JP2009267016A - 露光装置及びその露光装置を用いたパターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レチクル（原版）下面側からの真空吸着に起因するレチクルの歪みを抑制して、パターン転写時の位置精度や寸法精度を向上させる。
【解決手段】原版（レチクル４１）の保持機構であるレチクルステージ５１は、レチクル４１の側面を吸着固定する吸着機構である吸着チャック４５と、レチクル４１の下面側に配置された支持機構である保持ピン４４とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子デバイス製造等で使用される露光装置及びその露光装置を用いたパターン形成方法に関し、特に、原版に描画されたパターンを基板上に転写する際に、露光装置に固定された原版のパターンの位置ずれを抑制することにより転写精度の向上を図った露光装置及びその露光装置を用いたパターン形成方法に関する。

近年の電子デバイス製造における微細加工技術の進展に伴い、リソグラフィー工程ではフォーカス及びアライメントにおけるプロセスマージンが狭くなってきている。そのため、少ないプロセスマージンを有効活用して安定した歩留りを維持するために、より高精度なフォーカス管理及びアライメント管理が必要となっている。

半導体製造工程において、露光装置を用いてレチクルパターンをシリコンウエハ上に投影して転写する従来の露光技術について、図面を参照しながら説明する（特許文献１参照）。図７は従来の露光装置の概略構成を示す図である。

図７に示す露光装置において、露光パターンの原版となるレチクル８１は、レチクルアライメントスコープ８４を用いて、レチクルステージ８２上のレチクルアライメントマークに位置合わせされた後、レチクルステージ８２にレチクルクランプ８３を介して保持される。

ウエハステージ８７上にはウエハ８６が保持されており、ウエハ８６の上面にはレジスト膜が形成されている。このレジスト膜にレチクル８１及び縮小投影レンズ８５を通して露光光が照射されることによって、レチクル８１上に描画されたパターンがウエハ８６上に転写される。このとき、スリット状の露光光に対してレチクルステージ８２を移動させ、且つ、ウエハステージ８７もレチクルステージ８２に同期して移動させることによって、スキャン露光を行う。

ウエハ８６に既に半導体素子等の何らかのパターンが形成されている場合には、当該パターンと、これから露光により転写させるパターンとの重ね合わせを行うために、オフアクシスアライメントスコープ８８を用いて、ウエハ８６上に形成された複数のアライメントマークを検出した上で、スキャン露光を行う。

図８（ａ）は、図７におけるレチクル８１を保持したレチクルステージ８２を上から見た図である。図８（ａ）に示すように、レチクル８１は、レチクルクランプ８３に接続されたレチクルクランプパッド８３Ａにより、レチクルステージ８２に沿ってレチクル外周近傍の４箇所でレチクルクランプ８３に保持されている。レチクルクランプパッド８３Ａはバキュームパッドであり、レチクル８１は、その下面側からレチクルクランプ８３に真空吸着される。

図８（ｂ）は、図７におけるレチクル８１を保持したレチクルステージ８２を拡大した図であり、レチクルクランプパッド８３Ａを明示していることを除いて、図７の該当部分と同様である。

図８（ｃ）は、レチクル８１がレチクルクランプ８３に真空吸着された時の側面図であり、レチクルの歪みを示す図である。図８（ｃ）に示すように、レチクル８１においては、その下面側からレチクルクランプ８３に真空吸着されることにより面歪みが発生するため、レチクル８１面上のパターンをウエハ８６上に投影露光した場合、パターン横ずれなどが発生してしまう。その結果、ウエハ８６上に転写されたパターンの位置精度や寸法精度が悪化する問題が生じる。

以下、レチクルクランプに真空吸着されることにより発生するレチクルの面歪みについて、図９（ａ）及び図９（ｂ）を参照しながら説明する（例えば非特許文献１参照）。図９（ａ）は、真空吸着前のレチクル形状が下向きに凸型である場合を示し、図９（ｂ）は、真空吸着前のレチクル形状が上向きに凸型である場合を示す。尚、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すいずれの場合においても、露光パターンの原版となるレチクル８１は、レチクルステージ（図示省略）にクランプする手段であるレチクルクランプ８３に保持されている。

図９（ａ）に示すように、真空吸着後のレチクル８１Ｂにおいては、真空吸着前（自然状態）のレチクル８１Ａと比較して、パターンが形成された下面がレチクル中央に向けて縮む方向（図中矢印方向）の面歪みが生じている。また、図９（ｂ）に示すように、真空吸着後のレチクル８１Ｂにおいては、真空吸着前（自然状態）のレチクル８１Ａと比較して、パターンが形成された下面がレチクルクランプ８３側に伸びる方向（図中矢印方向）の面歪みが生じている。すなわち、従来の露光技術においては、これらの面歪みに起因して、ウエハ上パターン精度が悪化する問題があった。
特開２００３−１３３２２３号公報 H. Nomura 、Impact of Reticle Topography on Field Curvature and Overlay Errors in Optical Lithography 、Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002) pp.7537−7541

以下、前述の真空吸着に起因してレチクルに面歪みが発生するメカニズムについて、さらに詳細に説明する。

図１０（ａ）及び（ｂ）は、レチクルステージに真空吸着されていない状態（自然状態）のレチクルと当該レチクル上のパターンとの位置関係を模式的に示す断面図及び平面図である。尚、図１０（ａ）及び（ｂ）において、レチクル８１上に仮想的に配置した理想格子パターン１１２を合わせて示している。図１０（ａ）に示すように、レチクルステージに真空吸着されていない場合、レチクル８１は、それ自体が持っている撓みによって下向きに凸の状態にある。このとき、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、レチクル８１上に仮想的に配置された理想格子パターン１１２に歪みは無い。すなわち、レチクル８１上の所望の位置に所望のパターンが形成されている。

図１０（ｃ）及び（ｄ）は、従来の露光装置においてレチクルをその下面側からレチクルクランプに真空吸着した場合における、レチクルと当該レチクル上のパターンとの位置関係を模式的に示す断面図及び平面図である。尚、図１０（ｃ）及び（ｄ）において、レチクル８１上に仮想的に配置した理想格子パターン１１２を合わせて示している。前述のように、図１０（ａ）に示す場合には、レチクル８１は下向きに凸の状態にあったが、レチクルクランプ８３に真空吸着した場合、具体的には、レチクル８１をその下面側からレチクルクランプ８３を介してレチクルステージに真空吸着した場合、図１０（ｃ）に示すように、レチクル８１の撓みはなくなる。しかしながら、この場合、レチクル８１の上面がレチクルクランプ８３側の方向に引き伸ばされ、レチクル８１の下面がレチクル中央に向けて縮むことになるので、レチクル８１上の理想格子パターン１１２が歪むことになる。従って、レチクル８１上に形成されたパターンは所望の位置からずれることになる。

レチクルは、それ自身が個々に撓みを持っているため、レチクルをその下面側からレチクルクランプに強制的に真空吸着することにより発生する理想格子パターンの歪みは、レチクルによって異なる。よって、レチクル上に形成された個々のパターンについて、露光時のレチクル上位置と本来あるべき位置とのズレ量も、レチクルによって異なってくる。これは、パターン寸法精度の劣化やパターン重ね合わせ精度の劣化に直結する。

前記に鑑み、本発明は、レチクルに予め描画されたデバイスパターンをウエハ上に転写する際のパターン転写精度を改善することを目的とし、より具体的には、レチクル（原版）の真空吸着に起因する面歪みを抑制してパターン転写精度を向上させることを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る露光装置は、原版に描画されたパターンを投影レンズを介して基板上に転写する露光装置において、前記原版を保持する原版保持機構は、前記原版の下面から前記原版を支える支持機構と、前記原版の側面を吸着固定する吸着機構とを有する。

また、本発明に係るパターン形成方法は、前述の本発明に係る露光装置を用いたパターン形成方法であって、被加工膜が形成された基板上にレジスト膜を形成する工程と、前記原版保持機構に保持された前記原版、及び前記投影レンズを通して露光光を前記レジスト膜に照射する工程と、前記露光光が照射された前記レジスト膜に対して現像を行うことによってレジストパターンを形成する工程とを備えている。

本発明によると、原版（レチクル）をその側面から吸着固定するため、原版をその下面から吸着固定する場合と比べて、吸着に起因するレチクルの重力方向の変形を抑制できるので、レチクルの面歪みを抑制することができる。従って、レチクル面上のパターンをウエハ上に投影した場合におけるパターン転写性能を向上させることが可能となる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る露光装置について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態の露光装置における、原版を保持するための原版保持機構の上面図である。本実施形態において、原版は、基板上に転写するパターンが描画されたレチクル４１であり、原版保持機構は、レチクル４１を保持するためのレチクルステージ５１である。図１に示すように、レチクル４１上には、基板上に転写されるパターンの寸法の４倍の寸法で描画されたデバイスパターン４２と、レチクル４１の位置決めを行うためのアライメントマーク４３とが配置されている。本実施形態の特徴として、レチクルステージ５１の４箇所に配置された原版吸着機構である吸着チャック４５により、レチクル４１の側面が例えば１気圧程度の負圧で吸着固定されている。吸着チャック４５は、レチクルステージ５１の移動方向（図面上のＹ方向）においてレチクル４１の両側面を挟み込む位置に配置されている。すなわち、吸着チャック４５は、レチクル４１の移動方向に対して垂直に拡がるレチクル４１の両側面と向き合う位置に配置されている。

さらに、図１に示すように、レチクル４１は、レチクル４１の四隅の下面側に配置された原版支持機構である保持ピン４４によって、重力方向に対して補助的に保持されている。尚、レチクルステージ５１には、レチクル４１上のデバイスパターン４２を配置できる最大画角領域が開口されている。

図２（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の露光装置における、レチクル４１とそれを保持するための吸着チャック４５と保持ピン４４とを斜め方向から見た斜視図であり、図２（ａ）は、レチクル４１を吸着チャック４５及び保持ピン４４によって保持する前の状態を示し、図２（ｂ）は、レチクル４１を吸着チャック４５及び保持ピン４４によって保持した後の状態を示す。図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、図１と同様、レチクル４１は、その両側面を吸着チャック４５によって挟み込むように保持されていると共に、レチクル４１の四隅は、その下面側に配置された保持ピン４４によって保持されている。

本実施形態の露光装置におけるレチクルステージ５１においては、レチクル４１の下面ではなく、レチクル４１の側面を吸着保持することにより、真空吸着に起因するレチクル４１の重力方向の変形を抑制することが可能となる。すなわち、真空吸着によりレチクル４１を歪めることなく、レチクル４１本来の形状を維持した状態でレチクル４１を保持することにより、レチクル４１上の面歪み（例えば理想格子パターンの歪み）を抑制することができる。その結果、レチクル４１上に形成されたパターンをウエハ上の所望の位置に所望の大きさで形成することが可能となる。

図３（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の露光装置のレチクルステージに配置されたレチクルと、当該レチクル上のパターンとの位置関係を模式的に示す断面図及び平面図である。尚、図３（ａ）及び（ｂ）において、レチクル４１上に仮想的に配置した理想格子パターン６１を合わせて示している。図３（ａ）に示すように、本実施形態においては、レチクルステージ（具体的には吸着チャック４５）に真空吸着した場合にも、レチクル４１は、それ自体が持っている撓みによって下向きに凸の状態にある。すなわち、レチクル４１は、その側面において吸着チャック４５により吸着保持されている。従って、レチクル４１の下面側から吸着固定される場合と比較して、レチクル４１の面方向にかかる力が小さくなるため、レチクル４１の本来の形状を維持したままレチクル４１を保持することが可能となる。よって、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、レチクル４１上に仮想的に配置された理想格子パターン６１に歪みは発生しないため、シリコンウエハなどの基板上の所望の位置に所望の大きさのパターンを形成することが可能となる。

尚、本実施形態において、レチクル４１を保持する吸着チャック４５は、露光光を照射するためのスリットの方向（図１のＸ方向）ではなく、レチクルステージ５１の移動方向であるスキャン方向（図１のＹ方向）においてレチクル４１の両側面を吸着保持することが好ましい。この構成によって、レチクルステージ５１と共にレチクル４１が高速で移動する場合においても、移動時の慣性力によりレチクル４１がレチクルステージ５１の移動方向に沿ってずれることを防止することができる。但し、本発明の実施に際して、吸着チャック４５によるレチクル４１の吸着方向は、レチクルステージ５１の移動方向であるスキャン方向（図１のＹ方向）であることが望ましいものの、吸着チャック４５によって十分な吸着力が確保できる場合には、露光光を照射するためのスリット方向（図１のＸ方向）においてレチクル４１の両側面を吸着保持してもよい。具体的には、例えば、吸着チャック４５によって吸着保持されるレチクル４１の側面に対して、その上下面と同様に鏡面研磨等による平坦化処理を施すことによって、吸着チャック４５による吸着力を確保することができる場合には、露光光を照射するためのスリット方向（図１のＸ方向）においてレチクル４１の両側面を吸着保持することが可能となる。

また、本実施形態において、保持ピン４４をレチクル４１の四隅の下面側に配置したが、保持ピン４４の本数は４本に限定されるものではなく、保持ピン４４の本数をさらに増やしても良い。また、保持ピン４４によってレチクル４１を保持する場所もレチクル４１の四隅に限定されるものではなく、レチクル４１をバランスよく保持できる場所であれば任意の場所に設定可能である。

（第１の実施形態の変形例）
以下、本発明の第１の実施形態の変形例に係る露光装置について図面を参照しながら説明する。

図４は、本変形例の露光装置における、原版を保持するための原版保持機構の上面図である。尚、図４において、図１に示す第１の実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、重複する説明を省略する。

本変形例の露光装置が第１の実施形態と異なっている点は、図４に示すように、原版支持機構として、レチクル４１の四隅をその下面側から補助的に指示する保持ピン４４に代えて、補助チャック４６が設けられていることである。補助チャック４６は、レチクル４１における吸着チャック４５が配置されている側面とは異なる側面の近傍の下面側に設けられており、レチクル４１は補助チャック４６によって補助的に吸着保持されている。

図５（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の露光装置における、レチクル４１とそれを保持するための吸着チャック４５と補助チャック４６とを斜め方向から見た斜視図であり、図５（ａ）は、レチクル４１を吸着チャック４５及び補助チャック４６によって保持する前の状態を示し、図５（ｂ）は、レチクル４１を吸着チャック４５及び補助チャック４６によって保持した後の状態を示す。図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、図４と同様、レチクル４１は、その両側面を吸着チャック４５によって挟み込むように保持されていると共に、レチクル４１における吸着チャック４５によって保持されていない側面近傍（レチクル外周部）は、その下面側に配置された補助チャック４６によって補助的に吸着保持されている。

本変形例の露光装置におけるレチクルステージ５１においては、レチクル４１の側面を主として吸着保持すると共に、レチクル４１の下面を補助的に吸着保持することにより、吸着に起因するレチクル４１の重力方向の変形を抑制しつつ、レチクルステージ５１が高速で移動した場合にも、慣性力によるレチクル４１のレチクルステージ５１からのズレを抑制することが可能となる。

尚、第１の実施形態と同様に、本発明の実施に際して、吸着チャック４５によるレチクル４１の吸着方向は、レチクルステージ５１の移動方向であるスキャン方向（図４のＹ方向）であること、言い換えると、レチクル４１の移動方向に対して垂直なレチクル４１の側面を吸着することが望ましいものの、吸着チャック４５によって十分な吸着力が確保できる場合には、露光光を照射するためのスリット方向（図４のＸ方向）においてレチクル４１の両側面を吸着保持してもよい。具体的には、第１の実施形態と同様に、例えば、吸着チャック４５によって吸着保持されるレチクル４１の側面に対して、その上下面と同様に鏡面研磨等による平坦化処理を施すことによって、吸着チャック４５による吸着力を確保することができる場合には、露光光を照射するためのスリット方向（図１のＸ方向）においてレチクル４１の両側面を吸着保持することが可能となる。この場合、補助チャック４６は、吸着チャック４５が保持するレチクル４１の側面と同じ側面の近傍（外周部）の下面を保持していてもよい。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係るパターン形成方法、具体的には、第１の実施形態又はその変形例に係る露光装置を用いたパターン形成方法について、図面を参照しながら説明する。

図６（ａ）〜（ｅ）は、第２の実施形態に係るパターン形成方法の各工程を示す断面図である。

まず、図６（ａ）に示すように、半導体素子等が形成されたシリコン基板などのウエハ７１上に、金属膜又は絶縁膜等の被加工膜７２を形成した後、被加工膜７２の上にレジスト膜７３を形成する。その後、ウエハ７１を本発明の露光装置（第１の実施形態又はその変形例に係る露光装置）のウエハステージに載置する。

次に、図６（ｂ）に示すように、所望のパターンが形成されたレチクル４１を、第１の実施形態又はその変形例に係る露光装置のレチクルステージ（具体的には吸着チャック４５及び保持ピン４４又は補助チャック４６）によって保持し、ウエハ７１上に予め形成されている複数のアライメントマークを、例えばオフアクシスアライメントスコープを用いて検出することにより、ウエハ７１の位置合わせを行う。その後、例えばＡｒＦエキシマレーザーを光源とする露光光７６を、レチクル４１及び縮小投影レンズ７５を通して、レジスト膜７３に対して照射する。このとき、スリット状の露光光７６に対して、レチクル４１を保持したレチクルステージを移動させ、且つ、ウエハ７１を載置したウエハステージも当該レチクルステージに同期して移動させることによって、スキャン露光を行う。

その後、図６（ｃ）に示すように、露光光７６が照射されたレジスト膜７３に対して現像を行うことにより、所望のレジストパターン７３Ａを得る。尚、図６（ｂ）に示す露光の後や図６（ｃ）に示す現像の後に、必要に応じてレジスト膜７３又はレジストパターン７３Ａを加熱する工程を実施しても良い。

本実施形態において前述のスキャン露光を行っている間、レチクル４１の両側面（レチクルステージ上でレチクルスキャン方向に対して垂直な両側面）を吸着チャック４５によりそれぞれ吸着保持しており、さらに、レチクル４１の四隅を保持ピン４４によって支持しているか又はレチクル４１の外周部を補助チャック４６によって支持している。このため、レチクル４１は、当該レチクル本来の撓みを持った状態で保持されていることになる。その結果、レチクル４１上のパターンは、所望の位置からずれることなくウエハ７１上の所望の位置に転写されることになる。

続いて、所望のレジストパターン７３Ａを得た後、図６（ｄ）に示すように、レジストパターン７３Ａをエッチングマスクとして、被加工膜７２のエッチングを行い、被加工膜７２を所望の形状７２Ａに加工する。その後、図６（ｅ）に示すように、レジストパターン７３Ａを除去する。

以上に説明した本実施形態によると、本発明の露光装置を用いてパターン露光を行うことにより、ウエハ７１上の所望の位置に所望の大きさのレジストパターン７３Ａを形成することが可能となり、半導体装置の加工精度を向上させることが可能となる。

尚、本実施形態において、露光光として、ＡｒＦエキシマレーザーを光源とする露光光を用いたが、露光光の種類はこれに限定されるものではない。また、露光方法として、スキャン露光を用いたが、これに代えて、ステップアンドリピート露光等の他の露光方法も使用可能であることは言うまでもない。

本発明に係る露光装置及びその露光装置を用いたパターン形成方法は、例えば微細な複数のパターンの重ね合わせが必要なパターン形成技術として有用である。

図１は本発明の第１の実施形態に係る露光装置における、原版を保持するための原版保持機構の上面図である。 図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る露光装置における、レチクルとそれを保持するための吸着チャックと保持ピンとを斜め方向から見た斜視図であり、図２（ａ）は、レチクルを吸着チャック及び保持ピンによって保持する前の状態を示し、図２（ｂ）は、レチクルを吸着チャック及び保持ピンによって保持した後の状態を示す。 図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る露光装置のレチクルステージに配置されたレチクルと、当該レチクル上のパターンとの位置関係を模式的に示す断面図及び平面図である。 図１は本発明の第１の実施形態の変形例に係る露光装置における、原版を保持するための原版保持機構の上面図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る露光装置における、レチクルとそれを保持するための吸着チャックと保持ピンとを斜め方向から見た斜視図であり、図５（ａ）は、レチクルを吸着チャック及び保持ピンによって保持する前の状態を示し、図５（ｂ）は、レチクルを吸着チャック及び保持ピンによって保持した後の状態を示す。 図６（ａ）〜（ｅ）は本発明の第２の実施形態に係るパターン形成方法の各工程を示す断面図である。 図７は従来の露光装置の概略構成を示す図である。 図８（ａ）は、図７におけるレチクルを保持したレチクルステージを上から見た図であり、図８（ｂ）は、図７におけるレチクルを保持したレチクルステージを拡大した図であり、図８（ｃ）は、図７におけるレチクルがレチクルクランプに真空吸着された時の側面図であり、レチクルの歪みを示す図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、従来の露光装置のレチクルステージに保持されたレチクルの歪みを示す図である。 図１０（ａ）〜（ｄ）は、従来の露光装置のレチクルステージに保持されたレチクルの歪みを示す図である。

符号の説明

４１ レチクル
４２ デバイスパターン
４３ アライメントマーク
４４ 保持ピン
４５ 吸着チャック
４６ 補助チャック
５１ レチクルステージ
６１ 理想格子パターン
７１ ウエハ
７２ 被加工膜
７２Ａ 所望の形状
７３ レジスト膜
７３Ａ レジストパターン
７５ 縮小投影レンズ
７６ 露光光

Claims (6)

1. 原版に描画されたパターンを投影レンズを介して基板上に転写する露光装置において、
   前記原版を保持する原版保持機構は、前記原版の下面から前記原版を支える支持機構と、前記原版の側面を吸着固定する吸着機構とを有することを特徴とする露光装置。
2. 請求項１に記載の露光装置において、
   前記吸着機構は、前記原版における移動方向に対して垂直な両側面を挟むように配置されていることを特徴とする露光装置。
3. 請求項１又は２に記載の露光装置において、
   前記支持機構は、前記原版の下面側に設けられた保持ピンであることを特徴とする露光装置。
4. 請求項１又は２に記載の露光装置において、
   前記支持機構は、前記原版の下面側に設けられ且つ吸着機能を持つ補助チャックであることを特徴とする露光装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の露光装置を用いたパターン形成方法であって、
   被加工膜が形成された基板上にレジスト膜を形成する工程と、
   前記原版保持機構に保持された前記原版、及び前記投影レンズを通して露光光を前記レジスト膜に照射する工程と、
   前記露光光が照射された前記レジスト膜に対して現像を行うことによってレジストパターンを形成する工程とを備えていることを特徴とするパターン形成方法。
6. 請求項５に記載のパターン形成方法において、
   前記原版の側面は平坦化処理を施されていることを特徴とするパターン形成方法。

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