JP2009038152A - 光学系、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

光学系、露光装置及びデバイス製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ディストーション及び/又は非点隔差を高精度に調整できる技術の実現。
【解決手段】物面の近傍に少なくとも1つの第1屈折光学部材を含み、かつ、像面の近傍に少なくとも1つの第2屈折光学部材を含み、物面に対する像面の結像倍率をβとしたとき、0.4≦|β|≦2.5である光学系において、前記第1及び第2屈折光学部材の少なくともいずれかを光軸方向に直交する面内で移動可能に保持し、前記光学系の非点隔差及びディストーションの少なくともいずれかの調整を行う調整手段を有する。
【選択図】図19

Description

本発明は、原版のパターンを光学系を介して基板に露光する露光装置やデバイス製造方法に関する。
露光装置は、ICやLSI等の半導体チップ、液晶パネル等の表示素子、磁気ヘッド等の検出素子、CCD等の撮像素子といった各種デバイス、マイクロメカニクスで用いる微細パターンの製造に用いられる。これら素子は、レチクルのパターンを投影光学系を介してフォトレジストが塗布された基板上に投影することにより製造される。
従来の投影光学系として、例えば同心又は非同心の凹面鏡や凸面鏡を使用した反射光学系や、凹面鏡や凸面鏡の他に負のメニスカスレンズ及び色収差補正機構を加えた略同心の反射光学系等が知られている。
これらの反射光学系は軸外の半弧状態領域に良像域が形成されている。そして、この良像域に対応するレチクルのパターン像を基板上に形成するし、レチクル及び基板を一体として反射光学系に対して相対的に走査することによりレチクルのパターン像全体を基板上に形成するアライナが知られている。
しかしながら、従来の反射光学系のいずれも非点隔差及び像面湾曲が大きく、そのために良像域の幅は極めて狭く、アライナに適用した場合に多くの走査時間、即ち露光時間を必要とし、時間当たりの基板焼付け処理量が比較的少ないという難点があった。
従来の投影光学系は、特許文献1,2のように、凸面鏡及びメニスカスレンズを含む凸ユニットと屈折光学部材とで構成されている。特に、特許文献1では、ミラーを球面とし凹面鏡と凸面鏡との間に非球面光学素子を配置することで良像域の拡大を達成している。また、特許文献2では、拡大投影倍率を有する反射屈折光学系において凹面鏡と凸面鏡との間に非球面光学素子を配置することで良像域の拡大と色収差の補正を達成している。
特開昭60−093410号公報 特願2006−269022号公報
上記従来技術によって、大型基板であっても基板焼付け処理量が低下しない露光装置の設計が可能になる。しかしながら、装置の大型化等に伴い、光学部材の組み付け誤差や製作誤差等が原因で画角に依存する収差、即ち、非点間差(非点収差)及びディストーション(歪曲収差)が発生しやすくなる。
従来は凸面鏡若しくは凸ユニットの位置を調整することにより非点隔差及びディストーションの調整、又は像面や物面近くに配置された平面ガラスを曲げることによってディストーションの調整を行っている。
しかしながら、装置の大型化に伴い調整を行う成分以外の他成分の収差が無視できない量発生する等満足できる調整精度を得ることができない場合があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、良像域を拡大するために物面と像面の近傍に配置された屈折光学部材を光軸に直交する面内に移動させることにより、ディストーション及び/又は非点隔差を高精度に調整できる技術を実現することである。
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の光学系は、物面の近傍に少なくとも1つの第1屈折光学部材を含み、かつ、像面の近傍に少なくとも1つの第2屈折光学部材を含み、物面に対する像面の結像倍率をβとしたとき、0.4≦|β|≦2.5である光学系において、前記第1及び第2屈折光学部材の少なくともいずれかを光軸方向に直交する面内で移動可能に保持し、前記光学系の非点隔差及びディストーションの少なくともいずれかの調整を行う調整手段を有する。
また、本発明の露光装置は、上記光学系を有し、原版のパターンを前記光学系を介して基板に露光する。
また、本発明のデバイス製造方法は、上記露光装置を用いて基板を露光するステップと、露光された前記基板を現像するステップと、を有する。
本発明によれば、良像域を拡大するために物面と像面の近傍に配置された屈折光学部材を光軸に直交する面内に移動させることにより、ディストーション及び/又は非点隔差を高精度に調整することができる。
以下に、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
[第1の実施形態]
第1の実施形態は屈折光学素子が球面レンズであり、屈折光学素子の光線有効部が光軸を含まない軸外に存在する光学系の構成例である。
図1は第1の実施形態の光学系の構成を示している。
図1において、光学系は、第1屈折光学部材1、第1凹反射面(ミラー)3、凸反射面(ミラー)5、第2屈折光学部材6を介して像を形成する。第1、第2屈折光学部材1,6は光軸方向に直交するY,Z面内で移動可能に保持され、光学系の非点隔差及びディストーションの少なくともいずれかの調整が可能である。
尚、図1の光学系においてX軸は紙面内左右方向、Y軸は紙面内上下方向、Z軸は紙面垂直方向とする。
以下、表1に軸外良像域を使用する反射屈折投影系の光学データを示す。Noは光学面番号を表し、Noに付随しているASPは非球面レンズであることを示す。r欄は各項が面の曲率半径を表し∞は平面を表している。d欄は次の光学面との光軸上の距離を表し、光の進む方向を正とし1回反射するごとに符合が反転する。n欄は次の光学面との間の屈折率を表している。
使用波長はi線、h線、g線から1つ又は複数選択又は選択せず全て使用可能であり、それその波長に対する石英の屈折率を1.4745、1.4696、1.4668とする。本実施形態では良像域の光軸からの高さを240mmとする。
Figure 2009038152
また、ASPの非球面形状は式1により表現でき、それぞれの非球面係数は表2のようになる。
Figure 2009038152
X:接平面から非球面までの光軸方向距離
k:円錐係数
h:光軸からの高さ
r:曲率半径
A,B,C,D,E,F,G:非球面係数
Figure 2009038152
図1の構成において、例えば第1屈折光学部材1がZプラス方向に300μm移動した場合、ディストーションは図2のように変化し、非点隔差は図3のように変化する。同様に、第2屈折光学部材6がZプラス方向に300μm移動した場合、ディストーションは図4のように変化し、非点隔差は図5のように変化する。
ディストーションとは理想結像点からのY,Z面内へのズレ量であり、非点隔差とは縦方向(Y方向)パターンと横方向(Z方向)パターンの結像点の光方向のズレと定義する。
グラフ横軸座標は露光領域のZ軸座標を示しており、グラフ縦軸は非点隔差又はディストーションの発生量を示す。以下のグラフについても同様である。
図6及び図7に示すように、上記第1屈折光学部材1の移動と第2屈折光学部材6の移動を同時にZプラス方向に300μm行うと非点隔差は図7のように実質的に変化せず、主としてディストーションが図2と図4の加算分だけ図6のように変化する。
図8及び図9に示すように、例えば、第1屈折光学部材1がZプラス方向に300μm移動し、第2屈折光学部材6がZマイナス方向に300μm移動した場合にディストーションは図8のように実質的に変化せず、主として非点隔差が図9のように変化する。
即ち、上記第1及び第2屈折光学部材1,6を、ディストーション又は非点隔差の変化が異符合となる方向に同時に移動させ、かつ、ディストーション又は非点隔差の量の絶対値が略同じになるように移動させる。これにより、ディストーション非点隔差を変化させることなく非点隔差又はディストーションを調整することができる。
ここで、上記第1及び第2屈折光学部材1,6を同時に移動させたときのディストーション又は非点隔差は、当該第1及び第2屈折光学部材1,6のいずれかを移動させたときに発生するディストーションの1/2以下となる。
以上はZ方向について述べたがX方向、Y方向についても、第1、第2屈折光学部材1,6を移動することで非点隔差及び/又はディストーションを変化させることができる。
[第2の実施形態]
第2の実施形態は屈折光学素子がパワーを持たない非球面レンズであり、屈折光学素子の光線有効部が光軸を含まない軸外に存在する光学系の構成例である。
図10は第2の実施形態の光学系の構成を示している。
図10に示す光学系は、メニスカスレンズ4を設け、第1、第2屈折光学部材1,6が非球面レンズである以外の構成は、図1と同様であり、また、X,Y,Z方向は第1の実施形態の定義と同様である。
以下、表3に軸外良像域を使用する反射屈折投影系の光学データを示す。表の説明は第1の実施形態と同様である。本実施形態では良像域の光軸からの高さを460mmとする。
Figure 2009038152
また、ASPの非球面形状は式1により表現でき、それぞれの非球面係数は表4のようになる。
Figure 2009038152
以上の構成において、図10のように光学部材を配置したとき、例えば第1屈折光学部材1がZプラス方向に300μm移動した場合、ディストーションは図11のように変化し、非点隔差は図12のように変化する。
第2屈折光学部材6の移動や第1、第2屈折光学部材の組み合わせた移動においても、第1の実施形態と比べて非点隔差及びディストーションの発生量は異なるものの選択的な調整を行うことを可能とし、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
上記移動はZ方向について述べたがX方向、Y方向についても、第1、第2屈折光学部材1,6を移動することで非点隔差及び/又はディストーションを発生させることができる。また、第1、第2屈折光学部材1,6を組み合わせて移動することで実質的にディストーションのみ若しくは実質的に非点隔差のみを変化させることができる。
ここでは、屈折光学素子がパワーを持たない非球面レンズを例示したが、パワーを持つ非球面レンズでも第1の実施形態との相乗効果により同様の効果が得られる。
[第3の実施形態]
第3の実施形態は拡大投影倍率を有する反射屈折光学系の構成例である。
図13は第3の実施形態の光学系の構成を示している。
図13に示す光学系は、第2凹反射面(ミラー)3’を設け、第1、第2屈折光学部材1,6が反射屈折光学部材である以外の構成は、図1と同様であり、また、X,Y,Z方向は第1の実施形態の定義と同様である。
以下、表5に軸外良像域を使用する反射屈折投影系の光学データを示す。表の説明は第1の実施形態と同様である。
ここでは、拡大倍率β=1.5を例示したが、β=2.5でも同様の効果が得られる。2.5倍以上にすると、物面と第1凹ミラー3の間の距離が短くなり実用的設計が困難であり、例えばマスクパターニングにおいても設計が困難であるため、0.4≦|β|≦2.5が適切な結像倍率である。本実施形態は良像域の光軸からの高さを250mmとした。
Figure 2009038152
また、ASPの非球面形状は式1により表現でき、それぞれの非球面係数は表6のようになる。
Figure 2009038152
以上の構成において、図13のように光学部材が配置されたとき、例えば第1屈折光学部材1がZプラス方向に300μm移動した場合、ディストーションは図14のように変化し、非点隔差は図15のように変化する。同様に、第2屈折光学部材6がZプラス方向に300μm移動した場合、ディストーションは図16のように変化し、非点隔差は図17のように変化する。
ここで、第1屈折光学部材1と第2屈折光学部材6の移動量は同じであるが拡大系であるためにディストーションと非点隔差の発生量が異なっている。両者の移動比率を適切に選ぶことによって、実質的にディストーションのみ又は非点隔差のみを調整可能である。
[第4の実施形態]
第4の実施形態は、本発明を図18のようなレンズ鏡筒を構成する光学系に適用した例である。
第1屈折光学部材1と第2屈折光学部材6を移動させることによりディストーション及び/又は非点隔差が調整可能となる。
また、上記実施形態と同様に、第1、第2屈折光学部材を組み合わせて移動させることによりディストーションのみ若しくは非点隔差のみを実質的に調整可能である。
ここではレンズについて例示したが、ミラー系とレンズ系を用いたカタディオ系においても同様の効果が得られる。
[露光装置]
図19は、本発明の光学系を搭載した露光装置を示している。
本実施形態の露光装置EXは、上記各実施形態で述べたディストーションや非点隔差を調整可能とする構成に対して、台形ミラー2を付加して光路を直角に曲げている。
第1屈折光学部材1はレチクルRと台形ミラー2間の光路中に、レチクルR及び基板Pと平行に配置されている。第2屈折光学部材6は台形ミラー2と基板P間の光路中に、レチクルR及び基板Pと平行に配置されている。
照明光学系ILは、例えば、高圧水銀ランプ等を含む光源と、光源から射出された光束を集光する楕円鏡と、を有し、楕円鏡により集光された光束を拡大する。照明光学系ILは、光束を平行化するコンデンサレンズと、コンデンサレンズからの平行光束のうちレチクルRへの照射光として使用しない部分を遮断して所定面積の照明領域を定義するためにレチクルRと共役な位置に配置された制限スリット板と、を含む。また、照明光学系ILは、制限スリット板からの光束を反射させて原版としてのレチクルRにスリット状照明光束を照射するミラーを含む。
照明光学系ILが発生する露光光ELとしては、例えば、水銀ランプから射出される紫外域の輝線(g線、h線、i線)の他に、KrFエキシマレーザ光(波長248nm)等の遠紫外光(DUV光)が用いられる。更に、ArFエキシマレーザ光(波長193nm)及びF2レーザ光(波長157nm)等の真空紫外光(VUV光)等が用いられうる。照明光学系ILは、所謂ケーラー照明系として構成されうる。
レチクルRから基板Pに至る光路には投影光学系PLが配置され、レチクルRを透過した露光光ELは投影光学系PLに入射し、レチクルRの照明領域に存在するパターンの像を基板P上に形成する。図10に示すように、投影光学系PLは、例えば、第1屈折光学部材1、台形ミラー2、凹面ミラー3、メニスカスレンズ4、凸ミラー5、第2屈折光学部材6を介してレチクルRのパターンの像を基板P上に形成する。基板P上への投影光学系の投影領域は、所定形状(例えば、円弧形状)に設定される。
アライメントスコープASでは、例えば水銀ランプの発光スペクトルの一部であるe線、d線を用いて、レチクルステージMST上の計測用パターン10a、基板ステージPST上の計測用パターン10b、又は基板P上の既形成パターンを計測する。
上記アライメントスコープASは、例えば、レチクルステージMST上の計測用パターン10aと基板ステージPST上の計測用パターン10bを用いて、露光装置EXのフォーカス、倍率、ディストーション、及び非点隔差を計測する。露光装置EXの全体の制御を行うCPU9は、上記アライメントスコープASによる計測結果としての非点隔差及びディストーション量から第1、第2屈折光学部材1,6の調整量を算出する。
CPU9は、上記第1、第2屈折光学部材1,6の調整量に対応する当該光学部材の移動量を駆動機構のアクチュエータを制御するコントローラ8a,8bに出力する。そして、コントローラ8a,8bがアクチュエータ7a,7bを駆動することにより第1、第2屈折光学部材1,6を所定量移動させる。
また、凸ミラー5と第1、第2屈折光学部材1,6を同時に駆動することによりディストーション及び非点隔差を調整することもできる。
既にパターン形成された基板にパターンを重ねて露光を行う際には、上記アライメントスコープASにより、例えば、パターン形成された基板P上の計測用パターン10bを計測する。そして、CPU9は、既に形成されたパターンと新たに形成するパターンのズレを低減するための第1、第2屈折光学部材1,6の最適位置及び移動量を算出する。
CPU9は、上記第1、第2屈折光学部材1,6の調整量に対応する当該光学部材の移動量を駆動機構のアクチュエータを制御するコントローラ8a,8bに出力する。そして、コントローラ8a,8bがアクチュエータ7a,7bを駆動することにより第1、第2屈折光学部材1,6を所定量移動させる。
また、凸ミラー5と第1、第2屈折光学部材1,6を同時に駆動することによりパターンのズレを調整することもできる。
第1、第2屈折光学部材1,6はX方向、Y方向、Z方向、チルトX方向、チルトY方向、チルトZ方向にそれぞれ駆動軸を有する。例えば、第2屈折光学部材6のY方向への移動は、アクチュエータ7bが第2屈折光学部材6を保持する部材を駆動することにより行う。その他のX、Z、チルトX、チルトY、チルトZの各方向についてもアクチュエータ等の駆動機構を搭載している(不図示)。
例えば、図19の露光装置にて、第1、第2屈折光学部材1,6と凸ユニットとを組み合わせて移動させ、非露光中、露光前ジョブ準備中、露光前基板計測中、露光中と任意のタイミングで非点隔差及び/又はディストーションを調整する機能を搭載しても良い。
以上説明したように、上記各実施形態によれば、良像域を拡大するために物面と像面の近傍に配置された光学部材を移動させることにより、ディストーションや非点隔差を高精度に調整することができる。
一般に、光学部材を移動させてディストーションや非点隔差を調整する際には球面収差やコマ収差が残存収差として発生するが、本実施形態によれば、これらの残存収差を抑えるために物体、像面近傍の光学部材を移動させて調整を行うことができる。
[デバイス製造方法]
次に、本実施形態の露光装置を利用した半導体デバイスの製造プロセスについて説明する。
図20は半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップS1(回路設計)では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ2(レチクル作製)では設計した回路パターンに基づいてレチクルを作製する。一方、ステップS3(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S4(ウエハプロセス)は前工程と呼ばれ、上記のレチクルとウエハを用いて、上述の露光装置によりリソグラフィー技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップS5(組み立て)は後工程と呼ばれ、ステップS4によって作製されたウエハ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)等の組み立て工程を含む。ステップS6(検査)ではステップS5で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、ステップS7でこれを出荷する。
上記ステップS4のウエハプロセスは以下のステップを有する。即ち、ウエハの表面を酸化させる酸化ステップ、ウエハ表面に絶縁膜を成膜するCVDステップ、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する電極形成ステップ、ウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込みステップを有する。また、ウエハに感光剤を塗布するレジスト処理ステップ、上記の露光装置によってレジスト処理ステップ後のウエハに潜像パターンを形成する露光ステップ、露光ステップで露光したウエハを現像する現像ステップを有する。更に、現像ステップで現像した潜像パターン以外の部分を削り取るエッチングステップ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップを有する。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。
本発明に係る第1の実施形態の光学系の構成を示す図である。 第1の実施形態の第1屈折光学部材をシフトしたときのディストーション変化を示す図である。 第1の実施形態の第1屈折光学部材をシフトしたときの非点隔差変化を示す図である。 第1の実施形態の第2屈折光学部材をシフトしたときのディストーション変化を示す図である。 第1の実施形態の第2屈折光学部材をシフトしたときの非点隔差変化を示す図である。 第1の実施形態の第1、第2屈折光学部材を同時にシフトしたときのディストーション変化を示す図である。 第1の実施形態の第1、第2屈折光学部材を同時にシフトしたときの非点隔差変化を示す図である。 第1の実施形態の第1、第2屈折光学部材を同時にシフトしたときのディストーション変化を示す図である。 第1の実施形態の第1、第2屈折光学部材を同時にシフトしたときの非点隔差変化を示す図である。 第2の実施形態の光学系の構成を示す図である。 第2の実施形態の第1屈折光学部材をシフトしたときのディストーション変化を示す図である。 第2の実施形態の第1屈折光学部材をシフトしたときの非点隔差変化を示す図である。 第3の実施形態の光学系の構成を示す図である。 第3の実施形態の第1屈折光学部材をシフトしたときのディストーション変化を示す図である。 第3の実施形態の第1屈折光学部材をシフトしたときの非点隔差変化を示す図である。 第3の実施形態の第2屈折光学部材をシフトしたときのディストーション変化を示す図である。 第3の実施形態の第2屈折光学部材をシフトしたときの非点隔差変化を示す図である。 第4の実施形態の光学系の構成を示す図である。 本実施形態の露光装置の構成を示す図である。 半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。
符号の説明
R レチクル
P 基板
MST レチクルステージ
PST 基板ステージ
IL 照明光学系
PL 投影光学系
AS アライメントスコープ
EX 露光機
EL 露光光
1 第1屈折光学部材
2 台形ミラー
3 第1凹ミラー
3’第2凹ミラー
4 メニスカスレンズ
5 凸ミラー
6 第2屈折光学部材
7a アクチュエータ
7b アクチュエータ
8a コントローラ
8b コントローラ
9 CPU
10 センサ

Claims (11)

  1. 物面の近傍に少なくとも1つの第1屈折光学部材を含み、かつ、像面の近傍に少なくとも1つの第2屈折光学部材を含み、物面に対する像面の結像倍率をβとしたとき、0.4≦|β|≦2.5である光学系において、
    前記第1及び第2屈折光学部材の少なくともいずれかを光軸方向に直交する面内で移動可能に保持し、前記光学系の非点隔差及びディストーションの少なくともいずれかの調整を行う調整手段を有することを特徴とする光学系。
  2. 前記調整手段は、前記光学系の非点隔差及びディストーションの少なくともいずれかを計測する計測手段と、前記計測手段の計測結果から前記第1、第2屈折光学部材の移動量を算出する算出手段と、前記移動量に基づいて前記第1及び第2屈折光学部材の少なくともいずれかを駆動する駆動手段と、を有することを特徴とする請求項1に記載の光学系。
  3. 前記光学系は、前記物面から像面に至る光路に少なくとも第1凹反射面、凸反射面、第2凹反射面が配置され、
    前記第1屈折光学部材は前記物面と前記第1凹反射面との間に配置され、
    前記第2屈折光学部材は前記第2凹反射面と前記像面との間に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学系。
  4. 前記第1及び第2屈折光学部材は、光線有効部が光軸を含まない軸外に存在する球面レンズから構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光学系。
  5. 前記第1及び第2屈折光学部材は、光線有効部が光軸を含まない軸外に存在する非球面レンズから構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光学系。
  6. 前記調整手段は、前記第1及び第2屈折光学部材を、ディストーションの変化が異符合となる方向に同時に移動させ、かつ、ディストーションの量の絶対値が略同じになるように移動させることにより、ディストーションを変化させることなく前記非点隔差を調整することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光学系。
  7. 前記第1及び第2屈折光学部材を同時に移動させたときのディストーションは、当該第1及び第2屈折光学部材のいずれかを移動させたときに発生するディストーションの1/2以下となることを特徴とする請求項6に記載の光学系。
  8. 前記第1及び第2屈折光学部材を、非点隔差の変化が異符合となる方向に同時に移動させ、かつ、非点隔差の量の絶対値が略同じになるように移動させることにより、非点隔差を変化させることなく前記ディストーションを調整することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光学系。
  9. 前記第1及び第2屈折光学部材を同時に移動させたときの非点隔差は、当該第1及び第2屈折光学部材のいずれかを移動させたときに発生する非点隔差の1/2以下となることを特徴とする請求項8に記載の光学系。
  10. 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光学系を有し、
    原版のパターンを前記光学系を介して基板に露光することを特徴とする露光装置。
  11. 請求項10に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
    露光された前記基板を現像するステップと、を有することを特徴とするデバイス製造方法。
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