JP2006120889A - 半導体装置の製造方法及びその方法に用いられる半導体ウェハホルダ - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体基板（以下ウェハ）の液浸露光方法において、ウェハ周辺に露光が可能とする方法を提供する。
【解決手段】 ウェハエッジに半導体装置を作製する為、ウェハのエッジに他の部材にて適度な力で密着させウェハエッジから液浸液の零れを防止し、液浸液を投影光学系とウェハ間に均一に液盛りをする方法であって、本発明で用いるウェハホルダは、ウェハエッジを液浸液がウェハチャック、ウェハ裏面及びウェハステージに漏洩もしくは液垂れしないようにウェハエッジ３ｍｍ以内即ちウェハエッジ付近にて密着させる機能を有する。代表的例は、ウェハを支持するとともにウェハを吸着固定するウェハチャック２、ウェハエッジからの液漏れを防止するエッジ密着材６、エッジ密着材を駆動させるユニット、ウェハ外周部にウェハ表面とほぼ同じ高さのプレート５を設置したものからなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体ウェハ（以下ウェハと称する）の液浸露光を用いた半導体装置の製造方法及びこの方法に使用される半導体ウェハホルダの改良に関する。

従来の半導体装置製造時のリソグラフィは、図２に示すように示すように縮小投影光学系とウェハ間には、空気が使用されていた。また現在開発中Ｆ２レーザを用いたリソグラフィは、酸素の吸収がある為窒素雰囲気下で露光されている。いずれの場合においても縮小投影光学系とウェハ間には気体を媒体としてマスクまたはレチクルに形成された回路パターンをウェハに転写していた。

そして更なる微細化またはプロセスマージン拡大の要求に対して液浸露光法という新規な手法が提案された。その例として特開平６−１６８８６６号公報（特許文献１）が挙げられる。更に、特開平１０−３０３１１４号公報（特許文献２）、特開２００４−１９３２５２号公報（特許文献３）等もある。

これらは（上述した特許文献１，２及び３）、いずれも屈折率が１以上有する液体を縮小投影光学系とウェハ間に満たしてウェハを逐次露光する方法である。

半導体装置が作製されるウェハ（シリコン基板）の製造ラインは、高額な費用を必要とするので限られたウェハエリアにて最大数が得られるように露光処理されている。

その例を図３、４にて模式的に示す。図３の例は、１枚のマスクに形成された半導体装置Ａが縦２チップ横２チップの２Ｘ２配列の４個取りとなっていることを示した図である。

図４ａは、従来理論収量として計算したときの半導体装置で実線は１フィールドが露光できることを示し、点線は１フィールド内としては欠落するが製造可能な半導体装置の示している。この図４の例では１２０個の製品が製造できる。液浸露光法においてウェハと縮小投影光学系の空間は、液浸液で満たさなければ十分な解像性能は得られない。

しかし、ウェハ周辺の露光において１フィールド内の欠落を生じウェハの厚みにより縮小投影光学系とウェハ間の距離が異なる為、液浸液がウェハ周辺に零れ縮小投影光学系とウェハの間に気体が入り込み露光精度へ懸念される（図５）。この為、半導体装置Ａの理論収量は９２個へ減少してしまう（図４ｂ）。

このウェハ周辺の半導体装置を露光する方法として、上述した特開平１０−３０３１１４号公報（特許文献２）において縮小投影光学系とウェハを直接液浸液で満たす種々の方法を提案している。また、上述した特開２００４−１９３２５２号公報（特許文献３）においても縮小投影光学系とウェハ間に透明板を設置し、縮小投影光学系と透明板間及び透明板とウェハ間に液浸液を満たす方法を提案している。

特開平６−１６８８６６号公報 特開平１０−３０３１１４号公報 特開２００４−１９３２５２号公報

上記のウェハ周辺の露光を具現化する手段の特許文献２には、縮小投影光学系の側面まで液浸液に浸していることが記載されている。この場合、半導体装置製造時のステージの移動速度は７５〜１２５ｍｍ／ｓｅｃ．で移動する為縮小投影光学系の鏡筒の側面で液浸液が波立ち、気泡発生や液浸液が壁部を乗り越えステージ定盤へ零れることが懸念される。
これを防止するにはステージの移動速度を低下させるしかなくその結果スループットを犠牲にしなければならない。また、ウェハ外径より小さい透明版のリングの設置を行っているがウェハ交換時に該当リングをウェハ上載せる為搬送シーケンスが複雑となるのでウェハ交換時間が長くなりスループットを低下させる。

また、上述した特許文献３には、次の点において将来の微細化や量産の面で利便性に欠ける。
まず解像度を向上させるため縮小投影光学系の開口数（Ｎ．Ａ．）を上げることが予測される。Ｎ．Ａ．を上げる場合、縮小投影光学系の口径を大きくする手法もあるが、レンズ硝材費及び加工組立ての点で難点が多いので、一般的にレンズ曲率を大きくして入射角を上げ縮小投影光学系とウェハ間の距離（Ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ）を短くする。
上記の特許文献３において、縮小投影光学系とウェハ間に透明板を設けることはＷｏｒｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅを短くする上で不利となる。また透明板とウェハ間に液浸液を満たす時間を要し、スループットの面でも不利となる。

更に、上記の特許文献２及び３とも、ウェハのウェハホルダへの吸着を減圧吸着しているが、単にウェハホルダに減圧をすると液浸液がウェハ裏面へ回り込み、減圧条件下ウェハとウェハホルダの微細な空間を通してウェハ裏面を液浸液が浸透することが懸念される。
また、ウェハ裏面のベベル部に小さな気泡が残存し露光中に液浸液へ放散すると、この気泡がパターンの欠陥、結像性能に悪影響する可能性もある。

以上説明したように、従来の方法では、スループットの低下、気泡がパターンの欠陥、結像性能に悪影響を及ぼす可能性があり、将来の微細化や量産の面で利便性に欠けるという問題があった。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、半導体ウェハの液浸露光方法において、ウェハ周辺に露光が可能とし、また、ウェハエッジに半導体装置を作製する為、ウェハのエッジに他の部材にて適度な力で密着させ、ウェハエッジから液浸液の漏れを防止し、液浸液を投影光学系とウェハ間に均一に液盛り可能として、将来の微細化や量産の面で利便性を高めるようにした新規な半導体装置の製造方法である。

なお、本発明で用いられるウェハホルダは、ウェハエッジを液浸液がウェハチャック、ウェハ裏面及びウェハステージに漏洩もしくは液垂れしないように、ウェハエッジ３ｍｍ以内即ちウェハエッジ付近にて密着させる機能を有するものである。

本発明おける一つの半導体装置の製造方法は、フォトリソグラフィ工程の液浸露光を用いて、半導体装置を製造する際、半導体ウェハ側面付近にて他の部材にて密着させ液浸液が、前記半導体ウェハ裏面への回り込みを防止し、前記半導体ウェハ周辺部においても前記半導体ウェハ中心と同様均一に保持できるようにしたことを特徴とする。

また、もう一つ半導体装置の製造方法は、前記液浸液の供給量変動が小さくなるように、前記半導体ウェハ外周部に前記半導体ウェハ直径より大きく、また前記半導体ウェハ表面とほぼ同じ高さになるプレートを設置し、前記半導体ウェハ周辺部における液浸液の液不足を防止するようにしたことを特徴する。

さらに、もう一つの半導体装置の製造方法は、フォトリソグラフィ工程の液浸露光を用いて、半導体装置を製造する方法において、半導体ウェハを半導体ウェハホルダからアンロードポジションへ移動する際、前記半導体ウェハ、半導体ウェハチャック外周部に残存した液浸液を気体で吹き付け、ウェハステージ上に設置されたドレイン口から余分な液浸液を除去することを特徴とする。

また、本発明で用いる半導体ウェハホルダは、半導体ウェハエッジを液浸液が半導体ウェハチャック、半導体ウェハ裏面及び半導体ウェハステージに漏洩もしくは液垂れしないように半導体ウェハエッジ付近にて密着させる機能を有する半導体ウェハホルダにおいて、前記半導体ウェハを支持するとともに前記半導体ウェハを吸着固定する半導体ウェハチャックと、前記半導体ウェハエッジからの液漏れを防止するエッジ密着材と、前記エッジ密着材を駆動させるユニット、前記半導体ウェハ外周部に、前記半導体ウェハ表面とほぼ同じ高さとなるように配置されたプレートとを備えてなること特徴とする。

本発明によれば、半導体ウェハの液浸露光を用いた半導体装置の製造方法において、ウェハ周辺に露光が可能となる。
また、ウェハエッジに半導体装置を作製する為、ウェハのエッジに他の部材にて適度な力で密着させウェハエッジから液浸液の漏れを防止し、液浸液を投影光学系とウェハ間に均一に液盛りをするようにした新規な半導体装置の製造方法である。

本発明の実施形態につき、図１、図６乃至１７を用いて詳細に説明する。
（実施形態１）
本発明の第１の実施形態で提供するのは、液浸液が裏面に回りこまない構造とウェハホルダ上のウェハ交換に不都合が生じない構造を兼ね備えたウェハホルダである。またウェハ及びプレート等に液浸液が残存しても従来のスループットを維持できる構造となっている。

まず、ウェハ裏面へ液浸液が回り込みを防止するには、ウェハ表面または側面での密着部材を接触させることが望ましい。ウェハの表面で密着部材を接触させることは前述のようにＷｏｒｋｉｎｇ Ｄｉｓｔａｎｃｅを小さくしたとき縮小投影光学系の鏡筒と接触することが懸念されるので、本発明の第１の実施形態では、ウェハ側面に密着部材を接触させることを採用した。また、ウェハと密着するこの部材に金属のような硬質の部材を用いた場合ウェハエッジのチッピングを生じる懸念がある。そこで今回は、弾性を有する材料からなる部材を使用した。更にウェハエッジを硬質の材料で圧迫するとウェハが歪みアライメント精度の低下を引き起こすのでこの観点からも弾性材料を使用する優位性がある。

これを実現する為に、図１のようなウェハホルダの構造を見出した。
この図１において、まず、ウェハ吸着用のチャック２があり、２にはウェハを吸着固定する為の孔３が設けられている。このウェハチャック２にはウェハより大きい内径の庇を持つプレート５が設置されている。プレート５の幅は、少なくとも液浸液サブ回収口１６の半径より十分広い幅を持って作製されている。そしてこのプレート５の庇とウェハチャック２の間にはエラストマー材で作製されたチューブ６があり、このチューブ６にはガスを導入できる孔７が接続されている。更にチューブ密着部材とウェハ間に僅かの隙間のため液浸液が漏洩したとき液浸液を排出するための孔４がある。

このチャック２にウェハ１を置き真空吸着を行う。このときプレート５の内径は、ウェハ外径とノッチ検出３３で実施したウェハプリアライメント精度の数十ミクロンを加算して十分余裕を持たせて大きく作製されているので容易にウェハをチャックへ設置することができる（図６）。

次に、エラストマー材で作製されたチューブ６に接続孔７を通して、クリーンドライエア（Ｃ−ＤＡ）または窒素を導入する。これによりエラストマー材は、内部圧力が高くなり膨張する。エラストマー材の膨張において上方向は、プレート５の庇によって押さえられ、横方向はウェハ側へ進む。やがてエラストマー材は、ウェハと接触し密着する（図７）。

引き続き、液浸液供給口１４からウェハ上へ液浸液を吐出させ縮小投影光学系８のレンズ硝材１７とウェハ間を満たす。その後液浸液供給口１４から液浸液供給すると同時に液浸液メイン回収口１５から同量の液浸液を回収することで縮小投影光学系のレンズ硝材１７とウェハ間を一定量の液浸液で充填できる。そして所定の半導体装置の位置へウェハステージが移動し逐次露光を行う。
尚、液浸液サブ回収口１６は、液浸液メイン回収口１５で回収できなかった液浸液を回収する為に設置した（図６）。

そして、ウェハ周辺にレンズ硝材が移動してきてもウェハエッジは、図８に示したようにウェハの高さとほぼ等しいプレート５と密着部材６によって構成されているため、レンズ硝材下の液浸液は過不足なく正常に露光することが可能となった。
露光動作が完了し、液浸液供給口１４から液浸液の供給停止後、液浸液メイン回収口１５及び液浸液サブ回収口１６から縮小投影光学系とウェハに残存している液浸液を回収する。

しかしながら、ウェハ、エラストマー密着部材及びプレート上には僅かではあるが液浸液が残存していることが多い。このままウェハをアンロードするとステージまたは電子部品等を液浸液によって濡らすことになり、金属部の腐食や配線短絡を引き起こす。これを防止する為、露光終了後ウェハのアンロード位置へステージが移動するとき細長い残留液浸液除去用のガス噴出しノズル１０を設け、ウェハ、エラストマー密着部材及びプレートを一方向からＣ−ＤＡまたは窒素のようなガスを全面に吹き付ける（図９）。図１０ａの残留液浸液除去用ガス吹き付け、ノズル１０は、液浸液ブロー用にクリーンエアまたは窒素等の不活性ガスを吹き付けた時液浸液の流れが広がることを考慮して、幾分角度をつけている。本実施形態では、１２０度の角度で設定した。

更に、このガス吹き付け角度は、斜めに吹き付けることでより効果が現れる。またこの吹き付けノズルは、図１０ｂのようにウェハ外形より小さい曲率を有する円弧形状でも同じ効果がある。

このようにして残留液浸液は、ステージ端からドレイン１１側へ吹き寄せられる（図１１のＡ）。プレート５の最終端のウェハチャック２には残留液浸液を排出する為のドレイン口１１なる溝が形成されており、ノズル１０により吹き寄せられた残留液浸液はドレイン口１１へ流れ落ちる（図１２のＢ）。ドレイン口１１は、残留液浸液吸引孔１２によって陰圧とされているのでドレイン口１１に流れ落ちた液浸液は、直ちに残留液浸液回収用ドレイン口１３へ排出される。

その後、ウェハアンロードポジションにてエラストマー材で作製されたチューブ６の圧力を大気圧に戻すことでウェハエッジと密着していたチューブは、ウェハから離れる。そしてウェハはチャックからアンロードされる。

上述のように、本第１の実施形態によれば、ウェハエッジにおいても液浸液を縮小投影光学系とウェハ間に液浸液を安定に満たせ液浸露光法の効果を利用できるので、高解像度及び広い焦点深度にて半導体装置を製造することができる。

また、ウェハエッジの段差が大きい場合、縮小投影光学系とウェハを完全に液浸液を満たす為には、縮小投影光学系がウェハエッジの位置にて液浸液の供給量を増加させなければならない。これを半導体装置の製造するときのステージスピードである７５〜１２５ｍｍ／ｓｅｃ．にて液浸液の供給量の増減を精密に制御するには液浸液の供給装置がかなり複雑になる。本第１の実施形態においては、縮小投影光学系とウェハの距離は、ウェハ外周部においても一定に近いので液浸液の供給はほぼ定量となり液浸液の供給装置の制御が容易となる。
また、本実施形態によれば、液浸液のステージ等への付着が無いので金属部品の腐食によるダスト発生を抑え高い歩留まりを維持できる。
更に、本実施形態によれば、液浸液の電気部品への付着が無いので電気回路の短絡が無いので露光装置の安定且つ安全に稼動させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
（実施形態２）
この第２の実施形態は、エラストマー密着材を機械駆動で、ウェハエッジに密着させる具体例を示す（図１３）。ウェハ表面とほぼ同じ高さのリング状エラストマー密着材６は、弾性密着部材固定ピン１９と固定されている。このピン１９を動かすことで密着材６は連動し、リングの大きさが変化する。このリング内径は、ウェハ直径に比較して１〜３ｍｍ程度小さく作製されている。

つまりウェハ１をウェハチャック２へセットするときにはピン１９を駆動させてリング状エラストマー密着材を伸ばす必要がある（図１４）。ピン１９は、ピンを広げるリング状部品２０に形成されたらせん状に開口した孔へ差し込まれている。

更に、そのピンは、チャック２に放射上に形成された孔を貫通している。次にピンを広げるリング状部品２０は、メネジで作製されたリング駆動機構２３と接合している。リング駆動機構２３のオネジは、モータ２２と結合されている（図１５）。これによりモータ２２を正転させるとリング駆動機構２３がモータから遠くなり、リング状の弾性密着部材固定ピンを広げる部品２０は、左回りに回転する。このときピン１９は、チャック２で回転できない為チャック２の外側へ移動する（図１６）。

そして、リング状エラストマー密着材６の内径は、外側へウェハ直径より大きく広がる。その後ウェハをチャックにセットする。
次に、モータ２２を逆転させるとリング駆動機構２３は、モータ側へ近づきリング状の弾性密着部材固定ピンを広げる部品２０は、右回りへ回転する。このようにしてピン１９は、チャック上の放射状の孔に沿って移動しリング状エラストマー密着材６の内径は、小さくなる。このときエラストマー材の縮む力によりウェハエッジと密着する（１７）。その後の露光時の作用は、第１の実施形態と同様である。

エラストマー材は、リング状に作製することでウェハエッジへの密着が均一になり望ましい。しかしリング状エラストマー材は、数ｍｍから十数ｍｍの幅で作成されるのでその外側において液浸液の零れが生じる可能性がある。
縮小投影光学系とウェハ間に安定に液浸液を供給する為、第１の実施形態と同様にプレート５を設置することが望ましい。
そして、リング状エラストマー密着材とプレート５との間における液浸液の漏れによる金属部品の腐食や電気部品の短絡を抑えるために、プレート５にはプレート用液浸液ドレイン口１８が設置されている。

上述した第２の実施形態は、第１の実施形態における気体の圧力による密着方法に比べエラストマー材の伸縮性を利用してウェハエッジに容易に密着できる手法であり、更にその駆動装置も従来用いら入れている簡単な機構であり、安価且つ制御性に優れた方法である。

本発明実施形態１を説明するための断面図 従来の半導体装置製造方法を説明するための図 従来の半導体装置Ａのマスクの説明図 従来の半導体装置Ａの理論収量の説明図とウェハ周辺の露光が出来ない場合の半導体装置Ａの理論収量の説明図 従来のウェハ周辺の液浸露光法における縮小投影光学系とウェハ間の液浸液の漏れた場合を示す図 本発明の第１の実施形態を説明するためのフローの説明図 本発明の第１の実施形態における密着部材の詳細説明図 本発明の第１の実施形態における液浸液を縮小投影光学系とウェハ間に満たした説明図 本発明の第１の実施形態における密着部材がウェハエッジから離れた時の説明図 本発明の第１実施形態における１２０°の角度を有する残留液浸液除去用ガス吹き付けノズルの説明図と、円弧状の残留液浸液除去用ガス吹き付けノズルの説明図 本発明の第１実施形態における残留液浸液除去用ガス吹き付けノズルの一つの動作説明図 本発明の第１実施形態における残留液浸液除去用ガス吹き付けノズルのもう一つの動作説明図 本発明の第２の実施形態を説明するための断面図 本発明の第２の実施形態におけるウェハをチャックに載せた説明図 本発明の第２の実施形態におけるピンを動作させるときの説明図 本発明の第２の実施形態におけるピンが広がったときの説明図 の本発明の第２の実施形態における密着材６がウェハに密着した説明図

符号の説明

１：半導体基板（ウェハ）
２：ウェハチャック
３：ウェハ固定用真空引き孔
４：液浸液の排出する孔
５：プレート
６：ウェハのエッジを押さえる弾性密着部材
７：ウェハのエッジを押さえる密着部材を駆動させるエアー導入孔
８：縮小投影光学系
９：液浸液
１０：残留液浸液除去用ガス吹き付けノズル
１１：残留液浸液のドレイン口
１２：残留液浸液吸引用孔
１３：残留液浸回収後のドレイン口
１４：液浸液供給口
１５：液浸液メイン回収口
１６：液浸液サブ回収口
１７：レンズ硝材
１８：プレート用液浸液ドレイン口
１９：弾性密着部材固定ピン
２０：弾性密着部材固定ピンを広げる部品
２１：固定ピンの回転防止孔
２２：モータ
２３：リング駆動機構
３１：ウェハステージ
３２：フォーカス及びチルトステージ
３３：ノッチ検出器
３４：ウェハプリアライメントステージ
３５：ウェハプリアライメントステージ駆動ユニット
３６：ウェハロードスライドアーム
３７：ウェハアンロードスライダーアーム
３８：ウェハスライダー

Claims (4)

1. フォトリソグラフィ工程の液浸露光を用いて、半導体装置を製造する際、半導体ウェハ側面付近にて他の部材にて密着させ液浸液が、前記半導体ウェハ裏面への回り込みを防止し、前記半導体ウェハ周辺部においても前記半導体ウェハ中心と同様均一に保持できるようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記請求項１記載の半導体装置の製造方法であって、疝気液浸液の供給量変動が小さくなるように、前記半導体ウェハ外周部に前記半導体ウェハ直径より大きく、また前記半導体ウェハ表面とほぼ同じ高さになるプレートを設置し、前記半導体ウェハ周辺部における液浸液の液不足を防止するようにしたことを特徴する半導体装置の製造方法。
3. フォトリソグラフィ工程の液浸露光を用いた半導体装置を製造する方法において、半導体ウェハを半導体ウェハホルダからアンロードポジションへ移動する際、前記半導体ウェハ、半導体ウェハチャック外周部に残存した液浸液を気体で吹き付け、ウェハステージ上に設置されたドレイン口から余分な液浸液を除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 半導体ウェハエッジを液浸液が半導体ウェハチャック、半導体ウェハ裏面及び半導体ウェハステージに漏洩もしくは液垂れしないように半導体ウェハエッジ付近にて密着させる機能を有する半導体ウェハホルダにおいて、前記半導体ウェハを支持するとともに前記半導体ウェハを吸着固定する半導体ウェハチャックと、前記半導体ウェハエッジからの液漏れを防止するエッジ密着材と、前記エッジ密着材を駆動させるユニット、前記半導体ウェハ外周部に、前記半導体ウェハ表面とほぼ同じ高さとなるように配置されたプレートとを備えてなること特徴とする半導体ウェハホルダ。
   
   

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