JPH11233396A

JPH11233396A - 半導体装置の製造方法および露光装置

Info

Publication number: JPH11233396A
Application number: JP10030835A
Authority: JP
Inventors: Kiwamu Takehisa; 究武久
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】低ランニングコストで、真空紫外域の波長の
露光光を用いたフォトリソグラフィを実現する。【解決手段】ＫｒＦエキシマレーザ１０１からの励起
光Ｋ１（波長２４８ｎｍ）は、ビームスプリッタ１１０
ａにて一部が反射して色素レーザ発振器１０２を励起す
る。色素レーザ発振器１０２ではエタロン１１６により
狭帯域化が行われ、色素レーザ発振器１０２からは狭帯
域化された波長３８６ｎｍのレーザ光Ｌ１が取り出さ
れ、色素レーザ増幅器１０３を経て、波長変換部１０４
の非線形光学結晶１１７に入る。これにより、その第２
高調波である波長１９３ｎｍのレーザ光Ｌ３が発生し、
注入同期型のＡｒＦエキシマレーザ１０５内にシード光
として注入され、ＡｒＦエキシマレーザ１０５内では狭
帯域化素子を用いることなく、露光に必要なパワーを有
する狭帯域化された波長１９３ｎｍの露光光Ｌ４が発生
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、半導体装置の製造
技術および露光技術に関し、特に、真空紫外域の波長の
紫外線等をフォトリソグラフィの露光光として用いる技
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として露光装置
（ステッパと呼ばれることもある。）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／Ｎ
Ａ（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。したがって良好な解像度を得る
ためには、露光波長λという光学パラメータが重要なフ
ァクターになる。

【０００３】従来の露光装置では、おもに水銀ランプの
ｇ線（波長：４３５ｎｍ）やｉ線（波長：３６５ｎｍ）
が露光光源として利用されてきたが、より微細な加工線
幅を実現するための一層の短波長な露光光源として、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。なお、ＫｒＦエキシマレーザが光源とし
て利用される露光装置を、以下、ＫｒＦ露光機と呼ぶ。

【０００４】露光光源としてのＫｒＦエキシマレーザに
要求される性能としては、発振するレーザ光の波長幅を
狭くする（以下、狭帯域化と呼ぶ。）必要がある。その
理由としては、露光装置の縮小投影レンズの色収差を抑
えるためである。これを達成するために、ＫｒＦエキシ
マレーザには波長の狭帯域化素子が用いられている。な
お、実際には約0.８ｐｍ程度まで狭帯域化する必要があ
る。

【０００５】そして次世代のフォトリソグラフィとして
さらに微細な加工を行うための露光光源として、波長１
９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いた露光装置（一
般にＡｒＦ露光機と呼ばれる。）の利用も検討されてい
る。ＡｒＦ露光機の技術的課題としては、波長１９３ｎ
ｍでは波長２４８ｎｍよりも石英ガラスにおける波長分
散が大きくなることから、露光レンズを石英のみの単色
レンズで構成することが困難になるため、色消しレンズ
を用いることが検討されている。しかし、それでも要求
される波長幅は約１ｐｍ以下と、露光用ＫｒＦエキシマ
レーザと同等の狭帯域化が必要になる。なお、これに関
しては、例えば、ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ、１９９７年、Ｎ
ｏ．９、第１０６頁から第１１１頁において説明されて
いる。

【０００６】一方、露光装置を用いて特に面積の大きな
集積回路を製造する場合に、回路パターンが描画された
レチクルと、ウェハとを移動しながら露光するスキャン
型の露光装置（スキャナと呼ばれることがある。）が用
いられることがある。スキャン型のＫｒＦ露光機では、
露光光であるＫｒＦエキシマレーザのレーザ光を照射さ
せながら、ウェハ上の露光部分を移動させるため、レー
ザ光のパルス安定性が高い必要がある。すなわち、パル
スエネルギーにばらつきが大きいと、多数のパルスを同
じ部分に照射して、積算されるレーザ光のエネルギーを
増やすことで、露光エネルギーを均一化する必要があ
り、その結果、スキャンのスピードを高くとれないから
である。なお、スキャン型露光機に関しては、例えば、
電子材料、１９９５年３月、第１０７頁から第１１１頁
において説明されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】露光用ＡｒＦエキシマ
レーザでは、ＫｒＦエキシマレーザよりも狭帯域化がさ
らに困難であり、１ｐｍ程度に狭帯域化すると、レーザ
出力が大きく低下することが問題であった。しかも、露
光用ＡｒＦエキシマレーザで用いられる狭帯域化素子
が、ＫｒＦエキシマレーザの場合に比べてさらに短期間
で劣化することも問題であった。ＡｒＦエキシマレーザ
用の狭帯域化素子はフッ化カルシウムなどの材質を使う
場合があり、ＫｒＦエキシマレーザの場合よりもさらに
高価になるため、劣化によりこれを頻繁に交換すること
から、ランニングコストが高くなるからである。その理
由として、ＡｒＦエキシマレーザのレーザ光の波長１９
３ｎｍは真空紫外域であるため、一般に多くの光学材で
は吸収率が高くなる。そのため狭帯域化素子自体が、発
振したレーザ光を吸収して、短期間でダメージが生じる
からである。

【０００８】なお、ＡｒＦエキシマレーザを発振器と増
幅器とで構成し、発振器において十分な狭帯域化を行
い、増幅器でレーザ出力を高めることができる。これは
発振増幅器と呼ばれることがある。また、この増幅器の
代わりにもう一段発振器を設けて、一段目の発振器から
のレーザ光を二段目の発振器へ注入する方式が用いられ
ることもある。これは注入同期と呼ばれる構成であり、
二段目の発振器へ注入する一段目の発振器のレーザ光は
シード光と呼ばれることがある。これら発振増幅器や注
入同期の場合には、狭帯域化と高出力化とを両立できる
が、発振器で必要な狭帯域化素子は、やはり波長１９３
ｎｍの真空紫外光が直接通過することから、短期間で劣
化することがあった。なお、ＡｒＦエキシマレーザの注
入同期に関しては、例えば、第４１回応用物理学関係連
合講演会、講演予稿集、第９２８頁、２９ａ−Ｅ−１、
１９９４年において説明されている。

【０００９】また、ＡｒＦ露光機の第２の問題点とし
て、露光用ＡｒＦエキシマレーザが、通常、露光用Ｋｒ
Ｆエキシマレーザよりもパルスエネルギーのばらつきが
大きくなることから、スキャン型のＡｒＦ露光機では、
より多数のパルスの露光光を同じ部分に照射させなけれ
ばならなくなる。したがって、スキャン速度を高くでき
ず、スループットが低くなることが問題であった。

【００１０】また、以上のようにスキャン型のＡｒＦ露
光機では、露光光のパルスエネルギーのばらつきが小さ
いことが望まれていたが、光源として、前述したような
ＡｒＦエキシマレーザの注入同期を用いる場合、パルス
エネルギーのばらつきが大きくなることもあった。すな
わち、注入同期においては、露光光のパルスエネルギー
ばらつきは、シード光のパルスエネルギーばらつきが増
幅されて大きくなる場合があるからである。

【００１１】本発明の目的は、低ランニングコストで、
真空紫外域の波長の露光光を用いたフォトリソグラフィ
によるパターン転写を行う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。

【００１２】本発明の他の目的は、パルスエネルギーの
ばらつきの小さい真空紫外域の波長の露光光を用いるこ
とにより、高スループットで、スキャン方式のフォトリ
ソグラフィによるパターン転写を行うことが可能な半導
体装置の製造技術を提供することにある。

【００１３】本発明の他の目的は、低ランニングコスト
で露光光のエネルギーばらつきの小さい安定な露光を行
うことが可能な露光技術を提供することにある。

【００１４】本発明の他の目的は、スキャン方式の露光
における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。

【００１５】本発明の他の目的は、露光光学系の低コス
ト化および長寿命化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。

【００１６】本発明の他の目的は、低コストで半導体装
置を大量に製造することが可能な露光技術を提供するこ
とである。

【００１７】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。

【００１８】

【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、
次のとおりである。

【００１９】すなわち、本発明では、露光原版を経由す
る露光光にて前記露光原版上の所望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を用いて半導体装
置を製造する半導体装置の製造方法において、狭帯域化
手段を備えた第１のレーザ発生部から出力される一つま
たは複数の第１のレーザを、波長変換手段にて、より波
長の短い第２のレーザに変換し、得られた前記第２のレ
ーザをシード光として注入同期型の第２のレーザ発生部
に入力し、前記第２のレーザ発生部から出力される第３
のレーザを前記露光光として用いる。

【００２０】また、本発明では、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において、前記露
光光源は、狭帯域化手段を備え狭帯域化された一つまた
は複数の第１のレーザを出力する第１のレーザ発生部
と、前記第１のレーザを、より波長の短い第２のレーザ
に変換する波長変換手段と、前記第２のレーザをシード
光として動作する注入同期型の第２のレーザ発生部から
なり第３のレーザを出力する第２のレーザ発生部と、を
含む構成としたものである。

【００２１】より具体的には、一例として、ＡｒＦ露光
機等の露光装置の光源として、狭帯域化された波長１９
３ｎｍのレーザ光をシード光とした注入同期型のＡｒＦ
エキシマレーザを用い、かつ該シード光として、ＫｒＦ
エキシマレーザあるいはＸｅＣｌエキシマレーザを励起
光源とした色素レーザ（以下、ＫｒＦエキシマレーザ励
起色素レーザと呼ぶ。）を波長変換した高調波、あるい
は半導体レーザを励起光源としたＮｄ：ＹＬＦレーザ
（以下、半導体励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザと呼ぶ。）等の
固体レーザをベースとした波長変換を用いたものであ
る。なお、本発明においては、特にＡｒＦエキシマレー
ザの構成に依らず、単に波長１９３ｎｍの露光光を用い
る露光装置のことをＡｒＦ露光機と呼ぶ。

【００２２】半導体レーザは、それ自体の温度によって
レーザ光の波長が変化する。一方、固体レーザでは、一
般に用いられる結晶の吸収スペクトルが波長によって大
きく変化する。従って、本発明では、Ｎｄ：ＹＬＦレー
ザ等の固体レーザを励起する半導体レーザは温度制御さ
れる。これにより、周囲の温度変化によらず固体レーザ
の結晶を常に同じ強度で励起することができることか
ら、安定したエネルギのシード光を生成し、このシード
光を注入同期型のＡｒＦエキシマレーザのシード光とし
て用いることができる。

【００２３】また、前記色素レーザを波長変換した高調
波としては、特に前記色素レーザから取り出されたレー
ザ光の第２高調波を用いたものである。あるいはまた、
前記色素レーザを少なくとも２台用いて、一方の色素レ
ーザからのレーザ光の第２高調波と、もう一方の色素レ
ーザからのレーザ光との和周波数を用いたものである。

【００２４】あるいはまた、前記Ｎｄ：ＹＬＦレーザ等
の第１の固体レーザをベースとした波長変換としては、
前記Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第４高調波と、前記Ｎｄ：Ｙ
ＬＦレーザの第２高調波を励起光源としたチタンサファ
イアレーザ等の第２の固体レーザのレーザ光との和周波
数を用いたものである。

【００２５】ところで、色素セルを用いた一般の色素レ
ーザにおいて、エキシマレーザのレーザ光（すなわち励
起光）をレーザ光と直交する横方向から照射する構成を
とる場合に、ＫｒＦエキシマレーザを色素レーザの励起
光源として用いると、一般に色素レーザの励起に使われ
る波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザよりも波長
が短いことから、励起光は色素溶液中で強く吸収を受け
てしまう。その結果、色素溶液中での吸収長が短くな
り、色素セル中の色素溶液全体に励起光が浸透できず、
レーザ発振が困難になる。そこで、本発明における色素
レーザ発振器として、それに使われる色素溶液をジェッ
ト方式で循環させたものである。

【００２６】前記色素レーザ、あるいは前記Ｎｄ：ＹＬ
Ｆレーザを波長変換した高調波を狭帯域化するために
は、前記色素レーザ、及び前記Ｎｄ：ＹＬＦレーザを狭
帯域化すればよいが、それらは全て波長約３８６ｎｍ以
上になるため、１９３ｎｍに比べて遥かに長く、狭帯域
化素子は劣化しにくくなり、その寿命はＡｒＦエキシマ
レーザの共振器内に配置される狭帯域化素子に比べて大
幅に長くなる。

【００２７】しかも、本発明の露光光源から得られる露
光光のパルスエネルギーの安定性に関しては、本発明で
は注入同期の構成をとっていることから、シード光のエ
ネルギー安定性に依存することになる。すなわちシード
光を発生するシステムのベースとなるレーザのエネルギ
ー安定性に依存することになる。そこで本発明ではＫｒ
Ｆエキシマレーザ、あるいはＮｄ：ＹＬＦレーザのエネ
ルギー安定性に左右される。

【００２８】ところで、第１のレーザ発生部を構成する
ＫｒＦエキシマレーザあるいはＸｅＣｌエキシマレーザ
では、第２のレーザ発生部を構成するＡｒＦエキシマレ
ーザに比べて、レーザエネルギーのばらつきが小さいこ
とが知られている。たとえば、ＫｒＦエキシマレーザあ
るいはＸｅＣｌエキシマレーザのエネルギばらつきは約
７％（３σ値）以下に対して、ＡｒＦエキシマレーザで
は約１０％前後と報告されている。

【００２９】したがって、エネルギばらつきの大きなＡ
ｒＦエキシマレーザを単独で露光光源として用いる場合
よりも、本発明のように、エネルギばらつきのより小さ
いＫｒＦエキシマレーザあるいはＸｅＣｌエキシマレー
ザから得られたレーザを、シード光として注入同期型の
ＡｒＦエキシマレーザ等の第２のレーザ発生部に入力す
る構成のほうが、ＡｒＦエキシマレーザ等の第２のレー
ザ発生部から得られる露光光のパルスエネルギーが安定
する。

【００３０】また、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ等の固体レーザ
では、励起光源として通常の高出力半導体レーザを用い
ると、パルスエネルギーの安定性を高くできることが知
られている。その理由としては、例えばＮｄ：ＹＡＧレ
ーザに比べて、通常の高出力半導体レーザの発振波長で
ある８０３ｎｍ前後における吸収率の変化が小さいた
め、半導体レーザの発振波長が温度変化等により多少変
動しても、Ｎｄ：ＹＬＦの励起への影響が小さいからで
ある。したがって室温の変動によるレーザエネルギーの
変動を小さくできる。

【００３１】なお、ＫｒＦエキシマレーザ励起色素レー
ザでは、色素の種類を変えることによって、波長約３４
０ｎｍ以上約１μｍ以下で、ほぼ連続的にレーザ発振波
長を定められることが知られている。すなわち波長約３
８６ｎｍで発振させることができるため、その第２高調
波によって波長１９３ｎｍを発生でき、ＡｒＦエキシマ
レーザのシード光として用いることができる。

【００３２】また同様に、前記色素レーザを少なくとも
２台用いて、一方の色素レーザの第２高調波と、もう一
方の色素レーザのレーザ光との和周波数も、波長１９３
ｎｍを発生できる。

【００３３】また、前記Ｎｄ：ＹＬＦレーザからなる第
１の固体レーザの第２高調波では波長約５２４ｎｍのグ
リーン光であるため、チタンサファイアレーザ等の第２
の固体レーザを励起することができる。このチタンサフ
ァイアレーザは波長約７００ｎｍから９００ｎｍに亘る
任意な波長でレーザ動作できるため、波長約７４０ｎｍ
でレーザ発振できる。一方、前記Ｎｄ：ＹＬＦレーザの
第４高調波は波長約２６２ｎｍであることから、波長約
７４０ｎｍのレーザ光と波長約２６２ｎｍのレーザ光の
和周波数によって波長１９３ｎｍのシード光を発生でき
る。

【００３４】しかも前記色素レーザの励起光源であるＫ
ｒＦエキシマレーザとして、露光機として一世代前の不
要になったＫｒＦ露光機のＫｒＦエキシマレーザを利用
することができる。

【００３５】また、色素溶液をジェット方式で循環させ
ると、色素溶液の厚みを１ｍｍ以下にすることが容易で
あるため、励起光の吸収長が短くなっても、励起領域と
レーザ光の通過領域とを一致させることが容易になる。

【００３６】また、ＡｒＦエキシマレーザを不安定共振
器で構成すると、取り出されるレーザ光はリング状のビ
ーム断面を有するようになることから、このレーザ光を
用いれば、特別な光学系を利用しなくても、輪帯照明を
適用したことになり、より高解像度を実現することがで
きる。

【００３７】

【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。

【００３８】図１は、本発明の一実施の形態である半導
体装置の製造方法および露光装置に用いられる露光光源
の構成の一例を示す概念図である。露光光源１００は、
大別してＫｒＦエキシマレーザ１０１と、色素レーザ発
振器１０２と、色素レーザ増幅器１０３と、波長変換部
１０４と、ＡｒＦエキシマレーザ１０５と、パルス同期
装置１０７とで構成される。

【００３９】ＫｒＦエキシマレーザ１０１から取り出さ
れた波長２４８ｎｍのレーザ光Ｋ１（以下、励起光と呼
ぶ。）は、ビームスプリッタ１１０ａに当たり、そのパ
ワーの約３０％がここで反射し、反射した励起光Ｋ２は
色素レーザ発振器１０２の方へ進み、その励起光として
用いられる。色素レーザ発振器１０２は、出力鏡１１３
と回折格子１１４とで共振器が構成されている。励起光
Ｋ２は、レンズ１１２ａを通り、色素レーザ発振器１０
２のレーザ媒質である色素溶液１１５ａに集光する。こ
れによって色素レーザ発振器１０２は発振し、レーザ光
Ｌ１が出力鏡１１３から共振器外部に取り出される。

【００４０】なお色素溶液１１５ａとしてはＢＢＱなど
の色素が適しており、これらの色素を用いれば波長３８
０〜３９０ｎｍでレーザ動作できる。なおこれに関して
は、例えば、内野修、他３名「ＸｅＣｌレーザー励起高
効率色素レーザー」レーザー研究第６巻第４号昭
和５４年３月、第５７頁から第５９頁において説明され
ている。したがって色素レーザ発振器１０２では、回折
格子１１４によって、ここでは波長３８６ｎｍで発振す
るように設定されている。

【００４１】また色素レーザ発振器１０２には狭帯域化
素子であるエタロン１１６が共振器中に挿入されてお
り、これにより波長幅約0.２ｐｍの狭帯域にレーザ発振
するようになっている。

【００４２】色素レーザ発振器１０２から取り出された
レーザ光Ｌ１は、ビームスプリッタ１１０ｂに当たり、
ここで数％程度のパワーが反射して、波長モニター１０
６に入り、ここで波長と波長幅をモニターしている。

【００４３】ビームスプリッタ１１０ｂを通過したレー
ザ光Ｌ１は、色素レーザ増幅器１０３中の色素溶液１１
５ｂに入射する。なお、色素溶液１１５ａ、１１５ｂ
は、薄膜状になって図１の紙面に垂直な方向に循環して
いる。

【００４４】一方、ＫｒＦエキシマレーザ１０１から取
り出された励起光Ｋ１の内、ビームスプリッタ１１０ａ
を透過した約７０％のパワーの励起光Ｋ３はミラー１１
１ａで反射して色素レーザ増幅器１０３へ進み、レンズ
１１２ｂを通り、色素溶液１１５ｂに集光する。その結
果、レーザ光Ｌ１は増幅して、レーザ光Ｌ２が得られ
る。レーザ光Ｌ２は、波長変換部１０４内に進み、レン
ズ１１２ｃを通り、非線形光学結晶１１７中で集光す
る。これにより、その第２高調波である波長１９３ｎｍ
のレーザ光Ｌ３が発生し、レンズ１１２ｄを通って、波
長変換部１０４を出射する。

【００４５】なお非線形光学結晶１１７としては、例え
ば、Ｓｒ₂Ｂｅ₂Ｂ₂Ｏ₇結晶（ＳＢＢＯと略され
る。）など第２高調波で波長１９３ｎｍを発生できるも
のが適する。なお、ＳＢＢＯに関しては、例えば、ＮＡ
ＴＵＲＥ、第３７３巻、第２６号、１９９５年、第３２
２頁から第３２４頁において説明されている。なおレー
ザ光Ｌ３の波長幅としては、レーザ光Ｌ２の波長幅の半
分の約0.１ｐｍになる。

【００４６】このレーザ光Ｌ３は反射鏡１１１ｂ、及び
１１１ｃで反射して、ＡｒＦエキシマレーザ１０５内に
注入される。すなわち、レーザ光Ｌ３はＡｒＦエキシマ
レーザ１０５のシード光となる。したがって、ＡｒＦエ
キシマレーザ１０５から取り出されたレーザ光Ｌ４は、
波長と波長幅はシード光であるレーザ光Ｌ３と同等であ
り、パワーだけが増加したものとなる。すなわち、この
レーザ光Ｌ４は、波長幅が0.１ｐｍと十分に狭く、波長
１９３ｎｍのＤＵＶ光であり、露光光として利用され
る。

【００４７】ここで、ＡｒＦエキシマレーザ１０５の構
造に関して、図６を用いて説明する。図６に示したよう
に、ＡｒＦエキシマレーザ１０５では、レーザ管１２０
の両側に、出力鏡１２１と穴付反射鏡１２２とが配置さ
れ、また出力鏡１２１の内側に小さな凸面鏡１２３が配
置されている。シード光であるレーザ光Ｌ３は、穴付反
射鏡１２２の穴からレーザ管１２０の中に進み、凸面鏡
１２３で反射して、レーザ管１２０内を再び進み、穴付
反射鏡１２２で反射して、さらにレーザ管１２０内を再
び進んで、出力鏡１２１から取り出される。したがっ
て、ＡｒＦエキシマレーザ１０５では、狭帯域化素子は
用いられていない。なお、図６に示されたＡｒＦエキシ
マレーザ１０５の共振器構成は、一般に不安定共振器と
呼ばれるものであり、出力鏡１２１から取り出されるレ
ーザ光は中空のリング形状になる。なお、このリング形
状の寸法は、凸面鏡１２３の口径や、穴付反射鏡１２２
の曲率等を適宜設定することで、後述の露光装置におけ
る縮小投影光学系にて必要とされる輪帯照明の仕様に随
意に適合させることが可能である。

【００４８】なお、ＡｒＦエキシマレーザ１０５を動作
させる際に、レーザ発振のタイミングをＫｒＦエキシマ
レーザ１０１と同期させる必要があるため、ＫｒＦエキ
シマレーザ１０１とＡｒＦエキシマレーザ１０５とはパ
ルス同期装置１０７によって制御されている。

【００４９】以上のように、本発明では露光光の波長幅
を定めるのが、色素レーザ発振器１０２であり、そこで
は狭帯域化素子である回折格子１１４とエタロン１１６
とが用いられていることから、ＤＵＶ光Ｌ４も狭帯域化
されることになる。

【００５０】すなわち、ＡｒＦエキシマレーザ１０５に
おいて狭帯域化素子を用いなくても、取り出されるＤＵ
Ｖ光Ｌ４が狭帯域化されることになる。これに対して、
従来の露光用ＡｒＦエキシマレーザ発振器では、図１２
に示されたＡｒＦエキシマレーザ発振器６００の構成図
からわかるように、レーザ管６０１を挟むように配置さ
れた出力鏡６０２と回折格子６０３とによって共振器が
組まれ、出力鏡６０２からＤＵＶ光Ｌ６０１を取り出す
ようになっていた。ところが、回折格子６０３や、狭帯
域化するためのプリズム６０４などが利用されるが、特
に特殊な反射膜がコーティングされた回折格子６０３に
は、ＤＵＶ光が直接照射されることから、劣化しやすく
なり、頻繁に交換する必要が生じることから、高ランニ
ングコストになることが問題であった。

【００５１】なお、本実施の形態で用いられるＫｒＦエ
キシマレーザ１０１としては、ここでは、露光用ＫｒＦ
エキシマレーザを利用している。ただし、ＫｒＦエキシ
マレーザを露光光源として用いる従来の露光装置では、
ＫｒＦエキシマレーザに狭帯域化素子が必要であった。
これに対して、本実施の形態では、ＫｒＦエキシマレー
ザ１０１を色素レーザの励起光源として用いているが、
色素レーザのレーザ媒質である色素は、一般に波長幅数
十ｎｍ以上もの広い吸収スペクトルを有している。した
がって励起光源であるＫｒＦエキシマレーザ１０１を狭
帯域化する必要はなく、狭帯域化素子を構成するプリズ
ムや回折格子を外して、通常の全反射鏡に置き換えれば
よい。

【００５２】また、本実施の形態では、露光光として用
いるＤＵＶ光の波長や波長幅を直接モニターする代わり
に、色素レーザ発振器１０２のレーザ光Ｌ１をモニター
している。したがって波長モニター１１２として波長３
８６ｎｍと紫外域でも比較的長い波長を測定することか
ら、短期間で劣化することがなく、波長モニター交換に
よるランニングコストも低減できるようになった。

【００５３】また、本実施の形態では、色素レーザ発振
器１０２と色素レーザ増幅器１０３の励起光源としてＫ
ｒＦエキシマレーザ１０１が用いられているが、励起光
Ｋ２、Ｋ３は波長２４８ｎｍであるため、波長３０８ｎ
ｍのＸｅＣｌエキシマレーザとは異なり、色素溶液１１
５ａ、及び１１５ｂにおいて励起光Ｋ２、及びＫ３は強
く吸収され、吸収長は通常１ｍｍ以下と短くなる。そこ
で、図１に示されているように、露光光源１００を構成
する色素レーザ発振器１０２、及び色素レーザ増幅器１
０３では、色素溶液１１５ａ、１１５ｂをジェット方式
で循環させている。そのため色素溶液１１５ａ、１１５
ｂの厚みを、吸収長程度まで短くできるようになり、励
起光Ｋ２、Ｋ３による励起領域と色素レーザのレーザ光
の通過領域とをほぼ一致させることができる。なお、こ
れとは反対に、広く利用されている色素セルを用いる方
式では、ガラス製の色素セルの内部に色素溶液を流すた
め、色素溶液の厚みが小さくなると、流体損失が増え
て、色素溶液を流しにくくなる問題が生じる。

【００５４】次に本実施の形態の露光装置の構成の一例
を、図２を用いて説明する。露光装置２００は、露光装
置本体１５０と、図１で示した露光光源１００とで構成
されている。露光装置２００はクリーンルーム内のグレ
ーチング２１０ｂの上に設置されており、露光光源１０
０はクリーンルームのグレーチング２１０ｂの下のフロ
アー（一般に床下と呼ばれる。）の床２１０ａの上に設
置されている。すなわち、本実施の形態ではクリーンル
ームはダウンフローと呼ばれる方式になっており、清浄
化された空気が上から下へ流れており、グレーチング２
１０ｂを通って、床下へ抜けるようになっている。

【００５５】露光光源１００から取り出された波長１９
３ｎｍの露光光Ｌ４は、ミラー２０１ａで反射して、グ
レーチング２１０ｂを抜けて、レンズ２０１ｃを通り、
カライドスコープ２０２に入射する。これにより、内部
で全反射を繰り返すことで、露光光Ｌ４ａはその強度分
布が均一化される。また、図に示してあるように、入射
したレーザ光が内部で全反射を繰り返しても、出射する
レーザ光を構成する各光線の進行方向は変わらない。す
なわちリング状の露光光Ｌ４ａをレンズ２０１ｃで集光
すると、光軸にほぼ平行な成分の光線が存在しなくな
る。しかし本実施の形態ではカライドスコープを用いて
いるため、露光光がカライドスコープ２０２から出射し
ても（露光光Ｌ４ｂ）、光軸にほぼ平行な成分の光線は
存在しないため、輪帯照明に利用できる。なお、カライ
ドスコープ２０２は、ここではフッ化カルシウム（Ｃａ
Ｆ₂）製のガラス棒が用いられている。すなわちフッカ
カルシウムは紫外光を良く通すからである。ただし本発
明の露光光源から十分に均一な強度分布のレーザ光が取
り出される場合には、本発明の露光装置において、カラ
イドスコープなどの均一化光学系を利用しなくてもよ
い。

【００５６】カライドスコープ２０２を出射した均一な
強度分布を有する露光光Ｌ４ｂは、ミラー２０１ｂで反
射して、ビーム拡大器２０３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２０４を
通る。ここで露光光のスペックルノイズが除去され、コ
ンデンサレンズ２０５を通ってレチクル２０６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、ステージ２０８
に乗せられたウェハ２０９上に当たる。これによってレ
チクル２０６でのパターンがウェハ２０９上に縮小投影
される。

【００５７】以上より、本実施の形態ではＡｒＦエキシ
マレーザ１０５の出力である１９３ｎｍの露光光の波長
幅を十分小さくできるため、従来のＫｒＦ露光機と同様
に石英レンズを用いた縮小投影レンズ２０７を用いるこ
とができるようになった。すなわち高価な色消しレンズ
が不要となり、露光装置の製造コストを低減できるよう
になった。

【００５８】また、露光光源１００では、前述したよう
に、図６に示された不安定共振器型のＡｒＦエキシマレ
ーザ１０５が用いられているため、露光光Ｌ４はリング
状になっている。一方、露光装置本体１５０では、露光
光Ｌ４ａの強度分布を均一化させるためにカライドスコ
ープ２０２を用いているため、カライドスコープ２０２
から出射した露光光Ｌ４ｂもリング状になる。したがっ
て本実施の形態では輪帯照明を行うようになり、高い解
像度で露光処理が行える。

【００５９】なお、カライドスコープ２０２では、入射
されるレーザ光の強度分布を均一化する機能を有するこ
とで知られているが、これだけでなく、入射されるレー
ザ光を構成する各光線の拡がり角度が保たれる。すなわ
ち、カライドスコープ２０２から出射するレーザ光も、
平行ビームに戻すとリング状になる。したがって本実施
の形態では、レーザ光の強度分布を均一化する手段とし
て、特にカライドスコープを用いたものである。なお本
実施の形態におけるカライドスコープとは、露光光であ
るレーザ光を高く透過するガラス製の棒状部材のことを
示し、その内部にレーザ光を入射させると、内面で全反
射を繰り返すことで、出射したレーザ光の強度分布が均
一化される機能を有するものであれば、どのような形
状、材質であってもよい。また、カライドスコープに関
しては、例えば、レーザー研究、第２２巻、第１１号、
平成６年、第６７頁から７４頁において説明されてい
る。

【００６０】なお、輪帯照明に関しては、例えば、ＵＬ
ＳＩリソグラフィ技術の革新、株式会社サイエンスフォ
ーラム発行、第４５から４７頁において説明されてい
る。これに対して、従来の一般な露光装置において輪帯
照明を用いるには、露光光の中心部をカットしていたこ
とから、照度（正確には、ウェハに照射される露光光の
全パワー）が低くなり、スループットが低下することが
あった。

【００６１】なお、露光装置としては、図２に例示され
るステッパ方式に限らず、図７に例示されるようなスキ
ャン方式の露光装置にも適用することができる。

【００６２】すなわち、スキャン方式の場合には、通常
のＸ−Ｙ、チルト、回動、上下動等の変位が可能なステ
ージ２０８ａの上に、所定の１軸方向に往復動するとと
もにウェハ２０９が載置されるウェハスキャンステージ
２０８ｂが設けられ、一方、レチクル２０６は、ウェハ
スキャンステージ２０８ｂと同一の軸方向に往復動する
レチクルスキャンステージ２０６ａに載置される構成で
あるところが、図２の露光装置と異なっている。

【００６３】すなわち、ウェハスキャンステージ２０８
ｂおよびレチクルスキャンステージ２０６ａは、往復動
モータ５００ａおよび往復動モータ５００ｂを介して、
同期制御部５００にて同期して互いに逆方向に移動する
構成となっている。

【００６４】これにより、図８に例示されるように、レ
チクル２０６上のウェハ２０９上の単位チップに対する
露光領域５５０が、縮小投影レンズ２０７等の投影光学
系の露光フィールド５５１に内接し、露光領域５５０の
短辺に１辺が等しい矩形露光フィールド５５２によって
長辺方向（図８の左右方向）に走査されることにより、
露光領域５５０の全体のパターンがウェハ２０９上に転
写される。

【００６５】このスキャン方式の露光装置において、前
述のＡｒＦエキシマレーザ１０５から出力される露光光
としてのレーザ光Ｌ４を露光光として使用する場合、当
該レーザ光Ｌ４は、より安定なＫｒＦエキシマレーザ１
０１から得られるレーザをシード光とする注入同期で動
作するのでパルス出力が安定しており、したがって、た
とえば、当該パルス出力のばらつきを考慮してスキャン
速度を遅くして露光領域の単位面積当たりの光量の積算
値を均一化する等の配慮が不要となり、より高速なスキ
ャンによるスループットの向上を実現することができ
る。

【００６６】次に本実施の形態の露光装置に用いられる
露光光源の第２実施の形態を図３で説明する。図３は、
露光光源３００の構成図である。露光光源３００は、大
別してＫｒＦエキシマレーザ１０１と、色素レーザ発振
器１０２´（構成は図１に示された色素レーザ発振器１
０２と同様であるが、発振波長が異なる。）と、色素レ
ーザ増幅器１０３´（構成は図１に示された色素レーザ
増幅器１０３と同様であるが、増幅波長が異なる。）
と、波長変換部１０４´（構成は図１に示された波長変
換部１０４と同様であるが、変換する波長が異なる。）
と、色素レーザ発振器３０１と、波長合成器３０２と、
ＡｒＦエキシマレーザ１０５と、パルス同期装置１０７
とで構成される。

【００６７】ＫｒＦエキシマレーザ１０１から取り出さ
れた波長２４８ｎｍの励起光Ｋ１は、ビームスプリッタ
１１０ａに当たり、そのパワーの約２０％がここで反射
し、反射したレーザ光Ｋ２は色素レーザ発振器１０２´
の方へ進み、励起光として用いられる。色素レーザ発振
器１０２´では、レーザ媒質としてはＣｏｕｍａｒｉｎ
５００などの色素が適しており、この色素を用いれば波
長５００ｎｍ前後で効率よくレーザ動作できる。ここで
は波長約５１０ｎｍで発振するように内部の回折格子
（図３では省略してあるが、図１の１１４に相当。）で
設定される。

【００６８】色素レーザ発振器１０２´から取り出され
たレーザ光Ｌ１´は、ビームスプリッタ１１０ｂに当た
り、ここで数％程度のパワーが反射して、波長モニター
１０６に入り、ここで波長と波長幅をモニターしてい
る。

【００６９】ビームスプリッタ１１０ｂを通過したレー
ザ光Ｌ１´は、色素レーザ増幅器１０３´中に入射す
る。

【００７０】一方、ＫｒＦエキシマレーザ１０１から取
り出された励起光Ｋ１の内、ビームスプリッタ１１０ａ
を透過した約８０％のパワーの励起光Ｋ３の内、約６０
％はビームスプリッタ１１０ｃで反射して、色素レーザ
増幅器１０３´へ進み、増幅作用に寄与する。その結
果、レーザ光Ｌ１´は増幅して、レーザ光Ｌ２´が得ら
れる。レーザ光Ｌ２´は、波長変換部１０４´内に進
み、その第２高調波である波長約２５５ｎｍのレーザ光
Ｌ３´が発生する。

【００７１】なお波長変換部１０４´で用いられる非線
形光学結晶としては、例えば、β−ＢａＢ₂Ｏ₄結晶
（一般にＢＢＯと略される。）など第２高調波で波長約
２５５ｎｍを効率よく発生できるものが適する。

【００７２】レーザ光Ｌ３´はダイクロイックミラー３
０３に当たる。ダイクロイックミラー３０３は、波長約
２５５ｎｍ近傍において高い反射率を有し、波長約８０
０ｎｍ近傍において、高い透過率となる特性を有してい
る。したがって、レーザ光Ｌ３´はここで反射して波長
合成器３０２へ向かう。

【００７３】ビームスプリッタ１１０ｃを透過した励起
光Ｋ５は、色素レーザ発振器３０１内に進み、励起光源
として利用される。その結果、色素レーザ発振器３０１
が発振して、レーザ光Ｌ５が取り出される。

【００７４】色素レーザ発振器３０１では、色素とし
て、波長約８００ｎｍ前後で効率よくレーザ動作可能な
色素が必要であり、ここではＤＯＴＣと呼ばれる色素が
用いられている。

【００７５】レーザ光Ｌ５は、ダイクロイックミラー３
０３を透過するため、波長合成器３０２に向かい、アク
ロマティックレンズ３０４ａによって非線形光学結晶３
０５内に集光される。また、ダイクロイックミラー３０
３を反射したレーザ光Ｌ３´も、アクロマティックレン
ズ３０４ａを通ることで非線形光学結晶３０５内で同一
地点に集光されることから、非線形光学結晶３０５内で
は、波長約２５５ｎｍのレーザ光と波長約８００ｎｍの
レーザ光とが合成され、それらの和周波数である波長１
９３ｎｍのレーザ光が発生する。これはアクロマティッ
クレンズ３０４ｂを通り、波長合成器３０２から外部へ
取り出される。なお、非線形光学結晶３０５としては、
和周波数によって１９３ｎｍを発生できるＢＢＯ結晶な
どが適する。ＢＢＯを用いた和周波発生に関しては、例
えば、ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ、第３６巻、第１
８号、１９９７年、第４１５９頁から第４１６２頁にお
いて説明されている。

【００７６】波長１９３ｎｍのレーザ光Ｌ７はミラー１
１１ｃで反射して、ＡｒＦエキシマレーザ１０５内に注
入される。すなわち、レーザ光Ｌ７はＡｒＦエキシマレ
ーザ１０５のシード光となる。これにより、第１実施の
形態と同様に、波長１９３ｎｍの増幅されたレーザ光Ｌ
４が取り出される。これが露光光として利用される。

【００７７】第２実施の形態の特徴としては、第１実施
の形態とは異なり、２台の色素レーザ発振器１０２´、
及び３０１から、それぞれ波長５１０ｎｍ、及び８００
ｎｍでレーザ発振させている。これらは可視域及び近赤
外域であるため、それらで利用される狭帯域化素子など
がさらに長期間に渡って利用できる。ただし、狭帯域化
は２台の色素レーザ発振器１０２´及び３０１のどちら
か一方で行えば良い。

【００７８】次に本発明の露光光源の第３実施の形態を
図４および図５、等を参照して説明する。図４は、露光
光源４００の構成図であり、図５は、その構成の一部を
さらに詳細に例示した概念図である。露光光源４００
は、半導体励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザ４０１、波長変換部
４０２と４０３、チタンサファイアレーザ４０４、及び
波長合成器４０５と、ＡｒＦエキシマレーザ４０６と、
パルス制御装置４０８とで構成される。

【００７９】本実施の形態の半導体励起Ｎｄ：ＹＬＦレ
ーザ４０１は、たとえば、図５に例示されるように、Ｎ
ｄ：ＹＬＦ結晶からなる固体レーザ４０１ａと、その両
端部に臨んで配置され、共振器を構成する全反射鏡４０
１ｂ、出力鏡４０１ｃ、超音波Ｑスイッチ４０１ｅ、さ
らには、この共振器内の光路上に配置されたエタロン等
の狭帯域化素子４０１ｄ、固体レーザ４０１ａを励起す
るための励起光４０１ｆを発生する複数の半導体レーザ
４０１ｇ、等で構成されている。

【００８０】複数の半導体レーザ４０１ｇは、図示しな
い温度制御機構等により、稼働中の温度が所定の範囲内
に制御される。

【００８１】固体レーザ４０１ａの励起を行う半導体レ
ーザ４０１ｇは、たとえば、発振波長が約0.８μｍ帯で
あるＡｌＧａＡｓ（アルミニウム・ガリウム・砒素）混
晶からなる高出力タイプのものを用いることができる。

【００８２】半導体励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザ４０１から
取り出された波長１０４７ｎｍのレーザ光Ｌ４１は、ビ
ームスプリッタ４１０ａをほぼ透過して、波長変換部４
０２に入射し、波長約５２３ｎｍの第２高調波のレーザ
光Ｌ４２が取り出される。レーザ光Ｌ４２は、ビームス
プリッタ４１０ｂに入射し、ここでほば５０％が透過し
て、波長変換部４０３に入射する。その結果、レーザ光
Ｌ４２の第２高調波、すなわちレーザ光Ｌ４１の第４高
調波である波長約２６２ｎｍのレーザ光Ｌ４４が取り出
される。

【００８３】波長変換部４０２において用いるべき非線
形光学結晶として、例えば、ＫＴＰ結晶などが適する。
また、波長変換部４０３では、用いるべき非線形光学結
晶として、例えば、ＢＢＯ結晶などが適する。

【００８４】なお、半導体励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザ４０
１では上述のように超音波Ｑスイッチ４０１ｅが用いら
れており、これにより繰返し数１ｋＨｚのパルス動作を
している。すなわちレーザ光Ｌ４１は１ｋＨｚの繰り返
しのパルスレーザ光になっている。

【００８５】本実施の形態において、固体レーザの一例
として半導体励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザ４０１を用いた理
由を以下に説明する。Ｎｄ：ＹＬＦ結晶は蛍光寿命が５
２０μｓｅｃと、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶に比較して約２倍も
長いため、特に、ＡＯ−Ｑスイッチ（超音波Ｑスイッ
チ）による繰り返し動作において、約１ｋＨｚ以下の場
合、図１１に例示されるように、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶の約
２倍のレーザ出力を得ることができることが知られてい
る。一方、本実施の形態の場合には、Ｎｄ：ＹＬＦレー
ザからのレーザ光を波長変換したレーザ光を、ＡｒＦエ
キシマレーザのシード光として用いるが、一般にエキシ
マレーザは１ｋＨｚ以下の繰返し周波数で動作し、これ
以上にすることは困難である。

【００８６】従って、これらのことを考慮すると、エキ
シマレーザの繰返し周波数である１ｋＨｚ程度で、Ｎ
ｄ：ＹＡＧ結晶よりも高出力が得られるＮｄ：ＹＬＦ結
晶を用いたほうが、高いエネルギのシード光を得るのに
好都合であり、本実施の形態では、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶を
採用している。なお、Ｎｄ：ＹＬＦレーザのレーザエネ
ルギーに関しては、例えば、日経技術図書株式会社、発
行、「先端レーザーテクノロジー」、第４７３頁等の文
献において説明されている。

【００８７】レーザ光Ｌ４２のうち、ビームスプリッタ
４１０ｂで反射したレーザ光Ｌ４３は、ミラー４１１ａ
で反射してから、チタンサファイアレーザ４０４に入射
し、その励起光として利用される。その結果、チタンサ
ファイアレーザ４０４が発振し、波長約７４０ｎｍのレ
ーザ光Ｌ４５が取り出される。

【００８８】波長約２６２ｎｍのレーザ光Ｌ４４は、ダ
イクロイックミラー４１２で反射し、一方、波長約７４
０ｎｍのレーザ光Ｌ４５はダイクロイックミラー４１２
を透過するようになっている。その結果、これらのレー
ザ光は重ね合わさった一本のレーザ光Ｌ４６になり、波
長合成器４０５に入り、それらの和周波数が発生し、波
長１９３ｎｍのレーザ光Ｌ４７が取り出される。なお、
波長合成器４０５では、用いるべき非線形光学結晶とし
て、例えば、ＢＢＯ結晶やＣＬＢＯ結晶などが適する。

【００８９】レーザ光Ｌ４７はミラー４１１ｂで反射し
てから、ＡｒＦエキシマレーザ４０６のシード光として
利用される。これにより、増幅された波長１９３ｎｍの
レーザ光Ｌ４８が得られ、露光光として用いられる。な
お、ＡｒＦエキシマレーザ４０６も１ｋＨｚの繰返し数
で動作している。

【００９０】本実施の形態では、半導体励起Ｎｄ：ＹＬ
Ｆレーザ４０１が、狭帯域化素子４０１ｄにて狭帯域化
されている。また、取り出されるレーザ光Ｌ４１の一部
がビームスプリッタ４１０ａで反射して、波長モニター
４０７に入射し、ここで波長が常時モニターされる。こ
れによって常時安定した波長に設定される。

【００９１】また、１ｋＨｚで動作している半導体励起
Ｎｄ：ＹＬＦレーザ４０１とＡｒＦエキシマレーザ４０
６とは、パルス制御装置４０８によってそれらの発振タ
イミングの同期がとられている。

【００９２】本実施の形態では、シード光Ｌ４７の発生
のベースとなるレーザが半導体励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザ
４０１であるが、半導体励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザ４０１
において励起光源として用いられている半導体レーザ４
０１ｇには、発振波長８０３ｎｍの通常の高出力タイプ
が用いられている。一方、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶の吸収スペ
クトルは図１０に示したように、波長８０３ｎｍ前後で
はほとんど一定である。これに対して、固体レーザとし
て広く使われているＹＡＧレーザのＮｄ：ＹＡＧ結晶で
は、波長８００から８０５ｎｍにおいて吸収率が大きく
変化する。

【００９３】また、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶の吸収スペクトル
はＮｄ：ＹＡＧ結晶に比べて、波長の変化に対して比較
的ゆるやかなカーブを示すため、半導体レーザ４０１ｇ
の励起光４０１ｆの波長の温度変化による影響が小さく
なる。

【００９４】したがって周囲の温度変化により、半導体
レーザ４０１ｇの発振波長が変化しても、Ｎｄ：ＹＡＧ
結晶に比べて、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶の励起率の変化は小さ
い。これにより、半導体励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザ４０１
では、パルス安定性が特に高くなるため、シード光Ｌ４
７のパルス安定性も高くなる。したがって露光光として
使われるレーザ光Ｌ４８のパルス安定性が高くなる。

【００９５】このため、前述のように、このレーザ光Ｌ
４８をスキャン方式の露光装置の露光光に用いた場合に
スキャン速度の高速化によるスループットの向上を実現
できる。

【００９６】次に本発明の半導体装置の製造方法の一実
施の形態を図９を用いて説明する。すなわち、図９の
（１）〜（５）は、本実施の形態の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。

【００９７】この実施の形態の半導体装置の製造方法の
場合、例えば図２に示した露光装置２００を用いて半導
体装置を製造する場合について説明する。

【００９８】図９では、フォトリソグラフィによる加工
を施す工程の一例として、シリコン基板１００１の表面
に堆積（デポジション）された二酸化珪素（ＳｉＯ₂）
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。

【００９９】フォトリソグラフィ加工では、先ず始めに
図９（１）に示したように、シリコン基板１００１の上
に堆積されたＳｉＯ₂等の薄膜１００２にレジスト１０
０３が塗布される。

【０１００】次に、図９（２）に示したように露光光Ｌ
６ａ（多数の矢印で示したもの）をシリコン基板１００
１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２０６（図２）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射
分布が所定のパターンとなった露光光がレジスト１００
３に照射される。ここでは直径ΔＷの穴に相当する領域
には露光光Ｌ６ａは照射されない。

【０１０１】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９（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。

【０１０２】そこで、図９（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。

【０１０３】最後に、図９（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１０
０２がシリコン基板１００１上に残ることになる。

【０１０４】本実施の形態では、露光光の波長が１９３
ｎｍとなっているため、通常の露光によっても、最小約
0.１９μｍの直径の穴（コンタクトホールなど）や、幅
0.１９μｍの線の加工を施すことができる。さらに本実
施の形態の露光装置では照度を低下させずに、輪帯照明
を構成できるため、露光波長の約６０％の波長0.１２μ
ｍの直径の穴や線を高いスループットで加工することが
できる。

【０１０５】なお、本実施の形態の半導体装置の製造方
法にて半導体メモリ素子や半導体論理素子等の半導体装
置を製造する場合、各工程に要求される寸法精度に応じ
て、旧来のｉ線（波長３６５ｎｍ）やＫｒＦエキシマレ
ーザ（波長２４８ｎｍ）を露光光とする露光装置と、本
実施の形態のようなＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３
ｎｍ）を露光光とする露光装置とを使い分けることがで
きる。

【０１０６】たとえば、半導体メモリ素子等では、特に
微細加工が必要な素子分離工程、ゲート層形成工程、コ
ンタクトホール形成工程、キャパシタ形成工程、などの
工程に本実施の形態のＡｒＦエキシマレーザを露光光と
する露光装置を用い、それ以外の工程には、旧来のｉ線
やＫｒＦエキシマレーザを露光光とする露光装置を用い
ることが考えられる。

【０１０７】ただし、たとえば１Ｇビット以上のＤＲＡ
Ｍ等の半導体装置では、上記工程以外の比較的寸法精度
の制限が緩やかな配線層形成工程等においても、要求さ
れる寸法精度が旧来のｉ線やＫｒＦエキシマレーザを露
光光とする露光装置では実現できないので、その場合に
は、本実施の形態のＡｒＦエキシマレーザを露光光とす
る露光装置を全ての工程に適用してもよい。

【０１０８】以上説明したように、本発明では、上述の
ように、ＡｒＦエキシマレーザ自体に狭帯域化素子を設
けなくても、十分狭帯域化されたＤＵＶ光が得られる。
しかも本発明の露光光源において使用する狭帯域化素子
には、波長約３８６ｎｍ以上のレーザ光が照射されるだ
けであるため、狭帯域化素子が劣化しにくい。したがっ
て従来の露光用ＡｒＦエキシマレーザに比べて低ランニ
ングコストを実現できる。

【０１０９】また、シード光を発生させるレーザとし
て、ＫｒＦエキシマレーザ、あるいは半導体励起方式の
Ｎｄ：ＹＬＦレーザ等の固体レーザをベースとすること
から、パルスの安定性が高くなった。これによって本発
明の露光光源を図７等に例示したスキャン型のＡｒＦ露
光機に用いると、スループットが高くなる。

【０１１０】また、本発明の露光光源として、特にＫｒ
Ｆエキシマレーザを用いて構成する場合、そのＫｒＦエ
キシマレーザに、露光装置として一世代前のＫｒＦ露光
機のＫｒＦエキシマレーザを再び利用することができ
る。したがって新たにＫｒＦエキシマレーザを購入する
必要がない。これによって露光光源本体も低コストで構
成できるようになった。

【０１１１】また、本発明の露光光源を構成するＡｒＦ
エキシマレーザを不安定共振器で構成することで、輪帯
照明になる。したがって照度を低下させることなく、輪
帯照明を適用できる。

【０１１２】さらにまた、本発明では、露光装置の光学
系の寿命も長くなる効果がある。すなわち、露光用Ａｒ
Ｆエキシマレーザは、ＫｒＦエキシマレーザに比べて、
パルス幅が１０ｎｓ程度と短いため、ピークパワーが高
くなり、露光装置の光学系を構成する石英ガラスにコン
パクション等の劣化が生じやすくなることも問題であっ
た。これに対して、本発明の露光光源の露光光のパルス
幅は、シード光のパルス幅にほぼ等しくなるが、シード
光のパルス幅はベースとなるレーザであるＫｒＦエキシ
マレーザ、あるいは半導体励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザのパ
ルス幅にほぼ等しくなることから、ＡｒＦエキシマレー
ザよりもパルス幅を長くすることが容易であり、ピーク
パワーを下げられ、縮小投影レンズ等の光学系の寿命を
長くすることが可能になる。

【０１１３】さらにまた、本発明をフッ素レーザに適用
することもできる。すなわち、本発明を構成するＡｒＦ
エキシマレーザの代わりにフッ素レーザを用いること
で、注入同期されたフッ素レーザを構成できる。これに
よりフッ素レーザの波長を狭帯域化することも可能であ
る。

【０１１４】また、本発明の露光光源では、既に述べた
ように、従来のＡｒＦエキシマレーザよりも波長幅を狭
くできるようになったが、これによると、本発明の露光
光源を用いた露光装置を構成する際に、より大きな開口
比（ＮＡ）を有する縮小投影レンズを適用することが可
能になった。その結果、従来のＡｒＦ露光機よりも解像
度を高めることができ、より微細な加工が可能になっ
た。なおこの理由として、露光光に要求される波長幅は
ＮＡの自乗に反比例するからである。

【０１１５】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。

【０１１６】

【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。

【０１１７】本発明の半導体装置の製造方法によれば、
低ランニングコストで、真空紫外域の波長の露光光を用
いたフォトリソグラフィによるパターン転写を行うこと
ができる、という効果が得られる。

【０１１８】また、本発明の半導体装置の製造方法によ
れば、パルスエネルギーのばらつきの小さい真空紫外域
の波長の露光光を用いることにより、高スループットで
スキャン方式のフォトリソグラフィによるパターン転写
を行うことができる、という効果が得られる。

【０１１９】本発明の露光装置によれば、低ランニング
コストで露光光のエネルギーばらつきの小さい安定な露
光を行うことができる、という効果が得られる。

【０１２０】本発明の露光装置によれば、スキャン方式
の露光における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。

【０１２１】本発明の露光装置によれば、露光光学系の
低コスト化および長寿命化を実現することができる、と
いう効果が得られる。

【０１２２】本発明の露光装置によれば、低コストで半
導体装置を大量に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】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造
方法および露光装置に用いられる露光光源の構成の一例
を示す概念図である。

【図２】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造
方法に用いられる露光装置の構成の一例を示す概念図で
ある。

【図３】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造
方法および露光装置に用いられる露光光源の構成の他の
例を示す概念図である。

【図４】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造
方法および露光装置に用いられる露光光源の構成のさら
に他の例を示す概念図である。

【図５】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造
方法および露光装置に用いられる露光光源を構成する固
体レーザの構成の一例を示す概念図である。

【図６】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造
方法および露光装置に用いられる露光光源を構成するＡ
ｒＦエキシマレーザの構成の一例を示す概念図である。

【図７】本発明の一実施の形態であるスキャン方式の露
光装置の構成の一例を示す概念図である。

【図８】本発明の一実施の形態であるスキャン方式の露
光装置の作用の一例を示す概念図である。

【図９】（１）〜（５）は、本発明の一実施の形態であ
る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。

【図１０】本発明の一実施の形態である半導体装置の製
造方法および露光装置に用いられる露光光源を構成する
固体レーザの作用の一例を示す線図である。

【図１１】本発明の一実施の形態である半導体装置の製
造方法および露光装置に用いられる露光光源を構成する
固体レーザの作用の一例を示す線図である。

【図１２】考えられる従来のＡｒＦエキシマレーザの構
成の一例を示す概念図である。

【符号の説明】

１００露光光源１０１ＫｒＦエキシマレーザ１０２、１０２´ 色素レーザ発振器１０３、１０３´ 色素レーザ増幅器１０４、１０４´ 波長変換部１０５ＡｒＦエキシマレーザ１０６波長モニター１０７パルス同期装置１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃビームスプリッタ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃミラー１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄレンズ１１３出力鏡１１４回折格子１１５ａ、１１５ｂ色素溶液１１６エタロン１１７非線形光学結晶１２０レーザ管１２１出力鏡１２２穴付反射鏡１２３凸面鏡Ｌ１、Ｌ２レーザ光（波長３８６ｎｍ）Ｌ３レーザ光（波長１９３ｎｍのＤＵＶ光）Ｌ４、Ｌ４ａ、Ｌ４ｂレーザ光（波長１９３ｎｍの
ＤＵＶ光であり、露光光になる。）Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３励起光（ＫｒＦエキシマレーザ発振
器１０１からのレーザ光）１５０露光装置本体２００露光装置２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃミラー２０２カライドスコープ２０３ビーム拡大器２０４ランダム位相板２０５コンデンサーレンズ２０６レチクル２０６ａレチクルスキャンステージ２０７縮小投影レンズ２０８ステージ２０８ａステージ２０８ｂウェハスキャンステージ２０９ウエハー２１０ａクリーンルーム床下の床２１０ｂグレーチング３００露光光源３０１色素レーザ発振器３０３ダイクロイックミラー３０４ａ、３０４ｂアクロマティックレンズ３０５非線形光学結晶４００露光光源４０１半導体励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザ４０２、４０３波長変換部４０４チタンサファイアレーザ４０５波長合成器４０６ＡｒＦエキシマレーザ４０７波長モニター４０８パルス制御装置４１０ａ、４１０ｂビームスプリッタ４１１ａ、４１１ｂミラー４１２ダイクロイックミラーＬ４１レーザ光（波長１０４７ｎｍ）Ｌ４２、Ｌ４３レーザ光（波長約５２４ｎｍ）Ｌ４４レーザ光（波長約２６２ｎｍ）Ｌ４５レーザ光（波長約７４０ｎｍ）Ｌ４７レーザ光（波長１９３ｎｍのシード光）Ｌ４８露光光（波長１９３ｎｍ）Ｌ１´、Ｌ２´ レーザ光（波長約５１０ｎｍ）Ｌ３´ レーザ光（波長約２５５ｎｍ）Ｌ５レーザ光（波長約８００ｎｍ）Ｌ６レーザ光（波長約２５５ｎｍと波長約８００ｎ
ｍとを含む）Ｌ７レーザ光（波長１９３ｎｍのＤＵＶ光を含む）５００同期制御部５００ａ往復動モータ５００ｂ往復動モータ５５０露光領域５５１露光フィールド５５２等しい矩形露光フィールド６００ＡｒＦエキシマレーザ発振器６０１レーザ管６０２出力鏡６０３回折格子６０４プリズムＬ４０１レーザ光（ＤＵＶ光）１００１シリコン基板１００２薄膜１００２ａコンタクトホール１００３レジスト１００３ａ開口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】露光原版を経由する露光光にて前記露光
原版上の所望のパターンを半導体ウェハに転写するフォ
トリソグラフィを用い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、狭帯域化手段を備えた第１のレーザ発生部から出力され
る一つまたは複数の第１のレーザを、波長変換手段に
て、より波長の短い第２のレーザに変換し、得られた前
記第２のレーザをシード光として注入同期型の第２のレ
ーザ発生部に入力し、前記第２のレーザ発生部から出力
される第３のレーザを前記露光光として用いることを特
徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】請求項１記載の半導体装置の製造方法に
おいて、前記第１のレーザ発生部は、ＫｒＦエキシマレーザまた
はＸｅＣｌエキシマレーザを励起光源とし、狭帯域化素
子を含む色素レーザからなり、前記第２のレーザ発生部は、ＡｒＦエキシマレーザから
なり、前記波長変換手段は、前記色素レーザから出力される狭
帯域化された前記第１のレーザの第２高調波として前記
第２のレーザを出力する非線形光学結晶からなることを
特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】請求項１記載の半導体装置の製造方法に
おいて、前記第１のレーザ発生部は、ＫｒＦエキシマレーザまた
はＸｅＣｌエキシマレーザを励起光源とし、少なくとも
どちらか一方が狭帯域化素子を含む互いに異なる波長の
レーザを前記第１のレーザとして出力する複数の色素レ
ーザからなり、前記第２のレーザ発生部は、ＡｒＦエキシマレーザから
なり、前記波長変換手段は、複数の前記色素レーザの各々から
出力される異なる波長の前記レーザからなる第１のレー
ザの和周波数の第２のレーザを生成する波長合成器から
なることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】請求項１記載の半導体装置の製造方法に
おいて、前記第１のレーザ発生部は、半導体レーザにて励起され
る第１の固体レーザと、前記第１の固体レーザの出力か
ら第２高調波を生成する第１の波長変換素子と、前記第
２高調波から第４高調波を生成する第２の波長変換素子
と、第１の波長変換素子から得られる前記第２高調波の
一部を用いて励起される第２の固体レーザとからなり、
前記第１のレーザは、前記第１の固体レーザの出力の第
４高調波および前記第４高調波とは波長の異なる前記第
２の固体レーザの出力からなり、前記第２のレーザ発生部は、ＡｒＦエキシマレーザから
なり、前記波長変換手段は、前記第１の固体レーザの出力の第
４高調波および前記第２の固体レーザの出力の和周波数
の第２のレーザを生成する波長合成器からなることを特
徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】請求項１，２，３または４記載の半導体
装置の製造方法において、前記第２のレーザ発生部は不安定共振器で構成され、前
記第２のレーザ発生部から出力される前記第３のレーザ
は、光路に直交する平面内での光量の空間分布がリング
状を呈し、前記第３のレーザによる輪帯照明にて前記露
光原版上の所望のパターンを半導体ウェハに転写するこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】請求項１，２，３または４記載の半導体
装置の製造方法において、前記露光光を前記露光原版を経由して前記半導体ウェハ
に照射させる露光光学系の光軸に直交する方向に、露光
中に前記露光原版と前記半導体ウェハを、互いに逆方向
に走査させるスキャン露光を行うことを特徴とする半導
体装置の製造方法。
【請求項７】露光光を発生する露光光源と、前記露光
光を前記露光原版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、前記露光光源は、狭帯域化手段を備え狭帯域化された一
つまたは複数の第１のレーザを出力する第１のレーザ発
生部と、前記第１のレーザを、より波長の短い第２のレ
ーザに変換する波長変換手段と、前記第２のレーザをシ
ード光として動作する注入同期型の第２のレーザ発生部
からなり第３のレーザを出力する第２のレーザ発生部
と、を含む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、前記第１のレーザ発生部は、ＫｒＦエキシマレーザまた
はＸｅＣｌエキシマレーザを励起光源とし、狭帯域化素
子を含む色素レーザからなり、前記第２のレーザ発生部は、ＡｒＦエキシマレーザから
なり、前記波長変換手段は、前記色素レーザから出力される狭
帯域化された前記第１のレーザの第２高調波として前記
第２のレーザを出力する非線形光学結晶からなる第１の
構成、前記第１のレーザ発生部は、ＫｒＦエキシマレーザまた
はＸｅＣｌエキシマレーザを励起光源とし、少なくとも
どちらかが狭帯域化素子を含む互いに異なる波長のレー
ザを前記第１のレーザとして出力する複数の色素レーザ
からなり、前記第２のレーザ発生部は、ＡｒＦエキシマレーザから
なり、前記波長変換手段は、複数の前記色素レーザの各々から
出力される異なる波長の前記レーザからなる第１のレー
ザの和周波数の第２のレーザを生成する波長合成器から
なる第２の構成、前記第１のレーザ発生部は、半導体レーザにて励起され
る第１の固体レーザと、前記第１の固体レーザの出力か
ら第２高調波を生成する第１の波長変換素子と、前記第
２高調波から第４高調波を生成する第２の波長変換素子
と、第１の波長変換素子から得られる前記第２高調波の
一部を用いて励起される第２の固体レーザとからなり、
前記第１のレーザは、前記第１の固体レーザの出力の第
４高調波および前記第４高調波とは波長の異なる前記第
２の固体レーザの出力からなり、前記第２のレーザ発生部は、ＡｒＦエキシマレーザから
なり、前記波長変換手段は、前記第１の固体レーザの出力の第
４高調波および前記第２の固体レーザの出力の和周波数
の第２のレーザを生成する波長合成器からなる第３の構
成、のいずれかの構成を備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項９】請求項７または８記載の露光装置におい
て、前記露光光源の前記第２のレーザ発生部は不安定共振器
で構成され、前記第２のレーザ発生部から出力される前
記第３のレーザは光路に直交する平面内での光量の空間
分布がリング状を呈し、前記第３のレーザを露光光とす
る輪帯照明が行われることを特徴とする露光装置。
【請求項１０】請求項７または８記載の露光装置にお
いて、前記露光原版および前記半導体ウェハを、前記露光光学
系の光軸に直交する方向に、露光中に互いに逆方向に同
期して走査させるスキャン露光機構を備えたことを特徴
とする露光装置。