JP4356696B2 - 多層膜反射鏡及びｘ線露光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、Ｘ線顕微鏡、Ｘ線分析装置、Ｘ線露光装置等のＸ線光学系に使用される多層膜反射鏡、及びこの多層膜反射鏡を用いたＸ線露光装置に関するものである。
近年、半導体集積回路の微細化に伴い、光の回折限界によって制限される光学系の解像力を向上させるために、従来の紫外線に代えてこれより短い波長（１１〜１４ｎｍ）のＸ線を使用した投影リソグラフィ技術が開発されている（例えば、Ｄ．Ｔｉｃｈｅｎｏｒ，ｅｔ ａｌ．、「ＳＰＩＥ」、１９９５年、第２４３７巻、ｐ．２９２参照）。この技術は、最近ではＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）リソグラフィと呼ばれており、従来の波長１９０ｎｍの光線を用いた光リソグラフィでは実現不可能な、７０ｎｍ以下の解像力を得られる技術として期待されている。
Ｘ線の波長領域での物質の複素屈折率ｎは、ｎ＝１−δ−ｉｋ（δ、ｋ：実数、ｉは複素記号）で表される。この屈折率の虚部ｋはＸ線の吸収を表す。δ、ｋは１に比べて非常に小さいため、この領域での屈折率は１に非常に近い。したがって従来のレンズ等の透過屈折型光学素子を使用できず、反射を利用した光学系が使用される。反射面に斜め方向から入射したＸ線を全反射を利用して反射させる斜入射光学系の場合、全反射臨界角θｃ（波長１０ｎｍで２０°程度以下）よりも小さい（垂直に近い）入射角度では、反射率が非常に小さい。なお、ここで入射角度とは、入射面の法線と入射光の光軸がなす角度を示す。
そこで、界面の振幅反射率がなるべく高い物質を積層させることで反射面を多数（一例で数十〜数百層）設けて、それぞれの反射波の位相が合うように光干渉理論に基づいて各層の厚さを調整した多層膜反射鏡が使用される。多層膜反射鏡は、使用されるＸ線波長域における屈折率と、真空の屈折率（＝１）の差が大きい物質と、その差が小さい物質とを、基板上に交互に積層して形成される。
なお、多層膜反射鏡は、垂直に入射したＸ線を反射することも可能であるため、全反射を用いた斜入射光学系よりも収差の少ない光学系を構成することができる。
また、多層膜反射鏡は、反射波の位相が合うようにブラッグの式；
２ｄｓｉｎθ＝ｎλ
（ｄ：多層膜の周期長、θ：入射角度、λ：Ｘ線の波長）
を満たす場合にＸ線を強く反射する波長依存性を有するため、この式を満たすように各因子を選択する必要がある。
多層膜反射鏡に用いられる多層膜の例としては、タングステン（Ｗ）と炭素（Ｃ）を交互に積層したＷ／Ｃ多層膜や、モリブデン（Ｍｏ）と炭素を交互に積層したＭｏ／Ｃ多層膜等の組み合わせを用いたものが知られている。なお、これらの多層膜はスパッタリングや真空蒸着、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の薄膜形成技術により形成されている。
また、１３．４ｎｍ付近の波長域では、モリブデン（Ｍｏ）層とシリコン（Ｓｉ）層を交互に積層したＭｏ／Ｓｉ多層膜を用いると垂直入射（入射角度が０°）で６７．５％の反射率を得ることができ、波長１１．３ｎｍ付近の波長域では、Ｍｏ層とベリリウム（Ｂｅ）層を交互に積層したＭｏ／Ｂｅ多層膜を用いると垂直入射で７０．２％の反射率を得ることができる（例えば、Ｃ．Ｍｏｎｔｃａｌｍ、「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ」、１９９８年、第３３３１巻、ｐ．４２参照）。このような多層膜を用いた反射鏡は、ＥＵＶＬ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）と呼ばれる、軟Ｘ線を用いた縮小投影リソグラフィ技術へも応用される。
図３は、従来のＥＵＶＬに使用される多層膜反射鏡の構造を模式的に示す断面図である。この多層膜反射鏡４１は、基板４３上にＭｏ／Ｓｉ多層膜４５が形成されたものである。このＭｏ／Ｓｉ多層膜４５は、Ｍｏ層４７とＳｉ層４９を一層対とし、この層対が約４０〜５０層対積層されている。このＭｏ／Ｓｉ多層膜４５の周期長（一層対の厚さ）は約７ｎｍであり、周期長に対するＭｏ層一層の厚さの比率（Γ）は０．３５〜０．４程度である。なお、基板４３の表面（図中上面）は、通常凹状の形状を有するが、説明を簡単にするため、図では多層膜反射鏡の一部を水平化し、積層数を省略して示している。
ところで、多層膜反射鏡４１はスパッタリング（イオンビームスパッタリング、マグネトロンスパッタリング等）や電子ビームデポジション等により作製されるが、高反射率のＭｏ／Ｓｉ多層膜４５は、一般に−３５０ＭＰａ〜−４５０ＭＰａ程度の圧縮内部応力を有する。そのため、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜４５の圧縮内部応力によって多層膜反射鏡４１の基板４３が変形し、光学系に波面収差が発生して光学特性が低下するという問題があった。
そこで、Ｘ線反射率が高い多層膜の圧縮応力を低減するために、基板上に第１の多層膜を形成し、この第１の多層膜上にＸ線反射率が高い多層膜（第２の多層膜）を形成することにより、多層膜反射鏡全体の応力を低減する技術が報告されている（例えば、Ｅ．Ｚｏｅｔｈｏｕｔ，ｅｔ ａｌ．、「ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ」、２００３年、第５０３７巻、ｐ．８７２、Ｍ．Ｓｈｉｒａｉｓｈｉ，ｅｔ ａｌ．、「ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ」、２００３年、第５０３７巻、ｐ．２４９参照）。ここで、第１の多層膜の周期長は第２の多層膜の周期長とほぼ同じであり、Γは比較的大きい（例えば、Γ＝０．７）。このような第１の多層膜は引っ張り応力を有するので、第２の多層膜の圧縮応力を低減することができる。
従来の応力低減技術について、図４及び図５を参照しつつ説明する。
図４は、周期長７．２ｎｍ、積層数５０層対のＭｏ／Ｓｉ多層膜をΓを変化させてスパッタリングで形成し、そのΓに対する多層膜の応力を示した図である。図４において、横軸は周期長に対するＭｏ層一層の厚さの比率であるΓ（−）を表わす。なお、Γ＝０は厚さ２５０ｎｍのＳｉ単層膜であり、Γ＝１は厚さ２５０ｎｍのＭｏ単層膜である。また、図４において、縦軸は膜の応力（ＭＰａ）を表わし、負の値で圧縮応力、正の値で引っ張り応力である。Ｍｏ／Ｓｉ多層膜の応力はΓに応じて変化しているが、Γが約０．５より小さい範囲では応力は圧縮応力であるのに対し、Γが約０．５より大きい範囲では応力は引っ張り応力であることがわかる。上述したように、高反射率を有する第２の多層膜のΓは０．３５〜０．４程度であるので、−３５０ＭＰａ〜−４５０ＭＰａ程度の圧縮応力を有する。一方、第１の多層膜としてΓが約０．５より大きい多層膜を使用することにより、第１の多層膜に引っ張り応力を生じさせることができる。したがって、圧縮応力の第２の多層膜と引っ張り応力の第１の多層膜とを組み合わせることにより、多層膜全体の内部応力を低減することができる。
図５は、従来の低応力多層膜反射鏡の構造を模式的に示す断面図である。この多層膜反射鏡５１は、基板５３と第２の多層膜５５の間に第１の多層膜５７が形成されているものである。第２の多層膜５５は、Ｍｏ層５５１とＳｉ層５５３からなるＭｏ／Ｓｉ多層膜であり、周期長を７．２ｎｍ、Γを０．３５、積層数を５０層対として、高いＸ線反射率を得ることができるようになっている。一方、第１の多層膜５７は、Ｍｏ層５７１とＳｉ層５７３からなるＭｏ／Ｓｉ多層膜であり、周期長を７．２ｎｍ、Γを０．７、積層数を３０層対としている。なお、説明を簡単にするため、図では多層膜反射鏡の一部を水平化し、積層数を省略して示している。この多層膜反射鏡５１では、第２の多層膜５５はΓが０．３５であるので圧縮応力を有するのに対し、第１の多層膜５７はΓが０．７であるので引っ張り応力を有する。そのため、多層膜全体として内部応力を低減することができるようになっている。
しかしながら、実際に従来の応力低減技術を用いて多層膜反射鏡を製造したところ、多層膜の内部応力は低減されていたが、Ｘ線反射率が低下するという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、反射率の低下を抑制した低内部応力の多層膜反射鏡、及びこの多層膜反射鏡を用いたＸ線露光装置等を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための第１の発明は、軟Ｘ線領域での屈折率と真空の屈折率との差が大きい物質（以下、「第１物質」と呼称する）からなる層と小さい物質（以下、「第２物質」と呼称する）からなる層とを基板上に交互に積層してなる第１多層膜と、前記第１多層膜上に形成された、第１物質からなる層と第２物質からなる層とを交互に積層してなる第２多層膜とを有する多層膜反射鏡であって、前記第１多層膜の第１物質からなる層の厚さは、前記第２多層膜の第１物質からなる層の厚さとほぼ等しいか、それより薄く、前記第１多層膜及び前記第２多層膜において、第１物質層の厚さと第２物質層の厚さとの合計を周期長とし、周期長に対する第１物質層の厚さの比をΓとして、前記第１多層膜のΓと前記第２多層膜のΓとは異なる、ことを特徴とする多層膜反射鏡である。
本発明の多層膜反射鏡においては、第１多層膜の第１物質層の厚さと第２多層膜の第１物質層の厚さをほぼ等しくし、あるいは第１多層膜の第１物質層の厚さを第２多層膜の第１物質層の厚さよりも薄くしている。そのため、第１物質層の微結晶化による表面粗さの増大を抑えて、多層膜反射鏡の反射率の低下を抑制することができる。そして、周期長に対する第１物質層の厚さの比であるΓを第１多層膜と第２多層膜とで異ならせることにより、第２多層膜が有する内部応力を第１多層膜が有する内部応力により低減することができる。したがって、反射率の低下を抑制した低内部応力の多層膜反射鏡を得ることができる。なお、厚さがほぼ等しいとは、多層膜反射鏡の反射率に影響を与えないような範囲であれば、厚さがいくらか異なっている場合も、本発明の範囲に含まれることを意味する。
上記の多層膜反射鏡においては、前記第１多層膜の第１物質からなる層の厚さは、前記第２多層膜の第１物質からなる層の厚さの５０％〜１２０％であることが好ましい。これにより、容易に多層膜を形成することができるとともに、確実に表面粗さを許容値以下に抑えて反射率への影響を少なくすることができる。
本発明においては、前記第１多層膜は、前記第２多層膜が有する内部応力と相反する内部応力を有することが好ましい。これにより、より確実に第２多層膜が有する内部応力を第１多層膜が有する内部応力により低減することができる。
本発明においては、前記第１物質層の厚さと前記第２物質層の厚さとの合計を周期長とし、周期長に対する前記第１物質層の厚さの比をΓとするとき、第１多層膜のΓは第２多層膜のΓより大きいことが好ましい。
一般的に、多層膜は、周期長に対する第１物質層の厚さの比（Γ）が小さいと圧縮応力を、Γが大きいと引っ張り応力を有する。第２多層膜のΓは、Ｘ線反射率を高くするため、小さく設定されており、第２多層膜は圧縮応力を有する。このため、第１多層膜のΓを大きくすることによって、第１多層膜が引っ張り応力を有することになり、第２多層膜の圧縮応力を低減することができる。
本発明においては、前記第１物質はモリブデン（Ｍｏ）であることが好ましい。また、前記第２物質はシリコン（Ｓｉ）であることが好ましい。これにより、安価で、耐久性に優れ、Ｘ線反射率が高い多層膜反射鏡を得ることができる。
上記目的を達成するための第２の発明は、モリブデン層（以下、Ｍｏ層と呼称する）とシリコン層（以下、Ｓｉ層と呼称する）とを基板上に交互に積層してなる第１多層膜と、前記第１多層膜上に形成された、Ｍｏ層とＳｉ層とを交互に積層してなる第２多層膜と、を有する多層膜反射鏡であって、前記第１多層膜のＭｏ層の厚さは、前記第２多層膜のＭｏ層の厚さとほぼ等しいか、それより薄く、前記第１多層膜及び前記第２多層膜において、Ｍｏ層の厚さとＳｉ層の厚さとの合計を周期長として、前記第１多層膜の周期長と前記第２多層膜の周期長とは異なることを特徴とする多層膜反射鏡である。
本発明の多層膜反射鏡においては、多層膜としてＭｏ／Ｓｉ多層膜を採用しているので、安価で、耐久性に優れ、Ｘ線反射率が高い多層膜反射鏡を得ることができる。また、第１多層膜のＭｏ層の厚さを１．２ｎｍ〜３ｎｍとしているため、Ｍｏ層の微結晶化による表面粗さの増大を抑え、多層膜反射鏡の反射率の低下を抑制することができる。そして、Ｍｏ層の厚さとＳｉ層の厚さの比を第１多層膜と第２多層膜とで異ならせることにより、第２多層膜が有する内部応力を第１多層膜が有する内部応力により低減することができる。したがって、反射率の低下を抑制した低内部応力の多層膜反射鏡を得ることができる。
上記目的を達成するための第３の発明は、Ｘ線を発生させるＸ線光源と、このＸ線光源からのＸ線をマスクに導く照明光学系と、前記マスクからのＸ線を感光性基板に導く投影光学系とを有し、前記マスクのパターンを感光性基板へ転写するＸ線露光装置であって、前記照明光学系、前記マスク及び前記投影光学系のうちの少なくとも一つに、上記いずれかの多層膜反射鏡を有することを特徴とするＸ線露光装置である。
本発明においては、多層膜反射鏡の反射率の低下を抑制しつつ、内部応力を低減することができるため、光学特性の劣化を防ぐことができ、高性能のＸ線露光装置とすることができる。
本発明の実施の形態に係る多層膜反射鏡の構造を模式的に示す断面図である。 図１に示した多層膜反射鏡を搭載したＸ線露光装置の全体構成を示す図である。 従来のＥＵＶＬに使用される多層膜反射鏡の構造を模式的に示す断面図である。 周期長７．２ｎｍ、積層数５０層対のＭｏ／Ｓｉ多層膜をΓ（周期長に対する第一層の厚さの比）を変化させてスパッタリングで形成し、そのΓに対する多層膜の応力を示した図である。 従来の低応力多層膜反射鏡の構造を模式的に示す断面図である。
本発明者は、前述の従来技術の問題点を検討した結果、以下のような知見を得た。
軟Ｘ線領域での屈折率と真空の屈折率との差が大きい物質（第１物質、例えばＭｏ等）からなる層と小さい物質（第２物質、例えばＳｉ等）からなる層とを交互に積層してなる多層膜（例えば、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜）においては、Ｍｏ層は微結晶化する傾向があり、成膜方法によっては、Ｍｏ層の厚さが厚いほど微結晶化が顕著になって、Ｍｏ層の表面粗さが増大する。
例えば、Ｍｏ層の厚さが約２．５ｎｍ（Γ＝０．３５）のときの表面粗さは約０．２５ｎｍＲＭＳ、Ｍｏ層の厚さが約３．６ｎｍ（Γ＝０．５）のときの表面粗さは約０．３４ｎｍＲＭＳ、Ｍｏ層の厚さが約４．３ｎｍ（Γ＝０．６）のときの表面粗さは約０．４９ｎｍＲＭＳ、Ｍｏ層の厚さが約５ｎｍ（Γ＝０．７）のときの表面粗さは約０．６１ｎｍＲＭＳであり、Ｍｏ層の厚さが厚いほど表面粗さが増大する。
そして、微結晶化によりＭｏ層の表面粗さが増大すると、多層膜反射鏡の反射率が低下することになる。例えば、Ｍｏ層の厚さが約２．５ｎｍ（Γ＝０．３５）のときの反射率は約７０％、Ｍｏ層の厚さが約３．６ｎｍ（Γ＝０．５）のときの反射率は約６５％、Ｍｏ層の厚さが約４．３ｎｍ（Γ＝０．６）のときの反射率は約５５％、Ｍｏ層の厚さが約５ｎｍ（Γ＝０．７）のときの反射率は約４０％であり、Ｍｏ層の厚さが厚いほど多層膜反射鏡の反射率が低下する。
従来の応力低減技術においては、高反射率の第２の多層膜の圧縮応力を低減するために、引っ張り応力を有する第１の多層膜を設けている。この第１の多層膜の周期長は第２の多層膜の周期長とほぼ同一であり、Γが比較的大きい（例えば、Γ＝０．７程度）ため、第１の多層膜におけるＭｏ層の厚さが厚くなっていた。
例えば、図５を参照すると、従来の低応力多層膜反射鏡５１では、第２の多層膜５５のＭｏ層５５１の厚さは約２．５ｎｍ（７．２ｎｍ×０．３５）であるのに対し、第１の多層膜５７のＭｏ層５７１の厚さは約５ｎｍ（７．２ｎｍ×０．７）であり、Ｍｏ層５７１の厚さが厚くなっている。
Ｍｏ層の厚さが厚いほど微結晶化が顕著になるため、Ｍｏ層５７１の微結晶化による表面粗さが増大する。このように、Ｍｏ層５７１の微結晶化による表面粗さが増大すると、第１の多層膜５７上に形成されている第２の多層膜５５の反射率が低下してしまう。その結果、多層膜反射鏡５１の反射率が低下していたのである。
そこで、本発明においては、第１多層膜において、Ｍｏ層の厚さをあまり厚くすることなくΓを大きくすることとした。すなわち、本発明の多層膜反射鏡では、第１多層膜のＭｏ層の厚さは高反射率の第２多層膜のＭｏ層の厚さとほぼ同じか、あるいは第１多層膜のＭｏ層の厚さは第２多層膜のＭｏ層の厚さよりも薄くなっている。また、第１多層膜のＳｉ層の厚さは第２多層膜のＳｉ層の厚さより薄くなっている。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態の例を説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る多層膜反射鏡の構造を模式的に示す断面図である。この多層膜反射鏡６１は、基板６３と第２多層膜６５の間に第１多層膜６７が形成されているものである。第２多層膜６５は、Ｍｏ層６５１とＳｉ層６５３からなるＭｏ／Ｓｉ多層膜であり、周期長を７．２ｎｍ、Γを０．３５、積層数を５０層対として、高いＸ線反射率を得ることができるようになっている。
一方、第１多層膜６７は、Ｍｏ層６７１とＳｉ層６７３からなるＭｏ／Ｓｉ多層膜であり、周期長を３．６ｎｍ、Γを０．７、積層数を８８層対としている。なお、説明を簡単にするため、図では多層膜反射鏡の一部を水平化し、積層数を省略して示している。
この多層膜反射鏡６１では、第２多層膜６５のＭｏ層６５１の厚さは約２．５ｎｍ（７．２ｎｍ×０．３５）である。また、第１多層膜６７のＭｏ層６７１の厚さは約２．５ｎｍ（３．６ｎｍ×０．７）であり、第２多層膜６５のＭｏ層６５１の厚さと等しくされている。なお、多層膜反射鏡の反射率に影響を与えないような範囲であれば、厚さがいくらか異なっていてもよい。また、第１多層膜の第１物質層（Ｍｏ層）の厚さを第２多層膜の第１物質層（Ｍｏ層）の厚さよりも薄くしてもよい。
第１多層膜の第１物質層の厚さは、第２多層膜の応力を低減するために必要な応力や多層膜形成に要する手間などに応じて調整する必要がある。第１多層膜の第１物質層の厚さが第２多層膜の第１物質層の厚さの５０％よりも薄くなると、多層膜の形成が容易でなくなったり、第２多層膜の応力を低減するために必要な応力が得られないことがある。また、必要な応力を得るために多層膜の積層数を大幅に増やすなど多層膜形成に手間がかかることになる。
一方、第１多層膜の第１物質層の厚さが第２多層膜の第１物質層の厚さの１２０％よりも厚くなると、微結晶化による表面粗さの許容値（０．３ｎｍＲＭＳ程度）を越えてしまい、多層膜反射鏡の反射率に影響を与えることになる。
したがって、第１多層膜の第１物質層の厚さは、第２多層膜の第１物質層の厚さの５０％〜１２０％であることが好ましい。なお、第１多層膜の第１物質層の厚さを、第２多層膜の第１物質層の厚さの７５％〜１１５％とすることにより、より容易に多層膜を形成することができるとともに、より確実に表面粗さを許容値以下に抑えて反射率への影響を少なくすることができるので、より好ましい。
ここで、多層膜反射鏡６１のＥＵＶ反射率について考えてみる。Ｍｏ／Ｓｉ多層膜の反射率は積層数とともに増加して一定の層数を越えると飽和して一定になる。第２多層膜６５の積層数は４０層対〜５０層対程度であり、反射率が飽和するのに十分な層数となっている。そのため、第２多層膜６５の下にある第１多層膜６７の周期長が、使用するＥＵＶの波長に対して高い反射率を有するように設定されていなくても、多層膜反射鏡６１のＥＵＶ反射率は高いまま維持される。
また、第１多層膜６７のＭｏ層６７１の厚さは、第２多層膜６５のＭｏ層６５１の厚さと等しくされている。したがって、Ｍｏ層の厚さが厚くなることに起因する反射率の低下も生じない。このように、本発明に係る多層膜反射鏡６１は、ＥＵＶ反射率の低下が抑制され、高い反射率を有する。
次に、多層膜反射鏡６１の内部応力について考えてみる。第１多層膜６７のように、Ｍｏ層の厚さを変えずにΓを大きくし、周期長が短くされている（例えば、３．６ｎｍ）多層膜であっても、Γが大きい多層膜は引っ張り応力を有することを確認した。したがって、圧縮応力を有する第２多層膜６５と、引っ張り応力を有する第１多層膜６７とを組み合わせることによって、多層膜反射鏡６１の内部応力を低減することができる。このとき、同じ応力でも厚い膜ほど基板に与える力は大きいので、各多層膜の応力の大きさのみを考慮するのではなく、個々の多層膜の膜厚と応力の大きさの積である「全応力」を考慮するとよい。個々の多層膜の応力を測定した後、第２多層膜６５の全応力と第１多層膜６７の全応力とが釣り合うように、第１多層膜６７の積層数を適切に選択すればよい。
例えば、第２多層膜６５の周期長をｄ２、積層数をＮ２、応力をＳ２とした場合、第２多層膜６５の全応力Ｔ２は、
Ｔ２＝ｄ２×Ｎ２×Ｓ２
で表される。同様に、第１多層膜６７の周期長をｄ１、積層数をＮ１、応力をＳ１とした場合、第１多層膜６７の全応力Ｔ１は、
Ｔ１＝ｄ１×Ｎ１×Ｓ１
で表される。そこで、Ｔ１＋Ｔ２＝０となるように第１多層膜６７の積層数Ｎ１を選択することにより、多層膜反射鏡６１の内部応力を相殺することができる。ただし、応力は積層数によっても変化する場合があり、上記のように選択した積層数で完全に応力が相殺されない場合もある。この場合は、その残渣応力に応じて、第１多層膜６７の積層数を調整する必要がある。なお、上述したように、第１多層膜６７のＭｏ層６７１の厚さを変えていないので、Ｍｏ層の厚さが厚くなることに起因する反射率の低下は生じない。
このように、Ｍｏ層の厚さがほぼ等しくΓの異なる第２多層膜６５と第１多層膜６７とを組み合わせることで、反射率の低下を抑制した低内部応力の多層膜反射鏡を得ることができる。
本発明の実施例１においては、第２多層膜６５及び第１多層膜６７を、低圧放電カソード方式のロータリーマグネットカソードスパッタリング装置（直流マグネトロンスパッタリング装置の一種）を用いて形成した。成膜条件は、スパッタリングガスとしてキセノン（Ｘｅ）を用い、Ｘｅガスフローを３ｓｃｃｍ（０．０８Ｐａ）、カソードパワーをＭｏで２００Ｗ、Ｓｉで４００Ｗとした。第２多層膜６５は、高いＸ線反射率を得ることができるように、周期長ｄ２が７．２ｎｍ、Γが０．３５、積層数Ｎ２が５０層対のＭｏ／Ｓｉ多層膜とした。この第２多層膜６５のＥＵＶ反射率を測定したところ、約６９％であった。また、第２多層膜６５の応力Ｓ２は、−３５０ＭＰａの圧縮応力であった。
第２多層膜６５の圧縮応力を低減するために、引っ張り応力を有する第１多層膜６７として、周期長ｄ１が３．６ｎｍ、Γが０．７のＭｏ／Ｓｉ多層膜を選択した。この第１多層膜６７のＭｏ層６７１の厚さは、第２多層膜６５のＭｏ層６５１の厚さと等しくされている。第１多層膜６７の応力Ｓ１を測定したところ、＋４００ＭＰａの引っ張り応力であった。
ここで、第１多層膜６７の積層数Ｎ１の求め方について説明する。第２多層膜６５及び第１多層膜６７の応力に基づき、第１多層膜６７の積層数Ｎ１を以下のようにして求めた。
積層数が５０層対の第２多層膜６５の全応力Ｔ２は、
Ｔ２＝ｄ２×Ｎ２×Ｓ２
＝（７．２ｎｍ）×（５０）×（−３５０ＭＰａ）
＝−１２６Ｎ／ｍ
である。多層膜反射鏡６１の内部応力を低減するための条件式Ｔ１＋Ｔ２＝０と、第１多層膜６７の全応力Ｔ１を求める式Ｔ１＝ｄ１×Ｎ１×Ｓ１から、第１多層膜６７の積層数Ｎ１は、
Ｎ１＝（＋１２６Ｎ／ｍ）／｛（３．６ｎｍ）×（＋４００ＭＰａ）｝
＝８７．５≒８８
となる。なお、積層数Ｎ１は整数とする必要があるので、小数点以下を切り上げてＮ１＝８８層対となる。
そこで、図１に示すように、基板６３上に積層数が８８層対の第１多層膜６７を形成し、この第１多層膜６７上に積層数が５０層対の第２多層膜６５を形成した。この多層膜反射鏡６１の応力を測定したところ、２０ＭＰａ以下に低減されていた。
なお、さらに第１多層膜６７の積層数Ｎ１を微調整することで、多層膜反射鏡６１の応力をほとんどゼロにすることが可能である。また、多層膜反射鏡６１の表面粗さは約０．２６ｎｍＲＭＳであり、許容値（０．３ｎｍＲＭＳ程度）以下に抑えられている。そして、多層膜反射鏡６１の反射率は６９％であり、反射率の低下はほとんど認められなかった。
（比較例）
比較のために、従来の応力低減技術を用いて多層膜反射鏡を製造した場合の内部応力及び反射率を求めた。この従来の多層膜反射鏡は、例えば図５に示す多層膜反射鏡５１である。
多層膜反射鏡５１の第２多層膜５５は、本発明の多層膜反射鏡６１の第２多層膜６５と同様なものである。したがって、積層数が５０層対の第２多層膜５５の全応力Ｔ４は、
Ｔ４＝（７．２ｎｍ）×（５０）×（−３５０ＭＰａ）
＝−１２６Ｎ／ｍ
である。多層膜反射鏡５１の内部応力を低減するために必要な第１多層膜５７の積層数Ｎ３は、第１多層膜５７の周期長ｄ３を７．２ｎｍ、応力Ｓ３を＋６００ＭＰａの引っ張り応力として、
Ｎ３＝（＋１２６Ｎ／ｍ）／｛（７．２ｎｍ）×（＋６００ＭＰａ）｝
≒３０
となる。
そこで、図５に示すように、基板５３上に積層数が３０層対の第１多層膜５７を形成し、この第１多層膜５７上に積層数が５０層対の第２多層膜５５を形成した。この多層膜反射鏡５１の応力を測定したところ、応力は２０ＭＰａ以下に低減されていた。しかし、多層膜反射鏡５１の反射率は６３％まで低下してしまった。これは、多層膜反射鏡５１の第１多層膜５７のＭｏ層５７１の厚さが約５ｎｍ（７．２ｎｍ×０．７）と厚いため、Ｍｏ層の微結晶化により表面粗さが増大したためと考えられる。そこで、多層膜反射鏡５１の表面粗さを測定したところ、約０．３９ｎｍＲＭＳであり、表面粗さの許容値（０．３ｎｍＲＭＳ程度）を越えていた。
このように、従来の応力低減技術を用いた図５の多層膜反射鏡５１は、反射率が低下してしまっているが、本発明の図１の多層膜反射鏡６１は、高い反射率を維持したまま、応力を低減できていることが分かる。
本発明の実施例２においては、第２多層膜６５及び第１多層膜６７を、低圧放電カソード方式のロータリーマグネットカソードスパッタリング装置（直流マグネトロンスパッタリング装置の一種）を用いて形成した。成膜条件は、スパッタリングガスとしてキセノン（Ｘｅ）を用い、Ｘｅガスフローを３ｓｃｃｍ（０．０８Ｐａ）、カソードパワーをＭｏで２００Ｗ、Ｓｉで４００Ｗとした。第２多層膜６５は、高いＸ線反射率を得ることができるように、周期長ｄ２が７．２ｎｍ、Γが０．３５、積層数Ｎ２が５０層対のＭｏ／Ｓｉ多層膜とした。この第２多層膜６５のＥＵＶ反射率を測定したところ、約６９％であった。また、第２多層膜６５の応力Ｓ２は、−３５０ＭＰａの圧縮応力であった。
第２多層膜６５の圧縮応力を低減するために、引っ張り応力を有する第１多層膜６７として、周期長ｄ１が２．９ｎｍ、Γが０．７５のＭｏ／Ｓｉ多層膜を選択した。この第１多層膜６７のＭｏ層６７１の厚さは、第２多層膜６５のＭｏ層６５１の厚さより薄くされている。第１多層膜６７の応力Ｓ１を測定したところ、＋３００ＭＰａの引っ張り応力であった。
ここで、第１多層膜６７の積層数Ｎ１の求め方について説明する。第２多層膜６５及び第１多層膜６７の応力に基づき、第１多層膜６７の積層数Ｎ１を以下のようにして求めた。
積層数が５０層対の第２多層膜６５の全応力Ｔ２は、
Ｔ２＝ｄ２×Ｎ２×Ｓ２
＝（７．２ｎｍ）×（５０）×（−３５０ＭＰａ）
＝−１２６Ｎ／ｍ
である。多層膜反射鏡６１の内部応力を低減するための条件式Ｔ１＋Ｔ２＝０と、第１多層膜６７の全応力Ｔ１を求める式Ｔ１＝ｄ１×Ｎ１×Ｓ１から、第１多層膜６７の積層数Ｎ１は、
Ｎ１＝（＋１２６Ｎ／ｍ）／｛（２．９ｎｍ）×（＋３００ＭＰａ）｝
≒１４５
となる。
そこで、図１に示すように、基板６３上に積層数が１４５層対の第１多層膜６７を形成し、この第１多層膜６７上に積層数が５０層対の第２多層膜６５を形成した。この多層膜反射鏡６１の応力を測定したところ、２０ＭＰａ以下に低減されていた。なお、さらに第１多層膜６７の積層数Ｎ１を微調整することで、多層膜反射鏡６１の応力をほとんどゼロにすることが可能である。また、多層膜反射鏡６１の表面粗さは約０．２６ｎｍＲＭＳであり、許容値（０．３ｎｍＲＭＳ程度）以下に抑えられている。そして、多層膜反射鏡６１の反射率は６９％であり、反射率の低下はほとんど認められなかった。
本発明の実施例３においては、第２多層膜６５及び第１多層膜６７を、低圧放電カソード方式のロータリーマグネットカソードスパッタリング装置（直流マグネトロンスパッタリング装置の一種）を用いて形成した。成膜条件は、スパッタリングガスとしてキセノン（Ｘｅ）を用い、Ｘｅガスフローを３ｓｃｃｍ（０．０８Ｐａ）、カソードパワーをＭｏで２００Ｗ、Ｓｉで４００Ｗとした。第２多層膜６５は、高いＸ線反射率を得ることができるように、周期長ｄ２が７．２ｎｍ、Γが０．３５、積層数Ｎ２が５０層対のＭｏ／Ｓｉ多層膜とした。この第２多層膜６５のＥＵＶ反射率を測定したところ、約６９％であった。また、第２多層膜６５の応力Ｓ２は、−３５０ＭＰａの圧縮応力であった。
第２多層膜６５の圧縮応力を低減するために、引っ張り応力を有する第１多層膜６７として、周期長ｄ１が４．６ｎｍ、Γが０．６５のＭｏ／Ｓｉ多層膜を選択した。第１多層膜６７の応力Ｓ１を測定したところ、＋３００ＭＰａの引っ張り応力であった。
ここで、第１多層膜６７の積層数Ｎ１の求め方について説明する。第２多層膜６５及び第１多層膜６７の応力に基づき、第１多層膜６７の積層数Ｎ１を以下のようにして求めた。
積層数が５０層対の第２多層膜６５の全応力Ｔ２は、
Ｔ２＝ｄ２×Ｎ２×Ｓ２
＝（７．２ｎｍ）×（５０）×（−３５０ＭＰａ）
＝−１２６Ｎ／ｍ
である。多層膜反射鏡６１の内部応力を低減するための条件式Ｔ１＋Ｔ２＝０と、第１多層膜６７の全応力Ｔ１を求める式Ｔ１＝ｄ１×Ｎ１×Ｓ１から、第１多層膜６７の積層数Ｎ１は、
Ｎ１＝（＋１２６Ｎ／ｍ）／｛（４．６ｎｍ）×（＋３００ＭＰａ）｝
≒９２
となる。
そこで、図１に示すように、基板６３上に積層数が９２層対の第１多層膜６７を形成し、この第１多層膜６７上に積層数が５０層対の第２多層膜６５を形成した。この多層膜反射鏡６１の応力を測定したところ、２０ＭＰａ以下に低減されていた。なお、さらに第１多層膜６７の積層数Ｎ１を微調整することで、多層膜反射鏡６１の応力をほとんどゼロにすることが可能である。また、多層膜反射鏡６１の表面粗さは約０．２９ｎｍＲＭＳであり、許容値（０．３ｎｍＲＭＳ程度）以下に抑えられている。そして、多層膜反射鏡６１の反射率は６９％であり、反射率の低下はほとんど認められなかった。
本発明の実施例４においては、第２多層膜６５及び第１多層膜６７を、低圧放電カソード方式のロータリーマグネットカソードスパッタリング装置（直流マグネトロンスパッタリング装置の一種）を用いて形成した。成膜条件は、スパッタリングガスとしてキセノン（Ｘｅ）を用い、Ｘｅガスフローを３ｓｃｃｍ（０．０８Ｐａ）、カソードパワーをＭｏで２００Ｗ、Ｓｉで４００Ｗとした。第２多層膜６５は、高いＸ線反射率を得ることができるように、周期長ｄ２が７．２ｎｍ、Γが０．３５、積層数Ｎ２が４５層対のＭｏ／Ｓｉ多層膜とした。この第２多層膜６５のＥＵＶ反射率を測定したところ、約６９％であった。また、第２多層膜６５の応力Ｓ２は、−３５０ＭＰａの圧縮応力であった。
第２多層膜６５の圧縮応力を低減するために、引っ張り応力を有する第１多層膜６７として、周期長ｄ１が３．３ｎｍ、Γが０．７のＭｏ／Ｓｉ多層膜を選択した。この第１多層膜６７のＭｏ層６７１の厚さは、第２多層膜６５のＭｏ層６５１の厚さとほぼ等しくされている。第２多層膜６７の応力Ｓ１を測定したところ、＋４０８ＭＰａの引っ張り応力であった。
ここで、第１多層膜６７の積層数Ｎ１の求め方について説明する。第２多層膜６５及び第１多層膜６７の応力に基づき、第１多層膜６７の積層数Ｎ１を以下のようにして求めた。
積層数が４５層対の第２多層膜６５の全応力Ｔ２は、
Ｔ２＝ｄ２×Ｎ２×Ｓ２
＝（７．２ｎｍ）×（４５）×（−３５０ＭＰａ）
≒−１１３Ｎ／ｍ
である。多層膜反射鏡６１の内部応力を低減するための条件式Ｔ１＋Ｔ２＝０と、第１多層膜６７の全応力Ｔ１を求める式Ｔ１＝ｄ１×Ｎ１×Ｓ１から、第１多層膜６７の積層数Ｎ１は、
Ｎ１＝（＋１１３Ｎ／ｍ）／｛（３．３ｎｍ）×（＋４０８ＭＰａ）｝
≒８４
となる。
そこで、図１に示すように、基板６３上に積層数が８４層対の第１多層膜６７を形成し、この第１多層膜６７上に積層数が４５層対の第２多層膜６５を形成した。この多層膜反射鏡６１の応力を測定したところ、２０ＭＰａ以下に低減されていた。なお、さらに第１多層膜６７の積層数Ｎ１を微調整することで、多層膜反射鏡６１の応力をほとんどゼロにすることが可能である。例えば、第１多層膜６７の積層数Ｎ１を１３０層対としたところ、多層膜反射鏡６１の応力を−６ＭＰａにまで低減することができた。また、多層膜反射鏡６１の表面粗さは約０．２６ｎｍＲＭＳであり、許容値（０．３ｎｍＲＭＳ程度）以下に抑えられている。そして、多層膜反射鏡６１の反射率は６９％であり、反射率の低下はほとんど認められなかった。
次に、図１の多層膜反射鏡を搭載したＸ線露光装置の概要を図２を参照しつつ説明する。図２は、本発明のＸ線露光装置の全体構成を示す図である。
このＸ線露光装置は、露光用の照明光として、波長１３ｎｍ近傍の軟Ｘ線領域の光（以下、ＥＵＶ光）を用いて、ステップアンドスキャン方式により露光動作を行う投影露光装置である。
Ｘ線露光装置１の最上流部には、レーザ光源３が配置されている。レーザ光源３は、赤外域から可視域の波長のレーザ光を供給する機能を有し、例えば半導体レーザ励起によるＹＡＧレーザやエキシマレーザ等を使用する。レーザ光源３から発せられたレーザ光は、集光光学系５により集光され、下部に配置されたレーザプラズマ光源７に達する。レーザプラズマ光源７は、波長１３ｎｍ近傍のＸ線を効率よく発生することができる。
レーザプラズマ光源７には、図示せぬノズルが配置されており、キセノンガスを噴出する。噴出されたキセノンガスはレーザプラズマ光源７において高照度のレーザ光を受ける。キセノンガスは、高照度のレーザ光のエネルギにより高温になり、プラズマ状態に励起され、低ポテンシャル状態へ遷移する際にＥＵＶ光を放出する。ＥＵＶ光は、大気に対する透過率が低いため、その光路はチャンバ（真空室）９により覆われて外気が遮断されている。なお、キセノンガスを放出するノズルからデブリが発生するため、チャンバ９を他のチャンバとは別に配置する必要がある。
レーザプラズマ光源７の上部には、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜をコートした回転放物面反射鏡１１が配置されている。レーザプラズマ光源７から輻射されたＸ線は、放物面反射鏡１１に入射し、波長１３ｎｍ付近のＸ線のみが露光装置１の下方に向かって平行に反射される。
回転放物面反射鏡１１の下方には、厚さ０．１５μｍのベリリウム（Ｂｅ）からなる可視光カットＸ線透過フィルター１３が配置されている。放物面反射鏡１１で反射されたＸ線の内、所望の１３ｎｍのＸ線のみが透過フィルター１３を通過する。透過フィルター１３付近は、チャンバ１５により覆われて外気を遮断している。
透過フィルター１３の下方には、露光チャンバ３３が設置されている。露光チャンバ３３内の透過フィルター１３の下方には、照明光学系１７が配置されている。照明光学系１７は、コンデンサー系の反射鏡、フライアイ光学系の反射鏡等で構成されており、透過フィルター１３から入力されたＸ線を円弧状に整形し、図の左方に向かって照射する。
照明光学系１７の図の左方には、Ｘ線反射鏡１９が配置されている。Ｘ線反射鏡１９は、図の右側の反射面１９ａが凹型をした円形の回転放物円ミラーであり、保持部材により垂直に保持されている。Ｘ線反射鏡１９は、反射面１９ａが高精度に加工された石英の基板からなる。反射面１９ａには、波長１３ｎｍのＸ線の反射率が高いＭｏとＳｉの多層膜が形成されている。なお、波長が１０〜１５ｎｍのＸ線を用いる場合には、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）等の物質と、Ｓｉ、Ｂｅ、四ホウ化炭素（Ｂ４Ｃ）等の物質とを組み合わせた多層膜でもよい。
Ｘ線反射鏡１９の図の右方には、光路折り曲げ反射鏡２１が斜めに配置されている。光路折り曲げ反射鏡２１の上方には、反射型マスク２３が、反射面が下になるように水平に配置されている。照明光学系１７から放出されたＸ線は、Ｘ線反射鏡１９により反射集光された後に、光路折り曲げ反射鏡２１を介して、反射型マスク２３の反射面に達する。
反射型マスク２３の反射面にも多層膜からなる反射膜が形成されている。この反射膜には、ウェハ２９に転写するパターンに応じたマスクパターンが形成されている。反射型マスク２３は、その上部に図示されたマスクステージ２５に固定されている。マスクステージ２５は、少なくともＹ方向に移動可能であり、光路折り曲げ反射鏡２１で反射されたＸ線を順次マスク２３上に照射する。
反射型マスク２３の下部には、順に投影光学系２７、ウェハ２９が配置されている。投影光学系２７は、複数の反射鏡等からなり、反射型マスク２３上のパターンを所定の縮小倍率（例えば１／４）に縮小し、ウェハ２９上に結像する。ウェハ２９は、ＸＹＺ方向に移動可能なウェハステージ３１に吸着等により固定されている。
露光チャンバ３３にはゲートバルブ３５を介して予備排気室３７（ロードロック室）が設けられている。予備排気室３７には真空ポンプ３９が接続しており、真空ポンプ３９の運転により予備排気室３７は真空排気される。
露光動作を行う際には、照明光学系１７により反射型マスク２３の反射面にＥＵＶ光を照射する。その際、反射投影光学系２７に対して反射型マスク２３及びウェハ２９を投影光学系の縮小倍率により定まる所定の速度比で相対的に同期走査する。これにより、反射型マスク２３の回路パターンの全体をウェハ２９上の複数のショット領域の各々にステップアンドスキャン方式で転写する。なお、ウェハ２９のチップは例えば２５×２５ｍｍ角であり、レジスト上で０．０７μｍＬ／ＳのＩＣパターンが露光できる。
Ｘ線露光装置１の反射鏡として、図１に示すような多層膜反射鏡６１を用いることにより、光学性能を劣化させることなく高い反射率を有するＸ線露光装置を提供することができ、スループットの低下を抑制することが可能となる。

Claims (8)

  1. 軟Ｘ線領域での屈折率と真空の屈折率との差が大きい物質（以下、「第１物質」と呼称する）からなる層と小さい物質（以下、「第２物質」と呼称する）からなる層とを基板上に交互に積層してなる第１多層膜と、前記第１多層膜上に形成された、第１物質からなる層と第２物質からなる層とを交互に積層してなる第２多層膜とを有する多層膜反射鏡であって、前記第１多層膜の第１物質からなる層の厚さは、前記第２多層膜の第１物質からなる層の厚さとほぼ等しいか、それより薄く、前記第１多層膜及び前記第２多層膜において、第１物質層の厚さと第２物質層の厚さとの合計を周期長とし、周期長に対する第１物質層の厚さの比をΓとして、前記第１多層膜のΓと前記第２多層膜のΓとは異なる、ことを特徴とする多層膜反射鏡。
  2. 請求の範囲第１項に記載の多層膜反射鏡であって、前記第１多層膜の第１物質からなる層の厚さは、前記第２多層膜の第１物質からなる層の厚さの５０％〜１２０％であることを特徴とする多層膜反射鏡。
  3. 請求の範囲第１項に記載の多層膜反射鏡であって、前記第１多層膜は、前記第２多層膜が有する内部応力と相反する内部応力を有することを特徴とする多層膜反射鏡。
  4. 請求の範囲第１項に記載の多層膜反射鏡であって、前記第１物質層の厚さと前記第２物質層の厚さとの合計を周期長とし、周期長に対する前記第１物質層の厚さの比をΓとするとき、第１多層膜のΓが第２多層膜のΓより大きいことを特徴とする多層膜反射鏡。
  5. 請求の範囲第１項に記載の多層膜反射鏡であって、前記第１物質がモリブデンであることを特徴とする多層膜反射鏡。
  6. 請求の範囲第１項に記載の多層膜反射鏡であって、前記第２物質がシリコンであることを特徴とする多層膜反射鏡。
  7. モリブデン層（以下、Ｍｏ層と呼称する）とシリコン層（以下、Ｓｉ層と呼称する）とを基板上に交互に積層してなる第１多層膜と、前記第１多層膜上に形成された、Ｍｏ層とＳｉ層とを交互に積層してなる第２多層膜と、を有する多層膜反射鏡であって、前記第１多層膜のＭｏ層の厚さは、前記第２多層膜のＭｏ層の厚さとほぼ等しいか、それより薄く、前記第１多層膜及び前記第２多層膜において、Ｍｏ層の厚さとＳｉ層の厚さとの合計を周期長として、前記第１多層膜の周期長と前記第２多層膜の周期長とは異なることを特徴とする多層膜反射鏡。
  8. Ｘ線を発生させるＸ線光源と、このＸ線光源からのＸ線をマスクに導く照明光学系と、前記マスクからのＸ線を感光性基板に導く投影光学系とを有し、前記マスクのパターンを感光性基板へ転写するＸ線露光装置であって、前記照明光学系、前記マスク及び前記投影光学系のうちの少なくとも一つに、請求の範囲第１項から第７項のうちいずれかに記載の多層膜反射鏡を有することを特徴とするＸ線露光装置。
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