JP2814401B2

JP2814401B2 - 縮小投影機構

Info

Publication number: JP2814401B2
Application number: JP1279828A
Authority: JP
Inventors: 博雄木下; 勉溝田; 信行竹内; 健二栗原; 康弘鳥居
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-10-30
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: JPH03142914A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はＸ線から真空紫外線領域での光源を用いて、
シリコンウエハ上に微細なパターンを転写する半導体製
造装置の縮小投影機構に関するものである。

［従来の技術］従来の半導体露光装置における微細パターンの成形方
法としては、波長400nm前後の紫外線による露光方法が
用いられているが、パターン寸法が１μｍ前後になる
と、回折、干渉のために物理的な解像限界となり、１μ
ｍ以下のパターン形成法としては有用でない。そのた
め、解像度向上策として350nmのｉ線もしくは250nmを用
いた露光方式が検討されているが、0.7μｍ程度が限界
であった。また、更に短波長化すると適当な屈折率をも
つレンズ材料が存在しなくなる。このため、レンズによ
らない転写方式として、シンクロトロン放射光を利用し
たＸ線縮小投影方式（木下他：第47回応用物理学会講演
予稿集、p322、28p−zf−15）が検討されている。この
方法ではシンクロトロン放射光で照射されたマスクの像
をシュワルツシルド型の反射光学系により、試料面のレ
ジストが塗布されたウエハ上に縮小投影して露光を行う
ものである。マスクとしては透過型マスク、反射型マス
クの２種類が考えられる。反射型マスクや反射光学系に
はＸ線の反射率を高めるため特定の波長のＸ線を反射す
る多層膜を表面にコーティングしたものが用いられる。
多層膜には、例えば、ニッケル（Ni）／カーボン
（Ｃ）、タングステン（Ｗ）／カーボン（Ｃ）やモリブ
デン（Mo）／シリコン（Si）というように、重原子と軽
原子を対としたものが用いられる。

ところで、このようなＸ線縮小投影露光用の反射光学
系では広い面積に亙り収差の小さな光学系を少ないミラ
ー枚数で設計することは困難である。そこで、円弧状ス
リットで、収差の小さい所定の像高からなる光軸を中心
とした円弧状の領域のみを投影し、この領域をマスクと
試料面を反射光学系と同じ倍率で同期して走査すること
で広い領域を露光していく方法が採られている。

放射光は水平面内に広がりをもつため、露光面積の拡
大化のためには放射光を垂直面内で走査するか、若しく
はマスクと試料面とを同期させて垂直面内で走査するか
いずれかの方法とせねばならない。垂直面内で移動させ
る機構では移動方向に重力が作用するため、重力バラン
スをとらないと、ステージの上昇時と下降時では、駆動
力に差異を生じる等の不都合があり、重力補償機構が不
可欠である。

第６図はこのような重力補償機構を備えない従来のス
テージ機構を示すもので、１はマスクまたはマスクのパ
ターンが焼き付けられる感光基板としてのウエハを保持
するステージで、このステージ１は一対のガイド２、３
によって鉛直方向に移動自在に保持されたスライダ４に
取り付けられている。５は前記ステージ１を昇降させる
駆動モータ、６は駆動モータ５の回転をステージ１に伝
達するねじ送り機構である。この方式ではステージ１お
よびスライダ４の移動部分に重力が作用するので、上昇
時には、駆動モータ５の駆動トルクが大きくなり、逆に
下降時には負のトルクが発生する欠点があった。このた
め、鉛直移動ステージの重力バランス法として、第７図
及び第８図に示すようなバランスウエイト方式を採用し
たステージ機構が用いられてきた。

すなわち、第７図に示す装置はステージ１とバランス
ウエイト７とを左右一対の剛性エンドレスベルト8a、8b
に固定したものである。エンドレスベルト8a、8bはそれ
ぞれ上下一対のプーリ9a、9b間に緊張状態で張架されス
テージ１の昇降動作に伴って走行される。

第８図に示す装置はシリンダ10内の流体圧力によって
鉛直移動質量の重力バランスを採る方法で、ステージ１
に連結されたピストン12の下面をシリンダ10内の流体13
によって上方に押圧することにより、重力バランスを採
るようにしたものである。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、第７図に示した従来のバランスウエイ
ト方式による縮小投影機構においては、可動部質量が２
倍になる不利益があるほか、バランスウエイト７が左右
前後に揺れ動くのを防止するために、幅広のエンドレス
ベルトを２本用いて剛性を高める必要があるので、機構
自体が大型化するという欠点があった。

一方、第８図による流体圧バランス方式は、ステージ
移動によってシリンダ10内の容積が変化するのに追従し
て流体13を注入または排出させると同時に流体圧力を常
に一定に保つ必要があり、高速度にステージ１を移動さ
せる場合は制御が非常に困難であるといった欠点があっ
た。

したがって、本発明は上記したような従来の問題点に
鑑みてなされたもので、その目的とするところは、反射
型ミラー光学系を用いた縮小投影機構において、マスク
と感光基板を光源に対して鉛直方向に高精度に同期走査
し得るようにした縮小投影機構を提供するものである。

［課題を解決するための手段］本発明は上記目的を達成するためになされたもので、
その第１の発明は、真空容器と、この真空容器内に配設
され図形を有する第１の基板を保持する移動自在な第１
のステージと、軟Ｘ線から真空紫外線に対して感光性を
有する第２の基板を保持し、前記第１のステージの重量
を第２のステージの重量の縮小分の１とする移動自在な
第２のステージと、前記第１のステージと第２のステー
ジとの間に配設され前記第１の基板の図形を前記第２の
基板上に縮小投影させる縮小光学系と、前記第１のステ
ージに対して前記第２のステージを位置合わせする手段
と、前記第１のステージの動きに応じて前記第２のステ
ージを同期移動させる同期移動バーとで構成したもので
ある。

また、第２の発明は、真空容器と、この真空容器内に
配設され図形を有する第１の基板を保持する移動自在な
第１のステージと、前記真空容器内に配設され軟Ｘ線か
ら真空紫外線に対して感光性を有する第２の基板を保持
する移動自在な第２のステージと、前記第１および第２
のステージを案内保持する非接触案内機構と、前記第１
のステージと第２のステージとの間に配設され前記第１
の基板の図形を前記第２の基板上に縮小投影させる縮小
光学系と、前記第１のステージに対して前記第２のステ
ージを位置合わせする手段と、前記第１のステージの動
きに応じて前記第２のステージを同期移動させる同期駆
動バーとで構成したものである。

［作用］本発明において、同期移動バーは第１のステージの動
きに応じて第２のステージを同期移動させる。非接触案
内機構は、第１、第２のステージを非接触支持し、真空
内での鉛直面内での同期移動を実現する。

［実施例］以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説
明する。

第１図は本発明に係る微小投影機構の一実施例を示す
一部破断斜視図、第２図は磁気浮上案内の構成を示す
図、第３図は回転直線変換部の斜視図、第４図は同期位
置ずれ補償機構の断面図である。これらの図において、
21は真空容器で、この真空容器21の内部にはマスクＭ
（第１の基板）を保持するマスクステージ22、感光基板
としてのウエハＷ（第２の基板）を保持するウエハステ
ージ23、これらステージ22、23をそれぞれ鉛直方向に移
動自在に案内保持する磁気浮上案内24、25、前記ステー
ジ22、23間に位置し、マスクＭの微細パターンをウエハ
Ｗに縮小投影する反射ミラーを含む縮小光学系26等が配
設されている。前記マスクステージ22とウエハステージ
23は、それぞれ上方に延在する同期移動ロッド30、31を
一体に有し、その上端部は真空容器21の上方にそれぞれ
可撓性を有する真空大気隔壁28、29を介して突出してい
る。

32は前記真空容器21の上方に配設された同期駆動バー
で、この同期駆動バー32は真空容器21上に設けた軸受部
33に両端を軸支された水平な軸34によって上下方向に回
動自在に配設され、その一端側が前記同期移動ロッド30
の突出端に回転直線変換部35Aを介して連結され、他端
部が前記同期移動ロッド31の突出端部に同じく回転直線
変換部35Bを介して連結されている。

36は前記同期駆動バー32を回転させる走査駆動源、37
は光源で、この光源37から出たＸ線38は前記マスクＭを
透過し、縮小光学系26によって絞られることにより、前
記マスクＭのパターンを縮小し、前記ウエハＷに投影す
る。

この場合、前記マスクステージ22とウエハステージ23
は露光領域の拡大のために、光源37から出たＸ線38の進
む方向（Ｚ方向）に対して垂直平面の縦方向（Ｙ方向）
に同期走査移動されねばならない。マスクステージ22は
透過型であり、同期駆動バー32を走査駆動源36によって
回動させると、同期移動ロッド30、31が互いに反対方向
に動作し、しかして光源37に対してウエハステージ23を
マスクステージ22の移動に比例して動かすことができ
る。縮小率は、縮小光学系26を設計するときに決めら
れ、軸34から回転直線変換部35Aまでの距離L₁と、軸34
から回転直線変換部35Bまでの距離L₂との比（L₂/L₁）を
縮小倍率比となるよう設定しなければならない。このよ
うにすることによって、マスクＭ上のパターンを正確に
ウエハＷ上に縮小形成できる。

ここで、マスクステージ22の質量M1と、ウエハステー
ジ23の質量M2との質量比をL₂:L₁とすることによって、
すなわち軸34に対してそれぞれ回転モーメント力を等し
く（L₁×M1＝L₂×M2）することによって、マスクステー
ジ22とウエハステージ23はいかなる位置でも釣り合い状
態を得ることができ、縦移動に伴う重力の影響を除去す
ることができる。例えば、マスクステージ22の重量を10
kgとすれば、ウエハステージ23の重量は縮小比を５とす
れば、50kgとすればよい。しかしながら、重量を５倍に
することは容易ではなく、軸34にかかる重量も大きくな
る。このため、真空大気隔壁28、29の開口部で受ける真
空圧力とマスクステージ22あるいはウエハステージ23の
重量の和との関係が縮小比となるようにバランスさせる
ことにより、垂直移動に伴う慣性力の影響を除去するこ
とができる。例えば、先の例でマスクステージ22とウエ
ハステージ23のステージ重量を10kgとし、真空大気隔壁
28で5kgかかるとすれば、真空大気隔壁29の部分では65k
gかかるようにすればよい。これは真空大気隔壁29の面
積を変えればよく、容易に対処できる。よって、釣り合
いの位置では、走査駆動源36の駆動力は小さくて済み、
高精度な送りが可能である。

マスクステージ22は縮小倍率にもよるが、例えば転写
されるチップサイズを15mm角とし、縮小率1/5とする
と、75mm角の移動ストロークを必要とする。この時、露
光されるパターンの最小パターンサイズを0.2μｍとす
ると、マスクＭ上のパターンサイズは１μｍであり、走
査移動時の精度として1/10以下の0.1μｍ以下が要求さ
れる。このため、本実施例では上記の案内精度を真空内
で確保する方法として、前記磁気浮上案内24を用いてい
る。同様の理由からウエハ走査側も同期走査ストローク
15mmに対して、0.02μｍ以下の精度を得るために磁気浮
上案内25を用いてウエハステージ23を案内保持してい
る。

第２図はこのような磁気浮上案内24（25）を示すもの
で、マスクステージ22を浮上させるための電磁石40a〜4
0dと、水冷パイプ41a、41bと、マスクステージ22の各側
面に設けられた磁性体42等からなり、磁気軸受を構成し
ている。この場合、真空中で用いる磁気軸受として、電
流印加時の発熱による脱ガスが問題となるが、コイルを
構成する銅線並びに永久磁石を無機物によって覆い、脱
ガス特性を改善させることができる。コーティング材料
としてはSiCが緻密性が高く、熱的な特性にも優れるこ
とから、望ましい。SiCのワイヤーへのコーティングはS
iC粉末を焼結することによって得られる。コーティング
材料としてポリイミド、アルミナ、窒化珪素等も脱ガス
特性の点でも用い得る。また、磁気軸受での発熱は第２
図に示すように固定側に電磁石40a〜40dを設けているた
め、熱伝導によって放熱が可能であり、真空内において
も発熱の影響を小さくすることができる。さらに真空容
器21と接する磁気浮上案内24の裏面に水冷パイプ41a、4
1b等を設けることにより放熱が可能である。また、磁気
回路の構成としては、コイルと磁性体42とからなる構成
でも、コイルボビンの一部に永久磁石を嵌め込んだコイ
ルと永久磁石を用いる構成でもよいが、発熱特性の点で
はコイルと永久磁石とからなる系で負荷の変動時のみコ
イルに電流を印加する構成がよい。

第１図の構成において、天秤のような同期駆動バー32
を用いて回転角を直線移動量に変換する機構には球面座
がよく用いられるが、滑り案内のため回転直線変換部35
A、35Bに微小な間隔を必要とする。このため、移動方向
が変わると位置ずれが生じる。第３図はこのガタを補償
する回転直線変換機構を示すもので、45、46は同期移動
ロッド30に同軸配置された回転自在な回転コロ、47は同
期駆動バー32の端部に設けられた長溝である。長溝47の
対向内側面は長溝47の長手方向と直交する方向にずれて
形成され、前記各回転コロ45、46を案内する段違いの案
内面48、49とされている。

このような構成において、軸34を回転中心として同期
駆動バー32が反時計方向に回転する時には下側の回転コ
ロ46が案内面49に圧接されて長溝47に沿って回転し、同
期駆動バー32の回転角を同期移動ロッド30の直線移動に
変換し、時計方向回りの時には上側の回転コロ45が案内
面48に圧接されて長溝47に沿って回転し、同期駆動バー
32の回転角を同期移動ロッド30の直線移動に変換する。
このように、同期駆動バー32の回転方向に応じて一方の
回転コロのみを案内面に圧接させるようにすると、時
計、反時計方向いずれの場合にもガタのない移動が可能
となる。

再び第１図において、同期駆動バー32を回動自在に軸
支する軸34にはマイクステージ22とウエハステージ23の
荷重がかかる。このため、軸受として空気軸受を用いて
いる。空気軸受の構成としては、回転中心の精度保持の
ための円筒ラジアル軸受と、マスクステージ22とウエハ
ステージ23の重量を受けるための平面スラスト軸受の２
段軸受としている。同期駆動バー32は左右の負荷が常に
一定であるために十分な剛性を与えれば同期走査時の同
期ずれを生じさせることなく高精度な走査ができる。

同期度位置合わせの方法として、例えばマスクＭ上に
設けられたマークとウエハＷ上に設けられたマークを縮
小光学系を通して拡大観察し、その同期位置ずれ量を測
定する。光学系の縮小倍率と走査時の同期位置ずれはマ
スクＭまたはウエハＷの光軸方向の位置を微少に変化さ
れればよい。同期位置ずれの倍率補償は第４図に示すウ
エハステージ23に対して設けた弾性板ばね52と電磁石53
あるいはpztアクチュエータによる光軸方向の微少移動
機構を用いることができる。

第４図において、弾性板ばね52は環状に形成されて、
その外周部が電磁石53の保持部材55に固定されている。
56はウエハステージ23に設けられた磁性体で、この磁性
体56は前記弾性板ばね52の中心孔に嵌合固定されてい
る。電磁石53に同期位置ずれ量に応じた電流を通電して
これを励磁すると、磁性体56が電磁石53に吸引されて、
弾性板ばね52を弾性変形させ、これによってウエハステ
ージ23の光軸方向の同期位置ずれが補償される。

また、走査方向に垂直な面内の位置ずれは、第２図に
示す電磁石40a〜40dに印加する電流値を変えることによ
って並進、回転制御ができる。

かくしてこのような構成からなる縮小投影機構によれ
ば、露光面積の拡大化が可能となり、軟Ｘ線から真空紫
外線領域での縮小投影露光が実現できる。

第５図は本発明の他の実施例を示す断面図である。上
記実施例においては真空中内での案内精度を確保するた
めに磁気浮上案内24、25を用いているのに対して、本実
施例では走査案内を真空チャンバ外に設けた空気軸受案
内としていることを特徴とする。同図において、同期移
動ロッド30A、30Bはそれぞれコ字状に形成されて、マス
クステージ22（ウエハステージ23）の上下面に互いに開
放端を対向させて一体的に配設され、真空容器21外に突
出する部分がそれぞれ真空大気隔壁28A、28Bと、円筒空
気軸受60によって保持されている。そして、上方の同期
移動ロッド30Aは回転直線変換部35Aを介して第１図に示
した同期駆動バー32に接続されている。

このような構成において、同期駆動バー32が回動する
と、その回動は回転直線変換部35Aによって直線運動に
変換され、同期移動ロッド30Aを上下動させる。したが
って、マスクステージ22および下側の同期移動ロッド30
Bも上下動する。

この場合、真空と大気間の負荷は移動方向と同じ方向
に作用するため、マスクステージ22の移動時の真空度を
低下させることはない。また、真空大気隔壁28A、28Bを
上下に構成しているため、真空による負荷は相殺され
る。また、下側の真空大気隔壁28Bを上側の真空大気隔
壁28Aで受ける力とマスクステージ22の重量とに調和す
るように、真空大気隔壁28A、28Bの大きさを定めること
によって回転直線変換部35Aにかかる負荷を減少させる
ことができ、同期駆動バー32の軸34（第１図参照）での
負荷も軽減でき、高精度化を図ることができる。

［発明の効果］以上述べたように本発明に係る縮小投影機構によれ
ば、縮小倍率に応じた長さの比を持つ同期駆動バーをも
つ縮小露光機構によって大面積のマスク上のパターンを
高精度にウエハ上に縮小形成することができ、軟Ｘ線か
ら真空紫外線の領域での縮小投影露光を実現することが
でき、従来の0.2μｍの微少パターンをもつ256MBクラス
のLSIの生産が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る縮小投影機構の一実施例を示す一
部破断斜視図、第２図は磁気浮上案内の構成を示す図、
第３図は回転直線変換部の斜視図、第４図は同期位置ず
れ補償機構の断面図、第５図は本発明の他の実施例を示
す要部断面図、第６図は従来の重力補償機構を備えない
ステージ機構を示す斜視図、第７図および第８図はそれ
ぞれ従来の重力補償機構を備えたステージ機構を示す斜
視図および側断面図である。 21……真空容器、22……マスクステージ、23……ウエハ
ステージ、24、25……磁気浮上案内、26……縮小光学
系、28、29……真空大気隔壁、30、31……同期移動ロッ
ド、32……同期駆動バー32、35A、35B……回転直線変換
部、36……走査駆動源、37……光源、Ｍ……マスク、Ｗ
……ウエハ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者栗原健二東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者鳥居康弘東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (56)参考文献特開昭62−208631（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−11326（ＪＰ，Ａ) 特開平２−94418（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−271199（ＪＰ，Ａ) 特許2614863（ＪＰ，Ｂ２) 特公平５−5162（ＪＰ，Ｂ２) 特公平７−89537（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器と、この真空容器内に配設され図
形を有する第１の基板を保持する移動自在な第１のステ
ージと、軟Ｘ線から真空紫外線に対して感光性を有する
第２の基板を保持し、前記第１のステージの重量を第２
のステージの重量の縮小分の１とする移動自在な第２の
ステージと、前記第１のステージと第２のステージとの
間に配設され前記第１の基板の図形を前記第２の基板上
に縮小投影させる縮小光学系と、前記第１のステージに
対して前記第２のステージを位置合わせする手段と、前記第１のステージの動きに応じて前記第２のステージ
を同期移動させる同期移動バーとを備えたことを特徴と
する縮小投影機構。
【請求項２】真空容器と、この真空容器内に配設され図
形を有する第１の基板を保持する移動自在な第１のステ
ージと、前記真空容器内に配設され軟Ｘ線から真空紫外
線に対して感光性を有する第２の基板を保持する移動自
在な第２のステージと、前記第１および第２のステージ
を案内保持する非接触案内機構と、前記第１のステージ
と第２のステージとの間に配設され前記第１の基板の図
形を前記第２の基板上に縮小投影させる縮小光学系と、
前記第１のステージに対して前記第２のステージを位置
合わせする手段と、前記第１のステージの動きに応じて
前記第２のステージを同期移動させる同期駆動バーとを
備えたことを特徴とする縮小投影機構。