JP2006269462A - Exposure apparatus and illuminating apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光の振動面を制御する照明光学系を有する露光装置および照明装置に関し、特に半導体装置の製造プロセスにおけるリソグラフィ工程にて用いられる露光装置および照明装置に関する。 The present invention relates to an exposure apparatus and an illumination apparatus having an illumination optical system that controls a vibration plane of light, and more particularly to an exposure apparatus and an illumination apparatus used in a lithography process in a semiconductor device manufacturing process.
近年、半導体装置の製造プロセスにおけるリソグラフィ工程では、形成すべきパターンの微細化に伴って光の波長から決定される解像限界を超えた高解像度が要求されていることから、露光波長以下の微細パターンの形成を可能にする種々の超解像技術が適用されている。 In recent years, in the lithography process in the manufacturing process of semiconductor devices, high resolution exceeding the resolution limit determined from the wavelength of light is required as the pattern to be formed is miniaturized. Various super-resolution techniques that enable pattern formation have been applied.
最近では投影レンズ最終面と露光ウエハの間を水などの液体で満たすことにより、投影レンズの開口数(NA)を1以上にすることを可能にする液浸露光が提唱されており、例えば波長193nmのArFレーザを光源とする露光装置でも、1以上のNAの液浸露光により、32nmノード(ハーフピッチ45nm)の半導体製造が可能である。
Recently, immersion exposure has been proposed that makes it possible to make the numerical aperture (NA) of the
ここで、1を越えるNAはHyper−NAなどと呼ばれており、32nmノード(ハーフピッチ45nm)のデバイス製造をArFの液浸で行うための開発が検討されている。 Here, NA exceeding 1 is called Hyper-NA or the like, and development for manufacturing a device of 32 nm node (half pitch 45 nm) by ArF immersion is being studied.
このようなHyper−NA域ではレジストへの露光光の入射角度およびレジスト層内の露光光の入射角度も大きくなり、特にTM偏光成分(P偏光成分)による像コントラスト低減が問題になると指摘せれている。これは、非特許文献1などで詳細に議論されている。
In such a Hyper-NA region, it is pointed out that the incident angle of the exposure light to the resist and the incident angle of the exposure light in the resist layer also increase, and in particular, the reduction of the image contrast due to the TM polarization component (P polarization component) becomes a problem. Yes. This is discussed in detail in Non-Patent
さらに、最近では従来無偏光であったマスクへの照明光に対して、偏光を積極的に制御することにより、像コントラストを改善する案も提案されている。これは、非特許文献2などで詳細に議論されている。
Furthermore, recently, a proposal has been proposed to improve image contrast by positively controlling the polarization of illumination light on a mask that has not been conventionally polarized. This is discussed in detail in Non-Patent
しかし、上記文献においてはアジマーサル偏光照明、ラジアル偏光照明、四重極直線偏光照明などが紹介されているものの、実際に露光装置でこれらの偏光照明を形成する具体的な光学系は提案されていない。 However, although the above-mentioned document introduces azimuthal polarization illumination, radial polarization illumination, quadrupole linear polarization illumination, etc., no specific optical system for actually forming these polarization illuminations in an exposure apparatus has been proposed. .
本発明は上記課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、光源から出射される光の強度を均一化するためマトリクス状にレンズが配置されたフライアイレンズアレイと、フライアイレンズアレイの各レンズエレメントに対応して配置され、光源から出射される光の進行方向と並行な光学軸を有し、通過する光の振動面をその厚みに比例して回転させる複数の旋光素子から成る旋光素子アレイとを備える露光装置である。 The present invention has been made to solve the above problems. That is, the present invention provides a fly-eye lens array in which lenses are arranged in a matrix to make the intensity of light emitted from the light source uniform, and is arranged corresponding to each lens element of the fly-eye lens array. The exposure apparatus includes an optical rotation element array having a plurality of optical rotation elements that have an optical axis parallel to the traveling direction of emitted light and rotate a vibrating surface of the passing light in proportion to its thickness.
このような本発明では、光源から出射される光の強度を均一化するフライアイレンズアレイの各レンズエレメントに対応して、通過する光の振動面を、その厚みに比例して回転させる複数の旋光素子から成る旋光素子アレイが設けられているため、マスク面に照射される光の角度に対する振動面方位を任意に設定することができる。 In the present invention as described above, a plurality of vibrating surfaces of light passing therethrough are rotated in proportion to the thickness corresponding to each lens element of the fly-eye lens array that equalizes the intensity of light emitted from the light source. Since the optical rotation element array including optical rotation elements is provided, the vibration plane orientation with respect to the angle of the light irradiated on the mask surface can be arbitrarily set.
例えば、旋光素子として水晶板を用いると、水晶板の光軸方向の厚さに応じて光の振動面方位の回転角度を制御できるため、フライアイレンズアレイの各レンズエレメントに対応した水晶板アレイを配置し、その厚さを水晶板エレメント毎に制御することで、フライアイレンズのエレメント単位、すなわち等価光源内の位置に対応して通過する光の振動面すなわち偏光方向を制御できるようになる。 For example, if a quartz plate is used as the optical rotation element, the rotation angle of the vibration plane direction of the light can be controlled according to the thickness of the quartz plate in the optical axis direction, so that the quartz plate array corresponding to each lens element of the fly-eye lens array And the thickness thereof is controlled for each quartz plate element, so that the vibration plane of the light passing through corresponding to the element unit of the fly-eye lens, that is, the position in the equivalent light source, that is, the polarization direction can be controlled. .
したがって、本発明によれば、等価光源内の偏光状態として、フライアイレンズのエレメント単位で任意の振動方位分布を形成することが可能となり、Hyper−NA域でレジストへの入射角度が大きくなる露光であっても、レジスト内でマスクパターンの像を形成せしめる光の振動方位を適切に制御できるので、像コントラスト低減を抑制することが可能となる。これにより、リソグラフィ工程のプロセスマージンを改善することが可能となる。 Therefore, according to the present invention, it is possible to form an arbitrary vibration azimuth distribution for each element of the fly-eye lens as the polarization state in the equivalent light source, and exposure that increases the incident angle to the resist in the Hyper-NA region. Even so, it is possible to appropriately control the vibration azimuth of the light that forms the image of the mask pattern in the resist, so that it is possible to suppress image contrast reduction. Thereby, the process margin of the lithography process can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図1は、本実施形態に係る露光装置の概略構成を説明する模式図である。本実施形態に係る露光装置で適用される照明システムでは、旋光素子アレイ102を強度均一化ユニットであるフライアイレンズアレイ104の入射面に配置する構成である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of an exposure apparatus according to the present embodiment. The illumination system applied in the exposure apparatus according to the present embodiment has a configuration in which the optical
旋光素子アレイ102としては、フライアイレンズアレイ104を構成するマトリクス状に配置された複数のレンズエレメントの各々に対応して、複数の旋光素子がアレイ状に配置された構成となっており、各旋光素子の光軸方向の厚みを設定することで通過する光の振動面の回転角を設定する点に特徴がある。旋光素子アレイ102への入射光線は直線偏光であり、素子材料としては露光光であるArF、KrFなどのDUV(遠紫外)レーザ光に対して透明である例えば水晶を用いている。
The optical
ここで、旋光素子の光学軸を光の進行方向(光軸)と平行になるように配置し、旋光素子に直線偏光を入射すると、その厚みに比例して偏光面(振動面)が回転することが知られている(例えば、鈴木範人、小塩高文著、応用光学II、p.20参照。)。 Here, when the optical axis of the optical rotatory element is arranged so as to be parallel to the light traveling direction (optical axis), and linearly polarized light is incident on the optical rotatory element, the polarization plane (vibration plane) rotates in proportion to the thickness. (For example, see Norito Suzuki and Takafumi Koshio, Applied Optics II, p.20).
この特性を利用し、旋光素子アレイ102の各エレメントの厚みを制御することによって、フライアイレンズアレイ103のエレメント単位で任意の振動面方位を形成することができ、等価光源内の各場所における光の振動方位が任意に制御された、任意の“偏光光源“を得ることができる。
By utilizing this characteristic and controlling the thickness of each element of the optical
次に、図1に等価光源面105からマスク面108までの光学系を示す。この光学系では、コンデンサーレンズ106により、等価光源面105とマスク面108とがフーリエ変換の関係になっている。すなわち、等価光源面105内の位置情報はマスク面108では角度情報に変換されることになる。フライアイレンズ入射面103にエレメント単位で光の振動面の方位が制御されると、照明光学系の瞳面となるフライアイレンズ射出面105においても、この光の振動面の方位分布が維持され、コンデンサーレンズ106を経て、原板となるフォトマスク108を照明する。ここで、マスクを照明する光107内の角度に対する光の振動面の方位分布は、フライアイレンズアレイ102のエレメント単位で設定される光の振動面の方位分布に対応したものとなっている。これにより、所望の偏光照明を得ることが可能となる。
Next, FIG. 1 shows an optical system from the equivalent
以下、本実施形態に係る露光装置ならびに半導体装置の製造方法について詳細に説明する。なお、ここで説明する露光装置は、半導体装置の製造プロセスにおいて用いられるものを例としており、さらに詳しくは、半導体装置の製造プロセスにおけるリソグラフィ工程において、フォトマスクを用いた投影写像によってウエハ基板上に塗布されたフォトレジストに所望パターンを形成するために用いられるものである。 Hereinafter, an exposure apparatus and a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment will be described in detail. Note that the exposure apparatus described here is an example used in a semiconductor device manufacturing process, and more specifically, on a wafer substrate by a projection mapping using a photomask in a lithography process in the semiconductor device manufacturing process. It is used to form a desired pattern on the applied photoresist.
次に、露光装置の概略構成について説明する。図2は、本実施形態に係る露光装置の全体構成の一例を示す模式図である。先ず、光源となるDUVレーザ(ArFエキシマレーザ、波長193nm)から説明する。通常、半導体露光装置の光源に用いられているArFエキシマレーザ200は出射ビーム形状201が矩形であり、出射光の波長の半値幅が1pm以下に狭帯域化されている。ビーム内の偏光はビーム短辺方向に典型的には98%程度以上が偏光しており、ほぼ直線偏光であると見なせる。
Next, a schematic configuration of the exposure apparatus will be described. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the overall configuration of the exposure apparatus according to the present embodiment. First, a DUV laser (ArF excimer laser, wavelength 193 nm) serving as a light source will be described. Usually, the ArF
図中符号202はビーム整形ユニットであり、シリンドリカルレンズ、ズームレンズ、DOE(Diffractive Optical Element:回折光学素子)等から構成され、ビームを所定のサイズ、形状に整形する。この実施形態では強度均一化素子であるフライアイレンズアレイ104の外形に合わせた形状、サイズにビーム整形するものとする。
図中符号102は、本実施形態の主要構成である旋光素子アレイである。材料としてはDUV域で透過率の高い、例えば水晶である。光学軸は光の進行方向(光軸)と並行となるように配置する。さらに詳細には、水晶は本実施形態では、光の進行方向の手前側から見て、偏光面が左回りに回転する左水晶であると仮定する。
前述のような配置において、旋光素子アレイ102に直線偏光を入射すると、その厚みに比例して偏光面が回転する。単位長さあたりの回転角ρは旋光能と呼ばれているが、水晶のその値としては、鶴田著、応用光学II、p167、培風館に示されている201.9°/mm(波長226.5nm)と波長依存性(旋光分散)が1/波長2に比例することから概算し、露光波長193nmにおける旋光能ρを275°/mmであると仮定する。
In the arrangement as described above, when linearly polarized light enters the optical
これにより、旋光素子をフライアイレンズアレイに合わせてアレイ化し、各エレメント単位で水晶の厚みを変えるようにする。本実施形態では図3(a)で示すような振動面方位が同心円状に分布するアジマーサル偏光を形成する。ここで、図3(a)中の矢印はフライアイレンズアレイの入射面側から見た光の振動面の方位を表し、図3(b)はフライアイレンズアレイおよび旋光素子アレイのエレメント配列の概念図である。なお、本実施形態では、スキャンタイプの露光装置を想定しているため、マスク上およびウエハ上の露光フィールドは長方形であり、フライアイレンズアレイを構成しているレンズエレメントも長方形である。 As a result, the optical rotation elements are arrayed in accordance with the fly-eye lens array, and the thickness of the crystal is changed for each element. In the present embodiment, azimuthal polarization in which the vibration plane orientations are distributed concentrically as shown in FIG. Here, the arrow in FIG. 3A represents the direction of the vibration plane of the light viewed from the incident surface side of the fly-eye lens array, and FIG. 3B shows the element arrangement of the fly-eye lens array and the optical rotation element array. It is a conceptual diagram. In this embodiment, since a scanning type exposure apparatus is assumed, the exposure field on the mask and the wafer is rectangular, and the lens elements constituting the fly-eye lens array are also rectangular.
図3(a)、(b)より、旋光素子アレイおよびフライアイレンズアレイの単位エレメントの寸法を長軸L、短軸W、として、X×Y=(2M+1)×(2N+1)アレイであると仮定する。また、入射光の振動面は図3(c)に示すように入射側から見て方位90°に偏光しているものとする。 3 (a) and 3 (b), the dimensions of the unit elements of the optical rotation element array and the fly-eye lens array are X * Y = (2M + 1) * (2N + 1) arrays where the major axis L and the minor axis W are used. Assume. Further, it is assumed that the vibration surface of incident light is polarized in an azimuth direction of 90 ° as viewed from the incident side as shown in FIG.
これを旋光素子アレイ102の基準と仮定すると、中心エレメント(0、0)の旋光素子の厚みは、360°/ρ=1.31mmとなる。これを旋光素子アレイ303の基準厚(Dc)とする。
Assuming this as a reference for the optical
エレメント(i、j)における目標振動面方位θijは、以下の数1となる。ここで、iは−M以上M以下の整数、jは−N以上N以下の整数である。
The target vibration plane orientation θij in the element (i, j) is expressed by the following
よって、旋光素子エレメント(i、j)における厚みDijは、数2となる。
Therefore, the thickness Dij in the optical rotatory element (i, j) is expressed by
このように、各エレメント厚を変えた旋光素子アレイを用いることで、フライアイレンズエレメント単位で振動面の方位を変えることが可能となり、図3(a)に示すようなアジマーサル偏光をフライアイ入射面に形成することができる。なお、旋光素子の厚みレンジは360°で1.31mm程度なので、実際の加工上も可能である。 In this way, by using an optical rotatory element array with each element thickness changed, it becomes possible to change the orientation of the vibration surface in units of fly-eye lens elements, and the azimuthal polarization as shown in FIG. Can be formed on the surface. Since the thickness range of the optical rotatory element is about 1.31 mm at 360 °, actual processing is possible.
これにより、フライアイレンズアレイ104の各エレメントijにθijの振動面方位を持つ偏光が形成でき、フライアイレンズアレイ104の射出面105においても図1に示すようにその振動面方位は維持されている。射出面105は、いわゆる等価光源面(投影レンズ瞳の共役面)であるため、この面に所望の偏光状態を形成することが最終目標となる。
As a result, polarized light having a vibration plane orientation of θij can be formed on each element ij of the fly-
また、この射出面105に遮光体となるアパーチャーを設置することにより、その形状を例えば、円形、輪帯、四重極に整形することができる。
In addition, by installing an aperture serving as a light shield on the
フライアイレンズアレイ104の各エレメントはコンデンサーレンズ106を通じてフォトマスク108を波面分割の後、重畳加算照明することにより、フォトマスク108上の強度均一性を向上させることが可能である。また、段落番号“0017”で説明したように、等価光源面105はマスク面108とフーリエ変換の関係にあることより、図2中、符号207で示すように、この時マスク各点を照明する照明光107内の角度に対する振動方位分布は、射出面105のそれに対応したものとなる。
Each element of the fly-
さらに、マスクを所望の偏光分布で照明した光は投影レンズ209を通して、転写対象となるウエハ211に塗布された不図示のフォトレジストにフォトマスク上のデバイスパターンを結像する。このようにして、任意の偏光分布を持つ偏光照明を数1、数2を用いて形成することが可能となる。
Further, the light illuminating the mask with a desired polarization distribution passes through the
ここで第2の実施形態として、DOE(Diffractive Optical Element:回折光学素子)と組み合わせた照明光学システムについて説明する。図4は、第2実施形態を説明する模式図である。入射レーザビームLBは図に示すように90°の方位の直線偏光であるとする。 Here, as a second embodiment, an illumination optical system combined with a DOE (Diffractive Optical Element) will be described. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the second embodiment. It is assumed that the incident laser beam LB is linearly polarized light with a 90 ° azimuth as shown in the figure.
図中符号400はDOEであり、偏光状態をほぼ保持したまま、角度方向に対して任意の強度分布を形成することが可能である。このDOEの設計自体は、例えば特開2001−242414号公報などに開示されている。すなわち、回折光学素子の位相関数の初期解を生成するステップと、この位相関数の初期解による点像分布関数を計算するステップと、この点像分布関数の分布とこの点像分布関数から決定されるターゲット関数とを評価関数として、最適化アルゴリズムによりこの評価関数に最も近づくように位相関数の解を収束させるプロセスとを有するビーム整形素子の設計方法に基づき、設計すればよい。DOEを用いることで、任意の強度分布光源を低損失で構成することができる。図中符号401はコリメート光学系であり、これによりDOE400によって形成された任意強度分布を平行光線に変換する。
In the figure,
旋光素子アレイ102の入射面402では振動面方位は元の入射レーザビームLBでのそれがほぼ保存されており、90°方位の直線偏光となっている。
On the
第1の実施形態で述べたように旋光素子アレイ102を通過することにより、各旋光素子エレメント毎に入射光の振動面が回転し、フライアイレンズアレイ入射面404において、フライアイレンズのエレメント単位で振動面方位が異なるような分布を持たせることができる。したがって、フライアイレンズ射出面406、すなわち等価光源面(投影レンズ瞳の共役面)に任意の強度分布と任意の振動面方位分布を持つ等価光源を形成することが可能となる。
As described in the first embodiment, by passing through the optical
図5は、アジマーサル偏光の効果をシミュレーションによって計算した例を示す図である。転写対象となるマスクパターンをウエハ上寸法で55nmのライン&スペースとする。これをNA1.2(液浸材=水、n=1.44)、σ0.9、輪帯比0.75の液浸露光する場合のシミュレーション結果である。シミュレーションは予め実験データで較正されたレジストパラメータを用い、解析は許容寸法誤差を55nm±5.5nmとして、露光量、フォーカスを振った時のレジスト寸法の計算結果を用いて、前記の許容寸法誤差内の寸法が得られる露光量、フォーカスの範囲を矩形ウィンドウで定義して、図5のようなDOF対露光量裕度の関係を得た。 FIG. 5 is a diagram illustrating an example in which the effect of azimuthal polarization is calculated by simulation. A mask pattern to be transferred is a 55 nm line and space on the wafer. This is a simulation result in the case of immersion exposure with NA 1.2 (immersion material = water, n = 1.44), σ0.9, and annular ratio 0.75. The simulation uses resist parameters calibrated in advance with experimental data, and the analysis sets the allowable dimension error to 55 nm ± 5.5 nm, and uses the calculation result of the resist dimension when the exposure amount and focus are used, and the allowable dimension error described above is used. The exposure amount and focus range in which the inner dimensions are obtained are defined by a rectangular window, and the relationship between DOF and exposure amount tolerance as shown in FIG. 5 is obtained.
この結果から、DOF0.2μmが得られる露光裕度が、従来の無偏光では4.6%であるのもが、本実施形態を用いて形成した輪帯アジマーサル照明では7%に向上することが分かる。 From this result, the exposure margin for obtaining DOF of 0.2 μm is 4.6% for the conventional non-polarized light, but is improved to 7% for the annular azimuthal illumination formed using this embodiment. I understand.
なお、上記説明した実施形態では、いずれもフライアイレンズアレイの入射面側に旋光素子アレイを配置する例を示したが、本発明はこれに限定されず、フライアイレンズアレイの出射面側に旋光素子アレイを配置してもよい。また、旋光素子アレイを用いて生成する振動面方位分布としては、アジマーサル偏光以外、例えばラジアル偏光や四重極直線偏光など、他の分布であっても実現可能である。 In the above-described embodiments, the example in which the optical rotation element array is arranged on the incident surface side of the fly-eye lens array has been shown, but the present invention is not limited to this, and the light-emitting element array is arranged on the emission surface side of the fly-eye lens array An optical rotation element array may be arranged. Further, the vibration plane orientation distribution generated using the optical rotation element array can be realized by other distributions such as radial polarization and quadrupole linear polarization other than azimuthal polarization.
102…旋光素子アレイ、103…フライアイレンズアレイ入射面、104…フライアイレンズアレイ、105…フライアイレンズアレイ出射面、106…コンデンサーレンズ、108…フォトマスク
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記フライアイレンズアレイの各レンズエレメントに対応して配置され、前記光源から出射される光の進行方向と並行な光学軸を有し、通過する光の振動面を回転させる複数の旋光素子から成る旋光素子アレイと、
前記フライアイレンズアレイおよび前記旋光素子アレイを介して、マスク面への入射角度に対して振動面が所望の方向に回転された光をマスクに照射するコンデンサーレンズと
を備えることを特徴とする露光装置。 A fly-eye lens array in which fly-eye lenses are arranged in a matrix to equalize the intensity of light emitted from the light source;
It is arranged corresponding to each lens element of the fly-eye lens array, has an optical axis parallel to the traveling direction of the light emitted from the light source, and comprises a plurality of optical rotation elements that rotate the vibration surface of the passing light. An optical rotatory element array;
And a condenser lens that irradiates the mask with light having a vibration plane rotated in a desired direction with respect to an incident angle on the mask surface via the fly-eye lens array and the optical rotation element array. apparatus.
ことを特徴とする請求項1記載の露光装置。 The exposure apparatus according to claim 1, wherein each optical rotation element of the optical rotation element array has a rotation angle of the vibration surface different depending on a thickness along the optical axis direction.
ことを特徴とする請求項1記載の露光装置。 The exposure apparatus according to claim 1, wherein the optical rotation element is made of quartz.
ことを特徴とする請求項1記載の露光装置。 The exposure apparatus according to claim 1, wherein the vibration direction of light passing through the optical rotation element array is azimuthal polarization.
ことを特徴とする請求項1記載の露光装置。 The optical rotation element array and the fly-eye lens array form an equivalent light source having a predetermined vibration azimuth distribution on an equivalent light source surface in a conjugate relationship with the projection lens pupil, and further, an arbitrary shape serving as a light shield on the equivalent light source surface The exposure apparatus according to claim 1, wherein an equivalent light source having an arbitrary shape and an arbitrary vibration plane orientation distribution is formed by disposing the aperture stop.
ことを特徴とする請求項1記載の露光装置。 The optical rotation element array and the fly-eye lens array form an equivalent light source having a predetermined vibration azimuth distribution on the equivalent light source surface, and a diffractive optical element capable of forming an arbitrary intensity distribution on the light source side from the optical rotation element array. The exposure apparatus according to claim 1, wherein an equivalent light source having an arbitrary intensity distribution and an arbitrary vibration plane orientation distribution is formed on the equivalent light source surface.
前記フライアイレンズアレイの各レンズエレメントに対応して配置され、前記光源から出射される光の進行方向と並行な光学軸を有し、通過する光の振動面を回転させる複数の旋光素子から成る旋光素子アレイと
を備えることを特徴とする照明装置。
A fly-eye lens array in which fly-eye lenses are arranged in a matrix to equalize the intensity of light emitted from the light source;
It is arranged corresponding to each lens element of the fly-eye lens array, has an optical axis parallel to the traveling direction of the light emitted from the light source, and comprises a plurality of optical rotation elements that rotate the vibration surface of the passing light. An illumination device comprising: an optical rotation element array.
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