JP5387982B2 - 照明光学装置、露光装置、およびデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、反射マスク等の反射型原板を用いた照明光学装置、露光装置、およびデバイス製造方法に関に関する。さらに詳細には、本発明は、半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のデバイスをリソグラフィ工程で製造するのに使用される露光装置に関するものである。

従来、半導体素子などの製造に使用される露光装置では、マスク（レチクル）上に形成された回路パターンを、投影光学系を介して感光性基板（たとえばウェハ）上に投影転写する。感光性基板にはレジストが塗布されており、投影光学系を介した投影露光によりレジストが感光し、マスクパターンに対応したレジストパターンが得られる。露光装置の解像力は、露光光の波長と投影光学系の開口数とに依存する。

すなわち、露光装置の解像力を向上させるには、露光光の波長を短くするとともに、投影光学系の開口数を大きくすることが必要になる。一般に、投影光学系の開口数を所定値以上に大きくすることは光学設計の観点から困難であるため、露光光の短波長化が必要になる。そこで、半導体パターニングの次世代の露光方法（露光装置）として、ＥＵＶＬ（Extreme UltraViolet Lithography：極紫外リソグラフィ）の手法が注目されている。

ＥＵＶＬ露光装置では、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光や波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光を用いる従来の露光方法と比較して、５〜５０ｎｍ程度の波長を有するＥＵＶ（Extreme UltraViolet：極紫外線）光を用いる。露光光としてＥＵＶ光を用いる場合、使用可能な光透過性の光学材料が存在しなくなる。このため、ＥＵＶＬ露光装置では、反射型のオプティカルインテグレータ、反射型のマスク（一般には反射型原板）、および反射型の投影光学系を用いることになる（たとえば特許文献１を参照）。

米国特許第６，４５２，６６１号公報

ＥＵＶＬ露光装置では、反射型の投影光学系の像面において例えば円弧状の静止露光領域を確保し、投影光学系に対してマスクおよび感光性基板を相対移動させつつ、マスクパターンを感光性基板上へスキャン露光（走査露光）する。したがって、感光性基板と光学的にほぼ共役な位置、例えばマスクの近傍に静止露光領域を規定するための視野絞りを設置する必要がある。

具体的には、マスクの近傍に配置される視野絞りは、マスクへ入射する光束を制限して静止露光領域の一方の円弧状の外縁を規定する第１部分視野絞りと、マスクで反射された光束を制限して他方の円弧状の外縁を規定する第２部分視野絞りとを有する。第１部分視野絞りと第２部分視野絞りとは、通常の光学系における視野絞りの概念にしたがって同一平面上に、すなわちマスクの近傍においてマスクと平行な同一平面に沿って配置されている。

この場合、マスクで反射された光の一部、すなわちマスクパターンの情報を含んで感光性基板へ向かう光の一部が第２部分視野絞りにより遮られ、第２部分視野絞りによる遮光が感光性基板でのパターンの結像に悪影響を及ぼし易い。結像への悪影響は、第２部分視野絞りとマスクとの間隔を狭くすることにより低減される。しかしながら、第２部分視野絞りとマスクとの間隔を狭くすると、第１部分視野絞りおよび第２部分視野絞りが感光性基板と光学的に共役な位置へ近づいて、視野絞りが感光性基板に投影され易くなり、ひいては感光性基板での露光量分布を一定にすることが困難になる。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、例えば反射型原板を用いる露光装置に適用したときに、視野絞りによる結像の悪影響の抑制と露光量分布均一性の向上とを両立させることのできる照明光学装置を提供することを目的とする。また、本発明は、視野絞りによる結像の悪影響の抑制と露光量分布均一性の向上とを両立させた照明光学装置と反射型原板とを用いて、良好な露光条件の下で良好な露光を行うことのできる露光装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、第１面に配置可能な反射型原板を介して該第１面と光学的に共役な第２面を照明するための照明光学装置において、
前記第１面へ入射する光束を制限するために前記第２面に形成すべき照明領域の第１の外縁を定めるように配置された第１部分視野絞りと、
前記第１面に配置可能な反射型原板で反射した光束を制限するために前記照明領域の第２の外縁を定めるように配置された第２部分視野絞りとを備え、
前記第１部分視野絞りと前記第１面との第１間隔が前記第２部分視野絞りと前記第１面との第２間隔よりも大きく設定されている照明光学装置を提供する。

本発明の第２形態では、第１形態の照明光学装置を備え、前記第１面に配置される反射型原板の像を前記第２面に配置される感光性基板に形成するための投影光学系を更に備えた露光装置を提供する。

本発明の第３形態では、第２形態の露光装置を用いて前記反射型原板のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、
前記露光工程を経た前記感光性基板を現像する現像工程とを含むデバイス製造方法を提供する。

本発明の照明光学装置では、第１面に配置可能な反射型原板を介して第１面と光学的に共役な第２面を照明する照明光学装置において、第１面への入射光束を制限して第２面上の照明領域の第１の外縁を定める第１部分視野絞りと第１面との間隔が、第１面に配置可能な反射型原板からの反射光束を制限して照明領域の第２の外縁を定める第２部分視野絞りと第１面との間隔よりも大きく設定されている。したがって、例えば反射型原板を用いる露光装置に本発明の照明光学装置を適用した場合、第２部分視野絞りが結像に及ぼす悪影響を小さく抑えつつ、第１部分視野絞りにより露光量分布の均一性を向上させることができる。

こうして、例えば反射型原板を用いる露光装置に本発明の照明光学装置を適用した場合、視野絞りによる結像の悪影響の抑制と露光量分布均一性の向上とを両立させることができる。したがって、本発明の露光装置では、視野絞りによる結像の悪影響の抑制と露光量分布均一性の向上とを両立させた照明光学装置と反射型原板とを用いて、良好な露光条件の下で良好な露光を行うことにより、性能の良好なデバイスを製造することができる。

本発明の実施形態にかかる露光装置の全体構成を概略的に示す図である。 図１の光源、照明光学系および投影光学系の内部構成を概略的に示す図である。 本実施形態における１回の走査露光を概略的に説明する図である。 本実施形態における視野絞りの要部構成を概略的に示す側面図である。 本実施形態における視野絞りの要部構成を概略的に示す上面図である。 変形例における視野絞りの要部構成を概略的に示す図である。 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ついて、そのフローチャートを示す図である。

符号の説明

１ レーザプラズマ光源
２ 照明光学系
５ マスクステージ
７ ウェハステージ
９ 制御部
１１ レーザ光源
１３ 気体ターゲット
１４ ノズル
１５ 楕円反射鏡
１８ａ，１８ｂ フライアイ光学系
１９ａ，１９ｂ コンデンサー光学系
２０ 視野絞り
２１ 第１部分視野絞り
２２ 第２部分視野絞り
Ｍ マスク
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ
ＥＲ 静止露光領域

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる露光装置の全体構成を概略的に示す図である。図２は、図１の光源、照明光学系および投影光学系の内部構成を概略的に示す図である。図１において、投影光学系の光軸方向すなわち感光性基板であるウェハの法線方向に沿ってＺ軸を、ウェハ面内において図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、ウェハ面内において図１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。

図１を参照すると、本実施形態の露光装置は、露光光を供給するための光源として、たとえばレーザプラズマ光源１を備えている。光源１から射出された光は、波長選択フィルタ（不図示）を介して、照明光学系２に入射する。ここで、波長選択フィルタは、光源１が供給する光から、所定波長（たとえば１３．４ｎｍ）のＥＵＶ光だけを選択的に透過させ、他の波長の光の透過を遮る特性を有する。波長選択フィルタを透過したＥＵＶ光３は、照明光学系２および光路偏向鏡としての平面反射鏡４を介して、転写すべきパターンが形成された反射型のマスク（レチクル）Ｍを照明する。

マスクＭは、そのパターン面がＸＹ平面に沿って延びるように、Ｙ方向に沿って移動可能なマスクステージ５によって保持されている。マスクステージ５の移動は、レーザ干渉計６により計測されるように構成されている。照明されたマスクＭのパターンからの光は、反射型の投影光学系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。すなわち、ウェハＷ上には、後述するように、たとえばＹ軸に関して対称な円弧状の静止露光領域（実効露光領域）が形成される。

ウェハＷは、その露光面がＸＹ平面に沿って延びるように、Ｘ方向およびＹ方向に沿って二次元的に移動可能なウェハステージ７によって保持されている。ウェハステージ７の移動は、マスクステージ５と同様に、レーザ干渉計８により計測されるように構成されている。レーザ干渉計６の計測結果およびレーザ干渉計８の計測結果は、制御部９に供給される。制御部９は、レーザ干渉計６および８の出力に基づいて、マスクステージ５およびウェハステージ７のＹ方向に沿った移動をそれぞれ制御する。

こうして、投影光学系ＰＬに対してマスクＭおよびウェハＷをＹ方向に沿って相対移動させながら走査露光（スキャン露光）を行うことにより、ウェハＷの１つの矩形状のショット領域にマスクＭのパターンが転写される。このとき、投影光学系ＰＬの投影倍率（転写倍率）が例えば１／４である場合、ウェハステージ７の移動速度をマスクステージ５の移動速度の１／４に設定して同期走査を行う。また、ウェハステージ７をＸ方向およびＹ方向に沿って二次元的に移動させながら走査露光を繰り返すことにより、ウェハＷの各ショット領域にマスクＭのパターンが逐次転写される。

図２を参照すると、図１に示したレーザプラズマ光源１は、レーザ光源１１、集光レンズ１２、ノズル１４、楕円反射鏡１５、およびダクト１６により構成されている。レーザ光源１１から発した光（非ＥＵＶ光）は、集光レンズ１２を介して気体ターゲット１３上に集光する。ここで、たとえばキセノン（Ｘｅ）からなる高圧ガスがノズル１４より供給され、ノズル１４から噴射されたガスが気体ターゲット１３を形成する。気体ターゲット１３は、集光されたレーザ光によりエネルギーを得てプラズマ化し、ＥＵＶ光を発する。なお、気体ターゲット１３は、楕円反射鏡１５の第１焦点に位置決めされている。

したがって、レーザプラズマ光源１から放射されたＥＵＶ光は、楕円反射鏡１５の第２焦点に集光する。一方、発光を終えたガスはダクト１６を介して吸引されて外部へ導かれる。楕円反射鏡１５の第２焦点に集光したＥＵＶ光は、凹面反射鏡１７を介してほぼ平行光束となり、一対のフライアイ光学系１８ａおよび１８ｂからなるオプティカルインテグレータ１８に導かれる。第１フライアイ光学系１８ａは、並列に配置された複数の反射ミラー要素により構成されている。第２フライアイ光学系１８ｂは、第１フライアイ光学系１８ａの複数の反射ミラー要素に一対一対応するように並列に配置された複数の反射ミラー要素により構成されている。第１フライアイ光学系１８ａおよび第２フライアイ光学系１８ｂの具体的な構成および作用については、米国特許６，４５２，６６１号公報を参照し、可能な限り本発明の一部として援用する。

こうして、オプティカルインテグレータ１８の射出面の近傍、すなわち第２フライアイ光学系１８ｂの反射面の近傍には、所定の形状を有する実質的な面光源が形成される。この実質的な面光源は、照明光学系２の射出瞳位置、すなわち投影光学系ＰＬの入射瞳と光学的に共役な位置に形成される。実質的な面光源からの光は、例えば凸面反射鏡１９ａと凹面反射鏡１９ｂとにより構成されたコンデンサー光学系１９を介して、照明光学系２から射出される。

照明光学系２から射出された光は、平面反射鏡４により偏向された後、マスクＭの近傍に配置された視野絞り２０の円弧状の開口部（光透過部）を介して、マスクＭ上に円弧状の照明領域を形成する。視野絞り２０の構成および作用については後述する。このように、光源１（１１〜１６）、照明光学系２（１７〜１９）、平面反射鏡４、および視野絞り２０は、所定のパターンが設けられたマスクＭをケーラー照明するための照明系を構成している。

照明されたマスクＭのパターンからの光は、投影光学系ＰＬを介して、ウェハＷ上の円弧状の静止露光領域にマスクパターンの像を形成する。投影光学系ＰＬは、マスクＭのパターンの中間像を形成するための第１反射結像光学系と、マスクパターンの中間像の像（マスクＭのパターンの二次像）をウェハＷ上に形成するための第２反射結像光学系とにより構成されている。第１反射結像光学系は４つの反射鏡Ｍ１〜Ｍ４により構成され、第２反射結像光学系は２つの反射鏡Ｍ５およびＭ６により構成されている。また、投影光学系ＰＬはウェハ側（像側）にテレセントリックな光学系である。

図３は、本実施形態における１回の走査露光を概略的に説明する図である。図３を参照すると、本実施形態の露光装置では、投影光学系ＰＬの円弧状の有効結像領域および有効視野に対応するように、Ｙ軸に関して対称な円弧状の静止露光領域（実効露光領域）ＥＲが形成される。この円弧状の静止露光領域ＥＲは、１回の走査露光（スキャン露光）によりウェハＷの矩形状の１つのショット領域ＳＲにマスクＭのパターンを転写する際に、図中実線で示す走査開始位置から図中破線で示す走査終了位置まで移動する。

図４は、本実施形態における視野絞りの要部構成を概略的に示す側面図である。図５は、本実施形態における視野絞りの要部構成を概略的に示す上面図である。図４および図５を参照すると、反射型原板としてのマスクＭの近傍に配置された視野絞り２０は、マスクＭへ入射する光束を制限する第１部分視野絞り２１と、マスクＭで反射された光束を制限する第２部分視野絞り２２とを有する。

第１部分視野絞り２１は、＋Ｙ方向側（第２部分視野絞り２２側）に凸円弧状のエッジ２１ａを有し、ウェハＷ上に形成すべき静止露光領域ＥＲの一方の円弧状の外縁ＥＲ１（図３を参照）を定めるように配置されている。第２部分視野絞り２２は、−Ｙ方向側（第１部分視野絞り２１側）に凹円弧状のエッジ２２ａを有し、静止露光領域ＥＲの他方の円弧状の外縁ＥＲ２（図３を参照）を定めるように配置されている。

なお、視野絞り２０は、静止露光領域ＥＲの走査方向（Ｙ方向）に沿って延びる一対の直線状の外縁ＥＲ３を定めるように配置された一対の部分視野絞り（不図示）をさらに備えている。しかしながら、この一対の部分視野絞りについては周知であり、その構成の詳細な説明を省略する。

本実施形態では、従来技術とは異なり、第１部分視野絞り２１とマスクＭとの間隔Ｄ１が、第２部分視野絞り２２とマスクＭとの間隔Ｄ２よりも大きく設定されている。上述したように、マスクＭで反射された光の一部、すなわちマスクパターンの情報を含んでウェハＷへ向かう光の一部が遮られると、ウェハＷでのパターンの結像に悪影響を及ぼし易い。本実施形態では、第２部分視野絞り２２とマスクＭとの間隔Ｄ２を間隔Ｄ１に比して相対的に狭くすることにより、第２部分視野絞り２２による遮光がパターンの結像に及ぼす悪影響を小さく抑えることができる。

本実施形態では、第２部分視野絞り２２とマスクＭとの間隔Ｄ２を、前述したパターンの結像に及ぼす悪影響が小さく抑えられるような間隔とした。この間隔は、装置が要求される仕様に応じて決めることができる。

一方、マスクＭから比較的遠い位置に配置された第１部分視野絞り２１により、マスクＭへ入射する光束の一部が制限されるが、第１部分視野絞り２１による光束の制限がウェハＷでのパターンの結像に悪影響を及ぼすことはない。本実施形態では、例えば米国特許６，１０４，４７４号公報に記載されているような露光量制御を行うために、静止露光領域ＥＲの円弧形状の外縁ＥＲ１が必要な量だけボケるように第１部分視野絞り２１とマスクＭとの間隔Ｄ１を拡げることが可能である。

換言すれば、第１部分視野絞り２１をウェハＷと光学的に共役な位置（すなわちマスクＭのパターン面）から露光量制御に必要な量だけ離間させることが可能である。このようにすることにより、第１部分視野絞り２１を露光量制御に適した位置に配置しつつ、解像に影響を与える事を防止できる。本明細書では、６，１０４，４７４号公報を記載して可能な限り本明細書の開示として援用する。

以上のように、本実施形態の照明光学装置では、第１部分視野絞り２１とマスクＭとの間隔Ｄ１を第２部分視野絞り２２とマスクＭとの間隔Ｄ２よりも大きく設定しているので、第２部分視野絞り２２がウェハＷでの結像に及ぼす悪影響を小さく抑えつつ、第１部分視野絞り２１によりウェハＷでの露光量分布均一性を向上させることができる。その結果、本実施形態の露光装置では、視野絞り２０による結像の悪影響の抑制と露光量分布均一性の向上とを両立させることができ、ひいては良好な露光条件の下で良好な露光を行うことができる。

なお、第１部分視野絞り２１とマスクＭとの間隔Ｄ１、および第２部分視野絞り２２とマスクＭとの間隔Ｄ２が、次の条件式（１）を満足すると、視野絞り２０による結像の悪影響の抑制と露光量分布均一性の向上とのバランスをとりやすい。
１ｍｍ＜Ｄ１−Ｄ２ （１）

また、より精度良く露光量制御を行うために、例えば図６に示すように、第１部分視野絞り２１のエッジ形状を可変に構成することができる。図６の変形例では、第１部分視野絞り２１が、走査方向と直交する走査直交方向（Ｘ方向）に分割された複数（図６では例示的に８つ）の絞り部材３１〜３８と、これらの８つの絞り部材３１〜３８の各々を走査方向（Ｙ方向）に沿って独立に移動させる８つの駆動部４１〜４８とにより構成されている。

駆動部４１〜４８として、例えば超音波モーターのようなアクチュエータを用いることができる。図６の変形例では、制御部９からの指令にしたがって駆動部４１〜４８の動作を独立に制御し、８つの絞り部材３１〜３８をＹ方向に沿ってそれぞれ移動させることにより、第１部分視野絞り２１のエッジ形状を変化させる。その結果、静止露光領域ＥＲの走査方向（Ｙ方向）に沿った幅寸法を走査直交方向（Ｘ方向）に沿った位置毎に調整し、ウェハＷでの露光量分布を高精度に制御することが可能になる。

なお、図６の変形例では、第１部分視野絞り２１のエッジ形状を可変に構成しているが、これに限定されることなく、第２部分視野絞り２２のエッジ形状を可変に構成することにより同様の効果が得られる。ただし、第２部分視野絞り２２はマスクＭに比較的近い位置に配置されているため、第２部分視野絞り２２のエッジ形状を可変に構成するよりも、第１部分視野絞り２１のエッジ形状を可変に構成する方が、部材の機械的な干渉を回避した設計が容易である。また、部分視野絞りを分割するのではなく、米国特許第５，８９５，７３７号公報に開示されているようなチェーンタイプの絞りを用いてもよい。本明細書では可能な限り米国特許第５、８９５，７３７号公報の開示を援用して本発明の記載とする。

なお、上述の実施形態では、投影光学系ＰＬの像面において円弧状の静止露光領域ＥＲが確保される例に基づいて本発明の構成および作用を説明している。しかしながら、これに限定されることなく、感光性基板であるウェハ上に形成すべき静止露光領域（照明領域）の形状については様々な変形例が可能である。

上述の実施形態にかかる露光装置では、照明系によってマスクを照明し（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、本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つき図７のフローチャートを参照して説明する。

先ず、図７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、本実施形態の露光装置を用いて、マスク（レチクル）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ォ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が、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。

なお、上述の実施形態にかかるＥＵＶＬ露光装置では、ＥＵＶ光を供給するための光源としてレーザプラズマ光源を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、ＥＵＶ光を供給する他の適当な光源、たとえばシンクロトロン放射（ＳＯＲ）光源などを用いることもできる。

また、上述の実施形態では、ＥＵＶＬ露光装置に対して本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、反射型のマスク（反射型原板）を用いる他の露光装置、さらに一般的には第１面に配置可能な反射型原板を介して該第１面と光学的に共役な第２面を照明するための照明光学装置に対して本発明を適用することもできる。

Claims (7)

1. 第１面に配置可能な反射型原板を介して該第１面と光学的に共役な第２面を照明するための照明光学装置において、
   前記第１面上の照射領域へ入射する光束を制限する第１部分視野絞りと、
   前記第１面に配置可能な反射型原板で反射した光束を制限する第２部分視野絞りとを備え、
   前記第１面と平行な方向において前記第１面上の前記照射領域を基準とした一方の側に前記第１部分視野絞りが配置され、他方の側に前記第２部分視野絞りが配置され、
   前記第１面上の前記照射領域へ入射する前記光束は、前記一方の側から前記照射領域に斜入射し、
   前記第１部分視野絞りと前記第１面との第１間隔が前記第２部分視野絞りと前記第１面との第２間隔よりも大きく設定されている照明光学装置。
2. 前記第１間隔をＤ１とし、前記第２間隔をＤ２とするとき、
   １ｍｍ＜Ｄ１−Ｄ２
   の条件を満足する請求項１に記載の照明光学装置。
3. 前記第１部分視野絞りと前記反射型原板との間および前記第２部分視野絞りと前記反射型原板との間に照明光学装置を構成する反射鏡を配置せずに前記第１部分視野絞りと前記第２部分視野絞りとが配置されている請求項１または２に記載の照明光学装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学装置を備え、前記第１面に配置される反射型原板の像を前記第２面に配置される感光性基板に形成するための投影光学系を更に備えた露光装置。
5. 前記原板を載置可能な原板ステージと、前記感光性基板を載置可能な基板ステージとを備え、前記投影光学系に対して前記原板ステージと前記基板ステージとを所定方向に沿って相対移動させて前記反射型原板の像を前記感光性基板上へ形成する請求項４に記載の露光装置。
6. 前記第１部分視野絞りは、複数の部材で構成され、該複数の部材の少なくとも一部を駆動させる駆動部を有し、前記第１部分視野絞りと前記第２部分視野絞りとで形成される照明領域の外縁の幅を変更する請求項４または５に記載の露光装置。
7. 請求項４乃至６のいずれか１項に記載の露光装置を用いて前記反射型原板のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、
   前記露光工程を経た前記感光性基板を現像する現像工程とを含むデバイス製造方法。

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