JP2006189570A - 液浸光学系および光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液浸光学系において、ＮＡを最終レンズに用いられる硝材の屈折率の屈折率近傍以上まで高める。
【解決手段】 光源からの光１０を第１の面１３ａに向かって集束させる光学系であり、該第１の面に最も近いレンズ面１１ａが凹面であるレンズ１１と、該レンズ面と第１の面との間の光の透過領域を満たす液体１２とを有する。さらに、以下の条件を満足する。
ｄ＞Ｌ／［２×ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎｉ）｝］
但し、第１の面に対して略直交する方向において該レンズ面上の第１の点１１ｂと第１の面上の第２の点１３ｂとの間の距離が最大となる場合に、ｄは第１の点と第２の点との間の距離、Ｌ／２は第２の点から第１の面上での光の照射領域Ｌの端までの最大距離、ＮＡは該光学系の開口数、ｎｉは該液体の屈折率である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源からの光を物体上に収束させる光学系であって、最終レンズ面と物体との間に液体を満たした液浸光学系およびこれを備えた光学装置に関するものである。

顕微鏡や半導体露光装置等の光学系の解像度を高めるために、物体と光学系の最終レンズ面との間に、屈折率が１より大きい液浸媒質を満たし、実効的な開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）を高める液浸法が用いられている。この種の液浸法を用いた光学系の最終レンズ面は、液浸媒質の充填しやすさから平面形状とされることが多い。

図１８には、従来の液浸法を用いた光学系を示すものである。該光学系は、最終レンズ２０１と、液浸媒質２０２とを有して構成され、光束２００は、レンズ２０１に入射し、液浸媒質２０２を透過しながら物体２０３上に最大入射角度θｉで集束される。この場合の光学系のＮＡは、液浸媒質の屈折率をｎｉとすると、
ＮＡ＝ｎｉ×ｓｉｎθｉ
となる。また、解像度Ｒと焦点深度ＤＯＦは、波長をλとすると、
Ｒ＝ｋ１×λ／ＮＡ
ＤＯＦ＝ｋ２×λ／［２×ｎｉ×｛１−（１−（ＮＡ／ｎｉ）^２｝^１／２｝］
と表される。ここで、ｋ１，ｋ２はプロセスや照明条件に依存する比例定数である。

したがって、ＮＡを高めることで解像度Ｒは値が小さくなり、より微細な光学像を得ることが可能となる。

また、ＮＡを高めることで焦点深度ＤＯＦは増大するため、物体位置の誤差やフォーカス位置の誤差による光学像の劣化を低減することが可能となる。

ここで、レンズと物体間が空気であるとし、空気の屈折率を１．０、空気中の最大入射角をθ０とすると、θ０の最大角が９０°であるため、ＮＡの最大値は１となり、解像度Ｒを小さくすることが不可能となる。しかし、レンズと物体間に屈折率ｎｉが１より大きい液浸媒質を満たすことで、ＮＡを１より高めることが可能となり、より小さい解像度（高い解像力）の光学系でありながらも焦点深度ＤＯＦの増大が可能となる。

また、最終面が平面の光学系を用いる場合には、液浸媒質が有る場合と無い場合とでは液浸媒質の厚みによる球面収差が発生する。この収差の発生を低減するために、半導体露光装置における液浸投影光学系の最終面の曲率半径を規定していた技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１９には、従来の液浸投影光学系の最終レンズの周辺を示している。この図に示すように、液浸投影光学系は、最終レンズ２０１と、液浸媒質２０２と、液浸媒質を満たす槽２０４とから構成されている。光束２００は、レンズ２０１に入射し、液浸媒質２０２を透過しながら物体２０３上に最大入射角θｉで集束される。このとき、レンズ２０１の最終面は、物体２０３上の一点を中心とした凹面状の球面形状となっている。この形状を用いることで、レンズ２０１の最終面と液浸媒質２０２との境界面に垂直に光が入射することになるため、屈折率差があっても光が屈折することなく物体２０３上に集光する。このため、液浸媒質を取り除いても、平行平板で生じるような球面収差は生じない。
特開２０００−５８４３６公報（段落０００９〜００１１、図２等）

しかしながら、図１８に示すように、最終レンズ面が平面の場合は、該レンズの硝材の屈折率をｎｌ、液浸媒質の屈折率をｎｉ０としたときに、ｎｉ０＜ｎｌという条件でのＮＡの最大値ＮＡ０は、液浸媒質の屈折率ｎｉと液浸媒質中への最大入射角θｉとで決定され、
ＮＡ０＝ｎｉ０×ｓｉｎθｉ
となる。ｓｉｎθｉの理論上の最大値は１であるが、実際にはｓｉｎθｉが１に近づくにつれて最終レンズ面での反射率が急激に高くなるため、ＮＡを液浸媒質の屈折率ｎｉ０近傍まで高めることができない。

さらに、ＮＡを高めるために、硝材の屈折率ｎｌより高い屈折率ｎｉを有する液浸媒質を用いた場合、ＮＡの最大値ＮＡ１は、硝材の屈折率ｎｌと硝材への最大入射角θｌとで決定され、
ＮＡ１＝ｎｌ×ｓｉｎθｌ
となる。

この場合、ｎｉ０＜ｎｌ＜ｎｉであり、ｓｉｎθｌの理論上の最大値は１であるから、ＮＡをｎｉ０以上に高めることはできるものの、硝材の屈折率ｎｌの近傍以上に高めることができない。つまり、レンズ硝材の屈折率より高い屈折率を有する液浸媒質を用いた場合においても、最終レンズ面に入射した光のうち入射角度が大きい光が最終レンズ面で全反射し、その光は物体まで到達しないため、光学系のＮＡを硝材の屈折率近傍まで高めることができず、さらに理論的にＮＡを硝材の屈折率以上に高めることができない。

図２０には、硝材の屈折率ｎｌ＝１．５０、液浸媒質の屈折率ｎｉ＝１．６３、入射光がＰ偏光の場合における、最終レンズ面における光強度反射率のＮＡ依存性、すなわち光束の最大入射角依存性を示す。図２１には、同様に、入射光がＳ偏光の場合における、反射率のＮＡ依存性を示す。これらの図より、ＮＡが硝材の屈折率ｎｌ＝１．５０に近づいた場合、例えばＮＡ＝１．４８での最大入射角の光のうち、Ｐ偏光では１６．５％、Ｓ偏光では２２．４％の光が反射してしまい、結像特性が急激に劣化する。このため、ＮＡを硝材の屈折率近傍まで高めることができない。さらに、ＮＡを硝材の屈折率と等しい値まで高めると、最大入射角の光はすべて反射してしまうため、光学系のＮＡを硝材の屈折率以上にすることが不可能となる。

このように最終レンズ面が平面の場合に光学系のＮＡを硝材の屈折率近傍以上に高めることができないという課題は、最終レンズ面をＮＡに応じた曲率半径を有した形状にすれば解決できる。しかし、この場合でも、特許文献１にて提案されている、最終レンズ面の曲率半径を規定した構成では、物体に光が照射される領域の広がりを考慮していないため、焦点位置の１点ではλ／ＮＡに比例した良好なスポット像が得られるものの、光照射領域全面で良好な光学像を形成できない。

本発明は、ＮＡを最終レンズに用いられる硝材の屈折率の屈折率近傍以上まで高めることが可能な液浸光学系およびこれを備えた光学装置を提供することを目的の１つとする。

一側面としての本発明は、光源からの光を第１の面に向かって集束させる光学系であり、該第１の面に最も近いレンズ面が凹面であるレンズと、該レンズ面と第１の面との間の光の透過領域を満たす液体とを有し、さらに、以下の条件を満足することを特徴とする。

ｄ＞Ｌ／［２×ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎｉ）｝］
ここで、第１の面に対して略直交する方向において該レンズ面上の第１の点と第１の面上の第２の点との間の距離が最大となる場合に、ｄは第１の点と第２の点との間の距離、Ｌ／２は第２の点から第１の面上での光の照射領域の端までの最大距離、ＮＡは該光学系の開口数、ｎｉは該液体の屈折率である。

本発明によれば、液浸法を用いた光学系において、該光学系のＮＡを最終レンズの屈折率近傍以上に高めることができる。これにより、例えば該光学系を半導体露光装置の投影光学系に用いた場合には、開口数を高めつつ良好な結像性能を得ることができ、従来に比べて、より微細なパターン転写を高速で行うことができるようになる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である液浸光学系の要部構成を示す。該光学系は、不図示の光源からの光束１０を、不図示の屈折系および反射系のうち少なくとも一方によって、物体１３が配置された第１の面（像面）１３ａに最も近い最終レンズ１１まで導き、さらに該最終レンズ１１の物体側のレンズ面（すなわち、該光学系において最も物体１３に近いレンズ面：以下、最終レンズ面という）１１ａから射出した光を、該最終レンズ面１１ａと物体１３との間の領域を満たす液体としての液浸媒質１２を透過させて該第１の面１３ａ上に所定の光照射領域Ｌを形成する。最終レンズ１１を透過した光束１０は、最終レンズ面１１ａと液浸媒質１２との境界面で透過又は屈折し、集束するように物体１３上に進む。

入射光束１０のうち光束Ｌ０は、物体１３上の光照射領域Ｌの中央に集光し、光束Ｌ１は光照射領域Ｌの端に集光する。

最終レンズ面１１ａは、物体側に向かって凹形状を有する。また、最終レンズ面１１ａのうち第１の面１３ａに対して略直交する方向において、該最終レンズ面１１ａ上の第１の点１１ｂと第１の面１３ａ上の第２の点１３ｂとの間の距離が最大となる場合に、該距離をｄとする。

ここで、第１の点１１ｂは、一般には最終レンズ１１の光軸（但し、該光軸上を光線が通る必要はない）若しくは回転対称軸上の点であり、別の表現を用いれば、最終レンズ面１１ａの中心である。また、上記光軸又は回転対称軸と物体１３上の第１の面との交点は、光照射領域Ｌの中心である。なお、本実施例において、第１の面１３ａは平面とし、収差がなく平面として形成された理想的な像面に相当する。

また、「第１の面１３ａに対して略直交する方向」とは、第１の面１３ａに対して正確に直交する方向だけでなく、最終レンズ１１や物体１３の偏心や傾き等に起因する、光学性能に影響を与えない誤差の許容範囲内で該直交方向に対して傾きを有する場合も含む意味である。また、この方向の直線を、以下の説明においては単に物体の法線と称する場合がある。

このような構成の液浸光学系を、光学装置の１つである半導体露光装置の投影光学系に適用した場合について、図１４を併せ用いて説明する。

図１４において、本発明の一側面としての露光装置について説明する。ここで、図１は、露光装置の概略構成を示すブロック図である。

露光装置１００は、回路パターンが形成された原版（マスク又はレチクル：以下、マスクという）１０１を照明する照明装置１０２と、被露光体であるウェハ等のプレート（以下、ウェハという）１０３を支持するステージ１０４と、照明されたマスク１０１のパターンからの光（回折光）をウェハ１０３に投影する、上述した液浸光学系としての投影光学系１０５とを有する。なお、投影光学系１０５は、その最終レンズ面とウェハ１０３との間に満たされた液浸媒質１２を含み、該液浸媒質１２は漕１４内に満たされている。これについては詳しく後述する。

露光装置１００は、例えばステップアンドリピート方式やステップアンドスキャン方式でマスク１０１に形成された回路パターンをウェハ１０３に露光する投影露光装置である。この露光装置１００は、サブミクロンやクオーターミクロン以下のリソグラフィ工程に好適であり、以下、本実施例ではステップアンドスキャン方式の露光装置（「スキャナ」とも呼ばれる）を例に説明する。

ここで、「ステップアンドスキャン方式」は、マスクに対してウェハを連続的にスキャンしてマスクパターンをウェハに露光すると共に、１ショットの露光終了後にウェハをステップ移動して、次のショットの露光領域に移動する露光方法である。一方、「ステップアンドリピート方式」は、ウェハのショットの一括露光ごとにウェハをステップ移動して次のショットを露光領域に移動する露光方法である。

照明装置１０２は、光源部と照明光学系とを有し、転写用の回路パターンが形成されたマスク１０１を照明する。

光源部は、例えば、レーザ光源により構成される。レーザは、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ、波長約１５７ｎｍのＦ２エキシマレーザなどを使用することができるが、レーザの種類はエキシマレーザに限定されず、例えば、ＹＡＧレーザを使用してもよいし、そのレーザの個数も限定されない。

例えば、独立に動作する２個の固体レーザを使用すれば固体レーザ間相互のコヒーレンスはなく、コヒーレンスに起因するスペックルはかなり低減する。さらにスペックルを低減するために光学系を直線的又は回動的に揺動させてもよい。また、光源部 にレーザが使用される場合、レーザ光源からの平行光束を所望のビーム形状に整形する光束整形光学系、コヒーレントなレーザ光束をインコヒーレント化するインコヒーレント化光学系を使用することが好ましい。また、光源部に使用可能な光源はレーザに限定されるものではなく、一又は複数の水銀ランプやキセノンランプなどのランプも使用可能である。

照明光学系は、光源部からの光でマスク１０１上を照明するための光学系であり、レンズ、ミラー、ライトインテグレータ、絞り等を含む。例えば、光源側から順に、コンデンサーレンズ、ハエの目レンズ、開口絞り、コンデンサーレンズ、スリット、結像光学系により構成される。照明光学系は、軸上光、軸外光を問わず使用することができる。ライトインテグレータは、ハエの目レンズや２組のシリンドリカルレンズアレイ（又はレンチキュラーレンズ）板を重ねることによって構成されるインテグレーター等を含むが、光学ロッドや回折素子に置換される場合もある。

マスク１０１は、例えば石英により形成され、その上には転写されるべき回路パターン（又は像）が形成されている。マスク１０１は、図示しないマスクステージにより支持され、駆動される。マスク１０１から発せられた回折光は投影光学系１０５を通り、ウェハ１０３上に投影される。プレート１０３は被処理体であり、その被照射面側にはレジストが塗布されている。マスク１０１とウェハ１０３とは共役の関係にある。

走査型投影露光装置の場合は、マスクとウェハを走査することによりマスクのパターンをウェハ上に転写する。ステッパ（ステップアンドリピート露光方式の露光装置）の場合はマスクとウェハを静止させた状態で露光が行われる。

なお、投影光学系１０５において、色収差の補正の必要な場合には、互いに分散値（アッベ値）の異なるガラス材からなる複数のレンズ素子を使用したり、回折光学素子をレンズ素子と逆方向の分散が生じるように使用したりする。

ウェハ１０３上にはフォトレジストが塗布されている。フォトレジスト塗布工程は、前処理と、密着性向上剤の塗布処理と、フォトレジストの塗布処理と、プリベーク処理とを含む。前処理は洗浄、乾燥などを含む。

密着性向上剤の塗布処理は、フォトレジストと下地との密着性を高めるための表面改質（即ち、界面活性剤塗布による疎水性化）処理であり、ＨＭＤＳ（Hexamethyl-disilazane）などの有機膜をコート又は蒸気処理する。プリベークはベーキング（焼成）工程であるが、現像後のそれよりもソフトであり、溶剤を除去する。

ステージ１０４は、ウェハ１０３を支持する。ステージ１０４は、当業界で周知のいかなる構成をも適用することができるので、ここでは詳しい構造及び動作の説明は省略する。例えば、ステージ１０４はリニアモータを利用してＸＹ方向（例えば、水平方向）にウェハ１０３を移動することができる。例えば、マスク１０１とウェハ１０３は同期走査され、ステージ１０４と図示しないマスクステージの位置は、レーザ干渉計などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。また、ステージ１０４は、例えば、ダンパを介して床等の上に支持されるステージ定盤上に設けられ、マスクステージおよび投影光学系１０５は、例えば、床等に載置されたベースフレーム上にダンパ等を介して支持される図示しない鏡筒定盤上に設けられる。

露光工程において、照明装置１０２の光源部から発せられた光束は、照明光学系によりマスク １０１を、例えばケーラー照明する。マスク１０１に入射してマスクパターンを反映する光は、投影光学系１０５によりウェハ１０３上に結像される。この際、マスクパターンの像は、投影光学系１０５により縮小されてウェハ１０３上に形成される。

以下、投影光学系１０５に注目してより詳しく図１を用いて説明する。光源から照明光学系１０２およびマスク１０１を介した光（ここでは、波長１９３ｎｍのレーザ光とする）は、投影光学系１０５に入射し、該投影光学系１０５の最終レンズ１１に到達する。

最終レンズに到達した光１０は、最終レンズ１１から液浸媒質１２を経て、物体に相当するウェハ１３に照射される。ウェハ１３上には、光と相互作用が生じるレジストが塗布してあり、ウェハ１３上に、マスクのパターンが結像され、レジストにパターンが転写される。この場合、半導体露光のスループットを向上させるために、ウェハ１３に転写されるパターン領域は、一定以上の大きさをもつことが必要である。ＡｒＦレーザを用いたスキャン方式の半導体露光装置では、マスクに光が照射される領域は、ある大きさを有するスリットにより決定され、ウェハ１３上では、その領域の大きさに投影光学系の倍率を乗じた大きさの領域に光が結像される。

通常、レチクルは６ｉｎｃｈ角であり、投影光学系の倍率が１／４の場合、ウェハ１３上に一度に光を照射する領域の最大長さは２６ｍｍ程度である。

ここで、前述したように、最終レンズ面が平面である構成では、硝材の屈折率ｎｌと液浸媒質の屈折率ｎｉ０とがｎｉ０＜ｎｌの場合、ＮＡの最大値ＮＡ０は、液浸媒質の屈折率ｎｉ０と液浸媒質への最大入射角θｉとで決定され、
ＮＡ０＝ｎｉ０×ｓｉｎθｉ
となる。ｓｉｎθｉの理論上の最大値は１であるが、実際にはｓｉｎθｉが１に近づくにつれて最終レンズ面での反射率が急激に高くなるため、ＮＡを液浸媒質の屈折率ｎｉ０の近傍にまで高めることができない。この問題を解決するためには、最終レンズ面の形状を凹面形状にすればよいが、該凹面形状を単純にウェハ１３上の一点を中心とした曲率半径の形状を有する形状にした場合、物体に光が照射される領域全面で良好な結像特性を得ることが難しい。

図２に、ウェハ１３上の一点を中心とした曲率半径を持つ球面形状を有した最終レンズ面を用いた場合の液浸光学系を示す。図２には、曲率半径ｄの凹球面形状を有する最終レンズ面１１ａ′を有した最終レンズ１１′と、液浸媒質１２と、最終レンズ１１′から距離ｄだけ離れた位置に配置されたウェハ１３とを示している。不図示の光源から最終レンズ１１′に導かれた入射光束１０は、最終レンズ１１′を透過し、最終レンズ面１１ａ′と液浸媒質１２との境界面で透過又は屈折してウェハ１３上の露光領域Ｌに光を照射する。

入射光束１０のうち、光束Ｌ０は露光領域Ｌの中央に集光し、光束Ｌ１は露光領域Ｌの端に集光する。光束Ｌ０は、最終レンズ面１１ａ′の曲率半径の中心に集光するため、最大入射角度θの光線も、最終レンズ面１１ａ′と液浸媒質１２との境界面に垂直に入射する。したがって、反射率の増加、つまり透過率の減少は生じない。

光束Ｌ１のうち最大入射角度の光線Ｌ１ｍａｘは、液浸媒質１２中において、入射角度θで露光領域Ｌの端へ照射される。

ここで、例えば、露光領域Ｌの中心を通る物体（ウェハ）１３の法線が最終レンズ１１′の中心を通る場合には、該法線と該物体１３とが交差する点（第２の点）から物体１３上の光照射領域（露光領域）Ｌまでの距離の最大値はＬ／２となる。

この場合に、
ｄ×ｔａｎθ＜Ｌ／２
であると、最大入射角度を持つ光線Ｌ１ｍａｘは、最終レンズ面が平面である方が、凹面である場合に比べて、最終レンズ面と液浸媒質との境界面に入射する角度が大きくなり、透過率が減少し、さらには、光線が全反射して光照射領域Ｌの端での結像性能が劣化する。

このような場合には、光照射領域Ｌの全面で良好な結像特性を得ることができないため、該光学系を半導体露光装置に適用した場合、露光領域内で転写パターンが大きく変動し、また解像できないパターンが発生することになり、半導体回路パターンの作製には向かなくなる。

一方、図１に示すように、
ｄ×ｔａｎθ＞Ｌ／２
とすることで、最終レンズ面が平面の場合に比べて凹面の場合の方が、最大入射角度を持つ光線Ｌ１ｍａｘの上記境界面への入射角度を小さくすることが可能となる。したがって、光線最大入射角度を最終レンズ面が平面である場合に比べて大きくすることができる。つまり、露光領域Ｌの端においても、ＮＡを高くすることが可能となる。

このとき、距離ｄの範囲は、ＮＡをＮＡの値（開口数）とするとき、
ｄ＞Ｌ／［２×ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎｉ０）｝］
で表される。なお、ａｒｃｓｉｎはｓｉｎの逆三角関数である。

このように構成された液浸光学系を用いることで、光照射領域の端においても、ＮＡを液浸媒質の屈折率ｎｉ０の近傍まで高めることが可能となる。すなわち、露光装置においては、露光領域全域で良好な結像特性が得られ、かつ高ＮＡの装置を実現することが可能となる。

ところで、硝材の屈折率ｎｌと液浸媒質の屈折率ｎｉ０が、ｎｉ０＜ｎｌの関係を満たす場合、ＮＡをｎｉ０より高めることが理論上不可能である。そこで、硝材の屈折率ｎｌより高い屈折率ｎｉを有する液浸媒質を用いる、つまり、
（ｎｉ０＜）ｎｌ＜ｎｉ …（１）
の関係を満たす場合を考える。

この場合において、最終レンズ面が平面であると、ＮＡの最大値ＮＡ１は、硝材の屈折率ｎｌと硝材への最大入射角度θｌで決定され、
ＮＡ１＝ｎｌ×ｓｉｎθｌ
となる。この式からわかるように、最終レンズ面が平面である場合は、ＮＡをｎｉ０以上に高めることはできるものの、硝材の屈折率ｎｌ以上に高めることができない。

一方、ｎｌ＜ｎｉを満たした上で最終レンズ面を凹面形状とし、かつｄの範囲を、
ｄ＞Ｌ／［２×ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎｉ）｝］ …（２）
で表される範囲とすれば、光照射領域Ｌの端においても、ＮＡを硝材の屈折率ｎｌより高めることが可能となる。これにより、露光装置においては、露光領域全面で良好な結像特性が得られ、かつ、従来よりも高ＮＡとすることが可能となる。

例えば、光源を波長λ＝１９３ｎｍのＡｒＦレーザ、最終レンズの硝材をＣａＦ２（蛍石）とすると、屈折率ｎｌ＝１．５０となる。液浸媒質としては、例えば、「Bruce W. Smith, Anatoly Bourov, Yongfa Fan, Lena Zavalova, Neal Lafferty and Frank Cropanse, “Approaching the numerical aperture of water-Immersion lithography at 193nm“, Proc. SPIE. Vol. 5377, P. 281 (2004)」に記載された１７％リン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）を用いると、波長１９３ｎｍにおいてｎｉ＝１．６３の屈折率が得られる。

このように、液浸媒質の屈折率ｎｉが最終レンズの硝材の屈折率ｎｌより高い場合でも、本実施例の光学系を用いることで、ＮＡを硝材の屈折率ｎｌ＝１．５０の近傍以上にすることが可能となり、露光領域全体でＮＡ＝１．５０の近傍以上となる露光装置を実現できる。このとき、図１において、ＮＡとウェハ１３上の露光領域Ｌの中心から最終レンズ面１１ａの中心までの距離ｄとの関係は、露光領域（の長さ）Ｌを２６ｍｍとすれば、図３に示す関係となる。この図から分かるように、ＮＡ＝１．６０の光学系を実現する場合、ｄ＞２．５ｍｍであればよい。

また、液浸媒質が光を吸収することによって、光の透過率が減少する。そして、透過率の減少によって、ウェハに照射される光強度が低下するため、露光処理時間ＥＴが長くなる。このため、単位時間で露光処理できるウェハの枚数、つまりスループットの低下を招く。スループットが低下すると、半導体集積回路チップのコストアップに繋がるため、できる限りスループットを高くしなければならない。スループットは、ウェハ搬送や、ウェハスキャン、アライメント、露光処理時間ＥＴ等で決定される。

露光処理時間ＥＴの増加を通常の２倍まで許すとすれば、露光処理時間ＥＴは透過率Ｔに反比例して短くなるため、透過率Ｔは５０％以上必要となる。

ここで、透過率Ｔは、液浸媒質の吸収係数をα、最終レンズ面からウェハ面までの距離をｄとすると、
Ｔ＝１０^−α×ｄ
と表すことができる。ここで、吸収係数αは、入射光の強度が１／１０となる距離の逆数である。よって、Ｔ＞５０％とするためには、
ｄ＜０．３０／α …（３）
とすればよい。この関係を満たす距離ｄであれば、スループットの低下を実用的な範囲内に抑えることが可能となる。例えば、液浸媒質が水である場合、「M.Switkes, R.R.Kunz, R.F.Sinta, M.Rothchild, P.M.Gallagher-Wetmore, V.J.Krukonis and K.Williams，“Immersion Liquids for Lithography in the Deep Ultraviolet“,Proc.SPIE,Vol.5040,P.690(2003)」によれば、波長１９３ｎｍの場合には、α＝０．０３６ｃｍ^−１程度となり、ｄ＜８．３ｃｍとなる。

ここで、最終レンズ面を凹面形状にすることで、最終レンズ面の周囲にノズルを配置して最終レンズ面とウェハとの間の光照射領域のみにノズルを介して液浸媒質を挿入し、循環させると、気泡が発生し、発生した気泡が最終レンズ面の下側に残留し易くなる。この場合には、例えば、特公昭６３−４９８９３号公報にて開示された、液浸媒質をレンズとウェハ間の光照射領域のみに満たす方式、いわゆるローカルフィル方式より、最終レンズ面とウェハとを、槽内に満たした液浸媒質中に配置するのが望ましい。

この場合の構成を図４に示す。図４には、液浸媒質１２を満たした槽１４と、該漕１４内において最終レンズ面１１ａの中心が液浸媒質１２の漕内高さよりも低い位置になるように配置された最終レンズ１１と、漕１４内の液浸媒質１２内において最終レンズ面１１ａから距離ｄだけ離れた位置に配置されたウェハ１３とを示している。このような構成を採ることで、不図示のウェハステージによってウェハ１３をスキャン動作させ、逐次露光を行う場合においても、スキャン動作により気泡が発生せず、凹面である最終レンズ面１１ａに気泡が付着することがない。したがって、露光領域全域に欠陥無くパターン転写することができる。

槽１４中の液浸媒質１２は、ウェハ１３上のレジストからの溶出成分や、光とレジストの反応によって生じる溶出成分や、ウェハステージの動作により生じる微粒子などによって、経時的に汚染されるおそれがある。これに対し、液浸媒質１２を循環させることにより、常に一定の光学特性を保ち、かつレンズ面へのコンタミネーション付着を低減させることが可能となる。

この場合の構成を図５に示す。図５には、図４に示した構成に加え、液浸媒質１２をケミカルフィルタや通常のフィルタにより浄化する貯蔵装置１７と、該貯蔵装置１７によって浄化された液浸媒質１２を漕１４内に注入する注入装置１５ａと、これら貯蔵装置１７と注入装置１５ａとを接続する配管１６ａと、漕１４内から液浸媒質１２を回収する回収装置１５ｂと、該回収装置１５ｂと貯蔵装置１７とを接続する配管１６ｂとを示している。

回収装置１５ｂにより貯蔵装置１７へ回収された液浸媒質１２は、上記フィルタなどで微粒子や化学物質などが除去され、貯蔵される。貯蔵された液浸媒質は、注入装置１５ａによって槽１４内に注入される。これにより、液浸媒質１２は物性値が一定純度に保たれるように循環する。したがって、最終レンズ面１１ａへの不純物の付着を抑制することが可能となり、ウェハ１３上での結像性能が劣化することの少ない液浸光学系を実現することができる。

さらに、液浸媒質１２は、光吸収により温度が上昇し、その屈折率が変動する。これにより、結像性能が劣化する問題も生じる。この場合、図６に示すように、例えば図５に示した構成に加えて、槽１４内の液浸媒質１２の温度を測定する温度測定器１８と、貯蔵装置１７の内部にそれぞれ設けられた、温度測定器１８と電気的に接続された温度調整器１９および流量調整器２０とを設けるとよい。

温度測定器１８により測定された液浸媒質１２の温度が変動すると、温度調整器１９によって一定の温度に保たれた貯蔵装置１７内の液浸媒質１２が注入装置１５ａから注入され、また温度が変化した液浸媒質１２を漕１４内から回収装置１５ｂを介して回収する。これにより、漕１４内の液浸媒質１２を循環させる。

この際、循環させる液浸媒質１２の流量は、液浸媒質１２の温度変動が一定の範囲内に収まるように流量調整機構２０によって調整される。このような構成を採ることにより、液浸媒質１２の屈折率を一定に保つことが可能となり、結像性能が補償される。さらに、漕１４内の液浸媒質１２の温度がほぼ一定となることにより、最終レンズ１１とウェハ１３の温度も一定とすることができ、熱によるウェハ１３の変形を防ぐことができるため、ウェハ１３上の正確な位置にパターン転写を行うことができる。

ここで、液浸媒質１２を異なる物質に交換すると、屈折率が変化し、ウェハ１３上での結像特性も変動する。この場合、液浸媒質１２の屈折率を測定し、その屈折率に応じて発生する収差を補正する光学系を用いればよい。

図７には、図４に示した光学系と、槽１４に設けられた屈折率測定器２１と、収差を補正する波面収差補正光学系２３と、屈折率測定器２１で測定された屈折率に応じて波面収差補正光学系２３をコントロールするコントローラ２２とを示している。

屈折率測定器２１は、液浸媒質１２にレーザ光を照射し、液浸媒質１２を透過するレーザ光の屈折角を測定する方法などによって液浸媒質１２の屈折率を測定する。コントローラ２２は、既知の光学系の設計値と屈折率測定器２１により測定された屈折率とに基づいて、補正すべき波面収差量を算出し、波面収差補正光学系２３を動作させる。

波面収差補正系光学系２３は、エキスパンダ構造や機械的又は熱的に光学系を変形させることなどによって収差補正を行う。また、収差補正系光学系２３を、ミラーを機械的に微小変動させることによって波面補正を行う光学系としてもよい。

このような構成を採ることにより、物性値が異なる液浸媒質を用いても、ウェハ１３上で良好な結像特性が得られる。さらに、液浸媒質の温度変化や化学変化などによって屈折率変動が生じても、それに応じて発生する収差を補正することができるため、これらの要因による結像性能の劣化も低減することができる。

さらに、従来は、ウェハを安定的に保持し、かつ安定的にステージを駆動するために、最終レンズ面を下側、つまりは重力方向である光学系全体の設置面方向に向けており、ウェハの露光面は最終レンズ面と対向していた。これに対し、最終レンズ面の向きを従来とは上下反対とし、最終レンズ面が光学系の設置面とは反対側（上側）を向くようにすることで、レンズ面形状が凹面であっても、液浸媒質を最終レンズ面とウェハとの間に容易に満たすことが可能となる。図８には、この場合の構成を示す。なお、図４と共通する構成要素には、図４と同符号を付す。図８において、最終レンズ１１は最終レンズ面１１ａを上側に向けて配置され、ウェハ１３は該最終レンズ１１の上方に露光面を下側、つまりは重力方向に向けて設置されている。ウェハ１３は不図示のウェハチャックにより保持され、ウェハステージにより駆動される。また、液浸媒質１２は、表面張力により最終レンズ面１１ａ上に保持されている。

このような構成を採ることで、最終レンズ面形状が凹面であっても、液浸媒質を最終レンズとウェハとの間に容易に満たすことが可能となり、凹レンズ面上に気泡が溜まることを防げる。したがって、露光領域全域に欠陥無くパターン転写することができる。

また、最終レンズ面１１ａに、疎水性の薄膜や微細加工を付加して表面張力を高めるような構成にすることで、図８中に示す最終レンズ１１の周辺部（最も上側の部分）とウェハ１３との間に所定値以上の距離ｄ１を確保することができる。これにより、ウェハ１３と液浸媒質１２とを確実に接触させることができ、さらにはウェハと最終レンズ１１との接触を防止したり、フォーカス検出装置の配置スペースを確保したりすることができる。

もちろん、図８のようにウェハ１３の露光面を下側に向けた場合においても、液浸媒質１２を満たす槽１４′を設けることは可能である。この構成を図９に示す。図９において、槽１４′における光が透過する部分は、光学的に透明な物質で構成されている。

この構成を採ることで、ウェハ１３の露光面を下側に向けた場合でも、最終レンズ面１１ａとウェハ１３との間は１より高い屈折率を持った液浸媒質１２で満たされるため、光学系のＮＡを高めることが可能となり、微細なパターンを転写できる。

以上説明したように、本実施例によれば、最終レンズ面を凹面形状とし、距離ｄに関する所定の条件を満足することにより、平面形状の最終レンズ面を持つ場合に比べて、光学系のＮＡを高めることが可能となり、露光装置の投影光学系として用いた場合には、露光領域全域において入射角最大光線の反射率を低減させることができる。

特に、硝材の屈折率より高い屈折率を有する液浸媒質を用いた場合に、硝材の屈折率よりもＮＡを高めることができ、入射角最大光線の反射率をより低減することが可能となる。

さらに、距離ｄと液浸媒質の吸収係数αとが所定の関係を満たすことにより、光の吸収を抑えることができる。したがって、露光装置において、ウェハの露光処理時間の増加を抑えることができ、液浸法であるにもかかわらずスループットを高めることができる。
（数値例）
以下、液浸媒質の屈折率ｎｉが最終レンズの硝材の屈折率ｎｌよりも大きい場合に、最大ＮＡが硝材の屈折率ｎｌよりも大きくできる最終レンズ面（凹面）の曲率半径ｒと距離（液厚）ｄの数値例を示す。

図１０は、最終レンズの硝材の屈折率がｎｌ、液浸媒質の屈折率がｎｉ（＞ｎｌ）で、最終レンズ面の曲率半径がｒである場合の該最終レンズ面による光の屈折について説明する図である。

界面での光の屈折は、スネルの法則によって規定されている。図１０には、レンズ内から光線ray1が最終凹面に該最終凹面の面法線に対して角度θ１で入射し、該最終凹面で屈折して面法線に対して角度θ２の光線ray2となって像面（第１の面）上の点Ａに到達する様子を示している。この場合、スネルの法則
ｎｌ・sin(θ１)＝ｎｉ・sin(θ２) …（４）
が成り立っている。また、光線ray2が像面の法線となす角をβとし、光線ray2が光束の最も外側でＮＡを規定する光線である場合、光学系のＮＡは、
ＮＡ＝ｎｉ・sin（β）
で表される。

光線には、光線逆行の法則と呼ばれる法則があり、ある光線が存在するときその進行経路をまったく逆向きに進行する光線も存在することができることが知られている。

今、像面上の点Ａを光学系の最も像高が大きい点とする。この点Ａを通り、レンズ側に逆行する光線が存在すれば、逆にレンズ側から点Ａに到達する光線が存在することになる。

ＮＡの限界を評価するためには、点Ａから像面の法線に対して角度βで像面側からレンズ側へ逆行する光線を考え、（４）式より、ｎｉ・sin(θ２)／ｎｌ＝Ｓとおき、この値を点Ａを通ってレンズ側に逆行する光線について値を計算すればよい。

Ｓの値が１以下であるときは該逆行する光線はレンズ側に進行し、レンズ側から該逆行光線とまったく同一経路を逆向きに進行して点Ａに到達する光線も存在し、ｎｉ・sin（β）で与えられるＮＡをこの光学系が持つことが分かる。

図１１は、上記Ｓを計算して、与えられたＮＡが有効かどうかを評価する方法を説明するための図であり、図１０と共通する要素には共通の符号を付している。

与えられたＮＡに対して像面上の最大像高にある点Ａから光軸に平行な軸Ａ′に対して角度β（ｎｉ・sin(β)＝ＮＡ）だけ傾いてレンズ側に進む光線に関して、方位角φ０°〜１８０°でＳを計算し、全方位角φに対してＳ＜１ならば、その与えられたＮＡが有効である。

図１２は、図１１にて説明した方法により、ｎｌ＝１．５６，ｎｉ＝１．６４，ｒ＝−１５０ｍｍ，ＮＡ＝１．６，最大像高Ｌ／２＝２０ｍｍの条件で上記Ｓを、液厚ｄおよび方位角φを変数にして計算した結果を示す。図中のＳ＝１のラインの左上の領域（ハッチング領域）ではＳ＞１であり、右下の領域ではＳ＜１となっている。Ｓ＜１のとき、その領域に対する光線が実在することになる。この結果によれば、ｄ＞８．２ｍｍの場合に全ての方位角φに対してＳ＜１であり、ＮＡ＝１．６が有効であることを示している。

また、（２）式で示した条件に当てはめると、液厚ｄの条件は、
ｄ＞４．５ｍｍ
であり、図１２の計算結果によれば、ｄ＜４．５ｍｍでは全ての方位角φに対してＳ＜１を満たすｄの値が無いことが明らかである。

図１３は、ｎｌ＝１．５６，ｎｉ＝１．６４，ｒ＝−１５０ｍｍ，液厚ｄ＝９ｍｍ，最大像高Ｌ／２＝２０ｍｍの条件で、方位角φとＮＡを変数として上記Ｓを計算した結果であり、ＮＡ＝１．６が上記の条件で有効であることが示されている。

次に、図１５および図１６を用いて、上述した露光装置１００を利用したデバイスの製造方法について説明する。図１５は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。

ステップ１（回路設計）では、デバイスの回路設計を行う。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１０１を製作する。ステップ３（ウェハ製造）では、シリコンなどの材料を用いてウェハ１０３を製造する。

ステップ４（ウェハプロセス）は、前工程と呼ばれ、マスク１０１とウェハ１０３を用いてリソグラフィ技術によってウェハ１０３上に実際の回路を形成する。

ステップ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウェハ１０３を用いて半導体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デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

図１６には、ステップ４のウェハプロセスでの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウェハ１０３の表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハ１０３の表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウェハ１０３上に電極を蒸着などによって形成する。

ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウェハ１０３にイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウェハ１０３に感光剤を塗布する。

ステップ１６（露光）では、露光装置１００によってマスク１０１の回路パターンをウェハ１０３に露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハ１０３を現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像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。

これらのステップを繰り返し行うことによって、ウェハ１０３上に多重に回路パターンが形成される。

このように露光装置１００を使用するデバイスの製造方法並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。

上記実施例１では、半導体露光装置の投影光学系に用いられる液浸光学系について説明したが、本発明の液浸光学系は、光による情報記録や記録情報の再生を行う光ディスクドライブ装置やレーザー顕微鏡など、他の光学装置の光学系としても用いることができる。

ここでは、レーザー顕微鏡における対物光学系を液浸光学系とした場合について図１７を用いて説明する。レーザー顕微鏡３００において、光源３０１から射出したレーザビーム３１０は、ビームスプリッタ３０２を透過して、Ｘ−Ｙスキャン光学系３０３によりスキャンされる。スキャンされたビーム３１０はミラー３０４で反射された後、対物光学系３０５を介して被検物（観察物）３０７に照射される。対物光学系３０５の最終レンズ面３０５ａと被検物３０７との間には、液浸媒質３０６が満たされており、ビーム３１０は最終レンズ面３０５ａから集束するように射出し、液浸媒質３０６を透過して被検物３０７に至る。

被検物３０７で反射したビーム光３１０′は、液浸媒質３０６を含む対物光学系３０５、ミラー３０４およびＸ−Ｙスキャン光学系３０３へと逆の光路を辿り、ビームスプリッタ３０２によって反射されて集光光学系３０８に導かれ、最終的に受光素子３０９上に照射される。受光素子３０９に照射されたビーム３１０′によって形成された像は、該受光素子３０９により電気信号に変換された後、不図示の画像データ処理回路によって画像データへと変換される。

なお、受光素子３０９の前に空間フィルタとしてのピンホールを配置してもよく、またビームスプリッタ３０２を偏光ビームスプリッタとしてもよい。

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や変更が可能である。

本発明の実施例１における液浸光学系を示す断面図。 比較例としての液浸光学系を示す断面図。 光学系のＮＡとウエハ−レンズ間距離ｄとの関係を示すグラフ。 液浸媒質を満たした槽を備えた実施例１の液浸光学系の断面図。 液浸媒質を循環させる装置を備えた実施例１の液浸光学系の断面図。 液浸媒質の温度モニター装置を備えた実施例１の液浸光学系の断面図。 液浸媒質の屈折率モニター装置および波面補正装置を備えた実施例１の液浸光学系の断面図。 実施例１の液浸光学系の変形例を示す断面図。 図８の変形例において液浸媒質槽を備えた液浸光学系の断面図。 本発明の数値例を示す模式図。 本発明の数値例を示す模式図。 本発明の数値例の計算結果を示すグラフ。 本発明の数値例の計算結果を示すグラフ。 実施例１の液浸光学系を備えた半導体露光装置の構成を示す概略図。 半導体露光装置を用いたデバイス製造工程を示すフローチャート。 半導体露光装置を用いたデバイス製造工程を示すフローチャート。 本発明の実施例２である液浸光学系を備えたレーザー顕微鏡の構成を示す概略図。 従来の液浸光学系を示す断面図。 従来の液浸光学系を示す断面図。 従来の液浸光学系のＮＡと反射率との関係を示すグラフ。 従来の液浸光学系のＮＡと反射率との関係を示すグラフ。

符号の説明

１０ 入射光束
１１ 最終レンズ
１１ａ 最終レンズ面
１１ｂ 最終レンズ面の中心（第１の点）
１２ 液浸媒質
１３ 物体（ウェハ）
１３ａ 物体面（第１の面）
１３ｂ 光照射領域の中心（第２の点）
１４ 漕
１００ 半導体露光装置
１０１ マスク
１０２ 照明装置
１０３ ウェハ
１０４ ステージ
１０５ 投影光学系（液浸光学系）
３００ レーザー顕微鏡
３０５ 対物光学系（液浸光学系）
Ｌ 光照射領域（の長さ）

Claims (6)

1. 光源からの光を第１の面に向かって集束させる光学系であり、前記第１の面に最も近いレンズ面が凹面であるレンズを有し、該レンズ面と前記第１の面との間の前記光の透過領域は液体で満たされ、以下の条件を満足することを特徴とする液浸光学系。
   ｄ＞Ｌ／［２×ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎｉ）｝］
   但し、前記第１の面に対して略直交する方向において前記レンズ面上の第１の点と前記第１の面上の第２の点との間の距離が最大となる場合に、ｄは前記第１の点と前記第２の点との間の距離、Ｌ／２は前記第２の点から前記第１の面上での前記光の照射領域の端までの最大距離、ＮＡは該光学系の開口数、ｎｉは前記液体の屈折率である。
2. 前記レンズが硝材により形成されており、さらに以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の液浸光学系。
   ｎｌ＜ｎｉ
   但し、ｎｌは前記硝材の屈折率である。
3. さらに以下の条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の液浸光学系。
   ｄ＜０．３／α
   但し、αは前記液体の吸収係数であり、該液体を透過する光の強度が１／１０になる距離の逆数である。
4. 光源と、
   請求項１から３のいずれか１つに記載の液浸光学系とを有することを特徴とする光学装置。
5. 光源からの光で原版を照明する照明光学系と、該原版のパターンを被露光体に投影する請求項１から３のいずれか１つに記載の液浸光学系とを有することを特徴とする露光装置。
6. 請求項５に記載の露光装置を用いて被露光体を露光する工程と、
   前記露光された被露光体を現像する工程とを有することを特徴とするデバイスの製造方法。