(57)【要約】【課題】従来の二次元配列微小ミラーを用いたマスク描画装置では、液浸光学系を適用することが構造的に極めて困難であった。【解決手段】本発明では、二次元微小ミラー１０６によって形成された部分マスクパターン１１０をＸＹステージ１０９によって移動することで、拡大マスクパターン１１１が形成でき、これが縮小投影光学系１０２によって、水温４℃の純水１１４中に配置されているマスク基板１１２上に縮小投影される。【選択図】      図１
2004251928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元配列状の光制御素子を用いた部分マスクパターン投影装置と、前記光制御素子をマスクパターンデータによって制御することによって前記部分マスクパターン投影装置から少なくとも第１および第２の部分マスクパターンの光学像を出力させる手段と、前記第２の部分マスクパターンの光学像が前記第１の部分マスクパターンの光学像が出力される空間に隣接する空間に出力されるように前記部分マスクパターン投影装置を制御する手段と、前記第１および第２の部分マスクパターンを入力して前記第１および第２の部分マスクパターンが縮小されかつ空間的に合成されたマスクパターンを形成する縮小投影光学装置とを含むことを特徴とする半導体デバイス製造用マスク作成装置。
【請求項２】
前記合成されたマスクパターンが形成されるマスク基板と、前記縮小投影光学装置における前記マスク基板に最も近い光学手段との間を、液体で満たすことを特徴とする前記請求項１に記載の半導体デバイス製造用マスク作成装置。
【請求項３】
前記液体は、溶存酸素が脱気され、かつ少なくとも前記マスク基板が前記液体で満たされた部分が密閉されていることを特徴とする前記請求項２に記載の半導体デバイス製造用マスク作成装置。
【請求項４】
前記液体に接する空間を満たす気体中に含まれるガスと同じ種類のガスのうち少なくとも一種類のガスが前記液体に溶存し、かつ前記液体中における前記ガスの溶存濃度がその飽和溶解度以下にされていることを特徴とする前記請求項２または３に記載の半導体デバイス製造用マスク作成装置。
【請求項５】
前記液体を層流状に流通させ、前記液体として気泡が除去されかつ酸素が除去されたものを用い、かつ前記液体は密閉部分を流通することを特徴とする前記請求項２または４に記載の半導体デバイス製造用マスク作成装置。
【請求項６】
前記液体には不活性ガスが飽和溶解度以下の濃度で溶存していることを特徴とする前記請求項２，４または５に記載の半導体デバイス製造用マスク作成装置。
【請求項７】
前記液体として、摂氏７度以下に保たれた流体状の水を用いることを特徴とする前記請求項３乃至５のいずれかに記載の半導体デバイス製造用マスク作成装置。
【請求項８】
前記液体として、摂氏５度以下に保たれた流体状の水を用いることを特徴とする前記請求項７に記載の半導体デバイス製造用マスク作成装置。
【請求項９】
前記液体として、融点が摂氏１０度乃至２０度で無色透明の液体を用いることを特徴とする前記請求項３乃至５のいずれかに記載の半導体デバイス製造用マスク作成装置。
【請求項１０】
前記二次元配列状の光制御素子を二次元配列状の微小ミラーで構成し、かつ前記光学像を形成する光として波長１９３ｎｍの紫外レーザを用い、かつ該紫外レーザのレーザ光の波長の半値幅を０．１ｐｍ以下とすることを特徴とする前記請求項２に記載の半導体デバイス製造用マスク作成装置。
【請求項１１】
マスクパターンを投影光学装置によって半導体基板上に投影する半導体装置製造用露光装置において、前記投影光学装置における最も前記半導体基板に近い光学手段と前記半導体基板との間を摂氏７度以下の流体状の水で満たしたことを特徴とする半導体デバイス製造用露光装置。
【請求項１２】
マスクパターンを投影光学装置によって半導体基板上に投影する半導体装置製造用露光装置において、前記投影光学装置における最も前記半導体基板に近い光学手段と前記半導体基板との間を融点が摂氏１０度乃至２０度で無色透明の液体で満たしたことを特徴とする半導体デバイス製造用露光装置。
【請求項１３】
前記液体は溶存酸素が脱気され、かつ少なくとも前記半導体基板が前記液体で満たされた部分が密閉されていることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体デバイス製造用露光装置。
【請求項１４】
前記液体に接する空間を満たす気体中に含まれるガスと同じ種類のガスのうち少なくとも一種類のガスが、前記液体中における前記ガスの飽和溶解度以下の濃度で溶存していることを特徴とする前記請求項１１または１２に記載の半導体デバイス製造用露光装置。
【請求項１５】
二次元配列状の光制御素子として半導体レーザアレイを用い、かつ光ファイバを用いて、前記半導体レーザアレイから取り出されるレーザ光を束ねることを特徴とする前記請求項１の半導体デバイス製造用マスク作成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路の製造時の露光工程で用いられるマスクの作成装置、及び半導体デバイス製造用露光装置に関する。マスクとしては、特にＬＥＥＰＬ（Ｌｏｗ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅ−Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙの頭文字である。）などの露光システムで用いられる等倍マスクを対象としたものであるが、紫外線やＸ線を露光光源とした光リソグラフィ用のフォトマスクをも対象とする。
【０００２】
【従来の技術】
一般に半導体集積回路の製造時に用いられるマスク（レチクルと呼ばれることもある。）を作成するには、マスクの基板となる石英板などの表面に、目的とする回路パターンに相当するパターン状に露光光を遮光するクロム膜などを付ける必要がある。このクロム膜などは、パターン露光によって形成され、そのパターン状に描画して露光する一般的な手法は、電子ビームを用いた電子ビーム描画である。これは電子ビーム直接描画と呼ばれるように、細く絞った電子ビームをパターンに沿って描画するものであり、装置としては通常ＥＢ描画装置と呼ばれている。
【０００３】
マスク製造における課題としては、半導体が年々高集積化、及び微細化していくため、マスクパターンの情報量が膨大になっていく。そのため、ＥＢ描画装置による描画時間は、マスク１枚当たり数十時間から数百時間にも達することから、描画速度の速い装置が強く望まれていた。
【０００４】
一方、マスク製造装置として、電子ビームではなく、紫外域のレーザ光（以下、紫外レーザ光と略す。）を用いてパターン描画（すなわちレジストが塗布されたマスク基板に対して、パターン状に露光）する手法に基づくものも（レーザビーム描画装置と呼ばれることがある。）製品化されている。この装置には構成的に２通りあり、１つには、１本あるいは複数本に分割された紫外レーザ光をマスク基板にパターン描画するものである。また、もう１つの構成としては、微小なミラーを二次元配列状に多数並べた反射鏡表示素子（デジタルマイクロミラーなどと呼ばれるデバイス）を用いて、これに紫外レーザ光を照射し、反射光をパターン的に制御して、マスク基板上にパターン描画するものである。このレーザビーム描画装置では、回路パターンの中の一部のパターンを一括して露光できることから、ＥＢ描画装置に比べて処理速度が速いと言われている。なお、これに関しては、例えば、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ２００１年７月号、第１４０〜１４２頁において示されている。
【０００５】
ところで、半導体デバイスを露光する通常の露光機においては、解像度を上げるために、縮小投影光学装置における最もウエハに近いレンズと、ウエハとの間を純水で満たして、事実上の露光波長を短波長化する手法が提案されており、その光学系は液浸光学系と呼ばれている。例えば、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを光源とした露光装置（以下、ＡｒＦ露光機と呼ぶ。）に適用したものはＡｒＦ液浸光学系と呼ばれ、通常の半導体チップを露光するＡｒＦ露光機の解像度向上手法として知られており、例えば、ＳＥＭＩＣＯＮ  Ｊａｐａｎ  ２００２、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｐｒｏｇｒａｍｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、第３−１５〜３−１６において示されている。これによると、ＡｒＦ液浸光学系の場合、ＡｒＦエキシマレーザからのレーザ光の波長は１９３ｎｍであるが、前記レンズとマスク基板との間の屈折率は約１．４５となるため、これらの間を一般的な窒素や空気などの気体で満たす場合と比較するならば、実質的に、１９３／１．４５〜１３３ｎｍの波長で露光する場合と同等になって解像度が向上する。
【０００６】
液浸光学系に関して指摘されていた問題点としては、レンズとウエハとの間（ワーキングディスタンスと呼ばれる。）に満たされる純水は、空気や窒素などの気体に比べて、屈折率の温度依存性（すなわち屈折率温度係数）がおよそ２桁も大きいことである。例えば、窒素の屈折率ｎは、理化年表等に示されているように、０℃において、ｎ＝１．０００２９７である。温度変化による屈折率変化は、熱膨張の割合に比例して（ｎ−１）の値が小さくなると考えられるため、１℃当たりの屈折率変化は、（ｎ−１）／２７３．１５／ｎで近似でき、１．０９×１０のマイナス６乗となる。一方、水の屈折率温度係数は、２０℃において、―８×１０のマイナス５乗と示されていることから、窒素に比べて、約７３倍も大きいことが判る。これによると、水で満たされたワーキングディスタンスにおいて、水の温度変化が生じると、露光光の波長変化から生じる結像波面収差が大きくなることが問題だと指摘されていた。
【０００７】
そこで、液浸光学系における、露光光の波長変化から生じる結像波面収差の拡大の抑制法として、従来、特開平１０−３０３１１４において、ワーキングディスタンスを特定の値より狭くすることが提案されている。これによると、水で満たされたワーキングディスタンスを約２ｍｍ以下にすることで、水の温度変動を０．０１℃以下の場合、結像波面収差を露光波長の１／３０以下に抑制できるとされている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−３０３１１４号公報
【０００９】
【非特許文献１】
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ２００１年７月号、第１４０〜１４２頁
【００１０】
【非特許文献２】
ＳＥＭＩＣＯＮ  Ｊａｐａｎ  ２００２、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｐｒｏｇｒａｍｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、第３−１５〜３−１６
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前記二次元配列微小ミラーを用いたレーザビーム描画装置では、一括して露光できるパターンがマスクパターンの一部であるため、その部分パターン状に露光してから、隣の部分パターンを露光する際に、マスク基板を移動させる必要があり、半導体デバイス用露光装置と同様に高速ステージが必要である。その結果、前記液浸光学系を適用しようとすると、液体中に高速ステージを配置する必要が生じるため、ステージ構造が極めて複雑になることが問題であった。特に半導体デバイス用露光装置では広く適用されているように、高速で高精度に移動できるステージはエア浮上（エアガイドと呼ばれることがある。）により可動部と固定部とは非接触になっている。すなわちステージ自体が水に浸るため、エアガイドの構造を実現することはほとんど不可能であった。
【００１２】
さらにまた、露光光の波長変化から生じる結像波面収差の拡大の抑制法として、上記、特開平１０−３０３１１４において提案されているように、ワーキングディスタンスを２ｍｍ以下にすると、レンズの直下のウエハに、計測用のレーザ光を当てることが困難になるため、ウエハの位置や傾斜を瞬時に計測するレーザ側距離システムの構成が極めて困難であった。
【００１３】
また、前記デジタルマイクロミラーなどの二次元配列微小ミラーの代わりに、二次元自発光デバイスとして、半導体レーザアレイを用いてパターン状の光を発生させる装置を構成しようとしたところ、以下の問題が発生した。半導体レーザアレイから取り出される複数本のレーザ光のビーム間隔は、スタックされる各半導体レーザの並び方で決まるため、一般的に横方向に１０ｍｍ間隔、縦方向に０．５ｍｍ間隔となる。ところが、これらの間隔、特に横方向の間隔は前記二次元配列微小ミラーの一般的な間隔の１５ミクロン前後に比べて、３桁も大きいことから、実際のマスクパターンにおける最小パターン寸法のおよそ０．１〜１ミクロンまで縮小するには、１／１００００以上の高い縮小倍率が必要になってしまい、それを実現する縮小投影光学系の設計、製作が極めて困難であった。
【００１４】
本発明の目的は、二次元配列状の光制御素子を用いたマスクパターン投影装置と縮小投影光学装置とを含むマスク作成装置においてマスクを高速に描画できるように改良することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、液浸光学系の適用が容易なマスク作成装置を提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、液浸光学系の適用が容易な半導体デバイス製造用露光装置を提供することにある。
【００１７】
また浸光学系においては、ワーキングディスタンスを従来同様の１０ｍｍ程度まで増大できる装置を提供することである。
【００１８】
また、二次元配列状の光制御素子として半導体レーザを用いてもシステムを構成できる装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、二次元配列状の光制御素子を用いた部分マスクパターン投影装置と、前記光制御素子をマスクパターンデータによって制御することによって前記部分マスクパターン投影装置から少なくとも第１および第２の部分マスクパターンの光学像を出力させる手段と、前記第２の部分マスクパターンの光学像が前記第１の部分マスクパターンの光学像が出力される空間に隣接する空間に出力されるように前記部分マスクパターン投影装置を制御する手段と、前記第１および第２の部分マスクパターンを入力して前記第１および第２の部分マスクパターンが縮小されかつ空間的に合成されたマスクパターンを形成する縮小投影光学装置とを含むようにしたものである。
【００２０】
二次元配列状の光制御素子としては、二次元配列状に光を制御できるデバイスであれば何でも適用でき、例えば、前記デジタルマイクロミラーなどの二次元配列微小ミラーや、有機ＥＬ、ＰＤＰ、半導体レーザアレイなどの自発光デバイスを用いることができる。なお、部分マスクパターンを隣接空間に出力するよう制御する手段としては、前記マスクパターン投影装置をＸＹステージなどに固定して移動できるようにしてもよいし、あるいは前記マスクパターン投影装置において形成される部分マスクパターンを有する光学像のみをポリゴンミラーなどの可動ミラーによって移動させてもよい。
【００２１】
これによると、前記部分マスクパターンを有する光学像を空間内で移動させながら次々に異なる部分パターンを有する光学像を発生させることができるので、各部分マスクパターンを有する光学像を合成させることで実際のマスクパターンと同じで拡大されたパターン（以下、拡大マスクパターンと呼ぶ。）を有する光学像を形成することができる。したがって、これを縮小投影光学装置に入力させることで、マスク基板に実際の大きさのマスクパターンを有する光学像を投影させることができるため、マスク基板を移動する必要がない。すなわちマスク基板をステージ上に載せる必要がないことから、液体中で移動させる高速ステージが不用となる。したがって、液浸光学系の構造が簡素化でき、構造の実現が容易になる。
【００２２】
また、水などの液体の温度を７℃以下にすることで、以下で説明するように、屈折率の温度依存性を約１／５に抑制できる。水の屈折率は密度に比例するが、水の密度の温度依存性は広く知られているように、図３で示したような曲線を示す。室温２３℃の水の密度は０．９９７５４であり、その前後の温度の密度から、温度係数を算出すると、−２．４×１０のマイナス４乗である。これに対して、７℃の水の密度は０．９９９９であり、温度係数は−４．５×１０のマイナス５乗となり、ほぼ１／５に小さくなる。これによると、水の屈折率の温度係数も約１／５になる。したがって、従来のワーキングディスタンスとして、従来の限界値２ｍｍの５倍の約１０ｍｍまで伸ばすことが可能となり、レンズの直下に計測用のレーザ光を当てることが容易になる。
【００２３】
なお、水の屈折率の温度依存性の値は、例えば、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｆ．Ｄａｔａ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．３，１９９０，ｐ．６７７−６８７において示されている。これによると、屈折率ｎは、温度Ｔ、光の波長λ、及び密度ρを変数とした関数として表され、数１から算出される。ただし、数１中の各物理定数に関しては数２に、また、実測から求められるパラメータに関しては数３にまとめる。
【００２４】
【数１】
2004251928.tif 000003
【数２】
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【数３】
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密度ρに関しては、図３に示した値を用いて、波長１９３ｎｍにおける屈折率の温度依存性を算出したグラフを図４に示す。これによると、水温５℃における屈折率温度係数は２５℃の場合の約１／５になることが判る。したがって本発明における水の温度は５℃以下とすることがさらに好ましい。さらに、水温約１℃において屈折率温度係数が０になることから、１℃前後に保つことが最も好ましい。
【００２５】
なお、水の屈折率の温度依存性の値は測定が難しいため、報告されているデータにも多少ばらつきがある。したがって、本発明においては、前記２つの考え方の両方を判断基準とすることで、水温の範囲は７℃以下で、流体状のものとしたものである。
【００２６】
ただし、好ましくは水温は５℃以下、特に４℃程度が最もよく、その場合、図３から判るように、密度が最大値を示し、密度の温度係数が０になるため、屈折率温度係数もほぼ０になることが予想できる。したがって、ワーキングディスタンスを１０ｍｍ程度と大きくとれるだけでなく、水の温度変動の許容範囲も広げることができる。なお、水温は０℃でもよく、水を常に流すことで、過冷却となって凍ることはない。
【００２７】
いずれにせよ、純水は常に層流をなしてフローしており、これにより全体が均一な温度になるようにされている。
【００２８】
さらにまた、水などの液体が溶存酸素脱気され、かつ少なくともマスク基板が前記液体で満たされた部分が密閉されていることで、液体中に酸素が溶解していくことがなく、その結果、ワーキングディスタンスを従来と同様の１０ｍｍ以上にしても、露光光である紫外光が大きく減衰することがない。
【００２９】
なお、純水の代わりに、融点が約１７℃のグリセリンのように、融点が１０〜２０℃で無色透明の液体を用いてもよい。その理由としては、一般的に液体の屈折率温度係数は図４に示した水の場合と同様に、融点より僅かに高い温度付近において極めて小さくなる場合が多いことから、安定化を行う温度が室温に近くなるため、利用しやすいからである。
【００３０】
また、二次元配列状の光制御素子として、半導体レーザアレイを用いる場合は、光ファイバを用いて前記半導体レーザアレイから取り出されるレーザ光を束ねることで、ミクロンオーダーの狭い間隔に光ファイバを並べることができるため、光ファイバから出射するレーザ光のパターンを縮小する際に必要となる縮小倍率は数百分の一程度で済み、縮小投影光学系の設計、製作が困難になることはない。すなわち、半導体レーザアレイから取り出されるレーザ光は、ビーム径が数ミクロンから数十ミクロンであるため、コア径１００ミクロン以下の細い光ファイバが利用できるため、これを束ねるならば、光ファイバを１００ミクロン前後の狭い間隔で並べられるからである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
【００３２】
図１は本発明の第１の実施例としてのマスク作成装置１００の構成図である。マスク作成装置１００は、大別して、本発明を構成する二次元配列状の光制御素子である二次元配列微小ミラー１０６が備えられた部分マスクパターン生成部１０１、縮小投影光学系１０２、及び、波長１９３ｎｍのレーザ光Ｌ１１を発生するＡｒＦエキシマレーザ発振器１０４とで構成されている。
【００３３】
ＡｒＦエキシマレーザ発振器１０４から取り出されたレーザ光Ｌ１１は、ミラー１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅで順次反射して、部分マスクパターン生成部１０１における二次元配列微小ミラー１０６を照射する。二次元配列微小ミラー１０６では、マスクパターンデータ出力装置１０７からのデータによって、各微小ミラーが個別に制御され、目的とするマスクの描画パターンの一部分のパターン状に微小ミラーを制御している。描画パターンの一部分のパターンを形成する微小ミラーに入射するレーザ光は、ここで反射すると図で下方のレーザ光Ｌ１２のように進み、レンズ１０８ａとレンズ１０８ｂを通過して、拡大マスクパターン１１１と示された空間パターンにおける一部分のパターンである部分マスクパターン１１０として光学像が投影される。すなわち、レンズ１０８ａとレンズ１０８ｂとは投影光学系を形成している。
【００３４】
部分マスクパターン発生部１０１はＸＹステージ１０９に固定されているため、図１でＸ方向及びＹ方向に高速で移動可能な構造になっている。これによって、部分マスクパターン１０１形成部が順次移動しながら二次元配列微小ミラー１０６が制御されることで、拡大マスクパターン１１１に目的とするマスクパターンと同じパターンで拡大されたパターンの光学像が形成されることになる。ただし、これは時間的に積算した結果であり、ある瞬間には、拡大マスクパターン１１１の位置に投影される部分マスクパターン１１０は１個である。なお、部分マスクパターン形成部１０１がＸ、Ｙ方向に移動する間、二次元配列微小ミラー１０６に常にレーザ光Ｌ１１が当たるように、ミラー１０５ｄ、１０５ｅは部分マスクパターン形成部１０１と共に移動できる構造になっている。また、ミラー１０５ｃは、図でＹ方向のみに移動できるようになっており、部分マスクパターン形成部１０１のＹ方向の移動に追従して移動できる構造になっている。
【００３５】
拡大マスクパターン１１１は、縮小投影光学系１０２によって、マスク基板１１２上に縮小投影される。これにより、目的とする描画パターンがマスク基板１１２上に描画され、パターン露光されることになる。部分マスクパターン生成部１０１の構成については、前記の文献、米国特許５，８７０，１７６号、同６，３１２，１３４号、同６，４２５，６６９号等に記載されたものを用いても良い。
【００３６】
ところで、本発明では、作成対象のマスクとして、ＬＥＥＰＬ（Ｌｏｗ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅ−Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙの頭文字である。）などで用いられる等倍マスクが特に適している。その理由としては、等倍マスクでは、描画パターン１１５が半導体デバイスの１チップと同じ大きさであるため、縮小投影光学系１０２として、半導体デバイス製造用露光装置の縮小投影光学系がそのまま利用できるからである。
【００３７】
一方、マスク基板１１２は水槽１１３内に満たされた純水１１４中に設置されている。図２に示したように、これによって縮小投影光学系１０２の最も下のレンズとマスク基板１１２との間の空間は完全に純水１１４で満たされている。純水は層流をなして最下レンズとマスク基板１１２との間を流通する。た、装置内部はここでは乾燥窒素で充満されているが、他の不活性ガス、たとえば熱容量の大きなヘリウムで充満させてもよい。
【００３８】
本実施例によると、ＡｒＦエキシマレーザ発振器１０４からのレーザ光Ｌ１１の波長は１９３ｎｍであるが、縮小投影光学系１０２の最も下のレンズとマスク基板１１２との間の屈折率は約１．４５となるため、これらの間を一般的な窒素や空気などの気体で満たす場合に比べて、実質的に、１９３／１．４５〜１３３ｎｍの波長で露光する場合と同等になって解像度が向上する。しかも、マスク基板１１２は水槽１１３の中に浸されているだけであり、半導体デバイスを露光する露光機のようにウエハを高速で往復移動する必要がないことから、水槽１１３の構造が非常に単純化される。具体的には、純水１１４の供給口と排水口を設けるだけでよい。ここで、液体としては水の他に、エチルアルコールやベンゼンなどの有機化合物などを用いることができる。
【００３９】
また、本実施例では、純水１１４の温度を１℃に保っており、前述したように、屈折率温度係数がほぼ０になっている。したがって、従来のワーキングディスタンスとして、従来の制限値２ｍｍの５倍の１０ｍｍ以上と、従来の露光機と同程度まで伸ばすことが可能になった。その結果、図２に示したように、マスク基板１１２における、縮小投影光学系１０２の最も下のレンズの直下の位置に計測用の半導体レーザ１２１のレーザ光Ｌ２２を図のように斜めから当てることが可能になった。これにより光検出器１２３でレーザ光Ｌ２２を受光できるので、マスク基板１１２の高さや傾きなどが正確に計測できるようになった。
【００４０】
なお、マスク基板１１２の高さの計測には、本実施例では、縮小投影光学系１０２の上に配置されている半導体レーザ１１６によっても行われている。半導体レーザ１１６から出たレーザ光は小型ミラー１１７で反射して下方に進み、縮小投影光学系１０２内を進んで、マスク基板１１２に真上から当たる。これによって正反対に反射するレーザ光を検出することで、マスク基板１１２の高さが正確に測定できる。このように露光に用いる縮小投影光学系に計測用のレーザ光を入射させることで、露光面のアライメントを行う技術はＴＴＬ方式と呼ばれることがある。ところが、通常の半導体デバイス用露光装置の場合、縮小投影光学系の真上には実際の大きなマスクが配置されるため、計測用レーザ光を導入するためのミラー等を配置、あるいは出し入れする構造が複雑になっていた。これに対して、本発明では、拡大マスクパターン１１１は空間中の光学像であり、実際には物体は存在しないため、小型ミラー１１７の出し入れが容易に行えるため、構造が簡素化できる。
【００４１】
また、前記のように本発明では、ワーキングディスタンスを大きくとれるようになっただけでなく、用いる液体の温度変動の許容範囲を広げることもできる。本実施例では、ワーキングディスタンスを従来と同じにとれば、純水１１４の温度変動の許容範囲を約５倍大きくすることができる。これによると、従来は許容温度範囲は約０．０１℃と小さく、これを実現するには非常に高精度な温度制御装置が必要になっていた。これに対して、本実施例では、水温変動の許容範囲を±１℃まで大きくできるため、温度制御機構が極めて簡素で安価な装置が利用できるようになった。なお、純水１１４は層流になるように流すのが好ましい。さらに、水槽１１３内に、ペルチェ素子のような冷却装置を設けてもよい。
【００４２】
一方、前記のようにワーキングディスタンスを大きくできた結果、純水１１４中で露光光である波長１９３ｎｍのレーザ光が減衰する割合が大きくなる。これに対して、本実施例で用いられる純水１１４では、溶存酸素濃度が１ｐｐｍ以下と、飽和溶解濃度の約１／４０以下と小さい値に抑制されている。その結果、露光光である波長１９３ｎｍの紫外光が純水１１４中で減衰することがない。つまり、酸素は波長１９３ｎｍの紫外光を強く吸収するからである。
【００４３】
また、純水１１４の溶存窒素濃度は飽和溶解度（室温で約１９ｐｐｍ）以下の１ｐｐｍに抑制されている。その結果、純水１１４に接する空間に満たされている乾燥窒素が多少溶解しても、飽和溶解濃度に達することがないため、純水１１４中で気泡が発生することもない。これにより露光光である紫外光が気泡により乱されることがない。なお、溶存窒素濃度は、飽和溶解濃度の１／２程度以下であれば効果があるが、出来る限り低い方がよい。
【００４４】
また、純水１１４に接する空間（すなわち装置内部を満たす空間）は完全密閉とし、これをヘリウムガスで満たす場合は、純水１１４において、ヘリウムガスに対する溶存濃度を飽和溶解濃度（室温で約１．５ｐｐｍ）以下（例えば０．１ｐｐｍ以下）にすればよい。また、アルゴンガスで満たす場合も、アルゴンガスの溶存濃度を飽和溶解濃度以下にすればよい。
【００４５】
あるいはまた、純水１１４に対して、水素ガスを飽和溶解濃度以下で多少添加してもよい。これによると、純水１１４は水素水と呼ばれる還元性の強い液体となるため、接水部に金属があっても、錆びさせることがない。したがって、純水１１４に、金属パーツを有する可動ステージを配置することも可能となる。
【００４６】
以上に説明した液浸光学系は、一般の半導体デバイス製造用の露光装置にも適用することができる。すなわち、本発明によれば、マスクパターンを投影光学装置によってウエハなどの半導体デバイス用基板上に投影する半導体デバイス製造用露光装置において、前記投影光学装置の最終投光手段と前記半導体デバイス用基板との間に純水を約５℃以下に保ち、また層流状に流通させ、前記純水として気泡が除去されかつ酸素が除去されたものを用い、かつ前記純水は密閉部分を流通させ、また前記純水に水素を添加することを特徴とする半導体デバイス製造用露光装置を得ることができる。このような露光装置において、純水に関する上記の技術はすべて適用可能である。
【００４７】
一方、本実施例におけるＡｒＦエキシマレーザ発振器１０４と縮小投影光学系１０２とにおいて、半導体デバイス露光用のＡｒＦ露光機に利用されているＡｒＦエキシマレーザ発振器と縮小投影光学系とをそのまま利用してもよい。その場合、縮小投影光学系１０２は、石英レンズとフッ化カルシウムのレンズとの２種のレンズの組み合わせによる色消しレンズで構成されることが一般的である。その理由は、チップ露光用のＡｒＦ露光機におけるＡｒＦエキシマレーザ発振器は狭帯域化されてるが、波長幅は０．５ｐｍ程度あるため、石英レンズのみで構成される単色レンズを用いると色収差が無視できない程大きく発生するからである。
【００４８】
これに対して、本発明では、ＡｒＦエキシマレーザ発振器１０４に要求されるレーザ出力は、半導体デバイス露光用のＡｒＦエキシマレーザ発振器より２桁程度小さくてもよい。その理由としては、半導体デバイスの露光には、１チップ当たり１秒程度で露光する必要があるが、マスクの描画には、１枚当たり数十分から数時間の時間が掛けられるからである。そこで、ＡｒＦエキシマレーザ発振器１０４として、レーザ出力は低下しても、さらに狭帯域化を強めて、波長幅を０．１ｐｍ以下にすることができる。つまり、一般に、エキシマレーザの狭帯域化を強めるとレーザ出力が低下するからである。これによると、色収差が小さくなるため、縮小投影光学系１０２を、石英レンズのみで構成される単色レンズを用いることができる。その結果、縮小投影光学系１０２の設計、製作が容易になるためコストダウンが図れる。また、それだけでなく、石英はフッ化カルシウムに比べて、水に対して強い（すなわち、水に対する溶解度［水１００グラム中への溶解重量］は、石英は０であるが、フッ化カルシウムは１／１０００程度有することが知られている。）ことから、本実施例のように、液浸光学系を適用するには極めて好ましい構成が実現でき、縮小投影光学系１０２を構成する全レンズが長期間劣化することがない。
【００４９】
次に、本発明のマスク作成装置において、二次元配列状の光制御素子として半導体レーザアレイを用いた実施例を図５に示す。図５は本発明のマスク作成装置２００の構成図である。二次元配列状の光制御素子の一つである半導体レーザアレイ２０１は、多数の半導体レーザが二次元（Ｙ、Ｚ方向）状にスタックされた構造になっている。半導体レーザアレイ２０１から出射するレーザ光は波長約２００ｎｍの紫外光である。半導体レーザアレイ２０１を構成する各半導体レーザ（例えば半導体レーザ２０２）においては、レーザ光の各出射部に光ファイバ（半導体レーザ２０２の場合は光ファイバ２０３）が近接している。これによって半導体レーザ２０２から出射するレーザ光は光ファイバ２０３内に入射する。なお、各光ファイバ中へのレーザ光の入射にはマイクロレンズを用いてもよい。また、各光ファイバが並ぶ間隔は各半導体レーザの寸法と等しため、ここでは横方向（Ｙ方向）に３ｍｍ、縦方向（Ｚ方向）に０．５ｍｍとなっている。また、図は簡略化されているが、本実施例では、半導体レーザはＹ、Ｚ方向にどちらも１０００個並んでいる。したがって、半導体レーザアレイ２０１の大きさとしては、Ｙ方向に３ｍ、Ｚ方向に０．５ｍになる。
【００５０】
また、各光ファイバはコア径１０ミクロンであり、クラッドと被覆を含めると外径２０ミクロンになっており、コアの材質は石英であるため、半導体レーザアレイ２０１から取り出される波長約２００ｎｍの紫外レーザ光を高く透過する。光ファイバはファイバ固定枠２０６で束ねられ、光ファイババンドル２０４となって、部分マスクパターン生成部２０５内に導かれる。光ファイババンドル２０４から出射する二次元配列状のレーザ光はレンズ２０７ａ、２０７ｂを通ることで部分マスクパターン２０８へ縮小投影される（厳密には、部分マスクパターンを有する光学像が部分マスクパターン２０８と示された位置に投影される）。なお、光ファイババンドル２０４から出射する多数のレーザ光をマイクロレンズに通過させて平行ビームに変換してもよい。あるいは光ファイババンドル２０４を構成する各光ファイバの出射端を凸面レンズのような形状を持たせることで、出射ビームを平行にしてもよい。
【００５１】
一方、部分マスクパターン生成部２０５はＸＹステージ２０９内の可動部に固定されており、Ｘ方向とＹ方向に移動できるようになっている。これによって部分マスクパターン２０８がＸ、Ｙ方向に移動することで拡大マスクパターン２１０が形成される。この拡大マスクパターン２１０が実際に作成するマスクのパターンと同じパターンであるが４倍に拡大されている。拡大マスクパターン２１０は縮小投影光学系２１１によって、ステージ２１２上に固定されたマスク基板２１３上に縮小投影され、描画パターン２１４が形成される。
【００５２】
本実施例で示したように、半導体レーザアレイ２０１はＹ方向に３ｍ、Ｚ方向に０．５ｍの寸法であるため、もしもその多数のレーザ光により、部分マスクパターン２０８を形成しようとすると、部分マスクパターン２０８はここでは０．２ｍｍ角であるため、半導体レーザアレイ２０１に対して、Ｙ方向に１／１５０００、Ｚ方向に１／２５００という非常に大きな縮小倍率で縮小する必要が生じるが、これを構成する光学系の設計、製作が非常に困難になる。例えば、レンズ２０７ａの寸法として、少なくとも直径３ｍ以上が必要になってしまう。
【００５３】
これに対して、光ファイババンドル２０４の寸法としては、各光ファイバの外径が２０ミクロンであり、縦、横１０００本並ぶため、２０ｍｍ角になっている。したがって、０．２ｍｍ角の部分マスクパターン２０８を形成するには、１／１００の縮小倍率でよく、この程度の縮小投影光学系の設計、製作は容易である。なお、実際に従来装置では、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ２００１年７月号、第１４０〜１４２頁において示されているように、１／１６０の縮小投影光学系が利用されている。
【００５４】
以上のように、本実施例では、本発明を構成する二次元配列状の光制御素子として、半導体レーザアレイを用いたが、それと共に光ファイバを用いたことから、部分マスクパターンを小さく形成することができ、本発明を実現することが可能になった。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、本発明のマスク作成装置によると、マスク基板をステージ上に配置する必要がないため、液浸光学系を容易に適用でき、描画パターンの解像度を向上できる。
【００５６】
また、特に作成するマスクとしてＬＥＥＰＬなどで用いられる等倍マスクの場合は、本発明を構成する縮小投影光学系として半導体デバイス製造用露光装置の縮小投影光学系がそのまま利用できるため、新たに設計、開発する必要がなく、量産効果により安価に利用できる。
【００５７】
また、液浸光学系を構成する液体である純水等の液温を７℃以下としたことで、屈折率温度係数が従来の１／５以下にできるため、ワークディスタンスを大きくとれる。その結果、マスク基板やウエハの位置や傾きを精度良く計測できるようになった。あるいはまた、純水の温度変動の許容範囲を大きくできるようになった。
【００５８】
しかも、本発明の液浸光学系では、用いられる液体中の溶存酸素濃度が低いため、ワークディスタンスを大きくとっても、露光光が大きく減衰することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマスク作成装置１００の全体構成図である。
【図２】マスク作成装置１００における純水１１３の配置図である。
【図３】水の密度の温度依存性を示すグラフである。
【図４】水の屈折率の温度依存性を示すグラフである。
【図５】マスク作成装置２００の構成図である。
【符号の説明】
１００    マスク作成装置
１０１    部分マスクパターン生成部
１０２    縮小投影光学系
１０４    ＡｒＦエキシマレーザ発振器
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅ    ミラー
１０６    二次元配列微小ミラー
１０７    マスクパターンデータ出力装置
１０８ａ、１０８ｂ    レンズ
１０９    ＸＹステージ
１１０    部分マスクパターン
１１１    拡大マスクパターン
１１２    マスク基板
１１３    水槽
１１４    純水
１１５    描画パターン
１１６、１２１    半導体レーザ
１１７    小型ミラー
２０１    半導体レーザアレイ
２０２    半導体レーザ
２０３    光ファイバ
２０４    光ファイババンドル
２０５    部分マスクパターン生成部
２０６    ファイバ固定筒
２０７ａ、２０７ｂ    レンズ
２０８    部分マスクパターン
２０９    ＸＹステージ
２１０    拡大マスクパターン
２１１    縮小投影光学系
２１２    ステージ
２１３    マスク基板
２１４    描画パターン
Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ２２    レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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