JP4769788B2 - レーザ放射線のコヒーレンスを低減させるためのシステム - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、特に、共振体の表面に当たるレーザ光の第一の部分光が部分反射され、レーザ光の第二の部分光が共振体内に入射し、複数の全反射をした後に少なくともほぼ入射位置の領域において再び共振体から出射し、第一の部分光と一緒に照明面まで送られる、半導体リソグラフィにおける投影オブジェクティブ用の、波面出射レーザ放射線のコヒーレンスを低減させるためのシステムに関する。本発明はまた、光源としてのレーザ、照明装置および投影オブジェクティブを備えた投影露光装置に関する。

半導体リソグラフィにおける投影オブジェクティブの場合、レチクルとも呼ばれるマスクを、照明装置によってできる限り均一に照明する必要がある。しかし、この場合、パルス化されたレーザ光を用いると、スペックル、すなわち明／暗の差異によって均一性が損なわれるという結果をもたらす、レーザ放射線の高い時間的コヒーレンスの点で問題がある。従って、レーザ光が共振体に当たる際に、レーザ光を、部分反射される部分光と、共振体の内部に入射して付随する全反射をした後に、入射位置の領域で再び共振体から出射し、続いて反射部分光と再結合される第二の部分光とに正確に分割するため、３つの角を有するプリズムの形を取った共振体を配置することが、すでに提案されている。これによって、レーザパルスは、事実上、例えば半導体リソグラフィに用いた場合のレチクル面等の照明面に、時間的に連続して到達する複数の部分光に分断される。この場合の目的は、２つのパルス間の間隔を、レーザ放射線のいわゆる時間的コヒーレンスより長くなるようにすることである。これは、光束がもはや干渉することができない、つまり光束がもはや干渉を形成することができないことを意味する。この対策は、照明の均一性の向上をもたらすことを意図している。

先行技術に関しては、ＥＰ１ １０７ ０８９ Ａ２、ＵＳ６，２３８，０６３ Ｂ１および日本特許０１１９８７５９Ａの要約書を参照している。
本発明は、照明の均一性を向上させることが可能なシステムを提供することを目的としている。

本発明によれば、部分光への分割に加えて、波面および少なくとも１つの部分光が１レーザパルス中に変調され、共振体で反射される部分光および共振体に入射する部分光が、共振体の下流において重ね合わせられ、局所位相分布の変化する位相プレートを備えるように共振体が形成されていることによって、この目的が達成される。

周知の、もはや相互に時間的コヒーレンスを有しない部分光へのレーザ光の分割に加えて、本発明によって、レーザ放射の波面の変調も行われる。これによって、１レーザパルス中に様々な波面（局所位相分布）が生じる。言い換えれば、１パルス中の様々なスペックルパターンを重ね合わせることにより、複数のスペックル分布全体の平均化を通じて、照明の均一性を非常に高めることができる。

追加的に変調も行われているため、異なる位相分布を有する時間的オフセット波面を、本発明に基づいて組み合わせることにより、平均化されたスペックルパターンによって非常に高い均一性を実現することができる。共振体に取り付けられた位相プレートは、この目的に適している。

本発明の１つの効果的な構成においては、共振体が少なくとも５つの角を有するプリズムとして形成されていてもよい。
これは、３つの角を有する共振体と比較した場合、レーザ光の一般的に用いられる波長、具体的にはＶＵＶ領域（真空紫外スペクトル領域）以下の波長において、プリズムには極めて大きな偏角が生じ、その結果、どの場合も全反射が生じずに、対応する光損失を伴った部分出射が生じることが立証されているからである。少なくとも５つの角を有するプリズムを用いる場合、少なくとも４つの反射が生じ、通常３７度の最小角度の条件を満たすことができるため、全反射が常に生じる。この場合、本発明による共振体の材料として、具体的にはフッ化カルシウムが知られている。しかし、例えばフッ化マグネシウムあるいは石英のような他の材料をこの目的に使用できることは、言うまでもない。

波面の変調のためには、更に様々な手段が考え得る。
本発明の１つの展開に従って、位相プレートが変化する厚さを有している場合、それに対応して空間的にオフセットした波面が生じる。この場合、十分に変調されるべきレーザ光の空間的コヒーレンス距離の大きさに応じた距離に、光線の方向に対して横方向に種々の厚さの変化が生じる。

本発明の１つの効果的な構成において、位相プレートがゼロ次回折において作動される回折光学素子（ＤＯＥ）として形成されていてもよい。回折光学素子は、通常、一次もしくは高次の回折に用いられる。しかし、波面の変調を実現するため、レーザ光が屈折することなく通過するゼロ次回折において、回折光学素子（ＤＯＥ）が用いられてもよい。

更なる可能性は、拡散スクリーンを位相プレートとして用いることである。
本発明による波面の変調は、例えば少なくとも５つの角を有するプリズム等の共振体を非対称に形成することによっても実現できる。これは、例えばプリズムの少なくとも１面が非対称すなわち非鏡面対称である実施例によって達成することができる。

更なる解決策あるいは非対称の共振体との組合せは、中心光が共振体に偏心的に当たるように、レーザ光の光線誘導を選択することである。この場合、部分光が共振体内を循環する際、波面の変調が同様に引き起こされる。

レーザ光の当たる表面が、入射角を変化させ得るように構成された分離層を備えている場合、角度依存性を少なくとも一部低減させることができるため、適用可能性を高めることができる。従って、分離層によって、入射角を変化させ、それにより反射部分光と共振体内に入射する部分光の割合を変化させることができる。

更に波面の変調を実現するため、分離層は、例えば変化する厚さを有し、かつ／あるいは非均一的に形成されていてもよい。３３：６７もしくは１／３：２／３の分割割合を有する誘電層は、分離層として効果的に用いることができる。

本発明の例示的な実施例が、原則として以下で図面を参照して説明されている。
図１に示すように、投影露光装置１は、レーザとして構成された光源２と、構造体が作りつけられた支持マスク４ａが配置された平面４内のフィールドを照明するための照明装置３と、平面４内の構造体が作りつけられた支持マスク４ａを感光基板６上に撮像する投影オブジェクティブ５とを備えている。投影オブジェクティブ５は、そのハウジング８内に複数の光学素子７を備えている。投影露光装置１は、例えばコンピュータチップのような半導体部品を製造するのに役立つ。

典型的な実施例において、レーザ２と照明装置３の間には、特にレーザ２のレーザ放射線１０の時間的コヒーレンスを低減させるために、共振体９、９’が配設されている。
図２は、共振体９としてのペンタプリズムを示している。

簡略化のため、入射レーザ光束１０の中心光のみが示されており、更に、以下ではそのレーザ光１０のみが言及される。実際には光束が存在することは言うまでもない。レーザ光１０の偏光度を（非偏光と直線偏光の間で）設定するために、ラムダ／２プレート１８が用いられる。プリズム９の表面１１に当たるレーザ光１０は、表面１１で反射される第一部分光１０ａと、共振体９内に入射し、複数の全反射をした後に、入射位置において再び共振体から出射して第一部分光１０ａと結合される部分光１０ｂとに分割される。２つの部分光は、次に、ここでは構造物が作りつけられた支持マスクを備えた平面４である照明面に送られる。例示した五角形のプリズム内では、４つの全反射が生じている。より多くの角を有するプリズムの場合、それに対応してより多くの全反射が生じる。

図２の通り、位相プレート１２はプリズム９内に突き出ており、この位相プレートは、位相プレート１２の前面１３にほぼ垂直に当たる循環する部分光１０ｂが、位相プレート１２を貫通せざるを得ないように、プリズム９内に導入されている。位相プレート１２は、変化する局所位相分布を生じさせる。このために、図３ａおよび３ｂに基づく拡大断面図から分るように、位相プレート１２は様々な厚さを有している。図に示すように、位相プレート１２の厚さは、幅ｓを有する光線の方向に対して横方向において様々に変化する。この場合、使用されるレーザおよびその波長に応じて、最大幅ｓが使用されるレーザ放射の空間的コヒーレンス距離の大きさとほぼ同じになるよう想定されている。エキシマレーザの場合、ｓの値は０．０５ｍｍから１ｍｍの間であり、ビーム拡大をすれば、それに対応して値が増大する。

プレートの最大厚さと最小厚さとの厚み差は、使用される光線の幾つかの波長の大きさとほぼ同じでなければならない。上記の波長において、厚み差ａは２００から５００ｎｍの間でなければならない。

位相プレートの基本厚さｂは、約５００μｍであってもよい。
幅差ｓおよび厚み差ａの分布は、波面上に相対的に無作為な位相分布を得るために、できる限り無作為であったほうがよい。このように、光路長が局所的に異なり、共振体９の下流において部分光１０ａおよび１０ｂが再結合される場合、それに対応して時間的に異なる部分光が得られ、その部分光が更に波面に関して変調される。このように、個々のパルスは時間および位相分布に関して非常に短くすることができるため、もはや干渉性能は備えていない。

図３ｂに基づく実施例において、位相プレート１２は先細あるいは柱状の構造になっており、それによってより良くビーム拡大を行うことができる。
五角形のプリズムを用いると反射角度が３７度より大きくなり、それによって内部で全反射が生じる。例示されている典型的な実施例は、全反射の角度が全て同一であり、約５５度になるように構成されている。

プリズムの材料としては、フッ化カルシウムを用いることができる。ＣａＦ₂プリズム９の結晶方位は、第一の（１００）結晶面が、光線の入射する面、入射する表面あるいは入射表面１１と４５°の角度を形成し、側面１４に対して垂直になるように選択される。第二の（１００）結晶面は、プリズム９の側面１４に並行に配置されている。

このように、１５７ｎｍおよび１９３ｎｍの波長において顕著な固有の複屈折性は、循環する光線の偏光に影響を及ぼさない。入射表面１１における光線は直線偏光され、電界強度ベクトルの振動方向は、入射面に対して平行である（ｐ−偏光されている）か、もしくは垂直である（ｓ−偏光されている）。光線は、ｓ−偏光あるいはｐ−偏光によりプリズム９から再び出射する。

入射光１０が非偏光の光線から成る場合、結晶方位はさほど重要でなく、ＣａＦ₂から成るプリズム９は任意の方向に向けることができる。
同様に可能なのは、前記のブロックをＭｇＦ₂（１５７ｎｍおよび１９３ｎｍにおいて透明、複屈折性が高い）から製造することである。入射点に非偏光の光線がある場合、プリズム面に対する結晶方位は、同様に任意に選択することができる。

入射する面あるいは入射表面１１における光線が直線偏光されており（ｓ−あるいはｐ−偏光されており）、その光線が直線偏光された状態で再び出射するよう想定されている場合、入射電界強度ベクトルの振動方向が、結晶軸の速軸（高い屈折率を有する方向）あるいは遅軸（通常の屈折率を有する方向）と平行になるように、結晶方位が選択されなければならない。

この場合、複屈折性は発生せず、偏光状態が維持される。
使用される位相プレート１２は、ゼロ次回折に最適化されていて衝突光が回折することなく通過する回折光学素子であってもよい。

使用される位相プレート１２は、拡散スクリーンであってもよい。
図４は、オフセットを有している、すなわちプリズム体が非対称に形成されている、五角形のプリズムを示している。図に示すように、一側面すなわち部分光１０ｂの当たる第一側面１５が、距離ｄだけ下方にずれている。従って鏡面対称が崩れており、次の側面１６についても同じことが言える。従って、同様に、反射部分光１０ａおよびプリズム９‘内を循環する部分光１０ｂ、ひいては全ての部分光が、互いに時間的および空間的にオフセットして進む。距離ｄは、約０．１ｍｍの大きさであってもよい。

必要であれば、位相プレート１２（図４において破線で示されている）を図２による形状に対応して差し込むことも可能であり、それによって波面の変調を更に変化させることができる。

図５は、入射表面１１に分割層１７が追加的に取り付けられている、同じく五角形のプリズム９の形状を示す。
分割層は、例えば１／３：２／３の分割率を有する誘電層であってもよい。分割層は、第一に、プリズム９への部分光１０ｂの入射角に影響を与える役割を有する。これは、分割層の形状および材料によって、所望の通り選択することができる。

更に、分割層が追加的に種々の厚さを有している場合には、位相プレート（図５の破線で示されている）の場合における変調と同様に、波面の変調もまた追加的に実現することができる。分割層の不均一あるいは不均質な実施例によっても、同様なことが可能である。

図２、４および５に示された様々な波面を生成する典型的な実施例は、別々に用いることも可能であり、適宜組み合わせて用いることも可能である。例えば、３つの方法の全てを組み合わせること、つまり図４に従って非対称なプリズム９’内に位相プレート１２を配設し、また分割層１７を入射表面１１に設け、更にその分割層１７が変化する厚さを有し、及び／又は非均一的に形成されていることも可能である。

光源、照明装置および投影オブジェクティブを備えた投影露光装置の概略的な構造を示す図である。 位相プレートを備えた共振体としてのペンタプリズムの図である。 図２による位相プレートを通る断面図である。 他の実施例の位相プレートを通る断面図である。 非対称な２つの側を有するペンタプリズムの図である。 表面に分割層を有するペンタプリズムの図である。

Claims (33)

1. 波面出射レーザ放射のコヒーレンスを低減させるためのシステムであり、特に、共振体の表面に当たるレーザ光の第一の部分光が部分反射され、該レーザ光の第二の部分光が前記共振体内に入射し、複数の全反射をした後に少なくともほぼ入射位置の領域において再び該共振体から出射し、前記第一の部分光と一緒に照明面まで送られ、
   部分光（１０ａ、１０ｂ）への分割に加えて前記第二の部分光（１０ｂ）の波面が１レーザパルス中に変調され、前記共振体（９、９’）が局所位相分布の変化する位相プレート（１２）を備えるように前記共振体（９、９’）が形成されている、半導体リソグラフィにおける投影対物系用のシステムであって、
   前記位相プレート（１２）が、前記レーザ光の前記第二の部分光（１０ｂ）の経路に対して、前記光線の方向に対して横方向に様々な厚さを有し、前記位相プレート（９）の様々な厚さが、前記横方向において幅ｓで変化し、前記幅ｓでの前記変化は、入射表面（１１）における前記レーザ放射の空間的コヒーレンス距離の大きさとほぼ同じであることを特徴とするシステム。
2. 前記厚さの差が２００ｎｍから５００ｎｍの間であることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記幅ｓについて０．０５＜ｓ＜１ｍｍが成り立つことを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
4. 前記位相プレート（１２）が、ゼロ次回折に最適化された回折光学素子（ＤＯＥ）として形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
5. 前記位相プレート（１２）として、拡散スクリーンが備えられていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
6. 前記共振体（９、９’）が、少なくとも５つの角を有するプリズムとして形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
7. 前記共振体（９、９’）における反射角が少なくとも３７度であることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
8. 前記共振体（９、９’）における前記第二の部分光（１０ｂ）の光路長が、前記可干渉距離の倍数であることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
9. 前記共振体（９、９’）に当たる光が、前記第一の反射部分光（１０ａ）と前記共振体（９、９’）内を循環する前記第二の部分光（１０ａ、１０ｂ）に関して１／３対２／３の割合で分割されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
10. １５７ｎｍ以下の前記レーザ光（１０）の波長において、フッ化カルシウムが前記共振体（９、９’）として用いられることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
11. フッ化カルシウムの結晶方位は、第一の（１００）結晶面が前記レーザ光の当たる表面の平面に対して４５度の角度を形成し、かつ側面と垂直であり、第二の（１００）結晶面が該側面と平行であるように選択されることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
12. 偏光状態を設定するために、前記共振体（９、９’）に当たる前記レーザ光の偏光方向を入射面に対して回転させ得ることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
13. 偏光度が非偏光と直線偏光との間で調整可能であることを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記偏光度を設定するために、λ／２プレート（１８）が用いられることを特徴とする、請求項１３に記載のシステム。
15. プリズム（９’）が非対称に形成されていることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
16. プリズム（９’）が少なくとも１つの非対称な面を備えていることを特徴とする、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記共振体（９、９’）に当たる前記レーザ光（１０）の中心光の位置が偏心していることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
18. 前記共振体（９’）が非対称に形成されており、前記レーザ光（１０）の中心光が該共振体（９’）に偏心的に当たることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
19. 前記レーザ光（１０）の当たる前記共振体（９、９’）の表面（１１）が分割層（１７）を備え、該分割層が該共振体（９、９’）に入射する前記部分光（１０ｂ）の入射角に影響を与えるようになっていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
20. 前記分割層（１７）の厚さが変化することを特徴とする、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記分割層（１７）が非均一的に形成されていることを特徴とする、請求項１９に記載のシステム。
22. 前記分割層（１７）が誘電層を有することを特徴とする、請求項１９、２０あるいは２１のいずれか１項に記載のシステム。
23. 光源としてのレーザと、照明装置と、マスクを備えた照明面と、投影オブジェクティブとを備えた半導体リソグラフィ用の投影露光装置であり、
    波面出射レーザ放射線のコヒーレンスを低減させるために、共振体の表面に当たるレーザ光が第一の部分光を含んで部分反射され、該レーザ光の第二の部分光が前記共振体内に入射して、複数の全反射をした後に、少なくともほぼ入射位置の領域において再び該共振体から出射し、前記第一の部分光と一緒に照明面まで送られ、部分光（１０ａ、１０ｂ）への分割に加えて、前記第二の部分光（１０ｂ）の波面が１レーザパルス中に変調されるように、前記共振体（９、９’）が形成されている、投影露光装置であって、
    該共振体（９、９’）が局所位相分布の変化する位相プレート（１２）を備え、前記位相プレート（１２）が、前記レーザ光の前記第二の部分光（１０ｂ）の経路に対して、前記光線の方向に対して横方向に様々な厚さを有し、前記位相プレート（９）の様々な厚さが、前記横方向において幅ｓで変化し、前記幅ｓでの前記変化は、入射表面（１１）における前記レーザー放射の空間的コヒーレンス距離の大きさとほぼ同じであることを特徴とする、投影露光装置。
24. 前記位相プレート（１２）が、ゼロ次回折に最適化された回折光学素子（ＤＯＥ）として形成されていることを特徴とする、請求項２３に記載の投影露光装置。
25. 拡散スクリーンが前記位相プレート（１２）として備えられていることを特徴とする、請求項２３に記載の投影露光装置。
26. 前記共振体（９、９’）が少なくとも５つの角を有するプリズムとして形成されていることを特徴とする、請求項２３に記載の投影露光装置。
27. 前記共振体（９、９’）内における前記第二の部分光（１０ｂ）の光路長が時間的コヒーレンス距離の倍数であることを特徴とする、請求項２３に記載の投影露光装置。
28. １５７ｎｍ以下の前記レーザ光（１０）の波長において、フッ化カルシウムが前記共振体（９、９’）として用いられることを特徴とする、請求項２３に記載の投影露光装置。
29. 前記プリズム（９’）が非対称に形成されていることを特徴とする、請求項２３に記載の投影露光装置。
30. 前記共振体（９、９’）に当たる前記レーザ光（１０）の中心光の位置が偏心的であることを特徴とする、請求項２３に記載の投影露光装置。
31. 前記レーザ光（１０）の当たる前記共振体（９、９’）の表面（１１）が分割層（１７）を備え、該分割層が該共振体（９、９’）に入射する部分光（１０ｂ）の入射角に影響を与えるようになっていることを特徴とする、請求項２３に記載の投影露光装置。
32. 前記分割層が変化する厚さを有し、及び／又は非均一的に形成されていることを特徴とする、請求項３１に記載の投影露光装置。
33. 前記分割層が誘電層を有することを特徴とする、請求項３１あるいは３２に記載の投影露光装置。

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