JP2001053371A - 真空紫外光発生方法及び発生装置並びにその利用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンパクトな装置構成で波長１５７ｎｍの真
空紫外光を安定に発生する。 【解決手段】 ＮｄあるいはＹｂを活性イオンとする固
体レーザー１０から発生された波長１０４６ｎｍのレー
ザー光１１を非線形光学結晶３５〜３７により第５高調
波である波長２１３ｎｍのレーザー光３１に波長変換
し、波長変換された波長２１３ｎｍのレーザー光を水素
ガス４０に入射させて４次の反ストークス誘導ラマン散
乱により波長１５７ｎｍのレーザー光２１を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長１５７ｎｍの
真空紫外光を発生する方法及び装置、並びに波長１５７
ｎｍの真空紫外光を利用する利用装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日のインターネットを初めとする情報
産業の基盤となる電子産業においては、半導体装置の集
積技術がその中核をなしている。半導体装置の回路パタ
ーンを微細化して高集積化を図るためには、フォトリソ
グラフィーを利用して半導体デバイスを製造する露光装
置の光源として短波長の光源が必要である。そのような
短波長光源としてＫｒＦレーザー（波長２４８ｎｍ）、
ＡｒＦレーザー（波長１９３ｎｍ）などのエキシマレー
ザーが実用化され、次の段階ではより短波長である波長
１５７ｎｍの真空紫外光を発生することのできるＦ₂レ
ーザーの整備及びその利用技術の確立が進められてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、半導体
装置製造のためのフォトリソグラフィー工程ではＦ₂レ
ーザー（波長１５７ｎｍ）の採用が現実のものとなって
おり、波長１５７ｎｍの真空紫外光を用いた半導体露光
技術を完成させるためには、波長１５７ｎｍの真空紫外
光用の光学材料やコーティング材料の検討、組み立てら
れた光学系の検査、感光材料（フォトレジスト）の検討
など多くの解決しなければならない問題がある。従っ
て、簡便な光源はこれらに不可欠であるが、現在のとこ
ろ波長１５７ｎｍの真空紫外光を発生することのできる
光源として固体レーザーをベースとした光源はない。波
長１５７ｎｍの光を出すことができる唯一のコヒーレン
ト光源は、これまで放電励起のＦ₂レーザーのみであっ
た。しかしながら、Ｆ₂レーザーは大きな出力が得られ
るものの、装置が比較的大きく、メンテナンスが必要で
ある、ガスの給排気設備が必要であるなどの問題点があ
った。

【０００４】本発明は、このような真空紫外光発生装置
の現状に鑑み、コンパクトな装置構成で波長１５７ｎｍ
の真空紫外光を安定に発生することのできる方法及び固
体レーザー励起１５７ｎｍ真空紫外光発生装置、並びに
その１５７ｎｍ真空紫外光発生装置を組み込んだ１５７
ｎｍ真空紫外光利用装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明において、典型的
には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第５高調波を励起光とし
て水素ガス中での反ストークス誘導ラマン散乱により４
次の反ストークス光を発生することで前記目的を達成す
る。

【０００６】すなわち、本発明による真空紫外光発生方
法は、水素ガスに波長２１３ｎｍ±１．５ｎｍの範囲の
レーザー光を入射させて４次の反ストークス誘導ラマン
散乱により波長１５７ｎｍのレーザー光を得ることを特
徴とする。水素ガスに入射させるレーザー光の波長を２
１３ｎｍ±１．５ｎｍの範囲とすることにより、４次の
反ストークス誘導ラマン散乱により波長１５６．５〜１
５７．５ｎｍの範囲のレーザー光を得ることができる。

【０００７】本発明による真空紫外光発生方法は、ま
た、ＮｄあるいはＹｂを活性イオンとする固体レーザー
から発生された波長１０６４±７．５ｎｍの範囲のレー
ザー光を非線形光学結晶により第５高調波である波長２
１３ｎｍのレーザー光に波長変換し、前記波長変換され
た波長２１３ｎｍのレーザー光を水素ガスに入射させて
４次の反ストークス誘導ラマン散乱により波長１５７ｎ
ｍのレーザー光を得ることを特徴とする。Ｎｄあるいは
Ｙｂを活性イオンとする固体レーザーから発生された波
長１０６４±７．５ｎｍの範囲のレーザー光を用いるこ
とにより、最終的に波長１５６．５〜１５７．５ｎｍの
範囲のレーザー光を得ることができる。

【０００８】本発明による真空紫外光発生装置は、波長
１０６４ｎｍのレーザー光を発生する固体レーザーと、
固体レーザーから発生された波長１０６４ｎｍのレーザ
ー光をその第５高調波である波長２１３ｎｍのレーザー
光に変換する第１の波長変換部と、第１の波長変換部か
ら出射した波長２１３ｎｍのレーザー光を水素ガスによ
る反ストークス誘導ラマン散乱を利用して波長１５７ｎ
ｍの真空紫外光に変換する第２の波長変換部と、第２の
波長変換部から出射する光線から波長１５７ｎｍの真空
紫外光を選択的に取り出すための波長選択部とを含むこ
とを特徴とする。第１の波長変換部は、非線形光学結晶
の組み合わせにより構成することができる。

【０００９】波長１０６４ｎｍのレーザー光を発生する
固体レーザーは、ＮｄあるいはＹｂを活性イオンとする
固体レーザーとするのが好ましい。本発明による波長変
換装置は、入射された波長１０６４ｎｍの光線の第５高
調波として波長２１３ｎｍの光線を発生させるための非
線形光学結晶と、非線形光学結晶から出射した波長２１
３ｎｍの光線が入射される水素ガスセルと、水素ガスセ
ルから出射した光線から波長１５７ｎｍの光線を選択的
に取り出すための波長選択部とを備えることを特徴とす
る。波長１０６４ｎｍの光線の第５高調波として波長２
１３ｎｍの光線を発生させるための非線形光学結晶は、
複数の非線形光学結晶を組み合わせたものとすることが
できる。

【００１０】本発明による光利用装置は、波長１５７ｎ
ｍのレーザー光を発生する光源と、光源から出射された
レーザー光を利用する光利用手段とを備える光利用装置
において、光源として前述の真空紫外光発生装置を用い
たことを特徴とする。光利用装置は、フォトリソグラフ
ィ工程で半導体装置を製造する際に感光基板に回路パタ
ーン等を露光するのに用いられる一括露光装置とするこ
とができる。その場合、光利用手段は、パターンを形成
したマスクを保持するマスクステージと、光源から出射
されたレーザー光の径を拡大してマスクに照射するマス
ク照明光学系と、マスクに形成されたパターンを感光基
板に投影する投影光学系と、感光基板を保持する基板ス
テージとを含む。

【００１１】光利用装置は、フォトリソグラフィ工程で
半導体装置を製造する際にマスクを用いることなく感光
基板に回路パターン等を直接描画する露光装置とするこ
とができる。その場合、光利用手段はレーザー光を偏向
するビームステアリング手段と、ビームステアリング手
段を制御する制御手段と、ビームステアリング手段から
出射したレーザー光を感光基板上に収束する光学系と、
感光基板を保持する基板ステージとを含む。

【００１２】光利用装置としては、上に述べた装置の他
にも種々のものがある。例えば、真空紫外域で使用され
るレンズの透過率や収差を検査する検査装置、真空紫外
用光学素子のコーティングを検査する検査装置、真空紫
外線対応のフォトレジストの性能を検査する検査装置等
においても、その光源として本発明による真空紫外光発
生装置を用いることができる。

【００１３】本発明の非線形波長変換法による波長１５
７ｎｍの真空紫外光の発生方法は、出力がＦ₂レーザー
ほど期待できないが、完全な固体レーザー方式であるの
でその信頼性は高く、固体レーザーに特有のメンテナン
スフリー、簡便な使用法、小型化可能といったメリット
をそのまま生かすことができる。本発明の方法は、最終
段の波長変換においてガスのセルを利用するものの、放
電等をかけるわけではなく封じきりの装置として利用で
きる。

【００１４】前述のように、波長１５７ｎｍの露光技術
を完成するためにはレジスト材の開発、光学材料の開
発、コーティングの開発など周辺技術の確立が必要不可
欠である。これらの技術を完成させる上で、本発明によ
る固体レーザーベースのコンパクトな１５７ｎｍの光源
は極めて有用である。

【００１５】また、本発明による真空紫外光発生装置
は、光の吸収特性から可視光や紫外光でのレーザーアブ
レーションによる直接加工が困難なテフロンなどの高分
子材料、石英などのガラス材料、あるいはバンドがギャ
ップが大きな半導体材料などの微細加工にも応用可能で
ある。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明による真空紫外光
発生装置の一例を示す概略図である。この真空紫外光発
生装置は、波長１０６４ｎｍのレーザー光を発生する固
体レーザー１０と、波長変換装置２０とから構成されて
いる。波長変換装置２０は、固体レーザー１０から出射
された波長１０６４ｎｍのレーザー光１１を波長１５７
ｎｍの真空紫外光２１に変換して出力する機能を有する
もので、波長１０６４ｎｍのレーザー光をその第５高調
波である波長２１３ｎｍのレーザー光３１に変換するた
めの非線形光学結晶３５，３６，３７を用いた第１の波
長変換部３０、第１の波長変換部３０から出射された波
長２１３ｎｍのレーザー光３１を水素ガス中での反スト
ークス誘導ラマン散乱を利用して波長１５７ｎｍの真空
紫外光を含む波長に変換するための第２の波長変換部４
０、及び第２の波長変換部４０から出射する光線４１の
うちから４次の反ストークス光である波長１５７ｎｍの
真空紫外光を選択的に取り出すための波長選択部５０か
ら構成される。

【００１７】波長１０６４ｎｍのレーザー光を発生する
固体レーザー１０としては、市販の固体レーザーの中で
最も安定性が高く高出力であり、信頼性の高いＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザーを用いるのが好ましい。ただし、１０６４
ｎｍのレーザー光を発生することができる他の固体レー
ザー、例えばＹｂ：ＹＡＧレーザーなども使用可能であ
る。一般的にいえば、固体レーザー１０としてはＮｄを
活性イオンとした固体レーザー、あるいはＹｂを活性イ
オンとした固体レーザーが適当である。

【００１８】第１の波長変換部３０に備えられている非
線形光学結晶３５は、例えばＫＤＰであり、波長１０６
４の光線の第２高調波である波長５３２ｎｍの光線を発
生する。非線形光学結晶３６は、例えばＣＬＢＯであ
り、波長５３２ｎｍの光線の第２高調波（波長１０６４
の第４高調波）である波長２６６ｎｍの光線を発生す
る。また、非線形光学結晶３７は、例えばＣＬＢＯであ
り、１０６４ｎｍ＋２６６ｎｍの和周波により波長２１
３ｎｍの光線（波長１０６４の第５高調波）を発生す
る。なお、ここに述べた非線形光学結晶の組み合わせや
材質は一例であり、要は入射光である波長１０６４ｎｍ
のレーザー光をその第５高調波である波長２１３ｎｍの
光線に変換して出力できるものであればどの様な非線形
光学結晶を用いても構わない。

【００１９】第２の波長変換部４０は、水素ガスを封入
した水素ガスセルからなる。水素ガス中での誘導ラマン
散乱では、レーザー光の波数はラマンシフト量４１５５
ｃｍ^-1の整数倍だけ変化し、ｎ次の反ストークス光の光
の角周波数ωは、入射レーザー光の角周波数をω_inとし
てω＝ω_in＋ｎ×４１５５で表され、波長２１３ｎｍの
光を入射するとき４次の反ストークス光（ｎ＝４）とし
て波長１５７ｎｍの真空紫外光が得られる。

【００２０】第２の波長変換部４０による最終的な波長
変換の後、第２の波長変換部４０からは出射光として波
長が長波長側ヘシフトした高次のストークス光、励起
光、短波長側に波長シフトした反ストークス光が同時に
出射される。波長選択部５０は、この中から４次の反ス
トークス光である波長１５７ｎｍの真空紫外光を選択し
て出力するもので、具体的にはプリズムや回折格子等の
分散光学系あるいは真空紫外用のコーティングを施した
ダイクロイックミラー等により実現することができる。

【００２１】図２は、第２の波長変換部４０と波長選択
部５０の一例を示す概略図である。第２の波長変換部４
０の水素ガスを封入したガス容器４５は、内壁を電解研
磨し、その上に高分子膜等をコーティングすることで、
ガス容器から封入水素ガスヘの不純物の混入を防ぎ、ガ
スの封じきりの動作を可能とした。さらに安全を考えて
セルを２重構造とすることによって、完全なメンテナン
スフリー化を実現している。なお、第２の波長変換部４
０での波長変換過程では、位相整合条件と呼ばれる入射
光と出射光との波数ベクトルの整合が波長変換の効率を
大きく左右し、同時にビームパターンにも大きな影響を
与える。この位相整合条件を満たすため、本実施の形態
では、ガス容器４５への水素ガスの封入圧力を３ｋｇ／
ｃｍ²とした。また、図２に図示した波長選択部５０
は、１５７ｎｍを透過し他の波長を反射するするダイク
ロイックミラー５５，５６を組み合わせて用いる例を示
している。

【００２２】固体レーザー１０としてＮｄ：ＹＡＧレー
ザーを用い、波長変換装置２０の第１の波長変換部３０
要素である非線形光学結晶３５としてＫＤＰ、非線形光
学結晶３６，３７としてＣＬＢＯを用い、第２の波長変
換部４０として水素ガスを３ｋｇ／ｃｍ²の圧力で封入
した水素ガス容器４５を用いて図１及び図２に示す真空
紫外光発生装置を組み立て、運転した。図３は、第２の
波長変換部４０から出射された反ストークス光の出力特
性を示す図である。第２の波長変換部４０の励起光波長
をＮｄ：ＹＡＧの第５高調波（２１３ｎｍ）とすること
より、９次の反ストークス光までの出力が得られてお
り、波長１５７ｎｍの真空紫外光が充分な強度で出力さ
れていることが分かる。

【００２３】１５７ｎｍの光を発生するＦ₂レーザーが
ガスの寿命が短い、ガスの排気設備などが必要など複雑
なメンテナンスを必要とし、使い勝手が悪く、放電のノ
イズなどがあるのに対して、固体レーザーをベースとし
た波長変換による本発明の１５７ｎｍ光源は簡便な装置
構成で安定性が高く、ほとんどメンテナンスを必要とせ
ず、スイッチを入れるだけで波長１５７ｎｍの光を得る
ことが可能となる。従って、Ｆ₂レーザーを用いて１５
７ｎｍ光による露光を行うための基礎段階として、露光
装置に用いる光学素子の評価、測定器の評価、あるいは
フォトレジスト等の開発に必要な１５７ｎｍの光を簡単
かつ安定して提供することが可能になり、１５７ｎｍ露
光の周辺開発に大きな寄与が期待できる。さらには、露
光そのものにも使用可能である。

【００２４】以下に、本発明の真空紫外光発生装置を組
み込んだ利用装置の例について説明する。図４は、本発
明による真空紫外光発生装置を組み込んだ一括露光型の
露光装置の一例を示す概略図である。この露光装置は、
本発明による真空紫外光発生装置６０、ビーム径拡大光
学系６１，６２、パターンが形成されたマスク６４を保
持するマスクステージ６３、投影光学系６５、フォトレ
ジスト等の感光材が塗布された感光基板６６を保持して
光軸と直交する２次元方向に移動可能な基板ステージ６
７を備える。真空紫外光発生装置６０から出射された波
長１５７ｎｍの真空紫外光は、ビーム径拡大光学系６
１，６２によって光束の径が拡大され、マスク６４を一
様に照明する。マスク６４に形成されたパターンは、投
影光学系６５によって感光基板６６に投影され、感光基
板６６にマスク６４のパターンが転写される。

【００２５】図５は、本発明による真空紫外光発生装置
を組み込んだ直接描画方式の露光装置の一例を示す概略
図である。この露光装置は、本発明による真空紫外光発
生装置６０、ガルバノミラー等によって光線を偏向する
偏向するビームステアリング手段７１、ビームステアリ
ング手段７１を制御する制御手段７２、ビームステアリ
ング手段７１から出射した光線を感光基板７４上に収束
する収束光学系７３、感光基板７４を保持する基板ステ
ージ７５を備える。真空紫外光発生装置６０から出射さ
れた波長１５７ｎｍの真空紫外光は、ビームステアリン
グ手段７１で偏向され、光学系７３で収束されて感光基
板７４を照射する。制御手段７２は、その内部メモリ等
に記憶されている偏向データに基づいてビームステアリ
ング手段７１を時系列的に制御することで、感光基板７
４上に所望のパターンが描画、露光される。

【００２６】図６は、本発明による真空紫外光発生装置
を組み込んだ真空紫外域用光学レンズ検査装置の一例を
示す概略図である。光学レンズ検査装置は、光学レンズ
の透過率や収差の測定を行う装置である、その構造自体
は周知のものである。図示した光学レンズ検査装置は、
本発明による真空紫外光発生装置６０、ハーフミラー８
１、光検出器８２，８３を備える。真空紫外光発生装置
６０から被検レンズ８０に波長１５７ｎｍの真空紫外光
を照射し、被検レンズ８０を透過する前後の光強度を光
検出器８２，８３で検出して比較することにより、波長
１５７ｎｍの真空紫外光に対する光学レンズ８０の透過
率を測定する。

【００２７】

【発明の効果】本発明によると、固体レーザーをベース
にしたコンパクトな装置構成で波長１５７ｎｍの真空紫
外光を安定に発生し、また簡便かつ安定に利用すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による真空紫外光発生装置の一例を示す
概略図。

【図２】波長変換ガスセルと波長選択手段の一例を示す
概略図。

【図３】波長変換ガスセルから出射された反ストークス
光の出力特性を示す図。

【図４】本発明による真空紫外光発生装置を組み込んだ
一括露光型の露光装置の例を示す概略図。

【図５】本発明による真空紫外光発生装置を組み込んだ
直接描画方式の露光装置の例を示す概略図。

【図６】本発明による真空紫外光発生装置を組み込んだ
検査装置の一例を示す概略図。

【符号の説明】

１０…固体レーザー、１１…波長１０６４ｎｍのレーザ
ー光、２０…波長変換装置、２１…波長１５７ｎｍの真
空紫外光、３０…第１の波長変換部、３１…波長２１３
ｎｍのレーザー光、３５，３６，３７…非線形光学結
晶、４０…第２の波長変換部、４１…出射光、４５…ガ
ス容器、５０…波長選択部、５５，５６…ダイクロイッ
クミラー、６０…真空紫外光発生装置、６１，６２…ビ
ーム径拡大光学系、６３…マスクステージ、６４…マス
ク、６５…投影光学系、６６…感光基板、６７…基板ス
テージ、７１…ビームステアリング手段、７２…制御手
段、７３…収束光学系、７４…感光基板、７５…基板ス
テージ、８０…被検レンズ、８１…ハーフミラー、８
２，８３…光検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2K002 AA07 AB12 BA01 CA02 CA04 GA04 HA20 HA23 5F072 AB02 JJ01 JJ05 KK05 KK12 KK30 MM08 QQ02 QQ05 QQ07 RR05 YY09

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素ガスに波長２１３ｎｍ±１．５ｎｍ
   の範囲のレーザー光を入射させて４次の反ストークス誘
   導ラマン散乱により波長１５７ｎｍのレーザー光を得る
   ことを特徴とする真空紫外光発生方法。
2. 【請求項２】 ＮｄあるいはＹｂを活性イオンとする固
   体レーザーから発生された波長１０６４±７．５ｎｍの
   範囲のレーザー光を非線形光学結晶により第５高調波で
   ある波長２１３ｎｍのレーザー光に波長変換し、前記波
   長変換された波長２１３ｎｍのレーザー光を水素ガスに
   入射させて４次の反ストークス誘導ラマン散乱により波
   長１５７ｎｍのレーザー光を得ることを特徴とする真空
   紫外光発生方法。
3. 【請求項３】 波長１０６４ｎｍのレーザー光を発生す
   る固体レーザーと、前記固体レーザーから発生された波
   長１０６４ｎｍのレーザー光をその第５高調波である波
   長２１３ｎｍのレーザー光に変換する第１の波長変換部
   と、前記第１の波長変換部から出射した波長２１３ｎｍ
   のレーザー光を水素ガスによる反ストークス誘導ラマン
   散乱を利用して波長１５７ｎｍの真空紫外光に変換する
   第２の波長変換部と、前記第２の波長変換部から出射す
   る光線から波長１５７ｎｍの真空紫外光を選択的に取り
   出すための波長選択部とを含むことを特徴とする真空紫
   外光発生装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の真空紫外光発生装置にお
   いて、波長１０６４ｎｍのレーザー光を発生する前記固
   体レーザーは、ＮｄあるいはＹｂを活性イオンとする固
   体レーザーであることを特徴とする真空紫外光発生装
   置。
5. 【請求項５】 入射された波長１０６４ｎｍの光線の第
   ５高調波として波長２１３ｎｍの光線を発生させるため
   の非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶から出射した
   波長２１３ｎｍの光線が入射される水素ガスセルと、前
   記水素ガスセルから出射した光線から波長１５７ｎｍの
   光線を選択的に取り出すための波長選択部とを備えるこ
   とを特徴とする波長変換装置。
6. 【請求項６】 波長１５７ｎｍのレーザー光を発生する
   光源と、前記光源から出射されたレーザー光を利用する
   光利用手段とを備える光利用装置において、前記光源と
   して請求項３又は４記載の真空紫外光発生装置を用いた
   ことを特徴とする光利用装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の光利用装置において、前
   記光利用手段は、パターンを形成したマスクを保持する
   マスクステージと、前記光源から出射されたレーザー光
   の径を拡大して前記マスクに照射するマスク照明光学系
   と、前記マスクに形成されたパターンを感光基板に投影
   する投影光学系と、感光基板を保持する基板ステージと
   を含むことを特徴とする光利用装置。
8. 【請求項８】 請求項６記載の光利用装置において、前
   記光利用手段はレーザー光を偏向するビームステアリン
   グ手段と、前記ビームステアリング手段を制御する制御
   手段と、前記ビームステアリング手段から出射したレー
   ザー光を感光基板上に収束する光学系と、感光基板を保
   持する基板ステージとを含むことを特徴とする光利用装
   置。