JP4750396B2 - 露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、露光に関し、特に感光剤が塗布された基板上に直接パターンを描画して高集積度のデバイスを得るマスクレス露光に関する。

従来より、半導体デバイスや液晶パネル等を製造する際に、マスク上のパターンを感光剤が塗布された基板上に露光転写する投影露光装置が使用されている。しかし、デバイスの集積度の向上や大面積化に伴い、マスクパターンの一層の微細化や大型化が要求されるため、マスクのコストの増大が問題になっている。そこで、マスクを用いずに露光するマスクレス露光が検討されている。

マスクレス露光の一例として、位相変調型の空間光変調器を用いてパターンの像を基板上に投影する方法が注目されている。空間光変調器は並列型のデバイスであるため、単位時間に処理できるピクセル数を非常に大きくできる可能性がある。特に、反射体の表面の形状を変化させて光の変調を行う、いわゆるＤＭＤ（Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）方式の空間変調器は、露光装置に好適である。これには高いコントラストが実現できること、環境に対して安定な動作が得られること、比較的に短い波長で使用できることなどの理由があげられる。そして、位相変調方式は、必要なミラーの変位が光の波長の１／４程度と小さく、高速な動作が可能である。

位相変調型の空間光変調器の従来技術としては、例えば、特許文献１乃至４、その他の従来技術としては非特許文献１乃至３がある。
米国特許第５，８４１，５７９号明細書 米国特許第５，４８６，８５１号明細書 米国特許第５，３１１，３６０号明細書 米国特許第６，１３３，９８６号明細書 ボーン・アンド・ウルフ、光学原理第６版、ケンブリッジ大学プレス、ケンブリッジ、１９９９年、３０６−３１４頁（Ｂｏｒｎ ａｎｄ Ｗｏｌｆ， Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ， ６ｔｈ ｅｄｉｔｉｏｎ （Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ， Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ， １９９９），ｐｐ．３０６−３１４） エー・ケー・ウォング、減衰位相シフトマスク、光リソグラフィにおける超解像技術、ＳＰＩＥ、ベリングハム、２００１年、１３９−１５１頁（Ａ．Ｋ． Ｗｏｎｇ，ａｔｔｅｎｕａｔｉｎｇ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｍａｓｋ，Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ（ＳＰＩＥ， Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ ２００１），ｐｐ．１３９−１５１） ディー・マラカラ、光学工場試験、ジョン・ワイリ＆サンズ、１９９２年、第３及び第４章（Ｄ． Ｍａｌａｃａｒａ， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｈｏｐ Ｔｅｓｔｉｎｇ （Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ， １９９２） ｃｈａｐ． ３，４）

しかし、位相変調型の空間光変調器を使用した従来のマスクレス露光は、高スループットと高解像力を単純な構成で実現することが困難であった。例えば、特許文献１及び３は、Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ（ＧＬＶ）と呼ばれる回折格子状の変調パターンを使用するため、空間光変調器の構成が複雑になる。また、特許文献２及び４は、光の位相のパターンを光の強度のパターンに変換して基板上に投影する際に、大型の（高ＮＡの）シュリーレン光学系を必要とし、シュリーレン光学系を使用すると空間光変調器の構成も複雑になる。更に、特許文献４は、シュリーレン光学系に加えて微小レンズのアレーも必要とし、収差や散乱の少ない結像特性の良好な微小レンズアレーの製造や実装は困難である。

そこで、本発明は、比較的単純な構成で高解像力と高スループットを有する実用性に優れた露光装置及びそれを使用したデバイス製造方法を提供することを例示的目的とする。

本発明の一側面としての露光装置は、光源から放射される光を第１の光と第２の光に分割するビーム分割器と、前記第１の光の光路中に配置されて前記第１の光の位相分布を変調する空間光変調器と、前記空間光変調器を介した前記第１の光と前記第２の光を重ね合わせるビーム結合器と、前記ビーム結合器からの光を基板上に投影することで、前記第１の光と前記第２の光の位相差により生成される明暗パターンを前記基板上に投影する投影光学系と、前記空間光変調器に変調信号を供給する制御手段とを有し、前記空間光変調器は、反射エレメントが１次元又は２次元に配列され、複数の反射エレメントにより最小パターンサイズに対応した１つのピクセルを形成するように構成されており、前記１つのピクセルを形成している前記複数の反射エレメントは、前記制御手段の供給する変調信号に応じて、ピクセル単位で同時に同一方向に変位することを特徴とする。

上述の露光装置を用いて基板を投影露光するステップと、前記投影露光された前記被露光体を現像するステップとを有するデバイス製造方法も本発明の別の側面を構成する。デバイス製造方法の請求項は、中間及び最終結果物であるデバイス自体にもその効力が及ぶ。また、かかるデバイスは、ＬＳＩやＶＬＳＩなどの半導体チップ、ＣＣＤ、ＬＣＤ、磁気センサー、薄膜磁気ヘッドなどを含む。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、比較的単純な構成で高解像力と高スループットを有する実用性に優れたマスクレス露光装置及びそれを使用したデバイス製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるマスクレス投影露光装置の要部概略ブロック図である。マスクレス投影露光装置は、反射型の空間光変調器とマイケルソン型の干渉光学系を用いている。マイケルソン型の干渉光学系では、ビーム分割器とビーム結合器を同一の光学素子で構成する。

同図において、１は、例えば、水銀ランプ、エキシマーレーザ、固体レーザ、又は半導体レーザなどの光源である。光源１から放射された光は、まず照明光学系２によりビーム形状や偏光状態、強度などを調整される。照明光学系２は、光源の特性に合わせて、公知のレンズや反射鏡、偏光素子などの光学素子を組み合わせて設計すればよい。

照明光学系からの光は光分割器／結合器３に入射し、信号光（第１の光）４と参照光（第２の光）５に分割される。光分割器／結合器３は、例えばキューブ型のプリズム、あるいは平板型の半透鏡とすればよい。空間光変調器６は信号光４の光路中に配置されている。空間光変調器６は、信号光４の空間的な位相分布を変調する。空間光変調器６は、例えば、液晶パネル、あるいは反射体の表面の形状を変化させて光の変調を行うＤＭＤとすればよい。ＤＭＤは、高いコントラストが実現できること、環境に対して安定な動作が得られること、比較的に短い波長で使用できることなどの点で露光装置に好適である。信号光４は空間光変調器６を通過した後に、光分割器／結合器３に戻る。また、参照光５は参照鏡７によって反射されて光分割器／結合器３に戻る。光分割器／結合器３において信号光４と参照光５は再び重ね合わされ、投影光学系８に入射する。

投影光学系８は、公知のミラー光学系、屈折光学系、又はカタジオプトリック光学系とすればよい。投影光学系８の射出側にはステージ９が配置され、空間光変調器の結像面に基板１０を保持して移動させる。ここで、液浸露光法を用いて投影光学系８と基板１０の間を液体で満たしてもよい。液浸露光法を用いると、焦点深度の増大や解像力の向上が可能となる利点がある。ステージ９には位置測定用の鏡１１が設置され、測距用レーザ干渉計１２により位置が測定される。

測距用レーザ干渉計１２はステージ制御装置１３と電子的に結ばれ、ステージ９の位置を制御する。ステージ制御装置１３及び空間光変調器６は電子制御装置１４と電子的に結ばれている。電子制御装置１４は、空間光変調器６に変調信号を供給しながらステージ制御装置１３を介してステージを移動させ、走査露光により基板１０に所望のパターンを形成する。

本実施形態においては、信号光と参照光とが干渉することにより、信号光と参照光の間の位相差に応じてパターンの明暗が得られる。従って、シュリーレン光学系を用いることなく、位相変調型の空間光変調器を利用して投影露光装置を実現することができる。また、ＧＬＶのように回折格子状の変調パターンを用いる必要がないので、単純な構成の空間光変調器を用いることができる。

本実施形態はマイケルソン型の干渉光学系を用いる場合を説明した。しかし、本発明において、信号光と参照光の光路の形状を変化させることで、マイケルソン型以外にもさまざまな干渉光学系が可能であることは容易に理解できる。例えば、本発明をマッハツェンダー型の干渉光学系を用いて実施することもできる。この場合、ビーム分割器とビーム結合器を別々の光学素子とする。そして、参照光と、空間光変調器を通過した信号光とをビーム分割器に戻すのでなく、ビーム結合器に導いて重ね合わせればよい。

空間光変調器６がＤＭＤである場合について考える。ＤＭＤが微小な反射エレメントの１次元又は２次元の配列によって構成されている場合、反射エレメント間のギャップによって散乱光が発生しやすい。この散乱光は、反射エレメントの周期に対応した離散的な空間周波数成分を持つ。

そこで、この散乱光と所望のパターンに対応する光とを分離する。そのために、最小パターンサイズに対応する１ピクセルを複数の反射エレメントで構成し、各反射エレメントからの位相が同一であるように同一ピクセル内の各反射エレメントを同時に同一方向へ駆動してもよい。このようにすることによって、投影光学系のＮＡの外側に散乱光の回折成分を追い出して遮断し、所望のパターンに対応する光のみを通過させることができる。

散乱光の除去の観点からは、１ピクセルあたりの反射エレメントの数が２以上であれば良く、特に上限はない。一方、１ピクセルあたりの反射エレメントの数を過度に多くすれば、素子の製造コストが増加するという問題がある。そこで、１ピクセルあたりの反射エレメントの数を２以上６以下とするのが適当である。

本実施形態において、基板上のパターンの強度分布は次式で表すことができる。

ここで、

はそれぞれ基板上の信号光と参照光の強度分布を表し、

は信号光と参照光の間の位相差の分布を表す。また、ｘ及びｙは位置の座標である。数式１において右辺の最終項

が干渉の効果を表す。数式１から、空間位相変調器を用いて

を変化させることにより、基板上の強度分布

を制御できることが分かる。

また、数式１より、基板上に投影されるパターンのコントラストは

と表すことができる。従って、信号光と参照光の強度が等しいときに、コントラストが最大になる。

通常、リソグラフィにおいては、コントラストが大きいほどプロセスの安定性の点で有利であることが多い。その点では、信号光の強度と参照光の強度の比を１に近くすることが望ましい。但し、極めて微細なパターンを露光する場合などには、信号光の強度と参照光の強度の比を変化させることで解像度を高めることができる。

一例として、非特許文献２の原理を本発明に応用することができる。減衰位相シフトマスクの場合、暗部と明部の間に約１８０度の位相差を与え、且つ、パターンの暗部の光強度を明部の光強度の例えば７％程度とする。そのためには、参照光と信号光の強度の比を例えば約３０％（又はその逆数）とし、参照光と信号光の位相差を約１８０度とすればよい。また、別の例として、クロムレスマスクによる超解像技術の原理を応用することもできる。この場合、参照光の強度をゼロとし、信号光に１８０度の位相ステップの分布を与えることでパターンを形成する。以上のことから分かるように、超解像技術を利用するには、信号光の強度と参照光の強度の比を調節したり、参照光を遮断したりすることが可能な構成とすることが望ましい。以下に、そのような実施形態について説明する。

図２は、本発明の第２の実施形態によるマスクレス露光装置の要部概略ブロック図である。本実施形態においては、信号光又は参照光の光路に減衰フィルタ１５が配置されている点が第１の実施形態と異なり、その他の構成は同じである。これにより、信号光の強度と参照光の強度の比を調節することができる。

図３は、本発明の第３の実施形態によるマスクレス露光装置の要部概略ブロック図である。本実施形態においては、参照光の光路に遮光用のシャッタ１６が配置されている点が第１の実施形態と異なり、その他の構成は同じである。これにより、参照光を必要に応じて遮断することができる。

図４は、本発明の第４の実施形態によるマスクレス露光装置の要部概略ブロック図である。本実施形態において、参照光の光路にもう一つの空間光変調器１７が配置されている点が第１の実施形態と異なり、その他の構成は同じである。これにより、信号光と参照光の間の位相差や強度比を時間的にも空間的にも柔軟に制御できるという利点がある。

図５は、本発明の第５の実施形態によるマスクレス露光装置の要部概略ブロック図である。本実施形態は、シェアリング光学系を用いて本発明を実施する場合を示している。以下、図５を参照して、本実施形態と第１の実施形態との相違について説明する。

照明光学系２からの光ビームは偏向ミラー２ａを介して空間光変調器６へ入射する。空間光変調器６は光ビームの空間的な位相分布を変調する。空間光変調器６からの光ビームはシェアリング光学系１８へ入射する。シェアリング光学系は光ビームを２分割し、かつその２本のビームの間に横ずらしを与える（一方のビームに対して他方のビームを、ビームの進行方向に垂直な方向にずらす）。横ずらしを与えられた２本のビームは投影光学系８に入射する。２本のビームは、投影光学系８の結像面に配置された基板１０上に空間光変調器６の二つの像を形成し、これら二つの像の干渉により所望の光強度パターンが得られる。

図６により、空間光変調器によって与えられる位相分布とそれによって得られる干渉パターンの例を示す。簡単のため、一次元にピクセルが配列された空間光変調器の場合を考える。また、シェアリング光学系による横ずらしの量が１ピクセル分である場合を考える。一つのピクセルを、他のピクセルに対して１８０度の位相差を与えると、横ずらしを与えられた２つの像（像１、像２）の干渉像においては隣接する２ピクセルに相当する部分が干渉で打ち消され、暗部が形成される。このように、位相変調とシェアリング干渉の組み合わせにより強度パターンを容易に得ることができる。

シェアリング光学系は、公知のシェアリング干渉計のさまざまな光学系を参考にして容易に設計することができる。シェアリング干渉計に用いられている光学系を大別すると、ビーム分割に半反射表面（ｓｅｍｉｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）を用いる場合と、複屈折媒質を用いる場合がある（例えば、非特許文献３を参照のこと）。

図７及び図８に、第５の実施形態におけるシェアリング光学系の例を示す。図７に示す構成においては、半反射鏡（半反射表面を持つ鏡）１９によるビーム分割の後に、分割された２ビームをそれぞれ鏡２０及び鏡２１で反射させて半反射鏡１９で重ね合わせる。鏡の位置を変化させることで、２ビームの間の横ずらしの量を調節する。図８に示す構成においては、複屈折媒質２２により直交する偏光成分にビームを２分割するとともに、複屈折媒質２２の中の伝播を利用して２ビームの間に横ずらしを与えている。複屈折媒質２２としては、例えばＣａＦ_２結晶やＭｇＦ_２結晶を用いればよい。このような複屈折媒質を利用するシェアリング光学系は、共通光路（ｃｏｍｍｏｎ ｐａｔｈ）干渉計の原理により安定性に優れる点で、本発明のマスクレス投影露光装置に好適である。

シェアリング干渉光学系を用いた第５の実施形態において、空間光変調器の１ピクセルを複数の反射エレメントで構成し、各反射エレメントからの位相が同一であるように１ピクセル内の各反射エレメントを同時に同方向へ駆動してもよい。このようにすると、投影光学系のＮＡの外側に散乱光の回折成分を追い出して遮断し、所望のパターンに対応する光のみを通過させることができる。散乱光の除去の観点からは、１ピクセルあたりの反射エレメントの数が２以上であることがよく、特に上限はない。一方、１ピクセルあたりの反射エレメントの数を過度に多くすれば、素子の製造コストが増加するという問題がある。そこで、１ピクセルあたりの反射エレメントの数を２以上６以下とするのが適当である。

ここで、複屈折媒質を用いたシェアリング光学系の場合、シェアリング光学系の出射側に検光子２３を配置することで容易に高いコントラストを得ることができる。検光子としては、例えば、偏光ビームスプリッタやローション（Ｒｏｃｈｏｎ）プリズムなどの偏光素子を用いればよい。原理的に、検光子２３はシェアリング光学系と基板の間に挿入すれば良く、必ずしもシェアリング光学系の直後に配置する必要はない。但し、一般に偏光素子において、入射光の角度広がりが小さい方が良好な消光比が得られる。通常の場合、投影光学系は縮小光学系であるので、投影光学系の前の方が後ろよりも光の角度広がりが小さい。従って、検光子２３を投影光学系の前に配置するのが望ましい。また、２ビームの間の強度が等しい場合には、検光子２３の偏光方向がシェアリング干渉光学系への入射光の偏光方向と平行であるか直交するように配置することで、高いコントラストが得られる。検光子の偏光方向を入射光の偏光方向と直交させた場合には、背景となる散乱光を効率よく除去できるという利点がある。更に、検光子２３の回転機構を設ければ、干渉のコントラストを柔軟に制御できることから、減衰位相シフトマスクやクロムレスマスクに相当する超解像技術を実現できるので尚よい。なお、複屈折媒質を複数用いてシェアリング光学系を構成してもよい。例えば、２つの単軸結晶を結晶軸が互いに直交するように配置することで、分割した２光線の光路長の差をゼロにすることができる（非特許文献３、１０３頁）。そうすることで、コヒーレンス長の小さい光源に対しても高い干渉コントラストが得られるという利点がある。

次に、上記説明した投影露光装置を利用したデバイスの製造方法の実施形態を説明する。図９はデバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造方法のフローを示す。ステップ１（回路設計）ではデバイスの回路の設計を行う。ステップ２（データ生成）では設計した回路のパターンに応じて空間光変調器を制御するためのデータの生成を行う。ステップ３（ウエハ工程）では、リソグラフィにより回路パターンをウエハ上に形成する。ステップ４（組み立て工程）では、個々の回路パターンをウエハから切り離して配線とパッケージング等の作業によりデバイス化し、その後検査される（ステップ５）。

図１０は前記ウエハ工程の詳細を示す。ステップ１１（成膜）ではウエハ上に熱酸化、化学気相成長、物理気相成長などの方法により種々の膜を形成する。ステップ１２（レジスト塗布）ではウエハ上にレジスト及び反射防止コートを塗布する。ステップ１３（露光）では前記説明したマスクレス投影露光装置によって所望のパターンをウエハ上に投影露光する。ステップ１４（現像）ではウエハを現像する。ステップ１５（エッチング）ではウエハのエッチングを行う。ステップ１６（イオン注入）ではウエハにイオン注入を行う。ステップ１７（レジスト剥離）ではウエハからレジストを除去する。これらのステップの繰り返しにより、ウエハ上に多重の回路パターンを形成する。

本実施形態のデバイスの製造方法を用いれば、高価なマスクを用いることなく、高集積度のデバイスを短期間に製造することができる。

本実施形態によれば、高解像度と高スループットを有する実用性に優れたマスクレス投影露光装置を実現することができる。また、本実施形態によれば、経済的で且つ効率的なデバイスの製造方法を達成することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明の第１の実施形態のマスクレス露光装置の概略ブロック図である。 本発明の第２の実施形態のマスクレス露光装置の概略ブロック図である。 本発明の第３の実施形態のマスクレス露光装置の概略ブロック図である。 本発明の第４の実施形態のマスクレス露光装置の概略ブロック図である。 本発明の第５の実施形態のマスクレス露光装置の概略ブロック図である。 図５に示す空間光変調器によって与えられる位相分布とそれによって得られる干渉パターンの例を示す説明図である。 図５に示すマスクレス露光装置のシェアリング光学系の構成例を示す概略ブロック図である。 図５に示すマスクレス露光装置のシェアリング光学系の構成例を示す概略ブロック図である。 本発明の露光装置を有す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９に示すステップ４の詳細なフローチャートである。

符号の説明

３ 光分割器/結合器
６、１７ 空間光変調器
８ 投影光学系
１４ 電子制御装置
１８ シェアリング光学系

Claims (6)

1. 光源から放射される光を第１の光と第２の光に分割するビーム分割器と、
   前記第１の光の光路中に配置されて前記第１の光の位相分布を変調する空間光変調器と、
   前記空間光変調器を介した前記第１の光と前記第２の光を重ね合わせるビーム結合器と、
   前記ビーム結合器からの光を基板上に投影することで、前記第１の光と前記第２の光の位相差により生成される明暗パターンを前記基板上に投影する投影光学系と、
   前記空間光変調器に変調信号を供給する制御手段とを有し、
   前記空間光変調器は、反射エレメントが１次元又は２次元に配列され、複数の反射エレメントにより最小パターンサイズに対応した１つのピクセルを形成するように構成されており、
   前記１つのピクセルを形成している前記複数の反射エレメントは、前記制御手段の供給する変調信号に応じて、ピクセル単位で同時に同一方向に変位することを特徴とする露光装置。
2. 前記ピクセルの各々を構成する前記複数の反射エレメントの数が２以上６以下であることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記第１の光又は前記第２の光の光路に配置された減衰フィルタを更に有することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
4. 前記第２の光の光路に配置された遮光用のシャッタを更に有することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
5. 前記第２の光の光路に配置された別の空間光変調器を更に有することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
6. 請求項１に記載の露光装置を用いて基板を投影露光するステップと、
   前記投影露光された前記基板を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。