(57)【要約】【課題】  被照射面における照度ムラの発生およびレンズ内の応力複屈折の影響による偏光状態の変化を抑える。【解決手段】  光源からの光で被照射面を照明する本発明の照明光学系は、光路中に配置された第１のフレネルレンズ面（１１ａ，１１ｂ）と第２のフレネルレンズ面（１２ａ，１２ｂ）とを備えている。第１のフレネルレンズ面の段差の位置と、第２のフレネルレンズ面の段差の位置とが、照明光学系の光軸（ＡＸ）方向から見て重なり合わないように構成されている。【選択図】  図３
2010062309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光で被照射面を照明する照明光学系において、
光路中に配置された第１のフレネルレンズ面と第２のフレネルレンズ面とを備え、
前記第１のフレネルレンズ面の段差の位置と前記第２のフレネルレンズ面の段差の位置とが前記照明光学系の光軸方向から見て重なり合わないように構成されていることを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記第１のフレネルレンズ面および前記第２のフレネルレンズ面は、１つのフレネルレンズに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記第１のフレネルレンズ面は第１のフレネルレンズに形成され、前記第２のフレネルレンズ面は前記第１のフレネルレンズとは別の第２のフレネルレンズに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項４】
所定のパターンを照明するための請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学系を備え、前記所定のパターンを感光性基板に露光することを特徴とする露光装置。
【請求項５】
請求項４に記載の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、
前記所定のパターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記感光性基板の表面に形成する現像工程と、
前記マスク層を介して前記感光性基板の表面を加工する加工工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光学系、露光装置、およびデバイス製造方法に関する。さらに詳細には、本発明は、半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のデバイスをリソグラフィー工程で製造するための露光装置に好適な照明光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の典型的な露光装置においては、光源から射出された光が、フライアイレンズを介して、その後側焦点面に多数の光源からなる二次光源（所定の光強度分布）を形成する。二次光源からの光は、コンデンサーレンズを介して、所定のパターンが形成されたマスクを重畳的に照明する。マスクを透過した光は投影光学系を介してウェハ上に結像し、ウェハ上にはマスクのパターンが投影露光（転写）される。
【０００３】
近年、回路パターンの高密度化に伴い、露光光の短波長化、投影光学系の高開口数化、レジストの高感度化等の開発が盛んである。また、回路パターンの高密度化に伴い、フライアイレンズの後側焦点面の照明瞳に形成される光強度分布（二次光源）すなわち瞳強度分布の形状や偏光状態などについて多様性が求められている。そこで、偏光制御部、回折光学素子、ズームレンズ、アキシコン系等を用いて、瞳強度分布の形状や偏光状態などについて多様な照明条件を実現する照明光学系が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２４３９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された照明光学系では、波長板等を用いて偏光制御を行っているが、例えばレンズ内の応力複屈折の影響により所要の偏光状態とは異なる偏光状態に変化し易い。レンズ内の応力複屈折の影響はレンズの厚みに応じて増大するため、通常のレンズに代えて、軸上厚を比較的薄くすることのできるフレネルレンズを用いる構成が考えられる。しかしながら、通常のレンズをフレネルレンズで単に置換すると、フレネルレンズ面の段差の影響により、被照射面（露光装置の場合にはマスクのパターン面またはウェハの露光面）における照度分布にムラが発生し易い。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、被照射面における照度ムラの発生およびレンズ内の応力複屈折の影響による偏光状態の変化を抑えることのできる照明光学系を提供することを目的とする。また、本発明は、被照射面における照度ムラの発生およびレンズ内の応力複屈折の影響による偏光状態の変化を抑えることのできる照明光学系を用いて、所望の照明条件の下で良好な露光を行うことのできる露光装置およびデバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、光源からの光で被照射面を照明する照明光学系において、
光路中に配置された第１のフレネルレンズ面と第２のフレネルレンズ面とを備え、
前記第１のフレネルレンズ面の段差の位置と前記第２のフレネルレンズ面の段差の位置とが前記照明光学系の光軸方向から見て重なり合わないように構成されていることを特徴とする照明光学系を提供する。
【０００８】
本発明の第２形態では、所定のパターンを照明するための第１形態の照明光学系を備え、前記所定のパターンを感光性基板に露光することを特徴とする露光装置を提供する。
【０００９】
本発明の第３形態では、第２形態の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記感光性基板に露光する露光工程と、
前記所定のパターンが転写された前記感光性基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記感光性基板の表面に形成する現像工程と、
前記マスク層を介して前記感光性基板の表面を加工する加工工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の照明光学系では、通常のレンズに代えて、軸上厚を比較的薄くすることのできるフレネルレンズを用いているので、レンズ内の応力複屈折の影響による偏光状態の変化を抑えることができる。また、例えば隣り合う一対のフレネルレンズの間で、一方のフレネルレンズのフレネルレンズ面の段差の位置と、他方のフレネルレンズのフレネルレンズ面の段差の位置とが、光軸方向から見て重なり合わないように構成されているので、フレネルレンズ面の段差の影響による照度ムラの発生を抑えることができる。
【００１１】
すなわち、本発明の照明光学系では、被照射面における照度ムラの発生およびレンズ内の応力複屈折の影響による偏光状態の変化を抑えることができる。また、本発明の露光装置では、被照射面における照度ムラの発生およびレンズ内の応力複屈折の影響による偏光状態の変化を抑えることのできる照明光学系を用いて、所望の照明条件の下で良好な露光を行うことができ、ひいては良好なデバイスを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。図１において、感光性基板であるウェハＷの法線方向に沿ってＺ軸を、ウェハＷの面内において図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、ウェハＷの面内において図１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。
【００１３】
図１を参照すると、本実施形態の露光装置では、光源１から露光光（照明光）が供給される。光源１として、たとえば１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源や２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源などを用いることができる。光源１から射出された光は、周知の構成を有するビーム送光系２および偏光制御部３を介して、第１フライアイレンズ４に入射する。
【００１４】
ビーム送光系２は、入射光束を適切な大きさおよび形状の断面を有する光束に変換しつつ偏光制御部３へ導く機能を有する。また、ビーム送光系２は、偏光制御部３へ入射する光束（ひいては第１フライアイレンズ４へ入射する光束）の位置変動および角度変動をアクティブに補正する機能を有する。
【００１５】
偏光制御部３は、例えば、光源側から順に、光軸ＡＸを中心として結晶光学軸が回転自在に構成されて入射する楕円偏光の光を直線偏光の光に変換する１／４波長板３ａと、光軸ＡＸを中心として結晶光学軸が回転自在に構成されて入射する直線偏光の偏光方向を変化させる１／２波長板３ｂと、照明光路に対して挿脱自在なデポラライザ（非偏光化素子）３ｃとを備えている。
【００１６】
偏光制御部３は、デポラライザ３ｃを照明光路から退避させた状態で、光源１からの光を所望の偏光方向を有する直線偏光の光に変換して第１フライアイレンズ４へ入射させる機能を有する。また、偏光制御部３は、デポラライザ３ｃを照明光路中に設定した状態で、光源１からの光を実質的に非偏光の光に変換して第１フライアイレンズ４へ入射させる機能を有する。
【００１７】
第１フライアイレンズ４は、例えば縦横に且つ稠密に配列された複数のレンズ要素からなる波面分割型のオプティカルインテグレータであって、その後側焦点面またはその近傍に多数の光源を形成する。多数の光源からの光は、例えば複数のフレネルレンズからなるリレー光学系５を介して、第２フライアイレンズ６の入射面を重畳的に照明する。
【００１８】
第２フライアイレンズ６は、第１フライアイレンズ４と同様に、例えば縦横に且つ稠密に配列された複数のレンズ要素からなる波面分割型のオプティカルインテグレータである。なお、図１では、図面の明瞭化のために、フライアイレンズ４，６を構成するレンズ要素の数を実際の数よりもかなり少なく表している。
【００１９】
こうして、第２フライアイレンズ６の後側焦点面またはその近傍には、第１フライアイレンズ４のレンズ要素数と第２フライアイレンズ６のレンズ要素数との積に相当する数の多数の光源からなる実質的な面光源（二次光源）が形成される。二次光源からの光は、例えば複数のフレネルレンズからなるコンデンサー光学系７を介して、マスクブラインド８を重畳的に照明する。
【００２０】
照明視野絞りとしてのマスクブラインド８の矩形状の開口部（光透過部）を介した光は、複数のフレネルレンズからなる結像光学系９の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたマスクＭを重畳的に照明する。すなわち、結像光学系９は、マスクブラインド８の矩形状開口部の像をマスクＭ上に形成することになる。マスクステージＭＳ上に保持されたマスクＭのパターンを透過した光は、投影光学系ＰＬを介して、ウェハステージＷＳ上に保持されたウェハ（感光性基板）Ｗ上にマスクパターンの像を形成する。
【００２１】
こうして、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと直交する平面（ＸＹ平面）内においてウェハステージＷＳを二次元的に駆動制御しながら、ひいてはウェハＷを二次元的に駆動制御しながら一括露光またはスキャン露光を行うことにより、ウェハＷの各露光領域にはマスクＭのパターンが順次露光される。なお、図１では、図面の明瞭化のために、リレー光学系５およびコンデンサー光学系７を１つのフレネルレンズにより表し、結像光学系９を一対のフレネルレンズにより表している。
【００２２】
上述の構成において、偏光制御部３よりも下流に配置された光学系、すなわちリレー光学系５、コンデンサー光学系７および結像光学系９を、軸上厚が比較的大きい通常のレンズを用いて構成した場合、例えばレンズ内の応力複屈折の影響により所要の偏光状態とは異なる偏光状態に変化し易い。その結果、所要の偏光状態の光でウェハＷを照明することが困難になり、所望のコントラストを有するマスクパターンの良像を形成することが困難になる。
【００２３】
本実施形態では、レンズ内の応力複屈折の影響による偏光状態の変化を抑えるために、リレー光学系５、コンデンサー光学系７および結像光学系９を、軸上厚を比較的薄くすることのできるフレネルレンズにより構成している。ただし、通常のレンズをフレネルレンズで単に置換しただけでは、フレネルレンズ面の段差の影響により、被照射面（マスクＭのパターン面またはウェハＷの露光面）における照度分布にムラが発生し易い。
【００２４】
例えば、図２に示すように、隣り合う一対のフレネルレンズ２１と２２との間で、フレネルレンズ面２１ａおよび２１ｂの段差の位置とフレネルレンズ面２２ａおよび２２ｂの段差の位置とが互いにほぼ一致している場合、光軸ＡＸからの距離がほぼ等しい４つの段差の作る影（もしくは影がボケたもの）がウェハＷ上に転写され易く、４つの段差の相加的な影響によりウェハＷにおける照度ムラが比較的大きく発生し易い。なお、通常のフレネルレンズでは、光の入射側のフレネルレンズ面と射出側のフレネルレンズ面との間で段差の位置が互いに一致している。
【００２５】
本実施形態では、リレー光学系５、コンデンサー光学系７および結像光学系９のうちの少なくとも１つの光学系において、図３に示すように、隣り合う一対のフレネルレンズ１１と１２との間で、フレネルレンズ面の段差の位置が互いに異なるように構成している。換言すれば、フレネルレンズ１１のフレネルレンズ面１１ａおよび１１ｂの段差の位置と、フレネルレンズ１２のフレネルレンズ面１２ａおよび１２ｂの段差の位置とが、光軸ＡＸ方向から見て重なり合わないように構成している。この場合、図２と図３とを比較して明らかなように、フレネルレンズ面の段差の影響が分散され、ひいては各段差に対応してウェハＷ上に転写される影が低減される。
【００２６】
以上のように、本実施形態の照明光学系（２〜９）では、偏光制御部３よりも下流に配置された光学系において軸上厚を比較的薄くすることのできるフレネルレンズを用いているので、レンズ内の応力複屈折の影響による偏光状態の変化を抑えることができる。また、偏光制御部３よりも下流に配置された所要の光学系中の隣り合う一対のフレネルレンズの間で、フレネルレンズ面の段差の位置が光軸ＡＸ方向から見て重なり合わないように構成されているので、フレネルレンズ面の段差の影響による照度ムラの発生を抑えることができる。
【００２７】
すなわち、本実施形態の照明光学系（２〜９）では、被照射面（Ｍ；Ｗ）における照度ムラの発生およびレンズ内の応力複屈折の影響による偏光状態の変化を抑えることができる。また、本実施形態の露光装置（２〜ＷＳ）では、被照射面（Ｍ；Ｗ）における照度ムラの発生およびレンズ内の応力複屈折の影響による偏光状態の変化を抑えることのできる照明光学系（２〜９）を用いて、所望の照明条件の下で良好な露光を行うことができる。
【００２８】
なお、上述の実施形態では、図３に示すように、所要の光学系中の隣り合う一対のフレネルレンズ１１と１２との間でフレネルレンズ面の段差の位置が互いに異なるように構成している。しかしながら、これに限定されることなく、図４に示すように、所要の光学系に含まれる少なくとも１つのフレネルレンズ１３において、光の入射側のフレネルレンズ面１３ａの段差の位置と、光の射出側のフレネルレンズ面１３ｂの段差の位置とが光軸ＡＸ方向から見て重なり合わないように構成することにより、本発明の効果を達成することができる。
【００２９】
また、図５に示すように、所要の光学系中の隣り合う一対のフレネルレンズ１４および１５において、一方のフレネルレンズ１４の一方のフレネルレンズ面１４ａの段差の位置と他方のフレネルレンズ面１４ｂの段差の位置とが互いに異なり、他方のフレネルレンズ１５の一方のフレネルレンズ面１５ａの段差の位置と他方のフレネルレンズ面１５ｂの段差の位置とが互いに異なり、且つフレネルレンズ１４と１５との間でフレネルレンズ面の段差の位置が互いに異なるように構成することにより、本発明の効果をさらに良好に達成することができる。
【００３０】
なお、上述の実施形態では、マスクの代わりに、所定の電子データに基づいて所定パターンを形成する可変パターン形成装置を用いることができる。このような可変パターン形成装置を用いれば、パターン面が縦置きでも同期精度に及ぼす影響を最低限にできる。なお、可変パターン形成装置としては、たとえば所定の電子データに基づいて駆動される複数の反射素子を含むＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いることができる。ＤＭＤを用いた露光装置は、例えば特開２００４−３０４１３５号公報、国際特許公開第２００６／０８０２８５号パンフレットに開示されている。また、ＤＭＤのような非発光型の反射型空間光変調器以外に、透過型空間光変調器を用いても良く、自発光型の画像表示素子を用いても良い。なお、パターン面が横置きの場合であっても可変パターン形成装置を用いても良い。
【００３１】
上述の実施形態の露光装置は、本願特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
【００３２】
次に、上述の実施形態にかかる露光装置を用いたデバイス製造方法について説明する。図６は、半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図６に示すように、半導体デバイスの製造工程では、半導体デバイスの基板となるウェハＷに金属膜を蒸着し（ステップＳ４０）、この蒸着した金属膜上に感光性材料であるフォトレジストを塗布する（ステップＳ４２）。つづいて、上述の実施形態の露光装置を用い、マスク（レチクル）Ｍに形成されたパターンをウェハＷ上の各ショット領域に転写し（ステップＳ４４：露光工程）、この転写が終了したウェハＷの現像、つまりパターンが転写されたフォトレジストの現像を行う（ステップＳ４６：現像工程）。その後、ステップＳ４６によってウェハＷの表面に生成されたレジストパターンをマスクとし、ウェハＷの表面に対してエッチング等の加工を行う（ステップＳ４８：加工工程）。
【００３３】
ここで、レジストパターンとは、上述の実施形態の露光装置によって転写されたパターンに対応する形状の凹凸が生成されたフォトレジスト層であって、その凹部がフォトレジスト層を貫通しているものである。ステップＳ４８では、このレジストパターンを介してウェハＷの表面の加工を行う。ステップＳ４８で行われる加工には、例えばウェハＷの表面のエッチングまたは金属膜等の成膜の少なくとも一方が含まれる。なお、ステップＳ４４では、上述の実施形態の露光装置は、フォトレジストが塗布されたウェハＷを、感光性基板つまりプレートＰとしてパターンの転写を行う。
【００３４】
図７は、液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図７に示すように、液晶デバイスの製造工程では、パターン形成工程（ステップＳ５０）、カラーフィルター形成工程（ステップＳ５２）、セル組立工程（ステップＳ５４）およびモジュール組立工程（ステップＳ５６）を順次行う。
【００３５】
ステップＳ５０のパターン形成工程では、プレートＰとしてフォトレジストが塗布されたガラス基板上に、上述の実施形態の露光装置を用いて回路パターンおよび電極パターン等の所定のパターンを形成する。このパターン形成工程には、上述の実施形態の露光装置を用いてフォトレジスト層にパターンを転写する露光工程と、パターンが転写されたプレートＰの現像、つまりガラス基板上のフォトレジスト層の現像を行い、パターンに対応する形状のフォトレジスト層を生成する現像工程と、この現像されたフォトレジスト層を介してガラス基板の表面を加工する加工工程とが含まれている。
【００３６】
ステップＳ５２のカラーフィルター形成工程では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応する３つのドットの組をマトリックス状に多数配列するか、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルターの組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルターを形成する。
【００３７】
ステップＳ５４のセル組立工程では、ステップＳ５０によって所定パターンが形成されたガラス基板と、ステップＳ５２によって形成されたカラーフィルターとを用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。具体的には、例えばガラス基板とカラーフィルターとの間に液晶を注入することで液晶パネルを形成する。ステップＳ５６のモジュール組立工程では、ステップＳ５４によって組み立てられた液晶パネルに対し、この液晶パネルの表示動作を行わせる電気回路およびバックライト等の各種部品を取り付ける。
【００３８】
また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。
【００３９】
なお、上述の実施形態では、露光光としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長：１９３ｎｍ）やＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）を用いているが、これに限定されることなく、他の適当なレーザ光源、たとえば波長１５７ｎｍのレーザ光を供給するＦ2レーザ光源などに対して本発明を適用することもできる。また、上述の実施形態では、露光装置においてマスクを照明する照明光学系に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、マスク以外の被照射面を照明する一般的な照明光学系に対して本発明を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】通常のフレネルレンズを用いる構成の不都合を説明する図である。
【図３】本実施形態の要部構成を概略的に示す図である。
【図４】本実施形態の第１変形例の要部構成を概略的に示す図である。
【図５】本実施形態の第２変形例の要部構成を概略的に示す図である。
【図６】半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。
【図７】液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１  光源
２  ビーム送光系
３  偏光制御部
４，６  フライアイレンズ
５  リレー光学系
７  コンデンサー光学系
８  マスクブラインド
９  結像光学系
１１〜１５  フレネルレンズ
Ｍ  マスク
ＰＬ  投影光学系
Ｗ  ウェハ
【図１】
2010062309.tif 000003
【図２】
2010062309.tif 000004
【図３】
2010062309.tif 000005
【図４】
2010062309.tif 000006
【図５】
2010062309.tif 000007
【図６】
2010062309.tif 000008
【図７】
2010062309.tif 000009