JP3854680B2 - 圧力隔壁およびこれを用いた露光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、X線露光装置の露光室に用いるX線取り出し窓等の、圧力の異なる2つの雰囲気を遮断する圧力隔壁およびこれを用いた露光装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
荷電粒子蓄積リング等から放出されるシンクロトロン放射光、すなわちSR−X線等を露光光とするX線露光装置は、大気によるX線の減衰を避けるために光源から露光室に到るビームダクト内を高真空に保ち、低真空またはヘリウムガス等の減圧雰囲気あるいは大気と同じ雰囲気の露光室と高真空のビームダクトの間には、両者の雰囲気を遮断するための圧力隔壁としてX線取り出し窓が設けられる。
【0003】
X線取り出し窓は、X線の透過率の高い材料、例えばベリリウム、窒化シリコン、炭化シリコン、ダイヤモンド等で作られた薄膜を有し、この薄膜は、X線のエネルギー損失を避けるためにX線の透過率が高いことと、ビームダクトと露光室の圧力差に耐えるだけの機械的強度が要求される。
【0004】
図6は、一従来例によるX線取り出し窓E0 を示すもので、これは、数μmないし数十μmのベリリウム箔111と、その外周部を支持するフランジ112を有し、ベリリウム箔111の外周部は、接着リング113によってフランジ112に固定されている。フランジ112は、O−リング114を介し、ボルト115によって、ビームダクト102のフランジ部102a等に固着される。
【0005】
ベリリウム箔111は、前述のように、高真空に保たれるビームダクト102の圧力P1 と、ヘリウムガスの減圧雰囲気に制御される露光室側の圧力P2 との圧力差△Pに耐えるだけの機械的強度が必要であり、しかも、X線の透過率が高いことが要求される。すなわち、ベリリウム箔111の厚さを、前記機械的強度を確保できる範囲で、できるだけ薄くするのが望ましい。
【0006】
一般的にヤング率Eの材料からなる非常に薄い膜に差圧pがかかって大きなたわみを生じるとき、その膜の厚さをhとすると、半径aの円形の膜の中心における引張り応力σ(r=0)と外周縁における引張り応力σ(r=a)はそれぞれ以下の式によって算出される。
【0007】
σ(r=0)=0.423・(E・p2 ・a2 /h2 )1/3 ・・・(1)
σ(r=a)=0.328・(E・p2 ・a2 /h2 )1/3 ・・・(2)
そこで、前記圧力差△Pによってベリリウム箔111にたわみが発生したときのベリリウム箔111の中央の引張り応力σ1 ベリリウム箔111の破壊応力を越えないようにベリリウム箔111の厚さを設定するのが一般的である。
【0008】
すなわち、ベリリウム箔111の破壊応力をσ0 、ベリリウム箔111にかかる圧力差△Pの許容値すなわち設計圧力をP0 とすると、必要な厚さTは式(1)から以下のように表わされる。
【0009】
T>0.275・P0 ・a/σ0 ・(E/σ0 )1/2 ・・・(3)
X線取り出し窓の設計においては、安全係数Aを考慮して、以下の式を用いてベリリウム箔111の厚さT0 を選定する。
【0010】
T0 =A・0.275・P0 ・a/σ0 ・(E/σ0 )1/2 ・・・(4)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の技術によれば、式(4)を用いてベリリウム箔の厚さを設定しても、実際には、設計圧力P0 より低い圧力差でベリリウム箔が破損することがあるため、安全係数Aを大きくして設計しなければならない。このように設計圧力P0 以下で発生するベリリウム箔の破損は、その外周部を固定するフランジとの接触部において観察されるものであるが、単にフランジの角を面取りするだけでは防ぐことができない。
【0012】
安全係数Aを大きくとると、ベリリウム箔が必要以上に厚肉となり、X線の透過率を高くすることができず、エネルギー損失が大きくなって半導体製品等の生産性が低下する結果となる。
【0013】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、機械的強度が充分であり、しかも極めて薄肉の薄膜を用いることができる圧力隔壁およびこれを有する露光装置を提供することを目的とするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の圧力隔壁は、圧力の異なる2つの雰囲気を仕切るための薄膜と、該薄膜をその外周部において支持する支持部材とを有し、該支持部材における、前記2つの雰囲気のうち相対的に低圧の雰囲気の中に配される内周縁が、該内周縁の軸方向において、前記2つの雰囲気のうち相対的に高圧の雰囲気側から前記低圧の雰囲気側へ向かうにつれて内径および傾きが減少する曲面をなしていることを特徴とする。
【0015】
前記曲面の曲率半径が、該曲面に沿った曲げによって薄膜の外周部に発生する引張り応力σfと、前記2つの雰囲気の圧力差によって前記薄膜がたわむことによって該薄膜の中央と前記外周部とにそれぞれ発生する引張り応力σ1 とσ2 との差分とが等しくなるときの前記曲率半径より大であるとよい。
【0016】
前記曲面の曲率半径が、前記低圧の雰囲気側から前記高圧の雰囲気側へ向かうにつれて増大しているとよい。
【0017】
【作用】
圧力の異なる2つの雰囲気を仕切るための薄膜の厚さは、その両面にかかる圧力差によってたわむときに薄膜の中央に発生する引張り応力に耐えることができるように設計される。前記圧力差によるたわみのために薄膜の中央に発生する引張り応力は、外周部の引張り応力より大であるが、外周部には、支持部材との接触による曲げのために発生する引張り応力が付加されるため、中央より大きな引張り応力がかかるおそれがある。
【0018】
そこで、薄膜の外周部を大きな曲率半径を有する曲面に沿って支持する支持部材を設け、支持部材との接触による曲げのために発生する引張り応力を低減する。
【0019】
薄膜の外周部に発生する引張り応力が中央の引張り応力を越えることなく、薄膜全体の引張り応力の最大値が中央の引張り応力であれば、前述のように薄膜の厚さを設計するときの安全係数を不必要に大きくする必要がない。
【0020】
その結果、薄膜をより薄肉にして、X線の透過率等を増大させることができる。
【0021】
このような圧力隔壁をX線取り出し窓等として用いることで、X線等を有効利用すれば、露光装置の生産性等を大きく向上できる。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0023】
図1は一実施例による圧力隔壁であるX線取り出し窓E1 とこれを用いたX線露光装置の一部分を示すもので、X線取り出し窓E1 は露光室1とビームダクト2の間に配設される。後述するように荷電粒子蓄積リング等の光源3(図3参照)から発生されたSR−X線等のX線L1 は、超高真空に保たれたビームダクト2を通ってX線取り出し窓E1 から露光室1へ導入される。
【0024】
露光室1内は、例えば0.2Pa程度のヘリウムガスの減圧雰囲気に制御される。これは、X線の減衰を防ぎ、しかも、ヘリウムガスの対流によってウエハW1 等の放熱を促進するためである。
【0025】
X線取り出し窓E1 は、数μmないし数十μmの薄膜であるベリリウム箔11と、その外周縁を支持する支持部材であるフランジ12を有し、ベリリウム箔11の外周縁は、接着リング13によってフランジ12に固定されている。フランジ12は、O−リング14を介し、ボルト15によって、ビームダクト2のフランジ部2a等に固着される。
【0026】
ベリリウム箔11は、前述のように、高真空に保たれるビームダクト2の圧力P1 と、ヘリウムガスの減圧雰囲気に制御される露光室の圧力P2 との圧力差△Pに耐えるだけの機械的強度が必要であり、しかも、X線の透過率が高いことが要求される。すなわち、ベリリウム箔11の厚さを、前記機械的強度を確保できる範囲で、できるだけ薄くするのが望ましい。
【0027】
そこで、前記圧力差△Pの許容値すなわち設計圧力P0 によってベリリウム箔11にたわみが発生したときのベリリウム箔11の中央の引張り応力σ1 から、前述の式(4)を用いてベリリウム箔11の厚さT1 を設定する。
【0028】
ところが、中央の引張り応力σ1 が破壊応力σ0 を越えない状況であっても、ベリリウム箔11とフランジ12の接触部における応力集中のために、ベリリウム箔11の外周部が破損するおそれがある。そこで、フランジ12の内周縁に所定の曲率半径Rの曲面を有する湾曲部12aを設け、該湾曲部12aの曲面をベリリウム箔11の外周部に接触させて、曲面に沿って湾曲させることで、前記応力集中を防ぎ、ベリリウム箔11の破損を回避する。
【0029】
ベリリウム箔11の外周部が湾曲部12aの曲面に沿って湾曲すると、これによって発生する引張り応力σfが、露光室1とビームダクト2の圧力差△Pによるたわみのために発生する引張り応力σ2 に加算される。
【0030】
そこで、フランジ12の湾曲部12aの曲面の曲率半径Rを以下のように設定する。図2に示すように、圧力差△Pのためにベリリウム箔11にたわみが発生し、ベリリウム箔11の外周部がフランジ12の湾曲部12aの曲面に沿って湾曲したとき、ベリリウム箔11の外周部に発生する引張り応力σtは、前記圧力差△Pによるたわみのために発生する引張り応力σ2 と、フランジ12の湾曲部12aの曲面に沿って湾曲することによって発生する引張り応力σfの和である。すなわち、
σt=σ2 +σf・・・(5)
引張り応力σfは湾曲部12aの曲面の曲率半径Rとベリリウム箔11の厚さT1 から以下の式によって算出される。
【0031】
σf=0.5・E・T1 /R・・・(6)
式(6)と式(2)から、
σt=0.328(E・△P1/2・a1/2 /T1 2)1/3+0.5・E・T1 R・・・(7)
圧力差△Pが設計圧力P0 であるとき、ベリリウム箔11の外周部に発生する引張り応力σtがベリリウム箔11の中央に発生する引張り応力σ1 より小であるためには、式(7)と式(1)から、
R>5.263・(E2 ・T1 5/P0 2/a2 )1/3 ・・・(8)
すなわち、フランジ12の湾曲部12aの曲面の曲率半径Rを、式(8)を満足するように選定すればよい。
【0032】
実際には、ベリリウム箔11の外周縁よりやや内側で発生する引張り応力の方が大きいため、フランジ12の湾曲部12aの曲面の曲率半径を前記低圧の雰囲気側から前記高圧の雰囲気側へ向かって徐徐に大きくするのが望ましい。
【0033】
上記のように設定された曲率半径を有する曲面に沿ってベリリウム箔の外周部が湾曲するように構成すれば、ベリリウム箔の外周部に中央より大きな引張り応力が発生するおそれはない。ベリリウム箔の中央の引張り応力に基づいてベリリウム箔の厚さを設計すればベリリウム箔が破損するおそれはないから、従来例のように安全係数を不必要に大きくとる必要はない。すなわち、ベリリウム箔の必要厚さを縮小して、X線の透過率を大幅に改善できる。
【0034】
図3はX線露光装置の全体を示す図である。光源3からビームダクト2内に放出されたシートビーム形状のシンクロトロン放射光であるX線L1 を、凸面ミラー4によって放射光の軌道面に対して垂直な方向に拡大する。凸面ミラー4で反射拡大したX線L1 は、X線取り出し窓E1 を経て露光室1へ導入され、図示しないシャッターによって露光領域内での露光量が均一となるように調整される。シャッターを経たX線L1 はマスクM1 に導かれる。基板であるウエハW1 は基板保持手段であるウエハチャック5に垂直に保持されており、マスクM1 に形成されている露光パターンを、ステップ&リピート方式等によってウエハW1 上に露光転写する。なお、ウエハチャック5は、微動ステージ6aと粗動ステージ6bを有するウエハステージ6によって6軸方向に高精度で位置決めされる。
【0035】
次に上述したX線露光装置を利用した半導体デバイスの製造方法の実施例を説明する。図4は半導体デバイス(ICやLSI等の半導体チップ、液晶パネル、CCD、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S11(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S12(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S13(ウエハ製造)ではシリコン等の材料を用いて基板であるウエハを製造する。ステップS14(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S15(組立)は後工程と呼ばれ、ステップS14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S16(検査)ではステップS15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S17)される。
【0036】
図5は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップS21(酸化)ではウエハの表面を酸化させる。ステップS22(CVD)ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップS23(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S24(イオン打込み)ではウエハにイオンを打ち込む。ステップS25(レジスト処理)ではウエハに感光剤を塗布する。ステップS26(露光)では上記説明したX線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S27(現像)では露光したウエハを現像する。ステップS28(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S29(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。
【0037】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【0038】
機械的強度が充分であり、しかも極めて薄肉の薄膜を用いることができる圧力隔壁を実現できる。このような圧力隔壁をX線の透過窓として用いることで、露光装置の生産性を大きく向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 一実施例によるX線取り出し窓を示す模式断面図である。
【図2】 図1のX線取り出し窓が圧力差によって湾曲した状態を示す模式断面図である。
【図3】 X線露光装置全体を説明する図である。
【図4】 半導体製造工程を示すフローチャートである。
【図5】 ウエハプロセスを示すフローチャートである。
【図6】 一従来例を示す模式断面図である。
【符号の説明】
1 露光室
2 ビームダクト
11 ベリリウム箔
12 フランジ
12a 湾曲部
Claims (4)
- 圧力の異なる2つの雰囲気を仕切るための薄膜と、該薄膜をその外周部において支持する支持部材とを有し、該支持部材における、前記2つの雰囲気のうち相対的に低圧の雰囲気の中に配される内周縁が、該内周縁の軸方向において、前記2つの雰囲気のうち相対的に高圧の雰囲気側から前記低圧の雰囲気側へ向かうにつれて内径および傾きが減少する曲面をなしていることを特徴とする圧力隔壁。
- 前記曲面の曲率半径が、該曲面に沿った曲げによって薄膜の外周部に発生する引張り応力σfと、前記2つの雰囲気の圧力差によって前記薄膜がたわむことによって該薄膜の中央と前記外周部とにそれぞれ発生する引張り応力σ1 とσ2 との差分とが等しくなるときの前記曲率半径より大であることを特徴とする請求項1記載の圧力隔壁。
- 前記曲面の曲率半径が、前記低圧の雰囲気側から前記高圧の雰囲気側へ向かうにつれて増大していることを特徴とする請求項1または2記載の圧力隔壁。
- 請求項1ないし3いずれか1項記載の圧力隔壁と、該圧力隔壁を透過したX線によって露光される基板を保持する基板保持手段とを有することを特徴とする露光装置。
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