JP6501187B2 - ２つの方向においてテレセントリックであるフォトリソグラフィック照明器 - Google Patents

Description

本発明は、フォトリソグラフィック装置の照明器、そのようなフォトリソグラフィック装置に関する。

フォトリソグラフィは、電磁放射線を使用して半導体装置上に薄いパターンを生成することによって、半導体装置を作製するために使用される技術である。このために、フォトリソグラフィック装置の照明器はマスクを照明し、その像が、半導体スライス（「ウエハ」としても公知）に投影される。

図１を参照して説明すると、公知の照明器は、一般的に、照明源１’によって照明される回折光学素子(diffractive optical element)（ＤＯＥとも呼ばれる）を含む。

照明源１’は、例えばレーザ光源である。

素子１は、一般的に回折をもたらすために使用される任意の素子、例えば、球面マイクロレンズの二次元アレイ、フレネルレンズ、回折格子などとし得る。素子は、光学散乱装置の役割を果たし、およびその主機能は、その射出側において、一般的に所望のパターン、例えばディスクまたはリング形状を有する瞳を生成することである。

照明器は、素子１の射出側に、いくつかのレンズを備えて形成されたズーム系２を含む。ズーム系２の機能は、素子１の射出瞳の像を有限距離に戻し、かつその寸法を変更できるようにすることである。

ズーム系２の射出側には、互いに対面する２つの面を含む平板と、各面に形成されている球面または円柱マイクロレンズのネットワークとからなるマイクロレンズのアレイＬ１が位置決めされる。マイクロレンズモードのアレイＬ１は、ズーム系２の射出側における入射ビームを、多数のサブビームに分ける。換言すると、アレイＬ１の射出瞳は、サブ射出瞳に分解される。

マイクロレンズの第２のアレイＬ２は、第１のアレイＬ１から下流に位置決めされるため、Ｌ１Ｌ２系は無限焦点である。

マイクロレンズの第３のアレイＬ３は、第２のアレイＬ２から下流に位置決めされる。この第３のアレイＬ３の像焦点に、遮断具３(obturator)が位置決めされており、この遮断具は、一定間隔でアパーチャが形成されている板または格子からなる。選択的に、遮断具３は、光軸に直角のある方向に沿って、または光軸に直角の複数の方向に沿って、および必要な場合には互いに照明されるマスク７およびウエハｗの動きと同期して動く２枚の板３１、３２を含んでもよい。この遮断具の作製に関する詳細について、文献国際公開第２００７／０２８７９３号パンフレットを参照してもよい。

あらゆる場合において、遮断具３は、マスク７での照明プロファイル、画像フォーマットおよび照射量の制御を可能にする。この点において、マスク７は、集光レンズ５の焦点面と結合された平面内に位置決めされ、集光レンズからわずかに下流に位置決めされる。これにより、照明中のウエハ上に寄生光を生成する光が所望のフィールド外へ透過されないようにすることができる。マスクの焦点が集光レンズの焦点面に対してわずかにぼけていることにより、光パルスのエネルギーの時間変化を滑らかにすることによって、照射量の制御を改善できる。

遮断具３から上流のＬ１Ｌ２ネットワーク系が無限焦点であることにより、遮断具を照明する系のサブ射出瞳のサイズを限定できる。それゆえ、マイクロレンズの間にはビームの非照明領域がある。非照明領域では、画像フィールドが完全に照明される必要があるとき、ビームを妨害せずに、遮断具３の不透明部分が位置決めされ得る。これにより、遮断具の射出側においてサブビームのシャープカットオフ、およびマスクにおけるシャープな遮断を可能にする。

照明器をテレセントリックにするため、すなわち、照明器の射出瞳が無限遠であるようにするように、マイクロレンズの第３のアレイＬ３の像焦点は、集光レンズ５の物体焦点に配置される。それに関し、集光レンズ５は複数のレンズを含み、それを用いてＬ１Ｌ２アレイからのサブビームをマスクにおいて重ね合わせ得る。

集光レンズ５とマスク７との間にはアポダイゼーション素子６も配置される。

先に指摘したように、遮断具３は、集光レンズの焦点面の共役面内に位置決めされて、ビーム１０のシャープな遮断を保証する。

特に、そのような照明器は、一次元に沿った光ビームに対して、すなわち、光ビームの遮断が遮断具の平面内の第１の軸に沿って保証される必要があるとき、良好な結果をもたらす。

しかしながら、遮断具の平面内の２つの軸、特に光軸に垂直でかつ互いに垂直な２つの軸に沿って遮断を保証する必要があるという仮定の下で、イメージングの問題が引き起こされる。

実際に、照明器のテレセントリシティ条件は、両遮断軸の方向においてマイクロレンズのアレイＬ３の物体焦点に遮断具３が位置決めされることを課す。他方で、マスクでの遮断具の像鮮鋭度条件は、両方向においてマイクロレンズのアレイＬ３の像焦点が集光レンズの物体焦点に位置決めされることを課す。

これらの条件の双方とも、マイクロレンズのアレイＬ３が両方向に沿って同じ焦点距離を有する必要があることを課す。ここで、このタイプの照明器では、マイクロレンズの焦点距離が前記マイクロレンズの厚さと同じ大きさであるため、この結果が確実に得られるようにすること、それゆえ、両方向において遮断具とマスクとの完璧な組み合わせを保証することは、幾何学的に不可能である。

他方で、遮断具は、集光レンズの平面に、それゆえマスク上に遮断具の鮮明な像を得ることを困難にする回折現象を引き起こす。より詳細には、格子による光の回折は、マイクロレンズのアレイＬ１Ｌ２から生じるサブビームのアパーチャ(aperture)よりも大きいアパーチャに従って、光ビームを散乱させる。
このことから、２つの否定的な結果が生じる：
−回折が大きすぎる場合、遮断具からの光は、右側のアレイＬ３のマイクロレンズを通過しない可能性があり、サブビーム１００とマスク上の干渉現象との間にクロストークを生じる。
−遮断具による回折は、マイクロレンズの第３のアレイＬ３の入射側でのサブビームのアパーチャの増大をもたらす。ここで、アパーチャが大きいことが、マイクロレンズのアレイＬ３の物体被写界深度(object field depth)を制限し、これが、このアレイＬ３の物体焦点面に関しての遮断具の焦点ぼけに対する感度を高める。それゆえ、照明器の調整は、より複雑になる。

本発明は、上述の問題の少なくとも１つを克服することを提案する。

このために、フォトリソグラフィック装置の照明器であって、
−光ビームの光源、
−集光レンズ、
−マイクロレンズの少なくとも１つのアレイを含む光均一化系であって、光均一化系の像焦点面が集光レンズの物体焦点面内に位置決めされるように、集光レンズから上流に位置決めされている光均一化系、および
−光均一化系の物体焦点面内に位置決めされた遮断具
を含み、
光均一化系が、マイクロレンズの２つのアレイを含み、
光軸に直交する２つの方向に沿って光均一化系が合併像焦点面および合併物体焦点面を有するように、２つのアレイの分離ならびにマイクロレンズの配置および向きが適合されていることを特徴とする、照明器が提案される。

任意選択的にではあるが、本発明は、さらに、以下の特徴のうちの少なくとも１つを備えることが好ましい：
−光軸に直交する両方向が、互いに直交する。
−マイクロレンズの各アレイが、互いに対面する２つの面を含む板であり、マイクロレンズの第１のアレイが、光ビームの伝播方向に対して、その面の各々にエッチング形成された円柱マイクロレンズを含み、一方の面のレンズの円柱の軸が、他方の面のレンズの円柱の軸に直交するとともに、光軸に直交する。
−光軸に直交する第１の方向において、光均一化系が、第１のアレイの第１の面内に位置決めされた収束レンズのように振る舞うように、マイクロレンズのアレイ間の距離ならびにマイクロレンズの配置および向きが適合され、遮断具の平面が前記レンズの物体焦点面内にあり、集光レンズの物体焦点面が前記レンズの像焦点面内にある。
−第１のアレイの第１の面上の円柱マイクロレンズによって収束レンズが形成され、光軸に直交するとともに第１の方向に直交する第２の方向に沿って円柱の軸が延びる。
−光軸に直交するとともに第１の方向に直交する第２の方向において、光均一化系が、
○第１のアレイの第２の面に収束レンズ、および
○第２のアレイの第１の面に発散レンズ
を含む系のように振る舞うように、マイクロレンズのアレイ間の分離、ならびにマイクロレンズの配置および向きが適合され、遮断具の平面が収束レンズの物体焦点面にあり、集光レンズの物体焦点面が系の像焦点面内にある。
−一方では第１のアレイの第２の面に収束レンズ、および他方では発散レンズが、円柱マイクロレンズによって形成され、円柱の軸は、光軸に直交する第１の方向に沿って延びる。
−照明器は、光均一化系の像焦点面内に位置決めされた絞りのネットワークをさらに含む。
−絞りのネットワークの各絞りは、光均一化系のマイクロレンズの第２のアレイのマイクロレンズに対面して位置決めされる。

本発明の目的はまた、マスク、および本発明による照明器を含むフォトリソグラフィック装置であり、照明器の遮断具は、集光レンズの像焦点面の共役面内に位置決めされている、フォトリソグラフィック装置である。

本発明は多くの利点を有する。

本発明の照明器は、
遮断具と、
光軸に直交する第１の方向においてだけでなく、光軸に直交するとともに、好ましくは第１の方向に直交する第２の方向においても照明されるマスクと
の間の組み合わせ条件を満たす。

さらに、本発明による照明器は、マスク上での遮断具の像の鮮鋭度を高めるため、遮断具に関係した回折効果の制御を可能にする。アパーチャを制御することによって、さらに、マイクロレンズの第３のアレイＬ３を、その物体焦点面に関する格子の焦点ぼけに対してあまり感度を有しないようにすることが可能になり、これにより、本発明による照明器の装着および調整を容易にする。

本発明の他の特徴、目的および利点は、純粋に説明のためでありかつ非限定的である以下の説明から明らかとなり、およびこの説明は、添付の図面を参照して読むべきである。

既に説明した、従来技術で公知の照明器を概略的に示す。 本発明による照明器の異なる実施形態を概略的に示す。 本発明による照明器の異なる実施形態を概略的に示す。 本発明による照明器の異なる実施形態を概略的に示す。 遮断具から下流のマイクロレンズのアレイに関する配置を示す。 絞りのネットワークを横切る光ビームのコヒーレンスに依存する、集光レンズの物体焦点面内における遮断具のスロットの像を示す。

照明器の概要
図２ａ〜２ｃは、本発明による照明器の一部分を概略的に示す。

図２ａでは、照明器は、例えばレーザ光源等の光ビーム１０の光源１’、光源１’の射出側に配置された回折素子１、およびズーム系２を含む（これらの素子は、図２ｂおよび図２ｃには示されていない）。

さらに、照明器は、ズーム系２の射出側において、マイクロレンズの第１および第２のアレイＬ１およびＬ２からなる無限焦点系Ｌ１Ｌ２を含む。

ビーム１０は、無限焦点系Ｌ１Ｌ２の射出側において複数のサブビーム１００を含む。サブビーム１００は、無限焦点系Ｌ１Ｌ２のサブ射出瞳を形成する。

照明器は、遮断具３を含む。遮断具３は、２つの格子３１、３２として示され、かつ無限焦点系Ｌ１Ｌ２の射出瞳に位置決めされる。

マイクロレンズの第３のアレイＬ３を含む光均一化系４が、遮断具３から下流に配置されている。遮断具は、光均一化系４の物体焦点面内に位置決めされている。

照明器は、集光レンズ５およびアポダイゼーション素子６も含んでいる。集光レンズ５により、無限焦点系Ｌ１Ｌ２からのサブビーム１００をフォトリソグラフマスク７に重ね合わせることが可能となる。アポダイゼーション素子６は、集光レンズ４と、マスク７が位置決めされる平面との間に設けられる。

集光レンズ５の物体焦点面は、マスクでの遮断具の像の鮮鋭度を保証するために、均一化系４の像焦点面に位置決めされることが好ましい。

そのような照明器を含むフォトリソグラフィック装置は、エッチング形成されるウエハｗに位置決めされたマスク７を含む。遮断具は、集光レンズ５の像焦点面の共役面内に位置決めさる。使用中、投影光学系がマスク７の像をウエハｗに生成することが理解される。

均一化系
本発明による照明器の均一化系は、光軸に直交する２つの別個の方向において、照明器の鮮鋭度およびテレセントリシティを得ることを可能とする。これらの方向は、互いに直交することが好ましい。
非限定的な例として、図２ａ〜２ｃでは、光軸をＺと記し、光軸に直交する第１の方向に沿うとともに図の断面に直交する軸をＸと記し、光軸およびＸ軸に直交する第２の方向に沿った軸をＹと記している。

この結果を得ることができるようにする均一化系は、マイクロレンズの第３のアレイＬ３に加えて、マイクロレンズの第４のアレイＬ４を含む。

図３に、マイクロレンズのアレイＬ３およびＬ４の相対的配置を示す。遮断具３およびこの系の像焦点面Ｆ’を概略的に示す。遮断具３は、均一化系の物体焦点Ｐに配置されている。像焦点面Ｆ’は、両方向ＸおよびＹにおいて集光レンズの物体焦点面ＦＣに配置される必要がある。

光均一化系が方向ＸおよびＹの双方において同じ焦点距離ｆ_１を有する場合、すなわち、光均一化系がこれらの方向の双方に一致する像焦点面を有しかつ物体焦点面もこれらの方向の双方に一致する場合に、鮮鋭度およびテレセントリシティ条件が保証される。

これを達成するために、マイクロレンズの各アレイは、互いに対面する２つの面３１０、３２０、４１０、４２０を含む平面板として現れる。前記面の少なくとも１つに、複数の円柱マイクロレンズがエッチング形成される。

より具体的には、マイクロレンズのアレイＬ３は、その面３１０、３２０のそれぞれに円柱状のマイクロレンズを含む。一方の面のマイクロレンズの軸は、他方の面のマイクロレンズの軸に直交する。

両面のマイクロレンズの軸が光軸に直角であるため、それらの円柱面を通してマイクロレンズに光線が達する。

マイクロレンズのアレイＬ４に関しては、光束の伝播方向に対してその第１の面４１０に円柱マイクロレンズを含むだけであり、上面４２０(upper face)は光線をどの方向にもそらさないように平面的である。

第１の方向、例えばＹ方向において、均一化系が、アレイＬ３の第１の面内に位置決めされた収束レンズ３１として振る舞うように、マイクロレンズの円柱の軸の向きが定められる。そのため、遮断具の平面Ｐが前記レンズ３１の物体焦点面内にあり、集光レンズの物体焦点面ＦＣが前記レンズの像焦点面Ｆ’内にある。

この結果を得るために、マイクロレンズのアレイＬ３の第１の面の円柱レンズの軸は、Ｙ方向に直交して延びる一方、他の円柱レンズの軸（すなわち、アレイＬ３の第２の面およびアレイＬ４の第１の面の円柱レンズの軸）は、Ｙ方向に沿った光ビームの伝播をそらさないようにするためにＹ方向に平行に延びる。

これは、第１の方向Ｙにおいて照明器の鮮鋭度およびテレセントリシティを得ることを可能にする。

第２の方向、この場合Ｘ方向に関しては、マイクロレンズの円柱の軸が第１の方向Ｙに平行に向けられるため、均一化系４は、
−アレイＬ３の第２の面に収束レンズ３２、および
−アレイＬ４の第１の面に発散レンズＤ１、
を含む系として振る舞い、遮断具の平面が収束レンズ３２の物体焦点面内にあり、集光レンズの物体焦点面が系の像焦点面Ｆ’内にある。

これらレンズは、当業者に公知の方法において、それらそれぞれの焦点距離がそのような結果を得ることができるようにするような寸法にされる。

そえゆえ、マイクロレンズの両アレイＬ３およびＬ４の位置決め、ならびにそれらを構成するレンズの寸法決定によっては、両方向に同じ焦点距離を有する均一化系４を得ることが可能となる。

絞り
図２ｂを参照して説明すると、照明器は、遮断具の射出側における回折現象を制御するために、アパーチャ絞りのネットワーク８を含む。アパーチャ絞りのネットワーク８は、遮断具の平面Ｐのフーリエ変換の面またはフーリエ面内に位置決めされている。

好ましくは、このネットワークは複数の絞り８０を含む。各絞り８０は、均一化系に隣接するアレイの対応するマイクロレンズ４０に対面して位置決めされている。

図２ｂでは、均一化系４は、マイクロレンズの１つのアレイＬ３のみを含む；その場合、絞りネットワークは、マイクロレンズのアレイＬ３の像焦点面内にあり、それぞれの絞りはこのアレイＬ３のそれぞれのマイクロレンズに対面している。

図２ｃでは、絞りのネットワーク８の使用は、図２ａを参照して先に説明したように、マイクロレンズの２つのアレイＬ３Ｌ４を含む均一化系４と組み合わされた。

この場合、絞りのネットワーク８は、Ｆ’の平面内においてマイクロレンズの両アレイＬ３とＬ４との間に位置決めされる。この平面は、遮断具の平面のフーリエ面である。絞りは、マイクロレンズのアレイＬ４およびＬ３のマイクロレンズに対面している。

それゆえ、遮断具３の射出側での回折の場合、絞りが存在することによって、光ビームのサブビーム１００間のクロストーク現象を回避することが可能となる。絞りのネットワーク８を用いて、均一化系の物体焦点面に関する遮断具の焦点ぼけに対して照明器の精度があまり感度を有しないようにするように、被写界深度(field depth)を十分に増やすことも可能である。それにより、照明器の製造および調整を容易にする。

絞りのアパーチャの直径は、マイクロレンズと同じ次数の値であることが好ましい。例えば、マイクロレンズの直径は０．５ｍｍ程度とし、およびアパーチャの直径は０．１ｍｍ程度とし得る。

アパーチャ絞りのネットワークによる、遮断具が存在することから生じる回折の補正は、照明器のいくつかのパラメータに依存する。特に、像の鮮鋭度は、絞りネットワークの照明のコヒーレンス因子に依存する。

図４を参照すると、集光レンズの像焦点面における遮断具のスロットの縁の像が、異なるコヒーレンス因子に関して示されている。図では：
−「コヒーレント」ビームを表す曲線は、ゼロのコヒーレンス因子に対応し、
−「部分的にコヒーレント」ビームを表す曲線は、０．３のコヒーレンス因子に対応し、
−「インコヒーレント」ビームを表す曲線は、１に等しいコヒーレンス因子に対応する。

スロットに関するミリメートルでの幾何学的位置は、横座標に与えられる。スロットは２５ｍｍに位置決めされ、スロットの透明部分は２５ｍｍ未満に見られ、および不透明部分は２５ｍｍ後に見られる。

光強度が縦座標に入射ビームの強度の百分率として示される。理論的には、この強度は、スロットの透明部分では１００％に等しくなり、不透明部分では０％になる。

ここで、全体的にコヒーレントなビームに関し、スロットの透明な側に干渉パターンが現れ、このレベルにおける強度は正弦曲線で与えられる。

ビームが全体的にインコヒーレントであると、これらの干渉は消えるが、この改善は、２５ｍｍにおけるスロットの不透明部分と透明部分との移行部に不利益を生じる。

ビームが部分的にコヒーレントである場合が中間のケースであり、先の両ケース間に良好な妥協をもたらす。より具体的には、ビームが０．２〜０．８に含まれるコヒーレンス因子を有するとき、好都合な構成が保証される。

コヒーレンス因子は、

として表わされる。式中、ｆ_１は均一化系のマイクロレンズのアレイＬ３の焦点距離であり、θは光軸に対する遮断具の照明角度であり、ｂは絞りのアパーチャの直径である。それゆえ、コヒーレンス因子の値は、これら３つのパラメータの値を調整することによって得られる。

しかしながら、図４では、光強度の変動がスロットの透明部分に存在することが観察される。これらの変動を平均するために、絞りのアパーチャの直径を変更し、これを行うことによってコヒーレンス因子を修正するための対策(provision)が行われることが好ましい。好ましくは、２つの隣接する絞りの間を含めて、絞りの直径が変化する。

絞り毎のアパーチャの直径の変化は、０〜５０％の間に含まれ、および好ましくは０〜３０％の間に含まれる。

さらに、絞りのアパーチャの直径は、好都合にも、ランダムな統計的分布に従い、およびこれは、遮断具の照明に関わらない。これにより、例えば所与のサブビーム１００に対して、局所的にも、回折現象を平均することが可能になる。

Claims (10)

1. フォトリソグラフィック装置の照明器であって：
   −光ビームの光源（１'）、
   −集光レンズ（５）、
   −光均一化系（４）であって、前記光均一化系の像焦点面が前記集光レンズ（５）の物体焦点面内に位置決めされるように、前記集光レンズから上流に位置決めされる光均一化系、および
   −前記光均一化系（４）の前記物体焦点面内に位置決めされる遮断具（３）
   を含み、
   前記光均一化系（４）がマイクロレンズの２つのアレイ（Ｌ３、Ｌ４）を含み、
   光軸に直交する２つの方向（Ｘ、Ｙ）に沿って前記光均一化系（４）が合併像焦点面および合併物体焦点面を有するように、前記２つのアレイ（Ｌ３、Ｌ４）の分離ならびに前記マイクロレンズの配置および向きが適合される
   ことを特徴する、照明器。
2. 前記光軸に直交する前記両方向（Ｘ、Ｙ）が互いに直交する、
   請求項１に記載の照明器。
3. マイクロレンズの各アレイ（Ｌ３、Ｌ４）が、互いに対面する２つの面を含む板であり、
   マイクロレンズの第１のアレイ（Ｌ３）は、前記光ビームの伝播方向に対して、その面の各々にエッチング形成された円柱マイクロレンズを含み、
   一方の面のレンズの円柱の軸が、他方の面の前記レンズの前記円柱の軸に直交するとともに、前記光軸に直交する、
   請求項１または２に記載の照明器。
4. 前記光軸に直交する第１の方向（Ｙ）において、前記光均一化系が、前記第１のアレイ（Ｌ３）の第１の面（３１０）内に位置決めされた収束レンズ（３１）のように振る舞うように、マイクロレンズの前記アレイ（Ｌ３、Ｌ４）間の分離ならびに前記マイクロレンズの配置および向きが適合され、
   前記遮断具の前記平面が前記レンズの前記物体焦点面にあり、前記集光レンズの前記物体焦点面が前記レンズの像焦点面内にある、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明器。
5. 前記第１のアレイ（Ｌ３）の前記第１の面（３１０）上の円柱マイクロレンズによって前記収束レンズ（３１）が形成され、
   前記光軸に直交するとともに前記第１の方向（Ｙ）に直交する第２の方向（Ｘ）に沿って前記円柱の軸が延びる、
   請求項４に記載の照明器。
6. 前記光軸に直交するとともに前記第１の方向（Ｙ）に直交する前記第２の方向（Ｘ）において、前記光均一化系が、
   −前記第１のアレイ（Ｌ３）の第２の面（３２０）に収束レンズ（３２）、および
   −第２のアレイ（Ｌ４）の第１の面（４１０）に発散レンズ（４１）
   を含む系のように振る舞うように、マイクロレンズの前記アレイ（Ｌ３、Ｌ４）間の前記分離ならびに前記マイクロレンズの前記配置および向きが適合され、
   前記遮断具（３）の平面が前記収束レンズの前記物体焦点面内にあり、前記集光レンズの前記物体焦点面が前記系の前記像焦点面内にある、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明器。
7. 一方では、前記第１のアレイ（Ｌ３）の前記第２の面（３２０）の前記収束レンズ（３２）、および他方では前記発散レンズ（４１）が、円柱マイクロレンズによって形成され、
   前記円柱の前記軸は、前記光軸に直交する前記第１の方向（Ｙ）に沿って延びる、
   請求項６に記載の照明器。
8. 前記光均一化系（４）の前記像焦点面内に位置決めされた絞りネットワーク（８）をさらに含む、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の照明器。
9. 前記絞りネットワーク（８）の各絞りが、前記光均一化系（４）のマイクロレンズの前記第２のアレイ（Ｌ４）のマイクロレンズに対面して位置決めされている、
   請求項８に記載の照明器。
10. マスク（７）、および請求項１〜９のいずれか一項に記載の照明器を含むフォトリソグラフィック装置であって、
    前記照明器の前記遮断具（３）は、前記集光レンズ（５）の前記像焦点面の共役面内に位置決めされている、
    フォトリソグラフィック装置。

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