JPH096009A

JPH096009A - 露光装置

Info

Publication number: JPH096009A
Application number: JP7157812A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tanitsu; 修谷津
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-06-23
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 1997-01-10
Anticipated expiration: 2019-01-26
Also published as: US5912725A; JP3491212B2

Abstract

(57)【要約】【目的】マスクに対して長期にわたって露光光の照射を
行なっても、照明光学系中の光学部材の劣化を防ぐこと
ができ、長期にわたって安定した露光を実現し得る露光
装置を提供する。【構成】所定の波長の光を供給する光源手段と、その光
源手段からの光を所定の回路パターンが形成されたマス
ク上へ導く照明光学系とを備え、被照明物体上のパター
ンを感光性基板上に露光する露光装置において、その照
明光学系は、光源手段からの光を透過させる複数の透過
性光学部材を含み、その複数の透過性光学部材の少なく
とも１つは、蛍石で構成されるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所定のマスクパターン
を感光性基板上に転写する露光装置に関するものであ
り、特に、半導体製造に好適な紫外域の光源を用いた露
光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来においては、例えば、図３に示す如
き半導体製造用の露光装置が知られている。図３の
（ａ）に示す如く、水銀アーク灯等の光源１からの光束
は楕円鏡２により集光された後、コリメータレンズ３に
より平行光束に変換される。そして、この平行光束は、
図３の（ｂ）に示す如く、断面が四角形のレンズ素子４
ａの集合体よりなるフライアイレンズ４を通過すること
により、これの射出側に複数の光源像が形成される。こ
の光源像位置には、円形状の開口部を有する開口絞り５
が設けられている。この複数の光源像からの光束はコン
デンサーレンズ６によって集光され、被照射物体として
のマスクＭを重畳的に均一照明する。

【０００３】以上の照明光学装置によりマスクＭ上の回
路パターンは、レンズ７１及び７２よりなる投影光学系
７によって、レジストが塗布されたウエハＷ上に転写さ
れる。このウエハＷは２次元的に移動するウエハステー
ジＷＳ上に載置されており、図５の露光装置では、ウエ
ハ上での１ショット領域の露光が完了すると、次のショ
ット領域への露光のために、順次、ウエハステージを２
次元移動させる所謂ステップアンドリピート方式の露光
が行われる。

【０００４】また、近年においては、マスクＭに対し長
方形状又は円弧状の光束を照射し、投影光学系に関して
共役に配置されたマスクＭとウエハＷとを一定方向に走
査することにより、高いスループットのもとでマスクＭ
の回路パターンのウエハ上への転写しようとする走査露
光方式が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年においては、ウエ
ハ面上により微細なマスクパターン像を転写するため
に、露光用の光源の出力波長を短波長化することが行わ
れている。例えば、マスクパターンを投影光学系を介し
てレジストが塗布されたウエハ上に転写する、所謂投影
型露光装置では、露光用の光源の出力波長を短波長化す
ることによって投影光学系の解像力を向上させることが
できる。

【０００６】しかしながら、より短波長の露光光を出力
する光源、例えば紫外線を発振する紫外域のパルス光源
を用いた場合には、光の波長が紫外域であることから、
紫外線を透過させる光学硝子材料（以下、ガラス材料と
称する。）としては、可視域の光を通過させるガラス材
料と同じように加工が容易であるという理由から石英ガ
ラスが一般的に用いられている。

【０００７】しかしながら、紫外光のパルス発振光源等
の紫外域の光を発する光源は、高出力であり、特に、光
源からの光束をマスクまで導く露光装置の照明光学系に
おいては、光束径が小さくなる箇所が存在し、その箇所
でのエネルギー密度が高くなって、照明光学系を構成す
る石英ガラスに与えられるダメージは相当のものがあ
る。さらに光源の波長が短くなるに従ってエネルギーは
さらにあがり、石英ガラスに与えるダメージはより大き
くなり、石英ガラスの耐久性の点で問題がある。

【０００８】また、露光装置においてはウエハ等の基板
の１時間当たりの処理枚数を向上させること、即ちスル
ープットを向上させることが望まれており、ウエハ等の
基板上での照度を上げるために光源のパワーをより強く
する事が有効な手段であるが、照明光学系中での光束径
が小さくなる箇所に存在する石英ガラスに対するエネル
ギー密度が益々高くなり、この石英ガラスの耐久性に関
してより問題がより深刻化する。

【０００９】そこで、本発明は、マスクに対して長期に
わたって露光光の照射を行なっても、照明光学系中の光
学部材の劣化を防ぐことができ、長期にわたって安定し
た露光を実現し得る露光装置を提供することを目的とし
ている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、本発明は、所定の波長の光を供給する光源手段
と、該光源手段からの光を所定の回路パターンが形成さ
れたマスク上へ導く照明光学系とを備え、前記被照明物
体上のパターンを感光性基板上に露光する露光装置にお
いて、前記照明光学系は、前記光源手段からの光を透過
させる複数の透過性光学部材を含み、前記複数の透過性
光学部材の少なくとも１つは、蛍石で構成されるように
したものである。

【００１１】以上の構成に基づいて、前記照明光学系
は、前記光源手段からの光に基づいて多数の光源を形成
する多光源形成手段と、該多光源形成手段により形成さ
れる多数の光源からの光をそれぞれ集光して前記マスク
を重畳的に照明するコンデンサー光学系とを有する構成
としても良い。あるいは、以上の構成に基づいて、前記
照明光学系は、前記光源手段からの光に基づいて多数の
光源を形成する多光源形成手段と、該多光源形成手段に
より形成される多数の光源からの光をそれぞれ集光して
被照明物体を重畳的に照明するコンデンサー光学系と、
前記光源からの光を前記多光源形成手段へ導く導光光学
系とを有する構成としても良い。

【００１２】また、前記光源手段はパルス光を発振する
光源であることが望ましく、この場合、前記光源手段か
ら供給されるパルス光が前記蛍石で構成される透過性光
学部材に入射する時の１パルス当たりの光エネルギーを
Ｅ_S(mJ)、前記蛍石で構成される透過性光学部材を通過
する光束の断面積をＡ_B(cm²) とするとき、Ａ_B＜Ｅ_S／〔２５(mJ/cm²)〕の関係を満足することがより望ましい。

【００１３】特に、前記光源手段はエキシマレーザーで
あることがより好ましい。

【００１４】

【作用】本発明では、蛍石が高いエネルギー密度に対
しても耐久性に富んでいるという物理的な特性に着目
し、以上の構成によって、マスクに対して長期にわたっ
て露光光の照射を行なっても、照明光学系中の光学部材
の劣化を防ぐことができ、長期にわたって安定した露光
を実現し得ることを見出したものである。

【００１５】特に、露光装置の照明光学系における蛍石
化に関する決定手法について述べると、光学部材に照射
される光束の有するエネルギー密度は、もともとの光源
からの光束の面積比で求めることが出来るので、この手
法を用いて照明光学系を設計する段階で、光学部材に照
射される光束のエネルギー密度をあらかじめ計算しても
良い。この場合、蛍石は照射実験を事前に行ない、耐久
性を測っておくことが望ましく、先の計算結果と合計照
射時間の予測とから、エネルギー密度の高いところには
蛍石を用いて照明光学系を設計することがより望まし
い。

【００１６】このような観点から、本願発明者は、パル
ス光を供給する光源を用いて、各種のシュミレーション
及び各種の実験を行った結果、照明光学系を構成する各
光学部材にパルス状の光が入射する時の１パルス当たり
の光エネルギーをＥ_S(mJ)、照明光学系中の各光学部材
を通過する光束の断面積をＡ_B(cm²) とするとき、（１）Ａ_B＜Ｅ_S／〔２５(mJ/cm²)〕の関係を満足する光束の断面積となる位置に配置されて
いる照明光学系中の光学部材を蛍石で構成する事が好ま
しいことを事を見出した。これにより、露光装置の照明
光学系においては、光束径が小さくなる箇所が存在し、
その箇所でのエネルギー密度が高くなって、照明光学系
を構成する光学部材にダメージを与えるという問題が解
消され、耐久性に優れた装置が保証される。

【００１７】なお、露光装置の照明光学系おける耐久性
を持たせるためには、上記条件（１）を満足することが
望ましいが、上記の条件（１）を満足してい箇所の光学
部材みならずそれ以外の箇所の光学部材を蛍石で構成し
て、照明系全体を蛍石化すれば、露光装置の照明光学系
の耐久性をより一層高めることができる。

【００１８】

【実施例】図１は本発明による実施例の半導体製造用の
露光装置の構成を示すものである。図１における（ａ）
は第１実施例の装置を真上から見た時の構成を示す図で
あり、（ｂ）は（ａ）の装置を横方向から見た時の断面
構成を示す図である。以下、この図１を参照しながら実
施例について詳述する。

【００１９】図１に示す如く、エキシマレーザー等の所
定の波長の光を供給する光源１０からは、222nm(KrCl),
248nm(KrF),192nm(ArF) 又は157nm(F₂）等の波長を持つ
ほぼ平行な光束が出力され、この時の平行光束の断面形
状は矩形状となっている。この光源１０からの平行光束
は、所定の断面形状の光束に整形する光束整形部として
のビーム整形光学系２０に入射する。このビーム整形光
学系２０は、図１の（ａ）の紙面と垂直方向（図１の
（ｂ）の紙面方向）に屈折力を持つ２つのシリンドリカ
ルレンズ（２０Ａ，２０Ｂ）で構成されており、光源側
のシリンドリカルレンズ２０Ａは、負の屈折力を有し、
図１の（ｂ）の紙面方向の光束を発散させる一方、被照
明面側のシリンドリカルレンズ２０Ｂは、正の屈折力を
有し、光源側のシリンドリカルレンズ２０Ａからの発散
光束を集光して平行光束に変換する。従って、ビーム整
形光学系２０を介した光源１からの平行光束は、図１の
（ｂ）の紙面方向の光束幅が拡大されて光束断面が所定
の大きさを持つ長方形状に整形される。なお、ビーム整
形光学系２０としては、正の屈折力を持つシリンドリカ
ルレンズを組み合わせたものでも良く、さらにはアナモ
ルフィックプリズム等でも良い。

【００２０】さて、ビーム整形光学系２０からの整形さ
れた光束は、第１リレー光学系２１に入射する。ここ
で、第１リレー光学系２１は、２枚の正レンズから成る
正の屈折力の前群（２１Ａ，２１Ｂ）と、２枚の正レン
ズから成る正の屈折力の後群（２１Ｃ，２１Ｄ）とを有
しており、第１リレー光学系２１の前群（２１Ａ，２１
Ｂ）は、この前群のマスクＭ側（後側）の焦点位置に集
光点（光源像）Ｉを形成し、第１リレー光学系２１の後
群（２１Ｃ，２１Ｄ）は、その前群（２１Ａ，２１Ｂ）
の焦点位置に光源側（前側）の焦点位置が一致するよう
に配置されている。そして、この第１リレー光学系２１
は、光源１０の射出面と後述する第１多光源像形成手段
としてのオプティカルインテグレータ３０の入射面とを
共役にする機能を有している。この第１リレー光学系２
１の機能によって、光源１０からの光の角度ずれに伴う
オプティカルインテグレータ３０を照明する光束のずれ
を補正し、光源１０からの光の角度ずれに対する許容度
を大きくしている。なお、光源１０からの光を第１多光
源形成手段へ導く本実施例での導光光学系は、ビーム整
形光学系２０と第１リレー光学系２１とで構成されてい
る。

【００２１】第１リレー光学系２１を介した光束は、直
線状に３列配列された複数の光源像を形成する第１多光
源像形成手段としてのオプティカルインテグレータ３０
に入射する。このオプティカルインテグレータ３０は、
図２（ａ）に示す如く、ほぼ正方形状のレンズ断面を有
する複数の両凸形状のレンズ素子３０ａが複数（３列×
９行＝２７個）配置されて構成されており、オプティカ
ルインテグレータ３０全体としては長方形状の断面を有
している。そして、各々の両凸形状のレンズ素子３０ａ
は、図１の（ａ）の紙面方向と図１の（ｂ）の紙面方向
とで互いに等しい曲率（屈折力）を有している。

【００２２】このため、オプティカルインテグレータ３
０を構成する個々のレンズ素子３０ａを通過する平行光
束は、それぞれ集光されて、各レンズ素子３０ａの射出
側には光源像が形成される。従って、オプティカルイン
テグレータ３０の射出側位置Ａ₁には、レンズ素子３０
ａの数に相当する複数（３列×９行＝２７個）の光源像
が形成され、ここには実質的に２次光源が形成される。

【００２３】オプティカルインテグレータ３０によって
形成された複数の２次光源からの光束は、第２リレー光
学系４０によって集光されて、さらに複数の光源像を形
成する第２多光源像形成手段としてのオプティカルイン
テグレータ５０に入射する。このオプティカルインテグ
レータ５０は、図２（ｂ）に示す如く、長方形状のレン
ズ断面を有する複数の両凸形状のレンズ素子５０ａが複
数（９列×３行＝２７個）に配置されて構成されてお
り、このレンズ素子５０ａは、この素子５０ａの断面形
状（縦横比）がオプティカルインテグレータ３０の断面
形状（縦横比）と相似となるように構成されている。そ
して、オプティカルインテグレータ５０全体としては正
方形状の断面を有している。また、各々のレンズ素子５
０ａは、図１の（ａ）の紙面方向と図１の（ｂ）の紙面
方向とで互いに等しい曲率（屈折力）を有している。

【００２４】このため、オプティカルインテグレータ５
０を構成する個々のレンズ素子５０ａを通過するオプテ
ィカルインテグレータ３０からの光束は、それぞれ集光
されて、各レンズ素子３０ａの射出側には光源像が形成
される。従って、オプティカルインテグレータ３０の射
出側位置Ａ₂には、正方形状に配列された複数の光源像
が形成され、ここには実質的に３次光源が形成される。

【００２５】ここで、オプティカルインテグレータ５０
により形成される正方形状に配列された複数の光源像の
数は、オプティカルインテグレータ３０を構成するレン
ズ素子３０ａの数をＮ個とし、オプティカルインテグレ
ータ５０を構成するレンズ素子５０ａの数をＭ個とする
とき、Ｎ×Ｍ個形成される。すなわち、オプティカルイ
ンテグレータ３０により形成される複数の光源像が、リ
レー光学系４０によってオプティカルインテグレータ５
０を構成する各々のレンズ素子５０ａの光源像位置に形
成されるため、オプティカルインテグレータ５０の射出
側位置Ａ₂には、合計Ｎ×Ｍ個の光源像が形成される。

【００２６】なお、第２リレー光学系４０は、オプティ
カルインテグレータ３０の入射面位置Ｂ₁とオプティカ
ルインテグレータ５０の入射面位置Ｂ₂とを共役にする
と共に、オプティカルインテグレータ３０の射出面位置
Ａ₁とオプティカルインテグレータ５０の射出面位置Ａ
₂とを共役にしている。この３次光源が形成される位置
Ａ₂もしくはその近傍位置には、所定形状の開口部を有
する開口絞りＡＳが設けられており、この開口絞りＡＳ
により円形状に形成された３次光源からの光束は、集光
光学系としてのコンデンサー光学系６０により集光され
て被照明物体としてのマスクＭ上をスリット状（長辺と
短辺を有する長方形状）に均一照明する。

【００２７】マスクＭは、マスクステージＭＳに保持さ
れ、感光性基板としてのウエハＷはウエハステージに保
持されている。そして、マスクステージＭＳに保持され
たマスクＭとウエハステージＷＳに載置されたウエハＷ
とは投影光学系ＰＬに関して共役に配置されており、ス
リット状に照明されたマスクＭの回路パターン部分が投
影光学系ＰＬによってウエハＷ上に投影される。

【００２８】以上の構成による実際の露光においては、
マスクステージＭＳとウエハステージＷＳとは図１
（ｂ）に示す如く矢印方向へ互いに反対方向へ移動し
て、レチクル上の回路パターンがウエハＷ上に転写され
る。さて、次に、本実施例による照明光学系のレンズ構
成について詳述する。図１に示した本実施例において、
エキシマレーザ等の光源１０からの光束を引き回す際
に、特に、エネルギー密度がかなり高くなる箇所は、第
１リレー光学系２１中である。その理由として、エネル
ギー密度は光束の断面の面積に反比例するため、光束径
の小さい光が入射するレンズエレメントのエネルギー密
度は高くなる。従って、第１リレー光学系２１は、前群
（２１Ａ，２１Ｂ）と後群（２１Ｃ，２１Ｄ）との間の
光路中に、光源１０からの全光束の集光点（光源像）Ｉ
を形成するため、光束断面の面積が小さくなる第１リレ
ー光学系２１における前群の正レンズ２１Ｂ及び後群の
正レンズ２１Ｃでのエネルギー密度がかなり高くなる。

【００２９】そこで、具体的に数値例を挙げて本実施例
を説明すると、光源１０は、出力光の光断面積が1.25cm
²で１パルス当たりの光エネルギーＥ_Sが１０mJの光を
供給し、ビーム整形光学系２０は1.６倍の拡大倍率を有
し、第１リレー光学系２１における前群（２１Ａ，２１
Ｂ）の焦点距離と第１リレー光学系２１における後群
（２１Ｃ，２１Ｄ）の焦点距離はともに100mm であり、
第１リレー光学系２１は等倍系で構成されている。そし
て、正レンズ２１Ｂは、第１リレー光学系２１の前群
（２１Ａ，２１Ｂ）により形成される光源像Ｉの位置か
ら光源側に43.6mmの位置に配置され、正レンズ２１Ｃ
は、第１リレー光学系２１の前群（２１Ａ，２１Ｂ）に
より形成される光源像Ｉの位置からマスク側に43.6mmの
位置に配置されている。この場合には、ビーム整形光学
系２０を通過した光束の断面積は2.0 cm ²となり、正レ
ンズ２１Ｂを通過する光束の断面積Ａ_B1は0.38cm²、正
レンズ２１Ｃを通過する光束の断面積Ａ_B2は0.38cm²で
ある。ここで、ビーム整形光学系２０及び第１リレー光
学系２１を通過する光源１０からの光の光量損失は殆ど
ないため、正レンズ２１Ｂ及び正レンズ２１Ｃに入射す
る時の光エネルギーＥ_Sはともに１０mJとなる。従っ
て、以上の数値例から、第１リレー光学系２１における
前群の正レンズ２１Ｂ及び後群の正レンズ２１Ｃとも上
記条件（１）を満足していることが理解される。よっ
て、本実施例では、上記条件（１）を満足する箇所の光
束断面積となる正レンズ２１Ｂ及び正レンズ２１Ｃを蛍
石で構成しているため、耐久性に優れた構成となってい
る。

【００３０】なお、本実施例では、第１リレー光学系２
１における前群の正レンズ２１Ｂ及び後群の正レンズ２
１Ｃを蛍石で構成しているが、より十分なる収差補正を
達成するには、より多数のレンズで第１リレー光学系２
１を構成する事が可能である。この場合には、空間的な
制約からどうしてもエネルギー密度が高くなる集光点Ｉ
近傍に複数のレンズを配置しなければならならないが、
この集光点Ｉ近傍に位置するレンズを全て蛍石で構成す
れば良い。

【００３１】従って、図１では、エネルギー密度がかな
り高く、第１リレー光学系２１における前群の正レンズ
２１Ｂ及び後群の正レンズ２１Ｃでは蛍石で構成してい
るが、上式の条件を満足する箇所のレンズ等の光学部材
に関しては全て蛍石で構成することが好ましい事は言う
までもない。また、第１リレー光学系２１以外にもエネ
ルギーの高い部分例えばオプティカルインテグレータ
（３０，５０）なども蛍石を使用するのが好ましく、さ
らに、光源１０をより高い出力の光を発振するエキシマ
レーザーを用いる場合には照明系全体を蛍石にすること
によってより装置の耐久性を高めることが出来る。

【００３２】また、本発明の実施例では、第１リレー光
学系２１を構成する１部のレンズを蛍石で構成した例を
示したが、本発明は、ビーム整形光学系２０及び第１リ
レー光学系２１を具備しない図３に示した照明光学系の
オプティカルインテグレータ４やコンデンサー光学系６
とを構成するレンズを蛍石で構成しても良い。この場合
にも上記条件（１）を満足することが好ましく、この時
の上記条件（１）の光エネルギーＥ_Sは、オプティカル
インテグレータ４やコンデンサー光学系６に入射するそ
れぞれ光束にけられ等による光量損失がある恐れがある
ため、オプティカルインテグレータ４やコンデンサー光
学系６に入射するそれぞれの光エネルギーとなる。

【００３３】本発明の実施例ではステップスキャン型露
光装置の例を示したが、一括露光型の露光装置でもエネ
ルギー密度の高い部分に蛍石を用いることで照明系の耐
久性を増すことが出来るのは言うまでもない。また、本
発明の実施例では光源１０としてエキシマレーザを用い
たが、例えば、固体レーザに高調波を用いて250nm 以下
の波長としたものを光源として利用しても良い。

【００３４】

【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、被露光体
（マスク）に対し長期にわたって高出力の露光光の照射
を行なっても、露光装置の照明光学系中の光学部材の劣
化を防ぐことができ、長期にわたって安定した露光を実
現し得る耐久性に富んだ露光装置が達成できる。また、
より高出力の光源を用いたとしても、露光装置の照明光
学系中の光学部材の劣化を防ぎならが、高スループット
を維持し得る露光が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明による実施例の露光装置の構成
を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の露光装置を横方向か
ら見た時の構成を示す図である。

【図２】（ａ）は図１の第１オプティカルインテグレー
タ３０の断面形状の様子を示す図であり、（ｂ）は図１
の第２オプティカルインテグレータ５０の断面形状の様
子を示す図である。

【図３】従来の露光装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０・・・・・エキシマレーザー２０・・・・・ビーム整形光学系２１・・・・・第１リレー光学系３０，５０・・・・・オプティカルインテグレータ４０・・・・・第２リレー光学系６０・・・・・コンデンサー光学系ＡＳ・・・・・開口絞りＰＬ・・・・・投影光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の波長の光を供給する光源手段と、該
光源手段からの光を所定の回路パターンが形成されたマ
スク上へ導く照明光学系とを備え、前記被照明物体上の
パターンを感光性基板上に露光する露光装置において、前記照明光学系は、前記光源手段からの光を透過させる
複数の透過性光学部材を含み、前記複数の透過性光学部材の少なくとも１つは、蛍石で
構成されることを特徴とする露光装置。
【請求項２】前記照明光学系は、前記光源手段からの光
に基づいて多数の光源を形成する多光源形成手段と、該
多光源形成手段により形成される多数の光源からの光を
それぞれ集光して前記マスクを重畳的に照明するコンデ
ンサー光学系とを有することを特徴とする請求項１記載
の露光装置。
【請求項３】前記照明光学系は、前記光源手段からの光
に基づいて多数の光源を形成する多光源形成手段と、該
多光源形成手段により形成される多数の光源からの光を
それぞれ集光して被照明物体を重畳的に照明するコンデ
ンサー光学系と、前記光源からの光を前記多光源形成手
段へ導く導光光学系とを有することを特徴とする請求項
１記載の露光装置。
【請求項４】前記光源手段はパルス光を発振する光源で
あることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の露光
装置。
【請求項５】前記光源手段から供給されるパルス光が前
記蛍石で構成される透過性光学部材に入射する時の１パ
ルス当たりの光エネルギーをＥ_S(mJ)、前記前記蛍石で
構成される透過性光学部材を通過する光束の断面積をＡ
_B(cm²) とするとき、Ａ_B＜Ｅ_S／〔２５(mJ/cm²)〕の関係を満足することを特徴とする請求項４記載の露光
装置。
【請求項６】前記光源手段はエキシマレーザーであるこ
とを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の露光装置。