JP2000098111A - 多光源形成反射鏡の製造方法及び該反射鏡を用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決すべき課題】 反射型多光源形成光学素子を製造
するとき、回転機構を有する装置で全面に渡って加工し
ようとすると、どうしても加工のこりを生じ、これが悪
影響を及ぼして設計値通りの光利用効率が得られなかっ
た。この為に、反射型の投影光学系を有する半導体露光
装置が実現できなかった。本発明は、光値用効率の良
い、多光源形成反射鏡を提供し、もって反射型半導体露
光装置を実現する事を目指している。 【解決手段】 加工工程を二つに分け、先ず第１
に加工速度が大きい回転工具で概略加工し、次いで、回
転工具では加工不能領域を非回転工具によって加工し、
正確な所定の面形状を有する基本反射面を得、全体とし
て、良好な多光源形成反射鏡を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反射鏡の製造方法
及び半導体製造装置に関するものであり、特には、微小
な基本反射面の繰り返し配列により構成される反射面を
有する反射鏡の製造方法、反射型照明装置、更にはその
照明装置を用いた半導体露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、ＤＲＡＭやＭＣＰ等の半導体デバ
イスの製造においては、最小線幅をより狭くする開発研
究が盛んに行われており、デザインルール ０．１３μm
（４Ｇ・ＤＲＡＭ相当）、０．１μm（１６Ｇ・ＤＲＡ
Ｍ相当）、更には０．０７μm（３２Ｇ・ＤＲＡＭ相
当）の実現に向けて種々の技術が開発されている。この
最小線幅の問題と切っても切れない関係を有するのが、
露光時に生じる光の回折現象であり、これに起因する、
像や集光点のボケが必要な最小線幅を実現する時の最大
の問題点である。この回折現象の影響を押さえるために
は露光光学系の開口数（N.A.： Numerical aperture)を
大きくする必要があり、光学系の大口径化と波長の短波
長化が開発のポイントになっている。ところが、光の波
長が短くなると、特に 200 nm 以下になると、加工が容
易で、光吸収の少ない光学材料が見当たらなくなってく
る。そこで、透過光学系を捨てて、反射光学系による投
影光学系の開発がなされており、相当な成果を上げてい
る。その中に、複数の反射鏡の組み合わせによって、軟
Ｘ線に対して円弧状の光学視野（露光領域として使用出
来る領域）を実現し、マスクとウェハを投影縮小率比の
相対速度で、互いに同期して移動させることによってチ
ップ全体を露光しようとする方法がある。(例えば、Koi
chiro Hoh and Hiroshi Tanino ;“Feasibility Study
on the Extreme UV/Soft X-ray Projection-type Lith
ography”, Bulletin of the Electrontechnical Labor
atory Vol. 49, No.12, P.983-990, 1985、を参照
： 以後、参考文献１と記す）。 ところで、最小線
幅と並んで上記の様な半導体デバイス製造にとって重要
な要素にいわゆるスループットがある。このスループッ
トに関与する要因としては、光源の発光強度、照明系の
効率、反射系に使用する反射鏡の反射率、ウェハ上の感
光材料・レジストの感度等がある。現在、光源として
は、ＡｒＦレーザー、Ｆ２レーザー、更に短波長光の光
源としてシンクロトロン放射光やレーザープラズマ光が
開発されており、反射鏡に関しても、反射率を上げる多
層膜からなる反射鏡の開発も急ピッチで行われ、実用化
のレベルに近い（詳細は前述の参考文献１、及び、Andr
ew M. Hawryluk et al ;“Soft x-ray beamsplittersan
d highly dispersive multilayer mirrors for use as
soft x-ray laser cavity component”, SPIE Vol. 688
Multilayer Structure and Laboratory X-ray Laser
Research (1986) P.81-90 及び、特開昭 ６３−３１２
６４０を参照： 以後、参考文献２と記す）。さて、照
明系の技術開発であるが、要求される、一様照明性や開
口数を実現する技術に関しては、例えば特開昭６０ー２
３２５５２号公報に矩形形状の照明領域を対象とした技
術が提案されている。しかし、上記投影系の様に投影光
学系の視野が円弧上である場合、照明視野が矩形形状で
は光の利用効率が悪く、どうしても露光時間を短縮出来
ず、従って、スループットが上がらなかった。最近、こ
の問題を解決する方法として、投影光学系の有する光学
視野に合わせて照明視野を設定し、これによって照明効
率を上げ、スループットの問題を解決する方法が特願平
１０ー０４７４００に提案されている。この技術を図５
を基に簡単に説明する。図５は投影露光装置の概要図で
あり、光源１より出た光は提案になる多光源形成反射反
射鏡２、コンデンサー光学素子３及び反射鏡４を経てマ
スクステージ５ｓ上に保持されたマスク５を照明する。
マスク５には、ウェハステージ７ｓ上に保持されたウェ
ハ上に描くべきパターンが反射体図形として形成されて
いる。マスク上のパターンは２、３、４からなる反射型
照明光学装置によって照明され、６ａ、６ｂ、６ｃ、６
ｄからなる投影光学装置６を通じてウェハ７上に投影さ
れる。この時投影光学装置の光学視野は製作すべきデバ
イスチップ全体をカバー出来るほど広くはなく、マスク
５とウェハ７を同期させて相対的に移動（スキャン）さ
せながら露光を行うことによってチップ全体のパターン
をウェハ上に形成する。このために、ステージの移動量
を制御する、レーザー干渉距離計を含むマスクステージ
コントローラ８とウェハステージコントローラ９が備わ
っている。（このスキャンを伴う露光方式に関しては先
の参考文献１を参照）。この際のポイントは、多光源形
成反射鏡２をひとつ又は複数の微小な基本反射面の繰り
返し配列により反射鏡を構成することであり、その基本
反射面の外形状を投影光学装置の光学視野形状と相似形
にすることである。これによって位置Ｐ２に多数の点光
源像Ｉがほぼ円形状に形成され、これがコンデンサー光
学素子によって必要な照明視野を形成する。上記のよう
な技術を用いると、マスク上の照明すべき領域を無駄無
く一様に照明出来、露光時間の短縮が可能になって、高
いスループットを有する半導体露光装置の実現が可能に
なる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の様な、円弧状の
照明視野を有する反射型照明光学装置用の多光源形成反
射鏡、及びその基本反射面を実際に設計した結果を図
６、７を用いて説明する。図６（ａ）に示すように、こ
の多光源形成鏡は、３種類の基本反射面（Ａ１、Ｂ１、
Ｃ１）から構成されている。すなわち、図６（ａ）の多
光源形成反射鏡の各列は、各基本反射面がＡ１、Ｂ１、
Ｃ１、…の順に配列されている。図７（ａ），（ｂ），
（ｃ）には、各基本反射面の形状を示す。これらの図に
示すように各基本反射面は、曲率半径Ｒの凹の球面４１
に、図６（ｂ）に示すようなＹＺ面に平行な円弧状帯
（平均半径がＺｈの円の円弧状帯）を投影した形状にな
っている。この時投影する円弧の円の中心を球面の中心
軸に合わせた場合の投影像がＡ１であり、円弧の中心を
球面の軸に垂直にＹｈだけずらせた場合の投影像がＢ
１、Ｃ１である。この投影像形状を切り出して基本反射
面とする。いずれも、ほぼ円弧状になる。少なくともＸ
方向より見れば完全な円弧状である。そしてＢ１，Ｃ１
をそれぞれＹ軸方向に平行移動してＡ１と組み合わせて
いく。このようにして出来た反射鏡に例えばＸ方向より
平行光線を入射させるとＡ１による点像が球面４１の焦
点に、Ｂ１による点像が焦点よりＹｈだけ横すれして、
Ｃ１による点像が焦点よりーＹｈだけ横ずれして形成さ
れる。ここで、例えば、基本反射面の、好適な実用的な
設計解としては、凹球面の曲率半径Ｒは１６０〜２００
ｍｍ、Ｚｈは４．５〜５．５ｍｍ、円弧の幅（円弧状帯
の幅）は０．３〜２ｍｍ、円弧の長さは４．５〜５．５
ｍｍ、Ｙｈは約 ２．３〜２．７mm となり、更に表面粗
さがＲｒｍｓ＜０．３ｎｍである。

【０００４】ところで、上記のような反射鏡は通常、ボ
ールエンドミルを備えた切削加工機を用いて切削加工に
より製作される。ボールエンドミルは図８（ａ）に示す
ような形状であり、その位置を被加工物に対して３次元
的に制御することによって、同図（ｂ）のように色々な
面の加工が可能である。しかし実際、金属材料として、
アルミニュウムを用いて基本反射面を１個づつ加工し、
出来上がった多光源形成反射鏡を用いて実際に照明して
みると、予期した良好な効率を有する多光源形成反射鏡
は得られず、従って、スループットの高い半導体露光装
置が得られなかった。そこで、その原因を追究したとこ
ろ、図９に示すように、各基本反射面５１が互いに隣接
しており、谷となっている部分に加工残りが存在し、こ
の部分の影響が主なものであることが判明した。この加
工残りはボールエンドミルの軸半径に起因するもの、図
中のＣＲ部、である。ボールエンドミルの軸半径の最小
値は約０．５ｍｍであることを考えると、このような切
削加工を行う以上避けられない問題であることが判明し
た。そこで、本発明はこのような課題を解決するべく考
案したものであり、設計通りの反射面形状を有する多光
源形成反射鏡を歩留まり良く製造できる製造方法を提供
することを第１の目的にし、更には、よりスループット
の高い半導体露光装置を得ることを第２の目的にしてい
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、第１の手段として、基本反射面が順
次配列されてなる、反射型照明装置に用いられる多光源
形成反射鏡を製造する際に、被加工物として、該反射鏡
の基盤となる金属製のブロックを用意し、回転工具を用
いた切削加工によって被加工物上に順次所定の位置に基
本反射面の概略形状を創成し、次いで、非回転工具を用
いた切削加工によって概略形状を真の形状に補正加工す
るようにした。これによって、回転工具のみでは加工で
きない部分の加工が正確に出来るようになり、全体とし
て、高精度な多光源形成反射鏡を経済的に製作出来る。
この作用効果は「発明の実施の形態」の項で説明する。

【０００６】第２の手段として、第１の手段を実施する
際に、研削加工され表面の表面粗さが仕様を満足しない
場合には更に研磨加工を繰り返し行うことを特徴とした
多光源形成反射鏡の製造方法。 これによって、表面粗
さに問題を残さない反射鏡を形成できる。第３の手段と
して、第３の手段として、複数の反射鏡からなる反射型
照明装置に上記第１、または第２の手段によって製造さ
れた多光源形成反射鏡を有するようにした。これによっ
て、反射型照明装置の光利用効率が良くなり、コストも
低減される。第４の手段として、光源、マスクを保持し
て移動するマスクステージ、該マスクを照明する照明装
置、該マスク上ののパターンをウェハ上に投影する投影
光学装置、ウェハを保持して移動させるウェハステージ
を有する半導体露光装置に、上記第３の手段で得られた
反射型照明装置を用い、その反射型照明装置の多光源形
成反射鏡が有する基本反射面が前記投影光学装置の光学
視野と相似形であるようにした。これによって、露光装
置として、照明系と投影系の光学視野を合わせる事が出
来、従って、光利用効率が各段に向上してスループット
の高い半導体露光装置が得られる。第５の手段として、
第４の手段で得られる半導体露光装置に、投影光学装置
が複数の反射鏡からなる反射型投影光学装置を用い、か
つ投影光学装置の光学視野が円弧状であるようにした。
これによって、１５７ｎｍの波長を有するＦ２レーザー
や軟Ｘ線を利用する半導体露光装置が得られる。なお、
円弧状の投影系視野の利用は、少ない反射鏡数で、広い
視野が得られることによっている。

【０００７】

【発明の実施の形態】先ず、本発明の作用を説明する。
図１は本発明に係る光学素子の加工プロセスを表すブロ
ック図である。本発明では、単体の金属ブロックを準備
し、これを被加工物に用いる。はじめに、回転切削工具
を用いた切削加工を行い、次に非回転切削工具を用いた
切削加工を行う。このように加工された加工面が荒い場
合は、引き続き研磨を行う。はじめに、回転切削工具を
用いた切削加工を行うのは、加工速度が速いために、短
時間でおおよその形状を加工できるからである。しか
し、この加工では、加工領域の四隅や、角部に加工残り
が生じる。この加工残りを、非回転切削工具による切削
加工で除去してすることにより、所望の形状を高精度に
得るのである。

【０００８】次に、図２〜４を用いて本発明の加工方法
を以下に詳しく説明する。被加工物には、鋼材、アルミ
ニウム、銅等、切削工具によって切削できる金属製の材
料を用いる。切削できるのであれば、金属でなくても、
たとえばセラミックスでも良い。ここで、例えば、基本
反射面の、切り出すべき凹球面の曲率半径Ｒは１８０ｍ
ｍ、Ｚｈは５．０ｍｍ、円弧の幅（円弧状帯の幅）は
０．３ｍｍ、円弧の長さは５．０ｍｍ、Ｙｈは約 ２．
５mm の場合を例にとる。先ず図２（ａ）を参照して、
説明をする。被加工物２０１をワークテーブル２０２上
に設置する。ワークテーブル２０２は制御装置２０３に
接続されており、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動できるようにな
っている。被加工物２０１の上部には回転切削工具２０
４（ボールエンドミルなど）が配置されている。回転切
削工具２０４が加工したい箇所の上部に位置するよう
に、制御装置２０３によりワークテーブル２０２を駆動
して、被加工物２０１を位置決めする。回転切削工具２
０４を回転させ、その位置を１つの基本反射面内、及び
その周辺領域に移動させると共に深さ方向の制御を行っ
て加工する。その結果、図９に示すような外形状の基本
反射面が得られる。これは、先にも記したように、加工
領域の四隅や、角部に加工残りが生じるのは、回転切削
工具の半径が有限であるためである。したがって、回転
切削工具の強度が充分であれば、使用する回転切削工具
の半径は小さいほど良い。つぎに、制御装置によりワー
クテーブルをＺ軸方向に０．３ｍｍ移動して、再び１つ
の基本反射面に内接する領域を所望形状に加工する。こ
うして、第１列の加工を終えた後、Ｙ軸方向に５ｍｍ移
動させ、第２列目の加工を行う。これを繰り返すことに
より、多光源形成反射鏡を形成する全基本反射面につい
て、その内接する領域を所望形状に加工する。なお、上
記には、被加工物２０１と回転切削工具２０４との相対
的な位置決めのために、被加工物２０１の位置を制御し
ているが、回転切削工具２０４の位置を制御してもよ
い。

【０００９】つぎに、前記のように加工した各基本反射
面の四隅や、角部の加工残りを以下のように除去する。
図２（ｂ）を参照する。まず、前記の加工を行った被加
工物２０１をワークテーブル２０５上に設置する。ワー
クテーブル２０５は制御装置２０６に接続されており、
Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動できるようになっている。場合に
よっては、さらに３自由度、即ち、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の回り
にθx、θy、θzの傾き角を制御しながら、被加工物２
０１を移動させることが出来る。さて、被加工物２０１
の上部には非回転切削工具２０７、すなわち回転しない
切削工具が配置されている。つぎに、非回転切削工具２
０７が加工したい箇所の上部に位置するように、制御装
置２０６によりワークテーブル２０５を駆動して、被加
工物２０１を位置決めする。非回転切削工具２０７によ
り、四隅や角部に残っている回転切削工具による加工残
りを削り取る。図３、図４には、非回転工具２０７によ
る四隅と角部の加工方法を模式的に示す。これらの図に
示すように、非回転切削工具は、エッジ部に鋭利な刃物
が付帯しており、同工具を構成する２片のなす角αは、
基本反射面の四隅の角度よりも狭い。また、他の２片の
なす角βは、基本反射面の角部の角度よりも狭い。図４
中、破線は加工すべき基本反射面を表し、実線は回転工
具にて加工された加工面を表す。続いて、制御装置２０
６によりワークテーブル２０５をＺ軸方向に０．３ｍｍ
移動させて、隣接する基本反射面を加工する。こうし
て、第１列の加工を終えた後、Ｙ軸方向に５ｍｍ移動さ
せ、第２列目の加工を行う。これを、繰り返すことによ
り全基本反射面の四隅や角部にある加工残りを除去す
る。この４隅や角部の加工方法としては、例えば文献、
(1)竹内芳美 他：６軸制御による自由曲面上の異形断
面溝加工、精密工学会誌、Vol．６１、Ｎｏ．１、１９
９５、ｐ．１３３ 及び (2) 葉閣斉 他：６軸制御に
よる角隅加工の研究、精密工学会誌、Ｖｏｌ．６３、Ｎ
ｏ．１１、１９９７、Ｐ．１５６９；等に記載の方法が
使用できる。また、場合によっては放電加工のような、
機械的加工ではない方法も使用可能である。このように
加工した基本反射面全体の粗さが仕様以下である場合に
は、基本反射面全体の加工部を研磨する。

【００１０】上述のように、本製造方法では、単体の被
加工物をワークテーブル上に設置して、多数の基本反射
面を形成する。このため、たとえワークテーブルに対し
て切削工具が傾いていたとしても、各基本反射面の光軸
は同一方向にすることができる。すなわち、光学性能を
高精度にできる。また、被加工物の加工機からの脱着
は、第一の加工工程である回転切削工具による加工と、
第２の加工工程である非回転切削工具による加工と、第
三の加工工程である研磨加工の３回だけでよい。このた
め効率の良い加工ができる。また、それぞれの加工工程
においては、数値制御プログラムに基づいて制御して加
工できる。このため、効率の良い加工ができる。

【００１１】なお、これらの面に対して、反射率を上げ
るために、Ｆ２レーザーを光源に使用する時用に、アル
ミニュウム薄膜を約１００ｎｍの厚さに蒸着によって形
成し、さらにその上に同一真空層内にて酸化防止と反射
率の維持の観点よりＭｇＦ２を数十ｎｍの厚さに蒸着に
より形成した。また、軟Ｘ線領域の光（電磁波）を使用
する時のためには、ＳｉとＭｏの多層膜による反射鏡
（前述の参考文献、１、２を参照）を形成した。

【００１２】以上のように本実施例では、球面の１部分
である基本反射面Ａ１、Ｂ１、Ｃ１から構成される多光
源形成反射鏡を示した。しかし、本発明で加工できる光
学素子はこれに限られない。たとえば、基本反射面の種
類は、３種類よりも多くても、少なくても良い。また、
基本反射面は非球面の１部分であっても良い。また、第
１の光学素子、の大きさ、および基本反射面の大きさ
も、本実施例に限られるものではない。また、基本反射
面の総数も、本実施例に限られるものではない。

【００１３】上記多光源形成反射鏡を半導体露光装置に
組み込むには、図５のように構成すれば良い。

【００１４】

【発明の効果】上述のように、本発明によって提供され
る加工方法により、多数の基本反射面からなる複雑形状
の光学素子を高精度かつ高い加工効率で製造できる。ま
た本製造方法により得られた光学素子は、半導体デバイ
ス製造装置用の照明装置に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ・・・・・ 本発明の加工方法のフローチャ
ート

【図２】 ・・・・・ 本発明の実施例

【図３】 ・・・・・ 非回転加工工具の形状

【図４】 ・・・・・ 回転工具と非回転加工工具の加
工領域

【図５】 ・・・・・ 本発明が係わる半導体露光投影
装置

【図６】 ・・・・・ 本発明が係わる多光源形成反射
鏡

【図７】 ・・・・・ 本発明の多光源形成反射鏡の基
本反射面の例

【図８】 ・・・・・ ボールエンドミルの形状と加工
面形状

【図９】 ・・・・・ 従来技術による問題点

【符号の説明】

１ ・・・・・ 光源 ２ ・・・・・ 多光源形成反射鏡 ３ ・・・・・ コンデンサー光学系 ４ ・・・・・ 反射鏡 ５ ・・・・・ マスク、 ５ｓ ・・・・・ マ
スクステージ ６ ・・・・・ 投影光学装置 ７ ・・・・・ ウェハ、 ７ｓ ・・・・・
ウェハステージ ８ ・・・・・ マスクステージコントローラ ９ ・・・・・ ウェハステージコントローラ ４１ ・・・・・ 基本反射面を切り出す母体となる凹
球面 ５１ ・・・・・ 基本反射面 ２０１ ・・・・・ 被加工物 ２０２ ・・・・・ ワークテーブル ２０３ ・・・・・ 制御装置 ２０４ ・・・・・ 回転工具 ２０５ ・・・・・ ワークテーブル ２０６ ・・・・・ 制御装置 ２０７ ・・・・・ 非回転工具 Ａ１、Ｂ１、Ｃ１・基本反射面 ＣＲ ・・・・・ 加工残り

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 品田 邦典 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内 Ｆターム(参考） 2H042 DA01 DA02 DA10 DA18 DC02 DC09 DC10 DD01 DD05 DE00 DE07 2H087 KA21 NA04 NA05 RA45 TA00 TA02 5F046 AA05 AA06 AA08 BA05 CA04 CA08 CB03 CB23 CB24 DB05 DC05 DC12

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基本反射面が順次配列されてなる、反射型
   照明装置に用いられる多光源形成反射鏡の製造方法であ
   って、被加工物として、該反射鏡の基盤となる金属製の
   ブロックを用意し、回転工具を用いた切削加工によって
   被加工物上に順次所定の位置に基本反射面の概略形状を
   創成し、次いで、非回転工具を用いた切削加工によって
   概略形状を真の形状に補正加工することを特徴とする多
   光源形成反射鏡の製造方法。
2. 【請求項２】複数の反射鏡からなる反射型照明装置であ
   って、請求項１記載の製造方法によって製造された多光
   源形成反射鏡を有することを特徴とする反射型照明装
   置。
3. 【請求項３】光源、マスクを保持して移動するマスクス
   テージ、該マスクを照明する照明装置、該マスク上のの
   パターンをウェハ上に投影する投影光学装置、ウェハを
   保持して移動させるウェハステージを有する半導体露光
   装置であって、請求項２記載の反射型照明装置を有し、
   該反射型照明装置の多光源形成反射鏡が有する基本反射
   面は前記投影光学装置の光学視野と相似形であることを
   特徴とする半導体露光装置。
4. 【請求項４】請求項３記載の半導体露光装置であって、
   該投影光学装置が複数の反射鏡からなる反射型投影光学
   装置であり、かつ該投影光学装置の光学視野が円弧状で
   あることを特徴とする半導体露光装置。