JPH04167419A - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明はレーザ光を使用して所定のパターンを高速で
露光するためのレーザ露光装置に関する。

（従来の技術） 近年、半導体大規模集積回路（ＬＳＩ）の研究開発がめ
ざましい速度ですすめられている。このような高集積化
を実現可能としている最大の要因は素子の微細化である
。素子を微細化するには、素子を形成するパターンを微
細化しなければならず、そのためは縮小投影露光技術が
非常に重要となってくる。

露光技術において、その解像度の向上を計るために、光
源としてエキシマレーザなどの紫外線レーザ光を使用す
ることが実用化されつつある。

レーザ発振器から発振されるレーザ光の発振波長がエキ
シマレーザのように短波長で、しがち発振スペクトル幅
が狭ければ、パターン露光に使用する結像レンズの色収
差が完全に除去されていなくとも、結像されたパターン
には色収差によるパターンのぼけが現れないようにする
ことが可能である。そのため、露光用の光源としてレー
ザ発振器から発振されるレーザ光のスペクトル幅を狭帯
化し、スペクトル幅の広い成分が発振されないようにす
ることが種々行われている。

しかしながら、レーザ光を狭帯化して発振することは、
レーザ発振器の発振効率を大きく低下させるばかりか、
狭帯化に要する光学部品の寿命を短縮化するため、実用
的でない。とくに、レーザがエキシマレーザで、狭帯化
素子としてエタロンが用いられた場合、エタロンは透過
するレーザ光のパワーが強力になればなる程、透過紫外
線の作用によって光学反射膜やその基板が劣化し易すく
なるため、狭帯化素子としての性能が損なわれてしまう
。

一方、レーザパワーが低ければ、エタロンなどの狭帯化
素子は長寿命化が計れる。しかしながら、レーザパワー
を低くすると、露光時間が長くなり、生産性の低下を招
くことになる。さらに、スペクトル幅が狭帯化されたレ
ーザ光を露光光源として使用すると、露光パターンにス
ペックルが現れるから、微細パターンを描くことが難し
くなる。スペックルの発生を防止するためには、狭帯化
されたレーザ光の光路内に、ビームの空間的位相を乱す
位相散乱板などの光学素子を設け、レーザ光の可干渉性
を低下させるということが行われる。しかしながら、レ
ーザ光の光路に位相散乱板などの光学素子を配置すると
、レーザ光の減衰が非常に大きい。そのため、レーザ光
の利用効率が大幅に低下することになる。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来のレーザ露光装置においては、解像度
を高め、しかも生産効率の向上を計るために、レーザ光
のスペクトル幅を狭帯化し、かつレーザパワーを強くす
るど、レーザ光を狭帯化させるための光学素子の早期劣
化を招くことになる。また、光学素子の早期劣化を防止
するため、レーザパワーを低くすると、露光時間が長く
なり、生産性の低下を招くことになる。

この発明は上記事情にもとずきなされたもので、その目
的とするところは、十分なレーザパワーのレーザ光によ
って能率よく露光することができるとともに、レーザ光
のスペクトル幅を狭帯化させるための光学素子を早期に
劣化させることのないレーザ露光装置を提供することに
ある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段及び作用）上記課題を解決
するためにこの発明は、狭帯化されることでスペクトル
幅が狭くなった狭帯化し〜ザ光を発振する第１の発振手
段と、上記狭帯化レーザ光よりもスペクトル幅の広い非
狭帯化レーザ光を発振する第２の発振手段と、上記第１
の発振手段から発振される狭帯化レーザ光の強度と上記
第２の発振手段から発振される非狭帯化レーザ光の強度
とを制御する制御手段と、上記狭帯化レーザ光と非狭帯
化レーザ光とを合成する合成光学手段と、この合成光学
手段によって合成されたレーザ光の光路に配置されたパ
ターンマスクと、二のパターンマスクを通過したレーザ
光を結像する結像光学系とを具備する。

このような構成によれば、狭帯化されたレーザ光と、狭
帯化されないレーザ光とのエネルギを、これらが合成さ
れることで被加工物を露光することのできる強さに設定
することで、上記被加工物を加工能率の低下を招くこと
なく露光することができ、しかもレーザ光を狭帯化する
ための狭帯化素子を早期に損傷させずにすむ。

（実施例） 以下、この発明の一実施例を第１図乃至第３図を参照し
て説明する。第１図に示すレーザ露光装置は、たとえば
エキシマレーザなどからなる第１のレーザ発振器１と第
２のレーザ発振器２とを備えている。これら第１、第２
のレーザ発振器１．２は、それぞれ第１、第２のレーザ
励起部３．４を有する。各レーザ励起部３．４はそれぞ
れガスレーザ媒質が密封されたチャンバーからなり、各
チャンバー内にはガスレーザ媒質を励起するための陰極
と陽極とからなる主電極（図示せず）が収容されている
。そして、これら陰極と陽極との間に高電圧を印加して
主放電を発生させると、その主放電によってガスレーザ
媒質が励起されてレーザ光が発生するようになっている
。

上記第１のレーザ励起部３は、平行に離間対向した高反
射ミラー５ａと出力ミラー５ｂとからなる第１の光共振
器５内に配設されている。上記第２のレーザ励起部４は
上記第１のレーザ励起部３と同様、平行に離間対向した
高反射ミラー６ａと出力ミラー６ｂとからなる第２の光
共振器６内に配設されている。上記第１の励起部３の一
端面と高反射ミラー５ａとの間には狭帯化素子としての
複数ノエタロン７が設けられている。したがって、上記
第１のレーザ発振器１からは上記エタロン７によってス
ペクトル幅か狭帯化された狭帯化レーザ光Ｌ１が発振さ
れる。また、上記第２のレーザ発振器２からはスペクト
ル幅が狭帯化されることのない非、狭帯化レーザ光Ｌ２
が発振されるようになっている。第２図中曲線Ｘは狭帯
化レーザ光Ｌ＋のスペクトルを示し、曲線Ｙは非狭帯化
レーザ光Ｌ２のスペクトルを示す。

上記第１のレーザ励起部３と第２のレーザ励起部４とは
出力制御部８に接続されている。この出力制御部８は、
各レーザ励起部３．４に印加する電圧をそれぞれ制御す
ることができる。それによって、第１のレーザ発振器１
から発振される狭帯化レーザ光Ｌ１と、第２のレーザ発
振器２から発振される非狭帯化レーザ光Ｌ２との強度を
調節することができる。

上記第１の光共振器５から発振された狭帯化レーザ光Ｌ
１は第１の反射ミラー１１で反射して強度均一化素子１
２に入射する。また、第２の光共振器６から発振された
非狭帯化レーザ光り、は第２の反射ミラー１３で反射し
て上記強度均一化素子１２に入射する。この強度均一化
素子１２において、上記狭帯化レーザ光Ｌ１と非狭帯化
レーザ光Ｌ２とは合成されて強度分布が均一となる。こ
の合成されたレーザ光りはマスクパターン１４を照射す
る。マスクパターン１４を照射したレーザ光りは結像レ
ンズ１５で結像されて半導体ウェハからなる被加工物１
６に塗布された感光剤１７を照射する。すなわち、マス
クパターン１４のパターンは、上記レーザ光りによって
上記被加工物１６上に投影されることになる。

なお、上記被加工物１６は図示しないＸＹ子テーブル上
載置されている。

つぎに、上記構成のレーザ露光装置によって被加工物１
６を露光する場合について説明する。まず、出力制御部
８によって第１のレーザ励起部３と第２のレーザ励起部
４に印加する電圧を設定する。すなわち、第１のレーザ
発振器１から発振される狭帯化レーザ光り、のエネルギ
と、第２のレーザ発振器２から発振される非狭帯化レー
ザ光Ｌ２のエネルギとを、それぞれ被加工物１６に塗布
された感光剤１７を単独で硬化させるに不十分であるが
、これらレーザ光が合成されると、上記感光剤１７を硬
化させるに十分なエネルギになるよう設定する。

コノように、出力制御部８によって各レーザ励起部３．
４に印加する電圧を設定したならば、各レーザ発振器１
．２を作動させ、狭帯化レーザ光Ｌ１と非狭帯化レーザ
光Ｌ２とを発振させる。これらレーザ光Ｌｌ、Ｌ２はそ
れぞれ第１、第２の反射ミラー１１．１３で反射して強
度均一化素子２に入射し、強度分布が均一になるよう合
成される。

合成されたレーザ光りはマスクパターン１４に入射し、
結像レンズ１５で結像されて被加工物１６を照射するか
ら、この被加工物１６に上記マスクパターン１４のパタ
ーンが投影されることになる。

第３図（ａ）中Ａは狭帯化レーザ光り、のエネルギ強度
を示し、Ｂは非狭帯化レーザ光Ｌ２のエネルギ強度を示
す。各レーザ光り、　ＳＬ２のエネルギ強度は感光剤１
７を硬化させるエネルギＣよりは小さいが、合成された
レーザ光りのエネルギは、第３図（ｂ）にＤで示すよう
に狭帯化レーザ光り、と非狭帯化レーザ光Ｌ２とのエネ
ルギＡ１Ｂの重なり合う部分が上記感光剤１７を硬化さ
せるに必要なエネルギＣよりも大きなエネルギとなる。

この重合部分のエネルギＤの分布状態は、狭帯化された
レーザ光Ｌ１の分布状態と同じシャープな形状となる。

したがって、合成されたレーザ光りによる露光は、狭帯
化されたレーザ光Ｌ１に相当する比較的エツジのシャー
プなエネルギ分布状態のパターンで行われる。その結果
、第３図（Ｃ）に示すように感光剤１７はぼけのないシ
ャープな形状に露光される。

また、露光用光源として非狭帯化レーザ光Ｌ２を一部利
用しているから、狭帯化されたレーザ光だけで露光を行
う場合に比べてスペックル、＜ターンの発生を軽減する
ことができる。そのため、被加工物１６に微細なパター
ンを鮮明に描くことが可能となる。

また、狭帯化レーザ光しユのエネルギは、感光剤１７を
硬化させるよりも小さなエネルギであるが、非狭帯化レ
ーザ光Ｌ２と合成されたレーザ光りのエネルギは、上記
感光剤１７を硬化させるに十分なエネルギを持つ。その
ため、被加工物１６に対する露光を高速で行うことがで
きるとともに、狭帯化レーザ光Ｌ１のエネルギが低いこ
とにより、狭帯化素子であるエタロン７の長寿命化を計
ることができる。

第４図はこの発明の他の実施例を示す。この実施例は狭
帯化レーザ光Ｌ１と、非狭帯化レーザ光Ｌ２とを１つの
レーザ発振器３１から取り出すようにした。すなわち、
上記レーザ発振器３１は図示しない一対の電極が収容さ
れているとともに、ガスレーザ媒質が密封されたチャン
バーからなるレーザ励起部３２を有する。このレーザ励
起部３２の一方の端面には、高反射ミラー３３と、分光
プリズム３４とが配設されている。この分割プリズム３
４は、上記レーザ励起部３２の一端面側から出射するレ
ーザ光りの一部を分割しながらビーム径を拡大する。こ
の分割プリズム３４から出射したレーザ光りは拡大プリ
ズム３５てビーム径がさらに拡大されてリトロ−配置型
の回折格子３６に入射する。それによって、レーザ光り
は所定の波長に狭帯化されて上記レーザ励起部３２１；
戻る。すなわち、上記分割プリズム３４、拡大プリズム
３５および回折格子３６とで狭帯化ユニ・ノド３７を形
成している。この狭帯化ユニット３７は駆動制御部３８
によって矢印方向に進退駆動できるようになっている。

また、上記レーザ励起部３２の他端面側には上記高反射
ミラー３３および回折格子３６とでそれぞれ光共振器を
形成する出力ミラー３９が配設されている。この出力ミ
ラー３９からは、上記回折格子３６で狭帯化されたレー
ザ光Ｌ１と、狭帯化されずに高反射ミラー３３で反射し
た非狭帯化レーザ光Ｌ２とが上記レーザ励起部３２で増
幅されて出力されるようになっている。

狭帯化レーザ光り、と、非狭帯化レーザ光Ｌ２との強度
の制御は、狭帯化ユニット３７を駆動制御部３８によっ
て矢印で示す方向に進退させることで設定することがで
きる。すなわち、分割プリズム３４がレーザ光りの光軸
方向に進入するよう狭帯化ユニット３７を駆動すれば、
上記分割プリズム３４によって分割されるレーザ光りの
割合を増大させることができるから、狭帯化レーザ光Ｌ
１の強度を大きくすることができる。逆に、分割プリズ
ム３４が後退する方向に狭帯化ユニット３７を駆動すれ
ば、狭帯化されるレーザ光りの割合が減少するから、非
狭帯化レーザ光Ｌ２の強度を強くすることができる。

したがって、上記構成によれば、１つのレーザ発振器３
１から狭帯化レーザ光Ｌ１と非狭帯化レーザ光Ｌ２とを
所定の割合で取り出すことができるから、上記一実施例
に比べて構成を簡略化することができる。

また、図示しないが狭帯化レーザ光と非狭帯化レーザ光
との強度を所定の割合に制御するにはつぎのような方法
もある。すなわち、狭帯化レーザ光を予め発振させてお
き、この狭帯化レーザ光を別のレーザ励起部に通過させ
る。それによって、このレーザ励起部からは、狭帯化レ
ーザ光の大部分の成分を含む非狭帯化レーザ光を出力す
ることができる。そして、狭帯化レーザ光と非狭帯化レ
ーザ光との強度の割合は、上記レーザ励起部を励起する
電圧によって制御することができる。

［発明の効果］ 以上述べたようにこの発明は、強度が制御された狭帯化
レーザ光と非狭帯化レーザ光とを合成し、その合成され
たレーザ光によって感光剤が塗布された被加工物にマス
クパターンを投影するようにした。したがって、被加工
物には狭帯化されたレーザ光だけによる場合と同様の高
解像度でパターンを露光することができるばかりか、狭
帯化されたレーザ光だけで露光する場合に比べてスペッ
クルの発生を低減させ、微細なパターンを鮮明に露光す
ることができる。さらには、狭帯化されるレーザ光だけ
で露光する場合に比べ、狭帯化されるレーザ光の強度を
低くすることができるから、レーザ光を狭帯化するため
の光学素子を早期に損傷させることがないなどの利点を
有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すレーザ露光装置の概
略的構成図、第２図は狭帯化レーザ光と非狭帯化レーザ
光とのスペクトルの説明図、第３図（ａ）は狭帯化レー
ザ光と非狭帯化レーザ光とのエネルギ分布状態の説明図
、第３図（ｂ）は狭帯化レーザ光と非狭帯化レーザ光と
のエネ、ルギを合成した説明図、第３図（Ｃ）は被加工
物にパターンが焼き付けられた状態の説明図、第４図は
この発明の他の実施例を示すレーザ発振器の説明図であ
る。 １・・・第１のレーザ発振器（第１の発振手段）、２・
・・第２のレーザ発振器（第２の発振手段）、８・・・
出力制御部（制御手段）、１１．１３・・・反射ミラー
（合成光学手段）、１２・・・強度均一化素子（合成光
学手段）、１４・・・パターンマスク、１６・・・被加
工物、１７・・・感光剤。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 狭帯化されることでスペクトル幅が狭くなった狭帯化レ
   ーザ光を発振する第１の発振手段と、上記狭帯化レーザ
   光よりもスペクトル幅の広い非狭帯化レーザ光を発振す
   る第２の発振手段と、上記第１の発振手段から発振され
   る狭帯化レーザ光の強度と上記第２の発振手段から発振
   される非狭帯化レーザ光の強度とを制御する制御手段と
   、上記狭帯化レーザ光と非狭帯化レーザ光とを合成する
   合成光学手段と、この合成光学手段によって合成された
   レーザ光の光路に配置されたパターンマスクと、このパ
   ターンマスクを通過したレーザ光を結像する結像光学系
   とを具備したことを特徴とするレーザ露光装置。