JPH03157917A - レーザ露光装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、例えば半導体集積回路においてマスクのパタ
ーンを半導体ウェハ上に焼き付ける半導体製造用露光装
置、特にエキシマレーザを利用した露光装置に関するも
のである。

［従来の技術］ 近年半導体集積回路の集積度はますます高くなり、これ
に伴い必要とされる回路の最小線幅はサブミクロン程度
となる。

このような超微細リソグラフィー用光源として遠紫外域
に発振線を持つ高輝度で高出力を特徴とするエキシマレ
ーザが注目されている。

エキシマレーザを光源とする遠紫外線（Ｄｅｅｐ　Ｕ■
）領域の露光装置では、レーザ波長が短くなる程、色消
しレンズを製造することが難しくなるため、縮小投影レ
ンズには石英ガラスのみから成る単色レンズが用いられ
る場合が多い。

従って、この場合、レーザのスペクトルを狭帯化するこ
とが必要であり、例えば、クリプトンフロライド（Ｋｒ
Ｆ）エキシマレーザではスペクトル幅δλを約３　［ｐ
ｍ１以下にしなければならない。

し発明が解決しようとする問題点］ より微細なパターンを形成するためにはできるだけ短波
長のエキシマレーザを使うことが有利であり、波長が２
４８　［ｎｍ］のＫｒＦエキシマレーザよりも、波長が
１９３　［ｎｍ］のＡｒＦエキシマレ−ザを光源として
使ったエキシマレーザ露光機が現在量も期待されている
。

従来のＫｒＦエキシマレーザ露光機では、レーザビーム
が空気中を伝わる際、空気中の酸素にょるレーザエネル
ギーの吸収が無視できる程小さいため、光路を窒素ガス
などの高透過率媒体で満たす必要はなかった。

ところが、Ａ、ｒＦエキシマレーザを露光光源として使
おうとする場合は、酸素による吸収がＫｒＦと比べると
著しく大きく光路内に空気があると■レーザエネルギー
の損失、 ■酸素の光分解による有害なオゾンガスの発生■レーザ
ビーム光路中の透過率の経時変化、揺らぎ等の問題点が
あった。

これを避けるには、レーザビーム光路を大気より遮断し
、その中を真空にするか窒素ガスなどで置換することが
考えられたが、装置が複雑化、大型化するという新たな
欠点を持っていた。

［課題を解決するための手段］ かかる問題点を解決するため本発明においては、エキシ
マレーザ装置から発振されたエキシマレーザ光により、
マスク上の回路パターンをウェハ上に露光する露光装置
において、狭帯化したスペクトルを酸素の吸収帯を避け
た、酸素の分光吸収係数が小さい波長領域に設定するこ
とにより、簡略化、小型化した露光装置を得るようにし
たものである。

［作用コ この発明によって、酸素の吸収による弊害のない簡易化
、小型化された露光装置を得ることができる。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面を参照にしながら説明する。

第１図はエキシマレーザを利用した露光装置の構成を示
す図である。

エキシマレーザ装置ｌから発振されたレーザ光２は、ビ
ームスプリッタ−３に入射し、ビームスプリッタ−３を
透過したレーザ光は、反射鏡４を介して照明系５に入射
する。

３− この照明系５から出射されたレーザ光２はレチクル６を
一様の照度分布で照射し、レチクル６上の回路パターン
は投影レンズ７を介してウェハステージ９上に載置され
たウェハ８上に縮小投影される。

又、ビームスプリッタ−３によって分離されたレーザ光
２の一部は波長安定化装置ｌ°にょって波長が常に一定
値となる様フィードバック制御されている。

次に第２図を使って本発明に最適なエキシマレーザ装置
を説明する。

エキシマレーザ装置ｌにはレーザ共振部１ｏを有し、フ
ロントミラー１１．　　リヤミラー１２．波長選択素子
（エタロン、プリズム、回折格子等）１３が各々設けら
れている。

フロントミラー１１とりアミラー１２との間でレーザ光
が反射往復し、両ミラーの間に配置された波長選択素子
（エタロン、プリズム、回折格子等）１３の作用により
狭帯化が行われる。

この狭帯化されたレーザ光はフロントミラー１一 １を介して出力されるように構成されている。

狭帯化するスペクトルは例えばエタロンを使った場合エ
タロン内部のエアギャップ等によって機械的に決まり、
このエアギャップを変えることによってエタロンの波長
選択特性を変えることができ、酸素が持つ吸収帯域を避
けるように波長を選択することが可能である。

ここで酸素が持つ吸収帯域について第３図を参照にして
詳述する。

第３図は、横軸を波長λ、左側の縦軸を常温酸素の分光
吸収係数η、及び右側の縦軸をレーザ発振スペクトル強
度■として表わしたものである。

（図中矢印にて参照軸の方向を示す） 実線で示した酸素の吸収を表すピーク値曲線■は酸素の
分光吸収係数を表し、スペクトル発振線■は狭帯化され
た発振スペクトルを表し、破線■は中心波長を１９３．
　４０　（ｎｍ）に選んだレーザの狭帯化以前の発振広
帯域スペクトルを表す。

（但し、狭帯化スペクトルと狭帯化以前の広帯域スペク
トルの強度スケールは一致していないものとする） この波長帯域では縮小投影レンズには石英ガラスのみか
ら成る単色レンズが用いられることが多く、色収差を補
正出来ないため、レーザのスペクトルを狭帯化する必要
がある。

ここで、波長１７５　［ｎｍ］〜２５０　［ｎｍ］にお
ける酸素の吸収はＳｃｈｕｍａｎｎ−Ｒｕｎｇｅ帯（Ｂ
’Σ、４−　Ｘ　”Σイ）の吸収遷移によるもので、振
動バンドＶ＝４の基底状態Ｘ３Σ、と励起状態ＢｓΣ。

とのエネルギー差は６．４　［ｅＶ］であり、１９３　
［ｎｍ］付近に振動バンドを持っていて、各々の回転準
位に関してブランチＰ（１１）、　Ｒ（１３）、　Ｐ（
１３）、　Ｒ（１５）、　Ｐ（１５）。

Ｒ（１７）、　Ｐ（１７）、　Ｒ（１９）、　Ｐ（１９
）、　Ｒ（２１）、　Ｐ（２１）、　Ｒ（２３）、　Ｐ
（２３）、　Ｒ（２５）で表される吸収特性を持ってい
る。

ここにおいて酸素が持つ吸収帯とは、上記各Ｐ。

Ｒブランチで表される吸収特性を含むピーク曲線におい
てボトムからの立ち上がりのカーブが急に太き（なる部
分の間、つまり実質的に酸素の吸収による弊害を生じる
ような領域を意味するものとする。（中心波長を例えば
１９３．８ｎｍに選んだときはＲ（２５）、　Ｐ（２３
）間の谷間も実質的に吸収による弊害を避けた範囲と言
える。） 従って、中心波長を１９３．４０　（ｎｍ）に選んだレ
ーザは上記特性を持っており、このレーザの狭帯化レー
ザ発振スペクトル幅δλを１　［ｐｍ］とし、狭帯化ス
ペクトルの中心がブランチＰ（１７）とＲ（２１）との
ほぼ中間になるように設定すると（第３図スペクトル発
振線■参照）、酸素が持つ吸収帯を避けることができ、
空気中酸素による吸収が殆どなく、従来のようにレーザ
ビーム光路を真空にしたり、窒素ガス等の酸素高透過率
媒体で置換する必要がなくなる。

また、自然界には酸素”Ｏの他に同位体１７Ｑおよび同
位体１８０も存在するので、厳密にはｖ’−４における
遷移１６０→１７０と１６０→Ｉ８０により各々約０．
１［ｎｍ］と０．２［口ｍ１シフトした吸収ラインもあ
るが、天然酸素中のｌ　６０　、　ｌ　７０　、　＋　
８０の存在比は約９９．７６２：０．０３８：０．２０
４であり、高々コンマ数％にすぎないので、一般の露光
条件を想定すると、これらを無視することが＝７− ８− できる。

この他にも、第３図にスペクトル発振線■として示した
以外に、狭帯化レーザ発振スペクトルをブランチＰ（１
１）−Ｒ（１５）間またはＰ（１３）−Ｒ（１７）間ま
たはＰ（１５）−Ｒ（１９）間またはＰ（１９）−Ｒ（
２３）間またはＰ（２１）−Ｒ（２５）間の各々の区間
において酸素吸収帯を避けた酸素分光吸収係数が比較的
小さな値である波長領域に設定してもよいことは言うま
でもない。

しかし、狭帯化しない場合のＡｒＦエキシマレーザの発
振広帯域スペクトルの中心波長λ。は約１９３、４　［
ｎｍ］、半値全幅δλは約０　、５　［ｎｎｒ］である
から、発振効率を考慮すると狭帯化する時の中心波長を
ブランチＰ（１５）−Ｒ（１９）間またはＰ（ＩＴ）Ｒ
（２１）間またはＰ（１９）−Ｒ（２３）間に設定する
のがより好ましい。

ここで、レーザの発振器内での酸素による吸収は、発振
器内の酸素に触れる光路長が極短い為、無視することが
できるが発振器内を真空にしたり、窒素ガスで置換すれ
ば僅かな吸収による影響を最小にすることができる。

又、ｌａＱが持つ吸収波長帯からも避け、且つ、？Ｑ、
　　Ｉ８０が持つ吸収波長帯からもさけた波長領域に狭
帯化したスペクトルを設定すれば、さらに精密な露光が
実現される。

次に第４図を参照して波長安定化について説明する。

エキシマレーザ用の投影レンズはある特定の波長（この
場合は酸素吸収帯を避けた波長）のみに収差補正されて
いるために、波長がわずかにシフトすると、投影倍率変
動、焦点位置変動、像面内デイストージョン、像面湾曲
等が生しる。

そこでこの不都合を防止するために第４図に示す様な波
長安定化装置ｌ゛を持っている。

波長安定化装置１′は波長モニタ一部１４と制御部１５
および波長選択素子（エタロン等）駆動部１６より構成
される。

波長選択素子駆動部１６は例えばエタロンを使った場合
エタロンの傾きを変えたり、エアギャップを変えたりす
ることによりエタロンの波長選択特性を変えることがで
きる。

波長モニター装置１４を使い、検出されたレーザ光２の
スペクトルと予め制御部１５に入力されている設定波長
とから求めた波長変動量に基づいて波長選択素子駆動部
１６をフィードバック制御により制御する。

このフィードバック制御によりエキシマレーザ装置ｌか
ら発振されたレーザ光２の波長が設定波長と一致すると
ともに波長変動量を所定の値以内に抑えることができる
。

レーザ装置ｌから発振されたレーザ光２は、ビームスプ
リッタ３に入射し、ビームスプリッタ３を透過したエキ
シマレーザ光２は反射鏡４を介して照明光学系５に入射
する。

ここで狭帯化されたビームは強度分布が均一でなく照明
光学系５においてフライアイ等のオプチカルインテグレ
ータとコンデンサーレンズ等によって均一化が行われて
いる。

次に第５図を参照にして照明光学系５について説明する
。

反射ミラー４により反射されたビーム光２は、ビームエ
キスパンダー１７ａ、１７ｂを通ってフライアイ１８に
入射し、射出側にはフライアイ１８のエレメントレンズ
の数だけ２次光源群が形成され、コンデンサーレンズ１
９によってレチクル６上で重ね合わされ照度の均一化が
行われる。

このとき２次光源群の夫々からレチクル６に進んだ光は
同時にレチクル６上で互いに干渉し合うことになり有害
な干渉パターンを発生させる。

干渉パターンはフライアイ１８のエレメントレンズの間
隔に対応した周期的な構造を持っておりフライアイ１８
に入射する光束を反射ミラー４で少なくとも一次元に移
動させることにより、光の位相が変化すると干渉パター
ンは移動し照明中に位相を２π変化させると一定時間の
照明が終了した時点で干渉パターンは平滑化されてしま
うことになる。

ビームの振動はレーザビームの発振に同期させて行うこ
とが好ましく、反射ミラー４の移動はミラー鵬動部２０
により行われ、その移動はレーザｌｌ− のパルスに基づいて制御部１５により制御される。

以上により干渉パターンのない均一な照明によって露光
が行われる。

この照明光学系５から射出されたレー・ザ光２はレチク
ル６を照射し、レチクル６上の回路パターンを投影レン
ズ７を介してウェハステージ９上に載置されたウェハ８
上に縮小投影する。

以上実施例では投影露光装置について述べてきたが本発
明は反射投影式の露光機にも応用することができる。更
に、この種の露光装置でレチクルやウェハをアライメン
トする系で、露光光と同じレーザ光をアライメント光と
する場合でも同様に実施でき、特に吸収揺らぎの影響を
受けないといった利点がある。

又、上記実施例ではエキシマレーザについて述べてきた
がこれに限定されるものではなく、他のレーザ方式にお
いても酸素吸収帯を避けた波長領域に発振スペクトルを
持つようにすれば酸素吸収による弊害を避けることが可
能である。

更に、酸素吸収帯を避けた波長を光源としたア２− ライメント機構を持たない単なる焼付は機や加工機、計
測機に応用することも考えられる。

これら全て石英の投影レンズのような色収差の問題を考
えなくてもよい場合（例えばプロキシミティ露光機等）
において波長選択素子を用いるときには、吸収のない波
長帯内で比較的幅の広い狭帯化や極狭帯化したスペクト
ルを２本作るといったことにより強度を上げることも可
能である。

［効果］ 本発明によれば、レーザのスペクトルを空気中酸素によ
る吸収が低いスペクトル領域に設定しであるので、光路
中の空気を真空に引いたり、窒素などのガスで置換しな
くても、レーザビームエネルギーの吸収による損失が殆
どな（、有害なオゾンガスの発生や、光路中の透過率経
時変化、揺らぎによる影響のない光源を得ることができ
、装置の大型化、複雑化を招くことのない、理想的な波
長が設定された光源を利用した露光装置を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はエキシマレーザ装置の概要図 第２図はレーザ装置図 第３図は酸素の分光吸収特性、狭帯化発振スペクトル、
狭帯化以前のスペクトルを表す図第４図は波長安定′化
装置を表す図 第５図は照明光学系を表す図 である。 ［主要部分の符号の説明コ ト・・レーザ光源 ｌｏ・・・波長安定化装置 ２・・・レーザ光 ３・・・ビームスプリッタ− ４・・・反射ミラー ５・・・照明光学系 ６・・・レチクル ７・・・投影レンズ ８・・・ウェハ ９・・・ウェハステージ １０・・・レーザ共振部 １１・・・フロントミラー １２・・・リヤミラー １３・・・波長選択素子 １４・・・波長モニタ一部 １５・・・制御部 １６・・・波長選択素子駆動部 １７ａ、１７ｂ・・・ビームエキスパンダー１８・・・
フライアイ １９・・・コンデンサーレンズ ２０・・・反射ミラー駆動部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ装置から出力されたレーザ光によりマスク
   のパターンを基板上に露光する露光装置において、 狭帯化以前のスペクトルの中に酸素の吸収帯を持つレー
   ザ光を出力するレーザ光源と； 狭帯化したスペクトルを酸素が持つ吸収帯を避けた波長
   領域内に設定する波長設定手段と；を有することを特徴
   とするレーザ露光装置