(57)【要約】【課題】  本発明は回折光学素子が照明光路にも結像光路にも使用される結像系に関するものである。【解決手段】  この回折素子が反射モードで動作するか、あるいは透過モードで動作するかはシステム設計の仕様による。結像系用の本発明による回折ビームスプリッタの光路に存在する結像光学素子３の少なくとも１つが照明光路にも結像光路にも使用される。この素子は回折光学素子（ＤＯＥ）３であり、異なる回折配置の適用によって対象物空間における結像光路と照明光路との空間的分離を必要としない。回折光学素子を使用することで反射光学素子の数を減らすことができ、その結果システムのコストが下がり、また低電力ＥＵＶ源を使用することで光学部品の寿命を延ばすことができる。
2006524912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路に存在する結像光学素子の少なくとも１つが照明光路にも結像光路にも使用される回折光学素子（ＤＯＥ）であって、様々な回折配置の適用によって対象物空間における結像光路と照明光路との空間的分離を必要としない結像システム用の回折ビームスプリッタ。
【請求項２】
ＤＯＥが、対象物の直前に配置されることの可能な請求項1に記載の結像システム用の回折ビームスプリッタ。
【請求項３】
ＤＯＥが、結像作用を備えている先行請求項の少なくとも１つに記載の結像システム用の回折ビームスプリッタ。
【請求項４】
結像光学素子が、球面、非球面あるいは平面の底面に回折、反射構造を備えている先行請求項の少なくとも１つに記載の結像システム用の回折ビームスプリッタ。
【請求項５】
結像光学素子の球面の底面が、凹面あるいは凸面に形成されている先行請求項の少なくとも１つに記載の結像システム用の回折ビームスプリッタ。
【請求項６】
ＤＯＥのライン数が、結像特性を向上させるため、少なくとも１つの方向では可変的経過を辿る先行請求項の少なくとも１つに記載の結像システム用の回折ビームスプリッタ。
【請求項７】
照明および結像においてテレセントリック条件が保持されている先行請求項の少なくとも１つに記載の結像システム用の回折ビームスプリッタ。
【請求項８】
結像光路内および観察光路内でＤＯＥの前方または後方に、回折光学素子の結像特性の補償に寄与する追加素子が配置された、ただし、その追加素子としてはレンズ、ミラー、ＤＯＥなどが可能である先行請求項の少なくとも１つに記載の結像システム用の回折ビームスプリッタ。
【請求項９】
ＤＯＥの断面形状が、ある平面における少なくとも２つの鏡面対称軸について対称であり、また照明光路および結像光路が互いに対称に作られていて、そして相補的な回折配置のＤＯＥが用いられている先行請求項の少なくとも１つに記載の結像システム用の回折ビームスプリッタ。
【請求項１０】
回折ビームスプリッタであって、ＤＯＥが２度反射に用いられる先行請求項の少なくとも１つに記載の結像システム用の回折ビームスプリッタ。
【請求項１１】
システムに対して様々な開口数が設定できる先行請求項の少なくとも１つに記載の結像システム用の回折ビームスプリッタ。
【請求項１２】
照明開口と結像開口とを切り替えることにより様々な適応形態が設定できる先行請求項の少なくとも１つに記載の結像システム用の回折ビームスプリッタ。
【請求項１３】
凹球面の底面を持つ結像光学素子が、ライン数２０００本／ｍｍを越えない回折作用構造を有していて、それが照明光路にも観察光路にも用いられる先行請求項の少なくとも１つに記載の結像システム用の回折ビームスプリッタ。
【請求項１４】
凹球面の底面を持ち、照明光路にも観察光路にも用いられる結像光学素子がライン数２０００本／ｍｍを越えない回折作用構造を有し、さらには開口適合化の絞りが備わっている先行請求項の少なくとも１つに記載の結像システムに基づくリソグラフマスク用の検査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回折光学素子が、照明光路にも結像光路にも使用される結像システムに関するものである。この回折素子が、反射モードで動作するか、あるいは透過モードで動作するかはシステム設計の仕様による。
【０００２】
目標は結像システムの解像度の向上と、それに加えてテレセントリック条件を保持することである。
【背景技術】
【０００３】
結像システムの最大解像度は主として開口数（ＮＡ）および使用する波長（λ）によって決まる。
解像度  〜    使用する波長／開口数
【０００４】
テレセントリック条件は、焦点ぼけの際に拡大縮小率を一定にする。たとえばテレセントリック条件を満たす顕微鏡で３次元物体を観察しながら焦点面を通過するようにこの物体を動かすと、物体の各部分は明瞭にあるいはぼけて見えるが、構造の倍率は変わらない。
【０００５】
本発明の基本原理は電磁的放射の全領域に適用できる。しかし特に重要なのは１００ｎｍより下の波長領域である。上の領域では、本発明を反射モードおよび透過モードの双方で用いるシステムを作ることができるが、１００ｎｍより下では、透過する「バルク」材料を選択することは極めて稀なので、主として反射モードで動作させる。この反射領域において本発明が特に有用な３大応用分野は以下の通りである。
Ａ）１３．５ｎｍ近辺の半導体産業用リソグラフならびにステッパ
Ｂ）金属顕微鏡たとえばマスク検査顕微鏡ＡＩＭＳ
Ｃ）「水の窓」（水中で特に解像度が上がる波長領域）における生物学試料
【０００６】
Ａ）に関しては、半導体産業ではマイクロプロセッサ構造の小型化のために解像および結像が可能な限りパターンサイズの縮小が要求されている。さらに１３．５ｎｍ近辺で動作する新しいステッパの場合には開口数も大きくしなければならない。今日使用されている１５７ｎｍとＮＡ＝０．９５近辺で動作するステッパの解像度限界をもとに計算すると、ＥＵＶステッパ（１３．５ｎｍ）のＮＡは０．０８となり、このことはＮＡが０．０８より大きくなって初めて現在の１５７ｎｍシステムより解像度が良くなることを意味する。新しい１３．５ｎｍ近辺の２素子結像システム、たとえばシュワルツシルト光学系、の開口数はほぼ０．１であり、本発明によればこれを倍にすることができる。
【０００７】
Ｂ）に関しては、金属顕微鏡の場合、マスク検査顕微鏡を例にとって本発明の両方の有利性をいわゆる空間像測定システム（ＡＩＭＳ）について説明する。ＡＩＭＳ法の場合、基本的にステッパのリソグラフマスクの結像をシミュレートする。リソグラフステッパはマスクパターンを照射対象の担体（ウエハ）に縮小して結像する。マスク検査の場合はこれとは反対にマスクパターンを拡大して結像し、その際に通常はシミュレーションの場合に顕微鏡の開口数（ＮＡ）はステッパの拡大倍率に逆比例して設定される。（たとえばステッパの開口数が０．４でステッパの拡大倍率が４であれば、シミュレーション顕微鏡の開口数は０．４／４＝０．１となる）。マスクの欠陥を観察する場合、開口数（ＮＡ）を大きくすれば追加の顕微鏡を煩わさなくてもより正確に観察することができる。これは現在市販の装置においては非常に限られた範囲でのみ可能である。
【０００８】
マスク検査顕微鏡を使ってマスクに対するステッパのプロセスウインドウを決定する。その際に検査顕微鏡の焦点ぼけ範囲についてステッパの画像側のテレセントリック性が保持されなければならない。その際に結像のパターン幅がある大きさを超えてはならないことから焦点ぼけを起こす移動の大きさが決まる。つまりこれにより投射する像からウエハまでの保持しなければならない距離が決まる。この仕組みのさらに詳しい説明は特許出願ＤＥ１０２２０８１６およびＤＥ１０２２０８１５（Ｅｎｇｅｌほか)に記載されている。
【０００９】
Ｃ）に関して、限界解像度の継続的な低減は半導体産業に限らず重要である。たとえば生物学者や医師はＵＶ−Ｆｉｓ領域およびいわゆる水の窓におけるＥＵＶ顕微鏡［２−５ｎｍ（〜５００ｅＶ）］に関心がある。この領域においては水に非吸収領域があり、これによってより透明となって溶液中の生物試料を調べることができる。
【００１０】
反射モードで動作する照明結像配置においては一般にシステムの照明および結像円錐（開口数ＮＡ）は形状寸法的に制限される。この問題を図1で現状技術の結像システムの光路に示す。米国特許ＵＳ  ５１４４４９７、ＵＳ  ５２９１３３９、およびＵＳ  ５１３１０２３はＸ線顕微鏡に関するもので、これにはシュワルツシルト光学系が結像システムとして用いられている。これらには特にいわゆる暗視野像を結像するという欠点があり、その結果としてパターンサイズが正しくなくなる。
【特許文献１】ＵＳ  ５１４４４９７
【特許文献２】ＵＳ  ５２９１３３９
【特許文献３】ＵＳ  ５１３１０２３
【特許文献４】ＵＳ  ６４６９８２７
【特許文献５】ＵＳ  ５０２２０６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
形状寸法的に制限された光線入射角によって、従来の反射モードで動作する照明結像系は対物側において、焦点ぼけの際に結像倍率を保持して対象物に忠実な結像を生成するテレセントリック条件を満たさない。
【００１２】
開口数の限界と形状寸法に起因する光線入射角とが結像系に強い制限を加えるが、これは本発明により取り除くことができる。その際にこれまでＸ線の回折によるスペクトルの選択（スペクトルのフィルタリング）にのみ用いられていた回折素子の技術を用いる。米国特許ＵＳ  ６４６９８２７およびＵＳ  ５０２２０６４ではこの回折素子はＸ線のスペクトル分割および選択のためにのみ記述されている。これに対して本発明においては回折素子を特に結像特性の補正および改善に用いる。
【００１３】
開口数（ＮＡ）を大きくするために、提案する方法に特に有効ないくつかの技法を開発した。
・  前あるいは後に接続される光学素子の数の増加。ＥＵＶエネルギー領域においては表面が増えるごとに少なくとも３０％強度が低下する。
・  屈折あるいは反射素子（レンズ、ミラー等）の代わりに回折素子（ＤＯＥ）を使用
・  球面素子の代わりに非球面素子を使用
・  表面に関する対称性の低減。その例は後で詳しく説明する。
これら上記の技法はそれぞれＮＡを増大するのに貢献する。
【００１４】
本発明の課題は、回折によるビームスプリッタに基づいて、現状の技術で知られている欠点を克服する結像システムを開発することである。さらに大きな開口数によってより良い解像度を達成する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に従ってそれぞれ独立した請求項の特徴により課題を解決する。それの好ましい発展形および構成は従属請求項に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を以下に実施例に基づいて説明する。
【００１７】
図１は現状技術による結像システムにおける光線経路を示す。
光源１から出た光線は結像する反射光学素子７から対象物４の上に反射される。そこから反射される光線は別の結像光学素子８により中間像平面６に結像する。ここで照明光路および結像光路の光軸は互いに異なり、対象物表面の法線に対して傾いている。これによって空間角が制限される他に、対象物４の上に光線が斜めに入射することも不利に作用する。図２に示すように反射光学素子と結像光学素子を共通の素子９としてもよい。
【００１８】
これに対して図３に本発明に従った結像システムの光線経路を示す。照明および結像用の空間角（ＮＡ）の増大によってより高い解像度の達成を狙っている。結像に対するテレセントリック条件は満たされる。
【００１９】
光源１から出た光線は結像光学素子２を経由して結像光学素子３の上に到達する。結像光学素子３は結像ならびに光線分割特性を有する回折・反射構造を備えている。結像光学素子３から出た光線の少なくとも一部が対象物４の方へ偏向され、これを照明する。対象物４から反射されたふたたび結像光学素子３に到達する。この光線の一部は結像光学素子３から結像光学素子５を経由して中間像平面６に結像する。回折・反射構造を有する結像光学素子３は、このように照明光路および観察光路に用いられ、いろいろな回折配置を用いることにより対称物空間における結像光路と照明光路との分離を必要としない。結像作用を備えたＤＯＥは対象物の前に直接置くことができる。
【００２０】
その際に回折・反射構造は球面あるいは平面の底面に作られ、回転対称でない、非対称形状をしている。球面状の底面は凹面あるいは凸面に鋳造したものでよい。ＤＯＥは結像特性の向上のために、少なくとも１つの方向に溝の走り方を変化させている。その他に照明および結像におけるテレセントリック条件は保持される。
【００２１】
結像システム用回折ビームスプリッタの傍の結像および観察光路において、ＤＯＥの前後に回折光学素子の結像特性の補正を行うその他の素子があり、これらの追加の素子はレンズ、ミラー、ＤＯＥなどであってよい。このＤＯＥはその際に反射に２度利用される。その他にシステムのためにいろいろな開口数を設定できる。
【００２２】
その他の構成では、照明開口と結像開口を切り替えていろいろな応用に対応できる。その際に平面での少なくとも２つの鏡面対称軸についてＤＯＥの断面形状が対称である。照明および結像の光路は互いに対称に構成し、ＤＯＥを補完的な回折配置として用いる。
【００２３】
本発明に従った、１００ｎｍ未満の波長領域、拡大倍率０．１から１００ｘ、全長５ｍ以下の極紫外線（ＥＵＶ）顕微鏡用の高解像度結像系おいて、光路に置かれた結像光学素子２、３、５の少なくとも１つが照明光路および観察光路用に用いる回折・反射構造を備えている。
【００２４】
しかし照明光路と結像光路が対称でない結像系を作ることも可能である。これによって双方の光路の異なる要求により正しく応えることができる。中心となる素子ＤＯＥ３を図４で詳しく説明する。その際に回折構造が結像底面にある反射光学素子が重要である。この回折構造はｘ方向およびｙ方向に溝の走り方が変化しており、これによって全システムの結像特性が向上する。溝の走り方は対称でなく、図５でこれをはっきりと見ることができる。
【００２５】
本発明に従った配置を用いて現状技術で知られている欠点を取り除き、高い解像品質を保証する結像システムを提供する
【００２６】
ＥＵＶにおいては入射角が大きくなるにつれ表面の反射の効率が急速に減少し、このことが実現可能なＮＡを制限する。回折光学素子は表面の屈折力を増加し、より大きなＮＡの実現を可能にする。その他これによって結合システム、特にＥＵＶ用のシステムをさらに小型に作ることができる。
【００２７】
回折光学素子の適用によって反射光学素子の数を減らすことができる。これにより第１にシステムコストの低減と、第２にさらに電力の少ないＥＵＶ光源を使用することで光学部品の寿命延長が可能となる。
【００２８】
Ｘ線、特に、極紫外線（ＥＵＶ）による対象物の顕微鏡検査はとりわけ半導体産業で重要性を増している。パターンの大きさがますます小さくなるために一層高い解像度が要求されるが、これは検査波長を短くすることによってのみ達成可能である。特に重要なのはリソグラフプロセス用のマスクの顕微鏡による検査である。
【００２９】
Ｘ線顕微鏡法は、たとえばいわゆるＡＩＭＳ（空間像測定）のような処理の場合に特に重要である。ＡＩＭＳプロセスにおいて価格が安く簡単な顕微鏡を用いてリソグラフステッパをシミュレートする。その際に重要なのは、同じ波長たとえば１３．５ｎｍ、同じ照明条件およびＥＵＶステッパの場合と同じ画像品質を持つ結像を得ることである。しかしステッパと違って画像の大きさが数ｍｍではなく約１０μｍとずっと小さい。さらにマスクは通例カメラで１０倍から１０００倍に拡大して結像される点が異なる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】現状の技術による反射光学部品を用いた照明結像系における光線経路を示す。
【図２】本発明に従って改善した照明結像系の光線経路を示す。
【図３】本発明に従って対称に構成した反射照明結像系における光線経路の例を示す。
【図４】反射光学素子の詳しい描写を示す。
【図５】反射光学素子の詳しい描写を示す。
【符号の説明】
【００３１】
１        光源
２        結像光学素子
３        結像光学素子
４        対象物
５        結像光学素子
６        中間像平面
７        反射光学素子
８        結像光学素子
９        共通素子
【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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【国際調査報告】
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