JP4228454B2

JP4228454B2 - 光学部材、光学部材の選定方法、並びに光学部材を用いた光露光装置及びその光学系

Info

Publication number: JP4228454B2
Application number: JP05536899A
Authority: JP
Inventors: 繁佐久間; 孝司森
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2019-03-03
Also published as: JP2000235118A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外光または真空紫外光を用いた各種機器、たとえばステッパー、ＣＶＤ装置、核融合装置等のレンズ、窓材等の光学系に使用される光学部材とその選定方法、及びそれを用いた光学系、その光学系を含むステッパー、スキャナー等の光露光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年におけるVLSIは、高集積化、高機能化が進行し、ウェハ上の微細加工技術が要求されている。その加工方法として、光リソグラフィーによる方法が一般的に行われている。現在では、露光波長がしだいに短波長となり、ＫｒＦエキシマレーザー光（波長248nm）を光源とするステッパーが市場に登場してきている。248nm以下の波長で光リソグラフィー用として使える光学材料は非常に少なく、ほとんどの光学材料が蛍石と石英ガラスの２種類で製造されている。
【０００３】
従来蛍石は、ブリッジマン法で製造されている。通常のブリッジマン法で蛍石を成長させ、インゴットから目的とする素材サイズに直接切り出すこともあるが、体積が増大すればするほど複屈折や屈折率不均質が大きくなるため、複数のブロックに切断後、さらに熱処理工程を加えて、品質を向上させることが行われている。
【０００４】
このような光学部材を使用するとき問題となる現象の一つに複屈折の問題がある。複屈折とは、光が光学部材中を通過するとき、その偏光方向によって屈折率が違う現象であり、通常、光学部材１cm当りの偏光方向による最大の光路差（nm/cm）で表されている。
【０００５】
従来の光学材料の複屈折（歪と呼ぶことも多い）の測定は、日本光学硝子工業会規格によれば、「測定は、試料が直方体の場合は、各辺の中央で縁から幅の５％入った４点において、円柱の場合は、縁から互いに垂直な直径の５％入った４点において測定する。」と書かれており、「ひずみの程度は、試料の各測定点におけるひずみ量の最大値を、規格中の表１（省略）により分類し、その級を表示する。」とある。つまり、その最大値が基準値となる。
【０００６】
このように、従来、複屈折の測定は、試料のある数点を測定者が測定するものであり、数十点、数百点にも及ぶ測定は事実上不可能であった。さらに、遅相軸（または進相軸）といった量まで正確に測定することは行われていなかった。
【０００７】
特開平８−５８０１号公報には、光リソグラフィー用として必要となる蛍石が説明してあり、そこでは、350nm以下の特定波長帯域で使用される場合、３座標方向のいずれの方向においても複屈折による光路差が10[nm/cm]以下であることを特徴とした蛍石が記載されている。
【０００８】
また、特開平８−１０７０６０号公報には、400nm以下の特定波長領域で使用される光リソグラフィー用光学部材で、0.3μｍ以下の露光・転写パターンを実現するために使用されるものとして、複屈折量の絶対値が２[nm/cm]以下である光学部材が記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、３座標方向の複屈折による光路差を10[nm/cm]以下にすることは難しく、特に蛍石の周辺部においてはなかなか改善することができなかった。ましてや、直径100mmを越えるような蛍石で、複屈折による光路差が2[nm/cm]以下のものはほとんど入手不可能であった。よって、結局、使用する蛍石のために、光学系全体として複屈折が大きくならざるを得ないと考えられていた。また、複屈折の小さな蛍石を選定するためには、多くの蛍石から良好なもののみを選定せざるを得ず、歩留りが悪くなり、選定された蛍石が高価なものとなるという問題点もあった。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、最大光路差が５[nm/cm]を超えるような光学材料であっても、高分解能の光学系に使用できるものを提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に関連する第１の光学部材は、波長300nm以下の光を透過する光学部材であって、複屈折による光路差の最大値が５[nm/cm]以上であり、光軸となる部分を中心とする２次元極座標系（ｒ，θ）で表したとき、２点以上の点で測定された複屈折量のうち、以下の（１）式で定まるΔn(r,θ)の平均値が、所定値以下であることを特徴とする光学部材である。
Δn(r,θ)＝｜Ret・（2(cosφ)²-1)| …（１）
ここで、Ret(r,θ)は複屈折の大きさ、φはθ方向を基準にして計った遅相軸又は進相軸の向きを示す。
【００１２】
複屈折がある場合は、偏光面が直交した２つの直線偏向の光が、媒体を通り抜けるときに、屈折率の差により位相が変化する。すなわち、一つの偏光に対して、もう一つの偏光の位相が進んだり、遅れたりすることになるが、その差が最大になる偏光方向が存在する。この時の、位相が進む方の偏光方向を進相軸と呼ぶ（遅れる方は遅相軸といい進相軸と直交する）。発明者は、オーク製作所のＡＤＲという自動測定機を用いて、この複屈折と遅相軸の向きを、測定試料内の多数の点（最大1,000点）で自動測定した。ＡＤＲでは、遅相軸又は進相軸の向きと、光路差（＝位相差×波長／（２π））が求められる。
【００１３】
図６にＡＤＲの概略構成図を示す。光源からの光は、偏光子２１により、水平方向からπ/4だけ傾いた偏波面を持つ直線偏光に変えられる。そして、光弾性変調器２２により、位相変調を受けて、被検物２３に照射される。すなわち、位相の変化する直線偏光が、被検物２３に入射する。被検物２３を透過した光は、検光子２４に導かれ、水平方向に偏波面を持つ偏光のみが検光子２４を透過し、光検出器２５で検出される。光弾性変調器２２により発生する所定の位相遅れのときに、どれだけの光量が検出器２５で検出されるかを、位相遅れの量を変えながら測定することにより、ｎ’＞ｎ”として、遅相軸の方向とその屈折率ｎ’、及び進相軸における屈折率ｎ”を求めることができる。
【００１４】
一般的には、複屈折というと、媒体の単位長さ当たりに生ずるこの光路差のことをいい、［nm/cm］単位で表わす。時としては、歪（ひずみ）と呼ぶことも多い。これは熱応力などによる歪が原因で、複屈折を生じるためである。合成石英ガラスは、アニール（または徐冷）によって歪を取り除いており、その複屈折を、ＡＤＲを用いて測定すると、図４のようになる。各測定点において、複屈折の値の大きさが円の大きさで示され、短い実線が遅相軸を示している。光学ガラスでは、このように光学ガラスの中心に対して、複屈折の大きさ、遅相軸ともに、軸対称性を示している。そして、複屈折の大きさは、中心から外側に向かうにしたがって、大きな値を持つようになる。
【００１５】
ステッパーの投影レンズのように、複数枚の光学材料を用いて光学系とする場合、個々のレンズの光学歪みの方位（進相軸または遅相軸の方位）が揃っている場合には歪みが加算される結果となる。したがって、ステッパーの投影レンズに用いる光学材料には、最大複屈折が２[nm/cm]以下といった厳しい要求がなされることもある。
【００１６】
しかし、本発明者らが蛍石の複屈折を測定したところ、図５のようになった。この図を見ると複屈折の大きさは、外周部に大きな部分があるが、遅相軸の向きは、一見するとランダムに見える。このように遅相軸の向きが不揃いである場合、たとえば２枚のレンズを通過したときに、これらのレンズの遅相軸の向きが90゜異なっていれば、複屈折は打ち消す形になる。つまり、蛍石においては光学ガラスと同様な考え方で複屈折の小さい材料を組み合わせる必要がなく、光軸を中心とした同一半径の点における複屈折の平均値が所定値以下の材料を組合せればよいことを意味する。
【００１７】
そこで、本発明者らは、２つの要素、すなわち遅相軸（または進相軸）と複屈折の大きさを考慮した、蛍石の複屈折の評価基準、及びその複屈折のレンズ性能への影響を鋭意研究した。
【００１８】
従来技術の説明において述べたように、品質向上のため、レンズ形状に加工される前にディスク形状にて熱処理が施される。従って、素材の複屈折に何らかの対称性があるとすればディスク形状に沿った回転対称性であり、ディスク中心（光軸となる部分）を原点とした極座標系でその分布を解析することが非常に有効であることに思い至った。
【００１９】
図２に、試料（被検材）における複屈折の様子を、屈折率楕円体を用いて示したものを示す。図２において、１は試料、２は、ｎ’＞ｎ”としたときの、試料の光軸となる中心部Ｏを中心とする極座標で（ｒ，θ）で表される点Ｐにおける屈折率楕円体の断面、３は遅相軸、４は進相軸を示す。すなわち、点Ｐにおける複屈折の大きさ（進相軸と遅相軸における屈折率の差）がＲet[無次元]であり、遅相軸が点Ｐにおいて、θ方向に対してさらに角度φだけ回転しているとする。ここで、遅相軸３方向における屈折率はｎ’、進相軸４方向における屈折率はｎ”である。このとき、試料１のradial方向に偏光した直線偏光に対する屈折率ｎ_rと、tangential方向に偏光した直線偏光に対する屈折率ｎ_tの差の絶対値、Δｎ=|ｎ_r-ｎ_t|、はその値が小さい場合、近似的に次のように計算することができる。
【００２０】
まず、図２において、Ｐ点を原点とし、θ方向をｘ_r軸、それと直角な方向をｘ_t軸とする直交座標系ｘ_r−ｘ_tと、それをφだけ回転させた直交座標系ｘ_s−ｘ_fを考える。すると、ｘ_s−ｘ_f系において、屈折率楕円体の断面２は、
ｘ_s ²／ｎ’²＋ｘ_f ²／ｎ”²＝１ …（２）
で表される。ここで、屈折率の差の最大値をRet[無次元]とすると、
Ret（r,θ）＝ｎ’-ｎ” |Ret|≪１ …（３）
である。
【００２１】
屈折率楕円体の断面２を直交座標系ｘ_r−ｘ_tで表すと、座標変換を行って、
(x_rcosφ−x_tsinφ)²/n'²+(x_rsinφ+x_tcosφ)²／n"²=1 …（４）
ここで、ｘ_t＝０とおくことで、
n_r ²＝n'²n"²／（n"²cos²φ＋n'²sin²φ） …（５）
ｘ_r＝０とおくことで、
n_t ²＝n'²n"²／（n"²sin²φ＋n'²cos²φ） …（６）
となる。
【００２２】

ただし、（８）、（９）、（10）式においては、いずれもRet≪１を利用しており、(11)式においては、(n"/n')≒１の関係を利用している。
【００２３】
これらから、
Δｎ(r,θ)＝|ｎ_r-ｎ_t|＝ |Ret(r,θ)・（2(cosφ)²-1)| …（１）
が得られる。
【００２４】
ｎ’＜ｎ"の場合には、前記遅相軸が進相軸となるのでRet[無次元]が負の数となるが、考え方は全く同様であり、（１）式の右辺に絶対値記号を入れてあることで同じ式が使える。よって、光学部材の複屈折による光路差の最大値が５[nm/cm]以上であっても、前記（１）式で示される△ｎ(r,θ)を、同一のｒの点について平均した平均値の、ｒを変化させたときの最大値が所定値以下であれば、光リソグラフィー用の光学部材として十分使用が可能である。
【００２５】
本発明に関連する第２の光学部材は、前記第１の光学部材であって、素材が蛍石であることを特徴とするものである。
【００２６】
図５に示したように、蛍石においては、光軸を中心として同一半径の点に注目した場合、複屈折の値は大きくても、その遅相軸の向きがランダムになっている。よって、前記（１）式のΔn(r,θ)を、同一のｒの点について平均した平均値は、いずれのｒについても小さくなることがわかる。
【００２７】
本発明に関連する第３の光学部材は、前記第１又は第２の光学部材であって、前記最大値が、２[nm/cm]以下であることを特徴とするものである。
【００２８】
第３の光学部材においては、前記（１）式の△ｎ(r,θ)を、同一のｒの点について平均した平均値の、ｒを変化させたときの最大値が、前記特開平８−１０７０６０号公報にある複屈折量の絶対値に対応するものである。すなわち、△ｎ(r,θ)を２[nm/cm]以下とすることにより、0.3μｍ以下の露光・転写パターンを実現するために使用することができる。
【００２９】
前記課題を解決するための第１の手段は、波長300nm以下の光を透過する光学部材であって、複屈折による光路差の最大値が５[nm/cm]以上であるもののうちから、使用する光学部材を選定する方法であって、光軸となる部分を中心とする２次元極座標系（ｒ，θ）で表したとき、２点以上の点で測定された複屈折量のうち、以下の（１）式で定まるΔn(r,θ)を、同一のｒの点について平均した平均値の、ｒを変化させたときの最大値が、所定値以下であるものを選定することを特徴とする光学部材の選定方法（請求項１）である。
Δn(r,θ)＝|Ret(r,θ)・（2(cosφ)²-1)| …（１）
ここで、Ret(r,θ)は複屈折の大きさ、φはθ方向を基準にして計った遅相軸又は進相軸の向きを示す。
【００３０】
本手段によれば、前記第１の光学部材で説明したように、今まで使用できないと考えられていた複屈折の大きな光学部材を、使用することが可能となる。
【００３１】
本発明に関連する光学系は、前記第１の光学部材から第３の光学部材のいずれかを複数の所定枚数使用した光露光装置の光学系である。
【００３２】
本光学系によれば、今まで使用できないと考えられていた複屈折の大きな光学部材を使用することが可能であるので、光学系を安価なものにすることができる。
【００３３】
本発明に関連する光露光装置は、前記光学系を有してなる光露光装置である。
【００３４】
本光露光装置においては、前記光学系を使用しているので、安価な光露光装置とすることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図３に、本発明の実施の形態である光学部材を使用する光露光装置及びその光学系の概要を示す。図３において、１１は光源、１２は照明光学系、１２ａはアライメント光学系、１２ｂは照明レンズ、１３はレチクル、１４はレチクルステージ、１５は投影光学系、１５ａはアパーチャー、１５ｂは投影レンズ、１６はウェハー、１７はウェハーステージ、１８はレチクル交換系、１９はウェハーステージ制御系、２０は主制御部である。
【００３６】
光源１１から出た照明光、たとえばＫｒＦエキシマレーザー、ＡｒＦエキシマレーザーからの光は、照明光学系１２の照明レンズによって均一照明光となり、レチクルステージ１４上に載置されたレチクル１３の表面を照明する。レチクル１３に設けられたパターンを通過した光は、投影光学系１５のアパーチャ−１５ａを通過した後、投影レンズによって、ウェハー１６の表面にレチクル１３のパターンの像を結像する。照明光学系１２には、レチクル１３とウェハー１６の間の相対位置を調節するためのアライメント光学系１２ａが設けられている。また、付属装置としてレチクル交換系１８やウェハーステージ制御系１９が設けられ、装置全体は主制御部２０によって制御されている。
【００３７】
光源から出た光は、アライメント光学系１２ａ、照明レンズ１２ｂ、投影レンズ１５ｂ等の多数の光学部材を通過することになる。光露光装置に、本発明に係る光学部材を使用することにより、従来使用できないと考えられていた光学部材を使用することができるようになり、コストを低減することができる。
【００３８】
【実施例】
平行平面が{111}である、蛍石(サイズがφ200×50mm)の複屈折分布をＡＤＲで測定した。測定位置は、中心より半径方向の幅５mm、円周方向の幅30°とした。図１に、同一半径の点における複屈折量の平均値と半径の関係を示す。同一半径の点における複屈折量の平均値の絶対値は、どの半径においても0.5×10^-7以下となっていることがわかる。
【００３９】
この材料において、複屈折の最大値は6.2[nm/cm]となった。従来は、この値は大きすぎると判断し、投影レンズとして使用することができなかったが、この平均値の値を鑑みれば、この蛍石を用いることが全く問題ないことがわかる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複屈折の最大値が比較的大きく、従来投影露光装置のレンズ等の光学部材として使用不可能であると考えられていたものを、使用することが可能となった。よって、特に、蛍石の不良率が大幅に減り、材料単価が低減され、投影露光機の単価を下げることが可能となった。
【００４１】
【図面の簡単な説明】
【図１】蛍石において、Δn(r,θ)の測定値を光軸を中心とした半径が同一なものについて平均した値と、当該半径との関係を示す図である。
【図２】測定試料のある点における屈折率楕円体の断面を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の一例である光露光装置の概要を示す図である。
【図４】合成石英ガラスをＡＤＲで自動測定した複屈折分布を示す図である。
【図５】蛍石をＡＤＲで自動測定した複屈折分布を示す図である。
【図６】ＡＤＲの概略構成を示す図である。
【００４２】
【符号の説明】
１…試料、２…屈折率楕円体の断面、３…遅相軸、４…進相軸、１１…光源、１２…照明光学系、１２ａ…アライメント光学系、１２ｂ…照明レンズ、１３…レチクル、１４…レチクルステージ、１５…投影光学系、１５ａ…アパーチャー、１５ｂ…投影レンズ、１６…ウェハー、１７…ウェハーステージ、１８…レチクル交換系、１９…ウェハーステージ制御系、２０…主制御部

Claims

波長300nm以下の光を透過する光学部材であって、複屈折による光路差の最大値が５[nm/cm]以上であるもののうちから、使用する光学部材を選定する方法であって、光軸となる部分を中心とする２次元極座標系（ｒ，θ）で表したとき、２点以上の点で測定された複屈折量のうち、以下の（１）式で定まるΔn(r,θ)を、同一のｒの点について平均した平均値の、ｒを変化させたときの最大値が、所定値以下であるものを選定することを特徴とする光学部材の選定方法。
Δn(r,θ)＝|Ret(r,θ)・（2(cosφ)²-1)| …（１）
ここで、Ret(r,θ)は複屈折の大きさ、φはθ方向を基準にして計った遅相軸又は進相軸の向きを示す。