JP3648847B2 - マスクの支持機構及びこれを用いた露光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定パターンが形成された平板状のマスクを水平に支持する支持機構に関し、特に露光装置に使用されるマスクの支持機構の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術及び解決しようとする課題】
半導体デバイス製造用の露光装置においては、マスク上に形成されたパターンの像を投影光学系を介してウエハ等の感光基板上に転写露光する。このような露光装置において、近年では、半導体デバイスの高集積化に伴い、マスクに形成される露光パターンの更なる微細化（細線化）が要求されるとともに、１枚のウエハ上に重ねて露光する層数が増加している。すなわち、非常に細い線幅の露光パターンをマスクに形成し、そのパターンをウエハ（半導体基板）上に正確に露光するとともに、多数のマスクのパターンを同一ウエハ上に重ねて露光する。そこで、露光パターンの細線化のために、現在では、高い開口数（ＮＡ値＝約０．５５〜０．６等）の投影光学系を使用すると共に、短波長（＝約２４８ｎｍ等）の光を露光光として使用している。ところが、投影光学系の高ＮＡ化及び露光光の短波長化は、何れもウエハ上での焦点深度ＤＦの低下をもたらすことになる。焦点深度ＤＦは、露光波長をλとした場合に、以下のように表される。
ＤＦ＝ｋ２×λ／（ＮＡ）² ・・・・（１）
ここで、ｋ２は比例定数を示す。
【０００３】
図１１は、従来の露光装置におけるマスク１１２の支持機構を示す。図に示すように、マスク１１２はマスクホルダ１１１により水平な状態で支持されている。マスクホルダ１１１上には固定部（プラテン）１１４，１１６が設けられ、マスク１１２を真空吸着によって固定するようになっている。このような従来の支持機構においては、マスク１１２は外縁部分のみで支持されているため、自重によって撓みを生じている。
【０００４】
図１２に示すように、マスク１１２がその自重によって撓むと、焦点方向（投影光学系の光軸Ｚ方向）のずれ△Ｚ及び、これと直交する水平面内の位置ずれ△Ｘ（△Ｙ）が生じてしまう。投影光学系の高ＮＡ化及び露光光の短波長化によって焦点深度ＤＦが狭くなった現状においては、焦点方向のずれ△Ｚの許容範囲は非常に狭くなっている。また、レイヤ間の重ね合わせ精度の確保のため、マスクの水平面内のずれ△Ｘ（△Ｙ）の許容量も極めて小さな範囲に限られてきている。マスク１１２の自重による撓みは、マスク１１２の厚さと大きさ（面積）に大きく関係する。
【０００５】
図１３は、マスク１１２の厚さと、マスク１１２上のパターンのＺ方向のずれ量△Ｚ及びＸ方向のずれ量△Ｘとの関係を計算により求めた結果を示す。ここで、マスク１１２は透明な合成石英で成形され、外縁部分の２点において支持され、露光光として紫外〜遠紫外の光を用いたものとする。
【０００６】
例えば、半導体デバイスの量産用として現在多く利用されている厚さ６．４ｍｍのマスクの場合、焦点方向のずれ量△Ｚは０．６μｍとなり、Ｘ方向のずれ量△Ｘは３５ｎｍとなる。これに対し、厚さ２．３ｍｍのマスクの場合、焦点方向のずれ量△Ｚは４．５μｍとなり、Ｘ方向のずれ量△Ｘは９５ｎｍとなる。ここで、投影光学系による縮小投影倍率を１／５とした時、厚さ２．３ｍｍのマスクを用いた場合、ウエハ上での焦点方向（Ｚ方向）のずれ量△Ｚは１８０ｎｍ（＝４．５／２５）となる。従って、露光光用の光源としてｉ線（波長＝０．３６５μｍ）を使用した場合、上式（１）においてｋ２＝０．７，ＮＡ＝０．６とすると、１８０ｎｍというＺ方向のずれ量は、許容焦点深度の約１／４を支配してしまうことになる。また、同じ条件で、Ｘ方向のずれ量△Ｘ（＝９５ｎｍ）は、ウエハ上では１９ｎｍ（＝９５ｎｍ／５）となる。これは、３５０ｎｍの線幅で設計されている半導体素子で一般に要求される重ね合わせ精度（線幅の１／３）の１５％以上を支配することになる。
【０００７】
ところで、今後半導体デバイスの大型化に伴い、マスク（レチクル）のサイズも現在主流の６インチ角のものから７インチ角，９インチ角のものに移行していくことが予想される。マスクの面積が大きくなれば、その分自重による撓み量も大きくなる。ここで、マスクの自重撓みを防止するためには、単純には、その厚さを大きくすることが考えられるが、マスク描画装置（電子ビーム露光装置）の描画精度を確保する等の理由より、マスク材料（マスクブランク）を厚くするのにも限界がある。また、マスク自体が薄くなれば、その分コスト的にも有利になる。
【０００８】
本発明は上記のような状況に鑑みて成されたものであり、マスクの厚さを増すことなく、マスクの自重による撓みを矯正できるマスクの支持機構を提供することを目的とする。
【０００９】
また、高い精度で感光基板上での焦点方向（投影光学系の光軸方向）及び平面方向の位置合わせを行い得る露光装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のマスク支持機構は、マスク（１２）を下方から支える支持部材（１１）と；この支持部材（１１）の支持点（４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ）の外側において、マスク（１２）に対して上方から所定圧の力を加える押圧手段（５０）とを備えている。
【００１１】
また、本発明の露光装置（１０）は、マスクに対して露光用の光を照明する照明手段（１６）と；この光で照明されたパターンの像を感光基板（１４）上に投影する投影光学系（２０）と；マスク（１２）を下方から支えるマスクホルダー（１１）と；マスクホルダー（１１）による支持点（４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ）の外側において、マスク（１２）に対して上方から所定圧の力を加える押圧手段（５０）とを備えている。ここで、押圧手段（５０）として、マスクの外縁部に重石（５０）を載せるように構成することができる。この時、マスク（１２）の自重による撓みを相殺するように、重石（５０）の重さや配置を設定する。また、押圧手段としては、マスク（１２）への力の大きさを制御可能な能動的加圧手段（６０，６２）を用いることもできる。この場合、マスク（１２）の平面度を測定し、測定された値に基づいて、能動的加圧手段（６６，６８）の圧力等を制御するように構成することが望ましい。
【００１２】
また、マスク（１２）と感光基板（１４）とを同期して移動することによって、マスク（１２）上のパターンの像で感光基板（１４）を露光するタイプの走査型露光装置においては、移動の方向に沿ってマスク（１２）の外縁部に重石（６０，６２）を載せるように構成することができる。
【００１３】
【作用及び効果】
本発明は上記のように、マスク（１２）の支持部材（１１）の支持点（４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ）の外側において、マスク（１２）に対して上方から所定圧の力を加えているため、マスク（１２）の自重による撓みが矯正される。すなわち、マスク（１２）は自重により、支持点（４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ）を支点としてマスク（１２）の中心に向かってモーメントが加わる。一方、加圧手段（５０）によりマスク（１２）は、支持点（４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ）を支点に、マスク（１２）の自重によるモーメントと逆方向のモーメントが加わる。これによって、マスク（１２）の自重による撓みが打ち消されることになり、露光装置においては、感光基板（１４）上におけるマスク（１２）のパターンの投影像の位置の誤差が低減される。その結果、精度の高い結像状態が得られると共に、アライメント精度が向上する。
【００１４】
また、マスク（１２）と感光基板（１４）とを同期して移動する走査型の露光装置においては、移動（走査）の方向の照明光の幅はスリット状の照明光の狭い方の幅となり、走査方向におけるマスク（１２）の自重撓みは無視できる程度であるため、移動の方向に沿ってマスク（１２）の外縁部に重石（６０，６２）を載せれば、マスク（１２）の実質的な自重撓みは矯正される。すなわち、マスク（１２）の移動の方向と直交する方向には重石を載せる必要が無くなる。これにより、マスク（１２）に加える加重を最小限に抑えられ、マスク（１２）の移動時における不要な慣性質量の増大を防ぐことができる。
【００１５】
また、マスク（１２）の平面度を測定し、測定された値に基づいて、能動的加圧手段（６６，６８）によるマスク（１２）への圧力を制御するように構成すれば、加圧手段（６６，６８）によるマスク（１２）への加重点及び加重量を適切に制御することができる。更に、測定手段（６４）により、マスク（１２）の自重撓みのみならず、支持手段（１１）の平面度の不完全性等によるマスク（１２）の表面の歪みをも効果的に除去することができる。
【００１６】
【発明の実施の態様】
以下、本発明の実施の形態を実施例を参照して説明する。本実施例は、半導体集積回路製造用の投影露光装置に本発明を適用したものである。
【００１７】
【実施例】
図１は、本発明の第１実施例にかかる投影露光装置１０を示す。この装置１０は、レチクル１２上に形成されたパターンをウエハ１４上に順次投影露光する投影露光装置、所謂ステッパである。
【００１８】
図において、光源を含む照明系１６から射出された露光用の光は、レチクルホルダ１１上に真空吸着されたレチクル１２のパターン形成面を略均一な照度で照明する。レチクル１２は、合成石英材等で成形され、その下面に露光用のパターンが形成されている。レチクル１２は、セラミックス等から成るレチクルホルダ１１によって水平に支持されている。なお、図１では、レチクル１２の支持機構の詳細については図示を省略する。レチクル１２上に形成されたパターンに露光用の光が照射されると、当該パターンは投影レンズ２０を介して、ウエハステージ３２に真空吸着されたウエハ１４上に転写される。ウエハステージ３２上には、干渉計による計測用の反射鏡３４、３６が固定されている。そして、反射鏡３４と干渉計３８によってウエハステージ３２のＸ方向の位置を計測するようになっている。すなわち、干渉計３８から計測用のレーザ光を反射鏡３４及び投影光学系２０に設置された不図示の固定鏡に対して照射し、これら固定鏡及び反射鏡３４で反射した光の干渉状態に基づいてウエハステージ３２のＸ方向の位置を計測する。また、反射鏡３６と図示しない他の干渉計によって紙面に垂直なＹ方向の位置を計測するようになっている。
【００１９】
ウエハステージ３２は、ウエハ駆動装置４２によってＸＹＺの３次元方向に移動可能に構成されている。投影レンズ２０の側部には、アライメント顕微鏡４４が配置されている。アライメント顕微鏡４４は、投影レンズ２０と光軸の異なる所謂オフ・アクシス形式の顕微鏡であり、ウエハ１４内の複数の領域から予め定められた数点のアライメントマーク（図示せず）を検出する。そして、検出されたアライメントマークの位置に基づき、最小自乗近似計算によってウエハ１４の位置（座標）を計測する。また、アライメント顕微鏡４４と投影レンズ２０の光軸間の距離であるベースライン量を測定し、露光開始時にウエハステージ３２をベースライン量だけ移動させるように構成されている。
【００２０】
図２，図３及び図４は、レチクル１２の支持機構の詳細な構成を示す。レチクル１２は、４つのプラテン（支持部材）４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄを介して、レチクルホルダ１１上に真空吸着されている（図２，図３参照）。プラテン４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄは、矩形のレチクルホルダ１１の四隅において、レチクル１２の外縁部に接するように配置されている。レチクルホルダ１１の中央には、レチクル１２の被照射領域５４を照射した光を透過させる開口部４８が形成されている。レチクル１２の上には、額縁状に成形されたカウンターウエイト（重石）５０が搭載され、レチクル１２のプラテン４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄの外側に上方から力が加わるようになっている。カウンターウエイト５０の中央には、レチクル１２の被照射領域５４に達する露光光を透過する開口部５２が形成されている。カウンターウエイト５０の素材としては、比較的比重の重い金属等を使用することが望ましい。
【００２１】
図５は、カウンターウエイト５０とレチクル１２の接触部分の様子を拡大して示す。図より分かるように、カウンターウエイト５０の加重点には、レチクル１２と接触する突起５６が形成されており、小さな面積でレチクル１２に対して力を加えるようになっている。図６に示すように、カウンターウエイト５０には、４つの突起５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄが設けられており、レチクル１２の四隅に上方からの力を加えるようになっている。図６は、レチクル１２に対するプラテン４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄと、カウンターウエイト５０の突起５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄの平面的な配置を模式的に示したものである。図６に示すように、カウンターウエイト５０の突起５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄは、それぞれレチクル１２の中心とプラテン４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄとを結ぶ線（放射線）の延長上に配置されている。
【００２２】
図７は、レチクル１２に対するプラテン４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄと、カウンターウエイト５０の突起５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄの側面的な配置を模式的に示したものである。図７にも示すように、プラテン４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄに対して突起５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄは若干外側にその加重点があり、レチクル１２の自重による撓みをカウンターウエイト５０によって矯正するようになっている。すなわち、レチクル１２は自重により、プラテン４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄを支点としてレチクル１２の中心に向かってモーメントが加わる。一方、カウンターウエイト５０によりレチクル１２は、プラテン４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄを支点に、レチクル１２の中心から外側に向かってモーメントが加わる。これによって、レチクル１２の自重による撓みが打ち消されることになる。すなわち、レチクル１２の中心部分が下方に向かって撓もうとする状態を上側に持ち上げるように矯正される。
【００２３】
カウンターウエイト５０の重さ、突起５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄの位置は、実際のレチクル１２の自重による撓みに基づいて設定される。レチクル１２の撓み量は、レチクル１２の材質、厚さ、サイズ（面積）、プラテン４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄの位置から計算によって求めることができる。カウンターウエイト５０のセッティングは、レチクル１２がレチクルホルダ１１上に装着された後に行っても良い。あるいは、予めカウンターウエイト５０をレチクル１２に装着した状態でレチクルホルダ１１にローディングしても良い。また、カウンターウエイト５０の突起の数は、４つに限らず状況に応じて３点以上の任意の数に設定することができる。また、カウンターウエイト５０は必ずしも一体成形する必要はなく、加重点の数だけ分割した形態で構成しても良い。
【００２４】
図８は、本発明の第２実施例にかかる走査型投影露光装置の構成を示す。この露光装置は、図１に示す第１実施例の露光装置と異なり、ウエハ１４のみならずレチクル１２も移動させて露光を行う、所謂ステップアンドスキャン方式の投影露光装置である。なお、図１に示した装置と同一又は対応する構成要素については、同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２５】
図８において、レチクル１２はレチクルホルダ１１を介してレチクルステージ１８上に載置される。レチクルステージ１８は、レチクル駆動装置２２により、投影光学系２０の光軸をＺ軸とした場合のＸＹ平面内において、並進及び回転可能になっている。レチクルステージ１８上には、干渉計による位置計測用の反射鏡２４、２６が設けられている。そして、干渉計２８と反射鏡２４とによってレチクルステージ１８のＸ方向（紙面左右方向）の位置を計測するようになっている。すなわち、干渉計２８から反射鏡２４に対して計測用のレーザ光を投射し、反射鏡２４で反射した光に基づいてレチクルステージ１８のＸ方向の位置を計測する。また、反射鏡２６と図示しない干渉計によって紙面に垂直なＹ方向の位置を計測できるようになっている。
【００２６】
図８に示す走査型投影露光装置においては、レチクル１２にスリット状の露光光５８（図９参照）を照射するとともに、レチクルステージ１８とウエハステージ３２とを互いに逆方向に同期して移動することによって、レチクル１２上のパターンがウエハ１４上に徐々に転写される。そして、スリット状の露光光５８に対してレチクル１２とウエハ１４とを１ストローク分走査することにより、レチクル１２のパターンの像全体がウエハ１４上の１つの露光領域に転写される。
【００２７】
図９は、図４に対応するものであり、本実施例のレチクル１２と重石６０，６２との関係を示す。すなわち、レチクル１２の移動方向（走査方向）であるＸ方向に沿った対向する２辺にカウンターウエイト６０，６２が搭載されている。本実施例においては、レチクル１２に対する照明光５８はスリット状に成形されており、走査方向の幅は狭く、レチクル１２の自重撓みを無視できる程度である。このため、走査方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）のみの撓みを考慮すればよい。そこで、カウンターウエイト６０，６２を図９の位置に配置し、レチクル１２に加える加重を最小限に抑えることによって、レチクルステージ１８の移動時における不要な慣性質量の増大を防いでいる。なお、レチクル１２への加重手段としては、バネのような静的なものや、機械的若しくは電気的に制御された動的な拘束機構によって、レチクル１２に一定の力が加わるようにすることが望ましい。
【００２８】
図１０は、本発明の第３実施例にかかる投影露光装置のレチクル１２の支持機構を示す。この実施例は、レチクル１２の表面の平面度（凹凸）を計測する干渉計６４と、レチクル１２の外縁部に上方から力を加えるピエゾ素子６６，６８と、干渉計６４の出力に基づいてピエゾ素子６６，６８を制御するコントローラとを備えている。干渉計６４は、レチクル１２の表面の凹凸の他、自重による撓み量を計測できるようになっている。ピエゾ素子６６，６８は、上述した第１及び第２実施例と同様に、レチクルホルダ１１のプラテン（図示せず）の若干外側の部分に制御された力を加えるようになっている。コントローラ７０は、干渉計６４によって実測されたレチクル１２の平面性のデータに基づき、内部のＣＰＵ（図示せず）によって、ピエゾ素子６６，６８によるレチクル１２への加重点及び加重量を算出し、適切に制御する。例えば、レチクル１２の外縁部に複数のピエゾ素子を配置し、レチクル１２の実際の撓み状態に基づいて、必要なピエゾ素子を選択的に駆動する。
【００２９】
本実施例においては、レチクル１２の撓みのみならず、レチクルホルダ１１の平面度の不完全性等によるレチクル１２の表面の歪みをも効果的に除去することができる。また、レチクル１２に直接ウエイト（重石）を載せない構成であるため、スキャニングステッパにとって好ましくない慣性質量の増大を抑制できるというメリットがある。
【００３０】
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された本発明の技術的思想としての要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施例にかかる投影露光装置の構成を示す概略図（正面図）である。
【図２】図２は、第１実施例の要部であるレチクル支持機構を示す断面図である。
【図３】図３は、第１実施例のレチクル支持機構を示す斜視図（分解図）である。
【図４】図４は、第１実施例のレチクル支持機構を示す平面図である。
【図５】図５は、図２の一部を示す拡大断面図である。
【図６】図６は、第１実施例のレチクル支持機構における支持点と加重点の位置関係を示す説明図（平面図）である。
【図７】図７は、第１実施例のレチクル支持機構の作用を示す説明図である。
【図８】図８は、本発明の第２実施例にかかる走査型投影露光装置の構成を示す概略図（正面図）である。
【図９】図９は、第２実施例の要部であるレチクル支持機構を示す平面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第３実施例にかかる投影露光装置の要部であるレチクル支持機構の構成を示す説明図である。
【図１１】図１１は、従来のレチクル支持機構を示す断面図である。
【図１２】図１２は、従来のレチクル支持機構の作用を示す説明図である。
【図１３】図１３は、従来のレチクル支持機構によるレチクルの自重撓みを示すテーブルである。
【符号の説明】
１０・・・投影露光装置（ステッパ）
１１・・・レチクルホルダ
１２・・・レチクル
１４・・・ウエハ
１６・・・照明系
１８・・・レチクルステージ
２０・・・投影光学系
２２・・・レチクル駆動装置
３２・・・ウエハステージ
４２・・・ウエハ駆動装置
５０，６０，６２・・・カウンターウエイト
４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ・・・プラテン
５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄ・・・突起
５８・・・スリット状照明領域
６４・・・干渉計
６６，６８・・・ピエゾ素子
７０・・・コントローラ

Claims (8)

1. 所定パターンが形成された平板状のマスクを水平に支持する支持機構において、
   前記マスクを下方から支える支持部材と；
   前記支持部材の支持点の外側において、前記マスクに対して上方から所定圧の力を加える押圧手段とを備えたことを特徴とするマスクの支持機構。
2. 平板状のマスクに形成されたパターンの像で感光基板を露光する露光装置において、
   前記マスクに対して露光用の光を照明する照明手段と；
   前記光で照明された前記パターンの像を前記感光基板上に投影する投影光学系と；
   前記マスクを下方から支えるマスクホルダーと；
   前記マスクホルダーによる支持点の外側において、前記マスクに対して上方から所定圧の力を加える押圧手段とを備えたことを特徴とする露光装置。
3. 前記押圧手段は、前記マスクの外縁部に載せられた重石であることを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
4. 前記重石は、前記マスクの自重による撓みを相殺するように、重量及びその配分が設定されていることを特徴とする請求項３に記載の露光装置。
5. 前記押圧手段は、前記力の大きさを制御可能な能動的加圧手段であることを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
6. 前記マスクの表面の平面度を測定する測定手段と；
   前記測定された値に基づき、前記マスクの表面を水平に保つように前記能動的加圧手段を制御する制御手段とを更に備えたことを特徴とする請求項５に記載の露光装置。
7. 所定パターンが形成された平板状のマスクと感光基板とを同期して移動することによって、前記パターンの像で前記感光基板を露光する走査型露光装置において、
   前記マスクに対してスリット状の光を照明する照明手段と；
   前記スリット状の光で照明された前記パターンの像を前記感光基板上に投影する投影光学系と；
   前記感光基板を水平に保持する基板ステージと；
   前記基板ステージを前記移動方向に駆動する基板駆動手段と；
   前記マスクを下方から支えるマスクホルダーと；
   前記マスクホルダを前記移動の方向に駆動するマスク駆動手段と；
   前記移動の方向と直交する方向の前記マスクの両端部において、前記マスクホルダーによる支持点の外側に、当該マスクに対して上方から所定圧の力を加える押圧手段とを備えたことを特徴とする走査型露光装置。
8. 前記押圧手段は、前記マスクの対向する外縁部に搭載された２つの分離した重石であることを特徴とする請求項７に記載の走査型露光装置。

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