JP2006269462A

JP2006269462A - 露光装置および照明装置

Info

Publication number: JP2006269462A
Application number: JP2005081004A
Authority: JP
Inventors: Ken Ozawa; 謙小澤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】マスクを照明する照明光に任意の偏光分布を持たせる照明システムを有する露光装置を提案する。
【解決手段】本発明は、光源から出射される光の強度を均一化するためマトリクス状にフライアイレンズが配置されたフライアイレンズアレイ１０４と、フライアイレンズアレイ１０４の各レンズエレメントに対応して配置され、光源から出射される光の進行方向と並行な光学軸を有し、通過する光の振動面を回転させる複数の旋光素子から成る旋光素子アレイ１０２とを備える露光装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の振動面を制御する照明光学系を有する露光装置および照明装置に関し、特に半導体装置の製造プロセスにおけるリソグラフィ工程にて用いられる露光装置および照明装置に関する。

近年、半導体装置の製造プロセスにおけるリソグラフィ工程では、形成すべきパターンの微細化に伴って光の波長から決定される解像限界を超えた高解像度が要求されていることから、露光波長以下の微細パターンの形成を可能にする種々の超解像技術が適用されている。

最近では投影レンズ最終面と露光ウエハの間を水などの液体で満たすことにより、投影レンズの開口数（ＮＡ）を１以上にすることを可能にする液浸露光が提唱されており、例えば波長１９３ｎｍのＡｒＦレーザを光源とする露光装置でも、１以上のＮＡの液浸露光により、３２ｎｍノード（ハーフピッチ４５ｎｍ）の半導体製造が可能である。

ここで、１を越えるＮＡはＨｙｐｅｒ−ＮＡなどと呼ばれており、３２ｎｍノード（ハーフピッチ４５ｎｍ）のデバイス製造をＡｒＦの液浸で行うための開発が検討されている。

このようなＨｙｐｅｒ−ＮＡ域ではレジストへの露光光の入射角度およびレジスト層内の露光光の入射角度も大きくなり、特にＴＭ偏光成分（Ｐ偏光成分）による像コントラスト低減が問題になると指摘せれている。これは、非特許文献１などで詳細に議論されている。

さらに、最近では従来無偏光であったマスクへの照明光に対して、偏光を積極的に制御することにより、像コントラストを改善する案も提案されている。これは、非特許文献２などで詳細に議論されている。

T.A.Brunner,"High NA lithographic imagery at Brewster’s angle"（SPIE Proceeding vol. 4691,pp1-10 B.Smith,"Benefiting form polarization-effects on high-NA imaging"(SPIE Proceeding vol.5377 part1,pp68-79

しかし、上記文献においてはアジマーサル偏光照明、ラジアル偏光照明、四重極直線偏光照明などが紹介されているものの、実際に露光装置でこれらの偏光照明を形成する具体的な光学系は提案されていない。

本発明は上記課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、光源から出射される光の強度を均一化するためマトリクス状にレンズが配置されたフライアイレンズアレイと、フライアイレンズアレイの各レンズエレメントに対応して配置され、光源から出射される光の進行方向と並行な光学軸を有し、通過する光の振動面をその厚みに比例して回転させる複数の旋光素子から成る旋光素子アレイとを備える露光装置である。

このような本発明では、光源から出射される光の強度を均一化するフライアイレンズアレイの各レンズエレメントに対応して、通過する光の振動面を、その厚みに比例して回転させる複数の旋光素子から成る旋光素子アレイが設けられているため、マスク面に照射される光の角度に対する振動面方位を任意に設定することができる。

例えば、旋光素子として水晶板を用いると、水晶板の光軸方向の厚さに応じて光の振動面方位の回転角度を制御できるため、フライアイレンズアレイの各レンズエレメントに対応した水晶板アレイを配置し、その厚さを水晶板エレメント毎に制御することで、フライアイレンズのエレメント単位、すなわち等価光源内の位置に対応して通過する光の振動面すなわち偏光方向を制御できるようになる。

したがって、本発明によれば、等価光源内の偏光状態として、フライアイレンズのエレメント単位で任意の振動方位分布を形成することが可能となり、Ｈｙｐｅｒ−ＮＡ域でレジストへの入射角度が大きくなる露光であっても、レジスト内でマスクパターンの像を形成せしめる光の振動方位を適切に制御できるので、像コントラスト低減を抑制することが可能となる。これにより、リソグラフィ工程のプロセスマージンを改善することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る露光装置の概略構成を説明する模式図である。本実施形態に係る露光装置で適用される照明システムでは、旋光素子アレイ１０２を強度均一化ユニットであるフライアイレンズアレイ１０４の入射面に配置する構成である。

旋光素子アレイ１０２としては、フライアイレンズアレイ１０４を構成するマトリクス状に配置された複数のレンズエレメントの各々に対応して、複数の旋光素子がアレイ状に配置された構成となっており、各旋光素子の光軸方向の厚みを設定することで通過する光の振動面の回転角を設定する点に特徴がある。旋光素子アレイ１０２への入射光線は直線偏光であり、素子材料としては露光光であるＡｒＦ、ＫｒＦなどのＤＵＶ（遠紫外）レーザ光に対して透明である例えば水晶を用いている。

ここで、旋光素子の光学軸を光の進行方向（光軸）と平行になるように配置し、旋光素子に直線偏光を入射すると、その厚みに比例して偏光面（振動面）が回転することが知られている（例えば、鈴木範人、小塩高文著、応用光学II、ｐ．２０参照。）。

この特性を利用し、旋光素子アレイ１０２の各エレメントの厚みを制御することによって、フライアイレンズアレイ１０３のエレメント単位で任意の振動面方位を形成することができ、等価光源内の各場所における光の振動方位が任意に制御された、任意の“偏光光源“を得ることができる。

次に、図１に等価光源面１０５からマスク面１０８までの光学系を示す。この光学系では、コンデンサーレンズ１０６により、等価光源面１０５とマスク面１０８とがフーリエ変換の関係になっている。すなわち、等価光源面１０５内の位置情報はマスク面１０８では角度情報に変換されることになる。フライアイレンズ入射面１０３にエレメント単位で光の振動面の方位が制御されると、照明光学系の瞳面となるフライアイレンズ射出面１０５においても、この光の振動面の方位分布が維持され、コンデンサーレンズ１０６を経て、原板となるフォトマスク１０８を照明する。ここで、マスクを照明する光１０７内の角度に対する光の振動面の方位分布は、フライアイレンズアレイ１０２のエレメント単位で設定される光の振動面の方位分布に対応したものとなっている。これにより、所望の偏光照明を得ることが可能となる。

以下、本実施形態に係る露光装置ならびに半導体装置の製造方法について詳細に説明する。なお、ここで説明する露光装置は、半導体装置の製造プロセスにおいて用いられるものを例としており、さらに詳しくは、半導体装置の製造プロセスにおけるリソグラフィ工程において、フォトマスクを用いた投影写像によってウエハ基板上に塗布されたフォトレジストに所望パターンを形成するために用いられるものである。

次に、露光装置の概略構成について説明する。図２は、本実施形態に係る露光装置の全体構成の一例を示す模式図である。先ず、光源となるＤＵＶレーザ（ＡｒＦエキシマレーザ、波長１９３ｎｍ）から説明する。通常、半導体露光装置の光源に用いられているＡｒＦエキシマレーザ２００は出射ビーム形状２０１が矩形であり、出射光の波長の半値幅が１ｐｍ以下に狭帯域化されている。ビーム内の偏光はビーム短辺方向に典型的には９８％程度以上が偏光しており、ほぼ直線偏光であると見なせる。

図中符号２０２はビーム整形ユニットであり、シリンドリカルレンズ、ズームレンズ、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element:回折光学素子）等から構成され、ビームを所定のサイズ、形状に整形する。この実施形態では強度均一化素子であるフライアイレンズアレイ１０４の外形に合わせた形状、サイズにビーム整形するものとする。

図中符号１０２は、本実施形態の主要構成である旋光素子アレイである。材料としてはＤＵＶ域で透過率の高い、例えば水晶である。光学軸は光の進行方向（光軸）と並行となるように配置する。さらに詳細には、水晶は本実施形態では、光の進行方向の手前側から見て、偏光面が左回りに回転する左水晶であると仮定する。

前述のような配置において、旋光素子アレイ１０２に直線偏光を入射すると、その厚みに比例して偏光面が回転する。単位長さあたりの回転角ρは旋光能と呼ばれているが、水晶のその値としては、鶴田著、応用光学II、ｐ１６７、培風館に示されている２０１．９°／ｍｍ（波長２２６．５ｎｍ）と波長依存性（旋光分散）が１／波長²に比例することから概算し、露光波長１９３ｎｍにおける旋光能ρを２７５°／ｍｍであると仮定する。

これにより、旋光素子をフライアイレンズアレイに合わせてアレイ化し、各エレメント単位で水晶の厚みを変えるようにする。本実施形態では図３（a）で示すような振動面方位が同心円状に分布するアジマーサル偏光を形成する。ここで、図３（ａ）中の矢印はフライアイレンズアレイの入射面側から見た光の振動面の方位を表し、図３（b）はフライアイレンズアレイおよび旋光素子アレイのエレメント配列の概念図である。なお、本実施形態では、スキャンタイプの露光装置を想定しているため、マスク上およびウエハ上の露光フィールドは長方形であり、フライアイレンズアレイを構成しているレンズエレメントも長方形である。

図３（a）、（b）より、旋光素子アレイおよびフライアイレンズアレイの単位エレメントの寸法を長軸Ｌ、短軸Ｗ、として、Ｘ×Ｙ＝（２Ｍ＋１）×（２Ｎ＋１）アレイであると仮定する。また、入射光の振動面は図３（c）に示すように入射側から見て方位９０°に偏光しているものとする。

これを旋光素子アレイ１０２の基準と仮定すると、中心エレメント（０、０）の旋光素子の厚みは、３６０°/ρ＝１．３１ｍｍとなる。これを旋光素子アレイ３０３の基準厚（Ｄc）とする。

エレメント（ｉ、ｊ）における目標振動面方位θijは、以下の数１となる。ここで、ｉは−Ｍ以上Ｍ以下の整数、jは−Ｎ以上Ｎ以下の整数である。

よって、旋光素子エレメント（ｉ、ｊ）における厚みＤijは、数２となる。

このように、各エレメント厚を変えた旋光素子アレイを用いることで、フライアイレンズエレメント単位で振動面の方位を変えることが可能となり、図３（a）に示すようなアジマーサル偏光をフライアイ入射面に形成することができる。なお、旋光素子の厚みレンジは３６０°で１．３１ｍｍ程度なので、実際の加工上も可能である。

これにより、フライアイレンズアレイ１０４の各エレメントijにθijの振動面方位を持つ偏光が形成でき、フライアイレンズアレイ１０４の射出面１０５においても図１に示すようにその振動面方位は維持されている。射出面１０５は、いわゆる等価光源面（投影レンズ瞳の共役面）であるため、この面に所望の偏光状態を形成することが最終目標となる。

また、この射出面１０５に遮光体となるアパーチャーを設置することにより、その形状を例えば、円形、輪帯、四重極に整形することができる。

フライアイレンズアレイ１０４の各エレメントはコンデンサーレンズ１０６を通じてフォトマスク１０８を波面分割の後、重畳加算照明することにより、フォトマスク１０８上の強度均一性を向上させることが可能である。また、段落番号“００１７”で説明したように、等価光源面１０５はマスク面１０８とフーリエ変換の関係にあることより、図２中、符号２０７で示すように、この時マスク各点を照明する照明光１０７内の角度に対する振動方位分布は、射出面１０５のそれに対応したものとなる。

さらに、マスクを所望の偏光分布で照明した光は投影レンズ２０９を通して、転写対象となるウエハ２１１に塗布された不図示のフォトレジストにフォトマスク上のデバイスパターンを結像する。このようにして、任意の偏光分布を持つ偏光照明を数１、数２を用いて形成することが可能となる。

ここで第２の実施形態として、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element：回折光学素子）と組み合わせた照明光学システムについて説明する。図４は、第２実施形態を説明する模式図である。入射レーザビームＬＢは図に示すように９０°の方位の直線偏光であるとする。

図中符号４００はＤＯＥであり、偏光状態をほぼ保持したまま、角度方向に対して任意の強度分布を形成することが可能である。このＤＯＥの設計自体は、例えば特開２００１−２４２４１４号公報などに開示されている。すなわち、回折光学素子の位相関数の初期解を生成するステップと、この位相関数の初期解による点像分布関数を計算するステップと、この点像分布関数の分布とこの点像分布関数から決定されるターゲット関数とを評価関数として、最適化アルゴリズムによりこの評価関数に最も近づくように位相関数の解を収束させるプロセスとを有するビーム整形素子の設計方法に基づき、設計すればよい。ＤＯＥを用いることで、任意の強度分布光源を低損失で構成することができる。図中符号４０１はコリメート光学系であり、これによりＤＯＥ４００によって形成された任意強度分布を平行光線に変換する。

旋光素子アレイ１０２の入射面４０２では振動面方位は元の入射レーザビームＬＢでのそれがほぼ保存されており、９０°方位の直線偏光となっている。

第１の実施形態で述べたように旋光素子アレイ１０２を通過することにより、各旋光素子エレメント毎に入射光の振動面が回転し、フライアイレンズアレイ入射面４０４において、フライアイレンズのエレメント単位で振動面方位が異なるような分布を持たせることができる。したがって、フライアイレンズ射出面４０６、すなわち等価光源面（投影レンズ瞳の共役面）に任意の強度分布と任意の振動面方位分布を持つ等価光源を形成することが可能となる。

図５は、アジマーサル偏光の効果をシミュレーションによって計算した例を示す図である。転写対象となるマスクパターンをウエハ上寸法で５５ｎｍのライン＆スペースとする。これをＮＡ１．２（液浸材＝水、ｎ＝１．４４）、σ０．９、輪帯比０．７５の液浸露光する場合のシミュレーション結果である。シミュレーションは予め実験データで較正されたレジストパラメータを用い、解析は許容寸法誤差を５５ｎｍ±５．５ｎｍとして、露光量、フォーカスを振った時のレジスト寸法の計算結果を用いて、前記の許容寸法誤差内の寸法が得られる露光量、フォーカスの範囲を矩形ウィンドウで定義して、図５のようなＤＯＦ対露光量裕度の関係を得た。

この結果から、ＤＯＦ０．２μｍが得られる露光裕度が、従来の無偏光では４．６％であるのもが、本実施形態を用いて形成した輪帯アジマーサル照明では７％に向上することが分かる。

なお、上記説明した実施形態では、いずれもフライアイレンズアレイの入射面側に旋光素子アレイを配置する例を示したが、本発明はこれに限定されず、フライアイレンズアレイの出射面側に旋光素子アレイを配置してもよい。また、旋光素子アレイを用いて生成する振動面方位分布としては、アジマーサル偏光以外、例えばラジアル偏光や四重極直線偏光など、他の分布であっても実現可能である。

本実施形態に係る露光装置の概略構成を説明する模式図である。本実施形態に係る露光装置の全体構成の一例を示す模式図である。振動面方位およびフライアイレンズアレイの配列を説明する模式図である。第２実施形態を説明する模式図である。アジマーサル偏光の効果をシミュレーションによって計算した例を示す図である。

符号の説明

１０２…旋光素子アレイ、１０３…フライアイレンズアレイ入射面、１０４…フライアイレンズアレイ、１０５…フライアイレンズアレイ出射面、１０６…コンデンサーレンズ、１０８…フォトマスク

Claims

光源から出射される光の強度を均一化するためマトリクス状にフライアイレンズが配置されたフライアイレンズアレイと、
前記フライアイレンズアレイの各レンズエレメントに対応して配置され、前記光源から出射される光の進行方向と並行な光学軸を有し、通過する光の振動面を回転させる複数の旋光素子から成る旋光素子アレイと、
前記フライアイレンズアレイおよび前記旋光素子アレイを介して、マスク面への入射角度に対して振動面が所望の方向に回転された光をマスクに照射するコンデンサーレンズと
を備えることを特徴とする露光装置。
前記旋光素子アレイの各旋光素子は、前記光学軸方向に沿った厚さによって前記振動面の回転角度が異なる
ことを特徴とする請求項１記載の露光装置。
前記旋光素子は、水晶から成る
ことを特徴とする請求項１記載の露光装置。
前記旋光素子アレイを介した光の振動方位はアジマーサル偏光となっている
ことを特徴とする請求項１記載の露光装置。
前記旋光素子アレイと前記フライアイレンズアレイとで、投影レンズ瞳と共役関係にある等価光源面に所定の振動方位分布を持つ等価光源を形成し、さらに該等価光源面に遮光体となる任意形状のアパーチャーストップを配置することにより、任意形状および任意振動面方位分布を有する等価光源を形成する
ことを特徴とする請求項１記載の露光装置。
前記旋光素子アレイと前記フライアイレンズアレイとで、等価光源面に所定の振動方位分布を持つ等価光源を形成し、前記旋光素子アレイより光源側に任意強度分布を形成可能な回折光学素子を配置して、前記等価光源面に任意強度分布および任意振動面方位分布を持つ等価光源を形成する
ことを特徴とする請求項１記載の露光装置。
光源から出射される光の強度を均一化するためマトリクス状にフライアイレンズが配置されたフライアイレンズアレイと、
前記フライアイレンズアレイの各レンズエレメントに対応して配置され、前記光源から出射される光の進行方向と並行な光学軸を有し、通過する光の振動面を回転させる複数の旋光素子から成る旋光素子アレイと
を備えることを特徴とする照明装置。