JP6315959B2 - 被照明面を照明する光学系、露光装置、インプリント装置、デバイス製造方法、および、光学系の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、被照明面を照明する光学系、露光装置、インプリント装置、デバイス製造方法、および、光学系の製造方法に関する。

半導体デバイスや液晶表示装置等の製造工程のうちリソグラフィ工程において、照明光学系によりマスク（レチクル）を照明して、感光性のレジスト層が形成された基板に投影光学系を介してマスクのパターンの像を投影する露光装置が用いられている。

露光装置の光学系には、各種収差を補正するための非球面レンズが用いられている。非球面は複雑な形状でありながら、高い形状精度が要求されることから、非球面加工には、微小な研磨パッドをレンズ表面に接触させた状態で所定の走査方向に走査して表面を研磨する技術が用いられている（特許文献１）。

特開２０００−２６３４０８号公報

しかし、特許文献１のように、研磨パッドを所定の走査方向に走査して光学素子の表面を研磨すると、光学素子の表面には走査方向に沿って線状の研磨痕が発生する。研磨痕の部分は光が透過しにくいため、研磨痕のある光学素子を用いて被照明面（基板）を照明すると、光源からの光が研磨痕で遮られたような影が被照明面に投影される。露光装置の光学系において、被照明面に生じた影により大きな照度ムラが生じると、基板に投影された露光パターンの線幅異常が生じうる。例えば、線状の研磨痕は幅１ｍｍ程度で生じ、それによって０．０５％以上の照度ムラが生じると露光パターンの線幅異常が生じうる。

そこで、本発明は、研磨痕のある光学素子を有する光学系において、照度ムラを低減することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一側面は、被照明面を照明する光学系であって、光源からの光で複数の二次光源を形成するインテグレータと、研磨工具で走査方向に表面を研磨された光学素子とを有し、前記光学素子は、前記インテグレータと前記被照明面との間に配置され、前記走査方向を示す方向表示部を有し、前記光学系の光軸に垂直な面における前記複数の二次光源の配列方向と前記方向表示部が示す走査方向とが非平行であることを特徴とする。

本発明によれば、研磨痕のある光学素子を有する光学系において、照度ムラを低減することができる。

露光装置の概略図である。 インテグレータの構成図である。 非球面レンズの平面図である。 従来の非球面レンズによる照度ムラを説明するための図である。 本実施形態の非球面レンズによる照度ムラを説明するための図である。 二次光源の配列方向と研磨痕の方向の関係を示す図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、第１実施形態における露光装置１００の構成を示す概略図である。

露光装置１００は、光源１０１からの光を、光束整形部１０２を介してインテグレータ１０３に入射させる。光束整形部１０２は、インテグレータ１０３に入射する光束の断面における形状および大きさを変えることができる。光束整形部１０２は、光路の途中でミラー１０２ａで光路を折り曲げている。インテグレータ１０３は、被照明面の照度分布を均一にする機能を有し、インテグレータ１０３を出射した光はコンデンサーレンズ１０４を介して、視野（照野）絞り１０５を照明する。視野絞り１０５は、マスク１０７を照明する範囲を制限するためのものである。視野絞り１０５とマスク１０７は結像光学系１０６によって結像関係にある。結像光学系１０６は、光路の途中でミラー１０６ａで光路を折り曲げている。光束整形部１０２から結像光学系１０６はマスク１０７を照明する照明光学系を構成する。マスク１０７には、回路に使用されるパターンが形成されている。照明光学系によって照明されたマスク１０７のパターンからの光は、投影レンズ１０８によって、ウエハステージ１１０上に保持されたウエハ（基板）１０９上に結像される。

結像光学系１０６は、照射面（マスク面）に照射される光のテレセンを補正するための非球面レンズ１１１ａを有する。投影光学系１０８は、投影光学系の収差を補正するための非球面レンズ１１１ｂを有する。照明光学系は被照明面であるマスク１０７を照明し、投影光学系１０８は被照明面であるウエハ１０９を照明する。

図２に、インテグレータ１０３の構成を示す。図２（ａ）に示すように、インテグレータ１０３は、入射光の波面を分割して、射出面側に複数の二次光源２０１を形成する波面分割型インテグレータである。図２に示すインテグレータ１０３はハエの目レンズである。インテグレータ１０３は、ハエの目レンズを構成するレンズ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃなど複数のレンズ素子を有する。各レンズ素子により形成された二次光源２０１からの光は、コンデンサーレンズ１０４を介して被照明面２０３を重畳的に照明し、ケーラー照明を構成する。被照明面２０３は、ウエハ１０９面またはマスク１０７面、または、それらの共役な面に相当する。

図２（ｂ）に、光軸ＡＸ（ｚ方向）に垂直なｘｙ断面における、インテグレータ１０３の断面図を示す。インテグレータ１０３の複数のレンズ素子が形成する複数の二次光源２０１は、互いに垂直な２方向（上下、左右方向）および斜め方向に配列されている。例えば、レンズ素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃが形成する二次光源２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃは上下方向（ｙ方向）２０２ａに配列されている。また、二次光源２０１ｄ、２０１ｅ、２０１ｆは左右方向（ｘ方向）２０２ｂに配列され、二次光源２０１ｃ、２０１ｇ、２０１ｆは斜め方向２０２ｃに配列されている。ハエの目レンズでは、各レンズ素子と、各レンズ素子が形成する各二次光源とは１対１で対応するため、二次光源の配列方向とレンズ素子の配列方向は同じである。

光の利用効率を高めるために、インテグレータ１０３の各レンズ素子の外形形状は、一般的には、被照明面２０３を照明する照明領域に対して相似形状となっている。そのため、被照明面２０３の照明領域に従って、インテグレータ１０３の複数のレンズ素子（二次光源）の配列方向が設定されている。なお、インテグレータ１０３はハエの目レンズに限らない。特開２００４−２２６６６１に記載のように、複数の微小レンズを２次元的に形成したマイクロレンズアレイや、母線方向が互いに垂直な２つのシリンドリカルレンズアレイを組合せたものを用いることができる。また、回折型光学素子、ＣＧＨ、又は、内面反射型のオプティカルパイプ（インテグレータ）などを用いることができる。

次に、非球面レンズ１１１ａについて説明する。非球面レンズ１１１ａは、例えば、特開平６−１３４６６６号公報や特開２０００−２６３４０８号公報に記載のような研磨装置で研磨される。つまり、研磨装置は、被加工物（レンズ）に研磨液をかけ流す、または被加工物を研磨液中に設置する。そして、被加工物よりも小さい径をもつ研磨工具（研磨パッド）を被加工物の表面に任意の荷重で押しつけ、かつ被加工物の表面に対して研磨工具を相対的に走査させて被加工物から必要な部分を研磨除去する。研磨装置は、研磨工具、研磨工具の保持手段及び荷重を発生する手段が固定された、アクチュエータを駆動源とする移動軸を有する。また、研磨装置は、移動軸の現在位置を検出する位置検出手段と、目標位置を設定する位置設定手段と、移動軸を駆動する制御手段とを有し、位置検出手段からの位置信号と位置設定手段の値とを比較する。研磨装置は、この比較結果に基づいて移動軸の目標位置を演算し、この演算結果により制御手段へ制御信号を送る演算器を有する。研磨装置は、研磨工具を１つの走査方向に走査しながら、走査方向に垂直な方向に走査幅を自在に設定して研磨工具を走査して、レンズ表面を研磨する。

図３に非球面レンズ１１１ａの平面図を示す。非球面レンズ１１１ａは、上記の研磨装置の研磨工具で走査方向に表面を研磨され、光非球面レンズ１１１ａの表面には走査方向に沿って線状の研磨痕３０２が残る。研磨痕３０２は実際には見えにくいが、図では模式的に示してある。研磨痕は遮光、散乱または屈折等の光学現象を生じさせ、光が透過しにくいため、研磨痕のある光学素子を用いて被照明面を照明すると、光源からの光が研磨痕の領域で遮られたような影が被照明面に投影される。

図４は、インテグレータ１０３が形成する各二次光源２０１の配列方向２０２ａと従来の非球面レンズ４００の研磨痕４０２が延びている方向とが平行になるように組み立てられた時の被照明面２０３における照度ムラの様子を示している。非球面レンズ４００も上記研磨装置で研磨され、走査方向に研磨痕が生じているものとする。図４（ａ）はインテグレータ１０３の光軸に垂直なｘｙ断面における断面図を、図４（ｂ）は非球面レンズ４００の光軸に垂直なｘｙ断面における断面図を、図４（ｃ）は光軸に垂直なｘｙ面における被照明面２０３における照度ムラを示している。図４（ｄ）は、ｘｚ面におけるインテグレータ１０３と非球面レンズ４００の構成図である。図４（ｅ）は、被照明面２０３におけるｘ方向の照度分布を示す。

複数の二次光源２０１からの複数の光は研磨痕４０２の各点に入射し、研磨痕４０２の各点を透過するときの散乱により、被照明面２０３に複数の方向から投影される光の照度が低下する。図４（ｄ）、（ｅ）に、被照明面２０３の点ａ、ｂ、ｃにおける照度が低下している様子を示す。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、インテグレータ１０３が形成する各二次光源２０１の配列方向２０２ａと非球面レンズ４００の研磨痕４０２とがｙ方向に平行になるように配置されている。そのため、被照明面２０３には、研磨痕４０２のある１点によって照度が低下した９つの二次光源２０１の形の影２０４が形成される。研磨痕４０２はｙ方向に延びているので、研磨痕４０２の各点から同じように影ができると、二次光源からの光の影がｙ方向に重なるように連なったような照度分布が、被照明面２０３に形成される。そのため、被照明面２０３には、ｘ方向に周期的に照度が低下する大きな照度ムラが発生する。このような照度ムラが生じると、被照明面２０３が不均一に照明されるため、ウエハ１０９に投影されるマスクのパターンの像が異常となる解像エラーが生じる。そして、ウエハ１０９に形成されるパターンの線幅異常が生じうる。

そこで、本実施形態では、インテグレータ１０３が形成する各二次光源２０１の配列方向と非球面レンズ１１１ａの研磨痕３０２が延びている方向とが非平行になる（平行にならない）ように配置している。

図５に、インテグレータ１０３が形成する複数の二次光源２０１の配列方向と非球面レンズ１１１ａの研磨痕３０２が延びている方向とが非平行になるように組み立てられた時の被照明面２０３における照度ムラの様子を示している。図５（ａ）はインテグレータ１０３の光軸に垂直なｘｙ断面における断面図を、図５（ｂ）は非球面レンズ１１１ａの光軸に垂直なｘｙ断面における断面図を、図５（ｃ）は光軸に垂直なｘｙ面における被照明面２０３における照度ムラを示している。図５（ｄ）は、インテグレータ１０３と非球面レンズ１１１ａのｘｚ断面における構成図である。図５（ｅ）は、被照明面２０３におけるｘ方向の照度分布を示す。

図５（ｂ）に示すように、研磨痕３０２が延びている方向は、各二次光源２０１の配列方向２０２ａ（ｙ方向）、２０２ｂ（ｘ方向）及び２０２ｃ（ｘ、ｙ軸に対して斜め４５度方向）のいずれに対しても非平行である。二次光源の配列方向２０２ａ（ｙ方向）と研磨痕３０２が延びている方向は、ｙ方向に対して０度より大きく９０度より小さい、４５度ではない所定の角度θを成している。図５（ｂ）、（ｄ）に示すように、研磨痕３０２上の各点、例えば点ｄ、ｅ、ｆに入射した方向から被照明面２０３に投影される光の照度が低下する。研磨痕３０２は角度θだけｙ方向から傾いているので、図５（ｃ）に示すように、光源からの光の影２０５がｙ方向から所定の角度θだけ傾いた方向に重なるように連なった照度分布が、被照明面２０３に形成される。被照明面２０３のｘ方向の照度分布は図５（ｅ）のようになる。つまり、光源からの光の影２０５は、局所的に集中することなく、被照明面２０３に万遍なく存在することになり、影が全体的に広がった照度分布が形成される。したがって、図４（ｃ）の照明状態の周期的かつ大きな照度ムラがある照度分布よりも均一な照度分布を形成することができる。

さらに、本実施形態では、非球面レンズ１１１ａに、研磨痕３０２が延びている方向を表示する方向表示部３０１を設けている。図３に示すように、方向表示部３０１は、研磨痕３０２が延びている方向に平行な方向に非球面レンズ１１１ａの外周部分を切り落として形成された平面部である。非球面レンズ１１１ａを照明光学系の光路内に配置するときには、各二次光源２０１の配列方向と研磨痕３０２が延びている方向とが非平行になるように、方向表示部３０１を目印にして配置する。前述したように、露光装置によるマスク（ウエハ）の照明領域に従って、インテグレータ１０３による複数の二次光源の配列方向が予め装置毎に設定されている。そのため、方向表示部３０１を用いることにより容易に、二次光源の配列方向に対して研磨痕３０２が延びている方向が非平行となるように非球面レンズ１１１ａを配置することができる。このようにして、インテグレータ１０３と非球面レンズ１１１ａとを光路内に配置することにより光学系を製造することができる。

なお、非平行とは、インテグレータ１０３の光軸と非球面レンズ１１１ａの光軸が平行な状態における、二次光源の配列方向と研磨痕が延びる方向の関係を示している。図１の光路では、インテグレータ１０３からの光の光路が途中で直角に折り曲げられて非球面レンズ１１１ａに入射するため、インテグレータ１０３の光軸と非球面レンズ１１１ａの光軸とは垂直である。そのため、まず、インテグレータ１０３の光軸に垂直な面と非球面レンズ１１１ａの光軸に垂直な面とを紙面に垂直な方向を共通として重ね合わせ、インテグレータ１０３の光軸と非球面レンズ１１１ａの光軸とが平行な状態を想定する。この状態において、各二次光源２０１の配列方向と研磨痕３０２が延びている方向が非平行と定義している。

方向表示部３０１は、上記平面部に限らず、研磨痕３０２が延びている方向に延びるようにレンズの外周部に刻印された直線でもよいし、研磨痕３０２が延びている方向に対して垂直な方向に形成された直線や平面部でもよい。つまり、研磨痕３０２が延びている方向を表示することができて、方向表示部の外観に基づいて、人の視覚や装置の検出器によって研磨痕３０２が延びている方向が判別されうる形態であればよい。例えば、レンズの外周部に、研磨痕３０２が延びている方向に延びる段差をつけ、レンズの外周部分を完全に切り落とさなくてもよい。この場合、レンズの片側の表面の形状は全周分残っているので、レンズの片側の表面の全周をレンズの保持枠で保持することができる。

非球面レンズ１１１ａには、光軸周りに回転可能な機構を設けてもよい。非球面レンズ１１１ａの配置を調整する際や照度分布が経時変化した場合など、方向表示部３０１が示す方向の角度を任意のタイミングで調整することもできる。また、非球面レンズ１１１ａに、非球面レンズ１１１ａを光軸周りに回転するためのアクチュエータなどの駆動機構１１４を設けて照度分布を調整してもよい。まず、ウエハステージ１１０上の計測器（計測部）１１２を用いて像面（被照明面２０３）における照度分布を計測する。そして、制御部１１３（調整部）が、計測器１１２による計測結果のデータを取得して、得られた計測結果に基づいて駆動機構１１４を駆動して非球面レンズ１１１ａの光軸周りの回転角度を調整する。そのようにすると、照度分布ムラがより均一になるように改善することができる。非球面レンズ１１１ａを光軸周りに回転する際には、制御部１１３は、方向表示部３０１が示す方向の角度を制御量として制御しうる。

図６は、各二次光源２０１の配列方向と研磨痕３０２が延びている方向とが成す、望ましい角度を説明するための図である。影を含む領域５０１内の黒丸は、研磨痕３０２のある１点４０１から投影される二次光源からの光の影を示している。影を含む領域５０１’内の黒丸は、領域５０１に重なる位置に投影される二次光源からの光の影の中で、点４０１から最も離れた位置にある研磨痕の１点４０１’から投影される二次光源からの光の影を示している。また、影５０１ａは領域５０１内における、インテグレータ１０３の最軸外のレンズ素子からの光の影を示しており、影５０１ｂは影５０１ａと反対側にある最軸外のレンズ素子からの光の影を示している。同様に領域５０１’における、影５０１ａ、５０１ｂに相当するレンズ素子からの光の影を影５０１ａ’、５０１ｂ’とする。

インテグレータ１０３が形成する複数の二次光源２０１の分布全体のｘ方向の大きさをＣ、二次光源２０１の外径をＰとすると、二次光源２０１の配列方向ｘ方向に対する研磨痕３０２の方向の角度θはｔａｎ^−１（Ｃ／Ｐ）以上であることが望ましい。図６は、二次光源２０１の配列方向２０２ｂに対する角度θがｔａｎ^−１（Ｃ／Ｐ）以上の時の、二次光源２０１からの光の影が被照明面２０３に投影された様子を示している。角度θがｔａｎ^−１（Ｃ／Ｐ）以上であるため、影５０１ａと影５０１ａ’を結ぶライン領域６０１ａ内に影５０１ｂが重なっていない。そのため、ライン領域６０１ａ内の照度低下量が低減し、その結果、局所的に大きな照度低下が発生するのを抑えることができる。

図１における非球面レンズ１１１ｂも、非球面レンズ１１１ａと同様に研磨痕を有し、方向表示部を有する構成となっている。そのため、非球面レンズ１１１ｂを投影光学系の光路内に配置するときには、各二次光源２０１の配列方向と非球面レンズ１１１ｂの研磨痕が延びている方向とが非平行になるように、非球面レンズ１１１ｂの方向表示部を目印にして配置する。

研磨痕３０２のあるレンズとして非球面レンズを例に挙げて説明した。しかし、これに限らず、上記の研磨装置により走査方向に表面を研磨された球面レンズや平行平板などの光学素子であれば、本実施形態を適用することできる。

また、本実施形態を適用できる光学素子の場所、数には制限はない。ただし、被照明面２０３または被照明面と共役な面により近い位置（近傍）に配置される光学素子ほど、研磨痕による二次光源のからの光の影が被照明面２０３に明瞭に投影されるため、被照明面２０３の照度ムラを悪化させる量が大きくなる。したがって、光学系を構成する光学素子のうち被照明面又はそれに共役な面に最も近い光学素子、又は、それらの面の近傍に配置される光学素子を、二次光源の配列方向と研磨痕の方向とが非平行になるように組み込むとよい。そのようにすれば、照度ムラの悪化をより抑えることができる。

なお、研磨工具により光学素子表面が研磨される走査方向は、１つの方向だけとは限らない。まず、第１方向Ａに研磨工具を走査して表面を研磨した後に、第１方向Ａに対して垂直な第２方向Ｂに研磨工具を走査して表面を研磨する場合がある。研磨工具の走査方向が複数ある場合は、光学素子表面には、最後に走査した第２方向Ｂに沿って線状の研磨痕が残る。そのため、複数方向に走査して研磨された光学素子には、最後に走査した第２方向Ｂが判別できる方向表示部が形成される。

また、研磨痕が延びている方向を表示する方向表示部は、レンズを保持する保持枠に形成されていてもよい。

また、前述の照明光学系の構成は、露光装置以外の装置、例えば、ナノインプリント装置や液晶プロジェクターにも適用可能である。

以上のように、本実施形態によれば、研磨痕のある光学素子を有する光学系において、照度ムラを低減することができる。

（実施形態２）
次に、前述の露光装置を利用したデバイス（半導体ＩＣ素子、液晶表示素子等）の製造方法を説明する。デバイスは、前述の露光装置を使用して、感光剤が塗布された基板（ウェハ、ガラス基板等）を露光する工程と、その基板（感光剤）を現像する工程と、他の周知の工程と、を経ることにより製造される。他の周知の工程には、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等が含まれる。また、前述の照明光学系を搭載したナノインプリント装置を用いてデバイスを製造することも可能である。つまり、モールドのパターンを基板上の光硬化性樹脂に押し付けた状態でモールドを介して光硬化性樹脂を照明して、光硬化性樹脂を硬化させる。そして、モールドを光硬化性樹脂から離して光硬化性樹脂にモールドのパターンを形成する。そして、光硬化性樹脂に形成されたパターンを用いて基板上に所望のパターンを形成し、パターンが形成された基板にエッチング等の加工処理を行ってデバイスを形成する。本デバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。

Claims (15)

1. 被照明面を照明する光学系であって、
   光源からの光で複数の二次光源を形成するインテグレータと、
   研磨工具で走査方向に表面を研磨された光学素子とを有し、
   前記光学素子は、前記インテグレータと前記被照明面との間に配置され、前記走査方向を示す方向表示部を有し、
   前記光学系の光軸に垂直な面における前記複数の二次光源の配列方向と前記方向表示部が示す走査方向とが非平行であることを特徴とする光学系。
2. 前記方向表示部は、前記光学素子の外周に形成された、前記走査方向に平行な面であることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記光学素子は非球面レンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
4. 前記光学素子は、前記光学系を構成する複数の光学素子のうち前記被照明面に最も近いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学系。
5. 前記波面分割型インテグレータが形成する前記複数の光源の分布全体における配列方向の大きさをＣ、前記光源の外径をＰとすると、
   前記複数の光源の配列方向と前記方向表示部が示す走査方向とが成す角度がｔａｎ^―１（Ｐ／Ｃ）以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学系。
6. 前記複数の光源は、互いに垂直な２方向、及び、前記２方向に対して斜めの方向に配列されており、
   前記方向表示部が示す走査方向は、前記２方向及び前記斜めの方向に対して非平行であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学系。
7. 前記光学素子は光軸周りに回転可能であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学系。
8. 前記被照明面における照度分布を計測する計測部と、
   前記計測部による計測結果を用いて、前記光学素子の光軸周りの回転角度を調整する調整部を有することを特徴とする請求項７に記載の光学系。
9. 被照明面を照明する光学系であって、
   光源からの光で複数の二次光源を形成するインテグレータと、
   線状の研磨痕を持つ光学素子とを有し、
   前記光学素子は、前記インテグレータと前記被照明面との間に配置され、前記研磨痕の延びる方向を示す方向表示部を有し、
   前記光学系の光軸に垂直な面における前記複数の二次光源の配列方向と前記方向表示部が示す前記研磨痕の延びる方向とが非平行であることを特徴とする光学系。
10. 前記インテグレータは、入射光の波面を分割して、射出面側に複数の二次光源を形成する波面分割型インテグレータであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学系。
11. マスクを照明し、マスクのパターンの像を基板に投影する光学系とを有する露光装置であって、
    前記光学系は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学系であることを特徴とする露光装置。
12. 請求項１１に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
    該露光された基板を現像する工程と、
    現像された基板を加工することによりデバイスを製造する工程とを有することを特徴とするデバイス製造方法。
13. モールドを介して基板上の光硬化性樹脂を照明する光学系を有するインプリント装置であって、
    前記光学系は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学系であることを特徴とするインプリント装置。
14. 請求項１３に記載のインプリント装置を用いて基板にパターンを形成する工程と、
    パターンが形成された基板を加工することによりデバイスを製造する工程とを有することを特徴とするデバイス製造方法。
15. 被照明面を照明する光学系の製造方法であって、
    光源からの光で複数の二次光源を形成するインテグレータと前記被照明面との間に、線状の研磨痕が形成され、前記研磨痕の延びる方向を示す方向表示部を有する光学素子を配置する配置ステップを有し、
    前記配置ステップにおいて、前記光学系の光軸に垂直な面における前記複数の二次光源の配列方向と、前記方向表示部が示す前記研磨痕の延びる方向とが非平行となるように配置することを特徴とする光学系の製造方法。

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