JPH08107060A

JPH08107060A - 光リソグラフィー用光学部材及び投影光学系

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Publication number: JPH08107060A
Application number: JP6242448A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Jinbo; 宏樹神保; Hiroyuki Hiraiwa; 弘之平岩
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-10-06
Filing date: 1994-10-06
Publication date: 1996-04-23
Anticipated expiration: 2015-09-18
Also published as: JP3089955B2

Abstract

(57)【要約】【目的】微細で鮮明な、例えば線幅０．３μm 以下の
露光・転写パターンを実現することが可能な光リソグラ
フィー用光学部材及び投影光学系を提供する。【構成】光学部材の屈折率の高均質性に加え、複屈折
量の絶対値が２．０ｎｍ／ｃｍ以下、複屈折量の分布が
中央対称、屈折率楕円体における進相軸方向が中央対称
であることにより、投影レンズの設計性能に近い解像度
を得ることが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、紫外線リソグラフィー
技術において４００nm以下、好ましくは３００nm以下の
特定波長領域で、レンズやミラー、プリズム等の光学系
に使用される光リソグラフィー用光学部材、及びこれを
用いた投影光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年において、VLSIは、ますます高集積
化、高機能化され、論理VLSIの分野ではチップ上により
大きなシステムが盛り込まれるシステムオンチップ化が
進行している。これに伴い、その基板となるシリコン等
のウエハ上において、微細加工化及び高集積化が要求さ
れている。シリコン等のウエハ上に集積回路の微細パタ
ーンを露光・転写する光リソグラフィー技術において
は、ステッパと呼ばれる露光装置が用いられている。

【０００３】VLSIの中でDRAMを例に挙げれば、LSIからV
LSIへと展開されて 1K →256K→1M→4M→16M と容量が
増大してゆくにつれ、加工線幅がそれぞれ 10μm →2μ
m→1μm →0.8μm →0.5μm と微細なステッパが要求さ
れる。このため、ステッパの投影レンズには、高い解像
度と深い焦点深度が要求されている。この解像度と焦点
深度は、露光に使う光の波長とレンズのＮ．Ａ．（開口
数）によって決まる。

【０００４】細かいパターンほど回折光の角度が大きく
なり、レンズのＮ．Ａ．が大きくなければ回折光を取り
込めなくなる。また、露光波長λが短いほど同じパター
ンでの回折光の度は小さくなり、従ってＮ．Ａ．は小さ
くてよいことになる。解像度と焦点深度は、次式のよう
に表される。解像度＝k1・λ／Ｎ．Ａ．焦点深度＝k2・λ／Ｎ．Ａ．² （但し、k1、k2は比例定数である。）解像度を向上させるためには、Ｎ．Ａ．を大きくする
か、λを短くするかのどちらかであるが、上式からも明
らかなように、λを短くするほうが深度の点で有利であ
る。このような観点から、光源の波長は、ｇ線（436n
m）からｉ線（365nm）へ、さらにＫｒＦ（248nm）やＡ
ｒＦ（193nm）エキシマレーザーへと短波長化が進めら
れている。

【０００５】また、ステッパに搭載される光学系は、多
数のレンズ等の光学部材の組み合わせにより構成されて
おり、たとえレンズ一枚当たりの透過率低下量が小さく
とも、それが使用レンズ枚数分だけ積算されてしまい、
照射面での光量の低下につながるため、光学部材に対し
て高透過率化が要求されている。そこで、４００nmより
も短い波長領域では短波長化及び光学部材の組み合わせ
による透過率の低下を考慮した特殊な製法の光学ガラス
を用いる。さらに３００nm以下では合成石英ガラスやＣ
ａＦ₂（蛍石）等のフッ化物単結晶を用いることが提案
されている。

【０００６】一方、投影レンズとしてより微細な線幅を
実現し、微細かつ鮮明な露光・転写パターンを得るため
には、屈折率の均質性の高い（測定領域内の屈折率のば
らつきの小さい）光学部材を得ることが不可欠である。
しかし、最近の半導体のウエハサイズの大型化に伴う露
光面積の拡大により、これらの材料の口径や厚さは拡大
し、その品質を得ることがますます困難になっている。
そこで、大口径や厚みのある光学部材の屈折率の均質性
を向上させるために様々な試みが行われている。

【０００７】この屈折率の均質性については、従来、測
定領域内の屈折率の最大値と最小値の差（以下Δｎとす
る）で表され、この値が小さいほど均質性が良い光学部
材であると考えられている。それ故、既存の高均質と称
する光学部材はこのΔｎを最小にすることを目的に製造
が行われている。一方、光学部材の複屈折に関しては、
複屈折量が５ｎｍ／ｃｍ以下の材料であれば、レンズ性
能に影響がないとされていた。

【０００８】しかしながら、一般に高均質と言われる△
ｎが１０^-6オーダー以下で、かつ、複屈折量が５ｎｍ／
ｃｍ以下の光学部材を使用しているにもかかわらず、微
細かつ鮮明な露光・転写パターンを得られない場合があ
った。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光リ
ソグラフィー技術に使用される光学部材の複屈折の評価
において、既存の技術とは異なる概念を導入し、詳細な
評価及び光学系の調整を行うことにより、微細で鮮明
な、例えば線幅０．３μm 以下の露光・転写パターンを
実現することが可能な光リソグラフィー用光学部材及び
投影光学系を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、光リソグ
ラフィー技術において微細かつ鮮明な露光・転写パター
ンを得ることのできる光学部材の特性について鋭意研究
した。その結果、投影レンズの性能は均質性△ｎがほぼ
同一の場合、光学部材の複屈折量及びその分布、さらに
その進相軸方向の分布が限界加工線幅と良い相関関係を
示すことを見い出した。そしてこの知見をもとに、以下
に示す物性を持つ光学部材を用いて構成された光学系に
おいて、線幅０．３μｍ以下の微細かつ鮮明な露光・転
写パターンを得られる事が明らかになった。

【００１１】ここで偏光、複屈折特性について説明す
る。偏光とは、光が電磁場に対する横波であり、その光
の進行方向から観察した電場の変化を示す。例えばその
状態を表す用語として、直線偏光、円偏光、楕円偏光が
用いられる。また、同様の現象を別の言い方で表現する
と、複屈折とは一つの入射光が光学的異方体を通過した
とき二つの屈折光が得られる現象である。この時物質中
を伝搬する方向によって位相速度（屈折率）の異なる光
を異常光線、方向によらず位相速度が一定の光を常光線
と定義される。

【００１２】さらに、屈折率の偏光方向における分布を
示す方法に、屈折率楕円体が用いられる。屈折率楕円体
とは、屈折率の３次元空間での偏光に対する量を示す。
屈折率楕円体は一般的に次式で表される。（光学部品の
使い方と留意点末田哲夫）

【００１３】

【数１】

【００１４】ここで、進相軸とは屈折率の小さい方向つ
まり屈折率楕円体の短軸の方向と定義する。屈折率の高
い方向を示すためには、進相軸の反対の意味として遅相
軸という用語が用いられる。均質性に加え、下記の偏光
（複屈折）特性の条件を満たす事により、投影レンズの
設計性能に近い解像度を得ることが可能になる。

【００１５】複屈折量の絶対値が２．０ｎｍ／ｃｍ以
下である事複屈折量の分布に中央対称性がある事屈折率楕円体における進相軸方向が中央対称である事これらの条件を満たすことにより高い解像度が得られる
のは、複屈折の絶対量が小さい事、及び偏光特性が中央
対称であるために、解像度に対する影響が少なくなる為
であろうと推測される。

【００１６】光学部材の複屈折量の絶対値が２．０ｎｍ
／ｃｍ以上であると、これを用いて構成された投影光学
系のコントラストが低下し、解像度が悪くなり、結果と
して線幅０．３μｍ以下の露光・転写パターンを得るこ
とができない。次に投影光学系の結像位置における複屈
折量を最小にする、レンズの調整について説明する。

【００１７】偏光解析には一般的にＪｏｎｅｓ行列計算
が用いられる。（分光の基礎と方法工藤恵栄）以下に、本発明に用いたＪｏｎｅｓＭａｔｒｉｘを示
す。ｙ軸及びｚ軸方向の振幅透過度は、δy＝δz＝１で
あるとした。

【００１８】

【数２】

【００１９】このＭａｔｒｉｘを用いた投影レンズ系に
おける電気ベクトルの計算例を示す。

【００２０】

【数３】

【００２１】ここで、式中のｎはレンズの枚数であり、
且つｎ，ｎ−１・・・・・１は、投影レンズ系における各レ
ンズエレメント（部材）を示す記号でもある。この計算
にレンズ部材の測定結果を代入し、最も複屈折量が最小
になるような部材の組み合わせで投影レンズを組み上げ
る事で、さらにレンズ性能は向上した。

【００２２】この組み合わせの例として、２枚の平行平
板（Ａ，Ｂ）を考える。それぞれある一点において、複
屈折量が同一で、且つＡで発生する異常光線の位相速度
が常光線にたいして正であり、Ｂでは負であるとする。
この場合、理論的には完全円偏光が入射した場合通過し
た光線も完全円偏光となる。つまり、見かけ上の複屈折
量が０と同意となる。この際、異常光の位相速度が常光
より常に小さい正の一軸性結晶（水晶等）や常に大きい
負の一軸性結晶（方解石等）を使用する方法もある。実
際にはレンズ枚数は、一般的には１０枚以上であるので
この様に単純ではない。

【００２３】同様に、レンズ系の偏光特性または複屈折
特性の光軸する中央対称性についても、各レンズ部材の
測定結果により、最も中央対称に近づく組み合わせで投
影レンズを組み上げる。

【００２４】

【作用】巨視的な光学的性質である屈折率を考えた場
合、ガラスは光学結晶等と異なり、理論的な無応力且つ
完全均一状態では、その構造に方向性がないため、歪が
発生せず複屈折は０である。しかし、その様な状態は重
力等の影響も含め現実的には有り得ない。

【００２５】そのため、石英ガラスの複屈折は、不純物
と密度分布、熱履歴などにより発生する残留応力に起因
する。不純物としては、OH、Cl、金属不純物、溶存ガス
があげられ、ダイレクト法の場合は、数百ppm以上含有
されるOH、次いで数十ppmが含有されるCl、が混入量か
ら支配的だと考えられる。他の不純物は、分析によると
５０ppb以下に過ぎないので、複屈折に対する影響は無
視できる。

【００２６】一方、密度分布としては、熱履歴による密
度分布が支配的である。これは、ダイレクト法(Direct
Method)、ＶＡＤ(vapor axial deposition)法、ゾルゲ
ル(sol-gel)法、プラズマバーナー(plasma burnar)法等
の製造方法に依らず存在する。このような成分により複
屈折量及び分布が決定されると推測される。この様な複
屈折の原因である残留応力を減少するための手段として
は以下の方法がある。

【００２７】合成条件の最適化による不純物量、密度
分布の減少アニ−ル条件の最適化また、複屈折量及びその分布、進相軸方向の分布を中央
対称にするための方法としては、合成、均質化や形状変
更のための熱処理、除歪のためのアニール、および切断
・丸め等の機械的な加工、の各工程で幾何学的な中心位
置を常に維持するような製造方法が必要となる。

【００２８】図１に、本発明に係るリソグラフィ−用石
英ガラスの製造手順の概略図を示す以下に製造方法の一
例を説明する。石英ガラスの合成をインゴットを回転さ
せながら行えば、不純物濃度分布、物性分布、及びそれ
に基づく偏光及び複屈折特性は必ず中心対称になる。得
られたインゴット１１を、まず円筒形状１２に切断す
る。この円筒形状１２の側面はインゴット１１側面のま
まであるため、円筒形状１２の幾何学的な中心を側面か
ら求めれば、それがインゴット１１合成時の中心、すな
わち応力分布の中心となる。この点を円形の切断面上に
マーキングし、その後の切断、丸め等の加工の中心基準
とすれば、インゴット１１の中心軸と石英ガラス部材の
中心軸とが一致し、最終的に偏光特性及び複屈折特性の
中央対称性を有する光学部材を得ることができる。

【００２９】前述したように、偏光及び複屈折特性は、
不純物と熱履歴による密度分布等により決まるが、これ
らは合成条件により制御を行うことができる。合成条件
の変動に影響を与える、原料、酸素、水素等のガス流
量、排気流量、回転、引き下げ等の駆動部は、高精度に
制御可能な構成とする。また、レーザー光の光軸を基準
軸として使用し、炉、駆動部、バーナーのアライメント
を高精度で行う。

【００３０】アニール等の熱処理を加える場合は、対称
性を維持するために、素材形状を円筒形とし、回転対称
な温度分布を持つ炉の中央で熱を加える必要がある。こ
の石英ガラス素材は回転させる事が望ましい。粘性変形
をさせる場合は、片寄った変形とならないように特に配
慮を加える必要がある。これらの方法により、複屈折量
及び偏光特性分布を調整し、所望の光学部材を得ること
ができる。

【００３１】さらに、丸め等の加工を加え、石英ガラス
部材１３を得るときは、加工前に中心位置をマークし、
位置のズレがないように加工を行う。この石英ガラス部
材１３をさらに加工・研磨し、投影レンズ１４を作製す
るこの際、均質性△ｎは、２×１０^-6以下のものを使用
した。図２にエキシマレーザステッパの簡単な概略図を
示したが、以上のような工程により様々な形状の投影レ
ンズ１４を作製し、組み合わせて鏡筒に組み込むことに
より、露光・転写用の投影レンズ系２４ができあがる。
この図において、２１はエキシマレーザ装置，２２はエ
キシマレーザステッパの照明系，２３はレチクル，２５
は縮小投影されるシリコンウエハである。このような操
作を行うことにより、光リソグラフィー技術において微
細かつ鮮明なパターンを得るための光学性能を得る事が
できる。さらに、進相軸方向を考慮し、結像面で複屈折
量が最小になるような、レンズ部材を組み合わせて投影
レンズを組み上げる事によりさらに、解像度は向上し
た。

【００３２】すなわち以上のように本発明によれば、光
リソグラフィー技術において、０．３μm 以下の微細パ
ターンを得る事が可能になった。

【００３３】

【比較例】レンズ部材として均質性△ｎ≦２×１０^-6、
且つ複屈折量≦５ｎｍ／ｃｍの仕様を満たす石英ガラ
スでＫｒＦエキシマレ−ザ−ステッパ用投影レンズを作
製した。得られた解像度（Ｌ／Ｓ）は、設計解像度（Ｌ
／Ｓ）０．２５μｍに対して０．５μｍであった。この
様な仕様による材料の選定だけでは、設計性能が得られ
ない事がわかった。

【００３４】Ｌ／Ｓとは、line and space の略語で半
導体製造の性能評価の指標として一般的に使用される数
値である。均質性の測定は、He−Neレーザ干渉計を用い
たオイルオンプレート法、複屈折の測定は回転検光子法
により行った。

【００３５】

【実施例１】レンズ部材の△ｎ≦２×１０^-6、且つ複
屈折量≦２ｎｍ／ｃｍ、且つ複屈折及び偏光特性が中央
対称である仕様を満たす石英ガラスでＫｒＦエキシマレ
−ザ−ステッパ用投影レンズを作製した。得られた解像
度（Ｌ／Ｓ）は、設計解像度（Ｌ／Ｓ）０．２５μｍに
対して０．３μｍであった。この仕様により部材を選別
する事で、仕様に近い性能が得られた。

【００３６】均質性の測定は、He−Neレーザ干渉計を用
いたオイルオンプレート法、複屈折の測定は位相変調法
により行った。位相変調法は、回転検光子法と比較して
およそ２桁高い感度で、進相軸方向の確認が容易であ
る。（持田悦宏：光技術コンタクトｖｏｌ．２７．Ｎ
ｏ．３（１９８９））この際使用した石英ガラスは、365nm，248nm，193nmに
おいて10mm内部透過率が99.9%を超えるものであった。

【００３７】また、KrFエキシマレーザを 400mJ/cm²・ハ゜
ルスで10⁶ハ゜ルス照射した後、 248nmにおける10mm内部透過
率は99.9%を超えていた。さらに、ArFエキシマレーザ特
性を確認したところ 100mJ/cm2・ハ゜ルスで10⁶ハ゜ルス照射した
後、 193nmにおける10mm内部透過率が 99.9%を超えるこ
とを確認した。レンズ設計をＡｒＦエキシマレ−ザ−用
にする事で、この材料を使用すれば、ＡｒＦエキシマス
テッパにも使用可能である。

【００３８】この石英ガラスは、水素濃度5×10¹⁷個/cm
³以上であり、中央部の方が周辺部より高い水素濃度を
持つ。この投影レンズは、２５６ＭＢのＶＬＳＩ製造ラ
イン用に使用可能である。

【００３９】

【実施例２】レンズ部材特性△ｎ≦２×１０^-6、且つ
複屈折量≦２ｎｍ／ｃｍ、且つ複屈折及び偏光特性が中
央対称である仕様を満たす石英ガラスでＫｒＦエキシマ
レ−ザ−ステッパ用投影レンズを作製した。さらに、レ
ンズ部材組み上げ時に、結像面における、複屈折量が最
小になるように使用する部材を組み合わせ、調整を行っ
た。得られた解像度（Ｌ／Ｓ）は、設計解像度（Ｌ／
Ｓ）０．２５μｍに対して０．２５μｍであった。

【００４０】均質性の測定は、He−Neレーザ干渉計を用
いたオイルオンプレート法、複屈折の測定は位相変調法
により行った。この際使用した石英ガラスは、365nm，2
48nm，193nmにおいて10mm内部透過率が 99.9%を超える
ものであった。また、KrFエキシマレーザを 400mJ/cm²・
ハ゜ルスで10⁶ハ゜ルス照射した後、 248nmにおける10mm内部透
過率は99.9%を超えていた。

【００４１】さらに、ArFエキシマレーザ特性を確認し
たところ 100mJ/cm2・ハ゜ルスで10⁶ハ゜ルス照射した後、 193nm
における10mm内部透過率が 99.9%を超えることを確認し
た。レンズ設計ををＡｒＦエキシマレ−ザ−用にする事
で、この材料を使用すれば、ＡｒＦエキシマステッパに
も使用可能である。この石英ガラスは、水素濃度5×10
¹⁷個/cm³以上であり、中央部の方が周辺部より高い水素
濃度を持つ。

【００４２】この投影レンズは、２５６ＭＢ以上の微細
なＶＬＳＩ製造ライン用に使用可能である。以上の実施
例においては、石英ガラスを材料として用いた投影レン
ズについて詳述したが、本発明はこれに限られるもので
はなく石英ガラス以外の光学部材、例えば蛍石を材料と
して用いたものにも適用され得るものであり、さらに
は、レンズ以外の光学部材、例えばミラーやプリズム等
にも適用され得る。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、レンズ設計時の設計解
像度に近い光学性能が得られる光学部材及び投影光学系
を提供することができる。本発明の光学部材及び投影光
学系は、４００ｎｍ以下の、ｉ−Ｌｉｎｅ、ＡｒＦ・Ｋ
ｒＦエキシマレ−ザ−ステッパ用として適用できる。

【００４４】これらの発明により、光リソグラフィー装
置の性能向上及び安定化が可能になった。なお、本発明
の光学部材を光リソグラフィー技術に用いた場合におい
て、４００nm以下の特定波長領域の光を用いて露光・転
写を行うほか、He‐Ne（６３２．８nm）等のレーザー光
を用いてのウエハのアライメントにも兼用することが可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るリソグラフィー用石英ガラスの
製造手順の概略図である。

【図２】本発明に係る光学部材を用いて製作された投
影レンズを組み込んだリソグラフィー装置の概略図であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】４００ｎｍ以下の特定波長帯域で使用され
る光リソグラフィー用光学部材において、複屈折量の分
布が中央対称性を有することを特徴とする光学部材。
【請求項２】４００ｎｍ以下の特定波長帯域で使用され
る光リソグラフィー用光学部材において、屈折率楕円体
における進相軸方向が中央対称性を有することを特徴と
する光学部材。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の光学部材
において、複屈折量の絶対値が2nm/cm以下であることを
特徴とする光学部材。
【請求項４】請求項１または請求項２に記載の光学部材
において、365nm，248nm，193nmにおける10mm内部透過
率が99.9%を超えることを特徴とする光学部材。
【請求項５】請求項１または請求項２に記載の光学部材
において、KrFエキシマレーザを 400mJ/cm²・ハ゜ルスで10⁶ハ
゜ルス照射した後、 248nmにおける10mm内部透過率が 99.9
%を超えることを特徴とする光学部材。
【請求項６】請求項１または請求項２に記載の光学部材
において、ArFエキシマレーザを 100mJ/cm²・ハ゜ルスで10⁶ハ
゜ルス照射した後、193nmにおける10mm内部透過率が99.9%
を超えることを特徴とする光学部材。
【請求項７】請求項１または請求項２に記載の光学部材
において、水素濃度5×10¹⁷個/cm³以上であり、中央部
の方が周辺部より高い水素濃度を持つ石英ガラスからな
ることを特徴とする光学部材。
【請求項８】４００ｎｍ以下の特定波長帯域で使用され
る、多数の光学部材の組み合わせにより構成された光リ
ソグラフィー用投影光学系において、それぞれの光学部
材の複屈折量の分布を組み合わせて、投影光学系の結像
位置における複屈折量の絶対値が2nm/cm以下になるよう
に調整したことを特徴とする光リソグラフィ−用投影光
学系。
【請求項９】４００ｎｍ以下の特定波長帯域で使用され
る、多数の光学部材の組み合わせにより構成された光リ
ソグラフィー用投影光学系において、それぞれの光学部
材の屈折率楕円体における進相軸方向を組み合わせて、
投影光学系の屈折率楕円体における進相軸方向が光軸に
対して中央対称になるように調整したことを特徴とする
光リソグラフィ−用投影光学系。
【請求項１０】４００ｎｍ以下の特定波長帯域で使用さ
れる光リソグラフィー用投影光学系において、それぞれ
の光学部材の複屈折量の分布、及び屈折率楕円体におけ
る進相軸方向を組み合わせて、投影光学系の結像位置に
おける複屈折量の絶対値が2nm/cm以下、かつ、投影光学
系の屈折率楕円体における進相軸方向が光軸に対して中
央対称になるように調整したことを特徴とする光リソグ
ラフィ−用投影光学系。