JP4965829B2 - 真空用露光装置 - Google Patents

Description

本発明は真空雰囲気で露光を行う露光装置において用いられる計測装置に関するものである。特に、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）光を露光光とする露光装置におけるウエハアライメント計測装置およびウエハフォーカス計測装置に関するものである。

従来、半導体メモリや論理回路などの微細な半導体素子を製造するための焼き付け（リソグラフィー）方法として、紫外線を用いた縮小投影露光が行われてきた。

縮小投影露光で転写できる最小の寸法は転写に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数に反比例する。このため微細な回路パターンを転写するためには用いる光の短波長化が進められ、水銀ランプｉ線（波長３６５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）と、用いられる紫外光の波長は短くなってきた。

しかし半導体素子は急速に微細化しており、紫外光を用いたリソグラフィーでは限界がある。そこで４２ｎｍ以下の回路パターンを効率よく焼き付けるために、紫外線よりも更に波長が短い波長１０〜１５ｎｍ近傍のＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）光を用いた露光装置の使用が提案されている。

波長１０〜１５ｎｍ近傍の光は物質による吸収が非常に大きくなるので、可視光や紫外光で用いられるような光の屈折を利用したレンズ光学系は実用的ではなく、ＥＵＶ光を用いた露光装置では反射光学系が用いられる。この場合、レチクルもミラーの上に吸収体によって転写すべきパターンを形成した反射型レチクルが用いられる。

さらにＥＵＶ光は通常の大気中では吸収され減衰するため、真空中で使用する必要がある。そこで露光装置は内部を真空雰囲気とした真空チャンバー内に構成される。

このような真空チャンバー内では、チャンバー内の電子機器の使用が制限される。たとえば、電子機器は真空内で動作不良を起こすことがあり、電気回路に用いられるはんだは真空内で汚染物質を放出しうるためである。

特許文献１には、露光装置において、ウエハをマスクに対して位置合わせするためのアライメントシステムの部品の一部を真空チャンバーの外に配置することが開示されている。部品の一部として、レーザーモジュール、光検出装置などが挙げられている。
特開２００１−２１７１９１号公報 特開２０００−２２７３５８号公報

特許文献１のようにアライメント光学系の部品の一部を真空チャンバー外に配置すると、装置の構成は大きな制限を受けてしまう。また一般に真空対応の計測装置は通常の計測装置に比べて精度が劣るため、これらの装置を用いることも適切ではない。

本発明は上述の点を考慮してなされたものであり、真空用露光装置においてアライメント光学系やフォーカス光学系を好適に使用することを目的とする。

本発明は、露光装置であって、真空チャンバーと、前記真空チャンバーの内部に配置され、基板の位置および高さの少なくともいずれかを計測するための計測光学系と、前記計測光学系の少なくとも一部を密封して覆うカバーと、前記カバーに接続され、前記カバー内に気体を供給および排出するための配管と、前記配管を介して前記カバー内に供給または排出される気体の量を制御することによって前記カバー内の圧力を制御する圧力制御手段と、を備え、前記カバーには、計測のための光を透過するための透明板が設けられ、前記圧力制御手段は、前記カバー内の圧力変動を抑え、かつ、前記カバー内外に所定の圧力差が生じるように前記気体の量を制御し、前記計測光学系は、前記圧力差によって前記透明板が変形することによって生じる収差を補正するように構成されることを特徴とする。

本発明によれば、真空用露光装置においてアライメント光学系やフォーカス光学系を好適に使用することができる。

（実施例１）
本発明が適用される露光装置について図１を参照しつつ説明する。露光装置１００は発光部１０１と、照明光学系１０２と、レチクルステージ１０３と、投影光学系１０４と、ウエハステージ１０５と、これらを覆う真空チャンバー１０６等を備える。

発光部１０１は、ターゲット供給手段１０７と、励起用パルスレーザー照射手段１０８などを備える。真空チャンバー１０６内に供給されたターゲット材にパルスレーザーを集光レンズ１０９を介して照射させることによって、高温のプラズマ１１０を発生させてＥＵＶ光を放射させることができる。ターゲット材として、金属薄膜、不活性ガス、液滴などが用いられる。ターゲット照射手段１０７として例えばガスジェットが用いられる。放射されるＥＵＶ光の平均強度を高くするために、パルスレーザーの繰り返し周波数は高い方がよく、通常は数ｋＨｚの繰り返し周波数で運転される。

照明光学系１０２は、複数のミラー１１１（多層膜ミラーまたは斜入射ミラー）と、オプティカルインテグレータ１１２等を備える。複数のミラー１１１のいずれかによって、放射されたＥＵＶ光を集光する。オプティカルインテグレータ１１２は、レチクル（マスク）を均一に所定の開口数で照明するために設けられる。また照明光学系のレチクルと共役ない位置には、レチクルを照明する領域を円弧状にするためのアパーチャ１１３が設けられる。

レチクルステージ１０３とウエハステージ１０５は縮小倍率に比例した速度比で同期して走査する機構をもつ。ここで走査方向をＸ方向、レチクルおよびウエハ面に垂直な方向をＺ方向、Ｘ方向およびＺ方向と垂直な方向をＹ方向とする。

レチクルステージ１０３はレチクルチャック１１４を備え、レチクルチャック１１４によってレチクル１１５を保持する。またレチクルステージ１０３はＸ方向に長ストロークで移動するための駆動手段を備える。またＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、および各軸の回りの回転方向に短ストロークで移動するための駆動手段を備える。このように粗動機構と微動機構を備えることにより、レチクル１１５を高精度に位置決めできるようになっている。レチクルステージ１０３の位置および姿勢（傾き）はレーザ干渉計によって計測され、計測結果にもとづいて位置および姿勢が制御される。

投影光学系１０４は複数のミラー１１６を備える。ミラーの枚数は少ない方がＥＵＶ光の利用効率が高いが、少ないと収差補正が難しくなる。収差補正に必要なミラー枚数は４枚から６枚程度である。ミラーの反射面の形状は凸面または凹面の球面または非球面である。開口数ＮＡは０．１〜０．３程度である。

ミラーとして、低膨張率ガラスやシリコンカーバイド等の剛性と硬度が高く、熱膨張率が小さい材料が用いられる。材料となる基板を、研削および研磨して所定の反射面形状にした後、反射面にモリブデンやシリコンなどの多層膜を成膜したものである。ミラー面内の場所によって入射角が一定でない場合、膜周期が一定である多層膜では場所によって反射率が高くなりＥＵＶ光の波長がずれてしまう。そこでミラー面内で同一の波長のＥＵＶ光が効率よく反射されるように膜周期に分布を持たせている。

ウエハステージ１０５はウエハチャック１１７を備え、ウエハチャック１１７によってウエハ１１８を保持する。ウエハステージ１０５はＸ方向およびＹ方向に長ストロークで移動するための駆動手段を備える。またＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、および各軸の回りの回転方向に短ストロークで移動するための駆動手段を備える。このように粗動機構と微動機構を備えることにより、ウエハを高精度に位置決めできるようになっている。ウエハステージ１０５の位置および姿勢（傾き）はレーザ干渉計によって計測され、計測結果にもとづいて位置および姿勢が制御される。

発光部１０１から放射されたＥＵＶ光がウエハ１１８に導光されるまでの間に、ＥＵＶ光が減衰しないように、真空チャンバー内の圧力は１０^−５〜１０^−４Ｐａに維持される。

上述のような露光装置において、ウエハ１１８とレチクル１１５間、またはウエハ１１８に形成された複数の露光ショット間で位置合わせを行うためのアライメント光学系１１９を備える。また、レチクルのパターンの焦点位置にウエハを合わせるためのフォーカス光学系１２０を備える。

図２はアライメント光学系１１９を示す図である。アライメント光学系１１９は光源１５と、光源１５から照射される光をウエハまで導光するための導光手段１９と、レンズ１４，１８と、ＣＣＤカメラ（撮像素子）１３等を備える。アライメントはオフアクシス方式で行われる。光源１５としてはＬＥＤが用いられ、光源の周辺にはレンズ１７と、電気ボード１６が設けられる。

２枚のレンズを接着材で貼り合わせたレンズ対１４と単レンズ１８は、ウエハ１１８上に形成されたアライメントマークの像を撮像素子に結像するために用いられる。

本実施例において、上述のＣＣＤカメラ１３、レンズ対１４、光源１５はそれぞれ気密カバー１内に配置される。気密カバーには気体を供給するための供給管４と、気体を排出するための排出管５が接続され、大気環境が維持できるようになっている。また、気密カバー１内のＣＣＤカメラ１３等の電子機器に電力を供給するための電力線６と、信号を送受信するための信号線７が接続されている。これらの電力線や信号線は供給管や排出管に配置することも可能である。

気密カバー１は、筐体部２と、検出する光が透過できるように透明板３等を備える。透明板３はたとえばガラスによって構成される。また筐体部２と透明板３で形成される空間を密封（シール）するためにＯリングやガスケット等が設けられる。レンズ対を配置する気密カバーには、レンズ対に光が入射する部分と射出する部分の二箇所に透明板３が設けられる。

上述のようなシール機構を設けた場合であっても、一ヶ月を超えるような使用に際しては気密カバー１内の気体が少しずつ漏れてしまうおそれがある。気密カバー１内の気体が漏れると、気密カバー１内外における圧力差が変化してしまう。圧力差が変化することによって、圧力差によって生じる透明板３の変形量が変化してしまう。

透明板３の変形量が変化してしまうと、透明板３を透過した光の結像性能が変化してしまう。具体的には、歪曲収差や像面湾曲、コマ収差が発生してしまい、アライメントやフォーカスの検出精度が悪くなってしまう。透明板３の厚さを厚くして変形量を抑える方法もあるが、実際の設計においては厚さには制限がある。

本実施例では、圧力制御手段（図中の制御手段８）によって供給管４と排出管５によって出し入れする気体の量を制御することによって、気密カバー１内の圧力変動を抑えることができる。ここで、気密カバー内に圧力センサを設けて直接圧力を検出してもよい。また、温度制御手段（図中の制御手段８）によって出し入れする気体の温度を制御することで、ＣＣＤカメラ等の電子機器の発熱による温度上昇を抑えることができる。

さらに、透明板３の変形量を求めて、変形による収差を打ち消すようにレンズの設計を行う。変形量を求める方法としては、有限要素法等のシミュレーションによって求めてもよいし、実験を行ってレーザー干渉計等の計測手段で直接計測してもよい。レンズの設計は、具体的にはレンズの曲率、レンズの厚さ、使用する材料等を変えることによって収差を変えることができる。

本実施例によれば、電子機器が気密カバー１内に配置されており、電子機器を構成する部材から放出される汚染物質やガスによる真空雰囲気の劣化を低減することができる。たとえば電子回路のはんだ等は汚染物質の発生原因となるため、電子回路を気密カバー内に配置するとよい。また真空に起因する電子機器の動作不良を防ぐことができる。真空対応の電子機器は一般に、通常の電子機器と比べて性能が低いため、本実施例により性能の向上も期待できる。

また、本実施例ではレンズ対１４を気密カバー内に配置することで接着によってレンズを張り合わせることができる。複数のレンズを張り合わせることによって、アライメント光学系の色収差を効果的に補正することができる。

（実施例２）
図３を参照しつつ、上述の気密カバーをフォーカス光学系に適用した例を説明する。実施例１と同様の符号が付されているものについて説明を省略する箇所については実施例１と同様であるものとする。

フォーカス光学系１２０は、光源２１と、複数のスリット状のマーク２２と、シリンドリカルミラー２３と、ＣＣＤカメラ（撮像素子）２４等を備える。

光源２１としてＬＥＤが用いられる。光源から照射された光はスリットを透過し、ウエハ１１８の表面で反射されて撮像素子にマークが結像される。このような構成で、ウエハをウエハステージで光軸方向に駆動しながら投影光学系の焦点位置にウエハを合わせ込む。

このようなフォーカス光学系において、光源２１およびＣＣＤカメラ２４は気密カバー１内に配置される。気密カバー１の構成については実施例１と同様であるため詳細な説明を省略する。

（デバイス製造方法の例）
次に、図４及び図５を参照して、上述の露光装置を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図４はデバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造方法を例に説明する。

ステップＳ１（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Ｓ２（マスク製作）では設計した回路パターンに基づいてマスクを製作する。ステップＳ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップＳ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、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。ステップＳ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップＳ４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Ｓ６（検査）では、ステップＳ５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、それが出荷（ステップＳ７）される。

図５は、ステップ４の上はプロセスの詳細なフローチャートである。ステップＳ１１（酸化）では、ウエハの表面を酸化させる。ステップＳ１２（ＣＶＤ）では、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。ステップＳ１４（イオン打ち込み）では、ウエハにイオンを打ち込む。ステップＳ１５（レジスト処理）では、ウエハに感光剤を塗布する。ステップＳ１６（露光）では、露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに露光する。ステップＳ１７（現像）では、露光したウエハを現像する。ステップＳ１８（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Ｓ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。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が形成される。

露光装置を示す図 実施例１におけるアライメント検出系を示す図 実施例２におけるフォーカス検出系を示す図 デバイス製造方法を示すフローチャート図 図４におけるウエハプロセスを示す図

符号の説明

１ 気密カバー
３ 透明板
４ 供給管
５ 排出管
８ 制御手段
１３，２４ ＣＣＤカメラ
１４ レンズ対
１５，２１ 光源

Claims (6)

1. 露光装置であって、
   真空チャンバーと、
   前記真空チャンバーの内部に配置され、基板の位置および高さの少なくともいずれかを計測するための計測光学系と、
   前記計測光学系の少なくとも一部を密封して覆うカバーと、
   前記カバーに接続され、前記カバー内に気体を供給および排出するための配管と、
   前記配管を介して前記カバー内に供給または排出される気体の量を制御することによって前記カバー内の圧力を制御する圧力制御手段と、を備え、
   前記カバーには、計測のための光を透過するための透明板が設けられ、
   前記圧力制御手段は、前記カバー内の圧力変動を抑え、かつ、前記カバー内外に所定の圧力差が生じるように前記気体の量を制御し、
   前記計測光学系は、前記圧力差によって前記透明板が変形することによって生じる収差を補正するように構成されることを特徴とする露光装置。
2. 前記カバー内に供給される気体の温度を制御する温度制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記光学系の少なくとも一部が撮像素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
4. 前記光学系の少なくとも一部が計測光を照射する光源であることを特徴とする請求項１〜３の少なくともいずれかに記載の露光装置。
5. 前記光学系の少なくとも一部が複数のレンズを接着したレンズ群であることを特徴とする請求項１〜４の少なくともいずれかに記載の露光装置。
6. 請求項１〜５の少なくともいずれかに記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、露光された基板を現像する工程とを備えることを特徴とするデバイス製造方法。

Images