.１〜０.２程度の光
学系では比較的問題とならない。従って、低ＮＡ・低倍
率の大面積用露光装置や、反射型の軟Ｘ線縮小投影露光
装置等に適用する場合には、上で述べたような様々な制
約が軽減される。

【００４２】以上、本発明は、０次回折光線を中心とし
たフーリエ回折像の左右片側を各々別々に瞳を通過さ
せ、これを像側で合成するものであるといえる。この考
え方自体は、前述の文献に論じられている様に既に光学
顕微鏡に応用されているものであるが、これを縮小投影
光学系の上で実現可能な光学系の構成はこれまで考案さ
れていなかった。本発明は、これを縮小投影露光系にお
いてたくみに実現したものに他ならない。即ち、図１の
光学系は、投影光学系とウエハの間に回折格子を設け、
ウエハ面へ入射する光ビームの入射角を大きくするとと
もに、ウエハ面干渉の結果元のマスクパターンに忠実な
像が再生されるように、光学系を構成したものである。
本発明は、屈折光学系、反射光学系、及びこれらの組合
せ、縮小光学系、等倍光学系等、様々な投影光学系に適
用できる。これらの光学系を用いてマスクパターンをウ
ェハー上へ露光する場合の露光方法としても、一括転
写、スキャン方式、ステップアンドリピート、ステップ
アンドスキャン等のいずれにも適用可能である。又、以
上の説明より明らかなように、本発明は純粋に幾何光学
的な効果に基づいている。従って、前述のモアレ縞を用
いる方法における様なエバネッセント光利用に起因する
問題点は生じない。又、回折格子はウエハーより離して
設置可能で、しかも同期スキャン等の必要もないため、
はるかに容易に実現可能である。

【００４３】

【実施例】

（実施例１）本発明に基づき、ＮＡ＝０．４５、光源波
長λ＝２４８ｎｍ、縮小率４：１のスキャン型ＫｒＦエ
キシマレーザ投影露光装置を、図９に模式的に示すよう
に改造した。即ち、マスクステージ１００上に設置した
マスク１０１と投影光学系１０２の間に、両面に位相格
子パターンを有する透明石英板１０３を挿入した。又、
ウエハーステージ（試料台）１０４上に設置したウエハ
ー１０５と投影光学系１０２の間に、片面に遮光パター
ン、もう片面に位相格子パターンを有する透明石英板１
０６を、遮光パターンの側がウエハーに対面するように
挿入した。遮光パターンは幅３００μｍ周期１ｍｍのＣ
ｒパターン、位相格子パターンは周期＝λ／ＮＡのＳｉ
酸化膜パターンとした。マスク側透明石英板１０３上の
位相格子パターンの周期は、ウエハー側の４倍である。
Ｓｉ酸化膜厚は、膜の存在部と存在しない部分を透過し
た光の位相が１８０度ずれるように設定した。これらの
パターンはＥＢリソグラフィを用いて、いわゆるクロム
レス位相シフトマスクの作製プロセスと同様にして形成
した。又、マスクの照明光学系１０７側に、幅１.２ｍ
ｍ、周期＝４ｍｍの遮光パターンを有する透明石英板１
０８を設けた。上記遮光パターンの遮光領域は、ウエハ
ー側透明石英板１０６上の遮光パターンと共役となるよ
うに設定した。

【００４４】透明石英板１０３両面の位相格子の周期、
各透明石英板の膜厚と設置位置等は、作用の項に述べた
意味における投影光学系瞳上の収差が軸対称となるよ
う、光線追跡プログラムの最適化機能を用いて最適化し
た。さらに、上記軸対称な収差補正のため、収差補正フ
ィルター１０９を投影光学系の瞳位置に挿入した。ここ
で、収差補正フィルター１０９は、主に上記回折格子の
周期方向と垂直な方向の非点収差を補正するものであ
る。なお、これらの回折格子等を有する透明石英板と収
差補正フィルターは、いずれも交換可能で、所定の位置
にすみやかに設定できるようにした。又、透明石英板の
位置ぎめを正確に行うために、各石英基板のホルダー
（図示せず）は微動機構（図示せず）を有し、各石英基
板の位置を計測してこれを所望の位置に設定することが
できる。さらに、ウエハーステージ１０４上に設けたオ
ートフォーカスモニター（図示せず）により像をモニタ
ーすることにより、像面上で最適な結像特性が得られる
ように、モニター結果をフィードバックして各石英基板
の位置を調整することも可能とした。なお、投影光学系
自体をあらかじめ上記回折格子に対して収差補正を施し
てもよく、この場合には収差補正フィルターは必要な
い。露光は、マスク及びウエハーを同期スキャンしなが
ら行なった。ステージ制御系１１０は、マスクステージ
１００とウエハーステージ１０４を、各々４：１の速度
比で同期走査する。

【００４５】上記露光装置を用いて、周期型位相シフト
パターンを含む様々な寸法のパターンを有するマスク
を、化学増幅系ポジ型レジスト上へ転写した。露光後所
定の現像処理を行い、走査型電子線顕微鏡で観察した結
果、上記位相格子の周期方向（ｘ方向）に対して周期型
位相シフトマスクにより寸法９０ｎｍ（周期１８０ｎ
ｍ）のレジストパターンが形成できた。一方、上記方向
と垂直な方向（ｙ方向）の解像度は、位相シフトマスク
を用いて寸法１４０ｎｍ（周期２８０ｎｍ）程度であっ
た。そこで、次に、上記３枚の位相格子及び収差補正フ
ィルターを９０度回転して同じマスクを露光してレジス
トパターンを形成したところ、ｘ方向とｙ方向に対する
解像度は逆転した。

【００４６】なお、上の実施例は、光学系の種類、Ｎ
Ａ、光源波長、縮小率、レジスト、マスクパターンの種
類と寸法、回折格子と遮光パターンの周期や設置位置
等、きわめて限定されたものであるが、これらの各種条
件は本発明の主旨に反しない範囲内で様々に変更可能で
ある。

【００４７】（実施例２）次に、回折格子導入に伴う収
差の影響が最小となるよう、光学系を最適化した例を示
す。図１０の光学系において、Ｏ、Ｉは、回折格子を導
入した光学系のマスク面と像面、Σ、Σ’は回折格子を
導入しない投影光学系のマスク面と像面、ｈi（ｉ＝１
〜６）は図中の距離を示す。回折格子Ａ、Ｂ、Ｃとウエ
ハー直上の遮光パターンは実施例１同様透明石英基板の
両面に形成した。このとき、マスク通過後に光軸に対し
て±の角度を有する光線に対する横収差ｗ±(ｓ)は、規
格化瞳半径座標ｓの関数として次のように表される。

【００４８】ｗ±(ｓ)＝ｗｕ±(ｓ)＋ｗｓ±(ｓ) ｗｕ±(ｓ)＝Ｃ₁ｈ₁＋Ｃ₂(ｓ₁)ｈ₂＋Ｃ₅ｈ₅＋Ｃ₆ｈ₆ ｗｓ±(ｓ)＝Ｃ₃ｈ₃＋Ｃ₄ｈ₄ Ｃ₁＝tan[(s±s₀)/M]/M、Ｃ₂＝tan[±(s₁/n)-(s±s₀)/(nM)]/M、Ｃ₃＝tan[s/M]/M、Ｃ₄＝tan(s)、Ｃ₅＝tan[(s±s₀)/n]、Ｃ₆＝tan(s±s₀) ここで、ｗｕは瞳上でｓ＝０に対して非対称な成分、ｗ
ｓは対称な成分を表す。但し、ｓ₀＝ＮＡ、ｓ₁＝λ／Ｐ
Aである。ｓ₀（ＮＡ）、縮小倍率Ｍ、透明石英基板の屈
折率ｎはシステム固有の値とすると、上式は７つの最適
化パラメータ、ｈi（ｉ＝１〜６）及びｓ₁を含む。そこ
で、ｗｕ±(ｓ)、ｗｓ±(ｓ)に対して収差を最小とすべ
く７つの拘束条件を課すことにより、これらの値を最適
化した。いくつかのＮＡに対する最適化結果の一例を表
１に示す。但し、収差はｈ₅／λを単位とする波面収差
で表した。

【００４９】

【表１】

【００５０】表からわかるように、ＮＡ＝０.４におい
ても十分に収差を抑えることが可能であった。同様の最
適化は、回折格子Ａ、Ｂが各々別の透明基板上に設けら
れている場合等、様々な配置に対して行うことができ
る。さらに、新たな透明基板や回折格子を導入すること
により最適化のパラメータを増やすことにより、さらに
厳しい収差条件を満足させることができる。

【００５１】（実施例３）次に、実施例１に示した露光
装置を用いて、０．１μｍ設計ルールのＤＲＡＭを作成
した例について述べる。図１１は、上記デバイスの作製
工程を露光プロセスを中心に示したものである。

【００５２】まず、ウエル等（図示せず）を形成したＳ
ｉ基板２０１上にアイソレーション２０２及びゲート２
０３を形成した（図１１ａ）。アイソレーション及びゲ
ートパターンは周期型位相シフトマスクを用い、実施例
１に示した露光装置により露光した。ここで、シミュレ
ーションにより周期パターンの周辺部においてパターン
形状が歪む部分が生じることが予測されたため、この不
要部分を除去するためのマスクを用意した。上記マスク
を上記露光を行ったものと同一レジスト膜に対して従来
露光装置を用いて重ね露光した後現像して、回路性能上
好ましくない部分を除去した。なお、上記不要部分を除
去せずに、回路的に無視することによって対処してもよ
い。

【００５３】次に、キャパシター２０４及びコンタクト
ホール２０５を形成した（図１１ｂ）。コンタクトホー
ルのパターン露光には、電子線直接描画法を用いた。次
に、第１層配線２０６、スルーホール（図示せず）、第
２層配線２０７を形成した（図１１ｃ）。第１層配線
（０．１μｍＬ／Ｓ）は周期型位相シフトマスクと実施
例１に示した露光装置を用いて露光した。但し、ここで
各回折格子の方向と寸法を図９ｃに示したものに変更
し、さらにこれを９０度回転させて多重露光を行った。
このとき、同時に収差補正フィルター１０９も回折格子
とともに９０度回転させた。これにより、縦横の両方向
に延びる配線に対して方向依存性なしに０．１μｍＬ／
Ｓを形成できた。スルーホールの形成はコンタクトホー
ルと同様、電子線直接描画法を用いた。以降の多層配線
パターン及びファイナルパッシベーションパターンは
０．２μｍルールで設計されており、本発明を用いない
通常のＫｒＦエキシマレーザ投影露光法により形成し
た。なお、デバイスの構造、材料等に関し、上記実施例
で用いたものにとらわれず変更可能である。

【００５４】（実施例４）次に、本発明の別の実施例と
して、本発明を分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーの製作に
適用した例について述べる。露光装置には、ＮＡ０．５
のＡｒＦエキシマレーザ縮小投影露光装置を実施例１同
様にして改造したものを用いた。従来の１／４波長シフ
トＤＦＢレーザーの作製工程において、電子線描画法等
を用いて形成していた周期１４０ｎｍの回折格子を、周
期型位相シフトマスクと上記露光装置を用いて形成し
た。これにより、電子線描画法等を用いて作製したもの
とほぼ同等の性能を有するＤＦＢレーザーを、より短期
間で製作することが可能となった。

【００５５】

【発明の効果】以上、本発明によれば、照明光学系を介
して光をマスクに照射し、マスクパターンを投影光学系
により基板上へ結像させてパターンを形成する際、上記
基板と上記投影光学系の間に上記基板と平行に回折格子
を設けるとともに、上記回折格子により回折された光の
干渉により基板面近傍でマスクパターンの像が再生され
るように、投影光学系とマスクの間又はマスクと照明光
学系の間に回折格子又は結像光学系を設けることによ
り、従来露光装置の解像限界を越えた微細パターンの形
成が可能となる。具体的には、投影光学系のＮＡを変え
ることなしに、そのＮＡを実質的に最大２倍にしたのと
ほぼ同等の効果が得られる。これにより、従来露光装置
の光学系の基本的な構成を大きく変更することなく、大
きな露光フィールドと高い解像力が得られ、大量生産に
適した縮小投影光リソグラフィを用いて、寸法０.１μ
ｍクラスのＬＳＩの製造が可能となる。

【００５６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一光学系の結像の原理を幾何学的
に示す模式図である。

【図２】各種従来露光法による結像の原理を示す模式図
である。

【図３】本発明による一光学系に位相シフトマスク又は
斜め照明法を適用した場合の結像の原理を示す模式図で
ある。

【図４】本発明による一光学系の結像の原理を回折光学
的に示す模式図である。

【図５】本発明による一光学系の一部分と露光方法の一
例を示す模式図である。

【図６】本発明による一光学系の特性を示す模式図であ
る。

【図７】本発明で用いる光学部品とそれにより得られる
効果を示す模式図である。

【図８】本発明で用いる光学部品とそれにより得られる
効果を示す模式図である。

【図９】本発明の一実施例による露光装置の構成を示す
模式図である。

【図１０】本発明の別の実施例の特性を示す図である。

【図１１】本発明の別の実施例によるデバイス作製工程
を示す模式図である。

【符号の説明】

１…マスク、２…投影光学系、３…瞳、４…ウエハー、
５、２０…絞り、６、２９…光軸、Ａ、Ｂ、Ｃ…回折格
子、Ｒ…光、Ｒ０、Ｒ０’…０次回折光、Ｒ１、Ｒ＋、
Ｒ１”…＋１次回折光、Ｒ１'、Ｒ−…−１次回折光、
Ａ０、Ａ１…回折格子Ａ上の点、Ｂ０、Ｂ１…回折格子
Ｂ上の点、Ｃ０、Ｃ１、Ｃ１’…回折格子Ｃ上の点、
Ｑ、Ｐ、Ｑ’…像面上の点、２１…従来透過型マスク、
２２…光、２３…投影光学系、２４…瞳、２５…像面、
２６…周期型位相シフトマスク、２７…マスク回折光の
０次光、２８…＋１次光、５１…像面、５２…遮光マス
ク、５３…石英基板、Ｏ…マスク上の点、Ｘ₁、Ｙ₁、Ｚ
₁…回折格子Ａ上の点、Ｘ₂、Ｙ₂、Ｚ₂…回折格子Ｂ上の
点、Ｘ₃、Ｙ₃、Ｚ₃…回折格子Ｃ上の点、Ｉ…像面上の
点、１００…マスクステージ、１０１…マスク、１０２
…投影光学系、１０３…透明石英板、１０４…ウエハー
ステージ（試料台）、１０５…ウエハー、１０６…透明
石英板、１０７…照明光学系、１０８…透明石英板、１
０９…収差補正フィルター、１１０…ステージ制御系、
２０１…Ｓｉ基板、２０２…アイソレーション、２０３
…ゲート、２０４…キャパシター、２０５…コンタクト
ホール、２０６…第１層配線、２０７…第２層配線。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクを準備する工程と、光源からの光を
上記マスクに照射する工程と、上記マスクのパターンを回折する工程と、該回折した光を投影光学系を通して回折し試料上に上記
マスクパターンを再生し露光する工程から成ることを特
徴とする投影露光方法。
【請求項２】上記回折する工程として２回回折すること
を特徴とする請求項１記載の投影露光方法。
【請求項３】光源と、該光源からの光でマスク上のパターンを照射し、該マス
クからの光を回折する第１と第２の回折手段と、回折した光を試料上に投影する投影光学系と、該投影光学系からの光を回折する第３の回折手段と、該第３の回折手段の下に配置された試料を載置する試料
台からなることを特徴とする投影露光装置。
【請求項４】上記第１と第２の回折手段は位相格子であ
ることを特徴とする請求項３記載の投影露光装置。
【請求項５】光源を発した波長λの光を照明光学系を介
してマスクに照射し、上記マスク上のパターンを開口数
ＮＡ、縮小率Ｍ：１の投影光学系により基板上へ結像さ
せることにより上記基板上にパターンを形成する方法に
おいて、上記基板と上記投影光学系の間に上記基板と平
行な第１の回折格子を有し、前記第１の回折格子により
回折された光の干渉により基板面近傍でマスクパターン
の像が再生されるように、上記マスクと上記照明光学系
の間に、上記マスクと平行に、上記マスク側から順に第
２の回折格子と第３の回折格子の２枚の回折格子を設け
ることを特徴とする投影露光方法。
【請求項６】前記回折格子を設けた光学系の遮断空間周
波数ｆが、前記回折格子を設けない光学系の遮断空間周
波数ｆ０より大きく、かつｆ０の２倍以下であることを
特徴とする請求項５記載の投影露光方法。
【請求項７】前記第１の回折格子の空間周期Ｐ１は、 λ／（１.４２・ＮＡ）≦Ｐ１≦λ／ＮＡの範囲にあることを特徴とする請求項５記載の投影露光
方法。
【請求項８】上記第１、第２及び第３の回折格子の周期
方向は等しく、上記第１の回折格子の空間周期Ｐ１、第
２の回折格子の空間周期Ｐ２、第３の回折格子の空間周
期Ｐ３は、ほぼ１／Ｐ３＝１／Ｐ２−１／(Ｍ・Ｐ１) の関係を満たすことを特徴とする請求項５記載の投影露
光方法。
【請求項９】上記第１の回折格子の上記基板表面から光
学距離Ｚ１、及び、上記第２、第３の回折格子の上記マ
スク表面から光学距離Ｚ２、Ｚ３は、ほぼ（Ｚ３−Ｚ２）／Ｐ２＝（Ｚ３／Ｍ＋Ｚ１・Ｍ）／Ｐ１の関係を満たすことを特徴とする請求項５記載の投影露
光方法。
【請求項１０】上記第１の回折格子、上記第２の回折格
子、及び上記第３の回折格子の各設置位置、上記第１の
回折格子、上記第２の回折格子、及び上記第３の回折格
子を設ける各透明基板の膜厚、及び上記第２の回折格子
の周期を、前記投影光学系のＮＡ及び縮小倍率、各回折
格子と上記基板の位置関係に応じて、上記マスク面と像
面の間の収差が最小となるように設定したことを特徴と
する請求項５記載の投影露光方法。
【請求項１１】前記第２の回折格子の空間周期Ｐ２は、Ｐ２≦１／（１−２・ＮＡ／Ｍ）を満たすことを特徴とする請求項５記載の投影露光方
法。
【請求項１２】前記第２及び第３の回折格子は、位相格
子であることを特徴とする請求項５記載の投影露光方
法。
【請求項１３】前記第１の回折格子は、位相格子である
ことを特徴とする請求項５記載の投影露光方法。
【請求項１４】前記基板と前記第１の回折格子の間に、
前記一方向に対する幅がＺ１・ＮＡ以下で、空間周期が
ほぼ２・Ｚ１・ＮＡの第１の遮光パタ−ンを設けるととも
に、前記マスクの直上又は直下に、マスク上の上記第１
の遮光パタ−ンとほぼ共役な領域を遮光する第２の遮光
パタ−ンを設けて露光領域を制限するか、又は、上記制
限された露光領域を基板上で走査して露光するか、もし
くはステップ状に移動しながら露光することを特徴とす
る請求項５記載の投影露光方法。
【請求項１５】前記回折格子は１次元回折格子であり、
前記投影光学系の波面収差が、瞳上での上記回折格子の
周期方向と垂直な方向の直径を軸として、線対称となる
ように収差補正されていることを特徴とする請求項５記
載の投影露光方法。
【請求項１６】前記マスクは、周期型位相シフトマスク
を含むことを特徴とする請求項５記載の投影露光方法。
【請求項１７】前記マスクは、前記第１の回折格子の周
期及び方向に応じて、特定方向に微細なパターンを有す
ることを特徴とする請求項５記載の投影露光方法。
【請求項１８】前記マスクは、前記第１の回折格子の周
期及び方向に応じて、パターン形状を補正したことを特
徴とする請求項５記載の投影露光方法。
【請求項１９】前記第１の回折格子と前記基板の間を、
屈折率ｎが１より大きい液体で満たし、前記投影光学系
のＮＡを、０.５＜ＮＡ＜ｎ／２の範囲に設定したことを特徴とする請求項５記載の投影
露光方法。
【請求項２０】光源を発した波長λの光をマスクステー
ジ上のマスクに照射する照明光学系と上記マスク上のパ
ターンを基板ステージ上の基板表面近傍で結像させる開
口数ＮＡ、縮小率Ｍ：１の投影光学系を有する投影露光
装置において、上記基板と上記投影光学系の間に上記基
板と平行な第１の空間周期Ｐ１（λ／（１.４２・Ｎ
Ａ）≦Ｐ１≦λ／ＮＡ）の第１回折格子を有し、上記第
１の回折格子により回折された光の干渉により基板面近
傍でマスクパターンの像が再生されるように、上記マス
クと上記照明光学系の間に、上記マスクと平行に、上記
マスク側から順に第２の回折格子と第３の回折格子の２
枚の回折格子を有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２１】上記第１、第２及び第３の回折格子の周
期方向は等しく、上記第１の回折格子の空間周期Ｐ１、
第２の回折格子の空間周期Ｐ２、第３の回折格子の空間
周期Ｐ３は、ほぼ１／Ｐ３＝１／(Ｍ・Ｐ１)＋１／Ｐ２の関係を満たすことを特徴とする請求項２０記載の投影
露光装置。
【請求項２２】上記第１の回折格子、上記第２の回折格
子、及び上記第３の回折格子の各設置位置、上記第１の
回折格子、上記第２の回折格子、及び上記第３の回折格
子を設ける各透明基板の膜厚、及び上記第２の回折格子
の周期を、前記投影光学系のＮＡ及び縮小倍率、各回折
格子と上記基板の位置関係に応じて、上記マスク面と像
面の間の収差が最小となるように設定したことを特徴と
する請求項２０記載の投影露光装置。
【請求項２３】前記基板と前記第１の回折格子の間に、
前記一方向に対する幅がＺ１・ＮＡ以下で、空間周期が
ほぼ２・ＮＡ・Ｚ１の遮光パタ−ンを有するか、又は、
上記遮光パタ−ンにより制限された露光領域を基板上で
走査して露光するか、もしくはステップ状に移動しなが
ら露光する機能を有することを特徴とする請求項２０記
載の投影露光装置。