JP3826047B2 - 露光装置、露光方法、及びそれを用いたデバイス製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光装置、及びそれを用いたデバイスの製造方法に関する。特に半導体素子や液晶素子、磁性材などの微細パターン製造におけるマイクロリソグラフィ用露光装置として好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
フォトリソグラフィ技術を用いてデバイスを製造する際に、マスク又はレチクル（本出願ではこれらの用語を交換可能に使用する）に描画されたパターンを投影光学系によってウェハに投影してパターンを転写する投影露光装置が従来から使用されている。
【０００３】
投影露光装置は、一般に、光源から出射された光束を利用してマスクを照明する照明光学系とマスクと被処理体との間に配置される投影光学系とを有する。照明光学系においては、典型的に、均一な照明領域を得るために光源からの光束をハエの目レンズなどのオプティカルインテグレータに導入し、オプティカルインテグレータ射出面を２次光源面としてコンデンサーレンズでマスク面をケーラー照明する。
【０００４】
高品位な露光を行うためには、レチクルパターンに応じて最適な有効光源を形成する必要がある。有効光源とは、ウェハ面に入射する露光光束の角度分布を意味する。例えば、この有効光源分布は、ハエの目レンズの射出面（即ち、２次光源面）近傍の強度分布を所望の形状（通常照明条件、輪帯照明条件、四重極照明条件）に調整することで実現している。
【０００５】
図９に、従来の露光装置における２次光源分布と瞳透過率分布と有効光源分布との関係を示す。２次光源分布は、レチクルパターンに応じて円形や輪帯など様々な形状を形成可能であるが、ここではコヒーレンスファクタσが０．８の照明条件を示している。同図の２次光源分布に示すように、従来の強度分布は、ほぼ均一（即ち、フラット）になるように調整されていた。また、瞳透過率分布もほぼ均一であるため、ウェハ面で得られる有効光源分布も均一となり、軸上と軸外における有効光源分布の差もなく、一律にσ＝０．８となっていた。
【０００６】
さて、投影露光装置の解像度Ｒは、光源の波長λ、投影光学系の開口数（ＮＡ）、現像プロセスなどによって定まる定数ｋ１を用いて次式で与えられる。
【０００７】
【数１】
【０００８】
近年のデバイスの高集積化に対応して、転写されるパターンの微細化、即ち、高解像度化が益々要求されている。高解像力を得るには、上式から波長λを小さくすること、及び、開口数ＮＡを大きくすることが有効である。
【０００９】
このため、露光装置に使用される露光光の波長はｉ線（３６５ｎｍ）からＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）へと移行してきており、今後は更にＦ２レーザ（１５７ｎｍ）と更に短波長領域へ向かう傾向にある。一方、ＮＡは０．７から０．７５へと拡大の一途をたどってきている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、波長が２００ｎｍ以下と短波長化が進み、ＮＡが０．７０以上と高くなると（即ち、高ＮＡ化が進むと）、２次光源分布と有効光源分布が一致せず、２次光源分布を均一にしても有効光源分布が均一にならなくなり、露光性能が低下するという問題が発生するようになった。
【００１１】
即ち、高ＮＡ化が進むと、各光学部材への光入射角度がこれまで以上に大きくなり、要求される入射角度領域において透過率（及び反射率）の角度特性を一定にすることが困難になってくる。より詳細には、硝材透過率の観点からはレンズなどの光透過部材は中央部が厚く周辺部が薄いために光軸付近の透過率が低いように見えるが、実際にはコーティング（反射防止膜）がより大きく透過率に影響して周辺部ほど透過率は低くなる。これは、コーティングに起因する透過率の低下は光透過部材に入射する前後の光線のなす角度が大きくなる程、顕著になるためであり、光透過部材の周辺部を透過する光線は中央部を透過する光線よりも屈折角度が大きいことによる。従来は、周辺部の屈折角度による透過率の低下を設計技術により許容範囲に抑えていたが、高ＮＡ化が進むにつれて許容範囲に抑えることができないくらい屈折角度が大きくなってきた。また、短波長化が進むと透過部材に施される反射防止膜に使用可能な材料が限定されるようになり設計の自由度も限定されてくるようになった。
【００１２】
図１０に、高ＮＡ化が進んだ露光装置における２次光源分布と瞳透過率分布と有効光源分布との関係を示す。２次光源分布は、図９と同様にコヒーレンスファクタσが０．８の照明条件に均一に設定されているが、図１０の中段に示すように、瞳透過率分布が周辺で低下しているので、有効光源分布は均一にはならなくなり、σ値も実効的には０．８よりも小さく不均一になる。
【００１３】
図１１は、反射屈折型の投影光学系を有する露光装置における２次光源分布と瞳透過率分布と有効光源分布との関係を示す。２次光源分布は、図９と同様にコヒーレンスファクタσが０．８の照明条件に均一に設定されているが、図１１の中段に示すように、瞳透過率分布が均一ではないために、有効光源分布は均一にはならなくなり、σ値も実効的には０．８よりも小さく不均一になる。特に、ミラーでは、偏向角に応じて反射率が異なってくるため、瞳透過率分布の傾き成分が顕著となってくる。（尚、本発明での瞳透過率とは、反射率をも含んだ光学系の光利用効率を表現することとする。）
このように、露光装置を構成する光学系の透過率が光軸付近と光軸から離れた部分とで異なってしまい、ウェハ上に入射する露光光束の角度分布（即ち、有効光源分布）が偏ってしまう。この結果、２次光源分布を所望の分布に調整しても、後段の光学系の透過率分布（即ち、瞳透過率分布）が一様でないために、ウェハ面に入射する露光光の角度分布（即ち、有効光源分布）が所望の分布にはならない、という現象が発生する。これは、あるパターン（の最小線幅を転写するため）に最適に設定されたコヒーレンスファクタと異なるコヒーレンスファクタで露光されることになるため設定した解像線幅（特に、最小線幅）が得られないという問題が発生する。
【００１４】
かかる問題はウェハ中心位置（軸上）とウェハ周辺（軸外）で発生するが、軸外では重心ずれという更に別の問題も発生する。即ち、軸上に入射する有効光源分布の偏り方と、軸外に入射する有効光源の偏り方とが異なる現象をも引き起こす。この結果、軸外では、上記問題に加えて、ウェハに転写される線幅が位置によって異なることになる。
【００１５】
そこで、本発明は、光学系の透過率分布（即ち、瞳透過率分布）が均一ではなくても改善された露光光の角度分布（即ち、有効光源分布）を得ることができ、基板中心と基板周辺における有効光源分布の差（即ち、有効光源の軸上軸外差）を低減する露光装置、露光方法及びデバイス製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の一側面としての露光装置は、マスクのパターンの像を被露光体上に投影する投影光学系と、前記投影光学系の瞳面と共役な位置近傍で２次光源面を形成し前記マスクを照明する照明光学系と、を備える露光装置において、前記２次光源面から前記被露光体までに配置された光学系の、前記２次光源面上の各点から出射し前記被露光体上の一点に入射する光に対する透過率分布（瞳透過率分布）は、不均一であり、前記瞳透過率分布の傾向と逆の傾向となるように、前記２次光源面における光強度分布を調整する２次光源調整手段を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の更に別の側面としてのデバイス製造方法は、上述の露光装置を用いて被露光体を露光するステップと、露光された前記被露光体を現像するステップとを有することを特徴とする。上述の露光装置の作用と同様の作用を奏するデバイス製造方法の請求項は、中間及び最終結果物であるデバイス自体にもその効力が及ぶ。また、かかるデバイスは、ＬＳＩやＶＬＳＩなどの半導体チップ、ＣＣＤ、ＬＣＤ、磁気センサー、薄膜磁気ヘッドなどを含む。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の第１の実施形態の露光装置１００について説明する。ここで、図１は、露光装置１００の単純化された光路を示す概略図である。露光装置１００は、照明装置と、レチクル１３と、投影光学系１４と、プレート１５とを有する。露光装置１００は、ステップアンドリピート方式またはステップアンドスキャン方式でレチクル１３に形成された回路パターンをプレート１５に露光する投影露光装置である。
【００２０】
照明装置は、転写用の回路パターンが形成されたレチクル１３を照明し、光源部と照明光学系とを有する。光源部は、光源１と、光束整形光学系２とを有する。
【００２１】
光源１には、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約１５７ｎｍのＦ２レーザーなどを使用することができる。光束整形光学系２は、例えば、複数のシリンドリカルレンズを備えるビームエクスパンダ等を使用することができ、レーザー光源１からの縦横比が異なる平行光束を所望の形状に変換する（例えば、断面形状を長方形から正方形にするなど）ことによりビーム形状を成形する。光束整形光学系２は、後述するハエの目レンズ６を照明するのに必要な大きさと発散角を持つ光束を形成する。
【００２２】
照明光学系はマスク１３を照明し、集光光学系３、光束混合手段としてのオプティカルパイプ４、結像ズームレンズ５、ハエの目レンズ６、絞り部材７、照射レンズ８、視野絞り９、結像レンズ１０、１１及び偏向ミラー１２を有する。
集光光学系３は、光束整形光学系２を経た光束をオプティカルパイプ４の入射面４ａ近傍に集光し、オプティカルパイプ４に入射する光束に所定の発散角を持つ光束を形成する。集光光学系３は、少なくとも一枚のレンズ素子より成るが、場合によっては光路を折り曲げるためのミラーを有してもよい。なお、オプティカルパイプ４がガラス棒で構成されている場合には、ガラス棒入射面のコーティング（反射防止膜）や硝材自体の耐久性を高めるために、集光光学系３による集光点Ｐはオプティカルパイプ４の入射面４ａより光源側にデフォーカスされている。
【００２３】
オプティカルパイプ４は、集光点Ｐから所定の発散角を持って入射した光束が側面で反射を繰り返すことにより、入射面で不均一である光強度分布を出射面で均一にする。
【００２４】
本実施形態において、オプティカルパイプ４は、６角形の断面形状によって反射面を構成し、例えば、ガラスから成形される６角柱ロッドである。ただし、かかる構造は例示的であり、断面はｍ角形（ｍ：偶数）又は円形でもよいし、中空のロッドであってもよい
結像ズームレンズ５は、オプティカルパイプ４の射出面４ｂをハエの目レンズ６（多光束発生手段）の入射面６ａに所定の倍率で結像させており、双方が互いに略共役関係となっている。また、倍率可変のズームレンズとすることで、ハエの目レンズ６へ入射する光束領域を調整することが可能となっており、複数の照明条件（即ち、コヒーレンスファクタσ値：照明光学系のＮＡ/投影光学系ＮＡ）を形成することができる。
【００２５】
ハエの目レンズ６は被照射面を均一に照明する機能を有する。ハエの目レンズ６は、入射光の波面を分割して光出射面又はその近傍に複数の光源を形成する波面分割型オプティカルインテグレータである。ハエの目レンズ６は入射光の角度分布を位置分布に変換して出射し、ハエの目レンズ６の入射面と出射面とはフーリエ変換の関係になっている（本明細書において、フーリエ変換の関係とは、光学的に瞳面と物体面（又は像面）、物体面（又は像面）と瞳面となる関係を意味する）。これにより、ハエの目レンズ６の射出面６ｂ近傍は２次光源となっている。ハエの目レンズ６は、本実施例ではロッドレンズ（即ち、微小レンズ素子）を多数組み合わせて構成されている。但し、本発明が使用可能な波面分割型オプティカルインテグレータはハエの目レンズに限定されるものではなく、例えば各組が直交するように配置された複数の組のシリンドリカルレンズアレイ板などでもよい。
【００２６】
絞り部材７は不要光を遮光して所望の２次光源を形成する可変開口絞りであり、通常の円形開口及び輪帯照明等の各種の絞りからなっている。可変開口絞りを変えるためには、例えば、これらの絞り７を形成した円盤状ターレットを用い、図示しない制御部及び駆動機構が開口を切り替えるべくターレットを回転させることで可能となる。
【００２７】
照射レンズ８は、例えば、コンデンサーレンズであって、ハエの目レンズ６の出射面６ｂ近傍で形成された２次光源をできるだけ多く集めて視野絞り９上で重畳的に重ね合わせ視野絞り９をケーラー照明する。
【００２８】
視野絞り９は、複数の可動な遮光板から成り、任意の開口形状が形成されるようにして、被照射面であるレチクル１３（更にはウェハ１５）面上の露光範囲を制限している。
【００２９】
１０、１１は結像レンズで、視野絞り９の開口形状を被照射面であるレチクル１３上に転写している。１２は偏向ミラーである。偏向ミラー１２は、結像レンズ１０から射出された光束を結像レンズ１１（更にはマスク１３）に入射するように偏向させる。なお、結像レンズ１０が予め結像レンズ１１に平行に配置されていれば、偏向ミラー１２は省略可能である。しかし、かかる構成において、偏向ミラー１２は装置の小型化に寄与する。
【００３０】
マスク１３は、例えば、石英製で、その上には転写されるべき回路パターン（又は像）が形成され、図示しないマスクステージに支持及び駆動される。マスク１３から発せられた回折光は投影光学系１４を通りプレート１５上に投影される。プレート１５は、被処理体でありレジストが塗布されている。マスク１３とプレート１５とは光学的に共役の関係に配置される。露光装置１００がステップアンドスキャン方式の露光装置（即ち、スキャナー）であれば、マスク１３とプレート１５を走査することによりマスク１３のパターンをプレート１５上に転写する。また、露光装置１００が、ステップアンドリピート方式の露光装置（即ち、ステッパー）であれば、マスク１３とプレート１５とを静止させた状態で露光を行う。
【００３１】
図示しないマスクステージは、マスク１３を支持して図示しない移動機構に接続されている。マスクステージ及び投影光学系１４は、例えば、床等に載置されたベースフレームにダンパ等を介して支持されるステージ鏡筒定盤上に設けられる。マスクステージは、当業界周知のいかなる構成をも適用できる。図示しない移動機構はリニアモータなどで構成され、光軸と直交する方向にマスクステージを駆動することでマスク１３を移動することができる。露光装置１００は、マスク１３とプレート１５を図示しない制御装置によって同期した状態で走査する。
【００３２】
投影光学系１４は、マスク１３に形成されたパターンを経た光束をプレート１５上に結像する。投影光学系１４は、複数のレンズ素子のみからなる光学系、複数のレンズ素子と少なくとも一枚の凹面鏡とを有する反射屈折光学系（カタディオプトリック光学系）、複数のレンズ素子と少なくとも一枚のキノフォームなどの回折光学素子とを有する光学系、全ミラー型の光学系等を使用することができる。色収差の補正が必要な場合には、互いに分散値（アッベ値）の異なるガラス材からなる複数のレンズ素子を使用したり、回折光学素子をレンズ素子と逆方向の分散が生じるように構成したりする。
【００３３】
プレート１５は、本実施形態ではウェハであるが、液晶基板その他の被処理体を広く含む。プレート１５にはフォトレジストが塗布されている。フォトレジスト塗布工程は、前処理と、密着性向上剤塗布処理と、フォトレジスト塗布処理と、プリベーク処理とを含む。前処理は洗浄、乾燥などを含む。密着性向上剤塗布処理は、フォトレジストと下地との密着性を高めるための表面改質（即ち、界面活性剤塗布による疎水性化）処理であり、ＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌ−ｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）などの有機膜をコート又は蒸気処理する。プリベークはベーキング（焼成）工程であるが現像後のそれよりもソフトであり、溶剤を除去する。
【００３４】
プレート１５は図示しないウェハステージに支持される。ウェハステージは、当業界で周知のいかなる構成をも適用することができるので、ここでは詳しい構造及び動作の説明は省略する。例えば、ウェハステージはリニアモータを利用して光軸と直交する方向にプレート１５を移動する。マスク１３とプレート１５は、例えば、同期して走査され、マスクステージとウェハステージの位置は、例えば、レーザー干渉計などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。ウェハステージは、例えば、ダンパを介して床等の上に支持されるステージ定盤上に設けられる。
【００３５】
本実施形態では、露光光の短波長化と高ＮＡ化に伴い、後述する２次光源面からプレート１５までの光学系の瞳透過率分布が、図１０の中段に示す状態である場合を想定している。この場合、瞳透過率分布は周辺下がりの傾向があるので、所望の有効光源分布を得るべく、２次光源分布を周辺上がりとする調整が必要である。以下に、その２次光源調整手段について詳述する。
（第１調整手段）
オプティカルパイプ４内で伝播する光の反射回数に応じて、オプティカルパイプ射出端４ｂにおける照度分布は、図２のように変化することが光学シミュレーションによりわかっている。そこで、集光光学系３を焦点距離可変のズーム光学系とすることで、オプティカルパイプに入射する光のＮＡを調整可能とし、オプティカルパイプ内で伝播する光反射回数を可変とする。そして、オプティカルパイプ射出端４ｂの照度分布を周辺上がりとなるような条件に調整することで、２次光源面６ｂの光強度分布を周辺上がりに設定可能としている。
【００３６】
更に、照明条件に応じて集光光学系３の焦点距離を調整すれば、照明条件ごとに最適な有効光源分布を得ることができる。なお、集光光学系３をズーム光学系とせずに、焦点距離の異なる光学系（３’）を用意して、照明条件の切り換えに応じて交換してもよい。
（第２調整手段）
オプティカルパイプ射出端４ｂにおける照度分布が、ある一定状態となる条件で、集光光学系３の焦点距離を固定とする。この状態で、オプティカルパイプ射出端４ｂ付近にＮＤフィルターを配置し、２次光源面の光強度分布を調整する。ＮＤフィルターの透過率分布は、周辺透過率が中心透過率よりも高い分布とし、その透過率差が異なるＮＤフィルターを複数枚（２０ａ〜ｄ）を用意して、照明条件ごとに選択可能（ターレット２０）としている。
（第３調整手段）
オプティカルパイプ射出端４ｂにおける照度分布が、ある一定状態となる条件で、集光光学系３の焦点距離を固定とする。そして、結像ズームレンズ５をディストーション可変のズームレンズとすることで、２次光源面６ｂの光強度分布を図２のように調整することを可能としている。
【００３７】
以上第１〜第３の調整手段を少なくとも一つ有することで、２次光源面以降の瞳透過率分布に応じて２次光源分布を調整し、所望の有効光源分布を得ることが可能となる。
【００３８】
特に回転対称で周辺下がりとなる瞳透過率分布に対して有効である。
【００３９】
図３は、本発明の第２の実施形態の露光装置１００ａの単純化された光路図の概略図である。露光装置１００と異なるのは投影光学系が反射屈折系である点である。図１と同じ部分は共通の符号としている。
【００４０】
本実施例では、２次光源面６ｂからウェハ１５までの光学系における瞳透過率分布が、図１１の中段に示す傾きを持っている場合を想定している。この瞳透過率分布に対して、所望の有効光源分布を得るための２次光源調整手段を以下に詳述する。
（第４調整手段）
集光光学系３の焦点距離を変化させることの効果は、第１調整手段に関して前述した。本調整では更に、オプティカルパイプ４へ入射する光束分布を偏らせることで、射出端４ｂの分布を、瞳透過率分布とキャンセルする方向に傾かせた分布とすることを特徴としている。
【００４１】
そのために、例えば集光光学系３を傾き偏心させたり、平行偏心させたりすれば良い。更に、照明条件の切り替えに応じて偏心量を調整可能とする機能を設けることが好ましい。
【００４２】
以上のようにして、集光光学系３を焦点距離可変のズーム光学系にしつつ、オプティカルパイプ４の前段にある光学部材を偏心させることで、２次光源面の光強度分布を適正に調整することが可能となる。また、集光光学系３を焦点距離の異なる複数種類用意して、照明条件の切り換えに応じて交換可能な構成としてもよい。
（第５調整手段）
オプティカルパイプ射出端４ｂにおける照度分布が、ある一定状態となる条件で、集光光学系３の焦点距離を固定とする。この状態で、オプティカルパイプ４の射出端４ｂ付近にＮＤフィルター２０を配置する。この効果は、（第２調整方法）で前述した。本調整では更に、ＮＤフィルター２０を平行シフトさせて配置し、２次光源面の光強度分布を瞳透過率分布とキャンセルする方向に傾かせた分布とするようにしている。
【００４３】
そのためＮＤフィルターは、シフト量が調整可能な駆動機構に装着され、照明条件ごとに最適なシフト量に調整されている。さらに、透過率の異なるＮＤフィルターを複数枚（２０ａ〜ｄ）を用意し、照明条件の切り換えに応じてＮＤフィルターを選択可能にすると更によい。
【００４４】
以上第１〜第５の調整手段を少なくとも一つ有することで、２次光源面以降の瞳透過率分布に応じて２次光源分布を調整し、所望の有効光源分布を得ることが可能となる。特に回転非対称成分と回転対称成分とが混在している瞳透過率分布に対して有効である。
【００４５】
なお、図１に示す光学系は例示的で、例えば、オプティカルパイプ４の代わりに第２のハエの目レンズを使用することも考えられる。
【００４６】
この場合には、新たに設けた第２ハエの目レンズからの光束を、後段のハエの目レンズ６に対して重畳的にケーラー照明する作用を持つコンデンザレンズを（結像ズームレンズ５の代わりに）合わせて使用する。
【００４７】
そして、このときの調整手段は、第２ハエの目レンズの射出面付近に設けられ、露光光束の角度分布によって透過率を制御するものとする。
【００４８】
例えば、入射角度０度で透過率９３％、５度で９８％という特性の透過制御膜を施した平板とし、傾斜可能な構成とする。そして、透過制御量が異なる複数種類を用意して、照明条件の切り換えに応じて交換可能とし、傾斜量も可変をとしている。
【００４９】
次に、基板中心と基板周辺における有効光源分布のバランスをとる調整手段について説明する。一般に、多くの光学部材を透過してきた光線は、光軸から遠い部分を透過するほど透過ロスが大きくなる。従って、基板周辺（軸外）に到達する光束の瞳透過率分布は、基板中心（軸上）よりも傾いた（回転非対称）分布となりやすい。
【００５０】
上記第１〜第５の調整手段により、軸上と軸外の有効光源分布を所望の規格以下にバランスよく調整することが望ましいが、そのためには、軸上における瞳透過率分布と軸外における瞳透過率分布の差をある程度抑えておく補正手段が必要である。
【００５１】
図４にその補正手段について詳述する。プレート１５面に入射する軸外光線は、光軸に近い方を光線３０、光軸から遠い方を光線３１としている。プレート１５までの光学部材を透過してきたことにより、光線３１の方が光線３０よりも透過ロスが大きくなっている。そのため、軸外（基板周辺）での有効光源は回転非対称の分布となっている。
【００５２】
この軸外における光線３０と光線３１の光量差を軽減するためには、プレート（もしくはプレートと共役なレチクルや視野絞り面）近傍のレンズ３３を凸メニスカス形状とすればよい。
【００５３】
凸メニスカスレンズ３３に入射する光線３０の角度は大きく（透過ロス大）、光線３１の角度は小さく（透過ロス小）なるので、ウェハ１５に到達する光線３０と３１の光量差を低減させる効果が期待できる。従って、軸外における瞳透過率分布も良好な状態とすることができる。
【００５４】
図５は、２次光源分布の調整方法について説明したフローチャートである。まず、ステップ１０１にて、設計値（レンズ設計値、コーティング特性、硝材透過率、ミラー反射率など）から各照明条件ごとの透過率をウェハ中心〜ウェハ周辺において算出し、大体の瞳透過率分布を求めておき、求めた瞳透過率分布情報をもとに、２次光源調整手段の基本設定（デフォルト）を決定しておく。
ステップ１０２にて、照明モードが切り換えられたら、ステップ１０３にて露光光の角度分布（有効光源）を測定する。
【００５５】
露光光の角度分布を測定する方法は種々考えられるが、例えば視野絞り９を駆動して、測定したい基板位置に対応するように微小開口を設定すると共に、プレート（ウェハ）近傍に設置したディテクター４０を実際のプレート基準面から光軸Ｚ方向にデフォーカスさせる方法がある。この際、レチクル１３は光路上からはずしておく。このときの装置の状態を図６（ａ）に示す。図１と同じ部分は共通の符号としている。また、説明簡略化のため、偏向ミラー１２を省いた状態で示している。
【００５６】
視野絞り９で制限された露光光のみがプレート面で一旦結像し、角度を反映させたままディテクター４０に入射する。ディテクター４０は、プレートを保持するＸＹステージ４１上に配置されており、その受光面上部には、光束の拡がりに対して充分小さな径のピンホールがある。このディテクター４０をＸＹステージ４１にて、例えば２次元マトリクス状に拡がっている範囲で水平移動させることにより、入射する光強度を計測し、露光光の角度分布を判定している。なお、ディテクターの代わりに２次元ＣＣＤを用いても良い。
【００５７】
他にも視野絞り９と共役な位置に微小開口を設けることで、同様の計測が可能である。具体的には図６（ｂ）に示すように、視野絞り９は開放して、Ｃｒパターンなどにより微小開口を形成した専用レチクルを配置すること等が考えられる。
【００５８】
以上のような方法で、任意のポイントを計測すれば各像高における角度分布が計測可能である。
【００５９】
計測、検出された角度分布情報は主制御装置（図不指示）に送られ、所望の有効光源分布であるかをステップ１０４にて判定され、所望の規格を外れていた場合には、そのズレを補正すべく、ステップ１０５にて主制御装置が２次光源調整手段の駆動量、駆動方向を計算し、ステップ１０６にて２次光源調整手段を計算した所定量、所定方向に駆動させる。駆動後ステップ１０３に戻り、再度露光光の角度分布測定を行う。有効光源が所望の値であれば、調整を終了する。そうでない場合は、適正値になるまで、上記の手順を繰り返す。
【００６０】
以下、図１に示す露光装置１００の露光動作を説明する。露光において、光源１から発せられた光束は、光束整形光学系２によりそのビーム形状が所望のものに成形された後で、集光光学系３に入射する。集光光学系３からのレーザー光は点Ｐに一旦集光（結像）し、その後、発散角を有する発散光束となってオプティカルパイプ４に入射する。
【００６１】
オプティカルパイプ４の射出面４ｂは集光ズームレンズ５によりハエの目レンズ６の入射面６ａに所定の倍率で結像する。上述した調整手段がハエの目レンズ６の射出面６ｂの近傍にできる２次光源分布をその後段の透過率分布に基づいて調整する。ハエの目レンズ６は絞り部材７を透過し、照射レンズ８を介して、視野絞り９を均一に照明する。視野絞り９を通過した光束は結像レンズ１０及び１１を通った後マスク１３の照射面を照明する。
【００６２】
マスク１３を通過した光束は投影光学系１４の結像作用によって、プレート１５上に所定倍率で縮小投影される。調整手段によってプレート１５上の露光光束の角度分布（即ち、有効光源分布）はほぼ均一になる。露光装置１００がステッパーであれば、光源部と投影光学系１４は固定して、マスク１３とプレート１５の同期走査してショット全体を露光する。更に、プレート１５のウェハステージをステップして、次のショットに移り、プレート１５上に多数のショットを露光転写する。露光装置１００がスキャナーであれば、マスク１３とプレート１５を静止させた状態で露光を行う。
【００６３】
本発明の露光装置１００は、調整手段により２次光源分布又は透過率分布を相補的にして有効光源分布を均一にするので、レジストへのパターン転写を高精度に行って高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。
【００６４】
次に、上記説明した露光装置１００を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。
【００６５】
図７は本発明のデバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体素子、ＣＣＤ、或いは液晶素子や磁性材などの微細パターン等）の製造方法のフローチャートである。これについて説明する。ステップ１（回路設計）では、半導体デバイスなどの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（基板製造）ではシリコン等の材料を用いて、ウェハ等の基板を製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は前工程と呼ばれ、本発明の露光装置を用い、前記の用意した回路パターン（第１物体）を形成したマスク（レチクル）とウェハ（第２物体）を用いてリソグラフィ技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組立）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって製作されたウェ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６（検査）では、ステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。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７）される。
【００６６】
図８は上記のウェハプロセスのフローチャートである。ステップ１１（酸化）ではウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウェハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウェハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では本発明の露光装置によってレチクルの回路パターンをウェハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウェハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジストを取り除く。
【００６７】
これらのステップを繰り返し行なうことによってウェハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施形態の製造方法を用いれば、従来よりも短時間で高精度に半導体デバイスを製造することができる。
【００６８】
本実施形態によれば、２次光源面から基板までの透過率分布に応じて、２次光源分布を調整することにより、所望の有効光源分布（基板へ入射する露光光の角度分布）を適正にすることが可能となる。また、基板に共役な面近傍に凸のメニスカスレンズを配置することで、有効光源分布の軸上軸外差を低減することができる。以上から、短波長で高ＮＡの露光装置においても、所望の有効光源分布を形成することが可能となり、露光装置の転写性能を高次元で維持することができる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明の露光装置、露光方法及びデバイス製造方法によれば、光学系の透過率分布（即ち、瞳透過率分布）が均一ではなくても改善された露光光の角度分布（即ち、有効光源分布）を提供でき、基板中心と基板周辺における有効光源分布の差（即ち、有効光源の軸上軸外差）を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明第１の実施形態における露光装置の単純化された光路図を示す概略図である。
【図２】 オプティカルパイプもしくは２次光源面における照度分布を示すグラフである。
【図３】 本発明第２の実施形態における露光装置の単純化された光路図を示す概略図である。
【図４】 瞳透過率の軸上軸外差を補正する手段の説明するための概略断面図である。
【図５】 本実施形態の有効光源分布の補正手順を示すフローチャートである。
【図６】 本実施形態の露光光角度分布の測定方法を示す断面図である。
【図７】 本発明によるデバイス製造方法を示すフローチャートである。
【図８】 本発明によるウェハプロセスを示すフローチャートである。
【図９】 従来の露光装置における２次光源分布と瞳透過率分布と有効光源分布の関係を説明する図である。
【図１０】 短波長光や高ＮＡとなった場合に従来の露光装置における２次光源分布と瞳透過率分布と有効光源分布の関係を説明する図である。
【図１１】 反射屈折系投影光学系を使用する従来の露光装置における２次光源分布と瞳透過率分布と有効光源分布の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 光束整形光学系
３、３’ 集光光学系
４ オプティカルパイプ
５ 結像ズームレンズ
６ ハエの目レンズ
８ 照射レンズ
９ 視野絞り
１３ レチクル
１４ 屈折型の投影光学系
１５ プレート
２０ ＮＤフィルターを保持するターレット
２０ａ〜ｄ ＮＤフィルター
２４ 反射屈折型の投影光学系
３０、３１ 基板周辺に入射する露光光
３３ 凸メニスカスレンズ
４０ ディテクター
４１ ＸＹステージ
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光装置、及びそれを用いたデバイスの製造方法に関する。特に半導体素子や液晶素子、磁性材などの微細パターン製造におけるマイクロリソグラフィ用露光装置として好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
フォトリソグラフィ技術を用いてデバイスを製造する際に、マスク又はレチクル（本出願ではこれらの用語を交換可能に使用する）に描画されたパターンを投影光学系によってウェハに投影してパターンを転写する投影露光装置が従来から使用されている。
【０００３】
投影露光装置は、一般に、光源から出射された光束を利用してマスクを照明する照明光学系とマスクと被処理体との間に配置される投影光学系とを有する。照明光学系においては、典型的に、均一な照明領域を得るために光源からの光束をハエの目レンズなどのオプティカルインテグレータに導入し、オプティカルインテグレータ射出面を２次光源面としてコンデンサーレンズでマスク面をケーラー照明する。
【０００４】
高品位な露光を行うためには、レチクルパターンに応じて最適な有効光源を形成する必要がある。有効光源とは、ウェハ面に入射する露光光束の角度分布を意味する。例えば、この有効光源分布は、ハエの目レンズの射出面（即ち、２次光源面）近傍の強度分布を所望の形状（通常照明条件、輪帯照明条件、四重極照明条件）に調整することで実現している。
【０００５】
図９に、従来の露光装置における２次光源分布と瞳透過率分布と有効光源分布との関係を示す。２次光源分布は、レチクルパターンに応じて円形や輪帯など様々な形状を形成可能であるが、ここではコヒーレンスファクタσが０．８の照明条件を示している。同図の２次光源分布に示すように、従来の強度分布は、ほぼ均一（即ち、フラット）になるように調整されていた。また、瞳透過率分布もほぼ均一であるため、ウェハ面で得られる有効光源分布も均一となり、軸上と軸外における有効光源分布の差もなく、一律にσ＝０．８となっていた。
【０００６】
さて、投影露光装置の解像度Ｒは、光源の波長λ、投影光学系の開口数（ＮＡ）、現像プロセスなどによって定まる定数ｋ１を用いて次式で与えられる。
【０００７】
【数１】
近年のデバイスの高集積化に対応して、転写されるパターンの微細化、即ち、高解像度化が益々要求されている。高解像力を得るには、上式から波長λを小さくすること、及び、開口数ＮＡを大きくすることが有効である。
【０００９】
このため、露光装置に使用される露光光の波長はｉ線（３６５ｎｍ）からＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）へと移行してきており、今後は更にＦ２レーザ（１５７ｎｍ）と更に短波長領域へ向かう傾向にある。一方、ＮＡは０．７から０．７５へと拡大の一途をたどってきている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、波長が２００ｎｍ以下と短波長化が進み、ＮＡが０．７０以上と高くなると（即ち、高ＮＡ化が進むと）、２次光源分布と有効光源分布が一致せず、２次光源分布を均一にしても有効光源分布が均一にならなくなり、露光性能が低下するという問題が発生するようになった。
【００１１】
即ち、高ＮＡ化が進むと、各光学部材への光入射角度がこれまで以上に大きくなり、要求される入射角度領域において透過率（及び反射率）の角度特性を一定にすることが困難になってくる。より詳細には、硝材透過率の観点からはレンズなどの光透過部材は中央部が厚く周辺部が薄いために光軸付近の透過率が低いように見えるが、実際にはコーティング（反射防止膜）がより大きく透過率に影響して周辺部ほど透過率は低くなる。これは、コーティングに起因する透過率の低下は光透過部材に入射する前後の光線のなす角度が大きくなる程、顕著になるためであり、光透過部材の周辺部を透過する光線は中央部を透過する光線よりも屈折角度が大きいことによる。従来は、周辺部の屈折角度による透過率の低下を設計技術により許容範囲に抑えていたが、高ＮＡ化が進むにつれて許容範囲に抑えることができないくらい屈折角度が大きくなってきた。また、短波長化が進むと透過部材に施される反射防止膜に使用可能な材料が限定されるようになり設計の自由度も限定されてくるようになった。
【００１２】
図１０に、高ＮＡ化が進んだ露光装置における２次光源分布と瞳透過率分布と有効光源分布との関係を示す。２次光源分布は、図９と同様にコヒーレンスファクタσが０．８の照明条件に均一に設定されているが、図１０の中段に示すように、瞳透過率分布が周辺で低下しているので、有効光源分布は均一にはならなくなり、σ値も実効的には０．８よりも小さく不均一になる。
【００１３】
図１１は、反射屈折型の投影光学系を有する露光装置における２次光源分布と瞳透過率分布と有効光源分布との関係を示す。２次光源分布は、図９と同様にコヒーレンスファクタσが０．８の照明条件に均一に設定されているが、図１１の中段に示すように、瞳透過率分布が均一ではないために、有効光源分布は均一にはならなくなり、σ値も実効的には０．８よりも小さく不均一になる。特に、ミラーでは、偏向角に応じて反射率が異なってくるため、瞳透過率分布の傾き成分が顕著となってくる。（尚、本発明での瞳透過率とは、反射率をも含んだ光学系の光利用効率を表現することとする。）
このように、露光装置を構成する光学系の透過率が光軸付近と光軸から離れた部分とで異なってしまい、ウェハ上に入射する露光光束の角度分布（即ち、有効光源分布）が偏ってしまう。この結果、２次光源分布を所望の分布に調整しても、後段の光学系の透過率分布（即ち、瞳透過率分布）が一様でないために、ウェハ面に入射する露光光の角度分布（即ち、有効光源分布）が所望の分布にはならない、という現象が発生する。これは、あるパターン（の最小線幅を転写するため）に最適に設定されたコヒーレンスファクタと異なるコヒーレンスファクタで露光されることになるため設定した解像線幅（特に、最小線幅）が得られないという問題が発生する。
【００１４】
かかる問題はウェハ中心位置（軸上）とウェハ周辺（軸外）で発生するが、軸外では重心ずれという更に別の問題も発生する。即ち、軸上に入射する有効光源分布の偏り方と、軸外に入射する有効光源の偏り方とが異なる現象をも引き起こす。この結果、軸外では、上記問題に加えて、ウェハに転写される線幅が位置によって異なることになる。
【００１５】
そこで、本発明は、光学系の透過率分布（即ち、瞳透過率分布）が均一ではなくても改善された露光光の角度分布（即ち、有効光源分布）を得ることができ、基板中心と基板周辺における有効光源分布の差（即ち、有効光源の軸上軸外差）を低減する露光装置、露光方法及びデバイス製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の一側面としての露光装置は、マスクのパターンの像を被露光体上に投影する投影光学系と、前記投影光学系の瞳面と共役な位置近傍で２次光源面を形成し前記マスクを照明する照明光学系と、を備える露光装置において、前記２次光源面から前記被露光体までに配置された光学系の、前記２次光源面上の各点から出射し前記被露光体上の一点に入射する光に対する透過率分布（瞳透過率分布）は、不均一であり、前記瞳透過率分布の傾向と逆の傾向となるように、前記２次光源面における光強度分布を調整する２次光源調整手段を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の更に別の側面としてのデバイス製造方法は、上述の露光装置を用いて被露光体を露光するステップと、露光された前記被露光体を現像するステップとを有することを特徴とする。上述の露光装置の作用と同様の作用を奏するデバイス製造方法の請求項は、中間及び最終結果物であるデバイス自体にもその効力が及ぶ。また、かかるデバイスは、ＬＳＩやＶＬＳＩなどの半導体チップ、ＣＣＤ、ＬＣＤ、磁気センサー、薄膜磁気ヘッドなどを含む。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の第１の実施形態の露光装置１００について説明する。ここで、図１は、露光装置１００の単純化された光路を示す概略図である。露光装置１００は、照明装置と、レチクル１３と、投影光学系１４と、プレート１５とを有する。露光装置１００は、ステップアンドリピート方式またはステップアンドスキャン方式でレチクル１３に形成された回路パターンをプレート１５に露光する投影露光装置である。
【００２０】
照明装置は、転写用の回路パターンが形成されたレチクル１３を照明し、光源部と照明光学系とを有する。光源部は、光源１と、光束整形光学系２とを有する。
【００２１】
光源１には、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約１５７ｎｍのＦ２レーザーなどを使用することができる。光束整形光学系２は、例えば、複数のシリンドリカルレンズを備えるビームエクスパンダ等を使用することができ、レーザー光源１からの縦横比が異なる平行光束を所望の形状に変換する（例えば、断面形状を長方形から正方形にするなど）ことによりビーム形状を成形する。光束整形光学系２は、後述するハエの目レンズ６を照明するのに必要な大きさと発散角を持つ光束を形成する。
【００２２】
照明光学系はマスク１３を照明し、集光光学系３、光束混合手段としてのオプティカルパイプ４、結像ズームレンズ５、ハエの目レンズ６、絞り部材７、照射レンズ８、視野絞り９、結像レンズ１０、１１及び偏向ミラー１２を有する。
集光光学系３は、光束整形光学系２を経た光束をオプティカルパイプ４の入射面４ａ近傍に集光し、オプティカルパイプ４に入射する光束に所定の発散角を持つ光束を形成する。集光光学系３は、少なくとも一枚のレンズ素子より成るが、場合によっては光路を折り曲げるためのミラーを有してもよい。なお、オプティカルパイプ４がガラス棒で構成されている場合には、ガラス棒入射面のコーティング（反射防止膜）や硝材自体の耐久性を高めるために、集光光学系３による集光点Ｐはオプティカルパイプ４の入射面４ａより光源側にデフォーカスされている。
【００２３】
オプティカルパイプ４は、集光点Ｐから所定の発散角を持って入射した光束が側面で反射を繰り返すことにより、入射面で不均一である光強度分布を出射面で均一にする。
【００２４】
本実施形態において、オプティカルパイプ４は、６角形の断面形状によって反射面を構成し、例えば、ガラスから成形される６角柱ロッドである。ただし、かかる構造は例示的であり、断面はｍ角形（ｍ：偶数）又は円形でもよいし、中空のロッドであってもよい
結像ズームレンズ５は、オプティカルパイプ４の射出面４ｂをハエの目レンズ６（多光束発生手段）の入射面６ａに所定の倍率で結像させており、双方が互いに略共役関係となっている。また、倍率可変のズームレンズとすることで、ハエの目レンズ６へ入射する光束領域を調整することが可能となっており、複数の照明条件（即ち、コヒーレンスファクタσ値：照明光学系のＮＡ/投影光学系ＮＡ）を形成することができる。
【００２５】
ハエの目レンズ６は被照射面を均一に照明する機能を有する。ハエの目レンズ６は、入射光の波面を分割して光出射面又はその近傍に複数の光源を形成する波面分割型オプティカルインテグレータである。ハエの目レンズ６は入射光の角度分布を位置分布に変換して出射し、ハエの目レンズ６の入射面と出射面とはフーリエ変換の関係になっている（本明細書において、フーリエ変換の関係とは、光学的に瞳面と物体面（又は像面）、物体面（又は像面）と瞳面となる関係を意味する）。これにより、ハエの目レンズ６の射出面６ｂ近傍は２次光源となっている。ハエの目レンズ６は、本実施例ではロッドレンズ（即ち、微小レンズ素子）を多数組み合わせて構成されている。但し、本発明が使用可能な波面分割型オプティカルインテグレータはハエの目レンズに限定されるものではなく、例えば各組が直交するように配置された複数の組のシリンドリカルレンズアレイ板などでもよい。
【００２６】
絞り部材７は不要光を遮光して所望の２次光源を形成する可変開口絞りであり、通常の円形開口及び輪帯照明等の各種の絞りからなっている。可変開口絞りを変えるためには、例えば、これらの絞り７を形成した円盤状ターレットを用い、図示しない制御部及び駆動機構が開口を切り替えるべくターレットを回転させることで可能となる。
【００２７】
照射レンズ８は、例えば、コンデンサーレンズであって、ハエの目レンズ６の出射面６ｂ近傍で形成された２次光源をできるだけ多く集めて視野絞り９上で重畳的に重ね合わせ視野絞り９をケーラー照明する。
【００２８】
視野絞り９は、複数の可動な遮光板から成り、任意の開口形状が形成されるようにして、被照射面であるレチクル１３（更にはウェハ１５）面上の露光範囲を制限している。
【００２９】
１０、１１は結像レンズで、視野絞り９の開口形状を被照射面であるレチクル１３上に転写している。１２は偏向ミラーである。偏向ミラー１２は、結像レンズ１０から射出された光束を結像レンズ１１（更にはマスク１３）に入射するように偏向させる。なお、結像レンズ１０が予め結像レンズ１１に平行に配置されていれば、偏向ミラー１２は省略可能である。しかし、かかる構成において、偏向ミラー１２は装置の小型化に寄与する。
【００３０】
マスク１３は、例えば、石英製で、その上には転写されるべき回路パターン（又は像）が形成され、図示しないマスクステージに支持及び駆動される。マスク１３から発せられた回折光は投影光学系１４を通りプレート１５上に投影される。プレート１５は、被処理体でありレジストが塗布されている。マスク１３とプレート１５とは光学的に共役の関係に配置される。露光装置１００がステップアンドスキャン方式の露光装置（即ち、スキャナー）であれば、マスク１３とプレート１５を走査することによりマスク１３のパターンをプレート１５上に転写する。また、露光装置１００が、ステップアンドリピート方式の露光装置（即ち、ステッパー）であれば、マスク１３とプレート１５とを静止させた状態で露光を行う。
【００３１】
図示しないマスクステージは、マスク１３を支持して図示しない移動機構に接続されている。マスクステージ及び投影光学系１４は、例えば、床等に載置されたベースフレームにダンパ等を介して支持されるステージ鏡筒定盤上に設けられる。マスクステージは、当業界周知のいかなる構成をも適用できる。図示しない移動機構はリニアモータなどで構成され、光軸と直交する方向にマスクステージを駆動することでマスク１３を移動することができる。露光装置１００は、マスク１３とプレート１５を図示しない制御装置によって同期した状態で走査する。
【００３２】
投影光学系１４は、マスク１３に形成されたパターンを経た光束をプレート１５上に結像する。投影光学系１４は、複数のレンズ素子のみからなる光学系、複数のレンズ素子と少なくとも一枚の凹面鏡とを有する反射屈折光学系（カタディオプトリック光学系）、複数のレンズ素子と少なくとも一枚のキノフォームなどの回折光学素子とを有する光学系、全ミラー型の光学系等を使用することができる。色収差の補正が必要な場合には、互いに分散値（アッベ値）の異なるガラス材からなる複数のレンズ素子を使用したり、回折光学素子をレンズ素子と逆方向の分散が生じるように構成したりする。
【００３３】
プレート１５は、本実施形態ではウェハであるが、液晶基板その他の被処理体を広く含む。プレート１５にはフォトレジストが塗布されている。フォトレジスト塗布工程は、前処理と、密着性向上剤塗布処理と、フォトレジスト塗布処理と、プリベーク処理とを含む。前処理は洗浄、乾燥などを含む。密着性向上剤塗布処理は、フォトレジストと下地との密着性を高めるための表面改質（即ち、界面活性剤塗布による疎水性化）処理であり、ＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌ−ｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）などの有機膜をコート又は蒸気処理する。プリベークはベーキング（焼成）工程であるが現像後のそれよりもソフトであり、溶剤を除去する。
【００３４】
プレート１５は図示しないウェハステージに支持される。ウェハステージは、当業界で周知のいかなる構成をも適用することができるので、ここでは詳しい構造及び動作の説明は省略する。例えば、ウェハステージはリニアモータを利用して光軸と直交する方向にプレート１５を移動する。マスク１３とプレート１５は、例えば、同期して走査され、マスクステージとウェハステージの位置は、例えば、レーザー干渉計などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。ウェハステージは、例えば、ダンパを介して床等の上に支持されるステージ定盤上に設けられる。
【００３５】
本実施形態では、露光光の短波長化と高ＮＡ化に伴い、後述する２次光源面からプレート１５までの光学系の瞳透過率分布が、図１０の中段に示す状態である場合を想定している。この場合、瞳透過率分布は周辺下がりの傾向があるので、所望の有効光源分布を得るべく、２次光源分布を周辺上がりとする調整が必要である。以下に、その２次光源調整手段について詳述する。
（第１調整手段）
オプティカルパイプ４内で伝播する光の反射回数に応じて、オプティカルパイプ射出端４ｂにおける照度分布は、図２のように変化することが光学シミュレーションによりわかっている。そこで、集光光学系３を焦点距離可変のズーム光学系とすることで、オプティカルパイプに入射する光のＮＡを調整可能とし、オプティカルパイプ内で伝播する光反射回数を可変とする。そして、オプティカルパイプ射出端４ｂの照度分布を周辺上がりとなるような条件に調整することで、２次光源面６ｂの光強度分布を周辺上がりに設定可能としている。
【００３６】
更に、照明条件に応じて集光光学系３の焦点距離を調整すれば、照明条件ごとに最適な有効光源分布を得ることができる。なお、集光光学系３をズーム光学系とせずに、焦点距離の異なる光学系（３’）を用意して、照明条件の切り換えに応じて交換してもよい。
（第２調整手段）
オプティカルパイプ射出端４ｂにおける照度分布が、ある一定状態となる条件で、集光光学系３の焦点距離を固定とする。この状態で、オプティカルパイプ射出端４ｂ付近にＮＤフィルターを配置し、２次光源面の光強度分布を調整する。ＮＤフィルターの透過率分布は、周辺透過率が中心透過率よりも高い分布とし、その透過率差が異なるＮＤフィルターを複数枚（２０ａ〜ｄ）を用意して、照明条件ごとに選択可能（ターレット２０）としている。
（第３調整手段）
オプティカルパイプ射出端４ｂにおける照度分布が、ある一定状態となる条件で、集光光学系３の焦点距離を固定とする。そして、結像ズームレンズ５をディストーション可変のズームレンズとすることで、２次光源面６ｂの光強度分布を図２のように調整することを可能としている。
【００３７】
以上第１〜第３の調整手段を少なくとも一つ有することで、２次光源面以降の瞳透過率分布に応じて２次光源分布を調整し、所望の有効光源分布を得ることが可能となる。
【００３８】
特に回転対称で周辺下がりとなる瞳透過率分布に対して有効である。
【００３９】
図３は、本発明の第２の実施形態の露光装置１００ａの単純化された光路図の概略図である。露光装置１００と異なるのは投影光学系が反射屈折系である点である。図１と同じ部分は共通の符号としている。
【００４０】
本実施例では、２次光源面６ｂからウェハ１５までの光学系における瞳透過率分布が、図１１の中段に示す傾きを持っている場合を想定している。この瞳透過率分布に対して、所望の有効光源分布を得るための２次光源調整手段を以下に詳述する。
（第４調整手段）
集光光学系３の焦点距離を変化させることの効果は、第１調整手段に関して前述した。本調整では更に、オプティカルパイプ４へ入射する光束分布を偏らせることで、射出端４ｂの分布を、瞳透過率分布とキャンセルする方向に傾かせた分布とすることを特徴としている。
【００４１】
そのために、例えば集光光学系３を傾き偏心させたり、平行偏心させたりすれば良い。更に、照明条件の切り替えに応じて偏心量を調整可能とする機能を設けることが好ましい。
【００４２】
以上のようにして、集光光学系３を焦点距離可変のズーム光学系にしつつ、オプティカルパイプ４の前段にある光学部材を偏心させることで、２次光源面の光強度分布を適正に調整することが可能となる。また、集光光学系３を焦点距離の異なる複数種類用意して、照明条件の切り換えに応じて交換可能な構成としてもよい。
（第５調整手段）
オプティカルパイプ射出端４ｂにおける照度分布が、ある一定状態となる条件で、集光光学系３の焦点距離を固定とする。この状態で、オプティカルパイプ４の射出端４ｂ付近にＮＤフィルター２０を配置する。この効果は、（第２調整方法）で前述した。本調整では更に、ＮＤフィルター２０を平行シフトさせて配置し、２次光源面の光強度分布を瞳透過率分布とキャンセルする方向に傾かせた分布とするようにしている。
【００４３】
そのためＮＤフィルターは、シフト量が調整可能な駆動機構に装着され、照明条件ごとに最適なシフト量に調整されている。さらに、透過率の異なるＮＤフィルターを複数枚（２０ａ〜ｄ）を用意し、照明条件の切り換えに応じてＮＤフィルターを選択可能にすると更によい。
【００４４】
以上第１〜第５の調整手段を少なくとも一つ有することで、２次光源面以降の瞳透過率分布に応じて２次光源分布を調整し、所望の有効光源分布を得ることが可能となる。特に回転非対称成分と回転対称成分とが混在している瞳透過率分布に対して有効である。
【００４５】
なお、図１に示す光学系は例示的で、例えば、オプティカルパイプ４の代わりに第２のハエの目レンズを使用することも考えられる。
【００４６】
この場合には、新たに設けた第２ハエの目レンズからの光束を、後段のハエの目レンズ６に対して重畳的にケーラー照明する作用を持つコンデンザレンズを（結像ズームレンズ５の代わりに）合わせて使用する。
【００４７】
そして、このときの調整手段は、第２ハエの目レンズの射出面付近に設けられ、露光光束の角度分布によって透過率を制御するものとする。
【００４８】
例えば、入射角度０度で透過率９３％、５度で９８％という特性の透過制御膜を施した平板とし、傾斜可能な構成とする。そして、透過制御量が異なる複数種類を用意して、照明条件の切り換えに応じて交換可能とし、傾斜量も可変をとしている。
【００４９】
次に、基板中心と基板周辺における有効光源分布のバランスをとる調整手段について説明する。一般に、多くの光学部材を透過してきた光線は、光軸から遠い部分を透過するほど透過ロスが大きくなる。従って、基板周辺（軸外）に到達する光束の瞳透過率分布は、基板中心（軸上）よりも傾いた（回転非対称）分布となりやすい。
【００５０】
上記第１〜第５の調整手段により、軸上と軸外の有効光源分布を所望の規格以下にバランスよく調整することが望ましいが、そのためには、軸上における瞳透過率分布と軸外における瞳透過率分布の差をある程度抑えておく補正手段が必要である。
【００５１】
図４にその補正手段について詳述する。プレート１５面に入射する軸外光線は、光軸に近い方を光線３０、光軸から遠い方を光線３１としている。プレート１５までの光学部材を透過してきたことにより、光線３１の方が光線３０よりも透過ロスが大きくなっている。そのため、軸外（基板周辺）での有効光源は回転非対称の分布となっている。
【００５２】
この軸外における光線３０と光線３１の光量差を軽減するためには、プレート（もしくはプレートと共役なレチクルや視野絞り面）近傍のレンズ３３を凸メニスカス形状とすればよい。
【００５３】
凸メニスカスレンズ３３に入射する光線３０の角度は大きく（透過ロス大）、光線３１の角度は小さく（透過ロス小）なるので、ウェハ１５に到達する光線３０と３１の光量差を低減させる効果が期待できる。従って、軸外における瞳透過率分布も良好な状態とすることができる。
【００５４】
図５は、２次光源分布の調整方法について説明したフローチャートである。まず、ステップ１０１にて、設計値（レンズ設計値、コーティング特性、硝材透過率、ミラー反射率など）から各照明条件ごとの透過率をウェハ中心〜ウェハ周辺において算出し、大体の瞳透過率分布を求めておき、求めた瞳透過率分布情報をもとに、２次光源調整手段の基本設定（デフォルト）を決定しておく。
ステップ１０２にて、照明モードが切り換えられたら、ステップ１０３にて露光光の角度分布（有効光源）を測定する。
【００５５】
露光光の角度分布を測定する方法は種々考えられるが、例えば視野絞り９を駆動して、測定したい基板位置に対応するように微小開口を設定すると共に、プレート（ウェハ）近傍に設置したディテクター４０を実際のプレート基準面から光軸Ｚ方向にデフォーカスさせる方法がある。この際、レチクル１３は光路上からはずしておく。このときの装置の状態を図６（ａ）に示す。図１と同じ部分は共通の符号としている。また、説明簡略化のため、偏向ミラー１２を省いた状態で示している。
【００５６】
視野絞り９で制限された露光光のみがプレート面で一旦結像し、角度を反映させたままディテクター４０に入射する。ディテクター４０は、プレートを保持するＸＹステージ４１上に配置されており、その受光面上部には、光束の拡がりに対して充分小さな径のピンホールがある。このディテクター４０をＸＹステージ４１にて、例えば２次元マトリクス状に拡がっている範囲で水平移動させることにより、入射する光強度を計測し、露光光の角度分布を判定している。なお、ディテクターの代わりに２次元ＣＣＤを用いても良い。
【００５７】
他にも視野絞り９と共役な位置に微小開口を設けることで、同様の計測が可能である。具体的には図６（ｂ）に示すように、視野絞り９は開放して、Ｃｒパターンなどにより微小開口を形成した専用レチクルを配置すること等が考えられる。
【００５８】
以上のような方法で、任意のポイントを計測すれば各像高における角度分布が計測可能である。
【００５９】
計測、検出された角度分布情報は主制御装置（図不指示）に送られ、所望の有効光源分布であるかをステップ１０４にて判定され、所望の規格を外れていた場合には、そのズレを補正すべく、ステップ１０５にて主制御装置が２次光源調整手段の駆動量、駆動方向を計算し、ステップ１０６にて２次光源調整手段を計算した所定量、所定方向に駆動させる。駆動後ステップ１０３に戻り、再度露光光の角度分布測定を行う。有効光源が所望の値であれば、調整を終了する。そうでない場合は、適正値になるまで、上記の手順を繰り返す。
【００６０】
以下、図１に示す露光装置１００の露光動作を説明する。露光において、光源１から発せられた光束は、光束整形光学系２によりそのビーム形状が所望のものに成形された後で、集光光学系３に入射する。集光光学系３からのレーザー光は点Ｐに一旦集光（結像）し、その後、発散角を有する発散光束となってオプティカルパイプ４に入射する。
【００６１】
オプティカルパイプ４の射出面４ｂは集光ズームレンズ５によりハエの目レンズ６の入射面６ａに所定の倍率で結像する。上述した調整手段がハエの目レンズ６の射出面６ｂの近傍にできる２次光源分布をその後段の透過率分布に基づいて調整する。ハエの目レンズ６は絞り部材７を透過し、照射レンズ８を介して、視野絞り９を均一に照明する。視野絞り９を通過した光束は結像レンズ１０及び１１を通った後マスク１３の照射面を照明する。
【００６２】
マスク１３を通過した光束は投影光学系１４の結像作用によって、プレート１５上に所定倍率で縮小投影される。調整手段によってプレート１５上の露光光束の角度分布（即ち、有効光源分布）はほぼ均一になる。露光装置１００がステッパーであれば、光源部と投影光学系１４は固定して、マスク１３とプレート１５の同期走査してショット全体を露光する。更に、プレート１５のウェハステージをステップして、次のショットに移り、プレート１５上に多数のショットを露光転写する。露光装置１００がスキャナーであれば、マスク１３とプレート１５を静止させた状態で露光を行う。
【００６３】
本発明の露光装置１００は、調整手段により２次光源分布又は透過率分布を相補的にして有効光源分布を均一にするので、レジストへのパターン転写を高精度に行って高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。
【００６４】
次に、上記説明した露光装置１００を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。
【００６５】
図７は本発明のデバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体素子、ＣＣＤ、或いは液晶素子や磁性材などの微細パターン等）の製造方法のフローチャートである。これについて説明する。ステップ１（回路設計）では、半導体デバイスなどの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（基板製造）ではシリコン等の材料を用いて、ウェハ等の基板を製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は前工程と呼ばれ、本発明の露光装置を用い、前記の用意した回路パターン（第１物体）を形成したマスク（レチクル）とウェハ（第２物体）を用いてリソグラフィ技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組立）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって製作されたウェ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６（検査）では、ステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。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７）される。
【００６６】
図８は上記のウェハプロセスのフローチャートである。ステップ１１（酸化）ではウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウェハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウェハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では本発明の露光装置によってレチクルの回路パターンをウェハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウェハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジストを取り除く。
【００６７】
これらのステップを繰り返し行なうことによってウェハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施形態の製造方法を用いれば、従来よりも短時間で高精度に半導体デバイスを製造することができる。
【００６８】
本実施形態によれば、２次光源面から基板までの透過率分布に応じて、２次光源分布を調整することにより、所望の有効光源分布（基板へ入射する露光光の角度分布）を適正にすることが可能となる。また、基板に共役な面近傍に凸のメニスカスレンズを配置することで、有効光源分布の軸上軸外差を低減することができる。以上から、短波長で高ＮＡの露光装置においても、所望の有効光源分布を形成することが可能となり、露光装置の転写性能を高次元で維持することができる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明の露光装置、露光方法及びデバイス製造方法によれば、光学系の透過率分布（即ち、瞳透過率分布）が均一ではなくても改善された露光光の角度分布（即ち、有効光源分布）を提供でき、基板中心と基板周辺における有効光源分布の差（即ち、有効光源の軸上軸外差）を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明第１の実施形態における露光装置の単純化された光路図を示す概略図である。
【図２】 オプティカルパイプもしくは２次光源面における照度分布を示すグラフである。
【図３】 本発明第２の実施形態における露光装置の単純化された光路図を示す概略図である。
【図４】 瞳透過率の軸上軸外差を補正する手段の説明するための概略断面図である。
【図５】 本実施形態の有効光源分布の補正手順を示すフローチャートである。
【図６】 本実施形態の露光光角度分布の測定方法を示す断面図である。
【図７】 本発明によるデバイス製造方法を示すフローチャートである。
【図８】 本発明によるウェハプロセスを示すフローチャートである。
【図９】 従来の露光装置における２次光源分布と瞳透過率分布と有効光源分布の関係を説明する図である。
【図１０】 短波長光や高ＮＡとなった場合に従来の露光装置における２次光源分布と瞳透過率分布と有効光源分布の関係を説明する図である。
【図１１】 反射屈折系投影光学系を使用する従来の露光装置における２次光源分布と瞳透過率分布と有効光源分布の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 光束整形光学系
３、３’ 集光光学系
４ オプティカルパイプ
５ 結像ズームレンズ
６ ハエの目レンズ
８ 照射レンズ
９ 視野絞り
１３ レチクル
１４ 屈折型の投影光学系
１５ プレート
２０ ＮＤフィルターを保持するターレット
２０ａ〜ｄ ＮＤフィルター
２４ 反射屈折型の投影光学系
３０、３１ 基板周辺に入射する露光光
３３ 凸メニスカスレンズ
４０ ディテクター
４１ ＸＹステージ
Claims (12)
- マスクのパターンの像を被露光体上に投影する投影光学系と、前記投影光学系の瞳面と共役な位置近傍で２次光源面を形成し前記マスクを照明する照明光学系と、を備える露光装置において、
前記２次光源面から前記被露光体までに配置された光学系の、前記２次光源面上の各点から出射し前記被露光体上の一点に入射する光に対する透過率分布（瞳透過率分布）は、不均一であり、
前記瞳透過率分布の傾向と逆の傾向となるように、前記２次光源面における光強度分布を調整する２次光源調整手段を有することを特徴とする露光装置。 - 前記２次光源調整手段は、照明条件の切り替えに伴い、前記２次光源面における光強度分布を調整することを特徴とする請求項１記載の露光装置。
- 前記２次光源調整手段は、前記２次光源面における光強度分布の回転対称成分と回転非対称成分とを、それぞれ調整可能であることを特徴とする請求項１又は２記載の露光装置。
- 前記２次光源調整手段は、集光光学系と、前記集光光学系から射出した光束を反射させて混合する光束混合手段と、前記光束混合手段の射出面で形成された光強度分布を前記２次光源面に略共役で結像する結像ズームレンズとを有し、
前記集光光学系からの発散角を調整することによって、前記２次光源面における光強度分布を調整することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の露光装置。 - 前記瞳透過率分布に応じて、前記集光光学系の焦点距離を可変とする手段を有することを特徴とする請求項４記載の露光装置。
- 前記集光光学系から発散する光束を前記光束混合手段に対して偏心駆動させる手段を更に有することを特徴とする請求項４又は５記載の露光装置。
- 前記集光光学系の焦点距離と前記偏心駆動手段の偏心量は、照明条件の切り換えに応じて調整されることを特徴とする請求項４乃至６のうちいずれか一項記載の露光装置。
- 前記２次光源調整手段は、集光光学系と、前記集光光学系から出射した光束を反射させて混合する光束混合手段と、前記光束混合手段の射出面で形成された光強度分布を前記２次光源面に略共役で結像する結像ズームレンズとを有し、
前記光束混合手段の射出面近傍に透過率補正フィルターを配置していることを特徴とした請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の露光装置。 - 前記透過率補正フィルターは回転対称に透過率を補正する分布を有し、補正量の異なる複数が用意され、照明条件の切り換えに応じて交換可能であることを特徴とする請求項８記載の露光装置。
- 前記透過率補正フィルターを平行シフトする駆動手段を更に有し、
照明条件の切り換えに応じてシフト量を調整することを特徴とする請求項８又は９記載の露光装置。 - 前記２次光源調整手段は、集光光学系と、前記集光光学系から出射した光束を反射させて混合する光束混合手段と、前記光束混合手段の射出面で形成された光強度分布を前記２次光源面に略共役で結像する結像ズームレンズとを有し、
前記結像ズームレンズは、前記瞳透過率分布に応じて、ディスト−ションを可変とすることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の露光装置。 - 請求項１乃至１１のうちいずれか一項記載の露光装置を用いて被露光体を露光するステップと、
露光された前記被露光体を現像するステップとを有することを特徴とするデバイスの製造方法。
Priority Applications (6)
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