曝光方法及装置的制作方法

专利名称：曝光方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明一般地说涉及曝光，并尤其涉及曝光装置和方法、器件的制造方法以及由曝光物体或目标物体制作的器件。曝光装置和方法用于制作各种器件，包括半导体芯片如IC和ISI、显示器如液晶板，传感器如磁头，图象拾取装置如CCD以及用于微型机械的细接触孔图案。此处，微力学是一项应用制作精细结构的半导体IC制作技术的技术，以此创建可以以微米量级操作的增强的机械系统。
背景技术：
光刻法是利用曝光装置把掩模图案转印到用于硅晶片、玻璃板(简称“晶片”)等的光敏材料(抗蚀剂)，包括应用抗蚀剂、曝光、显影、蚀刻和去除抗蚀剂的步骤。对于这一系列步骤中的曝光，分辨率、涂覆层准确度和生产率是三个重要的因素。分辨率是精细转印的最小尺寸。涂覆层准确度是晶片上覆盖的多种图案的精密度。产量是单位时间内加工的板片数量。
利用光刻技术制作器件采用了一种投影曝光装置，即使用投影光学系统把掩模或刻线(本申请中这两个术语可以互换使用)上的图案投影到晶片上，由此转印图案。投影光学系统能够使来自图案的衍射光束在晶片上干涉并形成一个图象。正常的曝光能够使0阶或±1阶衍射光束(即三束光束)彼此干涉。
掩模图案包括相邻且周期性间隔(L和S)的线条图案、相邻且周期性分布的接触孔线条(即以与孔直径相同的间隔分布)、不相邻且隔离的隔离接触孔、其它的隔离图案，并且图案以高分辨率的转印需要根据图案类型选择最佳的曝光条件(如照明条件曝光量等)。
投影曝光装置的分辨率R由下列瑞利方程给出R＝K1(λ/NA) (1)
此处，λ是光源的波长，NA是投影光学系统的数值孔径，K1是显影过程及其它条件决定的常数。在正常曝光情况下，K1近似为0.5-0.7。
近年来对高集成器件的需求增加了对转印更精细或更高分辨率的图案的要求。虽然上述方程表明，较大的数值孔径NA和减小的波长λ将有效地实现较高的分辨率，但现阶段这些因素的改进已经到了极限。因此，正常的曝光很难在晶片上形成0.15μm或更小的图案。因此建议采用相移掩模技术，使得已经通过一个图案的衍射光束中的两束彼此干涉，由此形成图象。相移掩模将其上相邻透光部分的相位反转180°，并消除0阶衍射光束，由此使得两个±1阶衍射光束彼此相干并形成一个图象。这项技术的使用将上述方程中的K1减小到大致为0.25，由此提高分辨率R并在晶片上形成不大于0.15μm的图案。
但是，当把已经接近分辨率极限的精细接触孔的相邻相位反转180°时，光以偏离光轴很宽的角度衍射，即在光瞳面上45°角的方向衍射，并偏离投影系统的光瞳。结果，衍射光束既不能通过投影透镜的光瞳，也不能分辨。可以分辨的至多是降至L和S图案中边缘临界尺寸的平方根的精细图案。因此，要求孔的接触线(或接触孔阵列)具有等于L和S图案的分辨率。
而且近来的半导体工业将其制造移向系统芯片，包括高附加值和各种类型的图案，因而需要在一个掩模上形成不止一种的接触孔图案。但是，现有技术中的相移掩模仍不能以较高的分辨率一次充分曝光，接触孔图案与接触孔线条和隔开的接触孔混合。另一方面，利用两个掩模的两次曝光(或多次曝光)分别对不同类型的图案曝光是可信的，但常规的两次曝光需要两个掩模并会产生很多实际上的不利即此方法导致成本增加和产量下降，因为有两个曝光步骤，并且对两个掩模的互换需要较高的重叠精确度。

发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种曝光方法和装置，能够不用互换掩模地以高分辨率(即对于接触孔线的分辨率等于对于利用相移掩模的L和S图案的分辨率)对具有细孔直径(如不大于0.15μm)的接触孔图案曝光并由一个(分开的)接触孔混合成一条接触孔线。
为了实现上述目的，根据本发明一个方面的曝光方法包括步骤提供一个掩模，掩模上分布着一个接触孔图案和多个均小于接触孔图案的图案；利用多种光源对掩模照明，从而通过投影光学系统分辨靶上没有较小图案的接触孔图案。此曝光方法同时或依次使用多种照明光(如不同于标准环形照明的照明)，并且在显影之后通过适当地选择阈值(抗蚀剂的阈值)而在靶表面上形成所需的图案。掩模及其制造方法也构成本发明的另一个方面。
掩模上的接触孔图案可以有不同于最初形成在靶上的直径。多种照明光可以包括强度分布具有接近光轴的峰的第一照明光，和强度分布具有远离光轴的峰的第二照明光。或者，多种照明光可以包括较大σ的照明光和较小σ的照明光。多种照明光可以包括第一和第二照明光，第一照明光能使得由所需图案产生的两个衍射光束入射到投影光学系统的光瞳面上，第二照明光防止任何衍射光入射到光瞳面上的由线性连结两个衍射光束限定的区域上。
第二照明光可以设置成只有一束衍射光入射到光瞳面上。多种照明光可以形成一个σ大于0.9的有效光源。掩模可以用作相移掩模，对所需的图案设置交错0°和180°的相位。可以有多种辅助图案作为较小的图案，与所需图案相邻的辅助图案的大小做成小于其它的辅助图案。多种照明光可以包括基本上为环形的有效光源和外圆周σ大于0.9的四极光源。
根据本发明另一方面的曝光方法包括步骤在掩模上形成这样一种分布，即一个接触孔图案和多个均小于接触孔图案的图案；利用形成有效光源的光对掩模照明，从而通过投影光学系统分辨靶上没有较小图案的接触孔图案，其中有效光源在其中心部分有一个非圆形阴暗部分。非圆形阴暗部分可以是十字形。掩模及其制造方法也构成本发明的另一个方面。
小的σ的照明可以形成一个σ不大于0.3的圆形有效光源。较大σ的照明可以形成一个十字的四组结构的有效光源。较大σ的照明可以形成一个环形有效光源。四组结构可以有相同σ的照明光。较大σ的照明在照明光的中心可以有不小于0.6的σ。第一σ的照明可以形成一个十字的四组结构的有效光源。掩模可以采用一种相移掩模，第二照明可以有一个具有中空矩形、圆形或近似平行四边形的矩形有效光源。掩模可以采用二元或半色调掩模，第二照明可以有一个交叉的四扇形的有效光源。掩模可以采用二元或相移掩模以形成各种有效光源。有效光源在外圆周可以有大于0.9的σ，并且有效光源可以在圆形光源的中心形成十字阴暗部分。有效光源在外圆周可以有大于1.0的σ。在改变靶和所需图案的图象之间在投影光学系统光轴上的位置关系的同时可以重复多次曝光。所需的图案和辅助图案可以二维分布成一个矩阵。
根据本发明另一方面的曝光装置包括一种用于执行上述曝光方法的曝光模式。该曝光装置展示了上述曝光方法的操作。该曝光装置还包括一个孔径光阑，该孔径光阑具有第一和第二透光部分以及一个阻光部分，第一透光部分对第二图案的分辨率起作用，第二透光部分增强对第二图案的光强分布，第一和第二透光部分的面积之比处于0.06～1.30的范围。该曝光装置还包括一个包含孔径光阑的照明光学系统，所述的孔径光阑有一个透光部分和一个阻光部分，阻光部分的面积可以变化。
本发明另一方面的曝光装置包括一个用于调节第一照明和第二照明的光量之比的机构，第一照明有一个具有对应于接触孔阵列的纵向和横向的十字四组结构的有效光源，第二照明有另一个有效光源。
本发明另一方面的器件制造方法包括步骤利用上述曝光装置对靶曝光，并对曝光的靶执行预定的处理。对展示类似于上述曝光装置的操作的器件制造方法的权利要求覆盖器件及其它们的中间产品和最终产品。而且，这些器件例如包括半导体芯片，如LSI和VLSI，CCD，LCD，磁传感器，薄膜磁头等。
本发明另一方面的掩模上二维分布着一个接触孔图案和多种均小于接触孔图案的辅助图案，其中与接触孔图案相邻的辅助图案的大小做得小于另一个辅助图案的大小。辅助图案可以具有对应于所需图案中孔直径的大约55％～90％的大小。该掩模可以用于相移掩模，通过设置交错0°和180°的相位形成二维分布的所需图案。
本发明另一方面的投影曝光方法包括步骤提供一个分布着一种接触孔图案和多种均小于接触孔图案的图案的掩模；利用用于分辨接触孔图案的第一照明和用于防止较小图案和第一照明导致的伪分辨率的第二照明对掩模照明。
根据本说明书，由σ代表的量表示对投影光学系统中孔径光阑的孔径(或光瞳)的直径进行照明的一个光阑中一个物(如一个孔径的象)的大小和位置。
通过下面参考附图对实施例的描述，本发明的其它目的和特点将变得更加清晰。


图1是本发明曝光装置的框图；图2是图1所示的曝光装置中孔径光阑的形状实例平面图；图3是图1所示的孔径光阑的另一形状实例平面图；图4是图1所示的孔径光阑的另一形状实例平面图；图5是图1所示的孔径光阑的另一形状实例平面图；图6是图1所示的孔径光阑的另一形状实例平面图；图7是图1所示的孔径光阑的另一形状实例平面图；图8是图1所示的曝光装置中掩模的平面图；图9是图8所示的掩模的改型示图；图10是图8所示的掩模的另一改型平面图；图11是作为例1的曝光结果，转印到板上的图案；图12为当把图2所示的孔径光阑用于对图11中所示的掩模照明时，峰偏离光轴的照明光出现在投影光学系统光瞳面上的衍射光的分布平面图；图13是作为例2的曝光结果，转印到板上的图案；图14是形成接触孔所需图案的二元掩模的平面图；图15为当把峰接近光轴的照明光用于对图14所示的掩模照明时，出现在曝光装置的投影光学系统中光瞳面上的衍射光的分布平面图；图16是具有接触孔图案的掩模的平面图；其中接触孔图案是二维分布的图14所示的图案和接触孔的虚设图案；图17是当把十字(四极)照明光用于对图4所示的掩模照明时，曝光装置的投影光学系统中光瞳面上出现的衍射光分布的示图；图18是用于对图16所示的掩模照明的十字(四极)照明光阑的平面图；图19是用于解释利用本发明曝光装置的器件制造方法的流程图；图20是对于图19中步骤4的详细流程图；图21是表示孔径光阑的形状实例的平面图；图22是表示孔径光阑的形状实例的平面图；图23是表示孔径光阑的形状实例的平面图；图24是表示孔径光阑的形状实例的平面图；图25是图9所示相移掩模上的小σ照明在光瞳面上的衍射光束的位置以及斜入射照明的衍射光束的移动位置的典型示图；图26是用于解释有效光源分布的典型示图；图27是对应于十字斜入射的照明和本发明改型的照明的曝光量的图象和曝光量的示图；图28是表示入射到光瞳面上的衍射光束的位置的典型示图；图29是用于解释有效光源分布的典型示图；图30是有效光源分布的示图；图31是用于解释有效光源分布的典型示图；图32是有效光源分布的示图；图33是用于解释有效光源分布的典型示图；图34是有效光源分布的示图；图35是图8所示相移掩模上的小σ照明在光瞳面上的衍射光束的位置以及斜入射照明的衍射光束的移动位置的典型示图；图36是用于解释有效光源分布的典型示图；图37是用于解释有效光源分布的典型示图；
图38是十字(四极)孔径光阑和本发明的孔径光阑的示图；并表示板表面利用孔径光阑和斜入射照明的模拟分辨率图案；图39是有效光源分布的一个实例；图40是用于解释有效光源分布的一个典型示图；图41是作为第五实例中曝光结果的转印到板上的图案；图42是作为第五实例中曝光结果的转印到板上的图案；图43是从图24中获得的一对次光阑；图44是用于解释图43所示次光阑的功能的示图；图45是利用图24所示光阑转印到板上的图案；图46是作为实例9中曝光结果的转印到板上的图案；图47是三种孔径光阑的示范形状的平面图；图48是作为实例10中曝光结果的转印到板上的图案；图49是作为实例11中曝光结果的转印到板上的图案。
具体实施例方式
下面将参考附图对本发明示范性曝光装置进行描述。此处，图1是本发明曝光装置的框图。如图1所示，曝光装置包括一个照明部分100，一个掩模200，一个投影光学系统300，一个板400，一个平台450，和一个成像位置调节器500。
本实施例的曝光装置是一个以步进-扫描方式将建立在掩模200上的电路图案曝光到板40上的投影曝光装置，但本发明也可以采用步进-重复方式和其它曝光方式。此处采用的步进-扫描方式是这样一种曝光方法，即通过连续相对于掩模扫描晶片，并且在针对性的曝光之后，通过把晶片逐步地移到下一个瞄准的曝光区而把掩模图案曝光到晶片上。该步进-重复方式是另一种曝光模式，即把晶片逐步移到一个在向晶片上单元投影的每次瞄准中的下一个瞄准的曝光区。
照明装置100对其上建立有一个待转印的电路图案的掩模200照明，因此包括一个光源部分110和一个照明光学系统120。
光源部分110包括作为光源的激光器112和光束整形系统114。
激光器112可以是脉冲激光器，如波长约为193nm的ArF准分子激光器，波长约为248nm的KrF准分子激光器，波长为157nm的准分子激光器等。激光器的种类不限于准分子激光器。例如，可以使用YAG激光器，并且激光器的数量不受限制。例如，如果使用两个独立工作的固体激光器，则两个固体激光器单元之间不存在相干，并且因而将相当大地减少由相干引起的斑纹。另外，为了减少斑纹，以直线或旋转的方式振动光学系统将被认为是可取的。再者，可用于光源部分110的光源不限于激光器112，可以采用一个或多个灯源，如汞灯、氙灯等。
光束整形系统114例如可以使用一种带有多个柱状透镜的扩束器等，并且把发自激光器112的平行光束的截面形状的尺寸纵横比改造成一个理想值(例如通过将截面形状由矩形改成长方形)，因而将光束形状重新变成所需的形状。光束整形系统114形成的光束具有为照明后面将描述的光学积分器140所需的大小和发散角。
优选地，光源部分110使用一种图1中未示出的非相干调协光学系统，该系统将相干激光束转变成非相干激光束。非相干调协光学系统可以使用一种至少包括一个反束系统的光学系统，如日本专利申请JP3-215930中图1所示的系统，将入射到分分束平面上的光束分成至少两束光(如P偏振光和S偏振光)。然后反束系统通过一个光学元件提供一束光束，其中该光束相对于另一束光的光程差大于激光束相干光的光程差，并且随后将该光束导向分束平面，从而发射重叠光。
本实施例中的照明光学系统120是一个对掩模200照明的光学系统，包括一个聚光系统130，一个光学积分器140，一个孔径光阑150和一个会聚透镜160。照明光学系统120可以使用任何光线，无论是同轴光还是离轴光均可。另外，本实施例中的照明光学系统120包括一个用于将转印区的大小变成板400上大小的遮光叶片或扫描叶片。本实施例中的照明光学系统120包括多个透镜和必要的反射镜，并且使得远心焦外系统处于出射端。
聚光系统130包括一个或多个必须的偏转反射镜以及一个或多个透镜，它将已从中穿过的光束有效地导入到光学积分器140上。例如，聚光系统130包括一个会聚透镜，该透镜布置成光束整形系统114的出射面和作为蝇眼透镜的光学积分器140的入射面可以形成物平面和光瞳面(或光瞳面和象平面)的光学关系，由此保持已通过透镜的主要光线平行于光学积分器140中心内或周围的任何透镜元件142。在本申请中此关系有时称作傅立叶变换关系。
聚光系统130还包括一个可以改变照明光每次对掩模200照明的曝光量的曝光量调节器132。曝光量调节器132改变焦外系统的每个放大率，由此改变入射光束的截面形状。或者，曝光量调节器132可以由一个变焦透镜等组成，沿着光轴移动透镜并改变角放大率。如果需要，曝光量调节器132可以用一个半反射镜对入射光分束，由传感器探测光量，并根据探测结果调节激光器112和/或光学系统中部件的输出。通过更换光学元件(如光量调节(ND)滤光片)和/或利用一个变焦透镜来改变成像放大率，曝光量调节器132还可以调节孔径光阑150的中心和外围部分之间的光量比，这在后面将有描述。曝光量调节器132可以根据所需的接触孔图案和/或板400所追求的对比度来调节曝光量。本实施例中的曝光量调节器132还用于调节照明光(大σ的照明)的峰位置，该照明光在其强度分布中具有偏离光轴的峰位置。
使照明掩模200的照明光均匀的光学积分器140在本实施例中构造成一个蝇眼透镜，该光学积分器把入射光的角分布转变成位置分布，然后出射光束。将蝇眼透镜保持成其入射面140a和出射面140b处于傅立叶变换的关系。但是，如后所述，可用于本发明的光学积分器140不限于蝇眼透镜。
蝇眼透镜140在其它平面上分布多个具有不同焦点位置的透镜(透镜元件)142。当形成蝇眼透镜的每个透镜元件的截面形状近似于照明部分的照明区时，只要每个透镜元件具有球形透镜表面，就对照明光具有较高的利用率。这是因为光入射面和照明区处于物和象的关系(即共轭关系)。
虽然本实施例通过组合多个与掩模200的形状相符的正方形截面的透镜元件形成蝇眼透镜，但本发明不排除那些具有圆形、矩形、六边形或任何其它形状的透镜。会聚透镜160把来自多个点光源(有效光源)的每一束光叠加到掩模200上，这些光束均形成在蝇眼透镜的出射面140b中或周围。整个掩模200由此将被多个点光源(有效光源)均匀照明。
蝇眼透镜140可以用一个光学棒代替。光学棒转变照明分布，该照明光在入射面不均匀，但在出射面均匀，并且有一个矩形截面，其中垂直于棒轴的截面形状具有与照明区近似相同的纵横比。如果光学棒相对于垂直于棒轴的截面形状具有功率，则出射面的照明强度不能变得均匀，并且因而垂直于棒轴的截面形状是一个仅由直线形成的多边形。蝇眼透镜140可以用一个显示出漫射状态的衍射元件。
在光学积分器140的出射面140b之后设置形状和直径固定的孔径光阑150。本实施例中的孔径光阑150具有一种孔径的形状，通过利用分辨接触孔210的十字斜入射的照明、限制由十字斜入射照明产生的假分辨(即对假分辨图案保持很低的曝光量(即具有很小的曝光量增加))的照明，并通过加强对一个理想的接触孔图案的曝光量(即利用曝光量的大量增加)等来照明掩模200。孔径光阑150设置在与投影光学系统300的光瞳面320共轭的位置。孔径光阑150的孔径形状对应于投影光学系统300中光瞳面320上的有效光源的形状。
本实施例的孔径光阑150使用峰接近光轴的照明光和峰偏离光轴的照明光(即依次投射这些光束或投射一个合并的光束)，并且具有一种用于对掩模200照明的孔径形状。本发明可以(1)预备两个孔径光阑，其中一个提供峰接近光轴的照明光，另一个提供峰偏离光轴的照明光，并且可以(2)利用这些孔径光阑逐个对掩模200照明。本发明的一个特点在于解决了关于交换掩模200的问题。只要不互换掩模200，就不存在互换孔径光阑150的问题。
其峰接近光轴的照明光具有不大于0.3的σ，并且在0阶和±1阶衍射光束之间产生干涉。峰偏离光轴的照明光具有不小于0.6的σ，并且在0阶和+1阶或-1阶衍射光束之间产生干涉。此处，σ是照明光学系统120中掩模200一侧与投影光学系统300中掩模200一侧的NA相对的数值孔径(NA)。峰接近光轴的照明光是小σ照明，有时称作标准照明。峰偏离光轴的照明光是大σ照明，有时称作斜入射照明或改进的照明。
参见图2-7，对可用于孔径光阑150的形状举例给予说明。此处，图2-7是孔径光阑150形状例子的平面图。图2是形成一个用于四极照明的光阑的孔径光阑150A的平面图。孔径光阑150A在其中心有一个圆环151，有四个分布在0°、90°、180°和270°(即十字形)的σ不大于1的圆环152A。孔径光阑150A具有透射率为1的透光部分和透射率为0的遮光部分153A，透光部分由圆环151和152A组成。
此处，如图所示，当投影光学系统300中的光阑150被反方向投影到用于照明的每个光阑上时，σ＝1的圆环对应于孔径光阑150中一个孔径的图象(圆环)轮廓。因此，可以说本申请每幅图中所示光阑中的孔径是一个将被投影到投影光学系统中孔径光阑中孔径(σ＝1)上的有效光源。
圆环151提供峰接近光轴的圆形照明光。另一方面，圆环152A发出峰偏离光轴的四极照明光。最好每个圆环152A提供的照明光具有相同的σ。孔径光阑150A中圆环151和152A具有相同的大小。
峰偏离光轴的照明有时称作大σ照明，斜入射照明或改进的照明，因而具有各种改型。例如，可以用其它任意构形代替四个圆环。
例如，可以用图3所示的矩形152B或图4所示的扇形152C代替圆环152A。此处，图3和4是作为四极照明光阑的孔径光阑150B和150C的平面图，是孔径光阑150A的改型。孔径150B包括透射率为1的由圆151和矩形152B组成的透光部分和透射率为0的遮光部分153b。矩形152B例如是一个边长等于圆环151直径的正方形。孔径光阑150C包括一个由圆151和扇形152C组成的透射率为1的透光部分和透射率为0的遮光部分153C。扇形152C的尺寸可以任意地调节。孔径光阑150B和150C的功能与孔径光阑150A的相同，因而在此省去对它们的详细描述。
孔径光阑150可以使用图5所示的孔径光阑150D。孔径光阑150D有一个代替四极的环状孔径154A。此处，图5是作为环状照明光阑的孔径光阑150D的平面图。孔径光阑150D包括透射率为1的由圆151和圆环154A组成的透光部分和透射率为0的遮光部分153D。这些光阑的功能与孔径光阑150A的相同，并且因而省去对它们的详细描述。
孔径光阑150可以使用图6和7所示的孔径光阑150E和150F。孔径光阑150E和150F具有透光部分154B和152D，它们的σ部分地超过1。本发明人发现，如果采用σ局部超过1的照明光，则形成在板400上的图案图象变得清晰。此处，图6和7是作为环形照明光阑的孔径光阑150E和作为四极照明光阑的孔径光阑150F的平面图。孔径光阑150E具有透射率为1的由圆151和σ部分超过1的圆环(或矩形带状区)154B组成的透光部分和透射率为0的遮光部分153E，并且孔径光阑150F具有透射率为1的由圆151和σ部分超过1的矩形152D组成的透光部分和透射率为0的遮光部分153E。它们的功能与孔径光阑150A的相同，因而在此省去对它们的详细描述。
本实施例的孔径光阑150有一个利用第一照明光和第二照明光对掩模200照明的孔径形状。第一照明光使得掩模200产生的衍射光束中的两束衍射光束能够进入投影光学系统300中的光瞳面320。第二照明光使得至少一束衍射光能够进入投影光学系统300中光瞳面320上的一个区域，该区域不遮挡第一照明光(并且不包括由直线围成的代表光瞳面320上两束衍射光位置的区域)。本实施例可以(1)预备两个孔径光阑，其中一个提供能够使两束衍射光进入投影光学系统30中光瞳面320的照明光，另一个提供能够使至少一束衍射光进入位于投影光学系统300中光瞳面上且不遮挡提供两束入射衍射光的照明光的照明光，和可以(2)逐个使用这些孔径光阑照明掩模200。本发明的一个特点在于解决了与互换掩模200有关的问题。只要不互换掩模200，将不存在象互换孔径光阑150这样的问题。
能够使对应于有效光源的两束光进入投影光学系统300光瞳面320的(第一)照明光导致相移掩模200A的±1阶两衍射光束(这将参照图9进行描述)和二元掩模200的0阶衍射光束和+1阶或-1阶衍射光束(这将参照图8进行描述)之间的干涉。另一方面，能够使对应于有效光源的至少一束衍射光进入光瞳面320上的一个区域的照明光通过第一照明光增强了板400上对应于接触孔210的接触孔图案的曝光量，其中光瞳面320上的该区域不遮挡第一照明光。
现参见图21-24举例说明可用于孔径光阑150的形状。此处，图21-24是可用于孔径光阑150的形状实例的平面图。图21是作为在中心处有十字照明的矩形有效光源的改进照明光阑的孔径光阑150G的平面图。孔径光阑150G有四个矩形155，一个矩形156在中心。四个矩形155以0°、90°、180°和270°的角度形成在径向纵向(以十字形)。孔径光阑150G包括一个透射率为1的透光部分和透射率为0的遮光部分153G，其中透光部分包括矩形155和156。
此处，如图所示，σ＝1的圆对应于投影光学系统300中的光阑150被反向投影到用于照明的每个光阑上时孔径光阑150中的孔径的图象轮廓(圆形)。因此，可以说本申请中每幅附图中所示的光阑中的孔径是一个投影到投影光学系统中孔径光阑的孔径(σ＝1)上的有效光源。
矩形155的定位使得四个矩形155中的每一个受到斜入射照明，由此使两束衍射光(或±1阶衍射光)进入投影光学系统300中的光瞳面320并形成板400上的干涉条纹。另一方面，矩形156提供能够使至少一束光进入投影光学系统300光瞳面上的一个区域的照明光，其中该区域不遮挡第一照明光。照明光在抑制假分辨率图案的同时增强理想的接触孔图案的亮度。
关于照明有各种改型，这些改型至少能够使一束光进入投影光学系统300中光瞳面320上的一个区域，并且该区域不遮挡第一照明光。例如，可以用任何其它的形状代替矩形156。
例如，可以用图22所示的具有遮光部分153H2的矩形156A或图23所示的圆157代替矩形156。此处，图22和图23是作为孔径光阑150G的改型的孔径光阑150H和150I的平面图。孔径光阑150H有一个透射率为1的透光部分和透射率为0的挡光部分153H1和153H2，其中透光部分包括具有上述四个矩形155的矩形156A。矩形156A在矩形156的中心有一个近似的菱形，以便严格限定只能有一束衍射光入射到光瞳面320的区域。孔径光阑150I有一个透射率为1的透光部分和透射率为0的挡光部分153I，其中透光部分包括上述四个矩形155和圆157。孔径光阑150I有一个有效光源作为只有一束衍射光入射到光瞳面320的区域，并有一个内切矩形156的圆157的形状。孔径光阑150H和150I的作用类似于孔径光阑150G，因而将省去对它们的描述。
图24是应用到将参照图8进行描述的二元掩模200的孔径光阑150J的平面图，作为一种提供有效光源分布的改进的照明光阑，在其中心有一个十字形(非圆形)的挡光部分。图24A中的孔径光阑150J在垂直于径向的纵向以0°、90°、180°和270°的角度分布四个矩形158(以十字形)，并在离开矩形158的0°、90°、180°和270°角度处倾斜45°地分布扇形159(以十字形)。孔径光阑150G有一个透射率为1的包括矩形158和扇形159的透光部分和位于外围的挡光部分153J1和位于中心的十字形挡光部分153J2，每个挡光部分的透射率为0。虽然矩形158和扇形159在此被认为是独立的透光部分，但它们通常形成为一个连续的透光部分。表示在图24B中的本发明的光阑作为一个优选实施例。
将矩形158定位成四个矩形158的每一个受到斜入射照明，两个衍射光束(0阶衍射光束和±1阶衍射光束中的一束)由此进入投影光学系统30中的光瞳面320并在板400上形成干涉条纹。另一方面，扇形159提供的照明光能够使得至少一束光入射到投影光学系统300中光瞳面320上的一个区域，并且该区域不遮挡第一照明光，在抑制假分辨率图案的同时增强所需的接触孔图案。
前述孔径光阑150A-150J的特征在于产生σ＝1的有效光源。根据本发明人的观点，最好有效光源的最偏轴部分位于σ＞0.9的区域。例如，图24B中所示光阑150J中的有效光源的尺寸定为外圆直径对应于σ＝0.92。外圆最好具有σ处于0.9＜σ＜1这一范围的直径。
为了从多种孔径光阑150中选出理想的孔径光阑150，例如可以把孔径光阑150A-150J布置在端齿盘(未示出)上，并且当切换到孔径光阑时端齿盘转动。此端齿盘可以安装一个具有圆形孔径的孔径光阑，该光阑只提供峰接近光轴的照明光，端齿盘还可以安装一个只提供峰偏离光轴的照明光的孔径光阑(如图18所示)。因此，照明装置120可以用峰接近光轴的照明光或峰偏离光轴的照明光中的任何一种作为对掩模200的照明光，并且再用另一种照明掩模200。在使用由峰在光轴上的照明光和峰偏离光轴的照明光的合并产生的照明光中，曝光量调节器132可以改变曝光量的比例。
类似地，端齿盘可以配置一个具有交叉的四个矩形155和矩形158的孔径的孔径光阑，用于提供能使两束衍射光入射到投影光学系统300光瞳面320上的照明光，或者端齿盘可以配置一个具有矩形156(矩形156A或圆157)和四个扇形159的孔径的孔径光阑，用于提供能使一束衍射光入射到光瞳面320上的照明光。因此，照明装置120可以用能使两束衍射光入射到投影光学系统300中光瞳面320的照明光或能使一束衍射光入射到光瞳面320的照明光中的一种作为对掩模200的照明光，并再用另一种照明掩模200。在使用由两种照明光合并产生的照明光中，曝光量调节器132可以单独地改变曝光量的相应比例。
会聚透镜160尽可能多地会聚从蝇眼透镜140发出的光线，并且对掩模200科勒照明，使得主要光线变为平行光，即远心光。掩模200和蝇眼透镜140的出射面140b设置成傅立叶变换关系。
可以单独地使用一个棱镜元件或与上述孔径光阑中的一种结合使用棱镜元件，该棱镜元件有一个光偏转面，用于形成一束光分布类似于前述孔径光阑150a-150J中一种的孔径(或有效光源)的光束。这种棱镜元件例如可与用在光源和蝇眼透镜140之间，从而在蝇眼透镜140的光入射面上形成上述光量分布。
如果需要，曝光装置可以有一个宽度可变的狭缝，用于控制不均匀的照明，或有一个遮光叶片(光阑或狭缝)，用于调节扫描期间的曝光区。如果设置遮光叶片，则遮光叶片和蝇眼透镜140的出射面140b设置成傅立叶变换关系，并且放置在与掩模200的平面近似光学共轭的位置。透过遮光叶片敞开部分的光束用作对掩模200的照明光。遮光叶片是一个具有自动可变的敞开宽度的光阑，因而对板400产生垂直可变的转印区(敞开狭缝的转印区)，这在后面将有描述。曝光装置还可以有一个扫描叶片，结构类似于上述遮光叶片，使得对板400的转印区(作为一个瞄准的扫描曝光区)水平可变。该扫描叶片也是一个具有自动可变的敞开宽度的光阑，安装在近似光学共轭的位置。因而曝光装置可以使用两个这种可变叶片来根据曝光瞄准区的尺寸设置转印区的尺寸。
掩模200例如是石英，其上建立待转印的电路图案，并且有一个掩模平台(未示出)支撑并驱动。从掩模200发出的衍射光通过投影光学系统300并再投影到板400上。板400是一个待曝光的目标，其上施加抗蚀剂。掩模200和板400的位置处于光学共轭的关系。本实施例中的曝光装置是一种步进-扫描型曝光装置(即扫描器)，并且因此扫描掩模200和板400，从而把掩模200上的图案转印到板400上。当采用步进-重复型曝光装置(即“步进器”)时，掩模20和板400在曝光时保持静止。
掩模台支撑掩模200，与传输机构(未示出)相连。掩模台和投影光学系统300安装在通过一个阻尼器支撑的平台主体管表面板上，把基础框架放置在地板上。掩模台可以使用现有技术中任何已知的结构。传输机构(未示出)由线性电机等组成，在X-Y方向驱动掩模台，由此移动掩模200。曝光装置通过控制机构(未示出)以同步状态扫描掩模200和板400。
作为本发明一方面的掩模200形成二维分布的接触孔图案，并在一个所需的位置制成一个大于其它接触孔直径的接触孔直径。
为了描述本发明掩膜200上的图案结构，下面将对理想的接触孔图案给予说明。在此假设理想的接触孔图案例如如图14所示的图案。图14是形成理想的接触孔图案的二元掩膜20A平面图。二元掩膜20A具有透射率为1的透光部分和透射率为0的遮光部分24A，每个遮光部分22的相位相等。接触孔22与间距Px＝2P水平(即X方向)对齐，其中孔直径为P，并且与间距Py＝4P垂直对齐，由此形成接触孔的二维线条。在此假设接触孔22具有不大于0.15μm、如0.12μm的孔直径。在此还假设投影光学系统300使用KrF(波长为248nm)和0.60的NA。在此情况下，上述方程中的因子k1为0.29。
图15为当孔径光阑150使用只有圆形孔径151的光阑(即使用垂直入射的小σ照明)照明掩模20A时，出现在投影光学系统300光瞳面320上的衍射光分布平面图。如果通过使用小σ照明来对二元掩模20A垂直照明，则如上所述，会产生0阶和±1阶衍射光束。因为接触孔22有一个非常细的孔直径，并且在两倍于孔直径的间距P0处在X方向对齐，只有0阶衍射光到达图16中X方向的光瞳320，并且±1阶衍射光错过光瞳320，因而没有在曝光平面(和板400)上形成图案。另一方面，接触孔22在四倍于孔直径P的间距Py处在Y方向对齐，并且因而对应于该间距P1的±1阶衍射光到达光瞳320。虽然如此，所有对应于孔直径P的衍射光偏离光瞳320，并且因而没有形成所需的图案。峰偏离光轴的照明光的使用在投影光学系统中的光瞳中产生衍射光并且总能够形成图象。虽然如此，还不能提供良好的图象形状和提高成像的焦深特性。
因此，通过给图14所示的所需接触孔22增加孔直径与所需孔直径22相同的假接触孔26制备如图16所示的二元掩模20B，使得接触孔图案而为分布所需的接触孔图案22和假接触孔图案26。此处，图16是掩膜20B的平面图。二元掩模20B具有透射率为1的透光部分和透射率为0的遮光部分24B，其中透光部分由接触孔22和26组成。每个透光部分的相位设置为0°。
图17A是通过用图18所示的有四个圆形孔径32的十字(四极)照明光阑15作为孔径光阑150对掩膜20B照明(即通过斜入射偏离光轴的照明光)而在投影光学系统300的光瞳320中出现的衍射光分布的平面图。此处，图19是十字(四极)照明光阑30的平面图。光阑30对应于除去了中心圆的光阑150A，因而具有透射率为1的透光部分，该部分由与四个圆形152相同的四个圆形32组成。
图17A和17B表示如果把垂直照明光变为十字照明光，则状态从图15变为图35。例如从图15所示的实施可以理解，右侧+1阶衍射光(在X方向)通过斜入射照明移到左侧，并且0阶衍射光进入光瞳320的左侧，+1阶衍射光进入光瞳的右侧(对应于图17A所示的320c)。
当小σ的照明光垂直照明二元掩模20B时，产生如上所述的0阶衍射光和+1阶或-1阶衍射光。0阶衍射光和+1阶或-1阶衍射光通过四个孔径152斜入射在四个方向二进入光瞳面320a和320d。图17B表示在光瞳面320上形成的光强分布。虽然峰偏离光轴的照明光可以对图16所示的精细的接触孔图案曝光，但可以知道，此状态不仅把所需的接触孔图案22转印板400上，而且还把假接触孔图案转印到板400上。
下面参照图8对本实施例的掩模200给予描述。此处，图8是掩膜200的平面图。当掩膜200只使得掩膜20B中所需接触孔22的孔直径较大时，如图8所示，掩膜200具有二维分布所需的接触孔图案210和假接触孔图案220的接触图案。掩膜200是一个具有透射率为1的透光部分和透射率为0的遮光部分的二元掩模，其中透光部分由接触孔210和220组成。另外，将每个透光部分的相位相同地设置为0°。所需接触孔210具有比假接触孔220大25％的孔直径，因而增大了曝光量。
另外，本实施例使用孔径光阑150(150A-150F)通过施加照明光对掩膜200曝光，其中施加的照明光组合了峰接近光轴的照明光和峰偏离光轴的照明光。照明掩膜200时峰偏离光轴的照明光将在板400上提供具有强对比度的周期性接触孔图案的强度分布。照明掩膜200时峰接近光轴的照明光将在板400上提供具有增强的所需接触孔图案22的周期性图案的强度分布。另外，本发明的另一个实施例利用孔径光阑150G-150J、第一照明光和第二照明光对掩膜200曝光。第一照明光使得掩膜200产生的衍射光束中的两束能入射到投影光学系统300中的光瞳面320。第二照明光使得至少一束衍射光能入射到投影光学系统300中光瞳面320上的一个区域，该区域不遮挡第一照明光。两束衍射光向光瞳面320上的入射导致两光束之间的干涉条纹，给板400的表面提供了对比度增强的周期性的接触孔图案的强度分布。一束衍射光在光瞳面320上一个不遮挡第一照明光的区域的入射抑制了由第一照明光产生的假分辨率图案，并形成一种强度分布，该分布增强了板400上所需的接触孔图案。
结果，通过合并两类这些照明光并适当选择板400上抗蚀剂的阈值，可以在第一次曝光时高质量的(即以均匀形状的所需接触孔图案和在焦深之内的涨落时有较高的成像特性)把所需的接触孔22图案转印到板400上的抗蚀剂。
掩膜200可以用图9所示的掩膜200A代替。此时，图9A是掩膜200A的平面图，图9B是用于解释掩膜200A中透光部分的相位状态的平面图。如图9A所示，作为掩膜200，掩膜200A形成一个二维分布所需的接触孔图案210和假接触孔图案220的接触孔图案。因而如图9B所示，掩膜200A中的接触孔图案交错设置0°和180°的相位，与接触孔240和250相邻。使用时，相移掩膜将消除已通过相邻的透光部分的0阶衍射光，并且±1阶衍射光有助于图象形成。与使用0阶衍射光和+1阶或-1阶衍射光相比，相等光强度的±1阶衍射光增强了获得的干涉条纹的图案对比度，并且因而在板400上形成令人满意的图案。
参见图12，对相移掩膜200A的衍射给予更详细的描述。此处，图12为把孔径光阑150A用于照明相移掩模200A时由偏离光轴的照明光所致的出现在光瞳面320上的衍射光分布。
对于交叉的垂直入射，所有的衍射光偏离光瞳面320，如图12所示，并且不形成图象。但是，十字斜入射的照明光在箭头方向把光瞳面320上每个衍射光束的位置移到由黑色圆形表示的位置。由两个垂直衍射光束的干涉条纹形成的水平强度分布和由两个水平衍射光束的干涉条纹形成的垂直强度分布在板400上重叠，并在交叉处形成所需的接触孔图案210。只有所需接触孔210的较大孔直径才使所需接触孔的光强较强，并且通过设置抗蚀剂阈值形成所需的图案，使得该部分可以成为一个图象。
另一方面，峰接近光轴的照明光证实了在与峰偏离光轴的照明光合并时对所需接触孔图案净化的作用。
图12所示的状态表示分辨率为1/ ，因为最初位于45°位置的衍射光已经移到了1的位置。换言之，相移掩模200B与峰偏离光轴的照明光的结合实现了与L和S图案的分辨率临界尺寸相同的分辨率，而接触孔图案的分辨率极限为现有技术中L和S图案的分辨率临界尺寸的 倍。
在使用相移掩模的小σ照明情形中，当接触孔的间距较小时，衍射光束偏离投影光学系统300中的光瞳面320。因而，当接触孔间距较小时，衍射光束移到图25中黑色圆形所示的位置1-4，并且不形成图案。此处，图25是对于相移掩模200A上的小σ照明衍射光束在光瞳面320上的衍射光束的位置以及用于斜入射照明的衍射光束移动位置的典型示图。
因此，需要该照明能使衍射光束进入光瞳。例如，为了能使两束衍射光2和4进入图25中矩形实线所示的光瞳面320上的一个区域，对作为图26A中有效光源平面上的暗矩形的一个区域“a”设置斜入射照明。由此把标有2’和4’的衍射光束移到作为亮矩形的区域“b”。衍射光束2和4进入图25中实线所示的矩形区并且因而进入光瞳。两束衍射光进入带有由一个矩形表示的有效光源的光瞳，并且导致干涉，在板400上以规律的间隔形成干涉条纹。四个矩形有效光源区“a”合并成图26B所示的区域，线性干涉条纹导致较强强度的部分和较弱强度的部分二维周期性地出现在重叠到板400上的光强度的交叉处，其中线性干涉条纹有一种线条形状，在纵向和横向有规律的间距。有效光源有一种十字矩形分布，在图26C所示的径向延伸。此处，图26是用于解释有效光源分布的典型示图。
如同在相移掩模200A中，当接触孔的孔直径做得大于掩模上的所需图案的孔直径时，只有该部位具有大于周围的强度，分辨所需的接触孔。但是，十字斜入射的照明(即，能使两束衍射光进入光瞳的照明)将提供板400上的曝光量，如图27中的细实线所示。结果，所需图案之间的假分辨率图案P2处于所需直径的曝光量水平(或抗蚀剂阈值)。图27表示曝光量和板400上对应于十字斜入射照明的曝光量的图象以及本发明改进的照明。
作为对抑制假分辨率的方法的研究结果，本发明人发现，可以通过增加有效光源分布来消除图28所示的假分辨率，其中有效光源分布能只使一束衍射光进入光瞳面320上，除了由直线表示的两条衍射光束位置代表的光瞳面上的区域“c”之外。此处，图28是入射到光瞳面320上的衍射光束位置的典型示图。此照明例如是通过使一束衍射光2或4进入图28中黑色扇区所示的光瞳面320而实现的，并且该照明可以设置成图29A中有效光源平面上的暗的矩形区“a”。结果，标有2’或4’的衍射光移到成为亮矩形的区域“b”。因为衍射光束2或4进入由一条实线表示的包括图28中黑色扇区的矩形区，所以衍射光束进入光瞳面320。四个矩形有效光源区“a”合并成图29B所示的区域，并且此时的有效光源分布形成如图29C所示的矩形有效光源。此处图29是用于解释有效光源分布的典型示图。
由此可见，图30所示的十字照明是一种在其中心部位有一个矩形有效光源的改进的照明，它加入了一个能使两束光进入光瞳(见图26C)的有效光源分布和一个能使一束光进入光瞳(见图29C)的有效光源分布。具有这种有效光源分布的改进的照明给板400上提供由一条实线表示的曝光量。由此在消除假分辨率的同时只能获得所需的图案P3，因为在所需直径的曝光量水平(或抗蚀剂的阈值)中增强了对应于掩模200A上所需图案的曝光量。图30是用于说明有效光源形状的示图。
如上所述，只有一束衍射光例如通过能使一束衍射光2或4进入图28中的黑色扇区所示的光瞳面320的照明进入光瞳面320，并且该照明可以设置成图31A中有效光源平面上的暗圆形区“a”。结果，标有2’或4’的衍射光分别移到作为亮矩形的区域“b”。因为衍射光束2或4进入图28中所示的黑色扇区，所以衍射光束进入光瞳面320。四个圆形有效光源区“a”合并成图31B，并且此时有效光源分布形成如图31C所示的一个圆形有效光源。此处图30是用于解释有效光源分布的典型示图。
以此方式，图32所示的十字照明是一种在其中心部位有一个矩形有效光源的改进的照明，它加入了一个能使两束光进入光瞳(见图26C)的有效光源分布和一个能使一束光进入光瞳(见图31C)的有效光源分布，并且矩形的中心部分有一个近似菱形中空的有效光源。此有效光源严格且有效地限定了一个只能一束衍射光进入并且没有一束光进入无用区的区域。此处，图32是用于展示有效光源形状的示图。
如上所述，只有一束衍射光例如通过能使一束衍射光2或4进入图28中的黑色扇区所示的圆形的照明进入光瞳面320，并且该照明可以设置成图33A中有效光源平面上的暗矩形区“a”。结果，标有2’或4’的衍射光分别移到圆形区“b”，与区域“a”重叠。因为衍射光束2或4进入图28中所示的黑色扇区，所以衍射光束进入光瞳面320。四个矩形有效光源区“a”合并成图33B，并且此时有效光源分布形成如图33C所示的一个矩形有效光源。此处图33是用于解释有效光源分布的典型示图。
以此方式，图34所示的十字照明是一种在其中心部位有一个圆形有效光源的改进的照明，它加入了一个能使两束光进入光瞳(见图26C)的有效光源分布和一个能使一束光进入光瞳(见图33C)的有效光源分布。此有效光源可以很容易地把一束衍射光进入光瞳的区域设置成一个有效光源。此处，图34是用于展示有效光源形状的示图。
如同参照图25-34对经过相移掩模200的衍射光束的描述，可以理解，上述孔径光阑150G-150I提供这种改进的照明，但自然需要考虑衍射光束的特性之后决定孔径光阑150G-150I的形状和大小。
在利用掩模200(或具有不同透射率的半色调掩模)的小σ照明的情形中，当接触孔之间的间距较小时，除了0阶衍射光束之外，其余的衍射光束均偏离投影光学系统300的光瞳面320。如图35所示，0阶衍射光通过光瞳的中心。光瞳面上其它阶的衍射光位于一个与相移掩模上不同的位置，即图衍射光束11-18所示。因此，如图19所示，除0阶之外的衍射光偏离投影透镜的光瞳，并且在此情况下不形成图案。此处，图35是表示图9所示光瞳面320上衍射光束位置的典型示图，还表示斜入射照明的衍射光束移动位置。
因此，需要该照明能使衍射光束11-18进入光瞳。例如，为了使作为举例的两束衍射光10和15进入图35所示光瞳面320上的一个对角区，对图36中有效光源平面上的暗矩形区“a”设置斜入射照明。标有10’和15’的衍射光束由此移到由刻线和对角线表示的区域b1和b2，并均进入投影光学系统300中光瞳的两端上。两束衍射光进入带有由一个矩形表示的有效光源的光瞳，并且导致干涉，在板400上以规律的间隔形成干涉条纹。类似地，甚至对用于说明光束10和15的两束衍射光10和17设置斜入射照明。四个矩形有效光源区“a”合并成图37所示的区域，线性干涉条纹导致较强强度的部分和较弱强度的部分二维周期性地出现在重叠到板400上的光强度的交叉处，其中线性干涉条纹有一种线条形状，在纵向和横向有规律的间距。此时的有效光源如图40A所示，为一种交叉的四矩形分布，在垂直于光瞳径向的方向延伸。
掩模200将所需的部分放大成接触孔210，并且因而该部分具有大于周围的强度，形成所需的接触孔图案。但是，仅有十字斜入射照明将会在板400上产生假分辨率图案，如图38A和38B所示，它是一个无用的图案，不是所需的接触孔图案。此处，图38是十字孔径光阑和本实施例的孔径光阑，表示利用孔径光阑和斜入射照明在板400上的模拟分辨率图案。
因此，如图35所示，除了光瞳面320上由两束衍射光的线性连结位置限定的区域“c”，加入一个只能使一束衍射光进入光瞳面320的有效光源分布。在此情况下，0阶衍射光0阶衍射光适于作为一束衍射光，因为斜入射角可以做得很小。图39表示有效光源分布的一个例子。此照明例如可以通过使一束衍射光10’进入有效光源平面的暗扇形区“a”而得到。由10’标注的衍射光由此移到亮扇形区b，并且因而衍射光进入光瞳面320。对应于这种状态的有四个组件，它们形成如图40B所示的有效光源。
以此方式，能使两束光进入光瞳(见图40A)的一种有效光源分布与能使一束光进入光瞳(见图40B)的另一有效光源分布的相加形成一种改进的照明，该照明在其中心部位有一个十字中空的有效光源，如图40C所示。具有这种有效光源分布的改进照明在消除图38C所示的假分辨率的同时给板400上提供所需的图案。
如参照图35-40所述，可以理解，上述孔径光阑150J提供这种改进的照明，但当然需要考虑衍射光束的特性之后决定孔径光阑150J的形状和尺寸。根据图案的间距，十字中空的最佳长度不同，并且优选这种改进的照明系统，即光学系统中纵向的十字中空部分具有避免图案产生的±1阶衍射光进入光瞳的大小。
掩模200可以用图10所示的掩模200B代替。此处，图10是掩模200B的平面图。掩模200B是一个透光部分具有相同相位的二元掩模，但与掩模200的不同之处在于所需接触孔210周围的假接触孔260(用X标注)具有小于其它假接触孔220的孔直径。接触孔260的较小孔直径可以增强所需的接触孔210图案而非假接触孔220。当然，掩模200B可以形成象掩模200A的相移掩模。
投影光学系统300包括一个孔径光阑320，用于由穿过形成在掩模200上的接触孔图案的衍射光在板400上形成图象。投影光学系统300可以使用一种只由多个透镜元件组成的光学系统，或是由多个透镜元件和至少一个凹反射镜组成的光学系统(反射光学系统)，或是由多个透镜元件和至少一个衍射光学元件如显象式光学元件组成的光学系统，或是全反射镜式光学系统。任何对色差的必须校正都可以采用多个不同色散值(阿贝值)的玻璃材料制成的透镜单元，或是布置衍射光学元件，使得在与透镜单元相反的方向上色散。如上所述，形成在投影光学系统300光瞳面上的有效光源的形状与图2-7所示的相同。
板400在本实施例中是一个晶片，但它可以包括一种液晶片和范围很广的其它待曝光物体。在板400上施加光致抗蚀剂。光致抗蚀剂的应用步骤包括预处理、粘结剂加速器应用处理、光致抗蚀剂应用处理和预烘干处理。预处理包括清洁、干燥等。粘结剂加速器应用处理是一个表面增强过程(即通过施加表面活性剂增大疏水性)，从而通过一个涂层或使用有机膜如HMDS(六甲基-乙硅烷)增强光致抗蚀剂层和基底之间的粘结。预烘干处理是一个烘干(焙烧)步骤，比显影之后软，去除了溶剂。
板400由晶片台450支撑。平台450可以使用任何已知的结构，并且因而在此省去对其的详细描述。例如，平台400使用一种线性电机在X-Y方向移动板400。掩模200和板400例如同步扫描，并且例如通过激光干涉仪等监视掩模台和晶片台450(未示出)的位置，使得二者以恒定的速度比被驱动。平台450例如通过一个阻尼器安装在支撑于地板等上的台表面板上，并且掩模台和投影光学系统300例如通过阻尼器安装在主体管表面板(未示出)上，其中主体管表面板支撑在置于地板上的基础框架上。
连结到平台450的成象位置调节器500在Z方向(图1中所示)的焦深范围内与平台450一起移动板400，由此调节板400的成象位置。曝光装置对设置在Z方向不同位置的板400执行多次曝光，由此消除焦深范围内成象性能中的色散。成象位置调节器500可以采用任何已知的技术，如在Z方向可延伸的齿条(未示出)，连结到平台450和齿条上可动装置的小齿轮(未示出)，用于旋转小齿轮等的装置，因而省去对它们的详细描述。
在曝光操作中，从激光器112发出的光束被光束整形系统114重新变成所需的光束形状，并且再进入照明光学系统120。聚光系统130将从其经过的光束有效地导向光学积分器140。届时，曝光量调节器312调节照明光的曝光量。光学积分器140使照明光变得均匀，并且孔径光阑150形成的照明光合并了峰接近光轴的照明光和峰偏离光轴的照明光。此照明光通过聚光透镜160对掩模200以最佳状态照明。
在掩模200上形成一个接触图案，该图案中二维分布着所需的接触孔图案210和假接触孔图案220。因为所需接触孔210的孔直径做得大于假接触孔220的孔直径，所以曝光量增大。
由于投影光学系统300的成象操作，已通过掩模200的光束以特定的放大率被微缩并投射到板400上。步进-扫描型曝光装置将固定光源部分110和投影光学系统300，并且同步扫描掩模200和板400，然后曝光整个瞄准区。另外，板400的平台450移步到下一个瞄准区，由此曝光并转印板400上的大量瞄准区。如果曝光装置是一种步进-重复型，则掩模200和板400将以静态执行曝光。
峰偏离光轴的照明光将照明掩模200，并在板400上形成对比度增大的周期性接触孔图案的强度分布。该照明光将对掩模200照明，并在板400上形成具有增强的所需接触孔图案210的非周期性图案的强度分布。结果，通过适当选择板400上抗蚀剂的阈值，可以把所需接触孔210的图案形成到板400上。结果，曝光装置可以高精度地执行图案向抗蚀剂上的转移，由此提供高质量的器件(如半导体器件、LCD器件、摄影器件(如CCD等)、薄膜磁头等)。
参见图19和20，下面对利用上述曝光装置的器件制造法实施例给予说明。图19是用于解释如何制造器件(即半导体器件，如IC和LSI，LCD和CCD)的流程图。此处以制造半导体芯片为例给予说明。步骤1(电路设计)设计半导体器件电路。步骤2(掩模制造)形成具有设计的电路图案的掩模。步骤3(晶片制备)利用硅等材料制备晶片。步骤4(晶片处理)也称作预处理，通过本发明利用掩模和晶片的光刻法在晶片上形成实际电路。步骤5(组装)，也称作后处理，用在步骤4以及组装步骤(如切片、粘结)、封装步骤(芯片密封)中形成的晶片制成一个半导体芯片。步骤6(检查)对在步骤5中制成的半导体器件进行各种测试，如有效性测试和耐用性测试。通过这些步骤，完成并装运半导体器件(步骤7)。
图20是步骤4中晶片处理的详细流程图。步骤11(氧化)氧化晶片的表面。步骤12(CVD)在晶片表面上形成绝缘膜。步骤13(电极形成)通过气相沉积等在晶片上形成电极。步骤14(离子注入)把离子注入到晶片中。步骤15(抗蚀剂处理)将光敏材料施加到晶片上。步骤16(曝光)利用曝光装置对掩模上的电路图案曝光到晶片上。步骤17(显影)对曝光的晶片曝光。步骤18(蚀刻)蚀刻除显影的抗蚀剂图象以外的部分。步骤19(抗蚀剂去除)蚀刻之后去除未使用的抗蚀剂。重复这些步骤，并且在晶片上形成多层电路图案。
例1例1采用图8所示的二元掩模200，以KrF准分子激光器(波长为248nm)作为激光器112，并用NA＝0.6的投影光学系统作为曝光装置。掩模200将所需接触孔210的孔直径设置为150nm，该孔直径只比假接触孔220的孔直径大30nm。孔径光阑150使用图2所示的孔径光阑150A，同时把峰接近光轴(换言之，由圆151导致)的照明光的σ设置为0.2，把峰偏离光轴(换言之，由四个圆152A导致)的照明光的σ设置为0.9。通过曝光量调节器132把小σ照明光和大σ照明光的强度比设置为0.9～1。
此时产生的曝光如图11所示。该图表示成象位置调节器500在Z方向DOF范围内从-0.4μm～+0.4μm移动，对板400曝光。可以理解，在离开焦点-0.2μm～+0.2μm的范围内获得良好状态的所需接触孔。
例2实施例2采用图9所示的相移掩模200A。其它方面(换言之，曝光装置的结构、照明条件、曝光量等)，与例1中使用的相同。此时的结果示于图13。可以知道，与二元掩模200相比已有很大的改进。
例3实例3与实例1或2相同，除了采用图10所示的掩模200B之外。本例使与所需接触孔210相邻的假接触孔260的孔直径比其它假接触孔230的孔直径约小20nm(因此约为100nm)。对所需接触孔210图案之间的假图案强度的控制提高了曝光量。对改进成象性能以自动减小与所需接触孔210相邻的假接触孔260的孔直径相当有效，但最佳化可以根据相邻接触孔的数量以及它们之间的距离。
例4实例4重复连续曝光，同时通过成象位置调节器500在曝光时改变在图1所示的Z方向上的成象位置。曝光装置的结构、掩模分布等基本上与例1-3中的相同。此例通过曝光期间在Z方向上移动晶片台450并重复多次曝光而在距焦点位置不同的距离处执行多次曝光。此曝光改进了在焦深范围内不同位置处的成象特性。
例5实例5使用图9所示的相移掩模200A，以KrF准分子激光器(波长为248nm)作为激光器112，并用NA＝0.60的投影光学系统作为曝光装置。掩模200A将所需接触孔210的孔直径设置为150nm，该孔直径只比假接触孔220的孔直径大30nm。孔径光阑150使用图2所示的孔径光阑150G，并采用能使两束衍射光进入投影光学系统400中的光瞳面的第一照明光(或由四个矩形155导致的照明光)和由矩形156或一个区域导致的第二照明光，其中该区域不遮挡第一照明光并除光瞳面320上一个区域以外的区域，它由一条连结两束衍射光位置的直线表示。通过曝光量调节器132把小σ照明光和大σ照明光的强度比设置为0.9～1。
此时产生的曝光如图41所示。该图表示成象位置调节器500在Z方向DOF范围内从-0.4μm～+0.4μm移动，对板400曝光。可以理解，在离开焦点-0.2μm～+0.2μm的范围内获得良好状态的所需接触孔210。
例6实例6使用图8所示的二元掩模200。在其它方面(换言之，曝光装置结构、照明条件、曝光量等)采用与实例1相同的条件。此时的结果示于图42中。可以理解，在离开焦点-0.2μm～+0.2μm的范围内获得良好状态所需接触孔210。
例7例7与实例5或6相同，除了采用图10所示的掩模200B之外。本例使与所需接触孔210相邻的假接触孔260的孔直径比其它假接触孔230的孔直径约小20nm(因此约为100nm)。对所需接触孔210图案之间的假图案强度的控制提高了曝光量。对改进成象性能以自动减小与所需接触孔210相邻的假接触孔260的孔直径相当有效，但最佳化可以根据相邻接触孔的数量以及它们之间的距离。
例8实例8重复连续曝光，同时通过成象位置调节器500在曝光时改变在图1所示的Z方向上的成象位置。曝光装置的结构、掩模分布等基本上与例5-7中的相同。此例通过曝光期间在Z方向上移动晶片台450并重复多次曝光而在距焦点位置不同的距离处执行多次曝光。此曝光改进了在焦深范围内不同位置处的成象特性。
因此，此实例可以良好的成象特性把具有0.80-0.15μm最小临界尺寸的细接触孔图案转印到焦深范围内不同位置的板400上，不用互换掩模200。在本实例中，利用KrF准分子激光器和NA＝0.6的曝光装置可以分辨最小临界尺寸和最小间隔均为0.12μm的接触孔图案。如果分辨率临界尺寸是标准的，则k1＝0.29，并且间距为0.29×2＝0.58。
下面将对第一透光部分和第二透光部分的孔径区之比给予说明，其中第一透光部分对所需图案的分辨率有作用，第二透光部分增强了照明光学系统中孔径光阑上所需图案的光强分布。
做为一个例子，考虑孔径光阑150J。图24B所示的孔径光阑150J可以被功能性地分成两个子光阑150J1和150J2，如图43所示。图43A表示子光阑150J1的平面图，图43B表示子光阑150J2的平面图。孔径158对应于第一透光部分，而孔径159A对应于第二透光部分。
孔径158A有效地允许0阶衍射光束和+1阶或-1阶中任一衍射光束进入到投影光学系统300中的光瞳面，因此对精细图案的分辨率有用。另一方面，孔径159A允许0阶衍射光束进入光瞳，但不允许+1阶或-1阶中任一衍射光束进入到光瞳。因为孔径159A只允许一束衍射光进入光瞳，所以不能形成所需的图案。
图44是模拟结果。具体地说，图44A将子光阑150J1与图8所示的掩模200合并，其中所需的接触孔具有110nm×110nm的大小，并且半间距设置为110nm。下面的图案做为两束光干涉的结果而获得，其中包括接触孔210的所需图案和接触孔220的假图案。另一方面，图44B将子光阑150J2与图8所示的掩模200合并，其中所需的接触孔具有110nm×110nm的大小，并且半间距设置为110nm。下面的图案由一束衍射光获得。虽然图44b中的图案增强了所需接触孔210的图案，但它甚至不能分辨所需的接触孔210图案。
子光阑150J1和150J2的组合、即图24B所示的光阑150J成功地只分辨所需的接触孔210图案。图45是光阑150J与掩模200组合时的图案，其中a＝0.7，b＝0.5，最大σ为0.92。图45清楚地表示了没有假接触孔图案220的所需接触孔图案210。
根据本发明人的观点，第一和第二透光部分之间太大的孔径区之比将不能分辨所需的图案。另一方面，第一和第二透光部分之间太小的孔径区之比将导致除所需图案以外的不需要的图案的分辨率。
实例9参见图8，投影曝光装置具有248nm的波长和0.73的NA。当把所需的接触孔210图案转变到板400上时，所需的接触孔图案210在横向有120nm的间隔，在纵向有360nm的间隔。每个接触孔210具有120nm×120nm的大小。这意味着所需的接触孔图案210在转变到板400上时横向有240nm的周期，纵向有480nm的周期。假接触孔220的图案转变到板400上时，在横向和纵向两方向上有240nm的周期。每个假孔220具有90nm×90nm的大小。接触孔220的假图案延伸到所需图案210之外的三个孔。本实例使用孔径光阑150J，其中a＝0.6，b＝0.5，最大σ为0.92。获得如图46A所示的良好的实验结果。
另一个实验也使用图8所示的掩模200。当把图案转变到板400上时，所需的接触孔图案210在横向具有220nm的周期，在纵向具有440nm的周期，该处所需的接触孔210具有110nm×110nm的大小。转变到板400上时，假接触孔220图案在横向和纵向上均具有220nm的周期，该处每个假接触孔具有90nm×90nm的大小。本例使用孔径光阑150J，其中a＝0.7，b＝0.5，最大σ为0.92。图24B中孔径区158A和159A之比为0.20。
另一个实验也使用图8所示的掩模200。当把图案转变到板400上时，所需的接触孔图案210在横向具有200nm的周期，在纵向具有400nm的周期，该处所需的接触孔210具有100nm×100nm的大小。转变到板400上时，假接触孔220图案在横向和纵向上均具有200nm的周期，该处每个假接触孔具有80nm×80nm的大小。本例使用图21中的孔径光阑150G，其中a＝0.8，b＝0.6，最大σ为0.92。获得如图46C所示的良好的实验结果。图21中孔径区155和156之比为0.06。
在本例中，调节所需接触孔210的形状和大小。即，隔离的接触孔210的大小做得稍大，其光强变小。
在研究过各种图案之后，本发明人发现，根据图案改变挡光区的大小是有效的。在图24B所示的孔径光阑150J中，当a＝0.8，b＝0.4，最大σ为0.90时，孔径区158A和159A之比为1.30。当a＝0.8，b＝0.6，最大σ为0.92时，孔径区158A和159A之比为0.06。对于光阑150A-150C，比值为0.25。
所得的比值用于半色调掩模和图47所示的光阑150K、150L和150M。每个光阑150K、150L和150M在纵向和横向有不同的周期，并且关于180°的旋转对称。
例10虽然例9使用二元掩模，但本例使用图9所示的相移掩模200A。投影曝光装置具有248nm的波长，0.73的NA。当把图案转变到板400上时，所需的接触孔图案210在横向具有200nm的周期，在纵向具有400nm的周期，该处所需的接触孔210具有100nm×100nm的大小。转变到板400上时，假接触孔220图案在横向和纵向上均具有200nm的周期，该处每个假接触孔具有80nm×80nm的大小。本例使用图21中的孔径光阑150G，其中a＝0.2，b＝0.1，最大σ为0.92。获得如图48所示的良好的实验结果。图21中孔径区155和156之比为0.28。其它的条件与例9的相同。
通常，对于大多数相移掩模a≤0.3，b≤0.2。当最大σ处于0.9～1.0的范围时，第一和第二透光部分的孔径区之比约为0.13～0.75。
为了分辨所需的接触孔图案，例9和例10表明，0.06～1.30的范围对于第一和第二透光部分之间的孔径区之比是合适的，其中第一透光部分对所需图案的分辨率有用，第二透光部分增强照明光学系统中孔径光阑上所需图案的光强分布。在上述各种孔径光阑中，优选改变挡光区，因为上述比值变得易于控制。
接下来对所需接触孔和假接触孔之间的孔直径关系进行说明。当假接触孔的孔直径太大或太接近所需的接触孔直径时，假接触孔图案不能被理想的分辨。另一方面，当假接触孔的孔直径太小时，假图案提供所需图案的周期性将丧失。一般是假接触孔的孔直径越大，光利用率以及因而光出射量越好。因此，所需接触孔和假接触孔之间的孔直径关系很重要。
例11参见图8，投影曝光装置具有248nm的波长和0.73的NA。当把所需的接触孔210图案转变到板400上时，所需的接触孔图案210在横向有120nm的间隔，在纵向有360nm的间隔。每个接触孔210具有120nm×120nm的大小。这意味着所需的接触孔图案210在转变到板400上时横向有240nm的周期，纵向有480nm的周期。假接触孔220的图案转变到板400上时，在横向和纵向两方向上均有240nm的周期。每个假孔220具有90nm×90nm的大小，对应于接触孔210的大小的75％。假接触孔220图案延伸到所需图案210之外的三个孔。本实例使用图24B中的孔径光阑150J，其中a＝0.6，b＝0.5，最大σ为0.92。获得如图49A所示的良好的实验结果。本实验改变假接触孔的大小从70nm到100nm(约对应于接触孔210的大小的58％～83％)，并且证明所需接触孔210图案的良好的分辨率。
另一个实验也使用图8所示的掩模200。当把图案转变到板400上时，所需的接触孔图案210在横向具有220nm的周期，在纵向具有440nm的周期，该处所需的接触孔210具有110nm×110nm的大小。转变到板400上时，假接触孔220图案在横向和纵向上均具有220nm的周期，该处每个假接触孔具有90nm×90nm的大小，对应于接触孔210的大小的82％。本例使用图24B中的孔径光阑150J，其中a＝0.7，b＝0.5，最大σ为0.92。获得如图49B所示的良好的实验结果。本实验改变假接触孔的大小从70nm到90nm(约对应于接触孔210的大小的64％～82％)，并且证明所需接触孔210图案的良好的分辨率。
另一个实验也使用图8所示的掩模200。当把图案转变到板400上时，所需的接触孔图案210在横向具有200nm的周期，在纵向具有400nm的周期，该处所需的接触孔210具有100nm×100nm的大小。转变到板400上时，假接触孔220图案在横向和纵向上均具有200nm的周期，该处每个假接触孔具有80nm×80nm的大小，对应于接触孔210的大小的80％。本例使用图24B中的孔径光阑150J，其中a＝0.8，b＝0.6，最大σ为0.92。获得如图49C所示的良好的实验结果。本实验改变假接触孔的大小从70nm到90nm(约对应于接触孔210的大小的70％～90％)，并且证明所需接触孔210图案的良好的分辨率。
在本例中，调节所需接触孔210的形状和大小。即，隔离的接触孔210的大小做得稍大，其光强变小。
在研究过各种图案之后，本发明人发现，优选设置假接触孔具有所需接触孔55％～90％的孔直径。该最终比值用于半色调和相移掩模。
另外，本发明不限于这些优选实施例，在不脱离本发明实质和范围的前提下可以对本发明做各种改变和变化。
工业实用性本发明的掩模、曝光方法和装置可以高分辨率地一次曝光具有细小孔直径(如不大于0.15μM)的接触孔图案和隔离的接触孔与接触孔线条的混合。另外，利用本曝光方法和曝光装置的器件制造法可以高质量地制造器件。
权利要求
1.一种曝光方法，包括步骤提供一个掩模，该掩模上分布着一个接触孔图案和多个均小于接触孔图案的较小图案；通过一个投影光学系统并利用多种光源对掩模照明，从而分辨一个靶上的所述接触孔图案，而不分辨所述较小图案。
2.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于掩模上的接触孔图案具有不同于将要形成在靶上的原始直径。
3.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于多种照明光包括强度分布具有接近光轴的峰的第一照明光和强度分布具有远离光轴的峰的第二照明光。
4.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于多种照明光包括大σ的照明光和小σ的照明光。
5.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于多种照明光包括第一和第二照明光，第一照明光能使得由所需图案产生的两个衍射光束入射到投影光学系统的光瞳面上，第二照明光防止任何衍射光入射到光瞳面上由线性连结两个衍射光束限定的区域上。
6.如权利要求5所述的曝光方法，其特征在于第二照明光设置成只有一束衍射光入射到光瞳面上。
7.如权利要求1至6任一所述的曝光方法，其特征在于多种照明光形成一个σ大于0.9的有效光源。
8.如权利要求3至7任一所述的曝光方法，其特征在于掩模用于相移掩模，对所需的图案设置交错0°和180°的相位。
9.如权利要求2、4至7任一所述的曝光方法，其特征在于有多种辅助图案作为较小的图案，与所需图案相邻的辅助图案的大小做成小于其它的辅助图案。
10.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于多种照明光包括一个基本上为环形的有效光源和外圆周σ大于0.9的四极光源。
11.一种曝光方法，包括步骤在一个掩模上形成这样一种分布，即该分布包括一个接触孔图案和多个均小于接触孔图案的较小图案；利用构成一个有效光源的光通过一个投影光学系统对所述掩模进行照明，从而分辨一个靶上的所述接触孔图案，而不分辨所述较小的图案，其中该有效光源在其中心部分有一个非圆形阴暗部分。
12.如权利要求4所述的曝光方法，其特征在于小σ的照明形成一个σ不大于0.3的圆形有效光源。
13.如权利要求4所述的曝光方法，其特征在于大σ的照明光形成一个十字的四组结构的有效光源。
14.如权利要求4所述的曝光方法，其特征在于大σ的照明光形成一个环形有效光源。
15.如权利要求13所述的曝光方法，其特征在于四组结构具有相同σ的照明光。
16.如权利要求4所述的曝光方法，其特征在于大σ的照明光在照明光的中心有等于或大于0.6的σ。
17.如权利要求5至7任一所述的曝光方法，其特征在于第一σ的照明光形成一个十字的四组结构的有效光源。
18.如权利要求5至7任一所述的曝光方法，其特征在于掩模采用一种相移掩模，第二照明有一个具有中空矩形、圆形或近似平行四边形的矩形有效光源。
19.如权利要求5至7任一所述的曝光方法，其特征在于掩模采用二元或半色调掩模，第二照明有一个四扇形交叉的有效光源。
20.如权利要求5至7任一所述的曝光方法，其特征在于掩模采用相移掩模，并且有效光源具有下列形状图21所示的形状，图22所示的形状或图23所示的形状。
21.如权利要求5至7任一所述的曝光方法，其特征在于掩模采用二元或半色调掩模，并且有效光源具有下列形状图24A所示的形状或图24B所示的形状。
22.如权利要求11所述的曝光方法，其特征在于有效光源在外圆周具有大于0.9的σ，并且有效光源在圆形光源的中心形成十字阴暗部分。
23.如权利要求11所述的曝光方法，其特征在于有效光源在外圆周有大于1.0的σ。
24.如权利要求1至23任一所述的曝光方法，其特征在于在改变靶和所需图案的图象之间在投影光学系统光轴上的位置关系的同时重复多次曝光。
25.如权利要求1至23任一所述的曝光方法，其特征在于所需的图案和辅助图案可以二维分布成一个矩阵。
26.如权利要求1至25任一所述的曝光方法，其特征在于辅助图案的形状类似于所需的图案。
27.一种曝光装置，包括可以执行权利要求1至23中任一方法的曝光模式。
28.如权利要求27所述的曝光装置，还包括一个包含孔径光阑的照明光学系统，所述的孔径光阑具有第一和第二透光部分以及一个阻光部分，第一透光部分对第二图案的分辨率起作用，第二透光部分增强对第二图案的光强分布，第一和第二透光部分的面积之比处于0.06～1.30的范围。
29.如权利要求27所述的曝光装置，还包括一个包含孔径光阑的照明光学系统，所述的孔径光阑有一个透光部分和一个阻光部分，阻光部分的面积可以变化。
30.一种曝光装置，包括一个用于调节第一照明和第二照明之间照明光量之比的机构，第一照明有一个具有对应于接触孔阵列的纵向和横向的刻线组结构的有效光源，第二照明有另一个有效光源。
31.一种器件制造方法，包括步骤利用权利要求27至30任一所述的曝光装置对靶曝光；和对曝光的靶执行特定的处理。
32.一种掩模，其上二维分布着一个接触孔图案和多种均小于接触孔图案的辅助图案，其特征在于与接触孔图案相邻的辅助图案的大小做得小于另一个辅助图案的大小。
33.如权利要求32所述的掩模，其特征在于辅助图案具有对应于所需图案中孔直径的大约55％～90％的大小。
34.一种掩模，其上二维分布着一个接触孔图案和多种均小于接触孔图案的辅助图案，其特征在于所述的掩模用于相移掩模，通过设置交错0°和180°的相位形成二维分布的所需图案。
35.一种投影曝光方法，包括步骤提供一个分布着一种接触孔图案和多种均小于接触孔图案的图案的掩模；和利用用于分辨接触孔图案的第一照明和用于防止较小图案所导致的伪分辨率的第二照明对掩模照明。
全文摘要
本发明公开了一种曝光方法，包括在掩模上形成这样一种分布，即一个接触孔图案和多个均小于接触孔图案的图案；并利用多种光对掩模照明，从而通过投影光学系统分辨靶上没有较小图案的接触孔图案。
文档编号G03F7/20GK1703656SQ0280186
公开日2005年11月30日 申请日期2002年4月24日 优先权日2001年4月24日
发明者齐藤谦治, 铃木章义, 山添贤治 申请人:佳能株式会社