JPH09211332A - 高開口数リングフィールド光学縮小系 - Google Patents

高開口数リングフィールド光学縮小系

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JPH09211332A JP8330929A JP33092996A JPH09211332A JP H09211332 A JPH09211332 A JP H09211332A JP 8330929 A JP8330929 A JP 8330929A JP 33092996 A JP33092996 A JP 33092996A JP H09211332 A JPH09211332 A JP H09211332A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 約２００ナノメートル以下の波長域で使用可
能であり、比較的大きい開口数を有した投影光学系を提
供する。 【解決手段】 本願発明による投影光学系は３つのミラ
ー対を有し、第１ミラー対は入射ひとみを第２ミラー対
に結像し開口絞りを構成する収束ミラーを有し、第２ミ
ラー対は前記開口絞りを第２の実像ひとみにリレーし中
間像を形成する収束ミラーを含み、第３ミラー対は前記
第２実像ひとみを射出ひとみにリレーし前記中間像を最
終的な実像に結像する収束ミラーを有する。第２ミラー
対がフィールドミラー素子として動作することにより大
きな開口数が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願発明は、投影リソグラフ
ィーに関し、より詳細には、近紫外線から遠紫外線ない
し軟Ｘ線領域の短波長を使用する反射および反射屈折光
学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体デバイスの製造においてフォトリ
ソグラフィーが頻繁に用いられる。マスクまたはレチク
ルをウェーハ上に結像するために投影光学系が使用され
る。屈折素子を用いた光学系では２４８または１９３ナ
ノメートルの波長を有した照明光源を用いて、0.25ミク
ロンに近い解像度が達成されている。半導体デバイスの
素子ないし加工寸法が小さくなるにつれ、0.25ミクロン
以下の解像度を達成可能な光学投影系が必要とされてい
る。フォトリソグラフィーに使用する光学投影系により
分解可能な加工寸法を低減するためには、短波長の電磁
波を用いてレチクルないしマスクの像を半導体ウェーハ
等の感光性基板に投影しなければならない。１９３ナノ
メートル以下の波長の電磁波を十分に透過させることの
できる屈折光学材料は非常に少ないため、１９３ナノメ
ートル以下で動作させる光学投影系においては屈折素子
の使用を最小限にする、または全く使用しないようにす
ることが必要である。スペクトル上の遠紫外域で使用可
能な光学装置が、米国特許第4,747,678号（「拡大光学
リレー装置」、シェーファー他、１９８８年５月３１
日）に記載されている。しかしながら、より小さな加工
寸法に対する要請から、遠紫外波長域から軟Ｘ線波長
域、すなわち約２００〜１３ナノメートル程度の波長で
動作する光学投影装置が必要とされている。この波長域
内で動作する光学投影装置はいくつかあるが、それらは
像ないしウェーハ上における開口数が0.1以下という比
較的低いものに限られている。そのような装置において
開口数を増大させると残留収差が過大になり、さらにミ
ラーのエッジ部により光束がぼけてしまう。こうした投
影光学装置はそれぞれの目的に対しては適切に動作する
が、開口数の大きい、遠紫外ないしは軟Ｘ線波長域で使
用可能または0.1ミクロンを大幅に下回る解像度を有し
た光学投影システムが要求されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本願発明の課題は、約
２００ナノメートル以下の波長で使用可能であり、比較
的大きい開口数を有した投影光学系を提供することであ
る。
【０００４】本願発明の別の課題は、解像度を増すこと
により半導体製造において必要とされる微小素子形状の
転写を可能とすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
め、本願発明は以下の構成を有する。すなわち、本願発
明による光学系は３つのミラー対を具備しており、第１
のミラー対は入射ひとみを第１ミラー対のうちの２番目
のミラーに結像する収束ミラーを有し、アクセシブルな
実開口絞りを構成している。第２のミラー対は第１ミラ
ー対からの電磁波を受光するよう構成され、前記開口絞
りを第２の実ひとみにリレーし中間像を形成する収束ミ
ラーを有する。第３のミラー対は第２ミラー対から電磁
波を受光するよう構成され、第２の実ひとみを無限遠の
射出ひとみにリレーし中間像を最終的な実像に結像させ
る収束ミラーを有している。このように比較的大きい開
口数を有した６つのミラーから構成された縮小系により
レチクルやマスク等の物体の縮小された像が半導体ウェ
ーハ等の感光性基板上に結像される。第２ミラー対はフ
ィールドミラー素子として機能し良好な像品質と比較的
大きな開口数が得られる。６つのミラーはすべて非球面
として残留収差を最小限にすることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】本願発明によれば、物体と像を、
ステップ・アンド・スキャンフォトリソグラフィーで行
われるレチクルとウェーハステージの平行スキャニング
に供することができる。
【０００７】本願発明によればさらに、比較的大きなフ
ィールドが得られる。
【０００８】本願発明はさらに開口絞りがアクセッシブ
ルであるという特徴を有する。
【０００９】本願発明はまたフィールドミラー素子が使
用されるという特徴を有する。
【００１０】
【実施例】図１に本願発明の第１実施例を略示する。レ
チクルまたはマスク１０からの光は凹面鏡Ｍ１により集
光される。破線１２はミラーＭ１の曲面の延長を示して
いる。ミラーＭ１により電磁波が凹面鏡Ｍ２に反射され
る。開口絞り１４はミラーＭ２上または近傍に位置して
いる。入射ひとみはレチクルまたはマスク１０から有限
距離のところにあり、ミラーＭ１によりミラーＭ２上に
結像される。電磁波はミラーＭ２で反射されて凹面鏡Ｍ
３に入射する。破線１６は凹面鏡Ｍ３の曲面の延長を示
している。Ｍ３からの電磁波は凹面鏡Ｍ４に入射し反射
される。破線１８は凹面鏡Ｍ４の曲面の延長を示す。電
磁波はミラーＭ４で反射されて凹面鏡Ｍ５に入射する。
破線２０は凸面鏡Ｍ５の曲面の延長を示している。電磁
波はミラーＭ５で反射され凹面鏡Ｍ６に入射し、凹面鏡
Ｍ６によりウェーハ２２上の結像面に反射される。ミラ
ーＭ１〜Ｍ６はいずれも光軸OAに対して実質的に回転対
称である。中間像２４がミラーＭ４とＭ３の間、すなわ
ち第１ミラー対Ｍ１，Ｍ２と第３ミラー対Ｍ５，Ｍ６間
の光軸から外れた位置に形成される。この中間像はミラ
ーＭ４，Ｍ５，およびＭ６によってウェーハ２２上に再
結像される。第１ミラー対Ｍ１，Ｍ２は電磁波を第２ミ
ラー対Ｍ３，Ｍ４に反射する。第２ミラー対Ｍ３，Ｍ４
はフィールドミラー素子として機能することにより、ミ
ラーＭ２で反射され光軸OAから分散する主光束は光軸OA
に収束する主光束に変換され、第３のミラー対Ｍ５，Ｍ
６へ向かう。従って、フィールドミラー素子は光軸OAか
ら分散する主光束を該光軸に収束する変換ミラー対であ
ればよい。この第１実施例では残留収差は十分小さいた
め、約１３ナノメートルの波長が使用可能である。この
第１実施例におけるウェーハ２２近傍の結像空間上の開
口数は約0.25である。よって、0.03ミクロンの作業分解
能が得られる。光軸OAを中心とした半径２９〜３１ミリ
メートルの円形フィールドの収差は歪曲収差を含めても
十分に小さいため、横スキャン方向において３０ミリメ
ートルのスキャンフィールドサイズを有したステップ・
アンド・スキャンフォトリソグラフィーで使用可能であ
る。この第１実施例では、縮小率は４対１である。ミラ
ーＭ１〜Ｍ６は球面、非球面のいずれでもよく、通常の
手段により製作でき、例えば米国特許番号5,153,898
（「反射型Ｘ線縮小投影露光装置」、福田他、１９９２
年１０月６日）に記載されているようなコーティングを
施すことも可能である。非球面ミラーを使用して残留収
差を最小限にすることもできる。
【００１１】本願発明による図１に示した光学系の構成
データを表１に示す。
【００１２】
【表１】
【００１３】上記の表において、正の半径は曲率中心が
右側に、負の半径は曲率中心が左側にあることを示し、
寸法はミリメートル単位であり、厚さは隣接する表面ま
での光軸距離であり、像直径は近軸値であって光線追跡
値ではない。
【００１４】さらに、非球面定数は以下の式および表１
Aにより与えられる。
【００１５】
【数１】
【００１６】
【表２】
【００１７】図２に本願発明の第２実施例を示す。この
実施例では入射ひとみが無限遠にあるため、レチクル１
０においてテレセントリックな系となっている。レチク
ル１０からの電磁波は凹面鏡Ｍ１´で集光され凸面鏡Ｍ
２´に反射される。破線１２´はミラーＭ１´の曲面の
延長を示している。ミラーＭ１´とＭ２´は第１ミラー
対を構成する。凸面鏡Ｍ２´で反射された電磁波は凹面
鏡Ｍ３´により集光される。破線１６´はミラーＭ３´
の曲面の延長を示す。電磁波はミラーＭ３´で反射され
て凹面鏡Ｍ４´に入射する。破線１８´はミラーＭ４´
の曲面の延長を示す。ミラーＭ３´とＭ４´は第２ミラ
ー対を構成し、フィールドミラー素子として動作する。
電磁波はミラーＭ４´で反射され、凸面鏡Ｍ５´により
集光される。破線２０´はミラーＭ５´の曲面の延長を
示す。電磁波はミラーＭ５´で反射され、ミラーＭ６´
に入射する。ミラーＭ５´とＭ６´は第３ミラー対を構
成する。凹面鏡Ｍ６´で反射された電磁波はウェーハ２
２上で結像される。ミラーＭ１´〜Ｍ６´はいずれも光
軸OAに対して回転対称である。フィールドミラー素子で
あるミラー対Ｍ４´、Ｍ３´は、ミラーＭ４´の後、ミ
ラーＭ６´近く、すなわち第３ミラー対であるＭ５´、
Ｍ６´間の光軸から外れた位置に中間像面２４´を形成
する。この構成により、大きな開口数においてミラーＭ
６´のエッジを通過しなければならない電磁波ビームサ
イズを有利に低減できる。第３ミラー対、すなわちミラ
ーＭ５´とＭ６´により、中間像面２４´上の像はウェ
ーハ２２上で最終像として結像される。この第２実施例
においては像空間はテレセントリック、すなわち射出ひ
とみが無限遠に位置している。第２実施例は４対１の縮
小率を有し、ウェーハ２２近くの像空間への開口数は0.
55である。このような比較的大きい開口数において残留
収差が十分小さいため、約193ナノメートルの波長域で
光学投影系を使用できる。よって、0.25ミクロンの作業
解像度が得られる。ウェーハ２２上の光軸を中心とした
半径29.5〜30.5ミリメートルの円形フィールドは、横方
向において３０ミリメートルのフィールドサイズを有す
るステップ・アンド・スキャンリソグラフィー装置で使
用するに十分である。
【００１８】本願発明による図２に示した光学系の構成
データを以下の表２に示す。
【００１９】
【表３】
【００２０】上記の表において、正の半径は曲率中心が
右側に、負の半径は曲率中心が左側にあることを示し、
寸法の単位はミリメートル、厚さは隣接する表面までの
距離、そして像直径は近軸値であって光線追跡値ではな
い。
【００２１】さらに、非球面定数は以下の式および表２
Aにより与えられる。
【００２２】
【数２】
【００２３】
【表４】
【００２４】図３に本願発明の第３実施例を示す。この
第３実施例は反射屈折系で構成されている。レチクル１
０からの電磁波は第１レンズ素子Ｒ１で屈折される。電
磁波はさらに凹面鏡Ｍ１´´により集光されて、第２レ
ンズ素子Ｒ２へ反射される。レンズ素子Ｒ２は凸面鏡Ｍ
２´´の近くに、ないし隣接して配設されている。ミラ
ーＭ１´´とＭ２´´は第１ミラー対を構成する。破線
１２´´はミラーＭ１´´の曲面の延長を示す。電磁波
はミラーＭ２´´で反射され、ミラーＭ３´´に入射す
る。破線１６´´は凹面鏡Ｍ３´´の曲面を示す。電磁
ははミラーＭ３´´で反射され凹面鏡Ｍ４´´により集
光される。波線１８´´はミラーＭ４´´の曲線の延長
を示している。ミラーＭ３´´とＭ４´´は第２ミラー
対を構成する。ミラーＭ４´´で反射された電磁波は凸
面鏡Ｍ５´´で集光される。Ｍ５´´で反射された電磁
波は凹面鏡Ｍ６´´に入射する。ミラーＭ５´´とＭ６
´´は第３ミラー対を構成する。ミラーＭ６´´で反射
された電磁波はレンズ素子Ｒ３へ向けられ、ウェーハ２
２上の像面上に結像される。第２ミラー対、すなわちミ
ラーＭ３´´とＭ４´´はフィールドミラー素子を構成
し、ミラーＭ６´´とＭ３´´の間に中間像面を形成す
る。第３ミラー対Ｍ５´´、Ｍ６´´は中間像面２４´
´をウェーハ２２上で再結像する。ミラーＭ１´´〜Ｍ
６´´と屈折レンズ素子Ｒ１〜Ｒ３はすべて光軸OAに対
して回転対称である。レンズ素子Ｒ１〜Ｒ３は残留収差
を低減する屈折素子であり、よってウェーハ２２の近傍
の像空間において大きい開口数を得ることができる。こ
の第３実施例ではウェーハ２２の近傍の像空間での開口
数は0.6である。光軸OAから２９〜３１ミリメートルの
半径を有する円形フィールドが形成され、１９３ナノメ
ートルの波長の電磁波を用いることにより0.225ミクロ
ンの形状を十分に余裕を持って分解できる。この第３実
施例では適当なレチクル、照明条件、およびフォトレジ
ストを使用すれば0.18ミクロンの加工寸法が達成可能で
ある。この第３の反射屈折型の実施例の有利な点は、第
１レンズ素子Ｒ１を所望によりシーリング窓として動作
させることが出来ることである。これは系をパージされ
た環境で使用する場合に望ましい。さらにレンズ素子Ｒ
１を光軸OA上で軸方向に移動させることにより、系の倍
率の微調節をすることができる。ミラーＭ１´´を倍率
の微調節に使用することも出来るが、ミラーＭ１´´は
軸方向の動きの最中位置合せ誤差により影響されやす
い。レンズ素子Ｒ３もまたシーリング窓として使用でき
る。さらに、レンズ素子Ｒ３を基板として用いて、その
上にミラーＭ５´´を形成することもできる。レンズ素
子Ｒ３の２番目の表面を非球面として残留歪曲収差によ
る誤差を低減できる。このレンズ素子Ｒ３の２番目の表
面により、より広い円形フィールド幅を使用することが
できる。レンズ素子Ｒ２は主として、回折レンズ素子Ｒ
１とＲ３によりもたらされる焦点の色変動を修正するた
めに用いている。倍率の色変動はレンズ素子Ｒ１とＲ３
それぞれの寄与分の釣り合いをとることにより修正され
る。本実施例における色補正は十分良好であるので、19
3または248ナノメートルで動作する非狭帯化エキシマー
レーザ光源、さらには248ナノメートルで動作するフィ
ルタ付き水銀灯を使用することができる。この第３実施
例の光学投影系は４対１の縮小率で動作するよう設計さ
れている。
【００２５】本願発明による図３に示した光学系の構成
データを以下の表３に示す。
【００２６】
【表５】
【００２７】上記の表において、正の半径は曲率中心が
右側に、負の半径は曲率中心が左側にあることを示し、
寸法の単位はミリメートル、厚さは隣接する表面までの
距離、そして像直径は近軸値であり、光線追跡値ではな
い。
【００２８】さらに、非球面定数は以下の式および表３
Aにより与えられる。
【００２９】
【数３】
【００３０】
【表６】
【００３１】上記のように、本願発明では３つのミラー
対を用いると同時に第２のミラー対をフィールドミラー
素子としたことにより、約２００ナノメートル以下の波
長域の電磁波を用いる光学投影縮小系の開口数を大幅に
増大できる。その結果、フィールドサイズが増大できる
のみならず、要求される解像度を維持できるため、0.25
ミクロン以下の加工寸法を有した半導体デバイスの製造
に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本願発明の第１実施例の略図である。
【図２】図２は本願発明の第２実施例の略図である。
【図３】図３は本願発明の第３実施例の略図である。
【符号の説明】
１０ レチクルまたはマスク １４ 開口絞り ２２ ウェーハ ２４ 中間像 Ｍ１，Ｍ２ 第１ミラー対 Ｍ３，Ｍ４ 第２ミラー対 Ｍ５，Ｍ６ 第３ミラー対 OA 光軸 Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ レンズ素子

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１のミラー対と、 前記第１のミラー対から反射された電磁波を受光するよ
    う配設されたフィールドミラー対と、 前記フィールドミラー対から反射された電磁波を受光す
    るよう配設された第３ミラー対とを具備し、 中間像が像面上において最終像へと再結像されるよう構
    成された、長共役端から短共役端間のフォトリソグラフ
    ィー用光学縮小系。
  2. 【請求項２】 中間像が前記第１ミラー対と前記第３ミ
    ラー対間の光軸から外れた位置に形成されるよう構成さ
    れた、請求項１記載の光学縮小系。
  3. 【請求項３】 中間像が前記第３ミラー対を構成してい
    るミラー間の光軸から外れた位置に形成されるよう構成
    された、請求項１記載の光学縮小系。
  4. 【請求項４】 開口絞りが前記第１ミラー対のうちの１
    つのミラー上または近傍に形成されるよう構成された、
    請求項１記載の光学縮小系。
  5. 【請求項５】 前記第１ミラー対、前記フィールドミラ
    ー対、および前記第２ミラー対が光軸に対して回転対称
    であるよう構成された、請求項１記載の光学縮小系。
  6. 【請求項６】 前記第１ミラー対、前記フィールドミラ
    ー対、および前記第２ミラー対が非球面である、請求項
    １記載の光学縮小系。
  7. 【請求項７】 物体と前記第１ミラー対間に配設された
    第１の回折素子と、 前記第１ミラー対のうちの２番目のミラー上または近傍
    に配設された第２の回折素子と、 物体と前記第３ミラー対間に配設された第３の回折素子
    とを有した、請求項１記載の光学縮小系。
  8. 【請求項８】 前記第１回折素子が光軸上で軸方向に移
    動可能である、請求項７記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記第１回折素子と前記第３回折素子に
    よりもたらされる焦点の色変動が、前記第２回折素子に
    より大幅に補正されるよう構成された、請求項７記載の
    光学縮小系。
  10. 【請求項１０】 倍率の色変動が、前記第１回折素子と
    前記第３回折素子それぞれの寄与のバランスを取ること
    により大幅に補正されるよう構成された、請求項７記載
    の光学縮小系。
  11. 【請求項１１】 第１のミラー対と、 フィールドミラー対と、 第３のミラー対とを具備し、 前記フィールドミラー対は、前記第１ミラー対で反射さ
    れて光軸から発散する主光束を受光して光軸に収束する
    主光束に変換するよう配設されており、 前記第３ミラー対は、前記フィールドミラー対で反射さ
    れた主光束を受光するよう配設されており、 物体の縮小像が形成されるよう構成された、長共役端か
    ら短共役端間のフォトリソグラフィー用光学縮小系。
  12. 【請求項１２】 第１の凹面鏡と、 第２のミラーと、 第３の凹面鏡と、 第４の凹面鏡と、 第５の凸面鏡と、 第６の凹面鏡とを具備し、 前記第１、第２、第３、第４、第５、および第６のミラ
    ーのうち２つがフィールドミラー対として動作するよう
    構成された、長共役端から短共役端間のフォトリソグラ
    フィー用光学縮小系。
  13. 【請求項１３】 前記第２のミラーが凹面鏡である、請
    求項１２記載の光学縮小系。
  14. 【請求項１４】 前記２番目のミラーが凸面鏡である、
    請求項１２記載の光学縮小系。
  15. 【請求項１５】 開口絞りが前記第２のミラー上または
    近傍に形成されるよう構成された、請求項１２記載の光
    学縮小系。
  16. 【請求項１６】 第１の凹面鏡と、前記第１の凹面鏡で
    反射された電磁波を受光するよう配設された第２のミラ
    ーと、 前記第２のミラーで反射された電磁波を受光するよう配
    設された第３の凹面鏡と、 前記第３の凹面鏡で反射された電磁波を受光するよう配
    設された第４の凹面鏡と、 前記第４の凹面鏡で反射された電磁波を受光するよう配
    設された第５の凸面鏡と、 前記第５の凸面鏡で反射された電磁波を受光するよう配
    設された第６の凹面鏡とを具備し、 前記第１、第２、第３、第４、第５、および第６のミラ
    ーは光軸上にそれらの中心を有し、 前記第３の凹面鏡は光軸から発散する主光束を受光し、 前記第４の凹面鏡は前記第３の凹面鏡で反射された主光
    束を受光して光軸に収束するよう該主光束を反射するよ
    う構成された、長共役端から短共役端間のフォトリソグ
    ラフィー用光学縮小系。
  17. 【請求項１７】 電磁波の波長が200ナノメートル以下
    である、請求項１６記載の光学縮小系。
  18. 【請求項１８】 中間像が前記第３の凹面鏡と前記第４
    の凹面鏡との間に形成されるよう構成された、請求項１
    ７記載の光学縮小系。
  19. 【請求項１９】 中間像が前記第５の凸面鏡と前記第６
    の凹面鏡との間に形成されるよう構成された、請求項１
    ７記載の光学縮小系。
  20. 【請求項２０】 物体と前記第２のミラー間に配設され
    た第１の回折素子と、 前記第２のミラー上または近傍に配設された第２の回折
    素子と、 像と前記第５のミラー間に配設された第３の回折素子と
    を有した、請求項１６記載の光学縮小系。
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