JP3641767B2 - 集積回路製造用露光装置 - Google Patents
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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5×1016分子／ｃｍ3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５×１０18分子／ｃｍ3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5×1018分子／ｃｍ3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／ｃｍ2の水素処理において導入される水素分子濃度はやはり5×1018分子／ｃｍ3が上限である。
【０００６】
このため石英ガラス中に5×1018分子／ｃｍ3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5×1018（molecules／ｃｍ3）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5×1018分子／ｃｍ3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5×1018分子／ｃｍ3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、耐久性や光透過性等の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、次の点に着目したものである。
先ず前記したようにＡｒＦエキシマレーザー露光装置の耐久性の向上を図るために5×1018分子／ｃｍ3以上の水素分子を含有することは工業的には極めて複雑で長時間の処理を必要とし製造困難であるとともに非常に高価になってしまう。
一方文献２（New Glass VoL6 No,2(1989)191-196“ステッパ用石英ガラスについて”牛田一雄著）によればステッパ投影レンズ等に必要な露光装置として透過率として99.0（最低レベル）％／ｃｍ以上、屈折率分布(Δn)が≦1×10-6、複屈折量ｎｍ／ｃｍ≦1.00とされているが、前記したように加圧処理にて5×1018分子／ｃｍ3の高濃度の水素ドープを行うと、前記したように均質な屈折率を有する石英ガラスを得ることが出来ない。
一方、屈折率の面を重視して石英ガラスを製造すると、高濃度の水素ドープガラスを得ることが出来ず、ＡｒＦエキシマレーザーを照射した場合に破損に至る場合がある。
【００１０】
そこで本発明は、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投影して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合成石英ガラス製光学部材を水素分子濃度の異なる複数種の水素ドープ合成石英ガラス製光学部材群で構成するとともに、該光学部材群の内、該光学部材を透過する光エネルギー密度ε（ｍＪ／ｃｍ2）に対応させて水素分子濃度と均質性の異なる複数の光学部材群を効果的に組合せ、光学系全体としての高透過率を達成させた事を特徴とするものである。
【００１１】
即ち、より具体的にはウエーハ露光面又は／及び瞳面に最も近接して配設され該光学部材を透過する光エネルギー密度ε（ｍＪ／ｃｍ2）が最も大なる位置にある少なくとも１の光学部材（以下ウエーハ側光学部材という）の水素分子濃度を、
ウエーハ露光面又は／及び瞳面に最も遠ざかる位置に配設され該光学部材を透過する光エネルギー密度ε（ｍＪ／ｃｍ2）が最も小なる位置にある少なくとも１の光学部材（以下光源側光学部材という）の水素分子濃度より大に、
一方屈折率分布(Δn)と複屈折量ｎｍ／ｃｍの均質性については光源側光学部材をウエーハ側光学部材の均質性より良好に設定し、光学系全体としての高透過率を達成させた事を特徴とするものである。
【００１２】
そして好ましくは、前記ウエーハ側光学部材が、5×1018分子／ｃｍ3以上5×1019分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有する石英ガラス光学材料から構成され、光源側光学部材が１×1017分子／ｃｍ3以上5×1018分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有する石英ガラス光学材料から構成され、そして更に好ましくは前記ウエーハ側光学部材が、5×1018分子／ｃｍ3〜5×1019分子／ｃｍ3の水素分子を含有し、屈折力の均質性Δｎが5×10ー6／１ｃｍ以下で且つ複屈折量が５ｎｍ／ｃｍ以下の合成石英ガラス材で形成され、
一方光源側光学部材が、1×1017分子／ｃｍ3 〜 5×1018分子／ｃｍ3の水素分子を含有し、屈折率の均質性Δｎが3×10ー6／１ｃｍ以下で且つ複屈折量が３ｎｍ／ｃｍ以下の合成石英ガラス材で形成したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４記載の発明は、瞳面を有する投影光学系により集積回路製造用露光装置において、瞳面の直径がφ30〜50ｍｍであることに着目してなされたもので、その特徴とするところは、前記投影光学系を構成するレンズ群を水素ドープ濃度の異なる複数種の石英ガラス製光学部材で構成し、
前記レンズ群の内、直径φ80ｍｍ以下のレンズ群（前記ウエーハ側のレンズ群に対応する）が5×1018分子／ｃｍ3以上5×1019分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有し、屈折率の均質性Δnが5×10-6 以下でかつ複屈折量が５ｎｍ／ｃｍ以下である石英ガラス材から構成され、直径φ80以上φ100ｍｍ以下のレンズ群が5×1017分子/cm3以上5×1018分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有し、屈折率の均質性Δnが3×10-6以下でかつ複屈折量が３ｎｍ／ｃｍ以下である石英ガラス光学部材から構成され、直径φ100ｍｍ以上のレンズ群（前記光源側レンズ群に対応する。）が1×1017分子／ｃｍ3以上5×1018分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有し、屈折率の均質性Δnが1×10-6以下でかつ複屈折量が１ｎｍ／ｃｍ以下である石英ガラス光学部材から構成される事を特徴とするものである。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明に光路長等を組合せ本発明の目的を一層円滑に達成せんとするもので、
露光装置の光学系を構成する石英ガラス光学部材の内、直径φ80ｍｍ以下のレンズ等光学部材の光路長さの合計が光学系全体の20％以下、好ましくは15％以下で、直径φ80ｍｍ以上φ100ｍｍ以下のレンズ等光学部材の光路長の合計が光学系の光路長全体の20％以下、好ましくは15％以下に設定するのが良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置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。
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光の狭帯域化を図りつつ、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。
【００１６】
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。
【００１７】
本実施形態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。
例えばレチクル感度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／ｃｍ2、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ウエーハ側レンズ群のエネルギー密度はその80〜90％程度の0.6〜1.5ｍＪ／ｃｍ2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。
一方、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、してみると前記ウエーハ側若しくは瞳面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／ｃｍ2の１／３程度、具体的には0.2〜0.6ｍＪ／ｃｍ2程度であると推定される。
その他のほとんどのレンズ群（光源側レンズも含めて）は１パルス当たりのエネルギー密度ε≦0.2 ｍＪ／ｃｍ2である。
従ってウエーハ側レンズ群のうち１パルス当たりのエネルギー密度がε≦0.2 ｍＪ／ｃｍ2であるレンズ群においては、耐久性より光学的均質性を重視することにより、光学系全体としての解像度の向上が図れる。そこで本実施形態においてはε：≦0.2 ｍＪ／ｃｍ2の光源側光学部材の場合は、水素分子濃度ＣH2を1×1017≦ＣH2≦5×1018分子／ｃｍ3に低く設定するも、屈折率分布（Δn）は≦1×10-6、複屈折量は≦1.00ｎｍ／ｃｍと高品質に維持する。
【００１８】
又瞳面周辺やウエーハに最も近接するウエーハ側レンズ群において、１パルス当たりのエネルギー密度が0.6≦ε≦1.5であるレンズ群においては、耐久性を重視することにより、光学系全体としての耐久性の向上が図れる。そこで本実施形態においてはε：0.6≦ε≦1.5 ｍＪ／ｃｍ2の光学系の場合は、水素分子濃度ＣH2を5×1018≦ＣH2≦5×1019分子／ｃｍ3に高く設定するも、屈折率分布(Δn)は≦5×10-6、複屈折量は≦5.0ｎｍ／ｃｍと緩やかに設定し、製造の容易化を図る。
更に前記受光エネルギーが高密度レンズ等の次段に位置するレンズ等の光学部材は前記両者の中間を取り、ε：0.2≦ε≦0.6 ｍＪ／ｃｍ2の光学系の場合は、水素分子濃度ＣH2を5×1017≦ＣH2≦5×1018分子／ｃｍ3に、又屈折率分布(Δn)は≦3×10-6、複屈折量は≦3.0ｎｍ／ｃｍと緩やかに設定し、製造の容易化を図る。
そして0.6≦ε≦1.5 ｍＪ／ｃｍ2の光学部材の光路長さの合計が光学系全体の光路長の20％以下、好ましくは15％以下で、前記ε：0.6≦ε≦1.5ｍＪ／ｃｍ2の光学部材の光路長の合計が光学系の光路長全体の20％以下、好ましくは15％以下になるように光学系を組合せ配置することにより後記実施例に示すように、耐久性を維持しつつ光学系全体として高透過率を達成させることが出来る。
【００１９】
さて前記投影光学系を構成するレンズ材を考えるとき、レンズ等の径がいくらの時、劣化の程度が激しいかという事を決めなければならないが、前記した参考文献によるとＡｒＦエキシマレーザーの瞳面の大きさはφ30〜φ50ｍｍ程度であり、この面積に対して何倍かという基準で決める事が合理的である。
即ち、瞳面やウエーハ面に近接する位置で前記した0.6≦ε≦1.5ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度のＡｒＦエキシマレーザーを受光するレンズ径は使用面積を80％とすると瞳面の最大値がφ50ｍｍであることを考慮すると、そのレンズ口径が最大φ80ｍｍ程度であり、従ってε：0.6≦ε≦1.5ｍＪ／ｃｍ2の光学部材のレンズ径は略80φ以下であると推定される。
更に同様の計算により、ε：0.2≦ε≦0.6ｍＪ／ｃｍ2のレンズ等の場合は前記瞳面に対し、拡大率が２〜３倍程度であり、従ってそのレンズ直径はφ80〜100ｍｍ前後のレンズに対応する。
そしてこれ以上（100ｍｍ）のレンズ径では当然エネルギ密度ε：≧0.2ｍＪ／ｃｍ2と低くなる。
そしてこの場合も、直径φ80ｍｍ以下のレンズ等光学部材の光路長さの合計が光学系全体の20％以下、好ましくは15％以下で、直径φ80ｍｍ以上φ100ｍｍ以下のレンズ等光学部材の光路長の合計が光学系の光路長全体の20％以下、好ましくは15％以下に設定するのが良い。
【００２０】
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等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。
かかる装置によれば前記スプリッタ１３に変向後のウエーハに最も近い第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／ｃｍ2の最も強い光エネルギーを受ける為水素分子濃度ＣH2分子／ｃｍ3を5×1018≦ＣH2≦5×1019に高く設定するも、屈折率分布(Δn)は≦5×10-6、複屈折量は≦5.0ｎｍ／ｃｍと緩やかに設定すればよく、又本装置においてはレチクル１７側で第３レンズ群１６については集光／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／ｃｍ2のエネルギーを受けると推定される為水素分子濃度ＣH2分子／ｃｍ3を5×1017≦ＣH2≦5×1018に設定、又屈折率分布(Δn)は≦3×10-6、複屈折量は≦3.0ｎｍ／ｃｍと緩やかに設定すればよく、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、特に光源側に近い光学部材においては１パルス当たりのエネルギー密度ε≦0.2ｍＪ／ｃｍ2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ＣH2分子／ｃｍ3は、1×1017≦ＣH2≦5×1018に設定するも、屈折率分布(Δn)は≦1×10-6、複屈折量は≦１ｎｍ／ｃｍと高品質に維持する。
【００２１】
そしてレンズ径の関係は前記と同様で、更にレンズ口径をφ80ｍｍ以下に設定した第４レンズ群１９の光路長さの合計が光学系全体の光路長の20％以下、好ましくは15％以下で、前記レンズ口径をφ80〜100ｍｍに設定した第３レンズ群１６の光学部材の光路長の合計が光学系の光路長全体の20％以下、好ましくは15％以下になるように光学系を組合せ配置することにより本実施形態においても、耐久性を維持しつつ光学系全体として透過率99.8％／ｃｍを達成させることが出来ると推定される。
【００２２】
【発明の実施例】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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ＤＱ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5×1018分子／ｃｍ2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（Ｚｙｇｏ ＭａｒｋＩＶ)で測定したところΔｎは1×10-6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。
【００２５】
この光学用石英ガラス材料は文献２（New Glass VoL6 No,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、5×1017分子／ｃｍ2であった。（サンプル番号Ａ）
【００２６】
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、オートクレーブ中で水素ガスの高圧（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２×1019分子／ｃｍ2であった。（サンプル番号Ｄ）
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ＳｉＯ2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-1×1.22×1021 （Zhurnal Pri-Kladnoi Spektroskopii, Vol.46、No.6、PP987〜991,June,1987）を使用した。
【００２７】
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5×1018分子／ｃｍ2であった。（サンプル番号Ｂ）
【００２８】
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2×1018分子／ｃｍ2であった。（サンプル番号Ｃ）
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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／ｃｍ2、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／ｃｍ2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2.5×107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。
【００３２】
【表１】
【００３３】
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。
尚、サンプルＤに関しては十分な測定精度が得られなかったため、サンプルＡ〜Ｃの結果を用いて水素濃度と屈折率の上昇率の関係を求め、これを外挿して計算を行った。
【００３４】
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／ｃｍ2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が0.6ｍＪ／ｃｍ2の場合における1×1010ショット後（100Hzの連続照射で3年）の予想される屈折率の変化は各サンプルで下表のようになる。
【表２】
サンプル番号 照射後の屈折率変化の予想値 判定
Ａ 4.04×10-7 使用可能
Ｂ 1.60×10-7 使用可能
Ｃ 8.68×10-8 使用可能
Ｄ 3.42×10-8 使用可能
【００３５】
尚、サンプルＤに関しては十分な測定精度が得られなかったため、サンプルＡ〜Ｃの結果を用いて水素濃度と屈折率の上昇率の関係を求めこれを外挿して計算を行った。
【００３６】
次にＡｒＦエキシマレーザー光のエネルギー密度が0.6ｍＪ／ｃｍ2の場合における1×1010ショット後（100Ｈｚの連続照射で３年）の予想される屈折率の変化は各サンプルで下表のようになる。
【００３７】
【表３】
サンプル番号 照射後の屈折率変化の予想値 判定
Ａ 3.63×10-6 使用不可
Ｂ 1.14×10-6 使用可能
Ｃ 7.81×10-7 使用可能
Ｄ 3.08×10-7 使用可能
【００３８】
次にＡｒＦエキシマレーザー光のエネルギー密度が1.0ｍＪ／ｃｍ2の場合における1×1010ショット後（100Hzの連続照射で3年）の予想される屈折率の変化は各サンプルで下表のようになる。
【００３９】
【表４】
サンプル番号 照射後の屈折率変化の予想値 判定
Ａ 1.01×10-5 使用不可
Ｂ 4.00×10-6 使用不可
Ｃ 2.17×10-6 使用不可
Ｄ 8.56×10-7 使用可能
【００４０】
本シュミレーション実験により、請求範囲に定められた複数種類の合成石英ガラス光学部材により構成される光学系よりなる露光装置は、実際の操業においても長期にわたって十分な光学特性の安定性を実現できると予想される。
【００４１】
【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】
１ ＡｒＦ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
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
【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5×1016分子／ｃｍ3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５×１０18分子／ｃｍ3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5×1018分子／ｃｍ3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／ｃｍ2の水素処理において導入される水素分子濃度はやはり5×1018分子／ｃｍ3が上限である。
【０００６】
このため石英ガラス中に5×1018分子／ｃｍ3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5×1018（molecules／ｃｍ3）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5×1018分子／ｃｍ3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5×1018分子／ｃｍ3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、耐久性や光透過性等の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、次の点に着目したものである。
先ず前記したようにＡｒＦエキシマレーザー露光装置の耐久性の向上を図るために5×1018分子／ｃｍ3以上の水素分子を含有することは工業的には極めて複雑で長時間の処理を必要とし製造困難であるとともに非常に高価になってしまう。
一方文献２（New Glass VoL6 No,2(1989)191-196“ステッパ用石英ガラスについて”牛田一雄著）によればステッパ投影レンズ等に必要な露光装置として透過率として99.0（最低レベル）％／ｃｍ以上、屈折率分布(Δn)が≦1×10-6、複屈折量ｎｍ／ｃｍ≦1.00とされているが、前記したように加圧処理にて5×1018分子／ｃｍ3の高濃度の水素ドープを行うと、前記したように均質な屈折率を有する石英ガラスを得ることが出来ない。
一方、屈折率の面を重視して石英ガラスを製造すると、高濃度の水素ドープガラスを得ることが出来ず、ＡｒＦエキシマレーザーを照射した場合に破損に至る場合がある。
【００１０】
そこで本発明は、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投影して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合成石英ガラス製光学部材を水素分子濃度の異なる複数種の水素ドープ合成石英ガラス製光学部材群で構成するとともに、該光学部材群の内、該光学部材を透過する光エネルギー密度ε（ｍＪ／ｃｍ2）に対応させて水素分子濃度と均質性の異なる複数の光学部材群を効果的に組合せ、光学系全体としての高透過率を達成させた事を特徴とするものである。
【００１１】
即ち、より具体的にはウエーハ露光面又は／及び瞳面に最も近接して配設され該光学部材を透過する光エネルギー密度ε（ｍＪ／ｃｍ2）が最も大なる位置にある少なくとも１の光学部材（以下ウエーハ側光学部材という）の水素分子濃度を、
ウエーハ露光面又は／及び瞳面に最も遠ざかる位置に配設され該光学部材を透過する光エネルギー密度ε（ｍＪ／ｃｍ2）が最も小なる位置にある少なくとも１の光学部材（以下光源側光学部材という）の水素分子濃度より大に、
一方屈折率分布(Δn)と複屈折量ｎｍ／ｃｍの均質性については光源側光学部材をウエーハ側光学部材の均質性より良好に設定し、光学系全体としての高透過率を達成させた事を特徴とするものである。
【００１２】
そして好ましくは、前記ウエーハ側光学部材が、5×1018分子／ｃｍ3以上5×1019分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有する石英ガラス光学材料から構成され、光源側光学部材が１×1017分子／ｃｍ3以上5×1018分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有する石英ガラス光学材料から構成され、そして更に好ましくは前記ウエーハ側光学部材が、5×1018分子／ｃｍ3〜5×1019分子／ｃｍ3の水素分子を含有し、屈折力の均質性Δｎが5×10ー6／１ｃｍ以下で且つ複屈折量が５ｎｍ／ｃｍ以下の合成石英ガラス材で形成され、
一方光源側光学部材が、1×1017分子／ｃｍ3 〜 5×1018分子／ｃｍ3の水素分子を含有し、屈折率の均質性Δｎが3×10ー6／１ｃｍ以下で且つ複屈折量が３ｎｍ／ｃｍ以下の合成石英ガラス材で形成したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４記載の発明は、瞳面を有する投影光学系により集積回路製造用露光装置において、瞳面の直径がφ30〜50ｍｍであることに着目してなされたもので、その特徴とするところは、前記投影光学系を構成するレンズ群を水素ドープ濃度の異なる複数種の石英ガラス製光学部材で構成し、
前記レンズ群の内、直径φ80ｍｍ以下のレンズ群（前記ウエーハ側のレンズ群に対応する）が5×1018分子／ｃｍ3以上5×1019分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有し、屈折率の均質性Δnが5×10-6 以下でかつ複屈折量が５ｎｍ／ｃｍ以下である石英ガラス材から構成され、直径φ80以上φ100ｍｍ以下のレンズ群が5×1017分子/cm3以上5×1018分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有し、屈折率の均質性Δnが3×10-6以下でかつ複屈折量が３ｎｍ／ｃｍ以下である石英ガラス光学部材から構成され、直径φ100ｍｍ以上のレンズ群（前記光源側レンズ群に対応する。）が1×1017分子／ｃｍ3以上5×1018分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有し、屈折率の均質性Δnが1×10-6以下でかつ複屈折量が１ｎｍ／ｃｍ以下である石英ガラス光学部材から構成される事を特徴とするものである。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明に光路長等を組合せ本発明の目的を一層円滑に達成せんとするもので、
露光装置の光学系を構成する石英ガラス光学部材の内、直径φ80ｍｍ以下のレンズ等光学部材の光路長さの合計が光学系全体の20％以下、好ましくは15％以下で、直径φ80ｍｍ以上φ100ｍｍ以下のレンズ等光学部材の光路長の合計が光学系の光路長全体の20％以下、好ましくは15％以下に設定するのが良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置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。
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光の狭帯域化を図りつつ、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。
【００１６】
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。
【００１７】
本実施形態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。
例えばレチクル感度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／ｃｍ2、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ウエーハ側レンズ群のエネルギー密度はその80〜90％程度の0.6〜1.5ｍＪ／ｃｍ2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。
一方、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、してみると前記ウエーハ側若しくは瞳面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／ｃｍ2の１／３程度、具体的には0.2〜0.6ｍＪ／ｃｍ2程度であると推定される。
その他のほとんどのレンズ群（光源側レンズも含めて）は１パルス当たりのエネルギー密度ε≦0.2 ｍＪ／ｃｍ2である。
従ってウエーハ側レンズ群のうち１パルス当たりのエネルギー密度がε≦0.2 ｍＪ／ｃｍ2であるレンズ群においては、耐久性より光学的均質性を重視することにより、光学系全体としての解像度の向上が図れる。そこで本実施形態においてはε：≦0.2 ｍＪ／ｃｍ2の光源側光学部材の場合は、水素分子濃度ＣH2を1×1017≦ＣH2≦5×1018分子／ｃｍ3に低く設定するも、屈折率分布（Δn）は≦1×10-6、複屈折量は≦1.00ｎｍ／ｃｍと高品質に維持する。
【００１８】
又瞳面周辺やウエーハに最も近接するウエーハ側レンズ群において、１パルス当たりのエネルギー密度が0.6≦ε≦1.5であるレンズ群においては、耐久性を重視することにより、光学系全体としての耐久性の向上が図れる。そこで本実施形態においてはε：0.6≦ε≦1.5 ｍＪ／ｃｍ2の光学系の場合は、水素分子濃度ＣH2を5×1018≦ＣH2≦5×1019分子／ｃｍ3に高く設定するも、屈折率分布(Δn)は≦5×10-6、複屈折量は≦5.0ｎｍ／ｃｍと緩やかに設定し、製造の容易化を図る。
更に前記受光エネルギーが高密度レンズ等の次段に位置するレンズ等の光学部材は前記両者の中間を取り、ε：0.2≦ε≦0.6 ｍＪ／ｃｍ2の光学系の場合は、水素分子濃度ＣH2を5×1017≦ＣH2≦5×1018分子／ｃｍ3に、又屈折率分布(Δn)は≦3×10-6、複屈折量は≦3.0ｎｍ／ｃｍと緩やかに設定し、製造の容易化を図る。
そして0.6≦ε≦1.5 ｍＪ／ｃｍ2の光学部材の光路長さの合計が光学系全体の光路長の20％以下、好ましくは15％以下で、前記ε：0.6≦ε≦1.5ｍＪ／ｃｍ2の光学部材の光路長の合計が光学系の光路長全体の20％以下、好ましくは15％以下になるように光学系を組合せ配置することにより後記実施例に示すように、耐久性を維持しつつ光学系全体として高透過率を達成させることが出来る。
【００１９】
さて前記投影光学系を構成するレンズ材を考えるとき、レンズ等の径がいくらの時、劣化の程度が激しいかという事を決めなければならないが、前記した参考文献によるとＡｒＦエキシマレーザーの瞳面の大きさはφ30〜φ50ｍｍ程度であり、この面積に対して何倍かという基準で決める事が合理的である。
即ち、瞳面やウエーハ面に近接する位置で前記した0.6≦ε≦1.5ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度のＡｒＦエキシマレーザーを受光するレンズ径は使用面積を80％とすると瞳面の最大値がφ50ｍｍであることを考慮すると、そのレンズ口径が最大φ80ｍｍ程度であり、従ってε：0.6≦ε≦1.5ｍＪ／ｃｍ2の光学部材のレンズ径は略80φ以下であると推定される。
更に同様の計算により、ε：0.2≦ε≦0.6ｍＪ／ｃｍ2のレンズ等の場合は前記瞳面に対し、拡大率が２〜３倍程度であり、従ってそのレンズ直径はφ80〜100ｍｍ前後のレンズに対応する。
そしてこれ以上（100ｍｍ）のレンズ径では当然エネルギ密度ε：≧0.2ｍＪ／ｃｍ2と低くなる。
そしてこの場合も、直径φ80ｍｍ以下のレンズ等光学部材の光路長さの合計が光学系全体の20％以下、好ましくは15％以下で、直径φ80ｍｍ以上φ100ｍｍ以下のレンズ等光学部材の光路長の合計が光学系の光路長全体の20％以下、好ましくは15％以下に設定するのが良い。
【００２０】
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等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。
かかる装置によれば前記スプリッタ１３に変向後のウエーハに最も近い第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／ｃｍ2の最も強い光エネルギーを受ける為水素分子濃度ＣH2分子／ｃｍ3を5×1018≦ＣH2≦5×1019に高く設定するも、屈折率分布(Δn)は≦5×10-6、複屈折量は≦5.0ｎｍ／ｃｍと緩やかに設定すればよく、又本装置においてはレチクル１７側で第３レンズ群１６については集光／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／ｃｍ2のエネルギーを受けると推定される為水素分子濃度ＣH2分子／ｃｍ3を5×1017≦ＣH2≦5×1018に設定、又屈折率分布(Δn)は≦3×10-6、複屈折量は≦3.0ｎｍ／ｃｍと緩やかに設定すればよく、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、特に光源側に近い光学部材においては１パルス当たりのエネルギー密度ε≦0.2ｍＪ／ｃｍ2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ＣH2分子／ｃｍ3は、1×1017≦ＣH2≦5×1018に設定するも、屈折率分布(Δn)は≦1×10-6、複屈折量は≦１ｎｍ／ｃｍと高品質に維持する。
【００２１】
そしてレンズ径の関係は前記と同様で、更にレンズ口径をφ80ｍｍ以下に設定した第４レンズ群１９の光路長さの合計が光学系全体の光路長の20％以下、好ましくは15％以下で、前記レンズ口径をφ80〜100ｍｍに設定した第３レンズ群１６の光学部材の光路長の合計が光学系の光路長全体の20％以下、好ましくは15％以下になるように光学系を組合せ配置することにより本実施形態においても、耐久性を維持しつつ光学系全体として透過率99.8％／ｃｍを達成させることが出来ると推定される。
【００２２】
【発明の実施例】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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ＤＱ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5×1018分子／ｃｍ2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（Ｚｙｇｏ ＭａｒｋＩＶ)で測定したところΔｎは1×10-6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。
【００２５】
この光学用石英ガラス材料は文献２（New Glass VoL6 No,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、5×1017分子／ｃｍ2であった。（サンプル番号Ａ）
【００２６】
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、オートクレーブ中で水素ガスの高圧（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２×1019分子／ｃｍ2であった。（サンプル番号Ｄ）
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ＳｉＯ2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-1×1.22×1021 （Zhurnal Pri-Kladnoi Spektroskopii, Vol.46、No.6、PP987〜991,June,1987）を使用した。
【００２７】
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5×1018分子／ｃｍ2であった。（サンプル番号Ｂ）
【００２８】
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2×1018分子／ｃｍ2であった。（サンプル番号Ｃ）
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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／ｃｍ2、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／ｃｍ2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2.5×107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。
【００３２】
【表１】
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。
尚、サンプルＤに関しては十分な測定精度が得られなかったため、サンプルＡ〜Ｃの結果を用いて水素濃度と屈折率の上昇率の関係を求め、これを外挿して計算を行った。
【００３４】
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／ｃｍ2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が0.6ｍＪ／ｃｍ2の場合における1×1010ショット後（100Hzの連続照射で3年）の予想される屈折率の変化は各サンプルで下表のようになる。
【表２】
サンプル番号 照射後の屈折率変化の予想値 判定
Ａ 4.04×10-7 使用可能
Ｂ 1.60×10-7 使用可能
Ｃ 8.68×10-8 使用可能
Ｄ 3.42×10-8 使用可能
【００３５】
尚、サンプルＤに関しては十分な測定精度が得られなかったため、サンプルＡ〜Ｃの結果を用いて水素濃度と屈折率の上昇率の関係を求めこれを外挿して計算を行った。
【００３６】
次にＡｒＦエキシマレーザー光のエネルギー密度が0.6ｍＪ／ｃｍ2の場合における1×1010ショット後（100Ｈｚの連続照射で３年）の予想される屈折率の変化は各サンプルで下表のようになる。
【００３７】
【表３】
サンプル番号 照射後の屈折率変化の予想値 判定
Ａ 3.63×10-6 使用不可
Ｂ 1.14×10-6 使用可能
Ｃ 7.81×10-7 使用可能
Ｄ 3.08×10-7 使用可能
【００３８】
次にＡｒＦエキシマレーザー光のエネルギー密度が1.0ｍＪ／ｃｍ2の場合における1×1010ショット後（100Hzの連続照射で3年）の予想される屈折率の変化は各サンプルで下表のようになる。
【００３９】
【表４】
サンプル番号 照射後の屈折率変化の予想値 判定
Ａ 1.01×10-5 使用不可
Ｂ 4.00×10-6 使用不可
Ｃ 2.17×10-6 使用不可
Ｄ 8.56×10-7 使用可能
【００４０】
本シュミレーション実験により、請求範囲に定められた複数種類の合成石英ガラス光学部材により構成される光学系よりなる露光装置は、実際の操業においても長期にわたって十分な光学特性の安定性を実現できると予想される。
【００４１】
【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】
１ ＡｒＦ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
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
Claims (5)
- 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投影光学系若しくは反射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合成石英ガラス製光学部材を水素分子濃度の異なる複数種の水素ドープ合成石英ガラス製光学部材群で構成し、
ウエーハ露光面又は／及び瞳面に最も近接して配設され該光学部材を透過する光エネルギー密度ε（ｍＪ／ｃｍ2）が最も大なる位置にある少なくとも１の光学部材（以下ウエーハ側光学部材という）の水素分子濃度を、
ウエーハ露光面又は／及び瞳面に最も遠ざかる位置に配設され該光学部材を透過する光エネルギー密度ε（ｍＪ／ｃｍ2）が最も小なる位置にある少なくとも１の光学部材（以下光源側光学部材という）の水素分子濃度より大に、
一方屈折率分布(Δn)と複屈折量ｎｍ／ｃｍの均質性については光源側光学部材をウエーハ側光学部材の均質性より良好に設定した事を特徴とする集積回路製造用露光装置。 - 前記ウエーハ側光学部材が、5×1018 分子／ｃｍ3 以上5×1019分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有する石英ガラス光学材料から構成され、光源側光学部材が1×1017分子／ｃｍ3以上5×1018分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有する石英ガラス光学材料から構成される事を特徴とする請求項１記載の半導体製造用露光装置。
- 前記ウエーハ側光学部材が、5×1018分子／ｃｍ3〜5×1019分子／ｃｍ3の水素分子を含有し、屈折力の均質性Δｎが5×10-6／１ｃｍ以下で且つ複屈折量が５ｎｍ／ｃｍ以下の合成石英ガラス材で形成され、
一方光源側光学部材が、1×1017分子／ｃｍ3 〜 5×1018分子／ｃｍ3の水素分子を含有し、屈折率の均質性Δｎが3×10-6／１ｃｍ以下で且つ複屈折量が３ｎｍ／ｃｍ以下の合成石英ガラス材で形成したことを特徴とする請求項２記載の集積回路製造用露光装置。 - 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、瞳面を有する投影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、
前記投影光学系を構成するレンズ群を水素ドープ濃度の異なる複数種の石英ガラス製光学部材で構成し、
前記レンズ群の内、直径φ80ｍｍ以下のレンズ群が5×1018分子／ｃｍ3以上5×1019分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有し、屈折率の均質性Δnが5×10-6以下でかつ複屈折量が５ｎｍ／ｃｍ以下である石英ガラス材から構成され、直径φ80以上φ100ｍｍ以下のレンズ群が5×1017分子／ｃｍ3以上5×1018分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有し、屈折率の均質性Δnが3×10-6以下でかつ複屈折量が３ｎｍ／ｃｍ以下である石英ガラス光学部材から構成され、直径φ100ｍｍ以上のレンズ群が1×1017分子／ｃｍ3以上5×1018分子／ｃｍ3以下の水素分子濃度を有し、屈折率の均質性Δnが1×10-6以下でかつ複屈折量が１ｎｍ／ｃｍ以下である石英ガラス光学部材から構成される事を特徴とする半導体製造用露光装置。 - 露光装置の光学系を構成する石英ガラス光学部材の内、直径φ80ｍｍ以下のレンズ等光学部材の光路長さの合計が光学系全体の20％以下、好ましくは15％以下で、直径φ80ｍｍ以上φ100ｍｍ以下のレンズ等光学部材の光路長の合計が光学系の光路長全体の20％以下、好ましくは15％以下である事を特徴とする請求項４記載の半導体製造用露光装置。
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-
1996
- 1996-07-02 JP JP19151596A patent/JP3641767B2/ja not_active Expired - Lifetime
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