JP3594384B2 - 半導体露光装置、投影露光装置及び回路パターン製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体装置の微細加工に用いられるステッパ等に適用される半導体露光装置、この半導体露光装置に適用される投影露光装置及びこの投影露光装置が適用される回路パターン製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来において、半導体装置の微細リソグラフィ加工の際に用いられる露光装置の光源を短波長化する研究がなされている。
【０００３】
ここで、例えば波長１０６４ｎｍのレーザ光を発振するネオジム：イットリウム・アルミニウム・ガーネット（以下、Ｎｄ：ＹＡＧという）レーザの第５高調波すなわち波長２１３ｎｍのレーザ光は、高いエネルギ変換効率を示し、小型であり比較的安価にて供給されるため、次世代露光装置の光源として有望である。また、発振スペクトル幅が狭いことから、色収差が発生しにくいという特徴もある。
【０００４】
ところが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザから発振されるレーザ光を波長変換した紫外線レーザ光は、単色性が高いすなわちスペクトル幅が狭いため、高い可干渉性を示す。ここで、可干渉性とは、光がどれほどの距離あるいは時間にわたって位相関係を保って伝搬し、互いに干渉し合うかを示す指標である。
【０００５】
可干渉性が高いと、レーザ光は、散乱光など伝搬距離の異なる迷光と干渉し、互いに不規則な位相関係で干渉することで生ずる干渉パターンに基づいて発生するノイズ、いわゆるスペックルノイズを発生させやすい。このようなスペックルノイズは、半導体装置を作製する際に用いられる半導体露光装置のように均一性の高い照明系が要求される装置において、特にその性能を低下させるものであり、レーザ光源の半導体露光装置への応用を妨げるものとされてきた。
【０００６】
先ず、レーザ光のスペクトルと可干渉性との関係を示す。
【０００７】
レーザ光の可干渉性は、鮮明度Ｖ（ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ）という値をもって表される。鮮明度Ｖはレーザ光を２光束に分け、進行時間が互いに時間τ（τ＝Ｌ／Ｃ、Ｌ：光路差、Ｃ：光速）だけ異なるように遅延させた後、合成して形成される干渉縞のコントラストを表し、以下の（１）式で定義される。
【０００８】
【数１】
【０００９】
ここでＩｍａｘ 、Ｉｍｉｎ はそれぞれ干渉縞の強度の最大値、最小値である。また、Ｖ＝１のとき、可干渉性が最大である完全にコヒーレントな光源であるという。また、Ｖ＝０のとき、可干渉性が最小である完全にインコヒーレントな光源であるといい、この場合全く干渉縞を形成しない。また、可干渉距離またはコヒーレント長Ｌｃ は鮮明度Ｖが十分小さくなり、干渉縞をほとんど形成しなくなるときの２光束の光路差を表し以下の（２）式で定義される。
【００１０】
【数２】
【００１１】
また、鮮明度Ｖ（τ）は、（３）式に示すように、レーザ光の電場Ｅ（ｔ）の自己相関関数と一致する。
【００１２】
また、Ｗｉｅｎｅｒ−Ｋｈｉｎｔｃｈｉｎｅの定理より、自己相関関数はレーザ光のパワースペクトルＳ（ｆ）のフーリエ変換と一致するので鮮明度とパワースペクトルとは以下の（４）式に示す関係をとる。
【００１３】
【数３】
【００１４】
ここで、パワースペクトルＳ（ｆ）がローレンツ型曲線をとる場合を例にとる。スペクトルが、中心周波数ｆ０ 、半値全幅Δｆを用いて以下の（５）式で表されるものとする。
【００１５】
【数４】
【００１６】
このとき、鮮明度Ｖは、以下の（６）式に示すように、指数関数的に減少する。
【００１７】
【数５】
【００１８】
また、鮮明度が十分に小さくなる距離をコヒーレンス長Ｌｃ と呼び、以下の（７）式のように定義する。
【００１９】
【数６】
【００２０】
ここで一例として、図６のＡにパワースペクトルＳ（ｆ）が半値全幅Δｆ＝４Ｇ（Ｈｚ）であるローレンツ型曲線を示す、また、図６のＢにこのときの光路長差Ｌ（ｍｍ）と鮮明度Ｖとの関係を示す。また、図６のＢにおいて、横軸は２光束の光路長差Ｌであり、Ｌ＝τＣで定義される。また、コヒーレント長はＬｃ ＝７５ｍｍ程度としている。
【００２１】
（７）式によれば、レーザの可干渉性と単色性とは、表裏一体の関係にあることが言える。すなわち、単色性が高い（スペクトル幅が狭い）光源においては可干渉性も高いため、スペックルノイズが発生しやすい。また、逆に単色性の低い光源においては、可干渉性は低いものの、スペクトル幅が大きいため、特に紫外光源においてはレンズの色収差が問題となりやすい。
【００２２】
そこで、レーザを紫外線露光装置などに応用するには、レーザのスペクトル幅を適当な値に制御し、色収差とスペックルノイズと双方において問題の発生させないことが重要である。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レーザの単色性を下げ、可干渉性を落とす方法としては、これまでいくつか提案されてきた。
【００２４】
ここで、半導体露光装置においては、もともとスペクトル線幅が大きく、可干渉性の低いＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザを、この装置の光源として用いる試みがある。
【００２５】
しかし、これらのエキシマレーザは、毒性の強いガスを使用する必要があること、維持コストが高いこと、大きな設置スペースを要することなどの問題点がある。
【００２６】
さらに、レーザ光のスペクトル線幅が大きすぎるため、色収差が発生しやすく、この色収差を防ぐため発振スペクトルの狭帯域化が必要となるという問題もある。発振スペクトルを狭帯域化すると、可干渉性が高くなってしまい、新たに可干渉性を落とす必要も生じうる。
【００２７】
また、多モードで発振する固体レーザを使用し、その波長変換により紫外光を発生させる方法もある。
【００２８】
しかし、この場合、モード数やモード間隔はレーザそのものの構成、すなわちレーザ物質の物理的特性等によって決定されてしまうため、この物理的特性を応用すべき装置にあわせて自由度を高く決定し、所望の可干渉距離やスペクトル幅などを実現することは困難である。
【００２９】
すなわち、従来の技術においては、半導体露光装置において、その可干渉性を落とすことは困難であり、また別の不利益をもたらす結果となることが多かった。
【００３０】
そこで、本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、簡便な構成にてレーザ光の可干渉性を適当な値まで落とし、スペックルノイズを発生させない半導体露光装置を提供することを目的とする。
【００３１】
また、本発明の他の目的は、上記半導体露光装置に適用される投影露光装置と、この投影露光装置を用いた回路パターン製造方法を提供するである。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体露光装置は、縦単一モード発振するＱスイッチレーザ光源と、上記レーザ光源にて出射された基本波レーザ光を、複数の周波数成分から成る電圧信号で位相変調する位相変調手段と、上記位相変調手段にて位相変調された基本波レーザ光の波長を紫外線の波長に変換する波長変換手段とを有する紫外線レーザ光発生装置と、光路差を生起する作用を有する均一照明装置と、上記均一照明装置からのレーザ光を使って所定のパターンを基板上に投影する投影装置とを備えることで、上述の問題を解決する。
【００３３】
上記半導体露光装置によれば、例えばＱスイッチレーザ光源から出射された基本波レーザ光が、位相変調手段にて複数の周波数成分で位相変調され、スペクトル幅が広げられる。さらに、波長変換手段にて非線形光学効果を利用して例えば第５高調波に波長変換され、スペクトル幅がさらに広げられる。均一照明装置にて、この波長変換後のレーザ光のコヒーレント長が生起され、投影装置にてレーザ光が所望の位置に露光される。波長変換前の位相変調と、波長変換との組み合わせにより、比較的低い電圧を位相変調手段に印加するだけで容易に波長変換後のレーザ光のスペクトル幅を広げることができ、さらに均一照明装置によりスペックルノイズを低減させることができる。
【００３４】
また、本発明に係る投影露光装置は、縦単一モード発振するパルスレーザ光源からの基本波レーザ光を波長変換手段に入射して該基本波レーザ光の１／ｎの中心波長を有する紫外レーザ光を生成し、該紫外レーザ光をマスクに照射することによって該マスクの回路パターンの像を投影光学系を介して感光基板上に転写する投影露光装置であって、前記波長変換手段と前記マスクの間に設けられ、前記マスクを照射する前記紫外レーザ光のコーヒーレンシィに依存して前記感光基板上で生じる干渉ノイズのビジビリティを低減する干渉性低減手段と、前記紫外レーザ光のコヒーレント長を制御するために、前記波長変換手段に入射する前記基本波レーザ光を複数の周波数成分を含む電気信号に応答して位相変調する位相変調手段と、前記位相変調手段からの紫外レーザ光のコヒーレント長が、前記回路パターンの転写時に許容される前記投影光学系の最大の色収差を生起せしめる波長幅に対応した最小のコヒーレント長Ｌ１と、前記干渉性低減手段によって干渉ノイズのビジビリティを所定の許容範囲内に低減させることが可能な最大のコヒーレント長Ｌ２との間に設定されるように、前記電気信号に含まれる複数の周波数成分の分布を設定して前記位相変調手段へ供給する駆動信号生成回路とを備えたことを特徴とすることで、上述の問題を解決する。
【００３５】
また、本発明に係る回路パターン製造方法は、縦単一モード発振するパルスレーザ光源からの基本波レーザ光を波長変換手段に入射して該基本波レーザ光の１／ｎの中心波長を有する紫外レーザ光を生成し、該紫外レーザ光をマスクに照射することによって該マスクの回路パターンの像を投影光学系を介して感光基板上に転写する回路パターン製造方法において、前記投影光学系で許容される色収差量に対応した前記紫外レーザ光の波長幅をΔλとしたとき、前記波長変換手段に入射する基本波レーザ光の実効的なスペクトル幅を略ｎ・Δλにするように前記基本波レーザ光を電気−光学的な位相変調手段によって位相変調する段階を含み、前記投影光学系の複数の光学素子が単一の透過性硝材のみで構成されるときは前記紫外レーザ光の波長幅Δλに対応したコヒーレント長が約８０ｍｍ以上になるように前記位相変調手段を駆動する信号の周波数スペクトルを設定し、前記投影光学系の複数の光学素子が複数種の透過性硝材、あるいは透過性硝材と反射素子との組合せで構成されるときは、前記紫外レーザ光の波長幅Δλに対応したコヒーレント長が約８０ｍｍ以下になるように前記駆動信号の周波数スペクトルを設定したことを特徴とすることで、上述の問題を解決する。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る投影露光装置が適用される本発明に係る半導体露光装置及び上記半導体露光装置が用いられる一適用例としての本発明に係る回路パターン製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００３７】
尚、本発明においては、レーザ光の位相変調により、スペクトル幅を広げ、可干渉性を低くするものとする。
【００３８】
そこで、上記半導体露光装置の具体的な説明に先だって、電気光学位相変調の原理と、この原理に基づいた位相変調によるパワースペクトルの変化について説明する。
【００３９】
先ず、電気光学位相変調の原理を適用した電気光学変調装置に周期関数φ（ｔ）の信号電圧を印加すると、レーザ光の電場は、以下の（８）式に示すような位相変調を受ける。
【００４０】
【数７】
【００４１】
ここで、Φ（ｔ）は、位相変調関数で、変調装置に印加する信号に比例する。特に、Φ（ｔ）が、（９）式に示すような振幅ｍ、周波数ｆｍ の正弦波のとき、電場Ｅ（ｔ）はベッセル関数列Ｊｋ（ｍ） を用いて以下の（１０）式に示すように展開できる（ｆ０ をレーザーの周波数とする）。
【００４２】
【数８】
【００４３】
この時、パワースペクトルＳ（ｆ）は、図１のＢに示すように、それぞれ強度Ｊｋ ２（ｍ）、周波数（ｆ０ ＋ｋｆｍ ）のスペクトルの総和で表される（ｋは整数）。
【００４４】
また、複数の周波数での位相変調の場合は、（１１）式に示すように、それぞれの周波数での位相変調が、周波数では相加的に、強度では相乗的に作用する。
【００４５】
【数９】
【００４６】
すなわち、振幅ｍ１ 、周波数ｆｍ１での位相変調により発生した強度Ｊｋ ２（ｍ１ ）、周波数（ｆ０ ＋ｋｆｍ１）の図１のＢに示すようなスペクトル（ｋは整数）が、他の周波数ｆｍ２での位相変調により、図１のＣに示すように、さらに強度Ｊｋ ２（ｍ１ ）Ｊｋ ２（ｍ２ ）、周波数（ｆ０ ＋ｋｆｍ１＋ｌｆｍ２）（ｋ、ｌは整数）のスペクトルにスプリットする。
【００４７】
図１のＡ、Ｂ、Ｃによれば、複数の周波数において位相変調することにより、多くのスペクトルに分離することがわかる。また、２つの周波数の最小公倍数が十分大きいとき、スペクトルの本数は約ｍ１ ×ｍ２ 本となる。
【００４８】
また、上述の位相変調の過程においては、レーザーのスペクトル線幅そのものが広がるわけではなく、多数のスペクトルに分離することにより、それらスペクトル全体の幅が広がるだけである。ここで、このスペクトルの集合体の包絡線の幅をもって、全体のスペクトル幅と定義する。この全体のスペクトル幅の広がりにより、コヒーレント長が短くなる。
【００４９】
以上を踏まえて、本発明の具体例の紫外光レーザ光により半導体露光装置について、図面を参照し、数値例を挙げて説明する。
【００５０】
上記半導体露光装置の光源の具体的構成は、図２に示すように、縦単一モード発振するパルスレーザ光源の一例として波長１０６４ｎｍでインジェクション等の技術によりＱスイッチ法にて縦シングルモードで発振するネオジム：イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）を用いたＮｄ：ＹＡＧＱスイッチレーザ装置２と、Ｎｄ：ＹＡＧＱスイッチレーザ装置２からのレーザ光を複数の周波数で変調を行う位相変調装置１と、硼酸リチウム（ＬＢＯ：ＬｉＢ３Ｏ５）やβ−硼酸バリウム（β−ＢＢＯ：β−ＢａＢ２Ｏ４）等から成るとともに上記位相変調装置１にて位相変調を受けた波長１０６４ｎｍのレーザ光を例えば５倍の周波数である波長２１３ｎｍの紫外線レーザ光に変換する波長変換装置３とを有する紫外線レーザ光発生装置と、光路差を生起する作用を有する均一照明装置７と、上記均一照明装置７からのレーザ光を使って所定のパターンを基板上に投影する投影装置８とを備えている。
【００５１】
さらに、上記位相変調装置１に出力する高周波を発生する高周波信号発生器４と、この高周波信号発生器４で発生する高周波を増幅して上記位相変調装置１に出力するための高周波増幅器５とを備えている。
【００５２】
ここで、波長変換装置３での波長変換処理の許容波長幅は、十分広いものとする。
【００５３】
また、本発明に係る投影露光装置において、縦単一モード発振するパルスレーザ光源としてのＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ発振装置２からの基本波レーザ光を波長変換装置３に入射して該基本波レーザ光の１／ｎの中心波長を有する紫外レーザ光を生成し、該紫外レーザ光をマスクとしてのレチクル２０１に照射することによって該マスクの回路パターンの像を投影光学系を介して感光基板としての半導体ウェハ２０３上に転写する投影露光装置であって、前記波長変換手段と前記マスクとの間に設けられ、前記マスクを照射する前記紫外レーザ光のコーヒーレンシィに依存して前記感光基板上で生じる干渉ノイズのビジビリティを低減する干渉性低減手段としての均一照明装置７と、前記紫外レーザ光のコヒーレント長を制御するために、前記波長変換手段に入射する前記基本波レーザ光を複数の周波数成分を含む電気信号に応答して位相変調する位相変調装置１と、前記位相変調手段からの紫外レーザ光のコヒーレント長が、前記回路パターンの転写時に許容される前記投影光学系の最大の色収差を生起せしめる波長幅に対応した最小のコヒーレント長Ｌ１と、前記干渉性低減手段によって干渉ノイズのビジビリティを所定の許容範囲内に低減させることが可能な最大のコヒーレント長Ｌ２との間に設定されるように、前記電気信号に含まれる複数の周波数成分の分布を設定して前記位相変調手段へ供給する駆動信号生成回路としての高周波信号発生器４とを備えたものである。
【００５４】
上記光源において、Ｎｄ：ＹＡＧＱスイッチレーザ装置２から出射された１０６４ｎｍのレーザ光（以下基本波レーザー光という）は、位相変調装置１に入射される。また、高周波信号発生器４からの複数の周波数成分を含む電圧信号は、高周波増幅器５に送られ増幅され、位相変調装置１に印加される。
【００５５】
また、上記位相変調装置１において、上記基本波レーザー光は、後述するように、上記高周波増幅器５で増幅された電圧信号に応じて位相変調を受ける。この位相変調により、波長１０６４ｎｍの基本波レーザー光の全体のスペクトル幅が、例えばΔｆｗ に広げられる。また、この位相変調を受けて全体のスペクトル幅が広げられたレーザー光は、波長変換装置３に送られる。
【００５６】
波長変換装置３は、例えば図２に示したように複数の非線形光学結晶を備えており、位相変調装置１から出射されたレーザ光が非線形光学結晶であるＬＢＯ１１１を透過する。この際、第２高調波である波長５３２ｎｍのレーザ光が発生する。また、ＬＢＯ１１１から出射するレーザ光は波長１０６４ｎｍと５３２ｎｍとの両方を含む。また、ＬＢＯ１１１から出射されるレーザ光は、色分離ミラー１０１に入射し、波長１０６４ｎｍのレーザ光は透過し、波長５３２ｎｍのレーザ光は反射し光軸が９０°曲げられる。
【００５７】
波長５３２ｎｍのレーザ光は、さらに全反射ミラー１０２にて反射し、非線形光学結晶であるβ−ＢＢＯ１１２を透過して、第４高調波である波長２６６ｎｍのレーザ光が発生する。この波長２６６ｎｍのレーザ光は、全反射ミラー１０３と色分離ミラー１０４とにて反射し、β−ＢＢＯ１１３に導かれる。
【００５８】
一方、色分離ミラー１０１を透過した波長１０６４ｎｍのレーザ光は、色分離ミラー１０４を透過してβ−ＢＢＯ１１３に導かれる。
【００５９】
このβ−ＢＢＯ１１３において、波長１０６４ｎｍのレーザ光と波長２６６ｎｍのレーザ光とに基づいて、後述する和周波混合がなされ、上記基本波レーザ光の第５高調波である２１３ｎｍのレーザ光が発生する。この波長２１３ｎｍのレーザ光が波長変換装置３より出射される。このとき、波長変換後の紫外線レーザ光のスペクトル幅Δｆ５ｗは、変換前のスペクトル幅の５倍に広がる（Δｆ５ｗ＝５Δｆｗ ）。また、出射されるレーザ光には、波長２１３ｎｍのレーザ光の他に、波長１０６４ｎｍやこの第２高調波である波長５３２ｎｍのレーザ光等様々な波長成分のレーザ光が含まれる。
【００６０】
ここで、和周波混合について説明する。
【００６１】
先ず、非線形光学結晶中にレーザ光が入射したとき、外から加えられたレーザ光の電場の大きさに比例しない非線形分極が発生する。この非線形分極が生じ、２次の非線形感受率が０でない場合、例えば周波数がｆａ 、ｆｂ の２つの光が同時に入射すると、周波数がｆｃ ＝ｆａ ＋ｆｂ の非線形分極が結晶中に誘起される。この分極により周波数がｆｃ の光が放出される。これが和周波混合の原理であり、波長がλａ 、λｂ のレーザ光が入射するとき出射される和周波の波長λｃ は、１／λｃ ＝１／λａ ＋１／λｂ の関係にある。なお、和周波混合用の非線形光学結晶は、和周波の発生効率が最大となる方向にレーザ光が伝搬するように加工されている。
【００６２】
プリズム６は、波長変換装置３より出射される波長２１３ｎｍのレーザ光を各波長成分に分離し、波長２１３ｎｍのレーザ光のみをスリット９を介して均一照明装置７に送る。
【００６３】
均一照明装置７は、入射される波長２１３ｎｍのレーザ光を分離し光路差を生起して再び合成する作用を有し、また、この作用を受けた照明光はスペックルノイズが発生しない空間的に均一な光となる。該照明光が、投影装置８に出射される。
【００６４】
投影装置８は、レチクル２０１と、投影レンズ２０２と、半導体ウェハ２０３とから成る。レチクル２０１は、半導体装置に投影すべきパターンが加工されているいわゆるフォトマスクである。投影レンズ２０２は、後述するように、レチクル２０１を透過した光を半導体ウェハ２０３に縮小投影するレンズである。半導体ウェハ２０３は、レジストが塗布されており、レジストの感光作用により
、レチクル２０１に加工されているパターンがフォトレジストに転写される。
【００６５】
また、前述したように、一般にスペクトル線幅を広げることによりコヒーレント長は短くなる。
【００６６】
そこで、基本波レーザ光に位相変調が施され、さらに、位相変調がなされた基本波レーザ光のスペクトル幅が波長変換装置３での処理により元のスペクトル幅の５倍に広げられた結果、得られる紫外線レーザー光のスペクトル幅は十分に広がり、コヒーレント長は十分に短くなることが分かる。また、上述のように、波長変換装置３での波長変換の許容波長幅は十分広いため、スペクトルの広がりにより、変換効率は低下しない。
【００６７】
さらに、コヒーレント長が十分に短くなった紫外線レーザー光は、均一照明装置７にて分割され、このコヒーレント長より長い光路差をつけて再び合成され、完全に可干渉性のないインコヒーレントなレーザ光に変換された後出力され、投影装置８に入射する。
【００６８】
ここで、半導体露光装置に要求されるコヒーレント長について言及する。望ましいコヒーレント長は、色収差の許容範囲と、スペックルノイズを除去可能な条件から決定される。
【００６９】
一般に、コヒーレント長が短い光源は、スペクトル幅が広く単色性が低い。この場合、色収差が発生しやすい。特に、単一の硝材を使用して投影レンズ２０２を構成する場合、レンズの色消しすなわち色収差補正の作用が得られない。従って、十分な結像性能を実現するには、レンズの実用的なＮＡ値や倍率を考慮すると、８０ｍｍ以上のコヒーレント長が要求される。
【００７０】
また、複数種の硝材を使用して投影レンズ２０２を構成し、色消しを行う場合、スペクトル幅の条件が緩くなる。例えば、ＮＡ０．６以上の投影レンズで、実用的な硝材を使用する場合、３０ｍｍ以上であれば、十分な結像性能の実現が可能である。
【００７１】
また、スペックルノイズを除去するには、コヒーレント長が短い方が有利であり、実用的には１８０ｍｍ以下のコヒーレント長が望ましい。
【００７２】
以上より、単一の硝材を用いて投影レンズを構成する場合、コヒーレント長は８０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下であることが望ましく、また、複数種の硝材を用いて投影レンズを構成することが可能な場合、コヒーレント長は３０ｍｍ以上８０ｍｍ以下であることが望ましいと言える。
【００７３】
一般に、この種の投影露光装置に使われている投影光学系である投影レンズ２０２は極めて高い解像力を持ち、像面内での各種歪みも極限にまで抑えてある。その解像力は、使用する投影光学系の感光基板としての例えば上記半導体ウェハ２０３側での開口数ＮＡと使用する露光用照明光の中心波長（波長幅も関連）とで定義され、例えば中心波長２１３ｎｍの照明光の下でＮＡが０．６５の投影光学系を用いた場合、投影光学系が屈折光学素子のみで構成されるか、屈折光学素子と反射光学素子との組合せで構成されるかの差異、あるいは静止方式の露光か走査方式の露光かの差異はあったとしても、線幅で０．１〜０．２μｍ程度の解像度が得られるものと予測されている。
【００７４】
このような性能を得るために、実用的な露光フィールドサイズを備えつつ、軸上色収差量、倍率色収差量をともに十分に小さく抑えた状態で、中心波長２１３ｎｍで十分な透過率を持つ石英（ＳｉＯ２ ）のみをレンズ硝材とした投影光学系を設計する場合、投影露光時にレチクルに照射される紫外レーザ光のコヒーレント長は約１２６ｍｍ（波長幅としてスペクトルの半値全幅で表すと約０．３５ｐｍに相当）と計算された。また、複数の石英レンズと数枚の蛍石（ＣａＦ２ ）レンズとを組み合わせて、わずかな色収差補正を施した場合、紫外レーザ光のコヒーレント長は約４５ｍｍ（スペクトルの半値全幅で約１．０ｐｍに相当）と試算された。
【００７５】
これら数値例は、投影光学系のＮＡだけではなく、露光フィールドサイズ、投影倍率、色収差補正量等によっても変化するが、単一硝材のレンズ素子で構成される投影光学系では上記均一照明装置７の干渉性低減性能に応じて上限値に制限はあるものの、紫外レーザ光のコヒーレント長として約８０ｍｍ以上が要求され、複数硝材のレンズ素子または屈折素子と反射素子との組み合わせで構成された投影光学系では色収差補正の程度に応じて下限値に制限はあるものの、紫外レーザ光のコヒーレント長として約８０ｍｍ以下が妥当なものと考えられる。
【００７６】
一方、現在実用化されつつある投影露光装置として、全てのレンズ硝材を石英としてＮＡ０．６の投影光学系を用いることを前提にして、中心波長が２４８ｎｍで波長幅Δλａ （半値全幅：ＦＷＨＭ）が０．８ｐｍのレーザ光を発振するエキシマレーザ光源を使うということが提案されている。そこで、このような投影光学系とレーザ光の波長条件とを基準として、波長２１３ｎｍの紫外レーザ光のもとで必要とされる波長幅やコヒーレント長を試算してみると以下のようになる。
【００７７】
まず、石英硝子の波長に応じた分散値を求めるために、Ｉ．Ｍ．Ｍａｌｉｔｓｏｎによる分散式が用いられ、ｎを屈折率、λを波長（ｎｍ）とすると、以下の（１２）式のように表される。
【００７８】
【数１０】
【００７９】
ここで、一具体例として、Ａ１ ＝０．６９６１６６３、λ１ ＝０．０６８４０４３、Ａ２ ＝０．４０７９４６２、λ２ ＝０．１１６２４１４、Ａ３ ＝０．８９７４７９４、λ３ ＝９．８９６１６１の各値を用いる。
【００８０】
また、（１２）式を波長に関して微分すると、以下の（１３）式が得られる。
【００８１】
【数１１】
【００８２】
そこで、（１３）式において、λａ ＝２４８ｎｍでの屈折率ｎを１．５０８５５とすると、ｄｎ／ｄλａ ＝−０．５６／１０００となり、λｂ ＝２１３ｎｍでの屈折率ｎを１．５３５１８とすると、ｄｎ／ｄλｂ ＝−１．０２／１０００となる。
【００８３】
これより、全石英硝子によるＮＡ０．６５の投影光学系を使うときに要求される中心波長２１３ｎｍのレーザ光の波長幅Δλｂ （半値全幅）を計算すると、Δλｂ ＝Δλａ ×（０．６／０．６５）（０．６／０．６５）×（２１３／２４８）（０．５６／１．０２）＝Δλａ ×０．４＝０．３２ｐｍとなり、この値はコヒーレント長を規定する関係式（λｂ ・λｂ ）／Δλｂ から約１４２ｍｍのコヒーレント長に対応する。
【００８４】
また、同様の条件で投影光学系のＮＡを０．７程度にすると、コヒーレント長は約１８０ｍｍとなる。
【００８５】
次に、上述のコヒーレント長を実現する紫外光のパワースペクトルについて言及する。
【００８６】
ここで、本具体例のレーザ光源を上記投影装置８の光源として実用する際に、コヒーレント長以上の光路差では十分に可干渉性が消失することが望ましい。また、前述のように、鮮明度Ｖ（τ）とパワースペクトルＳ（ｆ）はフーリエ変換の関係にあるので、パワースペクトルがローレンツ分布をとる場合、鮮明度は指数関数的に減少する。すなわち、コヒーレント長以上の光路差での可干渉性はほぼ無視することができる。例えば、スペクトル半値全幅がΔｆ＝４ＧＨｚのローレンツ型スペクトルの光源であるならば、コヒーレント長約Ｌｃ＝７５ｍｍ以上の距離でほとんど可干渉性を無視することができる。また、前記の３０＜Ｌｃ ＜１８０ｍｍのコヒーレント長の条件を満たすには、スペクトル半値全幅が２＜Δｆ＜１０ＧＨｚであることが要求される。
【００８７】
また、前述したように、位相変調においては１つのスペクトルが複数のスペクトルに分離するだけで、個々のスペクトルの幅は広がらないため、実際には、位相変調により、図６に示したような完全なローレンツ型スペクトルを得ることは不可能である。
【００８８】
従って、実現可能である最も理想に近いスペクトルは、図３のＡに示すように、多くの狭帯域なスペクトルが、全体としてスペクトル線幅が例えばΔｆ＝４ＧＨｚのローレンツ型分布の包絡線をなすような形状である。図３のＡにおいて、、全体としてΔｆ＝４ＧＨｚのローレンツ型分布のスペクトルを、周波数間隔ｆｓ ＝１００ＭＨｚ、幅４０ＭＨｚの狭帯域スペクトルが構成している。
【００８９】
また、図３のＡに示したようなスペクトルの鮮明度を光路差の関数として計算した結果、図３のＢ、Ｃに示すように、鮮明度ＶはＬｃ ＝２Ｃ／（πΔｆ）で決定されるコヒーレント長Ｌｃ ＝７５ｍｍ程度で十分に小さくなり、７５ｍｍ以上の距離ではほぼ無視できる。すなわち、干渉性が失われる。ただし、この干渉性は、各々のスペクトルの周波数間隔ｆｓ で決定される距離Ｌｓ ＝Ｃ／ｆｓ の整数倍、例えばｆｓ ＝１００ＭＨｚにおいてＬｓ ＝３ｍ，６ｍ，…程度で大きく現れる。一般に、再び可干渉性が現れる現象は不利益であるとされるが、本具体例に関しては問題とならないことを示す。
【００９０】
上記具体例の光源において、Ｎｄ：ＹＡＧＱスイッチレーザ装置２としてトランスフォームリミテッドのＱスイッチパルスレーザーを使用する。このＱスイッチパルスレーザーは、波長２１３ｎｍに波長変換した後では１０ｎｓ程度のパルス幅を有するものである。このパルス幅と光速とを乗算することで、１個のパルスの長さＬｐ ＝３ｍが計算される。また、Ｌｐ 以上の光路差の２光束の干渉現象では、異なるパルス同士の干渉となるので、可干渉性を示さない。本具体例においては、３ｍ，６ｍ，…の光路差で可干渉性が再び現れても、発振されるレーザ光がパルス光で、１個のパルスの長さが３ｍ程度なので、結局３ｍ以上の光路差での可干渉性は消失する。
【００９１】
従って、位相変調を用いてスペクトル幅を４ＧＨｚまで広げることにより、コヒーレント長Ｌｃ ＝７５ｍｍを実現することが可能である。さらに、各々のスペクトルの間隔を１００ＭＨｚ程度と緻密にすることにより、可干渉性が再現する距離を３ｍ程度まで十分遠ざけることができる。さらに、Ｑスイッチレーザー光のパルス幅が１０ｎｓ程度なので、３ｍ以上の光路差では可干渉性がない。以上から、コヒーレント長Ｌｃ 以上での可干渉性は無視できる。
【００９２】
次に、位相変調を用いて、図３に示したような、広い周波数幅、例えばΔｆ＝４ＧＨｚにわたって緻密に例えば周波数間隔ｆｓ ＝１００ＭＨｚにて分布するスペクトルを発生させる方法について言及する。
【００９３】
先ず、本発明において、上述のスペクトルを大きく二つの手段を組み合わせて発生させる。一方は、波長変換前の基本波レーザ光に位相変調を行う手段であり、もう一方は、複数の周波数で位相変調を行う手段である。
【００９４】
先ず、基本波レーザ光に位相変調を行う効果について説明する。
【００９５】
上述のように、ただ紫外光に対して直接位相変調を施すのみでは、図３のＡに示すように、例えばスペクトル線幅が４ＧＨｚである広い帯域にわたりスペクトルを発生させることは極めて困難である。
【００９６】
【数１２】
【００９７】
例えば、上記（９）式で示した位相変調関数Φ（ｔ）にて位相変調を行うと、約２ｍ本のスペクトルが新たに発生し、位相変調を受けたスペクトルは略Δｆ＝２ｍｆｍ の周波数幅に広がる。そこで、Δｆ＝２ｍｆｍ ＝４ＧＨｚを実現するには、例えばｆｍ ＝２００ＭＨｚにて位相変調するときｍ＝１０の変調振幅が必要となり、かなりの高電圧を位相変調器に印加しなければならない。さらに、紫外光を通過させる電気光学結晶は限られており、例えば燐酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）、燐酸二水素アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４ ）、β−硼酸バリウム（β−ＢＢＯ）等といった、電気光学効果の小さな結晶しか使用することができない。従って、ｍ＝１０の変調振幅を実現するには一般に５ｋＶ以上の振幅の電圧を位相変調装置に加える必要があるため、この変調振幅の実現は困難である。また、高い周波数、例えばｆｍ ＝１ＧＨｚにて位相変調する場合、ｍ＝２程度で十分だが、この場合は極めて高周波かつ大振幅の電圧が必要となるため、位相変調の実現は困難である。
【００９８】
従って、以上のように紫外光を直接位相変調するだけで、４ＧＨｚという幅広い帯域にわたって変調したスペクトルの線幅を広げることは、高電圧が必要という理由で実現不可能である。
【００９９】
そこで、本発明においては、波長変換前の波長１０６４ｎｍである基本波レーザ光に位相変調を行うことにより、上記の問題を解決している。その効果は、以下の２つが挙げられる。
【０１００】
第１には、上記基本波レーザ光の波長変換を行い第５高調波を発生させることで、スペクトル幅を略５倍に広げることができる。これは、基本波レーザ光において振幅ｍで位相変調した場合、（１４）式に示すように、第５高調波では振幅５ｍでの位相変調に相当するからである。なお、（１４）式において、ここでＥ５ｗ（ｔ）は、５倍波の電場である。
【０１０１】
【数１３】
【０１０２】
第２には、チタン酸燐酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４ ：ＫＴＰ）、チタン酸砒酸カリウム（ＫＴｉＯＡｓＯ４ ）、チタン酸砒酸ルビジウム（ＲｂＴｉＯＡｓＯ４ ）、チタン酸砒酸セシウム（ＣｓＴｉＯＡｓＯ４ ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３ ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３ ）等のように、電気光学定数の高い結晶を電気光学結晶として使用することができる。
【０１０３】
従来においては、これら結晶は紫外光を透過しないため、第５高調波の変調に使用することはできなかった。例えば、β−ＢＢＯと比較してＫＴｉＯＰＯ４ は、２０倍以上の電気光学変調効率を示す。従って、印加すべき電圧は、同じサイズの結晶を使う場合２０分の１以下になる。
【０１０４】
以上２つの効果により、波長変換前の例えば波長１０６４ｎｍである基本波レーザ光を位相変調することにより、より低い電圧で、波長２１３ｎｍである第５高調波のスペクトルを幅広く広げることが可能である。例えば、第５高調波にて４ＧＨｚまでスペクトル幅を広げるとき、基本波レーザ光を８００ＭＨｚのスペクトル幅に広げればよい。これは、例えば変調周波数ｆｍ ＝２００ＭＨｚ、変調指数ｍ＝２程度で基本波レーザ光を位相変調することにより実現可能である。また、この変調指数は、上記位相変調装置１の材料をＫＴＰとして、レーザー光が結晶中を通過する長さを６０ｍｍ、電極間距離を１ｍｍとするとき、振幅が略５０Ｖ、周波数２００ＭＨｚの電圧信号を上記位相変調装置１に印加することで実現可能である。
【０１０５】
次に、複数の周波数で位相変調を行う効果について説明する。
【０１０６】
先ず、単一の周波数で位相変調を行うとき、分割されたそれぞれのスペクトルの強度はベッセル関数の２乗に比例するため、スペクトル全体の形状は限定される。また、可干渉性が再現する距離Ｌｓ を遠ざけるために、各々の周波数間隔ｆｓ を小さくして、なおかつスペクトルを広げるには大きな変調指数ｍが必要となる。例えば、ｆｓ ＝１００ＭＨｚでΔｆ＝８００ＭＨｚまでスペクトル幅を広げるとき、変調指数はｍ＝４程度となり、上述のＫＴＰを用いた位相変調装置の例ではＶｐ−ｐ ＝１００Ｖという高い電圧が必要となり、さらにそのときのスペクトルの形状はローレンツ型から大きく外れたものとなる。
【０１０７】
そこで、本発明においては、複数の周波数で同時に位相変調を行うことにより上記の問題を解決した。また、周波数間隔ｆｓ を小さくし、かつスペクトル幅を十分に広げ、さらにローレンツ型に近いスペクトル形状を実現することが可能となった。
【０１０８】
ここで、複数の周波数で同時に位相変調した場合、すでに示したように、ある周波数成分での位相変調により発生したスペクトルが、さらに他の周波数成分により分割され、多くのスペクトル線が発生する。例えば、ｆｍ１＝２００ＭＨｚ、ｍ１ ＝２．０程度で位相変調を行い、さらに、ｆｍ２＝９７ＭＨｚ、ｍ２ ＝１．４で位相変調を行うと、図１のＣに示すような形状であって、個々のスペクトルの間隔ｆｓ が９７ＭＨｚ、全体のスペクトル幅Δｆが８００ＭＨｚのスペクトルが得られる。ここでは、２つの周波数の最小公倍数を十分大きくして、発生するスペクトルが重なり、打ち消し合わないようにするため、ｆｓ ＝９７ＭＨｚとしている。このように、１００ＭＨｚの周波数だけでΔｆ＝８００ＭＨｚまでスペクトル幅を広げる場合に比べて、半分の位相変調指数で、同程度の効果が得られることがわかる。さらに、多くの周波数成分の信号を適当な振幅で印加することにより、スペクトルの形状をローレンツ型に近づけることが可能である。
【０１０９】
また、複数の周波数で位相変調を行う方法としては、複数の位相変調装置を直列に配置し、それぞれに異なる周波数の電圧を印加する方法と、１個の位相変調装置に複数の周波数成分をもつ信号を印加する方法がある。
【０１１０】
上述の２つの方法を組み合わせた場合、基本波レーザ光に複数の周波数で位相変調することにより、低い電圧で、広いスペクトル幅にわたって緻密にスペクトルを発振させることができる。さらに、位相変調された基本波レーザ光を第５高調波に変換すると、スペクトル幅はその略５倍に広がる。また、各周波数成分の位相変調指数を最適化することにより、第５高調波のスペクトルの包絡線を最適なローレンツ型に近づけることができる。そのようなスペクトルを発生させることにより、コヒーレント長を７５ｍｍ程度まで短くすることができる。
【０１１１】
ここで、図４は、複数の周波数を印加してローレンツ型に近いスペクトルを発生させた例を示す。なお、上記コヒーレント長７５ｍｍ、スペクトル幅４ＧＨｚを例に挙げたが、適当な変調周波数、電圧を採用することにより、コヒーレント長を３０〜１８０ｍｍまで調整することが可能である。
【０１１２】
また、位相変調装置の材料としては、上述のように近赤外光を透過するすべての電気光学結晶について使用可能である。
【０１１３】
例えば、ＫＴＰを例にとって説明する。ＫＴＰにおけるＱスイッチパルスレーザーによるレーザー損傷の閾値として、２０Ｊ／ｃｍ２ という値が報告されている。一方、上述の紫外線露光装置の光源として使用されるＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザー発振装置のパルス強度は１ｍＪ程度である。ビーム直径を０．３ｍｍとすると、パワー密度は１．４Ｊ／ｃｍ２ であるため、１．４Ｊ／ｃｍ２ で、レーザー損傷閾値の略１５分の１となり、レーザ損傷の発生は防がれる。
【０１１４】
また、このとき、位相変調装置のクリアアパーチャを１ｍｍ×１ｍｍとすれば回折損失も発生しない。位相変調指数ｍは、ＫＴＰの電気光学変調定数ｒ、ＫＴＰの屈折率ｎ、使用波長λ、電極間の距離ｄ、結晶の長さｌ、印加電圧Ｖにより以下の（１５）式に示される。
【０１１５】
【数１４】
【０１１６】
ここで、（１５）式にλ＝１０６４ｎｍ、ｒ＝３５ｐｍ／Ｖ、ｎ＝１．８３、ｄ＝１ｍｍを代入し、結晶の長さをｌ＝６０ｍｍ（加工が困難な場合は長さ３０ｍｍの結晶を２個直列に配置してもよい）とすることにより、Ｖ＝５０Ｖ程度の印加電圧によりｍ＝２の位相変調指数を実現することができる。
【０１１７】
他に、ＫＴＰは、潮解性を示さず、化学的安定であるという利点を有する。
【０１１８】
ここで、上述の大きさのＫＴＰを用いた位相変調装置の具体的な構成例を図５に示す。
【０１１９】
図５において、電気光学結晶素子である一対のＫＴＰ１１がマウント１２上で所定の位置に配置される。ここで、ｂ軸をＫＴＰ１１の長手方向にとり、ｃ軸をこのｂ軸に対して垂直でかつＫＴＰ１１の設置面に対して垂直方向にとり、ａ軸をｂ軸及びｃ軸に対して垂直方向にとると、各ＫＴＰ１１上に形成される一対の面で、ａ、ｃ軸で形成されるａ−ｃ面に対して平行な面の一方同士が対向するように配置される。
【０１２０】
また、両方のＫＴＰ１１のａ、ｂ軸で形成されるａ−ｂ面に対して平行な一対の面に形成される電極の一方には、後述する電圧増幅器１５からの電圧信号がコネクタ１３を介して印加され、もう一方の電極は、接地されている。また、電圧発生器１４は、上記位相変調周波数を発生し、この発生した電圧信号を電圧増幅器１５に出力する。電圧増幅器１５は、電圧発生器１４で発生した電圧信号を増幅して出力する。
【０１２１】
なお、図５に示した位相変調装置において、ＫＴＰとして長手方向が６０ｍｍである１つの結晶が用いられているのではなく、加工の容易さを考慮して長手方向が３０ｍｍの結晶が２つ直列に配置して用いられている。また、長手方向と垂直な面は一辺が１ｍｍの正方形を有している。
【０１２２】
図５によれば、基本波レーザ光は、例えばこの一辺が１ｍｍの面で外方側に向いている面ｈ１ の方向から入射される。この入射された基本波レーザ光は、ＫＴＰ１１の内部で、電圧発生器１４から出力される位相変調周波数にて位相変調を受ける。この位相変調を受けたレーザ光は、面ｈ１ と反対方向にある面ｈ２ から外方側に出力される。
【０１２３】
以上、具体例によれば、基本波の位相変調及び複数の周波数での位相変調により、可干渉性の高いＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーの第５高調波のコヒーレント長を投影装置に望ましい３０〜１８０ｍｍ程度まで短くすることができる。この結果、従来のエキシマレーザーに比べて、小型で消費エネルギーが小さく、また、毒性もなく、操作や保持が容易なＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーを紫外光露光装置の応用に供することが可能となる。また、位相変調手段として、ＫＴＰあるいはＫＴＰ誘導体等の結晶を用いた位相変調装置の使用が可能である。
【０１２４】
図２に示した半導体露光装置によれば、均一照明装置に用いるレーザ光を出射する光源として、Ｑスイッチレーザ光源と、位相変調手段と、波長変換手段とで構成される紫外線レーザ光発生装置を用いる。
【０１２５】
また、上記紫外線レーザ光発生装置において、Ｎｄ：ＹＡＧで構成され縦単一モードで発振するＱスイッチレーザ光源を基本波光源とし、位相変調手段にてこの基本波レーザ光に対して複数の周波数成分にて位相変調を行い、さらに波長変換手段にて第５高調波に波長変換を行う。
【０１２６】
このため、位相変調時に比較的低い振幅の正弦波を印加することができ、スペクトル幅を十分に広げ、可干渉性を十分に低くすることができるとともに、上記紫外線レーザ光発生装置と均一照明装置との組み合わせにより、スペックルノイズを除去することができる。
【０１２７】
そのスペックルノイズ（干渉ノイズ）は、上記均一照明装置７の構成によってもその鮮明度（ビジビリティ）の程度が異なる。例えば、露光用の紫外レーザ光に用いられる上記レチクル２０１上での照射領域を矩形あるいはスリット状にしつつ、その照射領域内での強度分布の均一性を数％未満にする光学系として、従来からフライアイレンズ・インテグレータによって多数の２次光源（点光源）が面状に分布した２次光源面を作っていた。
【０１２８】
この場合、オプチカル・インテグレータに入射する紫外レーザ光のコヒーレント長よっては、生成された多数の２次光源のうちの特定の間隔以内に接近した点光源から進む光同志が互いに干渉し合うことがある。この干渉によってレチクル２０１上や半導体ウェハ２０３上には、オプチカル・インテグレータで作られた多数の２次光源の配列方向に対応した１次元または２次元の干渉縞が現れる。この干渉縞の鮮明度は紫外レーザ光のコヒーレント長に依存する。
【０１２９】
このような干渉縞は、周期性を持つために本来のランダムな干渉現象であるスペックルノイズと区別されることもあるが、広義に見ればどちらも干渉現象であることに差異はなく、レーザ光のコヒーレント長が極めて大きいときはランダムなスペックルパターンと周期的な干渉縞との両方が大きなビジビリティで発生し、コヒーレント長の低下とともにまずランダムなスペックルパターンのビジビリティが許容値以下となって消失し、さらにコヒーレント長を低下させることで周期的な干渉縞のビジビリティも許容値以下となって消失するのである。
【０１３０】
実際の露光装置の性能を考えた場合、その干渉縞のコントラストが数％以下程度あってもレチクル２０１の回路パターンを半導体ウェハ２０３へ転写する際の像質劣化を引き起こすことがある。その際は、例えばオプチカル・インテグレータに入射する紫外レーザ光の入射角をパルス発振とともに振動ミラー等で微小変化させ、多数の２次光源の間に位相差（光路長差）を与えてレチクルや半導体ウェハ上の干渉縞をそのピッチ方向に１／２周期の整数倍に亘って変位させることで半導体ウェハ上の露光量分布を積算的に均一化する方法が利用できる。
【０１３１】
また、オプチカル・インテグレータの使用によって半導体ウェハ上に生じる干渉縞の低減方法としては、オプチカル・インテグレータの前に紫外レーザ光をランダムな方向に透過拡散させる円形拡散板（レモンスキン等）を設け、それを露光動作中は高速回転させる方法も利用できる。この場合も、半導体ウェハ上の露光量分布は複数のパルス光毎にランダムな方向に発生する多数の干渉縞の重畳積算によって平均化される。
【０１３２】
なお、露光装置においては、最終的に半導体ウェハ上での照明むらが均一化されること、すなわち半導体ウェハ上の１つのショット領域内のどの点にも目標露光量が±１％程度の精度で与えられることが重要なので、上記均一照明装置７内に上記振動ミラーや円形拡散板等によるダイナミックな干渉性低減装置が設けられる場合は、そのダイナミックな干渉性低減装置での干渉ノイズの低減性能も考慮して紫外レーザ光のコヒーレント長を決定することになる。
【０１３３】
もちろん上記均一照明装置７として、上記波長変換装置３からの紫外レーザ光を複数の光束に分割し、分割された各光束の間に互いに異なる光路長差（位相差）を与えてから１つの光束に合成することで干渉性を低減するスタティックな干渉性低減装置と、上記ダイナミックな干渉性低減装置とを併用してもよい。
【０１３４】
その場合は、露光用照明系の構成が複雑になり、実質的な照明光路も長くなるために光量上の損失が若干大きくはなるが、波長変換装置３からの紫外レーザ光のコヒーレント長がかなり大きな範囲（例えば５００ｍｍ程度まで）になっても対応可能となるといった大きな利点もある。このように大きな値のコヒーレント長まで許容されるということは、上記高周波信号発生器４で作られる位相変調用の高周波信号の実質的な周波数スペクトラム（複数の周波数の分布幅）が小さくできることを意味し、高周波信号発生器４の構成が簡単になるといった利点がある。
【０１３５】
ここで、上記半導体露光装置を用いてなされる回路パターン製造方法についてまとめる。
【０１３６】
上記回路パターン製造方法は、縦単一モード発振するパルスレーザ光源としてのＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ発振装置２からの基本波レーザ光を波長変換装置３に入射して該基本波レーザ光の１／ｎの中心波長を有する紫外レーザ光を生成し、該紫外レーザ光をマスクとしてのレチクル２０１に照射することによって該レチクル２０１の回路パターンの像を投影光学系である投影レンズ２０２を介して感光基板としての半導体ウェハ２０３上に転写する回路パターン製造方法において、前記投影レンズ２０２で許容される色収差量に対応した前記紫外レーザ光の波長幅をΔλとしたとき、波長変換装置３に入射する基本波レーザ光の実効的なスペクトル幅を略ｎ・Δλにするように前記基本波レーザ光を電気−光学的な位相変調装置１によって位相変調する段階を含み、前記投影レンズ２０２の複数の光学素子が単一の透過性硝材のみで構成されるときは前記紫外レーザ光の波長幅Δλに対応したコヒーレント長が約８０ｍｍ以上になるように前記位相変調装置１を駆動する信号の周波数スペクトルを設定し、前記投影レンズ２０２の複数の光学素子が複数種の透過性硝材、あるいは透過性硝材と反射素子との組合せで構成されるときは、前記紫外レーザ光の波長幅Δλに対応したコヒーレント長が約８０ｍｍ以下になるように前記駆動信号の周波数スペクトルを設定したことを特徴としている。
【０１３７】
以上のように、半導体露光装置を構成することで、紫外線レーザ光発生装置の光源を多モード発振させ該紫外線レーザ光発生装置の構成を大きく変更しなくても、この上記光源の外部に簡単な構成を付加することで、この紫外線レーザ光発生装置から出射されるレーザ光の可干渉性を小さくし、スペックルノイズを除去することができる。
【０１３８】
また、上記紫外線レーザ光発生装置の光源として近赤外領域のレーザ光を使用し、このレーザ光の変調を位相変調手段にて行うようにするため、紫外光を直接位相変調し、スペクトル幅を広げる場合に比べて、使用できる電気光学結晶の種類が多くなる。
【０１３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る半導体露光装置によれば、紫外線レーザ光発生装置の光源を多モード発振させ該紫外線レーザ光発生装置の構成を大きく変更しなくても、この上記光源の外部に簡単な構成を付加することで、この紫外線レーザ光発生装置から出射されるレーザ光の可干渉性を小さくし、スペックルノイズを除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体例としての半導体露光装置を構成するレーザ光発生装置の位相変調装置にて、複数の周波数で位相変調した場合のパワースペクトルを説明するための図である。
【図２】上記具体例の半導体露光装置の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図３】上記位相変調装置により実現可能な、ローレンツ型の包絡線のスペクトル、およびこの包絡線のスペクトルが示す鮮明度と光路長差との関係を示すグラフである。
【図４】上記位相変調装置にて位相変調して得られたスペクトルの一例を示す図である。
【図５】上記位相変調装置で電気光学結晶としてＫＴＰを用いた具体的な構成を示す図である。
【図６】ローレンツ型スペクトルと、このスペクトルが示す鮮明度と光路差長との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 位相変調装置
２ Ｎｄ：ＹＡＧＱスイッチレーザ装置
３ 波長変換装置
７ 均一照明装置
８ 投影装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体装置の微細加工に用いられるステッパ等に適用される半導体露光装置、この半導体露光装置に適用される投影露光装置及びこの投影露光装置が適用される回路パターン製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来において、半導体装置の微細リソグラフィ加工の際に用いられる露光装置の光源を短波長化する研究がなされている。
【０００３】
ここで、例えば波長１０６４ｎｍのレーザ光を発振するネオジム：イットリウム・アルミニウム・ガーネット（以下、Ｎｄ：ＹＡＧという）レーザの第５高調波すなわち波長２１３ｎｍのレーザ光は、高いエネルギ変換効率を示し、小型であり比較的安価にて供給されるため、次世代露光装置の光源として有望である。また、発振スペクトル幅が狭いことから、色収差が発生しにくいという特徴もある。
【０００４】
ところが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザから発振されるレーザ光を波長変換した紫外線レーザ光は、単色性が高いすなわちスペクトル幅が狭いため、高い可干渉性を示す。ここで、可干渉性とは、光がどれほどの距離あるいは時間にわたって位相関係を保って伝搬し、互いに干渉し合うかを示す指標である。
【０００５】
可干渉性が高いと、レーザ光は、散乱光など伝搬距離の異なる迷光と干渉し、互いに不規則な位相関係で干渉することで生ずる干渉パターンに基づいて発生するノイズ、いわゆるスペックルノイズを発生させやすい。このようなスペックルノイズは、半導体装置を作製する際に用いられる半導体露光装置のように均一性の高い照明系が要求される装置において、特にその性能を低下させるものであり、レーザ光源の半導体露光装置への応用を妨げるものとされてきた。
【０００６】
先ず、レーザ光のスペクトルと可干渉性との関係を示す。
【０００７】
レーザ光の可干渉性は、鮮明度Ｖ（ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ）という値をもって表される。鮮明度Ｖはレーザ光を２光束に分け、進行時間が互いに時間τ（τ＝Ｌ／Ｃ、Ｌ：光路差、Ｃ：光速）だけ異なるように遅延させた後、合成して形成される干渉縞のコントラストを表し、以下の（１）式で定義される。
【０００８】
【数１】
ここでＩｍａｘ 、Ｉｍｉｎ はそれぞれ干渉縞の強度の最大値、最小値である。また、Ｖ＝１のとき、可干渉性が最大である完全にコヒーレントな光源であるという。また、Ｖ＝０のとき、可干渉性が最小である完全にインコヒーレントな光源であるといい、この場合全く干渉縞を形成しない。また、可干渉距離またはコヒーレント長Ｌｃ は鮮明度Ｖが十分小さくなり、干渉縞をほとんど形成しなくなるときの２光束の光路差を表し以下の（２）式で定義される。
【００１０】
【数２】
また、鮮明度Ｖ（τ）は、（３）式に示すように、レーザ光の電場Ｅ（ｔ）の自己相関関数と一致する。
【００１２】
また、Ｗｉｅｎｅｒ−Ｋｈｉｎｔｃｈｉｎｅの定理より、自己相関関数はレーザ光のパワースペクトルＳ（ｆ）のフーリエ変換と一致するので鮮明度とパワースペクトルとは以下の（４）式に示す関係をとる。
【００１３】
【数３】
ここで、パワースペクトルＳ（ｆ）がローレンツ型曲線をとる場合を例にとる。スペクトルが、中心周波数ｆ０ 、半値全幅Δｆを用いて以下の（５）式で表されるものとする。
【００１５】
【数４】
このとき、鮮明度Ｖは、以下の（６）式に示すように、指数関数的に減少する。
【００１７】
【数５】
また、鮮明度が十分に小さくなる距離をコヒーレンス長Ｌｃ と呼び、以下の（７）式のように定義する。
【００１９】
【数６】
ここで一例として、図６のＡにパワースペクトルＳ（ｆ）が半値全幅Δｆ＝４Ｇ（Ｈｚ）であるローレンツ型曲線を示す、また、図６のＢにこのときの光路長差Ｌ（ｍｍ）と鮮明度Ｖとの関係を示す。また、図６のＢにおいて、横軸は２光束の光路長差Ｌであり、Ｌ＝τＣで定義される。また、コヒーレント長はＬｃ ＝７５ｍｍ程度としている。
【００２１】
（７）式によれば、レーザの可干渉性と単色性とは、表裏一体の関係にあることが言える。すなわち、単色性が高い（スペクトル幅が狭い）光源においては可干渉性も高いため、スペックルノイズが発生しやすい。また、逆に単色性の低い光源においては、可干渉性は低いものの、スペクトル幅が大きいため、特に紫外光源においてはレンズの色収差が問題となりやすい。
【００２２】
そこで、レーザを紫外線露光装置などに応用するには、レーザのスペクトル幅を適当な値に制御し、色収差とスペックルノイズと双方において問題の発生させないことが重要である。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レーザの単色性を下げ、可干渉性を落とす方法としては、これまでいくつか提案されてきた。
【００２４】
ここで、半導体露光装置においては、もともとスペクトル線幅が大きく、可干渉性の低いＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザを、この装置の光源として用いる試みがある。
【００２５】
しかし、これらのエキシマレーザは、毒性の強いガスを使用する必要があること、維持コストが高いこと、大きな設置スペースを要することなどの問題点がある。
【００２６】
さらに、レーザ光のスペクトル線幅が大きすぎるため、色収差が発生しやすく、この色収差を防ぐため発振スペクトルの狭帯域化が必要となるという問題もある。発振スペクトルを狭帯域化すると、可干渉性が高くなってしまい、新たに可干渉性を落とす必要も生じうる。
【００２７】
また、多モードで発振する固体レーザを使用し、その波長変換により紫外光を発生させる方法もある。
【００２８】
しかし、この場合、モード数やモード間隔はレーザそのものの構成、すなわちレーザ物質の物理的特性等によって決定されてしまうため、この物理的特性を応用すべき装置にあわせて自由度を高く決定し、所望の可干渉距離やスペクトル幅などを実現することは困難である。
【００２９】
すなわち、従来の技術においては、半導体露光装置において、その可干渉性を落とすことは困難であり、また別の不利益をもたらす結果となることが多かった。
【００３０】
そこで、本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、簡便な構成にてレーザ光の可干渉性を適当な値まで落とし、スペックルノイズを発生させない半導体露光装置を提供することを目的とする。
【００３１】
また、本発明の他の目的は、上記半導体露光装置に適用される投影露光装置と、この投影露光装置を用いた回路パターン製造方法を提供するである。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体露光装置は、縦単一モード発振するＱスイッチレーザ光源と、上記レーザ光源にて出射された基本波レーザ光を、複数の周波数成分から成る電圧信号で位相変調する位相変調手段と、上記位相変調手段にて位相変調された基本波レーザ光の波長を紫外線の波長に変換する波長変換手段とを有する紫外線レーザ光発生装置と、光路差を生起する作用を有する均一照明装置と、上記均一照明装置からのレーザ光を使って所定のパターンを基板上に投影する投影装置とを備えることで、上述の問題を解決する。
【００３３】
上記半導体露光装置によれば、例えばＱスイッチレーザ光源から出射された基本波レーザ光が、位相変調手段にて複数の周波数成分で位相変調され、スペクトル幅が広げられる。さらに、波長変換手段にて非線形光学効果を利用して例えば第５高調波に波長変換され、スペクトル幅がさらに広げられる。均一照明装置にて、この波長変換後のレーザ光のコヒーレント長が生起され、投影装置にてレーザ光が所望の位置に露光される。波長変換前の位相変調と、波長変換との組み合わせにより、比較的低い電圧を位相変調手段に印加するだけで容易に波長変換後のレーザ光のスペクトル幅を広げることができ、さらに均一照明装置によりスペックルノイズを低減させることができる。
【００３４】
また、本発明に係る投影露光装置は、縦単一モード発振するパルスレーザ光源からの基本波レーザ光を波長変換手段に入射して該基本波レーザ光の１／ｎの中心波長を有する紫外レーザ光を生成し、該紫外レーザ光をマスクに照射することによって該マスクの回路パターンの像を投影光学系を介して感光基板上に転写する投影露光装置であって、前記波長変換手段と前記マスクの間に設けられ、前記マスクを照射する前記紫外レーザ光のコーヒーレンシィに依存して前記感光基板上で生じる干渉ノイズのビジビリティを低減する干渉性低減手段と、前記紫外レーザ光のコヒーレント長を制御するために、前記波長変換手段に入射する前記基本波レーザ光を複数の周波数成分を含む電気信号に応答して位相変調する位相変調手段と、前記位相変調手段からの紫外レーザ光のコヒーレント長が、前記回路パターンの転写時に許容される前記投影光学系の最大の色収差を生起せしめる波長幅に対応した最小のコヒーレント長Ｌ１と、前記干渉性低減手段によって干渉ノイズのビジビリティを所定の許容範囲内に低減させることが可能な最大のコヒーレント長Ｌ２との間に設定されるように、前記電気信号に含まれる複数の周波数成分の分布を設定して前記位相変調手段へ供給する駆動信号生成回路とを備えたことを特徴とすることで、上述の問題を解決する。
【００３５】
また、本発明に係る回路パターン製造方法は、縦単一モード発振するパルスレーザ光源からの基本波レーザ光を波長変換手段に入射して該基本波レーザ光の１／ｎの中心波長を有する紫外レーザ光を生成し、該紫外レーザ光をマスクに照射することによって該マスクの回路パターンの像を投影光学系を介して感光基板上に転写する回路パターン製造方法において、前記投影光学系で許容される色収差量に対応した前記紫外レーザ光の波長幅をΔλとしたとき、前記波長変換手段に入射する基本波レーザ光の実効的なスペクトル幅を略ｎ・Δλにするように前記基本波レーザ光を電気−光学的な位相変調手段によって位相変調する段階を含み、前記投影光学系の複数の光学素子が単一の透過性硝材のみで構成されるときは前記紫外レーザ光の波長幅Δλに対応したコヒーレント長が約８０ｍｍ以上になるように前記位相変調手段を駆動する信号の周波数スペクトルを設定し、前記投影光学系の複数の光学素子が複数種の透過性硝材、あるいは透過性硝材と反射素子との組合せで構成されるときは、前記紫外レーザ光の波長幅Δλに対応したコヒーレント長が約８０ｍｍ以下になるように前記駆動信号の周波数スペクトルを設定したことを特徴とすることで、上述の問題を解決する。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る投影露光装置が適用される本発明に係る半導体露光装置及び上記半導体露光装置が用いられる一適用例としての本発明に係る回路パターン製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００３７】
尚、本発明においては、レーザ光の位相変調により、スペクトル幅を広げ、可干渉性を低くするものとする。
【００３８】
そこで、上記半導体露光装置の具体的な説明に先だって、電気光学位相変調の原理と、この原理に基づいた位相変調によるパワースペクトルの変化について説明する。
【００３９】
先ず、電気光学位相変調の原理を適用した電気光学変調装置に周期関数φ（ｔ）の信号電圧を印加すると、レーザ光の電場は、以下の（８）式に示すような位相変調を受ける。
【００４０】
【数７】
ここで、Φ（ｔ）は、位相変調関数で、変調装置に印加する信号に比例する。特に、Φ（ｔ）が、（９）式に示すような振幅ｍ、周波数ｆｍ の正弦波のとき、電場Ｅ（ｔ）はベッセル関数列Ｊｋ（ｍ） を用いて以下の（１０）式に示すように展開できる（ｆ０ をレーザーの周波数とする）。
【００４２】
【数８】
この時、パワースペクトルＳ（ｆ）は、図１のＢに示すように、それぞれ強度Ｊｋ ２（ｍ）、周波数（ｆ０ ＋ｋｆｍ ）のスペクトルの総和で表される（ｋは整数）。
【００４４】
また、複数の周波数での位相変調の場合は、（１１）式に示すように、それぞれの周波数での位相変調が、周波数では相加的に、強度では相乗的に作用する。
【００４５】
【数９】
すなわち、振幅ｍ１ 、周波数ｆｍ１での位相変調により発生した強度Ｊｋ ２（ｍ１ ）、周波数（ｆ０ ＋ｋｆｍ１）の図１のＢに示すようなスペクトル（ｋは整数）が、他の周波数ｆｍ２での位相変調により、図１のＣに示すように、さらに強度Ｊｋ ２（ｍ１ ）Ｊｋ ２（ｍ２ ）、周波数（ｆ０ ＋ｋｆｍ１＋ｌｆｍ２）（ｋ、ｌは整数）のスペクトルにスプリットする。
【００４７】
図１のＡ、Ｂ、Ｃによれば、複数の周波数において位相変調することにより、多くのスペクトルに分離することがわかる。また、２つの周波数の最小公倍数が十分大きいとき、スペクトルの本数は約ｍ１ ×ｍ２ 本となる。
【００４８】
また、上述の位相変調の過程においては、レーザーのスペクトル線幅そのものが広がるわけではなく、多数のスペクトルに分離することにより、それらスペクトル全体の幅が広がるだけである。ここで、このスペクトルの集合体の包絡線の幅をもって、全体のスペクトル幅と定義する。この全体のスペクトル幅の広がりにより、コヒーレント長が短くなる。
【００４９】
以上を踏まえて、本発明の具体例の紫外光レーザ光により半導体露光装置について、図面を参照し、数値例を挙げて説明する。
【００５０】
上記半導体露光装置の光源の具体的構成は、図２に示すように、縦単一モード発振するパルスレーザ光源の一例として波長１０６４ｎｍでインジェクション等の技術によりＱスイッチ法にて縦シングルモードで発振するネオジム：イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）を用いたＮｄ：ＹＡＧＱスイッチレーザ装置２と、Ｎｄ：ＹＡＧＱスイッチレーザ装置２からのレーザ光を複数の周波数で変調を行う位相変調装置１と、硼酸リチウム（ＬＢＯ：ＬｉＢ３Ｏ５）やβ−硼酸バリウム（β−ＢＢＯ：β−ＢａＢ２Ｏ４）等から成るとともに上記位相変調装置１にて位相変調を受けた波長１０６４ｎｍのレーザ光を例えば５倍の周波数である波長２１３ｎｍの紫外線レーザ光に変換する波長変換装置３とを有する紫外線レーザ光発生装置と、光路差を生起する作用を有する均一照明装置７と、上記均一照明装置７からのレーザ光を使って所定のパターンを基板上に投影する投影装置８とを備えている。
【００５１】
さらに、上記位相変調装置１に出力する高周波を発生する高周波信号発生器４と、この高周波信号発生器４で発生する高周波を増幅して上記位相変調装置１に出力するための高周波増幅器５とを備えている。
【００５２】
ここで、波長変換装置３での波長変換処理の許容波長幅は、十分広いものとする。
【００５３】
また、本発明に係る投影露光装置において、縦単一モード発振するパルスレーザ光源としてのＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ発振装置２からの基本波レーザ光を波長変換装置３に入射して該基本波レーザ光の１／ｎの中心波長を有する紫外レーザ光を生成し、該紫外レーザ光をマスクとしてのレチクル２０１に照射することによって該マスクの回路パターンの像を投影光学系を介して感光基板としての半導体ウェハ２０３上に転写する投影露光装置であって、前記波長変換手段と前記マスクとの間に設けられ、前記マスクを照射する前記紫外レーザ光のコーヒーレンシィに依存して前記感光基板上で生じる干渉ノイズのビジビリティを低減する干渉性低減手段としての均一照明装置７と、前記紫外レーザ光のコヒーレント長を制御するために、前記波長変換手段に入射する前記基本波レーザ光を複数の周波数成分を含む電気信号に応答して位相変調する位相変調装置１と、前記位相変調手段からの紫外レーザ光のコヒーレント長が、前記回路パターンの転写時に許容される前記投影光学系の最大の色収差を生起せしめる波長幅に対応した最小のコヒーレント長Ｌ１と、前記干渉性低減手段によって干渉ノイズのビジビリティを所定の許容範囲内に低減させることが可能な最大のコヒーレント長Ｌ２との間に設定されるように、前記電気信号に含まれる複数の周波数成分の分布を設定して前記位相変調手段へ供給する駆動信号生成回路としての高周波信号発生器４とを備えたものである。
【００５４】
上記光源において、Ｎｄ：ＹＡＧＱスイッチレーザ装置２から出射された１０６４ｎｍのレーザ光（以下基本波レーザー光という）は、位相変調装置１に入射される。また、高周波信号発生器４からの複数の周波数成分を含む電圧信号は、高周波増幅器５に送られ増幅され、位相変調装置１に印加される。
【００５５】
また、上記位相変調装置１において、上記基本波レーザー光は、後述するように、上記高周波増幅器５で増幅された電圧信号に応じて位相変調を受ける。この位相変調により、波長１０６４ｎｍの基本波レーザー光の全体のスペクトル幅が、例えばΔｆｗ に広げられる。また、この位相変調を受けて全体のスペクトル幅が広げられたレーザー光は、波長変換装置３に送られる。
【００５６】
波長変換装置３は、例えば図２に示したように複数の非線形光学結晶を備えており、位相変調装置１から出射されたレーザ光が非線形光学結晶であるＬＢＯ１１１を透過する。この際、第２高調波である波長５３２ｎｍのレーザ光が発生する。また、ＬＢＯ１１１から出射するレーザ光は波長１０６４ｎｍと５３２ｎｍとの両方を含む。また、ＬＢＯ１１１から出射されるレーザ光は、色分離ミラー１０１に入射し、波長１０６４ｎｍのレーザ光は透過し、波長５３２ｎｍのレーザ光は反射し光軸が９０°曲げられる。
【００５７】
波長５３２ｎｍのレーザ光は、さらに全反射ミラー１０２にて反射し、非線形光学結晶であるβ−ＢＢＯ１１２を透過して、第４高調波である波長２６６ｎｍのレーザ光が発生する。この波長２６６ｎｍのレーザ光は、全反射ミラー１０３と色分離ミラー１０４とにて反射し、β−ＢＢＯ１１３に導かれる。
【００５８】
一方、色分離ミラー１０１を透過した波長１０６４ｎｍのレーザ光は、色分離ミラー１０４を透過してβ−ＢＢＯ１１３に導かれる。
【００５９】
このβ−ＢＢＯ１１３において、波長１０６４ｎｍのレーザ光と波長２６６ｎｍのレーザ光とに基づいて、後述する和周波混合がなされ、上記基本波レーザ光の第５高調波である２１３ｎｍのレーザ光が発生する。この波長２１３ｎｍのレーザ光が波長変換装置３より出射される。このとき、波長変換後の紫外線レーザ光のスペクトル幅Δｆ５ｗは、変換前のスペクトル幅の５倍に広がる（Δｆ５ｗ＝５Δｆｗ ）。また、出射されるレーザ光には、波長２１３ｎｍのレーザ光の他に、波長１０６４ｎｍやこの第２高調波である波長５３２ｎｍのレーザ光等様々な波長成分のレーザ光が含まれる。
【００６０】
ここで、和周波混合について説明する。
【００６１】
先ず、非線形光学結晶中にレーザ光が入射したとき、外から加えられたレーザ光の電場の大きさに比例しない非線形分極が発生する。この非線形分極が生じ、２次の非線形感受率が０でない場合、例えば周波数がｆａ 、ｆｂ の２つの光が同時に入射すると、周波数がｆｃ ＝ｆａ ＋ｆｂ の非線形分極が結晶中に誘起される。この分極により周波数がｆｃ の光が放出される。これが和周波混合の原理であり、波長がλａ 、λｂ のレーザ光が入射するとき出射される和周波の波長λｃ は、１／λｃ ＝１／λａ ＋１／λｂ の関係にある。なお、和周波混合用の非線形光学結晶は、和周波の発生効率が最大となる方向にレーザ光が伝搬するように加工されている。
【００６２】
プリズム６は、波長変換装置３より出射される波長２１３ｎｍのレーザ光を各波長成分に分離し、波長２１３ｎｍのレーザ光のみをスリット９を介して均一照明装置７に送る。
【００６３】
均一照明装置７は、入射される波長２１３ｎｍのレーザ光を分離し光路差を生起して再び合成する作用を有し、また、この作用を受けた照明光はスペックルノイズが発生しない空間的に均一な光となる。該照明光が、投影装置８に出射される。
【００６４】
投影装置８は、レチクル２０１と、投影レンズ２０２と、半導体ウェハ２０３とから成る。レチクル２０１は、半導体装置に投影すべきパターンが加工されているいわゆるフォトマスクである。投影レンズ２０２は、後述するように、レチクル２０１を透過した光を半導体ウェハ２０３に縮小投影するレンズである。半導体ウェハ２０３は、レジストが塗布されており、レジストの感光作用により
、レチクル２０１に加工されているパターンがフォトレジストに転写される。
【００６５】
また、前述したように、一般にスペクトル線幅を広げることによりコヒーレント長は短くなる。
【００６６】
そこで、基本波レーザ光に位相変調が施され、さらに、位相変調がなされた基本波レーザ光のスペクトル幅が波長変換装置３での処理により元のスペクトル幅の５倍に広げられた結果、得られる紫外線レーザー光のスペクトル幅は十分に広がり、コヒーレント長は十分に短くなることが分かる。また、上述のように、波長変換装置３での波長変換の許容波長幅は十分広いため、スペクトルの広がりにより、変換効率は低下しない。
【００６７】
さらに、コヒーレント長が十分に短くなった紫外線レーザー光は、均一照明装置７にて分割され、このコヒーレント長より長い光路差をつけて再び合成され、完全に可干渉性のないインコヒーレントなレーザ光に変換された後出力され、投影装置８に入射する。
【００６８】
ここで、半導体露光装置に要求されるコヒーレント長について言及する。望ましいコヒーレント長は、色収差の許容範囲と、スペックルノイズを除去可能な条件から決定される。
【００６９】
一般に、コヒーレント長が短い光源は、スペクトル幅が広く単色性が低い。この場合、色収差が発生しやすい。特に、単一の硝材を使用して投影レンズ２０２を構成する場合、レンズの色消しすなわち色収差補正の作用が得られない。従って、十分な結像性能を実現するには、レンズの実用的なＮＡ値や倍率を考慮すると、８０ｍｍ以上のコヒーレント長が要求される。
【００７０】
また、複数種の硝材を使用して投影レンズ２０２を構成し、色消しを行う場合、スペクトル幅の条件が緩くなる。例えば、ＮＡ０．６以上の投影レンズで、実用的な硝材を使用する場合、３０ｍｍ以上であれば、十分な結像性能の実現が可能である。
【００７１】
また、スペックルノイズを除去するには、コヒーレント長が短い方が有利であり、実用的には１８０ｍｍ以下のコヒーレント長が望ましい。
【００７２】
以上より、単一の硝材を用いて投影レンズを構成する場合、コヒーレント長は８０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下であることが望ましく、また、複数種の硝材を用いて投影レンズを構成することが可能な場合、コヒーレント長は３０ｍｍ以上８０ｍｍ以下であることが望ましいと言える。
【００７３】
一般に、この種の投影露光装置に使われている投影光学系である投影レンズ２０２は極めて高い解像力を持ち、像面内での各種歪みも極限にまで抑えてある。その解像力は、使用する投影光学系の感光基板としての例えば上記半導体ウェハ２０３側での開口数ＮＡと使用する露光用照明光の中心波長（波長幅も関連）とで定義され、例えば中心波長２１３ｎｍの照明光の下でＮＡが０．６５の投影光学系を用いた場合、投影光学系が屈折光学素子のみで構成されるか、屈折光学素子と反射光学素子との組合せで構成されるかの差異、あるいは静止方式の露光か走査方式の露光かの差異はあったとしても、線幅で０．１〜０．２μｍ程度の解像度が得られるものと予測されている。
【００７４】
このような性能を得るために、実用的な露光フィールドサイズを備えつつ、軸上色収差量、倍率色収差量をともに十分に小さく抑えた状態で、中心波長２１３ｎｍで十分な透過率を持つ石英（ＳｉＯ２ ）のみをレンズ硝材とした投影光学系を設計する場合、投影露光時にレチクルに照射される紫外レーザ光のコヒーレント長は約１２６ｍｍ（波長幅としてスペクトルの半値全幅で表すと約０．３５ｐｍに相当）と計算された。また、複数の石英レンズと数枚の蛍石（ＣａＦ２ ）レンズとを組み合わせて、わずかな色収差補正を施した場合、紫外レーザ光のコヒーレント長は約４５ｍｍ（スペクトルの半値全幅で約１．０ｐｍに相当）と試算された。
【００７５】
これら数値例は、投影光学系のＮＡだけではなく、露光フィールドサイズ、投影倍率、色収差補正量等によっても変化するが、単一硝材のレンズ素子で構成される投影光学系では上記均一照明装置７の干渉性低減性能に応じて上限値に制限はあるものの、紫外レーザ光のコヒーレント長として約８０ｍｍ以上が要求され、複数硝材のレンズ素子または屈折素子と反射素子との組み合わせで構成された投影光学系では色収差補正の程度に応じて下限値に制限はあるものの、紫外レーザ光のコヒーレント長として約８０ｍｍ以下が妥当なものと考えられる。
【００７６】
一方、現在実用化されつつある投影露光装置として、全てのレンズ硝材を石英としてＮＡ０．６の投影光学系を用いることを前提にして、中心波長が２４８ｎｍで波長幅Δλａ （半値全幅：ＦＷＨＭ）が０．８ｐｍのレーザ光を発振するエキシマレーザ光源を使うということが提案されている。そこで、このような投影光学系とレーザ光の波長条件とを基準として、波長２１３ｎｍの紫外レーザ光のもとで必要とされる波長幅やコヒーレント長を試算してみると以下のようになる。
【００７７】
まず、石英硝子の波長に応じた分散値を求めるために、Ｉ．Ｍ．Ｍａｌｉｔｓｏｎによる分散式が用いられ、ｎを屈折率、λを波長（ｎｍ）とすると、以下の（１２）式のように表される。
【００７８】
【数１０】
ここで、一具体例として、Ａ１ ＝０．６９６１６６３、λ１ ＝０．０６８４０４３、Ａ２ ＝０．４０７９４６２、λ２ ＝０．１１６２４１４、Ａ３ ＝０．８９７４７９４、λ３ ＝９．８９６１６１の各値を用いる。
【００８０】
また、（１２）式を波長に関して微分すると、以下の（１３）式が得られる。
【００８１】
【数１１】
そこで、（１３）式において、λａ ＝２４８ｎｍでの屈折率ｎを１．５０８５５とすると、ｄｎ／ｄλａ ＝−０．５６／１０００となり、λｂ ＝２１３ｎｍでの屈折率ｎを１．５３５１８とすると、ｄｎ／ｄλｂ ＝−１．０２／１０００となる。
【００８３】
これより、全石英硝子によるＮＡ０．６５の投影光学系を使うときに要求される中心波長２１３ｎｍのレーザ光の波長幅Δλｂ （半値全幅）を計算すると、Δλｂ ＝Δλａ ×（０．６／０．６５）（０．６／０．６５）×（２１３／２４８）（０．５６／１．０２）＝Δλａ ×０．４＝０．３２ｐｍとなり、この値はコヒーレント長を規定する関係式（λｂ ・λｂ ）／Δλｂ から約１４２ｍｍのコヒーレント長に対応する。
【００８４】
また、同様の条件で投影光学系のＮＡを０．７程度にすると、コヒーレント長は約１８０ｍｍとなる。
【００８５】
次に、上述のコヒーレント長を実現する紫外光のパワースペクトルについて言及する。
【００８６】
ここで、本具体例のレーザ光源を上記投影装置８の光源として実用する際に、コヒーレント長以上の光路差では十分に可干渉性が消失することが望ましい。また、前述のように、鮮明度Ｖ（τ）とパワースペクトルＳ（ｆ）はフーリエ変換の関係にあるので、パワースペクトルがローレンツ分布をとる場合、鮮明度は指数関数的に減少する。すなわち、コヒーレント長以上の光路差での可干渉性はほぼ無視することができる。例えば、スペクトル半値全幅がΔｆ＝４ＧＨｚのローレンツ型スペクトルの光源であるならば、コヒーレント長約Ｌｃ＝７５ｍｍ以上の距離でほとんど可干渉性を無視することができる。また、前記の３０＜Ｌｃ ＜１８０ｍｍのコヒーレント長の条件を満たすには、スペクトル半値全幅が２＜Δｆ＜１０ＧＨｚであることが要求される。
【００８７】
また、前述したように、位相変調においては１つのスペクトルが複数のスペクトルに分離するだけで、個々のスペクトルの幅は広がらないため、実際には、位相変調により、図６に示したような完全なローレンツ型スペクトルを得ることは不可能である。
【００８８】
従って、実現可能である最も理想に近いスペクトルは、図３のＡに示すように、多くの狭帯域なスペクトルが、全体としてスペクトル線幅が例えばΔｆ＝４ＧＨｚのローレンツ型分布の包絡線をなすような形状である。図３のＡにおいて、、全体としてΔｆ＝４ＧＨｚのローレンツ型分布のスペクトルを、周波数間隔ｆｓ ＝１００ＭＨｚ、幅４０ＭＨｚの狭帯域スペクトルが構成している。
【００８９】
また、図３のＡに示したようなスペクトルの鮮明度を光路差の関数として計算した結果、図３のＢ、Ｃに示すように、鮮明度ＶはＬｃ ＝２Ｃ／（πΔｆ）で決定されるコヒーレント長Ｌｃ ＝７５ｍｍ程度で十分に小さくなり、７５ｍｍ以上の距離ではほぼ無視できる。すなわち、干渉性が失われる。ただし、この干渉性は、各々のスペクトルの周波数間隔ｆｓ で決定される距離Ｌｓ ＝Ｃ／ｆｓ の整数倍、例えばｆｓ ＝１００ＭＨｚにおいてＬｓ ＝３ｍ，６ｍ，…程度で大きく現れる。一般に、再び可干渉性が現れる現象は不利益であるとされるが、本具体例に関しては問題とならないことを示す。
【００９０】
上記具体例の光源において、Ｎｄ：ＹＡＧＱスイッチレーザ装置２としてトランスフォームリミテッドのＱスイッチパルスレーザーを使用する。このＱスイッチパルスレーザーは、波長２１３ｎｍに波長変換した後では１０ｎｓ程度のパルス幅を有するものである。このパルス幅と光速とを乗算することで、１個のパルスの長さＬｐ ＝３ｍが計算される。また、Ｌｐ 以上の光路差の２光束の干渉現象では、異なるパルス同士の干渉となるので、可干渉性を示さない。本具体例においては、３ｍ，６ｍ，…の光路差で可干渉性が再び現れても、発振されるレーザ光がパルス光で、１個のパルスの長さが３ｍ程度なので、結局３ｍ以上の光路差での可干渉性は消失する。
【００９１】
従って、位相変調を用いてスペクトル幅を４ＧＨｚまで広げることにより、コヒーレント長Ｌｃ ＝７５ｍｍを実現することが可能である。さらに、各々のスペクトルの間隔を１００ＭＨｚ程度と緻密にすることにより、可干渉性が再現する距離を３ｍ程度まで十分遠ざけることができる。さらに、Ｑスイッチレーザー光のパルス幅が１０ｎｓ程度なので、３ｍ以上の光路差では可干渉性がない。以上から、コヒーレント長Ｌｃ 以上での可干渉性は無視できる。
【００９２】
次に、位相変調を用いて、図３に示したような、広い周波数幅、例えばΔｆ＝４ＧＨｚにわたって緻密に例えば周波数間隔ｆｓ ＝１００ＭＨｚにて分布するスペクトルを発生させる方法について言及する。
【００９３】
先ず、本発明において、上述のスペクトルを大きく二つの手段を組み合わせて発生させる。一方は、波長変換前の基本波レーザ光に位相変調を行う手段であり、もう一方は、複数の周波数で位相変調を行う手段である。
【００９４】
先ず、基本波レーザ光に位相変調を行う効果について説明する。
【００９５】
上述のように、ただ紫外光に対して直接位相変調を施すのみでは、図３のＡに示すように、例えばスペクトル線幅が４ＧＨｚである広い帯域にわたりスペクトルを発生させることは極めて困難である。
【００９６】
【数１２】
例えば、上記（９）式で示した位相変調関数Φ（ｔ）にて位相変調を行うと、約２ｍ本のスペクトルが新たに発生し、位相変調を受けたスペクトルは略Δｆ＝２ｍｆｍ の周波数幅に広がる。そこで、Δｆ＝２ｍｆｍ ＝４ＧＨｚを実現するには、例えばｆｍ ＝２００ＭＨｚにて位相変調するときｍ＝１０の変調振幅が必要となり、かなりの高電圧を位相変調器に印加しなければならない。さらに、紫外光を通過させる電気光学結晶は限られており、例えば燐酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）、燐酸二水素アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４ ）、β−硼酸バリウム（β−ＢＢＯ）等といった、電気光学効果の小さな結晶しか使用することができない。従って、ｍ＝１０の変調振幅を実現するには一般に５ｋＶ以上の振幅の電圧を位相変調装置に加える必要があるため、この変調振幅の実現は困難である。また、高い周波数、例えばｆｍ ＝１ＧＨｚにて位相変調する場合、ｍ＝２程度で十分だが、この場合は極めて高周波かつ大振幅の電圧が必要となるため、位相変調の実現は困難である。
【００９８】
従って、以上のように紫外光を直接位相変調するだけで、４ＧＨｚという幅広い帯域にわたって変調したスペクトルの線幅を広げることは、高電圧が必要という理由で実現不可能である。
【００９９】
そこで、本発明においては、波長変換前の波長１０６４ｎｍである基本波レーザ光に位相変調を行うことにより、上記の問題を解決している。その効果は、以下の２つが挙げられる。
【０１００】
第１には、上記基本波レーザ光の波長変換を行い第５高調波を発生させることで、スペクトル幅を略５倍に広げることができる。これは、基本波レーザ光において振幅ｍで位相変調した場合、（１４）式に示すように、第５高調波では振幅５ｍでの位相変調に相当するからである。なお、（１４）式において、ここでＥ５ｗ（ｔ）は、５倍波の電場である。
【０１０１】
【数１３】
第２には、チタン酸燐酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４ ：ＫＴＰ）、チタン酸砒酸カリウム（ＫＴｉＯＡｓＯ４ ）、チタン酸砒酸ルビジウム（ＲｂＴｉＯＡｓＯ４ ）、チタン酸砒酸セシウム（ＣｓＴｉＯＡｓＯ４ ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３ ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３ ）等のように、電気光学定数の高い結晶を電気光学結晶として使用することができる。
【０１０３】
従来においては、これら結晶は紫外光を透過しないため、第５高調波の変調に使用することはできなかった。例えば、β−ＢＢＯと比較してＫＴｉＯＰＯ４ は、２０倍以上の電気光学変調効率を示す。従って、印加すべき電圧は、同じサイズの結晶を使う場合２０分の１以下になる。
【０１０４】
以上２つの効果により、波長変換前の例えば波長１０６４ｎｍである基本波レーザ光を位相変調することにより、より低い電圧で、波長２１３ｎｍである第５高調波のスペクトルを幅広く広げることが可能である。例えば、第５高調波にて４ＧＨｚまでスペクトル幅を広げるとき、基本波レーザ光を８００ＭＨｚのスペクトル幅に広げればよい。これは、例えば変調周波数ｆｍ ＝２００ＭＨｚ、変調指数ｍ＝２程度で基本波レーザ光を位相変調することにより実現可能である。また、この変調指数は、上記位相変調装置１の材料をＫＴＰとして、レーザー光が結晶中を通過する長さを６０ｍｍ、電極間距離を１ｍｍとするとき、振幅が略５０Ｖ、周波数２００ＭＨｚの電圧信号を上記位相変調装置１に印加することで実現可能である。
【０１０５】
次に、複数の周波数で位相変調を行う効果について説明する。
【０１０６】
先ず、単一の周波数で位相変調を行うとき、分割されたそれぞれのスペクトルの強度はベッセル関数の２乗に比例するため、スペクトル全体の形状は限定される。また、可干渉性が再現する距離Ｌｓ を遠ざけるために、各々の周波数間隔ｆｓ を小さくして、なおかつスペクトルを広げるには大きな変調指数ｍが必要となる。例えば、ｆｓ ＝１００ＭＨｚでΔｆ＝８００ＭＨｚまでスペクトル幅を広げるとき、変調指数はｍ＝４程度となり、上述のＫＴＰを用いた位相変調装置の例ではＶｐ−ｐ ＝１００Ｖという高い電圧が必要となり、さらにそのときのスペクトルの形状はローレンツ型から大きく外れたものとなる。
【０１０７】
そこで、本発明においては、複数の周波数で同時に位相変調を行うことにより上記の問題を解決した。また、周波数間隔ｆｓ を小さくし、かつスペクトル幅を十分に広げ、さらにローレンツ型に近いスペクトル形状を実現することが可能となった。
【０１０８】
ここで、複数の周波数で同時に位相変調した場合、すでに示したように、ある周波数成分での位相変調により発生したスペクトルが、さらに他の周波数成分により分割され、多くのスペクトル線が発生する。例えば、ｆｍ１＝２００ＭＨｚ、ｍ１ ＝２．０程度で位相変調を行い、さらに、ｆｍ２＝９７ＭＨｚ、ｍ２ ＝１．４で位相変調を行うと、図１のＣに示すような形状であって、個々のスペクトルの間隔ｆｓ が９７ＭＨｚ、全体のスペクトル幅Δｆが８００ＭＨｚのスペクトルが得られる。ここでは、２つの周波数の最小公倍数を十分大きくして、発生するスペクトルが重なり、打ち消し合わないようにするため、ｆｓ ＝９７ＭＨｚとしている。このように、１００ＭＨｚの周波数だけでΔｆ＝８００ＭＨｚまでスペクトル幅を広げる場合に比べて、半分の位相変調指数で、同程度の効果が得られることがわかる。さらに、多くの周波数成分の信号を適当な振幅で印加することにより、スペクトルの形状をローレンツ型に近づけることが可能である。
【０１０９】
また、複数の周波数で位相変調を行う方法としては、複数の位相変調装置を直列に配置し、それぞれに異なる周波数の電圧を印加する方法と、１個の位相変調装置に複数の周波数成分をもつ信号を印加する方法がある。
【０１１０】
上述の２つの方法を組み合わせた場合、基本波レーザ光に複数の周波数で位相変調することにより、低い電圧で、広いスペクトル幅にわたって緻密にスペクトルを発振させることができる。さらに、位相変調された基本波レーザ光を第５高調波に変換すると、スペクトル幅はその略５倍に広がる。また、各周波数成分の位相変調指数を最適化することにより、第５高調波のスペクトルの包絡線を最適なローレンツ型に近づけることができる。そのようなスペクトルを発生させることにより、コヒーレント長を７５ｍｍ程度まで短くすることができる。
【０１１１】
ここで、図４は、複数の周波数を印加してローレンツ型に近いスペクトルを発生させた例を示す。なお、上記コヒーレント長７５ｍｍ、スペクトル幅４ＧＨｚを例に挙げたが、適当な変調周波数、電圧を採用することにより、コヒーレント長を３０〜１８０ｍｍまで調整することが可能である。
【０１１２】
また、位相変調装置の材料としては、上述のように近赤外光を透過するすべての電気光学結晶について使用可能である。
【０１１３】
例えば、ＫＴＰを例にとって説明する。ＫＴＰにおけるＱスイッチパルスレーザーによるレーザー損傷の閾値として、２０Ｊ／ｃｍ２ という値が報告されている。一方、上述の紫外線露光装置の光源として使用されるＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザー発振装置のパルス強度は１ｍＪ程度である。ビーム直径を０．３ｍｍとすると、パワー密度は１．４Ｊ／ｃｍ２ であるため、１．４Ｊ／ｃｍ２ で、レーザー損傷閾値の略１５分の１となり、レーザ損傷の発生は防がれる。
【０１１４】
また、このとき、位相変調装置のクリアアパーチャを１ｍｍ×１ｍｍとすれば回折損失も発生しない。位相変調指数ｍは、ＫＴＰの電気光学変調定数ｒ、ＫＴＰの屈折率ｎ、使用波長λ、電極間の距離ｄ、結晶の長さｌ、印加電圧Ｖにより以下の（１５）式に示される。
【０１１５】
【数１４】
ここで、（１５）式にλ＝１０６４ｎｍ、ｒ＝３５ｐｍ／Ｖ、ｎ＝１．８３、ｄ＝１ｍｍを代入し、結晶の長さをｌ＝６０ｍｍ（加工が困難な場合は長さ３０ｍｍの結晶を２個直列に配置してもよい）とすることにより、Ｖ＝５０Ｖ程度の印加電圧によりｍ＝２の位相変調指数を実現することができる。
【０１１７】
他に、ＫＴＰは、潮解性を示さず、化学的安定であるという利点を有する。
【０１１８】
ここで、上述の大きさのＫＴＰを用いた位相変調装置の具体的な構成例を図５に示す。
【０１１９】
図５において、電気光学結晶素子である一対のＫＴＰ１１がマウント１２上で所定の位置に配置される。ここで、ｂ軸をＫＴＰ１１の長手方向にとり、ｃ軸をこのｂ軸に対して垂直でかつＫＴＰ１１の設置面に対して垂直方向にとり、ａ軸をｂ軸及びｃ軸に対して垂直方向にとると、各ＫＴＰ１１上に形成される一対の面で、ａ、ｃ軸で形成されるａ−ｃ面に対して平行な面の一方同士が対向するように配置される。
【０１２０】
また、両方のＫＴＰ１１のａ、ｂ軸で形成されるａ−ｂ面に対して平行な一対の面に形成される電極の一方には、後述する電圧増幅器１５からの電圧信号がコネクタ１３を介して印加され、もう一方の電極は、接地されている。また、電圧発生器１４は、上記位相変調周波数を発生し、この発生した電圧信号を電圧増幅器１５に出力する。電圧増幅器１５は、電圧発生器１４で発生した電圧信号を増幅して出力する。
【０１２１】
なお、図５に示した位相変調装置において、ＫＴＰとして長手方向が６０ｍｍである１つの結晶が用いられているのではなく、加工の容易さを考慮して長手方向が３０ｍｍの結晶が２つ直列に配置して用いられている。また、長手方向と垂直な面は一辺が１ｍｍの正方形を有している。
【０１２２】
図５によれば、基本波レーザ光は、例えばこの一辺が１ｍｍの面で外方側に向いている面ｈ１ の方向から入射される。この入射された基本波レーザ光は、ＫＴＰ１１の内部で、電圧発生器１４から出力される位相変調周波数にて位相変調を受ける。この位相変調を受けたレーザ光は、面ｈ１ と反対方向にある面ｈ２ から外方側に出力される。
【０１２３】
以上、具体例によれば、基本波の位相変調及び複数の周波数での位相変調により、可干渉性の高いＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーの第５高調波のコヒーレント長を投影装置に望ましい３０〜１８０ｍｍ程度まで短くすることができる。この結果、従来のエキシマレーザーに比べて、小型で消費エネルギーが小さく、また、毒性もなく、操作や保持が容易なＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーを紫外光露光装置の応用に供することが可能となる。また、位相変調手段として、ＫＴＰあるいはＫＴＰ誘導体等の結晶を用いた位相変調装置の使用が可能である。
【０１２４】
図２に示した半導体露光装置によれば、均一照明装置に用いるレーザ光を出射する光源として、Ｑスイッチレーザ光源と、位相変調手段と、波長変換手段とで構成される紫外線レーザ光発生装置を用いる。
【０１２５】
また、上記紫外線レーザ光発生装置において、Ｎｄ：ＹＡＧで構成され縦単一モードで発振するＱスイッチレーザ光源を基本波光源とし、位相変調手段にてこの基本波レーザ光に対して複数の周波数成分にて位相変調を行い、さらに波長変換手段にて第５高調波に波長変換を行う。
【０１２６】
このため、位相変調時に比較的低い振幅の正弦波を印加することができ、スペクトル幅を十分に広げ、可干渉性を十分に低くすることができるとともに、上記紫外線レーザ光発生装置と均一照明装置との組み合わせにより、スペックルノイズを除去することができる。
【０１２７】
そのスペックルノイズ（干渉ノイズ）は、上記均一照明装置７の構成によってもその鮮明度（ビジビリティ）の程度が異なる。例えば、露光用の紫外レーザ光に用いられる上記レチクル２０１上での照射領域を矩形あるいはスリット状にしつつ、その照射領域内での強度分布の均一性を数％未満にする光学系として、従来からフライアイレンズ・インテグレータによって多数の２次光源（点光源）が面状に分布した２次光源面を作っていた。
【０１２８】
この場合、オプチカル・インテグレータに入射する紫外レーザ光のコヒーレント長よっては、生成された多数の２次光源のうちの特定の間隔以内に接近した点光源から進む光同志が互いに干渉し合うことがある。この干渉によってレチクル２０１上や半導体ウェハ２０３上には、オプチカル・インテグレータで作られた多数の２次光源の配列方向に対応した１次元または２次元の干渉縞が現れる。この干渉縞の鮮明度は紫外レーザ光のコヒーレント長に依存する。
【０１２９】
このような干渉縞は、周期性を持つために本来のランダムな干渉現象であるスペックルノイズと区別されることもあるが、広義に見ればどちらも干渉現象であることに差異はなく、レーザ光のコヒーレント長が極めて大きいときはランダムなスペックルパターンと周期的な干渉縞との両方が大きなビジビリティで発生し、コヒーレント長の低下とともにまずランダムなスペックルパターンのビジビリティが許容値以下となって消失し、さらにコヒーレント長を低下させることで周期的な干渉縞のビジビリティも許容値以下となって消失するのである。
【０１３０】
実際の露光装置の性能を考えた場合、その干渉縞のコントラストが数％以下程度あってもレチクル２０１の回路パターンを半導体ウェハ２０３へ転写する際の像質劣化を引き起こすことがある。その際は、例えばオプチカル・インテグレータに入射する紫外レーザ光の入射角をパルス発振とともに振動ミラー等で微小変化させ、多数の２次光源の間に位相差（光路長差）を与えてレチクルや半導体ウェハ上の干渉縞をそのピッチ方向に１／２周期の整数倍に亘って変位させることで半導体ウェハ上の露光量分布を積算的に均一化する方法が利用できる。
【０１３１】
また、オプチカル・インテグレータの使用によって半導体ウェハ上に生じる干渉縞の低減方法としては、オプチカル・インテグレータの前に紫外レーザ光をランダムな方向に透過拡散させる円形拡散板（レモンスキン等）を設け、それを露光動作中は高速回転させる方法も利用できる。この場合も、半導体ウェハ上の露光量分布は複数のパルス光毎にランダムな方向に発生する多数の干渉縞の重畳積算によって平均化される。
【０１３２】
なお、露光装置においては、最終的に半導体ウェハ上での照明むらが均一化されること、すなわち半導体ウェハ上の１つのショット領域内のどの点にも目標露光量が±１％程度の精度で与えられることが重要なので、上記均一照明装置７内に上記振動ミラーや円形拡散板等によるダイナミックな干渉性低減装置が設けられる場合は、そのダイナミックな干渉性低減装置での干渉ノイズの低減性能も考慮して紫外レーザ光のコヒーレント長を決定することになる。
【０１３３】
もちろん上記均一照明装置７として、上記波長変換装置３からの紫外レーザ光を複数の光束に分割し、分割された各光束の間に互いに異なる光路長差（位相差）を与えてから１つの光束に合成することで干渉性を低減するスタティックな干渉性低減装置と、上記ダイナミックな干渉性低減装置とを併用してもよい。
【０１３４】
その場合は、露光用照明系の構成が複雑になり、実質的な照明光路も長くなるために光量上の損失が若干大きくはなるが、波長変換装置３からの紫外レーザ光のコヒーレント長がかなり大きな範囲（例えば５００ｍｍ程度まで）になっても対応可能となるといった大きな利点もある。このように大きな値のコヒーレント長まで許容されるということは、上記高周波信号発生器４で作られる位相変調用の高周波信号の実質的な周波数スペクトラム（複数の周波数の分布幅）が小さくできることを意味し、高周波信号発生器４の構成が簡単になるといった利点がある。
【０１３５】
ここで、上記半導体露光装置を用いてなされる回路パターン製造方法についてまとめる。
【０１３６】
上記回路パターン製造方法は、縦単一モード発振するパルスレーザ光源としてのＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ発振装置２からの基本波レーザ光を波長変換装置３に入射して該基本波レーザ光の１／ｎの中心波長を有する紫外レーザ光を生成し、該紫外レーザ光をマスクとしてのレチクル２０１に照射することによって該レチクル２０１の回路パターンの像を投影光学系である投影レンズ２０２を介して感光基板としての半導体ウェハ２０３上に転写する回路パターン製造方法において、前記投影レンズ２０２で許容される色収差量に対応した前記紫外レーザ光の波長幅をΔλとしたとき、波長変換装置３に入射する基本波レーザ光の実効的なスペクトル幅を略ｎ・Δλにするように前記基本波レーザ光を電気−光学的な位相変調装置１によって位相変調する段階を含み、前記投影レンズ２０２の複数の光学素子が単一の透過性硝材のみで構成されるときは前記紫外レーザ光の波長幅Δλに対応したコヒーレント長が約８０ｍｍ以上になるように前記位相変調装置１を駆動する信号の周波数スペクトルを設定し、前記投影レンズ２０２の複数の光学素子が複数種の透過性硝材、あるいは透過性硝材と反射素子との組合せで構成されるときは、前記紫外レーザ光の波長幅Δλに対応したコヒーレント長が約８０ｍｍ以下になるように前記駆動信号の周波数スペクトルを設定したことを特徴としている。
【０１３７】
以上のように、半導体露光装置を構成することで、紫外線レーザ光発生装置の光源を多モード発振させ該紫外線レーザ光発生装置の構成を大きく変更しなくても、この上記光源の外部に簡単な構成を付加することで、この紫外線レーザ光発生装置から出射されるレーザ光の可干渉性を小さくし、スペックルノイズを除去することができる。
【０１３８】
また、上記紫外線レーザ光発生装置の光源として近赤外領域のレーザ光を使用し、このレーザ光の変調を位相変調手段にて行うようにするため、紫外光を直接位相変調し、スペクトル幅を広げる場合に比べて、使用できる電気光学結晶の種類が多くなる。
【０１３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る半導体露光装置によれば、紫外線レーザ光発生装置の光源を多モード発振させ該紫外線レーザ光発生装置の構成を大きく変更しなくても、この上記光源の外部に簡単な構成を付加することで、この紫外線レーザ光発生装置から出射されるレーザ光の可干渉性を小さくし、スペックルノイズを除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体例としての半導体露光装置を構成するレーザ光発生装置の位相変調装置にて、複数の周波数で位相変調した場合のパワースペクトルを説明するための図である。
【図２】上記具体例の半導体露光装置の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図３】上記位相変調装置により実現可能な、ローレンツ型の包絡線のスペクトル、およびこの包絡線のスペクトルが示す鮮明度と光路長差との関係を示すグラフである。
【図４】上記位相変調装置にて位相変調して得られたスペクトルの一例を示す図である。
【図５】上記位相変調装置で電気光学結晶としてＫＴＰを用いた具体的な構成を示す図である。
【図６】ローレンツ型スペクトルと、このスペクトルが示す鮮明度と光路差長との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 位相変調装置
２ Ｎｄ：ＹＡＧＱスイッチレーザ装置
３ 波長変換装置
７ 均一照明装置
８ 投影装置
Claims (12)
- 縦単一モード発振するパルスレーザ光源と、
上記レーザ光源にて出射された基本波レーザ光を、複数の周波数成分から成る電圧信号で位相変調する位相変調手段と、
上記位相変調手段にて位相変調された基本波レーザ光の波長を紫外線の波長に変換する波長変換手段と
を有する紫外線レーザ光発生装置と、
光路差を生起する作用を有する均一照明装置と、
上記均一照明装置からのレーザ光を使って所定のパターンを基板上に投影する投影装置と
を備えることを特徴とする半導体露光装置。 - 上記レーザ光源は、ネオジム：イットリウム・アルミニウム・ガーネットから成るとともにＱスイッチ法にて発振する光源であり、上記波長変換手段は上記レーザ光源より出射されたレーザ光の波長を第５高調波に変換することを特徴とする請求項１記載の半導体露光装置。
- 上記投影装置は、単一の硝材から成る投影レンズを有し、
上記紫外線レーザ光発生装置は、コヒーレント長が８０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下であること
を特徴とする請求項１記載の半導体露光装置。 - 上記投影装置は、複数種の硝材から成る色消し投影レンズを有し、
上記紫外線レーザ光発生装置は、コヒーレント長が３０ｍｍ以上８０ｍｍ以下であること
を特徴とする請求項１記載の半導体露光装置。 - 縦単一モード発振するパルスレーザ光源からの基本波レーザ光を波長変換手段に入射して該基本波レーザ光の１／ｎの中心波長を有する紫外レーザ光を生成し、該紫外レーザ光をマスクに照射することによって該マスクの回路パターンの像を投影光学系を介して感光基板上に転写する投影露光装置であって、
前記波長変換手段と前記マスクとの間に設けられ、前記マスクを照射する前記紫外レーザ光のコーヒーレンシィに依存して前記感光基板上で生じる干渉ノイズのビジビリティを低減する干渉性低減手段と、
前記紫外レーザ光のコヒーレント長を制御するために、前記波長変換手段に入射する前記基本波レーザ光を複数の周波数成分を含む電気信号に応答して位相変調する位相変調手段と、
前記位相変調手段からの紫外レーザ光のコヒーレント長が、前記回路パターンの転写時に許容される前記投影光学系の最大の色収差を生起せしめる波長幅に対応した最小のコヒーレント長Ｌ１と、前記干渉性低減手段によって干渉ノイズのビジビリティを所定の許容範囲内に低減させることが可能な最大のコヒーレント長Ｌ２との間に設定されるように、前記電気信号に含まれる複数の周波数成分の分布を設定して前記位相変調手段へ供給する駆動信号生成回路とを備えたことを特徴とする投影露光装置。 - 上記レーザ光源は、ネオジム：イットリウム・アルミニウム・ガーネットから成るとともにＱスイッチ法にて発振する光源であり、上記波長変換手段は上記レーザ光源より出射されたレーザ光の波長の１／５の波長を有する紫外線レーザ光を生成することを特徴とする請求項５記載の投影露光装置。
- 前記投影光学系を構成する複数の光学素子が前記紫外レーザ光の波長域で十分な透過率を有する単一の硝材で構成されるとき、前記駆動信号生成回路で生成される複数の周波数成分の分布は、前記紫外レーザ光の最小コヒーレント長Ｌ１を約８０ｍｍとし、最大コヒーレント長Ｌ２を約１８０ｍｍとして設定されることを特徴とする請求項５記載の投影露光装置。
- 前記投影光学系が前記紫外レーザ光の波長域で十分な透過率を有する複数種の硝材で構成されるか、あるいは透過光学素子と反射光学素子との組合せで構成されるとき、前記駆動信号発生回路で生成される複数の周波数成分の分布は、前記紫外レーザ光の最小コヒーレント長Ｌ１を約３０ｍｍとし、最大コヒーレント長Ｌ２を約８０ｍｍとして設定されることを特徴とする請求項５記載の投影露光装置。
- 縦単一モード発振するパルスレーザ光源からの基本波レーザ光を波長変換手段に入射して該基本波レーザ光の１／ｎの中心波長を有する紫外レーザ光を生成し、該紫外レーザ光をマスクに照射することによって該マスクの回路パターンの像を投影光学系を介して感光基板上に転写する回路パターン製造方法において、
前記投影光学系で許容される色収差量に対応した前記紫外レーザ光の波長幅をΔλとしたとき、前記波長変換手段に入射する基本波レーザ光の実効的なスペクトル幅を略ｎ・Δλにするように前記基本波レーザ光を電気−光学的な位相変調手段によって位相変調する段階を含み、
前記投影光学系の複数の光学素子が単一の透過性硝材のみで構成されるときは前記紫外レーザ光の波長幅Δλに対応したコヒーレント長が約８０ｍｍ以上になるように前記位相変調手段を駆動する信号の周波数スペクトルを設定し、前記投影光学系の複数の光学素子が複数種の透過性硝材、あるいは透過性硝材と反射素子との組合せで構成されるときは、前記紫外レーザ光の波長幅Δλに対応したコヒーレント長が約８０ｍｍ以下になるように前記駆動信号の周波数スペクトルを設定したことを特徴とする回路パターン製造方法。 - 上記レーザ光源は、ネオジム：イットリウム・アルミニウム・ガーネットから成るとともにＱスイッチ法にて発振する光源であり、上記波長変換手段は上記レーザ光源より出射されたレーザ光の波長の１／５の波長を有する紫外線レーザ光を生成することを特徴とする請求項９記載の回路パターン製造方法。
- 前記波長変換手段から射出された紫外レーザ光を入射し、該紫外レーザ光のコヒーレンシィに依存して前記感光基板上で生じ得る干渉ノイズのビジビリティを低減させる干渉性低減手段を併用する段階を含み、前記投影光学系が単一の透過性硝材のみで構成されるときに許容される前記紫外レーザ光のコヒーレント長の上限値を前記干渉性低減手段の性能に応じて決定したことを特徴とする請求項９記載の回路パターン製造方法。
- 前記投影光学系が複数種の透過性硝材、あるいは透過性硝材と反射素子との組合せで構成されるときに、前記紫外レーザ光のコヒーレント長の下限値は、前記感光基板を投影露光する上で許容される最大の色収差に対応した最大の波長幅に応じて決定されることを特徴とする請求項９記載の回路パターン製造方法。
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