JP4323946B2 - 露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、液浸法を用いた露光装置及び露光方法に関し、例えばＩＣやＬＳＩ等の半導体デバイス、ＣＣＤ等の撮像デバイス、液晶パネル等の表示デバイス、光導波路等の通信デバイス、磁気ヘッド等のデバイスを製造する際に、感光剤が塗布された基板上にマスク上のパターンを転写して高集積度のデバイスを得るリソグラフィ工程に好適なものである。

従来より、半導体デバイスや液晶パネル等を製造する際に、マスク上のパターンを感光剤が塗布された基板上に露光転写する投影露光装置が使用されている。デバイスの集積度の向上に伴いパターンの一層の微細化が要求されるため、微細なパターンを解像するための投影露光装置の改良がなされてきた。

投影露光装置の光学系において、解像できるパターンの大きさを表す解像度Ｒは、（１）式の如きレーリーの式で表される。
Ｒ ＝ ｋ１（λ／ＮＡ）・・・（１）
ここで、λは露光波長、ＮＡは投影光学系の像側の開口数、ｋ１は基板の露光後の現像プロセス等によって決まる定数であり、通常０．５程度の値を持つ。

（１）式からわかるように、投影露光装置の光学系の解像力は、露光波長が短いほど、また投影光学系の像側の開口数（ＮＡ）が大きいほど高くなる。

このため、露光光源については、波長３６５ｎｍの水銀ランプｉ線に続いて、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザが開発され、更に最近では、波長１５７ｎｍのＦ２レーザの開発が行なわれている。しかし、露光光源の短波長化により、投影光学系のレンズに用いる材料に関して透過率、一様性、耐久性等の要求を満たすことが難しくなり、装置の高価格化の要因となっている。

また投影光学系の開口数に関しては、ＮＡが０．８５の投影露光装置が商品化され、ＮＡが０．９を超える投影光学系も検討されている。このような高ＮＡの投影露光装置では、大面積にわたって収差の少ない良好な結像特性を得ることが困難なため、マスクと基板とを同期して走査させながら露光をおこなうスキャン露光方式が採用されている。

しかし、従来の設計においては、投影光学系と基板との間に屈折率が約１の気体の層が介在することのため、原理的にＮＡを１以上にすることが不可能であった。

一方、等価的に露光波長を短くして解像力を向上させる手段として液浸法が提案されている。これは投影光学系の最終面と基板との間の、従来では気体で満たされていた空間を、液体で満たしつつ投影露光を行う方法である。液浸法を用いる投影露光装置としては、投影光学系の最終面と共に基板の全体を液槽の中に浸す方式（例えば、特許文献１参照。）や、投影光学系と基板に挟まれた空間だけに液体を流す所謂ローカルフィル方式（例えば、特許文献２参照）が知られている。

液浸法の利点は、用いる液体の屈折率をｎとすると、等価的な露光波長が光源の波長の１／ｎになることである。このことは、ウエハに結像する光線の最大入射角が液浸法と従来法で等しいと仮定した場合に、同一波長の光源を用いても、解像度が従来法の１／ｎに向上することを意味する。例えば、光源の波長が１９３ｎｍで液体が水の場合、屈折率が約１．４４であるので、液浸法を用いることで従来法に比べて解像度を１／１．４４にすることができる。

液浸法に用いる液体としては、水が最も一般的である。水は、波長１９０ｎｍ付近までの紫外光に対して良好な透過率を持つ。また、すでに半導体の製造工程において大量に用いられており、ウエハや感光剤との相性が良いという利点がある。
特開平０６−１２４８７３号公報 国際公開第９９／４９５０４号パンフレット

上記液浸法を用いる投影露光装置においては、液体中の気泡による露光に対する影響を防止することが重要である。投影光学系の最終面と基板の間の露光領域に気泡が進入すると、露光光を散乱する。そのため、転写されるパターンの線幅が許容できる範囲を超えて変動し、極端な場合にはデバイスに絶縁やショートが発生するという問題がある。現在知られている、気泡の露光への影響を防止するために最も効果的な方法は、液体の脱気を行うことである。液体に脱気を施すことで、気泡が発生しにくくなり、且つ発生した気泡が短時間で消滅するので、露光への気泡の影響を防止することができる。

ところが、液浸法で広く用いられる水の場合、脱気を行うと比抵抗が増加するので静電気が発生しやすくなるという問題がある。例えば、半導体の製造工程で用いられる純水（不純物の少ない水）では、脱気後の比抵抗が１８ＭΩ・ｃｍにも達する。また、水と接触する基板表面は感光剤が塗布されているため電気的な絶縁性が高い。そのため、基板をステージで移動させると基板表面に静電気が発生する。この静電気は、基板上のデバイスに不良を発生させてしまう。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、基板上の静電気を抑制することが可能な液浸法を用いる露光装置の提供を例示的な目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての露光装置は、マスクのパターンを基板に投影する投影光学系と、前記投影光学系と前記基板との間に液体を供給する液体供給装置とを備え、前記液体供給装置は、前記水を脱気する脱気装置と、前記脱気装置により脱気された前記液体に二酸化炭素を注入する注入装置とを有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施例等によって明らかにされるであろう。

従来よりも、性能の良い露光装置を提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の投影露光装置の実施例１の要部概略図である。本実施例は本発明を走査型の投影露光装置に適用した場合を示している。

同図において、１は照明系であり、不図示の光源からの光でレチクル（マスク）２を照明している。光源としては、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、Ｆ２エキシマレーザ等を用いることができ、照明系１は、公知の光学系等（不図示）から構成されている。３は屈折型またはカタジオプトリック系等の投影光学系であり、照明系１によって照明された第１物体としてのレチクル２の回路パターンを第２物体としてのウエハ５（基板）に投影している。１５は測距用レーザ干渉計であり、参照ミラー１４を介してレチクルステージ１２やウエハステージ１３の水平面内の二次元的な位置を計測している。この計測値に基づいてステージ制御装置１７がレチクル２やウエハ５の位置決めや同期制御を行う。またウエハステージ１３はウエハの上下方向の位置や回転角、傾きを調節する機能を持ち、露光時にウエハ５の表面を投影光学系３の像面と合致させる。

本実施例では、液浸法を用いて等価的な露光波長を短くし、露光における解像度を向上させている。そのため、投影光学系３の最終面の周囲に供給口１０と回収口１１を配置し、投影光学系３の最終面とウエハ５の間に水を供給して液膜４を形成している。投影光学系３の最終面とウエハ５の間隔は、液膜４が安定に形成できる程度に小さいことが望ましく、例えば、０．５ｍｍとすれば良い。供給口１０は供給管８により水を供給する液体供給装置６と結ばれている。回収口１１は回収管９により水を回収する液体回収装置７と結ばれている。液体供給装置６は、脱気装置１８およびその下流側に設けられた二酸化炭素の注入装置１９をその一部として有する。脱気装置１８は、例えば公知の膜モジュール（不図示）と真空ポンプ（不図示）により構成される。液浸制御装置１６は液体供給装置６および液体回収装置７へ制御信号を送ると同時に、ステージ制御装置１７との間でデータの送受信を行う。これにより、液浸制御装置１６はウエハの移動方向や速度に応じて液体の供給量と回収量を調節している。

さて本実施例においては、水に脱気を施した後に所定の濃度で二酸化炭素を注入することにより、気泡の露光への影響を防止し、且つ基板上の静電気を抑制する。二酸化炭素は、安価で且つ基板に汚染物質が残さない利点がある。図２により、二酸化炭素の注入装置１９の一構成例を説明する。水の流入口２０と流出口２１の間に膜モジュール２２が設けられている。膜モジュール２２はバルブ２３を介して二酸化炭素の供給源２４（例えば炭酸ガスボンベ）に接続されている。バルブ２３は二酸化炭素制御装置２５により電気的に制御される。

上記の構成によれば、膜モジュール２２への二酸化炭素の流量をバルブ２３を介して変化させることにより、水中の二酸化炭素濃度を制御することができる。また、二酸化炭素の注入装置の下流側に比抵抗計２６を設け、比抵抗計２６の出力を二酸化炭素制御装置２５へ電気的にフィードバックすることにより二酸化炭素の濃度を所定の範囲に制御すれば尚良い。さらに、膜モジュールを用いる代わりに、ノズルから炭酸ガスを水中に注入しても良い。その場合、炭酸ガス中に存在する微小な粒子をあらかじめフィルタによって除去しておくことが望ましい。

以下に、最適な二酸化炭素の濃度について説明する。

まず、二酸化炭素濃度の下限は、ウエハ上の静電気を抑制する必要性から決定できる。図３に、純水をノズルから噴出してウエハを洗浄した時の、ウエハ上の電位と水の比抵抗の関係を示す（このことについては「純水・超純水の噴霧・接触・流動帯電とその制御」、浅野、電気学会論文誌１０８巻、１９８８年、ｐｐ．３６２−３６６に詳しい。）。同図から、水の比抵抗が１０ＭΩ・ｃｍを超えるとウエハ上に大きな電位が発生し易くなることがわかる。一方、水の比抵抗が５ＭΩ・ｃｍ以下であれば、静電気は問題となりにくい。図４に、純水における二酸化炭素の濃度と比抵抗の関係を示す。二酸化炭素の濃度が高いほど比抵抗が低くなり、比抵抗の１０ＭΩ・ｃｍ、５ＭΩ・ｃｍに対応する二酸化炭素濃度はそれぞれ０．０２ｐｐｍ、０．０６ｐｐｍである。このことから、ウエハ上の静電気を抑制するために、水中の二酸化炭素濃度は０．０２ｐｐｍ以上とすることが望ましく、０．０６ｐｐｍ以上とすれば尚良い。

次に、水中の二酸化炭素濃度の上限は、二気泡の問題を考慮して決定できる。気泡の発生メカニズムには、水中の圧力変動や、二酸化炭素の注入装置における微小な気泡の混入がある。いずれの場合にも、水中の二酸化炭素の濃度が高くなると気泡が発生しやすくなるだけでなく、気泡の寿命（発生した気泡が拡散により消滅するまでの時間）が長くなり、気泡が消えにくくなる。そのため、気泡の露光への影響の危険が増大する。図５に、規格化した気泡の寿命τ／τ_０を、規格化した溶存気体の濃度Ｃ_∞／Ｃ_Ｓの関数として示す（このことについては、Ｃ．Ｅ．Ｂｒｅｎｎｅｎ，“Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｕｂｂｌｅ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，”Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ（１９９５），Ｃｈａｐｔｅｒ２に詳しい。）。ここで、τ_０は、Ｃ_∞＝０．０の場合の気泡の寿命であり、Ｃ_Ｓは飽和濃度である。濃度Ｃ_∞／Ｃ_Ｓが０．２以下の場合、気泡の寿命はＣ_∞＝０．０の場合に近いので、比較的に気泡が消えやすい。一方、規格化した濃度Ｃ_∞／Ｃ_Ｓが０．５以上になると、気泡の寿命が急激に増大するので、気泡が消えにくくなる。このことから、気泡の露光への影響を防止するためには、水中に溶存する二酸化炭素の濃度を飽和濃度の５０％以下とすることが望ましく、２０％以下とすれば尚良いことが分かる。水中の二酸化炭素の飽和濃度は一気圧において約１５００ｐｐｍである。従って、気泡の露光への影響を防止するためには、二酸化炭素の濃度を７５０ｐｐｍ以下とすれば良く、３００ｐｐｍ以下とすれば尚良い。これらの値は静電気の抑制のために必要な二酸化炭素の濃度の下限に比べてはるかに大きいので、気泡の影響の防止と静電気の抑制とを両立させることが可能である。

以上の議論をまとめると、液膜４に供給される水の二酸化炭素の濃度の範囲は０．０２ｐｐｍ以上７５０ｐｐｍ以下とすれば良く、０．０６ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下とすれば尚良い。等価な条件を比抵抗の範囲について表せば、０．０２ＭΩ・ｃｍ以上１０ＭΩ・ｃｍ以下とすれば良く、０．０４ＭΩ・ｃｍ以上５ＭΩ・ｃｍ以下とすれば尚良い。そのようにすることで、気泡の露光への影響を防止して且つ基板上の静電気を抑制することができる。

さらに、本実施例においては、化学増幅型のレジストに対して好適な酸性の環境を実現できる。化学増幅型のレジストは、ＫｒＦレーザやＡｒＦレーザを光源とするリソグラフィに最適な高感度のレジストとして広く用いられている。一方、化学増幅型のレジストでは、水中に存在するアンモニア等のアルカリ性の汚染物質がレジスト表面から進入すると化学反応が抑制されてＴ−ｔｏｐなどのパターン上の問題が生じる。本実施例では、水に二酸化炭素を溶解させることでＰＨ値を下げ、アルカリ性の汚染物質の影響を抑制することができる。図６に、水のＰＨ値と二酸化炭素濃度の関係を示す。

尚、通常、半導体の製造工場においては純水装置が備えられえており、且つその純水装置の多くが脱気の機能を有する。露光装置の外部の純水装置から脱気を施した水を投影露光装置に供給する場合、投影露光装置内の脱気装置１８を省略することができる。脱気装置を省略することでコストを低減できる利点がある。以上の考え方に基づく本実施例の露光装置の変形例を図７に示す。この変形例の露光装置は液体供給装置６が脱気装置を有しないことが図１の露光装置と異なっている。本変形例の露光装置における二酸化炭素の注入装置の構成や、最適な水の二酸化炭素の濃度および比抵抗も、上述した図１の露光装置におけるそれらと全く同じである。

以上、本実施例の液浸法を用いる露光装置によれば、気泡の露光への影響を防止し、且つ基板上の静電気を抑制できる。

次に、実施例１に記載の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８はデバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネルやＣＣＤ）の製造フローを示す。ステップ１（回路設計）ではデバイスの回路設計を行う。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（レチクル）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基板とし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とを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ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よって作成されたウエハを用いて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で作成されたデバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経てデバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

図９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ではウエハの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（イオン打ち込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハにレジスト（感材）を塗布する。ステップ１６（露光）では実施例１に記載の露光装置によってマスクの回路パタ−ンの像でウエハを露光する。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。これらステップを繰り返し行うことによりウエハ上に回路パタ−ンが形成される。

本実施例の製造方法を用いれば、従来は難しかった高集積度のデバイスを製造することが可能になる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明の露光装置の要部概略図である。 二酸化炭素の注入装置の構成例を示す概略図である。 ウエハの洗浄工程におけるウエハ上の電位と純水比抵抗の関係を示す説明図である。 純水の比抵抗と二酸化炭素濃度の関係を示す説明図である。 規格化した気泡の寿命と規格化した溶存気体の濃度の関係を示す説明図である。 水のＰＨ値と二酸化炭素の濃度の関係を示す説明図である。 本発明の露光装置の要部概略図である。 デバイスの製造フローを示す図である。 図８のウエハプロセスを示す図である。

符号の説明

１ 照明系
２ レチクル（マスク）
３ 投影光学系
４ 液膜
４ａ 投影領域
５ ウエハ（基板）
６ 液体供給装置
７ 液体回収装置
８ 供給管
９ 回収管
１０ 供給口
１１ 回収口
１２ レチクルステージ
１３ ウエハステージ
１４ ミラー
１５ 測距用レーザ干渉計
１６ 液浸制御装置
１７ ステージ制御装置
１８ 脱気装置
１９ 二酸化炭素の注入装置
２０ 流入口
２１ 流出口
２２ 膜モジュール
２３ バルブ
２４ 二酸化炭素の供給源
２５ 二酸化炭素制御装置

Claims (8)

1. マスクのパターンを基板に投影する投影光学系と、
   前記投影光学系と前記基板との間に液体を供給する液体供給装置と、を備え、
   前記液体供給装置は、
   前記液体を脱気する脱気装置と、
   前記脱気装置により脱気された前記液体に二酸化炭素を注入する注入装置と、を有する
   ことを特徴とする露光装置。
2. 前記注入装置は、膜モジュールを介して二酸化炭素を注入する
   ことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記注入装置は、前記液体の二酸化炭素の濃度が０．０２ｐｐｍ以上７５０ｐｐｍ以下となるように二酸化炭素を注入する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
4. 前記注入装置は、前記液体の二酸化炭素の濃度が０．０６ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下となるように二酸化炭素を注入する
   ことを特徴とする請求項３に記載の露光装置。
5. 前記液体供給装置は、前記液体の比抵抗値を計測する比抵抗計を有し、
   前記注入装置は、前記比抵抗計の計測結果に基づいて二酸化炭素を注入する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
6. 前記注入装置は、前記液体の比抵抗値が０．０２ＭΩ・ｃｍ以上１０ＭΩ・ｃｍ以下となるように二酸化炭素を注入する
   ことを特徴とする請求項１，２または５に記載の露光装置。
7. 前記注入装置は、前記液体の比抵抗値が０．０４ＭΩ・ｃｍ以上５ＭΩ・ｃｍ以下となるように二酸化炭素を注入する
   ことを特徴とする請求項６に記載の露光装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、前記露光した基板を現像する工程と、を有する
   ことを特徴とするデバイス製造方法。

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