(57)【要約】【課題】  レーザ光源等からの短波長の光を使用する露光装置における光学素子の汚染を低減する新規な技術を提供すること。【解決手段】  光を導く光学素子と、該光学素子を内包する光学室とを有し、該光学素子を介して基板を該光に露出するための露光装置における該光学室内の雰囲気を調整する。当該調整の方法は、該光学室内に不活性ガスを供給する供給ステップと、該光学室内のガスを排気する排気ステップとを有し、前記供給ステップは、該光学室内に供給される不純物が前記光学室の容積１Ｌあたり１分間に２ｎｇ以下となるように、該不活性ガスの流量を調整することを特徴とするものである。【選択図】  図１
2006279033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を導く光学素子と、該光学素子を内包する光学室とを有し、該光学素子を介して基板を該光に露出するための露光装置における該光学室内の雰囲気を調整する調整方法であって、
該光学室内に不活性ガスを供給する供給ステップと、
該光学室内のガスを排気する排気ステップとを有し、
前記供給ステップは、該光学室内に供給される不純物が前記光学室の容積１Ｌあたり１分間に２ｎｇ以下となるように、該不活性ガスの流量を調整することを特徴とする雰囲気調整方法。
【請求項２】
前記供給ステップは、該不活性ガスを該光学室の容積１００Ｌあたり１分間に０．０１Ｌ以上供給することを特徴とする請求項１に記載の雰囲気調整方法。
【請求項３】
該光の波長は２５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の雰囲気調整方法。
【請求項４】
該露光装置は、該光学素子の表面の少なくとも一部の領域において該光のエネルギ−密度が１０ｍＪ／ｃｍ２以上となるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の雰囲気調整方法。
【請求項５】
該不活性ガスは、アルゴン、窒素、ヘリウム、ネオン、キセノンおよびクリプトンのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の雰囲気調整方法。
【請求項６】
前記露光装置は、該光学素子およびレチクルを介して該基板を露光するための露光装置であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の雰囲気調整方法。
【請求項７】
基板を光に露出するための露光装置であって、
該光を導く光学素子と、
前記光学素子を内包する光学室と、
前記光学室内に不活性ガスを供給するための供給系統と、
前記光学室内のガスを排気するための排気系統とを有し、
前記供給系統は、前記光学室内に供給される不純物が前記光学室の容積１Ｌあたり１分間に２ｎｇ以下となるように、該不活性ガスの流量を調整することを特徴とする露光装置。
【請求項８】
前記供給系統は、該不活性ガスを前記光学室の容積１００Ｌあたり１分間に０．０１Ｌ以上供給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】
該光の波長は２５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７または８に記載の露光装置。
【請求項１０】
前記光学素子の表面の少なくとも一部の領域において該光のエネルギ−密度が１０ｍＪ／ｃｍ２以上となるように構成されていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の露光装置。
【請求項１１】
前記供給系統により供給される該不活性ガスは、アルゴン、窒素、ヘリウム、ネオン、キセノンおよびクリプトンのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の露光装置。
【請求項１２】
前記光学素子およびレチクルを介して該基板を露光するように構成されていることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の露光装置。
【請求項１３】
請求項７乃至１２のいずれか１項に記載の露光装置を用いて基板を光に露出する露光ステップを有することを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源等からの短波長の光を使用する露光装置における光学素子の汚染を低減する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の微細化、高スル−プット化の要望が高まってきている。それに対応して、半導体露光装置としては、微細化のための光源波長の更なる短波長化、生産性向上のための光の高エネルギ−化が進んでいる。しかしながら短波長の光を利用するためには、光路の雰囲気、透過させるガラスの材質、ガラスの表面に形成される透過及び反射用のコ−ティング等々、様々な技術課題を解決しなければならない。特に光学系の配置された光学室の雰囲気を制御することは、使用する光が短波長になればなるほど重要な技術課題となってくる。
【０００３】
一般に短波長の光は、大気中での透過率が低くなってしまう。そのため、光源として短波長の光を使用する場合には、光学系の配置された光学室の内部に、照射光に対して透過率の良好なガスを導入することで、光学系における透過率が向上する事が知られている。使用するガスとしては、窒素ガスや、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトン等の不活性ガスが使用されている。また使用するガスの純度と光線透過率には相関関係があり、高純度のガスを使用すればするほど光線透過率は向上する。
【０００４】
特開平８−５５７７４号公報（特許文献１）には、フィルタを使用することで、半導体露光装置に高純度のガスを供給することが記載されている。ガスの供給量は半導体露光装置の容量にもよるが、約１００Ｌ／分程度を供給するのが一般的である。これは装置内のガスを常に高純度に保つためである。
【特許文献１】特開平８−５５７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら特開平８−５５７７４号公報に示したようなフィルタを使用しても、完全に不純物を除去することは不可能であり、わずかながら不純物が残存してしまう。そこで半導体露光装置等に高純度のガスとして使用されている、液体窒素から取り出された窒素ガス１００Ｌをガスクロマトグラフ質量分析装置  （Ｇａｓ  ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ  ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ、以下ＧＣＭＳともいう）で分析した。その結果を表１に示す。
【０００６】
【表１】
2006279033.tif 000003
【０００７】
表１からわかるように、高純度の窒素ガス１００Ｌに対して、総濃度１ｐｐｍ以下のオ−ダ−で、総重量約１０００ｎｇ不純物が観察された。一般にこの程度の不純物は、光学系を形成する光学素子の透過率にはほとんど影響しない。そのため従来は、この不純物は全く問題となっていなかった。しかしながら実際に、半導体露光装置に、表１に示すような高純度な窒素ガスを１００Ｌ／分のレートで送り込んだ状態で、光学系に露光光を照射すると、時間の経過に伴って光学系中の光学素子の透過率は著しく減少してしまう。
【０００８】
本発明者は鋭意検討の結果、この微量な不純物は、光学素子の表層上の特定の元素を触媒として光と反応し、光学素子の表層上に新たな汚染物質（ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ）を生成してしまうことを見出した。特に光学素子の表面に一般的に施されている反射防止膜等のコーティングには、表面汚染物質を生成させる触媒金属を若干含有しており、表面汚染物質の生成速度が増してしまう。この光学素子の表層上に生成される汚染物質は露光光の透過率が低いため、光学素子の透過率を著しく低下させてしまうことがわかった。
【０００９】
そこで本発明は、レーザ光源等からの短波長の光を使用する露光装置における光学素子の汚染を低減する新規な技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明は、光を導く光学素子と、該光学素子を内包する光学室とを有し、該光学素子を介して基板を該光に露出するための露光装置における該光学室内の雰囲気を調整する調整方法であって、
該光学室内に不活性ガスを供給する供給ステップと、
該光学室内のガスを排気する排気ステップとを有し、
前記供給ステップは、該光学室内に供給される不純物が前記光学室の容積１Ｌあたり１分間に２ｎｇ以下となるように、該不活性ガスの流量を調整することを特徴とする雰囲気調整方法である。
【００１１】
第２の発明は、基板を光に露出するための露光装置であって、
該光を導く光学素子と、
前記光学素子を内包する光学室と、
前記光学室内に不活性ガスを供給するための供給系統と、
前記光学室内のガスを排気するための排気系統とを有し、
前記供給系統は、前記光学室内に供給される不純物が前記光学室の容積１Ｌあたり１分間に２ｎｇ以下となるように、該不活性ガスの流量を調整することを特徴とする露光装置である。
【００１２】
また、第３の発明は、上記の第２の発明の露光装置を用いて基板を光に露出する露光ステップを有することを特徴とするデバイス製造方法である。
【００１３】
本発明の他の目的、特徴および効果等は、添付図面を参照してなされた後述の説明により明らかにされている。なお、当該図面において、同一または類似の符号は複数の図面を通して同一または類似の構成要素を表している。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、例えば、レーザ光源等からの短波長の光を使用する露光装置における光学素子の汚染を低減する新規な技術を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施例１）
図１に本発明の実施例１における露光装置の概略図を示す。図１において１は光源であり、光源室１０に配置されている。光源１としては波長が２５０ｎｍ以下の光源を使用している。たとえば波長１５７ｎｍのＦ２レ−ザ、波長１９３ｎｍのＡｒＦレ−ザ等のレーザ、波長２４８ｎｍのＫｒＦレ−ザ等を使用している。また、光学素子の洗浄等に、波長１８５ｎｍと２５４ｎｍの揮線を持つ低圧水銀灯等を使用することも可能である。
【００１６】
前述の光学室に供給するガス中に含まれる微量な不純物と光との反応は、波長が２５０ｎｍ以下の光源を用いた場合に起こりやすく、光学素子の表層の汚染物質が生成しやすくなる。従って本発明は、波長が２５０ｎｍ以下の光源を用いた場合に、その効果を充分に発揮することができる。
【００１７】
また、近年半導体露光のスループットを向上させるために、光の高エネルギー化が進んでいる。特に光のエネルギ−密度が１０ｍＪ／ｃｍ２以上になると、光の強度が強いため光学素子の表層の汚染物質が生成しやすくなる。すなわち本発明は、光学素子の表面上の少なくとも１箇所において、１０ｍＪ／ｃｍ２以上のエネルギー密度を有する場合に、その効果を充分に発揮することができる。従って、本実施例では、光学素子の表面上の少なくとも１箇所において、１０ｍＪ／ｃｍ２以上のエネルギー密度を有する様に、照射するように光源１を設定している。
【００１８】
２はレーザ光源１から照射されたレーザ光Ａ（矢印）を整形する光学系であり、図１においては２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの４枚のレンズからなっている。レンズ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは不図示の鏡筒に精密に位置合わせされた状態で組み込まれており、光学系容器２０の内部に配置されている。レンズ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの表面には、薄膜（反射防止膜）を形成することができる。薄膜を形成することにより、レンズ表面上での反射を防止し、高透過率が得ることができる。尚、実際の光学系２は、光源の波長にあわせて設計されるものであるが、図１では理解を容易にするため、もっとも一般的な構成を示している。
【００１９】
３は光Ａにより露光される半導体基板であり、照射室３０の内部に位置決めされて配置されている。露光の終了した半導体基板３は、照射室３０に隣接して配置された置換室４０の未露光の半導体基板３'と交換される。
【００２０】
光学室２０には、エア供給用配管５から窒素、アルゴン、ヘリウムのいずれか、もしくはそれらの混合ガスが供給される。光学系容器２０の内部の雰囲気を制御するため、ガス供給用配管５の途中には、バルブ６と流量計７が配置されている。また、照射室３０には、ガス排気用配管８も設けられている。ガス排気用配管８の途中には、排気量を制御するためのバルブ９が配置されている。光学系容器２０の内部の雰囲気は、常時ガス供給用配管５からガスが供給され、ガス排気用配管８からガスが排気されており、常に新しいガスにより満たされている。ガス供給用配管５から供給されるガスの量は、流量計７で計測した値をもとにバルブ６を制御し、所定の値に制御されている。
【００２１】
尚、本実施例においては、露光装置を例に説明したが、本発明はそれに限られるものではなく、同様に、レーザ等からの短波長の光に曝される光学系を有するシステムに適用することができる。
【００２２】
以上のように構成された実施例１に示され露光装置は、当該露光装置において使用される光学系２中の各レンズ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの透過率が、光に曝される時間の経過に伴って低下するのを低減するものである。しかしながら実際の半導体露光装置において実験を行うのは困難であるため、次に示す簡易実験装置により、本発明の効果を検証した。
【００２３】
（実験例）
図２は前述の実験装置を示した概略図である。図２において１０１は図１の光源１に相当する光源である。１０２は光源１０１から照射された光を整形する光学系であり、メニスカスレンズ１０２ａ、メニスカスレンズ１０２ｂ、両凸レンズ１０２ｃ、メニスカスレンズ１０２ｄの４枚のレンズからなっている。レンズ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄは不図示の鏡筒に精密に位置合わせされた状態で組み込まれており、ステンレス製容器１２０の内部に配置されている。１５０は光学系１０２を通過したレーザ光の光量を検出するディテクタである。
【００２４】
ステンレス製容器１２０には、ガス供給用配管１０５から窒素、アルゴン、ヘリウムのいずれか、もしくはそれらの混合ガスが供給される。ステンレス製容器１２０の内部の雰囲気を制御するため、ガス供給用配管１０５の途中には、バルブ１０６と流量計１０７が配置されている。またステンレス製容器１２０には、ガス排気用配管１０８も設けられている。ガス排気用配管１０８の途中には、排気量を制御するためのバルブ１０９が配置されている。ステンレス製容器１２０の内部の雰囲気は、常時ガス供給用配管５から所定量のガスを供給し、供給された所定量のガスとほぼ同等量のガスを、ガス排気用配管８から排気することで、常に新しい高純度ガスにより満たされている。この時供給するガスの量は、充填するステンレス製容器１２０の１００Ｌあたり０．０１Ｌ／分程度あれば充分高純度を保つことが可能である。
【００２５】
ガス供給用配管１０５により供給されるガスに含まれる不純物重量は、ＧＣＭＳ等でガス中不純物の単位体積あたりの総重量を前もって分析し把握しておく。この分析した値を基に、規定値以上の不純物が光学系に流入しないように流量計１０７により、ガス供給用配管１０５により供給されるガスの流量を制御する。光学系１０２を通過したレーザ光はディテクタ１５０に集光され光量が検知される。リファレンスとなる透過光を測定する際は、レンズ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄを全て除去した状態で測定する。この時にディテクタ１５０により検出された光量を透過率１００％とし、実際に光学系を設置した状態で計測した値と比較した。
【００２６】
（実験例１）
図２に示す実験装置を使って実験例１を行った。光源１０１には波長１５７ｎｍのＦ２レ−ザを用い、メニスカスレンズ２ａ上の最もエネルギ−密度が高い部分は１５ｍＪ／ｃｍ２となっている。ステンレス製容器１２０の内積量（容積）は１００Ｌである。ガス供給用配管１０５から供給されるガスは窒素ガスを用いた。
【００２７】
まず、窒素ガスの中に含まれる不純物の総重量を、ガスクロマトグラフィ−で分析した。分析の結果、窒素ガス１００Ｌあたり１０００ｎｇの不純物が含まれていた。次に、ステンレス製容器１２０に窒素ガスを供給し、１００ミリオンパルス照射後の透過率をディテクタ１５０で測定した。供給される窒素ガスに含まれる１分間あたりの不純物の総重量を０．１ｎｇ、５０ｎｇ、１００ｎｇ，１５０ｎｇ、２００ｎｇ・・・４００ｎｇ（５０ｎｇ単位で増加）とした時のディテクタ１５０における光量を測定した。すなわちガス供給用配管１０５から供給される窒素ガスの流量を、流量計１０７とバルブ１０６により、０Ｌ〜４０Ｌまで５Ｌごとに変化させた。この時の総不純物重量と透過率劣化量との関係を図３に示した。
【００２８】
図３からわかるように、内積量１００Ｌのステンレス製容器１２０に、１分間に２００ｎｇ以上の不純物を供給すると急激に透過率が劣化することが判る。つまり光学系容器１Ｌに対して１分間あたり２ｎｇ以下の不純物を供給することにより、光学系の透過率は非常に良好に保たれることがわかる。
【００２９】
（実験例２）
実験例１同様に図２に示す実験装置を使って実験例２を行った。光源１０１には波長１９３ｎｍのＡｒＦレ−ザを用い、メニスカスレンズ２ａ上の最もエネルギ−密度が高い部分は８ｍＪ／ｃｍ２となっている。ステンレス製容器１２０の内積量は１００Ｌである。ガス供給用配管１０５から供給されるガスはヘリウムガスを用いた。
【００３０】
まず、ヘリウムガスの中に含まれる不純物の総重量を、ガスクロマトグラフィ−で分析した。分析の結果、ヘリウムガス１００Ｌあたり１０００ｎｇの不純物が含まれていた。次に、ステンレス製容器１２０にヘリウムガスを供給し、所定回数の照射後の透過率をディテクタ１５０で測定した。この時ガス供給用配管１０５から供給されるヘリウムガスは、１０Ｌ／分となるように制御し、供給される総不純物重量が１分間あたり１００ｎｇとなるようにした。即ち光学系容器１Ｌに対して１分間あたり１ｎｇの不純物を供給するようにヘリウムガスを流した。
【００３１】
実験は照射数が１、２、３、４ビリオンパルスの時の透過率を図４に示す。
【００３２】
図４からわかるように、４ビリオンパルス照射しても光学系の透過率が劣化することは殆どない。
【００３３】
（実験例３）
実験例１同様に図２に示す実験装置を使って実験例３を行った。光源１０１には低圧水銀灯を用い、メニスカスレンズ２ａ上の最もエネルギ−密度が高い部分は０．１ｍＪ／ｃｍ２となっている。ステンレス製容器１２０の内積量は１０Ｌである。ガス供給用配管１０５から供給されるガスは窒素ガスを用いた。
【００３４】
まず、窒素ガスの中に含まれる不純物の総重量を、ガスクロマトグラフィ−で分析した。分析の結果、窒素ガス１００Ｌあたり１０００ｎｇの不純物が含まれていた。次に、ステンレス製容器１２０に窒素ガスを供給し、所定の照射時間における透過率をディテクタ１５０で測定した。この時ガス供給用配管１０５から供給される窒素ガスは、０．５Ｌ／分となるように制御し、供給される総不純物重量が１分間に５ｎｇとなるようにした。即ち光学系容器１Ｌに対して１分間に不純物重量が０．５ｎｇになるように窒素ガスを流した。
【００３５】
ステンレス製容器１２０に窒素ガスを供給し、照射時間５００時間、１０００時間、１５００時間、２０００時間における、光学系の透過率を図５に示す。図５からわかるように、２０００時間照射しても透過率が劣化することはほとんどないことがわかる。尚、本実施例において、光学素子表面の最もエネルギ−密度が高い部分は０．１ｍＪ／ｃｍ２である。すなわち、エネルギ−密度が１０ｍＪ／ｃｍ２以下であっても充分な透過率を発現することができる。ただし、上述のように、光学素子表面の少なくとも１箇所において、エネルギ−密度が１０ｍＪ／ｃｍ２以上となるように調整することで、より透過率を向上させることが可能となる。
【００３６】
（実施例２）
本発明の実施例２として、半導体デバイスの場合を例に、上記実施例１に係る露光装置を利用したデバイスの製造プロセスを説明する。図６は半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク作製）では設計した回路パターンに基づいてマスク（原版またはレチクルともいう）を作製する。
【００３７】
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハ（基板ともいう）を製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記のマスクとウエハを用いて、上記の露光装置によりリソグラフィ技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組み立て工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、ステップ７でこれを出荷する。
【００３８】
上記ステップ４のウエハプロセスは以下のステップを有する。ウエハの表面を酸化させる酸化ステップ、ウエハ表面に絶縁膜を成膜するＣＶＤステップ、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する電極形成ステップ、ウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込みステップ、ウエハに感光剤を塗布するレジスト処理ステップ、上記の露光装置を用い、回路パターンが形成されたマスクを介してレジスト処理ステップ後のウエハを露光（光に露出）する露光ステップ、露光ステップで露光したウエハを現像する現像ステップ、現像ステップで現像したレジスト像以外の部分を削り取るエッチングステップ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップ。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。
【００３９】
以上の実施形態によれば、光学系の雰囲気に導入される高純度ガスの流量（単位時間あたりの総不純物重量）を制御することにより、ガス中に微量に含有される不純物の光学系容器内への供給を最小限にとどめることができる。これにより、時間の経過に伴って反応生成物が光学系内のレンズ表層上に堆積し透過率が低下するのを低減することができる。なお、本発明は、透過性光学素子（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔ）に限らず、反射型光学素子（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔ）等、他の種類の光学素子にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施例１に係る露光装置の概略図
【図２】実施例１に係る実験装置の概略図
【図３】実験例１の実験結果を示すグラフ
【図４】実験例２の実験結果を示すグラフ
【図５】実験例３の実験結果を示すグラフ
【図６】実施例２に係るデバイス製造プロセスを示す図
【符号の説明】
【００４１】
１、１０１  光源
２、１０２  光学系
３  半導体基板
５、１０５  ガス供給用配管
６、９、１０６、１０９  バルブ
７、１０７  流量計
８、１０８  ガス排出用配管
１０  光源室
２０  光学系容器
３０  照射室
４０  置換室
１２０  ステンレス製容器
１５０  ディテクタ
【図１】
2006279033.tif 000004
【図２】
2006279033.tif 000005
【図３】
2006279033.tif 000006
【図４】
2006279033.tif 000007
【図５】
2006279033.tif 000008
【図６】
2006279033.tif 000009