JPH1167623A

JPH1167623A - 露光光源および露光装置ならびに半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH1167623A
Application number: JP9216452A
Authority: JP
Inventors: Kiwamu Takehisa; 究武久
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-08-11
Filing date: 1997-08-11
Publication date: 1999-03-09

Abstract

(57)【要約】【課題】真空紫外域の波長の十分な平均出力の露光光
を効率よく得る。【解決手段】レーザ光発生部１１０から取り出された
基本波のレーザ光Ｌ１は、ミラー１ａ、１ｂを経て、波
長変換部１２０へ進み、レンズ２ａを通り、第１のダイ
クロイックミラー３ａに入射する。基本波のレーザ光Ｌ
１は第１のダイクロイックミラー３ａを透過して、非線
形光学結晶４に入射して第２高調波Ｌ２が発生し、第２
のダイクロイックミラー３ｂで反射する。残留基本波Ｌ
３は凹面反射鏡５で反射して、再び非線形光学結晶４に
入射し、再び第２高調波Ｌ４が発生し、これは第１のダ
イクロイックミラー３ａで全反射して、λ／２波長板６
を通過し、偏光方向が第２高調波Ｌ２の偏光方向に対し
て９０度回転して第２高調波Ｌ５となる。偏光方向の互
いに異なる二つの第２高調波Ｌ５と第２高調波Ｌ２は、
偏光ビームスプリッタ７で合成され、露光光Ｌ６が得ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、露光技術および半
導体装置の製造技術に関し、特に、真空紫外域の露光光
を用いるフォトリソグラフィ技術およびそれを用いた半
導体装置の製造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、例えば、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９
６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。

【０００４】一方、真空紫外域で直接レーザ発振するＡ
ｒＦエキシマレーザを用いずに、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真空紫外光を発生させる
ことも考えられている。例えば近赤外域の波長１０６４
ｎｍ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２１３ｎｍ、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、例えば、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、２４
ｐＶＩＩ１（第５８頁から第６１頁）において説明され
ている。

【０００５】また、波長変換を用いた技術により波長
０．２μｍ程度の真空紫外光を発生させる他の手法とし
て、エキシマレーザを励起光源として動作させた色素レ
ーザを波長変換することが考えられる。これによると波
長０．２μｍ程度の第２高調波が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】波長変換によって発生
させた紫外光を露光光とする場合、波長変換の効率が低
いことがあった。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。したがって十分な出力の露光
光を得るためには、波長変換効率が高い必要がある。

【０００７】ところが一般に波長変換効率を高めるため
にレーザパルスのピークパワーを高くすると有利である
が、ピークパワーの高いレーザ光は露光レンズにダメー
ジを生じさせやすくなるなど、露光光としては適さな
い。したがって露光光としては、できるだけピークパワ
ーが低いパルスレーザ光が適する。したがってその結
果、波長変換効率が一般に低くなり、十分な平均出力の
露光光が得られないことが技術的課題であった。

【０００８】また、一般にレーザ発振器を高い効率で波
長変換するには、内部波長変換を適用することが知られ
ている。ところが、色素レーザ発振器では、共振器を構
成する全反射鏡として、一般に波長選択素子である回折
格子が用いられるが、回折格子は全反射鏡に比べて反射
率が低いことから発振効率が悪い。したがって色素レー
ザ発振器を内部波長変換しても、十分な出力の第２高調
波が得られないことが技術的課題であった。さらにま
た、回折格子を用いた色素レーザ発振器をあまり高出力
化すると、回折格子にダメージが生じることが懸念され
る。

【０００９】すなわち、一般に色素レーザを効率よく取
り出すためには、効率が低い発振器と効率が高い増幅器
を組み合わせることが望ましいとされているが、増幅器
を用いると、内部波長変換を構成できなくなることが技
術的課題であった。

【００１０】本発明の目的は、十分な平均出力の露光光
が効率よく得られる露光光源を提供することにある。

【００１１】本発明の他の目的は、基本波から高調波へ
の変換における基本波の利用率を高めて、十分な平均出
力の露光光を効率よく出力する露光光源を提供すること
にある。

【００１２】本発明の他の目的は、波長変換系から得ら
れた高調波が再度当該波長変換系を通過することに起因
する損失を回避して、十分な平均出力の露光光を効率よ
く出力する露光光源を提供することにある。

【００１３】本発明の他の目的は、微細なパターンの露
光処理を効率良く遂行することが可能な露光装置を提供
することにある。

【００１４】本発明の他の目的は、真空紫外域以下の微
細な回路パターンを有する高集積度の半導体装置を高ス
ループットにて製造することが可能な半導体装置の製造
技術を提供することにある。

【００１５】本発明の他の目的は、高い効率で高出力の
第２高調波を発生できる色素レーザ発振器を提供するこ
とにある。

【００１６】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。

【００１７】

【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。

【００１８】本発明の露光光源は、基本波のレーザ光を
発生するレーザ光発生部と、入射する基本波のレーザ光
から高調波を発生する波長変換手段と、レーザ光発生部
から入射する基本波のレーザ光によって波長変換手段か
ら出射する高調波および未変換の基本波を含むレーザ光
を再び波長変換手段に入射させる反射手段と、レーザ光
発生部から波長変換手段に入射する基本波の光路上に配
置され、基本波と高調波を分離する第１の波長分離手段
と、波長変換手段と反射手段との間におけるレーザ光の
光路に配置され、波長変換手段にて発生した高調波と未
変換の基本波とを分離する第２の波長分離手段と、第１
および第２の波長分離手段によって分離された高調波の
レーザ光を併合して露光光とする併合光学系と、を含む
構成としたものである。

【００１９】より具体的には、一例として、おもにレー
ザ光発生部と非線形光学結晶とで構成され、レーザ光発
生部から発生するレーザ光の第２高調波を露光光として
用いるものである。その際に、レーザ光発生部から発生
する基本波のレーザ光を、非線形光学結晶中に入射させ
る前に、基本波のレーザ光と非線形光学結晶において発
生する第２高調波のレーザ光とを分離可能な第１のダイ
クロイックミラーに入射させ、かつ非線形光学結晶から
出射するレーザ光を、同様の分離が可能な第２のダイク
ロイックミラーに入射させ、かつ第２のダイクロイック
ミラーを経た基本波のレーザ光を反射鏡で反射させて、
再び非線形光学結晶中に入射させ、かつ第１のダイクロ
イックミラーを経た前期第２高調波のレーザ光と、第２
のダイクロイックミラーを経た前期第２高調波のレーザ
光の内の一方を、λ／２波長板に通してから、偏光ビー
ムスプリッタによって、これら２本のレーザ光を合成
し、この合成されたレーザ光を露光に用いるものであ
る。

【００２０】これによると、基本波のレーザ光が非線形
光学結晶を２回通過するため、発生する第２高調波の出
力が２倍近くに増える。また、非線形光学結晶から発生
した高調波は再び当該非線形光学結晶を通過しないの
で、非線形光学結晶を通過することによる高調波の減衰
が回避される。

【００２１】また、本発明では、レーザ光発生部とし
て、たとえば以下のような構成の色素レーザを用いるも
のである。すなわち、色素をレーザ媒質として少なくと
も２枚の反射鏡で共振器が構成された色素レーザにおい
て、共振器を構成する２枚の反射鏡の間にビームスプリ
ッタを配置し、このビームスプリッタにより前記共振器
から２方向に取り出されたレーザ光の内、一方のレーザ
光が回折格子に照射し、もう一方のレーザ光が基本波と
して上述の波長変換手段としての非線形光学結晶に入射
する構成としたものである。

【００２２】これによると、色素レーザ発振器を構成す
る共振器として回折格子ではなく、一般の反射鏡で構成
できるため、効率よく色素レーザを発振でき、また、非
線形光学結晶を出射したレーザ光を反射鏡によって再び
色素レーザ発振器中に戻せるため、結局、非線形光学結
晶から発生した紫外光のみを外部に取り出すことができ
る。

【００２３】また、このような露光光源を備えた露光装
置を提供する。また、この露光装置をフォトリソグラフ
ィに用いる半導体装置の製造方法を提供する。

【００２４】

【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。

【００２５】図１は、本発明の露光光源の第１の実施の
形態の構成の一例を示す概念図である。本実施の形態の
露光光源１００は、大別して、レーザ光発生部１１０
と、点線で囲まれた波長変換部１２０とで構成される。
レーザ光発生部１１０としては、一般に市販されている
レーザ装置を用いることができ、本実施の形態では、Ｘ
ｅＣｌエキシマレーザ励起色素レーザが用いられる。レ
ーザ光発生部１１０から取り出された波長４１６ｎｍの
基本波のレーザ光Ｌ１は、ミラー１ａ、１ｂを経て、波
長変換部１２０へ進む。なお基本波のレーザ光Ｌ１は直
線偏光であり、図１において、紙面に平行な偏光方向を
有するものとする。なお図１ではレーザ光発生部１１０
は波長変換部１２０よりやや小さく描かれているが、実
際には、レーザ光発生部１１０は波長変換部１２０より
も遥かに大きいものである。

【００２６】波長変換部１２０内に進んだ基本波のレー
ザ光Ｌ１は、レンズ２ａを通り、絞られながら進み、第
１のダイクロイックミラー３ａに入射する。第１のダイ
クロイックミラー３ａと、以下で述べる第２のダイクロ
イックミラー３ｂは双方とも、基本波をほぼ１００％透
過し、第２高調波に対してはほぼ１００％反射する特性
を有している。なお、本発明におけるダイクロイックミ
ラーとは、本発明で用いられるレーザ光発生部から取り
出された基本波とその高調波とで、反射率（あるいは透
過率）が大きく異なるミラーのことである。したがっ
て、基本波のレーザ光Ｌ１は第１のダイクロイックミラ
ー３ａを透過して、非線形光学結晶４に入射してこの中
で集光し、第２高調波が発生する。なお、本実施の形態
では、非線形光学結晶４はＴｙｐｅ−Ｉの位相整合にな
っており、発生する第２高調波の偏光方向は基本波の偏
光方向と直交するため、紙面に垂直な方向（Ｚ方向とす
る。）になる。なお非線形光学結晶４としては、ＢＢＯ
（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）結晶や、ＳＢＢＯ（Ｓｒ₂Ｂｅ₂
Ｂ₂Ｏ₇）結晶などが適する。

【００２７】発生した第２高調波と波長変換しなかった
基本波（以下、残留基本波と呼ぶ。）とが含まれたレー
ザ光は、図１で右方向（すなわちＸ方向）に進み、第２
のダイクロイックミラー３ｂに入射する。その結果、第
２高調波のみ（レーザ光Ｌ２）が第２のダイクロイック
ミラー３ｂをほぼ全反射して、残留基本波（レーザ光Ｌ
３）は第２のダイクロイックミラー３ｂを透過する。残
留基本波（レーザ光Ｌ３）は凹面反射鏡５に当たって全
反射し、再び第２のダイクロイックミラー３ｂに入射す
る。したがって、ここを透過して、再び非線形光学結晶
４に入射し、この中で集光する。これによって、再び第
２高調波が発生し、図１で左方向（−Ｘ方向）に進む。
なお残留基本波の偏光方向は初めの基本波（レーザ光Ｌ
１）と同じ水平方向であるため、２度目に発生した第２
高調波の偏光方向も、１度目に発生した第２高調波と同
様、垂直方向（Ｚ方向）になる。２度目に発生した第２
高調波は第１のダイクロイックミラー３ａに入射するた
め、ここで全反射して、レーザ光Ｌ４の様に進む。レー
ザ光Ｌ４はレンズ２ｂを通り平行ビームに戻り、ミラー
１ｃで反射してから、本発明の偏光面回転子であるλ／
２波長板６を通過する。その結果、偏光方向が９０度回
転して、レーザ光Ｌ５は水平方向（Ｙ方向）の偏光方向
になる。

【００２８】一方、第２のダイクロイックミラー３ｂを
反射した垂直偏光のレーザ光Ｌ２は、レンズ２ｃを通り
平行ビームになって、偏光ビームスプリッタ７に入射す
る。なお偏光ビームスプリッタ７は、ここに入射する高
調波のレーザ光が垂直偏光の場合、ほぼ全反射し、水平
偏光の場合は透過する特性を有している。したがって第
２高調波である２本のレーザ光Ｌ２とＬ５とは偏光方向
が互いに直交するようになるため、偏光ビームスプリッ
タ７によって１本のビームのレーザ光Ｌ６として合成さ
れ、波長変換部１２０から取り出される。このレーザ光
Ｌ６が露光光として利用される。

【００２９】なお、特に図示しないが、レーザ光発生部
１１０から波長変換部１２０に至るレーザ光Ｌ１の光路
上に、当該レーザ光Ｌ１をレーザ光発生部１１０から波
長変換部１２０に至る方向にのみ通過させる光アイソレ
ータ等の光学素子を配置し、凹面反射鏡５から反射さ
れ、非線形光学結晶４を通過してレーザ光Ｌ４（第２高
調波）を発生させた後の残留基本波が、レーザ光発生部
１１０に戻ることを防止する構成としてもよい。

【００３０】以上のように、本発明では高調波ほ発生さ
せた後の残留基本波がもう一度、同じ非線形光学結晶に
入射するため、非線形光学結晶を１個用いても、第２高
調波を２回発生させることになる。したがって、通常の
波長変換に比べて２倍近くの出力の第２高調波を取り出
すことができる。

【００３１】また、レーザ光Ｌ６は、２本の第２高調波
のレーザ光（Ｌ５とＬ２）を偏光を利用して合成したも
のであるため、露光光として利用されるレーザ光Ｌ６は
直線偏光ではなくなる。ところが、本発明では、第２高
調波を露光光として利用するため、直線偏光である必要
はない。むしろ露光光は直線偏光であるならば、露光で
使用する際に干渉縞が生じて、均一な露光を妨げること
があるため、本発明では、露光時に干渉縞が生じにく
く、均一な露光が行える特徴もある。

【００３２】また本発明の第１の実施の形態の構成で
は、非線形光学結晶中から発生する第２高調波は再び非
線形光学結晶を通らないことも大きな特徴である。これ
により、発生する第２高調波を損失無く取り出して利用
することができる。特にこれに関して図面を用いて以下
で詳細を述べる。

【００３３】図６は、考えられる従来の波長変換技術の
構成の一例を示す概念図である。この従来技術では、残
留基本波を２度同一の非線形光学結晶に通して、２回波
長変換している。すなわち、波長変換部６００では、基
本波のレーザ光Ｌ６１は、レンズ６０１を通り、絞られ
ながら進み、ダイクロイックミラー６０２を透過して、
非線形光学結晶６０３に入射し、第２高調波が図６で右
方向（Ｘ方向）に発生する。この第２高調波と残留基本
波が含まれたレーザ光Ｌ６２は凹面鏡６０４で反射する
ため、残留基本波は非線形光学結晶６０３中でもう一度
集光し、再度第２高調波が発生する。この２度目に発生
した第２高調波は図６で左方向に進み、ダイクロイック
ミラー６０２で反射してレーザ光Ｌ６３として取り出さ
れる。ところが最初に発生した第２高調波を含むレーザ
光Ｌ６２は、ダイクロイックミラー６０２から共振器外
部へ取り出される前に、凹面鏡６０４で反射してから非
線形光学結晶６０３を通過するため、第２高調波はこの
際に大きく減衰してしまう。特に露光光として利用され
る第２高調波は波長が短かく紫外域に位置するため、非
線形光学結晶での吸収率が高いからである。例えば第１
実施の形態では、第２高調波は２０８ｎｍになり、真空
紫外域になるため、従来の手法では、非線形光学結晶中
での吸収が２０〜３０％程度になっていた。

【００３４】これに対して本発明では、１度発生した第
２高調波（Ｌ２、Ｌ４）は非線形光学結晶４中を通過し
ないことから、第２高調波（Ｌ２、Ｌ４）はほとんど減
衰せずに取り出せる。

【００３５】次に本発明の第２実施の形態を図２を用い
て説明する。図２では、本発明の露光光源で利用される
波長変換において、和周波数を発生させる場合を例示し
ている。和周波数では、基本波として２つの異なる波長
のレーザ光が必要であるため、図２に例示された露光光
源２００では、２つのレーザ光発生部２０１と２０２と
が用いられている。レーザ光発生部２０１は、エキシマ
レーザ励起色素レーザの第２高調波を発生させる装置で
あり、レーザ光発生部２０２はエキシマレーザ励起色素
レーザが用いられている。各レーザ光発生部２０１、２
０２とから、それぞれ波長約２５５ｎｍのレーザ光Ｌ２
１、及び波長約８００ｎｍのレーザ光Ｌ２２とが取り出
される。なお、２つのレーザ光発生部２０１と２０２に
おいて利用されているエキシマレーザとして、共通の装
置を用いてもよい。

【００３６】レーザ光Ｌ２１は、ミラー２０３ａで反射
して、ダイクロイックミラー２０４に入射し、ここでレ
ーザ光Ｌ２２と合成される。これにより２つの異なる波
長が含まれたレーザ光Ｌ２３は、ミラー２０３ｂで反射
して、本発明を構成する波長変換部２０５に進む。波長
変換部２０５は、図１で示した第１の実施の形態の波長
変換部１２０と同様な部品構成になっているため、構成
に関してここでは省略する。ただし波長変換部２０５に
おいては、波長２５５ｎｍのレーザ光と波長８００ｎｍ
のレーザ光との和周波数である波長約１９３ｎｍの紫外
域のレーザ光Ｌ２４が発生し、露光光として利用され
る。すなわち波長変換部２０５における非線形光学結晶
では和周波数の発生が行われている。なお波長２５５ｎ
ｍのレーザ光と波長８００ｎｍのレーザ光との和周波数
を発生させるためには、例えばＫＢ₅Ｏ₈・４Ｈ₂Ｏな
どの非線形光学結晶を用いることができる。これに関し
ては、例えば、ＡＰＰＬＩＥＤＯＰＴＩＣＳ，Ｖｏ
ｌ．３５，Ｎｏ．２７，１９９６年、第５３３２から５
３３５頁において説明されている。

【００３７】以上に説明したように、本発明の露光光源
では、その構成要素である非線形光学結晶において和周
波数を発生させる場合にも適用できる。特にこれは以下
に説明するように、従来に比べて効率よく露光光を発生
できる。和周波数を発生させるには、基本波として異な
る２つの波長のレーザ光を用いるため、いわゆる外部波
長変換を行うことになる。一方、第２高調波では、基本
波の波長は単一であるため、レーザ発振器中に非線形光
学結晶を挿入する内部波長変換を行うことも可能であ
り、一般に内部波長変換は効率よく波長変換できる。し
たがって、内部波長変換ができない和周波数の発生で
は、従来、波長変換効率が低く、これによる露光光源で
は十分な出力の露光光が得られないことが問題であっ
た。

【００３８】また本実施の形態では、２台のレーザ光発
生部２０１、２０２とから、それぞれ波長約２５５ｎｍ
のレーザ光Ｌ２１、及び波長約８００ｎｍのレーザ光Ｌ
２２とを取り出しており、それらの和周波数を発生させ
ているが、あるいはまた、レーザ光発生部２０１にＹＡ
Ｇレーザの第５高調波を発生させる装置とし、レーザ光
発生部２０２にＹＡＧレーザの基本波を発生させる装置
を用いて、波長変換部２０５において、それらの和周波
数であるＹＡＧレーザの第６高調波を発生させて、それ
を露光光として用いてもよい。その場合は、波長１７７
ｎｍと極めて短い波長の真空紫外光になるため、非線形
光学結晶中を通過させると強く吸収される。したがって
本発明の露光光源を適用すると特に効果が大きい。な
お、その場合も非線形光学結晶としてはＫＢ₅Ｏ₈・４
Ｈ₂Ｏなどを用いることができる。

【００３９】以上説明したように、本実施の形態の露光
光源は以上に述べたように構成されているため、高調波
の平均出力を通常の波長変換に比べて２倍近く増加で
き、これにより効率よく高平均出力の露光光が得られ
る。したがって、レーザパルスのピークパワーを低くす
ることもでき、後述の露光装置における露光レンズの寿
命が延びるようになった。

【００４０】また、基本波を非線形光学結晶に２回集光
させる方式の従来の波長変換とは異なり、一度発生した
高調波は非線形光学結晶を通過しないため、発生した高
調波を損失無く取り出すことができ、これにより従来よ
りも効率よく露光光が得られる。

【００４１】次に、本発明の露光光源を用いた露光装置
に関して説明する。図３は、本発明の露光光源を備えた
露光装置の構成の一例を示す概念図である。

【００４２】露光装置３００は、ステッパ本体１３０
と、図１で示した露光光源１００、すなわちレーザ光発
生部１１０と波長変換部１２０とが用いられている。た
だし波長変換部１２０はステッパ本体１３０の内部に配
置しており、ステッパ本体１３０に固定されている。ス
テッパ本体１３０はクリーンルームの床上フロアー（床
Ｆ２の上のフロアー）に設置され、レーザ光発生部１１
０はクリーンルームの床下フロアー（床Ｆ１の上のフロ
アー）に設置されている。これは、露光装置全体として
クリーンルーム内での占有スペースを節約するためであ
る。図１は露光装置３００がクリーンルーム内に設置さ
れている状態を示したものである。本実施の形態のクリ
ーンルームは、一般に、ダウンフローと呼ばれるタイプ
であり、床Ｆ２の上（一般に床上と呼ばれる）には様々
な半導体製造装置が設置され、作業者が作業するところ
であり、また清浄化された空気が上から下に流れてお
り、一般にグレーチングと呼ばれる網状の床Ｆ２を通過
して、床下フロアーへ抜けるようになっている。なお床
Ｆ１の上（一般に床下と呼ばれる）には一般に各半導体
製造装置の補器類が設置される。

【００４３】床下に設置されたレーザ光発生部１１０か
ら取り出された基本波のレーザ光Ｌ１は、ミラー１ａで
反射して床上に進み、ミラー１ｂで反射してステッパ本
体１３０内へ進む。ステッパ本体１３０内では、先ず、
波長変換部１２０内に入り、ここで第２高調波が効率よ
く発生し露光光Ｌ６となる。波長変換部１２０から取り
出された波長２０８ｎｍの露光光Ｌ６は、ビーム拡大器
３０２によりビーム径が拡げられ、ミラー３０１で反射
してからランダム位相板３０３を通り、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３０４を通過
して強度分布が均一化され、コンデンサレンズ３０５を
通ってレチクル３０６に照射される。レチクル３０６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
３０７を通り、ステージ３０８に乗せられたウエハー３
０９上に露光光Ｌ６ａとして照射される。これによって
レチクル３０６での遮光膜や位相シフト膜等にて形成さ
れる明暗等のパターンがウエハー３０９上に縮小投影さ
れる。

【００４４】以上に述べたように、本発明の露光装置で
は、高い効率で露光光を発生できる本発明の図１や図２
に例示された露光光源を用いているため、十分な平均出
力の露光光を利用でき、高スループットで露光ができ
る。

【００４５】また、本実施の形態の露光装置３００で
は、露光光Ｌ６はステッパ本体１３０の内部で発生する
ため、レチクル３０６まで伝搬する距離が非常に短くな
っている。すなわち、従来のＡｒＦエキシマレーザを用
いた露光装置のようにレーザ装置がステッパ本体と離れ
て設置される場合、露光光である紫外域のレーザ光を長
距離伝搬する必要があったが、その際に、紫外域のレー
ザ光が伝搬中に減衰することも問題であった。これに対
して、本発明では、レーザ光の伝送中での減衰も０．１
％前後と大幅に抑制できるようになった。

【００４６】以上より本発明の露光光源を用いた露光装
置では、スループットの高い露光装置を実現できる。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。

【００４７】次に本発明の露光光源のレーザ光発生部を
構成する色素レーザ発振器の一例について説明する。図
４は本発明の色素レーザ発振器４００の構成図である。

【００４８】色素レーザ発振器４００では、色素溶液４
０１の両側に凹面鏡４０２と平面鏡４０３が向かい合っ
ており、これらによって共振器が構成されている。ただ
し、共振器内には凸レンズ４０４が配置されており、こ
れにより該凸レンズ４０４と平面鏡４０３との間で発振
するレーザ光が平行ビームになるようになっている。な
お図４には示されていないが、色素溶液４０１は一般に
石英ガラス製の色素セル中を（図４では紙面に対して上
下方向に）流れるようになっている。色素溶液４０１に
対して、励起光源であるＸｅＣｌエキシマレーザ（図４
では省略）からのレーザ光Ｌ４００が照射されている。
これによって共振器間に波長約０．４μｍのレーザ光Ｌ
４０１が発生する。凹面鏡４０２と平面鏡４０３とで構
成された共振器間には、ビームスプリッタ４０５が配置
されており、発生したレーザ光Ｌ４０１の一部がここで
反射する。そこで図４で右方向に進むレーザ光Ｌ４０１
は、ビームスプリッタ４０５を反射して図４で上に進
み、プリズム４０６で屈折し、回折格子４０７に照射さ
れる。これらプリズム４０６と回折格子４０７とによっ
て波長選択される。すなわち、これらの波長選択素子に
よって、凹面鏡４０２と平面鏡４０３とで構成された共
振器間で発振するレーザ光が定まるからである。また発
振するレーザ光Ｌ４０１、Ｌ４０２の偏光方向は、プリ
ズム４０６を効率よく透過できる水平偏光（紙面に平行
な偏光方向）になる。

【００４９】一方、凹面鏡４０２と平面鏡４０３とで構
成された共振器間を往復するレーザ光（以下、基本波と
呼ぶ。）において、平面鏡４０３で反射後、その一部が
ビームスプリッタ４０５で反射して、図４で下方に進
む。この基本波は、ダイクロイックミラー４０８ａに入
射する。本実施の形態で用いられているダイクロイック
ミラー４０８ａ、４０８ｂでは、波長０．４μｍ前後の
光に対して高い透過率を有し、波長０．２μｍ前後の光
に対しては高い反射率を有する特性になっている。それ
により、基本波はダイクロイックミラー４０８ａを透過
して、シリンドリカルレンズ４０９ａを通って、非線形
光学結晶４１０に集光する。したがってここで基本波の
第２高調波である真空紫外光が発生する。なお本実施の
形態でも、非線形光学結晶４１０としては、ＢＢＯ結晶
やＳＢＢＯ結晶などが適する。またここではＴｙｐｅ−
Ｉの位相整合で用いられている。すなわち発生する第２
高調波は垂直偏光になる。

【００５０】また、非線形光学結晶４１０を出射した第
２高調波と波長変換されなかった残留基本波は、シリン
ドリカルレンズ４０９ｂを通って、平行なビームに戻
り、ダイクロイックミラー４０８ｂに入射する。第２高
調波は波長約０．２μｍであるため、ダイクロイックミ
ラー４０８ｂで反射するため、図４で左方向に進む（レ
ーザ光Ｌ４０４）。

【００５１】非線形光学結晶４１０を出射した残留基本
波は、ダイクロイックミラー４０８ｂを透過して反射鏡
４１１で反射する（レーザ光Ｌ４０５）。その後、再び
ダイクロイックミラー４０８ｂを透過し、シリンドリカ
ルレンズ４０９ｂに入射し、非線形光学結晶４１０中で
集光する。これによって、再び第２高調波である真空紫
外光が発生する。

【００５２】非線形光学結晶４１０を出射した第２高調
波と、今度も波長変換されなかった残留基本波は、シリ
ンドリカルレンズ４０９ａに通って、ダイクロイックミ
ラー４０８ａに入射する。第２高調波の波長は約０．２
μｍであるため、ダイクロイックミラー４０８ａで反射
して、図４で左方向に進む（レーザ光Ｌ４０６）。一
方、今度も波長変換されなかった残留基本波は、ダイク
ロイックミラー４０８ａを透過するため、ビームスプリ
ッタ４０５に当たり、大部分が反射して、凹面鏡４０２
と平面鏡４０３とで構成された共振器間に戻される。

【００５３】垂直偏光である第２高調波のレーザ光Ｌ４
０６は、反射鏡４１２で反射後、λ／２波長板４１３を
通るため、偏光方向が９０度回転し、水平偏光に変わる
（レーザ光Ｌ４０７）。レーザ光Ｌ４０７は偏光ビーム
スプリッタ４１４に入射する。偏光ビームスプリッタ４
１４では、図４で水平偏光のレーザ光を高く透過し、垂
直偏光のレーザ光を高く反射する特性を有している。し
たがって水平偏光のレーザ光Ｌ４０７は偏光ビームスプ
リッタ４１４をほぼ透過する。

【００５４】一方、垂直偏光であるレーザ光Ｌ４０４
は、偏光ビームスプリッタ４１４に入射すると、ほぼ全
反射する。これによって、レーザ光Ｌ４０４はレーザ光
Ｌ４０７と合成され、これらは一本のビームのレーザ光
Ｌ４０８として取り出され、露光光として利用される。

【００５５】本実施の形態のように、色素レーザ発振器
４００では、凹面鏡４０２と平面鏡４０３とで共振器が
構成されているため、高い効率でレーザ発振する。ただ
し、共振するレーザ光の一部（レーザ光Ｌ４０２）がプ
リズム４０６と回折格子４０７に向かうため、一般の色
素レーザ発振器と同様に波長選択も行われる。しかもレ
ーザ光Ｌ４０２は、凹面鏡４０２と平面鏡４０３の間の
レーザ光Ｌ４０１に比べて平均出力が低いため、回折格
子４０７にダメージが生じることはない。

【００５６】しかもまた、非線形光学結晶４１０を２度
通過しても波長変換されなかった残留基本波は、凹面鏡
４０２と平面鏡４０３とで構成された共振器間に再び戻
ることになるため、これは共振器間の内部強度を高める
のに再利用される。したがって色素レーザ発振器４００
では、外部へ取り出される基本波が存在しないため、一
般の内部波長変換と同様に、高い効率で第２高調波を発
生できる。

【００５７】すなわち、本実施の形態の色素レーザ発振
器では、高い効率で高出力の紫外光を取り出すことがで
きるようになった。

【００５８】次に、図５を参照して、本発明の半導体装
置の製造方法の一例について説明する。この場合、例え
ば図３に示した露光装置３００を用いて半導体集積回路
を製造する場合について説明する。

【００５９】図５では、フォトリソグラフィ加工を施す
工程の一例として、シリコン等の基板１００１の表面に
堆積（デポジション）された二酸化珪素（ＳｉＯ₂）等
の薄膜１００２に微少な穴（コンタクトホール）を空け
る場合を簡単に示してある。

【００６０】フォトリソグラフィ加工では、先ず始めに
（１）に示したように、基板１００１の上に堆積された
薄膜１００２にレジスト１００３が塗布される。

【００６１】次に（２）に示したように露光光Ｌ６ａ
（多数の矢印で示したもの）を基板１００１の表面のレ
ジスト１００３に照射することによって露光処理が行わ
れる。すなわちレチクル３０６（図３）を経由すること
によって光軸に垂直な平面内における照度分布が所定の
パターンとなった露光光がレジスト１００３に照射され
る。ここでは直径ΔＷの穴に相当する領域は遮光領域で
あり露光光Ｌ６ａは照射されない。

【００６２】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、（３）に示したように露光光Ｌ６ａが照射されな
かった直径ΔＷの穴のところのみが現像液に溶けて除去
され、開口１００３ａが形成される。

【００６３】そこで（４）に示したように、エッチング
を施すとレジスト１００３の開口１００３ａから露出し
た薄膜１００２がエッチングにより除去される。

【００６４】最後に（５）に示したようにアッシングな
どによりレジスト１００３を除去することで、直径ΔＷ
のコンタクトホール１００２ａを有する薄膜１００２が
基板１００１上に残ることになる。

【００６５】本発明における、例えば、図１に示した第
１の実施の形態では、露光光の波長が約２０８ｎｍとな
っているため、通常の露光によっても、最小約０．２μ
ｍの直径の穴（コンタクトホールなど）や、幅０．２μ
ｍの線の加工を高スループットにて施すことができる。
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０．１３μｍ程度までの直径の
穴や線の加工を施すことができる。したがって本発明の
露光装置を用いると、コンタクトホールやゲート加工な
ど、設計ルール程度の微細な加工を行う場合に有効であ
る。

【００６６】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。

【００６７】たとえば、波長変換手段としては、非線形
光学結晶を用いることに限らず、他の構成であってもよ
い。

【００６８】

【発明の効果】本発明の露光光源によれば、十分な平均
出力の露光光が効率よく得られる、という効果が得られ
る。

【００６９】本発明の露光光源によれば、基本波から高
調波への変換における基本波の利用率を高めて、十分な
平均出力の露光光を効率よく出力することができる、と
いう効果が得られる。

【００７０】本発明の露光光源によれば、波長変換系か
ら得られた高調波が再度当該波長変換系を通過すること
に起因する損失を回避して、十分な平均出力の露光光を
効率よく出力することができる、という効果が得られ
る。

【００７１】本発明の露光装置によれば、微細なパター
ンの露光処理を効率良く遂行することができる、という
効果が得られる。

【００７２】本発明の半導体装置の製造方法によれば、
真空紫外域以下の微細な回路パターンを有する高集積度
の半導体装置を高スループットにて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】本発明の露光光源の第１の実施の形態の構成の
一例を示す概念図である。

【図２】本発明の露光光源の第１の実施の形態におい
て、和周波数を発生させる場合の構成の一例を示す概念
図である。

【図３】本発明の露光光源を備えた露光装置の構成の一
例を示す概念図である。

【図４】本発明の露光光源のレーザ光発生部を構成する
色素レーザ発振器の一例を示す概念図である。

【図５】本発明の半導体装置の製造方法の一例を工程順
に示す断面図である。

【図６】考えられる従来の波長変換技術の構成の一例を
示す概念図である。

【符号の説明】

１ａミラー１ｂミラー１ｃミラー２ａレンズ２ｂレンズ２ｃレンズ３ａ第１のダイクロイックミラー（第１の波長変換手
段）３ｂ第２のダイクロイックミラー（第２の波長変換手
段）４非線形光学結晶（波長変換手段）５凹面反射鏡（反射手段）６ λ／２波長板（併合光学系）７偏光ビームスプリッタ（併合光学系）１００露光光源１１０レーザ光発生部１２０波長変換部１３０ステッパ本体２０１レーザ光発生部２０２レーザ光発生部２０３ａミラー２０３ｂミラー２０４ダイクロイックミラー２０５波長変換部３００露光装置３０１ミラー３０２ビーム拡大器３０３ランダム位相板３０４フライアイレンズ３０５コンデンサレンズ３０６レチクル３０７縮小投影レンズ３０８ステージ３０９ウエハー４００色素レーザ発振器４０１色素溶液４０２凹面鏡４０３平面鏡４０４凸レンズ４０５ビームスプリッタ４０６プリズム４０７回折格子４０８ａダイクロイックミラー４０８ｂダイクロイックミラー４０９ａシリンドリカルレンズ４０９ｂシリンドリカルレンズ４１０非線形光学結晶４１１反射鏡４１２反射鏡４１３ λ／２波長板４１４偏光ビームスプリッタ１００１基板１００２薄膜１００２ａコンタクトホール１００３レジスト１００３ａ開口Ｌ１基本波のレーザ光Ｌ２、Ｌ４、Ｌ５第２高調波のレーザ光Ｌ３残留基本波のレーザ光Ｌ６、Ｌ６ａ併合された第２高調波のレーザ光（露光
光）Ｌ４０１、Ｌ４０２、Ｌ４０３基本波のレーザ光Ｌ４０５残留基本波のレーザ光Ｌ４０４、Ｌ４０６、Ｌ４０７第２高調波のレーザ光Ｌ４０８併合された第２高調波のレーザ光（露光光）Ｆ１クリーンルームにける床下フロアーの床Ｆ２クリーンルームにおける床上フロアーの床６００波長変換部６０１レンズ６０２ダイクロイックミラー６０３非線形光学結晶６０４凹面鏡Ｌ６１基本波のレーザ光Ｌ６２第２高調波と残留基本波が含まれたレーザ光Ｌ６３第２高調波のレーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/30 ５２７

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基本波のレーザ光を発生するレーザ光発
生部と、入射する前記基本波のレーザ光から高調波を発生する波
長変換手段と、前記レーザ光発生部から入射する前記基本波のレーザ光
によって前記波長変換手段から出射する前記高調波およ
び未変換の基本波を含むレーザ光を再び前記波長変換手
段に入射させる反射手段と、前記レーザ光発生部から前記波長変換手段に入射する前
記基本波の光路上に配置され、前記基本波と前記高調波
を分離する第１の波長分離手段と、前記波長変換手段と前記反射手段との間における前記レ
ーザ光の光路に配置され、前記波長変換手段にて発生し
た前記高調波と未変換の前記基本波とを分離する第２の
波長分離手段と、前記第１および第２の波長分離手段によって分離された
前記高調波の前記レーザ光を併合して露光光とする併合
光学系と、を含むことを特徴とする露光光源。
【請求項２】請求項１記載の露光光源において、前記
レーザ光発生部から前記波長変換手段に入射する前記基
本波は異なる二つの波長を持ち、これらの和周波数の前
記高調波が前記波長変換手段にて発生されることを特徴
とする露光光源。
【請求項３】請求項１記載の露光光源において、前記
レーザ光発生部は、色素をレーザ媒質として少なくとも
２枚の反射鏡で共振器が構成された色素レーザからな
り、前記共振器を構成する２枚の前記反射鏡の間にビー
ムスプリッタを配置し、前記ビームスプリッタにより前
記共振器から２方向に取り出されたレーザ光の内、一方
のレーザ光が回折格子に照射し、もう一方のレーザ光が
基本波として前記波長変換手段に入射する構成としたこ
とを特徴とする露光光源。
【請求項４】請求項１，２または３記載の露光光源に
おいて、前記波長変換手段は、非線形光学結晶からな
り、前記第１および第２の波長分離手段は、前記基本波
を透過させ、前記高調波を反射するダイクロイックミラ
ーからなることを特徴とする露光光源。
【請求項５】請求項１，２または３記載の露光光源に
おいて、前記併合光学系は、前記第１および第２の波長
分離手段にて分離された二つの前記高調波の一方の光路
に配置され、二つの前記高調波に異なる偏光方向を持た
せる１／２波長板と、偏光状態の異なる複数の前記高調
波を併合する偏光ビームスプリッタとを含むことを特徴
とする露光光源。
【請求項６】露光光を発生する露光光源と、所望のパ
ターンが形成された原版と、前記原版を経由した前記露
光光を被露光物に照射することで前記パターンを前記被
露光物に転写する投影光学系とを含む露光装置であっ
て、前記露光光源として請求項１，２，３，４または５記載
の露光光源を備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項７】フォトリソグラフィによって半導体基板
に所望のパターンを転写形成する半導体装置の製造方法
であって、請求項６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。