JP2016063185A - 照明光学装置、露光装置、および物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を回避し、被照明面を高照度にかつ均一に照明するのに有利な照明光学装置を提供する。【解決手段】照明光学装置１０１は、光源１からの光束を用いて被照明面Ｒを照明するものであり、光束を、光源１から被照明面Ｒに向かう光軸に対して第１角度θ１で集光する集光鏡２と、入射端面から入射した光束を内面で複数回反射させて、射出端面での光強度分布を均一化させるオプティカルインテグレーター６と、集光鏡２からの光束から、光軸に対して第１角度θ１よりも大きい第２角度θ２でオプティカルインテグレーター６の入射端面に入射する光を作る光束形成部３、５とを有し、オプティカルインテグレーター６からの光で被照明面Ｒを照明する。【選択図】図１

Description

本発明は、照明光学装置、露光装置、および物品の製造方法に関する。

半導体デバイスなどの製造工程に含まれるリソグラフィー工程において、原版（レチクルなど）に形成されているパターンを、投影光学系などを介して基板（表面にレジスト層が形成されたウエハなど）に転写する露光装置が用いられる。露光装置は、光源からの光束で原版を照明する照明光学装置を備える。ここで、照明光学装置の原版に対する照明が不均一であると、レジストへのパターン転写が不十分となり、露光装置は、高品位なデバイスを提供できない。また、照明光学装置が高照度で原版を照明できなければ、露光装置全体のスループットに影響する。したがって、照明光学装置には、原版をほぼ均一な照度で照明することが求められる。そこで、従来の照明光学装置は、反射型オプティカルインテグレーター等の光学部材を光源と被照明面との間に配置するなどして、照度の均一性を向上させている。特許文献１は、反射型オプティカルインテグレーターとしてオプティカルロッド（ガラス棒）を採用し、オプティカルロッドの射出端面を原版表面と共役な位置に配置することで、被照明面の照度の均一性を向上させる照明手段を開示している。この照明手段では、オプティカルロッドへ入射する光束の角度は、オプティカルインテグレーターの前段側に設けられた光学系を駆動することにより可変である。

特開平７−２０１７３０号公報

一般に、オプティカルロッドの射出端面における照度分布を均一にするには、オプティカルロッドの断面形状を多角形とし、入射した光の内面反射の回数を十分に多くすることが必要である。すなわち、オプティカルロッドの光軸に垂直な断面の断面積を小さくするか、または、オプティカルロッドを光軸方向に長くする必要がある。しかしながら、オプティカルロッドの断面積を小さくすると、オプティカルロッドに入射する光の位置がずれたときに、オプティカルロッドの入射端面からはみ出す光の割合が増える。これは、光源の光量ロスが生じやすくなることを意味し、望ましくない。一方、オプティカルロッドの長さを長くすると、内部での光量ロス（ガラス棒の場合には硝材透過率に依存するロス、一方、中空ロッドの場合には反射面の反射効率に依存するロス）が大きくなるとともに、照明光学装置全体の大型化を招くため、望ましくない。特に、特許文献１に開示されている技術では、光軸方向の長さが約５００ｍｍのオプティカルロッドが使用されており、そのように長いオプティカルロッドを用いたのでは、被照明面の照度低下や、照明光学装置全体の大型化を招くおそれがある。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、例えば、大型化を回避し、被照明面を高照度にかつ均一に照明するのに有利な照明光学装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、光源からの光束を用いて被照明面を照明する照明光学装置であって、光束を、光源から被照明面に向かう光軸に対して第１角度で集光する集光鏡と、入射端面から入射した光束を内面で複数回反射させて、射出端面での光強度分布を均一化させるオプティカルインテグレーターと、集光鏡からの光束から、光軸に対して第１角度よりも大きい第２角度でオプティカルインテグレーターの入射端面に入射する光を作る光束形成部と、を有し、オプティカルインテグレーターからの光で被照明面を照明することを特徴とする。

本発明によれば、例えば、大型化を回避し、被照明面を高照度にかつ均一に照明するのに有利な照明光学装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る照明光学装置の構成を示す図である。 波長フィルターの透過率特性を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る照明光学装置の構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る照明光学装置の構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る照明光学装置と、この照明光学装置を備える露光装置について説明する。図１は、露光装置１００と、露光装置１００に含まれる本実施形態に係る照明光学装置１０１の構成を示す概略図である。露光装置１００は、例えば、半導体デバイスの製造工程におけるリソグラフィー工程で用いられるものであり、走査露光方式にて、レチクルＲに形成されているパターンの像をウエハＷ上（基板上）に露光（転写）する投影型露光装置である。なお、図１以下の各図では、ウエハＷの法線方向に沿ってＺ軸を取り、ウエハＷ面と平行な面内で互いに垂直な方向にＸ軸とＹ軸とを取っている。露光装置１００は、照明光学装置１０１と、レチクルステージ１０２と、投影光学系１０３と、ウエハステージ１０４とを備える。

照明光学装置１０１は、光源１からの光（光束）を調整して、被照明面であるレチクルＲを照明する。光源１としては、例えば、ｉ線（波長３６５ｎｍ）等の光を供給する超高圧水銀ランプを採用可能である。ただし、光源１としてはこれに限ることはなく、２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザー、１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦエキシマレーザー、または、１５７ｎｍの波長の光を供給するＦ２レーザー等を採用してもよい。さらに、照明光学装置１０１および投影光学系１０３を反射屈折系または反射系で構成する場合には、Ｘ線や電子線等の荷電粒子線を採用することも可能である。なお、照明光学装置１０１の詳細については後述する。レチクルＲは、ウエハＷ上に転写されるべきパターン（例えば回路パターン）が形成された、例えば石英ガラス製の原版である。レチクルステージ１０２は、レチクルＲを保持してＸ、Ｙの各軸方向に可動である。投影光学系１０３は、レチクルＲを通過した光を所定の倍率（例えば１／２倍）でウエハＷ上に投影する。ウエハＷは、表面上にレジスト（感光性材料）が塗布された、例えば単結晶シリコンからなる基板である。ウエハステージ１０４は、不図示のウエハチャックを介してウエハＷを保持し、Ｘ、Ｙ、Ｚ（それぞれの回転方向であるωｘ、ωｙ、ωｚを含む場合もある）の各軸方向に可動である。

次に、照明光学装置１０１の構成について具体的に説明する。照明光学装置１０１は、光源１から被照明面に向かって順に、楕円鏡２と、第１リレーレンズ３と、波長フィルター４と、第２リレーレンズ５と、オプティカルインテグレーター６と、第１コンデンサレンズ７と、第２コンデンサレンズ８とを含む。楕円鏡（集光鏡）２は、光源１から放射された光（光束）を第２焦点位置Ｆ２に集光する。一方、光源１は、楕円鏡２の第１焦点位置Ｆ１に配置されている。第１リレーレンズ３および第２リレーレンズ５は、それぞれ本実施形態における光束形成部としての結像光学系であり、前段側の所定面にある第２焦点位置Ｆ２と、後段側のオプティカルインテグレーター６の入射端面とは、共役の関係にある。波長フィルター４は、特定の波長域の光を遮蔽するものであり、露光装置１００に採用されるにあたっては、露光波長を規定（選択）し得る。

オプティカルインテグレーター６は、入射端面から入射した光束を内面で複数回反射させて、射出端面での光強度分布を均一化させる内面反射型の光学部材であり、本実施形態では、全体形状が四角柱で、断面形状が正方形であるオプティカルロッドとする。なお、オプティカルインテグレーター６としては、オプティカルロッドに限られず、これと同様に作用するものであるならば、例えば、内部が反射面を形成する中空ロッドであってもよい。また、オプティカルインテグレーター６の入射端面および射出端面（共にＸＹ平面）の形状は、四角形に限定されず、その他の多角形でもよい。オプティカルインテグレーター６に光が入射すると、内面反射の作用により、射出端面が一様に照明される。

そして、第１コンデンサレンズ（主照明レンズ前群）７および第２コンデンサレンズ（主照明レンズ後群）８は、オプティカルインテグレーター６の射出端面から射出された光を通過させ、レチクルＲを照明する。第１コンデンサレンズ７および第２コンデンサレンズ８は、結像光学系であり、オプティカルインテグレーターからの光を被照明面に結像させる。第１コンデンサレンズ７の前側焦点位置には、オプティカルインテグレーター６の射出端面が配置され、この射出端面は、レチクルＲと光学的に共役となっている。なお、厳密にはオプティカルインテグレーター６の射出端面上の異物が転写されるのを避けるため、共役位置を少しずらしている。ここで、レチクルＲを照明する照明領域の形状は、矩形となるが、他の形状となるものであってもよい。その後、レチクルＲから射出した光、すなわちパターン像は、投影光学系１０３を介してウエハＷ上に転写されることになる。

本実施形態では、照明光学装置１０１は、上記の通りオプティカルインテグレーター６の入射端面に向かう光束の形状（具体的には入射する光束の角度）を調整する各リレーレンズ３、５を含む。これにより、オプティカルインテグレーター６の入射端面（ＸＹ平面）の断面積を小さくすることなく、かつ、光軸方向（Ｚ軸方向）の長さを維持したまま、オプティカルインテグレーター６での内面反射回数を多くすることができる。以下、その原理について説明する。

オプティカルインテグレーター６の屈折率をｎ、正方形断面の対向する反射面間の間隔をｄ（ｍｍ）、長さをＬ（ｍｍ）とする。第２焦点位置Ｆ２に集光する光束の角度（第１角度）をθ_１（ｄｅｇ）、オプティカルインテグレーター６の入射端面に集光する光束の角度（第２角度）をθ_２（ｄｅｇ）とする。また、第２焦点位置Ｆ２からオプティカルインテグレーター６の入射端面への結像倍率をβとする。このとき、オプティカルインテグレーター６に入射した光束が内面反射をＮ回行うのに必要な長さＬは、式（１）で表され、第１角度θ_１と第２角度θ_２とは、式（２）で表される関係を満たす。

ここで、間隔ｄは、オプティカルインテグレーター６の入射端面での光量ロスの敏感度等の設計条件に基づいて決定される。また、長さＬは、オプティカルインテグレーター６内での光量ロスの制約や照明光学装置１０１のスペースの制約等の設計条件に基づいて決定される。したがって、被照明面の照度の低下を回避しつつオプティカルインテグレーター６での内面反射回数を多くするためには、各リレーレンズ３、５による結像倍率βを１よりも小さくして、ｓｉｎθ_２＞ｓｉｎθ_１の関係を満たすようにすることが有効となる。ｓｉｎθ_２＞ｓｉｎθ_１の関係は、すなわち、第２角度θ_２が第１角度θ_１よりも大きいという関係である。

以下、具体的に数値を当てはめて説明する。オプティカルインテグレーター６の射出端面において目標の照度均一性を得るためには、内面反射回数Ｎ＝３以上が必要であるとする。そして、ｎ＝１．５、ｄ＝３０ｍｍ、Ｌ＝３００ｍｍのオプティカルインテグレーター６を使用する場合、式（１）および式（２）より、βがおおよそ０．８以下となるようにすればよい。参考として、例えば、第１リレーレンズ３および第２リレーレンズ５の各結像倍率をそれぞれ等倍にした場合には、β＝１であるので、Ｌ＝３７９．７ｍｍのロッドが必要になる。この場合、オプティカルインテグレーター６を形成する硝材の内部透過率が９９．５％／ｃｍであるすると、Ｌ＝３００ｍｍのときに比べて、光量ロスが約４％多くなってしまう。光量ロスが増加することにより、その照明光学装置を採用する露光装置のスループットは低下する。

なお、結像倍率βを小さくするということは、それだけ特定の領域に光が集中するということであるから、オプティカルインテグレーター６の入射端面における光パワーが大きくなり、オプティカルインテグレーター６の耐久性に影響を及ぼす可能性がある。これに対し、本実施形態では、波長フィルター４を用いて光源１から放出される光の波長帯域を狭くすることで、光パワーを制限する。以下、その原理について説明する。

一般に、波長フィルターは、平行平板に誘電体多層膜を成膜したものであり、光の入射角度によって透過する波長が変化する。図２は、透過波長が決定された場合のバンドパスフィルターの透過率特性を示すグラフである。図２では、透過率のピークの波長を中心波長λ_０として表し、誘電体多層膜に垂直入射した光と斜入射で入射した光とについての入射角度と透過波長との関係を示している。図２からわかるように、斜入射した光は、垂直入射した光よりも最大透過率が下がる。また、光の入射角が変化すると、誘電体多層膜中での光路長差が小さくなるので、中心波長が短波長側にシフトする。さらに、波長フィルターには、角度分布が広がっていない光を入射しなければならない。例えば、図２においてΛで示した波長域（厳密には透過率分布の裾も含む）が透過され、所望の波長以外の波長を多く含む分布となる。したがって、オプティカルインテグレーター６の入射端面のような光の角度分布が広がっている位置（場所）に波長フィルターを配置することは、現実的ではない。光の角度分布が広がっていない位置は、ラグランジェ・ヘルムホルツの不変量から、位置分布が広がっている場所を意味している。すなわち、波長フィルターの配置位置としては、オプティカルインテグレーター６の入射端面よりも光線有効径が大きい位置が望ましい。そこで、本実施形態では、波長フィルター４は、第１リレーレンズ３および第２リレーレンズ５を含む結像光学系において、位置分布が広がっている瞳面付近に配置している。これにより、第１リレーレンズ３および第２リレーレンズ５を含む結像光学系の倍率を小さくすることに起因するオプティカルインテグレーター６の耐久性への影響を抑えることができる。

このように、照明光学装置１０１は、オプティカルインテグレーター６の入射端面の断面積を小さくすることなく、かつ、光軸方向の長さを維持したまま、オプティカルインテグレーター６での内面反射回数を多くすることができる。これにより、照明光学装置１０１は、全体構成を大きくすることなく、被照明面の照度低下を抑え、かつ照度の均一性を向上させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、大型化を回避し、被照明面を高照度にかつ均一に照明するのに有利な照明光学装置を提供することができる。また、このような照明光学装置を備える露光装置によれば、内部スペースの確保に関して有利となりつつ、より高精度なパターン転写を実現し得る。

（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装置について説明する。図３は、本実施形態に係る照明光学装置２０１の構成を示す概略図である。なお、第１実施形態に係る照明光学装置１０１の構成と同一のものには同一の符号を付し、説明を省略する。照明光学装置２０１の特徴は、第１実施形態において採用されている第１リレーレンズ３および第２リレーレンズ５に換えて、本実施形態における光束形成部として、不図示の波長フィルター４の後段側にコンデンサレンズ１２を配置する点にある。この場合、第２焦点位置Ｆ２に集光した光は、波長フィルター４およびコンデンサレンズ１２を順次透過した後に、オプティカルインテグレーター６に入射する。コンデンサレンズ１２は、集光光学系としてのフーリエ変換レンズであり、所定面にある第２焦点位置Ｆ２とオプティカルインテグレーター６の入射端面とは、フーリエ変換の関係にある。また、第２焦点位置Ｆ２の光束径をＤとし、コンデンサレンズ１２の焦点距離をｆとすると、式（３）が成り立つ。

ここで、光束径Ｄは、光源１および楕円鏡２の設計条件に基づいて決定される。したがって、オプティカルインテグレーター６での内面反射回数を多くするためには、式（１）および式（３）より、コンデンサレンズ１２の焦点距離ｆを小さくして、ｓｉｎθ_２＞ｓｉｎθ_１の関係を満たすようにすることが有効となる。このような構成を有する照明光学装置２０１によっても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る照明光学装置について説明する。図４は、本実施形態に係る照明光学装置３０１の構成を示す概略図である。なお、第１実施形態に係る照明光学装置１０１の構成と同一のものには同一の符号を付し、説明を省略する。照明光学装置３０１の特徴は、第１実施形態において採用されている第１リレーレンズ３および第２リレーレンズ５に換えて、本実施形態における光束形成部として、不図示の波長フィルター４の後段側に拡散部材１３を配置する点にある。この場合、第２焦点位置Ｆ２に集光した光は、波長フィルター４および拡散部材１３を順次透過した後に、オプティカルインテグレーター６に入射する。拡散部材１３は、入射光（入射光束）を所定の発散角θ_２で発散させる拡散板または透過型回折光学素子である。このような拡散部材１３を用いる場合には、オプティカルインテグレーター６での内面反射回数を多くするために、拡散部材１３による発散角θ_２を大きくして、ｓｉｎθ_２＞ｓｉｎθ_１の関係を満たすようにすることが有効となる。このような構成を有する照明光学装置３０１によっても、第１実施形態と同様の効果を奏する。なお、オプティカルインテグレーター６への発散角分布は、照明光学装置３０１の照明コヒーレンシィσ（σ値＝照明光学装置３０１の射出側開口数／投影光学系１０３の入射側開口数）となる。そのため、拡散部材１３のファーフィールド領域では、ＸＹ平面内での分布は、ほぼ円形のパターンとなることが望ましい。また、照明光学装置３０１は、第２焦点位置Ｆ２とオプティカルインテグレーター６との間に、拡散部材１３のみならず、上記第１および第２実施形態で例示したような結像光学系やフーリエ変換レンズを組み合わせて配置し、用いるものとしてもよい。

なお、上記の各実施形態において、リレーレンズ、コンデンサーレンズまたは拡散部材等の構成要素の設置個数または設置位置は、一例であり、上記説明した各種条件を満たすならば、各実施形態での例示に限定するものではない。

（物品の製造方法）
本発明の実施形態にかかる物品の製造方法は、例えば、半導体デバイス等のマイクロデバイスや微細構造を有する素子等の物品を製造するのに好適である。本実施形態の物品の製造方法は、基板に塗布された感光剤に上記の露光装置を用いて潜像パターンを形成する工程（基板を露光する工程）と、かかる工程で潜像パターンが形成された基板を現像する工程とを含む。さらに、かかる製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含む。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１ 光源
２ 楕円鏡
３ 第１リレーレンズ
４ 第２リレーレンズ
６ オプティカルインテグレーター
１０１ 照明光学装置

Claims (11)

1. 光源からの光束を用いて被照明面を照明する照明光学装置であって、
   前記光束を、前記光源から前記被照明面に向かう光軸に対して第１角度で集光する集光鏡と、
   入射端面から入射した光束を内面で複数回反射させて、射出端面での光強度分布を均一化させるオプティカルインテグレーターと、
   前記集光鏡からの光束から、前記光軸に対して前記第１角度よりも大きい第２角度で前記オプティカルインテグレーターの前記入射端面に入射する光を作る光束形成部と、
   を有し、
   前記オプティカルインテグレーターからの光で前記被照明面を照明することを特徴とする照明光学装置。
2. 前記光束形成部は、前記光源と前記オプティカルインテグレーターの前記入射端面との間にある所定面と、前記オプティカルインテグレーターの前記入射端面とを光学的に共役な関係とする結像光学系であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
3. 前記光束形成部は、前記光源と前記オプティカルインテグレーターの前記入射端面との間にある所定面と、前記オプティカルインテグレーターの前記入射端面とを光学的にフーリエ変換の関係にする集光光学系であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
4. 前記所定面は、前記集光鏡が前記光源からの光束を集光する位置を含む面であることを特徴とする請求項２または３に記載の照明光学装置。
5. 前記光束形成部は、入射光を拡散する拡散部材を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の照明光学装置。
6. 前記拡散部材は、拡散板または回折光学素子であることを特徴とする請求項５に記載の照明光学装置。
7. 前記光束形成部は、特定の波長域の光を遮る波長フィルターを含み、
   前記波長フィルターは、前記オプティカルインテグレーターの入射端面よりも光線有効径が大きい位置に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
8. 前記オプティカルインテグレーターからの光を前記被照明面に結像させる結像光学系を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の照明光学装置。
9. 前記オプティカルインテグレーターの射出端面と前記被照明面とは、光学的に共役であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の照明光学装置。
10. 原版に形成されているパターンの像を基板に転写する露光装置であって、
    請求項１ないし９のいずれか１項に記載の照明光学装置を備え、
    前記照明光学装置は、前記原版の被照明面を照明する、
    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工程と、
    前記工程で露光された前記基板を現像する工程と、
    を含むことを特徴とする物品の製造方法。

Images