JPH10270352A

JPH10270352A - 集積回路製造用露光装置

Info

Publication number: JPH10270352A
Application number: JP9023597A
Authority: JP
Inventors: Akira Fujinoki; 朗藤ノ木; Hiroyuki Nishimura; 裕幸西村
Original assignee: Shin Etsu Quartz Products Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Quartz Products Co Ltd
Priority date: 1997-03-25
Filing date: 1997-03-25
Publication date: 1998-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】水素を含有する石英ガラスからなる光学系を
用いてＡｒＦエキシマレーザ露光装置を構成する場合に
おいても、耐久性や品質を劣化させる事なく、光学系全
体として低コストで製造容易に構成することのできる工
学系の提供。【解決手段】本発明は耐レーザ性を向上するために、
前記光学系を、合成石英ガラス製光学体と蛍石の組み合
わせで構成し、光エネルギー密度が大なる位置にある光
学体については単結晶蛍石で構成し、光学体を透過する
光エネルギー密度が小なる位置にある光学体については
常圧下でドープされる程度の水素分子濃度を有する合成
石英ガラスで形成し、これにより光学系全体としての高
透過率を達成させた事を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は６４Ｍから２５６Ｍ
をにらんだ集積回路製造用露光装置に係り、特に狭帯化
した短波長紫外レーザ光で集積回路のパターンを照明
し、石英ガラス材からなる光学系により集積回路のパタ
ーンをウエーハ上に焼き付けて集積回路を製造する為の
露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光を用いてマスク上のパター
ンをウエーハ上に転写する光リソグラフィ技術は電子線
やΧ線を用いる他の技術に比較してコスト面で優れてい
る事から集積回路を製造する為の露光装置として広く用
いられている。従来かかる光リソグラフィ技術を利用し
た露光装置には光源に高圧水銀ランプから発する波長３
６５ｎｍのｉ線を用いて線幅０．５〜０．４μｍのパタ
ーン形成が露光装置が開発されているが、かかる露光装
置は１６Ｍビット−ＤＲＡＭ以下の集積回路に対応する
ものである。一方次世代の６４Ｍビット〜２５６Ｍビッ
トでは０．２５〜０．３５μｍの結像性能を、更には１
Ｇビットでは０．１３〜０．２０μｍの解像性能を必要
とするが、０．３５μｍという解像性能はｉ線の波長を
上回るもので、光源としてＫｒＦ光が用いられる。そし
て更に０．２０μｍを切る領域ではＫｒＦ光に代ってＡ
ｒＦ光、特にＡｒＦエキシマレーザが使用される。

【０００３】しかしながらＡｒＦエキシマレーザを用い
た光リソグラフィ技術には種々の課題があり、その一つ
が投影光学系を構成するレンズ、ミラーやプリズムを形
成するための光学材料の問題である。即ちＡｒＦの１９
３ｎｍ波長で透過率のよい光学材料は実質的に石英ガラ
ス、特に高純度の合成石英ガラスに限定されるが、Ａｒ
Ｆ光は石英ガラスに与えるダメージがＫｒＦ光に比べて
１０倍以上大きい。

【０００４】さて、石英ガラスのエキシマレーザ照射に
対する耐性は、本出願人の出願にかかる特願平１−１４
５２２６号に示されるように含有される水素濃度に依存
する。このため従来のＫｒＦエキシマレーザを光源とす
る露光装置では光学系を構成する石英ガラスはその含有
する水素濃度が５×１０¹⁶分子／ｃｍ³ 以上あれば、十
分な耐性を確保することが出来たと前記技術に記載され
ている。しかしながらＡｒＦレーザ光が石英ガラスに与
える影響は前記したようにＫｒＦに比べて甚大であるた
めに、ＡｒＦレーザ光によって合成石英ガラスに引き起
こされるダメージの程度（透過率の変化及び屈折率の変
化）を調べてみると、必要とされる水素分子濃度はＫｒ
Ｆレーザ光に比べて場合によっては１００〜１０００倍
以上も高濃度、具体的には５×１０¹⁸分子／ｃｍ³ 以上
の水素分子濃度が必要である事が判明した。

【０００５】合成石英ガラスに水素分子を含ませる方法
は２つあるが、まず製造時の雰囲気を調整して常圧で合
成石英ガラスに水素分子を含ませる場合、含ませうる水
素分子濃度は最高で５×１０¹⁸分子／ｃｍ³ 程度までで
ある。またもう１つの方法として水素雰囲気での加圧熱
処理により水素分子を石英ガラス中にドープする場合で
も、高圧ガス取締法の対象とならない上限の１０気圧／
ｃｍ² の水素処理において導入される水素分子濃度はや
はり５×１０¹⁸分子／ｃｍ³ が上限である。

【０００６】このため石英ガラス中に５×１０¹⁸分子／
ｃｍ³ 以上の水素分子を含ませようとする場合には、１
０気圧より遥かに高い例えば１００気圧以上の高圧水素
圧力で且つ１０００℃以上の温度で熱処理を行う事が必
要となる。（特開平４−１６４８３３号他）

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら１００気
圧以上の高圧水素圧力で且つ１０００℃以上の温度で加
熱処理することは石英ガラスに新たな欠陥を誘起するた
めに、熱処理温度は２００〜８００℃の範囲で行う事が
好ましいが（特開平６−１６６５２８号）、この温度領
域で水素熱処理により石英ガラス光学体に５×１０¹⁸分
子／ｃｍ³ 以上の多量の水素分子を導入する場合、水素
分子の拡散速度があまり大きくないので大きな光学体に
おいては処理に非常に時間がかかるという欠点を有する
うえに、高圧雰囲気で熱処理を行う事は石英ガラス光学
体の屈折率の均質性が低下し、また歪みが導入されると
いう問題点も有している。従って、高圧熱処理を行った
場合においても再度の調整のための熱処理が必要で、こ
のため５×１０¹⁸分子／ｃｍ³ 以上水素分子を含有しか
つ露光装置の光学系を構成するに足りる屈折率の均質
性、低歪み等の光学特性を兼ね備えた石英ガラスは、工
業的には極めて複雑で長時間の処理を経た非常に高価な
ものとなってしまう。

【０００８】又５×１０¹⁸分子／ｃｍ³ 以上水素分子を
含有しかつ屈折率の均質性、低歪み等の光学特性を兼ね
備えた石英ガラスが提供できたにしても、ＡｒＦエキシ
マレーザ光はＫｒＦに比べて石英ガラスに与えるダメー
ジが１０倍程度大きい為に、そのダメージにより石英ガ
ラスの屈折率変化をもたらす体積収縮（compaction）が
経年的に生じるのを避けられない。

【０００９】本発明は、狭帯化した短波長紫外レーザ
光、特にＡｒＦエキシマレーザを用いて露光装置を構成
する場合においても、耐久性や光透過性等の品質を劣化
させる事なく、光学系全体として低コストで製造容易に
構成することのできる露光装置を提供する事を目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、次の点に着目
したものである。前記したようにＡｒＦエキシマレーザ
露光装置の耐久性の向上を図るために５×１０¹⁸分子／
ｃｍ³ 以上の水素分子を含有することは工業的には極め
て複雑で長時間の処理を必要とし製造困難であるととも
に非常に高価になってしまう。そこで本発明は合成石英
ガラスと蛍石の組み合わせにより前記光学系を構成した
ことを要旨とする。

【００１１】このような投影露光装置に用いる光学系に
合成石英ガラスと蛍石とを組み合わせた技術は、特開平
８−７８３１９号（第一従来技術）にも開示されている
が、その技術思想が全く異なり異質な発明である。

【００１２】すなわち前記第一従来技術は、前記光学系
を正のパワーを有する回析光学素子と負のパワーを有す
る石英レンズと正のパワーを有する蛍石レンズとで構成
したものであるが、かかる技術は色収差を補正するため
に前記構造を取るもので、本従来技術においては、前記
パワーの回析光学素子と屈折レンズである石英レンズや
蛍石レンズを組み合わせて用いる事で、互いに異なる分
散をもつ光学素子を利用して色収差の補正を行うもので
あり、特にこれらを組み合わせて、色収差の二次スペク
トルの小さい結像特性を有する光学系を実現し、これに
よりレンズの曲率半径を大きくでき、光学設計上は大Ｎ
Ａ化、大フィールド化等の仕様向上の余裕が生れるのみ
ならず、製造上も偏心公差が緩くなり、製造容易性を高
めるものである。従って前記従来技術においては設計上
及び製造上の問題より負のパワーを有する石英レンズと
正のパワーを有する蛍石レンズを組み合わせたもので、
本発明のように高出力レーザ照射による耐レーザ劣化を
防止する事を目的とするもので、従って本発明と従来技
術は、前記目的の相違に起因してその構成も異なる。

【００１３】すなわち本発明は耐レーザ性を向上するた
めに、請求項１記載の発明は、前記光学系を、合成石英
ガラス製光学体と蛍石の組み合わせで構成し、光学体を
透過する光エネルギー密度ε（ｍＪ／ｃｍ² ）が相対的
に大なる位置にある光学体（以下ウエーハ側光学体とい
う）については単結晶蛍石で構成してＡｒＦエキシマレ
ーザを照射した場合に破損に至る恐れを回避し、光学体
を透過する光エネルギー密度ε（ｍＪ／ｃｍ² ）が相対
的に小なる位置にある光学体（以下光源側光学体とい
う）については常圧下でドープされる程度の１×１０¹⁷
分子／ｃｍ³ 以上５×１０¹⁸分子／ｃｍ³ 以下の水素分
子濃度を有する合成石英ガラスで形成して屈折率の均質
性を重視し、これにより光学系全体としての高透過率を
達成させた事を特徴とし、より好ましくは前記光学系を
複数種の合成石英ガラス光学体と単結晶蛍石光学体で構
成し、前記光学体の内、単結晶蛍石光学体は、屈折率の
均質性Δｎが３×１０^-6／１ｃｍ以下で且つ複屈折量が
２ｎｍ／ｃｍ以下で有り、複数種の合成石英ガラス光学
体が、５×１０¹⁷分子／ｃｍ³ 以上５×１０¹⁸分子／ｃ
ｍ³ 以下の水素分子濃度を有し、屈折率の均質性Δｎが
２×１０^-6以下でかつ複屈折量が１ｎｍ／ｃｍ以下であ
る石英ガラス光学体と、１×１０¹⁷分子／ｃｍ³ 以上５
×１０¹⁸分子／ｃｍ³ 以下の水素分子濃度を有し、屈折
率の均質性Δｎが２×１０^-6以下でかつ複屈折量が１ｎ
ｍ／ｃｍ以下である石英ガラス光学体の組み合わせで構
成されるのがよい。

【００１４】すなわち本発明はレーザの高エネルギレベ
ル領域においては、石英ガラス光学体を用いる代わりに
レーザによる透過率変化に対する耐性を有する蛍石、特
に単結晶蛍石を用い、compactionが全く生じない光学体
を用いるも、蛍石においてもリソグラフィに用いる大口
径のものについては屈折率の均質性や低い複屈折率とい
った光学特性を達成するのは著しく困難である。そこで
レーザの低エネルギレベル領域においては常圧で水素を
含有可能で且つ高均質性の合成石英ガラスを用いる事に
より光学系全体としての耐透過率性と高均質性を維持で
きる。

【００１５】即ち蛍石と合成石英ガラスとの関係は、屈
折率分布（Δｎ）と複屈折量ｎｍ／ｃｍの均質性の規定
値については、前記したように合成石英ガラスの規定値
を蛍石の規定値より光源側光学体をウエーハ側光学体の
均質性より良好に設定するのがよい。より具体的には請
求項４に記載の様に、前記ウエーハ側光学体が、屈折力
の均質性Δｎが３×１０^-6／１ｃｍ以下で且つ複屈折量
が２ｎｍ／ｃｍ以下の単結晶蛍石で形成され、一方光源
側光学体が屈折率の均質性Δｎが２×１０^-6／１ｃｍ以
下で且つ複屈折量が１ｎｍ／ｃｍ以下の合成石英ガラス
材で形成するのがよい。

【００１６】尚、エキシマレーザ光は一般に発振波長に
幅を持っており、通常のレーザ光を用い、構成レンズ部
材が石英のみの単色レンズ系では発振波長幅を１．５ｐ
ｍ以下にしないと、色収差が生じてしまう。そこで本発
明は前記短波長紫外レーザ光を発振波長幅を１．５ｐｍ
（ＦＷＨＭ：半値全幅）以下にしたＡｒＦエキシマレー
ザで構成した事を第二の特徴としている。尚、前記光学
体として用いられる蛍石は請求項２に記載の様に、パル
ス当たりのレーザエネルギー密度が５０ｍＪ／ｃｍ² で
１×１０⁶ パルス照射した後の１９３ｎｍでの厚さ１ｃ
ｍ当たりの内部透過率は略９８％までは許容出来る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
形態を説明する。但し、この実施形態に記載されている
構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に
特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに
限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。図１
は本発明に適用されるＡｒＦエキシマレーザを用いたリ
ソグラフィ露光装置の概略構成図（基本構成はNo.182・O
plus E,特集リソグラフィ技術の最先端１）光リソグラ
フィにおける光解像技術参照）で、１はＡｒＦエキシマ
レーザ光源、２はウエーハ面上において回析光の干渉の
ないパターン像を形成するための変形照明手段で、中心
部が遮光面となる例えば四重極照明若しくは輪帯照明光
源状の形状を有す。３は前記光源より照射されたＡｒＦ
エキシマレーザ光をレチクルに導く為のコンデンサレン
ズ、４はマスク（レチクル）、５は投影光学系で、例え
ば屈折力が正のレンズ群と、屈折力が負のレンズ群を組
合せて光の狭帯域化を図りつつ、前記光学系中に瞳面を
形成し、解像力の向上を図っている。６はウエーハステ
ージ７上に載置されたウエーハで、前記レチクル４に形
成したマスクパターンが前記投影光学系を介してウエー
ハ６上に結像描画される。

【００１８】かかる装置において、前記ＡｒＦエキシマ
レーザ光源は、公知の様にレーザの共振器内にプリズ
ム、回析格子、エタロンなどの波長選択素子を配置する
事により、１．０〜１．５ｐｍスペクトル幅をもつ狭帯
化エキシマレーザを得る事が出来る。（Optical and Qu
antum Electronics Vol.25(1993）p.293〜 310参照）

【００１９】投影光学系５にはウエーハ面にパターン光
を結像させるために、ウエーハ面と最近接位置に配置し
た集光レンズ群５ｂと、瞳面近傍に配置したレンズ群５
ａが存在するが、瞳面には光源の像である二次光源が形
成される。従って瞳面に光源像が離散的に現れると、そ
こにエネルギーが集中し、ウエーハ側とともに光学系の
破損要因となる。一方レチクル側はウエーハ側に比べ結
像倍率の２乗でエネルギー密度が小さくなる為厳しい条
件とはならない。

【００２０】本実施形態はかかる点に着目したのであ
り、即ち、具体的に説明すると、ＡｒＦエキシマレーザ
の瞳面の大きさは参考文献によるとφ３０〜φ５０ｍｍ
程度であり、この面積に対して何倍かという基準でエネ
ルギー密度を決める事が合理的である。例えばレチクル
感度２０〜５０ｍＪとし、これを２０〜３０パルスのレ
ーザ照射で露光するとすると、瞳面上のパルス当たりの
エネルギー密度は０．６〜１．７ｍＪ／ｃｍ² 、正確に
は露光面と瞳面ではエネルギー密度は異なり、ウエーハ
面の方が僅かに大きいと仮定した場合ででも前記ウエー
ハ面に最も近接された位置に配置されたウエーハ側レン
ズ群のエネルギー密度はその７５〜９０％程度の０．４
〜１．５ｍＪ／ｃｍ² 程度であると推定される。又瞳面
はこれより僅かに低いものと思料される。

【００２１】一方、解像力の向上を図るために、屈折力
が正のレンズ群と、屈折力が負のレンズ群を組合せて前
記投影光学系を構成するが（例えば前記従来技術や特開
平３−３４３０８号参照）、この場合夫々のレンズ群は
収差を極力排除する必要があり、このような場合実際の
夫々のレンズ群の縮小若しくは拡大する倍率はある程度
抑えて設定するのがよく、してみると前記ウエーハ側若
しくは瞳面最近接位置より次段のレンズ群のエネルギー
密度は０．４〜１．５ｍＪ／ｃｍ² の１／３程度、具体
的には０．１〜０．４ｍＪ／ｃｍ² 程度であると推定さ
れる。その他のほとんどのレンズ群（光源側レンズも含
めて）は１パルス当たりのエネルギー密度ε≦０．１ｍ
Ｊ／ｃｍ² である。従ってウエーハ側レンズ群のうち１
パルス当たりのエネルギー密度がε≦０．１ｍＪ／ｃｍ
² であるレンズ群においては、耐久性より光学的均質性
を重視することにより、光学系全体としての解像度の向
上が図れる。

【００２２】そこで本実施形態においては、ε：≦０．
１ｍＪ／ｃｍ² の光源側光学体を構成する合成石英ガラ
スの場合は、水素分子濃度Ｃ_H2を１×１０¹⁷≦Ｃ_H2≦５
×１０¹⁸分子／ｃｍ³ に低く設定するも、屈折率分布
（Δｎ）は≦１×１０^-6、複屈折量は≦１．００ｎｍ／
ｃｍと高品質に維持するもＡｒＦレーザの波長である１
９３ｎｍにおける透過率は９９．５％以上と緩やかに設
定させている。

【００２３】また、瞳面周辺やウエーハに最も近接する
ウエーハ側レンズ群において、１パルス当たりのエネル
ギー密度が０．４≦ε（ｍＪ／ｃｍ² ）であるレンズ群
においては、耐久性を重視することにより、光学系全体
としての耐久性の向上が図れる。そこで本実施形態にお
いては、ε：０．４≦εの光学体の場合は単結晶蛍石製
のレンズを用い、屈折率分布（Δｎ）は≦３×１０^-6、
複屈折量は≦２．０ｎｍ／ｃｍと緩やかに設定し、製造
の容易化を図るも、光透過率については、ＡｒＦレーザ
の波長である１９３ｎｍにおける透過率は９９．８％以
上に維持させている。

【００２４】更に前記受光エネルギーが高密度レンズ等
の次段に位置するレンズ等の光学体は前記両者の中間を
取り、ε：０．１≦ε≦０．４ｍＪ／ｃｍ² の範囲に位
置する光学体の場合は、水素分子濃度Ｃ_H2を５×１０¹⁷
≦Ｃ_H2≦５×１０¹⁸分子／ｃｍ³ に、又屈折率分布（Δ
ｎ）は≦２×１０^-6、複屈折量は≦１．０ｎｍ／ｃｍ、
ＡｒＦレーザの波長である１９３ｎｍにおける透過率は
９９．５％以上と僅かに緩やかに設定し、製造の容易化
を図る。そして好ましくは０．４≦ε≦１．５ｍＪ／ｃ
ｍ² の光学体の光路長さの合計は光学系全体の光路長の
２５％以下で、前記０．１≦ε≦０．４（ｍＪ／ｃ
ｍ²）の光学体の光路長の合計が光学系の光路長全体の
２５％以下になるように光学系を組合せ配置することに
より後記実施例に示すように、耐久性を維持しつつ光学
系全体として高透過率を達成させることが出来る。

【００２５】さて前記投影光学系を構成するレンズ材を
考えるとき、レンズ等の径がいくらの時、劣化の程度が
激しいかという事を決めなければならないが、前記した
参考文献によるとＡｒＦエキシマレーザの瞳面の大きさ
はφ３０〜φ５０ｍｍ程度であり、この面積に対して何
倍かという基準で決める事が合理的である。即ち、瞳面
やウエーハ面に近接する位置で前記した０．４≦ε（ｍ
Ｊ／ｃｍ²）、より具体的には０．４≦ε≦１．５（ｍ
Ｊ／ｃｍ² ）のエネルギー密度のＡｒＦエキシマレーザ
を受光するレンズ径は使用面積を８０％とすると瞳面の
最大値がφ５０ｍｍであることを考慮すると、そのレン
ズ口径が最大φ８０ｍｍ程度であり、従ってε：０．４
≦ε≦１．５ｍＪ／ｃｍ² の光学体のレンズ径は略８０
φ以下であると推定される。更に同様の計算により、
ε：０．１≦ε≦０．４ｍＪ／ｃｍ² のレンズ等の場合
は前記瞳面に対し、拡大率が２〜３倍程度であり、従っ
てそのレンズ直径はφ８０〜１００ｍｍ前後のレンズに
対応する。

【００２６】そしてこれ以上（１００ｍｍ）のレンズ径
では当然エネルギ密度ε：≦０．１ｍＪ／ｃｍ² と低く
なる。そしてこの場合も、直径φ８０ｍｍ以下のレンズ
等光学体の光路長さの合計が光学系全体の２５％以下
で、直径φ８０ｍｍ以上φ１００ｍｍ以下のレンズ等光
学体の光路長の合計が光学系の光路長全体の２５％以下
に設定するのが良い。

【００２７】尚、本発明は前記図１に示した投影光学系
露光装置のみならず、反射光学系露光装置にも適用可能
である。即ち、図２は高解像度を図るためにプリズム型
のビームスプリッタを用いた反射光学系露光装置のレン
ズ等構成を示す概略図（基本構成はNo.182・O plus Ｅ，
特集リソグラフィ技術の最先端１）光リソグラフィにお
ける光解像技術参照）で、その構成を簡単に説明する
に、光源１１より第１レンズ群１２を介してビームスプ
リッタ１３を通過した光が第２レンズ群１４を通過し、
その後ミラー１５で変向されて、その後第３レンズ群１
６で集光した後、該集光光で、レチクル１７をスキャン
した後、再度第３レンズ群１６、ミラー１５、第２レン
ズ群１４を介して再びビームスプリッタ１３に戻り、今
度は該スプリッタ１３に変向されて第４レンズ群１９で
結像されてウエーハ１８上に集積回路パターンを焼き付
ける。

【００２８】かかる装置においても、前記ＡｒＦエキシ
マレーザ光源は、公知のようにレーザの共振器内にプリ
ズム、回析格子、エタロンなどの波長選択素子を配置す
る事により、１．０〜１．５ｐｍスペクトル幅をもつ狭
帯化エキシマレーザを得る事が出来る。又前記スプリッ
タ１３に変向後のウエーハに最も近い第４レンズ群１９
は１パルス当たりのエネルギー密度０．４≦ε≦１．５
ｍＪ／ｃｍ² の最も強い光エネルギーを受ける為単結晶
蛍石製のレンズを用い、屈折率分布（Δｎ）は≦３×１
０^-6、複屈折量は≦２.０ｎｍ／ｃｍと緩やかに設定
し、製造の容易化を図るも光透過率については、ＡｒＦ
レーザの波長である１９３ｎｍにおける透過率は９９．
８％以上に維持させている。

【００２９】又本装置においてはレチクル１７側で第３
レンズ群１６については集光／スキャンされるために１
パルス当たりのエネルギー密度０．１≦ε≦０．４ｍＪ
／ｃｍ² のエネルギーを受けると推定される為水素分子
濃度Ｃ_H2分子／ｃｍ³ を５×１０¹⁷≦Ｃ_H2≦５×１０¹⁸
に設定、又屈折率分布（Δｎ）は≦２×１０^-6、複屈折
量は≦１．０ｎｍ／ｃｍと緩やかに設定すればよく、そ
して他のレンズ、ミラー、及びプリズム型のビームスプ
リッタ、特に光源側に近い光学体においては１パルス当
たりのエネルギー密度ε≦０．１ｍＪ／ｃｍ² のエネル
ギーしか受けない為に、そのレンズ群等の水素分子濃度
Ｃ_H2分子／ｃｍ³ は、１×１０¹⁷≦Ｃ_H2≦５×１０¹⁸に
設定するも、屈折率分布（Δｎ）は≦１×１０^-6、複屈
折量は≦１ｎｍ／ｃｍと高品質に維持する。

【００３０】そしてレンズ径の関係は前記と同様で、更
にレンズ口径をφ８０ｍｍ以下に設定した第４レンズ群
１９の光路長さの合計が光学系全体の光路長の２５％以
下で、前記レンズ口径をφ８０〜１００ｍｍに設定した
第３レンズ群１６の光学体の光路長の合計が光学系の光
路長全体の２５％以下になるように光学系を組合せ配置
することにより本実施形態においても、耐久性を維持し
つつ光学系全体の平均値として透過率９９．８％／ｃｍ
を達成させることが出来ると推定される。

【００３１】

【発明の実施例】さて前記図１及び図２に示す露光装置
において実際の操業条件における光学特性の長期にわた
る安定性を確認する事は非常に時間がかかるので、レン
ズ、ミラー、及びプリズム等を製造するための石英ガラ
ス光学体のみを取り出し、実際の操業を加速したシュミ
レーション実験を行った。

【００３２】一般に石英ガラスのレーザ照射におけるダ
メージの進行速度は照射エキシマレーザのエネルギー密
度（フルエンス）の２乗に比例して早くなるが（光学
第２３巻１０号“エキシマレーザ用石英ガラス”藤ノ木
朗著参照、以下文献１という）この事を利用して加速実
験の基準とした。

【００３３】先ず使用する光学材料について説明する。
四塩化珪素を酸水素火炎で加水分解しながら回転する基
体上に堆積させるいわゆるＤＱ法で石英ガラスインゴッ
トを作成した。得られた石英ガラスインゴットはＯＨ基
を８００〜１０００ｐｐｍ含有し、かつ水素分子を５×
１０¹⁸分子／ｃｍ² 含有していた。この石英ガラスイン
ゴットを特開平７−２６７６６２号に示される方法で均
質化処理を行い１１５０℃で４０時間の歪取アニール為
の加熱、徐冷を行った。得られた均質な光学用石英ガラ
ス材料の光学特性を測定したが、３方向に脈理が存在せ
ず、また屈折率分布を干渉計（Zygo MarkIV ）で測定し
たところΔｎは１×１０^-6と極めて良好な値を示した。
また直交ニコルの歪み測定器で複屈折量を測定したが、
複屈折量は１ｎｍ／ｃｍ以下であった。

【００３４】この光学用石英ガラス材料は文献（New Gl
ass VoL6 No,2(1989)191-196“ステッパ用石英ガラスに
ついて”）に示されるエキシマレーザステッパーに用い
られる石英ガラス部材として必要な光学特性を満たして
いるために、この光学用石英ガラス材料を用いて光学部
品を構成する事によりＡｒＦを光源とする半導体露光装
置を作る事が可能である。一方で該光学用石英ガラス材
料に含有された水素分子濃度をレーザラマン法にて測定
したところ、５×１０¹⁷分子／ｃｍ² であった。（サン
プル番号Ａ）

【００３５】水素分子含有量はラマン分光光度計を用い
て行なったが、これは日本分光工業社製のラマン分光光
度計・ＮＲ１１００を用いて、励起波長４８８ｎｍのＡ
ｒレーザ光で出力７００ｍＷ、浜松ホトニクス社製のホ
トマル・Ｒ９４３−０２を使用するホストカウンティン
グ法で行なった。なお、この水素分子含有量はこのとき
のラマン散乱スペクトルで８００ｃｍ^-1に観察されるＳ
ｉＯ₂ の散乱バンドと水素の４１３５−４０ｃｍ^-1に観
察される散乱バンドの面積強度比を濃度に換算して求め
た。また、換算定数は文献値４１３５ｃｍ^-1／８００ｃ
ｍ^-1×１．２２×１０²¹（Zhurnal Pri-Kladnoi Spektr
oskopii, Vol.46、No.6、PP987〜991,June,1987）を使用
した。

【００３６】また該光学用石英ガラス材料からφ６０ｍ
ｍ×ｔ２０ｍｍの試料を切り出し、大気雰囲気で１００
０℃×２０時間の酸化処理を行った後、雰囲気炉中で水
素ガスの加圧（８気圧）雰囲気で６００℃×１０００時
間の水素ドープ処理を行った。処理後のサンプルの屈折
率分布を測定したところΔｎが２×１０^-6で複屈折量は
２ｎｍ／ｃｍ、含有される水素分子濃度は４×１０¹⁸分
子／ｃｍ² であった。（サンプル番号Ｂ）

【００３７】一方、φ６０×ｔ２０の高純度光学用蛍石
の内、ＵＶグレード品（例、応用光研ＣａＦ２／ＵＶグ
レード、オプトロンＣａＦ２／ＵＶグレード等）を用意
し、レーザ特性の評価を行った。評価は１．０〜１．５
ｐｍスペクトル幅をもつ狭帯化ＡｒＦエキシマレーザを
用い、パルス当たりのエネルギー密度５０ｍＪ／ｃｍ²
ｐ、３００Hzで１０⁶ ショットの照射による透過率の変
化により行った。

【００３８】同じＵＶグレードであってもレーザ照射に
より２００ｎｍに小さな吸収、３２０ｎｍ及び３８０ｎ
ｍに大きな吸収が現れるものとそうでないものがある事
が判った。図３に示すようにサンプルＣにおいては、上
記エキシマレーザ照射後の透過率は１９３ｎｍで９９．
０％と良好な数値を示したが、図４に示すサンプルＤに
おいては、２５０ｎｍ及び３７０ｎｍに非常に大きな吸
収バンドが発現し、１９３ｎｍにおける透過率は９５．
３％であった。尚、サンプルＣ，Ｄ共に屈折率の均質性
Δｎは２×１０^-6以下であり、複屈折量は２ｎｍ／ｃｍ
以下であった。更にレーザ照射以前の１９３ｎｍの透過
率は９９．８％と良好な数値を示した。

【００３９】次に前記サンプルＡ〜Ｄの光学体を用い
て、露光装置を構成した場合の光学系の寿命を予測する
ための実験を行った。寿命予測実験は、サンプルＡ〜Ｄ
にＡｒＦエキシマレーザをエネルギー密度５０ｍＪ／ｃ
ｍ² ｐ、３００Hzで１×１０⁶ ショット照射し(加速試
験)生じる光学特性の変化を１９３ｎｍにおける透過率
の変化及び屈折率の変化として測定を行った。これは文
献１に示される様に実際の操業における光学体を透過す
るレーザの光エネルギー密度をεｍＪ／ｃｍ² とする
と、（１００／ε）² 倍の加速試験に該当する。結果を
表１に示す。尚、表中の想定エネルギー密度とは透過率
変化の予測のために想定される実際に光学体が使用され
る際のエネルギー密度を現し、透過率変化及び屈折率変
化の予測値は、その想定エネルギー密度で５×１０¹⁰シ
ョットレーザを照射した際の透過率の変化及び屈折率の
変化の予測値である。

【００４０】

【表１】

【００４１】この実験結果からこれらの光学体を組み合
わせて、縮小光学系を構成した場合、長期にわたって高
い透過率を維持し、かつ屈折率の安定性を維持しうる組
み合わせについて調べた結果を下記表２に示す。

【００４２】

【表２】

【００４３】本表２より理解されるように、エネルギー
密度（ｍＪ／ｃｍ² ）に対応して小（０．１≧ε）、中
（０．１≦ε≦０．４、大（０．４≦ε）とした場合、
［Ａ＋Ｂ＋Ｃ］の構成を取る事により、光学系全体の平
均透過率が９８．６％／ｃｍ、平均屈折率変化が１．３
×１０^ー6／１ｃｍと目的とする基準値を満足している。

【００４４】又［Ａ＋Ａ＋Ｃ］の構成を取った場合に
も、全体透過率が９７．１％、平均屈折率変化が２．２
×１０^ー6／１ｃｍと目的とする基準値を僅かにオーバし
ているが、ほぼ基準値を満足している。特に実際の結像
光学系においては各レンズを透過するレーザのエネルギ
ー密度は光学系の設計によりそれぞれ異なる為に［Ａ＋
Ａ＋Ｃ］の構成でも実用化に耐え得る場合が有る。尚、
本実験により、レーザの照射による透過率低下を問題な
いレベルに抑えるためには、パルス当たりのレーザエネ
ルギー密度が０．１ｍＪ／ｃｍ² 以下の領域にある光学
体の配設部位の光路長が、少なくとも全体の光路長の５
０％以上である事が必要である事が判った。

【００４５】尚、計算のため各エネルギー密度における
光路長は前記エネルギー密度の小：中：大でそれぞれ約
２（５０％）：1（２５％）：1（２５％）と想定した。

【００４６】本シュミレーション実験により、請求範囲
に定められた合成石英ガラス光学体と蛍石光学体により
構成される光学系よりなる露光装置は、実際の操業にお
いても長期にわたって十分な光学特性の安定性を実現で
きると予想される。

【００４７】

【発明の効果】以上記載のごとく本発明によれば、水素
を含有する石英ガラスからなる光学系を用いてＡｒＦエ
キシマレーザ露光装置を構成する場合においても、耐久
性や品質を劣化させる事なく、光学系全体として低コス
トで製造容易に構成することのできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される投影光学系を用いた集積回
路製造用露光装置である。

【図２】本発明が適用される反射光学系を用いた集積回
路製造用露光装置である。

【図３】本発明の実施例たるサンプルＣの蛍石のレーザ
照射による吸収バンドを示すグラフ図である。

【図４】本発明の比較例たるサンプルＤの蛍石のレーザ
照射による吸収バンドを示すグラフ図である。

【符号の説明】１ＡｒＦエキシマレーザ光源２変形照明手段３コンデンサレンズ４マスク（レチクル）５投影光学系６ウエーハ１１光源１２第１レンズ群（合成石英ガラス光学体）１３ビームスプリッタ１４第２レンズ群（合成石英ガラス光学体）１５ミラー１６第３レンズ群（合成石英ガラス光学体）１７レチクル１９第４レンズ群（蛍石光学体）１８ウエーハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】狭帯化した短波長紫外レーザ光で集積回
路のパターンを照明し、投影光学系若しくは反射光学系
により集積回路のパターンをウエーハ上に焼き付けて集
積回路を製造する為の露光装置において、前記光学系を、合成石英ガラス製光学体と蛍石製光学体
の組み合わせで構成し、ウエーハ露光面又は／及び瞳面に最も近接して配設され
該光学体を透過する光エネルギー密度ε（ｍＪ／ｃｍ
² ）が相対的に大なる位置にある少なくとも１の光学体
を単結晶蛍石で、ウエーハ露光面又は／及び瞳面に遠ざかる位置に配設さ
れ該光学体を透過する光エネルギー密度ε（ｍＪ／ｃｍ
² ）が相対的に小なる位置にある少なくとも１の光学体
を、１×１０¹⁷分子／ｃｍ³ 以上５×１０¹⁸分子／ｃｍ
³ 以下の水素分子濃度を有する合成石英ガラスで夫々形
成するとともに、一方前記短波長紫外レーザ光を発振波長幅を１．５ｐｍ
（ＦＷＨＭ：半値全幅）以下にしたＡｒＦエキシマレー
ザで構成した事を特徴とする集積回路製造用露光装置。
【請求項２】前記光学体として用いられる蛍石が、パ
ルス当たりのレーザエネルギー密度が５０ｍＪ／ｃｍ²
で１×１０⁶ パルス照射した後の１９３ｎｍでの厚さ１
ｃｍ当たりの内部透過率が９８％以上である事を特徴と
する請求項１記載の半導体回路製造用露光装置。
【請求項３】請求項１記載の半導体回路製造用露光装
置において、屈折率分布（Δｎ）と複屈折量（ｎｍ／ｃｍ）の均質性
の規定値について、合成石英ガラス光学体の規定値を蛍
石光学体の規定値より良好に設定した事を特徴とする集
積回路製造用露光装置。
【請求項４】前記蛍石光学体が、屈折率の均質性Δｎ
が３×１０^-6／１ｃｍ以下で且つ複屈折量が２ｎｍ／ｃ
ｍ以下の単結晶蛍石で形成され、一方合成石英ガラス光学体が、屈折率の均質性Δｎが２
×１０^-6／１ｃｍ以下で且つ複屈折量が１ｎｍ／ｃｍ以
下の合成石英ガラス材で形成したことを特徴とする請求
項１記載の集積回路製造用露光装置。
【請求項５】前記投影光学系を構成する光学系を複数
種の合成石英ガラス光学体と単結晶蛍石光学体で構成
し、前記光学体の内、単結晶蛍石光学体は、屈折率の均質性
Δｎが３×１０^-6／１ｃｍ以下で且つ複屈折量が２ｎｍ
／ｃｍ以下で有り、複数種の合成石英ガラス光学体が、
５×１０¹⁷分子／ｃｍ³ 以上５×１０¹⁸分子／ｃｍ³ 以
下の水素分子濃度を有し、屈折率の均質性Δｎが２×１
０^-6以下でかつ複屈折量が１ｎｍ／ｃｍ以下である石英
ガラス光学体と、１×１０¹⁷分子／ｃｍ³ 以上５×１０
¹⁸分子／ｃｍ³ 以下の水素分子濃度を有し、屈折率の均
質性Δｎが２×１０^-6以下でかつ複屈折量が１ｎｍ／ｃ
ｍ以下である石英ガラス光学体の組み合わせで構成され
る事を特徴とする請求項１記載の半導体製造用露光装
置。