JP2005033204A - 投影露光方法と投影露光システム - Google Patents

Abstract

【課題】 投影露光と非常に高い開口数とを可能にする投影露光方法と該方法に対応する投影露光システムとを提供する。
【解決手段】 半導体素子およびその他の微細構造部品を製造する方法において、投影対物レンズ（５）を用いて、該投影対物レンズの物体平面内に配置されるパターンの像が、前記投影対物レンズの像面（１２）の領域内に配置される感光性基板上に投影される。この場合、投影対物レンズに設けられる露光用出射面（１５）と基板に設けられる露光用入力結合面（１１）との間において、少なくとも一時的に、前記出射面から出てくる光の光学的近接場の最大範囲より大きさおよび露光時間間隔において小さい有限の小作動距離（１６）が設定される。その結果として、ＮＡ＞０．８以上の領域において非常に高い開口数を有する投影対物レンズを非接触投影リソグラフィーに用いることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子およびその他の微細構造部品の製造方法と該方法を実施するための投影露光システムとに関する。

フォトリソグラフィー投影対物レンズは、数十年にわたって、半導体素子およびその他の微細構造部品の製造に用いられてきた。これらのレンズは、以下ではマスクまたはレチクルとも呼ばれるフォトマスクまたは被膜プレートのパターンを、感光性基板、たとえば感光層により被覆された半導体ウェーハ上に非常に高い解像度で縮小投影するという目的に供せられる。

さらに一層微細な約１００ｎｍ以下の大きさの構造を製造するために、数多くの方法が行なわれている。第１に、投影対物レンズの像側の開口数（ＮＡ）をＮＡ＝０．８以上の範囲内において現在達成可能な値より大きくする試みがなされている。また、さらに一層短い動作波長、好ましくは２６０ｎｍ未満、たとえば２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍまたはそれより短い波長の紫外光が用いられている。最後に、解像度を高めるために、さらに他の手段、たとえば位相シフトマスクおよび／または斜め照明が用いられている。

１９３ｎｍ未満の領域における動作波長λの短波長化は、少数の十分に透明な材料、特にフッ化カルシウムまたはフッ化バリウム等のフッ化物結晶しか前記波長域用のレンズの製造に用いることができないため、困難になる。これらの材料は、限られた程度しか入手することができず、かつ１９３ｎｍ、特に１５７ｎｍにおいて複屈折特性に関する問題を呈する。

開口数を増加させて実質的にＮＡ＝０．８５より大きくすると、特に像付近のレンズに関して角負荷の限界に達する。開口数をＮＡ＝１の範囲までＮＡ＝０．９５より大きくすることは、実施不能と見なされている。ＮＡ＞１の開口数では、エッジおよびコマビームは、全反射により、もはや対物レンズから出力結合され得ない。

投影対物レンズと基板との間において浸液を使用することは、１を上回る開口数ＮＡを実現するために理論的に用いられうる。しかしながら、液浸リソグラフィー用の実用的なシステムは、未だ公開されていない。
米国特許第５，５６３，６８４号 米国特許第５，０９４，５３６号

本発明の目的は、投影露光と非常に高い開口数とを可能にする投影露光方法と該方法に対応する投影露光システムとを提供することにある。

この目的を達成するために、本発明は、請求項１の特徴を有する投影露光方法と、請求項１８の特徴を有する投影露光システムとを提供する。有利な開発形態は、従属請求項に記載されている。全ての請求項の語句表現は、参照により本明細書に含まれる。

発明を実施するための形態

半導体素子およびその他の微細構造部品を製造するための本発明にしたがった方法は：
所定のパターンを有するマスクを投影対物レンズの物体平面内に配置する段階と；
感光性基板を前記投影対物レンズの像面の領域内に配置する段階と；
前記パターンを所定の動作波長の紫外光を用いて照明する段階と；
前記投影対物レンズを利用して前記パターンの像を前記感光性基板上に投影する段階と；
前記投影対物レンズに設けられる露光用出射面と前記基板に設けられる露光用入力結合面との間において有限の作動距離を設定する段階とを有し、
前記作業距離は、露光時間中において少なくとも一時的に、前記出射面から出射する光の光学的近接場の最大範囲より小さい値に設定される。

したがって、本発明は、前記出射面のすぐ近傍に位置する照明光のエバネッセント場がリソグラフィープロセスに用いられる非接触投影露光プロセスを提案する。十分に小さい（有限の）作動距離であれば、全反射の幾何学的条件にかかわりなく、リソグラフィーに用いられる光部分を対物レンズの出射面から出力結合させ、かつ前記光部分をある距離をおいて直接隣接する入力結合面に入力結合させることが可能であることがわかった。

零に近い入力結合強度を有する照明光の入力結合は、ＮＡ＝１を上回る開口数の場合には、動作波長λの約４倍に対応する作動距離において始まることが立証された。したがって、動作波長の４倍を下回る作動距離が、少なくとも一時的に設定されることが好ましい。特に、作動距離は、少なくとも一時的に、動作波長の約５０％未満とされるべきである。動作波長の２０％以下の作動距離が少なくとも一時的に設定されると、約２０％以上の一般的な入力結合レベルを達成することが可能になる。リソグラフィーに用いられる領域は、現在利用可能なフォトレジスト材料に関して約２０％の入力結合レベルから始まる。より高い結合効率を達成するためには、作動距離は、露光時間の少なくとも一部分において、動作波長の１０％未満または５％未満とされるべきである。これに対応して、好ましくは、本明細書において提案される非接触近接場投影リソグラフィー用投影対物レンズは、動作波長またはそれ以下の領域内、たとえば約３ｎｍ〜約２００ｎｍ、特に約５ｎｍ〜約１００ｎｍの一般的な作動距離を有する。一般に、作動距離を投影システムのその他の特性（投影対物レンズの出射面付近における特性、基板の入力結合面付近における特性）に合わせて、少なくとも１０％の入力結合効率が達成されるようにすることが有利である。本明細書において、「入力結合効率」という用語は、対物レンズからの出力結合時およびレジスタへの入力結合時における主光線の透過率に対する最大エッジまたはコマ光線の透過率の比を示し、ここで、さまざまな方向の偏光（ｓおよびｐ成分）の平均値が考慮される。入力結合は、界面成分の偏光および屈折率の関数である。開口数ＮＡ＞１．０において、接線偏光（ｐ偏光に匹敵）は、実質的に、入力結合が浸液媒質を介するかまたは近接場を介して行なわれるかに関わりなく、より良好なコントラストを提供する。入力結合効率は、実質的に距離、偏光の程度および入射角によって変動しうる。入力結合効率が動作波長に対して標準化された近接場距離または作動距離の関数として示される下表の値は、ＮＡ＞１．０において異なる入射角、偏光方向および平均屈折率にわたって平均化された指針値と見なされうる。

近接場投影リソグラフィーにおいては、短い作動距離は、露光される表面全体にわたって可能な限り小さい局所的な距離変動を有して、入力結合される光の強度における局所的な変動が可能な限り小さく維持されなければならない。投影対物レンズの出射面は、好ましくは実質的に平坦であるため、実質的に平坦な入力結合面が、均一な作動距離を達成するための目標となる。露光される基板の表面が平坦ではない可能性があるにもかかわらず、これを達成するために、前記方法の１つの実施例において、少なくとも１つの平坦化層を用いて前記基板を被覆して、入力結合面としての役割を果たしうる実質的に平坦な基板面を作製する。単層または多層平坦化層は、フォトレジスト層またはレジスト層によって形成されうる。感光性レジスト材料に加えて、平坦化媒質としての役割を果たすとともに、実質的に動作波長に対する十分な透過性を有するが、それが適切である場合は、それ自体は露光によるいかなる構造的変化も示さない材料により製作される層を施すことも可能である。

適切な小作動距離を出射面と入力結合面との間において設定し、かつ維持するために、１つの開発形態において、特に小作動距離に適合せしめられる焦点合わせ技術が提供される。この技術を用いると、測定ビームは、投影対物レンズの物体側端部領域に、または出射面と入力結合面との間において、浅い角度で照射されて、焦点検出装置の入力結合システムから出射後に最初に適切な反射面間においてジグザグ状の経路を経て１回または複数回往復反射された後に焦点検出装置の出力結合システムへと通過するようになる。その結果として、たとえ作動距離が小さくても、相対的に大きい照射角を有する測定ビームが入力結合面へと向けられうる。さらにまた、斜入射光を用いる焦点検出システムが、このような方法で、非常に小さい作動距離を有する投影対物レンズに用いられうる。本出願人の好適な焦点検出システムは、独国特許出願第１０２ ２９ ８１８号（米国特許出願第１０／２１０，０５１号に対応）に開示されており、前記システムの特徴は、参照により本明細書に取り入れられる。

１つの実施例において、投影対物レンズの最後の光学素子は、焦点検出システムの透光性ビーム案内部として用いられる。この目的のために、前記最後の光学素子は、光軸に対して斜めに整合して焦点検出システムの測定ビームの入力結合および／または出力結合を行なう平坦面が少なくとも一箇所において構成される縁部領域を有しうる。入力結合面および出力結合面を介して、測定ビームは、前記最後の光学素子に結合されうるとともに、それが適切である場合は、前記最後の光学素子の境界面における１回または複数回の反射後に、出射面から出力結合され得、かつ基板の入力結合面における反射後に、それが適切である場合は、再び前記最後の光学素子に結合されうる。

１つの開発形態によれば、基板用、特に薄い半導体ウェーハ用の特定の保持技術が得られて、少なくとも露光時間の一部分において、露光される表面全体にわたって可能な限り均一な小作動距離が維持される。この基板保持装置は、基板の変形を制御して、所望の形状の入力結合面を能動的な態様で設定することを可能にする。特に、実質的に平坦な基板表面または入力結合面が作製されうる。この目的のために、１つの実施例においては、基板の能動的支持部が、支持部材の少なくとも３つの支持面上に設けられる。限定的な態様で変形されうる基板の場合に、該基板の表面を所望の、たとえば平坦な形状にするために、少なくとも１つの支持面の軸方向位置を特にその他の支持面に対して調節して、その上に配置される基板を変形させることができる。この基板保持装置およびその支持部材による入力結合面の形状および位置の正確な制御を達成するために、１つの開発形態においては、基板は、入力結合面と反対側の基板側において減圧を生じしめることにより、支持部材に圧接せしめられることとする。その後、基板は、入力結合面に対して下向きに加わる大気圧により、異なる高さに配置されうる支持面に押圧され、これによって基板の目標とされる変形が達成される。さらにまた、基板保持装置は、基板全体の軸方向の調整および／または１つ以上の軸のまわりにおける傾斜を可能にして、入力結合面を照明光の出射面と適正な空間的関係にすることができるようにされうる。

支持点制御を手段とする能動的な基板支持の可能性は数多くある。１つの可能性は、露光前に、露光される面、たとえばウェーハ表面を適切な測定方法、たとえば干渉法を用いて検査するとともに、然る後に、たとえば表面の変形が好ましくは平坦な所望の表面の形状を基準にして３ｎｍ未満になるように表面変形を最小限にすることによって構成される。その後、焦点合わせと、それが適切である場合はティルトと、露光とを行なうことができる。露光前および／または露光時に変形と一緒に焦点合わせおよび／または表面形状の検出を行なうことも同様に可能である。

小作動距離であることから、出射面の汚染の増加が起こりうる。これにより、結像品質と露光対象の基板のスループットとが低下する可能性がある。この場合の対策を提供するために、１つの開発形態においては、出射面が位置する最後の光学素子は、最後ではあるが１つの光学素子、たとえば平凸レンズが、たとえば密着により光学接触しうる相対的に薄い透明板によって形成されることとする。このような交換可能な端板は、取り外されて清浄化され、然る後に再び密着せしめられるか、または適切な時間周期でまた他の端板と交換されうる。光学的に中性の接合技術としての密着は、主としてＮＡ＞１の開口数が透過される場合に常に選択されるべきである。これに代わる方法として、前記薄板は、浸液媒質、たとえば浸液によって、最後ではあるが１つの光学素子に光学的に結合されうる。

汚染問題は、さらにまた、基板上に透明な平面板を配置して、基板と反対側の、該平面板の対物レンズ側平面板表面が入力結合面を形成するようにすることによって回避または軽減されうる。この平面板は、たとえば、基板の上面と少なくともいくつかの領域において物理的な接触が生じるように基板上に配置されうる。さらにまた、平面板の基板側平面板表面と基板の上面との間における領域を浸液媒質、たとえば純水によって部分的または完全に満たすことも可能である。この場合は、平行平面板または補助板とも呼ばれうる前記平面板を利用するときに、近接場により架橋される小作動距離は、補助板の対物レンズ側平面板表面と投影対物レンズの出射面との間において形成される。この変形態様の方法において、投影対物レンズの光学特性は、高解像度での結像が可能となるように、該レンズの出射面と露光される基板との間に挿入される媒質と調和せしめられる。全ての板は、ウェーハ上において、対物レンズから取り外される交換可能な板または補助板として対物レンズに設けられるか否かにかかわりなく、前記板と前記レンズとに同一または略同一の屈折率が与えられる場合は、肉厚の平凸対物レンズから分離されうる。このため、十分に肉厚の平凸レンズが、対物レンズの最後のレンズとして有利である。

前記平面板は、露光される基板の実質的に全面積が覆われる程度の大きさとされうる。この種の平面板は、繰り返し使用されうるが、適切な時間周期で、たとえば各露光サイクル後に清浄化されるべきである。たとえば、２００ｍｍまたは３００ｍｍのウェーハ直径を有する平面板を用いて半導体を製造することができる。すなわち、露光時において、投影対物レンズと平面板との間において相対的な変位が起こって、露光される基板の全ての領域が連続して露光される。補助板としての役割を果たす平面板を真空中における感光層の塗布および乾燥の直後に液浸させることなしに配置し、かつ前記補助板を自身上に配置されて有する基板を露光システムに移送することが可能である。この場合、前記補助板は、基板の保護板としての役割を果たし得、光学的近接場を介した２重の通過が行なわれる。

焦点ぼけの誤りを防ぐために、露光される基板部分は、可能な限り効果的に基板側平面板表面に当接せしめられるべきである。これが単に平面板を配置するだけでは達成され得ない場合は、基板を能動的に基板側平面板表面に押圧して、少なくとも露光時に物理的な接触を生じしめることも可能である。この目的のために、たとえば、基板を平面板と反対側の基板側面において平面板に押圧する過圧を生じしめることが可能である。この場合、前記物理的接触が基板表面全体にわたって維持される必要はない。いずれの場合も、露光される領域と、それが適切である場合は、その隣接領域とが押圧されるだけでよい。したがって、加圧液用の適切な出口ダクトを基板ホルダへと向かう投影対物レンズの光軸の延長領域に設けるだけで十分でありうる。

平面板または補助板は、透過率等の材料特性と均質性と寸法、清浄度および面平行度等の境界面特性とに関して高い光学的特性を有することが保証されなければならない。この補助板は、さらにまた、投影対物レンズを構成する際に光学設計の構成要素として光学的計算に取り入れられなければならない。投影対物レンズの最後の光学素子、たとえば平凸レンズと平行平面板との屈折率が、たとえば前記レンズがフッ化カルシウムにより製作され、補助板が石英ガラスによって製作されることから、互いに偏差を有する場合は、このことは、まさに最初から、または後の球面適応により、光学的計算において考慮に入れられなければならない。

前記およびさらに他の特徴は、特許請求の範囲に加えて本明細書の説明と図面とに示されている。

この場合、個別の特徴は、本発明の実施例の場合およびその他の分野において、それぞれそれ自体単独で、またはいくつかを組み合わせた形態で実施されうるとともに、それ自体が保護されうる実施例を有利に構成しうる。

図１に、高度集積回路素子を製造するのに用いられるウェーハステッパ１の形態をとるマイクロリソグラフィー用投影露光装置の線図が示されている。この投影露光装置１は、光源として１５７ｎｍの動作波長を有するエキシマレーザ２からなるが、その他の動作波長、たとえば１９３ｎｍまたは２４８ｎｍも用いられうる。下流の照明システム３は、自身の出射面４において、下流の投影対物レンズ５のテレセントリック要件に見合う鮮鋭に境界設定された非常に均質な照明の大きい像フィールドを生じしめる。この照明システム３は、照明モードを選択するための装置を有するとともに、本例においては、可変コヒーレンス度を有する従来式照明とリングフィールド照明と二極または四極照明との間において切り換えられうる。前記照明システムの下流において、マスク６を保持および操作して、該マスクが投影対物レンズ５の物体平面４内に配置されるとともに該平面内において移動せしめられて横方向７の走査動作が行なわれるようにする装置が配置される。

マスク平面とも呼ばれる面４のさらに下流に、マスクの像をフォトレジスト層により占められたウェーハ１０上に縮小倍率、たとえば４：１または５：１または１０：１の縮尺で投影する縮小対物レンズ５が配置される。感光性基板としての役割をはたすウェーハ１０は、フォトレジスト層を有する平坦な基板表面１１が実質的に投影対物レンズ５の像面１２と一致するように配置される。このウェーハは、該ウェーハをマスク６と同期的かつ前記マスクに対して平行に移動させるために、走査駆動装置からなる装置８により保持される。この装置８は、さらにまた、マニピュレータを含んで、前記ウェーハを前記投影対物レンズの光軸１３に対して平行なｚ方向と前記軸に対して垂直なｘおよびｙ方向とのいずれにも移動させる。光軸１３に対して垂直に延在する少なくとも１つの傾斜軸を有するティルト装置が一体化される。

最後の透明な光学素子として、像面１２の隣において、投影対物レンズ５は、その平坦な出射面１５が投影対物レンズ５の最後の光学面となるとともに前記基板表面１１から作動距離１６の位置に配置される平凸レンズ１４を有する（図２）。

作動距離１６は、実質的に、投影露光装置の動作波長より小さく、かつ本実施例においては前記動作波長の約１０％または約１０〜約２０ｎｍの時間平均を有する。前記装置は、出射面１５と基板上面１１との間における物理的接触が確実に防がれるように構成されて、前記表面を損なわない非接触投影リソグラフィーを可能にする。

投影対物レンズ５は、０．９０を超える開口数ＮＡを有し、いくつかの実施例において、ＮＡは、１．０を超える。したがって、高屈折率の浸液が用いられないため、開口数は、液浸リソグラフィーの場合より高くなる。約ＮＡ＝１．７の領域において最大開口数がＮＡ＝（０．９５＊レジストの屈折率）となることが有利でありうる。従来の投影システムの場合は、ＮＡ≧１．０の条件下において、開口の縁部において光軸に対して斜めに進むエッジおよびコマ光線１７は、高密度媒質から境界面１５へと斜めに入射する全光強度が本質的に前記境界面において全反射されるため、対物レンズの出射面１５から出力結合することができず、よって基板の入力結合面としての役割を果たす基板表面１１に入力結合することができない。この問題は、本発明の場合には、作動距離１６が、基板の入力結合面１１が対物レンズの出射面１５の光学的近接場の領域内に位置するほど小距離に選択されることによって回避される。出射面１５と入力結合面１１との間における距離１６を、露光時間中において少なくとも一旦は約２０％または１５％または１０％の値を下回る程度まで減少させると、露光に十分な光部分１８を対物レンズから出力結合させ、かつ感光性基板に入力結合させることができる。たとえば、入力結合レベルは、動作波長の約２０％の距離の場合は、約２０％に達する。リソグラフィーに用いられる領域は、現在入手可能なレジスト材料の場合は、このレベルから始まる。

入力結合される光強度に関して低い公差を有する信頼性ある露光工程にするためには、作動距離１６が狭い許容差で本質的に露光される表面全体にわたって維持されることが必要である。これを可能にするために、本明細書において説明される前記実施例の場合は、表面の微細構成にかかわりなく、照明光に対して実質的に平坦な入力結合面１１を提供する平坦化技術が用いられる。図２の例において、ウェーハ１０の表面は、先行する加工処理段階によってすでに階段状に構造化されている。次に、第１段階として、食刻された表面構造に、露光用照明光に対して透過性を有するが、照射を受けてもいかなる実質的な構造変化も起こさない平坦化レジストによって構成される層２０が施される。この平坦化層２０は、実質的に平坦な表面２１を有しており、前記表面に、次に感光性フォトレジストによって構成される、均一な厚さの肉薄層２２が施される。このフォトレジスト層の実質的に光学的に平坦な自由面１１は、投影対物レンズから出力結合される露光用照明光の入力結合面を形成する。１つの実施例（図示せず）の場合は、フォトレジスト層が、最初に、それが適切である場合は予め構造化される半導体面に施された後に、前記層に、その表面が入力結合面１１を形成する透明な平坦化フォトレジスト層が施される。いずれの場合も、平坦化技術により、非接触近接場投影リソグラフィー時において均一な露光を促進させる大体において平坦な入力結合面１１が作製される。

図３において、非接触近接場投影リソグラフィーを促進させるとともに、本発明にしたがった投影露光システムの実施例の場合に、個別的に、または組み合わせて用いられうるさらに他の手段が説明されている。これらの手段は、非常に小さい作動距離の場合でも高い測定精度で作用する高精密焦点合わせ技術からなるとともに、さらにまた、露光される基板の目標とされる変形を行なって、実質的に平坦な基板表面を設定する機能を含む。

図３に示される実施例において、投影対物レンズは、二部構成の最後の光学素子を有する。この最後の光学素子は、球面状または非球面状の入射面と平坦な出射面３２１とを有する平凸レンズ３２０からなり、前記出射面に、透明な端板３２２が密着せしめられるか、または沈設により光学的に結合される。前記平凸レンズ３２０と端板３２２との間において、投影対物レンズの動作波長において反射防止作用を有するとともに、可視光波長領域、特に約６３３ｎｍにおいて反射層として機能する多層状、単層状または勾配状のコーティング３２３が配置される。端板３２２は、平坦な段を備えるとともに、その外方突出部分が投影対物レンズの出射面３１５を形成する出射側を有する。この出射側の縁部には、動作波長において反射防止作用を有するとともに、可視光、たとえば６３３ｎｍに対して反射層として機能するコーティング３２４が施される。

この実施例において、端板３２２は、投影対物レンズの像面３１２と該像面の領域内に配置されるウェーハ３１０の入力結合面３１１との間における偏差を検出する役割を果たす焦点検出システム３４０の透光可能な機能部として用いられる。この干渉型焦点検出システム３４０の測定結果は、たとえばウェーハをｚ方向（投影対物レンズの光軸に対して平行方向）に適切に移動させ、かつ／または投影対物レンズを光軸に沿ってウェーハに対して移動させることにより、投影対物レンズとウェーハとの間における相対的な位置を補正する基礎として用いられうる。前記焦点検出システムは、フィゾーの面３４２を有する入力結合／出力結合光学素子３４１と偏向鏡３４３と再帰反射鏡としての役割を果たす鏡３４４とからなる。焦点検出システムの測定光（６３３ｎｍの波長のレーザ光）を端板３２２に入力結合および出力結合させるために、前記端板３２２は、自身の縁部において、互いに反対側に配置されるとともに、焦点検出システムの測定ビーム３４７が入力結合面に対して実質的に垂直な態様で入力結合または出力結合されるように整合せしめられる平坦な入力結合／出力結合面３４５、３４６を有する。

焦点検出システム３４０は、測定ビーム３４７が、反射作用を有する基板の入力結合面３１１に斜めに衝突するとともに前記面から反射される干渉計システムである。出射面３１５と入力結合面３１１との間における距離の変化は、測定ビームにおける波長の変動として観察され、前記変動が検出されるとともに、干渉法により評価されうる。測定ビームは、下方から板３２２に鏡３４３と入力結合面３４５とを介して斜めに結合されるとともに、前記板の内部においてジグザグ状のビーム形状を有し、この場合には、測定ビームは、レンズ側の反射コーティング３２３と出射側のコーティング３２４との間において繰り返し反射される。システムの光軸３１２付近の中央測定領域において、測定ビームは、板３２２から出射して、入力結合面３１１に衝突し、前記入力結合面から反射されて、然る後に再び端板３２２に入射する。出力結合面３４６から出射した後に、前記ビームは、鏡３４４により再帰反射され、繰り返し偏向されてジグザグ状の態様で進んだ後に入力結合／出力結合光学素子３４１に入射して評価される。干渉ビーム経路の開口数は、作動距離３１６に見合うものとされることが有利であり、たとえば、λ／５を下回る作動距離の場合は、干渉ビーム経路の開口数を１より大とすること、または４λ〜５λを上回る距離３１６の場合は、干渉計システムの開口数を１未満とすることが可能である。この設計は、それが適切である場合はシリコンによって構成されうる平面鏡に関して較正され得、その場合は、前記鏡そのものが、ＰＶ＜５ｎｍより高い表面精度を有することとし、かつｎｍ単位で位置決めされうる。レジストの屈折率は、非常に高くなりうるため、一般にレジストにより十分に良好な反射が得られる。

投影対物レンズの出射側が反射および光導波素子として焦点検出システムに取り入れられることにより、測定ビーム３４７は、測定ビームが投影対物レンズの出射面とウェーハ面との間において斜入射により直接入射する従来の焦点検出システムによって可能な照射角より実質的に大きい入射角でウェーハ面３１１に入射しうる。これにより、非常に小さい作動距離にもかかわらず、相対的に高い測定精度が達成されうる。

非常に肉薄であり、以って可撓性を有しうる基板の場合、たとえば半導体ウェーハの場合でも実質的に平坦な入力結合面３１１を得るために、図示された実施例の場合は、装置３６０を配設して、制御支持点によってウェーハが能動的に支持され、この装置を利用して、必要に応じてウェーハの目標とされる変形が行なわれうる。基板保持装置に一体化される前記装置３６０は、規則的な二次元配列に配置されるとともに自身の上端部において支持対象のウェーハ３１０が配置される支持面３６２を有する多数の支持部材３６１からなる。各々の支持部材は、電気駆動可能な作動装置、たとえば圧電素子を利用してその他の支持部材から独立して高さ調節されうる。これらの調節素子は、焦点検出システム３４０の測定結果に基づく入力信号を処理する共通の制御装置３６３によって駆動される。その結果として、制御ループが創出され、この場合は、ウェーハが距離測定および／または表面形状の測定の結果にしたがって調節および／または変形されて、実質的に平坦な入力結合面３１１が得られるようになる。支持部材の調節がウェーハ３１０の変形に直接的な効果を持つことを保証するために、支持部材は、自身の支持面の領域において、ウェーハの裏側に対して吸引カップの態様で作用するようにされる。この目的のために、支持面の領域において開口するとともに、吸引装置（図示せず）に接続される圧力ダクト３６４が、各支持部材３６１内において延在する。吸引装置は、配管システム３６４内において、ウェーハ３１０が支持部材の支持面に確実に付着して剥離しないことを保証する減圧を生じしめる。基板の交換を容易にするために、この圧力システムは、一時的に常圧または過圧に切り換えられて、支持部材からのウェーハの取り外しを容易にするか、または前記取り外しを能動的に促進させうる。

入力結合面３１１の所望の表面形状の設定は、さまざまな方法で行なわれうる。適切な測定方法、たとえば干渉計またはまた他の光学距離測定を利用して、露光されるウェーハ表面３１１に表面変形がないかどうかを露光前に検査するとともに、能動的なウェーハ支持体を利用して、表面変形が補正可能な所定の制限値未満、たとえば３ｎｍ以下に保たれるように変形させることができる。一旦ウェーハ表面がこのようにして設定されると、焦点合わせと、それが適切である場合はティルトと露光とが行われうる。レーザ露光前および／または露光時に変形を行なって所望の表面形状に設定すると同時に、併せて焦点合わせと、それが適切である場合はティルト等とを行なうことも可能である。

入力結合面３１１の目標とされる変形を可能にする能動的なウェーハ支持は、投影対物レンズにより特定量の像面湾曲が残存する場合に、ペッツヴァルの補正にも用いられうる。したがって、装置３６０を用いて、たとえば、入力結合面３１１に関して非無限の大曲率半径（対物レンズに対して凸または凹）を設定することもできる。さらにまた、走査システムに関して円柱状の湾曲を設定することもできる。

ウェーハの目標とされる変形を可能にするシステムは、本質的に周知である。米国特許第５，０９４，５３６号または米国特許第５，５６３，６８４号に、例が示されている。これらのシステムは、適切な改良を加えれば、本発明の実施例においても用いられうる。これらの文献の開示内容は、参照により、本明細書に取り入れられる。

非接触近接場投影リソグラフィーの場合は、投影対物レンズの出射面と紫外光により照射される化学物質との間における作動距離が小さいことから、対物レンズの出射側の急速な汚染が起こり得、以ってウェーハのスループットと結像性能とが低下しうる。汚染によって引き起こされる不利益を減少させるひとつの可能性は、最後の光学素子として、最後ではあるが１つの素子上に密着せしめられるとともに、前記素子から取り外されることによって容易に交換されうる薄い平面板を配設することによって構成される。この交換可能な板を密着させる代わりに、最後のレンズ素子（平凸レンズ）に浸液を介して光学接触させてもよい。この交換可能な素子は、「汚れ防止トラップ」としての役割を果たしうるとともに、取り外されて清浄化され、再び密着または適用されるか、または別の素子と交換されうる。この交換可能な板と隣接する光学素子との間における継ぎ目のない光学接触は、特にＮＡ＞１の大開口数の透過を可能にする唯一の方法であるため、特に重要である。

平坦な入力結合面を提供することと汚染問題を最小限に抑えることとを同時に達成する可能性は、図４を参照して説明される。この変形態様の方法の場合は、透明な材料によって構成される肉薄または相対的に肉厚の平行平面板４００が、露光される基板４１０上またはレジスト層上に置かれる。この変形態様において、光学的近接場により架橋される幅狭の架橋ガス空間（作動距離４１６）は、平面板の対物レンズ側平面板表面４１１と対物レンズの好ましくは平坦な出射面４１５との間において形成される。したがって、たとえばλ／１０〜λ／２０のこの薄い空隙は、もはやレジスト層（または平坦化層）の直前ではなしに、たとえば前記層から約１ミリメートル以上の大きさの、より大きい距離をおいて位置する。前記平面板をレジスト層または平坦化層の上に直接配置すると、可能性として一部の領域において、直接的な光学接触がもたらされうるように、わずかな距離をおいた仮想的な光学接触がもたらされうる。後者の場合は、光学的近接場は、主として動作波長のλ／２０をはるかに下回る距離をおいて位置することになり、したがって、前記近接場を介した露光が可能になる。補助板としての役割を果たす平面板４００は、繰り返し使用されうるとともに、各露光サイクル後に注意深く清浄化されなければならない。この平行平面板４００は、好ましくは、露光される基板の表面全体を覆うような寸法とされ；その結果として、半導体の構造化に用いられる補助板は、約２００ｎｍ〜３００ｎｍ以上の範囲内の直径を有しうる。この補助板は、真空中におけるレジスト材料の塗布および乾燥直後にレジスト層の上に配置され得、ウェーハは、補助板を配置されて有する基板保持装置内に取り付けられうる。

平面板４００が十分な厚さと曲げ剛性とを有して製作される場合は、露光される基板の領域を基板側平面板表面４２１に押圧するだけで十分でありうる。この目的のために、図示されている実施例の基板保持装置は、ウェーハ露光領域内、すなわち基板保持装置の平坦な表面４４１上において投影対物レンズの光学軸の領域内の圧力ポケット４４２に開口する多数の圧力チャネルを含む圧力装置４４０からなる。露光される基板と投影対物レンズとの間における相対的な変位は、この変形態様において、安定な補助板４００とリソグラフィー用対物レンズの平坦な出射面４１５との間においてもたらされる。

図示された例において、平面板４００は、フォトレジスト層上に、間隙を有さずに直接配置されるが、平行平面板を、平坦化されているが露光されていないウェーハ上に、浸液、たとえば適切な浸液を介在させて配置することも可能である。相対的な変位は、像面４１２から数ミリメートル上方の小さい空隙４１６を介して継続的に行なわれる。この変形態様は、浸液が使用されないにもかかわらず、露光が周知の高速で行なわれうるという利点を有する。浸液の導入および除去は、走査装置の外側において、たとえば現行の露光と同時に行なわれうる。この変形態様を用いると、ＮＡ＞１．０の開口数でも、現在達成可能な、たとえばウェーハ（直径３００ｍｍ）約１４０個毎時のスループットを達成することが可能になりうる。これは、現在は１．０未満の開口数でのみ達成可能なスループットに対応する。

補助板４０１と投影対物レンズの出射面４１５との間における部品の偶発的な密着と間隙の制御不能な変化とを防ぐために、図示された実施例において、光学的に中性の保護層として設計されるとともに、たとえばλの光学的層厚さを有しうるフッ化マグネシウム製の薄い層４５０、４５１が、投影対物レンズの出射面４１５と補助板４００の対物レンズ側平面板表面４１１との両方に施されることとなる。

数個の例を用いて説明されたところの本発明の投影システムは、非常に高い開口数、特にＮＡ＞１、たとえばＮＡ＝１．７を最大とするＮＡ＝１．１以上の開口数での投影露光を可能にする。純屈折（ジオプトリック）およびカタジオプトリックのいずれの投影対物レンズも非接触近接場投影リソグラフィーに用いられうる。

本発明の１つの実施例にしたがったマイクロリソグラフィー用投影露光装置の線図である。 投影対物レンズの像側端部と露光される基板との間における遷移領域の拡大線図である。 本発明の１つの実施例にしたがった焦点検出システムとウェーハ変形制御装置との線図である。 本発明の１つの実施例にしたがった投影露光時における透明平面板の使用を示す線図である。

符号の説明

１ 投影露光装置
２ エキシマレーザ
３ 照明システム
５ 投影対物レンズ
６ マスク
１０、３１０ ウェーハ
１１、３１１、３４５ 入力結合面
１２、３１２、４１２ 像面
１３ 光軸
１４、３２０ 平凸レンズ
１５、３１５、３２１、４１５ 出射面
１６、３１６、４１６ 作動距離
３２２ 端板
３４０ 焦点検出システム
３４１ 入力結合／出力結合光学素子
３４３ 偏向鏡
３４６ 出力結合面
３４７ 測定ビーム
３６０ 装置
３６１ 支持部材
３６２ 支持面
３６３ 制御装置
３６４ 圧力ダクト
３６４ 配管システム
４００ 平行平面板
４１０ 基板
４１１ 対物レンズ側平面板表面
４２１ 基板側平面板表面
４４０ 圧力装置
４４２ 圧力ポケット

Claims (33)

1. 半導体素子およびその他の微細構造部品を製造する方法において：
   所定のパターンを有するマスクを投影対物レンズの物体平面内に配置する段階と；
   感光性基板を前記投影対物レンズの像面の領域内に配置する段階と；
   所定の動作波長の紫外光を用いて前記パターンを照明する段階と；
   前記投影対物レンズを利用して前記パターンの像を前記感光性基板上に投影する段階と；
   前記投影対物レンズに設けられる露光用出射面と前記基板に設けられる露光用入力結合面との間において有限の作動距離を設定する段階とからなり、
   前記作動距離は、露光時間中において少なくとも一時的に、前記出射面から出射する光の光学的近接場の最大範囲より小さい値に設定される方法。
2. 少なくとも一時的に、前記動作波長の４倍未満、好ましくは少なくとも一時的に前記動作波長の約５０％未満、特に少なくとも一時的に前記動作波長の約２０％以下の作動距離が設定される請求項１に記載の方法。
3. 前記基板が、少なくとも１つの平坦化層により被覆されて、入力結合面として用いられうる実質的に平坦な基板表面が作製されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記投影対物レンズの前記像面と前記入力結合面との間における偏差の光学的検出を含み、前記検出は、好ましくは、前記投影対物レンズの前記出射面と前記入力結合面との間における間隙に少なくとも１つの測定ビームを斜め照射することと、前記測定ビームを前記基板表面における反射後に検出することとからなり、前記照射は、検出前に前記測定ビームが前記基板表面において少なくとも１回かつ前記測定光を反射する前記投影対物レンズの反射面において少なくとも１回反射されるように行なわれる請求項1〜３の１項に記載の方法。
5. 前記投影対物レンズの最後の光学素子は、焦点検出システムの透光性ビーム案内要素として用いられる請求項４に記載の方法。
6. 前記基板の変形を制御して、所定の形状の前記基板表面を作製すること、特に入力結合面として使用されうる実質的に平坦な基板表面を作製することを特徴とする請求項１〜５の１項に記載の方法。
7. 前記基板を支持部材の少なくとも３つの支持面上において能動的に支持することと、少なくとも１つの前記支持面の軸方向の位置をその他の支持面に対して調節して、所望の形状の前記基板表面を設定することとを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記基板の変形制御は、露光前および／または露光時に行なわれることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. 前記基板が、前記基板の前記入力結合面と反対側において減圧を生じしめることによって少なくとも３つの支持部材の支持面に押圧される段階を含む請求項６〜８の１項に記載の方法。
10. 肉薄の透明板と前記投影対物レンズの最後ではあるが１つの光学素子との間において光学的接触を生じしめて、前記出射面が位置する前記最後の光学素子が前記肉薄の透明板によって形成されるようにする段階と；
    少なくとも１回の露光を行なう段階と；
    前記肉薄の板を交換して、特に板の劣化を除去する段階、特に前記出射面上の汚染物質を取り除く段階とを含む請求項１〜９の１項に記載の方法。
11. 光学的接触は、密着によってもたらされる請求項１０に記載の方法。
12. 光学的接触は、前記最後ではあるが１つの光学素子と前記肉薄の板との間において導入される浸液、特に超純水を利用してもたらされる請求項１０に記載の方法。
13. 透明な平面板を前記基板上に配置して、前記基板と反対側の前記平面板の対物レンズ側平面板表面が前記入力結合面を形成するようにする段階を含む請求項１〜１２の１項に記載の方法。
14. 前記平面板は、前記基板上において、前記基板の上面と少なくとも何らかの領域において物理的に接触するように配置される請求項１３に記載の方法。
15. 前記平面板の基板側平面板表面と前記基板の前記上面との間における領域は、部分的または完全に、浸液媒質によって満たされ、好ましくは超純水が浸液媒質として用いられる請求項１３または１４に記載の方法。
16. 露光される前記基板の実質的に全面積を覆う平面板が用いられ、相対的な変位が、好ましくは露光時に前記投影対物レンズと前記平面板との間において行なわれて、露光される前記基板の全ての領域が連続して露光される請求項１３〜１５の１項に記載の方法。
17. 前記平面板の基板側平面板表面に前記基板を能動的に押圧して、少なくとも露光時に物理的接触を生じしめることを特徴とする請求項１３〜１６の１項に記載の方法。
18. 投影対物レンズの物体平面内に配置されるパターンを所定の動作波長の紫外光を利用して前記投影対物レンズの像面に投影する投影露光システムにおいて、
    前記投影対物レンズは、光軸（１３、３１３）に沿って配置され、かつ前記投影対物レンズに設けられるとともに前記投影対物レンズの出射面（１５、３１５、４１５）を形成する前記投影対物レンズの最後の光学素子（１４、３２２）を含む多数の光学素子からなり、
    前記投影対物レンズは、前記出射面と前記像面（１２、３１２、４１２）との間における有限の作動距離（１６、３１６、４１６）が、前記出射面から出射される光の光学的近接場の最大範囲より小さくなるように設計される投影露光システム。
19. 前記作動距離は、前記動作波長の４倍未満、好ましくは前記動作波長の約５０％未満、特に前記動作波長の約２０％以下である請求項１８に記載の投影露光システム。
20. 前記投影対物レンズ（５）は、ＮＡ＞０．８５、好ましくはＮＡ＞０．９５、特にＮＡ≧１の像側開口数を有する請求項１８または１９に記載の投影露光システム。
21. 前記投影対物レンズの前記像面と前記像面の領域内に配置される前記入力結合面（１１、３１１）との間における偏差を光学的に検出する焦点検出システム（３４０）であって：
    前記入力結合面（１１、３１１）において反射されることを意図される少なくとも１つの測定ビーム（３４７）を前記投影対物レンズの前記出射面（１５、３１５）と前記入力結合面（１１、３１１）との間における間隙に斜め照射する入力結合システムと；
    前記測定ビームを前記入力結合面（１１、３１１）における反射後に検出する出力結合システムとからなり、
    前記入力結合システムと前記出力結合システムとは、前記測定ビームが、前記出力結合システムに入射する前に前記基板に設けられる前記入力結合面（１１、３１１）において少なくとも１回かつ前記測定光を反射する前記投影対物レンズの反射面（３２４、３２３）において少なくとも１回反射されるように設計および配置される焦点検出システムを特徴とする請求項１６〜１８の１項に記載の投影露光システム。
22. 前記投影対物レンズの前記最後の光学素子（３２２）は、少なくとも１つの領域において、前記焦点検出装置の前記測定光を反射するコーティング（３２４）を有する出射側を有し、前記コーティングは、好ましくは前記投影対物レンズの前記動作波長に関して反射を減少させる作用をする請求項２１に記載の投影露光システム。
23. 前記焦点検出システム（３４０）は、前記投影対物レンズの最後の光学素子（３２２）を透光性ビーム案内部として含む請求項２１または２２に記載の投影露光システム。
24. 前記投影対物レンズは、前記光軸（３１３）に対して斜めに整合する、前記焦点検出システムの測定ビーム（３４７）の平坦な入力結合面および／または出力結合面（３４５、３４６）が少なくとも１点において構成される縁部領域を有する最後の光学素子を有する請求項２１〜２３の１項に記載の投影露光システム。
25. 前記基板（３１０）を能動的に支持する装置（３６０）であって、前記基板の変形を制御して、所定の形状、特に平坦な形状の前記基板表面（３１１）を作製するために設けられる装置（３６０）を特徴とする請求項１８〜２４の１項に記載の投影露光システム。
26. 前記装置（３６０）は、前記基板（３１０）に対する支持面（３６２）を有する多数の支持部材（３６１）からなり、支持部材の高さは、互いに独立して調節されうる請求項２５に記載の投影露光システム。
27. 前記装置（３６０）は、前記基板（３１０）を前記支持部材（３６１）の前記支持面（３６２）上に能動的に吸引する吸引装置からなる請求項２５または２６に記載の投影露光システム。
28. 前記基板（３１０）を能動的に支持する前記装置（３６０）は、焦点検出システム（３４０）の測定信号にしたがって制御されうる請求項２５〜２７の１項に記載の投影露光システム。
29. 前記基板（４１０）上において配置され得、かつ前記動作波長の光を透過する材料によって構成され、かつ前記基板上において、前記入力結合面が自身の対物レンズ側平面板表面（４１１）によって形成されるように配置されうる少なくとも１つの平面板（４００）が設けられる請求項１８〜２８の１項に記載の投影露光システム。
30. 前記平面板（４００）は、露光される前記基板の実質的に全表面を覆うような寸法とされ、前記平面板は、好ましくは少なくとも１５０ｍｍ、好ましくは少なくとも２００ｍｍ、特に約２００ｍｍ〜約３００ｍｍの直径を有する請求項２９に記載の投影露光システム。
31. 前記投影対物レンズの前記出射面（４１５）および／または前記平面板（４００）の対物レンズ側平面板表面（４１１）上に、前記表面が物理的に接触した場合に互いに密着することを防ぐコーティング（４５０、４５１）が施され、前記コーティングは、好ましくはフッ化マグネシウムによって構成される請求項１８〜３０の１項に記載の投影露光システム。
32. 前記基板を保持する基板保持装置（４１０）は、前記基板保持装置の好ましくは平坦な表面（４４１）と該表面上に配置される基板（４１０）との間において過圧を生じしめる圧力装置（４４０）からなる請求項１８〜３１の１項に記載の投影露光システム。
33. ２６０ｎｍ未満、特に２４８ｎｍ、１９３ｎｍまたは１５７ｎｍの動作波長用に設計される請求項１８〜３２の１項に記載の投影露光システム。
    
    

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