JP2008530786A - シュワルツシルト対物鏡を使用してフォトマスクの縮写像を投影する装置 - Google Patents

Abstract

シュワルツシルト対物鏡を使用してフォトマスク像を基板上に投影する光学システムは、エキシマレーザと、該レーザとビーム分割プリズムからのレーザ光線を成形するビーム成形光学素子を含む。ビーム分割プリズムは、互いに角度を成して傾斜する４つのフェーセットを含む分割面を有する。４つのフェーセットは成形されたビームをシステム軸に対して角度を成して伝播する４つのビーム部分に分割する。これらのビーム部分はフォトマスクで重なって、そして、ビーム部分の光のすべてがシュワルツシルト対物鏡の凸面鏡の中央オブスキュレーションゾーンの外側の環状ゾーンにおいて対物鏡の凸面鏡に入射するように、互いに開いて凹面鏡の入口孔に入る。これは、通常このオブスキュレーションゾーンによって引き起こされる伝達損失を本質的になくす。

Description

本発明は一般に、紫外線（ＵＶ）光学リソグラフィー操作においてフォトマスクの縮写像を基板上に形成する光学投影システムに関する。発明は、特に、縮写像を投影するのにシュワルツシルト対物鏡を使用するそのような投影システムに関する。

ＵＶマイクロマシーニング操作においてフォトマスクの像を基板上に形成する光学システムでは、フォトマスクにおいて高強度の照射を与えかつその高強度のフォトマスク照射を基板上のフォトマスク縮写像にできるだけ多く伝達することが望ましい。マスク像を投影するために一般的に使用される投影光学素子はシュワルツシルト対物鏡である。シュワルツシルト対物鏡は反転に使用される１つの周知のオンアキシス（投影システムの光軸）反射望遠鏡の例である。該対物鏡では、照射されたフォトマスクからの光が凹形反射面を持つ主鏡の中央孔を通って主鏡を通り抜けて、オンアキシス副鏡凸面で反射して前記主鏡凹形反射面に入射する。ここで使用され、また、以下で提示される発明の説明で使用される用語「主鏡」と「副鏡」は反射望遠鏡の鏡の指定に通常使用される用語であり、反射望遠鏡が縮写対物鏡として反転に使用されるときに放射が鏡に当たる順番を反映するものではないことに注意すべきである。

シュワルツシルト対物鏡などの全反射対物鏡は、反射光学素子が光の吸収による（ＵＶ）光の損失に関して屈折素子よりもより小さい損失を与えるという利点を有する。シュワルツシルト反射対物鏡及び同様なすべての反射対物鏡は、光軸の近くで又は光軸に若干の角度をなして対物鏡に入る光が副鏡から反射されて主鏡の孔に戻り、副鏡上の光軸に近い部分に事実上「暗いゾーン」、即ち、オブスキュレーションゾーンを生じさせるという、部分的相殺を生じさせる不利な点を有する。

従来の光学システムでは、エネルギー伝達損失を生じさせる暗いゾーンの影響を最小にする設計は、照射光を均等に分配してフォトマスク上を横切らせることにより副鏡の中央の暗いゾーン照射（イルミネーション）を低減するために、円筒レンズと、ビーム均質化要素という高価で実装が難しいシステムを使用していた。そのようなシステムは、ドイツ特許公報ＤＥ１９５ ３３ ３１４で詳細に説明されている。この特許の全開示の内容は参照のためにここに取り入れられる。シュワルツシルト対物鏡他同様な対物鏡の暗いゾーンによる伝達損失を最小にするＵＶ光学投影システムが必要とされているが、その必要とされる光学投影システムは上記ドイツ特許公報で説明されたタイプのものよりは低価格で実装がより簡単なものである。

本発明は、放射ビームでマスクを照らしマスク像を基板上に投影する装置に関する。そのような装置は、通常、像が形成されるマスクが置かれるマスク位置及び投影された像を受けるために基板が置かれる像位置を有する。１つの態様では、本発明による装置は、離間し対面する凸面第１鏡と凹面第２鏡を有する対物鏡を含む。第２鏡は第１鏡より大きく、第１鏡への光アクセスを提供する孔を有する。プリズムは放射ビームの通路においてマスク位置に位置している。プリズムは複数のフェーセットを有する。これらのフェーセットは、ビームがそれらのフェーセットによって複数のビーム部分に分割され、これらのビーム部分がプリズムを出るときに互いに集束するように構成され配置される。互いに収束するビーム部分は対象位置で交差し、次にビーム部分の本質的にすべての放射が第１鏡の凸面上の環状ゾーンで入射するように開いて第２鏡の孔を通る。環状ゾーンに入射したビーム部分は第２鏡へ反射され、そして、第２鏡によって反射されて基板位置で結像する。

ビーム部分を重ね合わせることにより、マスク上に高照度を与えることができる。ビーム部分のすべての放射を第１鏡の環状ゾーンに入射させることにより、上で議論したそのような対物鏡の凸面鏡の暗いゾーンによる放射損失は最小にすることができる。

発明の１つの好ましい態様では、対物鏡はシュワルツシルト対物鏡であり、プリズムの分割面はビームを４つの部分に分割する４つのフェーセットを持っている。プリズムは４未満か４つ以上のフェーセットを持つことができるが、望ましくは、これらのフェーセットは装置の光軸上の共通点で合う。発明の光学システムは、エキシマレーザからの光を使用することで像を作ることに主として向けられるが、そのようなレーザによる作られる像に制限されない。

発明の好ましい実施の形態

明細書の一部をなす添付図面は本発明を図示し、上の発明の開示の欄及び以下に与えられる好ましい実施の形態の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明する役目をなす。

図１、図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃは、本発明による装置で使用されるタイプの光ビーム分割素子、すなわち、プリズム１０を示す。この例では、プリズム１０は、望ましくは、入口表面として使用される１つの平面表面１２と、望ましくは、出口面として使用される４つの表面、即ち、４つのフェーセット１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃ，１４Ｄを有する。ここで、これらのフェーセットは、等しいサイズで長方形（又は正方形）であり、プリズム１０の中心頂点１６で会う（合う）。本発明による光学システムの長軸方向の光軸１８上に位置する頂点１６（図１Ｂ参照）と、前記光軸１８に垂直な入口表面１２を備えるプリズム１０を使用することを意図する。フェーセット１４Ａ−Ｄは、プリズムの入口表面１２に対して角度α傾けられている。もちろんプリズム自体、光軸１８と共線状の縦軸（図示省略）を有するとみなすことができる。

図２は本発明によるマスクの縮写像を基板上に形成するための基本的な光学装置２０を図示する影なしの縦断面図である。プリズム１０は、番号２２によって表されるコリメートされた放射ビーム（ここでは、６つの光線２４）を受ける。ビームはプリズムにその入口表面１２から入り、プリズムの４つのすべてのフェーセット（１４Ａ−１４Ｄ）に入射する。フェーセット１４Ｂと１４Ｄは、ビーム２２を２つの対応するビーム部分２２Ｂと２２Ｄ（それぞれ、光線２４Ｂと２４Ｄによって示されている）に分割する。当業者であれば、図２の紙面に垂直な平面内に（プリズム１０のフェーセット１４Ａと１４Ｃによって生成される）対応する２つのビーム部分が存在することが理解できるであろう。

像が形成されるマスク（図示省略）は平面２６内に位置することができ、そこにおいて、ビーム部分２２Ｂと２２Ｄ（そして、見えていない２つの対応するビーム部分）が交差する。ビームの交点では、強度又は放射がオリジナルビーム２２のものの約４倍になる。ビーム２２Ｂ、２２Ｄ及び見えていない２本の対応するビームがマスク位置（平面２６）から開いて（発散して）シュワルツシルト対物鏡にその主鏡３２の孔３３から入る。主鏡３２は凹状反射面３４を有する。シュワルツシルト対物レンズの副鏡３６は凸状反射面３８を有する。典型的なシュワルツシルト対物レンズでは、反射面３４と３８は球面状である。しかしながらこれは、本発明を制限するものと理解されるべきではない。発明に関して本明細書において鏡３２と３６へ適用される用語「主」と、「副」は、反射望遠鏡の設計に通常使用される用語であって、反射望遠鏡が図２に示すように縮写対物レンズとして反転に使用されるとき、放射が鏡に当たる順番を反映するものではないことを、ここで再び留意されたい。

引き続き図２かつ加えて図２Ａに言及して、フェーセット傾き角α（図１Ｂ参照）は、望ましくは、プリズム１０の素材の屈折率と、プリズムの副鏡３６からの軸方向距離に従い、望ましくは、開くビームの本質的にすべての光線が先に説明した鏡の円形の「暗いゾーン」、即ち、オブスキュレーションゾーン４４（ここで図２Ａにおいて破線４６によって境界が示される）の外側に位置してシステム軸上に中心を持つ環状ゾーン４２において副鏡の反射面３８に入射するように選択される。従って、ビームのすべての光線が鏡３６の表面３８から鏡３２の凹形の反射面３４に反射され、さらに、平面５０における像点へ反射され、その結果、マスク平面２６を平面５０内に結像させる。基板（図示省略）の表面は、マスク像を受けるために平面５０に位置するだろう。像点は、対象平面内の対応点から開く光線が結像平面において交差する点である。当業者は、図２の光線トレースによって描かれるマスクのサイズに比べて像のサイズ縮写度が通常実際のケースよりも小さいことを認識できるであろう。ここでは、図示の縮写度は、単に図示の容易さのためだけである。

破線４６は、破線４ＯＲによって示されるように鏡３６の表面３８から鏡３２の表面３４に反射されることを必要とする軸１８に対する最小の傾斜である平面２６において軸１８上で始まる仮定光線路（点線の直線４０によって示される通路等）のおよその場所である。この入射角度より小さい角度を持って平面２６において軸１８から始まるいかなる光線も孔３０に戻るように反射され、従って、像平面に達しない。光線ビーム２２を互いに開いて孔に入る複数のビーム部分に分割することにより、オリジナルビーム内の本質的にすべての光線（放射）が暗いゾーンの外側の鏡３６の表面３８に入射することができる。

図２の構成では、コリメートされた放射ビームは、ＴＥＭ_００品質ビームを提供するレーザ等の何らかのソースから、あるいは、よく修正されたコリメート光学装置を介してレーザから受け取ることが想定される。しかしながら、あるタイプのレーザは、ビームがマスクを照らす前に、「形成する」、すなわち、ビーム断面のサイズ又は形状を変更する必要があるビームを提供する。マスク投影のための放射（光）源として使用されるエキシマレーザは、例えば、およそ３５ミリメートル（ｍｍ）の長さと、およそ１２ｍｍの幅を持つ細長い断面形状を有するビームを通常提供する。通常、そのようなビームの長さと幅の向きは、ビームに関する技術分野の専門家によって、それぞれ長軸、短軸と呼ばれる。そのようなレーザを含んでいるマスク投影システムでは、ビーム成形光学装置と、ビーム均質化光学装置と、結像されるべきマスクを照らすために、成形され均質化されたビームを集めかつ成形され均質化されたビームをマスクステージに投影する視野レンズとが備えられる。そのようなシステムでは、マスクはコリメートビームによって照らされず、図２の装置は実用的でない。

図３は、シュワルツシルト対物鏡を使用してマスクを基板上に投影する本発明によるエキシマレーザ光学装置６０を機能ブロック線図として示すものである。エキシマレーザ光学装置６０は、実質的にコリメートされているが上で議論したように細長い断面積を有するビーム２０を提供するエキシマレーザ（Excimer Laser）６２を含む。ビームは、ビームパワーを調節する可変減衰器(Variable Atenuator)６４を通り、そして、円筒レンズ６８と７０を含んでビームの長軸寸法を減少させるように構成されたビーム成形（Beam Shaping）光学装置（望遠鏡）６６を通る。ビーム２０は、ビーム成形光学装置６６から出て、本発明によるプリズム１０を通り、次に、オプションのビームスプリッタ７２を通る。ビームスプリッタ７２は、例えば、ビームの診断を行うために少量のビームを装置へ指向させるように使用される。ビームは、ビームスプリッタを出た後、回転鏡７４によって視野レンズ７８へ指向され、視野レンズ７８は、ビームを像が形成されるマスク８０に投影する。マスクはシュワルツシルト対物鏡（Schwarzschild Objective）３０によってイメージ化され光学出力窓８２を通り基板８４上に投影される。

図４は、図３の装置におけるビーム成形光学装置、ビーム分割プリズム、視野レンズ、およびシュワルツシルト対物鏡の１例６ＯＡの詳細を示す影無しの断面面である。図４では、光路は短くされかつ広げられて、かつ、図示の便宜のために鏡７４とビームスプリッタ７２は省略されている。この例では、ビーム２２はビーム形成光学装置６６の円柱レンズ７０を出るときコリメートされていないが、いまだ４つのビーム部分に分割されている（ただし、上で図２に関して説明したように、ビーム部分２２Ｂと２２Ｄのみが見える）。ビーム部分２２Ｂ，２２Ｄは個別にわずかに開いているが、互いに集束している。視野レンズ７８はビーム部分を個別に集束させ、ビーム部分の互いの集束を強める。ビーム部分は、マスク８０が位置しているであろうマスク平面（対象平面）２６で交差し、次に、シュワルツシルト対物鏡３２の鏡３４の孔に入るときは互いに開いている。

対物レンズ３０は、上で図２Ａに関して説明したように、すべてのビーム部分の本質的にすべての放射（光）が暗いゾーン４４（図４には示されていない）を囲む鏡３６の環状ゾーン４２において対物鏡の鏡３６の凸面３８に入射するように、レンズ７８に関して配置される。ビーム部分の光は鏡３６の環状ゾーンから鏡３２の反射面３４へ反射され、この反射面３４はビーム部分をマスク像を受けるために基板８４が置かれるであろう像平面５０上の像点まで反射する。

付帯的な性質であるが、それにもかかわらず、有利でもあるプリズム１０の性質は、それがマスク平面（マスクプレーン）に均質な光を提供するビームホモジナイザ（均質化要素）として機能することである。一例として、ガウス分布などの光の中心重み付け分布を有するプリズムに入射したビームがプリズムを通り、次に、プリズムによって生成されたビーム部分が交差する平面２６を通ると、交差ビームの縁において、１つのビーム部分、例えば、１４Ｂの最も高い強度は補足的なビーム部分１４Ｄの最も低い強度と合計される。このように、捕捉の均質化光学装置を用いることなく、平面２６において、設計平均強度のおよそプラス又はマイナス５％の均質なイルミネーションを達成することが可能である。これは、上で議論された最先端のホモジナイザ（円筒レンズ配列等を含む均質化要素）よりももちろん小さい均質性であるが、意義のある低コスト化と、複雑性の低減を達成することができ、また、シュワルツシルト対物鏡の暗いゾーン（オブスキュレーションゾーン）での放射損失を避けるという本発明の目的を達成することができる。

上で議論したシュワルツシルト対物鏡と、ビーム分割プリズムの装置は２個の可能な装置にすぎないことがここで強調される。当業者であれば、本発明の技術的思想と範囲から逸脱することなく、上に提供された説明から他の装置を考案可能である。本発明をエキシマレーザからの紫外線に使用するのに好ましい全反射対物鏡に関して説明した。反射対物鏡の凸面鏡及び凹面鏡を有しかつ光の修正等のために１つ以上の追加の屈折素子を有するカタディオプトリック対物鏡の使用に対して発明の原理を等しく適用可能である。

さらに、プリズム１０は上で４つの出口フェーセットを持つように説明されているが、本発明による上の説明された装置他の装置において、本発明の技術的思想と範囲から逸脱することのなく、それ以上の数又はそれよりも少ない数のフェーセット（少なくとも２つは必要である）を有するプリズムを使用することが可能である。ビーム２０がプリズムにそのフェーセットから入って、プリズムの表面１２から出るようなプリズム１０の向きとすることもまた可能である。プリズムの両側に傾斜するフェーセットを設け、各側の対応するフェーセットが同じ数と形であり、一直線上に配列されているものもまた可能である。

要約すると、本発明は好ましい実施の形態及び他の実施の形態に関して上で説明されているが、発明は説明されている実施例に限定されない。むしろ発明は添付された特許請求の範囲によってのみ限定される。

図１Ａは、１つの平面表面と、該平面表面の反対側に位置する４つの表面即ち４つのフェーセットを有する本発明による光学素子であって、それに入射した放射ビームを互いに角度を成して伝播する４つのビーム部分に分割する光学素子を示す平面図である。図１Ｂは、図１Ａの光学素子の第１及び第３フェーセットの詳細を示す側面図である。図１Ｃは、図１Ａの光学素子の第１及び第２のフェーセットの詳細を示す正面図である。 本発明による光学装置を図式的に示す陰影無しの断面図であり、平行ビームが図１Ａ−１Ｃに示す例の４つのフェーセットを持つ光学素子によって４つの平行ビーム部分に分割され、４つの平行ビーム部分がシュワルツシルト対物鏡によって集束する状態を示すものである。図２Ａは、図２を左側から見たシュワルツシルト対物鏡の凸面鏡の端面図である。 本発明による基板上にマスクの像を形成する光学システムのレイアウトを示す図である。この光学システムでは、レーザ光線がビーム成形望遠鏡によって成形され図１Ａ−１Ｃに示す例の４フェーセットを持つ光学素子によって４つのビーム部分に分割され、視野レンズが４つのビーム部分を一点に集めてマスク上で交差させてマスクを照らし、そして、シュワルツシルト対物鏡は基板上に照らされたマスクの像を形成する。 図３に示す例のビーム成形望遠鏡、４のフェーセットを持つ光学素子、視野レンズ及びシュワルツシルト対物鏡の詳細を示す陰影無しの断面図である。

Claims (21)

1. 光軸、マスク位置及び像位置を有し、放射ビームでマスクを照らしてマスク像を基板上に投影する装置であって；
   前記像を形成する対物鏡であって、離間し対面する凸面第１鏡と凹面第２鏡を含み、前記第２鏡は前記第１鏡より大きく、かつ、前記第１鏡への光アクセスを提供する孔を有する対物鏡と；
   前記放射ビームの通路において前記マスク位置の前に位置し複数のフェーセットを有するプリズムであって、前記複数のフェーセットは、それらによって前記放射ビームを複数のビーム部分に分割し該複数のビーム部分が前記プリズムを出るときに互いに集束するように構成され配置されているプリズムと；
   を含み、
   前記複数のビーム部分のほぼすべての放射を前記第１鏡の前記凸面上の環状ゾーンに入射させ、そこから前記第２鏡へ反射させ、さらにそこから前記基板位置の像点へ反射させるために、前記互いに集束する複数のビーム部分が前記マスク位置で交差し、その後互いに開いて前記第２鏡の前記孔を通るように設けた装置。
2. 請求項１の装置であって、前記第１鏡、前記第２鏡及び前記第２鏡の前記孔が前記光軸上に一直線上に並べられ、かつ、前記プリズムの前記複数のフェーセットは、前記光軸上に置かれたフェーセット頂点で合う装置。
3. 請求項１の装置であって、前記プリズムは平面表面を有し、前記複数のフェーセットが前記平面表面の反対側に位置する装置。
4. 請求項３の装置であって、前記プリズムは、大きさと形状が等しく共通点で合う４つの長方形のフェーセットを有する装置。
5. 請求項３の装置であって、前記放射ビームは、前記プリズムの前記平面表面を通って前記プリズムに入り、前記フェーセットを通って前記プリズムを出る装置。
6. 請求項１の装置であって、前記放射ビームの前記通路において前記プリズムの前に設けられ前記放射ビームが前記プリズムへ入射する前に前記放射ビームの断面形状を変える光学装置をさらに含んでなる装置
7. 請求項１の装置であって、前記複数のビーム部分の通路において前記プリズムと前記マスク位置の間に位置するレンズをさらに含んでなる装置。
8. 請求項７の装置であって、前記互いに開くビーム部分は、前記第２鏡の前記孔に入るときに個別に収束する装置。
9. 請求項１の装置であって、前記放射ビームは前記プリズムに入るときにコリメートされ、前記互いに開くビーム部分は、前記第２鏡の前記孔に入るときにコリメートされている装置。
10. 請求項１の装置であって、前記第１及び第２鏡は球面状反射面を持つ装置。
11. 光軸、マスク位置及び像位置を有し、放射ビームでマスクを照らしてマスク像を基板上に投影する装置であって；
    前記像を形成する対物鏡であって、離間し対面する凸面第１鏡と凹面第２鏡を含み、前記第２鏡は前記第１鏡より大きく、かつ、前記第１鏡への光アクセスを提供する孔を有する対物鏡と；
    前記放射ビームの通路において前記マスク位置の前に位置し複数のフェーセットを有するプリズムであって、前記複数のフェーセットは、それらによって前記放射ビームを複数のビーム部分に分割し該複数のビーム部分が前記プリズムを出るときに互いに集束するように構成され配置されたプリズムと；
    を含み、
    前記第１鏡の中央ゾーンの照射を最小にするように前記中央ゾーンを囲む環状ゾーンに前記ビーム部分を入射させ、そこから前記第２鏡へ反射させ、そこからさらに前記基板位置の像点へ反射させるために、前記互いに集束する複数のビーム部分が前記マスク位置で交差し、その後、開いて前記第２鏡の前記孔を通るように設けた装置。
12. 請求項１１の装置であって、前記第１鏡、前記第２鏡及び前記第２鏡の前記孔が前記光軸上に一直線上に並べられ、かつ、前記プリズムの前記複数のフェーセットは、前記光軸上に置かれた前記プリズムの頂点で合う装置。
13. 請求項１１の装置であって、前記プリズムは平面表面を有し、前記複数のフェーセットが前記平面表面の反対側に位置する装置。
14. 請求項１３の装置であって、前記プリズムは、大きさと形状が等しく共通点で合う４つの長方形のフェーセットを有する装置。
15. 光軸を有しマスク像を基板上に投影する光学システムであって；
    光ビームを提供する光源と；
    像が形成されるマスクが置かれる対象平面に前記光ビームを指向させる光学素子と；
    主鏡と副鏡を含み前記マスク像を形成する対物鏡であって、前記主鏡は前記対物鏡の入口孔をなす入口孔を有する対物鏡と；
    前記対象平面に指向された前記光ビームの通路に位置するプリズムであって、互いに角度をなす複数のフェーセットを含むプリズムと；
    を含んでなり、
    前記光ビームが前記複数のプリズムフェーセットによって対応する複数のビーム部分に分割され、該ビーム部分が光学システムの前記光軸に関してかつ互いに角度をなして伝播し前記対象平面における前記マスク位置で重なり、その後に開いて前記対物鏡の前記入口孔に入るように前記光ビーム指向光学素子と、前記プリズムと、前記対物鏡は相関的に構成されている光学システム。
16. 請求項１５の光学システムであって、前記副鏡は、開いて前記対物鏡の前記入口孔に入る前記ビーム部分の通路において前記光軸上に位置し、前記ビーム部分の発散は、前記ビーム部分による前記副鏡の中央ゾーンの照射が最小になるように選択される光学システム。
17. 請求項１６の光学システムであって、前記複数のフェーセットは、前記光軸上に置かれた前記プリズムの頂点で合う光学システム。
18. 請求項１７の光学システムであって、前記プリズムは平面表面を有し、前記複数のフェーセットが前記平面表面の反対側に位置する光学システム。
19. 請求項１８の光学システムであって、前記プリズムは、大きさと形状が等しく共通なポイントで合う４つの長方形のフェーセットを有する光学システム。
20. 請求項１６の光学システムであって、前記発散するビーム部は前記主鏡の前記入口孔に入るときに個別に収束する光学システム。
21. 請求項１６の光学システムであって、前記光ビームは前記プリズムに入るときにコリメートされ、前記開くビーム部は前記主鏡の前記入口孔に入るときにコリメートされる光学システム。

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