JP2004029458A - Projection optical system and stepper - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、感光基板上にレチクルのパターンの縮小像を投影形成する投影光学系、及びこの投影光学系を備えた縮小投影露光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体用縮小投影露光装置の開口数(以下、「NA」と呼ぶ。)及び使用波長は、半導体素子の高密度化、対象線幅の細線化に伴って年々大口径化、短波長化する傾向にある。使用する光線の波長は水銀灯のi線(波長365.015nm)から、KrFエキシマレーザー(波長248nm)へ移り、ArFエキシマレーザー(波長193nm)を光源とした縮小投影露光装置も実用化されている。しかし、近年においては、パターンの微細化の要求がさらに強まっており、F2エキシマレーザー(波長157nm)を経て、さらに波長の短いEUV光(極端紫外光、波長13nm付近)を光源として用いた縮小投影露光装置が次世代の半導体リソグラフィの有力手段として研究されている。
【0003】
このような縮小投影露光装置に用いられる投影レンズの硝材は、透過率の問題からF2エキシマレーザーを光源として使用したものが限界であり、これより波長が短い光源を利用する場合は、反射鏡で構成された反射屈折光学系を用いて縮小投影露光装置を構成する必要がある。また、高解像度を実現するためには、この光学系の収差を良好に保ったままNAと露光領域の十分に大きいものを得る必要があり、そのため、反射屈折光学系を構成する反射鏡の枚数が増加する傾向にあった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、EUV光のような短波長の光線を照射すると反射鏡で反射せず、透過ないし吸収されてしまうため、反射鏡の反射面に反射促進膜を形成してEUV光を反射をさせなければならないが、現状では十分な反射率を持った反射促進膜が得られていないことから、実際の露光を考えると反射促進膜で露光光の吸収による熱が発生し、光学系の性能が熱変動により悪化する可能性があり、また、反射促進膜での露光光の吸収を考慮して光源の光量を大きくすることが必要となる。このため、反射屈折光学系に多数の反射鏡を用いることができず、結果として収差を補正しつつ、NAと露光領域が十分に大きいものを得ることが難しいという問題があった。
【0005】
これらの問題を解決するために、反射鏡を光軸に対してシフトして(投影光学系の光軸から反射鏡の光軸を平行に移動する)配置することや、チルトして(投影光学系の光軸と反射鏡の光軸の角度を変える)配置することで、光学系の改善を図る方法が研究されている。しかし、これらの方法は実際の製造において、反射鏡のチルト量やシフト量を正確に計測して光学系を組み立てなければならないため、生産性が悪いという問題があった。また、反射鏡を従来の20次以下の偶数次非球面の式で表わされる反射面で形成して、この反射鏡を用いた共軸の投影光学系では収差の補正が難しく、そのためNA及び露光領域の確保が難しいという問題もあった。
【0006】
本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、投影光学系を構成する反射鏡の反射面を従来の光学設計で用いられていたものよりも高次の偶数次の非球面の式を用いて表される形状で形成することにより、収差の補正を良好に行い、NA及び露光領域の大きな投影光学系及びこの投影光学系を備えた縮小投影露光装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明に係る投影光学系は、それぞれ所定形状の反射面を有する4枚の反射鏡からなる縮小投影装置を用いて、第1物体面上の物体の縮小像を第2物体面上に投影形成するように構成され、反射鏡が非球面形状の反射面を有し、この非球面形状が次式(1)で表されるように構成する。
【0008】
【数1】
【0009】
なお、非球面形状の式(1)において、多項式の次数iで表される非球面の次数2iが20次以上であることが好ましい。
【0010】
また、本発明に係る投影光学系は、露光用照明光源と、照明光学系とを備え、露光用照明光源の円周部の光を、照明光学系で円弧状のスリット光として第1物体面に照射し、縮小投影装置を用いて、第1物体面上の物体の縮小像を第2物体面上に投影形成するように構成され、この投影光学系の開口数が0.16以上であり、第2物体面上に投影形成される縮小像の領域を形成する円弧の弦の長さが22mm以上であり、その縮小像の領域の高さが1.5mm以上であるように構成されることが好ましい。
【0011】
本発明に係る縮小投影露光装置は、レチクルに露光光を照射し、レチクルに形成されたパターンの像を投影光学系を介して感光基板上に投影するように構成される。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図1を用いて本発明に係る投影光学系の構成について説明する。図1は、本発明に係る投影光学系の横断面の光路図であり、光束の幅は横断面のみを表している。投影光学系1は、第1物体面2と第2物体面3の間に配設されており、第1の反射鏡4、第2の反射鏡5、第3の反射鏡6及び第4の反射鏡7で構成されている。第1物体面2を出た光は、第1の反射鏡4、第2の反射鏡5、第3の反射鏡6、第4の反射鏡7の順に反射して第2物体面3上に第1物体面2上の物体の縮小像を投影して結像形成する。ここで、平坦性を維持し、倍率を確保するためには、少なくとも1枚の凸面鏡と1枚の凹面鏡が必要であり、また収差を補正するためには非球面であることが望ましいが、本実施例においては、第1の反射鏡4は非球面の凹面状の反射面を有しており、第2の反射鏡5は非球面の凸面状の反射面を有しており、第3の反射鏡6は非球面の凸面状の反射面を有しており、第4の反射鏡7は非球面の凹面状の反射面を有して構成されている。
【0013】
また、第1〜4の反射鏡4〜7は投影光学系1の光軸に対して同軸に配設されており、第1の反射鏡4と第3の反射鏡6は反射面が第1物体面を向くように配設されており、また、第2の反射鏡5と第4の反射鏡7は反射面が第2物体面を向くように配設されている。このとき、第1物体面2から第2物体面3に向かって、第4の反射鏡7、第2の反射鏡5、第1の反射鏡4、第3の反射鏡6の順で並んで配設されている。
【0014】
次に、上述した投影光学系1を用いて構成され、半導体製造工程の一つである光リソグラフィ工程で使用される縮小投影露光装置について、図2を参照して説明する。光リソグラフィ工程で使用される縮小投影露光装置は、原理的には写真製版と同じであり、レチクル(第1物体面)上に精密に描かれたデバイスパターンを、フォトレジストを塗布した半導体ウエハやガラス基板等の感光基板(第2物体面)上に光学的に投影して転写するものである。
【0015】
この縮小投影露光装置10は、反射型のレチクル13に露光用照明光源11からの光を照明光学系12を通してスリット状の露光光にして照射し、レチクル13に形成されたパターンの一部の像を上述した投影光学系1を通して半導体ウエハ17に投影し、レチクル13と半導体ウエハ17とを投影光学系1に対して1次元方向(Y軸方向)に相対走査することによって、レチクル13のパターンの全体を半導体ウエハ17上の複数のショット領域の各々にステップ・アンド・スキャン方式で転写するものである。本実施例の露光光としては13.4nmのEUV光を使用している。なお、図2においては、投影光学系1の光軸方向をZ軸とし、このZ軸と直交する方向であって、レチクル13及び半導体ウエハ17の操作方向をY軸とし、これらYZ軸と直交する紙面垂直方向をX軸とする。なお、レチクル13と半導体ウエハ17とはY軸方向に相対走査すると記述したが、X軸方向に対しても走査可能であることは言うまでも無い。
【0016】
ここで、本実施例における露光光の形状は、図3に示すように、露光用照明光源11からの照明光30の円周部をスリット状にして利用しており、第2物体面3上に投影結像されて形成される露光領域30aとなる。これは照明光30を反射鏡で反射させた場合、本発明のように共軸な反射光学系では反射鏡による光線の遮光により、光軸付近の領域は使うことが出来ず、光軸から離れた周辺部しか使うことができない。また、このことから収差の補正も周辺部のスリット状の使用領域だけ収差が補正されていれば良い。
【0017】
レチクル13は、少なくともY軸方向に沿って移動可能なレチクル支持台14に支持されており、半導体ウエハ17はXYZ軸方向に沿って移動可能な載置台18に載置されている。これらのレチクル支持台14及び載置台18の移動には、それぞれに接続されたレチクル支持台駆動部15及び載置台駆動部19により駆動される。露光動作の際には、照明光学系12よりレチクル13に対してEUV光を照射し、投影光学系1に対してレチクル13及び半導体ウエハ17を、投影光学系1の縮小倍率により定まる所定の速度比で移動させる。これにより、半導体ウエハ17上の所定のショット領域内には、レチクル13上のパターンの像が走査露光される。
【0018】
最後に、本発明に係る投影光学系の数値実施例について説明する。投影光学系1の構造としては、上述した図1の通りであり、第2物体面3上に投影形成される露光領域30aの形状は図3に示したスリット状をしている。なお、本実施例における第1〜4の反射鏡4〜7の反射面は、上述した式(1)で表され、光軸に対して回転対称な非球面形状をしている。なお、距離rを中心接平面のXY軸で表したものは式(2)であり、また、正規化された放射座標ρは式(3)で表される。このとき、式(3)におけるRは反射鏡の反射面の規格化半径を表している。
【0019】
【数2】
r2=x2+y2 (2)
【0020】
【数3】
ρ=y/R (3)
【0021】
なお、本実施例における露光光(EUV光)の波長は13.4nm、非球面の次数が220、縮小倍率が1/4倍、露光領域30aの幅(露光領域を形成する円弧の弦の長さ)が22mmで高さが1.5mm、投影光学系1の像側のNAが0.16となっている。
【0022】
本実施例の投影光学系1は、微細なパターンを第2物体面上に形成するために、第2物体面上に縮小投影される第1物体面上の物体の像の歪曲収差を5nm以下に抑えるように設計しており、この条件の下で、投影光学系1を構成する第1〜4の反射鏡4〜7の反射面の非球面形状を表す式(1)の非球面の次数を220次とする理由について図4を用いて説明する。本実施例では、第2物体面に投影される第1物体面上の物体の縮小像を精度良く結像するためには、第2物体面上に投影される像の歪曲収差だけでなく波面収差も抑えなければならず、この波面収差の平均自乗根(RMS)を30mλより小さくする必要がある(ここで、1mλは像を形成する光の1波長の千分の一の長さを表している)。図4に示す通り第1〜4の反射鏡4〜7の反射面の非球面形状を表す式(1)の非球面の次数を大きくするとそれに合わせて波面収差が小さくなり、220次以上になると30mλ以下になる。このため本実施例では非球面の次数として220を採用している。
【0023】
表1〜5に、投影光学系1の諸元を示す。表1において、曲率半径には各反射面の近似区曲率半径(単位:mm)が示されており、中心厚には各面間隔(単位:mm)が示されている。なお、曲率半径の符号は第1物体面2側に向けて凹となる場合を正としており、中心厚は一つ前の面からの間隔で反射面の前後で符号が逆転するものとする。また、表2〜5には、第1〜4の反射鏡4〜7の非球面データ(第2i次の非球面係数αi)を示す。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】
【表3】
【0027】
【表4】
【0028】
【表5】
【0029】
上述したような構成を有する投影光学系1によって、第1物体面2上の物体の像を第2物体面3上に投影形成することができる。次に、上記諸元の投影光学系1にて図3に示した照明光30の円周部をスリット状にして投影したときに第2物体面3上に形成される第1物体面2上の物体の縮小像(露光領域30a)の歪曲収差(単位:nm)及び波面収差(単位:mλ)を表6及び表7に示す。なお、本実施例における第2物体面3上での照明光30の像高(Y軸方向高さ)は39.5mmであり、露光領域30aはこの像高のうち、表7に示す波面収差が30mλ以下になる範囲、つまり38.0〜39.5mmの範囲を利用しているため、表6及び表7はその範囲に対応する部分の歪曲収差及び波面収差を示している。上述したとおり、歪曲収差は5nm以下であり、また、波面収差は30mλ以下であり良好な結果となっている。
【0030】
【表6】
【0031】
【表7】
【0032】
次に、第2物体面3上に形成される縮小像のコマ収差を、図3の露光領域30aの像高(Y軸上の位置)に対応してグラフにしたものを図5に示す。図5において、それぞれの像高の位置に対するグラフのうち、左側のグラフがY軸方向の収差を表しており、縦軸にY軸方向の収差(EY 単位:μm)を取り、横軸に瞳における光線のY軸方向の位置(PY 単位:μm)を取っている。右側のグラフがX軸方向の収差を表しており、縦軸にX軸方向の収差(EX 単位:μm)を取り、横軸に瞳における光線のX軸方向の位置(PX 単位:μm)を取っている。
【0033】
以上のように、投影光学系1を構成する反射鏡を非球面の凸面状及び凹面状の反射面を有するように構成し、かつ、その非球面の次数を20次以上にすることにより、4枚の反射鏡でも収差が少なく、かつ、十分NA及び露光領域が大きい精度の良い露光を行うことが可能となる。
【0034】
【発明の効果】
本発明による投影光学系によれば、投影光学系を構成する反射鏡を非球面の凸面状及び凹面上の反射面を有するように構成し、かつ、その非球面形状を表す式の非球面の次数を20次以上で構成することにより、4枚の反射鏡で構成された共軸の投影光学系で、収差が少なくかつNA及び露光領域を大きくすることができ、レチクル上に形成された微細なパターンでも精度良く感光基板上に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る投影光学系の横断面の光路図である。
【図2】本発明に係る縮小投影露光装置のブロック図である。
【図3】本発明に係る投影光学系の露光領域を表す図である。
【図4】本発明に係る投影光学系における非球面の次数と波面収差の関係を表すグラフである。
【図5】本発明に係る投影光学系のコマ収差を表すグラフである。
【符号の説明】
1 投影光学系
2 第1物体面
3 第2物体面
4 第1の反射鏡
5 第2の反射鏡
6 第3の反射鏡
7 第4の反射鏡
10 縮小投影露光装置
13 レチクル
17 半導体ウエハ(感光基板)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a projection optical system for projecting and forming a reduced image of a reticle pattern on a photosensitive substrate, and a reduction projection exposure apparatus including the projection optical system.
[0002]
[Prior art]
The numerical aperture (hereinafter, referred to as "NA") and the wavelength used of the reduction projection exposure apparatus for semiconductors tend to be larger and shorter year by year with the increase in the density of semiconductor elements and the thinning of the target line width. It is in. The wavelength of the light beam used shifts from the i-line of a mercury lamp (wavelength 365.015 nm) to a KrF excimer laser (wavelength 248 nm), and a reduction projection exposure apparatus using an ArF excimer laser (wavelength 193 nm) as a light source is also in practical use. However, in recent years, there has been an increasing demand for finer patterns, and reduction projection using an F2 excimer laser (wavelength: 157 nm) and EUV light having a shorter wavelength (extreme ultraviolet light, near 13 nm) as a light source. Exposure apparatuses have been studied as a promising tool for next-generation semiconductor lithography.
[0003]
The glass material of the projection lens used in such a reduced projection exposure apparatus is limited to a glass material using an F2 excimer laser as a light source due to the problem of transmittance. When a light source having a shorter wavelength is used, a reflecting mirror is used. It is necessary to configure a reduction projection exposure apparatus using the configured catadioptric optical system. Also, in order to realize high resolution, it is necessary to obtain an NA and a sufficiently large exposure area while maintaining good aberration of the optical system. Therefore, the number of reflecting mirrors constituting the catadioptric optical system is required. Tended to increase.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when irradiated with a short wavelength light such as EUV light, the light is not reflected by the reflecting mirror but is transmitted or absorbed. Therefore, it is necessary to form a reflection promoting film on the reflecting surface of the reflecting mirror to reflect the EUV light. However, at present, a reflection enhancing film with sufficient reflectivity has not been obtained, so when considering actual exposure, heat is generated by the absorption of exposure light in the reflection enhancing film, and the performance of the optical system fluctuates due to thermal fluctuation. In addition, it is necessary to increase the light amount of the light source in consideration of the absorption of the exposure light by the reflection promoting film. For this reason, a large number of reflecting mirrors cannot be used in the catadioptric system, and as a result, there is a problem that it is difficult to obtain a lens having a sufficiently large NA and exposure area while correcting aberrations.
[0005]
In order to solve these problems, the reflecting mirror is shifted with respect to the optical axis (moving the optical axis of the reflecting mirror in parallel from the optical axis of the projection optical system) or tilted (projection optical system). A method of improving the optical system by arranging (changing the angle between the optical axis of the system and the optical axis of the reflector) has been studied. However, these methods have a problem in that the productivity is poor because the optical system must be assembled by accurately measuring the tilt amount and the shift amount of the reflecting mirror in actual manufacturing. Further, the conventional reflecting mirror is formed by a conventional reflecting surface represented by an even-order aspherical surface of
[0006]
The present invention has been made in view of such a problem, and the reflecting surface of a reflecting mirror constituting a projection optical system is expressed by a higher order even-numbered aspherical surface than that used in a conventional optical design. An object of the present invention is to provide a projection optical system having a large NA and an exposure area, and a reduction projection exposure apparatus including the projection optical system, by forming a shape represented by using such a shape, thereby correcting aberrations well.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, a projection optical system according to the present invention uses a reduction projection device including four reflection mirrors each having a reflection surface of a predetermined shape to form a reduced image of an object on a first object surface into a second image. The projection mirror is formed on two object planes, the reflecting mirror has an aspherical reflecting surface, and the aspherical shape is configured to be represented by the following equation (1).
[0008]
(Equation 1)
[0009]
Note that, in the aspherical surface expression (1), the order 2i of the aspherical surface represented by the order i of the polynomial is preferably 20 or more.
[0010]
Also, the projection optical system according to the present invention includes an illumination light source for exposure and an illumination optical system, and converts the light of the circumferential portion of the illumination light source for exposure into an arc-shaped slit light by the illumination optical system on the first object plane. , And a reduced image of the object on the first object plane is projected and formed on the second object plane using the reduced projection apparatus, and the numerical aperture of the projection optical system is 0.16 or more. The length of the chord of the arc forming the area of the reduced image projected and formed on the second object plane is 22 mm or more, and the height of the area of the reduced image is 1.5 mm or more. Is preferred.
[0011]
The reduction projection exposure apparatus according to the present invention is configured to irradiate a reticle with exposure light and project an image of a pattern formed on the reticle onto a photosensitive substrate via a projection optical system.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the projection optical system according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an optical path diagram of a transverse section of a projection optical system according to the present invention, and the width of a light beam represents only the transverse section. The projection
[0013]
Further, the first to fourth reflecting mirrors 4 to 7 are arranged coaxially with respect to the optical axis of the projection
[0014]
Next, a reduction projection exposure apparatus configured using the above-described projection
[0015]
The reduction
[0016]
Here, as shown in FIG. 3, the shape of the exposure light in the present embodiment uses the circumference of the illumination light 30 from the exposure illumination light source 11 in a slit shape, and is used on the second object plane 3. The
[0017]
The
[0018]
Finally, numerical examples of the projection optical system according to the present invention will be described. The structure of the projection
[0019]
(Equation 2)
r 2 = x 2 + y 2 (2)
[0020]
[Equation 3]
ρ = y / R (3)
[0021]
In this embodiment, the wavelength of the exposure light (EUV light) is 13.4 nm, the order of the aspheric surface is 220, the reduction magnification is 1/4, and the width of the
[0022]
In order to form a fine pattern on the second object plane, the projection
[0023]
Tables 1 to 5 show the specifications of the projection
[0024]
[Table 1]
[0025]
[Table 2]
[0026]
[Table 3]
[0027]
[Table 4]
[0028]
[Table 5]
[0029]
With the projection
[0030]
[Table 6]
[0031]
[Table 7]
[0032]
Next, FIG. 5 shows a graph of the coma aberration of the reduced image formed on the second object plane 3 corresponding to the image height (position on the Y axis) of the
[0033]
As described above, by configuring the reflecting mirror constituting the projection
[0034]
【The invention's effect】
According to the projection optical system of the present invention, the reflecting mirror constituting the projection optical system is configured to have a reflecting surface on the convex surface and the concave surface of the aspheric surface, and the aspheric surface of the expression representing the aspheric shape is used. By setting the order to 20 or more, a coaxial projection optical system composed of four reflecting mirrors can reduce the aberration, increase the NA and the exposure area, and reduce the fineness formed on the reticle. Even a simple pattern can be accurately formed on a photosensitive substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an optical path diagram of a cross section of a projection optical system according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of a reduction projection exposure apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an exposure area of the projection optical system according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the order of the aspheric surface and the wavefront aberration in the projection optical system according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing coma aberration of the projection optical system according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記反射鏡が非球面形状の反射面を有し、この非球面形状が、次式
で表されることを特徴とする投影光学系。In a projection optical system, a reduced image of an object on a first object plane is projected and formed on a second object plane by using a reduction projection apparatus including four reflecting mirrors each having a reflecting surface of a predetermined shape.
The reflecting mirror has an aspherical reflecting surface, and this aspherical surface has the following formula:
A projection optical system characterized by being represented by:
前記露光用照明光源の円周部の光を、前記照明光学系で円弧状のスリット光として前記第1物体面に照射し、前記縮小投影装置を用いて、前記第1物体面上の物体の縮小像を第2物体面上に投影形成する投影光学系において、
開口数が0.16以上であり、
前記第2物体面上に投影形成される縮小像の領域を形成する円弧の弦の長さが22mm以上であり、前記領域の高さが1.5mm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の投影光学系。An illumination light source for exposure and an illumination optical system are provided,
The light of the circumferential portion of the exposure illumination light source is irradiated on the first object surface as arc-shaped slit light by the illumination optical system, and the reduction projection device is used to illuminate the object on the first object surface. In a projection optical system for projecting and forming a reduced image on a second object plane,
The numerical aperture is 0.16 or more,
2. The chord length of an arc forming an area of a reduced image projected and formed on the second object plane is 22 mm or more, and the height of the area is 1.5 mm or more. Or the projection optical system according to 2.
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