JPWO2003054590A1 - 光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
光リソグラフィー装置に用いられる光学装置は、フッ化物結晶材料で形成されたレンズと;上記レンズを保持するホルダーと;上記ホルダーに取り付けられた押圧部材であって、レンズ内に応力を発生させるためにレンズを押圧する押圧部材と;を備える。押圧部材でレンズの特定の方位を押圧することでレンズ内部に応力を発生させてレンズの複屈折を低減させることができる。レンズをフッ化カルシウム結晶から構成した場合、波長約157nmの光に対する複屈折量の最大値が上記レンズの有効径(光透過領域)内で2.0nm/cm以下、あるいは波長約193nmの光に対する複屈折量の最大値が上記レンズの有効径内で1.0nm/cm以下にすることができる。
Description
技術分野
本発明は、光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料及び光学素子並びにそれらの製造方法に関し、特に、波長200nm以下、例えば波長193nmまたは157nmの光を光源として用いる光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料及びその製造方法、並びにフッ化物結晶材料を用いた光学素子、光学装置及び光リソグラフィー装置に関する。
技術背景
近年におけるVLSIは、高集積化、高機能化が進行し、ウェハ上の微細加工技術が要求されている。その加工方法として、光リソグラフィーによる方法が一般的に行われている。現在では、露光波長もしだいに短波長となり、KrFエキシマレーザ光(波長248nm)を光源とする投影露光装置(ステッパーやスキャナー)に続いて、ArFエキシマレーザ光(波長193nm)を光源とする投影露光装置も市場に登場している。
光リソグラフィー技術の要である投影露光装置の投影レンズには、高い結像性能(解像度、焦点深度)が要求されている。解像度と焦点深度は、露光に用いる光の波長λとレンズの開口数NAにより決まり、解像度=k1・λ/NA、焦点深度=k2・λ/(1−√(1−NA2))で表される。ここで、k1及びk2は比例定数である。露光波長λが同一の場合には、細かいパターンほど回折光の角度が大きくなるので、レンズのNA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、同一パターンにおける回折光の角度は小さくなるので、レンズのNAは小さくて済む。
上式より、解像度を向上させるためには、レンズのNAを大きくする(レンズを大口径化する)か、あるいは露光波長λを短くすればよい。特に焦点深度を深くしたまま解像度を上げるには、NAを大きくするよりもλを小さくするほうが有利であることが上式から分る。それゆえ、光リソグラフィーで更なる微細加工を実現するために、光源の波長を短くする試みがなされている。光の短波長化に関して、露光波長λは、KrFエキシマレーザ光の波長248nmからArFエキシマレーザ光の波長193nmへと短くなり、さらにはF2レーザ光の波長157nmへと短波長化が進むと予想されている。
一方、レンズの大口径化に関して、レンズの開口数NAはKrFエキシマレーザ光を光源とする投影露光装置の投影レンズですでに0.6を越え、ArFエキシマレーザではそれ以上のNAとなっている。F2レーザを光源とする投影レンズでは、NAが0.7以上になることも予想される。
250nm以下の光源波長に対する光リソグラフィー投影レンズに用いられる光学材料は非常に少なく、主にフッ化カルシウム結晶と石英ガラスの2種類が用いられる。また、F2レーザ光に対する光リソグラフィー投影レンズでは、もはや石英ガラスは使用が困難と予想され、フッ化カルシウム結晶が有望視されている。
フッ化カルシウム単結晶は、一般にブリッジマン法(ストックバーガ法、ルツボ降下法とも呼ばれる)により製造される。紫外域または真空紫外域において使用されるフッ化カルシウム単結晶の場合、原料として天然の蛍石は使用せず、化学合成により作製された高純度原料を使用することが一般的である。原料は粉末のまま使用することも可能であるが、この場合、粉末が溶融した時の体積減少が激しいため、一般に半溶融品やその粉砕品が用いられる。また、フッ化カルシウム単結晶の原料として、結晶成長させたブロックを再利用することも可能である。
ここで、ブリッジマン法によるフッ化カルシウムの製造方法を説明する。まず、育成装置の中にフッ化カルシウムの原料を充填したルツボを置き、育成装置内を排気して10−3〜10−4Paの真空雰囲気に保持する。次に、育成装置内の温度をフッ化カルシウムの融点以上まで上昇させてルツボ内の原料を溶融する。この際、育成装置内温度の時間的変動を最小限に抑えるために、定電力出力による制御または高精度なPID制御を行う。
結晶育成段階では、育成装置内でルツボを0.1〜5mm/時間程度の速度で引き下げることにより、ルツボの下部から徐々に結晶化させる。融液最上部まで結晶化したところで結晶育成は終了し、育成した結晶(インゴット)が割れないように、急冷を避けて簡単な徐冷を行う。育成装置内の温度が室温程度まで下がったところで、装置を大気開放してインゴットを取り出す。
投影露光装置の投影レンズなどに用いられるフッ化カルシウム単結晶の場合には、高均質性が要求されるので、インゴットはそのまま簡単なアニール(熱処理)が行われる。そして、レンズ素材として、適当な大きさに切断加工された後、さらにアニールが行われる。アニール終了後に、品質保証のための諸特性が測定されて選別される。品質保証に合格したレンズ素材は、光学レンズとして必要な表面形状に球面研磨または非球面研磨が行われ、コーティング処理が施される。こうして仕上がった光学レンズは、1枚ずつ、周辺を金属または樹脂製の保持用工具によって保持され、鏡筒と呼ばれる容器に複数枚のレンズが調整されて組み込まれ、投影レンズが完成する。
ところで、等軸晶系に属するフッ化物結晶(フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化ストロンチウムなど)には結晶固有の複屈折が存在する。例えば、フッ化カルシウム結晶の場合、最大の固有複屈折が現れる結晶面方位において、波長193nmの光に対して3.4nm/cm、波長157nmの光に対して11.2nm/cmの複屈折がそれぞれ存在することが知られている(J.H.Burnett et al.,Phys.Rev.B64,241102(2001))。その固有の複屈折量は結晶を透過する光の進行方向及び光の偏光方向に依存する。即ち、透過光の方向に応じて、屈折率が最小となる偏光方向(進相軸)及び屈折率が最大となる偏光方向(遅相軸)が存在する。ここで、進相軸と遅相軸は直交する。
固有の複屈折を有するフッ化物結晶材料を用いて光リソグラフィー投影レンズを作製する場合、フッ化物結晶材料を円板状に加工した後、光学設計に応じて表面を球面研磨または非球面研磨する。その加工された投影レンズに光を照射すると、レンズの中心では光は光軸(レンズの中心軸)を通るが、その他の部分では光軸に対して有限の大きさの入射角で入射して複屈折の影響を受ける。例えば、フッ化物結晶の{111}面や{100}面に垂直に入射される光に対しては固有の複屈折はほとんど存在しないが、垂直方向からずれた光、即ち、{111}面や{100}面の垂直軸に対して角度を持った入射光に対しては固有の複屈折が存在する。
それゆえ、波長が200nm以下、例えば、波長が193nmまたは157nmである光をフッ化物結晶で作製された光リソグラフィー用投影レンズに入射させると、フッ化物結晶における固有の複屈折によりストレール強度が低下して、結像性能が悪化するという問題があった。ここで、ストレール強度とは点像強度分布とも呼ばれ、収差のあるレンズの回折像最高点の高さと、無収差レンズの山の高さとの比である。ストレール強度は、無収差レンズで1.0となり、収差が大きいほど1より小さい正の値となる。
本発明者は、特開平11−240798号公報において、光リソグラフィー用の光学系に使用される、複屈折が十分に小さい蛍石単結晶を製造する方法を開示している。この方法では、ブリッジマン法で製造した蛍石単結晶を特定の温度スケジュールに従ってアニール処理している。しかしながら、この文献では特定の熱分布が発生するような方法で結晶を加熱してはいない。
発明の開示
本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、本発明の第1の目的はフッ化物結晶固有の複屈折が低減されたフッ化物結晶材料及びその製造方法を提供することである。本発明の第2の目的は、真空紫外域のような短波長領域の光に対して良好な結像特性を有する光学素子並びにそれを用いた光学装置及び光リソグラフィー装置を提供することにある。
本発明の第1の態様に従えば、光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料であって、波長が約157nmである光源に対する複屈折量が、最大値で2.0nm/cm以下であることを特徴とするフッ化物結晶材料が提供される。
本発明の第2態様に従えば、光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料であって、波長が約193nmである光源に対する複屈折量が、最大値で1.0nm/cm以下であることを特徴とするフッ化物結晶材料が提供される。
本発明の光学素子用フッ化物結晶材料は、波長が約157nmまたは約193nmの短波長の光に対しても複屈折量が極めて低く抑制されているので、短波長光源を用いても良好な結像特性を維持することができる。後述の実施例から分るように複屈折量の平均値は、波長約157nmの光に対して1.7nm/cm以下であり、波長約193nmの光に対して0.8nm/cm以下を達成している。このようなフッ化物結晶材料は、フッ化物結晶のインゴットから円板状に切り出したフッ化物結晶の屈折率の進相軸(及び遅相軸)を実測あるいは計算で求め、その特性に基づいて結晶固有の複屈折を低減させるようにフッ化物結晶材料内に内部応力を発生させることで得られる。
本発明の光学素子用フッ化物結晶材料は、フッ化カルシウム結晶であることが好ましい。この場合、フッ化カルシウム結晶の光入射面は{111}面、{110}面または{100}面にし得る。
本発明の光学素子用フッ化物結晶材料では、フッ化物結晶材料固有の複屈折量を低減させるように該フッ化物結晶材料内に内部応力が生じている。この内部応力は、上記フッ化物結晶材料を外部から押圧することにより、または、フッ化物結晶材料を熱処理することにより生じさせ得る。さらに、内部応力はフッ化物結晶材料の熱処理及び外部からの加圧処理の両方により生じさせてもよい。
本発明では、本発明のフッ化物結晶材料で形成された光学素子及びこの光学素子を備える光リソグラフィー装置もまた提供される。これらの光学素子及び光リソグラフィー装置は、高解像度のために用いられるF2レーザなどの短波長光源に最適である。
本発明の第3の態様に従えば、光リソグラフィー装置に用いられる光学装置であって、
フッ化物結晶材料で形成されたレンズと;
上記レンズを保持するホルダーと;
上記ホルダーに取り付けられた押圧部材であって、レンズ内に応力を発生させるためにレンズを押圧する押圧部材と;を備える光学装置が提供される。
本発明の光学装置はレンズ内に応力を発生させるためにレンズを押圧する押圧部材を備えるので、レンズの特定の方位を押圧することでレンズ内部に応力を発生させてレンズの複屈折を低減させることができる。例えば、レンズをフッ化カルシウム結晶から構成した場合、波長約157nmの光に対する複屈折量の最大値が上記レンズの有効径(光透過領域)内で2.0nm/cm以下、あるいは波長約193nmの光に対する複屈折量の最大値が上記レンズの有効径内で1.0nm/cm以下にすることができる。また、本発明の光学装置では、押圧部材はホルダーに設けられているので、レンズがホルダーに保持されている限り、レンズに押圧力をかけた状態を維持することができる。
上記押圧部材が複数の押圧部(内部圧力発生部材)を備え、各押圧部が上記レンズ外周の異なる位置を押圧し得る。フッ化物結晶材料の複屈折が現れる面方位を考慮すると、各押圧部が上記レンズの外周の回転対称位置、例えば、2回、3回及び4回対称位置でレンズを押圧するようにホルダーに設けることが望ましい。より具体的には、レンズの中心軸に対して、周方向に30°毎(12点支持)、60°毎(6点支持)、120°毎(3点支持)、あるいは180°(2点支持)の位置に対応するホルダー上に押圧部を設けることができる。ホルダーには、押圧部材とは別にレンズを保持する保持部材を設けてもよく、または、押圧部材によりレンズを保持させてもよい。保持部材をホルダーに設ける場合に、保持部材はレンズの外周部を把持するように構成し得る。
各押圧部がレンズを押圧している状態で押圧部をホルダー上に固定するための固定部材、例えば、押さえ螺子を備え得る。また、ホルダーを、レンズが設置される用途に応じて設計しておけばそのまま設置が可能となる。例えば、上記ホルダーを、光リソグラフィーに用いられる投影光学系の鏡筒の一部を構成するようにしてもよい。こうすることで投影光学系の組立及びレンズの諸特性の調整が容易となる。
本発明の第4の態様に従えば、フッ化物結晶を成長させる工程と成長させたフッ化物結晶を昇温して一定時間保持した後に降温する熱処理工程とを含む、光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料の製造方法において、
上記熱処理工程で、フッ化物結晶内に不均一な熱分布が発生するようにフッ化物結晶を加熱することを特徴とするフッ化物結晶材料の製造方法が提供される。
本発明のフッ化物結晶材料の製造方法では、フッ化物結晶内に不均一な熱分布が発生するようにフッ化物結晶を加熱するので、昇温時または降温時に、上記フッ化物結晶固有の複屈折量を打ち消すような内部応力(熱応力)を発生させることができる。熱処理に用いる装置としては、例えば、フッ化物結晶材料の中心軸に対して周方向に3回対称や4回対称の温度分布を与えることのできる熱処理炉を用い得る。これらの温度分布は、熱処理炉内で所望の対称位置にヒータを配置したり、断熱材、反射板や放熱板などを所望の対称位置に配置することで、実現することが可能である。
例えば、{111}面がレンズの上下面となるように円板状に切り出したフッ化物結晶材料では、円板状のフッ化物結晶材料の垂直軸に対して周方向に120°毎に固有の複屈折量のピークが存在する。即ち、複屈折量の分布が円板状のフッ化物結晶材料の垂直軸に対して周方向に3回対称の分布形状を有する。光が垂直軸と同じ方向から入射する場合には複屈折はほとんど発生しないが、このフッ化物結晶材料をレンズとして使用した際には垂直軸に対して斜めから入射する光に対して{111}面方向以外の方向の固有の複屈折が発生する。そこで、{111}面を上下面となるように円板状に切り出したフッ化物結晶材料に対して、フッ化物結晶材料の中心軸に対して周方向に3回対称の温度分布を与えることのできる熱処理炉を用意し、その中心にフッ化物結晶材料を配置して熱処理を行うと、{111}面を上下面として円板状に切り出したフッ化物結晶材料内にその中心軸に対して周方向に不均一(3回対称)な内部応力を発生させることができる。これによりフッ化物結晶材料の斜入射光に対する固有の複屈折を低下させてフッ化物結晶全体の複屈折量を低減することができる。
本発明の第5の態様に従えば、フッ化物結晶を成長させる工程と成長させたフッ化物結晶を昇温して一定時間保持した後に降温する熱処理工程とを含む、光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料の製造方法において、
上記熱処理工程に施されるフッ化物結晶に内部応力が発生するように、フッ化物結晶を部分的に押圧する工程を含むことを特徴とするフッ化物結晶材料の製造方法が提供される。
本発明の第5の態様に従う方法のように、フッ化物結晶材料の外周に押圧力を加えた状態で熱処理を行い、熱処理終了後にその外部応力を取り除くことにより、フッ化物結晶材料に内部応力を発生させても良い。この外周に加える押圧力は、フッ化物結晶材料の中心軸に対して周方向に不均一、例えば中心軸に対して周方向に3回対称、4回対称などの押圧力を加えても良い。この方法では、例えば、押圧部材が設けられたホルダーを用いてフッ化物結晶に部分的に押圧力をかけてフッ化物結晶を保持し、フッ化物結晶を保持したホルダーを熱処理工程に供することができる。
発明を実施する最良の実施形態
実施例1
図1(a)及び(b)に、実施例1で作製したリソグラフィーに用いられる光学素子(光学装置)を示す。この例で作製した光学素子110は、図1(a)及び(b)に示すように、レンズ111、円筒状のホルダー114、3つの保持部材116及び3つの内部応力発生部材(押圧部材)115で構成される。
レンズ111はフッ化カルシウム結晶で形成された円盤状の凹凸レンズであり、レンズ111の光軸(中心軸)117はフッ化カルシウム結晶の[111]軸と概ね一致している。ここで、「概ね一致」とは、光軸が結晶の指定の軸に対して±3°以内の精度で一致していることを表している。レンズ111の外周の側壁111bは、図1(b)に示すように、凸部111aが周方向に形成されている。
レンズ111は、円筒状のホルダー114に設けられた保持部材116によりホルダー114内に保持される。保持部材116は、図1(a)に示すように、ホルダー114に3つ設けられ、ホルダー114の周方向に約120°間隔で設けられている。図1(b)に示すように、保持部材116はホルダー114の内周壁内部からホルダーの中心に向かって延在するアーム116bとその先端に設けられたの把持部(凹部)116aとを有する。把持部116aはレンズ111の外周の側壁に形成された凸部111aの上下面を挟み込む構造を有する。保持部材116の把持部116aでレンズ111の外周の凸部111aを挟み込むことにより、レンズ111をホルダー114の中心軸と同軸上に保持している。ただし、図1(a)に示すように、保持部材116と内部応力発生部材115とは周方向に互いに重ならない位置に設けられている。
ホルダー114には、レンズ111に内部応力を発生させるための3つの内部応力発生部材(押圧部)115が設けられている。この部材115は、ホルダー114の壁面を貫通する貫通穴114a内に移動可能に挿入されたロッド115aと、ロッド115aのレンズ側端部が分岐してできたアーム115bと、アーム115bの先端に取り付けられた円盤状の弾性部材115cとを備える。ロッド115aのホルダー114に対する位置はホルダー114に形成されたねじ穴114bに挿入されるねじ114cがロッド115aを押圧することで固定される。内部応力発生部材115は、レンズの中心軸117([111]軸)と直交する[−110]軸112からホルダー114の周方向に30°、150°及び270°の位置に設けられている。内部応力発生部材115のロッド115aのホルダー外側に位置する端部に、レンズ中心軸117に向かって押圧力113を加えることによって、内部応力発生部材115の弾性部材115cは、図1(b)に示すように、レンズ111の外周壁面111bを押圧し、ホルダー114の半径方向外側からレンズ111の中心軸117に向かって押圧力113が加えられる。レンズ111内に内部応力を発生させる際、レンズ111の材料であるフッ化カルシウム結晶固有の複屈折を低減させるように、各内部応力発生部材115から加えられる圧力をそれぞれ調整する。
以下に、リソグラフィー用光学素子110の作製方法について説明する。まず、レンズ111に用いられるフッ化カルシウム結晶を、ブリッジマン法によって成長させ、熱処理工程を経て熱歪を除去することにより作製した。この例では直径250mmの円柱状のフッ化カルシウム結晶を作製した。次いで、作製したフッ化カルシウム結晶のインゴットから、フッ化カルシウム結晶の[111]軸がレンズの中心軸と概ね一致するように円板状素材を切り出した。切り出した円板状素材について、[111]軸と直交する[−110]軸方向をX線回折により見出した。
次に、採取した円板状のフッ化カルシウム結晶素材を複屈折測定用のホルダーに装着してフッ化カルシウム結晶素材の複屈折量を測定した。図2(a)及び(b)にフッ化カルシウム結晶素材を複屈折測定用のホルダー124に装着した様子を示した。ホルダー124は保持部材を設けていない以外は、図1に示したホルダー114と同様な構造を有する。図2(a)に示すように、フッ化カルシウム結晶素材121をホルダー124の中心軸と同軸上に配置して、フッ化カルシウム結晶素材121の[−110]軸122からホルダー124の周方向に30°、150°及び270°の位置に設けられた内部応力発生部材125で3方向からそれぞれ約50N/cm2の押圧力123をフッ化カルシウム結晶素材121の半径方向外側から中心軸127に向かって中心軸127に垂直に加えながらフッ化カルシウム結晶素材121を内部応力発生部材125により保持した。
3つの内部応力発生部材125により保持され且つ加圧されたフッ化カルシウム結晶素材121に、波長が193nm及び157nmである光をそれぞれ中心軸127に平行に照射して、フッ化カルシウム結晶素材121の複屈折量を測定した。この例では、光源にD2ランプを用い、複屈折量は複屈折測定装置により測定した。その結果を下記表1Aに示した。なお、測定はフッ化カルシウム結晶素材121の中心から最外周までの面内領域で半径方向に5mm毎及び円周方向に30°毎に光照射位置を移動して測定した。表1Aには、測定値の最大値と平均値を示した。また、比較のために、フッ化カルシウム結晶素材121に押圧力を加えない場合の複屈折量も記載した。
表1Aから明らかなように、フッ化カルシウム結晶素材121に外部から約50N/cm2の押圧力を加えることにより複屈折量が低減されることが分った。なお、押圧力を変更して上記と同様にして複屈折量を測定したところ、押圧力が約50N/cm2のときに複屈折量が最小になることが分った。すなわち、押圧力が約50N/cm2のときに固有複屈折が応力複屈折によって最も効率よく相殺されている。このように、応力による複屈折を加えることにより、固有複屈折が相殺されて素材のトータルの複屈折が小さくなる。そうすると、入射光の互いに直交して振動する2つの偏光成分の光路差が小さくなるので、その結果として、ストレール強度が上がり、1に近づく。ストレール強度が1に近づくほど結像特性が良くなるので、この実施例により得られた素材を用いることにより結像特性の優れた光学素子を製造することができる。
また、この例では、図3に示すように、フッ化カルシウム結晶素材121を内部応力発生部材125でホルダー124に保持したまま、光源134から射出した測定光135に対して傾け、透過光を検出器136で検出することで斜入射光に対する複屈折の測定を行った。フッ化カルシウム結晶素材121の傾斜角は測定光135の入射方向に対して30°及び45°とした。なお、測定は、フッ化カルシウム結晶素材121の面内領域で半径100mmの円周状を15°間隔で光照射位置を移動しながら測定した。測定結果を表1Bに示した。
フッ化カルシウム結晶素材121の複屈折量を測定した後、フッ化カルシウム結晶素材121を一旦ホルダー124から取り外し、所定のレンズ形状になるように、研削及び研磨を行った。なお、取り外す前に、結晶軸の方位とホルダーとの相対位置関係について研削及び研磨後のレンズ取り付けのために記録しておいた。研削の際、レンズ外周部の側壁には、図1(b)に示すような凸部111aが形成されるようにした。次いで、加工されたレンズを、図1(a)及び(b)に示すようなホルダー114に、前記記録した相対位置関係を維持しつつ装着した。その際、ホルダー114に設けられた3つの保持部材116でレンズ111をホルダー114の中心軸と同軸上に保持した。次に、ホルダー114に設けられた各内部応力発生部材115の押圧部材115cを、レンズ111の外周に形成された側壁部111bに押し当て、レンズ111の中心軸117に向かって垂直に押圧力113を加えてレンズ111に圧縮応力を発生させた。押圧力113には空気圧を用い、圧力値は50±5N/cm2とした。このようにして、実施例1のリソグラフィー用光学素子110を作製した。
上記作製方法で作製された光学素子110内のレンズ111の複屈折量を前述の複屈折測定方法と同様の方法で測定した。その結果、表1Aとほぼ同じ結果が得られた。
実施例2
図4(a)及び(b)に、実施例2で作製したリソグラフィー用光学素子を示す。この例で作製した光学素子210は、図4(a)及び(b)に示すように、レンズ211、円筒状のホルダー214、4つの保持部材216及び2つの内部応力発生部材215で構成されている。この例では、レンズ221の中心軸217は、フッ化カルシウム結晶の[110]軸とした。また、図4(a)に示すように、保持部材216をホルダー214の周方向に約90°間隔で4つ設け、内部応力発生部材215をレンズの中心軸217と直交する[−110]軸212からホルダー214の周方向に0°及び180°の位置にそれぞれ設けた以外は、実施例1と同様の構成とした。ただし、図4(a)に示すように、4つの保持部材216と2つの内部応力発生部材215とは互いに重ならない位置に設けられている。
以下に、この例で作製したリソグラフィー用光学素子210の作製方法について説明する。まず、実施例1と同様に、レンズ211に用いられるフッ化カルシウム結晶を、ブリッジマン法によって成長させ、熱処理工程を経て熱歪を除去することにより直径250mmの円柱状のフッ化カルシウム結晶を作製した。次いで、作製されたフッ化カルシウム結晶のインゴットから結晶の[110]軸がレンズ211の中心軸217と概ね一致するように円板状素材を切り出し、[110]軸と直交する[−110]軸方向212をX線回折により見出した。
次に、切り出した円板状のフッ化カルシウム結晶素材を複屈折測定用のホルダーに装着した。その様子を図5に示した。ホルダー224は保持部材216を設けなかった以外は図4に示したホルダー214と同様の構造を有する。フッ化カルシウム結晶素材221を複屈折測定用のホルダー224に装着する際、フッ化カルシウム結晶素材221の[−110]軸222からホルダー224の周方向に0°及び180°の位置に設けられた内部応力発生部材225で2方向からそれぞれ約50N/cm2の押圧力223を中心軸227に向かって中心軸227に垂直に加えながらフッ化カルシウム結晶素材221を内部応力発生部材225で保持した。
内部応力発生部材225で保持されたフッ化カルシウム結晶素材221の中心軸227([110]軸)方向に、波長が193nm及び157nmである光をそれぞれ照射して、フッ化カルシウム結晶素材221の複屈折量を測定した。この例では、実施例1同様、光源にD2ランプを用い、複屈折量は複屈折測定装置により測定した。その結果を下記の表2に示した。なお、測定は、フッ化カルシウム結晶素材221の中心から最外周までの面内領域で半径方向に5mm毎及び円周方向に30°毎に光照射位置を移動して測定した。表2には、測定値の最大値と平均値を示した。また、比較のために、フッ化カルシウム結晶素材221に押圧力を加えない場合の複屈折量も記載した。
フッ化カルシウム結晶素材221の複屈折量を測定した後、フッ化カルシウム結晶素材221を一旦ホルダー224から取り外し、所定のレンズ形状になるように、研削及び研磨を行った。レンズ外周部の側壁には、図4(b)に示すように、保持部材214でレンズ211を保持するとともに、内部応力発生部材215の押圧部材215cで押圧できるようにするために凸部211aを形成した。次いで、加工されたレンズを、図4(a)及び(b)のように、ホルダー214に装着した。その際、ホルダー214に設けられた4つの保持部材216でレンズ211をホルダー214の中心軸と同軸上に保持した。次に、ホルダー214に設けられた各内部応力発生部材215の押圧部材215cを、レンズ211の外周の側壁部211bに押し当て、レンズ211の中心軸217に向かって且つ中心軸217に垂直に押圧力213を加えてレンズ211に圧縮応力を発生させた。押圧力213には空気圧を用い、圧力値は50±5N/cm2とした。このようにして、実施例2のリソグラフィー用光学素子210を作製した。
上記作製方法で作製された光学素子210内のレンズ211の複屈折量を前述の複屈折測定方法と同様の方法で測定した。その結果、表2とほぼ同じ結果が得られた。
実施例3
図6に、実施例3で作製したリソグラフィー用光学素子を示す。この例で作製した光学素子310は、図6に示すように、レンズ311、円筒状のホルダー314、4つの保持部材316及び4つの内部応力発生部材315で構成されている。この例では、レンズ321の中心軸317は、フッ化カルシウム結晶の[100]軸とした。また、図6(a)に示すように、保持部材316をホルダー314の周方向に約90°間隔で4つ設け、内部応力発生部材315をレンズの中心軸317と直交する[001]軸312からホルダー314の周方向に0°、90°、180°及び270°の位置に設けた以外は、実施例1と同様の構成とした。ただし、図6(a)に示すように、4つの保持部材316と4つの内部応力発生部材315は互いに重ならない位置に設けられている。
以下に、この例で作製したリソグラフィー用光学素子310の作製方法について説明する。まず、実施例1と同様に、レンズ311に用いられるフッ化カルシウム結晶を、ブリッジマン法によって成長させ、熱処理工程を経て熱歪を除去することにより直径250mmの円柱状のフッ化カルシウム結晶を作製した。次いで、作製したフッ化カルシウム結晶のインゴットから結晶の[100]軸がレンズ311の中心軸317と概ね一致するように円板状素材を切り出し、[100]軸と直交する[001]軸方向312をX線回折により見出した。
次に、切り出した円板状のフッ化カルシウム結晶素材を複屈折測定用のホルダーに装着した。その様子を図7に示した。ホルダー324は、保持部材316を設けなかった以外は図6に示したホルダー314と同じ構造を有する。フッ化カルシウム結晶素材321を複屈折測定用のホルダー324に装着する際、フッ化カルシウム結晶素材321の[001]軸322からホルダー324の周方向に0°、90°、180°及び270°の位置に設けられた内部応力発生部材325で4方向からそれぞれ約50N/cm2の押圧力323を中心軸327に向かって中心軸327に垂直に加えることにより、フッ化カルシウム結晶素材321を内部応力発生部材325で保持した。
内部応力発生部材325で保持されたフッ化カルシウム結晶素材321の中心軸327([100]軸)方向に、波長が193nm及び157nmである光をそれぞれ照射して、フッ化カルシウム結晶素材321の複屈折量を測定した。この例では、実施例1同様、光源にD2ランプを用い、複屈折量は複屈折測定装置により測定した。その結果を下記の表3に示した。なお、測定は、フッ化カルシウム結晶素材321の中心から最外周までの面内領域で半径方向に5mm毎及び円周方向に30°毎に光照射位置を移動して測定した。表3には、測定値の最大値と平均値を示した。また、比較のためにフッ化カルシウム結晶素材321に押圧力を加えない場合の複屈折量も記載した。
フッ化カルシウム結晶素材321の複屈折量を測定した後、フッ化カルシウム結晶素材321を一旦ホルダー324から取り外し、所定のレンズ形状になるように、研削及び研磨を行った。レンズ外周部の側壁には、図6(b)に示すように、保持部材316でレンズ311を保持するとともに、押圧部材315cで押圧できるようにするために凸部311aを形成した。次いで、加工されたレンズを、図6(a)及び(b)のように、ホルダー314に装着した。その際、ホルダー314に設けられた、4つの保持部材316でレンズ311をホルダー314の中心軸と同軸上に保持した。次に、各内部応力発生部材315の押圧部材315cを、レンズ311の外周の側壁部311bに押し当て、レンズ311の中心軸317に向かって中心軸317に垂直に押圧力313を加えてレンズ311に圧縮応力を発生させた。押圧力313には空気圧を用い、圧力値は50±5N/cm2とした。このようにして、実施例3のリソグラフィー用光学素子310を作製した。
上記作製方法で作製された光学素子310内のレンズ311の複屈折を前述の複屈折測定方法と同様の方法で測定した。その結果、表3とほぼ同じ結果が得られた。
実施例4
この例では、熱処理によりフッ化カルシウム結晶内に内部応力を発生させた。以下に、この例で作製したリソグラフィー用フッ化カルシウム結晶の作製方法について説明する。まず、ブリッジマン法により、直径300mmの円柱状のフッ化カルシウム結晶を成長させて3本のフッ化カルシウム結晶のインゴットを得た。これらのフッ化カルシウム結晶のインゴットは概ね単結晶であり、それらのインゴットから{111}面、{110}面、{100}面がそれぞれのレンズの上下面になるように、直径230mm、厚さ55mmの円板状の3種類のフッ化カルシウム結晶素材を切り出した。
次に、切り出した各フッ化カルシウム結晶の円板状素材を図8に示す熱処理装置に入れて熱処理を行い、フッ化カルシウム結晶に内部応力を発生させた。
図8に示すように、円筒形状の熱処理装置40の中央部には、グラファイトで形成された容器42が配置され、その外周には、気密性のステンレス容器43が設けられている。ステンレス容器43の外側には、アルミナ製断熱材44とヒータ45がそれぞれ配置されている。アルミナ製断熱材44は、ヒータ45から熱を容器42の中心(48)に対して周方向に3回対称に分布させることができるように周方向に120°毎に分割して設置されている。ヒータ45は、熱処理装置内部の温度を1200℃まで上昇させることができるヒータであれば任意のヒータで良く、この例ではニッケルとクロムの合金でできた抵抗発熱体をコイル状に巻いたものを使用した。また、ヒータ45の外側は、断熱材46と外枠47がそれぞれ設けられている。このような熱処理装置40の容器42内に、切り出した円板状素材の上下面が{111}面であるフッ化カルシウム結晶素材41を挿入した。円板状素材の上下面が{111}面であるフッ化カルシウム結晶素材41では、その中心軸に対して周方向に120°毎に固有の複屈折量のピークが存在する。そのため円板素材の上下面が{111}面であるフッ化カルシウム結晶素材41を熱処理する際には、固有の複屈折量のピークが低減されるように、図8に示した構造の熱処理装置40を用いて3回対称の温度分布を形成することが好ましい。
一方、円板素材の上下面が{110}面であるフッ化カルシウム結晶素材については、フッ化カルシウム結晶素材の中心軸に対して周方向に2回対称の温度分布が与えられるようにアルミナ製断熱材を配置した(不図示)。また、円板素材の上下面が{100}面であるフッ化カルシウム結晶素材については、フッ化カルシウム結晶素材の中心軸に対して周方向に4回対称の温度分布が与えられるようにアルミナ製断熱材を配置した(不図示)。
次に、円板素材の上下面が{111}面、{110}面及び{100}面であるフッ化カルシウム結晶素材をそれぞれの複屈折分布に適合した熱処理装置に挿入し、適量のフッ化水素アンモニウムとともに、油回転ポンプでステンレス容器43内を真空排気した。容器43を密閉後、昇温、保持、降温の熱処理プロセスを行った。この例では、熱処理に次のような温度制御スケジュールを採用した。まず、0℃から1050℃まで50℃/hの速度で昇温して、1050℃で50時間保持する。次いで、1050℃から700℃までは0.5℃/hの速度、700℃から500℃までは2.0℃/hの速度、そして、500℃から20℃までは5.0℃/hの速度でそれぞれ降温した。
上記熱処理が施された各フッ化カルシウム結晶素材に、波長193nm及び157nmの光を各フッ化カルシウム結晶素材の中心軸に平行に照射してそれぞれの複屈折量を測定した。この例では、実施例1同様、光源にD2ランプを用い、複屈折量は複屈折測定装置により測定した。なお、測定は各フッ化カルシウム結晶素材の直径210mm以内の面内領域で約280点の測定点で測定した。その結果を表4に示した。表4には、測定値の最大値と平均値を示した。表4からいずれの結晶素材も波長193nm及び157nmの光に対して複屈折量が十分に抑制されていることが分る。
実施例5
この例では、熱処理と外部からの加圧処理によりフッ化カルシウム結晶内に内部応力を発生させた。以下に、この例で作製したリソグラフィー用フッ化カルシウム結晶の作製方法について説明する。まず、ブリッジマン法により、直径300mmの円柱状のフッ化カルシウム結晶を成長させて、3本のフッ化カルシウム結晶のインゴットを得た。これらのフッ化カルシウム結晶のインゴットは概ね単結晶であり、それらのインゴットから{111}面、{110}面、{100}面がそれぞれのレンズの上下面になるように、直径230mm、厚さ55mmの円板状の3種類のフッ化カルシウム結晶素材を切り出した。
次に、それぞれのインゴットから切り出したフッ化カルシウム結晶の円板状素材511に、図9に示すように、グラファイト製ブランケット516に巻いた後、円筒状のホルダー514内に配置して、ホルダー514に設けられた内部応力発生部材515により外部からフッ化カルシウム結晶素材511の中心軸に向かって中心軸に垂直に押圧力を加えてフッ化カルシウム結晶内に内部応力を発生させた。
円板素材の上下面が{111}面であるフッ化カルシウム結晶素材の場合には、フッ化カルシウム結晶素材511の中心軸517と垂直方向の[−110]軸512からホルダー514の周方向に30°、150°及び270°の位置に設けられた内部応力発生部材515によりフッ化カルシウム結晶素材511の半径方向外側から中心軸517に向かって加圧し、フッ化カルシウム結晶素材511に3回対称の圧縮応力を発生させた。押圧力は約50N/cm2とした。
各内部応力発生部材515で圧縮応力が生じている状態のフッ化カルシウム結晶素材511をホルダー514ごと熱処理装置に入れて、フッ化カルシウム結晶素材511の中心軸517に対して周方向に均一に加熱されるように熱処理を行った。熱処理の温度制御スケジュールは、実施例4と同様に、まず、0℃から1050℃まで50℃/hの速度で昇温して、1050℃で50時間保持する。次いで、1050℃から700℃までは0.5℃/hの速度、700℃から500℃までは2.0℃/hの速度、そして、500℃から20℃まで5.0℃/hの速度でそれぞれ降温した。
円板素材の上下面が{110}面であるフッ化カルシウム結晶素材については、フッ化カルシウム結晶素材の中心軸に対して周方向に2回対称の押圧力が加えられるホルダー、すなわち、直径方向に対向して内部応力発生部材が設けられたホルダーにフッ化カルシウム結晶素材を装着して、フッ化カルシウム結晶素材内に内部応力を発生させ、この状態で熱処理を行った。温度制御スケジュールは上下面が{111}面である円板素材と同様にした。また、円板の上下面が{100}面であるフッ化カルシウム結晶素材については、フッ化カルシウム結晶素材の中心軸に対して周方向に4回対称の押圧力が加えられるホルダー、すなわち、90°の回転角度間隔で内部応力発生部材が設けられたホルダーにフッ化カルシウム結晶素材を装着して、フッ化カルシウム結晶素材内に内部応力を発生させ、その状態で熱処理を行った。温度制御スケジュールは上下面が{111}面である円板素材と同様にした。
熱処理後、フッ化カルシウム結晶素材をホルダーから取り外し、フッ化カルシウム結晶素材の外周を約2mmの圧さで研削した。研削後のフッ化カルシウム結晶素材の中心軸の方向に波長193nm及び157nmの光を照射して、フッ化カルシウム結晶素材の複屈折量をそれぞれ測定した。この例では、実施例1同様、光源にD2ランプを用い、複屈折量は複屈折測定装置により測定した。なお、測定は、フッ化カルシウム結晶素材の中心から直径210mmの面内領域で、半径方向5mm毎及び円周方向30°毎に測定点を移動して総計約280点において行った。その結果を表5に示した。表5には測定値の最大値と平均値を示した。表5からいずれの結晶素材も複屈折量が十分に抑制されていることが分る。
上記実施例1〜3では、レンズを光学素子内で保持するための保持部材とレンズ内に内部応力を発生させるための内部応力発生部材とが別個である例を説明したが、本発明はこれに限定されず、保持部材に内部応力発生機能を持たせて、保持部材のみで、レンズの保持と加圧を行っても良い。この場合、例えば、保持部材のアームをホルダーの壁面を貫通して移動可能にするとともにアームを押圧後固定するためのネジをホルダーに設けることができる。あるいは、内部応力発生部材でレンズを支持することにより、保持部材をホルダーから省略することもできる。
上記実施例1〜5では、レンズの形成材料としてフッ化カルシウム結晶を用いて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、フッ化バリウム、フッ化ストロンチウムなどの等軸晶系に属するフッ化物結晶を用いることも可能であり、上記実施例と同様に複屈折を低減させることが可能である。
上記実施例1〜5では、インゴットからフッ化物結晶素材を円板状に切り出す際に、フッ化物結晶の{111}面、{110}面及び{100}面が円板の上下面となるように切り出す例を説明したが、これら以外の面で切り出しても良い。その場合には、フッ化物結晶素材に熱処理または加圧処理により内部応力を発生させる際、切り出した結晶面の複屈折の特性に合わせて、フッ化物結晶素材の中心軸に対する周方向の熱処理の温度分布や加圧処理の圧力分布を適宜変更し得る。
実施例6
図10は、光リソグラフィー装置の一例として、上記実施例1で作製したフッ化物結晶製レンズを収容した投影光学系を備える露光装置を示す。図10はF2レーザーを光源とする光リソグラフィー用露光装置10の概念図を示す。図10において、100はF2レーザー光源(発振中心波長157.6nm)、ILは照明光学系、PLは投影光学系、Rはレチクル、Wは縮小投影されるシリコンウェハである。光源100から出射された光は、照明光学系ILを介して、所定のパターンが形成されたレチクルRを均一な照度で照明する。
光源100と照明光学系ILの間の光路はケーシング(不図示)で密封されており、光源100から照明光学系ILの最もレチクルに近い側のレンズまでの空間は、露光光の吸収率が低い不活性ガスが充填されている。レチクルRは、レチクルホルダRHを介してレチクルステージRS上においてXY平面に対して平行となるように保持されている。レチクルRにはウェハW上に転写するためのパターンが形成されている。パターン領域全体のうち、X方向に沿って短辺を有し、かつ、Y方向に沿って長辺を有する矩形状(スリット状)領域が照明される。
レチクルステージRSは、レチクル面(すなわちXY平面)に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はレチクル移動鏡RMを用いたレチクル干渉計RIFによって計測され位置制御される。レチクルRに形成されたパターンを通過した光は、投影光学系PLを介して感光性基板であるウェハW上にレチクルパターン像を形成する。ウェハWは、ウェハテーブルWTを介してウェハステージWS上においてXY平面に対して平行となるように保持される。ウェハステージWSは、ウェハW上においてX方向に沿って短辺を有し、かつ、Y方向に沿って長辺を有する矩形状の露光領域が、レチクルR上における矩形状の照明領域に光学的に対応するように、XY平面に沿って二次元的に移動可能である。ウェハテーブルWTの位置座標はウェハ移動鏡WMを用いてウェハ干渉計WIFにより計測され位置制御される。
投影光学系PLの内部は気密状態を保つように構成され、その内部の空間には不活性ガスが充填されている。図10に示すように、投影光学系PLの内部には、実施例1で作製したホルダー付きの光学素子110a、110b及び110cが各ホルダーを投影光学系PLの鏡筒に装着することにより設置されている。また、照明光学系ILと投影光学系PLの間の狭い光路には、レチクルR及びレチクルステージRSなどが配置されている。レチクルR及びレチクルステージRSなどを密封包囲するケーシング(不図示)の内部には不活性ガスが充填されている。
このように、光源100からウェハWまでの光路全体にわたって、露光光が殆ど吸収されることのない雰囲気が形成されている。上述した通り、投影光学系PLを介して照明されるレチクルR上の照明領域及びウェハW上の露光領域は、X方向に沿って短辺を有する矩形状である。従って、駆動系及び干渉計(RIF、WIF)等を用いてレチクルR及びウェハWの位置制御を行ないながら、矩形状の照明領域及び露光領域の短辺方向、即ちX方向に沿ってレチクルステージRSとウェハステージWSとを同期して移動(走査)させることで、ウェハW上には露光領域の長辺に等しい幅を有し、かつ、ウェハWの移動(走査)量に応じた長さを有する領域に対してレチクルパターンが走査露光される。
このような構成の露光装置により、微細かつ鮮明なパターンを得られる光リソグラフィーが実現できる。前述のように、実施例1で作製したホルダー付きの光学素子110a、110b及び110cは、図10に示すようにそのまま投影光学系PLの鏡筒に装着することが可能であるので、レンズの良好な結像特性を維持したまま投影光学系の組立が可能となる。この場合、投影光学系の結像特性をホルダーに設けられた応力発生部材を調整することで制御することも可能となり、メンテナンスの点でも有利となる。上記実施例で作製したフッ化物結晶製レンズは投影光学系用のレンズのみならず照明光学系で用いられる各種レンズに使用することができる。露光装置の構造の詳細は、例えば、米国特許第6,400,441B1及び第6,391,503B2に記載されており、国際出願の指定国又は選択国の国内法令又は規則が許容する場合において、これらの米国特許の内容を援用して本文の記載の一部とする。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明のフッ化物結晶材料及び光学装置(光学素子)並びにそれらの製造方法によれば、フッ化物結晶の固有の複屈折が光学性能に与える影響を最小限にすることができる。それゆえ、フッ化物結晶材料を、例えば、投影露光装置、特にArFレーザやF2レーザを光源とする投影露光装置に用いられる投影レンズ材料として用いたときに、ストレール値を向上させることが可能となり、高解像度の露光が実現される。また、本発明の光学装置は、ホルダーによりレンズの結像特性を調整しているために、レンズの組み込み作業並びに光学特性の調整及びメンテナンスが容易となる。
【図面の簡単な説明】
図1は、実施例1に記載のフッ化カルシウム結晶を保持した光学素子を示し、図1(a)は平面図であり、図1(b)は図1(a)中の破線A1−A1方向の断面図である。
図2は、実施例1に記載のフッ化カルシウム結晶の複屈折を測定する際のフッ化カルシウム結晶の保持方法を示し、図2(a)は平面図であり、図2(b)は図2(a)中の破線A2−A2方向の断面図である。
図3は、実施例1に記載のフッ化カルシウム結晶の斜入射光に対する複屈折の測定方法を示す。
図4は、実施例2に記載のフッ化カルシウム結晶を保持した光学素子を示し、図4(a)は平面図であり、図4(b)は図4(a)中の破線A3−A3方向の断面図である。
図5は、実施例2に記載のフッ化カルシウム結晶の複屈折を測定する際のフッ化カルシウム結晶の保持方法を示し、図5(a)は平面図であり、図5(b)は図5(a)中の破線A4−A4方向の断面図である。
図6は、実施例3に記載のフッ化カルシウム結晶を保持した光学素子を示し、図6(a)は平面図であり、図6(b)は図6(a)中の破線A5−A5方向の断面図である。
図7は、実施例3に記載のフッ化カルシウム結晶の複屈折を測定する際のフッ化カルシウム結晶の保持方法を示し、図7(a)は平面図であり、図7(b)は図7(a)中の破線A6−A6方向の断面図である。
図8は、実施例4に記載の平板の上下面が{111}面であるフッ化カルシウム結晶をアニールする際の熱処理炉の構成断面図である。
図9は、実施例5に記載の熱処理時のフッ化カルシウム結晶の保持方法を示し、図9(a)は平面図であり、図9(b)は図9(a)中の破線A7−A7方向の断面図である。
図10は、光リソグラフィー装置の全体構造を表す概念図である。
本発明は、光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料及び光学素子並びにそれらの製造方法に関し、特に、波長200nm以下、例えば波長193nmまたは157nmの光を光源として用いる光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料及びその製造方法、並びにフッ化物結晶材料を用いた光学素子、光学装置及び光リソグラフィー装置に関する。
技術背景
近年におけるVLSIは、高集積化、高機能化が進行し、ウェハ上の微細加工技術が要求されている。その加工方法として、光リソグラフィーによる方法が一般的に行われている。現在では、露光波長もしだいに短波長となり、KrFエキシマレーザ光(波長248nm)を光源とする投影露光装置(ステッパーやスキャナー)に続いて、ArFエキシマレーザ光(波長193nm)を光源とする投影露光装置も市場に登場している。
光リソグラフィー技術の要である投影露光装置の投影レンズには、高い結像性能(解像度、焦点深度)が要求されている。解像度と焦点深度は、露光に用いる光の波長λとレンズの開口数NAにより決まり、解像度=k1・λ/NA、焦点深度=k2・λ/(1−√(1−NA2))で表される。ここで、k1及びk2は比例定数である。露光波長λが同一の場合には、細かいパターンほど回折光の角度が大きくなるので、レンズのNA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、同一パターンにおける回折光の角度は小さくなるので、レンズのNAは小さくて済む。
上式より、解像度を向上させるためには、レンズのNAを大きくする(レンズを大口径化する)か、あるいは露光波長λを短くすればよい。特に焦点深度を深くしたまま解像度を上げるには、NAを大きくするよりもλを小さくするほうが有利であることが上式から分る。それゆえ、光リソグラフィーで更なる微細加工を実現するために、光源の波長を短くする試みがなされている。光の短波長化に関して、露光波長λは、KrFエキシマレーザ光の波長248nmからArFエキシマレーザ光の波長193nmへと短くなり、さらにはF2レーザ光の波長157nmへと短波長化が進むと予想されている。
一方、レンズの大口径化に関して、レンズの開口数NAはKrFエキシマレーザ光を光源とする投影露光装置の投影レンズですでに0.6を越え、ArFエキシマレーザではそれ以上のNAとなっている。F2レーザを光源とする投影レンズでは、NAが0.7以上になることも予想される。
250nm以下の光源波長に対する光リソグラフィー投影レンズに用いられる光学材料は非常に少なく、主にフッ化カルシウム結晶と石英ガラスの2種類が用いられる。また、F2レーザ光に対する光リソグラフィー投影レンズでは、もはや石英ガラスは使用が困難と予想され、フッ化カルシウム結晶が有望視されている。
フッ化カルシウム単結晶は、一般にブリッジマン法(ストックバーガ法、ルツボ降下法とも呼ばれる)により製造される。紫外域または真空紫外域において使用されるフッ化カルシウム単結晶の場合、原料として天然の蛍石は使用せず、化学合成により作製された高純度原料を使用することが一般的である。原料は粉末のまま使用することも可能であるが、この場合、粉末が溶融した時の体積減少が激しいため、一般に半溶融品やその粉砕品が用いられる。また、フッ化カルシウム単結晶の原料として、結晶成長させたブロックを再利用することも可能である。
ここで、ブリッジマン法によるフッ化カルシウムの製造方法を説明する。まず、育成装置の中にフッ化カルシウムの原料を充填したルツボを置き、育成装置内を排気して10−3〜10−4Paの真空雰囲気に保持する。次に、育成装置内の温度をフッ化カルシウムの融点以上まで上昇させてルツボ内の原料を溶融する。この際、育成装置内温度の時間的変動を最小限に抑えるために、定電力出力による制御または高精度なPID制御を行う。
結晶育成段階では、育成装置内でルツボを0.1〜5mm/時間程度の速度で引き下げることにより、ルツボの下部から徐々に結晶化させる。融液最上部まで結晶化したところで結晶育成は終了し、育成した結晶(インゴット)が割れないように、急冷を避けて簡単な徐冷を行う。育成装置内の温度が室温程度まで下がったところで、装置を大気開放してインゴットを取り出す。
投影露光装置の投影レンズなどに用いられるフッ化カルシウム単結晶の場合には、高均質性が要求されるので、インゴットはそのまま簡単なアニール(熱処理)が行われる。そして、レンズ素材として、適当な大きさに切断加工された後、さらにアニールが行われる。アニール終了後に、品質保証のための諸特性が測定されて選別される。品質保証に合格したレンズ素材は、光学レンズとして必要な表面形状に球面研磨または非球面研磨が行われ、コーティング処理が施される。こうして仕上がった光学レンズは、1枚ずつ、周辺を金属または樹脂製の保持用工具によって保持され、鏡筒と呼ばれる容器に複数枚のレンズが調整されて組み込まれ、投影レンズが完成する。
ところで、等軸晶系に属するフッ化物結晶(フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化ストロンチウムなど)には結晶固有の複屈折が存在する。例えば、フッ化カルシウム結晶の場合、最大の固有複屈折が現れる結晶面方位において、波長193nmの光に対して3.4nm/cm、波長157nmの光に対して11.2nm/cmの複屈折がそれぞれ存在することが知られている(J.H.Burnett et al.,Phys.Rev.B64,241102(2001))。その固有の複屈折量は結晶を透過する光の進行方向及び光の偏光方向に依存する。即ち、透過光の方向に応じて、屈折率が最小となる偏光方向(進相軸)及び屈折率が最大となる偏光方向(遅相軸)が存在する。ここで、進相軸と遅相軸は直交する。
固有の複屈折を有するフッ化物結晶材料を用いて光リソグラフィー投影レンズを作製する場合、フッ化物結晶材料を円板状に加工した後、光学設計に応じて表面を球面研磨または非球面研磨する。その加工された投影レンズに光を照射すると、レンズの中心では光は光軸(レンズの中心軸)を通るが、その他の部分では光軸に対して有限の大きさの入射角で入射して複屈折の影響を受ける。例えば、フッ化物結晶の{111}面や{100}面に垂直に入射される光に対しては固有の複屈折はほとんど存在しないが、垂直方向からずれた光、即ち、{111}面や{100}面の垂直軸に対して角度を持った入射光に対しては固有の複屈折が存在する。
それゆえ、波長が200nm以下、例えば、波長が193nmまたは157nmである光をフッ化物結晶で作製された光リソグラフィー用投影レンズに入射させると、フッ化物結晶における固有の複屈折によりストレール強度が低下して、結像性能が悪化するという問題があった。ここで、ストレール強度とは点像強度分布とも呼ばれ、収差のあるレンズの回折像最高点の高さと、無収差レンズの山の高さとの比である。ストレール強度は、無収差レンズで1.0となり、収差が大きいほど1より小さい正の値となる。
本発明者は、特開平11−240798号公報において、光リソグラフィー用の光学系に使用される、複屈折が十分に小さい蛍石単結晶を製造する方法を開示している。この方法では、ブリッジマン法で製造した蛍石単結晶を特定の温度スケジュールに従ってアニール処理している。しかしながら、この文献では特定の熱分布が発生するような方法で結晶を加熱してはいない。
発明の開示
本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、本発明の第1の目的はフッ化物結晶固有の複屈折が低減されたフッ化物結晶材料及びその製造方法を提供することである。本発明の第2の目的は、真空紫外域のような短波長領域の光に対して良好な結像特性を有する光学素子並びにそれを用いた光学装置及び光リソグラフィー装置を提供することにある。
本発明の第1の態様に従えば、光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料であって、波長が約157nmである光源に対する複屈折量が、最大値で2.0nm/cm以下であることを特徴とするフッ化物結晶材料が提供される。
本発明の第2態様に従えば、光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料であって、波長が約193nmである光源に対する複屈折量が、最大値で1.0nm/cm以下であることを特徴とするフッ化物結晶材料が提供される。
本発明の光学素子用フッ化物結晶材料は、波長が約157nmまたは約193nmの短波長の光に対しても複屈折量が極めて低く抑制されているので、短波長光源を用いても良好な結像特性を維持することができる。後述の実施例から分るように複屈折量の平均値は、波長約157nmの光に対して1.7nm/cm以下であり、波長約193nmの光に対して0.8nm/cm以下を達成している。このようなフッ化物結晶材料は、フッ化物結晶のインゴットから円板状に切り出したフッ化物結晶の屈折率の進相軸(及び遅相軸)を実測あるいは計算で求め、その特性に基づいて結晶固有の複屈折を低減させるようにフッ化物結晶材料内に内部応力を発生させることで得られる。
本発明の光学素子用フッ化物結晶材料は、フッ化カルシウム結晶であることが好ましい。この場合、フッ化カルシウム結晶の光入射面は{111}面、{110}面または{100}面にし得る。
本発明の光学素子用フッ化物結晶材料では、フッ化物結晶材料固有の複屈折量を低減させるように該フッ化物結晶材料内に内部応力が生じている。この内部応力は、上記フッ化物結晶材料を外部から押圧することにより、または、フッ化物結晶材料を熱処理することにより生じさせ得る。さらに、内部応力はフッ化物結晶材料の熱処理及び外部からの加圧処理の両方により生じさせてもよい。
本発明では、本発明のフッ化物結晶材料で形成された光学素子及びこの光学素子を備える光リソグラフィー装置もまた提供される。これらの光学素子及び光リソグラフィー装置は、高解像度のために用いられるF2レーザなどの短波長光源に最適である。
本発明の第3の態様に従えば、光リソグラフィー装置に用いられる光学装置であって、
フッ化物結晶材料で形成されたレンズと;
上記レンズを保持するホルダーと;
上記ホルダーに取り付けられた押圧部材であって、レンズ内に応力を発生させるためにレンズを押圧する押圧部材と;を備える光学装置が提供される。
本発明の光学装置はレンズ内に応力を発生させるためにレンズを押圧する押圧部材を備えるので、レンズの特定の方位を押圧することでレンズ内部に応力を発生させてレンズの複屈折を低減させることができる。例えば、レンズをフッ化カルシウム結晶から構成した場合、波長約157nmの光に対する複屈折量の最大値が上記レンズの有効径(光透過領域)内で2.0nm/cm以下、あるいは波長約193nmの光に対する複屈折量の最大値が上記レンズの有効径内で1.0nm/cm以下にすることができる。また、本発明の光学装置では、押圧部材はホルダーに設けられているので、レンズがホルダーに保持されている限り、レンズに押圧力をかけた状態を維持することができる。
上記押圧部材が複数の押圧部(内部圧力発生部材)を備え、各押圧部が上記レンズ外周の異なる位置を押圧し得る。フッ化物結晶材料の複屈折が現れる面方位を考慮すると、各押圧部が上記レンズの外周の回転対称位置、例えば、2回、3回及び4回対称位置でレンズを押圧するようにホルダーに設けることが望ましい。より具体的には、レンズの中心軸に対して、周方向に30°毎(12点支持)、60°毎(6点支持)、120°毎(3点支持)、あるいは180°(2点支持)の位置に対応するホルダー上に押圧部を設けることができる。ホルダーには、押圧部材とは別にレンズを保持する保持部材を設けてもよく、または、押圧部材によりレンズを保持させてもよい。保持部材をホルダーに設ける場合に、保持部材はレンズの外周部を把持するように構成し得る。
各押圧部がレンズを押圧している状態で押圧部をホルダー上に固定するための固定部材、例えば、押さえ螺子を備え得る。また、ホルダーを、レンズが設置される用途に応じて設計しておけばそのまま設置が可能となる。例えば、上記ホルダーを、光リソグラフィーに用いられる投影光学系の鏡筒の一部を構成するようにしてもよい。こうすることで投影光学系の組立及びレンズの諸特性の調整が容易となる。
本発明の第4の態様に従えば、フッ化物結晶を成長させる工程と成長させたフッ化物結晶を昇温して一定時間保持した後に降温する熱処理工程とを含む、光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料の製造方法において、
上記熱処理工程で、フッ化物結晶内に不均一な熱分布が発生するようにフッ化物結晶を加熱することを特徴とするフッ化物結晶材料の製造方法が提供される。
本発明のフッ化物結晶材料の製造方法では、フッ化物結晶内に不均一な熱分布が発生するようにフッ化物結晶を加熱するので、昇温時または降温時に、上記フッ化物結晶固有の複屈折量を打ち消すような内部応力(熱応力)を発生させることができる。熱処理に用いる装置としては、例えば、フッ化物結晶材料の中心軸に対して周方向に3回対称や4回対称の温度分布を与えることのできる熱処理炉を用い得る。これらの温度分布は、熱処理炉内で所望の対称位置にヒータを配置したり、断熱材、反射板や放熱板などを所望の対称位置に配置することで、実現することが可能である。
例えば、{111}面がレンズの上下面となるように円板状に切り出したフッ化物結晶材料では、円板状のフッ化物結晶材料の垂直軸に対して周方向に120°毎に固有の複屈折量のピークが存在する。即ち、複屈折量の分布が円板状のフッ化物結晶材料の垂直軸に対して周方向に3回対称の分布形状を有する。光が垂直軸と同じ方向から入射する場合には複屈折はほとんど発生しないが、このフッ化物結晶材料をレンズとして使用した際には垂直軸に対して斜めから入射する光に対して{111}面方向以外の方向の固有の複屈折が発生する。そこで、{111}面を上下面となるように円板状に切り出したフッ化物結晶材料に対して、フッ化物結晶材料の中心軸に対して周方向に3回対称の温度分布を与えることのできる熱処理炉を用意し、その中心にフッ化物結晶材料を配置して熱処理を行うと、{111}面を上下面として円板状に切り出したフッ化物結晶材料内にその中心軸に対して周方向に不均一(3回対称)な内部応力を発生させることができる。これによりフッ化物結晶材料の斜入射光に対する固有の複屈折を低下させてフッ化物結晶全体の複屈折量を低減することができる。
本発明の第5の態様に従えば、フッ化物結晶を成長させる工程と成長させたフッ化物結晶を昇温して一定時間保持した後に降温する熱処理工程とを含む、光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料の製造方法において、
上記熱処理工程に施されるフッ化物結晶に内部応力が発生するように、フッ化物結晶を部分的に押圧する工程を含むことを特徴とするフッ化物結晶材料の製造方法が提供される。
本発明の第5の態様に従う方法のように、フッ化物結晶材料の外周に押圧力を加えた状態で熱処理を行い、熱処理終了後にその外部応力を取り除くことにより、フッ化物結晶材料に内部応力を発生させても良い。この外周に加える押圧力は、フッ化物結晶材料の中心軸に対して周方向に不均一、例えば中心軸に対して周方向に3回対称、4回対称などの押圧力を加えても良い。この方法では、例えば、押圧部材が設けられたホルダーを用いてフッ化物結晶に部分的に押圧力をかけてフッ化物結晶を保持し、フッ化物結晶を保持したホルダーを熱処理工程に供することができる。
発明を実施する最良の実施形態
実施例1
図1(a)及び(b)に、実施例1で作製したリソグラフィーに用いられる光学素子(光学装置)を示す。この例で作製した光学素子110は、図1(a)及び(b)に示すように、レンズ111、円筒状のホルダー114、3つの保持部材116及び3つの内部応力発生部材(押圧部材)115で構成される。
レンズ111はフッ化カルシウム結晶で形成された円盤状の凹凸レンズであり、レンズ111の光軸(中心軸)117はフッ化カルシウム結晶の[111]軸と概ね一致している。ここで、「概ね一致」とは、光軸が結晶の指定の軸に対して±3°以内の精度で一致していることを表している。レンズ111の外周の側壁111bは、図1(b)に示すように、凸部111aが周方向に形成されている。
レンズ111は、円筒状のホルダー114に設けられた保持部材116によりホルダー114内に保持される。保持部材116は、図1(a)に示すように、ホルダー114に3つ設けられ、ホルダー114の周方向に約120°間隔で設けられている。図1(b)に示すように、保持部材116はホルダー114の内周壁内部からホルダーの中心に向かって延在するアーム116bとその先端に設けられたの把持部(凹部)116aとを有する。把持部116aはレンズ111の外周の側壁に形成された凸部111aの上下面を挟み込む構造を有する。保持部材116の把持部116aでレンズ111の外周の凸部111aを挟み込むことにより、レンズ111をホルダー114の中心軸と同軸上に保持している。ただし、図1(a)に示すように、保持部材116と内部応力発生部材115とは周方向に互いに重ならない位置に設けられている。
ホルダー114には、レンズ111に内部応力を発生させるための3つの内部応力発生部材(押圧部)115が設けられている。この部材115は、ホルダー114の壁面を貫通する貫通穴114a内に移動可能に挿入されたロッド115aと、ロッド115aのレンズ側端部が分岐してできたアーム115bと、アーム115bの先端に取り付けられた円盤状の弾性部材115cとを備える。ロッド115aのホルダー114に対する位置はホルダー114に形成されたねじ穴114bに挿入されるねじ114cがロッド115aを押圧することで固定される。内部応力発生部材115は、レンズの中心軸117([111]軸)と直交する[−110]軸112からホルダー114の周方向に30°、150°及び270°の位置に設けられている。内部応力発生部材115のロッド115aのホルダー外側に位置する端部に、レンズ中心軸117に向かって押圧力113を加えることによって、内部応力発生部材115の弾性部材115cは、図1(b)に示すように、レンズ111の外周壁面111bを押圧し、ホルダー114の半径方向外側からレンズ111の中心軸117に向かって押圧力113が加えられる。レンズ111内に内部応力を発生させる際、レンズ111の材料であるフッ化カルシウム結晶固有の複屈折を低減させるように、各内部応力発生部材115から加えられる圧力をそれぞれ調整する。
以下に、リソグラフィー用光学素子110の作製方法について説明する。まず、レンズ111に用いられるフッ化カルシウム結晶を、ブリッジマン法によって成長させ、熱処理工程を経て熱歪を除去することにより作製した。この例では直径250mmの円柱状のフッ化カルシウム結晶を作製した。次いで、作製したフッ化カルシウム結晶のインゴットから、フッ化カルシウム結晶の[111]軸がレンズの中心軸と概ね一致するように円板状素材を切り出した。切り出した円板状素材について、[111]軸と直交する[−110]軸方向をX線回折により見出した。
次に、採取した円板状のフッ化カルシウム結晶素材を複屈折測定用のホルダーに装着してフッ化カルシウム結晶素材の複屈折量を測定した。図2(a)及び(b)にフッ化カルシウム結晶素材を複屈折測定用のホルダー124に装着した様子を示した。ホルダー124は保持部材を設けていない以外は、図1に示したホルダー114と同様な構造を有する。図2(a)に示すように、フッ化カルシウム結晶素材121をホルダー124の中心軸と同軸上に配置して、フッ化カルシウム結晶素材121の[−110]軸122からホルダー124の周方向に30°、150°及び270°の位置に設けられた内部応力発生部材125で3方向からそれぞれ約50N/cm2の押圧力123をフッ化カルシウム結晶素材121の半径方向外側から中心軸127に向かって中心軸127に垂直に加えながらフッ化カルシウム結晶素材121を内部応力発生部材125により保持した。
3つの内部応力発生部材125により保持され且つ加圧されたフッ化カルシウム結晶素材121に、波長が193nm及び157nmである光をそれぞれ中心軸127に平行に照射して、フッ化カルシウム結晶素材121の複屈折量を測定した。この例では、光源にD2ランプを用い、複屈折量は複屈折測定装置により測定した。その結果を下記表1Aに示した。なお、測定はフッ化カルシウム結晶素材121の中心から最外周までの面内領域で半径方向に5mm毎及び円周方向に30°毎に光照射位置を移動して測定した。表1Aには、測定値の最大値と平均値を示した。また、比較のために、フッ化カルシウム結晶素材121に押圧力を加えない場合の複屈折量も記載した。
表1Aから明らかなように、フッ化カルシウム結晶素材121に外部から約50N/cm2の押圧力を加えることにより複屈折量が低減されることが分った。なお、押圧力を変更して上記と同様にして複屈折量を測定したところ、押圧力が約50N/cm2のときに複屈折量が最小になることが分った。すなわち、押圧力が約50N/cm2のときに固有複屈折が応力複屈折によって最も効率よく相殺されている。このように、応力による複屈折を加えることにより、固有複屈折が相殺されて素材のトータルの複屈折が小さくなる。そうすると、入射光の互いに直交して振動する2つの偏光成分の光路差が小さくなるので、その結果として、ストレール強度が上がり、1に近づく。ストレール強度が1に近づくほど結像特性が良くなるので、この実施例により得られた素材を用いることにより結像特性の優れた光学素子を製造することができる。
また、この例では、図3に示すように、フッ化カルシウム結晶素材121を内部応力発生部材125でホルダー124に保持したまま、光源134から射出した測定光135に対して傾け、透過光を検出器136で検出することで斜入射光に対する複屈折の測定を行った。フッ化カルシウム結晶素材121の傾斜角は測定光135の入射方向に対して30°及び45°とした。なお、測定は、フッ化カルシウム結晶素材121の面内領域で半径100mmの円周状を15°間隔で光照射位置を移動しながら測定した。測定結果を表1Bに示した。
フッ化カルシウム結晶素材121の複屈折量を測定した後、フッ化カルシウム結晶素材121を一旦ホルダー124から取り外し、所定のレンズ形状になるように、研削及び研磨を行った。なお、取り外す前に、結晶軸の方位とホルダーとの相対位置関係について研削及び研磨後のレンズ取り付けのために記録しておいた。研削の際、レンズ外周部の側壁には、図1(b)に示すような凸部111aが形成されるようにした。次いで、加工されたレンズを、図1(a)及び(b)に示すようなホルダー114に、前記記録した相対位置関係を維持しつつ装着した。その際、ホルダー114に設けられた3つの保持部材116でレンズ111をホルダー114の中心軸と同軸上に保持した。次に、ホルダー114に設けられた各内部応力発生部材115の押圧部材115cを、レンズ111の外周に形成された側壁部111bに押し当て、レンズ111の中心軸117に向かって垂直に押圧力113を加えてレンズ111に圧縮応力を発生させた。押圧力113には空気圧を用い、圧力値は50±5N/cm2とした。このようにして、実施例1のリソグラフィー用光学素子110を作製した。
上記作製方法で作製された光学素子110内のレンズ111の複屈折量を前述の複屈折測定方法と同様の方法で測定した。その結果、表1Aとほぼ同じ結果が得られた。
実施例2
図4(a)及び(b)に、実施例2で作製したリソグラフィー用光学素子を示す。この例で作製した光学素子210は、図4(a)及び(b)に示すように、レンズ211、円筒状のホルダー214、4つの保持部材216及び2つの内部応力発生部材215で構成されている。この例では、レンズ221の中心軸217は、フッ化カルシウム結晶の[110]軸とした。また、図4(a)に示すように、保持部材216をホルダー214の周方向に約90°間隔で4つ設け、内部応力発生部材215をレンズの中心軸217と直交する[−110]軸212からホルダー214の周方向に0°及び180°の位置にそれぞれ設けた以外は、実施例1と同様の構成とした。ただし、図4(a)に示すように、4つの保持部材216と2つの内部応力発生部材215とは互いに重ならない位置に設けられている。
以下に、この例で作製したリソグラフィー用光学素子210の作製方法について説明する。まず、実施例1と同様に、レンズ211に用いられるフッ化カルシウム結晶を、ブリッジマン法によって成長させ、熱処理工程を経て熱歪を除去することにより直径250mmの円柱状のフッ化カルシウム結晶を作製した。次いで、作製されたフッ化カルシウム結晶のインゴットから結晶の[110]軸がレンズ211の中心軸217と概ね一致するように円板状素材を切り出し、[110]軸と直交する[−110]軸方向212をX線回折により見出した。
次に、切り出した円板状のフッ化カルシウム結晶素材を複屈折測定用のホルダーに装着した。その様子を図5に示した。ホルダー224は保持部材216を設けなかった以外は図4に示したホルダー214と同様の構造を有する。フッ化カルシウム結晶素材221を複屈折測定用のホルダー224に装着する際、フッ化カルシウム結晶素材221の[−110]軸222からホルダー224の周方向に0°及び180°の位置に設けられた内部応力発生部材225で2方向からそれぞれ約50N/cm2の押圧力223を中心軸227に向かって中心軸227に垂直に加えながらフッ化カルシウム結晶素材221を内部応力発生部材225で保持した。
内部応力発生部材225で保持されたフッ化カルシウム結晶素材221の中心軸227([110]軸)方向に、波長が193nm及び157nmである光をそれぞれ照射して、フッ化カルシウム結晶素材221の複屈折量を測定した。この例では、実施例1同様、光源にD2ランプを用い、複屈折量は複屈折測定装置により測定した。その結果を下記の表2に示した。なお、測定は、フッ化カルシウム結晶素材221の中心から最外周までの面内領域で半径方向に5mm毎及び円周方向に30°毎に光照射位置を移動して測定した。表2には、測定値の最大値と平均値を示した。また、比較のために、フッ化カルシウム結晶素材221に押圧力を加えない場合の複屈折量も記載した。
フッ化カルシウム結晶素材221の複屈折量を測定した後、フッ化カルシウム結晶素材221を一旦ホルダー224から取り外し、所定のレンズ形状になるように、研削及び研磨を行った。レンズ外周部の側壁には、図4(b)に示すように、保持部材214でレンズ211を保持するとともに、内部応力発生部材215の押圧部材215cで押圧できるようにするために凸部211aを形成した。次いで、加工されたレンズを、図4(a)及び(b)のように、ホルダー214に装着した。その際、ホルダー214に設けられた4つの保持部材216でレンズ211をホルダー214の中心軸と同軸上に保持した。次に、ホルダー214に設けられた各内部応力発生部材215の押圧部材215cを、レンズ211の外周の側壁部211bに押し当て、レンズ211の中心軸217に向かって且つ中心軸217に垂直に押圧力213を加えてレンズ211に圧縮応力を発生させた。押圧力213には空気圧を用い、圧力値は50±5N/cm2とした。このようにして、実施例2のリソグラフィー用光学素子210を作製した。
上記作製方法で作製された光学素子210内のレンズ211の複屈折量を前述の複屈折測定方法と同様の方法で測定した。その結果、表2とほぼ同じ結果が得られた。
実施例3
図6に、実施例3で作製したリソグラフィー用光学素子を示す。この例で作製した光学素子310は、図6に示すように、レンズ311、円筒状のホルダー314、4つの保持部材316及び4つの内部応力発生部材315で構成されている。この例では、レンズ321の中心軸317は、フッ化カルシウム結晶の[100]軸とした。また、図6(a)に示すように、保持部材316をホルダー314の周方向に約90°間隔で4つ設け、内部応力発生部材315をレンズの中心軸317と直交する[001]軸312からホルダー314の周方向に0°、90°、180°及び270°の位置に設けた以外は、実施例1と同様の構成とした。ただし、図6(a)に示すように、4つの保持部材316と4つの内部応力発生部材315は互いに重ならない位置に設けられている。
以下に、この例で作製したリソグラフィー用光学素子310の作製方法について説明する。まず、実施例1と同様に、レンズ311に用いられるフッ化カルシウム結晶を、ブリッジマン法によって成長させ、熱処理工程を経て熱歪を除去することにより直径250mmの円柱状のフッ化カルシウム結晶を作製した。次いで、作製したフッ化カルシウム結晶のインゴットから結晶の[100]軸がレンズ311の中心軸317と概ね一致するように円板状素材を切り出し、[100]軸と直交する[001]軸方向312をX線回折により見出した。
次に、切り出した円板状のフッ化カルシウム結晶素材を複屈折測定用のホルダーに装着した。その様子を図7に示した。ホルダー324は、保持部材316を設けなかった以外は図6に示したホルダー314と同じ構造を有する。フッ化カルシウム結晶素材321を複屈折測定用のホルダー324に装着する際、フッ化カルシウム結晶素材321の[001]軸322からホルダー324の周方向に0°、90°、180°及び270°の位置に設けられた内部応力発生部材325で4方向からそれぞれ約50N/cm2の押圧力323を中心軸327に向かって中心軸327に垂直に加えることにより、フッ化カルシウム結晶素材321を内部応力発生部材325で保持した。
内部応力発生部材325で保持されたフッ化カルシウム結晶素材321の中心軸327([100]軸)方向に、波長が193nm及び157nmである光をそれぞれ照射して、フッ化カルシウム結晶素材321の複屈折量を測定した。この例では、実施例1同様、光源にD2ランプを用い、複屈折量は複屈折測定装置により測定した。その結果を下記の表3に示した。なお、測定は、フッ化カルシウム結晶素材321の中心から最外周までの面内領域で半径方向に5mm毎及び円周方向に30°毎に光照射位置を移動して測定した。表3には、測定値の最大値と平均値を示した。また、比較のためにフッ化カルシウム結晶素材321に押圧力を加えない場合の複屈折量も記載した。
フッ化カルシウム結晶素材321の複屈折量を測定した後、フッ化カルシウム結晶素材321を一旦ホルダー324から取り外し、所定のレンズ形状になるように、研削及び研磨を行った。レンズ外周部の側壁には、図6(b)に示すように、保持部材316でレンズ311を保持するとともに、押圧部材315cで押圧できるようにするために凸部311aを形成した。次いで、加工されたレンズを、図6(a)及び(b)のように、ホルダー314に装着した。その際、ホルダー314に設けられた、4つの保持部材316でレンズ311をホルダー314の中心軸と同軸上に保持した。次に、各内部応力発生部材315の押圧部材315cを、レンズ311の外周の側壁部311bに押し当て、レンズ311の中心軸317に向かって中心軸317に垂直に押圧力313を加えてレンズ311に圧縮応力を発生させた。押圧力313には空気圧を用い、圧力値は50±5N/cm2とした。このようにして、実施例3のリソグラフィー用光学素子310を作製した。
上記作製方法で作製された光学素子310内のレンズ311の複屈折を前述の複屈折測定方法と同様の方法で測定した。その結果、表3とほぼ同じ結果が得られた。
実施例4
この例では、熱処理によりフッ化カルシウム結晶内に内部応力を発生させた。以下に、この例で作製したリソグラフィー用フッ化カルシウム結晶の作製方法について説明する。まず、ブリッジマン法により、直径300mmの円柱状のフッ化カルシウム結晶を成長させて3本のフッ化カルシウム結晶のインゴットを得た。これらのフッ化カルシウム結晶のインゴットは概ね単結晶であり、それらのインゴットから{111}面、{110}面、{100}面がそれぞれのレンズの上下面になるように、直径230mm、厚さ55mmの円板状の3種類のフッ化カルシウム結晶素材を切り出した。
次に、切り出した各フッ化カルシウム結晶の円板状素材を図8に示す熱処理装置に入れて熱処理を行い、フッ化カルシウム結晶に内部応力を発生させた。
図8に示すように、円筒形状の熱処理装置40の中央部には、グラファイトで形成された容器42が配置され、その外周には、気密性のステンレス容器43が設けられている。ステンレス容器43の外側には、アルミナ製断熱材44とヒータ45がそれぞれ配置されている。アルミナ製断熱材44は、ヒータ45から熱を容器42の中心(48)に対して周方向に3回対称に分布させることができるように周方向に120°毎に分割して設置されている。ヒータ45は、熱処理装置内部の温度を1200℃まで上昇させることができるヒータであれば任意のヒータで良く、この例ではニッケルとクロムの合金でできた抵抗発熱体をコイル状に巻いたものを使用した。また、ヒータ45の外側は、断熱材46と外枠47がそれぞれ設けられている。このような熱処理装置40の容器42内に、切り出した円板状素材の上下面が{111}面であるフッ化カルシウム結晶素材41を挿入した。円板状素材の上下面が{111}面であるフッ化カルシウム結晶素材41では、その中心軸に対して周方向に120°毎に固有の複屈折量のピークが存在する。そのため円板素材の上下面が{111}面であるフッ化カルシウム結晶素材41を熱処理する際には、固有の複屈折量のピークが低減されるように、図8に示した構造の熱処理装置40を用いて3回対称の温度分布を形成することが好ましい。
一方、円板素材の上下面が{110}面であるフッ化カルシウム結晶素材については、フッ化カルシウム結晶素材の中心軸に対して周方向に2回対称の温度分布が与えられるようにアルミナ製断熱材を配置した(不図示)。また、円板素材の上下面が{100}面であるフッ化カルシウム結晶素材については、フッ化カルシウム結晶素材の中心軸に対して周方向に4回対称の温度分布が与えられるようにアルミナ製断熱材を配置した(不図示)。
次に、円板素材の上下面が{111}面、{110}面及び{100}面であるフッ化カルシウム結晶素材をそれぞれの複屈折分布に適合した熱処理装置に挿入し、適量のフッ化水素アンモニウムとともに、油回転ポンプでステンレス容器43内を真空排気した。容器43を密閉後、昇温、保持、降温の熱処理プロセスを行った。この例では、熱処理に次のような温度制御スケジュールを採用した。まず、0℃から1050℃まで50℃/hの速度で昇温して、1050℃で50時間保持する。次いで、1050℃から700℃までは0.5℃/hの速度、700℃から500℃までは2.0℃/hの速度、そして、500℃から20℃までは5.0℃/hの速度でそれぞれ降温した。
上記熱処理が施された各フッ化カルシウム結晶素材に、波長193nm及び157nmの光を各フッ化カルシウム結晶素材の中心軸に平行に照射してそれぞれの複屈折量を測定した。この例では、実施例1同様、光源にD2ランプを用い、複屈折量は複屈折測定装置により測定した。なお、測定は各フッ化カルシウム結晶素材の直径210mm以内の面内領域で約280点の測定点で測定した。その結果を表4に示した。表4には、測定値の最大値と平均値を示した。表4からいずれの結晶素材も波長193nm及び157nmの光に対して複屈折量が十分に抑制されていることが分る。
実施例5
この例では、熱処理と外部からの加圧処理によりフッ化カルシウム結晶内に内部応力を発生させた。以下に、この例で作製したリソグラフィー用フッ化カルシウム結晶の作製方法について説明する。まず、ブリッジマン法により、直径300mmの円柱状のフッ化カルシウム結晶を成長させて、3本のフッ化カルシウム結晶のインゴットを得た。これらのフッ化カルシウム結晶のインゴットは概ね単結晶であり、それらのインゴットから{111}面、{110}面、{100}面がそれぞれのレンズの上下面になるように、直径230mm、厚さ55mmの円板状の3種類のフッ化カルシウム結晶素材を切り出した。
次に、それぞれのインゴットから切り出したフッ化カルシウム結晶の円板状素材511に、図9に示すように、グラファイト製ブランケット516に巻いた後、円筒状のホルダー514内に配置して、ホルダー514に設けられた内部応力発生部材515により外部からフッ化カルシウム結晶素材511の中心軸に向かって中心軸に垂直に押圧力を加えてフッ化カルシウム結晶内に内部応力を発生させた。
円板素材の上下面が{111}面であるフッ化カルシウム結晶素材の場合には、フッ化カルシウム結晶素材511の中心軸517と垂直方向の[−110]軸512からホルダー514の周方向に30°、150°及び270°の位置に設けられた内部応力発生部材515によりフッ化カルシウム結晶素材511の半径方向外側から中心軸517に向かって加圧し、フッ化カルシウム結晶素材511に3回対称の圧縮応力を発生させた。押圧力は約50N/cm2とした。
各内部応力発生部材515で圧縮応力が生じている状態のフッ化カルシウム結晶素材511をホルダー514ごと熱処理装置に入れて、フッ化カルシウム結晶素材511の中心軸517に対して周方向に均一に加熱されるように熱処理を行った。熱処理の温度制御スケジュールは、実施例4と同様に、まず、0℃から1050℃まで50℃/hの速度で昇温して、1050℃で50時間保持する。次いで、1050℃から700℃までは0.5℃/hの速度、700℃から500℃までは2.0℃/hの速度、そして、500℃から20℃まで5.0℃/hの速度でそれぞれ降温した。
円板素材の上下面が{110}面であるフッ化カルシウム結晶素材については、フッ化カルシウム結晶素材の中心軸に対して周方向に2回対称の押圧力が加えられるホルダー、すなわち、直径方向に対向して内部応力発生部材が設けられたホルダーにフッ化カルシウム結晶素材を装着して、フッ化カルシウム結晶素材内に内部応力を発生させ、この状態で熱処理を行った。温度制御スケジュールは上下面が{111}面である円板素材と同様にした。また、円板の上下面が{100}面であるフッ化カルシウム結晶素材については、フッ化カルシウム結晶素材の中心軸に対して周方向に4回対称の押圧力が加えられるホルダー、すなわち、90°の回転角度間隔で内部応力発生部材が設けられたホルダーにフッ化カルシウム結晶素材を装着して、フッ化カルシウム結晶素材内に内部応力を発生させ、その状態で熱処理を行った。温度制御スケジュールは上下面が{111}面である円板素材と同様にした。
熱処理後、フッ化カルシウム結晶素材をホルダーから取り外し、フッ化カルシウム結晶素材の外周を約2mmの圧さで研削した。研削後のフッ化カルシウム結晶素材の中心軸の方向に波長193nm及び157nmの光を照射して、フッ化カルシウム結晶素材の複屈折量をそれぞれ測定した。この例では、実施例1同様、光源にD2ランプを用い、複屈折量は複屈折測定装置により測定した。なお、測定は、フッ化カルシウム結晶素材の中心から直径210mmの面内領域で、半径方向5mm毎及び円周方向30°毎に測定点を移動して総計約280点において行った。その結果を表5に示した。表5には測定値の最大値と平均値を示した。表5からいずれの結晶素材も複屈折量が十分に抑制されていることが分る。
上記実施例1〜3では、レンズを光学素子内で保持するための保持部材とレンズ内に内部応力を発生させるための内部応力発生部材とが別個である例を説明したが、本発明はこれに限定されず、保持部材に内部応力発生機能を持たせて、保持部材のみで、レンズの保持と加圧を行っても良い。この場合、例えば、保持部材のアームをホルダーの壁面を貫通して移動可能にするとともにアームを押圧後固定するためのネジをホルダーに設けることができる。あるいは、内部応力発生部材でレンズを支持することにより、保持部材をホルダーから省略することもできる。
上記実施例1〜5では、レンズの形成材料としてフッ化カルシウム結晶を用いて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、フッ化バリウム、フッ化ストロンチウムなどの等軸晶系に属するフッ化物結晶を用いることも可能であり、上記実施例と同様に複屈折を低減させることが可能である。
上記実施例1〜5では、インゴットからフッ化物結晶素材を円板状に切り出す際に、フッ化物結晶の{111}面、{110}面及び{100}面が円板の上下面となるように切り出す例を説明したが、これら以外の面で切り出しても良い。その場合には、フッ化物結晶素材に熱処理または加圧処理により内部応力を発生させる際、切り出した結晶面の複屈折の特性に合わせて、フッ化物結晶素材の中心軸に対する周方向の熱処理の温度分布や加圧処理の圧力分布を適宜変更し得る。
実施例6
図10は、光リソグラフィー装置の一例として、上記実施例1で作製したフッ化物結晶製レンズを収容した投影光学系を備える露光装置を示す。図10はF2レーザーを光源とする光リソグラフィー用露光装置10の概念図を示す。図10において、100はF2レーザー光源(発振中心波長157.6nm)、ILは照明光学系、PLは投影光学系、Rはレチクル、Wは縮小投影されるシリコンウェハである。光源100から出射された光は、照明光学系ILを介して、所定のパターンが形成されたレチクルRを均一な照度で照明する。
光源100と照明光学系ILの間の光路はケーシング(不図示)で密封されており、光源100から照明光学系ILの最もレチクルに近い側のレンズまでの空間は、露光光の吸収率が低い不活性ガスが充填されている。レチクルRは、レチクルホルダRHを介してレチクルステージRS上においてXY平面に対して平行となるように保持されている。レチクルRにはウェハW上に転写するためのパターンが形成されている。パターン領域全体のうち、X方向に沿って短辺を有し、かつ、Y方向に沿って長辺を有する矩形状(スリット状)領域が照明される。
レチクルステージRSは、レチクル面(すなわちXY平面)に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はレチクル移動鏡RMを用いたレチクル干渉計RIFによって計測され位置制御される。レチクルRに形成されたパターンを通過した光は、投影光学系PLを介して感光性基板であるウェハW上にレチクルパターン像を形成する。ウェハWは、ウェハテーブルWTを介してウェハステージWS上においてXY平面に対して平行となるように保持される。ウェハステージWSは、ウェハW上においてX方向に沿って短辺を有し、かつ、Y方向に沿って長辺を有する矩形状の露光領域が、レチクルR上における矩形状の照明領域に光学的に対応するように、XY平面に沿って二次元的に移動可能である。ウェハテーブルWTの位置座標はウェハ移動鏡WMを用いてウェハ干渉計WIFにより計測され位置制御される。
投影光学系PLの内部は気密状態を保つように構成され、その内部の空間には不活性ガスが充填されている。図10に示すように、投影光学系PLの内部には、実施例1で作製したホルダー付きの光学素子110a、110b及び110cが各ホルダーを投影光学系PLの鏡筒に装着することにより設置されている。また、照明光学系ILと投影光学系PLの間の狭い光路には、レチクルR及びレチクルステージRSなどが配置されている。レチクルR及びレチクルステージRSなどを密封包囲するケーシング(不図示)の内部には不活性ガスが充填されている。
このように、光源100からウェハWまでの光路全体にわたって、露光光が殆ど吸収されることのない雰囲気が形成されている。上述した通り、投影光学系PLを介して照明されるレチクルR上の照明領域及びウェハW上の露光領域は、X方向に沿って短辺を有する矩形状である。従って、駆動系及び干渉計(RIF、WIF)等を用いてレチクルR及びウェハWの位置制御を行ないながら、矩形状の照明領域及び露光領域の短辺方向、即ちX方向に沿ってレチクルステージRSとウェハステージWSとを同期して移動(走査)させることで、ウェハW上には露光領域の長辺に等しい幅を有し、かつ、ウェハWの移動(走査)量に応じた長さを有する領域に対してレチクルパターンが走査露光される。
このような構成の露光装置により、微細かつ鮮明なパターンを得られる光リソグラフィーが実現できる。前述のように、実施例1で作製したホルダー付きの光学素子110a、110b及び110cは、図10に示すようにそのまま投影光学系PLの鏡筒に装着することが可能であるので、レンズの良好な結像特性を維持したまま投影光学系の組立が可能となる。この場合、投影光学系の結像特性をホルダーに設けられた応力発生部材を調整することで制御することも可能となり、メンテナンスの点でも有利となる。上記実施例で作製したフッ化物結晶製レンズは投影光学系用のレンズのみならず照明光学系で用いられる各種レンズに使用することができる。露光装置の構造の詳細は、例えば、米国特許第6,400,441B1及び第6,391,503B2に記載されており、国際出願の指定国又は選択国の国内法令又は規則が許容する場合において、これらの米国特許の内容を援用して本文の記載の一部とする。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明のフッ化物結晶材料及び光学装置(光学素子)並びにそれらの製造方法によれば、フッ化物結晶の固有の複屈折が光学性能に与える影響を最小限にすることができる。それゆえ、フッ化物結晶材料を、例えば、投影露光装置、特にArFレーザやF2レーザを光源とする投影露光装置に用いられる投影レンズ材料として用いたときに、ストレール値を向上させることが可能となり、高解像度の露光が実現される。また、本発明の光学装置は、ホルダーによりレンズの結像特性を調整しているために、レンズの組み込み作業並びに光学特性の調整及びメンテナンスが容易となる。
【図面の簡単な説明】
図1は、実施例1に記載のフッ化カルシウム結晶を保持した光学素子を示し、図1(a)は平面図であり、図1(b)は図1(a)中の破線A1−A1方向の断面図である。
図2は、実施例1に記載のフッ化カルシウム結晶の複屈折を測定する際のフッ化カルシウム結晶の保持方法を示し、図2(a)は平面図であり、図2(b)は図2(a)中の破線A2−A2方向の断面図である。
図3は、実施例1に記載のフッ化カルシウム結晶の斜入射光に対する複屈折の測定方法を示す。
図4は、実施例2に記載のフッ化カルシウム結晶を保持した光学素子を示し、図4(a)は平面図であり、図4(b)は図4(a)中の破線A3−A3方向の断面図である。
図5は、実施例2に記載のフッ化カルシウム結晶の複屈折を測定する際のフッ化カルシウム結晶の保持方法を示し、図5(a)は平面図であり、図5(b)は図5(a)中の破線A4−A4方向の断面図である。
図6は、実施例3に記載のフッ化カルシウム結晶を保持した光学素子を示し、図6(a)は平面図であり、図6(b)は図6(a)中の破線A5−A5方向の断面図である。
図7は、実施例3に記載のフッ化カルシウム結晶の複屈折を測定する際のフッ化カルシウム結晶の保持方法を示し、図7(a)は平面図であり、図7(b)は図7(a)中の破線A6−A6方向の断面図である。
図8は、実施例4に記載の平板の上下面が{111}面であるフッ化カルシウム結晶をアニールする際の熱処理炉の構成断面図である。
図9は、実施例5に記載の熱処理時のフッ化カルシウム結晶の保持方法を示し、図9(a)は平面図であり、図9(b)は図9(a)中の破線A7−A7方向の断面図である。
図10は、光リソグラフィー装置の全体構造を表す概念図である。
Claims (26)
- 光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料であって、波長が約157nmである光源に対する複屈折量が、最大値で2.0nm/cm以下であることを特徴とするフッ化物結晶材料。
- 光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料であって、波長が約193nmである光源に対する複屈折量が、最大値で1.0nm/cm以下であることを特徴とするフッ化物結晶材料。
- 上記フッ化物結晶材料がフッ化カルシウム結晶であり、フッ化カルシウム結晶の光入射面が{111}面、{110}面または{100}面である請求項1または2に記載のフッ化物結晶材料。
- 上記フッ化物結晶材料固有の複屈折量を低減させるように該フッ化物結晶材料内に内部応力が生じていることを特徴とする請求項3に記載のフッ化物結晶材料。
- 上記内部応力が、上記フッ化物結晶材料を外部から押圧することにより生じていることを特徴とする請求項4に記載のフッ化物結晶材料。
- 上記内部応力が、上記フッ化物結晶材料を熱処理することにより生じていることを特徴とする請求項4記載のフッ化物結晶材料。
- 上記内部応力が上記フッ化物結晶材料の熱処理及び外部からの加圧処理により生じていることを特徴とする請求項4記載のフッ化物結晶材料。
- 請求項1または2に記載のフッ化物結晶材料で形成された光学素子。
- 請求項8に記載の光学素子を備える光リソグラフィー装置。
- 光リソグラフィー装置に用いられる光学装置であって、
フッ化物結晶材料で形成されたレンズと;
上記レンズを保持するホルダーと;
上記ホルダーに取り付けられた押圧部材であって、レンズ内に応力を発生させるためにレンズを押圧する押圧部材と;を備える光学装置。 - 上記押圧部材が複数の押圧部を備え、各押圧部が上記レンズ外周の異なる位置を押圧することを特徴とする請求項10に記載の光学装置。
- 上記各押圧部が上記レンズの外周の回転対称位置を押圧することを特徴とする請求項11に記載の光学装置。
- 上記回転対称位置が、2回、3回及び4回対称位置のいずれかであることを特徴とする請求項12に記載の光学装置。
- さらに、上記各押圧部がレンズを押圧している状態で、押圧部をホルダー上に固定するための固定部材を備える請求項11に記載の光学装置。
- 上記押圧部材に、上記フッ化物結晶材料固有の複屈折量を低減させるように押圧力がかけられることを特徴とする請求項10に記載の光学装置。
- 上記ホルダーが、光リソグラフィーに用いられる投影光学系の鏡筒の一部であることを特徴とする請求項10に記載の光学装置。
- 上記フッ化物結晶材料がフッ化カルシウム結晶であり、波長約157nmの光に対する複屈折量の最大値が上記レンズの有効径内で2.0nm/cm以下であることを特徴とする請求項10に記載の光学装置。
- 上記フッ化物結晶材料がフッ化カルシウム結晶であり、波長約193nmの光に対する複屈折量の最大値が上記レンズの有効径内で1.0nm/cm以下であることを特徴とする請求項10に記載の光学装置。
- 請求項16に記載の光学装置を含む投影光学系。
- 請求項19に記載の投影光学系を備える光リソグラフィー装置。
- フッ化物結晶を成長させる工程と成長させたフッ化物結晶を昇温して一定時間保持した後に降温する熱処理工程とを含む、光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料の製造方法において、
上記熱処理工程で、フッ化物結晶内に不均一な熱分布が発生するようにフッ化物結晶を加熱することを特徴とするフッ化物結晶材料の製造方法。 - 上記不均一な熱分布は、上記フッ化物結晶固有の複屈折量を打ち消すような内部応力を発生させる熱分布であることを特徴とする請求項21に記載のフッ化物結晶材料の製造方法。
- 上記フッ化物結晶が、フッ化カルシウム結晶である請求項21または22に記載のフッ化物結晶材料の製造方法。
- フッ化物結晶を成長させる工程と成長させたフッ化物結晶を昇温して一定時間保持した後に降温する熱処理工程とを含む、光リソグラフィー装置に用いられる光学素子用のフッ化物結晶材料の製造方法において、
上記熱処理工程に施されるフッ化物結晶に内部応力が発生するように、フッ化物結晶を部分的に押圧する工程を含むことを特徴とするフッ化物結晶材料の製造方法。 - ホルダーを用いてフッ化物結晶に部分的に押圧力をかけてフッ化物結晶を保持し、フッ化物結晶を保持したホルダーを熱処理工程に供することを特徴とする請求項24に記載のフッ化物結晶材料の製造方法。
- 上記フッ化物結晶が、フッ化カルシウム結晶である請求項24または25に記載のフッ化物結晶材料の製造方法。
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