JP5091128B2 - マイクロリソグラフィ用の投影レンズおよびそのための端部素子 - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロリソグラフィ用の投影レンズに関し、特に、石英ガラスから作製された少なくとも1つの光学素子ばかりでなく、特にこのような投影レンズのための端部素子を備え、190nmを超える動作波長用に設計された液浸リソグラフィ用の投影レンズ、及びこのような投影レンズを備えるマイクロリソグラフィ投影露光装置に関する。
マイクロリソグラフィ用の投影レンズは、半導体素子および他の微細構造素子の生産に数十年間使用されてきた。それらは、フォトマスク(以下、「マスク」または「レチクル」という。)のパターンを、光に敏感な基板、例えば、感光性の被膜が塗布された半導体ウエハ上に縮尺して高解像度で投影するために使用される。
好ましくは、石英ガラスが、例えば、248nmまたは193nmの動作波長を有するこのような投影レンズにおける光学素子用の材料として使用される。より短い波長、例えば、157nmの場合では、石英ガラスが適用される放射にもはや十分に透明ではないという問題が存在する。この波長における透過性を高める様々な方策が知られている。
独国特許出願公開第19942443(A1)号(米国特許第6376401号に対応する)は、157nmの波長以下の紫外線に高い透明性を有する合成石英ガラスの生産工程を説明する。煤処理として知られる特別な処理が、水酸基(OH基)の含有率を約70ppm未満の領域まで低減し、同時に塩素および金属不純物の含有率を最小化することを可能にする。この処置では、これらの水酸基が約165nmの紫外線域の帯域の吸収を引き起こし、その吸収は157nmの波長の放射時における石英ガラスの透過率の低下をもたらすことが想定されるので、透過率を向上させる観点ではOH基の含有率の最小化が望ましい。
米国特許第6782716号において、190nm未満の波長域用の投影露光装置では、特に、0.5重量%未満のフッ素含有率を有する、フッ素ドープされた石英ガラスを使用することもまた知られている。その特許において説明される石英ガラスは、約157nmの波長における放射に対して適切な透過率を与えると言われており、したがって、フォトマスク用の基材として特によく適すると言われている。この装置では、石英ガラスのOH含有率はさらに透過率を向上させるように可能な限り低く選択される。
上記とは異なり、特開平4−97922において、OH基の高い含有率は、UVレーザ放射時のガラスの誘起吸収の低下につながると言われていることが知られる。
しかし、石英ガラス材料の適切な透過率は、高度に複雑な光学系、例えば、マイクロリソグラフィ用の照明システムまたはマイクロリソグラフィ用の投影レンズで使用するための適合性を決定する唯一の前提条件である。例えば、193nmにおけるレーザ放射は、石英ガラス材料の密度の放射誘起による変化をもたらし得るが、この密度の変化は屈折率の変化に関連することが知られている。リソグラフィシステムでは、光学的特徴のこれらの変化は、とりわけ、システムの耐用年数を制限し、かつ取替えおよび再調整を必要とする可能性のある結像誤差をもたらす恐れがある。
石英ガラス材料の放射誘起圧縮(この圧縮が照射された領域内の屈折率の増大に関連する)は、かなり長い間知られてきた効果である。この効果は「圧密化」と呼ばれる。圧密化は、例えば、0.5mJ/cmを超える相対的に大きなエネルギー密度を伴う放射の場合に特に明確に証明され得ることは、しばしば研究されてきた現象である。リソグラフィシステムを使用する際に遭遇するエネルギー密度および波長において、圧密化が臨界範囲まで行われることを防止するために、以下のように、遭遇する実用の放射密度において相対的に安定性のある材料を獲得するために、石英ガラス材料を使用する前に圧密化が既に大部分完了しているように石英ガラス材料が高エネルギー密度で予め照射されるか、または、石英ガラス材料が機械的に圧縮されることが提案されている(例えば、米国特許第6205818(B1)号および米国特許第6295841(B1)号を比較されたい)。
特に、リソグラフィシステムの実用エネルギー密度の範囲内のより低いエネルギー密度の場合では、該エネルギー密度は材料の放射誘起膨張に関連し、かつ屈折率の低下をもたらす逆効果も活性化される。このような放射誘起による密度低下の効果は希薄化と呼ばれる。この効果についての言及は、J.Appl.Phys.、第50巻、370ff頁(1979年)のジェイ イー シェルビー(J.E.Shelby)著の論文「Radiation effects in hydrogen−impregnated vitreous silica」またはProc.SPIE、第4347巻、177〜186頁(2001年)のシー ケー バン ペスキー(C.K.Van Peski)、ゼット ボーア(Z.Bor)、ティー エンブリー(T.Embree)、およびアール モートン(R.Morton)著の論文「Behavior of Fused Silica Irradiated by Low Level 193nm Excimer Laser for Tens of Billions of Pulses」に収録されている。
本発明の目的は、石英ガラスから作製された少なくとも1つの光学素子が適切なレーザ抵抗および屈折率の低い不均一性を有する、導入部で言及された種類の投影レンズを提供することである。
本目的は、5ppm未満のOH含有率、および1.5×1016と2×1018分子/cmとの間の、好ましくは2×1016と1×1018分子/cmとの間の、特に5×1016と2×1017分子/cmとの間の水素含有量、及び50ppm未満のフッ素含有率を有する石英ガラスの少なくとも1つの光学素子を備える、上述の種類の投影レンズによって達成される。
石英ガラスの透過率を向上させるようにより低いOH含有率が望ましい157nm用の投影レンズにおける光学素子とは異なり、190nmを超える波長の場合では、通常の石英ガラスの透過率はOH含有率に大きく依存し、かつ本質的に金属不純物によって決まる。
しかし、低いOH含有率の結果として、本発明に係る投影レンズでは、圧密化および希薄化によって引き起こされる屈折率および密度における不均一性が強力に低減される。さらに、低いOH含有率は偏光誘起複屈折(PIB)の低減をもたらす。上述の水素含有量は石英ガラスにおける誘起吸収の低減をもたらす。
低いOH含有率を有する光学素子は煤処理で作製されることが好ましく、その場合に、煤は、例えば、高温の乾燥空気/窒素の流れによって、または真空乾燥によって、焼結前に乾燥されねばならない。可能な限り低いOH含有率が望ましいけれども、これらのまたは他の知られている物理的方法では、10ppm未満のOH含有率を実現することは不可能である。
OH含有率をさらに低減するためには、空気乾燥の代わりにHClまたはHF等のガスによる化学的乾燥が必要である。両方の場合において、ハロゲンイオンが石英ガラスの中に取り込まれる。
Clの取込みは、放射下で、HClがガラスの中で再び放出され、そこで損傷(例えば、透過率の低下)を引き起こすという欠点に関連する。該欠点は、HFを使用すると、Si−F結合が非常に安定的であることにより放出が起こらないので、発生することはない。
したがって、煤処理では、フッ素の乾燥効果がドーピングに関係し、すなわち、乾燥効果が適切であればあるほど、それだけ石英ガラスの中に取り込まれるフッ素含有量が大きくなる。しかし、煤処理においてHF分圧、温度、乾燥時間等を適切に選択することによって、乾燥効果およびドーピングの程度は、限度内でそれぞれ別個に制御可能である。30ppm未満のOH含有率を実現するために、フッ素乾燥を実行することが有利であり得るが、約10から20ppmを下回るOH含有率では、このようなフッ素乾燥が必須である。
石英ガラス中のフッ素含有率はさらに、ガラス基質の安定化につながり、したがってガラスのレーザ抵抗の増大につながる。これは、石英ガラスがSi−O−Si構成単位の網状組織を含み、かつ石英ガラスがエネルギー的に不都合な結合角度を有する強い緊張構造を含み得ることを考えれば妥当である。フッ素によるドーピングは、石英ガラスの基質構造における終端珪素−フッ素結合の形成を促進する。したがって、終端および化学耐性Si−F結合(またはSi−OH結合)は、弱いSi−O結合よりも好ましい。
しかし、フッ素含有率は、フッ素が屈折率に対して強い、すなわち、193nmにおいて、1ppmのフッ素に対してほとんど1ppm台の屈折率の大きさで影響を及ぼすので、過剰にならないように選択されなければならない。したがって、一方では、素材中のF−濃度が極めて一定に維持されねばならず(光学的均一性要件)、他方では、F−含有率がバッチ間で繰り返し同じ値に設定されねばならない。絶対的なF−含有率が低ければ低いほど、それだけこのような方法は簡単になる。
絶対的な含有率を10%に再現可能に設定することが可能であるという想定から出発すると、単位重量当たり2000ppm(すなわち、0.2%)のフッ素は、これが約200ppmの屈折率のばらつきにつながり、このばらつきは、それぞれのディスク上における個々の屈折率測定によってかつ投影レンズの中心厚さおよびエアギャップに関する対応する計算によってしか補正可能ではないので、上限である。ディスク内部の濃度が1%で一定に設定可能であれば、それは、20ppmの屈折率不均一性が得られることになる。したがって、多くても200ppmのフッ素含有率を使用することがより実用性がある。煤処理では、石英ガラスの適切な乾燥が実現可能であれば、約50ppmのフッ素含有率が原則として実現される。
さらに好ましい実施形態では、石英ガラスのSiH含有量が最小化される。高温下で水素が石英ガラスの中へ拡散する間に、シランおよびシロキサン化合物がより生じやすく、すなわち、より多く生じれば生じるほど石英ガラスのOH含有率が低くなる。シラン(SiH)はレーザ放射下で可逆的に分解され、その場合に、分解生成物は、強力にかつ広帯域様態にて215nm前後を吸収し、石英ガラスの透過率に不利な影響を及ぼす。さらには、低いシラン含有率は、本システムの動的透過率変動の低減に、また、可能性として圧密化およびPIBの低減につながるので有利である。
本実施形態の好ましい改良では、石英ガラスはコールドチャージされる(cold charged)。水素によるコールドチャージ(cold charging)とは、室温と500℃との間の温度でチャージすること言う。温度が低ければ低いほど、それだけ形成されるシランの量が小さくなるが、しかし温度が低くなれば処理継続時間は長くなる。
有利な改良では、エネルギー密度Hに依存する石英ガラスの吸収係数の飽和値ksatにおける変化dksat/dHは1×10−4cm/mJ未満である。石英ガラス中のSiH含有量はラマン分光法によって直接証明が可能であるが、この測定方法の定量的な有意味度には議論の余地がある。しかし、間接的な証明が本質的にSiH含有量に比例する変化dksat/dHによって与えられ得る。この変化は、石英ガラスが、193nmにおいて、100から4000Hzの任意所望のパルスシーケンス速度で照射され、それぞれの場合に0.5から4mJ/cmの範囲にわたる少なくとも3つの異なるエネルギー密度で約百万パルスにて照射される際に測定され得る。次いで、それぞれのエネルギー密度(流束量)H(単位mJ/cm)における吸収の飽和値(最終値)ksat(単位cm−1)が、エネルギー密度Hに対してグラフ化され、近似によって直線的な依存性が得られ、その勾配dksat/dHが求められる。典型的なホットチャージされた(hot−charged)材料は2から10×10−4cm/mJの勾配dksat/dHを有するが、コールドチャージされた材料は少なくとも1桁低い。
好ましい実施形態では、投影レンズが動作波長で動作中、光学素子は、少なくとも一部の領域が、特に100ナノ秒を超えるパルス幅の、200と1000μJ/cmとの間のパルスエネルギー密度に曝される。言及されたパルスエネルギー密度は、光学素子のわずかな数の容積要素または表面要素においてのみ生じるピーク値である。これらの領域では、従来の石英ガラスの屈折率の増大が、より低いエネルギー密度におけるレーザ放射に露光される周囲領域内よりも当該領域内で顕著であるように、圧密化はより生じやすい。その結果、光学素子中の屈折率不均一性が発生する。上述の特徴を有する石英ガラスの使用によって、光学素子全体における屈折率の均一性が保証されるように圧密化は低減され得る。
マイクロリソグラフィ用の投影露光装置は通常ではパルス様態で動作するが、その場合にパルス列は、例えば、25ナノ秒の平均幅を有する。増大されたレーザエネルギーを使用する現代の機器では、有効パルス幅(TIS基準=合計積分2乗に従う)を25ナノ秒から100ナノ秒未満まで増加させるパルスストレッチャー(stretcher)が使用される。同じ密度で維持されるパルスエネルギー密度において、この因子によりパルス出力密度(パルス出力密度=パルスエネルギー密度/有効パルス幅)が4分の1未満に低減される。このようなパルス出力密度における低減も同様に圧密化の低減をもたらすが、しかしその場合には、レーザエネルギーと開口数との並行増加により、エネルギー密度は依然として過剰であり、上述した特徴を備える石英ガラスの使用によってさらに低減されることになる。
さらに好ましい実施形態では、光学素子は非常に強力な放射露光に曝され、その結果、圧密化がより顕著な様態で生じる投影レンズの焦点平面の近傍に配置される。
さらに好ましい実施形態では、光学素子は投影レンズの端部素子である。このような光学端部素子も同様に高いパルスエネルギー密度に曝され、したがって特に圧密化を受けやすい。特に投影レンズが液浸レンズである場合に、石英ガラスを浸液(例えば、水)で濡らす間に通常生じる問題、特に、塩形成は、上の特徴を備える石英ガラス材料が水およびUV放射と相互作用する度合いがより低いので、この石英ガラスを使用することによって防止されるかまたは少なくともかなり低減され得る。
さらには、ガラスのフッ素ドーピングに関連する低いOH含有率の結果として、浸液中に溶解される塩の蓄積、またはUV放射によって形成される他の化学化合物が低減されるように、強いぬれ性の低下が実現され得る。この効果はクロマトグラフィからも知られており、そこでは、液体に対するガラス表面、例えば、光学セルのぬれ性は、その表面がHFで酸処理され、その処理の結果として表面にSiF結合が局所的に生じる場合に向上し得る。
好ましい実施形態では、投影レンズは、入射する放射の偏光度を80%を超えて、好ましくは92%を超えて維持する。投影レンズに入射する放射の偏光度(例えば、直線的、接線的、または径方向の偏光)は、投影レンズの光学素子の密度不均一性および偏光誘起複屈折が低く保たれることが可能であれば、放射線の透過中、高いパーセンテージに維持され得る。
本発明はまた、特に上述の投影レンズ用の石英ガラスから作製された端部素子であって、石英ガラスが5ppm未満のOH含有率、及び50ppm未満のフッ素含有率を有する端部素子で実施される。この端部素子の有利な実施形態では、石英ガラスが上述の他の特徴を備える。このような端部素子は、特に、液浸リソグラフィで使用するのに適している。
本発明はさらに、上述の端部素子を有する投影レンズを備えるマイクロリソグラフィ投影露光装置で実施され、この投影露光装置では、浸液、特に水が、端部素子と感光性の基板との間に配置される。上で既に説明されたように、上述の特徴を有する端部素子を使用することによって、該端部素子を浸液で濡らす間に生じる問題が軽減される。
さらなる本発明の特徴および利点は、本発明の典型的な実施形態の以下の明細書、本発明の重要な詳細を示す図面の図、および特許請求の範囲に記載されている。個々の特徴が個々にそれ自体で実施されてもよいし、または幾つかの特徴が本発明の変形における任意の組合せで一緒に実施されてもよい。
典型的な実施形態が線図で示され、該実施形態は以下の明細書に説明される。唯一の図は、石英ガラスから作製された端部素子を備える、液浸リソグラフィ用の本発明の投影露光装置の実施形態の線図である。
本図は、ウエハステッパの形態にあるマイクロリソグラフィ投影露光装置1を略図で示し、該投影露光装置1は、高度に集積された半導体素子の生産のために提供される。投影露光装置1は、光源として193nmの動作波長を有し、他の動作波長、例えば、248nmの波長を有することも可能なエキシマレーザ2を備える。その出口平面4内に、下流に配置される照明系3が、下流に配置される投影レンズ5のテレセントリシティ(telecentricity)要件に合致する、大きく、鮮明に区切られ、非常に均一に照らされた画像フィールドを創出する。
照明系の後方には、マスク6を保持しかつ操作するための装置7が、マスク6を投影レンズ5の物体平面4内に位置決めし、かつマスク6が当該平面内で走査動作のために移動方向9へ可動であるように配置される。
マスク平面とも呼ばれる平面4の下流には、マスクの像を、例えば、4:1、5:1、または10:1の尺度で縮尺してフォトレジスト被膜を備えるウエハ10の上に描画する投影レンズ5が続く。感光性の基板の役目をするウエハ10は、フォトレジスト被膜を備える平面基板表面11が投影レンズ5の焦点平面12と本質的に一致するように配置される。ウエハは、ウエハをマスク6と同期して該マスク6に対して平行に移動させるためのスキャナ駆動部を備える装置8によって保持される。装置8はウエハを投影レンズの光軸13に平行なz−方向と、当該軸に垂直なx−方向およびy−方向とへ移動させるための操作装置も備える。
投影レンズ5は、端部素子14として、焦点平面12に隣接する半球形で透明な平凸レンズを有し、該平凸レンズの平面出口面は投影レンズ5の最終光学表面であり、基板表面11の上方で動作距離に配置される。端部素子14の出口面と基板表面11との間に、投影レンズ5の出口端開口数を増大させる浸液15が配置される。こうして、マスク6上の構造の描画が、端部素子14の出口域とウエハ10との間の空間がより低い屈折率の媒質、例えば、空気で満たされている場合に可能であるよりも大きな解像度および焦点深度で行われ得る。
投影露光装置1の動作中、端部素子14の材料は193nmの動作波長における強力なレーザパルスを有するレーザ2によって照射される。この工程では、端部素子14は、少なくとも一部の領域が、200と1000μJ/cmとの間のパルスエネルギー密度に曝される。約100ナノ秒のパルス幅で、これは数キロワット/cmのパルス出力密度をもたらし、該パルス出力密度は、連続動作において、その結果生じる圧密化と屈折率の不均一性とを引き起こし得る。上記を防止するかまたは少なくとも低減するために、端部素子14は、50ppm未満のOH含有率を有する石英ガラスから成る。石英ガラスを空気または窒素で乾燥させる間、すなわち、石英ガラスのフッ素ドーピングが伴わなければ、OH含有率は10ppmと50ppmとの間であることが好ましい。
パージガスとしてHFで石英ガラスを乾燥させ、フッ素ドーピングが伴う場合には、OH含有率は、0.1ppmから30ppmまでの、好ましくは20ppmまでの、特に好ましくは10ppmまでの、極めて好ましくは5ppmまでの、特に2ppmまでの範囲内にある。石英ガラスのフッ素含有率は、2000ppm未満、好ましくは200ppm未満、特に50ppm未満であり、当然にゼロではない。約50ppmのフッ素含有率は、適切な乾燥を可能にするばかりでなく、フッ素ドーピングに関連する屈折率の不均一性の増大が顕著になり過ぎないように十分に低いので、特に有利であることが証明されている。フッ素によるドーピングはさらに、石英ガラスのレーザ安定性の向上を保証する。
端部素子14の石英ガラスはさらに、1.5×1016と2×1018分子/cmとの間の、好ましくは2×1016と1×1018分子/cmとの間の、特に5×1016と2×1017分子/cmとの間の水素含有量を有し、その結果として、誘起吸収を打ち消すことが可能である。石英ガラスに水素をチャージする間、石英ガラスのシラン含有率は可能な限り低いことが保証されねばならないが、それは石英ガラスのコールドチャージによって実現可能である。このようなコールドチャージされた石英ガラスは、1×10−4cm/mJ未満のエネルギー密度Hに依存する吸収係数の飽和値ksatにおける変化dksat/dHを有する。
特に、投影レンズ5の他の光学素子(本図では示さず)も上述の石英ガラス材料から作製されるとき、屈折率の不均一性が低減されるので、投影レンズ5を透過する放射の偏光の維持が大きな範囲で可能である。
さらには、「乾いた」石英ガラス材料、すなわち、低いOH含有率を有し、追加的にフッ素でドーピングされる石英ガラス材料を有する端部素子14では、このような石英ガラス材料がより安定したガラス基質を含むために従来の石英ガラスよりも少ない不拡散性および低い可溶性を有するので、石英ガラスを水で濡らす際に通常生じる問題を防止するかまたは少なくとも強力に軽減することが可能である。さらには、ガラスのフッ素ドーピングに関連する低いOH含有率によって、端部素子14の平面出口面上の浸液15(この出口面は該浸液15によって濡らされる)の中に溶解する塩の蓄積が少なくとも低減され得るように、ぬれ可能なガラス表面を少なくすることができる。
石英ガラスから作製された端部素子を備える、液浸リソグラフィ用の本発明の投影露光装置の実施形態の略図である。

Claims (8)

  1. 石英ガラスから作製された少なくとも1つの光学素子(14)を備え、190nmを超える動作波長用に設計された、マイクロリソグラフィ用の投影レンズ(5)であって、
    前記石英ガラスが、5ppm未満のOH含有率、1.5×1016と2×1018分子/cmとの間の水素含有量、及び50ppm未満のフッ素含有率を有し、前記石英ガラスは、前記動作波長で照射されるパルスシーケンスのエネルギー密度Hに依存する、該パルスシーケンスの照射による前記石英ガラスの吸収係数の飽和値ksatの変化dksat/dHが、1×10−4cm/mJ未満となるように、室温と500°Cとの間の温度で、水素がコールドチャージされることを特徴とする投影レンズ。
  2. 前記投影レンズ(5)が前記動作波長で動作中、前記光学素子(14)は、少なくとも一部の領域が、200μJ/cmと1000μJ/cmとの間のパルスエネルギー密度に曝される用途に用いられる、請求項1に記載の投影レンズ。
  3. 前記光学素子(14)は、前記投影レンズ(5)の焦点平面の近傍に配置される用途に用いられる、請求項1または2に記載の投影レンズ。
  4. 前記光学素子は前記投影レンズ(5)の端部素子(14)である、請求項1乃至3のいずれか1に記載の投影レンズ。
  5. 前記投影レンズ(5)は、入射する放射の偏光度を、80%を超えて維持する、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の投影レンズ。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の投影レンズ(5)用の、石英ガラスから作製された端部素子(14)であって、前記石英ガラスが5ppm未満のOH含有率、及び50ppm未満のフッ素含有率を有することを特徴とする端部素子。
  7. 前記石英ガラスは、1.5×1016と2×1018分子/cmとの間の水素含有量を有する、請求項6記載の端部素子(14)。
  8. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の投影レンズ(5)と請求項6又は7記載の端部素子(14)とを備えるマイクロリソグラフィ投影露光装置であって、前記投影露光装置では、浸液(15)が、前記端部素子(14)と感光性の基板(10)との間に配置される、マイクロリソグラフィ投影露光装置。
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