JP6494259B2 - 照明光学装置、およびデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体、液晶デバイス製造における照明光学装置に関する。

半導体デバイスなどの製造に用いられる露光装置は、原版（レチクルなど）に形成されているパターンを、結像光学系や投影光学系などを介して基板（表面にレジスト層が形成されたウエハなど）に転写する。露光装置は、光源からの光束で原版を照明する照明光学装置を備える。照明光学装置の原版に対する照明光が不均一であったり、テレセントリシティ（光軸と主光線との平行度）が崩れていたりすると、基板へのパターン転写が不十分となり、露光装置は、高品位なデバイスを提供できない。テレセントリシティが崩れると、原版が光軸に対してずれた位置で露光される時に、原版での像を結ぶ位置が横にシフトすることになり、また、テレセントリシティが像高により異なると、原版に歪曲した像が形成されることになる。いずれの場合も、原版のパターンを基板へ忠実に転写することができない。したがって、照明光学装置には、照度均一性を向上することとテレセントリシティを調整することが求められる。

照度均一性を向上する方法として、オプティカルインテグレータを備えた照明光学装置が知られている。内面反射形のオプティカルインテグレータは、入射端面から入射した光束を内面で複数回反射させて、射出端面での光強度分布を均一化させる。さらに、射出端面と被照明面とが共役関係となるように射出端面と被照明面との間に結像光学系を配置することで、被照明面での照度均一性を向上させることができる。

一方、テレセントリシティを調整する方法は、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている照明光学装置では、内面反射形のオプティカルインテグレータの射出端面と波面分割形のオプティカルインテグレータの入射端面とが結像光学系により共役関係になるようにつながれている。そして、内面反射形のオプティカルインテグレータを平行偏心させて波面分割形のオプティカルインテグレータの入射端面での照度分布を変化させることでテレセントリシティを調整している。また、特許文献２に開示された結像光学系では、結像光学系内の瞳面を透過する光線をシフトさせる方法や、瞳面の有効系内の一部を遮光して透過領域を制限する方法など、瞳面での照度分布を変化させてテレセントリシティを調整している。

特開２００２−５０５６４号公報 特許第５０３６４２９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている照明光学装置では、波面分割形のオプティカルインテグレータも設ける必要があり、照明光学装置の大形化および高額化を招くおそれがある。また、特許文献２に開示されている結像光学系では、その結像光学系内に良好な瞳面を形成することが必要となるため、結像光学系が複雑化し、照明光学装置の大形化および高額化を引き起こすことがある。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、光学部品数の増加および結像光学系の複雑化に伴う、大形化および高額化を回避し、照明光の照度均一性の向上とテレセントリシティの調整が可能な照明光学装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、光源からの光で原版を照明する照明光学装置であって、入射端面から入射した光を内面で複数回反射させるオプティカルインテグレータと、原版上にオプティカルインテグレータの射出端面の像を形成する結像光学系と、オプティカルインテグレータの射出端面の中心位置を回転中心としてオプティカルインテグレータを傾ける機構とを有し、原版の照明領域は、オプティカルインテグレータの射出端面の位置に対応し、原版に入射する光のテレセントリシティがオプティカルインテグレータの傾きに応じて変化することを特徴とする。

本発明によれば、光学部品数の増加および結像光学系の複雑化に伴う、照明光学装置の大形化および高額化を回避し、被照明面での照明光の照度均一性の向上とテレセントリシティの調整が可能な照明光学装置を提供することができる。

露光装置の概略図を示す図である。 照明光のテレセントリシティがずれている状態を示す図である。 第１実施形態に係る照明光のテレセントリシティ調整方法を示す図である。 内面反射形のオプティカルインテグレータ内での光線の挙動を示す図である。 第２実施形態に係る照明光のテレセントリシティ調整方法を示す図である。 楔形光学素子対を通過する光線の挙動を示す図である。 第３実施形態に係る照明光のテレセントリシティ調整方法を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

図１に示すように、露光装置は、光源１０１と、楕円ミラー１０２と、オプティカルインテグレータ１０３と、結像光学系１０６とを有する。光源１０１は、超高圧水銀ランプ等からなっており、楕円ミラー１０２の第１焦点付近に配置されている。楕円ミラー１０２は光源１０１からの光束をオプティカルインテグレータ１０３の入射端面１０４に集光する。

オプティカルインテグレータ１０３は、入射端面１０４から入射した光束を内面で複数回反射させて、射出端面１０５での光強度分布を均一化させる内面反射形の光学部材であり、本発明の実施形態ではオプティカルロッドを用いる。オプティカルインテグレータ１０３の入射端面１０４は、楕円ミラー１０２の第２焦点付近に配置されている。

結像光学系１０６は、第１光学部材１０７と、第２光学部材１０９と、反射ミラー１１０とコンデンサレンズ１１１とを含む。なお、第１光学部材１０７と第２光学部材１０９の間に、オプティカルインテグレータ射出端面１０５に対して光学的に共役な瞳面が形成されている。また、オプティカルインテグレータ射出端面１０５と原版などの被照明面１１２とが光学的に共役関係になるように設計することで、被照明面１１２を均一な照度で照明することができる。

被照明面１１２に照射された光は、投影光学系１１３を通り、基板を位置決めする基板ステージ１１６上の基板保持チャック１１５に保持された基板１１４に投影露光され、被照明面１１２のパターンが転写される。

次に被照明面１１２を照明する光のテレセントリシティが崩れる原因について図２を用いて説明する。

一つの例としては、結像光学系１０６内の第２光学部材１０９が組立誤差等で偏心している場合である。この場合、結像光学系１０６から射出する主光線が光軸に対して傾き（被照明面１１２の法線と平行にならない）、照明光のテレセントリシティが崩れる。

他の例としては、結像光学系１０６内の反射ミラー１１０が組立誤差等で偏心している場合である。反射ミラー１１０の設置角度が設計値からずれてしまうと、反射後の光束全体の角度が理想角度からずれてしまい、照明光のテレセントリシティが崩れる。

更に他の例としては、反射ミラー１１０の表面に施された反射膜に反射率の不均一性がある場合や、光束の入射角度の違いによる反射率の不均一性等である。これらの場合にも結像光学系１０６から出射される光束は光量の対称性が悪くなり、照明光の主光線は被照明面１１２の法線と平行にならず、テレセントリシティが崩れる。

オプティカルインテグレータ１０３内での光線の挙動を説明する。図４（１）はオプティカルインテグレータ１０３を傾けていない場合の光線の挙動について示している。入射端面１０４に入射する光線のうち、紙面下方向から角度を持って入射する光線を４１１、主光線を４１２とする。主光線４１２と光線４１１とがなす角度をθ４１１ａとする。光線４１１の入射端面１０４における入射後の角度をθ４１１ｂ、オプティカルインテグレータ１０３の屈折率をｎとする。すると、入射端面１０４における入射後の角度θ４１１ｂはスネルの法則に従い、Ｓｉｎ（θ４１１ａ）＝ｎ×Ｓｉｎ（θ４１１ｂ）の関係が成り立つ。

θ４１１ｂの屈折角度で入射端面１０４に入射した光線はオプティカルインテグレータ１０３の長手方向の壁面４０１で全反射する。そのため、壁面４０１で反射した光の反射角度もθ４１１ｂで保たれる。射出端面１０５における射出後の光線と主光線とがなす角度をθ４１１ｃとすると、スネルの法則に従い、ｎ×Ｓｉｎ（θ４１１ｂ）＝Ｓｉｎ（θ４１１ｃ）の関係が成り立つ。つまり、θ４１１ａ＝θ４１１ｃとなることが分かり、オプティカルインテグレータ１０３への入射前後の光の角度は保存されることが分かる。

次にオプティカルインテグレータ１０３が光軸に対して傾いている場合について考える。図４（２）はオプティカルインテグレータ１０３の長手方向の軸が光軸に対してθｒｏｄ傾いた状態で、かつ、光線の反射回数が１回の場合を示した図である。

入射端面１０４に入射する光線のうち、紙面下方向から角度を持って入射する光線を４２１、主光線を４２２とする。主光線４２２と光線４２１とがなす角度をθ４２１ａとする。光線４２１の入射端面１０４における入射角度はオプティカルインテグレータ１０３が主光線４２２に対してθｒｏｄ傾いているため、（θ４２１ａ＋θｒｏｄ）となる。光線４２１の入射端面１０４における入射後の角度をθ４２１ｂ、オプティカルインテグレータ１０３の屈折率をｎとすると、スネルの法則に従い、Ｓｉｎ（θ４２１ａ＋θｒｏｄ）＝ｎ×Ｓｉｎ（θ４２１ｂ）の関係が成り立つ。

θ４２１ｂの屈折角度でオプティカルインテグレータ１０３に入射した光線はオプティカルインテグレータ１０３の長手方向の壁面４０１で全反射する。そのため、壁面４０１で反射した光の反射角度もθ４２１ｂで保たれる。射出端面１０５における射出角度をθ４２１ｃとすると、スネルの法則に従い、ｎ×Ｓｉｎ（θ４２１ｂ）＝Ｓｉｎ（θ４２１ｃ）の関係が成り立つが、光軸に対する角度θ４２１ｄはθ４２１ｄ＝θ４２１ｃ＋θｒｏｄとなる。つまり、Ｓｉｎ（θ４２１ａ＋θｒｏｄ）＝Ｓｉｎ（θ４２１ｃ）＝Ｓｉｎ（θ４２１ｄ−θｒｏｄ）の関係から、θ４２１ｄ＝θ４２１ａ＋２θｒｏｄの関係が成立する。したがって、射出端面１０５における射出後の光線角度は入射端面１０４における入射前の光線角度にオプティカルインテグレータ１０３の傾き量の２倍を加算した角度に変化することが分かる。

次にオプティカルインテグレータ１０３の長手方向の軸が光軸に対してθｒｏｄ傾き、かつ、光線の反射回数が２回の場合について図４（３）を用いて説明する。

入射端面１０４に入射する光線のうち、紙面下方向から角度を持って入射する光線４３１、主光線を４３２とする。主光線と光線４３１とがなす角度をθ４３１ａとする。光線４３１の入射端面１０４における入射角度はオプティカルインテグレータ１０３が主光線４３２に対してθｒｏｄ傾いているため、（θ４３１ａ＋θｒｏｄ）となる。よって、光線４３１の入射端面１０４における入射後の角度をθ４３１ｂ、オプティカルインテグレータ１０３の屈折率をｎとすると、スネルの法則に従い、Ｓｉｎ（θ４３１ａ＋θｒｏｄ）＝ｎ×Ｓｉｎ（θ４３１ｂ）の関係が成り立つ。

θ４３１ｂの屈折角度でオプティカルインテグレータ１０３に入射した光線はオプティカルインテグレータ１０３の長手方向の上壁面４０１で全反射する。そのため、壁面４０１で反射した光の反射角度もθ４３１ｂで保たれる。壁面４０１で反射した光線はオプティカルインテグレータ１０３の長手方向の下壁面４０２で再び全反射することになる。その際も、下壁面４０２で反射した光の反射角度はθ４３１ｂで保たれる。射出端面１０５において射出角度はスネルの法則に従い、ｎ×Ｓｉｎ（θ４３１ｂ）＝Ｓｉｎ（θ４３１ｃ）の関係が成り立つ。そして、光軸に対する角度θ４３１ｄはθ４３１ｄ＝θ４３１ｃ−θｒｏｄとなる。

つまり、Ｓｉｎ（θ４３１ａ＋θｒｏｄ）＝Ｓｉｎ（θ４３１ｃ）＝Ｓｉｎ（θ４３１ｄ＋θｒｏｄ）の関係から、θ４３１ｄ＝θ４３１ａの関係が成立する。したがって、射出端面１０５における射出後の光線角度は入射端面１０４における入射前の光線角度と同じであることが分かる。

このように光軸に対してθｒｏｄ傾いたオプティカルインテグレータ１０３の入射前後の光線の角度はオプティカルインテグレータ１０３内の反射回数により異なる。１回反射の場合は射出後の光線角度は入射時の角度に対して２θｒｏｄ加算した角度となり、２回反射の場合は射出後の光線角度は入射時の角度と同じである。

また、本現象は、反射回数が奇数回の場合は射出後の光線角度は入射時の角度に対して２θｒｏｄ加算した角度となり、偶数回反射の場合は射出後の光線角度は入射時の角度と同じであると説明することを含んでいる。

一般的に被照明面１１２の光強度分布を均一化するために内面反射回数は十分に多くとられている。したがって、オプティカルインテグレータ１０３をθｒｏｄ傾けることによりオプティカルインテグレータ１０３の射出光束は平均的にθｒｏｄ重心を変化させることができ、被照明面１１２を照明する光のテレセントリシティを調整することが可能となる。

（第１実施形態）
図３は本発明の第１実施形態に係る照明光学装置を示した図である。ここでは一例として図２と同様、結像光学系１０６の第２光学部材１０９および反射ミラー１１０が偏心している状態を示している。

本実施形態では、結像光学系１０６の系外においてテレセントリシティ調整手段１２１を設けている。調整手段１２１は、テレセントリシティを計測する計測手段１２２と、その計測値からテレセントリシティ値を演算処理する演算処理手段１２３とを備える。さらに、その演算処理結果に基づいてオプティカルインテグレータ１０３を駆動する光学部品駆動機構（駆動機構）１２４と、入射端面１０４の中心位置変化量に応じて、光源１０１の位置を移動させる光源駆動機構１２５とを備える。計測手段１２２は必ずしも被照明面１１２上に設ける必要は無く、基板ステージ１１６上やその他計測可能な箇所に設けても良い。

テレセントリシティ調整手段１２１は、演算処理手段１２３による演算処理結果に基づいて光学部品駆動機構（駆動機構）１２４によりオプティカルインテグレータ１０３を傾けてテレセントリシティを調整する。

射出端面１０５と被照明面１１２とが光学的に共役関係にあるため、射出端面１０５の中心位置がずれてしまうと被照明面１１２での照射領域が変わってしまい、被照明面１１２の所望の領域に光が照射されないことになる。したがって、オプティカルインテグレータ１０３を傾ける際には射出端面１０５の中心位置が変化しないように、射出端面１０５の中心位置を回転中心として傾けることが望ましい。

また、このように射出端面１０５を回転中心として傾けると、入射端面１０４の中心位置が変化してしまう。上述したように入射端面１０４は光源１０１の集光手段で用いられている楕円ミラー１０２の第２焦点付近に配置されているため、入射端面１０４の中心位置が変化してしまうとオプティカルインテグレータ１０３に入射する光量が減少してしまう。

その懸念を回避するため、あらかじめ、入射端面１０４の中心位置に対する照度最大となる光源１０１の位置の関係を求めておく。そして、オプティカルインテグレータ１０３を傾けた際の入射端面１０４の中心位置の変化量に応じて、光源１０１の位置を光源駆動機構１２５により移動させることで、照度低下を回避することを可能とする。

このように、図３に示す照明光学装置は、光学部品数を増やすことなく、かつ、結像光学系を複雑化することなく原版などの被照明面での光強度分布の均一化とテレセントリシティの調整を両立することができる。

以上のように、本実施形態によれば、照明光学装置の大形化および高額化を回避し、被照明面での照明光の照度均一性の向上とテレセントリシティの調整が可能な照明光学装置を提供することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る照明光学装置について説明する。本実施形態に係る処理装置の構成は第１実施形態と同様であるが、テレセントリシティ調整手段１２１に光源駆動機構１２５が含まれていない点が異なる。また、楔形光学素子対１３１がオプティカルロッド１０３と結像光学系１０６との間に配置されている。図５は本実施形態に係る照明光学装置の構成を示した図である。

楔形光学素子対１３１は、図６に示すように、互いに平行に向き合うように配置された同形状の前側楔形光学素子１３２と後側楔形光学素子１３３とを含む。前側楔形光学素子１３２の光が入射する面は光軸に対して垂直とされ、後側楔形光学素子１３３の光が出射する面は光軸に対して垂直とされる。

ここで、本実施形態でいう楔形とは、図６に示すようにＶ字形ではなく、台形であり、台形の片方の脚が上底および下底に垂直である形のことを指すものとする。また、垂直三角形であってもよいものとする。

楔形光学素子対１３１を通過する光線の挙動について説明する。図６（１）は楔形光学素子対１３１に入射する光線が射出する際に角度変化を引き起こさない状態を示した図である。この場合、入射光線６１１は前側楔形光学素子射出端面６１３と後側楔形光学素子入射端面６１４においてスネルの法則に従い屈折する。この場合、前側楔形光学素子射出端面６１３と後側楔形光学素子入射端面６１４の光軸に対する傾き角度が等しい。よって、後側楔形光学素子射出端面６１５における射出角度は光軸に対して平行になり、楔形光学素子対１３１を通過する前後において光線の角度は変化しない。

図６（２）は楔形光学素子対１３１に入射する光線の射出角度が変化する状態を示した図である。この状態は、図６（１）の状態から後側楔形光学素子１３３を光軸中心に光軸と垂直な面で１８０度回転させた時の状態を示した図である。この場合、入射光線６２１は前側楔形光学素子射出端面６１３と後側楔形光学素子入射端面６１４においてスネルの法則に従い屈折する。この場合、前側楔形光学素子射出端面６１３と後側楔形光学素子入射端面６１４の光軸に対する傾き角度が異なる。よって、後側楔形光学素子射出端面６１５における射出角度は光軸に対して平行にならず、楔形光学素子対１３１を通過する前後において光線のなす角度は変化する。

図６（３）は楔形光学素子対１３１に入射する光線の射出角度が変化する状態を示した図である。この状態は図６（２）の状態から前側楔形光学素子１３２と後側楔形光学素子１３３の両方の光学素子を光軸中心に光軸と垂直な面で１８０度回転させた時の状態を示した図である。図６（２）の状態と比較して前側楔形光学素子射出端面６１３と後側楔形光学素子入射端面６１４の角度が光軸に対して反転しているため、後側楔形光学素子射出端面６１５から射出する角度も図６（２）の場合と比較して光軸に対して反転した角度になる。

本実施形態では、光学部品駆動機構（回転機構）１２４は、結像光学系１０６の系外にある楔形光学素子対１３１に接続される。光学部品駆動機構（回転機構）１２４は、演算処理手段１２３の演算結果に基づいて前側楔形光学素子１３２および／または後側楔形光学素子１３３を光軸に対して垂直な平面（光軸周り）で１８０度回転させ、テレセントリシティを調整する。第１実施形態と同様、計測手段１２２は必ずしも被照明面１１２上に設ける必要は無く、基板ステージ１１６上やその他計測可能な箇所に設けても良い。このような構成を有する照明光学装置によっても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る照明光学装置について説明する。本実施形態に係る処理装置の構成は第２実施形態と同様であるが、楔形光学素子対１３１が結像光学系１０６と被照明面１１２との間に配置されている点が異なる。図７は本実施形態に係る照明光学装置を示した図である。

本実施形態においても、第２実施形態と同様、光学部品駆動機構（回転機構）１２４は、結像光学系１０６の系外にある楔形光学素子対１３１に接続される。光学部品駆動機構（回転機構）１２４は、演算処理手段１２３の演算結果に基づいて前側楔形光学素子１３２および/または後側楔形光学素子１３３を光軸に対して垂直な平面（光軸周り）で１８０度回転させ、テレセントリシティを調整する。第１実施形態および第２実施形態と同様、計測手段１２２は必ずしも被照明面１１２上に設ける必要は無く、基板ステージ１１６上やその他計測可能な箇所に設けても良い。このような構成を有する照明光学装置によっても、第１実施形態および第２実施形態と同様の効果を奏する。

第１実施形態〜第３実施形態では、演算処理手段１２３の演算結果に基づいて光学部品駆動機構が自動で光学部品を傾けたり、回転させたりしてテレセントリシティを調整している。しかし、これら傾けまたは回転は手動で行ってもよい。

（デバイス製造方法）
本発明の実施形態にかかるデバイスの製造方法は、例えば、半導体デバイス等のマイクロデバイスや微細構造を有する素子等のデバイスを製造するのに好適である。本実施形態のデバイスの製造方法は、原版に形成されているパターンを基板に塗布された感光剤に上記の照明光学装置を用いて転写する工程（基板を露光する工程）と、かかる工程で潜像パターンが形成された基板を現像する工程とを含む。さらに、かかる製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含む。本実施形態のデバイスの製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１０１ 光源
１０２ 楕円ミラー
１０３ オプティカルインテグレータ
１０６ 結像光学系
１１２ 被照明面

Claims (6)

1. 光源からの光で原版を照明する照明光学装置であって、
   入射端面から入射した前記光を内面で複数回反射させるオプティカルインテグレータと、
   前記原版上に前記オプティカルインテグレータの射出端面の像を形成する結像光学系と、
   前記オプティカルインテグレータの射出端面の中心位置を回転中心として前記オプティカルインテグレータを傾ける機構とを有し、
   前記原版の照明領域は、前記オプティカルインテグレータの射出端面の位置に対応し、
   前記原版に入射する光のテレセントリシティが前記オプティカルインテグレータの傾きに応じて変化することを特徴とする照明光学装置。
2. 前記テレセントリシティを計測する計測手段を有し、
   前記計測手段による計測結果に基づいて前記テレセントリシティを調整する
   ことを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
3. 前記機構は、前記オプティカルインテグレータの射出端面の中心位置を回転中心として前記オプティカルインテグレータを傾ける駆動機構を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照明光学装置。
4. 前記オプティカルインテグレータの入射端面の位置に応じて前記光源の位置を移動させる光源駆動機構を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の照明光学装置。
5. 原版に形成されているパターンの像を基板に転写する露光装置であって、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の照明光学装置を備え、
   前記照明光学装置は、前記原版の被照明面を照明する
   ことを特徴とする露光装置。
6. 請求項５に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
   前記工程で露光された前記基板を現像する工程と、
   を含み、現像された基板からデバイスを得ることを特徴とするデバイスの製造方法。
   

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