JP2002162566A - 光学系の設計方法,光学系および投影露光装置 - Google Patents

光学系の設計方法,光学系および投影露光装置

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JP2002162566A JP2000358659A JP2000358659A JP2002162566A JP 2002162566 A JP2002162566 A JP 2002162566A JP 2000358659 A JP2000358659 A JP 2000358659A JP 2000358659 A JP2000358659 A JP 2000358659A JP 2002162566 A JP2002162566 A JP 2002162566A
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Hideki Komatsuda
秀基 小松田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面に膜が形成された面を有する光学系にお
いて,膜を考慮した場合でも,必要な光学的性能を確保
できる光学系の設計方法,光学系および該結像光学系を
有する投影露光装置を提供すること。 【解決手段】 膜を含めずに所定の仕様に合わせて光学
系を設計し,光学的波面を計算する(S10)。次に,
形成すべき膜を設定し,その膜を含めて光学系を設計
し,光学的波面を計算する(S20)。S10とS20
の計算結果を比較する(S30)。S20で算出された
波面収差がS10で算出された波面収差より小さけれ
ば,設計解として認め,次の段階の検討に入る。S20
で算出された波面収差がS10で算出された波面収差よ
り大きい場合はS20に戻り,膜を含めた光学系を設計
し直す(S40)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は,マイクロデバイス
(半導体素子,撮像素子,液晶表示素子,薄膜磁気ヘッ
ド,CCD素子等)を製造するためのリソグラフィ工程
中で使用される投影露光装置,該投影露光装置に好適な
光学系,該光学系を設計する際に好適な光学系の設計方
法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年,集積回路のパターンの微細化が進
むに従い,投影露光装置で使用される露光光源の波長は
年々短波長化してきている。このため,次世代の集積回
路パターンの露光技術として,露光光源にEUV(Ex
treme Ultra Violet:超極短紫外
線)光を用いた露光方法が有望視されている。EUVの
波長は数nm〜50nmであり,この波長域で屈折材と
して十分光学系を形成しうる程の透過率を有する物質は
存在せず,反射面のみで光学系を構成することになる。
反射面のみで結像系を設計した例としては,特開平9−
211332号公報に開示されているものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで,EUV光を
対象光源とする反射面には,EUV用の特殊な反射膜を
形成することが必要になる。なぜならば,通常,反射面
の基盤材質となる単純な金属やガラスの光沢面では,E
UVはほとんど反射しないからである。
【0004】EUV用の反射膜は,可視光用のダイクロ
イックミラーに用いられている膜とは異なり,非常に多
数の薄膜を積層したものになるため,一般に非常に厚い
ものとなる。代表的なEUV用反射膜としては,モリブ
デン(Mo)とシリコン(Si)を交互に重ねたものが
ある。この膜で波長13nmの光に対し70%程度の反
射率を得ようとすると,Mo層とSi層を40〜50ペ
ア積層しなければならない。1ペアの厚みは約7nmな
ので,反射膜の厚さは300〜350nmにもなる。
【0005】このように波長の20倍以上もある厚い膜
となるため,通常,実効的な反射面は,基盤表面とは大
きく異なることになる。しかも,反射膜に対する光線の
入射角によっても,実効的な反射面の位置が異なる。し
かしながら,従来では,全てこの膜の影響を無視し,基
盤表面で光線が反射するとした設計方法が採用されてき
た。従来提案されてきたEUV投影光学系の設計解もこ
のような設計方法で求められたものであった。これは,
従来の光学系では,収差に影響を与えるほど膜によって
光路長が変化することがなかったためである。
【0006】一般に,無収差の光学系とは,物体上の一
点から様々な方向に発した光線が,像上の一点に収斂す
る光学系のことである。これは同時に,共役な2点を結
ぶ複数の光線の光路長が等しいことを意味する。実際に
は,一定の視野内で全く無収差となる光学系は実現不可
能であるため,ある程度の光路長差は許容される。その
程度は,光学系の用途により異なるが,一般に波面収差
と呼ばれる光路長差のばらつきを考えた時,そのRMS
(Root Mean Square)が波長λの1/
14程度であれば,ほぼ無収差とされる。ただし,最新
の半導体集積回路露光装置用投影光学系では,λ/20
程度のさらに厳しい値が要求される。
【0007】ここで,EUV投影光学系に戻って考えて
みると,その反射膜の厚みは波長の20倍以上もあり,
実効的な反射面がその波長の20倍の範囲内で変わり得
る。前述のλ/14という許容範囲を念頭におくと,こ
のことが結像性能に多大な影響を及ぼすことがわかる。
【0008】図9は従来の設計方法で設計した,EUV
用結像光学系の光路図である。この光学系は,8つの非
球面形状の反射面を有し,これらの反射面を介して第1
面R上の物体を第2面W上に結像させるための結像光学
系である。実際には各反射面に膜が形成されることにな
るが,設計時では膜は考慮されていない。各反射面には
W側からR側に向かって光路の順にM11,M12,M
13,M14,M15,M16,M17,M18の符号
が付されている。
【0009】図10,11に,この光学系の設計解デー
タを示す。データ中の非球面係数は以下の式で定義され
る。
【数1】 ここで,Z:平面からのサグ量 h:光軸からの高さ r:曲率半径 A,B,C,D,E,F:非球面係数 である。この光学系のW側開口数(NA)は0.25
で,W面における視野は半径25〜27mmの円環領域
で,M17有効径が開口絞りを兼ね,W側がテレセント
リックな光学系になっている。
【0010】図12に,膜を考慮しないまま,この光学
系の光学的波面を計算して求めた,波長13.4nm,
W上での高さ26mmにおけるPSF(Point S
pread Function:点像強度分布)を示
す。図12(a)はPSFのcontour mapで
あり,図12(b)はPSFの鳥瞰図である。PSFの
ピーク値は0.9999である。これは波面収差のRM
Sが0.0016λ程度であることを意味し,この値か
ら,ほとんど無収差の光学系といえる。
【0011】ところで,実際に使用するためには,この
光学系にEUV用の反射膜を塗布することになる。EU
V用反射膜は,角度特性が厳しく,光線の入射角が想定
した角度と異なると,所定の反射率が得られない。その
ため,光学系の性能を確保するためには,EUV用反射
膜は膜厚に分布をつけることが必要になる。膜厚分布
は,通常,製作時の制御の容易さから回転対称となるよ
うにつけられる。ここでは,0.033nm厚のMo
層,0.067nm厚のSi層を交互に50ペア積層し
た膜を基本とした。これに,C0+C2h+C4h
+C6h+C8h +C10h10をかけたものが実
際の膜の厚さとなる。ここで,hは光軸からの高さ,C
0〜C10は面毎に異なる係数である。図13に各面に
対する係数の値を示す。
【0012】次に,図13に示した膜厚分布データを有
するEUV用反射膜を含めてこの光学系の光学的波面を
計算する。図14は,この場合のPSFであり,膜を含
むこと以外は図12のものと同条件である。図14
(a)はPSFのcontourmapであり,図14
(b)はPSFの鳥瞰図である。図14は,図12と同
じ縮尺で描かれたものであるが,一見してわかるよう
に,図12に比べてピークが低くなり,裾野が広がって
いる。図14におけるPSFのピーク値は0.4973
である。これは波面収差のRMSが0.11λ程度であ
ることを意味し,半導体集積回路露光機としてはもはや
使用に耐えられないレベルである。
【0013】上記のような,膜を含めない場合と含めた
場合とを比較した際に現れる顕著な性能差は,M12の
面で発生していることがわかっている。図15は,この
光学系において,M12のみ膜があり,他の面は膜が無
く基盤面で反射するとし,その他は図14と同条件とし
た場合のPSFである。図15(a)はPSFのcon
tour mapであり,図15(b)はPSFの鳥瞰
図である。図15と図14を比較すると,これら2つの
図は極めて似ており,M12の面が多大な影響を与えて
いることがわかる。
【0014】一方,M11,M12は,同様の仕様で設
計すれば,異なる設計者であっても,ほぼ同じような設
計解となることがわかっている。よって,上記の現象は
この一例特有のものではなく,同様の仕様の設計解であ
れば,ほぼ同様の結果となる。このような膜による性能
劣化を避けるためには,膜の設計を変更して,膜を含め
ない場合と,膜を含めた場合の評価結果が大差ないよう
にすれば良いと考えられる。しかし,EUV用反射膜
は,特殊であり,波長の何倍もの厚みのある膜でなけれ
ば所定の性能を発揮できないため,EUV用光学系で
は,この2つの場合に大差が生じないように設計するの
は極めて困難である。
【0015】本発明は,このような問題に鑑みてなされ
たものであり,表面に膜が形成された面を有する光学系
において,膜を考慮した場合でも,必要な光学的性能を
確保できる光学系の設計方法,光学系および該光学系を
有す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】上記課題を解決するため
に,本発明は,請求項1に記載のように,表面に膜が形
成された面を有する光学系の設計方法であって,前記膜
を含めて前記光学系の光学的波面を計算する工程を含む
ことを特徴とする光学系の設計方法を提供する。表面に
膜が形成された面を有する光学系について,従来は膜を
含めずに設計解を求めていたが,本発明では膜を含めて
光学的波面を計算し設計解を求めることにより,設計条
件を実際の光学系に大きく近づけることができ,必要な
光学的性能を確保することができる。
【0017】本発明の別の観点によれば,請求項2に記
載のように,表面に膜が形成された面を有する結像光学
系の設計方法であって,前記膜を含めずに前記結像光学
系の光学的波面を計算する第1の工程と,前記膜を含め
て前記結像光学系の光学的波面を計算する第2の工程
と,第1の工程と第2の工程の計算結果を比較する第3
の工程と,を含み,第2の工程で算出される波面収差が
第1の工程で算出される波面収差より小さくなるように
設計することを特徴とする結像光学系の設計方法が提供
される。この方法は,膜の厚みや特性が性能に無視でき
ないほどの影響を与える光学系を設計する場合に有効で
ある。特に波長の短いEUV光等を光源とする光学系で
は,通常,波長の何倍もの厚みがある膜を含むため,好
適な方法といえる。また,第1の工程を踏むことによ
り,光学系の特性の把握,概ねの性能の確保等,概略設
計をしておくことができる。第2工程以降で,細かな膜
データを入力して最終設計をすることができるので,効
率的に設計作業を行うことができる。
【0018】また,本発明の別の観点によれば,請求項
3に記載のように,表面に膜が形成された面を有する光
学系であって,前記膜を含めて算出される前記光学系の
波面収差が,前記膜を含めずに算出される前記光学系の
波面収差よりも小さくなるように設計されていることを
特徴とする光学系が提供される。かかる構成によれば,
膜を含めた状態で最適化が行われた,高性能の光学系を
提供することができる。特に,膜の厚みや特性が性能に
無視できないほどの影響を与える光学系に好適である。
その際に,前記光学系は請求項4に記載のように,結像
光学系であってもよい。あるいは,アフォーカル系や集
光系等,他の種類の光学系であってもよい。
【0019】前記膜が形成された面は,請求項5に記載
のように,反射面であってもよく,この場合は反射膜を
考慮することになる。また,請求項6に記載のように,
前記結像光学系は光源としてEUV光を対象にする光学
系であってもよい。このような光学系では,通常,波長
の何倍もの厚みがある膜を含むため,好適である。ま
た,EUV光のような短波長の光を対象光源とする光学
系では,許容される収差量が小さく,高い光学性能を必
要とするため,有効である。
【0020】なお,請求項7に記載のように,設計波長
をλとしたとき,前記膜を含めずに算出される前記結像
光学系の波面収差は前記膜を含めて算出される前記結像
光学系の波面収差よりも,RMSでλ/14以上大きい
ような結像光学系としてもよい。また,請求項8に記載
のように,前記波面収差の算出時にP波とS波の平均を
用いるようにすれば,計算を簡略化できる。
【0021】さらに,本発明の別の観点によれば,請求
項9に記載のように,投影原版に設けられたパターンの
縮小像をワーク上に投影露光する投影露光装置であっ
て,前記投影原版を照明する照明光学系と,請求項4乃
至8の何れか一項に記載の結像光学系と,を有し,前記
結像光学系の物面上に前記投影原版を配置可能とし,前
記結像光学系の像面上に前記ワークを配置可能としたこ
とを特徴とする投影露光装置が提供される。かかる構成
によれば,膜を含めた状態で最適化が行われた,高性能
の光学系を用いて,パターンの像をワーク上に投影露光
することができるため,微細な回路パターンを高解像に
形成することが可能となる。
【0022】また,本発明は,表面に膜が形成された面
を有する光学系の設計プログラムが記録されている記録
媒体であって,前記膜を含めて前記光学系の光学的波面
を計算する工程を含む設計プログラムが記録されている
ことを特徴とする記録媒体を提供する。
【0023】また,本発明は,表面に膜が形成された面
を有する光学系の設計プログラムを含む信号を搭載して
いるコンピュータで受信可能な搬送波であって,前記膜
を含めて前記光学系の光学的波面を計算する工程を含む
設計プログラムを含む信号を搭載していることを特徴と
するコンピュータで受信可能な搬送波を提供する。
【0024】またさらに,本発明は,表面に膜が形成さ
れた面を有する結像光学系の設計プログラムが記録され
ている記録媒体であって,前記膜を含めずに前記結像光
学系の光学的波面を計算する第1の工程と,前記膜を含
めて前記結像光学系の光学的波面を計算する第2の工程
と,第1の工程と第2の工程の計算結果を比較する第3
の工程と,第2の工程で算出される波面収差が第1の工
程で算出される波面収差より小さくなるように設計する
第4の工程を含む設計プログラムが記録されていること
を特徴とする記録媒体を提供する。
【0025】また,本発明は,表面に膜が形成された面
を有する結像光学系の設計プログラムを含む信号を搭載
しているコンピュータで受信可能な搬送波であって,前
記膜を含めずに前記結像光学系の光学的波面を計算する
第1の工程と,前記膜を含めて前記結像光学系の光学的
波面を計算する第2の工程と,第1の工程と第2の工程
の計算結果を比較する第3の工程と,第2の工程で算出
される波面収差が第1の工程で算出される波面収差より
小さくなるように設計する第4の工程を含む設計プログ
ラムを含む信号を搭載していることを特徴とするコンピ
ュータで受信可能な搬送波を提供する。
【0026】
【発明の実施の形態】以下,図面に基づいて本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図1は本発明の実施の形態
に係る,表面に膜が形成された面を有する光学系の設計
方法を説明するフローチャートである。図1を参照しな
がら,この設計方法の手順について説明する。
【0027】まず,膜を含めずに所定の仕様に合わせて
光学系を設計し,光学的波面を計算し,波面収差を算出
する(S10)。この工程で光学系のタイプ検討,各タ
イプの特性把握,概ねの性能の確保等,概略設計をする
ようにしてもよい。次に,形成すべき膜を設定し,その
膜を含めて光学系を設計し,光学的波面を計算し,波面
収差を算出する(S20)。この工程で膜の設計を行う
ようにしてもよい。そして,S10とS20の計算結果
を比較する(S30)。
【0028】S20で算出された波面収差がS10で算
出された波面収差より小さければ,設計解として認め,
次の段階の検討に入る。S20で算出された波面収差が
S10で算出された波面収差より大きい場合はS20に
戻り,膜を含めた光学系を設計し直す(S40)。この
工程で波面収差を比較する際,単純な大小比較ではなく
ある基準値を設けて,S10で算出された波面収差とS
20で算出された波面収差の差が,その基準値より大き
いか否かで判断するようにしてもよい。基準値としては
例えば,RMS値でλ/14としてもよい。
【0029】S10とS20で光学的波面を計算する
際,P波とS波の問題がある。反射面に対して光が斜入
射した場合,P波とS波では実効的反射面が若干異な
り,P波とS波の位相差を光学設計で縮めることは不可
能である。1つの方法として,P波とS波の平均を用い
て,光学的波面を計算するようにしてもよい。
【0030】なお,S20で算出された波面収差がS1
0で算出された波面収差より大きい場合はS20に戻る
としたが,場合に応じて,S10まで戻って設計しても
よい。また,ここでは,S40で比較する物理量を波面
収差としたが,MTF(Modulation Tra
nsfer Function)等,他の物理量を用い
たり,併用してもよい。さらに,光学系によっては,S
10の工程を省いて設計してもよい。上述の設計方法は
結像系だけでなく,アフォーカル系や集光光学系等,様
々な光学系に適用可能である。
【0031】図2は上記の方法で設計された結像光学系
の光路図である。この光学系は,8つの非球面形状の反
射面を有し,これらの反射面を介して第1面R上の物体
を第2面W上に結像させるための結像光学系である。E
UV光を対象光源とし,各反射面にはEUV用の反射膜
が施されている。各反射面にはW側からR側に向かって
光路の順にM1,M2,M3,M4,M5,M6,M
7,M8の符号が付されている。
【0032】図3,図4にこの光学系の設計解データを
示す。ここで,非球面係数の定義は前述で示したものと
同じである。この光学系のW側開口数(NA)は0.2
5で,W面における視野は半径25〜27mmの円環領
域で,M7有効径が開口絞りを兼ね,W側がテレセント
リックな光学系になっている。
【0033】ここで,EUV用反射膜は0.033nm
厚のMo層,0.067nm厚のSi層を交互に50ペ
ア積層した膜を基本とし,C0+C2h+C4h
C6h+C8h+C10h10をかけたものを実際
の膜の厚さとした。hは光軸からの高さ,C0〜C10
は面毎に異なる係数である。図5に各面に対する係数の
値を示す。
【0034】図6はこれらの反射膜を含めずに算出され
た,すなわち,基盤面を反射面とした場合の,この光学
系の波長13.4nm,W上での高さ26mmにおける
PSFである。図6(a)はPSFのcontour
mapであり,図6(b)はPSFの鳥瞰図である。ピ
ーク値は0.4766である。これを波面収差に換算す
ると,そのRMSは0.123λとなり,従来の概念で
判断すれば,設計解として認められるレベルではない。
【0035】図7は上記の反射膜を含めて算出された,
この光学系のPSFであり,膜を含むこと以外は図6の
ものと同条件である。図7(a)はPSFのconto
urmapであり,図7(b)はPSFの鳥瞰図であ
る。ピーク値は0.9162である。これを波面収差に
換算すると,そのRMSは0.046λとなり,半導体
集積回路露光機として使用するには支障の無い光学系と
いえる。
【0036】図8は,図2に示した結像光学系を投影光
学系PLとして,投影露光装置に適用した場合の装置の
構成図である。ここでは,図2の第1面Rを物体面,図
2の第2面Wを像面として扱っている。なお,物体面と
像面は共役な関係にあるため,交換しても結像関係は保
たれる。
【0037】投影光学系PLの物体面には所定の回路パ
ターンが形成された投影原版としてのレチクルRが配置
され,投影光学系PLの像面には,ワークとしてのフォ
トレジストが塗布されたウエハWが配置されている。レ
チクルRはレチクルステージRS上に保持され,ウエハ
WはウエハステージWS上に保持されている。レチクル
Rの上方には,露光光源としてのEUV光源を含み,レ
チクルRを均一に照明するための照明光学装置ISが配
置されている。
【0038】照明光学装置ISから供給される露光光
は,レチクルRを照明する。照明されたレチクルRのパ
ターンの像は,投影光学系PLを介して投影倍率で縮小
されてウエハW上に露光され,転写される。
【0039】以上,添付図面を参照しながら本発明にか
かる好適な実施形態について説明したが,本発明はかか
る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であ
れば,特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内
において,各種の変更例または修正例に想到し得ること
は明らかであり,それらについても当然に本発明の技術
的範囲に属するものと了解される。
【0040】
【発明の効果】以上,詳細に説明したように,表面に膜
が形成された面を有する光学系において,従来は膜を含
めずに設計解を求めていたところ,本発明では膜を含め
て光学的波面を計算し設計解を求めることにより,設計
条件を実際の光学系に大きく近づけることができ,必要
な光学的性能を確保することができる。特に,EUV光
等の短波長の光を光源とし,波長の何倍もの厚みがある
膜を含むような光学系に有効である。また,本発明の別
の観点によれば,膜を含めた状態で最適化が行われた高
性能の光学系を用いて,パターンの像をワーク上に投影
露光することができ,微細な回路パターンを高解像に形
成可能な投影露光装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態に係る光学設計の手順示
すフローチャートである。
【図2】 本発明の実施の形態に係る光学系の光路図で
ある。
【図3】 図2の光学系の設計解データの実例を数値で
示す図である。
【図4】 図3のデータの続きを示す図である。
【図5】 図2の光学系の膜厚分布データの実例を数値
で示す図である。
【図6】 図2の光学系の膜を含めない場合のPSFで
あり,(a)はそのcontour map,(b)は
その鳥瞰図である。
【図7】 図2の光学系の膜を含めた場合のPSFであ
り,(a)はそのcontour map,(b)はそ
の鳥瞰図である。
【図8】 本発明の実施の形態に係る投影露光装置の構
成図である。
【図9】 従来の設計方法で設計された光学系の光路図
である。
【図10】 図9の光学系の設計解データの実例を数値
で示す図である。
【図11】 図10のデータの続きを示す図である。
【図12】 図9の光学系のPSFであり,(a)はそ
のcontourmap,(b)はその鳥瞰図である。
【図13】 図9の光学系の膜厚分布データの実例を数
値で示す図である。
【図14】 図9の光学系の膜を含めた場合のPSFで
あり,(a)はそのcontour map,(b)は
その鳥瞰図である。
【図15】 図9の光学系のM12面のみに膜を含めた
場合のPSFであり,(a)はそのcontour m
ap,(b)はその鳥瞰図である。
【符号の説明】
IS 照明光学装置 M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7,M8
反射面 PL 投影光学系 R レチクル W ウエハ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面に膜が形成された面を有する光学系
    の設計方法であって,前記膜を含めて前記光学系の光学
    的波面を計算する工程を含むことを特徴とする光学系の
    設計方法。
  2. 【請求項2】 表面に膜が形成された面を有する結像光
    学系の設計方法であって,前記膜を含めずに前記結像光
    学系の光学的波面を計算する第1の工程と,前記膜を含
    めて前記結像光学系の光学的波面を計算する第2の工程
    と,第1の工程と第2の工程の計算結果を比較する第3
    の工程と,を含み,第2の工程で算出される波面収差が
    第1の工程で算出される波面収差より小さくなるように
    設計することを特徴とする結像光学系の設計方法。
  3. 【請求項3】 表面に膜が形成された面を有する光学系
    であって,前記膜を含めて算出される前記光学系の波面
    収差が,前記膜を含めずに算出される前記光学系の波面
    収差よりも小さくなるように設計されていることを特徴
    とする光学系。
  4. 【請求項4】 前記光学系は結像光学系であることを特
    徴とする請求項3に記載の光学系。
  5. 【請求項5】 前記膜が形成された面は反射面であるこ
    とを特徴とする請求項4に記載の光学系。
  6. 【請求項6】 前記光学系は光源としてEUV光を対象
    にすることを特徴とする請求項4または5に記載の光学
    系。
  7. 【請求項7】 設計波長をλとしたとき,前記膜を含め
    ずに算出される前記光学系の波面収差は前記膜を含めて
    算出される前記光学系の波面収差よりも,RMSでλ/
    14以上大きいことを特徴とする請求項4乃至6の何れ
    か一項に記載の光学系。
  8. 【請求項8】 前記波面収差の算出時にP波とS波の平
    均を用いることを特徴とする請求項4乃至7の何れか一
    項に記載の光学系。
  9. 【請求項9】 投影原版に設けられたパターンの縮小像
    をワーク上に投影露光する投影露光装置であって,前記
    投影原版を照明する照明光学系と,請求項4乃至8の何
    れか一項に記載の光学系と,を有し,前記光学系の物面
    上に前記投影原版を配置可能とし,前記光学系の像面上
    に前記ワークを配置可能としたことを特徴とする投影露
    光装置。
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