JP2016167024A - 照明光学系、露光装置、及び物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源部の部材によって露光光に落とす影が結像性能に与える影響を軽減するのに有利な技術を提供する。
【解決手段】放電ランプから発光された光を用いて被照明領域を照明する照明光学系が提供される。照明光学系は、放電ランプから発光された光を集光する集光鏡と、集光鏡から被照明領域までの光路中に配置され、多角形の断面形状を有する内面反射型のオプティカルインテグレータと、集光鏡からオプティカルインテグレータに向かう光路を横切って放電ランプの電極に接続される電源ケーブルと有する。オプティカルインテグレータの入射面において、電源ケーブルの影が上記多角形の各辺に対して非平行かつ非垂直になるように電源ケーブルが配置される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明光学系、露光装置、及び物品の製造方法に関する。

マスクに形成されたパターンを感光性材料が塗布された基板に投影し、基板上に微細なパターンを形成するフォトリソグラフィ技術においては、マスクを均一な照度で照明することが要求される。これに対し、例えば、内面反射型オプティカルインテグレータ等を光源と被照明面の間に配置して照度均一性を向上させる技術が知られている。なお、内面反射型オプティカルインテグレータは、ガラス棒や中空パイプを含み、オプティカルパイプともいう。本明細書では、かかる表現を交換可能に使用する。

例えば、特許文献１は、オプティカルパイプの出射端面をレチクル面と共役な位置に配置することで被照明面の照度均一性を向上させる方法を開示している。特許文献２は、被照射面に集光する光の角度分布（有効光源分布）が輪帯形状であるときに、効率よく光源部から被照明面まで光を伝搬する手法を開示している。しかし、この照明系は楕円ミラーで光を集光する際に、放電ランプ等の光源部がもつ電極線や、光源部の発熱を抑えるための冷却ノズルによる影が、有効光源に映ってしまう。これによる光量ロスは、露光装置の生産性向上を妨げる要因となりうる。

一方、特許文献３は、光源部の電源ケーブルと冷却ノズルを一体にまとめ、光量損失をできるだけ防止する構成を開示している。

特開平７−２０１７３０号公報 特開２００２−０２５８９８号公報 特開２００８−２６２９１１号公報

特許文献３に開示された、光源部の電源ケーブルと冷却ノズルを一体にまとめる構成は、光量損失を削減することはできるものの、露光光に落とす影が有効光源分布に悪影響を与え、結像性能に対する影響が無視できなくなる。なお、「有効光源分布」とは、マスクを照明する照明光学系の瞳面における光強度分布をいう。例えば、一体となった電源ケーブルと冷却ノズルが露光光に影を落とし、これが有効光源分布に現れるとする。ここで、マスク上に、影のある方向と水平な方向（Ｘ方向）、および影のある方向と垂直な方向（Ｙ方向）に、同じ線幅の繰り返しパターンが並べられている場合を考える。この場合、上記影の影響を受けた有効光源分布を持った照明光でマスクを照らしてしまうと、投影されたパターンのＸ方向の線幅とＹ方向の線幅に差が生ずる。これは、パターン情報をもった回折光の伝達効率が方向によって異なってしまうためである。

このように、有効光源分布が電源ケーブルや冷却ノズルの影の影響を受けている場合、パターンの方向によっては、良好な結像が望めない場合がある。

そこで本発明は、例えば、光源部の部材によって露光光に落とす影が結像性能に与える影響を軽減するのに有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、放電ランプから発光された光を用いて被照明領域を照明する照明光学系であって、前記放電ランプから発光された光を集光する集光鏡と、前記集光鏡から前記被照明領域までの光路の中に配置され、多角形の断面形状を有する内面反射型のオプティカルインテグレータと、前記集光鏡から前記オプティカルインテグレータに向かう光路を横切って前記放電ランプの電極に接続される電源ケーブルとを有し、前記電源ケーブルが、前記オプティカルインテグレータの前記光路と交差する断面視において、前記多角形の各辺に対して非平行かつ非垂直に配向されることを特徴とする照明光学系が提供される。

本発明によれば、光源部の部材によって露光光に落とす影が結像性能に与える影響を軽減するのに有利な技術を提供することができる。

実施形態における露光装置の構成を示す図。 実施形態における光源部の構成を示す図。 従来例における陽極ケーブルの配置例を示す図２のＡ−Ａ線断面図。 従来例における第１リレーレンズの瞳面における光強度分布の模式図。 従来例における第２リレーレンズの瞳面における光強度分布の模式図。 実施形態における陽極ケーブルの配置例を示す図２のＡ−Ａ線断面図。 実施形態における第１リレーレンズの瞳面における光強度分布の模式図。 実施形態における第２リレーレンズの瞳面における光強度分布の模式図。 図６の変形例を示す図。 図６の変形例を示す図。 オプティカルインテグレータの断面視における電源ケーブルの配置例を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施に有利な具体例を示すにすぎない。また、以下の実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の課題解決のために必須のものであるとは限らない。

＜第１実施形態＞
図１は、照明光学系１０１を有する露光装置１００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（マスク）に形成されているパターンの像をウエハＷ（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軸をとり、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軸をとっている。露光装置１００は、照明光学系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。

照明光学系１０１において、光源部２０からの光（光束）を調整して、被照明領域であるレチクルＲを照明する。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の各軸方向に移動可能に構成されている。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）の各軸方向に移動可能に構成されている。

照明光学系１０１は、光源部２０と、第１リレーレンズ３と、オプティカルインテグレータ４と、第２リレーレンズ５とを含む。光源部２０は、放電ランプ１と集光鏡である楕円鏡２とを含む。放電ランプ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。さらに、照明光学系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供給する電子源を採用することも可能である。楕円鏡２は、放電ランプ１から放射された光（光束）を第２焦点Ｆ２に集光する。放電ランプ１のバルブ部内の発光部は、例えば楕円鏡２の第１焦点Ｆ１の近傍に配置されている。第１リレーレンズ３は結像光学系であり、前群３ａと後群３ｂによって、第２焦点Ｆ２とオプティカルインテグレータ４の入射端面とが光学的に共役となっている。

オプティカルインテグレータ４は、楕円鏡２から被照明領域であるレチクルＲまでの光路中に配置されている。オプティカルインテグレータ４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る。本実施形態では、オプティカルインテグレータ４は、全体形状が多角柱である。本実施形態では、オプティカルインテグレータ４は全体形状が四角柱で、断面形状が四角形であるオプティカルロッドとする。四角形の各辺は、Ｘ軸あるいはＹ軸に対して平行となるように配置してある。なお、オプティカルインテグレータ４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４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４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。

第２リレーレンズ５は結像光学系であり、前群５ａと後群５ｂによって、オプティカルインテグレータ４の射出端面とレチクルＲとが光学的に共役となっている。なお、オプティカルインテグレータ４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もよい。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、すなわちパターンの像は、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。

図２を参照して、光源部２０の構成を詳細に説明する。放電ランプ１は、口金部に電極を有する。具体的には、放電ランプ１は、口金部に陽極２２Ａと陰極２２Ｂを有する。電源ケーブルである陽極ケーブル２１Ａと陰極ケーブル２１Ｂがそれぞれ、陽極２２Ａと陰極２２Ｂに接続されている。ここで、陽極ケーブル２１Ａは、楕円鏡２からオプティカルインテグレータ４に向かう光路を横切って陽極２２Ａに接続される。

放電ランプ１に超高電圧の電圧をかけることにより、放電ランプ１が発光すると同時に、放電ランプ１自身が発熱する。特に、陽極２２Ａと陰極２２Ｂの発熱が著しい。この部位の温度上昇を防ぐため、陽極冷却ノズル２３Ａおよび陰極冷却ノズル２３Ｂから冷却用圧縮空気が、陽極２２Ａと陰極２２Ｂに吹き付けられ、放電ランプ１が所望の温度を維持できるような構造となっている。ここで、陽極冷却ノズル２３Ａも、陽極ケーブル２１Ａと同様に、楕円鏡２からオプティカルインテグレータ４に向かう光路を横切って陽極２２Ａに接続される。

図３は、図２のＡ−Ａ線断面図で、第２焦点Ｆ２側から見た図である。放電ランプ１で発光した光は、楕円鏡２で反射した後、第２焦点Ｆ２に向かう。このとき、途中で一部の光が陽極ケーブル２１Ａと陽極冷却ノズル２３Ａとで遮られることになる。本実施形態において、陽極ケーブル２１Ａと陽極冷却ノズル２３Ａとは、オプティカルインテグレータの、集光鏡から被照明領域までの光路と交差する断面視において重複するように配置されている。ここでは、陽極冷却ノズル２３Ａよりも、陽極ケーブル２１Ａの幅が広いものとする。そのため、図３において、陽極冷却ノズル２３Ａは陽極ケーブル２１Ａで隠されている。また、ここでは、陽極ケーブル２１Ａと陽極冷却ノズル２３Ａは、Ｘ軸に平行に延びるように配置されている。

第２焦点Ｆ２からの光束は、第１リレーレンズ３の前群３ａを介して、瞳面３ｃに図４に示されるような光強度分布を形成する。説明を簡単にするため、図４の領域２４のエネルギーを１００％とし、陽極ケーブル２１Ａにより遮光された領域２５のエネルギーを０％とする。

図４のような光強度分布を持つ光束は、第１リレーレンズ３の後群３ｂを介して、オプティカルインテグレータ４に入射する。特性上、オプティカルインテグレータ４への光束の角度分布がＸ軸またはＹ軸に関して非対称であっても、内部で多数回に亘って内面反射を繰り返すことにより、射出光束の角度分布はＸ軸およびＹ軸に関して対称な角度分布に変化する。そうすると、オプティカルインテグレータ４の射出端面から射出された光束は、陽極ケーブル２１Ａにより遮光された領域２５の像をＸ軸に関して反転複製した暗部を持つ光強度分布となる。したがって、第２リレーレンズ５の瞳面５ｃ（ひいては照明光学系１０１の瞳面）に形成される有効光源分布は、図５のようになる。図５において、有効光源分布は、陽極ケーブルにより遮光された領域及びＸ軸に関するその反転領域を含む領域２５’のエネルギーが領域２４の５０％に低下した輪帯状分布となっている。この場合、有効光源分布には、Ｘ方向およびＹ方向に関して形状、強度ともにムラが発生しているため、良好な結像性能を得ることができない。

本実施形態ではこれに対する改善を行う。図３の従来例では、陽極ケーブル２１Ａ（及び陽極冷却ノズル２３Ａ）はＸ軸に平行に延びるように配置されていた。これに対し本実施形態では、図６に示される図２のＡ−Ａ線断面図のように、陽極ケーブル２１Ａが、Ｘ方向及びＹ方向に対して非平行かつ非垂直な方向に延びるように配置される。換言すると、図１１に示すようなオプティカルインテグレータ４の入射面（光路の断面視）において、陽極ケーブル２１Ａの影がオプティカルインテグレータ４の断面の四角形の各辺に対して非平行かつ非垂直になるように、陽極ケーブル２１Ａが配置される。また本実施形態では、陽極冷却ノズル２３Ａも、オプティカルインテグレータ４の入射面において、陽極冷却ノズル２３Ａの影が陽極ケーブル２１Ａの影と重複するように配置される。

この場合、第１リレーレンズの瞳面３ｃでは、図７に示されるような、陽極ケーブルにより遮光された領域２６のエネルギーが領域２４の０％である光強度分布となる。この場合、オプティカルインテグレータ４の作用により、第２リレーレンズの瞳面５ｃでは、図８のように、陽極ケーブル２１Ａにより遮光された領域及びＸ軸及びＹ軸に関するその反転領域を含む領域２６’における暗部を持つ有効光源分布となる。したがって、有効光源分布はＸ軸、Ｙ軸に関して対称な分布となる。領域２６’のエネルギーは領域２４の７５％程度となり、強度ムラも小さくなる。

ＸＹ平面内における、陽極ケーブル２１Ａの配置方向は、例えば、オプティカルインテグレータ４の断面形状である四角形の各辺に対して４５度とする。これにより、９０度回転毎に暗部を分散できるため、有効光源分布のＸ方向とＹ方向の強度バランス差を最小にすることができる。

なお、上述の例では、陽極ケーブル２１Ａと陽極冷却ノズル２３Ａを同一角度に配置したが、装置の制約等から困難な場合も考えられる。その場合、図９に示されるように、陽極ケーブル２１Ａと陽極冷却ノズル２３Ａを、両者の影のなす角度が１８０度となるように配置すればよい。あるいは、図１０のように両者の影のなす角度が９０度となるように配置してもよい。図９、図１０のいずれの場合も、有効光源分布は図８と同様になり、暗部を９０度毎に均等に分散でき、Ｘ方向とＹ方向の強度バランス差を最小にすることができる。

また、特開２００８−２６２９１１号公報（特許文献３）のように、陽極冷却ノズルと陽極ケーブルを一体化した光源部に関しても、図６の例に従い実施可能である。

以上の各例においては、オプティカルインテグレータ４として、断面形状が四角形のオプティカルロッドを用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、断面形状が六角形のオプティカルロッドや中空ロッドを用いてもよい。断面形状が六角形の場合も同様に、陽極ケーブル２１Ａあるいは陽極冷却ノズル２３Ａを、それらの影が六角形の各辺に対して非平行かつ非垂直になるように配置する。これにより、それらの影が各辺に対して平行あるいは垂直になるように配置されたときよりも形状、強度ムラの小さい有効光源を得ることができる。

＜物品の製造方法の実施形態＞
本発明の実施形態に係るデバイス製造方法は、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。更に、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。

１００：露光装置、１０１：照明光学系、１０２：レチクルステージ、１０３：投影光学系、１０４：ウエハステージ、２０：光源部、１：放電ランプ、２：楕円鏡、４：オプティカルインテグレータ

Claims (8)

1. 放電ランプから発光された光を用いて被照明領域を照明する照明光学系であって、
   前記放電ランプから発光された光を集光する集光鏡と、
   前記集光鏡から前記被照明領域までの光路中に配置され、多角形の断面形状を有する内面反射型のオプティカルインテグレータと、
   前記集光鏡から前記オプティカルインテグレータに向かう光路を横切って前記放電ランプの電極に接続される電源ケーブルと、
   を有し、
   前記オプティカルインテグレータの入射面において、前記電源ケーブルの影が前記多角形の各辺に対して非平行かつ非垂直になるように前記電源ケーブルが配置されていることを特徴とする照明光学系。
2. 前記断面形状は四角形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. 前記オプティカルインテグレータの入射面において、前記電源ケーブルの影が前記四角形の各辺に対して４５度になるように前記電源ケーブルが配置されていることを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
4. 前記放電ランプを冷却するための冷却ノズルを更に有し、
   前記オプティカルインテグレータの入射面において、前記冷却ノズルの影が前記電源ケーブルの影と重複するように前記冷却ノズルが配置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項に記載の照明光学系。
5. 前記放電ランプを冷却するための冷却ノズルを更に有し、
   前記冷却ノズルは、オプティカルインテグレータの入射面において、前記冷却ノズルの影が前記電源ケーブルの影に対して９０度又は１８０度になるように前記冷却ノズルが配置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項に記載の照明光学系。
6. 放電ランプから発光された光を用いて被照明領域を照明する照明光学系であって、
   前記放電ランプから発光された光を集光する集光鏡と、
   前記集光鏡から前記被照明領域までの光路中に配置され、多角形の断面形状を有する内面反射型のオプティカルインテグレータと、
   前記集光鏡から前記オプティカルインテグレータに向かう光路を横切って配置された、前記放電ランプを冷却するための冷却ノズルと、
   を有し、
   前記オプティカルインテグレータの入射面において、前記冷却ノズルの影が前記多角形の各辺に対して非平行かつ非垂直になるように前記電源ケーブルが配置されていることを特徴とする照明光学系。
7. マスクを照明する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学系と、
   前記照明されたマスクのパターンの像を基板に投影する投影光学系と、
   を有する露光装置。
8. 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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