JP4370581B2 - 露光装置及び露光装置用光学部材 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エキシマレーザリソグラフィ技術において、300nm以下の特定波長帯域で使用されるレンズやミラー等の光学部材とそれを用いた露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
IC、LSI等の集積回路のパターン転写には、主に縮小投影露光装置または光リソグラフィ装置が用いられている。この装置に用いられる投影光学系には、集積回路の高集積化に伴い、広い露光領域と、その露光領域全体にわたっての高い解像度が要求される。投影光学系の解像度をより向上するには、露光波長をより短くしたり、投影光学系の開口数(NA)を大きくすることが考えられる。露光装置の光源には、現在では、主にKrF(248nm)エキシマレーザが用いられており、更なる高解像度化を目指して、深紫外光線であるArFエキシマレーザへの短波長化が進められている。
【０００３】
従来のエキシマレーザリソグラフィ技術における知見では、光学部材の損傷は主に３つに大別されていた。１つ目は内部欠陥の生成による内部透過率の低下（特開平８−２５９２５５号公報参照）、２つ目はコンパクションやエクスパンジョン等の体積変化に伴う屈折率変化（特表２０００−５１７２８４号公報参照）、３つ目は光学薄膜の破壊や汚染といった表面状態の変化（特開２００２−１４２０２号公報、特開平１１−５２１０２号公報参照）である。
【０００４】
ところが、最近これらのいずれにも属さない損傷が報告され、関心を集めた（E. M. Wright et al. "Spatial pattern microchannel formation infused silica irradiated by nanosecond ultraviolet pulses", Applied Optics,1999, Vol. 38, p.5785-5788参照）。これは光学部品の表面から内部に直径数μmの穴が形成されるマイクロチャンネル現象であり、この現象が発生すると、散乱による光学部材の透過率の減少や光学薄膜の破壊が生じ、光学部材の透過率特性が著しく減少することが予測されている。
【０００５】
ところが、マイクロチャンネル現象に関する報告は少なく、未だに十分な知見が得られていない。このマイクロチャンネル現象は次のような性質を有していることが知られている。
（１）数mJ・cm-2・pulse-1のエネルギー密度のArFエキシマレーザを合成石英ガラスに109パルス程度照射し続けると発生する。
（２）レーザが入射する面ではなく、裏面で発生する。
（３）レーザの照射部と非照射部の境界付近で発生する。
【０００６】
このマイクロチャンネル現象は露光装置の通常の使用条件下で、実用域の弱いエネルギー密度においても極めて長時間照射し続けることによって発生するため、この現象による機械的損傷の防止策を施さなければならない。
【発明の開示】
このマイクロチャンネル現象が発生すると光学部材の透過率特性が著しく減少するとともに、不要な散乱光も発生するので、露光装置の結像性能、安定性や寿命が劣化することが予測されるにも拘わらず、マイクロチャンネル発生の原因が明確でなく、その防止手段は知られていない。そこで、この発明はマイクロチャンネルの発生を抑制できる光学部材及び露光装置を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明者らは、パルス光であるKrF及びArFエキシマレーザ光を、合成石英ガラス、水晶単結晶、フッ化カルシウム単結晶等からなる各種光学部材に照射し、実際にマイクロチャンネルを発生させることで、発生の条件を検討した。
【０００８】
その結果、マイクロチャンネルの発生原因は合成石英の特徴的な現象である屈折率変化による自己集光であると考えるに至った。即ち、合成石英ガラスに前記レーザ光が照射されると、コンパクションを伴う屈折率変化が生じる。この照射を繰り返すうちに、小さな屈折率変化量が蓄積され、大きな屈折率分布として光学部材に残る。これにより、光は屈折率の高い方に曲げられ、照射光が光学部材の裏面近くで徐々に自己集光される。そして、最後には裏面近くで照射光のエネルギー密度が光学部材の破壊閾値を越える強いものになるのである。
【０００９】
図１はエキシマレーザ光を合成石英ガラス試料に照射した際の、１パルス当たりのエネルギー密度Ｉとマイクロチャンネルの発生パルス数Ｎとの関係を表すグラフである。
【００１０】
照射実験に使用した試料は、OH基を1100ppm、水素分子を2×1018個／cm3含有した合成石英ガラスを、直径30mm、厚さ10mmの大きさに切り出し、直径30mmの面を両面光学研磨して作製した。アパーチャーによって規制された直径5mmのKrFエキシマレーザ光またはArFエキシマレーザ光を、レンズ及びホモジナイザ等の光学部品を透過させずに、光源から試料に直接照射した。レーザ光のパルス当たりのエネルギー密度は放電電圧を変化させることで調節し、その値は試料の位置にジュールメータを配置して測定した。試料は、アルミニウム製の箱の内部に配置し、乾燥窒素ガスで箱内の雰囲気を置換した。レーザ光のエネルギー密度を固定し、所定パルスのレーザ光を照射した。レーザ光のパルス幅τはKrF又はArFエキシマレーザともに20nsである。マイクロチャンネルの有無は集光灯の光で試料を照らし、目視にて確認した。
【００１１】
図１において、直線Ｋ１０はKrFエキシマレーザ光、直線Ａ１０はArFエキシマレーザ光に関する相関を示している。これらの直線はマイクロチャンネルの発生閾値を表し、直線Ｋ１０、Ａ１０より左側の領域ではマイクロチャンネルが発生しなかった。
【００１２】
以上の実験結果より、マイクロチャンネルは照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度Ｉが高いほど発生し易いことが明らかになった。そして、マイクロチャンネルが発生するパルス数Ｎはパルス当たりのエネルギー密度Ｉと相関を有し、Ｉの２乗に反比例して少なくなることが分かった。
【００１３】
なお、マイクロチャンネルは合成石英ガラスの屈折率変化Δnと関係しており、この実験では、KrFエキシマレーザ光ではΔnが20ppm、ArFエキシマレーザ光ではΔnが2ppmのとき、マイクロチャンネルが発生した。
【００１４】
次に厚さ100mmの試料を用い、同様にKrFエキシマレーザ光を照射してマイクロチャンネルの発生閾値を求めた。その結果を図１に直線Ｋ１００として示した。
【００１５】
Ｋ１０とＫ１００との比較から、マイクロチャンネルの発生閾値は試料の厚さと相関があると考えられたので、その依存性を調べるため次の実験を行った。
【００１６】
OH基を1100ppm、水素分子を2×1018個／cm3含有した合成石英ガラスを、15×15mm角、厚さを30mm〜100mmの範囲で変更して、複数の直方体を切り出し、15×15mm角の面を両面光学研磨して試料とした。この試料に20mJ・cm-2・pulse-1のエネルギー密度でArFエキシマレーザ光を照射し、マイクロチャンネルの発生閾値を求めた。結果を図２に示す。
【００１７】
実験結果より、マイクロチャンネルは光学部材が厚いほど発生し易いことが明らかとなり、マイクロチャンネルが発生するパルス数Ｎは厚さＬの1.7乗に反比例して少なくなることが分かった。
【００１８】
本発明者らは以上の実験結果に加え、コンパクションによるΔnがパルス幅τに反比例するという報告（Applied Optics, 1999,Vol. 38, p.5785-5788参照）から、光学部材の厚さＬ(cm)、照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度Ｉ(mJ・cm-2・pulse-1)、パルス光のパルス幅τ(ns)と、マイクロチャンネルの発生パルス数Ｎ(pulse)との相互関係を表す式を導出することに成功した。すなわちKrFレーザ光については、
Ｎ＝5×1011×τＩ-2Ｌ-1.7
の関係が成立し、一方ArFレーザ光については、
Ｎ＝4×108×τＩ-2Ｌ-1.7
の関係が成立することを明らかにしたのである。
【００１９】
合成石英ガラス部材を搭載した現実の露光装置について検討すると、極めて高エネルギー密度の光線が入射する一部の部材については定期交換で対応すると仮定しても、半導体工場等における一般的な稼動状況および耐用年数を考慮すれば、少なくとも1010パルス以上、より好ましくは1011パルス以上の照射に対して、マイクロチャンネルを生じないことが望ましい。そこで上記の関係式のＮに1010パルスを代入すれば、露光装置の光学部材として好適な厚さの範囲を特定する関係式を導くことができる。
【００２０】
すなわちKrFレーザ光を含む波長300nm以下のパルス光に用いる光学部材に対しては
τＩ-2Ｌ-1.7≧0.02（ns・mJ-2 ・cm2.3・pulse2）
であり、またArFレーザ光を含む波長200nm以下のパルス光に用いる光学部材に対しては、
τＩ-2Ｌ-1.7≧25（ns・mJ-2 ・cm2.3・pulse2）
であればマイクロチャンネルを発生することなく、1010パルスのパルス光を照射することができる。
【００２１】
以上の実験および考察に基づき、本発明はマイクロチャンネルの発生を抑制する手段として以下の露光装置を提供する。
【００２２】
＜１＞ 波長300nm以下のパルス光を発する光源を有し、該パルス光を複数の光学部材を透過させて照射することにより被露光物を露光する露光装置であって、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記式（１）を満たすように構成されたことを特徴とする露光装置。
τＩ-2Ｌ-1.7≧0.02（ns・mJ-2 ・cm2.3・pulse2）・・（１）
（式（１）中、Ｌは前記合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse-1）、τは該パルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。）
＜２＞ ＜１＞に記載の構成に加え、前記パルス光の波長が200nm以下であって、前記合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射される前記パルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記式（２）を満足するように構成されたことを特徴とする露光装置。
τＩ-2Ｌ-1.7≧25（ns・mJ-2・cm2.3・pulse2） ・・（２）
（式（２）中、Ｌは前記合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse-1）、τは該パルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。）
＜３＞ ＜１＞に記載の露光装置であって、前記複数の光学部材中の合成石英ガラス部材の全数に対して、前記式（１）を満たす合成石英ガラス部材の数が２分の１以上であることを特徴とする露光装置。
【００２３】
＜４＞ ＜２＞に記載の露光装置であって、前記複数の光学部材中の合成石英ガラス部材の全数に対して、前記式（２）を満たす合成石英ガラス部材の数が２分の１以上であることを特徴とする露光装置。
【００２４】
本発明者らは引き続き光学部材の組成および各種物性とマイクロチャンネル現象との相関についても研究し、マイクロチャンネルの発生を抑制する手段として以下の発明をなすに至った。
【００２５】
＜５＞ 波長300nm以下のパルス光を発する光源を有し、該パルス光を複数の光学部材を透過させて照射することにより被露光物を露光する露光装置であって、前記複数の光学部材のうち、パルス当たりのエネルギー密度が1mJ・cm-2・pulse-1以上のパルス光が照射される部材が、水晶単結晶、酸化アルミニウム単結晶、フッ化カルシウム単結晶、フッ化マグネシウム単結晶、および無水フッ素ドープ石英ガラスからなる群から選ばれた少なくとも１種からなることを特徴とする露光装置。
【００２６】
＜６＞ ＜５＞に記載の構成に加え、前記無水フッ素ドープ石英ガラスの、パルス当たりのエネルギー密度が30mJ・cm-2・pulse-1のArFエキシマレーザ光を1×107パルス照射したときに波長633nmで測定される屈折率変化量が、3ppm以下であることを特徴とする露光装置。
【００２７】
＜７＞ 波長300nm以下の紫外線を発する光源を有し、該紫外線を複数の光学部材を透過させて照射することにより被露光物を露光する露光装置であって、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材の脈理が、日本光学硝子工業会規格（JOGIS）11-1975に基づく評価において、１級ないし３級であることを特徴とする露光装置。
【００２８】
＜７−１＞ 前記光源が波長300nm以下の紫外線のパルス光を発するものであり、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材の脈理が、日本光学硝子工業会規格（JOGIS）11-1975に基づく評価において、１級ないし３級である、＜１＞に記載の露光装置。
【００２９】
＜８＞ 波長300nm以下の紫外線を発する光源を有し、該紫外線を複数の光学部材を透過させて照射することにより被露光物を露光する露光装置であって、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材に含有される異物および泡の大きさが1μm以下であることを特徴とする露光装置。
【００３０】
＜８−１＞ 前記光源が波長300nm以下の紫外線のパルス光を発するものであり、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材に含有される異物および泡の大きさが1μm以下である、＜１＞に記載の露光装置。
【００３１】
次に本発明者らはパルス光のビーム品質とマイクロチャンネルとの関係についても研究を行い、次の知見を得た。
【００３２】
図３は試料の裏面におけるマイクロチャンネルの微分干渉顕微鏡像の模式図を示す。図中の記号＊はマイクロチャンネルを示し、符号ｍは直線状に延びる３本の溝を示す。各溝ｍは略平行に形成され、その間隔は0.1mm程度となっていた。ここでは、マイクロチャンネルは照射部と非照射部の境界付近に発生し、また、0.1mm程度の間隔の溝ｍに沿って発生していることが分かった。
【００３３】
一方、エキシマレーザ光のビームプロファイルを調べたところ、0.1mm程度の層状の構造のエネルギー密度のむらがあり、局所的にエネルギー密度の高い部分が存在することが分かった。このエネルギー密度のむらを測定したところ、むらの頂部と底部との差は平均エネルギー密度の5%程度であった。
【００３４】
従って、試料の裏面の0.1mmの間隔の溝ｍはエキシマレーザ光が有していたエネルギー密度のむらに基づく構造と推測でき、この溝ｍに沿ってマイクロチャンネルが発生しているということは、図３に示すように、極めて細かくて鋭いエネルギー密度のむらの構造があるため、マイクロチャンネルの発生が促進された可能性が示されたと推測することができる。
【００３５】
なお、マイクロチャンネルが発生する場所は、エネルギー密度の高い場所であり、特にエネルギー密度が均質でないレーザ光では部材の内部でも発生することがあった。
【００３６】
また、エネルギー密度のむらを複数観察したところ、エネルギー密度のむらの頂部と底部との差が平均エネルギー密度の5%以下の光では、エネルギー密度の隣接する頂部間の幅が0.1mm以上であればマイクロチャンネルの発生を抑制し易いことが確認できた。
【００３７】
以上の研究結果より、本発明者らは以下の発明をなすに至った。
【００３８】
＜９＞ 波長300nm以下の紫外線を発する光源を有し、該紫外線を複数の光学部材を透過させて照射することにより被露光物を露光する露光装置であって、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材に照射される紫外線は、光軸に垂直な面内におけるエネルギー密度のむらの隣接する頂部間の幅が0.1mmより広く、且つ、前記エネルギー密度の頂部と底部との差が平均エネルギー密度の5%以下となるように構成されたことを特徴とする露光装置。
【００３９】
＜９−１＞ 前記光源が波長300nm以下の紫外線のパルス光を発するものであり、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材に照射される紫外線は、光軸に垂直な面内におけるエネルギー密度のむらの隣接する頂部間の幅が0.1mmより広く、且つ、前記エネルギー密度の頂部と底部との差が平均エネルギー密度の5%以下となるように構成されている、＜１＞に記載の露光装置。
【００４０】
＜１０＞ 波長300nm以下の紫外線を発する光源と、該紫外線の光軸に垂直な面内におけるエネルギー密度のむらを減少させるホモジナイザとを有し、該紫外線を複数の光学部材を透過させて照射することにより被露光物を露光する露光装置であって、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材の全てが、最も光源側に配置された前記ホモジナイザよりも被露光物側に配置されたことを特徴とする露光装置。
【００４１】
＜１０−１＞ 前記光源が波長300nm以下の紫外線のパルス光を発するものであり、該紫外線の光軸に垂直な面内におけるエネルギー密度のむらを減少させるホモジナイザを更に有しており、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材の全てが、最も光源側に配置された前記ホモジナイザよりも被露光物側に配置されている、＜１＞に記載の露光装置。
【００４２】
＜１１＞ 被露光物を波長300nm以下のパルス光で露光する露光装置の光学系に使用される合成石英ガラス部材であって、該合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射される前記パルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記式（３）を満たすように構成されたことを特徴とする露光装置用合成石英ガラス部材。
τＩ-2Ｌ-1.7≧0.02（ns・mJ-2 ・cm2.3・pulse2）・・（３）
（式（３）中、Ｌは前記合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse-1）、τは該パルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。）
＜１２＞ ＜１１＞に記載の構成に加え、前記パルス光の波長が200nm以下であって、前記合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射される前記パルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記式（４）を満たすように構成されたことを特徴とする露光装置用合成石英ガラス部材。
τＩ-2Ｌ-1.7≧25（ns・mJ-2・cm2.3・pulse2）・・（４）
（式（４）中、Ｌは前記合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse-1）、τは該パルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。）
＜１３＞ 原版上に設けられたパターンの像を感光性物質を有する基板上に投影露光する露光方法であって、＜１＞〜＜１０＞、＜７−１＞、＜８−１＞、＜９−１＞、＜１０−１＞のいずれかに記載の露光装置を用いることを特徴とする。
【００４３】
＜１＞及び＜２＞に記載の本発明の露光装置によれば、合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射される前記パルス光のパルス幅とパルス当たりのエネルギー密度とを特定の関数として規定したので、紫外線照射時に合成石英ガラス部材の被露光物側の面にマイクロチャンネルが発生することを抑制できる。そのため、被露光物を露光する際に、合成石英ガラス部材の機械的損傷を防止して露光装置の寿命を向上させることができる。
【００４４】
＜３＞及び＜４＞に記載の本発明の露光装置によれば、＜１＞又は＜２＞に記載の合成石英ガラス部材を、全合成石英ガラス部材のうち半数以上としたので、さらに露光装置の寿命を向上させることができる。
【００４５】
＜５＞に記載の本発明の露光装置によれば、所定量以上のエネルギー密度の紫外線が照射される複数の光学部材を、マイクロチャンネルの発生を抑制できる単結晶体または無水フッ素ドープ石英ガラスで形成したので、マイクロチャンネルの発生を抑制でき、露光装置の寿命を向上させることができる。
【００４６】
特に＜６＞に記載の本発明の露光装置によれば、所定量以上のエネルギー密度の紫外線が照射される複数の光学部材を、パルス当たりのエネルギー密度が30mJ・cm-2・pulse-1のArFエキシマレーザ光を1×107パルス照射したときに波長633nmで測定される屈折率変化量が3ppm以下である前記無水フッ素ドープ石英ガラスで形成したので、マイクロチャンネルの発生を抑制でき、露光装置の寿命を向上させることができる。
【００４７】
さらに＜７＞及び＜７−１＞に記載の本発明の露光装置によれば、合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材の脈理を、日本光学硝子工業会規格（JOGIS）11-1975に基づく評価において、１級ないし３級の範囲にしたので、パルス光が合成石英ガラス部材を透過する際、該部材の脈理により、マイクロチャンネルの発生原因となる光のエネルギー密度のむらを生成することがない。そのため、該合成石英ガラス部材より被露光物側の光学部材にエネルギー密度のむらを含有するパルス光を照射することがなく、マイクロチャンネルの発生を抑制して、露光装置の寿命をより向上させることができる。
【００４８】
また、＜８＞及び＜８−１＞に記載の本発明の露光装置によれば、合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材に含有される異物又は泡の大きさが１μｍ以下であるので、パルス光が透過する際に、マイクロチャンネルの発生原因となる光のエネルギー密度のむらを生成することがなく、マイクロチャンネルの発生を抑制して、露光装置の寿命をより向上することができる。
【００４９】
さらに、＜９＞及び＜９−１＞に記載の本発明の露光装置によれば、パルス光のエネルギー密度のむらを所定の範囲に小さくしたので、マイクロチャンネルの発生原因となりやすい微細で変化の大きいエネルギー密度のむらがなく、マイクロチャンネルの発生を抑制して露光装置の寿命を向上させることができる。
【００５０】
また、＜１０＞及び＜１０−１＞に記載の本発明の露光装置は、合成石英ガラス部材の全てが、光源に最も近い位置に配置されたホモジナイザよりも被露光物側に配置されているので、マイクロチャンネルの発生原因となるエネルギ密度のむらを低減した紫外線を合成石英部材に照射することができ、マイクロチャンネルの発生を抑制できて露光装置の寿命を向上させることができる。
【００５１】
そして、＜１１＞及び＜１２＞に記載した本発明の光学部材によれば、合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス幅とパルス当たりのエネルギー密度とが特定の関係となるように構成されているので、マイクロチャンネルの発生を抑制することができ、耐久性の優れた露光装置用の光学部材を提供することができる。
【００５２】
また、＜１３＞に記載した本発明の露光方法によれば、マイクロチャンネルの発生が抑制された前記本発明の露光装置を用いるので、安定した露光特性を長期間維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
図１は、照射エネルギー密度とマイクロチャンネル発生パルス数との相関を示すグラフである。
【００５４】
図２は、光学部材の厚さとマイクロチャンネル発生パルス数との相関を示すグラフである。
【００５５】
図３は、マイクロチャンネルの微分干渉顕微鏡像の模式図である。
【００５６】
図４は、本発明の好適な実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。
【００５７】
図５は、本発明の好適な他の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【００５９】
図４は、本発明の好適な実施形態にかかる露光装置である。この露光装置は、光源１から照射された波長300nm以下の紫外線が、複数のレンズ２が配置された光束整形光学系３において平行光束に変換され、回折格子４ａやレンズ４ｂ等を備えたホモジナイザー５において光束のずれ等が補正されてエネルギー密度のむらが低減され、フライアイレンズ等のインテグレータ７及びコンデンサレンズ９を経由してマスク１１に照射され、その後、多数のレンズ１２を備えた投影光学系１３を通して、マスク１１の回路パターン等の露光形状がウエハ等の被露光物１５に転写されるように構成されている。この露光時には、光源１からは、例えばKrFエキシマレーザ光等の波長300nm以下のパルス光や、ArFエキシマレーザ光等の波長200nm以下のパルス光が照射されるようになっている。なお、フライアイレンズ等のインテグレータ７は、単独でもホモジナイザーとして作用する。
【００６０】
この露光装置では、レンズ２，４ｂ，７，９，１２や回折格子４ａなどの多数の光学部材の一部又は全部に、合成石英ガラスから形成された合成石英ガラス部材が用いられている。この実施の形態では、このような合成石英ガラス部材のマイクロチャンネルの発生を抑制する。
【００６１】
まず、合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記（１）式を満足するように形成するのが好ましく、特に波長200nm以下のパルス光を照射する露光装置では、下記（２）式の関係を満足するように形成するのが特に好ましい。
τＩ-2Ｌ-1.7≧0.2（ns・mJ-2 ・cm2.3・pulse2） ・・（１）
τＩ-2Ｌ-1.7≧250（ns・mJ-2・cm2.3・pulse2） ・・（２）
（式（１）及び（２）中、Ｌは合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse - １ ）、τはパルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。）
ここで合成石英ガラス部材の厚さとは、合成石英ガラス部材の光軸に沿って測定される厚さであり、この厚さが不均一な凸レンズの場合には中心厚、凹レンズの場合には外縁部間となる。また、メニスカス形状のレンズの場合は凸面の中心と凹面の外縁部間を光軸に沿って測定した値である。
【００６２】
なお本発明は、露光装置を構成する全ての合成石英ガラス部材が上記関係式を満たすことを要求するものではない。光源直後のレンズ２等のように極めて高いエネルギー密度の光線が入射する部材は、上記の関係式を適用してマイクロチャンネルを防止しようとしても、部材の厚さＬが極めて小さなものとなってしまい事実上実現は困難である。したがってこのような部材を合成石英ガラス部材で構成する場合、比較的早期にマイクロチャンネルが発生し部品交換等による対応が必要になると予想される。しかしながら当該部材が光学系全体に占める割合はごく僅かであるので、他の部材を上記関係式を満たすものとしておけば、露光装置全体に対するマイクロチャンネルの抑制効果を大幅に損なうものではない。露光装置を構成する合成石英ガラス部材の全数に対して、前記（１）式の関係を満足する合成石英ガラス部材の数が２分の１以上であることが好ましく、特に波長200nm以下のパルス光を照射する露光装置では、前記（２）式の関係を満足する合成石英ガラス部材の数が２分の１以上であることが好ましい。また以下に説明するように、エネルギー密度の高い光線が入射する部材を無水フッ素ドープ石英ガラスや結晶材料で構成すれば、このような問題は生じない。
【００６３】
マイクロチャンネルはコンパクションの蓄積により生じると考えられるが、光学部材の材料として合成石英ガラスを用いる場合は、コンパクションが生じることが避けられない。そのため紫外線のエネルギー密度が高い領域、例えば、光学部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度が1mJ・cm-2・pulse-1以上の領域には、光学部材としてコンパクションを生じ難い材料を用いることも好ましい。光学部材の材料を選択することによってマイクロチャンネルの発生を抑制することができるからである。
【００６４】
このようなエネルギー密度のパルス光が照射される領域に配置される光学部材の材料としては、無水フッ素ドープ石英ガラスや単結晶からなる結晶材料を挙げることができる。
【００６５】
この無水フッ素ドープ石英ガラスとしては、パルス当たりのエネルギー密度30mJ・cm-2・pulse-1のArFエキシマレーザを1×107パルス照射し、その前後において波長633nmで測定される屈折率変化量が3ppm以下となるものを使用するのが好ましく、このような無水フッ素ドープ石英ガラスであれば、マイクロチャンネル現象を抑制し易くすることができる。
【００６６】
また、結晶材料としては、水晶単結晶、酸化アルミニウム単結晶、フッ化カルシウム単結晶及びフッ化マグネシウム単結晶などからなる群から、１種単独で、或いは２種以上を組み合わせて選択して使用することができる。このような結晶材料を用いれば、より確実にマイクロチャンネル現象を抑制することができる。
【００６７】
なお、パルス当たりのエネルギー密度が非常に高い領域、例えば10〜100mJ・cm-2・pulse-1程度のパルス光が照射される領域には結晶材料を使用し、1〜10mJ・cm-2・pulse-1程度の領域にはコンパクション量の小さい無水フッ素ドープ石英ガラス等の硝材を用いるように構成することも可能である。
【００６８】
次に、このような光学部材、特に合成石英ガラス部材では、照射される光に微細なエネルギー密度の分布があって、エネルギー密度にむらが存在している場合はマイクロチャンネルが発生し易い。そのため、複数の光学部材を配置した露光装置では、光学部材に照射される光の光軸と直交する方向のエネルギー密度のむらを小さくすることが好ましい。
【００６９】
これは、光にエネルギー密度のむらが存在すると、微細な部分のコンパクションの差による微細な屈折率のむらが生じ、その微細な屈折率のむらにより微細な多数の位置で光が集光し易くなり、その結果、均質なエネルギー密度の光に比べてマイクロチャンネルが発生し易くなるためと推測される。
【００７０】
そこで、この露光装置では、まず、マイクロチャンネルの発生を防止すべき光学部材に照射される紫外線において、エネルギー密度のむらの頂部間の幅を0.1mmより広くし、且つ、頂部と底部との差を平均エネルギー密度の5%以下とするのが好ましく、エネルギー密度のむらの頂部間の幅を1mm以上とするのが特に好適である。
【００７１】
また、光源１から放射される紫外線に前記の範囲を超えるエネルギー密度のむらが存在する場合、ホモジナイザ５を配置し、エネルギー密度のむらを減少させるのが好ましいが、その場合、特に、光源１とこの光源１に最も近い位置に配置されたホモジナイザー５との間、例えば光束整流光学系３には、合成石英ガラス部材を配置しないようにするのが好ましい。
【００７２】
さらに、光源１から照射される紫外線やホモジナイザ５等を経由して照射される紫外線がエネルギー密度のむらの少ないものであっても、各光学部材を透過する際、脈理が存在したり、１μm以上の大きさの異物や泡が存在する場合には、その光学部材を透過後の光にエネルギー密度のむらが生成される。そのため、各光学部材、特に各合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材においてもエネルギー密度のむらを生成しにくいものを採用するのが好ましい。
【００７３】
このエネルギー密度のむらを生成しにくい光学部材としては、日本光学硝子工業会規格（JOGIS）11-1975において脈理が１級ないし３級である光学部材を用いるのが好ましく、また、光学部材に含有される異物および泡の大きさを１μm以下とすることも好ましい。ここで日本光学硝子工業会規格（JOGIS）11-1975における脈理３級とは、50mm×50mm×20mmの光学部材の50mm×20mmの平行な両面間に、層状の不均質性がピンホール光の投影像でわずかに目視で認められるものをいう。
【００７４】
なお、本発明は、レチクルとウエハとを同期移動してレチクルのパターンを露光するステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置（米国特許５，４７３，４１０号）、いわゆるスキャニング・ステッパーのみならず、レチクルとウエハとを静止した状態でレチクルのパターンを露光し、ウエハを順次ステップ移動させるステップ・アンド・リピート方式の露光装置（ステッパー）にも適用することができる。
【００７５】
また、本発明はツインステージ型の露光装置にも適用できる。ツインステージ型の露光装置の構造及び露光動作は、例えば特開平１０−１６３０９９号及び特開平１０−２１４７８３号（対応米国特許６，３４１，００７号、６，４００，４４１号、６，５４９，２６９号及び６，５９０,６３４号）、特表２０００−５０５９５８号（対応米国特許５，９６９，４４１号）あるいは米国特許６，２０８，４０７号に開示されている。
【００７６】
さらに、本発明は、投影光学系と被露光物との間に局所的に液体を満たす液浸露光装置や、露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動させる液浸露光装置や、ステージ上に所定深さの液体槽を形成しその中に基板を保持する液浸露光装置にも適用可能である。露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動させる液浸露光装置の構造及び露光動作については、例えば特開平６−１２４８７３号に、ステージ上に所定深さの液体槽を形成してその中に基板を保持する液浸露光装置については、例えば特開平１０−３０３１１４号や米国特許５，８２５，０４３号にそれぞれ開示されている。
【００７７】
以上説明したように、本発明の露光装置は、前記＜１＞〜＜１０＞、＜７−１＞、＜８−１＞、＜９−１＞、＜１０−１＞のうちのいずれかに記載の構成を備えていればよく、それ以外の構成は特に制限されない。本発明の露光装置に適用可能な構成が記載されている上記の米国特許５，４７３，４１０号、米国特許６，３４１，００７号、米国特許６，４００，４４１号、米国特許６，５４９，２６９号、米国特許６，５９０,６３４号、米国特許５，９６９，４４１号、米国特許６，２０８，４０７号及び米国特許５，８２５，０４３号、並びに、特開平１０−１６３０９９号、特開平１０−２１４７８３号、特開平６−１２４８７３号、特開平１０−３０３１１４号及び特表２０００−５０５９５８号は、参考文献としてこの明細書中に組み込まれる。
【実施例】
【００７８】
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７９】
（実施例１）
フッ素を10000ppm含有した無水フッ素ドープ石英ガラス、JIS-C6704でＡａグレード（Q値が380×104以上）の水晶、多重反射含みで193nmの透過率が92.1%以上のフッ化カルシウム単結晶を用意し、それぞれ直径30mm、厚さ10mmの大きさに切り出し、直径30mmの面を両面光学研磨して試料を作製した。なお、無水フッ素ドープ石英ガラスは、エネルギー密度30mJ・cm-2・pulse-1のArFエキシマレーザ光を1×107パルス照射したときに波長633nmで測定される屈折率変化量が3ppm以下のものであった。
【００８０】
アパーチャーによって規制された直径5mmのKrFエキシマレーザ光またはArFエキシマレーザ光を、レンズまたはホモジナイザ等の光学部品を透過させずに、光源から試料に直接照射した。レーザ光のパルス当たりのエネルギー密度は放電電圧を変化させることで調節し、その値は試料の位置にジュールメータを配置して測定した。試料は、アルミニウム製の箱の内部に配置し、乾燥窒素ガスで箱内の雰囲気を置換した。レーザビームのエネルギー密度を固定し、マイクロチャンネルが発生するまでレーザビームを照射し続けた。エキシマレーザのパルスの時間幅τはKrF又はArFエキシマレーザともに20nsである。マイクロチャンネルの有無は集光灯の光で試料を照らし、目視にて確認した。
【００８１】
その結果、無水フッ素ドープ石英ガラス（OH<100ppm）ではコンパクション量は小さく、ArFエキシマレーザ光に対する耐性が合成石英ガラスに比べて10倍程度高いことが確認できた。
【００８２】
また、水晶単結晶及びフッ化カルシウム単結晶では、合成石英ガラスの100倍以上のパルスのArFエキシマレーザ光を照射してもマイクロチャンネルは発生しなかった。
【００８３】
（実施例２）
OH基を1100ppm、水素分子を2×1012個／cm ３ 含有した合成石英ガラスを、直径30mm、厚さ10mmの大きさに切り出し、直径30mmの面を両面光学研磨して試料を作製した。この試料に、ホモジナイザを通したKrFまたはArFエキシマレーザ光をアパーチャーで直径5mmに規制して照射し、以下、実施例１と同様の手順でマイクロチャンネルの発生を観察した。
【００８４】
光源からのレーザ光をホモジナイザーを通して観察したところ、いずれのレーザ光についてもエネルギー密度のむらは見られなかった。そして、ホモジナイザーを通したビームを照射した合成石英ガラスでは、ホモジナイザーを通さずに照射したときの約100倍以上のパルス数を照射してもマイクロチャンネルは発生しなかった。
【００８５】
（実施例３）
OH基を1100ppm、水素分子を2×1012個／cm ３ 含有した合成石英ガラスを、直径30mm、厚さ10mmの大きさに切り出し、直径30mmの面を両面光学研磨して試料を作製した。この試料と光源との間にJOGIS-11-1975による脈理１級ないし４級の合成石英ガラス部材を配置し、実施例１と同様の照射を行ってマイクロチャンネルが発生するパルス数を比較した。
【００８６】
その結果、脈理１級または２級の合成石英ガラスを配置した場合、マイクロチャンネルの発生したパルス数はほぼ同じであった。一方、３級の脈理を有する合成石英ガラスを配置した場合には、マイクロチャンネルの発生したパルス数は前２者に比べて1/10にまで低下したものの、脈理４級のものより十分にパルス数を多くすることができた。
【００８７】
（実施例４）
実施例３と同様に作製した試料を用い、試料とアパーチャーの間に、泡および異物を含まない合成石英ガラスを配置した場合と、およそ１μｍの大きさの異物または泡が混入した合成石英ガラスを配置した場合とを比較した。照射条件は実施例１と同様とした。
【００８８】
その結果、泡および異物を含まない合成石英ガラスを配置した場合に比べ、異物または泡が混入した合成石英ガラスを配置した場合には、マイクロチャンネルの発生したパルス数は1/20にまで低下した。
【００８９】
（実施例５）
図５に示す本発明の露光装置を作製して、以下に説明する照射試験を行った。図５は、本実施例で作製した露光装置１０１の概略構成図である。
【００９０】
２４８ｎｍの出力波長を持ちパルス幅２０ｎｓのパルス光を発振するＫｒＦエキシマレーザ光源１０３から、ほぼ平行光束としてのレーザ光（露光光）が出射され、露光装置本体１０２側の光透過窓１０５へ導かれる。
【００９１】
ここで、露光装置本体１０２は、チャンバー１０６内に収容されており、温度が一定に保たれるように制御されている。光透過窓１０５を通過したレーザ光は、ビーム整形光学系１０７で所定断面形状のレーザ光に整形され、ターレット板ＴＰに設けられた互いに透過率（減光率）が異なる複数のＮＤフィルタの一つ（図５では、ＮＤ１）を通過して反射ミラー１０８で反射して、ホモジナイザ（インテグレータ）としてのフライアイレンズ１０９に導かれる。フライアイレンズ１０９は、多数のレンズ素子が束ねられて構成されており、このレンズ素子の射出面側には、それを構成するレンズ素子の数に対応した多数の光源像（二次光源）が形成される。
【００９２】
フライアイレンズ１０９により形成される多数の二次光源の位置には、互いに形状と大きさの異なる複数の開口絞りを有するターレット板１１２が配設されている。ターレット板１１２はモータ１１３で回転駆動され、ウエハＷ上に転写すべきレチクルＲのパターンに応じて、開口絞りの一つが選択されて照明光学系の光路中に挿入されるようになっている。ターレット板１１２とモータ１１３とは、照明系用可変開口絞りを構成している。
【００９３】
フライアイレンズ１０９によって形成された二次光源からの光束は、ターレット板１１２の可変開口絞りを通過してビームスプリッタ１１４で二つの光路に分岐される。ビームスプリッタ１１４を透過した光は、リレーレンズ１７、長方形の開口を規定する可変視野絞り１１０、リレーレンズ１８を通って反射ミラー１９で反射された後、複数のレンズ等の屈折性光学素子で構成されるコンデンサ光学系２０にて集光される。これにより、可変視野絞り１１０の開口によって規定されるレチクルＲ上の照明領域が重畳的にほぼ均一照明される。そして、投影光学系１１１によって被露光物であるウエハＷ上にレチクルＲ上の回路パターンの像が形成され、ウエハＷ上に塗布されたレジストが感光して、ウエハＷ上に回路パターン像が転写される。
【００９４】
本実施例の露光装置１０１では、照明光学系および投影光学系に複数の光学部材が配置され、その少なくとも一つが合成石英ガラスで構成されている。
【００９５】
本実施例の露光装置１０１を構成する光学部材のうち、リレーレンズ１８は合成石英ガラスで構成され、その中心厚Ｌは5cmであり、入射エネルギー密度Ｉは6mJ・cm-2・pulse-1に設計されている。したがって、リレーレンズ１８については以下の式：
τＩ−２Ｌ−１．７＝0.036≧0.02
が成り立つこととなり、前記式（１）が満たされるように構成されている。本実施例の露光装置１０１においては、ＫｒＦレーザ光を1010パルス以上照射してもリレーレンズ１８にマイクロチャンネルは発生せず、安定した露光性能を維持することができた。
【００９６】
なお、本実施例においてリレーレンズ１８への入射エネルギー密度Ｉとは、ターレット板ＴＰ上のＮＤフィルタのうち、最も透過率の高いものを選択した場合の値である。これよりも透過率の低いＮＤフィルタを選択すれば、リレーレンズ１８への入射エネルギー密度Ｉも下がることから、いずれのＮＤフィルタを選択しても上記の条件が満たされることに変わりはない。
【００９７】
また、本実施例の露光装置１０１において、ＫｒＦエキシマレーザ光源１０３とフライアイレンズ１０９の間に配置される、ビーム整形光学系１０７及びターレット板ＴＰ上のＮＤフィルタ及び反射ミラー１０８は、いずれも合成石英ガラス以外の部材（フッ化カルシウム単結晶等）で構成されている。したがって、本実施例の露光装置１０１においては、全ての合成石英ガラス部材が、ＫｒＦエキシマレーザ光源１０３に最も近いホモジナイザであるフライアイレンズ１０９よりもウエハＷ（被露光物）側に位置するように構成されており、合成石英ガラス部材に照射される光はホモジナイザでエネルギー密度が十分に均質化されていた。
【００９８】
さらに、本実施例の露光装置１０１を構成する光学部材の全ては、脈理がJOGIS 11-1475に基づく評価において１級であり、かつ１μｍを超える異物および泡を含まない材料で構成されており、光学部材を透過する光におけるエネルギー密度のむらの発生は十分に抑制されていた。
【００９９】
以上の構成により、本実施例の露光装置１０１において合成石英ガラス部材に入射する光は、光軸に垂直な面内におけるエネルギー密度のむらの隣接する頂部間の幅が0.1mmより広く、かつエネルギー密度の頂部と底部との差が平均エネルギー密度の5%以下に制限されていた。したがって、本実施例の露光装置１０１を構成する合成石英ガラス部材においては、エネルギー密度のむらによるマイクロチャンネルの発生が十分に抑制され、本実施例の露光装置１０１は長期間安定した露光性能が維持されることが確認された。
【０１００】
なお、本実施例のウエハＷに代えて、液晶ディスプレイデバイス用のガラスプレートや薄膜磁気ヘッド用のセラミックウエハ、あるいは露光装置で用いられるマスクまたはレチクルの原版（合成石英、シリコンウエハ）等に適用することも可能である。露光装置１０１の用途としては、半導体製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角形のガラスプレートに液晶表示素子パターンを露光する液晶用の露光装置や、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ）あるいはレチクルＲ等を製造するための露光装置等にも広く適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
以上説明したように、本発明の露光装置によれば、紫外線（パルス光）照射時に光学部材にマイクロチャンネルが発生することが十分に抑制され、被露光物を露光する際における光学部材の機械的損傷を防止して露光装置の寿命を向上させることが可能となる。
【０１０２】
また、本発明の合成石英ガラス部材によれば、紫外線（パルス光）照射時におけるマイクロチャンネルの発生が十分に抑制され、その部材を用いた露光装置の寿命を向上させることが可能となる。
【０１０３】
さらに、本発明の露光方法によれば、光学部材におけるマイクロチャンネルの発生を十分に抑制して安定した露光特性を長期間維持することが可能となる。
【０００１】
この発明は、エキシマレーザリソグラフィ技術において、300nm以下の特定波長帯域で使用されるレンズやミラー等の光学部材とそれを用いた露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
IC、LSI等の集積回路のパターン転写には、主に縮小投影露光装置または光リソグラフィ装置が用いられている。この装置に用いられる投影光学系には、集積回路の高集積化に伴い、広い露光領域と、その露光領域全体にわたっての高い解像度が要求される。投影光学系の解像度をより向上するには、露光波長をより短くしたり、投影光学系の開口数(NA)を大きくすることが考えられる。露光装置の光源には、現在では、主にKrF(248nm)エキシマレーザが用いられており、更なる高解像度化を目指して、深紫外光線であるArFエキシマレーザへの短波長化が進められている。
【０００３】
従来のエキシマレーザリソグラフィ技術における知見では、光学部材の損傷は主に３つに大別されていた。１つ目は内部欠陥の生成による内部透過率の低下（特開平８−２５９２５５号公報参照）、２つ目はコンパクションやエクスパンジョン等の体積変化に伴う屈折率変化（特表２０００−５１７２８４号公報参照）、３つ目は光学薄膜の破壊や汚染といった表面状態の変化（特開２００２−１４２０２号公報、特開平１１−５２１０２号公報参照）である。
【０００４】
ところが、最近これらのいずれにも属さない損傷が報告され、関心を集めた（E. M. Wright et al. "Spatial pattern microchannel formation infused silica irradiated by nanosecond ultraviolet pulses", Applied Optics,1999, Vol. 38, p.5785-5788参照）。これは光学部品の表面から内部に直径数μmの穴が形成されるマイクロチャンネル現象であり、この現象が発生すると、散乱による光学部材の透過率の減少や光学薄膜の破壊が生じ、光学部材の透過率特性が著しく減少することが予測されている。
【０００５】
ところが、マイクロチャンネル現象に関する報告は少なく、未だに十分な知見が得られていない。このマイクロチャンネル現象は次のような性質を有していることが知られている。
（１）数mJ・cm-2・pulse-1のエネルギー密度のArFエキシマレーザを合成石英ガラスに109パルス程度照射し続けると発生する。
（２）レーザが入射する面ではなく、裏面で発生する。
（３）レーザの照射部と非照射部の境界付近で発生する。
【０００６】
このマイクロチャンネル現象は露光装置の通常の使用条件下で、実用域の弱いエネルギー密度においても極めて長時間照射し続けることによって発生するため、この現象による機械的損傷の防止策を施さなければならない。
【発明の開示】
このマイクロチャンネル現象が発生すると光学部材の透過率特性が著しく減少するとともに、不要な散乱光も発生するので、露光装置の結像性能、安定性や寿命が劣化することが予測されるにも拘わらず、マイクロチャンネル発生の原因が明確でなく、その防止手段は知られていない。そこで、この発明はマイクロチャンネルの発生を抑制できる光学部材及び露光装置を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明者らは、パルス光であるKrF及びArFエキシマレーザ光を、合成石英ガラス、水晶単結晶、フッ化カルシウム単結晶等からなる各種光学部材に照射し、実際にマイクロチャンネルを発生させることで、発生の条件を検討した。
【０００８】
その結果、マイクロチャンネルの発生原因は合成石英の特徴的な現象である屈折率変化による自己集光であると考えるに至った。即ち、合成石英ガラスに前記レーザ光が照射されると、コンパクションを伴う屈折率変化が生じる。この照射を繰り返すうちに、小さな屈折率変化量が蓄積され、大きな屈折率分布として光学部材に残る。これにより、光は屈折率の高い方に曲げられ、照射光が光学部材の裏面近くで徐々に自己集光される。そして、最後には裏面近くで照射光のエネルギー密度が光学部材の破壊閾値を越える強いものになるのである。
【０００９】
図１はエキシマレーザ光を合成石英ガラス試料に照射した際の、１パルス当たりのエネルギー密度Ｉとマイクロチャンネルの発生パルス数Ｎとの関係を表すグラフである。
【００１０】
照射実験に使用した試料は、OH基を1100ppm、水素分子を2×1018個／cm3含有した合成石英ガラスを、直径30mm、厚さ10mmの大きさに切り出し、直径30mmの面を両面光学研磨して作製した。アパーチャーによって規制された直径5mmのKrFエキシマレーザ光またはArFエキシマレーザ光を、レンズ及びホモジナイザ等の光学部品を透過させずに、光源から試料に直接照射した。レーザ光のパルス当たりのエネルギー密度は放電電圧を変化させることで調節し、その値は試料の位置にジュールメータを配置して測定した。試料は、アルミニウム製の箱の内部に配置し、乾燥窒素ガスで箱内の雰囲気を置換した。レーザ光のエネルギー密度を固定し、所定パルスのレーザ光を照射した。レーザ光のパルス幅τはKrF又はArFエキシマレーザともに20nsである。マイクロチャンネルの有無は集光灯の光で試料を照らし、目視にて確認した。
【００１１】
図１において、直線Ｋ１０はKrFエキシマレーザ光、直線Ａ１０はArFエキシマレーザ光に関する相関を示している。これらの直線はマイクロチャンネルの発生閾値を表し、直線Ｋ１０、Ａ１０より左側の領域ではマイクロチャンネルが発生しなかった。
【００１２】
以上の実験結果より、マイクロチャンネルは照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度Ｉが高いほど発生し易いことが明らかになった。そして、マイクロチャンネルが発生するパルス数Ｎはパルス当たりのエネルギー密度Ｉと相関を有し、Ｉの２乗に反比例して少なくなることが分かった。
【００１３】
なお、マイクロチャンネルは合成石英ガラスの屈折率変化Δnと関係しており、この実験では、KrFエキシマレーザ光ではΔnが20ppm、ArFエキシマレーザ光ではΔnが2ppmのとき、マイクロチャンネルが発生した。
【００１４】
次に厚さ100mmの試料を用い、同様にKrFエキシマレーザ光を照射してマイクロチャンネルの発生閾値を求めた。その結果を図１に直線Ｋ１００として示した。
【００１５】
Ｋ１０とＫ１００との比較から、マイクロチャンネルの発生閾値は試料の厚さと相関があると考えられたので、その依存性を調べるため次の実験を行った。
【００１６】
OH基を1100ppm、水素分子を2×1018個／cm3含有した合成石英ガラスを、15×15mm角、厚さを30mm〜100mmの範囲で変更して、複数の直方体を切り出し、15×15mm角の面を両面光学研磨して試料とした。この試料に20mJ・cm-2・pulse-1のエネルギー密度でArFエキシマレーザ光を照射し、マイクロチャンネルの発生閾値を求めた。結果を図２に示す。
【００１７】
実験結果より、マイクロチャンネルは光学部材が厚いほど発生し易いことが明らかとなり、マイクロチャンネルが発生するパルス数Ｎは厚さＬの1.7乗に反比例して少なくなることが分かった。
【００１８】
本発明者らは以上の実験結果に加え、コンパクションによるΔnがパルス幅τに反比例するという報告（Applied Optics, 1999,Vol. 38, p.5785-5788参照）から、光学部材の厚さＬ(cm)、照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度Ｉ(mJ・cm-2・pulse-1)、パルス光のパルス幅τ(ns)と、マイクロチャンネルの発生パルス数Ｎ(pulse)との相互関係を表す式を導出することに成功した。すなわちKrFレーザ光については、
Ｎ＝5×1011×τＩ-2Ｌ-1.7
の関係が成立し、一方ArFレーザ光については、
Ｎ＝4×108×τＩ-2Ｌ-1.7
の関係が成立することを明らかにしたのである。
【００１９】
合成石英ガラス部材を搭載した現実の露光装置について検討すると、極めて高エネルギー密度の光線が入射する一部の部材については定期交換で対応すると仮定しても、半導体工場等における一般的な稼動状況および耐用年数を考慮すれば、少なくとも1010パルス以上、より好ましくは1011パルス以上の照射に対して、マイクロチャンネルを生じないことが望ましい。そこで上記の関係式のＮに1010パルスを代入すれば、露光装置の光学部材として好適な厚さの範囲を特定する関係式を導くことができる。
【００２０】
すなわちKrFレーザ光を含む波長300nm以下のパルス光に用いる光学部材に対しては
τＩ-2Ｌ-1.7≧0.02（ns・mJ-2 ・cm2.3・pulse2）
であり、またArFレーザ光を含む波長200nm以下のパルス光に用いる光学部材に対しては、
τＩ-2Ｌ-1.7≧25（ns・mJ-2 ・cm2.3・pulse2）
であればマイクロチャンネルを発生することなく、1010パルスのパルス光を照射することができる。
【００２１】
以上の実験および考察に基づき、本発明はマイクロチャンネルの発生を抑制する手段として以下の露光装置を提供する。
【００２２】
＜１＞ 波長300nm以下のパルス光を発する光源を有し、該パルス光を複数の光学部材を透過させて照射することにより被露光物を露光する露光装置であって、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記式（１）を満たすように構成されたことを特徴とする露光装置。
τＩ-2Ｌ-1.7≧0.02（ns・mJ-2 ・cm2.3・pulse2）・・（１）
（式（１）中、Ｌは前記合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse-1）、τは該パルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。）
＜２＞ ＜１＞に記載の構成に加え、前記パルス光の波長が200nm以下であって、前記合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射される前記パルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記式（２）を満足するように構成されたことを特徴とする露光装置。
τＩ-2Ｌ-1.7≧25（ns・mJ-2・cm2.3・pulse2） ・・（２）
（式（２）中、Ｌは前記合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse-1）、τは該パルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。）
＜３＞ ＜１＞に記載の露光装置であって、前記複数の光学部材中の合成石英ガラス部材の全数に対して、前記式（１）を満たす合成石英ガラス部材の数が２分の１以上であることを特徴とする露光装置。
【００２３】
＜４＞ ＜２＞に記載の露光装置であって、前記複数の光学部材中の合成石英ガラス部材の全数に対して、前記式（２）を満たす合成石英ガラス部材の数が２分の１以上であることを特徴とする露光装置。
【００２４】
本発明者らは引き続き光学部材の組成および各種物性とマイクロチャンネル現象との相関についても研究し、マイクロチャンネルの発生を抑制する手段として以下の発明をなすに至った。
【００２５】
＜５＞ 波長300nm以下のパルス光を発する光源を有し、該パルス光を複数の光学部材を透過させて照射することにより被露光物を露光する露光装置であって、前記複数の光学部材のうち、パルス当たりのエネルギー密度が1mJ・cm-2・pulse-1以上のパルス光が照射される部材が、水晶単結晶、酸化アルミニウム単結晶、フッ化カルシウム単結晶、フッ化マグネシウム単結晶、および無水フッ素ドープ石英ガラスからなる群から選ばれた少なくとも１種からなることを特徴とする露光装置。
【００２６】
＜６＞ ＜５＞に記載の構成に加え、前記無水フッ素ドープ石英ガラスの、パルス当たりのエネルギー密度が30mJ・cm-2・pulse-1のArFエキシマレーザ光を1×107パルス照射したときに波長633nmで測定される屈折率変化量が、3ppm以下であることを特徴とする露光装置。
【００２７】
＜７＞ 波長300nm以下の紫外線を発する光源を有し、該紫外線を複数の光学部材を透過させて照射することにより被露光物を露光する露光装置であって、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材の脈理が、日本光学硝子工業会規格（JOGIS）11-1975に基づく評価において、１級ないし３級であることを特徴とする露光装置。
【００２８】
＜７−１＞ 前記光源が波長300nm以下の紫外線のパルス光を発するものであり、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材の脈理が、日本光学硝子工業会規格（JOGIS）11-1975に基づく評価において、１級ないし３級である、＜１＞に記載の露光装置。
【００２９】
＜８＞ 波長300nm以下の紫外線を発する光源を有し、該紫外線を複数の光学部材を透過させて照射することにより被露光物を露光する露光装置であって、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材に含有される異物および泡の大きさが1μm以下であることを特徴とする露光装置。
【００３０】
＜８−１＞ 前記光源が波長300nm以下の紫外線のパルス光を発するものであり、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材に含有される異物および泡の大きさが1μm以下である、＜１＞に記載の露光装置。
【００３１】
次に本発明者らはパルス光のビーム品質とマイクロチャンネルとの関係についても研究を行い、次の知見を得た。
【００３２】
図３は試料の裏面におけるマイクロチャンネルの微分干渉顕微鏡像の模式図を示す。図中の記号＊はマイクロチャンネルを示し、符号ｍは直線状に延びる３本の溝を示す。各溝ｍは略平行に形成され、その間隔は0.1mm程度となっていた。ここでは、マイクロチャンネルは照射部と非照射部の境界付近に発生し、また、0.1mm程度の間隔の溝ｍに沿って発生していることが分かった。
【００３３】
一方、エキシマレーザ光のビームプロファイルを調べたところ、0.1mm程度の層状の構造のエネルギー密度のむらがあり、局所的にエネルギー密度の高い部分が存在することが分かった。このエネルギー密度のむらを測定したところ、むらの頂部と底部との差は平均エネルギー密度の5%程度であった。
【００３４】
従って、試料の裏面の0.1mmの間隔の溝ｍはエキシマレーザ光が有していたエネルギー密度のむらに基づく構造と推測でき、この溝ｍに沿ってマイクロチャンネルが発生しているということは、図３に示すように、極めて細かくて鋭いエネルギー密度のむらの構造があるため、マイクロチャンネルの発生が促進された可能性が示されたと推測することができる。
【００３５】
なお、マイクロチャンネルが発生する場所は、エネルギー密度の高い場所であり、特にエネルギー密度が均質でないレーザ光では部材の内部でも発生することがあった。
【００３６】
また、エネルギー密度のむらを複数観察したところ、エネルギー密度のむらの頂部と底部との差が平均エネルギー密度の5%以下の光では、エネルギー密度の隣接する頂部間の幅が0.1mm以上であればマイクロチャンネルの発生を抑制し易いことが確認できた。
【００３７】
以上の研究結果より、本発明者らは以下の発明をなすに至った。
【００３８】
＜９＞ 波長300nm以下の紫外線を発する光源を有し、該紫外線を複数の光学部材を透過させて照射することにより被露光物を露光する露光装置であって、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材に照射される紫外線は、光軸に垂直な面内におけるエネルギー密度のむらの隣接する頂部間の幅が0.1mmより広く、且つ、前記エネルギー密度の頂部と底部との差が平均エネルギー密度の5%以下となるように構成されたことを特徴とする露光装置。
【００３９】
＜９−１＞ 前記光源が波長300nm以下の紫外線のパルス光を発するものであり、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材に照射される紫外線は、光軸に垂直な面内におけるエネルギー密度のむらの隣接する頂部間の幅が0.1mmより広く、且つ、前記エネルギー密度の頂部と底部との差が平均エネルギー密度の5%以下となるように構成されている、＜１＞に記載の露光装置。
【００４０】
＜１０＞ 波長300nm以下の紫外線を発する光源と、該紫外線の光軸に垂直な面内におけるエネルギー密度のむらを減少させるホモジナイザとを有し、該紫外線を複数の光学部材を透過させて照射することにより被露光物を露光する露光装置であって、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材の全てが、最も光源側に配置された前記ホモジナイザよりも被露光物側に配置されたことを特徴とする露光装置。
【００４１】
＜１０−１＞ 前記光源が波長300nm以下の紫外線のパルス光を発するものであり、該紫外線の光軸に垂直な面内におけるエネルギー密度のむらを減少させるホモジナイザを更に有しており、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材の全てが、最も光源側に配置された前記ホモジナイザよりも被露光物側に配置されている、＜１＞に記載の露光装置。
【００４２】
＜１１＞ 被露光物を波長300nm以下のパルス光で露光する露光装置の光学系に使用される合成石英ガラス部材であって、該合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射される前記パルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記式（３）を満たすように構成されたことを特徴とする露光装置用合成石英ガラス部材。
τＩ-2Ｌ-1.7≧0.02（ns・mJ-2 ・cm2.3・pulse2）・・（３）
（式（３）中、Ｌは前記合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse-1）、τは該パルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。）
＜１２＞ ＜１１＞に記載の構成に加え、前記パルス光の波長が200nm以下であって、前記合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射される前記パルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記式（４）を満たすように構成されたことを特徴とする露光装置用合成石英ガラス部材。
τＩ-2Ｌ-1.7≧25（ns・mJ-2・cm2.3・pulse2）・・（４）
（式（４）中、Ｌは前記合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse-1）、τは該パルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。）
＜１３＞ 原版上に設けられたパターンの像を感光性物質を有する基板上に投影露光する露光方法であって、＜１＞〜＜１０＞、＜７−１＞、＜８−１＞、＜９−１＞、＜１０−１＞のいずれかに記載の露光装置を用いることを特徴とする。
【００４３】
＜１＞及び＜２＞に記載の本発明の露光装置によれば、合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射される前記パルス光のパルス幅とパルス当たりのエネルギー密度とを特定の関数として規定したので、紫外線照射時に合成石英ガラス部材の被露光物側の面にマイクロチャンネルが発生することを抑制できる。そのため、被露光物を露光する際に、合成石英ガラス部材の機械的損傷を防止して露光装置の寿命を向上させることができる。
【００４４】
＜３＞及び＜４＞に記載の本発明の露光装置によれば、＜１＞又は＜２＞に記載の合成石英ガラス部材を、全合成石英ガラス部材のうち半数以上としたので、さらに露光装置の寿命を向上させることができる。
【００４５】
＜５＞に記載の本発明の露光装置によれば、所定量以上のエネルギー密度の紫外線が照射される複数の光学部材を、マイクロチャンネルの発生を抑制できる単結晶体または無水フッ素ドープ石英ガラスで形成したので、マイクロチャンネルの発生を抑制でき、露光装置の寿命を向上させることができる。
【００４６】
特に＜６＞に記載の本発明の露光装置によれば、所定量以上のエネルギー密度の紫外線が照射される複数の光学部材を、パルス当たりのエネルギー密度が30mJ・cm-2・pulse-1のArFエキシマレーザ光を1×107パルス照射したときに波長633nmで測定される屈折率変化量が3ppm以下である前記無水フッ素ドープ石英ガラスで形成したので、マイクロチャンネルの発生を抑制でき、露光装置の寿命を向上させることができる。
【００４７】
さらに＜７＞及び＜７−１＞に記載の本発明の露光装置によれば、合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材の脈理を、日本光学硝子工業会規格（JOGIS）11-1975に基づく評価において、１級ないし３級の範囲にしたので、パルス光が合成石英ガラス部材を透過する際、該部材の脈理により、マイクロチャンネルの発生原因となる光のエネルギー密度のむらを生成することがない。そのため、該合成石英ガラス部材より被露光物側の光学部材にエネルギー密度のむらを含有するパルス光を照射することがなく、マイクロチャンネルの発生を抑制して、露光装置の寿命をより向上させることができる。
【００４８】
また、＜８＞及び＜８−１＞に記載の本発明の露光装置によれば、合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材に含有される異物又は泡の大きさが１μｍ以下であるので、パルス光が透過する際に、マイクロチャンネルの発生原因となる光のエネルギー密度のむらを生成することがなく、マイクロチャンネルの発生を抑制して、露光装置の寿命をより向上することができる。
【００４９】
さらに、＜９＞及び＜９−１＞に記載の本発明の露光装置によれば、パルス光のエネルギー密度のむらを所定の範囲に小さくしたので、マイクロチャンネルの発生原因となりやすい微細で変化の大きいエネルギー密度のむらがなく、マイクロチャンネルの発生を抑制して露光装置の寿命を向上させることができる。
【００５０】
また、＜１０＞及び＜１０−１＞に記載の本発明の露光装置は、合成石英ガラス部材の全てが、光源に最も近い位置に配置されたホモジナイザよりも被露光物側に配置されているので、マイクロチャンネルの発生原因となるエネルギ密度のむらを低減した紫外線を合成石英部材に照射することができ、マイクロチャンネルの発生を抑制できて露光装置の寿命を向上させることができる。
【００５１】
そして、＜１１＞及び＜１２＞に記載した本発明の光学部材によれば、合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス幅とパルス当たりのエネルギー密度とが特定の関係となるように構成されているので、マイクロチャンネルの発生を抑制することができ、耐久性の優れた露光装置用の光学部材を提供することができる。
【００５２】
また、＜１３＞に記載した本発明の露光方法によれば、マイクロチャンネルの発生が抑制された前記本発明の露光装置を用いるので、安定した露光特性を長期間維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
図１は、照射エネルギー密度とマイクロチャンネル発生パルス数との相関を示すグラフである。
【００５４】
図２は、光学部材の厚さとマイクロチャンネル発生パルス数との相関を示すグラフである。
【００５５】
図３は、マイクロチャンネルの微分干渉顕微鏡像の模式図である。
【００５６】
図４は、本発明の好適な実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。
【００５７】
図５は、本発明の好適な他の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【００５９】
図４は、本発明の好適な実施形態にかかる露光装置である。この露光装置は、光源１から照射された波長300nm以下の紫外線が、複数のレンズ２が配置された光束整形光学系３において平行光束に変換され、回折格子４ａやレンズ４ｂ等を備えたホモジナイザー５において光束のずれ等が補正されてエネルギー密度のむらが低減され、フライアイレンズ等のインテグレータ７及びコンデンサレンズ９を経由してマスク１１に照射され、その後、多数のレンズ１２を備えた投影光学系１３を通して、マスク１１の回路パターン等の露光形状がウエハ等の被露光物１５に転写されるように構成されている。この露光時には、光源１からは、例えばKrFエキシマレーザ光等の波長300nm以下のパルス光や、ArFエキシマレーザ光等の波長200nm以下のパルス光が照射されるようになっている。なお、フライアイレンズ等のインテグレータ７は、単独でもホモジナイザーとして作用する。
【００６０】
この露光装置では、レンズ２，４ｂ，７，９，１２や回折格子４ａなどの多数の光学部材の一部又は全部に、合成石英ガラスから形成された合成石英ガラス部材が用いられている。この実施の形態では、このような合成石英ガラス部材のマイクロチャンネルの発生を抑制する。
【００６１】
まず、合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記（１）式を満足するように形成するのが好ましく、特に波長200nm以下のパルス光を照射する露光装置では、下記（２）式の関係を満足するように形成するのが特に好ましい。
τＩ-2Ｌ-1.7≧0.2（ns・mJ-2 ・cm2.3・pulse2） ・・（１）
τＩ-2Ｌ-1.7≧250（ns・mJ-2・cm2.3・pulse2） ・・（２）
（式（１）及び（２）中、Ｌは合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse - １ ）、τはパルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。）
ここで合成石英ガラス部材の厚さとは、合成石英ガラス部材の光軸に沿って測定される厚さであり、この厚さが不均一な凸レンズの場合には中心厚、凹レンズの場合には外縁部間となる。また、メニスカス形状のレンズの場合は凸面の中心と凹面の外縁部間を光軸に沿って測定した値である。
【００６２】
なお本発明は、露光装置を構成する全ての合成石英ガラス部材が上記関係式を満たすことを要求するものではない。光源直後のレンズ２等のように極めて高いエネルギー密度の光線が入射する部材は、上記の関係式を適用してマイクロチャンネルを防止しようとしても、部材の厚さＬが極めて小さなものとなってしまい事実上実現は困難である。したがってこのような部材を合成石英ガラス部材で構成する場合、比較的早期にマイクロチャンネルが発生し部品交換等による対応が必要になると予想される。しかしながら当該部材が光学系全体に占める割合はごく僅かであるので、他の部材を上記関係式を満たすものとしておけば、露光装置全体に対するマイクロチャンネルの抑制効果を大幅に損なうものではない。露光装置を構成する合成石英ガラス部材の全数に対して、前記（１）式の関係を満足する合成石英ガラス部材の数が２分の１以上であることが好ましく、特に波長200nm以下のパルス光を照射する露光装置では、前記（２）式の関係を満足する合成石英ガラス部材の数が２分の１以上であることが好ましい。また以下に説明するように、エネルギー密度の高い光線が入射する部材を無水フッ素ドープ石英ガラスや結晶材料で構成すれば、このような問題は生じない。
【００６３】
マイクロチャンネルはコンパクションの蓄積により生じると考えられるが、光学部材の材料として合成石英ガラスを用いる場合は、コンパクションが生じることが避けられない。そのため紫外線のエネルギー密度が高い領域、例えば、光学部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度が1mJ・cm-2・pulse-1以上の領域には、光学部材としてコンパクションを生じ難い材料を用いることも好ましい。光学部材の材料を選択することによってマイクロチャンネルの発生を抑制することができるからである。
【００６４】
このようなエネルギー密度のパルス光が照射される領域に配置される光学部材の材料としては、無水フッ素ドープ石英ガラスや単結晶からなる結晶材料を挙げることができる。
【００６５】
この無水フッ素ドープ石英ガラスとしては、パルス当たりのエネルギー密度30mJ・cm-2・pulse-1のArFエキシマレーザを1×107パルス照射し、その前後において波長633nmで測定される屈折率変化量が3ppm以下となるものを使用するのが好ましく、このような無水フッ素ドープ石英ガラスであれば、マイクロチャンネル現象を抑制し易くすることができる。
【００６６】
また、結晶材料としては、水晶単結晶、酸化アルミニウム単結晶、フッ化カルシウム単結晶及びフッ化マグネシウム単結晶などからなる群から、１種単独で、或いは２種以上を組み合わせて選択して使用することができる。このような結晶材料を用いれば、より確実にマイクロチャンネル現象を抑制することができる。
【００６７】
なお、パルス当たりのエネルギー密度が非常に高い領域、例えば10〜100mJ・cm-2・pulse-1程度のパルス光が照射される領域には結晶材料を使用し、1〜10mJ・cm-2・pulse-1程度の領域にはコンパクション量の小さい無水フッ素ドープ石英ガラス等の硝材を用いるように構成することも可能である。
【００６８】
次に、このような光学部材、特に合成石英ガラス部材では、照射される光に微細なエネルギー密度の分布があって、エネルギー密度にむらが存在している場合はマイクロチャンネルが発生し易い。そのため、複数の光学部材を配置した露光装置では、光学部材に照射される光の光軸と直交する方向のエネルギー密度のむらを小さくすることが好ましい。
【００６９】
これは、光にエネルギー密度のむらが存在すると、微細な部分のコンパクションの差による微細な屈折率のむらが生じ、その微細な屈折率のむらにより微細な多数の位置で光が集光し易くなり、その結果、均質なエネルギー密度の光に比べてマイクロチャンネルが発生し易くなるためと推測される。
【００７０】
そこで、この露光装置では、まず、マイクロチャンネルの発生を防止すべき光学部材に照射される紫外線において、エネルギー密度のむらの頂部間の幅を0.1mmより広くし、且つ、頂部と底部との差を平均エネルギー密度の5%以下とするのが好ましく、エネルギー密度のむらの頂部間の幅を1mm以上とするのが特に好適である。
【００７１】
また、光源１から放射される紫外線に前記の範囲を超えるエネルギー密度のむらが存在する場合、ホモジナイザ５を配置し、エネルギー密度のむらを減少させるのが好ましいが、その場合、特に、光源１とこの光源１に最も近い位置に配置されたホモジナイザー５との間、例えば光束整流光学系３には、合成石英ガラス部材を配置しないようにするのが好ましい。
【００７２】
さらに、光源１から照射される紫外線やホモジナイザ５等を経由して照射される紫外線がエネルギー密度のむらの少ないものであっても、各光学部材を透過する際、脈理が存在したり、１μm以上の大きさの異物や泡が存在する場合には、その光学部材を透過後の光にエネルギー密度のむらが生成される。そのため、各光学部材、特に各合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材においてもエネルギー密度のむらを生成しにくいものを採用するのが好ましい。
【００７３】
このエネルギー密度のむらを生成しにくい光学部材としては、日本光学硝子工業会規格（JOGIS）11-1975において脈理が１級ないし３級である光学部材を用いるのが好ましく、また、光学部材に含有される異物および泡の大きさを１μm以下とすることも好ましい。ここで日本光学硝子工業会規格（JOGIS）11-1975における脈理３級とは、50mm×50mm×20mmの光学部材の50mm×20mmの平行な両面間に、層状の不均質性がピンホール光の投影像でわずかに目視で認められるものをいう。
【００７４】
なお、本発明は、レチクルとウエハとを同期移動してレチクルのパターンを露光するステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置（米国特許５，４７３，４１０号）、いわゆるスキャニング・ステッパーのみならず、レチクルとウエハとを静止した状態でレチクルのパターンを露光し、ウエハを順次ステップ移動させるステップ・アンド・リピート方式の露光装置（ステッパー）にも適用することができる。
【００７５】
また、本発明はツインステージ型の露光装置にも適用できる。ツインステージ型の露光装置の構造及び露光動作は、例えば特開平１０−１６３０９９号及び特開平１０−２１４７８３号（対応米国特許６，３４１，００７号、６，４００，４４１号、６，５４９，２６９号及び６，５９０,６３４号）、特表２０００−５０５９５８号（対応米国特許５，９６９，４４１号）あるいは米国特許６，２０８，４０７号に開示されている。
【００７６】
さらに、本発明は、投影光学系と被露光物との間に局所的に液体を満たす液浸露光装置や、露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動させる液浸露光装置や、ステージ上に所定深さの液体槽を形成しその中に基板を保持する液浸露光装置にも適用可能である。露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動させる液浸露光装置の構造及び露光動作については、例えば特開平６−１２４８７３号に、ステージ上に所定深さの液体槽を形成してその中に基板を保持する液浸露光装置については、例えば特開平１０−３０３１１４号や米国特許５，８２５，０４３号にそれぞれ開示されている。
【００７７】
以上説明したように、本発明の露光装置は、前記＜１＞〜＜１０＞、＜７−１＞、＜８−１＞、＜９−１＞、＜１０−１＞のうちのいずれかに記載の構成を備えていればよく、それ以外の構成は特に制限されない。本発明の露光装置に適用可能な構成が記載されている上記の米国特許５，４７３，４１０号、米国特許６，３４１，００７号、米国特許６，４００，４４１号、米国特許６，５４９，２６９号、米国特許６，５９０,６３４号、米国特許５，９６９，４４１号、米国特許６，２０８，４０７号及び米国特許５，８２５，０４３号、並びに、特開平１０−１６３０９９号、特開平１０−２１４７８３号、特開平６−１２４８７３号、特開平１０−３０３１１４号及び特表２０００−５０５９５８号は、参考文献としてこの明細書中に組み込まれる。
【実施例】
【００７８】
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７９】
（実施例１）
フッ素を10000ppm含有した無水フッ素ドープ石英ガラス、JIS-C6704でＡａグレード（Q値が380×104以上）の水晶、多重反射含みで193nmの透過率が92.1%以上のフッ化カルシウム単結晶を用意し、それぞれ直径30mm、厚さ10mmの大きさに切り出し、直径30mmの面を両面光学研磨して試料を作製した。なお、無水フッ素ドープ石英ガラスは、エネルギー密度30mJ・cm-2・pulse-1のArFエキシマレーザ光を1×107パルス照射したときに波長633nmで測定される屈折率変化量が3ppm以下のものであった。
【００８０】
アパーチャーによって規制された直径5mmのKrFエキシマレーザ光またはArFエキシマレーザ光を、レンズまたはホモジナイザ等の光学部品を透過させずに、光源から試料に直接照射した。レーザ光のパルス当たりのエネルギー密度は放電電圧を変化させることで調節し、その値は試料の位置にジュールメータを配置して測定した。試料は、アルミニウム製の箱の内部に配置し、乾燥窒素ガスで箱内の雰囲気を置換した。レーザビームのエネルギー密度を固定し、マイクロチャンネルが発生するまでレーザビームを照射し続けた。エキシマレーザのパルスの時間幅τはKrF又はArFエキシマレーザともに20nsである。マイクロチャンネルの有無は集光灯の光で試料を照らし、目視にて確認した。
【００８１】
その結果、無水フッ素ドープ石英ガラス（OH<100ppm）ではコンパクション量は小さく、ArFエキシマレーザ光に対する耐性が合成石英ガラスに比べて10倍程度高いことが確認できた。
【００８２】
また、水晶単結晶及びフッ化カルシウム単結晶では、合成石英ガラスの100倍以上のパルスのArFエキシマレーザ光を照射してもマイクロチャンネルは発生しなかった。
【００８３】
（実施例２）
OH基を1100ppm、水素分子を2×1012個／cm ３ 含有した合成石英ガラスを、直径30mm、厚さ10mmの大きさに切り出し、直径30mmの面を両面光学研磨して試料を作製した。この試料に、ホモジナイザを通したKrFまたはArFエキシマレーザ光をアパーチャーで直径5mmに規制して照射し、以下、実施例１と同様の手順でマイクロチャンネルの発生を観察した。
【００８４】
光源からのレーザ光をホモジナイザーを通して観察したところ、いずれのレーザ光についてもエネルギー密度のむらは見られなかった。そして、ホモジナイザーを通したビームを照射した合成石英ガラスでは、ホモジナイザーを通さずに照射したときの約100倍以上のパルス数を照射してもマイクロチャンネルは発生しなかった。
【００８５】
（実施例３）
OH基を1100ppm、水素分子を2×1012個／cm ３ 含有した合成石英ガラスを、直径30mm、厚さ10mmの大きさに切り出し、直径30mmの面を両面光学研磨して試料を作製した。この試料と光源との間にJOGIS-11-1975による脈理１級ないし４級の合成石英ガラス部材を配置し、実施例１と同様の照射を行ってマイクロチャンネルが発生するパルス数を比較した。
【００８６】
その結果、脈理１級または２級の合成石英ガラスを配置した場合、マイクロチャンネルの発生したパルス数はほぼ同じであった。一方、３級の脈理を有する合成石英ガラスを配置した場合には、マイクロチャンネルの発生したパルス数は前２者に比べて1/10にまで低下したものの、脈理４級のものより十分にパルス数を多くすることができた。
【００８７】
（実施例４）
実施例３と同様に作製した試料を用い、試料とアパーチャーの間に、泡および異物を含まない合成石英ガラスを配置した場合と、およそ１μｍの大きさの異物または泡が混入した合成石英ガラスを配置した場合とを比較した。照射条件は実施例１と同様とした。
【００８８】
その結果、泡および異物を含まない合成石英ガラスを配置した場合に比べ、異物または泡が混入した合成石英ガラスを配置した場合には、マイクロチャンネルの発生したパルス数は1/20にまで低下した。
【００８９】
（実施例５）
図５に示す本発明の露光装置を作製して、以下に説明する照射試験を行った。図５は、本実施例で作製した露光装置１０１の概略構成図である。
【００９０】
２４８ｎｍの出力波長を持ちパルス幅２０ｎｓのパルス光を発振するＫｒＦエキシマレーザ光源１０３から、ほぼ平行光束としてのレーザ光（露光光）が出射され、露光装置本体１０２側の光透過窓１０５へ導かれる。
【００９１】
ここで、露光装置本体１０２は、チャンバー１０６内に収容されており、温度が一定に保たれるように制御されている。光透過窓１０５を通過したレーザ光は、ビーム整形光学系１０７で所定断面形状のレーザ光に整形され、ターレット板ＴＰに設けられた互いに透過率（減光率）が異なる複数のＮＤフィルタの一つ（図５では、ＮＤ１）を通過して反射ミラー１０８で反射して、ホモジナイザ（インテグレータ）としてのフライアイレンズ１０９に導かれる。フライアイレンズ１０９は、多数のレンズ素子が束ねられて構成されており、このレンズ素子の射出面側には、それを構成するレンズ素子の数に対応した多数の光源像（二次光源）が形成される。
【００９２】
フライアイレンズ１０９により形成される多数の二次光源の位置には、互いに形状と大きさの異なる複数の開口絞りを有するターレット板１１２が配設されている。ターレット板１１２はモータ１１３で回転駆動され、ウエハＷ上に転写すべきレチクルＲのパターンに応じて、開口絞りの一つが選択されて照明光学系の光路中に挿入されるようになっている。ターレット板１１２とモータ１１３とは、照明系用可変開口絞りを構成している。
【００９３】
フライアイレンズ１０９によって形成された二次光源からの光束は、ターレット板１１２の可変開口絞りを通過してビームスプリッタ１１４で二つの光路に分岐される。ビームスプリッタ１１４を透過した光は、リレーレンズ１７、長方形の開口を規定する可変視野絞り１１０、リレーレンズ１８を通って反射ミラー１９で反射された後、複数のレンズ等の屈折性光学素子で構成されるコンデンサ光学系２０にて集光される。これにより、可変視野絞り１１０の開口によって規定されるレチクルＲ上の照明領域が重畳的にほぼ均一照明される。そして、投影光学系１１１によって被露光物であるウエハＷ上にレチクルＲ上の回路パターンの像が形成され、ウエハＷ上に塗布されたレジストが感光して、ウエハＷ上に回路パターン像が転写される。
【００９４】
本実施例の露光装置１０１では、照明光学系および投影光学系に複数の光学部材が配置され、その少なくとも一つが合成石英ガラスで構成されている。
【００９５】
本実施例の露光装置１０１を構成する光学部材のうち、リレーレンズ１８は合成石英ガラスで構成され、その中心厚Ｌは5cmであり、入射エネルギー密度Ｉは6mJ・cm-2・pulse-1に設計されている。したがって、リレーレンズ１８については以下の式：
τＩ−２Ｌ−１．７＝0.036≧0.02
が成り立つこととなり、前記式（１）が満たされるように構成されている。本実施例の露光装置１０１においては、ＫｒＦレーザ光を1010パルス以上照射してもリレーレンズ１８にマイクロチャンネルは発生せず、安定した露光性能を維持することができた。
【００９６】
なお、本実施例においてリレーレンズ１８への入射エネルギー密度Ｉとは、ターレット板ＴＰ上のＮＤフィルタのうち、最も透過率の高いものを選択した場合の値である。これよりも透過率の低いＮＤフィルタを選択すれば、リレーレンズ１８への入射エネルギー密度Ｉも下がることから、いずれのＮＤフィルタを選択しても上記の条件が満たされることに変わりはない。
【００９７】
また、本実施例の露光装置１０１において、ＫｒＦエキシマレーザ光源１０３とフライアイレンズ１０９の間に配置される、ビーム整形光学系１０７及びターレット板ＴＰ上のＮＤフィルタ及び反射ミラー１０８は、いずれも合成石英ガラス以外の部材（フッ化カルシウム単結晶等）で構成されている。したがって、本実施例の露光装置１０１においては、全ての合成石英ガラス部材が、ＫｒＦエキシマレーザ光源１０３に最も近いホモジナイザであるフライアイレンズ１０９よりもウエハＷ（被露光物）側に位置するように構成されており、合成石英ガラス部材に照射される光はホモジナイザでエネルギー密度が十分に均質化されていた。
【００９８】
さらに、本実施例の露光装置１０１を構成する光学部材の全ては、脈理がJOGIS 11-1475に基づく評価において１級であり、かつ１μｍを超える異物および泡を含まない材料で構成されており、光学部材を透過する光におけるエネルギー密度のむらの発生は十分に抑制されていた。
【００９９】
以上の構成により、本実施例の露光装置１０１において合成石英ガラス部材に入射する光は、光軸に垂直な面内におけるエネルギー密度のむらの隣接する頂部間の幅が0.1mmより広く、かつエネルギー密度の頂部と底部との差が平均エネルギー密度の5%以下に制限されていた。したがって、本実施例の露光装置１０１を構成する合成石英ガラス部材においては、エネルギー密度のむらによるマイクロチャンネルの発生が十分に抑制され、本実施例の露光装置１０１は長期間安定した露光性能が維持されることが確認された。
【０１００】
なお、本実施例のウエハＷに代えて、液晶ディスプレイデバイス用のガラスプレートや薄膜磁気ヘッド用のセラミックウエハ、あるいは露光装置で用いられるマスクまたはレチクルの原版（合成石英、シリコンウエハ）等に適用することも可能である。露光装置１０１の用途としては、半導体製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角形のガラスプレートに液晶表示素子パターンを露光する液晶用の露光装置や、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ）あるいはレチクルＲ等を製造するための露光装置等にも広く適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
以上説明したように、本発明の露光装置によれば、紫外線（パルス光）照射時に光学部材にマイクロチャンネルが発生することが十分に抑制され、被露光物を露光する際における光学部材の機械的損傷を防止して露光装置の寿命を向上させることが可能となる。
【０１０２】
また、本発明の合成石英ガラス部材によれば、紫外線（パルス光）照射時におけるマイクロチャンネルの発生が十分に抑制され、その部材を用いた露光装置の寿命を向上させることが可能となる。
【０１０３】
さらに、本発明の露光方法によれば、光学部材におけるマイクロチャンネルの発生を十分に抑制して安定した露光特性を長期間維持することが可能となる。
Claims (11)
- 波長300nm以下のパルス光を発する光源を有し、該パルス光を複数の光学部材を透過させて照射することにより被露光物を露光する露光装置であって、
前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記式（１）を満たすように構成されている露光装置。
τＩ-2Ｌ-1.7≧0.02（ns・mJ-2 ・cm2.3・pulse2）・・（１）
（式（１）中、Ｌは前記合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse-1）、τは該パルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。） - 前記パルス光の波長が200nm以下であって、前記合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射される前記パルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記式（２）を満足するように構成されている、請求項１に記載の露光装置。
τＩ-2Ｌ-1.7≧25（ns・mJ-2・cm2.3・pulse2）・・（２）
（式（２）中、Ｌは前記合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse-1）、τは該パルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。） - 前記複数の光学部材中の合成石英ガラス部材の全数に対して、前記式（１）を満たす合成石英ガラス部材の数が２分の１以上である、請求項１に記載の露光装置。
- 前記複数の光学部材中の合成石英ガラス部材の全数に対して、前記式（２）を満たす合成石英ガラス部材の数が２分の１以上である、請求項２に記載の露光装置。
- 前記光源が波長300nm以下の紫外線のパルス光を発するものであり、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材の脈理が、日本光学硝子工業会規格（JOGIS）11-1975に基づく評価において、１級ないし３級である、請求項１に記載の露光装置。
- 前記光源が波長300nm以下の紫外線のパルス光を発するものであり、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材より光源側に配置される光学部材に含有される異物および泡の大きさが1μm以下である、請求項１に記載の露光装置。
- 前記光源が波長300nm以下の紫外線のパルス光を発するものであり、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材に照射される紫外線は、光軸に垂直な面内におけるエネルギー密度のむらの隣接する頂部間の幅が0.1mmより広く、且つ、前記エネルギー密度の頂部と底部との差が平均エネルギー密度の5%以下となるように構成されている、請求項１に記載の露光装置。
- 前記光源が波長300nm以下の紫外線のパルス光を発するものであり、該紫外線の光軸に垂直な面内におけるエネルギー密度のむらを減少させるホモジナイザを更に有しており、前記複数の光学部材のうち少なくとも一つが合成石英ガラス部材であり、該合成石英ガラス部材の全てが、最も光源側に配置された前記ホモジナイザよりも被露光物側に配置されている、請求項１に記載の露光装置。
- 被露光物を波長300nm以下のパルス光で露光する露光装置の光学系に使用される合成石英ガラス部材であって、該合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射される前記パルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記式（３）を満たすように構成されている露光装置用合成石英ガラス部材。
τＩ-2Ｌ-1.7≧0.02（ns・mJ-2 ・cm2.3・pulse2）・・（３）
（式（３）中、Ｌは前記合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse-1）、τは該パルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。） - 前記パルス光の波長が200nm以下であって、前記合成石英ガラス部材の厚さと、該合成石英ガラス部材に照射される前記パルス光のパルス当たりのエネルギー密度と、該パルス光のパルス幅とが、下記式（４）を満たすように構成されている、請求項９に記載の露光装置用合成石英ガラス部材。
τＩ-2Ｌ-1.7≧25（ns・mJ-2・cm2.3・pulse2）・・（４）
（式（４）中、Ｌは前記合成石英ガラス部材の厚さ（単位：cm）、Ｉは該合成石英ガラス部材に照射されるパルス光のパルス当たりのエネルギー密度（単位：mJ・cm-2・pulse-1）、τは該パルス光のパルス幅（単位：ns）を示す。） - 請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の露光装置を用い、原版上に設けられたパターンの像を感光性物質を有する基板上に投影露光する露光方法。
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