JP2007258625A - 露光装置及びレチクル - Google Patents

Abstract

【課題】 投影光学系の開口数が異なる場合においても同一のレチクルで露光を行なうことができる露光装置を提供する。
【解決手段】 露光光により照明されたレチクルＭに形成されているパターンを投影光学系ＰＬを介して感光性基板Ｗ上に転写露光する露光装置において、前記レチクルＭに対する前記露光光の主光線の入射角度θ（°）が、１０≦θ≦１６及び前記投影光学系ＰＬの像側開口数ＮＡが、０．２≦ＮＡ≦０．５の条件を満足する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体素子、液晶表示素子等のマイクロデバイスをリソグラフィ工程で製造するための露光装置及びレチクルに関するものである。

半導体デバイスや液晶表示デバイスは、マスク上に形成されたパターンを感光性の基板上に転写する、いわゆるフォトリソグラフィの手法により製造される。このフォトリソグラフィ工程で使用される露光装置は、マスク（レチクル、フォトマスク等）のパターンを、投影光学系を介してフォトレジスト等が塗布されたプレート（ガラスプレート、半導体ウエハ等）上に投影露光するものである。近年、デバイスパターンのより一層の高集積化に対応するために投影光学系の更なる高解像度化が望まれている。

投影光学系の解像度は、投影光学系の開口数が大きいほど、また使用する露光波長が短いほど高くなる。そのため、投影光学系の開口数は増大しており、露光装置で使用される露光波長もＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）、更に短い波長（１１〜１４ｎｍ）のＥＵＶ（Extreme Ultra Violet）光を使用した投影リソグラフィ技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
米国 ５８１５３１０号明細書

ＥＵＶ光を露光光とするＥＵＶ用露光装置においては、従来のレンズのような透過屈折型の光学素子を使用できず、干渉により光を強め合う多層膜ミラー等の反射型の光学素子を使用し、レチクルも反射型レチクルを用いる。反射型レチクルとして、例えばモリブデン（Ｍｏ）層とシリコン（Ｓｉ）層を交互に積層したＭｏ／Ｓｉ多層膜ミラーを使用する。ここで、多層膜の周期長（Ｍｏ層とＳｉ層の一層対の合計膜厚）は、使用する露光波長及び露光光の入射角度の範囲に基づいて最適化する必要がある。即ち、使用する露光波長及び露光光の入射角度の範囲により最適な多層膜の周期長は異なる。

上述のように、ＥＵＶ用露光装置においては、レチクルが反射型のレチクルとして、即ち多層膜ミラー上に吸収体がパターニングされて構成されているためレチクル側で非テレセントリックな光学系となり、露光光は所定の入射角度でレチクルに入射する。露光光の主光線の入射角度は、レチクルへの入射光とレチクルからの射出光とを空間的に分離する必要があるため、投影光学系の開口数に依存している。したがって、投影光学系の開口数により露光光の入射角度の範囲が定まり、定まった露光光の入射角度の範囲及び露光光の波長により最適なレチクルの多層膜の周期長が定まる。即ち、投影光学系の開口数が異なると、最適なレチクルの多層膜の周期長も異なるため、同一のパターンを転写する場合であっても、多層膜の周期長が異なる新たなレチクルを作製する必要があり、レチクルを作製するためのコストの負担が大きかった。

この発明の課題は、投影光学系の開口数が異なる場合においても同一のレチクルで露光を行なうことができる露光装置及びレチクルを提供することである。

この発明の露光装置は、露光光により照明されたレチクル（Ｍ）に形成されているパターンを投影光学系（ＰＬ）を介して感光性基板（Ｗ）上に転写露光する露光装置において、前記レチクル（Ｍ）に対する前記露光光の主光線の入射角度θ（°）が、１０≦θ≦１６及び前記投影光学系（ＰＬ）の像側開口数ＮＡが、０．２≦ＮＡ≦０．５の条件を満足することを特徴とする。

また、この発明のレチクルは、感光性基板上に転写するためのパターンが形成されているレチクルであって、入射する光の主光線の入射角度θ（°）が１０≦θ≦１６のときに６０％以上の反射率を有することを特徴とする。

この発明の露光装置によれば、レチクルに対する露光光の主光線の入射角度θ（°）が１０≦θ≦１６、及び投影光学系の像側開口数ＮＡが０．２≦ＮＡ≦０．５の条件を満足しているため、同一のレチクルに対して投影光学系の開口数毎に最適な入射角度を設定することができる。したがって、投影光学系の開口数が異なる場合においても同一のレチクルを使用することができ、かつ高精度な露光を行なうことができる。

また、この発明のレチクルによれば、入射する光の主光線の入射角度θ（°）が１０≦θ≦１６のときに６０％以上の反射率を有しているため、最適な入射角度を設定することにより異なる投影光学系の像側開口数を有する様々な露光装置に使用することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態にかかる露光装置について説明する。図１は、実施の形態にかかる露光装置の概略構成を示す図である。また、以下の説明においては、図１中に示したＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＹ軸が感応基板としてのウエハＷに対して平行となるよう設定され、Ｚ軸がウエハＷに対して直交する方向に設定されている。図中のＸＹＺ直交座標系は、実際にはＸＹ平面が水平面に平行な面に設定され、Ｚ軸が鉛直方向に設定される。この実施の形態では、ウエハＷを移動させる方向（走査方向）をＸ方向に設定している。

ＥＵＶ光源３１から射出したＥＵＶ光３２は、照明光学系３３を構成し、コリメータミラーとして作用する凹面反射鏡３４を介してほぼ平行光束となり、オプティカルインテグレータ３５に入射する。オプティカルインテグレータ３５は、入射側フライアイミラー３５ａ及び射出側フライアイミラー３５ｂを備えている。入射側フライアイミラー３５ａは並列に配列され円弧状の形状を有する多数の要素ミラーにより構成されており、その入射面は後述するマスクＭ及びウエハＷ面と光学的に共役な位置またはその近傍に配置されている。入射側フライアイミラー３５ａに入射したＥＵＶ光は、入射側フライアイミラー３５ａの各要素ミラーにより波面分割される。

入射側フライアイミラー３５ａに入射したＥＵＶ光は、入射側フライアイミラー３５ａにより反射され、射出側フライアイミラー３５ｂに入射する。射出側フライアイミラー３５ｂは、並列に配列され矩形の形状を有する多数の要素ミラーにより構成されており、その射出面は後述する投影光学系ＰＬの瞳位置と光学的に共役な位置またはその近傍に配置されている。入射側フライアイミラー３５ａの各要素ミラーにより反射されたＥＵＶ光は、射出側フライアイミラー３５ｂの各要素ミラーに入射する。したがって、射出側フライアイミラー３５ｂの射出側またはその近傍には、射出側フライアイミラー３５ｂを構成する要素ミラーの数に応じた多数の集光点が形成され、二次光源が形成される。

射出側フライアイミラー３５ｂにより反射されたＥＵＶ光は、平面反射鏡３６により偏向され、露光領域規定部材１の細長い円弧状の視野制限スリットを通過する。露光領域規定部材１は、レチクルＭと投影光学系ＰＬとの間に配置され、ウエハＷ上の露光領域を規定する円弧状の視野制限スリットを有している。なお、ウエハＷ上に導かれるＥＵＶ光による露光領域が所定形状に規定されていればよいため、ＥＵＶ光がレチクルＭにより反射される前にＥＵＶ光を視野制限スリットによって制限するように構成してもよい。また、ＥＵＶ光がレチクルＭにより反射された後にＥＵＶ光を視野制限スリットによって制限するように構成してもよい。なお、この実施の形態にかかる露光領域は、円弧状に規定されているが、他の形状を有するようにしてもよい。

露光領域規定部材１の視野制限スリットを通過したＥＵＶ光は、反射型レチクルとしてのレチクルＭ上に円弧状の照明領域を形成する。このとき、レチクルＭに対するＥＵＶ光の主光線の入射角度θ（°）は、１０≦θ≦１６の条件を満足している。

レチクルＭはレチクルステージ５５に搭載され、レチクルステージ５５はＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向及び各軸まわりの回転方向に移動可能に構成されている。レチクルＭは、モリブデン（Ｍｏ）層とシリコン（Ｓｉ）層を交互に積層したＭｏ／Ｓｉ多層膜（Ｍｏ層の膜厚が２．４９ｎｍ、Ｓｉ層の膜厚が４．６１ｎｍの周期長７．１ｎｍの４０乃至５０層対の多層膜）上に吸収体を形成することにより構成されている。図２は、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜（Ｍｏ層２．４９ｎｍ、Ｓｉ層４．６１ｎｍの５０層対の多層膜）が積層されたレチクルＭの反射率特性を示すグラフである。図２に示すように、レチクルＭは波長１３．５ｎｍのＥＵＶ光の入射角度θ（°）が１０≦θ≦１６のときに約６０％以上の反射率を有している。

レチクルＭにより反射されたＥＵＶ光は、複数の反射鏡（図１において例示的に６つの反射鏡Ｍ１〜Ｍ６）からなる投影光学系ＰＬに入射する。投影光学系ＰＬの開口数ＮＡは、０．２≦ＮＡ≦０．６の条件を満足している。投影光学系ＰＬを介したＥＵＶ光は、ウエハＷ上にレチクルＭのパターンの像を形成する。ウエハＷはウエハステージ５６に搭載され、ウエハステージ５６はＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向及び各軸まわりの回転方向に移動可能に構成されている。

レチクルステージ５５及びウエハステージ５６のＸＹ方向の位置は、図示しない干渉計により各々測定される。干渉計による測定結果は制御装置５１に対して出力され、制御装置５１は、レチクルステージ５５及びウエハステージ５６に対して駆動信号５７，５８を出力する。制御装置５１からの駆動信号５７，５８に基づいて、リニアモータやエアアクチュエータ等の図示しないアクチュエータによりレチクルステージ５５及びウエハステージ５６は移動する。

この実施の形態にかかるＥＵＶ用露光装置においては、反射型のレチクルＭが用いられているためレチクルＭ側で非テレセントリックな光学系となり、ＥＵＶ光は所定の入射角度でレチクルＭに入射する。従来の露光装置においては、露光光の主光線の入射角度θは投影光学系の像側開口数ＮＡに依存していた。即ち、レチクルへの入射光とレチクルからの射出光とを空間的に分離する必要性から、θ＞ｓｉｎ^−１（ＮＡ×β）でなければならない。ここで、βは投影光学系の投影倍率である。

例えば、ＮＡ＝０．２５、β＝１／４の場合、θ＞３．６°でなければならない。また、図３に示すように、入射光２０〜２２と射出光２３〜２５との光路を確実に分離するために、最も直角に近い射出光２３の反射角αを約２°にする必要があり、ＮＡ＝０．２５、β＝１／４の投影光学系では、入射光の主光線２１のレチクル側の入射角（射出角）θを約６°にする必要がある。

また、照明光学系のコヒーレントファクタ（σ）を０．８、入射光の主光線２１の入射角（θ）を６°とした場合、入射光の入射角範囲は、最小角θ_１＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ−ＮＡ／β×σ）＝３．１°、最大角θ_２＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ＋ＮＡ／β×σ）＝８．９°となる。したがって、上述の投影光学系に最適なレチクルの多層膜としては、入射光の入射角範囲３．１°〜８．９°において、高反射率を有する周期長を選択する必要があり、一例として周期長６．９４ｎｍ（Ｍｏ層２．４３ｎｍ、Ｓｉ層４．５１ｎｍ）の５０層対の多層膜が挙げられる。

図４は、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜（Ｍｏ層２．４３ｎｍ、Ｓｉ層４．５１ｎｍの５０層対の多層膜）の反射率特性を示すグラフである。図４に示すように、波長１３．５ｎｍのＥＵＶ光の入射角度θ（°）が３．１≦θ≦８．９の角度範囲においてほぼ平坦な反射率特性を有している。即ち、投影光学系の開口数ＮＡが０．２５のとき、図４に示す多層膜は、レチクルとして使用するのに最適である。

このように、投影光学系の開口数に基づいて露光光の主光線の入射角度が定まり、露光光の主光線の入射角度に基づいてレチクルの多層膜の周期長が定まる。即ち、上述のＭｏ層２．４３ｎｍ、Ｓｉ層４．５１ｎｍの５０層対の多層膜により形成されるレチクルは、開口数ＮＡ＝０．２５の投影光学系専用のレチクルとなる。露光装置が大ＮＡ化するに伴い、例えば投影光学系のＮＡが０．６まで拡大した場合、最適な多層膜は異なる。

例えば投影光学系の開口数ＮＡが０．６まで拡大したとして、ＮＡ＝０．２５の場合と同様の計算を行う。レチクルへの入射光とレチクルからの射出光とを空間的に分離する必要性から、露光光の主光線の入射角θは、θ＞ｓｉｎ^−１（ＮＡ×β）であるから、ＮＡ＝０．６、β＝１／４のとき、θ＞８．６°でなければならない。また、入射光と射出光との光路を確実に分離するために、最も直角に近い射出光の反射角αを約２°にする必要があり、ＮＡ＝０．６、β＝１／４の投影光学系では、入射光の主光線のレチクル側の入射角（射出角）θを約１０．５°（１０°〜１１°程度）にする必要がある。

照明光学系のコヒーレントファクタ（σ）を０．８、入射光の主光線の入射角（θ）を１０．５°とした場合、入射光の入射角範囲は、最小角θ_１＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ−ＮＡ／β×σ）＝３．６°、最大角θ_２＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ＋ＮＡ／β×σ）＝１７．６°となる。したがって、上述の投影光学系に最適なレチクルの多層膜としては、入射光の入射角範囲３．６°〜１７．６°において、高反射率を有する周期長を選択するのが望ましい。しかし、ＮＡ＝０．２５において最適であった図４に示す多層膜を使用した場合、入射角が１０°を超えてから反射率が著しく低下し、入射角１３°以上で反射率は２０％以下となる。したがって、ＮＡ＝０．６において図４に示す多層膜を使用した場合、実効的なσ不均一性、実効σ低下等の様々な光学特性の劣化を引き起こし、高精度な露光を行なうことができない。

そこで、ＮＡ＝０．６における最適なレチクルの多層膜として、一例として周期長７．１ｎｍ（Ｍｏ層２．４９ｎｍ、Ｓｉ層４．６１ｎｍ）の５０層対の多層膜（図２参照）が挙げられる。周期長が図４に示す多層膜と比較して厚いため高反射率を示すピークの角度が高角側にシフトし、入射角３．６°での反射率は約５０％であるが、入射角約１０°〜１５°においては反射率は約７０％となり、入射角１０°〜１１°を境に略均一な光量分布を得ることができる。即ち、図２に示す多層膜は、投影光学系の開口数ＮＡが０．６のとき、レチクルとして使用するのに最適であるが、ＮＡが０．２５のとき、レチクルとして使用するのに最適でなく、入射光の角度範囲が３．１°〜８．９°では約４５〜５０％の反射率しか得ることができない。

したがって、同一のパターンを露光する場合であっても、投影光学系の開口数毎にレチクルを作製するのが望ましいが、投影光学系の開口数が異なる毎にレチクルを作製するのは多大なコストがかかる。

この実施の形態にかかるＥＵＶ用露光装置おいては、ＮＡ＝０．６の投影光学系ＰＬに最適なレチクルＭの多層膜及び入射角を、ＮＡ＝０．６以下のＮＡ（０．２≦ＮＡ≦０．６）の投影光学系ＰＬにおいても用いることができるように構成されている。従来の露光装置においては、投影光学系のＮＡに基づいて露光光の主光線の入射角度が定まり、レチクルに対する露光光の主光線の入射角度に基づいてレチクルの多層膜の周期長が定まっていたが、この実施の形態においては、投影光学系ＰＬのＮＡ及びレチクルの多層膜の周期長に基づいてレチクルに対する露光光の主光線の入射角度を定める。

まず、図２に示す多層膜、即ちＮＡ＝０．６（入射光の主光線の入射角度１０．５°で入射光の角度範囲が３．６°〜１７．６°）において最適な多層膜を基準とする。そして、投影光学系ＰＬのＮＡ及び図２に示す多層膜の周期長に基づいて入射光の主光線の入射角度を定める。例えば、ＮＡ＝０．２５の場合、ＮＡ＝０．６の場合と比較して入射光（射出光）の拡がり、即ち図３に示すθ_２−θ_１が狭くなる。したがって、ＮＡ＝０．２５の場合の入射光の主光線の入射角度を、ＮＡ＝０．６の場合の入射光の主光線の入射角度（１０．５°）より、高反射率を示すピークの角度（約１３°）に近づけた場合においても、入射光の高反射率、及び主光線に対する反射率特性の対称性を確保することができる。ここで、ＮＡ＝０．２５で入射光の主光線の角度を１２．５°としたとき、入射光の角度範囲は９．６°〜１５．５°となる。即ち、図２に示すように、高角側（１５．５°付近）で反射率が少し低下するが、約７０％弱以上の反射率、及び主光線に対する反射率特性の対称性を確保することができる。

入射光の主光線の角度を１２．５°に設定することにより、ＮＡ＝０．２５においてもＮＡ＝０．６において最適な多層膜により形成されたレチクルＭを用いることができる。同様に、０．２≦ＮＡ≦０．６の範囲内において、図２に示す多層膜により形成されているレチクルＭで最適な入射光の主光線の入射角度を定めて露光装置を製造することにより、異なるＮＡ毎に異なる多層膜を有するレチクルを作製する必要がなくなる。即ち、ＮＡの異なる露光装置で１つのレチクルを使いまわすことが可能となり、あるいはミックスアンドマッチ等で異なる露光装置間で同一のレチクルＭを使用することも可能となる。

この実施の形態にかかる露光装置によれば、レチクルＭに対する露光光の主光線の入射角度θ（°）が１０≦θ≦１６、及び投影光学系ＰＬの開口数ＮＡが０．２≦ＮＡ≦０．６の条件を満足しているため、同一のレチクルＭに対して投影光学系ＰＬの開口数毎に最適な入射角度を設定することができる。したがって、投影光学系ＰＬの開口数が異なる場合においても同一のレチクルＭを使用することができ、かつ高精度な露光を行なうことができる。

なお、この実施の形態にかかる露光装置においては、コヒーレントファクタ（σ）＝０．８の照明光学系３３を例に挙げて説明しているが、０．８以外のσ値についても本発明を適用することができ、この実施の形態にかかる露光装置と同様の効果を得ることができる。

投影光学系の開口数ＮＡ＝０．２５のＥＵＶ用露光装置を製造した。このＥＵＶ用露光装置を製造するにあたり、光学設計でレチクルに対する入射光の主光線の入射角度を１２．５°とした。その結果、照明光学系のコヒーレントファクタ（σ）＝０．８における入射光の角度範囲は９．６°〜１５．５°となった。このとき、図２に示すような反射率特性を有する多層膜をレチクルとして使用した。その結果、ＮＡ＝０．２５のＥＵＶ用露光装置において約７０％の好適な反射率特性を有し、かつ主光線に対して略対称な反射率特性を有するレチクルとして使用することができた。

投影光学系の開口数ＮＡ＝０．４のＥＵＶ用露光装置を製造した。このＥＵＶ用露光装置を製造するにあたり、光学設計でレチクルに対する入射光の主光線の入射角度を１１°とした。その結果、照明光学系のコヒーレントファクタ（σ）＝０．８における入射光の角度範囲は６．４°〜１５．７°となった。このとき、図２に示すような反射率特性を有する多層膜をレチクルとして使用した。その結果、ＮＡ＝０．４のＥＵＶ用露光装置において約６０％以上の好適な反射率特性を有し、かつ主光線に対して略対称な反射率特性を有するレチクルとして使用することができた。

投影光学系の開口数ＮＡ＝０．６のＥＵＶ用露光装置を製造した。このＥＵＶ用露光装置を製造するにあたり、光学設計でレチクルに対する入射光の主光線の入射角度を１０．５°とした。その結果、照明光学系のコヒーレントファクタ（σ）＝０．８における入射光の角度範囲は３．６°〜１７．６°となった。このとき、図２に示すような反射率特性を有する多層膜をレチクルとして使用した。その結果、ＮＡ＝０．６のＥＵＶ用露光装置において好適な反射率特性を有するレチクルとして使用することができた。

実施例１〜実施例３によれば、ＮＡ＝０．２５，０．４，０．６のＥＵＶ用露光装置において同一のレチクルを使いまわすことができるような光学設計を行うことにより、それぞれのＥＵＶ用露光装置で同一のレチクルに対する高い反射率を確保することができる。したがって、それぞれのＥＵＶ用露光装置で高精度な露光を行なうことができる。

実施の形態にかかる露光装置の構成を示す図である。 Ｍｏ層２．４９ｎｍ、Ｓｉ層４．６１ｎｍの５０層対の多層膜の反射率特性を示すグラフである。 レチクルに対する入射光の入射角と射出光の射出角について説明するための図である。 Ｍｏ層２．４３ｎｍ、Ｓｉ層４．５１ｎｍの５０層対の多層膜の反射率特性を示すグラフである。

符号の説明

１…露光領域規定部材、３１…光源、３３…照明光学系、３５…オプティカルインテグレータ、３５ａ…入射側フライアイミラー、３５ｂ…射出側フライアイミラー、５１…制御装置、５５…マスクステージ、５６…ウエハステージ、Ｍ…レチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ。

Claims (3)

1. 露光光により照明されたレチクルに形成されているパターンを投影光学系を介して感光性基板上に転写露光する露光装置において、
   前記レチクルに対する前記露光光の主光線の入射角度θ（°）が、１０≦θ≦１６及び
   前記投影光学系の像側開口数ＮＡが、０．２≦ＮＡ≦０．５
   の条件を満足することを特徴とする露光装置。
2. 前記レチクルは、前記露光光の主光線の入射角度θ（°）が１０≦θ≦１６のときに６０％以上の反射率を有することを特徴とする請求項１記載の露光装置。
3. 感光性基板上に転写するためのパターンが形成されているレチクルであって、
   入射する光の主光線の入射角度θ（°）が１０≦θ≦１６のときに６０％以上の反射率を有することを特徴とするレチクル。
   

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