JP4169374B2 - 投影マイクロリソグラフィ装置の照明手段 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーと、対物レンズとを有する投影マイクロリソグラフィ装置の照明手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
そのような手段は、たとえば、まだ公開されていない特許出願ＤＥ−Ｐ４４２１０５３の中に記載されている。
【０００３】
マイクロリソグラフィ用の光源としては主にレーザーが使用されるが、その理由は、レーザーが非常に帯域幅の狭い光を発射し、エキシマレーザーの場合には、深紫外線範囲の、非常に波長の短い光を発射する。ところが、レーザーの時間的コヒーレンス及び空間的コヒーレンス、並びに光束の小さな横断面と小さな発散は、マイクロリソグラフィ用照明手段の状況には適合していない。
【０００４】
光束横断面の個々の結像光学素子によって横断面と発散を変化させることはできず、光導値（Lichtleitwert ）を増加させることはできない（Ｍ．Ｙｏｕｎｇの「Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｌａｓｅｒｓ」（ベルリン、１９８４年刊）の５１ページ、並びにＫ．Ｍｕｅｔｚｅの「ＡＢＣ ｄｅｒ Ｏｐｔｉｋ」（ハーナウ，１９６１年刊）の４７７ページ以降を参照）。光導値の維持を伴ってごく類似しているのはラグランジェ定数である（先に挙げたＹｏｕｎｇの文献の５０／５１ページを参照）。
【０００５】
光導値を増加させるために、散乱素子が知られている。この目的では、通常、屈折作用、反射作用又は回折作用を及ぼす統計的に向きを定められたマイクロ面を有するマットエッチング処理済みのガラス板又は石英ガラス板が用いられている。そのような散乱板の散乱プロファイルは中央部分がきわめて大きく強調されているが、角度が大きいときには、分布の尾部でもなお著しいエネルギーを分布させる。
【０００６】
発散と横断面の拡大を伴う目的にかなったビーム分布は、ＵＶ範囲及びＤＵＶ範囲で得られるレンズラスタ（Linsenrastern ）によって実現できる。
石英の回折光学ラスタ素子はフォトリソグラフィによって様々に異なる構成で製造でき、それらをラスタレンズ板の代わりに使用できる。
【０００７】
欧州特許第０３１２３４１号は、ウェハステッパと、投影対物レンズと、エキシマレーザーと、ビーム整形・拡張光学系と、複数のレンズ群を有する照明光学系とを含み、照明光学系の入射瞳と、別の平面とに２つの発散発生素子が設けられているようなウェハ露光装置を説明している。本発明の場合とは異なり、第２の平面は瞳平面でもあり、２つの素子は散乱ケイ素結晶を含む確率的散乱円板である。さらに、振動ミラーも設けられている。
【０００８】
この全体が空間的コヒーレンスを減少させるのに有用である。ウェハ露光装置の有効光源の拡大によって空間的コヒーレンスを適合させることの意味を説明する。
【０００９】
２つの散乱円板はアナモルフォティック作用をもつことができない。ズーム，アキシコン及びガラス棒は説明されていない。同心の多段リングを有するブレーズされた伝達格子の形態をとる、ラスタ状ではない回折光学素子が波面の収差を修正するために投影対物レンズの瞳に設けられている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高い効率をもって妥当な複雑さで適切な形状の光の点、発散、コヒーレンス及び均質性を伴ってウェハの照明を可能し、しかも、ウェハステッパとしても、ウェハスキャナとしても使用できる冒頭に述べた種類の照明手段を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１の特徴を有する照明手段によって解決される。それによれば、レーザーと、対物レンズとを有する投影マイクロリソグラフィ装置の照明手段の場合、物体平面と、対物レンズの射出瞳又はそれと等価の平面に、二次元配列の回折素子を有する光学ラスタ素子が１つずつ配置されている。
【００１２】
そのように配置されたそれら２つのラスタ素子により、光束の整形のために必要なレーザー光の発散拡大を目的に合わせて利用でき、最良の効率が得られると共に、その他の光学素子群の構成をきわめて単純にすることができる。
【００１３】
特に有利な一実施形態を図面に示し、以下の本発明のさらに詳細な説明のために利用する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、同じ出願人の公開されていない出願ＤＥ−Ｐ４４２１０５３の中に図４ｄ（レーザー１から第２の回折光学素子８まで）と図４ｃ（レチクル７まで）を組合わせたものとして十分に説明されている。新規なのは第１の回折光学素子９と、第２の回折光学素子８との協働である。
【００１５】
レーザー１は、たとえば、欧州特許第０３１２３４１号の中に提示されているような、深紫外線（ＤＵＶ）範囲のマイクロリソグラフィではよく使用される、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーである。
【００１６】
たとえば、ドイツ特許公告公報第４１２４３１１号によるミラー構造などのビームエキスパンダ１４はコヒーレンスを減少させると共に、ビームの横断面を、たとえば、ｙ＝３５±１０mm、ｘ＝１０±５mmまで拡大する。
シャッタ１３は、レーザー１の適切なパルス制御も適用できる。
【００１７】
本発明によれば、第１の回折光学ラスタ素子９が設けられており、この素子は対物レンズ２の物体平面を形成し、対物レンズの射出瞳には第２の回折光学ラスタ素子８が位置している。
【００１８】
入射光学系４は光をガラス棒５の入射面５ｅに伝達し、ガラス棒５は複数回の内部反射によって光を混合し且つ均質化する。射出面５ａのすぐそばには、調整自在の視野絞りであるレチクルマスキングシステム（ＲＥＭＡ）５１が配置された中間視野平面がある。レンズ群６１，６３，６５と、方向転換ミラー６４と、瞳平面６２とを含むその後に続く対物レンズ６は、レチクルマスキングシステム５１の中間視野平面をレチクル７上に結像する。
【００１９】
この照明光学系は、投影対物レンズ及び調整自在のウェハホルダと共に、電子素子のみならず、光学回折素子及び他の顕微構造素子から成るマイクロリソグラフィ用投影照明装置を形成する。
【００２０】
ウェハステッパの場合、チップに対応する構造をもつ面全体、一般には、たとえば、１：１から１：２、特に１：１．３の任意の縦横比を有する矩形をできる限り一様に、また、縁部をできる限り鮮明に、レチクル７の上で照明する。
ウェハスキャナの場合には、レチクル７の上で、細いストライプ、すなわち、１：２から１：８の縦横比を有する矩形を照明し、走査により、チップの構造を含む視野の全体を逐次照明して行く。この場合にも、（走査方向に対して垂直な方向にのみ）きわめて一様で、縁部が鮮明な照明を構成できる。
【００２１】
例外的なケースでは別の形状の照明面をレチクル７で得ることも可能である。レチクルマスキングシステム５１の開口とガラス棒５の横断面は、必要とされる形状に厳密に適合されている。
ガラス棒５の前方に配置される素子、特に光学ラスタ素子８及び９の構成は、入射開口５ｅができる限り均質になるばかりでなく、できる限り高い効率をもって、すなわち、入射開口５ｅとの付近で大きな光の損失を生じることなく照明が行われるように選択されている。
【００２２】
このために、以下のような措置がとられている。ビームエキスパンダ１４から射出する平行な光のビームは矩形の横断面を有し、その発散度はθｘ＝１ｍｒａｄ，θｙ＝３ｍｒａｄと回転対称ではない。このビームは、第１の回折ラスタ素子９によって、発散度、すなわち、光導値とその形状について、ほぼ円形，環形又は四重極分布を生じる程度にのみ変化され、その結果、第２のラスタ素子８の場所にある対物レンズ２の射出瞳も対応する形状で照明される。第１の回折ラスタ素子９の開口数は、たとえば、ＮＡ＝０．０２５になる。
【００２３】
対物レンズ２の物体平面で発散度が小さくなると、対物レンズ２を小さいレンズ直径で妥当なコストにより、適切な修正を容易に実行でき且つズーム領域を広くとれるように構成することが可能である。瞳が回転対称であるため、レンズの横断面は光束により十分に利用される。対物レンズ２の要求される開口数は、たとえば、０．０２５にすぎない。
【００２４】
ドイツ特許第４４２１０５３号の中で記載されているように、対物レンズ２は１対のアキシコン２１を一体に組込んだズーム対物レンズ２２である。焦点距離は三重拡張領域を伴って６００mmから２０００mmの範囲であるので、通常必要とされる値０．３≦σ≦０．９を有する一部コヒーレントな照明を実現できる。その場合、第２の回折素子８の瞳直径は５０mmから１００mmとなる。
１対のアキシコン２１の調整により、より適切な環状開口照明を設定できる。加えて、付加的な絞りを設けるか又は１対のアキシコン２１を特殊な角錐形とすることによって、多極照明、特に四重極照明を発生させることができる。
【００２５】
対物レンズ２は、ドイツ特許第４４２１０５３号に記載されている実施形態とは異なり、開口数を小さくすることによって簡易化されている。さらに、第１のラスタ素子９が二次光源として焦点面に位置し、第２のラスタ素子８は平行光路に位置している（像幅∞）ので、対物レンズ２はコンデンサである。１対のアキシコン２２も平行光路に配置されている。
第２のラスタ素子８は個々の角度の発散をもたらし、しかも、それは、ガラス棒５の入射面５ｅの縦横比、すなわち、ウェハステッパの場合には、たとえば、１：１．３の縦横比に対応する縦横比をもつ矩形分布を伴う。
【００２６】
そこで、第２の光学素子８が配置されている瞳中間平面で発生する発散分布を入射光学系４を介して視野分布としてガラス棒５の入射面５ｅに伝達されると、それは入射面５ｅに厳密に対応する形状と大きさを有する。
【００２７】
図２は、第１のラスタ素子９の特に有利な構成として、二次元ラスタの１つの素子９１の平面図を示す。発生させるべき回転対称形の発散分布に最も良く対応させることができるという理由により、素子９１は六角形であり、辺の離間距離ｒは典型的には１mmである。素子９１は蜂の巣状に組立てられて、二次元ラスタ素子９を形成する。レーザー波長ラムダが２４８ｎｍであるとき、出来上がる回折パターンの周期数は、０．０１４°の角度に対応して、ラムダ／ｒ＝２．４８・１０^-4である。したがって、入射するレーザービームは１ミリメートル未満の空間コヒーレンスを有し且つ発散は１桁大きくなるので、干渉パターンは発生しない。
【００２８】
ラスタの素子９１は凹形回折フレネルレンズである。素子は、（π／４）・ラムダの厚さを有する８つの環状の段９１１〜９１４等々を有する（図２では、段は４つしか示されていない）。それらの段は最小構造幅を１μｍとするフォトリソグラフィとエッチングによって製造される。
【００２９】
素子９１の開口はわずかＮＡ＝０．０２５である。多数の素子９１を組立てて、矩形の回折光学ラスタ素子９を形成し、ラスタ素子９は入射するレーザービームの横断面全体を覆う。回折効率は８０％を越える。
【００３０】
これにより、対物レンズ２の射出瞳、すなわち、第２の回折光学ラスタ素子８の場所で達成される半径方向輝度分布は、横断面として見ると、矩形関数に非常に良く近似しており、縁部脱落は連続し且つ急傾斜であって、幅の０．９倍、特に０．９５倍を越えるとき５０％の点を含む。その間に、輝度の推移は非常に均質になり、回転対称リプルは±５％以下であり、レーザー１の空間コヒーレンスと発散によって決まる。
【００３１】
第２の回折光学ラスタ素子８は、アナモルフォティック作用の強い直径が５０mmから１００mmの円板である。この素子は複数の回転対称構造をもつ、並列された二次元矩形素子８１から構成されている。それらの素子８１のうち１つが図３ａに平面図で概略的に示されている。辺の比ｘ／ｙはガラス棒５の入射面５ｅ及びレチクル７で照明される面の縦横比に対応し、この場合にはｘ＝１．５mm，ｙ＝２mmである。素子８１の大きさについても、素子９１に関して述べたことが当てはまる。素子８１の数は、コヒーレンス度σの調整が妨害作用を伴わずに０．３から０．９のままであるような数である。
【００３２】
素子８１も、約−１０．５mmの負の焦点距離を有する回折フレネルレンズ素子である。それらの素子は、０から６πｘラムダの不変の厚さ推移を有するグラウトンレンズとして製造されている。図３ａのｘ方向の横断面を示す図３ｂを参照すると、厚さは３つのリング８１１から８１ｉとして変化している。
発生する発散は、ガラス棒５の入射面５ｅの縦横比に対応するｘ／ｙ縦横比をもって、０．５°から７°である。
【００３３】
あるいは、図３ｃの横断面に示すように、素子８１を２進回折位相プロファイルレンズとして構成することもできる。すなわち、一様な高さπ・ラムダを有するが、幅も、間隔も異なるバー８２１〜８２ｉが回折構造として設けられている。エッチングの深さが少ないという利点はあるが、構造の幅が縮小するという問題もある。
【００３４】
図１に示す構造における第２の回折光学ラスタ素子８の全体は、ガラス棒５の入射面５ｅにおいて、均質な輝度分布をもたらし、ｘ方向とｙ方向に、高い面の領域で第１の回折ラスタ素子９により与えられたラスタ素子８の入射側の強さ分布と同じ縁部勾配と波形状を有する近似矩形関数をそれぞれ発生させる。
輝度分布がこのように均質であると、全ての材料横断面は一様になり且つ害を及ぼす輝度ピークなしに照射されるので、後続する光学系、特にガラス棒の照射エネルギーは非常に高くなる。
実施形態で示した回折光学ラスタ素子の代わりに、ＵＶ固定材料、特に石英から成る屈折レンズラスタを使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による照明手段の概略的概観図。
【図２】 第１の回折光学素子の１つのラスタ素子の概略的平面図とその位相プロファイルを示す図。
【図３】 第２の回折光学素子の１つのラスタ素子の概略的平面図（ａ）、そ回折ラスタ素子の位相プロファイルの図（ｂ）と別の２進回折光学素子の位相プロファイルを示す図（ｃ）。
【符号の説明】
１…レーザー、２…対物レンズ、４…入射光学系、５…ガラス棒、５ｅ…入射面、８…第２の回折光学素子、９…第１の回折光学素子、１４…ビームエキスパンダ、２１，２２…１対のアキシコン、８１，９１…ラスタ素子。

Claims (19)

1. 投影マイクロリソグラフィ装置の照明手段であって、
   レーザー(1) を備え、
   このレーザー(1) からのレーザービームを受けて横断面で矩形の発散分布の光束にするビームエキスパンダ(14)を備え、
   射出瞳および物体平面を持つレンズ(2)を備え、
   このレンズ(2) の前記物体平面またはそれの等価平面に配設された、多数の回折素子 (91) の二次元配列から成る第１の光学ラスタ素子(9)を備え、
   前記レンズ(2) の前記射出瞳またはそれの等価の面に配設された、多数の回折素子 (81) の二次元配列から成る第２の光学ラスタ素子(8)を備え、
   前記第１の光学ラスタ素子(9) は、ビームエキスパンダからの光束の矩形の発散分布を、前記円形，環形又は四重極形状の射出側での分布に変形させ、
   前記第２の光学ラスタ素子(8) は、方向によって決まる発散を生じさせる、
   ことを特徴とする、投影マイクロリソグラフィ装置の照明手段。
2. 請求項１記載の照明手段において、前記第１の光学ラスタ素子(9) の射出側での発散分布は、レンズ(2) が０．１未満の開口数しか必要としないように狭い、ことを特徴とする照明手段。
3. 請求項１記載の照明手段において、前記第１の光学ラスタ素子(9) の射出側での発散分布は、レンズ(2) が０．０３未満の開口数しか必要としないように狭い、ことを特徴とする照明手段。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の照明手段において、前記第２の光学ラスタ素子(8) は、照明手段の瞳として規定された平面であるレンズ(2) の前記射出瞳に配置されており、且つ発散を何倍にも増加させる、ことを特徴とする照明手段。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の照明手段において、前記第２の光学ラスタ素子(8) は、照明される照明視野が矩形になるように、発散分布をアナモルフォティックに変形させる、ことを特徴とする照明手段。
6. 請求項５に記載の照明手段において、矩形の照明視野の縦横比は１：１から１：２の範囲にあり、ウェハステッパに適している、ことを特徴とする照明手段。
7. 請求項５に記載の照明手段において、矩形の照明視野の縦横比は１：２から１：８の範囲にあり、ウェハスキャナに適している、ことを特徴とする照明手段。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の照明手段において、前記レンズ(2) はズームレンズである、ことを特徴とする照明手段。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載の照明手段において、前記レンズ(2) は、選択的に環状照明を発生させ得る１対の調整自在のアキシコン(21)を含む、ことを特徴とする照明手段。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の照明手段において、前記第２の光学ラスタ素子(8) の後に入射光学系(4) と、均質化ガラス棒(5) とが続いていて、前記ガラス棒(5) の横断面は照明手段の照明視野の縦横比に適合されている、ことを特徴とする照明手段。
11. 請求項１〜１０の何れか１項に記載の照明手段において、前記レーザー(1) と前記第１の光学ラスタ素子(9) との間に、ビーム横断面を拡大させ且つコヒーレンスを減少させるミラー構造(14)が設けられている、ことを特徴とする照明手段。
12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載の照明手段において、前記光学ラスタ素子(9,8) は多数の位相段フレネルレンズ(91,81) から構成されている、ことを特徴とする照明手段。
13. 請求項１２に記載の照明手段において、前記位相段フレネルレンズ(91,81) は８つまでの段を有する、ことを特徴とする照明手段。
14. 請求項１１または１２に記載の照明手段において、前記光学ラスタ素子(9,8) は、２進方式の光学素子である（図３ｃ）ことを特徴とする照明手段。
15. 請求項１２に記載の照明手段において、前記フレネルレンズ(91,81)は１μｍの最小構造幅を有し、マイクロリソグラフィによって形成される、ことを特徴とする照明手段。
16. 請求項１２〜１５の何れか１項に記載の照明手段において、前記光学ラスタの各回折素子は１ｍｍの大きさの寸法を有する、ことを特徴とする照明手段。
17. 請求項１２〜１６の何れか１項に記載の照明手段において、前記フレネルレンズ(91,81)は、非周期的位相シフトを除き、二次元で周期的に配列されている、ことを特徴とする照明手段。
18. 請求項１〜１７の何れか１項に記載の照明手段において、前記光学ラスタ素子(9,8)は、負の焦点距離を有する、ことを特徴とする照明手段。
19. 請求項１〜１８の何れか１項に記載の照明手段において、前記ラスタ素子(9,8) は光導値を向上させる、ことを特徴とする照明手段。

Images