(57)【要約】【課題】投影光学系を構成する反射鏡の枚数を少なくし、かつ、収差の補正が良好でＮＡ及び露光領域の大きな投影光学系及び縮小投影露光装置を提供する。【解決手段】投影光学系１を構成する第１〜４の反射鏡４〜７を非球面の凸面状及び凹面上の反射面を有するように構成し、かつ、その非球面を２０次以上の偶数次非球面の式で表される反射面で構成することにより、４枚の反射鏡で構成された共軸の投影光学系で、収差が少なくかつＮＡ及び露光領域を大きくすることができ、第１物体面２上に形成された微細なパターンでも精度良く第２物体面３上に形成することができる。【選択図】　図１
2004029458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ所定形状の反射面を有する４枚の反射鏡からなる縮小投影装置を用いて、第１物体面上の物体の縮小像を第２物体面上に投影形成する投影光学系において、
前記反射鏡が非球面形状の反射面を有し、この非球面形状が、次式
2004029458.tif 000011
で表されることを特徴とする投影光学系。
【請求項２】
前記非球面形状の式において、前記多項式の次数ｉで表される非球面の次数２ｉが２０次以上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】
露光用照明光源と、照明光学系とを備え、
前記露光用照明光源の円周部の光を、前記照明光学系で円弧状のスリット光として前記第１物体面に照射し、前記縮小投影装置を用いて、前記第１物体面上の物体の縮小像を第２物体面上に投影形成する投影光学系において、
開口数が０．１６以上であり、
前記第２物体面上に投影形成される縮小像の領域を形成する円弧の弦の長さが２２ｍｍ以上であり、前記領域の高さが１．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の投影光学系。
【請求項４】
レチクルに露光光を照射し、前記レチクルに形成されたパターンの像を前記請求項１から３のいずれかに記載の投影光学系を介して感光基板上に投影する縮小投影露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、感光基板上にレチクルのパターンの縮小像を投影形成する投影光学系、及びこの投影光学系を備えた縮小投影露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体用縮小投影露光装置の開口数（以下、「ＮＡ」と呼ぶ。）及び使用波長は、半導体素子の高密度化、対象線幅の細線化に伴って年々大口径化、短波長化する傾向にある。使用する光線の波長は水銀灯のｉ線（波長３６５．０１５ｎｍ）から、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）へ移り、ＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）を光源とした縮小投影露光装置も実用化されている。しかし、近年においては、パターンの微細化の要求がさらに強まっており、Ｆ２エキシマレーザー（波長１５７ｎｍ）を経て、さらに波長の短いＥＵＶ光（極端紫外光、波長１３ｎｍ付近）を光源として用いた縮小投影露光装置が次世代の半導体リソグラフィの有力手段として研究されている。
【０００３】
このような縮小投影露光装置に用いられる投影レンズの硝材は、透過率の問題からＦ２エキシマレーザーを光源として使用したものが限界であり、これより波長が短い光源を利用する場合は、反射鏡で構成された反射屈折光学系を用いて縮小投影露光装置を構成する必要がある。また、高解像度を実現するためには、この光学系の収差を良好に保ったままＮＡと露光領域の十分に大きいものを得る必要があり、そのため、反射屈折光学系を構成する反射鏡の枚数が増加する傾向にあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＥＵＶ光のような短波長の光線を照射すると反射鏡で反射せず、透過ないし吸収されてしまうため、反射鏡の反射面に反射促進膜を形成してＥＵＶ光を反射をさせなければならないが、現状では十分な反射率を持った反射促進膜が得られていないことから、実際の露光を考えると反射促進膜で露光光の吸収による熱が発生し、光学系の性能が熱変動により悪化する可能性があり、また、反射促進膜での露光光の吸収を考慮して光源の光量を大きくすることが必要となる。このため、反射屈折光学系に多数の反射鏡を用いることができず、結果として収差を補正しつつ、ＮＡと露光領域が十分に大きいものを得ることが難しいという問題があった。
【０００５】
これらの問題を解決するために、反射鏡を光軸に対してシフトして（投影光学系の光軸から反射鏡の光軸を平行に移動する）配置することや、チルトして（投影光学系の光軸と反射鏡の光軸の角度を変える）配置することで、光学系の改善を図る方法が研究されている。しかし、これらの方法は実際の製造において、反射鏡のチルト量やシフト量を正確に計測して光学系を組み立てなければならないため、生産性が悪いという問題があった。また、反射鏡を従来の２０次以下の偶数次非球面の式で表わされる反射面で形成して、この反射鏡を用いた共軸の投影光学系では収差の補正が難しく、そのためＮＡ及び露光領域の確保が難しいという問題もあった。
【０００６】
本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、投影光学系を構成する反射鏡の反射面を従来の光学設計で用いられていたものよりも高次の偶数次の非球面の式を用いて表される形状で形成することにより、収差の補正を良好に行い、ＮＡ及び露光領域の大きな投影光学系及びこの投影光学系を備えた縮小投影露光装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明に係る投影光学系は、それぞれ所定形状の反射面を有する４枚の反射鏡からなる縮小投影装置を用いて、第１物体面上の物体の縮小像を第２物体面上に投影形成するように構成され、反射鏡が非球面形状の反射面を有し、この非球面形状が次式（１）で表されるように構成する。
【０００８】
【数１】
2004029458.tif 000003
【０００９】
なお、非球面形状の式（１）において、多項式の次数ｉで表される非球面の次数２ｉが２０次以上であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る投影光学系は、露光用照明光源と、照明光学系とを備え、露光用照明光源の円周部の光を、照明光学系で円弧状のスリット光として第１物体面に照射し、縮小投影装置を用いて、第１物体面上の物体の縮小像を第２物体面上に投影形成するように構成され、この投影光学系の開口数が０．１６以上であり、第２物体面上に投影形成される縮小像の領域を形成する円弧の弦の長さが２２ｍｍ以上であり、その縮小像の領域の高さが１．５ｍｍ以上であるように構成されることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る縮小投影露光装置は、レチクルに露光光を照射し、レチクルに形成されたパターンの像を投影光学系を介して感光基板上に投影するように構成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて本発明に係る投影光学系の構成について説明する。図１は、本発明に係る投影光学系の横断面の光路図であり、光束の幅は横断面のみを表している。投影光学系１は、第１物体面２と第２物体面３の間に配設されており、第１の反射鏡４、第２の反射鏡５、第３の反射鏡６及び第４の反射鏡７で構成されている。第１物体面２を出た光は、第１の反射鏡４、第２の反射鏡５、第３の反射鏡６、第４の反射鏡７の順に反射して第２物体面３上に第１物体面２上の物体の縮小像を投影して結像形成する。ここで、平坦性を維持し、倍率を確保するためには、少なくとも１枚の凸面鏡と１枚の凹面鏡が必要であり、また収差を補正するためには非球面であることが望ましいが、本実施例においては、第１の反射鏡４は非球面の凹面状の反射面を有しており、第２の反射鏡５は非球面の凸面状の反射面を有しており、第３の反射鏡６は非球面の凸面状の反射面を有しており、第４の反射鏡７は非球面の凹面状の反射面を有して構成されている。
【００１３】
また、第１〜４の反射鏡４〜７は投影光学系１の光軸に対して同軸に配設されており、第１の反射鏡４と第３の反射鏡６は反射面が第１物体面を向くように配設されており、また、第２の反射鏡５と第４の反射鏡７は反射面が第２物体面を向くように配設されている。このとき、第１物体面２から第２物体面３に向かって、第４の反射鏡７、第２の反射鏡５、第１の反射鏡４、第３の反射鏡６の順で並んで配設されている。
【００１４】
次に、上述した投影光学系１を用いて構成され、半導体製造工程の一つである光リソグラフィ工程で使用される縮小投影露光装置について、図２を参照して説明する。光リソグラフィ工程で使用される縮小投影露光装置は、原理的には写真製版と同じであり、レチクル（第１物体面）上に精密に描かれたデバイスパターンを、フォトレジストを塗布した半導体ウエハやガラス基板等の感光基板（第２物体面）上に光学的に投影して転写するものである。
【００１５】
この縮小投影露光装置１０は、反射型のレチクル１３に露光用照明光源１１からの光を照明光学系１２を通してスリット状の露光光にして照射し、レチクル１３に形成されたパターンの一部の像を上述した投影光学系１を通して半導体ウエハ１７に投影し、レチクル１３と半導体ウエハ１７とを投影光学系１に対して１次元方向（Ｙ軸方向）に相対走査することによって、レチクル１３のパターンの全体を半導体ウエハ１７上の複数のショット領域の各々にステップ・アンド・スキャン方式で転写するものである。本実施例の露光光としては１３．４ｎｍのＥＵＶ光を使用している。なお、図２においては、投影光学系１の光軸方向をＺ軸とし、このＺ軸と直交する方向であって、レチクル１３及び半導体ウエハ１７の操作方向をＹ軸とし、これらＹＺ軸と直交する紙面垂直方向をＸ軸とする。なお、レチクル１３と半導体ウエハ１７とはＹ軸方向に相対走査すると記述したが、Ｘ軸方向に対しても走査可能であることは言うまでも無い。
【００１６】
ここで、本実施例における露光光の形状は、図３に示すように、露光用照明光源１１からの照明光３０の円周部をスリット状にして利用しており、第２物体面３上に投影結像されて形成される露光領域３０ａとなる。これは照明光３０を反射鏡で反射させた場合、本発明のように共軸な反射光学系では反射鏡による光線の遮光により、光軸付近の領域は使うことが出来ず、光軸から離れた周辺部しか使うことができない。また、このことから収差の補正も周辺部のスリット状の使用領域だけ収差が補正されていれば良い。
【００１７】
レチクル１３は、少なくともＹ軸方向に沿って移動可能なレチクル支持台１４に支持されており、半導体ウエハ１７はＸＹＺ軸方向に沿って移動可能な載置台１８に載置されている。これらのレチクル支持台１４及び載置台１８の移動には、それぞれに接続されたレチクル支持台駆動部１５及び載置台駆動部１９により駆動される。露光動作の際には、照明光学系１２よりレチクル１３に対してＥＵＶ光を照射し、投影光学系１に対してレチクル１３及び半導体ウエハ１７を、投影光学系１の縮小倍率により定まる所定の速度比で移動させる。これにより、半導体ウエハ１７上の所定のショット領域内には、レチクル１３上のパターンの像が走査露光される。
【００１８】
最後に、本発明に係る投影光学系の数値実施例について説明する。投影光学系１の構造としては、上述した図１の通りであり、第２物体面３上に投影形成される露光領域３０ａの形状は図３に示したスリット状をしている。なお、本実施例における第１〜４の反射鏡４〜７の反射面は、上述した式（１）で表され、光軸に対して回転対称な非球面形状をしている。なお、距離ｒを中心接平面のＸＹ軸で表したものは式（２）であり、また、正規化された放射座標ρは式（３）で表される。このとき、式（３）におけるＲは反射鏡の反射面の規格化半径を表している。
【００１９】
【数２】
ｒ２＝ｘ２＋ｙ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
【００２０】
【数３】
ρ＝ｙ／Ｒ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
【００２１】
なお、本実施例における露光光（ＥＵＶ光）の波長は１３．４ｎｍ、非球面の次数が２２０、縮小倍率が１／４倍、露光領域３０ａの幅（露光領域を形成する円弧の弦の長さ）が２２ｍｍで高さが１．５ｍｍ、投影光学系１の像側のＮＡが０．１６となっている。
【００２２】
本実施例の投影光学系１は、微細なパターンを第２物体面上に形成するために、第２物体面上に縮小投影される第１物体面上の物体の像の歪曲収差を５ｎｍ以下に抑えるように設計しており、この条件の下で、投影光学系１を構成する第１〜４の反射鏡４〜７の反射面の非球面形状を表す式（１）の非球面の次数を２２０次とする理由について図４を用いて説明する。本実施例では、第２物体面に投影される第１物体面上の物体の縮小像を精度良く結像するためには、第２物体面上に投影される像の歪曲収差だけでなく波面収差も抑えなければならず、この波面収差の平均自乗根（ＲＭＳ）を３０ｍλより小さくする必要がある（ここで、１ｍλは像を形成する光の１波長の千分の一の長さを表している）。図４に示す通り第１〜４の反射鏡４〜７の反射面の非球面形状を表す式（１）の非球面の次数を大きくするとそれに合わせて波面収差が小さくなり、２２０次以上になると３０ｍλ以下になる。このため本実施例では非球面の次数として２２０を採用している。
【００２３】
表１〜５に、投影光学系１の諸元を示す。表１において、曲率半径には各反射面の近似区曲率半径（単位：ｍｍ）が示されており、中心厚には各面間隔（単位：ｍｍ）が示されている。なお、曲率半径の符号は第１物体面２側に向けて凹となる場合を正としており、中心厚は一つ前の面からの間隔で反射面の前後で符号が逆転するものとする。また、表２〜５には、第１〜４の反射鏡４〜７の非球面データ（第２ｉ次の非球面係数αｉ）を示す。
【００２４】
【表１】
2004029458.tif 000004
【００２５】
【表２】
2004029458.tif 000005
【００２６】
【表３】
2004029458.tif 000006
【００２７】
【表４】
2004029458.tif 000007
【００２８】
【表５】
2004029458.tif 000008
【００２９】
上述したような構成を有する投影光学系１によって、第１物体面２上の物体の像を第２物体面３上に投影形成することができる。次に、上記諸元の投影光学系１にて図３に示した照明光３０の円周部をスリット状にして投影したときに第２物体面３上に形成される第１物体面２上の物体の縮小像（露光領域３０ａ）の歪曲収差（単位：ｎｍ）及び波面収差（単位：ｍλ）を表６及び表７に示す。なお、本実施例における第２物体面３上での照明光３０の像高（Ｙ軸方向高さ）は３９．５ｍｍであり、露光領域３０ａはこの像高のうち、表７に示す波面収差が３０ｍλ以下になる範囲、つまり３８．０〜３９．５ｍｍの範囲を利用しているため、表６及び表７はその範囲に対応する部分の歪曲収差及び波面収差を示している。上述したとおり、歪曲収差は５ｎｍ以下であり、また、波面収差は３０ｍλ以下であり良好な結果となっている。
【００３０】
【表６】
2004029458.tif 000009
【００３１】
【表７】
2004029458.tif 000010
【００３２】
次に、第２物体面３上に形成される縮小像のコマ収差を、図３の露光領域３０ａの像高（Ｙ軸上の位置）に対応してグラフにしたものを図５に示す。図５において、それぞれの像高の位置に対するグラフのうち、左側のグラフがＹ軸方向の収差を表しており、縦軸にＹ軸方向の収差（ＥＹ　単位：μｍ）を取り、横軸に瞳における光線のＹ軸方向の位置（ＰＹ　単位：μｍ）を取っている。右側のグラフがＸ軸方向の収差を表しており、縦軸にＸ軸方向の収差（ＥＸ　単位：μｍ）を取り、横軸に瞳における光線のＸ軸方向の位置（ＰＸ　単位：μｍ）を取っている。
【００３３】
以上のように、投影光学系１を構成する反射鏡を非球面の凸面状及び凹面状の反射面を有するように構成し、かつ、その非球面の次数を２０次以上にすることにより、４枚の反射鏡でも収差が少なく、かつ、十分ＮＡ及び露光領域が大きい精度の良い露光を行うことが可能となる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明による投影光学系によれば、投影光学系を構成する反射鏡を非球面の凸面状及び凹面上の反射面を有するように構成し、かつ、その非球面形状を表す式の非球面の次数を２０次以上で構成することにより、４枚の反射鏡で構成された共軸の投影光学系で、収差が少なくかつＮＡ及び露光領域を大きくすることができ、レチクル上に形成された微細なパターンでも精度良く感光基板上に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る投影光学系の横断面の光路図である。
【図２】本発明に係る縮小投影露光装置のブロック図である。
【図３】本発明に係る投影光学系の露光領域を表す図である。
【図４】本発明に係る投影光学系における非球面の次数と波面収差の関係を表すグラフである。
【図５】本発明に係る投影光学系のコマ収差を表すグラフである。
【符号の説明】
１　投影光学系
２　第１物体面
３　第２物体面
４　第１の反射鏡
５　第２の反射鏡
６　第３の反射鏡
７　第４の反射鏡
１０　縮小投影露光装置
１３　レチクル
１７　半導体ウエハ（感光基板）
【図１】
2004029458.tif 000012
【図２】
2004029458.tif 000013
【図３】
2004029458.tif 000014
【図４】
2004029458.tif 000015
【図５】
2004029458.tif 000016