JP2012518286A - 投影露光方法、投影露光装置、レーザ放射線源、及びレーザ放射線源用の帯域幅狭化モジュール - Google Patents

Abstract

投影対物系の物体面の領域に配置されたマスクのパターンの少なくとも１つの像による投影対物系の像面の領域に配置された感放射線基板の露光のための投影露光方法に対して、角周波数ωに依存するスペクトル強度分布Ｉ（ω）を有するレーザ放射線が使用される。レーザ放射線は、

に従う収差パラメータαと、

に従うコヒーレンス時間τとによって特徴付けられる。レーザ放射線は、マスク上に誘導される照明放射線を発生させるために照明系内に導入され、パターンは、投影対物系を用いて基板上に結像される。スペクトル強度分布は、線形状パラメータατ²に対して条件ατ²≦０．３が成り立つように設定される。その結果、像生成に対する時間変化スペックルの影響は、同時に像生成に対する色収差の影響を増大させることなく、従来の方法と比較して低減させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、投影対物系の物体平面の領域に配置されたマスクのパターンの少なくとも１つの像による投影対物系の像面の領域に配置された感放射線基板の露光のための投影露光方法、本方法を実施するのに適する投影露光装置、更に、レーザ放射線源及びレーザ放射線源のための帯域幅狭化モジュールに関する。

今日、半導体構成要素及び他の微細構造デバイスを製造するのに、主にマイクロリソグラフィ投影露光方法が使用されている。この場合、結像される構造のパターン、例えば、半導体構成要素の層の線パターンを担持するマスク（レチクル）が使用される。マスクは、投影露光装置内で照明系と投影対物系の間の投影対物系の物体平面の領域に位置決めされ、照明系によって供給される照明放射線によって照明される。マスク及びパターンによって変更された放射線は、投影対物系内を投影放射線として通過し、投影対物系は、マスクのパターンを通常は感放射線層（フォトレジスト）を担持する露光される基板上に結像する。

深紫外範囲又は超深紫外範囲（ＤＵＶ又はＶＵＶ）内の高解像度マイクロリソグラフィのための現在の投影露光装置は、一般的に１次光源としてレーザを使用する。特に、約２４８ｎｍの作動波長を有するＫｒＦエキシマレーザ又は約１９３ｎｍの作動波長を有するＡｒＦエキシマレーザが従来的である。１５７ｎｍの作動波長ではＦ₂レーザが使用され、１２６ｎｍではＡｒ₂エキシマレーザを使用することができる。１次レーザ放射線源は、レーザ光から構成されるレーザビームを放出し、このレーザビームは接続した照明系によって受光され、マスク上に誘導される照明放射線を発生させるように成形し直される。照明放射線及び投影放射線のスペクトル特性、すなわち、波長λ又は角周波数ωに依存するこれらの放射線の特性は、この場合、１次レーザ放射線のスペクトル特性によって実質的に判断される。

リソグラフィ工程の設計では、レチクル上の構造の線幅は、投影対物系を利用して既知であると仮定する照明を用いて結像した後に、感光層内で望ましい構造サイズが露光されるように調整される。この場合、基板上の位置には無関係に、マスクの等しい構造がフォトレジスト内で等しく結像されることが重要である。そうでなければ、半導体構成要素の場合、価格を減損する速度損失、又は最悪の場合は機能損失さえも発生する場合がある。従って、半導体製造における１つの重要な変数は、工程によってもたらされ、「限界寸法の変化」又は「ＣＤ変化」とも呼ばれる限界構造の厚み（ＣＤ）の変化である。これから、結像される等しい構造の視野にわたって均一な幅、いわゆるＣＤ均一性は、リソグラフィ工程の極めて重要な品質基準を構成する。

フォトレジスト内の構造の幅に対する判断ファクタは、そこに堆積する放射線エネルギである。慣例的な推定として、フォトレジストは特定の放射線エネルギ堆積量を上回って露光され、この量を下回っては露光されないと仮定する。放射線エネルギ量に対する限界値を「レジスト閾値」とも呼ぶ。この場合、重要なものは、基板上のある位置で合計の露光時間にわたって積分される放射線強度である。フォトレジスト内の特定の位置で堆積される放射線エネルギのマグニチュードは、多数の影響変数、特に、光学収差、特に色収差、露光放射線の偏光状態、更にまた、迷光及び二重反射の影響に依存する。レーザが１次光源として使用される場合には、少なくとも部分的にコヒーレントな放射線を使用する際に自己干渉の得られる場合があるいわゆるスペックルが、ＣＤ変化の更に別の潜在的原因として加えられる可能性がある。この場合、主に、いわゆる時間変化スペックル（動的スペックル、時間スペックル）が重要であり、これらのスペックルは、レーザパルスの持続時間よりもそれ程短くないコヒーレンス時間を有する光源が使用されることからもたらされる時間的強度変動によってもたらされる。それとは対照的に、一般的な非コヒーレント光源のコヒーレンス時間は非常に短く、この場合、時間変化スペックルは問題ではない。

マイクロリソグラフィ投影露光装置に適するレーザ放射線源を選択する場合には、数々の影響パラメータを考慮に入れるべきである。特に大きい像視野を有する高解像度の投影対物系の場合には、色補正は非常に複雑である。投影対物系が完全には色補正されない場合には、異なる波長を有する放射線は、投影対物系の像視野内で各波長に対して異なる焦点位置をもたらす。得られる欠点を回避するために、一般的に、非常に狭帯域のレーザ放射線源を使用する手法が行われる。従って、従来のエキシマレーザは、数百ｐｍのレーザの自然放出スペクトルを例えば１ｐｍよりも狭い帯域幅に１０の数乗倍狭化する帯域幅狭化モジュールを含む。従って、大きい帯域幅は色収差に関して不利である。それとは対照的に、スペックルと呼ぶ望ましくない干渉現象は光の時間コヒーレンスに起因すると考えられるので、広い帯域幅は、動的スペックルの発生に関してはむしろ好適である。この光はそれ程コヒーレントではないので、レーザ放射線内にはより異なる波長が含まれ、広い帯域幅は、スペックルを回避することに関しては好適である。

従って、適切な帯域幅の選択は、常に、一方で低い色収差への要件と、他方で僅かなスペックルの間の妥協である。最適な帯域幅の設定は、各投影露光装置を設計する際に、例えば、投影対物系の色補正に対して入手可能なデータに基づいて判断すべきである技術的な問題である。

特許出願ＵＳ ２００６／０１４６３１０ Ａ１及びＵＳ ２００８／０２２５９２１ Ａ１は、各場合に、使用されるレーザ放射線源のスペクトル強度分布を設定又は変更することができる投影露光方法及び投影露光装置を開示している。

ＵＳ ２００６／０１４６３１０ Ａ１ ＵＳ ２００８／０２２５９２１ Ａ１

本発明の目的は、レーザを１次光源として用いて作動し、従来のシステム及び方法と比較して像生成に対する時間変化スペックルの影響を低減すると同時に像生成に対する色収差の影響を増大させないように設計された投影露光方法及び本方法を実施するように設計され投影露光装置を提供することである。更に別の目的は、上述の投影露光方法を実施するのに適するレーザ放射線源、及び同じくレーザ放射線源のための帯域幅狭化モジュールを提供することである。

上述の目的は、請求項１の特徴を含む投影露光方法を用い、請求項６の特徴を含む投影露光装置を用い、かつ請求項１１の特徴を含むレーザ放射線源及び請求項１４の特徴を含む帯域幅狭化モジュールを用いて達成される。有利な発展形態を従属請求項に指定する。全ての請求項の文言は、本説明の内容に引用によって組み込まれている。

レーザ線のスペクトル形状の適切な設定により、すなわち、１次レーザ放射線源によって放出されるレーザ放射線のスペクトル強度分布の設定により、色収差に対するレーザ放射線源の影響と、動的スペックルの発生に対するレーザ放射線源の影響との間の均衡にターゲット方式で影響を与えることができることが認識されている。

レーザ線の適切なスペクトル形状の設定は、リソグラフィの装置及び工程の設計においてこれまで考慮されなかった自由度を構成する。

使用されるレーザ線のスペクトル強度分布は、リソグラフィ工程に対して２つの反対の影響を有し、幅広のレーザ線は色収差を増大させ、それに対して幅狭のレーザ線は、長いコヒーレンス時間をもたらし、従って、重度の動的スペックルを招く可能性がある。これまでは、実質的に色収差のみがレーザ開発計画における推進源であった。従って、可能な最も幅狭の帯域幅を有するレーザ放射線源を開発することに少なからぬ努力が行われてきた。ここに来て、許容可能な程に小さいＣＤ変化しか伴わずにオリジナルの真の示度を得るためには、動的スペックルを同様にかなり低減しなければならず、従って、両方の影響を考慮すべきであることが認識されている。

上述の本発明の策定法は、工程における色収差を悪化させることなくレーザ線のスペクトル形状を調整することによって如何に動的スペックルを最小にすることができるかを説明する。この策定法は以下の通りに理解することができる。

Ｉ（ω）をレーザ線のスペクトル形状とする。より簡潔な表記の理由から、以下では、波長λの代わりに角周波数ωを使用する。光の速度をｃ₀として、

に基づくと、この場合に対応する全ての関連においてｄλとｄωとは比例し（ｄａ｜ｄω｜≪ω）、従って、角周波数と波長とは完全に均等な表記である。更に、以下では、レーザ線は、角周波数ω＝０にその中心を有すると仮定し、これは、そうしないと以下に示す式（１）以降においてその度にω²の代わりに（ω−ω₀）²と表記しなければならなくなるからである。

色収差（又はリソグラフィ工程における色収差の効果）は、スペクトル分布の２次モーメントに比例し、すなわち、次式が成り立つ。

それとは対照的に、動的スペックルは、時間自己相関μ（Δｔ）によって判断される。コヒーレンス時間τは、次式によってもたらされる。

コヒーレンス時間τが小さい場合は、動的スペックルは弱くなり、これは、この場合、レーザパルス内でより静的に独立した放射線分布にわたって平均化を行うことができるからである。自己相関は、フーリエ変換（ＦＴ）を用いて正規化スペクトル強度分布から計算することができる。

公知のように、フーリエ変換は、Ｌ₂ノルムを維持するので、式（２）は次式に等しい。

従って、リソグラフィ工程では、式（１）及び式（４）が可能な限り小さいスペクトル線形状Ｉ（ω）が使用される場合に最適である。単位の観点から、無次元積ατ²が対応する変数であり、すなわち、この積ατ²が小さい程、線形状がリソグラフィ工程に一層適することは明らかである。この積は、レーザ線のスペクトル形状をパラメータ化するので、以下ではこの積を「線形状パラメータ」ατ²又は簡単に「形状パラメータ」ατ²とも呼ぶ。

一部の実施形態では、線形状パラメータατ²に対して、条件ατ²＜０．１が成り立つ。特に、条件ατ²≦０．０９又はατ²≦０．０８を満たすことができる。

背景の更なる理解のために、最初にスペクトル線の線幅及びプロフィールに関する一部の原理に対して以下に説明する。原子システムの２つのエネルギレベルの間の遷移に基づく電磁放射線の放出では、対応するスペクトル線の周波数は厳密に単波長であるわけではない。中心周波数の前後に放出強度の強度周波数分布が観察される。これらの２つの周波数の間で中心周波数に存在する強度最大値の半分まで強度が低下した周波数間隔を半値全幅（ＦＷＨＭ）と呼ぶ。本出願では、半値全幅に対しても「帯域幅」という用語を使用する。一般的に、半値全幅内のスペクトル範囲を線コアと呼び、それに対して線コアの外側の両側の領域を線ウイングと呼ぶ。

励起された原子の電子は、その励起エネルギを再度電磁放射線の形態で放出することができる（自然放出）。自然放出中には、原子は厳密に単波長の放射線を放出せず、放出される放射線は、周波数に依存する内部分布を有する。外部からの影響がない場合には、原子は、ローレンツプロフィールによって表されるいわゆる「自然線形状」を有する放射線を放出する。ローレンツプロフィールの半値全幅は、放出工程の自然線幅である。

しかし、レーザ物理学の分野では、ローレンツプロフィールは、線の中心の直近、すなわち、中心周波数の前後で有効な大雑把な近似でしかない。レーザ物理学で広く使用される実際的な手法は、異なるレーザ線形状の比較において実際的な基準として機能することができる修正ローレンツ曲線のものである。これに対しては、好ましい例示的な実施形態の説明においてより詳細に以下に説明する。

修正ローレンツ曲線の場合の線形状パラメータと比較しての線形状パラメータατ²の有意な低減は、スペクトル強度分布Ｉ（ω）が幅σのガウス曲線に実質的に対応する場合に得ることができ、ガウス曲線の場合は、α＝σ²／２及び
τ=1／(√2π σ)
が成り立つ。特に、ガウス曲線を測定強度プロフィールに当て嵌める上で小さい偏位又は誤差、例えば、１０％よりも小さく、８％よりも小さく、５％よりも小さく、又は２％よりも小さい誤差しかもたらされない場合には、スペクトル強度分布Ｉ（ω）は、ガウス曲線に実質的に対応する。

スペクトル強度分布Ｉ（ω）が実質的に放物線形状を有する場合には、線形状パラメータατ²の更なる低減が可能である。特に、放物線を測定強度プロフィールに当て嵌める上で、小さい偏位又は誤差、例えば、１５％よりも小さく、１０％よりも小さく、８％よりも小さく、５％よりも小さく、又は２％よりも小さい誤差しかもたらされない場合には、スペクトル強度分布Ｉ（ω）は、放物線形状に実質的に対応する。ガウス曲線又は修正ローレンツ曲線と比較して、放物線形状の場合には、同様に線ウイングの領域内に低い放射線エネルギしか存在せず、それに応じて線コアの領域内に高い放射線エネルギが存在し、これは、色収差及びスペックルに関する最適化に好適であることを明らかにしている。特に、放物線強度プロフィールの側稜は、プロフィールＩ（ω）内にいかなる屈曲点も持たず、それによって放物線分布の場合は線コア領域内に比較的大きいエネルギ量が存在し、線ウイングの領域内に比較的小さいエネルギが存在することが非常に明確になる。

本発明は、条件ατ²≦０．３が成り立つレーザ放射線を放出するための１次レーザ放射線源を含む投影露光装置にも関する。

本発明は、条件ατ²≦０．３が成り立つレーザ放射線を放出するためのレーザ放射線源にも関する。

本発明は、レーザ放射線源のための帯域幅狭化モジュールであって、この帯域幅狭化モジュールが装備されたレーザ放射線源が、条件ατ²≦０．３が成り立つレーザ放射線を放出するように設計された帯域幅狭化モジュールにも関する。

上述の特徴及び更に別の特徴は、特許請求の範囲からだけではなく本説明及び図面からも明らかになり、個々の特徴は、各場合にこれらの特徴自体で、又は本発明の実施形態及び他の分野における複数の部分組合せの形態として達成することができ、有利で本質的に保護対象とすることができる実施形態を為すことができる。本発明の例示的な実施形態を図面内に例示し、下記でより詳細に説明する。

マイクロリソグラフィのための投影露光装置の構成の概略図である。 レーザのスペクトル線プロフィールの概略図である。 完全には色補正されていない投影対物系を使用する場合の焦点位置に対するレーザ放射線源の有限スペクトル帯域幅の影響の図である。 従来のレーザのレーザ放射線のスペクトル特性に関するグラフである。 レーザ放射線の異なる可能なスペクトル線形状の概略図である。 帯域幅狭化モジュールを有するエキシマレーザの構成の概略図である。

図１は、半導体構成要素及び他の微細構造デバイスの製造に対して使用することができ、マイクロメートルの数分の１まで細かい解像度を得るために深紫外範囲（ＶＵＶ）からの光又は電磁放射線を用いて作動するマイクロリソグラフィ投影露光装置の例１００を示している。約１９３ｎｍの作動波長を有するＡｒＦエキシマレーザが１次光源１０２として機能し、このレーザの直線偏光レーザビームは、照明系１９０内に、照明系の光軸１０３に対して同軸に取り込まれる。他のＵＶレーザ放射線源、例えば、１５７ｎｍの作動波長を有するＦ₂レーザ、又は２４８ｎｍの作動波長を有するＫｒＦエキシマレーザも同様に可能である。

光源１０２からの偏光光は最初に、例えば、コヒーレンスを低減し、ビーム断面を拡大するように機能するビーム拡大器１０４内に入射する。拡大されたレーザビームは、瞳成形ユニット１５０内に入射し、瞳成形ユニット１５０は、複数の光学構成要素及び光学群を含み、時として２次光源又は「照明瞳」とも呼ぶ定められた局所（２次元）照明強度分布を下流にある照明系１９０の瞳成形面１１０内に生成するように設計される。瞳成形面１１０は、照明系の瞳面である。

瞳成形ユニット１５０は、瞳成形ユニットの駆動に依存して異なる局所照明強度分布（すなわち、異なる構造化２次光源）を設定することができるように可変方式で設定することができる。図１は、円形照明瞳の様々な照明、すなわち、中心に位置した円形の照明スポットを有する従来設定ＣＯＮ、二重極照明ＤＩＰ、又は四重極照明ＱＵＡＤを例示的に略示している。

瞳成形面１１０の直近には、光学ラスタ要素１０９が配置される。光学ラスタ要素１０９の下流に配置された結合光学ユニット１２５は、光を中間像平面１２１上に伝達し、中間像平面１２１内には調節可能な視野絞りとして機能するレチクル／マスクシステム（ＲＥＭＡ）１２２が配置される。視野定義要素ＦＤＥとも呼ぶ光学ラスタ要素１０９は、回折光学要素又は屈折光学要素の２次元配列を有し、入射する放射線が、下流の結合光学ユニット１２５を通過した後に視野平面１２１の領域内に矩形照明視野を成形するようにこの入射放射線を成形する。更に、放射線は、部分ビーム束の重ね合わせによって均一化され、従って、ＦＥＤは、視野成形及び均一化要素として機能する。

下流の結像対物系１４０（ＲＥＭＡ対物系とも呼ぶ）は、視野絞り１２２を有する中間視野平面１２１をレチクル１６０（マスク、リソグラフィのオリジナル）上に、例えば、２：１と１：５の間にあるとすることができ、この実施形態では約１：１であるスケールで結像する。

レーザ１０２から光を受光し、この光から、レチクル１６０上にもたらされる照明放射線を成形する光学構成要素は、投影露光装置の照明系１９０に属する。

照明系の下流には、レチクル上に配置されたパターンが投影対物系１７０の物体平面１６５内に位置し、スキャナ作動においてこのパターンをこの平面内で走査駆動体を用いて光軸１０３（ｚ方向）に対して垂直な走査方向（ｙ方向）に移動させることができるようにレチクル１６０を担持及び操作するためのデバイス１７１が配置される。

レチクル平面１６５の下流には、縮小対物系として機能し、マスク１６０上に配置されたパターンの像を縮小スケール、例えば、１：４又は１：５のスケールで、フォトレジスト層で被覆されたウェーハ１８０上に結像する投影対物系１７０が続き、このウェーハの感光面は、投影対物系１７０の像平面１７５内に位置する。屈折、反射屈折、又は反射の投影対物系が可能である。他の縮小スケール、例えば、１：２０又は１：２００まで高い縮小が可能である。

この例の場合は半導体ウェーハ１８０である露光される基板は、ウェーハをレチクル１６０と同期して光軸と垂直に移動させるためのスキャナ駆動体を含むデバイス１８１によって担持される。投影対物系１７０の設計（例えば、屈折、反射屈折、又は反射、中間像なし又は中間像あり、折り返し又は折り返しなし）に基づいて、これらの移動は、互いと平行又は反平行の方式で行うことができる。「ウェーハ台」とも呼ぶデバイス１８１及び「レチクル台」とも呼ぶデバイス１７１は、走査制御デバイスを用いて制御されるスキャナデバイスの一部である。

瞳成形面１１０は、最も近い下流の瞳面１４５及び投影対物系１７０の像側瞳面１７２に対して光学的に共役な位置、又はその近くに位置する。その結果、投影対物系の瞳１７２内の空間（局所）光分布は、照明系の瞳成形面１１０内の空間光分布（空間分布）によって判断される。瞳面１１０、１４５、１７２の間には、それぞれの瞳面に対するフーリエ変換面である視野面が光学ビーム経路にそれぞれ位置する。これは、特に、瞳成形面１１０内の照明強度の定められた空間分布が、下流の視野面１２１の領域内に照明放射線の特定の角度分布を生成し、更にこの角度分布がレチクル１６０上に入射する照明放射線の特定の角度分布に対応することを意味する。

レーザ放射線源１０２は、波長λ又は角周波数ωに依存する特定のスペクトル強度プロフィールＩ（ω）を有するレーザ放射線を放出する。完全には色補正されない投影対物系を使用する場合の像品質に対する有限の帯域幅を有する光源の使用効果を図２を参照して概略的に説明する。

この目的のために、図２Ａは、レーザ放射源ＬＳのスペクトル強度プロフィールＩ（ω）を略示している。強度の最大値Ｉ₀は、中心周波数ω₀にある。２つの周波数ω₁とω₂の間で強度が最大値の半分まで低下した周波数間隔Δω＝｜ω₂−ω₁｜を半値全幅（ＦＷＨＭ）と呼ぶ。レーザ線が、異なる強度で合計信号に寄与する異なる波長を含むことは明らかである。半値全幅内のスペクトル範囲を線コアとも呼び、外側の領域を線ウイングと呼ぶ。

図２Ｂは、光軸ＯＡに関して同軸に配置された２つのレンズ要素Ｌ１、Ｌ２を有する投影対物系ＰＯを略示しており、この投影対物系ＰＯは、投影対物系の物体平面ＯＳ内に置かれたパターンＰＡＴを物体平面に対して光学的に共役な像面ＩＳの領域内に結像する結像システムを表す。開口絞りＡＳは、結像の有効像側開口数ＮＡを定め、対物系の瞳面の近くに配置される。マスクのパターンＰＡＴを照明系によって供給される照明光を光軸に沿って０次の回折次数に回折し、開口絞りによいって境界が定められるビーム経路の外縁において−１次の回折次数と＋１次の回折次数とに回折する回折格子として略示している。

広帯域レーザ放射線源ＬＳは、異なる強度を有する異なる波長を有する放射線を放出し、可視スペクトル範囲の光の色に従って平均波長を「ｇｒｅｅｎ（緑）」の「ｇ」と呼び、最も長い波長を「ｒｅｄ（赤）」の「ｒ」と呼び、最も短い波長を「ｂｌｕｅ（青）」の「ｂ」と呼ぶ。それに応じて、２６０ｎｍよりも短い深紫外範囲からの波長における比を当て嵌めなければならないことは言うまでもない。色補正不足のシステムの場合には、比較的最も短い波長（ｂ）の焦点面が光学系の近くに位置し、それに対して比較的長い波長（ｇ）及び（ｒ）は、投影対物系から次第に遠くに離れて集束される。しかし、露光される基板、例えば、半導体ウェーハは、正確に波長のうちの１つだけに関する集束領域内にしか誘導することができず、この場合、他の波長の焦点位置は、露光される面から外れて位置する。

焦点位置は、１次近似では波長に対して線形に変化する（色補正された対物系の場合には、この効果は、波長に対して２次関数にしかならない）。それに応じて限界寸法の変化（ΔＣＤ）は、波長の変化に対して２次関数的に立ち上がる。これから、色収差又はリソグラフィ工程におけるその効果は、本出願の目的では、次式が成り立つ収差パラメータαによってパラメータ化され、スペクトル分布の２次モーメントに比例することは明らかである。

ここで詳細に説明する焦点位置の波長依存性と共に、色収差は、拡大スケールの波長依存性も含む。この効果も、収差パラメータαに包含される。

ここで考察するリソグラフィ工程に影響を与える第２の影響変数は、動的スペックルである。スペックルは、レーザビームの異なる部分の間の無制御又は制御不能の干渉の結果として発生する。干渉は、いくつかの位置において光の消失をもたらし、この消失は１００％のコントラストに対応する。スペックルパターンの正確な形状は、時間と共に変化するレーザビームの異なる部分の位相関係に依存する。技術文献ではこれらの時間的な強度変動を「時間スペックル」又は「動的スペックル」と呼ぶ。これらの場合にコントラストを低減するための唯一の可能性がレーザパルス持続時間にわたる多くの異なるスペックルパターンの重ね合わせにあることを考慮に入れると、どれ程高速にスペックルパターンが変化するかという疑問がもたらされる。独立したスペックルパターン数は、レーザパルスの持続時間をレーザ放射線の位相相関時間で割算することからもたらされる。一方、相関時間は、レーザ放射線内の光の異なる周波数からもたらされ、すなわち、放出強度スペクトルの線形状に関連する。本出願の目的では、この相関時間又はコヒーレンス時間τは、次式からもたらされる。

上述の式は、光源の時間コヒーレンスとそのスペクトル帯域幅の間に関係が存在することを示している。両方の変数が有効に定められた場合には、これらの変数が互いに反比例することは明らかである。更に別のより徹底した分析は、光源によって放出される放射線のスペクトル形状もこの関係に影響を与えることを示している。

収差パラメータαは、帯域幅の二乗に比例し、それに対してコヒーレンス時間τは、帯域幅の逆数に比例する。この洞察からの１つの重要な結論は、積ατ²が帯域幅には依存しないことである。更に、これは、色収差に対する放射線源の影響と動的スペックルの生成に対する放射線源の影響との間の最適化を得るためにリソグラフィ工程のためのレーザ放射線源の帯域幅を技術パラメータに基づいて選択することができ、線形状パラメータατ²を用いてパラメータ化されるスペクトル線形状が自由パラメータのままに留まることを意味する。

次に、以下において、様々なレーザ線形状に対して線形状パラメータのマグニチュードをより詳細に説明する。

多くの場合に、専門書では、レーザ線のスペクトル形状がローレンツプロフィールであると説明されている。

しかし、これは、線の中心の直近で有効な大雑把な近似でしかない。レーザ物理学で広く使用されるより好ましい手法は、修正ローレンツ曲線のものである。

色収差αが発散しないように、すなわち、光学リソグラフィが完全に可能であるためには、ν＞３であることが必要である。この場合、色収差に対しては次式が成り立ち、

かつ、コヒーレンス時間に対しては次式が成り立つことは明らかである。

νに対する値は、ＦＷＨＭ（半値全幅）及びＥ９５値（エネルギの９５％がこの周波数範囲にある）から計算することができる。この場合、これらの値は、分光測定技術を通じて入手可能である。

基準レーザとしてのＸＬＡ−３６０に関する測定データから、例えば、ν＝３．２であることが見出されている。線形状パラメータατ²をνの関数としてプロットすると、図３に示す曲線がもたらされる。点は、ατ²＝０．３８という線形状パラメータの値に対応する市販の「実際の」レーザの値ν＝３．２を印している。ν→∞におけるατ²の限界は、ατ²＝１／１２（又はατ²≒０．０８３）であり、従って、ν＝４．５を超えては僅かな改善しか得ることができない。

従って、想定可能なスペクトル線形状として修正ローレンツ関数に限定された場合であっても、ατ²は、基準レーザに対して３倍よりも大きく改善することができる。

他のスペクトル線形状、特に放物線形状が可能な場合には、より良好な改善が更に可能であり、これに対して以下に説明する。

市販の異なるレーザに対して、νに対する異なる指示、正確にはν＝３．２からν＝３．７５の範囲の指示が存在する。これらの相違点は、レーザには部分的に帰することしかできず、他の部分に関しては測定及び評価に帰することができると仮定する。従って、個々のレーザの改善の可能性が実際には如何に大きいかを評価する段階が残る。ＸＬＡ−３６０に対して測定されたレーザ分布の直接積分は、ατ²≒０．２６をもたらし、それに対してνの計算当て嵌めによる迂回は、約ατ²＝０．３６をもたらした（図３を参照されたい）。

これらの数値は、修正ローレンツ関数では限界値１／１２≒０．０８３、及び放物線形状では９／１２５≒０．０７２と比較すべきである。

本発明の利点をいくらかより明確にするために、ここで図４を参照して簡単な例を以下に示す。

図４Ａに示している線形状Ｉ（ω）を幅Δを有する（スペクトル）平頂形であると考えることにする。つまり、これは、式（１）からα＝Δ²／１２がもたらされ、式（４）からτ＝１／Δがもたらされる場合である。従って、積又は線形状パラメータは、ατ²＝１／１２（≒０．０８３）である。

代わりに、Ｉ（ω）において幅σを有するガウス曲線（周波数の関数としての）を仮定すると（図４Ｂ）、式（１）からα＝σ²／２がもたらされ、式（４）からは、
τ = 1／[√(2π)σ]
がもたらされる。従って、積又は線形状パラメータατ²は、ατ²＝１／（４Π）≒０．０８０である。

従って、積ατ²は、平頂形よりもガウス曲線において幾分小さい。従って、一定の色収差の場合には、ガウス曲線において幾分短いコヒーレンス長、従って、より少ないスペックルを得ることができる。代替的に、同じスペックルの場合には、平頂形の代わりにガウス曲線が使用されると色収差を低減することができる。言い換えれば、従来のシステム及び方法と比較して像生成に対する時間変化スペックルの影響を低減し、同時に像生成に対する色収差の影響を拡大させないことが重要である場合には、平頂形よりもガウス分布状を有するレーザ線が光学リソグラフィに適している。

式（１）及び式（４）による積ατ²を最小にすることを意図するという条件は、数学的に明確に定められる問題をもたらす。次式の最適化された線形状は、モンテカルロシミュレーションを用いて判断したものである。この最適化された変形におけるレーザ線は、切除された放物線の形状を有する（同様に図４Ｃを参照されたい）。

この曲線形状では、α＝Δ２／５及びτ＝３／（５Δ）であり、得られる積ατ²は、ατ²＝９／１２５であり、ατ²≒０．０７２に対応する。従って、異なる曲線形状における積（線形状パラメータ）は以下の通りである。
平頂形：ατ²＝１／１２≒０．０８３
ガウス曲線：ατ²＝１／（４Π）≒０．０８０
放物線形状：ατ²＝９／１２５≒０．０７２

従って、放物線形状は、ガウス分布又は平頂形分布よりも実際に良好である。

これらの例は、ここで説明する問題において強度プロフィールの側稜の領域内で何が起こるかが重要であることを示している。例えば、側稜内の合計エネルギの１％がシフトした場合には、このシフトは、線コア内の合計エネルギの１％がシフトした場合よりも大きい桁の影響を有する。従って、レーザ線形状は、可能な最小の側稜寄与を有さねばならず、ここで「側稜」という用語は、実質的に線コアと線ウイングの間の移行領域を表す。この意味で、ガウス曲線は、放物線よりも幅広の側稜を有し、ガウス曲線の場合は、理論的に側稜は無限大に進み、それに対して放物線の場合は有限の広がりしか持たない。それとは対照的に、平頂形の場合のように側稜が完全に切除された場合には、今度はコアの一部が側稜になり、これは、結局、外側にあるあらゆるものが一種の側稜であることによるものである。従って、平頂形の場合には、非常に高い強度を有する領域が側稜になる。従って、放物線は、根底にある問題を有する背景に対する非常に良好な妥協点である。

図５を参照して、エキシマレーザの場合にスペクトル線形状に影響を与えるための１つの可能性を例に基づいて以下に提供する。エキシマレーザは、現在ＤＵＶ及びＶＵＶの範囲のマイクロリソグラフィにおいて主に使用される１次光源である。エキシマレーザは、多くの異なる空間モードで振動し、他の種類のレーザと比較して低い程度の空間コヒーレンスを有する。更に、比較的幅広のスペクトルが放出され、これは低い時間コヒーレンスを意味する。更に別のファクタは、ＵＶ範囲の従来の非レーザ光源の場合よりも大きく高い放出電力である。エキシマレーザの自然帯域幅は、数百ｐｍの範囲にある可能性があり、従って、マイクロリソグラフィに適する幅狭の帯域幅をもたらすためには、大きく狭化すべきである。従って、マイクロリソグラフィのためのエキシマレーザには、いわゆる帯域幅狭化モジュールが装備される。図５に記載のレーザ放射線源の場合には、帯域幅狭化モジュール５１０は、レーザの共振器の後方終端器を形成し、放出されたレーザ放射線の帯域幅を波長選択性反射によって低減する機能を有する。増幅又はガス放電チャンバ５２０の後側取り出し窓に隣接するのは、順に背後に位置する４つの適切に配置されたプリズムを含むビーム拡大ユニット５１２である。拡大されたレーザビームは、リトロー構成にあるエシェル格子５３０上に入射し、それによって入射する拡大済みレーザビームが、それ自体の上に反射されるようにする。この基本構造はそれ自体公知である。この場合レーザのスペクトル線プロフィールは、実質的にエシェル格子５３０のスペクトル反射率によって判断される。格子のブレーズ回折則又はあらゆる他の手法を用いて、射出するレーザビーム５５０において望ましいスペクトル強度分布をもたらすように、製造中に格子の高さプロフィールを定めることができる。

例示的な実施形態では、エシェル格子５３０の高さプロフィールは、レーザ５００によって放出されるレーザ放射線５５０が、式（１０）に示す説明によって実質的にパラメータ化することができる下向きに開いた放物線方式のスペクトル線形状を有するように設計される。

放出レーザビームの望ましいスペクトル線形状は、帯域幅狭化モジュールのための反射格子５３０の製造中に予め判断される。この線形状をもたらす反射格子の高さプロフィールは、そこから逆算によって判断される。次に、反射格子は、それ自体公知の製造方法を用いて、例えば、ブレーズ回折則によって製造される。

スペクトル線形状の適切な設定によってリソグラフィ工程を改善することができる方法を示した。線形状パラメータατ²に対する４倍は、同じ色収差の場合に２倍だけ短いコヒーレンス時間を意味し、従って、

倍のスペックル低下を意味する。同じく、パルスストレッチャーによるパルス長の二倍化によって同じスペックル低下率を得ることができるが、この場合、伝達率が約２０％だけ低下するであろう。反対に、コヒーレンス時間を短縮する目的のための帯域幅の拡大は、対物系におけるより良好な色補正のための高価な手段を必要とすると考えられる。それとは対照的に、レーザのスペクトル線形状の提案する設定は、関連の悪影響を持たない技術的手段である。

１００ マイクロリソグラフィ投影露光装置の例
１０２ １次光源
１０３ 照明系の光軸
１０４ ビーム拡大器
１９０ 照明系

Claims (16)

1. 投影対物系の物体面の領域に配置されたマスクのパターンの少なくとも１つの像を用いて該投影対物系の像面の領域に配置された感放射線基板を露光する投影露光方法であって、
   角周波数ωに依存するスペクトル強度分布Ｉ（ω）を有し、
   

   

   に従う収差パラメータαと、
   

   

   に従うコヒーレンス時間τとによって更に特徴付けることができるレーザ放射線を発生させる段階と、
   マスク上に誘導される照明放射線を発生させるための照明系内に前記レーザ放射線を導入する段階と、
   投影対物系を用いてマスクパターンを基板上に結像する段階と、
   を含み、
   前記スペクトル強度分布は、線形状パラメータατ²に対して条件ατ²≦０．３が成り立つように設定される、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記スペクトル強度分布は、前記線形状パラメータατ²に対して条件ατ²≦０．１が成り立つように設定されることを特徴とする請求項１に記載の投影露光方法。
3. 前記スペクトル強度分布Ｉ（ω）は、半値全幅σのガウス曲線に対応し、
   α＝σ²／２及び
   τ=1/(√2π σ)
   が、前記ガウス曲線に対して成り立つ、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投影露光方法。
4. 前記スペクトル強度分布Ｉ（ω）は、放物線形状を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投影露光方法。
5. 前記スペクトル強度分布の最大値が、２６０ｎｍよりも短い波長、特に１９３ｎｍの紫外範囲にあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投影露光方法。
6. 投影対物系の物体面の領域に配置されたマスクのパターンの少なくとも１つの像を用いて該投影対物系の像面の領域に配置された感放射線基板を露光するための投影露光装置であって、
   レーザ放射線を放出するための１次レーザ放射線源と、
   前記レーザ放射線を受光し、かつマスク上に誘導される照明放射線を発生させるための照明系と、
   投影対物系の像面の領域にマスクパターンの像を発生させるための投影対物系と、
   を含み、
   前記レーザ放射線源は、角周波数ωに依存するスペクトル強度分布Ｉ（ω）を有するレーザ放射線を発生させるように設計され、
   前記レーザ放射線は、
   

   

   に従う収差パラメータαと、
   

   

   に従うコヒーレンス時間τとによって特徴付けることができ、
   前記スペクトル強度分布は、線形状パラメータατ²に対して条件ατ²≦０．３が成り立つように設定される、
   ことを特徴とする装置。
7. 前記スペクトル強度分布は、前記線形状パラメータατ²に対して条件ατ²≦０．１が成り立つように設定されることを特徴とする請求項６に記載の投影露光装置。
8. 前記スペクトル強度分布Ｉ（ω）は、半値全幅σのガウス曲線に対応し、
   α＝σ²／２及び
   τ=1/(√2π σ)
   が、前記ガウス曲線に対して成り立つ、
   ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の投影露光装置。
9. 前記スペクトル強度分布Ｉ（ω）は、放物線形状を有することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の投影露光装置。
10. 前記スペクトル強度分布の最大値が、２６０ｎｍよりも短い波長、特に１９３ｎｍの深紫外範囲にあることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の投影露光装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の投影露光装置に使用するための角周波数ωに依存するスペクトル強度分布Ｉ（ω）を有するレーザ放射線を発生させるためのレーザ放射線源であって、
    レーザ放射線が、
    

    

    に従う収差パラメータαと、
    

    

    に従うコヒーレンス時間τとによって特徴付けることができ、
    スペクトル強度分布が、線形状パラメータατ²に対して条件ατ²≦０．３が成り立つように設定される、
    ことを特徴とする放射線源。
12. 請求項７から請求項１０の少なくとも１項の特徴付け部分の特徴を特徴とする請求項１１に記載のレーザ放射線源。
13. 前記レーザ放射線のスペクトル強度分布が実質的に反射格子のスペクトル反射率によって判断されるようなレーザ放射線源の共振器のレーザ放射線の波長選択性反射のための反射格子を含み、該反射格子の高さプロフィールが、前記条件ατ²≦０．３が成り立つ前記線形状パラメータατ²を有する該スペクトル強度分布Ｉ（ω）をもたらすように形成される帯域幅狭化モジュールを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載のレーザ放射線源。
14. 請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載のレーザ放射線源のための帯域幅狭化モジュールであって、レーザ放射線のスペクトル強度分布が実質的に反射格子のスペクトル反射率によって判断されるような該レーザ放射線源の共振器のレーザ放射線の波長選択性反射のための反射格子を含み、
    前記反射格子の高さプロフィールが、角周波数ωに依存するスペクトル強度分布Ｉ（ω）が前記レーザ放射線に対してもたらされるように形成され、
    前記レーザ放射線は、
    

    

    に従う収差パラメータαと、
    

    

    に従うコヒーレンス時間τとによって特徴付けることができ、
    線形状パラメータατ²に対して、条件ατ²≦０．３が成り立つ、
    ことを特徴とするモジュール。
15. 前記反射格子の前記高さプロフィールは、前記スペクトル強度分布Ｉ（ω）が実質的に半値全幅σのガウス曲線に対応するように設計され、
    α＝σ²／２及び
    τ=1/(√2π σ)
    が、前記ガウス曲線の場合に成り立つ、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の帯域幅狭化モジュール。
16. 前記反射格子の前記高さプロフィールは、前記スペクトル強度分布Ｉ（ω）が実質的に放物線形状を有するように設計されることを特徴とする請求項１４に記載の帯域幅狭化モジュール。

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