JPH0794396A

JPH0794396A - Ｘ線投影露光装置

Info

Publication number: JPH0794396A
Application number: JP5237591A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Murakami; 勝彦村上; Kiyoto Majima; 清人真島; Hiroshi Nagata; 浩永田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-09-24
Filing date: 1993-09-24
Publication date: 1995-04-07
Anticipated expiration: 2016-07-16
Also published as: JP3189528B2

Abstract

(57)【要約】【目的】マスクのインコヒーレント照明が可能であ
り、そのため結像系の性能を最大限に発揮させることの
できる照明光学系を有するＸ線投影露光装置を提供す
る。【構成】少なくとも、Ｘ線源６と、該Ｘ線源６から発
するＸ線をマスク９上に照射する照明光学系５と、前記
マスク９上に形成されたパターンの像をウェファー１１
上に投影結像する投影光学系１０と、からなるＸ線投影
露光装置において前記照明光学系５を構成するミラーの
うち、少なくとも一つのミラーが球面形状を有する基板
面にＸ線反射多層膜を形成してなる球面ミラー１であっ
て、該球面ミラー１への入射Ｘ線が略垂直に入射する位
置に該球面ミラー１が設けられ、かつ、該球面ミラー１
の集光点近傍に配置したマスク９上に集束する反射Ｘ線
の発散角が前記投影光学系１０の入射側開口数と略一致
するような曲率半径及び外径を該球面ミラー１が有する
ことを特徴とするＸ線投影露光装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｘ線リソグラフィー等
に用いられるＸ線投影露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路素子の微細化に伴
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（波長１９３〜４３６
ｎｍ）に代わって、これより波長の短い軟Ｘ線（波長５
〜２０ｎｍ）を使用した投影リソグラフィー技術が開発
されている。この技術に使用されるＸ線投影露光装置は
主としてＸ線源、照明光学系、マスク、結像光学系、ウ
ェファーステージ等により構成される。

【０００３】Ｘ線の波長域では、透明な物質は存在せ
ず、また物質表面での反射率も非常に低いので、レンズ
やミラーなどの通常の光学素子が使用できない。そのた
め、Ｘ線用の光学系は、特殊な多層膜をコーティングし
た多層膜ミラーや、Ｘ線の全反射を利用した斜入射ミラ
ー等により構成されている。Ｘ線源には、放射光光源
（Synchrotron Radiation Source）またはレーザープラ
ズマＸ線源等の、強力な軟Ｘ線の得られる光源が使用さ
れる。照明光学系は、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ミラー、多層膜
の各界面での反射光の位相を一致させて干渉効果により
高い反射率を得る多層膜ミラー、及び所定波長のＸ線の
みを反射または透過させるフィルター等により構成さ
れ、マスク上を所望の波長のＸ線で照明する。

【０００４】マスクは透過型マスクと反射型マスクが知
られている。透過型マスクは、Ｘ線を良く透過する物質
からなる薄いメンブレンの上にＸ線を吸収する物質を所
定の形状に設けることによってパターンを形成したもの
である。一方、反射型マスクは、例えばＸ線を反射する
多層膜上に反射率の低い部分を所定の形状に設けること
によってパターンを形成したものである。

【０００５】このようなマスク上に形成されたパターン
は、複数の多層膜ミラー等で構成された投影結像光学系
により、フォトレジストが塗布されたウェファー上に結
像されて該レジストに転写される。なお、Ｘ線は大気に
吸収されて減衰するので、その光路は全て所定の真空度
に維持されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のＸ
線投影露光装置においては、その照明光学系の設計には
あまり注意が払われていなかった。J.Vac.Sci.Technol.
B8,1509(1990) 及びJ.Vac.Sci.Technol.B7,1648(1989)
には、２枚の同心球面鏡からなるシュバルツシルドミラ
ーを投影結像光学系に用いたＸ線縮小投影露光の実験が
報告されているが、いずれの場合にも照明光学系は使用
せず、放射光光源から発した略平行な光線でマスクを照
明していた。

【０００７】一般に、光学系の解像力は結像系の性能だ
けでなく物体（リソグラフィーの場合はマスク）の照明
の仕方に左右される。即ち、物体が平行光で照明された
場合（コヒーレント照明という。）には、図３に示すよ
うに、光学系の伝達関数（ＯＴＦ）はＮＡ／λ（ＮＡは
結像系の出射側開口数、λは照明光の波長）で決まる空
間周波数までは一定の値を示すが、この空間周波数を越
えると０になってしまい解像されない。一方、物体が結
像系の入射側開口数を満たすような発散角を持つ光線で
照明された場合（インコヒーレント照明という。）に
は、ＯＴＦは空間周波数が高くなるに従い徐々に低下す
るが、２ＮＡ／λの空間周波数まで０にはならない。従
って、像のコントラストは低下するものの、インコヒー
レント照明の場合の方が高い空間周波数のパターンまで
解像することができる。

【０００８】しかしながら、上記のような従来の技術で
は、マスクは略平行光で照明されているため、結像系の
解像力が上記のような理由により制限されるという重大
な問題点があった。J.Vac.Sci.Technol.B9,3184(1991)
には、レーザープラズマＸ線源から発したＸ線を多層膜
をコーティングした球面鏡で約４５度の入射角で反射さ
せて、マスクを照明する方法について述べられている。
しかしながら、球面鏡をこのように斜め入射で使用する
と大きな非点収差を生じてしまうので、マスク上の２次
元パターンの一方の方向に対しては、ある程度の発散角
をもつ照明が行えても、それに垂直な方向のパターンに
対しては、平行な照明になってしまう。従って、光学系
の解像力に異方性が生じるという問題点がある。

【０００９】球面鏡の代わりに楕円鏡を用いれば非点収
差を除去できるが、これは光軸上のごく狭い範囲だけで
ある。楕円鏡は軸外で大きな収差を持つので、均一な照
明を行うことは困難である。リソグラフィーでは、マス
ク上のある程度の大きさの範囲を照明しなければならな
いので、このような照明系では適切な照明ができないと
いう問題点がある。

【００１０】また、このような一枚の多層膜ミラーによ
る照明は、光軸が大きく曲がってしまうので光学系の配
置が複雑で調整が困難になるという問題点もある。さら
に、楕円鏡は非球面形状であるので、球面鏡と比べてそ
の加工が著しく困難である。そのため現在の加工技術で
はＸ線の波長で使用するのに充分な加工精度を実現する
ことができないという問題点がある。

【００１１】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたもので、マスクのインコヒーレント照明が可
能であり、そのため結像系の性能を最大限に発揮させる
ことのできる照明光学系を有するＸ線投影露光装置を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は第一
に「少なくとも、Ｘ線源と、該Ｘ線源から発するＸ線を
マスク上に照射する照明光学系と、前記マスク上に形成
されたパターンの像をウェファー上に投影結像する投影
光学系と、からなるＸ線投影露光装置において前記照明
光学系を構成するミラーのうち、少なくとも一つのミラ
ーが球面形状を有する基板面にＸ線反射多層膜を形成し
てなる球面ミラーであって、該球面ミラーへの入射Ｘ線
が略垂直に入射する位置に該球面ミラーが設けられ、か
つ該球面ミラーの集光点近傍に配置したマスク上に集束
する反射Ｘ線の発散角が前記投影光学系の入射側開口数
と略一致するような曲率半径及び外径を該球面ミラーが
有することを特徴とするＸ線投影露光装置（請求項
１）」を提供する。

【００１３】また、本発明は第二に「前記Ｘ線源がシン
クロトロン放射光光源であり、前記照明光学系が少なく
とも、平面基板にＸ線反射多層膜を形成してなる第１及
び第２の平面ミラーと前記球面ミラーとからなり、該第
１の平面ミラーが前記放射光光源から出射したＸ線を前
記放射光光源の電子ビームの軌道面に対して略垂直な方
向に反射する位置に設けられ、前記球面ミラーが該第１
の平面ミラーによる反射Ｘ線を略垂直に反射する位置に
設けられ、かつ、前記第２の平面ミラーが該球面ミラー
による反射Ｘ線を前記放射光光源からの出射光と略平行
な方向に反射する位置に設けられていることを特徴とす
る請求項１記載のＸ線投影露光装置（請求項２）」を提
供する。

【００１４】

【作用】以下、本発明にかかるＸ線投影露光装置につい
て、図面を引用して説明するが本発明は、図面に記載さ
れたＸ線投影露光装置に限定されるものではない。本発
明にかかるＸ線投影露光装置の照明光学系では、例え
ば、図２に示すように、球面形状の基板にＸ線を反射す
る多層膜を形成してなる球面多層膜ミラー（球面ミラ
ー）１を用いる。そして、該球面ミラー１を、該球面ミ
ラー１への入射Ｘ線が略垂直に入射する位置に設けてい
る。

【００１５】ところで、斜入射で球面鏡により光線を反
射すると、入射面内とそれに垂直な面内の二つの焦点を
持つので、当然それらの位置は一致しない。即ち、非点
収差を生じる。しかし、略垂直入射で球面鏡により光線
を反射した場合には、入射面内の集光点と入射面に垂直
な面内の集光点とが略一致し、球面の曲率半径をｒとす
ると、ｆ＝ｒ／２の距離に焦点２を結ぶ。即ち非点収差
を生じることがない。

【００１６】本発明では、このように球面ミラー１を略
垂直入射の配置で用い、マスク９はその集光点の近傍に
配置したので、マスク上のパターンは円錐形状に等方的
な広がり角を持って集束する光線によって照明される。
また、このときの光束の広がり角θが結像光学系の入射
側開口数に等しくなるように、球面ミラー１の曲率半径
及び外径を設定している。

【００１７】即ち、本発明によれば、インコヒーレント
照明の条件が満たされるので、結像光学系の解像力を最
大限に発揮させることができる。また、楕円鏡を用いた
場合と比べて軸外の収差が小さいために、より広い範囲
を均一に照明することができる。また、本発明（請求項
２）では、例えば、図１に示すように、放射光光源から
のＸ線を、まず第１の平面多層膜ミラー（平面ミラー）
３により、その進行方向を上方（または下方）へ略直角
に曲げて、これを球面ミラー１で略垂直に反射したの
ち、第２の平面多層膜ミラー（平面ミラー）４で略直角
に曲げて水平な方向へ戻して、マスク９を照明する。

【００１８】即ち、本発明（請求項２）によれば、照明
光（Ｘ線）の光軸を放射光光源から出射するＸ線の光軸
と一致させることができるので、その後に続く結像光学
系もこの軸上に配置すれば良く、光学系全体の配置が単
純になり調整が容易になる。なお、放射光光源からのＸ
線は電子蓄積リング中の電子ビームの軌道面内に偏光し
ており、また、一般に多層膜ミラーは４５゜付近の入射
角では入射面（入射光線と反射面の法線を含む平面）に
垂直な方向に偏光したＸ線しか反射しない。従って、一
般的には、平面多層膜ミラーによりＸ線を直角に曲げる
方向は、水平方向ではなく垂直方向にする。（放射光光
源の電子ビームの軌道面は、一般に水平面内にある）以
下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本
発明は実施例に限定されるものではない。

【００１９】

【実施例】図１は本発明にかかるＸ線縮小投影露光装置
の光学系配置図である。光源には放射光光源の電子蓄積
リング６に設けられた偏向磁石（図示せず）から発した
放射光ビームを用いた。光源の発光点の大きさは直径約
２ｍｍ、発散角は上下左右とも±１ｍｒａｄである。

【００２０】放射光ビームはＸ線から可視光までの連続
なスペクトルを持っているので、まず、厚さ１μｍのＢ
ｅ（ベリリウム）フィルター７を透過させて、紫外線以
上の長波長成分と、ＢｅのＫ吸収端である１１２Å以下
の短波長成分をフィルターの吸収により除去した。次
に、入射角８６度の水平偏向ミラー８で放射光ビームを
反射させた。このミラーは合成石英を平滑な平面に加工
したものであり、Ｘ線を全反射するが、このとき、全反
射臨界角の小さい短波長のＸ線は反射せずに除去され
る。以上のフィルター７と偏向ミラー８は、このように
露光に用いる波長１３４Å付近の軟Ｘ線のみを取り出す
ためのものである。

【００２１】次の３枚の多層膜ミラーが照明光学系５を
構成する。まず、入射角４６度の第１の平面多層膜ミラ
ー（平面ミラー）３により放射光ビームを上方に折り曲
げ、入射角２度の球面多層膜ミラー（球面ミラー）１に
より略垂直に反射した後、入射角４６度の第２の平面多
層膜ミラー（平面ミラー）４により放射光ビームを水平
方向に折り曲げた。

【００２２】第１の平面ミラー３へ入射する放射光ビー
ムの光軸と第２の平面ミラー４で反射したビームの光軸
は一致するように各ミラーを配置した。このような配置
にすることで、予め結像光学系（ここではシュバルツシ
ルドミラー）１０の光軸を水平偏向ミラー８で折り曲げ
られた放射光ビームの光軸に一致するように調整してお
き、その後この光軸に一致するよう照明光学系５を調整
することができる。

【００２３】照明光学系５の多層膜ミラーにおいて、Ｘ
線を反射するための多層膜にはＭｏ（モリブデン）／Ｓ
ｉ（シリコン）多層膜を用いた。多層膜の周期長は、そ
れぞれのミラーの入射角に合わせて、中心波長１３４Å
のＸ線を反射するように最適化した。本実施例におい
て、球面ミラー１の曲率半径は3.6 ｍであり、その焦点
距離ｆは1.8 ｍである。放射光光源の発光点から球面ミ
ラー１までの距離ａは１３ｍであるので、球面多層膜ミ
ラー１で反射した放射光ビームは次の式（１）で決まる
距離ｂ＝2.1 ｍ先で集束する。

【００２４】１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ・・・（１）この集光点位置には、次の式（２）で決まる倍率ｍ＝0.
16で縮小された光源の像が形成される。ｍ＝ｂ／ａ・・・（２）また、この位置に集束する放射光ビームの発散角は、光
源からの発散角をθ₁として、次の式（３）で決まるθ
₂で与えられる。

【００２５】ｓｉｎθ₂＝ｓｉｎθ₁／ｍ・・・（３）放射光光源からのＸ線の発散角θ₁は１ｍｒａｄなの
で、ｓｉｎθ₂は0.00625 となる。このようにして形成
された光源の像の位置に、透過型のＸ線マスク９を配置
した。これは、厚さ0.1 μｍのＳｉＮ（シリコンナイト
ライド）のメンブレンの上に、厚さ0.2 μｍのＡｕ
（金）のパターンが形成されたものである。

【００２６】マスク９を透過したＸ線は、縮小倍率１／
３２のシュバルツシルドミラー１０によりウェファー１
１上に結像する。ウェファー１１には、Ｘ線に感光する
フォトレジストが塗布されており、マスク９上のパター
ンは１／３２に縮小されて、レジストパターンに転写さ
れる。シュバルツシルドミラーは２枚の同心球面からな
る結像光学系であり、その反射面にはＭｏ／Ｓｉ多層膜
が形成されている。このシュバルツシルドミラー１０の
開口数（ＮＡ）は、ウェファー側で0.2 であり、λ／２
ＮＡで決まる回折限界の解像力は0.03μｍである。シュ
バルツシルドミラー１０のマスク側の開口数は0.2 ／３
２＝0.00625 であるので、上記の照明光学系５によって
マスク９を照明するＸ線の発散角はこの値と一致してお
り、インコヒーレント照明の条件が満たされている。

【００２７】このようなＸ線縮小投影露光装置により露
光実験を行った。レジストにはＰＭＭＡ（ポリメチルメ
タクリレート）を用いた。1.6 μｍラインアンドスペー
スのパターンのマスクを用いて露光を行ったところ、い
ずれの方向のパターンに対しても、回折限界に近い寸法
の0.05μｍのラインアンドスペースのレジストパターン
が得られた。

【００２８】

【比較例】比較のために、図４に示すような簡易型の照
明光学系を用いた露光実験を行った。ここでは、水平偏
向ミラー１８が曲率半径３６ｍの緩い球面になってお
り、その入射面（ここでは水平面）内の焦点にマスク９
が設置されている。水平偏向ミラー１８への放射光ビー
ムの入射角は実施例と同じ８６度である。このように球
面鏡を斜入射の配置で用いると、大きな非点収差を生じ
る。この場合は、水平面内の光線はマスク９上で集光
し、その発散角はシュバルツシルドミラー１０のマスク
側開口数と一致してインコヒーレント照明の条件を満た
すが、垂直面内の光線はほぼ平行にマスク９を照明する
のでコヒーレント照明となる。

【００２９】このような配置で同様の露光実験を行った
ところ、垂直方向のラインアンドスペースパターンでは
0.05μｍまで解像できたが、水平方向のラインアンドス
ペースパターンでは0.15μｍは解像したが、0.1 μｍは
解像しなかった。以上の結果から、Ｘ線縮小投影露光装
置において、照明光学系の開口数を結像光学系の入射側
開口数に一致させることが回折限界の解像力を得るため
に重要であることが判った。

【００３０】なお、本実施例においては透過型のＸ線マ
スクを用いたが、本発明はこれに限定されることはな
く、反射型のＸ線マスクを用いた場合にも同様の効果が
得られることはいうまでもない。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、マスク上
のパターンを結像光学系の入射側開口数に等しい等方的
な発散角を有するＸ線で照明することができるので、結
像光学系の回折限界の解像力を得ることができる。ま
た、楕円鏡のような非球面ミラーを使用した場合と比べ
ると、本発明では球面ミラーを用いるので、Ｘ線の波長
域においても充分な形状精度をもつミラーを従来の技術
で容易に製造することできる。また、楕円鏡のように軸
外で急速に収差が拡大することがないので、比較的大き
な照明領域を得ることができる。

【００３２】また、本発明（請求項２）によれば、少な
くとも３枚の多層膜ミラーからなる照明光学系は、その
入射側と出射側の光軸が一致しているため、光学系全体
の配置が単純化されて光学系の位置調整が容易になる。
さらに、放射光をＸ線の光源に用いたＸ線縮小投影露光
においては、放射光の電子蓄積リングから放射状に多数
のビームラインが設置され、各ビームラインにそれぞれ
露光装置を設置することができる。従って、１台の電子
蓄積リングにより多数の露光装置を設置することが可能
となり、高価な放射光光源を有効に活用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】は本発明の実施例であるＸ線縮小投影露光装置
の光学系配置図である。

【図２】は本発明にかかる球面多層膜ミラーによる垂直
入射の反射例を示す図である。

【図３】はインコヒーレント照明とコヒーレント照明の
場合のＯＴＦの違いを示す図である。

【図４】は本発明の比較例である簡易型照明系によるＸ
線縮小投影露光装置の光学系配置図である。

【主要部分の符号の説明】

１・・・球面多層膜ミラー（球面ミラー）２・・・球面ミラーの焦点３・・・第１の平面多層膜ミラー（平面ミラー）４・・・第２の平面多層膜ミラー（平面ミラー）５・・・照明光学系６・・・放射光光源の電子蓄積リング７・・・Ｂｅフィルター８、18・・水平偏向ミラー９・・・マスク１０・・シュバルツシルドミラー（結像光学系の一
例）１１・・ウェファー以上

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、Ｘ線源と、該Ｘ線源から発
するＸ線をマスク上に照射する照明光学系と、前記マス
ク上に形成されたパターンの像をウェファー上に投影結
像する投影光学系と、からなるＸ線投影露光装置におい
て、前記照明光学系を構成するミラーのうち、少なくとも一
つのミラーが球面形状を有する基板面にＸ線反射多層膜
を形成してなる球面ミラーであって、該球面ミラーへの
入射Ｘ線が略垂直に入射する位置に該球面ミラーが設け
られ、かつ該球面ミラーの集光点近傍に配置したマスク
上に集束する反射Ｘ線の発散角が前記投影光学系の入射
側開口数と略一致するような曲率半径及び外径を該球面
ミラーが有することを特徴とするＸ線投影露光装置。
【請求項２】前記Ｘ線源がシンクロトロン放射光光源
であり、前記照明光学系が少なくとも、平面基板にＸ線
反射多層膜を形成してなる第１及び第２の平面ミラーと
前記球面ミラーとからなり、該第１の平面ミラーが前記
放射光光源から出射したＸ線を前記放射光光源の電子ビ
ームの軌道面に対して略垂直な方向に反射する位置に設
けられ、前記球面ミラーが該第１の平面ミラーによる反
射Ｘ線を略垂直に反射する位置に設けられ、かつ、前記
第２の平面ミラーが該球面ミラーによる反射Ｘ線を前記
放射光光源からの出射光と略平行な方向に反射する位置
に設けられていることを特徴とする請求項１記載のＸ線
投影露光装置。