JPH11506876A - 紫外線リトグラフィー用の結像システム及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 紫外線によって像を形成するための少なくとも１つの反射面を有する撮像システムであって、反射面には使用される放射線の波長に対して透明であり補正層が設けられている。この層は、反射面の形状の偏向によって生ずる位相差を補償する。補正層はわずかに１とは異なる屈折率を有し、そのため透明層の表面の精度に関して課される条件は明らかに反射面に対する条件よりも厳しくない。

Description

【発明の詳細な説明】 紫外線リトグラフィー用の結像システム及び装置 本発明は、紫外線によって対象の像を形成する結像システムに関し、上記シス テムは使用される放射線の波長を反射する少なくとも１つの表面を含む。 本発明はまた、そのような光学系を含む、上記対象がレジスト層を有する半導 体基板又はウェーハ上に結像されるリトグラフのマスク又は焦点板である、リト グラフィー装置に関する。 集積電子回路の製造及び製造のために使用されるマスクといったツールのため には、形成されるべき回路のパターンがその結像されるべきパターンの最も小さ な細部の大きさのオーダよりもはるかに高い解像度で結像されうる光学系が使用 可能でなければならない。現在は形成されるべき回路パターンに対して結像され るべき細部は０．２５μｍの大きさのオーダであり、一般的には近い将来に０． １μｍ又はそれ以下の大きさのオーダの細部が必要とされることが予期されてい る。 これらのパターンの細部を結像する現在の光学系は、その波長が約０．４μｍ 乃至０．７μｍである可視光線を使用する。より小さな細部が結像されるならば 、約０．２μｍまでの波長を有する紫外線の光による露光が必要である。極短の 波長の紫外線の光によってマイクロリトグラフィーを実行することが既に提案さ れており、これは通常ＥＵＶＬと称される。本発明の文脈においては、紫外線は その波長が０．４μｍ乃至５ｎｍの電磁放射線を意味すると理解される。略垂直 な入射において非常に反射性が高く、モリブデン（Ｍｏ）及びシリコン（Ｓｉ） の多数の層からなる反射器が製造されうるため、１３ｎｍの大きさのオーダの波 長を有する放射線が望ましい。この種類の反射器は、E.Spiller 他による１９８ ０年のAppl.P hys.Lett．３７号の１０４８乃至１０５０頁に記載の「Controlled Fabrication of Multilayer Soft X-Ray Mirrors」の中で説明されている。 ０．１μｍ以下の波長の範囲に適した結像システムを使用する際の制限は、こ れらのシステムの中で使用される反射面の製造精度によって生ずる。像が回折の 制限されるような品質を有するように、これらの表面の形状の品質が求められる ならば、システムの個々の反射面ごとに約１ｎｍよりも小さな形状偏向（ＲＭＳ ）しか許されていない。更に、表面当たり約１％のオーダの水準以下の表面の分 散を維持するために、表面の粗さは約０．１ｎｍ以下でなくてはならない。従来 の表面加工技術（例えば柔らかな研磨剤を使用する局部研磨、ダイヤモンド器具 によるフライス加工又はイオンビームによる研磨（イオンビーム研磨）等）が使 用されるときは、所望の制限の中では形状の精度及び表面の粗さを維持すること はほとんど又は全く可能ではない。 本発明は、製造の精密度に関する上記の条件が低いコスト及び労働によって満 足される０．１μｍ以下の波長のための結像システムを提供すること目的とする 。これを達成するために、本発明による光学系は、上記少なくとも１つの反射面 に、反射面の形状の不正確さを補正するための使用される放射線の波長に対して 透明な補正層が設けられ、周囲の媒体のこの波長に対する屈折率から最大１０％ 異なる屈折率を有し、形状の不正確さに適合される可変の厚さを有することを特 徴とする。 本発明は、そのような小さな屈折率、従って低い光学コントラストを有する材 料を使用することによって、所望の精度は層の要素を局部的に溶着させること、 又はそのような材料の層の要素を除去することによって得られるという認識に基 づいており、その要素は例えば１００のオーダの、反射面の局部の不正確さより も大きい係数 ｆを有する。低い光学コントラストにより、層の要素の厚さの精密度は、補正要 素のない反射面に対して要求される精度の１／ｆでよい。溶着された要素の合計 、又は要素が除去された層は、補正層と称される。補正層が設けられていない反 射器に対しては所望の品質は得られない、又は高い費用及び多くの労働を必要と する一方で、補正層が設けられている反射器に対しては、この品質は得られる、 又はより低い費用及びより少ない労働で得られる。 本発明はまた、上記の波長の範囲では材料の実質的な数は、その実部ｎ及び虚 部κが、以下詳述されるように位相シフトに対する反射されるべき波面の吸収の 比率が実際的な適用に対して許容可能な 位）を有するという認識に基づいている。 本発明の望ましい実施例では、保護層の屈折率の実部は周囲媒体の実部よりも 最大１０％大きい。以下説明されるように、屈折率のこの範囲では、形状の偏向 の補正及び使用される放射線の吸収に関する補正層の最適な厚さを得ることがで きる。 本発明の更なる実施例では、補正層の屈折率の虚部は使用される放射線の波面 の虚部よりも０．００５だけ小さい。以下詳述されるように、複素屈折率のこの 範囲では、補正層の厚さは形状の偏向の補償のために更に最適化されうる。 本発明はまた、投射ビームを発生する放射源と、マスクホルダと、基板上のマ スクホルダの中に固定されたマスクを結像するための結像システムと、基板を保 持するための基板ホルダとを、この順序で有するリトグラフィー装置に関する。 この装置は、結像システムは上述の結像システムであることを特徴とする。 本発明の上述及び他の面は、以下説明される実施例を参照して明らかとなろう 。 図中、 図１ａは表面層の厚さと補正されるべき形状の偏向との間の関係を説明するた めの第１の補助的な図であり、 図１ｂは表面層の厚さと補正されるべき形状の偏向との間の関係を説明するた めの第２の補助的な図であり、 図２はリトグラフィーのための像を形成する光学系を線図的に示す図であり、 図３は透明な表面層が設けられた光学系の中の反射面を線図的に示す図である 。 図１ａ及び図１ｂは、光波が透明な表面層によって覆われた反射面で反射され るときに生ずる位相差を、光波が直接覆われていない反射面で反射される場合と 比較して明らかにする補助的な図を構成する。 図１ａは、厚さｄ及び屈折率ｎを有する透明表面層４によって覆われた反射面 ２を線図的に示す図である。入射光線８は表面層４の表面１０によって屈折され 、続いて媒体４の中の長さｓ_mの光学路１２に従って進行する。この光線は続い て点１６において反射面２によって反射され、再び長さｓ_mの光学路１２に従っ て進行し、続いて表面層４から発せられる。 図１ａはまた、透明な表面層が無いときに光が進行するであろう光学路を示す 。図１ａは反射面上の光線８が反射される点と同じ点１６において反射された光 線１４を示す。明らかに光線は屈折されず、反射された後に直線的に続く。表面 層を横切ることによって生ずる２つの光線８及び１４の間の位相差は以下におい て決定される。 光線８及び１４に対する法線１８の領域では、これらの光線の間の位相差はゼ ロである。反射面に直接進行する光線１４が従って進行する路の部分２０の長さ ｓ_dでは（α＝ｉ−ｉ’のとき）、 が成り立ち、ここでｉは媒体４の表面（及び反射面２）に対する法線６と、入射 光線８及び１４との間の角度であり、ｉ’は表面１０で反射された後の法線６と 光線８との間の角度である。路２０の長さｓ_dに対しては、式（１）を書き直し 、ｃｏｓ（ｉ−ｉ’）を書き直すことにより、 が見いだされ、これにより、屈折の法則sin i = n sin I'及び既知の関係sin i' =(1-cos²i')^1/2を使用して、 が得られる。部分２０の長さｓ_dについての式（３）より、光学路２０に従って 進行すると同時に光線１４の中で生ずる位相変化Δψ_dは、関係式Δφ_d＝（２π ｓ_d）／λ₀（ここでλ₀は真空中、即ち媒体２の外で使用される放射線の波長で ある）を通じて計算されうる。 媒体４の中で光線１２が進行した路の長さｓ_m に対しては、 が成り立つ。路の長さｓ_mに対する式（５）から、関係式Δψ_m＝（２πｎｓ_m） ／λ₀を通じて、光学路１２に従って進行する間に光線８の中で生ずる位相変化 Δψ_mが計算される。 式（６）は式（４）の右辺の第２項と同じであり、それにより式（６）は式（４ ）へ代入されえ、位相変化Δψ_dと位相変化Δψ_mとの間の差の式Δψが得られる 。 式（７）に対しては、波長の範囲及び使用される媒体に対する屈折率ｎはわずか に１からそれるだけであるであると仮定すると、以下の近似式が得られる。屈折 の法則sin i = n sin i'を使用すると、式（７）より： が得られ、式（８）が式（７）に代入されるとき、以下の関係式： が成り立つ。 式（９）は、波長λ₀の光線が厚さｄ及び屈折率ｎ（ｎ≒１）を 有する媒体を横切ることによって生ずる位相差Δψを表わす。この状態は、光線 が形状の偏向のために所望の位置ではなく所望の位置に関して距離ｈだけシフト された位置にある反射面の部分で反射される状態と比較されうる。この状態は図 １ｂに線図的に示されている。 図１ｂは所望の位置に配置された反射面の部分２ａを示す。参照番号２ｂは、 部分２ａに関して距離ｈだけシフトされた位置に配置される表面の部分を示す。 光線１４ａは表面１４ａの上に入射されると仮定され；この光線は表面２ｂの上 に入射される光線１４ｂと比較される。図１ｂは距離ｈを進行する間に、参照番 号ｓによって示される光線１４ａと１４ｂとの間の路の差２２に対して以下の関 係式： ｓ＝ｈcos i （１０） が成り立つことを示す。式（１０）から路の長さｓに対して、関係式Δψ＝（２ πｓ）／λ₀を通じて、距離ｈに亘って生ずる光線１４ａと１４ｂとの間の位相 差Δψ_hが計算されうる。 反射面の形状の偏向によって生ずる高さの差ｈが、上記反射面の透明な表面層要 素の存在によって補償されねばならないときは、表面層の存在によって生じた位 相差（式（９）参照）は高さの差ｈによって生じた位相差（式（１１）参照）と 等しくなくてはならない。式（９）及び（１１）は以下の関係式： を与え、これは以下の関係式： h cos i cos i' = d（1 - n） （１３） へ簡単化されうる。最も実際的な状態では、cos i 及びcos i'は共に約１である 、即ち光は表面の法線に関して小さな角度で入射する、即ちわずかに１からずれ た屈折率を有する媒体の中であると仮定される。式（１３）は高さの差ｈは、高 さの差ｈよりも１／（１−ｎ）倍だけ大きい厚さｄを有する透明層によって補償 されうることを示す。（実質的により大きい角度における光の入射は、式（１９ ）の中の追加的な係数によって簡単に表されうる。これは以下の結論の有効性に 対して影響を与えない。） 上述のことは以下のように要約されうる。波面が、表面が高さの偏向ｈを有す る位置で反射面に垂直に入射する場合、この波面は以下の関係式： によって与えられる位相摂動Δψ_hを受ける。この位相摂動は要素の局部的な溶 着、又は屈折率ｎを有する透明な材料の層の要素を除去することによって補償さ れうる。厚さｄを有するそのような要素は以下の関係式： によって与えられる位相シフトを導く。補償のためにはΔψはΔψ_hと等しくな くてはならず、 又は、 となる。ｎが１に近い値を有する場合、係数ｆは大きくなり、補正層は問題の波 長の範囲の中の低い光学コントラストを有する。反射器の表面の偏向ｈを補正す るため、ｈよりもはるかに大きな厚さを有する補正層が使用されうる。補正層の 低い光学コントラストのため、この層の中の高さの偏向は波面上において反射面 の中の同じ偏向よりもはるかに小さな影響を有する。 反射面及び層の法線に対して角度ｉで入射される波面については、上述のよう に係数ｆは係数ｆ_iによって置き換えられねばならない。 反射面に対して透明補正層を設けることはまた、最終的な反射面の荒さが、透 明補正層によって覆われていない反射器表面の元の荒さの１／ｆ倍となる効果を 有する。ここまでは、反射面を囲む媒体は、屈折率が１である清浄な空気である と仮定された。しかしながら周囲の媒体は１以外の屈折率を有することが可能で ある。この場合、上述の式中のｎは、ｎ₂−ｎ₁によって置き換えられねばならず 、ここでｎ₂は補正層の屈折率であり、ｎ₁は媒体の屈折率である。 図２は、マイクロリトグラフィーによって電子集積回路の製造に使用される結 像システムを線図的に示す。図２において、参照番号３０は対象面を構成するマ スク４４の点を表わす。マスクは、従来の方法で、図示されていないマスク台に 配置されたマスクホルダに固定されている。極端な紫外線によるリトグラフィー では、マスクは反射性であり、マスクの左側に配置される、図示されていないＥ ＵＶ源によって照射される。マスクは、既知の方法で、可視光線、電子結像又は 紫外線による結像によって製造されうる。マスク４４の結像点３０、及び他の点 を、基板又はウェーハ４６の点３２、及び他の点の夫々に結像するため、複数の 例えば４つである湾曲した 反射器３４，３３，３８及び４０からなる結像システムが使用される。点３０か らの放射ビーム４８は基板４６へ向けて連続して反射器３８，３６，４０及び３ ４で反射される。この基板は、従来の方法で図示されていない基板台に配置され る基板ホルダに固定される。 マスクの最も小さな細部の大きさは例えば１μｍであり、結像は例えば５倍の 縮小と共に実行される。基板平面４６の中の最も小さな細部は０．２μｍの大き さを有する。そのような細部の大きさの所望の解像度を達成するために、光学系 によって形成された像の中の収差を所望の最小値以下の値に減少させるよう複数 の鏡が必要とされる。所望の小さな細部の大きさのために、夫々の反射面は非球 面の表面として形成されねばならない。更に、形状の精度及び夫々の反射面の表 面の粗さに関しては非常に厳しい条件が満たされねばならない。これらの厳しい 条件は、夫々の鏡に本発明による透明な補正層を設けることによって満たされる 。 その表面が所望の形状からの小さな偏向のみを有する複数の反射器を有する結 像システムでは、１つの反射面に対してシステム全体の収差に従って形成された 補正層を設けることによってシステム全体を補正することが可能である。表面偏 向が非常に小さくなければ、夫々の反射面に補正層を設けることが望ましい。結 像システムのダイヤフラムに近い反射面は、全ての結像光線に共通な結像収差を 補正するために特に適している。境界光線に関する結像収差、即ちフィールド収 差を補正するためには、できる限りダイヤフラムから遠い反射面が選択される。 図３は、図２に示される結像システムで使用される反射面を線図的に示す。こ の図では、（図２の表面３４，３６，３８及び４０のうちのいずれか１つであり 得る）反射面２には、屈折率ｎ及び厚さｄを有する透明な表面層４が設けられる 。光線８は、入射角ｉで透明層４の表面１０に入射される。この光線は反射面２ で反射され、続いて再び透明層４から出発する。透明層４の厚さは、この層の中 の紫外線の吸収によって制限される。屈折率ｎと同様に、吸収は材料の性質に依 存する。概して、できる限り低い屈折率を有する材料を選択することが目的とさ れ、そのため光学コントラストはできる限り低く、層の厚さはできる限り厚く； この層の中の厚さの変化は、反射器の結像の品質に対して反射面の高さの変化よ りもはるかに小さい影響を与える。しかしながら、層のより大きな厚さはまた比 例的な吸収を導く。従って、概してこれらの２つの効果の間の最適を ｎ−ｉｋに基づく。厚さｄの層の中の光線の吸収Ａは以下の関係式： によって与えられる。小さな値のκに対しては、吸収は入射角ｉと独立である。 ｎ及びκの値に従って、反射される光線の強度を使用して所与の位相シフトが導 かれる。最適の厚さの計算を可能にするため、「吸収当たりの位相シフトの量」 として考慮されうるメリットＦの数値が定義され、即ち： となる。ｎ＜０である場合を含むよう、式（１５）には絶対値記号が含まれてい る。以下の表では、複数の材料及び様々な波長λ₀に リットＦの数値、吸収により１／ｅの値に減少した強度における厚さｄ_1/eが与 えられている。 上記の表は特に１３ｎｍである短い紫外線波長に対して屈折率の実部は１に近 く、κの値は比較的小さいことを示す。この組合せは、層の厚さが１００ｎｍ以 上と比較的大きな場合に大きな位相補正を可能にする。この範囲ではクリスタラ イン又はアモルファスのシリコンが望ましい。より長い波長（例えば５０ｎｍ， ８０ｎｍ又は１００ｎｍ）の場合、アルミニウムが望ましい。上記の表のデータ は１９８５年にAcademic Press社によって出版されたEdward D.Palik編集の「Ha ndbook of Optical Constants of Solids」から得られたものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 紫外線によって像を形成し、使用される放射線の波長を反射する少なくと も１つの表面を含む結像システムであって、 該少なくとも１つの反射面には、使用される放射線の波長に対して透明であり 、周囲の媒体の上記波長に対する屈折率とは最大１０％異なる屈折率を有し、形 状の不正確さに適合される可変の厚さを有する、反射面の形状の不正確さを補正 するための補正層が設けられることを特徴とする結像システム。 ２． 補正層の屈折率の実部は周囲の媒体の屈折率よりも最大１０％大きい請求 項１記載の結像システム。 ３． 補正層の屈折率の虚部は使用される放射線の波長に対して０．０１以下で ある請求項１又は２記載の結像システム。 ４． 透明な表面層の材料はシリコンである請求項１又は２記載の結像システム 。 ５． 投射ビームを発生する放射線源と、マスクホルダと、基板上のマスクホル ダの中に固定されたマスクを結像するための結像システムと、基板を保持するた めの基板ホルダとを、この順序で有するリトグラフィー装置であって、結像シス テムは請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の結像システムであることを特徴 とするリトグラフィー装置。