JP4070257B2 - 高開口数リングフィールド光学縮小系 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、投影リソグラフィーに関し、より詳細には、近紫外線から遠紫外線ないし軟Ｘ線領域の短波長を使用する反射および反射屈折光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造においてフォトリソグラフィーが頻繁に用いられる。マスクまたはレチクルをウェーハ上に結像するために投影光学系が使用される。屈折素子を用いた光学系では２４８または１９３ナノメートルの波長を有した照明光源を用いて、0.25ミクロンに近い解像度が達成されている。半導体デバイスの素子ないし加工寸法が小さくなるにつれ、0.25ミクロン以下の解像度を達成可能な光学投影系が必要とされている。フォトリソグラフィーに使用する光学投影系により分解可能な加工寸法を低減するためには、短波長の電磁波を用いてレチクルないしマスクの像を半導体ウェーハ等の感光性基板に投影しなければならない。１９３ナノメートル以下の波長の電磁波を十分に透過させることのできる屈折光学材料は非常に少ないため、１９３ナノメートル以下で動作させる光学投影系においては屈折素子の使用を最小限にする、または全く使用しないようにすることが必要である。スペクトル上の遠紫外域で使用可能な光学装置が、米国特許第4,747,678号（「拡大光学リレー装置」、シェーファー他、１９８８年５月３１日）に記載されている。しかしながら、より小さな加工寸法に対する要請から、遠紫外波長域から軟Ｘ線波長域、すなわち約２００〜１３ナノメートル程度の波長で動作する光学投影装置が必要とされている。この波長域内で動作する光学投影装置はいくつかあるが、それらは像ないしウェーハ上における開口数が0.1以下という比較的低いものに限られている。そのような装置において開口数を増大させると残留収差が過大になり、さらにミラーのエッジ部により光束がぼけてしまう。こうした投影光学装置はそれぞれの目的に対しては適切に動作するが、開口数の大きい、遠紫外ないしは軟Ｘ線波長域で使用可能または0.1ミクロンを大幅に下回る解像度を有した光学投影システムが要求されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明の課題は、約２００ナノメートル以下の波長で使用可能であり、比較的大きい開口数を有した投影光学系を提供することである。
【０００４】
本願発明の別の課題は、解像度を増すことにより半導体製造において必要とされる微小素子形状の転写を可能とすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため、本願発明は以下の構成を有する。すなわち、本願発明による光学系は３つのミラー対を具備しており、第１のミラー対は入射ひとみを第１ミラー対のうちの２番目のミラーに結像する収束ミラーを有し、アクセシブルな実開口絞りを構成している。第２のミラー対は第１ミラー対からの電磁波を受光するよう構成され、前記開口絞りを第２の実ひとみにリレーし中間像を形成する収束ミラーを有する。第３のミラー対は第２ミラー対から電磁波を受光するよう構成され、第２の実ひとみを無限遠の射出ひとみにリレーし中間像を最終的な実像に結像させる収束ミラーを有している。このように比較的大きい開口数を有した６つのミラーから構成された縮小系によりレチクルやマスク等の物体の縮小された像が半導体ウェーハ等の感光性基板上に結像される。第２ミラー対はフィールドミラー素子として機能し良好な像品質と比較的大きな開口数が得られる。６つのミラーはすべて非球面として残留収差を最小限にすることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本願発明によれば、物体と像を、ステップ・アンド・スキャンフォトリソグラフィーで行われるレチクルとウェーハステージの平行スキャニングに供することができる。
【０００７】
本願発明によればさらに、比較的大きなフィールドが得られる。
【０００８】
本願発明はさらに開口絞りがアクセッシブルであるという特徴を有する。
【０００９】
本願発明はまたフィールドミラー素子が使用されるという特徴を有する。
【００１０】
【実施例】
図１に本願発明の第１実施例を略示する。レチクルまたはマスク１０からの光は凹面鏡Ｍ１により集光される。破線１２はミラーＭ１の曲面の延長を示している。ミラーＭ１により電磁波が凹面鏡Ｍ２に反射される。開口絞り１４はミラーＭ２上または近傍に位置している。入射ひとみはレチクルまたはマスク１０から有限距離のところにあり、ミラーＭ１によりミラーＭ２上に結像される。電磁波はミラーＭ２で反射されて凹面鏡Ｍ３に入射する。破線１６は凹面鏡Ｍ３の曲面の延長を示している。Ｍ３からの電磁波は凹面鏡Ｍ４に入射し反射される。破線１８は凹面鏡Ｍ４の曲面の延長を示す。電磁波はミラーＭ４で反射されて凹面鏡Ｍ５に入射する。破線２０は凸面鏡Ｍ５の曲面の延長を示している。電磁波はミラーＭ５で反射され凹面鏡Ｍ６に入射し、凹面鏡Ｍ６によりウェーハ２２上の結像面に反射される。ミラーＭ１〜Ｍ６はいずれも光軸OAに対して実質的に回転対称である。中間像２４がミラーＭ４とＭ３の間、すなわち第１ミラー対Ｍ１，Ｍ２と第３ミラー対Ｍ５，Ｍ６間の光軸から外れた位置に形成される。この中間像はミラーＭ４，Ｍ５，およびＭ６によってウェーハ２２上に再結像される。第１ミラー対Ｍ１，Ｍ２は電磁波を第２ミラー対Ｍ３，Ｍ４に反射する。第２ミラー対Ｍ３，Ｍ４はフィールドミラー素子として機能することにより、ミラーＭ２で反射され光軸OAから分散する主光束は光軸OAに収束する主光束に変換され、第３のミラー対Ｍ５，Ｍ６へ向かう。従って、フィールドミラー素子は光軸OAから分散する主光束を該光軸に収束する変換ミラー対であればよい。この第１実施例では残留収差は十分小さいため、約１３ナノメートルの波長が使用可能である。この第１実施例におけるウェーハ２２近傍の結像空間上の開口数は約0.25である。よって、0.03ミクロンの作業分解能が得られる。光軸OAを中心とした半径２９〜３１ミリメートルの円形フィールドの収差は歪曲収差を含めても十分に小さいため、横スキャン方向において３０ミリメートルのスキャンフィールドサイズを有したステップ・アンド・スキャンフォトリソグラフィーで使用可能である。この第１実施例では、縮小率は４対１である。ミラーＭ１〜Ｍ６は球面、非球面のいずれでもよく、通常の手段により製作でき、例えば米国特許番号5,153,898（「反射型Ｘ線縮小投影露光装置」、福田他、１９９２年１０月６日）に記載されているようなコーティングを施すことも可能である。非球面ミラーを使用して残留収差を最小限にすることもできる。
【００１１】
本願発明による図１に示した光学系の構成データを表１に示す。
【００１２】
【表１】

【００１３】
上記の表において、正の半径は曲率中心が右側に、負の半径は曲率中心が左側にあることを示し、寸法はミリメートル単位であり、厚さは隣接する表面までの光軸距離であり、像直径は近軸値であって光線追跡値ではない。
【００１４】
さらに、非球面定数は以下の式および表１Aにより与えられる。
【００１５】
【数１】

【００１６】
【表２】

【００１７】
図２に本願発明の第２実施例を示す。この実施例では入射ひとみが無限遠にあるため、レチクル１０においてテレセントリックな系となっている。レチクル１０からの電磁波は凹面鏡Ｍ１´で集光され凸面鏡Ｍ２´に反射される。破線１２´はミラーＭ１´の曲面の延長を示している。ミラーＭ１´とＭ２´は第１ミラー対を構成する。凸面鏡Ｍ２´で反射された電磁波は凹面鏡Ｍ３´により集光される。破線１６´はミラーＭ３´の曲面の延長を示す。電磁波はミラーＭ３´で反射されて凹面鏡Ｍ４´に入射する。破線１８´はミラーＭ４´の曲面の延長を示す。ミラーＭ３´とＭ４´は第２ミラー対を構成し、フィールドミラー素子として動作する。電磁波はミラーＭ４´で反射され、凸面鏡Ｍ５´により集光される。破線２０´はミラーＭ５´の曲面の延長を示す。電磁波はミラーＭ５´で反射され、ミラーＭ６´に入射する。ミラーＭ５´とＭ６´は第３ミラー対を構成する。凹面鏡Ｍ６´で反射された電磁波はウェーハ２２上で結像される。ミラーＭ１´〜Ｍ６´はいずれも光軸OAに対して回転対称である。フィールドミラー素子であるミラー対Ｍ４´、Ｍ３´は、ミラーＭ４´の後、ミラーＭ６´近く、すなわち第３ミラー対であるＭ５´、Ｍ６´間の光軸から外れた位置に中間像面２４´を形成する。この構成により、大きな開口数においてミラーＭ６´のエッジを通過しなければならない電磁波ビームサイズを有利に低減できる。第３ミラー対、すなわちミラーＭ５´とＭ６´により、中間像面２４´上の像はウェーハ２２上で最終像として結像される。この第２実施例においては像空間はテレセントリック、すなわち射出ひとみが無限遠に位置している。第２実施例は４対１の縮小率を有し、ウェーハ２２近くの像空間への開口数は0.55である。このような比較的大きい開口数において残留収差が十分小さいため、約193ナノメートルの波長域で光学投影系を使用できる。よって、0.25ミクロンの作業解像度が得られる。ウェーハ２２上の光軸を中心とした半径29.5〜30.5ミリメートルの円形フィールドは、横方向において３０ミリメートルのフィールドサイズを有するステップ・アンド・スキャンリソグラフィー装置で使用するに十分である。
【００１８】
本願発明による図２に示した光学系の構成データを以下の表２に示す。
【００１９】
【表３】

【００２０】
上記の表において、正の半径は曲率中心が右側に、負の半径は曲率中心が左側にあることを示し、寸法の単位はミリメートル、厚さは隣接する表面までの距離、そして像直径は近軸値であって光線追跡値ではない。
【００２１】
さらに、非球面定数は以下の式および表２Aにより与えられる。
【００２２】
【数２】

【００２３】
【表４】

【００２４】
図３に本願発明の第３実施例を示す。この第３実施例は反射屈折系で構成されている。レチクル１０からの電磁波は第１レンズ素子Ｒ１で屈折される。電磁波はさらに凹面鏡Ｍ１´´により集光されて、第２レンズ素子Ｒ２へ反射される。レンズ素子Ｒ２は凸面鏡Ｍ２´´の近くに、ないし隣接して配設されている。ミラーＭ１´´とＭ２´´は第１ミラー対を構成する。破線１２´´はミラーＭ１´´の曲面の延長を示す。電磁波はミラーＭ２´´で反射され、ミラーＭ３´´に入射する。破線１６´´は凹面鏡Ｍ３´´の曲面を示す。電磁ははミラーＭ３´´で反射され凹面鏡Ｍ４´´により集光される。波線１８´´はミラーＭ４´´の曲線の延長を示している。ミラーＭ３´´とＭ４´´は第２ミラー対を構成する。ミラーＭ４´´で反射された電磁波は凸面鏡Ｍ５´´で集光される。Ｍ５´´で反射された電磁波は凹面鏡Ｍ６´´に入射する。ミラーＭ５´´とＭ６´´は第３ミラー対を構成する。ミラーＭ６´´で反射された電磁波はレンズ素子Ｒ３へ向けられ、ウェーハ２２上の像面上に結像される。第２ミラー対、すなわちミラーＭ３´´とＭ４´´はフィールドミラー素子を構成し、ミラーＭ６´´とＭ３´´の間に中間像面を形成する。第３ミラー対Ｍ５´´、Ｍ６´´は中間像面２４´´をウェーハ２２上で再結像する。ミラーＭ１´´〜Ｍ６´´と屈折レンズ素子Ｒ１〜Ｒ３はすべて光軸OAに対して回転対称である。レンズ素子Ｒ１〜Ｒ３は残留収差を低減する屈折素子であり、よってウェーハ２２の近傍の像空間において大きい開口数を得ることができる。この第３実施例ではウェーハ２２の近傍の像空間での開口数は0.6である。光軸OAから２９〜３１ミリメートルの半径を有する円形フィールドが形成され、１９３ナノメートルの波長の電磁波を用いることにより0.225ミクロンの形状を十分に余裕を持って分解できる。この第３実施例では適当なレチクル、照明条件、およびフォトレジストを使用すれば0.18ミクロンの加工寸法が達成可能である。この第３の反射屈折型の実施例の有利な点は、第１レンズ素子Ｒ１を所望によりシーリング窓として動作させることが出来ることである。これは系をパージされた環境で使用する場合に望ましい。さらにレンズ素子Ｒ１を光軸OA上で軸方向に移動させることにより、系の倍率の微調節をすることができる。ミラーＭ１´´を倍率の微調節に使用することも出来るが、ミラーＭ１´´は軸方向の動きの最中位置合せ誤差により影響されやすい。レンズ素子Ｒ３もまたシーリング窓として使用できる。さらに、レンズ素子Ｒ３を基板として用いて、その上にミラーＭ５´´を形成することもできる。レンズ素子Ｒ３の２番目の表面を非球面として残留歪曲収差による誤差を低減できる。このレンズ素子Ｒ３の２番目の表面により、より広い円形フィールド幅を使用することができる。レンズ素子Ｒ２は主として、回折レンズ素子Ｒ１とＲ３によりもたらされる焦点の色変動を修正するために用いている。倍率の色変動はレンズ素子Ｒ１とＲ３それぞれの寄与分の釣り合いをとることにより修正される。本実施例における色補正は十分良好であるので、193または248ナノメートルで動作する非狭帯化エキシマーレーザ光源、さらには248ナノメートルで動作するフィルタ付き水銀灯を使用することができる。この第３実施例の光学投影系は４対１の縮小率で動作するよう設計されている。
【００２５】
本願発明による図３に示した光学系の構成データを以下の表３に示す。
【００２６】
【表５】

【００２７】
上記の表において、正の半径は曲率中心が右側に、負の半径は曲率中心が左側にあることを示し、寸法の単位はミリメートル、厚さは隣接する表面までの距離、そして像直径は近軸値であり、光線追跡値ではない。
【００２８】
さらに、非球面定数は以下の式および表３Aにより与えられる。
【００２９】
【数３】

【００３０】
【表６】

【００３１】
上記のように、本願発明では３つのミラー対を用いると同時に第２のミラー対をフィールドミラー素子としたことにより、約２００ナノメートル以下の波長域の電磁波を用いる光学投影縮小系の開口数を大幅に増大できる。その結果、フィールドサイズが増大できるのみならず、要求される解像度を維持できるため、0.25ミクロン以下の加工寸法を有した半導体デバイスの製造に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本願発明の第１実施例の略図である。
【図２】図２は本願発明の第２実施例の略図である。
【図３】図３は本願発明の第３実施例の略図である。
【符号の説明】
１０ レチクルまたはマスク
１４ 開口絞り
２２ ウェーハ
２４ 中間像
Ｍ１，Ｍ２ 第１ミラー対
Ｍ３，Ｍ４ 第２ミラー対
Ｍ５，Ｍ６ 第３ミラー対
OA 光軸
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ レンズ素子

Claims (3)

1. 長共役端から短共役端間のフォトリソグラフィー用光学縮小系であって、
   第１のミラー対と、
   前記第１のミラー対から反射される電磁波を受光するよう配設されるフィールドミラー対と、
   前記フィールドミラー対から反射される電磁波を受光するよう配設される第３のミラー対と、
   物体と前記第１のミラー対との間に配設される第１の回折素子と、
   前記第１のミラー対のうちの２番目のミラー上または近傍に配設される第２の回折素子と、
   像と前記第３のミラー対との間に配設される第３の回折素子とを備え、
   中間像が像面上において最終像へと再結像されるよう構成され、
   前記第１の回折素子と前記第３の回折素子によりもたらされる焦点の色変動が、前記第２の回折素子により補正されるよう構成される、フォトリソグラフィー用光学縮小系。
2. 長共役端から短共役端間のフォトリソグラフィー用光学縮小系であって、
   第１のミラー対と、
   前記第１のミラー対から反射される電磁波を受光するよう配設されるフィールドミラー対と、
   前記フィールドミラー対から反射される電磁波を受光するよう配設される第３のミラー対と、
   物体と前記第１のミラー対との間に配設される第１の回折素子と、
   前記第１のミラー対のうちの２番目のミラー上または近傍に配設される第２の回折素子と、
   像と前記第３のミラー対との間に配設される第３の回折素子とを備え、
   中間像が像面上において最終像へと再結像されるよう構成され、
   倍率の色変動が、前記第１の回折素子と前記第３の回折素子それぞれの寄与のバランスを取ることにより補正されるよう構成される、フォトリソグラフィー用光学縮小系。
3. 長共役端から短共役端間のフォトリソグラフィー用光学縮小系であって、
   第１の凹面鏡と、
   前記第１の凹面鏡で反射される電磁波を受光するよう配設される第２のミラーと、
   前記第２のミラーで反射される電磁波を受光するよう配設される第３の凹面鏡と、
   前記第３の凹面鏡で反射される電磁波を受光するよう配設される第４の凹面鏡と、
   前記第４の凹面鏡で反射される電磁波を受光するよう配設される第５の凸面鏡と、
   前記第５の凸面鏡で反射される電磁波を受光するよう配設される第６の凹面鏡と、
   物体と前記第２のミラーとの間に配設される第１の回折素子と、
   前記第２のミラー上または近傍に配設される第２の回折素子と、
   像と前記第５の凸面鏡との間に配設される第３の回折素子とを備え、
   前記第１の凹面鏡、前記第２のミラー、前記第３の凹面鏡、前記第４の凹面鏡、前記第５の凸面鏡、及び前記第６の凹面鏡は、光軸を有しており、
   前記第３の凹面鏡は、前記光軸から発散する主光束を受光し、
   前記第４の凹面鏡は、前記第３の凹面鏡で反射される主光束を受光して前記光軸に収束するように前記主光束を反射するよう構成され、
   前記第１の回折素子と前記第３の回折素子によりもたらされる焦点の色変動が、前記第２の回折素子により補正されるよう構成される、フォトリソグラフィー用光学縮小系。

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