JP2005268439A

JP2005268439A - 等倍ｘ線露光方法及び等倍ｘ線露光装置

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Publication number: JP2005268439A
Application number: JP2004076786A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Omi; 忠弘大見; Shigetoshi Sugawa; 成利須川; Kimio Yanagida; 公雄柳田; Kiwamu Takehisa; 究武久
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-09-29
Also published as: TW200712783A

Abstract

【課題】マスクとウエハとの間のギャップを狭くし、解像度を高める。
【解決手段】複数の同じパターン１１が上下一列に並ぶように形成されている等倍マスク１２を用い、Ｘ線１０を等倍マスクの一つのパターンに照射される。等倍マスク１２は、マスクステージ１３に固定されており、マスクステージ１３は、ウエハステージ１４内で、左右に往復移動できるようになっている。また、ウエハステージ１４は、垂直ステージ１６内で上下に往復移動できるようになっている。Ｘ線１０が等倍マスク１２のパターン１１における一番上を照射させながら、垂直ステージ１６によって、等倍マスク１２とウエハ１５の両方を上方に移動させている。これによって、上下一列のパターン１１の全部にＸ線１０が照射することで、ウエハ１５における上下一列分にパターン露光される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路（半導体チップとも言われる。）の製造時の露光工程で用いられる露光装置に関し、特に等倍Ｘ線露光装置の構造、及びこれによる露光方法に関する。

一般に、露光工程では、回路パターンが描かれたマスク（レチクルと呼ばれることもある。）を用いて、レジストが塗布されたウエハ上に回路パターンを描画させる（パターン露光と呼ばれる。）必要があり、そのための装置は露光装置と呼ばれる。また、露光装置は、用いられる露光光源の種類で分類でき、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを用いた露光装置はＫｒＦ露光装置、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いた露光装置はＡｒＦ露光装置と呼ばれており、これらは、現在、半導体製造工場において広く利用されている。

一方、ウエハの直ぐ近くにマスクを配置し、そのマスクに波長１ｎｍ以下のＸ線を照射することで、ウエハにパターン露光する装置は等倍Ｘ線露光装置（一般にＰＸＬ：Proximity X-ray Lithography）と呼ばれる。等倍Ｘ線露光装置では、ウエハとマスクとのギャップをｄ、Ｘ線の波長をλとすると、解像度Ｒはギャップｄと波長λの積の平方根に比例し、次式（１）で表されることが広く知られている。

Ｒ＝ｋ（ｄ・λ）^(1/2) （１）
ｋは比例定数で、通常、０．５〜１．０である。（１）式によると、解像度を高める（Ｒを小さくする）には、波長を短くするか、ギャップを小さくすればよい。ギャップｄは、通常、１０〜３０ミクロンである。したがって、現在の等倍Ｘ線露光装置の解像限界は、ｋ＝０．７、λ＝０．７ｎｍ、ｄ＝１０ミクロンを代入すると、約５９ｎｍとなり、半導体の世代では６５ｎｍ世代までに利用できる。

この種の等倍Ｘ線露光に関し、特開平９−１９０９５８（特許文献１）にはＸ線マスクが開示され、特開平１１−７４１９０（特許文献２）にはＸ線露光装置が提案されている。

特開平９−１９０９５８号公報特開平１１−７４１９０号公報

等倍Ｘ線露光装置における解像度を高めるために、ウエハとマスクの間のギャップを１０ミクロン以下にすることは、下記の理由から困難であり、解像度をさらに高めることが難しかった。

すなわち、現在、ギャップを１０ミクロン以下に出来ない理由としては、等倍Ｘ線露光装置のマスクのパターン部が、数ミクロンの極めて薄い膜（メンブレンと呼ばれる。）によって構成されるが、そのメンブレン部が、マスクの移動（ステップと呼ばれる。）時に振動することに一因があることが判明した。特に、スループットを上げるために、１つのチップパターンの露光が終了して、次の露光に移る際に、約０．２秒程度の短い時間でチップのサイズである２０〜３０ｍｍを移動させているが、そのような高速移動が、メンブレン部の振動を大きくしてしまっていた。

なお、振動が大きくならにように、ゆっくりと移動することは好ましくない。なぜならば、１枚のウエハから、２０〜３０ｍｍ角の露光パターンが１００個前後とれることから、０．２秒という短時間でステップしても、合計２０秒の時間がステップだけに掛かることになるからである。

一方、マスクやウエハが配置される雰囲気を完全に真空にすると、振動が抑制されるため、ギャップを小さくできることができることが知られている。ところが、Ｘ線の照射によって加熱されるマスクを冷却するために、ヘリウム等のガスを吹き付ける必要があることから、雰囲気を真空にすることは実際にはできなかった。

更に、前述した特許文献１及び２には、Ｘ線露光の解像度を向上させる必要性については開示されていない。

本発明の目的は、等倍Ｘ線露光装置におけるマスクとウエハとのギャップを小さくできる装置を実現することであり、これによって解像度を高めることである。

前記目的を達成するために、本発明では、ウエハに対して、一つの方向に往復移動できるマスクステージを有し、かつ、前記マスクステージがウエハと一緒になって、前記一つの方向に直交する方向に往復移動できるステージを備え、かつ露光に用いるマスクとして、同じパターン複数個が一列に並んだマスクを用いたものである。

この構成によれば、ウエハ上に露光する多数のチップにおける一列分を露光する際に、マスクをウエハに対して移動させずに済む。その結果、マスクをウエハに対して移動させる回数を大幅に低減できることから、露光処理のスループットを低下させずに、マスクの振動が十分小さくなる程度に、ゆっくりとマスクを移動できる。

本発明の構成によれば、マスクとウエハとのギャップを狭くすることができ、解像度を上げることができる。具体的に言えば、本発明の等倍Ｘ線露光装置では、マスクをウエハに対してゆっくりと移動できるため、マスクのメンブレンの振動を抑制できるようになり、マスクとウエハとのギャップを１ミクロン程度まで狭くすることができるようになった。その結果、それ以外の装置構造は同等でも、３０ｎｍ程度までマスクとウエハ間のギャップを狭くして、解像度を高めることが可能になった。

さらにまた、本発明のように、多数の同じパターンを有するマスクを用いる際に、Ｘ線が照射されるパターンが次々に移っていくため、メンブレン部の温度上昇も大幅に低減できる。したがって、マスクの冷却用ヘリウムの流量を低減できたり、さらにはヘリウムを不要にすることも可能であり、それによってメンブレン部の振動がさらに抑制できるため、ギャップをさらに狭くすることもできる。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施例を、図１を用いて説明する。図１は本発明の等倍Ｘ線露光装置１００の構成図である。ただし、露光光源であるＸ線発生部（通常、シンクロトロンラディエーション（ＳＲ）のことである。）や、Ｘ線整形ミラーなどは省略して描かれている。

露光光源である波長約０．７ｎｍのＸ線１０は、複数の同じパターン１１が上下一列に並ぶように形成されている等倍マスク１２における一つのパターンを照射する。なお、Ｘ線１０は、図でＸ方向に細長い断面形状のビームになっている。また、等倍マスク１２は、直径３００ｍｍのウエハを基板としたものである。等倍マスク１２のパターン部を通過したＸ線が、ウエハステージ１４に固定されている直径３００ｍｍのウエハ１５に照射されて、パターン露光が行なわれる。等倍マスク１２は、マスクステージ１３に固定されており、マスクステージ１３は、ウエハステージ１４内で、左右（Ｘ方向）に往復移動できるように構成されている。また、ウエハステージ１４は、垂直ステージ１６内で上下（Ｚ方向）に往復移動できるように構成されている。

ウエハ１５の全面にパターン露光するには、Ｘ線１０により、等倍マスク１２のパターン１１における一番上のパターンを照射させた状態で、垂直ステージ１６によって、等倍マスク１２とウエハ１５の両方を上方に移動させる。これによって、複数のパターン１１の全部にＸ線１０が照射することで、ウエハ１５における上下一列分にパターン露光される。

上下一列分のパターン露光が終了すると、マスクステージ１３がウエハステージ１４内で、例えば、右方向（Ｘ方向）に移動する。これによって、等倍マスク１２とウエハ１５とが相対的に移動するため、次の上下一列分をパターン露光する。これを繰り返すことで、ウエハ１５内の全面にパターン露光が終了する。

以上のように、等倍マスク１２とウエハ１５とを相対的に移動（すなわち１つのパターン分をステップ）させるのは、上下一列分のパターン露光が終了した後であり、そのステップ回数は、従来装置のように、全てのパターン露光ごとにステップする場合に比べて、１桁程度は少ない。したがって、等倍マスク１２とウエハ１５との相対的な移動ステップを極めてゆっくり行っても、全体の処理時間が大幅に増大することはない。

例えば、直径３００ｍｍのウエハにおいて、一辺２４ｍｍの正方形のパターンを露光する場合、隣接パターンとの隙間を０．５ｍｍ（すなわち、２５ｍｍピッチでパターン露光する）とすると、図２に示したウエハと露光ショット位置１８の配置例のように、１１２個のパターン露光が必要になる場合を考える。この場合、パターンの並びの１列の中でのステップの回数が１００回あり、列から列への移動が１１回ある。また、１つのパターンの露光時間をｔとする。

従来の装置によるウエハ１枚の処理時間Ｔ１は、パターンの並びの１列の中でのステップに０．２秒程度掛かり、ウエハ１枚の処理時間Ｔは、列から列への移動には０．５秒掛かる。したがって、Ｔ１は次式で表される。

Ｔ１＝ｔ×１１２＋０．２×１００＋０．５×１１＝１１２ｔ＋２５．５（秒）（２）
一方、本発明では、隣接したパターンへの移動時間は、パターンを露光する際のスキャン速度のままでよいことから、パターン間の隙間が０．５ｍｍであることから、ｔ×０．５／２４＝ｔ／４８となる。また、次の列への移動時間に２秒掛かるとしても、ウエハ処理時間Ｔ２は、
Ｔ２＝ｔ×１１２＋ｔ／４８×１００＋２×１１〜１１４ｔ＋２２（秒）（３）
となる。したがって、（２）に示されたＴ１とほぼ同程度の処理時間で済む。

すなわち、従来の装置では、０．２秒という高速にステップする際にマスクのメンブレンが振動していたが、本発明では、最も速くステップする場合でも２秒程度掛けてもよく、スループットを低下させずに、極めてゆっくり移動できる。

次に、本発明の第２の実施例を図３、図４を用いて説明する。図３は本発明の等倍Ｘ線露光装置２００の構成図である。等倍Ｘ線露光装置２００は、図１に示された等倍Ｘ線露光装置１００とほぼ同様の構造であるが、マスクステージ２３に等倍マスク２２が直接固定されているのではなく、等倍マスク２２はマスクテーブル２７に固定されている。このマスクテーブル２７は、マスクステージ２３の中で、上下（図でＺ方向）に往復移動できるようになっている。その理由としては、本実施例で用いられる等倍マスク２２のサイズとしては、直径２００ｍｍのウエハを基板としたものであり、直径３００ｍｍであるウエハ２５よりも小さい。したがって、等倍マスク２２のパターン部が、ウエハ２５における上下方向の全体に移動できるように、マスクテーブル２７が上下に移動するようになっている。

すなわち、図４に示したように、等倍マスク２２は、ウエハ２５に対して、上下方向（Ｚ方向）に一度折り返すことで、ウエハ２５の全部の露光ショット位置２８に、パターン露光できるようになる。

以上のように、第２実施例では、第１実施例とは異なり、等倍マスク２２を上下方向にも移動させる必要が生じるため、第１実施例の場合よりは多少スループットが低下する。しかし、等倍マスク２２が小さくなるため、その製作費用を低減できる。

ところで、本発明で必要となる等倍マスクの製造に関しては、同じパターンが多数必要になるため、マスクリピータを用いて描画することが望ましい。なお、マスクリピータとは、マスクへのパターン描画する際に、別のマスク（一般に、マザーマスクと呼ばれ、パターンサイズが大きい。）を用いて、露光によって、マスク基板にパターン形成する装置である。したがって、同じパターンを多数有するマスクを描画する際に有効であり、非常に短時間で描画できることになる。

なお、本発明によると、ウエハとマスクとを相対的に移動させる際のステップ時間を大幅に長くとれることから、ゆっくりと移動させるだけでなく、一度、マスクをウエハから離して（すなわち、ギャップを大きくして）から、移動して、再び、マスクをウエハに近づける（ギャップを詰める）こともできる。

この構成では、狭いギャップにしたままでは移動させないため、移動中にマスクとウエハとが接触する恐れがなくなることから、ギャップをさらに狭くすることができる。

また、前記実施例では、マスク内に同じパターンが一列並ぶ場合を説明したが、マスクとウエハとを相対的に移動させずに、ウエハ全面に全パターンを一括露光できるように、ウエハ内のパターン位置と同等に、ウエハ形状のマスクの全面にパターンを形成してもよい。

本発明は、等倍露光を行なう露光装置及び等倍露光用マスクに適用して、解像度の高いパターンをウエハ上に描画することができる。本発明はＸ線以外の等倍露光用マスク並び等倍露光装置にも適用できる。

本発明の一実施例に係る等倍Ｘ線露光装置１００の構成を示す概略図である。ウエハと露光ショット位置の配置例を説明する図である。本発明の他の実施例に係る等倍Ｘ線露光装置２００の構成を示す概略図である。図３に示された等倍マスク２２とウエハ２５との移動関係を説明する図である。

符号の説明

１０、２０Ｘ線
１１パターン
１２、２２等倍マスク
１３、２３マスクステージ
１４、２４ウエハステージ
１５、２５ウエハ
１６、２６垂直ステージ
１８露光ショット位置
２７マスクテーブル
１００、２００等倍Ｘ線露光装置

Claims

露光に用いるマスクとして、同じパターン複数個を第１の方向に列をなすように少なくとも１列に並べた等倍マスクを用い、該マスクと被露光ウエハとの相対的な位置を変えずに該マスクおよび該被露光ウエハと露光用Ｘ線との相対位置を前記第１の方向に変更して該被露光ウエハ上の第１の方向に複数のパターンを露光する第１のステップと、該マスクと被露光ウエハとの相対的な位置を前記第１の方向と交差する第２の方向に変更する第２のステップと、を含むことを特徴とする等倍Ｘ線露光による露光方法。
前記第２のステップに続いて、前記マスクと前記被露光ウエハとの相対的な位置を変えずに前記マスクおよび前記被露光ウエハと露光用Ｘ線との相対位置を前記第１の方向に変更して、前記被露光ウエハ上の前記第１のステップで露光されたのと少なくとも一部が異なる場所において前記第１の方向に複数のパターンを露光する第３のステップをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の等倍Ｘ線露光による露光方法。
前記マスクと前記被露光ウエハとの相対的な位置を前記第１の方向において変更する第４のステップと、前記マスクと前記被露光ウエハとの相対的な位置を変えずに前記マスクおよび前記被露光ウエハと露光用Ｘ線との相対位置を前記第１の方向において変更して前記被露光ウエハ上の前記第１または第３のステップで露光されたのと少なくとも一部が第１の方向において異なる場所において前記第１の方向に複数のパターンを露光する第５のステップとをさらに含むことを特徴とする請求項２記載の等倍Ｘ線露光による露光方法。
被露光ウエハを保持するウエハステージと、同じパターン複数個を第１の方向に列をなすように少なくとも１列並べた等倍マスクを前記被露光ウエハの近傍で保持するマスクステージと、前記マスクステージと前記ウエハステージとの相対位置を固定したまま前記マスクステージおよび前記ウエハステージを同時に第１の方向に移動させる手段と、前記マスクステージと戦記ウエハステージとの相対的な位置を前記第１の方向と交差する第２の方向において変更する手段と、を含むことを特徴とする等倍Ｘ線露光装置。
前記マスクステージは該マスクステージに対して前記第１の方向に移動しうるマスクテーブルを備え、前記等倍マスクは前記マスクテーブルに固定されることを特徴とする請求項４記載の等倍Ｘ線露光装置。
等倍露光に使用される等倍マスクにおいて、複数個の同一のパターンを予め定められた方向に直線的に配列したことを特徴とする等倍マスク。
複数個の同一のパターンを予め定められた方向に直線的に配列した等倍マスクと、当該等倍マスクのパターンを露光される被露光ウエハと前記等倍マスクとの前記予め定められた方向に対する相対位置を固定する手段と、前記被露光ウエハと前記等倍マスクとの相対位置を固定した状態で、前記予め定められた方向に移動させる手段とを含むことを特徴とする等倍露光装置。