JP5529698B2 - マイクロリソグラフィーシステム及び基板を露光する方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロリソグラフィー、より詳細には高い開口数を有するマイクロリソグラフィー装置のための照明系に関する。

ホトリソグラフィー（マイクロリソグラフィーとも称される）は、半導体デバイスを製造するために使用される。ホトリソグラフィーは、半導体デバイス設計において微細なパターンを形成するために電磁線、例えば紫外線（ＵＶ）、遠ＵＶ又は可視光線を使用する。多くのタイプの半導体デバイス、例えばダイオード、トランジスタ及び集積回路は、ホトリソグラフィー技術を使用して製造することができる。半導体製造においてエッチングのようなホトリソグラフィー技術を実施するためには、露光系又はツールが使用される。露光系は典型的には、照明系、回路パターンを有するレチクル（マスクとも称される）、投影系、及び感光性レジスト被覆半導体ウェーハをアライメントするためのウェーハアライメントステージを含む。照明系は、有利には矩形スロット照明フィールドでレチクルの領域を照明する。投影系は、レチクル回路パターンの照明された領域の像をウェーハ上に投影する。

半導体デバイス製造技術が進歩するほど、半導体デバイスを製造するために使用されるホトリソグラフィー系の各々の構成要素に対する常に増大する要求が存在する。この系の構成要素は、レチクルを照明するために使用される照明系を含む。例えば、レチクルを均一な放射照度を有する照明フィールドで照明することが必要になる。ステップ・アンド・スキャンホトリソグラフィーにおいては、また照明フィールドの寸法を異なる適用及び半導体ダイ寸法に適合させることができるように、照明フィールドの寸法を変更する必要性が存在する。

若干の照明系は、レチクルの前方に配置されたアレイ又は回折散乱光学部材を含む。散乱光学部材は、引き続き結像されるか又はレチクルにリレーされる所望の光角分散を発生する。

付加的に、通常使用されるダイ寸法は、２６×５ｍｍ、１７×５ｍｍ及び１１×５ｍｍである。従って、標準ズームレンズは、照明フィールドの寸法における変化に適合することを必要とする。しかしながら、半導体基板上に形成されことが所望される異なる特徴が露光光学素子の部分に変更可能な部分干渉性を要求する、マイクロリソグラフィーの分野においては特別の問題が生じる。特に、マイクロリソグラフィーにおいて通常照明光学素子の開口数と、投影系の開口数との比として定義される部分干渉性（σ）は、半導体基板上に形成される特徴の性質に依存して変更することを必要とする、例えばトレンチ形成のためのσは、線形成のためのσから異なってもよい。

従って、部分干渉性パラメータを大きな範囲にわって変更することができ、しかも同時に異なるフィールドサイズに適合させることが可能である、簡単なマイクロリソグラフィー系を開発する必要性が存在する。

本発明の課題は、変更可能な部分干渉性及びフィールドサイズを有するマイクロリソグラフィー系を提供することである。

前記課題は、特許請求の範囲に記載のマイクロリソグラフィー系により解決される。

本発明の１つの利点は、連続的に調節可能な部分干渉性及び不連続的に調節可能なフィールドサイズを有するマイクロリソグラフィー系を提供することが可能であることである。

本発明のもう１つの利点は、部分干渉性とフィールドサイズの両者を連続的に変更することができるマイクロリソグラフィー系を提供することが可能であることにある。

本発明のもう１つの利点は、簡単な光学素子を使用して前記対物レンズを達成することができるマイクロリソグラフィー系を提供することが可能であることにある。

本発明の更なる特徴及び利点は、以下に記載されており、かつ一部は以下の記載から明らかであるか、又は本発明を実施することにより教示される。本発明の対象及びその他の利点は、以下の記載及び請求項並びに添付図面に明示されている構造により実現及び達成される。

具体化しかつ広範囲に記載すれば、前記のかつその他の利点を達成するためかつ本発明の目的に基づき、照明源、対物レンズ側からの順序で、（ａ）照明源からの照明を受光する第１の回折光学部材、（ｂ）ズームレンズ、（ｃ）第２の回折光学部材、（ｄ）コンデンサレンズ、（ｅ）リレーレンズ及び（ｆ）レチクルからなる照明光学系、及び基板上に前記レチクルを結像する投影光学系からなり、前記マイクロリソグラフィー系がズーミング可能な開口数を提供するマイクロリソグラフィー系が提供される。

本発明の別の態様によれば、照明源、前記照明源からの照明を受光する照明光学系、及び前記照明系からの照明を受光する投影光学系からなり、前記照明系の開口数と前記投影光学系の開口数との比が連続的に変更可能であり、一方フィールドサイズが不連続に変更可能であるマイクロリソグラフィー系が提供される。

本発明の別の態様によれば、対物レンズ側からの順序で、第１の回折光学部材、ズームレンズ、矩形開口数（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）を有する第２の回折光学部材、コンデンサレンズ及びリレーレンズからなるマイクロリソグラフィー用の照明系が提供される。

本発明の別の態様によれば、対物レンズ側からの順序で、（ａ）第１の側の第１の回折光学部材及び第２の側の第２の回折光学部材を有するズームレンズ、（ｂ）コンデンサレンズ、及び（ｃ）リレーレンズを含む照明系、及び投影光学系からなり、照明系の開口数と投影光学系の開口数との比が連続的に変更可能であるマイクロリソグラフィー系が提供される。

本発明の１実施例の概略的構成図である。 レンズ配置を示す、図１の実施例の別の概略図である。 本発明の別の実施例の概略的構成図である。 本発明の実施例で使用されるコンデンサレンズを示す光線奇跡図である。 本発明の実施例で使用されるコンデンサレンズを示す光線奇跡図である。 本発明の実施例で使用されるコンデンサレンズを示す光線奇跡図である。 本発明の実施例で使用されるリレーレンズを示す光線奇跡図である。 本発明の実施例で使用されるリレーレンズを示す光線奇跡図である。 本発明の実施例で使用されるズームレンズを示す光線奇跡図である。 本発明の実施例で使用されるズームレンズを示す光線奇跡図である。 図１に示されたような、照明系の全体的設計を示す図である。 回折光学素子のためのチェンジャー機構を示す写真である。 図７の実施例で使用されるダイナミック調節スリットを示す写真である。 図７の実施例で使用されるフィールドフレーミングアセンブリを示す写真である。

前記の一般的記載及び以下の詳細な記載も例示及び説明のためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を更に説明することを目的としたものであると理解されるべきである。

以下に、本発明の実施例を示す添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。

近年、半導体デバイス製造において使用されるホトリソグラフィーは、寸法におけるデバイス特徴の縮小に伴い、漸進的に短い波長に移行して来た。サブミクロン及びサブ０．１μ範囲への特徴寸法の縮小に伴い、半導体製造者は紫外光の使用、かつ若干の場合には軟Ｘ線リソグラフィー（又は遠ＵＶ）に移行して来た。例えば、２４８、１９３及び１５７ｎｍ領域の光を放出するエキシマーレーザが、半導体デバイス製造においてはますます使用される。現代のマイクロリソグラフィー系装置における照明源は、前述のように、典型的には可視光レーザ、エキシマーレーザ、又は場合により軟Ｘ線源である（用語“光”と“照明”は、以後交換可能にホトレジスト露光のために使用される任意の電磁線を表すものと理解されるべきである）。これらの波長の使用は、半導体製造装置、特にエキシマーレーザからのビームをフォーカス及び成形するために使用される光学素子の設計者に対する特殊なチャレンジを表す。本発明においては、２４８及び１９３ｎｍ源のためには溶融シリカガラスが有利であるが、一方１５７ｎｍ源は、典型的にはビームを有効にフォーカスしかつ成形するためにフッ化カルシウム又はフッ化バリウムから製造された光学部材を必要とする。

記載の実施例では、屈折及び反射光学部材の両者を利用する。しかしながら、当業者には、反射表面の使用はしばしば発明の基本的原理よりむしろ、技術的及び設計的重要性により必要とされることは自明のことである。そのために、以下の記載において、反射（折曲げ）光学部材の使用は、厳密には技術的設計選択に基づき必要とされるものであり、かつそれらの使用は本発明を実施するためには不必要である。

図１は、本発明の有利な１実施例の基本的構成を示すものである。以下に示す図面においては、適当であれば、寸法はミリメートルであると認識されるべきである。

図１で認識できるように、本発明の実施例は、照明源（図示されていない）によって照明される回折光学部材１０１（ＤＯＥ１）を含む。

第１の回折光学部材１０１（ＤＯＥ１）は、回折を行うために通常使用される任意の部材、例えば球面マイクロレンズの２−Ｄアレイ、フレネルレンズ、回折格子等であってよい。

図１に示されているように、系透視図から、第１の回折光学部材１０１の後方のビームの開口数は、ほぼ０．０６５である。

更に図１から理解できるように、第１の回折光学部材１０１を通過した後に、次いでビームはズームレンズ１０２を照明する。この実施例においては、ズームレンズ１０２は、２２１．５〜１１０７．７ｍｍの焦点距離を有する５×ズーム球面レンズである。この箇所でのビームの直径は１８０ｍｍである。更に、ズームレンズ１０２は図６に示されている。当業者には、該ズームレンズ１０２は所望によりより多く又は少ない部材を使用できることは自明のことである。その１つ（６枚構成設計）は、以下の構成によって示される（ＣＯＤＥ Ｖ 出力）：

更に、図１に示されているように、この実施例においては光路を折曲げることにより全体的ツール寸法を処理しかつ短縮するために折曲げ部材（ミラー）１０３を使用することができる。前述のように、ミラー１０３の使用は任意でありかつ一般に技術／設計選択によって決定される。

折曲げミラー１０３で反射された後に、次いでビームはアキシコン１０４（有効直径１７０ｍｍ）を照明する。該アキシコン１０４を通過した後に、ビームは、Ｙディメンション（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）が０．０４６〜０．００９及びＸディメンションが０．０５３〜０．０１１の矩形開口数を有する。

アキシコン１０４を通過した後に、次いでビームは第２の回折光学部材（ＤＯＥ２）１０５を通過する。該第２の回折光学部材１０５は、有利にはバイナリー回折アレイである。１例は、円柱マイクロレンズのアレイである。第２の回折光学部材１０５のための仕様は、以下の通りであってよい：
可干渉距離（ｍｍ）、Ｘ＆Ｙ：
２４８ｎｍ時間的−比スペック空間０．３５×０．１５、
１９３ｎｍ時間的−３、空間０．６×０．０８５
Ｘ＆Ｙビーム発散度、ｍｒａｄ、
２４８ｎｍ＋／−３．５×＋／−３．５、
１９３ｎｍ＋／−１×＋／−１．７５、
ビームサイズ（ｎｍ）、Ｘ＆Ｙ；６×１６；２０×２０；１２×３２。

第２の回折光学部材１０５を通過した後に、ビームの開口数はほぼ０．１６５×０．０４である。

次いで、ビームは球面コンデンサレンズ１０６を通過する。この実施例で使用可能なコンデンサレンズ１０６は、以下の特性を有することができる：

この実施例において、コンデンサレンズ１０６は３４０ｍｍの焦点距離を有し（一般に、コンデンサレンズ１０６は３００〜４００ｍｍの焦点距離を有すべきことが予測される）かつ照明される直径は１５０〜３０ｍｍである。

球面コンデンサレンズを通過した後に、ビームは０．２１２５〜０．０４３のズーミング可能な円形開口数を有する。次いで、ビームはデリミッター１０７（即ち、絞り）に達し、それにより１１２×２４ｍｍの照明フィールドは１０８×２２ｍｍになる。デリミッター１０７は、リレーレンズ１０８（例えば、１Ｘリレー、又は３Ｘ〜４Ｘリレー）の使用により、レチクル１０９と光学的に共役している。設計目的のために、折曲げ部材１１０がリレー１０８内に配置されていてもよい。絞り１１１は、テレセントリック照明系のためには、リレーレンズ１０８の中心部に配置されている。

デリミッター１０７の面とレチクル１０９の面とを共役させるために、リレーレンズ１０８が使用されている。１Ｘリレーレンズ１０８構成の例を、以下に示す（この場合、１０枚構成設計）：

投影光学系（図示されていない）は、レチクルを半導体ウェーハ上に結像する（典型的には、像寸法を４×によって、２６×５ｍｍ、１７×５ｍｍ又は１１×５ｍｍに縮小する）。

当業者にとっては、このような系におけるアキシコン１０４の使用は、系の光学的特性を改善するが、本発明はそれ無しでも実施できることは十分に理解されることである。また、当業者にとっては、この時点では図１に示した配置が有利であると信じられるが、アキシコン１０４及び第２の回折光学部材１０５を逆転することができる（即ち、アキシコン１０４は第２の回折光学部材１０５の下流にあってもよい）ことは容易に推察されることである。

図２は、一層詳細に該照明系の光学部材の配置を示す。特に、図２は、ズームレンズ１０２（５枚構成設計として示されている）及びその構成部材１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ及び１０２ｅを示す。更に、図２は、コンデンサレンズ１０６の構成部材（この場合には、４枚構成レンズとして示されている）及び１×リレー１０８（この場合には、８枚構成レンズとして示されている）を示す。更に、λ／４板及びレチクル（マスク）１０９の位置が示されており、該レチクルは、リレーレンズ１０８によりデリミッター１０７の面と光学的に共役されている。

図７は、現実のマイクロリソグラフィー系において通常見られる付加的な構成要素を示す、図１の実施例の別の図面である。図１に示された光学部材の全ては、同じ参照番号を使用して図７に示されている。付加的に、図７はまた第２の回折光学部材１０５のためのチェンジャーユニット７０１を示す（図８も参照）。異なったフィールドサイズを達成するために、異なった開口数を有する異なった回折光学部材を使用することが必要になることもあるも予測されている。従って、その目的のために図７及び８に示したチェンジャーユニット７０１を使用することができる。また、必要であれば、第１の回折光学部材１０１のために類似したチェンジャーユニットを使用することができることも理解されるべきである。

図７はまた、デリミッター１０７アセンブリの部分であるダイナミック調節スリット７０２を示す（図９も参照）。更に、調節スリット７０２は、ＵＳ５，９６６，２０２に記載されている。これらは、フィールドフレーミングアセンブリ７０４と一緒に、適切なビームサイズが、レチクル面と光学的に共役されているデリミッター面に存在することを保証するために使用されている。

図７はまた、クリーンアップアパーチャアセンブリ７０３を示し、これはリレーレンズの中心部でテレセントリック絞りとして使用される（図１０及びＵＳ６，３０７，６１９も参照）。

図７はまた、レチクル１０９の面の上でかつリレーレンズ１０８の最後の光学部材（レンズ）の下のλ／４板１１２の位置を示す。

不連続のフィールドサイズ（２６×５ｍｍ、１７×５ｍｍ又は１１×５ｍｍ）の露光のために使用される系の本発明の有利な実施例を記載したが、該系は連続的に変更可能なフィールドサイズを有するために構成することができることも予測される。このことは、第２の回折光学部材１０５に類似して、光路内に別の回折光学部材を加えることにより達成することができる。コンデンサレンズと第２の回折光学部材の間に配置することができる、前記のような１つ又は２つの部材（例えば付加的なバイナリー回折アレイ、又は円柱マイクロレンズアレイ）を加えることにより、及びその位置を光軸に沿って調節することにより、ウェーハでの連続的に変更可能な部分干渉性及び連続的に変更可能なフィールドサイズの両者を有するマイクロリソグラフィー系を達成することが可能である。

投影光学系（図示されていない）の使用は、当該技術において周知であり、かつウェーハにレチクル像を結像させる典型的には４×レンズである。

以下の別の実施例の記載及び相応する図面においては、図１の実施例と同じ部材を示すためには同じ参照番号を使用する。

図３は、本発明の別の有利な実施例の基本的構成を示す。図３に見ることができるように、本発明のこの実施例は、照明源（図示されていない）によって照明される回折光学部材１０１を含む。

第１の回折光学部材（ＤＯＥ１）１０１は、回折を形成するために通常使用される任意の回折又は反射部材、例えば球面マイクロレンズのアレイ、フレネルレンズ、回折格子等であってよい。第１の回折光学部材１０１の後方のビームの開口数はほぼ０．０６５（円形）である。

更に図３から明らかなように、ＤＯＥ１ １０１を通過した後に、次いで光はズームレンズ１０２を照明する。この実施例においては、ズームレンズ１０２は、１９６〜９８２ｍｍの焦点距離を有する５×ズーム球面レンズである。この箇所でのビームの直径は１３５ｍｍである。この実施例においては、ズームレンズ１０２は５枚構成レンズである。

ズームレンズ１０２を通過しかつ折曲げミラー１０３で反射された後に、次いでビームはアキシコン１０４を照明する。アキシコン１０４を通過した後に、ビームは、Ｙディメンションが０．４６〜０．００９及びＸディメンションが０．０５３〜０．０１１の矩形開口数を有する。

アキシコン１０４を通過した後に、次いでビームは第２の回折光学部材（ＤＯＥ２）１０５を通過する（ビーム直径１３５ｍｍ）。第２の回折光学部材１０５は、有利にはバイナリー回折アレイである。１つの例は、円柱マイクロレンズのアレイである。第２の回折光学アレイ１０５を通過した後に、ビームの開口数は０．２×０．０４になる。

次いで、ビームはコンデンサレンズ１０６を通過する。この実施例においては、コンデンサレンズ１０６は３００ｍｍの焦点距離を有しかつ照明される直径は１２０〜２５ｍｍである。

球面コンデンサレンズを通過した後に、ビームは０．２１２５〜０．０４３のズーミング可能な円形開口数を有する。次いで、ビームはデリミッター１０７（即ち、絞り）に達し、それにより１２０×２４ｍｍの照明フィールドは１０８×２２ｍｍになる。デリミッター１０７は、リレーレンズ１０８の使用により、レチクル１０９と光学的に共役されている。デリミッター１０７の面とレチクルの面とを共役させるために、リレーレンズ１０８が使用されている。設計目的のために、折曲げ部材１１０がリレー１０８内に配置されていてもよい。絞り１１１は、テレセントリック照明系のためには、リレーレンズの中心部に配置されている。

投影光学系（図示されていない）は、レチクル１０９を半導体ウェーハ上に結像する（典型的には、４×によって像寸法を縮小する）。

当業者にとっては、レチクルとデリミッターの光学面は互いに共役されているので、本発明を実施するためにはリレーレンズは常には必要ではないことは容易に理解されることである。しかしながら、最も実際的な系においては、機械的束縛に基づき、レチクル面でのフィールドの適切な寸法を保証するためにリレーレンズが使用されている。

更に、フィールドサイズも、機能が前記の第２の回折光学部材１０５に類似している付加的な第２の回折光学部材を使用することにより連続的にすることができることは十分に理解されることである。選択的に、より複雑なズームレンズ、又は第２ズームレンズの使用を、同じ目的のために使用することができる。

更に、本発明は、必要であれば、まさに低い部分干渉性σ、例えば０．００１の使用のためにも利用可能であると理解されるべきである。このことを達成するためには、より複雑なズームレンズ（又は多重ズームレンズ）が必要となろう。

当業者にとっては、本発明の思想又は範囲を逸脱することなく、本発明に対して種々の変化及び変更を行うことができることは自明なことである。従って、本発明は、特許請求の範囲及びそれらの同等思想に含まれる、本発明の修正及び変更をカバーするものと見なされるべきである。

１０１ 第１の回折光学部材（ＤＯＥ１）、 １０２ ズームレンズ、１０２ａ〜ｅ ズームレンズの構成部材、 １０３ 折曲げ部材（ミラー）、 １０４アキシコン、 １０５ 第２の回折光学部材（ＤＯＥ２）、 １０６ 球面コンデンサレンズ、 １０７ デリミッター（絞り）、 １０８ リレーレンズ、１０９ レチクル（マスク）、 １１０ 折曲げ部材、 １１１ 絞り、 １１２ λ／４板、 ７０３ クリーンアップアパーチャアセンブリ、 ７０４ フィールドフレーミングアセンブリ

Claims (14)

1. マイクロリソグラフィーシステムであって、
   照明源と、
   対物レンズ側からの順序で、
   （ａ）前記照明源からの照明を受光する円形開口数を有する第１の回折光学部材、
   （ｂ）ズームレンズ、
   （ｃ）矩形開口数を有するアキシコン、
   （ｄ）矩形開口数を有する第２の回折光学部材、
   （ｅ）円形開口数を有するコンデンサレンズ、
   （ｆ）リレーレンズ、
   （ｇ）配置されるレチクル
   を含む照明光学システムと、
   基板上に前記レチクルを結像する投影光学システムと
   を備え、
   前記マイクロリソグラフィーシステムがズーミング可能な開口数を提供し、
   前記照明光学システムの開口数と前記投影光学システムの開口数との比が連続的に変更可能であり、
   前記照明光学システムは、前記第２の回折光学部材と前記コンデンサレンズとの間に第３の回折光学部材を更に有し、
   前記照明光学システムは、前記第２の回折光学部材を異なる回折光学部材に交換するチェンジャーユニットを更に含み、
   前記照明光学システムがフィールドサイズを不連続的に変更する、マイクロリソグラフィーシステム。
2. 前記比が約０．２と１の間で連続的に変更可能である、請求項１記載のシステム。
3. 前記照明源がエキシマーレーザを含む、請求項１又は２記載のシステム。
4. 前記第１の回折光学部材がマイクロレンズアレイを含む、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記第１の回折光学部材がフレネルレンズを含む、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
6. 前記第１の回折光学部材が回折格子を含む、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
7. 前記照明システムが更に前記第２の回折部材と前記コンデンサレンズとの間にアキシコンを含む、請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
8. 前記第２の回折光学部材がマイクロレンズアレイを含む、請求項１から７のいずれかに記載のシステム。
9. 前記第２の回折光学部材の前記マイクロレンズアレイが円柱レンズのアレイを含む、請求項８記載のシステム。
10. 前記照明光学システムが更に前記コンデンサレンズと前記リレーレンズとの間にデリミッターを含む、請求項１から９のいずれかに記載のシステム。
11. 前記照明光学システムが更に前記リレーレンズ内の中心部に配置されたテレセントリック絞りを含む、請求項１から１０のいずれかに記載のシステム。
12. 前記ズームレンズが非結像ズームレンズである、請求項１から１１のいずれかに記載のシステム。
13. 基板を露光する方法であって、
    対物レンズ側からの順序で、
    （ａ）照明源からの照明を受光する円形開口数を有する第１の回折光学部材、
    （ｂ）ズームレンズ、
    （ｃ）矩形開口数を有するアキシコン、
    （ｄ）矩形開口数を有する第２の回折光学部材、
    （ｅ）円形開口数を有するコンデンサレンズ、
    （ｆ）リレーレンズ、
    （ｇ）配置されるレチクル
    を含む照明光学システムを照明し、
    レチクルの面にズーミング可能な開口数ビームを形成し、かつ
    レチクルの面に形成されたビームを投影光学システムを通して基板上に投影するステップを含み、
    前記照明光学システムの開口数と前記投影光学システムの開口数との比が連続的に変更可能であり、
    前記照明光学システムは、前記第２の回折光学部材と前記コンデンサレンズとの間に第３の回折光学部材を更に有し、
    前記照明光学システムは、前記第２の回折光学部材を異なる回折光学部材に交換するチェンジャーユニットを更に含み、
    前記方法が、前記照明光学システムのフィールドサイズを不連続的に変更するステップ
    をさらに含む、方法。
14. 前記ズームレンズが非結像ズームレンズである、請求項１３記載の方法。