JP2011040618A - 回折光学素子、照明光学系、露光装置、デバイスの製造方法、及び回折光学素子の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被照射面上の位置毎の光強度を均一に調整することができる回折光学素子、照明光学系、露光装置、デバイスの製造方法、及び回折光学素子の設計方法を提供する。
【解決手段】光源装置から射出される光に基づいて所定のパターンを照明する照明光学系と、所定のパターンの像をウエハ上に投影する投影光学系と、を備えた露光装置に設けられ、光を回折して所定のパターンを重畳的に照明する第１回折光学素子２４及び第２回折光学素子２６の設計方法であって、ウエハ上の複数の位置に照射される光の角度方向の光強度分布がそれぞれ等しくなるように、第１回折光学素子２４及び第２回折光学素子２６によって回折される光の角度方向の光強度分布を設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光源から射出される光を回折して所定のパターンを重畳的に照明する回折光学素子、該回折光学素子を備えた照明光学系、該照明光学系を備えた露光装置、該露光装置を用いたデバイスの製造方法、及び回折光学素子の設計方法に関する。

一般に、半導体集積回路などのマイクロデバイスを製造するための露光装置は照明光学系を備えており、照明光学系は、光源から出力される露光光を所定のパターンが形成されたマスクに導くようになっている。また、こうした照明光学系には、オプティカルインテグレータとしてフライアイレンズが設けられている。そして、フライアイレンズに入射した露光光は、コンデンサレンズにより集光された後、マスクを重畳的に照明するようになっている。また、マスクを透過した露光光は、投影光学系を介して感光性材料の塗布されるウエハを照射することにより、マスクに形成されたパターンをウエハ上に投影露光（転写）するようになっている。

ところで、近年では、オプティカルインテグレータとして回折光学素子を採用した露光装置が提案されている（例えば、特許文献１）。この特許文献１に記載の露光装置では、オプティカルインテグレータは、平板状をなす基板が、照明光学系の光軸を垂直に横切るように設けられており、基板における照明光学系の光軸を横切る両面内には回折光学素子が多数配列されている。また、これらの回折光学素子のうち、光源側に位置する面内に配列された回折光学素子、及び、ウエハ側に位置する面内に配列された回折光学素子は、照明光学系の光軸と平行に入射した露光光を該光軸と直交する平面内で互いに直交する方向に回折させる作用をそれぞれ有している。そして、オプティカルインテグレータは、各回折光学素子の回折力を調整することにより、オプティカルインテグレータから射出された露光光による被照射面上の照明領域の形状を好適に設定することが可能となっている。

特開平１０−４１２２５号公報

ところで、マスクの微細パターンを基板上に正確に転写する際には、最終的な被照射面である基板上の照明領域を所望の形状に調整するだけでなく、基板上の各点の光強度をほぼ均一に調整する必要がある。基板上の各点での光強度にばらつきがあると、基板上の位置毎にパターンの線幅がばらついて、マスクの微細パターンを露光領域の全体に亘って所望の線幅で基板上に正確に転写することができないおそれがあった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、被照射面上の位置毎の光強度を均一に調整することができる回折光学素子、照明光学系、露光装置、デバイスの製造方法、及び回折光学素子の設計方法を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明は、実施形態に示す図１〜図１０に対応付けした以下の構成を採用している。
本発明の回折光学素子の設計方法は、光源（１２）から射出される光（ＥＬ）に基づいて所定のパターン（Ｒ）を照明する照明光学系（１３）と、前記所定のパターン（Ｒ）の像を被照射面（Ｗａ）に投影する投影光学系（１５）と、を備えた露光装置（１１）に設けられ、前記光（ＥＬ）を回折して前記所定のパターン（Ｒ）を重畳的に照明する回折光学素子（２４，２６）の設計方法であって、前記被照射面（Ｗａ）上の複数の位置に照射される光の角度方向の光強度分布がそれぞれ等しくなるように、前記回折光学素子（２４，２６）によって回折される光の角度方向の光強度分布を設定する。

上記構成によれば、回折光学素子は、被照射面上の各位置に入射する光が形成する角度方向の光強度分布をそれぞれ等しくするように、回折光学素子に入射する光に対する回折力が設定されているため、被照射面上の各位置に入射する光の光強度を均一に調整することができる。

本発明によれば、被照射面上の位置毎の光強度を均一に調整することができる。

本実施形態の露光装置の概略構成図。 （ａ）は第１回折光学素子が入射した光をＺ軸方向に回折する状態を示す模式図、（ｂ）は第２回折光学素子が入射した光をＸ軸方向に回折する状態を示す模式図。 オプティカルインテグレータから射出された光がレチクルブラインドの開口部を重畳的に照明する状態を示す模式図。 （ａ）はレチクル上に形成される照明領域を示す模式図、（ｂ）はウエハ上に形成される静止露光領域を示す模式図。 （ａ）は静止露光領域内の中心点に入射する光によって形成される第１瞳強度分布を示す模式図、（ｂ）は静止露光領域内の周辺点に入射する光によって形成される第２瞳強度分布を示す模式図。 回折光学素子の設計処理手順を示すフローチャート。 （ａ）は通常照明用の回折光学素子が光路上に配置された場合に、静止露光領域内の中心点及び周辺点に入射する光によって形成される瞳強度分布を示す模式図、（ｂ）は輪帯照明用の回折光学素子が光路上に配置された場合に、静止露光領域内の中心点及び周辺点に入射する光によって形成される瞳強度分布を示す模式図。 複数の照明条件で回折光学素子が併用可能であるか否かを判別する際の処理手順を示すフローチャート。 デバイスの製造例のフローチャート。 半導体デバイスの場合の基板処理に関する詳細なフローチャート。

以下、本発明を具体化した一実施形態について図１〜図８に基づき説明する。なお、本実施形態では、後述する投影光学系１５の光軸と平行な方向（図１における上下方向）にＺ軸方向を、図１における左右方向にＹ軸方向を、さらに、図１において紙面と直交する方向にＸ軸方向を、それぞれ設定しているものとする。

図１に示すように、本実施形態の露光装置１１は、所定の回路パターンが形成された透過型のレチクルＲに露光光ＥＬを照明することにより、表面（＋Ｚ方向側の面であって、図１では上面）にレジストなどの感光性材料が塗布されたウエハＷに回路パターンの像を投影するための装置である。こうした露光装置１１は、光源装置１２から射出された露光光ＥＬをレチクルＲの被照射面Ｒａ（＋Ｚ方向側の面）に導く照明光学系１３と、レチクルＲを保持するレチクルステージ１４と、レチクルＲを透過した露光光ＥＬをウエハＷの被照射面Ｗａに導く投影光学系１５と、ウエハＷを保持するウエハステージ１６とを備えている。なお、本実施形態の光源装置１２は、１９３ｎｍの波長の光を出力するＡｒＦエキシマレーザ光源を有し、該エキシマレーザ光源から出力される光が露光光ＥＬとして露光装置１１内に導かれる。

照明光学系１３は、光源装置１２から射出される露光光ＥＬを所定の断面形状（例えば、断面略矩形状）をなす平行な光束に変換するための整形光学系１７と、該整形光学系１７から射出された露光光ＥＬをレチクルＲ側（ここでは、＋Ｙ方向側であって図１における右側）に反射する第１反射ミラー１８とを備えている。この第１反射ミラー１８の射出側（レチクルＲ側）には、レチクルＲの被照射面Ｒａに対する露光光ＥＬの照射態様を調整するための回折光学素子１９が設けられている。この回折光学素子１９は、ガラス基板に露光光ＥＬの波長と同程度のピッチを有する複数の段差を形成することにより構成されており、入射側（光源装置１２側）から入射した露光光ＥＬを所定の角度に回折する作用を有している。例えば、輪帯照明用の回折光学素子１９を用いる場合、回折光学素子１９に入射側から断面略矩形状をなす平行な光束の露光光ＥＬが入射すると、回折光学素子１９からは、断面形状が輪帯状（略円環状）をなす光束がレチクルＲ側に射出される。

また、照明光学系１３には、回折光学素子１９から射出される露光光ＥＬが入射するアフォーカル光学系（「無焦点光学系」ともいう。）２０が設けられている。このアフォーカル光学系２０は、第１レンズ群２１（図１では一枚のレンズのみを図示）と、該第１レンズ群２１よりも射出側に配置される第２レンズ群２２（図１では一枚のレンズのみを図示）とを有している。そして、アフォーカル光学系２０は、その入射側の焦点位置と回折光学素子１９の設置位置とがほぼ一致するように露光光ＥＬの光路上に配置されている。

また、アフォーカル光学系２０の射出側には、オプティカルインテグレータ２３が設けられている。そして、アフォーカル光学系２０から射出される露光光ＥＬは、アフォーカル光学系２０によって略平行な光束に変換された後、オプティカルインテグレータ２３に入射する。なお、オプティカルインテグレータ２３は、その入射面（−Ｙ方向側の面であって、図１では左面）がアフォーカル光学系２０の射出側の焦点位置（瞳面ともいう。）または該焦点位置の近傍に位置するように配置されている。

また、図２（ａ）に示すように、オプティカルインテグレータ２３の入射面（図２（ａ）では左面）には、パワー（焦点距離の逆数）を有する第１回折光学素子２４がＺ軸方向に沿って複数の段差を形成するように配置されている。そして、オプティカルインテグレータ２３の入射面を通過した露光光ＥＬは、第１回折光学素子２４によってＺ軸方向に回折作用を受けることで、オプティカルインテグレータ２３の入射面から第１回折光学素子２４の焦点距離Ｆ１だけ照明光学系１３の光軸方向に離間した第１平面２５内に集光される。なお、パワーを有する光学素子とは、露光光ＥＬが光学素子に入射することにより、該露光光ＥＬの特性が変化するような光学素子のことである。

また、図２（ｂ）に示すように、オプティカルインテグレータ２３の射出面（図２（ｂ）では右面）には、パワーを有する第２回折光学素子２６がＸ軸方向に沿って複数の段差を形成するように配置されている。そして、オプティカルインテグレータ２３の射出面を通過した露光光ＥＬは、第２回折光学素子２６によってＸ軸方向に回折作用を受けることで、オプティカルインテグレータ２３の射出面から第２回折光学素子２６の焦点距離Ｆ２だけ照明光学系１３の光軸方向に離間した第２平面２７内に集光される。

なお、本実施形態では、オプティカルインテグレータ２３は、各回折光学素子２４，２６を通過した露光光ＥＬを集光させる第１平面２５及び第２平面２７の照明光学系の光軸方向（この場合、Ｙ方向）での位置が一致するように、各回折光学素子２４，２６の焦点距離Ｆ１，Ｆ２が設定されている。そして、オプティカルインテグレータ２３は、アフォーカル光学系２０から射出された露光光ＥＬを複数の光束に波面分割し、その射出側において第１平面２５上及び第２平面２７上に位置する照明瞳面２８に所定の光強度分布（「瞳強度分布」ともいう。）を形成する。なお、瞳強度分布が形成される照明瞳面２８のことを、多数の点光源からなる二次光源２９ともいう。

また、オプティカルインテグレータ２３の射出側には、投影光学系１５の入射瞳面と光学的にほぼ共役な位置に配置され、且つ二次光源２９の照明に寄与する範囲を規定するための図示しない照明開口絞りが設けられている。この照明開口絞りは、大きさ及び形状の異なる複数の開口部を有している。そして、照明開口絞りでは、二次光源２９から射出される露光光ＥＬの断面形状に対応した開口部が露光光ＥＬの光路内に配置される。すなわち、二次光源２９から射出される露光光ＥＬの断面形状が輪帯状である場合、照明開口絞りは、輪帯状に対応した形状の開口部が露光光ＥＬの光路内に位置するように駆動される。

オプティカルインテグレータ２３及び上記照明開口絞りの射出側には、パワー（焦点距離の逆数）を有する少なくとも一枚の光学素子（図１では一枚のみ図示）から構成される第１コンデンサ光学系３０が設けられている。また、第１コンデンサ光学系３０の射出側であって且つレチクルＲの被照射面Ｒａ及びウエハＷの被照射面Ｗａと光学的に共役な位置には、レチクルブラインド（「マスクブラインド」ともいう。）３１が設けられている。レチクルブラインド３１には、長手方向がＺ軸方向であって且つ短手方向がＸ軸方向となる矩形状の開口部３２が形成されている。そして、図３に示すように、オプティカルインテグレータ２３から射出された露光光ＥＬは、第１コンデンサ光学系３０を介してレチクルブラインド３１の開口部３２を重畳的に照明する。

また、レチクルブラインド３１の射出側には、パワーを有するレンズから構成される第２コンデンサ光学系３３が設けられており、該第２コンデンサ光学系３３は、レチクルブラインド３１側から入射した露光光ＥＬを略平行な光束に変換するようになっている。また、第２コンデンサ光学系３３の射出側には、第２反射ミラー３４が設けられている。そして、第２コンデンサ光学系３３から射出される露光光ＥＬは、第２反射ミラー３４によって−Ｚ方向側（図１では下側）に反射された後、該第２反射ミラー３４の射出側に配置された、少なくとも一枚（図１では一枚のみ図示）のパワーを有する光学素子（レンズ）から構成されるレンズ群３５に入射する。そして、レンズ群３５から射出される露光光ＥＬは、レチクルＲの被照射面Ｒａを重畳的に照明するようになっている。

なお、本実施形態では、レチクルブラインド３１の開口部３２の形状は、上述したように矩形状をなしている。そのため、レチクルＲ上の照明領域ＥＲ１及びウエハＷ上の静止露光領域ＥＲ２は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、長手方向がＹ軸方向となり、且つ短手方向がＸ軸方向となる矩形状にそれぞれ形成される。

レチクルステージ１４は、投影光学系１５の物体面側において、レチクルＲの載置面が投影光学系１５の光軸方向（Ｚ軸方向）とほぼ直交するように配置されている。また、レチクルステージ１４には、保持するレチクルＲをＸ軸方向に所定ストロークで移動させる図示しないレチクルステージ駆動部が設けられている。

投影光学系１５は、内部が窒素などの不活性ガスで充填された鏡筒３６を備え、該鏡筒３６内には、図示しない複数のレンズが露光光ＥＬの光路に沿って設けられている。また、鏡筒３６内において、ウエハＷの被照射面Ｗａの設置位置及びレチクルＲの被照射面Ｒａの設置位置と光学的にフーリエ変換の関係となる位置には、開口絞り３７が配置されている。そして、露光光ＥＬにて照明されたレチクルＲの回路パターンの像は、投影光学系１５を介して所定の縮小倍率に縮小された状態で、ウエハステージ１６上のウエハＷに投影転写される。ここで、光路とは、投影光学系１５の使用状態において、露光光ＥＬが通ることが意図されている経路のことを示している。

ウエハステージ１６は、投影光学系１５の光軸とほぼ直交する平面状の載置面３８を備え、該載置面３８上には、ウエハＷが載置される。また、ウエハステージ１６には、保持するウエハＷをＸ軸方向に所定ストロークで移動させる図示しないウエハステージ駆動部が設けられている。さらに、ウエハステージ１６には、ウエハＷの被照射面Ｗａが投影光学系１５の光軸と直交するように、ウエハＷの位置を微調整させる機能が設けられている。

また、ウエハステージ１６の近傍には、瞳強度分布計測装置３９が設けられている。この瞳強度分布計測装置３９は、二次光源２９においてウエハＷ上の静止露光領域ＥＲ２内の一点に入射する入射光によって形成される瞳強度分布を点毎（位置毎）に計測する装置である。こうした瞳強度分布計測装置３９は、投影光学系１５からウエハＷに向けて射出される露光光ＥＬの一部を反射させるビームスプリッタ４４と、該ビームスプリッタ４４により反射された反射光が入射する計測用レンズ４５と、該計測用レンズ４５から射出された反射光が入射する、ＣＣＤ撮像素子やフォトダイオード等からなる検出部４６とを備えている。なお、瞳強度分布計測装置３９については、例えば、特開２００６−５４３２８号公報や特開２００３−２２９６７号公報及びこれに対応する米国特許公開２００３／００３８２２５号公報に開示されている。なお、瞳強度分布計測装置３９をレチクルステージ１４又はレチクルステージ１４とは独立した計測ステージに設けてもよい。

そして、本実施形態の露光装置１１を用いてウエハＷにレチクルＲの回路パターンの像を投影する場合、レチクルＲは、上記レチクルステージ駆動部の駆動によって、＋Ｘ方向側から−Ｘ方向側（図１では紙面手前側から紙面奥手側）に所定ストローク毎に移動する。すると、レチクルＲにおける照明領域ＥＲ１は、該レチクルＲの被照射面Ｒａの−Ｘ方向側から＋Ｘ方向側（図１では紙面奥手側から紙面手前側）に沿って移動する。すなわち、レチクルＲの回路パターンが−Ｘ方向側から＋Ｘ方向側に順にスキャンされる。また、ウエハＷは、上記ウエハステージ駆動部の駆動によって、レチクルＲのＸ軸方向に沿った移動に対して投影光学系１５の縮小倍率に応じた速度比で−Ｘ方向側から＋Ｘ方向側に同期して移動する。その結果、ウエハＷの一つのショット領域には、レチクルＲ及びウエハＷの同期移動に伴って、レチクルＲ上の回路パターンを所定の縮小倍率に縮小した形状のパターンが形成される。そして、一つのショット領域へのパターンの形成が終了した場合、ウエハＷの他のショット領域に対するパターンの形成が連続して行われる。

ここで、回折光学素子１９として通常照明用の回折光学素子が用いられる場合、オプティカルインテグレータ２３の入射側には、照明光学系１３の光軸ＡＸを中心とした円形状の照野が形成される。その結果、オプティカルインテグレータ２３の射出側に位置する照明瞳面２８には、入射側に形成される円形状の照野と同じ、円形状の実質的な面光源（以下、単に「面光源」という。）からなる二次光源２９が形成される。

そして、こうした面光源から照明領域ＥＲ１内の中心点Ｐ１ａ及び静止露光領域ＥＲ２内の中心点Ｐ１ｂに入射する入射光は、図５（ａ）に示すように、第１瞳強度分布４０を形成する。また、こうした面光源から照明領域ＥＲ１内の周辺点Ｐ２ａ，Ｐ３ａ及び静止露光領域ＥＲ２内の周辺点Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する入射光は、図５（ｂ）に示すように、第２瞳強度分布４１を形成する。なお、各瞳強度分布４０，４１は、露光光ＥＬが入射する位置に依存することなく互いにほぼ同一形状を有する一方、露光光ＥＬが入射する位置に依存して、角度方向の光強度分布が互いに異なる傾向を有する。

次に、上記のように構成された露光装置１１において、静止露光領域ＥＲ２内のＹ軸方向に沿った各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する露光光ＥＬの角度方向の光強度分布が均一となるように、オプティカルインテグレータ２３の入射面及び射出面に設けられる第１回折光学素子２４及び第２回折光学素子２６の設計方法について図６に基づき以下説明する。

まず、第１の設計段階として、光源装置１２からオプティカルインテグレータ２３に至る露光光ＥＬの光路上に設けられた光学素子の光学特性に基づいて、光源装置１２からそれらの光学素子を介してオプティカルインテグレータ２３の入射面に入射する露光光ＥＬの入射面上の位置毎の光強度を推定する。また同時に、オプティカルインテグレータ２３からウエハＷに至る露光光ＥＬの光路上に設けられた光学素子の光学特性に基づいて、オプティカルインテグレータ２３から光学素子を介して静止露光領域ＥＲ２内の各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する露光光ＥＬの光強度を推定する。

そして、これらの推定結果に基づき、光源装置１２からオプティカルインテグレータ２３を介して静止露光領域ＥＲ２内の各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する入射光によって形成される第１瞳強度分布４０及び第２瞳強度分布４１を算出する。そして、算出された各瞳強度分布４０，４１がそれぞれ等しくなるように、光源装置１２からオプティカルインテグレータ２３に入射する露光光ＥＬに対するＺ軸方向及びＸ軸方向への回折力が設定された第１回折光学素子モデル２４ａ及び第２回折光学素子モデル２６ａを設計する（ステップＳ１１）。

そして次に、光強度計測段階として、ステップＳ１１にて設計した第１回折光学素子モデル２４ａ及び第２回折光学素子モデル２６ａが入射面及び射出面に設けられたオプティカルインテグレータ２３を露光光ＥＬの光路上に配置する。そして、瞳強度分布計測装置３９が、光源装置１２からオプティカルインテグレータ２３を介して静止露光領域ＥＲ２内の各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する入射光によって形成される第１瞳強度分布４０及び第２瞳強度分布４１をそれぞれ計測する（ステップＳ１２）。

続いて、ステップＳ１２にて計測された各瞳強度分布４０，４１の差異（ばらつき）が所定の閾値Ｘを下回るか否かを判別する（ステップＳ１３）。なお、所定の閾値Ｘは、静止露光領域ＥＲ２内の各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する入射光の光強度の差異によってウエハＷ上の静止露光領域ＥＲ２内に照度ムラが生じた場合に、その照度ムラを許容するか否かを判別する際の判別基準として予め規定されている。

そして、ステップＳ１３の判定結果が肯定判定である場合、ステップＳ１１にて設計された第１回折光学素子モデル２４ａ及び第２回折光学素子モデル２６ａは、露光光ＥＬに対する回折力がウエハＷ上の静止露光領域ＥＲ２内に照度ムラをほとんど生じさせないように適切な値に設定されていると判断される。そして、ステップＳ１１にて設計された第１回折光学素子モデル２４ａ及び第２回折光学素子モデル２６ａが、ウエハＷに対する露光処理時に用いられる回折光学素子として決定される（ステップＳ１４）。

一方、ステップＳ１３の判定結果が否定判定である場合、ステップＳ１１にて設計された第１回折光学素子モデル２４ａ及び第２回折光学素子モデル２６ａは、それらがオプティカルインテグレータ２３の入射面及び射出面に設けられたとすると、ウエハＷ上の静止露光領域ＥＲ２内に照度ムラを大きく生じさせてしまうと判断される。そして、第２の設計段階として、ステップＳ１２にて計測された各瞳強度分布４０，４１に基づいて、ウエハＷ上の静止露光領域ＥＲ２内に照度ムラをほとんど生じさせないように、ステップＳ１１にて設計された第１回折光学素子モデル２４ａ及び第２回折光学素子モデル２６ａを新たに設計し直す（ステップＳ１５）。

具体的には、第１回折光学素子モデル２４ａ及び第２回折光学素子モデル２６ａに形成された段差の形状を変更して、露光光ＥＬに対する回折力を新たに設定することにより、オプティカルインテグレータ２３から射出される露光光ＥＬの角度方向の光強度分布を変化させる。その結果、光源装置１２からオプティカルインテグレータ２３を介して照明領域ＥＲ１内の各点Ｐ１ａ，Ｐ２ａ，Ｐ３ａ及び静止露光領域ＥＲ２内の各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する露光光ＥＬの角度方向の光強度分布がそれぞれ等しくなるように補正される。

なお、この場合、ステップＳ１５にて設計された第１回折光学素子モデル２４ａ及び第２回折光学素子モデル２６ａは、各回折光学素子モデル２４ａ，２６ａから射出される露光光ＥＬが、照明光学系１３の光軸ＡＸと略平行に延びる主光線を中心として角度方向に非対称な光強度分布を有するように、露光光ＥＬに対する回折力が設定される。

その後、その処理がステップＳ１２に移行され、ウエハＷ上の静止露光領域ＥＲ２内に照度ムラをほとんど生じさせない第１回折光学素子モデル２４ａ及び第２回折光学素子モデル２６ａが得られるまで、ステップＳ１２、ステップＳ１３及びステップＳ１５の処理が再帰的に実行される。

ところで、通常照明用の回折光学素子１９が露光光ＥＬの光路上に配置された状態では、オプティカルインテグレータ２３に入射した露光光ＥＬは、上記のようにして決定された第１回折光学素子２４及び第２回折光学素子２６によって回折された後、オプティカルインテグレータ２３の射出側に、図７（ａ）に示すように、互いにほぼ同一の光強度分布を有する瞳強度分布４０，４１を形成する。

換言すると、上記のようにして決定された第１回折光学素子２４及び第２回折光学素子２６が露光光ＥＬの光路上に配置された状態では、光源装置１２からオプティカルインテグレータ２３を介して照明領域ＥＲ１内の各点Ｐ１ａ，Ｐ２ａ，Ｐ３ａ及び静止露光領域ＥＲ２の各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する露光光ＥＬによって形成される瞳強度分布４０，４１は、入射瞳面の全域で互いにほぼ同一の光強度分布を有する。

ここで、投影光学系１５の焦点深度や解像力を向上させるために、回折光学素子１９を通常照明用の回折光学素子から輪帯照明用の回折光学素子に変更したとする。この場合、オプティカルインテグレータ２３の入射側には、照明光学系１３の光軸ＡＸを中心とした輪帯状の照野が形成される。また、オプティカルインテグレータ２３の射出側に位置する照明瞳面２８には、入射側に形成される輪帯状の照野と同じ、輪帯状の面光源からなる二次光源２９が形成される。すなわち、回折光学素子１９を通常照明用の回折光学素子から輪帯照明用の回折光学素子に変更すると、照明瞳面２８上に形成される露光光ＥＬの光強度分布の形状が円形状から輪帯状に変更される。

そして、この輪帯状の二次光源２９から照明領域ＥＲ１内の中心点Ｐ１ａ及び静止露光領域ＥＲ２内の中心点Ｐ１ｂに入射する露光光ＥＬは、輪帯状の第１瞳強度分布４２を形成する。また、この輪帯状の二次光源２９から照明領域ＥＲ１内の周辺点Ｐ２ａ，Ｐ３ａ及び静止露光領域ＥＲ２内の周辺点Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する露光光ＥＬは、輪帯状の第２瞳強度分布４３を形成する。この場合、図７（ｂ）に示すように、これらの瞳強度分布４２，４３は、図７（ａ）に示す円形状の瞳強度分布４０，４１における環状の周縁部の領域に対応する構成となっている。そのため、円形状の瞳強度分布４０，４１が入射瞳面上の全域で互いに同一の光強度分布を有する場合、輪帯状の瞳強度分布４２，４３でも同様に、入射瞳面上の全域で互いに同一の光強度分布を有することが想定される。

そこで、本実施形態の露光装置１１では、オプティカルインテグレータ２３の入射面及び射出面に設けられた第１回折光学素子２４及び第２回折光学素子２６が、照明領域ＥＲ１及び静止露光領域ＥＲ２に対する複数の照明条件下で併用可能であるか否かを以下のようにして判別するようにしている。

すなわち、本実施形態では、図８に示すように、まず、回折光学素子１９として通常照明用の回折光学素子を露光光ＥＬの光路上に配置することにより、照明条件を、照明領域ＥＲ１及び静止露光領域ＥＲ２を照明する照明瞳の形状が円形状に規定される照明条件Ｌ１に設定する（ステップＳ２１）。

そして次に、ステップＳ２１にて設定された照明条件Ｌ１の条件下で、露光光ＥＬに対する回折力がウエハＷ上の静止露光領域ＥＲ２内に照度ムラをほとんど生じさせないように適切な値に設定された第１回折光学素子モデル２４ａ及び第２回折光学素子モデル２６ａを設計する。そして、この設計した第１回折光学素子モデル２４ａ及び第２回折光学素子モデル２６ａをウエハＷに対する露光処理時に用いる回折光学素子Ｄ１として決定する（ステップＳ２２）。

続いて、回折光学素子１９として輪帯照明用の回折光学素子を露光光ＥＬの光路上に配置することにより、照明条件を、照明領域ＥＲ１及び静止露光領域ＥＲ２を照明する照明瞳の形状が輪帯状に規定される照明条件Ｌ２に変更する（ステップＳ２３）
そして次に、ステップＳ２３にて設定された照明条件Ｌ２の条件下で、ステップＳ２２にて決定した回折光学素子Ｄ１が入射面及び射出面に設けられたオプティカルインテグレータ２３を露光光ＥＬの光路上に配置する。そして、瞳強度分布計測装置３９が、光源装置１２からオプティカルインテグレータ２３を介して静止露光領域ＥＲ２内の各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する入射光によって形成される第１瞳強度分布４２及び第２瞳強度分布４３をそれぞれ計測する（ステップＳ２４）。

続いて、ステップＳ２４にて計測された各瞳強度分布４２，４３の差異（ばらつき）が所定の閾値Ｘを下回るか否かを判別する（ステップＳ２５）。なお、所定の閾値Ｘは、静止露光領域ＥＲ２内の各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する入射光の光強度の差異によってウエハＷ上の静止露光領域ＥＲ２内に照度ムラが生じた場合に、その照度ムラを許容するか否かを判別する際の判別基準として予め規定されている。

そして、ステップＳ２５の判定結果が肯定判定である場合、ステップＳ２２にて決定した回折光学素子Ｄ１は、露光光ＥＬに対する回折力がウエハＷ上の静止露光領域ＥＲ２内に照度ムラをほとんど生じさせないように適切な値に設定されていると判断される。そして、ステップＳ２２にて決定された回折光学素子Ｄ１が、静止露光領域ＥＲ２を照明する照明瞳を円形状に規定する照明条件Ｌ１の条件下だけでなく、静止露光領域ＥＲ２を照明する照明瞳を輪帯状に規定する照明条件Ｌ２の条件下においても、オプティカルインテグレータ２３の入射面及び射出面に設けられる回折光学素子として併用可能である旨が判別される（ステップ２６）。

一方、ステップＳ２５の判定結果が否定判定である場合、ステップＳ２２にて決定した回折光学素子Ｄ１は、それがオプティカルインテグレータ２３の入射面及び射出面に設けられたとすると、ウエハＷ上の静止露光領域ＥＲ２内に照度ムラを生じさせてしまうと判断される。そして、ステップＳ２２にて決定された回折光学素子Ｄ１が、静止露光領域ＥＲ２を照明する照明瞳を円形状に規定する照明条件Ｌ１の条件下においては、オプティカルインテグレータ２３の入射面及び射出面に設けられる回折光学素子として適用可能であるものの、静止露光領域ＥＲ２を照明する照明瞳を輪帯状に規定する照明条件Ｌ２の条件下においては併用不能である旨が判別される（ステップＳ２７）。

したがって、本実施形態では、以下に示す効果を得ることができる。
（１）第１回折光学素子２４及び第２回折光学素子２６は、照明領域ＥＲ１内の各点Ｐ１ａ，Ｐ２ａ，Ｐ３ａ及び静止露光領域ＥＲ２内の各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する光が形成する角度方向の光強度分布をそれぞれ等しくするように、各回折光学素子２４，２６に入射する光に対する回折力が設定されている。そのため、照明領域ＥＲ１内の各点Ｐ１ａ，Ｐ２ａ，Ｐ３ａ及び静止露光領域ＥＲ２内の各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する光の光強度を均一に調整することができる。

（２）第１回折光学素子モデル２４ａ及び第２回折光学素子モデル２６ａが光路上に配置された状態で、静止露光領域ＥＲ２内の各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する光が形成する第１瞳強度分布４０及び第２瞳強度分布４１が計測される。そして、その計測結果に基づいて、第１回折光学素子モデル２４ａ及び第２回折光学素子モデル２６ａから射出される光の角度方向の光強度分布を補正することにより、所望の回折光学素子が設計される。そのため、照明光学系１３を構成する光学素子及び投影光学系１５を構成する光学素子の光学特性を考慮した上で、静止露光領域ＥＲ２内の各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する光の光強度を均一に調整する所望の回折光学素子を迅速且つ的確に決定することができる。

（３）第１回折光学素子２４及び第２回折光学素子２６は、レチクルＲ上の照明領域ＥＲ１及びウエハＷ上の静止露光領域ＥＲ２に対して光学的にフーリエ変換の関係にある照明瞳面２８上に形成される照明瞳の形状が互いに異なる複数の照明条件下で併用可能であるか否かが判別される。そのため、第１回折光学素子２４及び第２回折光学素子２６が複数の照明条件下で併用可能である場合には、照明条件毎にこれらの回折光学素子を個別に設けることが不要となり、回折光学素子の設置数を低減できるため、装置全体の小型化に寄与することができる。

なお、上記実施形態は以下のような別の実施形態に変更してもよい。
・上記実施形態において、例えば、レチクルＲ上に形成される回路パターンの種類が局所的に異なる場合には、レチクルＲ上の照明領域ＥＲ１の各点Ｐ１ａ，Ｐ２ａ，Ｐ３ａに入射する露光光ＥＬが形成する角度方向の光強度分布を互いに異ならせる設定としてもよい。ただし、静止露光領域ＥＲ２内の各点Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂに入射する露光光ＥＬの光強度をそれぞれ等しくするように、各回折光学素子２４，２６から射出される露光光ＥＬの角度方向の光強度分布を設定することが望ましい。

・上記実施形態において、第１回折光学素子２４及び第２回折光学素子２６が照明領域ＥＲ１及び静止露光領域ＥＲ２に対する複数の照明条件で併用可能であるか否かの判別に関して、複数の照明条件とは、照明瞳の形状が円形状及び輪帯状に規定される照明条件Ｌ１及び照明条件Ｌ２に限定されない。例えば、照明瞳の形状を複数極状に規定する照明条件、又は、照明瞳の形状を通常照明の場合よりも小径の円形状に規定する照明条件を含む複数の照明条件を組み合わせて、第１回折光学素子２４及び第２回折光学素子２６が複数の照明条件で併用可能であるか否かを判別する構成としてもよい。なお、この場合、第１回折光学素子２４及び第２回折光学素子２６が複数の照明条件下で併用可能であるか否かの判別は、一方の照明条件における照明瞳の形状が、他方の照明条件における照明瞳の一部の領域の形状に対応することを前提として実行されることが望ましい。

・上記実施形態において、オプティカルインテグレータ２３から射出される露光光ＥＬを集光させる第１コンデンサ光学系３０を省略する構成としてもよい。この場合であっても、オプティカルインテグレータ２３の射出側に形成される照明瞳面２８を投影光学系１５の入射瞳位置に設定することにより、照明瞳面２８上に形成される二次光源２９がレチクルブラインド３１の開口部３２を重畳的に照明する構成を実現することができる。

・上記実施形態において、第１回折光学素子２４及び第２回折光学素子２６は、オプティカルインテグレータ２３に入射した露光光ＥＬに対して回折力を作用させる方向に関しては、照明光学系１３の光軸方向と直交する平面内で互いに交差する方向であれば任意の方向に設定することができる。

・上記実施形態において、光源装置１２は、例えばｇ線（４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、Ｆ_２レーザ（１５７ｎｍ）、Ｋｒ_２レーザ（１４６ｎｍ）、Ａｒ_２レーザ（１２６ｎｍ）等を供給可能な光源であってもよい。また、光源装置１２は、ＤＦＢ半導体レーザまたはファイバレーザから発振される赤外域、または可視域の単一波長レーザ光を、例えばエルビウム（またはエルビウムとイッテルビウムの双方）がドープされたファイバアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を供給可能な光源であってもよい。

・上記実施形態において、露光装置１１は、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置、ＥＵＶ露光装置、Ｘ線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるレチクルまたはマスクを製造するために、マザーレチクルからガラス基板やシリコンウエハなどへ回路パターンを転写する露光装置であってもよい。また、露光装置１１は、液晶表示素子（ＬＣＤ）などを含むディスプレイの製造に用いられてデバイスパターンをガラスプレート上へ転写する露光装置、薄膜磁気ヘッド等の製造に用いられて、デバイスパターンをセラミックウエハ等へ転写する露光装置、及びＣＣＤ等の撮像素子の製造に用いられる露光装置などであってもよい。

次に、本発明の実施形態の露光装置１１によるデバイスの製造方法をリソグラフィ工程で使用したマイクロデバイスの製造方法の実施形態について説明する。図９は、マイクロデバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造例のフローチャートを示す図である。

まず、ステップＳ１０１（設計ステップ）において、マイクロデバイスの機能・性能設計（例えば、半導体デバイスの回路設計等）を行い、その機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続き、ステップＳ１０２（マスク製作ステップ）において、設計した回路パターンを形成したマスク（レチクルＲなど）を製作する。一方、ステップＳ１０３（基板製造ステップ）において、シリコン、ガラス、セラミックス等の材料を用いて基板（シリコン材料を用いた場合にはウエハＷとなる。）を製造する。

次に、ステップＳ１０４（基板処理ステップ）において、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０４で用意したマスクと基板を使用して、後述するように、リソグラフィ技術等によって基板上に実際の回路等を形成する。次いで、ステップＳ１０５（デバイス組立ステップ）において、ステップＳ１０４で処理された基板を用いてデバイス組立を行う。このステップＳ１０５には、ダイシング工程、ボンティング工程、及びパッケージング工程（チップ封入）等の工程が必要に応じて含まれる。最後に、ステップＳ１０６（検査ステップ）において、ステップＳ１０５で作製されたマイクロ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。こうした工程を経た後にマイクロデバイスが完成し、これが出荷される。

図１０は、半導体デバイスの場合におけるステップＳ１０４の詳細工程の一例を示す図である。
ステップＳ１１１（酸化ステップ）においては、基板の表面を酸化させる。ステップＳ１１２（ＣＶＤステップ）においては、基板表面に絶縁膜を形成する。ステップＳ１１３（電極形成ステップ）においては、基板上に電極を蒸着によって形成する。ステップＳ１１４（イオン打込みステップ）においては、基板にイオンを打ち込む。以上のステップＳ１１１〜ステップＳ１１４のそれぞれは、基板処理の各段階の前処理工程を構成しており、各段階において必要な処理に応じて選択されて実行される。

基板プロセスの各段階において、上述の前処理工程が終了すると、以下のようにして後処理工程が実行される。この後処理工程では、まず、ステップＳ１１５（レジスト形成ステップ）において、基板に感光性材料を塗布する。引き続き、ステップＳ１１６（露光ステップ）において、上で説明したリソグラフィシステム（露光装置１１）によってマスクの回路パターンを基板に転写する。次に、ステップＳ１１７（現像ステップ）において、ステップＳ１１６にて露光された基板を現像して、基板の表面に回路パターンからなるマスク層を形成する。さらに続いて、ステップＳ１１８（エッチングステップ）において、レジストが残存している部分以外の部分の露出部材をエッチングにより取り去る。そして、ステップＳ１１９（レジスト除去ステップ）において、エッチングが済んで不要となった感光性材料を取り除く。すなわち、ステップＳ１１８及びステップＳ１１９において、マスク層を介して基板の表面を加工する。これらの前処理工程と後処理工程とを繰り返し行うことによって、基板上に多重に回路パターンが形成される。

１１…露光装置、１２…光源としての光源装置、１３…照明光学系、１５…投影光学系、１７…光学素子としての整形光学系、１８…光学素子としての第１反射ミラー、１９…光学素子としての回折光学素子、２０…光学素子としてのアフォーカル光学系、２４…回折光学素子としての第１回折光学素子、２４ａ…回折光学素子モデルとしての第１回折光学素子モデル、２６…回折光学素子としての第２回折光学素子、２６ａ…回折光学素子モデルとしての第２回折光学素子モデル、２８…照明瞳面、３０…光学素子及び集光光学系としての第１コンデンサ光学系、３３…光学素子としての第２コンデンサ光学系、３４…光学素子としての第２反射ミラー、３５…光学素子としてのレンズ群、ＥＬ…光としての露光光、Ｒ…所定のパターンとしてのレチクル、Ｗ…感光性基板としてのウエハ、Ｗａ…被照射面。

Claims (8)

1. 光源から射出される光に基づいて所定のパターンを照明する照明光学系と、前記所定のパターンの像を被照射面に投影する投影光学系と、を備えた露光装置に設けられ、前記光を回折して前記所定のパターンを重畳的に照明する回折光学素子の設計方法であって、
   前記被照射面上の複数の位置に照射される光の角度方向の光強度分布がそれぞれ等しくなるように、前記回折光学素子によって回折される光の角度方向の光強度分布を設定することを特徴とする回折光学素子の設計方法。
2. 請求項１に記載の回折光学素子の設計方法であって、
   前記光源から前記被照射面に至る光の光路上に設けられた光学素子の光学特性に基づいて、前記被照射面上の複数の位置毎の前記角度方向の光強度分布が互いに等しくなるように前記光の回折時における角度方向の光強度分布を設定された回折光学素子モデルを設計する第１の設計段階と、
   前記第１の設計段階にて設計された前記回折光学素子モデルが前記光路上に配置された状態で、前記被照射面上の前記各位置を照射する光の角度方向の光強度分布を計測する光強度計測段階と、
   前記光強度計測段階において計測された角度方向の光強度分布に基づいて、前記被照射面上の前記各位置に照射される光の角度方向の光強度分布が互いに等しくなるように前記回折光学素子モデルによる前記光の回折時における角度方向の光強度分布を補正することにより、前記回折光学素子を設計する第２の設計段階と、
   を備えたことを特徴とする回折光学素子の設計方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の回折光学素子の設計方法であって、
   前記回折光学素子は、前記被照射面に対して光学的にフーリエ変換の関係にある照明瞳面上に形成される複数種類の光強度分布に対して併用可能に構成されることを特徴とする回折光学素子の設計方法。
4. 光源から射出される光に基づいて所定のパターンを照明する照明光学系と、前記所定のパターンの像を被照射面に投影する投影光学系と、を備えた露光装置に設けられ、前記光を回折して前記所定のパターンを重畳的に照明する回折光学素子であって、
   前記回折光学素子は、該回折光学素子から射出される光が前記照明光学系の光軸と略平行に延びる主光線を中心として角度方向に非対称な光強度分布を有するように構成されることを特徴とする回折光学素子。
5. 請求項４に記載の回折光学素子であって、
   前記回折光学素子は、前記被照射面上の複数の位置に照射される光の角度方向の光強度が互いに等しくなるように、前記光の回折時における角度方向の光強度分布が設定されることを特徴とする回折光学素子。
6. 光源から射出された光に基づいて所定のパターンを照明する照明光学系であって、
   請求項４又は請求項５に記載の回折光学素子と、
   前記回折光学素子からの光を集光して前記所定のパターンを重畳的に照明する集光光学系と、を備えたことを特徴とする照明光学系。
7. 請求項６に記載の照明光学系と、
   前記所定のパターンの像を前記被照射面に投影可能な投影光学系と、を備えたことを特徴とする露光装置。
8. デバイスの製造方法において、
   請求項７に記載の露光装置を用いて所定のパターンを感光性基板に露光する工程と、
   前記露光された基板を現像し、前記のパターンに対応する形状のマスク層を前記感光性基板の表面に形成する工程と、
   前記マスク層を介して前記感光性基板の表面を加工する工程と、を含むことを特徴とするデバイスの製造方法。

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