JP3607006B2

JP3607006B2 - Exposure apparatus for integrated circuit manufacturing

Info

Publication number: JP3607006B2
Application number: JP19149396A
Authority: JP
Inventors: 朗藤ノ木; 裕幸西村; 利樹森
Original assignee: Shin Etsu Quartz Products Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Quartz Products Co Ltd
Priority date: 1996-07-02
Filing date: 1996-07-02
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2016-07-02
Also published as: JPH1022216A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は６４Ｍから２５６Ｍをにらんだ集積回路製造用露光装置に係り、特にＡｒＦエキシマレーザーからのレーザ光で集積回路のパターンを照明し、石英ガラス材からなる光学系により集積回路のパターンをウエーハ上に焼き付けて集積回路を製造する為の露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光を用いてマスク上のパターンをウエーハ上に転写する光リソグラフィ技術は電子線やΧ線を用いる他の技術に比較してコスト面で優れている事から集積回路を製造する為の露光装置として広く用いられている。
従来かかる光リソグラフィ技術を利用した露光装置には光源に高圧水銀ランプから発する波長３６５ｎｍのｉ線を用いて線幅０．５〜０．４μｍのパターン形成が露光装置が開発されているが、かかる露光装置は１６Ｍビット−ＤＲＡＭ以下の集積回路に対応するものである。
一方次世代の６４Ｍビット〜２５６Ｍビットでは０．２５〜０．３５μｍの結像性能を、更には１Ｇビットでは０．１３〜０．２０μｍの解像性能を必要とするが、０．３５μｍという解像性能はｉ線の波長を下回るもので、光源としてＫｒＦ光が用いられる。そして更に０．２０μｍを切る領域ではＫｒＦ光に代ってＡｒＦ光、特にＡｒＦエキシマレーザーが使用される。
【０００３】
しかしながらＡｒＦエキシマレーザーを用いた光リソグラフィ技術には種々の課題があり、その一つが投影光学系を構成するレンズ、ミラーやプリズムを形成するための光学材料の問題である。
即ちＡｒＦの１９３ｎｍ波長で透過率のよい光学材料は実質的に石英ガラス、特に高純度の合成石英ガラスに限定されるが、ＡｒＦ光は石英ガラスに与えるダメージがＫｒＦ光に比べて１０倍以上大きい。
【０００４】
さて、石英ガラスのエキシマレーザー照射に対する耐性は、本出願人の出願にかかる特願平１ー１４５２２６に示される様に含有される水素濃度に依存する。
このため従来のＫｒＦエキシマレーザーを光源とする露光装置では光学系を構成する石英ガラスはその含有する水素濃度が５×１０^１６分子／ｃｍ^３以上あれば、十分な耐性を確保することが出来たと前記技術に記載されている。
しかしながらＡｒＦレーザー光が石英ガラスに与える影響は前記したようにＫｒＦに比べて甚大であるために、ＡｒＦレーザー光によって合成石英ガラスに引き起こされるダメージの程度（透過率の変化及び屈折率の変化）を調べてみると、必要とされる水素分子濃度はＫｒＦレーザー光に比べて場合によっては１００〜１０００倍以上も高濃度、具体的には５×１０^１８分子／ｃｍ^３以上の水素分子濃度が必要がある事が判明した。
【０００５】
さてこの光学系を構成する石英ガラスに含まれる水素分子濃度は原料素材を合成する条件及び／またはその後の熱処理工程（水素ｄｏｐｅも含む）の条件により決定される数字であり、一般的には水素分子濃度は工程のばらつきによる範囲を無視すれば一義的に定まり、従って露光装置を構成するミラーやレンズ等の光学系に用いられる合成石英ガラス部材は水素濃度という視点からみればただ１種類の合成石英ガラスから成り立っていた。
合成石英ガラスに水素分子を含ませる方法は２つあるが、まず製造時の雰囲気を調整して常圧で合成石英ガラスに水素分子を含ませる場合、含ませうる水素分子濃度は最高で５×１０^１８分子／ｃｍ^３程度までである。またもう１つの方法として水素雰囲気での加圧熱処理により水素分子を石英ガラス中にドープする場合でも、高圧ガス取り締まり法の対象とならない上限の１０気圧／ｃｍ^２の水素処理において導入される水素分子濃度はやはりが５×１０^１８分子／ｃｍ^３が上限である。
【０００６】
このため石英ガラス中に５×１０^１８分子／ｃｍ^３以上の水素分子を含ませようとする場合には、１０気圧より遥かに高い高圧の水素圧力で熱処理を行う事が必要となる。
例えば本出願人が出願した特開平４ー１６４８３３においては、アルゴンガス１００％の高圧雰囲気で、１７５０℃の温度を再溶融加熱処理することにより略５×１０^１８（ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^３）の程度の水素分子をドープし得る技術が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら１７５０℃の温度を再溶融加熱処理することは石英ガラスに新たな欠陥を誘起するために、熱処理温度は２００〜８００℃の範囲で行う事が好ましいが（特開平６−１６６５２８）、この温度領域で水素熱処理により石英ガラス光学部材に５×１０^１８分子／ｃｍ^３以上の多量の水素分子を導入する場合、水素分子の拡散速度があまり大きくないので大きな光学部材においては処理に非常に時間がかかるという欠点を有するうえに、高圧雰囲気で熱処理を行う事は石英ガラス光学部材の屈折率の均質性が低下し、また歪みが導入されるという問題点も有している。
従って高圧熱処理を行った場合においても再度の調整のための熱処理が必要で、このため５×１０^１８分子／ｃｍ^３以上水素分子を含有しかつ露光装置の光学系を構成するに足りる屈折率の均質性、低歪み等の光学特性を兼ね備えた石英ガラスは工業的には極めて複雑で長時間の処理を経た非常に高価なものとなってしまう。
【０００８】
本発明は、水素ドープされた石英ガラスからなる光学系を用いてＡｒＦエキシマレーザー露光装置を構成する場合においても、耐久性や品質を劣化させる事なく、光学系全体として低コストで製造容易に構成することのできる露光装置を提供する事を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる技術課題を達成する為に、ＡｒＦエキシマレーザーからのレーザ光で集積回路のパターンを照明し、石英ガラス材からなる光学系により集積回路のパターンをウエーハ上に焼き付けて集積回路を製造する為の露光装置において、
前記光学系を構成する少なくともレンズを水素ドープされた合成石英ガラス製光学部材で構成するとともに、該レンズを水素分子濃度の異なる複数種の石英ガラス製光学部材群で構成し、夫々の光学部材群の水素分子濃度Ｃ_Ｈ２（分子／ｃｍ^３）が、対応するレンズを透過するＡｒＦエキシマレーザー光の１パルス当たりのエネルギー密度をε（ｍＪ／ｃｍ^２）として、
ε＜０．２ｍＪ／ｃｍ^２においては、
式１９．２＋２．９８Ｌｏｇε≦Ｌｏｇ（Ｃ_Ｈ２）＜１８．６ …１）
ε≧０．２ｍＪ／ｃｍ^２においては
式１９．２＋２．９８Ｌｏｇε≦Ｌｏｇ（Ｃ_Ｈ２）≦２０．７＋２．９８Ｌｏｇε …２）
で規定される範囲にあるように設定した事を特徴とする半導体露光装置を提案する。
【００１０】
以下本発明を詳細に説明する。
図１は本発明に適用されるＡｒＦエキシマレーザーを用いたリソグラフィ露光装置の概略構成図で、１はＡｒＦエキシマレーザー光源、２はウエーハ面上において回析光の干渉のないパターン像を形成するための変形照明手段で、中心部が遮光面となる例えば四重極照明若しくは輪帯照明光源状の形状を有す。
３は前記光源より照射されたエキシマレーザー光をレチクルに導く為のコンデンサレンズ、４はマスク（レチクル）、５は投影光学系で、例えば屈折力が正のレンズ群と、屈折力が負のレンズ群を組合せて、前記光学系中に瞳面を形成し、解像力の向上を図っている。６はウエーハステージ７上に載置されたウエーハで、前記レチクル４に形成したマスクパターンが前記投影光学系を介してウエーハ６上に結像描画される。
【００１１】
かかる装置において、前記投影光学系にはウエーハ面にパターン光を結像させるために、ウエーハ面と最近接位置に配置した集光レンズ群５ａと、瞳面近傍に配置したレンズ群５ｂが存在するが、瞳面には光源の像である二次光源が形成される。従って瞳面に光源像が離散的に表われると、そこにエネルギーが集中し、ウエーハ側とともに光学系の破損要因となる。
一方レチクル側はウエーハ側に比べ結像倍率の２乗でエネルギー密度が小さくなる為厳しい条件とはならない。
【００１２】
本発明はかかる点に着目したのであり、
即ち、具体的に説明すると、ＡｒＦエキシマレーザーの瞳面の大きさは参考文献によるとφ３０〜φ５０ｍｍ程度であり、この面積に対して何倍かという基準でエネルギー密度を決める事が合理的である。
例えばレジスト感度２０〜５０ｍＪとし、これを２０〜３０パルスのレーザー照射で露光するとすると、瞳面上のパルス当たりのエネルギー密度は０．７〜１．７ｍＪ／ｃｍ^２、正確には露光面と瞳面ではエネルギー密度は異なり、ウエーハ面の方が僅かに大きいと仮定した場合ででも前記ウエーハ面に最も近接された位置に配置されたレンズ群のエネルギー密度はその８０〜９０％程度の０．６〜１．５ｍＪ／ｃｍ^２程度であると推定される。又瞳面はこれより僅かに低いものと思料される。
【００１３】
一方光の狭帯域化と解像力の向上を図るために、屈折力が正のレンズ群と、屈折力が負のレンズ群を組合せて前記投影光学系を構成するが（例えば特開平３−３４３０８参照）、この場合夫々のレンズ群は収差を極力排除する必要があり、このような場合実際の夫々のレンズ群の縮小若しくは拡大する倍率はある程度抑えて設定するのがよく、してみると前記最近接位置より次段のレンズ群のエネルギー密度は０．６〜１．５ｍＪ／ｃｍ^２の１／３程度、具体的には０．２〜０．６ｍＪ／ｃｍ^２程度であると推定される。
その他のほとんどのレンズ群は１パルス当たりのエネルギー密度ε≦０．２ｍＪ／ｃｍ^２である。
従って前記夫々のエネルギー密度を前記式に当てはめてみると、１）式より１パルス当たりのエネルギー密度ε≦０．２ｍＪ／ｃｍ^２の前記投影光学系の殆どのレンズ群の水素分子濃度Ｃ_Ｈ２分子／ｃｍ^３は、１×１０^１７≦Ｃ_Ｈ２＜５×１０^１８に設定でき、かかる水素濃度範囲であれば特に製造条件が困難を伴う事もなくレンズ用水素ドープ合成石英ガラスの製造が可能である。
【００１４】
又同様に１パルス当たりのエネルギー密度０．２≦ε≦０．６ｍＪ／ｃｍ^２の、最も強いエネルギーを受ける次段のレンズ群は２）式から水素分子濃度Ｃ_Ｈ２分子／ｃｍ^３が５×１０^１７≦Ｃ_Ｈ２≦５×１０^１８に設定出来、この場合もかかる水素濃度範囲であれば特に製造条件が困難を伴う事もなくレンズ用水素ドープ合成石英ガラスの製造が可能である。
そして１パルス当たりのエネルギー密度０．６≦ε≦１．５ｍＪ／ｃｍ^２の最も強い光エネルギーを受けるウエーハ露光面又は／及び瞳面に最も近接した位置にあるレンズ（群）についてのみ水素分子濃度Ｃ_Ｈ２分子／ｃｍ^３が５×１０^１８≦Ｃ_Ｈ２≦５×１０^１９に設定すればよい。
【００１５】
尚、本発明は前記図１に示した投影光学系露光装置のみならず、反射光学系露光装置にも適用可能である。
即ち、図２は高解像度を図るためにプリズム型のビームスプリッタを用いた反射光学系露光装置のレンズ構成を示す概略図で、その構成を簡単に説明するに、光源１１より第１レンズ群１２を介してビームスプリッタ１３を通過した光が第２レンズ群１４を通過し、その後ミラー１５で変向されて、その後第３レンズ群１６で集光した後、該集光光で、レチクル１７をスキャンした後、再度第３レンズ群１６、ミラー１５、第２レンズ群１４を介して再びビームスプリッタ１３に戻り、今度は該スプリッタ１３に変向されて第４レンズ群１９で結像されてウエーハ１８上に集積回路パターンを焼き付ける。
【００１６】
かかる装置によれば前記スプリッタ１３に変向後の第４レンズ群１９は１パルス当たりのエネルギー密度０．６≦ε≦１．５ｍＪ／ｃｍ^２の最も強い光エネルギーを受ける為水素分子濃度Ｃ_Ｈ２分子／ｃｍ^３を５×１０^１８≦Ｃ_Ｈ２≦５×１０^１９に設定すればよく、又本装置においてはレチクル１７側で第３レンズ群１６で集光スキャンされるために１パルス当たりのエネルギー密度０．２≦ε≦０．６ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーを受ける為水素分子濃度Ｃ_Ｈ２分子／ｃｍ^３を５×１０^１７≦Ｃ_Ｈ２≦５×１０^１８に設定すればよく、そして他のレンズ、ミラー、及びプリズム型のビームスプリッタにおいては１パルス当たりのエネルギー密度ε≦０．２ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーしか受けない為に、そのレンズ群等の水素分子濃度Ｃ_Ｈ２分子／ｃｍ^３は、１×１０^１７≦Ｃ_Ｈ２≦５×１０^１８に設定すればよい。
【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組成、ドープ量、製造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。
さて前記図１及び図２に示す露光装置において実際の操業条件における光学特性の長期にわたる安定性を確認する事は非常に時間がかかるので、レンズ、ミラー、及びプリズム等を製造するための石英ガラス光学部材のみを取り出し、実際の操業を加速したシュミレーション実験を行った。
【００１８】
一般に石英ガラスのレーザー照射におけるダメージの進行速度は照射エキシマレーザーのエネルギー密度（フルエンス）の２乗に比例して早くなるが（光学第２３巻１０号“エキシマレーザ用石英ガラス”藤ノ木朗著参照、以下文献１という）この事を利用して加速実験の基準とした。
【００１９】
四塩化珪素を酸水素火炎で加水分解しながら回転する基体上に堆積させるいわゆる直接法で石英ガラスインゴットを作成した。
得られた石英ガラスインゴットはＯＨ基を８００〜１０００ｐｐｍ含有し、かつ水素分子を５×１０^１８分子／ｃｍ^２含有していた。この石英ガラスインゴットを特開平７−２６７６６２号に示される方法で均質化処理を行い１１５０℃で４０時間の歪取アニール為の加熱、徐冷を行った。
得られた均質な光学用石英ガラス材料の光学特性を測定したが、３方向に脈理が存在せず、また屈折率分布を干渉計（ＺｙｇｏＭａｒｋＩＶ）で測定したところΔｎは１×１０^−６以下と極めて良好な値を示した。また直交ニコルの歪み測定器で複屈折量を測定したが、複屈折量は１ｎｍ／ｃｍ以下であった。
【００２０】
この光学用石英ガラス材料は文献２（ＮｅｗＧｌａｓｓＶｏＬ６Ｎｏ，２（１９８９）１９１−１９６“ステッパ用石英ガラスについて”牛田一雄著）に示されるエキシマレーザーステッパーに用いられる石英ガラス部材として必要な光学特性を満たしているために、この光学用石英ガラス材料を用いて光学部品を構成する事によりＡｒＦを光源とする半導体露光装置を作る事が可能である。
一方で該光学用石英ガラス材料に含有された水素分子濃度をレーザーラマン法にて測定したところ、５×１０^１７分子／ｃｍ^２であった。（サンプル番号Ａ）
水素分子含有量はラマン分光光度計を用いて行なったが、これは日本分光工業社製のラマン分光光度計・ＮＲ１１００を用いて、励起波長４８８ｎｍのＡｒレーザー光で出力７００ｍＷ、浜松ホトニクス社製のホトマル・Ｒ９４３−０２を使用するホストカウンティング法で行なった。なお、この水素分子含有量はこのときのラマン散乱スペクトルで８００ｃｍ^−１に観察されるＳｉＯ_２の散乱バンドと水素の４１３５−４０ｃｍ^−１に観察される散乱バンドの面積強度比を濃度に換算して求めた。また、換算定数は文献値４１３５ｃｍ^−１／８００ｃｍ^−１×１．２２×１０^２１（ＺｈｕｒｎａｌＰｒｉ−ＫｌａｄｎｏｉＳｐｅｋｔｒｏｓｋｏｐｉｉ，Ｖｏｌ．４６、Ｎｏ．６、ＰＰ９８７〜９９１，Ｊｕｎｅ，１９８７）を使用した。
【００２１】
また該光学用石英ガラス材料からφ６０ｍｍ×ｔ２０ｍｍの試料を切り出し、大気雰囲気で１０００℃×２０時間の酸化処理を行った後、水素ガスの高圧（５０気圧）雰囲気で６００℃×１０００時間の水素ドープ処理を行った。処理後のサンプルの屈折率分布を測定したところΔｎが４×１０^−６で複屈折量は５ｎｍ／ｃｍ、含有される水素分子濃度は２×１０^１９分子／ｃｍ^３であった。（サンプル番号Ｄ）
【００２２】
更に該光学用石英ガラス材料からφ６０ｍｍ×ｔ２０ｍｍの試料を切り出し、大気雰囲気で１０００℃×２０時間の酸化処理を行った後、雰囲気炉中で水素ガスの加圧（９気圧）雰囲気で６００℃×１０００時間の水素ドープ処理を行った。処理後のサンプルの屈折率分布を測定したところΔｎが３×１０^−６で複屈折量は３ｎｍ／ｃｍ、含有される水素分子濃度は５×１０^１８分子／ｃｍ^３であった。（サンプル番号Ｂ）
【００２３】
再び該光学用石英ガラス材料からφ６０ｍｍ×ｔ２０ｍｍの試料を切り出し、大気雰囲気で１０００℃×２０時間の酸化処理を行った後、雰囲気炉中で水素ガスの加圧（３気圧）雰囲気で６００℃×１０００時間の水素ドープ処理を行った。処理後のサンプルの屈折率分布を測定したところΔｎが２×１０^−６で複屈折量は２ｎｍ／ｃｍ、含有される水素分子濃度は２×１０^１８分子／ｃｍ^３であった。（サンプル番号Ｃ）
【００２４】
ここで、サンプルＡ及びＣを除いてはそれぞれ１種類の石英ガラスのみではＡｒＦエキシマレーザーを光源とする露光装置を構成するには十分な均質性を有しておらず、また複屈折量も大きすぎる事が判ったが、サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄで代表される光学部材を図１の装置の投影光学系として光路長に換算して４：２：１：１でレンズ系を構成したとして光学系全体の屈折率の均質性を計算したところ、光路１ｃｍあたりのΔｎとしては２×１０^−６、複屈折の平均値は２ｎｍ／ｃｍであり露光装置を構成するに十分な光学特性が得られている事が判った。
【００２５】
尚、４つのサンプルの波長１９３ｎｍの紫外線に対する透過率を紫外分光光度計で測定したところ、１ｃｍ当たりの内部透過率で９９．８％と良好な値を示した。やはりエキシマレーザーステッパーを構成するのに十分な透過性を有している。
【００２６】
得られた４つのサンプルに対してＡｒＦエキシマレーザーを照射して光学特性の変化を調べた。照射条件はパルス当たりのエネルギー密度が１０ｍＪ／ｃｍ^２、照射周波数は３００Ｈｚで行った。これは文献１に示される様に実際の操業における光学部材を透過するレーザーの光エネルギー密度をεｍＪ／ｃｍ^２とすると、（１００／ε）^２倍の加速試験に該当する。
表１に各サンプルのエキシマレーザー照射結果を示す。照射数は２．５×１０^７ショットで、この照射に伴う１９３ｎｍの透過率変化と屈折率の変化を示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
サンプルＤに関しては屈折率の変化量が少なすぎるため正確な測定が行えなかった。
この結果から露光装置としての安定性を決定するパラメーターとして光学部材のＡｒＦレーザー照射による屈折率の変化が最も重要なパラメーターであることが判った。
今、サンプルＡ〜Ｃの結果を用いてパルス当りのＡｒＦレーザーのエネルギー密度１０ｍＪ／ｃｍ^２における屈折率の変化率と水素濃度の関係を調べると、以下の式を得た。
【００２９】
Ｌｏｇ［ｄｎ／ｄｐ_１０ｍＪ］＝−１．１３−０．６７Ｌｏｇ［Ｃ_Ｈ２］
ここでこの加速シュミレーション実験の条件から、実際の露光装置の操業において石英ガラス光学部材を透過するＡｒＦエキシマレーザー光のエネルギー密度をεｍＪ／ｃｍ^２とした場合に対する加速率は（１００／ε）^２倍であると考えられるので、ＡｒＦエキシマレーザー光のエネルギー密度をεｍＪ／ｃｍ^２の場合における屈折率の変化率は、
Ｌｏｇ［ｄｎ／ｄｐεｍＪ］＝−３．１３−０．６７Ｌｏｇ［Ｃ_Ｈ２］＋２Ｌｏｇ［ε］
であらわせる事が判った。
【００３０】
これらの石英ガラス光学部材より構成されるＡｒＦエキシマレーザーを光源とする露光装置においては照射数が１×１０^１０〜１×１０^１１ショットのエキシマレーザー照射（これは６００Ｈｚの周波数で半年〜６００Ｈｚの周波数で５年強に対応する）に対して屈折率の変化量Δｎが１×１０^−６以下であれば、実際の半導体露光には十分な安定性が確保できていると判断できるため、この基準でエネルギー密度εｃｍ^２の場合における屈折率の変化率は、
−１７≦Ｌｏｇ［ｄｎ／ｄｐεｍＪ］≦−１６
の範囲にある事が好ましい事が分かった。
【００３１】
このことから、石英ガラス光学部材より構成されるＡｒＦエキシマレーザーを光源とする露光装置において透過するＡｒＦエキシマレーザー光のエネルギー密度がεｍＪ／ｃｍ^２である石英ガラス部材が十分な安定性を有するためには、該石英ガラス部材に含まれるべき水素分子濃度は、以下の式であらわされる事が分かった。
１９．２＋２．９８Ｌｏｇε≦Ｌｏｇ（Ｃ_Ｈ２）≦２０．７＋２．９８Ｌｏｇε
ここで、上記式によって求められる水素分子濃度はエネルギー密度εとの関係で表にすると以下のような範囲になる。
【００３２】
【表２】

【００３３】
ここでε＜０．２ｍＪ／ｃｍ^２の低いエネルギー密度の領域においては、石英ガラス光学部材に含有される水素濃度の最大値に関しては、４×１０^１８分子／ｃｍ^２のレベルであれば工程的に負担の少ないより水素濃度の高い石英ガラス材料でも代替できると考えられるので、上記式はε≧０．２ｍＪ／ｃｍ^２に対して規定し、ε＜０．２ｍＪ／ｃｍ^２においては、
式１９．２＋２．９８Ｌｏｇε≦Ｌｏｇ（Ｃ_Ｈ２）＜１８．６
を用いればよい事が判明した。
【００３４】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、水素ドープされた石英ガラスからなる光学系を用いてＡｒＦエキシマレーザー露光装置を構成する場合においても、耐久性や品質を劣化させる事なく、光学系全体として低コストで製造容易に構成することのできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される投影光学系を用いた集積回路製造用露光装置である。
【図２】本発明が適用される反射光学系を用いた集積回路製造用露光装置である。
【符号の説明】
１ＡｒＦエキシマレーザー光源
２変形照明手段
３コンデンサレンズ
４マスク（レチクル）
５投影光学系
６ウエーハ
１１光源
１２第１レンズ群１２
１３ビームスプリッタ
１４第２レンズ群
１５ミラー
１６第３レンズ群
１７レチクル
１９第４レンズ群
１８ウエーハ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exposure apparatus for manufacturing an integrated circuit that looks from 64M to 256M. In particular, the pattern of the integrated circuit is illuminated by a laser beam from an ArF excimer laser, and the pattern of the integrated circuit is formed by an optical system made of quartz glass. The present invention relates to an exposure apparatus for manufacturing an integrated circuit by printing on the surface.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an optical lithography technique that uses light to transfer a pattern on a mask onto a wafer is superior in cost compared with other techniques that use an electron beam or a wire. Widely used as an exposure apparatus.
Conventionally, an exposure apparatus using such a photolithographic technique has been developed to form a pattern with a line width of 0.5 to 0.4 μm using i-line having a wavelength of 365 nm emitted from a high-pressure mercury lamp as a light source. The exposure apparatus corresponds to an integrated circuit of 16 Mbit DRAM or lower.
On the other hand, the next generation 64 Mbit to 256 Mbit requires imaging performance of 0.25 to 0.35 μm, and further 1 Gbit requires resolution performance of 0.13 to 0.20 μm. The image performance is lower than the wavelength of i-line, and KrF light is used as a light source. Further, ArF light, particularly ArF excimer laser is used in place of KrF light in the region of less than 0.20 μm.
[0003]
However, there are various problems in the optical lithography technology using an ArF excimer laser, one of which is a problem of optical materials for forming lenses, mirrors, and prisms constituting the projection optical system.
That is, the optical material with good transmittance at 193 nm wavelength of ArF is substantially limited to quartz glass, especially high-purity synthetic quartz glass, but ArF light damages quartz glass more than 10 times as much as KrF light. .
[0004]
The resistance of quartz glass to excimer laser irradiation depends on the concentration of hydrogen contained as shown in Japanese Patent Application No. 1-145226 filed by the present applicant.
For this reason, in an exposure apparatus using a conventional KrF excimer laser as a light source, the quartz glass constituting the optical system can ensure sufficient resistance if the hydrogen concentration contained therein is 5 × 10 ¹⁶ molecules / cm ³ or more. It is described in said technique.
However, since the influence of ArF laser light on quartz glass is much larger than that of KrF as described above, the degree of damage (change in transmittance and change in refractive index) caused by ArF laser light on synthetic quartz glass is determined. As a result of the investigation, the required hydrogen molecule concentration is 100 to 1000 times higher than the KrF laser light in some cases, specifically, a hydrogen molecule concentration of 5 × 10 ¹⁸ molecules / cm ³ or more is required. It turns out that there is.
[0005]
The concentration of hydrogen molecules contained in the quartz glass constituting this optical system is a number determined by the conditions for synthesizing the raw materials and / or the conditions for the subsequent heat treatment process (including hydrogen dope). The molecular concentration is uniquely determined by ignoring the range due to process variations. Therefore, a synthetic quartz glass member used in an optical system such as a mirror or a lens constituting an exposure apparatus has only one type of synthesis from the viewpoint of hydrogen concentration. It consisted of quartz glass.
There are two methods of including hydrogen molecules in synthetic quartz glass. First, when adjusting the atmosphere during production and including hydrogen molecules in synthetic quartz glass at normal pressure, the maximum concentration of hydrogen molecules that can be included is 5 ×. Up to about 10 ¹⁸ molecules / cm ³ . As another method, even when hydrogen molecules are doped into quartz glass by a pressure heat treatment in a hydrogen atmosphere, hydrogen molecules introduced in the upper limit 10 atm / cm ² of hydrogen treatment that are not subject to the high pressure gas control method. The upper limit of the concentration is still 5 × 10 ¹⁸ molecules / cm ³ .
[0006]
For this reason, when it is intended to contain 5 × 10 ¹⁸ molecules / cm ³ or more of hydrogen molecules in quartz glass, it is necessary to perform heat treatment at a high hydrogen pressure much higher than 10 atm.
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-164833 filed by the present applicant, a temperature of about 1 × 10 ¹⁸ (molecules / cm ³ ) is obtained by remelting heat treatment at a temperature of 1750 ° C. in a high-pressure atmosphere of 100% argon gas. A technique capable of doping hydrogen molecules is disclosed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, remelting heat treatment at a temperature of 1750 ° C. preferably induces a new defect in the quartz glass, so that the heat treatment temperature is preferably in the range of 200 to 800 ° C. (Japanese Patent Laid-Open No. 6-166528). When a large amount of hydrogen molecules of 5 × 10 ¹⁸ molecules / cm ³ or more are introduced into the quartz glass optical member by hydrogen heat treatment in the region, the diffusion rate of hydrogen molecules is not so high, so that processing time is very long for large optical members. In addition to the disadvantages described above, performing heat treatment in a high-pressure atmosphere has problems in that the homogeneity of the refractive index of the quartz glass optical member is reduced and distortion is introduced.
Accordingly, even when high-pressure heat treatment is performed, heat treatment for re-adjustment is necessary. Therefore, the refractive index is sufficient to contain 5 × 10 ¹⁸ molecules / cm ³ or more of hydrogen molecules and to constitute the optical system of the exposure apparatus. Quartz glass having optical properties such as homogeneity and low distortion is extremely complicated industrially and becomes very expensive after a long process.
[0008]
In the present invention, even when an ArF excimer laser exposure apparatus is configured using an optical system made of hydrogen-doped quartz glass, the entire optical system can be easily manufactured at low cost without deteriorating durability and quality. An object of the present invention is to provide an exposure apparatus that can perform the above.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such a technical problem, the present invention manufactures an integrated circuit by illuminating an integrated circuit pattern with a laser beam from an ArF excimer laser and baking the integrated circuit pattern on a wafer by an optical system made of quartz glass material. In the exposure apparatus for
At least the lens constituting the optical system is composed of an optical member made of synthetic quartz glass doped with hydrogen, and the lens is composed of a plurality of types of optical members made of quartz glass having different hydrogen molecule concentrations. The hydrogen molecule concentration of C _H2 (molecules / cm ³ ) is ε (mJ / cm ² ), where ε (mJ / cm ² ) is the energy density per pulse of ArF excimer laser light that passes through the corresponding lens
For ε <0.2 mJ / cm ²
Formula 19.2 + 2.98 Logε ≦ Log (C _H2 ) <18.6… 1)
In the case of ε ≧ 0.2 mJ / cm ² , the formula 19.2 + 2.98 Log ε ≦ Log (C _H2 ) ≦ 20.7 + 2.98 Log ε 2)
We propose a semiconductor exposure apparatus characterized in that it is set to fall within the range specified in (1).
[0010]
The present invention will be described in detail below.
FIG. 1 is a schematic block diagram of a lithography exposure apparatus using an ArF excimer laser applied to the present invention, where 1 is an ArF excimer laser light source and 2 is a pattern for forming a pattern image free from interference of diffraction light on the wafer surface. The modified illumination means has a shape of, for example, a quadrupole illumination or an annular illumination light source whose central portion is a light shielding surface.
3 is a condenser lens for guiding the excimer laser light emitted from the light source to the reticle, 4 is a mask (reticle), and 5 is a projection optical system. For example, a lens group having a positive refractive power and a lens having a negative refractive power By combining the groups, a pupil plane is formed in the optical system to improve the resolution. Reference numeral 6 denotes a wafer placed on the wafer stage 7, and the mask pattern formed on the reticle 4 is imaged and drawn on the wafer 6 via the projection optical system.
[0011]
In such an apparatus, the projection optical system includes a condenser lens group 5a disposed at a position closest to the wafer surface and a lens group 5b disposed in the vicinity of the pupil surface in order to form an image of pattern light on the wafer surface. However, a secondary light source that is an image of the light source is formed on the pupil plane. Therefore, when a light source image appears discretely on the pupil plane, energy concentrates on the pupil surface, which causes damage to the optical system along with the wafer side.
On the other hand, the reticle side is not a severe condition because the energy density is reduced by the square of the imaging magnification compared to the wafer side.
[0012]
The present invention focuses on this point,
Specifically, the size of the pupil plane of the ArF excimer laser is about φ30 to φ50 mm according to the reference, and it is reasonable to determine the energy density on the basis of several times the area. .
For example, when the resist sensitivity is 20 to 50 mJ and exposure is performed with 20 to 30 pulses of laser irradiation, the energy density per pulse on the pupil plane is 0.7 to 1.7 mJ / cm ² . Even if it is assumed that the wafer surface is slightly larger, the energy density of the lens group arranged at the position closest to the wafer surface is 0.6 to about 80 to 90%. It is estimated to be about ˜1.5 mJ / cm ² . The pupil plane is considered to be slightly lower.
[0013]
On the other hand, in order to narrow the light band and improve the resolving power, the projection optical system is configured by combining a lens group having a positive refractive power and a lens group having a negative refractive power (see, for example, JP-A-3-34308). In this case, it is necessary to eliminate aberrations as much as possible in each lens group. In such a case, it is preferable to set the magnification for reducing or enlarging the actual lens group to some extent. It is estimated that the energy density of the next lens unit from the contact position is about 1/3 of 0.6 to 1.5 mJ / cm ² , specifically about 0.2 to 0.6 mJ / cm ² .
Most other lens groups have an energy density ε ≦ 0.2 mJ / cm ² per pulse.
Accordingly, when the respective energy densities are applied to the above equation, the hydrogen molecule concentration C _H2 molecule of most lens groups of the projection optical system having an energy density ε ≦ 0.2 mJ / cm ² per pulse from the equation 1). / Cm ³ can be set to 1 × 10 ¹⁷ ≦ C _H2 <5 × 10 ^18, and within such a hydrogen concentration range, it is possible to produce a hydrogen-doped synthetic quartz glass for lenses without any particular difficulty in production conditions. is there.
[0014]
Similarly, the next-stage lens group receiving the strongest energy having an energy density per pulse of 0.2 ≦ ε ≦ 0.6 mJ / cm ^{2 has} a hydrogen molecule concentration C _H2 molecule / cm ³ of 5 × 10 ¹⁷ ≦ C _H2 ≦ 5 × 10 ¹⁸ can be set, and in this case as well, hydrogen-doped synthetic quartz glass for lenses can be manufactured without any particular difficulty in manufacturing conditions within such a hydrogen concentration range.
Hydrogen molecule concentration only for the wafer exposure surface or / and the lens (group) closest to the pupil plane that receives the strongest light energy of 0.6 ≦ ε ≦ 1.5 mJ / cm ² per pulse. C _H2 molecule / cm ³ may be set to 5 × 10 ¹⁸ ≦ C _H2 ≦ 5 × 10 ¹⁹ .
[0015]
The present invention can be applied not only to the projection optical system exposure apparatus shown in FIG. 1 but also to the reflection optical system exposure apparatus.
That is, FIG. 2 is a schematic diagram showing a lens configuration of a reflection optical system exposure apparatus using a prism type beam splitter for achieving a high resolution. To briefly explain the configuration, the first lens group 12 from the light source 11 is described. The light passing through the beam splitter 13 through the second lens group 14 passes through the second lens group 14, is then redirected by the mirror 15, and then condensed by the third lens group 16. After scanning, the beam again returns to the beam splitter 13 through the third lens group 16, the mirror 15, and the second lens group 14. This time, the beam is redirected to the splitter 13 and imaged by the fourth lens group 19, and then the wafer. An integrated circuit pattern is burned onto 18.
[0016]
The fourth lens group 19 of the variable Kogo to the splitter 13 according to such devices Energy density per pulse 0.6 ≦ ε ≦ 1.5 mJ / strongest hydrogen for receiving the light energy molecules cm ² concentration _{C H2} The molecule / cm ³ may be set to 5 × 10 ¹⁸ ≦ C _H2 ≦ 5 × 10 ^19, and in this apparatus, since the condensing scan is performed by the third lens group 16 on the reticle 17 side, energy per pulse In order to receive energy of density 0.2 ≦ ε ≦ 0.6 mJ / cm ² , the hydrogen molecule concentration C _H2 molecule / cm ³ may be set to 5 × 10 ¹⁷ ≦ C _H2 ≦ 5 × 10 ¹⁸ , and other Lenses, mirrors, and prism-type beam splitters receive only an energy density of ε ≦ 0.2 mJ / cm ² per pulse. The degree C _H2 molecule / cm ³ may be set to 1 × 10 ¹⁷ ≦ C _H2 ≦ 5 × 10 ¹⁸ .
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail by way of example. However, unless specifically stated otherwise, the composition, dope amount, production conditions, etc. described in the examples are not intended to limit the scope of the invention, but are merely illustrative examples.
In the exposure apparatus shown in FIGS. 1 and 2, it takes a very long time to confirm the long-term stability of the optical characteristics under actual operating conditions, so that quartz glass for manufacturing lenses, mirrors, prisms, and the like is used. A simulation experiment was conducted in which only the optical member was taken out and the actual operation was accelerated.
[0018]
In general, the progress rate of damage of quartz glass by laser irradiation increases in proportion to the square of the energy density (fluence) of the irradiated excimer laser (refer to Optical 23, No. 10, “Quartz glass for excimer laser” written by Akira Fujinoki, This is used as a standard for acceleration experiments.
[0019]
A quartz glass ingot was prepared by a so-called direct method in which silicon tetrachloride was deposited on a rotating substrate while being hydrolyzed with an oxyhydrogen flame.
The obtained quartz glass ingot contained 800 to 1000 ppm of OH groups and 5 × 10 ¹⁸ molecules / cm ^{2 of} hydrogen molecules. This quartz glass ingot was homogenized by the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-267661, and heated and annealed at 1150 ° C. for 40 hours for strain relief annealing.
The optical properties of the obtained homogeneous optical quartz glass material for optical were measured, but there was no striae in three directions, and the refractive index distribution was measured with an interferometer (Zygo Mark IV), and Δn was 1 × 10 ^−6. Very good values were shown below. Further, the birefringence amount was measured with a crossed Nicol strain measuring instrument, but the birefringence amount was 1 nm / cm or less.
[0020]
This optical quartz glass material has optical characteristics necessary for a quartz glass member used for an excimer laser stepper described in Reference 2 (New Glass VoL6 No, 2 (1989) 191-196 "About Stepper Quartz Glass" by Kazuo Ushida). Therefore, it is possible to make a semiconductor exposure apparatus using ArF as a light source by configuring an optical component using this optical quartz glass material.
On the other hand, when the concentration of hydrogen molecules contained in the optical quartz glass material was measured by a laser Raman method, it was 5 × 10 ¹⁷ molecules / cm ² . (Sample number A)
The hydrogen molecule content was measured using a Raman spectrophotometer. This was performed using a Raman spectrophotometer / NR1100 manufactured by JASCO Corporation, an output of 700 mW with an Ar laser beam having an excitation wavelength of 488 nm, manufactured by Hamamatsu Photonics. This was carried out by the host counting method using Photomaru R943-02. Incidentally, the hydrogen molecule content is converted to concentration relative intensity of scattering band observed in 4135-40Cm ^-1 of SiO ₂ scattering band and hydrogen is observed 800 cm ^-1 in the Raman scattering spectrum of the time Asked. Also, conversion constant literature value ^{^{4135cm -1 / 800cm -1 × 1.22 ×}} 10 21 (Zhurnal Pri-Kladnoi Spektroskopii, Vol.46, No.6, PP987~991, June, 1987) was used.
[0021]
In addition, a φ60 mm × t20 mm sample was cut out from the optical quartz glass material, oxidized at 1000 ° C. for 20 hours in an air atmosphere, and then hydrogen doped at 600 ° C. for 1000 hours in a high-pressure (50 atm) atmosphere of hydrogen gas. Processed. When the refractive index distribution of the treated sample was measured, Δn was 4 × 10 ⁻⁶ , the birefringence was 5 nm / cm, and the concentration of hydrogen molecules contained was 2 × 10 ¹⁹ molecules / cm ³ . (Sample number D)
[0022]
Further, a φ60 mm × t20 mm sample was cut out from the optical quartz glass material, subjected to an oxidation treatment at 1000 ° C. for 20 hours in an atmospheric atmosphere, and then 600 ° C. in a pressurized (9 atm) atmosphere of hydrogen gas in an atmospheric furnace. A hydrogen doping treatment for 1000 hours was performed. When the refractive index distribution of the sample after the treatment was measured, Δn was 3 × 10 ⁻⁶ , the birefringence was 3 nm / cm, and the concentration of hydrogen molecules contained was 5 × 10 ¹⁸ molecules / cm ³ . (Sample number B)
[0023]
A sample of φ60 mm × t20 mm was cut out from the quartz glass material for optical again and subjected to an oxidation treatment at 1000 ° C. for 20 hours in an air atmosphere, and then 600 ° C. in a pressurized atmosphere (3 atm) of hydrogen gas in an atmospheric furnace. A hydrogen doping treatment for 1000 hours was performed. When the refractive index distribution of the sample after the treatment was measured, Δn was 2 × 10 ⁻⁶ , the birefringence was 2 nm / cm, and the concentration of hydrogen molecules contained was 2 × 10 ¹⁸ molecules / cm ³ . (Sample number C)
[0024]
Here, except for samples A and C, only one type of quartz glass is not sufficient to form an exposure apparatus using an ArF excimer laser as a light source, and the amount of birefringence is large. It was found that the optical system represented by Samples A, B, C, and D was converted into an optical path length as the projection optical system of the apparatus shown in FIG. As a result, the refractive index homogeneity of the entire optical system was calculated. As a result, Δn per 1 cm of the optical path was 2 × 10 ⁻⁶ , and the average birefringence was 2 nm / cm. I understood that it was obtained.
[0025]
When the transmittance of the four samples with respect to ultraviolet rays having a wavelength of 193 nm was measured with an ultraviolet spectrophotometer, the internal transmittance per cm was as good as 99.8%. Again, it has sufficient transparency to construct an excimer laser stepper.
[0026]
The obtained four samples were irradiated with ArF excimer laser, and changes in optical properties were examined. The irradiation conditions were an energy density per pulse of 10 mJ / cm ² and an irradiation frequency of 300 Hz. As shown in Document 1, this corresponds to an acceleration test of (100 / ε) ² times, where εmJ / cm ² is the light energy density of the laser that passes through the optical member in actual operation.
Table 1 shows the results of excimer laser irradiation of each sample. The number of irradiation is 2.5 × 10 ⁷ shots, and shows a change in transmittance and refractive index at 193 nm accompanying this irradiation.
[0027]
[Table 1]

[0028]
For sample D, the amount of change in the refractive index was too small to accurately measure.
From this result, it was found that the most important parameter is the change in the refractive index of the optical member due to ArF laser irradiation as a parameter for determining the stability of the exposure apparatus.
When the relationship between the refractive index change rate and the hydrogen concentration at the energy density of 10 mJ / cm ² of the ArF laser per pulse was examined using the results of samples A to C, the following equation was obtained.
[0029]
Log [dn / dp _{10 mJ} ] = − 1.13−0.67 Log [C _H2 ]
Here, based on the conditions of this accelerated simulation experiment, the acceleration rate with respect to the case where the energy density of ArF excimer laser light transmitted through the quartz glass optical member is εmJ / cm ^{2 in} the actual operation of the exposure apparatus is (100 / ε) ² times. Therefore, the change rate of the refractive index when the energy density of ArF excimer laser light is εmJ / cm ² is
Log [dn / dpεmJ] = − 3.13−0.67 Log [C _H2 ] +2 Log [ε]
I found out that
[0030]
In an exposure apparatus using an ArF excimer laser composed of these quartz glass optical members as a light source, excimer laser irradiation with an irradiation number of 1 × 10 ¹⁰ to 1 × 10 ¹¹ shots (this is a frequency of 600 Hz and a frequency of half a year to 600 Hz). If the refractive index change Δn is 1 × 10 ⁻⁶ or less, it can be determined that sufficient stability can be secured for actual semiconductor exposure. And the change rate of the refractive index in the case of energy density εcm ² is
−17 ≦ Log [dn / dpεmJ] ≦ −16
It was found that it is preferable to be in the range.
[0031]
For this reason, the quartz glass member in which the energy density of ArF excimer laser light transmitted in an exposure apparatus using an ArF excimer laser composed of a quartz glass optical member as a light source has sufficient stability is εmJ / cm ^2. It has been found that the hydrogen molecule concentration to be contained in the quartz glass member is expressed by the following equation.
19.2 + 2.98 Logε ≦ Log (C _H2 ) ≦ 20.7 + 2.98 Logε
Here, the hydrogen molecule concentration obtained by the above formula is in the following range when tabulated in relation to energy density ε.
[0032]
[Table 2]

[0033]
Here, in the low energy density region of ε <0.2 mJ / cm ² , the maximum value of the hydrogen concentration contained in the quartz glass optical member is a process level as long as the level is 4 × 10 ¹⁸ molecules / cm ^2. Therefore, the above equation is defined for ε ≧ 0.2 mJ / cm ² , and when ε <0.2 mJ / cm ² ,
Formula 19.2 + 2.98 Log ε ≦ Log (C _H2 ) <18.6
It turned out that it should be used.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even when an ArF excimer laser exposure apparatus is configured using an optical system made of hydrogen-doped quartz glass, the entire optical system is reduced without deteriorating durability and quality. It can be easily manufactured at a low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an exposure apparatus for manufacturing an integrated circuit using a projection optical system to which the present invention is applied.
FIG. 2 is an exposure apparatus for manufacturing an integrated circuit using a reflective optical system to which the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
1 ArF excimer laser light source 2 Modified illumination means 3 Condenser lens 4 Mask (reticle)
5 Projection Optical System 6 Wafer 11 Light Source 12 First Lens Group 12
13 Beam splitter 14 Second lens group 15 Mirror 16 Third lens group 17 Reticle 19 Fourth lens group 18 Wafer

Claims

In an exposure apparatus for manufacturing an integrated circuit by illuminating an integrated circuit pattern with a laser beam from an ArF excimer laser and baking the integrated circuit pattern on a wafer by an optical system made of a quartz glass material.
At least the lens constituting the optical system is composed of a synthetic silica glass optical member doped with hydrogen, and the lens is composed of a plurality of types of quartz glass optical member groups having different hydrogen molecule concentrations. as the hydrogen molecule concentration C _H2 (molecules / cm ³⁾ is the energy density per one pulse of the ArF excimer laser light transmitted through the corresponding lens ε (mJ / cm ^2),
For ε <0.2 mJ / cm ²
Formula 19.2 + 2.98 Log ε ≦ Log (C _H2 ) <18.6
For ε ≧ 0.2 mJ / cm ² ,
Formula 19.2 + 2.98 Logε ≦ Log (C _H2 ) ≦ 20.7 + 2.98 Logε
A semiconductor exposure apparatus characterized in that it is set so as to be within the range specified in 1.