JP4532991B2 - 投影光学系、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面に反射多層膜が形成された反射ミラーを有する投影光学系に関するものであり、特に半導体製造装置用のＥＵＶ投影光学系に適するものである。

従来、半導体メモリや論理回路などの微細な半導体素子を製造するための焼き付け（リソグラフィー）方法として、紫外線を用いた縮小投影露光が行われてきた。この縮小投影露光で転写できる最小の寸法は転写に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数に反比例する。このため微細な回路パターンを転写するためには用いる光の短波長化が進められ、水銀ランプｉ線（波長３６５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）と用いられる紫外光の波長は短くなってきた。

しかし、半導体素子は急速に微細化しており、紫外光を用いたリソグラフィーでは半導体素子を製造するための微細加工においては限界となっていた。そこで半導体素子の線幅が０．１μｍを下回るような非常に微細な回路パターンを効率よく焼き付けるために、紫外線よりも更に波長が短い波長１０〜１５ｎｍ程度の極端紫外光（以下「ＥＵＶ光」という。）を用いた縮小投影露光装置が開発されている。

ＥＵＶ光領域では物質による光の吸収が非常に大きくなるので、可視光や紫外光で用いられるような光の屈折を利用したレンズ光学系を使用することは実用的ではなく、ＥＵＶ光を用いた露光装置においては反射光学系が用いられる。反射光学素子には、反射率を向上するために、表面に多層膜を成膜したミラーが用いられる。このような多層膜の構成としてよく知られているものにモリブデン（Ｍｏ）とシリコン（Ｓｉ）からなる周期多層膜がある。これはＭｏとＳｉの２層を波長１３．５ｎｍに対して約半分となる７ｎｍ程度を１周期として、４０乃至５０周期程度積層したものである。このような周期多層膜においては、各境界面からの微弱な反射光が同位相で多数重畳されるため、全体として高い反射率を得ることができる。しかし、このＭｏ／Ｓｉ多層膜を用いても１面あたりのミラーの反射率は高々７０％である。したがって、従来のレンズを用いた光学系のように２０枚（４０面）を越えるような構成は光利用効率の面から不可能であり、なるべく少ない枚数で半導体製造装置に要求される性能を満足する結像光学系を構成しなければならない。現在のところ、ＥＵＶ投影光学系で現実的とされる光学系は、６枚のミラーによる構成でＮＡ０．２５程度である。このような光学系は数多く提案されており、例えば特許文献１が挙げられる。

実際の光学系に多層膜を適用するに当たっては、以下の点を考慮する必要がある。ＭｏとＳｉから構成される周期多層膜によって反射率が向上するのは、境界面での反射が干渉によって強められるという条件を満たす場合であり、このことは、高い反射率が得られる入射角度範囲を限定する。この条件は、波長をλ、多層膜一周期の厚さをｄ、一周期を構成する媒質の波長λに対する平均屈折率をｎ、入射角度をθとすると、

である。この式（１）は入射角θに対して、最適な一周期の膜厚ｄを規定するための式とみなすこともできる。

波長１３．５ｎｍに対して、Ｍｏの屈折率が約０．９３、Ｓｉの屈折率が約１．０であるので、平均屈折率０．９７（ＭｏとＳｉの厚さの比が２：３であると仮定）を用いると、入射角θ＝０°ではｄ〜７．０ｎｍ、θ＝１５°ではｄ〜７．２ｎｍとなる。ここで、４０周期の多層膜を考えると、一周期の厚さｄを７．０ｎｍとしたとき、入射角０°で反射率約７４％が得られるものの、入射角１５°では１５％弱まで低下する。また、一周期の厚さを７．２ｎｍとすると、入射角１５°では反射率７１％以上あるが、入射角０°では３６％程度と約半分に低下する。これらの反射率の値は理想的な場合であり、実際の多層膜では境界面での粗さや結合によって反射率は数％程度低下する。

このため、反射多層膜を利用してミラー面全体で十分な反射率を得るためには、ミラー面上各点での入射角に応じて一周期の厚さを変化させる必要が生じる。このように、ミラーの反射率を向上するため、一周期の厚さに面内分布を付けた多層膜を以下、傾斜膜と呼ぶ。傾斜膜の考え方は公知のものであり、ＥＵＶ投影光学系への適用に関しても例えば特許文献２や特許文献３で開示されている。

傾斜膜で使用する一周期の厚さの面内分布、すなわち膜厚分布は、通常、多層膜を考慮しない状態で所望の性能を満たすよう市販の光学設計ソフトウエア等を利用して光学系を設計した後、多層膜を考慮した状態で各ミラーでの反射率を考慮しての光学系全系の透過率を最大、かつ瞳面内の透過率分布を最小（一様）になるように設計される。この設計に際しては、膜厚分布を何らかの関数形で与えるのが好適である。多くの場合、ＥＵＶ投影光学系は全てのミラーが光軸と呼ばれる共通の軸を持ち、光軸に対して回転対称となる共軸系である。ここで、光軸からの距離をｒとすると、膜厚分布はｆ（ｒ）＝ａ＋ｂｒ^２＋ｃｒ^４＋・・・という形で表しておくと、元の光学系が持つ光軸に対する回転対称性を保存できるので都合がよい。さらに、ｒの４次以上の項を導入しても光学系全系の透過率向上への寄与は小さく、また多層膜による収差を複雑にする可能性があるため、ｒの２次までの項で通常は十分である。なお、以下の例ではｆ（ｒ）＝ａ＋ｂｒ^２の場合のみを示すが、これに限定する必要はなく、設計時の判断でｒの４次以上の項の導入や、光軸に対する回転対称性を有しない関数形を使用してもよい。

膜厚分布を設計した後、光学系性能の指標となる波面収差を評価すると、通常は多層膜の影響によって元の多層膜を考慮しない状態と比較して悪化してしまう。これを回復するため、多層膜を考慮した状態で光学系の最適化を行う調整手段が必要になる。調整時には、像面のフォーカス位置のみを移動させる方法、像面のフォーカス位置を含む光学系の面間隔のみを調整する方法、面間隔に加えて各ミラー面の近軸曲率半径のみを調整する方法、各ミラー面の非球面係数を含む変化させうる全てのパラメータを調整する方法、等が考えられる。これらは光学系性能の悪化の度合や調整したい評価値に応じて適宜選択すればよいが、通常膜厚分布をｒの２次までとした場合、面間隔調整まで行えばほぼ元の性能に回復することができ、波動光学的な歪曲を細かく修正するにも面の近軸曲率までを調整すれば十分である。

実際にＭｏとＳｉから構成される４０周期の多層膜と膜厚分布ｆ（ｒ）＝ａ＋ｂｒ^２を用い、多層膜考慮後に面間隔を調整することで設計した従来例を以下に示す。
・元の投影光学系：特許文献１ 第２実施例
・使用波長：１３．５ｎｍ
・反射多層膜：一周期：Ｍｏ２．８４ｎｍ，Ｓｉ４．０７ｎｍ、４０周期で構成
・波長１３．５ｎｍでの複素屈折率（ｎ−ｉｋ）

・元の投影光学系からの面間隔変更値
第１物体面〜第１ミラー −５．０９μｍ
第１ミラー〜第２ミラー −１２．０３μｍ
第２ミラー〜第３ミラー −５０．８５μｍ
第３ミラー〜第４ミラー −７．００μｍ
第４ミラー〜第５ミラー −２４．１５μｍ
第５ミラー〜第６ミラー −１０．６０μｍ
第６ミラー〜第２物体面 ＋１３．７０μｍ
ここで投影光学系の向きを指定するための座標軸として、光軸方向をｚ軸、メリジオナル断面内にあり光軸に垂直な方向をｙ軸、ｚ軸とｙ軸の両軸に垂直な方向にｘ軸を取ることとする。従来例において多層膜を考慮した場合の性能評価量として、第１物体面への照明光が無偏光である場合の瞳透過率分布、第１物体面への照明光がｘ方向に偏光した場合の波面とｙ方向に偏光した波面の差分、波面収差の平均二乗誤差（ＲＭＳ）、ベストフォーカス位置を図８に示す。図中の等高線は、瞳透過率分布について０．００５（＝０．５％）毎、波面差分について０．００５λ毎に引かれている。
米国特許６，１８８，５１３号公報 特開平９−３２６３４７号公報 特開２００３−１７７３１９号公報 Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ ｖｏｌ．４６８８，ｐ．５０９−５１５

図８では、多層膜を考慮した場合、波面収差の平均二乗誤差は元の投影光学系（設計値）と同等の性能が回復できているが、無偏光照明時の瞳透過率が特に瞳の周辺部で急峻な分布を持っている。瞳透過率分布の存在は、該投影光学系により第１物体面上に配置されたパターンが第２物体面上に投影される際に結像特性がパターンの向きや大きさに依存する、第２物体側のテレセン度がずれるためにパターンの位置ずれなどを生じさせる、見かけのＮＡが小さくなるといった現象の原因となる。

この瞳透過率分布を低減する方法として、通常の周期膜に比べて広い角度範囲で反射率が維持できる広帯域膜を使用することが考えられる。非特許文献１には、広帯域膜の例として三種類の周期長の多層膜を重ね合わせた膜と特定の周期を持たない膜が挙げられている。通常の周期膜は高反射率の角度範囲が８°程度に限定されているのに対して、広帯域膜では反射率の絶対値は小さいものの、約２０°の範囲で反射率を維持している。

ただし、周期膜を重ね合わせた広帯域膜の場合には２０°の角度範囲内で反射率の変動が大きく、瞳透過率分布の低減には適当でない。特定の周期を持たない膜は周期膜を重ね合わせた膜に比べて変動が小さいが、反射率が小さくなることから投影光学系への適用は検討されていない。特に従来例の方法を用いて設計した場合、照明の偏光の違いにより波面差分と６ｎｍ程度のベストフォーカス位置ずれが見られるが、ここに広帯域膜を使用した場合、波面収差を始めとする光学性能にどのような影響が現れるかは全く明らかでない。

また、照明光の偏光によるベストフォーカス位置のずれはＥＵＶ投影光学系において予測される低焦点深度（ＤＯＦ）に起因して設計時に許容される像面湾曲に取り入れる必要があるので、設計制約をより厳しいものとする。

別の観点で、実際にミラー面上に多層膜を成膜する状況を考えた場合、以下のような問題も生じる。従来例で最も急な膜厚分布を持つのは係数ｂの値から第５ミラーであるが、このミラー面上に入射する光線の入射角の範囲は他のミラーと比較して最も広く、通常の周期多層膜では十分な瞳透過率を得るために膜厚分布は必須である。また、第５ミラーは一般的に知られているＥＵＶ投影光学系と同様、凸面をなしている。通常、凸面に対してスパッタ等に代表される成膜方法では、周辺部において膜材の密度が小さくなることや膜厚分布の制御が難しくなることが起こりうる。膜材の密度の変化は屈折率変化になるため、同じ入射角θに対応するには、式（１）から必要な一周期の厚さｄを設計値から変化させる必要が生じる。従って、周辺部での密度変化を踏まえた膜厚分布を形成する必要があるが、これらを同時に行うのは難しい課題である。

本発明の第１の側面は、反射多層膜を有する複数のミラーを備えた投影光学系において、前記複数のミラーのうち光線の入射角度範囲が最大となるミラーの反射多層膜は、前記反射多層膜を形成する層のうちλ／（２×ｎ×ｃｏｓθ）以上の厚さの層の数が５％以上である非周期膜を有すること、を特徴とする、ただし、前記光線の波長をλ、前記反射多層膜の１周期を構成する媒質の波長λに対する屈折率をｎ、前記入射角度の平均値をθとする。
本発明の第２の側面は、反射多層膜を有する複数のミラーを備えた投影光学系において、前記複数のミラーのうち光線の入射角度の平均値が最大となるミラーの反射多層膜は、Ｓｉ層とＭｏ層を１周期とする膜の厚さが非周期的な非周期膜を有し、前記非周期膜は１周期の厚さが光軸からの距離の関数で表される面内分布を有することを特徴とする。

請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の投影光学系において、前記複数のミラーのうち光線の入射角度範囲が最大となるミラーの反射多層膜は非周期膜と周期膜が積層された構造であることを特徴とする。これによれば、非周期膜により広い入射角度範囲で反射率を一定にすることができ、さらに周期膜により反射率の低下を防ぐことができる。

本発明によれば、複数のミラーを有する投影光学系において、入射角度範囲が最大となるミラーまたは入射角度の平均値が最大となるミラーに、通常の周期膜に比べて広い入射角度範囲で反射率が維持できる非周期膜を用いることにより瞳透過率分布を低減し、所望の結像性能を得ることができる。

まず、本発明における非周期膜を定義する。

本発明における非周期膜とは、適用される入射角度範囲θ_１〜θ_２の平均値をθとして周期膜における最適な１周期の厚さｄ＝λ／２ｎｃｏｓθを考えたとき、層数の５％以上の層の厚さがｄ以上であるものとする。ここで層の厚さとは各媒質の単層の膜厚であり、１周期の厚さとは異なる。波長１３．５ｎｍのＥＵＶ光に対しては、反射多層膜は一般的にＭｏとＳｉから構成され、平均屈折率はＭｏとＳｉの構成比率にもよるが０．９７程度である。したがってθ＝１５°の場合ｄ〜７．２０ｎｍとなる。

投影光学系を構成する複数のミラーのうち、入射角度範囲が最大となるミラーに周期多層膜を用いた場合、特定の入射角度以外は界面からの反射波の位相がそろわず、特定の入射角度からのズレが大きくなるほど反射率が低下してしまう。また入射角度の平均値が最大となるミラーでは、式（１）の関係（入射角度の平均値が大きくなると、一定の入射角度範囲に対するｃｏｓθの値域が広くなる）から、特定の入射角度以外において反射波の位相のズレが大きくなりやすい。このため、入射角度の平均値が最大となるミラーでは高反射率が得られる入射角度範囲が狭くなってしまう。したがって、入射角度分布が最大となるミラー、および入射角度の平均値が最大となるミラーの反射多層膜を設計することは、光学系全体の透過率、瞳面における透過率分布を改善する上で特に重要である。

本発明の実施においては、反射多層膜の設計方法が肝要であり、投影光学系自体は特定のものに限定されるものではない。以下に示す実施例では元となる投影光学系として、特許文献１の第２実施例（図１１）を採用しているが、同様の方法を以って別の投影光学系に適用できることは明らかである。

本発明の実施例１は、前記投影光学系における複数のミラーのうち光線の入射角度範囲が最大となるミラー、すなわち第５ミラー（Ｍ５）の反射多層膜を、非周期膜と周期膜が積層された構造であって、その膜厚分布を一定とした例である。他のミラー（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ６）の多層膜は従来例と同じ４０周期の多層膜であり、膜厚分布も従来例と同じものである。以下に多層膜の設計方法およびその多層膜を第５ミラーに用いた投影光学系の評価結果を説明する。

図１（ａ）は、元となる投影光学系に含まれる６枚のミラーの内、入射角度範囲が最大となる第５ミラーにおける入射角度範囲を示すものである。入射角度は、第１物体面上で使用する全領域（物体高１１６ｍｍ〜１２４ｍｍの８ｍｍ幅、スリット長さ１０４ｍｍの円弧状）からの光線を考慮し、各ミラー上では膜厚分布が光軸に対して回転対称となることを想定して、光軸からの距離ｒが一定の領域での入射角度の最大値と最小値、およびその平均値を算出した。その結果は、第５ミラーで０．３°〜１６．４°の範囲となった。

従来の方法では、この入射角度範囲から膜厚分布の初期値を決定し、その後瞳透過率が所定の基準を満たすように膜厚分布の最適化を行う。例えば、入射角度の平均値を用いて、式（１）を援用することにより膜厚分布の初期値を決め、その後瞳透過率の平均値を大きく、分布の範囲を小さくするように最適化していく。一方、本実施例ではまず前記の入射角度範囲において、ｓ偏光の反射率とｐ偏光の反射率の平均値としての反射率が略一定となる膜を設計する。この膜を必要となる瞳透過率の平均値や範囲に応じて適宜ミラーに膜厚分布一定として形成し、光学系の調整によって波面収差を回復するという手順となる。

表３に入射角度範囲０．３°〜１６．４°で設計した膜の構成を示し、図２に該膜の反射率、ｓ偏光とｐ偏光の位相差を示す。各表の層番号はミラーの基板から順に振られている。

表３の膜によると入射角度範囲が０°〜１７°で反射率の値は５５％と通常の４０周期膜と比較すると３／４程度になっているものの、略一様になっている。投影光学系の瞳透過率分布を小さく抑えるためには、設計した入射角度範囲に対して反射率分布が１０％以内、より好ましくは５％以内であること望ましい。また、ｓ偏光とｐ偏光の位相差も該入射角度範囲で抑えられていることが分かる。

また、表３の多層膜は７４層目を境に、基板側では各層の厚さに大きな飛びが生じている非周期膜であり、それより表層では周期膜になっていることが分かる。入射角度範囲０．３°〜１６．４°の平均値は８．１°であることから、周期膜における最適な１周期の厚さｄは７．０３ｎｍである。１〜７３層目のうち膜厚が７．０３ｎｍ以上である層は、層数の１６％となる１２層含まれており、広い入射角度範囲で有効な反射率を持つ非周期膜に該当する。一方、７４〜１１０層目のうち膜厚が７．０３ｎｍ以上である層は無く、特定の波長において高い反射率をもつ周期膜となっている。この構成により多層膜の表層で高い反射率を維持しつつ、基板側の非周期膜により広い入射角度範囲で反射率を一定にすることができる。

本発明の実施例１は、光線の入射角度範囲が最大となる面、すなわち第５ミラーの反射多層膜を表３の多層膜とし、その膜厚分布を一定とした例である。他のミラーの多層膜は従来例と同じ４０周期の多層膜であり、膜厚分布も従来例と同じものである。このとき、波面収差の回復のための面間隔変更量は元の投影光学系に対して
第１物体面〜第１ミラー −４０．４２μｍ
第１ミラー〜第２ミラー −３６．８８μｍ
第２ミラー〜第３ミラー −６３．０１μｍ
第３ミラー〜第４ミラー −８．６８μｍ
第４ミラー〜第５ミラー −２３．３１μｍ
第５ミラー〜第６ミラー ＋１３．３５μｍ
第６ミラー〜第２物体面 ＋１５．４９μｍ
である。

図３は実施例１の投影光学系において多層膜を考慮した場合の、（ａ）第１物体面への照明光が無偏光である場合の瞳透過率分布、（ｂ）第１物体面への照明光がｘ方向に偏光した場合の波面とｙ方向に偏光した波面の差分、（ｃ）波面収差の平均二乗誤差（ＲＭＳ）、（ｄ）ベストフォーカス位置を示している。図中の等高線は、瞳透過率分布について０．００５（＝０．５％）毎、波面差分について０．００５λ毎に引かれている。図３から瞳透過率分布の一様性が向上していることに加えて、照明光の偏光の差による波面の差分も約半分に低減されていることが分かる。このとき、波面収差ＲＭＳへの影響はほとんどなく、ベストフォーカス位置の偏光による差も従来例が６ｎｍであったのに対して、３ｎｍ程度と良く抑えられている。瞳透過率の平均値は表３の多層膜による反射率が落ちていることを反映して従来例よりも低下しているが、瞳透過率分布の一様性の向上に加えて、偏光差低減により期待される結像特性の向上により補えるものである。また、第５ミラーの反射多層膜を膜厚分布がほぼ一定である多層膜とすることにより、凸面への膜厚分布制御の負担が軽減され成膜をする上で有利であること、膜全体の厚みにより見かけ上面形状が変化することによって発生する波動光学的な歪曲への影響が小さくなり、ミラー基板の近軸曲率の調整を用いなくても面間隔調整のみで歪曲を補正できるようになることも効果として挙げられる。これらの効果を得るためには、反射多層膜の膜厚分布が１％未満に抑えられていることが望ましい。

本実施例では、他のミラーにおける多層膜を従来例と一致させたが、これを非周期膜用に最適設計し直すことで更なる性能向上を図ることも可能である。

本発明の実施例２は、実施例１の投影光学系に対して光線の入射角度の平均値が最大となるミラー、すなわち第３ミラー（Ｍ３）の反射多層膜を、非周期膜と周期膜が積層された構造であって、その膜厚分布を一定とした例である。他の第１，２，４，６ミラーの多層膜は従来例と同じ４０周期の多層膜であり、膜厚分布も従来例と同じものである。以下に多層膜の設計方法およびその多層膜を第３ミラーに用いた投影光学系の評価結果を説明する。

図１（ｂ）は入射角度の平均値が最大となる第３ミラーにおける入射角度範囲を示すものである。入射角度は、第１物体面上で使用する全領域（物体高１１６ｍｍ〜１２４ｍｍの８ｍｍ幅、スリット長さ１０４ｍｍの円弧状）からの光線を考慮し、各ミラー上では膜厚分布が光軸に対して回転対称となることを想定して、光軸からの距離ｒが一定の領域での入射角度の最大値と最小値、およびその平均値を算出した。その結果は、第３ミラーで１２．９°〜１７．０°の範囲となった。

実施例２においても実施例１と同様に、前記の入射角度範囲において、ｓ偏光の反射率とｐ偏光の反射率の平均値としての反射率が略一定となる膜を設計する。この膜を必要となる瞳透過率の平均値や範囲に応じて適宜ミラーに膜厚分布一定として形成し、光学系の調整によって波面収差を回復するという手順となる。

表４に入射角度範囲１２．９°〜１７．０°で設計した膜の構成を示し、図４に該膜の反射率、ｓ偏光とｐ偏光の位相差を示す。各表の層番号はミラーの基板から順に振られている。

表４の膜によると入射角度範囲１２．５°〜１７．５°において反射率６７％で略一様となっている。投影光学系の瞳透過率分布を小さく抑えるためには、設計した入射角度範囲に対して反射率分布が１０％以内、より好ましくは５％以内であること望ましい。また、ｓ偏光とｐ偏光の位相差も該入射角度範囲で抑えられていることが分かる。

また、表４の膜では５２層目を境に、基板側では各層の厚さに大きな飛びが生じている非周期膜であり、それより表層では周期膜になっていることが分かる。入射角度範囲１２．９°〜１７．０°の平均値は１５．０°であることから、周期膜における最適な１周期の厚さｄは７．２０ｎｍである。ここで１〜５１層目のうち膜厚が７．２０ｎｍ以上である層は、層数の３３％となる１７層含まれており、広い入射角度範囲で有効な反射率を持つ非周期膜に該当する。一方、５２〜９２層目のうち膜厚が７．２０ｎｍ以上である層は無く、特定の波長において高い反射率をもつ周期膜となっている。この構成により多層膜の表層で高い反射率を維持しつつ、基板側の非周期膜により広い入射角度範囲で反射率を一定にすることができる。

本発明の実施例２は、実施例１の投影光学系に対して光線の入射角度の平均値が最大となる面、すなわち第３ミラーの反射多層膜を表４の多層膜とし、その膜厚分布を一定としたものである。他の第１，２，４，６ミラーの多層膜は従来例と同じ４０周期の多層膜であり、膜厚分布も従来例と同じものである。このとき、波面収差の回復のための面間隔変更量は元の投影光学系に対して
第１物体面〜第１ミラー −３６．５０μｍ
第１ミラー〜第２ミラー −３０．５７μｍ
第２ミラー〜第３ミラー −５３．８３μｍ
第３ミラー〜第４ミラー −６．８８μｍ
第４ミラー〜第５ミラー −１６．４３μｍ
第５ミラー〜第６ミラー ＋１２．１９μｍ
第６ミラー〜第２物体面 ＋１３．７２μｍ
である。

図５は、実施例２の投影光学系において多層膜を考慮した場合の第１物体面への照明光が無偏光である場合の瞳透過率分布、第１物体面への照明光がｘ方向に偏光した場合の波面とｙ方向に偏光した波面の差分を示している。図中の等高線は、瞳透過率分布について０．００２５（＝０．２５％）毎に引かれており、図３や図８の半分の間隔になっている。波面差分については０．００５λ毎で同じ間隔である。図５から瞳透過率分布の一様性が図３に対しても向上していることに加えて、非周期膜を適用したことによる瞳透過率平均値の低下も抑えられている。また、照明光の偏光の差による波面の差分も図３と同等で従来例の約半分に低減されていることが分かる。このとき不図示であるが、波面収差ＲＭＳ、ベストフォーカス位置も図３と同等となることが分かっているので、実施例１と同様の効果がある。

また、第３ミラーの反射多層膜を膜厚分布がほぼ一定である多層膜とすることにより、凸面への膜厚分布制御の負担が軽減され成膜をする上で有利であること、膜全体の厚みにより見かけ上面形状が変化することによって発生する波動光学的な歪曲への影響が小さくなり、ミラー基板の近軸曲率の調整を用いなくても面間隔調整のみで歪曲を補正できるようになることも効果として挙げられる。これらの効果を得るためには、反射多層膜の膜厚分布が１％未満に抑えられていることが望ましい。

実施例２では、他の第１，２，４，６ミラーにおける多層膜を従来例と一致させたが、これを非周期膜用に最適設計し直すことで更なる性能向上を図ることも可能である。

次に、本発明の実施例３を説明する。

実施例１および２からわかるように、広い入射角度範囲に渡って反射率を略一様にする多層膜は瞳透過率分布を抑える効果が高いが、瞳透過率の平均値が小さくなる傾向にある。これに対し、本実施例では広い入射角度範囲に渡って反射率を略一様にするため、非周期膜を有する反射多層膜を使用するとともに、ミラー面上の各点において入射角度の平均値で反射率が最大となるように膜厚分布を制御する。これにより、ミラー面上の各点の入射角度範囲で反射率を一様にでき、さらにミラー面上の各点での反射率が大きくなるため、瞳透過率平均値の低下を防ぐことができる。このとき、入射角が小さく、例えば１０°以下であるような領域では通常の周期膜の場合でも反射率を略一様にできるが、入射角が大きくなると高反射率が得られる入射角度範囲が狭くなることを踏まえて、入射角が少なくとも１５°程度まで大きくなった場合に注目する必要がある。

表５に入射角度範囲１１．５°〜１８．５°で設計した膜の構成を示し、図６に該膜の反射率の入射角度依存性を示す。各表の層番号はミラーの基板から順に振られている。

表５に示した構成による多層膜は入射角度範囲１１．５°〜１８．５°で最大反射率（６５．２％）の９５％以上を満たすものである。投影光学系の瞳透過率分布を小さく抑えるためには、設計した入射角度範囲に対して反射率分布が１０％以内、より好ましくは５％以内であることが望ましい。

また、表５の膜では４４層目を境に、基板側では各層の厚さに大きな飛びが生じている一方で、それより表層では実質的に周期的な膜になっていることが分かる。入射角度範囲１１．５°〜１８．５°の平均値は１５．０°であることから、周期膜における最適な１周期の厚さｄは７．２０ｎｍである。ここで１〜４３層目のうち膜厚が７．２０ｎｍ以上である層は、層数の３０％となる１３層あることから、広い入射角度範囲で有効な反射率を持つ非周期膜に該当する。一方、４４〜８４層目のうち膜厚が７．２０ｎｍ以上である層は無く、特定の波長において高い反射率をもつ周期膜となっている。この構成により多層膜の表層で一定の高い反射率を維持しつつ、基板側の非周期膜により広い入射角度範囲で反射率を一定にすることができる。

本発明の実施例３は、最も影響が大きい第５ミラーに対して表５の反射多層膜を膜厚分布ｆ（ｒ）＝０．９９６５−１．３８６ｅ−５ｒ^２として形成したものである。他のミラーの多層膜は従来例と同じ４０周期の多層膜であり、膜厚分布も従来例と同じものである。このとき、波面収差の回復のための面間隔変更量は元の投影光学系に対して
第１物体面〜第１ミラー ＋０．４８μｍ
第１ミラー〜第２ミラー −８．００μｍ
第２ミラー〜第３ミラー −４２．１１μｍ
第３ミラー〜第４ミラー −６．７８μｍ
第４ミラー〜第５ミラー −２４．２７μｍ
第５ミラー〜第６ミラー ＋７．５３μｍ
第６ミラー〜第２物体面 ＋１１．２８μｍ
である。

図７は実施例３での瞳透過率分布を示しており、等高線は０．００５（＝０．５％）の間隔で引かれている。波面収差等、他の光学性能については不図示であるが、実施例１および２と同等である。実施例３の瞳透過率平均値は実施例１や２に比べて大きくなっており、瞳透過率の最小値は従来例と同等である。一方、若干の分布が見られるが、その範囲は従来例と比較して小さく抑えられている。このように、反射率がある入射角度範囲で略一定である多層膜に膜厚分布を形成することにより、瞳透過率分布の一様性を向上しつつ、瞳透過率平均値の低下を抑えることができる。

実施例３では、他のミラーにおける多層膜を従来例と一致させたが、これを非周期膜用に最適設計し直すことで更なる性能向上を図ることも可能である。

本実施例は、実施例１〜３に説明したような非周期膜を有する多層膜を成膜したミラーを用いた投影光学系を露光装置に適用したものである。以下、ＥＵＶ露光装置に上記投影光学系を適用した例について説明する。

図１２は本実施例による露光装置の概略構成図である。図１２において、１は励起レーザーであり、光源の発光点となる光源材料をガス化、液化或いは噴霧ガス化させたポイントに向けてレーザーを照射して、光源材料原子をプラズマ励起することにより極紫外光を発光させる。本実施例では、励起レーザー１としてＹＡＧ固体レーザー等を用いる。

２は光源発光部であり、その内部は真空に維持された構造を持つ。２ｂは光源であり、実際の露光光源の発光ポイントを示す。２ａは集光ミラーであり、光源２ｂからの全球面光を発光方向に揃え集光反射し、露光光を生成する。ノズル（不図示）により発光元素としての液化Ｘｅ、噴霧状の液化ＸｅあるいはＸｅガスを光源２ｂの位置に配置させる。

３は真空チャンバーであり、露光装置全体を格納する。４は真空ポンプであり、真空チャンバー３を排気して真空状態を維持する。５は露光光導入部であり光源発光部２からの露光光を導入成形する。露光光導入部５は、ミラー５ａ〜５ｄにより構成され、露光光を均質化かつ整形する。

６はレチクルステージであり、レチクルステージ６上の可動部には露光パターンの反射原版である原版６ａが搭載されている。７は縮小投影光学系であり、原版６ａから反射した露光パターンをウエハ上に縮小投影する。縮小投影光学系７では、露光光がミラー７ａ〜７ｆを順次投影反射し、最終的に規定の縮小倍率比でウエハ上に露光パターンが縮小投影される。

８はウエハステージでありウエハ８ａを搭載する。８ａはウエハであり、原版６ａ上の露光パターンが反射縮小投影されて露光されるＳｉ基板である。ウエハステージ８はウエハ８ａを所定の露光位置に位置決めする為に、ＸＹＺ、ＸＹ軸回りのチルト、Ｚ軸回りの回転方向の６軸駆動可能に位置決め制御される。

９はレチクルステージ支持体であり、レチクルステージ６を装置設置床に対して支持する。１０は投影系本体であり、縮小投影光学系７を装置設置床に対して支持する。１１はウエハステージ支持体であり、ウエハステージ８を装置設置床に対して支持する。以上のレチクルステージ支持体９と投影系本体１０とウエハステージ支持体１１により分離独立して支持された、レチクルステージ５と縮小投影光学系７との間、及び縮小投影光学系７とウエハステージ８との間は、相対位置を位置計測し所定の相対位置に連続して維持制御する手段（不図示）が設けられている。また、レチクルステージ支持体９と投影系本体１０とウエハステージ支持体１１には、装置設置床からの振動を絶縁するマウント（不図示）が設けられている。

１２はレチクルストッカーであり、装置外部から一旦装置内部に原版６ａ（レチクル）を保管する。レチクルストッカー１２では、保管容器に密閉状態で異なるパターン及び異なる露光条件に合わせたレチクルが保管される。１３はレチクルチェンジャーであり、レチクルストッカー１２から使用すべきレチクルを選択して搬送する。

１４はレチクルアライメントユニットであり、ＸＹＺ及びＺ軸周りに回転可能な回転ハンドを有する。レチクルアライメントユニット１４は、レチクルチェンジャー１３から原版６ａを受け取り、レチクルステージ６の端部に設けられたレチクルアライメントスコープ１５の視野内に１８０度回転搬送し、縮小投影光学系７を基準に設けられたアライメントマーク１５ａに対して原版６ａ上をＸＹＺ軸回転方向に微動してアライメントする。すなわち、ＸＹシフト方向及びＺ軸回転方向に原版６ａを微動調整することにより、アライメントマーク１５ａのマークに対して対応する原版６ａ内のアライメントマークを合わせる。こうして、レチクルステージに原版を固定する際に、投影系基準で原版がアライメントされる。アライメントを終了した原版６ａはレチクルステージ６上にチャッキングされる。

１６はウエハストッカーであり、装置外部から一旦装置内部にウエハ８ａを保管する。ウエハストッカー１６では、保管容器に複数枚のウエハが保管されている。１７はウエハ搬送ロボットであり、ウエアストッカー１６から露光処理するべきウエハを選定し、ウエハメカプリアライメント温調機１８に運ぶ。１８はウエハメカプリアライメント温調機であり、ウエハの回転方向の送り込み粗調整を行うと同時に、ウエハ温度を露光装置内部の温調温度に合わせ込む。１９はウエハ送り込みハンドであり、ウエハメカプリアライメント温調機１８にてアライメント及び温調されたウエハをウエハステージ８に送り込む。

２０及び２１はゲートバルブであり、装置外部からレチクル及びウエハを挿入するゲート開閉機構である。２２も同じくゲートバルブで、装置内部でウエハストッカー１６及びウエハメカプリアライメント温調機１８の空間と露光空間とを隔壁で分離し、ウエハを搬送搬出するときにのみ開閉する。このように、隔壁で分離することにより、装置外部との間でウエハを搬送搬出する際に、大気開放される容積を最小限にし、速やかに真空平行状態に戻すことを可能にしている。本実施例の露光装置によれば、非周期膜を有する多層膜を成膜したミラーを用いて、投影光学系の瞳透過率分布を低減することにより、露光装置の結像性能を向上させることができる。このように、上述の投影光学系を使用した露光装置も本発明の一側面を構成する。

次に、図９及び図１０を参照して、図１２に示した露光装置を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図９は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。本実施例においては、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）では、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。ステップ３（ウエハ製造）では、シリコンなど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、マスクとウエハを用いてリソグラフィー技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成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で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、それが出荷（ステップ７）される。

図１０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、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。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、ウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、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上に多重に回路パターンが形成される。本実施例のデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。このように、上述の露光装置を使用するデバイス製造方法、並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。

本発明の実施例で使用した元の投影光学系の入射角度範囲が最大となる第５ミラーと入射角度平均値が最大となる第３ミラーの入射角度範囲 表３の多層膜による反射率、ｓ偏光とｐ偏光の位相差の入射角度依存性 本発明の実施例１の多層膜および設計方法を用いた場合に得られる投影光学系の光学性能 表４の多層膜による反射率、ｓ偏光とｐ偏光の位相差の入射角度依存性 本発明の実施例２の多層膜および設計方法を用いた場合に得られる投影光学系の光学性能 表５の多層膜による反射率の入射角度依存性 本発明の実施例３の多層膜および設計方法を用いた場合に得られる投影光学系の瞳透過率分布 従来の多層膜および設計方法を用いた場合に得られる投影光学系の光学性能 デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャート 図９に示すステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャート 本発明の実施例に使用した、元となる投影光学系（特許文献１ 第２実施例） 本発明の例示的な露光装置の概略構成図

符号の説明

１ 励起レーザー
２ 光源発光部
３ 真空チャンバー
４ 真空ポンプ
５ 露光光導入部
６ レチクルステージ
７ 縮小投影光学系
８ ウエハステージ
９ レチクルステージ支持体
１０ 投影系本体
１１ ウエハステージ支持体
１２ レチクルストッカー
１３ レチクルチェンジャー
１４ レチクルアライメントユニット
１５ レチクルアライメントスコープ
１６ ウエハストッカー
１７ ウエハ搬送ロボット
１８ ウエハメカプリアライメント温調機
１９ ウエハ送り込みハンド
２０、２１、２２ ゲートバルブ

Claims (15)

1. 反射多層膜を有する複数のミラーを備えた投影光学系において、前記複数のミラーのうち光線の入射角度範囲が最大となるミラーの反射多層膜は、前記反射多層膜を形成する層のうちλ／（２×ｎ×ｃｏｓθ）以上の厚さの層の数が５％以上である非周期膜を有すること、を特徴とする投影光学系、
   ただし、前記光線の波長をλ、前記反射多層膜の１周期を構成する媒質の波長λに対する屈折率をｎ、前記入射角度の平均値をθとする。
2. 請求項１に記載の投影光学系において、前記複数のミラーのうち光線の入射角度範囲が最大となるミラーの反射多層膜は前記非周期膜と周期膜が積層された構造であること、を特徴とする投影光学系。
3. 請求項１または２に記載の投影光学系において、前記複数のミラーのうち光線の入射角度範囲が最大となるミラーとは異なるミラーであって、光線の入射角度の平均値が最大となる別のミラーの反射多層膜は、前記別のミラーの反射多層膜を形成する層のうちλ´／（２×ｎ´×ｃｏｓθ´）以上の厚さの層の数が５％以上である非周期膜を有すること、を特徴とする投影光学系、
   ただし、前記別のミラーの反射多層膜に入射する光の波長をλ´、前記別のミラーの反射多層膜の１周期を構成する媒質の波長λに対する屈折率をｎ´、前記別のミラーの反射多層膜に入射する光の入射角度の平均値をθ´とする。
4. 請求項３に記載の投影光学系において、前記別のミラーの反射多層膜は前記非周期膜と周期膜が積層された構造であること、を特徴とする投影光学系。
5. 反射多層膜を有する複数のミラーを備えた投影光学系において、前記複数のミラーのうち光線の入射角度の平均値が最大となるミラーの反射多層膜は、前記反射多層膜を形成する層のうちλ／（２×ｎ×ｃｏｓθ）以上の厚さの層の数が５％以上である非周期膜を有すること、を特徴とする投影光学系、
   ただし、前記光線の波長をλ、前記反射多層膜の１周期を構成する媒質の波長λに対する屈折率をｎ、前記入射角度の平均値をθとする。
6. 請求項５に記載の投影光学系において、前記複数のミラーのうち光線の入射角度の平均値が最大となるミラーの反射多層膜は前記非周期膜と周期膜が積層された構造であること、を特徴とする投影光学系。
7. 請求項２、４又は６に記載の投影光学系において、周期膜は非周期膜の表層側に積層されていること、を特徴とする投影光学系。
8. 請求項１又は５に記載の投影光学系において、前記非周期膜は光軸からの距離の関数で表される膜厚分布を有することを特徴とする投影光学系。
9. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の投影光学系において、前記非周期膜を有する反射多層膜の膜厚分布が１％未満であること、を特徴とする投影光学系。
10. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の投影光学系において、前記非周期膜を有する反射多層膜の膜厚分布が１％以上であること、を特徴とする投影光学系。
11. 請求項１乃至１０の何れか１項に記載の投影光学系において、前記投影光学系に入射する光線は波長１０ｎｍ〜１５ｎｍのＥＵＶ光であること、を特徴とする投影光学系。
12. 反射多層膜を有する複数のミラーを備えた投影光学系において、前記複数のミラーのうち光線の入射角度範囲が最大となるミラーの反射多層膜は、Ｓｉ層とＭｏ層を１周期とする膜の厚さが非周期的な非周期膜を有し、
    前記非周期膜は１周期の厚さが光軸からの距離の関数で表される面内分布を有することを特徴とする投影光学系。
13. 反射多層膜を有する複数のミラーを備えた投影光学系において、前記複数のミラーのうち光線の入射角度の平均値が最大となるミラーの反射多層膜は、Ｓｉ層とＭｏ層を１周期とする膜の厚さが非周期的な非周期膜を有し、
    前記非周期膜は１周期の厚さが光軸からの距離の関数で表される面内分布を有することを特徴とする投影光学系。
14. 請求項１乃至１３の何れか１項に記載の投影光学系を有し、原版のパターンを前記投影光学系により基板に露光することを特徴とする露光装置。
15. 請求項１４に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、露光された前記基板を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。

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