JPH0969491A - 投影光学系及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 平行平面板型のビームスプリッターの肉厚を
薄くして、ここで発生する非対称収差を低減し、更にビ
ームスプリッターの肉厚が薄い場合でも重力による変形
を対称形状に発生させ、これに起因する収差の補正を容
易となし、高解像力が得られ、従来は製造が難しかった
高集積度の半導体デバイスを製造することができる投影
光学系及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法を得
ること。 【解決手段】 光軸に対して傾けて配置した平行平面板
型のビームスプリッターを介して被投影物体を所定面上
に投影する投影光学系において、該ビームスプリッター
の面の法線方向を重力の方向とほぼ一致するように配置
している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は投影光学系及びそれ
を用いた半導体デバイスの製造方法に関し、特に、紫外
線を用いて回路パターンをウエハ上に高解像度で焼き付
けてICやLSI を製造する際に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ICやLSI などの半導体集積回路の
より一層の高集積化に伴って、露光装置用により高解像
の焼き付けが可能な投影光学系が望まれている。

【０００３】一般に投影光学系の解像力を上げるには該
光学系の開口数を大きくすれば良いが、その場合は焦点
深度が小さくなり該光学系の画面サイズが小さくなり易
く、実用上使いにくいものになり易い。

【０００４】一定の焦点深度を保ったまま投影光学系の
解像度を向上させる方法として、露光光の波長を短くす
る方法がある。しかし、波長を短くするとレンズを構成
する硝材の種類が限られてくることから、屈折レンズの
みで投影光学系を構成すれば色収差の補正が難しくな
る。

【０００５】この色収差の補正に関する負荷を軽減させ
た投影光学系が例えば特開平2-66510 号公報の第１実施
形態に示された光学系や、特開平3-282527号公報、特開
平4-235516号公報などで開示されている。これらは、主
として凹面鏡のパワーで主要な結像状態を得ており、こ
の凹面鏡と屈折レンズ群とプリズム型のビームスプリッ
ターとを備えた、反射屈折型の投影光学系として構成さ
れている。これらの実施形態の殆どが波長248nm で使用
するように設計されている。

【０００６】しかし、これらの投影光学系では非常に大
型のプリズム型のビームスプリッターを用いているの
で、ビームスプリッターの材料の不均一性が問題となる
ほか、フレアの原因や、光学系の重量や材料コストを増
す要因にもなる。又、ビームスプリッターの肉厚が大き
いため光の吸収が大きくなることも問題である。この光
の吸収は、短波長になるほど大きくなるので、248nm の
波長では使用できても、それ以下の例えば193nm の波長
で使用することは困難となる。

【０００７】このような問題を解決するために、例えば
特開平2-66510 号公報の第２実施形態や特開平5-88089
号公報に開示されている投影光学系では、上記プリズム
型のビームスプリッターの代わりに、肉厚が20mm程度の
平行平面板型ビームスプリッターを用いている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の平行平面板型ビ
ームスプリッターを用いる投影光学系では、光学系の光
軸に対してビームスプリッターを傾けて配置するので、
平行光束以外の光束に対しては回転非対称の収差を発生
する。従って、この方式の投影光学系を構成する場合に
は、ビームスプリッターに入射する光束をあらかじめ平
行光束にしておかなければならないため光学系設計の自
由度が減ると共に、画角を持たせると光線と光軸との平
行性がずれるため像面サイズを大きくとれないという問
題がある。

【０００９】この問題を解決する１つの方法として、特
開平5-88088 号公報や特開平5-88090 号公報に開示され
ているように、ビームスプリッター以外に収差補正用の
平行平面板を傾けて配置し、非対称な収差を補正すると
いう方法がある。しかし、この方法によっても、完全に
収差をなくすことはできないし、又収差補正用平行平面
板がかなりのスペースを占有することになるので、これ
によっても光学系設計の自由度が大きく制約されるとい
う問題があった。

【００１０】又、上記の平行平板型ビームスプリッター
の肉厚を薄くすればこれに比例してここで発生する回転
非対称の収差が減少することが知られているが、肉厚を
薄くすれば重力による面変形が大きくなる。

【００１１】直径a=200mmで、厚さh の円板状の石英板
をその周辺部で保持して、その面を水平にした場合、重
力による最大変形量w を有限要素法によるシミュレーシ
ョンで求めると、次の結果が得られた： h=100mm (h/a=1/2) のときには w= 6nm h= 10mm (h/a=1/20) のときには w= 80nm h= 1mm (h/a=1/200) のときには w=5000nm この変形量は、例えば193nm の波長を単位として表す
と： h=100mm (h/a=1/2) のときには w= 0.03 λ h= 10mm (h/a=1/20) のときには w= 0.4 λ h= 1mm (h/a=1/200) のときには w= 30.00λ となり、ミラーとして用いた場合には最悪この２倍程度
の波面収差を発生する可能性がある。このように肉厚を
薄くすれば重力による変形量が急激に大きくなる。

【００１２】従って、従来の半導体デバイス製造用の投
影光学系の平行平板型のビームスプリッターとしては、
薄くしてもh/a=1/20程度が限界であり、これを下回る厚
さのものは用いられてこなかった。

【００１３】本発明は、平行平面板型のビームスプリッ
ターの肉厚を薄くして、ここで発生する非対称収差を低
減し、更にビームスプリッターの肉厚が薄い場合でも重
力による変形を対称形状に発生させ、これに起因する収
差の補正を容易となし、高解像力が得られ、従来は製造
が難しかった高集積度の半導体デバイスを製造すること
ができる投影光学系及びそれを用いた半導体デバイスの
製造方法の提供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の投影光学系は、 （１−１） 光軸に対して傾けて配置した平行平面板型
のビームスプリッターを介して被投影物体を所定面上に
投影する投影光学系において、該ビームスプリッターの
面の法線方向を重力の方向とほぼ一致するように配置し
ていること等を特徴としている。

【００１５】特に、 （１−１−１） 前記ビームスプリッターの肉厚は該ビ
ームスプリッターの最大有効径の１／２０以下、２μm
以上である。 （１−１−２） 前記ビームスプリッターと前記投影光
学系の結像面との間にアナモフィック光学素子を有す
る。 （１−１−３） 前記ビームスプリッターの面の法線方
向から見た形状が円形又は正方形又は楕円形又は長方形
である。こと等を特徴としている。

【００１６】又、本発明の露光装置は、 （１−２） 光源からの光束を照明系を介して原板に照
射し、該原板上の回路パターンを透過する光束を請求項
１〜４のいずれか１項に記載の投影光学系によりウエハ
上に露光して該回路パターンを該ウエハに転写すること
等を特徴としている。

【００１７】又、本発明の半導体デバイスの製造方法
は、 （１−３） 収納装置から原板を検査装置に搬入し、該
検査装置により該原板上の検査面上の異物の存在を検査
し、該検査面上に異物がないと判断したときは該原板を
露光装置の露光位置にセットし、異物が存在すると判断
したときは洗浄装置で洗浄した後に再度該検査装置で検
査し、異物がなくなったと判断したとき該原板を該露光
装置の露光位置にセットして、該原板上のパターンを請
求項１〜４のいずれか１項に記載の投影光学系によって
ウエハに露光転写し、該露光転写した原板を現像処理工
程を介して半導体デバイスを製造していること等を特徴
としている。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施形態で
あるところの投影光学系を示す図である。図１におい
て、１は半導体素子の回路パターンが形成されたレチク
ルであり、その上の回路パターンは被投影物体であ
る。、２は正の屈折力を備えた第１レンズ群、３は光軸
に対して４５度傾けて配置され P偏光を透過し S偏光を
反射する肉厚の薄い平行平面板型の偏光ビームスプリッ
ター（ビームスプリッター）、４は第１の1/4 波長板、
５は凹面鏡、６は第２の1/4 波長板、７は正の屈折力を
備えた第２レンズ群である。８はウェハであり、その表
面は前記回路パターンを投影する所定面である。また、
ｇは重力の方向を示し、実施形態１の場合、紙面内下向
きに重力が働いている。なお、ビームスプリッタ３の肉
厚はその最大有効径φ₃ に対して1/20以下である。

【００１９】同図において、レチクル１は不図示の照明
系からの300nm 以下の波長の紫外光によって照明され
る。レチクル１上の１点から出射した発散光束はレンズ
２を通過することにより発散性が弱められ、ビームスプ
リッター３に到達する。ビームスプリッター３では P偏
光の光が透過する。透過した光束は第１の1/4 波長板４
を通過して凹面ミラー５の凹面５ａに入射する。凹面５
ａで反射された光束は逆方向に進み、再度第１の1/4 波
長板４を通過し、ビームスプリッター３に到達する。こ
のときまでに光束は第１の1/4 波長板４を２回通過して
いるため偏光面が90 度回転して S偏光になっている。
従って、光はビームスプリッター３で反射されて方向を
90度曲げられて進む。光束は更に第２の1/4 波長板６を
通過して円偏光に変換された後、第２レンズ群７に入射
し、同レンズ群７によって収束作用を受けてウェハ８上
に結像する。

【００２０】本実施形態において偏光ビームスプリッタ
ー３の肉厚は薄い。前記従来例においては平行平面板型
ビームスプリッターの肉厚はその最大有効径の1/10程度
であったが、本実施形態のビームスプリッター３の肉厚
はその最大有効径の1/20以下である。これによってビー
ムスプリッター３を透過する際に発生する非対称の波面
収差を約半分に押さえることができる。このことは、ビ
ームスプリッター３に入射する光束の平行度がより緩和
されることを意味し、これによって光学設計の自由度は
増え、像面サイズもより拡大することができる。

【００２１】また、本実施形態の偏光ビームスプリッタ
ー３で発生する収差はその肉厚を薄くすればする程小さ
くなるので、ビームスプリッター３としては例えばレチ
クルのごみ付着防止用によく使用されるペリクルを用い
ることが望ましい。

【００２２】ペリクルは厚みが数μm 程度のものを製作
することが可能であり、この厚みを例えば 5μm とする
と、波面収差発生量は前記従来例の1/4000以下に押さえ
ることができる。このことは、平行平面板型偏光ビーム
スプリッター３を透過する際に発生する波面収差は事実
上無視してよいことを意味しており、ビームスプリッタ
ー３に入射する光束が平行光束である必要がなくなるの
で光学設計の自由度が増し、像面サイズも大きくするこ
とが可能となる。

【００２３】しかし、一般にビームスプリッター３の肉
厚が薄くなると重力による変形が大きくなり、ビームス
プリッター３で光が反射する際に波面収差が発生する。
そしてこの変形は厚さが薄くなると急激に大きくなる。
本実施形態のごとくビームスプリッター３の肉厚をその
最大有効径φ₃ に対して1/20以下とすると急速に変形が
大きくなる。

【００２４】そこで本実施形態においては、ビームスプ
リッター３の面の法線方向が重力の方向とほぼ一致する
ように、投影光学系全体を傾けている。このようにビー
ムスプリッター３の面の法線と重力の方向が一致するよ
うにすると、ビームスプリッター３の変形はその中心に
対して対称になる。例えばビームスプリッター３の面の
法線方向からみた形状が円形ならば、ビームスプリッタ
ー３の面は重力により回転対称に変形する。また、形状
が楕円形ならば、重力により楕円の長軸または短軸を含
む断面に関して対称に変形する。また、形状が正方形や
長方形の場合にも複数の断面に関して対称に変形する。

【００２５】例えば、ビームスプリッター３が円板形状
で周囲が固定された円板の場合には、変形量（たわみ）
ｗは、

【００２６】

【数１】 となることが材料力学において知られている。式から分
かるように、ビームスプリッター３が円板形状で周囲を
固定されている場合には、重力によって変形した面の形
状が回転対称な４次の非球面になるので、ビームスプリ
ッター３で反射する光線は、４次の回転対称な非球面ミ
ラーで反射したのと同じ収差を発生する。従って、ビー
ムスプリッター３の反射面を回転対称な４次の非球面ミ
ラーとして扱い、これによって発生する収差を補正する
ように全体の投影光学系を設計すれば、ビームスプリッ
ター３の重力による面変形によって発生する収差を容易
に補正することができる。

【００２７】図２は本発明の投影光学系の実施形態２の
要部概略図であり、同図において図１と同一部材には同
一番号を附した。本実施形態はビームスプリッター３の
重力変形による発生収差を収差補正用の光学素子を設け
て補正している。

【００２８】即ち本実施形態が実施形態１と異なる点は
実施形態１がビームスプリッター３の重力変形による発
生収差をレンズ群２、７や凹面鏡５で補正していたもの
を本実施形態ではビームスプリッター３と像点の間にア
ナモフィック系を配置して、これにより軸上で発生する
回転非対称な収差を補正するようにした点である。その
他の点は実施例１と同じである。

【００２９】図２中、９は少なくとも１枚のアナモフィ
ックレンズを含むアナモフィック系のレンズ群であり、
回転非対称な収差を補正する。

【００３０】図２の基本的な作用は実施形態１と同様で
あるが、図２では特にアナモフィック系９を配置したこ
とにより、軸上で発生する回転非対称な収差も補正する
ことができるため、実施形態１に比べより容易に収差補
正が可能となる。

【００３１】例えばビームスプリッター３の形状が薄い
円板形状で周囲が固定されている場合、前述したように
反射に際してこの面は回転対称な４次の非球面ミラーと
して作用する。しかし、この非球面ミラーにとっては軸
上光束は45度の角度で入射するので、この面による反射
によって軸上光束に回転非対称な収差が発生する。

【００３２】アナモフィック系９はこの回転非対称な軸
上収差を回転対称な収差に変換する役目を果たす。アナ
モフック系９はシリンドリカル面やトーリック面のよう
なアナモフィックな面を少なくとも１面以上ふくんでお
り、高次の非球面項をもつ形状であってもよい。

【００３３】以上のように本実施形態では、ビームスプ
リッター３の重力による変形によって発生する回転非対
称収差を、回転非対称なアナモフィック系９で補正する
ことができ、投影光学系の性能をより一層高めることが
できる。

【００３４】なお、以上では簡単のためにビームスプリ
ッター３の形状を薄肉の円板として説明したが、この形
状が例えば薄肉の楕円板や薄肉の矩形板などであっても
よい。これらの形状ではビームスプリッター３の変形自
体が回転非対称となるので、場合によってはこの非対称
な変形がここで発生する非対称な軸上収差を低減する。

【００３５】また、上記実施形態ではビームスプリッタ
ー３の面の法線を重力の方向に一致させたが、この方向
から若干ずらしてもよい。これによってビームスプリッ
ター３の重力による変形が回転非対称になるので、場合
によってはここで発生する軸上の非対称収差を低減す
る。

【００３６】また、実施形態２ではビームスプリッター
３のみで発生する非対称収差をアナモフィック系９で補
正しているが、ビームスプリッター３で発生する非対称
収差に他の光学部材で発生（例えば重力変形や製作誤差
など）する非対称収差を加えた全系の非対称収差を除去
するように、アナモフィック系９を構成してもよい。

【００３７】図３は本発明の半導体デバイスの製造方法
の実施形態の要部概略図である。本実施形態は本発明の
投影光学系をレチクルやフォトマスク等の原板に設けた
回路パターンをウエハ上に焼き付けて半導体デバイスを
製造する製造システムに適用した場合を示している。シ
ステムは大まかに露光装置、原板の収納装置、原板の検
査装置、コントローラとを有し、これらはクリーンルー
ムに配置されている。

【００３８】同図において９０１はエキシマレーザのよ
うな遠紫外光源、９０２はユニット化された照明系であ
り、これらによって露光位置Ｅ．Ｐ．にセットされた原
板９０３を上部から同時に所定のＮＡ（開口数）で照明
している。９０９は先に説明した本発明の投影光学系の
実施形態であり、原板９０３上に形成された回路パター
ンをシリコン基板等のウエハ９１０上に投影焼付けして
いる。投影焼付け時にはウエハ９１０は移動ステージ９
１１のステップ送りに従って１ショット毎ずらしながら
露光を繰り返す。９００はアライメント系であり、露光
動作に先立って原板９０３とウエハ９１０とを位置合わ
せしている。アライメント系９００は少なくても１つの
原板観察用顕微鏡系を有している。

【００３９】以上の各部材によって露光装置を構成して
いる。

【００４０】９１４は原板の収納装置であり、内部に複
数の原板を収納している。９１３は原板上の異物の有無
を検出する検査装置である。この検査装置９１３は選択
された原板が収納装置９１４から引き出されて露光位置
Ｅ．Ｐ．にセットされる前に原板上の異物検査を行って
いる。

【００４１】コントローラ９１８はシステム全体のシー
ケンスを制御しており、収納装置９１４、検査装置９１
３の動作指令、並びに露光装置の基本動作であるアライ
メント・露光・ウエハのステップ送り等のシーケンスを
制御している。

【００４２】以下、本実施形態のシステムを用いた半導
体デバイスの製造工程について説明する。

【００４３】まず収納装置９１４から使用する原板９０
３を取り出し、検査装置９１３にセットする。

【００４４】次に検査装置９１３で原板９０３上の異物
検査を行う。検査の結果、異物がないことが確認された
ら、この原板を露光装置の露光位置Ｅ．Ｐ．にセットす
る。

【００４５】次に移動ステージ９１１上に被露光体であ
る半導体ウエハ９１０をセットする。そしてステップ＆
リピート方式によって移動ステージ９１１のステップ送
りに従って、１ショット毎ずらしながら半導体ウエハ９
１０の各領域に原板パターンを縮小投影し、露光する。
この動作を繰り返す。

【００４６】１枚の半導体ウエハ９１０の全面に露光が
済んだら、これを収容して新たな半導体ウエハを供給
し、同様にステップ＆リピート方式で原板パターンの露
光を繰り返す。

【００４７】露光の済んだ露光済みウエハは本システム
とは別に設けられた装置で現像やエッチング等の公知の
所定の処理をしている。この後にダイシング、ワイヤボ
ンディング、パッケージング等のアッセンブリ工程を経
て、半導体デバイスを製造している。

【００４８】本実施形態によれば、投影光学系が高解像
力を発揮するので従来は製造が難しかった非常に微細な
回路パターンを有する高集積度半導体デバイスを製造す
ることができる。

【００４９】

【発明の効果】本発明は以上の構成により、光学系の光
軸に対して傾けて配置した平行平面板型のビームスプリ
ッターを有する投影光学系において、該ビームスプリッ
ターの肉厚を薄くすることによって、ビームスプリッタ
ーの厚みによって発生する非対称な軸上収差を著しく減
少し、像面サイズを大きくすることを可能にした。

【００５０】また、前記平行平面板型のビームスプリッ
ターの面の法線方向を重力の方向とほぼ一致するように
光学系全体を傾けているので、ビームスプリッターの重
力による面変形を対称形状にし、光学系中での収差補正
をより容易に行うことが可能になった。

【００５１】そしてさらに、アナモフィック系を付加
し、これによりビームスプリッターの変形した面で反射
したときに生じる軸上光束の非対称収差を補正すること
が出来るため、より容易に収差補正が可能になる。

【００５２】以上によって、高解像力が得られ、従来は
製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを製造する
ことができる投影光学系及びそれを用いた半導体デバイ
スの製造方法を達成する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の投影光学系の実施形態１の要部概略
図

【図２】 本発明の投影光学系の実施形態２の要部概略
図

【図３】 本発明の半導体デバイスの製造方法の実施形
態の要部概略図

【符号の説明】

１ レチクル ２、７ レンズ群 ３ 平行平面板型の偏光ビームスプリッター ４ 第１の1/4 波長板 ５ 凹面鏡 ６ 第２の1/4 波長板 ８ ウェハ ９ アナモフィック系 ｇ 重力の方向 ９００ アライメント系 ９０１ 遠紫外光源 ９０２ 照明系 ９０３ 原板 ９０９ 投影光学系 ９１０ ウエハ ９１１ 移動ステージ ９１３ 検査装置 ９１４ 収納装置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光軸に対して傾けて配置した平行平面板
   型のビームスプリッターを介して被投影物体を所定面上
   に投影する投影光学系において、 該ビームスプリッターの面の法線方向を重力の方向とほ
   ぼ一致するように配置していることを特徴とする投影光
   学系。
2. 【請求項２】 前記ビームスプリッターの肉厚は該ビー
   ムスプリッターの最大有効径の１／２０以下、２μm 以
   上であることを特徴とする請求項１の投影光学系。
3. 【請求項３】 前記ビームスプリッターと前記投影光学
   系の結像面との間にアナモフィック光学素子を有するこ
   とを特徴とする請求項１の投影光学系。
4. 【請求項４】 前記ビームスプリッターの面の法線方向
   から見た形状が円形又は正方形又は楕円形又は長方形で
   あることを特徴とする請求項１、２又は３の投影光学
   系。
5. 【請求項５】 光源からの光束を照明系を介して原板に
   照射し、該原板上の回路パターンを透過する光束を請求
   項１〜４のいずれか１項に記載の投影光学系によりウエ
   ハ上に露光して該回路パターンを該ウエハに転写するこ
   とを特徴とする露光装置。
6. 【請求項６】 収納装置から原板を検査装置に搬入し、
   該検査装置により該原板上の検査面上の異物の存在を検
   査し、該検査面上に異物がないと判断したときは該原板
   を露光装置の露光位置にセットし、異物が存在すると判
   断したときは洗浄装置で洗浄した後に再度該検査装置で
   検査し、異物がなくなったと判断したとき該原板を該露
   光装置の露光位置にセットして、該原板上のパターンを
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の投影光学系によっ
   てウエハに露光転写し、該露光転写した原板を現像処理
   工程を介して半導体デバイスを製造していることを特徴
   とする半導体デバイスの製造方法。