JP3020397B2

JP3020397B2 - ショートアーク型カドミウム希ガス放電ランプおよびこれを搭載した投影露光装置

Info

Publication number: JP3020397B2
Application number: JP5286219A
Authority: JP
Inventors: 幸夫安田; 明康山口; 龍志五十嵐; 安夫大西; 鎌三甲斐; 正典杉原; 孝司森; 章宮地
Original assignee: Nikon Corp; Ushio Denki KK
Current assignee: Nikon Corp; Ushio Denki KK
Priority date: 1992-11-20
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 2000-03-15
Anticipated expiration: 2015-03-15
Also published as: DE69309399D1; EP0599229B1; EP0599229A1; DE69309399T2; JPH0721980A; KR940012495A; US5471278A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、カドミウムと希ガス
が放電発光に寄与するショートアーク型のカドミウム希
ガス放電ランプ、並びにこの放電ランプを露光光源とし
て搭載した半導体製造に好適な投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来技術】紫外線を放射する露光光源を搭載した光学
装置は、プラスチックスの表面の改質や、光ＣＶＤ、ア
ッシング、特定波長範囲の要求されるＵＶキュアや光リ
ソグラフィなどの産業界で広く利用されている。そし
て、特に超ＬＳＩなどの半導体製造工程で用いられる投
影露光装置に搭載する露光光源として、優れた紫外線光
源が求められている。一般に、波長１８５〜３００ｎｍ
の光を利用する時は、希ガスとともに金属を封入した金
属希ガス放電ランプが使われる。特に、波長２２０±２
０ｎｍの光を利用する時には、カドミウムを封入した希
ガスカドミウム放電ランプが良いと言われている。

【０００３】この技術については、例えば、特開昭５５
─１０７５７号公報に記載されている。この公報では、
金属カドミウムと希ガスの封入量を規定することによ
り、波長２２０±２０ｎｍの光の放射量を多くすること
ができて、このランプを半導体装置の生産プロセスに使
った場合は、焼付時間を大幅に短縮できるであろうこと
が記載されている。

【０００４】しかしながら、現実には、このランプは産
業用として満足して使えるものではない。なぜならば、
カドミウムが規定封入量の範囲内であっても、カドミウ
ムを増加させると、自己吸収の効果が大きくなり、ラン
プからは、露光に必要な波長範囲の放射強度が低下する
と同時に、その前後の不必要な波長範囲の発光量の増加
が顕著になってしまうためである。一般に、カドミウム
を封入した放電ランプの発光スペクトルは、カドミウム
の原子、イオン、分子の基底状態と励起状態の分布数密
度の微妙な均衡の上に得られる。このため、必要とする
波長範囲の発光スペクトルを得るために、金属カドミウ
ムの封入量を厳密に規定して、適正な分布数密度と定常
点灯時の圧力を維持する必要がある。

【０００５】さらに、定常点灯時のカドミウムの圧力
や、カドミウムの分布数密度は、点灯中の発光管の最冷
部温度に大きく影響を受ける。この原因は、定常点灯時
の発光管の表面温度におけるカドミウムの蒸気圧が水銀
に比べて約２桁低いため、少しの温度低下でカドミウム
が容易に凝縮するためと考えられる。このため、発光管
に対しては、保温膜等の何らかの温度制御手段を設ける
必要がある。

【０００６】次に、紫外線を放射する露光光源を搭載し
た投影露光装置により、レチクル上に形成された回路パ
ターンを投影光学系を介してウエハ上に縮小投影し、よ
り微細なパターンをウエハ上に転写し、ＬＳＩや超ＬＳ
Ｉ等の極微細なパターンからなる半導体素子の製造を行
っている。一般に、投影型露光装置の投影光学系の解像
度ｒ及び焦点深度ＤＯＦは、投影光学系の開口数をＮＡ
とし、露光波長をλ、とすると、次式の関係が成立する
ことが知られている。ｒ＝ｋ₁λ／ＮＡＤＯＦ＝ｋ₂λ／ＮＡ² 但し、ｋ₁，ｋ₂は製造プロセスにより決定される係数
（プロセスファクター）である。上式からも明らかなと
おり、投影光学系の焦点深度ＤＯＦを十分に確保しつつ
投影光学系の解像度をより一層向上させるために、露光
波長λを短波長化させる努力がなされてきており、近年
は、２４８ｎｍの波長光を放射する沸化クリプトン（Ｋ
ｒＦ）・エキシマレーザを露光光源とする投影露光装置
が開発され、また１９３ｎｍの波長光を放射する沸化ア
ルゴン（ＡｒＦ）・エキシマレーザや固体レーザの高調
波を露光光源とする投影露光装置が開発されてきてい
る。

【０００７】しかしながら、これらのエキシマレーザ光
や固体レーザからの高調波光は、発光時間が１５ｎｓ〜
２０ｎｓ程度のパルスレーザ光であるため、露光パワー
を強化すると光学材料としての変質をきたして実用にな
らない恐れがあることが判明した。すなわち、上記の如
きエキシマレーザや固体レーザの周波数はせいぜい５０
０Ｈｚ〜２ｋＨｚ程度であるため、現実に必要とされる
ウエハ面上での照度を確保するには、１パルス当たりの
光エネルギーを大幅に増大させる必要がある。ところ
が、合成石英（Ｓｉ０₂）あるいは蛍石（ＣａＦ₂）を
使用した投影露光装置の光学系に大きなパワー密度を持
つ２４８ｎｍ以下の波長の遠紫外線を露光光として通過
させると、２光子吸収によって、特に合成石英（Ｓｉ０
₂）の光学特性（透過率等）が大きく劣化するという問
題がある。具体的に、この問題を確認するために、本発
明者らは、沸化アルゴン（ＡｒＦ）・エキシマレーザ光
を合成石英（Ｓｉ０₂）に対して１０ｍＪ／ｃｍ²の条
件下で照射した実験を行ったところ、１０⁸パルス程度
で光学特性が大幅に劣化して光学材料としては全く使用
できない状態となり、投影露光装置の寿命としては十分
でないことが明らかとなった。

【０００８】光学材料の光学特性の劣化を抑えるために
は、パルス周波数を極力大きくし、１パルス当たりのエ
ネルギーを小さくする必要があり、理想的には、周波数
を無限大とした連続発光する光源とすることが望まし
い。しかしながら、エキシマレーザでは、周波数の向上
を図ることは困難であり、発光パルス時間を長くしても
せいぜい数１００ｎｓ程度で連続発光は不可能である。
しかも、発光パルス時間を長くすると空間的コヒーレン
スが向上するため不要な干渉縞が発生するという問題が
生ずる。

【０００９】また、エキシマレーザ自体は極めて大きな
ものであり、このエキシマレーザを投影露光装置の露光
光源として搭載した場合には、従来の水銀ランプを搭載
した投影露光装置と比べて２倍程度の床面積を必要と
し、投影露光装置としてはかなり巨大化したものとな
り、さらに、エキシマレーザを露光用光源として維持し
ていくためには、メンテナンスのための多くの経費と労
力を要するという問題点がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】そこで請求項１の発明
の目的は、必要とする２１０〜２３０ｎｍの発光スペク
トルの前後の不必要な発光を抑えることができて、さら
には、この２１０〜２３０ｎｍの発光スペクトルの高出
力化を達成することができるショートアーク型のカドミ
ウム希ガス放電ランプを提供することにある。また、請
求項２の発明の目的は、光学材料が劣化することなく、
小型化が可能であって、微細なパターンを大きな焦点深
度のもとで投影転写できる高性能な投影露光装置を提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、請求項１の発明のショートアーク型カドミウム希
ガス放電ランプは、温度制御される発光管内に近接して
対向配置される一対の電極を有して、かつ、発光管内に
は、キセノン、クリプトン、アルゴン、ネオンより選ば
れた一種又は二種以上の希ガスと、定常点灯時における
圧力が１４〜２００ｋＰａとなる金属カドミウムが封入
されている。そして、定常点灯時の放電電流をＪ
（Ａ）、定常点灯時のカドミウムの圧力をＰ（k Ｐａ）
とした時に、Ｊ／Ｐが、０．１３〜１５の範囲で点灯さ
れる。

【００１２】そして、請求項２の発明による投影露光装
置は、光源から放射される光を集光してレチクルを均一
に照明する照明光学系と、レチクルのパターンをウエハ
上に投影する投影光学系とを有する投影露光装置におい
て、温度制御される発光管内に近接して対向配置される
一対の電極を有して、かつ、発光管内には、キセノン、
クリプトン、アルゴン、ネオンより選ばれた一種又は二
種以上の希ガスと、定常点灯時における圧力が１４〜２
００ｋＰａとなる金属カドミウムが封入されるショート
アーク型カドミウム・希ガス放電ランプを前記光源とし
て搭載し、該ショートアーク型カドミウム・希ガス放電
ランプの定常点灯時の放電電流をＪ（Ａ）、定常点灯時
のカドミウムの圧力をＰ（k Ｐａ）とした時に、Ｊ／Ｐ
が、０．１３〜１５となる範囲を満足する条件にてショ
ートアーク型カドミウム・希ガス放電ランプを点灯す
る。

【００１３】

【作用】本発明者らの研究により、このような構成によ
り、２１０〜２３０ｎｍの波長範囲内において２１５ｎ
ｍ付近の発光スペクトル形状は、主に、カドミウムイオ
ンの基底状態の吸収により起こり、２２２ｎｍ付近の発
光スペクトル形状は、主に、カドミウム原子とカドミウ
ム分子の基底状態の吸収により起こるというメカニズム
が解明された。すなわち、２１０〜２３０ｎｍの発光ス
ペクトルが、主に、カドミウムイオンと、カドミウム分
子からの発光で達成されるというメカニズムが解明され
た。

【００１４】そして、この発光は、カドミウムの定常点
灯時の圧力と放電電流の変化に敏感であることを見い出
した。本発明者らはさらに各種実験を重ねていった結
果、定常点灯時の放電電流をＪ（Ａ）、定常点灯時のカ
ドミウムの圧力をＰ（k Ｐａ）とした時に、後述の実施
例で明らかなように、Ｊ／Ｐが、０．１３〜１５の範囲
が良いことを突き止めた。Ｊ／Ｐ（Ａ／ｋＰａ）が、
０．１３以下で点灯することは、カドミウムの圧力が高
く、かつ、放電電流が低い状態で点灯することを意味す
る。この場合、発光スペクトルの急峻度は達成される
が、電極間に形成されるアークを含む発光管内で、基底
状態のカドミウムが多く存在する。このため、カドミウ
ムの自己吸収が著しくなり発光効率が急激に減少する
か、あるいは、アーク温度の低下により、カドミウムイ
オンの分布数密度が減少して発光効率は低下してしま
う。一方、Ｊ／Ｐ（Ａ／ｋＰａ）が、１５以上では、カ
ドミウム圧力の低下により、発光強度が減少すると共
に、発光効率も減少する。

【００１５】そして、請求項２の発明の投影露光装置に
よれば、２１０〜２３０ｎｍの光を高効率で放射する放
電ランプよりなる連続発光光源を用いているため、極端
に大きなパワー密度の光を照射する必要がなく、合成石
英（Ｓｉ０₂）などの光学材料の変質をきたす恐れがな
く、同等の波長域の光源としてのエキシマレーザを光源
とする場合の種々の問題が解消され、コンパクトでしか
も耐久年数（装置の寿命）を長くしながらも、より一層
微細なパターンを大きな焦点深度のもとで投影転写する
ことが可能となる。

【００１６】

【実施例】図１は、この発明に好適に使用されるショー
トアーク型カドミウム希ガス放電ランプの具体的な構成
を示しており、このランプの定常点灯時の定格電力は１
ｋＷである。石英製の発光管１は、中央に略楕円球状の
発光空間囲繞部１１と、その両端には封止管部１２、１
３が形成されている。発光空間囲繞部１１内には、近接
して陰極２と陽極３が対向配置されるが、この電極間距
離ｄは２乃至６ｍｍ程度である。

【００１７】封止管部１２、１３のそれぞれの末端に
は、口金４、５が装着され、発光空間囲繞部１１の陰極
２及び陽極３が伸び出す側には、放射光を取り出すのを
妨げない範囲において、ある一定以上の蒸気圧を保持す
るための保温膜６、７が形成されている。この保温膜
が、発光管１の温度を制御することになり、例えば、シ
リコーン樹脂を主成分に金属酸化物を含むものより構成
される。この保温膜の効果により、例えば、保温膜がな
い場合には、発光管の外表面温度は、６５０±１００℃
程度の幅で変化するが、保温膜により８５０±８０℃程
度で高温安定させることができる。また、発光管外表面
の温度制御する手段としては、他に、発光管１の周囲に
新たに外管を設けてに二重管構造とすることもできる。
しかし、温度を制御することが可能であれば、これらの
手段に限るのではない。

【００１８】温度制御は、前述の如く、発光管最冷部温
度の変化を、許容される範囲内に抑えることであって、
これによってカドミウムの原子、イオン、分子の基底状
態と励起状態の分布数密度や、定常点灯時のカドミウム
の圧力に好適に維持できればよい。また、この発明にか
かるランプは、電極間距離ｄが２乃至６ｍｍ程度の、い
わゆるショートアーク型である。これは、光学系に、こ
のランプを取り付けられた時、集光鏡の集光効率を上げ
るために、アーク長を可能な限り短く、かつ、有効な放
射量を得るためである。

【００１９】図２は、この発明のショートアーク型カド
ミウム希ガス放電ランプの点灯電源として、好適に使用
される点灯回路のブロック図である。この点灯回路は、
定電流電源９１と起動器９２とよりなる。集光鏡８に組
み込まれたショートアーク型カドミウム希ガス放電ラン
プ１には、定電流電源９１の出力が起動器９２を通して
接続される。そして、起動器９２のスイッチＳ１を導通
することで、起動器９２に高電圧は発生して、その電圧
がショートアーク型カドミウム希ガス放電ランプ１の陽
極３に印加されることにより、この放電ランプの絶縁破
壊が生じる。それに続き、定電流電源９１からの電流の
供給により、持続アーク放電が維持される。そして、こ
の定電流電源９１の出力電流を調節することにより、安
定なアーク放電を得るとができ、光出力の安定化を図る
ことができる。このランプは、一例をあげれば、定格３
０Ｖ、２．４ｋＷで点灯され、点灯始動時は起動器９２
より約５ｋＶの高電圧が印加される。

【００２０】発光空間囲繞部１１内には、クリプトン、
キセノン、アルゴン、ネオンより選ばれた一種又は二種
以上の希ガスと、金属カドミウムが封入されている。こ
の金属カドミウムは、定常点灯時の圧力が１４〜２００
ｋＰａとなるような量が封入されるが、この範囲の金属
カドミウムの封入においては、後述するように、定常点
灯時におけるカドミウムの圧力（蒸気圧）と放電電流と
の関係に着目して、その量を規定することにより、２１
０〜２３０ｎｍの波長範囲内、具体的には２１４〜２２
４ｎｍの発光スペクトルの形状をほぼ矩形とすることが
できて、かつ、高出力化が達成できる。尚、この明細書
においては、発光管内に封入する状態では、カドミウム
は固体であるため、特に、金属カドミウムをいう表現を
用いているが、定常点灯時においては、蒸気（気体）と
して存在するため、単に、カドミウムをいう表現を用い
ている。

【００２１】この点を確かめるために、発光管の内部に
カドミウムとキセノン、アルゴン、ネオン、クリプトン
から選ばれた一種又は二種以上の希ガスが封入されてい
る放電ランプを多数試作して、定電流電源を用いて直流
放電で点灯させ、定常点灯時における発光スペクトルの
形状とカドミウムの圧力との関係を調べた。放電ランプ
の電極間距離は５ｍｍとして、ランプを各種試作した。
図３〜図６にその結果を示す。尚、定常点灯時というの
は、起動器によりランプを点灯始動させた後、放電電圧
が定常状態に達した状態を言い、通常は、点灯始動後、
約５分後に定常状態に達する。

【００２２】図３は、定常点灯時のカドミウム圧力が１
４ｋＰａで、放電電流を２１０Ａで実験した時の、２０
０〜２５０ｎｍの波長の発光スペクトルを示す。図４
は、定常点灯時のカドミウム圧力が９０ｋＰａで、放電
電流を９０Ａで実験した時の、２００〜２５０ｎｍの波
長の発光スペクトルを示す。図５は、定常点灯時のカド
ミウム圧力が１０ｋＰａで、放電電流を５０Ａで実験し
た時の、２００〜２５０ｎｍの波長の発光スペクトルを
示す。図６は、定常点灯時のカドミウム圧力が３００ｋ
Ｐａで、放電電流を６０Ａで実験した時の、２００〜２
５０ｎｍの波長の発光スペクトルを示す。尚、図３〜図
６において、縦軸は相対放射強度を表すが、各々のフル
スケールは、図４を1.0 とした場合に、図３が 0.8、図
５が 1.6、図６が 0.2となるように表示されている。こ
のため、図３と図４を比較すると、図面上は、図３の方
が放射強度が大きいように見えるが、フルスケールを換
算してみると、図４の方が放射強度が大きいことがわか
る。

【００２３】この実験から、カドミウムの封入量が、定
常点灯時の圧力が１４〜２００ｋＰａの範囲内とすれ
ば、その発光スペクトルの形状は、２１０〜２３０ｎｍ
の波長範囲内で、具体的には２１４〜２２４ｎｍの波長
において、ほぼ矩形的な形状となる。ほぼ矩形的な形状
ということは、所望の波長範囲において高出力であるた
め発光効率が良く、かつ、その前後の不必要な波長範囲
の光の放射を抑えることができることを意味する。

【００２４】また、図５に示すように、金属カドミウム
の封入量を、定常点灯時の圧力が１０ｋＰａにすると、
２１０〜２３０ｎｍの波長の光の放射は弱くなくなり、
矩形的な形状がほとんど消滅する。この現象は、アーク
で生成されるカドミウム原子、カドミウムイオン、カド
ミウム分子の分布数密度の変化と、シュタルク広がり、
共鳴広がりに起因するものと考えられるが、現在のとこ
ろ原因は明確ではない。

【００２５】さらに、図６に示すように、金属カドミウ
ムの封入量を、定常点灯時の圧力が３００ｋＰａにする
と、カドミウムの自己吸収により、２１０〜２２４ｎｍ
の波長範囲の放射強度が極端に弱くなり、矩形的な波形
の幅も若干狭くなり始める。この実験は、定常点灯時の
カドミウム圧力が３００ｋＰａで行った。しかしなが
ら、定常点灯時のカドミウム圧力を２００ｋＰａ以上に
すると、発光管の最冷点温度が１０００℃を越えてしま
う。これは、発光管の最大温度部分が石英ガラスの軟化
点温度付近にあたり、数百時間の点灯で、放電ランプが
破裂する危険がある。このため、定常点灯時のカドミウ
ム圧力は、２００ｋＰａ以下で使用することが好まし
い。尚、希ガスの種類と、希ガスの封入圧力は、２１０
〜２３０ｎｍの発光スペクトルに、それほど大きな影響
を及ぼすものではない。このため、特に限定されない
が、始動電圧の低電圧化などを配慮すると、５０ｋＰａ
〜２ＭＰａ程度が適当である。

【００２６】図３、図４に示す発光スペクトルは、２２
４〜２３０ｎｍの波長範囲で放射強度が弱いが、約２１
４〜２２４ｎｍの波長範囲において、ほぼ矩形の発光ス
ペクトル形状を得ることができる。この発明の目的は、
２１０〜２３０ｎｍの波長範囲において矩形を発光スペ
クトル形状を得ることとしてはいるが、これは誤差等を
考慮して若干広めに設定しており、カドミウムイオンや
カドミウム分子による発光は、約２１４〜２２４ｎｍの
波長範囲において起こるため、この波長範囲で矩形の発
光スペクトル形状が得られれば十分と言える。しかし、
所望の波長範囲において発光スペクトル形状を得ること
はできても、その光出力としては産業用には十分に満足
して使えるものではない。これは、定常点灯時の圧力に
着目した金属カドミウムの封入量の規定だけでは不十分
であって、定常点灯時のカドミウム圧力に加えて放電電
流との比率が重要になる。

【００２７】ここで、９本のランプを試作して、各々別
の条件で点灯した時の発光スペクトルの形状の適否を実
験する。表１に、カドミウムの定常点灯時の圧力Ｐ（ｋ
Ｐａ）と、その時の放電電流Ｊ（Ａ）と、これらの比率
であるＪ／Ｐの値と、そのときの急峻度Ｒと、発光効率
ηと、発光スペクトル形状の適否の関係を示す。急峻度
Ｒとは、放射強度の波高値の半値幅をΔλ_(1/2)とし
て、波高値の１／１０の幅をΔλ_(1/10)としたとき、Δ
λ_(1/2)／Δλ_(1/10)で定義される数値とする。半値幅
とは、放射強度の最高値の半分値を示す波長であって、
矩形の発光スペクトルの立ち下がりでの最高値の半分値
の波長と、立ち上がりでの最高値の半分値の波長の差を
示す。波高値の１／１０の幅も、同様に考えて、発光ス
ペクトルの立ち下がりにおける最高値の１／１０を示す
波長と、立ち上がりにおける最高値の１／１０を示す波
長との差をいう。

【００２８】発光効率ηは、図３の発光スペクトルの形
状より２１０〜２３０ｎｍの範囲内のスペクトルの全立
体角にわたる放射量の総量と、入力電力の比率で定義さ
れる数値である。適否の判断は、Ｒ＞０．７、かつ、η
＞０．８の場合を合格として○印で示し、他は不合格と
して×印で示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１に示すように、Ｊ／Ｐの値が、０．１
３〜１５（Ａ／Ｐａ）の範囲にある、、、は、
いづれも良好な結果を示して、適否では○となってい
る。但し、Ｊ／Ｐの値が、この範囲内にあっても、金属
カドミウムの封入量が少ないの場合は急峻度Ｒにおい
て不適当である。また、金属カドミウムの封入量が多い
との場合は発光効率ηにおいて不適当であって、と
もに適否において×印となっている。従って、急峻度Ｒ
と発光効率ηの両方を満足させるためには、カドミウム
の定常点灯時に圧力が１４ｋＰａ〜２００ｋＰａとし
て、かつ、定常点灯時の放電電流Ｊとカドミウムの封入
圧力Ｐの比率Ｊ／Ｐ（Ａ／Ｐａ）を、０．１３〜１５の
範囲から選択すれば良いことがわかる。

【００３１】図７に、放電電流Ｊと金属カドミウムの封
入圧力Ｐとの比率であるＪ／Ｐの値と、発光スペクトル
の急峻度Ｒならびに発光効率ηとの関係を一般化した状
態を示す。図７に示すように、発光スペクトルの急峻度
Ｒは、Ｊ／Ｐの値が１５Ａ／ｋＰａ以上になると、急激
に減少してしまう。また、０．１３Ａ／ｋＰａ以下にな
るとスペクトルの急峻度Ｒは１に近づくが、発光効率η
が急激に減少してしまう。従って、Ｊ／Ｐの最適の範囲
は、スペクトルの急峻度Ｒと発光効率ηの観点から０．
１３Ａ／ｋＰａ以上で１５Ａ／ｋＰａ以下になることが
適当とされる。

【００３２】このＪ／Ｐの値が、１５Ａ／ｋＰａ以下に
おいて、発光スペクトルが急峻になる理由は、カドミウ
ム圧力が増加することにより、カドミウムの共鳴線の自
己吸収あるいは放電電流の減少によるカドミウムイオン
の適当な生成と、それに伴う自己吸収ためと推定され
る。また、Ｊ／Ｐの値が、０．１３Ａ／ｋＰａ以下で発
光効率が急激に減少する理由は、電極間に発生するアー
クの周辺において、カドミウムが多く存在するために、
共鳴線による短波長域での吸収が著しくなるためである
と推定される。

【００３３】図８は、請求項２の発明による投影露光装
置の構成図を示している。図８において、ショートアー
ク型カドミウム・希ガス放電ランプ１０は、請求項１の
発明による放電ランプであり、少なくとも２１０ｎｍ〜
２３０ｎｍの波長域の光を効率良く放射するが、放電ラ
ンプ１０は、楕円鏡８の第１焦点位置に配置されてお
り、この放電ランプ１０から放射される光束は、楕円鏡
８の反射集光作用によりこれの第２焦点位置に集光され
た後、反射鏡Ｍ₁を介してコリメータレンズ２０に入射
する。このコリメータレンズ２０を通過した光束は、ほ
ぼ平行光束に変換された後、２１０ｎｍ〜２３０ｎｍの
範囲内の所望の波長域で露光波長の光を選択的に抽出す
る波長選択フィルター３０、レンズエレメントの集合体
で構成されるオプティカルインテグレータ４０（フライ
アイレンズ）を通過する。このオプティカルインテグレ
ータ４０の射出側には、複数の光源像が形成され、ここ
には、実質的に面光源としての２次光源が形成される。
この２次光源の位置には、２次光源の大きさを正確に規
定するための所定の開口を有する開口絞り５０が設けら
れている。そして、２次光源を形成する各点光源からの
光束は、反射鏡Ｍ₂を介した後、コンデンサーレンズ６
０でそれぞれ集光されて、レチクルＲe を重畳的に均一
照明する。

【００３４】ここで、楕円鏡８、からコンデンサーレン
ズ６０までがレチクルＲe を照明する照明光学系を構成
しており、レンズ系（２０、４０、６０）は合成石英
（Ｓｉ０₂）あるいは蛍石（ＣａＦ₂）の如く、波長域
２１０〜２３０ｎｍで十分な透過率を有する光学材料で
構成されている。レチクルＲe の下方には合成石英（Ｓ
ｉ０₂）あるいは蛍石（ＣａＦ₂）等の光学材及び反射
部材で構成される反射屈折型の縮小投影光学系７０が設
けられており、レチクルＲe 上に形成された回路パター
ンがウエハＷ上に縮小投影される。図示した縮小投影光
学系７０は、特開平３−２８２５２７号公報に開示され
た如き反射縮小光学系であるが、波長域２１０〜２３０
ｎｍにおいて良好な結像を行うことのできる投影光学系
であれば、反射面のない屈折光学系のみからなる投影光
学系でも良い。

【００３５】このような構成の投影露光装置において、
ショートアーク型カドミウム・希ガス放電ランプ１０
は、図１に例示したごとき構成を有し、この放電ランプ
１０は図２に示した如き構成の電源手段９０により、定
常点灯時の印加電流Ｊ、定常点灯時のカドミウム圧力Ｐ
との比Ｊ／Ｐが０．１３Ａ／ｋｐａ〜１５Ａ／ｋｐａの
範囲となるように点灯制御される。

【００３６】このような投影露光装置により、レチクル
上に形成された回路パターンを投影光学系を介してウエ
ハ上に縮小投影され、より微細なパターンをウエハ上に
転写することができ、ＬＳＩや超ＬＳＩ等の極微細なパ
ターンからなる半導体素子の製造を容易に行うことが可
能となる。

【００３７】また、請求項１の発明の如きショートアー
ク型カドミウム・希ガス放電ランプを搭載した投影露光
装置においては、連続発光光源を用いているため極端に
大きなパワー密度の光を照射する必要がないため、合成
石英（Ｓｉ０₂）などの光学材料の変質をきたす恐れが
なく長時間にわたって良好な結像性能を維持することが
できるという効果を有している。また、請求項２の発明
で使用する放電ランプは、エキシマレーザに比べて小型
であり、メインテナンスも簡単であり、エキシマレーザ
を使用した従来の装置と比べてコンパクトでしかも耐久
年数（装置の寿命）を長くしながらも、より一層微細な
パターンを大きな焦点深度のもとでウエハ上に投影転写
することが可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明
は、定常点灯時のにける圧力が１４〜２００ｋＰａなる
ように金属カドミウムを封入することにより、２１０〜
２３０ｎｍの波長範囲内における発光スペクトルを矩形
とできる。また、このカドミウム圧力の範囲において、
放電電流Ｊとカドミウムの定常点灯時の圧力Ｐとの比
（Ｊ／Ｐ）を０．１３Ａ／ｋＰａ〜１５Ａ／ｋＰａとす
ることにより、その前後における不必要な発光を極めて
低く抑えることができて、かつ、この２１０〜２３０ｎ
ｍの波長帯域の発光を高くすることができる。また、請
求項１の発明においては、ショートアーク型放電ランプ
について、前述の条件を設定したものであるが、理論的
には、ロングアーク型の放電ランプにおいても同一条件
において同様な効果が得られるものと推定できる。

【００３９】さらに請求項２の発明によれば、従来より
も更に高解像力を有しつつ十分な焦点深度を確保できる
投影露光装置が達成でき、しかも、エキシマレーザーを
光源として使用した場合よりもコンパクトで耐用年数の
大幅な向上を期待できるばかりか、メンテナンスも極め
て容易な投影露光装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ショートアーク型カドミウム希ガス放電ランプ
の説明用の外観図を示す。

【図２】ショートアーク型カドミウム希ガス放電ランプ
の点灯に好適に使用される点灯回路のブロック図を示
す。

【図３】定常点灯時のカドミウム圧力が１４ｋＰａ、点
灯電流を２１０Ａで実験した時の、２００〜２５０ｎｍ
の波長の放射スペクトルを示す。

【図４】定常点灯時のカドミウム圧力が９０ｋＰａで、
点灯電流を９０Ａで実験した時の、２００〜２５０ｎｍ
の波長の放射スペクトルを示す。

【図５】定常点灯時のカドミウム圧力が１０ｋＰａで、
点灯電流を５０Ａで実験した時の、２００〜２５０ｎｍ
の波長の放射スペクトルを示す。

【図６】定常点灯時のカドミウム圧力が３００ｋＰａ
で、点灯電流を６０Ａで実験した時の、２００〜２５０
ｎｍの波長の放射スペクトルを示す。

【図７】放電電流Ｊとカドミウムの定常点灯時の圧力Ｐ
との比率Ｊ／Ｐと、放射スペクトルの急峻度Ｒならびに
発光効率ηとの関係に関する説明図である。

【図８】請求項２の発明に係わる投影露光装置の構成を
示す図である。

【符号の説明】

１発光管２陰極３陽極４、５口金６、７保温膜８集光用楕円鏡１１発光空間囲繞部１２、１３封止管部２０コリメータレンズ３０波長選択フィルター４０オプティカルインテグレータ５０開口絞り６０コンデンサーレンズ７０投影光学系９０電源手段９１定電流電源９２起動器Ｍ₁，Ｍ₂反射鏡Ｒe レチクルＷウエハＳ１スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者五十嵐龍志兵庫県姫路市別所町佐土1194番地ウシオ電機株式会社内 (72)発明者大西安夫兵庫県姫路市別所町佐土1194番地ウシオ電機株式会社内 (72)発明者甲斐鎌三静岡県御殿場市駒門１丁目90番地ウシオ電機株式会社内 (72)発明者杉原正典静岡県御殿場市駒門１丁目90番地ウシオ電機株式会社内 (72)発明者森孝司東京都千代田区丸の内三丁目２番３号株式会社ニコン内 (72)発明者宮地章東京都千代田区丸の内三丁目２番３号株式会社ニコン内 (56)参考文献特開昭55−10757（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 61/18 H01J 61/88

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】温度制御される発光管内に近接して対向
配置される一対の電極を有し、この発光管内には、キセノン、クリプトン、アルゴン、
ネオンより選ばれた一種又は二種以上の希ガスと、定常
点灯時における圧力が１４〜２００ｋＰａとなる金属カ
ドミウムが封入されてなり、定常点灯時の放電電流をＪ（Ａ）、定常点灯時のカドミ
ウムの圧力をＰ（k Ｐａ）とする時、Ｊ／Ｐが、０．１３〜１５の範囲で点灯されることを特
徴とするショートアーク型カドミウム希ガス放電ラン
プ。
【請求項２】露光光源から放射される光を集光してレ
チクルを均一に照明する照明光学系と、該レチクルのパ
ターンをウエハ上に投影する投影光学系とを有する投影
露光装置において、温度制御される発光管内に近接して対向配置される一対
の電極を有し、この発光管内には、キセノン、クリプト
ン、アルゴン、ネオンより選ばれた一種又は二種以上の
希ガスと、定常点灯時における圧力が１４〜２００ｋＰ
ａとなる金属カドミウムが封入されてなり、定常点灯時
の放電電流をＪ（Ａ）、定常点灯時のカドミウムの圧力
をＰ（k Ｐａ）とする時、Ｊ／Ｐが、０．１３〜１５と
なる範囲で点灯するショートアーク型カドミウム希ガス
放電ランプを露光光源として搭載したことを特徴とする
投影露光装置。