JP3245589B2 - リソグラフィ用レーザ露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は略１９０〜３００ｎ
ｍ範囲より選択された特定紫外線波長域で使用されるエ
キシマレーザをレンズ、プリズム、ミラー等の石英ガラ
ス製光学系を用いてウエハ上に投影露光しながら回路パ
ターンを描画するリソグラフィ用レーザ露光装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ウエハ上に回路パターンを描画するリソ
グラフィ露光装置は公知であり、近年ＬＳＩの微細化、
高集積化に伴ない前記ウエハ上に回路パターンを描画す
るリソグラフィ露光装置においてもその開発が急速に進
み、例えば１６ＭビットＤＲＡＭに対応するパターン線
巾０．５μｍと微細な線幅が描画可能な技術が開発され
つつあり、更に、近い将来において実現し得る６４Ｍビ
ットＤＲＡＭに対応するパターン線巾０．３μｍという
サブミクロン単位の描画技術の開発も急がねばならない
が、このような超微細な線幅描画技術においても最近の
光学系、光源、フォトレジスト等の着実な進歩からみて
やはり光リソグラフィー装置が主流になるものと推定さ
れる。

【０００３】確かに光リソグラフィー装置は、比較的高
輝度の光源、高感度レジスト、安定した光学材料がそろ
っている等微細な線幅描画を行う上で必要な種々の条件
を備えているが、欠点として露光波長が大きいため、回
折により解像力が制限されるという問題がある。その解
決策として光の短波長化が検討されているが、光の短波
長化を図る為に４００ｎｍ以下の紫外線を用いた場合
は、従来の光学ガラスを用いたレンズでは使用波長が３
６５ｎｍ（ｉ線）付近より光透過率が急激に低下して、
言い変えれば光吸収と該光吸収による発熱が生じ、該レ
ンズの焦点位置やその他の特性を狂わせることになる。

【０００４】かかる欠点を解消する為に、レンズ材料を
従来の光学ガラスから石英ガラスに代える事が提案され
ているが、石英ガラスに通常の紫外線を透過した場合光
スペクトル巾が広いと色収差が発生してしまう。そこで
前記光リソグラフィー用の光源としてスペクトル巾の狭
いレーザを使うことが考えられ、特に光リソグラフィー
用のレーザの中で最も完成度の高いものがエキシマレー
ザである。エキシマレーザは短波長域、主として紫外域
で発振する高出力パルスレーザであり、その種類として
は希ガスエキシマ、希ガス酸素エキシマ、水銀ハライド
エキシマ、希ガスハライドエキシマなどが存在するが、
発振効率とガス寿命の点から、希ガスハライドエキシマ
の内、特にＫｒＦ（２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎ
ｍ）、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）等が有利である。

【０００５】しかしながら前記レーザはいずれも波長が
略３００ｎｍ以下の短波長であるが故に例え前記石英ガ
ラスを用いて光透過体を製作したとしても屈折率の均一
性は前記ｉ線の場合に比較して１桁以上高いものが要求
される。この為本出願人は先に、略４００ｎｍ以下の特
定光波長帯域で使用される光学用石英ガラス部材におい
て、屈折率変動幅△ｎを５×１０^−６より小に設定しつ
つ更に脈理フリーで且つ低圧水銀ランプの照射により蛍
光を実質的に発生しない光学用石英ガラス部材を提案し
ている。（特開昭６４-２８２４０号）

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ように屈折率変動幅の規定とともに脈理のない石英ガラ
スを用いてレーザ光学系を製作したとしても、高出力パ
ルス光である短波長レーザが長時間照射されると時間経
過とともに、石英ガラスレンズがダメージを受け、複屈
折が起こるのみならず、該レーザの長時間照射により、
透過率の低下、絶対屈折率の上昇、屈折率分布の変動が
起こり、最終的にクラック等が発生する場合があった。
そして前記のような石英ガラスの光学的物性変化が起こ
ると、特にエキシマレーザを光源とする投影型露光型装
置においては、レンズの光軸、焦点位置が変動し、微細
かつ鮮明パターンの形成が極めて困難となる。

【０００７】かかる欠点を解消する為に、本出願人は、
先にレンズ等を製造する光学部材を、高純度の合成石英
ガラスで形成するとともに、該ガラス組織中のＯＨ基含
有量を３００ｐｐｍ以上に設定したレーザ光用光学部材
を提案している。（特願昭６２−３２３８８２ 号、以
下先願技術という）

【０００８】しかしながらＯＨ基含有量が３００ｐｐｍ
以上の合成石英ガラスはその製造方法が限定され、例え
ば四塩化ケイ素（ＳｉＣ_４）ガスを酸水素炎中で加水分
解して得られる粒子をターゲットに付着させて形成され
る、いわゆるダイレクト法以外では形成し得ず、汎用性
に乏しいという欠点がある。

【０００９】本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、高
集積密度の高い６４ＭビットＤＲＡＭに対応するパター
ン線巾０．３μｍというサブミクロン単位の描画露光が
可能となるリソグラフィ用レーザ露光装置を提供する事
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
略１９０〜３００ｎｍ範囲より選択された特定紫外線波
長域のレーザを石英ガラス製光学系を介してウエハ上に
投影露光させながら回路パターンを描画するリソグラフ
ィ用レーザ露光装置において、前記光源にＫｒＦ（２４
８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、若しくはＡｒＦ
（１９３ｎｍ）のエキシマレーザを用い、前記光学系の
石英ガラス材の屈折率変動幅Δｎを５×１０^−６より小
に設定しつつ、更に脈理フリーの石英ガラス材を用い
て、ＯＨ基濃度を１００ｐｐｍ以上存在させ各金属元素
濃度を５０ｐｐｂ以下に設定した合成石英ガラス材を用
いていることを特徴とするリソグラフィ用レーザ露光装
置を提案する。更に脈理フリーの石英ガラス材は、１方
向脈理フリーでもよいが、好ましくは三座標方向脈理フ
リーの石英ガラス材がよい。

【００１１】又本発明は、好ましくは前記合成石英ガラ
ス中に含まれるアルカリ金属元素及びアルカリ土類金属
元素の各金属元素濃度が５０ｐｐｂ以下で、且つ各遷移
金属元素濃度が１０ｐｐｂ以下である合成石英ガラスを
用いて前記光学系を構成した請求項１記載のリソグラフ
ィ用レーザ露光装置である。

【００１２】本発明に至った過程を順を追って説明す
る。前記光リソグラフィー用の光源としてエキシマレー
ザ、特にＫｒＦ（２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎ
ｍ）、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）エキシマレーザを用いる事
が有利である事は前記段落「０００４」で説明した通り
である。この場合前記レーザを透過、集光、屈折、或い
は反射される光学系の光学特性が問題となる。

【００１３】そこで屈折率変動幅△ｎを５×１０^−６よ
り小に設定しつつ更に脈理フリーの石英ガラス材を用い
てレンズその他のレーザ用光学系を形成してもレーザを
短波長化するに連れ蛍光特性、屈折率、透過率等の光学
特性の劣化を引き起こす事は前述した通りであり、そし
てこの場合石英ガラス組織中に含まれる不純物濃度を一
定にした場合、透過率と屈折率等の変化はＯＨ基含有量
に依存する事が知見され、従ってＯＨ基含有量を増大さ
せる事により、前記蛍光特性、屈折率、透過率等の光学
特性の安定性が向上することは既に先の出願において記
載した通りである。その理由はレーザ光透過体に強力な
レーザを照射すると、ガラス網目構造を構成する元素間
の結合が切断され、その結果透過率が低下し、吸収バン
ドが現われる。又、蛍光強度も増加するが、これら元素
間の切断もガラス組織中に含まれるＯＨ基等の存在によ
り大部分が修復されるものと推定されるからである。

【００１４】さて石英ガラス組織中にＬｉ、Ｎａ、Ｋ等
のアルカリ金属元素、Ｍｇ、Ｃａ等のアルカリ土類金属
元素、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ等の遷移金属元素
が所定濃度以上存在すると、レーザ光照射により蛍光を
発生し又透過率が低下する。そしてこれらは例えＯＨ基
を増大させてもその修復能力には限界があり、所望の耐
レーザ性を得る事が出来ない。そこで先の出願において
は、ＯＨ基含有量を３００ｐｐｍ以上に設定しつつ、前
記アルカリ金属元素等の各金属元素濃度を夫々１ｐｐｍ
以下好ましくは０．１ｐｐｍに設定する事により所望
の耐レーザ性を達成し得た。

【００１５】しかしながら、石英ガラス組織中に含まれ
るＯＨ基含有量と金属元素濃度は必ずしも前記数値のみ
に限定されるものではなく、本発明は実験を重ねる事に
より、前記金属元素、より具体的にはアルカリ金属元素
及びアルカリ土類金属元素の各元素を夫々５０ｐｐｂ以
下に設定する事により、所望の耐レーザ性を達成し得る
ＯＨ基含有量を１００ｐｐｍ以上にまで緩和させても所
望の耐レーザ性を得る事が可能となった。

【００１６】この結果前記したＯＨ基含有量の規制値
を、ダイレクト法以外の合成石英ガラス製造法、例えば
スート再溶融法で製造した合成石英ガラスを用いて前記
光学系を形成する事が出来、これにより複数の合成石英
ガラス製造法で製造した合成石英ガラスを用いて前記光
学系を形成する事が可能となり、リソグラフィ用レーザ
露光装置に用いる光学系の汎用性が向上した。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施例を例
示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されてい
る、材質、ＯＨ基、濃度、試験条件等は特に特定的な記
載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣
旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

【００１８】前記リソグラフィ装置の光学系に使用する
材料評価の為、下記のような製造法でエキシマレーザ照
射実験用試験片夫々複数個用意する。先ず、不純物レベ
ルの低い原料四塩化ケイ素を蒸留処理した後、これをテ
フロンライニング付のステンレス製容器に貯溜して夫々
純度の異なる３種類の四塩化ケイ素を用意し、これらを
スート再溶融法とダイレクト法により適宜合成条件を調
整しながら、所定の石英ガラス塊を製作した後、該石英
ガラス塊を特開昭６４−２８２４０号に示す方法を用い
て脈理フリー、好ましくは三座標方向脈理フリーであ
り、かつ光使用領域における屈折率変動幅 (△ｎ）が２
×１０^−６に設定したインゴットを多数本製作した。

【００１９】そして各四塩化ケイ素原料を用いたインゴ
ット群内よりＯＨ基の含有量が５ｐｐｍ以下、５０ｐｐ
ｍ、１００ｐｐｍ、２００ｐｐｍ、４００ｐｐｍ、の各
濃度を有するインゴットを各四塩化ケイ素原料毎に抽出
した。

【００２０】そしてかかる石英ガラスインゴットのアル
カリ金属元素Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、アルカリ土類金属元素Ｍ
ｇ、Ｃａ及び遷移金属元素Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃ
ｕの含有量分析を行ってみるに、第１の四塩化ケイ素原
料を用いたインゴット群（Ｉ）においては、アルカリ金
属元素が０．１〜０．５ｐｐｍ、アルカリ土類金属元素
が０．０５〜０．１ｐｐｍ、遷移金属元素が０．０２〜
０．２ｐｐｍ、先願発明の限度を超えていたが、第２の
四塩化ケイ素原料を用いたインゴット群（II）において
は、アルカリ金属元素が０．０１〜０．１ｐｐｍ、アル
カリ土類金属元素が０．０５ｐｐｍ前後、遷移金属元素
が０．１ｐｐｍ以下と先願発明の限度範囲であった。

【００２１】そして更に第３の四塩化ケイ素原料を用い
たインゴット群（III）においては、アルカリ金属元素
が０．０５ｐｐｍ以下、アルカリ土類金属元素が０．０
１ｐｐｍ前後、遷移金属元素が０．０１ｐｐｍ以下と先
願発明より更に高純度化されていた。このようにして形
成した各種合成石英ガラスインゴットを３０×２０×１
０ｍｍの寸法に切断し且つ両面鏡面仕上げを行ってエキ
シマレーザ照射実験用試験片を夫々９個作成する。

【００２２】次にこれらの各９個の試験片に対して、レ
ーザ光源として２４８ｎｍ（ＫｒＦ）の波長域を有する
レーザについてパルス当りエネルギー密度 ２００、４
００、６００（ｍＪ／ｃｍ^２・ｐｕｌｓｅ）、及び照射
パルス数１×１０^４、１×１０^５、１×１０^６（ｐｕｌ
ｓｅ）の組合わせから成る照射条件にて照射を行った。
そして前記照射終了後の各試験片について干渉計にて屈
折率分布変化、透過率計にてソーラリゼーション、蛍光
測定器にて蛍光強度測定、及び目視にてクラックの有無
の判定を行った。

【００２３】その結果を下記表１の実験結果一覧表に示
す。

【００２４】

【表１】

【００２５】この結果、レーザ光源として２４８ｎｍ
（ＫｒＦ）の波長域を有するレーザが照射されたＩのイ
ンゴット群より形成された試験片（光学系に対応する）
１）ではＯＨ基含有量が４００ｐｐｍの場合でも蛍光特
性、透過率、屈折率変化のいずれの場合も問題がある事
が確認された。又レーザ光源として２４８ｎｍ（Ｋｒ
Ｆ）の波長域を有するレーザが照射されたIIのインゴッ
ト群より形成された試験片（光学系に対応する）２）〜
４）ではＯＨ基含有量が４００ｐｐｍのダイレクト法で
形成されたインゴットの場合は蛍光特性、透過率、屈折
率が改善され高出力のレーザの光学系として適合し得る
ものである事が確認出来たが、ＯＨ基含有量が１００〜
２００ｐｐｍのスート法で形成されたインゴットの場合
は、耐レーザ性として一応平均レベルではあるが、高出
力のレーザの光学系として多少問題がある事が確認され
た。

【００２６】更にレーザ光源として２４８ｎｍ（Ｋｒ
Ｆ）の波長域を有するレーザが照射されたIIIのインゴ
ット群より形成された試験片(光学系に対応する）５）
〜９）ではＯＨ基含有量が４００ｐｐｍのダイレクト法
で形成されたインゴットの場合は勿論ＯＨ基含有量が１
００〜２００ｐｐｍのスート法で形成されたインゴット
の場合においても蛍光特性、透過率、屈折率が改善され
高出力のレーザの光学系として適合し得るものである事
が確認出来た。尚、ＯＨ基含有量が５０ｐｐｍ以下にな
ると、耐レーザ性として一応平均レベルではあるが、高
出力のレーザの光学系として多少問題がある事が確認さ
れた。

【００２７】

【発明の効果】以上記載の如く本発明によれば、先願発
明におけるＯＨ基含有量の下限規制値を金属元素濃度と
の関係において緩和する事により、光リソグラフィー用
の光源としてエキシマレーザ、特にＫｒＦ（２４８ｎ
ｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）
エキシマレーザを用いた場合に対応する石英ガラス製光
学系をダイレクト法でもスート再溶融法でも形成し得、
これにより製造の選択の幅を広げつつ長期間にわたる屈
折率、透過率等の光学特性の安定性を確保するととも
に、蛍光の低減をはかり、高集積密度の高い６４Ｍビッ
トＤＲＡＭに対応するパターン線巾０．３μｍというサ
ブミクロン単位の描画露光が可能となるリソグラフィ用
レーザ露光装置を得る事が出来る。等の種々の著効を有
す。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/30 ５１５Ｂ (56)参考文献 特許3187735（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 C03C 1/00 - 14/00 G03F 7/20 G02B 1/00 - 1/02 G02B 9/00 - 17/08 G02B 21/02 - 21/04 G02B 25/00 - 25/04

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略１９０〜３００ｎｍ範囲より選択され
   た特定紫外線波長域のレーザを石英ガラス製光学系を介
   してウエハ上に投影露光させながら回路パターンを描画
   するリソグラフィ用レーザ露光装置において、 前記装置の光源にＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（２
   ４８ｎｍ）、若しくはＡｒＦ（１９３ｎｍ）のエキシマ
   レーザを用い、 前記光学系の石英ガラス材の屈折率変動幅Δｎを５×１
   ０^−６より小に設定しつつ、更に脈理フリーの石英ガラ
   ス材を用いて、ＯＨ基濃度を１００ｐｐｍ以上存在させ
   各金属元素濃度を５０ｐｐｂ以下に設定した合成石英ガ
   ラス材を用いていることを特徴とするリソグラフィ用レ
   ーザ露光装置。