JP2012049332A - 照明光学系、露光装置及びデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 放物トーリック形状の回転体で構成されたミラーを用いた場合でも、結像性能を低下させない照明光学系を提供する。
【解決手段】 照明光学系は、被照明面のフーリエ変換面又はその近傍に配置された開口絞りと、前記開口絞りと前記被照明面との間に配置され、放物トーリック形状の回転体が形成する面を反射面とするミラーと、を備える。形状の面積をＳ、該形状の周囲長をＬとし（４πＳ／Ｌ^２）で表される数値を該形状の円形度と定義するとき、前記開口絞りの形状は、前記ミラーよりも前記被照明面側であって前記被照明面とフーリエ変換の関係である面における光強度分布の外形形状を０．８以上の円形度とする形状に定められる。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明光学系、露光装置及びデバイスの製造方法に関する。

露光装置は、半導体デバイスや液晶表示装置等の製造工程であるリソグラフィ工程において、原版（レチクル又はマスク）のパターンを、投影光学系を介して感光性の基板（表面にレジスト層が形成されたウエハやガラスプレート等）に転写する装置である。例えば液晶表示装置にパターンを転写する露光装置では、近年、マスク上のより大きな面積パターンを基板上に一括して露光する露光装置が求められている。この要求に対応するために、高解像力が得られ、かつ、大画面を露光することができるステップ・アンド・スキャン方式の走査露光装置が提案されている。この走査露光装置は、スリット状の光束により照明されたパターンを、投影光学系を介してスキャン動作により基板上に投影して基板を露光する。

このような走査露光装置として、円弧形状の光を用いて走査させる方式が存在する。この方式は、転写するパターンを持つ第１の物体と、転写される対象物である第２の物体との間に投影光学系が存在し、該投影光学系の特定の軸外像点のみを利用した円弧形状の露光域で露光処理を行うものである。第１の物体を円弧形状で照明するための照明光学系として、矩形形状に照明した領域から円弧形状の開口部材を用いて円弧を切り出す照明光学系が提案されている(特許文献１)。しかしながら、前記のような円弧を切り出す方式は、円弧開口部以外の光を露光に用いることができず、光の利用効率が低い。そこで、円弧形状へ効率的に光を集めるために、放物トーリック形状の回転体(以下、回転放物面ミラーと呼ぶ)を用いる照明光学系が提案されている(特許文献２)。

特公平４−７８００２号公報 特開平６−９７０４７号公報

しかしながら、特許文献２に示すような回転放物面ミラーを用いた照明光学系を露光装置に用いた場合には問題点がある。露光装置に用いられる照明光学系の役割は大きく２つある。１つ目の役割は被照明面に配置される原版を均一な照度で照らすことである。原版を均一に照らすことが出来ないと、原版のパターンを基板に転写した場合、露光する場所によってパターンの線幅差が出来てしまい、良好な転写ができなくなる。２つ目の役割は所望の有効光源を形成することである。有効光源とは被照明面上のある一点に入射する光強度の角度分布である。有効光源の形状は露光装置の結像性能に影響を及ぼす。例えば、有効光源が円形状から楕円形状へと歪むと、楕円の長軸方向のパターンと短軸方向のパターンとの結像性能が異なる。また、投影光学系の波面収差がある場合や、基板をデフォーカスさせて露光を行う場合に、有効光源の非対称な歪みは結像性能を低下させる。結像性能の低下とは、例えば、解像限界に近い線幅のラインアンドスペースパターンを基板に焼き付ける際に、両端のバーの線幅が異なってしまうことである。上記のような有効光源の歪みは、原版のパターンを忠実に転写することが要求される投影露光装置にとって問題となりうる。

放物トーリック形状の回転体のミラー（回転放物面ミラー）１は、図３のような座標系のＹＺ平面上にあり、Ｚ軸に関して対称な放物線を、ある面１１１を含むＸＹ平面とその面に垂直なＹＺ平面との交線７を軸に回転させて出来る曲面の一部で構成される。被照明面１１３の瞳共役面である面１１１上で矩形の光強度分布を持つ光束は被照明面１１３上に円弧形状３で結像する。このときの有効光源分布は、円弧形状３のある一点に入射する光の角度分布であらわされる。被照明面１１３と面１１１は瞳共役面なので、面１１１上の光の位置分布が図２Ｂのとおり円形状であった場合、被照明面１１３の光強度分布は円形状であることが期待される。しかし、例えば、面１１１上の光の位置分布が円形状であっても、回転放物面ミラー１を通過後、被照明面１１３に入射する光の角度分布は図７Ｂのようなサジタル面に対して非対称な非円形状を持つことが判った。ここでいうサジタル面とは、図３で光軸５を通り、ＸＺ平面に平行な面であり、サジタル面に対して非対称というのは、サジタル面と面１１１とが交わる線に対して非対称であることを意味する。この歪みは、照明光学系の開口数が大きければ大きいほど顕著になる。図８は、円弧形状３の円弧曲率が３００ｍｍのとき、開口数を０．０１〜０．１まで変化させた場合の有効光源形状を示している。図８のように開口数が０．０１の場合に有効光源形状の円形状からの歪みは少ないが、開口数が０．０５程度以上になると、歪みが大きくなる。このような有効光源形状の歪みは投影露光装置の問題となりうる。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、放物トーリック形状の回転体で構成されたミラーを用いた場合でも、結像性能を低下させない照明光学系を提供することを目的とする。

本発明は、光源から出射された光で被照明面を照明する照明光学系であって、前記被照明面のフーリエ変換面又はその近傍に配置された開口絞りと、前記開口絞りと前記被照明面との間に配置され、放物トーリック形状の回転体が形成する面を反射面とするミラーと、を備え、形状の面積をＳ、該形状の周囲長をＬとし（４πＳ／Ｌ^２）で表される数値を該形状の円形度と定義するとき、前記開口絞りの開口の形状は、前記ミラーよりも前記被照明面側であって前記被照明面とフーリエ変換の関係である面における光強度分布の外形形状を０．８以上の円形度とする形状に定められる、ことを特徴とする。

本発明によれば、放物トーリック形状の回転体で構成されたミラーを用いた場合でも、結像性能を低下させない照明光学系を提供することができる。

第１実施形態の照明光学系を示す図 円形の有効光源形状を与える開口絞りと円形の有効光源形状とを示す図 回転放物面ミラーを示す図 第２実施形態の照明光学系を示す図 バンドルファイバーの入口と出口の断面図 露光装置を示す図 円形状の開口絞りをとそれを用いた有効光源形状とを示す図 円形状の開口絞りを用いた場合の有効光源形状と開口数との関係を示す図 円形状の開口絞りを用いた場合の有効光源形状を説明するための図

以下、本発明の実施形態について図面等を参照して説明する。

［第１実施形態］
第１実施形態の照明光学系は、例えば、露光装置に搭載されるものであり、光源から出射された光で被照明面を照明する。図１は、第１実施形態に係る照明光学系の構成を示す概略図である。照明光学系１００は、光源部１０１と、第１光学系１０５、インテグレータ１０６、開口絞り（第１開口絞り）１０７、第２光学系１０８、スリット１０９、第３光学系１１０、開口絞り（第２開口絞り）１１１、第４光学系１１２によって構成される。光源部１０１は、光源１０２、集光ミラー１０３を含む。集光ミラー１０３と第１光学系１０５は、光源１０２から照射された光をインテグレータ１０６に導く。集光ミラー１０３には、例えば、楕円集光ミラーを用いる。楕円集光ミラーの１０３の焦点１０４は、光源１０２と共役な点である。第１光学系１０５は図１では３枚の集光レンズで表しているが、ミラーやプリズムで形成することもできる。第１開口絞り１０７、第２開口絞り１１１は、パターンが形成されたマスク（原版）が配置される被照明面１１３のフーリエ変換面又はその近傍に配置される。

第１実施形態の照明光学系１００に適用される光源１０２は、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長約１５７ｎｍのＦ２エキシマレーザー等のレーザー光源を使用する。使用可能なレーザーは、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長約１５７ｎｍのＦ２エキシマレーザー等である。レーザーの種類は、エキシマレーザーに限定されず、例えば、ＹＡＧレーザーを使用しても良いし、レーザーの個数も限定されない。更に、光源１０２は、上記レーザー光源に限定されるものではなく、一又は複数の水銀ランプやキセノンランプ等のランプも使用可能である。

インテグレータ１０６は、スリット１０９の位置での照度の均一性を高めるための光学系であり、例えば、ロッド形状やシリンドリカル形状のフライアイレンズ光学系、ロットレンズ光学系、若しくは、光ファイバーを使用する光学系等で構成される。インテグレータ１０６からの光は、第１開口絞り１０７を経て、第２光学系１０８へと導かれる。例えば、インテグレータ１０６にフライアイレンズ光学系を採用した場合、第１開口絞り１０７の位置には、光源１０２と共役な多数の二次光源分布が形成される。第２光学系１０８は、スリット１０９の位置が実質的に二次光源面のフーリエ変換面（共役面、瞳共役面）となるように配置された光学系である。以上のような構成を採用することにより、第１開口絞り１０７の位置は二次光源面となり、スリット１０９の位置をケーラー照明しており、スリット１０９の位置での照度分布は、ほぼ均一となる。

スリット１０９から出た光は、第３光学系１１０と第４光学系１１２とにより、被照明面１１３に導かれる。第３光学系１１０と第４光学系１１２は、スリット１０９と被照明面１１３が、ほぼ共役な面となるように配置する。第３光学系１１０は図１では４枚の集光レンズで表しているが、ミラーやプリズムなど他の光学素子と組み合わせて用いることもできる。第４光学系１１２は図３のような放物トーリック形状の回転体が形成する面を反射面とする回転放物面ミラーである。回転放物面ミラーの形状は、図３のような座標系を用いた場合、被照明面１１３における照明円弧形状の円弧曲率をＲとすると下記式のように表され、実際には下記の式１によって表される面の一部を用いる。

前記のとおり、スリット１０９と被照明面１１３とは、互いに光学的にほぼ共役な面となるように配置しているが、実際には第３光学系１１０及び第４光学系１１２の収差があるので、完全な共役面にならない。また、部品の製造誤差により、スリット１０９上で均一な照度分布をしていても、被照明面１１３上では照度ムラが発生する可能性がある。第１実施形態の照明光学系１００を原版と基板とを走査しながら基板を露光する走査露光装置に適用する場合、スリット１０９の形状を調整可能とすることにより、走査平均したときの照度ムラを低減させることができる。例えば、スリット１０９の中心部に対して端部が低照度であった場合、端部の幅を広げることにより、端部の走査方向の積算エネルギーを中心部と等しくすることが出来る。

図９を用いて、開口絞りの形状が照明光学系の有効光源形状に与える影響について説明する。図９は第２開口絞り１１１からＺ軸方向に平行に射出した光が、回転放物面ミラー１１２の一部で反射し、円弧照明領域３に集光した後、円弧照明領域３よりもＹ方向にＲだけ離れた面７に至る様子を示している。面７は、照明光学系１００の被照明面側（下流側）のフーリエ変換面（被照明面１１３とフーリエ変換の関係である面）である。照明光学系１００が露光装置内に組み込まれているとき、面７は、投影光学系の瞳面である。このときに、面７の光強度分布は照明光学系１００の有効光源分布を表している。回転放物面ミラーの１１２形状は式１により与えられる。

第２開口絞り１１１上の任意の点を(Ｘ_１,Ｙ_１,Ｚ_１)とする。点(Ｘ_１,Ｙ_１,Ｚ_１)から出て、Ｚ軸方向に平行に射出した光は、回転放物面ミラーの一部の点（Ｘ_１,Ｙ_１,Ｚ_２）にあたる。このとき、回転放物面ミラーの一部にあたる光のベクトルｈは下記の式２のようにあらわすことができる。

一方、回転放物面ミラーの任意の点における接平面の方程式ｒは、回転放物面ミラーの形状式より、下記の式３のようになる。

この接平面の法線ベクトルＶはベクトルδｒ/δXとδｒ/δＹの外積で与えられる。これにより法線ベクトルVは下記の式４のように表される。

座標(Ｘ_１,Ｙ_１,Ｚ_２)を通る法線ベクトルＶ_１は、下記の式５で表される。

ベクトルｈとベクトルＶ_１の成す角度をθとおくと、角度θは、下記の式６、式７で表される。

回転放物面ミラーの一部にあたり反射した光のベクトルｈ’は、式８で表される。

ｈとｈ’、Ｖ_１ とｈ’ の互いの内積を求めると、式９〜１１のようになる。

ｈ’を用いて面７上の光の位置(Ｘ_３,Ｙ_３,Ｚ_３)は、下記の式１２のように表現できる。

第２開口絞り１１１の位置に図７Ａのような一般的な円形状の開口絞りを用いた場合、式５、７、８、１０〜１２を用いて面７上での光の位置を計算すると、図７Ｂのような円形状から歪んだおにぎりのような形状になる。そこで、面７の位置で円形状になるように第２開口絞り１１１の位置における第２開口絞り１１１の形状を逆算すると、図２Ａのような、サジタル面に対して非対称な形状を持ったおにぎりのような外形形状にすればよいことが判った。ここで、面７の位置における「円形状」は、所定の形状内の面積をＳ、該形状の周囲長をＬとし（４πＳ／Ｌ^２）で表される数値を該形状の円形度と定義するとき、０．８以上の円形度とする形状である。図２Ｂは第２開口絞り１１１位置に図２Ａのような形状の開口絞りを用いた、開口数０．１２の照明光学系１００の有効光源分布を表している。開口数が０．０５以上である照明光学系１００に回転放物面ミラー１１２を用いても、有効光源分布の円形状からの歪みを抑えることができる。第１実施形態では、図２Ａのような形状の開口絞りを第２開口絞り１１１として配置した例を紹介した。しかし、図２Ａのような形状の開口絞りを第２開口絞り１１１と共役な位置に配置される第１開口絞り１０７として配置してもよい。また、開口の形状を変更可能な開口絞りを用いて、所定の円形度を満足する開口形状に調整して定めてもよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る照明光学系２００の構成について図４を用いて説明する。照明光学系２００は、複数の光源部１０１、第1光学系２０１、第２光学系２０２、第３光学系２０４、インテグレータ１０６、第１開口絞り１０７、第４光学系２０５、第１スリット２０６、第５光学系２０７及び第２開口絞り２０８を含む。照明光学系２００は、さらに、第６光学系２０９、第２スリット２１０、第７光学系２１１及び第３開口絞り２１２を含む。第１実施形態に記述した構成内容と重複する場合、説明は省略する。第1光学系２０１は光源部１０１から出た光を第２光学系２０２に導く光学系であり、図４には２つの光源部１０１が示されており、それぞれに対して第１光学系２０１が備えられている。

図４には、例として２つの光源部を示しているが、１つまたは３つ以上の光源部で構成してもよい。第２光学系２０２は、被照明面１１３と共役な位値に配置される、例えば、入口が図５Ａ、出口２０３が図５Ｂのような形状をした光源部１０１から出射された光束の形状を円形から矩形に変換するバンドルファイバーである。第２実施形態ではバンドルファイバーを例に挙げたが、第２光学系２０２は、オプティカルパイプを用いた光伝達素子で代替することもできる。第３光学系２０４はバンドルファイバーの出口２０３から出た光をインテグレータ１０６に導く光学系である。第１開口絞り１０７はインテグレータ１０６の出口に備えられている。第４光学系２０５は、インテグレータ１０６の出口に形成された二次光源から射出された光を第１スリット２０６に導く光学系である。このとき、第１スリット２０６の位置が実質的に第１開口絞り１０７の位置のフーリエ変換面（共役面、瞳共役面）となるように第４光学系２０５を配置している。

第５光学系２０７は第１スリット２０６から出た光を第２開口絞り２０８に導くための光学系であり、第１スリット２０６と第２開口絞り２０８の位置が、実質的にフーリエ変換面（共役面、瞳共役面）となるように配置されている。第６光学系２０９は、図３のような回転放物面ミラーであり、第２開口絞り２０８の位置と、第２スリット位置２１０が実質的にフーリエ変換面（共役面、瞳共役面）となるように配置されている。第７光学系２１１は、第２スリット２１０から出た光を第２スリット２１０と実質的に共役な面である非照明面１１３に導くための光学系である。第７光学系２１１の内部には第３開口絞り２１２が備えられている。

被照明面１１３で、所望の照明領域を均一に照らすために、インテグレータ１０６を用いたが、光学系の部品形状の製造誤差や、装置組み立てによる製造誤差により、結果的に被照明面１１３で照度ムラが発生する場合がある。第２実施形態の照明光学系２００を走査露光装置に適用する場合、第１スリット２０６及び第２スリット２１０のうちの少なくとも１つに対して、スリット幅をスリットの場所により調節することで、上記の照度ムラを補正することができる。また、第１スリット２０６及び第２スリット２１０のうち少なくとも一方を省略することもできる。

第１開口絞り１０７、第２開口絞り２０８及び第３開口絞り２１２の少なくとも１つには、図２Ａのように、サジタル面に対して非対称なおにぎりのような形状を持ち、照明光学系２００の有効光源形状を０．８以上の円形度とする開口絞りを用いる。また、開口絞りの開口断面の光強度分布を調整するために、薄膜の厚みむらが施されることによって光源と被照明面１１３との間のフーリエ変換面を通過する光の透過率分布を調整する光学フィルターを、第１〜第３開口絞り１０７，２０８，２１２のうち少なくとも１つに備えることもできる。
このような第２実施形態の照明光学系２００を用いた場合、０.０５程度よりも大きい開口数を持った照明光学系に回転放物面ミラーを用いても、有効光源の円形状からの歪みを抑えることができる。

［露光装置］
図６を用いて、露光装置の一例を説明する。露光装置９０は、回転放物面ミラーを含む照明光学系２００と、原版を保持する原版ステージ９２と、基板を保持する基板ステージ９４と、原版のパターンを基板の上に投影する投影光学系９３とを備え、原版と基板とを同期走査させることで基板を露光する。投影光学系９３は、例えば、物体面から像面に至る光路において、第一凹反射面、凸反射面、第二凹反射面が順に配列された投影光学系でありうる。

［デバイス製造方法］
次に、上記露光装置を用いたデバイス製造方法について説明する。その場合、デバイスは、前述の露光装置を用いて基板を露光する工程と、露光された基板を現像する工程と、他の周知の工程とを経ることにより製造する。デバイスは、半導体集積回路素子、液晶表示素子等でありうる。基板は、ウエハ、ガラスプレート等でありうる。当該周知の工程は、例えば、酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、ダイシング、ボンディング、パッケージング等の各工程である。

Claims (8)

1. 光源から出射された光で被照明面を照明する照明光学系であって、
   前記被照明面のフーリエ変換面又はその近傍に配置された開口絞りと、
   前記開口絞りと前記被照明面との間に配置され、放物トーリック形状の回転体が形成する面を反射面とするミラーと、
   を備え、
   形状の面積をＳ、該形状の周囲長をＬとし（４πＳ／Ｌ^２）で表される数値を該形状の円形度と定義するとき、前記開口絞りの開口の形状は、前記ミラーよりも前記被照明面側であって前記被照明面とフーリエ変換の関係である面における光強度分布の外形形状を０．８以上の円形度とする形状に定められる、
   ことを特徴とする照明光学系。
2. 開口数が０．０５以上である、ことを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 光学フィルターを前記光源と前記被照明面との間であって前記被照明面のフーリエ変換面に備え、前記光学フィルターは、前記フーリエ変換面を通過する光の透過率分布を調整する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の照明光学系。
4. 前記光源から出射された光束の形状を変換する光伝達素子を前記光源と前記開口絞りとの間であって前記被照明面と共役な位置に備える、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の照明光学系。
5. 前記開口絞りの開口の形状は照明光のサジタル面に対して非対称な形状であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
6. 原版と基板とを走査しながら請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の照明光学系によって照明された前記原版のパターンを投影光学系を介して基板に投影し、前記基板を露光する露光装置。
7. 形状を調整可能なスリットを前記被照明面と光学的に共役な位置に備える、ことを特徴とする請求項６に記載の露光装置。
8. 請求項６又は請求項７に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
   前記工程で露光された基板を現像する工程と、
   を含むデバイス製造方法。

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