(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を用いて２次光源を形成するオプティカルインテグレータと、前記オプティカルインテグレータからの光を被照射面に導光するコンデンサー光学系とを備えた照明光学系において、
前記コンデンサー光学系は光の進行方向順に少なくとも２つのレンズ要素と該少なくとも２つのレンズ要素以外のレンズとを有し、
前記２つのレンズ要素を光軸方向に独立に移動させることにより、ディストーション以外の収差と焦点距離が変化しないように前記被照射面の照度分布を変化させ、
前記レンズを光軸方向に移動させることにより、焦点距離と収差が変化しないように前記被照射面に入射する光の角度分布を変化させることを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記少なくとも２つのレンズ要素のうち、最も被照射面側のレンズ要素は、被照射面側に凹面を向けたメニスカス負レンズであることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
【請求項３】
マスク上のパターンを照明する請求項１又は２に記載された照明光学系と、前記パターンを感光基板上に投影露光する投影光学系とを備えることを特徴とする露光装置。
【請求項４】
前記感光基板に入射する露光光の照度分布及び角度分布を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に応じて前記少なくとも２つのレンズ要素と前記レンズをそれぞれ駆動する駆動手段とを備えることを特徴とする請求項３記載の露光装置。
【請求項５】
前記マスクを照明する照明条件を変更した際に発生する感光基板上の照度分布の変化及び感光基板に入射する露光光の角度分布の変化を前記検出手段によって検出し、前記検出手段の検出結果に基づいて前記感光基板に入射する露光光の照度分布と角度分布とを補正することを特徴とする請求項４記載の露光装置。
【請求項６】
請求項３記載の露光装置を使用してマスク上のパターンを感光基板上に投影露光する露光方法であって、
前記マスクを照明する照明条件を変更したことにより発生する感光基板上の照度分布の変化及び感光基板に入射する露光光の角度分布の変化とを検出するステップと、
前記検出結果に基づいて照度分布と角度分布を補正すべく前記コンデンサー光学系を調整して照度分布と角度分布とを補正するステップとを含むことを特徴とする露光方法。
【請求項７】
請求項３乃至５のいずれか一つに記載された露光装置を使用するデバイス製造方法であって、
マスク上のパターンを感光基板上に投影露光するステップと、
露光された前記感光基板を現像するステップ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】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、照明光学系及びそれを用いた露光装置に関し、特に、半導体デバイスや液晶デバイス、磁気デバイス等の微細パターン構造を持つデバイス製造におけるマイクロリソグラフィ工程に用いられる露光装置の照明系に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子製造用の露光装置では、半導体素子の高集積化に伴いこれまで以上に高解像度が要求されるようになってきている。このために、斜入射照明や位相シフトマスクを利用した超解像技術が知られている。このような超解像技術では、照明光学系の開口絞りを変更することでσ値（投影光学系の開口数（ＮＡ）と照明光学系のＮＡの比）を小さくしたり、輪帯形状や四重極形状のような特殊な形状の２次光源を形成している。
【０００３】
また、半導体素子製造用の露光装置は像側テレセントリックな光学系になっており、ウエハなどの感光基板がデフォーカス位置にあっても像の位置ズレがほとんど生じないようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の超ＬＳＩの高集積化に伴い、回路パターンの焼き付け露光には極めて高い転写精度が要求されており、感光基板に入射する露光光の角度分布をこれまで以上に適正に設定することが重要となってきている。感光基板に入射する露光光の角度が適正でないと、感光基板がデフォーカス位置にある場合に像の位置ズレとして現れてくる。光軸中心に倍率的な露光光の感光基板に対する入射角度のズレは感光基板をデフォーカスさせた場合、焼き付けられたパターンに像高に応じた倍率成分の位置ズレ（以後、倍率テレセン、および倍率テレセンのズレ、と呼ぶ）を生じさせる。
【０００５】
これは、複数回のリソグラフィ工程を経ることにより、段差の生じた感光基板に更に回路パターンを重ね合わせて露光する際、像のズレが生じることを意味しており、高精度の半導体素子を製造する上で好ましくない。
【０００６】
従来、多くの露光装置では、ある標準的な照明モードＡで最も最適な角度特性と照度分布の露光光が供給できるように照明光学系の各要素の位置を調整している。しかしながら、照明モードＡとは異なる斜入射照明や小σ値などの照明モードＢに変えたときには、照明光学系の各要素が照明モードＡと同じでは露光光の角度が必ずしも適切とはならず、合わせて照度分布も変化する。これは各々の照明モードで光路が異なり、光学素子に用いられている反射防止膜の効果が光線の角度により変化することなどによる。
【０００７】
そこで、本発明は、倍率テレセン、および照度分布を互いに且つ独立に調整する機能を照明光学系内の一つのレンズ系に持たせることで装置の簡素化を図るとともに、高い照度均一性と適正な角度特性の露光光を全ての照明モードにおいて実現する露光装置を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための本発明の照明光学系は、光源からの光を用いて２次光源を形成するオプティカルインテグレータと、前記オプティカルインテグレータからの光を被照射面に導光するコンデンサー光学系とを備えた照明光学系であって、前記コンデンサー光学系は光の進行方向順に少なくとも２つのレンズ要素と該少なくとも２つのレンズ要素以外のレンズとを有し、前記２つのレンズ要素を光軸方向に独立に移動させることにより、ディストーション以外の収差と焦点距離が変化しないように前記被照射面の照度分布を変化させ、前記レンズを光軸方向に移動させることにより、焦点距離と収差が変化しないように前記被照射面に入射する光の角度分布を変化させるようにしている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
図１は本発明の一実施形態の露光装置の概略を示す光学系の構成図である。１は照明光を供給する光源手段、２は光源からの光束をオプティカルインテグレータに導光するためのリレーレンズである。
【００１１】
３は、ハエの目レンズよりなるオプティカルインテグレータであり、オプティカルインテグレータ３の射出面近傍には多数の光源像（２次光源）が形成される。なお、本実施形態ではハエの眼レンズでオプティカルインテグレータを構成しているが、光源からの光束を混合して出射端に面光源を形成するオプティカルパイプをオプティカルインテグレータとして使用してもよい。
【００１２】
オプティカルインテグレータ３の射出面近傍には絞り４が配置され、絞り駆動機構５により絞りの大きさ及び形状を可変としている。この絞り４の開口形状をレチクル９上のパターンに応じて最適に設定することで、投影光学系１０の瞳面１１に形成される光強度分布を制御している。
【００１３】
６は、オプティカルインテグレータ３からの光束でマスキングブレード７面を重畳的にケーラー照明するためのコンデンサー光学系であり、第１レンズ群６ａと第２レンズ群６ｂから構成されている。第１レンズ群６ａを第１の駆動機構１６により光軸方向に駆動することで被照射面であるマスキングブレード７面上の照度分布を光軸対称に変化させ、第２レンズ群６ｂを第２駆動機構１７により光軸方向に駆動させることでマスキングブレード７面上に入射する光の角度分布（倍率テレセン）を変化させるようになっている。
【００１４】
マスキングブレード７は、複数の可動な遮光板より成り、マスキングブレード駆動機構１８により任意の開口形状が形成される。
【００１５】
８は、結像レンズで、マスキングブレード７の開口形状を被照射面の一つであるレチクル９に転写し、必要な照明領域を制限している。
【００１６】
１０はレチクル９上のパターンを縮小投影する投影光学系、１２はレチクル９上のパターンが投影転写されるウエハ（感光基板）、１３はウエハ１２を保持して光軸と直交する平面に沿って２次元的に移動するＸＹステージである。ＸＹステージ１３は後述する作用のため、所定量以上光軸方向に上下できる構造になっていることが望ましい。
【００１７】
本実施形態における光学系では、オプティカルインテグレータ３の入射面とマスキングブレード７面とレチクル９面とウエハ１２面とが共役関係である。また、絞り４と投影光学系１０の瞳面１１とが略共役関係となっている。マスキングブレード７面とレチクル９面とウエハ１２面は、それぞれ本発明における被照射面に相当する。
【００１８】
１４は、ウエハ１２面上の照度分布を計測するためのディテクターであり、照射画面領域内をＸＹステージの駆動とともに移動しながら露光光を受光し、その出力に対応した信号を検出装置１５に送っている。
【００１９】
主制御装置１９は、絞り駆動機構５、検出装置１５、第１レンズ群６ａを駆動する第１駆動機構１６、第２レンズ群６ｂを駆動する第２駆動機構１７、及びマスキングブレード駆動機構１８を制御する。
【００２０】
図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、コンデンサー光学系６の機能を説明する光路図である。
【００２１】
まず、第１駆動機構１６について説明する。第１駆動機構１６は、第１レンズ群６ａを光軸方向に移動することにより、マスキングブレード７面上の照度分布を光軸対称にほぼリニアに変化させる機構である。この照度分布変化は、具体的にはコンデンサー光学系６のディストーションを変化させることで実現している。
【００２２】
つまり、図２Ａに示すように、ディストーションをプラス方向に発生させるように第１レンズ群６ａを駆動することで、結果的に軸上に対して光軸対称に周辺の照度が低くなるような照度分布が形成される。
【００２３】
又、図２Ｂに示すように、第１レンズ群６ａを駆動することで、ディストーションが零に近くなり照度分布はほぼフラットになる。
【００２４】
又、図２Ｃに示すように、ディストーションがマイナス方向に発生するように第１レンズ群６ａを駆動することで、照度分布は周辺が高くなる。
【００２５】
マスキングブレード７面はウエハ１２面と共役であるから、マスキングブレード７面での照度分布を変化させることで、ウエハ１２面上の照度分布を変化させることができる。
【００２６】
その際、第１レンズ群６ａは少なくとも２つ以上のレンズ要素からなり、互いのレンズ要素をそれぞれ光軸方向に独立に駆動することで、ディストーションは変化するが、それ以外の性能（照明ＮＡ、テレセン度、有効光源の均一性など）が実質的に変化しないように構成されている。
【００２７】
そのために、第１レンズ群６ａの最終レンズ（最も被照射面側のレンズ）は、被照射面側が凹面のメニスカス負レンズとすることが好ましい。このメニスカス負レンズが光軸方向に移動することで、このメニスカス負レンズを通過する軸外主光線の光線高に差を生じさせ、ディストーションを効果的に変化させることができる。一方、このメニスカス負レンズで発生する球面収差は、その前段に位置するレンズによってキャンセルされるので、第１レンズ群６ａにおける球面収差係数の部分和がレンズの移動によって変化しないという効果も同時に得られる。なお、各図において第１レンズ群６ａは、すべて両凸レンズによって構成されているように描かれているが、これは概念図であって、本発明の系はこれに限定されるものではない。
【００２８】
図２Ｂには、説明を簡単にするために、ディストーションが零近傍のときに照度分布がフラットになる場合を示した。しかし、実際には、ディストーションが零近傍でも照度分布がフラットにならないことがある。これは、オプティカルインテグレータ３としてのハエの眼レンズを構成する小レンズ群が単レンズであるため正弦条件が満たされないこと、更には、反射防止膜の特性や硝材透過率の特性が照度分布に影響を与えているためである。
【００２９】
以上を考慮して、照明ＮＡ、テレセン度、有効光源の均一性などの性能を満足させつつ、照度分布調整を可能とするには、ディストーションをマイナス領域内で変化させるように設計することが望ましい。
【００３０】
また、照度分布補正を適正に行う際のコンデンサー光学系６の各画角におけるディストーションＹ（％）は画角の割合をＸ（０≦Ｘ≦１）、最大画角（Ｘ＝１）におけるディストーションをＤ（％）としたとき、
Ｙ＝Ｄ×Ｘｎ（１．５≦ｎ≦３．０）の条件を満足しつつ変化するように設計することが望ましい。
【００３１】
次に、第２駆動機構１７について説明する。第２駆動機構１７は、第２レンズ群６ｂを光軸方向に移動することで、コンデンサ−光学系６の射出瞳位置を変化させ、結果的に倍率テレセンをほぼリニアに変化させる機構である。
【００３２】
図３は、第２レンズ群６ｂの機能を説明するための光路図である。第２レンズ群６ｂを駆動することでマスキングブレードに入射する光の角度分布（倍率テレセン）は変化するが、それ以外の性能（照明ＮＡ、ディストーション、有効光源の均一性など）は実質的に変化しないようになっている。
【００３３】
コンデンサー光学系６は、オプティカルインテグレータ３から射出された光束を、マスキングブレード７面にいわゆるケーラー照明している光学系である。よって、軸外主光線の傾きは、第１レンズ群６ａの位置で大きいが、第２レンズ群６ｂの位置では小さく光軸とほぼ平行である。
【００３４】
従って、ディストーション変化を効果的に行うには、軸外主光線の光線高の差が大きくなる位置、つまりオプティカルインテグレータ３に近い第１レンズ群６ａで行うのが望ましい。
【００３５】
以上より、上記補正機構を備えるコンデンサー光学系６を照明光学系内に搭載することで露光光の照度分布と角度分布（倍率テレセン）を独立に変化させることが可能となる。従って、照明モードを切り替えた場合に諸々の理由で変化する照度分布と角度分布（倍率テレセン）をそれぞれ適正な値に補正することが出来る。
【００３６】
図４は、露光光の角度分布と照度分布を補正する手順を示すフローチャートである。
【００３７】
まず、ステップ１０１にて、照明モードが切り替えられたら、ステップ１０２にて露光光の角度分布を測定する。
【００３８】
露光光の角度分布を測定する方法は種々考えられるが、例えばマスキングブレード駆動装置１８を駆動して、測定したい像高に対応する位置にマスキングブレード７で微小開口を設定すると共に、ディテクター１４を実際のウエハ基準面から光軸Ｚ方向に所定量デフォーカスさせる方法がある。この際、レチクル９は光路上からはずしておく。このときの装置の状態を図５（ａ）に示す。マスキングブレード７で制限された露光光のみがウエハ面で一旦結像し、角度を反映したままディテクター１４に入射する。ディテクター１４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１４をＸＹステージ１３にて、例えば２次元マトリクス状に光束の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。尚、ディテクターの代わりに２次元ＣＣＤを用いて一括計測しても良い。
【００３９】
他にも、マスキングブレード７と共役な位置に微小開口を設けることで、同様な計測が可能である。具体的には図５（ｂ）に示すように、マスキングブレード７は開放して、Ｃｒパターンにより微小開口部を形成した専用レクチルを配置すること等が考えられる。
【００４０】
更なる手段として、ディテクター１４はデフォーカスさせず、微小開口をレクチル９面から光軸Ｚ方向と逆方向に所定量デフォーカスした位置に設けても計測可能である。その際、微小開口として、通常は下面に設けられるレクチルＣｒパターンを上面に設けた専用レチクルを使用しても良い。
【００４１】
以上のような方法で、光軸上のポイントを計測すれば光軸上におけるテレセン（シフト成分）が計測可能であり、適当な像高ポイントを計測すれば倍率テレセンが計測可能である。
【００４２】
計測、検出された角度分布情報は主制御装置１９に送られ、倍率テレセンのズレ量が算出される。続いて、算出された倍率テレセンのズレ量が規格内であるか否かステップ１０３にて判定され、規格外であった場合には、このずれを補正すべく、ステップ１０４にて主制御装置１９が第２レンズ群６ｂの移動量、移動方向を計算し、主制御装置１９は、第２駆動装置１７に信号を送り、ステップ１０５にて第２レンズ群６ｂを計算した所定量、所定方向に駆動させる。駆動御ステップ１０２に戻り、再度露光光の角度分布測定を行う。倍率テレセンのズレ量が適正値になっていたら次のステップ１０６に進む。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。
【００４３】
露光光の角度分布（倍率テレセンのズレ）が最適になっている場合には、ステップ１０６にて、ディテクター１４をＸＹステージ１３にて露光領域内の複数点に水平移動させ、各々の位置で光強度を測定することにより照度分布の測定を行い、ステップ１０７にて照度分布が規格値を満足しているかどうかの確認を行う。
【００４４】
照度分布が規格値を満たしていれば終了し、そうでない場合はステップ１０８にて主制御装置１９が第１レンズ群の移動量、移動方向を計算し、その結果に基づいて第１駆動装置１６は第１レンズ群６ａ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１０６に戻り、再度測定を行って、照度分布を規格値内に追い込む。
【００４５】
尚、照度分布補正の手段として、上記移動レンズ群６ａの駆動による光軸対称成分の補正に加え、必要に応じてクサビ状の光学素子等によって、傾き成分の照度分布補正を行うことで、更なる照度均一性を実現することが可能である。
【００４６】
次に、上記説明した露光装置を利用した半導体デバイスの製造方法の実施例を説明する。
【００４７】
図６は、半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、あるいは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ステップ１（回路設計）では、半導体デバイスの回路設計を行う。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（ウエハ製造）では、シリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は、前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、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。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製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。
【００４８】
図７は、ステップ４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１１（酸化）では、ウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着等によって形成する。ステップ１４（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１５（レジスト処理）ではウエハに感光材を塗布する。ステップ１６（露光）では、上記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像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、ウエハに多重に回路パターンが形成される。
【００４９】
本実施例の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高精度の半導体デバイスを製造することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、倍率テレセン、および照度分布を互いに且つ独立に調整する機能を照明光学系内の一つのレンズ系に持たせることで装置の簡素化、小型化を達成できる。また、高い照度均一性と適正な角度特性の露光光を全ての照明モードにおいて実現する露光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の照明光学系を含む露光装置の光路図
【図２Ａ】第１レンズ群６ａの第１の状態におけるディストーションと照度分布を説明するための光路図
【図２Ｂ】第１レンズ群６ａの第２の状態におけるディストーションと照度分布を説明するための光路図
【図２Ｃ】第１レンズ群６ａの第３の状態におけるディストーションと照度分布を説明する光路図
【図３】第２レンズ群６ｂの位置と倍率テレセンとの関係を説明するための光路図
【図４】本実施形態の照度分布、倍率テレセンの補正手順を示すフローチャート
【図５】（ａ）は、本実施形態の露光光角度分布測定方法を示す図、（ｂ）は本実施形態の露光光角度分布測定方法を示す図
【図６】半導体デバイスの製造工程を示す図
【図７】図７の工程中のウエハプロセスの詳細を示す図
【符号の説明】
１    光源
２    リレーレンズ
３    オプティカルインテグレータ
４    絞り
５    絞り駆動機構
６    コンデンサー光学系
６ａ    第１レンズ群
６ｂ    第２レンズ群
７    マスキングブレード
８    結像レンズ
９    レチクル
１０    投影光学系
１１    投影光学系の瞳
１２    ウエハ
１３    ＸＹステージ
１４    ディテクター
１５    検出装置
１６    第１レンズ群を駆動する第１駆動機構
１７    第２レンズ群を駆動する第２駆動機構
１８    マスキングブレード駆動機構
１９    主制御装置
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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