(57)【要約】【課題】真空蒸着により製造される光学薄膜において、光学特性の面内分布を低減すること。【解決手段】基板上に低屈折率物質薄膜と高屈折率物質薄膜とを交互に積層してなる光学素子において、高屈折率物質薄膜を、無定形構造を有するものとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に低屈折率物質薄膜と高屈折率物質薄膜とを交互に積層してなる光学素子であって、前記高屈折率物質薄膜が、無定形構造を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記高屈折率物質がフッ化イッテルビウムであることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
投影光学系を用いてマスクのパターン像を基板上に投影露光する装置であって、紫外線を露光光としてマスクを照明する照明光学系と、前記マスクのパターン像を基板上に形成する投影光学系とを有し、かつ請求項１ないし請求項２記載の光学素子を含む投影露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は紫外線を光源とする半導体製造用投影露光装置に用いる光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年において、ＶＬＳＩはますます高集積化、高機能化され、論理ＶＬＳＩの分野ではチップ上により大きなシステムが組み込まれるシステムオンチップ化が進行している。これに伴い、その基板となるシリコン等のウエハ上において、微細化および高集積化が要求されている。そして、シリコン等のウエハ上に集積回路の微細パターンを露光・転写する光リソグラフィにおいては、ステッパと呼ばれる露光装置が使用されている。
【０００３】
ＶＬＳＩの中でＤＲＡＭを例に挙げると、近年５１２Ｍ以上の容量が現実のものとなり、加工線幅が０．１５マイクロメートル以下と微細になっているため、光リソグラフィ技術の要であるステッパの投影レンズには、高い結像性能（解像度・焦点深度）が要求されている。解像度と焦点深度は、露光に用いる光の波長とレンズの開口数（ＮＡ）によって定まる。
【０００４】
露光波長λが同一の場合には、細かいパターンほど回折光の角度が大きくなるため、レンズのＮＡが大きくなければ回折光を取り込めなくなる。また露光波長λが短いほど同一パターンにおける回折光の角度は小さくなるので、レンズのＮＡは小さくて良いことになる。解像度と焦点深度は次式により表される。
【０００５】
解像度＝ｋ１・λ／ＮＡ
焦点深度＝ｋ２・λ／１−（１−ＮＡ２）０．５
ここでｋ１、ｋ２は比例定数
上式より、解像度を向上させるためには、レンズのＮＡを大きくするか、あるいは露光波長λを短くすれば良く、またλを短くする方が焦点深度の点で有利であることがわかる。
【０００６】
最近では、水銀ランプより短波長域の光を発振でき、かつ高出力な紫外レーザーを光源としたステッパーの実用化が始まっている。このステッパーの光学系において、レンズ等の光学素子の表面反射による光量損失やフレア・ゴースト等を低減するために反射防止膜や光を折り返したり光路を曲げるための反射増加膜等の光学薄膜を光学素子表面に形成する必要がある。
【０００７】
光源である紫外レーザーにはＫｒＦエキシマレーザ（波長λ＝２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザー（λ＝１９３ｎｍ）、フッ素ガスレーザ（λ＝１５７ｎｍ）等がある。これらの光に対して光吸収の大きい物質や耐レーザー性の低い物質によって光学薄膜を構成した場合、光吸収による光量損失，吸収発熱による基板面の形状変化や膜の破壊等を起こしやすくなる。
【０００８】
このため光学薄膜に使用する物質としては、エネルギーバンドギャップが広く、光吸収が小さく、且つ高耐レーザー性を有しているものが望ましい。前記紫外レーザー波長にて使用できる物質は第一にそれらの波長において充分に透明であることが不可欠であり、特に次世代の半導体製造用投影露光装置に用いられるＦ２レーザー波長においては、事実上フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２  ）やフッ化ネオジム（ＮｄＦ３）のようなフッ素化合物のみが用いられ得る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
フッ素化合物薄膜を基板上に形成する手段としては、いわゆるＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：物理的気相蒸着）が一般に用いられる。
【００１０】
ＰＶＤのうちプロセス中に高エネルギー粒子が介在する、スパッタリング、イオンプレーティング、イオンビームアシスト蒸着等により形成されたフッ素化合物薄膜は、緻密性で従来の真空蒸着法に勝るという特徴を持つ。しかしながら、これらのプロセスでは高エネルギー粒子の衝突によって膜中にフッ素欠陥を生じるため、特にＦ２レーザー波長を含む紫外域での光学吸収が極めて大きくなってしまうという本質的な問題を有している。
【００１１】
一方、従来の真空蒸着法によれば光学吸収が非常に小さく透明性に優れたフッ化物薄膜が得られるが、真空蒸着の原理上避けられない問題が存在する。以下、この問題を図２に示す真空蒸着装置の概略図を用いて説明する。
【００１２】
真空蒸着法においては、蒸発源３で蒸発した原子・分子・クラスター等（以下「蒸着粒子」という）が無衝突で基板面に到達し、そのまま堆積・成長する。したがって基板の大きさが極めて小さい特殊な場合を除き、一般には基板面への蒸着粒子の入射角は面内で一様ではなく分布を有する。すなわち、図２における基板２上の点５では入射角７、点６では入射角８であり、両者は同一ではない。ここで入射角とは各点における基板面の法線９からの角度を言う。
【００１３】
図３は、真空蒸着装置の主要部を平板基板１１および曲面基板１２について簡略化して示したものである。図３（ａ）は平板基板における蒸着粒子入射角の分布を示し、図３（ｂ）は曲面基板における蒸着粒子入射角の分布を示す。レンズ等の表面が曲面をなす基板の場合は、蒸発粒子の発散角に加えて、基板の曲率による基板面の傾きが影響するため、蒸着粒子の入射角分布は平板基板におけるものより大きなものとなる。
【００１４】
真空蒸着法により光学薄膜を作成した場合、薄膜の屈折率が入射角に応じて変化し、面内分布を示すことが従来知られていた。光学薄膜の光学特性はその屈折率に依存するため、真空蒸着により光学薄膜を形成してなる光学素子の場合、その光学特性も面内分布を有するものとなる。
【００１５】
真空蒸着により成膜した薄膜の機械膜厚が面内分布を有すること、その分布関数が幾何学的配置のみから算出される余弦則で良く近似できることは広く知られており、通常、遮蔽板等の利用により分布補正が行われている。しかしながら屈折率の面内分布補正はそのメカニズムが明らかでない等の理由により、実用化されるには至っていない。
【００１６】
光学系の設計においては光線追跡等のコンピュータシミュレーションが必要不可欠であるが、光学系を構成する光学素子の特性が上記の如く面内分布を有する場合にはシミュレーションが極めて困難となり、特に精度が要求される半導体露光装置の投影レンズ設計等において、現実の素子特性を反映させた光学設計に支障をきたしていた。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、面内で一様な特性を有する光学素子を得る手段として、
請求項１に記載する、基板上に低屈折率物質薄膜と高屈折率物質薄膜とを交互に積層してなる光学素子であって、前記高屈折率物質薄膜が、無定形構造を有することを特徴とする光学素子。
及び、
請求項２に記載する、前記高屈折率物質がフッ化イッテルビウムであることを特徴とする前記の光学素子。
及び、
請求項３に記載する、投影光学系を用いてマスクのパターン像を基板上に投影露光する装置であって、紫外線を露光光としてマスクを照明する照明光学系と、当該マスクのパターン像を基板上に形成する投影光学系とを有し、かつ前記の光学素子を含む投影露光装置。
とを提供する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明者は研究の過程において、蒸着粒子の入射角が変化すると、堆積した薄膜の不均質の程度に変化が生じることを見出した。ここで不均質とは当業者が通常用いる用語であって、膜厚方向の屈折率分布を指すものである。
研究の結果、基板上に柱状構造を保ちつつ成長する物質の場合、基板面への蒸着粒子の入射角が大きくなるほど大きな不均質を示すことが明らかになった。図１は基板上に柱状構造を保ちつつ成長する物質について、蒸着粒子入射角を変えた場合に観察される柱状構造の変化を表した模式図である。ここで矢印は蒸着粒子の入射方向を表す。図１（ａ）は基板面に垂直に蒸着粒子が入射する場合、図１（ｂ）は基板面に一定の入射角θ１をもって蒸着粒子が入射する場合、図１（ｃ）はθ２＞θ１なる入射角θ２をもって蒸着粒子が入射する場合を示したものである。蒸着粒子が斜方から入射する場合、膜厚が増大するにつれて、ある横断面における実質部分（柱部分）が占める断面積は減少し、空隙部分が増大する。この結果、柱状構造は基板から成長面に向かって先細りの円錐様に成長することになる。空隙部分には屈折率１の外気が流入するため、平均屈折率は膜の成長に伴って徐々に低下する。これが不均質として観測されるのである。図１（ｂ）および（ｃ）に示すように、蒸着粒子の入射角が大きいほど実質部分が占める断面積比が急激に減少するため、不均質の程度が大きくなる。したがって基板面内で蒸着粒子の入射角に差があると、不均質の程度に差が生じ、最終的な光学特性の基板面内分布を引き起こす原因となる。
そこで本発明者は、薄膜が無定形構造を保ちつつ成長すれば不均質を生じず、屈折率の蒸着粒子入射角依存性も現われないため、基板面内で一様な屈折率を示す薄膜が得られるものと考えた。この仮説を実証するため薄膜材料および成膜プロセスの探索に尽力した結果、高屈折率を有するフッ化ランタノイドの一つであるフッ化イッテルビウムを真空蒸着法により成膜した場合、特異的に無定形構造を保ちながら成長し、基板面内で一様な屈折率を示す薄膜が得られること、当該薄膜を有する光学素子の特性も面内一様であることを見出すに至った。さらにフッ化イッテルビウム薄膜は紫外域でも良好な光透過率を示し、光学薄膜として極めて有用であることが判った。これに対し、研究対象とした他のフッ化物薄膜は柱状に成長し、大きな不均質が認められた。
【００１９】
基板上に低屈折率物質薄膜と高屈折率物質薄膜とを交互に積層してなる光学薄膜を有する光学素子において、柱状構造は低屈折率・高屈折率どちらの薄膜にも存在しうるが、特に高屈折率物質薄膜の場合は実質部分（柱部分）と空隙部分との屈折率差が大であるため不均質が強く現れ、光学薄膜としての特性に与える影響が極めて大きくなる。したがって前記光学素子の特性を面内一様なものとするためには、高屈折率物質薄膜が無定形であることが必須となるのである。なお本発明において薄膜が無定形構造を有するとは、薄膜断面を倍率５万倍〜２０万倍の走査型電子顕微鏡で観察したときに、当該断面が全体にわたって均質で微細構造が認められない状態を指し、当該薄膜が結晶質であるか非晶質であるか、すなわち原子（イオン）配置の秩序性を表すものではない。
【００２０】
図７は本発明に係る半導体製造用投影露光装置の一例である。
本発明に係る露光装置は少なくとも、表面３０１ａに置かれた感光剤を塗布した基板Ｗを置くことのできるウェハーステージ３０１，露光光として用意された波長の紫外光を照射し、基板Ｗ上に用意されたマスクのパターン（レチクルＲ）を転写するための照明光学系１０１，照明光学系１０１に露光光を供給するための光源１００，基板Ｗ上にマスクＲのパターンのイメージを投影するためのマスクＲが配された最初の表面Ｐ１（物体面）と基板Ｗの表面と一致させた二番目の表面（像面）との間に置かれた投影光学系５００、を含む。照明光学系１０１は、マスクＲとウェハーＷとの間の相対位置を調節するための、アライメント光学系１１０も含んでおり、マスクＲはウェハーステージ３０１の表面に対して平行に動くことのできるレチクルステージ２０１に配置される。レチクル交換系２００は、レチクルステージ２０１にセットされたレチクル（マスクＲ）を交換し運搬する。レチクル交換系２００はウェハーステージ３０１の表面３０１ａに対してレチクルステージ２０１を平行に動かすためのステージドライバーを含んでいる。投影光学系５００は、スキャンタイプの露光装置に応用されるアライメント光学系を持っている。
【００２１】
本発明に係る投影露光装置は、前記本発明に係る光学素子を照明光学系１０１の光学レンズ９０および／または投影光学系５００の光学レンズ５０１として用いるものである。
【００２２】
以下、実施例に基づき本発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
【実施例１】
真空蒸着法により、石英ガラス基板上に低屈折率物質｜高屈折率物質｜低屈折率物質の３層からなる反射防止膜を形成し、光学素子を作製した。本実施例において低屈折率物質はフッ化マグネシウムを用い、高屈折率物質として、本発明によるフッ化イッテルビウムを用いたものおよび比較対象としてフッ化ランタンを用いたものの計２種類の光学素子を作製した。成膜に用いた蒸着装置は、基板面上のいたるところで上記薄膜の機械膜厚が一様になるよう、遮蔽板を用いた膜厚分布補正が施されている。反射防止の中心波長は１９３ｎｍである。作製された光学素子の断面を走査型電子顕微鏡（日立Ｓ−５０００Ｈ、加速電圧５ｋＶ）により観察すると、フッ化マグネシウム層およびフッ化ランタン層には明らかな柱状構造が認められたのに対し、フッ化イッテルビウム層には微細構造が認められず、無定形構造を示した。
【００２４】
図４は、前記各光学素子について、基板上で蒸着粒子入射角が０°である点および４５°である点のそれぞれについて、分光反射率を測定したものである。各プロットの表示は（高屈折率物質名）−（蒸着粒子入射角）である。蒸着粒子入射角０°の位置では、高屈折率物質の種類に関係なく、どちらの光学素子も中心波長における反射率がほぼ０で良好な反射防止特性を示す。蒸着粒子入射角４５°の位置ではどちらの反射防止膜についても特性悪化、すなわち中心波長における反射率の上昇が認められるが、フッ化ランタンを使用した反射防止膜では反射率上昇が０．５％に達しているのに対して、フッ化イッテルビウムを使用した反射防止膜では０．１％程度の上昇に抑えられており、明らかな効果が認められた。
【００２５】
【実施例２】
本実施例は波長１９０ｎｍ〜２３０ｎｍにおいて反射防止性能を有する広帯域反射防止膜を有する光学素子である。
【００２６】
真空蒸着法により、石英ガラス基板上に低屈折率物質｜高屈折率物質｜低屈折率物質｜高屈折率物質｜低屈折率物質の５層からなる反射防止膜を形成し、光学素子を作製した。本実施例において低屈折率物質はフッ化マグネシウムを用い、高屈折率物質として、本発明によるフッ化イッテルビウムを用いたものおよび比較対象としてフッ化ランタンを用いたものの計２種類の光学素子を作製した。成膜に用いた蒸着装置は、基板面上のいたるところで上記薄膜の機械膜厚が一様になるよう、遮蔽板を用いた膜厚分布補正が施されている。
【００２７】
作製された光学素子の断面を実施例１と同様に走査型電子顕微鏡により観察すると、フッ化マグネシウム層およびフッ化ランタン層には明らかな柱状構造が認められたのに対し、フッ化イッテルビウム層には微細構造が認められず、無定形構造を示した。
【００２８】
図５は、上記各光学素子について、基板上で蒸着粒子入射角が０°である点および４５°である点のそれぞれについて、分光反射率を測定したものである。各プロットの表示は（高屈折率物質名）−（蒸着粒子入射角）である。蒸着粒子入射角０°の位置では、高屈折率物質の種類に関係なく、どちらの反射防止膜も帯域幅内で反射率０．５％以下の特性を示す。蒸着粒子入射角４５°の位置ではどちらも反射率が上昇するが、フッ化ランタンを用いた反射防止膜では反射率が２．５％に達するのに対し、フッ化イッテルビウムを用いた反射防止膜では反射率は１％に抑えられており、顕著な効果が認められた。
【００２９】
次に、上記の光学素子それぞれについて反射率の光線入射角依存性を測定した。結果を図６に示す。蒸着粒子入射角０°の位置では、高屈折率物質の種類に関係なく、どちらの素子も光線入射角４０°以下の領域では反射率０．５％以下の良好な特性を示す。蒸着粒子入射角４５°の位置ではどちらも反射率が上昇するが、フッ化ランタンを用いた反射防止膜を形成した光学素子では光線入射角４０°に対する反射率が２．８％に達するのに対し、フッ化イッテルビウムを用いたものでは同じ光線入射角に対する反射率が１．２％程度に抑えられており、顕著な効果が認められた。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、大面積の基板や小曲率半径の基板に対しても面内で特性が一様な光学薄膜を有する光学素子を形成することができ、また高精度な光学系シミュレーションを実施することが可能となる。その結果、本発明による光学素子を搭載する投影露光装置は、光学素子の残存反射に起因する光量損失が低減されるためスループットが向上し、またフレア・ゴースト等が十分除去されることにより高解像度を得ることができる。また本発明による光学素子は真空紫外波長においても十分な光透過率を有するため、当該波長の光を露光光源とする前記投影露光装置に利用すれば、光源の短波長化による高解像度露光を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は蒸着粒子入射角と不均質との関係を示す模式図である。
【図２】図２は真空蒸着法における蒸着粒子入射角を示す概略図である。
【図３】図３は平面基板と曲面基板の蒸着粒子入射角を示す概略図である。
【図４】図４は３層反射防止膜を有する光学素子の分光反射率曲線である。
【図５】図５は５層反射防止膜を有する光学素子の分光反射率曲線である。
【図６】図６は５層反射防止膜の角度特性を表すグラフである。
【図７】図７は投影露光装置の概略図である。
【符号の説明】１：真空蒸着装置、２：基板、３：蒸発源、４：蒸着粒子の飛跡、５：蒸着粒子の入射点（Ａ）、６：蒸着粒子の入射点（Ｂ）、７：点（Ａ）における蒸着粒子入射角、８：点（Ｂ）における蒸着粒子入射角、９：各入射点における基板面の法線、１１：平面基板、１２：曲面基板、５００：投影光学系、９０：光学レンズ、５０１：光学レンズ
【図１】
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【図２】
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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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