JP4498060B2 - 投影光学系、露光装置及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に光学素子等の基材表面に成膜された薄膜、及びその薄膜を有する光学素子に係り、特に、半導体露光装置に用いられるレンズ、ミラー等の光学素子表面に成膜された多層膜に関する。本発明は、広い入射角で光学素子に光（例えばＥＵＶ光）が入射する場合において、その収差低減を目的とする多層膜に好適である。

半導体技術分野は集積回路素子の微細化とともに急速な発展を遂げている。半導体技術は主にリソグラフィ技術とエッチング技術とから構成されるが、このうちリソグラフィ技術による微細化は露光波長の短波長化・開口数の増大・露光方式の変更によって達成される。近年では、露光波長を従来の紫外線の１０分の１程度であるＥＵＶ波長（１０〜１５ｎｍ）とした投影リソグラフィ技術が開発されている。ＥＵＶ波長領域では光は物質に強く吸収されるため、投影光学系に屈折光学系を用いることができず反射光学系が使用される。また反射面には反射率向上を目的とした多層膜が成膜されている。

多層膜は実質的に周期構造になっており、ブラッグ条件：２ｄｃｏｓθ＝ｍλ（ｄ：周期長、θ：入射角、λ：露光波長）にしたがって反射率が向上するため、反射面の各点の入射角に対して最適な周期長が存在する。そこでＥＵＶ光の照射領域内で光の入射角度差が大きい反射面では反射位置によって周期長（すなわち膜厚）を変化させた傾斜膜が使用される。反射位置によって周期長が変化する膜を、傾斜をつけた膜、又は傾斜膜と呼ぶこととする。

多層膜によってＥＵＶ光の複素振幅反射率が変化するため、反射面でＥＵＶ光の反射率とともに反射位相も変化する。そのため最終的な光学系は薄膜を考慮して設計する必要がある。このときの回転対称な物体位置に対して同じ収差特性を持たせるため、膜厚の関数は光軸に対して回転対称であることが多い。ただし薄膜の回転対称軸を光軸から偏芯させる例も提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

薄膜を含めた投影光学系は透過率が大きく、透過率の均一性が高く、また波面収差が小さいことが求められる。しかし十分に収差が排除された投影光学系に反射率向上の目的で多層膜を成膜すると、光の反射位置が変化することと薄膜により反射位相が変化することから、全系の波面収差が劣化する。反射膜の膜厚分布は回転中心からの半径の多項式関数が使用されるが、薄膜を成膜したことによる波面収差の劣化を抑えるために、２次までの偶関数を使用することが多い。このように薄膜の傾斜が単純な関数で表せる場合、薄膜によって生じる収差は低次のものがほとんどである。それらは、ティルト成分とデフォーカス成分とを除くと低次の非点収差が主である。薄膜によって劣化した収差が低次である場合、光学系の面間隔補正のみである程度の収差補正が可能である。

薄膜が成膜された投影光学系の設計収差を低減させるために、例えば、薄膜の設計パラメータと光学系の設計パラメータとを同時に最適化するという方法（方法１）が考えられる。しかし、この方法では最適化するパラメータの数が多くなってしまい、現実的ではない。これに対して面間隔のみの再設計は比較的容易に行える。それは再設計される面変化の移動量が小さく、各面の光線の入射角の変化を無視できる程度なので、面間隔の再設計は薄膜の設計とは独立に行えるためである。そのため、薄膜を考慮せずに光学系を設計した後に薄膜を設計するという方法（方法２）も有効となる。このとき発生した収差は投影光学系の面間隔のみの再設計で抑える。方法２は、元来設計が複雑な投影光学系は薄膜を成膜せずにできる限り収差を小さく設計し、薄膜を成膜したときに発生する収差は光学系を微調整（すなわち面間隔調整）するだけで補正する、という思想からきている。
米国特許出願公開第２００３／００９９０３４Ａ１号明細書

しかしながら、例えば図９に示すようなＥＵＶ投影光学系においては、光学系に配置された各ミラーの反射面の反射位置によって光の入射角が異なるため、各反射面上に成膜された薄膜に起因する位相差（ここでは収差と同義である。）が発生してしまう。薄膜の成膜により、波面収差の大半をティルト成分、デフォーカス成分、低次の非点収差が占めることとなるが、これらの中には光学系の面間隔を調整してもなお残存する成分が存在する。

本発明は上記の事情に鑑みて為されたもので、透過率性能を十分に維持しつつ広い入射角に対応して収差を低減することのできる薄膜、その薄膜が表面に成膜された光学素子を提供することを例示的目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の例示的側面としての投影光学系は、入射光を反射する反射面として多層膜が成膜された光学素子を含む投影光学系であって、前記多層膜は、物体面にある物体の像を像面に投影する際に前記反射面に入射する光の入射角の大小関係と、該光が入射する位置における前記多層膜の周期長の大小関係とが逆となる部分を含むことを特徴とする。

上記の投影光学系において、多層膜は、反射面全面において周期数が一定であってもよい。周期長の分布が、前期光学素子の回転対称軸を中心として回転対称であってもよい。反射面に対する入射光の入射角が４°以上１５°以下であってもよい。

本発明のさらに他の例示的側面としての露光装置は、光源からの光でレチクルを照明する照明光学系と、レチクルのパターンを基板上に投影する上記の投影光学系とを備えることを特徴とする。

本発明のさらに他の例示的側面としてのデバイス製造方法は、上記の露光装置によって基板を露光する工程と、露光された基板を現像する工程とを有することを特徴とする。

本発明のさらに他の例示的側面としての光学素子の製造方法は、投影光学系に用いられ入射光を反射する光学素子に、反射面として多層膜を成膜して、光学素子を製造する製造方法であって、投影光学系の物体面にある物体の像を像面に投影する際に反射面に入射する光の入射角の大小関係と、該光が入射する位置における多層膜の周期長の大小関係とが逆になる部分を含むように多層膜を成膜することを特徴とする。

本発明の他の目的及び更なる特徴は、以下、添付図面を参照して説明される実施形態により明らかにされるであろう。

本発明によれば、ミラー等の光学素子の反射面上に形成する薄膜の厚さをコントロールすることにより、その反射面であえて収差を発生させて他の反射面で生じる収差をキャンセルさせることができるので、光学系全体として波面収差を低減することができる。また薄膜を光軸に対して回転対称な分布を持つように構成することにより、収差の回転対称性を保持することが可能となる。

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係る薄膜が成膜された光学素子について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る薄膜を模式的に示す断面図である。図１に示すように、光学素子表面に多層膜を成膜することにより、光線の反射位置変化による位相変化が生じる。その位相変化は、図中の光路長Ｌ１（図中太線部分）、光路長Ｌ２（図中二重線部分）、入射角φ、周期長ｄ、周期数ｎを用いて以下の式（１）により表される。ここではある１点の反射位置における多層膜の周期長は深さ方向に対して全層一定であるとしている。また周期数ｎは定数である。

また異なる画角からの光線は同一の反射位置に対して異なる入射角を有するが、入射角φは同一の反射位置に入射する光線の平均の入射角で定義した。薄膜による位相変化は、式（１）に基づいて生じるものと薄膜そのものに起因するものとを合計したものであるが、その大半は式（１）に基づく成分が占めている。

式（１）からわかるように、入射角を大きくする（φを９０°に近づける）につれてＣＯＳφの値は小さくなる。したがって、式（１）に係る位相変化を一定に維持するためには、反射位置における入射角が大きくなるほど周期長と周期数との積ｎｄ（以下、周期積ｎｄという。）を大きくする必要がある。すなわち図２に示すように、光学素子の周辺部分の薄膜の厚さを中央部分の薄膜の厚さよりも厚くする必要がある。

ここで上記した入射角と周期積ｎｄとの関係が逆になるようにした。すなわち、図３に示すように光学素子の周辺部分の薄膜の厚さを中央部分の薄膜の厚さよりも薄くし、あえて位相が変化するようにした。図３に示すような薄膜を有する面をＥＵＶ投影光学系に含めることにより、全系の収差をより小さくすることが可能となる。この薄膜による効果が大きい面は以下の面である。

本発明においては入射角と周期積ｎｄとの関係を特定付けて効果を発揮させるので、光軸に回転対称な傾斜膜を想定した場合は同半径上で入射角が異なってしまうような面では最適な周期積を特定しにくい。同半径上で光の入射角があまり変わらない面とは、光の照射領域が光軸を含まない面である（例えば、図４においては、光の照射領域が光軸Ｏを含まない反射面Ｍ１，Ｍ３，Ｍ４がこれに相当する。）。そのため本発明は光の照射領域が光軸を含まない面に適用した方が効果が大きい。

同時に面内で入射角幅もある程度大きい方が効果が高い。図１０はある入射角と入射角幅に対してティルトをＰＶ（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｖａｌｌｅｙ、すなわち最大値と最小値との差。）０．６λ発生させようとしたときに、反射面における入射光の入射角が大きくなるにしたがって薄膜の膜厚が薄くなる領域（斜線領域）を示している。例えば反射面における入射光の入射角が２５°以下で構成される投影光学系では入射角幅が４°以上の面に本発明を使用すべきであることがわかる。

本発明に係る薄膜は光学系全系の収差を低減させることを目的としている。一方、この薄膜をＥＵＶ投影光学系の反射面に成膜した場合、その本来の目的はＥＵＶ光の反射率を向上させることにある。したがって、ＥＵＶ光の反射性能に敏感な反射面では薄膜の設計自由度が小さく、そのような反射面には本発明に係る薄膜を適用しにくい。

具体的には、光の入射角が大きい反射位置では一般的に反射率が小さいので、その反射率を向上させるために薄膜の周期長の自由度が小さくなっている。本発明に係る薄膜は、周期積ｎｄの自由度の範囲で収差を発生させなければならず、収差低減の効果を発揮しにくくなっている。したがって、本発明に係る薄膜を適用する面は入射角が１５°を超えないような面が好ましい。

［実施例］
本発明に係る薄膜をＥＵＶ投影光学系に適用した場合の効果について説明する。本実施例では全系の波面収差のうちティルト成分を低減させた例について説明する。ＥＵＶ投影光学系に開口数ＮＡ＝０．２８、縮小比４：１のものを採用する。図４にこの実施例に係るＥＵＶ投影光学系１の光路図を示す。ＥＵＶ投影光学系１に用いられる光学素子（ミラー）の各光学面（反射面）に勾配を持った多層膜を成膜する。多層膜は厚さ４．０７ｎｍのシリコン（Ｓｉ）層と厚さ２．８４ｎｍのモリブデン（Ｍｏ）層とによって構成され、この２層を１組として４０組（４０周期）積層されている。周期長分布は光軸を中心とする回転対称な分布になっていて、光軸からの半径の関数として２次以下の多項式で構成される。

表１は、本実施例において使用するＥＵＶ投影光学系１の各設計値を示した表である。表中のＡ〜Ｊは非球面係数を表し、式（２）によって非球面を定義する。

表２は、本実施例で使用した薄膜の各設計値（第１例）を示した表である。表中のＣ０〜Ｃ２は傾斜膜の膜厚分布の形を表す係数であり、式（３）によって傾斜膜の膜厚分布を表す。

第１例は、第１の反射面（Ｍ１）に本発明に係る薄膜を適用した例である。表３は、各反射面で収差が小さくなるように設計された薄膜の設計値（第２例）を示した表である。第２例は、参考のために例示したものであり、反射面には本発明に係る薄膜を適用していない。

本実施例では、所定の等しい周期長の膜が周期数だけ積層した多層膜を考えている。そのため周期長の比率と膜厚の比率とは等しい。図５に第１の反射面（Ｍ１）の光軸からの半径と半径に対する膜厚（周期長）の分布と入射角分布との関係を示した。

表４は、本発明に係る薄膜が奏する効果を第１例と第２例とを比較して示した表である。表４は、各反射面で発生する収差のうちティルト成分を表している。表中の値の単位はλ（１３．５ｎｍ）であり、１波長の長さ１３．５ｎｍに対し、どの程度の比率で収差が発生するかを示している。本発明に係る薄膜を第１の反射面（Ｍ１）に適用したことにより、第１の反射面（Ｍ１）のティルト成分が全系の収差を小さくするように発生していることがわかる。また表５は、第１例、第２例における光学系の性能（波面収差、透過率の平均値、透過率分布）を示した表である。本発明によって上記の効果を奏するに伴って、光学系や薄膜の設計、成膜、作成に制約を与えることがないことがわかる。

［実施の形態２］
図６は、本発明の実施の形態２に係る露光装置を概略的に示した図である。この露光装置Ｓは、露光原版としてのレチクル５１上の回路パターンを被処理体としてのウエハ５２上に露光するためのものである。この露光装置Ｓは、例えばＥＵＶ光源５３からの光をレチクル（マスク）５１上に導く照明光学系５４、レチクル５１上の回路パターン像をウエハ５２上に投影する投影光学系５５を有して構成される。

照明光学系５４は光学素子としてのミラー５４ａ，５４ｂを有している。投影光学系５５も光学素子としてのミラー５５ａ，５５ｂを有している。これらのミラー５４ａ，５４ｂ，５５ａ，５５ｂには、上述の実施の形態１に係る薄膜が成膜されている。したがって、ミラーの収差が低減し、露光装置Ｓは高精度に露光を行うことができる。

［実施の形態３］
次に、図７及び図８を参照して、上述の露光装置Ｓを利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。図７は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１０１（回路設計）ではデバイスの回路設計を行う。ステップ１０２（レチクル製作）では、設計した回路パターンを形成したレチクルを製作する。ステップ１０３（ウエハ製造）ではシリコンなどの材料を用いてウエハ（基板）を製造する。ステップ１０４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、レチクルとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。ステップ１０５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ１０４によって作成されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ１０６（検査）では、ステップ１０５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ１０７）される。

図８は、ステップ１０４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１１２（ＣＶＤ）では、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１１３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１１４（イオン打ち込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１１６（露光）では、露光装置Ｓによってレチクルの回路パターンをウエハに露光する。ステップ１１７（現像）では、露光したウエハを現像する。ステップ１１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施の形態の製造方法によれば従来よりも高品位かつ高集積度のデバイスを低コストに製造することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。

本発明の実施の形態１に係る薄膜を模式的に示す断面図である。 光学素子の周辺部の薄膜の厚さを中心部の薄膜の厚さよりも厚くした様子を説明する断面図である。 光学素子の周辺部の薄膜の厚さを中心部の薄膜の厚さよりも薄くした様子を説明する断面図である。 本発明の実施例に係るＥＵＶ投影光学系の光路図である。 図４に示すＥＵＶ投影光学系の第１の反射面の光軸からの半径と半径に対する膜厚（周期長）の分布と入射角分布との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る露光装置の概略構成図である。 図６に示す露光装置によるデバイス製造方法を説明するためのフローチャートである。 図７に示すステップ１０４の詳細なフローチャートである。 従来のＥＵＶ投影光学系の光路図である。 ＰＶ０．６λのティルトを発生させようとした場合に、反射面における入射光の入射角が大きくなるにしたがって薄膜の膜厚が薄くなる領域を示すグラフである。

符号の説明

Ｓ：露光装置
１：ＥＵＶ投影光学系
Ｍ１〜Ｍ６：反射面
Ｌ１，Ｌ２：光路長
５１：レチクル
５２：ウエハ（被処理体）
５３：ＥＵＶ光源
５４：照明光学系
５４ａ，５４ｂ：ミラー
５５：投影光学系
５５ａ，５５ｂ：ミラー

Claims (7)

1. 入射光を反射する反射面として多層膜が成膜された光学素子を含む投影光学系であって、
   前記多層膜は、物体面にある物体の像を像面に投影する際に前記反射面に入射する光の入射角の大小関係と、該光が入射する位置における前記多層膜の周期長の大小関係とが逆となる部分を含むことを特徴とする投影光学系。
2. 前記多層膜は、前記反射面全面において周期数が一定であることを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
3. 前記周期長の分布が、前記光学素子の回転対称軸を中心として回転対称であることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影光学系。
4. 前記反射面に対する前記入射光の入射角が４°以上１５°以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投影光学系。
5. 光源からの光でレチクルを照明する照明光学系と、
   前記レチクルのパターンを基板上に投影する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の投影光学系と、を備えた露光装置。
6. 請求項５に記載の露光装置によって基板を露光する工程と、
   露光された前記基板を現像する工程とを有するデバイスの製造方法。
7. 投影光学系に用いられ入射光を反射する光学素子に、反射面として多層膜を成膜して、前記光学素子を製造する製造方法であって、
   前記投影光学系の物体面にある物体の像を像面に投影する際に前記反射面に入射する光の入射角の大小関係と、該光が入射する位置における前記多層膜の周期長の大小関係とが逆になる部分を含むように、前記多層膜を成膜することを特徴とする製造方法。