JPH10279321A

JPH10279321A - リソグラフィー用石英ガラスレンズの製造方法

Info

Publication number: JPH10279321A
Application number: JP9085423A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hiraiwa; 弘之平岩
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-04-03
Filing date: 1997-04-03
Publication date: 1998-10-20

Abstract

(57)【要約】【課題】高い品質の石英ガラスインゴットを合成して
ても、アニールなどの熱的加工、切り出し、丸めなどの
機械的加工を行うと、均質性などの品質が変化してしま
い、部材の歩留まりを下げてしまう。【解決手段】円筒形状の半製品を切り出すし、その外
周を所望のレンズの外径となるように心取り加工を行っ
た後、研削及び研磨してレンズ形状とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光リソグラフィー、
特に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の光を用いる光学
系に用いるのに適した合成石英ガラスレンズの製造方法
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、その基盤となるシリコン等
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、ステッパー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、ステッパの投影系レンズには、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。）従って、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、上式で
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（ｇ
-line）(436nm)からｉ線（ｉ-line）（365nm）へ、さら
にＫrＦ（248nm）やＡｒＦ（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、それが使用レンズ数枚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、特に４００nm
よりも短い波長領域の光を用いる光学系では、短波長化
及び光学部材の組み合わせによる透過率低下を考慮した
特殊な製法の光学ガラスを用いる。さらに３００nm以下
の波長領域の光を用いる光学系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
されいる。

【０００６】一方、投影系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要求される。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、これら材料の口径や暑さは拡大し、
要求される品質を得ることがますます困難になってい
る。

【０００７】ところで、紫外光の高透過率性を実現する
ためには、石英ガラス中の不純物濃度を抑えることが必
要になる。そこで、この様な石英ガラスを製造する方法
として、原料ガスとなるＳｉ化合物ガスとＳｉ化合物ガ
スを送るキャリアガス（例えば、Ｈ₂、Ｏ₂ガス等）、お
よび加熱のための燃焼ガスをバーナーから噴出し、火災
内で石英ガラス粉をターゲット上に堆積させる火災加水
分解法が一般的に用いられている。

【０００８】この方法は、原料ガスおよび燃焼ガスの不
純物を抑えることが容易なため、高純度な石英ガラスが
得られることが知られているが、紫外線リソグラフィー
用光学部材としての石英ガラスは、特に均質な屈折率分
布を持つことも要求される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ステッパーのような高
精度の光学系を構成するレンズを製造するためには、
凸、凹、メニスカス等のレンズ形状に係わらず、そのレ
ンズを内包する形状（円筒形状）の半製品の段階での品
質の評価を行う必要がある。この段階でレンズ素材であ
る石英ガラスの品質が保証されていることが設計通りの
レンズ性能を発揮させるための必要条件である。

【００１０】本発明者は、どのように高い品質の石英ガ
ラスインゴットを合成することができても、そこからア
ニールのような熱的加工、また切り出し、丸めといった
機械的加工を行い前述の円筒形状まで加工を進めて行く
なかで、均質性などの品質が変化してしまい、部材の歩
留まりを下げてしまう問題があることを見いだした。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、丸め等の加
工工程が石英ガラスの構造に歪を生じさせ、均質性等の
物性が変化してしまうことを見いだした。そこで加工に
関する実験を繰り返した結果、このような物性変化を生
じさせない製造方法を見いだした。本発明は、４００ｎ
ｍ以下の光学系に用いられるレンズを製造する方法にお
いて、ターゲットまたは容器に石英ガラス粉を堆積・溶
融して合成石英ガラスインゴットを製造する工程と、得
られた合成石英ガラスインゴットを上記石英ガラス粉の
堆積方向に垂直に切断し、得られた石英ガラスブロック
を熱処理する工程と、前記石英ガラスブロックから所望
のレンズ形状を含む円筒形状の半製品を切り出す工程
と、前記円筒形状の半製品の外周を所望のレンズの外径
となるように心取り加工を行う工程と、前記心取り加工
された半製品を研削及び研磨してレンズ形状とする工程
とからなることを特徴とするレンズの製造方法を提供す
る。

【００１２】さらに、前記円筒形状の半製品の外周を所
望のレンズの外径となるように外周研磨加工を行う工程
と、前記外周研磨加工された半製品を研削及び研磨して
レンズ形状とする工程とからなることを特徴とするレン
ズの製造方法を提供する。さらに、前記円筒形状の半製
品の外周を所望のレンズの外径となるようにフッ酸処理
を行う工程と、前記フッ酸処理された半製品を研削及び
研磨してレンズ形状とする工程とからなることを特徴と
するレンズの製造方法を提供する。

【００１３】

【実施の形態】本発明によるリソグラフィー用石英ガラ
スレンズの製造工程を図１に示した。先ず、原料ガスと
酸素ガスと水素ガスとをバーナーから噴出し、ターゲッ
ト上に石英ガラス粉を堆積させかつ透明化させてインゴ
ットを形成する。この方法は火炎加水分解法の中で直接
法といわれる方法であり、ターゲット上に形成されたイ
ンゴット上のガラス合成面（ヘッド部分）に火炎中の石
英ガラス粉が堆積しかつ同時に透明化して、それによっ
てインゴットを成長させていく方法である。

【００１４】図２は、本発明に有用な合成石英ガラス製
造装置の概略図である。バーナー２０１は、耐火物層２
０２ａと断熱層２０２ｂとからなる炉枠２０２上部から
ターゲット２０３にその先端部を向けて設置されてい
る。炉枠２０２には観察用の窓２０４と、ＩＲカメラ観
察用の窓２０５と、排気孔２０６とが設けられている。
更に、炉枠２０２の下部には、インゴット２０７形成用
のターゲット２０３が設置されており、支軸２０３ａを
介してＸＹステージ２０８に接続されている。

【００１５】図３は、バーナー２０１の先端の正面図で
ある。バーナー２０１は、中心部に配置されかつ原料ガ
ス（ＳｉＣｌ₄ガス）を噴出するための第１の管３０１
と、第１の管３０１の周囲に同心円状に配置されかつ酸
素ガスを噴出するための第２の管３０２と、第２の管３
０２の周囲に同心円状に配置されかつ水素ガスを噴出す
るための第３の管３０３と、第３の管３０３の周囲に同
心円状に配置されかつ水素ガスを噴出するための第４の
管３０４と、第３の管３０３の外周と第４の管３０４の
内周との間に配置されかつ酸素ガスを噴出するための複
数の第５の管３０５と、第４の管３０４の周囲に同心円
状に配置されかつ水素ガスを噴出するための第６の管３
０６と、第４の管３０４の外周と第６の管３０６の内周
との間に配置されかつ酸素ガスを噴出するための複数の
第７の管３０７と、を備える。なお、上記の管はいずれ
も石英管である。なお、各ガスの流量は、使用される炉
の規模等によって適宜選択される。

【００１６】上記水素ガス及び酸素ガスによる火炎によ
り原料ガスが酸化されて溶融石英（石英ガラス粉）とな
り、ターゲット２０３上に堆積しかつ透明化してインゴ
ット２０７が形成される。インゴット２０７のヘッド部
（ガラス合成部）は火炎に覆われており、ＩＲカメラ２
０９によってその形状及び温度が観察される。ＩＲカメ
ラ２０９には画面をデータ処理するためのコンピュータ
ー２１０が接続されており、コンピューター２１０には
ＸＹステージ２０８をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向にそれぞ
れ駆動するＸ軸サーボモータ２１１、Ｙ軸サーボモータ
２１２及びＺ軸リニアガイド２１３、並びにターゲット
２０３を回転Ｒさせる回転モータ２１４が接続されてい
る。そしてコンピュータ５２０は、処理された画像デー
タ及び／またはオペレーターからの指示に基づいて、イ
ンゴットのガラス合成面が平面になるようにサーボモー
タ等に信号を送ってＸＹステージ２０８を制御する。

【００１７】具体的には、ターゲット２０３及びその上
に形成されたインゴット２０７を、インゴットの成長方
向に対して実質的に垂直なＸ軸方向に揺動させ、かつイ
ンゴットの成長方向及びＸ軸方向に対して実質的に垂直
なＹ軸方向に揺動させて、インゴット２０７のガラス合
成面に対して前記諸ガス均一に噴出されるようにしつ
つ、インゴット２０７をその成長方向に平行な中心軸を
中心にして回転させながら、バーナー２０１先端とイン
ゴット２０７ガラス合成面との間の距離が一定に維持さ
れるようにインゴット２０７をバーナー２０１から徐々
に離間させることが好ましい。このようにガラス合成面
の全面に対して前記諸ガスが均一に噴射されるようにす
ることによって良好な均質性が得られる。より具体的な
揺動パターンとしては、Ｘ軸方向の揺動パターンをsin
カーブまたは矩形カーブとすることが好ましく、矩形カ
ーブが特に好ましい。また、Ｘ軸とＹ軸との交点がイン
ゴット２０７の成長方向に平行な中心軸から３〜５０ｍ
ｍ離れるようにＹ軸方向にオフセットすることが好まし
い。オフセット値が３ｍｍより小さいとガラス合成面の
中心部凹んでしまう傾向にあり、他方、５０ｍｍより大
きいとインゴットの形状が保持できなくなる傾向にあ
る。なお、かかるカーブの周期、振幅は所望のインゴッ
トの大きさ等に応じて適宜選択される。更に、ターゲッ
ト２０３の回転速度は５〜２０回転／分が好ましい。

【００１８】上記のようにして得られたインゴットか
ら、以下の手順で半製品、レンズへと加工を進めて行
く。合成終了後、インゴット温度が室温近くに下がった
ところで、インゴット両端の中心出しのためのマーキン
グを行う。これによりインゴットの中心軸を決め、加工
の基準とする。

【００１９】最初にヘッド部（ガラス合成部）側のマー
キングを行う。ヘッド部は曲面となっているので、合成
中と同様にインゴットを回転させながら高さを一定に保
ちながら合成面の中央部に近いと思われる部分に油性ペ
ンを押しつける。これによりインゴットの回転中心を中
心とする円をヘッド部上に描くことが出来る。この円の
中心がインゴットの中心軸の片側となるので、これをイ
ンゴットの中心軸の一端としてマーキングする。次にイ
ンゴットを機械部から降ろし、インゴット底部（平面）
の中心をマーキングし、インゴット中心軸のもう一方の
基準位置とする。

【００２０】次にインゴット側面を研削面の幅が約５０
〜１５０ｍｍ、インゴットの内部を観察する必要がある
場合は幅１００ｍｍ以上となるように研削する。この面
がこの後の加工の基準面となる。したがって、この研削
面はインゴットの基準軸と平行になるように加工するこ
とが重要である。このため、研削機にインゴットを寝か
せた状態でセットする場合、既にマーキングしたインゴ
ット基準軸の両端の位置を研削機のベースからの距離が
同一になるように設置する。この状態で研削を行えば、
研削面はインゴット基準軸と平行になる。続けてこの研
削面を研削機のベース側に向けてインゴットを設置し、
対向するもう１面の研削を研削面の幅が先ほどと同一と
なるように研削を行う。この対向する研削面にマッチン
グオイルを塗り板ガラスを張り付けることによりオイル
オンプレート法で脈理、泡などの欠陥の位置を確認する
ことができる。

【００２１】次に、インゴットの切断を行う。ベーク
ライト、板ガラスなどのベースにこの研削面を基準にイ
ンゴットを張り付け、刃とインゴット基準軸が垂直にな
るようにバンドソーのベース上にインゴットをセットし
て切断を行えば、切断面はインゴット基準軸と垂直にな
る。切断によって得られた半製品は一部の側面に対向す
る平面部を持つ円筒形状である。各半製品とも切断面の
中央部は外周部から割り出しマーキングしておく。この
マーキングをこれ以降の丸め、コアドリル加工などの基
準とすれば、インゴットの中心軸と円筒形状の半製品の
中央、さらにはレンズの中心を常に一致させることがで
きる。これにより回転対称とならない、即ちレンズ組立
段階で調整により補正不可能な成分をレンズから排除す
ることができる。

【００２２】次に、周辺部を丸め加工で取り除く。これ
には丸め機もしくはコアドリルを用いる。この際、前述
のような中心部のマーキングを基準とし、中央位置を維
持しながら加工を行う。この丸め加工により一部の平面
部を取り除き、円筒形状とする。続いてアニール等の熱
処理を行う。熱処理は円筒形状の半製品を回転させなが
ら行う。回転軸は半製品の中心位置と一致させる。この
ような配慮を行わずにアニールなど石英ガラス部材に５
００℃以上の熱をかける操作を行うと、物性の中央対称
性が損なわれてしまう。

【００２３】続いて、所望のレンズを内包する形状（円
筒形状）まで、心取り機での丸め加工を行う。ここで、
通常の丸め機を使って丸め加工を行ってしまうと、加工
による歪により均質性が変化してしまう。心取り機と丸
め機の模式図を図４及び図５に示す。心取り機はレンズ
の研磨工程でレンズの心取り作業を行うための機械であ
り、通常このような半製品の加工に用いることはない。
しかし、丸め機のように刃でガラスを切り込んで行くよ
うな加工ではなく、面でガラスの径を減らして行くマイ
ルドな加工であるため、ガラスの変質が起こらないもの
と考えられる。また、加工部分が表面粗さが小さくなめ
らかな状態となることも寄与していると推察される。こ
のように心取り加工は品質にはよい影響があるが、加工
量が大きい場合は丸め機に比較して加工時間がかかる問
題がある。この問題を解決するためには丸め機と心取り
機を併用することが望ましい。所望の径より一回り大き
い径までは丸め加工を行い、最後の０．５〜３ｍｍだけ
を心取り機で加工すれば、加工時間の問題は解決でき
る。心取り機の刃は＃２７０程度の荒さを用いる事が望
ましい。これにより、円筒形状の側面部の表面粗さはＲ
ｍａｘで１０μｍ以下にすることができる。

【００２４】また、心取り機を用いなくても丸め加工の
後さらに外周研磨加工を行ない、側面部の表面粗さを１
０μｍ以下にすれば内部の変質は消失する。また、フッ
酸処理を行い側面部を０．２ｍｍ程度エッチングを行え
ば内部の変質を取り去ることができる。処理条件は室温
で濃度１００％なら３Ｈ、６５％なら６Ｈとなる。

【００２５】このような工程で得られた円筒形状の半製
品の内部均質性を干渉計で測定する。均質性は波面収差
あるいは光路差という形で測定される。この値により、
レンズとして所望の性能が得られるものを選別すること
ができる。丸め加工にみで加工を行った場合、発生した
歪によりこの値が著しく劣化し、大きな波面収差を生ず
る。さらに、ここでの測定結果は選別に用いるのみなら
ず、測定結果を考慮した光学設計を再度行うことによ
り、レンズの曲率等を補正し、レンズ性能を向上させる
ことができる。

【００２６】この半製品を研削研磨しレンズを製作す
る。以下、実施例により本発明を具体的に説明する。図
３に示すバーナーを備えた図２に示す合成石英ガラス製
造装置を用いて、下記条件下で直径２５０ｍｍの円柱状
インゴットを製造した。（原料）・原料ガス（四塩化珪素６９vol％＋水素キャリア３１
vol％）→第１の管・酸素ガス→第２、５、７の管・水素ガス→第３、４，６の管（管寸法及びガス流速）

【００２７】

【表１】

【００２８】（ターゲット動作）・Ｘ軸方向揺動バターン：矩形カーブ（１周期：９０秒、振幅：１００ｍｍ）・Ｙ軸方向オフセット：１０ｍｍ・Ｚ軸方向引き下げ速度：２．４ｍｍ／ｈｒ・回転速度：７ｒｐｍ（排気量）・２．５ｍ³／ｍｉｎ高純度合成石英ガラスインゴットは、いわゆるダイレク
ト法と呼ばれる方法により合成した。合成は石英ガラス
粉を堆積する不透明石英ガラス板からなるターゲットを
一定周期で回転させ、更に堆積速度に合わせて降下を同
時に行うことにより、インゴットの合成面の中心位置を
常時バーナーから同距離に保ち、合成を行った。これら
の運動に加えて、インゴットの合成面の温度分布をＩＲ
カメラで計測した。これにより、バーナーの形状や種々
のガス量等に起因するインゴットの合成面の温度分布
と、バーナーから流出するガス流量に起因する温度分布
を組み合わせることができ、得られる石英ガラスの屈折
率の均質性および脈理の分布を最適化することができ
た。

【００２９】インゴットの合成面の形状は、前記のよう
にＩＴＶカメラにより常時監視し、ガス流量を制御する
マスフローコントローラへの信号を制御した。合成した
インゴットから日本光学硝子工業会規格１１の光学ガラ
スの脈理の測定方法に伴い、大きさが５０×５０×２０
ｍｍの測定試料を作製した。ただし、平行研磨を施す５
０×２０ｍｍの両面インゴットの合成面に対して水平と
なるようにした。得られた試料と標準試料を目視により
比較したところ、測定方法では脈理が認められなかっ
た。

【００３０】さらに、インゴットの合成面に対して垂直
な平面研磨面を持つ試料を作製し、同様に脈理の測定を
行った結果、存在する脈理は曲面（曲線）状ではなく、
研磨面に対して垂直な平面（直線）状であった。脈理の
強さは日本光学ガラス工業会規格１１の標準資料Ｂと同
程度（Ｂ級または２級）だった。このインゴツトから、
円筒形の半製品を切り出し、丸めのみ、心取り、側面ラ
ップ加工、フッ酸処理を行い、φ２００ｔ５０の半製品
を得た。加工条件と干渉計により測定された屈折率の均
質性（波面収差で表わしたもの）の比較を表２にまとめ
た。

【００３１】

【表２】

【００３２】波面収差１はTILT,Power,中央対称成分を
補正した非回転対称成分のRMS値で、0.0050λ以下は使
用可能。波面収差２はTILT,Power,２次および４次の成
分を補正した回転対称性分のRMS値で、0.0020λ以下は
使用可能。実施例３のフッ酸処理条件は６５％６Ｈであ
り、比較例１の条件で丸め加工後にフッ酸処理を行っ
た。

【００３３】実施例１、２、３では投影レンズとして要
求される品質を満たしているが、比較例１では丸め加工
による歪が原因で、また比較例２ではインゴット中心の
基準軸から偏心して切り出したため中心対称性が崩れ、
各種の補正が効かなくなったことにより、使用できない
波面収差となった。さらに、心取り加工した半製品より
研削、ＣＧ加工、研磨、そしてレンズの心出しのための
心取り、コートを行い、光学レンズを作製し、その光学
レンズを投影光学系レンズ（複数）として用いて露光装
置（ＫｒＦステッパ）を構成して下記条件下でパターン
を焼いたところ、０．２０というきわめて高水準の限界
解像度が達成された（評価条件）・エネルギー密度：約１ｍＪ／ｃｍ²・Ｐｕｌｓｅ（レ
ジスト上）・周波数：５００Ｈｚ・レジスト：評価用レジスト

【００３４】

【発明の効果】本発明により、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
の特定波長領域の光を用いた光学系の解像度を著しく向
上させた石英ガラス製レンズ及び光学系を得ることが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】はリソグラフィー用石英ガラスレンズの製造工
程を示す図である。

【図２】は石英ガラス製造装置を示す概略図である。

【図３】はバーナー先端を示す正面図である。

【図４】は心取り機の概略図である。

【図５】は丸め機の概略図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】４００ｎｍ以下の光学系に用いられるレン
ズを製造する方法において、ターゲットまたは容器に石英ガラス粉を堆積・溶融して
合成石英ガラスインゴットを製造する工程と、得られた
合成石英ガラスインゴットを上記石英ガラス粉の堆積方
向に垂直に切断し、得られた石英ガラスブロックを熱処
理する工程と、前記石英ガラスブロックから所望のレン
ズ形状を含む円筒形状の半製品を切り出す工程と、前記
円筒形状の半製品の外周を所望のレンズの外径となるよ
うに心取り加工を行う工程と、前記心取り加工された半
製品を研削及び研磨してレンズ形状とする工程と、から
なることを特徴とするレンズの製造方法。
【請求項２】４００ｎｍ以下の光学系に用いられるレン
ズを製造する方法において、ターゲットまたは容器に石英ガラス粉を堆積・溶融して
合成石英ガラスインゴットを製造する工程と、得られた
合成石英ガラスインゴットを上記石英ガラス粉の堆積方
向に垂直に切断し、得られた石英ガラスブロックを熱処
理する工程と、前記石英ガラスブロックから所望のレン
ズ形状を含む円筒形状の半製品を切り出す工程と、前記
円筒形状の半製品の外周を所望のレンズの外径となるよ
うに外周研磨加工を行う工程と、前記外周研磨加工され
た半製品を研削及び研磨してレンズ形状とする工程と、
からなることを特徴とするレンズの製造方法。
【請求項３】４００ｎｍ以下の光学系に用いられるレン
ズを製造する方法において、ターゲットまたは容器に石英ガラス粉を堆積・溶融して
合成石英ガラスインゴットを製造する工程と、得られた
合成石英ガラスインゴットを上記石英ガラス粉の堆積方
向に垂直に切断し、得られた石英ガラスブロックを熱処
理する工程と、前記石英ガラスブロックから所望のレン
ズ形状を含む円筒形状の半製品を切り出す工程と、前記
円筒形状の半製品の外周を所望のレンズの外径となるよ
うにフッ酸処理を行う工程と、前記フッ酸処理された半
製品を研削及び研磨してレンズ形状とする工程と、から
なることを特徴とするレンズの製造方法。