JP2006073895A - 冷却装置、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光が照射される照射領域を直接冷却することを可能とし、結像性能の劣化の原因となる光学素子の温度分布を改善することで所望の光学性能を達成する冷却装置、露光装置及びデバイス製造方法を提供する。
【解決手段】 真空又は減圧環境に配置された光学素子を非接触で冷却する冷却装置であって、輻射冷却源と、前記光学素子側に向かって凹面を向けた凹面鏡とを有し、前記輻射冷却源が、前記凹面の略焦点位置に配置されていることを特徴とする冷却装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般には、冷却装置に係り、特に、半導体ウェハ用の単結晶基板、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のガラス基板などの被処理体を露光する露光装置に用いられる光学素子を冷却する冷却装置に関する。本発明は、特に、露光光源として紫外光や極端紫外線（ＥＵＶ：ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光を利用する露光装置に用いられる光学素子を冷却する冷却装置に好適である。

フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて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際に、レチクル（マスク）に描画された回路パターンを投影光学系によってウェハ等に投影して回路パターンを転写する縮小投影露光装置が従来から使用されている。

縮小投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。従って、波長を短くすればするほど、解像度はよくなる。このため、近年の半導体素子の微細化への要求に伴い露光光の短波長化が進められ、超高圧水銀ランプ（ｉ線（波長約３６５ｎｍ））、ＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（波長約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、紫外線光を用いたリソグラフィーでは限界がある。そこで、０．１μｍ以下の非常に微細な回路パターンを効率よく転写するために、紫外光よりも更に波長が短い、波長１０ｎｍ乃至１５ｎｍ程度の極端紫外線（ＥＵＶ）光を用いた縮小投影露光装置（以下、「ＥＵＶ露光装置」と称する。）が開発されている。

ＥＵＶ光の波長領域では、気体によるエネルギーの減衰が非常に大きく、また、気体中の酸素と不純物との光化学反応により光学素子に炭素化合物が付着してしまうことから、真空環境下で露光が行われる。

一方、ＥＵＶ露光装置は、０．１μｍ以下の回路パターンの露光に使用されるため、線幅精度が非常に厳しく、光学素子の形状（即ち、ミラーの表面形状）は０．１ｎｍ程度の変形しか許されない。光学素子の形状の変化は、光学性能（特に、結像性能）の劣化を引き起こすからである。ＥＵＶ露光装置に用いられるミラーは、ＥＵＶ光を全て反射するわけではなく、３０％以上のＥＵＶ光を吸収するため、温度が徐々に上昇し、ミラーの表面形状が変化してしまう。従って、光学素子を冷却する（即ち、光学素子の温度を調節する）必要があるが、ＥＵＶ露光装置では真空環境下での露光であるため、従来よりも非常に難しくなる。例えば、真空環境下では、対流による光学素子の表面からの冷却はできない。また、光学素子に形成された流路に冷却媒体を流すことによる温調では振動が発生し、転写位置精度が劣化してしまう。

そこで、真空環境下において、非接触で光学素子を冷却する方法として、輻射を用いることが考えられている。具体的には、光学素子の露光光が照射される照射領域以外の面に対して輻射板を対向させて配置し、かかる輻射板を介して光学素子から熱を吸収（輻射冷却）する（例えば、特許文献１及び２参照。）。
特開２００４−８００２５号公報 特開２００４−２９３１４号公報

しかしながら、光学素子の照射領域以外の面に対して輻射板を対向させて輻射冷却を行った場合、露光光が照射領域に加えた熱は、輻射板と対向する光学素子の表面まで移動し、回収される。従って、光学素子内で熱の流れが発生し、温度分布が形成されることになる。温度分布は、光学素子の熱歪を引き起こし、光学性能の劣化につながる。特に、露光装置のスループットを向上させるために、単位時間当たりの露光エネルギーを大きくした場合、温度分布も大きくなってしまうため、光学性能が著しく劣化してしまう。

光学素子の露光光が照射される照射領域に対して輻射板を対向させて配置し、照射領域を直接冷却することができれば、光学素子内を移動する熱量が減り、光学素子に発生する温度分布を低減させることができる。しかし、照射領域上は、露光光の光路となっており、照射領域に対向する位置に輻射板を配置することはできない。

そこで、本発明は、光が照射される照射領域を直接冷却することを可能とし、結像性能の劣化の原因となる光学素子の温度分布を改善することで所望の光学性能を達成する冷却装置、露光装置及び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冷却装置は、真空又は減圧環境に配置された光学素子を非接触で冷却する冷却装置であって、輻射冷却源と、前記光学素子側に向かって凹面を向けた凹面鏡とを有し、前記輻射冷却源が、前記凹面の略焦点位置に配置されていることを特徴とする。

本発明の別の側面としての冷却装置は、真空又は減圧環境に配置され、光が照射される照射領域を有する光学素子を非接触で冷却する冷却装置であって、輻射冷却源と、前記光学素子側に向かって凹面を向けた凹面鏡とを有し、前記照射領域上の任意の点から発する電磁波の少なくとも一部が、前記凹面鏡で反射され、前記輻射冷却源に導かれることを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての冷却装置は、真空又は減圧環境に配置され、光が照射される照射領域を有する光学素子を非接触で冷却する冷却装置であって、輻射冷却源と、前記光学素子側に向かって凹面を向けた凹面鏡とを有し、前記照射領域上の任意の点と前記任意の点に対応する前記凹面鏡上の所定点とを結ぶ直線と、前記所定点と前記輻射冷却源とを結ぶ直線とがなす角度の２等分線が、実質的に前記凹面鏡上の所定点における前記凹面鏡の法線と一致することを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての露光装置は、上述の冷却装置と、前記冷却装置により冷却された光学素子を介してレチクルに形成されたパターンを被処理体に露光する光学系とを有することを特徴とする。

本発明の更に別の側面としてのデバイス製造方法は、上述の露光装置を用いて被処理体を露光するステップと、露光された前記被処理体を現像するステップとを有することを特徴とする。

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。

本発明によれば、光が照射される照射領域を直接冷却することを可能とし、結像性能の劣化の原因となる光学素子の温度分布を改善することで所望の光学性能を達成する冷却装置、露光装置及びデバイス製造方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の一側面としての冷却装置及び露光装置について説明する。なお、各図において、同一の部材については、同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。ここで、図１は、本発明の冷却装置１の構成を示す概略断面図である。

冷却装置１は、真空又は減圧環境に置かれた光学素子ＯＥを、非接触で冷却する冷却装置である。光学素子ＯＥは、例えば、真空又は減圧環境のチャンバに収納され、かかるチャンバ内は、残留ガス（高分子有機ガスなど）成分と光Ｌとの反応により光学素子ＯＥの表面にコンタミが付着し、反射率や透過率などが低下することを低減させるために、真空ポンプによって１×１０−６［Ｐａ］程度の真空に維持されている。

光学素子ＯＥは、光Ｌが照射される照射領域ＩＡを有し、反射、屈折及び回折等を利用して光Ｌを結像させる。光学素子ＯＥは、例えば、ミラー、レンズ、平行平板ガラス、プリズム及びフレネルゾーンプレート、キノフォーム、バイナリーオプティックス、ホログラム等の回折光学素子を含む。本実施形態においては、光学素子ＯＥとしてミラーを例に説明する。

冷却装置１は、図１に示すように、凹面鏡１０と、輻射冷却源２０と、冷却機構３０と、温度調整機構４０とを有する。

凹面鏡１０は、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡからの輻射エネルギー（電磁波の一種）を集める機能を有する。輻射とは物質のもつエネルギーの一部が電磁波の形で放出されたり、あるいは電磁波を吸収して励起されたりする現象のことであり、温度Ｔの黒体の物質が放出する輻射エネルギーは、ステファン・ボルツマン係数をσとした場合、Ｅ[Ｗ/ｍ^２]=σＴ⁴であらわされる。

凹面鏡１０は、回転放物体（回転放物体、回転放物面の場合は、焦点位置又はその近傍、焦点からの距離が焦点距離の１割以下の位置に、輻射冷却源を配置することが望ましい）又は回転楕円体（回転楕円体の場合は、輻射冷却源を一方の焦点位置に、光学素子の照射領域をもう一方の焦点位置近傍に配置することが好ましい）の表面形状を有し（本実施形態では、回転放物ミラー）、かかる回転放物体の回転軸の延長線ＲＬ上に、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡの中心ＩＡＣが存在するように配置される。換言すれば、凹面鏡１０は、回転軸が照射領域ＩＡの中心ＩＡＣと交わるように配置される。但し、凹面鏡１０は、光Ｌを遮らない、即ち、光Ｌの光路以外の位置に配置されることは言うまでもない。

凹面鏡１０は、図１に示すように、後述する輻射冷却源２０を挟んで光学素子ＯＥの照射領域ＩＡと反対側に配置され、輻射冷却源２０から凹面鏡１０に対する見込み角θが１６０度以上である。ここで、輻射冷却源２０から凹面鏡１０に対する見込み角θを定義する。輻射冷却源２０の中心（輻射冷却源の重心とするのが好ましい。）を角の中心とし、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡ（即ち、被冷却領域）の中心ＩＡＣと輻射冷却源２０の中心とを結ぶ直線を含む平面における凹面鏡１０の断面を考え、凹面鏡１０の一方の開口端と他方の開口端とのなす角を見込み角θとする。輻射冷却源２０の光学素子ＯＥ側の面は後述するように、輻射率が低くなるような加工がなされている。一方、凹面鏡１０側の面は輻射率が高い。そのため、輻射冷却源２０の凹面鏡１０側は凹面鏡で覆い、周囲環境に対して熱的な影響を与えないようにする必要がある。輻射冷却源２０の高輻射率面はガラスやセラミクスからなる。これら絶縁体は表面の法線方向に多量の輻射エネルギーを放出するのに対し、表面に沿う方向に対しては、法線方向に比べてかなり少ない輻射エネルギーしか放出しない。このため、輻射冷却源２０から凹面鏡１０に対する見込み角θが１６０度以上であれば、輻射冷却源２０の凹面鏡側の面が周囲環境に対して与える熱的な影響を抑制することができる。

凹面鏡１０は、表面１０ａに鏡面加工が施されており、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡからの輻射エネルギーに対する鏡面反射率が０．７以上となっている。高い鏡面反射率を有することにより、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡからの輻射エネルギーのうちの大部分が輻射冷却源に到達することができ、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡを冷却する能力が高くなるからである。一方、凹面鏡の拡散反射の影響が大きい場合、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡからの輻射エネルギーは凹面鏡で反射されるものの、拡散するので輻射冷却源の到達する割合が小さくなり、冷却量が小さくなる。

凹面鏡１０の表面１０ａは、輻射率の低い材料から構成され、例えば、金、銀、アルミニウムなどが用いられる。また、凹面鏡１０は、回転放物体の頂点に、後述する冷却機構３０（本実施形態では、クラリオポンプヘッド）を設置するための設置部１２を有する。設置部１２は、凹面鏡１０の頂点近傍の一部を切り取った貫通孔として構成される。

輻射冷却源２０は、凹面鏡１０の焦点に配置され、輻射により光学素子ＯＥの照射領域ＩＡを冷却する。なお、輻射伝熱とは、ある部材と別の部材とがある場合に、ある部材から別の部材に輻射エネルギー（輻射熱）が伝わり、別の部材からある部材に輻射エネルギーが伝わると言った２つの部材の間での輻射エネルギーの授受の結果、お互いの他方に伝わる輻射エネルギーの差分（輻射伝熱量）だけ、一方が冷却され、もう一方が加熱されることである。本実施形態においては、この輻射エネルギーの授受による加熱や冷却を簡単に表現するために、一方が他方に輻射エネルギーを与える（加熱でも冷却でも）と表現する。また、輻射冷却源２０は、凹面鏡１０と同様に、光Ｌを遮らない、即ち、光Ｌの光路以外の位置に配置される。

輻射冷却源２０は、輻射率が０．６以上の材料（例えば、セラミクス（アルミナ、ＳｉＣなど）やガラスなど。より好ましくは輻射率が０.７以上の材料。）により表面を構成する。また、輻射冷却源２０の光学素子ＯＥと向かい合う面２０ａは、輻射率の低い材料（輻射率が０．２以下、より好ましくは０.１５以下。）から構成され、表面に金属（金、銀、アルミニウムなど）の板又は膜を有する。更に、輻射冷却源２０の面２０ａには、図２に示すように、輻射率の低い材料から構成される遮蔽板２２を設置してもよい。遮蔽板２２は、金、銀、アルミニウムなどを使用する。ここで、図２は、冷却装置１０の一部（凹面鏡１０及び輻射冷却源２０）の拡大断面図である。

冷却機構３０は、輻射冷却源２０を冷却する機能を有し、本実施形態では、クライオポンプとして具現化される。冷却機構３０は、輻射冷却源２０の温度が−１００度以下になるように冷却する。なお、冷却機構３０は、液体窒素、液体ヘリウムなどの冷却媒体を輻射冷却源２０に流すことによって、輻射冷却源２０を冷却してもよい。但し、その場合には、冷却媒体を輻射冷却源２０に導く導管に対して断熱処理を施す又は環境温度と同じ温度になるように温度調節を行う必要がある。

温度調整機構４０は、図２に示すように、凹面鏡１０の裏面１０ｂに配置され、凹面鏡１０の温度を調整する。温度調整機構４０は、本実施形態では、水や空気、窒素などの媒体などを流すことによって、輻射冷却源２０の影響により凹面鏡１０の温度が低下することを防ぎ、凹面鏡１０を環境温度と同程度の温度に保つ。

ここで、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡからの輻射エネルギーの流れについて、凹面鏡１０及び輻射冷却源２０との配置関係と共に説明する。まず、輻射冷却源２０の中心位置から射出する光線を仮定し、かかる光線のうち凹面鏡１０に到達する光線を考える。

輻射冷却源２０から射出して凹面鏡１０に到達する光線（電磁波）は、凹面鏡１０で大部分が鏡面反射する。鏡面反射は、反射位置における法線が入射光線と反射光線の角２等分線となる。従って、本実施形態の凹面鏡１０を用いた場合、凹面鏡１０で反射された光線は、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡ上に照射され、その結果、輻射冷却源２０が、凹面鏡１０を介して熱交換を行うのは、照射領域ＩＡのみとなる。換言すれば、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡを効率良く冷却するためには、図１０に示すように、光学素子ＯＥ上の照射領域１Ａ上の任意の点とこの任意の点に対応する凹面鏡１０上の所定点とを結ぶ直線と、この所定点と前記輻射冷却源とを結ぶ直線とがなす角度の２等分線が、実質的に前記凹面鏡上の所定点における前記凹面鏡の法線と一致するように構成すれば良い。言い換えれば、光学素子ＯＥ上の照射領域１Ａ上の任意の点と、この任意の点に対応する凹面鏡１０上の所定点と、輻射冷却源（輻射冷却源内の所定の点）とで形成される平面内において、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡの任意の点と凹面鏡１０の反射面上の所定点とを結ぶ直線と、前記所定点における前記凹面鏡１０の反射面に対する法線とのなす角度と、前記所定点における前記凹面鏡１０の反射面に対する法線と、前記所定点と前記輻射冷却源２０とを結ぶ直線とのなす角度とが、実質的に同じになるように、凹面鏡１０を構成すれば良い。ここで、図１０は、光学素子ＯＥを効率良く冷却するための冷却装置１の配置を説明する図である。

但し、上記の説明は、輻射冷却源２０を点とした場合であり、輻射冷却源２０の表面積が０である場合、輻射伝熱量は０となる。実際には、図３に示すように、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡの任意の点において、ある立体角φ内に放射される輻射エネルギーが凹面鏡１０によって反射され、輻射冷却源２０に到達する。立体角φを形態係数と考えると、輻射冷却源２０が大きければ大きいほど、冷却能力は高くなる。しかし、輻射冷却源２０を凹面鏡１０の焦点に配置したとしても、輻射冷却源２０の表面は、凹面鏡１０の焦点から離れた位置に存在する。従って、光学的な表現を借りると、被冷却領域がぼけた状態、換言すれば、理想的な冷却状態（輻射冷却源２０が点であると考えた場合）に比べて被冷却領域が広がった状態となる。これらのことから、冷却装置１の冷却能力と被冷却領域を限定する度合いは、トレードオフの関係にあることがわかる。ここで、図３は、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡの任意の点から放射される輻射エネルギーについて説明するための図である。

輻射冷却源２０は、凹面鏡１０の開口部１４の大きさに対して５％乃至２０％の大きさであれば、被冷却領域を限定すると共に、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡの冷却に効果を発揮できるだけの冷却能力を得ることができる。但し、輻射冷却源２０が、凹面鏡１０の開口部１４の大きさに対して２０％以上の大きさである場合も、被冷却領域をある程度限定することができる。

ここまでは、凹面鏡１０で反射される輻射エネルギーについて考えてきたが、ここからは、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡを含む面から放射される輻射エネルギーのうち、輻射冷却源２０に直接到達する輻射エネルギーについて考える。輻射冷却源２０の凹面鏡１０に覆われていない領域ＮＣＡ、即ち、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡと対向している面２０ａは、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡを含む面のほとんどの位置から見ることができる。従って、上述したように、輻射冷却光源２０の凹面鏡１０に覆われていない領域ＮＣＡを輻射率の低い材料で構成する、或いは、輻射率の低いカバーで覆うことによって、光学素子ＯＥの輻射領域ＩＡを含む面から放射される輻射エネルギーのうち、輻射冷却源２０に直接到達する輻射エネルギー（即ち、輻射冷却源２０と熱の授受を行う量）が減少し、照射領域ＩＡ以外の冷却量を低減させることができる。

以上、説明したように、冷却装置１は、非接触でありながら、光Ｌが照射される照射領域ＩＡを直接冷却することを可能とし、結像性能の劣化の原因とする光学素子ＯＥの温度分布を改善する（即ち、光学素子ＯＥに温度分布が形成されないようにする）ことができる。これにより、冷却装置１に冷却された光学素子ＯＥは、優れた光学性能を達成することができる。

なお、上述したように、冷却装置１の冷却能力は限られている。そこで、図４に示すように、複数の冷却装置１を用いて、１つの光学素子ＯＥ（の照射領域ＩＡ）を冷却することで、冷却能力を大きくすることが可能である。複数の冷却装置１を用いることにより、より大きな冷却量を得ることができ、光学素子ＯＥの温度分布を低減させることができる。ここで、図４は、複数の冷却装置１を用いて１つの光学素子ＯＥを冷却する場合の配置の一例を示す概略断面図である。

また、光学素子ＯＥに加わる熱荷重のうち、大部分は光Ｌの吸収によるものである。例えば、現在、ＥＵＶ露光装置において、ＥＵＶ光を反射するための反射膜の反射率は７割弱であり、ミラー（光学素子ＯＥ）は、照射されたＥＵＶ光の３割程度を吸収してしまう。ＥＵＶ露光装置が稼働する前（露光前）は、ミラーにＥＵＶ光が照射されておらず、ミラーに加わる熱荷重は０である。露光が開始されると、ミラーにＥＵＶ光が照射され、ミラーに熱荷重が加わる。１枚のウェハの露光が終了すると、ウェハの交換のためにＥＵＶ光の照射が停止し、ウェハの交換が終了すると、再びＥＵＶ光が照射され、ミラーに熱荷重が加わる。

従って、冷却装置１は、ミラー（光学素子ＯＥ）に加わる熱荷重に対して十分な応答性を有し、輻射冷却を行う必要がある。これは、ミラーに光が照射されていないとき（即ち、ミラーに熱荷重が加わっていないとき）にミラーを冷却すると、ミラーの温度変動が大きくなってしまうからである。しかし、冷却装置１は、輻射冷却源２０を非常に低い温度まで下げているために、ミラーに加わる熱荷重に対して輻射冷却を追従させる（即ち、輻射冷却する、又は、輻射冷却しない）ことができない。

そこで、図５に示すように、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡと輻射冷却源２０との間を遮断するシャッター５０を配置し、シャッター５０の開閉によって、照射領域ＩＡを輻射冷却する、又は、輻射冷却しないの切り替えを行う。シャッター５０は、少なくとも輻射冷却源２０を覆うことが可能な大きさを有し、凹面鏡１０の開口部１４を覆うことが可能な大きさを有することが好ましい。ここで、図５は、本発明の冷却装置１の構成を示す概略断面図である。

また、シャッター５０は、シャッター５０の開閉（駆動）を制御する駆動制御機構６０を有する。駆動制御機構６０は、光Ｌが光学素子ＯＥに照射している場合はシャッター５０を開き、光Ｌが光学素子ＯＥに照射していない場合はシャッター５０を閉じる。換言すれば、駆動制御機構６０は、光学素子ＯＥに照射される光Ｌのタイミングに応じてシャッター５０の開閉を制御する。駆動制御機構６０は、例えば、露光データ（露光光を照射するタイミング）を有するコンピュータにアクセスする、又は、露光データそのものを有することにより、シャッター５０の開閉のタイミングを取得する。

シャッター５０及び駆動制御機構６０によって、冷却装置１は、光Ｌが光学素子ＯＥに照射されるタイミング（即ち、光学素子ＯＥに加わる熱荷重）に対して、応答性よく輻射冷却を追従させる（即ち、輻射冷却する、又は、輻射冷却しない）ことが可能となり、光学素子ＯＥの温度変動を抑えることができる。

次に、図６を参照して、冷却装置１の変形例である冷却装置１Ａについて説明する。冷却装置１Ａは、冷却装置１と、本出願人が特開２００４−８００２５号公報に提案する冷却装置とを組み合わせた構成を有する。ここで、図６は、冷却装置１の変形例である冷却装置１Ａの構成を示す概略断面図である。

冷却装置１は、図６に示すように、輻射冷却源２０と、冷却機構３０と、温度調整機構４０と、輻射冷却機構１００とを有する。

輻射冷却機構１００は、光Ｌを遮らない位置（即ち、光Ｌの光路以外の位置）に、光学素子ＯＥと非接触で配置され、光学素子ＯＥに対して輻射により熱を吸収する。輻射冷却機構１００は、輻射板１１０と、ペルチェ素子１２０と、放熱ブロック１３０と、検出部１４０と、制御部１５０とを有する。

輻射板１１０は、図示しない支持部材によって、光学素子ＯＥに対して所定の間隔を有して固定される。輻射板１１０は、後述するペルチェ素子１２０のペルチェ効果により冷却されて、光学素子ＯＥに対して低温となる。即ち、輻射板１１０は、光学素子ＯＥとの温度差によって、光学素子ＯＥの熱を吸収する。

ペルチェ素子１２０は、例えば、ｐ型半導体及びｎ型半導体を熱的に並列に配置して構成される。ペルチェ素子１２０は、後述する制御部１５０に制御され、輻射板１１０と接合してペルチェ効果により輻射板１１０を冷却する。具体的には、ペルチェ素子１２０の吸熱面１２２を輻射板１１０と接合することで、輻射板１１０から熱を吸収して冷却することができる。また、ペルチェ素子１２０が吸収できる熱量は、印加電圧によって調節することができる。ペルチェ素子１２０の放熱面１２４には、放熱ブロック１３０が接合されている。

放熱ブロック１３０は、冷却媒体が流れるための図示しない流路を有する。かかる流路は、放熱ブロック１３０の全面に亘って形成され、放熱ブロック１３０全面に一様に冷却媒体が流れるように構成される。放熱ブロック１３０は、冷却媒体によって冷却されて、ペルチェ素子１２０の放熱面１２４から排熱される輻射板１１０を介して吸収した光学素子ＯＥの熱を回収する。

検出部１４０は、光学素子ＯＥの照射領域ＩＡ以外に取り付けられ、光学素子ＯＥの温度を検出する。検出部１４０は、例えば、熱電対、抵抗温度センサー、赤外線温度センサーなどの温度センサーから構成され、検出した光学素子ＯＥの温度を制御部１５０に送信する。

制御部１５０は、検出部１４０の検出する光学素子ＯＥの温度が一定の値となるように、輻射冷却機構１００を制御する。制御部１５０は、より詳細には、ペルチェ素子１２０に印加する印加電圧を変化させることで輻射板１１０の温度を制御する。

冷却装置１は、シャッター５０及び駆動制御機構６０によって、光学素子ＯＥに加わる熱荷重に対して、応答性よく輻射冷却を追従させることが可能であるが、細かな外乱に対しては、光学素子ＯＥの温度を制御することができない。そこで、冷却装置１Ａのように、輻射冷却機構１００を加えることで、光学素子ＯＥ全体の温度分布を減少させると共に、光学素子ＯＥの温度を一定に保つことができる。

以下、図７を参照して、本発明の冷却装置１又は１Ａを適用した例示的な露光装置５００について説明する。ここで、図７は、本発明の露光装置５００の構成を示す概略断面図である。

本発明の露光装置５００は、露光用の照明光としてＥＵＶ光ＥＬ（例えば、波長１３．４ｎｍ）を用いて、例えば、ステップ・アンド・スキャン方式やステップ・アンド・リピート方式でレチクル５２０に形成された回路パターンを被処理体５４０に露光する投影露光装置である。かかる露光装置は、サブミクロンやクオーターミクロン以下のリソグラフィー工程に好適であり、以下、本実施形態ではステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（「スキャナー」とも呼ばれる。）を例に説明する。ここで、「ステップ・アンド・スキャン方式」とは、レチクルに対してウェハを連続的にスキャン（走査）してレチクルパターンをウェハに露光すると共に、１ショットの露光終了後ウェハをステップ移動して、次の露光領域に移動する露光方法である。「ステップ・アンド・リピート方式」は、ウェハの一括露光ごとにウェハをステップ移動して次のショットの露光領域に移動する露光方法である。

図７を参照するに、露光装置５００は、照明装置５１０と、レチクル５２０を載置するレチクルステージ５２５と、投影光学系５３０と、被処理体５４０を載置するウェハステージ５４５とを有する。

また、図７に示すように、ＥＵＶ光ＥＬは、大気に対する透過率が低く、残留ガス（高分子有機ガスなど）成分との反応によりコンタミを生成してしまうため、少なくとも、ＥＵＶ光ＥＬが通る光路中（即ち、光学系全体）は真空環境ＶＣとなっている。

照明装置５１０は、投影光学系５３０の円弧状の視野に対する円弧状のＥＵＶ光ＥＬによりレチクル５２０を照明する照明装置であって、ＥＵＶ光源５１２と、照明光学系５１４とを有する。

ＥＵＶ光源５１２は、例えば、レーザープラズマ光源が用いられる。これは、真空容器中のターゲット材に高強度のパルスレーザー光を照射し、高温のプラズマを発生させ、これから放射される、例えば、波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光を利用するものである。ターゲット材としては、金属膜、ガスジェット、液滴などが用いられる。放射されるＥＵＶ光の平均強度を高くするためにはパルスレーザーの繰り返し周波数は高い方がよく、通常数ｋＨｚの繰り返し周波数で運転される。

照明光学系５１４は、集光ミラー５１４ａ、オプティカルインテグレーター５１４ｂから構成される。集光ミラー５１４ａは、レーザープラズマからほぼ等方的に放射されるＥＵＶ光を集める役割を果たす。オプティカルインテグレーター５１４ｂは、レチクル５２０を均一に所定の開口数で照明する役割を持っている。また、照明光学系５１４は、レチクル５２０と共役な位置に、レチクル５２０の照明領域を円弧状に限定するためのアパーチャを有してもよい。かかる照明光学系５１４を構成する光学素子である集光ミラー５１４ａ及びオプティカルインテグレーター５１４ｂに本発明の冷却装置１又は１Ａを適用することができ、冷却装置１又は１Ａにより集光ミラー５１４ａ及びオプティカルインテグレーター５１４ｂを冷却することで光学素子の温度分布を改善し、優れた結像性能を発揮することができる。

レチクル５２０は、反射型レチクルで、その上には転写されるべき回路パターン（又は像）が形成され、レチクルステージ５２５に支持及び駆動されている。レチクル５２０から発せられた回折光は、投影光学系５３０で反射されて被処理体５４０上に投影される。レチクル５２０と被処理体５４０とは、光学的に共役の関係に配置される。露光装置５００は、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であるため、レチクル５２０と被処理体５４０を走査することによりレチクル５２０のパターンを被処理体５４０上に縮小投影する。

レチクルステージ５２５は、レチクル５２０を支持して図示しない移動機構に接続されている。レチクルステージ５２５は、当業界周知のいかなる構造をも適用することができる。図示しない移動機構は、リニアモーターなどで構成され、少なくともＸ方向にレチクルステージ５２５を駆動することでレチクル５２０を移動することができる。露光装置５００は、レチクル５２０と被処理体５４０を同期した状態で走査する。ここで、レチクル５２０又は被処理体５４０面内で走査方向をＸ、それに垂直な方向をＹ、レチクル５２０又は被処理体５４０面内に垂直な方向をＺとする。

投影光学系５３０は、複数の反射ミラー（即ち、多層膜ミラー）５３０ａを用いて、レチクル５２０面上のパターンを像面である被処理体５４０上に縮小投影する。複数のミラー５３０ａの枚数は、４枚乃至６枚程度である。少ない枚数のミラーで広い露光領域を実現するには、光軸から一定の距離だけ離れた細い円弧状の領域（リングフィールド）だけを用いて、レチクル５２０と被処理体５４０を同時に走査して広い面積を転写する。投影光学系５３０の開口数（ＮＡ）は、０．２乃至０．３程である。かかる投影光学系５３０を構成する光学素子であるミラー５３０ａに本発明の冷却装置１又は１Ａを適用することができ、冷却装置１又は１Ａによりミラー５３０ａを冷却することで光学素子の温度分布を改善し、優れた結像性能を発揮することができる。

被処理体５４０は、本実施形態ではウェハであるが、液晶基板その他の被処理体を広く含む。被処理体５４０には、フォトレジストが塗布されている。

ウェハステージ５４５は、ウェハチャックを介して被処理体５４５を支持する。ウェハステージ５４５は、例えば、リニアモーターを利用してＸＹＺ方向に被処理体５４０を移動する。レチクル５２０と被処理体５４０は、同期して走査される。また、レチクルステージ５２５の位置とウェハステージ５４５との位置は、例えば、レーザー干渉計などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。

露光において、照明装置５１０から射出されたＥＵＶ光ＥＬはレチクル５２０を照明し、レチクル５２０面上のパターンを被処理体５４０面上に結像する。本実施形態において、像面は円弧状（リング状）の像面となり、レチクル５２０と被処理体５４０を縮小倍率比の速度比で走査することにより、レチクル５２０の全面を露光する。

ここで、露光装置において、光学性能は投影光学系の光学素子の形状変化に対して敏感なので、本発明の冷却装置は投影光学系の光学素子に用いることが多く、特に、光量の多いレチクル側の光学素子に用いることが多い。但し、照明光学系に用いても構わない。特に、最も光源に近い光学素子は、光学素子の中で最も多量の光が入射するので、必然的に吸収する熱量も大きくなり、その吸収した熱が形成する温度分布も大きくなる。本発明の冷却装置により、多量の光を吸収することによる温度上昇を防ぐことができ、光学素子に形成される温度分布を低減して、光学素子の熱歪を低減することができる。

次に、図８及び図９を参照して、上述の露光装置５００を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。図８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本発明のリソグラフィー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９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、上述の露光装置５００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。かかるデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。このように、露光装置５００を使用するデバイス製造方法、並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明の冷却装置は、ＡｒＦエキシマレーザーやＦ２レーザーなどのＥＵＶ光以外の波長２００ｎｍ以下の紫外光用の光学素子に適用することもでき、レチクルやウェハにも適用可能である。

本発明の一側面としての冷却装置の構成を示す概略断面図である。 図１に示す冷却装置の一部（凹面鏡及び輻射冷却源）の拡大断面図である。 図１に示す光学素子の照射領域の任意の点から放射される輻射エネルギーについて説明するための図である。 複数の冷却装置を用いて１つの光学素子を冷却する場合の配置の一例を示す概略断面図である。 本発明の一側面としての冷却装置の構成を示す概略断面図である。 図１に示す冷却装置の変形例である冷却装置の構成を示す概略断面図である。 本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略断面図である。 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。 図８に示すステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。 光学素子を効率良く冷却するための冷却装置の配置を説明する図である。

符号の説明

１及び１Ａ 冷却装置
１０ 凹面鏡
１２ 設置部
１４ 開口部
２０ 輻射冷却源
２２ 遮蔽板
３０ 冷却機構
４０ 温度調整機構
５０ シャッター
６０ 駆動制御機構
１００ 輻射冷却機構
１１０ 輻射板
１２０ ペルチェ素子
１３０ 放熱ブロック
１４０ 検出部
１５０ 制御部
５００ 露光装置
５１４ 照明光学系
５３０ 投影光学系
ＯＥ 光学素子
ＩＡ 照射領域

Claims (13)

1. 真空又は減圧環境に配置された光学素子を非接触で冷却する冷却装置であって、
   輻射冷却源と、
   前記光学素子側に向かって凹面を向けた凹面鏡とを有し、
   前記輻射冷却源が、前記凹面の略焦点位置に配置されていることを特徴とする冷却装置。
2. 真空又は減圧環境に配置され、光が照射される照射領域を有する光学素子を非接触で冷却する冷却装置であって、
   輻射冷却源と、
   前記光学素子側に向かって凹面を向けた凹面鏡とを有し、
   前記照射領域上の任意の点から発する電磁波の少なくとも一部が、前記凹面鏡で反射され、前記輻射冷却源に導かれることを特徴とする冷却装置。
3. 真空又は減圧環境に配置され、光が照射される照射領域を有する光学素子を非接触で冷却する冷却装置であって、
   輻射冷却源と、
   前記光学素子側に向かって凹面を向けた凹面鏡とを有し、
   前記照射領域上の任意の点と前記任意の点に対応する前記凹面鏡上の所定点とを結ぶ直線と、前記所定点と前記輻射冷却源とを結ぶ直線とがなす角度の２等分線が、実質的に前記凹面鏡上の所定点における前記凹面鏡の法線と一致することを特徴とする冷却装置。
4. 前記凹面鏡の温度を調整する温度調整機構を更に有することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の冷却装置。
5. 前記凹面鏡は、前記輻射冷却源から前記凹面鏡に対する見込み角が１６０度以上であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の冷却装置。
6. 前記輻射冷却源は、前記光学素子の反対側の領域の輻射率が０．２以下、前記光学素子と対向する領域の輻射率が０．６以上であることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の冷却装置。
7. 前記凹面鏡は、０．７以上の鏡面反射率を有することを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の冷却装置。
8. 前記凹面鏡及び前記輻射冷却源は、前記光学素子を照射する光の光路以外の位置に配置されることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の冷却装置。
9. 前記照射領域と前記輻射冷却源との間を遮断する開閉可能なシャッターを更に有することを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の冷却装置。
10. 前記光の光路以外の位置に、前記光学素子と非接触で配置され、前記光学素子に対して輻射により前記光学素子を冷却する輻射板と、
    前記輻射板の温度を制御する制御部とを更に有することを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の冷却装置。
11. 請求項１乃至１０のうちいずれか一項記載の冷却装置と、
    前記冷却装置により冷却された光学素子を介してレチクルに形成されたパターンを被処理体に露光する光学系とを有することを特徴とする露光装置。
12. 前記冷却装置は、１つの前記光学素子に対して複数配置されることを特徴とする請求項１１記載の露光装置。
13. 請求項１１又は１２記載の露光装置を用いて被処理体を露光するステップと、
    露光された前記被処理体を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。