JP2000098093A - 反射鏡およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】照射光の吸収による熱変形が生じにくい、高精
度の反射鏡を提供する。 【解決手段】本反射鏡は、ミラー基板１１、反射多層膜
１０を備えている。ミラー基板１１は、熱伝導率３９１
Ｗ／ｍ・Ｋの無酸素銅で形成されている。そして、反射
多層膜１０は、ミラー基板１１の研磨仕上げ面上に形成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軟Ｘ線投影露光装
置の光学系等に組み込まれる反射鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の高密度集積化に伴い、
投影露光装置の光学系の解像力を高めるべく、従来の紫
外線よりも波長が短いＸ線源を用いる投影リソグラフィ
ー技術の開発が進んでいる。この投影リソグラフィー技
術を利用する投影露光装置(以下、これをＸ線投影露光
装置と呼ぶ)は、Ｘ線源(放射光光源、レーザプラズマＸ
線源等)、ウェハーステージ等の他、以下に示す光学系
(１)(２)によって構成されている。なお、Ｘ線は、大気
に吸収されて減衰するため、その光路は全て所定の真空
度に維持されている。

【０００３】(１)照明光学系 照明光学系は、斜入射ミラー、多層膜ミラー、特定波長
(実用上、軟Ｘ線波長領域)のＸ線のみを反射または透過
させるフィルター等により構成されている。この照明光
学系から出射された特定波長のＸ線は、所定のマスクパ
ターンが形成されたマスクを照明する。なお、ここで用
いられるマスクには、透過型マスクと反射型マスクとの
２種類がある。透過型マスクとは、Ｘ線を透過させるメ
ンブレン上にＸ線吸収物質でマスクパターンを形成した
ものであり、反射型マスクとは、Ｘ線を反射するモリブ
デン／シリコン多層膜等に、反射率の低い領域をマスク
パターンとして形成したものである。

【０００４】(２)投影結像光学系 投影結像光学系は、複数の多層膜ミラーにより構成され
ている。この投影結像光学系により、マスクパターン像
をウェハ上に結像させ、ウェハ上に塗布されたフォトレ
ジストを露光させる。ここで用いられる投影結像光学系
が多層膜ミラーだけで構成されているのは、以下の理由
による。Ｘ線の波長域では、透明物質が存在せず、物質
表面の反射率も非常に低いため、レンズ、ミラー等の通
常の光学素子を使用することができない。そのため、Ｘ
線を用いる光学系には、反射面に斜めに入射したＸ線を
全反射させる斜入射ミラー、多層膜の各界面での反射光
の干渉を利用して高反射率を得る多層膜ミラー等が用い
られる。ところが、斜入射ミラーは収差が大きいため、
これを用いた投影結像光学系では回折限界の解像力を得
るのは困難である。そこで、Ｘ線を垂直に反射する多層
膜ミラーだけを用いることによって、回折限界の解像力
が得られる投影結像光学系を実現している。

【０００５】なお、多層膜ミラーのミラー基板の形成材
料には、精度(形状精度、表面精度)を出しやすい石英等
のガラス材料が用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
軟Ｘ線投影露光装置の光学系に用いられている多層膜ミ
ラーの多層膜は、その反射率が７０％程度である。した
がって、多層膜ミラーの表面に照射されたＸ線の約３０
％が多層ミラー基板に吸収され、そのエネルギーによっ
て多層膜ミラーが熱変形する。そのために、露光におい
て所期の解像力が得られないことがある。

【０００７】このような多層膜ミラーの熱変形を防止す
るため、多層膜ミラーが裏面側から冷却されることがあ
るが、それだけでは充分な効果が得られるとは限らな
い。したがって、Ｘ線投影露光装置のスループット低下
の原因とはなるが、多層膜ミラーに照射するＸ線の強度
を抑制せざるを得ないのが実情である。

【０００８】なお、以上述べた多層膜ミラーの熱変形に
起因する問題は、Ｘ線投影露光装置の光学系だけでな
く、他の装置のＸ線光学系、Ｘ線波長域以外の波長域の
光線を使用する光学系においても生じ得ることである。

【０００９】ところで、光学系によって回折限界の解像
力を得るには、光学系を構成する光学素子(ミラー、レ
ンズ)の形状誤差を光の波長よりも充分に小さくしてお
く必要があることが知られている。これによれば、可視
光や紫外線よりも短波長のＸ線を使用するＸ線光学系
は、これを構成する光学素子の形状誤差の許容範囲がき
わめて狭くなる。したがって、波長１３ｎｍの軟Ｘ線投
影露光装置の光学系には、より高精度な光学素子が必要
となる。

【００１０】そこで、本発明は、照射光の吸収による熱
変形が生じにくい反射鏡を提供することを第一の目的と
する。そのような性質に加えて、さらに精度が高い反射
鏡およびその製造方法を提供することを第二の目的とす
る。また、解像度およびスループットが双方共に高いＸ
線投影露光装置を提供することを第三の目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、ミラー基板上に反射膜を有する反射鏡で
あって、前記ミラー基板は、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱
伝導率を有する金属基板または合金基板であることを特
徴とする反射鏡を提供する。

【００１２】本反射鏡によれば、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上
の熱伝導率を有する金属または合金、すなわち、従来の
多層膜ミラーのミラー基板材料であるガラス(熱伝導率
１.３８Ｗ／ｍ・Ｋ)よりも冷却効率の優れた材料でミラ
ー基板を形成しているため、反射膜を透過した照射光
(例えば、Ｘ線)が反射鏡に吸収されても、それにより発
生した熱が速やかにミラー基板から放熱される。したが
って、反射鏡の熱変形および反射膜の劣化を回避するこ
とができる。

【００１３】また、本発明は、ミラー基板上に反射膜を
有する反射鏡であって、前記ミラー基板は、無酸素銅基
板であることを特徴する反射鏡を提供する。

【００１４】さらに、この反射鏡の製造方法として、ミ
ラー基板上に反射膜を有する反射鏡を製造する反射鏡の
製造方法であって、無酸素銅を加工して、前記ミラー基
板を作成するステップと、前記ミラー基板上に前記反射
膜を成膜するステップを有することを特徴する反射鏡の
製造方法を提供する。

【００１５】本反射鏡および本製造方法によって製造さ
れた反射鏡によれば、ミラー基板材料として、従来の多
層膜ミラーのミラー基板材料とされているガラスよりも
充分に熱伝導率が高い無酸素銅が用いられているため、
従来の多層膜ミラーよりも冷却効率が格段に優れてい
る。したがって、上記反射鏡と同様に、反射鏡の熱変形
および反射膜の劣化を防止することができる。さらに、
無酸素銅は、ガラスよりも加工性に優れ、かつ、最近の
研磨加工によって表面粗さを０.５ｎｍＲＭＳ程度にま
で抑制可能という利点を有しているため、これをミラー
基板材料として用いた本反射鏡が、Ｘ線光学系を構成す
る多層膜ミラーに要求される表面精度を充分に満足しう
ることは言うまでもない。

【００１６】そして、以上述べた２種類の反射鏡のうち
の少なくとも一方でＸ線投影露光装置の投影結像光学系
を構成すれば、実用的なスループットを得るのに充分な
強度のＸ線を用いても、露光処理中における反射鏡の熱
変形が問題となり得ないことは言うまでもない。すなわ
ち、高スループットかつ高解像度のＸ線投影露光装置を
実現することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明に係る実施の一形態について説明する。

【００１８】最初に、本実施の形態に係る多層膜ミラー
の基本構造について説明する。

【００１９】図１に示すように、本多層膜ミラー１０
は、平凹型のミラー基板１２、波長１３ｎｍ付近の軟Ｘ
線を反射させる反射多層膜１１(例えば、モリブデン／
シリコン多層膜)を備えている。ミラー基板１２は、熱
伝導率３９１Ｗ／ｍ・Ｋの無酸素銅を平凹型に切削し、
反射多層膜１１の下地となるべき凹面１２ａを鏡面仕上
げすることによって作製されたものである。なお、ミラ
ー基板１２には、さらに、Ｘ線照射中に冷却用媒体(水
等)を通過させる複数の冷却用溝(不図示)、Ｘ線投影露
光装置等への取付けネジ用のネジ穴(不図示)、Ｘ線投影
露光装置等に取り付けた際の自重変形を防止するための
軽量化用切欠き(不図示)が形成されている。

【００２０】このように、本多層膜ミラー１０は、その
ミラー基板１２の形成材料として、従来の多層膜ミラー
のミラー基板の形成材料とされているガラス(熱伝導率
１.３８Ｗ／ｍ・Ｋ)よりも充分に熱伝導率が高い無酸素
銅が用いられているため、従来の多層膜ミラーよりも冷
却効率が格段に優れている。したがって、反射多層膜１
１を透過した光束が多層膜ミラー１０に吸収されても、
それにより発生した熱がミラー基板１２から速やかに放
熱されるため、多層膜ミラー１０の熱変形および反射多
層膜１１の劣化を防止することができる。また、無酸素
銅は、ガラスよりも加工性に優れ、かつ、最近の研磨加
工によって表面粗さを０.５ｎｍＲＭＳ程度にまで抑制
可能であるという利点を有しているため、これをミラー
基板１２の形成材料として用いた本多層膜ミラー１０
が、Ｘ線光学系を構成する多層膜ミラーに要求される表
面精度を充分に満足することは言うまでもない。

【００２１】以下、上述した無酸素銅製ミラー基板１２
の熱変形防止効果を、従来の多層膜ミラーのミラー基板
との比較において確認する。なお、ミラー基板の熱変形
量の算出には、本来であれば有限要素法等の手法を用い
るべきであるが、ここでは、ミラー基板によりも充分肉
薄の多層膜の熱変形を無視した簡略な手法を用いること
とする。

【００２２】図２(ａ)に示すように、ミラー基板２０の
裏面２０ｂを、一定温度Ｔ₀に冷却された熱浴に接触さ
せる。すなわち、ミラー基板２０の裏面１２ｂ側から一
定温度Ｔ₀に冷却する。この状態において、多層膜ミラ
ーの表面上の局所領域ＡにＸ線を照射すると、そのＸ線
の一部が多層膜およびミラー基板２０に吸収される。す
なわち、ミラー基板２０の表面２０ａ上の局所領域Ａに
は、反射多層膜を透過したＸ線による熱流束Ｑが定常的
に投入される。

【００２３】ここで、ミラー基板２０の面内方向への熱
伝導を無視すると、ミラー基板２０には、図２(ｂ)に示
すように、その厚さ方向に一定の温度勾配が生じること
になる。したがって、この場合のミラー基板２０の裏面
２０ｂから距離ｘの位置における、熱浴とミラー基板２
０との温度差Ｔ(ｘ)は、数式(１)により与えられる。

【００２４】

【数１】

【００２５】ミラー基板２０の裏面２０ｂから距離ｘの
位置における微小厚さδｘ部分の熱変形量が数式(２)に
より与えられるため、多層膜ミラー１０全体の熱変形量
は、数式(３)によって表される。

【００２６】

【数２】

【００２７】

【数３】

【００２８】さて、Ｘ線投影露光装置で実用的なスルー
プット(８インチウェハの場合に、３０枚／ｈ程度)を得
るには、その投影結像光学を構成する多層膜ミラーに、
少なくとも１０ｍＷ／ｃｍ²程度のＸ線を照射する必要
があるとされている。また、Ｘ線投影露光装置で実用的
な露光面積を確保するには、その投影結像光学を構成す
る多層膜ミラーの直径を、少なくとも５０ｍｍ程度とっ
ておく必要である。さらに、この多層膜ミラーの形状を
維持するには、その厚さを直径の１／４程度(直径５０
ｍｍとした場合、１２.５ｍｍ)はとっておく必要があ
る。そこで、ここでは、Ｘ線による熱流束Ｑを１０ｍＷ
／ｃｍ²、ミラー基板２０の厚さｄを１２.５ｍｍとおい
て、数式(３)から、本実施の形態に係る多層膜ミラー１
０の熱変形量と従来の多層膜ミラーの熱変形量とをそれ
ぞれ算出する。本実施の形態に係る多層膜ミラー１０の
ミラー基板１２の材料として用いられている無酸素銅
は、熱伝導率が３９１Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱膨張率が１
６.５×１０^-6／Ｋである。従って、本実施の形態に係
る多層膜ミラーの熱変形量を数式(３)によって算出する
と、その値は０.３３ｎｍとなる。一方、従来の多層膜
ミラーのミラー基板の形成材料として用いられているガ
ラス(溶融石英(ＳｉＯ₂))は、熱伝導率が１.３８Ｗ／ｍ
・Ｋであり、熱膨張率が０.５×１０^-6／Ｋである。従
って、従来の多層膜ミラーの熱変形量を数式(３)によっ
て算出すると、その値は２.８３ｎｍとなる。

【００２９】これら２つの演算結果を比較すれば、本実
施の形態に係る多層膜ミラー１０は、従来の多層膜ミラ
ーよりも熱変形量が小さいことが判る。無酸素銅のほう
がガラスよりも熱膨張率が大きいにもかかわらず、この
ような結果が得られるのは、無酸素銅のほうがガラスよ
りも熱伝導率が大きく、Ｘ線の吸収によって発生した熱
を速やかに放熱するためである。なお、本実施の形態で
は、無酸素銅で形成されたミラー基板を用いているが、
ガラスよりも充分に熱伝導率の高い金属もしくは合金、
具体的には、約１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有す
る金属もしくは合金で形成されたミラー基板であれば、
無酸素銅で形成されたミラー基板とほぼ同様な熱変形防
止効果を達成することが可能である。さらに、その金属
等が無酸素銅と同程度の表面精度にまで鏡面仕上げ可能
な材料であれば、無酸素銅で形成されたミラー基板を用
いた場合と同程度に反射率の高い多層膜ミラーを実現す
ることができる。

【００３０】次に、本実施の形態に係る多層膜ミラー１
０の製造方法について説明する。なお、ここでは、その
設計寸法を、直径５０ｍｍ、曲率半径５００ｍｍ、中心
厚さ約１２.５ｍｍ(１２.５ｍｍ＋反射多層膜厚)とす
る。

【００３１】まず、無酸素銅のブロック材を切削して、
直径５０ｍｍ、中心厚さ１２.５ｍｍ、表面の曲率半径
５００ｍｍの平凹型のミラー基板１２を作製する。そし
て、このミラー基板１２に、冷却用溝、軽量化用切欠
き、ネジ穴等を形成する。さらに、このミラー基板１２
の凹面を、その表面粗さが０.５ｎｍＲＭＳ程度になる
まで鏡面仕上げする。

【００３２】その後、イオンビームスパッタリングによ
って、ミラー基板１２の凹面に、モリブデン(Ｍｏ)薄膜
とシリコン(Ｓｉ)薄膜とを交互に積み重ねて、周期長
６.７ｎｍ、積層数５０層の反射多層膜１１を形成す
る。これにより、多層膜ミラー１０が完成する。

【００３３】最後に、本実施の形態に係る多層膜ミラー
１０の代表的な用途を挙げておく。

【００３４】光学系の波面収差を波長の１／４以内とす
るレイリーの条件によれば、ｎ枚の多層膜ミラーから構
成される光学系を構成する多層膜ミラー１枚あたりの許
容形状精度は、｛(１／２)(λ／４)｝(１／√ｎ)で表さ
れる。これによれば、波長１３ｎｍの軟Ｘ線用の光学系
を４枚の多層膜ミラーで構成した場合の多層膜ミラー１
枚あたりに許容される形状誤差は約０.８１ｎｍであ
る。

【００３５】また、多層膜ミラーの反射多層膜における
Ｘ線の反射率Ｒは、数式(４)により概算することができ
る。ミラー基板の表面粗さσと、波長１３ｎｍの軟Ｘ線
を斜入射角９０度(多層膜に対して垂直)で入射させたと
きの反射多層膜のＲ／Ｒ₀との関係を数式(４)から求め
ると、それは図３に示すようになる。

【００３６】

【数４】

【００３７】さて、本実施の形態に係る多層膜ミラー１
０は、前述したように、１０ｍＷ／ｃｍ²程度の軟Ｘ線
が照射されても、ミラー基板１２の冷却用溝に水等を循
環させれば、せいぜい０.３３ｎｍ程度しか熱変形を生
じない。したがって、Ｘ線投影露光装置の光学系のミラ
ーとして本多層膜ミラー１０を用いれば、Ｘ線投影露光
装置のスループットおよび解像度の双方を向上を達成す
ることができる。また、本実施の形態に係る多層膜ミラ
ー１０は、そのミラー基板１２の表面粗さが０.５ｎｍ
ＲＭＳ程度にまで抑制されている。したがって、Ｘ線投
影露光装置の光学系を本多層膜ミラー１０で構成した場
合、図３より、ミラー基板が完全に平滑とされたときの
反射率Ｒ₀の約８０％もの高反射率が確保されることが
判る。

【００３８】そこで、本実施の形態に係る多層膜ミラー
１０を、Ｘ線投影露光装置の照明光学系および投影結像
光学系に使用する。図４に、その具体的構成を示す。

【００３９】図４において、照明光学系の２枚の多層膜
ミラー４１,４２は、レーザプラズマ光源等のＸ線源４
０からのＸ線Ａを集光させ、これをマスクステージ４３
上の反射型マスク４３ａへと導く。そして、投影結像光
学系の４枚の多層膜ミラー４４,４５,４６,４７は、反
射型マスク４３ａで反射したＸ線Ａを集光させ、これを
ウェハステージ４８上のウェハ４８ａへと導く。これに
より、反射型マスク４３ａのマスクパターンの１／４縮
小像がウェハ４８ａ上に結像し、ウェハ４８ａ上に塗布
されたフォトレジストが露光される。なお、各多層膜ミ
ラー４１,４２,４４,４５,４６,４７の冷却用溝には、
Ｘ線の吸収により発生した熱を放熱させるための水等が
循環させてある。

【００４０】このＸ線投影露光装置の全ての多層膜ミラ
ー４１,４２,４４,４５,４６,４７に、本実施の形態に
係る多層膜ミラー１０を用いることにより、以下に示す
ように、前述の効果(スループットおよび解像度の双方
の向上)を達成されることが確認された。図４に示した
多層膜ミラー４１,４２,４４,４５,４６,４７のうち、
Ｘ線照射による負荷がとくに高くなるのは、照明光学系
の２枚の多層膜ミラー４１,４２と、投影結像光学系の
４枚の多層膜ミラー４４,４５,４６,４７のうちの下流
(反射マスク側から３枚目)に配置された多層膜ミラー４
６である。具体的に述べると、このＸ線投影露光装置を
３０枚／ｈのスループットを得る条件で稼動させた場
合、照明光学系の２枚の多層膜ミラー４１,４２に照射
されるＸ線の強度は約１００ｍＷ／ｃｍ²にまで達し、
投影結像光学系の多層膜ミラー４６に照射されるＸ線の
強度は約３０ｍＷ／ｃｍ²にまで達する。このように、
照明光学系の２枚の多層膜ミラー４１,４２の負荷が高
くなるのは、これらの多層膜ミラー４１,４２には、Ｘ
線源４０から放出されたばかりの無損失のＸ線が照射さ
れからであり、投影結像光学系の多層膜ミラー４６の負
荷が高くなるのは、これの有効径が投影結像光学系の絞
りとされるためにＸ線照射面積が狭いからである。そこ
で、３０枚／ｈのスループットを得る稼動条件下におけ
るこれら３枚の多層膜ミラー４１,４２,４６の熱変形量
を求めたところ、これらの３枚の多層膜ミラー４１,４
２,４６は、いずも、Ｘ線の３０％程度を吸収するにも
関わらず、その熱変形量は、照明光学系の２枚の多層膜
ミラー４１,４２で約１.０ｎｍ、投影結像光学系の絞り
とされる多層膜ミラー４６で約０.３ｎｍにすぎなかっ
た。本実施の形態に係る多層膜ミラーでＸ線投影露光装
置の光学系を構成すれば、Ｘ線照射による負荷の最も高
い多層膜ミラー４１,４２,４６にでさえ、この程度の熱
変形量が生じないのであるから、従来の多層膜ミラーで
光学系を構成したＸ線投影露光装置(多層膜ミラーの熱
変形量２.０ｎｍ)よりも回折限界に近い解像力が達成さ
れることは明らかである。すなわち、本実施の形態に係
る多層膜ミラーでＸ線投影露光装置の光学系を構成すれ
ば、実用的なスループットを維持しつつ、より回折限界
に近い解像力を実現しうることが確認された。また、こ
れら３枚の多層膜ミラー４１,４２,４６の反射多層膜に
も、熱劣化が生じていないことも確認された。

【００４１】なお、ここでは、Ｘ線投影露光装置の光学
系に用いられる全ての多層膜ミラーに、本実施の形態に
係る多層膜ミラーを使用しているが、Ｘ線照射による負
荷が問題となる多層膜ミラーにだけ、本実施の形態に係
る多層膜ミラー１０を用いるようにしても構わない。

【００４２】また、ここでは、本実施の形態に係る多層
膜ミラーの用途として、Ｘ線投影露光装置の光学系の構
成部品を例に挙げたが、本実施の形態に係る多層膜ミラ
ーは、Ｘ線を用いる他の装置の光学系の構成部品、Ｘ線
以外の波長域の光線を用いる光学系の構成部品等として
使用することができる。もちろん、それらの用途に用い
た場合であっても、前述の効果が得られることは言うま
でもない。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、より精度が高く、しか
も照射光の吸収による熱変形が生じにくい多層膜ミラー
が実現される。さらに、Ｘ線投影露光装置のスループッ
トの向上および解像度の向上の双方が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る多層膜ミラーの断面
図である。

【図２】(ａ)は、表面から定常的な熱流束を受けて熱変
形したミラー基板を簡略的に示した図であり、(ｂ)は、
そのときのミラー基板の厚さ方向の温度分布を示した図
である。

【図３】多層膜ミラーのミラー基板の表面粗さと、多層
膜ミラーの反射率との関係を示した図である。

【図４】本発明の一実施形態に係るＸ線投影露光装置の
概略構成図である。

【符号の説明】

１１…反射多層膜 １２…ミラー基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５１７ ５３１Ａ Ｆターム(参考） 2H042 DA08 DA10 DB02 DB14 DC02 DD05 DE00 DE04 2H097 AA02 BA02 CA15 EA12 GB01 5F046 AA05 AA08 AA13 DA12 DB02 DC07 GA03 GB01 GC03 GD10

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ミラー基板上に反射膜を有する反射鏡であ
   って、 前記ミラー基板は、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を
   有する金属基板または合金基板であることを特徴とする
   反射鏡。
2. 【請求項２】ミラー基板上に反射膜を有する反射鏡であ
   って、 前記ミラー基板は、無酸素銅基板であることを特徴する
   反射鏡。
3. 【請求項３】請求項１記載の反射鏡および請求項２記載
   の反射鏡のうちの少なくとも一方を備えることを特徴と
   するＸ線投影露光装置。
4. 【請求項４】ミラー基板上に反射膜を有する反射鏡を製
   造する反射鏡の製造方法であって、 無酸素銅を加工して、前記ミラー基板を作成するステッ
   プと、 前記ミラー基板上に前記反射膜を成膜するステップを有
   することを特徴する反射鏡の製造方法。