JP3359329B2 - マスク保持方法とマスク、並びにこれを用いたデバイス製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は露光装置に用いられ
るマスクの保持方式に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の集積度は近年ますます
高密度化が進んでおり、これらを製造するための半導体
製造装置も、高集積度化に伴って焼付線幅が細まり、よ
り高い露光精度が要求されている。焼付線幅をより細く
するには、露光に使用する光源の波長を短くするのが有
効である。そこで、現在一般的に使用されている紫外光
よりも波長の短いＸ線を用いたＸ線露光装置の開発が進
められている。

【０００３】図１６は従来のＸ線露光装置に搭載されて
いるＸ線マスクとマスクチャックの概略を示す。図１６
（ａ）はＸ線マスクである。１００は補強用のマスクフ
レーム、１０１はシリコンからなるマスク基板、１０２
はマスク基板の一部をバックエッチングによって除去し
て形成した無機膜（マスクメンブレン）、１０３はマス
クメンブレン上にＥＢ描画装置等によって描画形成され
た半導体回路等の転写パターンである。１０５は磁性体
材料で作られた磁性リングで、マスク支持フレーム１に
埋め込まれている。図１６（ｂ）は磁気吸着方式のマス
クチャックを示す。１１０はリング形状のチャックベー
スで、内部には露光用Ｘ線が通過する孔１１１が設けら
れている。１１２は磁気ユニットで、磁性リング１０５
に対応して円周状に配置され、Ｘ線マスクを吸着保持す
るのに十分な磁力を発生する。この構成において、Ｘ線
マスクのマスクフレーム１００はチャックベース１１０
の保持面に面接触によって磁気吸着され保持される。
又、この磁気吸着方式のほかに真空吸着方式もあり、そ
の場合、磁気ユニットの代わりにバキュームポートとな
り、真空力によってマスクフレームとチャックベースと
が面接触して吸着保持される。

【０００４】しかしながら、これらの吸着保持方式は、
マスクフレーム１００とチャックベース１１０とは面接
触であるため、両者の接触面は高い平面度に仕上げる必
要がある。仮に、マスク作製時、ＥＢ描画装置によって
転写パターンを形成する時点で、マスクフレーム１００
の吸着面に僅かでも反りなどの歪みがあると、Ｘ線露光
装置のチャックベース１１０に保持した際、マスクフレ
ーム１００の反りが矯正されることによってマスクフレ
ーム１００が変形し、この応力がマスク基板１０１、マ
スクメンブレン１０２を介して転写パターン１０３に伝
わり、転写パターン１０３が描画時に対して歪んでしま
う可能性がある。転写パターン１０３が形成されるマス
クメンブレン１０２の厚さは２μｍ程度であり、数ｍｍ
厚のマスク基板１０１やマスクフレーム１００に比べれ
ば、その剛性は非常に小さい。このため、マスク基板１
０１やマスクフレーム１００の歪みは、マスクメンブレ
ン１０２に多大な影響を与えて転写パターンにも大きな
歪みをもたらす。これは極薄のマスクメンブレン上に転
写パターンが形成されているマスクに特有の問題といえ
る。

【０００５】これを解決する方式として、マスクがマス
クチャックにチャックされた時、保持力によりＸ線マス
クが変形を受けない、言い換えれば、パターン形成時の
マスクフレームの歪んだ状態を保ったまま保持する方法
（以下、キネマティックマウントと称する）が提案され
ている。

【０００６】図１７はキネマティックマウントの例を示
す。図１７（ａ）はキネマティックマウント用のＸ線マ
スクを示す。１１７は円錐形状（じょうご形状）の孔
部、１１８は平面部、１１９は図中Ｘ方向に沿って直線
状に切込み溝が形成されたＶ溝部であり、これらはマス
クフレーム１００の保持面に形成されている。図１７
（ｂ）はキネマティックマウント用のマスクチャックを
示す。チャックベース１１０の保持面には、上記マスク
の円錐孔部１１７、平面部１１８、Ｖ溝部１１９とそれ
ぞれ係合する球状突起物１２０が３ケ所に設けられてい
る。又、３点においてマスクを機械的に押え付けて保持
するためのクランプ機構１１５が設けられている。

【０００７】この構成においては、各点において以下に
示す保持状態となり、マスクの６自由度が過剰拘束なく
位置決めされる。

【０００８】 このキネマティックマウントによれば、露光時のマスク
保持の際にマスクフレーム１００を変形させる外力は殆
ど働かず、ＥＢ描画装置によるマスクパターン形成時と
同一状態でマスク保持（無歪保持）できるため、マスク
支持フレームの変形によるパターン歪みが抑制できると
いう特徴がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
キネマティックマウント方式によってマスクを重力に抗
して垂直に保持しようとした場合などは、必然的にマス
クをクランプせねばならず、クランプ機構とマスクの間
に発生する摩擦力及びマスクの自重が付加されるため
に、厳密にみれば過剰拘束となり、マスクの正確な位置
決めが難しい。又、過剰拘束の結果、マスクにモーメン
ト力が発生してパターン歪が発生する要因ともなる。

【００１０】本発明は上記課題を解決すべくなされもの
で、水平方向に対して傾けた場合でも高精度にマスク位
置決め保持できるキネマティックマウント方式やマス
ク、これを用いたデバイス製造方法など提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明のある形態は、マスクに設けた円錐孔部、Ｖ溝部、平
面部と、マスクチャックに設けた３つの突起部とをそれ
ぞれ係合させて押し付け、該マスクを縦にして保持する
方法において、該円錐孔部の押し付け力が最大であるこ
とを特徴とするマスク保持方法である。

【００１２】ここで、前記押し付けは、前記マスクを前
記マスクチャックに供給するマスクハンドによって行な
うのが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】＜実施例１＞本発明の実施例を図
面に基づいて説明する。図１は第１実施例のマスクチャ
ックの構成図、図２はその断面図である。マスクがマス
クチャック２に重力に抗して垂直に保持された状態を示
している。マスクはリング形状のマスクフレーム１にシ
リコンのマスク基板７が貼り付けられ、マスク基板７の
内側には金などによる転写パターン８が形成されたメン
ブレンが設けられている。又、マスクフレーム１の裏面
側には、（１）じょうご形状の円錐孔部１a 、（２）稜
線が円錐孔部１a の方向を向いた直線状のＶ溝部１b 、
（３）平面部１c 、が３箇所に設けられている。これら
はマスク中心を円中心とする同一円周上に等間隔（１２
０°ピッチ）に３か所設けられたものである。一方、マ
スクチャック２には先端が半球状の突起部２a 〜２c が
３か所に設けられて、上記円錐孔部１a 、Ｖ溝部１b 、
平面部１c とそれぞれ対向し係合するようになってい
る。又、３つのクランプアーム３a 〜３c が設けられて
いる。それぞれのクランプアームは回転動作と直動動作
が可能となっており、各クランプアームとマスクチャッ
クの突起部とによって、マスクフレーム１をはさみ込む
ようになっている。なお、変形例として図３のようにし
ても良く、これはクランプアーム３の直動動作の代わり
に、突起部２a 〜２c が独立に突き出る構造となってお
り、クランプアーム３は回転動作だけを行なう。

【００１４】本実施例の動作手順を以下に説明する。不
図示のマスクハンドによってマスクがマスクチャック面
に搬送されると、各クランプアーム３a 〜３c がマスク
を押える側に回転し、次いで僅かにマスクチャック側に
移動して、マスクフレーム１をマスクチャック２に捕捉
する。この状態では円錐孔部１a とＶ溝部１b におい
て、半球状突起部２a、２b とクランプアーム３a、３b
との距離がマスクの保持部の厚みＴ（図４参照）よりも
小さいため、これら２か所でマスクが突起に支えられ吊
り下がった状態となり、マスクの落下を防止している。
但し、強く押さえ付けた状態では無く、マスクは若干動
くことができる。

【００１５】ここで、最初にクランプアーム３a だけを
マスクチャック側に更に移動させ、図２に示すように係
合する円錐孔部１a と突起部２a とを押し付ける。これ
によって３自由度（ＸＹＺ）が位置決めされる。ここで
突起部２a の先端とクランプアーム３a の先端は正確に
対向している。仮に、図４に示すように、円錐孔部１a
が正確に位置決めされていないと、偏心量δC によって
マスクフレームにモーメント力が発生してパターン歪の
原因になる。

【００１６】次に、クランプアーム３b を更に引込むこ
とによって、Ｖ溝部１b と突起部２b とを押し付ける。
これでマスクの回転方向の２自由度（θX、θY ）が固
定される。そして最後に、残りのクランプアーム３c を
引き込んで平面部１c と突起部２c を押し付けて、残り
の１自由度（θZ ）を固定する、これでマスクが６自由
度とも過剰拘束なく位置決め固定されることになる。

【００１７】図４はマスクが円錐孔部で支持された状態
で、マスクの円錐孔部１a に働く力の関係を示してい
る。Ｖ溝部１b 及び平面部１c が固定されていない状態
で、円錐孔部１a の押し付け力ｆC でマスクを円錐孔部
１a で位置決め固定するために必要な条件を求めてみ
る。ここでは条件の厳しいと思われる図５に示すような
状態、すなわちマスクの重心線上に円錐孔部１a がある
場合を考える。マスク平面に平行な面に対する円錐孔部
１a の溝角度θc とすると、重力方向に働く力Ｆはマス
クの重さＷとクランプアーム力ｆc による摩擦力のみ考
慮すればよいから、 Ｆ＝Ｗ＋μ1 ×ｆC （１） （μ1 ：クランプアームとマスクの間の摩擦係数） 力のつり合いから、円錐孔部方向に働く垂直抗力は 垂直抗力ＮC ＝ｆC × cosθC ＋Ｆ× sinθC （２） 円錐孔部に働く摩擦力は 摩擦力＝μ2 ×ＮC （３） （μ2 ：突起部とマスクの間の摩擦係数） 摩擦力に打ち勝って、マスクを位置決め固定するためには、 引き上げる力＝ｆC × sinθC −Ｆ× cosθC ≧μ2 ×（ｆC × cosθC ＋ Ｆ× sinθC ） （４） を満たせばよい。

【００１８】最初に円錐孔部１a で３自由度（ＸＹＺ）
を位置決めしたら、次は、Ｖ溝部を位置決めするのが良
い、これは平面部を先に位置決めすると、最後にＶ溝部
１bを位置決めする時、平面との摩擦力が余分に加わ
り、位置決めにより大きな力が必要となるためである。

【００１９】Ｖ溝部１b が位置決めされる条件は、式
（１）でＷ＝０として Ｆ＝μ1 ×ｆV （５） を式（１）に代入し計算を行ない、式（４）の関係を満
たせばよい。但し、θCの代わりにＶ溝のマスク平面に
平行な面に対する溝角度θv を用い、ｆC の代わりにｆ
V を用いる。

【００２０】なお、変形例として図６に示すような状
態、すなわち円錐孔部１a とＶ溝部１b が重力方向に対
して直交配置される場合は、式（１）のＷの代わりに、 Ｗ′＝ ｛（Ｗ／２）2 ＋Ｆ′2 ｝1/2 但し、 Ｆ′＝μ2 ×Ｗ／（２ sinθV ）＋μ1 ×Ｗ cosθV ／（２ sinθV ） （１′） を式（１）に代入して計算を行なえば求めることができ
る。Ｖ溝部１b にかかる力は、Ｗ′＝Ｗ／２とおいて、
同様に式（１）に代入し、式（４）の関係を満たせばよ
い。

【００２１】又、別の変形例として、Ｖ溝１b がマスク
の重心線上にある場合には、式（１）式のＷの代わり
に、

【外１】

【００２２】を式（１）に代入して計算を行ない、式
（４）の関係を満たせば良い。

【００２３】図１０に、マスクの自重Ｗ＝２００ｇ、μ
1 ＝μ2 、θV ＝θC とした場合の結果を示す。横軸は
円錐孔部１a の角度(deg) 、縦軸は円錐孔部１a での必
要な押し付け力を示している。円錐孔部１a に関して言
えば、円錐孔部１a とＶ溝部１b を重力方向に対して水
平配置にした（すなわち図６の形態）方が容易に位置決
めできることが分かる。

【００２４】＜実施例２＞上記実施例では円錐孔部、Ｖ
溝部、平面部の順に押え付けてマスクを固定する方法を
とったが、以下に別の方法を示す。

【００２５】Ｖ溝部１b 及び平面部１c の２箇所におい
て最初に位置決め固定したとき、Ｖ溝１b 及び平面１c
で発生する力に打ち勝って円錐孔部１a 部で位置決め可
能とするための条件を求める。図５は円錐孔部１a 部と
マスクに発生する力を示したものである。同図より、Ｖ
溝部１b に関して、 ベクトルＦV ＝μ1 ×ｆV ＋μ2 ×ｆV ／ cosθV （６） 平面１c 部に関して、 ベクトルＦF ＝μ1 ×ｆF ＋μ2 ×ｆF （７） よって両者の力のベクトル合成は、 ベクトルＦ′＝ベクトルＦV ＋ベクトルＦF ＋ベクトル
Ｗ、 ここでは簡略化のため、Ｗ＝０とおく、これによってベ
クトルＷがどの向きであっても、換言すえば円錐孔部１
a 及びＶ溝１b がどの位置であっても、式（２）を適用
することができる。

【００２６】 Ｆ′＝ＦV cos α＋ＦF cos(60゜-α) （８） ここで３点ＦＣＶがなす角度＝６０°、 tanα＝ 3/2
ＦF ／（ＦV ＋1/2 ＦF）とする。

【００２７】 Ｆ＝Ｆ′＋μ1 ×ｆC （９） 式（９）を式（１）に代入して同様に計算を行って式
（４）の関係を満たせば良い。

【００２８】μ1 ＝μ2 、θV ＝θC 、ｆC ＝ｆV ＝ｆ
F とした場合の計算結果を図１１に示す。横軸は摩擦係
数、縦軸はズレたマスクを円錐孔部によって位置決めす
るに必要な引き上げ力（ｆC で無次元化）を示してい
る。引き上げ力が負の範囲では位置決めできない。位置
決め可能とするためには、円錐孔部１a の角度θC ＝６
０゜とした場合でも摩擦係数０．１２以下であることが
必要となる。さらに、マスクの自重を考慮すれば、この
ままでは正確な位置決めは困難であることが分かる。

【００２９】そこで位置決めを可能とするには、円錐孔
部１a の押し付け力を最大にして、他の２箇所の押し付
け力を弱くする。平面部に加える力は、面外方向を拘束
するのに必要な最小限の力で良く、これ以上の力を加え
ても余分な摩擦力を生じることになる。よって、押し付
け力の関係を、ＦC （円錐孔部）＞ＦV （Ｖ溝部）＞Ｆ
F （平面部）、のようにするのが最も好ましい。

【００３０】又、別の方法として、式（９）を式（２）
に代入して、式（４）の関係を満たすように、円錐孔部
の角度θC とＶ溝部の角度θV の関係をθC ＞θV とし
ても良い。

【００３１】＜実施例３＞上記方法の他に、摩擦係数μ
1 やマスクの自重Ｗを小さくするという方法もとれる。
μ1 を小さくする方法の具体例を説明する。ここではク
ランプアーム側の摩擦抵抗を減らすことを考える。式
（１）（６）（７）のμ1 ＝０とおいて、やはり式
（２）に各式を代入して計算を行えば求めることができ
る。

【００３２】図１２に計算結果を示す。横軸は摩擦係
数、縦軸は位置決めされるに必要なマスクを引き上げる
力（ｆC で無次元化）を示している。縦軸が負の範囲で
は位置決めできない。図１２は簡略化のためマスクの自
重の影響を考慮していないが、図１１と比べて摩擦低減
の効果が大きいことがわかる。又、マスクの自重を０と
することは重量補償バネを用いることで実現可能であ
る。

【００３３】図７はクランプアーム側の摩擦抵抗を減ら
すために具体的構成を示すもので、クランプアームの先
端から空気を噴出させて、マスクフレーム１とクランプ
アーム先端の接触点の摩擦係数を減じる。位置決めが完
了したら、空気の噴出を停止して、固体接触でのクラン
プさせる。

【００３４】＜実施例４＞図８は、クランプアームとし
て、マスクのマスクチャック押し付け方向の剛性が高
く、これと直交する横方向は剛性の低いバネ材を利用し
た実施例である。クランプアームは複数の平行棒バネ１
０によって支持されている。マスクフレームを押え付け
た際にバネが撓むことで、摩擦係数μ1 を低減したのと
同じ効果が得られる。

【００３５】＜実施例５＞次にＷを小さくする具体例を
示す。図９はマスクハンド１１により、マスクをマスク
チャック２の保持面に搬送し、このマスクハンド１１に
よってマスクの押し付けを行っている状態を示す図であ
る。マスクを装着しやすくするため、最初退避していた
クランプアーム３がマスクの押し付け動作が行われる際
には捕捉状態になり、マスクの落下を防いでいる。１２
はマスクハンドの吸着パッドである。マスクハンド１１
によってマスクチャック２に対してマスクの位置決め完
了後、クランプアーム３によってマスクを固定する。マ
スクの自重Ｗはマスクハンド１１が支えているため、実
質的にＷ＝０となっている。

【００３６】＜実施例６＞次に上記説明したマスク及び
マスクチャックを用いた微小デバイス（半導体装置、薄
膜磁気ヘッド、マイクロマシンなど）製造用の露光装置
の実施例を説明する。図１３は本実施例のＸ線露光装置
の構成を示す図である。図中、ＳＲ放射源２０から放射
されたシートビーム形状のシンクロトロン放射光２１
を、凸面ミラー２２によって放射光軌道面に対して垂直
な方向に拡大する。凸面ミラー２２で反射拡大した放射
光は、シャッタ２３によって照射領域内での露光量が均
一となるように調整し、シャッタ２３を経た放射光はＸ
線マスク２４に導かれる。Ｘ線マスク２４は上記説明し
たようなマウント方式で不図示のマスクチャックに保持
されている。Ｘ線マスク２４に形成されている露光パタ
ーンを、ステップ＆リピート方式やスキャニング方式な
どによってウエハ２５上に露光転写する。

【００３７】次に上記説明した露光装置を利用したデバ
イスの製造方法の実施例を説明する。図１４は微小デバ
イス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、Ｃ
ＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフ
ローを示す。ステップ１（回路設計）では半導体デバイ
スの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では
設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一
方、ステップ３（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４（ウエハプロセ
ス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを
用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回
路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と
呼ばれ、ステップ４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）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステ
ップ５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なう。こうした工程を経て半
導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）され
る。

【００３８】図１５は上記ウエハプロセスの詳細なフロ
ーを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸
化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶
縁膜を形成する。ステップ１３（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１４（イオ
ン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１
５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ス
テップ１６（露光）では上記説明した露光装置によって
マスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステッ
プ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステッ
プ１８（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１９（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なうことによって、ウエハ上
に多重に回路パターンが形成される。本実施例の製造方
法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導
体デバイスを製造することができる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、摩擦力やマスクの自重
による過剰拘束の影響を回避し、それによってマスクの
正確な位置決め固定が実現でき、同時にマスクのパター
ン歪の発生を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成図である。

【図２】第１実施例の構成の断面図である。

【図３】図２の変形例を示す断面図である。

【図４】円錐孔部にかかる力の具合を示す説明図であ
る。

【図５】円錐孔部がマスク重心線上に位置する場合のマ
スクにかかる力を示す図である。

【図６】円錐孔とＶ溝が重力に対し水平に配置されたマ
スクにかかる力を示した図である。

【図７】クランプアームの先端から空気を噴出させる実
施例の説明図である。

【図８】押し付け方向の剛性が高く横方向は剛性の低い
バネ材を利用したクランプアームの説明図である。

【図９】マスクハンドによって押し付け位置決めする実
施例の説明図である。

【図１０】円錐孔部のみで位置決め固定しようとした場
合において、必要なクランプアーム力を示したグラフ図
である。

【図１１】３箇所同時にクランプアームした場合におい
て、必要な引き上げ力を示したグラフ図である。

【図１２】クランプアームとマスクの摩擦力を０とした
場合において、必要な引き上げ力を示したグラフ図であ
る。

【図１３】Ｘ線露光装置の実施例を示す全体図である。

【図１４】デバイス製造方法のフローを示す図である。

【図１５】ウエハプロセスの詳細なフローを示す図であ
る。

【図１６】従来の磁気吸着方式のマスクチャックを説明
する図である。

【図１７】従来のキネマティックマウント方式のマスク
チャックを説明する図である。

【符号の説明】

１ マスクフレーム １ａ 円錐孔部 １ｂ Ｖ溝部 １ｃ 平面部 ２ マスクチャック ２ａ〜２ｃ 突起部 ３ クランプアーム ４ マスクハンド ７ マスク基板 ８ 転写パターン

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスクに設けた円錐孔部、Ｖ溝部、平面
   部と、マスクチャックに設けた３つの突起部とをそれぞ
   れ係合させて押し付け、該マスクを縦にして保持する方
   法において、該円錐孔部の押し付け力が最大であること
   を特徴とするマスク保持方法。
2. 【請求項２】 前記円錐孔部に次いで前記Ｖ溝部の押し
   付け力が大きい請求項１のマスク保持方法。
3. 【請求項３】 前記押し付けは、クランプ機構によって
   行なう請求項１または２のマスク保持方法。
4. 【請求項４】 前記押し付けは、前記マスクを前記マス
   クチャックに供給するマスクハンドによって行なう請求
   項１乃至３のいずれかのマスク保持方法。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかのマスク保持
   方法でマスクを保持する段階と、該保持されたマスクの
   転写パターンをウエハに露光転写する段階とを有するこ
   とを特徴とするデバイス製造方法。
6. 【請求項６】 前記露光転写はＸ線によって行なう請求
   項５のデバイス製造方法。