JP2005268324A - 温度調節装置、露光装置及びデバイスの製造方法 - Google Patents

温度調節装置、露光装置及びデバイスの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】チャンバ部内が汚染されることを防止し、かつ、装置コストを低減することができる温度調節装置、露光装置及びデバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】露光装置本体を収容するチャンバ25内には、チャンバ25内の温度調節を行う温度調節装置60が設けられている。温度調節装置60は、チャンバ25内に外部から取り込んだ空気を冷却した後、冷却した空気を暖めて、所定の温度に調整する空調部62と、冷却時及び加熱時に空調部62の温度を制御する温度制御部61とを備えている。該温度制御部61は、外部から取り込んだ空気に含まれる水蒸気量よりも多い飽和水蒸気量となる温度、即ち、露点温度より大きい温度で空気を冷却するように冷却時における空調部62の温度を制御する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、露光装置本体を収容するチャンバ内の温度調節を行う温度調節装置、該温度調節装置を備えた露光装置、及びその露光装置を利用したデバイスの製造方法に関するものである。
従来、温度が一定に保たれた環境下での稼働が要求される露光装置は、露光装置本体が収容されるチャンバ内の温度を調節するために冷却器及び電熱器を有する温度調節装置を備えている。温度調節装置は、その冷却器により、チャンバ外の周囲から取り込んだ空気を約零度近くの温度まで一旦冷却した後、その一旦冷却した空気を電熱器により所定温度になるように加熱して、チャンバ内に供給するようにしていた。そして、冷却器が空気を約零度近くの温度まで急激に冷却する際には結露が生じるので、その結露した水については、排水管を介してチャンバ外へ排出していた(例えば、特許文献1)。
特開平9−82623号公報(段落番号[0018]〜段落番号[0024])
しかし、排水管は外部の工場排水路に繋がっているため、不純物を含んだガスが配水管を介してチャンバ内に流入する可能性があった。そのため、チャンバ内に流入した不純物が露光光により活性化され、レンズ等の光学素子に付着して吸光現象(曇り)を生じさせるという虞があった。また、結露水が少量の場合には、その少量の結露水を排水管を介してチャンバ外へ流出させるために、多量の水を給水管等から排水管へ供給して流さなくてはならないので、水の消費量及び給水管の設備費等が嵩んで装置コストを上昇させる原因となっていた。
この発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、チャンバ内が汚染されることを防止し、かつ、装置コストを低減することができる温度調節装置、露光装置及びデバイスの製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、温度調節装置に係る請求項1に記載の発明は、露光装置本体を収容するチャンバ内に外部から取り込んだ空気を冷却した後、冷却した空気を加熱して、所定の温度に調整する空調部を備えた温度調節装置において、外部から取り込んだ空気に含まれる水蒸気量よりも多い飽和水蒸気量となる温度で冷却するように冷却時における空調部の温度を制御する温度制御部を有することを要旨とする。
従って、請求項1に記載の発明によれば、チャンバ内に外部から取り込んだ空気を温度制御部の温度制御に基づき空調部で冷却した場合に、その冷却時における空調部の温度に対応した飽和水蒸気量の方が前記空気に含まれる水蒸気量よりも多いため、空調部に結露が発生することはない。このため、チャンバ内外に連通する排水管を設け、該排水管を介して結露水をチャンバ外へ排出する必要がなくなるので、装置コストが増大することもなく、外部から不純物を含むガス又は液体が流入してチャンバ内が汚染されるのを確実に防止することができる。
また、同じく請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記空調部は、空気を冷却するための所定表面積の冷却部を有することを要旨とする。従って、請求項2に記載の発明によれば、冷却部の表面積を大きくすることにより熱交換率を良くすることができるので、冷却温度を外部から取り込んだ空気に含まれる水蒸気量と等しい飽和水蒸気量となる温度(露点)以下に下げなくても空気を十分に冷却することができる。
また、同じく請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記空調部は、フッ素系不活性液体を冷媒として空気を冷却することを要旨とする。従って、請求項4に記載の発明によれば、安定性の高いフッ素系不活性液体を使用するので、露光装置に与える影響を少なくすることができる。
一方、露光装置に係る請求項4に記載の発明は、露光光のもとで、マスク上に形成されたパターンの像を基板上に露光する露光装置本体をチャンバ内に収容した露光装置において、前記チャンバ内に、請求項1〜請求項3のうちいずれか一項に記載した温度調節装置を備えたことを要旨とする。従って、請求項4に記載の発明では、露光装置として、請求項1〜請求項3のうちいずれか一項に記載の発明と同様の作用効果を得られる。
さらに、デバイスの製造方法に係る請求項5に記載の発明は、リソグラフィ工程を含むデバイスの製造方法において、前記リソグラフィ工程を請求項4に記載の露光装置を用いて露光を行うことを要旨とする。従って、請求項5に記載の発明によれば、リソグラフィ工程において、露光光として例えばF2レーザ等が用いられる場合であっても十分な光量が確保され、より微細なマスクパターンを用いる高集積デバイスが歩留まり良く製造可能とされる。
本発明によれば、チャンバ内が汚染されることを防止し、かつ、装置コストを低減することができる。
以下、本発明を半導体素子製造用の露光装置に具体化した一実施形態を図面に基づき説明する。
図1に示すように、本実施形態の露光装置10は、露光光源21と、露光装置本体22と、ビーム・マッチング・ユニット(以下、「BMU」という。)23とから構成されている。露光光源21には、露光光ELとして、例えばF2レーザ光(λ=157nm)を出射するレーザ光源が用いられている。また、BMU23は複数の光学素子で構成され、これら複数の光学素子はBMU室39に収容される。このBMU23を介して露光光源21から出射された露光光ELが露光装置本体22内に導かれるようになっている。また、露光装置本体22は、露光光ELの照射によりマスクとしてのレチクルR上に形成されたパターンの像を基板としてのウエハW上に転写するものである。
以下、露光装置本体22の概略構成について説明する。
露光装置本体22は、チャンバ25内に収容されている。該露光装置本体22は、照明系鏡筒26、レチクル室27、投影系鏡筒28、及びウエハ室29を備えている。そして、照明系鏡筒26、レチクル室27、投影系鏡筒28、及びウエハ室29は、BMU23を介して導入された露光光ELの光軸方向に順次配置されている。なお、BMU室39、照明系鏡筒26、レチクル室27、投影系鏡筒28、及びウエハ室29が、露光光ELを取り囲む筐体を構成する。
レチクル室27には、レチクルステージRSTが配置されている。このレチクルステージRSTにより、所定のパターンが形成されたレチクルRは、そのパターンが形成された面が露光光ELの光軸と直交するように保持されるようになっている。また、ウエハ室29には、ウエハステージWSTにより、露光光ELに対して感光性を有するフォトレジストが塗布されたウエハWは、そのフォトレジスト塗布面が、その露光光ELの光軸と直交する面内において移動可能、かつその光軸に沿って微動可能に保持されるようになっている。
照明系鏡筒26内には、レチクルRを照明するための照明光学系31が収容されている。この照明光学系31は、複数のミラー32、オプティカルインテグレータをなすフライアイレンズ(ロッドインテグレータでもよい)33、リレー光学系34、コンデンサレンズ35等の光学素子からなっている。フライアイレンズ33は、露光光源21からの露光光ELの入射により、その後方面にレチクルRを均一な照度分布で照明する多数の二次光源を形成する。リレー光学系34の後方には、露光光ELの形状を整形するためのレチクルブラインド36が配置されている。
照明系鏡筒26の両端におけるBMU側開口部37a及びマスク側開口部37bには、照明光学系31の一部の光学素子として円板状の平行平板38が配置されている。この平行平板38は、露光光ELを透過する物質(合成石英、蛍石など)により形成されている。
BMU側開口部37aに配置された平行平板38によって、BMU室39の内部空間と、照明系鏡筒26の内部空間とが分離される。なお、これらBMU室39と照明系鏡筒26とはベローズ部材(図示略)で連結されている。また、照明系鏡筒26は、平行平板38を介して区画室をなす複数の照明気密室に区画されている。そして、各照明気密室40には、ミラー32、フライアイレンズ33、リレー光学系34、及びコンデンサレンズ35の各光学素子や、レチクルブラインド36が単独であるいはいくつか組み合わされて収容されている。
投影系鏡筒28内には、照明光学系31によって照明されるレチクルR上のパターンの像をウエハW上に投影するための投影光学系41が収容されている。この投影光学系41は、該投影光学系41を構成する光学素子としての複数のレンズエレメント42からなっている。そして、その投影系鏡筒28の内部には、投影系鏡筒28の内壁、レンズエレメント42、及び同レンズエレメント42を保持するレンズ保持機構(保持部材)43によって、複数の枠体45が積層形成されている。
BMU室39、照明気密室40、レチクル室27、枠体45及びウエハ室29には、パージガスの供給装置としてのパージガス供給系48が接続されている。このパージガス供給系48を介して、BMU室39、レチクル室27、ウエハ室29、照明気密室40、枠体45に対して、マイクロデバイス工場のユーティリティプラント内のタンク49より、不活性ガスからなるパージガスが供給されるようになっている。ここで、不活性ガスとは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン等の中から選択された単体のガス、あるいはその混合ガスである。
パージガス供給系48の給気配管50の中には、パージガス中に含まれる不純物を除去するためのフィルタ51及びパージガスを所定の温度に調整するとともにパージガス中の水分を除去する温調乾燥器52が介装されている。そして、BMU室39、レチクル室27、ウエハ室29、照明気密室40、枠体45は、パージガス排出管53を介して半導体素子製造工場の排気ダクト54に接続されている。また、チャンバ25も同排気ダクト54に接続されている。また、チャンバ25も同排気ダクト54に接続されている。これにより、BMU室39、レチクル室27、ウエハ室29、照明気密室40、枠体45内に供給されたパージガスは、排気ダクト54を介して、工場の外部に排出されるようになっている。
また、チャンバ25内には、温度調節装置60が備えられており、該温度調節装置60が、チャンバ25内外に連通する取入口25aから取り入れた空気の温度を所定の設定温度(設定温度は、20〜26℃の範囲内で設定され、本実施形態においては23℃とする)になるように調整している。
この温度調節装置60は、図2に示すように、温度制御部61と空調部62とから構成されている。空調部62は、取入口25aから取り入れた空気を冷却する冷却器63と、冷却器63により冷却された空気を加熱する加熱器64を備えている。冷却器63は、所定の面積を有する表面を備え、かつ内部を冷媒が循環し、取入口25aから取り入れた空気が表面に接触することによって、空気の温度を冷却する冷却部63aと、冷媒を温度制御部の制御に基づいて冷却するペルチェ素子63cと、冷却部63aとペルチェ素子63cとの間で冷媒を循環させるための配管63bとから構成される。尚、本実施形態では、冷媒としてフッ素系不活性液体を利用している。
温度制御部61には、取入口25aから取り入れた空気の温度を計測する取入口用温度センサSE1と、冷却部63aの温度を計測する冷却部用温度センサSE2と、空調部62により温度調節されてチャンバ25内に送風される空気の温度を計測する調整用温度センサSE3とが接続されている。また、温度制御部61には、取入口25aから取り入れた空気の湿度を計測する湿度センサSE4も接続されている。本実施形態の湿度センサSE4は、空気の相対湿度を計測するものであり、湿度測定方法により、例えば、インピーダンス、容量変化型、電磁波吸収型、熱電導応用型、水晶振動式のもの等を用いることができる。そして、温度制御部61は、図3に示す飽和水蒸気量と温度との関係を示す飽和曲線Pに基づいて、冷却時及び加熱時に空調部62の冷却器63及び加熱器64の各温度を制御し、取入口25aから取り入れた空気(外気)の温度及び湿度を調整するようになっている。
以下、温度制御部61による空調部62の温度制御について詳しく説明する。
まず、温度制御部61は、取入口25aから取り入れた空気の温度T1を取入口用温度センサSE1により計測すると共に、その空気の湿度を湿度センサSE4により計測する。そして、温度制御部61は、飽和曲線Pに基づいて空気の温度T1から温度T1における飽和水蒸気量S1を求める。
尚、飽和水蒸気量Sと温度Tとの関係(即ち、飽和曲線P)は、次式(1)及び(2)にて表され、温度制御部61は、式(1)及び(2)に基づいて温度T1における飽和水蒸気量S1を計算する。
E=6.11×10(7.5T/(T+237.3))…(1)
S=217×E/(T+273.15)…(2)
但し、E:飽和水蒸気圧(hPa),T:温度(℃),S:飽和水蒸気量(g/m3)である。
また、温度制御部61は、該飽和水蒸気量S1及び湿度から取入口25aから取り入れた空気に含まれる水蒸気量R1を計算する。そして、温度制御部61は、図3の飽和曲線Pに基づいて(即ち、式(1)及び(2)に基づいて)、水蒸気量R1が飽和水蒸気量S0と等しくなる露点温度T0を計算する。
次に、温度制御部61は、冷却器63の冷却温度を、計算した露点温度T0より大きい温度T2、即ち、外部から取り込んだ空気に含まれる水蒸気量R1よりも多い飽和水蒸気量S2となる温度T2となるように制御する。つまり、温度制御部61は、冷却部用温度センサSE2にて、冷却部63aの冷却温度(即ち、冷却部63aの表面温度)が露点温度T0以下とならないように監視しつつ、ペルチェ素子63cにて冷媒を冷却する。従って、冷却器63の冷却部63aは、温度制御部61の制御の下、冷却温度(つまり、冷却部63aの表面温度)を露点温度T0より大きい温度T2として、取入口25aから取り入れた空気を冷却する。このため、冷却部63aの表面に、結露が発生することがない。因みに、取り入れた空気の温度T1が既に設定温度以下の場合、冷却器63は、温度制御部61の制御により、空気を冷却しないようになっている。
そして、冷却器63の冷却部63aを通過した空気は、加熱器64に送られる。温度制御部61は、調整用温度センサSE3にて加熱器64からチャンバ25内に送風される空気の温度を監視しつつ、冷却器63を通過した空気の温度をチャンバ25内の設定温度と一致させるように加熱器64の加熱温度を制御する。これにより、加熱器64は、温度制御部61の制御の下、冷却器63により冷却された空気を加熱し、空気の温度をチャンバ25内の設定温度と一致させ、チャンバ25内に送り込む。
従って、本実施形態では、以下に示す効果を得ることができる。
(1)温度制御部61は、外部から取り込んだ空気に含まれる水蒸気量R1よりも多い飽和水蒸気量S2となる温度T2、即ち、露点温度T0よりも大きい温度T2で取入口25aから取り込んだ空気を冷却するように冷却部63aの冷却温度を制御する。このため、冷却部63aの表面に結露が発生することを防止することができる。従って、チャンバ25内外に連通する排水管を設け、該排水管を介して結露水をチャンバ25外へ排出する必要がなくなり、外部から不純物を含むガス又は液体の流入を確実に防止することができ、チャンバ25内が汚染されることを防止することができる。また、結露水をチャンバ25外へ排水する排水管や、少量の結露水を流すための水を給水する給水管等を設けなくても良くなるので、露光装置10のコストを低減することが可能となる。
(2)冷却器63は、取り込んだ空気を冷却するのに十分な表面積を有する冷却部63aを備える。従って、冷却部63aの表面積を大きくすることにより冷媒と空気の間における熱交換率が良くなるので、冷却温度を露点温度以下にしなくても空気を十分に冷却することができる。
(3)冷却器63の冷媒には、安定性のフッ素系不活性液体を使用したので、露光装置10に与える影響を少なくすることができる。
尚、上記実施形態は、次のような別の実施形態(別例)に変更することができる。
○上記実施形態の露光装置として、焦点深度を広く確保するために液浸法を用いた露光装置であってもよい。この液浸法とは、投影光学系の下面と基板表面との間を、流体として所定の液体(水や有機溶媒等)で満たして液浸領域を形成し、液体中での露光光の波長が空気中の1/n(nは液体の屈曲率で通常1.2〜1.6程度)になることを利用して解像度を向上すると共に、焦点深度を約n倍に拡大するものである。
○上記実施形態では、冷却器63が使用する冷媒として、フッ素系不活性液体を採用したが、フッ素系不活性液体に限らず、水等を採用しても良い。
○上記実施形態では、露光光ELはF2レーザ光を使用したが、露光光ELはF2レーザ光に限らず、例えば、g線(λ=436nm)、i線(λ=365nm)、KrFエキシマレーザ(λ=248nm)、ArFエキシマレーザ(λ=193nm)、Kr2レーザ(λ=146nm)、Ar2レーザ(λ=126nm)等を用いてもよい。また、DFB半導体レーザまたはファイバレーザから発振される赤外域、または可視域の単一波長レーザ光を、例えばエルビウム(またはエルビウムとイッテルビウムの双方)がドープされたファイバアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いてもよい。
○上記実施形態において、投影光学系41としては、屈折タイプに限らず、反射屈折タイプ、反射タイプであってもよい。また、露光装置10としては、少なくとも1つの光学素子を含む露光装置10であればよく、例えば投影光学系41を用いることなく、マスクと基板とを密接させてマスクのパターンを露光するコンタクト露光装置、マスクと基板とを近接させてマスクのパターンを露光するプロキシミティ露光装置にも本発明を同様に適用することができる。
○上記実施形態において、露光装置10は、縮小露光型の露光装置に限定されるものではなく、例えば等倍露光型、拡大露光型の露光装置であってもよい。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置、EUV露光装置、X線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるレチクルまたはマスクを製造するために、マザーレチクルからガラス基板やシリコンウエハなどへ回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。ここで、DUV(深紫外)やVUV(真空紫外)光などを用いる露光装置では一般に透過型レチクルが用いられ、レチクル基板としては、石英ガラス、フッ素がドープされた石英ガラス、蛍石、フッ化マグネシウム、または水晶などが用いられる。また、プロキシミティ方式のX線露光装置や電子線露光装置などでは、透過型マスク(ステンシルマスク、メンバレンマスク)が用いられ、マスク基板としてはシリコンウエハなどが用いられる。
また、半導体素子の製造に用いられる露光装置だけでなく、液晶表示素子(LCD)などを含むディスプレイの製造に用いられる露光装置に具体化してもよい。デバイスパターンをガラスプレート上へ転写する露光装置、薄膜磁気ヘッド等の製造に用いられて、デバイスパターンをセラミックウエハ等へ転写する露光装置、及びCCD等の撮像素子の製造に用いられる露光装置などにも、本発明を適用することができる。
また、マスクと基板とが静止した状態でマスクのパターンを基板へ転写し、基板を順次ステップ移動させるステップ・アンド・リピート方式の一括露光型の露光装置にも、本発明を適用することができる。
次に、上述した露光装置をリソグラフィ工程で使用したデバイスの製造方法の実施形態について説明する。
図4は、デバイス(ICやLSI等の半導体チップ、液晶パネル、CCD、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等)の製造例のフローチャートを示す図である。図4に示すように、まず、ステップS201(設計ステップ)において、デバイス(マイクロデバイス)の機能・性能設計(例えば、半導体デバイスの回路設計等)を行い、その機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続き、ステップS202(マスク製作ステップ)において、設計した回路パターンを形成したマスク(レチクルR)を製作する。一方、ステップS203(ウエハ製造ステップ)において、シリコン等の材料を用いてウエハWを製造する。
次に、ステップS204(ウエハ処理ステップ)において、ステップS201〜S203で用意したマスク(レチクルR)とウエハWを使用して、後述するように、リソグラフィ技術等によってウエハW上に実際の回路等を形成する。次いで、ステップS205(デバイス組立ステップ)において、ステップS204で処理されたウエハWを用いてデバイスの組立を行う。このステップS205には、ダイシング工程、ボンディング工程、及びパッケージング工程(チップ封入)等の工程が必要に応じて含まれる。
最後に、ステップS206(検査ステップ)において、ステップS205で作製された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。こうした工程を経た後にデバイスが完成し、これが出荷される。
図5は、半導体デバイスの場合における、図4のステップS204の詳細なフローの一例を示す図である。図5において、ステップS211(酸化ステップ)では、ウエハWの表面を酸化させる。ステップS212(CVDステップ)では、ウエハW表面に絶縁膜を形成する。ステップS213(電極形成ステップ)では、ウエハW上に電極を蒸着によって形成する。ステップS214(イオン打込みステップ)では、ウエハWにイオンを打ち込む。以上のステップS211〜S214のそれぞれは、ウエハ処理の各段階の前処理工程を構成しており、各段階において必要な処理に応じて選択されて実行される。
ウエハプロセスの各段階において、上述の前処理工程が終了すると、以下のようにして後処理工程が実行される。この後処理工程では、まず、ステップS215(レジスト形成ステップ)において、ウエハWに感光剤を塗布する。引き続き、ステップS216(露光ステップ)において、上で説明したリソグラフィシステム(露光装置)によってマスクの回路パターンをウエハWに転写する。次にステップS217(現像ステップ)では露光されたウエハWを現像し、ステップS218(エッチングステップ)において、レジストが残存している部分以外の部分の露光部材をエッチングにより取り去る。そして、ステップS219(レジスト除去ステップ)において、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。
これらの前処理工程と後処理工程とを繰り返し行うことによって、ウエハW上に多重に回路パターンが形成される。
以上説明した本実施形態のデバイス製造方法を用いれば、露光工程(ステップS216)において上記の露光装置が用いられ、真空紫外域の露光光ELにより解像力の向上が可能となり、しかも露光量制御を高精度に行うことができる。従って、結果的に最小線幅が0.1μm程度の高集積度のデバイスを歩留まりよく生産することができる。
露光装置の概略構成図。 温度調節装置の概略構成図。 飽和水蒸気量と温度との関係を説明する説明図。 デバイスの製造工程を示すフローチャート。 半導体素子の製造工程を示すフローチャート。
符号の説明
10…露光装置、22…露光装置本体、25…チャンバ、60…温度調節装置、61…温度制御部、62…空調部、63…冷却器、63a…冷却部、64…加熱器、EL…露光光、R…レチクル(マスク)、W…ウエハ(基板)。

Claims (5)

  1. 露光装置本体を収容するチャンバ内に外部から取り込んだ空気を冷却した後、冷却した空気を加熱して、所定の温度に調整する空調部を備えた温度調節装置において、
    外部から取り込んだ空気に含まれる水蒸気量よりも多い飽和水蒸気量となる温度で冷却するように冷却時における空調部の温度を制御する温度制御部を有することを特徴とする温度調節装置。
  2. 前記空調部は、空気を冷却するための所定表面積の冷却部を有することを特徴とする請求項1に記載の温度調節装置。
  3. 前記空調部は、フッ素系不活性液体を冷媒として空気を冷却することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の温度調節装置。
  4. 露光光のもとで、マスク上に形成されたパターンの像を基板上に露光する露光装置本体をチャンバ内に収容した露光装置において、
    前記チャンバ内に、請求項1〜請求項3のうちいずれか一項に記載した温度調節装置を備えた露光装置。
  5. リソグラフィ工程を含むデバイスの製造方法において、
    前記リソグラフィ工程を請求項4に記載の露光装置を用いて露光を行うことを特徴とするデバイスの製造方法。
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