JP2856626B2

JP2856626B2 - 縮小投影露光装置

Info

Publication number: JP2856626B2
Application number: JP5062059A
Authority: JP
Inventors: 敦浩吉崎; 尚武斉藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-22
Filing date: 1993-03-22
Publication date: 1999-02-10
Anticipated expiration: 2014-02-10
Also published as: JPH06275494A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造プロセスに使
用する縮小投影露光装置に係わり、特に露光精度の向上
及び小型化に好適な縮小投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】縮小投影露光装置は、露光のための結像
光学系及び装置制御に必要な光学検出・計測系を含む光
学系統から構成されている。従来一般には、縮少投影露
光装置はその光学系統を大気圧中に配置し、必要な解像
性能及びアライメント性能を得ている。しかし、結像光
学系及び光学検出・計測系は、光学系統が配置される大
気の圧力や温度、湿度に影響され、精度追求の障害とな
る。例えば、大気の圧力変化は、結像光学系で決定する
縮小率や、露光のための焦点位置の変動の原因となる。
また、光学検出・計測系の光路中の大気の温度や湿度の
揺らぎは、計測値の変動となって影響し、精度追求の障
害となる。

【０００３】このような問題に対し、特開昭６０−２６
２４２１号公報、特開昭６１−１６８９１９号公報、特
開昭６２−３２６１３号公報等では、大気圧等を検出し
て結像光学系を電気・機械的に操作して焦点位置、倍率
等を調整することが提案されている（以下、第１の従来
技術という）。また、特開平２−１５３５１８号公報で
は、大気圧や露光時の温度上昇でレンズ間の空気密度が
変化し、フォーカス倍率の変動が生じることを防止する
ことを目的として、光学系統全体を真空チャンバーに収
納することが提案されている（以下、第２の従来技術と
いう）。

【０００４】また、縮小レンズに露光光を印加すると、
露光エネルギーの一部がレンズに吸収され、レンズの温
度が上昇する。このレンズの温度上昇は縮小倍率及び焦
点位置の誤差を生じる。このようなレンズ部の温度変化
に対し、特開昭６０−２３９０２３号公報、特開昭６２
−２２９８３８号公報等では、レンズ室内の圧力を制御
してレンズ倍率を制御することが提案されている（以
下、第３の従来技術という）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には次のような問題がある。第１の従来技術で
は、結像光学系を電気・機械的に操作するのに、圧電素
子や、ポンプ、弁等の圧力制御系を使用しており、可動
部や駆動部が多く、構造が複雑になるという問題があ
る。

【０００６】第２の従来技術では、光学系統全体を真空
チャンバーに収納するので、可動部や駆動部は少なく、
構造は比較的簡単になる。しかし、光学系統には種々の
装置が付属しており、光学系統全体を真空チャンバーに
収納する場合はこれらの付属装置も真空チャンバー内に
収納しなければならない。例えば、真空チャンバー内に
てもレンズやその保持部材が露光により温度上昇するこ
とは避けられず、真空チャンバー内にはそれらを一定温
度に制御するための温度制御機構を収納しなければなら
ない。しかし、真空チャンバー内に種々の装置が収納さ
れると、これら装置が発塵の原因となり、製品の信頼性
や歩留まりに影響を及ぼす。また、真空チャンバーが大
型となり装置が大型化し、これを設置するクリーンルー
ムも大型化する。

【０００７】第３の従来技術では、レンズ室内の圧力の
制御にポンプ、弁等の圧力制御系を使用しているので、
第１の従来技術と同様の問題がある。

【０００８】本発明の目的は、減圧室を用いることによ
り大気の温度及び湿度のゆらぎや大気圧の変動による誤
差を低減すると共に、発塵が少なくかつ装置の小型化が
可能な縮少投影露光装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、露光光源と、レチクルを保持する支持枠
と、縮小レンズ組立体と、ウェハを保持するウェハ搬送
Ｘ−Ｙステージとを備えた縮小投影露光装置において、
前記レチクルの支持枠及び前記縮小レンズ組立体の入射
部を包む第１の減圧室と、前記縮小レンズ組立体の出射
部及び前記ウェハ搬送Ｘ−Ｙステージを包む、第１の減
圧室とは別個の第２の減圧室とを有する構成とする。

【００１０】上記縮小投影露光装置は、好ましくは、装
置制御に必要な光学検出手段及び光学計測手段をさらに
有し、これら光学検出手段及び光学計測手段も前記第１
及び第２の減圧室内に収納される。

【００１１】また、上記縮小投影露光装置において、前
記縮小レンズ組立体は複数枚のレンズエレメントの組み
合わせで構成されており、該縮小レンズ組立体にはレン
ズエレメント間のスペースを前記第１及び第２の減圧室
に連絡する通気路が形成される。

【００１２】また、上記縮小投影露光装置は、前記縮小
レンズ組立体の外筒部に設けられたレンズ温度調節手段
をさらに有し、前記レンズ温度調節手段は前記第１及び
第２の減圧室の外側に位置している。

【００１３】上記縮小投影露光装置は、また好ましく
は、前記第１及び第２の減圧室にそれぞれ設けられたレ
チクルやウェハを搬入出するための搬入出手段をさらに
有し、前記搬入出手段は、それぞれ、前記レチクルやウ
ェハの搬送通路と、その搬送通路に設けられ、前記減圧
室に近づくにしたがって排気圧を低く設定した複数の排
気口とを有している。前記搬入出手段は、それぞれ、予
備室と、この予備室と前記減圧室との間を仕切る密閉開
閉扉及び該予備室と外気との間を仕切る密閉開閉扉と、
前記予備室を給排気する手段とを有する構成であっても
よい。

【００１４】また、上記縮小投影露光装置は前記第１の
減圧室は前記露光光源からの露光光の取込み部に透明窓
を有し、この透明窓は、前記露光光源の出射部の光学レ
ンズにて構成することができる。

【００１５】

【作用】レチクルの支持枠及び縮小レンズ組立体の入射
部を第１の減圧室で包み、縮小レンズ組立体の出射部及
びウェハ搬送Ｘ−Ｙステージを第２の減圧室で包むこと
により、露光のための結像光学系が減圧雰囲気中に置か
れるので、大気の温度や湿度のゆらぎの影響や大気圧の
変動の影響が少なくなり、それらによる誤差が低減す
る。また、第１及び第２の別々の減圧室を縮小レンズ組
立体の入射側と出射側に設けることにより、レンズ温度
調節手段との付属設備を減圧室外の大気側に設置するこ
とが可能となり、減圧室内での発塵が少なくなり、製品
の信頼性及び歩留まりが向上する。また、装置の小型化
が可能となり、設備コストを低減することができる。さ
らに、レンズ温度調節手段の排熱処理や保守を大気中で
容易に実施できる。

【００１６】装置制御に必要な光学検出・計測系である
光学検出手段及び光学計測手段も第１及び第２の減圧室
内に収納することにより、これら光学検出手段及び光学
計測手段についても大気のゆらぎや大気圧の変動の影響
を少なくし、装置の高精度な制御が可能となる。

【００１７】縮小レンズ組立体にレンズエレメント間を
第１及び第２の減圧室に連絡する通気路を形成すること
により、レンズエレメント間のスペースが第１及び第２
の減圧室と同一気圧になり、気圧差によるレンズエレメ
ントの微小変形が防止される。

【００１８】縮小レンズ組立体のレンズ温度調節手段を
第１及び第２の減圧室の外側に設けることにより、上記
のように減圧室内での発塵を少なくしつつ、縮小レンズ
組立体が露光光の吸収で温度上昇し特性変化することが
防止される。

【００１９】第１及び第２の減圧室にそれぞれレチクル
やウェハを搬入出するための搬入出手段を設け、この搬
入出手段に、減圧室に近づくにしたがって排気圧を低く
設定した複数の排気口を設けることにより、減圧室の気
圧を乱すことなく搬入出できる。搬入出手段を、予備室
と、密閉開閉扉と、給排気手段とで構成しても同様に減
圧室の気圧を乱すことなく搬入出できる。

【００２０】第１の減圧室における露光光の取込み部の
透明窓を露光光源の出射部の光学レンズにて構成するこ
とにより、装置の構成が簡素化される。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面により説明す
る。図１において、本実施例の縮小投影露光装置は、露
光光源１と、レチクル２を保持する支持枠３と、縮小レ
ンズ組立体４と、ウェハ５を保持しステップ動作及び微
小位置合わせ動作するウェハ搬送Ｘ−Ｙステージ６とを
有し、レチクル２を露光光源１の露光光７で照明し、縮
小レンズ組立体４でレチクル上の原画をウェハ５に結像
し露光する。露光光源１はランプ８と出射用の光学レン
ズ９とを備えている。

【００２２】また、本実施例装置は、レチクル２のパタ
ーンをウェハ５の前工程で露光したＩＣ回路パターンに
正確に位置合わせし、露光するための光学検出・計測手
段として、前工程で露光したＩＣ回路パターンを検出す
るウェハパターン検出システム１０と、ウェハ搬送Ｘ−
Ｙステージ６の位置を測定するレーザー測長器１１と、
レチクル２の位置を検出するレチクルパターン検出シス
テム１２とを有している。レーザー測長器１１はウェハ
搬送Ｘ−Ｙステージ６の送り制御に用いるもので、その
測定値をフィードバックしサーボ制御する。また、位置
合わせは、レチクル２のパターンに対しウェハ５の前工
程パターンを位置合わせすることが目的であり、その基
準としてレチクル２の位置を正確に所定の位置に設定す
る必要がある。このためのレチクルパターン検出システ
ム１２を設け、レチクル２を正確な位置に設定する。

【００２３】また、本実施例装置は、レチクル２及びそ
の支持枠３と縮小レンズ組立体４の入射部を包む第１の
減圧室１３と、縮小レンズ組立体４の出射部及びウェハ
５とその搬送Ｘ−Ｙステージ６を包む、第１の減圧室１
３とは別個の第２の減圧室１４とを有しており、上記ウ
ェハパターン検出システム１０及びレチクルパターン検
出システム１２は第１の減圧室１３に配置され、レーザ
ー測長器１１は第２の減圧室１４に配置されている。第
１及び第２の減圧室１３，１４は真空ポンプ１５に接続
され、所定の気圧に減圧される。第１の減圧室１３に
は、露光光源１からの露光光７の取込み部に透明窓１６
が設置されている。また、第１及び第２の減圧室１３，
１４には、それぞれ、レチクル２やウェハ５を搬入出す
るための搬入出機構１７，１８が設置されている。

【００２４】第１及び第２の減圧室１３，１４の外側で
縮小レンズ組立体４の外筒部の周囲にはレンズ温度調節
システム２０が設置されている。レンズ温度調節システ
ム２０は、縮小レンズ組立体４の外筒部を取り囲む保温
制御室２１と、保温制御室２１に冷風を循環させる恒温
制御装置２２と、縮小レンズ組立体４の温度を検出する
温度センサー２３と、この温度センサー２３の温度を一
定に保つよう恒温制御装置２２の冷風温度を制御する温
度制御装置２４とからなっている。

【００２５】縮小レンズ組立体４の部分拡大断面図を図
２に示す。縮小レンズ組立体４は数１０枚のレンズエレ
メント２５の組合せで構成されており、これらレンズエ
レメント２５は、外筒２６内にスペーサ２７を介して積
層されたレンズ保持枠２８に取付け支持されている。外
筒２６とスペーサ２７及びレンズ保持枠２８との間には
第１及び第２の減圧室１３，１４に連絡する軸方向の通
気路２９が形成され、スペーサ２７にはこの通気路２９
とレンズエレメント２５間のスペースとを連絡する径方
向の通気路３０が形成されている。

【００２６】レチクル２やウェハ５の搬入出機構１７，
１８は外部の大気圧と第１及び第２の減圧室１３，１４
内部の減圧気圧との雰囲気の差のインターフェイスを行
なうためのもので、その詳細を図３に示す。搬入出機構
１８はウェハ５を載せる搬入出台３６を有し、搬入出台
３６の移動通路３７に、第２の減圧室１４に近づくにし
たがって排気圧を低く設定した複数の排気口３１，３
２，３３，３４が設けられている。搬入出台３６はモー
タ３８を回転させることでネジ機構３９により移動通路
３７内を出し入れされる。搬入出機構１７も同様な構成
となっている。

【００２７】次に、以上のように構成した本実施例の作
用を説明する。縮少投影露光装置においては、レチクル
２のパターンをウェハ５の前工程パターンに正確に重ね
合わせることが必要であり、そのためにウェハパターン
検出システム１０、レーザー測長器１１、レチクルパタ
ーン検出システム１２を備えている。これらの検出・測
定値に基づく位置合わせ精度の合計がウェハ上のＩＣ回
路パターンの重ね合わせ精度を決める。このためこれら
検出・測定手段に光を用いるが、その光路の温度や湿度
の「ゆらぎ」及び大気圧の変動が誤差成分となる。ま
た、大気圧変動は、縮小レンズ組立体４の焦点位置の変
動や縮小率の変動要因となる。例えば、レンズエレメン
ト２５を通過する光線は、レンズ表面におけるレンズ硝
材と空気の屈折率の差で光路が屈折する原理を用いてレ
ンズ作用を得ているが、空気の屈折率は次式のように空
気圧Ｐの関数である。

【００２８】空気の屈折率ｎ∝√（１＋ＫＰ） …（１）Ｋ：比例定数このため、常時の気圧変動によっても（１）式の影響に
よりレンズを通過する光線角度に変化を来たし、レンズ
定数であるべき縮小率や焦点位置の変動誤差を生じる。
また、レーザー測長器７の測長値も、気圧，気温，湿度
の関数であり、測定光路の空気の状態に敏感に影響を受
ける。

【００２９】一方、縮小レンズ組立体４に露光光を印加
すると、露光エネルギーの一部がレンズ内部に吸収され
熱エネルギーとなり、レンズ自体やレンズの構造材の温
度上昇となり、各部材が膨張変形する結果、これも縮小
レンズ組立体４の性能変動を生じる。このため縮小レン
ズ組立体４を一定温度に保温制御する必要がある。

【００３０】以上の検討結果から、本実施例では、縮小
レンズ組立体４の入射側と出射側にそれぞれ第１及び第
２の減圧室１３，１４を設け、かつ縮小レンズ組立体４
をレンズ温度調節システム２０にて一定温度に保つ構成
とした。これにより、レチクル２−縮小レンズ組立体４
−ウェハ５からなる結像光学系と、ウェハパターン検出
システム１０、レーザー測長器１１、レチクルパターン
検出システム１２等からなる光学検出・計測系を減圧雰
囲気中に置き、空気の気圧、温度、湿度の変動による誤
差を防止することができると共に、レンズ自体やレンズ
の構造材の温度上昇による誤差を防止することができ
る。

【００３１】また、減圧室を設置する場合、装置全体を
減圧室に収納することも考えられる。しかし、縮少投影
露光装置には種々の装置が付属しており、レンズ温度調
節システム２０もその１つである。装置全体を減圧室に
収納する場合はこれらの付属装置も真空チャンバー内に
収納しなければならず、真空チャンバー内に種々の装置
が収納されると、これら装置が発塵の原因となり、製品
の信頼性や歩留まりに影響を及ぼす。また、装置が大型
化し、これを設置するクリーンルームも大型化する。

【００３２】以上の検討結果から、本実施例では、縮小
レンズ組立体４の入射側と出射側に各々別々の第１及び
第２の減圧室１３，１４を設け、大気側よりレンズ温度
調節システム２０を付加できる構成とした。これによ
り、第１及び第２の減圧室１３，１４には必要最少限の
制御機器のみが設置され、減圧室内での発塵が少なくな
り、製品の信頼性及び歩留まりが向上すると共に、装置
の小型化が可能となり、設備コストを低減することがで
きる。また、第１及び第２の減圧室の排気が効率良く行
なえる。さらに、レンズ温度調節システム２０は大気中
で扱えるので、装置構成が簡素化されると共に、排熱処
理や保守を大気中で容易に実施できる。

【００３３】また、縮小レンズ組立体４の円筒部に通気
路２９，３０を設け、レンズエレメント２５間のスペー
スも第１及び第２の減圧室１３，１４と同一気圧とす
る。これによりレンズ内外の気圧差によるレンズエレメ
ント２５の歪や微小変形を防ぎ、装置の安定な動作が可
能となる。ただし、特定レンズエレメント間の気圧や、
その間の気体密度を制御し、大気圧変化を補正するレン
ズ構成もあり、この時はそのレンズエレメント間は、該
通気路はバイパスさせ、該レンズエレメント間以外を通
気路９，１０で同一気圧とするよう連絡すればよい。

【００３４】さらに、第１及び第２の減圧室１３，１４
に対するレチクル２やウェハ５の搬入出機構１７，１８
において、排気口３１，３２，３３，３４の排気圧を適
当に設定し、搬入出台３６を出し入れすることにより、
第１及び第２の減圧室１３，１４の圧力を乱さないでレ
チクル２やウェハ５を出し入れすることができる。

【００３５】搬入出機構の他の実施例を図４により説明
する。図４において、ウェハ５の搬入出機構１８Ａは、
第２の減圧室１４の外に設置された予備室４２と、第２
の減圧室１４と予備室４２間を仕切る密閉開閉扉４３
と、予備室４２と外気とを仕切る密閉開閉扉４４と、予
備室４２を真空ポンプ１５に連絡する排気管４５及び排
気弁４６と、予備室４２を外気に連絡する給気管４７及
び吸気弁４８と、ウェハ５を載せる搬入出台４９とで構
成されている。

【００３６】ウェハ５を搬入する場合、先ず排気弁４６
を閉じ、次に吸気弁４８を開いて密閉開閉扉４４を開
き、搬入出台４９のアームにウェハ５を固定し、予備室
４２の中に取り込む。次に、吸気弁４８を閉じた後密閉
開閉扉４４を閉じ、排気弁４６を開いて予備室４２内の
雰囲気を第２の減圧室１４と同等の気圧とした後、密閉
開閉扉４３を開いて、搬入出台４９により第２の減圧室
１４内に搬入する。搬出はこの反対の手順で搬出するこ
とができる。第１の減圧室１３に対する搬入出機構も同
様に構成することができる。

【００３７】なお、以上では、第１の減圧室１３の露光
光７の取込み部を透明窓１６で外気と仕切りする構成で
説明したが、図５に示すように、露光光源１Ａの出射口
に設ける光学レンズ９をその透明窓に兼用して設置し、
透明窓１６の機能を行うよう構成することも可能であ
り、これにより装置の構成が簡素化される。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば以下の効果が得られる。（１）結像光学系が減圧室内に収納されるので、大気の
ゆらぎや大気圧の変動による誤差を低減し、高精度で安
定した露光が可能となる。また、減圧室を縮小レンズ組
立体の入射側と出射側に２つに分割したので、レンズ温
度調節手段等の付属装置を大気中に配置することが可能
となり、減圧室内での発塵を少なくし製品の精度及び歩
留まりを向上できると共に、装置の小型化が可能とな
る。また、減圧室が小さいので、排気の効率化が可能と
なる。

【００３９】（２）光学検出・計測系を減圧室内に収納
したので、大気のゆらぎや大気圧変動による制御精度の
低下が防止され、高精度に装置を制御できる。

【００４０】（３）レンズ温度調節手段を減圧室の外の
大気中に配置したので、構成の簡素化が図れかつ保守が
容易となる。

【００４１】（４）縮小レンズ組立体の各レンズエレメ
ント間の気圧を通気路により同一の減圧気圧としたの
で、レンズエレメントの微小変形を防止し、安定した性
能を発揮できる。

【００４２】（５）レチクルやウェハの搬入出手段を減
圧室の気圧を乱さない構成としたので、装置運転に必要
な減圧状態を常に維持し、常時運転可能とし、装置スル
ープット性能を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による縮小投影露光装置の概
略断面図である。

【図２】縮小レンズ組立体の部分拡大断面図である。

【図３】減圧室への搬入出機構の詳細図である。

【図４】減圧室への搬入出機構の他の実施例を示す図で
ある。

【図５】第１の減圧室における露光光の取込み部の変形
例を示す図である。

【符号の説明】

１露光光源２レチクル３レチクル支持枠４縮小レンズ組立体５ウェハ６ウェハ搬送Ｘ−Ｙステージ９出射部光学レンズ１０ウェハパターン検出システム１１レーザ測長器１２レクチルパターン検出システム１３第１の減圧室１４第２の減圧室１７，１８搬入出機構２０レンズ温度調節システム２９，３０通気路３１〜３４排気口４２予備室４３，４４密閉開閉扉４６，４８弁（給排気手段）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】露光光源と、レチクルを保持する支持枠
と、縮小レンズ組立体と、ウェハを保持するウェハ搬送
Ｘ−Ｙステージとを備えた縮小投影露光装置において、前記レチクルの支持枠及び前記縮小レンズ組立体の入射
部を包む第１の減圧室と、前記縮小レンズ組立体の出射
部及び前記ウェハ搬送Ｘ−Ｙステージを包む、第１の減
圧室とは別個の第２の減圧室とを有することを特徴とす
る縮小投影露光装置。
【請求項２】請求項１記載の縮小投影露光装置におい
て、装置制御に必要な光学検出手段及び光学計測手段を
さらに有し、前記光学検出手段及び光学計測手段を前記
第１及び第２の減圧室内に収納したことを特徴とする縮
小投影露光装置。
【請求項３】請求項１記載の縮小投影露光装置におい
て、前記縮小レンズ組立体は複数枚のレンズエレメント
の組み合わせで構成されており、該縮小レンズ組立体に
レンズエレメント間のスペースを前記第１及び第２の減
圧室に連絡する通気路を形成したことを特徴とする縮小
投影露光装置。
【請求項４】請求項１記載の縮小投影露光装置におい
て、前記縮小レンズ組立体の外筒部に設けられたレンズ
温度調節手段をさらに有し、前記レンズ温度調節手段は
前記第１及び第２の減圧室の外側に位置していることを
特徴とする縮小投影露光装置。
【請求項５】請求項１記載の縮小投影露光装置におい
て、前記第１及び第２の減圧室にそれぞれ設けられたレ
チクルやウェハを搬入出するための搬入出手段をさらに
有し、前記搬入出手段は、それぞれ、前記レチクルやウ
ェハの搬送通路と、その搬送通路に設けられ、前記減圧
室に近づくにしたがって排気圧を低く設定した複数の排
気口とを有することを特徴とする縮小投影露光装置。
【請求項６】請求項１記載の縮小投影露光装置におい
て、前記第１及び第２の減圧室にそれぞれレチクルやウ
ェハを搬入出する搬入出手段をさらに有し、前記搬入出
手段は、それぞれ、予備室と、この予備室と前記減圧室
との間を仕切る密閉開閉扉及び該予備室と外気との間を
仕切る密閉開閉扉と、前記予備室を給排気する手段とを
有することを特徴とする縮小投影露光装置。
【請求項７】請求項１記載の縮小投影露光装置におい
て、前記第１の減圧室は前記露光光源からの露光光の取
込み部に透明窓を有し、この透明窓は、前記露光光源の
出射部の光学レンズにて構成されていることを特徴とす
る縮小投影露光装置。