JP2001042111A

JP2001042111A - 光学素子

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Publication number: JP2001042111A
Application number: JP21284899A
Authority: JP
Inventors: Keiko Chiba; 啓子千葉
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2001-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】変形の生する虞れがない回折光学素子を得
る。【解決手段】直径ａ＝１５０ｍｍ、厚さｔ＝１０ｍｍ
の石英から成る平行平板を基板２１に用いると、厚さｔ
が３．７３≦ｔ≦４８．３４ｍｍの範囲であるため自重
変形を生ぜず、光学材料として十分な精度の加工を施す
ことができる。作成に当っては先ず、基板２１上に微細
パターンを加工するための光に感光する有機物から成る
レジスト２２を塗布し、続いて液状のレジスト２２に含
まれている溶媒を揮発させる。その後に、加工したい面
形状が形成されているレチクル２５を介してｉ線を用い
て露光する。更に、基板２１にレジストパターン２８を
レチクルとしてエッチングし、この工程を繰り返すこと
により、２．８μｍの最小ピッチを有し、８段形状を有
する回折光学素子２９を基板２１上に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体露光装置、
カメラ、望遠鏡、顕微鏡等の光学系を有する装置に使用
することが好適な光学素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光学機器を構成している光学系に
は、レンズやプリズムのような屈折光学素子が多く用い
られている。

【０００３】また、回折光学素子も入射波面の定められ
た波面に変換する光学素子として用いられているが、こ
の回折光学素子は屈折光学素子にはない特長を有してい
る。例えば、屈折型光学素子と逆の分散値を有すること
により、光学系の小型化が可能になる。

【０００４】また、従来の回折光学素子の製作には、機
械研削又は機械研削で作製した型を用いたモールド成形
により作製している。しかし、光学素子として大きなパ
ワーを持たせるためには、できる限り微細なピッチを有
する回折光学素子を製造することが望ましい。

【０００５】一般に、図１０に示すような回折光学素子
１には、同心円状の多数の輪帯が設けられ、ブレーズド
形状を有するフレネル型と階段形状を有するバイナリ型
がある。

【０００６】図１１(a)はフレネル型の回折光学素子で
あるフレネルレンズ２の断面図を示しており、ブレーズ
ド形状３を有している。また、図１１(b)はバイナリ型
の回折光学素子であるバイナリオプティックス４の断面
図を示し、階段形状５を有している。回折光学素子の断
面としては、図１１(a)に示すようなブレーズド形状３
を有するものが理想的であり、設計波長に対する回折効
率を１００％にすることが可能である。しかし、完全な
ブレーズド形状３を形成することは極めて困難であるた
め、ブレーズド形状３を量子化して近似することによ
り、図１１(b)に示すような階段形状５を有するバイナ
リオプティックス４が利用されている。このバイナリオ
プティックス４はフレネルレンズ２を近似したものであ
るが、一次回折光の回折効率は９０％以上を得ることが
できる。このため、鋸歯状のブレーズド形状３を階段形
状５に近似したバイナリオプティックス４に関する研究
が、最近盛んに研究されている。

【０００７】更に光学素子として、大きなパワーを有す
るためだけでなく、近似の度合いを向上させ、回折光学
素子の性能を向上させるためにも加工線幅は可能な限
り、微細にすることが望ましい。そこで、高精度のサブ
μｍの加工が可能な半導体製造技術において培われたリ
ソグラフィ工程が応用されている。

【０００８】また、図１２は半導体露光装置の概略図を
示している。図１２において、ＫｒＦ、ＡｒＦ、Ｆ₂エ
キシマレーザー等の光源１１から出射した光束Ｌはミラ
ー１２により反射され、照明光学系１３に導光された後
に、第１物体であるレチクル１４面上を照明する。更
に、レチクル１４の情報を得た光束Ｌは縮小投影光学系
１５を透過し、焦点位置を調整するウェハステージ１６
上に配置されているウェハＳに投影される。

【０００９】また、光学系１３、１５はウェハＳの熱歪
み等による伸縮に対応するため、上下に微調整可能とな
っており、倍率補正や収差補正を行うことができる。ま
た、一般的に投影光学系１５は精度が非常に厳しいた
め、重力を考慮すると鉛直方向に光軸を設定している。
このため、この投影光学系１５にバイナリオプティック
ス１８を用いる際には、バイナリオプティックス１８は
投影光学系１５に対して水平状態で配置される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高精度
なサブμｍの加工が可能な半導体製造装置は、Ｓｉウェ
ハの規格範囲内で装置が製作されており、その規格範囲
内において最も精度が保特されるように設計されてい
る。また、Ｓｉウェハの規格には様々なものがあり、直
径１５０ｍｍ（６インチ）のウェハでは厚さ０．６２５
ｍｍ、直径２００ｍｍ（８インチ）のウェハでは厚さ
０．７２５ｍｍ、直径３００ｍｍ（１２インチ）のウェ
ハでは厚さ０．７７５ｍｍ等と定められている。

【００１１】ここで用いられる半導体製造装置は、板厚
が１ｍｍ未満のウェハを取り扱うことを前提として設計
されている。このため、リソグラフィ工程を用いて製造
されるバイナリオプティックスはウェハ状の光学材料に
形成され、通常の光学素子と比較すると非常に薄い薄板
形状である。また、この半導体製造装置を上述したＳｉ
ウェハの規格範囲外において使用できるように改良する
と、加工精度を保特することが困難となる。

【００１２】更に、光学材料として上述したような薄板
基板形状のものを使用した場合には、光学素子に必要な
形状加工を行う際に、剛性が低いため加工精度を確保す
ることが極めて困難である。また、表面粗さ等を向上さ
せるために研磨を行う必要があるが、通常ではこの研磨
は自重を利用して行われるため、自重の小さな薄板基板
では十分な精度を得ることが困難である。また、薄板基
板を用いて作製された光学素子を図１２に示す投影光学
系１５に対して水平に搭載する際に、従来のような保特
方法を用いて鏡筒に固定すると、光学素子の自重変形、
鏡筒の加工精度による接触部位の不均一による変形、固
定時に加わる応力等による取付時の歪み、気圧や温度変
動による変形や面変形等が発生し易く、設計時の性能が
発揮できず、像性能が劣化する。

【００１３】このような問題の解決方法の１つとして、
変形に耐え得る剛性を有する基板となるように、十分な
厚みを有する部材と一体化する等の手段が考えられてい
る。しかし、接合レンズ等において使用されるようなバ
ルサム等の接着剤を使用すると、光学素子面に接着剤が
回り込み、接着による間隙の発生や平面度の悪化等の問
題が生ずる。また、接着時による応力が残留し、その歪
による変形や破損等の問題も発生する。

【００１４】更に、半導体露光装置に用いる光源として
注目を集めている波長λ＝２４８ｎｍのＫｒＦレーザー
光、λ＝１９３ｎｍのＡｒＦレーザー光、λ＝１５７ｎ
ｍのＦ₂レーザー光のような短波長の光を用いる場合に
は、光学系に接着剤のような反応性の高い物質を挿入す
ると、接着剤の劣化による光学特性の劣化及び接着剤か
ら発生するような物質が他の光学素子や装置内に付着
し、汚染することにより装置特性の劣化を引き起こすこ
とがある。通常では、半導体露光装置では基板上にレジ
ストを塗布し露光するが、接着剤から発生するような物
質により、基板の特性やレジストの反応条件を狂わせた
りする等の問題も生ずる。

【００１５】また、上述の薄板基板における問題点とは
別に、光学系に搭載する際には、基板が厚くなるにつれ
露光中に露光光を吸収して温度が上昇し、熱膨張により
光学素子が変形したり、温度による屈折率変化により光
学特性が変化し、収差が発生し、設計時の特性が発揮で
きず像性能が劣化するという問題も発生する。更には、
重量の増加により、半導体製造工程（プロセス）を行う
ことが不可能な場合もある。

【００１６】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
変形が生じ難い光学素子を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る光学素子は、石英板から成る基板上に回
折光学素子を形成し、波長λ＝１９３（ｎｍ）のＡｒＦ
レーザー光を用い、前記回折光学素子の直径をａ（ｍ
ｍ）、厚みをｔ（ｍｍ）、光学素子枚数をＭ、開口数を
ＮＡと、ｘ＝log（22500ｔ／ａ²）としたときに、 log（3.1129・10^-2）≧-2.4025・10^-1ｘ³-2.7771・10^-1ｘ²
-2.0525ｘ-2.1143・10^-1 2.321・10³ＮＡ²／Ｍ≧ｔ 2.8675・10⁶／ａ²≧ｔの関係を満足することを特徴とする。

【００１８】また、本発明に係る光学素子は、石英板か
ら成る基板上に回折光学素子を形成し、波長λ＝２４８
（ｎｍ）のＫｒＦレーザー光を用い、前記回折光学素子
の直径をａ（ｍｍ）、厚みをｔ（ｍｍ）、光学素子枚数
をＭ、開口数をＮＡと、ｘ＝log（22500ｔ／ａ²）とし
たときに、 log（0.04）≧-2.4025・10^-1ｘ³-2.7771・10^-1ｘ²-2.0525
ｘ-2.1143・10^-1 6.654・10³ＮＡ²／Ｍ≧ｔ 2.8675・10⁶／ａ²≧ｔの関係を満足することを特徴とする。

【００１９】本発明に係る光学素子は、蛍石板から成る
基板上に回折光学素子を形成し、波長λ＝１９３（ｎ
ｍ）のＡｒＦレーザー光を用い、前記回折光学素子の直
径をａ（ｍｍ）、厚みをｔ（ｍｍ）、光学素子枚数を
Ｍ、開口数をＮＡと、ｘ＝log（19154ｔ／ａ²）とした
ときに、 log（3.1129・10^-2）≧-2.4025・10^-1ｘ³-2.7771・10^-1ｘ²
-2.0525ｘ-2.1143・10^-1 2.008・10⁴ＮＡ²／Ｍ≧ｔ 2.0025・10⁶／ａ²≧ｔの関係を満足することを特徴とする。

【００２０】本発明に係る光学素子は、蛍石板から成る
基板上に回折光学素子を形成し、波長λ＝１５７（ｎ
ｍ）のＦ₂レーザー光を用い、前記回折光学素子の直径
をａ（ｍｍ）、厚みをｔ（ｍｍ）、光学素子枚数をＭ、
開口数をＮＡと、ｘ＝log（19154ｔ／ａ²）としたとき
に、 log（2.5323・10^-2）≧-2.4025・10^-1ｘ³-2.7771・10^-1ｘ²
-2.0525ｘ-2.1143・10^-1 1.3366・10³ＮＡ²／Ｍ≧ｔ 2.0025・10⁶／ａ²≧ｔの関係を満足することを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明を図１〜図９に図示の実施
例に基づいて詳細に説明する。図１は露光装置に使用す
る投影光学系の要部断面図を示しており、屈折光学素子
１０枚、回折光学素子２枚の全部で１２枚の光学素子か
ら構成されている。この投影光学系を有する露光装置
は、波長λ＝１９３ｎｍのＡｒＦレーザー光、倍率１／
５、開口数ＮＡ＝０．５を用いる。

【００２２】このような露光装置の性能を左右する要因
としては、自重による変形等がある。薄板基板に作製さ
れた回折光学素子を横置きに投影光学系に搭載する際に
は、回折光学素子の自重変形により球面収差が発生す
る。

【００２３】図２は第１の実施例における直径ａ＝１５
０ｍｍの石英基板を、波長λ＝２４８ｎｍのＫｒＦレー
ザー光を用いた際の球面収差ΔＳＡと回折光学素子の厚
さｔの関係を示している。ｘ＝log（22500ｔ／ａ²） …(1) とすると、 log（ΔＳＡ・λ／248）≧ -2.4025・10^-1ｘ³-2.7771・10^-1ｘ²-2.0525ｘ-2.1143・10^-1 …(2) となる。

【００２４】光学系全体の設計にもよるので一概には云
えないが、一般に１個の光学素子の球面収差ΔＳＡは
０．０４（λ）以下に制御する必要があり、ΔＳＡ＝
０．０４（λ）を式(2)に代入すると、次式のようにな
る。 log（3.1129・10^-2）≧ -2.4025・10^-1ｘ³-2.7771・10^-1ｘ²-2.0525ｘ-2.1143・10^-1 …(2')

【００２５】更に、直径ａ＝１５０ｍｍを考慮すると、
ｔ≧３．７３ｍｍとなる。

【００２６】また、露光装置においては露光中に露光光
を光学素子が吸収し、温度上昇することにより発生する
熱収差という問題が生じ、この熱収差は主にデフォーカ
スとして作用する。光学素子枚数をＭ、温度をＴ、屈折
率をｎ、熱膨張係数をα、開口数をＮＡとすると、デフ
ォーカス量Ｆと回折光学素子の厚さｔとの関係は、次式
で示すことができる。Ｆ・ＮＡ²／Ｍ／２ΔＴ／(ｄｎ／ｄＴ＋αｎ)≧ｔ …(3)

【００２７】このデフオーカス量Ｆは予め予測すること
により補正することもできるが、熱収差の発生時には他
の収差も増加するため、一般的には投影露光系全体で２
μｍと云われている。また、ＡｒＦレーザー光による露
光中の石英基板の温度上昇はΔＴ＝０．０２Ｋ以下とな
る。これらの値を表１の各物性値を参照して式(3)に代
入すると、次式となる 2.321・10³ＮＡ²／Ｍ≧ｔ …(3')

【００２８】表１材料石英石英蛍石蛍石波長λ KrF(248ｎｍ) ArF(193ｎｍ) KrF(248ｎｍ) ArF(193ｎｍ) 屈折率ｎ 1.5085 1.5603 1.5014 1.56 屈折率変化／温度 14.5・10^-6 21・10^-6 -3.4・10^-6 8・10^-6 （ｄｎ／ｄＴ）熱膨張係数α 0.35・10^-6 0.35・10^-6 18.85・10^-6 18.85・10^-6 密度（ｇ／ｃｍ³） 2.22 2.22 3.18 3.18 ヤング率（Ｐａ） 7.31・10¹⁰ 7.31・10¹⁰ 7.58・10¹⁰ 7.58・10¹⁰

【００２９】更に、図１の実施例の光学素子枚数Ｍ＝１
２枚、ＮＡ=０．５の値を式(3')に代入すると、ｔ≦４
８．３４ｍｍとなる。

【００３０】また、基板を半導体プロセスを適用するた
めには、基板重量が半導体プロセス制御の精度に大きな
影響を与える。そのため、基板重量は５Ｋｇ以下である
必要があり、石英基板を用いる場合は、石英の密度を考
慮すると次式となる。 2.8675・10⁶／ａ²≧ｔ …(4)

【００３１】基板として、直径ａ＝１５０ｍｍの石英を
用いた場合には、ｔ≦１２７．４４ｍｍとなる。従っ
て、ＡｒＦレーザー光を用いた露光装置において、基板
として直径ａ＝１５０ｍｍの石英を用いて回折光学素子
を製作する場合には、基板の厚さｔは式(2')、(3')、
(4)により、３．７３≦ｔ≦４８．３４ｍｍの範囲であ
れば、球面収差や熱収差等の収差を抑制することがで
き、露光装置として十分な精度を発揮することができ、
光学素子を半導体プロセスを用いて作製できる。

【００３２】図３は第１の実施例において使用する回折
光学素子の製作工程図を示している。図３(a)は基板２
１の断面図を示し、基板２１は直径ａ＝１５０ｍｍ、厚
さｔ＝１０ｍｍの石英から成る平行平板が使用されてい
る。また、基板２１の厚さｔは３．７３≦ｔ≦４８．３
４ｍｍの範囲であり、光学材料として十分な精度の加工
を施すことができる。

【００３３】先ず図３(b)に示すように、基板２１上に
微細パターンを加工するための光に感光する有機物から
成るレジスト２２を塗布する。このレジスト２２は加工
する線幅にもよるが、サブμｍ程度の加工を施す際に
は、１μｍ程度の線幅に対して、厚さ約５ｎｍに制御す
る必要がある。そのため、通常の製造工程においてはス
ピンナを用いて基板２１を回転させることにより、液状
のレジスト２２を基板２１上に塗布している。また、精
度が十分に確保できる場合には、ディッピング等の方法
を用いてもよいが、高精度の塗布を必要とする場合に
は、スピンナを用いることが好ましい。また、石英基板
２１はＳｉウェハと比較するとかなり重いため、その重
量に適したモータを有するスピンナを用いる必要があ
る。

【００３４】次に図３(c)に示すように、液状のレジス
ト２２に含まれている溶媒を揮発させるために、ホット
プレート２３を用いて基板２１の裏面側から加熱し、プ
リベークを行う。高精度の温度管理が要求されないレジ
ストを用いる場合には、ホットプレート２３や図示しな
いオーブン等を用いてプリベークを行う。更には、赤外
線を用いて加熱してもよい。しかし、Ｓｉウェハと比較
すると熱伝導率も悪く、厚さｔも厚い石英基板２１では
温度管理が著しく難しく、０．１℃単位の管理は困難で
ある。また、近年開発された化学増幅型レジスト等を用
いる際には、高精度な温度管理が必要とするため、図３
(d)に示すような温度管理されたプレート板２４を、レ
ジスト２２に接触しない程度に接近させることによりプ
リベークを行う。

【００３５】続いて、図３(e)に示すように、加工すべ
き面形状が形成されているレチクル２５を介してｉ線を
用いて露光する。光源にｉ線や紫外線等を用いた露光装
置では、露光する光の焦点が基板２１上に合焦するよう
に基板２１の高さ（Ｚ方向）の位置合わせを行う。通常
では、半導体露光装置はＳｉウェハのように厚さの規格
が定められている基板を使用するため、焦点を合わせる
ための可動範囲は１ｍｍ以下であり、規格の定まってい
ない石英基板２１をそのまま使用することはできない。

【００３６】しかし、Ｓｉ基板を載せるウェハチャック
２６を薄くする等により、合焦するように改良すること
ができる。ウェハチャック２６も厚さによっては、その
面精度等を維特できなくなるが、その場合にはウェハス
テージ全体を改良した装置を使用する必要がある。ま
た、基板２１の中心と回折光学素子の中心が一致するよ
うに、ＸＹ方向の位置合わせを行うために、ウェハチャ
ック２６には３点の突当部２７が設けられている。

【００３７】図４は基板２１と突当部２７の平面図を示
しており、図４(a)に示すように基板２１は３点の突当
部２７により固定されている。また、図４(b)に示すよ
うに通常のＳｉウェハにおけるオリフラ２１ａや、図４
(c)に示すようなノッチ２１ｂを用いる場合には、基板
２１にその加工を施す必要がある。

【００３８】図５に示すように、厚さｔを十分に有する
基板３１においては、オリフラやノッチ等の突当部３２
を基板３１の下部に設けてもよい。

【００３９】その後に、再びポストエクスポージャベー
ク（ＰＥＢ）、現像工程、ポストベークを施すことによ
り、所望の面形状を有する最小線幅０．３５μｍのレジ
ストパターン２８を基板２１上に形成することができ
る。これらの加熱には、プリベークと同様にホットプレ
ート２３又はオーブン等を用いてもよい。現像工程にお
いても、パドル現像を行う際にはスピンナが必要とな
り、重量に適したモータを有するスピンナを使用する。

【００４０】次に、図３(f)に示すように、石英基板２
１にレジストパターン２８をマスクとして薬品を用いて
エッチングしたり、プラズマ等を用いるドライエッチン
グ装置を用いて加工する。サブμｍの線幅では、主とし
て高精度のドライエッチング装置を使用する。このドラ
イエッチング装置では真空中においてプラズマ等による
エッチングを行うため、薬品を用いてエッチングする場
合と異なり、化学的な要素だけでなく物理的なエッチン
グも同時に行われ、基板２１を冷却する温度制御も必要
となってくる。

【００４１】そのため、エッチングチャンバ内にはエッ
チングガスに加えて、熱伝導率の優れた水素やヘリウム
を混合する。また、プラズマをパルス的に発生させるこ
とにより、基板２１の温度を制御してもよい。更に、基
板２１の温度が或る程度上昇した場合にはエッチングを
一時停止し、基板２１が冷却されるまで待機し、基板温
度が低下した後に再度エッチングを開始する方法等を用
いることもできる。更に、予め基板２１を冷却し平均基
板温度が必要な温度となるように制御してもよい。ただ
し、何れの方法を用いるにしても、ガス流量、プラズマ
パワー、エッチング条件等を十分に検討する必要があ
る。

【００４２】そして、図３(b)〜(f)の工程を繰り返すこ
とにより、図３(g)に示すような例えば２．８μｍの最
小ピッチを有し、石英基板の厚さｔが３．７３≦ｔ≦４
８．３４ｍｍの範囲である基板上に、８段形状を有する
回折光学素子２９を基板２１上に形成することができ
る。また、光学素子に必要な面粗さ等の形状を確保する
ため、バイナリオプティックス２９を形成後に基板２１
の裏面を研磨してもよい。

【００４３】上述の方法により、回折光学素子２９を製
作した後に、研磨等の加工を施すことにより十分な精度
を得ることができる。また、石英基板の厚さｔが３．７
３≦ｔ≦４８．３４ｍｍの範囲であるため、回折光学素
子２９を光学系内で使用する際に、自重、固定、温度、
気圧等により生ずる変形を抑制することができ、設計時
の光学性能を十分に発揮することができる。露光中に基
板が露光光を吸収し、温度が上昇し、光学基板が変形し
たり、温度による屈折率変化により光学特性が変化する
ことなく、設計時の光学性能を発揮することができる。
更に、重量が制限されることにより、半導体プロセスに
よる加工が可能となる。

【００４４】第２の実施例における回折光学素子は、波
長λ＝２４８ｎｍのＫｒＦレーザー光、倍率１／５、Ｎ
Ａ＝０．６の露光装置において用いる。この露光装置は
直径ａ＝２００ｍｍの石英を基板とした回折光学素子を
用い、全部で２５枚の光学素子から構成されている。本
実施例における回折光学素子はλ＝２４８ｎｍのＫｒＦ
レーザー光の露光装置において用いる石英基板であるた
め、(1)式を用いて、(2)式にΔＳＡ＝０．０４（λ）、
λ＝２４８（ｎｍ）を代入すると、 log（0.04）≧ -2.4025・10^-1ｘ³-2.7771・10^-1ｘ²-2.0525ｘ-2.1143・10^-1 …(5) となる。更に、直径ａ＝２００ｍｍを考慮すると、ｔ≧
５．９９ｍｍとなる。

【００４５】また、ＫｒＦレーザー光で露光した場合の
温度上昇は、ΔＴ＝０．０１Ｋ以下となる。同じエネル
ギで露光した場合の温度上昇ΔＴは、ＡｒＦレーザー光
に対しＫｒＦレーザー光では１／１０程度である。しか
し、ＫｒＦレーザー光に適用するレジストは、ＡｒＦレ
ーザー光に適用するレジストと比較すると、感度が５倍
程度悪いため５倍のエネルギを要し、ＡｒＦレーザー光
の温度上昇ΔＴの１／２程度であるため、ΔＴ≦０．０
１Ｋとなる。

【００４６】デフォーカス量Ｆと回折光学素子の厚さｔ
との関係の式(３)にΔＴ＝０．０１Ｋを代入すると、次
式となる。 6.654・10³ＮＡ²／Ｍ≧ｔ …(6)

【００４７】光学素子枚数Ｍ＝２５枚、ＮＡ=０．６の
値を表１の各物性値を参照して式(6)に代入すると、ｔ
≦９５．８ｍｍとなる。更に、基板の重量を考慮する
と、次式のようになる。 2.8675・10⁶／ａ²≧ｔ …(7)

【００４８】石英基板を直径ａ＝２００ｍｍとすると、
ｔ≦７１．７ｍｍとなる。

【００４９】従って、ＫｒＦレーザー光を用いた露光装
置において、直径ａ＝２００ｍｍの石英基板を用いて回
折光学素子を製作する場合には、基板の厚さｔは式
(5)、(6)、(7)により、５．９９≦ｔ≦７１．７ｍｍの
範囲であれば、球面収差や熱収差等の収差を抑制するこ
とができ、露光装置として十分な精度を発揮することが
できる。

【００５０】図６は第２の実施例で使用する回折光学素
子の製作模式図を示している。図６(a)は基板４１の断
面図を示し、基板４１は直径ａ＝２００ｍｍ、厚さｔ＝
１５ｍｍの石英から成る平行平板が使用されている。ま
た、基板４１の厚さｔは５．９９≦ｔ≦７１．７ｍｍの
範囲であり、光学材料として十分な精度の加工を施すこ
とができる。

【００５１】図６(b)に示すように、基板４１上には導
電層の役割を果すＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ａｕ、
Ｐｔ等の金属膜又はＩＴＯ等の透明導電膜から成る導電
膜４２を成膜する。これにより、電子のチャージアップ
による描画の乱れが生ずることなく、高精度の描画が可
能となる。更に、この導電膜４２上にレジスト４２を塗
布するが、導電膜４２の代りに導電性を有するレジスト
を用いてもよい。そして、第１の実施例と同様に、図６
(c)に示すようなホツトプレート２３や、図６(d)に示す
ようなプレート板２４を用いてレジスト４３の溶媒を揮
発させる。続いて、図６(e)に示すように基板４１の中
心と回折光学素子の中心が一致するように、突当部４４
を用いてＸＹ方向の位置合わせを行う。

【００５２】本実施例におけるレジストパターン４５の
露光は、光露光でなくＥＢ（電子線）描画装置を使用し
て行う。ＥＢ描画は直接描画であるためレチクルは不要
である。ＥＢ描画装置は通常では光露光装置で使用する
レチクルの描画に用いられているため、厚さｔが大きい
基板の露光が一般的であり、高精度の描画を行うことが
できる。

【００５３】更に、エッチング装置内では図６(f)に示
すように、先ずレジストパターン４５をマスクとして導
電膜４２をエッチングし、図６(g)に示すように導電膜
４２をマスクとして基板４１をエッチングする。このエ
ッチングの際には、導電膜４２を設けた場合の方が電場
は安定し、エッチングの分布が向上する。そして、これ
らの工程を繰り返すことにより、図６(h)に示すような
８段形状の回折光学素子４６を基板４１上に形成するこ
とができる。また、光露光の場合においても導電膜４２
を介してエッチングを行ってもよい。

【００５４】第３の実施例における回折光学素子は、λ
＝１９３ｎｍのＡｒＦレーザー光、倍率１／５、ＮＡ＝
０．６の露光装置において用いる。この露光装置は直径
ａ＝１５０ｍｍの蛍石を基板とした回折光学素子を用
い、全部で２０枚の光学素子から構成されている。本実
施例における回折光学素子は、λ＝１９３ｎｍのＡｒＦ
レーザー光の露光装置において用いる蛍石基板であるた
め、ヤング率を考慮し、ｘ＝log（19154ｔ／ａ²） …(8) とすると、次式となる。 log（3.1129・10^-2）≧ -2.4025・10^-1ｘ³-2.7771・10^-1ｘ²-2.0525ｘ-2.1143・10^-1 …(9)

【００５５】更に、直径ａ＝１５０ｍｍを考慮すると、
ｔ≧４．３８ｍｍとなる。

【００５６】また、ＡｒＦレーザー光で露光した場合
に、蛍石は石英に比較すると熱伝導率が高いため、温度
上昇ΔＴは０．００２Ｋ以下となる。デフォーカス量Ｆ
と回折光学素子の厚さｔとの関係の式(3)に、ΔＴ＝
０．００２Ｋを代入すると、次式となる。 2.008・10⁴ＮＡ²／Ｍ≧ｔ …(10)

【００５７】ここで、光学素子枚数Ｍ＝２０枚、ＮＡ＝
０．６の値を表１の各物性値を参照して式(10)に代入す
ると、ｔ≦３６１．４ｍｍとなる。更に、基板の重量を
考慮すると、次式となる。 2.0025・10⁶／ａ²≧ｔ …(11)

【００５８】そして、基板に直径ａ＝１５０ｍｍの蛍石
を用いた場合には、ｔ≦８９．０ｍｍとなる。従って、
ＡｒＦレーザー光を用いた露光装置において、基板とし
て直径ａ＝１５０ｍｍの蛍石を用い、回折光学素子を製
作する場合には、基板の厚さｔは式(9)、(10)、(11)に
より、４．３８≦ｔ≦８９．０ｍｍの範囲であれば、球
面収差や熱収差等の収差を抑制することができ、露光装
置として十分な精度を発揮することができる。

【００５９】図７は第３の実施例で使用する基板５１の
断面図を示しており、基板５１には直径ａ＝１５０ｍ
ｍ、厚さｔ＝２０ｍｍの蛍石を用いている。また、基板
５１の厚さｔは４．３８≦ｔ≦８９．０ｍｍの範囲であ
り、光学材料として十分な精度の加工を施すことができ
る。また、本実施例においては、第１の実施例と同様の
工程を用いて回折光学素子を作製するが、蛍石基板５１
は石英基板２１よりも熱伝導率が高いため、プリベーク
にはホットプレート２３を用いることができる。

【００６０】また、加工すべき面形状が形成されている
レチクル５２を介して、ＫｒＦエキシマレーザー光を用
いて露光する。更に、基板５１の中心と回折光学素子の
中心が一致するように、ＸＹ方向の位置合わせを行うた
め、基板５１の側面までの距離をマイクロメータ５３を
用いて測定する。この測定結果を基に、基板３１の中心
と回折光学素子の中心が一致するように位置合わせを行
った後に露光する。そして、上述した工程を繰り返すこ
とにより、例えば２０μｍの最小ピッチを有する８段形
状の回折光学素子を基板５１上に形成することができ
る。

【００６１】第４の実施例における回折光学素子は、λ
＝１５７ｎｍのＦ₂レーザー光、倍率１／５、ＮＡ＝
０．６の露光装置において用いる。この露光装置は直径
ａ＝１５０ｍｍの蛍石を基板とした回折光学素子を用
い、全部で１５枚の光学素子から構成されている。本実
施例における回折光学素子は、λ＝１５７ｎｍのＦ₂レ
ーザー光を用いる蛍石基板であるため、式(8)を用いて
次式となる。 log（2.5323・10^-2）≧ -2.4025・10^-1ｘ³-2.7771・10^-1ｘ²-2.0525ｘ-2.1143・10^-1 …(12)

【００６２】更に、直径ａ＝１５０ｍｍを考慮すると、
ｔ≧４．７５ｍｍとなる。

【００６３】また、Ｆ₂レーザー光で露光した場合の温
度上昇ΔＴ＝０．０２Ｋ以下となるのでデフォーカス量
Ｆと回折光学素子の厚さｔとの関係の式(3)に、ΔＴ＝
０．０２Ｋを代入すると、次式となる。 1.3366・10³ＮＡ²／Ｍ≧ｔ …(13)

【００６４】光学素子枚数Ｍ＝１５枚、ＮＡ＝０．６の
値を表１の各物性値を参照して、式(13)に代入すると、
ｔ≦３２．０ｍｍとなる。更に、基板の重量を考慮する
と、次式となる。 2.0025・10⁶／ａ²≧ｔ …(14)

【００６５】蛍石基板を直径ａ＝１５０ｍｍとすると、
ｔ≦８９．０ｍｍとなる。

【００６６】従って、Ｆ₂レーザー光を用いた露光装置
において、基板として直径ａ＝１５０ｍｍの蛍石を用
い、回折光学素子を製作する場合には、基板の厚さｔは
式(12)、(13)、(14)により、４．７５≦ｔ≦３２．０ｍ
ｍの範囲であれば、球面収差や熱収差等の収差を抑制す
ることができ、露光装置として十分な精度を発揮するこ
とができる。しかしながら、現時点ではＦ₂レーザー光
のデータは少ないため、今後は見直されてゆく可能性は
高い。

【００６７】また、石英についてもフッ素を含有する石
英は、λ＝１５７ｎｍのＦ₂レーザー光の透過率が大幅
に改善されていると云われているが、現時点では開発段
階であり、まだ各物性値のデータが不足している。従っ
て、十分な物性値が判明した時点で同様の考察をするこ
とができる。

【００６８】また、第４の実施例で使用する回折光学素
子は図示は省略するが、Ｆ₂レーザー用の直径ａ＝１５
０ｍｍ、厚さｔ＝１５ｍｍの蛍石を使用することもでき
る。また、基板の厚さｔは４．７５≦ｔ≦３２．０ｍｍ
の範囲であり、光学材料として十分な精度の加工を施す
ことができる。

【００６９】レジストパターンの露光には、光露光装置
を用いずにＦＩＢ装置を使用すると、ＦＩＢ装置はＥＢ
描画装置と同様に、厚みのある基板に対しても高精度の
描画を施すことができる。また、レジストを用いること
なく基板に直接、イオンを注入し、エッチングの選択比
を設け加工を行ってもよい。更に、パワーの大きなＦＩ
Ｂ装置を用いることにより、基板の直接加工を行っても
よい。これにより、回折光学素子の製作工程数を低減す
ることができ、全体のパターン加工精度を向上させるこ
ともできる。

【００７０】先の図１は投影光学系の部分拡大図を示し
ており、回折光学素子に第１〜４の実施例において作製
された回折光学素子が用いられている。図１においては
回折光学素子は２枚使用されているが、１枚或いは複数
枚使用してよい。

【００７１】第１〜４の実施例において作製した回折光
学素子を用いると、従来の光学素子と比較して剛性が大
きいため、自重変形や鏡筒の加工精度による接触部位の
不均一、固定時に加わる力等による取付時の歪み、気圧
や温度変動による変形を低減又は抑制することができ、
面変形を発生させず収差を低減することができるので、
設計時の性能が十分発揮でき像性能が向上する。また、
露光中の光を吸収して発生する熱収差も小さく抑制でき
るため、その収差に伴って発生する別の収差も小さく抑
制することができる。

【００７２】また、従来の屈折素子のみを使用した光学
系と比較すると、レンズの枚数を少なくすることができ
る。このため、硝材による光吸収が低減され、吸収熱に
よるレンズの変形や屈折率変化を抑制することが可能と
なる。また、色収差の補正が容易なため、レーザー光の
波長帯域を広げ、レーザー光のパワーを有効に利用する
ことができる。更には半導体露光装置を設置する環境が
変化した場合においても、焦点位置のずれの発生を最小
限に止めることができ、結果として高精度なパターン転
写を良好に行うことができる。

【００７３】図８、図９は第１〜４の実施例において説
明した回折光学素子の何れか１つを搭載した半導体露光
装置を利用した半導体デバイス（半導体素子）の製造方
法のフローチャート図を示している。図８はＩＣやＬＳ
Ｉ等の半導体チップ、液晶パネル或いはＣＣＤ等の半導
体デバイスの製造工程のフローチャート図を示してい
る。先ず、ステップＳ１において半導体デバイスの回路
設計を行い、続いてステップＳ２においてステップＳ１
で設計した回路パターンをＥＢ描画装置等を用いレチク
ルを作成する。

【００７４】一方、ステップＳ３においてシリコン等の
材料を用いてウェハを製造する。その後に、前工程と呼
ばれるステップＳ４において、ステップＳ２、Ｓ３にお
いて用意したレチクル及びウェハを用い、レチクルとウ
ェハをローディングしてアライメントのずれを検出し
て、ウェハステージを駆動して位置合わせを行い、アラ
イメントが合致すると露光を行う。露光の終了後に、ウ
ェハは次のショットへステップ移動し、アライメント以
下の動作を行う。

【００７５】更に、後工程と呼ばれるステップＳ５にお
いて、ステップＳ４によって製造されたウェハを用いて
ダイシング、ボンディング等のアッセンブリ工程、チッ
プ封入等のパッケージング工程を経て半導体チップ化す
る。チップ化された半導体デバイスは、ステップＳ６に
おいて動作確認テスト、耐久テスト等の検査を行う。こ
のような一連の工程を経て半導体デバイスは完成し、ス
テップＳ７で出荷される。

【００７６】図９は図８におけるステップＳ３におい
て、ウェハ製造の詳細な製造工程のフローチャート図を
示している。先ず、ステップＳ１１においてウェハ表面
を酸化させる。続いて、ステップＳ１２においてウェハ
表面をＣＶＤ法により絶縁膜を形成し、ステップＳ１３
において電極を蒸着法により形成する。更にステップＳ
１４に進み、ウェハにイオンを打込む。続いて、ステッ
プＳ１５においてウェハ上に感光剤を塗布する。ステッ
プＳ１６では、半導体露光装置によりレチクルの回路パ
ターンをウェハ上の感光剤上に焼付ける。

【００７７】ステップＳ１７において、ステップＳ１６
において露光したウェハ上の感光剤を現像する。更に、
ステップＳ１８でステップＳ１７において現像したレジ
スト像以外の部分をエッチングする。その後に、ステッ
プＳ１９においてエッチングが済んで不要となったレジ
ストを剥離する。更に、これらの一連の工程を繰り返し
行うことにより、ウェハ上に多重の回路パターンを形成
することができる。

【００７８】なお、本実施例の製造方法を用いれば、従
来では製造が難しかった高集積度の半導体デバイスの量
産に対応することができる。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る光学素
子は、回折光学素子の厚みｔが所定の範囲を満足するよ
うにすることにより、回折光学素子を半導体プロセスで
作製することができ、微細なピッチを有する回折光学素
子を自重変形や鏡筒の加工精度による接触部位の不均
一、固定時に加わる応力等による取付時の歪み、気圧や
温度変動による変形、面変形を発生することがない。

【００８０】更に、この光学素子を光学系に組み込み使
用すれば、短波長の光を用いた光学系に安定して使用す
ることが可能となる。

【００８１】また、この光学素子を半導体露光装置に搭
載すれば、回折光学素子の枚数を低減することができ、
硝材による光吸収が低減され、吸収熱による光学素子の
変形や屈折率変化を抑制することが可能となる。また、
色収差の補正が容易なため、レーザー光の波長帯域を広
げ、レーザー光のパワーを有効に利用することができ
る。

【００８２】更に、半導体露光装置を設置する環境が変
化した場合にも、焦点位置のずれ発生を最小限に止める
ことができ、収差を小さくすることができ、設計時の性
能が十分に発揮でき、像性能が向上する。

【００８３】この光学素子を搭載した光学系を用いた半
導体露光装置によれば、高精度な半導体デバイスを製作
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の投影光学系の要部断面図であ
る。

【図２】球面収差と回折光学素子の厚さの関係図であ
る。

【図３】第１の実施例における回折光学素子の製造模式
図である。

【図４】基板の平面図である。

【図５】基板の断面図である。

【図６】第２の実施例における回折光学素子の製作模式
図である。

【図７】第３の実施例における基板の断面図である。

【図８】半導体素子の製造方法のフローチャート図であ
る。

【図９】半導体素子の製造方法のフローチャート図であ
る。

【図１０】回折光学素子の斜視図である。

【図１１】回折光学素子の断面図である。

【図１２】半導体露光装置の断面図である。

【符号の説明】

２１、３１、５１基板２２、４３レジスト２３ホットプレート２４プレート板２５、５２レチクル２６ウェハチャック２７、３２、４４突当部２８、４５レジストパターン２９、４６回折光学素子４２導電膜５３マイクロメータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】石英板から成る基板上に回折光学素子を
形成し、波長λ＝１９３（ｎｍ）のＡｒＦレーザー光を
用い、前記回折光学素子の直径をａ（ｍｍ）、厚みをｔ
（ｍｍ）、光学素子枚数をＭ、開口数をＮＡと、ｘ＝lo
g（22500ｔ／ａ²）としたときに、 log（3.1129・10^-2）≧-2.4025・10^-1ｘ³-2.7771・10^-1ｘ²
-2.0525ｘ-2.1143・10^-1 2.321・10³ＮＡ²／Ｍ≧ｔ 2.8675・10⁶／ａ²≧ｔの関係を満足することを特徴とする光学素子。
【請求項２】石英板から成る基板上に回折光学素子を
形成し、波長λ＝２４８（ｎｍ）のＫｒＦレーザー光を
用い、前記回折光学素子の直径をａ（ｍｍ）、厚みをｔ
（ｍｍ）、光学素子枚数をＭ、開口数をＮＡと、ｘ＝lo
g（22500ｔ／ａ²）としたときに、 log（0.04）≧-2.4025・10^-1ｘ³-2.7771・10^-1ｘ²-2.0525
ｘ-2.1143・10^-1 6.654・10³ＮＡ²／Ｍ≧ｔ 2.8675・10⁶／ａ²≧ｔの関係を満足することを特徴とする光学素子。
【請求項３】蛍石板から成る基板上に回折光学素子を
形成し、波長λ＝１９３（ｎｍ）のＡｒＦレーザー光を
用い、前記回折光学素子の直径をａ（ｍｍ）、厚みをｔ
（ｍｍ）、光学素子枚数をＭ、開口数をＮＡと、ｘ＝lo
g（19154ｔ／ａ²）としたときに、 log（3.1129・10^-2）≧-2.4025・10^-1ｘ³-2.7771・10^-1ｘ²
-2.0525ｘ-2.1143・10^-1 2.008・10⁴ＮＡ²／Ｍ≧ｔ 2.0025・10⁶／ａ²≧ｔの関係を満足することを特徴とする光学素子。
【請求項４】蛍石板から成る基板上に回折光学素子を
形成し、波長λ＝１５７（ｎｍ）のＦ₂レーザー光を用
い、前記回折光学素子の直径をａ（ｍｍ）、厚みをｔ
（ｍｍ）、光学素子枚数をＭ、開口数をＮＡと、ｘ＝lo
g（19154ｔ／ａ ²）としたときに、 log（2.5323・10^-2）≧-2.4025・10^-1ｘ³-2.7771・10^-1ｘ²
-2.0525ｘ-2.1143・10^-1 1.3366・10³ＮＡ²／Ｍ≧ｔ 2.0025・10⁶／ａ²≧ｔの関係を満足することを特徴とする光学素子。
【請求項５】前記回折光学素子は量子化したブレーズ
ド形状を有する位相型回折光学素子とした請求項１〜４
の何れか１つの請求項に記載の光学素子。
【請求項６】前記位相型回折光学素子の１段の最小線
幅は１μｍ以下とした請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】前記回折光学素子の形成工程の少なくと
も一部に半導体製造工程を使用した請求項１〜４の何れ
か１つの請求項に記載の光学素子。
【請求項８】前記回折光学素子の形成工程において、
前記半導体製造工程に使用されているレジストパターン
形成装置とエッチング装置を使用した請求項７に記載の
光学素子。
【請求項９】前記レジストパターン形成装置には、紫
外線、真空紫外線、Ｘ線等の露光装置及びＥＢ描画装
置、ＦＩＢ（集束イオンビーム）装置の何れか１つを含
む請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】前記回折光学素子の形成工程におい
て、前記ＦＩＢ装置による直接加工を使用した請求項９
に記載の光学素子。
【請求項１１】請求項７に記載の回折光学素子の形成
工程において、部材の中心を計測し、所望の位置に前記
部材を位置調整し、前記回折光学素子の中心と前記部材
の中心が一致するよう位置合わせを行う光学素子。
【請求項１２】請求項１〜１１の何れか１つの請求項
に記載の光学素子を使用した光学系。
【請求項１３】請求項１２に記載の光学素子又は請求
項１３に記載の光学系を使用した装置。
【請求項１４】請求項１３に記載の装置を用いて製造
する半導体デバイス製造方法。
【請求項１５】請求項１４に記載の装置を用いて製造
した半導体デバイス。