JP2007311636A - 露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学素子表面上にカーボンが堆積する、もしくは光学素子表面が酸化されると、光学素子の性能が落ち、スループットが低下してしまう。
【解決手段】 露光装置内の少なくともひとつの光学素子が設置されている領域において、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ネオペンタン、シクロプロパン、シクロブタン、ペンタン、オクタンもしくはこれらの混合物のガス分圧を１．５Ｅ−８Ｐａ以上１．０Ｅ−２Ｐａ以下に制御することを特徴とする露光方法、露光装置、及びパターン形成方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レチクル上に形成されたパターンを露光光によって被露光体に投影し転写する露光方法、露光装置及びデバイス製造方法に関する。

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リソグラフィ方法として、紫外線を用いた縮小投影露光が行なわれてきた。しかし、現在、半導体素子の高集積化が進むにつれ、従来の紫外光を用いた光リソグラフィでは実現不可能な７０ｎｍ以下の解像力を得る技術の開発が急務となっている。

最近では、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、紫外線にかえて更に波長が短い波長１１〜１５ｎｍのＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ：極紫外）光を用いた光リソグラフィ技術が開発されている。このＥＵＶリソグラフィ技術は、７０ｎｍ以下の解像度が得られる技術として期待されている。

波長１１〜１５ｎｍのＥＵＶ領域では、全ての物質が強い吸収を持つため、紫外光を露光光とするリソグラフィのように屈折を利用した透過型の光学素子は使えない。そのため、極薄い薄膜フィルターやミラーなどの反射型光学素子をその光学系に使用し、その表面には光学定数の異なる２種類の物質を交互に積層した多層膜が形成される。多層膜は、例えば、精密な形状に研磨されたガラス基板の表面にモリブデン（Ｍｏ）とシリコン（Ｓｉ）を交互に積層する。多層膜の各層の厚さは、例えばＭｏ層が３ｎｍ、Ｓｉ層が４ｎｍ程度である。

ところで、波長１１〜１５ｎｍのＥＵＶ領域の光は大気中に存在するガス成分によっても吸収され、著しく減衰するため、露光装置内は露光光が減衰しない程度の真空に保たれている。しかし、露光装置内の真空雰囲気中には、主に炭素系の物質を含むガスや水が残留している。これらの残留ガス成分は、ひとつは真空中、露光装置内部で使用される部品やケーブル、部材などから発生する。また、ウェハ上に塗布されたレジストと呼ばれる感光性の物質から揮発する成分も含まれる。

これらの残留ガス成分は、露光装置内部で用いられる光学素子表面上に物理吸着し、吸着と脱離を繰り返している。光学素子表面上に吸着する時間は物質により様々で数１０ピコ秒から長いもので数１０００秒まで及ぶ。これらの残留ガス成分は、通常、物理吸着のみで光学素子表面上に付着したり反応を起こしたりすることはない。

しかし、光学素子にＥＵＶ光が照射されると、光学素子表面で二次電子が発生し、主にこの二次電子により光学素子表面上に吸着した残留ガス成分が解離を起こす。特に炭素を含む化合物が光学素子表面上に物理吸着した場合は、解離によりカーボンが光学素子表面上に堆積する。また、水が物理吸着した場合には、解離によって生成した活性種により光学素子表面上で反応が起こり光学素子表面上を酸化し、表面を消費してしまう。

光学素子表面上にカーボンが堆積する、もしくは光学素子表面が酸化されると、光学素子の性能が落ち、スループットが低下してしまう。特にＥＵＶ露光装置においては光学素子が反射型多層膜ミラーの場合、カーボンが僅か数ｎｍ堆積する、もしくは、最上層が僅か数ｎｍ酸化するだけでも反射率の低下を招く。ＥＵＶ露光装置においては、多層膜ミラーの反射率が１枚につき僅かに低下したたけでも露光装置のスループットに非常に大きな影響を与えてしまう。

これまで、カーボン堆積については、堆積を防ぐ方法や付着した場合に除去する方法が提案されてきた。

提案された方法のひとつは、照明光学系が配置される領域、反射型レチクルが配置される領域、縮小投影光学系が配置される領域のいずれかの領域で炭化水素化合物のガス分圧を低く抑えてカーボン付着を防ぐ方法である。炭化水素化合物は、メタン、エタン、もしくはプロパンなどの炭化水素、イソプロピルアルコールもしくはポリメチルメタクリエートなどの直鎖有機物、またはベンゼンもしくはフタル酸エステルなどの環状有機物である。このことについては、特許文献１に記載されている。これら露光装置内に残留しているガスの量は、残留ガス放出の極力少ない材料を選択することや充分時間をかけて排気することなどにより、ある程度まで低下させることができる。

その他に、光学部品を含んだ露光装置内のスペースを、水、窒素酸化物、および酸素含有炭化水素から選択された酸素含有種の存在下、２５０ｎｍに満たない波長を有するＵＶ光もしくはＥＵＶ光にて照射する方法も提案されている。約２５０ｎｍないしはそれ以下の波長を有するＵＶ光あるいはＥＵＶ光にて照射されると、スペース内の酸素含有種は分解され、酸素ラジカルおよび、酸素含有種の特性によりＯＨ基もしくは炭化水素基といったような他のラジカルを形成する。形成された酸素ラジカルは効果の高い洗浄剤として作用し、光学素子表面から炭化水素や他の汚染粒子を除去する（例えば、特許文献２に記載されている）。また、同じくカーボン除去方法として、露光装置内に水蒸気、酸素、オゾン及びラジカル群から選択された少なくとも１つの物質を含む処理ガスを導入し、電子線を照射する方法が提案されている。水蒸気、酸素、オゾン及びラジカル群から選択された少なくとも１つの物質を含む処理ガスに電子線を照射すると、処理ガス中の気体分子が電離する。この電離した気体分子が被洗浄物に付着している汚染物と反応し、汚染物が酸化されて分解蒸発する。蒸発した汚染物は排気手段により排気されて、汚染が除去される（例えば、特許文献３に記載されている）。
特許第３４６７４８５号公報 特開２００３−１８８０９６号公報 特開２００２−２３７４４３号公報

上記したようなカーボン堆積を防止する方法、もしくは堆積しても除去する方法は有効な手段であるが、カーボン堆積を防止、もしくは堆積したカーボンを除去できる反面、光学素子表面を酸化してしまい、光学素子の性能を低下させてしまうことが懸念される。

例えば、炭化水素化合物のガス分圧を低く抑えてカーボン付着を防ぐ方法では、露光装置内の雰囲気中に存在するガス成分の分圧条件に依存してしまう。つまり、カーボン付着は起こらないが酸化がおこる、またはカーボン堆積と酸化が両方起こってしまうことがあり得る。例えば、露光装置内の炭素化合物成分の分圧に比べて水の分圧が高い場合には、光学素子表面が酸化されてしまう場合がある。

また、露光装置内にガスを導入し、ＵＶ光やＥＵＶ光、電子線を照射して堆積したカーボンを除去する方法では、クリーニングが行き過ぎて光学素子表面を酸化してしまうことが懸念される。特に、カーボンを酸化し、一酸化炭素や二酸化炭素として除去する場合、例えば光学素子の最上層がＳｉであった場合に堆積したカーボンよりもＳｉのほうが酸化しやすいため、光学素子が劣化しやすい。

さらに、特筆すべきことは、光学素子にカーボンが堆積した場合、除去は可能であるが、光学素子が一度酸化されてしまうと、もとに戻す手段がない。したがって、光学素子の寿命を延ばすためには、酸化を避けることが必須となってくる。

本発明の目的は、光学素子表面の酸化を防ぐことにより光学素子の劣化を防止し、光学素子の寿命を延ばすことにある。

しかしながら一方では、特開２００２−１１０５３９にて開示されているように、高速イオン等によるミラーの損傷を低減させる目的において、アルコールに代表される炭化水素を導入し、ミラー表面にカーボン膜を形成させるといる提案もされている。この例は、本発明の以下に述べる手段と発想の点では良く似ている提案であるが、このような方法を用いると、高速イオンが飛来市内場所に設置されているミラーの表面はカーボンが堆積してしまい、それによる反射率劣化が無視できないという課題を生じさせる。更に、アルコールのような付着しやすい材料を用いると、添加量を僅かに変えただけで付着量が変化するため、制御することが非常に難しいという課題もある。

上記の課題を解決するため、本発明における露光方法および露光装置は、露光装置内の少なくともひとつの光学素子が設置されている領域において、メタンのガス分圧を１．５Ｅ−８Ｐａ以上１．０Ｅ−２Ｐａ以下に制御することを特徴とする。かかる露光方法、露光装置では、露光装置内の少なくともひとつの光学素子が設置されている領域において、質量数１６のガス成分分圧を１．５Ｅ−８Ｐａ以上１．０Ｅ−２Ｐａ以下に制御してもよい。また、露光装置内の少なくともひとつの光学素子が設置されている領域において、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ネオペンタン、シクロプロパン、シクロブタン、ペンタン、オクタンもしくはこれらの混合物のガス成分分圧を１．５Ｅ−８Ｐａ以上１．０Ｅ−２Ｐａ以下に制御してもよい。

上記の露光装置、露光方法においては、波長１１〜１５ｎｍのＥＵＶ（極紫外）光を露光光として用いていることを特徴とする。

また、本発明の更に別の側面としてのデバイス製造方法は、上記の露光装置を用いて被露光体を露光するステップと露光された前記被露光体に所定のプロセスを行うステップとを有することを特徴とする。上記の露光装置の作用と同様の作用を奏するデバイス製造方法の請求項は、中間及び最終結果物であるデバイス自体にもその効力が及ぶ。また、かかるデバイスは、ＬＳＩやＶＬＳＩなどの半導体チップ、ＣＣＤ、ＬＣＤ、磁気センサー、薄膜磁気ヘッドなどを含む。

光学素子が設置されている領域に分子量の小さい炭化水素ガスを導入することにより、ＥＵＶ照射にて炭化水素ガスと残留ガス中に存在する水分子とが光学素子表面上にて反応を起こして水分子を消費する。この現象を利用して、光学素子表面が水分子によって酸化されることを防ぐことができる。更に、もともと表面に付着しにくいといわれている、分子量の小さな炭化水素を用いることにより、導入量が多少多くなっても表面に付着堆積する可能性が小さいので、制御しやすいという利点もある。

光学素子表面の酸化を防ぐことにより、光学素子の性能を保つことができ、光学素子の寿命を延ばすことができる。

（第１の実施例）
以下、本発明の一実施例を図１、図２を用いて説明する。

図１に、本発明のひとつの実施の形態であるＥＵＶ露光装置の概略を示した。

レーザー１０の集光点に形成されたプラズマスポット１４から放射されたＥＵＶ光は照明光学系１６によって集光され所望のパターンが形成された反射型レチクル２０に導かれる。その反射光は、投影光学系２２を介してレチクル２０上に形成されたパターンをウェハ２６上に転写させる。レチクル２０、ウェハ２６は、それぞれ並進運動が可能なレチクルステージ１８、ウェハステージ２４上に固定されている。ＥＵＶ露光装置では、露光光の波長が現在の紫外線を用いる露光装置よりも短いため、より高い解像度が得られる。ＥＵＶ光源は、上記のようなレーザープラズマ光源以外にも、シンクロトロン放射光光源、放電プラズマ光源などを用いてもよい。

レチクル２０、照明光学系１６、投影光学系２２に用いられる光学素子にはＥＵＶ光の波長領域において屈折率の異なる２つの物質を交互に積み重ねた多層膜がコーティングされる。多層膜の構造の例として最上層をＳｉとしたＭｏとＳｉを３０〜４０対ほど積層させた構造が挙げられる。

露光装置１において、ウェハ２６、レチクル２０、照明投影系１６、投影光学系２２、レチクルステージ１８、ウェハステージ２６などは真空容器２内に収められる。真空容器内は、大気によるＥＵＶ光の減衰や光電子の散乱を防止するために、真空ポンプなどの排気手段２８によって排気されている。排気手段はターボ分子ポンプ、イオンポンプなどが用いられる。

ＥＵＶ露光装置の構成は、上述の構成に限られるものではなく、ミラーの枚数や構成など適宜変更しうる。

以下、本発明の特徴となる技術について説明する。

露光装置１は、真空容器内にガスを導入するガス導入系３０を備える。ガス導入系３０は、露光装置の少なくともひとつの光学素子が配置されている領域にガスを導入するための配管、バルブ、圧力制御手段等を備える。導入するガスとしてメタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ネオペンタン、シクロプロパンもしくはシクロブタンのいずれかまたはこれらを含む混合ガスが挙げられる。

また、このガス導入系３０によって、メタンのガス分圧は１．５Ｅ−８Ｐａ以上１．０Ｅ−２Ｐａ以下の範囲内で最適なガス分圧に制御される。ガス導入系３０は例えば差動排気を用いて真空容器２に導入されるメタンガスの流量を制御してもよい。もしくはこれに代えて他の手段を用いてもよい。

図２に、真空容器２の雰囲気を構成しているガス成分、すなわち真空中における残留ガス成分をモニタリングした結果の一例を示した。本実施例では、真空中における残留ガス成分のモニタリングに四重極型質量分析計を用いた。図２はその出力データである。ここでは、メタンを主成分とする質量数１６のピークが分圧換算で２．０Ｅ−６Ｐａに制御されている（図では出力データを電流値で表示）。このようにガス導入系３０によって真空容器２におけるメタンガスの分圧を精確、かつ長時間安定に制御することができる。

ガス導入系３０によって真空容器２に導入されたメタン分子は、光学素子表面上に物理的な吸着と脱離を繰り返しているが、一度の吸着で光学素子表面上に滞在する時間が数１０ピコ秒と短い。そのため、ＥＵＶ光が光学素子に照射された際、光学素子表面に発生した二次電子によってメタン分子が解離を起こす確立がより高分子の炭化水素類よりも低く、カーボンとして光学素子表面上に付着する量は、カーボン膜が成長するほどには多くない。とは言え、非常に長い時間この状態が持続するとカーボンが堆積してゆく可能性は十分にある。

しかしながら、露光装置の真空容器内の残留ガスにはもともと比較的多くの水成分が存在している。この水が光学素子表面上に物理吸着し、そこにＥＵＶ光が照射されると水が解離し、活性種を生成する。その活性種と光学素子表面に付着している炭化水素分子や炭素原子とが反応して活性種を消費する。この現象を利用することによって、光学素子が酸化されることを防止することができる。

ところで、メタンのガス分圧が低すぎると真空容器内において水の分圧が過多となってしまう。すると、光学素子表面上に滞在する炭素原子あるいは炭化水素分子に比較して水分子の割合が大幅に増え、炭素原子や炭化水素分子を上記反応によって消費しきっても水分子が存在し、光学素子の酸化が起こりやすい条件となる。前記のように、光学素子表面は一度酸化されるともとの状態に戻すことができないため、酸化は必ず避けなければならない。光学素子の酸化を避けるために適切なメタンガス分圧は、その空間に残留する水分圧との関係によって決まる。水分圧が比較的高い場合は導入するメタンガスの分圧も高めにし、水分圧が低い場合には導入するメタンガスの分圧も低く抑えて良い。しかしながらメタンガスの分圧が低すぎても反応確率が低下するため、メタンのガス分圧は１．５Ｅ−８Ｐａ以上が望ましい。

また、メタンのガス分圧が高くなると、真空容器内の光路中でのメタン分子が非常に多くなり、メタンガス分子がＥＵＶ光を吸収する量が無視出来なくなる。ＥＵＶ光がメタンに吸収されると、光学系空間でのＥＵＶ光の透過率が下がりスループットを下げてしまう。本例では、メタンガスがＥＵＶ光を吸収する割合が無視できる程度の圧力として、１．０Ｅ−２Ｐａを導入圧力の上限とすることが望ましい。

以上のことから、質量数１６のガス成分分圧を１．５Ｅ−８Ｐａ以上１．０Ｅ−２Ｐａ以下になるように、ガス導入系３０を用いて導入ガスの分圧を制御する。また、制御に際して、ガス導入される真空容器に設置されている残留ガス分析器（例えば四重極質量分析器等）を用いる。

また、メタンに代わってエタン、もしくはプロパン、ブタン、イソブタン、ネオペンタン、シクロプロパン、シクロブタンのいずれかまたはこれらの混合ガスのガス分圧を制御してもよい。ガス分圧は同様に１．５Ｅ−８Ｐａ以上１．０Ｅ−２Ｐａ以下にすることが望ましい。

更に、室温において液体であるペンタン、オクタン及びこれらの混合を、気化させて露光装置の真空容器に導入し、その圧力を１．５Ｅ−８Ｐａ以上１．０Ｅ−２Ｐａ以下に制御するための液体気化導入系を配置しうる。液体気化導入系は、液体を気化させる液体気化装置と、気化された気体の導入圧力を制御する導入圧力制御装置及びこれらを接続する配管やバルブ類を備え、これらを用いて炭化水素を導入する。

分子量が大きい高分子成分となると、光学素子表面上に吸着している時間が長いためＥＵＶ光によって光学素子表面上に発生した２次電子との反応確率が大きくなり、光学素子表面にカーボンを供給するスピードは増大する。そのため、水分子とちょうど良く平衡させるための分圧制御が非常に難しくなってくる。したがって、質量数の比較的小さい炭化水素ガスを導入し、ガス成分分圧を制御することが望ましい。

次に、図３及び図４を参照して、上述の露光装置を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図３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方法を例に説明する。

ステップＳ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップＳ２（マスク製作）では設計した回路パターンに基づいてマスクを製作する。ステップＳ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップＳ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、マスクとウエハを用いて、上記の露光装置によりリソグラフィ技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。ステップＳ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップＳ４によって作製されたウエ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）等の組み立て工程を含む。ステップＳ６（検査）では、ステップＳ５で作製された半導体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。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、それが出荷（ステップＳ７）される。

図４は、ステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップＳ１１（酸化）では、ウエハの表面を酸化させる。ステップＳ１２（ＣＶＤ）では、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。ステップＳ１３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップＳ１４（イオン打ち込み）では、ウエハにイオンを打ち込む。ステップＳ１５（レジスト処理）では、ウエハに感光剤を塗布する。ステップＳ１６（露光）では、露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに露光する。ステップＳ１７（現像）では、露光したウエハを現像する。ステップＳ１８（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Ｓ１９（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エハ上に多重に回路パターンが形成される。

本発明の第１の実施の形態におけるＥＵＶ露光装置の概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態において、真空容器内のガス成分分圧のモニタリングを行った際の出力データの一例である。 デバイス製造方法を説明するための図である。 ウエハプロセスを説明するための図である。

符号の説明

１ 露光装置
２ 真空容器
１０ レーザー
１２ 集光レンズ
１４ プラズマスポット
１６ 照明光学系
１８ レチクルステージ
２０ レチクル
２２ 投影光学系
２４ ウェハステージ
２６ ウェハ
２８ 排気手段
３０ ガス導入系

Claims (8)

1. 露光装置内の少なくともひとつの光学素子が設置されている領域において、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ネオペンタン、シクロプロパン、シクロブタン、ペンタン、オクタンもしくはこれらの混合物のガス分圧を１．５Ｅ−８Ｐａ以上１．０Ｅ−２Ｐａ以下に制御することを特徴とする露光方法。
2. 露光装置内の少なくともひとつの光学素子が設置されている領域において、質量数１６のガス成分分圧を１．５Ｅ−８Ｐａ以上１．０Ｅ−２Ｐａ以下に制御することを特徴とする露光方法。
3. 波長１１乃至１５ｎｍのＥＵＶ光を露光光として用いることを特徴とする請求項１または２に記載の露光方法。
4. 露光装置内の少なくともひとつの光学素子が設置されている領域において、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ネオペンタン、シクロプロパン、シクロブタン、ペンタン、オクタンもしくはこれらの混合ガスのガス分圧を１．５Ｅ−８Ｐａ以上１．０Ｅ−２Ｐａ以下に制御するためのガス導入系を備えることを特徴とする露光装置。
5. 露光装置内の少なくともひとつの光学素子が設置されている領域において、質量数１６のガス成分分圧を１．５Ｅ−８Ｐａ以上１．０Ｅ−２Ｐａ以下に制御するためのガス導入系を備えることを特徴とする露光装置。
6. 露光装置内の少なくともひとつの光学素子が設置されている領域に、ペンタン、オクタンのいずれかまたはこれらの混合液を、気化して導入するための液体気化導入系を具備していることを特徴とする露光装置。
7. 波長１１乃至１５ｎｍのＥＵＶ光を露光光として用いる請求項４乃至６までのいずれか１項に記載の露光装置。
8. 請求項４乃至７のいずれか１項に記載の露光装置を用いて被露光体を露光するステップと、露光された前記被露光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。

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