JP3811923B2

JP3811923B2 - 照明光学系

Info

Publication number: JP3811923B2
Application number: JP30393195A
Authority: JP
Inventors: 修谷津; 孝司森
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2015-10-27
Also published as: JPH09127418A; KR970022395A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は照明光学系に関し、特に半導体素子または液晶表示素子等を製造するための露光装置の照明光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば半導体素子または液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、マスクとしてのレチクルに形成された転写用のパターンを、投影光学系を介してウエハのような感光基板に転写する投影露光装置が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この種の投影露光装置では、最近の半導体素子等の集積度の向上に対応するために、感光基板上の露光領域の全体に亘って極めて高い像均質性が要求されるようになっている。すなわち、投影露光装置の照明光学系では、被照射面である露光領域内において、照度の均一性および開口数の均一性の双方が極めて高いレベルで要求されている。
【０００４】
露光領域内における照度が均一でない場合、すなわち照度が露光領域内の位置に依存して変化する場合、露光量が不均一になり、その結果感光基板上に形成されるパターンの線幅が不均一になる。
また、露光領域内における開口数が均一でない場合、すなわち開口数が露光領域内の位置に依存して変化する場合、空間コヒーレンスが不均一になり、その結果感光基板上に形成されるパターンの線幅が不均一になる。
【０００５】
従来の投影露光装置の照明光学系では、被照射面において照度の均一性と開口数の均一性とを同時に満たしていなかった。その結果、被照射面である感光基板上に形成されるパターンの線幅が不均一になるという不都合があった。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、被照射面における照度の均一性と開口数の均一性とを同時に満たすことのできる照明光学系を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明においては、照明光を供給するための光源手段と、該光源手段からの光束に基づいて複数の光源像を形成するための多光源像形成手段と、前記複数の光源像からの光束を集光して被照射面を重畳的に照明するためのコンデンサー光学系とを備えた照明光学系において、
前記コンデンサー光学系の焦点距離Ｆと、前記コンデンサー光学系に対する光線の入射角θと、前記光線が前記被照射面に入射する位置の光軸からの距離Ｙとの間には、Ｙ＝Ｆsinθの関係がほぼ成立し、
前記被照射面上における照度をほぼ均一に補正するために、前記多光源像形成手段と前記被照射面との間の光路中であって前記被照射面上において一点に集光する光線群が実質的に平行になる位置には、前記コンデンサー光学系における前記Ｙ＝Ｆ sinθの関係によって生ずる照度むらを補正するために、光線の入射角に応じて透過率が変化する角度特性を有する照度分布補正手段が設けられ、
前記照度分布補正手段は、光線の入射角の正弦値の二乗にほぼ比例して透過率が増加する角度特性を有する透過フィルターであることを特徴とする照明光学系を提供する。
【０００７】
また、本発明の別の局面によれば、マスクに形成された転写用のパターンを投影光学系を介して感光基板に転写する投影露光装置において、
照明光を供給するための光源手段と、
該光源手段からの光束に基づいて複数の光源像を形成するための多光源像形成手段と、
前記複数の光源像からの光束を集光して前記マスクを重畳的に照明するためのコンデンサー光学系とを備え、
前記コンデンサー光学系の焦点距離Ｆと、前記コンデンサー光学系に対する光線の入射角θと、前記光線が前記被照射面に入射する位置の光軸からの距離Ｙとの間には、Ｙ＝Ｆ sin θの関係がほぼ成立し、
前記多光源像形成手段と前記感光基板との間の光路中であって前記感光基板上において一点に集光する光線群が実質的に平行になる位置には、前記コンデンサー光学系における前記Ｙ＝Ｆ sin θの関係によって生ずる照度むらを補正するために、光線の入射角に応じて透過率が変化する角度特性を有する照度分布補正手段が設けられ、
前記照度分布補正手段は、光線の入射角の正弦値の二乗にほぼ比例して透過率が増加する角度特性を有する透過フィルターであることを特徴とする投影露光装置を提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、開口数の均一性を満足するための条件は、コンデンサー光学系の焦点距離をＦとし、コンデンサー光学系に対する光線の入射角をθとしたとき、マスクに入射する位置の光軸からの距離（像高）Ｙが次の式（１）で示す射影関係を満足することである。
Ｙ＝Ｆ sinθ （１）
【０００９】
ただし、従来技術にしたがう照明光学系では、式（１）の射影関係を満たすようなコンデンサー光学系を用いると、以下の２つの理由により、被照射面での照度の均一性を満足することができなかった。
第１の理由は、コンデンサー光学系などを構成する各レンズに施された反射防止膜の角度特性に起因する。
【００１０】
反射防止膜は、硝子表面に複数枚の誘電体の薄膜を蒸着して形成され、反射光を振幅分割して多数の光の位相をずらして干渉させることによって反射光を消す。位相のずらし方は膜の厚さで制御されるため、光束の入射角度が異なると反射防止の効果に差異が発生する。一般に、レンズを使用する光学系では、レンズ周辺を透過する光線ほど大きく折り曲げられ入射角は大きい。一方、反射防止膜は垂直入射に対して設計されているので、入射角の大きい光ほど反射され易い。その結果、被照射面において像高が大きいほど、すなわち光軸から離れるにしたがって照度がほぼ二次曲線状に低下する傾向となる。
【００１１】
第２の理由は、多光源像形成手段として用いられるフライアイレンズの正弦条件違反量に起因する。
たとえば投影露光装置の照明光学系に通常使用されるフライアイレンズは、両凸レンズ形状を有する複数のレンズエレメントからなる。このように、フライアイレンズの各レンズエレメントには屈折面が２つしかないので、フライアイレンズは正弦条件を満足していない。
【００１２】
したがって、コンデンサー光学系の射影関係が前述の式（１）を満足していると、フライアイレンズの正弦条件違反量に起因して、被照射面において光軸から離れるにしたがって照度がほぼ二次曲線状に低下する傾向がある。
以上より、式（１）に示す射影関係を満足するコンデンサー光学系を用いて開口数の均一性を確保しても、被照射面の中央から周辺にかけてほぼ二次曲線状に照度が低下する照度むらが発生し、照度の均一性を確保することができないことがわかる。
【００１３】
そこで、本発明では、被照射面上において中央から周辺にかけてほぼ二次曲線状に低下する照度をほぼ均一に補正するために、透過フィルターを照度分布補正手段として設けている。透過フィルターは、被照射面上において一点に集光する光線群がほぼ平行になる位置に設けられ、光線の入射角に応じて透過率が変化する角度特性を有する。さらに具体的には、この透過フィルターは、垂直入射光に対する透過率が最も小さく、入射角の正弦値の二乗にほぼ比例して透過率が増加する角度特性を有する。
【００１４】
なお、投影露光装置の照明光学系では、フライアイレンズのような多光源像形成手段とコンデンサー光学系との間の光路中で、被照射面（マスクおよび感光基板）上において一点に集光する光線群がほぼ平行になる。また、フライアイレンズとコンデンサー光学系との間の光路中に透過フィルターを配置した場合、被照射面上において中央に（光軸上に）集光する光の透過フィルターへの入射角は０で、その周辺に集光する光の透過フィルターへの入射角は光軸から離れるほど大きい。さらに特定すれば、被照射面上において集光する光の透過フィルターへの入射角の正弦値と、被照射面上への集光点の光軸からの距離とは比例する。
【００１５】
したがって、入射角の正弦値の二乗にほぼ比例して透過率が増加する角度特性を有する透過フィルターの作用により、被照射面上に集光する光の光量が周辺から中央にかけて二次曲線状に低下する照度変動を発生させることができる。
こうして、被照射面の中央から周辺にかけて照度がほぼ二次曲線状に低下する照度むらを透過フィルターの作用によって発生させた照度変動で補正し、被照射面において開口数の均一性に加えて照度の均一性も同時に確保することができる。
【００１６】
本発明の実施例を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例にかかる照明光学系を投影露光装置に適用した例を概略的に示す図である。
図示の照明光学系は、たとえば超高圧水銀ランプからなる光源１を備えている。光源１は、回転楕円面からなる反射面を有する集光鏡（楕円鏡）２の第１焦点位置に位置決めされている。したがって、光源１から射出された照明光束は、楕円鏡２の第２焦点位置に光源像（二次光源）１ａを形成する。
【００１７】
この光源像１ａからの光束は、コリメートレンズ３によりほぼ平行な光束に変換された後、フライアイレンズ４に入射する。
フライアイレンズ４に入射した光束は、フライアイレンズ４を構成する複数のレンズエレメントにより二次元的に分割され、フライアイレンズ４の後側焦点位置（すなわち射出面近傍）に複数の光源像（三次光源）を形成する。このように、フライアイレンズ４は、光源１からの光束に基づいて複数の光源像を形成するための多光源像形成手段を構成している。
【００１８】
複数の光源像からの光束は、フライアイレンズ４の射出面に配置された開口絞りＡＳにより制限された後、透過フィルター５を介してコンデンサーレンズ６に入射する。コンデンサーレンズ６を介して集光された光は、投影露光用のパターンが形成されたマスクＭを重畳的に均一に照明する。
なお、透過フィルター５は、たとえばガラス基板上に単層または複層の薄膜を蒸着することによって形成されている。
【００１９】
マスクＭを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して、感光基板であるウエハＷに達する。こうして、ウエハＷ上には、マスクＭのパターン像が形成される。ウエハＷは、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対して垂直な平面内において二次元的に移動可能なウエハステージ（不図示）上に支持されている。したがって、ウエハＷを二次元的に移動させながら露光を行うことにより、ウエハＷの各露光領域にマスクＭのパターンを逐次転写することができる。
【００２０】
図２は、図１の開口絞りＡＳおよびフライアイレンズ４を光軸ＡＸに沿ってマスク側から見た図である。
図２に示すように、フライアイレンズ４は、光軸ＡＸに垂直な平面内において矩形の断面形状を有する多数のレンズエレメント４ａを縦横に且つ稠密に配列することによって構成されている。そして、図２中実線の円で示すように、開口絞りＡＳの最大開口が、フライアイレンズ４の全断面外形の内側に収まるように寸法決めている。
【００２１】
図１の照明光学系では、被照射面（マスクＭひいてはウエハＷ）の照明開口数は、フライアイレンズ４の射出面に配置された開口絞りＡＳの開口径によって規定される。照明開口数は、投影像の解像力、焦点深度、像質等に大きな影響を与えるため、投影光学系ＰＬの開口数、パターン寸法に応じて最適な値に設定されなければならない。
【００２２】
なお、ウエハＷの露光面は、マスクＭのパターン面およびフライアイレンズ４の入射面と光学的に共役である。そして、フライアイレンズ４を構成する各レンズエレメント４ａの入射面がそれぞれ視野絞りとなり、この視野絞りで制限された光束がコンデンサーレンズ６を介して被照射面であるマスクＭ上ひいてはウエハＷ上で重畳される。
【００２３】
したがって、フライアイレンズ４を構成する各レンズエレメント４ａの断面形状は、マスクＭ上の照明領域と相似な形状となるように規定されている。一般に、半導体露光装置では、マスクＭ上において矩形状のパターン領域に転写用のパターンが形成されているので、マスクＭ上の照明領域も矩形状となる。
また、コンデンサーレンズ６は、本発明の作用において説明した式（１）の射影関係を満足している。その結果、被照射面であるウエハＷ上の露光領域内では、その位置に依存することなく開口数が一定であり、いわゆる開口数の均一性が確保されている。
【００２４】
図３は、図１の透過フィルター５の作用を説明する図である。また、図４は、図３の透過フィルター５の角度特性を示す図である。
前述したように、フライアイレンズ４から平行に射出された光束は、マスクＭ上で一旦集光し、さらに投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に再び集光する。この際、ウエハＷ上の露光領域の中央に（光軸ＡＸ上に）集光する光束が透過フィルター５に対する入射角は０であり、露光領域の周辺に集光する光束が透過フィルター５に対する入射角の正弦値は露光領域における集光点の光軸ＡＸからの距離に比例する。
【００２５】
そこで、本実施例では、ウエハＷ上において一点に集光する光線群がほぼ平行になる位置として、たとえばフライアイレンズ４とコンデサーレンズ６との間の光路中に、光線の入射角の正弦値の二乗にほぼ比例して透過率が増加する角度特性を有する透過フィルター５を照度分布補正手段として設けている。この透過フィルター５は、図４に示すように、垂直入射光に対する透過率Ｔ0 が最も小さく、入射角θの正弦値の二乗に比例して透過率が増加する角度特性を有する。
【００２６】
すなわち、透過フィルター５の透過率Ｔは、次の式（２）によって表される。
Ｔ＝ｋ・sin²θ＋Ｔ0 （２）
ここで、
ｋ：比例定数
θ ：入射角
Ｔ0 ：入射角０に対する透過率
【００２７】
すなわち、入射角θの正弦値の二乗にほぼ比例して透過率Ｔが増加する角度特性を有する透過フィルター５により、被照射面上（マスクＭ上およびウエハＷ上）に集光する光の光量を周辺から中央にかけて二次曲線状に低下する照度変動を発生させることができる。
こうして、被照射面の中央から周辺にかけて照度がほぼ二次曲線状に低下する照度むらを透過フィルター５の作用によって発生させた照度変動で補正し、被照射面において開口数の均一性に加えて照度の均一性も同時に確保することができる。
【００２８】
具体的には、フライアイレンズ４の正弦条件不満足量がフライアイレンズ４の焦点距離ｆの−１％である場合、被照射面の周辺における照度はその中央における照度よりも２％程度低下することが知られている。したがって、フライアイレンズ４からの光線の最大射出角をθmax とすると、最大入射角θmax に対する透過フィルイター５の透過率Ｔ1 が入射角０に対する透過率Ｔ0 よりも２％程度大きければよいことになる。なお、入射角０に対する透過率Ｔ0 は、露光パワーの低下を招かないようにたとえば９５％以上であることが望ましい。
【００２９】
したがって、入射角０に対する透過率Ｔ0 をたとえば９５％とすると、最大入射角θmax に対する透過率Ｔ1 を９７％（９５％＋２％）にする必要がある。この場合、透過フィルター５の比例定数ｋは、次の式（３）によって規定される。
ｋ＝（０．９７−０．９５）／sin²θmax （３）
ここで、最大入射角θmax は既知量であるから、式（３）により、比例定数ｋを得ることができる。
【００３０】
さらに、本実施例の変形例として、光軸ＡＸに対して透過フィルター５をφだけ傾動させることによって被照射面における傾斜照度ムラも補正することができる。
この場合、透過フィルター５を光軸ＡＸに対してφだけ傾けると、透過フィルター５に対する光線の最大入射角はθmax ＋φに変化する。そして、図４において最大入射角θmax ＋φに対する透過フィルター５の透過率はＴ2 となり、この傾きφに対応する透過率変化に基づいて被照射面上における傾斜照度ムラを補正することも可能になる。なお、透過フィルター５を傾けて傾斜照度ムラを補正しても、被照射面上における開口数の均一性について変化は生じない。
【００３１】
具体的には、最大入射角θmax ＋φに対する透過率Ｔ2 が入射角θmax に対する透過率Ｔ1 よりも２％だけ大きくなるように傾きφによる透過率変化分を規定すると、被照射面の周辺の端と端とで約４％の傾斜照度ムラを補正することができる。この場合、入射角０に対する透過率Ｔ0 を９５％とすると、最大入射角θmax ＋φに対する透過率Ｔ2 を９９％（９５％＋４％）にする必要がある。したがって、透過フィルター５の比例定数ｋは、次の式（４）によって規定される。
ｋ＝（０．９９−０．９５）／sin²（θmax ＋φ）（４）
【００３２】
なお、上述の実施例では、フライアイレンズ４とコンデサーレンズ６との間の光路中に透過フィルター５を設けている。しかしながら、たとえば投影光学系ＰＬ中であってウエハＷ上において一点に集光する光線群が実質的に平行になる位置に透過フィルター５を設けてもよい。
また、上述の実施例では、投影露光装置に本発明を適用した例を示しているが、一般の照明光学系に本発明を適用することができることは明らかである。
【００３３】
【効果】
以上説明したように、本発明によれば、所定の射影関係を有するコンデンサー光学系を用いるとともに、入射角の正弦値の二乗に比例して透過率が増加する角度特性を有する透過フィルターを付設するだけで、被照射面において照度の均一性と開口数の均一性を同時に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例にかかる照明光学系を投影露光装置に適用した例を概略的に示す図である。
【図２】図１の開口絞りＡＳおよびフライアイレンズ４を光軸ＡＸに沿ってマスク側から見た図である。
【図３】図１の透過フィルター５の作用を説明する図である。
【図４】図３の透過フィルター５の角度特性を示す図である。
【符号の説明】
１光源
２楕円鏡
３コリメートレンズ
４フライアイレンズ
５透過フィルター
６コンデンサーレンズ
Ｍマスク
ＰＬ投影光学系
Ｗウエハ
ＡＳ開口絞り

Claims

照明光を供給するための光源手段と、該光源手段からの光束に基づいて複数の光源像を形成するための多光源像形成手段と、前記複数の光源像からの光束を集光して被照射面を重畳的に照明するためのコンデンサー光学系とを備えた照明光学系において、
前記コンデンサー光学系の焦点距離Ｆと、前記コンデンサー光学系に対する光線の入射角θと、前記光線が前記被照射面に入射する位置の光軸からの距離Ｙとの間には、Ｙ＝Ｆsinθの関係がほぼ成立し、
前記被照射面上における照度をほぼ均一に補正するために、前記多光源像形成手段と前記被照射面との間の光路中であって前記被照射面上において一点に集光する光線群が実質的に平行になる位置には、前記コンデンサー光学系における前記Ｙ＝Ｆ sinθの関係によって生ずる照度むらを補正するために、光線の入射角に応じて透過率が変化する角度特性を有する照度分布補正手段が設けられ、
前記照度分布補正手段は、光線の入射角の正弦値の二乗にほぼ比例して透過率が増加する角度特性を有する透過フィルターであることを特徴とする照明光学系。
前記コンデンサー光学系は、前記コンデンサー光学系を構成する各レンズ面に施された反射防止膜を有し、
前記照度分布補正手段は、前記各レンズ面に施された反射防止膜の角度特性に起因して発生する照度むらを補正することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
前記透過フィルターは、前記光軸に対して傾動可能に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
前記透過フィルターは、ガラス基板上に設けられた単層または複層の薄膜を有す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。
前記多光源像形成手段は、入射光束を二次元的に分割するための複数のレンズ面を有し且つ入射面が前記被照射面と光学的にほぼ共役な位置に位置決めされたフライアイレンズを備え、
前記照度分布補正手段は、前記フライアイレンズと前記コンデンサー光学系との間の光路中に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学系。
前記照度分布補正手段は、前記光軸に対して傾動可能に設けられた透過フィルターを備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明光学系。
マスクに形成された転写用のパターンを投影光学系を介して感光基板に転写する投影露光装置において、
照明光を供給するための光源手段と、
該光源手段からの光束に基づいて複数の光源像を形成するための多光源像形成手段と、
前記複数の光源像からの光束を集光して前記マスクを重畳的に照明するためのコンデンサー光学系とを備え、
前記コンデンサー光学系の焦点距離Ｆと、前記コンデンサー光学系に対する光線の入射角θと、前記光線が前記被照射面に入射する位置の光軸からの距離Ｙとの間には、Ｙ＝Ｆ sin θの関係がほぼ成立し、
前記多光源像形成手段と前記感光基板との間の光路中であって前記感光基板上において一点に集光する光線群が実質的に平行になる位置には、前記コンデンサー光学系における前記Ｙ＝Ｆ sin θの関係によって生ずる照度むらを補正するために、光線の入射角に応じて透過率が変化する角度特性を有する照度分布補正手段が設けられ、
前記照度分布補正手段は、光線の入射角の正弦値の二乗にほぼ比例して透過率が増加する角度特性を有する透過フィルターであることを特徴とする投影露光装置。
前記コンデンサー光学系は、前記コンデンサー光学系を構成する各レンズ面に施された反射防止膜を有し、
前記照度分布補正手段は、前記各レンズ面に施された反射防止膜の角度特性に起因して発生する照明むらを補正することを特徴とする請求項７に記載の投影露光装置。
前記照度分布補正手段は、前記光軸に対して傾動可能に設けられた透過フィルターを備えていることを特徴とする請求項７または８に記載の投影露光装置。
前記多光源像形成手段は、入射光束を二次元的に分割するための複数のレンズ面を備え且つ入射面が前記感光基板と光学的にほぼ共役な位置に位置決めされたフライアイレンズを有し、
前記照度分布補正手段は、前記フライアイレンズと前記コンデンサー光学系との間の光路中に配置されていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の投影露光装置。
マスクに形成された転写用のパターンを投影光学系を介して感光基板に転写する投影露光方法において、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学系を用いて前記マスクを照明する工程と、
前記投影光学系を用いて前記転写用のパターンの像を前記感光基板に形成する工程とを備えることを特徴とする投影露光方法。