[发明专利]紫外激光装置以及使用该紫外激光装置的曝光装置和曝光方法

说明书

本发明涉及激光装置，特别涉及如在制造半导体元件、液晶显示元件、摄象元件(CCD等)，以及薄膜磁头等的微型部件的光刻工艺中使用的曝光装置用光源那样，可以发生能用低相干性抑制斑点的发生的紫外光的激光装置以及使用这种紫外激光装置的曝光装置。

随着信息机器的进步，要求半导体集成电路充实功能、提高存储容量、小型化，因此需要提高集成电路的集成度。为了提高集成度就应该减小各个电路图案，但电路的最小结构尺寸，一般由在制造过程中使用的曝光装置的性能决定。

光刻采用的曝光装置，是把精确描绘在光掩模上的电路图案，用光学方法缩小投影在涂布了光刻胶的半导体晶片上转印。在该曝光时的晶片上的最小图案尺寸(析象度)R，根据在曝光装置中用于投影的光源的波长λ、投影光学系统的数值孔径NA由下式(1)表示，另外焦深DF由下式(2)表示。

R=K·λ/NA           ……(1)

DF=λ/{2·(NA)²}     ……(2)

从上式(1)可知，为了减小最小图案尺寸R，有减小其常数K、增大数值孔径NA、减小投影光源的波长λ的3种办法。

其中常数K是由投影光学系统和工艺决定的常数，通常取0.5～0.8的值。减小该常数K的方法，被称为广泛意义上的超析象技术。以前，已有投影光学系统的改良、变形照明、相移掩模法等提案和研究。但是，存在在可以适用的图案方面有限制的难点。另一方面，数值孔径NA从式(1)可知其值越大可以使最小图案尺寸R越小，但从式(2)可知这意味着焦深变浅了。因此，NA值增大也受到限制，通常从兼顾这两者出发设置0.5～0.6的程度比较合适。

因而，使最小图案尺寸R减小的最简单最有效的方法是缩短用于曝光的光的波长λ。在此配合实现短波化，在制造曝光装置的光源方面有几个应该具备的条件。以下说明这些条件。

作为第1条件，要求数瓦的光输出。这是为了保持短的集成电路图案的曝光、转印所需要的时间所必须的。

作为第2条件，在波长300nm以下的紫外光的情况下，可以作为曝光装置的透镜使用的材料受到限制，颜色象差难以修正。因此需要光源的单色性，要求光谱的线宽度在1pm以下。

作为第3条件，因为伴随该光谱线宽度的窄带化时间性相干(干涉性)增高，所以如果直接照射窄线宽的光，则产生被称为斑点的不需要的干涉图案。因而为了抑制该斑点发生，需要在光源中降低其空间相干性。

为了满足这些条件，实现高析象度，对曝光光源的短波化已开发了很多方案。此前研究短波化的方向主要分为以下2种。其一，是把激光器的振荡波长自身是短波的准分子激光器适用于曝光装置的开发，再一，是利用发生红外或者可见光激光的高次谐波的短波长曝光光源的开发。

其中，作为使用前一方法已实用化的短波光源，使用KrF准分子激光器(波长248nm)，现在进一步开发使用ArF准分子激光器(波长193nm)作为短波长的光源的曝光装置。但是，存在这些准分子激光器体积大，由于每一脉冲的能量大容易发生光学部件损伤，以及因为使用有毒的氟气所以激光器的维护复杂并且费用高昂等问题。

另外作为后一方法，有利用非线性光学晶体的2次非线性光学效果，把长波长的光(红外光、可见光)变换为更短波长的紫外光的方法。例如在「Longitudinally diode pumped continuous wave 3.5W greenlaser(L.Y.Liu，M.Oka，W.Wiechmann and S.Kubota，OpticsLetters，vol.19(1994)，p189)」中，揭示了波长变换来自半导体激发的固体激光器的光的激光源。在此以往例中记述了，Nd：用非线性光学晶体波长变换YAG激光器发出的1064nm的激光，产生4倍高次谐波的266nm的光的方式。进而，所谓固体激光器，是激光介质是固体的激光器的总称。因而从广义上讲，半导体激光器也包含在固体激光器中，而通常所说的固体激光器，是指例如Nd：如YAG激光器和红宝石激光器那样用光激发的固体激光器，在此也那样区分。

另外，在使用固体激光器作为曝光装置的光源的例子中，提出了把由发生激光的激光发生部分，和将来自该激光发生部分的光波长变换为紫外光的波长变换部分构成的激光器要素，捆扎多个矩阵形状的阵列激光器的提案。例如，在特开平8-334803号公报中，揭示了用设置在波长变换部分上的非线性光学晶体波长变换来自具备半导体激光器的激光发生部分的光，把发生紫外光的一个激光器要素捆扎成多条矩阵形状(例如10×10)作为一个紫外光源的阵列激光器的例子。