JPH10270326A

JPH10270326A - 露光光源ならびに露光方法および露光装置

Info

Publication number: JPH10270326A
Application number: JP9074243A
Authority: JP
Inventors: Kiwamu Takehisa; 究武久
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 1998-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】ＡｒＦエキシマレーザに代わり、波長変換に
よって波長１９３ｎｍ近傍の紫外光を効率よく発生でき
る露光光源を提供する。【解決手段】銅レーザ発振器１の出力鏡３１ａから取
り出された波長５１１ｎｍの緑色成分のレーザ光Ｌ１
は、ビーム径変換器３ａでビーム径が拡大されたレーザ
光Ｌ２として銅レーザ増幅器２を通過後、ダイクロイッ
クミラー４ｂを経由して、色素レーザ発振器６と色素レ
ーザ増幅器７の励起光となる。色素レーザ発振器６は波
長５７８ｎｍのレーザ光Ｌ１１を発振し、色素レーザ増
幅器７で増幅され、レーザ光Ｌ１２として取り出され、
さらにビーム径変換器３ｂにてビーム径が拡大されたレ
ーザ光Ｌ１３となり、ダイクロイックミラー４ａで反射
して、銅レーザ増幅器２内を通過し、増幅された波長５
７８ｎｍのレーザ光Ｌ１５として非線形光学結晶１１
ａ、１１ｂを順に通過し、波長１９３ｎｍの露光光Ｌ３
０となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、露光光源および露
光技術ならびに半導体装置の製造技術に関し、特に、半
導体装置の製造工程におけるレーザ光を用いたフォトリ
ソグラフィ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に用いられる露光装
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
頼性など種々のものが存在する。その中でも、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、良好な解像度を得るために
は、できるだけ短い露光波長λの露光光源が好ましい。

【０００３】従来一般の露光装置では、おもに水銀ラン
プのｇ線（波長：４３６ｎｍ）やｉ線（波長：３６５ｎ
ｍ）が露光光源として利用されてきたが、より微細な加
工線幅を実現するために、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキ
シマレーザが利用されるようになってきた。そしてさら
に微細な加工を行うための露光光源として、波長１９３
ｎｍのＡｒＦエキシマレーザの利用が検討されている。
なお、これに関しては、たとえば、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、２５ｐ
ＶＩＩ４（第９６頁から第９９頁）において説明されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＡｒＦエキシマレーザ
を露光光源に用いる際の技術的課題としては、狭帯域化
しないと波長幅が５０〜１００ｐｍ、狭帯域化させても
約１０ｐｍあり、単色レンズを露光レンズとして用いる
ステッパに必要な波長幅１ｐｍ未満に狭帯域化された露
光光を発生させることが困難になっている、という点が
挙げられる。すなわちＡｒＦエキシマレーザの波長を含
むおよそ２００ｎｍ以下は真空紫外域であるため、一般
に多くの光学材では吸収率がかなり高くなる。そのため
狭帯域化素子自体により、発振器内のレーザ光が吸収さ
れ、十分なレーザ出力が得られなかったり、また狭帯域
化素子がレーザ光の吸収により劣化しやすくなり、その
定期的交換によりランニングコストが高くなることが技
術的課題になっている。なお、これに関しては、たとえ
ば、月刊ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＷｏｒｌｄ１９
９５年１１月、第１６頁から第１７頁において説明され
ている。

【０００５】また別の技術的課題として、露光光源にエ
キシマレーザを用いた従来装置では、レーザ光のピーク
パワーが高いため、ステッパのレンズ材にダメージが生
じやすいという点が挙げられる。そこでピークパワーを
上げずに、すなわちレーザパルスのエネルギーを上げず
に平均出力を増加させるために、パルスの繰り返し数を
高くする必要がある。ところがエキシマレーザでは一般
に１ｋＨｚ程度の繰返し数が限界であった。

【０００６】本発明の目的は、ＡｒＦエキシマレーザに
代わり、十分に狭帯域化された真空紫外域の露光光を発
生できる露光光源を提供することにある。

【０００７】本発明の他の目的は、ＡｒＦエキシマレー
ザと同じ波長１９３ｎｍ近傍の真空紫外光を効率よく発
生できる露光光源を提供することにある。

【０００８】本発明の他の目的は、露光光学系の寿命を
延ばして装置を長期間使用できる露光技術を提供するこ
とにある。

【０００９】本発明の他の目的は、露光工程における低
コスト化およびスループットの向上を実現することが可
能な露光技術を提供することにある。

【００１０】本発明の他の目的は、真空紫外域の波長程
度の設計ルールを有する半導体装置を効率良く製造する
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。

【００１１】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。

【００１２】

【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。

【００１３】本発明による露光光源では、銅レーザと、
色素レーザと、少なくとも２個の非線形光学結晶とを含
み、銅レーザから取り出されたレーザ光を励起光として
色素レーザを動作させ、かつ色素レーザから取り出され
たレーザ光を、少なくとも２個の非線形光学結晶に通す
ことで露光光を得るものである。なお、この銅レーザと
は、銅原子の励起準位間のエネルギー遷移を用いた気体
レーザのことで、銅蒸気レーザ、あるいは臭化銅レーザ
などがある。

【００１４】また特に効率よく波長１９３ｎｍ近傍の露
光光を得るために、色素レーザから取り出されたレーザ
光を、銅レーザを構成する放電管内に通したのち、非線
形光学結晶を通過させて露光光として出力するものであ
る。なお銅レーザとは、銅レーザ発振器あるいは銅レー
ザ増幅器のどちらでもよく、色素レーザも、色素レーザ
発振器あるいは色素レーザ増幅器のどちらでもよい。

【００１５】一般に銅レーザで励起される色素レーザ
は、使用する色素にも依るが、代表的なローダミン６Ｇ
などの色素を用いれば、波長５７０〜６００ｎｍで効率
よくレーザ発振できることが知られている。そこで非線
形光学結晶を２回通すことで発生する第３高調波とし
て、ＡｒＦエキシマレーザの波長をカバーする波長１９
０ｎｍ〜２００ｎｍの紫外光が得られる。しかも銅レー
ザでは一般に５〜６ｋＨｚの繰返し数で動作するため、
通常のエキシマレーザに比べて、同じ平均出力ならばパ
ルスのピークパワーをエキシマレーザに比べて１桁小さ
くすることができる。

【００１６】また狭帯域化された露光光を発生させるに
は前記波長５７０〜６００ｎｍの色素レーザにおいて行
えばよく、すなわち可視域で狭帯域化することになるた
め、狭帯域化素子が短期間でダメージを受けるようなこ
とはない。

【００１７】また銅レーザは、波長約５１１ｎｍで最も
強くレーザ発振するが、波長約５７８ｎｍにも第２の発
振ラインがあり、これは波長約５１１ｎｍで励起された
通常の色素レーザの発振波長帯に含まれる。そこで色素
レーザから、銅レーザの第２の発振ラインと一致する波
長５７８ｎｍでレーザ発振させることができるため、波
長５７８ｎｍの色素レーザのレーザ光を銅レーザの放電
管内に通すことで、色素レーザのレーザ光は増幅作用を
受けることになる。

【００１８】しかも波長５７８ｎｍのレーザ光を２個の
非線形光学結晶中に通して２回波長変換を行なって得ら
れる第３高調波は、波長約１９３ｎｍになるため、Ａｒ
Ｆエキシマレーザとほぼ同じ波長の紫外光が得られる。
なお、一般に、銅レーザの発振波長に関して、波長約５
１１ｎｍを緑色成分、波長約５７８ｎｍを黄色成分と呼
ぶことがあり、レーザ出力の比はおよそ６対４であるこ
とが知られている。

【００１９】また波長変換させる基本波を色素レーザで
発振させるため、小さいビーム径で発振させやすく、シ
ングルモードで発振させやすい。すなわち、拡がり角が
非常に小さい高品質なビームとして基本波を発生でき
る。

【００２０】

【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。

【００２１】（実施の形態１）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した概念図であ
る。

【００２２】本実施の形態の露光光源は、大別して、銅
レーザ発振器１、銅レーザ増幅器２、色素レーザ発振器
６、波長変換用の複数の非線形光学結晶１１ａおよび非
線形光学結晶１１ｂからなる。本実施の形態の場合、こ
の非線形光学結晶１１ａおよび１１ｂとしては、一例と
してβ−ＢａＢ₂Ｏ₄結晶を用いることができる。

【００２３】銅レーザ発振器１は、放電管１ａ、出力鏡
３１ａ、および全反射鏡３３ａとで構成されている。銅
レーザ発振器１の出力鏡３１ａから取り出された波長５
１１ｎｍの緑色成分のレーザ光Ｌ１は、本発明を構成す
る銅レーザである銅レーザ増幅器２へ向かう。なお一般
の銅レーザ発振器からは緑色成分と黄色成分の両方が含
まれるが、本実施の形態の銅レーザ発振器１の出力鏡３
１ａでは黄色成分がほぼ１００％反射するようになって
いるため、レーザ光Ｌ１はほぼ１００％が緑色成分にな
っている。レーザ光Ｌ１は、２枚のレンズからなるビー
ム径変換器３ａによって、ビーム径が拡大され（レーザ
光Ｌ２とする。）、ダイクロイックミラー４ａに当た
る。ダイクロイックミラー４ａは波長５１１ｎｍにおい
てほぼ１００％の透過率を有し、波長５７８ｎｍにおい
てほぼ１００％の反射率になっているため、緑色成分の
レーザ光Ｌ２はほとんど損失無くダイクロイックミラー
４ａを通過して銅レーザ増幅器２へ進むことができる。
これによってレーザ光Ｌ２は銅レーザ増幅器２の放電管
２ｂ内を通過し、増幅作用を受け、レーザ出力が高めら
れる。増幅した緑色成分のレーザ光Ｌ３はダイクロイッ
クミラー４ｂに当たる。

【００２４】ダイクロイックミラー４ｂは波長５１１ｎ
ｍにおいてほぼ１００％の反射率を有し、波長５７８ｎ
ｍにおいてほぼ１００％の透過率になっているため、緑
色成分のレーザ光Ｌ３はダイクロイックミラー４ｂで反
射してレーザ光Ｌ４のように進む。レーザ光Ｌ４は、ミ
ラー５ａで反射して、色素レーザ発振器６と色素レーザ
増幅器７の励起光として利用される。すなわちレーザ光
Ｌ４は、ビームスプリッタ８ａおよびミラー５ｂによっ
て、そのパワーのそれぞれ７０％および３０％のレーザ
光Ｌ５およびレーザ光Ｌ６が、色素レーザ増幅器７およ
び色素レーザ発振器６に供給される。これによって色素
レーザ発振器６から波長５７８ｎｍのレーザ光Ｌ１１が
発振し、色素レーザ増幅器７を構成する色素ジェット９
ａ内を通過する。この色素ジェット９ａに対して、銅レ
ーザからの緑色成分のレーザ光Ｌ５がレンズ１０によっ
て集光する。これによって色素レーザ発振器６からのレ
ーザ光Ｌ１１が増幅し、レーザ光Ｌ１２となって取り出
される。レーザ光Ｌ１２はミラー５ｃで反射し、２枚の
レンズから成るビーム径変換器３ｂによって、レーザ光
Ｌ２と同じ太さにビーム径が拡大され（レーザ光Ｌ１３
とする。）、ダイクロイックミラー４ａに当たる。

【００２５】ダイクロイックミラー４ａでは、前述した
ように波長５７８ｎｍにおいてほぼ１００％の高反射率
を有するため、ここで反射してレーザ光Ｌ１４となりレ
ーザ光Ｌ２と重ね合わされる。

【００２６】したがって色素レーザ発振器６で発生し、
色素レーザ増幅器７で増幅されたレーザ光Ｌ１２（Ｌ１
３）は銅レーザ増幅器２の放電管２ｂ内を通過すること
になる。レーザ光Ｌ１２（Ｌ１３）の波長は銅レーザの
黄色成分の波長５７８ｎｍに一致するため、放電管２ｂ
内を通過する際に増幅作用を受ける。その結果、波長５
７８ｎｍのレーザ光は大幅に増幅され、波長５７８ｎｍ
においてほぼ１００％の透過率であるダイクロイックミ
ラー４ｂを通過して（これをレーザ光Ｌ１５とす
る。）、図１の右方向に位置する非線形光学結晶１１ａ
および１１ｂに入射する方向に進む。

【００２７】以上のように、本発明では、色素レーザ発
振器６で発生し、色素レーザ増幅器７で増幅されたレー
ザ光Ｌ１２に、銅レーザ増幅器２から取り出し可能な黄
色成分のレーザ光のエネルギーが加算されることになる
ため、色素レーザ増幅器７が一段しかなくても、波長５
７８ｎｍの色素レーザのレーザ光を大幅に増加させるこ
とができる。なお一般に銅レーザから発生できる緑色成
分と黄色成分のレーザ光の出力比率はおよそ６０：４０
であり、また銅レーザの緑色成分で励起された色素レー
ザのレーザ出力は一般にその緑色成分出力の約４０％前
後である。したがって従来の銅レーザ励起色素レーザの
レーザ出力と、本発明により最終的に得られる波長５７
８ｎｍとの出力比率は、６０×0.４０：６０×0.４０＋
４０＝２４：６４になる。すなわち本発明では、従来の
２倍以上のレーザ出力が得られることになる。

【００２８】波長５７８ｎｍのレーザ光Ｌ１５は非線形
光学結晶１１ａを通って波長変換し、第２高調波である
波長２８９ｎｍの紫外域のレーザ光Ｌ２０が発生する。
ただしレーザ光Ｌ２０には非線形光学結晶１１ａで波長
変換しなかった波長５７８ｎｍのレーザ光Ｌ１５も含ま
れる。このレーザ光Ｌ２０は非線形光学結晶１１ｂに入
射し、波長２８９ｎｍの第２高調波と未変換の基本波と
の和周波数である波長１９３ｎｍの第３高調波のレーザ
光Ｌ３０が発生する。これが露光光となる。なお露光光
Ｌ３０はパルス状のレーザ光であるが、パルス繰返し数
は、銅レーザ発振器１の繰返し数に等しく、ここでは通
常の銅レーザの繰返し数の５ｋＨｚになっている。

【００２９】ところで銅レーザ発振器１の全反射鏡３３
ａの特性として、波長５１１ｎｍにおいてほぼ１００％
の反射率になっているが、波長５７８ｎｍにおいては３
０％程度の透過率になっている。また出力鏡３１ａで
は、波長５７８ｎｍにおいてほぼ１００％の全反射にな
っている。これにより銅レーザ発振器１において発振す
る波長５７８ｎｍの黄色成分は全反射鏡３３ａからレー
ザ光Ｌ４１として図１で左方向に取り出される。レーザ
光Ｌ４１は、ミラー５ｄで反射して、ビーム径変換器３
ｃを通ってビーム径が小さくなり（レーザ光Ｌ４２とす
る。）、色素レーザ発振器６内に進む。なおビーム径変
換器３ｃを構成する２枚のレンズの間にはピンホール板
１２が配置されており、これによってピンホール板１２
の微小な穴を進めるビーム質の高いレーザ光のみが進
み、色素レーザ発振器６へ向かうようになっている。

【００３０】ここで、図２を用いて色素レーザ発振器６
に関して説明する。色素レーザ発振器６では、出力鏡３
２ａと全反射鏡３４とで共振器が構成されており、レー
ザ媒質である色素溶液の流れである色素ジェット９ｂに
対して、励起光源である銅レーザからの緑色成分のレー
ザ光Ｌ６がレンズ１０ｂを通って集光する。その結果レ
ーザ媒質である色素溶液が励起してレーザ発振すること
になる。

【００３１】本実施の形態では、色素レーザ発振器６で
は、励起光が色素ジェット９ｂ中の１点に集光される結
果、発振するレーザ光のビームが約0.３ｍｍと細くな
る。ところでレーザ光の発振モードを左右するパラメー
タであるフレネル数Ｆは、ビーム径の自乗に比例し、共
振器長に反比例する。またフレネル数は小さい程、低次
のモードで発振する。色素レーザ発振器６では、一般に
ビーム径を１ｍｍ以下と小さくできることから、シング
ルモードで発振しやすくなることも本発明の特徴であ
る。すなわちシングルモードではビーム拡がり角が小さ
いため、非線形光学結晶による波長変換の効率が高くな
るからである。

【００３２】これに対して一般の銅レーザ発振器では、
共振器長は２ｍ程度と通常の色素レーザ発振器より１桁
大きいが、ビーム径は３０ｍｍ〜５０ｍｍと２桁大き
い。その結果、前記フレネル数はおよそ１０００倍大き
くなり、高次のマルチモードで発振しやすくになる。し
たがって銅レーザ発振器から発振する波長５７８ｎｍを
直接波長変換させようとすると、ビーム拡がり角が大き
い高次のマルチモードであることから、波長変換の効率
が低くなってしまう。

【００３３】ところで本実施の形態では、銅レーザ発振
器１からの波長５７８ｎｍのレーザ光Ｌ４１（Ｌ４２）
が色素レーザ発振器６内に進み、ビームスプリッタ８ｂ
によって、レーザ媒質である色素ジェット９ｂに照射し
ている。これより色素レーザ発振器６ではこの波長５７
８ｎｍのレーザ光Ｌ４１（Ｌ４２）に誘導されて、同じ
波長５７８ｎｍで発振することになる。これはインジェ
クションロッキングと呼ばれる手法である。すなわち色
素レーザ発振器６から波長５７８ｎｍでレーザ発振させ
るため、本実施の形態では、通常の色素レーザ発振器で
よく用いられる波長選択素子としての回折格子を用いる
必要がない。これにより色素レーザ発振器６の構造の簡
素化と低コスト化が図れる。しかも発振波長５７８ｎｍ
は銅レーザの黄色成分の発振ラインに一致するようにな
るが、銅レーザの発振ラインは銅のエネルギー準位に関
係し、物理的に定まった値である。したがって色素レー
ザ発振器６で発振する波長５７８ｎｍのレーザ光の波長
は安定化され変動することがない。これは特に波長変換
後、露光光として用いる際に効果がある。すなわち露光
光の波長が変動すると、露光レンズ通過後の焦点位置が
変動し、露光パターンがぼやけることになるからであ
る。

【００３４】なお本実施の形態では、色素レーザ発振器
６からの発振波長幅を狭帯域化させるためにエタロン１
３を用いており、これによって波長幅が１ｐｍ以下に狭
帯域化されたレーザ光Ｌ１１を得られる。ただしエタロ
ン１３を用いなくても、銅レーザ発振器１からの黄色成
分のレーザ光Ｌ４２を色素レーザ発振器６内に入射して
インジェクションロッキングさせるだけでも、銅レーザ
発振器１から発振するレーザ光Ｌ４１（Ｌ４２）の波長
幅に一致する数ｐｍとなり、これを波長変換させたレー
ザ光は、従来のＡｒＦエキシマレーザに比べれば、より
狭帯域化されている。その理由としては、一般に銅レー
ザ発振器から発振するレーザ光の波長幅は、通常のＡｒ
Ｆエキシマレーザの波長幅よりも十分狭いからである。
つまり一般にエキシマレーザの波長幅は、通常発振時は
他の気体レーザの中でも特に広く、３００〜４００ｐｍ
にもなるからである。

【００３５】なお従来ＡｒＦエキシマレーザを用いず
に、非線形光学結晶を用いた波長変換により真空紫外光
を発生させる露光光源としては、たとえば、近赤外域の
波長１０６４ｎｍで発振するＹＡＧレーザのレーザ光を
波長変換によって第５高調波すなわち波長の２１３ｎｍ
を発生させるものである。これに関しては、たとえば、
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、２４ｐＶＩＩ１（第５８頁から第６１頁）
において説明されている。

【００３６】ところが波長２１３ｎｍは、ＡｒＦエキシ
マレーザの波長１９３ｎｍよりも多少長いため、フォト
リソグラフィの解像度がＡｒＦエキシマレーザに比べて
劣ることが技術的課題であった。また現在次世代フォト
リソグラフィの周辺技術は、ＡｒＦエキシマレーザの波
長１９３ｎｍで利用できるように開発されつつある。た
とえば露光レンズは波長１９３ｎｍでシャープな像が得
られるものが開発中であり、またレジストも波長１９３
ｎｍの紫外光で良好な感度と透過率が得られるものが開
発中である。したがって波長２１３ｎｍの露光光では、
現在開発中の露光レンズやレジストの特性と合わないこ
とも技術的課題になっていた。これに対して本発明の露
光光源では波長１９３ｎｍを含む波長１９０〜２００ｎ
ｍの真空紫外光を発生できる点も大きな特徴である。

【００３７】（実施の形態２）次に本発明の露光光源を
用いた露光装置（ステッパ）に関して図３を用いて説明
する。図３は、本発明の第１の実施の形態である露光装
置の構成の一例を示す概念図である。

【００３８】本実施の形態の露光装置２００は、ステッ
パ本体１５０と、図１で示した露光光源１００とで構成
されている。露光光源１００から取り出された波長１９
３ｎｍの露光光Ｌ３０は、ミラー２０１ａ、ミラー２０
１ｂで反射して、ビーム径変換器２０２によりビームが
拡げられ、ミラー２０１ｃで反射してからランダム位相
板２０３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２０４を通過して強度分布が均一
化され、コンデンサレンズ２０５を通ってレチクル２０
６に照射される。レチクル２０６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２０７を通り、ウエ
ハーステージ２０８に乗せられたウエハー２０９上に当
たる。これによってレチクル２０６でのパターンがウエ
ハー２０９上に縮小投影される。

【００３９】本実施の形態では、露光光Ｌ３０の繰返し
数が５ｋＨｚであるため、５００〜６００ＨｚのＡｒＦ
エキシマレーザに比べて約１０倍高い。したがってパル
スレーザ光である露光光Ｌ３０のピークパワーを約１／
１０に低くすることができ、それにより縮小投影レンズ
２０７にダメージが生じにくくなった。また本実施の形
態では、縮小投影レンズ２０７が石英から成る単色レン
ズである。

【００４０】従来ステッパ光源として開発されてきたＡ
ｒＦエキシマレーザでは、波長幅が１０ｐｍ程度あった
ため、単色レンズが利用困難であり、蛍石を併用した色
消しレンズや、反射光学系を用いたステッパの利用が検
討されてきた。これに対して本実施の形態のように露光
光源の波長幅は色素レーザによって１ｐｍ以下にするこ
とは容易であるため、単色レンズによる屈折光学系のス
テッパを用いることも可能になった。

【００４１】以上より、本発明では従来の露光装置と同
様に石英レンズを用いた縮小投影レンズ２０７を用いる
ことができる。すなわち技術的に深く確立された縮小投
影レンズ２０７を利用できるため、十分大きな口径の縮
小投影レンズも利用でき、その結果、露光装置として高
い処理能力のものが実現できる。その露光装置を用いて
半導体集積回路を製造するならば、製造時間が短く、ス
ループットが向上することから、半導体集積回路のコス
トを低減できるようになった。

【００４２】（実施の形態３）次に本発明の露光光源の
第２実施の形態を図４を用いて説明する。図４は本発明
の第２実施の形態である露光光源１１０の構成の一例を
示す概念図である。

【００４３】露光光源１１０は大別して、本発明の構成
要素の色素レーザである色素レーザ発振器２４と、本発
明の構成要素の銅レーザである銅レーザ発振器２１とで
構成される。図４では、本発明を構成する少なくとも２
個の非線形光学結晶は省略してあるが、それらは図１に
示された１１ａと１１ｂと同様にレーザ光Ｌ１７の光路
上に直列に配置すればよい。銅レーザ発振器２１は、銅
レーザ用放電管２２を挟むように、出力鏡３１ｂと全反
射鏡３３ｂとで共振器が構成されている。出力鏡３１ｂ
では、波長５１１ｎｍにおいて約８０％の透過率を有
し、波長５７８ｎｍにおいては９９％以上の透過率を有
す。また全反射鏡３３ｂでは、波長５１１ｎｍにおいて
ほぼ１００％の反射率を有し、波長５７８ｎｍにおいて
は９９％以上の透過率を有する。したがって、銅レーザ
発振器２１では波長５１１ｎｍの緑色成分のレーザ光Ｌ
８のみが発振し、出力鏡３１ｂから取り出され、図４で
左方向に進み、ビーム径変換器２３でビーム径が縮小さ
れ、色素レーザ発振器２４内へ進む。

【００４４】一方、色素レーザ発振器２４では、用いら
れる出力鏡３２ｂは波長５７８ｎｍにおいて約８０％の
透過率を有し、波長５１１ｎｍでは９９％以上の透過率
になっている。したがって銅レーザ発振器２１で発生し
た緑色成分のレーザ光Ｌ８のほとんどは出力鏡３２ｂを
通過して、色素レーザ発振器２４内へ進み、励起光とし
て利用される。すなわち緑色成分のレーザ光Ｌ８は、レ
ーザ媒質である色素ジェット２５に照射され、色素レー
ザ発振器２４はレーザ発振する。本実施の形態では、波
長選択子である回折格子２７が用いられて、波長５７８
ｎｍでレーザ発振するようになっている。すなわち、図
示しないアクチュエータにて回折格子２７の設置角度を
制御することにより、色素レーザ発振器２４におけるレ
ーザ発振の波長を制御することができる。また波長幅を
狭帯域化するためのエタロン２６も用いられている。

【００４５】色素レーザ発振器２４で発振した波長５７
８ｎｍのレーザ光Ｌ１６は、出力鏡３２ｂから図４で右
方向に進み、ビーム径変換器２３を通ってビーム径が拡
大され、銅レーザ発振器２１の方へ進む。一方、銅レー
ザ発振器２１で用いられている出力鏡３１ｂと全反射鏡
３３ｂとは波長５７８ｎｍにおいて９９％以上の透過率
になっている。これによりレーザ光Ｌ１６のほとんどは
銅レーザ発振器２１中を通過する。レーザ光Ｌ１６は銅
レーザの黄色成分の波長に合わせられているため、銅レ
ーザ用放電管２２を通過する際に増幅作用を受けること
から、増幅された波長５７８ｎｍのレーザ光Ｌ１７が取
り出される。このレーザ光Ｌ１７は図１で示した第１実
施の形態と同様に、光路上に位置する二つの非線形光学
結晶を通過させることにより２回波長変換して、波長１
９３ｎｍの紫外光に変換する。

【００４６】本第２実施の形態では、図１で示した第１
実施の形態に比べて、装置の構成が簡素化されているの
も特徴である。

【００４７】（実施の形態４）次に本発明の露光光源を
用いたステッパの第２の実施の形態を図５を用いて説明
する。図５は、本発明の第２の実施の形態である露光装
置の構成の一例を示す概念図である。

【００４８】本実施の形態では、ステッパ本体３００に
は露光光源として図１で示した露光光源１００を用いて
いるとともに、スキャン方式の露光を行う。

【００４９】露光光源１００で発生した露光光Ｌ３０は
ポリゴンミラー３０１で反射し、ｆθレンズ３０２を通
って、レチクル３０３に照射される。図中に斜線で示さ
れているのが露光光Ｌ３０の照射部３０４である。ただ
しレチクル３０３の上にはマスク３０５が配置してお
り、このマスク３０５における長方形状の開口部を通過
する露光光Ｌ３０のみがレチクル３０３に照射される。
またレチクル３０３に照射される露光光Ｌ３０はポリゴ
ンミラー３０１によってＹ方向にスキャン（副走査）さ
れるため、これによって露光光Ｌ３０はレチクル３０３
のＹ方向全体を照射するようになる。なお本実施の形態
におけるポリゴンミラー３０１の代わりにスキャンミラ
ーを用いてもよい。ただし以下に説明するように、本発
明ではポリゴンミラーを用いる方が適する。

【００５０】図６および図７は、レチクル３０３に対す
る露光光のスキャンに関して説明するための説明図であ
る。本実施の形態では、図６に示した矢印のように、レ
チクル３０３に照射される露光光の照射場所は、各パル
スごとに少しずつ移動していく。露光光をポリゴンミラ
ー３０１によってスキャンするため、矢印３１２ａのよ
うにレチクル３０３のＹ方向を一回スキャンし終わった
ら、ポリゴンミラー３０１での反射面が変わるため、ま
た図６で上の辺のところまで戻り、矢印３１２ｂのよう
に同じ方向にスキャンする。なお図６でパルスごとの露
光場所がＹ方向から少し斜めに傾いているのは、図５に
示してあるように、レチクル３０３がレチクルステージ
３０７の可動部３０６に載せられて露光中にＸ方向に移
動（主走査）するからである。これに対して、もしもポ
リゴンミラーではない通常のスキャンミラーを用いて露
光光をスキャンするならば、図７に示されたように、矢
印３１３ａのようにレチクル３０３の幅を一回スキャン
し終わると、スキャン方向が反転する。一方、レチクル
３０３は常にＸ方向に移動するため、矢印３１３ｂのよ
うにパルスごとの露光場所はＹ方向から反対側に傾くこ
とになる。その結果、レチクル３０３に対して均一に露
光光Ｌ３０を照射することが困難になる。したがって本
発明では、パルスごとの露光場所の移動していく方向
（副走査の方向）が、各スキャン全てが平行になるよう
にするために、ポリゴンミラー３０１を用いたものであ
る。

【００５１】またレチクル３０３上での像は縮小投影レ
ンズ３０８によってウエハー３０９上に縮小投影され
る。ウエハー３０９はウエハーステージ３１１の可動部
３１０に載せられているため、レチクル３０３と同様に
Ｘ方向（主走査の方向）に往復移動できるようになって
いる。したがってレチクル３０３とウエハー３０９とが
同期しながら共にＸ方向に移動できるスキャン方式にな
っている。これによりＸ方向に関してウエハー３０９上
に照射される露光光の強度分布に不均一があっても平均
化される。さらに本実施の形態のようにＹ方向に関して
は露光光をスキャンしているため、Ｙ方向に関しても均
一な露光量を与えることができる。したがってウエハー
３０９上の露光フィールド内の全面で均一に露光でき
る。

【００５２】以上のように本実施の形態ではレチクル３
０３だけでなく、露光光Ｌ３０自体をスキャンさせるこ
とで露光量を均一化している。その理由は以下の通りで
ある。従来のＫｒＦエキシマレーザを用いたステッパで
は、ＫｒＦエキシマレーザから取り出されるレーザ光を
照明光学系などに通して強度分布を均一化して拡大して
から、レチクル全面に照射していた。ところが本発明で
は真空紫外域のレーザ光を露光光Ｌ３０とするが、その
波長領域では通常の光学材での吸収率が高くなるため、
照明光学系に通すと、レーザ出力が大きく低下する。し
たがって本実施の形態では、前記の様に照明光学系を用
いずに露光光Ｌ３０をポリゴンミラー３０１にてスキャ
ンすることで露光量を均一化できる。

【００５３】なお以上のように本発明では、ウエハー３
０９だけでなく、露光光Ｌ３０自体もスキャンしている
が、これが可能になった理由として、銅レーザを用いた
からであり、従来のエキシマレーザに比べて繰返し数を
１０倍程度も高くなったからである。

【００５４】すなわち繰返し数が高くないとスキャンの
回数が増える際に、隣り合うスキャンによる照射部の重
なりが少なくなってしまい、露光量にむらが生じるから
である。

【００５５】また本発明ではスキャン方式のステッパを
用いたり、あるいはレチクル３０３上で露光光Ｌ３０を
スキャンすることで、露光光Ｌ３０のスペックルノイズ
も平均化してキャンセルする効果もある。特に本発明で
は波長変換によって発生した紫外光を露光光Ｌ３０とし
て利用しているが、波長変換の効率は、レーザ光がシン
グルモードのように低次モードである方が高くなる。と
ころが低次モードではスペックルノイズが大きくなるこ
とが問題になるからである。

【００５６】（実施の形態５）次に、図８を参照しなが
ら、本発明の露光光源を用いた前述の図３または図５に
例示される露光装置を用いた半導体装置を製造方法の一
例について説明する。

【００５７】図８では、フォトリソグラフィ加工を施す
工程の一例として、ウエハー２０９のシリコン基板１０
０１の表面に堆積（デポジション）された二酸化珪素
（ＳｉＯ₂）の絶縁膜１００２に微少な穴（コンタクト
ホール１００２ａ）を穿設する場合を工程順に示してあ
る。

【００５８】フォトリソグラフィ加工では、先ず始めに
図８（１）に例示したように、シリコン基板１００１の
上に堆積された絶縁膜１００２にレジスト１００３が塗
布される。

【００５９】次に（２）に示したように露光（多数の矢
印で示したものが図２における露光光Ｌ３０である。）
が行われる。すなわちレチクル２０６（図２）のパター
ンの露光光Ｌ３０がウエハー２０９上のレジスト１００
３に照射される。ここでは直径ΔＷのコンタクトホール
１００２ａの形成予定位置に相当する領域には露光光Ｌ
３０は照射されない。

【００６０】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、図８（３）に示したように露光光Ｌ３０が照射さ
れなかったところのみが選択的に現像液に溶けて除去さ
れ、レジスト１００３には直径ΔＷの穴１００３ａが形
成される。

【００６１】そこで図８（４）に示したように、エッチ
ングを施すとレジスト１００３が除去されて形成された
穴１００３ａを通じて露出した絶縁膜１００２がエッチ
ングにより除去される。

【００６２】最後に図８（５）に示したようにアッシン
グなどによりレジストを除去することで、直径ΔＷのコ
ンタクトホール１００２ａを有する絶縁膜１００２がシ
リコン基板１００１上に残ることになる。

【００６３】本実施の形態では、露光光Ｌ３０の波長が
約１９３ｎｍとなっているため、通常の露光によって
も、最小約0.１９３μｍの直径の穴（コンタクトホール
１００２ａなど）や、幅0.１９３μｍの線の加工を施す
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0.１１μｍまでの
直径の穴パターンや線パターン等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本実施の形
態の半導体装置の製造方法は、コンタクトホール１００
２ａやゲート加工などを、設計ルール0.２μｍ以下程度
の微細な加工を行う場合に有効である。

【００６４】以上説明した本発明の露光光源ならびに露
光方法および露光装置ならびに半導体装置の製造方法の
各実施の形態における技術的効果を列挙すれば以下の通
りである。

【００６５】第１に、本発明の露光光源では、狭帯域化
素子などの劣化を抑制できるため、本発明の露光光源を
用いた露光装置では、ＡｒＦエキシマレーザを用いた露
光装置に比べて低ランニングコストになる。また十分な
狭帯域化が可能であるため、縮小投影レンズに従来と同
様に石英から成る単色レンズを用いることができるた
め、露光装置を低コストに構成できる。

【００６６】第２に、露光光の繰返し数が従来のエキシ
マレーザを用いた露光光源に比べて約１０倍も高くなる
ため、露光光パルスのピークパワーを従来の１／１０程
度にでき、露光レンズにダメージが生じにくくなった。
これにより露光光のパワーを上げられるようになり、露
光装置のスループットが向上する。

【００６７】以上第１と第２の効果により、露光装置の
コストダウンとスループット向上が可能になり、半導体
集積回路を短期間で低コストに製造できる。すなわち本
発明の露光装置を用いると安価な半導体集積回路を提供
できる。

【００６８】第３に、本発明の露光光源では波長約１９
３ｎｍの露光光を得られるため、ＡｒＦエキシマレーザ
の利用を想定して開発中の露光レンズやレジストなどの
フォトリソグラフィ周辺技術をそのまま適用できる。

【００６９】第４に、本発明の露光光源で利用する銅レ
ーザにおいて、従来一般に利用されなかった黄色成分の
エネルギーも有効に利用できるようになった。その結
果、従来一般の銅レーザ励起色素レーザを用いる場合に
比べて効率を２倍程度向上できる。

【００７０】第５に、色素レーザ発振器によって基本波
を発振させるため、拡がり角の小さい高ビーム質の基本
波を得られやすく、非線形光学結晶よる波長変換効率が
高くなる。すなわち銅レーザ発振器から得られる黄色成
分のレーザ光を直接波長変換するよりも効率よく露光光
を得ることができる。

【００７１】第６に、銅レーザ発振器から発生する黄色
成分のレーザ光を色素レーザ内に入射することで、波長
選択素子が不要になるだけでなく、基本波の波長を簡単
に安定化することができるため、波長変換後の露光光の
波長も安定化でき、露光パターンがぼけることがない。
また色素レーザ発振器において狭帯域化素子を用いなく
ても波長幅を数ｐｍにでき、色消しレンズを用いた露光
レンズでは、そのまま利用することができる。

【００７２】第７に、露光光の繰返し数が従来のエキシ
マレーザに比べて約１０倍も高くなるため、露光光自体
をウエハーに対してスキャンさせながら照射することが
できるようになり、より均一な露光量を与えることがで
きる。さらにまたスペックルノイズもキャンセルでき
る。

【００７３】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。

【００７４】たとえば、本発明の露光光源の用途として
は、半導体装置の製造工程におけるフォトリソグラフィ
に用いられる露光装置の露光光源としてのみならず、真
空紫外域の波長の安定なレーザ光を必要とする分野に広
く適用することができる。

【００７５】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００７６】本発明の露光光源によれば、ＡｒＦエキシ
マレーザに代わり、十分に狭帯域化された真空紫外域の
露光光を発生できる、という効果が得られる。

【００７７】また、本発明の露光光源によれば、ＡｒＦ
エキシマレーザと同じ波長１９３ｎｍ近傍の真空紫外光
を効率よく発生できる、という効果が得られる。

【００７８】本発明の露光方法によれば、露光光学系の
寿命を延ばして露光装置を長期間使用できる、という効
果が得られる。

【００７９】本発明の露光方法によれば、露光工程にお
ける低コスト化およびスループットの向上を実現するこ
とができる、という効果が得られる。

【００８０】本発明の露光装置によれば、露光光学系の
寿命を延ばして露光装置を長期間使用できる、という効
果が得られる。

【００８１】本発明の露光装置によれば、露光工程にお
ける低コスト化およびスループットの向上を実現するこ
とができる、という効果が得られる。

【００８２】本発明の半導体装置の製造方法によれば、
真空紫外域の波長程度の設計ルールを有する半導体装置
を効率良く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
一例を示した概念図である。

【図２】本発明の露光光源の第１の実施の形態における
色素レーザ発振器の構成の一例を示した概念図である。

【図３】本発明の露光装置の第１の実施の形態の構成の
一例を示す概念図である。

【図４】本発明の露光光源の第２実施の形態の構成の一
例を示す概念図である。

【図５】本発明の露光装置の第２の実施の形態の構成の
一例を示す概念図である。

【図６】本発明の露光装置の第２の実施の形態の作用の
一例を示す概念図である。

【図７】本発明の露光装置の第２の実施の形態の作用の
一例を示す概念図である。

【図８】（１）〜（５）は、本発明の露光光源および露
光装置を用いた半導体装置の製造方法の一例を工程順に
例示した断面図である。

【符号の説明】

１銅レーザ発振器１ａ放電管２銅レーザ増幅器２ｂ放電管３ａビーム径変換器３ｂビーム径変換器３ｃビーム径変換器４ａダイクロイックミラー４ｂダイクロイックミラー５ａミラー５ｂミラー５ｃミラー５ｄミラー６色素レーザ発振器７色素レーザ増幅器８ａビームスプリッタ８ｂビームスプリッタ９ａ色素ジェット９ｂ色素ジェット１０レンズ１０ｂレンズ１１ａ非線形光学結晶１１ｂ非線形光学結晶１２ピンホール板１３エタロン２１銅レーザ発振器２２銅レーザ用放電管２３ビーム径変換器２４色素レーザ発振器２５色素ジェット２６エタロン２７回折格子３１ａ出力鏡３１ｂ出力鏡３２ａ出力鏡３２ｂ出力鏡３３ａ全反射鏡３３ｂ全反射鏡３４全反射鏡１００露光光源１１０露光光源１５０ステッパ本体２００露光装置２０１ａミラー２０１ｂミラー２０１ｃミラー２０２ビーム径変換器２０３ランダム位相板２０４フライアイレンズ２０５コンデンサレンズ２０６レチクル２０７縮小投影レンズ２０８ウエハーステージ２０９ウエハー３００ステッパ本体３０１ポリゴンミラー３０２ｆθレンズ３０３レチクル３０４照射部３０５マスク３０６可動部３０７レチクルステージ３０８縮小投影レンズ３０９ウエハー３１０可動部３１１ウエハーステージ１００１シリコン基板１００２絶縁膜１００２ａコンタクトホール１００３レジスト１００３ａ穴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】銅レーザと、色素レーザと、少なくとも
２個の非線形光学結晶とを含み、前記銅レーザから取り
出されたレーザ光を励起光として前記色素レーザを動作
させ、かつ前記色素レーザから取り出されたレーザ光
を、前記非線形光学結晶を通過させて露光光として出力
する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、前記銅レーザは、銅レーザ発振部および当該銅レーザ発
振部から出力されたレーザ光を増幅する銅レーザ増幅部
からなり、前記色素レーザから取り出されたレーザ光を、前記銅レ
ーザ増幅部に通した後に前記非線形光学結晶に通して前
記露光光として出力することを特徴とする露光光源。
【請求項３】請求項２記載の露光光源において、前記銅レーザ発振部から出力された波長約５７８ｎｍお
よび波長約５１１ｎｍのレーザ光のうち、波長約５７８
ｎｍのレーザ光は前記色素レーザに入射され、波長約５
１１ｎｍのレーザ光は、前記銅レーザ増幅部を経由して
前記色素レーザに入射され、前記色素レーザから出力さ
れる波長約５７８ｎｍのレーザ光を、前記銅レーザ増幅
部および前記非線形光学結晶を通過させて前記露光光と
して出力することを特徴とする露光光源。
【請求項４】銅レーザによって励起される色素レーザ
から出力されるレーザ光を、少なくとも二つの非線形光
学結晶によって波長変換して得られるレーザ光を露光光
として用いることを特徴とする露光方法。
【請求項５】露光光を発生する露光光源と、前記露光
光をレチクルを経由して露光対象物に照射する露光光学
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または３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６】請求項５記載の露光装置において、前記
レチクルおよび前記露光対象物を前記露光光の光軸に交
差する方向に同期して変位させることにより前記露光光
にて前記レチクルおよび前記露光対象物を相対的に走査
するスキャン方式の露光が行われることを特徴とする露
光装置。
【請求項７】請求項６記載の露光装置において、前記
レチクルおよび前記露光対象物の変位による主走査の方
向と交差する方向に、請求項１，２または３記載の露光
光源から得られる露光光にて副走査を行うことを特徴と
する露光装置。
【請求項８】請求項７記載の露光装置において、請求
項１，２または３記載の露光光源から得られた露光光を
ポリゴンミラーを経由して前記レチクルに対してスキャ
ンさせるように照射することで前記副走査が行われるよ
うにしたことを特徴とする露光装置。
【請求項９】露光光を介してレチクルのパターンを半
導体ウェハに転写するフォトリソグラフィによって半導
体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、前記
フォトリソグラフィに、請求項４記載の露光方法、また
は請求項５，６，７または８記載の露光装置を用いるこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。