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JP2004205698A - 投影光学系、露光装置および露光方法 - Google Patents

投影光学系、露光装置および露光方法 Download PDF

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JP2004205698A JP2002372945A JP2002372945A JP2004205698A JP 2004205698 A JP2004205698 A JP 2004205698A JP 2002372945 A JP2002372945 A JP 2002372945A JP 2002372945 A JP2002372945 A JP 2002372945A JP 2004205698 A JP2004205698 A JP 2004205698A
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弘範 池沢
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Abstract

【課題】像面との間の光路中に高屈折率の媒質を介在させ、光学面での反射損失を良好に抑えて、大きな実効的な像側開口数を確保することのできる投影光学系。
【解決手段】第1面(R)の像を第2面(W)上に形成する投影光学系。投影光学系は、第1面側の面が正の屈折力を有する境界レンズ(L211;Lb)を有し、境界レンズと第2面との間の光路は1.1よりも大きい屈折率を有する媒質で満たされ、媒質の屈折率をNmとし、境界レンズを形成する光学材料の屈折率をNsとするとき、|Ns−Nm|<0.08の条件を満足する。境界レンズと第2面との間の光路中には、少なくとも1つのほぼ無屈折力の光学部材(Lp)が挿脱自在に配置されている。
【選択図】 図5

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影光学系、露光装置および露光方法に関し、特に半導体素子や液晶表示素子などをフォトリソグラフィ工程で製造する際に使用される露光装置に適した高解像の投影光学系に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子等を製造するためのフォトリソグラフィ工程において、マスク(またはレチクル)のパターン像を、投影光学系を介して、フォトレジスト等が塗布されたウェハ(またはガラスプレート等)上に露光する投影露光装置が使用されている。そして、半導体素子等の集積度が向上するにつれて、投影露光装置の投影光学系に要求される解像力(解像度)が益々高まっている。
【0003】
その結果、投影光学系の解像力に対する要求を満足するために、照明光(露光光)の波長λを短くするとともに投影光学系の像側開口数NAを大きくする必要がある。具体的には、投影光学系の解像度は、k・λ/NA(kはプロセス係数)で表される。また、像側開口数NAは、投影光学系と像面との間の媒質(通常は空気などの気体)の屈折率をnとし、像面への最大入射角をθとすると、n・sinθで表される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最大入射角θを大きくすることにより開口数NAの増大を図ろうとすると、像面への入射角および投影光学系からの射出角が大きくなり、光学面での反射損失が増大して、大きな実効的な像側開口数を確保することはできない。そこで、投影光学系と像面との間の光路中に屈折率の高い液体のような媒質を満たすことにより開口数NAの増大を図る技術が知られている。しかしながら、従来技術では、光学面での反射損失を良好に抑えて大きな実効的な像側開口数を確保することが困難であった。
【0005】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、像面との間の光路中に高屈折率の媒質を介在させ、光学面での反射損失を良好に抑えて、大きな実効的な像側開口数を確保することのできる投影光学系を提供することを目的とする。また、大きな実効的な像側開口数を有し、ひいては高い解像度を有する投影光学系を介して、微細なパターンを高精度に転写露光することのできる露光装置および露光方法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、本発明の第1形態では、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系は、第1面側の面が正の屈折力を有する境界レンズを有し、
前記投影光学系の光路中の雰囲気の屈折率を1とするとき、前記境界レンズと前記第2面との間の光路は1.1よりも大きい屈折率を有する媒質で満たされ、前記媒質の屈折率をNmとし、前記境界レンズを形成する光学材料の屈折率をNsとするとき、
|Ns−Nm|<0.08
の条件を満足することを特徴とする投影光学系を提供する。なお、前記媒質は流体であることが好ましい。そして、前記媒体が液体であることがさらに好ましい。
【0007】
第1形態の好ましい態様によれば、前記境界レンズと前記第2面との間の光路中には、少なくとも1つのほぼ無屈折力の光学部材が配置され、前記境界レンズと前記光学部材との間の光路および前記光学部材と前記第2面との間の光路は前記媒質で満たされ、前記媒質の屈折率をNmとし、前記光学部材を形成する光学材料の屈折率をNpとするとき、|Np−Nm|<0.08の条件を満足する。この場合、前記光学部材は挿脱自在に配置されていることが好ましい。
【0008】
また、第1形態の好ましい態様によれば、前記媒質に接するすべての光学要素の表面には光学薄膜が付加されていない。また、170nm以上で250nm以下の波長を有する光に基づいて前記第1面の像を前記第2面上に形成し、前記媒質に接するすべての光学要素は蛍石で形成されていることが好ましい。また、蛍石で形成された一対の蛍石光学部材を有し、前記一対の蛍石光学部材の結晶軸が所定の方位関係を満たすことが好ましい。
【0009】
さらに、第1形態の好ましい態様によれば、前記投影光学系は、少なくとも1つの凹面反射鏡と屈折光学部材とから構成される反射屈折光学系である。この場合、光軸に対して偏心した有効結像領域を有し、前記投影光学系の光路中に少なくとも1つの中間像を形成することが好ましい。また、第1形態では、第2面側の開口数は1以上であることが好ましい。
【0010】
本発明の第2形態では、前記第1面に設定されたマスクを照明するための照明系と、前記マスクに形成されたパターンの像を前記第2面に設定された感光性基板上に形成するための第1形態の投影光学系とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。
【0011】
本発明の第3形態では、前記第1面に設定されたマスクを照明し、第1形態の投影光学系を介して前記マスクに形成されたパターンの像を前記第2面に設定された感光性基板上に投影露光することを特徴とする露光方法を提供する。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の投影光学系では、最も像側(第2面側)に配置された境界レンズと像面との間の光路中に1.1よりも大きい屈折率を有する媒質を介在させることにより、像側開口数NAの増大を図っている。ちなみに、M.Switkes氏およびM.Rothschild氏が「SPIE2002 Microlithography」において「Massachusetts Institute of Technology」に発表した「Resolution Enhancement of 157-nm Lithography by Liquid Immersion」には、波長λが200nm以下の光に対して所要の透過率を有する媒質として、フロリナート(Perfluoropolyethers:米国スリーエム社の商品名)や脱イオン水(Deionized Water)などが候補として挙げられている。
【0013】
また、本発明の投影光学系では、境界レンズの物体側(第1面側)の光学面に正の屈折力を付与することにより、この光学面での反射損失を低減させ、ひいては大きな実効的な像側開口数を確保することができる。さらに、本発明の投影光学系では、境界レンズが媒質と接する光学面(すなわち境界レンズの像側の光学面)での反射損失を低減させるために、以下の条件式(1)を満足する。
|Ns−Nm|<0.08 (1)
【0014】
条件式(1)において、Nmは媒質の屈折率であり、Nsは境界レンズを形成する光学材料の屈折率である。条件式(1)を満足するように、媒質に接する境界レンズと媒質との屈折率差を十分に小さく設定することにより、光学薄膜を付加しなくても、境界レンズの像側の光学面での反射損失を低減することができる。その結果、フレア等の迷光の発生を抑えて、大きな実効的な像側開口数を確保することができる。しかも、光学薄膜による光の吸収に起因する光学面での発熱を回避することができるので、露光装置の場合には露光中の結像性能の低下を回避することができる。
【0015】
なお、境界レンズの像側の光学面での反射損失をさらに低減するには、条件式(1)の上限値を0.05に設定することが好ましい。こうして、本発明では、像面との間の光路中に高屈折率の媒質を介在させ、光学面での反射損失を良好に抑えて、大きな実効的な像側開口数を確保することのできる投影光学系を実現することができる。したがって、本発明の投影光学系を用いる露光装置および露光方法では、大きな実効的な像側開口数を有し、ひいては高い解像度を有する投影光学系を介して、微細なパターンを高精度に転写露光することができる。
【0016】
ところで、上述したように、境界レンズと像面との間に介在させる高屈折率の媒質として、所要の透過率を確保する(光量損失を抑える)ことができるように、たとえば脱イオン水のような液体を用いることになる。露光装置の場合、液体がウェハのような基板に塗布されたフォトレジスト等による汚染を受け、汚染された液体により境界レンズの像側の光学面も汚染され、境界レンズおよび液体の透過率が低下する恐れがある。
【0017】
そこで、本発明では、境界レンズの像側の光学面への汚染を防ぐために、境界レンズと像面との間の光路中に、たとえば平行平面板のような光学部材(一般的には、ほぼ無屈折力の光学部材)を挿脱自在に配置することが好ましい。なお、投影光学系の製造工程においては、屈折力が僅かに異なる複数の光学部材を用意し、境界レンズと像面との間に介在させる光学部材を選択的に交換することにより、ペッツバール和を調整し、像面湾曲を補正することができる。
【0018】
さらに、ほぼ無屈折力の光学部材の姿勢を調整することができるように構成することが好ましい。この場合、上記光学部材を光軸に対して傾ける(チルトさせる)ことにより、レンズの偏芯等によって生じる非対称収差を補正することができる。また、本発明では、ほぼ無屈折力の光学部材が媒質と接する光学面(すなわち光学部材の物体側および像側の光学面)での反射損失を低減させるために、次の条件式(2)を満足することが望ましい。
|Np−Nm|<0.08 (2)
【0019】
条件式(2)において、Nmは媒質の屈折率であり、Npはほぼ無屈折力の光学部材を形成する光学材料の屈折率である。条件式(2)を満足するように、媒質に接する上記光学部材と媒質との屈折率差を十分に小さく設定することにより、光学薄膜を付加しなくても、ほぼ無屈折力の光学部材の物体側および像側の光学面での反射損失を低減することができる。なお、上記光学部材の物体側および像側の光学面での反射損失をさらに低減するには、条件式(2)の上限値を0.05に設定することが好ましい。
【0020】
なお、極紫外域の光に対して、十分に大きな透過率を有し且つ条件式(1)および(2)を満足するような低い屈折率を有する光学材料は、実用的には蛍石(CaF2)のみである。したがって、たとえば170nm以上で250nm以下の波長を有する光に基づいて物体像を形成する投影光学系では、媒質に接するすべての光学要素(上述の境界レンズ、ほぼ無屈折力の光学部材など)が蛍石で形成されていることが好ましい。
【0021】
また、上述したように、極紫外域の光を用いる投影光学系では大きな透過率および低い屈折率を有する光学材料として蛍石を用いることになるが、蛍石には固有複屈折が存在し、この固有複屈折の影響により投影光学系の結像性能が低下し易い。そこで、一対の蛍石レンズ(一般には、蛍石で形成された透過光学部材すなわち蛍石光学部材)の結晶軸が所定の方位関係を満たすように設定することにより、蛍石の固有複屈折の結像性能への影響を低減することが好ましい。以下、蛍石の固有複屈折の影響を受けにくいレンズ構成を実現する典型的な手法について簡単に説明する。
【0022】
第1手法では、一対の蛍石レンズの光軸と結晶軸[111](または結晶軸[111]と光学的に等価な結晶軸)とを一致させ、且つ光軸を中心として一対の蛍石レンズを約60度だけ相対的に回転させる。ここで、結晶軸[111]と光学的に等価な結晶軸とは、たとえば結晶軸[−111],[1−11],[11−1]である。また、一方の蛍石レンズと他方の蛍石レンズとを光軸を中心として約60度だけ相対的に回転させるとは、一方の蛍石レンズおよび他方の蛍石レンズにおける光軸とは異なる方向に向けられる所定の結晶軸(たとえば結晶軸[−111]、[11−1]、または[1−11])同士の光軸を中心とした相対的な角度が約60度であることを意味する。
【0023】
具体的には、たとえば一方の蛍石レンズにおける結晶軸[−111]と、他方の蛍石レンズにおける結晶軸[−111]との光軸を中心とした相対的な角度が約60度であることを意味する。そして、光軸を中心として約60度だけ相対的に回転させるということは、光軸を中心として約60度+(n×120度)だけ相対的に回転させること、すなわち60度、180度、または300度・・・だけ相対的に回転させることと同じ意味である(ここで、nは整数である)。
【0024】
第2手法では、一対の蛍石レンズの光軸と結晶軸[100](または結晶軸[100]と光学的に等価な結晶軸)とを一致させ、且つ光軸を中心として一対の蛍石レンズを約45度だけ相対的に回転させる。ここで、結晶軸[100]と光学的に等価な結晶軸とは、たとえば結晶軸[010],[001]である。また、一方の蛍石レンズと他方の蛍石レンズとを光軸を中心として約45度だけ相対的に回転させるとは、一方の蛍石レンズおよび他方の蛍石レンズにおける光軸とは異なる方向に向けられる所定の結晶軸(たとえば結晶軸[010],[001],[011]または[01−1])同士の光軸を中心とした相対的な角度が約45度であることを意味する。
【0025】
具体的には、たとえば一方の蛍石レンズにおける結晶軸[010]と、他方の蛍石レンズにおける結晶軸[010]との光軸を中心とした相対的な角度が約45度であることを意味する。そして、光軸を中心として約45度だけ相対的に回転させるということは、光軸を中心として約45度+(n×90度)だけ相対的に回転させること、すなわち45度、135度、225度、または315度・・・だけ相対的に回転させることと同じ意味である(ここで、nは整数である)。
【0026】
また、本発明では、少なくとも1つの凹面反射鏡と屈折光学部材(レンズ成分)とを有する反射屈折光学系として投影光学系を構成することが望ましい。この構成により、大きな有効結像領域(実効露光領域)と大きな像側開口数NAとを有する投影光学系を達成することができる。一般に、屈折光学部材のみで構成される屈折型の投影光学系の場合、像面湾曲を補正するために、開口数の小さい物体側(物体面の近傍)に正レンズ群と負レンズ群とを交互に配置して、ペッツバール和を0に近づける必要がある。
【0027】
しかしながら、本発明のように像側開口数の大きな光学系では、物体側の開口数も大きいため、ペッツバール和を0に補正しつつ有効結像領域(実効露光領域)の全体に亘って球面収差やコマ収差を良好に補正することが困難となる。この場合、縮小倍率を1:4から1:5や1:6へさらに高倍率での縮小へ変更すれば、物体側の開口数が小さくなってペッツバール和の補正には有利となるが、露光装置において広い実効露光領域を確保しようとすると、マスクが大きくなりすぎるという不都合がある。
【0028】
これに対し、少なくとも1つの凹面反射鏡と屈折光学部材とを有する反射屈折型の投影光学系では、凹面反射鏡が正の屈折力を持ちつつペッツバール和への寄与は負レンズと同様であるため、凹面反射鏡と正レンズとの組み合わせによりペッツバール和の補正が容易に可能である。その結果、反射屈折光学系の構成と、像面との間の光路中に高屈折率の液体(媒質)を介在させる液浸光学系の構成とを組み合わせることにより、大きい像側開口数および広い有効結像領域(実効露光領域)を有する投影光学系を達成することができる。
【0029】
反射屈折光学系においては、凹面反射鏡に向かって進む光と凹面反射鏡で反射されて戻る光とを如何に分離するかが課題になる。また、像側開口数の大きい投影光学系では、光学素子の有効径が大きくなる(光学素子が大型化する)のを避けることはできない。したがって、透過反射面を有するプリズム型ビームスプリッタを利用する反射屈折光学系では、大型化したプリズム型ビームスプリッタの製造が困難になるという不都合がある。
【0030】
本発明では、光軸に対して偏心した有効結像領域を有し、光路中に少なくとも1つの中間像を形成するように投影光学系を構成することが好ましい。この構成により、中間像の形成位置の付近に光路分離用の平面反射鏡を配置して、凹面反射鏡に向かって進む光と凹面反射鏡で反射されて戻る光とを容易に分離することができる。また、本発明では、高い解像力を得るために、像側の開口数が1以上であることが好ましい。
【0031】
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構成を概略的に示す図である。なお、図1において、投影光学系PLの基準光軸AXに平行にZ軸を、基準光軸AXに垂直な面内において図1の紙面に平行にY軸を、図1の紙面に垂直にX軸をそれぞれ設定している。
【0032】
図示の露光装置は、紫外領域の照明光を供給するための光源100として、ArFエキシマレーザ光源を備えている。光源100から射出された光は、照明光学系ILを介して、所定のパターンが形成されたレチクルRを重畳的に照明する。なお、光源100と照明光学系ILとの間の光路はケーシング(不図示)で密封されており、光源100から照明光学系IL中の最もレチクル側の光学部材までの空間は、露光光の吸収率が低い気体であるヘリウムガスや窒素などの不活性ガスで置換されているか、あるいはほぼ真空状態に保持されている。
【0033】
レチクルRは、レチクルホルダRHを介して、レチクルステージRS上においてXY平面に平行に保持されている。レチクルRには転写すべきパターンが形成されており、パターン領域全体のうちX方向に沿って長辺を有し且つY方向に沿って短辺を有する矩形状(スリット状)のパターン領域が照明される。レチクルステージRSは、図示を省略した駆動系の作用により、レチクル面(すなわちXY平面)に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はレチクル移動鏡RMを用いた干渉計RIFによって計測され且つ位置制御されるように構成されている。
【0034】
レチクルRに形成されたパターンからの光は、投影光学系PLを介して、感光性基板であるウェハW上にレチクルパターン像を形成する。ウェハWは、ウェハホルダテーブルWTを介して、ウェハステージWS上においてXY平面に平行に保持されている。そして、レチクルR上での矩形状の照明領域に光学的に対応するように、ウェハW上ではX方向に沿って長辺を有し且つY方向に沿って短辺を有する矩形状の露光領域にパターン像が形成される。ウェハステージWSは、図示を省略した駆動系の作用によりウェハ面(すなわちXY平面)に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はウェハ移動鏡WMを用いた干渉計WIFによって計測され且つ位置制御されるように構成されている。
【0035】
図2は、本実施形態の第1実施例においてウェハ上に形成される矩形状の実効露光領域と基準光軸との位置関係を示す図である。本実施形態の第1実施例では、図2に示すように、基準光軸AXを中心とした半径Bを有する円形状の領域(イメージサークル)IF内において、基準光軸AXから−Y方向に軸外し量Aだけ離れた位置に所望の大きさを有する矩形状の実効露光領域ERが設定されている。ここで、実効露光領域ERのX方向の長さはLXであり、そのY方向の長さはLYである。
【0036】
換言すると、第1実施例では、基準光軸AXから−Y方向に軸外し量Aだけ離れた位置に所望の大きさを有する矩形状の実効露光領域ERが設定され、基準光軸AXを中心として実効露光領域ERを包括するように円形状のイメージサークルIFの半径Bが規定されている。したがって、図示を省略したが、これに対応して、レチクルR上では、基準光軸AXから+Y方向に軸外し量Aに対応する距離だけ離れた位置に実効露光領域ERに対応した大きさおよび形状を有する矩形状の照明領域(すなわち実効照明領域)が形成されていることになる。
【0037】
図3は、本実施形態の第2実施例においてウェハ上に形成される矩形状の実効露光領域と基準光軸との位置関係を示す図である。本実施形態の第2実施例では、図3に示すように、基準光軸AXを中心とした半径Bを有する円形状の領域(イメージサークル)IF内において、基準光軸AXを中心としてX方向に沿って細長く延びた矩形状の実効露光領域ERが設定されている。ここで、実効露光領域ERのX方向の長さはLXであり、そのY方向の長さはLYである。したがって、図示を省略したが、これに対応して、レチクルR上では、基準光軸AXを中心として実効露光領域ERに対応した大きさおよび形状を有する矩形状の照明領域(すなわち実効照明領域)が形成されていることになる。
【0038】
また、本実施形態の露光装置では、投影光学系PLを構成する光学部材のうち最もレチクル側に配置された光学部材と最もウェハ側に配置された境界レンズLbとの間で投影光学系PLの内部が気密状態を保つように構成され、投影光学系PLの内部の気体はヘリウムガスや窒素などの不活性ガスで置換されているか、あるいはほぼ真空状態に保持されている。さらに、照明光学系ILと投影光学系PLとの間の狭い光路には、レチクルRおよびレチクルステージRSなどが配置されているが、レチクルRおよびレチクルステージRSなどを密封包囲するケーシング(不図示)の内部に窒素やヘリウムガスなどの不活性ガスが充填されているか、あるいはほぼ真空状態に保持されている。
【0039】
図4は、各実施例における境界レンズとウェハとの間の構成を概略的に示す図である。図4を参照すると、各実施例において、投影光学系PLの最もウェハ側に配置された境界レンズLbは、レチクル側(第1面側)に向かって凸面を有する。換言すれば、境界レンズLbのレチクル側の面Sbは、正の屈折力を有する。そして、境界レンズLbとウェハWとの間の光路中には、平行平面板Lpが挿脱自在に配置されている。さらに、境界レンズLbと平行平面板Lpとの間の光路および平行平面板LpとウェハWとの間の光路は、1.1よりも大きい屈折率を有する媒質Lmで満たされている。各実施例では、媒質Lmとして、脱イオン水を用いている。
【0040】
なお、投影光学系PLに対してウェハWを相対移動させつつ走査露光を行うステップ・アンド・スキャン方式の露光装置において、走査露光の開始から終了まで投影光学系PLの境界レンズLbとウェハWとの間の光路中に液体媒質Lmを満たし続けるには、たとえば国際公開番号WO99/49504号公報に開示された技術や、特開平10−303114号公報に開示された技術などを用いることができる。
【0041】
国際公開番号WO99/49504号公報に開示された技術では、液体供給装置から供給管および排出ノズルを介して所定の温度に調整された液体(媒質Lm)を境界レンズLbとウェハWとの間の光路を満たすように供給し、液体供給装置により回収管および流入ノズルを介してウェハW上から液体を回収する。液体の供給量および回収量は、投影光学系PLに対するウェハWの相対移動速度に応じて調整されることになる。
【0042】
一方、特開平10−303114号公報に開示された技術では、液体(媒質Lm)を収容することができるようにウェハホルダテーブルWTを容器状に構成し、その内底部の中央において(液体中において)ウェハWを真空吸着により位置決め保持する。また、投影光学系PLの鏡筒先端部が液体中に達し、ひいては境界レンズLbのウェハ側の光学面が液体中に達するように構成する。
【0043】
このように、光源100からウェハWまでの光路の全体に亘って、露光光がほとんど吸収されることのない雰囲気が形成されている。上述したように、投影光学系PLによって規定されるレチクルR上の照明領域およびウェハW上の露光領域(すなわち実効露光領域ER)は、Y方向に沿って短辺を有する矩形状である。したがって、駆動系および干渉計(RIF、WIF)などを用いてレチクルRおよびウェハWの位置制御を行いながら、矩形状の露光領域および照明領域の短辺方向すなわちY方向に沿ってレチクルステージRSとウェハステージWSとを、ひいてはレチクルRとウェハWとを同期的に移動(走査)させることにより、ウェハW上には露光領域の長辺に等しい幅を有し且つウェハWの走査量(移動量)に応じた長さを有する領域に対してレチクルパターンが走査露光される。
【0044】
各実施例において、非球面は、光軸に垂直な方向の高さをyとし、非球面の頂点における接平面から高さyにおける非球面上の位置までの光軸に沿った距離(サグ量)をzとし、頂点曲率半径をrとし、円錐係数をκとし、n次の非球面係数をCnとしたとき、以下の数式(a)で表される。各実施例において、非球面形状に形成されたレンズ面には面番号の右側に*印を付している。
【0045】
【数1】
z=(y2/r)/[1+{1−(1+κ)・y2/r21/2]+C4・y4+C6・y6+C8・y8+C10・y10+C12・y12+C14・y14 (a)
【0046】
[第1実施例]
図5は、本実施形態の第1実施例にかかる投影光学系のレンズ構成を示す図である。第1実施例において、投影光学系PLは、物体面(第1面)に配置されたレチクルRのパターンの中間像を形成するための第1結像光学系G1と、中間像からの光に基づいて像面(第2面)に配置されたウェハW上にレチクルパターンの縮小像を形成するための第2結像光学系G2とにより構成されている。ここで、第1結像光学系G1は凹面反射鏡CMを含む反射屈折光学系であり、第2結像光学系G2は屈折光学系である。
【0047】
第1結像光学系G1と第2結像光学系G2との間の光路中において中間像の形成位置の近傍には、第1結像光学系G1からの光を偏向するための第1光路折り曲げ鏡M1が配置されている。また、第1光路折り曲げ鏡M1と第2結像光学系G2との間の光路中には、第1光路折り曲げ鏡M1を介した第1結像光学系G1からの光を第2結像光学系G2に向かって偏向するための第2光路折り曲げ鏡M2が配置されている。
【0048】
また、第1結像光学系G1および第2結像光学系G2は、重力方向(すなわち鉛直方向)に沿って直線状に延びた光軸をそれぞれ有する。その結果、レチクルRおよびウェハWは、重力方向と直交する面すなわち水平面に沿って互いに平行に配置されている。加えて、第1結像光学系G1を構成するすべてのレンズおよび第2結像光学系G2を構成するすべてのレンズも、各光軸上において水平面に沿って配置されている。
【0049】
第1実施例にかかる投影光学系PLにおいて、第1結像光学系G1は、レチクル側から順に、レチクル側に非球面形状の凸面を向けた負メニスカスレンズL11と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL12と、レチクル側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズL13と、両凸レンズL14と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL15と、レチクル側に非球面形状の凹面を向けた負メニスカスレンズL16と、レチクル側に非球面形状の凹面を向けた負メニスカスレンズL17と、両凸レンズL18と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL19と、凹面反射鏡CMとにより構成されている。
【0050】
一方、第2結像光学系G2は、光の進行方向に沿ってレチクル側から順に、両凸レンズL21と、レチクル側に非球面形状の凹面を向けた負メニスカスレンズL22と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた負メニスカスレンズL23と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL24と、開口絞りASと、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズL25と、両凸レンズL26と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL27と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズL28と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズL29と、レチクル側に凸面を向けた負メニスカスレンズL210と、ウェハ側に平面を向けた平凸レンズL211(境界レンズLb)とにより構成されている。
【0051】
そして、境界レンズLbとしての平凸レンズL211とウェハWとの間の光路中には、平行平面板Lpが配置されている。また、境界レンズLbと平行平面板Lpとの間の光路および平行平面板LpとウェハWとの間の光路には、脱イオン水からなる媒質Lmが満たされている。第1実施例では、レチクルRからの光が、レンズL11〜L19を介して、凹面反射鏡CMに入射する。凹面反射鏡CMで反射された光は、レンズL19〜L14を介して、第1光路折り曲げ鏡M1の近傍にレチクルRの中間像を形成する。第1光路折り曲げ鏡M1で反射された光は、第2光路折り曲げ鏡M2で反射された後、レンズL21〜L211(Lb)および平行平面板Lpを介して、ウェハW上にレチクルRの縮小像を形成する。
【0052】
第1実施例では、投影光学系PLを構成する光学要素は、石英(SiO2)または蛍石(CaF2)により形成されている。具体的には、レンズL210、L211(Lb)および平行平面板Lpは蛍石により形成され、その他のレンズ成分は石英により形成されている。そして、一対の蛍石レンズL210およびL211(Lb)の結晶軸が所定の方位関係を満たすように設定されている。露光光であるArFエキシマレーザ光の発振中心波長は、193.306nmであり、この中心波長に対する石英の屈折率は1.5603261、蛍石の屈折率は1.5014548である。さらに、境界レンズLbとウェハWとの間に介在する媒質Lmとして、露光光に対して1.47の屈折率を有する脱イオン水を用いている。
【0053】
次の表(1)に、第1実施例にかかる投影光学系PLの諸元の値を掲げる。表(1)において、λは露光光の中心波長を、βは投影倍率(全系の結像倍率)を、NAは像側(ウェハ側)開口数を、BはウェハW上でのイメージサークルIFの半径を、Aは実効露光領域ERの軸外し量を、LXは実効露光領域ERのX方向に沿った寸法(長辺の寸法)を、LYは実効露光領域ERのY方向に沿った寸法(短辺の寸法)をそれぞれ表している。また、面番号は物体面(第1面)であるレチクル面から像面(第2面)であるウェハ面への光線の進行する方向に沿ったレチクル側からの面の順序を、rは各面の曲率半径(非球面の場合には頂点曲率半径:mm)を、dは各面の軸上間隔すなわち面間隔(mm)を、nは中心波長に対する屈折率をそれぞれ示している。
【0054】
なお、面間隔dは、反射される度にその符号を変えるものとする。したがって、面間隔dの符号は、凹面反射鏡CMから第1光路折り曲げ鏡M1の反射面までの光路中および第2光路折り曲げ鏡M2の反射面から像面までの光路中では負とし、その他の光路中では正としている。そして、第1結像光学系G1では、レチクル側に向かって凸面の曲率半径を正とし、凹面の曲率半径を負としている。一方、第2結像光学系G2では、レチクル側に向かって凹面の曲率半径を正とし、凸面の曲率半径を負としている。
【0055】
【表1】
Figure 2004205698
Figure 2004205698
Figure 2004205698
Figure 2004205698
Figure 2004205698
Figure 2004205698
【0056】
図6は、第1実施例における横収差を示す図である。収差図において、Yは像高を示している。図6の収差図から明らかなように、第1実施例では、反射屈折型の投影光学系においてArFエキシマレーザ光を用いて非常に大きな像側開口数(NA=1.05)を確保しているにもかかわらず、実効露光領域の全体に亘って収差が良好に補正されていることがわかる。
【0057】
[第2実施例]
図7は、本実施形態の第2実施例にかかる投影光学系のレンズ構成を示す図である。第2実施例の投影光学系PLは、第1実施例とは異なり屈折型の光学系である。すなわち、第2実施例にかかる投影光学系PLは、レチクル側から順に、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた両凹レンズL1と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL2と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL3と、レチクル側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズL4と、両凸レンズL5と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL6と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL7と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL8と、レチクル側に凸面を向けた負メニスカスレンズL9と、レチクル側に非球面形状の凹面を向けた両凹レンズL10と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた両凹レンズL11と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた両凹レンズL12と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズL13と、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズL14と、両凸レンズL15と、レチクル側に凸面を向けた負メニスカスレンズL16と、開口絞りASと、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズL17と、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズL18と、両凸レンズL19と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL20と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズL21と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL22と、レチクル側に凸面を向けた負メニスカスレンズL23(境界レンズLb)とにより構成されている。
【0058】
そして、境界レンズLbとしての負メニスカスレンズL23とウェハWとの間の光路中には、平行平面板Lpが配置されている。また、境界レンズLbと平行平面板Lpとの間の光路および平行平面板LpとウェハWとの間の光路には、脱イオン水からなる媒質Lmが満たされている。第2実施例においても第1実施例と同様に、投影光学系PLを構成する光学要素は、石英(SiO2)または蛍石(CaF2)により形成されている。具体的には、レンズL22、L23(Lb)および平行平面板Lpは蛍石により形成され、その他のレンズ成分は石英により形成されている。そして、一対の蛍石レンズL22およびL23(Lb)の結晶軸が前述した所定の方位関係を満たすように設定されている。また、第2実施例においても第1実施例と同様に、露光光であるArFエキシマレーザ光の発振中心波長は、193.306nmであり、この中心波長に対する石英の屈折率は1.5603261、蛍石の屈折率は1.5014548である。さらに、境界レンズLbとウェハWとの間に介在する媒質Lmとして、露光光に対して1.47の屈折率を有する脱イオン水を用いている。
【0059】
次の表(2)に、第2実施例にかかる投影光学系PLの諸元の値を掲げる。表(2)において、λは露光光の中心波長を、βは投影倍率を、NAは像側(ウェハ側)開口数を、BはウェハW上でのイメージサークルIFの半径を、LXは実効露光領域ERのX方向に沿った寸法(長辺の寸法)を、LYは実効露光領域ERのY方向に沿った寸法(短辺の寸法)をそれぞれ表している。
【0060】
また、面番号は物体面(第1面)であるレチクル面から像面(第2面)であるウェハ面への光線の進行する方向に沿ったレチクル側からの面の順序を、rは各面の曲率半径(非球面の場合には頂点曲率半径:mm)を、dは各面の軸上間隔すなわち面間隔(mm)を、nは中心波長に対する屈折率をそれぞれ示している。そして、レチクル側に向かって凸面の曲率半径を正とし、凹面の曲率半径を負としている。
【0061】
【表2】
Figure 2004205698
Figure 2004205698
Figure 2004205698
Figure 2004205698
【0062】
図8は、第2実施例における横収差を示す図である。収差図において、Yは像高を示している。図8の収差図から明らかなように、第2実施例では、屈折型の投影光学系においてArFエキシマレーザ光を用いて比較的大きな像側開口数(NA=1.04)を確保しているにもかかわらず、実効露光領域の全体に亘って収差が良好に補正されていることがわかる。
【0063】
こうして、第1実施例では、波長が193.306nmのArFエキシマレーザ光に対して、1.05の高い像側開口数を確保するとともに、ウェハW上において半径が17.1mmのイメージサークル内に諸収差が十分に補正された領域として、26mm×4.5mmの矩形状の実効露光領域(静止露光領域)を確保することができ、たとえば26mm×33mmの矩形状の露光領域内に回路パターンを高解像度で走査露光することができる。
【0064】
また、第2実施例では、波長が193.306nmのArFエキシマレーザ光に対して、1.04の高い像側開口数を確保するとともに、ウェハW上において半径が12mmのイメージサークル内に諸収差が十分に補正された領域として、22mm×9mmの矩形状の実効露光領域(静止露光領域)を確保することができ、たとえば22mm×33mmの矩形状の露光領域内に回路パターンを高解像度で走査露光することができる。
【0065】
図9は、媒質に接する光学要素と媒質との屈折率差を各実施例と同じに設定した場合の光学面における反射損失の角度特性を示す図である。なお、図9において、横軸は光学面への光線の入射角(度)を示し、縦軸は反射率(%)を示している。また、図9において、線RpはP偏光に対する反射率を示し、線RsはS偏光に対する反射率を示している。図9を参照すると、各実施例では、媒質Lmに接する光学要素(Lb,Lp)と媒質Lmとの屈折率差が条件式(1)および(2)を満足するように設定しているので、光学薄膜を付加しなくても、媒質Lmに接する光学面での反射損失を低減することができることがわかる。
【0066】
その結果、各実施例では、フレア等の迷光の発生を抑えて大きな実効的な像側開口数を確保することができ、しかも光学薄膜による光の吸収に起因する光学面での発熱を回避することができるので、露光装置の場合には露光中の結像性能の低下を回避することができる。また、各実施例では、媒質Lmに接する光学要素(Lb,Lp)に蛍石を用いているが、一対の蛍石レンズの結晶軸が所定の方位関係を満たすように設定しているので、蛍石の固有複屈折の結像性能への影響を低減して、良好な結像性能を確保することができる。
【0067】
上述の実施形態の露光装置では、照明装置によってレチクル(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10のフローチャートを参照して説明する。
【0068】
先ず、図10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l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。
【0069】
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、ステップ301〜ステップ305では、ウェハ上に金属を蒸着し、その金属膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチングの各工程を行っているが、これらの工程に先立って、ウェハ上にシリコンの酸化膜を形成後、そのシリコンの酸化膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチング等の各工程を行っても良いことはいうまでもない。
【0070】
また、本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11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11において、パターン形成工程401では、本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。
【0071】
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本のストライプのフィルターの組を複数水平走査線方向に配列されたり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。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。
【0072】
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。
【0073】
なお、上述の実施形態では、マスクおよび基板を投影光学系に対して相対移動させながら基板の各露光領域に対してマスクパターンをスキャン露光するステップ・アンド・スキャン方式の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、マスクと基板とを静止させた状態でマスクのパターンを基板へ一括的に転写し、基板を順次ステップ移動させて各露光領域にマスクパターンを逐次露光するステップ・アンド・リピート方式の露光装置に対して本発明を適用することもできる。
【0074】
また、上述の実施形態では、ArFエキシマレーザ光源を用いているが、これに限定されることなく、たとえばF2 レーザ光源のような他の適当な光源を用いることもできる。さらに、上述の実施形態では、露光装置に搭載される投影光学系に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、他の一般的な投影光学系に対して本発明を適用することもできる。
【0075】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の投影光学系では、像面との間の光路中に高屈折率の媒質を介在させ、境界レンズの物体側の面に正の屈折力を付与し、媒質に接する光学要素と媒質との屈折率差を小さく設定することにより、光学面での反射損失を良好に抑えて、大きな実効的な像側開口数を確保することができる。
【0076】
したがって、本発明の投影光学系を用いる露光装置および露光方法では、大きな実効的な像側開口数を有し、ひいては高い解像度を有する投影光学系を介して、微細なパターンを高精度に転写露光することができる。また、本発明の投影光学系を搭載した露光装置を用いて、高解像な投影光学系を介した高精度な投影露光により、良好なマイクロデバイスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図2】第1実施例においてウェハ上に形成される矩形状の実効露光領域と基準光軸との位置関係を示す図である。
【図3】第2実施例においてウェハ上に形成される矩形状の実効露光領域と基準光軸との位置関係を示す図である。
【図4】各実施例における境界レンズとウェハとの間の構成を概略的に示す図である。
【図5】本実施形態の第1実施例にかかる投影光学系のレンズ構成を示す図である。
【図6】第1実施例における横収差を示す図である。
【図7】本実施形態の第2実施例にかかる投影光学系のレンズ構成を示す図である。
【図8】第2実施例における横収差を示す図である。
【図9】媒質に接する光学要素と媒質との屈折率差を各実施例と同じに設定した場合の光学面における反射損失の角度特性を示す図である。
【図10】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ャートである。
【図11】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ャートである。
【符号の説明】
Lb 境界レンズ
Lp 平行平面板
Lm 媒体(脱イオン水)
G1 第1結像光学系
G2 第2結像光学系
CM 凹面反射鏡
M1 第1光路折り曲げ鏡
M2 第2光路折り曲げ鏡
Li 各レンズ成分
100 レーザー光源
IL 照明光学系
R レチクル
RS レチクルステージ
PL 投影光学系
W ウェハ
WS ウェハステージ

Claims (11)

  1. 第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
    前記投影光学系は、第1面側の面が正の屈折力を有する境界レンズを有し、
    前記投影光学系の光路中の雰囲気の屈折率を1とするとき、前記境界レンズと前記第2面との間の光路は1.1よりも大きい屈折率を有する媒質で満たされ、
    前記媒質の屈折率をNmとし、前記境界レンズを形成する光学材料の屈折率をNsとするとき、
    |Ns−Nm|<0.08
    の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
  2. 前記境界レンズと前記第2面との間の光路中には、少なくとも1つのほぼ無屈折力の光学部材が配置され、
    前記境界レンズと前記光学部材との間の光路および前記光学部材と前記第2面との間の光路は前記媒質で満たされ、
    前記媒質の屈折率をNmとし、前記光学部材を形成する光学材料の屈折率をNpとするとき、
    |Np−Nm|<0.08
    の条件を満足することを特徴とする請求項1に記載の投影光学系。
  3. 前記光学部材は挿脱自在に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の投影光学系。
  4. 前記媒質に接するすべての光学要素の表面には光学薄膜が付加されていないことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の投影光学系。
  5. 170nm以上で250nm以下の波長を有する光に基づいて前記第1面の像を前記第2面上に形成し、
    前記媒質に接するすべての光学要素は蛍石で形成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の投影光学系。
  6. 蛍石で形成された一対の蛍石光学部材を有し、
    前記一対の蛍石光学部材の結晶軸が所定の方位関係を満たすことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の投影光学系。
  7. 前記投影光学系は、少なくとも1つの凹面反射鏡と屈折光学部材とから構成される反射屈折光学系であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の投影光学系。
  8. 光軸に対して偏心した有効結像領域を有し、
    前記投影光学系の光路中に少なくとも1つの中間像を形成することを特徴とする請求項7に記載の投影光学系。
  9. 第2面側の開口数は1以上であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の投影光学系。
  10. 前記第1面に設定されたマスクを照明するための照明系と、前記マスクに形成されたパターンの像を前記第2面に設定された感光性基板上に形成するための請求項1乃至9のいずれか1項に記載の投影光学系とを備えていることを特徴とする露光装置。
  11. 前記第1面に設定されたマスクを照明し、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の投影光学系を介して前記マスクに形成されたパターンの像を前記第2面に設定された感光性基板上に投影露光することを特徴とする露光方法。
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