JPH01167258A - レーザ光学系素体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、レーザステッパ装置、レーザ発振装置、レー
ザ核融合装置等に用いるレンズ、窓部材、ミラー、プリ
ズム、フィルター等の製造に好適なレーザ光学系素体に
係り、特に高出力の目−つ短波長域のレーザ光に対し耐
久性と高品質性を保証し得るレーザ光学系素体に関する
。

「従来の技術」 近年におけるＬＳＩの微細化、高集積化の進展は極めて
著しく既にチップ当たりの素子数が１００．０００以上
のＶＬＳＩの時代に突入しつつあり、これに伴ないウェ
ハ上に集積回路パターンを描画するリングラフィ技術に
おいてもその開発が急速に進み、例えば１Ｍピッ）　［
ｌＲＡＭに対応するパターン線ｒｌ］１ｐＬｍ、更には
４ＭビットＤＲＡＭに対応するパターン線巾０．８１１
．ｍと、より微細な線幅が描画可能な技術が開発されつ
つあり、これらの微細な線幅描画技術はいずれも光リソ
グラフィー技術により行われている。

更にリソグラフィ技術分野においては、近い将来におい
て実現し得る１８Ｍピッ）　ＤＲＡＭに対応するパター
ン線巾０．５ｐＬｍというサブミクロン単位の描画技術
の開発も急がねばならないが、このような超微細な線幅
描画技術においても最近の光学系、光源、フォトレジス
ト等の着実な進歩からみてやはり光リソグラフィーが主
流になるものと推定される。

確かに光リソグラフィーは、比較的高輝度の光源、高感
度レジスト、安定した光学材料がそろっている等超微細
な線幅描画を行う上で必要な種々の条件を備えているが
、欠点として露光波長が大きいため、回折により解像力
が制限されるという問題がある。

その解決策は、光学系の高ＮＡ　（開口数）化と光の短
波長化である。

光学系の高ＮＡ化は、ＮＡ　（開口数）０．４を超える
時代に入っており、試作品としてＮＡ　Ｏ，８のレンズ
も開発されているが、高ＮＡ化に伴い焦点深度が浅くな
る為にその解像度の向上を図る為の高ＮＡ化は限界に来
ている。

例えば、ＮＡ　Ｏ，４３、波長ｇ線（４３Ｂｒ＋ｍ）に
て、露光した場合、焦点深度−±０．５入／　（ＮＡ）
２の経験則を適用すると約±１．２ｐｍとなり、レジス
トの厚さ、段差、焦点合せ精度の現状を考えると許容限
界に近い。

そこで、次に光の短波長化が検討されることになる。

しかしながら光の短波長化を図る為に、４００　ｇｔｎ
以下の紫外線を用いた場合は、従来の光学ガラスを用い
たレンズでは使用波長が３８５ｎｎ＋（ｉ線）付近より
光透過率が急激に低下して、言い変えれば光吸収と該光
吸収による発熱が生じ、該レンズの焦点位置やその他の
特性を狂わせることになる。

かかる欠点を解消する為に、レンズ材料を従来の光学ガ
ラスから石英ガラス又は蛍石に代える事が提案されてい
るが、これらの材料に通常の紫外線を透過した場合光ス
ペクトル巾が広いために色収差が発生してしまう。

そこで前記光リソグラフィー用の光源としてスペクトル
巾の狭いレーザ光を使うことが考えられ、特に光リソグ
ラフィー用のレーザの中で最も完成度の高いものがエキ
シマレーザである。

エキシマレーザは短波長域、主として紫外域で発振する
高出力パルスレーザであり、エキシマレーザの種類とし
ては、Ｘｅ２　（１７２ｎｎ＋）、Ｋｒ２　（１４Ｂｎ
ｍ）、Ａｒ２　（１２Ｅｆｎｍ）、等の希ガスエキシマ
、Ｘｅ０（５３８゜５４８ｎｍ）　、ＸｒＯ（５５８ｎ
ｍ）　、等の希ガス酸素エキシマ、Ｈｇｌ（４４３ｎｍ
）等の水銀ハライドエキシマ、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）　
、ＸｅＣＭ　（３０８ｎｍ）　、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）
　、等の希がスハライドエキシマなど、合計、数１０種
類におよぶが、発振効率とガス寿命の点から、ＫｒＦ（
２４８ｎｍ）、ＸｅＣＪｌ　（３０８ｎＴｓ）　、Ａｒ
Ｆ（１９３ｍｍ）等が有利である。

そしてかかるレーザ光はいずれも波長が３５０　ｎｍ以
下と、従来の水銀灯の紫外線使用波長であるｇ線（４３
Ｅｉｎｍ）或いはｉ線（３６５ｎｍ　）の場合に比較し
て極めて短波長であるが故にこれら光学材料の屈折率の
均一性は前記ｇ線或いはｉ線の場合に比較して１桁以上
高い（△ｎ：　ｌＸｌ０冑〜ｌ×１０４、△ｎ二屈折率
変動幅）ものが要求される事となるが、前記短波長レー
ザ光を光源とする場合のレンズ材料の内、蛍石について
は屈折率の均一性と最大寸法、加工時の吸湿性と機械的
強度に問題が多く残されており、この為短波長域のレー
ザ光に対し耐久性と高品質性を保証し得るレーザ光学系
素体としては石英ガラス以外には見出せない。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら１例え石英ガラスを用いてレーザ光学系を
製作したとしても、該光学系に高出力パルス光である短
波長のエキシマレーザ光が長時間照射されると時間経過
とともに、石英ガラス　（レンズ等）がダメージを受け
、歪が入り複屈折が起こるのみならず、前記短波長レー
ザ光の長時間照射により、透過率の低下、絶対屈折率の
上昇、屈折率分布の変動が起こり、最終的にクラックが
発生するという問題が派生する。

特に短波長エキシマレーザ用の石英ガラスレンズに対し
ては、前述したように、屈折率分布の△ｎがｌＸｌ０−
６以下という要求があり、前記のような石英ガラスの光
学的物性変化が起こると、レンズの光軸、焦点位置が変
動し、微細かつ鮮明パターンの形成が極めて困難となる
。

又、３００ｎｍ以下の短波長レーザ光が照射されると、
例え従来の光学ガラスより光学的安定性の高い石英ガラ
スにおいても蛍光を発生し、特にエキシマレーザステッ
パのように投影型露光装置においては、レンズその他の
光学系から発生した蛍光がレーザ光とともにウェハ上の
フォトレジストに感応してしまい、鮮明パターンの形成
が困難となる。

本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、前述した石英ガ
ラスに新たに別異の要素を加味する事により、長時間に
わたる屈折率、透過率等の安定性を確保するとともに、
蛍光の低減をはかり、特にエキシマレーザ用の光学系材
料として極めて好適なレーザ光学系素体を提供する事を
目的とする。

［問題点を解決する為の手段」 さて１石英ガラスを用いてレーザ光学系を形成した場合
においても、短波長域のエキシマレーザ光を石英ガラス
に照射すると照射線量を増大させるに従って石英ガラス
の屈折率は徐々に高くなり、透過率は徐々に低下してい
く事は前述した通りである。

又石英ガラスにおいてもレーザ光を短波長化するに連れ
蛍光が発生し、特に略３００ｎｍ以下の波長域において
は蛍光発生度合が強くなることも先に説明した通りであ
る。

一方前記蛍光特性、屈折率、透過率等、光学特性変化の
程度は、レーザ光学系に照射されるエキシマレーザ光の
パルス当りエネルギー密度（Ｊ／ｃ　ｒｎ’　＊　ｐｕ
ｌｓｅ　）　、発振周波数（Ｈｚ）　、総照射パルス数
（ｐｕｌｓｅ　）に依存する事も公知である。

そこで本発明者らは不純物濃度レベルの異なる二種類の
合成石英ガラス、すなわち普通純度合成石英ガラスと高
純度合成石英ガラスを用いて、該ガラス組織中に含まれ
るＯＨ基含有量を種々変化させて形成した試験片を複数
個用意し、該試験片に、パルス当りエネルギー密度（Ｊ
／ｃｍ’・ｐｕｌｓｅ　）と、総照射パルス数（ｐｕｌ
ｓｅ　）を変化させた同一波長域（２４８ｎｍ　）の短
波長エキシマレーザ光を照射させ、その蛍光特性、透過
率、屈折率変化、及びクラック発生の有無について調査
してみた。

この結果、蛍光特性、屈折率、透過率等の光学特性の劣
化等を引き起こす主原因の一つとして不純物元素である
事が確認出来たが、これのみならず、不純物元素濃度低
減に加えて、特に不純物濃度を一定にした場合、透過率
と屈折率等の変化はＯＨ基含有量にも依存し、具体的に
はＯＨ基含有量を増大させる事により、前記蛍光特性、
屈折率、透過率等の光学特性が向上する事が知見出来た
。

このように、不純物濃度の低減と相まってＯＨ基含有量
の増大が、短波長城レーザ光に使用されるレーザ光学系
の蛍光を低減させ、透過率、屈折率等の安定性が向上し
得る事は木発明者達が始めて知見した事実であり、従っ
て石英ガラスの高純度化とともに、前記ＯＨ基含有量を
規定する事により、前記した本発明の目的を達成し得る
。

尚、ＯＨ基含有量が何故前述した光学特性に影響するの
かはさだがではないが、以下のように考えられる。

石英ガラスに強力なレーザ光を照射すると、ガラス網目
構造を構成する元素間の結合が切断され、その結果透過
率が低下し、吸収バンドが現われる。又、蛍光強度も増
加する。

しかし、これら元素間の切断も、石英ガラス中に含まれ
るＯＨ基そのものや、ＯＨ基の水素元素の存在や移動に
より大部分が修復されるものと推定している。

クラックの発生は、ＯＨ基が多量に含まれると上記理由
により吸収バンドの発生が小さくなり、その結果として
光吸収が少なくなり、クラックが少なくなると考えてい
る。

本発明は上述した知見と実験結果に基づいてなされたも
のであり、その特徴とする所は、略４００ｎ＋ｓ以下、
より限定的には３５０ｎｍ以下の特定波長域のレーザ光
に使用されるレーザ光学系素体を高純度の石英ガラス材
で形成するとともに、該ガラス材組織中のＯＨ基含有量
を少なくとも３００ｐｐｍ以上に設定した点にある。

これにより、短波長域レーザ光に使用されるレーザ光学
系の蛍光発生を低減させ、屈折率、透過率等の安定性を
向上させることが出来る。

尚、短波長域で且つより高出力のレーザ光を用いる場合
には前記設定値を更に引きＬげ、前記素体を高純度の合
成石英ガラス材で形成するとともに、該ガラス材組織中
のＯＨ基含有量を７００ｐｐｍ以上に設定する事により
、３５Ｑｒ＋ｍ以下の高出力レーザ光学系素体として特
に好適なものを提供し得る。

この場合前記高純度石英ガラス材とは、少なくとも金属
元素の含有量がいずれも略ｌｐｐｍ以下の石英ガラス材
、好ましくは金属元素が原子吸光分析法に基づいて測定
した場合に検出限度以下、具体的には原子の種類にもよ
るが略０．１〜０．０１ｐｐｍ以下の高純度石英ガラス
材をいう。

尚、前記合成石英の高純度化とＯＨ基含有量の制御は下
記のように処理する事により容易に調整する事が出来る
。

即ち合成石英ガラスは、例えば四塩化ケイ素（ＳｉＣ１
ａ　）ガスを酸水素炎中で加水分解して合成され、そし
て特に高純度化については例えば、不純物濃度が所定値
以下の純度のよい四塩化ケイ素原料を蒸留処理すること
により前記原料中に残留している不純物を更に除去させ
、これをテフロンライニング付のステンレス製容器に貯
溜し、更にテフロンライニング付パイプを通して合成バ
ーナーに導入し、これを酸水素炎中で加水分解して合成
することにより、金属不純物元素が略０　、１　ｐＴ１
ｍ以下の高純度石英ガラス材を製造することが出来る。

モしてＯＨ基含有量は、前記石英ガラス合成時における
、四塩化ケイ素ガスと酸素水素ガスとの混合比を変化さ
せることにより、ＯＨ基含有量を増減させることが出来
る。尚、合成に使用する八−ナーの形状によってもＯＨ
基含有量を制御することが可能である。

「実験例」 先ず本発明の効果を確認する為に、下記のような製造法
でエキシマレーザ照射実験用試験片夫々複数個用意する
。

先ず、不純物濃度の低い原料四塩化ケイ素を蒸留処理し
た後、これをテフロンライニング付ノステンレス製容器
に貯溜した高純度の四塩化ケイ素と、前記蒸留処理を行
わない普通純度の四塩化ケイ素とを用意し、こ些らを夫
々テフロンライニング付パイプを通して合成バーナーに
導入し、これを酸水素炎中で反応させる際に、該四塩化
ケイ素ガスと酸素水素ガスとの混合比を変化させて、Ｏ
Ｈ基の含有量の異なる石英ガラスインゴットを複数種類
製造する。

そしてかかる石英ガラスインゴットの不純物濃度を測定
してみるに、普通純度の四塩化ケイ素を用いたインゴッ
トにおいては、Ｍｇが４３０ｐｐｂ、Ｆｅが１００ｐｐ
ｂ　、　Ａｔが９０ｐｐｂ　、Ｃｕが１０ｐｐｂ　テ、
他はいずれも検出限界以下であった。次にかかるインゴ
ットのＯＨ基の含有量を調べてみると概算３００．５０
０　、７００　、９００．１１００　Ｐｐｍ有していた
。

−丈高純度の四塩化ケイ素を用いたインゴットにおいて
は、Ｃ１の含有量は２５ｐｐｍである点を除いて他の不
純物元素はいずれも検出限界以下であった。次にかかる
インゴットのＯＨ基の含有量を調べてみると前記と同様
に概算３００　、５００．７００　、９００　、１ｌ１
００ｐｐ有していた。

更番乙上記普通純度の四塩化ケイ素と高純度の四塩化ケ
イ素を各々プラズマ発生装置に導入し、プラズマ雰囲気
で石英ガラスに変化させ、インゴットを合成した。

このプラズマ法で合成した石英ガラスインゴットのＯＨ
基含有量は、５ｐｐｍ以下であった。

このようにして形成した各種合成石英ガラスインゴット
を３０Ｘ　２０Ｘ　１０ｍｍの寸法に切断し且つ両面鏡
面仕上げを行ってエキシマレーザ照射実験用試験片を夫
々９個作成する。

次にこれらの各８個の試験片に対して、　２４Ｂｎｏ＋
（ＫｒＦ）の波長域を有するレーザ光についてパルス当
りエネルギー密度２００，４００，８００　（ｍＪ／　
ｃｒｒｆ　・ｐｕＩｓｅ　）　、及び照射パルス数ｌＸ
１０４　、ｌＸ１０５　。

ｌＸ１０６　　（ｐｕｌｓｅ　）の組合わせから成る照
射条件にて照射を行った。

そして前記照射終了後の各試験片について干渉計にて屈
折率分布変化、透過率計にてソーラリゼーション、蛍光
測定器にて蛍光強度測定、及び目視にてクラックの有無
の判定を行った。

その結果を下記実験結果条件−賢夫に示す。

この結果、蛍光特性、透過率、屈折率変化等については
普通純度の試験片と高純度の試験片とでは、明らかに有
為差がみられ、その主要原因が石英ガラスに含まれる不
純物元素である事が確認出来たが、これのみならず、前
記不純物元素の高純度化に加えてＯＨ基含有量にも依存
する事が知見出来た。（実験例１）〜６）、７）〜１２
）参照）更に不純物濃度が普通純度の試験片では、ＯＨ
基含有量を多くする程透過率、屈折率等の安定性が向」
−する事は理解出来るが、ＯＨ基含有量が１１００ｐｐ
ＩＩｌの場合でも尚蛍光特性が強く実用上問題がある。

（実験例１）〜６）参照） 次に高純度の試験片同士を比較すると、ＯＨ基含有量が
５ｐｐｍでは蛍光強度、透過率低下、屈折率変化、クラ
ックの発生がいずれも問題があるが、ＯＨ基含有量が３
００　ｐｐｍであれば、透過率と屈折率が実用化に耐え
る程度に安定し、且つ蛍光強度とクラックの発生を低減
させる事が出来る。（実験例８）参照） 更に前記実験例１０）より理解される如く、ＯＨ基含有
量が少なくとも７００ｐｐｍ以上に設定する事により、
レーザ光学系の蛍光特性、透過率、屈折率等を更に改善
するとともに、クラックの発生を解消させる事が出来、
これにより短波長域で且つ高出力のレーザ光の光学系と
して好適な素体の提供が可能となる。

「発明の効果」 以」一記載の如く本発明によれば、石英ガラスの高純度
化とともにＯＨ基という別異の要素を加味する事により
、前記光学特性や耐クラツク性等の向上を図るとともに
、長時間にわたる屈折率、透過率等の安定性を確保し、
高出力レーザ用の光学系材料として極めて好適な素体を
得る事が出来る。

又本発明はリソグラフィー装置その他の高集積回路製造
装置のみならず、レーザ核融合装置その他の高出力レー
ザに使用される光学系素体にも十分適用可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）略４００ｎｍ以下の特定波長域のレーザ光に使用さ
   れるレーザ光学系素体において、該素体を高純度の石英
   ガラス材で形成するとともに、該ガラス材組織中のＯＨ
   基含有量を少なくとも３００ｐｐｍ以上に設定した事を
   特徴とするレーザ光学系素体 ２）特許請求の範囲第１項記載のレーザ光学系素体にお
   いて、該素体を高純度の合成石英ガラス材で形成すると
   ともに、ＯＨ基含有量を少なくとも７００ｐｐｍ以上に
   設定したレーザ光学系素体 ３）前記レーザ光がエキシマレーザである特許請求の範
   囲第１項記載のレーザ光学系素体