JP2007012637A - 光学材料、光学部材、光学系、露光装置、および露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光路中に配置されたビームスプリッターへの入射光の偏光状態を安定させて、その反射光に基づいて露光光量を一定に制御して良好な露光を行う。
【解決手段】 マスク（Ｍ）のパターンを投影光学系（ＰＬ）を介して感光性基板（Ｗ）上に露光する露光装置。光路中に配置された所定の光透過部材は、１５０ｎｍ以上で２５０ｎｍ以下の波長を有する光に対して透過性を有する光学材料であって、所定の使用条件下において光が入射したときの複屈折の変動量が３ｎｍ／ｃｍ以下である光学材料により形成されている。その結果、光路中に配置されたビームスプリッター（５ａ）への入射光の偏光状態が安定し、その反射光に基づいて露光光量を露光中ほぼ一定に制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学材料、光学部材、光学系、露光装置、および露光方法に関し、特に半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスをリソグラフィー工程で製造するために使用される露光装置に関するものである。

この種の典型的な露光装置においては、光源から射出された光束が、オプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズ（またはマイクロレンズアレイなど）を介して、多数の光源からなる実質的な面光源としての二次光源を形成する。二次光源からの光束は、コンデンサーレンズにより集光された後、所定のパターンが形成されたマスクを重畳的に照明する。

マスクのパターンを透過した光は、投影光学系を介してウェハ上に結像する。こうして、ウェハ上には、マスクパターンが投影露光（転写）される。露光装置では、たとえばフライアイレンズとマスクとの間の光路中から照明光（露光光）の一部を取り出し、取り出した光の強度を検出している。そして、検出した光強度の変動に応じて光源の発光出力を調整することにより、ウェハに対する露光光量が露光中ほぼ一定になるように制御している。

現在、露光光源として、波長が約２４８ｎｍの光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源や、波長が約１９３ｎｍの光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源などが用いられている。露光光の波長が短くなると、光の吸収のため実用に耐える光学材料の種類が限られてくる。特にＡｒＦエキシマレーザ光を露光光として用いる露光装置では、吸収端波長が短い光学材料である蛍石（フッ化カルシウム：ＣａＦ₂）により形成された光透過部材（レンズ、平行平面板など）が広く用いられている。

上述したように、露光装置では、光路中にミラー型のビームスプリッターを配置し、このビームスプリッターからの反射光をモニター光として検出している。この場合、ビームスプリッターは、入射光の偏光状態に依存して反射率が変化するという偏光特性を有する。したがって、ウェハに対する露光光量を露光中ほぼ一定に制御して良好な露光を行うには、ビームスプリッターへの入射光の偏光状態を安定させる必要がある。なお、後述するように、本願発明者は、最近、蛍石がレーザ光の照射を受けて射出光の偏光状態を変動させる特性を有することを発見した。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、光路中に配置されたビームスプリッターへの入射光の偏光状態を安定させることができ、ひいてはビームスプリッターからの反射光に基づいて露光光量を露光中ほぼ一定に制御して良好な露光を行う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。

また、本発明は、たとえばＡｒＦエキシマレーザ光源を用いる露光装置において、光路中に配置されたビームスプリッターへの入射光の偏光状態の安定を実現することのできる光学材料、該光学材料により形成された光学部材、および光学部材を含む光学系を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、１５０ｎｍ以上で２５０ｎｍ以下の波長を有する光に対して透過性を有する光学材料であって、
所定の使用条件下において前記波長を有する光が入射したときの複屈折の変動量が３ｎｍ／ｃｍ以下であることを特徴とする光学材料を提供する。

第１形態の好ましい態様によれば、前記所定の使用条件は、０．１ｍＪ／ｃｍ²／パルスから１５０ｍＪ／ｃｍ²／パルスのエネルギ密度範囲、および０．１ｋＨｚから１０ＭＨｚのパルス周波数範囲に対応している。また、前記光学材料は、たとえばフッ化物結晶である。そして、前記フッ化物結晶は、たとえばフッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、およびフッ化ストロンチウムのうちのいずれか１つである。

本発明の第２形態では、第１形態の光学材料により形成されていることを特徴とする光学部材を提供する。また、本発明の第３形態では、第２形態の光学部材を含むことを特徴とする光学系を提供する。

本発明の第４形態では、マスクを照明するための第３形態の光学系を備え、前記マスクのパターンを投影光学系を介して感光性基板上に露光することを特徴とする露光装置を提供する。また、本発明の第５形態では、第３形態の光学系を備え、該光学系を介してマスクのパターンを感光性基板上に投影露光することを特徴とする露光装置を提供する。

本発明の第６形態では、第３形態の光学系を用いてマスクを照明し、前記マスクに形成されたパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光方法を提供する。また、本発明の第７形態では、マスクに形成されたパターンを、第３形態の光学系を介して、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。

本発明の露光装置および露光方法では、たとえば蛍石により形成すべき光透過部材に、使用条件下において照明光が入射したときの複屈折の変動量が３ｎｍ／ｃｍ以下であるような蛍石を用いている。その結果、蛍石の複屈折変動に起因する偏光状態の変動を小さく抑えることができるので、光路中に配置されたビームスプリッターへの入射光の偏光状態を安定させることができ、ひいてはビームスプリッターからの反射光に基づいて露光光量を露光中ほぼ一定に制御して良好な露光を行うことができる。

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。図１を参照すると、本実施形態の露光装置は、露光光（照明光）を供給するための光源１を備えている。光源１として、たとえば約１９３ｎｍの波長を有する光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源や約２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源などを用いることができる。

光源１から射出されたほぼ平行な光束は、周知の構成を有するビーム送光系２を介して所定の矩形状の断面を有する光束に整形された後、ビーム形状可変部３に入射する。ビーム送光系２は、入射光束を適切な大きさおよび形状の断面を有する光束に変換しつつビーム形状可変部３へ導くとともに、後段のビーム形状可変部３へ入射する光束の位置変動および角度変動をアクティブに補正する機能を有する。

ビーム形状可変部３を介した光束は、マイクロレンズアレイ（またはフライアイレンズ）４に入射する。ビーム形状可変部３は、たとえば回折光学素子や変倍光学系などを含み、マイクロレンズアレイ４の入射面に形成される照野の大きさおよび形状を、ひいてはマイクロレンズアレイ４の後側焦点面（照明瞳面）に形成される面光源の大きさおよび形状を変化させる機能を有する。

一方、マイクロレンズアレイ４は、たとえば縦横に且つ稠密に配列された多数の正屈折力を有する微小レンズからなる光学素子であり、平行平面板にエッチング処理を施して微小レンズ群を形成することによって構成される。ここで、マイクロレンズアレイを構成する各微小レンズは、フライアイレンズを構成する各レンズエレメントよりも微小である。

また、マイクロレンズアレイは、互いに隔絶されたレンズエレメントからなるフライアイレンズとは異なり、多数の微小レンズ（微小屈折面）が互いに隔絶されることなく一体的に形成されている。しかしながら、レンズ要素が縦横に配置されている点でマイクロレンズアレイはフライアイレンズと同じ波面分割型のオプティカルインテグレータである。なお、マイクロレンズアレイ４に代えて、回折光学素子や角柱状のロッド型インテグレータのようなオプティカルインテグレータを用いることもできる。

マイクロレンズアレイ４に入射した光束は多数の微小レンズにより二次元的に分割され、光束が入射した各微小レンズの後側焦点面には光源がそれぞれ形成される。こうして、マイクロレンズアレイ４の後側焦点面には、多数の光源からなる実質的な面光源（以下、「二次光源」という）が形成される。マイクロレンズアレイ４の後側焦点面に形成された二次光源からの光束は、ビームスプリッター５ａおよびコンデンサー光学系６を介した後、マスクブラインド７を重畳的に照明する。

こうして、照明視野絞りとしてのマスクブラインド７には、マイクロレンズアレイ４を構成する各微小レンズの形状と焦点距離とに応じた矩形状の照野が形成される。マスクブラインド７の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系８の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたマスク（レチクル）Ｍを重畳的に照明する。こうして、結像光学系８は、マスクブラインド７の矩形状開口部の像をマスクＭ上に形成することになる。

マスクＭのパターンを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して、感光性基板であるウェハＷ上にマスクパターンの像を形成する。こうして、こうして、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと直交する平面内においてウェハＷを二次元的に駆動制御しながら一括露光またはスキャン露光を行うことにより、ウェハＷの各露光領域にはマスクＭのパターンが逐次露光される。

本実施形態の露光装置は、ビームスプリッター５ａを介して照明光路外へ取り出された光に基づいて照明光（露光光）の光量（光強度）を検出するための光量モニター５を備えている。光量モニター５は、ビームスプリッター５ａからの反射光を光検出器５ｂにより検出し、光検出器５ｂの出力を制御部１０に供給する。なお、光量モニター５では、マイクロレンズアレイ４とコンデンサー光学系６との間の光路に限定されることなく、他の適当な光路から取り出された光に基づいて光量を検出することもできる。

制御部１０は、光量モニター５の検出結果に基づいて光源１の出力を制御する。すなわち、制御部１０は、光量モニター５において検出した光強度の変動に応じて光源１の発光出力を調整することにより、ウェハＷに対する露光光量が露光中ほぼ一定になるように制御する。また、制御部１０は、マスクＭのパターン特性（微細度、方向性など）に応じて、ビーム形状可変部３の動作を制御する。

前述したように、光源１として例えばＡｒＦエキシマレーザ光源を用いる場合、レンズや平行平面板などのような光透過部材に蛍石を用いて所要の透過率および耐久性を確保するのが一般的である。しかしながら、最近、本願発明者は、蛍石が、レーザ光の照射を受けて射出光の偏光状態を変動させる特性を有することを発見した。特に、真空紫外域での高出力レーザ光の照射を受ける際に、蛍石による偏光状態の変動が顕著である。

具体的には、レーザ光の照射開始から数十秒間の間に蛍石を通過した光の偏光状態が徐々に変動し、その後に射出光の偏光状態がほぼ定常状態に落ち着く。また、蛍石による偏光状態の変動は、レーザ光の照射を停止すると数十秒間で概ね復元するものである。したがって、蛍石へのレーザ照射と照射停止とを繰り返す場合、レーザ照射を開始する度に蛍石を介した光の偏光状態の変動が発生することになり、ひいてはビームスプリッター５ａへの入射光の偏光状態が変動することになる。

光量モニター５では、ビームスプリッター５ａへの入射光の偏光状態が変動すると、ビームスプリッター５ａの偏光特性により反射率が変化（反射光の偏光成分の比率が変化）し、光検出器５ｂに達する反射光の強度も変化する。その結果、光源１の出力が変化しなくても蛍石による偏光状態の変動に起因して光量モニター５の検出結果が変動することになり、光量モニター５の検出結果に基づいてウェハＷに対する露光光量を露光中ほぼ一定に制御することができなくなる。

本願発明者は、種々の実験および研究の結果、蛍石による偏光状態の変動が、実は蛍石自体の複屈折の変動に起因していることを発見した。また、本願発明者は、蛍石における複屈折の変動量には個体差があるものの、現在入手可能なほぼ全ての蛍石結晶において、この複屈折の変動の現象が不可避であり、ひいては偏光状態の変動の現象が不可避であることを確認した。

そこで、本実施形態では、典型的な設計例において、蛍石により形成すべき光透過部材に、複屈折の変動量が１ｎｍ／ｃｍの蛍石を用いたときの光検出器５ｂにおける出力変動と、複屈折の変動量が４ｎｍ／ｃｍの蛍石を用いたときの光検出器５ｂにおける出力変動とを比較するシミュレーションを行った。図２は本実施形態のシミュレーション結果を示す図であって、（ａ）は複屈折の変動量が１ｎｍ／ｃｍの蛍石を用いたときの光検出器の出力変動を、（ｂ）は複屈折の変動量が４ｎｍ／ｃｍの蛍石を用いたときの光検出器の出力変動をそれぞれ模式的に示す図である。

図２（ａ）を参照すると、複屈折の変動量が１ｎｍ／ｃｍの蛍石を用いたときの光検出器５ｂにおける出力変動は比較的小さく、光量モニター５において正常な検出を行うことができるので、その正常な検出結果に基づいてウェハＷに対する露光光量を露光中ほぼ一定に制御することができることがわかる。一方、図２（ｂ）を参照すると、複屈折の変動量が４ｎｍ／ｃｍの蛍石を用いたときの光検出器５ｂにおける出力変動は初期的に大きく発生し、光量モニター５において正常な検出を行うことができないため、ウェハＷに対する露光光量を露光中ほぼ一定に制御することができないことがわかる。

本実施形態では、上述の知見に基づき、実用可能なレベルの露光光量制御を実現するために、光源１とビームスプリッター５ａとの間の光路中に配置されて蛍石により形成すべき光透過部材に、使用条件下において照明光が入射したときの複屈折の変動量が３ｎｍ／ｃｍ以下であるような蛍石を用いている。こうして、本実施形態では、蛍石の複屈折変動に起因する偏光状態の変動を小さく抑えることができるので、ビームスプリッター５ａへの入射光の偏光状態を安定させることができる。その結果、蛍石による偏光状態の変動に起因して光量モニター５の検出結果がほとんど変動することなく、光量モニター５の正常な検出結果に基づいてウェハＷに対する露光光量を露光中ほぼ一定に制御することができ、ひいては良好な露光を行うことができる。

具体的に、使用条件として、たとえば１５０ｎｍ以上で２５０ｎｍ以下の波長範囲、０．１ｍＪ／ｃｍ²／パルスから１５０ｍＪ／ｃｍ²／パルスのエネルギ密度（フルエンス）範囲、および０．１ｋＨｚから１０ＭＨｚのパルス周波数範囲が考えられる。ここで、０．１ｍＪ／ｃｍ²／パルスは投影光学系中の光透過部材を想定したときの値であり、１５０ｍＪ／ｃｍ²／パルスは蛍石の材料としての限界値である。また、０．１ｋＨｚのパルス周波数は露光装置におけるスループットを考慮した限界値であり、１０ＭＨｚのパルス周波数は固体レーザ光源を想定したときの値である。

ちなみに、実際の周波数上限値はレーザ光源の種類によって異なるが、固体レーザ光源を想定したときのパルス周波数の上限値は１０ＭＨｚ程度であり、エキシマレーザ光源を想定したときのパルス周波数の上限値は１０ｋＨｚ程度であり、現状のエキシマレーザ光源を想定したときのパルス周波数の上限値は８ｋＨｚ程度である。

なお、上述の説明では、ビームスプリッター５ａへの入射光の偏光状態を安定させるという観点から、光源１とビームスプリッター５ａとの間の光路中に配置されて蛍石により形成すべき光透過部材に着目している。しかしながら、前述したように、ビームスプリッター５ａの配置位置については様々な変形例が可能である。また、一般に、露光装置において光の偏光状態が変動することは、種々の観点から好ましくない現象である。したがって、配置位置にかかわらず、蛍石により形成すべき光透過部材に複屈折の変動量の小さい蛍石を用いることが好ましい。

また、上述の説明では、蛍石により形成すべき光透過部材に着目している。しかしながら、蛍石に限定されることなく、たとえばフッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化ストロンチウムなどのフッ化物結晶のような他の適当な光学材料についても同様に本発明を適用することができる。
また、上述の説明では、蛍石などのフッ化物結晶材料により形成された光透過部材を透過する光の偏光状態の変化を回避するために、当該フッ化物結晶材料の複屈折の変動量を所定の範囲内に設定している。この手法に加えて、フッ化物結晶材料により形成された光透過部材を、たとえば米国特許公開ＵＳ２００２／０１６３７４１Ａ号（あるいはＷＯ０２／１６９９３号公報）に開示される手法を用いてキネマティックに保持しても良い。これにより、当該フッ化物結晶材料の複屈折変動をさらに小さくすることが可能となる。
また、上述の実施形態において、投影光学系と感光性基板との間の光路中を１．１よりも大きな屈折率を有する媒体（典型的には液体）で満たす手法、所謂液浸法を適用しても良い。

上述の実施形態にかかる露光装置では、照明光学装置によってマスク（レチクル）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、上述の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３のフローチャートを参照して説明する。

先ず、図３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、上述の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。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。

また、上述の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４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４において、パターン形成工程４０１では、上述の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ー工程が実行される。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。

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。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。

なお、上述の実施形態では、光源としてＫｒＦエキシマレーザ光源または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に対して本発明を適用することもできる。

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。 本実施形態のシミュレーション結果を示す図であって、（ａ）は複屈折の変動量が１ｎｍ／ｃｍの蛍石を用いたときの光検出器の出力変動を、（ｂ）は複屈折の変動量が４ｎｍ／ｃｍの蛍石を用いたときの光検出器の出力変動をそれぞれ模式的に示す図である。 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。 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

１ 光源
２ ビーム送光系
３ ビーム形状可変部
４ マイクロレンズアレイ（フライアイレンズ）
５ 光量モニター
５ａ ビームスプリッター
５ｂ 光検出器
６ コンデンサー光学系
７ マスクブラインド（照明視野絞り）
８ 結像光学系
１０ 制御部
Ｍ マスク
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ

Claims (10)

1. １５０ｎｍ以上で２５０ｎｍ以下の波長を有する光に対して透過性を有する光学材料であって、
   所定の使用条件下において前記波長を有する光が入射したときの複屈折の変動量が３ｎｍ／ｃｍ以下であることを特徴とする光学材料。
2. 前記所定の使用条件は、０．１ｍＪ／ｃｍ²／パルスから１５０ｍＪ／ｃｍ²／パルスのエネルギ密度範囲、および０．１ｋＨｚから１０ＭＨｚのパルス周波数範囲に対応していることを特徴とする請求項１に記載の光学材料。
3. 前記光学材料は、フッ化物結晶であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学材料。
4. 前記フッ化物結晶は、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、およびフッ化ストロンチウムのうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項３に記載の光学材料。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学材料により形成されていることを特徴とする光学部材。
6. 請求項５に記載の光学部材を含むことを特徴とする光学系。
7. マスクを照明するための請求項６に記載の光学系を備え、前記マスクのパターンを投影光学系を介して感光性基板上に露光することを特徴とする露光装置。
8. 請求項６に記載の光学系を備え、該光学系を介してマスクのパターンを感光性基板上に投影露光することを特徴とする露光装置。
9. 請求項６に記載の光学系を用いてマスクを照明し、前記マスクに形成されたパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光方法。
10. マスクに形成されたパターンを、請求項６に記載の光学系を介して、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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