JP5305987B2 - 放熱ユニット及び露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、放熱ユニット及び露光装置に関する。

水銀ランプを光源として使用する露光装置には、露光に使用する光をコールドミラーで反射して後段の照明光学系に導き、それ以外の波長の不要光についてはコールドミラーを透過させるものがある。このうち、光源装置内で冷却媒体を循環させて光源を冷却することは知られているが（特許文献１を参照）、不要光がもたらす発熱に対する有効な対策については知られていない。

特開平１１−３２９９５１号公報

このため、アルミニウム板で不要光を受光してこれをアルミニウム板の作用により熱に変換し、その熱をヒートシンクに熱伝導し、ヒートシンクに冷却風を吹き付けて放熱することが考えられる。しかし、生産性向上のために光源の出力が増大すると、不要光の光エネルギーが増大してアルミニウム板とそれに接続されたヒートシンクが熱変形又は熱破壊するという問題が発生してしまう。

そこで、本発明は、高出力の光源に適用可能で耐久性に優れた放熱ユニット及びそれを有する露光装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明の一側面としての放熱ユニットは、光源からの光から発生する熱を発散するヒートシンクと、前記ヒートシンクよりも光源側に配置され、前記光を受光する受光面の面内方向において複数の部分に分割され、セラミックスから構成されている放熱板と、前記放熱板を前記ヒートシンクに支持する支持部材と、を有することを特徴とする。
また、本発明の他の側面としての放熱ユニットは、光源からの光から発生する熱を放熱するヒートシンクと、前記ヒートシンクよりも光源側に配置され、前記光を受光する受光面の面内方向において複数の部分に分割されている放熱板と、前記放熱板を前記ヒートシンクに支持する支持部材と、を有し、前記放熱板は、アルミニウムよりも融点が高く熱伝導率が低い材料から構成されることを特徴とする。
また、本発明の他の側面としての放熱ユニットは、光源からの光から発生する熱を放熱する、アルミウムから構成されているヒートシンクと、前記ヒートシンクよりも光源側に配置され、前記光を受光する受光面の面内方向において複数の部分に分割されている放熱板と、前記放熱板を前記ヒートシンクに支持する支持部材と、を有し、前記放熱板は、アルミニウムよりも融点が高く熱伝導率が低い材料から構成されることを特徴とする。
また、本発明の他の側面としての放熱ユニットは、光源からの光から発生する熱を放熱するヒートシンクと、前記ヒートシンクよりも光源側に配置され、前記光を受光する受光面の面内方向において複数の部分に分割されている放熱板と、前記放熱板を前記ヒートシンクに支持する支持部材と、を有し、前記放熱板は、セラミック、石、シリコンのいずれかを含むことを特徴とする。

本発明は、高出力の光源に適用可能で耐久性に優れた放熱ユニット及びそれを有する露光装置を提供することができる。

図１（ａ）は放熱ユニットの断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の下から見た部分透過平面図である。 図１（ａ）とは異なる放熱ユニットの断面図である。 図３（ａ）は図１（ｂ）とは異なる放熱ユニットの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）における中心Ａから径方向外側のＢ点に向かう位置と温度との関係を示すグラフである。 本実施例の放熱ユニットを適用可能な露光装置の光路図である。

図１（ａ）は放熱ユニット３０Ａの断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の下から見た部分透過平面図である。放熱ユニット３０Ａは、図１（ａ）には不図示の光源からの光７０を受光して放熱する放熱ユニットである。放熱ユニット３０Ａは、送風手段３１と、ヒートシンク３２と、支持部材３３と、放熱板３４Ａと、平行平板３５と、を有する。

送風手段３１は、ファンなどから構成され、風Ｐをヒートシンク３２に吹き付ける。風は、雰囲気内の気体であってもよいし、別の気体であってもよい。気体は、雰囲気の温度と同じであってもよいし、冷却されていてもよい。本実施例では、風Ｐは冷却された空気である。

ヒートシンク３２は、光源からの光７０が放熱板３４Ａにおいて変換された熱を放熱する機能を有する。ヒートシンク３２は、融点が高く熱伝導率が高い材料、例えば、アルミニウム、金、銀、銅などから構成される。本実施例ではヒートシンク３２はアルミニウムから構成されている。

ヒートシンク３２は、円盤形状を有し、複数の凸部３２ａを有する上面３２ｂと、上面３２ｂの裏側の底面３２ｃを有する。

各凸部３２ａは、上面３２ｂにおける放熱面積を増加するために上面３２ｂから突出し、その形状は板状、針状など限定されない。上面３２ｂは、ヒートシンク３２において光源とは反対側の面である。図１（ａ）は、作図の便宜上、風Ｐが一番左側の凸部３２ａにのみ当たっているように示しているが、風Ｐは、上面３２ｂの上から上面３２ｂの各部に対して均等な風速で吹き付けられる。あるいは、中央部の温度が高い凸部３２ａに対してはその部分への風Ｐの送風量が多くなるように吹き付けられてもよい。

底面３２ｃは、ヒートシンク３２において、光源側の平面であり、受熱面として機能する。底面３２ｃの周囲３２ｄは、支持部材３３が固定される固定部である。

支持部材３３は、ヒートシンク３２の底面３２ｃの周囲３２ｄに固定され、平行平板３５の端部を支持する断面Ｌ字形状の部材である。後述するように、平行平板３５とヒートシンク３２の間に放熱板３４Ａが配置されるので、支持部材３３は、放熱板３４Ａをヒートシンク３２に支持する機能を有する。支持部材３３が、かかる機能を有する限り、支持部材３３が固定される部位はヒートシンク３２の底面３２ｃの周囲３２ｄに限定されない。

支持部材３３は、鉛直部３３ａと、鉛直部３３ａから直角に折り曲げられた水平部３３ｂと、有する。図１（ｂ）において、点線は、鉛直部３３ａと水平部３３ｂの境界を示している。鉛直部３３ａの内面は、放熱板３４Ａの側面と平行平板３５の側面と接触又は隙間を持って配置され、放熱板３４Ａと平行平板３５の横方向の移動を規制する。水平部３３ｂの内面は、平行平板３５の底面周囲を支持する。支持部材３３は、融点が高く熱伝導率が高い材料から構成される。

放熱板３４Ａは、ヒートシンク３２よりも光源側に配置されており、放熱ユニット３０Ａは、放熱板３４Ａが光源からの光７０を熱に変換し、放熱板３４Ａからの熱をヒートシンク３２が放熱する放熱構造を採用している。上述したように、ヒートシンク３２は、アルミニウム、金、銀、銅などを使用することができる。アルミニウムは融点約６６０度、熱伝導率約２３７Ｗ／ｍ・Ｋ、金は融点約１０６４度、熱伝導率約３１５Ｗ／ｍ・Ｋ、銀は融点約９６２度、熱伝導率約４２７Ｗ／ｍ・Ｋ、銅は融点約１０８３度、熱伝導率約３９８Ｗ／ｍ・Ｋを有する。

このうちアルミニウムは熱伝導率が高いためにヒートシンク３２に伝熱する機能は優れているが、融点が低い。このため、アルミニウムを放熱板３４Ａに適用して光源の出力が高くなると、放熱板３４Ａにおける光７０の受光部の温度がアルミニウムの融点よりも高くなって放熱板３４Ａが溶融してしまうおそれがある。また、放熱板３４Ａが溶融すれば、ヒートシンク３２に放熱板３４Ａを介さずに光７０が当たってヒートシンク３２も熱変形及び熱損傷するおそれがある。

そこで、本実施例は、放熱板３４Ａをセラミックスによって構成している。セラミックスの種類としては、ファインセラミックス（アルミナセラミックス、炭化ケイ素セラミックス、サイアロンセラミックス、窒化アルミニウムセラミックスなど）やジルコニアセラミックスを適用することができる。

例えば、アルミナセラミックスは融点約２０５０度、熱伝導率約３２Ｗ／ｍ・Ｋを有し、炭化ケイ素セラミックスは融点約２６００度、熱伝導率約６０Ｗ／ｍ・Ｋを有する。また、窒化アルミニウムセラミックスは融点約２００度、熱伝導率約１５０Ｗ／ｍ・Ｋを有し、ジルコニアセラミックスは融点約２７００度、熱伝導率約３Ｗ／ｍ・Ｋを有する。このように、セラミックスはアルミニウムよりも融点が高いが熱伝導率は低い。

放熱板３４Ａに適用可能なその他の材料としては、石、シリコンなどが考えられる。シリコンは融点約１４１０度、熱伝導率約１６８Ｗ／ｍ・Ｋを有する。これらの材料も、アルミニウムよりも融点が高いが熱伝導率は低い。

また、本実施例では、放熱板３４Ａの融点はヒートシンク３２よりも高く、熱伝導率はヒートシンク３２よりも低い。

セラミックスは融点が高いのでアルミニウムを使用した場合のように受光部が溶融することはない。しかし、セラミックスは熱伝導率が低いので光７０が照射される部分と照射されない部分との間の温度勾配が大きく、これによる熱衝撃でセラミックスが割れてしまうおそれがある。

この問題を解決するために、本実施例は、放熱板３４Ａを、図１（ｂ）に示すように、光７０を受光する受光面（底面）の面内方向において複数の部分３４ａ〜３４ｐに分割している。複数の部分に分割することによって各部分の剛性が高くなると共に各部における温度勾配を小さくし、放熱板３４Ａの割れを防止して耐久性を向上するという効果を与える。

なお、図１（ｂ）では、部分３４ｆ、３４ｇ、３４ｊ及び３４ｋの上面を同じサイズの正方形として構成しているが、これらの部分が特に温度勾配が高ければ、これらの部分だけ更に小さく分割してもよい。

放熱板３４Ａは、平板部材であり、上面３４ｑ_１と受光面（底面）３４ｋ_２を有する。ヒートシンク３２は放熱板３４Ａから離れて配置されており、放熱板３４Ａの上面３４ｑ_１とヒートシンク３２の底面３２ｃとの間には０．１ｍｍ〜１０ｍｍの隙間が存在する。これは、ヒートシンク３２が熱膨張などにより放熱板３４Ａを押圧したり、ヒートシンク３２と放熱板３４Ａとの間の熱膨張率差により放熱板３４Ａが破損したりすることを防止するためである。また、１０ｍｍ以下としたのは、熱伝導の効果を過度に減少させないためである。

平行平板３５は、放熱板３４Ａよりも光源側に配置されて放熱板３４Ａの受光面を保持する保持部材として機能する。また、平行平板３５は、光７０を受光及び透過する。即ち、平行平板３５とヒートシンク３２の間に放熱板３４Ａが配置される。放熱板３４Ａは分割されているので、平行平板３５が放熱板３４Ａの受光面（底面）を支持することによって放熱板３４Ａの部分の落下を防止することができる。

なお、放熱板３４Ａを支持する部材は平板部材でなくてもよく、網目を有する部材であってもよい。そして、平行平板３５又は網目部材は、本実施例では、支持部材３３の水平部３３ｂの内面に支持されているが、水平部３３ｂと一体でもよい。

平行平板３５は、本実施例では、耐久性（耐熱性）に優れた石英から構成される。石英は、熱膨張率が小さいため、熱衝撃による破損のおそれが少ない。平行平板３５の表面は研磨面でもよいし拡散面でもよい。

図２は放熱ユニット３０Ｂの断面図である。放熱ユニット３０Ｂは、放熱ユニット３０Ａと放熱板３４Ｂを有する点で相違する。放熱板３４Ｂは、放熱板３４Ａと同様に複数の部分に分割されているが、複数の部分が、互いの端部が重なっている隣り合う２つの部分を含む点で放熱板３４Ａと相違する。

即ち、図２に示す受光面３４ｑ_２に垂直な断面において、隣り合う２つの部分３４ｓと部分３４ｔを考えると、部分３４ｓの端部３４ｓ_１と部分３４ｔの端部３４ｔ_１とは重なっている。図１（ａ）に示す放熱ユニット３０Ａは、分割された部分の境界に隙間ができて光７０がその隙間を通って直接ヒートシンク３２に照射されてヒートシンク３２の温度を上昇させ、ヒートシンク３２を破損するおそれがある。これに対して、放熱ユニット３０Ｂはそのような隙間の発生を防止して、ヒートシンク３２の破損を防止している。

図３（ａ）は、放熱ユニット３０Ｃの図１（ｂ）に対応する平面図である。放熱ユニット３０Ｃは、放熱板３４Ａの代わりに放熱板３４Ｃを有する点で放熱ユニット３０Ａと相違する。図３の（ｂ）は、図３（ａ）に示す放熱板３４Ｃにおける中心Ａから径方向外側のＢ点に向かう位置と温度との関係を示すグラフである。この例では、中心Ａで温度が最も高く、外側に向かうにつれて温度が下がっている。

放熱板３４Ｃは、同心円状に形成された複数の境界線３４ｕ_１、３４ｕ_２と径方向に延びる複数の境界線３４ｖ_１〜３４ｖ_４によって分割されている。放熱板３４Ｃを同心円状に分割しているのは、光７０の主光線が中心Ａに垂直に照射されると、周方向における温度は製造誤差がない限り、等しくなるためである。

このように、放熱板３４Ｃは、温度分布に応じて複数の部分３４ｗ_１〜３４ｗ_９に分割されて、各部分の温度分布の差を小さくして耐久性を向上している。また、各部分の面積を温度分布によって調節してもよい。例えば、放熱板３４Ｃにおいて、光７０を受光する部分３４ｗ_１の大きさを、光７０を受光しない他の部分よりも小さくしてもよい。あるいは、部分３４ｗ_１の材質を他の部分と異ならせてもよい。

図４は、放熱ユニット３０Ａ〜３０Ｃのいずれか（図４においては、単に３０で代表する）を有する露光装置の光路図である。露光装置は、光源、光源からの光で原版１２を照明する照明光学系、及び、原版（マスク、レチクル）１２のパターンの像を基板（ウエハ、ガラスプレート）１５に投影する投影光学系１４を有する。

光源は、水銀ランプ１と、水銀ランプ１からの光を集光及び反射する集光ミラー２と、コールドミラー３と、を有する。コールドミラー３は、露光に使用される光（露光光）６０を照明光学系側に反射し、露光に使用されない不要な光７０を透過し、一部の波長の光は吸収する。もちろん光源は、水銀ランプ１ではなく、レーザーを使用してもよいが、不要な光７０の割合は水銀ランプ１の方が多い。また、不要光を反射して露光光を透過する構成を採用してもよい。

光７０は、放熱ユニット３０に入射して、放熱板３４Ａ〜Ｃによって熱に変換されてヒートシンク３２によって放熱される。放熱ユニット３０は、放熱板３４Ａ〜３４Ｃを複数の部分に分割しているので、光源が高出力の水銀ランプ１を使用しても、放熱板３４Ａ〜３４Ｃとヒートシンク３２が破損するおそれがなく耐久性が向上している。なお、放熱ユニット３０は、露光装置内に設けられてもよいし、露光装置の外部に設けられてもよい。後者の場合には光７０は不図示の窓を介して露光装置の外部に導光される。

光６０は照明光学系に入射する。ここでは、光６０は、コンデンサレンズ５によって集光され、オプティカルインテグレータ６によって均一化され、絞り７を経て光源形状が調節される。その後、光６０は、コンデンサレンズ８、折り曲げミラー９、マスキングブレード１０、結像レンズ１１を経て原版１２に照射される。投影光学系１４によって原版１２と基板１５は共役に維持される。原版１２は原版ステージ１３によって駆動され、基板１５は基板ステージ１６によって駆動される。

デバイス製造方法は、前述の露光装置を使用して感光剤を塗布した基板を露光する工程と、その基板を現像する工程と、他の周知の工程と、を経ることにより製造される。デバイスには半導体集積回路素子、液晶表示素子等がある。

放熱ユニットは、露光装置において露光に使用されない不要光を放熱する用途に適用することができる。露光装置は、デバイスを製造する用途に適用することができる。

３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ 放熱ユニット
３２ ヒートシンク
３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ 放熱板
３４ｑ_１ 上面
３４ｑ_２ 受光面（底面）
３５ 平行平板

Claims (10)

1. 光源からの光から発生する熱を放熱するヒートシンクと、
   前記ヒートシンクよりも光源側に配置され、前記光を受光する受光面の面内方向において複数の部分に分割され、セラミックスから構成されている放熱板と、
   前記放熱板を前記ヒートシンクに支持する支持部材と、
   を有することを特徴とする放熱ユニット。
2. 前記放熱板よりも前記光源側に配置されて前記放熱板の前記受光面を支持し、前記光を受光及び透過する平行平板を更に有することを特徴とする請求項１に記載の放熱ユニット。
3. 前記ヒートシンクは前記放熱板から離れて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱ユニット。
4. 前記複数の部分は、互いの端部が重なっている隣り合う２つの部分を含むことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の放熱ユニット。
5. 前記複数の部分は、同心円状に形成された複数の境界線と径方向に延びる複数の境界線によって分割されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の放熱ユニット。
6. 光源からの光から発生する熱を放熱するヒートシンクと、
   前記ヒートシンクよりも光源側に配置され、前記光を受光する受光面の面内方向において複数の部分に分割されている放熱板と、
   前記放熱板を前記ヒートシンクに支持する支持部材と、
   を有し、
   前記放熱板は、アルミニウムよりも融点が高く熱伝導率が低い材料から構成されることを特徴とする放熱ユニット。
7. 光源からの光から発生する熱を放熱する、アルミウムから構成されているヒートシンクと、
   前記ヒートシンクよりも光源側に配置され、前記光を受光する受光面の面内方向において複数の部分に分割されている放熱板と、
   前記放熱板を前記ヒートシンクに支持する支持部材と、
   を有し、
   前記放熱板は、アルミニウムよりも融点が高く熱伝導率が低い材料から構成されることを特徴とする放熱ユニット。
8. 光源からの光から発生する熱を放熱するヒートシンクと、
   前記ヒートシンクよりも光源側に配置され、前記光を受光する受光面の面内方向において複数の部分に分割されている放熱板と、
   前記放熱板を前記ヒートシンクに支持する支持部材と、
   を有し、
   前記放熱板は、セラミック、石、シリコンのいずれかを含むことを特徴とする放熱ユニット。
9. 請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の放熱ユニットを有することを特徴とする露光装置。
10. 請求項９に記載の露光装置を使用して基板を露光するステップと、
    露光された前記基板を現像するステップと、
    を有することを特徴とするデバイス製造方法。