JPH04333011A - 反射縮小投影光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は反射光学系、特に半導体
集積回路を製造する際に、フォトレジストを塗布したウ
エハにマスク（原板）のパターンを縮小投影露光するた
めの反射縮小投影光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ステッパー等の半導体素子製造用
の露光装置は近紫外光を使用してきた。近年ではより短
波長のエキシマーレーザーや遠紫外光も用いられており
、集積回路パターンの微細化にともない、より高解像の
露光装置が望まれている。光学系の解像力は露光波長と
光学系の開口数で決る。露光波長が短い程、また開口数
が大きい程解像力は高くなる。しかし、開口数を大きく
することは光学設計上困難であり、また開口数が大きく
なるほど焦点深度が浅くなるため、実用上の欠点がある
。

【０００３】このため波長のより短い軟Ｘ線やＸ線を露
光光として用いる試みがなされてきている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ｘ線を用いる露光装置
は種々開発されているが、これまでのものはマスクの影
絵をウエハに転写する所謂プロキシミティー方式である
ため、マスクのパターンそのものを微細に形成すること
が必要であり、加工精度が厳しく、マスク製造上の困難
をともなうものであった。

【０００５】このためマスクパターンを縮小してウエハ
に転写する反射縮小投影光学系が有望視されている。反
射縮小光学系としてたとえば、特開昭６３−１６３３１
９号公報に開示されたシェーファー（Ｓｈａｆｅｒ）ら
によるものがある。これは基本的には３つの凹面反射鏡
と１つの凸面反射鏡から構成されるものであるが、縮小
を行うための凸面鏡によって惹起された収差（球面収差
、コマ収差）のために、半導体素子の製造に用いる程度
の解像力を得るには不十分である。これらの収差を補正
するために屈折部材を付加する構成についても同時に提
案されており、屈折部材の導入によって初めて円弧上の
視野にて良好な結像を得ることが可能であるが、軟Ｘ線
やＸ線領域では屈折部材は実用にならない。

【０００６】また、特開昭６３−３１１３１５号等によ
り提案されている反射縮小光学系もあるが、これらは収
差補正のために非球面反射鏡を導入しており、光学系の
製造は著しく困難になる。そして、上記特開昭６３−１
６３３１９号公報に記載される如く、円弧上の視野を用
いてマスクとウエハとを光学系の倍率の比で同期走査す
る反射縮小光学装置は、広い露光フィールドを得るのに
有効である反面、光学系の歪曲収差が結像性能に影響す
るという問題があった。

【０００７】本発明の目的は軟Ｘ線やＸ線領域における
露光が可能で、マスク製造上の困難がないように縮小投
影が可能であり、しかも製造の容易な球面反射鏡のみか
ら構成される場合にも優れた結像性能を得ることのでき
る縮小投影光学装置を提供することにある。そしてさら
に、本発明はマスクとウエハとを光学系の倍率の比で同
期走査する場合にも、球面鏡のみによって歪曲収差を良
好に補正し得る同期走査型縮小投影光学装置を提供する
ことを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による反射縮小光
学装置は、反射縮小光学系として、物体面からの光束を
反射する凸の第１反射面Ｒ１　、第２の反射面Ｒ２　、
凸の第３反射面Ｒ３　、凹の第４反射面Ｒ４　を備え、
凸の第３反射面Ｒ３　と凹の第４反射面Ｒ４　とはほぼ
同心状に配置されている。そして、物体面Ｏと像面Ｉと
の少なくとも一方が縮小投影光学系に向かって凹の球面
形状に形成されているものである。実用上は、物体面が
縮小投影光学系に向かって凹の球面形状に形成され、像
面は光軸に対して垂直な平面に形成されることが好まし
い。

【０００９】そして、露光の際には、物体面Ｏとしての
凹面球面形状マスクが光軸上に位置するその曲率中心Ｃ
０　を中心として回転し、像面Ｉとしてのウエハ面がマ
スクの回転に同期して光軸に対して垂直な方向に直線移
動することにより同期走査を行う構成とすることが望ま
しい。この場合、ウエハ面の移動量と球面にそって移動
するマスクの移動量との比を光学系の近軸倍率に等しく
することが必要である。

【００１０】

【作用】本発明による上記反射縮小光学系の縮小倍率は
、主に第３反射面Ｒ３　と第４反射面Ｒ４　とによって
決り、物体面Ｏの近傍に配置された第１反射面Ｒ１　と
第２反射面Ｒ２　とは関与しない。第３反射面Ｒ３　と
第４反射面Ｒ４　とは点Ｃ２　を中心としてほぼ同心上
に配置されており、これらは所謂シュワルツシルド（Ｓ
ｃｈｗａｒｚｓｃｈｉｌｄ）の縮小光学系を構成してい
る。。

【００１１】シュワルツシルドの縮小光学系は優れた光
学系であり、３次収差領域での球面収差、コマ収差、非
点隔差を除くことが可能である。しかし、像面湾曲と歪
曲収差が残存するため、本発明においては以下のように
して補正した。まず、像面湾曲の補正について述べる。 ３次収差論によれば、非点隔差が除去された光学系にお
いては球欠像面湾曲はペッツバール和で与えられる。本
発明による反射縮小光学系では、物体面若しくは像面を
光学系のペッツバール湾曲と同等だけ湾曲させることに
よって、３次収差領域での像面湾曲を除去した。物体面
と像面との両者を湾曲させて両者の合成によって像面湾
曲を補正することも可能である。

【００１２】ただ、実用性の観点からは、物体面と像面
のいずれかを湾曲させる構成とすることが有利であるの
で、まず物体面を湾曲させる場合について説明する。物
体面の曲率半径Ｒ０　は、光学系のペッツバール和によ
って決まるペッツバール像面に対応する値として決定さ
れる。ペッツバール和Ｐは、各面の焦点距離と屈折率と
の積の逆数の総和であり、各反射面の曲率半径をＲｉ，
反射の前後の媒質の屈折率をＮｉ　，Ｎｉ　’　すると
き、

【００１３】

【数１】

【００１４】で与えられる。なお、湾曲したパターン面
を持つマスクの近傍に配置された第２反射面Ｒ２　は、
第１反射面Ｒ１　からの光束がマスクによってけられる
ことがないように挿入されたものであり、平面鏡とする
場合には収差補正上は格別の意味を持たない。したがっ
て、第２反射面Ｒ２は、物体面Ｏからの光束が第１反射
面Ｒ１　で反射された後、けられることなく第３反射面
に到達できるようにする限りにおいて、任意の位置に任
意の角度で配置することができる。

【００１５】そこで、第２反射面を単に光路を屈曲させ
るための平面鏡とする場合、実質的にパワーを有するの
は第１反射面、第３反射面及び第４反射面の３面である
から、物体面の曲率半径Ｒ０　は、次式で与えられる。

【００１６】

【数２】

【００１７】ここで、Ｒ０　の符号は物体面が光学系に
対して凹状に湾曲している場合を正とする。（各記号の
符号については、後述する実施例のとおり定義する。）
次に歪曲収差の補正方法について述べる。第３反射面Ｒ
３　と第４反射面Ｒ４　とで構成されるシュワルツシル
ドの縮小光学系において第３反射面Ｒ３　を開口絞りと
すれば、凹面鏡である第４反射面Ｒ４　により負の歪曲
収差が発生する。（歪曲収差係数Ｖは正の値をとる。）
そして、３次収差論によれば、物体面が湾曲したときの
歪曲収差係数Ｖ’は Ｖ’＝　　Ｖ　　−　　α´／（αＮＲ０　）　　　　
　　（２）で与えられる。ここでＶは物体面が平面の場
合の歪曲収差係数であり、Ｎは物体空間の屈折率である
。α、α´は、それぞれ物体空間における近軸光線と瞳
近軸光線の換算傾角であり、共に負の値をとる。

【００１８】従って、上記光学系において、上述のとお
り像面湾曲を補正するために物体面を光学系に対して凹
球面状に湾曲させる場合（Ｒ０　＞０）には、（２）式
に示した物体面が湾曲したときの歪曲収差係数Ｖ’の値
は小さくなり、負の歪曲収差は改善される。実際上は、
（２）式の値が僅かに負となるため、若干正の歪曲収差
が残存する。

【００１９】この歪曲収差を除去するため、本発明の反
射縮小光学系では物体面の近傍に反射鏡Ｒ１　を配置し
ている。歪曲収差Ｄ（％）は Ｄ＝　１００（ｙ’−ｙ）／ｙ　　（３）で与えられる
。ここでｙ’はガウス像面上での主光線の高さである。 ｙは理想像高であるが、物体面が湾曲している場合には
一般的に定義されていない。

【００２０】そこで先ず、図２に示したごとく湾曲した
物体面を光軸に対して垂直な平面に射影し、その点の光
軸からの高さを物体高Ｈ０　として、理想像高をｙ＝Ｈ
０　×β　　　　　　　　　　　　　　（４）で定義す
る。（βは縮小投影光学系の結像倍率）このとき残存す
る歪曲収差は正であり、これを補正するために第１反射
面Ｒ１　のパワーは正すなわち凹面鏡とするのがよい。

【００２１】しかし、射影平面と像面が光学系の近軸倍
率で結ばれているために、像面上においてある寸法のパ
ターンを得ようとすると、凹面マスク上のパターン寸法
を近軸倍率できまる寸法からずらし補正しなければなら
ない。しかもこの補正量は、露光時に所定の方向で直線
的に走査する円弧上の視野の位置によって異なるために
、凹面マスクのパターンの寸法管理が厳しくなり、マス
クの製造が難しくなる。

【００２２】そこで、この問題を解決するために、本発
明では図３に示したごとく物体高を光軸からマスクの凹
球面上に沿った距離Ｌで表わし、理想像高ｙをｙ＝Ｌ×
β　　　　　　　　　　　　（５）て再度定義した。こ
のときｙが大きくなるため歪曲収差は負となる。これを
補正するために第１反射面Ｒ１　のパワーを負、すなわ
ち凸面鏡としているのである。

【００２３】このように物体高を光軸からマスクの凹球
面上に沿った距離Ｌとして歪曲収差を定義し、凸面鏡で
ある第１反射面Ｒ１　を用いて補正することにより、凹
面マスク上のパターンの実寸法と投影される像面上のパ
ターンの寸法とが光学系の近軸倍率で正確に対応するこ
とになる。以上は、本発明の構成において物体面Ｏを凹
の球面形状とする場合であるが、像面Ｉを凹の球面形状
とすることも可能である。この場合は上記（２）式と同
様に、ペッツバール和に対応して、像面の曲率半径ＲＩ
　は、

【００２４】

【数３】

【００２５】で与えられる。ただし、ＲＩ　の符号は像
面が光学系に対して凹面を向けている場合を負とする。 そして、像高を光軸から像面の凹球面状に沿った距離で
表し、理想像高Ｌ´を、 Ｌ´　　＝Ｈ０　×β と定義することによって、平面マスク上のパターンの実
寸法と投影される凹面形状の像面上のパターンの寸法と
が光学系の近軸倍率で正確に対応することになる。

【００２６】

【実施例】図１に示した実施例は、原理的な構成を示す
例として、物体面Ｏを凹面形状とし像面Ｉを平面とし、
第２反射面を平面反射面としたものである。図１は本発
明による反射縮小光学装置の概略構成を示しており、凹
面形状の物体面Ｏからの光束は凸の第１反射面Ｒ１　で
反射された後、平面の第２反射面Ｒ２　で反射され、凸
の第３反射面Ｒ３　で反射され、次に凹の第４反射面Ｒ
４　で反射されて平面の像面Ｉ上に物体面Ｏ上のパター
ンが縮小投影される。ここで、光学系の光軸は各反射面
の曲率中心を結ぶ直線として定義され、凹球面形状の物
体面Ｏの曲率中心Ｃ０，第１反射面Ｒ１　の曲率中心Ｃ
１　及び第３反射面Ｒ３　と第４反射面Ｒ４　との共通
の曲率中心Ｃ２　もこの光軸上に位置する。

【００２７】この実施例の仕様は以下のとおりであり、
光軸を中心とする円弧状の領域において極めて良好な結
像性能を有している。 倍　　率：β＝−１／５．７ 開口数：ＮＡ＝０．０２５ 露光域の大きさ：円弧半径：２０．０ｍｍスリット幅：
０．３０ｍｍ 解像力：波長１０ｎｍのとき０．２４μｍ波長５ｎｍの
とき０．１２μｍ この実施例の構成についての具体的数値例を下記の表１
に示す。表中、物体面Ｏから最終面Ｉへ向かう順序で各
曲面の曲率半径、面間隔及び屈折率を表している。

【００２８】尚、光線は図１に示した構成において、左
から右へ向って進む方向を正とし、左側に凸面を向けた
曲面の曲率半径を正、左側に凹面を向けた曲面の曲率半
径を負とし、面間隔は光線の進行方向が正である媒質中
は正とし、光線の進行方向が負である媒質中では負とす
るものとする。また、光線が正方向に進む媒質中ではそ
の屈折率を正とし、光線が負方向に進む媒質中ではその
屈折率を負とするものとする。

【００２９】

【表１】

【００３０】上記実施例において、物体面の曲率半径の
値ｒ０　＝２８７．００は（１）式によりきまる値Ｒ０
　＝２８１．１８と若干異なるが、これは高次の収差ま
で考慮した結果である。上記実施例についての非点隔差
を図４に、式（３）、（５）によって定義される歪曲収
差の値を表２に、横収差を図５にそれぞれ示した。

【００３１】図４の破線Ｍは子午光束による像面、実線
Ｓは球欠光束による像面を示す。図５では像高ｙ＝２０
．３ｍｍ、像高ｙ＝２０．１５ｍｍ　、像高ｙ＝２０．
０ｍｍでの横収差を示し、実線は子午光束を示し、破線
は球欠光束を示している。

【００３２】

【表２】

【００３３】図４及び図５に示した各収差図、及び上記
の表２から、本実施例の反射縮小光学系が極めて良好な
結像性能を有していることがわかる。そして、上記の如
き本発明の実施例を露光装置として用いる場合には、所
定のパターンを有するマスク面を凹球面形状の物体面Ｏ
に合わせて湾曲させて形成し、上述の如き優れた結像性
能を維持する円弧状の領域のみを用いて露光する。露光
中に前記マスクを凹球面形状パターン面の曲率中心Ｃ０
　を中心として回転移動させると共に、ウエハをマスク
の回転に同期して光軸に対して垂直な方向に直線移動さ
せる。ウエハの移動量とマスクの凹球面に沿う移動量と
の比を、つねに光学系の近軸倍率に等しくすることによ
り、大きな領域の露光が可能となる。

【００３４】尚、上記の実施例では、第１反射面Ｒ１　
、第３反射面Ｒ３　及び第４反射面Ｒ４　を球面とし、
第２反射面Ｒ２　を平面とする最も原理的な構成とした
が、第２反射面Ｒ２　を球面として収差補正の自由度を
与えることにより、第１反射面Ｒ１　による歪曲収差の
補正を、球面収差やコマ収差等の他の収差に対してより
バランス良く向上させることが可能である。また、少な
くとも１つの反射面に非球面を導入することとすれば、
諸収差の補正自由度を高めることが可能であり、より良
好な結像性能を維持できることは言うまでもない。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、反射系の
みからなる縮小投影光学系が構成できるため、軟Ｘ線、
Ｘ線領域における縮小投影露光が可能となる。そして、
製造の容易な球面反射面のみから構成される場合にも、
同期走査型反射光学系において問題となる歪曲収差の補
正が可能であり、解像力のすぐれた縮小像が形成できる
。したがって、超ＬＳＩ　等の極微細パターンからなる
半導体素子製造用の実用的光学装置として極めて有用で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による反射縮小光学装置の構成を示す概
略光路図。

【図２】物体高を説明する図。

【図３】本発明における物体高を示す図。

【図４】本発明による実施例の非点収差図。

【図５】本発明による実施例の横収差図。

【主要部分の符号の説明】

Ｏ…物体面 Ｉ…像面 Ｒ１　…凸の第１反射面 Ｒ２　…第２反射面 Ｒ３　…凸の第１反射面 Ｒ４　…凹の第１反射面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物体面上の所定のパターンを像面上に縮小
   投影するため反射縮小光学系を有する装置において、前
   記反射縮小光学系は該物体面からの光束を反射する凸の
   第１反射面、第２の反射面、凸の第３反射面、凹の第４
   反射面を有し、前記凸の第３反射面と前記凹の第４反射
   面とはほぼ同心状に配置されており、前記物体面と前記
   像面との少なくとも一方が前記縮小投影光学系に向かっ
   て凹の球面形状に形成されていることを特徴とする反射
   縮小投影光学装置。
2. 【請求項２】前記物体面が前記縮小投影光学系に向かっ
   て凹の球面形状に形成され、前記像面は光軸に対して垂
   直な平面に形成されることを特徴とする請求項１記載の
   反射縮小投影光学装置。
3. 【請求項３】前記第２反射面は平面であることを特徴と
   する請求項２記載の反射縮小投影光学装置。
4. 【請求項４】マスク上の所定のパターンをウエハ面上に
   縮小投影するため反射縮小光学系を有する装置において
   、マスクのパターン面は凹球面形状に形成され、前記反
   射縮小光学系は該物体面からの光束を反射する凸の第１
   反射面、第２反射面、凸の第３反射面、凹の第４反射面
   を有し、前記凸の第３反射面と前記凹の第４反射面とは
   ほぼ同心状に配置され、露光中に前記マスクは該凹球面
   形状パターン面の曲率中心を中心として回転移動すると
   共に前記ウエハは該マスクの回転に同期して光軸に対し
   て垂直な方向に直線移動し、該ウエハの移動量と該マス
   クの移動量との比はつねに光学系の近軸倍率に等しいこ
   とを特徴とする同期走査型の反射縮小投影光学装置。