JP7016661B2 - 露光装置および物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置およびそれを用いた物品の製造方法に関する。

半導体デバイスや液晶表示装置等の製造工程であるリソグラフィ工程において、原版のパターンを、投影光学系を介して感光性の基板に転写する露光装置が知られている。ここで、露光処理が長時間に及ぶと、投影光学系内部の光学素子が露光光を吸収し、吸収された光のエネルギーが熱に変換され、その光学素子や該光学素子の保持部材及びそれらを取り巻く空気の温度が上昇する。

このとき、投影光学系を収容する鏡筒の内部空間に温度分布が生じ、その空間の屈折率が変化することにより、露光装置の結像性能が変化する。そこで、鏡筒の内部空間の温度分布を低減するために、鏡筒の内部空間に温度制御された空気を循環させる技術が知られている。

特許文献１は、露光処理に伴う鏡筒の内部温度の上昇に合わせて、鏡筒内部に供給される空気の温度を上昇させることで、鏡筒内部の温度分布による結像性能の変化を抑制する露光装置を開示している。また、特許文献２は、投影光学系に含まれる光学素子やその保持部材に対して液体を循環させることで、光学素子やその保持部材の温度制御を行う露光装置を開示している。

特開２０１２－０５８４４０号公報 特開２０１７－１３４３８９号公報

投影光学系を収容する鏡筒の内部において、鏡筒の内部空間の温度制御と、投影光学系に含まれる光学素子やその保持部材の温度制御を並行して実施することで、鏡筒の内部空間の温度と光学素子やその保持部材の温度との差を低減させることが考えられる。このとき、空気の熱時定数と光学素子やその保持部材の材料の熱時定数との差に起因して、鏡筒内部に温度分布が生じやすくなる。

本発明は、投影光学系を収容する鏡筒の内部の温度分布を低減することで、投影光学系の結像性能の変化を抑制することが可能な露光装置を提供することを目的とする。

本発明の露光装置は、投影光学系を収容する鏡筒の内部に気体を供給することで前記鏡
筒の内部の温度を調節する第１温度調節機構と、前記投影光学系を構成する光学素子を保
持する保持部材に設けられた流路に液体を供給することで、前記光学素子及び前記保持部
材の温度を調節する第２温度調節機構を有する露光装置であって、前記第１温度調節機構
の目標温度と前記第２温度調節機構の目標温度を異ならせ、前記第２温度調節機構の目標温度は、前記第１温度調節機構の目標温度と前記第２温度調節機構の伝達関数と前記保持部材の伝達関数に基づいて決定されることを特徴とする。

本発明によれば、投影光学系の結像性能の変化を抑制することが可能な露光装置が得られる。

本発明に係る露光装置の構成を示す図である。 本発明に係る可変鏡装置の構成を示す図である。 従来の温度制御方法における課題を示す図である。 本発明の実施形態１における温度制御方法を示す図である。 本発明の実施形態２における温度制御方法を示す図である。

以下、各図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、以下の実施形態は本発明の実施の具体例を示すにすぎない。

（露光装置の構成）
図１を用いて、本実施形態に係る露光装置１００の構成を説明する。露光装置１００は、マスク（原版）を介して基板上のレジストを露光することによって該レジストにマスクのパターンに対応する潜像を形成する装置である。露光方式としてはステップ・アンド・スキャン方式やステップ・アンド・リピート方式があるが、ここではステップ・アンド・スキャン方式を採用するものとする。ただし、本発明は、特定の露光方式に限定されるものではない。

露光装置１００は、照明光学系１０１と、位置合わせ用の顕微鏡１０２と、パターンが形成されたマスクＭを保持するマスクステージ１０３と、投影光学系１０４と、基板Ｗを保持する基板ステージ１０５とを備えうる。また、露光装置１００は、露光処理を統括的に制御する制御装置１３０を含みうる。

照明光学系１０１は光源を有し、マスクステージ１０３に保持されたマスクＭに対して露光光を照射する。位置合わせ用の顕微鏡１０２は、マスクＭと基板Ｗとに形成された位置合わせ用のアライメントマークを観察する光学系である。露光装置１００は、マスクＭと基板Ｗとを同期させて走査露光を行うことで、マスクＭ上のパターンをレジストの塗布された基板Ｗ上に転写することができる。

投影光学系１０４は、マスクＭに形成されたパターンの像を、基板ステージ１０５に保持された基板Ｗに投影する光学系である。本実施形態に係る露光装置１００は、光学素子としての可変鏡２０１を含む。可変鏡２０１は凹面ミラーを構成している。照明光学系１０１から出射し、マスクＭを透過した露光光は、平面ミラー１０７により光路を折り曲げられ、凹面ミラーである可変鏡２０１の反射面２０１ａに入射する。可変鏡２０１の反射面２０１ａにおいて反射された露光光は、凸面ミラー１０８において反射し、再び可変鏡２０１の反射面２０１ａに入射する。可変鏡２０１の反射面２０１ａにおいて反射された露光光は、平面ミラー１０７により光路を折り曲げられ、基板Ｗ上に結像する。

なお、図２を用いて後述するように、可変鏡２０１の反射面２０１ａを変形させることにより、投影光学系１０４の結像位置を変化させることが可能である。

投影光学系１０４を収容する鏡筒１１０における可変鏡２０１近傍には、給気口１１０ａおよび排気口１１０ｂが形成されている。給気口１１０ａおよび排気口１１０ｂにはそれぞれ、鏡筒１１０内の温度安定化のための給気機構１１１および排気機構１１２が接続されうる。

空調機構１１３で温調された空気等の気体は、給気機構１１１により給気口１１０ａを介して鏡筒１１０内に送り込まれ、排気機構１１２により排気口１１０ｂを介して排気される。露光時には露光光により各光学素子が発熱するが、この吸排気によって鏡筒１１０の内部空間の温度分布を低減することができる。空調機構１１３は第１温度調節機構として機能する。なお、鏡筒１１０の内部空間の温度は、鏡筒内温度計測手段１０６によって計測される。

（可変鏡装置の構成）
図２は、可変鏡２０１と可変鏡２０１を保持するベース（保持部材）２０６を含む可変鏡装置２００の構成を示す図である。可変鏡装置２００は、可変鏡２０１の反射面２０１ａの形状を変化させることができるように構成されている。

可変鏡２０１は薄鏡であり、光を反射する反射面２０１ａとその反対側の裏面２０１ｂを有する。ベース２０６は、可変鏡２０１の裏面２０１ｂと対向する第１面２０６ａとその反対側の第２面２０６ｂを有する。可変鏡２０１の裏面２０１ｂの中心を含む一部が、固定部材２０２によってベース２０６の第１面２０６ａの中心を含む一部に固定されている。可変鏡２０１には、熱による歪に起因した形状誤差の発生を抑えるために、例えば低熱膨張光学ガラスが用いられる。反射面２０１ａには、使用する光の波長に適したコーティングが施されている。ベース２０６は、固定部材２０２を介して可変鏡２０１を支持するとともに、変位センサ２０８およびアクチュエータ固定用のホルダ２０７を保持する。

可変鏡装置２００は、可変鏡２０１とベース２０６との間に設けられ可変鏡２０１の裏面２０１ｂに力を加えて反射面２０１ａを変形させるアクチュエータ２０３を有する。アクチュエータ２０３は、例えば、磁石２０４とコイル２０５で構成されるボイスコイルモータ（ＶＣＭ）である。例えば、磁石２０４は、可変鏡２０１の裏面２０１ｂに配置され、コイル２０５は、磁石２０４と対向するように、ホルダ２０７に保持されることでベース２０６に固定される。アクチュエータ２０３は、可変鏡２０１の全面にわたって複数配置されうるが、本発明は、特定のアクチュエータ２０３の数や配置の仕方に限定されるものではない。また、アクチュエータ２０３はボイスコイルモータ以外のアクチュエータであってもよい。

ベース２０６の内部には流路２０９が形成されており、この流路２０９には液体温度制御機構２１１から温度制御された液体が供給される。液体温度制御機構２１１は第２温度調節機構として機能する。液体としては例えば水が用いられる。冷媒としての液体を流路２０９に循環させることにより、アクチュエータ２０３において発生した熱が伝熱棒２１０を介して冷却される。また、高温の液体を流路２０９に循環させることで、ベース２０６及び可変鏡２０１の温度を上昇させることもできる。なお、ベース２０６の内部でなく、可変鏡２０１の内部に流路を設けて、その流路に液体を循環させる構成を採用してもよい。

可変鏡装置２００は、アクチュエータ２０３を制御するコントローラ２２０を含みうる。光学性能の誤差を補正するための可変鏡２０１の目標形状のデータが、制御装置１３０からコントローラ２２０に入力される。演算部２２１は、入力されたデータに応じて、各アクチュエータに対する駆動指令値をドライバ２２２に送信する。ドライバ２２２は、受信した駆動指令値をそれぞれ対応するアクチュエータ２０３に送信する。これに応じて各アクチュエータは、受信した駆動指令値に応じた力を発生する。これにより可変鏡２０１の表面形状が変形し、光学性能の誤差が補正される。

次に、図３を用いて、空調機構１１３による鏡筒１１０の内部空間の温度制御と液体温度制御機構２１１によるベース２０６の温度制御を併用したときに生じ得る課題について説明する。鏡筒１１０の内部空間の温度分布を低減させるため、露光処理等に伴う鏡筒１１０の内部空間の温度上昇に伴い、空調機構１１３により鏡筒１１０の内部空間に供給する気体の温度を上昇させる。また、それと共に、液体温度制御機構２１１によりベース２０６内の流路に循環させる液体の温度を上昇させる。

図３の上段に示したように、空調機構１１３に対して目標温度Ａを示す情報が与えられると、空調機構１１３は当該目標温度Ａに対応する温度に調節された気体を鏡筒１１０の内部空間に供給する。図３の下段に示したように、液体温度制御機構２１１に対して目標温度Ａを示す情報が与えられると、液体温度制御機構２１１は当該目標温度Ａに対応する温度に調節された液体を図２で示した流路２０９に循環させる。

ここで、空調機構１１３に対して与えられた目標温度と液体温度制御機構２１１に対して与えられた目標温度が同一であっても、所定時間経過後における鏡筒１１０の内部空間の温度とベース２０６の温度には差が生じる。この温度差は、鏡筒１１０の内部空間を満たす空気の熱時定数と、ベース２０６の材料の熱時定数が異なることに起因するものである。熱時定数は温度変化に対する応答性を示すパラメータであり、所定の温度変化が生じるまでの時間を示すものである。熱時定数は、媒質の熱容量や熱伝導率、熱伝達率等の熱特性によって決定される。

図３で示した例では、ベース２０６の材料の熱時定数が、空気の熱時定数よりも大きいため、一定時間経過後における鏡筒１１０内部の空気の空気温度θａとベース２０６のベース温度θｂとの温度差Δθが生じてしまう。温度差Δθに起因して鏡筒１１０の内部空間に温度分布が生じやすくなり、結果として露光処理における結像性能の低下を招く。

そこで、本実施形態では、空調機構１１３に対して与える目標温度と液体温度制御機構２１１に対して与える目標温度を異ならせている。具体的には、図４を用いて後述するように、液体温度制御機構２１１に対して与える目標温度Ｂを空調機構１１３に対して与える目標温度Ａよりも高く設定している。これにより、温度制御開始から一定時間経過後における鏡筒１１０内部の空気の空気温度θａとベース２０６のベース温度θｂとの温度差Δθを低減させることができ、結果として露光処理における結像性能を向上させることにつながる。

（実施形態１）
続いて図４を用いて本発明の実施形態１に係る温度制御機構の詳細について説明する。空調機構１１３は、空気温度フィードバック制御部４２と温度調節部４３を含み、目標温度Ａと鏡筒内温度計測手段１０６によって計測された空気温度θａとの偏差に基づいて鏡筒１１０内部の空気の温度をフィードバック制御する。

液体温度制御機構２１１は、液体温度フィードバック（ＦＢ）制御部４６と温度調節部４７を含み、目標温度Ｂと不図示の温度計測手段によって計測された液体の温度との偏差に基づいて液体の温度をフィードバック制御する。温度調節部４３、４７としては、公知のヒータ、ペルチェ素子、コンプレッサ等を用いることができる。

液体温度フィードバック（ＦＢ）制御部４６に入力される液体の目標温度Ｂは、ベース温度フィードフォワード（ＦＦ）制御部４４により算出される。ベース温度フィードフォワード（ＦＦ）制御部４４及び液体温度フィードバック（ＦＢ）制御部４６における温度制御方法については後述する。

ここで、ベース温度ＦＦ制御部４４の伝達関数ＦＦｂは、式（１）に示すように、液体温度制御機構２１１の伝達関数Ｇｂの逆特性とベース２０６の伝達関数Ｐｂの逆特性を乗ずることで算出することができる。
ＦＦｂ ＝ １／（Ｐｂ×Ｇｂ） …（１）

液体温度制御機構２１１の伝達関数Ｇｂは、液体の目標温度を入力とし、液体の温度を出力とする伝達関数であり、ベース２０６の伝達関数Ｐｂは、液体の温度を入力とし、ベース２０６の温度を出力とする伝達関数である。液体温度制御機構２１１の伝達関数Ｇｂ及びベース２０６の伝達関数Ｐｂは、式（２）、（３）で表されるように一次の遅れ特性を示す。ＴｂおよびＴｃは時定数、ＫｂおよびＫｃはゲインである。

Ｔｂは、ベース２０６の熱容量と、ベース２０６と液体との間の熱伝達率と、ベース２０６と空気の間の熱伝達率の関数である。またＴｃは、ベース２０６の熱容量と、液体の熱容量と、ベース２０６と液体の間の熱伝達率の関数である。
Ｐｂ ＝ Ｋｂ／（Ｔｂ＋１） …（２）
Ｇｂ ＝ Ｋｃ／（Ｔｃ＋１） …（３）

液体温度制御機構２１１の伝達関数Ｇｂに含まれるパラメータは、周波数及び液体温度を変化させながら、液体の目標温度と液体の温度との間における振幅比および位相差を求めることによって取得することができる。同様に、ベース２０６の伝達関数Ｐｂに含まれるパラメータは、周波数及びベース２０６の温度を変化させながら、液体の温度とベース２０６の温度との間における振幅比および位相差を求めることによって取得することができる。なお、伝達関数に含まれる各パラメータを、コンピュータを用いた計算やシミュレーション等によって求めてもよい。

次に、空調機構１１３における温度制御方法について詳細に説明する。鏡筒内温度計測手段１０６によって計測された空気温度θａが減算器４１に与えられる。そして、減算器４１において目標温度Ａと空気温度θａとの偏差が算出され、この偏差を示す信号が空気温度フィードバック制御部４２に与えられる。空気温度フィードバック制御部４２は、比例、積分、微分の各動作を用いたＰＩＤ補償器であり、減算器４１から入力された偏差に基づいて温度調節部４３の制御パラメータを決定する。温度調節部４３は、減算器４１から入力された制御パラメータに基づいて鏡筒１１０内部の空気の温度制御を行う。

続いて液体温度制御機構２１１における温度制御方法について詳細に説明する。まず、ベース温度フィードフォワード（ＦＦ）制御部４４に対して目標温度Ａを示す情報が入力される。ベース温度フィードフォワード（ＦＦ）制御部４４は、比例、積分、微分の各動作を含む周波数フィルタであり、入力された目標温度Ａに基づいて液体温度制御機構２１１に入力する液体の目標温度Ｂを決定する。

液体温度制御機構２１１に含まれる減算器４５において、液体の目標温度Ｂと不図示の温度計測手段によって計測された液体の温度との偏差が算出され、この偏差を示す信号が液体温度フィードバック（ＦＢ）制御部４６に与えられる。液体温度フィードバック（ＦＢ）制御部４６は、比例、積分、微分の各動作を用いたＰＩＤ補償器であり、減算器４５から入力された偏差に基づいて温度調節部４７の制御パラメータを決定する。温度調節部４７は、液体温度フィードバック（ＦＢ）制御部４６から入力された制御パラメータに基づいて液体の温度制御を行い、温度制御された液体をベース２０６に供給する。

以上のように、ベース温度フィードフォワード（ＦＦ）制御部４４により、液体温度制御機構２１１に与える目標温度を適切に設定することで、鏡筒１１０の内部空間の温度とベース２０６の温度との温度差を低減させることができる。これにより、鏡筒１１０の内部空間の温度分布に起因した投影光学系１０４の結像性能の変化を効果的に低減することができる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る温度制御機構について図５を用いて説明する。図４で示した実施形態１に係る温度制御機構との相違点は、液体温度制御機構２１１にベース温度フィードバック（ＦＢ）制御部４８を設けた点である。空調機構１１３における温度制御方法は実施形態１と同様であるため説明を割愛する。

本実施形態では、制御装置１３０から出力された目標温度Ａに対して、空調機構１１３において算出された空気温度偏差を加算器５１により加算し、目標温度Ａに空気温度偏差を加算したものを液体温度制御機構２１１へ入力する目標温度としている。そして、減算器５２により、目標温度とベース温度θｂとの偏差が算出され、この偏差を示す信号がベース温度フィードバック（ＦＢ）制御部４８に与えられる。ベース温度フィードバック（ＦＢ）制御部４８は、比例、積分、微分の各動作を用いたＰＩＤ補償器であり、減算器５２から入力された偏差に基づいて温度調節部４７の制御パラメータを決定する。温度調節部４７は、ベース温度フィードバック（ＦＢ）制御部４８から入力された制御パラメータに基づいて液体の温度制御を行い、温度制御された液体をベース２０６に供給する。

本実施形態では、空調機構１１３において算出された空気温度偏差を予め考慮して液体温度制御機構２１１へ入力する目標温度を決定している。これにより、空気温度θａの変化に対するベース温度θｂの追従遅れを低減させることができる。

（物品の製造方法）
本発明の実施形態にかかる物品の製造方法は、例えば、半導体デバイス等のマイクロデバイスや微細構造を有する素子等の物品を製造するのに好適である。本実施形態の物品の製造方法は、基板に塗布された感光剤に上記の露光装置を用いて潜像パターンを形成する工程（基板を露光する工程）と、かかる工程で潜像パターンが形成された基板を現像する工程とを含む。さらに、かかる製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含む。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態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。例えば、液体温度制御機構によって温度制御される光学素子としては可変鏡２０１に限らず、平面ミラー１０７や凸面ミラー１０８、またはこれらの保持部材を温度制御の対象としても良い。

１０４ 投影光学系
１１０ 鏡筒
１１３ 第１温度調節機構
２０１ 光学素子（可変鏡）
２０６ 保持部材（ベース）
２０９ 流路
２１１ 第２温度調節機構

Claims (7)

1. 投影光学系を収容する鏡筒の内部に気体を供給することで前記鏡筒の内部の温度を調節する第１温度調節機構と、
   前記投影光学系を構成する光学素子を保持する保持部材に設けられた流路に液体を供給することで、前記光学素子及び前記保持部材の温度を調節する第２温度調節機構を有する露光装置であって、
   前記第１温度調節機構の目標温度と前記第２温度調節機構の目標温度を異ならせ、
   前記第２温度調節機構の目標温度は、前記第１温度調節機構の目標温度と前記第２温度調節機構の伝達関数と前記保持部材の伝達関数に基づいて決定されることを特徴とする露光装置。
2. 前記第１温度調節機構の目標温度よりも前記第２温度調節機構の目標温度が高いことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記第２温度調節機構の目標温度は、前記保持部材の熱容量、熱伝達率及び熱伝導率の少なくとも１つに基づいて決定され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. 前記鏡筒の内部空間の温度を計測する温度計測手段が前記鏡筒の内部に配置され、前記温度計測手段によって計測された前記鏡筒の内部空間の温度に基づいて、前記第１温度調節機構の目標温度が決定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の露光装置。
5. 前記第１温度調節機構は、前記温度計測手段によって計測された前記鏡筒の内部空間の温度と前記第１温度調節機構の目標温度との偏差に基づいて、前記鏡筒の内部に供給する気体の温度をフィードバック制御することを特徴とする請求項４に記載の露光装置。
6. 前記保持部材の温度と前記鏡筒内部の空気の温度との温度差は、前記第１温度調節機構の目標温度と前記第２温度調節機構の目標温度が同じ場合に比べて低減されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の露光装置。
7. 請求項１乃至６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、
   前記工程で露光された前記基板を現像する工程と、
   を含むことを特徴とする物品の製造方法。

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