(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波管から導波管壁に形成された複数の微小間隙を介して電磁波をレーザ管内に導入することにより前記レーザ管内のレーザガスを励起し、前記レーザガスから発する光を共振させてレーザ光を発生させるレーザ発振装置において、
前記各微小間隙は、当該微小間隙に依存した電磁波の放出特性が前記導波管内で伝搬される電磁波の強度分布と相反する部位であり、前記導波管内で伝搬される電磁波の強度分布の最小値が当該微小間隙のほぼ中央部位に位置するように、形成されていることを特徴とするレーザ発振装置。
【請求項２】
前記各微小間隙は、電磁波の導波管における管内波長又はその半波長をピッチとして一列に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
【請求項３】
前記導波管から導入される電磁波がマイクロ波であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ発振装置。
【請求項４】
前記レーザガスを、Ｋｒ，Ａｒ，Ｎｅから選ばれた少なくとも１種の不活性ガス、又は前記少なくとも１種の不活性ガスとＦ2 ガスとの混合ガスとするエキシマレーザ発振装置であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ発振装置。
【請求項５】
照明光を発する光源である請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ発振装置と、
所定パターンの形成されたレチクルに前記レーザ発振装置からの照明光を照射する第１光学系と、
前記レチクルを介した照明光を被照射面に照射する第２光学系とを備え、
前記被照射面に前記レチクルの所定パターンを投影し露光を行うことを特徴とする露光装置。
【請求項６】
被照射面に感光材料を塗布する工程と、
請求項５に記載の露光装置を用いて、前記感光材料が塗布された前記被照射面に所定パターンの露光を行う工程と、
前記所定パターンの露光が行われた前記感光材料を現像する工程とを備えることを特徴とするデバイスの製造方法。
【請求項７】
前記被照射面をウェハ面とし、当該ウェハ面に半導体素子を形成することを特徴とする請求項６に記載のデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波管から導波管壁に形成された複数の微小間隙を介して電磁波をレーザ管内に導入することにより、レーザ光を発生させるレーザ発振装置に関し、特にレーザガス励起用の電磁波としてマイクロ波を用いたレーザ発振装置、これを備えた露光装置及びデバイスの製造方法に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
近時では、紫外領域で発振する唯一の高出力レーザとして、いわゆるエキシマレーザが注目されており、電子産業や化学産業、エネルギー産業等において、具体的には金属、樹脂、ガラス、セラミックス、半導体等の加工や化学反応等に応用が期待されている。
【０００３】
エキシマレーザ発振装置の機能原理について説明する。先ず、マニホルド内に充填されたＡｒ，Ｋｒ，Ｎｅ，Ｆ2 等のレーザガスを電子ビーム照射や放電等により励起状態にする。このとき、励起されたＦ原子は基底状態の不活性Ｋｒ，Ａｒ原子と結合して励起状態でのみ存在する分子であるＫｒＦ* ，ＡｒＦ* を生成する。この分子がエキシマと呼ばれるものである。エキシマは不安定であり、直ちに紫外光を放出して基底状態に落ちる。これをボンドフリー遷移あるいは自然発光というが、この励起分子を利用して一対の反射鏡で構成される光共振器内で位相の揃った光として増幅し、レーザ光として取り出すものがエキシマレーザ発振装置である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
エキシマレーザ発光の際には、上記の如くレーザガスの励起源としては主にマイクロ波が用いられる。マイクロ波とは、発振周波数が数百ＭＨｚ〜数十ＧＨｚの電磁波である。この場合、導波管から導波管壁に形成された間隙（スロット）を介してマイクロ波をレーザ管内に導入し、これによりレーザ管内のレーザガスをプラズマ状態に励起する。
【０００５】
しかしながら、導波管壁に形成されたスロットからの電磁波の放射特性を、スロット上の全領域において均一にすることは困難であり、通常、スロット長軸方向に正弦状もしくはそれに類似した分布となる。即ち、図９（ａ）に示すように、スロット長軸方向の中央部における電界強度分布が最も大きく、スロット長軸方向の端部における電界強度分布が最も小さくなってしまう。
【０００６】
更に、マイクロ波の電界強度分布に対して、図９（ｂ）に示すように、励起されるプラズマはスロット長軸方向の中心に集まるという性質があり、スロット長軸方向の電界強度の不均一分布が助長されてしまう。このことは、スロットの長手方向において励起されるプラズマを均一にすることのできない大きな要因となる。
【０００７】
この現象は、スロットの長手方向における中央の位置で励起源である電磁波の強度が最も強いためプラズマが中央の位置で励起され易いという性質、励起したプラズマが表面積が最小となる球状に集まり易いという性質に起因するものである。中央位置で励起したプラズマにより、スロット中央に空間のインピーダンスの低い領域が形成され、その部位で優先的にエネルギーが消費されると共に、プラズマがシールドとして働き、マイクロ波が放出される長さに設計されていたスロット長がマイクロ波にとって半分の長さとなり、マイクロ波がスロット外部に放出されなくなる。これら２つの要因によりプラズマはスロットの中央のみで形成され易く、スロット上で均一なプラズマを励起させることは極めて困難であった。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、スロットアレイ構造を採用するも、個々のスロットの長手方向にわたり全体的に均一なプラズマの励起を実現し、エネルギー損失を極力抑えた均一なレーザ発光を可能とするレーザ発振装置や、このレーザ発振装置を備えた高性能の露光装置、この露光装置を用いた高品質なデバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ発振装置は、導波管から導波管壁に形成された複数の微小間隙を介して電磁波をレーザ管内に導入することにより前記レーザ管内のレーザガスを励起し、前記レーザガスから発する光を共振させてレーザ光を発生させるレーザ発振装置において、前記各微小間隙は、当該微小間隙に依存した電磁波の放出特性が前記導波管内で伝搬される電磁波の強度分布と相反する部位であり、前記導波管内で伝搬される電磁波の強度分布の最小値が当該微小間隙のほぼ中央部位に位置するように、形成されている。
【００１１】
本発明のレーザ発振装置の一態様において、前記各微小間隙は、電磁波の導波管における管内波長又はその半波長をピッチとして一列に形成されている。
【００１２】
本発明のレーザ発振装置の一態様において、前記導波管から導入される電磁波がマイクロ波である。
【００１３】
本発明のレーザ発振装置の一態様は、前記レーザガスを、Ｋｒ，Ａｒ，Ｎｅから選ばれた少なくとも１種の不活性ガス、又は前記少なくとも１種の不活性ガスとＦ2 ガスとの混合ガスとするエキシマレーザ発振装置である。
【００１４】
本発明の露光装置は、照明光を発する光源である前記レーザ発振装置と、所定パターンの形成されたレチクルに前記レーザ発振装置からの照明光を照射する第１光学系と、前記レチクルを介した照明光を被照射面に照射する第２光学系とを備え、前記被照射面に前記レチクルの所定パターンを投影し露光を行う。
【００１５】
本発明のデバイスの製造方法は、被照射面に感光材料を塗布する工程と、前記露光装置を用いて、前記感光材料が塗布された前記被照射面に所定パターンの露光を行う工程と、前記所定パターンの露光が行われた前記感光材料を現像する工程とを備える。
【００１６】
本発明のデバイスの製造方法の一態様においては、前記被照射面をウェハ面とし、当該ウェハ面に半導体素子を形成する。
【００１７】
【作用】
本発明のレーザ発振装置においては、各微小間隙が、当該微小間隙の電磁波の放出特性が導波管内で伝搬される電磁波の強度分布と相反するような部位に形成される。ここで、微小間隙に依存した電磁波の放出特性は、上記のように微小間隙の中央部位で電磁波強度が最大値となり、微小間隙の端部へ近づくにつれて小さくなる分布を示すため、導波管内で伝搬される電磁波の強度分布がこれと相反するような位置に微小間隙を形成すれば、導波管内で伝搬される電磁波の強度分布が微小間隙に依存した電磁波の放出特性による強度分布の影響を受け、実際に各微小間隙から放出される電磁波の強度分布の均一性が当該各微小間隙の全域にわたって高まる。
【００１８】
具体的には、例えばＥ面アンテナを想定し、各微小間隙を電磁波の導波管における管内波長又はその半波長をピッチとして一列に形成した場合、導波管内で伝搬される電磁波の強度分布の最小値が当該微小間隙のほぼ中央部位に位置するように、各微小間隙を形成する。即ち、導波管内で伝搬される電磁波の強度分布に合わせて、各微小間隙の中央部位に電磁波の放出強度分布の最大値が一致するように対応させた位置から、各微小間隙を一律にλg ／４（λg ：管内波長）だけずらした部位に、当該微小間隙を形成する。このような比較的容易に手法により、各微小間隙から放出される電磁波の強度分布の更なる均一化を係ることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。本実施形態では、いわゆるエキシマレーザ光を発するエキシマレーザ発振装置を例示する。
図１は、本実施形態のエキシマレーザ発振装置の主要構成を示す模式図である。
【００２１】
このエキシマレーザ発振装置は、図１に示すように、エキシマレーザガスの励起による発光を共振させてレーザ光を発するレーザ管２と、レーザ管２内のエキシマレーザガスを励起してプラズマ状態とするための導波管１と、導波管１を冷却するために、冷却水導入出口９を有する冷却容器７とを備えて構成されている。
【００２２】
エキシマレーザ光を発生させる際の原料となるエキシマレーザガスは、Ｋｒ，Ａｒ，Ｎｅから選ばれた１種以上の不活性ガス、又は前記１種以上の不活性ガスとＦ2 ガスとの混合気体である。これらのうち、使用したい波長により適宜ガス種を選択し組み合わせればよい。例えば、２４８ｎｍの波長のレーザ光を発生させたい場合には、Ｋｒ／Ｎｅ／Ｆ2 とし、１９３ｎｍの波長の場合にはＡｒ／Ｎｅ／Ｆ2 、１５７ｎｍの波長の場合にはＮｅ／Ｆ2 とすればよい。
【００２３】
レーザ管２は、エキシマレーザガスの管内への導入部となるレーザガス導入出口８と、各端部にそれぞれ反射構造体５，６が設けられ、これら反射構造体５，６によりプラズマ放電による光の位相が揃えられてレーザ光が発生する。
【００２４】
導波管１は、マイクロ波をガス供給路構造１１内のレーザガスへ供給するための手段であり、図１中上面部に細長い複数のスロット１０が形成されている。導波管１の上部より数百ＭＨｚ〜数十ＧＨｚの周波数のマイクロ波が導入されると、このマイクロ波が導波管１内を伝播しながら、スロット１０からレーザ管２内へ導入される。そして、導入されたマイクロ波によりレーザ管２内のエキシマレーザガスが励起され、共振してエキシマレーザ光が発生することになる。
【００２５】
本実施形態では、導波管１のＥ面において、各スロット１０がλg （λg ：管内波長）のピッチでその長手方向に一列に形成されており、各スロット１０が、当該スロット１０に依存したマイクロ波の放出特性が導波管１内で伝搬されるマイクロ波の強度分布と相反するような部位に形成されている。
【００２６】
各スロット１０の具体的な様子を図２に示す。
図２に示すように、比較例（ａ）では、スロット１０の中央部位にマイクロ波の強度分布（図示の例では、導波管１の壁面を流れる電流の密度分布をマイクロ波の強度分布の指標として示す。）の最大値が一致するように対応させた位置に各スロット１０が形成されており、この場合には上述したように、スロット１０に依存したマイクロ波の放出特性による強度分布と導波管１内で伝搬されるマイクロ波の強度分布とがほぼ一致するため、マイクロ波の強度分布は図５（ａ）のようになる。
【００２７】
それに対して、図２の実施例（ｂ）では、比較例（ａ）のスロット１０の中央部位にマイクロ波の強度分布の最大値が一致するように対応させた位置から、各スロット１０を一律にλg ／４だけずらした部位に、当該スロット１０を形成する。
【００２８】
これにより、導波管１内で伝搬されるマイクロ波の強度分布の最小値が当該スロット１０のほぼ中央部位に位置するように、各スロット１０が存することになり、導波管１内で伝搬されるマイクロ波の強度分布がスロット１０に依存したマイクロ波の放出特性による強度分布の影響を受け、図３に示すように、実際に各スロット１０から放出されるマイクロ波の強度分布の均一性が高まることになる。
【００２９】
なお、本例ではスロット１０を導波管１のいわゆるＥ面に形成した場合を例示しており、スロット１０をＨ面に形成したいわゆるＨ面アンテナを用いた場合でも同様の議論が成り立つことは言うまでもない。
【００３０】
また、図４に示すように、各スロット１０をλg ／２のピッチでその長手方向に一列に形成した場合にも適用可能である。ここでも図２と同様に、比較例（ａ）に対する実施例（ｂ）を示す。この場合も同様に、図３に示すように、実際に各スロット１０から放出されるマイクロ波の強度分布の均一性が高まる。
【００３１】
具体的に、ａ＝４２ｍｍ、ｂ＝２１ｍｍのサイズで、導波管共振器長２２０．８ｍｍ（レーザ発振方向長）のＥ面放出アンテナを用い、２．４５ＧＨｚのアルミニウム合金筐体のマイクロ波照射アンテナを製作した。導波管共振器長は、誘電率９．８のアルミナを充填してある。このとき、導波管共振器内の管内波長は４４．２ｍｍである。従って、スロットピッチは、λg ピッチ及びλg ／２ピッチの場合、それぞれ４４．２ｍｍ及び２２．１ｍｍに設定してある。
【００３２】
電流密度の腹（最も強度が強い部位）に対応させた位置にスロットを形成した場合、図５（ａ）に示すようなｓｉｎ状の照射が得られる。
【００３３】
これに対して、λg ／４シフトさせてスロットを形成した場合、図５（ｂ）に示すような定在波強度分布となる。
【００３４】
従って、この励起によりスロットから放出されるマイクロ波の強度分布は、図５（ｃ）に示すようになり、図５（ａ）の場合に比してより均一性の高い照射が実現することがわかる。
【００３５】
なお、この放射特性は、プラズマがない状況でのスロット単独の特性を見たものであり、実際にはプラズマが存在することから、シース部などにおける伝播を考慮すれば、より均一な励起が起こることが期待できる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態のエキシマレーザ発振装置によれば、スロットアレイ構造を採用するも、個々のスロットの長手方向にわたり全体的に均一なプラズマの励起を実現し、エネルギー損失を極力抑えた均一なレーザ発光が可能となる。
【００３７】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態では、第１の実施形態で述べたエキシマレーザ発振装置をレーザ光源として有する露光装置（ステッパー）を例示する。図６は、このステッパーの主要構成を示す模式図である。
【００３８】
このステッパーは、所望のパターンが描かれたレチクル１０１に照明光を照射するための光学系１１１と、レチクル１０１を介した照明光が入射して当該レチクル１０１のパターンをウェハ１０２の表面に縮小投影するための投影光学系１１２と、ウェハ１０２が載置固定されるウェハチャック１１３と、ウェハチャック１１３が固定されるウェハステージ１１４とを有して構成されている。
なお、レチクルとしては、図示の如く透過型のもの（レチクル１０１）のみならず、反射型のものも適用可能である。
【００３９】
光学系１１１は、照明光としての高輝度のエキシマレーザー光を発する光源である第１の実施形態のエキシマレーザ発振装置１２１と、光源１２１からの照明光を所望の光束形状に変換するビーム形状変換手段１２２と、複数のシリンドリカルレンズや微小レンズを２次元的に配置されてなるオプティカルインテグレータ１２３と、不図示の切替手段により任意の絞りに切替可能とされ、オプティカルインテグレータ１２３により形成された２次光源の位置近傍に配置された絞り部材１２４と、絞り部材１２４を通過した照明光を集光するコンデンサーレンズ１２５と、例えば４枚の可変ブレードにより構成され、レチクル１０１の共役面に配置されてレチクル１０１の表面での照明範囲を任意に決定するブラインド１２７と、ブラインド１２７で所定形状に決定された照明光をレチクル１０１の表面に投影するための結像レンズ１２８と、結像レンズ１２８からの照明光をレチクル１０１の方向へ反射させる折り曲げミラー１２９とを有して構成されている。
【００４０】
以上のように構成されたステッパーを用い、レチクル１０１のパターンをウェハ１０２の表面に縮小投影する動作について説明する。
【００４１】
先ず、光源１２１から発した照明光は、ビーム形状変換手段１２２で所定形状に変換された後、オプティカルインテグレータ１２３に指向される。このとき、その射出面近傍に複数の２次光源が形成される。この２次光源からの照明光が、絞り部材１２４を介してコンデンサーレンズ１２５で集光され、ブラインド１２７で所定形状に決定された後に結像レンズ１２８を介して折り曲げミラー１２９で反射してレチクル１０１に入射する。続いて、レチクル１０１のパターンを通過して投影光学系１２２に入射する。そして、投影光学系１２２を通過して前記パターンが所定寸法に縮小されてウェハ１０２の表面に投影され、露光が施される。
【００４２】
本実施形態のステッパーによれば、レーザ光源として第１の実施形態のエキシマレーザ発振装置を用いるので、高出力且つ均一なエキシマレーザ光の比較的長時間の発光が可能となり、ウェハ１０２に対する露光を迅速且つ正確な露光量で行なうことができる。
【００４３】
次に、図６を用いて説明した投影露光装置を利用した半導体装置（半導体デバイス）の製造方法の一例を説明する。
【００４４】
図７は、半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、あるいは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造工程のフローを示す。先ず、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なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウェハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウェハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は前工程と称され、上記の如く用意したマスクとウェハを用いて、フォトリソグラフィー技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と称され、ステップ４によって作製されたウェハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンプリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージンク工程（チップ封入）等の工程を含む。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、これが出荷（ステップ７）される。
【００４５】
図８は上記ウェハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウェハ表面に気相反応を用いて導電膜や絶縁膜を形成する。ステップ１３（ＰＶＤ）ではウェハ上に導電膜や絶縁膜をスパッタリングや蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明した投影露光装置によってマスクの回路パターンをウェハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウェハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが終了して不要となったレジストを除去する。これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウェハ上に多重に回路パターンが形成される。
【００４６】
この製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易且つ確実に高い歩止まりをもって製造することが可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、スロットアレイ構造を採用するも、個々のスロットの長手方向にわたり全体的に均一なプラズマの励起を実現し、エネルギー損失を極力抑えた均一なレーザ発光が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態によるエキシマレーザ発振装置の主要構成を示す模式図である。
【図２】導波管におけるスロットの形成部位と導波管の壁面を流れる電流の密度との関係を示す模式図である。
【図３】本実施形態において、スロットから放出されるマイクロ波の強度分布を示す特性図である。
【図４】本実施形態の他の例での導波管におけるスロットの形成部位と導波管の壁面を流れる電流の密度との関係を示す模式図である。
【図５】本実施形態による導波管に形成されたスロットについて、スロット位置と放射エネルギー又は定在波強度との関係を示す特性図である。
【図６】第２の実施形態のステッパーを示す模式図である。
【図７】第２の実施形態のステッパーを用いた半導体デバイスの製造工程のフロー図である。
【図８】図７におけるウェハプロセスを詳細に示すフロー図である。
【図９】従来の導波管において、スロットから放出されるマイクロ波の強度分布を示す特性図である。
【符号の説明】
１  導波管
２  レーザ管
５，６  反射構造体
７  冷却容器
８  レーザガス導入出口
９  冷却水導入出口
１０  スロット
１１  通路
１０１  レチクル
１０２  ウェハ
１１１  光学系
１１２  投影光学系
１１３  ウェハチャック
１１４  ウェハステージ
１２１  エキシマレーザ発振装置
１２２  ビーム形状変換手段
１２３  オプティカルインテグレータ
１２４  絞り部材
１２５  コンデンサーレンズ
１２７  ブラインド
１２８  結像レンズ
１２９  折り曲げミラー
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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