【手続補正書】
【提出日】平成17年2月28日(2005.2.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  投影光学系、投影露光装置及び走査投影露光方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】  第１面と第２面を相対的に走査して、前記第１面の像を前記第２面に結像する走査型投影露光装置に用いられる投影光学系において；
第１面の中間像を形成する第１結像光学系と；
前記中間像の像を前記第２面上に形成する第２結像光学系と；
前記中間像の近傍に配置され、前記第１結像光学系からの光を前記第２結像光学系へ導く光路偏向部材と；
前記光路偏向部材と前記第２面との間の光路中に配置され、偏光面を変化させる第１偏光手段とを備え；
前記第１結像光学系は、屈折光学系と凹面鏡とを含み；
前記第１結像光学系は、前記結像に該第１結像光学系の光軸からはずれた露光領域の光を用いるように構成されたことを特徴とする；
投影光学系。
【請求項２】  前記第１面を円偏光で照明する円偏光供給手段を備え；
前記第１偏光手段は２分の１波長板であることを特徴とする、請求項１に記載の投影光学系。
【請求項３】  前記第１面を直線偏光で照明する直線偏光供給手段を備え；
前記第１偏光手段は４分の１波長板であることを特徴とする、ことを特徴とする、請求項１に記載の投影光学系。
【請求項４】  前記凹面鏡と前記光路偏向部材との間の光路中に、前記光路偏向部材に入射する光を直線偏光にする第２偏光手段を備えることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の投影光学系。
【請求項５】  第１面と第２面とを相対的に走査して、前記第１面の像を前記第２面に結像する走査型投影露光装置に用いられる投影光学系において、
屈折光学系と凹面鏡とを含み、前記第１面の中間像を形成する第１結像光学系と；
前記中間像の像を前記第２面上に形成する第２結像光学系と；
前記中間像の近傍に配置され、前記第１結像光学系からの光を前記第２結像光学系へ導く光路偏向部材とを備え；
前記第１結像光学系は、前記結像に前記第１結像光学系の光軸からはずれた露光領域の光を用いるように構成され；
前記光路偏向部材に対してＳ偏光の直線偏光を前記光路偏向部材に入射させることを特徴とする；
投影光学系。
【請求項６】  前記光路偏向部材の入射側に配置された偏光板または波長板をさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載の投影光学系。
【請求項７】  前記第２結像光学系が屈折光学系から成ることを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の投影光学系。
【請求項８】  前記屈折光学系は、石英と蛍石を含む硝材で作られたレンズを有することを特徴とする、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の投影光学系。
【請求項９】  前記第１結像光学系は、前記第１面に続いて配置されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の投影光学系。
【請求項１０】  請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の投影光学系と；
前記第１面を有するレチクルを保持するレチクルステージと；
前記第２面を有する基板を保持する基板ステージとを備えることを特徴とする；
投影露光装置。
【請求項１１】  請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の投影光学系を用いて前記第１面を有するレチクルの像を前記第２面を有する基板上に投影露光する工程と；
前記レチクルと前記基板とを相対的に走査する工程とを備えていることを特徴とする；
走査投影露光方法。
【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、投影露光装置及び走査投影露光方法に関し、特に短波長域で使用される、反射屈折光学系を含む投影光学系、投影露光装置及び走査投影露光方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来開示されている反射屈折光学系のうち比較的大きな開口数を実現し、実用的な大きさの光学系の従来技術としては特公平７−１１１５１２号公報とＵＳＰ−４，７７９，９６６が挙げられる。これらに開示された反射屈折光学系は、光軸を含まないスリット状もしくは円弧状の視野を用い、物体面と結像面を同時に走査して大きな露光領域を得る、所謂ステップ・アンド・スキャン方式を採用し、中間像を作ってその付近に光路偏向部材を配置することで、ビームスプリッターを用いることなく光路分割を実現している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような光学系では光路偏向部材として反射膜のコーティングされた１つまたは複数の平面反射鏡を用いる。このような場合、平面反射鏡はＰ偏光とＳ偏光で反射率が違い、特に露光波長が短くなると膜材料の減少等で反射膜によるＰ偏光とＳ偏光で反射率の違いをなくすことができなくなり、方向性をもった偏光光が生じてしまう。投影露光に方向性をもった偏光光を用いるとレチクルパターンの方向性により結像性能が変化してしまう。特に結像側で大きな開口数をもつ場合、この結像性能の変化が顕著で大きな問題となる。
【０００４】
本発明は斯かる点に鑑み、紫外線波長域で大きな開口数を達成し、光学系が実用的な大きさで、レチクルパターンの方向性に依存しない、クオーターミクロン単位の解像度を有する反射屈折光学系及び該光学系を備える投影露光装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による投影光学系は、図１に示すように、第１面１０１と第２面１２２を相対的に走査して、第１面１０１の像を第２面１２２に結像する走査型投影露光装置に用いられる投影光学系１０において；第１面１０１の中間像ＩＭを形成する第１結像光学系１００と；中間像ＩＭの像を第２面１２２上に形成する第２結像光学系１２０と；中間像ＩＭの近傍に配置され、第１結像光学系１００からの光を第２結像光学系１２０へ導く光路偏向部材１１１と；光路偏向部材１１１と第２面１２２との間の光路中に配置され、偏光面を変化させる第１偏光手段１２１とを備え；  第１結像光学系１００は、屈折光学系Ｇ１、Ｇ２と凹面鏡１０２とを含み；第１結像光学系１００は、前記結像に該第１結像光学系１００の光軸からはずれた露光領域の光を用いるように構成されている。
【０００６】
光軸からはずれた露光領域とは、光軸を含まない例えばスリット状や円弧状の露光領域である。また第１面１０１と第２面１２２との相対的な走査は同期して行われる。
【０００７】
このように構成すると、中間像ＩＭの近傍に配置された光路偏向部材１１１を備えるので、第１結像光学系１００からの光が第２結像光学系１２０へ導かれ、光路偏向部材１１１と第２面１２２との間の光路中に偏光面を変化させる第１偏光手段１２１とを備えるので、第１偏光手段１２１までの光路でその光が非円偏光になっていたとしても、それを円偏光にすることができる。また、第１結像光学系１００は凹面鏡１０２を含むので、収差を抑えることができ、第１結像光学系１００は、前記結像に該第１結像光学系１００の光軸からはずれた露光領域の光を用いるように構成されているので、光路偏向部材１１１は第１結像光学系１００の光軸からはずれた位置に置くことができ、透過反射面を用いない構成が可能である。
【０００８】
この投影光学系では、請求項２に記載のように、前記第１面１０１を円偏光で照明する円偏光供給手段を備え；第１偏光手段１２１は２分の１波長板としてもよい。
【０００９】
請求項１に記載の投影光学系では、請求項３に記載のように、第１面１０１を直線偏光で照明する直線偏光供給手段を備え；前記第１偏光手段は４分の１波長板としてもよい。
【００１０】
このように構成すると、光路偏向部材１１１等で生じる方向性を予めコントロールすることができる。
【００１１】
請求項４に記載のように、以上に記載の投影光学系では、凹面鏡１０２と光路偏向部材１１１との間の光路中に、光路偏向部材１１１に入射する光を直線偏光にする第２偏光手段１３１を備えてもよい。
【００１２】
このように構成すると、第２偏光手段１３１が光を光路偏向部材１１１に入射する前に直線偏光にする。このことにより、偏向面における光量損失を少なくできる。
【００１３】
また、前記目的を達成するために、請求項５に係る発明による投影光学系は、図２に示すように、第１面１０１と第２面１２２とを相対的に走査して、第１面１０１の像を第２面１２２に結像する走査型投影露光装置に用いられる投影光学系１０において、屈折光学系Ｇ１、Ｇ２と凹面鏡１０２とを含み、第１面１０１の中間像ＩＭを形成する第１結像光学系１００と；中間像ＩＭの像を第２面１２２上に形成する第２結像光学系１２０と；中間像ＩＭの近傍に配置され、第１結像光学系１００からの光を第２結像光学系１２０へ導く光路偏向部材１１１とを備え；第１結像光学系１１０は、前記結像に第１結像光学系１００の光軸からはずれた露光領域の光を用いるように構成され；光路偏向部材１１１に対してＳ偏光の直線偏光を光路偏向部材１１１に入射させるように構成されている。
【００１４】
請求項６に記載のように、請求項５に記載の投影光学系では、光路偏向部材１１１の入射側に配置された偏光板または波長板１３１をさらに備えてもよい。
【００１５】
以上の投影光学系では、請求項７に記載のように、第２結像光学系１２０が屈折光学系から成るようにしてもよい。
【００１６】
以上の投影光学系は、請求項８に記載のように、前記屈折光学系は、石英と蛍石を含む硝材で作られたレンズを有してもよい。
【００１７】
このように構成すると、硝材が石英を含むレンズと蛍石を含むレンズを有するので、短波長例えば３００ｎｍ以下の光に対しても使用することができ、しかも凹面鏡を備えるので、アッベ数がお互いに近い石英と蛍石であっても、色収差の補正が容易である。
【００１８】
以上の投影光学系は、請求項９に記載のように、第１結像光学系１００は、第１面１０１に続いて配置されるように構成されてもよい。
【００１９】
請求項１０に記載の投影露光装置は、例えば図３に示すように、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の投影光学系１０と；第１面１０１を有するレチクルＲを保持するレチクルステージ１５１と；第２面１２２を有する基板Ｗを保持する基板ステージ１５２とを備える。
【００２０】
請求項１１に記載の走査投影露光方法は、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の投影光学系を用いて第１面１０１を有するレチクルＲの像を第２面１２２を有する基板Ｗ上に投影露光する工程と；レチクルＲと基板Ｗとを相対的に走査する工程とを備える。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２２】
図１は、本発明による第１の実施の形態である走査型投影光学系１０の概略構成図である。図中、第１面であるパターンの形成された面１０１を下側に向けてレチクルステージ１５１（図３参照）上に保持されたレチクルＲの下方に、第１結像光学系１００が配置されている。
【００２３】
第１結像光学系１００は、レチクルＲ側から、屈折光学系である正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１、屈折光学系である負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２、そして凹面鏡１０２がこの順に配列されている。
【００２４】
さらに第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間の、第１結像光学系１００によって中間像ＩＭが結像される位置とほぼ一致する位置で、かつ両レンズ群の光軸からはずれた位置に、光路偏向部材である反射鏡１１１が配置されている。反射鏡１１１は、その反射面が第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の光軸に対してほぼ４５度をなすように置かれている。
【００２５】
さらに、反射鏡１１１により偏向された光路に沿って第２結像光学系１２０が配置されている。
【００２６】
第２結像光学系１２０は、反射鏡１１１の側から、屈折光学系である正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３、やはり屈折光学系である正の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４がこの順に配列されて構成されており、第２結像光学系１２０に関して中間像ＩＭと共役な位置に、第２面である基板の被露光面１２２を第４レンズ群Ｇ４の方に向けて、基板であるウエハＷが置かれるようになっている。ウエハＷはウエハステージ１５２（図３参照）上に保持されるように構成されている。
【００２７】
第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４との間の瞳の位置には、開口絞りＡＳが配置され、第３レンズ群Ｇ３と開口絞りＡＳとの間には、偏光面を変化させる第１偏光手段である波長板１２１が、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４の光軸に直角に置かれている。なお、第１偏光手段である波長板１２１を置く位置は、第３レンズ群Ｇ３と開口絞りＡＳとの間に限らず、光路偏向部材である反射鏡１１１と第２面１２２との間ならどこでもよい。
【００２８】
波長板１２１は、４分の１波長（λ／４）板や２分の１波長（λ／２）板である。この波長板１２１により、ウエハＷの被露光面１２２に入射する光を円偏光にする。４分の１波長板と２分の１波長板は、次のように使い分ける。
【００２９】
第１面であるレチクル面１０１で直線偏光であるときは、偏向鏡１１１の後の状態はやはり直線偏光であり、第１偏光手段１２１を４分の１波長板とすれば、直線偏光が円偏光に変化され、第２面であるウエハ面１２２に入射する光は円偏光となる。
【００３０】
次に、第１面であるレチクル面１０１で円偏光であるときは、偏向鏡１１１の後の状態は一般には楕円偏光となり、第１偏光手段１２１を２分の１波長板とすれば、楕円偏光が円偏光に変化され、第２面であるウエハ面１２２に入射する光は円偏光となる。
【００３１】
本実施の形態では、第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３、第４レンズ群Ｇ４は、硝材として合成石英あるいは蛍石、または合成石英と蛍石とを併せて用いている。合成石英と蛍石を用いた場合の作用については後述する。
【００３２】
レチクルステージ１５１とウエハステージ１５２とは、相対的に同期して走査される。即ち図３において、投影光学系１０の光軸方向をＺ、Ｚ軸に直交する平面内の直交座標系であるＸＹ座標を、図中紙面に直角な方向にＸ軸、紙面内右方向にＹ軸をとると、レチクルステージ１５１がＹの正の方向に移動するとき、ウエハステージ１５２はＹの負方向に移動する。
【００３３】
レチクルステージ１５１の移動は、レチクルステージ駆動装置１５３により行われ、レチクルステージ１５１の位置はレチクルステージ干渉計１５４により検出される。
【００３４】
ウエハステージ１５２の移動は、ウエハステージ駆動装置１５５により行われ、ウエハステージ１５２の位置はウエハステージ干渉計１５６により検出される。
【００３５】
レチクルステージ干渉計１５４とウエハステージ干渉計１５６の出力は、制御装置１５７に入力され、制御装置１５７から出力される制御信号が、レチクルステージ駆動装置１５３とウエハステージ駆動装置１５５に入力され、所定の同期速度でお互いに相対的に走査される。
【００３６】
レチクルステージ１５１の上方には、照明光学系１５８が設けられている。
【００３７】
このように構成された走査型投影光学系の作用を説明する。照明光学系１５８により均一に照明されたレチクルＲの面１０１上のパターンからの光は、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２を透過して凹面鏡１０２に到る。凹面鏡１０２で反射された光は、第２レンズ群Ｇ２を再度透過した後、反射鏡１１１の置かれた位置付近に中間像ＩＭを結像する。
【００３８】
このようにして反射鏡１１１に入射した光は偏向され、第３レンズ群Ｇ３を透過し、波長板１２１で偏光面を変化され、開口絞りＡＳにより照明σ値が決定され、さらに第４レンズ群Ｇ４を介してウエハＷの面１２２に入射する。即ち、中間像ＩＭは面１２２に結像する。このとき、波長板１２１の作用により、面１２２に入射する光は円偏光にされる。したがって、レチクルＲのパターンの方向性によるウエハ面１２２上への結像性能の劣化を防ぐことができる。これが円偏光でないとすると、レチクルＲのパターンの縦横ラインの太さの均一性が崩れる。
【００３９】
また、屈折光学系の硝材として合成石英と蛍石が選択されて用いられているので、３００ｎｍ以下といった短い波長の照明光を使用しても光の吸収を抑えることができ、高い解像度の投影露光に適している。
【００４０】
石英と蛍石の硝材としての光の分散の違いを利用して、これらを用いた屈折光学系の色収差を補正するが、両者のアッベ数はあまり離れていないので、これらを用いたレンズだけでは色収差の補正が難しい。即ちあまりにも多くのレンズを必要とするため、光学系が大きくなりすぎる。
【００４１】
しかしながら、本実施の形態の投影光学系１０は反射光学系である凹面鏡１０２を含んでおり、反射光学系は色収差がなく、レンズとは逆のペッツバール和への寄与を示すため、反射光学系と屈折光学系とを組み合わせた反射屈折光学系である本実施の形態の光学系では、レンズ枚数の増加を招くことなく、色収差をはじめ諸収差を補正し、全体としてほぼ無収差にすることができる。このようにして、実用的な大きさで、集積度の高い半導体素子の製造に求められる極めて高い光学性能を達成することができる。
【００４２】
このように本発明の実施の形態によれば、紫外線波長等の短波長域で大きな開口数を達成し、光学系が実用的な大きさで、レチクルパターンの方向性に依存しない、クオーターミクロン単位の解像度を有する反射屈折光学系を備える走査型投影光学系及びそのような走査型投影光学系を備える投影露光装置を提供することができる。
【００４３】
また、反射鏡１１１は第１結像光学系１００の光軸からはずれた位置に置かれているので、レチクルＲのパターンの投影には、光軸を含まないスリット状もしくは円弧状の露光領域が用いられ、レチクルＲと結像面にあるウエハＷとを同期走査して大きな露光領域を得る走査型投影光学系で、偏光ビームスプリッタ等の透過反射面を用いずに光路分割を実現することができる。
【００４４】
すなわち、リング視野光学系は、光軸を含まないスリット状もしくは円弧状の視野を用い、物体面と結像面を同時に走査して大きな露光領域を得る、所謂ステップ・アンド・スキャン方式を採用し、中間像を作ってその付近に光路偏向部材を配置することで、ビームスプリッターを用いなくとも光路分割が実現できる。
【００４５】
また、大きな開口数を得る場合でも、光路偏向部材として反射膜のコーティングされた平面鏡を用いる必要がない。したがって、平面反射鏡におけるＰ偏光とＳ偏光で反射率が違い、特に露光波長が短くなると膜材料の減少等で反射膜によるＰ偏光とＳ偏光で反射率が違ってくるが、それらの違いによる、方向性をもった偏光光の心配もない。
【００４６】
投影露光に方向性をもった偏光光を用いるとレチクルパターンの方向性により結像性能が変化してしまい、特に結像側で大きな開口数をもつ場合に大きな問題となるが、この結像性能の変化も防止できる。
【００４７】
また、第１結像光学系１００に入射する光を直線偏光等の偏光光にすれば、光路偏向部材１１１等で生まれる方向性を予めコントロールし、光路偏向部材１１１と第２面１２２の間の光路中に、前記のように第１偏光手段１２１であるλ／４波長板等を配置することで容易に方向性の全くない円偏光で第２面１２２上に像を結像させることができる。
【００４８】
第１結像光学系１００に入射する光を直線偏光等の偏光光にするには、照明光学系１５８の光源（不図示）としてレーザーを用いる他、偏光子を通した光を用いる方法がある。
【００４９】
図１では、第１偏光手段１２１は第３レンズ群Ｇ３と開口絞りＡＳとの間に置かれているが、光路偏向部材１１１と第２面１２２との間であればよく、例えば開口絞りＡＳと第４レンズ群Ｇ４との間、あるいは光路偏向部材１１１と第３レンズ群Ｇ３との間、さらには第４レンズ群と第２面１２２との間であっても同様な効果が得られる。但し、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４との間が好ましい。
【００５０】
図２を参照して、本発明による第２の実施の形態である走査型投影光学系１１を説明する。図２はその概略構成図である。図中、偏光面を変化させる第２偏光手段１３１が第２レンズ群Ｇ２と光路偏向部材１１１との間に設けられている。その他の構成は図１の実施の形態と同様である。
【００５１】
第２偏光手段１３１の作用を説明する。光路偏向部材１１１の反射面の光量損失を考えると、光は反射面に対してＳ偏光で入射することが望ましい。第２偏光手段１３１は偏光子であればよいが、典型的には偏光板が用いられ、光路偏向部材１１１に入射する光をＳ偏光の直線偏光に変化させる。あるいは４分の１波長板または２分の１波長板を用いてもよい。このようにして、光路偏向部材１１１での光量損失を最小限に抑える。
【００５２】
なお、本実施の形態では、第２偏光手段１３１は、図２に示されるように光路偏向部材１１１の直前に設けられた偏光板であるが、これに限らず、第１面１０１と光路偏向部材１１１の間の光路中に設けて、要は光路偏向部材１１１に入射する光をほぼＳ偏光の直線偏光にするように構成すればよい。また光量損失を抑えるということは、反射面に貼り付けられる反射膜の損傷を防止することにもつながる。
【００５３】
以上のように、本発明の実施の形態では、光学系の結像性能を考えると、第１結像光学系１００が結像光学系であるレンズ群Ｇ１、Ｇ２と反射光学系である１枚の凹面鏡１０２より構成され、光路偏向部材１１１は平面反射鏡で、第２結像光学系１２０が（パワーを有する光学系として）レンズ群Ｇ３、Ｇ４のみにより構成されることが好ましく、近時の半導体製造装置にならい、第１面１０１の１／４〜１／６倍程度の縮小像を第２面１２２の上に結像させることが好ましい。また、屈折光学系であるレンズの硝材としては、合成石英、蛍石を用いるのが好ましい。
【００５４】
なお、実際の走査型投影光学系としては、特開平８−３３４６９５に開示された光学系等がある。
【００５５】
次に、第３の実施の形態である投影露光装置は、図３に示されるように走査型投影光学系１０と、第１面１０１を有するレチクルＲを保持するレチクルステージ１５１と、第２面１２２を有する基板Ｗを保持する基板ステージ１５２とを備える。図３は、投影光学系１０が用いられる場合を示しているが、投影光学系１１に置き換えてもよい。
【００５６】
図３に示される投影露光装置では、ウエハＷの面１２２とレチクルＲの面１０１とは平行に配置されているが、このような配置は、図１あるいは図２の投影光学系において、第２結像光学系１２０のいずれかの位置に偏向ミラーを設置して、光軸を直角に下方に折り曲げることにより実現できる。
【００５７】
図３に示されるような走査型投影露光装置を用いることによって、第１と第２の実施の形態について説明したように、レチクルＲ上の微細なパターンをウエハのような基板Ｗ上に転写し、あるいは大きいプレートのような基板Ｗ上に転写して集積度の高い素子を製造することができる。
【００５８】
以上のように、例えば半導体素子、または液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に使用される投影露光装置の光学系に関し、特に光学系の要素として反射系を用いることにより、紫外線波長域でクオーターミクロン単位の解像度を有する反射屈折光学系とそのような光学系を備える投影露光装置を実現することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、屈折光学系と凹面鏡とを含み、結像に第１結像光学系の光軸からはずれた露光領域の光を用い、第１偏光手段を用いるように構成しているので、レチクルパターンの方向性に依存せず、高い解像度を有し、しかも実用的な大きさの走査型投影光学系及びそのような投影光学系を備える投影露光装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の実施の形態である走査型投影光学系の概略構成図である。
【図２】
本発明の第２の実施の形態である走査型投影光学系の概略構成図である。
【図３】
本発明の第３の実施の形態である投影露光装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１０、１１  走査型投影光学系
１００  第１結像光学系
１０１  第１面
１０２  凹面鏡
１１１  光路偏向部材
１２０  第２結像光学系
１２１  第１偏光手段
１２２  第２面
１３１  第２偏光手段
１５１  レチクルステージ
１５２  ウエハステージ
１５３  レチクルステージ駆動手段
１５４  レチクルステージ干渉計
１５５  ウエハステージ駆動手段
１５６  ウエハステージ干渉計
１５７  制御装置
１５８  照明光学系