JP4838430B2

JP4838430B2 - 露光装置及びデバイス製造方法

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Publication number: JP4838430B2
Application number: JP2001019262A
Authority: JP
Inventors: 道生河野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: JP2002222757A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般には、露光装置、デバイス製造方法及びデバイスに関し、特に、半導体ウェハ用の単結晶基板、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のガラス基板などの被処理体を露光するのに使用される露光装置、デバイス製造方法及びデバイスに関する。本発明は、例えば、フォトリソグラフィ工程において半導体ウェハ用の単結晶基板をステップアンドスキャン方式によって投影露光する露光装置に好適である。
【０００２】
ここで、「ステップアンドスキャン方式」は、マスク又はレチクル（以下、本出願ではこれらを交換可能に使用する。）に対してウェハを連続的にスキャンさせてマスクのパターンをウェハに露光すると共に、１ショットの露光終了後ウェハをステップ移動させて、次のショットの露光領域に移動させる露光法をいう。
【０００３】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型及び薄型化の要請から、電子機器に搭載される半導体素子の微細化への要求はますます高くなっている。例えば、マスクパターンに対するデザインルールはライン・アンド・スペース（Ｌ＆Ｓ）１３０ｎｍを量産工程で達成しようとし、今後益々小さくなることが予想される。Ｌ＆Ｓは露光においてラインとスペースの幅が等しい状態でウェハ上に投影された像であり、露光の解像度を示す尺度である。露光では、解像度、重ね合わせ精度、スループットの３つのパラメータが重要である。解像度は正確に転写できる最小寸法、重ね合わせ精度は被処理体にパターンを幾つか重ね合わせる際の精度、スループットは単位時間当たり処理される枚数である。
【０００４】
露光法は基本的に密着露光法、近接露光法と投影法を有する。密着法は高解像度が得られるもののごみやシリコンのかけらがマスクに圧入されてマスクの破損や被処理体の傷、欠陥をもたらす。近接法はかかる問題を改善しているがごみ粒子の最大寸法よりもマスクと被処理体の間隔が小さくなると同様にマスクの破損が生じ得る。
【０００５】
そこで、マスクと被処理体との距離を更に離間させる投影法が提案されている。投影法の中でも解像度の改善と露光領域の拡大のためにマスクを一部ずつ露光し、マスクとウェハを同期して走査（スキャン）することによってマスクパターン全体をウェハの各被露光領域に露光する走査型投影露光装置が最近の脚光を浴びている。
【０００６】
投影露光装置は、一般に、マスクを照明する照明光学系と、マスクと被処理体との間に配置されて照明されたマスク上の回路パターンを被処理体に投影する投影光学系とを有する。照明光学系は、均一な照明領域を得るために光源からの光束を複数のロッドレンズから構成されるハエの目レンズなどのライトインテグレーターに導入し、ライトインテグレーター射出面を２次光源面としてコンデンサーレンズでマスク面をケーラー照明する。ここで、投影露光装置の解像度Ｒは、露光光源の波長λと露光装置の開口数（ＮＡ）を用いて次式で与えられる。
【０００７】
【数１】

【０００８】
数式１から理解されるように、波長λを短くすればするほど、及び、ＮＡを上げれば上げるほど、解像度Ｒは改善される。
【０００９】
一方、一定の結像性能を維持できる焦点範囲を焦点深度といい、焦点深度ＤＯＦは次式で与えられる。
【００１０】
【数２】

【００１１】
数式２から理解されるように、波長λを短くすればするほど、及び、ＮＡを上げれば上げるほど、焦点深度は小さくなる。焦点深度は小さくなるとフォーカス合せが難しくなり、基板のフラットネス（平坦度）やフォーカス精度を上げることが要求されるため、基本的に大きい方が好ましい。
【００１２】
従って、数式１及び２から、波長を短くする方がＮＡを大きくするよりも望ましいことが理解される。近年では、露光光源の波長はＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）からＡｒＦエキシマレーザー（波長約１９３ｎｍ）に、ＮＡは約０.６から約０.７５になろうとしている。また、Ｆ₂エキシマレーザー（波長約１５７ｎｍ）の実用化も進んでいる。
【００１３】
さて、エキシマレーザー光は、本来、スペクトル幅が広いため、広いスペクトル幅はレンズのみからなる光学系に色収差を生じさせる。色収差とは、レンズの屈折率が波長（光の色）に対して変化（分散）してレンズの焦点距離が変化する現象であるが、この結果、ウェハに対する焦点深度が変化してウェハに対して所望の品質（深さ）の露光処理が行えない。かかる問題を解消するために、エキシマレーザー光のスペクトル幅をプリズムやグレーティングなどを利用して狭帯域化することが考えられるが、色収差を完全に除去することは困難である。また、短波長化が進むにつれて狭帯域化も困難にある。更に、狭帯域化によりコヒーレンス度が高くなりスペックルが生じやすくなる。ここで、スペックルとは、レーザーのような干渉性のよい光が粗い表面で反射したり透過したりする時に散乱した光が干渉して斑点状の模様を生じる現象である。従って、エキシマレーザーの出射光の強度分布（光軸に対する垂直面内での強度分布）は均一にはならず、何らかの対策を施さないとウェハ上で照度むらが生じてしまう。これらの問題を解消するために、色収差を緩和し、スペックルを除去して照明照度を均一にする機能を有し、ミラーのみを使用する全ミラー型光学系やミラーとレンズの混成型の光学系（カタディオプトリック光学系）を投影光学系に適用することが従来から提案されている。
【００１４】
例えば、カタディオプトリック投影光学系のある光学系は凹面鏡を使用して凹面鏡の焦平面（物平面）に被処理体を配置して露光するが、凹面鏡に軸上光を導入すると光軸付近では入射光と凹面鏡からの反射光とが合わさることによりケラレが発生する。このため、公開特許昭和６２年第１１５７１８号公報や公開特許昭和６２年第１１５７１９号公報は、像側がテレセントリックな投影光学系の軸外の結像領域（イメージフィールド）だけを用いてマスクのパターンを前記被処理体上に投影する方法を開示している。かかる方法は、照明光学系によりマスクを照明し、マスクからの軸外の結像光束を凹面鏡により反射し、この凹面鏡からの光を更にミラーにより反射して被処理体に導入している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
投影光学系に照明光学系から入射する照明光のテレセントリック性（主光線の傾きの度合いの意味であり、テレセントリックと同義ではない）が投影光学系の照明光学系側の結像光のテレセントリック性と一致しないと、投影光学系の像側が実質的にテレセントリックではなくなり、パターンの結像位置に光軸方向と垂直な方向にずれ（横ずれ）が生じて本来露光しようとする部分に正しく露光が行なわれない。本願発明者の検討によれば、投影光学系のテレセントリックのずれ（即ち、主光線が光軸と平行ではなく光軸に対して傾く現象）は光軸に回転対称に発生する。
上述した公報における露光装置は、照明光学系が投影光学系に入射する照明光のテレセントリック性を調節する機能を有してはおらず、且つ照明光学系の光軸が投影光学系の光軸から偏心しているため、投影光学系に入射する照明光のテレセントリック性を簡単に調節することが困難である。
【００１６】
以下、図１５乃至図１８を参照して、この従来例の問題について説明する。ここで、図１５及び図１６は、照明光学系６００、レチクル６１０、投影光学系６２０、絞り６３０、ウェハ面６４０の光学的配置を示す概略断面図であり、図１５は、ウェハ面６４０で横ずれがない場合を示し、図１６は、ウェハ面６４０で横ずれＳＤが発生している場合を示している。図１７は、図１６に示す横ずれＳＤの方向を説明するための図１６を光軸ＯＯ’方向から見た平面図である。
【００１７】
投影光学系６２０は図示しない投影レンズと凹面反射鏡を含み、鏡の中心から所定距離にある円弧状領域を図示しないスリットで限定し、レチクル６１０に形成された像（即ち、回路パターン）をウェハ面６４０に投影する。鏡とスリットを固定してレチクル６１０とウェハを相対的に移動すればウェハ上にレチクル６１０に形成されたパターンの像が転写される。
【００１８】
ここで、図１５の投影光学系６２０は、一般に、ウェハ面６４０ではテレセントリックを維持するように設計されている。ここで、テレセントリックとは、物界及び／又は像界の主光線が光軸に平行になることをいう。より具体的には、図１５において、画面全域において主光線（又は光束の重心）ａ乃至ｃがウェハ面６４０に対して垂直に入射すること、換言すれば、光軸ＯＯ’に平行な方向を向くことをいう。これは、たとえ、ウェハ面６４０が焦点深度内で焦点深度方向ｚに位置Ｗから位置Ｗｄに距離ｄだけ移動しても、焦点深度方向ｚと垂直な方向ｒへの露光像の横ずれを防止して重ね合わせ精度を維持するためである。
【００１９】
一方、レチクル６１０側では一般にはテレセントリック性は維持されていない。これは、設計上の制約を緩和するためであり、また、故意に非テレセントリック状態にすることによって、投影光学系６２０の図示しない投影レンズの有効径を小さくするためでもある。
【００２０】
従って、このような投影光学系６２０に対して照明光学系６００は、光束のレチクル６１０への入射角度を調節して光束をレチクル６１０に照射しなければ、図１６に示すように、ウェハ面６４０でテレセントリック性が維持できなくなってしまう。図１６においては、主光線（又は光束の重心）ａ’及びｃ’がウェハ面６４０に対して垂直に入射していない（換言すれば、光軸ＯＯ’に平行な方向を向いていない）ため、ウェハ面６４０に対して実質的に斜めに入光したのと同様の効果を有する。このため、ウェハ面６４０が方向Ｚに位置Ｗから位置Ｗｄに距離ｄだけ移動すると、方向ｚと垂直な方向ｒに光線ａ’及びｃ’はΔＳＤだけ横ずれ（シフト）してしまい、重ね合わせ精度が悪化する。この状態を、図１７に示すように光軸ＯＯ’からみると、横ずれＳＤの方向は矢印で示されるように光軸ＯＯ’を中心とする円の径方向ｒに（即ち、放射状に）広がることが理解されるであろう。このため、図１７に示すｙ方向への走査では常に像の横ずれが発生する。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
そこで、このような従来の課題を解決する新規かつ有用な露光装置、当該露光装置を使用したデバイス製造方法、及び、当該製造方法により製造されたデバイスを提供することを本発明の概括的目的とする。
【００２２】
より特定的には、本発明は、重ね合わせ精度の高い露光装置、及び、当該露光光学系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。
【００２３】
また、当該デバイス製造方法を利用した高品位な半導体、ＬＣＤ、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッドなどのデバイスを提供することを本発明の別の例示的な目的とする。
【００２４】
上記問題を解決するために、本発明の一側面としての露光装置は、パターンが形成されたマスクを照明する照明光学系と、前記パターンを被処理体上に投影する、該被処理体側がテレセントリックな投影光学系とを有する露光装置であって、前記投影光学系は、該投影光学系の軸外の結像領域だけを用いて前記パターンを前記被処理体上に投影するように構成されており、前記照明光学系の光軸は前記投影光学系の光軸と共軸であり、前記照明光学系は、レンズから所定幅の円弧を切り取って複数積層して形成されたハエの目レンズと、前記照明光学系の光軸方向に移動可能なレンズとを有し、前記ハエの目レンズを用いて前記光軸から偏芯した軸外の照明光を形成し、該移動可能なレンズを前記照明光学系の光軸方向に移動することにより前記照明光学系の照明光の主光線の傾きを調節することを特徴とする。
【００２７】
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好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の例示的な露光装置１について説明する。ここで、図１は、本発明の例示的な露光装置１の単純化された光学系を示す光路図である。
【００２９】
露光装置１は、図１に示すように、転写用パターンが形成されたレチクルマスク２００を照明する照明装置１００と、レチクル２００と、投影光学系３００と、プレート４００と、制御系（補正装置）５００とを有する。露光装置１は、ステップアンドスキャン方式でレチクル２００に形成された回路パターンをプレート４００に露光する走査型投影露光装置である。
【００３０】
照明装置１００は転写用の回路パターンが形成されたレチクル２００を照明し、光源部１１０と照明光学系１２０とを有する。
【００３１】
光源部１１０は、光源としてのレーザー１１２と、ビーム整形系１１４とを含む。
【００３２】
レーザー１１２は、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長約１５３ｎｍのＦ₂エキシマレーザーなどを使用することができるが、レーザーの種類はエキシマレーザーに限定されず、例えば、ＹＡＧレーザーを使用してもよいし、そのレーザーの個数も限定されない。例えば、独立に動作する２個の固体レーザーを使用すれば固体レーザー相互間のコヒーレンスはなく、コヒーレンスに起因するスペックルはかなり低減する。さらにスペックルを低減するために光学系を直線的又は回転的に揺動させてもよい。また、光源部１１０に使用可能な光源はレーザー１１２に限定されるものではなく、一又は複数の水銀ランプやキセノンランプなどのランプも使用可能である。
【００３３】
ビーム整形系１１４は、例えば、複数のシリンドリカルレンズを備えるビームエクスパンダ等を使用することができ、レーザー１１２からの平行光の断面形状の寸法の縦横比率を所望の値に変換する（例えば、断面形状を長方形から正方形にするなど）ことによりビーム形状を所望のものに成形する。ビーム成形系１１４は、後述するハエの目レンズ１４０を照明するのに必要な大きさと発散角を持つ光束を形成する。
【００３４】
また、図１には示されていないが、光源部１１０は、コヒーレントなレーザー光束をインコヒーレント化するインコヒーレント化光学系を使用することが好ましい。インコヒーレント化光学系は、例えば、公開特許平成３年第２１５９３０号公報の図１に開示されているような、入射光束を光分割面で少なくとも２つの光束（例えば、ｐ偏光とｓ偏光）に分岐した後で一方の光束を光学部材を介して他方の光束に対してレーザー光のコヒーレンス長以上の光路長差を与えてから分割面に再誘導して他方の光束と重ね合わせて射出されるようにした折り返し系を少なくとも一つ備える光学系を用いることができる。
【００３５】
照明光学系１２０は、マスク２００をテレセントリック照明する光学系であり、本実施例では、第１のコンデンサーレンズ１２２と、偏芯照明領域形成部１３０と、マスキング結像系１７０とを含む。
【００３６】
第１のコンデンサーレンズ１２２はビーム成形系１１４の出射面と偏芯照明領域形成部１３０の後述するハエの目レンズ１４０の入射面とがフーリエ変換の関係になるように配置されている。なお、必要があれば、ビーム成形系１１４と第１のコリメーターレンズの間に折り曲げミラーが挿入されてもよい。
【００３７】
第１のコンデンサーレンズ１２２は、図示しない開口絞りがレンズ１２２の焦点位置に配置されている像側テレセントリックレンズであり、その出射側においてテレセントリック光学系を構成している。出射側をテレセントリック光学系に構成することによって、第１のコンデンサーレンズ１２２を通過した光束の主光線は後述するハエの目レンズ１４０の中心及び周辺のどのレンズ素子１４２に対しても平行になる。
【００３８】
第１のコンデンサーレンズ１２２の出射側をテレセントリック光学系に構成しないと、ハエの目レンズ１４０の中心のレンズ素子１４２が入射光束と略等しい開口数（ケラレがない開口数）を持つ場合に周辺のレンズ素子１４２も中心のレンズ素子１４２と同じとすると周辺のレンズ素子１４２では主光線が傾く分だけ入射光束にケラレが生じる。ハエの目レンズ１４０に入射した光束が各レンズ素子１４２でケラレを生じないためには、周辺部のレンズ素子１４２は中心部のレンズ素子１４２に対して入射する光束の主光線の傾き分だけ開口数を大きく設定しなければならない。
【００３９】
しかし、図６及び図９を参照して後述されるように、ハエの目レンズ１４０は隙間なく連続的に並べた積層構造を有するため、一のレンズ素子１４２についても一のレンズ素子１４２の一部についても径を最適化することはできない。従って、中心部のレンズ素子１４２も周辺部のレンズ素子１４２も同一にして細密充填配置を形成する必要がある。そこで、第１のコンデンサーレンズ１２２を出射側でテレセントリック光学系に構成すればハエの目レンズ１４０の各レンズ素子１４２を中心部のレンズ素子１４２（ケラレが生じない最小の開口数のもの）で共通化することができる。
【００４０】
偏芯照明領域形成部１３０は、光軸ＯＯ’から偏芯した軸外照明光を形成する機能を有し、ハエの目レンズ１４０と、第２のコンデンサーレンズ１６２と、第１の照射面１６４と、スリット１６６とを有する。図１に示す偏芯照明領域形成部１３０が軸外照明光を形成するより詳細な光路図を図３に示す。
【００４１】
ハエの目レンズ１４０は、入射光の角度分布を位置分布に変換して出射するライトインテグレーターの一種で、入射面と出射面とは光学的に物体面と瞳面（又は瞳面と像面）の関係になる。かかる関係を本出願ではフーリエ変換の関係と呼ぶ場合がある。但し、後述するように、本発明が使用可能なライトインテグレーターはハエの目レンズに限定されるものではない。ハエの目レンズ１４０は、本実施例では半球面から所定幅の円弧を切り取って複数積層した形状を有するレンズ素子１４２及び１４６を多数組み合わせて構成されているが、本発明はその他の断面形状を有するレンズ素子を排除するものではない。
【００４２】
ハエの目レンズ１４０は、図４乃至図１０に示すように、半球面から所定幅の円弧を切り取って複数（本実施例では１４段）積層した形状を有して、焦点距離ｆだけ離間した入射レンズ素子１４２と出射レンズ素子１４６とを有する。一組の入射及び出射レンズ素子１４２及び１４６は焦点距離ｆだけ離間しているのでフーリエ変換の関係にある。入射及び出射レンズ素子１４２及び１４６の形状は、被照明領域である第１の照射面１６４、マスク２００及び図２を参照して後述されるプレート４００の形状に対応している。このように入射及び出射レンズ素子１４２及び１４６の断面形状を被照明領域の形状に近似させることによって、ハエの目レンズ１４０の出射面の像がケラレなく面光源に近い有効光源とみなせ、被照明領域を効率的かつ均一に照明することができる。
【００４３】
ここで、図２は、投影光学系３００からプレート４００に照射される軸外良像域（露光領域）を示す平面図である。図４は、入射レンズ１４１から有効域である入射レンズ素子１４２を切り出すことを説明するための平面図である。図５は、図４に示す入射レンズ１４１の側面図である。図６は、入射レンズ素子１４２を１４段積層することによって形成された入射レンズ群１４３の平面図である。図７は、出射レンズ１４５から有効域である出射レンズ素子１４６を切り出すことを説明するための平面図である。図８は、図７に示す出射レンズ１４５の側面図である。図９は、出射レンズ素子１４６を積層することによって形成された出射レンズ群１４７の平面図である。図１０は、入射レンズ１４１及び出射レンズ１４５からそれぞれ切り出された一組の入射及び出射レンズ素子１４２と１４６の間を進行する照明光束を示す概略斜視図である。
【００４４】
図４乃至図６を参照するに、入射レンズ素子１４２は、図２を参照して後述されるＡＲＣ（プレート４００の面上での輪帯状露光領域）を含んで、これとほぼ相似形である。図５乃至図７は出射レンズ素子１４６に関して、入射レンズ素子１４２と同様な関係を示している。図４に示す入射レンズ１４１と出射レンズ１４５は同一の球面レンズであるが、図７に示すように、出射レンズ素子１４６は出射レンズ１４５から切り出す位置において入射レンズ素子１４２と異なる。これは、図３に示すように、入射レンズ素子１４２を通過した光束が軸外に偏向されるからである。図３は、図１における偏芯照明領域形成手段１３０の詳細図である。ハエの目レンズ１４０は複数の例示的なレンズ素子１４２ａ乃至ｃを含む入射レンズ群１４３及び複数の例示的なレンズ素子１４６ａ乃至ｃを含む出射レンズ群１４７から構成され、両レンズ群１４３及び１４７は焦点距離ｆだけ離れて配置されている。入射及び出射レンズ素子１４２及び１４６はこれらをそれぞれセットで積層するが全体としての光束のけられをふせぐためには、両者は同一形状であることが望ましい。
【００４５】
ハエの目レンズ１４０の出射面の直後には、形状及び径が固定された図示しない開口絞りが設けられる。開口絞りは、通常は円形の開口を有するが、例えば、輪帯形状や４重極形状などの開口を持つ開口絞りを用いて変形照明を実現してもよい。このような開口絞りを利用する変形照明法（又は斜入射照明法）により、理論的に、通常は０.５以上である数式１の比例定数ｋ₁を０.３程度にまで小さくすることができる。
【００４６】
開口絞りを設ける代わりに、第１のコンデンサーレンズ１２２とビーム成形系１１４との間に、図示しない光学ロッドを配置してもよい。この場合、光学ロッドの出射面が第１のコンンデンサーレンズ１２２の焦点位置にあるように光学ロッドに位置が調節されることが好ましい（テレセントリック光学系）。光学ロッドは、出射面で光軸に軸対称な均一な角度分布を有する光束を得るために用いられる。好ましくは、ビーム成形系１１４と光学ロッドの間にプリズムが配置される。プリズムは、光束を光学ロッドの軸方向に対して所定角度をもって入射させるために使用される。プリズムは、例えば、三角形状の断面を有する三角柱であるが、光束の入射面とそれに対向する光束の出射面が相対的に傾斜しているであれば、その形状は限定されない。プリズムをターレット上に配置し任意に回転可能な構成してもよい。かかる構成により、光学ロッドに入射する光束の光学ロッドの軸方向に対する角度を任意に変えることができる。必要があれば、ビーム成形系１１４と光学ロッドの間、及び／又は、ビーム成形系１１４とプリズムとの間には光束を偏向する折り曲げミラーを配置してもよい。なお、かかる実施例を、本出願人は、特許願平成２０００年第２９２８２７号において既に開示しており、ここでその記載を参照して結合する。
【００４７】
第２のコンデンサーレンズ１６２は、ハエの目レンズ１４０から出射した光束をその軸外においてできるだけ多く集めて第１の照射面１６４に重畳的に重ね合わせて第１の照射面１６４をケーラー照明する。即ち、第１の照射面１６４とハエの目レンズ１４０の出射面とはフーリエ変換の関係に配置されている。出射レンズ群１４７の出射面は第２のコンデンサーレンズ１６２の前側焦平面にあり、第１の照射面１６４は第２のコンデンサーレンズ１６２の後側焦平面にある。入射レンズ群１４３の入射面は第１の照射面１６４と共役関係にある。かかる配置から、軸外照明光束はハエの目レンズ１３０でケラレることなく照明領域である第１の照射面１６４の照度を高めることができる。本実施例では、第２のコンデンサーレンズ１６２は、光軸ＯＯ’上で図１に示す制御系５００の駆動装置５３０により移動可能に構成される。
【００４８】
露光装置１は、必要があれば、第１の照射面１６４の上に照度ムラ制御用の幅可変スリットや走査中の露光領域制限用のマスキングブレード等が配置してもよい。マスキングブレードは、例えば、公開特許第２０００年２９２６０４号公報、公開特許第２０００年２５２１９３号公報等に開示されている。
【００４９】
スリット１６６は、第２のコンデンサーレンズ１６２により均一照明される領域に円弧状の透光部と遮光部とを有する。ここで、スリット１６６の透光部を透過した光束をマスク２００の照明光として使用する。スリット１６６は、第２のコンデンサーレンズ１６２の焦平面に設けられているのでテレセントリック光学系を維持している。
【００５０】
上述したように、本発明で適用可能なライトインテグレーターはハエの目レンズ１４０に限定されるものではない。例えば、図１１は、図４に示すレンズ片を回折格子で形成するバイナリーオプティックス１４０Ａの平面図及び側面図である。原理的には通常の球面レンズを厚み方向に分解し、複数段差（図１１中では４段構造）として、（本実施例では２個のマスクを使用して）エッチング工程で作成することができる。本発明の場合、特に、円弧状の有効部入射及び出射レンズ素子１４２及び１４６に対応する領域のみそれぞれパターニングし、それを図６のように積層すればよい。図４のガラス片では外径が数ｍｍ程度が加工限界であるが、本実地例では１ｍｍ以下に素子を微細化できるという利点がある。微細化によって、照度ムラは低減し、有効光源の均一性は格段に向上する。また、本発明の構成、すなわち、軸外に照明領域を形成する事により、従来、回折素子の問題となっていた０次光フレアーも光軸上に発生するのでみずからこれを回避できるという利点も持ち合わせている。
【００５１】
また、ハエの目レンズ１４０は、２組のレンズアレイ（又はレンチキュラーレンズ）板を重ねることによって構成されるインテグレーターに置換されてもよい。１枚目と４枚目の組のレンズアレイ板はそれぞれ焦点距離ｆ３を有し、２枚目と３枚目の組のレンズアレイ板はｆ３とは異なる焦点距離ｆ４を有する。同一組のレンズアレイ板は相手の焦点位置に配置される。２組のレンズアレイ板は直角に配置され、直交方向でＦ番号（＝レンズの焦点距離／有効口径）の異なる光束を作る。この結果、スリット１６６には透光部をカバーする円弧状の照射領域が形成され、光量を有効に活用することができる。なお、インテグレーターの組数が２に限定されないことはいうまでもない。
【００５２】
また、ハエの目レンズ１４０は、コリメーターレンズと光学ロッドの組み合わせに置換されてもよい。コリメーターレンズは、第１のコンデンサーレンズ１２２から出射された平行光を直接に受光して光学ロッドの入射面端部に集光する集光光束に変換している。後述するように、テレセントリックのずれを補正する手段（駆動装置５３０によって移動される第２のコンデンサーレンズ１６２及び第２のレンズ系１７４）は、前記コリメーターレンズの後段に設けられているのでこれらの補正手段によってテレセントリックのずれは補正可能であるため、必要があれば、第１のコンデンサーレンズと前記コリメーターレンズとの間には折り曲げミラーが挿入されてもよい。かかる構成では、ビーム成形系１１４の出射面と光学ロッドの入射面を光学的に物体面と像面の（即ち、共役の）位置関係にある。好ましくは、光学ロッドの入射面がコリメーターレンズの焦点位置に配置される（テレセントリック光学系）。
【００５３】
光学ロッドは、入射面で不均一であった照度分布を出射面で均一にし、ロッド軸と垂直な断面形状が照明領域とほぼ同一な縦横比を有する矩形断面を有する。なお、光学ロッドはロッド軸と垂直な断面形状にパワーがあると出射面での照度が均一にならないので、そのロッド軸に垂直な断面形状は直線のみで形成される多角形である。
【００５４】
その他、ハエの目レンズ１４０は、拡散作用をもった回折素子に置換されてもよい。
【００５５】
マスキング結像光学系１７０は、スリット１６６の開口像を再度マスク２００上に再結像する機能を有し、第１のレンズ系１７２と、第２のレンズ系１７４と、補正部材１７６とを有する。第１のレンズ系１７２と第２のレンズ系１７４は、それぞれ、一又は複数のレンズ群を有する。必要があれば、レンズ系１７２及び１７４との間に折り曲げミラーは挿入されてもよい。本実施例では、第２のレンズ系１７４は、光軸ＯＯ’上で移動可能に構成されており、制御系５００の駆動装置５３０により移動される。補正部材１７６は軸外光のテレセントリックのずれ（即ち、主光線と光軸ＯＯ’とのずれ角度）を補正し、共軸方向に可動な通常の球面レンズや、正又は負の屈折力を有する非球面のレンズ部材から構成される。
【００５６】
制御系５００は、制御部５１０と、メモリ５１２と、検出部５２０と、駆動装置５３０とを有する。制御部５１０は、本発明との関係では後述する投影光学系３００に入射する光のテレセントリックのずれ（即ち、主光線と光軸ＯＯ’とのずれ角度）を、検出部５２０を介して検出し、かかるずれが除去されるように、駆動装置５３０を制御して、第２のコンデンサーレンズ１６２及び／又は第２のレンズ系１７４を光軸ＯＯ’に沿って移動する。
【００５７】
制御部５１０は、検出部５２０に接続され、検出部５２０の検出結果に基づいて第２のコンデンサーレンズ１６２及び第２のレンズ系１７４の位置を個別的に制御することができる。制御部５１０はメモリ５１２に接続され、メモリ５１２は本発明との関係では制御部５１０が行うテレセントリシティ制御方法及び／又はそれに使用されるデータを格納することができる。メモリ５１２は、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭその他の記憶装置を含む。本実施例では制御部５１０は照明装置１００の制御部であるが、必要があれば露光装置１その他の外部装置の制御部が兼ねることもできる。また、制御部５１０は、露光装置１その他の外部装置に更に制御されてもよい。必要があれば、メモリ５１２及び検出部５２０は照明装置１００の外部に設けられてもよい。
【００５８】
検出部５２０は、例えば、プレート４００の近傍に配置されたピンホールと２次元センサから構成される。ピンホールはマスク２００と共役となる位置に配置され、２次元光センサは、ピンホール下方にピンホールから一定距離ｈ離れたところに受光面がくるように配置される。投影光学系３００の絞り（入射瞳）３１０とピンホールを通って照明光学系１２０から照射される照明光束を、２次元光センサを介して観察することにより、絞り３１０の照度分布を測定することができる。検出部５２０は、かかる照度分布を取り込んで、絞り３１０の中心と照明光束の中心のずれをテレセントリシティのずれ量として把握する。
【００５９】
マスク２００上には転写されるべき回路パターン（又は像）が形成されており、マスク２００から発せられた回折光は投影光学系３００を通りプレート４００上に投影される。プレート４００はウェハや液晶基板などの被処理体でありレジストが塗布されているものである。スリット１６６とマスク２００とは、共役な関係に配置される。ハエの目レンズ１４０の出射面とマスク２００とはフーリエ変換の関係にある。また、マスク２００とプレート４００とは共役の関係にある。
【００６０】
走査型投影露光装置の場合は、マスク２００とプレート４００を走査することによりマスク２００のパターンをプレート４００上に転写する。ステッパー（ステップ・アンド・リピート露光方式の露光装置）の場合はマスク２００とプレートＷを同期して移動（換言すれば、両者の相対位置を固定（又は静止））させた状態で露光が行われる。
【００６１】
本実施例の投影光学系３００は、複数のレンズ素子と少なくとも一枚の凹面鏡とを有するカタディオプトリック光学系を使用する。但し、本発明に適用可能な投影光学系３００は、ミラーのみからなる全ミラー型、特殊レンズ型などを含む。色収差の補正が必要な場合には、互いに分散値（アッベ値）の異なるガラス材からなる複数のレンズ素子を使用したり、回折光学素子を使用したりする。投影光学系３００は、絞り３１０を有して、レチクル２００の回路パターンを表す軸外光をプレート４００にテレセントリック結像する。また、投影光学系３００の光軸ＯＯ’は照明光学系１２０の光軸ＯＯ’と一致する。換言すれば、照明光学系１２０と投影光学系３００とは共軸関係に配置される。
【００６２】
プレート４００にはフォトレジストが塗布されている。フォトレジスト塗布工程は、前処理と、密着性向上剤塗布処理と、フォトレジスト塗布処理と、プリベーク処理とを含む。前処理は洗浄、乾燥などを含む。密着性向上剤塗布処理は、フォトレジストと下地との密着性を高めるための表面改質（即ち、界面活性剤塗布による疎水性化）処理であり、ＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌ−ｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）などの有機膜をコート又は蒸気処理する。プリベークはベーキング（焼成）工程であるが現像後のそれよりもソフトであり、溶剤を除去する。投影光学系３００は、図２に示すように、軸外の特定像高ｒｗ近傍（幅ｗ）のみを良像域（ＡＲＣ）として有している。
【００６３】
露光において、レーザー１１２から発せられた光束は、ビーム成形系１１４によりそのビーム形状が所望のものに成形された後で、第１のコンデンサーレンズ１２２に入射する。第１のコンデンサーレンズ１２２によって略平行化された光速は、ハエの目レンズ１４０の入射面に入射する。
図３及び図１０を参照するに、入射レンズ素子１４２に入射する光束の角度は前段であるビーム成形系１１４と第１のコンデンサーレンズ１２２によって決定され、照明光束は入射レンズ素子１４２を通過後、フーリエ変換面である出射レンズ素子１４６上で集光する。照明光束は前述のように、ケラレることなく進行することが理解されるであろう。図１０においては、光束ｓ１は光束ｓ１０に対応し、光束ｓ２は光束ｓ２０に対応し、光束ｌ１は光束ｌ１０に対応し、光束ｌ２は光束ｌ２０に対応している。
【００６４】
ハエの目レンズ１４０を出射した光束は、第２のコンデンサーレンズ１６２を通過し、図示しない絞りを通過して第１の照射面１６４を照明する。特徴的に、第２のコンデンサーレンズ１６２を通過した光束は、照明光学系１２０の光軸ＯＯ’から偏芯した軸外に照明領域を直接に形成する。照明光学系１２０は、図２に示す軸外良像域ＡＲＣと光軸ＯＯ’を含めてほぼ相似形の照明領域を第１の照射面１６４上に形成する。その後、光束はスリット１６６を経て、マスキング結像系１７０を通った後マスク２００を照明する。第２のコンデンサーレンズ１６２は、インテグレーター１４０から出射した光を用いてマスク２００をケーラー照明により均一に軸外照明する。
【００６５】
マスク２００を通過した光束は投影光学系３００の結像作用によって、プレート４００上に所定倍率で縮小投影される。投影光学系３００はプレート４００上に、図１２に示すような円弧状のパターン転写領域を形成すると共にマスク２００とプレート４００の同期走査により、円孤幅方向にプレート４００を走査して、ショット全体（図中Ｃ５）を露光する。更に、プレート４００のステージをステップして、次のショットに移り、プレート４００上に多数のショット（Ｃ１〜Ｃ９）を露光転写する。
【００６６】
かかる照明装置１００を使用する露光装置１は、テレセントリック性を投影光学系３００において維持することができるので、露光による横ずれが少なく、Ｌ＆Ｓを一定に維持することができ、高精度に露光を行って高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。
【００６７】
また、照明光学系１２０から投影光学系３００に照射される光束についてテレセントリシティのずれが発生した場合であっても、本発明のように両方の光学系１２０及び３００を共軸に配置していれば、投影光学系３００で発生したテレセントリシティのずれを照明光学系１２０の第２のコンデンサーレンズ１６２及び／又は第２のレンズ系１７４を光軸ＯＯ’方向に移動することにより、（射出テレセン度に敏感度をもつ部材）の光軸方向移動により、簡単に補正することができる。例えば、図１７のＡＲＣ内部で光軸ＯＯ’に回転対称なテレセントリシティのずれが発生した場合、第２のコンデンサーレンズ１６２及び／又は第２のレンズ系１７４を光軸ＯＯ’方向にズーミングすれば、図１６のように原理的にほぼ完全にウェハでフォーカス時の像シフトを補正できる。かかる補正は、補正部材１７６によって行ってもよい。
【００６８】
次に、図１３及び図１４を参照して、上述の露光装置１を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。図１７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１（回路設計）ではデバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。ステップ３（ウェハ製造）ではシリコンなどの材料を用いてウェハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は前工程と呼ばれ、マスクとウェハを用いてリソグラフィ技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウェ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６（検査）では、ステップ５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７）される。
【００６９】
図１８は、ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）ではウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）ではウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置１によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。ステップ１８（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１９（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ェハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施例の製造方法によれば従来は製造が難しかった高品位のデバイスを製造することができる。
【００７０】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されずその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明の意図する補正は、設計段階で照明光学系と投影光学系との間のテレセントリック性が維持される場合のみでない。その後、なんらかの理由、たとえば、照明モードを均一な有効光源から変更照明（輪帯状或いは四重極状の有効光源）に切り替えた際、微妙な光量重心の変化で実質的にテレセントリック性が維持されなくなった場合等、上述のような照明光学系内部の光学部材１６２や１７４を調整可変手段として用いることも本発明の範囲である。
【００７１】
【発明の効果】
本発明の効果として、超微細パターンの露光転写を実現すると共に、被処理体面でのテレセントリック性が維持されて焼き付け像のずれが生じない。その結果、半導体デバイス作成時の工程時間重ね合わせ精度が向上し、チップ製造の歩留まりが高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての露光装置の光路図である。
【図２】図１に示す投影光学系の軸外良像域（露光域）を示す図である。
【図３】図１に示す露光装置の偏芯照明領域形成手段の詳細図である。
【図４】図１に示す露光装置に適用可能なハエの目レンズの入射レンズ素子の製造を説明するための平面図である。
【図５】図４の側面図である。
【図６】図４に示す入射レンズ素子を複数積層したものの平面図である。
【図７】図１に示す露光装置に適用可能なハエの目レンズの出射レンズ素子の製造を説明するための平面図である。
【図８】図７の側面図である。
【図９】図７に示す出射レンズ素子を複数積層したものの平面図である。
【図１０】図４に示す入射レンズ素子と図７に示す出射レンズ素子との間を進行する光線を説明する概略斜視図である。
【図１１】図４に示すハエの目レンズの変形例を示す図である。
【図１２】図１に示す露光装置により、円弧状の軸外光を用いてプレートを走査露光する場合を示す図である。
【図１３】本発明の露光工程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１４】図１３に示すステップ４の詳細なフローチャートである。
【図１５】投影光学系と照明光学系との間でテレセントリック性が維持された場合の露光状態を示す図である。
【図１６】投影光学系と照明光学系との間でテレセントリック性が維持されない場合の露光状態を示す図である。
【図１７】投影光学系と照明光学系との間でテレセントリック性が維持された状態で走査露光した時、１ショット内で転写像のシフトが発生する事を示す図である。
【図１８】投影光学系と照明光学系との間でテレセントリック性が維持された状態で走査露光した時、１ショット内で転写像のシフトが発生しないことを示す図である。
【符号の説明】
１露光装置
１００照明装置
１１０光源部
１２０照明光学系
１４０ライトインテグレーター
１６２第２のコンデンサーレンズ
１７４第２のレンズ系
２００マスク（レチクル）
３００投影光学系
４００プレート
５００制御系（補正装置）
５１０制御部
５２０検出部
５３０駆動装置

Claims

パターンが形成されたマスクを照明する照明光学系と、前記パターンを被処理体上に投影する、該被処理体側がテレセントリックな投影光学系とを有する露光装置であって、
前記投影光学系は、該投影光学系の軸外の結像領域だけを用いて前記パターンを前記被処理体上に投影するように構成されており、
前記照明光学系の光軸は前記投影光学系の光軸と共軸であり、
前記照明光学系は、
レンズから所定幅の円弧を切り取って複数積層して形成されたハエの目レンズと、
前記照明光学系の光軸方向に移動可能なレンズとを有し、
前記ハエの目レンズを用いて前記光軸から偏芯した軸外の照明光を形成し、
該移動可能なレンズを前記照明光学系の光軸方向に移動することにより前記照明光学系の照明光の主光線の傾きを調節することを特徴とする露光装置。
該移動可能なレンズは、正又は負の屈折力を有する非球面レンズであることを特徴とする請求項１記載の露光装置。
円弧状の開口部を有するスリットと、
前記スリットの開口部の像を前記マスク上に結像する結像系とを有することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
前記照明光学系は、前記投影光学系の前記軸外の結像領域と相似形状の第１の照明領域を軸外に形成する第１の光学系と、前記第１の光学系を経た光束を第２の照明領域に結像させる第２の光学系とを有し、前記第１の光学系の光軸及び前記第２の光学系の光軸の双方共前記投影光学系の前記光軸と共軸である請求項１記載の露光装置。
請求項１から４のうちいずれか一項記載の露光装置を使用して、前記被処理体に露光するステップと、前記露光された前記被処理体を現像するステップとを有するデバイス製造方法。