KR20190016125A

KR20190016125A - 결상 광학계, 노광 장치 및 디바이스 제조 방법

Info

Publication number: KR20190016125A
Application number: KR1020197003281A
Authority: KR
Inventors: 히데키 고마츠다
Original assignee: 가부시키가이샤 니콘
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2019-02-15
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: WO2011065374A1; US20250013156A1; KR20200015812A; US20190302621A1; US10866522B2; EP2506061A1; US20120287413A1; KR102074476B1; US20180210347A1; KR101946596B1; KR102438345B1; JP6098847B2; KR102223843B1; EP2506061A4; US9939733B2; EP4372469A2; US11467501B2; US10228623B2; JPWO2011065374A1; JP2016001308A

Abstract

본 발명은, 예컨대 EUV 광을 이용하는 노광 장치에 적용 가능한 반사 광학계로서, 광속의 광로 분리를 가능하게 하면서 개구수의 증대를 도모할 수 있는 결상 광학계를 제공한다. 제1면(4)의 이미지를 제2면(7) 상에 형성하는 반사 결상 광학계(6)는, 제2면 상의 제1 방향(X 방향)에 관한 제2면 측의 개구수는 제2면 상에 있어서 제1 방향과 교차하는 제2 방향(Y 방향)에 관한 제2면 측의 개구수의 1.1배보다 크다. 반사 결상 광학계는 제2면 측의 개구수를 규정하는 개구 조리개(AS)를 구비하고, 개구 조리개는 타원형의 개구부를 가지며, 이 타원형의 개구부의 장경 방향(X 방향)의 치수는 단경 방향(Y 방향)의 치수의 1.1배보다 크다.

Description

결상 광학계, 노광 장치 및 디바이스 제조 방법{IMAGE-FORMING OPTICAL SYSTEM, EXPOSURE APPARATUS, AND DEVICE PRODUCING METHOD}

본 발명은 결상 광학계, 노광 장치 및 디바이스 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 반도체 소자, 촬상 소자, 액정 표시 소자, 박막 자기 헤드 등의 디바이스를 리소그래피 공정으로 제조하는 데 사용되는 노광 장치에 적합한 반사 결상 광학계에 관한 것이다.

종래, 반도체 소자 등의 제조에 사용되는 노광 장치에서는, 마스크(레티클) 상에 형성된 회로 패턴을 투영 광학계를 통해 감광성 기판(예컨대 웨이퍼) 상에 투영 전사한다. 감광성 기판에는 레지스트가 도포되어 있으며, 투영 광학계를 통한 투영 노광에 의해 레지스트가 감광하여 마스크 패턴에 대응한 레지스트 패턴을 얻을 수 있다. 노광 장치의 해상력은 노광광의 파장과 투영 광학계의 개구수에 의존한다. 따라서, 노광 장치의 해상력을 향상시키려면 노광광의 파장을 짧게 함과 아울러 투영 광학계의 개구수를 크게 할 필요가 있다.

일반적으로, 투영 광학계의 개구수를 소정치 이상으로 크게 하는 것은 광학 설계의 관점에서 어렵기 때문에, 노광광의 단파장화가 필요해진다. 따라서, 반도체 패터닝의 차세대의 노광 방법(노광 장치)으로서, EUVL(Extreme UltraViolet Lithography: 극자외 리소그래피)의 방법이 주목받고 있다. EUVL 노광 장치에서는 5 nm 내지 40 nm 정도의 파장을 갖는 EUV(Extreme UltraViolet: 극자외선) 광을 사용한다. 노광광)으로서 EUV 광을 사용하는 경우, 사용 가능한 광 투과성의 광학 재료가 존재하지 않게 된다. 따라서, EUVL 노광 장치에서는 조명 광학계 및 투영 광학계로서 반사 광학계를 이용함과 아울러, 반사형의 마스크를 이용하게 된다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).

특허 문헌 1 : 미국 특허 제6,452,661호 명세서

전술한 바와 같이, 투영 광학계(결상 광학계)의 해상력은 개구수에 비례하기 때문에, 미세한 패턴을 감광성 기판에 충실하게 전사하려면 투영 광학계의 개구수를 최대한 크게 확보하는 것이 바람직하다. 그러나, EUVL 노광 장치에 사용되는 투영 광학계는 반사 광학계이기 때문에, 마스크와 감광성 기판 사이의 광로에서 복수 개의 반사경에 의해 광이 여러 차례 반사된다. 그 결과, 마스크와 감광성 기판 사이의 비교적 좁은 공간을 오가는 복수 개의 광속(光束)의 광로 분리를 가능하게 해야 하므로, 투영 광학계의 개구수를 증대시키기가 어렵다.

본 발명은 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 예컨대 EUV 광을 이용하는 노광 장치에 적용 가능한 반사 광학계로서, 광속의 광로 분리를 가능하게 하면서 개구수의 증대를 도모할 수 있는 결상 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명의 결상 광학계를 노광 장치의 투영 광학계에 적용함으로써, 예컨대 노광광으로서 EUV 광을 이용하여 큰 해상력을 확보하고, 고해상도로 투영 노광을 행하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 형태에서는, 제1면의 이미지를 제2면 상에 형성하는 반사 결상 광학계에 있어서, 상기 제2면 상의 제1 방향에 관한 상기 제2면 측의 개구수는 상기 제2면 상에 있어서 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향에 관한 상기 제2면 측의 개구수의 1.1배보다 큰 것을 특징으로 하는 결상 광학계를 제공한다.

본 발명의 제2 형태에서는, 제1면의 이미지를 제2면 상에 형성하는 반사 결상 광학계에 있어서, 상기 제2면 상의 제1 방향에 관한 상기 제2면 측의 개구수는 상기 제2면 상에 있어서 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향에 관한 상기 제2면 측의 개구수의 1.5배보다 큰 것을 특징으로 하는 결상 광학계를 제공한다.

본 발명의 제3 형태에서는, 제1면의 이미지를 제2면 상에 형성하는 반사 결상 광학계에 있어서, 상기 제2면 측의 개구수를 규정하는 개구 조리개를 구비하고, 상기 개구 조리개는 타원형의 개구부를 가지며, 상기 타원형의 개구부의 장경 방향의 치수는 단경 방향의 치수의 1.1배보다 큰 것을 특징으로 하는 결상 광학계를 제공한다.

본 발명의 제4 형태에서는, 광원으로부터의 광에 의해 상기 제1면에 설치된 소정의 패턴을 조명하기 위한 조명계와, 상기 소정의 패턴을 상기 제2면에 설치된 감광성 기판에 투영하기 위한 제1 형태, 제2 형태 또는 제3 형태의 결상 광학계를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 노광 장치를 제공한다.

본 발명의 제5 형태에서는, 제4 형태의 노광 장치를 이용하여 상기 소정의 패턴을 상기 감광성 기판에 노광하는 노광 공정과, 상기 소정의 패턴이 전사된 상기 감광성 기판을 현상하고, 상기 소정의 패턴에 대응하는 형상의 마스크층을 상기 감광성 기판의 표면에 형성하는 현상 공정과, 상기 마스크층을 통해 상기 감광성 기판의 표면을 가공하는 가공 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 결상 광학계에서는, 복수 개의 반사경에 의해 광속을 절곡하는 방향으로 단경을 갖는 타원형의 개구부를 개구 조리개에 설치하고, 개구부의 장경 치수를 단경 치수의 소요 배로 설정함으로써, 장경 방향에 관한 이미지측 개구수를 종래 기술에 비해 원하는 크기로까지 증대시키고 있다. 즉, 본 실시 형태에서는, 예컨대 EUV 광을 이용하는 노광 장치에 적용 가능한 반사 광학계로서, 광속의 광로 분리를 가능하게 하면서 개구수의 증대를 도모할 수 있는 결상 광학계가 구현된다.

또한, 본 실시 형태의 결상 광학계를 노광 장치에 적용한 경우, 노광광으로서 예컨대 5 nm 내지 40 nm의 파장을 갖는 EUV 광을 사용할 수 있다. 이 경우, 결상 광학계에 대해 전사해야 할 마스크의 패턴 및 감광성 기판을 상대 이동시켜, 마스크의 패턴을 감광성 기판 상에 고해상도로 투영 노광하는 것이 가능해진다. 그 결과, 큰 해상력을 갖는 주사형의 노광 장치를 이용하여 양호한 노광 조건을 바탕으로 고정밀도의 디바이스를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 노광 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 웨이퍼 상에 형성되는 원호형의 유효 결상 영역과 광축의 위치 관계를 도시한 도면이다.
도 3은 제1 실시예에 따른 결상 광학계의 YZ 평면을 따른 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 제1 실시예에 따른 결상 광학계의 XZ 평면을 따른 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 제1 실시예의 가로수차를 도시한 제1 도면이다.
도 6은 제1 실시예의 가로수차를 도시한 제2 도면이다.
도 7은 제1 실시예의 가로수차를 도시한 제3 도면이다.
도 8은 제2 실시예에 따른 결상 광학계의 YZ 평면을 따른 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 제2 실시예에 따른 결상 광학계의 XZ 평면을 따른 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 제2 실시예의 가로수차를 도시한 제1 도면이다.
도 11은 제2 실시예의 가로수차를 도시한 제2 도면이다.
도 12는 제2 실시예의 가로수차를 도시한 제3 도면이다.
도 13은 마이크로디바이스로서의 반도체 디바이스를 얻을 때의 방법의 일례에 대해 그 플로차트를 도시한 도면이다.

본 발명의 실시 형태를 첨부 도면에 의거하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 노광 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 또한, 도 2는 웨이퍼 상에 형성되는 원호형의 유효 결상 영역과 광축과의 위치 관계를 도시한 도면이다. 도 1에 있어서, 반사 결상 광학계(이하, 단순히 "결상 광학계"라고도 함)(6)의 광축(AX) 방향 즉 감광성 기판인 웨이퍼(7)의 노광면(전사면)의 법선 방향을 따라 Z축을, 웨이퍼(7)의 노광면 내에 있어서 도 1의 지면에 평행한 방향으로 Y축을, 웨이퍼(7)의 노광면 내에 있어서 도 1의 지면에 수직한 방향으로 X축을 각각 설정했다.

도 1의 노광 장치는, 노광광을 공급하기 위한 광원(1)으로서, 예를 들어 레이저 플라즈마 X선원을 구비하고 있다. 광원(1)으로서 방전 플라즈마 광원이나 다른 X선원을 사용할 수도 있다. 광원(1)으로부터 사출된 광은 필요에 따라 배치된 파장 선택 필터(도시하지 않음)를 통해 조명 광학계(IL)에 입사된다. 파장 선택 필터는 광원(1)이 공급하는 광으로부터, 소정 파장(예컨대 13.5 nm)의 EUV 광만을 선택적으로 투과시키고, 다른 파장 광의 투과를 차단하는 특성을 갖는다. 파장 선택 필터를 거친 EUV 광은 한 쌍의 플라이아이 광학계(플라이아이 미러)(2a 및 2b)로 이루어지는 옵티컬 인테그레이터(optical integrator)로 안내된다.

제1 플라이아이 광학계(2a)는 병렬 배치된 복수 개의 제1 반사 광학 요소를 가지고, 제2 플라이아이 광학계(2b)는 제1 플라이아이 광학계(2a)의 복수 개의 제1 반사 광학 요소에 대응하도록 병렬 배치된 복수 개의 제2 반사 광학 요소를 갖는다. 구체적으로, 제1 플라이아이 광학계(2a)는 예컨대 원호형의 외형을 갖는 다수 개의 오목면 거울 요소를 제1면과 광학적으로 공액인 면에 종횡으로 조밀하게 배열함으로써 구성되고, 제2 플라이아이 광학계(2b)는 예컨대 직사각형의 외형을 갖는 다수 개의 오목면 거울 요소를 사출 동공면 또는 사출 동공면과 광학적으로 공액인 면에 종횡으로 조밀하게 배열함으로써 구성되어 있다. 플라이아이 광학계(2a 및 2b)의 상세한 구성 및 작용에 대해서는 예컨대 미국 특허 제6,452,661호 명세서를 참조할 수 있다.

이와 같이 하여, 제2 플라이아이 광학계(2b)의 반사면의 근방에는 소정의 형상을 갖는 실질적인 면 광원이 형성된다. 이 실질적인 면 광원은 한 쌍의 플라이아이 광학계(2a 및 2b)로 이루어지는 조명 광학계(IL)의 사출 동공 위치에 형성된다. 조명 광학계(IL)의 사출 동공 위치[즉 제2 플라이아이 광학계(2b)의 반사면의 근방 위치]는 역동공 타입의 결상 광학계(투영 광학계; 6)의 입사 동공의 위치와 일치해 있다. 역동공 타입의 결상 광학계란, 후술하는 바와 같이, 물체면을 사이에 두고 광학계의 반대측에 입사 동공을 갖는 결상 광학계이다. 본 실시 형태에서는 투영 광학계(6)의 입사 동공의 형상이 타원형이기 때문에, 예컨대 조명 광학계의 사출 동공 형상을 타원형으로 할 수 있다. 이 경우, 광량 손실을 저감할 수 있다.

바꾸어 말하면, 조명 광학계(IL)의 사출 동공은 이 사출 동공이 위치하는 면인 사출 동공면의 제3 방향의 크기보다, 사출 동공면 상에 있어서 이 제3 방향과 직교하는 제4 방향의 크기가 큰 형상으로 할 수 있다. 이 때, 이 제3 방향은 결상 광학계(6)의 제2면 측의 개구수가 큰 제1 방향(X 방향)과 광학적으로 대응할 수 있고, 이 제4 방향은 결상 광학계의 제2면 측의 개구수가 작은 제2 방향(Y 방향)과 광학적으로 대응할 수 있다. 여기서, 제1 방향과 제3 방향이 광학적으로 대응한다는 것은, 조명 광학계(IL)의 사출 동공면으로부터 제2면에 도달할 때까지 개재하는 광학계에 의한 사영 관계의 변환을 고려했을 때, 제1 방향과 제3 방향이 일치하는 것이라 할 수 있고, 제2 방향과 제4 방향이 광학적으로 대응한다는 것은, 조명 광학계(IL)의 사출 동공면으로부터 제2면에 도달할 때까지 개재하는 광학계에 의한 사영 관계의 변환을 고려했을 때, 제2 방향과 제4 방향이 일치하는 것이라 할 수 있다.

또한, 제2 플라이아이 광학계(2b)의 복수 개의 광학 요소는 제3 방향의 크기보다 제4 방향의 크기가 큰 영역 내에만 배열될 수 있다. 이 영역은 예컨대 타원형의 영역으로 할 수 있다.

실질적인 면 광원으로부터 사출된 광, 즉 조명 광학계(IL)로부터 사출된 광은 사(斜)입사 미러(3)에 의해 반사된 후, 반사형의 마스크(4)에 대략 평행하게 근접하여 배치된 시야 조리개(도시하지 않음)의 원호형의 개구부(광 투과부)를 통해 마스크(4) 상에 원호형의 조명 영역을 형성한다. 이와 같이, 광원(1) 및 조명 광학계(IL; 2a, 2b)는 소정의 패턴이 마련된 마스크(4)를 쾰러 조명하기 위한 조명계를 구성하고 있다. 또한, 제2 플라이아이 광학계(2b)와 마스크(4) 사이의 광로 중에는 파워를 갖는 반사경이 배치되어 있지 않다.

마스크(4)는 그 패턴면이 XY 평면을 따라 연장되도록 Y 방향을 따라 이동 가능한 마스크 스테이지(5)에 의해 유지되어 있다. 마스크 스테이지(5)의 이동은 도시를 생략한 레이저 간섭계에 의해 계측된다. 마스크(4) 상에는, 예컨대 Y축에 관해 대칭인 원호형의 조명 영역이 형성된다. 조명된 마스크(4)로부터의 광은 결상 광학계(6)를 통해 감광성 기판인 웨이퍼(7) 상에 마스크(4)의 패턴 이미지를 형성한다.

즉, 웨이퍼(7) 상에는, 도 2에 도시한 바와 같이, Y축에 관해 대칭인 원호형의 유효 결상 영역(ER)이 형성된다. 도 2를 참조하면, 광축(AX)을 중심으로 한 반경(Y0)을 갖는 원형의 영역(이미지 서클)(IF) 내에 있어서, 이 이미지 서클(IF)에 접하도록 X 방향의 길이가 LX이고 Y 방향의 길이가 LY인 원호형의 유효 결상 영역(ER)이 형성된다. 원호형의 유효 결상 영역(ER)은 광축(AX)을 중심으로 하는 환형 띠 모양의 영역의 일부로서, 길이 LY는 원호형의 유효 결상 영역(ER)의 중심과 광축을 잇는 방향을 따른 유효 결상 영역(ER)의 폭 치수이다.

웨이퍼(7)는 그 노광면이 XY 평면을 따라서 연장되도록 X 방향 및 Y 방향을 따라 이차원적으로 이동 가능한 웨이퍼 스테이지(8)에 의해 유지되어 있다. 웨이퍼 스테이지(8)의 이동은 마스크 스테이지(5)와 마찬가지로, 도시를 생략한 레이저 간섭계에 의해 계측된다. 이와 같이 하여, 마스크 스테이지(5) 및 웨이퍼 스테이지(8)를 Y 방향을 따라 이동시키면서, 즉 결상 광학계(6)에 대해 마스크(4) 및 웨이퍼(7)를 Y 방향을 따라 상대 이동시키면서 스캔 노광(주사 노광)을 행함으로써 웨이퍼(7)의 하나의 노광 영역에 마스크(4)의 패턴이 전사된다.

이 때, 결상 광학계(6)의 투영 배율(전사 배율)이 1/4인 경우, 웨이퍼 스테이지(8)의 이동 속도를 마스크 스테이지(5)의 이동 속도의 1/4로 설정하여 동기 주사를 행한다. 또한, 웨이퍼 스테이지(8)를 X 방향 및 Y 방향을 따라 이차원적으로 이동시키면서 주사 노광을 반복함으로써, 웨이퍼(7)의 각 노광 영역에 마스크(4)의 패턴이 차례차례 전사된다.

본 실시 형태의 각 실시예에 따른 결상 광학계(6)는, 도 3, 도 4, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 직선형으로 연장되는 단일의 광축(AX)을 따라, 마스크(4)의 패턴면과 광학적으로 공액인 위치에 패턴의 중간 이미지를 형성하기 위한 제1 반사 광학계(G1)와, 마스크(4)의 패턴의 최종 축소 이미지(중간 이미지의 이미지)를 웨이퍼(7) 상에 형성하기 위한 제2 반사 광학계(G2)를 구비하고 있다. 즉, 마스크(4)의 패턴면과 광학적으로 공액인 면이 제1 반사 광학계(G1)와 제2 반사 광학계(G2) 사이의 광로 중에 형성된다.

제1 반사 광학계(G1)는, 광의 입사순으로, 오목면 형태의 반사면을 갖는 제1 반사경(M1)과, 볼록면 형태의 반사면을 갖는 제2 반사경(M2)과, 볼록면 형태의 반사면을 갖는 제3 반사경(M3)과, 오목면 형태의 반사면을 갖는 제4 반사경(M4)으로 구성되어 있다. 제2 반사 광학계(G2)는, 광의 입사순으로, 볼록면 형태의 반사면을 갖는 제5 반사경(M5)과, 오목면 형태의 반사면을 갖는 제6 반사경(M6)으로 구성되어 있다. 제2 반사경(M2)으로부터 제3 반사경(M3)에 이르는 광로 중에, X 방향으로 가늘고 긴 타원형의 개구부를 갖는 개구 조리개(AS)가 설치된다. 결상 광학계(6)의 광로 중에는 이 개구 조리개(AS) 이외에 개구 조리개가 배치되어 있지 않으며, 결상 광학계(6)의 개구수는 개구 조리개(AS)에 의한 광속의 제한에 의해만 결정된다.

각 실시예에서는, 마스크(4)의 패턴면(제1면)에 있어서 광축(AX)으로부터 이격된 조명 영역으로부터 사출된 광이 제1 반사경(M1)의 오목면 형태의 반사면, 제2 반사경(M2)의 볼록면 형태의 반사면, 제3 반사경(M3)의 볼록면 형태의 반사면 및 제4 반사경(M4)의 오목면 형태의 반사면에서 순차적으로 반사된 후, 마스크 패턴의 중간 이미지를 형성한다. 제1 반사 광학계(G1)를 통해 형성된 중간 이미지로부터 사출된 광은 제5 반사경(M5)의 볼록면 형태의 반사면 및 제6 반사경(M6)의 오목면 형태의 반사면에서 순차적으로 반사된 후, 웨이퍼(7)의 표면(제2면)에 있어서 광축(AX)으로부터 이격된 유효 결상 영역(ER)에 마스크 패턴의 축소 이미지를 형성한다.

각 실시예에 있어서, 모든 반사경(M1 내지 M6)의 반사면은 광축(AX)에 관해서 회전 대칭인 비구면 형태로 형성되어 있다. 각 실시예의 결상 광학계(6)는 마스크(4)를 사이에 두고 결상 광학계(6)의 반대측에 소정 거리만큼 이격된 위치에 입사 동공을 갖는 역동공 타입의 반사 결상 광학계이다. 또한, 각 실시예의 결상 광학계(6)는 웨이퍼측(이미지측)이 텔리센트릭인 광학계이다. 바꾸어 말하면, 각 실시예에 있어서, 결상 광학계(6)의 이미지면 상의 각 위치에 달하는 주 광선은 이미지면에 대해 대략 수직하다. 이 구성에 의해 결상 광학계(6)의 초점 심도 내에서 웨이퍼에 요철이 있어도 양호한 결상이 가능하게 되어 있다.

[제1 실시예]

도 3은 제1 실시예에 따른 결상 광학계의 YZ 평면을 따른 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4는 제1 실시예에 따른 결상 광학계의 XZ 평면을 따른 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 다음 표 (1)에 제1 실시예에 따른 결상 광학계의 제원치를 게재한다. 표 (1)의 주요 제원의 난에 있어서, λ는 노광광의 파장을, β는 결상 배율을, NAx는 X 방향에 관한 이미지측(웨이퍼측) 개구수를, NAy는 Y 방향에 관한 이미지측(웨이퍼측) 개구수를, Y0은 웨이퍼(7) 상에서의 이미지 서클(IF)의 반경(최대 이미지 높이)을, LX는 유효 결상 영역(ER)의 X 방향을 따른 치수를, LY는 유효 결상 영역(ER)의 Y 방향을 따른 치수[원호형의 유효 결상 영역(ER)의 폭 치수]를, Dx는 개구 조리개(AS)의 타원형의 개구부의 장경 방향인 X 방향의 치수를, Dy는 개구 조리개(AS)의 타원형의 개구부의 단경 방향인 Y 방향의 치수를 각각 나타내고 있다.

표 (1)의 광선 추적 설정치의 난 및 렌즈 데이터의 난은 ORA(Optical Research Associates)사의 광학 설계 소프트인 "Code V"의 서식에 따라 기술되어 있다. 표 (1)의 광선 추적 설정치의 난에 있어서, "DIM MM"은 치수가 mm인 것을, WL은 광의 파장(nm)을 나타내고 있다. 또한, XOB는 이미지측(웨이퍼측)으로부터의 광선 추적에 사용된 15개의 광선의 웨이퍼(7) 상에서의 X 좌표(단위: mm)이고, YOB는 15개의 광선의 웨이퍼(7) 상에서의 Y 좌표(단위: mm)이다.

표 (1)의 렌즈 데이터의 난에 있어서, RDY는 면의 곡률 반경(비구면의 경우에는 정점 곡률 반경; 단위: mm)을, THI는 상기 면에서부터 다음 면까지의 거리, 즉 면 간격(단위: mm)을, RMD는 상기 면이 반사면인지 굴절면인지를 나타내고 있다. REFL은 반사면을 의미한다. INFINITY는 무한대를 의미하며, RDY가 INFINITY라면, 그 면이 평면인 것을 의미하고 있다. OBJ는 이미지면으로서의 웨이퍼(7)의 표면을, STO는 개구 조리개(AS)의 면을, IMG는 물체면으로서의 마스크(4)의 패턴면을 나타내고 있다.

면 번호 1은 가상면을, 면 번호 2는 제6 반사경(M6)의 반사면을, 면 번호 3은 제5 반사경(M5)의 반사면을, 면 번호 4는 제4 반사경(M4)의 반사면을, 면 번호 5는 제3 반사경(M3)의 반사면을, 면 번호 7은 제2 반사경(M2)의 반사면을, 면 번호 8은 제1 반사경(M1)의 반사면을 나타내고 있다. ASP는 각 반사경(M1 내지 M6)의 반사면이 이하의 식 (a)로 표시되는 비구면인 것을 의미하고 있다.

s=(h²/r)/[1+{1-(1+κ)·h²/r²}^1/2]+C₄·h⁴

+C₆·h⁶+C₈·h⁸+C₁₀·h¹⁰+C₁₂·h¹²+C₁₄·h¹⁴+C₁₆·h¹⁶

+C₁₈·h¹⁸+C₂₀·h²⁰ (a)

식 (a)에 있어서, h는 광축에 수직인 방향의 높이(단위: mm)이고, s는 비구면의 정점에서의 접평면으로부터 높이 h에서의 비구면 상의 위치까지의 광축을 따른 거리(새그량)(단위: mm)이고, r은 정점 곡률 반경(단위: mm)이고, κ는 원추 계수이고, C_n은 n차의 비구면 계수이다. 표 (1)의 렌즈 데이터의 난에 있어서, K는 원추 계수 κ, A는 h⁴의 계수 C₄, B는 h⁶의 계수 C₆, C는 h⁸의 계수 C₈, D는 h¹⁰의 계수 C₁₀, E는 h¹²의 계수 C₁₂, F는 h¹⁴의 계수 C₁₄, G는 h¹⁶의 계수 C₁₆, H는 h¹⁸의 계수 C₁₈, J는 h²⁰의 계수 C₂₀이다.

또한, 각 반사경(M1 내지 M6)의 반사면(면 번호 2, 3, 4, 5, 7, 8)의 XDE, YDE 및 ZDE는 면의 편심의 X 방향 성분(단위: mm), Y 방향 성분(단위: mm) 및 Z 방향 성분(단위: mm)을 나타내고 있다. ADE, BDE 및 CDE는 면의 회전의 θx방향 성분(X축 둘레의 회전 성분; 단위: 도), θy 방향 성분(Y축 방향의 회전 성분; 단위: 도) 및 θz 방향 성분(Z축 방향의 회전 성분; 단위: 도)를 나타내고 있다. 또한, DAR은 상기 면보다 뒤의 좌표(X, Y, Z)가 변화하지 않는 것을 의미하고 있다. 즉, DAR이라고 기재되어 있는 면에서 편심되어 있어도, 그 후측의 면은 편심된 새로운 좌표를 따르지 않고 DAR이라고 기재되어 있는 면만의 단독 편심이다. 또한, 표 (1)의 표기는 이후의 표 (2)에서도 동일하다.

(표 1)

(주요 제원)

(광선 추적 설정치)

(렌즈 데이터)

도 5, 도 6 및 도 7은 제1 실시예의 가로수차를 도시한 도면이다. 수차도에 있어서, (X, Y)는 유효 결상 영역에서의 규격화 좌표를 나타내고 있다. 도 5 내지 도 7의 수차도로부터 명백한 바와 같이, 제1 실시예에서는 X 방향에 관해 큰 이미지측 개구수(NAx=0.4)를 확보하고 있음에도 불구하고, 파장이 13.5 nm인 EUV 광에 대해 수차가 양호하게 보정되어 있음을 알 수 있다. 또한, 도 5 내지 도 7의 수차도의 표기는 이후의 도 10 내지 도 12의 수차도에서도 동일하다.

또한, 마스크(4) 상에 형성되는 원호형의 조명 영역의 각 점에 대응하는 주 광선과 마스크(4)가 배치되는 제1면의 수선이 이루는 각의 평균치를 α라고 하고, 결상 광학계의 마스크(4) 측(제1면 측)의 최대 개구수를 NAmax라고 하면, 다음 조건식 (b)를 만족한다.

NAmax＞sinα (b)

평균치 α란 상기 각 점에 대응하는 주 광선과 상기 수선이 이루는 각도가 상기 각 점마다 복수 개 있는데, 이들 각도의 평균치로 할 수 있다. 또한, 상기 각 점은 상기 원호형의 조명 영역 내의 대표적인 점, 예컨대 원호형의 조명 영역의 중심점과 원호형의 조명 영역의 가장 둘레 가장자리의 점으로 할 수도 있다.

상기 조건식 (b)는 마스크(4)에의 입사각의 평균치에 대해, X 방향의 개구수가 크게 설정되어 있는 것에 대응해 있다. 또한, 상기 조건식 (b)는 결상 광학계 내에서 광선 분리하기 위해, 입사광 중 Y 방향의 입사광 성분의 입사각이 X 방향의 입사광 성분의 입사각에 대해 커지는 것에 대응해 있다.

또한, 입사광의 주 광선이 마스크(4) 면 또는 웨이퍼(7) 면에 대해 수직이 아닌 경우에는, 마스크(4) 면 또는 웨이퍼(7) 면에 입사되는 입사광의 중심으로부터 반경의 반구를 가상으로 그렸을 때, 상기 반구와 입사 광속이 포개지는 영역을 마스크(4) 또는 웨이퍼(7) 면에 수직하게 마스크(4) 또는 웨이퍼(7) 면에 투영(정사영)한 영역(예컨대, 원)의 중심과 투영된 영역의 외주 사이의 거리(예컨대, 원의 경우에는 반경)에 의해 개구수가 정의된다. 또한, 투영한 영역이 타원인 경우에는 개구수가 X 방향과 Y 방향에서 서로 다른 것을 나타내고 있으며, 장경 또는 단경을 개구수로 한다.

[제2 실시예]

도 8은 제2 실시예에 따른 결상 광학계의 YZ 평면을 따른 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 9는 제2 실시예에 따른 결상 광학계의 XZ 평면을 따른 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 다음 표 (2)에 제2 실시예에 따른 결상 광학계의 제원치를 게재한다.

(표 2)

(주요 제원)

(광선 추적 설정치)

(렌즈 데이터)

도 10, 도 11 및 도 12는 제2 실시예의 가로수차를 도시한 도면이다. 도 10 내지 도 12의 수차도로부터 명백한 바와 같이, 제2 실시예에서는 X 방향에 관해 큰 이미지측 개구수(NAx=0.35)를 확보하고 있음에도 불구하고, 파장이 13.5 nm인 EUV 광에 대해 수차가 양호하게 보정되어 있음을 알 수 있다.

도 3과 도 4의 비교 및 도 8과 도 9의 비교로부터 명백한 바와 같이, 반사 결상 광학계에서는 웨이퍼(7) 상의 원호형의 유효 결상 영역(ER)의 중심을 지나는 지름 방향(Y 방향)과 광축(AX)을 포함하는 평면(YZ 평면)을 따라 광속을 절곡하는 설계가 일반적이다. 이는 물체면의 근방에서는 마스크(4) 상의 원호형의 유효 시야 중 좁은 방향(Y 방향)으로 광속을 절곡하기가 쉽고, 이미지면의 근방에서는 원호형의 유효 결상 영역(ER) 중 좁은 방향(Y 방향)으로 광속을 절곡하기가 쉽기 때문이다.

본 발명에서는, 전술한 고찰로부터, 광속을 절곡하는 방향(Y 방향)에 관한 개구수의 증대를 도모하기는 어렵지만, 예컨대 광속을 절곡하는 방향과 직교(일반적으로는 교차)하는 방향(X 방향)에 관한 개구수의 증대를 도모하기는 비교적 쉽다는 것을 알았다. 전술한 각 실시예에서는 이러한 사실에 기초하여 이미지측(제2면 측)의 개구수(NA)를 규정하는 개구 조리개(AS)에 타원형의 개구부를 설치하고, 이 개구부의 장경 방향(X 방향)의 치수(Dx)를 단경 방향(Y 방향)의 치수(Dy)보다 소요 배만큼 크게 설정함으로써 Y 방향에 관한 이미지측 개구수(NAy)보다 X 방향에 관한 이미지측 개구수(NAx)를 크게 확보하고, 나아가서는 X 방향에 관한 이미지측 개구수(NAx)의 증대를 도모하고 있다.

구체적으로, 제1 실시예에서는 타원형의 개구부의 장경 치수(Dx)를 단경 치수(Dy)의 약 2.02배(=84.0838/41.6781)로 설정함으로써, X 방향에 관한 이미지측 개구수(NAx)를 Y 방향에 관한 이미지측 개구수(NAy)의 2배(=0.4/0.2)의 크기로까지 증대시켰다. 종래 기술에서는 대략 원형의 개구부를 갖는 개구 조리개를 이용하여 모든 방향에 관해 대략 동일한 이미지측 개구수를 확보했던 것을 생각하면, 제1 실시예에서는 X 방향에 관한 이미지측 개구수(NAx)를 종래 기술에 비해 2배의 크기로까지 증대시킨 것이 된다.

제2 실시예에서는 타원형의 개구부의 장경 치수(Dx)를 단경 치수(Dy)의 약 1.41배(=70.5689/49.9638)로 설정함으로써, X 방향에 관한 이미지측 개구수(NAx)를 Y 방향에 관한 이미지측 개구수(NAy)의 1.4배(=0.35/0.25)의 크기로까지 증대시켰다. 즉, 제2 실시예에서는 X 방향에 관한 이미지측 개구수(NAx)를 종래 기술에 비해 1.4배의 크기로까지 증대시킨 것이 된다.

본 실시 형태의 각 실시예에서는 반사 결상 광학계에 있어서 광속을 절곡하는 방향인 Y 방향으로 단경을 갖는 타원형의 개구부를 개구 조리개(AS)에 설치하고, 개구부의 장경 치수(Dx)를 단경 치수(Dy)의 약 2.02배 또는 약 1.41배로 설정함으로써 X 방향에 관한 이미지측 개구수(NAx)를 종래 기술에 비해 2배 또는 1.4배의 크기로까지 증대시켰다. 즉, 본 실시 형태의 각 실시예에서는, 예컨대 EUV 광을 이용하는 노광 장치에 적용 가능한 반사 광학계로서, 광속의 광로 분리를 가능하게 하면서 개구수의 증대를 도모할 수 있는 결상 광학계가 구현된다.

구체적으로, 전술한 각 실시예에서는, 파장이 13.5 nm인 EUV 광에 대해, X 방향에 관해 0.4 또는 0.35라는 비교적 큰 이미지측 개구수를 확보함과 아울러, 웨이퍼(7) 상에 있어서 제반 수차가 양호하게 보정된 26 mm×2 mm의 원호형의 유효 결상 영역을 확보할 수 있다. 따라서, 웨이퍼(7)에 있어서, 예컨대 26 mm×34 mm 또는 26 mm×37 mm의 크기를 갖는 각 노광 영역에 마스크(4)의 패턴을 주사 노광에 의해 0.1 μm 이하의 고해상으로 전사할 수 있다.

본 실시 형태의 노광 장치에서는, X 방향에 관한 이미지측 개구수(NAx)가 Y 방향에 관한 이미지측 개구수(NAy)의 2배 또는 1.4배의 크기를 갖는 결상 광학계(6)를 이용하여 회로 패턴을 투영 노광한다. 따라서, 크리티컬 레이어(critical layer)라고 칭해지는 레이어에 한계 해상을 이용하여 형성하여야 할 패턴에 대해서는 X 방향을 따라 공간 주파수가 높아(피치가 작아)지고 Y 방향을 따라 공간 주파수가 낮아지도록(피치가 커지도록) 회로 패턴의 설계를 하면 된다.

또한, 전술한 각 실시예에서는 13.5nm의 파장을 갖는 EUV 광을 예시적으로 이용했으나, 이에 한정되지 않으며, 예컨대 5 내지 40nm 정도의 파장을 갖는 EUV 광이나 다른 적당한 파장의 광을 사용하는 결상 광학계에 대해서도 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다.

또한, 전술한 각 실시예에서는 원호형의 유효 결상 영역(ER)의 중심을 지나는 지름 방향과 Y 방향은 일치해 있으나, 이에 한정되지 않으며, 원호형의 유효 결상 영역(ER)의 중심을 지나는 지름 방향과 Y 방향이 이루는 각도를 30도보다 작게 함으로써 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 전술한 각 실시예에서는 웨이퍼(7) 상에 형성되는 유효 결상 영역이 원호형이지만, 이에 한정되지 않으며, 예컨대 직사각형의 유효 결상 영역을 형성할 수도 있다. 이 경우, 직사각형의 유효 결상 영역의 단변 방향과 Y 방향을 일치시킴으로써 본 발명의 효과를 얻을 수 있다. 혹은, 직사각형의 유효 결상 영역의 단변 방향과 Y 방향이 이루는 각도를 30도보다 작게 함으로써 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 전술한 각 실시예에서는 역동공 타입의 반사 결상 광학계를 예로 들어 본 발명을 설명했으나, 이에 한정되지 않으며, 정동공 타입의 반사 결상 광학계에 대해서도 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 정동공 타입의 반사 결상 광학계란 물체면을 사이에 두고 광학계측에 입사 동공을 갖는 반사 결상 광학계이다.

이상과 같이 본 발명에서는 제1면의 이미지를 제2면 상에 형성하는 반사 결상 광학계에 있어서, 제2면 상의 제1 방향에 관한 제2면 측의 개구수는 제2면 상에 있어서 제1 방향과 교차하는 제2 방향에 관한 제2면 측의 개구수의 1.1배(더욱 바람직하게는 1.5배)보다 큰 것이 중요하다. 또한, 다른 관점에 따르면, 본 발명에서는, 제1면의 이미지를 제2면 상에 형성하는 반사 결상 광학계에 있어서, 제2면 측의 개구수를 규정하는 개구 조리개를 구비하고, 개구 조리개는 타원형의 개구부를 가지며, 상기 타원형의 개구부의 장경 방향의 치수는 단경 방향의 치수의 1.1배보다 큰 것이 중요하다.

전술한 실시 형태의 노광 장치는, 본원 특허 청구의 범위에 예로 든 각 구성 요소를 포함하는 각종 서브시스템을 소정의 기계적 정밀도, 전기적 정밀도, 광학적 정밀도를 유지하도록 조립함으로써 제조된다. 이들 각종 정밀도를 확보하기 위해, 이 조립 전후에는 각종 광학계에 대해서는 광학적 정밀도를 달성하기 위한 조정, 각종 기계계에 대해서는 기계적 정밀도를 달성하기 위한 조정, 각종 전기계에 대해서는 전기적 정밀도를 달성하기 위한 조정이 이루어진다. 각종 서브시스템으로부터 노광 장치로의 조립 공정은 각종 서브시스템 상호의 기계적 접속, 전기 회로의 배선 접속, 기압 회로의 배관 접속 등이 포함된다. 이 각종 서브시스템으로부터 노광 장치로의 조립 공정 전에, 각 서브시스템 개개의 조립 공정이 있음은 물론이다. 각종 서브시스템의 노광 장치로의 조립 공정이 종료하면, 종합 조정이 행해져, 노광 장치의 전체적인 각종 정밀도가 확보된다. 또한, 노광 장치의 제조는 온도 및 청정도 등이 관리된 클린 룸(clean room)에서 행하는 것이 바람직하다.

다음으로, 전술한 실시 형태에 따른 노광 장치를 이용한 디바이스 제조 방법에 대해 설명한다. 도 13은 반도체 디바이스의 제조 공정을 도시한 플로차트이다. 도 13에 도시한 바와 같이, 반도체 디바이스의 제조 공정에서는, 반도체 디바이스의 기판이 될 웨이퍼(W)에 금속막을 증착하고(단계 S40), 이 증착한 금속막 상에 감광성 재료인 포토레지스트를 도포한다(단계 S42). 계속해서, 전술한 실시 형태의 노광 장치를 이용하여 마스크(레티클)(M)에 형성된 패턴을 웨이퍼(W) 상의 각 샷 영역에 전사하고(단계 S44: 노광 공정), 이 전사가 종료된 웨이퍼(W)의 현상, 즉 패턴이 전사된 포토레지스트의 현상을 행한다(단계 S46: 현상 공정). 그 후, 단계 S46에 의해 웨이퍼(W)의 표면에 생성된 레지스트 패턴을 마스크로 하여 웨이퍼(W)의 표면에 대해 에칭 등의 가공을 행한다(단계 S48: 가공 공정).

여기서, 레지스트 패턴이란 전술한 실시 형태의 노광 장치에 의해 전사된 패턴에 대응하는 형상의 요철이 생성된 포토레지스트층으로서, 그 오목부가 포토레지스트층을 관통하고 있는 것이다. 단계 S48에서는 이 레지스트 패턴을 통해 웨이퍼(W)의 표면의 가공을 행한다. 단계 S48에서 행해지는 가공에는, 예컨대 웨이퍼(W)의 표면의 에칭 또는 금속막 등의 성막 중 적어도 하나가 포함된다. 또한, 단계 S44에서는, 전술한 실시 형태의 노광 장치는 포토레지스트가 도포된 웨이퍼(W)를 감광성 기판으로 하여 패턴의 전사를 행한다.

또한, 전술한 실시 형태에서는 EUV 광을 공급하기 위한 광원으로서 레이저 플라즈마 X선원을 사용했으나, 이에 한정되지 않으며, EUV 광으로서 예컨대 싱크로트론(synchrotron) 방사(SOR) 광을 사용할 수도 있다.

또한, 전술한 실시 형태에서는 EUV 광을 공급하기 위한 광원을 갖는 노광 장치에 본 발명을 적용했으나, 이에 한정되지 않으며, EUV 광 이외의 다른 파장 광을 공급하는 광원을 갖는 노광 장치에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다.

또한, 전술한 실시 형태에서는 노광 장치의 투영 광학계로서의 결상 광학계에 대해 본 발명을 적용했으나, 이에 한정되지 않으며, 일반적으로 제1면의 이미지를 제2면 상에 형성하는 반사 결상 광학계에 대해서도 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다.

또한, 전술한 실시 형태에서는 모든 광학 소자가 반사경으로만 이루어지는 반사 결상 광학계에 대해 본 발명을 적용했으나, 일부의 광학 소자가 굴절 광학 소자 또는 회절 광학 소자(반사형 회절 광학 소자 또는 투과형 회절 광학 소자)인 결상 광학계에 대해 본 발명을 적용할 수도 있다.

1…레이저 플라즈마 X선원
2a, 2b…플라이아이 광학계
3…사입사 미러
4…마스크
5…마스크 스테이지
6…결상 광학계
7…웨이퍼
8…웨이퍼 스테이지
IL…조명 광학계
G1, G2…반사 광학계
M1 내지 M6…반사경

Claims

노광 장치로서, 상기 노광 장치는,
제1플라이아이 광학계 및 제2플라이아이 광학계를 포함하고, 상기 제2플라이아이 광학계로부터의 복사에 의해 제3면 상에 배열되는 반사형의 마스크에 형성되는 패턴을 조명하도록 구성되는 조명 광학계로서, 상기 제1플라이아이 광학계는 제1면 상에 배열되는 복수 개의 반사 요소들을 포함하고, 상기 제2플라이아이 광학계는 제2면 상에 배열되는 복수 개의 반사 요소들을 포함하며, 상기 제2플라이아이 광학계는 상기 제1플라이아이 광학계로부터의 복사가 상기 제2플라이아이 광학계로 입사하도록 구성되는 것인 조명 광학계; 및,
상기 패턴으로부터의 복사를 사용하여 제4면 상에 배열되는 기판 상에 상기 패턴의 이미지를 형성하도록 구성되는 투영 광학계
를 포함하고,
상기 조명 광학계의 조명 영역은 제1방향에서 상기 투영 광학계의 광축으로부터 벗어난 위치에서 상기 제3면 상에 형성되며,
상기 제1방향과 교차하는 제2방향에 대한 상기 제3면 측의 상기 투영 광학계의 개구수는, 상기 제1방향에 대한 상기 제3면 측의 상기 투영 광학계의 개구수보다 크고,
상기 제1플라이아이 광학계로 입사하는 광원으로부터의 복사가 통과하는 위치와 상기 제1플라이아이 광학계에 의해 반사된 상기 광원으로부터의 복사가 통과하는 위치는 상기 제1방향에서 서로 다르며,
상기 제1 및 제2플라이아이 광학계에 의해 반사된 상기 광원으로부터의 복사는 상기 제1플라이아이 광학계와 상기 투영 광학계 사이의 공간을 통과하는 것인 노광 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1플라이아이 광학계로 입사하는 상기 광원으로부터의 복사와 상기 제1 및 제2플라이아이 광학계에 의해 반사되는 상기 광원으로부터의 복사는, 상기 제1방향을 따르는 제1축과 상기 패턴으로부터의 복사가 진행하는 제3방향을 따르는 제2축을 포함하는 평면 내의 방향을 따라 진행하는 것인 노광 장치.
제2항에 있어서, 상기 제1방향은 상기 평면 내의 방향이고, 상기 제2방향은 상기 제1방향과 수직한 것인 노광 장치.
제3항에 있어서,
상기 투영 광학계는 복수 개의 미러들을 포함하고,
제1미러로 입사하는 복사와 상기 제1미러에 의해 반사되는 복사는 상기 평면 내의 방향을 따라 진행하고, 상기 제1미러는 상기 투영 광학계의 복수의 미러들에 포함되는 것인 노광 장치.
제3항에 있어서,
상기 제1방향에 대한 상기 제4면 측의 상기 투영 광학계의 개구수와 상기 제2방향에 대한 상기 제4면 측의 상기 투영 광학계의 개구수는 서로 다른 것인 노광 장치.
제1항에 있어서,
상기 반사형의 마스크를 유지하도록 구성되는 제1스테이지; 및,
상기 기판을 유지하도록 구성되는 제2스테이지
를 더 포함하고,
상기 투영 광학계에 대해 상기 반사형의 마스크와 상기 기판이 이동하는 동안에 노광이 수행되는 것인 노광 장치.
제6항에 있어서,
상기 반사형 마스크의 이동 방향은 상기 제1방향을 따르는 제1축과 상기 패턴으로부터의 복사가 진행되는 제3방향을 따르는 제2축을 포함하는 평면 내의 방향인 것인 노광 장치.
제1항에 있어서,
상기 광원은, 상기 조명 영역이 배열되는 위치와 다른 위치에서 상기 제1방향으로 배열되는 것인 노광 장치.
장치 제조 방법으로서, 상기 장치 제조 방법은,
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 정의된 노광 장치를 사용하여 기판을 노광하는 것; 및,
상기 노광된 기판을 처리하는 것
을 포함하는 장치 제조 방법.