JP2010135428A - 基板保持部材及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液浸型露光装置において、露光工程を簡略化するとともに、被露光基板と被露光基板を保持する基板保持部材との隙間から液漏れが発生するのを抑制することができる基板保持部材及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基板保持部材は、基板ステージ上の被露光基板が配置される空間の径よりも大きい最小内径を有する開口が形成され、前記開口の内周面は、少なくとも一部に下面に向かって拡開した形状を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、液浸型露光装置に用いられる基板保持部材、及びそれを用いた半導体装置の製造方法に関する。

半導体デバイスのパターンの微細化、高集積化に伴い、開口数ＮＡを広くでき、かつ焦点深度を広くすることができる液浸走査型露光装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この液浸走査型露光装置は、ウェハをウェハステージ上に配置し、ウェハの周囲にウェハを保持する基板治具を配置し、投影レンズとウェハとの間に局所的に液浸領域を形成し、ウェハに対して液浸領域を相対的に移動させながら液浸領域を介して露光を行う。基板治具は、ウェハが配置される開口を有し、その開口内周面の少なくとも上面側が、ウェハ側面形状に合わせて開口と反対側に膨出した（膨らんだ）曲面で構成されている。
特開２００６−２０２８２５号公報

本発明の目的は、液浸型露光装置において、露光工程を簡易化するとともに、被露光基板と被露光基板を保持する基板保持部材との隙間から液漏れが発生するのを抑制することができる基板保持部材及び半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様は、基板ステージ上の被露光基板が配置される空間の径よりも大きい最小内径を有する開口が形成され、前記開口の内周面は、少なくとも一部に下面に向かって拡開した形状を有する基板保持部材を提供する。

また、本発明の他の態様は、内側に被露光基板が配置される開口を有し、前記開口の内周面は、少なくとも一部に下面に向かって拡開した形状を有する基板保持部材を基板ステージ上に配置する工程と、前記基板保持部材の前記開口の内側に前記開口の最小内径よりも小さい外径を有する被露光基板を上方から挿入して前記基板ステージ上に配置する工程と、投影光学系の先端部と前記被露光基板との間に介在する液浸領域を前記被露光基板に対して相対的に移動させつつ、前記被露光基板の前記液浸領域で覆われた照射領域の露光を行う工程とを含む半導体装置の製造方法を提供する。

本発明によれば、液浸型露光装置において、露光工程を簡易化するとともに、被露光基板と被露光基板を保持する基板保持部材との隙間から液漏れが発生するのを抑制することができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る液浸型露光装置の概略の構成を示す図である。なお、図１において、Ｘ、Ｙ、Ｚは、互いに直交する方向を示す。

この液浸型露光装置１０は、図１（ａ）に示すように、露光光を出射する光源１１と、光源１１からの露光光でフォトマスク１を照明する照明光学系１２と、フォトマスク１が配置されるフォトマスクステージ１３と、フォトマスク１を透過した露光光を液浸領域２ａを介して被露光基板としてのウェハ３上に投影する投影光学系１４と、ウェハ３が配置される基板ステージとしてのウェハステージ１５と、ウェハ３を保持する基板保持部材としての撥水板１６Ａと、液浸領域２ａに供給管１７０を介して液浸水２を供給するとともに回収管１７１を介して液浸水２を回収する液体ノズル１７Ａ，１７Ｂとを備える。

フォトマスク１は、例えば、石英ガラス等からなる透明基板上にクロム等の金属からなる遮光膜を成膜し、遮光膜にマスクパターンを形成したものである。

液浸水２は、一般に純水が用いられるが、有機溶媒等でもよい。

ウェハ３は、ガラス基板等の他の被露光基板でもよい。ウェハ３の上面３ａには、フォトレジストが塗布されている。なお、フォトレジスト上にレジスト保護膜が形成されていてもよい。

光源１１が出射する露光光としては、例えば、水銀ランプから射出される輝線（ｇ線、ｈ線、ｉ線）及びＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）等の遠紫外光（ＤＵＶ光）や、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）等が用いられる。本実施の形態においては、ＡｒＦエキシマレーザ光を用いる。

フォトマスクステージ１３の上面には、フォトマスク１を静電吸着等によって固定される。フォトマスクステージ１３は、フォトマスク１をＸ方向及びＹ方向に移動可能に構成されている。また、フォトマスクステージ１３には、フォトマスク１をＸ方向及びＹ方向に移動させるフォトマスクステージ駆動部１８が接続されている。

撥水板１６Ａは、円形の開口１６０を有し、外形は矩形状に形成され、厚さはウェハ３にほぼ等しい。本実施の形態では、厚さ８００μｍの撥水板１６Ａを用いる。撥水板１６Ａは、セラミックス、ガラス、シリコン等から形成することができ、表面にウェハ３よりも大きな液浸水２との接触角（例えば８０度以上）を有するように、撥水性を付与する処理（撥水処理）が施されている。本実施の形態では、撥水板１６Ａは、セラミックスからなり、表面にフッ素系のコーティングが施されている。なお、基板保持部材として、液浸水２との接触角によっては表面が撥水処理されていないものでもよい。また、撥水板１６Ａの開口１６０は、円形に限らず、ウェハ輪郭形状にあわせた形状でもよい。また、撥水板１６Ａの外形も矩形に限らず、円形等であってもよい。

ウェハステージ１５の上面１５ａには、上記撥水板１６Ａが配置され、撥水板１６Ａの開口１６０の内側にウェハ３が挿入して配置されて真空吸着等によって固定される。ウェハステージ１５は、ウェハ３をＸ方向及びＹ方向に移動可能に構成されている。また、ウェハステージ１５には、ウェハ３をＸ方向及びＹ方向に移動させるウェハステージ駆動部１９が接続されている。

コントローラ２０は、ＣＰＵ、インタフェース回路等を有して構成された制御部２１と、ＣＰＵのプログラムやデータ等を記憶するＲＯＭ，ＲＡＭ，ＨＤＤ等の記憶部２２とを備える。制御部２１のＣＰＵは、プログラムに従い、フォトマスク１とウェハ３が同期してＸ方向及びＹ方向に移動して露光光がウェハ３上を走査するようにフォトマスクステージ駆動部１８及びウェハステージ駆動部１９を制御する。

図２（ａ）は、撥水板１６Ａの開口１６０の内側にウェハ３を配置した状態を示す平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

撥水板１６Ａは、図２（ａ）に示すように、開口１６０の最小内径ｄがウェハステージ１５上のウェハ３が配置される空間の径、すなわちウェハ３の外径Ｄよりも大きく、開口１６０とウェハ３との間に数１００μｍ程度の隙間ｇ（＝ｘ_１）が存在する。

ウェハ３を含む領域に、マスクパターンを透過した露光光で露光される複数の露光領域（照射領域）４が設定されている。各露光領域４が露光光で順次露光されるとき、液浸領域２ａもウェハ３上を移動するため、端の露光領域４を露光するときは、液浸領域２ａは、ウェハ３と撥水板１６Ａとの間に位置するため、液浸水２がウェハ３と撥水板１６Ａとの隙間ｇから漏れないようにする必要がある。本実施の形態は、撥水板１６Ａの開口１６０の内周面１６ｃの断面形状を特定の形状とすることにより、液浸水２の漏れを防ぐようにしている。

撥水板１６Ａの内周面１６ｃは、図２（ｂ）に示すように、少なくとも一部が下面１６ｂに向かって拡開した形状を有する。ここで、「拡開した形状」とは、上面１６ａから下面１６ｂに向かうに従い、内径が大きくなる形状、又は上面１６ａから下面１６ｂに向かうに従い、基準面（直径（最小内径）ｄを有し、上面１６ａに垂直な面）１６ｄから遠ざかる形状をいう。第１の実施の形態では、内周面１６ｃは直線的に傾斜した面で構成されている。

なお、図２（ｂ）中、３ｂは、ウェハ３の下面である。ウェハ３は、外周面３ｃの端面の断面形状が台形のものについて説明するが、半円形等の他の形状でもよい。

（撥水板の内周面の断面形状）
図３は、ウェハ３と撥水板１６Ａとの隙間ｇにおける液浸水２の界面の状態を模式的に示す図である。なお、同図中、ウェハ３上のフォトレジストは図示を省略している。同図中ｈは、投影光学系１４の先端部１４ａとウェハ３との間の距離を示す。同図中２ｂは、液浸領域２ａに対してウェハステージ１５が５００ｍｍ／ｓｅｃの速さで移動している場合の液浸水２の界面位置の計算結果を示す。ウェハ３の外周面３ｃ及び撥水板１６Ａの内周面１６ｃに作用する表面張力Ｆ_ｗ、Ｆ_Ｈを合成したときの基準面１６ｄの上下方向に働く力Ｐは、次式（１）で表すことができる。
Ｐ＝｛σcos（φ_Ｗ）-σcos（π−φ_Ｈ−θ）｝／（ｘ_１＋ｚtan（θ）） ・・・（１）
ここで、σ：液浸水２の種類により定まる係数
φ_Ｗ：ウェハ３の外周面３ｃでの液浸水２の接触角
φ_Ｈ：撥水板１６Ａの内周面１６ｃでの液浸水２の接触角
θ：撥水板１６Ａの内周面１６ｃの基準面１６ｄに対する傾き
ｘ_１：ウェハ３と撥水板１６Ａとの間の最小距離
ｚ：ウェハ３（撥水板１６Ａ）の上面３ａから液浸水２の界面２ｂまでの距離

上記式（１）において、Ｐが正のときはＰが界面２ｂに下向きに作用し、Ｐが負のときはＰが界面２ｂに上向きに作用する。従って、液浸水２がウェハ３と撥水板１６Ａとの隙間ｇから漏れないようにするためには、Ｐが負になる必要がある。その条件式を次式（２）に示す。
cos（φ_Ｗ）＜ cos（π−φ_Ｈ−θ） ・・・（２）
上記式（２）を満たすとき、液浸水２の界面２ｂが押し上げられようとされ、液浸水２の漏れを抑制することができる。

図４は、液浸水２の界面２ｂに作用する力Ｐと撥水板１６Ａの内周面１６ｃの傾きθとの関係を示す図である。同図は、上記式（１）において、σ＝０．０７２７Ｎ／ｍ、φ_Ｗ＝６９°、φ_Ｈ＝１１０°、ｘ_１＝２６６μｍ、ｚ＝３００μｍとしたときの計算結果を示す。同図から、撥水板１６Ａの内周面１６ｃの傾きθが大きくなると、Ｐが負となり、液浸水２の界面２ｂを押し上げる力Ｐが大きくなることが分かる。

（露光動作）
次に、液浸型露光装置１０の動作について説明する。まず、撥水板１６Ａをウェハステージ１５上に配置し、撥水板１６Ａの開口１６０の内側にフォトレジストが塗布されたウェハ３を上方から挿入してウェハステージ１５上に配置する。次に、液体ノズル１７Ａ，１７Ｂから液浸水２を供給して投影光学系１４の先端部１４ａとウェハ３との間に液浸領域２ａを介在させる。次に、液浸領域２ａをウェハ３に対して相対的に移動させつつ、ウェハ３の液浸領域２ａで覆われた露光領域（照射領域）４の露光を行う。すなわち、制御部２１のＣＰＵは、プログラムに従い、フォトマスク１とウェハ３が同期してＸ方向及びＹ方向に移動して、露光光がウェハ３上を走査するようにフォトマスクステージ駆動部１８及びウェハステージ駆動部１９を制御する。ウェハ３上の露光領域４が順次露光され、ウェハ３全面にマスクパターンが投影される。その後、現像、エッチング、レジスト剥離等を含む周知の工程を経て半導体装置等が製造される。

（比較例）
図５、図６、図７は、比較例を示す。この比較例は、撥水板１６の内周面１６ｃを垂直な面としたものである。

図５は、比較例について、ウェハ３と撥水板１６との隙間における液浸水２の界面の状態を模式的に示す図である。なお、同図中、ウェハ３上のフォトレジストは図示を省略している。この比較例では、図４においてθ＝０°としたときに力Ｐが正となり（Ｐ＝４．４７Ｐａ）、力Ｐが液浸水２の界面２ｂを押し下げるように作用して液浸水２が隙間から漏れることが分かる。

図６は、比較例について、ウェハ枚数とフォーカス位置との関係を示す図である。同図中、□、○、△、×印は、比較例において異なる日に１２枚又は２４枚のウェハを連続して露光した場合のフォーカス位置の測定結果を示す。フォーカス位置がマイナスのときは、フォーカス位置が下方に変位したことを示す。同図から、比較例では、ウェハ枚数が増大するに従い、フォーカス位置が悪化していることが分かる。

図７は、比較例について、１枚のウェハ３を露光する間の液浸領域２ａの温度変化を示す図である。液浸領域２ａの温度を測定する代わりに、液体ノズル１７Ａ，１７Ｂの回収管１７１の出口で液浸水２を回収した回収水の温度を温度センサで測定した。同図から、露光開始から２７分経過すると、回収水の温度は０．０２℃以上低下していることが分かる。液浸領域２ａの温度変化に伴い露光時のフォーカスの変動が生じることとなる。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、液浸水２がウェハ３と撥水板１６Ａとの隙間ｇから液漏れが発生するのを抑制することができる。この結果、液浸領域２ａの温度がほとんど変化せず、上記比較例のように、ウェハ３を連続して露光してもフォーカス位置は変動せず、露光精度の安定化を図ることができる。また、ウェハ３の径よりも撥水板１６Ａの最小内径ｄが大きく、撥水板１６Ａがウェハ３に覆いかぶさることがないため、ウェハ３への露光終了後、撥水板１６Ａを移動することなくウェハ３を容易に取り外すことができる。このため、連続するウェハ３への露光工程をより迅速、簡易に行うことが可能となる。

［第２の実施の形態］
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る撥水板の内周面の断面形状を示す図である。なお、同図中、ウェハ３上のフォトレジストは図示を省略している。

本実施の形態に係る撥水板１６Ｂは、内周面１６ｃを開口１６０側に膨出した曲面で構成したものであり、液浸型露光装置１０の他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

同図中２ｂは、液浸領域２ａに対してウェハステージ１５が５００ｍｍ／ｓｅｃの速さで移動している場合の液浸水２の界面位置の計算結果を示す。ウェハ３の外周面３ｃ及び撥水板１６Ａの内周面１６ｃに作用する表面張力Ｆ_ｗ、Ｆ_Ｈを合成したときの基準面１６ｄの上下方向に働く力Ｐは、次式（３）で表すことができる。
Ｐ＝｛σcos（φ_Ｗ）-σcos（π−φ_Ｈ−θ（ｚ））｝／（ｘ_２（ｚ）） ・・・（３）
ここで、σ：液浸水２の種類により定まる係数
φ_Ｗ：ウェハ３の外周面３ｃでの液浸水２の接触角
φ_Ｈ：撥水板１６Ａの内周面１６ｃでの液浸水２の接触角
θ（ｚ）：ｚ位置での撥水板１６Ａの内周面１６ｃの基準面１６ｄに対する傾き
ｘ_２（ｚ）：ｚ位置での水平方向の長さ
ｚ：ウェハ３（撥水板１６Ａ）の上面３ａから液浸水２の界面２ｂまでの距離

撥水板１６Ａの内周面１６ｃの形状は、ｚが大きい程θ（ｚ）が大きいとも表現することができる。上記式（３）において、Ｐが正のときはＰが界面２ｂに下向きに作用し、Ｐが負のときはＰが界面２ｂに上向きに作用する。従って、液浸水２がウェハ３と撥水板１６Ａとの隙間ｇから漏れないようにするためには、Ｐが負になる必要がある。その条件式を次式（４）に示す。
cos（φＷ）＜ cos（π−φＨ−θ(z)） ・・・（４）
上記式（４）を満たすとき、液浸水２の界面２ｂが押し上げられ、液浸水２の漏れを抑制することができる。

図９は、液浸水２の界面２ｂの位置ｚと界面２ｂに作用する力Ｐの関係を示す図である。σ＝０．０７２７Ｎ／ｍ、φ_Ｗ＝６９°、φ_Ｈ＝１１０°、ｘ_１＝２６６μｍの条件で演算した結果を示す。同図から、ｚが大きくなるに従い、液浸水２の界面２ｂを持ち上げる力Ｐが大きくなり、図３に示す撥水板１６Ａは、ｚが大きくなっても持ち上げる力Ｐがあまり大きくならないことが分かる。

本実施の形態によれば、撥水板１６Ｂの下面１６ｂ側で液浸水２の界面２ｂを保持することが可能になり、液浸水２の液漏れを抑制することができる。また、第１の実施の形態と同様に、連続するウェハ３への露光工程をより迅速、簡易に行うことが可能となる。

［第３の実施の形態］
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る撥水板の内周面の断面形状を示す図である。なお、同図中、ウェハ３上のフォトレジストは図示を省略している。

本実施の形態の撥水板１６Ｃは、内周面１６ｃを開口１６０と反対側に膨出した曲面で構成したものであり、液浸型露光装置１０の他の構成は、第１の実施の形態と同様である。撥水板１６Ｃの内周面１６ｃの形状は、ｚが小さい程θ（ｚ）が大きくなるとも表現することができる。また、内周面１６ｃの幅ｘ_３を小さく保つことができ、装置構成をコンパクトにできる。

本実施の形態によれば、撥水板１６Ｃの上面１６ａ側で液浸水２の界面２ｂを保持することが可能になり、液浸水２の液漏れを抑制することができる。また、第１の実施の形態と同様に、連続するウェハ３への露光工程をより迅速、簡易に行うことが可能となる。

［撥水板の内周面の変形例］
図１１（ａ）〜（ｆ）は、撥水板の内周面の変形例を示す図である。撥水板１６の内周面１６ｃの形状は、図３に示す直線的に傾斜した面、図５に示す垂直な面、図８に示す開口１６０側に膨出した曲面、及び図１０に示す開口１６０と反対側に膨出した曲面のうち２つ以上を組み合わせたものでもよい。撥水板１６の内周面１６ｃの形状は、例えば、図１１（ａ）〜（ｆ）に示す形状としてもよい。

図１１（ａ）は、上面１６ａ側に垂直な面１６１を配置し、下面１６ｂ側に直線的に傾斜した面１６２を配置したものである。図１１（ｂ）は、上面１６ａ側に垂直な面１６１を配置し、下面１６ｂ側に開口１６０側に膨出した面１６３を配置したものである。図１１（ｃ）は、上面１６ａ側に垂直な面１６１を配置し、下面１６ｂ側に開口１６０と反対側に膨出した面１６４を配置したものである。

図１１（ｄ）は、上面１６ａ側に直線的に傾斜した面１６２を配置し、下面１６ｂ側に垂直な面１６１を配置したものである。これと同様に、上面１６ａ側に開口１６０側に膨出した面１６３、又は開口１６０と反対側に膨出した面１６４を配置し、下面１６ｂ側に垂直な面１６１を配置してもよい。

図１１（ｅ）は、上面１６ａ側に半円形の面１６５を配置し、下面１６ｂ側に直線的に傾斜した面１６２を配置したものである。これと同様に、内周面１６ｃを上面１６ａ側に半円形の面１６５を配置し、下面１６ｂ側に開口１６０側に膨出した面１６３、又は開口１６０と反対側に膨出した面１６４を配置してもよい。

図１１（ｆ）は、内周面１６ｃを上面１６ａ側と下面１６ｂ側に垂直な面１６１をそれぞれ配置し、両者の間に直線的に傾斜した面１６２を配置したものである。この場合に、上面１６ａ側の垂直な面１６１を図１１（ｅ）に示すように半円形の面１６５に置き換えてもよい。また、直線的に傾斜した面１６２を開口１６０側に膨出した面１６３、又は開口１６０と反対側に膨出した面１６４に置き換えてもよい。

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形実施が可能である。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る液浸型露光装置の概略の構成を示す図である。 図２（ａ）は、撥水板の開口の内側にウェハを配置した状態を示す平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 図３は、ウェハと撥水板との隙間における液浸水の界面の状態を模式的に示す図である。 図４は、液浸水の界面に作用する力Ｐと撥水板の内周面の傾きθとの関係を示す図である。 図５は、比較例について、ウェハと撥水板との隙間における液浸水の界面の状態を模式的に示す図である。 図６は、比較例について、ウェハ枚数とフォーカス位置との関係を示す図である。 図７は、比較例について、１枚のウェハを露光する間の液浸領域の温度変化を示す図である。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係る撥水板の内周面の断面形状を示す図である。 図９は、液浸水の界面の位置ｚと界面に作用する力Ｐの関係を示す図である。 図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る撥水板の内周面の断面形状を示す図である。 図１１（ａ）〜（ｆ）は、撥水板の内周面の変形例を示す図である。

符号の説明

１…フォトマスク、２…液浸水、２ａ…液浸領域、２ｂ…界面、３…ウェハ、３ａ…上面、３ｂ…下面、３ｃ…外周面、４…露光領域、１０…液浸型露光装置、１１…光源、１２…照明光学系、１３…フォトマスクステージ、１４…投影光学系、１４ａ…先端部、１５…ウェハステージ、１５ａ…上面、１６，１６’，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ…撥水板、１６ａ…上面、１６ｂ…下面、１６ｃ…内周面、１６ｄ…基準面、１７Ａ，１７Ｂ…液体ノズル、１８…フォトマスクステージ駆動部、１９…ウェハステージ駆動部、２０…コントローラ、２１…制御部、２２…記憶部、１６０…開口、１６１…垂直な面、１６２…直線的に傾斜した面、１６３…開口側に膨出した面、１６４…開口と反対側に膨出した面、１７０…供給管、１７１…回収管

Claims (5)

1. 基板ステージ上の被露光基板が配置される空間の径よりも大きい最小内径を有する開口が形成され、前記開口の内周面は、少なくとも一部に下面に向かって拡開した形状を有する基板保持部材。
2. 前記拡開した形状は、直線的に傾斜した面で構成された請求項１に記載の基板保持部材。
3. 前記拡開した形状は、前記開口側に膨出した曲面で構成された請求項１に記載の基板保持部材。
4. 前記拡開した形状は、前記開口と反対側に膨出した曲面で構成された請求項１に記載の基板保持部材。
5. 内側に被露光基板が配置される開口を有し、前記開口の内周面は、少なくとも一部に下面に向かって拡開した形状を有する基板保持部材を基板ステージ上に配置する工程と、
   前記基板保持部材の前記開口の内側に前記開口の最小内径よりも小さい外径を有する被露光基板を上方から挿入して前記基板ステージ上に配置する工程と、
   投影光学系の先端部と前記被露光基板との間に介在する液浸領域を前記被露光基板に対して相対的に移動させつつ、前記被露光基板の前記液浸領域で覆われた照射領域の露光を行う工程とを含む半導体装置の製造方法。

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