(57)【要約】【課題】  偏向光学系において、像の回転角が無回転倒立像以外の場合でも偏向軌道を最適化し、良好な結像性能を得ることの可能な荷電粒子線投影光学系を提供する。【解決手段】  レチクル１上の、光軸２から離れた位置にあるサブフィールド３を透過した電子ビームは、電磁偏向器により、概ねサブフィールド３と、そのウエハ４上での目標結像位置５を結ぶ直線に沿った軌道を通るようにされており、この軌道を通るという条件の下に投影光学系６が最適化されている。このように偏向軌道を定めることにより、光軸から離れた位置にあるサブフィールド３を投影するときの、光学系全体としての収差を容易に低減することができる。【選択図】  図１
2006066568.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線を用いて、レチクルに形成されたサブフィールド内のパターンを、ウエハ等の感応基板に投影する投影光学系であって、前記サブフィールド内のパターンを１８０°を除く所定の角度回転させて前記感応基板に投影する回転結像光学系と、前記荷電粒子線の軌道を偏向させる偏向器を有し、前記偏向器は、前記荷電粒子線が、前記サブフィールドの位置と、当該サブフィールドが結像すべき前記感応基板の位置を結ぶ直線の周囲で最適化された軌道を通るように、かつ、前記荷電粒子線の軌道が、前記回転結像光学系の瞳位置において、前記投影光学系の光軸と交わらないように、前記荷電粒子線を制御する機能を有することを特徴とする荷電粒子線投影光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分割露光転写方式の荷電粒子露光装置等において、レチクルに形成されたサブフィールド内のパターンを、ウエハ等の感応基板に投影する荷電粒子線投影光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの集積度の向上により微細化されたパターンは従来の紫外光を用いた露光方法では解像が困難になりつつあり、荷電粒子線や極短紫外線（ＥＵＶ）を用いた新しい露光方法が使用されるようになってきている。中でも荷電粒子線を用いた露光装置は、電気的手段による制御性が良い、等の利点を持ち、次世代の露光手段として有望である。
【０００３】
荷電粒子線露光装置においては、荷電粒子線光学系の収差や歪等のために、広い領域を一度に露光転写することができない。このため、例えば１つのチップに相当する領域を、複数のサブフィールドと呼ばれる領域に分けて、サブフィールドごとにレチクルのパターンをウエハに露光転写し、露光転写されたパターンをつなぎ合わせて１つのチップのパターンを得る、分割露光転写方式が採用されるようになってきている。
【０００４】
図４に、このような荷電粒子線露光装置の投影光学系の概要を示す。図示しない照明光学系により所定の照明領域を有するように成型された照明ビームは、レチクル１１に形成されたサブフィールド１１ａの１つを照明する。サブフィールド１１は、一括して露光転写される領域であり、補強材であるストラット１１ｂにより仕切られている。
【０００５】
１つのサブフィールドの像は、投影レンズ１２、１３により、ウエハ１４の所定領域に投影される。このとき、ストラット１１ｂにより間隔が開いた状態で形成されているサブフィールド１１ａのパターン同士をつながった像とするために、荷電粒子線を偏向させる２組の偏向器（１５ａ、１５ｂ）、（１６ａ、１６ｂ）が設けられている。これらの偏向器は、結像位置の微調整等にも用いられる。又、投影光学系の収差を補正するために収差補正装置１７が設けられている。収差補正装置は、少なくとも非点収差補正器とダイナミックフォーカスレンズを含むが、簡単化のためにまとめて図示している。なお、１８はコントラストアパーチャであり、レチクル１１で散乱される荷電粒子線をカットするために用いられる。
【０００６】
また、偏向器（１５ａ、１５ｂ）、（１６ａ、１６ｂ）によって、荷電粒子線の軌道を制御することにより収差を、極力（最良で、軸上のサブフィールドと同等レベルまで）抑制することが可能である。
【０００７】
しかしながら、このような方法で収差を小さくすることは限界がある。これに対して、さらに収差を小さくする方法として、例えば特開２００２−３１３７０５号公報（特許文献１）に記載されるような技術が提案されている。
【０００８】
従来の荷電粒子線露光装置においては、投影レンズ１２，１３の作用により、サブフィールド１１ａのパターンの像は無回転倒立（則ち像の回転量が１８０°の状態）して、ウエハ１４上に投影されるが、特許文献１に記載される技術においては、像の回転量を１８０°以外の値とすることにより、像の回転角の拘束条件を緩め、その結果、収差を小さくすることができるとされている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３１３７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来公知のいずれの荷電粒子線露光装置の投影光学系においても、物面上から放出された荷電粒子線の主光線は、コントラストアパーチャ１８の、投影光学系の光軸を中心に設けられた微小な開口（瞳に相当する）を通過するように設計されている。
【００１１】
以上のような、光軸から離れた位置にあるサブフィールドの投影を行う「偏向光学系」において、投影レンズと偏向器はセットであり、設計においては、投影レンズ設計の自由度、偏向器設計の自由度、それぞれを光学系の仕様に合わせて適正に配分する必要がある。
【００１２】
例えば、投影レンズ設計においては、光軸近傍の収差のみを考慮することになるが、光軸近傍の収差を低減させるような最適な設計を行った場合、偏向器の設計においては、前記投影レンズの設計によって決定された投影レンズのパワー配分の制約条件の下で、光軸から離れた位置のサブフィールドにおける収差を低減させるように設計を行う必要がある。
【００１３】
このことは、光軸近傍の収差を低減させたことにより、光軸から離れた領域での収差を低減する設計の自由度が失われることを意味し、光軸から離れた位置の領域の収差については、最適な偏向軌道が得られるという保証がない。
【００１４】
近年の偏向光学系における偏向軌道の特徴として、次のことが挙げられる。個別レンズで発生する収差を抑制するため、荷電粒子が各投影レンズを通過する際に、その軌道がレンズの中心軸の近くを通過するよう、投影レンズ前段に配置された偏向器で、中心軸側に偏向する。その際、偏向器で発生する収差が大きくならないように、偏向器は極力大きく、偏向角は極力小さく、且つ偏向器と投影レンズの間隔は極力大きくする。但し、これら投影レンズと偏向器の位置関係は、投影レンズの収差が十分抑制できるような投影レンズのパワーが採用できる範囲で最適化する。
【００１５】
もちろん個別レンズのパワーは“場“であり、互いに重なり会う部分もあるし、偏向器にはレンズ通過後の荷電粒子を、次のレンズ前段の偏向器へ適正に入射させるための機能もあるので、それぞれの大きさ、配置等の最適化を行うためには、非常な労力を要する。
【００１６】
実際、発明者が種々のケースについて数値計算によるシミュレーションを行った結果では、投影レンズ性能のみ（軸上のサブフィールドの収差のみ）の向上を追求した結像系を偏向光学系の結像用のパワーとして用いると、その後、どのように偏向器を配置しても、光軸から離れた位置のサブフィールドでの収差を改善できず、偏向光学系の設計解として良いものは得られなかった。
【００１７】
このように、単純な投影レンズ設計だけでなく、偏向器設計まで絡めた偏向光学系の設計は非常に複雑であり、これまであまり良好な偏向光学系は設計されてこなかった。
【００１８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、偏向光学系において、像の回転角が無回転倒立像（回転角１８０°）以外の結像系を用いた場合でも偏向軌道を最適化し、良好な結像性能を得ることの可能な荷電粒子線投影光学系を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記課題は、荷電粒子線を用いて、レチクルに形成されたサブフィールド内のパターンを、ウエハ等の感応基板に投影する投影光学系であって、前記サブフィールド内のパターンを１８０°を除く所定の角度回転させて前記感応基板に投影する回転結像光学系と、前記荷電粒子線の軌道を偏向させる偏向器を有し、前記偏向器は、前記荷電粒子線が、前記サブフィールドの位置と、当該サブフィールドが結像すべき前記感応基板の位置を結ぶ直線の周囲で最適化された軌道を通るように、かつ、前記荷電粒子線の軌道が、前記回転結像光学系の瞳位置において、前記投影光学系の光軸と交わらないように、前記荷電粒子線を制御する機能を有することを特徴とする荷電粒子線投影光学系により解決される。
【００２０】
本明細書及び特許請求の範囲でいう「瞳位置」とは、投影光学系の投影レンズ系において、レチクルを照明する照明光学系に形成された開口絞りと共役な位置（レチクルがないとき、投影レンズ系のみにより（偏向器や非点補正器を使用しないときに）この開口絞りの共役像が形成される位置）のことである。
【００２１】
ここで偏向器群の「最適化」とは、光学仕様に基づいた偏向軌道の最良の設計解であり、光軸から離れたサブフィールドを結像させる際に「収差発生を最も抑制する条件」とともに、投影レンズでは「射出角、入射角を0°にする条件」など光学系に要求される仕様のうち収差以外の項目も満たすようにすることを意味する。また、「概ね直線に沿うような偏向」とは、従来の最適化では個別レンズで発生する収差を抑制するように、それぞれのレンズの前段に設置された偏向器でレンズの中心近くを通過させる偏向を実施するが、それに加えて、レンズ射出側の軌道を前記直線に近づけるように振り戻す偏向も実施することである。そのため、「概ね直線に沿うような偏向」軌道には、個別レンズでの収差抑制や、「射出角、入射角を0°にする条件」など、収差以外の光学仕様を達成するための偏向条件程度には、前記直線からの乖離が存在する。
【００２２】
一般に収差の良好な光学系において、「瞳位置」は、物体面−像面間を結像倍率の逆数で内分された位置の近傍となる。後に示す実施例で採用した９０度回転光学系においては、結像倍率が１／４であるので、「瞳位置」は物体面−像面間を結像倍率の逆数（４：１）で内分した位置となっている。
【００２３】
本手段においは、偏向光学系を設計する際、レチクル上で光軸から離れた位置にあるサブフィールドを感応基板上に結像させる際の偏向軌道を、概ね当該サブフィールドと、そのサブフィールドが結像されるべきウエハ上の位置とを結ぶ直線周りで最適化する。最適化の手法は、従来用いられている手法と同じ手法を使用する。
【００２４】
本手段においては、荷電粒子線は、物体面上の光軸から離れた位置にあるサブフィールドとその結像位置とを結ぶ直線周りを通るようにされるので、従来の投影光学系とは異なり、荷電粒子線がコントラストアパーチャを通過する位置が、サブフィールドの位置によって異なることになる。よって、従来の荷電粒子線露光装置のように、光軸近傍を通らない。そのため、コントラストアパーチャの開口の形状はその軌道に即した形状に変更する。
【００２５】
一般的に収差の良好な屈折光学系は、その軌道が緩やかに曲げられている。又、そのようなパワー配置のときに、収差が良好になる。例外的には、低次収差を高次収差で打ち消すようなところで、軌道が急峻に曲げられる場合もある。しかし、荷電粒子線光学系では、レンズ場がシンプルなため、荷電粒子線をあまり高次収差を考慮する必要の無い領域で使用するのが一般的である。従って、良好な収差を達成するのに、「緩やかに曲げられる軌道」で構成することは必要条件である。
【００２６】
「緩やかに曲げられる軌道」の最たるものは直線であり、偏向光学系においては、偏向器群により、物体面上の光軸から離れたサブフィールドから、所望の結像位置の方向に、概ね直線に沿うように偏向させることで、収差が良好になる。すなわち、結像に寄与する荷電粒子線の軌道を、物体面上の光軸から離れたサブフィールドと所望の結像位置とを結ぶ直線の周りで最適化された軌道とする。もちろん個別のレンズを通過する際の収差低減手法は、従来用いられている手法で行われる。
【００２７】
従来の荷電粒子線投影光学系においては、前述のように、光軸から離れたサブフィールドを投影する場合においても、レチクル面から出た主光線が、コントラストアパーチャの位置において光軸中心近傍を通過するように偏向軌道を設定していた。そのために、回転角１８０°以外の結像光学系を用いた場合、荷電粒子線の軌道が「緩やかに曲げられる軌道」から大幅に逸脱することとなり、良好な偏向軌道が構成できなかった。本手段においては、このようなことがないので、光軸から離れた位置のサブフィールドを投影するときの偏向軌道において、収差を小さくするように設計することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、偏向光学系において、像の回転角が無回転倒立像以外の場合でも偏向軌道を最適化し、良好な結像性能を得ることの可能な荷電粒子線投影光学系を提供することができる。
【実施例】
【００２９】
図1は、半導体露光装置用投影レンズにおいて結像による倒立を除いて像が９０度回転する光学系を用いた偏向光学系に、本発明を適用した場合の実施例を示す図である。レチクル１上の、光軸２から離れた位置にあるサブフィールド３を透過した電子ビームは、電磁偏向器により、概ねサブフィールド３と、そのウエハ４上での目標結像位置５を結ぶ直線に沿った軌道を通るようにされており、この軌道を通るという条件の下に投影光学系６が最適化されている
表１に、サブフィールド３の像が９０°度回転して目標結像位置５に結像するようにされた光学系に対し、本発明の構成で最適化された偏向軌道と、従来型のアパーチャーを想定し、瞳面（瞳位置）において、投影光学系の機械的な中心軸を通過する条件で最適化された偏向軌道の解析結果を示す。この投影光学系の結像倍率は１／４であり、従って、瞳位置は、レチクル１の光軸方向位置とウエハ４の光軸方向位置を４：１で内分した点にあり、この位置にコントラストアパーチャ（図示せず）が設けられている。なお、表１に示す収差は５次収差までを考慮し、サブフィールドを投影した場合の焦点ずれと非点収差は他の補正器で補正可能として除いている。
（表１）
【００３０】
【表１】
2006066568.tif 000003
【００３１】
表１に示すレンズのみ、本発明、比較例として使用した９０度回転光学系は、レンズコイル３段からなる１／４倍縮小投影光学系で、ウエハ４上において、１ショットで露光するサブフィールドは２５０μｍ□、開き半角は６ｍｒａｄである。
【００３２】
レンズ内径は全て、投影光学系の全長の１／２以下である。又、縮小光学系であることと、ウエハ上の磁界強度を抑制する意味もあり、ウエハ側のレンズは更に小型のものが採用されている。特徴としては、比較的収差の大きなレンズ周辺の空間を広げ、極力偏向軌道の自由度を阻害しないように考慮されて設計されながら、従来の半導体露光装置用投影光学系に使用されている偏向光学系用レンズと比較しても、十分遜色ないレベルまで収差が抑制されたものである。
【００３３】
この光学系において投影レンズのみを使用した場合の主光線の光路の概略を図２に示す。以下の図において、前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付して、その説明を省略する。図２において、７ａ、７ｂ、７ｃは投影レンズである。レンズのみを使用した光学系は、従来の光学系と同じであり、物面であるレチクル１から放出された主光線は、コントラストアパーチャ８の位置で光軸と交わり、ウエハ４上に到達するようになっている。しかし、このレンズ系においては、主光線は投影レンズ７ａ、７ｂ、７ｃの働きにより９０°回転した位置に到達する。従って、レチクル１上のサブフィールドの像は、９０°回転してウエハ４上に投影される。
【００３４】
レチクル１の中心を光軸方向位置の原点にして、レチクル−ウエハ間を１に規格化したときの、投影レンズ７ａ、７ｂ、７ｃの中心位置及び、最大励磁電流を要する投影レンズ７ｂの励磁電流を１に規格化したときの各励磁電流値を表２に示す。
（表２）
【００３５】
【表２】
2006066568.tif 000004
【００３６】
この「像が回転する光学系」に対し、本発明の実施例として使用した偏向器群の配置の概要を図３に示す。偏向器は，９ａ〜９ｇまでの７段構成とし、投影レンズ７ａ〜７ｃと重ならない初段偏向器９ａ以外は、回転光学系（投影レンズ）の内側に整然と配置され、露光時の最大偏向量は2.375mm（サブフィールドを偏向方向に並べた、所謂メインフィールドは5×0.25mm）である。
【００３７】
一方、比較例として従来の、サブフィールドから放出された主光線が、コントラストアパーチャ位置において光軸近傍を通る方式の投影光学系についても、収差を最適化するための条件をシミュレーションによって求めた。その結果は表１に示されているが、比較例においては、偏向器は８個用い、それらの大きさ、位置については、投影レンズや他の偏向器とぶつかる状態も許容することにした、又、通常の投影光学系においては、レチクル面をケーラ照明することにより、電子線のレチクルからの射出角、ウェハーへの入射角を完全に０度にするのが基本であるが、今回のシミュレーションにおいては、その条件も若干緩めるなど、現実味のないレベルまで条件を緩くして比較例としてのシミュレーションを行った。
【００３８】
レチクル１の中心を光軸方向位置の原点にして、レチクル−ウエハ間を１に規格化したときの、各偏向器の中心位置、及び偏向器の内最大電流を流す偏向器の電流を１として規格化した場合の電流値を、本発明の実施例と比較例について表３に示す。
（表３）
【００３９】
【表３】
2006066568.tif 000005
【００４０】
その結果、表１において、光軸上微少領域（サブフィールド）をレンズのみで投影した場合の収差と、軸外微少領域（光軸から離れたサブフィールド）を本実施例によって投影した結果を比較すると分かるように、本実施例においては、光軸から離れた位置のサブフィールドの収差を、ゆがみを除いて、光軸上のサブフィールドとほぼ同じレベルまで抑制することができた。一方で、比較例の場合、表３における偏向器２と３、偏向器５と６のように、偏向器の強度中心が殆ど重なる非現実的なレベルまで設計条件を緩めても、表１を参照すると分かるように、性能の良い偏向軌道は得られなかった。
【００４１】
なお、実施例では、レチクルからの射出角、ウェハーへ入射角をほぼ０度にした条件でシミュレーションを行っているが、この拘束条件を緩めることで、更に歪みや解像度の高い偏向光学系を提供することができる。
【００４２】
又、本発明の実施例では、回転光学系のみによる結像位置と、偏向された所望の結像位置がほぼ同じ場合であるが、所望の結像位置が、回転光学系のみによる結像位置と全く異なる場合にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】半導体露光装置用投影レンズにおいて結像による倒立を除いて像が９０度回転する光学系を用いた偏向光学系に、本発明を適用した場合の実施例を示す図である。
【図２】図１に示す光学系において、投影レンズのみを使用した場合の主光線の光路の概略を示す図である。
【図３】本発明の実施例として使用した偏向器群の配置の概要を示す図である。
【図４】従来の荷電粒子線露光装置の投影光学系の概要を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…レチクル、２…光軸、３…サブフィールド、４…ウエハ、５…目標結像位置、…投影光学系６、７ａ〜７ｃ…投影レンズ、８…コントラストアパーチャ、９ａ〜９ｇ…偏向器
【図１】
2006066568.tif 000006
【図２】
2006066568.tif 000007
【図３】
2006066568.tif 000008
【図４】
2006066568.tif 000009