JPH02101730A - 露光装置 - 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、半導体集積回路、特に微細化された超ＬＳＩ
製造プロセスにおける縮小投影露光装置に関するもので
ある。さらに詳細に言えば、縮小投影露光装置（以後ス
テッパーという。）の性能向上のために、短波長光源と
してエキシマレ−ザラ用いるエキシマレーザステッパー
に関するものである。

従来の技術 光ステッパーを用いたフォトリングラフィの解像度Ｒは
Ｒ＝β・λ／ＮＡで与えられる。ＮＡはレンズの開口数
（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ）、βはプロ
セス、材料の性能によって決定される定数、λは露光波
長である。解像度を改善するために、Ｇ線、■線に比べ
てより短波長であるエキシマレーザを光源トスるエキシ
マレーザステッパーが近年提案、実験され始め、０．５
μｍ以下の量産用露光装置として有望である。第２図に
ＫｒＦエキシマレーザステッパーの構成図を示す。Ｋ　
ｒ　Ｆエキシマレーザ１から出たビームはインテグレー
タ２１反射板３．コンデンサレンズ４．レチクル５を経
て、縮小投影レンズ６を用いである縮小率でウェーハ７
上に結像させる。縮小投影レンズ６には単色レンズと色
消しレンズがあり、エキシマレーザステッパーでは、１
１色レンズが色消しレンズに比べ露光領域が広く、しか
もＮＡの大きなレンズの設計と製造が容易なため主流で
ある。そのため単色レンズを使用すると、エキシマレー
ザのスペクトル線幅に対する要求が高まり、スペクトル
線幅の狭帯域化が必要になってくる。以下、エキシマレ
ーザの狭帯域化の必要性を説明する。第３図にＮＡが０
．４である単色レンズを用いた時のＫｒＦエキシマレー
ザに対するＯ　Ｔ　Ｆ　（Ｏｐｔｌｃａｌ　　Ｔｒａｎ
ｓｆｅｒ　Ｆｕｎｃｔｊｏｎ）特性を示す。一般的に解
像を得るにはＯＴＦ値は０．５以上必要である。これを
第４図を用いて説明すると、レーザ光はマスクイメージ
から縮小光学系を通過することによりフーリエ変換され
て点線のような波形になり、ＯＴＦである明暗部のコン
トラストＣはＣ：　１００Ｘ　（Ｉｍａｘ−１ｍｉｎ）
／（Ｉｍａｘ＋ＩｍＩｎ）であり、Ｃ値が５０％以下で
はレジスト等の分解能により光学理論上解像されないと
されている。ＫｒＦレーザのスペクトル線幅として理論
上理想状態（ＯｎｍＬｏ、００３　ｎ　ｍ　、０．００
８　ｎ　ｍそして通常のＫｒＦレーザのスペクトル線幅
である０、３１ｍをパラメータとしている。スペクトル
線幅が０．３ｎｍの時、ＯＴＦは空間周波数の増大とと
もに激しく劣化する。空間周波数がｌ０００本／ｍｍ　
　（０，５μｍラインアント゛スペースのレジ。

ストパターンに相当する。）の時、解像を得るためには
、ＫｒＦレーザのスペクトル線幅は０．００３　ｎ　ｍ
以下である必要がある。空間周波数が１０００本／ｍｍ
より増大するとＫｒＦレーザの狭帯域化の必要性はさら
に増すことになる。第５図は従来技術による狭帯域化エ
キシマレーザの構成概略図を示す。レーザキャビティ１
０はレーザチャンバ２０．フロントミラー３０．リアミ
ラー７０およびファブリペローエタロン素子８０から構
成される。レーザ光６０の狭帯域化をファブリペローエ
タロン素子８０をキャビティ内部のリア側に設置するこ
とで行なっている。さらに狭帯域化するためにエタロン
素子８０を複数個設置する場合がある。場合によっては
外部エタロン８１を設置することで狭帯域化を行なう。

エタロン素子の狭帯域化能力は、主にエタロン素子の平
行反射板のギャップの平坦性に大きく依存するため加工
精度により決定される。現在、その加工精度は波面収差
λ／４０（λはＨｅ−Ｎｅ光：１１ｉ３３ｎｍ）が限界
であるため、エタロン素子による狭帯域化には限界があ
る。そのためエキシマレーザの狭帯域化を高めるには、
複数のエタロン素子の組合せによる方法に限られてくる
。

発明が解決しようとする課題 しかし複数個、例えば２個のエタロン素子を組み合わせ
て狭帯域化する方法は、エキシマレーザはレーザチャン
バのリア側に設置した方が狭帯域化に寄与するため、ま
ず粗に狭帯域化するフリー・スへ゛クトル・レンジ゛（
ＦＳＲ）　（狭帯域化する周期）がラフなエタロン素子
で広めに狭帯域化し、次にＦＳＲがファインなエタロン
素子で密に狭帯域化する方法であるが、各ＦＳＲの中心
ズレが生じやすいため所望の狭帯域スペクトル幅が得ら
れにくい。これを第６図を用いて説明する。第６図（ａ
）はエキシマ自然発振光でそのスペクトル線幅ＦＷＨＭ
ａを約Ｑ　、３ｎｍとする。第６図（ｂ）はラフなＦＳ
Ｒｂを用いて広めに狭帯域化した状ｒ、！！（ＦＷＨＭ
ｂ）。

第６図（Ｃ）はファインなＦＳＲｃを用いて、かつ第６
図（ｂ）のＦＳＲｂの中心にうまく調整された場合で、
スペクトル線幅ＦＷＨＭｃは狭く狭帯域化される。しか
し、第６図（ｄ）のようにＦＳＲｃの中心が第６図（ｂ
）のＦＳＲｂの中心から図上左にズした場合、即ちエタ
ロン素子間の調整がうまくいかない場合スペクトル線幅
は左右非対称形となり、かつスペクトル線幅ＦＷＨＭｄ
もＦＷＨＭｃより広くなる。この各ＦＳＲの中心ズレは
長期的にレーザ発振をすると熱ひずみ等で大きくなるた
め、スペクトル幅が広くなったりスペクトル線幅の波長
シフトが起こる可能性がある。

こ　こで、　　Ｆ　Ｓ　Ｒは　ＦＳＲ＝フィネス７スベ
ケトル線幅（ＦＷｔ１Ｍ）で決まる。さらに各エタロン
素子間の調整の歩留まりが低いため、調整を要したり再
製作のためかなりの費用を必要とした。　（エタロン素
子１ケは約２００万円である。） 本発明は、上述の問題点に鑑みて成されたもので、ステ
ッパー光学系のエキシマレーザ光源の狭帯域化を、調整
が容易でしかも長期安定性をもち、かつ安価に実現する
ことができる露光装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明は上述の問題点を解決するため、エキシマレーザ
を光源とする縮小投影光学系を存し、縮小投影レンズと
して単色レンズを用い、前記エキシマレーザのスペクト
ル線幅を粗に狭帯域化するグレーティング素子と前記グ
レーティング素子によって粗に狭帯域化したスペクトル
線幅をさらに密に狭帯域化するエタロン素子を前記エキ
シマレーザキャビティ内部の前記レーザ光の出射側と反
対側に設けるという構成を備えたものである。

またもう一方の発明はエキシマレーザを光源とする縮小
投影光学系において、エキシマレーザのスペクトル線幅
が百分の−ｎｍ以上であり、縮小投影レンズの色消し範
囲が百分の五ｎｍ以上であるという構成を備えたもので
ある。

作用 本発明は上述の構成によって、エタロン素子とグレーテ
ィング素子の組み合わせによりＦＳＲの中心ズレそのも
のがなくなるため、調整はグレーティング素子の角度だ
けを注意すればよい。そのため調整は非常に容易になり
、かつ長期安定性の優れたエキシマレーザの狭帯域化を
安価に行なうことができる。さらに２種類の狭帯域化素
子はエキシマレーザのキャビティ内部の前記レーザ光の
出射側と反対側に置くことにより、レーザ特有の複数回
の光の共振をより多く利用できるため、利得を最大に得
ることできるのでエキシマレーザのパワーを最大限に得
ることが可能となる。

またもう一方の発明は、合成石英および不純物をド゛−
ピングした異なる分散値を有する合成石英類との組合せ
によって成る色消しレンズを用いるため、エキシマレー
ザのスペクトル線幅を百分の−ｎｍ以上のゆるい基準に
でき、エキシマレーザ光源の狭帯域化を、安価でかつ長
期安定性をもって実現することができる。またエキシマ
レーザのスペクトル線幅を百分の−ｎｍ以上のゆるい基
準にすることにより、コヒーレンシーを落とす、つまり
狭帯域化によるレーザモードの低下を招くことがないの
で、スペックル（光干渉）に基づくパターン欠陥を抑え
ることができる。

実施例 （実施例１） 第１図は本発明によるエキシマレーザ光源の狭帯域化を
実現するための構成概略図を示す。レーザキャビティ１
０は、レーザチャンバ２０．フロントミラー３０そして
狭帯域化素子であるエタロン素子４０．グレーティング
素子５０および反射ミラー１００よりなる。レーザの狭
帯域化はエタロン素子４０およびグレーティング素子５
０を通るたびに行なわれ、その経路は以下のとおりであ
る。

レーザチャンバから出たレーザ光６０はエタロン素子４
０を通り（この時はあまり狭帯域化されない）、３ＧＯ
Ｏ本／ラインからなるグレーティング素子５０により約
５０％の回折効率で回折された一次光を反射ミラー１０
０に当て、反射ミラー１００により反射されたレーザ光
はグレーティング素子５０により再び約５０％の回折効
率で回折されてエタロン素子４０そしてレーザチャンバ
２０さらにフロントミラー３０に到り、またレーザチャ
ンバ２０に戻る。レーザ光６０は以上の繰り返しを２〜
３回行なってフロントミラー３０より出射する。この実
施例では、できるだけレーザの狭帯域化を安定かつ調整
を容易にするため、反射ミラー１００に近い順にグレー
ティング素子５０、次にエタロン素子４０を配置した。

この実施例において、グレーティング素子によりスペク
トル線幅１１０１）が得られ、エタロン素子によりさら
にスペクトル線幅３ｐｍが得られた。士た、スペクトル
線幅の波長シフトはエタロン素子１個を使用のため、±
０．００１ｎ　ｍ以下で長時間安定していた。このこと
により、解像度はもちろん焦点位置の安定性が得られ、
いわゆるフォーカスボケの心配が不要となった。この方
法を用いるとグレーチイング素子によりスペクトル線幅
の狭帯域化がかなりなされるため、エタロン素子の狭帯
域化能力をエタロン素子の現状の加工精度により決まる
約千分の五ｎｍより下げることができた。またエタロン
素子同士の組合せむらがないため、非常に調整が容易で
あった。なお本発明は、エキシマレーザの発振波長によ
らずＡ　ｒ　Ｆ　（１９３１ｍ）　ＩＫ　ｒ　Ｆ　（２
４８ｎｍ）あるいはＸ　ｅ　Ｃｌ　（３０６ｎｍ）であ
っても良いことは言うまでもない。

（実施例２） 許容スペクトル線幅が百分の−ｎｍになるように縮小投
影レンズに色消しを施した実施例を説明する。１０−６
の分散値を有する純粋な合成石英とＧｅに代表されるカ
ルコゲナイド系の不純物を合成石英にドーピングして、
１０−９の分散値を得たレンズ材との組合せによって、
百分の五ｎｍの色補正を施した。その結果、レーザのス
ペクトル線幅を百分の−ｎｍ以上に設定しても０．５μ
ｍパターンの形成が可能であった。

発明の効果 以上の説明から明らかのように、本発明は、単色レンズ
を用いる狭帯域化エキシマレーザにおいて、エタロン素
子とグレーティング素子の組み合わせによりＦＳＲの中
心ズレそのものがなくなるため、調整が非常に容易にな
り、かつ長期安定性の優れたエキシマレーザの狭帯域化
を安価に行なうことができる。またスペクトル線幅のゆ
らぎによる波長シフトにもとづく解像度の劣化を減少さ
せることができる。さらにグレーチイング素子によりス
ペクトル線幅の狭帯域化がかなりなされるため、エタロ
ン素子の狭帯域化能力をエタロン素子の現状の加工精度
により決まる約千分の五ｎｍより下げることができた。

そのためエタロン素子の加工精度基準を低下させること
ができエタロン。

素子に負担をあまりかけずにすむ。これらのことは非常
に工業的価値が高い。

またもう一方の発明は合成石英および不純物をドーピン
グした異なる分散値を有する合成石英との組合せによっ
て成る色消しレンズを用いるため、エキシマレーザのス
ペクトル線幅を百分の−ｎｍ以上のゆるい基準にでき、
エキシマレーザ光源の狭帯域化を、安価でかつ長期安定
性をもって実現することができ、またスペクトル線幅の
ゆらぎによる波長シフトにもとづく解像度の劣化を減少
させることができる。さらにエキシマレーザのスペクト
ル線幅を百分の−ｎｍ以上のゆるい基準にすることによ
り、スペックル（光干渉）に基づくパターン欠陥を抑え
ることができる。これらのことは非常に工業的価値が高
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による狭帯域化エキシマレーザの構成概
略図、第２図はＫｒＦエキシマレーザステッパーの構成
図、第３図は単色レンズのＯＴＦ特性図、第４図はフー
リエ変換されたスペクトルプロファイル、第５図は従来
技術による狭帯域化エキシマレーザの構成概略図、第８
図は２個のエタロン素子によるレーザの狭帯域化におけ
る各ＦＳＲの中心ズレを示す図である。 １０・・・レーザキャビティ、２０・・・レーザチャン
バ、３０・・・フロントミラー　４０．８０．８１・・
・エタロン素子、５０・・・グレーティング素子、６０
・・・レーザ光、７０・・・リアミラー　１００・・・
反射板。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第 図 第 図 墾間司う次数３籠り 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）エキシマレーザを光源とする縮小投影光学系を有
   し、縮小投影レンズとして単色レンズを用い、前記エキ
   シマレーザのスペクトル線幅を粗に狭帯域化するグレー
   ティング素子と前記グレーティング素子によって粗に狭
   帯域化したスペクトル線幅をさらに密に狭帯域化するエ
   タロン素子を前記エキシマレーザキャビティ内部の前記
   レーザ光の出射側と反対側に設置することを特徴とする
   露光装置。
2. （２）エタロン素子だけによる狭帯域化スペクトル線幅
   が千分の五ｎｍ以上で、グレーティング素子と前記エタ
   ロン素子による狭帯域化スペクトル線幅が千分の五ｎｍ
   以下であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の露光装置。
3. （３）エキシマレーザを光源とする縮小投影光学系にお
   いて、エキシマレーザのスペクトル線幅が百分の一ｎｍ
   以上であり、縮小投影レンズの色消し範囲が百分の五ｎ
   ｍ以上であることを特徴とする露光装置。