JP4065923B2 - 照明装置及び該照明装置を備えた投影露光装置、該照明装置による投影露光方法、及び該投影露光装置の調整方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は投影露光装置、特に半導体集積回路等を製造するために好適な投影露光装置及び該装置に搭載される照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、投影露光装置の光源波長が短波長化している。例えば、光源としてＫｒＦエキシマレーザを用いる投影露光装置は既に実用化されており、ＡｒＦエキシマレーザを用いる装置は研究段階から実用段階に移行しつつある。これらのレーザを光源とする投影露光装置では、光源の波長が短いため、透過部材として使用できる硝材が石英硝子と螢石とに制限される。そのため、投影露光装置の投影レンズを光学設計するに際して、色収差の補正（色消し）が極端に困難となってしまう。また、原理上エキシマレーザの発振波長は半値幅でコンマ数ｎｍ程度の波長幅を有している。このため、色消しの諸条件を緩和するため、発振波長が半値幅でコンマ数ｐｍ程度になるように狭帯化を行なっている。ここで、回折格子等を用いて発振波長の狭帯化を行うと、特定波長の増幅に加えて、特定の偏光成分のみ増幅してしまう。そして、特定の偏光成分を多く有する光束を用いて投影露光を行うと以下に述べる問題を生ずる。
【０００３】
偏光した光束を光源として露光を行なうと、最終的に形成される像がパターンの方向により異なるという現象が生じる。例えば、メリジオナル方向に光束が偏光している場合は、像面においてあたかも該方向にＮＡが小さい像が形成される。また、サジタル方向に偏光している場合は、該方向にあたかもＮＡが大きい像が形成される。したがって、たとえ均一なＮＡの投影光学系でマスク等に形成されたパターンを結像しても、照明光束が偏光していると像面において偏ったＮＡで結像してしまうので、パターンの方向により解像が異なってしまう。かかる現象は、特に、高ＮＡの場合に著しい。詳しくは大木裕史：”フレッシュマンの為の現代光学、焦点近傍の光学”、光学、２１（１９９２）８月号に記載されているので省略する。
【０００４】
一方、半導体集積回路はメモリ回路からロジック回路へと主流が移行しつつある。ロジック回路用の半導体集積回路は独立した単独のパターンを有しており、パターン線幅が均一であることが望ましい。ロジック回路用の半導体集積回路においてパターンの方向により解像が異なると、ロジック回路の処理速度の低下を招くので好ましくない。このため、ＡｒＦ又はＫｒＦエキシマレーザを光源として用いる、例えば特許第２６７９３１９号公報に開示されている従来の投影露光装置では、以下に述べる方法で対応している。
【０００５】
図６は従来の投影露光装置の概略構成を示す図である。射出する光束の断面形状が矩形であるエキシマレーザ１からの光束は、整形光学系２により適切な形状、アスペクト比の光束に変換され、後述する水晶板１００，石英硝子１０１を透過した後、単レンズを並列に高密度に配置した光学素子であるフライアイレンズ４に入射する。図７はフライアイレンズを光束の進行方向（ｘ軸方向）より観察した図である。フライアイレンズ４により各要素レンズ毎に分割された光束は、レンズ６，視野絞り７、レンズ９を透過した後、反射ミラー８で９０度折り曲げられレンズ９’を透過して、マスク１０上に集光される。ここで、レンズ６，９，９’によりコンデンサレンズ群を構成する。図８（ａ），（ｂ）にフライアイレンズ４入射面からマスク１０に至るまでの光線の様子を示す。なお、簡便のため図８において、レンズ６からレンズ９に至る光学系を単にレンズＬＬと示す。図８（ａ）において、フライアイレンズ４の入射面に集光した光束ａはコンデンサレンズＬＬによりマスク１０面上の位置ａ’に集光される。即ち、フライアイレンズ４の各要素レンズ入射面とマスク１０とは共役に構成されている。また、図８（ｂ）に示すように、フライアイレンズ４の射出面に集光した光束ｂは、レンズＬＬで平行光に変換されてマスク１０を照射する。この結果、フライアイレンズ４に入射した光束は、要素レンズ単位に波面分割され、マスク１０上で重ねあわせる。そして、マスク１０に供給された照明光に基づき、投影光学系１１によりマスク１０上のパターンが、ウエハ１５に転写される。投影光学系１１は、レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３とミラー１３，１４と反射凹面鏡Ｍとから構成され、開口絞り１２を有している。ここで、視野絞り７は、コンデンサレンズ群６〜９の中の、マスク１０と共役な位置に配設され、照明範囲を規定している。また、フライアイレンズ４射出面は、投影レンズの開口絞り１２と共役であり、フライアイレンズ４の射出面に照明系開口絞り５が配設されている。
【０００６】
上述したようにエキシマレーザ１から射出される光束の形状は一般に矩形であり、矩形の短辺に平行に偏光している。また、照明の効率を極力高く保つために、矩形形状のレーザ射出光束をシリンドリカルレンズ等で構成された整形光学系２によりフライアイレンズ４の外形に極力フィットさせることが望ましい。図９は、整形したレーザ射出光束αとフライアイレンズ４との関係を示す図である。偏光方向ｐｏは矩形の辺に平行である。フライアイ要素レンズ入射面は、マスク１０と共役なので、照明範囲はフライアイ要素レンズの外径により規定される。このため、被照明面であるマスク１０上には、矩形形状の照明領域の辺に平行な偏光が供給されるので、上述のような偏光方向に起因する結像光束のＮＡの変化を生じるので好ましくない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
偏光に起因する問題を解消するために、擬似的な自然光を得る構成について説明する。楔状に加工した一軸結晶である水晶部材１００を光源１とフライアイレンズ４との間に配設する。そして、水晶部材１００のみでは、屈折作用により光束の進行方向が曲がってしまうので、進行方向を補正するため、水晶部材１００と同様に楔状に加工した石英硝子１０１を図６のように配設する。
【０００８】
水晶部材（一軸結晶）１００の光学軸の方向と、偏光方向と、フライアイレンズとの関係を図１０（ａ）〜（ｃ）に示す。図１０（ａ）はフライアイレンズ４に入射する光束αの断面形状、同図（ｂ）は水晶部材の光学軸ｏｐａｘ、同図（ｃ）はフライアイレンズ４の形状をそれぞれ示している。水晶部材の光学軸ｏｐａｘは光束の進行方向に垂直で、かつ偏光方向ｐｏに対して４５度の角度に設定する。かかる構成によれば、水晶部材１００は楔状に加工されているため、光束が入射する位置により水晶部材を透過する厚み（透過距離）が異なる。このため、水晶への入射位置によって、射出する光束の偏光状態が異なる。例えば、水晶部材１００に入射する入射光の偏光方向が図１１（ａ）のような場合に、射出光の偏光は、縦の直線偏光（図１１（ｂ））、横の直線偏光（図１１（ｄ））、それらの中間の円偏光（図１１（ｃ），（ｅ））、さらには楕円偏光となる。そして、フライアイレンズとコンデンサレンズとを透過することで、様々な偏光状態の波面を分割、重ねあわせるため、マスク１０上では、様々な方向の偏光が重なり合った状態、すなわち擬似的な自然光を得ることができる。このように水晶部材１００を用いることで特定の偏光状態の光束に基づく、結像面（ウエハ１５）におけるＮＡの不均一、結像したパターンの解像のバラツキを防止することができる。
【０００９】
しかし、上記構成の投影露光装置は以下に述べる問題点を有している。実際の投影露光装置は、装置の小型化等の理由から、光束の進行方向を折り曲げるために複数の反射ミラーが用いられている。図６に示した投影露光装置は、４枚の反射ミラー３，８，１３及び１４を有している。例えば、ミラー３，４の折り曲げを無くして一直線状に光学系を配置すると、全長が非常に長い光学系になってしまう。また、ミラー１３の折り曲げを無くしてしまうと、物理的に光学系の配置が不可能になってしまう。
【００１０】
したがって、投影露光装置の光学系では反射ミラーは不可欠な光学素子である。しかし、ＡｒＦエキシマレーザなどから発振される短波長の光に対しては、Ｐ波とＳ波との反射率が等しい反射ミラーを製造することが出来ない。このため、反射ミラーで光束を折り曲げることにより、自然光でマスクを照明しても、ウエハ等の被露光面上では光束が偏光気味となってしまうという問題がある。
従来装置のように、直線偏光のレーザ発振光を水晶部材を透過させることでマスク面上で擬似的な自然光に変換しても、その後の光学系において反射ミラーで光路を折り曲げることでｐ成分又はｓ成分などの特定の偏光成分を有する光束になってしまう。したがって、特定の偏光成分に起因するウエハ上に結像する際のＮＡの不均一によるパターン解像、線幅のバラツキを生じてしまう。
【００１１】
ここで、従来装置において光束の折り曲げによる偏光成分の比率の変化を防止する為には、レーザ光源及び整形光学系を回転させて、水晶部材への入射光束そのものを回転させることで偏光の方向による比率を変えることが考えられる。しかし、入射光束そのものを回転させて、特定の偏光の方向をミラーの折り曲げ方向に合わせると、光束の形状と偏光の方向が固定している場合、矩形のフライアイレンズに対して矩形の光束が回転して入射することになる。この結果、フライアイレンズの矩形領域と、光束の矩形領域とが一致せず、光束がフライアイレンズでけられるので、有効に光量を使用することができず照明効率の低下を招いてしまう。
【００１２】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光源の偏光の方向による比を、任意の方向に対して任意の強度比に簡便に調整できる照明装置及び該照明装置を備える投影露光装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明では、光束を供給する光源からの光束を波面分割し、該波面分割された光束に基づいて複数の光源像を形成する波面分割部と、前記複数の光源像からの光を被照射面上の所定照明領域へ導くコンデンサ光学系とを備える照明装置において、前記光源と前記波面分割部との間の光路中に配置された第１の複屈折素子と、第２の複屈折素子を含む複屈折部材を備え、前記第１の複屈折素子は、前記第２の複屈折素子に対して、光束の進行方向を中心として回転可能であることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項２記載の発明では、前記複屈折部材は、前記光束の断面方向において前記進行方向の厚みが異なる形状を有していることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項３記載の発明では、前記複屈折素子のうちの少なくとも１つは、その光学軸の方向が光束の進行方向に対して略垂直となるように配設されていることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項４記載の発明では、前記所定照明領域は略矩形形状であり、前記複屈折素子のうちの少なくとも一つは固設されており、前記固設された複屈折素子の光学軸の方向は、前記矩形形状の辺の方向と平行であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項５記載の発明では、前記固設された複屈折素子は、前記回転可能な複屈折素子と前記波面分割部との間に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項６記載の発明では、所定のパターンを照明する請求項１乃至５の何れか１項に記載の照明装置と、該照明されたパターンを感光基板上に投影露光する投影光学系とを有することを特徴とする。
【００１９】
また、請求項７記載の発明では、請求項６に記載の投影露光装置の調整方法であって、
前記感光基板が設定される面に到達する光の偏光状態を測定する第１工程と、該第１工程での測定結果に基づいて前記第１の複屈折素子を回転させる第２工程とを備えることを特徴とする。
また、請求項８記載の発明では、請求項１から５の何れか１項に記載の照明装置を用いて所定のパターンを照明する工程と、該照明されたパターンを感光基板上に投影露光する工程とを有することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる照明装置と該照明装置を備える投影露光装置の構成を示す図である。ＡｒＦエキシマレーザ（波長λ＝約１９３ｎｍ）等の光源１からの光束は、シリンドリカルレンズ等を含む整形光学系２により光束径の拡大とアスペクト比の変更がなされる。なお、光源１は紙面に平行な直線偏光を射出することが望ましい。次に、整形された光束は第１の楔型プリズムの組２００，２０１を透過し，さらに第２の楔型プリズムの組２０２，２０３を経て、フライアイレンズ４に導かれる。プリズム２００〜２０３は光束の断面方向において進行方向の厚みが異なるような楔形状に加工されている。プリズム２００〜２０３についての詳細は後述する。次に、光源からの光束は、フライアイレンズ４で波面分割され複数の光源像が形成される。フライアイレンズ４の射出面には、ウエハ面上での照明光の開口数を決定する為の開口絞り５が設けられている。そして、複数の光源像からの光は、レンズ６、レンズ９を透過した後、反射ミラー８で９０度折り曲げられて、レンズ９’を透過しパターンを有するマスク１０を照明する。ここで、レンズ６とレンズ９とレンズ９’とでコンデンサ光学系を構成する。コンデンサ光学系内のマスク１０と共役な位置に視野絞り７が配置されている。そして、マスク１０に供給された照明光に基づき、投影光学系１１によりマスク１０上のパターンが、ウエハ１５に転写される。投影光学系１１は、レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３とミラー１３，１４と反射凹面鏡Ｍとから構成され、開口絞り１２を有している。このように本実施形態の投影光学系１１は、ミラー１３等の反射面を有していることが望ましい。ここで、視野絞り７は、コンデンサ光学系６〜９の中の、マスク１０と共役な位置に配設され、照明範囲を規定している。また、フライアイレンズ４の射出面は、投影レンズの開口絞り１２と共役である。
【００２１】
次に、プリズム２００〜２０３について説明する。プリズム２００とプリズム２０２とは、楔形状に加工された水晶結晶から成っている。上記従来技術で述べたように、水晶プリズムのみであると屈折作用で光路が曲がるので、楔形状に加工された石英硝子２０１と２０３とをそれぞれ組み合わせることで、光束の進行方向を補正している。また、各プリズムの楔の角度は、プリズムに垂直に入射した光束が、ほぼ垂直に射出するように設定されている。そして、水晶プリズム２００と石英プリズム２０１とはモータＭＴにより一体として光軸ＡＸを中心として回転可能に構成されている。一方、水晶プリズム２０２と石英プリズム２０３とは固定されている。
【００２２】
水晶プリズム２００と２０２の光学軸の方向を図２（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。ここで、光軸の方向をｘ、光軸に垂直でかつ図１の紙面内の方向をｙ、図１の紙面に垂直な方向をｚとする。また、水晶プリズム２００の光学軸ｏｐａｘとｙ軸とのなす角をψとする。図２（ｂ）に示すように、固定されている水晶プリズム２０２の光学軸ｏｐａｘの方向はマスク上の照明される矩形形状の領域の辺の方向と平行である。ただし、光束をミラーなどで折り曲げている場合は、折り曲げが無いものとして考える。また、水晶プリズム２００と２０２とのうち少なくとも１つは、その光学軸の方向が光束の進行方向に対して略垂直となるように配設されていることが望ましい。
【００２３】
本実施形態において反射ミラー８，１３，１４等の折り曲げ方向は全て図１の紙面に垂直な軸に対する回転方向となっている。このため、ウエハ１５面上における光束は、図１の紙面に平行な方向の偏光は弱めに、紙面に垂直な方向の偏光は強めになる。このため、、プリズム２００，２０２により形成される光束の偏光の強度比が、ｙ方向は強め、ｚ方向は弱めに、かつその比を任意に選択できる必要がある。ｙ方向の直線偏光の光束がプリズム２００，２０１を透過した後は、様々な状態の偏光に変換される。そのうち直線偏光のみに着目すると、図３に示すようにｙ方向の直線偏光と、ｙ軸と（ψ×２）の角度をなす偏光とに、強度比が１：１で分離されている。さらに、プリズム２０２，２０３を透過すると、ｙ方向の直線偏光は全く変化を受けずにそのまま通過し、ｙ軸と（ψ×２）の角度をなす偏光はｙ軸に対して（ψ×２）の角度をなす偏光と、ｙ軸に対して−（ψ×２）の角度をなす偏光とに強度１：１で分離される。この様子を図４に示す。即ち、プリズム２００〜２０３を透過した後のｙ方向の偏光強度をＡ、ｚ方向の偏光強度をＢ、水晶プリズム２００の回転角度をψとおくと、
Ａ：Ｂ＝１＋ｃｏｓ（２ψ）：ｓｉｎ（２ψ）
となる。このことより、本実施形態において、ｙ方向が多め、ｚ方向が少なめの偏光を得る事ができることがわかる。さらに、回転角度ψは可変であるため、ＡとＢとの比は任意に選択する事ができる。好ましくは、ウエハ１５面上で偏光量を測定しながら、方向による偏光の量の比が等しくなるように水晶プリズム２００を回転し、ψを選択することが望ましい。
【００２４】
（第２実施形態）
本発明の第２の実施の形態にかかる照明装置及び該照明装置を備える投影露光装置の基本的な構成は上記第１実施形態と同様であるので、図による説明は省略する。上記第１実施形態と異なる点は、プリズム２００〜２０３の代わりに第１の楔型プリズムの組２００，２０１のみを用いる点にある。水晶プリズム２００の光学軸の方向を光軸ＡＸの回りにモータＭＴにより回転させることで得られる偏光状態を図５（ａ）から（ｃ）に示す。尚、この場合円偏光は問題にならないので直線偏光のみを図示する。（ａ）は光学軸と偏光方向のなす角が４５°の場合（図１１と同じ図）、（ｂ）は３０°の場合、（ｃ）は６０°の場合である。図より明らかな様に、この方法では、特定の斜め方向（光学軸の方向）の偏光を強くすることができる。第１実施形態のように、ミラーで光束を折り曲げるに際して、矩形の照野の何れかの辺に平行な軸に対して折り曲げを行なう場合は、偏光の強度比は光束の矩形の辺に平行な２方向（図１中の、ｙ，ｚ方向）の比のみが変化することが必要である。しかし、ミラーによる折り曲げ方向に制約が無い場合は、光学軸の方向と、偏光の強度比を変化さたい方向とを水晶プリズム２００を回転させて一致させることができる。したがって、１つの水晶プリズム２００を回転させることで、望む方向の強度比を変化させることができる。
【００２５】
なお、上記実施形態ではフライアイレンズを一つだけ用いた照明系を用いたが、フライアイレンズとコンデンサレンズとの組を直列に複数設け、光束の波面分割と重ねあわせとを複数回行なう照明系を用いても良い。例えば、フライアイレンズとコンデンサレンズとの組を直列に二組配列した構成は、一般にダブルフライアイシステムと呼ばれる。かかる構成の場合、水晶部材等の複屈折媒質は、光源側から順に数えて第１番目のフライアイレンズよりも光源側に配置する事が望ましい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明では、複屈折部材を回転することにより、特定の方向の偏光の強度比を制御できる。従って、光束のミラーによる折り曲げ方に起因する被露光面（ウエハ）上に到達する光の偏光の影響を無くすことができる。
【００２７】
また、請求項２記載の発明では、複屈折部材は光束の断面方向において、光束の進行方向の厚みが異なっている。従って、直線偏光が入射した場合に、複屈折部材に入射する光束の位置により該部材を透過する距離が異なるので、射出側で様々な状態の偏光が得られる。
【００２８】
また、請求項３記載の発明では、少なくとも２つの複屈折素子を有しており、そのうち一方が回転可能である。従って、任意の方向の偏光の強度比を制御できる。
【００２９】
また、請求項４記載の発明では、光学軸の方向が光束の進行方向に対して略垂直になっている。従って、偏光量の制御がさらに容易になる。
【００３０】
また、請求項５記載の発明では、マスク上の照明領域は略矩形形状であり、固設されている複屈折素子の光学軸の方向が前記矩形形状の辺の方向と平行である。従って、レーザ光源から射出し整形された光束の断面形状が矩形形状の場合でも、光量の損失なく効率よく照明でき、かつ照明領域の辺の方向に合わせて偏光の強度比を制御することができる。
【００３１】
また、請求項６記載の発明では、固設された複屈折素子は、回転可能な複屈折素子と波面分割部との間に配置されている。従って、ミラーの駆動回転部がフライアイレンズ等の光学系から離れているので、安定した照明を行うことできる。
【００３２】
また、請求項７記載の発明では、本発明に係る照明装置を用いることで、光束の折り曲げ方向に依存する偏光の影響を避けることができ、常に良好な解像のパターンを投影、露光することができる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る照明装置とそれを備えた投影露光装置の構成を示す図である。
【図２】水晶プリズムの光学軸の方向を説明する図である。
【図３】水晶プリズム２００を透過した後の偏光の様子を説明する図である。
【図４】水晶プリズム２００と２０２を透過した後の偏光の様子を説明する図である。
【図５】水晶プリズム２００を回転した場合の偏光の様子を説明する図である。
【図６】従来の投影露光装置の構成を示す図である。
【図７】フライアイレンズの構成を示す図である。
【図８】（ａ），（ｂ）はフライアイレンズからマスクに至る系を説明する図である。
【図９】整形したレーザ射出光束αとフライアイレンズ４との関係を示す図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、水晶部材（一軸結晶）１００の光学軸の方向と、偏光方向と、フライアイレンズとの関係を示す図である。
【図１１】（ａ）〜（ｅ）は水晶部材１００からの射出光の偏光の状態を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 整形光学系
３，８，１３，１４ 反射ミラー
２００，２０２ 水晶プリズム
２０１，２０３ 石英プリズム
４ フライアイレンズ
５ 開口絞り
６，９，９’ コンデンサレンズ
７ 視野絞り
１０ マスク
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ レンズ
１１ 投影光学系
１２ 開口絞り
１５ ウエハ
Ｍ 凹面ミラー

Claims (8)

1. 光束を供給する光源からの光束を波面分割し、該波面分割された光束に基づいて複数の光源像を形成する波面分割部と、
   前記複数の光源像からの光を被照射面上の所定照明領域へ導くコンデンサ光学系とを備える照明装置において、
   前記光源と前記波面分割部との間の光路中に配置された第１の複屈折素子と、第２の複屈折素子を含む複屈折部材を備え、
   前記第１の複屈折素子は、前記第２の複屈折素子に対して、光束の進行方向を中心として回転可能であることを特徴とする照明装置。
2. 前記複屈折部材は、前記光束の断面方向において前記進行方向の厚みが異なる形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記複屈折素子のうちの少なくとも１つは、その光学軸の方向が光束の進行方向に対して略垂直となるように配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記所定照明領域は略矩形形状であり、
   前記複屈折素子のうちの少なくとも一つは固設されており、
   前記固設された複屈折素子の光学軸の方向は、前記矩形形状の辺の方向と平行であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の照明装置。
5. 前記固設された複屈折素子は、前記回転可能な複屈折素子と前記波面分割部との間に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
6. 所定のパターンを照明する請求項１から５の何れか１項に記載の照明装置と、
   該照明されたパターンを感光基板上に投影露光する投影光学系とを有することを特徴とする投影露光装置。
7. 請求項６に記載の投影露光装置の調整方法であって、
   前記感光基板が設定される面に到達する光の偏光状態を測定する第１工程と、該第１工程での測定結果に基づいて前記第１の複屈折素子を回転させる第２工程とを備えることを特徴とする調整方法。
8. 請求項１から５の何れか１項に記載の照明装置を用いて所定のパターンを照明する工程と、
   該照明されたパターンを感光基板上に投影露光する工程とを有することを特徴とする投影露光方法。

Images