JP5595001B2 - 投影光学系、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、投影光学系、露光装置及びデバイス製造方法に関する。

半導体デバイスやフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）などのデバイスは、フォトリソグラフィ工程を経て製造される。フォトリソグラフィ工程は、マスクやレチクルと呼ばれる原版のパターンをレジストと呼ばれる感光剤が塗布されたガラスプレートやウエハなどの基板に投影し該基板を露光する露光工程を含む。ＦＰＤの製造においては、一般的には、反射鏡を含む投影光学系を有する露光装置が使用されている。このような露光装置を用いて基板を露光する場合、基板に多層を焼き付けることによって、また、原版が多数回使用されて伸縮を生じることによって、倍率誤差が発生することがある。

特許文献１には、ガラス基板などの比較的大画面の被露光体を露光する投影光学系が開示されている。特許文献１には、物体面側から順に、第１平面反射ミラー、凹面鏡、凸面鏡、凹面鏡、第２平面反射ミラーを有し、物体面と第１平面反射ミラーとの間および第２平面反射ミラーと像面との間に１枚ずつ平行平板が配置された投影光学系が開示されている。ただし、特許文献１中で平行平板は"光学薄体"と記載されている。投影光学系は、特許文献１内に図で説明があるように、物体面から上側平行平板を通過する光線、及び下側平行平板を通過して像面に到る光線のうち主光線が各々平行であるいわゆる両テレセントリック光学系を形成している。更には、露光工程毎に倍率誤差が発生するため、特定のパターンにて倍率誤差を検出する検出系と、検出結果に基づいて走査方向と直交する方向に該平行平板を湾曲させ、線形的な倍率変化を発生させる機構も開示されている。

一般に倍率誤差が発生するとき、走査方向及びその直交方向の２方向で共に拡大若しくは縮小することが多い。このような場合のうち、走査方向及びその直交方向で同じ倍率変化が発生する場合、その倍率変化を以後「等方倍率変化」と称する。このような等方倍率変化を発生できる光学系として平凸レンズと平凹レンズの組み合わせた光学系が特許文献２に開示されている。即ち、概略等しい曲率半径を持たせた平凸、平凹レンズを凸面と凹面をわずかな空気間隔を隔てて平行に対向させ、前述の露光光学系内にて平行平板が置かれた位置に配置するのである。このとき、凸面と凹面の間隔をわずかに増減することで等方倍率変化を発生させることが出来る。更にこの方式によって倍率変化を１０ｐｐｍ程度発生させた場合でも、非点収差の発生が皆無に等しい。

特開平８―３０６６１８号公報 特開昭６２−３５６２０号公報

ところが、湾曲した平行平板を投影光学系の光路中に配すると倍率を補正することができるが、非点収差が新たに発生することがわかった。例えば、下側平行平板を走査方向の倍率補正に使用する場合、拡大するためには上面がふくらみ、下面が窪んだ湾曲を走査方向に与え直交する方向には平面のままとなるような変形を与えることになる。このとき、走査方向に直交する方向の屈折力は変化しないが走査方向には負の屈折力が生じる。このため、走査方向の線像（以後Ｖ線）の結像位置は、そのままである走査直交方向の線像（以後Ｈ線）より光学系から遠くに離れた位置つまりは下側に結像するようになる。発明者の計算では、走査方向に１０ｐｐｍ拡大される（像が１．００００１倍になる）とき、ＨＶ線の非点収差は約５μｍ（Ｈ線が下）になる。さらに、特許文献１に記載されているように上側平行平板を走査方向に直交する方向の倍率補正に使用した場合、像面側で拡大するためには上方に向かって窪んだ湾曲を走査方向と直交する方向に与える。このとき、結像系の側から物体面側を見ると、走査方向の屈折力は変化しないが走査方向と直交する方向には正の屈折力が生じ、走査方向と直交する方向には倍率が縮小されＶ線がＨ線より結像系に近い側に結像するようになる。これを順方向に物体面側から像面側への結像に光線を追跡し直すと、横収差である倍率は反転し、走査方向と直交する方向の倍率は拡大となり、縦収差である結像位置は保存されＨ線はＶ線に対し光学系から遠い位置、つまりは下側に結像する。まとめると、上側平行平板で走査方向直交する方向の倍率を拡大にするとＨ線が下になる非点収差が発生し、同様に下側平行平板で走査方向の倍率を拡大にするとＨ線が下になる非点収差が発生する。

特許文献１には記載されていないが、倍率変化を発生させる機構による湾曲方向を２枚の平行平板で直交させ、例えば上側平行平板を走査方向と直交する方向の倍率補正に使い、下側平行平板を走査方向の倍率補正に使うことも考え得る。こうすれば、倍率誤差を二方向でより精密に合わせ得るため、高精度なパターン位置合わせが可能となる。ところが、２枚の平行平板を用いて走査方向及びその直交方向の倍率を同時に増大させると、両者の非点収差が強め合う関係になっていることが判った。また、２枚の平行平板を用いて２方向の倍率をともに縮小する場合でも、非点収差の発生方向は逆になるが、上下平行平板で発生する非点収差同士が強めあうことに変わりは無い。逆に走査方向と走査方向と直交する方向の一方で拡大され他方で縮小される場合、非点収差の発生方向が逆となり非点収差がキャンセルされることも判った。

一方、特許文献２に記載の等方倍率変化を発生できる光学系は、等方にしか倍率を補正できない。しかし、実際に発生し補正したい倍率変化は走査方向、走査方向と直交する方向に一様で無いことが圧倒的に多い。そのため、この光学系を用いて倍率を補正する方式は実用に供されていなかった。

本発明は、非点収差の発生を抑制しつつ、互いに直交する２方向における倍率を独立して補正しうる投影光学系を提供することを目的とする。

本発明は、物体面側から順に、第１鏡、第１凹面鏡、凸面鏡、第２凹面鏡及び第２鏡が前記物体面から像面に至る光路に配置された投影光学系であって、前記物体面と前記第１鏡との間の光路に配置され、当該光路に沿う第１方向と直交する第２方向における前記投影光学系の倍率を補正する第１光学系と、前記第２鏡と前記像面との間の光路に配置され、前記第１方向及び前記第２方向と直交する第３方向における前記投影光学系の倍率を補正する第２光学系と、前記物体面と前記第１鏡との間の光路又は前記第２鏡と前記像面との間の光路に配置され、前記第２方向及び前記第３方向において同じ倍率で前記投影光学系の倍率を補正する第３光学系と、制御部と、を備え、前記投影光学系の前記第２方向における倍率の補正されるべき量をＡ、前記投影光学系の前記第３方向における倍率の補正されるべき量をＢとし、前記第３光学系による前記投影光学系の前記第２方向及び前記第３方向における倍率の補正量をＣとするとき、前記補正されるべき量Ａと前記補正されるべき量Ｂとは互いに異なり、前記制御部は、前記補正量Ｃが（Ａ＋Ｂ）／２となるように前記第３光学系を制御し、前記第１光学系による前記第２方向における倍率の補正量が（Ａ−Ｂ）／２となるように前記第１光学系を制御し、前記第２光学系による前記第３方向における倍率の補正量が（Ｂ−Ａ）／２となるように前記第２光学系を制御する、ことを特徴とする。

本発明によれば、非点収差の発生を抑制しつつ、互いに直交する２方向における倍率を独立して補正しうる投影光学系を提供することができる。

実施例１の露光装置の構成を概略的に示す図である。 実施例２の露光装置の構成を概略的に示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

［実施例１］
図１を参照しながら実施例１の露光装置について説明する。実施例１の露光装置は、照明系ＩＬと、投影光学系ＰＯと、投影光学系ＰＯの物体面ＯＰに配置されたレチクル（原版）９を走査する原版駆動機構（不図示）と、投影光学系ＰＯの像面ＩＰに配置された基板１９を走査する基板駆動機構（不図示）とを備える。照明系ＩＬは、例えば、光源ＬＳ、第１コンデンサーレンズ３、フライアイレンズ４、第２コンデンサーレンズ５、スリット規定部材６、結像光学系７、平面ミラー８を含みうる。光源ＬＳは、例えば、水銀ランプ１と、楕円ミラー２とを含みうる。スリット規定部材６は、原版９の照明範囲（即ち、原版９を照明するスリット形状光の断面形状）を規定する。結像光学系７は、スリット規定部材６によって規定されるスリットを物体面に結像させるように配置されている。平面ミラー８は、照明系ＩＬにおいて光路を折り曲げる。投影光学系ＰＯは、物体面ＯＰに配置される原版９のパターンを像面ＩＰに配置される基板１９に投影し、これにより基板１９が露光される。投影光学系ＰＯは、等倍結像光学系、拡大結像光学系および縮小結像光学系のいずれとしても構成されうる。しかし、投影光学系ＰＯは、等倍結像光学系として構成されることが好ましく、物体面側及び像面側で主光線が平行即ち物体面及び像面の双方において両テレセントリック性を有している。

投影光学系ＰＯは、物体面ＯＰから像面ＩＰに至る光路に、物体面側から順に配置された第１平面鏡１３、第１凹面鏡１４、凸面鏡１５、第２凹面鏡１６、第２平面鏡１７を有する。物体ＯＰと第１平面鏡１３との間の光路と第２平面鏡１７と像面ＩＰとの間の光路とは平行である。第１平面鏡１３の鏡面を含む平面と第２平面鏡１７の鏡面を含む平面とは、互いに９０度の角度をなす。第１平面鏡１３と第２平面鏡１７とは、一体的に形成されていてもよい。第１凹面鏡１４と第２凹面鏡１６とは、一体的に構成されてもよい。投影光学系ＰＯは、物体面ＯＰと第１平面鏡１３との間の光路に配置された１枚の平行平板１０を備える。この平行平板１０は、物体面ＯＰと第１平面鏡１３との間の光路に沿う第１方向（Ｚ方向）と直交する第２方向（ｙ方向）における投影光学系の倍率を補正する第１光学系を構成している。投影光学系ＰＯは、また、第２平面鏡１７と像面の間の光路に配置された１枚の平行平板１８を備える。この平行平板１８は、第１方向（Ｚ方向）及び第２方向（ｙ方向）と直交する第３方向（ｘ方向）における投影光学系の倍率を補正する第２光学系を構成している。２枚の平行平板１０，１８は、平行平板１０がｙ方向の倍率補正、平行平板１８がｘ方向の倍率補正を可能にするよう、平行平板１０，１８を湾曲させる機構（不図示）を備えている。ｙ方向は例えば走査方向であり、ｘ方向は走査方向と直交する方向でありうる。２枚の平行平板１０，１８を湾曲させる方向は互いに逆方向であってもよい。

投影光学系ＰＯは、また、物体面と第１平面鏡１３の間の光路に、概略等しい曲率半径を持たせた凸球面と凹球面を５〜２０mm程度の空気間隔を隔てて平行に対向させた平凸レンズ１１及び平凹レンズ１２を有する。平凸レンズ１１及び平凹レンズ１２は、図中Z方向の間隔を微小に変化させられる機構（不図示）を備え、投影光学系の等方倍率補正を可能ならしめている。平凸レンズ１１及び平凹レンズ１２は、第１方向及び第２方向において同じ倍率で投影光学系の倍率を補正する第３光学系を構成している。平凸レンズ１１及び平凹レンズ１２それぞれの厚み及び間隔は、空間に保持したとき自重変形を起こさない範囲で、かつ空間保持機構、上下駆動機構が構成出来る範囲で任意である。平凸レンズ１１及び平凹レンズ１２が屈折率１．４７５近辺の合成石英の場合、平凸レンズ１１の凸面、平凹レンズ１２の凹面の曲率半径を４７０００ｍｍ程度にし、平凸レンズ１１と平凹レンズ１２との間隔を1ｍｍ移動すると、倍率が約１０ｐｐｍ変化できる。しかしながら、平凸レンズ１１の凸面、平凹レンズ１２の凹面の曲率半径は、基準高さ位置に置かれた平凸レンズ１１及び平凹レンズ１２を通った像の大きさが２枚のレンズが無かった時と全く同じになるよう微小に変化させる必要がある。第１光学系（平行平板１０）と第２光学系（平行平板１８）と第３光学系（平凸レンズ１１及び平凹レンズ１２）は、制御部Ｃによって制御される。なお、平凸レンズ１１および平凹レンズ１２の凸面および凹面は互いに逆であってもよい。

等方に倍率を補正する第３光学系と、ｘ、ｙ方向の１方向に倍率を補正する第１及び第２光学系を組み合わせて投影光学系ＰＯの倍率を補正する場合に、倍率補正に伴う非点収差を０にし得る理由を以下に説明する。今、投影光学系のｙ方向及びｘ方向における倍率の補正されるべき量をそれぞれA（ｐｐｍ）及びＢ（ｐｐｍ）とし、等方に倍率を補正する第３光学系によるｙ方向及びｘ方向における倍率の補正量をＣ（ｐｐｍ）とする。第３光学系によるｙ方向及びｘ方向における倍率の補正量Ｃを（Ａ＋Ｂ）／２とすると、第１光学系１０に求められるｙ方向の倍率の補正量は｛Ａ−（Ａ＋Ｂ）／２｝＝（Ａ−Ｂ）／２となる。また、第２光学系１８に求められるｘ方向における倍率の補正量は｛Ｂ−（Ａ＋Ｂ）／２｝＝（Ｂ−Ａ）／２となる。すなわち、第１光学系１０と第２光学系１８による倍率の補正量は、プラスマイナスが反転する結果となる。前述したように２枚の平行平板１０，１８による拡大縮小の方向が逆であるならば、2枚の平行平板１０，１８によって発生する非点収差がキャンセルしあう。また、平凸レンズ１１及び平凹レンズ１２とを組み合わせた等方に倍率を補正する第３光学系は、非点収差を発生しない。したがって、非点収差を生じさせること無く、ｙ方向及びｘ方向（例えば走査方向及びその直交方向）において投影光学系の倍率を独立して補正しうる。

上記の例では、第３光学系による倍率の補正量Ｃを（Ａ＋Ｂ）／２とし、非点収差を発生しないようにした。しかし、第３光学系による倍率の補正量Ｃをｙ方向の補正されるべき量Ａとｘ方向の補正されるべき量Ｂとの間の量とすれば、非点収差は若干発生してしまうものの、非点収差の発生を抑制しつつｘ、ｙ方向の倍率を独立して制御できる。この場合、第１光学系１０による補正量（Ａ−Ｃ）と第２光学系１８による補正量（Ｂ−Ｃ）との正負は必ず逆となる。したがって、第１光学系１０による倍率の補正によって発生する非点収差と第２光学系１８による倍率の補正によって発生する非点収差とは互いにキャンセルしあうので、非点収差の発生を抑制できる。

［実施例２］
図２を参照しながら実施例２の露光装置について説明する。図２では、照明系ＩＬが省略されているが、実際には、実施例２も実施例１と同様に照明系ＩＬを備えている。実施例１では、第１光学系及び第２光学系として第１方向（Ｚ方向）に変形可能な平行平板１０、１８を用いた。実施例２では、第１光学系及び第２光学系として、複数のシリンドリカルレンズを有し当該複数のシリンドリカルレンズの前記第１方向における間隔を変更可能なシリンドリカルレンズ系をそれぞれ使用している。また、実施例１では、第３光学系として、平凸レンズ１１と平凹レンズ１２とを有し平凸レンズ１１と平凹レンズ１２との第１方向（Ｚ方向）の間隔を変更可能な光学系を用いた。実施例２では、第３光学系として、凹球面（又は凸球面）と平面とを有し第１方向（Ｚ方向）に沿って駆動可能な平凹レンズ（又は平凸レンズ）１２'を用いる。

実施例２では、シリンドリカルレンズ２１及び２２（又は２３及び２４）の間隔を変化させることでｘ方向又はｙ方向における倍率を補正する。ｘ方向における倍率を補正する一方のシリンドリカルレンズ系は、シリンドリカルレンズ２１とシリンドリカルレンズ２２とで構成される。シリンドリカルレンズ２１は、上面が平面、下面がｘ方向に曲率を持った凹シリンドリカル面であって、シリンドリカルレンズ２２の上面まで５〜２０mm程度の空気間隔を持つ。シリンドリカルレンズ２２は、上面がｘ方向に曲率を持った凸シリンドリカル面、下面が凸球面であって、上面に凹球面、下面に平面を有する平凹レンズ１２'の上面まで５〜２０mm程度の空気間隔を持つ。シリンドリカルレンズ２２に対して、シリンドリカルレンズ２１をＺ方向に駆動（上下）することでｘ方向の倍率を補正する。平凹レンズ１２'をＺ方向に駆動（上下）することでｘ方向及びｙ方向に等方に倍率を補正する。

実施例２では、走査方向であるｙ方向の倍率を補正するために、平行平板の代わりに、シリンドリカルレンズ２３とシリンドリカルレンズ２４とを組み合わせたシリンドリカル系を備える。シリンドリカルレンズ２３は、上面に平面、下面に走査方向に曲率を持った凹シリンドリカル面を有し、シリンドリカルレンズ２４の上面まで５〜２０mm程度の空気間隔を持つ。シリンドリカルレンズ２４は、上面に走査方向に曲率を持った凸シリンドリカル面、下面に平面を有し、シリンドリカルレンズ２３を上下することでｙ方向の倍率が補正できる。シリンドリカルレンズ２１，２２，２３，２４それぞれの厚み及び間隔は空間に保持したとき自重変形を起こさない範囲で、かつ空間保持機構、上下駆動機構が構成出来る範囲で任意である。シリンドリカル面は、屈折率が１．４７５近辺の合成石英の場合、曲率半径を４７０００mm程度にすると、1mmの移動で倍率を約１０ｐｐｍ変化するができる。しかしながら、各シリンドリカル面及び球面は基準高さ位置に置かれた３枚を通った像の大きさが３枚のレンズが無かった時と全く同じになるよう微小に変化させる必要がある。なお、シリンドリカル面の凹面および凸面と、球面の凹面および凸面とは互いに逆であってもよい。

実施例２では、実施例１に比べて厚みの厚いレンズ群が光路中に配置されるため軸上色収差が発生する。そこで、軸上色収差を補正するためにレンズ１５'が凸面鏡１５の前に追加して配置される。走査方向であるｙ方向又はその直交方向のｘ方向における倍率を補正するために、実施例１では湾曲可能な平行平板を、実施例２では駆動可能なシリンドリカルレンズ系を用いた。しかし、走査方向の倍率と走査方向と直交する方向の倍率との一方を補正するために平行平板を、他方を補正するためにシリンドリカルレンズ系をと、平行平板とシリンドリカルレンズ系とを物体側、像側に分離して配置すれば組み合わせて使用することが出来る。また実施例１及び実施例２では等倍結像光学系での例を開示したが、物体面側及び像面側でテレセントリックな光学系ならば結像倍率が等倍以外でも同じ効果を得られるのは明らかである。なお、両テレセントリックでなければ、平行平板またはシリンドリカルレンズ系による補正で、露光領域内において不均一なコマ収差等が発生してしまう。しかし、実施例１及び２では、投影光学系として両テレセントリックである光学系を使用しているため、平行平板またはシリンドリカルレンズ系による補正で、露光領域内で均一な球面収差がわずかに発生するのみである。

［実施例３］
本発明の好適な実施形態のデバイス製造方法は、例えば、半導体デバイス、ＦＰＤのデバイスの製造に好適である。前記方法は、感光剤が塗布された基板を、上記の露光装置を用いて露光する工程と、前記露光された基板を現像する工程とを含みうる。さらに、前記デバイス製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含みうる。

Claims (6)

1. 物体面側から順に、第１鏡、第１凹面鏡、凸面鏡、第２凹面鏡及び第２鏡が前記物体面から像面に至る光路に配置された投影光学系であって、
   前記物体面と前記第１鏡との間の光路に配置され、当該光路に沿う第１方向と直交する第２方向における前記投影光学系の倍率を補正する第１光学系と、
   前記第２鏡と前記像面との間の光路に配置され、前記第１方向及び前記第２方向と直交する第３方向における前記投影光学系の倍率を補正する第２光学系と、
   前記物体面と前記第１鏡との間の光路又は前記第２鏡と前記像面との間の光路に配置され、前記第２方向及び前記第３方向において同じ倍率で前記投影光学系の倍率を補正する第３光学系と、
   制御部と、
   を備え、
   前記投影光学系の前記第２方向における倍率の補正されるべき量をＡ、前記投影光学系の前記第３方向における倍率の補正されるべき量をＢとし、前記第３光学系による前記投影光学系の前記第２方向及び前記第３方向における倍率の補正量をＣとするとき、前記補正されるべき量Ａと前記補正されるべき量Ｂとは互いに異なり、
   前記制御部は、前記補正量Ｃが（Ａ＋Ｂ）／２となるように前記第３光学系を制御し、前記第１光学系による前記第２方向における倍率の補正量が（Ａ−Ｂ）／２となるように前記第１光学系を制御し、前記第２光学系による前記第３方向における倍率の補正量が（Ｂ−Ａ）／２となるように前記第２光学系を制御する、
   ことを特徴とする投影光学系。
2. 前記物体面及び前記像面の双方においてテレセントリック性を有することを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
3. 前記第１光学系と前記第２光学系とは、前記第１方向に湾曲可能な平行平板と、複数のシリンドリカルレンズを有し当該複数のシリンドリカルレンズの前記第１方向における間隔を変更可能なシリンドリカルレンズ系との少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投影光学系。
4. 前記第３光学系は、平凸レンズ及び平凹レンズを有し前記平凸レンズと前記平凹レンズとの前記第１方向における間隔を変更可能な光学系と、前記第１方向に沿って駆動可能な平凹レンズ又は平凸レンズと、のいずれかを含む、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投影光学系。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の投影光学系を用いて前記物体面に配置されたレチクルのパターンを前記像面に配置された基板に投影し前記基板を露光する、ことを特徴とする露光装置。
6. デバイスを製造する方法であって、
   請求項５に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
   前記露光された基板を現像する工程と、
   を含むデバイス製造方法。

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