JP4548449B2 - 照明光学装置および露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を製造する露光装置に関し、特に露光装置に用いられる
照明光学装置に関する。

従来の照明光学装置は、例えば、特開平１−１９８７５９号公報（特許文献１）に開示されたものがある。
一般に、レーザー光源の半値幅をΔλ、波長をλとすると、時間的可干渉長（コヒーレンス長）ｔｃは、
ｔｃ＝λ² ／Δλ
で与えられる。波長λ＝２４８ｎｍで半値幅Δλ＝０．８ｐｍの場合は時間的コヒーレンス長ｔｃ＝７７ｍｍとなり、波長λ＝２４８ｎｍで半値幅Δλ＝０．６ｐｍの場合は時間的コヒーレンス長ｔｃ＝１０３ｍｍになる。そこで、従来では、図１０に示されるように、光路中に、ハーフミラー及び反射部材からなる光遅延素子を挿入することで、コヒーレンス長以上の光路差を設け、可干渉性（コヒーレンシー）の低減をはかっていた。光遅延素子は、原理的には遅延光路中を無限回廻って光が出てくるが、ハーフミラーの反射率や反射部材の反射率等から、ハーフミラー反射率をを３３％から５０％程度に設定することが一般的である。この様な反射率に設定することで、１パーセント程度の光エネルギーまで取ると、光遅延素子をおおむね２回から３回廻って出てくる光まで使用することが出来る。
特開平１−１９８７５９号公報

上述の様に、従来では、コヒーレンス長として、光源全体のスペクトル分布から求めた値を用いていた。
しかしながら、エキシマレーザー光源を用い、一様な照明を得ようとした場合、上述の様なコヒーレンシー低減手段を用いても、期待通りの一様な照明が得られないことが判明した。

本発明は、上記の問題点に鑑み、エキシマレーザー光源を使用した場合でも、十分なコヒーレンシーの低減を行うことのできる照明光学装置及びそれを用いた露光装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を達成するために、微小コヒーレント素光源が多数集まって形成されたコヒーレント光源と、該コヒーレント光源からの光束を分割し、分割された一方の光束を遅延光路に廻し、再び分割した光路に戻す光遅延素子と、を有する照明光学系において、前記光遅延素子の遅延光路の光路長を、前記微小コヒーレント素光源の可干渉長以上に設定する事を特徴とする照明光学装置を提供する。また、この照明光学装置を備えた露光装置及び露光方法を提供する。

更に、本発明では、コヒーレント光源と、該コヒーレント光源からの光束を分割し、分割された一方の光束を遅延光路に廻し、再び分割した光路に戻す光遅延素子と、を有する照明光学系において、前記光遅延素子は、光束を分割するための光束分割部材と、該光束分割部材からの光束が入射する反射部材と、を有し、前記光束分割部材の入射面は、前記反射部材の入射面に対し直交するように配置されることを特徴とする照明光学装置をも提供する。

以上のように、本発明により、簡単な構成でコヒーレンシーの低減を十分に行える事が出来る。また、エネルギー密度の低減も十分におこなえることになる。

エキシマレーザーは、スペクトル分布の半値幅を狭くする為に、回折格子（グレーティング）Ｇを用いている。この様に、グレーティングＧを内部に有しているレーザー光源の場合には、図９に示すように、分光部分の射出スリットＳ上（例えば、図９（ａ）の＋ｐ／２、０、−ｐ／２位置）に、波長分布が生じる。つまり、分光部分の射出スリット上に形成された微小な光源のスペクトル分布が多数集まって、光源全体のスペクトル分布が形成されている。

この様に、微小な素光源が多数集まって形成されていると考えられる光源の場合で、隣合う微小な光源が分離して観察できる空間分解能ｐ（これはエキシマレーザーの発散角ωからおおよそ推定でき、ｐ〜λ／ωである）がスリット幅Ｐよりも細かい（小さい）ときには、可干渉長を、この空間分解能内での波長分布Δλｐから求まる可干渉長ｔｃｐ
ｔｃｐ＝λ² ／Δλｐ
で考える必要がある。（ここで、ｔｃ＜ｔｃｐである。）その理由は、遅延素子によって、このスリットの像が多数生成されると、遅延の光路長がスリットの全波長分布から決まる可干渉長ｔｃでしかない場合、各スリット像の任意の空間分解能サイズからの光は互いに干渉するからである。そしてこの干渉に因って被照射面上に干渉縞やスペックルを発生する事になる。

例えば、従来の技術のところで述べたエキシマレーザーの場合、半値幅Δλ＝０．８ｐｍの場合はｔｃｐ＝１５４ｍｍとなり、半値幅Δλ＝０．６ｐｍの場合はｔｃｐ＝２０６ｍｍになる。
本発明では、光遅延素子の遅延光路の光路長を、コヒーレント光源のスリットの空間分解能内の光の波長分布で決まる可干渉長ｔｃｐより長くする事により、または被照射面であるレチクルと共役な光源近傍の位置での空間分解能内の光の波長分布で決まる可干渉長ｔｃｐより長くする事により、照明むらを無くすことが出来る。

尚、上記説明では、分光部分の射出スリット上に波長分布が生じる、と説明したが、射出光束が波長分布を生じるような特性となっいればよい。また、上記説明では、エキシマレーザーを例に採ったが、エキシマレーザーのみならず、微視的にコヒーレント素光源が多数集まって形成された特性のコヒーレント光源であれば、本発明を適用することが有効であり、コヒーレンスの低減を行うことができる。

以下に、本発明による照明光学装置の基本的配置の実施例を、図１を参照しながら説明する。ここに示す実施例の照明光学装置は、光路順に、エキシマレーザー１、デポラライザー３、第１の光遅延素子４、第２の光遅延素子５及びフライアイオプティカルインテグレータ７を配置している。尚、これらの素子の間には、照明光学装置のチャンバー内の空間を有効に活用するため、幾つかミラーが配置されており、光路は折り曲げられている。

デポラライザー３は、図２に示すように、偏光ビームスプリッタ３１、３４及び反射ミラー３２、３３からなっている。偏光ビームスプリッタ３１は入射光線を、Ｐ偏光及びＳ偏光に分離して射出する。そして、Ｐ偏光は、偏光ビームスプリッタ３１、偏光ビームスプリッタ３４の順に進行し、Ｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ３１、反射ミラー３２、反射ミラー３３、偏光ビームスプリッタ３１の順に進行する。ここで、偏光ビームスプリッタ３１及び３４は、石英基板等に薄膜を施し、入射角がほぼブリュースターアングル５６．５度から、薄膜の設計によっては６５度近傍までなるように傾けて使用し、主にＳ偏光を反射させＰ偏光を透過させる。さらに、反射したＳ偏光を、反射ミラー３１で光路を光路長が前記のスリットの空間分解能内の波長分布できまるコヒーレンス長ｔｃｐ＝１５４ｍｍ以上になる距離分だけ離してある。そして、Ｓ及びＰの両偏光は、ビームスプリッタ３４で再び同一光路に戻る。

このデポラライザー３の働きでＰ偏光とＳ偏光とは振幅の干渉作用が無くなるが、Ｐ偏光、Ｓ偏光からそれぞれ派生した円偏光同士、楕円偏光同士も振幅の干渉が無くなる。そのため、不図示のウエハ上でもデポラライズされた状態が達成できる。
デポラライザー３の調整は、一般には、単体ではオートコリメータを使用して、角度を合わせている。そのため反射ミラーの表面にはエキシマ光を反射する反射膜を蒸着し、裏面には可視光を反射する反射膜を蒸着する。この様な反射膜を蒸着した反射ミラーを用いることで、従来のように、デポラライザー部分を抜き出して調整し、再び光路中へ戻すといった工程を無くすことができる。この様に、本実施例中のデポラライザー３の調整は、光路に配置したままオートコリメータによる調整を行うことができる。偏光度の調整は全体を光軸回りに回転させることで調整する。

光遅延素子４は、図３（ａ）に示すように、ハーフミラー４１及び３枚の反射ミラー４１、４２、４３で構成され、ハーフミラー４０を反射した光と透過した光とで２ｄの光路差が生じるように配置されている。このようにすれば、分割された波連において偏光を除去でき、コヒーレンシーを低減できるようになるからである。また、本実施例では、ハーフミラー４１を最初に透過する光線を基本光線としている。ここで、ハーフミラー４１の反射率は、平均で３３％から５０％程度である。

さらに、第２の光遅延素子５は、図３（ｂ）に示すように、ハーフミラー５１及び３枚の反射ミラー５２、５３、５３で構成され、６ｄの光路差が生じるように設定してある。また、第１の光遅延素子４同様に、ハーフミラー５１を最初に透過する光線を基本光線としている。このように、第１の光遅延素子４の遅延光路長と第２の光遅延素子５の遅延光路長とを設定すれば、表２に示すように、９つの分割光において光路差が同一とならないように出来る。このように、ほぼ光を時間的に、１パーセント以上の光なら、９分割することでコヒーレンシーの低減がはかれる。０．１パーセント以上の光なら、１８分割することが好ましい。

さらに、図４に示すように、両光遅延素子の光入射方位を第１と第２とで直交させ、しかも、一回中を通るたびに角度θが付く様に設定すると、フライアイ６に入射する光束は、ほぼ１パーセント以上で９つの光に分割される。これによりエネルギーが低減されるだけでなく、ウエハ上でのスペックルをシフトさせる効果がある。

また、ハーフミラーの反射率はＰ偏光入射とＳ偏光入射とでは異なるため、図５に示す様に、方位を直交させることで、第１と第２の合成の反射率はＰ偏光とＳ偏光とでほぼ同じになる。従って、フライアイに入射する光束の偏光状態はあまり変化しないという効果もある。さらに、図６に示す様に、直接光ｂと反射光ｃ及びｄとで光のプロファイルが反転するようにしてあるので、レーザー光のプロファイルを平均化する効果もある。

第１の光遅延素子４及び第２の光遅延素子５の反射ミラーは、表面に主波長であるエキシマ光を反射し、裏面には例えば緑色などの可視光を主に反射する薄膜が蒸着されている。これは、偏角を調整する時にオートコリメーターを使用して調整するようにするためで、調整時におのおののミラーを振って調整するが、調整用の工具ミラーなどを用いると、交換する時にずれが生じ、偏角が狂う恐れがある。エキシマ光と可視光を反射するミラーを用いることで、交換する必要が無くなる。

また、ＫｒＦエキシマレーザーの場合は、本願出願時点で、反射ミラーを使用できるが、ＡｒＦレーザーやそれ以下の波長の光源の場合、反射率があまり高くないので、ミラーを使用できない可能性がある。その場合は、図７に示すように、ミラーの代わりに、蛍石などの４５度プリズム４５、４６、４７、４８、５５、５６、５７及び、５８を用いて、全反射を利用して光路を曲げてやればよい。
ここで、図７（ｂ）に示すように、光遅延素子の中にリレーレンズ６１及び６２を配置すると、角度ずれが生じても性能に大きな影響を与えない光学系を構成することができる。また、リレーレンズの代わりに、ミラー自身を凹面鏡にして、入り口、出口を共役にしてやれば、同様に、角度ずれが生じても性能に大きな影響を与えない光学系を構成することができる。

更に、詳細な、半導体素子を製造する露光光装置全体の実施例を以下に示す。図９に示すように、投影露光装置に配置された照明光学装置の基本配置は前述の実施例の通りであるが、さらに詳しくは、デポラライーザー３と第１の光遅延素子４との間にリレーレンズ２を設け、第２の光遅延素子６とフライアイオプティカルインテグレータ７との間にエキスパンダー光学系６を有し、フライアイオプティカルインテグレータ７の射出側にはコンデンサーレンズ８が配置されている。

ここで、エキスパンダー光学系６は、シリンドリカルエキスパンダー及びエキスパンダーから構成されており、エキシマレーザー１の矩形形状を正方形形状にしている。また、フライアイオプティカルインテグレータ７は、第１フライアイ７１と第２フライアイ７２とから構成されている。第１フライアイ７１は長方形形状のフライアイレンズ素子が規則的に配置されたもので、第２フライアイ７２は、長方形形状のフライアイレンズ素子が不規則的に配置されたものである。フライアイオプティカルインテグレータ７を射出した光束は、コンデンサーレンズ８によって、被照射面であるレチクル９を均一にケーラー照明することになる。
そして、投影対物レンズ１０を介して、露光面であるウエハ１１がレチクル９と共役になっており、レチクル９のパターンがウエハ１１面上に転写される。そのときの、倍率は、１／４または１／５が好ましく、実際の露光は、レチクル９及びウエハ１１を走査して行う。

ここで、理想的には、スリットの空間分解能内の光の波長分布で決まる可干渉長ｔｃｐより長くする事が望ましいが、被照射面と共役な光源近傍の位置での空間分解能内の光の波長分布で決まる可干渉長ｔｃｐより長くする事でも良い。というのは、この共役面での光源像が遅延素子によって重畳されるので、ここでの可干渉距離ｔｃｐより長ければ、不要な干渉縞やスペックルは発生しないからである。また、ここでの可干渉距離は、一般にはスリット上での可干渉距離よりも短いと考えられ、より実際的な構成が達成できる。

図１は、本発明による照明光学装置を示す図である。 図２は、本発明によるデポーラライザーを説明した図である。 図３は、本発明による光遅延素子を説明した図である。 図４は、本発明による光遅延素子の作用を説明した図である。 図５は、本発明によるハーフミラーを示した図である。 図６は、本発明による光遅延素子の作用を説明した図である。 図７は、４５度プリズムを用いた実施例を示した図である。 図８は、本発明による露光装置を示した図である。 図９は、エキシマレーザーの射出光分布を示した図である。 図１０は、従来例の図である。

符号の説明

１ エキシマレーザー
２ リレーレンズ
３ デポラライザ
４ 第１の光遅延素子
５ 第２の光遅延素子
６ エキスパンダー光学系
７ フライアイオプティカルインテグレータ
８ コンデンサーレンズ
９ レチクル
１０ 投影対物レンズ
１１ ウエハ

Claims (7)

1. コヒーレント光源と、該コヒーレント光源からの光束を分割し、分割された一方の光束を遅延光路に廻し、再び分割した光路に戻す光遅延素子と、を有する照明光学系において、
   前記光遅延素子は、光束を分割するための光束分割部材と、該光束分割部材からの光束が入射する反射部材と、を有し、前記光束分割部材の入射面は、前記反射部材の入射面に対し直交するように配置されることを特徴とする照明光学装置。
2. 前記光遅延素子は、複数個配置されることを特徴とする請求項１記載の照明光学装置。
3. コヒーレント光源と、
   該コヒーレント光源からの光束を分割し、分割された一方の光束を遅延光路に廻し、再び分割した光路に戻す第１光遅延素子と、
   該第１光遅延光学素子からの光束を分割し、分割された一方の光束を遅延光路に廻し、再び分割した光路に戻す第２光遅延素子と、を備え、
   前記第１の光遅延素子は、光束を分割するための第１の光束分割部材と、該第１の光束分割部材からの光束が入射する第１の反射部材を有し、前記第２の光遅延素子は、光束を分割するための第２の光束分割部材と、該第２の光束分割部材からの光束が入射する第２の反射部材を有し、前記第１の光束分割部材の入射面は、前記第１の反射部材の入射面に対し直交するように配置され、前記第２の光束分割部材の入射面は、前記第２の反射部材の入射面に対し直交するように配置され、
   前記第１の光束分割部材は、第１のハーフミラーであり、前記第２の光束分割部材は、第２のハーフミラーであり、前記第１のハーフミラーと前記第２のハーフミラーとは、互いに直交するように設置されることを特徴とする照明光学装置。
4. 前記ハーフミラーは、３３％〜５０％の反射率を有することを特徴とする請求項３に記載の照明光学装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学装置と、前記照明光学装置によって照明されたパターンを基板に投影する投影光学系と、を有することを特徴とする露光装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学装置によりパターンを照明し、前記パターンを投影光学系を用いてウエハ上に投影露光することを特徴とする露光方法。
7. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学装置によりパターンを照明し、前記パターンを投影光学系を用いてウエハ上に投影露光することを特徴とする半導体素子製造方法。

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