JP4609162B2 - 光学系の製造方法及びｅｕｖ露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＥＵＶ露光装置（極端紫外線露光装置とも呼ばれ、本明細書、及び特許請求の範囲にいおいては、波長が５０ｎｍ以下の紫外線を用いた露光装置をいう）に搭載される投影光学系等の光学系の製造方法、及びこの方法により製造された投影光学系を有するＥＵＶ露光装置に関するものである。

近年、半導体集積回路の微細化に伴い、光の回折限界によって制限される光学系の解像力を向上させるために、従来の紫外線に代えてこれより短い波長（１１〜１４ｎｍ）のＥＵＶ光を使用した投影リソグラフィ技術が開発されている（例えば、D.Tichenor, et al, SPIE 2437 (1995) 292：非特許文献１参照）。この技術は、最近ではＥＵＶ（Extreme UltraViolet）リソグラフィと呼ばれており、従来の波長１９０ｎｍ程度の光線を用いた光リソグラフィでは実現不可能な解像力を得られる技術として期待されている。

ＥＵＶ光の波長領域では、従来のレンズのような透過屈折型の光学素子を使用できず、反射を利用した光学系が使用される。

ＥＵＶ露光装置の概要を図４に示す。ＥＵＶ光源３１から放出されたＥＵＶ光３２は、照明光学系３３に入射し、コリメータミラーとして作用する凹面ミラー３４を介してほぼ平行光束となり、一対のフライアイミラー３５ａ及び３５ｂからなるオプティカルインテグレータ３５に入射し、実質的な面光源が形成される。実質的な面光源からの光は、平面ミラー３６により偏向された後、マスクＭ上に細長い円弧状の照明領域を形成する。照明されたマスクＭのパターンからの光は、複数のミラー（図３では例示的に６つのミラーＭ１〜Ｍ６）からなる投影光学系ＰＬを介して、ウエハＷ上にマスクパターンの像を形成する。

所望のパターンをウエハ上に形成するためには、投影光学系の収差を十分小さくすることが好ましく、特に投影光学系の波面収差（ｒｍｓ値）を波長の１／３０以下に、かつパターン歪を露光線幅の１／１０以下に保つと、コントラストの高い微細なパターンを形成することができる。

例えば、露光波長が１３．５ｎｍ、投影光学系のＮＡが０．２５である場合、波面収差を０．５ｎｍ（ｒｍｓ）以下に、パターン歪を５ｎｍ以下にすると、線幅が４５ｎｍ程度のサイズの良質なレジストパターンを形成することができる。

さらに投影光学系のフレアも十分小さく抑えることが好ましい。特にフレアに空間むらがあると像面内でレジストパターンの線幅にバラツキが生じるため、好ましくない。フレアは前記波面収差の原因ともなるミラー形状誤差のうち比較的空間周波数の高いうねり形状誤差によって生じる。概して空間周波数１ｍｍから１μｍの範囲のうねり形状がフレアに影響する。

フレアはミラーの枚数に概ね比例して増大するため、ミラー枚数が増えるほど、各ミラーの形状うねりは小さくしなければならない。例えば６枚のミラーで構成される投影光学系においてフレアを数％以下に抑えるためには、ミラーの形状うねりを０．１ｎｍ（ｒｍｓ）以下に低減する必要がある。さらにフレアのむらを低減するためには、ミラー形状うねりを０．１ｎｍ（ｒｍｓ）よりさらに小さい精度で制御する必要がある。

従来の投影光学系の製作工程を図５に示す。最初に非球面ミラー基板を作製し、その表面に多層膜をコーティングする。複数の非球面ミラーを組み合わせて投影光学系を組み立て、その投影光学系をＥＵＶ露光機に設置して完成する。フレア量は、マスクに形成された所定線幅のパターンをレジスト上に露光し、レジストを現像して得られた線幅の広がりを測定することによって検出することができる。

D.Tichenor, et al, SPIE 2437 (1995) 292 Proc. Of SPIE Vol 5374 p.897-905

しかしながら、一度の加工により上記ミラーの形状うねり誤差を設計値以下とするためには、高度の加工計測技術が必要であり、とくにうねり形状の空間分布を高精度に制御することは極めて難しい。このため、従来の工程で作製した投影光学系は、光学性能評価において所望の光学性能が得られない場合があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、像面でのフレア光量の変動の小さい光学系の製造方法、及びこの光学系を用いたＥＵＶ露光装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、以下の工程を有することを特徴とする光学系の製造方法（請求項１）である。
(1) 光学系を構成する複数のミラーを、設計値に基づいて形状加工する工程
(2) 前記ミラーの、フレアに影響する形状誤差を測定する工程
(3) 前記形状誤差のデータに基づいて、像面におけるフレア光量むらを計算する工程
(4) 像面におけるフレア光量むらの均一性を向上するようなミラー形状誤差補正量を、少なくとも一つの前記ミラーについて計算する工程
(5) 前記ミラー形状補正量に基づいて、前記ミラー形状誤差補正量を計算したミラーを再加工する工程
本手段においては、実際に形状加工されたミラーについて、反射膜を成膜する前に、フレアに影響する形状誤差を測定し、この測定データに基づいて、像面におけるフレア光量むらを計算する。そして、像面におけるフレア光量むらの均一性を向上するようなミラー形状誤差補正量を、少なくとも一つのミラーについて計算し、計算したミラーについて、このミラー形状補正量に基づいて再加工を行っている。よって、像面におけるフレア光量むらを小さく抑えることができる。

ミラーの形状（主として表面粗さ）がフレア光量むらに与える影響を調べる方法は、例えば、Proc. Of SPIE Vol 5374 p.897-905 （非特許文献２）に記載されていて公知であるが、その１例の概要を以下に説明する。物面を所定の領域毎に区切ってその領域をＯ_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）とし、それに対する像面の領域をＩ_ｉとする。

光学系にＭ枚のミラーがあるとして、各ミラーを所定の領域毎に区切って、その領域における表面粗さをｒ_ｍｊとする。ただし、ｍは各ミラーに対応しｍ＝１〜Ｍであり、ｊは各ミラーの領域に対応し、各ミラー毎に１から所定の数までの値をとる。物面の領域Ｏ_ｉの像が像面の領域Ｉ_ｉに結像すると考えると、像面の領域Ｉ_ｉにおけるフレア量Ｆ_Ｉｉは、
Ｆ_Ｉｉ＝Ｆ_Ｉｉ（ｒ₁₁，ｒ_１２，…，ｒ_２１，ｒ_２２，…，…，ｒ_Ｍ１，ｒ_Ｍ２，…）
という関数で表すことができる。このような関数形は、各ｒ_ｍｊを変化させてその結果得られるフレア量Ｆ_Ｉｉから求めておくことができる。

フレア量は小さければ小さいほど好ましいが、ある程度の値を持つことは避けられず、その場合には、その大きさよりもフレア量のむらが問題となる。すなわち、像面位置においてフレア量の変動があると、結像精度が像面位置においてばらつくことになり好ましくない。よって、フレア量の変動を無くすように、ミラーの再加工を行う。

例えば、像面のＩ_ｋにおいて他の場所とフレア量が著しく異なっていたとする（実際には、Ｉ_ｋは一つではなく、所定範囲の広がりを持っているが、説明のために簡略化して一つの領域として考える）。

物面Ｏ_ｋから出て像面のＩ_ｋに結像する光のうち、開口絞りを通って結像に寄与する光は、各ミラーにおいて異なる場所で反射されるが、フレア量を各像面位置で均一にするために再加工を行うべきミラーは、なるべくこの光が反射される領域と、物面の他の領域から出た光が反射される領域が異なっているものを選ぶと加工範囲が狭くて済む。一般に開口絞りの近くにあるミラーは、物面の大部分の領域から出た光が反射されるので、再加工をしても、像面の大部分の領域のフレア量が変化するだけで、所定部分のフレア量のみを調整するのには不向きである。

このようにして、調整すべきミラーを決定する（予め決定しておいてもよい）。例えば、決定されたミラーが６番目のミラー（Ｍ６ミラー）であったとする。

を計算することにより、ｒ_６１，ｒ_６２，…の各々を、それぞれ単位量だけ変化させたときの、Ｆ_Ｉｉの変化量が分かる。各ｒ_６１，ｒ_６２，…を調整して、Ｆ_Ｉｋの変化量が調整しようとする変化量に近く、Ｆ_Ｉｋ以外のＦ_Ｉｉの変化量が小さくなるような各ｒ_６１，ｒ_６２，…の組み合わせを見つける。先に述べたように、結像面の領域Ｉ_ｋに結像する光を反射する領域が狭いようなミラーを選択することにより、この作業が容易になる。

このようにして、求まったｒ_６１，ｒ_６２，…の組み合わせが得られるように、ミラー形状補正量誤差を求めればよい。この作業は、以下の各手段において共通である。以上のような方法により、像面位置でのフレア量のばらつきを少なくすることができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、以下の工程を有することを特徴とする光学系の製造方法（請求項２）である。
(1) 光学系を構成する複数のミラーを、設計値に基づいて形状加工し、続いて、前記ミラーの表面に反射膜を形成する工程
(2) 前記光学系を組み立てて、像面におけるフレア光量むらを測定する工程
(3) 像面におけるフレア光量むらの均一性を向上するようなミラー形状誤差補正量を、少なくとも一つの前記ミラーについて計算する工程
(4) 前記ミラー形状誤差補正量を計算したミラーから、前記反射膜を剥離し、前記ミラー形状補正量に基づいて、前記ミラーを再加工する工程
前記第１の手段においては、ミラーに反射膜を形成する前にミラー形状を測定し、計算によって、フレア光量むらを小さくするようにミラーの再加工を行っていた。これに対し、本手段においては、ミラーを完成させた後、実際の露光装置に組む込んだ状態で、像面における実際のフレア光量むらを測定して、それに基づいて、像面におけるフレア光量むらの均一性を向上するようなミラー形状誤差補正量を求めて、これに基づいて、ミラー形状誤差補正量を計算したミラーから、前記反射膜を剥離し、当該ミラーの再加工を行っている。このように、実際のフレア光量むらに基づいて、像面におけるフレア光量むらの均一性を向上するようなミラー形状誤差補正量を求めているので、正確なミラー形状補正量を求めることができる。

前記課題を解決するための第３の手段は、以下の工程を有することを特徴とする光学系の製造方法（請求項３）である。
(1) 光学系を構成する複数のミラーを、設計値に基づいて形状加工し、続いて、前記ミラーの表面に反射膜を形成する工程
(2) 前記光学系を組み立てて、像面におけるフレア光量むらを測定する工程
(3) 像面におけるフレア光量むらの均一性を向上するようなミラー形状誤差補正量を、少なくとも一つの前記ミラーについて計算する工程
(4) 前記ミラー形状誤差補正量を計算したミラーの前記反射膜を、前記ミラー形状補正量に基づいて、加工する工程
前記第２の手段においては、ミラーの再加工をするとき、反射膜を剥離してからミラーの再加工を行っていた。これに対して、本手段は、反射膜を剥離せず、反射膜を加工することにより、ミラー形状の修正を行っている。ミラー形状の修正量が小さいとき有効であり、反射膜を剥離する必要がないので、前記第２の手段に比して工程が簡単である。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記ミラー形状誤差補正量を計算するミラーは、前記光学系を構成する複数のミラーのうち、光路に沿って見た場合に物体面、中間像面、像面に最も近いミラーのうち少なくとも１枚であることを特徴とするもの（請求項４）である。

これらのミラーは、いずれもフレア量の分布を補正する際に高い自由度を持つので、効率良くフレア量の制御を行うことができる。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のうちいずれかの光学系の製造方法で製造された投影光学系を有することを特徴とするＥＵＶ露光装置（請求項５）である。

本手段においては、像面でのフレア光量の変動を小さくすることができる。

本発明によれば、像面でのフレア光量の変動の小さい光学系の製造方法、及びこの光学系を用いたＥＵＶ露光装置を提供することができる。

以下、図４に示されたような６枚の非球面ミラーで構成される投影光学系を例として、本発明の実施例を、図を用いて説明する。この投影光学系は光路の途中で中間像を形成する光学系で、像側から光路をたどって３番面のミラー（Ｍ３ミラー）が、中間像に最も近い位置に配置されている。
（実施例１）
図１は、前記第１の手段に対応する実施例を示す工程図であり、フレア光量分布の計算の結果に基づいて、ミラー形状誤差を補正する工程を有する。

最初に投影光学系を構成する非球面ミラーの基板を製作した。基板材料には、熱膨張率１ｐｐｂ／Ｋ以下のセラミックガラスを使用した。イオンビームを用いて基板の研磨加工を行い（ステップＳ１）、フレアに影響するうねり形状を顕微干渉計で測定した。顕微干渉計とは数ｍｍ以下の微小な領域のうねりを干渉計測法によって測定する装置であり、フレアに影響する周波数帯（１ｍｍ〜１μｍ）の形状を測定できる。

各ミラーのうねり形状誤差が０．１ｎｍ（ｒｍｓ）以下となるまで、研磨加工を行った。さらに各ミラーのうねり形状誤差が面内で均一となるように制御し、面内分布が±１０％以下となるように研磨した。

基板加工が完了した後、ミラー基板のうねり形状を測定した（ステップＳ２）。ミラー表面の複数点に対して測定を行い、うねり形状の分布情報を取得した。この測定はすべてのミラーに対して実施した。次に、各ミラーのうねり形状分布に基づいて、光学系のフィールド内フレア光量分布を計算した（ステップＳ３）。

次に、各ミラーのうねり形状分布に基づいて、光学系のフィールド内フレア光量分布を計算した。その結果、フレア光量の平均値は９％で、その分布範囲は７％から１１％の範囲であった。

次に、フレアの光量むらが低減されるような、ミラーのうねり分布を計算した。このうねり分布は６枚のミラーのうちＭ３ミラー対して計算した。Ｍ３ミラーは中間像面付近に配置されているため、このミラー面上にうねり形状分布を与えると、像面上のフレア分布を高い自由度で制御できる。測定されたＭ３ミラーのうねり形状は、平均値が０．１０ｎｍ（ｒｍｓ）で、面内分布は０．０６〜０．１３ｎｍ（ｒｍｓ）であった。計算で得られたＭ３ミラー上のうねり形状は平均値が０．１１ｎｍ（ｒｍｓ）で面内分布は０．０９〜０．１５ｎｍ（ｒｍｓ）の範囲であった。すなわち、Ｍ３ミラー全面に上記のうねり形状を与えれば、フレア光量分布を均一化できることが分かった。計算されたうねり形状（フレアに影響する周波数帯の形状であり、例えば周波数帯は１ｍｍ〜１μｍとなる）と測定されたうねり形状の差をミラー（うねり）形状誤差補正量とする（ステップＳ４）。

Ｍ３ミラーを再研磨し、上記うねり形状分布を設けた（ステップＳ５）。研磨後にうねり形状を顕微干渉計で計測したところ、目標のうねり形状分布に対して±１０％の誤差範囲でうねり形状が形成された。このデータに基づいて、光学系のフレア光量分布を計算したところ、その平均値は１０％、分布は９％から１１％の範囲に収まった。すなわち、フレアのむら予測値は４％から２％に向上した。

次にこれらのミラー基板に多層膜をコーティングし（ステップＳ６）、投影光学系を組み立てた（ステップＳ７）。この投影光学系を露光装置に搭載して（ステップＳ８）露光評価を行い、フレア量分布を測定したところ（ステップＳ９）、計算から予想されたフレア分布と概ね同じ値である２％のむらが測定された。本露光装置により、所望のレジストパターンを得ることができた。
（実施例２）
図２は、前記第２の手段に対応する実施例を示す工程図であり、フレア光量分布測定の結果に基づいて、ミラーうねり形状誤差を補正する工程を有する。

最初に投影光学系を構成する非球面ミラーの基板を製作した（ステップＳ１１）。基板材料には、熱膨張率１ｐｐｂ／Ｋ以下のセラミックガラスを使用した。イオンビームを用いて基板の研磨加工を行い、フレアに影響するうねり形状を顕微干渉計で測定した。各ミラーのうねり形状誤差が０．１ｎｍ（ｒｍｓ）以下となるまで、研磨加工を行った。さらに各ミラーのうねり形状誤差は面内で均一となるように制御し、面内分布が±１０％以下となるように研磨した。

基板加工が完了した後、ミラー基板に多層膜をコーティングし（ステップＳ１２）、投影光学系を組み立てた（ステップＳ１３）。この投影光学系を露光装置に搭載して（ステップＳ１４）露光評価を行い、フレア量分布を取得したところ（ステップＳ１５）、フレア光量の平均値は９％で、その分布は７％から１１％の範囲であった。

次に、フレアの光量むらが低減されるような、ミラーのうねり分布を計算した（ステップＳ１６）。このうねり分布は６枚のミラーのうちＭ３ミラー対して計算した。測定されたＭ３ミラーのうねり形状は、平均値が０．１０ｎｍ（ｒｍｓ）で、面内分布は０．０６〜０．１３ｎｍ（ｒｍｓ）であった。計算で得られたＭ３ミラー上のうねり形状は０．１１ｎｍ（ｒｍｓ）で面内分布は平均０．０９〜０．１５ｎｍ（ｒｍｓ）の範囲であった。計算されたうねり形状（フレアに影響する周波数帯の形状であり、例えば周波数帯は１ｍｍ〜１μｍとなる）と測定されたうねり形状の差をミラーの形状誤差補正量とする（ステップＳ１６）。

Ｍ３ミラーを光学系から取り外し（ステップＳ１７）、ウエットエッチングにより多層膜を除去した（ステップＳ１８）。ウエットエッチングには硝酸を主成分とする酸性液を用いた。ミラー形状補正量に基づきミラーを再研磨し、上記うねり形状分布を設けた（ステップＳ１９）。研磨後にうねり形状を顕微干渉計で計測したところ、目標のうねり形状分布に対して±１０％の誤差範囲でうねり形状が形成された。

次にＭ３ミラー基板に再度多層膜をコーティング（ステップＳ２０）し、投影光学系を組み立てた（ステップＳ２１）。この投影光学系を露光装置に搭載して（ステップＳ２２）露光評価を行い、フレア量分布を取得したところ（ステップＳ２３）、観測されたフレア量のむらは２％以下であった。本露光装置により、所望のレジストパターンを得ることができた。
（実施例３）
図３は、前記第３の手段に対応する実施例を示す工程図であり、フレア光量分布測定の結果に基づいて、光学性能を補正する工程を有する。工程のほとんどは図２の例と同じであるが、その相違点に絞って説明する。

本実施例においては、フレア光量むらの測定結果（ステップＳ３５）に基づいて、ミラーのうねり形状分布計算を行った。ここまでの工程は、図２に示す実施例と同じであるが、図２に示す実施例ではミラー基板に対して再研磨を施したのに対し、本実施例では多層膜の表面に研磨加工を施す（Ｓ３８）点が異なっている。通常の多層膜ミラーの散乱光は、多層膜に存在する複数の界面のうねり形状によって発生する。一方、多層膜ミラーの多層膜の表面に研磨加工を施して、多層膜の最表面の膜表面に所定のうねり形状を設けることによって、入射光のごく一部を散乱させ、かつ、その下から帰ってくる反射光も散乱させることができる。つまり、所定のうねり形状を設けた部分を通過する光によるフレアを大きくすることができる。従って、結像面でのフレア量が他の部分に比して小さい部分があったとき、その部分に結像する光線が通過する反射鏡の多層膜表面にうねりを形成することによりフレア量を増加させ、フレアの分布を均一にすることができる。

フレアの光量むらが低減されるような、多層膜表面に与えるうねり分布を計算した。このうねり分布は６枚のミラーのうちＭ３ミラーに対して計算した。測定されたＭ３ミラーのうねり形状は、平均値が０．１０ｎｍ（ｒｍｓ）で、面内分布は０．０６〜０．１３ｎｍ（ｒｍｓ）であった。計算で得られたＭ３ミラー上のうねり形状は０．５ｎｍ（ｒｍｓ）で面内分布は０．１〜０．７５ｎｍ（ｒｍｓ）の範囲であった。すなわち、Ｍ３ミラー全面に上記のうねり形状を与えれば、フレア光量分布を均一化できることが分かった。計算されたうねり形状（フレアに影響する周波数帯の形状であり、例えば周波数帯は１ｍｍ〜１μｍとなる）と測定されたうねり形状の差をミラーの形状誤差補正量とする（ステップＳ３６）。

ミラー形状誤差補正量に基づき、多層膜表面に上記のようなうねりが形成されるように研磨を施したＭ３ミラーを用いて、投影光学系を組み立てた。この投影光学系を露光装置に搭載して露光評価を行い、フレア量分布を取得したところ、フレア量のむらは２％以下であった。本露光装置により、所望のレジストパターンを得ることができた。

なお、上述の実施例では、研磨によって形状の補正を行ったが、他の加工方法によって形状補正を行ってもよい。又、以上述べた実施例においては、Ｍ３ミラーのうねり形状を補正したが、補正をするミラーはＭ３に限らない。しかし、光路に沿って見たときに像面あるいは物体面に最も近いミラー、又は中間像面に対して一番近いミラーの少なくとも一つに対して補正を行うことが好ましい。これらのミラーは、フレア光量分布を補正する自由度が高い。

第１の手段に対応する実施例を示す工程図である。 第２の手段に対応する実施例を示す工程図である。 第３の手段に対応する実施例を示す工程図である。 ＥＵＶ露光装置の概要を示す図である。 従来の投影光学系の製作工程を示す図である。

Claims (5)

1. 以下の工程を有することを特徴とする光学系の製造方法。
   (1) 光学系を構成する複数のミラーを、設計値に基づいて形状加工する工程
   (2) 前記ミラーの、フレアに影響する形状誤差を測定する工程
   (3) 前記形状誤差のデータに基づいて、像面におけるフレア光量むらを計算する工程
   (4) 像面におけるフレア光量むらの均一性を向上するようなミラー形状誤差補正量を、少なくとも一つの前記ミラーについて計算する工程
   (5) 前記ミラー形状補正量に基づいて、前記ミラー形状誤差補正量を計算したミラーを再加工する工程
2. 以下の工程を有することを特徴とする光学系の製造方法。
   (1) 光学系を構成する複数のミラーを、設計値に基づいて形状加工し、続いて、前記ミラーの表面に反射膜を形成する工程
   (2) 前記光学系を組み立てて、像面におけるフレア光量むらを測定する工程
   (3) 像面におけるフレア光量むらの均一性を向上するようなミラー形状誤差補正量を、少なくとも一つの前記ミラーについて計算する工程
   (4) 前記ミラー形状誤差補正量を計算したミラーから、前記反射膜を剥離し、前記ミラー形状補正量に基づいて、前記ミラーを再加工する工程
3. 以下の工程を有することを特徴とする光学系の製造方法。
   (1) 光学系を構成する複数のミラーを、設計値に基づいて形状加工し、続いて、前記ミラーの表面に反射膜を形成する工程
   (2) 前記光学系を組み立てて、像面におけるフレア光量むらを測定する工程
   (3) 像面におけるフレア光量むらの均一性を向上するようなミラー形状誤差補正量を、少なくとも一つの前記ミラーについて計算する工程
   (4) 前記ミラー形状誤差補正量を計算したミラーの前記反射膜を、前記ミラー形状補正量に基づいて、加工する工程
4. 前記ミラー形状誤差補正量を計算するミラーは、前記光学系を構成する複数のミラーのうち、光路に沿って見た場合に物体面、中間像面、像面に最も近いミラーのうち少なくとも１枚であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の光学系の製造方法。
5. 請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の光学系の製造方法で製造された投影光学系を有することを特徴とするＥＵＶ露光装置。

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