JPH03294831A - 高調波発生装置及び半導体露光装置 - 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、レーザ光の高調波を得る高調波発生装置に関
し、特に半導体集積回路の製造に使われる各種露光装置
用の光源として最適な高調波発生装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

最近の半導体デバイスにおいては、微細化の一途をたど
り、パターンの最小線幅がハーフサブミクロンの領域に
達しようとしている。

このように半導体デバイスの微細化を進める為には、露
光光の波長をさらに短波長にする必要がある。　そこで
現在では、水銀ランプのｇ線（４３６ｎｍ　）及びｉ線
（３６５ｎｍ）が使用されているが、今後はさらに短波
長の光が得られるエキシマレーザが検討されている。　
しかしながらエキシマレーザには様々な問題点があるこ
とが判明した。

エキシマレーザは発振媒体のガスを変えることにより異
なる波長のレーザ光を発振するが安定した高い出力が得
られるのは塩化キセノン（ＸｅＣＩ　：波長３０８ｎｍ
　）とフッ化クリプトン（ＫｒＦ　：波長２４８ｎｍ　
）であり、より波長の短いフッ化クリプトンが有利であ
る。

この場合、上記の波長を透過するレンズ硝材として実用
に耐えうるのは、合成石英又はフッ化カルシウム（Ｃａ
Ｆりシかなく、このうち材料の均−性及び温度安定性の
点から合成石英が望ましい。

ところで、一般にエキシマレーザ光の自然発振スペクト
ル幅は０．３ｎｍ程度と広く、充分なパターン解像度を
得るためには、色消しく色収差補正）用に最低２種類以
上の硝材が必要となる。　一方合成石英のみのレンズ系
でパターン解像を行うには自然発振のスペクトル幅を百
分の一程度まで狭帯化しなければならない。　このため
には、レーザ共振器中に回折格子、エタロン等の波長選
択素子を入れる必要がある。　波長選択素子の使用は単
に装置構成が複雑になるばかりでなく、それらの素子が
強い光波にさらされることによって寿命が短くなるとい
った問題を伴う。

又、中心波長の変動も起こり易く、常に絶対波長をモニ
ターする必要がある。

以上に加えてエキシマレーザ特有のガス寿命の短いこと
、有害な活性ガスであるフッ素ガスを用いる為に安全性
の管理が必須である。

更にエキシマレーザは繰り返し周波数が１００〜２００
８２程度のパルス発振であるために露光量コントロール
にも制約が多い。

以上のエキシマレーザの制約に鑑みて、最近銅蒸気レー
ザのグリーン光（波長５１０ｎｍ）の第２高調波（波長
２５５ｎｍ）を利用することが提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、リソグラフィー装置に銅蒸気レーザの第
２高調波を使用するに際し問題となるのは出力パワーの
低さである。　現在市販されている銅蒸気レーザの出力
は最大のもので４０ワット程度である。　その６０％程
度がグリーン光であるので出力は２４ワット程度となり
、このレーザ光（基本波）から５ワット程度の第２高調
波を得るために必要な変換効率は２０％程度である。　
この値はレーザ光を高調波発生部材に一回通過させるだ
けでは一般には達成しにくいものであった。

〔課題を解決する為の手段〕

かかる問題点を解決するため本発明においては、レーザ
光源より射出したレーザ光（基本波）を入射するととも
に、レーザ光に対しては透過性が大きく、かつ、高調波
に対しては反射性が大きい第１の反射鏡と：レーザ光に
対しては反射性が太き（、かつ、高調波に対しては透過
性が大きい第２の反射鏡とをレーザ光のコヒーレンス長
以上の距離を隔てて対向して配置し、第１の反射鏡と第
２の反射鏡の間に高調波発生部材を配置して、第１の反
射鏡を介して高調波発生部材を通過したレーザ光を第２
の反射鏡で反射させて、高調波発生部材を再度通過させ
ることとした。　又、別構成として前記第１の反射鏡と
前記第２の反射鏡の間に複数のリレーレンズを設けその
間に高調波発生部材を配置し、同様に高調波発生部材を
通過したレーザ光を第２の反射鏡で反射させて、高調波
発生部材を再度通過させることとした。

〔作　用〕

本発明によれば、−度高調波発生部材を通過したレーザ
光を再度高調波発生部材に通過させることとしたので、
レーザ光が高調波発生部材に１回のみ通過する場合に比
べて基本波から高調波への変換効率が上がり、銅蒸気レ
ーザの高調波を光源としたリソグラフィー装置のランニ
ングコストを低減することができる。

ここでレーザ光の効率を上げる為に、共振器を構成し、
共振器中に高調波発生部材を配置するということも考え
られるが、本発明は共振器を構成することなく変換効率
を上げようとするものである。　共振器を構成すれば共
振器内ではレーザ光のパワーを数倍〜数１０倍に上げる
ことができ効率を上げることができるが、そのためには
共振器の長さの数倍〜数１０倍の可干渉距離のレーザ光
を使わなければならない。　銅蒸気レーザは可干渉距離
が短＜（５ｃｍ位）本レーザで共振器を構成しようとす
ると共振器の長さは数ｍｍ程度となり、共振器を構成し
難い。　また熱による結晶の屈折率変化の為、安定な共
振器を構成することは困難である。　従って、共振器を
構成することなくレーザ光を複数回高調波発生部材に通
過させることにより又はレーザ光を複数個の高調波発生
部材に通過させることによりできるだけ効率を高いもの
としている。

〔実　施　例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例について詳述する
。第１図は本発明の第１実施例による装置の全体の構成
を示す図である。

レーザ光源１には銅蒸気レーザのグリーン光（波長５１
０ｎｍ　）を用い、レーザ光源ｌより射出したレーザ光
Ｌｌ（基本波）は、非線形結晶素子４中で常光線として
伝搬するように非線形結晶素子４（β−Ｂ、ＢｔＯ４等
）の光学軸に、垂直な方向に直線偏光されている。　尚
、本実施例では高調波発生部材として非線形結晶を用い
るものとする。

レーザ光Ｌｌの光路中には基本波であるレーザ光Ｌｌに
対しては９９％程度の透過率を持ち、かつ、レーザ光Ｌ
１が非線形結晶素子４を通過することにより発生する第
２高調波Ｌ２に対しては９５％程度の反射率を持つ第１
の平面反射鏡２と、レーザ光Ｌ１に対しては９９％程度
の反射率を持ち、かつ、第２高調波Ｌ２に対しては９９
％程度の透過率を持つ第２の平面反射鏡６が設けられて
いる。

この２つの反射鏡の間に集光レンズ３と集光レンズ５を
設け、レンズ３とレンズ５の焦点近傍内に非線形結晶素
子４を配置して非線形結晶素子４に入射するレーザ光Ｌ
１のエネルギー密度を高めている。　この収束されたレ
ーザ光Ｌ１が非線形結晶素子４に入射することにより第
２高調波Ｌ２が発生する。

レンズ３及びレンズ５は非線形結晶素子４に入射するレ
ーザ光Ｌ１の入射角が一定となるように比較的焦点距離
の長い凸レンズが用いられる。

ここで、反射鏡を使った第２高調波の発生の様子を説明
する。

レーザ光源１より射出したレーザ光Ｌ１は反射鏡２を透
過し、レンズ３で収束される。　収束されたレーザ光Ｌ
１は非線形結晶素子４の光学軸に対して位相整合条件を
満たす所定の角度で非線形結晶素子４に入射され、第２
高調波Ｌ２を発生する。　その後非線形結晶素子４を１
回通過したレーザ光Ｌｌと第２高調波Ｌ２はレンズ５に
よって拡大され、第２高調波Ｌ２は反射鏡６を透過し、
レーザ光Ｌｌは反射鏡６で反射される。　そして反射鏡
６で反射されたレーザ光Ｌ１はレンズ５により収束され
、位相整合条件を満たす所定の角度で非線形結晶素子４
に再度入射し、第２高調波Ｌ２′を発生する。　その後
非線形結晶素子４を再度通過したレーザ光Ｌ１と第２高
調波Ｌ２’　はレンズ３で拡大され、レーザ光Ｌｌは反
射鏡２を透過する。　第２高調波Ｌ２°　は反射鏡２で
反射さねレンズ３，５、非線形結晶素子４を介し、反射
鏡６を透過する。

従って、反射鏡２，６の作用により、レーザ光Ｌ１を１
回のみではなく非線形結晶素子４に再度通過させること
により、第２高調波Ｌ２．　　Ｌ２’が得られ、第２高
調波の発生効率を高めることが可能となる。

ここで、レンズ３及びレンズ５はレーザ光Ｌ１゜第２高
調波Ｌ２の両波長に対して無反射コートしであるものと
する。

又、前記反射鏡２と反射鏡６の間隔はレーザ光Ｌｌの可
干渉距離の半分以上の間隔を隔てて設置されており、共
振器構造をとっていない。

その後、第２高調波Ｌ２．　　Ｌ２’　は反射鏡７で反
射される。

反射鏡７で反射された第２高調波Ｌ２．　Ｌ２’は公知
のフライアイレンズとコンデンサーレンズとを含む照明
光学系８によって均−照明化される。

この均一化された第２高調波で投影レンズ１０を介して
レチクル９のパターンがウェハー１２上に転写される。

ここで、照明光学系８中のフライアイレンズによって形
成された２次光源像と投影レンズ１０の瞳１１とは共役
関係になっているものとし、投影レンズＩＯは少なくと
もウェハ側についてテレセントリックなレンズであるも
のとする。

又、一般にレーザのコヒーレンシイが高まるとフライア
イレンズの射出端に集光した２次光源像からの光同士の
干渉による干渉縞が発生し、それを消去（ウェハ上の積
算による平滑化）するため、ウェハ１２上の１シヨツト
領域に対する露光動作中、反射鏡７を１次元又は２次元
に振動させている。

次に第２図を参照にして本発明の第２の実施例について
説明する。第１の実施例と同様の部材には同様の符号を
付しである。

第１の実施例では平面反射鏡とレンズを用いる構成とな
っているが、本実施例ではレーザ光Ｌ１に対しては９９
％程度の透過率を持ち、かつ、第２高調波Ｌ２に対して
は９５％程度の反射率を持つ第１の凹面鏡１３と、レー
ザ光Ｌ１に対しては９９％程度の反射率を持ち、かつ、
第２高調波に対しては９９％程度の透過率を持つ第２の
凹面鏡１４を用いる。

凹面鏡１３と凹面鏡１４の焦点近傍に非線形結晶素子４
を配置することによってレーザ光Ｌ１を収束して非線形
結晶素子４に入射するエネルギー密度を高めることがで
きる。　そして、第１の実施例と同様にレーザ光Ｌ１を
非線形結晶素子４に再度透過させることよって第２高調
波Ｌ２．Ｌ２°が得られ、効率のよい第２高調波を発生
させることができる。　本実施例ではレンズと反射鏡と
を一体構造としたので凹面鏡１３と１４の精密なアライ
メイトが必要でない。　他の構成は第１の実施例と同様
である。

次に第３図を参照にして第３の実施例について説明する
。

第１の実施例と同様の部材には同様の符号を付しである
。　第１の実施例では平面反射鏡２と平面反射鏡６の間
には非線形結晶素子４を１つのみ配置していたが、本実
施例では２つの平面反射鏡の間に複数のリレーレンズ１
５を配置し、各々の焦点近傍に非線形結晶素子４を配置
することとした。　従って第１の実施例と同様にレーザ
光Ｌ１を非線形結晶素子４に往復通過させることによっ
て、第２高調波Ｌ２．　Ｌ２’　を得ることができ、更
に複数個の非線形結晶素子で第２高調波を発生させるこ
ととしたので、より一層高い効率で第２高調波を発生さ
せることができる。

尚、２つの平面反射鏡の間隔はレーザ光Ｌ１の可干渉距
離の半分以上になっているものとする。

又、複数の非線形結晶素子の１つの素子を微調すること
により光量調整も可能となる。

この場合、発生効率が最も高くなるような光量調整の他
、複数の素子の内１つの傾きを位相整合条件を満たさな
いように微動させて光量を減少させるといった光量調整
も可能である。

この微調整はモータ或いはピエゾ素子等を用いて行われ
るものとする。

又、この光量調整は素子を微小回転させたり、素子に温
度変化を与えたりといった方法も考えられる。　他の構
成は第１の実施例と同様である。

以上の実施例では露光用光源として高調波発生装置を示
したが、投影レンズ１０を介してレチクル９のパターン
がウェハ１２上に転写されるウェハマークを検出するよ
うな方式のアライメント系等のための照明（−様照明、
又はスポット照明）光源に利用することもできる。

又、本発明は投影光学系を用いた露光装置に限られるも
のではなく、プロキシミティ方式、ミラープロジェクシ
ョン方式にも全く同様に適用できる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、基本波が高調波発生部材
を往復通過するように構成したので、１回のみ通過させ
る場合に比べて、高い効率で第２高調波を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による高調波発生装置を
備えた露光装置の構成を示す図、第２図は本発明の第２
の実施例による高調波発生装置の構成を示す図、第３図
は本発明の第３の実施例による高調波発生装置の構成を
示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ■・・・レーザ光源、２・・・第１の平面反射鏡、４・
・・非線形結晶素子、６・・・第２の平面反射鏡、９・
・・レチクル、１２・・・ウェハ、１３・・・第１の凹
面鏡、１４・・・第２の凹面鏡、１５・・・リレーレン
ズ、Ｌｌ・・・レーザ光（基本波） Ｌ２゜ Ｌ２’ ・・・第２高調波

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光を射出するレーザ光源と； 前記レーザ光の高調波を発生する高調波発 生部材とを有する高調波発生装置において、前記レーザ
   光源より射出したレーザ光を入 射するとともに、該レーザ光に対しては透過性が大きく
   、かつ、前記高調波に対しては反射性が大きい第１の反
   射鏡と； 前記レーザ光のコヒーレンス長以上の間隔 を隔てて前記第１の反射鏡に対向して設置され、該レー
   ザ光に対しては反射性が大きく、かつ、前記高調波に対
   しては透過性が大きい第２の反射鏡と； を備え、 前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡の間 に前記高調波発生部材を配置して、前記レーザ光を該第
   １の反射鏡を介して該高調波発生部材へ入射させるとと
   もに、該高調波発生部材を通過した該レーザ光を該第２
   の反射鏡で反射させて該高調波発生部材に再度通過させ
   ることを特徴とする高調波発生装置。
2. （２）前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡の間に配置
   された複数のリレーレンズを有し、 前記複数のリレーレンズのそれぞれの間に 前記高調波発生部材を配置して、前記レーザ光を該第１
   の反射鏡を介して該高調波発生部材へ入射させ、該高調
   波発生部材を通過した該レーザ光を該第２の反射鏡で反
   射させて該高調波発生部材に再度通過させるとともに、
   該それぞれの反射鏡の間隔が該レーザ光のコヒーレンス
   長以上であることを特徴とする請求項１記載の高調波発
   生装置。
3. （３）請求項１又は請求項２のいずれか一方に記載の前
   記高調波発生装置を備え、該高調波発生装置より射出し
   た高調波によってマスクのパターンを基板上に露光する
   ことを特徴とする半導体露光装置。