JPH07297103A

JPH07297103A - パターン形成方法、投影露光装置、光学系及びその設計方法

Info

Publication number: JPH07297103A
Application number: JP6084901A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fukuda; 宏福田; Tsuneo Terasawa; 恒男寺澤; Masaaki Ito; 昌昭伊東; Souichi Katagiri; 創一片桐
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1994-04-22
Publication date: 1995-11-10

Abstract

(57)【要約】【目的】複雑な作製工程を要する上に、十分な面精度を
得ることが困難な非球面鏡を用いることなく、実現可能
な精度で作製できる光学系を用いて、広い露光領域にわ
たり高い解像度が得られるパターン形成方法を提供する
こと。【構成】所望のパターン有するマスク１１に光１０を照
射し、マスク１１から反射した光を反射光学系を介して
基板１６上へ投影し、基板上にパターンを転写するとき
に、この反射光学系に、図（ｂ）に示す非球面Ａに代え
て、その参照球面Ｓを反射鏡基板とし、図（ｃ）に示す
ように回折格子をその表面に配置した反射型回折レンズ
を含む光学系を用いるパターン形成方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種固体素子等の微細
パターンを形成するためのパターン形成方法、それに用
いる投影露光装置、それに用いる光学系及びその設計方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ（大規模集積回路）等の固体素子
の集積度及び動作速度を向上するため、回路パターンの
微細化が進んでいる。現在これらのパターン形成には、
量産性と解像性能に優れた紫外線縮小投影露光法が広く
用いられている。この方法の解像度は、露光波長に比例
し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。従来、
解像限界の向上は開口数を大きくすること（高ＮＡ化）
により行なわれてきたが、これに伴う焦点深度の減少と
レンズ設計及び製造技術の困難から限界に近づきつつあ
る。このため、近年露光光の波長を短くするアプローチ
が注目されている。

【０００３】しかし、波長１９０ｎｍ以下の光では実質
的に透明な材料がないため、従来の露光法において用い
られてきた屈折型レンズが使用できない。このため、完
全反射光学系を用いる必要がある。しかしながら、完全
反射光学系を用いて屈折型光学系に匹敵する大きなＮＡ
を有するレンズを設計するのは一般に極めて困難であ
る。そこで、縮小投影露光法の限界（約０．２μｍ）を
越える高い解像度を得るには、極端に短い波長の光、例
えば３０ｎｍ以下の軟Ｘ線を用いることが望まれる。近
年、多層膜反射鏡等のＸ線光学素子技術の発達により、
この波長領域の光による投影露光が可能となった。軟Ｘ
線を用いた反射縮小投影露光法については、例えば、ジ
ャーナルオブバキュームサイエンスアンドテ
クノロジー、第Ｂ８巻、第１３２５頁〜１３２８頁（１
９９０年）（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，
Ｖｏｌ．Ｂ８，ｐｐ．１３２５〜１３２８（１９９
０））に論じられている。

【０００４】また、ＬＳＩ等の露光過程においては、チ
ップの全面を一括転写するために広い露光領域が必要で
あるが、完全反射光学系でこれに十分な露光領域を確保
するためには、一般に非球面鏡を採用することが好まし
い。非球面鏡を用いた現実的な露光フィールドを有する
軟Ｘ線縮小投影露光用光学系については、例えば、オー
エスエープロシーディングスオンソフトエック
スレイプロジェクションリソグラフィ、第１２
巻、第１８頁〜第２１頁（１９９１年）（OSA Proceedi
ngs on Soft-X-Ray Projection Lithography,Vol.12,p
p.18〜21（1991））に論じられている。

【０００５】ところで、従来屈折型投影光学系の性能を
さらに向上するために、いわゆる回折レンズを光学系に
導入することが提案されている。回折レンズとは、ゾー
ンプレート等回折格子の回折により光線を曲げる作用を
レンズとして用いるものである。回折レンズの屈折型投
影光学系への適用例については、例えば、第４０回応用
物理学関係連合講演会講演予稿集、Ｎｏ．２、第５６２
頁（講演番号、３０ｐ−Ｌ−１）（１９９３年）に論じ
られている。この方法は、数枚組の屈折レンズ系の瞳近
傍に、平面基板上にバイナリープロセスを用いて形成し
たブレーズ角を付けた透過位相ゾーンプレートを１枚だ
け挿入する方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の非球面鏡を
用いた軟Ｘ線縮小投影露光用光学系は、面精度に対する
要求を満足する非球面鏡を作製することが、現在のとこ
ろ極めて困難であるという問題があった。すなわち、非
球面鏡が十分な解像度を確保するためには、波面収差の
十分に抑えられたいわゆる回折限界光学系である必要が
あり、従って、反射鏡の面精度は露光に用いる光の波長
と比べて十分に小さいことが望ましい。例えば、軟Ｘ線
を用いた反射縮小投影露光法の場合、必要な面精度は１
ｎｍ以下となる。しかしながら、数値制御を用いた最高
水準の研磨法を用いても、要求精度に対して実際に得ら
れる非球面鏡の面形状精度は１桁から２桁も不足してい
るという問題があった。

【０００７】本発明の第１の目的は、複雑な作製工程を
要する上に、十分な面精度を得ることが困難な非球面鏡
を用いることなく、実現可能な精度で作製できる光学系
を用いて、広い露光領域にわたり高い解像度が得られる
パターン形成方法を提供することにある。

【０００８】本発明の第２の目的は、そのようなパター
ン形成方法を実現するための投影露光装置を提供するこ
とにある。

【０００９】本発明の第３の目的は、そのような投影露
光装置に用いる光学系を提供することにある。

【００１０】本発明の第４の目的は、そのような光学系
の設計方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明のパターン形成方法は、所望のパター
ンを有するマスクに光を照射し、マスクを透過又は反射
した光を反射光学系を介して基板上へ投影し、基板上に
上記パターンを転写するときに、その反射光学系に、反
射鏡基板の表面に回折格子が配置された反射型回折レン
ズが含まれるようにしたものである。

【００１２】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明の投影露光装置は、光源と、光源からの光をマス
クに照射する手段と、マスクを保持する手段と、マスク
を透過又は反射した光を基板上へ投影するための反射光
学系と、基板を保持する手段とからなり、その反射光学
系に、反射鏡基板の表面に回折格子が配置された反射型
回折レンズが含まれるようにしたものである。

【００１３】いずれの場合も、回折格子は、所定のブレ
ーズ角を有することが好ましい。また、光は、波長３ｎ
ｍ以上、３０ｎｍ以下の範囲の軟Ｘ線を用いることが好
ましい。さらに、光の波長のスペクトルの半値幅は、波
長の１／２００以下であること、また、その時間的コヒ
ーレンス長は、波長と回折格子の全格子数の積より大き
いことが好ましい。

【００１４】さらにまた、反射光学系は、少なくとも２
枚の反射型回折レンズを含み、この２枚の反射型回折レ
ンズ上に形成された回折格子は、回折角の波長分散が互
いに異符号となるような回折次数に上記ブレーズ角が設
定され、かつ、反射光学系全体は、光の波長スペクトル
の範囲内で色収差補正されていることが好ましい。さら
に、反射鏡基板は、球面又は平面であることが好まし
い。

【００１５】また、上記第３の目的を達成するために、
本発明の光学系は、球面鏡とその面上に配置された回折
格子とからなる反射型回折レンズを少なくとも１枚有
し、この回折格子を、球面鏡と等しい頂点及び頂点曲率
を持つ非球面鏡と等価な非球面作用を有するブレーズ回
折格子としたものである。

【００１６】さらにまた、上記第４の目的を達成するた
めに、本発明の光学系の設計方法は、少なくとも１枚以
上の非球面鏡を含む光学系を最適化した後、各非球面鏡
をその非球面と等しい頂点及び頂点曲率を持つ参照球面
上で半径方向周期分布を有するブレーズ回折格子に変換
する過程を含むようにしたものである。

【００１７】

【作用】表面に回折格子を有する球面鏡に光が入射する
と、回折作用のため反射光は球面鏡のみによる反射光と
は異なる方向に反射（回折）される。回折格子の周期を
変化させることにより、反射光（回折光）の進行方向を
様々に制御することができる。このため、回折パターン
を適当に設定することにより所望の非球面レンズと等価
な作用を実現することができる。また、回折格子では様
々な次数の回折光が発生するが、回折格子をブレーズ化
することにより、ある所望の次数の回折光だけを高い回
折効率で得ることができる。つまり、所望の非球面レン
ズに相当する回折光はある１つの次数に相当し、これ以
外の次数の回折光は余分なフレア光（迷光）となる。ブ
レーズ回折格子は、作製の簡便さのため、後に実施例に
示すように階段状の形状に近似させてもよい。

【００１８】球面鏡上に形成したブレーズ化された回折
格子（反射型回折レンズ）による反射の作用を図１
（ａ）に模式的に示す。比較のため、等価な非球面鏡の
反射作用を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）は、非球面鏡
に入射した光（紙面上の左から右へ進む波面３）が、球
面１からずれた反射面を有する非球面鏡５により反射さ
れ、紙面上の右上から左下へ進む光の波面６が得られる
様子を表わしている。

【００１９】一方、図１（ａ）に示す様に、球面１に沿
って形成したブレーズ化された回折格子によって反射
（回折）された光の波面は波面４のようになる。ここ
で、回折格子の隣合う反射面で反射された光の位相はそ
ろうようにブレーズ角及び周期を定めているため、図の
波面の進行方向に対して、高い回折効率が得られる。反
射型回折レンズ２による反射光の波面４は、非球面鏡５
による反射光の波面６と等しくなることが分かる。この
ように、回折格子を球面鏡に導入すると非球面鏡と等価
な効果を導入できるため、製作の困難な非球面鏡を用い
ずに、高解像度、広露光領域の反射型投影レンズを実現
することができる。

【００２０】また、本方法は、軟Ｘ線縮小投影露光用の
反射光学系に適用すると特に効果的である。即ち、現実
的な露光フィールドを有する軟Ｘ線縮小投影露光用光学
系は、通常２枚から４枚程度の非球面鏡から構成され、
これらの非球面鏡は参照球面鏡上の回折格子により置き
換えられる。この場合、球面鏡では通常の研磨方法でも
ナノメーターオーダーの面精度を確保することが可能で
あり、このため、反射鏡の形状精度を高め、面粗さを抑
え、光学系の収差を抑えることが可能となる。また、一
般にこれらの非球面鏡の非球面量（参照球面からのず
れ）はごく小さく（半径数十ｍｍにおいてせいぜい数μ
ｍ程度）、これと等価な回折格子の周期は比較的大きく
なるため、回折格子の製作が比較的容易である。以上２
つの理由から、軟Ｘ線縮小投影露光用の非球面反射光学
系の製作にかかる負担を大幅に軽減することができる。

【００２１】回折格子作製は、高精度の膜厚、加工深さ
制御性を有する半導体プロセス技術や、ルーリングエン
ジン等の超精密加工技術を用いることにより可能であ
る。特に前述の階段状のブレーズ回折格子は、従来技術
の項の公知例に示したバイナリープロセスと呼ばれる方
法により形成できる。従って、本発明による光学系は、
従来の極めて複雑な非球面鏡作製工程を必要とせず、比
較的容易に作製可能である。

【００２２】なお、一般に回折レンズによる回折角は入
射光の波長に依存することから、色収差の影響が懸念さ
れる。従って、露光光の波長スペクトル幅はできるだけ
狭い（単色に近い）ことが好ましい。しかしながら、回
折レンズの回折次数を制御することにより、ある程度の
色収差補正を行うことは可能である。例えば、図２に示
すように反射型凹レンズ上に設けた回折格子８に光７が
入射し、回折された１、０、−１次回折光（図中実線で
示す）が各々Ｐ、Ｑ、Ｒ点に収斂したとする。ここで波
長が短くなったとすると、回折角が減少して１、−１次
回折光（図中点線で示す）の収斂点はＰ、Ｒ点から各々
Ｐ’、Ｒ’点へ移動する。即ち、１次回折光が得られる
ようにブレーズ角を設定すれば正の波長分散を持つレン
ズが得られ、一方、−１次回折光が得られるようにブレ
ーズ角を設定すれば負の波長分散を持つレンズが得られ
る。従って、これらを適当に組み合わせることにより色
収差補正が可能となる。

【００２３】例えば、反射凹レンズ上の回折格子に回折
次数１の回折光が得られるようなブレーズ角を設け、一
方、反射凸レンズ上の回折格子に回折次数−１の回折光
が得られるようなブレーズ角を設け、さらにこの２つの
反射レンズを組み合わせたとする。この場合、波長が短
くなると回折角が減少するため、凹レンズ上回折格子の
収斂力は弱くなる一方、凸レンズ上回折格子の発散力も
弱くなるため、両者を組み合わせることにより色収差補
正が可能となる。即ち、いわゆる一種のアクロマートを
構成することができる。従って、必要な露光光の波長ス
ペクトル幅は、光学系の設計に依存するが、後で実施例
に述べる発明者が検討した光学系の範囲では、およそ露
光波長の１／２００程度であることが好ましかった。

【００２４】ところで、投影露光法におけるマスクパタ
ーンの像は、マスクにより様々な方向に回折された光が
像点に再び集光され互いに干渉することにより形成され
る。このとき、光学系内のあらゆるの光路を経て像面に
達する光線の光路長は通常等しい。一方、回折格子では
隣あう格子から反射された光は１波長分だけずれて１個
の波面を構成する。従って、回折格子が光学系内に存在
すると、様々な光路を経て像面に達した光の間には最大
で回折格子の全周期数Ｎ×波長λの光路差が生じること
になる。マスクにより回折された光が像面で互いに干渉
するためには、露光光の時間的コヒーレンス長Ｌ（波束
の長さ）がこの光路差Ｎ・λより長くなければならな
い。

【００２５】一般に軟Ｘ線鏡は４０〜２００層程度の多
層膜から構成され、各層の界面で反射された光が互いに
干渉することにより大きな反射率を得る。従って、最大
１００λ〜数１００λの光路差を有する光が干渉してお
り、最低限でもこの程度の時間的コヒーレンス長Ｌがあ
るものと考えられる。従って、回折格子の全格子数が、
少なくとも１００〜数１００以下であれば問題ない。な
お、一般的に時間コヒーレンシィに対する要求を緩める
ためには、１）回折格子の周期数を抑えるか、又は、
２）より時間的コヒーレンシィの高いアンジュレータ等
のＸ線源を用いることが望ましい。

【００２６】次に、本発明による光学系の設計方法につ
いて簡単に述べる。まず、回折格子を含む光学系の最適
化手法としては、従来超高屈折率法として知られる方法
がある。超高屈折率法については、例えば、ジャーナル
オブオプティカルソサエティオブアメリカ、
第６９巻、第３号、第４８６頁から第４８７頁（１９７
９年）（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｐｔｉｃａｌＳｏ
ｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ，Ｖｏｌ．６９，
Ｎｏ．３，ｐｐ．４８６〜４８７（１９７
９））に論じられている。この手法を用いて非球面レン
ズと等価な作用を有する回折パターンを求める手順につ
いては、実施例２に述べる。

【００２７】一方、前述の軟Ｘ線縮小投影露光用光学系
は、通常非球面鏡を含む光学系として既に最適化されて
いる。この場合、次のようにしてこれらの非球面鏡を球
面上の回折格子に変換することができる。図３（ａ）、
（ｂ）は、各々非球面Ａ、球面Ｓ上の反射型ブレーズ回
折格子Ｇにより反射又は回折された光の波面の様子を模
式的に示したものである。図において、ｚは光軸、ｒは
光軸に垂直な平面内で光軸を原点とする極座標の半径方
向の座標である。ここで、非球面Ａ及び球面Ｓの形状
を、図中の座標系を用いて、各々ｚ＝ｚａ（ｒ）、ｚ＝
ｚｓ（ｒ）と表す。また、球面Ｓは非球面Ａと等しい頂
点及び頂点曲率を持つとする。

【００２８】さて、非球面鏡Ａの作用を球面Ｓ上の回折
格子Ｇにより実現することを考えると、図３（ａ）、
（ｂ）各々の半径方向の単位長さ（例えば図中δｒｓ）
当たり反射波面数と回折波面数が等しい場合、反射波面
と回折波面の進行方向が一致する。図３（ａ）におい
て、非球面Ａ上δｒａ当りの反射波面数（非球面Ａと反
射波面の交点の数＝図中二重丸の数）は、球面Ｓの上δ
ｒｓ当りの入射波面数（白丸の数）に、図中δｚａ−δ
ｚｓの光路差に相当する波面の数（黒丸の数）を加えた
ものに等しい。一方、図３（ｂ）に示すように、球面Ｓ
のδｒｓ上に周期数が（δｚａ−δｚｓ）／λに等しい
回折格子を設けると、球面Ｓのδｒｓ当たりの反射波面
数を実効的に（δｚａ−δｚｓ）／λだけ増やすことが
できる。即ち、球面Ｓによる反射波の進行方向を非球面
Ａによる反射波の進行方向と一致させることができる。
求める回折格子周期の半径方向分布Ｓ０は、次式で表さ
れる。

【００２９】Ｓ０（ｒ）＝δｒｓ／［（δｚａ−δｚｓ）／λ］＝λ／［（１／ｋ）・（ｄｚａ／ｄｒ）−（ｄｚｓ／ｄｒ）］…（１）但し、ここに、ｋ＝（ｔａｎ２β−ｔａｎα）／（ｔａ
ｎ２β−ｔａｎβ）、αとβは、図３（ａ）中に示す角
度であり、α＝ｔａｎ^-1（ｄｚｓ／ｄｒ）、β＝ｔａｎ
^-1（ｄｚａ／ｄｒ）となる。

【００３０】しかし、図４に示すように球面Ｓと非球面
Ａによる反射波の進行方向が一致しても両者による反射
点は光軸方向にずれるため、集光点も光軸方向にずれて
しまう。両者の焦点距離が等しくなるようにこれを補正
すると式２となる。

【００３１】Ｓ（ｒ）＝Ｓ０（ｒ）＋ΔＳ（ｒ） ………（２）ここにΔＳ（ｒ）は下記の式３で表される。

【００３２】

【数３】

【００３３】但し、Ｆは焦点距離である。以上の方法
（以下、直接変換法と呼ぶ）によれば、非球面鏡を直接
回折格子に変換できるが、上の導出過程から明らかなよ
うに入射光と光軸のなす角が増大すると精度が低下する
恐れがある。この手法を用いて非球面レンズと等価な作
用を有する回折パターンを求める手順については、実施
例１に述べる。

【００３４】

【実施例】

〈実施例１〉本発明の露光光学系を上述の直接変換法を
用いて設計する例を図５を用いて説明する。図５（ａ）
は、３枚の非球面鏡からなるＮＡ０．０８の結像光学系
で、反射型マスク１１に入射した光１０は、マスク上の
反射パターンにより反射、回折された後、３枚の非球面
鏡１３、１４、１５により、基板１６の近傍にマスク１
１上の反射パターンの像を形成する。各非球面鏡の曲率
及び円錐係数と各光学素子の配置を、波長１３ｎｍの光
により０．１μｍのパターン転写が可能となるように、
前述の文献のオーエスエープロシーディングスオン
ソフト−エックス−レイプロジェクションリソグ
ラフィ記載の方法のように最適化した。図５（ｂ）は、
非球面鏡の非球面と参照球面（非球面と等しい頂点及び
頂点曲率を持つ球面）の関係を示し、図５（ｃ）はこれ
と等価な作用を有する参照球面上の回折格子を示す。

【００３５】さて、最適化された非球面鏡における非球
面と参照球面（非球面と等しい頂点及び頂点曲率を持つ
球面）のずれ量の半径方向分布を、図６（ａ）に示す。
次に、各非球面鏡に対して、これと等価な作用を有する
参照球面上の回折格子を、前述の式１、式２により求め
た。求めた回折格子の半径方向周期分布を、図６（ｂ）
に示す。なお、回折次数は、元の非球面鏡の円錐係数ｋ
及び面の凹凸に応じて、表１に従って設定した。但し、
ここで回折次数は、０次回折光に対して光軸方向に収束
する方向を正、発散する方向を負と仮定する。

【００３６】

【表１】

【００３７】設計した回折格子を含む光学系の光学性能
を光線追跡により調べた結果（横収差及び色収差）を図
７（ａ）、（ｂ）に示す。元の非球面鏡光学系とほぼ等
価な０．１μｍの解像性能を有することを確認した。但
し、上記解像性能を得るためには、露光光の波長スペク
トル半値幅を０．０５ｎｍ以下とすることが好ましい。

【００３８】〈実施例２〉本発明による露光装置の露光
光学系を作用の項で説明した高屈折率法を用いて設計す
る例を図８を用いて説明する。図８（ａ）において、反
射型マスク１１に入射した光１０は、マスク上の反射パ
ターンにより反射、回折され、３枚の球面鏡２３、２
４、２５と各反射鏡の直前に設けた架空の非球面屈折レ
ンズ２６、２７、２８からなる光学系により、基板１６
の近傍にマスク１１上の反射パターンの像を形成する。
ここで、架空の非球面屈折レンズ２６、２７、２８は、
各々極めて高い屈折率を有し、その厚さと球面鏡との距
離は波長と比べて十分に小さいものとする。また、屈折
レンズは球面鏡に入射する光だけが通過し、反射光は素
通りするものと仮定する。もちろん、このような構成及
び材料は非現実的なもので、あくまで設計のための仮定
に過ぎない。このような構成のレンズ系に対して、レン
ズ設計プログラムを利用してレンズ形状の最適化を行い
最適形状を求めた。

【００３９】次に、得られた架空の屈折レンズ（図８
（ｂ）に示す）の屈折率ｎ及び形状（ｔ（ｒ））から、
次式を用いてこれと等価な回折レンズの回折パターン周
期Ｓ（ｒ）を求めた。但し、ｒは球面鏡の動径方向位置
座標、ｔはレンズの厚さ、ｍは回折次数、λは波長であ
る。

【００４０】（ｎ−１）ｄｔ（ｒ）／ｄｒ＝ｍλ／Ｓ（ｒ） ……（４）式４より求めた回折パターンを各球面鏡の表面に設ける
ことにより、図８（ｃ）に模式的に示す様な反射型回折
レンズ２９を得た。なお、回折次数ｍは１とし、１次の
回折光だけが得られるように、回折パターンに図８
（ｃ）に示すようなブレーズ角を設けた。本実施例によ
っても、実施例１とほぼ同様の回折格子が得られた。

【００４１】〈実施例３〉次に、実施例１の設計に基づ
いて作製した露光装置の投影光学系の例を説明する。図
９は本実施例による投影光学系の構成の模式図で、マス
クステージ３１、反射型縮小投影光学系３２、基板ステ
ージ３３を含む。照明光学系（図示せず）により光源
（図示せず）からの波長１３ｎｍの軟Ｘ線が、マスクス
テージ３１上の反射型マスク１１を照射する。マスク上
の反射パターンにより反射又は回折された光１２は、反
射型縮小投影光学系３２により、基板ステージ３３上に
固定された基板１６表面の感光性レジスト膜の近傍にマ
スクパターンの像を形成する。反射型縮小投影光学系３
２は実施例１の設計に基づき、その開口数（ＮＡ）は
０．０８である。また、反射面にはすべて軟Ｘ線反射用
Ｍｏ／Ｓｉ多層膜をコーティングした。なお、反射型縮
小投影光学系３２の図の左下の反射鏡が平面の光学系
は、回折格子を設けてないが、ここにもブレーズ角を持
つ回折格子を設けてもよい。

【００４２】反射型縮小投影光学系を構成する反射回折
レンズは、図１０に示す様にして作製した。ゼロデュー
ア基板を研磨加工して、形状精度０．５ｎｍ、面粗さ
０．３ｎｍの球面鏡基板４１を作製した（図１０
（ａ））。次に、マグネトロンスパッタを用いて上記基
板上に厚さ６ｎｍのＭｏ膜４２を堆積した後（図１０
（ｂ））、この上にレジストパターン４３を形成し（図
１０（ｃ））、これをマスクに上記Ｍｏ膜を湿式エッチ
ングしてＭｏパターン４４を形成した（図１０
（ｄ））。更に、同様の工程を繰り返して厚さ３ｎｍの
Ｍｏパターン４５、厚さ１．５ｎｍのＭｏパターン４６
を形成し（図１０（ｅ）、（ｆ））、階段状のブレーズ
回折格子パターン４７を球面鏡基板４１上に作製した。
次に、上記基板上に、通常の軟Ｘ線反射用Ｍｏ／Ｓｉ多
層膜コーティングを行い、軟Ｘ線反射用多層膜４８を形
成した（図１０（ｇ））。コーティング後も、多層膜の
深さ方向に回折格子パターンは保存された。

【００４３】なお、基板、回折格子パターン等の材質、
膜厚に関しては、上に示したものに限らない。また、上
記回折格子は、図１１に示すように、公知のバイナリー
プロセスにより、基板４１のエッチングにより形成して
もよい。この場合、反応ガスの導入と排気を周期的に繰
り返すことにより原子層をほぼ１層づつはぎ取っていく
いわゆるデジタルエッチングを用いると、高いエッチン
グ深さ精度を得ることができる。より厳密な深さ制御を
行うためには、例えば電子ビーム描画を用いた真空一貫
プロセスによりパターニングを行ってもよい。

【００４４】この方法は、例えば真空チャンバー内で極
めて薄いＳｉ酸化膜を形成し、これに電子線描画を行い
酸化膜を除去し、酸化膜の存在しない領域のみ又は存在
する領域のみに選択的にＣＶＤ、エピタキシャル成長又
はエッチングを行うものである。しかも、本実施例の様
にパターニングとエッチング又は膜堆積を繰り返して行
う場合には、同一チャンバー内部での連続処理が可能で
ある。この様に、有機レジストを用いずに表面反応によ
り原子オーダーのエッチング及び膜堆積を行うことが出
来るため、本発明による回折格子パターンの形成に適し
ている。また、回折格子パターンの作製には、リフトオ
フプロセスを用いる等してもよい。また、ルーリングエ
ンジン等の超精密機械加工を用いても、ナノメーターオ
ーダーの深さ制御性をもつパターン形成が可能である。
但し、一般に本発明における回折格子は同心円状に形成
されるため、同心円状に刻線可能な特殊なルーリングエ
ンジンを用いることが好ましい。また、この場合ガラス
等の基板上にＡｌ（アルミ）等の軟質金属を一様に蒸着
したものを基板に用いることが好ましい。いずれにせ
よ、上記回折格子パターンの作製は、細心の深さ制御を
行うことが望ましい。なお、１次の回折光に対するブレ
ーズ角の深さは波長／２とすることが好ましい。

【００４５】〈実施例４〉上記露光装置を用いて、ＬＳ
Ｉパターンを転写した。アンジュレータ放射光源からの
波長１３ｎｍの軟Ｘ線を、照明光学系を介して実施例３
の露光装置に設定した反射型マスクの露光領域（長さ１
４ｍｍ、幅１ｍｍの円弧状のスリット領域）に照射し
た。しかる後に、被露光基板と上記反射型マスクを投影
光学系の縮小率を考慮して同期させながら走査すること
により、マスクパターンを上記基板上に露光した。これ
により、露光領域の全面にわたり、光学系の設計解像限
界である０．１μｍの解像度が得られた。

【００４６】なお、以上述べてきた実施例では、３枚の
反射鏡とＭｏ／Ｓｉ多層膜を用いた波長１３ｎｍの軟Ｘ
線による縮小投影露光について述べたが、実施例中で述
べた様々な条件は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で
変更することが可能である。例えば、光学系については
反射鏡の枚数は３枚以外でもよく、波長についてもより
短波長又は長波長の光を用いてよい。また、光源につい
ても、アンジュレータ放射光源の他に、通常のシンクロ
トロン放射光源、Ｘ線レーザ、レーザプラズマＸ線源等
を用いることができる。例えば、色収差を抑えるために
は、光源の波長スペクトル半値幅を狭くすることが好ま
しいが、このためにはアンジュレータ放射光源、Ｘ線レ
ーザ、レーザプラズマＸ線源からの輝線スペクトルを用
いることが好ましい。また、波長により多層膜組成や反
射面の構成を変えることもいうまでもない。例えば、よ
り短波長の５ｎｍ付近の波長領域でＸ線反射多層膜の層
数を増やすことにより、光学系の透過波長スペクトル半
値幅を狭め、色収差を抑えることができる。この場合に
は、通常のシンクロトロン放射光源が利用できる。

【００４７】また、これまで主に軟Ｘ線を用いた投影露
光について述べてきたが、本発明は屈折レンズの困難な
他の波長、具体的には主に２００ｎｍ以下の真空紫外光
を用いた投影露光にも効果的である。例えば、フッ素レ
ーザ等を光源とし、本発明によりＮＡの大きな反射型回
折レンズを用いることにより、０．２μｍ以下のパター
ン形成が可能となる。また、マスクは、反射型マスクに
ついて述べたが、透過型マスクを用いてもよい。

【００４８】

【発明の効果】以上、本発明によれば、マスクパターン
を基板上に反射光学系により転写する際、上記光学系
に、球面又は平面基板の表面に回折格子が形成された反
射型回折レンズを用いることにより、複雑な作製工程を
要する上に十分な面精度を得ることが困難な非球面鏡を
用いることなく、比較的容易な方法で作製が可能で、か
つ十分な精度と理想的な非球面作用を実現することによ
り広い露光領域にわたり高い解像度が得られた。更に、
これにより、０．１μｍ以下の微細パターンを、広い露
光領域にわたり形成することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示す模式図である。

【図２】本発明の作用を説明するための光学系の模式図
である。

【図３】本発明の光学系の設計手法を説明するための模
式図である。

【図４】本発明の光学系の設計手法を説明するための他
の模式図である。

【図５】本発明の一実施例の光学系を示す模式図であ
る。

【図６】本発明の一実施例の光学系の特性を示す図であ
る。

【図７】本発明の一実施例の光学系の特性を示す図であ
る。

【図８】本発明の他の実施例の設計手法を説明するため
の光学系の模式図である。

【図９】本発明の一実施例による露光装置用投影光学系
を示す模式図である。

【図１０】本発明で用いる光学部品の作製過程を示す模
式図である。

【図１１】本発明で用いる光学部品の他の作製過程を示
す模式図である。

【符号の説明】

１…球面２、２９、…反射型回折レンズ３、４、６…波面５、１３、１４、１５…非球面鏡７、１０、１２…光８…回折格子１１…マスク１６…基板２３、２４、２５…球面鏡２６、２７、２８…架空の非球面屈折レンズ３１…マスクステージ３２…反射型縮小投影光学系３３…基板ステージ４１…球面鏡基板４２…Ｍｏ膜４３…レジストパターン４４、４５、４６…Ｍｏパターン４７…ブレーズ回折格子パターン４８…軟Ｘ線反射用多層膜Ａ…非球面Ｓ…球面Ｇ…反射型回折格子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者片桐創一東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所望のパターンを有するマスクに光を照射
し、該マスクを透過又は反射した光を反射光学系を介し
て基板上へ投影し、該基板上に上記パターンを転写する
パターン形成方法において、上記反射光学系は、反射鏡
基板の表面に回折格子が配置された反射型回折レンズを
含むことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】上記光は、波長３ｎｍ以上、３０ｎｍ以下
の範囲の軟Ｘ線であることを特徴とする請求項１記載の
パターン形成方法。
【請求項３】上記光は、波長スペクトルの半値幅が該波
長の１／２００以下であることを特徴とする請求項２記
載のパターン形成方法。
【請求項４】上記反射型回折レンズは、回折格子が形成
された反射鏡基板上に、軟Ｘ線反射用多層膜を有するこ
とを特徴とする請求項２又は３記載のパターン形成方
法。
【請求項５】上記反射鏡基板は、球面又は平面であるこ
とを特徴とする請求項１から４のいずれか一に記載のパ
ターン形成方法。
【請求項６】上記回折格子は、所定のブレーズ角を有す
ることを特徴とする請求項１から５のいずれか一に記載
のパターン形成方法。
【請求項７】上記反射光学系は、少なくとも２枚の反射
型回折レンズを含み、該２枚の反射型回折レンズ上に形
成された回折格子は、回折角の波長分散が互いに異符号
となるような回折次数に上記ブレーズ角が設定され、か
つ、反射光学系全体は、上記光の波長スペクトルの範囲
内で色収差補正されていることを特徴とする請求項６記
載のパターン形成方法。
【請求項８】上記光は、時間的コヒーレンス長が、上記
光の波長と上記回折格子の全格子数の積より大きいこと
を特徴とする請求項１から７のいずれか一に記載のパタ
ーン形成方法。
【請求項９】光源と、該光源からの光をマスクに照射す
る手段と、該マスクを保持する手段と、該マスクを透過
又は反射した光を基板上へ投影するための反射光学系
と、該基板を保持する手段とからなる投影露光装置にお
いて、上記反射光学系は、反射鏡基板の表面に回折格子
が配置された反射型回折レンズを含むことを特徴とする
投影露光装置。
【請求項１０】上記光源は、波長３ｎｍ以上、３０ｎｍ
以下の範囲の軟Ｘ線を発する光源であることを特徴とす
る請求項９記載の投影露光装置。
【請求項１１】上記反射型回折レンズは、回折格子が形
成された反射鏡基板上に、軟Ｘ線反射用多層膜を有する
ことを特徴とする請求項１０記載の投影露光装置。
【請求項１２】上記反射鏡基板は、球面又は平面である
ことを特徴とする請求項９から１１のいずれか一に記載
の投影露光装置。
【請求項１３】上記回折格子は、所定のブレーズ角を有
することを特徴とする請求項９から１２のいずれか一に
記載の投影露光装置。
【請求項１４】上記反射光学系は、少なくとも２枚の反
射型回折レンズを含み、該２枚の反射型回折レンズ上に
形成された回折格子は、回折角の波長分散が互いに異符
号となるような回折次数に上記ブレーズ角が設定され、
かつ、反射光学系全体は、上記光の波長スペクトルの範
囲内で色収差補正されていることを特徴とする請求項１
３記載の投影露光装置。
【請求項１５】球面鏡とその面上に配置された回折格子
とからなる反射型回折レンズを少なくとも１枚有する光
学系であって、上記回折格子は、上記球面鏡と等しい頂
点及び頂点曲率を持つ非球面鏡と等価な非球面作用を有
するブレーズ回折格子であることを特徴とする光学系。
【請求項１６】少なくとも１枚以上の非球面鏡を含む光
学系を最適化した後、上記各非球面鏡をその非球面と等
しい頂点及び頂点曲率を持つ参照球面上で半径方向周期
分布を有するブレーズ回折格子に変換する過程を含むこ
とを特徴とする光学系の設計方法。