JP4846600B2 - マイクロリソグラフィ投射露光装置用照射システム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、マイクロリソグラフィ投射露光装置用照射システムに関する。より詳細には、本発明は、照射システムの瞳面内か、または、瞳面に非常に接近して配置される光学視野画定部品を備える照射システムに関する。こうした視野画定部品は、絞りと共に、照射システムによって投射されるレチクル上に照射される幾何形状と視野の強度分布を決定する。

マイクロリソグラフィ（フォトリソグラフィとも呼ばれる）は、集積回路、液晶ディスプレイ、その他の微細構造デバイスの作製技術である。より詳細には、マイクロリソグラフィ・プロセスは、エッチング・プロセスと共に、基板、たとえば、シリコン・ウェハ上に形成された、薄膜積層体にフィーチャをパターン形成するのに使用される。各層の作製において、ウェハは、最初に、放射、たとえば、深紫外（ＤＵＶ）光に敏感な材料であるフォトレジストでコーティングされる。次に、フォトレジストを上に有するウェハが、走査ステップ式ツールなどの投射露光装置のレチクル（マスクとも呼ばれる）を通して投射光に露光される。レチクルはフォトレジスト上に投射される回路パターンを含む。露光後に、フォトレジストが現像されて、レチクルに含まれる回路パターンに相当する像が生成される。その後、エッチング・プロセスは、回路パターンをウェハ上の薄膜積層体に転写する。最終的に、フォトレジストが除去される。

投射露光装置は、通常、照射システム、投射レンズ、レチクル、ウェハをそれぞれ位置合わせするための、レチクル・アライメント・ステージとウェハ・アライメント・ステージを含む。照射システムは、細長い矩形スリットの形状を有するレチクルの領域を照射する。微細構造デバイスを製造する技術が進歩するにつれて、照射システムに関するより大きな要求が存在する。たとえば、レチクル上の被照射視野を、非常に均一な放射で照射するという必要性が存在する。

照射システムの別の重要な特性は、レチクル上に送られる投射光束の角度分布を操作する能力である。より精巧な照射システムでは、レチクル上に投射されるパターンの種類に投射光の角度分布を適応させることが可能である。たとえば、比較的大きなサイズのフィーチャは、小さなサイズのフィーチャとは異なる角度分布を必要とするであろう。投射光の最も一般的に使用される角度分布は、従来の、環状の、２極や４極の照射設定のことを言う。これらの用語は、照射システムの瞳面における強度分布のことを言う。たとえば、環状照射設定の場合、瞳面において環状領域のみが照射され、そのため、全ての光ビームが同じ角度でレチクル上に斜めに入射するように、投射光の角度分布に小さい角度範囲のみが存在する。

レーザは、通常、照射システムの光源として使用されるため、光源によって放出される投射光束は、通常、小さい断面と少ない発散を有する。したがって、光コンダクタンス値とも呼ばれる幾何学的光学フラックスは小さい。光束が異なる屈折率を有する媒体間の界面を横切る時に、幾何学的光学フラックスは変わらないため、幾何学的光学フラックスは、レンズなどの従来の屈折光学要素によって変わることができない。

したがって、ほとんどの照射システムは、要素上の各点について、その点を通過する光の発散を増加させる光学要素を含む。この特性を有する光学要素は、以下では、一般に、光学ラスタ要素と呼ばれる。こうしたラスタ要素は、通常、周期的に配列された複数の部分構造、たとえば、回折構造またはマイクロレンズを備える。

ＵＳ ６ ２９５ ４４３から、第１光学ラスタ要素が照射システム内の対物レンズの物体平面に配置される照射システムが知られている。第２光学ラスタ要素として形成される視野画定部品が対物レンズの出口瞳面に配置される。この配置の結果として、第１光学ラスタ要素が出口瞳面における強度分布を決定し、したがって、光の角度分布を修正する。同時に、投射光の幾何学的光学フラックスが増加する。視野画定部品は、レチクル上の照射視野のサイズと幾何形状を修正し、同様に、投射光束の幾何学的光学フラックスを増加させる。ズーム光学部品と一対のアキシコン要素が、瞳面における強度分布、したがって、投射光束の角度分布を修正することができる。

従来の照射システムは、レチクル面において均一な放射を生成するガラス・ロッドまたは別の光混合要素を備えることが多い。しかし、これらの混合要素は、投射光の偏光状態をほとんど完全に破壊する。これは、望ましくない作用である。その理由は、注意深く選択された偏光状態を有する投射光でレチクルを照射することが、フォトレジスト上へのレチクルの結像をかなり改善する場合があることがわかっているからである。

そのため、ガラス・ロッドなどの光混合要素を備えない照射システムが設計されていた。しかし、これは、レチクル面において所望の均一な放射を達成するために、他の手段を見つけることを必要とする。レチクルが、投射中にウェハと同期して移動する走査ステップ式ツールにおいて、スキャン方向と垂直な方向への均一な放射は特に問題である。スキャン方向の場合のように放射が時間積分によって平均化されないからである。

この問題を解決する１つの手法は、ＥＰ ０ ９５２ ４９１ Ａ２に開示されている調整可能絞りデバイスを使用することである。このデバイスは、スキャン方向に平行に配列される小さな隣接ブレードの２つの対向する列を備える。各ブレードは、投射光束内に選択的に挿入させることができる。ブレード間の距離を調整することによって、レチクル上の放射を、スキャン方向に垂直な方向に操作することができる。しかし、こうした絞りデバイスのみを使用することは、放射均一性に関して要求される精度を満たさないことがわかっている。

別の手法は、幾何形状を決定するだけでなく、レチクル面における強度分布に大きな影響を及ぼす視野画定部品を改良することである。従来の視野画定部品は、回折光学要素として、または、屈折光学要素、たとえばマイクロレンズ・アレイとして実現されていた。

回折光学要素は、ゼロ回折次数を十分に抑制することができないという欠点を有する。結果として、レチクル面における強度分布は、明るいスポットのアレイを含む。それ以外に、約１８°を超える回折角度は、回折構造の最小のフィーチャ・サイズを必要とし、最小のフィーチャ・サイズは、電子ビーム・リソグラフィによってのみ達成することができる。こうした微細な回折構造のブレーズド・フランクは、非常に少数の、たとえば、２つのステップによって近似されなければならない。これは、デバイスの回折効率を７０％未満の値にかなり下げる。さらに、電子ビーム・リソグラフィによる製造は、非常にゆっくりしたプロセスであるため、これらの要素は非常に高価である。

屈折光学要素は、逆に、かなり大きな角度を導入することを可能にする。しかし、屈折光学要素の主な欠点は、遠方場において、したがって、レチクル面において生成される強度分布が、十分に均一でないことである。平坦である代わりに、強度分布は、許容することができない複数のリップルを特徴とする。

本出願の出願人によって２００３年７月１６日に出願されたＵＳ出願第６０／４８７ ７０８号から、照射システムが知られており、２つの異なる光学ラスタ要素が、２つの異なる瞳面内に配置される。一方の光学ラスタ要素は、スキャン方向に幾何学的光学フラックスを増加させ、他方の光学ラスタ要素は、スキャン方向に垂直な方向に幾何学的光学フラックスを増加させる。

ＵＳ ４ ６８２ ８８５ Ａは、平行円柱レンズの４つのアレイを含む光学積分器を有する照射システムを開示する。２つのアレイは、スキャン方向に沿って広がり、第１焦点距離を有する円柱レンズを有する。他の２つのアレイは、スキャン方向に垂直に広がりる円柱レンズを有し、第１焦点距離より長い第２焦点距離を有する。

レチクル面上で非常に均一な放射を生成するマイクロリソグラフィ投射露光装置用照射システムを提供することが、本発明の目的である。

この目的は、光源、第１光学ラスタ要素、第２光学ラスタ要素を備えるマイクロリソグラフィ投射露光走査ステップ式装置用照射システムによって達成される。第１光学ラスタ要素は、照射システムの第１瞳面内か、または、第１瞳面に非常に接近して広がり、システムの幾何学的光学フラックスが第１方向において増加するように設計された複数の第１部分構造を含む。この方向は、投射露光装置のスキャン方向に少なくとも実質的に垂直である。第２光学ラスタ要素は、第１瞳面と必ずしも異なるわけではない照射システムの第２瞳面内か、または、第２瞳面に非常に接近して広がり、システムの幾何学的光学フラックスが、第１方向と、スキャン方向に少なくとも実質的に平行な第２方向の両方において増加するように設計される複数の第２部分構造を含む。

２つの異なる光学ラスタ要素を設けることによって、２つの垂直な方向について、幾何学的光学フラックスを独立に増加させることが可能である。このことは、レチクル上の照射される視野が、通常矩形幾何学形状を有し、矩形幾何学形状において、矩形の短い辺がスキャン方向に平行に整列するために有利である。結果として、スキャン方向について必要とされる幾何学的光学フラックスの増加はそれに垂直な方向より小さい。これは、２つ以上の光学ラスタ要素をそれぞれのタスクについて最適化する、すなわち、１つの方向に所望の強度分布を生成することを可能にする。ラスタ要素によって生成される遠方場強度分布が、照射される視野の所望の幾何形状によりよく適応すればするほど、視野絞りが被る光損失が減少する。

両方向に幾何学的光学フラックスを増加させる第２光学ラスタ要素を有することは、第１光学ラスタ要素によって引き起こされる第１方向の強度分布の不均一性を、第２光学ラスタ要素によってなくすことができるという利点を有する。

第１と第２またはさらなる光学ラスタ要素のシーケンスは通常任意である。光学ラスタ要素のそれぞれは、非制限的な例として、回折構造の２次元配置、屈折マイクロレンズのアレイ、あるいは位相ステップまたはグレイトーン・フレネル・レンズのアレイとして構成されてもよい。光学ラスタ要素用の可能な構成についてのさらなる例は、ＵＳ ６ ２８５ ４４３に記載され、その内容は、参照により本明細書に全て組み込まれる。

光学ラスタ要素は、瞳面にできる限り近くに配置されるべきである。しかし、他の光学要素が、これらの面内か、または、面に非常に近く配列されなければならないことが多い。したがって、光学ラスタ要素を、光学軸に沿って理想的な位置から面内に少しシフトさせることが必要な場合がある。しかし、この理想的な位置からのわずかなずれは、光学ラスタ要素の機能をあまり低下させないことが多い。光学ラスタ要素の光学特性を許容できないほどに低下させることなく、光学ラスタ要素をこうしてシフトすることができる量は、照射システムの特定のレイアウト、より詳細には、その開口数によって決まる。

好ましくは、第１と第２光学ラスタ要素は、ゼロ強度レベルと最高強度レベルの間でスムーズな遷移を有する傾斜を有する、第２方向に沿うレチクル面の強度分布を引き起こさせることである。これは、パルス量子化作用によって生じる放射不均一性に関する悪い影響を減らすため有利である。理想的には、パルス量子化作用が起こらないため、傾斜は、少なくとも実質的にガウス形状を有する。

第２光学ラスタ要素は、こうした傾斜を有する、第２方向に沿うレチクル面の強度分布を引き起こすだけでよい。第２方向における第１光学ラスタ要素によって生成される強度分布もガウスである場合、両方の要素の組合せもまた、ガウス形状の強度分布となる。

第２方向におけるガウス強度分布は、第１光学ラスタ要素が、単独で、すなわち、第２光学ラスタ要素なしで、少なくとも実質的に第２方向に平行であるライン形状を有する、レチクル面の強度分布を生成する場合に、第１光学ラスタ要素によって生成されることになる。これは、ガウス・レーザ形状のために、このラインもまた、ガウス分布を有することになることによる。こうした第１光学ラスタ要素は、第２方向に沿って延びる対の平行円柱マイクロレンズのアレイによって実現されてもよい。

第２光学ラスタ要素は散乱要素として実現されてもよい。こうした散乱要素は、屈折または回折部分構造が、少なくとも部分的にランダムな方法で、要素の領域上に配置されることを特徴とする。こういう理由で、散乱要素は、第１光学ラスタ要素によって引き起こされる強度分布のリップルまたは他の不均一性をなくすのに特に役立つ。

散乱要素が、ランダムな形状を有する複数のマイクロレンズを備える屈折散乱板として実現される場合、この要素のみが使用される場合、これは、通常、回転対称な強度分布をもたらすことになる。散乱要素としてコンピュータ生成ホログラム用いると、第１と第２方向に異なる強度分布を生成することが可能である。

別の有利な実施態様では、第１光学ラスタ要素は屈折光学要素であり、第２光学ラスタ要素は回折光学要素である。屈折光学要素は、通常、幾何学的光学フラックスを大きな量だけ増加させることができる。他方で、回折光学要素は、通常、小さな回折角度のみが含まれる限り、精密に形作られた強度分布を生成するのにより適している。幾何学的光学フラックスの増加が屈折光学要素によって主に達成されるため、回折光学要素は、幾何学的光学フラックスを比較的少量だけ増加しなければならない。結果として、回折構造の最小フィーチャ・サイズは、偏光作用を回避するのに十分大きくてもよい。それ以外に、より大きな回折構造のブレーズ・フランクは、回折効率が９０％より大きくなることができるように、より多くの、たとえば、８つのステップで近似することができる。

第２光学ラスタ要素は、第１光学ラスタ要素の後ろ、または、前に配置されてもよい。第１と第２光学ラスタ要素は、必ずしも別個の部分である必要はない。たとえば、第２光学ラスタ要素を形成する回折構造を備える湾曲面を有するマイクロレンズのアレイを備える第１光学ラスタ要素を使用することが可能である。

別の実施態様によれば、第１光学ラスタ要素は、少なくとも実質的に直角三角形の形状を有する断面を有する複数の平行プリズムを備える。少なくとも２つのプリズムの断面は、三角形の斜辺が基準面となす角度に対して異なる。そのため、第２光学ラスタ要素は、異なる回折構造を有する複数のゾーンを備えてもよく、ゾーンのそれぞれは、第１光学ラスタ要素の１つのプリズムに相当する。

スキャン方向の均一性がやはり十分でない場合、照射システムは、さらに、第２方向に平行に配列され、光源によって生成される投射光束内に選択的に挿入することができる隣接ブレードの２つの対向する列を有する絞りデバイスを備えてもよい。こうした絞りデバイスはそれ自体当技術分野では知られており、第１と第２光学ラスタ要素によって引き起こされる強度分布の欠陥を補正するのに使用される。

レチクル面における細長い放射分布を生成し、簡単な構成と長い使用寿命を有するマイクロリソグラフィ投射露光装置用照射システムを提供することが、本発明の別の目的である。

この目的は、光伝播方向に沿って、光源と、第１光学ラスタ要素であって、照射システムの瞳面内か、または、瞳面に非常に接近して広がり、投射露光装置のスキャン方向に少なくとも実質的に垂直な第１方向に沿って延びる平行で細長い第１マイクロレンズのアレイを含む第１光学ラスタ要素とを備える照射システムによって解決される。第２光学ラスタ要素が、第１瞳面と必ずしも異なるわけではない照射システムの第２瞳面内か、または、第２瞳面に非常に接近して広がり、スキャン方向に垂直な第２方向に沿って延びる平行で細長い第２マイクロレンズのアレイを含む。第３光学ラスタ要素は、少なくとも実質的に第２マイクロレンズの焦点面内に配置され、第２方向に沿って延びる平行で細長い第３マイクロレンズのアレイを含み、前記第２と第３マイクロレンズは、互いに面する湾曲面を有する。第４光学ラスタ要素は、少なくとも実質的に第１マイクロレンズの焦点面内に配置され、第１方向に沿って延びる平行で細長い第４マイクロレンズのアレイを含む。

こうした配置において、第２と第３光学ラスタ要素は、非常に小さい距離、たとえば、約１ｍｍまたはさらに０．５ｍｍ未満、その中間で配列されてもよい。これは、これらの要素を、非常に高い屈折力、したがって、短い焦点距離を有するように設計することを可能にするために有利である。たとえば、第２方向の出口側で、すなわち、スキャン方向に垂直に約０．３の範囲の、高い開口数を達成するために、短い焦点距離が必要とされる。走査ステップ式装置において、この第２方向は、細長い照射視野がそのより長い伸張部を有する方向である。

第２と第３マイクロレンズの湾曲面が互いに面するため、マイクロレンズまたはマイクロレンズを支持する基板内で非常に高い光強度を有する小さな焦点ラインは、少なくともある程度まで、回避することができる。こうした高い光強度は、マイクロレンズまたは基板を非常に急速に破壊する場合がある。このことのさらなる結果として、ラスタ要素は、非常に薄く、かつ、細長いマイクロレンズが０．５ｍｍ以下の幅を有する状態で設計されてもよい。

マイクロレンズは、従来の円柱レンズであってよい。用語「円柱レンズ」は、通常、規則正しい円柱の形状を有する表面エリアを備えるレンズのことを言う。しかし、規則正しくない円柱の形状を有する表面を備えるマイクロレンズ、たとえば、楕円セクションを有する断面を有するマイクロレンズを使用することも想定される。さらに、マイクロレンズは、必ずしも、円柱である必要はなく、腎臓形状または三日月形状であってもよい。マイクロレンズのこうした代替の形状は、湾曲照射視野が望まれる場合、有利である場合がある。

第１光学ラスタ要素が第２光学ラスタ要素に取り付けられ、第３光学ラスタ要素が第４光学ラスタ要素に取り付けられると、非常にコンパクトでかつ容易な構成が達成される。

第１または第２瞳面内か、あるいは、第１または第２瞳面に非常に接近して配列される散乱要素は、さらに、レチクル面における放射均一性を向上させる。

本発明の実施態様は、図面を参照して以下で詳細に述べられる。

図１は、投射露光走査ステップ式装置において使用される、本発明による照射システムの子午線断面を示す。明確にするために、図１に示す図は、かなり簡略化され、一定の比例尺に従っていない。その全体を１０で示す照射システムは、示されている実施形態ではエキシマ・レーザ１４として実装される光源を備える。エキシマ・レーザ１４は、深紫外（ＤＵＶ）スペクトル範囲、たとえば、１９３ｎｍの波長を有する投射光を放出する。レーザ１４の出口面から出る投射光は、小さな断面と少ない発散を有するコヒーレント光束を形成する。そのため、レーザ１４によって放出される光束の幾何学的光学フラックスは小さい。

光束は、その後、光束が拡げられるビーム拡張ユニット１６に入る。光束は屈折界面において発散するため、光束の断面は、光束の幾何学的光学フラックスを変えることなく増加する。これは、幾何学的光学フラックスが、異なる屈折率を有する光学媒体間の界面において屈折する光束について不変量であることによる。

ビーム拡張ユニット１６を通過した後、投射光束は回折光学要素１８に入射する。回折光学要素１８は、発散が導入されるように、各入射光線を偏向させる１つまたは複数の回折格子を備える。図１では、これは、２つの発散光線２０、２２に分割される軸方向光線について、概略的に示される。そのため、回折光学要素１８は、投射光束の角度分布を修正し、さらにその幾何学的光学フラックスを増大させる。この目的に適するこの種類の回折光学要素は、当技術分野ではそれ自体知られているため（たとえば、ＵＳ ６ ２８５ ４４３を参照されたい）、回折光学要素は以下でさらに詳細には述べない。

回折光学要素１８はまた、任意の他の種類の光学ラスタ要素、たとえば、マクロレンズがフレネル・ゾーン・プレートによって形成されるマイクロレンズ・アレイによって置き換えることができる。この目的に適する光学ラスタ要素についてのさらなる例は、上述したＵＳ ６ ２８５ ４４３に示されている。

回折光学要素１８は、ズーム・レンズ群２５とアキシコン要素２７ａ、２７ｂの対２７によって単に示される第１対物レンズ２６の物体平面２４内に配置される。参照数字２８は、第１対物レンズ２６の出口瞳面を示す。

以下でより詳細に説明され、２つの光学ラスタ要素からなる視野画定部品３０は、第１対物レンズ２６の瞳面２８内に配置される。視野画定部品３０は、やはり、各点に発散を導入し、したがって、投射光束の幾何学的光学フラックスを再度増大させる。視野画定部品３０によって導入される発散は、入射光線２０、２２について発散光線２０ａ、２０ｂと２２ａ、２２ｂによって図１に概略的に示される。

発散光線２０ａ、２０ｂと２２ａ、２２ｂは、図１では単一コンデンサ・レンズ３２で代表されている第２対物レンズ３２に入る。第２対物レンズ３２は、その入口瞳面が第１対物レンズ２６の出口瞳面２８に一致するように、照射システム１０内に配列される。第２対物レンズ３２の像平面３４は、レチクル・マスキング（ＲＥＭＡ）ユニット３８が配置される視野面である。

レチクル・マスキング・ユニット３８は、照射システム１０がその中に一体化される露光装置のスキャン方向に平行な方向に照射される視野の境界を定める、対向する調整可能なブレードの２つの対を有する第１サブユニットを備える。レチクル・マスキング・ユニット３８はまた、スキャン方向に垂直な方向に照射される視野の境界を定める第２サブユニットを備えてもよい。この目的のために、第２サブユニットは、スキャン方向に平行に配列され、光源１４によって生成される投射光束内に選択的に挿入することができる隣接ブレードの２つの対向する列を有する。こうした第２サブユニットは、放射均一性をさらに改善するために使用される。こうした第２サブユニットについての例は、ＥＰ １ ０２０ ７６９ Ａ２に示され、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

レチクル・マスキング・ユニット３８は、したがって、スキャン方向において照射される視野の急峻な縁部を確保する絞りを形成する。この目的にために、第２対物レンズの像平面３４と一致する物体平面を有する第３対物レンズ４２が、照射システム１０の光学軸４４に沿って配列される。ＲＥＭＡ対物レンズとも呼ばれる第３対物レンズ４２の像平面４６内にレチクル４０が配置される。

図２は、レチクル４０内に含まれるパターンが投射レンズ５０によって、フォトレジストで覆われるウェハ５２上に結像される方法の略斜視図を示す。矢印５４で示され、Ｘ方向に一致するスキャン方向に沿ってレチクル４０が移動する間に、矩形スリットの形態の照射される視野５６が、レチクル４０の被パターン形成エリア５８を走査する。所定の瞬間に、被パターン形成エリア５８の照射される視野５６内にある部分のみが、投射レンズ５０によってウェハ５２上に投射され、ウェハ５２上に被パターン形成エリア５８の像６０を形成する。像６０は、たとえば、１／４に等しい投射レンズ５０の縮小率によって、サイズが縮小される。

図３、図４は、視野画定部品３０の第１の実施形態を、斜視図と断面でそれぞれ示す。視野画定部品３０は、第１屈折光学要素６２と散乱板６４からなる。屈折光学要素６２は、長手方向軸がＸ方向に沿って配向する複数の円柱マイクロレンズ６５、６６を備える。隣接するマイクロレンズ６５、６６の各対は、凹状マイクロレンズ６５と凸状マイクロレンズ６６が交互になるように、反対符号を有する曲率を有する。図３、図４では、いくつかの円柱マイクロレンズ６５、６６のみが示される。実際には、数百のこうしたマイクロレンズが存在している。

示されている実施形態では、散乱板６４は、通常、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）と呼ばれる特別な回折光学要素である。こうしたＣＧＨは、幾何学的光学フラックスが、１つの方向のみで、または、両方向で増加するように設計することができる。

散乱板６４がない場合、屈折光学要素６２は、レチクル面４６内でＹ方向に平行な狭いラインを生成する。ラインの幅は、エキシマ・レーザ１４の強度分布（レーザ形状）によって主に決定される。

図５は、散乱板６４がない場合に、レチクル面４６内で、Ｙ方向に、すなわち、スキャン方向に垂直に屈折光学要素６２によって生成される強度分布を示す。図５のグラフでは、この強度分布は、急峻な傾斜６８と多数のリップル７０を有し、リップルの高さは傾斜６８に向かって増加することが見てわかるであろう。レチクル４０が、Ｙ方向に沿って、図５に示す強度分布を有する投射光束で照射される場合、これは、露光投射装置によって生成される微細構造デバイスのかなりの望ましくない構造サイズの変動をもたらすことになる。これは、レチクル面４６内の強度分布が不均一である場合、同じことが、フォトレジスト上の強度分布にも適用される。フォトレジストは非常に急峻な露光閾値を有するため、フォトレジスト上での強度変動は、サイズ変動に直接変換される。

図６は、レチクル面４６内での、Ｘ方向、すなわち、スキャン方向に屈折光学要素６２によって生成される強度分布を示す。強度分布は、レーザ形状で主に与えられ、したがって、２つの急峻な傾斜７２を有するガウス形状を有する。

図７、図８は、屈折光学要素６２が存在しない場合の、レチクル面４６内での、それぞれ、Ｙ、Ｘ方向における散乱板６４によって生成される強度分布を示すグラフを示す。散乱板６４は、Ｙ方向で、すなわち、スキャン方向に垂直方向で、急峻な傾斜７６と小さな平坦部分７８を有する強度分布を生成するように設計される。Ｘ方向において、ほぼガウス形状を有する、より広い強度分布７７が生成される。

屈折光学要素６２と散乱板６４の組合せによって、それぞれの要素だけによって生成される強度分布の畳込みとして数学的に記述することができる強度分布がもたらされる。図のより具体的に示す点から見られる場合、散乱板６４は、屈折光学要素６２によって生成される強度分布を両方向で異なる程度だけぼかす。これによって、フォトレジスト上での強度分布の均一性のかなりの改善がもたらされる。これは、図９、図１０を参照して以下で説明される。

図９は、レチクル面４６内で、Ｙ方向で、すなわち、スキャン方向に垂直方向で、視野画定部品３０によってもたらされる得られる強度分布を示す。図５、図７に示す強度分布の畳込みによって、照射される視野５６の横方向側面で強度分布の境界を定める、ほとんど完全に平坦なセクション８０とわずかに広がるように傾斜した部分８２を有する強度分布がもたらされる。

平坦部分８０は、散乱板６４によって引き起こされるぼかし作用の結果であり、リップル７０をなくす。このぼかし作用は、矢印によって示す方向に屈折光学要素６２に入る２つの光線７９ａと７９ｂによって図４に示される。光線７９ａ、７９ｂは、幾何学的光学フラックスが増加するように、円柱マイクロレンズ６５、６６の湾曲面８１において屈折を受ける。屈折した光線７９ａ、７９ｂは、その後、散乱板６４に入り、散乱板６４において、幾何学的光学フラックスが再度増加し、それによって、光線７９ａ、７９ｂは、それぞれ、散乱板６４から単一光線としてではなく、発散束８３ａ、８３ｂとして出る。束８３ａ、８３ｂ内の角度分布は、散乱板６４を形成するコンピュータ生成ホログラム（ＣＨＧ）の回折構造のパターンによって決定される。

横方向側面において、すなわち、スキャン方向に平行に、照射される視野５６の急峻な縁部を達成するために、レチクル・マスキング・ユニット３８の第１サブユニットのブレードが傾斜８２を完全に遮断するように調整される。ブレードの位置は、破線８４によって図９に示されている。両方の傾斜８２が急峻であるため、これらの傾斜８２の下の点線エリア８４は小さい。これらの点線エリア８４は、照射される視野５６のこの部分を遮断することによって失われる光エネルギーを表す。散乱板６４だけ（図７を参照されたい）によって生成される強度分布の傾斜７６が急峻になればなるほど、点線エリア８４、したがって、Ｙ方向におけるレチクル・マスキング・ユニット３８の絞りによって生じる光損失が小さくなる。

図１０は、レチクル面４６内での、Ｘ方向、すなわち、スキャン方向における屈折光学要素６２と散乱板６４の組合せによって生成される強度分布を示す。屈折光学要素６２によって生成され、図６に示すガウス形状の狭いラインと、散乱板６４によって生成され、図８に示すガウス強度分布との畳込みは、同様に、ガウス傾斜８６を有する強度分布をもたらす。これは、２つのガウス関数の畳込みが形態を変えず、したがって、やはりガウス関数を生じることによる。スキャン方向において、この強度分布の一部を遮断する必要性は存在しない。その理由は、照射される視野５６は、レチクル４０の被パターン形成エリア５８の上を走査し、それによって、照射される視野５６だけが、それぞれのスキャン・プロセスの始まりと終りにおいて遮断される必要があるためである。

図１０に示す強度分布の広いガウス傾斜８６は、パルス量子化作用が起こる可能性がないというかなりの利点を有する。これは、フォトレジスト上での放射の均一性をかなり改善する。

パルス量子化作用は、図１１と図１２を参照して以下で説明される。図１１は、投射光束を通して、スキャン方向Ｘに沿って移動しながら、被パターン形成エリア５８上の第１点が露光される光強度を示すグラフである。この点が、投射光に対して露光される時間窓は、長さＴを有する。エキシマ・レーザ１４によって放出される光パルスは、細長い矩形Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐ９によって表される。ここで、第１点は、投射光束を通した移動中に、３つの連続するパルスＰ４、Ｐ５、Ｐ６に対して露光されることが仮定される。

図１２は、同様なグラフを示すが、より早期に露光されるように、（スキャン方向Ｘに見られる場合）第１点の前に配置される被パターン形成エリア５８上の第２点について示される。しかし、長さＴの時間窓は、ここでは、パルスＰ１〜Ｐ９のシーケンスと異なる時間関係を有する。結果として、３つのパルスだけでなく、４つのパルスＰ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７もまた、長さＴの時間間隔中に第２点上での放射に寄与する。これは、第１点は、第２点によって受け取られる光エネルギーの４分の３のみを受け取ることを意味する。そのため、被パターン形成エリア５８上の異なる点は、均一に照射されないが、各光パルスＰ１〜Ｐ９は、同じ強度を有すると仮定される。

図１３は、屈折光学要素６２と散乱板６４の組合せによって生成される、Ｘ方向における強度分布についての状況を示す。スムーズな傾斜８６により、光パルスＰ１〜Ｐ９は、レチクル４０の被パターン形成エリア５８の特定の点上の放射に一様には寄与しない。代わりに、光パルスＰ４、Ｐ５、Ｐ７、Ｐ８は、少ないエネルギーで特定の点上の放射に寄与する。全体の放射、すなわち、実線で図１３に描いた矩形のエリアの総和は、光パルスＰ１〜Ｐ９のシーケンスに関する時間窓の位置とは無関係であることがわかっている。換言すれば、時間軸に沿って光強度分布８８をシフトさせることは、実線で描いた矩形の総面積を変えない。

これは、傾斜８６がガウス形状を有する場合にだけ、まさに当てはまる。傾斜８６が理想的なガウス形状から偏倚すればするほど、放射不均一性に対するパルス量子化作用からの寄与が大きくなることが予測される。

上述した実施形態は、多くの点で修正することができる。たとえば、散乱板６４のみによって生成される強度分布は、Ｘ方向とＹ方向の両方について同じであってもよい。この強度分布が、図８に示すように、ガウス形状を有する場合、これは、点線エリア８４（図９を参照されたい）が大きくなるため、より大きな光損失をもたらすであろう。他方では、回転対称の強度分布を生成する散乱板の製造は、技術的観点から、より容易で、かつ、より安価である。特に、そのため、散乱板６４は、その形状がランダムに異なる複数のマイクロレンズを有する屈折光学要素として実現することができる。こうした散乱板は、回転対称の強度分布を生成する。

パルス量子化作用が、不均一性について主要な問題ではない場合、Ｘ方向（スキャン方向）における強度分布は、（近似的に）ガウスである必要はない。そこで、散乱板６４は、リップル７０のぼかしがガウス分布を必要としないため、矩形回転対称強度分布を生成してもよい。

この実施形態の別の代替法において、屈折光学要素６２は、Ｙ方向に沿って配列される円柱マイクロレンズ６５だけでなく、Ｘ方向に沿って配列される円柱マイクロレンズもまた備える。これは、レチクル面４６内で狭いラインの代わりに矩形を生成する。あるいは、マイクロレンズの配向に関して異なる円柱マイクロレンズを有する２つの異なる屈折要素が設けられてもよい。屈折光学要素６２だけによって両方の方向Ｘ、Ｙにおいて幾何学的光学フラックスが増加するため、散乱板は、幾何学的光学フラックスを大幅に増加させる必要はない。代わりに、散乱板は、屈折光学要素について典型的である強度分布におけるリップル７０を単にぼかすように設計することができる。所望の場合、散乱板はまた、パルス量子化作用を減らすために、スキャン方向Ｘにおいて屈折光学要素によって生成される強度分布の傾斜を広くすることができる。

もちろん、散乱板６４はまた、投射光が屈折光学要素６２に入る前に散乱されるように、屈折光学要素６２の他の面上に配置することができる。２つ以上の散乱板を使用すること、または、散乱構造が両方の表面に適用される板を使用することも想定される。

光の発散均一性を改善するために、散乱板６４を出口瞳面２８内で移動させるようになっている操作器９１（図１を参照されたい）を設けることが可能である。こうした移動は、この面内の併進移動であるか、または、光学軸４４を中心とする回転とすることができる。そのため、散乱板内での考えられる不均一性の悪影響がなくなる。同様に、異なる方向に、また、異なる速度に関して回転する多くの散乱板６４の縦続接続を設けることもできる。

図１４、図１５は、視野画定部品３０’の別の実施形態を、それぞれ、水平断面図と平面図で示す。

視野画定部品３０’は、Ｘ方向に沿って、すなわち、スキャン方向に平行に配列される、複数の横方向に隣接する円柱レンズ６５を有する屈折光学要素６２’を備える。図３、図４に示されている実施形態に対する主要な差は、視野画定部品３０’が、散乱板６４の代わりに、屈折光学要素６２’の平坦表面９２上に形成される回折光学要素９０を備えることである。

回折光学要素９０は、Ｘ方向において、同様に、Ｙ方向においても幾何学的光学フラックスを増加させる。屈折光学要素６２’は、図５に示す分布と同じ広い強度分布を生成するため、回折光学要素９０によって引き起こされる幾何学的光学フラックスの増加は、両方の方向において小さい可能性がある。その結果として、回折光学要素９０は、ブレーズ・フランクが多くの数、たとえば、８つのステップで近似される、ブレージングされた回折格子として実現することができる。段階的曲線によってブレーズ・フランクがよりよく近似されればされるほど、回折格子の回折効率が高くなる。それ以外に、より大きな回折構造は、回折構造が、投射光の波長よりかなり大きいという利点を有する。結果として、そのサイズが波長に匹敵する回折構造を有する回折要素の場合にそうであるように、回折光学要素は、投射光束を偏光させない。

視野画定部品３０’は、図４、図５に示す視野画定部品３０と同じ機能を有する。Ｙ方向における幾何学的光学フラックスの増加のために、屈折光学要素６２’によって生成される強度分布に存在するリップル７０は、かなりの程度までなくすことができる。さらに、Ｘ方向において屈折光学要素６２’によって生成される強度分布の急峻な傾斜７２は、図１０に示す理想的なガウス形状を近似するように広くすることができる。そのため、図１４、図１５に示されている実施形態もまた、Ｙ方向のリップルをなくし、パルス量子化作用を低減することによって、レチクル面における放射の均一性を改善する。

図１６は、その全体を３０”で示す視野画定部品についての別の実施形態を示す。視野画定部品３０”は、回折光学要素が、屈折光学要素６２’の平坦表面９２ではなく、湾曲面８１上に設けられる点で、図１４、図１５に示す視野画定部品３０’と異なる。回折光学要素９０”は、たとえば、コンピュータ生成ホログラムとして実現することができる。視野画定部品３０”は、図１４、図１５に示す視野画定部品３０’と実質的に同じ作用を有する。

図１７では、視野画定部品の別の実施形態が、水平断面で示され、その全体が３０'''で示される。視野画定部品３０'''は、細長いプリズム９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄの規則正しいアレイで構成される屈折光学要素６２'''を備え、アレイの長手方向軸は、Ｙ方向に平行に、すなわち、スキャン方向に垂直に整列する。プリズム９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄは、約１〜３ｍｍのＹ方向の長さを有することができる。各プリズム９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄは、基準面９４と斜辺エリア９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄとの間の異なる角度αを有する三角形断面を有する。

プリズム９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄは、図１８に示すように、レチクル面４６において小さな明るいスポット９８のパターンを生成する。エキシマ・レーザ１４によって放出されるレーザ・ビームの強度分布が広ければ広いほど、スポット９８が大きくなる。明るいスポット９８が、そのエリアにわたって非常に密に分配される場合、強度分布は重なることになり、それによって、リップルを有する連続する強度分布が生成されることになる。

これらのリップルをなくすために、視野画定部品３０'''は、Ｘ方向とＹ方向の両方において、幾何学的光学フラックスを増加する回折光学要素１００を備える。これは、さらに、レチクル面４６においてほぼ均一な強度分布が達成されるように、明るいスポット９８をぼかす。図１８において、これは六角形エリア１０２によって示され、六角形エリアは、光エネルギーが、回折光学要素１００によってそれぞれの明るいスポット９８からその上に分配されるエリアを表す。

同様に、この実施形態では、回折光学要素１００によって引き起こされる幾何学的光学フラックスの増加は、比較的小さく、それによって、この要素は、比較的大きな回折構造を持たせて製造することができる。結果として、回折光学要素１００は、高い回折効率を有することができ、投射光の偏光状態に著しく影響を及ぼさない。

回折光学要素１００の作用を改善するために、回折光学要素１００は、図１７において点線によって分離され、例示的に９９ａ、９９ｂによって示される複数の異なるゾーンに細分されてもよい。各ゾーンに含まれる回折構造の構成は、プリズム９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄから出る光線が基準面９４となす角度に適合する。

図１９、図２０、図２１は、視野画定部品の別の実施形態を、それぞれ、斜視図ならびにＹ−Ｚ面に平行な断面、Ｘ−Ｚ面に平行な断面で示す。これらの図は、一定の比例尺に従っておらず、かなり簡略化されている。その全体を１３０で示す視野画定部品は、円柱マイクロレンズのアレイの２つの群Ｇ１、Ｇ２を備える。群Ｇ１は、それぞれが、Ｙ方向に沿って整列した長手方向軸を有し、後側焦点距離ｆ₁を有する、平行第１円柱マイクロレンズ１６４の第１アレイ１６２を含む。群Ｇ１は、さらに、それぞれが、Ｘ方向に沿って整列した長手方向軸を有し、後側焦点距離ｆ₂＜ｆ₁を有する、平行第２円柱マイクロレンズ１６８の第２アレイ１６６を含む。第２円柱マイクロレンズ１６８の平らな面は、第１円柱マイクロレンズ１６４の平らな面に直接取り付けられる。群Ｇ２は、それぞれが、Ｘ方向に沿って整列した長手方向軸を有し、前側焦点距離ｆ₃＝ｆ₂を有する、平行第３円柱マイクロレンズ１７２の第３アレイ１７０を含む。図２０を見て最もよくわかるように、第３アレイ１７０は、第３円柱マイクロレンズ１７２の湾曲した面が、第２円柱マイクロレンズ１６８の湾曲した面に向くように、光学軸１４４に沿って配置される。さらに、第３円柱マイクロレンズ１７２のこれらの湾曲した面は、少なくとも実質的に第２円柱マイクロレンズ１６８の後側焦点面内に配置される。ｆ₃＝ｆ₂であるため、第２アレイ１６６は、少なくとも実質的に第３アレイ１７０の前側焦点面内に配置される。

第２円柱マイクロレンズ１６８の焦点ラインは、少なくともほぼ第３円柱マイクロレンズ１７２の湾曲した面上にあるため、マイクロマイクロレンズまたはマイクロレンズを支持する基板の材料を破壊することがある非常に高い光強度が生じることがない。

群Ｇ２は、さらに、それぞれが、Ｙ方向に沿って整列した長手方向軸を有し、前側焦点距離ｆ₄＝ｆ₁を有する、平行円柱マイクロレンズ１７６の第４アレイ１７４を含む。図２１を見て最もよくわかるように、円柱マイクロレンズ１７６の後ろの面が、少なくとも実質的に第１アレイ１６２の円柱マイクロレンズ１６４の後側焦点面内にあるように、第４アレイ１７４が光学軸１４４に沿って配置される。さらに、第３円柱マイクロレンズ１７２のこれらの湾曲した面は、少なくとも実質的に第２円柱マイクロレンズ１６８の後側焦点面内に配置される。ｆ₄＝ｆ₁であるため、第１アレイ１６２は、少なくとも実質的に第４アレイ１７４の前側焦点面内に配置される。第４アレイ１７４の円柱マイクロレンズ１７６の平らな面は、第３アレイ１７０の円柱マイクロレンズ１７２の平らな面に直接取り付けられる。

視野画定部品１３０は、さらに、アレイのうちの１つのアレイの非常に近くに、ここでは、第４アレイ１７４の背後に配列される散乱板１８０を含む。あるいは、散乱板１８０は、第１アレイ１６２の前か、または、群Ｇ１とＧ２の間に配置されてもよい。散乱板１８０は、さらに、レチクル面４６内の放射均一性を増大させる。

本発明の第１の実施形態による照射システムの子午線断面図である。 レチクルに含まれるパターンが投射レンズによってウェハ上に結像される方法の略斜視図である。 視野画定部品の第１の実施形態の斜視図である。 図３の視野画定部品の断面図である。 Ｙ方向で屈折光学要素によって生成される強度分布を示す図である。 Ｘ方向で屈折光学要素によって生成される強度分布を示す図である。 Ｙ方向で散乱板によって生成される強度分布を示す図である。 Ｘ方向で散乱板によって生成される強度分布を示す図である。 Ｙ方向で、図３、図４の視野画定部品によって生成される強度分布を示す図である。 Ｘ方向で、図３、図４の視野画定部品によって生成される強度分布を示す図である。 パルス量子化作用を示す時間スケール上の強度分布を示す図である。 パルス量子化作用を示す時間スケール上の強度分布を示す図である。 図３、図４の視野画定部品を用いるとパルス量子化作用が起こらない理由を示す図である。 視野画定部品の第２の実施形態の断面図である。 図１４の視野画定部品の上面図である。 視野画定部品の第３の実施形態の断面図である。 視野画定部品の第４の実施形態の断面図である。 図１７の視野画定部品によって生成される強度分布の略図である。 視野画定部品の第５の実施形態の斜視図である。 Ｙ−Ｚ面に平行なセクションにおける図１９の視野画定部品を示す図である。 Ｘ−Ｚ面に平行なセクションにおける図１９の視野画定部品を示す図である。

Claims (10)

1. マイクロリソグラフィ投射露光走査ステップ式装置用照射システムであって、光伝播方向に沿って配列された以下の部品、すなわち、
   ａ）光源（１４）と、
   ｂ）第１光学ラスタ要素と、
   ｃ）第２光学ラスタ要素（１６６）と、
   ｄ）第３光学ラスタ要素（１７０）と、
   ｅ）第４光学ラスタ要素（１７４）とから構成され、
   前記第１光学ラスタ要素（１６２）は、照射システム（１０）の第１瞳面（２８）内で、または、前記第１瞳面に非常に接近して広がり、前記投射露光装置のスキャン方向に少なくとも実質的に垂直である第１方向（Ｙ）に沿って延びる平行で細長い第１マイクロレンズ（１６４）のアレイを有し、
   前記第２光学ラスタ要素（１６６）は、前記第１瞳面（２８）と必ずしも異なるわけではない照射システムの第２瞳面（２８）内で、または前記第２瞳面に非常に接近して広がり、前記スキャン方向に実質的に平行な第２方向（Ｘ）に沿って延びる平行で細長い第２マイクロレンズ（１６８）のアレイを有し、
   前記第３光学ラスタ要素（１７０）は、少なくとも実質的に前記第２マイクロレンズ（１６８）の焦点面内に配置され、平行で細長い第３マイクロレンズ（１７２）のアレイを有し、前記第２マイクロレンズ（１６８）と第３マイクロレンズ（１７２）は互いに面する湾曲面を有する第３光学ラスタ要素と、
   第４光学ラスタ要素（１７４）は、少なくとも実質的に前記第１マイクロレンズ（１６４）の焦点面内に配置され、前記第１方向（Ｙ）に沿って延びる平行で細長い第４マイクロレンズ（１７６）のアレイを有し、
   前記第３のマイクロレンズ（１７２）は前記第２方向（Ｘ）に延び、前記第４のマイクロレンズ（１７６）は前記第１方向（Ｙ）に延びることを特徴とする照射システム。
2. 前記光学ラスタ要素（１６２、１６６、１７０、１７４）の前記マイクロレンズ（１６４、１６８、１７２、１７６）は、１ｍｍ未満の幅を有することを特徴とする請求項１に記載の照射システム。
3. 前記第２光学ラスタ要素（１６６）と前記第３光学ラスタ要素（１７０）の間の距離は１ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の照射システム。
4. 前記第２光学ラスタ要素（１６６）と前記第３光学ラスタ要素（１７０）の間の距離は０．５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項３に記載の照射システム。
5. 前記マイクロレンズ（１６４、１６８、１７２、１７６）は円柱レンズであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の照射システム。
6. 前記第１光学ラスタ要素（１６２）は前記第２光学ラスタ要素（１６６）に取り付けられ、前記第３光学ラスタ要素（１７０）は前記第４光学ラスタ要素（１７４）に取り付けられることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の照射システム。
7. 前記第１または第２瞳面（２８）内、または前記第１または第２瞳面に非常に近く配列される散乱要素（１８０）を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の照射システム。
8. 隣接ブレードの２つの対向する列を有する絞りデバイス（３８）を備え、前記隣接ブレードの２つの対向する列は、前記第２方向に平行に配列され、前記光源によって生成される投射光束内に選択的に挿入することができることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の照射システム。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の照射システムを備えることを特徴とする投射露光装置。
10. 微細構造デバイスを作製するマイクロリソグラフィ法であって、
    ａ）感光性層を支持する基板（５２）を設けるステップと、
    ｂ）前記感光性層上に結像される構造を含むレチクル（４０）を設けるステップと、
    ｃ）請求項１から８のいずれか一項に記載の照射システム（１０）を設けるステップと、
    ｄ）投射レンズ（５０）によって、前記感光性層上に前記レチクル（４０）の少なくと
    も一部を投射するステップとから構成されることを特徴とするマイクロリソグラフィ法。

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