JP2007128971A - 差動排気システム及びそれを用いた光源、露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 照明光の利用効率を損なうこと無く、高い差動排気能力を持つ差動排気システムを提供する。
【解決手段】 光軸の周囲の部分より光軸中の気体分子を排気できるように中空の回転軸を持つターボ分子ポンプで、中空の軸の断面は軸が回転することにより中空軸内の気体分子を径方向に排気するような翼形状となっており、さらに光軸中に、気体分子を径方向に排気するような形状の翼を配置している差動排気システムを設け、パルス光源であるＥＵＶの発光とポンプの回転を中空軸内部の羽根がＥＵＶ光を遮らないように同期させる差動排気システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造における微細なパターンを転写するためのEUV露光装置用の光源及び照明系に関わるものである。

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き付け（リソグラフィー）方法として、紫外線を用いた縮小投影露光が行われてきた。

縮小投影露光で転写できる最小の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。このため微細な回路パターンを転写するためには用いる光の短波長化が進められ、水銀ランプｉ線（波長365nm）、KrFエキシマレーザー（波長248nm）、ArFエキシマレーザー（波長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、紫外光を用いたリソグラフィーでは限界がある。そこで0.1μmを下回るような非常に微細な回路パターンを効率よく焼き付けるために、紫外線よりも更に波長が短い波長10〜15nm程度の極端紫外光（EUV光）を用いた縮小投影露光装置が開発されている。図４はEUV露光装置の概念図である。

EUV光源は、たとえばレーザープラズマ光源が用いられる。これは真空容器中に置かれた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、金属薄膜、不活性ガス、液滴などが用いられ、ガスジェット等の手段で真空容器内に供給される。ターゲットから放射される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良く、通常数kHzの繰り返し周波数で運転される。また、ターゲットから放射されるEUV光を効率よく利用するために集光ミラーが設けられている。集光ミラー等全反射で使用される光学素子は、MoとSiの膜の対を20層ほど積層させた多層膜ミラーからなる。

照明光学系は、複数の多層膜または斜入射ミラーとオプティカルインテグレータ等から構成される。オプティカルインテグレータはマスクを均一に所定の開口数で照明する役割を持っている。

照明系から供給されたEUV光は原版であるレチクルで反射され、4〜6枚の多層膜ミラーからなる投影光学系で1/4程度に縮小されて、レジストを塗布されたウエハに照射される。レチクル及びウエハは、それぞれレチクルステージ、ウエハステージに保持され、アライメント光学系で精密に位置合わせ、フォーカス検出光学系で精密にフォーカスされた状態で、縮小倍率に比例した速度比で同期して走査する機構をもつ。このようにして、レチクルの縮小投影像がウエハ上に結像した状態でそれらを同期走査するという動作が繰り返される（ステップ・アンド・スキャン）。こうして、ウエハ全面にレチクルの転写パターンが転写される。

EUV光源の一方式であるレーザープラズマは、ターゲットに高強度のパルスレーザー光を照射することでEUV光を発生する。ターゲットとしては、Xeのガス、液滴、クラスタを用いる方式と銅、錫、アルミニウム等の金属を用いる方式が試みられている。また、EUV光とともにデブリと呼ばれる飛散粒子を発生してしまい、それが光学素子を汚染、損傷し、反射率の低下を引き起こす。その影響を緩和するために、He等の不活性ガスをバッファガスとして流す方法が検討されている。

発光部では、ターゲットであるXeやバッファガスであるHeが不可欠であるため、圧力は10Pa程度になると考えられている。

それに対し、光源より下流では、光学素子の反射率等の性能を維持するために、なるべく清浄な雰囲気、例えば1e-7Pa程度の真空度を維持する必要がある。しかし、EUV領域では、透過率の高い自立したフィルタ材料は無いに等しいため、圧力差を設けるためには、オリフィスを用いて差動排気をするのが一般的である。

また、EUV光源には、電極にXe等のガスを流してパルス的に放電させることでプラズマを生成し、EUV光を発生させるディスチャージ方式もあるが、光源チャンバーと照明系チャンバーに圧力差を設けたい要求は、レーザープラズマと共通である。

従来例としては、例えば特許文献１をあげることが出来る。
特開２００４−１０３７３１号公報

しかしながら、差動排気で所望の圧力差を得るには、光源チャンバーと照明系チャンバーの間の導管を細長くする必要がある。しかし、EUV光の利用効率を高めるためには、発光点から発生したEUV光を例えば回転楕円面の集光ミラーでなるべく多く、例えばπステラジアン程度を取り込む必要がある。取り込み角が大きくなると、導管を細長くすることが困難になるため、所望の圧力差が得られなくなってしまう。

このようにEUV光の利用効率を高くすることと差動排気で所望の圧力差を得ることを両立することは、非常に難しい課題である。

上記課題に対して本発明では、照明光の利用効率を落とさないように、光軸の周囲の部分より光軸中の気体分子を排気できるように中空の回転軸を持つターボ分子ポンプで、中空の軸の断面は軸が回転することにより中空軸内の気体分子を径方向に排気するような翼形状となっており、さらに光軸中に、気体分子を径方向に排気するような形状の翼を配置している差動排気システムを設け、パルス光源であるEUVの発光とポンプの回転を中空軸内部の羽根がEUV光を遮らないように同期させることによりEUVの利用効率を損なうことなく高い差動排気能力を提供するものである。

以上説明したように、照明光の利用効率を落とさないように、光軸の周囲の部分より光軸中の気体分子を排気できるように中空の回転軸を持つターボ分子ポンプで、中空の軸の断面は軸が回転することにより中空軸内の気体分子を径方向に排気するような翼形状となっており、さらに光軸中に、気体分子を径方向に排気するような形状の翼を配置している差動排気システムを設け、パルス光源であるEUVの発光とポンプの回転を中空軸内部の羽根がEUV光を遮らないように同期させることによりEUVの利用効率を損なうことなく高い差動排気能力を提供するものである。

（実施例１）
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１、図５は本発明に係るEUV光源の一方式であるレーザープラズマ光源及び差動排気システムの概要図である。

101は発光部が収められた光源チャンバーで、102は光学素子111,112が収められた照明系チャンバーである。103はターゲット（例えばXe）を供給するノズルである。レーザー発生装置124より出射されたパルスレーザー104は集光レンズ105により、透過窓106を介して、ターゲット上に集光され、プラズマ107を生成する。プラズマ107からは、EUV光108が放射され、利用効率を上げるために例えば、回転楕円面の集光ミラー109にて集光し、光学素子が収められた照明系チャンバー102に導入される。

プラズマ107からは、EUV光108とともにデブリと呼ばれる飛散粒子110が飛び散り、周辺の集光ミラー109を汚染、損傷してしまうために、バッファガス供給装置120からHeが光源チャンバー101に導入され、Heフロー121によりデブリ110が飛散するのを軽減している。光源チャンバー101は、EUV光108の減衰や集光ミラー109の汚染、損傷を軽減するため、真空ポンプ113で排気しているものの、ターゲットであるXeやバッファガスであるHeやAr等を常に供給しているため、10Pa程度の圧力に保たれている。また、照明系のミラー111、112の劣化を防ぐためにチャンバー102の圧力は低い方が良く、光源との接続部にオリフィス122を設け、ポンプ114で真空引きをしている。

115は照明光の光軸を遮らないように、テーパー形状の中空軸116に翼をつけたターボ分子ポンプである。117はケースに固定された固定翼である。また、図５は図１のAA断面を図中の矢印の方向から見た図である。断面は中空軸116の羽根が固定されていない部分の断面形状を示したものである。118は中空軸116内部の分子を径方向に跳ね飛ばすような形状の羽根である。123は中空の軸116の断面に作られた羽根であり、軸断面に入って来た分子を軸外に跳ね飛ばす形状をしている。125は中空軸116の回転状況をモニターするセンサーである。126は回転状況モニター125の出力から、EUV光の発光のタイミングを算出し、トリガーをレーザー発生装置124に与えるレーザー発光制御装置である。EUV光108は中空軸内部の羽根118に遮られないように、中空軸116の中心に対してオフセットして配置されている。ポンプ115の回転は、パルス光であるEUV光の発光と同期しており、羽根118がEUV光を遮らない位置にあるときに発光している。本実施例では羽根を8枚としており、EUV光の発光周期を6kHzとするとポンプ115は
6000/8＝750(rps)＝45000（rpm）
で回転することとなる。

同期の方法は、中空軸116に設置された回転状況モニター125の出力からレーザー発光制御装置126によりEUV光が羽根に遮られないように発光するタイミングを算出し、発光トリガー信号をレーザー発生装置124出すことで実現できる。また、基準のパルスを発生させ、それに同期するようにポンプの回転位相とレーザーの発光を制御する、という方法を用いても良い。

上記構成において、ポンプ115は照明系のミラーを低い圧力環境にし、汚染、損傷を防ぐためには極力光源に近い位置に設置することが望ましい。

以下に本発明の動作を説明する。光源チャンバー101の気体分子はオリフィス122を通りポンプ115に流入する。一部の気体分子はポンプ113に排気されるが、それ以外のものはポンプ115に流入する。図2はポンプ115の中空軸の断面形状を示したものである。翼は図中の矢印の方向に高速で回転している。軸中に入って来た気体分子201は羽根118に衝突し半径方向に跳ばされる。飛ばされた気体分子は軸の断面部に入り、さらに軸断面の羽根により軸外に跳ね飛ばされる。軸外では、通常のターボ分子ポンプと同様に回転翼と固定翼により気体分子は粗引きポンプ119の方向に圧縮されていく。圧縮された気体分子は粗引きポンプ119により排気される。

以下に、このポンプを適用した場合の差動排気の能力を計算する。

光源チャンバー101の圧力をp1(Pa)、照明系チャンバー102の圧力をp2(Pa)とし、それぞれのチャンバーを排気する真空ポンプの排気速度をS1(m^3/s)、S2(m^3/s)とする。それぞれのチャンバーを接続する導管部112に設けられたターボ分子ポンプの排気速度をS12 (m^3/s)とする。また、それぞれのチャンバーから発生する脱ガス量をQ1(Pa・m^3/s)、Q2(Pa・m^3/s)、それぞれの真空ポンプ119に排気される流量をQ10(Pa・m^3/s)、Q20(Pa・m^3/s)とし、導管112を流れる流量をQ12 (Pa・m^3/s)としたとき、これらは、以下の関係を満たす。

Q1 + Q2 = Q10 + Q20 (15)
Q10 = Q1 + Q12 (16)
Q10 = S1・p1 (17)
Q20 = S2・p2 (18)
Q12 = S12・p2 (19)
これらから、Q10、Q20、Q12を消去して、p1、p2に関して整理し、Q1>>Q2としたときに簡略化でき、
p1 = (S2・Q1 + S12・Q1 + S12・Q2)／(S1・S2 + S1・S12)≒ Q1／S1 (20)
p2 = Q2／(S2 + S12) (21)
となる。

ここで、圧力p1 = 10(Pa)、排気速度S1 = S2 = 1(m^3/s)(1000 l/s)、S12 = 0.3(m^3/s)(300 l/s)、脱ガス量Q1 = 10(Pa・m^3/s)、Q2 = 1e-5(Pa・m^3/s)としたとき、p2 = 1e-5/(1 + 0.3) = 7.7e-6(Pa)となり、p1/p2 ≧ 1e6もの差圧をつけることが可能となる。

以上、説明したように、照明光の利用効率を落とさないように、光軸の周囲の部分より光軸中の気体分子を排気できるように中空の回転軸を持つターボ分子ポンプで、中空の軸の断面は軸が回転することにより中空軸内の気体分子を径方向に排気するような翼形状となっており、さらに光軸中に、気体分子を径方向に排気するような形状の翼を配置している差動排気システムを設け、パルス光源であるEUVの発光とポンプの回転を中空軸内部の羽根がEUV光を遮らないように同期させることによりEUVの利用効率を損なうことなく高い差動排気能力を提供するものである。

また、この方式はポイントソースX線源を用いたアプリケーション、例えば、反射率計測器、波面計測器、顕微鏡、形状計測器、医療器、組成分析器、構造解析器にも有用であることは言うまでも無い。

また、レーザープラズマ方式だけではディスチャージ方式の光源でも有用であることは言うまでも無い。

（実施例２）
以下、図３を参照して、本発明の差動排気システムを適用した例示的な露光装置８００について説明する。図３は、本発明の露光装置８００の例示的一形態を示す概略構成図である。

本発明の露光装置８００は、露光用の照明光としてＥＵＶ光（例えば、波長１３．４ｎｍ）を用いて、ステップ・アンド・スキャン方式やステップ・アンド・リピート方式でマスク８２０に形成された回路パターンを被処理体８４０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、マスクに対してウェハを連続的にスキャン（走査）してマスク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５を参照するに、露光装置８００は、照明装置８１０と、マスク８２０と、マスク８２０を載置するマスクステージ８２５と、投影光学系８３０と、被処理体８４０と、被処理体８４０を載置するウェハステージ８４５と、アライメント検出機構８５０と、フォーカス位置検出機構８６０とを有する。

照明装置８１０は、投影光学系８３０の円弧状の視野に対する円弧状のＥＵＶ光（例えば、波長１３．４ｎｍ）によりマスク８２０を照明する照明装置であって、ＥＵＶ光源８１２と、照明光学系８１４とを有する。かかる照明装置８１０を構成するＥＵＶ光源８１２と後段の照明光学系８１４との接続に本発明の差動排気システム１を適用することができ、差動排気システム１によりＥＵＶ光の利用効率を損なうことなく、照明光学系８１４を含む雰囲気を低い圧力にして光学素子の反射率等の性能を維持することができる。なお、ＥＵＶ光源８１２及び差動排気システム１は上述した通りのいかなる形態をも適用可能であり、ここでの詳細な説明は省略する。

照明光学系８１４は、集光ミラー８１４ａ、オプティカルインテグレーター８１４ｂから構成される。集光ミラー８１４ａ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８１４ｂは、マスク８２０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８１４は、マスク８２０と共役な位置に、マスク８２０の照明領域を円弧状に限定するためのアパーチャ８１４ｃが設けられている。

マスク８２０は、反射型マスクで、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、マスクステージ８２５に支持及び駆動されている。マスク８２０から発せられた回折光は、投影光学系８３０で反射されて被処理体８４０上に投影される。マスク８２０と被処理体８４０とは、光学的に共役の関係に配置される。露光装置８００は、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であるため、マスク８２０と被処理体８４０を走査することによりマスク８２０のパターンを被処理体８４０上に縮小投影する。

マスクステージ８２５は、マスク８２０を支持して図示しない移動機構に接続されている。マスクステージ８２５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方向にマスクステージ８２５を駆動することでマスク８２０を移動することができる。露光装置８００は、マスク８２０と被処理体８４０を同期した状態で走査する。ここで、マスク８２０又は被処理体８４０面内で走査方向をＸ、それに垂直な方向をＹ、マスク８２０又は被処理体８４０面内に垂直な方向をＺとする。

投影光学系８３０は、複数の反射ミラー（即ち、多層膜ミラー）８３０ａを用いて、マスク８２０面上のパターンを像面である被処理体８４０上に縮小投影する。複数のミラー８３０ａ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、マスク８２０と被処理体８４０を同時に走査して広い面積を転写する。投影光学系８３０の開口数（ＮＡ）は、０．２乃至０．３程度である。

被処理体８４０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８４０には、フォトレジストが塗布されている。フォトレジスト塗布工程は、前処理と、密着性向上剤塗布処理と、フォトレジスト塗布処理と、プリベーク処理とを含む。前処理は、洗浄、乾燥などを含む。密着性向上剤塗布処理は、フォトレジストと下地との密着性を高めるための表面改質（即ち、界面活性剤塗布による疎水性化）処理であり、ＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌ−ｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）などの有機膜をコート又は蒸気処理する。プリベークは、ベーキング（焼成）工程であるが現像後のそれよりもソフトであり、溶剤を除去する。

ウェハステージ８４５は、ウェハチャック８４５ａによって被処理体８４０を支持する。ウェハステージ８４５は、例えば、リニアモーターを利用してＸＹＺ方向に被処理体８４０を移動する。マスク８２０と被処理体８４０は、同期して走査される。また、マスクステージ８２５の位置とウェハステージ８４５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。

アライメント検出機構８５０は、マスク８２０の位置と投影光学系８３０の光軸との位置関係、及び、被処理体８４０の位置と投影光学系８３０の光軸との位置関係を計測し、マスク８２０の投影像が被処理体８４０の所定の位置に一致するようにマスクステージ８２５及びウェハステージ８４５の位置と角度を設定する。

フォーカス位置検出機構８６０は、被処理体８４０面内でＺ方向のフォーカス位置を計測し、ウェハステージ８４５の位置及び角度を制御することによって、露光中、常時被処理体８４０面を投影光学系８３０による結像位置に保つ。

露光において、照明装置８１０から射出されたＥＵＶ光はマスク８２０を照明し、投影光学系８３０は、マスク８２０面上のパターンを被処理体８４０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、マスク８２０と被処理体８４０を縮小倍率比の速度比で走査することにより、マスク８２０の全面を露光する。露光装置８００は、ＥＵＶ光の利用効率を高め、ＥＵＶ光源８１２より後段を低い圧力（即ち、高真空度）にすることができ、光学素子の光学性能を維持して結像性能及びスループットの優れた露光を提供する。

本発明の第１の実施例に係る差動排気システムの概略図 本発明の第1の実施例の動作を説明する図 本発明の第２の実施例に係るEUV露光装置の説明図 EUV露光装置の概略図 本発明の第１の実施例の翼形状の説明図

符号の説明

101 光源チャンバー
102 照明系チャンバー
103 ターゲット供給ノズル
104 励起レーザー
105 集光レンズ
106 透過窓
107 プラズマ
108 EUV光
109 集光ミラー
110 デブリ
111 照明系ミラー
112 照明系ミラー
113 光源チャンバー真空ポンプ
114 照明系チャンバー真空ポンプ
115 中空軸ターボ分子ポンプ
116 中空軸
117 固定翼
118 中空軸内部の羽根
119 粗引きポンプ
120 バッファガス供給装置
121 Heフロー
122 オリフィス
123 中空軸断面の羽根
124 レーザー発生装置
125 回転状況モニター
126 レーザー発光制御装置

Claims (5)

1. パルス光を光源とする光学系の光路中に設けられた差動排気システムであり、光軸の周囲の部分より光軸中の気体分子を排気できるように中空の回転軸を持つターボ分子ポンプで、中空の軸の断面は軸が回転することにより中空軸内の気体分子を径方向に排気するような翼形状となっており、さらに光軸中に、気体分子を径方向に排気するような形状の翼を配置している差動排気システムにおいて、回転軸の回転と光源の発光パルスが同期しており回転軸内の翼が光軸を遮らないように制御されている事を特徴とする差動排気システム。
2. 請求項１のポンプにより圧縮された気体分子をチャンバー外に排気する粗引きポンプを有する事を特徴とする差動排気システム。
3. 請求項1乃至２記載の差動排気システムを有するEUV光源。
4. 請求項1乃至２記載の差動排気システムを有する露光装置。
5. 請求項1乃至２記載の差動排気システムを有する計測装置。

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