JP3144175B2

JP3144175B2 - Ｘ線光学素子およびｘ線光学系

Info

Publication number: JP3144175B2
Application number: JP22917393A
Authority: JP
Inventors: 勝彦村上
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-09-14
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 2001-03-12
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: JPH0784108A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｘ線リソグラフィーに
用いられるＸ線（縮小）投影露光装置等を構成するＸ線
光学素子およびそれを有するＸ線光学系に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路素子の微細化にと
もない、回折限界によって制限される光学系の解像力を
向上させるために、従来の紫外線にかわってこれより波
長の短いＸ線を使用した縮小投影リソグラフィー技術が
開発されている。

【０００３】この技術に使用されるＸ線露光装置は、主
としてＸ線源、照明光学系、マスク、結像光学系（縮小
投影光学系）、ウェファーステージ等により構成され
る。Ｘ線の光源には放射光またはレーザープラズマＸ線
源が使用される。照明光学系は、反射面に斜め方向から
入射したＸ線を反射させる斜入射ミラー、反射面が多層
膜により形成される多層膜ミラー、および所定の波長の
Ｘ線のみを反射または透過させるフィルター等により構
成され、マスク上を所望の波長のＸ線で照明する。

【０００４】マスクには透過型マスクと反射型マスクと
がある。透過型マスクは、Ｘ線をよく透過する物質から
なる薄いメンブレインの上にＸ線を吸収する物質を所望
の形状に設けることによりパターンを形成したものであ
る。一方、反射型マスクは、例えばＸ線を反射する多層
膜上に反射率の低い部分を所望の形状に設けてパターン
を形成したものである。このようなマスク上に形成され
たパターンは、複数の多層膜ミラー等で構成された縮小
投影光学系により、フォトレジストが塗布されたウェフ
ァー上に結像して該レジストに転写される。なお、Ｘ線
は大気に吸収されて減衰するため、その光路は全て所定
の真空度に維持されている。

【０００５】このようなＸ線露光装置では、照明光学系
はマスクの広い範囲にＸ線を照射（照明）する必要があ
る。例えば、縮小倍率が１／５の縮小投影光学系を備え
たＸ線縮小投影露光装置においては、この縮小投影光学
系によりウェファー上で一辺の長さが20mmの正方形の領
域を露光するためには、マスク上では一辺100mmの正方
形の領域を照明する必要がある。この場合、所望の回折
限界の解像力を得るためには、縮小投影光学系の開口数
全体を使用する、すなわち、マスクを透過または反射し
た光線が、結像光学系（縮小投影光学系）に入射側開口
数の角度範囲を覆うだけの角度範囲を持っていることが
望まれる。そのためには、単にマスク上のパターン面の
各点に露光光（Ｘ線）が照射されるだけでなく、縮小投
影光学系の露光光の入射側開口数に相当する広がり角を
有する光がマスク上のパターン面の各点に照射される必
要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、Ｘ線露光装
置のＸ線源として使用される放射光やレーザープラズマ
Ｘ線源などでは、Ｘ線が放射される源となる部分の大き
さ（Ｘ線源の大きさ）はかなり小さい。Ｘ線源の大きさ
は、放射光の場合は電子ビームの直径で決まり、レーザ
ープラズマＸ線源の場合はターゲットに照射するレーザ
ー光のスポット径で決まる。しかし、いずれの場合も得
られるＸ線源の大きさは直径0.1〜1mm程度でしかなく、
マスクに照明すべき領域と比較して著しく小さい。

【０００７】そのため、斜入射ミラーや多層膜ミラーな
どの曲面ミラーあるいはそれらを複数組み合わせて構成
された従来の照明光学系では、前述のような小さなＸ線
源を使用する限り上記の要求を満たすことはできなかっ
た。

【０００８】例えば、図２(ａ)に示すように、照明光学
系３による光源２の像Ｐの近くにマスク４を配置した場
合（このような配置をクリティカル照明という）、露光
光Ｂの光軸Ａ上およびその近傍では充分な広がり角をも
って露光光Ｂが照射される。しかし、露光光Ｂが照射さ
れる領域は、光軸Ａの近傍のごく狭い領域における光源
２の像の大きさ程に過ぎない。照明光学系３の拡大倍率
を大きくしてある程度光源２の像を大きくすることは可
能だが、そうすると露光光の広がり角は小さくなってし
まう。

【０００９】また、図２(ｂ)に示すように、結像光学系
の入射瞳５０上に照明光学系３による光源２の像Ｐが結
ばれるような配置にした場合（このような配置をケーラ
ー照明という）、マスク４上ではある程度の範囲に露光
光Ｂを照射することが可能となる。しかし、マスク４上
のパターン面の各点を照射する光の広がり角は著しく小
さくなり、結像光学系の回折限界の解像力を得ることが
困難になる。また、図２(ａ)と図２(ｂ)の間の位置、つ
まり、光源２の像Ｐと結像光学系の入射瞳との間の位置
にマスク４を配置した場合でも、露光光Ｂがマスク４に
照射される領域の広さとマスク４のパターンの各点を照
射する光の広がり角の大きさを両立することはできな
い。

【００１０】もし、図３(ａ)に示すように、光源２の大
きさがマスク４と同程度であれば、マスク４上の光軸Ａ
から離れた点においても様々な方向から光線（露光光
Ｂ）が入射するため、マスク４のパターン全面をカバー
する領域で回折限界の解像力を得ることができる。な
お、図３(ａ)はケーラー照明の場合を示すが、クリティ
カル照明の場合も大きな光源の像がマスク上に形成され
るので照明領域は拡大される。しかしながら、現実には
そのような寸法の大きなＸ線源を求めることは困難であ
った。

【００１１】特願平５−２１５７７には、複数の凸部ま
たは凹部が設けられた基板とこの基板上に形成されたＸ
線を反射する多層膜とを有するＸ線反射用光学素子を用
いることによって、以上のような問題を解決する手段が
記述されている。

【００１２】すなわち、図３(ｂ)に示すように、Ｘ線源
２から発したＸ線を、２次光源として機能するＸ線反射
用光学素子１に照射する。このＸ線反射用光学素子１の
表面（反射面）には微細な凸部もしくは凹部が多数設け
てあり、光学素子１に入射したほぼ平行光に近いＸ線は
単純な鏡面反射をするのではなく、鏡面反射の方向を中
心としてある広がりをもって拡散するように反射する。
そのため、このＸ線反射用光学素子１の表面（反射面）
が、広い面積と発散角とを併せ持つ２次Ｘ線源となる。
この方法によれば、広い露光領域で回折限界の解像力を
得ることが可能である。

【００１３】上述の出願においては、Ｘ線反射用光学素
子１の表面に設けられた凸部または凹部の形状が、主と
して球面である場合について述べられている。しかしな
がら、Ｘ線反射用光学素子１上の凸部または凹部の形状
に球面を用いた場合、このＸ線反射用光学素子１で反射
したＸ線の広がり角がＸ線の入射面に対する方向によっ
て異なるという問題があった。

【００１４】具体的には、凸部または凹部の形状が球面
のＸ線反射用光学素子１では、Ｘ線の入射面に対して平
行な方向の広がり角は、Ｘ線の入射角によらず一定であ
る。しかし、入射面に対して直交する方向の広がり角
は、入射角をθとするとｃｏｓθに比例する。したがっ
て、Ｘ線がＸ線反射用光学素子１に垂直に入射する場合
（θ＝０）にのみ両方向の広がり角は一致し、Ｘ線が斜
めに入射する場合には、入射面に直交する方向の広がり
角は入射面に平行な方向の広がり角よりも必ず小さくな
る。そして、Ｘ線反射用光学素子１は、ほとんどの場合
に斜め入射で使用される。この場合、Ｘ線反射用光学素
子１で反射したＸ線は底面を円とする円錐形状に広がる
のではなく、入射面に平行な方向に伸びた、底面を楕円
とする（楕）円錐形状に広がることになる。

【００１５】一方、結像光学系の入射瞳は通常円形であ
る。したがって、結像光学系の入射側開口数全体を満た
すように照明を行うためには、マスクを照明する露光光
は円錐状の広がり角を持つことが好ましい。

【００１６】しかし、上述のように露光光の広がり角が
方向によって異なる場合には、結像光学形の開口数全体
と露光光の広がり角とを一致させることはできない。露
光光の一方向の広がり角が結像光学系の開口数と一致
し、それに直交する方向の広がり角が結像光学系の開口
数よりも小さい場合には、解像力に異方性が生じてしま
う。すなわち、像面上で一方向には回折限界の解像度が
得られるが、それに直交する方向には回折限界の解像度
が得られない。また、露光光の一方向の広がり角が結像
光学系の開口数と一致し、それに垂直方向の広がり角が
結像光学系の開口数よりも大きい場合には、露光光の一
部が結像光学系の入射瞳に入射しないことになるので、
Ｘ線の利用効率が著しく低下してＸ線露光装置のスルー
プットの低下を招く。

【００１７】本発明の目的は、スループットを低下させ
ることなく全ての方向のパターンに対しても回折限界の
解像力を得ることの可能なＸ線光学素子およびＸ線光学
系を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１およ
び図６に対応付けて説明すると、請求項１の発明は、複
数の凸曲面１０または凹曲面が表面に形成された基板６
と、基板６の表面上に形成されたＸ線を反射する多層膜
９とを備えたＸ線光学素子１に適用される。そして、上
述の目的は、Ｘ線の入射面と凸曲面１０または凹曲面と
の交点を結ぶ線に対して平行な方向の曲率半径Ｒ_0xと交
点を結ぶ線に対して直交する方向の曲率半径Ｒ_0yとが異
なるように凸曲面１０または凹曲面を形成することによ
り達成される。凸曲面１０または凹曲面は、トロイダル
曲面に形成してもよい。

【００１９】また、請求項３の発明は、請求項１に記載
のＸ線光学素子１と、所望のパターンが形成されたマス
ク４と、Ｘ線光学素子１とマスク４との間に配置された
照明光学系１３と、パターンを結像させる結像光学系１
４とを備えたＸ線光学系に適用される。そして、上述の
目的は、凸曲面１０または凹曲面の、Ｘ線１２の入射面
と凸曲面１０または凹曲面との交点を結ぶ線に対して平
行な方向の曲率半径をｒ_x、交点を結ぶ線の長さをｄ_x、
交点を結ぶ線に対して直交する方向の曲率半径をｒ_y、
交点を結ぶ線に対して直交する方向の凸曲面１０または
凹曲面の長さをｄ_yとし、照明光学系１３の倍率をｍと
し、Ｘ線光学素子１へのＸ線１２の入射角をθとした場
合に、ｄ_x／（ｒ_x・ｍ）および（ｄ_y・ｃｏｓθ）／
（ｒ_y・ｍ）で求められる値のいずれも結像光学系１４
における露光光の入射側の開口数にほぼ等しくすること
により達成される。

【００２０】さらに、請求項４の発明は、請求項１に記
載のＸ線光学素子１と、所望のパターンが形成されたマ
スク４と、Ｘ線光学素子１とマスク４との間に配置され
た照明光学系１３と、パターンを結像させる結像光学系
１４とを備えたＸ線光学系に適用される。そして、上述
の目的は、照明光学系が１３、Ｘ線光学素子１で反射し
たＸ線を２次光源として用い、この２次光源の像を結像
光学系１４の入射瞳上、マスク４上および入射瞳とマス
ク４との間の任意の位置のいずれかに結像させるように
構成することにより達成される。

【００２１】本発明では、既に図３(ｂ)に示したよう
に、Ｘ線源２から発したＸ線を、２次光源として機能す
るＸ線光学素子１に照射する。このＸ線光学素子１の表
面（反射面）には微細な凸部もしくは凹部が多数設けて
あり、光学素子１に入射したほぼ平行光に近いＸ線は単
純な鏡面反射をするのではなく、鏡面反射の方向を中心
としてある広がりをもって拡散するように反射する。そ
のため、このＸ線反射用光学素子１の表面（反射面）
が、広い面積と発散角とを併せ持つ２次Ｘ線源となる。

【００２２】図１(ｂ)は本発明のＸ線光学素子１の一例
の概略を示す斜視図、図１(ｃ)は図１(ｂ)に示す光学素
子１の垂直断面図である。このＸ線光学素子１は、基板
６上に微細な凸部１０を多数設け、その上にＸ線を反射
する多層膜９を形成したものである。あるいは、凸部１
０にかえて凹部を基板６上に形成し、その上に多層膜９
を形成してもよい。これら凸部および凹部の寸法は素子
１０自体の寸法に比べて十分小さければよく、特に限定
はない。

【００２３】凸部１０または凹部の表面、つまり凸曲面
または凹曲面は、Ｘ線の入射面と凸曲面との交点を結ぶ
線に対して平行な方向の曲率半径と交点を結ぶ線に対し
て直交する方向の曲率半径Ｒとが異なるように形成され
ている。このような曲面の一例としては、トロイド（ド
ーナツ状立体）の表面を形成するトロイダル面がある
が、本発明のＸ線光学素子１は、その基板６上に設ける
凸部１０もしくは凹部の形状精度について特に厳しくす
る必要はない。すなわち、方向による曲率半径の異なる
凸曲面または凹曲面が形成されていれば良いので、トロ
イダル面に限らず楕円面や放物面等でも同様の効果を期
待できるし、製造工程においてその形状が多少設計値か
らずれてしまっても充分な効果が得られる。しかし、表
面粗さについては、この表面上に形成する多層膜９の反
射率を低下させない程度に小さくしておくことが好まし
く、例えば、自乗平均で数Å以下の平滑な表面とすると
良い。

【００２４】そのためには、基板６に感光材料を塗布し
てこれをフォトリソグラフィーにより加工する方法、基
板６上に耐熱性材料をスクリーン印刷する方法、基板６
をエッチングする方法、可塑性の材料からなる基板６上
に圧痕を形成する方法等を用いることができる。

【００２５】このようにして形成された凸部１０もしく
は凹部の上に多層膜９を形成する際は、通常の多層膜を
形成する時と同様の方法を用いることができる。例とし
て、スパッタリング、真空蒸着およびＣＶＤ(Chemical
Vapour Deposition)などの薄膜製造方法が挙げられる。
多層膜９を構成する物質としては、Ｍｏ（モリブデン）
とＳｉ（シリコン）の組み合わせ等が挙げられるが、本
発明はこれに限定されるものではない。

【００２６】なお、本発明のＸ線光学素子１の製造方法
の詳細は上述の特願平５−２１５７７号のそれと略同一
であるので詳細な説明は省略する。

【００２７】

【作用】本発明によるＸ線反射用光学素子において、一
個の凸部もしくは凹部へ平行な光束が入射したときに、
ここで反射した光束はどのような広がり角をもつのかを
説明する。

【００２８】図４(ａ)に示すような、一個の凸部の頂上
を原点とし、ｘｙ平面がこのＸ線光学素子の反射面（正
確には基板の一平面）に平行な座標系を考える。凸部で
なく凹部の場合には若干途中の式が異なるが、最終的に
得られる反射光の広がり角は同じになるので、以下凸部
の場合について考えることとする。初めに、凸部の表面
が球面の場合について検討する。球面の曲率半径を
Ｒ₀、凸部の半径をＲとする。ここでＲ₀はＲに比べて充
分大きいと仮定する。すなわち、−Ｒ＜ｘ＜Ｒ、−Ｒ＜
ｙ＜Ｒ、ｒ＝(ｘ²＋ｙ²)^1/2なるｘ、ｙ、ｒをとると、
ｘ／Ｒ₀、ｙ／Ｒ₀、ｒ／Ｒ₀の２次以上の項は無視でき
るものとする。言い換えれば、ｃ(ｘ／Ｒ₀)²≒０（ｃは
任意の定数）、…とみなすことができるものとする。凸
部のｚ方向の突出量は(ｒ／Ｒ₀)²に比例する量なので、
ここでは無視することができる。

【００２９】このとき、図４(ｃ)に示すような凸部の表
面（つまり球面）上の任意の点（ｘ，ｙ）での凸部の法
線ベクトルｎ（ｘ，ｙ）を考える。図４（Ｃ）はＺ軸と
法線ベクトルｎ（ｘ，ｙ）を含む平面内の様子を示す。
なお、図および数式中においては通常のスカラー量と区
別するためにアルファベットの字形を変えてベクトル表
示をしているが、明細書中では単に「ベクトル」という
接頭語をつけてベクトル表示にかえる。図４(ｂ)、(ｃ)
より明らかなように、ベクトルｎ（ｘ，ｙ）は次式で与
えられる。

【数１】ここで、αは図４(ｃ)に定義するように、ベクトルｎ
（ｘ，ｙ）がｚ軸となす角、βは図４(ｂ)に定義するよ
うに、原点Ｏと点（ｘ，ｙ）（のｘｙ平面への投影）を
結んだ直線とｘ軸とがなす角である。

【００３０】ｓｉｎα＝ｒ／Ｒ₀、ｃｏｓα＝(１−(ｒ²
／Ｒ₀ ²))^1/2、ｓｉｎβ＝ｙ／ｒ、ｃｏｓβ＝ｘ／ｒを
用いると、ベクトルｎ（ｘ，ｙ）は次式のようになる。

【数２】

【００３１】いま、図５(ａ)のようにｘｚ平面内でｚ軸
に対してθ₀の方向から平行光束が入射したとすると、
この光線の方向ベクトルｎ_inは次式で与えられる。

【数３】凸部上の点（ｘ，ｙ）の近傍の面で反射した光線の進む
方向を表す方向ベクトルをｎ_out（ｘ，ｙ）とすると、
図５(ｂ)から明かなように、ベクトルｎ_out（ｘ，ｙ）
は次式で与えられる。

【数４】

【００３２】この式から以下の事実が導かれる。 1.入射光線の当たる位置がｘ方向にずれると、ｘに比例
してｘｚ平面（入射面）内で反射光線の方向が変わり、
ｙ方向にずれると、ｙに比例してｘｚ平面（入射面）に
垂直方向に反射光線の方向が変わる。 2.入射面（ｘｚ平面）内の反射光束の広がり角、すなわ
ち、−Ｒ＜ｘ＜Ｒ、−Ｒ＜ｙ＜Ｒの範囲内で入射光線の
当たる位置を変動させたときの入射面内における反射光
束の広がる範囲を角度であらわしたときの範囲は±２Ｒ
／Ｒ₀[rad.]であり、入射角θ₀に依存しない。 3.入射面（ｘｚ平面）に直交する方向の反射光束の広が
り角は、±２Ｒ／Ｒ₀・ｃｏｓθ₀[rad.]であり、入射角
θ₀に依存する。垂直入射（θ₀＝０）の時に入射面内の
広がり角と一致し、入射角θ₀が大きいほど広がり角は
小さくなる。以上のことから、凸部もしくは凹部の表面を球面にする
と、方向によって反射光の広がり角が異なってしまうこ
とが明らかになった。

【００３３】次に、凸部の表面がトロイダル面であった
場合について検討する。図１(ａ)に示すように、二つの
回転中心軸がそれぞれｘ軸、ｙ軸に平行なトロイダル面
を考える。Ｒ_0xをｘ軸に平行な方向の曲率半径、２Ｒ_x
をｘ軸方向のトロイダル面の長さ、Ｒ_0yをｙ軸に平行な
方向の曲率半径、２Ｒ_yをｙ軸方向のトロイダル面の長
さとする。ここでＲ_0xおよびＲ_0yは、Ｒ_xおよびＲ_yに比
べて充分大きいと仮定する。

【００３４】−Ｒ_x＜ｘ＜Ｒ_x、−Ｒ_y＜ｙ＜Ｒ_yなるｘ、
ｙをとると、ｘ／Ｒ_0x、ｙ／Ｒ_0yの２次以上の項は無視
することができる。凸部のｚ方向の突出量はこれらの量
の自乗に比例する量なので、ここでは無視することがで
きる。

【００３５】このとき、図１(ａ)に示すように、凸部上
の点（ｘ，ｙ）での法線ベクトルｎ（ｘ，ｙ）を考え
る。図１(ａ)から明らかなように、

【数５】

【数６】であり、ベクトルｎ（ｘ，ｙ）は、図１(ａ)に示すよう
に、ベクトルｎ（０，０）を直線ｌの回りに回転してベ
クトルｎ（０，ｙ）に重ねたときの回転角と同じ回転角
だけベクトルｎ（ｘ，０）を直線ｌの回りに回転したも
のであるから、結局次式のようになる。

【数７】

【００３６】このようなトロイダル面形状の凸部へ、式
(３)で与えられる方向ベクトルｎ_inを持つ平行光束がｘ
ｚ平面内に沿って入射したとき、凸部上の点（ｘ，ｙ）
の近傍の面で反射した光線の進む方向を表す方向ベクト
ルｎ_out（ｘ，ｙ）は次式で与えられる。

【数８】

【００３７】この式から以下の事実が導かれる。 1.入射光線の当たる位置がｘ方向にずれると、ｘに比例
してｘｚ平面（入射面）内で反射光線の方向が変わり、
ｙ方向にずれると、ｙに比例してｘｚ平面（入射面）に
垂直方向に反射光線の方向が変わる。 2.入射面（ｘｚ平面）内の反射光束の広がり角は±２Ｒ
_x／Ｒ_0x[rad.]であり、入射角θ₀に依存しない。 3.入射面（ｘｚ平面）に直交する方向の反射光束の広が
り角は、±２Ｒ_y／Ｒ_0y・ｃｏｓθ₀[rad.]であり、入射
角θ₀に依存する。入射角θ₀が大きいほど広がり角は小
さくなるが、垂直入射（θ₀＝０）の時の広がり角は入
射面内の広がり角と必ずしも一致しない。このように、凸部の形状がトロイダル面の場合には、入
射面に平行な方向の反射光の広がり角はＲ_0x、Ｒ_xによ
って決まり、入射面に直交する方向の反射光の広がり角
はＲ_0y、Ｒ_yによって決まるので、それぞれの方向の反
射光の広がり角を独立に決めることができる。

【００３８】照明光学系の入射側開口数を丁度満たすよ
うにトロイダル面の形状を決めるためには、以下の３つ
の式を用いれば良い。

【数９】

【数１０】

【数１１】式(９)、(10)は、反射光束の広がり角と照明光学系の入
射側開口数とを一致させる条件から導かれる。また、式
(11)は、凸部の高さ（凸部の裾から頂点までの高さ）を
Ｒ_0x、Ｒ_0y、Ｒ_x、Ｒ_yを用いて表した式を近似、展開す
ることにより求められる。

【００３９】Ｒ_0x、Ｒ_0y、Ｒ_x、Ｒ_yの４つのパラメータ
は独立ではない。式(11)は、これらのパラメータが満た
さなければならない関係を示すものである。これらの式
から各パラメータを決定するには、例えば次のような手
順で行えば良い。 1.まず、照明光学系に求められる入射側開口数から、式
(９)によりＲ_0x、Ｒ_x（の比）を決める。 2.入射角θ₀から、Ｒ_y＝Ｒ_x・ｃｏｓθ₀によりＲ_yを決め
る。 3.Ｒ_0y＝Ｒ_0x・ｃｏｓ²θ₀によりＲ_0yを決める。

【００４０】この手順で決まるのは、各パラメータの比
率であり、絶対値は決まらない。絶対値は、このような
微細な凸部もしくは凹部を形成する加工方法の都合から
決めることができる。以上のように、本発明によるＸ線
反射用光学素子の表面は、個々の凸部もしくは凹部の形
状をトロイダル面にし、これを充分小さくして多数配置
することによって、片寄りのない円錐状の発散角をもつ
２次光源として機能する。

【００４１】照明光学系は、この２次光源の等倍の像ま
たは数倍に拡大した像を縮小投影光学系の入射瞳上また
はマスク上もしくは両者の間の任意の位置に結像させ
る。この時、マスクを照明するＸ線の光束は、縮小投影
光学系の入射側開口数を満たすのに充分な広がり角を有
していなければならない。

【００４２】いま、照明光学系へψの発散角をもつ光束
が入射したとすると、その入射側開口数はｓｉｎψ≒ψ
となり、出射側開口数は、照明光学系の倍率をｍとする
と、ｓｉｎψ／ｍ≒ψ／ｍとなる。所望の回折限界の解
像力を得る目的で縮小投影光学系の開口数の全体を使用
するためには、この照明光学系の出射側開口数が縮小投
影光学系の入射側開口数と等しいか、あるいはこれより
大きい値とすれば良い。ただし、照明光学系の出射側開
口数を縮小投影光学系の入射側開口数よりも大きくする
と、縮小投影光学系に入射しない光線の割合が大きくな
って露光時間を長くする必要が生じ、露光装置のスルー
プットが低下する。従って、照明光学系の出射側開口数
と縮小投影光学系の入射側開口数とを等しい値になるよ
うにすることが好ましい。言い換えれば、式(９)、(10)
を用いると、本発明によるＸ線反射用光学素子の凸部も
しくは凹部の表面を構成するトロイダル面の形状を表す
パラメータは、次の式(12)、(13)を満たせば良い。

【数１２】

【数１３】ここで、ｄ_x＝２Ｒ_x、ｄ_y＝２Ｒ_yは、それぞれ、トロイ
ダル面のｘ方向、ｙ方向の長さである。

【００４３】なお、Ｘ線光学素子１の多層膜９へのＸ線
の入射角ωは、図５(ｂ)から明かなように次式で与えら
れる。

【数１４】 −Ｒ＜ｘ＜Ｒの範囲でＸ線の入射位置を変更すると、入
射角ωは、θ₀±ｃｏｓ^-1（Ｒ_x／Ｒ_0xｓｉｎθ₀）の範
囲で変化する。従って、多層膜の反射ピークの半値幅
は、２・ｃｏｓ^-1（Ｒ_x／Ｒ_0xｓｉｎθ₀）程度以上ある
ことが望まれる。一般に、多層膜のピーク半値幅はこれ
より充分に大きいが、特に入射角の変化が大きい場合に
は、多層膜の積層数を少なくすることによりピーク半値
幅を広げるようにしても良い。すなわち、多層膜のピー
ク半値幅はこの多層膜の積層数に反比例して小さくなる
ので、積層数を少なくしておけば、反射率のピーク値は
低くなるものの、ピーク半値幅を広くして入射角ωの変
動に対応することができる。

【００４４】

【実施例】

−第１実施例− 図６は、本発明の第１実施例であるＸ線光学系を示す概
略構成図であり、Ｘ線縮小投影露光装置に使用されるも
のである。このＸ線光学系は、２次Ｘ線源として機能す
るＸ線光学素子１、Ｍｏ（モリブデン）／Ｓｉ（シリコ
ン）の組み合わせからなる多層膜が表面に形成された照
明光学系として作用する楕円ミラー１３、マスク４およ
び縮小投影光学系１４とを備え、マスク４に形成された
パターンの縮小された像がウェファー５に結像されるよ
うになっている。

【００４５】このＸ線光学系に入射するＸ線１２は、Ｘ
線源（本実施例では放射光を用いた）から出射し、斜入
射ミラーやフィルター等からなる前置光学系（共に図示
せず）により130Å付近の波長が選択された後、スリッ
ト（図示せず）でＸ線の光束の形状が約30ｍｍ角となる
ように成形されている。そして、発散角が約0.1゜以下
のほぼ平行な光束としてＸ線光学系に入射する。

【００４６】Ｘ線光学素子１の表面には、Ｍｏ（モリブ
デン）／Ｓｉ（シリコン）の組み合わせからなる多層膜
が形成されている。さらに、この表面には、Ｘ線の入射
面（図６の紙面内）と凸部表面との交点を結ぶ線に対し
て平行な方向の曲率半径がＲ_0x＝160μｍ、長さが２Ｒ_x
＝10μｍ、上述の交点を結ぶ線に対して直交する方向
（図６の紙面を貫く方向）の曲率半径がＲ_0y＝40μｍ、
長さが２Ｒ_y＝５μｍのトロイダル面を外表面とする凸
部（図示せず）が、一辺30ｍｍの正方形の領域を埋め尽
くすように形成されている。Ｘ線光学素子１へのＸ線１
２の入射角は、θ₀＝60゜とした。

【００４７】楕円ミラー１３は、２つある焦点の一方が
Ｘ線光学素子１の設置位置に重なるように配置されてい
る。縮小投影光学系１４は、図面では詳細を示していな
いが、放物面を有するミラー１枚と楕円面を有するミラ
ー２枚の計３枚のミラーにより構成される。これら３枚
のミラーは、共にその反射面にＭｏ／Ｓｉの組み合わせ
からなる多層膜が形成されている。本実施例の縮小投影
光学系１４は、解像力が0.1μ以下、焦点深度が1.8μｍ
以上となるように縮小倍率を1/5、像側（出射側）開口
数を0.0625に設定してあり、マスク側（入射側）の開口
数は0.0125となる。

【００４８】このような構成のＸ線光学系においては、
上述のように発散角約0.1゜以下のほぼ平行な光束とし
て入射するＸ線１２は、まず、Ｘ線光学素子１の表面
（反射面）により反射される。このＸ線光学素子１は、
発散角がψの２次光源として機能する。このψの値は、
Ｘ線光学素子１の表面に形成された凸部の形状によって
決まり、入射面に平行な方向では２Ｒ_x／Ｒ_0x＝10/160
＝0.0625(rad.)＝3.6゜となり、入射面に垂直な方向で
は２Ｒ_y／Ｒ_0y・ｃｏｓθ₀＝5/40・0.5＝0.0625(rad.)＝
3.6゜となる。つまり、Ｘ線反射用光学素子１は、30ｍ
ｍ四方の寸法と、いずれの方向へも3.6゜の発散角を有
する２次Ｘ線光源として機能する。

【００４９】Ｘ線光学素子１で反射したＸ線は、楕円ミ
ラー１３で反射して２次Ｘ線光源の像を５倍に拡大して
縮小投影光学系１４の入射瞳に結像する。従って、マス
ク４の150ｍｍ角以上の広い範囲が照明される。この時
のＸ線の発散角は楕円ミラー１３の拡大倍率に応じて減
少し、約0.0125(rad.)＝0.72゜となり、縮小投影光学系
１４のマスク側の開口数と一致する。マスク４を照明、
透過したＸ線は、縮小投影光学系１４を通過することに
よりマスク４上に形成されたパターンの縮小像をウェフ
ァー５上に結像する。

【００５０】本実施例のＸ線光学系で縮小投影露光実験
を行ったところ、長さ30ｍｍ、幅0.2ｍｍ、半径17.5ｍ
ｍの円弧状の領域全体にわたって、0.1μｍのライン・
アンド・スペースを解像することができた。また、パタ
ーンの方向による解像力の違いも認められなかった。一
方、Ｘ線光学素子１にかえて単純平面の多層膜ミラーを
用いた以外は同様の条件を設定して露光実験を行ったと
ころ、0.2μｍのライン・アンド・スペースしか解像す
ることができなかった。

【００５１】−第２実施例− 図７は、本発明の第２実施例であるＸ線光学系を示す概
略構成図であり、Ｘ線縮小投影露光装置に使用されるも
のである。図７において、図６と同一の構成および機能
を有する構成要素は同一符号を付してその説明を適宜省
略する。

【００５２】本実施例のＸ線光学系は、Ｘ線源であるレ
ーザープラズマＸ線源１５、このＸ線源１５から出射し
たＸ線をほぼ平行光となるように反射する放物面ミラー
１６、２次Ｘ線源として機能するＸ線光学素子１、照明
光学系として作用するシュバルツシルドミラー１７、マ
スク４および縮小投影光学系１４を備え、マスク４に形
成されたパターンの縮小された像がウェファー５に結像
されるようになっている。

【００５３】放物面ミラー１６は、その反射面にＭｏ／
Ｓｉの組み合わせからなる多層膜がコーティングされて
おり、レーザープラズマＸ線源１５から等方的に出射さ
れたＸ線のうち広い立体角範囲のＸ線をカバーし、反射
したＸ線１２がほぼ平行光となるようにその反射面（放
物面）の形状が設定されている。

【００５４】Ｘ線光学素子１の表面には、Ｍｏ／Ｓｉの
組み合わせからなる多層膜が形成されている。さらに、
この表面には、Ｘ線の入射面（図７の紙面内）と凸部表
面との交点を結ぶ線に対して平行な方向の曲率半径がＲ
_0x＝80μｍ、長さが２Ｒ_x＝10μｍ、上述の交点を結ぶ
線に対して直交する方向（図７の紙面を貫く方向）の曲
率半径がＲ_0y＝65μｍ、長さが２Ｒ_y＝９μｍのトロイ
ダル面形状の外表面を有する凸部が、直径15ｍｍの円状
の領域を埋め尽くすように形成されている。Ｘ線光学素
子１へのＸ線１２の入射角はθ₀＝26゜とした。

【００５５】シュバルツシルドミラー１７は、中心を共
有する２枚の球面鏡１７ａ、１７ｂで構成された光学系
で、各球面鏡１７ａ、１７ｂの反射面にはＭｏ／Ｓｉの
組み合わせからなる多層膜が形成されている。なお、シ
ュバルツシルドミラー１７の光軸付近に設置された球面
鏡（凸面鏡）１７ａと入射するＸ線との干渉を避けるた
め、Ｘ線光学素子１による反射光の主光線の方向がシュ
バルツシルドミラー１７の光軸に対して約10゜傾くよう
に設定してある。

【００５６】縮小投影光学系１４は第１実施例と同じ構
成であり、縮小倍率が1/5、像側（出射側）開口数が0.0
625となるように設定されており、マスク側（入射側）
の開口数は0.0125である。

【００５７】このような構成のＸ線光学系においては、
上述のように発散角約0.1゜以下のほぼ平行な光束とし
て入射するＸ線１２は、まず、Ｘ線光学素子１の表面
（反射面）により反射される。この光学素子１は、発散
角がψの２次Ｘ線源として機能する。このψの値は、表
面の凸部の形状によって決まり、入射面に平行な方向で
は２Ｒ_x／Ｒ_0x＝10/80＝0.125(rad.)＝7.2゜となり、入
射面に直交する方向では２Ｒ_y／Ｒ_0y・ｃｏｓθ₀＝9/65・
0.9＝0.125(rad.)＝7.2゜となる。つまり、Ｘ線光学素
子１は、直径15ｍｍ、発散角7.2゜の２次光源として機
能する。

【００５８】Ｘ線反射用光学素子１で反射したＸ線は、
シュバルツシルドミラー１７で反射して２次Ｘ線源の像
を１０倍に拡大して縮小投影光学系１４の入射瞳に結像
する。従って、マスク４のおよそ150ｍｍの広い範囲が
照明される。このときのＸ線の発散角はシュバルツシル
ドミラーの拡大倍率に応じて減少し、0.0125(rad.)＝0.
72゜となり、縮小投影光学系１４のマスク側の開口数と
一致する。マスク４を照明、透過したＸ線は、縮小投影
光学系１４を通過することによりマスク４上に形成され
たパターンの縮小像をウェファー５上に結像する。

【００５９】本実施例のＸ線光学系で縮小投影露光実験
を行ったところ、長さ30ｍｍ、幅0.2ｍｍ、半径17.5ｍ
ｍの円弧上の領域全体にわたって、0.1μｍのライン・
アンド・スペースを解像することができた。また、パタ
ーンの方向による解像力の違いも認められなかった。一
方、Ｘ線反射用光学素子１にかえて平面の多層膜ミラー
を用いた以外は同様の条件を設定して露光実験を行った
ところ、0.2μｍのライン・アンド・スペースしか解像
することができなかった。

【００６０】なお、本発明のＸ線光学素子は、Ｘ線縮小
投影露光装置での使用に限定されるものではなく、Ｘ線
の結像を利用した他のＸ線光学機器にも広く適用するこ
とが可能である。例えば、オフナー型光学系等を用いた
等倍の投影露光装置に本発明を適用すれば、縮小投影露
光の場合と同様に広い露光領域で回折限界の解像力を得
ることが可能であり、また、Ｘ線顕微鏡の照明光学系に
本発明を適用すれば、顕微鏡の視野を大幅に拡大するこ
とが可能となる。

【００６１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のう
ち請求項１の発明によれば、Ｘ線光学素子からの反射光
の広がり角を方向によらず一定にすることができるの
で、結像光学系の入射側開口数全体を有効に利用するこ
とができ、もって、スループットを低下させることなく
全ての方向のパターンに対しても回折限界の解像力を得
ることができる。

【００６２】また、請求項３の発明によれば、凸曲面ま
たは凹曲面の、Ｘ線の入射面と凸曲面または凹曲面との
交点を結ぶ線に対して平行な方向の曲率半径をｒ_x、交
点を結ぶ線の長さをｄ_x、交点を結ぶ線に対して直交す
る方向の曲率半径をｒ_y、交点を結ぶ線に対して直交す
る方向の凸曲面または凹曲面の長さをｄ_yとし、照明光
学系の倍率をｍとし、Ｘ線光学素子へのＸ線の入射角を
θとした場合に、ｄ_x／（ｒ_x・ｍ）および（ｄ_y・ｃｏ
ｓθ）／（ｒ_y・ｍ）で求められる値のいずれもが結像
光学系における露光光の入射側の開口数にほぼ等しくな
るように設定したので、Ｘ線光学素子へ入射したＸ線の
ほとんどを縮小投影光学系による結像に寄与させること
が可能となり、Ｘ線の利用効率を高めることができてＸ
線光学系全体のスループットを向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】(ａ)〜(ｃ)はそれぞれ本発明のＸ線光学素子を
示す図であって、(ａ)はＸ線光学素子の形状を定めるパ
ラメータを説明するための図、(ｂ)はＸ線光学素子の概
略斜視図、(ｃ)はＸ線光学素子の断面図である。

【図２】(ａ)、(ｂ)ともに従来の照明光学系による照明
方式を示す概略図である。

【図３】(ａ)は面光源によりマスクを照明した状態を示
す図、(ｂ)は従来のＸ線光学素子を用いた照明方式を示
す概略図である。

【図４】(ａ)〜(ｃ)は従来の球面状の凸部を設けたＸ線
光学素子を示す図である。

【図５】(ａ)はＸ線光学素子へのＸ線の入射角を示す
図、(ｂ)はＸ線光学素子へ入射したＸ線の反射する方向
を示す図である。

【図６】本発明の第１実施例であるＸ線光学系の概略構
成図である。

【図７】本発明の第２実施例であるＸ線光学系の概略構
成図である。

【符号の説明】１Ｘ線反射用光学素子２Ｘ線源３照明光学系４マスク５ウェファー６基板９多層膜１０凸部１２平行Ｘ線１３楕円ミラー１４縮小投影光学系１５レーザープラズマＸ線源１６放物面ミラー１７シュバルツシルドミラー５０結像光学系の入射瞳

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の凸曲面または凹曲面が表面に形成
された基板と、前記基板の前記表面上に形成されたＸ線を反射する多層
膜とを備えたＸ線光学素子において、前記凸曲面または凹曲面は、前記Ｘ線の入射面と前記凸
曲面または凹曲面との交点を結ぶ線に対して平行な方向
の曲率半径と前記交点を結ぶ線に対して直交する方向の
曲率半径とが異なるように形成されていることを特徴と
するＸ線光学素子。
【請求項２】請求項１に記載のＸ線光学素子におい
て、前記凸曲面または凹曲面はトロイダル曲面であることを
特徴とするＸ線光学素子。
【請求項３】請求項１に記載のＸ線光学素子と、所望
のパターンが形成されたマスクと、前記Ｘ線光学素子と
マスクとの間に配置された照明光学系と、前記パターン
を結像させる結像光学系とを備えたＸ線光学系であっ
て、前記凸曲面または凹曲面の、前記Ｘ線の入射面と前記凸
曲面または凹曲面との交点を結ぶ線に対して平行な方向
の曲率半径をｒ_x、前記交点を結ぶ線の長さをｄ_x、前記
交点を結ぶ線に対して直交する方向の曲率半径をｒ_y、
前記交点を結ぶ線に対して直交する方向の前記凸曲面ま
たは凹曲面の長さをｄ_yとし、前記照明光学系の倍率を
ｍとし、前記Ｘ線光学素子へのＸ線の入射角をθとした
場合に、ｄ_x／（ｒ_x・ｍ）および（ｄ_y・ｃｏｓθ）／
（ｒ_y・ｍ）で求められる値のいずれもが前記結像光学
系における露光光の入射側の開口数にほぼ等しくされて
いることを特徴とするＸ線光学系。
【請求項４】請求項１に記載のＸ線光学素子と、所望
のパターンが形成されたマスクと、前記Ｘ線光学素子と
マスクとの間に配置された照明光学系と、前記パターン
を結像させる結像光学系とを備えたＸ線光学系であっ
て、前記照明光学系は、前記Ｘ線光学素子で反射したＸ線を
２次光源として用い、この２次光源の像を前記結像光学
系の入射瞳上、マスク上および前記入射瞳と前記マスク
との間の任意の位置のいずれかに結像させるように構成
されていることを特徴とするＸ線光学系。