WO2005031821A1 - 光学系、露光装置、およびそれらの製造方法 - Google Patents

光学系、露光装置、およびそれらの製造方法 Download PDF

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WO2005031821A1
WO2005031821A1 PCT/JP2004/014149 JP2004014149W WO2005031821A1 WO 2005031821 A1 WO2005031821 A1 WO 2005031821A1 JP 2004014149 W JP2004014149 W JP 2004014149W WO 2005031821 A1 WO2005031821 A1 WO 2005031821A1
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optical
light
optical system
fluoride
birefringence
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PCT/JP2004/014149
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English (en)
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Inventor
Kazuhiro Kido
Kenichi Muramatsu
Original Assignee
Nikon Corporation
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70483—Information management; Active and passive control; Testing; Wafer monitoring, e.g. pattern monitoring
    • G03F7/7055—Exposure light control in all parts of the microlithographic apparatus, e.g. pulse length control or light interruption
    • G03F7/70566—Polarisation control
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/708—Construction of apparatus, e.g. environment aspects, hygiene aspects or materials
    • G03F7/7095—Materials, e.g. materials for housing, stage or other support having particular properties, e.g. weight, strength, conductivity, thermal expansion coefficient
    • G03F7/70958—Optical materials or coatings, e.g. with particular transmittance, reflectance or anti-reflection properties
    • G03F7/70966—Birefringence

Definitions

  • the present invention relates to an optical system, an exposure apparatus, and a method for manufacturing the same, and particularly to an exposure apparatus useful for manufacturing microdevices such as semiconductor devices, imaging devices, liquid crystal display devices, and thin-film magnetic heads by lithography. It concerns the device.
  • a secondary light source is formed as a substantial surface light source composed of a large number of light sources.
  • the light flux from the secondary light source is condensed by the condenser lens, and then illuminates the mask on which the predetermined pattern is formed in a superimposed manner.
  • a KrF excimer laser light source that supplies light having a wavelength of about 248 nm and an ArF excimer laser light source that supplies light having a wavelength of about 193 nm are used as exposure light sources.
  • the wavelength of exposure light becomes shorter, the types of optical materials that can withstand practical use due to light absorption are limited.
  • the absorption edge wavelength is short!
  • a mirror-type beam splitter is arranged in the optical path, and The reflected light from the beam splitter is detected as monitor light.
  • the beam splitter has a polarization characteristic that the reflectance changes depending on the polarization state of the incident light. Therefore, in order to control the exposure light amount on the wafer to be substantially constant during the exposure, and perform good exposure, it is necessary to stabilize the polarization state of the light incident on the beam splitter.
  • a light transmitting member such as fluorite has a property of receiving a laser beam and changing the polarization state of emitted light. discovered.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and can stabilize the polarization state of light incident on a beam splitter disposed in an optical path. It is an object of the present invention to provide an exposure apparatus capable of controlling exposure light amount to be substantially constant during exposure based on reflected light and performing good exposure, a method of manufacturing the same, and an exposure method using the same.
  • the present invention also relates to an exposure apparatus that uses, for example, an ArF excimer laser light source or a KrF excimer laser light source to stabilize the polarization state of light incident on a beam splitter disposed in the optical path. It is an object of the present invention to provide an optical system capable of realizing the above, and a manufacturing method thereof.
  • a light transmitting member such as fluorite has the property of changing the polarization state of emission light upon irradiation with laser light. And found that the above-mentioned object was achieved by using an optical member made of an optical material having a variation in birefringence before and after laser beam irradiation within a predetermined range under predetermined use conditions, The present invention has been completed.
  • the present invention provides the following optical system and method for manufacturing the same, an exposure apparatus and a method for manufacturing the same, and an exposure method using the exposure apparatus, which solves the above-mentioned problems.
  • An optical system that uses light having a wavelength of 250 nm or less as transmitted light, and is an optical material having transparency to the light, wherein 0.1 lmj / cm 2 / pulse-150 mjZcm 2 Under certain conditions of use in the energy density range of the Z pulse and the pulse frequency range of 0.1 kHz to 100 MHz, the birefringence in the initial state before the light enters and the equilibrium state after the light enters Light whose difference from refraction is 3nmZcm or less An optical system in which optical members made of scientific materials are arranged.
  • ⁇ 2> The optical device according to ⁇ 1>, wherein the sum of the optical path lengths in the optical member made of the optical material is 70% or more of the sum of the optical path lengths in all the optical members constituting the optical system. system.
  • optical material is at least one selected from the group consisting of a fluoride crystal, quartz glass, and quartz.
  • the fluoride crystal is at least one selected from the group consisting of calcium fluoride, barium fluoride, lithium fluoride, sodium fluoride, and strontium fluoride. Optical system.
  • An exposure apparatus including an illumination optical system for illuminating a mask using light having a wavelength of 250 nm or less and a projection optical system for projecting and exposing the pattern image of the mask on a substrate to be exposed.
  • An exposure apparatus provided with an optical member made of an optical material having a difference between a birefringence in an initial state before the light is incident and a birefringence in an equilibrium state after the light is incident is 3 nmZcm or less.
  • the sum of the optical path lengths in the optical member made of the optical material is the total of the optical members constituting the optical system.
  • the exposure apparatus according to ⁇ 5> which is 70% or more of the total optical path length in the medium.
  • optical material is at least one selected from the group consisting of a fluoride crystal, quartz glass, and quartz.
  • the fluoride crystal is at least one selected from the group consisting of calcium fluoride, barium fluoride, lithium fluoride, sodium fluoride, and strontium fluoride.
  • Exposure equipment Exposure equipment.
  • An optical material having a difference between a birefringence in an initial state before the light is incident and a birefringence in an equilibrium state after the light is incident is 3 nmZcm or less under predetermined use conditions in several ranges.
  • An optical system manufacturing method including:
  • optical material is at least one selected from the group consisting of a fluoride crystal, quartz glass, and quartz.
  • the fluoride crystal is at least one selected from the group consisting of calcium fluoride, barium fluoride, lithium fluoride, sodium fluoride, and strontium fluoride. Method for manufacturing an optical system.
  • An exposure apparatus comprising: an illumination optical system that illuminates a mask using light having a wavelength of 250 nm or less; and a projection optical system that projects and exposes a pattern image of the mask onto a substrate to be exposed.
  • An optical material having a light-transmitting property comprising: an energy density range of 0.1 lmj / cm 2 / pulse-150 mjZcm 2 Z pulse; and a predetermined use condition in a pulse frequency range of 0.1 kHz to 100 MHz.
  • an optical member made of an optical material having a difference of 3 nmZcm or less between an initial state birefringence before the light is incident and an equilibrium state birefringence after the light is incident is selected and prepared.
  • the members necessary for the exposure apparatus are assembled together with the optical member made of the optical material, and the illumination optical system and the Z or the projection optical system are made of the optical part made of the optical material. Obtaining an exposure apparatus in which materials are arranged;
  • the sum of the optical path lengths in the optical member made of the optical material is equal to the optical path in all the optical members constituting the optical system.
  • ⁇ 15> The method for manufacturing an exposure apparatus according to ⁇ 13>, wherein the optical material is at least one selected from the group consisting of a fluoride crystal, quartz glass, and quartz.
  • the fluoride crystal is at least one selected from the group consisting of calcium fluoride, barium fluoride, lithium fluoride, sodium fluoride, and strontium fluoride. Of manufacturing an exposure apparatus.
  • the mask is illuminated with light having a wavelength of 250 nm or less, and the pattern image of the mask is exposed.
  • an optical member formed of, for example, a fluoride crystal (fluorite), quartz glass or quartz, birefringence when illumination light is incident under predetermined use conditions
  • An optical member having an optical material strength of 3 nmZcm or less is used as an optical member.
  • the fluctuation of the polarization state caused by the birefringence fluctuation of the optical member can be suppressed to a small degree, so that the polarization state of the light incident on the beam splitter disposed in the optical path can be stabilized, and as a result, Good exposure can be performed by controlling the amount of exposure light to be substantially constant during exposure based on the light reflected from the beam splitter.
  • FIG. 1 schematically shows how a polarization state changes after passing through a medium when a laser beam is irradiated in the form of linearly polarized light into an optical medium in which irradiation fluctuation occurs.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a preferred example of an experimental system for evaluating birefringence of an optical material according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a state in which incident linearly polarized light is preserved as it is when no birefringence exists in the sample.
  • FIG. 4 shows that the incident linearly polarized light is elliptical when the sample has birefringence in the initial state. It is a figure which shows the state changed to circularly polarized light typically.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a state in which the birefringence of the sample fluctuates and elliptically polarized light changes.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between measurement conditions (repetition frequency X fluence) and birefringence (retardation).
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a configuration of a preferred embodiment of an exposure apparatus of the present invention including the optical system of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing, as a result of continuous irradiation with an ArF excimer laser at a frequency of lkHz and a fluence of lOmjZcm 2 , fluctuations in sensor output immediately after the start of irradiation in%.
  • FIG. 9 is a flowchart of a method for obtaining a semiconductor device as a micro device.
  • FIG. 10 is a flowchart of a method for obtaining a liquid crystal display element as a micro device.
  • the optical member used in the present invention is an optical material having a transmittance for light having a wavelength of 250 nm or less, and has an energy density range of 0.1 lnijZcm 2 Z pulse to 150 mjZcm 2 Z pulse. And under a specified use condition in the pulse frequency range of 0.1 kHz to 100 MHz, the difference between the birefringence in the initial state before the light is incident and the birefringence in the equilibrium state after the light is incident is 3 nmZcm or less.
  • the optical material is an optical member.
  • the specific form of the powerful optical member is not particularly limited, and is preferably used as various light-transmitting refraction members (such as lenses) used in an optical system such as an exposure apparatus.
  • the main mechanism of fluctuation of birefringence due to irradiation of light (laser light) to an optical material (optical medium) is absorption of irradiation light by a medium, heat generation due to absorption, thermal expansion due to heat generation, and thermal expansion.
  • the present inventors presume that the fluctuation of the internal stress state is accompanied by the fluctuation of the stress birefringence caused by the fluctuation of the internal stress state. That is, the amount of change in stress birefringence is the amount of change in irradiation birefringence, which is the amount to be evaluated here.
  • a change in the polarization state of one laser beam after passing through the medium due to the change in the stress birefringence is a fatal problem in the conventional polarization optical system.
  • Birefringence is roughly classified into birefringence, stress birefringence, intrinsic birefringence, birefringence due to application of an electric field, and the like due to the symmetry of the structure itself.
  • birefringence caused by the symmetry of the structure itself is used when the birefringence phenomenon is intentionally used in an optical member (optical element).
  • optical member optical element
  • Exists intrinsic birefringence is due to the repetitive structure of the crystal, and is generally an amount of birefringence that does not matter at all unless it approaches the absorption edge wavelength.
  • birefringence While the above two types of birefringence are the essential birefringence that exists even when the optical medium is in an ideal state, stress birefringence is when the residual stress exists inside the optical medium or when external stress is present. This is the birefringence induced when stress is generated for a specific reason. This is due to the birefringence caused by the deviation from the ideal state of the optical medium, which is a perfect isotropic body in the case of glass, or a perfectly ideal atomic structure in the case of a crystal. In addition, the appearance of birefringence differs depending on how the symmetry is reduced due to the deviation.
  • the mechanism described above causes a change in the stress state in the optical medium.
  • the irradiation power density is an amount determined by the product of the fluence of the irradiation laser and the repetition frequency.
  • Such a change in birefringence occurs in about 10 seconds to several tens of seconds after the start of irradiation, and then saturates and stabilizes. This is thought to be the transition of the internal stress state to a new equilibrium state due to the balance between absorption heat generation and cooling of the optical medium.
  • this new equilibrium state is determined by the fluence of the irradiation laser and the repetition frequency, and has a proportional relationship as long as it is determined by the amount of change in the birefringence (retardation).
  • the birefringence saturated and stabilized after the start of light irradiation in this way is referred to as “birefringence in an equilibrium state (after light is incident)” in the present invention.
  • the present inventors have also confirmed that such a new equilibrium state birefringence rapidly returns to the initial state of birefringence when laser irradiation is stopped, and almost recovers in several tens of seconds. are doing.
  • the birefringence is evaluated in the retardation amount and the fast axis direction. It has been confirmed that the birefringence variation due to irradiation is generally preserved in the direction of the fast axis of the birefringence in the initial state, and if the variation in retardation due to irradiation can be evaluated, You can know the state of birefringence. Also, as described above, the amount of fluctuation of the retardation is proportional to both the fluence of the irradiation laser and the repetition frequency (that is, it is proportional to the irradiation power density). It is also possible to predict the behavior under other conditions.
  • FIG. 1 shows how the initial state birefringence shifts to a new equilibrium state birefringence due to irradiation fluctuation.
  • FIG. 1 schematically shows how the state of polarization changes after passing through a medium when laser light is irradiated in the form of linearly polarized light into an optical medium in which irradiation fluctuations occur.
  • linearly polarized light is irradiated at an angle ⁇ with respect to the fast axis of birefringence in the initial state of the optical medium. This linearly polarized light and the intrinsic polarization component in the fast axis direction in the optical medium are retarded.
  • the light is decomposed into intrinsic polarized light segments in the running axis direction and travels through the medium.
  • a phase difference proportional to the optical path length occurs between the two due to the difference in the refractive index between the two polarization components, and the light coming out of the optical medium is elliptically polarized as shown in Fig. 1.
  • the present inventors speculate.
  • the elliptically polarized light changes to the initial state shown in FIG. This is elliptically polarized light due to birefringence. In other words, it is the polarization state immediately after irradiation and before thermal stress due to absorption occurs.
  • the birefringence of the medium changes toward a saturation state at the same time as the start of irradiation.
  • birefringence is evaluated as the difference between the retardation in the initial state and the retardation in a new equilibrium state after irradiation.
  • the birefringence in the initial state is a combination of stress birefringence and intrinsic birefringence in a state where there is no absorption heat generated by irradiation.
  • the intrinsic birefringence is not affected by the irradiation laser light, but the stress birefringence is affected by the irradiation laser light according to the irradiation power density.
  • the determination of the retardation corresponding to the birefringence in the initial state is made by determining the Y intercept of the straight line connecting the plot of the measured retardation value (vertical axis) against the irradiation power density (horizontal axis) (retardation expected when the power density is 0). Power is also required.
  • the birefringence in such an initial state can be obtained by measuring several points at least within a range of 100 Hz to 1.4 kHz.
  • FIG. 2 shows a preferred example of a measuring apparatus (experimental system) for evaluating birefringence of an optical material (optical medium) according to the present invention.
  • the evaluation system shown in Fig. 2 consists of an ArF excimer laser light source 21, a polarizer 22, a rotating sample holder 23, an analyzer 24, a first sensor 25, and a second sensor 26. (Not shown) ing.
  • the ArF excimer laser light source 21 is G20A2-1F manufactured by Gigaphoton, the wavelength of one irradiation laser beam (ArF light L) is 193 nm, and the repetition frequency is 100 Hz to 1.4 kHz.
  • a plate volatilizer is used for the analyzer 24 and the polarizer 22, and the polarizer 22 is arranged so as to be parallel to the polarization direction (horizontal polarization in the figure) of the ArF light beam L, and the linear polarization of the laser light is used. Is increasing the character.
  • the extinction ratio at this time is less than 1Z5000.
  • the analyzer 24 is arranged so as to be orthogonal to the polarizer 22, that is, in a cross-cor relationship.
  • the analyzer 24, which is a plate volatilizer has the same function as a polarizing beam splitter, and sends the ArF light L having a polarization component (horizontal polarization in the figure) parallel to the polarizer 22 to the first sensor 25.
  • the optical material (evaluation sample) 27 to be evaluated has been polished on two sides, and is set on a rotating sample holder 23 between the polarizer 22 and the analyzer 24. Then, by rotating the rotating sample holder 23 (indicated by an arrow 28 in the figure), the setting is made so that the fast axis of the sample 27 and the angle formed by the polarizer 22 and the analyzer 24 are both 45 °. Do.
  • FIGS. 3 to 5 show the principle of measuring the amount of change in the birefringence of the optical material according to the present invention using the above-described measuring apparatus. That is, first, the irradiation laser light (ArF light L) is irradiated by the polarizer 22 in the form of linearly polarized light so as to have a vibration plane in a direction at 45 ° to the fast axis of the sample 27. At this time, if there is no birefringence in the sample 27, the linearly polarized light is stored as linearly polarized light, and all light is guided to the first sensor 25 (FIG. 3). That is, the incident linearly polarized light is preserved as it is, 100% is detected by the first sensor 25, and no output appears on the second sensor 26.
  • the irradiation laser light ArF light L
  • the polarizer 22 in the form of linearly polarized light so as to have a vibration plane in a direction at 45 ° to the fast axis of the sample 27.
  • Equation (1) P is the output of the first sensor 25, P is the output of the second sensor 26, and ⁇ is the phase difference
  • R is birefringence (retardation)
  • ⁇ is the wavelength of the laser (here, 193 nm).
  • the size of the retardation changes due to birefringence fluctuation, and at the same time the shape of the elliptically polarized light changes (Fig. 5). Accordingly, the output ratio between the first sensor 25 and the second sensor 26 also changes. Therefore, the birefringence (retardation) in the equilibrium state after fluctuation is calculated from the output ratio at this time, and the difference between this and the birefringence (retardation) in the initial state is a quantity representing the magnitude of birefringence fluctuation due to irradiation. Desired.
  • the amount of fluctuation of the retardation due to the birefringence fluctuation thus obtained is large, this means that the change in the polarization state due to the birefringence fluctuation is large, and is given to the polarization optical system.
  • the present inventors have found that the effect is large.
  • the degree of change in the polarization state which is not only the amount of fluctuation of the retardation, but also the geometrical relationship between the fast axis direction of the optical medium and the vibration direction of the incident light beam.
  • the intrinsic physical quantity of the optical medium itself in the phenomenon of birefringence fluctuation is the fluctuation amount of the retardation, and this is used in the present invention as an index for selecting an optical material (optical medium).
  • sample 14 was irradiated with a 193 nm excimer laser beam in the range of (repetition frequency X fluence) of 20 mW / cm 2 or less. Then, measurement is performed based on the principle shown in Figs.
  • the birefringence amount (retardation) of Samples 1-4 was calculated by the above equations (1) and (2).
  • Fig. 6 shows the obtained results.
  • FIG. 6 plots the birefringence (retardation) for each sample under each measurement condition (repetition frequency X fluence).
  • the amount of change in birefringence (the amount of change in retardation) is proportional to the product of the repetition frequency and the fluence
  • the plot of each sample can be connected by a straight line, and the Y intercept represents the initial state. Birefringence was required. Therefore, the amount of change in birefringence (the amount of change in retardation) under specific use conditions is calculated as the difference between the retardation and the retardation of the Y-intercept under the use conditions (indicated by the arrow in FIG. 6). was done.
  • the variation of the birefringence (the variation of the retardation) of Sample 1 and Sample 4 shown in Fig. 6 were determined to be 6.2 nmZcm and 0.8 nmZcm, respectively. Therefore, the amount of variation in birefringence of sample 4 is 3 nmZcm or less, and the force that can be used as an optical material that also contributes to the present invention The force of sample 1 exceeds 3 nm / cm The force according to the present invention It was confirmed that it could not be used as an optical material.
  • the difference between the birefringence in the initial state and the birefringence in the equilibrium state (variation in birefringence) in the wavelength range of 250 nm or less is obtained.
  • a predetermined use condition in the energy density range of 0.1 mjZcm 2 Z pulse and 150 mjZcm Z pulse and the pulse frequency range of 0.1 kHz to 100 MHz it is 3 nmZcm or less (more preferably InmZcm or less).
  • the variation in the polarization state caused by the birefringence variation of the optical member increases, and the optical member is disposed in the optical path in an exposure apparatus described later.
  • the polarization state of the incident light on the beam splitter becomes unstable, and it becomes difficult to control the amount of exposure light based on the reflected light from the beam splitter.
  • the predetermined use conditions in the present invention include a wavelength range of 250 nm or less (more preferably, 150 to 250 nm), an energy density range of 0.1 lmjZcm 2 Z pulse and 150 mjZcm 2 Z pulse, and (more preferably, 0.1 kHz to 10 MHz).
  • 0.lmjZcm 2 Z noise is a value assuming a light transmitting member in the projection optical system.
  • 150mjZcm 2 Z pulse is the limit value of the material of fluorite.
  • the pulse frequency of 0.1 kHz is a limit value in consideration of the throughput of the exposure apparatus, and the pulse frequency of 100 MHz is a value assuming a solid-state laser light source.
  • the actual upper limit of the frequency varies depending on the type of laser light source, but the upper limit of the pulse frequency when a solid-state laser light source is assumed is about 100 MHz, and the pulse frequency when an excimer laser light source is assumed.
  • the upper limit of the pulse frequency is about 10 kHz, and the upper limit of the pulse frequency assuming the current excimer laser light source is about 8 kHz.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a configuration of a preferred embodiment of the exposure apparatus of the present invention including the optical system of the present invention.
  • the exposure apparatus of the present embodiment includes a light source 1 for supplying exposure light (illumination light).
  • a light source 1 for supplying exposure light (illumination light).
  • the light source 1 for example, an ArF excimer laser light source that supplies light having a wavelength of about 193 nm or a KrF excimer laser light source that supplies light having a wavelength of about 248 nm can be used.
  • the substantially parallel light beam emitted from the light source 1 is shaped into a light beam having a predetermined rectangular cross section through a beam transmitting system 2 having a known configuration. Incident.
  • the beam transmission system 2 converts the incident light beam into a light beam having a cross section of an appropriate size and shape, guides the light beam to the beam shape variable unit 3, and changes the position and angle of the light beam entering the subsequent beam shape variable unit 3. It has a function to actively compensate for fluctuations.
  • the light beam having passed through the beam shape variable unit 3 enters a microlens array (or fly-eye lens) 4.
  • the beam shape variable unit 3 includes, for example, a diffractive optical element and a variable power optical system, and controls the size and shape of the illumination field formed on the entrance surface of the microlens array 4, and thus the rear side of the microlens array 4. It has the function of changing the size and shape of the surface light source formed on the focal plane (illumination pupil plane).
  • the microlens array 4 is an optical element composed of, for example, a large number of microlenses having a positive bending force arranged vertically and horizontally and densely.
  • the microlens group is formed by etching a parallel plane plate. It is constituted by forming. Where the micro lens array Is smaller than each lens element forming the fly-eye lens.
  • the microlens array has a large number of microlenses (microrefractive surfaces) formed integrally without being isolated from each other. However, it is microscopic in that the lens elements are arranged vertically and horizontally.
  • an optical integrator such as a diffractive optical element or a prismatic rod-type integrator can be used.
  • the light beam incident on the microlens array 4 is two-dimensionally divided by a large number of minute lenses, and a light source is formed on the rear focal plane of each minute lens on which the light beam has entered.
  • a substantial surface light source hereinafter, referred to as "secondary light source” having a large light source power is formed.
  • the light flux of the secondary light source formed on the rear focal plane of the microlens array 4 passes through the beam splitter 5a and the condenser optical system 6, and then illuminates the mask blind 7 in a superimposed manner.
  • a rectangular illumination field corresponding to the shape and the focal length of each micro lens constituting the micro lens array 4 is formed on the mask blind 7 as the illumination field stop.
  • the light beam passing through the rectangular opening (light transmitting portion) of the mask blind 7 is condensed by the imaging optical system 8 and then superimposed on a mask (reticle) M on which a predetermined pattern is formed. Light up.
  • the imaging optical system 8 forms an image of the rectangular opening of the mask blind 7 on the mask M.
  • the light flux transmitted through the pattern of the mask M forms an image of the mask pattern on the wafer W as a photosensitive substrate via the projection optical system PL.
  • the pattern of the mask M are sequentially exposed.
  • the exposure apparatus of the present embodiment is a light amount monitor for detecting the light amount (light intensity) of the illumination light (exposure light) based on the light taken out of the illumination light path via the beam splitter 5a.
  • the light amount monitor 5 detects the reflected light from the beam splitter 5a and detects the reflected light from the beam splitter 5a. And supplies the output of the photodetector 5b to the control unit 10.
  • the light amount monitor 5 is not limited to the optical path between the microlens array 4 and the condenser optical system 6, but can also detect the light amount based on light extracted from another appropriate optical path force.
  • the control unit 10 controls the output of the light source 1 based on the detection result of the light amount monitor 5. That is, the control unit 10 controls the light emission output of the light source 1 in accordance with the fluctuation of the light intensity detected by the light amount monitor 5 so that the exposure light amount for the wafer W becomes substantially constant during the exposure. Further, the control unit 10 controls the operation of the beam shape changing unit 3 according to the pattern characteristics (fineness, directionality, etc.) of the mask M.
  • fluorite has the property of changing the polarization state of emitted light upon irradiation with laser light.
  • the change in the polarization state due to fluorite is remarkable.
  • the polarization state of the light that has passed through the fluorite during the laser beam irradiation start force for several tens of seconds gradually fluctuates, and then the polarization state of the emitted light is settled to a substantially steady state.
  • the change in the polarization state due to the fluorite almost recovers in several tens of seconds when the irradiation of the laser beam is stopped. Therefore, when laser irradiation to fluorite and irradiation stop are repeated, every time laser irradiation is started, the polarization state of light passing through the fluorite changes, which in turn causes a change in the beam splitter 5a.
  • the polarization state of the incident light will fluctuate.
  • the light amount monitor 5 when the polarization state of the light incident on the beam splitter 5a changes, the reflectance changes (the ratio of the polarization component of the reflected light changes) due to the polarization characteristics of the beam splitter 5a, and the light detection The intensity of the reflected light reaching the vessel 5b also changes. As a result, even if the output of the light source 1 does not change, the detection result of the light amount monitor 5 fluctuates due to the change of the polarization state due to the fluorite, and the exposure of the wafer W is performed based on the detection result of the light amount monitor 5. The light quantity cannot be controlled to be substantially constant during the exposure.
  • the present inventors have found that the change in the polarization state of an optical material such as fluorite changes in the birefringence of the optical material itself such as fluorite. Ki was found to be the cause.
  • the present inventors have found that although the amount of fluctuation of birefringence in optical materials such as fluorite varies among individuals, the fluctuation of birefringence in almost all currently available optical materials such as fluorite crystals. It was found that this phenomenon was inevitable, and consequently the phenomenon of polarization state fluctuation was inevitable.
  • FIG. 8 is a graph in which the variation with respect to the sensor output immediately after the start of irradiation is expressed in% as a result of continuous irradiation of an ArF excimer laser at a frequency of lkHz and a fluence of 10 mJ Zcm 2 .
  • the exposure light amount is formed in the optical path between the light source 1 and the beam splitter 5a and formed of fluorite.
  • fluorite whose variation in birefringence when the illumination light enters under the use conditions is 3 nmZcm or less is used.
  • the change in the polarization state caused by the change in the birefringence of the fluorite can be reduced, the polarization state of the light incident on the beam splitter 5a can be stabilized.
  • the detection light amount of the light amount monitor 5 hardly fluctuates due to the change of the polarization state due to the fluorite, and the exposure light amount for the wafer W is almost constant during the exposure based on the normal detection result of the light amount monitor 5. Control, and good exposure can be achieved.
  • the operating conditions are as follows: a wavelength range of 250 nm or less, 0.1 lmjZcm 2 / palm The energy density (fluence) range of the Sou 150nijZcm 2 Z pulse, and the pulse frequency range of 0.1 kHz to 100 MHz.
  • the fluorite is disposed in the optical path between the light source 1 and the beam splitter 5a.
  • the focus is on the light transmitting member to be formed.
  • various modifications can be made to the arrangement position of the beam splitter 5a. In general, a change in the polarization state of light in an exposure apparatus is an unfavorable phenomenon in various aspects. Therefore, regardless of the arrangement position, it is preferable to use fluorite as the light transmitting member to be formed of fluorite, which has a small birefringence variation amount.
  • a light transmitting member to be formed of fluorite.
  • the invention is not limited to fluorite, but also applies to other suitable optical materials such as fluoride crystals such as barium fluoride, lithium fluoride, sodium fluoride and strontium fluoride. Can be applied.
  • the optical material according to the present invention is not limited to the fluoride crystal, and it is possible to use quartz glass or quartz, and it is possible to use an optical member composed of a fluoride crystal, quartz glass and quartz in combination. You can use it.
  • the power using the KrF excimer laser light source or the ArF excimer laser light source as the light source is not limited to this.
  • the present invention can also be applied to other appropriate light sources such as two laser light sources.
  • the birefringence of the fluoride crystal material is reduced.
  • the variation is set within a predetermined range.
  • the light transmitting member formed of the fluoride crystal material may be kinematically held using, for example, a technique disclosed in US Patent Publication US2002Z0163741A (or WO02Z16993). . This makes it possible to further reduce the birefringence fluctuation of the fluoride crystal material.
  • a method of filling the optical path between the projection optical system and the photosensitive substrate with a medium (typically, a liquid) having a refractive index greater than 1.1 that is, a so-called liquid immersion method Apply the law May be used.
  • all the optical members disposed therein need not be the optical members having the optical material force according to the present invention. It is preferable that the sum of the optical path lengths in the optical member composed of the optical system is 70% or more of the sum of the optical path lengths in all the optical members constituting the optical system. % Is particularly preferable.
  • the optical system of the present invention may be used for both the projection optical system and the illumination optical system, or the projection optical system.
  • the object to which the optical system of the present invention is applied is not limited to an exposure apparatus, and is suitably adopted for various inspection apparatuses and measurement apparatuses using light having a wavelength of 250 nm or less.
  • a mask (reticle) is illuminated by an illumination optical device (illumination step), and a transfer pattern formed on the mask is projected onto a photosensitive substrate using a projection optical system.
  • exposing exposure step
  • a micro device semiconductor element, imaging element, liquid crystal display element, thin film magnetic head, etc.
  • an example of a method for obtaining a semiconductor device as a microdevice by forming a predetermined circuit pattern on a wafer or the like as a photosensitive substrate using the exposure apparatus of the above-described embodiment will be described. This will be described with reference to FIG.
  • a metal film is deposited on one lot of wafers.
  • a photoresist is applied on the metal film on the one lot wafer.
  • the image of the pattern on the mask is sequentially exposed and transferred to each shot area on the wafer of the lot through the projection optical system.
  • the photoresist on the one lot wafer is developed, and in step 305, the resist pattern is etched on the one lot wafer using the resist pattern as a mask, thereby forming a pattern on the mask.
  • the circuit pattern force corresponding to each is formed in each shot area on each wafer.
  • a device such as a semiconductor element is manufactured by forming a circuit pattern of a further upper layer and the like.
  • a semiconductor device manufacturing method a semiconductor device having an extremely fine circuit pattern can be obtained with good throughput.
  • a liquid crystal display element as a micro device can be obtained by forming a predetermined pattern (circuit pattern, electrode pattern, etc.) on a plate (glass substrate). .
  • a predetermined pattern circuit pattern, electrode pattern, etc.
  • a so-called optical lithography step of transferring and exposing a mask pattern onto a photosensitive substrate (a glass substrate coated with a resist) using the exposure apparatus of the above-described embodiment is executed.
  • a predetermined pattern including a large number of electrodes and the like is formed on the photosensitive substrate.
  • the exposed substrate is subjected to various processes such as a developing process, an etching process, a resist stripping process, etc., so that a predetermined pattern is formed on the substrate, and the process proceeds to the next color filter forming process 402.
  • a large number of sets of three dots corresponding to R (Red), G (Green), and B (Blue) are arranged in a matrix, or R, G,
  • a color filter is formed by arranging a plurality of sets of filters of three stripes B in the horizontal scanning line direction.
  • a cell assembling step 403 is performed.
  • a liquid crystal panel liquid crystal cell
  • a liquid crystal is injected between the substrate having the predetermined pattern obtained in the pattern forming step 401 and the color filter obtained in the color filter forming step 402, Manufacture panels (liquid crystal cells). Thereafter, in a module assembling step 404, components such as an electric circuit and a backlight for performing a display operation of the assembled liquid crystal panel (liquid crystal cell) are attached to complete a liquid crystal display element. According to the above-described method for manufacturing a liquid crystal display element, a liquid crystal display element having an extremely fine circuit pattern can be obtained with a high throughput.
  • the method for producing an optical system according to the present invention is a method for producing an optical system using light having a wavelength of 250 nm or less as transmitted light
  • the method of manufacturing an exposure apparatus includes an illumination optical system for illuminating a mask using light having a wavelength of 250 nm or less, and a projection for projecting and exposing a pattern image of the mask onto a substrate to be exposed.
  • an illumination optical system for illuminating a mask using light having a wavelength of 250 nm or less
  • a projection for projecting and exposing a pattern image of the mask onto a substrate to be exposed.
  • the specific method for selecting the optical member made of the optical material according to the present invention is as described above.
  • the optical system or various members required for the exposure apparatus other than the optical member made of the optical material according to the present invention and various members generally used for the optical system or the exposure apparatus to which the present invention is applied.
  • a member is appropriately used.
  • there is no particular limitation on a method of assembling various members necessary for such an optical system or an exposure apparatus together with the optical member made of the optical material according to the present invention and a general method for assembling the optical system or the exposure apparatus is used. Is appropriately adopted.
  • the present invention also provides a step-and-scan type scanning projection exposure apparatus (US Pat. No. 5,473,410) for synchronously moving a reticle and a wafer to expose a reticle pattern.
  • the present invention can be applied not only to a stepper, but also to a step-and-repeat type exposure apparatus (stepper) that exposes a reticle pattern while the reticle and wafer are stationary and sequentially moves the wafer.
  • the present invention is also applicable to a twin-stage type exposure apparatus.
  • Twin stage type The structure and exposure operation of the exposure apparatus are described in, for example, JP-A-10-163099 and JP-A-10-214783 (corresponding US Pat. Nos. 6,341,007, 6,400,441, 6,549,269 and 6). , 590,634), JP 2000-505958 (corresponding US Pat. No. 5,969,441) or US Pat. No. 6,208,407 [disclosed!
  • the present invention provides a liquid immersion light device that locally fills a liquid between a projection optical system and an object to be exposed, and a liquid that moves a stage holding a substrate to be exposed in a liquid tank.
  • the present invention is also applicable to an immersion exposure apparatus and a liquid immersion exposure apparatus in which a liquid tank having a predetermined depth is formed on a stage and a substrate is held therein.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-124873 discloses a method in which a liquid tank having a predetermined depth is formed on a stage.
  • An immersion exposure apparatus for holding a substrate therein is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-303114 and US Pat. No. 5,825,043.
  • the optical members having the optical material strength that is effective in the present invention are selectively disposed and arranged.
  • an exposure apparatus using an ArF excimer laser light source, a KrF excimer laser light source, or the like the polarization of light incident on a beam splitter disposed in the optical path is improved.

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Abstract

　２５０ｎｍ以下の波長を有する光を用いてマスクを照明する照明光学系と、前記マスクのパターン像を被露光基板上に投影露光する投影光学系とを備えた露光装置であって、前記照明光学系及び／又は前記投影光学系に、 　前記光に対して透過性を有する光学材料であって、０．１ｍＪ／ｃｍ2／パルス～１５０ｍＪ／ｃｍ2／パルスのエネルギ密度範囲および０．１ｋＨｚ～１００ＭＨｚのパルス周波数範囲における所定の使用条件下において、前記光が入射する前の初期状態の複屈折と前記光が入射した後の平衡状態の複屈折との差が３ｎｍ／ｃｍ以下である光学材料からなる光学部材を配置した露光装置。    

Description

明 細 書
光学系、露光装置、およびそれらの製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、光学系、露光装置、およびそれらの製造方法に関し、特に半導体素子 、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスをリソグラフィーェ 程で製造するために有用な露光装置に関するものである。
背景技術
[0002] この種の典型的な露光装置においては、光源力 射出された光束力 オプティカル 多数の光源カゝらなる実質的な面光源としての二次光源を形成する。二次光源からの 光束は、コンデンサーレンズにより集光された後、所定のパターンが形成されたマス クを重畳的に照明する。
[0003] マスクのパターンを透過した光は、投影光学系を介してウェハ上に結像する。こうし て、ウェハ上には、マスクパターンが投影露光 (転写）される。露光装置では、たとえ ばフライアイレンズとマスクとの間の光路中から照明光 (露光光）の一部を取り出し、 取り出した光の強度を検出している。そして、検出した光強度の変動に応じて光源の 発光出力を調整することにより、ウェハに対する露光光量が露光中ほぼ一定になるよ うに制御している。
[0004] 現在、露光光源として、波長が約 248nmの光を供給する KrFエキシマレーザ光源 や、波長が約 193nmの光を供給する ArFエキシマレーザ光源などが用いられている 。露光光の波長が短くなると、光の吸収のため実用に耐える光学材料の種類が限ら れてくる。特に ArFエキシマレーザ光を露光光として用いる露光装置では、吸収端波 長が短!ヽ光学材料である蛍石 (フッ化カルシウム： CaF )等により形成された光透過
2
部材 (レンズ、平行平面板など）が広く用いられている（特開 2002-287023号公報 参照)。
発明の開示
[0005] 上述したように、露光装置では、光路中にミラー型のビームスプリツターを配置し、こ のビームスプリツターからの反射光をモニター光として検出している。この場合、ビー ムスプリッタ一は、入射光の偏光状態に依存して反射率が変化するという偏光特性を 有する。したがって、ウェハに対する露光光量を露光中ほぼ一定に制御して良好な 露光を行うには、ビームスプリツターへの入射光の偏光状態を安定させる必要がある 。なお、後述するように、本発明者らは、本発明を完成させるにあたって、蛍石などの 光透過部材がレーザ光の照射を受けて射出光の偏光状態を変動させる特性を有す ることを発見した。
[0006] 本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、光路中に配置されたビームス プリツターへの入射光の偏光状態を安定させることができ、ひ 、てはビームスプリッタ 一からの反射光に基づいて露光光量を露光中ほぼ一定に制御して良好な露光を行 うことのできる露光装置、その製造方法、およびそれを用いた露光方法を提供するこ とを目的とする。
[0007] また、本発明は、たとえば ArFエキシマレーザ光源や KrFエキシマレーザ光源を用 V、る露光装置にお!、て、光路中に配置されたビームスプリツターへの入射光の偏光 状態の安定を実現することのできる光学系、およびその製造方法を提供することを目 的とする。
[0008] 本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、蛍石等の光透過部 材がレーザ光の照射を受けて射出光の偏光状態を変動させる特性を有することを発 見し、さらに所定の使用条件下においてレーザ光の照射前後における複屈折の変 動量が所定の範囲内にある光学材料からなる光学部材を用いることにより前記目的 が達成されることを見出し、本発明を完成するに至った。
[0009] そこで、本発明は、前記課題を解決する以下の光学系及びその製造方法、露光装 置及びその製造方法、並びにその露光装置を用いた露光方法を提供する。
[0010] < 1 > 250nm以下の波長を有する光を透過光として用いる光学系であって、 前記光に対して透過性を有する光学材料であって、 0. lmj/cm2/パルス一 150 mjZcm2Zパルスのエネルギ密度範囲および 0. 1kHz— 100MHzのパルス周波 数範囲における所定の使用条件下において、前記光が入射する前の初期状態の複 屈折と前記光が入射した後の平衡状態の複屈折との差が 3nmZcm以下である光 学材料からなる光学部材を配置した光学系。
[0011] < 2>前記光学材料からなる光学部材中の光路長の総和が、前記光学系を構成 する全光学部材中の光路長の総和の 70%以上である、 < 1 >に記載の光学系。
[0012] < 3 >前記光学材料は、フッ化物結晶、石英ガラスおよび水晶からなる群力 選択 される少なくとも一つである、く 1 >に記載の光学系。
[0013] く 4>前記フッ化物結晶は、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ 化ナトリウムおよびフッ化ストロンチウム力もなる群力も選択される少なくとも一つであ る、く 3 >に記載の光学系。
[0014] < 5 > 250nm以下の波長を有する光を用いてマスクを照明する照明光学系と、前 記マスクのパターン像を被露光基板上に投影露光する投影光学系とを備えた露光 装置であって、前記照明光学系及び Z又は前記投影光学系に、
前記光に対して透過性を有する光学材料であって、 0. lmjZcm2Zパルス一 150 mjZcm2Zパルスのエネルギ密度範囲および 0. 1kHz— 100MHzのパルス周波 数範囲における所定の使用条件下において、前記光が入射する前の初期状態の複 屈折と前記光が入射した後の平衡状態の複屈折との差が 3nmZcm以下である光 学材料からなる光学部材を配置した露光装置。
[0015] < 6 >前記光学材料からなる光学部材が配置された前記光学系にお 、て、前記光 学材料からなる光学部材中の光路長の総和が、前記光学系を構成する全光学部材 中の光路長の総和の 70%以上である、く 5 >に記載の露光装置。
[0016] < 7>前記光学材料は、フッ化物結晶、石英ガラスおよび水晶からなる群力 選択 される少なくとも一つである、 < 5 >に記載の露光装置。
[0017] く 8 >前記フッ化物結晶は、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ 化ナトリウムおよびフッ化ストロンチウム力もなる群力も選択される少なくとも一つであ る、 < 7>に記載の露光装置。
[0018] < 9 > 250nm以下の波長を有する光を透過光として用いる光学系の製造方法で あって、
前記光に対して透過性を有する光学材料であって、 0. lmjZcm2Zパルス一 150 mjZcm2Zパルスのエネルギ密度範囲および 0. 1kHz— 100MHzのパルス周波 数範囲における所定の使用条件下において、前記光が入射する前の初期状態の複 屈折と前記光が入射した後の平衡状態の複屈折との差が 3nmZcm以下である光 学材料カゝらなる光学部材を選別して準備する工程と、
前記光学材料からなる光学部材以外の、前記光学系に必要な諸部材を準備する 工程と、
前記光学系に必要な諸部材を、前記光学材料からなる光学部材と共に組み立てて 、前記光学材料からなる光学部材を配置した光学系を得る工程と、
を含む光学系の製造方法。
[0019] < 10>前記光学材料からなる光学部材中の光路長の総和が、前記光学系を構成 する全光学部材中の光路長の総和の 70%以上である、く 9 >に記載の光学系の製 造方法。
[0020] く 11 >前記光学材料は、フッ化物結晶、石英ガラスおよび水晶からなる群力 選 択される少なくとも一つである、 < 9 >に記載の光学系の製造方法。
[0021] < 12>前記フッ化物結晶は、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フ ッ化ナトリウムおよびフッ化ストロンチウム力もなる群力も選択される少なくとも一つで ある、く 11 >に記載の光学系の製造方法。
[0022] < 13 > 250nm以下の波長を有する光を用いてマスクを照明する照明光学系と、 前記マスクのパターン像を被露光基板上に投影露光する投影光学系とを備えた露 光装置の製造方法であって、
前記光に対して透過性を有する光学材料であって、 0. lmj/cm2/パルス一 150 mjZcm2Zパルスのエネルギ密度範囲および 0. 1kHz— 100MHzのパルス周波 数範囲における所定の使用条件下において、前記光が入射する前の初期状態の複 屈折と前記光が入射した後の平衡状態の複屈折との差が 3nmZcm以下である光 学材料カゝらなる光学部材を選別して準備する工程と、
前記光学材料からなる光学部材以外の、前記露光装置に必要な諸部材を準備す る工程と、
前記露光装置に必要な諸部材を、前記光学材料からなる光学部材と共に組み立 てて、前記照明光学系及び Z又は前記投影光学系に前記光学材料からなる光学部 材を配置した露光装置を得る工程と、
を含む露光装置の製造方法。
[0023] < 14 >前記光学材料からなる光学部材が配置された前記光学系において、前記 光学材料からなる光学部材中の光路長の総和が、前記光学系を構成する全光学部 材中の光路長の総和の 70%以上である、 < 13 >に記載の露光装置の製造方法。
[0024] < 15 >前記光学材料は、フッ化物結晶、石英ガラスおよび水晶からなる群力 選 択される少なくとも一つである、 < 13 >に記載の露光装置の製造方法。
[0025] < 16 >前記フッ化物結晶は、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フ ッ化ナトリウムおよびフッ化ストロンチウム力もなる群力も選択される少なくとも一つで ある、く 15 >に記載の露光装置の製造方法。
[0026] < 17 > < 5 >— < 8 >のうちの何れか一項に記載の露光装置を用いて、 250nm 以下の波長を有する光でマスクを照明し、前記マスクのパターン像を被露光基板上 に投影露光する露光方法。
[0027] 本発明においては、たとえばフッ化物結晶（蛍石）、石英ガラスまたは水晶により形 成される光学部材 (光透過部材)として、所定の使用条件下において照明光が入射 したときの複屈折の変動量が 3nmZcm以下である光学材料力 なる光学部材を用 いている。その結果、光学部材の複屈折変動に起因する偏光状態の変動を小さく抑 えることができるので、光路中に配置されたビームスプリツターへの入射光の偏光状 態を安定させることができ、ひいてはビームスプリツターからの反射光に基づいて露 光光量を露光中ほぼ一定に制御して良好な露光を行うことができる。
図面の簡単な説明
[0028] [図 1]図 1は、照射変動が発生する光学媒体中に、直線偏光の形でレーザー光が照 射された時の、媒体通過後の偏光状態の変化の様子を模式的に示す図である。
[図 2]図 2は、本発明にかかる光学材料の複屈折を評価するための実験系の好適な 一例を概略的に示す図である。
[図 3]図 3は、試料に全く複屈折が存在しない場合において入射直線偏光がそのまま 保存される状態を模式的に示す図である。
[図 4]図 4は、試料に初期状態の複屈折が存在する場合において入射直線偏光が楕 円偏光に変わる状態を模式的に示す図である。
[図 5]図 5は、試料における複屈折が変動して楕円偏光が変化した状態を模式的に 示す図である。
[図 6]図 6は、測定条件 (繰り返し周波数 Xフルエンス）と複屈折量 (レタデーシヨン）と の関係を示すグラフである。
[図 7]図 7は、本発明の光学系を備えた本発明の露光装置の好適な実施形態の構成 を概略的に示す図である。
[図 8]図 8は、 ArFエキシマレーザーを周波数 lkHz、フルエンス lOmjZcm2で連続 照射した結果、照射開始直後のセンサ出力に対する変動を％で表示したグラフであ る。
[図 9]図 9は、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法のフローチヤ ートである。
[図 10]図 10は、マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得る際の手法のフローチヤ ートである。
発明を実施するための最良の形態
[0029] 以下、本発明の好適な実施形態を、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
[0030] 先ず、本発明において用いる光学部材について詳細に説明する。すなわち、本発 明にお 、て用いる光学部材は、 250nm以下の波長を有する光に対して透過性を有 する光学材料であって、 0. lnijZcm2Zパルス一 150mjZcm2Zパルスのエネルギ 密度範囲および 0. 1kHz— 100MHzのパルス周波数範囲における所定の使用条 件下において、前記光が入射する前の初期状態の複屈折と前記光が入射した後の 平衡状態の複屈折との差が 3nmZcm以下である光学材料力 なる光学部材である 。なお、力かる光学部材の具体的な形態は特に制限されず、露光装置などの光学系 に用いられる種々の光透過性屈折部材 (レンズなど）として好適に用いられる。
[0031] 本発明者らは、上記の光学部材を用いて本発明を完成させるにあたって、フッ化物 結晶、石英ガラス、水晶などの光学材料 (光学媒体）における偏光状態の変動が、実 はこのような光学材料自体の複屈折の変動に起因していることを発見した。また、本 発明者らは、このような光学材料における複屈折の変動量には個体差があるものの、 現在入手可能なほぼ全ての光学材料においてこの複屈折の変動の現象が不可避 であり、ひいては偏光状態の変動の現象が不可避であることから、複屈折の変動量 が所定の範囲内にある光学材料を用いる必要があることを見出した。以下、このよう な本発明者らの知見、並びに本発明に力かる光学材料における複屈折の変動量に ついて詳細に説明する。
[0032] 光学材料 (光学媒体)に対する光 (レーザー光)照射に伴う複屈折の変動の主なメ 力二ズムは、照射光の媒体による吸収、吸収による発熱、発熱による熱膨張、熱膨張 に伴う内部応力状態の変動、そしてこの内部応力状態の変動に伴う応力複屈折の変 動であると本発明者らは推察する。つまり応力複屈折の変動量が、照射複屈折変動 の量であり、ここで評価すべき量である。この応力複屈折の変動にともない、レーザ 一光の媒体通過後の偏光状態に変動が発生してしまうことが、従来の偏光光学系に おける致命的な問題である。
[0033] 複屈折には大きく分けて、構造自体の対称性に起因する複屈折、応力複屈折、固 有複屈折、電界印加に伴う複屈折等が存在する。通常光学部材 (光学素子）におい て複屈折現象を意図的に利用する場合に用いられるのが構造自体の対称性に起因 する複屈折であり、結晶であれば等軸晶系以外の全ての結晶に存在する。また固有 複屈折は、結晶のもつ繰り返し構造に起因するものであり、一般的には吸収端波長 に近づかない限り、全く問題にならない量の複屈折である。上述の 2つの複屈折が、 その光学媒体が理想的な状態であっても存在する本質的な複屈折であるのに対し、 応力複屈折は光学媒体内部に残留応力が存在する場合、あるいは外因的な理由で 応力が発生してしまった場合に誘起される複屈折である。これは、ガラスであれば完 全な等方体であること、あるいは結晶であれば原子配列が完全に理想的な完全結晶 であることという光学媒体の理想状態からの、ズレによって生じる複屈折であり、ズレ による対称性の低下の仕方に応じて、複屈折の出現の仕方も異なってくる。
[0034] 現実的に入手可能な光学媒体は、必ずある程度の残留応力が存在しており、構造 的には複屈折が存在しないはずの光学媒体であっても、ある程度の量の応力複屈 折は観察される。また、光学媒体に蛍石のような結晶材料を利用する場合には、入 射光の進む結晶方位に応じた固有複屈折も、応力複屈折と合成された力 ちで載つ てくる。これらは、照射による複屈折変動とは無関係な、あらかじめ存在する複屈折で あり、本発明にお 、ては「 (光が入射する前の)初期状態の複屈折」 、う。
[0035] このような光学媒体に対し、例えば露光装置で利用される照射パワー密度の極め て高い 193nmエキシマレーザー光を照射した場合、前述のメカニズムにより、光学 媒体中の応力状態に変動が発生する。ここで言う照射パワー密度とは、照射レーザ 一のフルエンスと繰り返し周波数の積で決まる量である。このような複屈折の変動は、 照射開始後、概ね 10秒一数 10秒程度の間に発生し、その後飽和して安定ィ匕する。 これは、光学媒体の吸収発熱と冷却のバランスによる内部応力状態の新しい平衡状 態への移行と考えられる。この新しい平衡状態は、照射レーザーのフルエンスと繰り 返し周波数により決まり、複屈折量 (レタデーシヨン)の変動量で定量する限り、比例 の関係にあることを本発明者らが確認した。このように光の照射開始後に飽和して安 定化した複屈折を、本発明にお ヽては「 (光が入射した後の)平衡状態の複屈折」と いう。
[0036] また、このような新しい平衡状態の複屈折は、レーザー照射を止めると急速に初期 状態の複屈折の状態に戻っていき、数 10秒でほとんど回復することも本発明者らが 確認している。
[0037] 複屈折はレタデーシヨン量と進相軸方向で評価される。照射による複屈折変動では 、初期状態の複屈折の進相軸方向にっ 、ては一般に保存されることが確認されてお り、照射によるレタデーシヨンの変動量を評価することができれば、変動後の複屈折 の状態を知ることができる。また、前述の通り、レタデーシヨンの変動量は照射レーザ 一のフルエンスと繰り返し周波数の両方に比例する（つまり照射パワー密度に比例す る）ことから、一定の照射条件における変動量を把握していれば、それ以外の条件に おける挙動も予測することが可能である。
[0038] 初期状態の複屈折が、照射変動により新しい平衡状態の複屈折に移る様子を図 1 に表す。図 1は、照射変動が発生する光学媒体中に、直線偏光の形でレーザー光が 照射された時の、媒体通過後の偏光状態の変化の様子を模式的に示したものである 。図 1では、光学媒体の初期状態の複屈折の進相軸に対して角度 φで直線偏光が 照射されている。この直線偏光は、光学媒体中で進相軸方向の固有偏光成分と遅 走軸方向の固有偏光線分に分解され媒体中を進む。その結果、 2つの偏光成分の 屈折率の差により、両者の間に光路長に比例した位相差が発生し、光学媒体から出 てきた光は図 1に示すような楕円偏光になっていると本発明者らは推察する。
[0039] ここで、照射されたレーザー光が非常に低エネルギー密度であり、光学媒体の吸収 発熱に全く影響を与えな力つたとした場合の楕円偏光が、図 1に示された初期状態 の複屈折による楕円偏光である。つまり、照射直後の、吸収による熱応力が発生する 前の偏光状態である。しかし、照射されるレーザー光が大きな複屈折変動を誘起す るに十分な照射パワー密度を有する場合には、照射開始と同時に媒体の複屈折は 飽和状態に向力つて変化していく。この間進相軸方向が変わらないとすると、レタデ ーシヨン量の変動だけが進行することになり、光学媒体通過後の楕円偏光はそれに 合わせて随時変化していくことになる。そして新しい平衡状態になったところでレタデ ーシヨンの変動も止まり、楕円偏光のかたちも固定されることになる。これが図 1中に 示す変動後の楕円偏光である。
[0040] このような複屈折（レタデーシヨン）の変動量は、初期状態におけるレタデーシヨンと 、照射後の新しい平衡状態におけるレタデーシヨンの差として評価される。初期状態 の複屈折とは、照射による吸収発熱が全くない状態での応力複屈折と固有複屈折の 合成である。このうち固有複屈折は照射レーザー光の影響は受けないが、応力複屈 折は照射パワー密度に応じた照射レーザー光の影響を受けてしまう。しかし、レタデ ーシヨンの評価のためには例えば 193nmのレーザー光を使う必要があり、この影響 を完全に排除することはできない。そこで初期状態の複屈折に相当するレタデーショ ンの決定は、照射パワー密度 (横軸）に対するレタデーシヨン測定値 (縦軸）のプロット を結んだ直線の Y切片 (パワー密度 0の時に予想されるレタデーシヨン)力も求められ る。なお、このような初期状態の複屈折は、少なくとも 100Hz— 1. 4kHzの範囲内に おいて数点の測定を行うことにより求めることができる。
[0041] 本発明にかかる光学材料 (光学媒体)の複屈折を評価するための測定装置 (実験 系）の好適な一例を図 2に示す。図 2に示す評価システムは、 ArFエキシマレーザー 光源 21、偏光子 22、回転試料ホルダー 23、検光子 24、 1stセンサー 25、 2ndセン サー 26からなり、光学系は全て窒素置換可能なチャンバ一（図示せず）中に組まれ ている。
[0042] ArFエキシマレーザー光源 21は、ギガフォトン製 G20A2—1Fであり、照射レーザ 一光 (ArF光線 L )の波長は 193nm、繰り返し周波数は 100Hz— 1. 4kHzである。 また、検光子 24と偏光子 22にはプレートボラライザ一を使用し、偏光子 22は ArF光 線 Lの偏光方向（図では横偏光）と平行になるように配置し、レーザー光の直線偏光 性を高めている。この時の消光比は 1Z5000未満である。さらに、検光子 24は、偏 光子 22に対して直交、つまりクロス-コルの関係になるように配置してある。この時、 プレートボラライザ一である検光子 24は、偏光ビームスプリツターと同様の働きを持ち 、偏光子 22と平行な偏光成分（図では横偏光）の ArF光線 Lを 1stセンサー 25へ、
2
また偏光子 22と垂直な偏光成分（図では縦偏光）の ArF光線 Lを 2ndセンサー 26
3
へと導く。
[0043] また、評価する光学材料 (評価試料） 27は、 2面研磨してあり、偏光子 22と検光子 2 4の間にある回転試料ホルダー 23にセットされる。そして、回転試料ホルダー 23を回 転（図中、矢線 28で示す)させることで、試料 27の進相軸と偏光子 22、検光子 24の 成す角度がともに 45° になるようにセッティングを行う。
[0044] 次に、上記測定装置を用いて本発明にかかる光学材料の複屈折の変動量を測定 する原理を図 3—図 5に示す。すなわち、先ず、偏光子 22により照射レーザー光 (Ar F光線 L )は直線偏光のかたちで試料 27の進相軸に対して 45° の方向に振動面を 持つように照射される。この時、試料 27に全く複屈折が存在しないのであれば、直線 偏光は直線偏光のまま保存され、光は全て 1stセンサー 25に導かれることになる（図 3)。すなわち、入射直線偏光はそのまま保存され、 1stセンサー 25で 100%検出さ れ、 2ndセンサー 26に出力は現れない。
[0045] しかし、実際の試料 27では、量の差こそあれ、ある程度の複屈折 (応力複屈折 +固 有複屈折)、つまり初期状態の複屈折が存在するため、入射直線偏光は楕円偏光に 変換される（図 4)。このため、 2ndセンサー 26に信号が検出されるようになるとともに 、 1stセンサー 25の出力が減少する。この時、 1stセンサー 25と 2ndセンサー 26との 出力の比は、位相差が πを越えない範囲では、試料 27のレタデーシヨンの大きさに より下記式（1)により一義的に決定される。 式 1
[0046]
^ 2
[0047] 式（1)中、 Pは 1stセンサー 25の出力、 Pは 2ndセンサー 26の出力、 δは位相差
1 2
であり、複屈折 (レタデーシヨン）との関係は下記式（2)で表される。
式 2
Figure imgf000013_0001
[0049] 式（2)中、 Rは複屈折（レタデーシヨン）、 λはレーザーの波長（ここでは 193nm)で ある。さらにレーザー照射後は複屈折変動によりレタデーシヨンの大きさが変化し、そ れと同時に楕円偏光の形状も変化する（図 5)。そして、それに伴って 1stセンサー 25 と 2ndセンサー 26との出力の比も変化する。したがって、この時の出力比から変動後 の平衡状態の複屈折 (レタデーシヨン)が計算され、これと初期状態の複屈折 (レタデ ーシヨン）との差が照射による複屈折変動の大きさを表す量として求められる。
[0050] このようにして求められた複屈折変動によるレタデーシヨンの変動量が大き ヽと 、う ことは、複屈折変動にともなう偏光状態の変化が大きいことを意味しており、偏光光学 系に与える影響が大きいことを意味することを本発明者らは見出した。そして、偏光 光学系において、直接問題になるのは偏光状態の変化の度合いであり、それはレタ デーシヨンの変動量の他に、光学媒体の進相軸方向と入射光線の振動方向の幾何 学的関係が影響してくる。しかし、複屈折変動という現象における光学媒体自体の固 有の物理量はレタデーシヨンの変動量であり、よってこれが光学材料 (光学媒体）の 選別の指標として本発明にお 、て用いられる。
[0051] 次に、実際に上記測定装置を用いて光学材料 (試料 1一 4)の複屈折の変動量を測 定した例について説明する。すなわち、図 2に示す測定装置を用いて、（繰り返し周 波数 Xフルエンス）の値が 20mW/cm2以下の範囲で 193nmエキシマレーザー光 を試料 1一 4に照射した。そして、図 3—図 5に示す原理に基づいて測定を行い、前 記式（ 1)及び式 (2)により試料 1一 4における複屈折量 (レタデーシヨン)を計算した。 得られた結果を図 6に示す。
[0052] 図 6においては、各試料について、測定条件 (繰り返し周波数 Xフルエンス）毎の 複屈折量 (レタデーシヨン）がプロットされている。そして、前述の通り、複屈折の変動 量（レタデーシヨンの変動量）は繰り返し周波数とフルエンスとの積に比例することか ら、各試料のプロットは直線で結ぶことができ、その Y切片から初期状態の複屈折が 求められた。したがって、特定の使用条件下における複屈折の変動量 (レタデーショ ンの変動量）は、その使用条件（図 6中、矢線で示す）におけるレタデーシヨンと Y切 片のレタデーシヨンとの差の値として求められた。
[0053] このようにして、図 6に示す試料 1および試料 4の複屈折の変動量（レタデーシヨン の変動量）はそれぞれ 6. 2nmZcm、 0. 8nmZcmであることが求められた。したが つて、複屈折の変動量が試料 4は 3nmZcm以下であること力も本発明に力かる光学 材料として用いることができる力 試料 1は 3nm/cmを超えること力ゝら本発明にかか る光学材料として用いることはできな 、ことが確認された。
[0054] 本発明にお 、て用いる光学部材は、以上のようにして求められる初期状態の複屈 折と平衡状態の複屈折との差 (複屈折の変動量)が、 250nm以下の波長範囲、 0. 1 mjZcm2Zパルス一 150mjZcm Zパルスのエネルギ密度範囲および 0. 1kHz— 100MHzのパルス周波数範囲における所定の使用条件下において、 3nmZcm以 下（より好ましくは InmZcm以下）のものである。
[0055] 上記の複屈折の変動量が 3nmZcmを超える光学材料力 なる光学部材を用いる と、光学部材の複屈折変動に起因する偏光状態の変動が大きくなり、後述する露光 装置において光路中に配置されたビームスプリツターへの入射光の偏光状態が不安 定となり、ビームスプリツターからの反射光に基づいて露光光量を一定に制御するこ とが困難となる。
[0056] なお、本発明における所定の使用条件は、 250nm以下 (より好ましくは 150— 250 nm)の波長範囲、 0. lmjZcm2Zパルス一 150mjZcm2Zパルスのエネルギ密度 範囲、および（より好ましくは 0. 1kHz— 10MHz)のパルス周波数範囲である。ここ で、 0. lmjZcm2Zノ ルスは投影光学系中の光透過部材を想定したときの値であり 、 150mjZcm2Zパルスは蛍石の材料としての限界値である。また、 0. 1kHzのパル ス周波数は露光装置におけるスループットを考慮した限界値であり、 100MHzのパ ルス周波数は固体レーザ光源を想定したときの値である。
[0057] ちなみに、実際の周波数上限値はレーザ光源の種類によって異なるが、固体レー ザ光源を想定したときのパルス周波数の上限値は 100MHz程度であり、エキシマレ 一ザ光源を想定したときのパルス周波数の上限値は 10kHz程度であり、現状のェキ シマレーザ光源を想定したときのパルス周波数の上限値は 8kHz程度である。
[0058] 次に、本発明の光学系を備えた本発明の露光装置の好適な実施形態、並びにそ の本発明の露光装置を用いた本発明の露光方法の好適な実施形態について説明 する。
[0059] 図 7は、本発明の光学系を備えた本発明の露光装置の好適な実施形態の構成を 概略的に示す図である。図 7を参照すると、本実施形態の露光装置は、露光光 (照明 光）を供給するための光源 1を備えている。光源 1として、たとえば約 193nmの波長 を有する光を供給する ArFエキシマレーザ光源や約 248nmの波長を有する光を供 給する KrFエキシマレーザ光源などを用いることができる。
[0060] 光源 1から射出されたほぼ平行な光束は、周知の構成を有するビーム送光系 2を介 して所定の矩形状の断面を有する光束に整形された後、ビーム形状可変部 3に入射 する。ビーム送光系 2は、入射光束を適切な大きさおよび形状の断面を有する光束 に変換しつつビーム形状可変部 3へ導くとともに、後段のビーム形状可変部 3へ入射 する光束の位置変動および角度変動をアクティブに補正する機能を有する。
[0061] ビーム形状可変部 3を介した光束は、マイクロレンズアレイ（またはフライアイレンズ） 4に入射する。ビーム形状可変部 3は、たとえば回折光学素子や変倍光学系などを 含み、マイクロレンズアレイ 4の入射面に形成される照野の大きさおよび形状を、ひい てはマイクロレンズアレイ 4の後側焦点面（照明瞳面）に形成される面光源の大きさお よび形状を変化させる機能を有する。
[0062] 一方、マイクロレンズアレイ 4は、たとえば縦横に且つ稠密に配列された多数の正屈 折力を有する微小レンズからなる光学素子であり、平行平面板にエッチング処理を 施して微小レンズ群を形成することによって構成される。ここで、マイクロレンズアレイ を構成する各微小レンズは、フライアイレンズを構成する各レンズエレメントよりも微小 である。
[0063] また、マイクロレンズアレイは、互いに隔絶されたレンズエレメントからなるフライアイ レンズとは異なり、多数の微小レンズ (微小屈折面）が互いに隔絶されることなく一体 的に形成されている。しかしながら、レンズ要素が縦横に配置されている点でマイクロ る。なお、マイクロレンズアレイ 4に代えて、回折光学素子や角柱状のロッド型インテ グレータのようなオプティカルインテグレータを用いることもできる。
[0064] マイクロレンズアレイ 4に入射した光束は多数の微小レンズにより二次元的に分割さ れ、光束が入射した各微小レンズの後側焦点面には光源がそれぞれ形成される。こ うして、マイクロレンズアレイ 4の後側焦点面には、多数の光源力もなる実質的な面光 源（以下、「二次光源」という）が形成される。マイクロレンズアレイ 4の後側焦点面に形 成された二次光源力もの光束は、ビームスプリツター 5aおよびコンデンサー光学系 6 を介した後、マスクブラインド 7を重畳的に照明する。
[0065] こうして、照明視野絞りとしてのマスクブラインド 7には、マイクロレンズアレイ 4を構成 する各微小レンズの形状と焦点距離とに応じた矩形状の照野が形成される。マスクブ ラインド 7の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系 8の集光作用 を受けた後、所定のパターンが形成されたマスク（レチクル) Mを重畳的に照明する。 こうして、結像光学系 8は、マスクブラインド 7の矩形状開口部の像をマスク M上に形 成すること〖こなる。
[0066] マスク Mのパターンを透過した光束は、投影光学系 PLを介して、感光性基板であ るウェハ W上にマスクパターンの像を形成する。こうして、投影光学系 PLの光軸 AXと 直交する平面内においてウェハ Wを二次元的に駆動制御しながら一括露光またはス キャン露光を行うことにより、ウェハ Wの各露光領域にはマスク Mのパターンが逐次露 光される。
[0067] 本実施形態の露光装置は、ビームスプリツター 5aを介して照明光路外へ取り出され た光に基づ 、て照明光 (露光光)の光量 (光強度)を検出するための光量モニター 5 を備えている。光量モニター 5は、ビームスプリツター 5aからの反射光を光検出器 5b により検出し、光検出器 5bの出力を制御部 10に供給する。なお、光量モニター 5で は、マイクロレンズアレイ 4とコンデンサー光学系 6との間の光路に限定されることなく 、他の適当な光路力 取り出された光に基づいて光量を検出することもできる。
[0068] 制御部 10は、光量モニター 5の検出結果に基づいて光源 1の出力を制御する。す なわち、制御部 10は、光量モニター 5において検出した光強度の変動に応じて光源 1の発光出力を調整することにより、ウェハ Wに対する露光光量が露光中ほぼ一定に なるように制御する。また、制御部 10は、マスク Mのパターン特性 (微細度、方向性な ど）に応じて、ビーム形状可変部 3の動作を制御する。
[0069] 前述したように、光源 1として例えば ArFエキシマレーザ光源を用いる場合、レンズ や平行平面板などのような光透過部材に蛍石を用いて所要の透過率および耐久性 を確保するのが一般的である。し力しながら、最近、本願発明者は、蛍石が、レーザ 光の照射を受けて射出光の偏光状態を変動させる特性を有することを発見した。特 に、真空紫外域での高出力レーザ光の照射を受ける際に、蛍石による偏光状態の変 動が顕著である。
[0070] 具体的には、レーザ光の照射開始力 数十秒間の間に蛍石を通過した光の偏光 状態が徐々に変動し、その後に射出光の偏光状態がほぼ定常状態に落ち着く。また 、蛍石による偏光状態の変動は、レーザ光の照射を停止すると数十秒間で概ね復元 するものである。したがって、蛍石へのレーザ照射と照射停止とを繰り返す場合、レ 一ザ照射を開始する度に蛍石を介した光の偏光状態の変動が発生することになり、 ひいてはビームスプリツター 5aへの入射光の偏光状態が変動することになる。
[0071] 光量モニター 5では、ビームスプリツター 5aへの入射光の偏光状態が変動すると、 ビームスプリツター 5aの偏光特性により反射率が変化 (反射光の偏光成分の比率が 変化)し、光検出器 5bに達する反射光の強度も変化する。その結果、光源 1の出力 が変化しなくても蛍石による偏光状態の変動に起因して光量モニター 5の検出結果 が変動することになり、光量モニター 5の検出結果に基づいてウェハ Wに対する露光 光量を露光中ほぼ一定に制御することができなくなる。
[0072] 前述のように、本発明者らは、種々の実験および研究の結果、蛍石などの光学部 材における偏光状態の変動が、実は蛍石などの光学材料自体の複屈折の変動に起 因していることを発見した。また、本発明者らは、蛍石などの光学材料における複屈 折の変動量には個体差があるものの、現在入手可能なほぼ全ての蛍石結晶などの 光学材料において、この複屈折の変動の現象が不可避であり、ひいては偏光状態の 変動の現象が不可避であることを見出した。
[0073] そこで、本実施形態における露光装置において、蛍石により形成すべき光透過部 材として、複屈折の変動量が lnmZcm、 2nm/cm, 4nmZcmの蛍石をそれぞれ 用いた場合における光検出器 5bにおける出力変動を測定した。得られた結果を図 8 に示す。すなわち、図 8は、 ArFエキシマレーザーを周波数 lkHz、フルエンス 10mJ Zcm2で連続照射した結果、照射開始直後のセンサ出力に対する変動を％で表示 したグラフである。
[0074] 図 8を参照すると、複屈折の変動量が InmZcmまたは 2nmZcmの蛍石を用いた ときの光検出器 5bにおける出力変動は比較的小さぐ光量モニター 5において正常 な検出を行うことができるので、その正常な検出結果に基づいてウェハ Wに対する露 光光量を露光中ほぼ一定に制御することができることが確認された。一方、複屈折の 変動量力 nmZcmの蛍石を用いたときの光検出器 5bにおける出力変動は初期的 に大きく発生し、光量モニター 5において正常な検出を行うことができないため、ゥェ ハ Wに対する露光光量を露光中ほぼ一定に制御することができないことが確認され た。
[0075] 本実施形態では、上述の知見に基づき、実用可能なレベルの露光光量制御を実 現するために、光源 1とビームスプリツター 5aとの間の光路中に配置されて蛍石により 形成すべき光透過部材に、使用条件下において照明光が入射したときの複屈折の 変動量が 3nmZcm以下である蛍石を用いている。こうして、本実施形態では、蛍石 の複屈折変動に起因する偏光状態の変動を小さく抑えることができるので、ビームス プリツター 5aへの入射光の偏光状態を安定させることができる。その結果、蛍石によ る偏光状態の変動に起因して光量モニター 5の検出結果がほとんど変動することなく 、光量モニター 5の正常な検出結果に基づいてウェハ Wに対する露光光量を露光中 ほぼ一定に制御することができ、ひ ヽては良好な露光を行うことができる。
[0076] なお、使用条件は、前述のように、 250nm以下の波長範囲、 0. lmjZcm2/パル スー 150nijZcm2Zパルスのエネルギ密度（フルエンス）範囲、および 0. 1kHz— 1 00MHzのパルス周波数範囲である。
[0077] なお、上述の説明では、ビームスプリツター 5aへの入射光の偏光状態を安定させる という観点から、光源 1とビームスプリツター 5aとの間の光路中に配置されて蛍石によ り形成すべき光透過部材に着目している。し力しながら、前述したように、ビームスプ リツター 5aの配置位置については様々な変形例が可能である。また、一般に、露光 装置において光の偏光状態が変動することは、種々の観点力 好ましくない現象で ある。したがって、配置位置にかかわらず、蛍石により形成すべき光透過部材に複屈 折の変動量の小さ 、蛍石を用いることが好まし 、。
[0078] また、上述の説明では、蛍石により形成すべき光透過部材に着目している。しかし ながら、蛍石に限定されることなぐたとえばフッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナ トリウム、フッ化ストロンチウムなどのフッ化物結晶のような他の適当な光学材料につ いても同様に本発明を適用することができる。
[0079] さらに、本発明にかかる光学材料はフッ化物結晶に限定されるものではなぐ石英 ガラスや水晶を使用することが可能であり、フッ化物結晶、石英ガラスおよび水晶から なる光学部材を組み合わせて用いてもょ 、。
[0080] また、上述の実施形態では、光源として KrFエキシマレーザ光源または ArFエキシ マレーザ光源を用いている力 これに限定されることなぐたとえば F
2レーザ光源のよ うな他の適当な光源に対して本発明を適用することもできる。
[0081] また、上述の説明では、蛍石などのフッ化物結晶材料により形成された光透過部材 を透過する光の偏光状態の変化を回避するために、当該フッ化物結晶材料の複屈 折の変動量を所定の範囲内に設定している。この手法に加えて、フッ化物結晶材料 により形成された光透過部材を、たとえば米国特許公開 US2002Z0163741 A号（ あるいは WO02Z 16993号公報）に開示される手法を用 ヽてキネマティックに保持し ても良い。これにより、当該フッ化物結晶材料の複屈折変動をさらに小さくすることが 可能となる。
[0082] また、上述の実施形態において、投影光学系と感光性基板との間の光路中を 1. 1 よりも大きな屈折率を有する媒体 (典型的には液体)で満たす手法、所謂液浸法を適 用しても良い。
[0083] さらに、本発明の光学系、並びに本発明の露光装置においては、そこに配置される 全ての光学部材が前記本発明にかかる光学材料力もなる光学部材である必要はな ぐ前記光学材料からなる光学部材中の光路長の総和が、前記光学系を構成する全 光学部材中の光路長の総和の 70%以上であることが好ましぐ 80%以上であること 力 り好ましぐ 90%以上であることが特に好ましい。
[0084] また、本発明の露光装置においては、本発明の光学系を投影光学系に採用しても 良ぐ照明光学系と投影光学系との双方に採用してもよい。
[0085] さらに、本発明の光学系を適用する対象は露光装置に限定されず、 250nm以下 の波長を有する光を用いる各種の検査装置や測定装置などにも好適に採用される。
[0086] 上述の実施形態に力かる露光装置では、照明光学装置によってマスク（レチクル） を照明し (照明工程)、投影光学系を用いてマスクに形成された転写用のパターンを 感光性基板に露光する（露光工程)ことにより、マイクロデバイス（半導体素子、撮像 素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等)を製造することができる。以下、上述の実 施形態の露光装置を用いて感光性基板としてのウェハ等に所定の回路パターンを形 成することによって、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法の一例 にっき図 9のフローチャートを参照して説明する。
[0087] 先ず、図 9のステップ 301において、 1ロットのウェハ上に金属膜が蒸着される。次の ステップ 302において、その 1ロットのウェハ上の金属膜上にフォトレジストが塗布され る。その後、ステップ 303において、上述の実施形態の露光装置を用いて、マスク上 のパターンの像がその投影光学系を介して、その 1ロットのウェハ上の各ショット領域 に順次露光転写される。その後、ステップ 304において、その 1ロットのウェハ上のフ オトレジストの現像が行われた後、ステップ 305において、その 1ロットのウェハ上でレ ジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって、マスク上のパターンに対 応する回路パターン力 各ウェハ上の各ショット領域に形成される。その後、更に上の レイヤの回路パターンの形成等を行うことによって、半導体素子等のデバイスが製造 される。上述の半導体デバイス製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有 する半導体デバイスをスループット良く得ることができる。 [0088] また、上述の実施形態の露光装置では、プレート (ガラス基板)上に所定のパターン (回路パターン、電極パターン等）を形成することによって、マイクロデバイスとしての 液晶表示素子を得ることもできる。以下、図 10のフローチャートを参照して、このとき の手法の一例につき説明する。図 10において、パターン形成工程 401では、上述の 実施形態の露光装置を用いてマスクのパターンを感光性基板 (レジストが塗布された ガラス基板等）に転写露光する、所謂光リソグラフィー工程が実行される。この光リソ グラフィー工程によって、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターンが形 成される。その後、露光された基板は、現像工程、エッチング工程、レジスト剥離工程 等の各工程を経ることによって、基板上に所定のパターンが形成され、次のカラーフ ィルター形成工程 402へ移行する。
[0089] 次に、カラーフィルター形成工程 402では、 R (Red)、 G (Green)、 B (Blue)に対応し た 3つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、または R、 G、 Bの 3本のストラ イブのフィルターの組を複数水平走査線方向に配列したカラーフィルターを形成する 。そして、カラーフィルター形成工程 402の後に、セル組み立て工程 403が実行され る。セル組み立て工程 403では、パターン形成工程 401にて得られた所定パターン を有する基板、およびカラーフィルター形成工程 402にて得られたカラーフィルター 等を用いて液晶パネル (液晶セル)を組み立てる。
[0090] セル組み立て工程 403では、例えば、パターン形成工程 401にて得られた所定パ ターンを有する基板とカラーフィルター形成工程 402にて得られたカラーフィルターと の間に液晶を注入して、液晶パネル (液晶セル)を製造する。その後、モジュール組 み立て工程 404にて、組み立てられた液晶パネル (液晶セル）の表示動作を行わせ る電気回路、バックライト等の各部品を取り付けて液晶表示素子として完成させる。上 述の液晶表示素子の製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する液晶 表示素子をスループット良く得ることができる。
[0091] 次に、本発明の光学系および露光装置の製造方法について説明する。
[0092] 本発明の光学系の製造方法は、 250nm以下の波長を有する光を透過光として用 いる光学系の製造方法であって、
(0前記本発明にかかる光学材料カゝらなる光学部材を選別して準備する工程と、 (ii)前記光学材料からなる光学部材以外の、前記光学系に必要な諸部材を準備する 工程と、
(m)前記光学系に必要な諸部材を、前記光学材料からなる光学部材と共に組み立て て、前記光学材料からなる光学部材を配置した光学系を得る工程と、
を含む方法である。
[0093] また、本発明の露光装置の製造方法は、 250nm以下の波長を有する光を用いて マスクを照明する照明光学系と、前記マスクのパターン像を被露光基板上に投影露 光する投影光学系とを備えた露光装置の製造方法であって、
(0前記本発明にかかる光学材料カゝらなる光学部材を選別して準備する工程と、
(ii)前記光学材料からなる光学部材以外の、前記露光装置に必要な諸部材を準備す る工程と、
(iii)前記露光装置に必要な諸部材を、前記光学材料からなる光学部材と共に組み立 てて、前記照明光学系及び Z又は前記投影光学系に前記光学材料からなる光学部 材を配置した露光装置を得る工程と、
を含む方法である。
[0094] ここで、前記本発明にかかる光学材料からなる光学部材を選別する具体的な方法 は、前述の通りである。また、前記本発明にかかる光学材料からなる光学部材以外の 光学系または露光装置に必要な諸部材は特に制限されず、本発明を適用する光学 系または露光装置に一般的に使用される種々の部材が適宜用いられる。また、この ような光学系または露光装置に必要な諸部材を、前記本発明にかかる光学材料から なる光学部材と共に組み立てる方法も特に制限されず、光学系または露光装置を組 み立てる一般的な方法が適宜採用される。
[0095] また、本発明は、レチクルとウェハとを同期移動してレチクルのパターンを露光する ステップ'アンド'スキャン方式の走査型投影露光装置 (米国特許 5, 473, 410号）、 いわゆるスキャニング'ステッパーのみならず、レチクルとウェハとを静止した状態でレ チクルのパターンを露光し、ウェハを順次ステップ移動させるステップ ·アンド ·リビー ト方式の露光装置 (ステッパー）にも適用することができる。
[0096] また、本発明はツインステージ型の露光装置にも適用できる。ツインステージ型の 露光装置の構造及び露光動作は、例えば特開平 10 - 163099号及び特開平 10 - 2 14783号（対応米国特許 6, 341, 007号、 6, 400, 441号、 6, 549, 269号及び 6 , 590,634号）、特表 2000— 505958号（対応米国特許 5, 969, 441号）あるいは 米国特許 6, 208, 407号【こ開示されて!ヽる。
[0097] さらに、本発明は、投影光学系と被露光物との間に局所的に液体を満たす液浸露 光装置や、露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動させる液浸露光 装置や、ステージ上に所定深さの液体槽を形成しその中に基板を保持する液浸露 光装置にも適用可能である。露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動 させる液浸露光装置の構造及び露光動作については、例えば特開平 6— 124873号 に、ステージ上に所定深さの液体槽を形成してその中に基板を保持する液浸露光装 置については、例えば特開平 10— 303114号や米国特許 5, 825, 043号にそれぞ れ開示されている。
[0098] 以上説明したように、本発明の露光装置及びその製造方法においては、前記本発 明に力かる光学材料力 なる光学部材を選別して配置されて 、ればよく、それ以外 の構成は特に制限されない。本発明の露光装置及びその製造方法に適用可能な構 成が記載されている上記の米国特許 5, 473, 410号、米国特許 6, 341, 007号、米 国特許 6, 400, 441号、米国特許 6, 549, 269号、米国特許 6, 590,634号、米国 特許 5, 969, 441号、米国特許 6, 208, 407号及び米国特許 5, 825, 043号、並 びに、特開平 10-163099号、特開平 10-214783号、特開平 6— 124873号、特開 平 10— 303114号及び特表 2000— 505958号は、参考文献としてこの明細書中に 組み込まれる。
産業上の利用可能性
[0099] 以上説明したように、本発明によれば、 ArFエキシマレーザ光源や KrFエキシマレ 一ザ光源などを用いる露光装置にぉ 、て、光路中に配置されたビームスプリツター への入射光の偏光状態を安定させることができ、ひ 、てはビームスプリツターからの 反射光に基づいて露光光量を露光中ほぼ一定に制御して良好な露光を行うことので きる光学系、露光装置、並びにそれらの製造方法を提供することが可能となる。

Claims

請求の範囲
[1] 250nm以下の波長を有する光を透過光として用いる光学系であって、
前記光に対して透過性を有する光学材料であって、 0. lmjZcm2Zパルス一 150 mjZcm2Zパルスのエネルギ密度範囲および 0. 1kHz— 100MHzのパルス周波 数範囲における所定の使用条件下において、前記光が入射する前の初期状態の複 屈折と前記光が入射した後の平衡状態の複屈折との差が 3nmZcm以下である光 学材料からなる光学部材を配置した光学系。
[2] 前記光学材料からなる光学部材中の光路長の総和が、前記光学系を構成する全 光学部材中の光路長の総和の 70%以上である、請求項 1に記載の光学系。
[3] 前記光学材料は、フッ化物結晶、石英ガラスおよび水晶からなる群力 選択される 少なくとも一つである、請求項 1に記載の光学系。
[4] 前記フッ化物結晶は、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナト リウムおよびフッ化ストロンチウム力もなる群力も選択される少なくとも一つである、請 求項 3に記載の光学系。
[5] 250nm以下の波長を有する光を用いてマスクを照明する照明光学系と、前記マス クのパターン像を被露光基板上に投影露光する投影光学系とを備えた露光装置で あって、前記照明光学系及び Z又は前記投影光学系に、
前記光に対して透過性を有する光学材料であって、 0. lmj/cm2/パルス一 150 mjZcm2Zパルスのエネルギ密度範囲および 0. 1kHz— 100MHzのパルス周波 数範囲における所定の使用条件下において、前記光が入射する前の初期状態の複 屈折と前記光が入射した後の平衡状態の複屈折との差が 3nmZcm以下である光 学材料からなる光学部材を配置した露光装置。
[6] 前記光学材料からなる光学部材が配置された前記光学系にお!、て、前記光学材 料からなる光学部材中の光路長の総和が、前記光学系を構成する全光学部材中の 光路長の総和の 70%以上である、請求項 5に記載の露光装置。
[7] 前記光学材料は、フッ化物結晶、石英ガラスおよび水晶からなる群力 選択される 少なくとも一つである、請求項 5に記載の露光装置。
[8] 前記フッ化物結晶は、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナト リウムおよびフッ化ストロンチウム力もなる群力も選択される少なくとも一つである、請 求項 7に記載の露光装置。
[9] 250nm以下の波長を有する光を透過光として用いる光学系の製造方法であって、 前記光に対して透過性を有する光学材料であって、 0. lmj/cm2/パルス一 150 mjZcm2Zパルスのエネルギ密度範囲および 0. 1kHz— 100MHzのパルス周波 数範囲における所定の使用条件下において、前記光が入射する前の初期状態の複 屈折と前記光が入射した後の平衡状態の複屈折との差が 3nmZcm以下である光 学材料カゝらなる光学部材を選別して準備する工程と、
前記光学材料からなる光学部材以外の、前記光学系に必要な諸部材を準備する 工程と、
前記光学系に必要な諸部材を、前記光学材料からなる光学部材と共に組み立てて 、前記光学材料からなる光学部材を配置した光学系を得る工程と、
を含む光学系の製造方法。
[10] 前記光学材料からなる光学部材中の光路長の総和が、前記光学系を構成する全 光学部材中の光路長の総和の 70%以上である、請求項 9に記載の光学系の製造方 法。
[11] 前記光学材料は、フッ化物結晶、石英ガラスおよび水晶からなる群力 選択される 少なくとも一つである、請求項 9に記載の光学系の製造方法。
[12] 前記フッ化物結晶は、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナト リウムおよびフッ化ストロンチウム力もなる群力も選択される少なくとも一つである、請 求項 11に記載の光学系の製造方法。
[13] 250nm以下の波長を有する光を用いてマスクを照明する照明光学系と、前記マス クのパターン像を被露光基板上に投影露光する投影光学系とを備えた露光装置の 製造方法であって、
前記光に対して透過性を有する光学材料であって、 0. lmj/cm2/パルス一 150 mjZcm2Zパルスのエネルギ密度範囲および 0. 1kHz— 100MHzのパルス周波 数範囲における所定の使用条件下において、前記光が入射する前の初期状態の複 屈折と前記光が入射した後の平衡状態の複屈折との差が 3nmZcm以下である光 学材料カゝらなる光学部材を選別して準備する工程と、
前記光学材料からなる光学部材以外の、前記露光装置に必要な諸部材を準備す る工程と、
前記露光装置に必要な諸部材を、前記光学材料からなる光学部材と共に組み立 てて、前記照明光学系及び Z又は前記投影光学系に前記光学材料からなる光学部 材を配置した露光装置を得る工程と、
を含む露光装置の製造方法。
[14] 前記光学材料からなる光学部材が配置された前記光学系にお!、て、前記光学材 料からなる光学部材中の光路長の総和が、前記光学系を構成する全光学部材中の 光路長の総和の 70%以上である、請求項 13に記載の露光装置の製造方法。
[15] 前記光学材料は、フッ化物結晶、石英ガラスおよび水晶からなる群力 選択される 少なくとも一つである、請求項 13に記載の露光装置の製造方法。
[16] 前記フッ化物結晶は、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナト リウムおよびフッ化ストロンチウム力もなる群力も選択される少なくとも一つである、請 求項 15に記載の露光装置の製造方法。
[17] 請求項 5— 8のうちの何れか一項に記載の露光装置を用いて、 250nm以下の波長 を有する光でマスクを照明し、前記マスクのパターン像を被露光基板上に投影露光 する露光方法。
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