JP3631010B2 - 投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法に関し、例えばパルス光源からの露光光により、転写用のパターンが形成されたマスク上の照明領域を照明し、その照明領域に対してマスク上のパターンを一括露光又は走査露光して逐次感光基板上に露光し、パターン像を形成するようにした、特に半導体素子や液晶素子のデバイスの製造装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エキシマレーザを用いたデバイス製造用の露光装置では、高スループットを望むためにエキシマレーザとして高い駆動周波数で高出力のものが使用されている。エキシマレーザは従来の水銀ランプと異なり、その発光は不連続なパルス発光であり、又光強度のピーク値が高い。この為、投影光学系に使用されている硝材が、そのエネルギーを吸収し、光学的性質の変化を起こすことがある。
【０００３】
このとき変化する光学的性質として代表的なものには透過率や、屈折率等がある。このうち投影光学系の光学性能劣化の面からすると硝材の屈折率変化は無視できない。
【０００４】
即ち、屈折率変化前と屈折率変化後で投影光学系を通過する光束の光路が変化してしまい、光学性能が大きく変化してくる。このような硝材の屈折率変化は、コンパクションと呼ばれる硝材の２光子吸収を起因とする収縮現象に伴うものであり、その屈折率変化量に関しては、以下の（１）式に従うことが知られている。
【０００５】
ここでΔｎ′は相対屈折率変化（ｐｐｂ＝１０−９）、Ｎはパルス数（１０６ ）、Ｉは１パルス当りのエネルギー密度（ｍＷ／ｃｍ２ ）を表す。この場合の石英硝材の屈折率変化係数αは波長２４８ｎｍで０．０１程度、波長１９３ｎｍで１．０程度である。また、波長１９３ｎｍでは（２）式のように高レベルでの飽和（飽和係数γ）を考慮したものがある。この場合の石英硝材の屈折率変化係数βは波長１９３ｎｍで４．４程度、飽和係数γは０．４〜０．８であることが知られている。（１）式は飽和を考慮しないγ＝１の場合である。
【０００６】
Δｎ′＝α×ＮＩ２ ‥‥‥（１）
Δｎ′＝β×（ＮＩ２ ）γ ‥‥‥（２）
この式に従えば、投影光学系中でパルスエネルギー密度が高い所、即ち露光光が集中する場所で屈折率変化が大きくなることが分かる。半導体素子製造用の露光装置用に用いられている投影光学系は通常１／５や１／４の縮小系である。従って、像面付近で最も光が集中することになる。
【０００７】
このことから、現在のエキシマレーザを用いた露光装置用の投影光学系では、このようなコンパクションによる硝材ダメージを回避するために像面（ウエハ面）に最も近いレンズを像面からなるべく遠くに配置し、露光光がより拡がった光路上にレンズを置くようにしている。これを換言すれば被露光物体（基板）と投影光学系の間の距離、所謂バックフォーカスを長くする制約条件の下で光学設計を行うことになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
投影光学系のバックフォーカスを長くして設計しようとする制約条件は、波動光学的にも極限的な光学性能を求められる露光装置の光学設計においては、その設計自由度を非常に狭め、そして光学性能を劣化させる原因となっている。
【０００９】
本発明は、マスク上のパターンを投影光学系により露光基板に投影露光するときのパルス光源や投影光学系の各要素を適切に設定することにより、投影光学系を構成する硝材の劣化が少なく、かつ光学性能の高い投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の投影露光装置は、
（１−１）光源から放射したパルス光で照明系を介してマスク面上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板面上の方形領域に投影し、露光する投影露光装置において、該パルス光の１パルス幅をτ、該投影光学系の最終面から該基板面までの距離をＤ、該投影光学系の最終光学部材の硝材の屈折率変化係数、飽和係数、そして許容相対屈折率変化を各々β、γ、Δｎ′ｍａｘ、照射パルス数をＮ、像面上での１パルス当りのエネルギー密度をＩ０、該方形領域の２つの辺の半分の長さを各々Ｌ１、Ｌ２（但しＬ１≦Ｌ２）、該投影光学系の開口数をＡ、照明条件で決まるコヒーレンスファクターをσ、
【００１１】
【数５】
とおいたとき
【００１２】
【数６】
を満足すること
を特徴としている。
【００１３】
（１−２） 光源から放射したパルス光で照明系を介してマスク面上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板面上に投影し、露光する投影露光装置において、該パルス光のパルス発光時間比が略２×１０−５以上であり、該投影光学系の最終面から該基板面までの距離が略１２ｍｍ以下としたことを特徴としている。
【００１４】
特に、
（１−２−１） 前記光源の発振周波数が１ｋＨｚのときは前記パルス光の１パルス幅が略２０ｎｓ以上であることを特徴としている。
【００１５】
（１−３） 光源から放射したパルス光で照明系を介してマスク面上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板面上に投影し、露光する投影露光装置において、該パルス光のパルス発光時間比が略４×１０−５以上であり、該投影光学系の最終面から該基板面までの距離が略８ｍｍ以下としたことを特徴としている。
【００１６】
特に、
（１−３−１） 前記光源の発振周波数が１ｋＨｚのときは、前記パルス光の１パルス幅が略４０ｎｓ以上であることを特徴としている。
【００１７】
（１−４）光源から放射したパルス光で照明系を介してマスク面上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板面上の矩形領域に投影し、露光する投影露光装置において、該パルス光の１パルス幅をτ、該投影光学系の最終面から該基板面までの距離をＤ、該投影光学系を構成する光学部材の硝材の屈折率変化係数と許容相対屈折率変化を各々β、Δｎ′ｍａｘ、照射パルス数をＮ、像面上での１パルス当りのエネルギー密度をＩ、該矩形領域の短辺と、長辺の半分の長さを各々Ｌ１、Ｌ２、該投影光学系の開口数をＡ、照明条件で決まるコヒーレンスファクターをσ、
【００１８】
【数７】
とおいたとき
【００１９】
【数８】
を満足することを特徴としている。
【００２０】
また、構成（１−１），（１−２），（１−３），（１−４） において
（１−４−１） 前記パルス光の波長が略１９３ｎｍであること。
【００２１】
（１−４−２） 前記光源はエキシマレーザであること。
【００２２】
（１−４−３） 前記マスクと前記基板を該投影光学系の投影倍率に対応させた速度比で同期させて相対的に走査させながら走査投影露光していること。
等を特徴としている。
【００２３】
本発明のデバイスの製造方法は、
（２−１） 構成（１−１），（１−２），（１−３），（１−４） のいずれか１項記載の投影露光装置を用いて、レチクル面上のパターンを投影光学系によりウエハ面上に投影露光した後、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造していることを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を説明する前に、投影光学系を構成する硝材が露光光を吸収したときに生じる硝材ダメージとレーザ光源の特性及び投影光学系の構成の３者の関係について鋭意検討して得た結果を示す。
【００２５】
まず、この検討結果と投影光学系によって良好なるパターン像を得る為の解決法について以下に図を用いて説明する。
【００２６】
投影光学系の中で最も光エネルギーが集中する部所の１つは最終面に位置する最終レンズ（最終光学部材）、即ちウエハに最も近接したレンズ又は平行平面板等であり、さらに最終レンズのうちにおいて光軸上、即ち中心部が最も光エネルギーが集中する。
【００２７】
そこで本発明者が鋭意検討した結果、この最終レンズの中心部における光エネルギーとバックフォーカス、即ち最終レンズとウエハ間の距離に関する関係式（３）を得た。
【００２８】
Ｉ＝ｆ（Ｄ）Ｉ０
【００２９】
【数９】
ここで式中Ｌ１ ，Ｌ２ は投影光学系による投影像の形状を方形（正方形，長方形を含む）としたときの短辺，長辺の長さ，Ａは投影光学系の開口数、σは照明条件で決まるコヒーレンスファクター、Ｉ０ は像面上での１パルス当りのエネルギー密度を表す。尚、投影像の形状が正方形のときはＬ１ ＝Ｌ２ である。Ｒ，φ１ ，φ２ に関しては以下に説明する。
【００３０】
図２は最終レンズとウエハ付近での光束の振舞を示した模式図である。ウエハ上の像点に結像する光束のうち、コンパクションに寄与するものの開口数は投影光学系の開口数Ａとコヒーレンスファクターのσの積となる。即ち図中の角度θを用いてｓｉｎ θ＝Ａσである。
【００３１】
図３はこの様子を光軸方向から眺めた図である。図中の円はウエハ上の像点位置（図中黒点）に結像する光束が最終レンズを通過する領域であり、この半径をＲとした。図２から明らかなように
【００３２】
【数１０】
である。
【００３３】
この各像点からの光束のうち最終レンズの中心部に寄与する光束のウエハ上の像点位置はＲと像形状（Ｌ１、Ｌ２）との大小関係の下に図４から図６の４タイプの領域であることがわかる。ここでＬ１、Ｌ２は、図４から図６に示すように、投影光学系による投影像の形状を矩形したときの矩辺と長辺の半分の長さである。
【００３４】
特に、図４，図６のタイプでは、領域の境界が円弧と直線からなっている。（３）式中のφ１ ，φ２ はこの円弧と直線の接続部分の角度を表している。
【００３５】
さらに最終レンズ上の円形照射領域は略均一に照明されていることから、斜線領域の面積は最終レンズの中心部における相対光強度に相当する。式（３）はこの面積を計算し、絶対強度を考慮した結果、得たものである。
【００３６】
次いで本発明者はレーザのパルス幅と硝材のダメージの関係に関して従来から知られていた（２）式に関して更に検討を行い、パルス幅（パルス光の発光時間幅）とダメージに関する関係式（４）を得た。
【００３７】
【数１１】
ここでΔｎ′は相対屈折率変化量（単位：ｐｐｂ＝１０−９）、βとγは硝材に依存して決まる屈折率変化係数と飽和係数、Ｎは照射パルス数（単位：１０６ ）、Ｉは１パルス当りの照射エネルギー密度（単位：ｍｊ／ｃｍ２ ／ｐｕｌｓｅ ）を表す。以下関係式（４）に関して説明する。
【００３８】
図７はパルス発光の発光エネルギーの時間依存性について示した模式図である。図中それぞれ縦軸ｉは光エネルギー密度（単位：ｍＷ／ｃｍ２ ／ｐｕｌｓｅ ），横軸ｔは時刻（単位：ｓｅｃ ），τはパルス幅（単位：ｓｅｃ ）をそれぞれ表す。Ｉは前述した１パルス当りの光エネルギー密度であり、光エネルギー強度ｉを１パルスの時間幅で積分したものである。この図に示したように、近似的には１パルス中の強度は一定とみなすことができ、Ｉ＝ｉτである。
【００３９】
屈折率変化を与えるコンパクションは２光子吸収により生じるため、屈折率変化量は２光子吸収の遷移確率に比例する。２光子吸収の遷移確率は光子存在確率、即ち光エネルギー密度ｉの２乗に比例する。
【００４０】
次に、ある時間間隔での遷移確率は、その時間間隔中での発光時間に比例し、発光時間はパルス幅τとパルス数Ｎの積であるため、屈折率変化量に関してΔｎ′∝ｉ２ τＮとなる。ここでＩ＝ｉτを用いると、
【００４１】
【数１２】
が得られる。更に（２）式に示した飽和効果を考慮して関係式（４）が得られる。
【００４２】
以上述べてきたように、本発明者の検討により、最終レンズの中心部における光エネルギーとバックフォーカスの関係、レーザのパルス幅と硝材のダメージの関係はそれぞれ関係式（３），（４）であらわされることが明らかになった。これら関係式（３）と関係式（４）を合わせて用いることにより、本発明者の目的であるバックフォーカスに関して制約条件が大幅に緩和された投影光学系を含む高精度の露光装置を実現している。このような露光装置は関係式（５）を満たすように構成すれば良い。
【００４３】
【数１３】
ただし、ここでΔｎ′ｍａｘ は許容できる相対屈折率変化を示す。通常この値は５００ｐｐｂ程度であるが、露光装置によって適宜定められる。なおｆ（Ｄ）やその他の変数に関しては（３）式，（４）式に準ずるものとする。
【００４４】
以上述べたように、式（５）の構成範囲で光学設計を行うことにより、コンパクションによる屈折率変化で性能が劣化することを回避しつつ光学設計の自由度が高められ、硝材の劣化がなく、かつ光学性能の高いエキシマレーザ光源を用いた露光装置を実現している。
【００４５】
以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。図１は本発明の投影光学系の実施形態１の要部概略図である。図中、１０１はエキシマレーザ等のパルスレーザー光源であり、光源１０１からの光束はパルス幅調整手段１０２を通じて所定のパルス幅の露光光に加工され、第１照明系１０３に導光される。露光光は第１照明系１０３により露光の基本単位となるスリット形状の露光領域を形成するための遮光マスク１０４上の開口１０５を所定の角度分布を有しつつ照明する。
【００４６】
本実施形態では開口１０５によって規定されるスリット形状は５ｍｍ×２６ｍｍとした。開口１０５を通過した光束は第２照明系１０６により第１物体であるレチクル（マスク）１０７の面上を照明する。尚、開口１０５は均一照明となるように第２照明系１０６によりレチクル１０７面上に結像されている。レチクルステージ１０８はその上部にレチクル１０７を真空吸着等で固定する。
【００４７】
１０９は投影光学系であり、レチクル１０７上のパターンを第２物体であるウエハ面上に投影している。本実施形態において、投影光学系１０９の投影倍率は１／２の縮小で構成されているが投影倍率はこれに限られるものではなく、例えば１／４倍や等倍でも良い。
【００４８】
本実施形態の投影露光装置はレチクルステージ１０８とウエハステージ１１１を投影光学系の投影倍率に応じた速度比で同期走査することにより、スリット状の露光領域よりも広い１ショットの領域を露光する。１１０はウエハ（露光基板）でウエハステージ１１１上に配置されている。
【００４９】
図８は本実施形態で用いたパルス幅調整手段１０２を説明するための模式図である。レーザ光源８０１より射出したレーザ光はハーフミラーを有する分波合波系８０２を通過してピーク強度が１／２、発光パルス幅τが２倍２τのパルス光に変換される。
【００５０】
本実施形態で用いた分波合波系では光を２つの光束に分割し、相対的に光路差２ｎＬを与える。ただしここでｎは光路を満たす媒質の屈折率である。光速度をｃとしたとき、分割された２つの光の間でのパルス光の時間シフト量はｄＴ＝２ｎＬ／ｃで与えられ、これをパルス幅τと略同一にするようなＬを与えれば、ハーフミラーによって強度が１／２になった２つのパルスが連続し、パルス幅２倍、強度１／２のパルスを得ている。
【００５１】
このような分波合波系を図９のようにカスケードに連結することにより、２倍以上のパルス幅にも調整するようにしている。
【００５２】
また、パルス幅調整手段１０２としては本実施形態で用いた分波合波系８０２以外にも、レーザの共振器を変化させるもの、レーザ媒質を変化させるもの等を適宜用いることができる。
【００５３】
図１０は本実施形態で用いた投影光学系１０９の模式図である。図中の寸法１００１がバックフォーカスＤである。
【００５４】
本実施例で用いた実際の数値について以下にまとめて示す。
【００５５】
・スリット幅Ｌ１ ＝２．５ｍｍ
・スリット幅Ｌ２ ＝１３ｍｍ
・開口数Ａ＝０．６
・コヒーレンスファクターσ＝０．７
・許容屈折率変化Δｎ′ｍａｘ ＝５００ｐｐｂ
・照射パルス数Ｎ＝１０１０
・硝材屈折率係数β＝１３．６
・飽和係数γ＝０．７
・像面エネルギー密度Ｉ０ ＝１．１ｍＷ／ｃｍ２ ／ｐｕｌｓｅ
尚、このとき前述した（３），（５）式は
【００５６】
【数１４】
とおいたとき
【００５７】
【数１５】
となる。
【００５８】
この数値を元に（５）式の数値範囲を表したものを図１１に示す。本実施形態ではこの数値範囲に従い、パルス幅調整手段１０２により２０ｎｓ以上のパルス幅を実現し、前述の投影光学系１０９のバックフォーカスＤに関する制約を１２ｍｍ以下に拡張して設計したことにより、光学性能が従来のバックフォーカスの長い投影光学系に比べて飛躍的に向上した。
【００５９】
本実施形態ではレーザの駆動周波数として一般的な１ｋＨｚを使用しており、２０ｎｓのパルス幅の場合、発光時間比（駆動周波数×パルス幅）は２×１０−５に相当する。このときの発光時間比ｓｘは図８に示すようにパルス間隔をＴａ、パルス幅をτとしたとき
【００６０】
【数１６】
となる。もし、駆動周波数を２ｋＨｚにした場合には１０ｎｓのパルス幅で本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
次に本発明の実施形態２について説明する。本実施形態では（５）式の数値範囲に従い、パルス幅調整手段１０２により４０ｎｓのパルス幅を実現し、前述の投影光学系１０９のバックフォーカスＤに関する制約を８ｍｍ以下に拡張したことにより、光学性能が実施形態１に比べてさらに向上した。
【００６２】
本実施形態ではレーザの駆動周波数として一般的な１ｋＨｚを使用しており、４０ｎｓのパルス幅の場合、発光時間比（駆動周波数×パルス幅）は４×１０−５に相当する。もし駆動周波数を２ｋＨｚにした場合には、２０ｎｓのパルス幅で本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
図１１に示すように本実施形態によれば、例えばパルス幅τが２０ｎｓのときはバックフォーカスＤを１２ｍｍ以上、パルス幅τが４０ｎｓのときはバックフォーカスＤを８ｍｍ以上にすれば硝材ダメージの少ない良好なる投影光学系が得られる。
【００６４】
このように本実施形態ではパルス幅調整手段でパルス幅τを長くして、これによって投影光学系のバックフォーカスが短くても硝材ダメージが少なくなるようにしている。
【００６５】
尚、本実施形態において略２０ｎｓとか略２×１０−５における「略」とは±１０％の許容値を意味する。
【００６６】
本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においてシーケンスの流れなどは種々に変更することが可能である。
【００６７】
次に上記説明した投影露光装置を利用したデバイスの製造方法の実施形態を説明する。
【００６８】
図１２は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローを示す。
【００６９】
ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。
【００７０】
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意したマスクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。
【００７１】
次のステップ５（組立）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。
【００７２】
ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【００７３】
図１３は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。
【００７４】
ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では前記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。
【００７５】
ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【００７６】
本実施形態の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易に製造することができる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、マスク上のパターンを投影光学系により露光基板に投影露光するときのパルス光源や投影光学系の各要素を適切に設定することにより、投影光学系を構成する硝材の劣化が少なく、かつ光学性能の高い投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の構成図
【図２】最終レンズ上の光強度についての説明図
【図３】最終レンズ上の光強度についての説明図
【図４】最終レンズ上の光強度についての説明図
【図５】最終レンズ上の光強度についての説明図
【図６】最終レンズ上の光強度についての説明図
【図７】パルス光強度についての説明図
【図８】パルス幅調整手段の一例を示す模式図
【図９】パルス幅調整手段の他の一例を示す模式図
【図１０】投影光学系の一例を示す模式図
【図１１】本発明の実施形態１のパルス幅とバックフォーカスに関する範囲を示す図
【図１２】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【図１３】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【符号の説明】
１０１ レーザ光源
１０２ パルス幅調整手段
１０３ 第１照明系
１０４ 遮光マスク
１０５ 開口
１０６ 第２照明系
１０７ レチクル
１０８ レチクルステージ
１０９ 投影光学系
１１０ ウエハ
１１１ ウエハステージ
８０１ レーザ光源
８０２ ハーフミラー
１００１ バックフォーカス
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法に関し、例えばパルス光源からの露光光により、転写用のパターンが形成されたマスク上の照明領域を照明し、その照明領域に対してマスク上のパターンを一括露光又は走査露光して逐次感光基板上に露光し、パターン像を形成するようにした、特に半導体素子や液晶素子のデバイスの製造装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エキシマレーザを用いたデバイス製造用の露光装置では、高スループットを望むためにエキシマレーザとして高い駆動周波数で高出力のものが使用されている。エキシマレーザは従来の水銀ランプと異なり、その発光は不連続なパルス発光であり、又光強度のピーク値が高い。この為、投影光学系に使用されている硝材が、そのエネルギーを吸収し、光学的性質の変化を起こすことがある。
【０００３】
このとき変化する光学的性質として代表的なものには透過率や、屈折率等がある。このうち投影光学系の光学性能劣化の面からすると硝材の屈折率変化は無視できない。
【０００４】
即ち、屈折率変化前と屈折率変化後で投影光学系を通過する光束の光路が変化してしまい、光学性能が大きく変化してくる。このような硝材の屈折率変化は、コンパクションと呼ばれる硝材の２光子吸収を起因とする収縮現象に伴うものであり、その屈折率変化量に関しては、以下の（１）式に従うことが知られている。
【０００５】
ここでΔｎ′は相対屈折率変化（ｐｐｂ＝１０−９）、Ｎはパルス数（１０６ ）、Ｉは１パルス当りのエネルギー密度（ｍＷ／ｃｍ２ ）を表す。この場合の石英硝材の屈折率変化係数αは波長２４８ｎｍで０．０１程度、波長１９３ｎｍで１．０程度である。また、波長１９３ｎｍでは（２）式のように高レベルでの飽和（飽和係数γ）を考慮したものがある。この場合の石英硝材の屈折率変化係数βは波長１９３ｎｍで４．４程度、飽和係数γは０．４〜０．８であることが知られている。（１）式は飽和を考慮しないγ＝１の場合である。
【０００６】
Δｎ′＝α×ＮＩ２ ‥‥‥（１）
Δｎ′＝β×（ＮＩ２ ）γ ‥‥‥（２）
この式に従えば、投影光学系中でパルスエネルギー密度が高い所、即ち露光光が集中する場所で屈折率変化が大きくなることが分かる。半導体素子製造用の露光装置用に用いられている投影光学系は通常１／５や１／４の縮小系である。従って、像面付近で最も光が集中することになる。
【０００７】
このことから、現在のエキシマレーザを用いた露光装置用の投影光学系では、このようなコンパクションによる硝材ダメージを回避するために像面（ウエハ面）に最も近いレンズを像面からなるべく遠くに配置し、露光光がより拡がった光路上にレンズを置くようにしている。これを換言すれば被露光物体（基板）と投影光学系の間の距離、所謂バックフォーカスを長くする制約条件の下で光学設計を行うことになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
投影光学系のバックフォーカスを長くして設計しようとする制約条件は、波動光学的にも極限的な光学性能を求められる露光装置の光学設計においては、その設計自由度を非常に狭め、そして光学性能を劣化させる原因となっている。
【０００９】
本発明は、マスク上のパターンを投影光学系により露光基板に投影露光するときのパルス光源や投影光学系の各要素を適切に設定することにより、投影光学系を構成する硝材の劣化が少なく、かつ光学性能の高い投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の投影露光装置は、
（１−１）光源から放射したパルス光で照明系を介してマスク面上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板面上の方形領域に投影し、露光する投影露光装置において、該パルス光の１パルス幅をτ、該投影光学系の最終面から該基板面までの距離をＤ、該投影光学系の最終光学部材の硝材の屈折率変化係数、飽和係数、そして許容相対屈折率変化を各々β、γ、Δｎ′ｍａｘ、照射パルス数をＮ、像面上での１パルス当りのエネルギー密度をＩ０、該方形領域の２つの辺の半分の長さを各々Ｌ１、Ｌ２（但しＬ１≦Ｌ２）、該投影光学系の開口数をＡ、照明条件で決まるコヒーレンスファクターをσ、
【００１１】
【数５】
【００１２】
【数６】
を特徴としている。
【００１３】
（１−２） 光源から放射したパルス光で照明系を介してマスク面上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板面上に投影し、露光する投影露光装置において、該パルス光のパルス発光時間比が略２×１０−５以上であり、該投影光学系の最終面から該基板面までの距離が略１２ｍｍ以下としたことを特徴としている。
【００１４】
特に、
（１−２−１） 前記光源の発振周波数が１ｋＨｚのときは前記パルス光の１パルス幅が略２０ｎｓ以上であることを特徴としている。
【００１５】
（１−３） 光源から放射したパルス光で照明系を介してマスク面上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板面上に投影し、露光する投影露光装置において、該パルス光のパルス発光時間比が略４×１０−５以上であり、該投影光学系の最終面から該基板面までの距離が略８ｍｍ以下としたことを特徴としている。
【００１６】
特に、
（１−３−１） 前記光源の発振周波数が１ｋＨｚのときは、前記パルス光の１パルス幅が略４０ｎｓ以上であることを特徴としている。
【００１７】
（１−４）光源から放射したパルス光で照明系を介してマスク面上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板面上の矩形領域に投影し、露光する投影露光装置において、該パルス光の１パルス幅をτ、該投影光学系の最終面から該基板面までの距離をＤ、該投影光学系を構成する光学部材の硝材の屈折率変化係数と許容相対屈折率変化を各々β、Δｎ′ｍａｘ、照射パルス数をＮ、像面上での１パルス当りのエネルギー密度をＩ、該矩形領域の短辺と、長辺の半分の長さを各々Ｌ１、Ｌ２、該投影光学系の開口数をＡ、照明条件で決まるコヒーレンスファクターをσ、
【００１８】
【数７】
【００１９】
【数８】
【００２０】
また、構成（１−１），（１−２），（１−３），（１−４） において
（１−４−１） 前記パルス光の波長が略１９３ｎｍであること。
【００２１】
（１−４−２） 前記光源はエキシマレーザであること。
【００２２】
（１−４−３） 前記マスクと前記基板を該投影光学系の投影倍率に対応させた速度比で同期させて相対的に走査させながら走査投影露光していること。
等を特徴としている。
【００２３】
本発明のデバイスの製造方法は、
（２−１） 構成（１−１），（１−２），（１−３），（１−４） のいずれか１項記載の投影露光装置を用いて、レチクル面上のパターンを投影光学系によりウエハ面上に投影露光した後、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造していることを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を説明する前に、投影光学系を構成する硝材が露光光を吸収したときに生じる硝材ダメージとレーザ光源の特性及び投影光学系の構成の３者の関係について鋭意検討して得た結果を示す。
【００２５】
まず、この検討結果と投影光学系によって良好なるパターン像を得る為の解決法について以下に図を用いて説明する。
【００２６】
投影光学系の中で最も光エネルギーが集中する部所の１つは最終面に位置する最終レンズ（最終光学部材）、即ちウエハに最も近接したレンズ又は平行平面板等であり、さらに最終レンズのうちにおいて光軸上、即ち中心部が最も光エネルギーが集中する。
【００２７】
そこで本発明者が鋭意検討した結果、この最終レンズの中心部における光エネルギーとバックフォーカス、即ち最終レンズとウエハ間の距離に関する関係式（３）を得た。
【００２８】
Ｉ＝ｆ（Ｄ）Ｉ０
【００２９】
【数９】
【００３０】
図２は最終レンズとウエハ付近での光束の振舞を示した模式図である。ウエハ上の像点に結像する光束のうち、コンパクションに寄与するものの開口数は投影光学系の開口数Ａとコヒーレンスファクターのσの積となる。即ち図中の角度θを用いてｓｉｎ θ＝Ａσである。
【００３１】
図３はこの様子を光軸方向から眺めた図である。図中の円はウエハ上の像点位置（図中黒点）に結像する光束が最終レンズを通過する領域であり、この半径をＲとした。図２から明らかなように
【００３２】
【数１０】
【００３３】
この各像点からの光束のうち最終レンズの中心部に寄与する光束のウエハ上の像点位置はＲと像形状（Ｌ１、Ｌ２）との大小関係の下に図４から図６の４タイプの領域であることがわかる。ここでＬ１、Ｌ２は、図４から図６に示すように、投影光学系による投影像の形状を矩形したときの矩辺と長辺の半分の長さである。
【００３４】
特に、図４，図６のタイプでは、領域の境界が円弧と直線からなっている。（３）式中のφ１ ，φ２ はこの円弧と直線の接続部分の角度を表している。
【００３５】
さらに最終レンズ上の円形照射領域は略均一に照明されていることから、斜線領域の面積は最終レンズの中心部における相対光強度に相当する。式（３）はこの面積を計算し、絶対強度を考慮した結果、得たものである。
【００３６】
次いで本発明者はレーザのパルス幅と硝材のダメージの関係に関して従来から知られていた（２）式に関して更に検討を行い、パルス幅（パルス光の発光時間幅）とダメージに関する関係式（４）を得た。
【００３７】
【数１１】
【００３８】
図７はパルス発光の発光エネルギーの時間依存性について示した模式図である。図中それぞれ縦軸ｉは光エネルギー密度（単位：ｍＷ／ｃｍ２ ／ｐｕｌｓｅ ），横軸ｔは時刻（単位：ｓｅｃ ），τはパルス幅（単位：ｓｅｃ ）をそれぞれ表す。Ｉは前述した１パルス当りの光エネルギー密度であり、光エネルギー強度ｉを１パルスの時間幅で積分したものである。この図に示したように、近似的には１パルス中の強度は一定とみなすことができ、Ｉ＝ｉτである。
【００３９】
屈折率変化を与えるコンパクションは２光子吸収により生じるため、屈折率変化量は２光子吸収の遷移確率に比例する。２光子吸収の遷移確率は光子存在確率、即ち光エネルギー密度ｉの２乗に比例する。
【００４０】
次に、ある時間間隔での遷移確率は、その時間間隔中での発光時間に比例し、発光時間はパルス幅τとパルス数Ｎの積であるため、屈折率変化量に関してΔｎ′∝ｉ２ τＮとなる。ここでＩ＝ｉτを用いると、
【００４１】
【数１２】
【００４２】
以上述べてきたように、本発明者の検討により、最終レンズの中心部における光エネルギーとバックフォーカスの関係、レーザのパルス幅と硝材のダメージの関係はそれぞれ関係式（３），（４）であらわされることが明らかになった。これら関係式（３）と関係式（４）を合わせて用いることにより、本発明者の目的であるバックフォーカスに関して制約条件が大幅に緩和された投影光学系を含む高精度の露光装置を実現している。このような露光装置は関係式（５）を満たすように構成すれば良い。
【００４３】
【数１３】
【００４４】
以上述べたように、式（５）の構成範囲で光学設計を行うことにより、コンパクションによる屈折率変化で性能が劣化することを回避しつつ光学設計の自由度が高められ、硝材の劣化がなく、かつ光学性能の高いエキシマレーザ光源を用いた露光装置を実現している。
【００４５】
以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。図１は本発明の投影光学系の実施形態１の要部概略図である。図中、１０１はエキシマレーザ等のパルスレーザー光源であり、光源１０１からの光束はパルス幅調整手段１０２を通じて所定のパルス幅の露光光に加工され、第１照明系１０３に導光される。露光光は第１照明系１０３により露光の基本単位となるスリット形状の露光領域を形成するための遮光マスク１０４上の開口１０５を所定の角度分布を有しつつ照明する。
【００４６】
本実施形態では開口１０５によって規定されるスリット形状は５ｍｍ×２６ｍｍとした。開口１０５を通過した光束は第２照明系１０６により第１物体であるレチクル（マスク）１０７の面上を照明する。尚、開口１０５は均一照明となるように第２照明系１０６によりレチクル１０７面上に結像されている。レチクルステージ１０８はその上部にレチクル１０７を真空吸着等で固定する。
【００４７】
１０９は投影光学系であり、レチクル１０７上のパターンを第２物体であるウエハ面上に投影している。本実施形態において、投影光学系１０９の投影倍率は１／２の縮小で構成されているが投影倍率はこれに限られるものではなく、例えば１／４倍や等倍でも良い。
【００４８】
本実施形態の投影露光装置はレチクルステージ１０８とウエハステージ１１１を投影光学系の投影倍率に応じた速度比で同期走査することにより、スリット状の露光領域よりも広い１ショットの領域を露光する。１１０はウエハ（露光基板）でウエハステージ１１１上に配置されている。
【００４９】
図８は本実施形態で用いたパルス幅調整手段１０２を説明するための模式図である。レーザ光源８０１より射出したレーザ光はハーフミラーを有する分波合波系８０２を通過してピーク強度が１／２、発光パルス幅τが２倍２τのパルス光に変換される。
【００５０】
本実施形態で用いた分波合波系では光を２つの光束に分割し、相対的に光路差２ｎＬを与える。ただしここでｎは光路を満たす媒質の屈折率である。光速度をｃとしたとき、分割された２つの光の間でのパルス光の時間シフト量はｄＴ＝２ｎＬ／ｃで与えられ、これをパルス幅τと略同一にするようなＬを与えれば、ハーフミラーによって強度が１／２になった２つのパルスが連続し、パルス幅２倍、強度１／２のパルスを得ている。
【００５１】
このような分波合波系を図９のようにカスケードに連結することにより、２倍以上のパルス幅にも調整するようにしている。
【００５２】
また、パルス幅調整手段１０２としては本実施形態で用いた分波合波系８０２以外にも、レーザの共振器を変化させるもの、レーザ媒質を変化させるもの等を適宜用いることができる。
【００５３】
図１０は本実施形態で用いた投影光学系１０９の模式図である。図中の寸法１００１がバックフォーカスＤである。
【００５４】
本実施例で用いた実際の数値について以下にまとめて示す。
【００５５】
・スリット幅Ｌ１ ＝２．５ｍｍ
・スリット幅Ｌ２ ＝１３ｍｍ
・開口数Ａ＝０．６
・コヒーレンスファクターσ＝０．７
・許容屈折率変化Δｎ′ｍａｘ ＝５００ｐｐｂ
・照射パルス数Ｎ＝１０１０
・硝材屈折率係数β＝１３．６
・飽和係数γ＝０．７
・像面エネルギー密度Ｉ０ ＝１．１ｍＷ／ｃｍ２ ／ｐｕｌｓｅ
尚、このとき前述した（３），（５）式は
【００５６】
【数１４】
【００５７】
【数１５】
【００５８】
この数値を元に（５）式の数値範囲を表したものを図１１に示す。本実施形態ではこの数値範囲に従い、パルス幅調整手段１０２により２０ｎｓ以上のパルス幅を実現し、前述の投影光学系１０９のバックフォーカスＤに関する制約を１２ｍｍ以下に拡張して設計したことにより、光学性能が従来のバックフォーカスの長い投影光学系に比べて飛躍的に向上した。
【００５９】
本実施形態ではレーザの駆動周波数として一般的な１ｋＨｚを使用しており、２０ｎｓのパルス幅の場合、発光時間比（駆動周波数×パルス幅）は２×１０−５に相当する。このときの発光時間比ｓｘは図８に示すようにパルス間隔をＴａ、パルス幅をτとしたとき
【００６０】
【数１６】
【００６１】
次に本発明の実施形態２について説明する。本実施形態では（５）式の数値範囲に従い、パルス幅調整手段１０２により４０ｎｓのパルス幅を実現し、前述の投影光学系１０９のバックフォーカスＤに関する制約を８ｍｍ以下に拡張したことにより、光学性能が実施形態１に比べてさらに向上した。
【００６２】
本実施形態ではレーザの駆動周波数として一般的な１ｋＨｚを使用しており、４０ｎｓのパルス幅の場合、発光時間比（駆動周波数×パルス幅）は４×１０−５に相当する。もし駆動周波数を２ｋＨｚにした場合には、２０ｎｓのパルス幅で本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
図１１に示すように本実施形態によれば、例えばパルス幅τが２０ｎｓのときはバックフォーカスＤを１２ｍｍ以上、パルス幅τが４０ｎｓのときはバックフォーカスＤを８ｍｍ以上にすれば硝材ダメージの少ない良好なる投影光学系が得られる。
【００６４】
このように本実施形態ではパルス幅調整手段でパルス幅τを長くして、これによって投影光学系のバックフォーカスが短くても硝材ダメージが少なくなるようにしている。
【００６５】
尚、本実施形態において略２０ｎｓとか略２×１０−５における「略」とは±１０％の許容値を意味する。
【００６６】
本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においてシーケンスの流れなどは種々に変更することが可能である。
【００６７】
次に上記説明した投影露光装置を利用したデバイスの製造方法の実施形態を説明する。
【００６８】
図１２は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローを示す。
【００６９】
ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。
【００７０】
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意したマスクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。
【００７１】
次のステップ５（組立）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。
【００７２】
ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【００７３】
図１３は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。
【００７４】
ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では前記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。
【００７５】
ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【００７６】
本実施形態の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易に製造することができる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、マスク上のパターンを投影光学系により露光基板に投影露光するときのパルス光源や投影光学系の各要素を適切に設定することにより、投影光学系を構成する硝材の劣化が少なく、かつ光学性能の高い投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の構成図
【図２】最終レンズ上の光強度についての説明図
【図３】最終レンズ上の光強度についての説明図
【図４】最終レンズ上の光強度についての説明図
【図５】最終レンズ上の光強度についての説明図
【図６】最終レンズ上の光強度についての説明図
【図７】パルス光強度についての説明図
【図８】パルス幅調整手段の一例を示す模式図
【図９】パルス幅調整手段の他の一例を示す模式図
【図１０】投影光学系の一例を示す模式図
【図１１】本発明の実施形態１のパルス幅とバックフォーカスに関する範囲を示す図
【図１２】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【図１３】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【符号の説明】
１０１ レーザ光源
１０２ パルス幅調整手段
１０３ 第１照明系
１０４ 遮光マスク
１０５ 開口
１０６ 第２照明系
１０７ レチクル
１０８ レチクルステージ
１０９ 投影光学系
１１０ ウエハ
１１１ ウエハステージ
８０１ レーザ光源
８０２ ハーフミラー
１００１ バックフォーカス
Claims (10)
- 光源から放射したパルス光で照明系を介してマスク面上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板面上の方形領域に投影し、露光する投影露光装置において、該パルス光の１パルス幅をτ、該投影光学系の最終面から該基板面までの距離をＤ、該投影光学系の最終光学部材の硝材の屈折率変化係数、飽和係数、そして許容相対屈折率変化を各々β、γ、Δｎ′ｍａｘ、照射パルス数をＮ、像面上での１パルス当りのエネルギー密度をＩ０、該方形領域の２つの辺半分の長さを各々Ｌ１、Ｌ２、（但しＬ１≦Ｌ２）、該投影光学系の開口数をＡ、照明条件で決まるコヒーレンスファクターをσ、
- 光源から放射したパルス光で照明系を介してマスク面上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板面上に投影し、露光する投影露光装置において、該パルス光のパルス発光時間比が略２×１０−５以上であり、該投影光学系の最終面から該基板面までの距離が略１２ｍｍ以下としたことを特徴とする投影露光装置。
- 前記光源の発振周波数が１ｋＨｚのときは前記パルス光の１パルス幅が略２０ｎｓ以上であることを特徴とする請求項２の投影露光装置。
- 光源から放射したパルス光で照明系を介してマスク面上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板面上に投影し、露光する投影露光装置において、該パルス光のパルス発光時間比が略４×１０−５以上であり、該投影光学系の最終面から該基板面までの距離が略８ｍｍ以下としたことを特徴とする投影露光装置。
- 前記光源の発振周波数が１ｋＨｚのときは、前記パルス光の１パルス幅が略４０ｎｓ以上であることを特徴とする請求項４の投影露光装置。
- 光源から放射したパルス光で照明系を介してマスク面上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板面上の矩形領域に投影し、露光する投影露光装置において、該パルス光の１パルス幅をτ、該投影光学系の最終面から該基板面までの距離をＤ、該投影光学系を構成する光学部材の硝材の屈折率変化係数と許容相対屈折率変化を各々β，Δｎ′ｍａｘ 、照射パルス数をＮ、像面上での１パルス当りのエネルギー密度をＩ０ 、該矩形領域の短辺と、長辺の半分の長さを各々Ｌ１、Ｌ２、該投影光学系の開口数をＡ、照明条件で決まるコヒーレンスファクターをσ、
- 前記パルス光の波長が略１９３ｎｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の投影露光装置。
- 前記光源はエキシマレーザであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の投影露光装置。
- 前記マスクと前記基板を該投影光学系の投影倍率に対応させた速度比で同期させて相対的に走査させながら走査投影露光していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の投影露光装置。
- 請求項１〜９のいずれか１項記載の投影露光装置を用いて、レチクル面上のパターンを投影光学系によりウエハ面上に投影露光した後、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造していることを特徴とするデバイスの製造方法。
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