JP2004023020A

JP2004023020A - 投影光学系及び縮小投影露光装置

Info

Publication number: JP2004023020A
Application number: JP2002179461A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Suenaga; 末永　豊
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】投影光学系を構成する反射鏡の枚数を少なくし、かつ、反射鏡の配置が容易な投影光学系及び縮小投影露光装置を提供する。
【解決手段】投影光学系１を第１から４の反射鏡４，５，６，７で構成し、その反射鏡の反射面を少なくとも１枚は非球面で凸面状にし、他の少なくとも１枚を非球面で凹面上にし、さらに、第１から４の反射鏡４，５，６，７をその光軸をお互いに偏心して配設して、第１物体面２の縮小像を、第１から４の反射鏡４，５，６，７に反射させて、第２物体面３上にテレセントリックに投影して結像形成することにより、少ない反射鏡で、収差が少なく、かつ、反射鏡の配置が容易な露光を実現することができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、感光基板上にレチクルのパターンの縮小像を投影形成する投影光学系、及びこの投影光学系を備えた縮小投影露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体用縮小投影露光装置の開口数（以下、「ＮＡ」と呼ぶ。）及び使用波長は、半導体素子の高密度化、対象線幅の細線化に伴って年々大口径化、短波長化する傾向にある。使用する光線の波長は水銀灯のｉ線（波長３６５．０１５ｎｍ）から、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）へ移り、ＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）を光源とした縮小投影露光装置も実用化されている。しかし、近年においては、パターンの微細化の要求がさらに強まっており、Ｆ２エキシマレーザー（波長１５７ｎｍ）を経て、さらに波長の短いＥＵＶ光（極端紫外光、波長１３ｎｍ付近）を光源として用いた縮小投影露光装置が次世代の半導体リソグラフィの有力手段として研究されている。
【０００３】
このような縮小投影露光装置に用いられる投影レンズの硝材は、透過率の問題からＦ２エキシマレーザーを光源として使用したものが限界であり、これより波長が短い光源を利用する場合は、反射鏡で構成された反射屈折光学系を用いて縮小投影露光装置を構成する必要がある。また、高解像度を実現するためには、この光学系の高ＮＡ化が必要となり、そのために、収差を良好に保ったまま光束と反射鏡の物理的干渉を避けるために、反射屈折光学系を構成する反射鏡の枚数が増加する傾向にあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＥＵＶ光のような短波長の光線を照射すると反射鏡を透過してしまうため、反射鏡の反射面に反射膜を形成してＥＵＶ光を反射をさせなければならないが、現状では十分な反射率を持った反射膜が得られていないことから、実際の露光を考えると反射膜で露光光の吸収による熱が発生し、光学系の性能が熱変動により悪化する可能性がある。また、反射膜での露光光の吸収を考慮して、光源の光量を大きくする必要があり、従来知られている光学系では縮小投影露光装置としての実現化は困難と考えられる。
【０００５】
本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、投影光学系を構成する反射鏡の枚数を少なくしても収差が少なく十分なＮＡを有し、かつ、反射鏡の配置の自由度を上げて光束と反射鏡の物理的干渉を避けることを可能とした投影光学系及びこの投影光学系を備えた縮小投影露光装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明に係る投影光学系は、５０ｎｍ以下の波長の光源を使用して、それぞれ所定形状の反射面を有する反射鏡からなる縮小投影装置を用いて、第１物体面上の物体の縮小像を第２物体面上に投影形成するように構成され、前記縮小投影装置を構成する前記反射鏡のうちの少なくとも１枚は非球面で凸面状の反射面を有し、その他の前記反射鏡のうちの少なくとも１枚は非球面で凹面状の反射面を有し、前記凸面状の反射面と前記凹面状の反射面とは所定の光軸に対して互いに偏心するように配置されており、前記第１物体面からの光は、前記反射鏡で反射され、前記第２物体面上にテレセントリックに結像されることを特徴として構成される。
【０００７】
また、前記反射鏡が４枚以上で構成され、各々の光軸が全て互いに偏心するように構成することが可能である。
【０００８】
さらに、前記反射鏡は４枚で構成され、全ての反射鏡が非球面の反射面を有するように構成することが可能である。
【０００９】
そして、前記第２物体面と、前記非球面で凸面状の反射面を有する反射鏡及び前記非球面で凹面状の反射面を有する反射鏡の光軸のなす角度が、４０度より小さく０．０１度より大きくなるように構成されることが好ましい。
【００１０】
なお、前記反射鏡のうち少なくとも１枚の反射鏡がアナモルフィック非球面の反射面を有して構成することが可能であり、このとき、前記第２物体面の光軸と前記アナモルフィック非球面のベースとなる球面の光軸のなす角度が、４０度より小さく０．０１度より大きくなるように構成されることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る縮小投影露光装置は、レチクルに露光光を照射し、前記レチクルに形成されたパターンの像を前記投影光学系を介して感光基板上に投影するように構成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて本発明に係る投影光学系の構成について説明する。図１は、本発明に係る投影光学系の横断面の光路図であり、光束の幅は横断面のみを表している。投影光学系１は、第１物体面２と第２物体面３の間に配設されており、第１の反射鏡４、第２の反射鏡５、第３の反射鏡６及び第４の反射鏡７で構成されている。第１物体面２を出た光は、第１〜４の反射鏡４，５，６，７で順に反射して第２物体面３上に第１物体面２上のパターンの縮小像をテレセントリックに投影して結像形成する。ここで、平坦性を維持し、倍率を確保するためには、少なくとも１枚の凸面鏡と１枚の凹面鏡が必要であり、また収差を補正するためには非球面であることが望ましいが、本実施例においては、第１の反射鏡４は非球面の凸面状の反射面を有しており、第２の反射鏡５は非球面の凹面状の反射面を有しており、第３の反射鏡６は非球面の凸面状の反射面を有しており、第４の反射鏡７は非球面の凹面状の反射面を有して構成されている。また、第１〜４の反射鏡４，５，６，７は、所定の光軸に対してお互いに偏心するように配設されており、第１物体面２から出た光束と反射鏡の干渉を避けるように配設することが可能である。また、第２物体面３側においてテレセントリックに投影しているため、デフォーカスしても倍率を変わらないようにすることが可能である。
【００１３】
これらの反射鏡のうち、第１の反射鏡４と第３の反射鏡６は反射面が第１物体面２に向くように配設されており、第２の反射鏡５と第４の反射鏡７は反射面が第２物体面３に向くように配設されている。この時、反射鏡は第１物体面２から第２物体面３に向かって、第２の反射鏡５、第４の反射鏡７、第１の反射鏡４、第３の反射鏡６の順に並んで配設されており、第１物体面２からでた光は、凸面鏡と凹面鏡を交互に反射して、第２物体面３上に結像する。
【００１４】
なお、本実施例では４枚の反射鏡で構成したが、反射鏡の枚数は２枚以上であれば実現可能である。但し、既に説明したとおり、現在利用可能な反射膜では、十分な反射率が得られないため、反射鏡は４枚以下で構成することが望ましい。
【００１５】
また、前記反射鏡の光軸の第２物体面３の光軸に対しての偏心量は、０．０１度より大きいことが好ましい。これより偏心量が小さいと、光束と反射鏡との物理的干渉が十分に避けられず、光の一部が反射鏡により遮光されてしまい、露光性能の低下を招くこととなる。また、偏心量が大きすぎると、反射鏡で発生する収差が大きくなり補正困難となるため、偏心量は４０度以下とすることが好ましい。このとき、収差を補正するために、反射鏡の反射面をアナモルフィック非球面で構成することが可能であるが、この場合は、第２物体面３の光軸に対して、アナモルフィック非球面のベースとなる球面の光軸のなす角度が、上述した説明と同様の理由により、０．０１度より大きく４０度より小さくなるように構成されることが好ましい。
【００１６】
次に、上述した投影光学系１を用いて構成され、半導体製造工程の一つである光リソグラフィ工程で使用される縮小投影露光装置について、図２を参照して説明する。光リソグラフィ工程で使用される縮小投影露光装置は、原理的には写真製版と同じであり、レチクル上に精密に描かれたデバイスパターンを、フォトレジストを添付した半導体ウエハやガラス基板等の感光基板上に光学的に投影して転写するものである。
【００１７】
この縮小投影露光装置１０は、反射型のレチクル１３に露光用照明光源１１からの光を照明光学系１２を通してスリット状の露光光にして照射し、レチクル１３に形成されたパターンの一部の像を上述した投影光学系１を通して半導体ウエハ１７に投影し、レチクル１３と半導体ウエハ１７とを投影光学系１に対して１次元方向（Ｙ軸方向）に相対走査することによって、レチクル１３のパターンの全体を半導体ウエハ１７上の複数のショット領域の各々にステップ・アンド・スキャン方式で転写するものである。本実施例の露光光としては、波長１３．４ｎｍ程度のＥＵＶ光を使用している。なお、図２においては、投影光学系１の光軸方向をＺ軸とし、このＺ軸と直交する方向であって、レチクル１３及び半導体ウエハ１７の走査方向をＹ軸とし、これらＹＺ軸と直交する紙面垂直方向をＸ軸とする。
【００１８】
ここで、本実施例における露光光の形状は、図３に示すように、露光用照明光源１１からの照明光３０の円周部をスリット３０ａにして利用している。なお、図３におけるＸ軸、Ｙ軸は上述した軸と同じである。
【００１９】
レチクル１３は、少なくともＹ軸方向に沿って移動可能なレチクル支持台１４に支持されており、半導体ウエハ１７はＸＹＺ軸方向に沿って移動可能な載置台１８に載置されている。これらのレチクル支持台１４及び載置台１８の移動には、それぞれに接続されたレチクル支持台駆動部１５及び載置台駆動部１９により駆動される。露光動作の際には、照明光学系１２によりレチクル１３に対してＥＵＶ光を照射し、投影光学系１に対してレチクル１３及び半導体ウエハ１７を、投影光学系１の縮小倍率により定まる所定の速度比で移動させる。これにより、半導体ウエハ１７上の所定のショット領域内には、レチクル１３上のパターンの像が走査露光される。
【００２０】
なお、本発明に係る投影光学系１の反射鏡は４枚で構成したが、上述したスリット３０ａのＹ軸方向の幅を狭くすれば（さらに円周部に近い部分を利用すれば）、反射鏡を２枚構成としても収差の補正をして投影光学系を構成することが可能である。
【００２１】
最後に、本発明に係る投影光学系の数値実施例について説明する。投影光学系１の構造としては、上述した図１の通りであり、露光光３０ａの形状は図３に示したスリット状をしている。なお、本数値実施例における第１〜４の反射鏡４，５，６，７の反射面は、所定の光軸に対して回転対称な非球面形状（アナモルフィック非球面でない場合）を示しており、この非球面形状は次式で表される。
【００２２】
【数１】

【００２３】
ここで、ｚは反射面の中心接平面から非球面までの距離であり、ｃは中心曲率（近軸領域での中心曲率）、ｒは中心接平面上の光軸からの距離、κはコニック係数、Ａは４次の非球面係数、Ｂは６次の非球面係数、Ｃは８次の非球面係数、Ｄは１０次の非球面係数、Ｅは１２次の非球面係数、Ｆは１４次の非球面係数、Ｇは１６次の非球面係数を表している。
【００２４】
なお、本実施例における露光光（ＥＵＶ光）の波長は１３．４ｎｍ、縮小倍率が１／４倍、像側のＮＡが０．１７、第２物体面３への光束はテレセントリックとなっている。また、露光光３０ａは、図３に示すように照明光３０の像高（Ｙ軸方向）のうち、２９ｍｍ〜２８ｍｍの範囲をスリット状にして使用している。
【００２５】
表１、表２に、投影光学系１の諸元の値を示す。表１において、曲率半径には各反射面の近似区曲率半径（単位：ｍｍ）が示されており、間隔には各面間隔（単位：ｍｍ）が示されている。なお、曲率半径の符号は第１物体面２側に向けて凹となる場合を正とし、間隔は一つ前の面番号からの間隔であり、また、反射面の前後で符号が逆転するものとする。また、表２には、第１〜４の反射鏡４，５，６，７の非球面データを示す。なお、表２において、ＹＤＥはＹ軸方向へ反射面の光軸を平行移動した偏心量（単位：ｍｍ）であり、ＡＤＥは、反射面をその中心接平面のＸ軸を中心に回転させた偏心量（単位：度）を表している。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【表２】

【００２８】
上述したような構成を有する投影光学系１によって、第１物体面２上のパターンの像を第２物体面３上に投影形成することができる。このとき、第２物体面３上に投影形成される像のコマ収差（ウエハ側）を、図３の露光光３０ａの形状に示すＡ〜Ｄの点に対応して示したグラフが図４である。図４において、左側の列のグラフがＹ軸方向の収差を表しており、縦軸にＹ軸方向の収差（ＥＹ　単位：ｍｍ）を取り、横軸にＮＡを取っている。図４の右側の列のグラフがＸ軸方向の収差を表しており、縦軸にＸ軸方向の収差（ＥＸ　単位：ｍｍ）を取り、横軸にＮＡを取っている。また、図３における点Ａ〜Ｄに対応して、図４の（Ａ）〜（Ｄ）にコマ収差のグラフが表されており、良好な結果となっている。
【００２９】
以上のように、投影光学系１を構成する反射鏡を非球面の凸面状または凹面状の反射面を有するように構成することにより、４枚でも十分ＮＡが大きく、かつ、収差の少ない精度のよい露光を行うことが可能となる。また、反射鏡を所定の光軸に対してお互いに偏心するように配設することにより、第１物体面２から出た光束と反射鏡の物理的干渉を容易に避けることができるため、投影光学系の設計が容易となる。
【００３０】
なお、さらに収差を補正して、より精度の高い露光をするために、上述した反射鏡の反射面をアナモルフィック非球面で構成することも可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明による投影光学系によれば、投影光学系を構成する２枚以上の反射鏡の少なくとも１枚を非球面で凸面状の反射面を有するように構成し、その他の反射鏡の少なくとも１枚を非球面で凹面上の反射面を有するように構成し、第１物体面の縮小像を前記反射鏡に反射させて、第２物体面上にテレセントリックに投影して結像形成することにより、少ない反射鏡で、収差が少なく精度の良い露光を実現することができる。
【００３２】
また、前記反射鏡をその光軸をお互いに偏心して配設することにより、光束と反射鏡の物理的干渉を容易に避けることができるため、投影光学系の設計が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る投影光学系の横断面の光路図である。
【図２】本発明に係る縮小投影露光装置におけるブロック図である。
【図３】本発明に係る投影光学系の露光光の形状を表す図である。
【図４】本発目に係る投影光学系のコマ収差を示し、同図（Ａ）は図３における点Ａでの収差であり、同図（Ｂ）は図３における点Ｂでの収差であり、同図（Ｃ）は図３における点Ｃでの収差であり、同図（Ｄ）は図３における点Ｄでの収差を表すグラフである。
【符号の説明】
１　投影光学系
２　第１物体面
３　第２物体面
４　第１の反射鏡
５　第２の反射鏡
６　第３の反射鏡
７　第４の反射鏡
１０　縮小投影露光装置
１３　レチクル
１７　半導体ウエハ（感光基板）

Claims

５０ｎｍ以下の波長の光源を使用して、それぞれ所定形状の反射面を有する２枚以上の反射鏡からなる縮小投影装置を用いて、第１物体面上の物体の縮小像を第２物体面上に投影形成する投影光学系において、
前記縮小投影装置を構成する前記反射鏡のうちの少なくとも１枚は非球面で凸面状の反射面を有し、その他の前記反射鏡のうちの少なくとも１枚は非球面で凹面状の反射面を有し、
前記凸面状の反射面と前記凹面状の反射面とは、所定の光軸に対して互いに偏心するように配設されており、
前記第１物体面からの光は、前記反射鏡で反射され、前記第２物体面上にテレセントリックに結像されることを特徴とする投影光学系。
前記反射鏡が４枚以上で構成され、各々の光軸が全て互いに偏心していることを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
前記反射鏡が４枚で構成され、全ての反射鏡が非球面の反射面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の投影光学系。
前記第２物体面と、前記非球面で凸面状の反射面を有する反射鏡及び前記非球面で凹面状の反射面を有する反射鏡の光軸のなす角度が、４０度より小さく０．０１度より大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の投影光学系。
前記反射鏡のうち少なくとも１枚の反射鏡がアナモルフィック非球面の反射面を有して構成され、前記第２物体面の光軸と前記アナモルフィック非球面のベースとなる球面の光軸のなす角度が、４０度より小さく０．０１度より大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の投影光学系。
レチクルに露光光を照射し、前記レチクルに形成されたパターンの像を前記請求項１から５のいずれかに記載の投影光学系を介して感光基板上に投影する縮小投影露光装置。