JP2006509357A - 投影対物レンズの意図された光学特性を設定する方法およびマイクロリソグラフィ投影露光装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、投影対物レンズ（２０）の物体平面（２２）内に配置されたレチクル（２４）を、投影対物レンズ（２０）を介して画像平面（２８）内に配置された感光性表面（２６）上に結像させるマイクロリソグラフィ投影露光装置（１０）の一部である投影対物レンズ（２０）の光学結像特性を改善する方法に関する。第１に、感光性表面（２６）と、前記表面（２６）に面する投影対物レンズ（２０）の端面（４２）との間の中間空間（４０）中に浸漬液（３８）を導入する。次いで、投影対物レンズ（２０）の結像特性を決定する。決定された結像特性を所望の結像特性と比較する。決定された結像特性が所望の結像特性にできる限り近似するまで浸漬液（３８）の温度を変更する。たとえば投影対物レンズ（２０）の球面収差を補償するために使用することができる浸漬液（３８）の屈折率の温度誘起変更によって投影対物レンズ（２０）の結像特性に正確に影響を与えることができる。

Description

本発明は、投影対物レンズの物体平面内に配置されたレチクルを、投影対物レンズを介して、投影対物レンズの画像平面内に配置された感光性表面上に投影するマイクロリソグラフィ投影露光装置の一部である投影対物レンズの光学結像特性を改善する方法に関する。また、本発明は、感光性表面と、この表面に面する投影対物レンズの端面との間の中間空間中に浸漬液を導入するための手段を有する、投影対物レンズの物体平面内に配置されたレチクルを、投影対物レンズを介して、投影対物レンズの画像平面内に配置された感光性表面上に投影するためのマイクロリソグラフィ投影露光装置に関する。本発明はさらに、前記中間空間がすでに浸漬液で充填されているそのような投影露光装置に関する。

前記タイプの方法は従来技術において広く知られている。たとえば、マイクロリソグラフィ投影露光装置の多数の投影対物レンズ中のマニピュレータを使用して個々の光学構成要素の空間位置を変更することができ、それによって投影対物レンズの結像特性が改善される。この場合、投影対物レンズの結像特性を改善するために、関連する光学構成要素の位置を変更することは、それが最終的に設置された後で、最初に動作状態にされる前に投影対物レンズ上で実行される。とはいえ、このタイプの微調整は、たとえば経年変化による結像特性の劣化を補償するために、後でも実行することができる。これらの方法においてしばしば採用される手順は、その画像平面内に配置されたセンサを使用して投影対物レンズの１つまたは複数の結像特性を記録することである。次いで個々の光学構成要素の位置変更が結像特性に影響を及ぼす様態が観測される。したがって、実質的に要件に従って光学構成要素を調節することによって投影対物レンズの光学結像特性を最適化することができる。

導入部で述べたタイプのマイクロリソグラフィ投影露光装置はＥＰ００２３２３１Ｂ１から知られている。露光すべき半導体ウエハ用の支持体を保持するために、この知られている投影露光装置は、その上側縁部が投影対物レンズの下側限定表面よりも高い開口容器を有する。容器は液体サーキット中を循環する浸漬液用の供給・排出ラインを装備する。投影露光装置が動作中のとき、浸漬液は露光すべき半導体ウエハとそれに面する投影露光対物レンズの境界表面との間に残された中間空間を充填する。浸漬液の屈折率は空気のそれよりも高いので投影対物レンズの解像力は高くなる。

知られている投影露光装置はさらに、液体サーキット中に配置された、浸漬液の温度を調整するための機器を有する。それによって、露光すべき半導体ウエハの温度を一定に保つことができ、それによって半導体ウエハの熱誘起運動による結像誤差を回避することができる。

マイクロリソグラフィ投影露光装置中での浸漬液の使用はまたＪＰ１０−３０３１１４Ａから知られている。これは浸漬液の望ましくない温度変動も投影対物レンズの結像特性の劣化を引き起こすことがあるという問題を扱っている。この理由は浸漬液の屈折率の温度に対する依存性に関係する。この問題を解決するために、浸漬液の温度を投影露光装置の動作中に狭い限界内で一定に保つことができる様々な手段が提案されている。

本発明の目的は、最終的に設置された後に、投影対物レンズの光学結像特性をより一層容易におよび効果的に改善することができる、導入部で述べたタイプの方法およびマイクロリソグラフィ投影露光装置を提供することである。

導入部で述べたタイプの方法において、この目的は以下のステップ、すなわち
ａ）感光性表面と、この表面に面する投影対物レンズの端面との間の中間空間中に浸漬液を導入するステップと、
ｂ）投影対物レンズの結像特性を決定するステップと、
ｃ）決定された結像特性を目標結像特性と比較するステップと、
ｄ）決定された結像特性が目標結像特性にできる限り近くなるまで浸漬液の温度を変化させるステップと
によって達成される。

投影対物レンズの光学結像特性を改善するために、浸漬液は投影露光装置の光学構成要素を構成し、原理上、たとえば投影対物レンズ中に配置されたレンズとちょうど同じくらいその光学特性に影響を及ぼすという発見が使用される。いま（専ら）投影対物レンズ内のレンズまたは他の光学構成要素を投影対物レンズの光学経路中で機械的に調節する代わりに、本発明は「浸漬液」光学構成要素の屈折率にその温度によって影響を及ぼす可能性を利用する。

原理上、投影対物レンズ中に含有される光学構成要素の屈折率を温度によって変化させることも可能であるが、レンズなどに使用される材料は熱伝導率が低く、光学活性体積にわたって一様な温度分布を設定することがかなり難しくなるので、温度変化をそこで達成することははるかに困難である。反対に、浸漬液の温度はきわめて容易に事前決定可能な値にし、たとえば液体を循環させることによって対応する光学活性領域にわたって一定に保つことができる。

浸漬液として好適な多数の液体の屈折率は、温度に非常に弱く依存し、小さい温度間隔内で、温度にほぼ線形的に依存するので、浸漬液の屈折率は温度によって非常に正確に設定することができる。たとえば感光性表面と投影対物レンズの端面との間の中間空間が１ｍｍ厚層の水で充填されている、１９３ｎｍの波長に対して設計された投影露光装置では、温度を５０ｍＫだけ上げるまたは下げることによって屈折率ｎ＝１．４５を１／１０００００だけ変更することができる。

結像特性を決定するために、投影対物レンズの画像平面内に追加の光学システムを配置することが理論上可能であり、それによって投影対物レンズによって生成される画像を直接画面上でまたは接眼レンズを介して観測することができる。好ましくは、しかしながら、テスト・レチクルを、投影対物レンズと浸漬液を介して、画像平面内に配置された感光性要素上に投影することによって結像特性を決定する。その場合、感光性要素上に記憶された画像を分析するために、それ自体知られている機器を使用して画像特性を再生可能かつ定量化可能に決定することができる。たとえば、感光性要素として感光乳剤を想定することができる。

とはいえ、感光性要素をセンサ機器、特にＣＣＤセンサとすることが特に好ましい。このようにして、結像特性を決定するために、画像平面内に生成された画像を、直接、すなわち感光乳剤などを現像することなしに記録し、評価することができる。

これの代替として、たとえばＷＯ０１／６３２３３Ａ１から知られているように干渉計を使用して結像特性を決定することもできる。

本発明による方法を使用して、浸漬液が影響を及ぼす投影対物レンズのすべての光学結像特性を改善することが可能である。たとえば、改善すべき光学結像特性は投影対物レンズによって引き起こされる球面収差とすることができる。そのような球面収差は、特に高い開口数をもつ投影対物レンズにおいて起こる。

改善すべき光学結像特性は、たとえば投影対物レンズの焦点距離とすることもできる。投影対物レンズの焦点面内のレチクルの非常に正確な配置が必要であり、このレチクル中に含有される投影すべき構造の高解像度画像を感光性表面上に形成することができるので、従来のタイプの投影露光装置はしばしば、感光性表面の支持体を投影対物レンズの光学軸に沿って移動させることができる調節フィーチャを有する。このようにして、投影対物レンズの焦点面内で感光性表面を配置することが可能である。これらの機械的調節機器は、しかしながら、非常に精巧な設計を有する。本発明によれば、浸漬液の温度を変化させることによって、投影対物レンズの焦点距離に影響を与えることは非常に容易であり、それによって感光性表面の支持体用の調節フィーチャを不要にすることができる。

導入部で述べたタイプの投影露光装置において、前述の目的は、画像平面内に配置することができるセンサ機器、特にＣＣＤセンサ、浸漬液の目標温度を設定するための温度制御機器、さらにその温度制御機器に接続され、センサ機器によって生成された信号から浸漬液の目標温度を決定するために使用することができるコンピュータ・ユニットによって達成される。

そのような投影露光装置は浸漬液の温度を変更することによって投影対物レンズの光学結像特性の自動改善を可能にする。コンピュータ・ユニットは、たとえばセンサ機器によって生成された信号から投影対物レンズの結像特性を決定し、それらを目標結像特性と比較するように設計することができる。制御プロセスにおいて、コンピュータ・ユニットは次いで、センサ機器によって記録された結像特性が目標結像特性にできる限り近くなるまで、温度管理機器に浸漬液の温度を変化させる。そのような投影露光装置はオペレータが、浸漬液の屈折率を変化させることによって、自動的に、すなわち専門家に頼ることなしに、投影対物レンズの結像特性のいくつかの劣化を補償することができる。劣化の考えられる原因は、たとえば経年変化で誘起される材料変更または空気圧の変動とすることができる。

本発明はさらに、浸漬液を有する投影露光装置にも関する。その浸漬液は投影対物レンズに関連する球面収差を補償することができるように浸漬液の温度が選択される。

他の利点および特徴は図面を参照しながら例示的な実施形態についての以下の説明に記載する。

図１は、全体的に１０で示されるマイクロリソグラフィ投影露光装置の縦方向断面を示す。投影露光装置１０は、投影光源１４と、１６で示される照明光学系と、ダイヤフラム１８を備え、投影光ビーム１３を生成するための照明機器１２を有する。

投影露光装置１０は投影対物レンズ２０をさらに有する。投影対物レンズ２０はその物体平面２２内に配置されたマスク２４の縮小画像を投影対物レンズ２０の画像平面２８内に配置された感光性表面２６上に投影する。投影対物レンズ２０は多数の光学構成要素を含むが、その一部のみが図１に例として提示されている（詳細には扱わない）。

感光性表面２６は、たとえば、支持体３０、たとえばシリコン・ウエハ上に塗布されるフォトレジストである。支持体は、３６で示される第１の変位機器によって画像平面に平行に変位することができる、トラフの形状をもつ開口容器３２の下部に固定される。感光性表面２６と、この表面２６に面する投影対物レンズ２０の端面４２との間の中間空間４０が浸漬液３８で完全に充填されるように、容器３２は浸漬液３８で十分に充填される。

容器３２はまた純粋な加熱機器として、または代替として組合せ加熱／冷却機器として実装することができる温度調整機器４４を有する。浸漬液３８の温度を非常に正確に記録する温度センサ４６がさらに容器３２に固定されている。

温度調整機器４４と温度センサ４６は、容器３２の変位を妨害しないラインを介して、設定点温度を調節するためのスライド・スイッチ５０を有する温度コントローラ４８に接続される。

感光性表面２６上に投影することを意図された構造をもつレチクル２４を第２の変位機器５２を使用して物体平面２２内で変位させることができ、それによってレチクル２４のすべての構造化領域の画像を感光性表面２６上に漸進的に形成させることができる。

投影露光装置１０は以下のように機能する。

照明機器１２によって生成された投影光ビーム１３はレチクル２４の構造を通過し、その後投影対物レンズ２０に入る。感光性表面２６上で、投影対物レンズ２０は投影光ビーム１３が通過した構造の縮小画像を形成する。レチクル２４の領域全体を感光性表面２６上に投影するために、レチクル２４を「ステップ・アンド・スキャン」プロセスにおいて照明することができる。この場合、第２の変位機器５２がレチクル２４をダイヤフラム１８によって決められる投影光ビーム中で移動させる間、レチクル２４の領域全体が走査によって照明される。この走査移動中、支持体３０がその中に固定された容器３２は第１の変位機器３６を使用して（通常反対方向の）移動を受け、第１の変位機器の速度は投影対物レンズ２０の縮小率だけレチクル２４の速度に対して低くなる。

容器３２のこの変位中、投影対物レンズ２０の端面４２は容器３２によって移動させられる浸漬液３８中を移動し、これによって浸漬液３８が混合させられる。浸漬液３８は投影光が通過することによって局所的に加熱され、さもなければそれによって温度センサ４６は場合によっては実際に中間空間４０中で優勢な温度を測定しないこともあるので、そのような混合は望ましい。容器３２の変位による混合が十分でない場合、もちろん追加の混合機器を容器３２中に配置することができる。同様に、従来技術でそれ自体知られているように、容器３２を液体サーキット中に取り付けることが可能である。温度調整機器４４と温度センサ４６はその場合、随意に設けることができるフィルタとともにこの温度サーキット中に統合することができる。

投影対物レンズを調節するときのテスト・プロセス中に、または製造されたウエハを検査することによるその後の動作中、たとえば、感光性表面２６上の像が球面収差によってひずんだために、投影対物レンズ２０の結像特性が意図された目標結像特性に対応しないことがわかった場合、スライド・スイッチ５０を作動させることによって温度コントローラ４８の設定点温度を変化させ、露光を繰り返えす。浸漬液３８の温度を変化させるとその屈折率が変化する。少なくとも小さい温度間隔での温度に対する屈折率の依存性は多数の浸漬液３８についてほぼ線形的であり、それによって投影対物レンズ２０の１つまたは複数の結像特性が改善される温度を再帰的プロセスにおいて浸漬液３８に対して非常に簡単に決定することができる。次いで、浸漬液３８のこの最後に調節された温度で感光性表面２６のさらなる露光が実行される。

投影対物レンズ２０の結像特性に対する浸漬液３８の屈折率の効果について図２から図５を参照しながら以下でより詳細に説明する。

図２は図１の拡大詳細図を示し、光線経路が投影対物レンズ２０の端面４２と感光性表面２６との間の中間空間４０の領域内に示されている。この例示的な実施形態では、投影対物レンズ２０の端面４２は、投影対物レンズ２０の（単に５４で示される）投影光学系の最後の光学構成要素を構成する面一取付け平凸終端レンズ５２を含む。説明の目的で、図２は投影対物レンズ５４の先行する光学構成要素によって終端レンズ５２上に送られる複数の投影光線５６、５８、６０を示す。投影対物レンズ２０の結像特性に対する温度の効果をより明らかに説明することができるように、図は高度に概略化され、縮尺は一定ではない。

図２に示される投影対物レンズ２０は球面収差によってひずんだ画像を生成する。これは焦点距離が近軸投影光線５６や軸外れ投影光ビーム５８、６０についてそれぞれ異なることを意味する。図２において、近軸投影光線５６の焦点面のみは感光性表面２６の平面内にあるが、軸外れ投影光線５８、６０の焦点面は中間空間４０中にある。感光性表面２６からの焦点面の距離は、この場合、投影光線５６、５８、６０が６２で示される光学軸からさらに離れて終端レンズ５２を通過するときに比例して増加する。

図３は浸漬液３８の温度を上げた後の図２の詳細を示す。浸漬液はいま図２に示される状態よりも高い屈折率を有する。これの効果は投影光線５６、５８、６０が終端レンズ５２と浸漬液３８の間の境界でより強く屈折することである。このより強い屈折は、軸外れ投影光線がこの境界をより大きい角度で通過するので、投影光線が光学軸６２から遠くに離れるほど比例してより大きい効果を有する。その結果、投影対物レンズ２０の焦点距離が軸外れ光線に対して延長され、それによって相応して選択される温度をもつ理想的な場合、すべての投影光線５６、５８、６０の焦点距離は、感光性表面２６が配置されている平面と一致する。

したがって、浸漬液３８の温度を変化させることによって、投影対物レンズ２０における固有の球面収差を遡及的に補償することが可能である。

図４は異なる投影対物レンズ１２０を有する投影露光装置の、図２に対応する拡大詳細を示す。この場合、図２に対して変更された部分は１００だけ増加した参照番号で示されている。図２、図３に示される投影対物レンズ５４とは異なり、投影対物レンズ１２０の投影光学系１５４は固有の球面収差を有しない。したがって、投影光線１５６、１５８、１６０は１つの焦点に合う。しかしながら、図４において見ることができるように、この焦点は感光性表面２６の平面内にない、すなわち投影対物レンズ１２０は合焦誤差を有する。そのような合焦誤差は、たとえば適切な変位機器を使用して光学軸６２の方向に感光性表面２６とともに支持体３０をわずかに変位させることによって修正することもできる。残念ながら、これに必要な精度は大きい技術経費をかけて機械的な変位機器を使用した場合にのみ達成することができる。

図５に示すように、同様に、浸漬液３８の温度を上げることによって投影対物レンズ１２０の焦点距離を故意に引き延ばすことが可能である。確かに、これは球面収差（図５には表されていない）を導入してしまう。とはいえ、そのような球面収差の効果は投影対物レンズの焦点距離の最適化の観点で無視できるか、または他の手段によって補償することができるほど非常に小さくすることができる。

図６は、図１と同様の図で、全体的に２１０で示される投影露光装置の別の例示的な実施形態の詳細を示す。この場合も、図１に対して変更された部分は２００だけ増加した参照番号が付けられている。

図６は、支持体３０をセンサ機器６４に置き換えた、調節モードにおける投影露光装置２１０を示す。センサ機器６４は、たとえば、それ自体知られているＣＣＤセンサとすることができる。調節モードにおいて、センサ機器６４の感光性表面６６は投影対物レンズ２０の画像平面２８内に配置される。このようにして、センサ機器６４は感光性表面２６が通常投影モード中に露光される画像と全く同じ画像を記録する。投影は、この場合、投影対物レンズ２０の物体平面２２内の通常のレチクル２４の代わりに配置された特殊なテスト・レチクル７０を使用して実行される。

ＣＣＤセンサの代わりに、センサ機器として干渉計をそれ自体知られている様式で使用することも可能である。それによって瞳平面内の波面を記録することができる。これは前述のＷＯ０１／６３２３３Ａ１で詳細に説明されている。

図１の投影露光装置１０とは対照的に、投影露光装置２１０は、温度調整機器４４用の温度コントローラ２４８に接続されたコンピュータ・ユニット６８をさらに有する。投影露光装置２１０は以下のように機能する。

第１に、テスト・レチクル７０に含まれた構造の画像が投影対物レンズ２０によってセンサ機器６４の感光性表面６６上に形成される。この画像はセンサ機器６４によって記録され、デジタル形態でコンピュータ・ユニット６８に送信される。受信されたデータから、コンピュータ・ユニット６８は温度コントローラ２４８に送られる設定点温度を決定する。温度コントローラ２４８は次いで浸漬液３８がこの新しい設定点温度にする。センサ機器６４は温度変化によって変更されたテスト・レチクル７０の構造の画像を記録し、これらのデータをコンピュータ・ユニット６８に同様に供給する。それ自体知られているアルゴリズムを使用して、コンピュータ・ユニット６８は温度変化が投影対物レンズ１２０の結像特性の改善または劣化をもたらしたかどうかを確定する。設定点温度はこの結果に従って再び変化する。この再帰的プロセスは、温度を変化させることによって投影対物レンズの結像特性を改善することがもはや不可能になるまで継続される。

マイクロリソグラフィ投影露光装置の縦方向断面における簡略図である。 浸漬液の領域内の光線経路が示されている、図１の拡大詳細図である。 図２に従うが、浸漬液の温度を上げた後の詳細図である。 異なる結像光学系を有する投影露光装置の、図２に対応する拡大詳細図である。 図４に従うが、浸漬液の温度を上げた後の詳細図である。 画像平面内に配置されたセンサ機器を有する、別のマイクロリソグラフィ投影露光装置の縦方向断面における簡略図である。

Claims (8)

1. 投影対物レンズ（２０；１２０）の物体平面（２２）内に配置されたレチクル（２４）を、前記投影対物レンズ（２０；１２０）を介して、前記投影対物レンズの画像平面（２８）内に配置された感光性表面（２６；６６）上に投影するマイクロリソグラフィ投影露光装置（１０；２１０）の一部である前記投影対物レンズ（２０；１２０）の光学結像特性を改善する方法であって、以下のステップ、すなわち
   ａ）前記感光性表面（２６；６６）と、この表面（２６；６６）に面する前記投影対物レンズ（２０；１２０）の端面（４２）との間の中間空間（４０）中に浸漬液（３８）を導入するステップと、
   ｂ）前記投影対物レンズ（２０；１２０）の結像特性を決定するステップと、
   ｃ）前記決定された結像特性を目標結像特性と比較するステップと、
   ｄ）前記決定された結像特性が前記目標結像特性にできる限り近くなるまで前記浸漬液（３８）の温度を変化させるステップと
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記結像特性が、テスト・レチクル（７０）を、前記投影対物レンズ（２０）と前記浸漬液（３８）を介して、前記画像平面（２８）内に配置された感光性要素（６４）上に投影することによって決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記感光性要素（６４）がセンサ機器（６４）、特にＣＣＤセンサであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記結像特性が干渉計を使用して決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記光学結像特性が、前記投影対物レンズ（２０）によって引き起こされる球面収差の範囲であることを特徴とする前記請求項の一項に記載の方法。
6. 前記光学結像特性が前記投影対物レンズ（１２０）の焦点距離であることを特徴とする請求項１から４の一項に記載の方法。
7. 感光性表面（２６；６６）と、この表面（２６）に面する投影対物レンズ（２０）の端面（４２）との間の中間空間（４０）中に浸漬液（３８）を導入するための手段（３２）を有する、前記投影対物レンズ（２０）の物体平面（２２）内に配置されたレチクル（２４）を、前記投影対物レンズ（２０）を介して、前記投影対物レンズ（２０）の画像平面（２８）内に配置された感光性表面（２６）上に投影するためのマイクロリソグラフィ投影露光装置であって、
   前記画像平面（２８）内に配置することができるセンサ機器（６４）、特にＣＣＤセンサ、前記浸漬液（３８）の目標温度を設定するための温度制御機器（２４８）、さらに前記温度制御機器（２４８）に接続され、前記センサ機器（６４）によって生成された信号から前記浸漬液（２３８）の目標温度を決定するために使用することができるコンピュータ・ユニット（６８）を有することを特徴とする装置。
8. 感光性表面（２６；１２６）と、この表面（２６）に面する投影対物レンズ（２０；１２０）の端面（４２）との間の中間空間（４０）中に導入された浸漬液（３８）を有する、物体平面（２２）内に配置されたレチクル（２４）を、前記投影対物レンズ（２０；１２０）を介して、画像平面（２８）内に配置された前記感光性表面（２６）上に投影するためのマイクロリソグラフィ投影露光装置であって、
   前記浸漬液（３８）が前記投影対物レンズ（２０；１２０）に関連する球面収差を補償することができるように前記浸漬液（３８）の温度が選択されることを特徴とする装置。

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