JPH10268367A

JPH10268367A - レーザ波長変換方法およびレーザ波長変換装置ならびに露光方法および露光装置ならびに半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH10268367A
Application number: JP9074241A
Authority: JP
Inventors: Kiwamu Takehisa; 究武久
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 1998-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】真空紫外域のレーザ光の高い波長変換効率を
長期間維持する。【解決手段】レーザ波長変換装置１００の非線形光学
結晶１ａはＸステージ１２の可動部１２ａ上に搭載され
ており、レーザ光４ａの入射光路に交差する方向に往復
動される。これにより、レーザ光４ａを非線形光学結晶
１ａに入射させてレーザ光４ａ’を得る波長変換を行う
間、非線形光学結晶１ａは光路に交差するＸ方向に往復
移動する。したがって非線形光学結晶１ａにおいてレー
ザ光４ａが通過する部分が経時的に移動するため、非線
形光学結晶１ａにおけるセルフヒーティングが緩和され
ると共に、非線形光学結晶１ａの内部において劣化が生
じる可能性のある部分が広く分散することから、非線形
光学結晶１ａが劣化しにくくなり、高い波長変換効率を
長期間維持できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ波長変換技術
および露光技術ならびに半導体装置の製造技術に関し、
特に、半導体装置の製造工程におけるレーザ光を用いた
フォトリソグラフィ技術等に適用して有効な技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】フォトリソグラフィ技術における露光装
置（通常、ステッパと呼ばれる。）に要求される性能と
しては、解像度、アライメント精度、処理能力、装置信
頼性など種々のパラメータが存在する。その中で、パタ
ーンの微細化に直接つながる解像度Ｒは、Ｒ＝ｋ・λ／
ＮＡ（ｋ：定数、λ：露光波長、ＮＡ：投影レンズの開
口数）によって表されるため、シャープな解像度を得る
には、露光波長λの短い露光光源を用いることが重要に
なる。

【０００３】従来の露光装置では、おもに水銀ランプの
ｇ線（波長：４３６ｎｍ）やｉ線（波長：３６５ｎｍ）
が露光光源として利用されており、より微細な加工線幅
を実現するための露光光源として、波長２４８ｎｍのＫ
ｒＦエキシマレーザが利用されることもある。そして次
世代のフォトリソグラフィ技術としてさらに微細な加工
を行うための露光光源として、波長１９３ｎｍのＡｒＦ
エキシマレーザの利用も検討されている。なお、これに
関しては、たとえば、平成８年レーザー学会学術講演会
・第１６回年次大会、講演予講集、２５ｐＶＩＩ４（第
９６頁から第９９頁）、あるいは特開平１−９４６１７
号公報において説明されている。ＡｒＦエキシマレーザ
を用いた光源における技術的課題としては、狭帯域化し
ないと波長幅が３００〜４００ｐｍ、狭帯域化させても
波長幅が約１０ｐｍもあり、石英レンズを用いるステッ
パに必要な波長１ｐｍ以下に十分狭帯域化された露光光
を発生させるのが困難である、という点が挙げられる。
すなわちＡｒＦエキシマレーザを含む波長約0.２μｍ以
下は真空紫外域と呼ばれ、一般に多くの光学材において
吸収率が急激に高くなる。そのため発振させるレーザ光
の波長幅を狭帯域化させるために用いられる波長狭帯域
化素子が、発振したレーザ光を吸収してダメージを生じ
やすくなる。その結果、十分な狭帯域化が行えなかった
り、狭帯域化素子を頻繁に交換する必要が生じる。な
お、これに関しては、たとえば、月刊Ｓｅｍｉｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒＷｏｒｌｄ、１９９５年１１月、第１６頁
から第１７頁において説明されている。

【０００４】そこで真空紫外域で直接レーザ発振するＡ
ｒＦエキシマレーザなどを用いずに、ある程度長い波長
で狭帯域化したレーザ光を発生させ、そのレーザ光を非
線形光学結晶を用いて波長変換して、十分に狭帯域化し
た真空紫外光を発生させることが考えられる。たとえば
近赤外域の波長１０６４ｎｍで発振するＹＡＧレーザの
レーザ光を波長変換によって１／５の波長の２１３ｎ
ｍ、すなわち第５高調波を得ることで、これを露光光に
することも検討されている。なお、これに関しては、た
とえば、平成８年レーザー学会学術講演会・第１６回年
次大会、講演予講集、２４ｐＶＩＩ１（第５８頁から第
６１頁）において説明されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】波長変換によって真空
紫外光を得る場合、第１の技術的課題として非線形光学
結晶内で発生する紫外光自体が非線形光学結晶に吸収さ
れ、非線形光学結晶が発熱して（セルフヒーティングと
呼ばれる。）、波長変換の効率が急激に低下することが
懸念される、という点が挙げられる。特にフォトリソグ
ラフィでは、平均出力数Ｗ程度の高平均出力の露光光が
必要であり、一般に分光学などで用いられるレーザに比
べて桁違いに高い平均出力が要求されている。しかも前
述したような次世代のフォトリソグラフィでは、その高
平均出力の露光光が、非線形光学結晶を含むほとんど全
ての光学材で高吸収率となる波長約0.２μｍ以下の真空
紫外域になるため、セルフヒーティングによる波長変換
効率の低下が深刻な技術的課題になっていた。

【０００６】また第２の技術的課題として、非線形光学
結晶自体が内部で発生する真空紫外光を吸収しやすくな
るため、吸収によって非線形光学結晶において組成変化
などが発生して劣化していくことがあった。特に真空紫
外光はフォトンエネルギーが高いため、非線形光学結晶
の分子構造を破壊しやすいからである。したがって長期
間使用していくと次第に波長変換効率が低下していくこ
とも技術的課題になっていた。

【０００７】また第３の技術的課題としては、特に非線
形光学結晶によって真空紫外光を発生させる場合、真空
紫外域で高い透過率となる光学材が限られるため、非線
形光学結晶におけるレーザ光の出射端面に、無反射コー
ティングを施すことが困難であった。そのため前記出射
端面をノーコートにすると、反射損失が生じることが技
術的課題になっていた。

【０００８】本発明の目的は、長期間、高い波長変換効
率を維持できる真空紫外域のレーザ波長変換技術を提供
することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、複雑な光学系を必要
とすることなく、低損失にて波長変換を行うことが可能
な真空紫外域のレーザ波長変換技術を提供することにあ
る。

【００１０】本発明の他の目的は、次世代のフォトリソ
グラフィに必要な真空紫外光を露光光とする露光技術を
提供することにある。

【００１１】本発明の他の目的は、真空紫外域の波長の
露光光を用いた露光操作を長期間、安定に行うことが可
能な露光技術を提供することにある。

【００１２】本発明の他の目的は、たとえば、真空紫外
域の設計ルールの次世代半導体集積回路を製造するため
に必要な露光技術を用いた半導体装置の製造技術を提供
することにある。

【００１３】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００１５】本発明によるレーザ波長変換技術では、波
長変換を行う間、レーザ光が通過する非線形光学結晶を
当該レーザ光の進行方向とほぼ直行する方向に相対的に
変位させるものである。これによると非線形光学結晶中
でレーザ光の通過部分の全体が大きくなるため、非線形
光学結晶中に吸収される真空紫外光が広く分散すること
になって、結晶が劣化する進み具合を大幅に低下させる
ことができる。

【００１６】また、角度許容幅が特定の方向で小さい非
線形光学結晶を用いても、波長変換効率を低下させるこ
となく、非線形光学結晶中でのレーザ光の通過部分全体
を大きくとれるようにするために、角度許容幅の比較的
大きい方向に、前記非線形光学結晶を平行移動させるも
のである。これによると角度許容幅の小さい方向には、
波長変換効率が低くならないように、レーザ光をほぼ平
行ビームとして入射しても、非線形光学結晶を平行移動
させれば、やはりレーザ光の通過部分の全体を大きくと
れるため、セルフヒーティングを抑制できる。

【００１７】また、本発明によるレーザ波長変換技術で
は、レーザ光が入出射する非線形光学結晶の端面から離
れた位置に、レーザ光を通過させるように光透過性部材
を設け、この光透過性部材と非線形光学結晶の端面との
間に外部から遮断される密閉空間が構成されるようにし
たものである。これによると光透過性部材と端面との間
の密閉空間によって端面が断熱されることになる。それ
によって、非線形光学結晶の内部で発生する熱は、端面
以外の周囲の側面から放熱することになる。その結果、
非線形光学結晶の内部に形成される温度分布は、レーザ
の光軸方向と平行な方向に関してほぼ一定になる。

【００１８】さらにまた本発明によるレーザ波長変換技
術は、非線形光学結晶において、レーザ光が出射する出
射端面をブリュースタカットするとともに、非線形光学
結晶におけるレーザ光の入射光路上に、λ／２波長板を
配置し、このλ／２波長板を通過したレーザ光が非線形
光学結晶に入射する構成としたものである。これによる
と非線形光学結晶の出射面では損失を抑制できるように
なるが、非線形光学結晶において位相整合させる際に、
非線形光学結晶自体をレーザ光の光軸を中心として回転
させる必要がなくなり、非線形光学結晶から出射するレ
ーザ光の進行方向が変化することはない。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。

【００２０】（実施の形態１）図１は本発明の第１実施
の形態であるレーザ波長変換方法を実現するレーザ波長
変換装置１００の構成を示した断面図であり、図２はそ
の動作機構をわかりやすく描いた斜視図である。なお、
図１は非線形光学結晶１ａに入出射するレーザ光４ａ、
レーザ光４ａ’の光路の中心軸である光軸１０（一点鎖
線で示してある。）を含む面で切った断面図である。ま
た、図２では、簡単のため、非線形光学結晶１ａのみを
例示し、ハウジング２等の構成の図示は省略されてい
る。

【００２１】非線形光学結晶１ａはハウジング２で固定
されている。本実施の形態の場合、非線形光学結晶１ａ
にレーザ光が入射する入射端面１ａ−ｉｎ、および出射
する出射端面１ａ−ｏｕｔの外側には、光透過性部材で
ある石英ガラス３ａ、石英ガラス３ｂが取り付けられて
いる。

【００２２】すなわち、この石英ガラス３ａおよび３ｂ
は、ハウジング２に対して押え板５ａ、押え板５ｂで止
められており、それぞれの間にはシリコンシート７ａ、
シリコンシート７ｂが挟まれている。押え板５ａ、５ｂ
は複数のネジ６ａ、ネジ６ｂ、ネジ６ｃ、ネジ６ｄでハ
ウジング２に固定されている。これによって、非線形光
学結晶１ａと、石英ガラス３ａ、３ｂとの間に、外部か
ら遮断された空間８ａ、空間８ｂが形成され、ここに
は、一例として、たとえば清浄化された乾燥窒素が充満
している。

【００２３】レーザ光４ａは光軸１０に沿って、非線形
光学結晶１ａ内に進むと、波長変換されたレーザ光が発
生し、未変換のレーザ光と共にレーザ光４ａ’のように
出射する。この際に、非線形光学結晶１ａに吸収された
レーザ光によって内部で発熱する。特に波長変換された
レーザ光が紫外光となる場合、一般に非線形光学結晶１
ａは紫外光に対する吸収率が高いため、発熱量は大き
い。したがって、非線形光学結晶１ａにおける光軸１０
に沿った部分が最も高い温度になり、光軸１０から離れ
ると温度が低くなる。

【００２４】一方、本実施の形態では、非線形光学結晶
１ａの側面を取り囲むハウジング２内には空洞９が設け
られ、この空洞９に冷却水が流れる構造になっている。
また非線形光学結晶１ａがハウジング２に接する上下の
面にはインジウムシート１１が密着している。すなわ
ち、インジウムは極めて柔らかい金属であるため、非線
形光学結晶１ａとハウジング２とをこれに密着させるこ
とができ、それによって非線形光学結晶１ａから発生す
る熱を効率よくハウジング２に伝えて放熱することがで
きる。その結果、非線形光学結晶１ａにおいてハウジン
グ２に接触している面が最も低い温度になり、さらに非
線形光学結晶１ａの入射端面１ａ−ｉｎ、出射端面１ａ
−ｏｕｔに接する部分は、石英ガラス３ａ、３ｂにて密
閉された空間８ａ、８ｂとなっているため断熱されてい
る。したがって非線形光学結晶１ａの内部における温度
分布は、定常状態になると図３に示したようになり、レ
ーザ光４ａの相対的な移動方向（範囲）ではほぼ一定温
度となる。なお図３における点線は等温線を示す。

【００２５】この図３に例示されるように、本実施の形
態の場合、非線形光学結晶１ａ内では、レーザ光４ａが
通過する光軸１０の近傍ではほとんど均一な温度になる
ことから、レーザ光４ａが通過する部分全てに渡って位
相整合させることができる。したがって、非線形光学結
晶１ａ中で発熱しても波長変換の効率が低下していくこ
とはない。

【００２６】なお、ここで本実施の形態のレーザ波長変
換装置１００の作用を図４に例示される従来例と対照し
ながら補足説明すると、たとえば、従来では、光透過性
部材が無いため、非線形光学結晶１’の入射端面１’−
ｉｎ、出射端面１’−ｏｕｔは外気に接する。そのた
め、これらの端面からも非線形光学結晶１’は冷却され
るようになり、非線形光学結晶１’の内部の温度分布は
図４に示したようになる。すなわち、温度分布は光軸１
０’と平行でなくなり、特に光軸１０’に沿って進むレ
ーザ光の通過部分において温度差が生じることになる。
その結果、部分的に位相整合できなくなり、実際に波長
変換する部分の長さが短くなることから、波長変換の効
率が低下することになる。すなわち位相整合する際の設
定角度は非線形光学結晶の温度に依存するからである。

【００２７】また本実施の形態の構成では、非線形光学
結晶１ａの入射端面１ａ−ｉｎ、出射端面１ａ−ｏｕｔ
の外部から遮断された空間８ａ、８ｂが狭い隙間となっ
ているため、断熱の効果がある。すなわち、この隙間を
あまりにも大きくとると、この閉ざされた空間８ａ、８
ｂ内で、充満された気体が循環するようになり、入射端
面１ａ−ｉｎ、出射端面１ａ−ｏｕｔにおける断熱の効
果が低くなる。そこで、この隙間の大きさとしては、充
満する気体が対流しにくい程度に出来るだけ狭くするが
好ましい。

【００２８】本実施の形態では、外部から遮断された空
間８ａ、８ｂに清浄化された乾燥窒素が充満しているた
め、長期間使用しても、非線形光学結晶１ａの入射端面
１ａ−ｉｎ、出射端面１ａ−ｏｕｔが曇ったり、あるい
はほこりや塵などが原因で生じる端面のダメージが非常
に起きにくくなっている。ここで本実施の形態における
外部から遮断された空間８ａ、８ｂに充満される乾燥気
体の乾燥度としては、非線形光学結晶１ａの端面に微少
な水滴により曇って実用上継続した使用が困難になるこ
とが無い程度の乾燥度であればよい。また、本実施の形
態における清浄化された乾燥気体の清浄度としては、ほ
こりや塵などが原因で非線形光学結晶１ａの入射端面１
ａ−ｉｎ、出射端面１ａ−ｏｕｔにダメージが生じて実
用上継続した使用が困難になることが無い程度の清浄度
であればよい。

【００２９】なお、本実施の形態では、一例として、空
間８ａ、８ｂに清浄化された乾燥窒素が充満される場合
を例示したがこれに限らず、図１と同様に、石英ガラス
３ａ、３ｂにて形成される遮断された空間８ａ、８ｂの
内部を、図示しない排気機構等にて真空に引いてもよ
い。その場合はさらに断熱の効果が高まる。

【００３０】また、本実施の形態では、図２に例示され
るように、レーザ波長変換装置１００は、案内部１２ｂ
およびこの案内部１２ｂ上を所定の一方向（Ｘ）に変位
する可動部１２ａからなるＸステージ１２の可動部１２
ａ上に載せられており、レーザ光４ａが入射して波長変
換を行う間、レーザ波長変換装置１００はＸ方向（すな
わち図１の紙面に垂直な方向）に往復移動する。この図
２に示したように、非線形光学結晶１ａの形状として、
横方向（非線形光学結晶１ａの変位方向）に長いものを
用いており、レーザ光４ａが照射される入射端面１ａ−
ｉｎ部分の幅寸法が大きくとれるようになっている。こ
の可動部１２ａにより非線形光学結晶１ａ中でレーザ光
４ａが通過していく部分が常に移動するため、非線形光
学結晶１ａ中で急激な温度勾配は形成されず、セルフヒ
ーティングが抑制される。さらにまた、非線形光学結晶
１ａの内部において劣化が生じる可能性のある部分が広
く分散することから、劣化しにくくなる。以上より、本
実施の形態の非線形光学結晶１ａは長期間に渡って劣化
せず、レーザ光４ａの高い波長変換効率を維持できる。

【００３１】なお、念のため付言すれば、本実施の形態
における非線形光学結晶１ａの変位に関しては、従来、
一般に非線形光学結晶をＸＹステージなどに固定する場
合とは全く異なる。すなわち、本実施の形態では非線形
光学結晶１ａによる波長変換を行う間中、非線形光学結
晶１ａを移動させることを特徴としたものである。これ
に対して従来は、レーザ光を非線形光学結晶の中央部に
入射するようにさせるための位置合わせとして、ＸＹス
テージが用いられることもあったが、波長変換を行いな
がら非線形光学結晶を移動させることはなかったので、
本実施の形態の上述のような効果は得られない。

【００３２】また図３に示された非線形光学結晶１ａの
内部の等温線から分かるように、非線形光学結晶１ａが
紙面で上下方向に移動しても、レーザ光４ａの光軸１０
は常に一定の温度の部分を通過することが分かる。すな
わち、本実施の形態では、非線形光学結晶１ａをレーザ
光４ａの進行方向とほぼ直行する方向に平行移動させる
ため、非線形光学結晶１ａの内部で発生する熱は、主と
して非線形光学結晶１ａの上下の面のみから放熱する。
その結果、非線形光学結晶１ａの内の等温線はＸ方向の
どこも図３に示されたように、レーザ光４ａの進行方向
でばらつきを生じることがない。したがって非線形光学
結晶１ａをレーザ光４ａの光軸１０に交差する方向に平
行移動させても光軸１０の方向の温度分布のばらつき等
に起因する位相整合のずれが発生する懸念はない。

【００３３】さらに、本実施の形態では、図２に例示さ
れるように、非線形光学結晶１ａに入射させるレーザ光
４ａの偏光方向と非線形光学結晶１ａの結晶軸方向とを
微調整するために、レーザ光４ａを非線形光学結晶１ａ
に入射させる前に、λ／２波長板１３ａを用いてレーザ
光４ａの偏光方向を調整できるようにしている。これに
より、本実施の形態では、非線形光学結晶１ａの偏光方
向を調整する等の目的でレーザ波長変換装置１００全体
をＺ方向に関して回転させるための回転ステージ等の余
分な機構は全く必要がない。

【００３４】特に本実施の形態のレーザ波長変換装置１
００では高平均出力のレーザ光４ａを波長変換させるた
め、前述のように、ハウジング２内の空洞９に冷却水を
流して非線形光学結晶１ａを水冷することが望ましい
が、その結果、ハウジング２には図示しない冷却チュー
ブなどが取り付けられることになる。したがってもしも
レーザ波長変換装置１００自体を回転ステージに取り付
ける必要があるならば、冷却チューブが回転の邪魔にな
ることが懸念される。この観点からも、非線形光学結晶
１ａの回転ステージ等を全く必要としない本実施の形態
のレーザ波長変換装置１００は優れている。

【００３５】以上のように、本実施の形態では、λ／２
波長板１３ａを用いることで、レーザ光４ａの偏光方向
を回転できるようにして、非線形光学結晶１ａを回転さ
せるための複雑な機構を全く必要とすることなく、レー
ザ光４ａと非線形光学結晶１ａとを位相整合させること
ができる。

【００３６】（実施の形態２）次に、図５にて、本発明
のレーザ波長変換方法およびレーザ波長変換装置の第２
の実施の形態について説明する。図５はレーザ波長変換
装置１１０の構成図である。本実施の形態にてレーザ波
長変換装置１１０で用いられる非線形光学結晶１ｂは、
たとえばＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）結晶のように、波
長変換させる際に、入射させるレーザ光４ｂの進行方向
と位相整合する方向とのずれの角度許容幅度が、結晶の
方向に依存して大きく変化する結晶である。すなわち、
本実施の形態の非線形光学結晶１ｂではＸ方向には角度
許容幅が最も大きく、Ｙ方向には角度許容幅が最も小さ
くなっている。そこで角度許容幅の小さいＹ方向にはレ
ーザ光４ｂを絞らずに平行ビームとなるように、入射さ
せるレーザ光４ｂをシリンドリカルレンズ１４ａに通し
て、Ｘ方向のみを非線形光学結晶１ｂ中で集光させてい
る。ただし出射するレーザ光４ｂ’を元のビームに戻す
ためにシリンドリカルレンズ１４ｂを用いている。ま
た、シリンドリカルレンズ１４ａの前段に配置されたλ
／２波長板１３ｂは入射するレーザ光４ｂの偏光方向を
調整するためのものである。

【００３７】図５に例示された本実施の形態のレーザ波
長変換装置１１０ではステージが省略されているが、一
例として図２に示したレーザ波長変換装置１００と同様
な構成のＸステージ１２を備えており、非線形光学結晶
１ｂをこのＸステージ１２に載せて図５のＸ方向に往復
移動できるようになっている。すなわちＸ方向に往復移
動するならば、レーザ光４ｂが通過する部分は、やはり
同様に、非線形光学結晶１ｂ中で大きな体積を占めるよ
うになる。したがってセルフヒーティングを抑制するこ
とができる。

【００３８】したがって本実施の形態のように、位相整
合の角度許容幅に角度依存性がある非線形光学結晶１ｂ
を用いる場合は、その角度許容幅の大きい方向を往復移
動の方向にすることで、波長変換効率を低下させること
なく、セルフヒーティングを抑制できる。

【００３９】（実施の形態３）次に、図６を参照して本
発明のレーザ波長変換方法およびレーザ波長変換装置の
第３の実施の形態について説明する。図６は本実施の形
態のレーザ波長変換装置１２０の構成図である。本実施
の形態のレーザ波長変換装置１２０で用いられる非線形
光学結晶１ｃでは、レーザ光４ｃが入射する入射端面１
ｃ−ｉｎは入射光路に対して垂直にカットされており、
無反射コーティングが施されているため、入射するレー
ザ光４ｃの損失が抑制されている。一方、波長変換して
発生したレーザ光４ｃ’の出射端面１ｃ−ｏｕｔは、ノ
ーコートであるがブリュースタカットされているため、
出射端面１ｃ−ｏｕｔにおいても反射損失が抑制されて
いる。

【００４０】ここで、ブリュースタカットされた出射端
面１ｃ−ｏｕｔから出射するレーザ光４ｃ’は、そのま
までは斜め方向に進んでしまう。そこで本実施の形態で
は、レーザ光４ｃが非線形光学結晶１ｃに入射する前の
光路上に、λ／２波長板１３ｃを設け、レーザ光４ｃの
偏光方向を調整するために、このλ／２波長板１３ｃを
回転させるだけで済む構成としている。すなわち、本実
施の形態のレーザ波長変換装置１２０では、非線形光学
結晶１ｃの出射端面１ｃ−ｏｕｔをブリュースタカット
した構成としても、位相整合させるために当該非線形光
学結晶１ｃを回転させるための特別な構成は全く必要な
い。これによって、本実施の形態では、非線形光学結晶
１ｃから出射するレーザ光４ｃ’が位相整合の調整によ
って進行方向が変化することはない。

【００４１】つまり、もしもλ／２波長板１３ｃが無け
れば、位相整合させるために、レーザ光４ｃの偏光方向
を非線形光学結晶１ｃの結晶軸に対して特定の角度とな
るように設定する際に、非線形光学結晶１ｃ自体をＺ方
向に回転させる必要があり、その結果、出射するレーザ
光４ｃ’の進行方向が変化してしまうため、レーザ光の
出射後に別の光学系を用いて、これを補正する必要が生
じるが、本実施の形態では、このような余分な光学系は
全く必要としない。

【００４２】（実施の形態４）次に本発明のレーザ波長
変換方法およびレーザ波長変換装置を、フォトリソグラ
フィにおける露光装置の光源系に応用した例を図７を用
いて説明する。すなわち、図７はフォトリソグラフィを
行うための露光装置２００の構成図である。

【００４３】本実施の形態の露光装置２００では、ステ
ッパ本体２１、ＸｅＣｌエキシマレーザ励起色素レーザ
２２、および第１の実施の形態で説明した本発明のレー
ザ波長変換装置１００と、第３の実施の形態のレーザ波
長変換装置１２０との両方の機能を有するレーザ波長変
換装置１３０が用いられている。すなわち、レーザ波長
変換装置１３０の構成としては、図１に示したレーザ波
長変換装置１００における非線形光学結晶１ａの出射端
面１ａ−ｏｕｔが、図６に例示された非線形光学結晶１
ｃのように、ブリュースタカットになっているものであ
る。ＸｅＣｌエキシマレーザ励起色素レーザ２２から出
射した波長３４０ｎｍの基本波であるレーザ光２３ａ
は、ミラー２４ａ、ミラー２４ｂを反射して、レーザ波
長変換装置１３０に導かれ、第２高調波である波長１７
０ｎｍの紫外域のレーザ光２３ｂが発生する。これはミ
ラー２４ｃで反射してステッパ本体２１内に導かれる。
なお、レーザ波長変換装置１３０は、図６のλ／２波長
板１３ｃを備えた第２の実施の形態のレーザ波長変換装
置１２０の機能も有しているため、位相整合の調整時で
も、斜めに出射する露光光の方向が変化しないため、ミ
ラー２４ｃを調整できるような複雑な構成にする必要が
ない。

【００４４】本実施の形態では、波長変換によって波長
１７０ｎｍと真空紫外光を発生させるため、ほとんどの
種類の非線形光学結晶において、セルフヒーティングや
結晶劣化の可能性が大きくなるだけでなく、非線形光学
結晶の出射端面に無反射コーティングを施すことが困難
になる。そこで、レーザ波長変換装置１３０として、本
発明の前述の第１の実施の形態で説明した本発明のレー
ザ波長変換装置１００と、第３の実施の形態のレーザ波
長変換装置１２０との両方の機能を有するレーザ波長変
換装置を用いたことで、長期間に渡って波長変換効率が
低下することはなく、また非線形光学結晶の出射面がブ
リュースタカットになっているため反射損失もない。

【００４５】また本実施の形態では、レーザ発振させる
基本波の波長が３４０ｎｍと紫外域の中でも比較的長い
ため、狭帯域化素子の光学材に高い透過率を持たせるこ
とが容易であることから、ＸｅＣｌエキシマレーザ励起
色素レーザ２２の平均出力が高くても、狭帯域化素子が
ダメージを受けることがない。これによって、平均出力
の高い紫外光であるレーザ光２３ｂが得られるため、ス
ループットの高いステッパ本体２１を実現することがで
きる。

【００４６】なお本実施の形態において、特にＸｅＣｌ
エキシマレーザ励起色素レーザを用いたのは、一回の波
長変換で真空紫外域の紫外光が得られるからである。た
だし、２２のレーザ装置として、銅レーザ励起色素レー
ザを用いてもよい。この場合、第３高調波が１９０〜２
２０ｎｍの真空紫外域となる。この場合、波長変換が２
回になるが、１回目の波長変換では、非線形光学結晶へ
高平均出力のレーザ光が照射されることになるため、真
空紫外光を発生させる段階の波長変換でないが、本発明
のレーザ波長変換装置を適用すると効果がある。なお銅
レーザとは、銅原子の励起準位間のエネルギー遷移を用
いた気体レーザのことで、銅蒸気レーザ、あるいは臭化
銅レーザなどを示す。

【００４７】（実施の形態５）次に前述の図１および図
２に例示したレーザ波長変換装置１００を有する露光光
源を用いた露光装置の実施の形態であるステッパ本体３
００の構成に関して図８を用いて説明する。

【００４８】露光光として用いる波長変換後のレーザ光
４ａ’は、ミラー２４ｄ、ミラー２４ｅで反射して、ビ
ーム拡大器２６によりビーム断面積が必要なフィールド
サイズ等に応じて拡げられ、ミラー２４ｆで反射してか
らランダム位相板２７を通り、レーザ光である露光光の
スペックルノイズが除去され、フライアイレンズ２８を
通過して強度分布が均一化され、コンデンサレンズ２９
を通ってレチクル３０に露光光４ｚとして照射される。
レチクル３０を出射したレーザ光は石英レンズから成る
縮小投影レンズ３１を通り、ウエハーステージ３２に乗
せられたウエハー３３上に当たる。

【００４９】これによってレチクル３０に形成されてい
る図示しない回路パターン等のパターンがウエハー３３
上に縮小投影される。縮小投影される露光面積（フィー
ルドサイズ）は、一例として、およそ２２ｍｍ角であ
り、たとえば直径２００ｍｍ（８インチ）のウエハー３
３上でチップ（２２ｍｍ×１１ｍｍ）の２個分を形成す
る領域を１回で露光するため、ウエハー３３全面では、
露光場所を移動していく度に、ウエハーステージ３２に
よるウエハー３３の移動、アライメント、および露光
（露光光４ｚの照射）を繰り返す。

【００５０】ここでウエハーステージ３２によるウエハ
ー３３の移動と、図２に示したように、レーザ波長変換
装置１００における非線形光学結晶１ａの移動（すなわ
ちＸステージ１２の可動部１２ａの位置）との時間的関
係の一例を図９を用いて説明する。

【００５１】非線形光学結晶１ａに入射する前の基本波
であるレーザ光４ａでは、供給元のレーザ装置の動作中
は一定の平均出力になっている。しかしレーザ光４ａが
非線形光学結晶１ａに入射して発生する第２高調波のレ
ーザ光４ａ’（露光光４ｚ）は、安定したレーザ出力に
なるまで多少の遅れ時間がある。またレーザ光４ａの供
給元のレーザ装置の動作を中断すると、基本波が止まる
ため、第２高調波のレーザ光４ａ’（露光光４ｚ）も直
ぐに止まる。したがって本実施の形態の露光装置では、
第２高調波のレーザ光４ａ’（露光光４ｚ）の出力が安
定する間（Ｔ１）のみを実際の露光に利用している。

【００５２】一方、レーザ波長変換装置１００において
非線形光学結晶１ａが載せられているＸステージ１２は
Ｘ方向を往復運動しているが、露光を行っている間（Ｔ
１）は、その往復運動における一方向の移動中となって
いる。すなわち、図９に例示されるように、Ｘステージ
１２の可動部１２ａの位置が一方向に移動している間
（Ｔ１）に露光が行われ、露光を中断して、ウエハース
テージ３２によりウエハー３３を移動させ、アライメン
トする間（Ｔ２）に可動部１２ａの移動方向が反転する
ように同期した動作を行わせる。

【００５３】以上のように、ウエハーステージ３２にお
ける露光操作とレーザ光４ａの供給元の発光タイミング
や、非線形光学結晶１ａを搭載したＸステージ１２の往
復平行移動を図９に例示されるように同期させることに
よって、露光中にＸステージ１２の可動部１２ａの移動
方向が反転することがなく、これによって反転時に生じ
る可能性のある露光光４ｚの出力変動を抑制することが
でき、露光むらの発生等の障害を回避して、安定した均
一な露光結果を得ることができる。

【００５４】なお、上述の説明では、通常の、いわゆる
ステップ・アンド・リピート方式による露光方法を例示
したが、レチクル３０とウエハーステージ３２上のウエ
ハー３３を同期して水平移動させることにより、パター
ン転写を行うステップ・アンド・スキャン方式に適用し
てもよい。すなわち、一例として、図８に例示されるよ
うに、レチクル３０を露光光４ｚの光軸に交差する方向
水平移動させるレチクル駆動機構３４と、このレチクル
駆動機構３４と、ウエハー３３が載置されたウエハース
テージ３２の水平移動とを同期させるように制御するス
キャン制御部３５を設け、レチクル３０およびウエハー
３３を水平方向に相対的に走査する露光光４ｚにて、パ
ターン転写を行うことにより、このステップ・アンド・
スキャン方式を実現することができる。

【００５５】次に、以上に述べた本実施の形態の露光装
置における非線形光学結晶１ａの移動操作における図９
に例示された同期制御の実現方法の一例を図１０を用い
て説明する。

【００５６】図１０は、本実施の形態の露光装置におけ
る制御系の構成の一例を示す概念図である。露光光源制
御系５００は、レーザ光４ａを発生する図示しないレー
ザ光源を制御するレーザ光発生制御部５０１、非線形光
学結晶１ａが載置されるＸステージ１２の移動制御を行
う非線形光学結晶ステージ制御部５０２からなる。ステ
ッパ本体制御系６００は、アライメント動作の制御を行
うアライメント制御部６０１、ウエハーステージ３２の
制御を行うウエハーステージ制御部６０２、露光時間モ
ニター６０３、等からなる。

【００５７】本実施の形態の露光装置におけるステッパ
本体３００では、ウエハー３３の露光位置を合わせるた
めに移動した直後に、アライメント制御部６０１がアラ
イメントを行う。このアライメントが終了すると、その
信号が露光光源制御系５００内のレーザ光発生制御部５
０１に送られ、レーザ光４ａが発生し、レーザ波長変換
装置１００に進み、非線形光学結晶１ａに入射して露光
光４ｚ（レーザ光４ａ’）が発生し、ウエハー３３に照
射される。なおこの間、非線形光学結晶１ａを載せたウ
エハーステージ３２は（図１のＸ方向に）移動してい
る。露光時間モニター６０３によって監視されている露
光操作の終了時間が来ると、次の露光位置にウエハー３
３を移動させるために、露光時間モニター６０３からウ
エハーステージ制御部６０２に信号が送られ、ウエハー
３３が移動する。また同時に露光時間モニター６０３か
ら非線形光学結晶１ａを載せたＸステージ１２の非線形
光学結晶ステージ制御部５０２にも信号が送られ、Ｘス
テージ１２の移動方向が反転する。

【００５８】以上の制御動作を繰り返すことで、露光中
はＸステージ１２にて往復移動される非線形光学結晶１
ａが一方向のみに移動し、露光終了直後にウエハー３３
の移動と非線形光学結晶１ａの移動方向の反転が行われ
るようになる、図９に例示される同期動作が実現し、露
光時には常に一定出力の露光光４ｚがウエハー３３に照
射される。

【００５９】（実施の形態６）次に、図１１を参照しな
がら、本発明のレーザ波長変換技術を用いた前述の実施
の形態５に例示されるような露光装置を用いた半導体装
置を製造方法の一例について説明する。

【００６０】図１１では、フォトリソグラフィ加工を施
す工程の一例として、ウエハー３３のシリコン基板１０
０１の表面に堆積（デポジション）された二酸化珪素
（ＳｉＯ₂）の絶縁膜１００２に微少な穴（コンタクト
ホール１００２ａ）を穿設する場合を工程順に示してあ
る。

【００６１】フォトリソグラフィ加工では、先ず始めに
図１１（１）に例示したように、シリコン基板１００１
の上に堆積された絶縁膜１００２にレジスト１００３が
塗布される。

【００６２】次に（２）に示したように露光（多数の矢
印で示したものが図８における露光光４ｚである。）が
行われる。すなわちレチクル３０（図８）のパターンの
露光光４ｚがウエハー３３上のレジスト１００３に照射
される。ここでは直径ΔＷのコンタクトホール１００２
ａの形成予定位置に相当する領域には露光光４ｚは照射
されない。

【００６３】なお本実施の形態では、レジスト１００３
はネガレジストと呼ばれるものであり、露光後に現像す
ると、図１１（３）に示したように露光光４ｚが照射さ
れなかったところのみが選択的に現像液に溶けて除去さ
れ、レジスト１００３には直径ΔＷの穴１００３ａが形
成される。

【００６４】そこで図１１（４）に示したように、エッ
チングを施すとレジスト１００３が除去されて形成され
た穴１００３ａを通じて露出した絶縁膜１００２がエッ
チングにより除去される。

【００６５】最後に図１１（５）に示したようにアッシ
ングなどによりレジストを除去することで、直径ΔＷの
コンタクトホール１００２ａを有する絶縁膜１００２が
シリコン基板１００１上に残ることになる。

【００６６】本実施の形態では、露光光４ｚの波長が約
１７０ｎｍとなっているため、通常の露光によっても、
最小約0.１７μｍの直径の穴（コンタクトホール１００
２ａなど）や、幅0.１７μｍの線の加工を施すことがで
きる。さらに位相シフトなどの超高解像技術を用いる
と、露光波長の約0.６倍の波長0.１０μｍまでの直径の
穴パターンや線パターン等の加工を施すことができる。
したがって本発明の露光装置を用いる本実施の形態の半
導体装置の製造方法は、コンタクトホール１００２ａや
ゲート加工などを、設計ルール0.２μｍ以下程度の微細
な加工を行う場合に有効である。

【００６７】以上説明した本発明のレーザ波長変換方法
およびレーザ波長変換装置ならびに露光方法および露光
装置ならびに半導体装置の製造方法の各実施の形態にお
ける技術的効果を列挙すれば以下の通りである。

【００６８】すなわち、本発明のレーザ波長変換装置で
は、非線形光学結晶を移動させるため、セルフヒーティ
ングを抑制できるだけでなく、非線形光学結晶が劣化す
る進み具合を大幅に低下することができるようになり、
長期間安定して高い変換効率を維持できる。

【００６９】また角度許容幅が方向によって小さくなる
非線形光学結晶を用いても、波長変換効率を下げずに、
セルフヒーティングを抑制できる。

【００７０】また非線形光学結晶が入射するレーザ光に
よって発熱しても、非線形光学結晶の内部に形成される
温度分布が、光軸方向に関してほぼ一定になる。したが
って、位相整合角がずれる部分は生じず、波長変換効率
が低下することはない。

【００７１】また非線形光学結晶の端面に接する閉ざさ
れた空間に清浄化された乾燥気体を満たしたり真空に引
くことによって、端面が曇ったり塵などによりダメージ
が生じる可能性がない。

【００７２】また出射面で反射損失が生じないように、
出射端がブリュースタカットされた非線形光学結晶を用
いた場合でも、位相整合の際に、発生する紫外光の進行
方向が変化することがなく、光学系の構成が困難になる
ことはない。

【００７３】また本発明のレーザ波長変換装置におい
て、特に非線形光学結晶を移動させる方式を用いた露光
装置では、露光を中断する間に、非線形光学結晶の移動
方向を反転させるため、安定した出力で真空紫外域の露
光光が得られる。

【００７４】以上より本発明のレーザ波長変換装置を用
いた露光光源では、高平均出力の真空紫外光を効率よく
発生できるようになり、これを用いた露光装置では安定
した露光光が得られるため、スループットの高い露光装
置を実現できるようになった。したがって本発明の露光
装置を用いると短時間で大量の半導体集積回路を製造で
きるため、低価格の半導体集積回路を提供できるように
なった。

【００７５】また特に本発明では真空紫外域の露光光を
用いた露光に適するため、設計ルール0.２μｍ以下の半
導体集積回路を製造する際に効果がある。

【００７６】以上本発明者によってなされた発明を実施
の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施
の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しな
い範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【００７７】たとえば、本発明のレーザ波長変換技術
は、半導体装置の製造工程におけるフォトリソグラフィ
のレーザ光源としてはもとより、真空紫外域の波長のレ
ーザ光を必要とする技術に広く適用することができる。

【００７８】

【発明の効果】本発明のレーザ波長変換方法によれば、
長期間、高い波長変換効率を維持できる真空紫外域のレ
ーザ波長変換を実現できる、という効果が得られる。

【００７９】また、本発明のレーザ波長変換方法によれ
ば、複雑な光学系を必要とすることなく、低損失にて波
長変換を行うことが可能な真空紫外域のレーザ波長変換
を実現できる、という効果が得られる。

【００８０】また、本発明のレーザ波長変換方法によれ
ば、たとえば真空紫外域の設計ルールの次世代のフォト
リソグラフィに必要な真空紫外光を露光光とする露光技
術を実現できる、という効果が得られる。

【００８１】本発明のレーザ波長変換装置によれば、長
期間、高い波長変換効率を維持できる真空紫外域のレー
ザ波長変換を実現できる、という効果が得られる。

【００８２】また、本発明のレーザ波長変換装置によれ
ば、複雑な光学系を必要とすることなく、低損失にて波
長変換を行うことが可能な真空紫外域のレーザ波長変換
を実現できる、という効果が得られる。

【００８３】本発明の露光方法によれば、真空紫外域の
波長の露光光を用いた露光操作を長期間、安定に行うこ
とができる、という効果が得られる。

【００８４】本発明の露光装置によれば、真空紫外域の
波長の露光光を用いた露光操作を長期間、安定に行うこ
とができる、という効果が得られる。

【００８５】また、本発明のレーザ波長変換装置によれ
ば、たとえば真空紫外域の設計ルールの次世代のフォト
リソグラフィに必要な真空紫外光を露光光とする露光技
術を実現できる、という効果が得られる。

【００８６】本発明の露光方法によれば、真空紫外域の
波長の露光光を用いた露光操作を長期間、安定に行うこ
とができる、という効果が得られる。

【００８７】本発明の露光装置によれば、真空紫外域の
波長の露光光を用いた露光操作を長期間、安定に行うこ
とができる、という効果が得られる。

【００８８】本発明の半導体装置の製造方法によれば、
たとえば真空紫外域の設計ルールの次世代半導体集積回
路を製造することができる、という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態であるレーザ波長変
換方法を実現するレーザ波長変換装置の構成を示した断
面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態であるレーザ波長変
換装置の動作機構をわかりやすく描いた斜視図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態であるレーザ波長変
換方法およびレーザ波長変換装置の作用の一例を示した
概念図である。

【図４】考えられる従来のレーザ波長変換方法およびレ
ーザ波長変換装置の作用の一例を示した概念図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態であるレーザ波長変
換方法およびレーザ波長変換装置の構成を示した斜視図
である。

【図６】本発明の第３の実施の形態であるレーザ波長変
換方法およびレーザ波長変換装置の構成を示した斜視図
である。

【図７】本発明のレーザ波長変換方法およびレーザ波長
変換装置を用いたフォトリソグラフィを行うための露光
装置の一例を示す構成図である。

【図８】本発明のレーザ波長変換方法およびレーザ波長
変換装置を用いたフォトリソグラフィを行うための露光
装置の一例を示す構成図である。

【図９】本発明の第１の実施の形態であるレーザ波長変
換方法およびレーザ波長変換装置を用いたフォトリソグ
ラフィを行うための露光装置の作用の一例を示す線図で
ある。

【図１０】本発明の第１の実施の形態であるレーザ波長
変換方法およびレーザ波長変換装置を用いたフォトリソ
グラフィを行うための露光装置の制御系の構成の一例を
示すブロック図である。

【図１１】（１）〜（５）は、本発明のレーザ波長変換
技術を採用した露光装置を用いた半導体装置を製造方法
の一例を工程順に説明する断面図である。

【符号の説明】

１ａ非線形光学結晶１ａ−ｉｎ入射端面１ａ−ｏｕｔ出射端面１ｂ非線形光学結晶１ｃ非線形光学結晶１ｃ−ｉｎ入射端面１ｃ−ｏｕｔ出射端面２ハウジング３ａ，３ｂ石英ガラス４ａ，４ａ’ レーザ光４ｂ，４ｂ’ レーザ光４ｃ，４ｃ’ レーザ光４ｚ露光光５ａ，５ｂ押え板６ａ〜６ｄねじ７ａ，７ｂシリコンシート８ａ，８ｂ空間９空洞１０，１０’ 光軸１１インジウムシート１２Ｘステージ１２ａ可動部１２ｂ案内部１３ａ λ／２波長板１３ｂ λ／２波長板１３ｃ λ／２波長板１４ａ，１４ｂシリンドリカルレンズ２１ステッパ本体２２ＸｅＣｌエキシマレーザ励起色素レーザ２３ａ，２３ｂレーザ光２４ａ〜２４ｆミラー２６ビーム拡大器２７ランダム位相板２８フライアイレンズ２９コンデンサレンズ３０レチクル３１縮小投影レンズ３２ウエハーステージ３３ウエハー３４レチクル駆動部３５スキャン制御部１００レーザ波長変換装置１１０レーザ波長変換装置１２０レーザ波長変換装置１３０レーザ波長変換装置２００露光装置３００ステッパ本体５００露光光源制御系５０１レーザ光発生制御部５０２非線形光学結晶ステージ制御部６００ステッパ本体制御系６０１アライメント制御部６０２ウエハーステージ制御部６０３露光時間モニター１００１シリコン基板１００２絶縁膜１００２ａコンタクトホール１００３レジスト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を非線形光学結晶を通過させる
ことによって波長変換を行うレーザ波長変換方法であっ
て、前記レーザ光を前記非線形光学結晶中に入射させて
前記波長変換を行う間、前記非線形光学結晶を前記レー
ザ光の進行方向と交差する方向に相対的に変位させるこ
とを特徴とするレーザ波長変換方法。
【請求項２】請求項１記載のレーザ波長変換方法にお
いて、前記非線形光学結晶における角度許容幅の大きい
方向に、前記非線形光学結晶を相対的に変位させる操
作、および前記レーザ光を、前記非線形光学結晶に入射
する前にλ／２波長板を通過させる操作、の少なくとも
一方の操作を実行することを特徴とするレーザ波長変換
方法。
【請求項３】請求項１または２記載のレーザ波長変換
方法において、前記変位は前記レーザ光の進行方向に対
する相対的な平行移動であり、前記非線形光学結晶にお
いて、前記レーザ光が入出射する端面以外で、前記平行
移動させる方向と平行な面から選択的に放熱させること
を特徴とするレーザ波長変換方法。
【請求項４】請求項１，２または３記載のレーザ波長
変換方法にて得られるレーザ光を露光光として露光を行
う露光方法であって、前記変位は往復平行移動であり、
前記往復平行移動における任意の一方向の移動を行う間
に露光処理を行い、前記露光処理を中断する間に前記平
行移動の移動方向を反転することを特徴とする露光方
法。
【請求項５】その内部を通過するレーザ光の波長変換
を行う非線形光学結晶を備えたレーザ波長変換装置であ
って、前記レーザ光が入出射する前記非線形光学結晶の
端面から離れた位置に、前記レーザ光を透過させる光透
過性部材を設け、前記光透過性部材と前記端面との間に
外部から遮断される密閉空間を形成してなることを特徴
とするレーザ波長変換装置。
【請求項６】請求項５記載のレーザ波長変換装置にお
いて、前記密閉空間に、清浄化された乾燥気体を充満し
てなる構成、または、前記密閉空間を所望の真空度に排
気してなる構成としたことを特徴とするレーザ波長変換
装置。
【請求項７】請求項５または６記載のレーザ波長変換
装置において、非線形光学結晶における前記レーザ光の
出射面はブリュースタカットされ、かつ前記非線形光学
結晶における前記レーザ光の入射面の手前にはλ／２波
長板が配置され、前記λ／２波長板を通過した前記レー
ザ光が前記非線形光学結晶に入射するようにしたことを
特徴とするレーザ波長変換装置。
【請求項８】請求項１，２または３記載のレーザ波長
変換方法、または請求項５，６または７記載のレーザ波
長変換装置を用いることを特徴とする露光方法。
【請求項９】請求項１，２または３記載のレーザ波長
変換方法、または請求項５，６または７記載のレーザ波
長変換装置を露光光源に用いたことを特徴とする露光装
置。
【請求項１０】露光光にレーザ光を用いるフォトリソ
グラフィによって所望の回路パターンを形成する半導体
装置の製造方法であって、請求項８記載の露光方法また
は請求項９記載の露光装置を前記フォトリソグラフィに
用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。