JP2005064391A - 光学部材の冷却方法、冷却装置、露光装置、及び、デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
光学部材を、振動・位置安定性の悪化・面形状の劣化等の外乱を露光に影響させずに効率よくかつ充分に冷却することができ、高精度に回路パターンを露光転写することができてウエハの不良率を低減し、また高性能のウエハを作成することができる光学部材の冷却方法を提供すること。
【解決手段】
この光学部材の冷却方法はＥＵＶ光２ｅが照射される反射ミラー３ａを冷却するための冷却方法であって、非露光時に反射ミラー３ａを冷却するために所定の密閉空間２６ａにエタノール２７が充填された蓄熱体２６を冷却し、露光時に蓄熱体２６を冷却しないことを特徴とする方法である。
【選択図】 図３

Description

本発明は例えばレチクル・ウエハ・反射ミラー等の光学部材を冷却する冷却方法に係り、より具体的には半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド、その他のマイクロデバイスを製造するための露光装置、例えばＥＵＶ光（極紫外光）等の真空紫外光を用いて露光を行う露光装置に用いられる光学部材を冷却する冷却方法、冷却装置、露光装置、及び、その露光装置を用いたデバイス製造方法に関する。

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付け（リソグラフィ）方法として、紫外光を用いた縮小投影露光が行われている。この縮小投影露光においては、転写できる最小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、より微細な回路パターンを転写するために使用す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（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）と、使用される紫外光（紫外線）の波長は短くなってきている。

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では転写可能な寸法に限界が出てきている。そこで０．１μｍ以下の微細な回路パターンの焼付けを効率よく行うために、紫外線よりもさらに波長が短い１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度の波長の極紫外光（ＥＵＶ光）を用いた縮小投影露光装置が開発されている。

ＥＵＶ光の波長領域においては物質による光の吸収率が増大する。例えば、可視光や紫外光の波長領域で一般によく用いられるような光の透過や屈折を利用するレンズ光学系をＥＵＶ光を光源とする光学系として用いると、光学系内でＥＵＶ光が吸収されてしまい充分な光強度が得られない等の様々な問題が生じる。

したがって、ＥＵＶ光を光源とする露光装置では、その光学系として一般に反射光学系が用いられる。この場合、回路パターンが形成された露光投影原版としてのレチクル（マスク）においても、透過型レチクルではなく反射型レチクルが一般に用いられる。この反射型レチクルは、反射ミラー上に吸収体によって転写すべきパターンを形成したものである。

ＥＵＶ光を用いた露光装置を構成する反射型光学素子としては、多層膜ミラーと斜入射全反射ミラーとが用いられる。斜入射ミラーにおいては、ＥＵＶ光の波長領域では屈折率の実部は1より僅かに小さいので、入射角を小さくして反射面に近い角度から斜めにＥＵＶ光を入射する斜入射で用いて反射効率を向上させる。通常、反射面から数度以内の角度の斜入射では数１０％以上の高い反射率が得られる。しかし光学設計上の自由度が小さく、この斜入射全反射ミラーを露光装置の投影光学系に用いることは難しい。

入射角の比較的大きな直入射に近い入射角で用いるＥＵＶ光用のミラーとしては、光学定数の異なる２種類の物質を交互に積層した多層膜ミラーが用いられることが多い。この多層膜ミラーは、精密な面形状に研磨されたガラス基板の表面に例えば厚さ２ｎｍのモリブデン層と厚さ５ｎｍのシリコン層とが交互に２０〜６０層対程度積層されたものである。ここで２種類の物質の層（モリブデン層、シリコン層）の厚さを加えたものを膜周期とよぶ。上記の例では膜周期は２ｎｍ＋５ｎｍ＝７ｎｍとなる。

このような多層膜反射ミラーにＥＵＶ光を入射すると、入射ＥＵＶ光のうち特定の波長のものが反射される。入射角をθ、ＥＵＶ光の波長をλ、膜周期をｄとすると近似的にはブラッグの式、２×ｄ×cosθ＝λ、の関係を満足するようなλを中心とした狭いバンド幅（波長幅）のＥＵＶ光だけが効率よく反射される。このときのバンド幅は０．６ｎｍ〜１ｎｍ程度である。反射されるＥＵＶ光の反射率は最大でも０．７程度であり、反射されなかったＥＵＶ光は多層膜中あるいは基板中に吸収され、そのエネルギーの大部分が熱に変換される。

多層膜反射ミラーは可視光用のミラーに比べて光の損失が大きいので、多層膜反射ミラーをリソグラフィのための露光装置の光学系として用いる際には、ミラーの枚数を最小限に抑えることが望ましい。少ない枚数のミラーで広い露光領域を実現するためには、光軸から一定の距離だけ離れた細い円弧状領域（リングフィールド）の光だけを用いて、レチクルとウエハを同時に走査して広い面積を転写する走査露光（スキャン露光）による方法が行われる。したがって、露光光源にＥＵＶ光を用いた露光装置（ＥＵＶ露光装置）においては、一般に走査露光（スキャン露光）による方法が用いられる。

多層膜反射ミラーで反射されるＥＵＶ光の反射率は最大で０．７程度であり、反射されなかった残りの光は多層膜中又はミラー基板中で吸収されて、そのエネルギーの大部分が熱に変換される。このため、反射ミラー・レチクル・ウエハ等の光学部材にＥＵＶ光を照射した場合、ＥＵＶ光が吸収されてその光学部材が発熱する。同様の理由によって、レチクルチャック・ウエハチャック（以下、これらを総称してチャックという）においても露光光としてのＥＵＶ光を吸収して発熱する場合がある。

ＥＵＶ光は、ガスによって強く吸収される性質を有する。例えば、気圧１０Ｐａの空気中を波長１３ｎｍのＥＵＶ露光装置光が１ｍ伝播すると、その５０％が空気中に吸収されてしまう。ガスによる吸収を避けるためには、ＥＵＶ露光装置光が伝播する空間は少なくとも１０^-1Ｐａ以下、望ましくは１０^-3Ｐａ以下となっている必要がある。さらにＥＵＶ露光装置においては、ＥＵＶ光が照射される光学部材が配置された空間に炭化水素等の炭素を含む分子が残留していた場合、光の照射によって光学部材表面に炭素が次第に付着し、この付着した炭素がＥＵＶ光を吸収するために反射率が低下してしまうという問題がある。この炭素付着を防止するためには、ＥＵＶ光が照射される光学部材が配置される空間の気圧は少なくとも１０^-4Ｐａ以下、望ましくは１０^-6Ｐａ以下となっている必要がある。したがって、ＥＵＶ露光装置においては、略真空環境下に反射ミラー等の光学系、レチクル、ウエハ等が配置されている。そのため、光学部材やチャック等において発生した熱は、周囲環境下に対流熱伝達によって放熱されることが殆どなく、それらの内部に滞留する。

また、チャックは光学部材の平面性を矯正する機能を必要とし、高剛性であることが求められる。走査露光においてステージ上でチャックを移動させる必要があることから、軽量であることも求められる。さらに、熱による形状変化が小さいことが必要であることから、線膨張係数が低いことも求められる。これらの要求から、チャックにはＳｉＣ（シリコンカーバイド），ＳｉＮ（窒化ケイ素），ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等のセラミックス材料が用いられている。
特開平１０−７００５８

しかしながら、ＥＵＶ露光装置に用いられるチャックでは、静電吸着力を充分に確保する観点から必ずしも理想的な低熱膨張材を選定できるという訳ではない。上述のセラミックス材料も比較的低線膨張係数であるものの、その係数値は１〜１０ｐｐｍ程度である。

例えば、０．０１℃の温度上昇の場合、ウエハチャックの半径が１５０ｍｍ、その線膨張係数が３ｐｐｍであるとすると熱膨張による位置ずれが４．５ｎｍとなる。ＥＵＶ露光装置のウエハチャックに要求される位置精度は数ｎｍであるため、熱膨張によって４．５ｎｍの位置ずれが生じると問題となってしまう。

また、投影光学系の反射面の面形状は高精度であることが必要とされる。投影光学系を構成するミラーの枚数をｎ、ＥＵＶ光の波長をλとすると、許容される反射面形状の形状誤差σ（ｒｍｓ値）は、マレシャルの式σ＝λ／（２８×√ｎ）で与えられる。例えば、ミラー枚数ｎ＝４枚、ＥＵＶ光の波長λ＝１３ｎｍの場合は、許容形状誤差σ＝０．２３ｎｍとなる。投影光学系を構成する光学部材の温度が上昇して許容形状誤差を超える面形状の乱れを生じると、投影光学系の結像性能を充分に発揮することができず、解像度の低下やコントラストの低下等を招き、微細なパターンの露光転写が困難となる。

光学部材やチャックは真空中に配置されており、対流熱伝達による周囲環境への放熱冷却は期待できないので、レチクルチャック・ウエハチャック・ミラーホルダ等の保持手段を介してレチクル・ウエハ・反射ミラー等の光学部材を冷却する必要がある。従来、ウエハ・レチクル・反射ミラー等の光学部材は、一定温度の冷却水を循環する冷却手段を設けたレチクルチャック・ウエハチャック・ミラーホルダ等の保持手段に保持されることにより、ＥＵＶ光の吸収によって光学部材に発生した熱が保持手段を介して放熱され、光学部材の温度上昇を低減させるようになっている。

図１１は従来の光学部材の冷却方法を用いた水冷ウエハステージ１０１の概略図である。この水冷ウエハステージ１０１は、リニアモータを用いており、露光装置のウエハステージとして用いられる。Ｙ軸リニアモータ１０２は、電機子ユニットと磁極ユニットとからなる。磁極ユニットは、図中Ｙ軸に対して磁極が交互に異なるように所定間隔で配置された磁石１０３を用いて構成されている。電機子ユニットは、電流を流すためのコイル１０４を用いて構成されている。このコイル１０４を流れる電流と磁石１０３の磁束との相互作用によって生じるローレンツ力を利用して電機子ユニットが固定子として、磁極ユニットが可動子として機能し、粗動ステージ１０５をＹ軸方向へ移動させるようになっている。同様に図示しないＸ軸リニアモータによって、Ｘ軸方向にも粗動ステージ１０５を移動させるようになっている。

粗動ステージ１０５上に配置された微動ステージ１０６は、図中Ｚ軸方向に剛性の低いバネで支持されており、Ｚ軸方向へ可動するリニアモータによって粗動ステージ１０５に対するＺ軸方向への微小な位置決めがなされる。さらに、水冷機構として冷却水循環装置によってウエハチャック１０７内に形成された流路に水を流す構成としている。微動ステージ１０６は、粗動ステージ１０５に対して相対移動する必要があり、また、粗動ステージ１０５はこの水冷ウエハステージ１０１全体を覆う真空容器１０８に対して相対移動する必要がある。したがって、冷却水を循環させるための配管１０９は、冷却水循環装置１１０と粗動ステージ１０５との間、粗動ステージ１０５と微動ステージ１０６との間においてフレキシブルに構成されている。この冷却水循環装置１１０は、一般に真空内で駆動が困難な構成であるので、真空容器１０８外に配置される。また、レチクルにおけるレチクルチャック・レチクルステージもこの水冷ウエハステージ１０１と同様の構成とされている。

図１２は、従来の光学部材の冷却方法を用いた水冷ミラー１２１の概略図である。ミラー１２２は、ピエゾ等のアクチュエータ１２３を介してミラーホルダ１２４に保持されている。このアクチュエータ１２３を駆動することにより、ミラー１２２の姿勢を制御できるようになっている。ミラーホルダ１２４は水冷配管１２５によって冷却される。この水冷配管１２５は、冷却水循環装置１１０に接続されており、その冷却水循環装置１１０から冷却水が供給されるようになっている。

しかしながら、ウエハチャックやレチクルチャックは、剛性の低いバネによってそれぞれ微動ステージに支持されているので、冷却水を流すことによりその流路、配管内で発生する渦や脈動等による振動によってウエハチャック・レチクルチャックの位置安定性が悪化するという問題がある。ミラーの冷却においては、流路、配管内で発生する渦や脈動等による振動によってミラーの位置安定性が悪化するのを防止するために、ミラー内に流路を形成して冷却水を通すのではなく、ミラーホルダ内に冷却水を通している。しかし、ミラーの姿勢制御のためにミラーホルダとミラーとは離間して配置され、接触部分が小さく構成されているのでミラーの冷却が充分に行えないという問題もある。熱歪によるミラー反射面形状の変化を生じてしまったり、ミラーホルダの冷却に伴う振動がミラーに伝達してしまい、ミラーの位置安定性が悪化するという問題もある。

冷却水の代わりにヘリウム等の伝熱ガスを用い、その伝熱ガスを配管中に循環させて冷却を行う方法も考えられる。露光光の吸収に伴う発熱を効率よく冷却し、温度上昇を低減して微動ステージを装置基準温度２３℃に制御するためには、より低い温度のガスをチャックの配管内に流すことが必要となる。しかしながら、ガスは熱容量が小さく、配管温度が高い場合は微動ステージやチャックに到達するまでにガスの温度が上昇してしまい充分な冷却能力を発揮することができないという問題がある。

本発明は上記の事情に鑑みて為されたもので、振動・位置安定性の悪化・面形状の劣化等の外乱を露光に影響させることなくウエハ・レチクル・反射ミラー等の光学部材を効率よく、かつ充分に冷却することができ、その結果、高精度に回路パターンを露光転写することができてウエハの不良率を低減し、また高性能のウエハを作成することができる光学部材の冷却方法、冷却装置、その冷却装置を備えた露光装置、及び、露光装置を用いたデバイス製造方法を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての光学部材の冷却方法は、露光光源光が照射される光学部材を冷却するための光学部材の冷却方法であって、非露光時には光学部材を冷却するために所定の密閉空間に冷媒が充填された蓄熱体を冷却し、露光時には蓄熱体を冷却しないことを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

以上説明したように、本発明によれば、ウエハ・レチクル・反射ミラー等の光学部材を、振動・位置安定性の悪化・面形状の劣化等の外乱を露光に影響させずに効率よくかつ充分に冷却することができる。その結果、高精度に回路パターンを露光転写することができてウエハの不良率を低減し、また高性能のウエハを作成することができる。密閉空間に充填された相変化可能な冷媒を用いて蓄熱を行うので、少ない体積の冷媒でより多くの熱を蓄積することができる。密閉空間内の圧力を制御し、その圧力変動を低減させた場合には、蓄熱体が相変化する際の所定温度を一定に保つことができる。

[実施の形態１]
以下、本発明の実施の形態を図面に基づきつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る光学部材の冷却方法を用いた露光装置１の露光部全体の構成を模式的に示す概略図である。この露光装置１は、露光光源にＥＵＶ光２ｅを用いた走査露光方式の縮小投影露光装置であり、ＥＵＶ光（露光光源光）２ｅを発する光源としてのＥＵＶ光源２・照明光学系３・反射型レチクル（以下、単にレチクルという。）４・レチクルステージ５・レチクルチャック９・投影光学系６・位置測定装置としてのレチクル用レーザ干渉計７ａ及びウエハ用レーザ干渉計７ｂ・ウエハ１２・ウエハ微動ステージ（以下、ウエハステージという。）１３・ウエハチャック１４・アライメント検出手段１５・フォーカス位置検出手段１６・真空系１７等を有して大略構成される。

ＥＵＶ光源２としては、例えばレーザプラズマ光源２ａが用いられる。このレーザプラズマ光源２ａは、励起用パルスレーザ２ｂ、集光レンズ２ｃ、ターゲット供給装置２ｄを有して大略構成される。このレーザプラズマ光源２ａは、真空容器中のターゲット材に励起用パルスレーザ２ｂによって高強度のパルスレーザ光を照射し、高温のプラズマを発生させ、そこから放射される例えば波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光２ｅを利用するものである。

ターゲット材としては金属薄膜・不活性ガス・液滴等が用いられ、ガスジェット等のターゲット供給装置２ｄによって真空容器内に供給される。励起用パルスレーザ２ｂのレーザ照射の繰り返し周波数が高い方が、放射されるＥＵＶ光２ｅの平均強度が高くなり、通常励起用パルスレーザ２ｂは数ｋＨｚの繰り返し周波数で運転される。

照明光学系３は、ＥＵＶ光源２からのＥＵＶ光２ｅを露光原版としてのレチクル４に導くためのものであり、複数の反射ミラー３ａ・オプティカルインテグレータ３ｂ等を有して大略構成される。ＥＵＶ光２ｅが照射されるので、反射ミラー３ａとしては多層膜反射ミラーや斜入射ミラーが用いられる。

初段の集光ミラー３ａ’はＥＵＶ光源２から略等方的に放射されるＥＵＶ光２ｅを集光するためのものである。また照明光学系３におけるレチクル４と共役な位置には、レチクル４の表面にＥＵＶ光２ｅが照明される領域を円弧状に制限するためのアパーチャ３ｃが設けられている。

レチクル４は、ウエハ１２に露光すべき回路パターンが表面４ａに形成された露光原版である。レチクル４は、ウエハ１２上に露光転写すべきパターンを吸収体によってミラー上に多層膜として形成したもので、ＥＵＶ光２ｅを反射する部分と吸収する部分との反射光強度の差によって回路パターンの情報を構成している。レチクル４は、保持手段としてのレチクルチャック９に保持されている。この実施の形態においては、このレチクル４は真空中に配置されているので、静電吸着方式のレチクルチャック９が用いられている。レチクルチャック９は、レチクルステージ５上に載置されている。

このレチクルステージ５は、露光の際にレチクル４を副走査方向（Ｘ１軸方向）に沿って精密に走査移動させるためのものである。レチクルステージ５としては、例えばサーボモータと精密送り機構とによる精密ステージや、リニアモータ等を用いた高精度走査移動及び高精度位置決め機構が用いられる。また、レチクルステージ５には、Ｘ１軸方向（副走査方向）、Ｙ１軸方向（主走査方向）、Ｚ１軸方向（レチクル４の面に垂直な方向）、及び各軸回りの回転方向に微動可能な微動機構（図示せず）が設けられ、レチクル４の精密な位置決めができるようになっている。

レチクルチャック９の位置と姿勢は、レーザ干渉計によって測定される。その位置測定結果に応じて、微動機構によりレチクルステージ５及びレチクルチャック９が移動してレチクル４の高精度な位置調整が行われるようになっているが、詳細は後述する。

投影光学系６は、レチクル４によって反射されたＥＵＶ光２ｅをウエハ１２上に導くための光学系であり、複数のミラー６ａ〜６ｄ及びアパーチャ６ｅを用いて構成される。この投影光学系６においては、ミラー枚数が少ない方がＥＵＶ光２ｅの利用効率が高いが、収差補正が難しくなる。収差補正に必要なミラー枚数は例えば４枚から６枚程度であり、ミラー６ａ〜６ｄの反射面の形状は凸面又は凹面の球面又は非球面である。

ミラー６ａ〜６ｄは、低膨張率ガラスやＳｉＣ（シリコンカーバイド）等の高剛性、高硬度、低熱膨張率の材料からなる基板表面を研削又は研磨して所定の反射面形状を創成した後、その反射面にモリブデン／シリコン等の多層膜を成膜したものである。前述のブラッグの式から明らかなように、膜周期一定の多層膜反射ミラーにおいてはミラー面内の位置によって光の入射角が異なってしまうと高反射率となるＥＵＶ光２ｅの波長もその位置に応じて異なってしまう。そこでミラー面内で一定波長のＥＵＶ光２ｅが効率よく反射されるために、膜周期が分布を持つように構成される。

ウエハ（被処理体）１２はレチクル４からのＥＵＶ光２ｅが照射されてレチクル４表面の回路パターンが表面１２ａに露光されるもので、ウエハステージ１３上に設けられた保持手段としてのウエハチャック１４に保持される。ウエハステージ１３はレチクルステージ５と同様にＸ２軸方向（副走査方向）に高速移動する機構を有している。このウエハステージ１３とレチクルステージ５とは、露光投影の縮小倍率に比例した速度比で同期して走査する走査移動機構を有している。また、ウエハステージ１３にはＸ２軸方向、Ｙ２軸方向、Ｚ２軸方向、及び各軸回りの回転方向に微動可能な微動機構（図示せず）が設けられ、ウエハ１２の精密な位置決めができるようになっている。

ウエハステージ１３の位置と姿勢は、レチクルステージ５の場合と同様に、レーザ干渉計によって測定される。その位置測定結果に応じて、微動機構によりウエハステージ１３及びウエハチャック１４が移動してウエハ１２の高精度な位置調整が行われるようになっている。

レチクル４に対してウエハ１２の位置決めを行うための構成を図２に基づきつつ説明する。図２は、この露光装置１のレチクル４周辺とウエハ１２周辺とを模式的に示す図である。レチクル４の位置はレチクルステージ５上に固定されたレチクルステージミラー５ａの位置をレチクル用レーザ干渉計７ａで測定することによって得られる。このレチクル用レーザ干渉計７ａは、例えば測定光源としてのレーザ光源、検出器としての干渉計を有して構成され、それらは固定手段１０ａによって露光装置１本体に固定されている。また、ウエハ１２の位置はウエハ微動ステージ１３上に固定されたウエハステージミラー１３ａの位置をウエハ用レーザ干渉計７ｂで測定することによって得られる。このウエハ用レーザ干渉計７ｂは、例えば測定光源としてのレーザ光源、検出器としての干渉計を有して構成され、それらは固定手段１０ｂによって露光装置１本体に固定されている。

レチクル４の位置とウエハ１２の位置との相対位置関係が一定となるように、ウエハ微動ステージ１３が駆動制御されて位置調整されるようになっている。ウエハチャック１４としては２つの電極１４ａを有する双極型の静電チャックが用いられ、それによりウエハ１２がウエハチャック１４に静電吸着されるようになっている。

アライメント検出手段１５は、レチクル４の位置と投影光学系６の光軸との位置関係、及びウエハ１２の位置と投影光学系６の光軸との位置関係を検出するためのものである。その検出結果に基づいて、レチクル４の投影像がウエハ１２の所定の位置に一致するようにレチクルステージ５及びウエハ微動ステージ１３の位置と角度とが設定されるようになっている。

フォーカス位置検出手段１６は、ウエハ表面１２ａのフォーカス位置（すなわちＺ２軸方向位置）を検出するためのもので、ウエハ微動ステージ１３の位置及び角度が制御されることにより、露光中のウエハ表面１２ａが、常に投影光学系６による結像位置に保持されるようになっている。

この露光装置１においては、露光光源としてＥＵＶ光源２を用いている。このＥＵＶ光２ｅは、上述のように空気によっても吸収されて光の強度が低下する。したがって、この露光装置１において照明光学系３、レチクル４、レチクルチャック９、投影光学系６、ウエハ１２、ウエハチャック１４を含み、ＥＵＶ光２ｅの光路に相当する部分は、例えば真空ポンプ等の真空系１７によって真空中に配されている。

図３は、この露光装置１に用いられるミラー近傍を拡大して示した模式図である。このミラーとしては、照明光学系３の反射ミラー３ａ、投影光学系６のミラー６ａ〜６ｄのいずれのミラーであっても適用可能であるが、本実施の形態１においては、照明光学系３の反射ミラー３ａを例として説明する。

反射ミラー３ａは保持手段としてのミラーホルダ２５に保持されている。このミラーホルダ２５は、反射ミラー３ａを保持しつつその冷却を行うためのもので、この反射ミラー３ａを冷却するための冷却装置２４が一体に設けられている。この冷却装置２４は、蓄熱体２６、冷媒２７、冷却水を内部に含む冷却配管２８、バルブ２９、バルブ制御装置３０、圧力計３１、ベローズ３２、ベローズ制御手段３３を有して大略構成される。

蓄熱体２６は、熱を蓄積したり放出したりするためのものであり、所定の密閉空間２６ａ内部に所定温度で蒸発する液相としての冷媒（例えばエタノール等）２７が充填されたものである。その所定の空間内部のうち、冷媒２７が占める空間以外の空間部分には、気相としての冷媒２７（例えばエタノール蒸気等）が満たされている。補助冷却手段の一部としての冷却配管２８は、蓄熱体２６を冷却するための冷却水を内部に通すための配管である。その冷却水の流れはバルブ２９によって制御される。反射ミラー３ａの冷却状態等に応じてバルブ制御装置（補助冷却手段制御装置）３０によってバルブ２９が開閉制御されるようになっている。

引用符号３１は、冷媒２７が充填された密閉空間２６ａの内部圧力を計測するための圧力計（圧力計測手段）であり、引用符号３２は、その内部圧力を一定に保つために密閉空間２６ａの空間容積を可変させるベローズである。引用符号３３は、圧力計３１の出力に基づいて、密閉空間２６ａ内部の圧力が一定となるようにベローズ３２の容積を制御するベローズ制御手段（空間容積制御手段）である。

次に、この露光装置１の動作について説明する。

レチクル４がレチクルチャック９に保持され、ウエハ１２が図示しない搬送系から受け渡されてウエハチャック１４に保持され、この露光装置１による露光が開始される。ＥＵＶ光源２からのＥＵＶ光２ｅが照明光学系３を経てレチクル表面４ａに導かれ、その後、投影光学系６を経てウエア表面１２ａに至り、レチクル表面４ａ上に形成された回路パターンをウエハ表面１２ａに転写することによって露光が行われる。

この露光装置１においては、走査露光方式によって回路パターンの露光が行われる。すなわち、アパーチャ３ｃによってスリット状とされたＥＵＶ光２ｅをレチクル表面４ａに照射しつつ、レチクルステージ５とウエハステージ１３とを投影光学系６の縮小倍率に比例した速度比で同期させつつそれぞれＸ１軸方向、Ｘ２Ｘ軸方向に走査移動を行って露光を行う。露光に際しては、アライメント検出手段１５によりレチクル４とウエハ１２とのアライメントが調整され、フォーカス位置検出手段１６によりウエハ１２のフォーカス位置画調整されて、レチクル４上の回路パターンが正確にウエハ１２上へと転写されていく。

ウエハ１２上で１回のスキャン露光（走査露光）が終わると、ウエハステージ１２はＸ２軸方向，Ｙ２軸方向にステップ移動して次の走査露光開始位置に移動する。そして、レチクルステージ５及びウエハステージ１２の走査移動速度が投影光学系６の縮小倍率に比例した速度比となるように、再びそれぞれＸ１軸方向、Ｘ２軸方向への同期走査移動が行われる。

このようにして、レチクル４の縮小投影像がウエハ１２上に結像した状態で、レチクル４とウエハ１２との同期走査露光が繰り返され、レチクル４上の回路パターン像がウエハ１２上に像形成されていく。この一連の動作をステップ・アンド・スキャンといい、このステップ・アンド・スキャンによって、ウエハ全面にレチクルの回路パターンが転写される。

この走査露光において、冷却装置２４による反射ミラー３ａの冷却が行われる様子を図４に基づいて説明する。図４（ａ）は、反射ミラー３ａにＥＵＶ光２ｅが照射されていない状態（非露光時）における冷却装置２４の動作を示し、図４（ｂ）は、反射ミラー３ａにＥＵＶ光２ｅが照射されている状態（露光時）における冷却装置２４の動作を示す。

図４（ａ）に示すように、非露光時にはバルブ制御装置３０がバルブ２９を開き、冷却配管２８内に冷却水を通水することにより蓄熱体２６内の冷媒２７を冷却して蓄熱体２６の温度を所定の温度以下に保つ。図４（ｂ）に示すように、露光時にはバルブ制御装置３０によってバルブ２９が閉じられ、通水による振動等の外乱が露光に影響しないように冷却水を止水している。したがって、蓄熱体２６は冷却水によって冷却されない。ＥＵＶ光２ｅが反射ミラー３ａに照射されることにより反射ミラー３ａが高温となり、反射ミラー３ａに接触している蓄熱体２６にその熱が伝達される。このとき、蓄熱体２６内の冷媒２７の温度が上昇して気液界面より蒸発が開始される。相変化に伴う蒸発熱の吸熱により冷媒２７の熱が奪われて冷媒２７の温度は所定の温度以下に保たれる。その結果、反射ミラー３ａの温度上昇を所定の範囲内に抑えることができる。

また、冷媒２７が蒸発することにより、冷媒２７が充填された密閉空間２６ａの圧力が上昇する。それにより冷媒２７の沸点が上昇し、安定して反射ミラー３ａの冷却を行うことができなくなる。そこで、この実施の形態１においては、密閉空間２６ａの圧力を計測する圧力計３１の出力に基づいて、ベローズ制御手段３３がベローズ３２の容積を制御して密閉空間２６ａの圧力が一定となるように調整する。

蓄熱体２６内の冷媒２７としてエタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）を用い、反射ミラー３ａを２３℃に制御する場合について以下に説明する。量産対応のＥＵＶ露光装置の投影光学系ミラーで最も大きいパワーを受けるのはＥＵＶ光源直下流側１枚目の反射ミラー３ａであり、例えばこの反射ミラー３ａは０．９６Ｗのパワーを吸収する。この反射ミラー３ａが吸収したパワーが全て熱に変換され、蓄熱体２６がその熱を全て蓄熱すると仮定する。このとき、ウエハ１２を交換する際にのみ反射ミラー３ａを冷却することができるとすると、蓄熱体２６は、ウエハ１枚の露光中に照射されるＥＵＶ光２ｅによる総熱量を蓄熱する必要がある。ウエハ１枚の露光時間の合計を３０秒とすると、蓄熱体２６が吸収すべき熱量は、０．９６×３０＝２８．８（Ｊ）となる。エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）の蒸発熱ΔＨは、ΔＨ＝８５４．８（ｋＪ／ｋｇ）であるので、必要な蒸発量は、２８．８／８５４．８＝０．０３３（ｇ）となる。これは、エタノールのモル数に換算すると、０．０３３／４６．０６９＝０．０００７２（ｍｏｌ）となり、標準状態で０．０００７２×２２．４＝０．０１６（ｌ）＝１６０００（ｍｍ^３）となる。エタノールの２３℃における蒸気圧は６９９８（Ｐａ）であるので、２３℃においては、１６０００×（６９９８／１０１３０８）＝２３１２００（ｍｍ^３）の体積となる。これは一辺約６２ｍｍの立方体の体積に相当し、ベローズ３２程度の容積で圧力制御は可能である。

このように構成することにより、振動・位置安定性の悪化・面形状の劣化等の外乱を露光に影響させずに反射ミラー３ａを効率よくかつ充分に冷却することができ、その結果、高精度に回路パターンを露光転写することができてウエハ１２の不良率を低減し、また高性能のウエハ１２を作成することができる。

次に、図５及び図６を参照して、上述の露光装置１を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。図５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を例に説明する。ステップ１（回路設計）ではデバイスの回路設計を行う。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。ステップ３（ウェハ製造）ではシリコンなどの材料を用いてウェハ（被処理体）を製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は前工程と呼ばれ、マスクとウェハを用いてリソグラフィ技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成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）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。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。

図６は、ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。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、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）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、露光装置１によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。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ェハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施例の製造方法によれば従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。

なお、本実施の形態１においては、ミラーホルダ２５に冷却装置２４を設け、反射ミラー３ａを冷却する構成について説明したが、光学部材としてはもちろん反射ミラー３ａに限られるものでなく、レチクル４、ウエハ１２等であってもよい。すなわち、レチクルチャック９に冷却装置２４を設け、レチクル４を冷却する構成であってもよいし、ウエハチャック１４に冷却装置２４を設け、ウエハ１２を冷却する構成であってもよい。もちろんミラーホルダ２５・レチクルチャック９・ウエハチャック１４等の保持手段も光学部材の範疇に属し、これら保持手段の冷却を主目的としてこの冷却装置２４を適用しても何ら差し支えない。

また、この露光装置１の光源はＥＵＶ光に限られることなく、可視光・紫外光・Ｘ線・電子線等露光可能な光源であればいずれでもよいことはもちろんである。すなわち、ＥＵＶ露光装置に限られることなく、ＥＢ露光装置、ＳＲを光源とする等倍露光装置、ＡｒＦやＦ２レーザを光源とする露光装置についても本発明は適用可能である。さらに、この露光装置１の露光方式も本実施の形態にて説明したような走査露光方式（ステップ・アンド・スキャンタイプ）に限られず、ステップ・アンド・リピートタイプの露光方式であってももちろんよい。

また、冷媒２７として所定温度で液相と気相との間で相変化可能なエタノールを用いたが、所定温度で固相と液相との間で相変化する冷媒を用い、その融解熱を利用して冷却を行うものであってももちろんよい。

［実施例］
図７に、本実施の形態１において露光装置１で露光を行いつつ反射ミラー３ａの冷却を行った際の結果を示す。図に示すように、露光が開始されると反射ミラー３ａの温度は若干上昇するものの、蓄熱体２６内のエタノールの蒸発が生じて蓄熱体２６の温度が所定の温度範囲内に保たれるため、反射ミラー３ａの温度は再びその後一定温度となる。

また、露光が開始されると、その熱によりエタノールが蒸発を生じるが、バルブ制御装置３０によってバルブ２９が閉じられて冷却水の通水が停止されているので、ベローズ３２の容積は図に示すように階段状に増加していく。露光が終了すると冷却水が通水されて蓄熱体２６の冷却が開始され、蒸発したエタノールが液体に戻り、ベローズ３２の容積は初期状態へと戻る。

図７に示すように、この実施の形態１の構成によれば、露光時に反射ミラー３ａの熱を蓄熱体２６に蓄熱し、非露光時に蓄熱体２６を冷却するようにしたので、露光時に反射ミラー３ａに振動、位置安定性、形状安定性に影響するような外乱を与えずに、その温度上昇を所定範囲内に抑えることができて、より高精度な露光が可能となることがわかる。

[実施の形態２]
図８に、本発明の実施の形態２に係る光学部材の冷却方法を用いた露光装置の反射ミラー近傍を拡大した図を示す。なお、実施の形態１と同様の構成については、同様の引用符号を付し、その説明を省略する。

図８において、引用符号１９は反射ミラー３ａの表面温度を計測する温度センサ（温度計測手段）である。この温度センサ１９によって反射ミラー３ａの温度計測を行いながら、その温度が一定となるようにベローズ３２の容積を制御する。密閉空間２６ａ内の圧力を下げることにより冷媒２７の沸点が下がり、冷媒２７はより多く蒸発するようになる。それにより、冷媒２７の温度を低下させることができる。また、ベローズ３２の容積を増加させることにより密閉空間２６ａ内の気体（すなわち冷媒２７がガス化したもの）が断熱膨張し、気体の温度も低下させることができる。

一方、同様の理由から、密閉空間２６ａ内の圧力を上昇させることにより蓄熱体２６の温度を上昇させることも可能である。密閉空間２６ａの圧力を制御することにより冷媒２７の温度制御が可能となり、ひいては反射ミラー３ａの温度制御が可能となる。この実施の形態２の構成によれば、反射ミラー３ａの温度計測結果に基づきつつ密閉空間２６ａの圧力を制御することにより、振動・位置安定性の悪化・面形状の劣化等の外乱を露光に影響させずに反射ミラー３ａを効率よくかつ充分に冷却することができる。その結果、高精度に回路パターンを露光転写することができてウエハ１２の不良率を低減し、また高性能のウエハ１２を作成することができる。

［実施の形態３］
図９に、本発明の実施の形態３に係る光学部材の冷却方法を用いた露光装置の反射ミラー近傍を拡大した図を示す。なお、実施の形態１と同様の構成については、同様の引用符号を付し、その説明を省略する。

図９において、引用符号１１ａはペルチェ素子であり、引用符号１１ｂはペルチェ素子を温度制御するペルチェ制御装置（駆動手段）である。この構成においては、露光時には温度センサ１９の計測値に基づきつつペルチェ制御装置１１ｂがペルチェ素子１１ａの駆動制御を行って反射ミラー３ａを冷却し、反射ミラー３ａの温度上昇が所定範囲内となるようにされている。ペルチェ素子１１ａの排熱は蓄熱体２６に蓄積されるようになっている。その他の構成及び動作については、実施の形態１と略同様である。

この構成によれば、反射ミラー３ａに温度センサ１９とペルチェ素子１１ａとを設け、温度センサ１９の計測値に基づきつつペルチェ素子１１ａの駆動制御を行うことにより、振動・位置安定性の悪化・面形状の劣化等の外乱を露光に影響させずに反射ミラー３ａを効率よくかつ充分に冷却することができる。その結果、高精度に回路パターンを露光転写することができてウエハ１２の不良率を低減し、また高性能のウエハ１２を作成することができる。

［実施の形態４］
図１０に、本発明の実施の形態４に係る光学部材の冷却方法を用いた露光装置のウエハ近傍を拡大した図を示す。なお、実施の形態１と同様の構成については、同様の引用符号を付し、その説明を省略する。本実施の形態４は、この発明をウエハの冷却に適用したものである。

図１０において、引用符号１２はウエハ、引用符号１４はウエハチャック、引用符号１３はウエハチャック１４を載置し、図示しない駆動手段により走査駆動されるウエハステージである。冷却プレート３５は、ウエハステージ１３の走査移動経路中であってウエハ１２を交換する際にウエハステージ１３が停止する位置に対応して設けられ、ウエハ１２の交換時にはウエハステージ１３と接触するようになっている。冷却プレート３５内には冷却水が通水されている。蓄熱体２６はウエハステージ１３に設けられており、ウエハ１２の交換時には冷却プレート３５と接触するようになっている。

露光中はＥＵＶ光２ｅの吸収による熱が蓄熱体２６に蓄積され、ウエハ１２の温度が所定温度範囲内となるように制御されている。露光が終了し非露光時となると、ウエハ１２交換のためにウエハステージ１３が移動し、冷却プレート３５と接触する位置で停止する。このとき冷却プレート３５によって蓄熱体２６が冷却され、蓄熱体２６の温度を低下させる。この実施の形態４における蓄熱方法、冷媒２７が充填された密閉空間２６ａの圧力制御、ウエハ１２やウエハチャック１４の温度制御等については、実施の形態１〜３に記載のいずれの方法を適用することも可能である。

この構成によれば、ウエハステージ１３にウエハ１２やウエハチャック１４の熱を蓄積する蓄熱体２６を設けて露光時に生じる熱を蓄積し、ウエハ１２の交換時にウエハステージ１３及び蓄熱体２６が冷却プレート３５と接触して蓄熱体２６を冷却するので、振動・位置安定性の悪化・面形状の劣化等の外乱を露光に影響させずに反射ミラー３ａを効率よくかつ充分に冷却することができる。その結果、高精度に回路パターンを露光転写することができてウエハ１２の不良率を低減し、また高性能のウエハ１２を作成することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。

本発明の実施の形態１に係る光学部材の冷却方法を用いた露光装置の露光部全体の構成を模式的に示す概略図である。 図１に示す露光装置のレチクル周辺とウエハ周辺とを模式的に示す図である。 図１に示す露光装置に用いられるミラー近傍を拡大して示した図である。 走査露光において、冷却装置によるミラーの冷却行われる様子を説明する図であって、（ａ）は、ミラーに光が照射されていない状態（非露光時）における冷却装置の動作を示し、（ｂ）は、ミラーに光が照射されている状態（露光時）における冷却装置の動作を示す。 図１に示す露光装置による露光工程を有するデバイス製造方法を説明するためのフローチャートである。 図５に示すステップ４の詳細なフローチャートである。 実施の形態１において露光装置で露光を行いつつミラーの冷却を行った際のミラー温度、ベローズ容積の変化を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る光学部材の冷却方法を用いた露光装置の反射ミラー近傍を拡大した図である。 本発明の実施の形態３に係る光学部材の冷却方法を用いた露光装置の反射ミラー近傍を拡大した図である。 本発明の実施の形態４に係る光学部材の冷却方法を用いた露光装置のウエハ近傍を拡大した図である。 従来の光学部材の冷却方法を用いた水冷ウエハステージの概略図である。 従来の光学部材の冷却方法を用いた水冷ミラーの概略図である。

符号の説明

１：露光装置
２ｅ：ＥＵＶ光（露光光源光）
３ａ：反射ミラー（光学部材）
４：反射型レチクル
５：レチクルステージ
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ：ミラー
９：レチクルチャック
１１ａ；ペルチェ素子
１１ｂ：ペルチェ制御装置（駆動手段）
１２：ウエハ（被処理体）
１３：ウエハ微動ステージ
１４：ウエハチャック（保持手段）
１９：温度センサ（温度計測手段）
２４：冷却装置
２５：ミラーホルダ（保持手段）
２６：蓄熱体
２６ａ：密閉空間
２７：冷媒
２８：冷却配管（補助冷却手段の一部）
３０：バルブ制御装置（補助冷却手段制御装置）
３１：圧力計（圧力計測手段）
３２：ベローズ
３３：ベローズ制御手段
３５：冷却プレート

Claims (15)

1. 露光光源光が照射される光学部材を冷却するための光学部材の冷却方法であって、
   非露光時には前記光学部材を冷却するために所定の密閉空間に冷媒が充填された蓄熱体を冷却し、露光時には該蓄熱体を冷却しないことを特徴とする光学部材の冷却方法。
2. 前記冷媒が所定温度において相変化可能であり、かつ前記露光時には前記冷媒の相変化に伴う吸熱により前記光学部材を冷却することを特徴とする請求項１に記載の光学部材の冷却方法。
3. 前記相変化が、液相と気相との間の相変化であることを特徴とする請求項２に記載の光学部材の冷却方法。
4. 前記相変化が、固相と液相との間の相変化であることを特徴とする請求項２に記載の光学部材の冷却方法。
5. 前記密閉空間の空間容積が可変であることを特徴とする請求項１に記載の光学部材の冷却方法。
6. 前記密閉空間内の圧力を圧力計測手段によって計測しつつその計測値に基づいて該密閉空間の空間容積を制御することを特徴とする請求項５に記載の光学部材の冷却方法。
7. 前記光学部材の温度を温度計測手段によって計測しつつその計測値に基づいて該密閉空間の空間容積を制御することを特徴とする請求項５に記載の光学部材の冷却方法。
8. 露光光源光が照射される光学部材を冷却するために所定の密閉空間に所定温度において相変化可能な冷媒が充填されて構成された蓄熱体と、
   該蓄熱体を冷却する補助冷却手段と、
   非露光時に前記補助冷却手段が前記蓄熱体を冷却し、かつ、露光時に前記補助冷却手段が該蓄熱体を冷却しないように該補助冷却手段を制御する補助冷却手段制御装置と、
   を備えたことを特徴とする光学部材の冷却装置。
9. 前記密閉空間に液相及び気相の前記冷媒が充填されていることを特徴とする請求項８に記載の光学部材の冷却装置。
10. 前記密閉空間に固相及び液相の前記冷媒が充填されていることを特徴とする請求項８に記載の光学部材の冷却装置。
11. 前記密閉空間の圧力を計測する圧力計測手段と、該圧力計測手段による計測結果に基づいて該密閉空間の空間容積を制御する容積制御手段とを備えたことを特徴とする請求項８に記載の光学部材の冷却装置。
12. 前記光学部材の温度を計測する温度計測手段と、該温度計測手段による計測結果に基づいて該密閉空間の空間容積を制御する容積制御手段とを備えたことを特徴とする請求項８に記載の光学部材の冷却装置。
13. 前記光学部材から吸熱を行うとともに前記蓄熱体に排熱を行うペルチェ素子と、非露光時に前記ペルチェ素子を駆動するとともに露光時に該ペルチェ素子を非駆動とする駆動手段とを備えたことを特徴とする請求項８に記載の光学部材の冷却装置。
14. 露光光源と、
    該露光光源より発せられた光源光を被処理体に導くための光学部材と、
    該光学部材の冷却装置とを有し、
    該光学部材の冷却装置が、前記露光光源光が照射される光学部材を冷却するために所定の密閉空間に所定温度において相変化可能な冷媒が充填されて構成された蓄熱体と、
    該蓄熱体を冷却する補助冷却手段と、
    非露光時に前記補助冷却手段が前記蓄熱体を冷却し、かつ、露光時に前記補助冷却手段が該蓄熱体を冷却しないように該補助冷却手段を制御する補助冷却手段制御装置と、
    を備えていることを特徴とする露光装置。
15. 請求項１４に記載の露光装置によって前記被処理体を投影露光する工程と、前記投影露光された被処理体に所定のプロセスを行う工程とを有するデバイスの製造方法。

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