JP4498059B2 - 光学素子、露光装置及び成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に光学素子等の基材表面に成膜された薄膜、及びその薄膜を有する光学素子に係り、特に、半導体露光装置に用いられるレンズ、ミラー等の光学素子表面に成膜された多層膜に関する。本発明は、広い入射角で光学素子に光（例えばＥＵＶ光）が入射する場合において、その収差低減を目的とする多層膜に好適である。

半導体技術分野は集積回路素子の微細化とともに急速な発展を遂げている。半導体技術は主にリソグラフィ技術とエッチング技術とから構成されるが、このうちリソグラフィ技術による微細化は露光波長の短波長化・開口数の増大・露光方式の変更によって達成される。近年では、露光波長を従来の紫外線の１０分の１程度であるＥＵＶ波長（１０〜１５ｎｍ）とした投影リソグラフィ技術が開発されている。ＥＵＶ波長領域では光は物質に強く吸収されるため、投影光学系に屈折光学系を用いることができず反射光学系が使用される。また反射面には反射率向上を目的とした多層膜が成膜されている。投影光学系においては、入射光量に対する出射光量（投影光学系を通過した光量）の比率を全系透過率又は透過率と呼び、反射率性能（透過率性能）が高いとは、全系透過率が高いこと、透過率が瞳内で一様な分布であること、及び物体高ごとの透過率に差がないことをいう。

多層膜は実質的に周期構造になっており、ブラッグ条件：２ｄｃｏｓθ＝ｍλ（ｄ：周期長、θ：入射角、λ：露光波長）にしたがって反射率が向上するため、反射面の各点の入射角に対して最適な周期長が存在する。そこでＥＵＶ光の照射領域内で光の入射角度差が大きい反射面では反射位置によって周期長（すなわち膜厚）を変化させた傾斜膜が使用される。反射位置によって周期長が変化する膜を、傾斜をつけた膜、又は傾斜膜と呼ぶこととする。

多層膜によってＥＵＶ光の複素振幅反射率が変化するため、反射面でＥＵＶ光の反射率とともに反射位相も変化する。そのため最終的な光学系は薄膜を考慮して設計する必要がある。このときの回転対称な物体位置に対して同じ収差特性を持たせるため、膜厚の関数は光軸に対して回転対称であることが多い。ただし薄膜の回転対称軸を光軸から偏芯させる例も提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

薄膜を含めた投影光学系は透過率が大きく、透過率の均一性が高く、また波面収差が小さいことが求められる。しかし十分に収差が排除された投影光学系に反射率向上の目的で多層膜を成膜すると、光の反射位置が変化することと薄膜により反射位相が変化することから、全系の波面収差が劣化する。反射膜の膜厚分布は回転中心からの半径の多項式関数が使用されるが、薄膜を成膜したことによる波面収差の劣化を抑えるために、２次までの偶関数を使用することが多い。このように薄膜の傾斜が単純な関数で表せる場合、薄膜によって生じる収差は低次のものがほとんどである。それらは、ティルト成分とデフォーカス成分とを除くと低次の非点収差が主である。薄膜によって劣化した収差が低次である場合、光学系の面間隔補正のみである程度の収差補正が可能である。

多層膜の膜厚分布が半径方向に変曲点を多く有する場合、反射面の表面形状も変曲点の多いうねった形状となり、波面収差が大きくなってしまう。そのため膜厚分布の関数は編曲点が少ない関数の方が好ましい。例えば、膜厚分布の関数が回転中心からの半径の多項式関数の場合、最高次数は２次又は４次程度が好ましい。ただしこの場合、関数のパラメータの個数が減少するため、透過率の瞳内分布を一様にして全系透過率を高くすることが困難となる。
米国特許出願公開第２００３／００９９０３４Ａ１号明細書

しかしながら、例えば図１３に示すようなＥＵＶ投影光学系においては、光学系に配置された各ミラーに対して光が斜めに入射するため、光の入射角分布が物体軸方向に広がっていく傾向がある。ここで物体軸方向とは光軸に直交する方向のことである。各反射面での光の反射位相は各反射面に対する光の入射角に依存し、また光学系の瞳上での等位相面が波面にあたるため、ＥＵＶ投影光学系で多層膜を成膜すると、波面の傾きすなわち波面のティルト成分が大きくなることがある。ティルト成分は光の結像位置の位置ずれと像面のデフォーカス成分とに分けられる。一般的に、物体が光軸から離れた位置にあるような光学系では倍率補正でティルトによる結像位置のずれを補正できる。物体が大きさを持つ場合にその中心位置に合わせて倍率補正を行うと、中心位置以外の他の物体位置では倍率補正による結像位置移動量とティルトによる結像位置ずれ量とが若干異なってしまう。そのため、倍率補正のみではティルトの効果を補正しきれず、ディストーションとして残ってしまって問題になることがある。また反射膜には投影光学系の波面収差を小さく維持しつつ、各面の反射率を向上させるものが求められるが、反射率を向上させるために反射膜の表面形状（傾斜）を複雑にしてしまうと、反射位相が位置に対して高周期な形状を有して波面収差が悪化することが多く、反射率性能と波面収差性能の両方が高性能の反射膜を作成することは困難であった。

本発明は上記の事情に鑑みて為されたもので、反射率性能を十分に維持しつつ波面収差を低減することのできる薄膜、その薄膜が表面に成膜された光学素子を提供することを例示的目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の例示的側面としての光学素子は、入射光を反射する反射面として薄膜を用いた光学素子であって、前記薄膜の膜厚の分布が、回転対称軸からの距離の１次関数を含む関数で表され、前記回転対称軸は前記入射光を反射する反射面から離れていることを特徴とする。

その薄膜が多層膜であってもよい。

本発明の他の例示的側面としての光学系は、上記の光学素子を有することを特徴とする。

本発明のさらに他の例示的側面としての露光装置は、光源からの光でレチクルを照明する照明光学系と、レチクルのパターンを基板上に投影する投影光学系とを備えた露光装置であって、照明光学系又は投影光学系の少なくともいずれか一方が上記の光学素子を有することを特徴とする。

本発明のさらに他の例示的側面としてのデバイス製造方法は、上記の露光装置によって基板を露光する工程と、露光された基板を現像する工程とを有することを特徴とする。

本発明のさらに他の例示的側面としての成膜方法は、入射光を反射する光学素子の反射面として薄膜を成膜する成膜方法であって、該薄膜の膜厚の分布が、回転対称軸からの距離の１次関数を含む関数で表されるように前記薄膜を成膜し、前記回転対称軸が前記入射光を反射する反射面から離れていることを特徴とする。

本発明の他の目的及び更なる特徴は、以下、添付図面を参照して説明される実施形態により明らかにされるであろう。

本発明によれば、膜厚の関数として従来の偶関数のみならず奇関数をも加えることによって膜によって生じるティルト成分を抑えることが可能となり、光学系の設計に自由度が生じて反射率性能の向上を実現できる。

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係る薄膜について、以下、説明する。この薄膜は、反射型の投影光学系に用いられる反射ミラーの表面に成膜される反射膜である。反射型の投影光学系の設計は大きく３つの段階に分けられる。第１の段階は、反射膜を考慮せずに結像性能の高い光学系を設計する段階である。照射光の反射率は一切考慮せず、それ以外の性能・形態・仕様をすべて決定する。第２の段階は、反射率性能の高い反射膜を設計する段階である。この段階では投影光学系の設計値は変更せず、反射性能が高くなるように反射膜の仕様を決定する。第３の段階は、反射膜を付加することによって劣化した結像性能を、光学系によって補正する段階である。

本発明においては、膜厚の関数として従来の偶関数のみならず奇関数をも加えることにより、膜によって生じるティルト成分を抑えることが可能となり（第１の効果）、設計に自由度が生じて反射率性能の向上を実現できる（第２の効果）という効果を奏することができる。

反射膜の膜厚分布は所定の回転対称軸を中心として回転対称な分布形状である。その膜厚分布の関数（以下、膜厚関数という。）の回転対称軸から半径ｒの位置の膜厚をｄとすると、ｄは半径ｒの絶対値の関数で表される。例えば、膜厚の関数が多項式の２次以下の関数（奇関数を含む）で構成される場合、膜厚ｄと半径ｒとの関係は以下の式（１）で表される。ここで、Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２は係数を表す。

・・・（１）
式（１）からわかるように、奇関数を含む反射膜の膜厚関数は、回転中心位置で滑らかではなくなる、又は微分係数が不連続となる。この場合、反射波面の形状も回転中心位置で微分係数が不連続となる。そこで、反射膜の回転中心位置を光の照射領域（反射領域）として使用する反射面ではＣ１の項を使用しないようにする。すなわちＣ１＝０とする。図１にＣ１の項を使用した場合と使用しない場合とを比較した例を示す。図１（ａ）は、Ｃ１の項を使用した場合の反射膜の膜厚分布形状の例を示す模式図であり、図１（ｂ）は、Ｃ１の項を使用しない場合（すなわちＣ１＝０の場合）の反射膜の膜厚分布形状の例を示す模式図である。

［実施例１］
本発明に係る薄膜（反射膜）をＥＵＶ投影光学系に適用した場合の効果について説明する。ＥＵＶ投影光学系に開口数ＮＡ＝０．２８、縮小比４：１のものを採用する。なお、ＥＵＶ光の波長は１３．５ｎｍである。図２にこの実施例１に係るＥＵＶ投影光学系１の光路図を示す。ＥＵＶ投影光学系１に用いられる光学素子（ミラー）の各光学面（反射面）に勾配を持った多層膜を成膜する。多層膜は厚さ４．０７ｎｍのシリコン（Ｓｉ）層と厚さ２．８４ｎｍのモリブデン（Ｍｏ）層とによって構成され、この２層を１組として４０組（４０周期）積層されている。周期長分布は光軸を中心とする回転対称な分布になっていて、光軸からの半径の関数として２次以下の多項式で構成される。

この実施例１においては、各反射膜の回転対称軸は光軸Ｏに一致している。このＥＵＶ投影光学系を構成する各ミラーの反射面を、投影原版としてのマスクＭＳ側から被投影体としてのウエハＷ側に向かって順に第１反射面Ｍ１、第２反射面Ｍ２、第３反射面Ｍ３、第４反射面Ｍ４、第５反射面Ｍ５、第６反射面Ｍ６とする。第１反射面Ｍ１、第３反射面Ｍ３、第４反射面Ｍ４は、反射領域に反射膜の回転中心位置を含まないので、これらの反射面には偶関数及び奇関数からなる膜厚分布の傾斜膜を適用する。回転対称軸から半径ｒの位置の膜厚ｄは、以下の式（２）によって表される。ここでＣ０，Ｃ１，Ｃ２は係数であり、ｉは反射面番号である。

・・・（２）
また、第２反射面Ｍ２、第５反射面Ｍ５、第６反射面Ｍ６は、反射領域に反射膜の回転中心位置を含むので、これらの反射面には偶関数からなる膜厚分布の傾斜膜を適用する。回転対称軸から半径ｒの位置の膜厚ｄは、以下の式（３）によって表される。ここでＣ０，Ｃ１，Ｃ２は係数であり、ｉは反射面番号である。

・・・（３）
表１は、このＥＵＶ投影光学系１に用いた各ミラーの反射面の設計値を示した表である。第１反射面Ｍ１、第３反射面Ｍ３、第４反射面Ｍ４は１次項を有しており（すなわち、Ｃ１≠０であり、奇関数を含んでいる。）、第２反射面Ｍ２、第５反射面Ｍ５、第６反射面Ｍ６は１次項を有していない（すなわち、Ｃ１＝０である。）。表中のＡ〜Ｇは非球面係数を示し、Ｃ０〜Ｃ１は式（２）及び式（３）に示す係数に対応している。

また、Ｃ１の項（１次項）を含めた上記実施例１のＥＵＶ投影光学系１の効果を確認するため、比較例１として第１反射面Ｍ１、第３反射面Ｍ３、第４反射面Ｍ４の各膜厚関数にＣ１の項がないとした場合を想定した。表２に、比較例１の光学系の各設計値を示す。この比較例１では、上記のＥＵＶ投影光学系１に対して、反射膜の勾配関数と反射面間隔が変更されている。

表１に示した実施例１としてのＥＵＶ投影光学系１及び表２で示した比較例１としての光学系の各瞳における波面収差のティルトを図３に、反射率性能を図４〜図６に示した。図４は物体高（１２５〜１３５ｍｍ）における透過率の平均値を示している。図５、図６は物体高ごとの透過率の分布をそれぞれＲＭＳ、ＰＶ／ＭＡＸで示している。反射膜の傾斜に１次項を加えることで、反射率性能を低下させずにティルトの低減が可能であることが確認できる。

［実施例２］
反射膜の膜厚関数に奇関数を考慮することによりパラメータが増加するので、反射率性能を向上させることも可能となる。本実施例２は、上記実施例１と同様にＥＵＶ投影光学系１の第１反射面Ｍ１、第３反射面Ｍ３、第４反射面Ｍ４に奇関数を含む膜厚分布の傾斜膜を適用し、反射率向上を図ったものである。表３は、実施例２に係る各ミラーの反射面の設計値を示した表である。実施例１の場合と同様に、第２反射面Ｍ２、第５反射面Ｍ５、第６反射面Ｍ６は１次項を有していない（すなわち、Ｃ１＝０である。）。表中のＡ〜Ｇは非球面係数を示し、Ｃ０〜Ｃ１は式（２）及び式（３）に示す係数に対応している。

実施例２に対する比較例２として第１反射面Ｍ１、第３反射面Ｍ３、第４反射面Ｍ４の各膜厚関数にＣ１の項がないとした場合を想定した。表４に、比較例２の光学系の各設計値を示す。

表３に示した実施例２としてのＥＵＶ投影光学系１及び表４で示した比較例２としての光学系の反射率性能を図７〜図９に示した。図７は物体高（１２５〜１３５ｍｍ）における透過率の平均値を示している。図８、図９は物体高ごとの透過率の分布をそれぞれＲＭＳ、ＰＶ／ＭＡＸで示している。反射膜の傾斜に１次項を加えることによって、波面収差を劣化させることなく反射率性能を向上させることが可能であることが確認できる。

［実施の形態２］
図１０は、本発明の実施の形態２に係る露光装置を概略的に示した図である。この露光装置Ｓは、露光原版としてのレチクル５１上の回路パターンを被処理体としてのウエハ５２上に露光するためのものである。この露光装置Ｓは、例えばＥＵＶ光源５３からの光をレチクル（マスク）５１上に導く照明光学系５４、レチクル５１上の回路パターン像をウエハ５２上に投影する投影光学系５５を有して構成される。

照明光学系５４は光学素子としてのミラー５４ａ，５４ｂを有している。投影光学系５５も光学素子としてのミラー５５ａ，５５ｂを有している。これらのミラー５４ａ，５４ｂ，５５ａ，５５ｂには、上述の実施の形態１に係る薄膜が成膜されている。したがって、ミラーの収差が低減し、露光装置Ｓは高精度に露光を行うことができる。

［実施の形態３］
次に、図１１及び図１２を参照して、上述の露光装置Ｓを利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。図１１は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１０１（回路設計）ではデバイスの回路設計を行う。ステップ１０２（レチクル製作）では、設計した回路パターンを形成したレチクルを製作する。ステップ１０３（ウエハ製造）ではシリコンなどの材料を用いてウエハ（基板）を製造する。ステップ１０４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、レチクルとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。ステップ１０５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ１０４によって作成されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ１０６（検査）では、ステップ１０５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ１０７）される。

図１２は、ステップ１０４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１１２（ＣＶＤ）では、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１１３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１１４（イオン打ち込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１１６（露光）では、露光装置Ｓによってレチクルの回路パターンをウエハに露光する。ステップ１１７（現像）では、露光したウエハを現像する。ステップ１１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施の形態の製造方法によれば従来よりも高品位かつ高集積度のデバイスを低コストに製造することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。

本発明の実施の形態１に係る反射膜の膜厚分布を説明するための図であって、（ａ）は、膜厚関数にＣ１の項を使用した場合を示す模式図であり、（ｂ）は膜厚関数にＣ１の項を使用しない場合を示す模式図である。 本発明の実施例に係るＥＵＶ投影光学系の光路図である。 実施例１及び比較例１の各瞳における波面収差のティルトを示したグラフである。 実施例１及び比較例１の各瞳における反射率性能を示したグラフであり、物体高（１２５〜１３５ｍｍ）における透過率の平均値を示したものである。 実施例１及び比較例１の各瞳における反射率性能を示したグラフであり、物体高ごとの透過率の分布をＲＭＳで示したものである。 実施例１及び比較例１の各瞳における反射率性能を示したグラフであり、物体高ごとの透過率の分布をＰＶ／ＭＡＸで示したものである。 実施例２及び比較例２の各瞳における反射率性能を示したグラフであり、物体高（１２５〜１３５ｍｍ）における透過率の平均値を示したものである。 実施例２及び比較例２の各瞳における反射率性能を示したグラフであり、物体高ごとの透過率の分布をＲＭＳで示したものである。 実施例２及び比較例２の各瞳における反射率性能を示したグラフであり、物体高ごとの透過率の分布をＰＶ／ＭＡＸで示したものである。 本発明の実施の形態２に係る露光装置の概略構成図である。 図１０に示す露光装置によるデバイス製造方法を説明するためのフローチャートである。 図１１に示すステップ１０４の詳細なフローチャートである。 従来のＥＵＶ投影光学系の光路図である。

符号の説明

Ｓ：露光装置
１：ＥＵＶ投影光学系
Ｍ１〜Ｍ６：反射面
５１：レチクル
５２：ウエハ（被処理体）
５３：ＥＵＶ光源
５４：照明光学系
５４ａ，５４ｂ：ミラー
５５：投影光学系
５５ａ，５５ｂ：ミラー

Claims (6)

1. 入射光を反射する反射面として薄膜を用いた光学素子であって、
   前記薄膜の膜厚の分布が、
   回転対称軸からの距離の１次関数を含む関数で表され、
   前記回転対称軸は前記入射光を反射する反射面から離れていることを特徴とする光学素子。
2. 前記薄膜が多層膜であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 請求項１又は２に記載の光学素子を有することを特徴とする光学系。
4. 光源からの光でレチクルを照明する照明光学系と、
   前記レチクルのパターンを基板上に投影する投影光学系とを備えた露光装置であって、
   前記照明光学系又は前記投影光学系の少なくともいずれか一方が請求項１又は２に記載の光学素子を有することを特徴とする露光装置。
5. 請求項４に記載の露光装置によって基板を露光する工程と、
   露光された前記基板を現像する工程とを有するデバイスの製造方法。
6. 入射光を反射する光学素子の反射面として薄膜を成膜する成膜方法であって、
   該薄膜の膜厚の分布が、回転対称軸からの距離の１次関数を含む関数で表されるように前記薄膜を成膜し、前記回転対称軸が前記入射光を反射する反射面から離れていることを特徴とする成膜方法。