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技術 レーザ光の高調波発生装置、及びそれを用いた露光装置、並びにレーザ光の高調波発生方法、及びそれを用いた露光方法、それを用いたデバイス製造方法

出願人 株式会社ニコン
発明者 石坂祥司原秀雄市原裕
出願日 1990年1月10日 (29年6ヶ月経過) 出願番号 2001-389105
公開日 2002年9月25日 (16年10ヶ月経過) 公開番号 2002-277914
状態 特許登録済
技術分野 機械的光制御・光スイッチ ホトレジスト感材への露光・位置合せ 光偏向、復調、非線型光学、光学的論理素子 半導体の露光(電子、イオン線露光を除く) レーザ(2) レーザ(2) 機械的光制御・光スイッチ 半導体の露光(電子、イオン線露光を除く)
主要キーワード 振動範囲 周期振動 振動鏡 許容角度 反転対称性 振動中心 振動器 複数パルス
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2002年9月25日)のものです。
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図面 (8)

目的

高効率、長寿命の安定した高調波を発生する高調波発生装置を提供する。

構成

レーザ光を発生するレーザ光源と、レーザ光が照射されることによりレーザ光の高調波を発生する高調波発生手段と、レーザ光源と高調波発生手段との間に移動可能に配置され、レーザ光源から発生されたレーザ光を入射して高調波発生手段に向けて射出すると共に、その移動により、その射出されるレーザ光の光路を、光軸と平行な方向に変位させる光路変位手段と、をレーザ光の高調波発生装置に構成し、レーザ光の光路を、光路変位手段の移動により、高調波発生手段に入射するレーザ光の入射角をほぼ一定に維持した状態で変位させる。

概要

背景

従来、半導体素子の製造に使用されている露光装置光源としては、主として超高圧水銀ランプが用いられてきた。しかし、近年、半導体素子は高集積化微細化の一途を辿り、光学的な露光方式高解像力レンズの開発等で益々その領域を拡げつつある。この種の露光装置において、マスク又はレチクル回路パターンウェハ上に転写焼付ける場合、ウェハ上に焼き付けられる回路パターンの解像線幅は光源から露光光波長に比例するため、近年では、上述の超高圧水銀ランプに代わってKrFエキシマレーザが利用されている。また、金属蒸気レーザ等のパルスレーザ非線形光学結晶等の高調波を発生する物質照射して得られる高調波光の利用も検討されている。

概要

高効率、長寿命の安定した高調波を発生する高調波発生装置を提供する。

レーザ光を発生するレーザ光源と、レーザ光が照射されることによりレーザ光の高調波を発生する高調波発生手段と、レーザ光源と高調波発生手段との間に移動可能に配置され、レーザ光源から発生されたレーザ光を入射して高調波発生手段に向けて射出すると共に、その移動により、その射出されるレーザ光の光路を、光軸と平行な方向に変位させる光路変位手段と、をレーザ光の高調波発生装置に構成し、レーザ光の光路を、光路変位手段の移動により、高調波発生手段に入射するレーザ光の入射角をほぼ一定に維持した状態で変位させる。

目的

本発明は、これらの問題点を解決し、高効率、長寿命の安定した高調波を発生する高調波発生装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

レーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光が照射されることにより該レーザ光の高調波を発生する高調波発生手段と、前記レーザ光源と前記高調波発生手段との間に移動可能に配置され、前記レーザ光源から発生された前記レーザ光を入射して前記高調波発生手段に向けて射出すると共に、その移動により、その射出される前記レーザ光の光路を、光軸と平行な方向に変位させる光路変位手段と、を有し、前記レーザ光の光路は、前記光路変位手段の前記移動により、前記高調波発生手段に入射する前記レーザ光の入射角をほぼ一定に維持した状態で変位されることを特徴とするレーザ光の高調波発生装置

請求項2

前記光路変位手段は、前記レーザ光の光路を直線的に変位させることを特徴とする請求項1に記載のレーザ光の高調波発生装置。

請求項3

前記光路変位手段は、前記レーザ光に照射される照射面を、該レーザ光に対して傾斜可能な光学部材を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ光の高調波発生装置。

請求項4

前記光学部材は、振動鏡、又は前記レーザ光の光軸に対し傾斜可能な平行平板ガラス、又は回転可能な平行平板ガラスのうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項3に記載のレーザ光の高調波発生装置。

請求項5

前記光路変位手段は、前記高調波発生手段の中の前記レーザ光の通過位置を時間的に一様に変化させることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載のレーザ光の高調波発生装置。

請求項6

前記レーザ光源はパルス光発光するパルス光光源を含み、前記光路変位手段は、前記パルス光源からのパルス発光周期と同期して、前記レーザ光の光路を変位をせしめることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載のレーザ光の高調波発生装置。

請求項7

請求項1〜6の何れか一項に記載のレーザ光の高調波発生装置を備え、前記高調波発生装置により発生された前記レーザ光の高調波光マスクに照射することによって、前記マスク上に形成されたパターン基板上に転写する露光装置

請求項8

前記マスクを、前記レーザ光で均一な照度照明するための照度分布均一化手段を更に有し、前記光路変位手段による前記レーザ光通過領域の変動範囲は、前記高調波発生手段中の前記レーザ光の集光点から前記照度均一化手段までの距離をR、前記照度均一化手段の光学素子の間隔をd、高調波の波長をλとして、m・(Rλ/d)(但しm=1,2,3,・・・)で表す範囲とし、即ち前記照度分布均一化手段を通過する前記レーザ光の変動範囲を、前記照度分布均一化手段によって作られる隣り合った2次光源からの光同士に2mπの位相差を与える範囲とすることを特徴とする請求項7に記載の露光装置。

請求項9

レーザ光源から発生されるレーザ光を高調波発生手段に照射して、該レーザ光の高調波を発生する方法であって、前記レーザ光源と前記高調波発生手段との間に移動可能に配置され、且つ前記レーザ光源から発生された前記レーザ光を入射して前記高調波発生手段に向けて射出すると共に、その移動により、その射出される前記レーザ光の光路を、光軸と平行な方向に変位させる光路変位手段の前記移動により、前記レーザ光の光路を、前記高調波発生手段に入射する前記レーザ光の入射角をほぼ一定に維持した状態で変位させることを特徴とするレーザ光の高調波発生方法。

請求項10

前記レーザ光の光路は、前記高調波発生手段の中の前記レーザ光の通過位置が時間的に一様に変化するように変位されることを特徴とする請求項9に記載のレーザ光の高調波発生方法。

請求項11

前記レーザ光源はパルス光を発光するパルス光光源を含み、前記レーザ光の光路は、前記パルス光源からのパルス発光周期と同期して変位されることを特徴とする請求項9又は10に記載のレーザ光の高調波発生方法。

請求項12

請求項9〜11の何れか一項に記載のレーザ光の高調波発生方法を用いて発生した前記レーザ光の高調波を、マスクに照射することによって、前記マスク上に形成されたパターンを基板上に転写する露光方法

請求項13

照度分布均一化手段により、前記マスクを均一な照度の前記レーザ光で照明し、前記レーザ光通過領域の変動範囲は、前記高調波発生手段中の前記レーザ光の集光点から前記照度均一化手段までの距離をR、前記照度均一化手段の光学素子の間隔をd、高調波の波長をλとして、m・(Rλ/d)(但しm=1,2,3,・・・)で表す範囲とし、即ち前記照度分布均一化手段を通過する前記レーザ光の変動範囲を、前記照度分布均一化手段によって作られる隣り合った2次光源からの光同士に2mπの位相差を与える範囲とすることを特徴とする請求項12に記載の露光方法。

請求項14

請求項12又は13に記載の露光方法を用いてデバイスを製造するデバイス製造方法

技術分野

0001

本発明は、露光装置光源に関するものである。

背景技術

0002

従来、半導体素子の製造に使用されている露光装置の光源としては、主として超高圧水銀ランプが用いられてきた。しかし、近年、半導体素子は高集積化微細化の一途を辿り、光学的な露光方式高解像力レンズの開発等で益々その領域を拡げつつある。この種の露光装置において、マスク又はレチクル回路パターンウェハ上に転写焼付ける場合、ウェハ上に焼き付けられる回路パターンの解像線幅は光源から露光光波長に比例するため、近年では、上述の超高圧水銀ランプに代わってKrFエキシマレーザが利用されている。また、金属蒸気レーザ等のパルスレーザ非線形光学結晶等の高調波を発生する物質照射して得られる高調波光の利用も検討されている。

発明が解決しようとする課題

0003

しかし、エキシマレーザを用いた露光装置には様々な問題点があることが判明した。まず、例えば安定共振器型のエキシマレーザを考えると、このレーザスペクトル幅がΔλ=0.4nmと広く(つまり単色性が悪く)、石英のみの単色レンズ投影光学系として使う場合には波長の狭帯化が必要である。また、エキシマレーザ共通の問題として、寿命が短く、フッ素等の有毒ガスを使うことによるメンテナンス性の困難さが挙げられる。

0004

これらの問題点を回避するためにパルスレーザの高調波が検討されている。第2高調波発生には、反転対称性のない誘電体の単結晶(非線形光学結晶等)が用いられる。この反転対称性のない誘電体の単結晶から第2高調波を発生させるには、位相整合条件基本波と第2高調波に対する結晶)の屈折率が等しくなる条件)を満たす必要があり、そのためにはレーザ光をある特定の角度から入射させなければならない。因みに、位相整合条件が満足されない場合は発生する高調波の発生効率が悪くなる。また、第2高調波の発生効率を上げるためには、レーザビーム単位面積当たりエネルギー密度を大きくする必要がある。しかし、結晶中でレーザビームを集光させればさせるほど結晶はレーザビームを吸収し、それによって発生する熱によって結晶中の温度分布温度勾配)が急峻になる。この温度変化により結晶の屈折率が変化するので位相整合条件を満たさなくなってしまう。さらに、結晶の単位面積当たり、及び単位時間当たりのレーザビームの投入パワーが増すにつれ結晶の寿命が著しく短くなる。加えて、レーザ光から発生する第2高調波はコヒーレンシーが高いのでスペックル干渉縞等の不要な干渉パターンが生じてしまうといった問題点が生じた。

0005

本発明は、これらの問題点を解決し、高効率、長寿命の安定した高調波を発生する高調波発生装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0006

上記問題点解決のため請求項1に記載の発明では、レーザ光(LB)を発生するレーザ光源(1)と、前記レーザ光が照射されることにより該レーザ光の高調波を発生する高調波発生手段(4)と、前記レーザ光源と前記高調波発生手段との間に移動可能に配置され、前記レーザ光源から発生された前記レーザ光を入射して前記高調波発生手段に向けて射出すると共に、その移動により、その射出される前記レーザ光の光路を、光軸と平行な方向に変位させる光路変位手段(2,15)と、をレーザ光の高調波発生装置に構成し、前記レーザ光の光路は、前記光路変位手段の前記移動により、前記高調波発生手段に入射する前記レーザ光の入射角をほぼ一定に維持した状態で変位されることとした。

0007

また請求項9に記載の発明では、レーザ光源(1)から発生されるレーザ光(LB)を高調波発生手段(4)に照射して、該レーザ光の高調波を発生する方法であって、前記レーザ光源と前記高調波発生手段との間に移動可能に配置され、且つ前記レーザ光源から発生された前記レーザ光を入射して前記高調波発生手段に向けて射出すると共に、その移動により、その射出される前記レーザ光の光路を、光軸と平行な方向に変位させる光路変位手段(2,15)の前記移動により、前記レーザ光の光路を、前記高調波発生手段に入射する前記レーザ光の入射角をほぼ一定に維持した状態で変位させることとした。

0008

本願発明においては、レーザ光LBの光路を変位させて高調波発生手段(結晶4)への照射位置を変更しているので、レーザ光とレーザ光の高調波が結晶に吸収されることにより発生する熱が均等に生じ、結晶4中の温度分布が急峻にならない。従って温度変化による結晶4の屈折率変化が生じないので位相整合条件が満足され、高調波の発生効率が上がる。また結晶4の単位面積当たりに照射されるレーザ光LBの強度が単位時間でみると著しく減少することになるので結晶4の寿命も延びることになる。

0009

更に本願発明では、高調波発生手段(結晶4)に入射するレーザ光の入射角をほぼ一定に維持した状態で、レーザ光LBの光路を変位させるため、入射レーザ光に対する結晶の方位角を保持することができ(レーザ光の偏光方向と結晶軸との角度関係を一定に保つことができ)、高調波の発生効率の低下を防止することができる。

0010

更に本願発明では、結晶4の直前に配置された光学部材(例えば図1、3のレンズ3)へのレーザ光の照射位置も変位することができるので、このような光学部材の単位面積当たりに照射されるレーザ光LBの強度が単位時間でみると著しく減少でき、光学部材の寿命も延ばすことが可能となる。

0011

図1は、本発明の第1の実施形態による高調波発生装置を示す図である。銅蒸気レーザ1から発生したレーザ光LBは、不図示のビームエキスパンダ等により所定の断面積を持ったビームに整形された後、図面に平行な面内で振動するガルバノミラー等の振動鏡2によって振られる。振られたレーザ光LBはレンズ群3で集光して非線形光学結晶4(本実施形態ではβ−B4B2O4)に照射される。このとき、振動鏡2の振動中心をレンズ群3の前側焦点に配置すればレンズ群3の像側ではレーザ光LBは光軸に平行に振動し、これにより、非線形光学結晶4に入射するレーザ光LBの入射角は常にほぼ一定となる。因に、β−B4B2O4の場合、位相整合条件を満足するための許容角度誤差は1mradであるので上記のことは重要である。尚、図1中の破線はレーザ光LBをレンズ3の光軸に対して傾けて入射した場合を示す。

0012

次に、本発明の第1の実施形態による高調波発生装置を露光装置に適用したものを図3に基づいて説明する。図1中の部材と同効のものには同一の符号を付けてある。結晶4で発生した高調波光SHはレンズ系5で平行光に整形され、フライアイ・レンズ6に照射される。フライ・アイ・レンズ6の各エレメントレンズからの高調波光はレンズ系7でレチクル・ブラインド8上に重畳され、レンズ系9を介してダイクロイックミラー10に照射される。ダイクロイック・ミラー10は高調波光のみを反射し、その他の波長光は透過する。よって、高調波光のみがコンデンサ・レンズ11を介してレチクル12を均一な照度分布で照射し、レチクルパターンが両側、又は片側テレセントリック投影レンズ13によってウェハ14上に投影露光される。以上の構成において、振動鏡2の振れ原点とフライ・アイ・レンズ6の入射面とはレンズ系3,5によって互いに共役であり、フライ・アイ・レンズ6の射出面(2次光源)と投影レンズ13の瞳(入射瞳)面(Ep)とは共役である。さらに、レチクル・ブラインド8はレンズ系9、コンデンサ・レンズ11によってレチクル12と共役になっている。また以上の構成において、結晶4中の集光点からフライ・アイ・レンズ6までの距離をR、フライ・アイ・レンズ6のレンズ素子の間隔をd、高調波の波長をλとして、m・(Rλ/d)(ただし、m=1,2,3,…)の範囲で、レーザ光LBを結晶4中で揺動させると、フライ・アイ・レンズ6の射出側にできる各エレメント・レンズ毎の2次光源からの光同士が干渉してレチクル上又はウェハ上に生じる不要な干渉縞が低減できる。この事は、一例として特開昭63−159837号公報(米国特許4,851,978号)に詳述してあるのでここでは説明は省略する。

0013

図2は、本発明の第2の実施形態による高調波発生装置を示す図である。この場合、第1の実施形態による高調波発生装置の振動鏡2の代わりに傾斜可能な平行平板ガラス15を設ける。このとき、平行平板ガラス15より光源側にレンズ系3を設けることにより、レーザ光LBは結晶4内に集光され、かつ光軸と平行に変位させることができる。このため、結晶4に入射するレーザ光LBの入射角は常にほぼ一定となり、位相整合条件を満足する。

0014

尚、本高調波発生装置を露光装置に適用する場合、結晶4以降の構成は図3と同様でよい。次に、本発明における高調波発生装置の第3の実施形態を図4に基づいて説明する。レーザ1から発生したレーザ光LBは、回動可能な平行平板ガラス15に入射し、その後、結晶4に達する。平行平板ガラス15を回動させることによってレーザ光LBは光軸と平行な方向に揺動させられる。この平行に揺動するレーザー光を非線形光学結晶4に照射して高調波光を発生させる。この高調波発生装置を露光装置に適用したものを図5に示す。結晶4で発生した高調波光SHは、一旦レンズ系17で集光され再度レンズ系5で所定の断面積を持ったほぼ平行なビームに整形され、光軸に平行に振動しながらフライ・アイ・レンズ6に入射する。このとき、レンズ系17の像側焦点とレンズ系5の前側焦点はほぼ一致している。フライ・アイ・レンズ6で生じた2次光源からの光は、そのままレンズ系7へ入射したのではレチクル・ブラインド8上に静止した干渉縞が生じるので、レンズ系7とレチクル・ブラインド8との間に振動鏡18を設ける。この場合、振動鏡18の振動範囲は例えば干渉縞のピッチ整数倍(1倍も含む)の移動に対応するものとし、所望の露光量を得るために必要な複数パルスで1/2周期振動するものとする。

0015

図6は、本発明の第4の実施形態による高調波発生装置を示す図である。銅蒸気レーザ1から発生したレーザ光LBは、不図示のビームエキスパンダ等により所定の断面積を持ったビームに整形され、反射鏡等で振動することなくレンズ群3で集光して非線形光学結晶4へ照射される。又、結晶4中の温度分布が急峻になるのを避けるため、結晶4に振動器15を設け、結晶4を光軸とほぼ垂直な方向に振動させて結晶4を通るレーザ光LBの通過領域を逐次変化させるようにする。

0016

この図6の高調波発生装置を露光装置に適用する場合、フライ・アイ・レンズ6以降の構成は図5と同様であるが、非線形光学結晶4とフライ・アイ・レンズ6との間に、高調波SHをフライ・アイ・レンズ6に平行に入射させるための不図示のレンズ系を設ける。

0017

図7は、本発明の第5の実施形態による高調波発生装置の構成を示す図である。レーザ光源1から発生したレーザ光LBは、不図示のビームエキスパンダ等により所定の断面積を持った平行ビームに整形されるか、又はレーザ光源1から射出したままの状態で、揺動させられることなく非線形光学結晶4に照射され、結晶4によってほぼ平行な高調波光束に変換される。結晶4は図6と同様に振動器16によりレーザ光の光軸とほぼ垂直な方向に振動して、結晶4中の温度分布が急峻になるのを防ぐ、このとき、結晶4の位相整合条件を満足するように、即ち、レーザ光の結晶4への入射角の変動範囲が1mrad以内になるようにしなければならない。この高調波発生装置を露光装置に適用する場合、フライ・アイ・レンズ6以降の構成は図5と同様である。

0018

以上、いずれの実施例においても、振動鏡2、平行平板ガラス15、又は振動器16の駆動は、レーザ光源1がパルス発光するものであれば、そのパルス発光(トリガ)と同期させて、各パルス毎に微小角度あるいは微少量だけ駆動して、非線形光学結晶中のレーザ光通過位置を時間的に一様に変化させるように制御することが望ましい。

発明の効果

0019

以上のように本願発明によれば、レーザ光に対する該高周波発生手段の回転角を維持した状態で、且つ位相整合条件を満足するようにレーザ光LBの光路を変位させて高調波発生手段(結晶4)への照射位置を変更しているので、高調波の発生効率をほぼ一定に保ちつつ(高調波の発生効率の低下を招くことなく)、非線形光学結晶の寿命を延ばすことができる。更に、結晶4の直前に配置された光学部材(例えば図1、3のレンズ3)へのレーザ光の照射位置も変位することとなるので、光学部材の寿命も延ばすことができる。

0020

更に請求項7(請求項12)に記載のように、この種の高調波発生装置(高調波発生方法)を露光装置(露光方法)に使用した場合、レーザ光を結晶に対して揺動させるようにすれば、高調波光の空間的、時間的コヒーレンスの向上に起因してマスク(レチクル12)又は基板(ウェハ14)上に生じる不要な干渉パターンを低減(平滑化)することができる。

図面の簡単な説明

0021

図1図1は本発明の第1の実施形態による高調波発生装置を示す図である。
図2図2は本発明の第2の実施形態による高調波発生装置を示す図である。
図3図3は本発明の第1の実施形態による高調波発生装置を適用した露光装置の構成を示す図である。
図4図4は本発明の第3の実施形態による高調波発生装置を示す図である。
図5図5は本発明の第3の実施形態による高調波発生装置を適用した露光装置の構成を示す図である。
図6図6は本発明の第4の実施形態による高調波発生装置を示す図である。
図7図7は本発明の第5の実施形態による高調波発生装置を示す図である。
主要部分の符号の説明
1金属蒸気レーザ2,18振動鏡3,5,7,9,17レンズ群4非線形光学結晶6フライ・アイ・レンズ15 平行平板ガラス16 振動器

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