JP3950698B2 - 半導体露光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体露光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、DRAM、MPU、等の半導体デバイス製造に関して、デザインルールで0.1μｍ以下の線幅を有するデバイスの実現に向けて精力的に研究開発がなされている。この世代に用いられる露光装置は、その露光光にエレクトロンビーム（ＥＢ）、あるいは極端紫外域光（ＥＵＶ）、等が用いられると予測されている。
【０００３】
ＥＢ露光装置、ＥＵＶ露光装置では、大気中での露光は不可能になるため、露光は真空中で行わざるを得なくなり、必然的に、ウエハーの搬入、搬出にはロードロックチャンバーを介して行うことになる。
【０００４】
通常、露光装置のロードロック室は、大気圧下でウエハーを受け入れ、チャンバー内を真空排気した後、露光装置側の扉を開いて、露光装置側にウエハーを搬入し、露光が終了すると、装置側からウエハーが搬出され、露光装置側の扉を閉め、室内を大気圧下に戻し、ウエハーが取り出される、という機能を有する。
【０００５】
以前よりロードロック内が真空排気されると、内部ガスの断熱膨張によって、ガスの温度が低下し、それに伴い、ウエハーは数度温度低下することが、観測されている。これをこの状態のままで、露光を行うと大きな配列誤差が生じてしまう。これを解決するために、従来より、ロードロック内にウエハーを温調する機構を設けた提案がなされている。例えば、赤外線ランプで加熱する方法、ウエハーを２つの恒温板で挟み熱伝導で温調する方法、あるいはロードロック内のウエハー保持機構に温調機能を設ける方法、等である。
【０００６】
一方、この問題とは別に、以前より、ロードロック内が真空排気される際に、パーティクルが発生し、ウエハー表面に付着、堆積することにより、デバイス製造の歩留まりや、デバイスの信頼性が低下するという問題があった。
【０００７】
このパーティクル発生は、真空排気時のガス温度の急激な低下によって、小さなパーティクルを核に水蒸気の凝結が生じ大きなパーティクルに成長し、それがウエハーに付着するというメカニズムも原因の一つとされている。この場合、ガス中の種々のイオンも凝結核となるので、問題はより深刻である。
【０００８】
この真空排気時に発生するパーティクルの対策として、従来より、スロー排気を行う方法、排気口付近の流れを層流に保つ方法、真空排気時にウエハーを一時的にフィルター付きの小空間に退避させる方法、ベンティング用配管に加熱源を装着する方法、等が提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例は、本来は物理的に密接に関係のある二つの現象、すなわち、真空排気時のロードロック内のウエハー温度低下と、真空排気時のパーティクルの発生という現象を別個に考え、それぞれ別個の対策を行っている。したがって、これらの対策はロードロックに多くの機構を持たせることになり、それがさらにパーティクルを発生させる原因となったり、あるいは、一方の問題を解決すると、もう一方が不十分となる、さらにはコストアップにつながったりなど、いずれの提案も不十分なものであった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の半導体露光装置は、
ロードロックチャンバーを有し、真空雰囲気下で基板を露光する半導体露光装置において、
前記ロードロックチャンバー内のガスの温度を計測する計測手段と、
該温度の目標値として、該ガスの露点と該温度の低下の許容範囲内にある温度とのうち、いずれか高いほうの温度を設定する設定手段と、
該ガスの温度が該目標値になるように、該ガスの温度を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、
前記制御手段は、該ガスを加熱する加熱手段を備え、前記加熱手段の発熱量を制御することを特徴としている。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、
前記制御手段は、前記ロードロックチャンバー内を排気する排気手段を備え、前記排気手段の排気速度を制御することを特徴としている。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、
前記制御手段は、該ガスを加熱する加熱手段と、前記ロードロックチャンバー内を排気する排気手段とを備え、前記加熱手段の発熱量と前記排気手段の排気速度とを制御することを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下、本発明の一実施例について図を用いて説明する。
先ず、本発明の詳細について説明する前に、本発明が適用される半導体露光装置について、ＥＵＶ露光装置を例に挙げ、その構成を図２を用いて簡単に説明する。
【００１５】
同図で、１はウエハー、２は電子回路パターンが形成されている反射型マスクで、３はその反射型マスクを保持し、スキャン方向に粗微動させるためのマスクステージである。５はマスクからの反射光をウエハー１に投影露光するための光学系である。６はウエハーを保持して６軸方向に粗動、微動可能なウエハーステージであり、そのｘｙ位置は不図示のレーザー干渉計によって常にモニターされている。
【００１６】
通常、マスクステージ３とウエハーステージ６のスキャン動作は、投影光学系の縮小倍率を１／βとし、マスクステージの走査速度をVr、ウエハーステージの走査速度をVwとすると、両者の走査速度の間には、Vr／Vw＝βの関係が成立するように同期制御される。
【００１７】
８は後述するロードロックチャンバーとウエハーステージ６との間でウエハーを搬入、搬出する搬送ハンドである。
【００１８】
露光は、真空下で行われるため、これらのユニットは装置チャンバー４の中に入っており、７はチャンバー内を真空排気するための真空ポンプである。１５はロードロックチャンバー（ロードロック）の略図であり、９はロードロック内を真空排気するための真空ポンプ、１０はロードロック内の真空状態を大気圧に戻すための真空破壊バルブ、１１は装置チャンバーとロードロックチャンバーとの間を仕切る装置側ゲートバルブ、１２はロードロックチャンバーと後述する基板交換室との間を仕切る交換室側ゲートバルブである。１４はウエハーを大気圧下で一時保管する基板交換室であり、１３はロードロックとの間でウエハーを搬入、搬出する搬送ハンドである。
【００１９】
次に本発明のロードロックチャンバーについて詳細に説明する。
【００２０】
ウエハーの搬送手順としては、まず基板交換室１４のウエハーが搬送ハンド１３により大気圧下のロードロック１５内に搬入され、ゲートバルブ１２が閉じると真空ポンプ９のバルブが開き、排気が開始される。数十秒して、所定の圧力になるとゲートバルブ１１が開き、搬送ハンド８によりウエハーがロードロック１５からウエハーステージ６に搬送され、アライメントの後に露光となる。
【００２１】
このロードロックの真空排気の過程で内部のガスが断熱膨張により急速に冷却される。前述したように、このガスの急速冷却は、二つの問題を引き起こす。一つは、ガスとの伝熱によるウエハーの温度低下であり、チャンバー容積、排気速度、等にもよるが、数度の温度低下が観測されている。もう一つは、ガス中の水蒸気が、温度低下により露点に達し、凝結し、温度によっては、さらに氷に凝固し、それらがパーティクルとなって、ウエハー上に付着、堆積するというものである。
【００２２】
この温度低下の様子は、図３で説明できる。ゲートバルブ１２が閉じ、真空排気が開始される直前のガス、ウエハーの温度をT0とする。真空排気が始まると、ガスの温度は急速に低下し、チャンバー容積、排気速度、等にもよるが、数十秒後にT0よりも数十度温度低下し、その後は熱容量の大きいチャンバー壁からの伝熱により急速にT0に漸近する。一方、ガスに対し熱容量の大きいウエハーは、ガスよりも長い時定数で温度低下し、数度温度低下した後、再びT0に漸近するのに３０分以上かかる。
【００２３】
本発明の第一の実施例では、後述するように、このガスの急速な温度低下を、所定の範囲内に抑えるように、ガス温度をリアルタイムで計測し、その計測結果に基づきガスの加熱手段の発熱量をコントロールすることを、発明の主眼としている。
【００２４】
図１を用いてこれを具体的に説明する。同図で２０はロードロックチャンバーで、ウエハーの出し入れの際、開閉するゲートバルブは省略している。２１はガスを所定の温度まで加熱するコイル状ヒーターである。２４は排気バルブであり、２５は真空ポンプである。３３はガスの温度・湿度をリアルタイムで計測する温度・湿度計であり、２２，２６はそれぞれ温度センサー、湿度センサーである。
【００２５】
３４はガスの温度、湿度から露点を演算する露点演算部である。２７はガスの露点温度、もしくはウエハー温度低下が許容範囲内にあり得るガス温度、のいずれか高いほうの温度を目標値Tsとして設定する目標温度設定部（設定手段）である。
【００２６】
ただし、ロードロックチャンバー内の湿度が、ほとんど一定に保たれるような場合、この湿度センサー２６と露点演算部３４は省略可能である。この場合には、実際にはあらかじめその一定湿度を計測し、算出した露点を目標温度設定部２７に記憶させておけば良い。２３は温度計３３の出力Tと目標温度Tsを比較して、ガス温度が所定温度範囲内に収まるように、ヒーター２１の出力をコントロールする温度制御部（制御手段）である。
【００２７】
実際、ヒーター発熱量を用いて、ガス温度をコントロールする場合のブロック線図の一例を図６に示す。温度制御部２３は、温度計３３の出力Tをフィードバックして、この温度と目標温度範囲Tsとの偏差Teが０になるように、例えばPID制御器２９によりヒーター出力３０を制御する。具体的には、ヒーターの発熱量Qは、図７のように、真空排気開始直後のガス温度が急激に変化する期間は、発熱量を高くし、排気が進んで単位時間あたりの断熱膨張による温度低下量が徐々に低くなると、発熱量が小さくなる。このような制御をすることにより、ガス温度は図４のように、温度Ts以下には下がらないようすることが可能となる。従って、ウエハーの温度低下も許容範囲内に入り、なおかつ水蒸気の凝結も生じないので、パーティクルの発生もほとんど問題にならなくなる。
【００２８】
前述の例では、加熱手段はコイル状のヒーターとしたが、他の例としては、平面ヒーター、フィン付きヒーター、赤外ランプ、等が挙げられる。たとえば、図６はチャンバー内壁にガスとの熱伝達を効率的に行うために、フィン付きの平面ヒーター２８を設けた例を示す。あるいは、チャンバー壁そのものをガスの加熱手段として用い、その発熱量、あるいは温度を制御するといった例も可能である。このように、効率的にガスを加熱する事が可能であれば、いかなる形態の手段でも良い。
【００２９】
(実施例２)
第２の実施例は、ロードロックチャンバー内のガスの温度をリアルタイムで計測し、その温度を、流量が可変のバルブを用いて排気系の実効排気速度を変化させることによってガス温度をコントロールする、という特徴を有する。これは、排気速度が遅いと、目標圧力になるまで長い時間がかかるため、チャンバー壁からガスにより多くの熱エネルギーが伝熱されるため、結果的に、ガス温度が、排気速度が速い場合に比べてそれほど下がらない、という物理現象を利用したものである。
【００３０】
具体的には、図８を用いて説明する。第一の実施例と異なるのは、まず、４１の可変流量バルブである。これは、温度制御部４３のバルブ開度の指令値に従って、自動的に開度を調節し排気流量を制御することが可能である。次に、４０はチャンバー壁からの熱をガスに良好に熱伝達させるための放熱フィンである。これ以外にも、良好な熱伝達が実現できれば、いかなる形状のフィンでも良い。また、第一の実施例と同様にロードロックチャンバー内の湿度が、ほとんど一定に保たれるようなクリーンルームの場合、湿度センサー２６と露点演算部３４は、省略可能であり、実際にはあらかじめその一定湿度を計測し、算出した露点を目標温度設定部２７に記憶させておけば良い。
【００３１】
実際、本実施例において、ガス温度をコントロールする場合のブロック線図の一例を図９に示す。温度制御部４３は、温度計４８の出力Tをフィードバックして、この温度と目標温度範囲Tsとの偏差Teが０になるように、例えばPID制御器４５によりバルブの開度を調節することにより実効排気速度４６を制御する。具体的には、図１０ように、真空排気開始直後のガス温度が急激に変化する期間は、可変流量バルブの開度を絞って実効排気速度を低く保ち、排気が進むにつれ、開度を少しずつ大きくし、ガスの熱容量が小さくなりチャンバー壁からの伝熱量が、断熱膨張による温度低下よりも卓越してくる段階まで排気が進むと、可変流量バルブを全開にし、排気を早めスループットを稼ぐ。このような制御を行う事で、ガス温度は図４のように、温度Ts以下には下がらないようコントロールされる。従って、ウエハーの温度低下も許容範囲内に入り、なおかつ水蒸気の凝結も生じないので、パーティクルの発生もほとんど問題にならなくなる。
【００３２】
本実施例は、ガスの温度を流量でコントロールするため、ロードロック内部の構成を簡略化することができ、チャンバー容積もより小さい物で済ます事が出来るため、スループットの点からも有利になる。
【００３３】
（実施例３）
第３の実施例は、ロードロックチャンバー内のガスの温度をリアルタイムで計測し、その温度を、チャンバー内に設けたガスの加熱手段の発熱量と、流量可変バルブを用いた実効排気速度、の２つを制御量としてガス温度をコントロールする、という特徴を有する。これは、第一の実施例と第二の実施例を組み合わせ、より効果的にガス温度のコントロールを行おうとする点に特徴がある。
【００３４】
具体的には、図１１を用いて説明する。本実施例では、２１は、第一の実施例と同様にガスの温度を所定の温度Tsまで加熱する電熱ヒーターであり、３０は、第二の実施例と同様に排気管の流量、すなわち実効排気速度を制御する事で、ガスを所定の温度Ts以下にならないようにする可変流量バルブである。そしてこれ２つの制御量は、温度制御部５０からの指令値に従って、発熱量、排気速度をコントロールする。また、第一の実施例と同様にロードロックチャンバー内の湿度が、ほとんど一定に保たれるようなクリーンルームの場合、湿度計２６と露点演算部３４は、省略可能であり、実際にはあらかじめその一定湿度を計測し、算出された露点を目標温度設定部２７に記憶させておけば良い。
【００３５】
このように、ガスの温度をコントロールすることに関し、２種類の制御手段を設ける事により、よりきめの細かな制御が可能になる。例えば、スループットを上げるために、大きな排気速度の真空ポンプを用いてロードロックを構成しようとする場合、真空排気開始直後は、数秒のうちに数十度もの温度低下が見られる場合がある。このため、チャンバー内のガス加熱手段単独の制御では、応答が遅くなり制御が追従しないため、許容温度Ts以内に維持する事が不可能な場合も考えられる。このような場合、ヒーター単独でガス温度が制御可能になるまで、可変流量バルブによりガスの排気速度を制限し、それ以降は、バルブを全開にして、ヒーターによりガス温度をコントロールし、スループットを稼ぐ。このような制御方法のブロック線図の一例が図１２である。温度制御部５０は、温度計５４の出力Tをフィードバックして、この温度Tと目標温度範囲Tsとの偏差Teが０になるように、第一のPID制御器５１によりヒーター出力５２をコントロールし、第２のPID制御器５５により可変流量バルブの開度により実効排気速度５６を制御する。そしてこの両者が協働してガス温度をコントロールする。
【００３６】
具体的には、図１３ように、真空排気開始直後のガス温度が急激に変化する期間は、ガスの許容温度Ts以下にはならないように、可変流量バルブの開度を絞って実効排気速度は低く保ち、かつヒーターの発熱量は多くする。排気が進むにつれ、ガスの熱容量が小さくなり、断熱膨張による温度低下率も下がってくるとヒーターの出力で温度コントロールする事が可能になるので、排気を早めるために可変流量バルブを全開にし、ヒーターコントロールに切り替える。このような制御を行う事で、ガス温度は図４のように、温度Ts以下には下がらないようコントロールされる。従って、ウエハーの温度低下も許容範囲内に入り、なおかつ水蒸気の凝結も生じないので、パーティクルの発生もほとんど問題にならなくなる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板の温度低下を許容範囲内にすることが可能であり、また、パーティクルの発生を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一の実施例を表す図
【図２】 本発明が適用される露光装置システム
【図３】 ロードロック内のガス、ウエハーの真空排気時の温度低下を表す図
【図４】 本発明を適用した場合のロードロック内のガス、ウエハーの真空排気時の温度低下を表す図
【図５】 第一の実施例をあらわす第一図とは別の図
【図６】 第一の実施例の制御ブロック線図
【図７】 第一の実施例のヒーター発熱量変化の一例
【図８】 本発明の第二の実施例を表す図
【図９】 第二の実施例の制御ブロック線図
【図１０】 第二の実施例の実効排気速度変化の一例
【図１１】 本発明の第三の実施例を表す図
【図１２】 第三の実施例の制御ブロック線図
【図１３】 第三の実施例のヒーター発熱量変化と実効排気速度変化の一例
【符号の説明】
１ ウエハー
２０ ロードロックチャンバー
２１ 伝熱ヒーター
２２ 温度センサー
２３ 第一実施例の温度制御部
２４ 排気バルブ
２５ 真空ポンプ
２６ 湿度センサー
２７ 目標温度設定部
２８ フィン付き平面ヒーター
３３ 温度・湿度計
３４ 露点演算部
４０ 放熱フィン
４１ 可変流量バルブ
４３ 第二実施例の温度制御部
５０ 第三実施例の温度制御部

Claims (4)

1. ロードロックチャンバーを有し、真空雰囲気下で基板を露光する半導体露光装置において、
   前記ロードロックチャンバー内のガスの温度を計測する計測手段と、
   該温度の目標値として、該ガスの露点と該温度の低下の許容範囲内にある温度とのうち、いずれか高いほうの温度を設定する設定手段と、
   該ガスの温度が該目標値になるように、該ガスの温度を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする半導体露光装置。
2. 前記制御手段は、該ガスを加熱する加熱手段を備え、前記加熱手段の発熱量を制御することを特徴とする請求項１の半導体露光装置。
3. 前記制御手段は、前記ロードロックチャンバー内を排気する排気手段を備え、前記排気手段の排気速度を制御することを特徴とする請求項１の半導体露光装置。
4. 前記制御手段は、該ガスを加熱する加熱手段と、前記ロードロックチャンバー内を排気する排気手段とを備え、前記加熱手段の発熱量と前記排気手段の排気速度とを制御することを特徴とする請求項１の半導体露光装置。

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