JP2005303135A - 明光学装置およびそれを用いた投影露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高耐久性を備えたパルス遅延回路を備え、耐久性の高い照明装置を提供すること。
【解決手段】 パルスレーザーから射出された波長２００ｎｍ以下のパルス光を用いて被照明面を照明する照明光学装置において、照明光学装置がパルス光の時間的プロファイルを変換するパルス遅延回路を含み、前記パルス遅延回路が、透過領域と反射領域を持つ光分岐光学部材でパルス光を分岐し、透過領域と反射領域で分岐された光を可干渉距離以上の所定の光路差をつけて合成する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源からの光を用いて、被照明面を照明する照明装置に関し、特に、半導体素子、液晶表示素子、撮像素子（ＣＣＤ等）または薄膜磁気ヘッド等を製造するためのリソグラフィ工程中に使用される投影露光装置において、パターンの描画されたマスクを照明する照明装置に関する。

半導体素子製造工程のリソグラフィ工程において、露光装置が用いられる。リソグラフィ工程とは、半導体素子の回路パターンを半導体素子となる基板（シリコン基板等）上に投影転写する工程のことである。近年、半導体素子の微細化への要求は益々高くなっており、ライン−アンド−スペースの最小線幅は０．１５μｍをきり、０．１０μｍに到達しようとしている。微細化を達成する為に、リソグラフィ工程に用いられる投影露光装置の解像力の向上が近年の大きな課題となっている。

一般にリソグラフィ工程における解像可能な線幅Ｒは、露光光源の波長λと、露光装置の開口数ＮＡ、比例定数ｋ１を用いて、

と書ける。つまり波長λを短くすれば波長に比例して解像可能な線幅は小さくなり、開口数ＮＡをあげれば反比例して、解像可能な線幅は小さくなる。

一方、工程上許容可能な線幅誤差内に収まるデフォーカス許容量をＤＯＦと呼んでいるが、これは、比例定数ｋ２を用いて、

と書ける。つまり波長を短くすれば比例してデフォーカス許容量は小さくなり、開口数をあげれば２乗に反比例してデフォーカス許容量は小さくなる。

つまり、半導体素子を微細化する方法として、露光波長を短くする方法と、露光装置の開口数をあげる方法があるが、デフォーカス許容量をなるべく大きく取りつつ、微細化を達成するには、ＮＡをあげるよりも露光波長を短くするほうが望ましい。そのため、近年では露光光源の波長を短くした露光装置の開発が加速されている。現在、主流の露光装置の露光光源は波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーであるが、さらに露光波長を短くした、ＡｒＦエキシマレーザー（１９３ｎｍ）、さらにはＦ２レーザー（１５７ｎｍ）を露光光源として用いた露光装置の開発もなされている。

しかし、光源の短波長化に伴い新たな問題が発生している。それは、フォトン（光子）のエネルギーが上がるため、光を照射することによる光学部材へのダメージが大きくなるという問題である。光学部材へのダメージは、硝材の透過率低下、屈折率変化（コンパクション）、反射防止コートの透過率低下、反射ミラーの反射率低下などを引き起こし、露光装置の照度低下、照度均一性の悪化、投影光学系の収差発生による投影光学系の結像性能の悪化などを引き起こす。

このような問題を解決するために、パルス遅延回路と呼ばれる、パルス光の発光時間を疑似的に伸長して、光学系に与えるパルス強度を下げる光学系を照明系内に備える方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

従来技術を図３を用いて説明する。１はパルス光を発振するレーザーであり、ＫｒＦエキシマレーザー、ＡｒＦエキシマレーザー、Ｆ２レーザーなどが使用される。６は誘電体多層膜で成膜されたハーフミラーであり、光を透過光と反射光に所望の比率で分岐する。光束の分岐方法は、一つの光線を透過光と反射光の二つの光線に分ける、いわゆる振幅分割型であり、例えば、φ（ｚ、ｔ）＝Ａ×ｅｘｐ（２πｉ（νｔ−ｚ／λ））と書かれる、波長λ、周波数ν、振幅Ａの光が入射した時、φ_Ｔ（ｚ、ｔ）＝Ｂ×ｅｘｐ（２πｉ（νｔ−ｚ／λ））という透過光と、φ_Ｒ（ｚ、ｔ）＝Ｃ×ｅｘｐ（２πｉ（νｔ−ｚ／λ））という反射光に分岐する。誘電体多層膜で成膜されたハーフミラーに吸収が無く、入射した光の全てが反射、もしくは透過するとすれば、Ａ＝Ｂ＋Ｃという関係が成り立つ。

６のハーフミラーを透過した透過光は、そのまま５の照明光学系に導光されて、被照明面を照明する光となる。６のハーフミラーを反射した反射光は、８のミラーと、７のレンズからなる光遅延光学系の所定の光路長を経て、６のハーフミラーに再入射する。６のハーフミラーでは再度、反射光と透過光に分岐され、反射光は、５の照明光学系に導光されて、先に照明光学系に導光された光と所定の光路差をつけられて被照明面を照明する光となる。ハーフミラーを透過した光は再度、光遅延光学系に入射し、所定の光路長を経てハーフミラーに再入射する。

レーザーから射出されたパルス光は、１パルスが上述のように分岐され、光路長差を付けられて合成されることにより、見かけ上複数パルスのパルス光として照明光学系に入射する。光速はほぼ３×１０^８ｍ／ｓであるので、例えば、４０ｎｓ光を遅延させるためには、１２ｍの光路差をつければよい。

５の照明系の例を図４に示す。１が光源となるレーザーであり、９が上記のパルスストレッチャ−である。１０は被照明面の照度を調整するためのＮＤフィルタであり、離散的、もしくは連続的に透過率が調整できるようになっている。１１は１段目のハエノ目レンズであり、複数のロッドレンズによって波面分割された光を、１２のコンデンサレンズを用いて１３の２段目のハエノ目レンズ入射面上に重畳的に重ね合わせることにより、１３の２段目のハエノ目レンズ入射面を略均一に照明している。１３の２段目のハエノ目レンズで再度、複数のロッドレンズによって波面分割され、１４のコンデンサレンズを通して１５の絞り面で重畳的に重ねあわされる。このようにすることにより、レーザーのプロファイルが、時間的に変化したり、装置とレーザー間で振動が発生しても、１５の絞り面で均一な照度分布が形成される。１５の絞りは有効光源形状を切出すための絞りである。１３のハエノ目レンズを構成するロッドレンズの断面形状は四角形、もしくは六角形であり、それに対応して、１５の絞り上の照度分布も四角形、もしくは六角形となる。レチクル上を照明する照明光の角度分布である有効光源形状は丸が良いので、有効光源形状を丸形状とするために１５の絞りで丸に光を切出している。

１６はリレーズーム光学系であり、１５の絞りで切出された均一な光を１７の３段目のハエノ目レンズ上に、倍率可変で投影する。投影露光装置においては有効光源形状を変えることによって、解像力、焦点深度が変わる。例えば、単純なラインアンドスペースパターンであれば、有効光源形状を小さくし、レチクル面を照明する光を平行光に近くし、位相シフトマスクと呼ばれるレチクルを用いることによって、解像力が向上し、焦点深度が拡大する。

１７の３段目のハエノ目レンズによって光は再度波面分割されて、１８のコンデンサレンズによって、１９のスリット上に投影される。これにより、被照明面と共役な面での均一な照度分布が形成される。１９はスリットであり、投影光学系の走査方向のスリット幅を規定する。スリット幅を走査方向と垂直な方向で変えて、照度むらを補正するということも行われている。２０は走行マスキングブレードであり、基板上の露光領域を規定する。走行マスキングブレードは後述のレチクル、ウエハーと同期して走査される。

２１はリレー光学系であり、２０の走行マスキングブレードを２２のレチクル上に投影している。２２はパターンの描画されたレチクルであり、照明系によって照明領域であるレチクルの１部が照明され、照明された状態で走査され、レチクルの露光領域が露光される。２３は投影レンズであり、前記照明されたレチクル領域を２４の感光剤の塗布されたウエハー上に投影する。２４のウエハーと２２のレチクル、２０の走行マスキングブレードは同期走査されて露光領域の露光をおこなう。

以上のようにしてパルス遅延回路を含む照明光学系を用いることによって、１パルスの光が複数のパルスに分散されて照明光学系に入射するので光学系に与えるパルス強度を下げることができ、光学系へのダメージを下げる方法が従来より提案されている。
特開平９−２８８２５１号公報

従来技術においては、パルス遅延回路において光を分岐するために、誘電体多層膜によって、透過率と反射率を調整したハーフミラーを使用している。しかし、誘電体多層膜の光学耐久を行ったところ、波長１５７ｎｍの光を１０ｍＪ／ｃｍ２の強度で、２００メガ（１Ｅ＋６）パルスの照射することにより、膜による吸収率が５％増加し、透過率が変化する事がわかった。露光装置においては、一年間で数ビリオン（１Ｅ＋９）パルスの照射を行うため、上記吸収率の上昇より、誘電体多層膜によるハーフミラーは露光装置での使用に耐えないことがわかった。つまり、従来技術においては、光学系の耐久性をあげるためのパルス遅延回路に耐久性がなく、照明装置全体としての耐久性が低いという問題があった。

本発明は、以上を鑑みて、高耐久性を備えたパルス遅延回路を備え、耐久性の高い照明装置を提供することを例示的な目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての照明光学装置は、パルスレーザーから射出された波長２００ｎｍ以下のパルス光を用いて被照明面を照明する照明光学装置において、照明光学装置がパルス光の時間的プロファイルを変換するパルス遅延回路を含み、前記パルス遅延回路が、透過領域と反射領域を持つ光分岐光学部材でパルス光を分岐し、透過領域と反射領域で分岐された光を可干渉距離以上の所定の光路差をつけて合成する構成であることを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施例等によって明らかにされるであろう。

パルス遅延回路の光分岐光学素子に、耐久性の高い全反射膜からなる波面分割型光分岐光学素子を使用することにより、耐久性の高い、パルス光のパルス強度を下げるパルス遅延回路を得ることができ、耐久性の高い照明光学装置、光学性能変化の少ない投影光学系を得ることができる。

我々の耐久結果によれば、波長１５７ｎｍの光の照射に対して、全反射膜は高い耐久性を持つことがわかった。これは、膜と硝材の界面において、耐久による吸収率の増加が起きているためであり、ハーフミラーの場合は透過光が界面に作用して吸収率が増加するのに対して、反射膜の場合には、光が界面まで到達しないため、吸収率の増加が発生しないからである。

ただし、１５７ｎｍ等の短い波長では、使用できる膜材が少ない為、誘電体多層膜で完全に反射のみの全反射膜を作ることが難しい。なお、本発明で全反射膜と呼んでいるものは、アルミなどの金属反射膜、もしくは誘電体多層反射膜の透過率１０％未満の高反射膜のことである。

本発明は、この耐久結果をもとに、誘電体多層膜によるハーフミラーで光を振幅分割するのに代えて、透過領域と反射領域が配置された光学部材によって、光を波面分割することによって光を分岐し、パルス遅延回路を構成することにより、高耐久なパルス遅延回路を備えた照明光学装置を提供するものである。

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の第１の実施例を図１を用いて説明する。

１はパルス光を発振するレーザーであり、ＫｒＦエキシマレーザー、ＡｒＦエキシマレーザー、Ｆ２レーザーなどが使用される。２は波面分割型光分岐光学部材である。図２に２の波面分割型光分岐光学部材の詳細を示す。図２の左図が波面分割型光分岐光学部材を正面から見た図である。図の塗りつぶした部分が反射領域であり、塗りつぶしていない部分が透過領域である。光束の分岐方法は、一つの光線が入射した場所によって、透過光となるか、反射光となるかのどちらかであり、ある太さを持った光束を二つの光束に分ける、いわゆる波面分割型と呼ばれる分岐方法である。例えば、φ（ｚ、ｔ）＝Ａ×ｅｘｐ（２πｉ（νｔ−ｚ／λ））と書かれる、波長λ、周波数ν、振幅Ａの光線が入射したとすると、φ_Ｔ（ｚ、ｔ）＝Ａ×ｅｘｐ（２πｉ（νｔ−ｚ／λ））という透過光か、もしくはφ_Ｒ（ｚ、ｔ）＝Ａ×ｅｘｐ（２πｉ（νｔ−ｚ／λ））という反射光に、入射した場所によって変換される。

波面分割型光分岐光学部材の透過領域透過領域と反射領域は所定の周期で繰り返し配置されている。波面分割型光分岐光学部材によって分岐された光束のパルス強度を実質的に緩和するためには、レーザービームを細かく波面分割する必要がある。なぜならば、波面分割型光分岐光学部材で分岐した光は前述のように、場所ごとに分岐されるだけであるために、波面分割型光分岐光学部材と共役な場所にされた光学部材に対しては、パルス強度が緩和されないからである。例えば、共役な場所に配置された光学部材に対するパルス強度は、透過領域と共役な部分にパルス光があたる時間と、反射領域と共役な部分にパルス光があたる時間が異なるだけで、光学部材の各点でのパルス強度は緩和されていない。共役面からデフォーカスすることにより、透過領域を通る光線と反射領域で反射した光線が混合し、実質的に光学部材の各点でのパルス強度を緩和することができる。透過領域を透過した光線と反射領域で反射した光線が混合するために必要なデフォーカス量は透過領域と反射領域の繰り返し周期が小さいほど小さくなり、パルス遅延回路によるパルス強度緩和効果が得られる光学部材が多くなる。

しかし一方で、繰り返し周期を小さくしすぎると、波面分割型光分岐光学素子が回折光学素子としての働きが顕著になり、回折光が照明光学系の有効径外に飛び、光利用効率が低下してしまう。回折光の回折角は、λ＝ｄ×ｓｉｎθを満足する角度θである。λは光の波長、ｄは回折光学素子の繰り返し周期である。回折角が１度以上となると、照明光学系で蹴られる光が無視できなくなる。そこで、光の波長を１５７ｎｍとすると、回折光学素子の繰り返し周期を９μｍ以上にすることによって、光利用効率の低下を招かずに光を分岐することが可能となる。

波面分割型光分岐光学素子の透過率と反射率は、反射領域と透過領域の面積比を変えることで調整することが可能で、例えば、図２に示した繰返し周期１００μｍで１次元に繰り返し配置された波面分割型光分岐光学素子で、透過率を３０％、反射率を７０％としたい場合には、透過領域の幅を３０μｍ、反射領域の幅を７０μｍとすればよい。図２の例では１次元に透過領域と反射領域が繰り返し配置された例を示したが、図６に示すように、市松状や、ドット状、さらには、ランダムに透過領域と反射領域を配置したものでも、全体として反射領域と透過領域が所定の面積比となるようになっていれば構わない。

２の波面分割型光分岐光学素子を透過した透過光は、そのまま５の照明光学系に導光されて、被照明面を照明する光となる。２の波面分割型光分岐光学素子を反射した反射光は、３と４の球面ミラーからなる光遅延光学系の所定の光路長を経て、２の波面分割型光分岐光学素子に再入射する。３と４からなる光遅延光学系は収差が十分に取られた結像系であり、反射領域から反射した光が反射領域にもどるようにしておけば、２の波面分割型光分岐光学部材に再入射した光は、反射光され、５の照明光学系に導光されて、先に照明光学系に導光された光と所定の光路差をつけられて被照明面を照明する光となる。反射領域から反射領域に戻るようにするには、波面分割型光学部材の厚みがあるために、偏心を含むミラー結像系にするか、波面分割型光学部材の厚みと同じ平行平板を挿入し、シフトを打ち消すように配置するか、シフトする方向と垂直に反射領域と透過領域の繰り返し方向を配置する必要がある。

レーザーから射出されたパルス光は、１パルスが上述のように分岐され、光路長差を付けられて合成されることにより、見かけ上複数パルスのパルス光として照明光学系に入射する。光速はほぼ３×１０^８ｍ／ｓであるので、例えば、４０ｎｓ光を遅延させるためには、１２ｍの光路差をつければよい。

５の照明光学系としていかなるものを持ってきてもよく、例えば、図４の従来例で説明した照明光学系が用いられる。

以上のようにして、耐久性の良い全反射膜を使用した光分岐光学部材を使用したことによりパルス遅延回路の耐久性を向上することができ、かつ１パルスの光が複数のパルスに分散されて照明光学系に入射するので光学系に与えるパルス強度を下げることができるので、高耐久な照明光学装置と、光学性能変化の少ない露光装置を提供することができる。

図５を用いて本発明の第２の実施例を説明する。第２の実施例と第１の実施例の異なるところは、波面分割型光分岐光学素子の構成のみであり、他の部分については第１の実施例と同じである。第１の実施例においては、光分岐素子の第１面で反射した光は、光遅延回路をえて、第２面から入り第１面で光を反射する構成であった。この場合、第２面から入った光は、第１面の膜と硝材の界面を通るため、界面の耐久による吸収率の増加が起こす可能性がある。第２の実施例は以上の問題を解決するためのものであり、図５に示すように、第２面にさらに反射領域と透過領域を配置して、パルス遅延回路を通った光を第２面に成膜された反射膜によって反射するようにしたものである。

第１面と第２面の透過領域と反射領域の配置は傾けた状態で、第１面から入射し透過した光が第２面を透過するように、第２面から入射し透過した光が第１面を透過するように配置されている。以上のようにすることにより、全反射膜の界面に光が到達しないため、反射膜の耐久性を向上することができ、高耐久なパルス遅延回路を備えた照明光学装置と、光学性能変化の少ない露光装置を提供することができる。

第１、第２の実施例においては、光遅延光学系が収差が十分に取られた結像系であったが、第３の実施例では、結像系に所定のボケ量をあたえる、もしくは、平行平板、もしくは偏心結像系とすることによって所定量シフトさせることにより、波面分割型光分岐光学素子の反射領域で反射した光を、遅延光学系を経て、波面分割型光分岐光学素子の反射領域のみならず、透過領域にも戻す。これにより、波面分割型光分岐光学素子に戻ってきた光が再度、反射光と、透過光に分岐されるため、第１、第２の実施例では、１パルスの光が２パルスにしか分割されていなかったが、第３の実施例では１パルスの光が複数のパルスに分割される。パルス遅延回路の透過率が１００％で、光分岐光学素子の吸収率が０であれば、無限パルスに分割されるが、実際にはパルス遅延回路の透過率が１００％ではなく、光分岐光学素子の吸収率が０ではないため、実効的には３〜５パルスに分割される。これにより、第１、第２の実施例に比べて、光学系へのパルス強度を下げることが出来る。

次に、上述の露光装置を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。

図７は半導体装置（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネルやＣＣＤ）の製造フローを示す。ステップ１（回路設計）では半導体装置の回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスク（レチクル）を製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハとを用いて、リソグラフィー技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４よって作成されたウエハを用いてチップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作成された半導体装置の動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体装置が完成し、これが出荷（ステップ７）される。

図８は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２ではウエハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハにレジスト（感材）を塗布する。ステップ１６（露光）では上述の露光装置によってマスクの回路パタ−ンの像でウエハを露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらステップを繰り返し行なうことによりウエハ上に回路パタ−ンが形成される。

本実施例の製造方法を用いれば、従来は難しかった高集積度のデバイスを製造することが可能になる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明の第１の実施例を表す図である。 本発明の波面分割型光分岐光学部材の第１の実施例を表す図である。 従来例を表す図である。 照明光学系の実施例を表す図である。 本発明の波面分割型光分岐光学部材の第２の実施例を表す図である。 波面分割型光分岐光学素子の反射領域と透過領域の配置の例を表す図である。 デバイスの製造フローを示す図である。 図７のウエハプロセスを示す図である。

符号の説明

１ レーザー
２ 波面分割型光分岐光学部材
３ 凹面ミラー
４ 凹面ミラー
５ 照明光学系
６ 誘電体多層膜ハーフミラー
７ レンズ
８ 平面ミラー
９ パルス遅延回路
１０ フィルタ
１１ ハエノ目レンズ
１２ コンデンサレンズ
１３ ハエノ目レンズ
１４ コンデンサレンズ
１５ 絞り
１６ リレーズーム光学系
１７ ハエノ目レンズ
１８ コンデンサレンズ
１９ スリット
２０ 走行マスキングブレード
２１ リレー光学系
２２ レチクル
２３ 投影光学系
２４ ウエハー

Claims (5)

1. パルスレーザーから射出された波長２００ｎｍ以下のパルス光を用いて被照明面を照明する照明光学装置において、照明光学装置がパルス光の時間的プロファイルを変換するパルス遅延回路を含み、前記パルス遅延回路が、透過領域と反射領域を持つ光分岐光学部材でパルス光を分岐し、透過領域と反射領域で分岐された光を可干渉距離以上の所定の光路差をつけて合成する構成であることを特徴とする照明光学装置。
2. 前記光分岐光学部材の、透過領域と反射領域の繰り返し周期が９μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
3. 前記パルス遅延回路は、前記光分岐光学部材により分岐された、透過光もしくは、反射光を、可干渉距離以上の所定の光路長を経て、前記光分岐光学部材の位置にミラー結像系で再結像させて合成する構成であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
4. レーザーから射出された光で、パターンの描画されたレチクル面を照明する照明光学装置と、レチクルのパターンを感光剤の塗布された基板上に投影する、投影光学装置とを備えた投影露光装置において、前記照明光学装置が、請求項１から３のいずれかに記載のものであることを特徴とする投影露光装置。
5. 請求項４記載の投影露光装置を用いて基板を露光し、該露光された基板を現像することを特徴とするデバイス製造方法。

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