JPH09115811A

JPH09115811A - 投影露光装置及び投影露光方法

Info

Publication number: JPH09115811A
Application number: JP7272269A
Authority: JP
Inventors: Yasuyoshi Tanabe; 容由田辺
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 1997-05-02
Anticipated expiration: 2015-10-20
Also published as: JP2692660B2

Abstract

(57)【要約】【課題】色分散素子色分離された複数の光の一部のみ
しかスリットを通過できないため、光源からのレーザ光
のスペクトルすべてを利用することができず、光利用効
率が落ちて、投影露光装置のスループット低下を引き起
こす。反射屈折光学系を用いた従来装置は、光学系設計
及び製造が難しい点不利である。【解決手段】光源１１からの準単色なスペクトル特性
を有する光ビームをプリズム１４により色分離を行い、
色分離した各色の光がレチクル１１１の各位置に異なる
スペクトルの光として照射される。レチクル１１１のパ
ターン領域の像は、色収差補正板１１３により光路長が
補正されることにより、主に光軸方向の色収差が補正さ
れる。また、レチクルステージ１１２ａ、１１２ｂと、
ウェハステージ１１６とを同期機構１１７を用いて、紙
面内方向に結像関係を保ちながら走査して上記照明むら
を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は投影露光装置及び投
影露光方法に係り、特に半導体集積回路等の製造工程
で、回路パターンの転写に利用される投影露光装置及び
投影露光方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超高圧水銀ランプのｇ線やｉ線スペクト
ルを光源として投影を行うステップ・アンド・リピート
方式の縮小投影露光装置、いわゆるステッパは半導体集
積回路の製造におけるリソグラフィ工程において中心的
役割を担っている。しかし、最近では半導体集積回路の
集積度がますます高くなり、ステッパの解像力を向上さ
せるために、より短波長の光を発生させる高輝度、高出
力のＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザを光
源とするステッパが注目されている。

【０００３】ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）
やＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）の波長域で
は投影レンズに使用できる材料は合成石英、螢石等に限
定される。しかし、螢石は結晶材料の品質及び大きさに
よりレンズ設計及び製造上かなりの制限を受けるため、
合成石英のみの単一硝材からなる投影レンズが一般に用
いられている。

【０００４】投影光学系としてレンズのみから構成され
る屈折光学系を用いるときには、大きな色収差が発生す
るため、エキシマレーザ光源のスペクトル幅を狭帯域化
する必要がある。ＫｒＦエキシマレーザの場合には、グ
レーティング、プリズム等の波長選択素子を備えること
により、スペクトル幅を１ｐｍ程度までの狭帯域化が実
現している。現在、このＫｒＦエキシマレーザを用いた
ステッパが市販されている。

【０００５】合成石英の色分散は、短波長になるほど大
きくなるため、ＡｒＦエキシマレーザの場合には、０．
３ｐｍまで狭帯域化する必要があるが、これはまだ実現
されていない。この問題を解決するために、従来より図
５の構成図に示すように、照明光学系中に色分散素子５
４を挿入して色分離を行っている投影露光装置が知られ
ている（特開平１−２８９１１３号公報）。

【０００６】図５において、エキシマレーザ装置５１か
ら出射された、狭帯域化されたレーザ光はコリメータレ
ンズ５２で平行光化され、ミラー５３で反射され、更に
色分散素子５４でＳＰ１とＳＰ２に色分離される。色分
離された光ＳＰ１はリレーレンズ５５を通してスリット
５６ａ、５６ｂを通過し、リレーレンズ５７を通してホ
モジナイザ５８に入射されるが、色分離されたもう一方
の光ＳＰ２はスリット５６ａ、５６ｂにより阻止され
る。

【０００７】ホモジナイザ５８を通過した光ＳＰ１は、
リレーレンズ５９及び６０をそれぞれ通してミラー６１
で反射されて光路が変えられ、更にコンデンサレンズ６
２で適度に集光された後、レチクル６３のパターン領域
を均一な照度で照明する。このパターン領域の像は投影
光学系６４により縮小された後、ウェハステージ６６上
に載置されたウェハ６５上に投影露光される。

【０００８】この従来の投影露光装置では、露光に用い
るスペクトルの光と不要なスペクトルの光とでは集光レ
ンズの色収差によって集光位置が異なることを用い、集
光レンズによる結像スペクトル光の集光位置に配置した
スリット５６ａ、５６ｂにより、レーザ光を結像スペク
トル光ＳＰ１と不要なスペクトルの光ＳＰ２とに分離
し、結像スペクトル光ＳＰ１のみを抽出しているため、
照明光への不要なスペクトルの光の混入を低減させ、実
質的に光ビームのスペクトルの帯域を狭帯域化しようと
している。

【０００９】また、従来、投影光学系としてレンズ及び
ミラーから構成される反射屈折光学系を用いることによ
り、色収差の問題を大きく軽減した投影露光装置も知ら
れている（特開平２−６６５１０号公報）。この従来の
投影露光装置によれば、波長１９３ｎｍでスペクトル幅
２ｎｍの色消しが可能である。このときには、ＡｒＦエ
キシマレーザを狭帯域化せずにすべてのスペクトルが利
用可能である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、前者の従来
の投影露光装置では、図５に示したように照明光学系中
に挿入された色分散素子５４により色分離された光ＳＰ
１は、スリット５６ａ、５６ｂを通過するが、光ＳＰ２
はスリット５６ａ、５６ｂを通過できないため、光源５
１からのレーザ光のスペクトルすべてを利用することが
できず、光利用効率が落ちて、投影露光装置のスループ
ット低下を引き起こす。

【００１１】また、後者の従来の投影露光装置では、Ａ
ｒＦエキシマレーザを狭帯域化せずにすべてのスペクト
ルが利用可能である反面、色収差という点からすると反
射屈折光学系が屈折光学系に比べて有利であるが、光学
系設計及び製造が難しい点不利である。

【００１２】また、ＡｒＦエキシマレーザより短波長な
光源として、Ｘｅ₂エキシマランプがある。この光源の
中心波長は１７２ｎｍ、スペクトル半値幅は１４ｎｍで
ある。エキシマランプを光源として用いる場合には、反
射屈折光学系を用いても光源のスペクトルのほんの一部
しか利用することができず、投影露光装置のスループッ
ト低下を引き起こす。

【００１３】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
準単色なスペクトルを持つ光源に対して光利用率が高い
投影光学系を有する投影露光装置及び投影露光方法を提
供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の投影露光装置は、準単色なスペクトル特性
を有する光ビームを出射する光源と、光ビームを異なる
波長毎に分離する色分離素子と、パターンが形成された
レチクルと、色分離素子により分離された複数の波長の
光ビームを、それぞれレチクルの異なる位置に照射する
照明光学系と、照明光学系により照明して得られたレチ
クルのパターン像を感光基板上に転写する投影光学系
と、レチクルの異なる位置において生じる色収差を補正
する色収差補正手段と、レチクルの異なる位置において
生じる照明むらを補正する照明むら補正手段とを有する
構成としたものである。

【００１５】ここで、色収差補正手段は、投影光学系中
に設けられて光路長を補正する色収差補正板か、若しく
は感光基板を載置する第１のステージを、投影光学系を
介して前記感光基板上に照射される光の光軸に対して傾
斜した構成である。

【００１６】また、照明むら補正手段は、感光基板を載
置する第１のステージと、レチクルを載置する第２のス
テージをそれぞれ同期して走査する同期機構か、若しく
は照明光学系中で、かつ、前記レチクルと共役な位置に
配置された、面内の透過率が異なる構成の照度補正板で
あることを特徴とする。

【００１７】また、本発明の投影露光方法は、上記の目
的を達成するため、準単色なスペクトル特性を有する光
ビームを色分離素子により異なる波長毎に分離し、これ
ら複数の光ビームをパターンが形成されたレチクルの異
なる位置に照射し、これによりレチクルの異なる位置に
おいて生じる色収差と照明むらをそれぞれ別々に補正
し、得られたレチクルのパターン像を感光基板上に転写
することを特徴とする。

【００１８】本発明装置及び方法では、光源からの準単
色なスペクトル特性を有する光ビームをプリズムやグレ
ーティング等の色分散素子を配置して色分離を行い、色
分離した各色の光がレチクルの各位置に異なるスペクト
ルの光として照射される。このときレチクルの各位置に
おけるスペクトル幅は色分離した後なので、光源のスペ
クトル幅に比べて狭くなっている。このため、このとき
レチクルの各位置に生じる色収差と照明むらをそれぞれ
補正することにより、光学系設計を難しくすることな
く、実質的に投影光学系が本来持っていた色消し幅より
も広いスペクトル幅を持つ光源の光利用効率が上がる。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の構成図
を示す。同図において、エキシマレーザあるいはエキシ
マランプなどの準単色なスペクトル特性を有する光ビー
ムを出射する準単色光源１１から出射された光は、コリ
メートレンズ１２により平行光化された後、ミラー１３
で反射されて光路が変えられ、更に色分離素子の一例と
してのプリズム１４を通ることにより、異なる波長を持
つ光ＳＰ１、ＳＰ２などに分離される。光ＳＰ１及びＳ
Ｐ２はそれぞれホモジナイザ１５を通過して、同図の紙
面内方向の異なる位置に配置された２つのリレーレンズ
１６及び１７を別々に透過し、更に共通のリレーレンズ
１８を透過してミラー１９により光路が変えられ、コン
デンサレンズ１１０を通してレチクル１１１に入射さ
れ、これを紙面内方向の異なる位置で照明する。

【００２０】このとき、光ＳＰ１とＳＰ２は異なる光強
度を持つため、照明むらが生じる。しかし、図１の紙面
に垂直な方向の照明むらに関しては、ホモジナイザ１５
により補正され均一な照明とされている。ここで、レチ
クル１１１の各位置で照明光のスペクトルが異なるた
め、色収差は各位置で異なる。そこで、この実施の形態
では、光学系１１４とレチクル１１１の間に、色収差補
正板１１３を挿入して各位置での光路長の補正をしてい
る。すなわち、この実施の形態の投影光学系は色収差補
正板１１３と光学系１１４から構成される。

【００２１】レチクル１１１のパターン領域の像は、色
収差補正板１１３により光路長が補正されることによ
り、主に光軸方向の色収差が補正された後、光学系１１
４により縮小され、ウェハステージ１１６上に載置され
た感光基板（ウェハ）１１５上に投影露光される。

【００２２】また、レチクル１１１上では前記したよう
に、紙面内方向に照明むらが生じている。この実施の形
態では、この問題を解決するために、レチクル１１１を
載置しているレチクルステージ１１２ａ、１１２ｂと、
ウェハステージ１１６とを同期機構１１７を用いて、紙
面内方向に結像関係を保ちながら走査する。これによ
り、レチクル１１１上の照明を図１の紙面内方向に平均
化することにより、上記の紙面内方向の照明むらを補正
することができる。

【００２３】図２は本発明になる投影露光装置の第２の
実施の形態の構成図を示す。同図中、図１と同一構成部
分には同一符号を付し、その説明を省略する。図２に示
す第２の実施の形態は、ウェハステージ２３が光軸に対
して傾斜されることにより、色収差を簡便に補正するよ
うにした点に特徴がある。

【００２４】図２において、コンデンサレンズ１１０を
通してレチクル１１１に入射された光ＳＰ１及びＳＰ２
は、レチクル１１１のパターン領域を紙面内方向の異な
る位置で照明する。

【００２５】このとき、光ＳＰ１とＳＰ２は異なる光強
度を持つため、前記したように照明むらが生じる。しか
し、図２の紙面に垂直な方向の照明むらに関しては、第
１の実施の形態と同様に、ホモジナイザ１５により補正
され均一な照明とされている。一方、図２の紙面内方向
の照明むらに関しては、レチクル１１１を載置している
レチクルステージ１１２ａ、１１２ｂと、ウェハステー
ジ２３とを同期機構２２を用いて、紙面内方向に結像関
係を保ちながら走査することにより、第１の実施の形態
と同様に補正する。

【００２６】また、レチクル１１１の各位置で照明光の
スペクトルが異なるため、色収差は各位置で異なる。そ
こで、この実施の形態では、ウェハステージ２３を光軸
に対して傾斜することにより、色収差を補正するように
している。すなわち、レチクル１１１のパターン領域の
像は、投影光学系２１により縮小されてウェハ１１５上
に照射されるが、その結像位置は波長によって異なり、
波長が短い方が投影光学系２１側に結像される。

【００２７】例えば、波長１９３ｎｍの光が１ｐｍずれ
ると、合成石英で構成される屈折光学系では０．１５μ
ｍ結像位置が光軸方向にずれる。ここでは、光ＳＰ１の
波長が光ＳＰ２の波長よりも短いので、図２に示すよう
に、ウェハステージ２３は図中左端部分が右端部分より
も高い位置になるように傾斜されている。また、この傾
斜角度はレチクル１１１の照射面などによって定められ
る。

【００２８】次に、本発明の第３の実施の形態について
説明する。図３は本発明になる投影露光装置の第３の実
施の形態の構成図を示す。同図中、図１と同一構成部分
には同一符号を付し、その説明を省略する。図３の実施
の形態は、図１の実施の形態がレチクルステージ１１２
ａ、１１２ｂとウェハステージ１１６で照度むらを補正
していたのに対し、照度補正板３１をリレーレンズ１
６、１７とリレーレンズ１８の間の光路中の、レチクル
１１１と共役となる位置に挿入してレチクル１１１上の
紙面内方向の各位置における照度むらを補正した点に特
徴がある。

【００２９】上記の照度補正板３１は面内の各位置にお
ける透過率が、レチクル１１１上の紙面内方向の各位置
における照度むらを補正するように異なるようにされて
おり、これにより、レチクル１１１上の紙面内方向の各
位置では均一な照明となるようにしている。この実施の
形態では、同期機構１１７を不要にできるという特徴が
ある。

【００３０】次に、本発明の第４の実施の形態について
説明する。図４は本発明になる投影露光装置の第４の実
施の形態の構成図を示す。同図中、図３と同一構成部分
には同一符号を付し、その説明を省略する。図４の実施
の形態は、色収差を補正するために、投影光学系４１に
よりレチクル１１１の縮小投影像が照射されるウェハ１
１５が載置されるウェハステージ４２を傾斜させた点に
特徴がある。

【００３１】なお、以上の実施の形態では、色分離素子
としてプリズム１４を用いているが、本発明はこれに限
定されるものではなく、グレーティング等の他の色分離
素子を用いてもよい。また、投影光学系としては屈折
型、反射屈折型等種々のものを用いることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光学系設計を難しくすることなく、実質的に投影光学系
が本来持っていた色消し幅よりも広いスペクトル幅を持
つ光源の光利用効率が上がるため、投影露光装置のスル
ープットを上げ、ひいては半導体装置の生産性を上げる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の構成図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態の構成図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態の構成図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態の構成図である。

【図５】従来装置の一例の構成図である。

【符号の説明】

１１準単色光源１２コリメートレンズ１４プリズム１５ホモジナイザ１６〜１８リレーレンズ２１、４１投影光学系２２、１１７同期機構２３、４２、１１６ウェハステージ３１照度補正板１１０コンデンサレンズ１１１レチクル１１２ａ、１１２ｂレチクルステージ１１３色収差補正板１１４光学系１１５感光基板（ウェハ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】準単色なスペクトル特性を有する光ビー
ムを出射する光源と、前記光ビームを異なる波長毎に分離する色分離素子と、パターンが形成されたレチクルと、前記色分離素子により分離された複数の波長の光ビーム
を、それぞれ前記レチクルの異なる位置に照射する照明
光学系と、前記照明光学系により照明して得られたレチクルのパタ
ーン像を感光基板上に転写する投影光学系と、前記レチクルの異なる位置において生じる色収差を補正
する色収差補正手段と、前記レチクルの異なる位置において生じる照明むらを補
正する照明むら補正手段とを有することを特徴とする投
影露光装置。
【請求項２】前記色収差補正手段は、前記投影光学系
中に設けられて光路長を補正する色収差補正板であるこ
とを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項３】前記色収差補正手段は、前記感光基板を
載置する第１のステージを、前記投影光学系を介して前
記感光基板上に照射される光の光軸に対して傾斜した構
成であることを特徴とする請求項１記載の投影露光装
置。
【請求項４】前記照明むら補正手段は、前記感光基板
を載置する第１のステージと、前記レチクルを載置する
第２のステージをそれぞれ同期して走査する同期機構で
あることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一
項記載の投影露光装置。
【請求項５】前記照明むら補正手段は、前記照明光学
系中で、かつ、前記レチクルと共役な位置に配置され
た、面内の透過率が異なる構成の照度補正板であること
を特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の
投影露光装置。
【請求項６】準単色なスペクトル特性を有する光ビー
ムを色分離素子により異なる波長毎に分離し、これら複
数の光ビームをパターンが形成されたレチクルの異なる
位置に照射し、これにより該レチクルの異なる位置にお
いて生じる色収差と照明むらをそれぞれ別々に補正し、
得られたレチクルのパターン像を感光基板上に転写する
ことを特徴とする投影露光方法。