JPH081490B2 - 投影レンズおよびそれを用いた露光装置 - Google Patents

投影レンズおよびそれを用いた露光装置

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JPH081490B2
JPH081490B2 JP61164060A JP16406086A JPH081490B2 JP H081490 B2 JPH081490 B2 JP H081490B2 JP 61164060 A JP61164060 A JP 61164060A JP 16406086 A JP16406086 A JP 16406086A JP H081490 B2 JPH081490 B2 JP H081490B2
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    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Lenses (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、投影レンズそれを用いた露光装置特に半導
体素子製造に用いるフォトリソグラフィー技術による露
光装置に関するものである。
さらにまた、半導体素子製造におけるフォトリソグラ
フィー工程の超微細加工を実現するために考案された、
不連続な例えばパルス状のエネルギー線、更に詳しくは
たとえばエキシマレーザ光等を用いた露光装置に関する
ものである。
従来の技術 従来、すでに半導体素子、特にLSI,VLSI等の微細加工
用として超高圧水銀灯を光源として用いた縮小投影露光
装置(ステッパー)が市販されている。しかしながら、
従来のステッパーは、超高圧水銀灯のg線(436nm)や
i線(365nm)を用いているため、解像度はg線で0.8μ
m,i線で0.6μmが限界であった。これらの波長では、今
後、4Mないしは16Mビットダイナミックメモリ製造に必
要とされる0.5μmの解像度を得ることは不可能に近
い。
そこで、近年、g線やi線に比べより波長の短いXeCl
(308nm)やKrF(249nm)やArF(193nm)等のエキシマ
レーザ光を発する光源を用いた露光装置の開発が検討さ
れるようになってきた。
発明が解決しようとする問題点 しかしながら、エキシマレーザを用いた縮小投影露光
装置用投影レンズにおいては次に掲げる問題点がある。
すなわち露光波長が短波長のため、縮小投影レンズに
用いる光学材料ガラス(硝材)の材料選択に、透過率の
関係で制御されてしまう。ちなみにKrF(249nm)、ArF
(193nm)のレーザ波長では、石英(SiO2)あるいは螢
石(CaF2)の2種類ぐらいに限定される。従って従来は
縮小投影レンズ設計において、レンズを構成するガラス
材料のわずかな屈折率と分散の差を利用して、色収差等
の諸収差を波長の数分の1の単位で補正しなければなら
なかった。しかしながら、エキシマレーザ光等の遠紫外
線では前述のように使用しえる材料が限られるため、縮
小投影レンズの設計時必然的に同一屈折率の材料の球面
の曲率半径をわずかずつ変化させる方法しか使用でき
ず、縮小投影レンズだけで、1m程度と非常にレンズが長
いものとなってしまうという問題があった。
なお、CaFは、SiO2に比べ材質がやわらかく、加工が
しにくい欠点があるとともに、屈折率のバラツキの少な
い硝材が得られないため、実際上実用上にとぼしい。
そこで、本発明では、単一石英系のレンズを作成する
場合、屈折率の異なる石英を用いることによりレンズ設
計を容易に行なわしめる方法を提供するとともに、投影
レンズの性能の向上を計ったものである。
問題点を解決するための手段 本発明の投影レンズは、特定の波長での異常分散によ
る屈折率の制御された硝材を2種類以上組み合せてなる
もので、たとえば硝材として、石英または石英に不純物
を制御混入することにより異常分散波長を移動させ特定
の波長で屈折率を変化させたものを2種以上用いるもの
である。
作用 従って、使用波長が特定できる半導体用露光装置に用
いる投影レンズ、例えば、KrFエキシマー光(248nm),X
eClエキシマー光(308nm),ArFエキシマー光(193nm)
用の投影レンズの設計には、合成石英および合成石英に
不純物を混入して屈折率を制御された複数種の硝材を利
用できるので、レンズ設計の自由度,色収差補正の性能
等の向上が可能となる。
実 施 例 まず、屈折率の異なる石英を利用可能ならしめる方法
は、以下に示す原理を用いるものである。
一般に、光学材料(硝材)は、吸収スペクトル付近で
異常分散が生じ、第1図に示すように振動数の増加すな
わち短波長側に移動するのに従って屈折率が増加,減
少,増加の過程を経てもとの値にもどる。一方、合成石
英のような不純物の非常に少ない硝材に任意の不純物
(例えば、Fe,Al……等の金属)を混入することはきわ
めて容易であり、この不純物混入量を制御することによ
り、吸収スペクトルの吸収端をズラすことが可能であ
る。従って、投影レンズに使用する波長を特定(例え
ば、KrFエキシマーレーザ光の248nm)することにより、
同一の石英系の硝材でも不純物の混入量で屈折率の制御
された硝材、すなわち、屈折率の異なる石英系硝材を複
数種利用できることになる。
例えば、第2図中の光透過率カーブ(c)を示す合成
石英の屈折率の波長依存性は、屈折率カーブ(a)とな
り、今、投影レンズに使用する波長をKrFエキシマー光
すなわち248nmに決定すると、屈折率は1.508となる。一
方、不純物を数PPM混入した硝材(不純物混入石英)で
光透過率カーブ(d)を示すものでは248nmで、屈折率
は1.53となる。すなわち、同じ石英系の硝材でも、248n
mの光で使用するのであれば、屈折率1.508,1.53の2種
類が使用できることになる。以下同様に不純物混入量を
制御することで、必要に応じて屈折率の異なる硝材を利
用して、レンズ設計を行なえば、目的とするレンズを製
造することが可能となる。
なお、理論的には、不純物混入量を多くしてゆけば、
極端に大きな屈折率の石英硝材も得られるが、使用する
波長であまり大きな吸収(例えば、透過率が80%以下に
なる程不純物を高濃度で混入する場合)があれば、レン
ズとして実用性が無くなることも明らかであろう。
さらにまた、本発明のレンズは、硝材の異常分散によ
る屈折率変化を利用したものであり、使用波長領域があ
まり広い光源例えば超高圧水銀灯の発するi線やj線
(±10nm程度の分散がある)用には使用波長域で屈折率
が変化するため、使用できず、一般のコヒーレントなレ
ーザー光やエキシマーレーザー光源(例えば、KrF,XeC
l,ArF)のように波長分散(±0.3nm程度)が少ない光源
にしか利用できないことも明らかである。
ちなみに、5種類の屈折率を有する硝材を用いた12枚
組みの遠紫外用縮小レンズの設計例を第3図に示してお
く。
なお図中、11は本発明の方法で作成した硝材を用いた
個別レンズを示し、12は光束を示し、13はウエハー表面
である。
次に、本発明の投影レンズを用いた露光装置の一実施
例を第4図を用いて説明する。
すなわち、光源部として、例えばKrF(248nm)エキシ
マーレーザー光源21とレーザー光源より発振励起発射さ
れた光を整形及び均一化するインテグレータ22及び光路
を垂直にする大形の全反射ミラー23,レチクル25及び縮
小レンズ27を照明するための石英製のコンデンサレンズ
24,レチクル25,アライメントのための主ビームスプリッ
タ26および対向ミラー26A、そして石英製の縮小投影レ
ンズ27なる光学系の構成を有している。結像点に、XYZ
ステージ28上に設置されたウエハー29に転写する縮小投
影露光装置の主光学系と、前記主ビームスプリッター26
および露光光路と略垂直になる光軸上に、光略順にアラ
イメント用レンズ30,アライメント用ビームスプリッタ
ー31,画像処理・波長変換用IIT32,画像処理用のCCDカメ
ラ33,更にアライメント用ビームスプリッター31と垂直
にアライメントマーク照明用のアライメント光源34(例
えば、超高圧水銀灯の光をカットフィルターまたはモノ
クロメータで分光したもの、あるいはレーザー)からな
るアライメント光学系は、ウエハー上の任意の場所を照
明するためのXY駆動系35に保持している。そしてアライ
メント光学系とウエハー29を設置するXYZステージ28は
画像処理及びアライメント信号処理として制御用コンピ
ュータ36で制御できるものにしておく。
アライメント光学系をさらに詳細に説明する。アライ
メント照明系34例えばXe−Hg超高圧ランプよりカットフ
ィルタを用いてi線(365nm)またはj線(313nm)(縮
小投影レンズ7とエキシマレーザー光源21をKrFエキシ
マー光(248nm)にした時)の光を照明し、アライメン
ト用ビームスプリッター31によりアライメント用レンズ
30を介し主光学系の主ビームスプリッター26を照明する
ことになる。この時、レチクル及びウエハーのアライメ
ントマーク位置に応じてアライメント系XY駆動系35によ
って任意に照明することができる。アライメント照明光
は主ビームスプリッター26を介し、レチクル5上のアラ
イメントマーク25Aと主ビームスプリッター26および対
向ミラー26Aを介してウエハー29上のアライメントマー
クを313または365nmの紫外域の光で同時に照すことがで
き、その反射光は更に主ビームスプリッター26および対
向ミラー26Aを介し、ウエハー29上のアライメントマー
クと、主ビームスプリッター26を介し、ルチクル25上の
アライメントマーク25Aのイメージをアライメント用レ
ンズ30に同時にもどすことになる。なお、このとき、露
光波長(248nm)とアライメント波長(例えば、313nm,3
65nm)の光では色収差が発生し、本発明に用いるような
縮小レンズでは通常色収差が取り切れない為、露光焦点
とアライメント焦点がズレてしまう。そこで対向ミラー
26Aの位置Lをうまく調節することで、アライメント光
の光路長を変えて、レチクル上のアライメントキーとウ
エハー上のアライメントキーを露光波長の光と同等焦点
とすることが可能となる。
またウエハー29とレチクル25上のアライメントマーク
のイメージは、縮小投影レンズ7とアライメント用レン
ズ30によりそれぞれ拡大されたイメージとなるため非常
に大きな解像度を得ることが可能となる。更に紫外線で
あるイメージ(目視あるいは、ビデオ処理は紫外域では
観察できない)を可視にするための波長変換と、S/N比
を向上するための画像信号の増幅するマイクロチャンネ
ルプレート(MCP)を備えたイメージインテンシファイ
ヤ(IIT)32を用いてイメージが加工されることにな
る。この時、イメージの波長は通常500nm以上にするこ
とにより、可視域での観察が可能となり、最後にCCDカ
メラ13により、絵素事のパターン認識処理を行うもので
ある。なおCCDカメラの分解能は高ければ高い程よい事
は当然であるが、イメージの拡大、可視光等の効果でさ
ほど問題はない。
また、イメージインテンシファイヤーとしては光電面
にCs−Teを持ち、150〜320nmに感度のあるV1506(浜松
ホトニクス(株)型名)等が、またマイクロチャンネル
プレートとしては、F1217(浜松ホトニクス(株)製)
等が使用可能である。
なお、上述の実施例では、露光波長にKrFの248nmを用
い、アライメント光に313nm(j線)や365nm(i線)を
用いた例を示したが、従来の露光装置と同じd線やe線
をアライメント光に用いることも可能である。なお、e
線やd線をアライメント光として用いる場合には、可視
光なのでIITは必要としないが、色収差がi線やj線に
比べて大きくなるので、対向ミラーと、主ビームスプリ
ッターの間隔(L)を大幅に大きくする必要がある。
発明の効果 本発明を用いることにより、遠紫外領域で使用可能な
単一石英系の高精度投影レンズが製作できる。また、本
発明を用いてレンズ設計を行う場合、硝材の選定の自由
度が大幅に増加するため色収差補正等レンズ設計精度を
向上させることが容易になるとともに、設計時間を大幅
に短縮できる効果がある。
さらにまた、本発明のレンズは、0.5μm程度の解像
度を必要とする超々LSI製造用露光装置、特にKrFエキシ
マー光等の遠紫外光を用いた露光装置で高解像度を発揮
でき、半導体デバイス製造技術向上に効果大なるものが
ある。なお、エキシマー光源はKrFに限定されるもので
はない。また、反射縮小投影露光装置でも同じ効果が得
られることも明らかである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に用いる異常分散現像を説明するための
図、第2図は合成石英および不純物を混入した石英硝材
の波長に伴う屈折率変化を示した図、第3図は実際に製
造された光学レンズの一実施例を示す図、第4図は本発
明のエキシマー露光装置を説明するための一実施例の概
念図である。 21……エキシマー光源、22……インテグレーター、23…
…ミラー、24……コンデンサレンズ、25……レチクル、
26……主ビームスプリッター、26A……対向ミラー、27
……縮小投影レンズ、28……XYZステージ、29……ウエ
ハー、30……アライメント用レンズ、31……アライメン
ト用ビームスプリッター。
フロントページの続き (72)発明者 遠藤 政孝 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 石原 健 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−129828(JP,A) 特開 昭57−53701(JP,A)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】特定の波長において異常分散により生じる
    屈折率の変化を制御した硝材を2種類以上組み合わせて
    なり、前記特定の波長の光に用いることを特徴とした投
    影レンズ。
  2. 【請求項2】特定の波長が遠紫外光の領域にあることを
    特徴とした特許請求の範囲第1項記載の投影レンズ。
  3. 【請求項3】硝材として、石英または石英に不純物を制
    御混入することにより異常分散波長を移動させ特定の波
    長で屈折率を変化させたものを2種以上用いることを特
    徴とした特許請求の範囲第1項又は第2項記載の投影レ
    ンズ。
  4. 【請求項4】遠紫外光が、KrFあるいはArFあるいはXeCl
    エキシマー光であることを特徴とした特許請求の範囲第
    2項記載の投影レンズ。
  5. 【請求項5】エキシマー光源と、レチクルステージと、
    特定の波長での異常分散による屈折率の制御された硝材
    を2種類以上組み合せて組立てられた縮小投影レンズ
    と、XYウエハーステージと、アライメント光学系を含む
    露光装置。
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