JP2003240933A - 回折光学素子製造方法および回折光学素子およびそれを用いた露光装置およびそれを用いたデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フッ化カルシウム等のフッ化物結晶を基板と
する回折光学素子を作製すること。 【解決手段】 露光装置に使用する回折光学素子は，レ
ジストパターンをマスクとしたドライエッチング加工に
より作製される。石英等のガラス材料と異なり，フッ化
物結晶はドライエッチングによって基板の透過率が低下
してしまう。そのため，エッチング後に熱処理工程を加
えて，素子基板の透過率を回復させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はフッ化物結晶を素子
基板として用いた回折光学素子の製造方法に関する。ま
た，ＫｒＦまたはＡｒＦまたはＦ_２またはＡｒ_２レーザ
等の紫外線を光源とする光学系，該光学系を用いた半導
体製造用露光装置，該露光装置を用いたデバイス製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年，半導体集積回路の高集積化はとど
まるところを知らず，露光装置とりわけ投影光学系に要
求される性能も更に高いレベルとなっている。露光装置
の解像度は投影光学系の開口数（ＮＡ）を大きくするこ
とによって高めることができるが，ＮＡを大きくするこ
とによって焦点深度は浅くなる。したがってある程度以
上ＮＡを大きくすることはできず，解像度を高めるため
には露光波長を短波長化することが要求されている。

【０００３】このような理由で将来の露光装置用光源と
してＦ_２レーザが有望視されているが，この波長（１５
７ｎｍ）の光は高エネルギーであり，従来使われてきた
ガラス材料は透過率が不足している点や，レーザによる
ダメージが大きい点で使用できない。そのためフッ化物
結晶をレンズ材料として使用することになるが，屈折率
の異なるレンズの組み合わせで行う色収差補償は困難で
ある。また，従来の屈折光学素子のみで構成された露光
装置では，装置の設置環境の温度変動や気圧変動によっ
て焦点位置が変化するといる問題点もあった。

【０００４】このような問題点を解決するために，従来
から露光装置内の光学系に回折光学素子を利用すること
が考えられてきている。回折光学素子は屈折素子の色収
差を打ち消す方向に色収差を発生するため，色収差補償
の問題を解決することが可能である。また，環境の温度
変動や気圧変動による焦点位置の変化も屈折素子と回折
素子で逆となるので，これらの組み合わせにより焦点位
置の変化を抑制することが可能である。

【０００５】一般に回折光学素子は表面に形成されたブ
レーズド状（鋸歯波状）のグレーティングにより回折効
果を生じさせる（図１）。従来の赤外光や可視光に対応
した素子製造方法としては，ホットプレス法や射出成型
によって直接高分子やガラスを加工する方法，電子線
（ＥＢ）描画やレーザ描画とドライエッチングを組み合
わせて高分子やガラスを加工する方法等が知られてい
る。ホットプレス法とは，銅板やアルミナ合金等の金属
板をカッティングマシーンで回折素子のネガ形状となる
ように切削して金型を作り，金型と鏡面金属板との間に
メタクリル樹脂板等を挟み，加熱後，加圧成形する方法
である。射出成型を利用した製造方法は，まず金型加工
を行い。該金型に高温で溶融した高分子を流し込み，圧
縮冷却を行うことにより成型するものである。

【０００６】また，電子線描画による製造方法では，光
学基板上に電子線レジストを塗布し，電子線を円形走査
して露光する。現像処理によってレジストは露光量に応
じたレジスト厚となる。更にドライエッチングを行う
と，レジストパターンが光学基板上に転写される。レー
ザ描画による製造方法は，電子線描画方法を改良したも
ので，レジストを塗布した光学基板側を回転させ，Ｈｅ
-Ｃｄレーザ等を径方向へ移動することにより描画を行
うものである。レジスト現像後にドライエッチングを行
うと，レジストパターンが光学基板上に転写される。

【０００７】また，微小光学素子を階段形状で近似させ
て製造するバイナリオプティクス素子の製造方法として
は，次のような露光装置を用いた方法が知られている
（図２）。まず，光学基板上にフォトレジストを塗布
し，マスク１を用いて露光，現像処理を行う，該レジス
トパターンをエッチングマスクとし，下地基板をドライ
エッチングし，最後にレジストを剥離する。同様に，マ
スク２，３についても同様の処理を繰り返すことによ
り，階段状のパターンが形成される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，フッ化
カルシウム等のフッ化物結晶基板をドライエッチングす
る際，問題が生じる。アルゴンや窒素ガス等でエッチン
グしたとき，基板表面にダメージ層が形成され，紫外域
の透過率が低下してしまう。透過率の低下した回折素子
を露光装置に使用した場合，ウエハ面における照度低下
や照度ムラ，熱による収差発生などの様々な問題が生
じ，良好なデバイスを製造できない。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め，我々はドライエッチングによる透過率低下の原因お
よび透過率回復手段について鋭意検討した。その結果，
フッ化カルシウム基板の透過率低下はＦセンターやＦセ
ンターの集合体が形成されたため生じたものであること
が判明した。またＦセンターやＦセンターの集合体は，
熱処理（レーザ光を使うのも可）によって消滅し，透過
率が回復する（カラーセンター除去）ことも確認され
た。

【００１０】ラザフォード後方散乱（ＲＢＳ）により，
エッチング後のフッ化カルシウム基板表面の結晶性を分
析した。その結果，表面から２０ｎｍ程度までの深さ範
囲において，結晶性が著しく損なわれていることが判明
した。結晶性の悪い領域に存在するフッ素イオン空格子
に，エッチング時に打ち込まれる電子がトラップされ，
Ｆセンター構造が形成されたと考えられる。図３にドラ
イエッチング後のフッ化カルシウム基板の吸収スペクト
ルを示す。３。３ｅＶの吸収ピークがＦセンター，２。
３ｅＶの吸収ピークがＦセンターの集合体に起因したも
のと考えられている。

【００１１】このような吸収構造を矯正し，透過率を回
復させるため，熱処理の検討を行った。１００℃〜６０
０℃までの検討を実施したところ，全ての温度におい
て，透過率の改善が確認された。しかしながら，高温で
は酸化による透過率低下が生じてしまうため，熱処理雰
囲気やフッ化カルシウム表面の洗浄管理を厳密に行う必
要がある。また低温では透過率を十分回復させるために
長時間の熱処理が必要となり，生産性が損なわれてしま
う。そのため，実用的な不活性ガス若しくは真空雰囲気
における熱処理を考えた場合，２００℃〜４００℃の温
度範囲が好ましいという結論に至った。

【００１２】以上のような一連の検討結果より，フッ化
カルシウム等のフッ化物結晶をドライエッチング加工し
て回折光学素子を作製する場合，エッチング後の熱処理
により透過率を回復させる工程が必要であることが確認
された。熱処理により透過率を回復させた回折光学素子
をレンズ系やレチクルとして用いることにより，照度劣
化や熱収差の低減された光学系及び露光装置が得られ
る。また，回折光学素子を用いた露光装置を，デバイス
製造の露光工程に設けることにより，高精度な露光処理
を安定して行うことが可能である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下，本発明の実施例及び比較例
について説明する。

【００１４】（実施例１）８段のバイナリ回折光学素子
の製造方法に関する第１の実施例を説明する。

【００１５】本実施例では，基板としてフッ化カルシウ
ムを用いた。まずフッ化カルシウム基板を両面研磨し
た。洗浄した基板の片面（加工面）にフォトレジストを
塗布し，プリベーク処理を実施した。この基板をｉ線露
光装置で選択露光した後，ベーク処理及び現像処理を行
い所望のレジストパターンを得た。続いてアルゴンによ
るスパッタエッチングを行い，所望の深さフッ化カルシ
ウム基板をエッチングした。エッチング後，剥離液にて
フォトレジストを剥離した。以上のフォトレジスト塗
布，露光，現像，エッチング，フォトレジスト剥離とい
った一連の工程を，異なるピッチのレチクルを用いて３
回繰り返し，所望のバイナリ回折光学素子の８段階段形
状を作製した。

【００１６】以上の工程を終えた後，１ｘ１０^-６Ｔｏ
ｒｒの真空雰囲気中に基板を置き，４００℃で３時間の
熱処理を行った。更に反射防止膜を回折光学素子両面に
製膜した後，露光装置レンズ系の所定位置に組み込ん
だ。テスト露光の結果，照度ムラや照度劣化がなく，熱
収差も現れない良好な光学性能を持つことが確認され
た。

【００１７】（実施例２）レチクルとして使用する回折
光学素子の製造方法に関する第２の実施例を説明する。

【００１８】本実施例では，基板としてフッ化カルシウ
ムを用いた。まずフッ化カルシウム基板を両面研磨し
た。洗浄した基板の片面（加工面）にクロム膜及び酸化
クロム膜を製膜した後，更にフォトレジストを塗布し
た。この基板をＫｒＦ露光装置で選択露光した後，ベー
ク処理及び現像処理を行い所望のレジストパターンを得
た。レジストパターンをマスクとして酸化クロム及びク
ロム膜をエッチングした後，レジストを剥離した。続い
て再びフォトレジスト塗布・露光・現像処理を行い，レ
ジストパターンを得た後，レジストパターンをエッチン
グマスクとして，アルゴンと窒素の混合ガスによるスパ
ッタエッチングを行い，所望の深さフッ化カルシウム基
板をエッチングした。エッチング後，剥離液にてフォト
レジストを剥離した。

【００１９】以上の工程を終えた後，窒素雰囲気中に基
板を置き，３００℃で３０時間の熱処理を行った。更に
反射防止膜を回折光学素子裏面に製膜した後，露光装置
の位相シフトレチクルとして用いた。テスト露光の結
果，照度ムラや照度劣化がなく，熱収差も現れない良好
な光学性能を持つことが確認された。

【００２０】（比較例）８段のバイナリ回折光学素子の
製造方法に関する比較例を説明する。

【００２１】本実施例では，基板としてフッ化カルシウ
ムを用いた。まずフッ化カルシウム基板を両面研磨し
た。洗浄した基板の片面（加工面）にフォトレジストを
塗布し，プリベーク処理を実施した。この基板をｉ線露
光装置で選択露光した後，ベーク処理及び現像処理を行
い所望のレジストパターンを得た。続いてアルゴンによ
るスパッタエッチングを行い，所望の深さフッ化カルシ
ウム基板をエッチングした。エッチング後，剥離液にて
フォトレジストを剥離した。以上のフォトレジスト塗
布，露光，現像，エッチング，フォトレジスト剥離とい
った一連の工程を，異なるピッチのレチクルを用いて３
回繰り返し，所望のバイナリ回折光学素子の８段階段形
状を作製した。

【００２２】以上の工程を終えた後，特に熱処理を実施
せず，反射防止膜を製膜して露光装置のレンズ系の所定
位置に組み込んだ。テスト露光の結果，著しい照度低下
が確認され，繰り返し露光中に大きな熱収差が発生する
ことも確認された。また，回折光学素子単体で回折効率
の検査を行った結果，１５７ｎｍにおいて理論効率より
も７０％も低い効率であることが判明した。

【００２３】（実施例３）本発明の回折光学素子を用い
た半導体製造用露光装置の実施例を説明する。

【００２４】図４に本実施例の半導体露光装置の概略図
を示す。１５はＫｒＦやＡｒＦやＦ _２やＡｒ_２レーザ等
の紫外光源で，光源からの光束１７はミラー１６により
照明光学系１８に導光され，照明光学系を通過した光束
は第１物体であるレチクル１９面上を照明する。さらに
レチクルの情報をもった光束が縮小投影光学系２０を通
り感光基板２１へ投影される。

【００２５】本実施例に係わる半導体露光装置の照明光
学系，投影光学系には，本特許の製造方法により作製し
た回折光学素子が屈折光学素子と共に用いられている。
回折光学素子を用いたために，従来の屈折素子のみを使
用した光学系と比較してレンズの枚数を少なくすること
ができる。このため光学系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の光学特性への影
響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，レーザの波長帯域を広げ，レーザのパワー
を有効に利用することができる。加えて半導体露光装置
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る。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。

【００２６】（実施例４）本発明の半導体製造用露光装
置を用いた，半導体装置（半導体素子）の製造方法を説
明する。

【００２７】図５は本実施例におけるＩＣの製造のフロ
ーチャートである。本実施例において，ステップ１（回
路設計）では，ＩＣの回路設計を行った。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
スクを製作した。一方，シリコン等からなるウエハを用
意し，ステップ３（ウエハプロセス）において前記用意
したマスクとウエハを用いてリソグラフィ技術によって
ウエハ上に実際の回路を形成した。

【００２８】次のステップ４（組立）において，ステッ
プ３によって製作されたＩＣの回路が形成されたウエハ
を半導体チップ化し，次いでアッセンブリ工程（ダイシ
ング，ボンディング）を行い，パッケージング（チップ
封入）を行った。

【００２９】ステップ５（検査）においてステップ４で
製作されたＩＣチップの動作確認テスト，耐久性テスト
等の検査を行った。

【００３０】図６は本実施例のＩＣチップ製造における
上記ステップ３のウエハプロセスの詳細なフローチャー
トである。まず，ステップ１１（酸化）ではウエハの表
面を酸化させた。次いでステップ１２（ＣＶＤ）ではウ
エハ表面に絶縁膜を形成した。

【００３１】ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に
電極を蒸着によって形成した。ステップ１４（イオン打
ち込み）ではウエハにイオン打ち込みを行った。ステッ
プ１５（レジスト処理）ではＣＭＰ（化学材機研磨）装
置によってウエハ表面を平坦に研磨した。

【００３２】ステップ１６（レジスト処理）では，平坦
化されたウエハ表面にレジストを塗布した。ステップ１
７（露光）では本発明の露光装置によってマスクの回路
パターンをウエハに焼き付け露光した。はじめにレチク
ルを搬送し，レチクルチャックにチャッキングし，次に
レジストが塗布されたシリコンウエハ基板を露光装置内
にローディングした。アライメントユニットでグローバ
ルアライメント用のデータを読みとり，計測結果に基づ
いてウエハステージを駆動して所定の位置に次々に露光
を行った。

【００３３】ステップ１８（現像）では露光したウエハ
を現像する。ステップ１９（エッチング）では，現像後
にレジストが除去された部分をエッチングした。ステッ
プ２０（レジスト剥離）では，レジストを剥離した。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を形成した。

【００３４】上記ウエハプロセスに本発明の製造方法を
用いれば，従来の製造が難しかった高集積度の半導体デ
バイスを製造することができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明の製造方法により，光吸収の少な
いフッ化物回折光学素子を作製することができる。ま
た，本発明の製造方法により作製した回折光学素子を用
いた本発明の露光装置は色収差や環境変化に伴う焦点位
置変動を非常に小さくすることが可能である。よってＣ
ＣＤ，液晶パネル，磁気ヘッド，チップ（ＩＣ，ＬＳ
Ｉ）などのデバイスを歩留まりよく，高精度に作製する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】グレーティング形状を有する回折光学素子の概
略図である。

【図２】一般的なバイナリオプティクス素子の製造方法
の概略図である。

【図３】エッチング後のフッ化カルシウム基板の吸収ス
ペクトルである。

【図４】実施例４の半導体製造用露光装置を表す概略図
である。

【図５】本発明に係わる半導体装置の製造方法のフロー
チャートである。

【図６】本発明に係わる半導体装置の製造方法の別のフ
ローチャートである。

【符号の説明】

１ マスク１ ２ マスク２ ３ マスク３ ４ バイナリ回折光学素子 ５ 光源 ６ ミラー ７ 光束 ８ 照明光学系 ９ レチクル １０ 投影光学系 １１ 感光基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５１５Ｄ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フッ化物結晶基板上にレジストパターン
   を形成する工程と該レジストパターンをマスクとしてフ
   ッ化物結晶基板をドライエッチングする工程と該レジス
   トを剥離する工程から成る回折光学素子の製造方法にお
   いて，ドライエッチングにより低下したフッ化物結晶基
   板の透過率を熱処理により回復させる工程を加えること
   を特徴とする回折光学素子の製造方法。
2. 【請求項２】 前記フッ化物結晶がフッ化カルシウム，
   フッ化バリウム，フッ化リチウム，フッ化ナトリウム，
   フッ化マグネシウムのうちの何れかであることを特徴と
   する請求項１に記載の回折光学素子の製造方法。
3. 【請求項３】 熱処理の温度が１００℃〜６００℃の範
   囲，好ましくは２００〜４００℃の範囲であることを特
   徴とする請求項１に記載の回折光学素子の製造方法。
4. 【請求項４】 熱処理の雰囲気が不活性ガス若しくは真
   空であることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素
   子の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４記載の方法により作製し
   た回折光学素子。
6. 【請求項６】 請求項５記載の回折光学素子をレンズ系
   またはレチクルとして用いることを特徴とした光学系。
7. 【請求項７】 請求項６記載の光学系を用いた半導体製
   造用露光装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載の露光装置をＣＣＤ，液晶
   パネル，磁気ヘッド，チップ（ＩＣ，ＬＳＩ）などのデ
   バイス製造の露光工程に設けたことを特徴とするデバイ
   ス製造方法。