JPH04168716A

JPH04168716A - 露光装置

Info

Publication number: JPH04168716A
Application number: JP2293624A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Hara; 真一原; Ryuichi Ebinuma; 隆一海老沼
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-11-01
Filing date: 1990-11-01
Publication date: 1992-06-16
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JP2975089B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は露光装置用ウェハ冷却装置に関し、特に剛性の
弱いステージに固定されたウェハチャックに冷却水など
の冷却媒体を流してウェハを冷却する露光装置用ウェハ
冷却装置に関するものである。

［従来の技術］半導体メモリの大容量化に伴い、半導体製造装置におけ
る微細化技術の向上が叫ばれている。

該微細化技術の向上の一手段として、シンクロトロン放
射光を光源とするＸ線露光装置がある。

このＸ線露光装置は、レチクル（マスク）上の１〜数個
のマスクパターンなウェハ上に投影し、ステップアンド
リピート（繰返し）露光により前記ウェハ全面に前記マ
スクパターンを配列して焼付けるものであるが、従来の
遠紫外光などを光源とする露光装置と異なりウェハおよ
びレチクルを縦にして露光する構成となっている（たと
えば、特開平２−１００３１１号）。

第５図は、このようなＸ線露光装置において使用される
ウェハ保持ブロックの一例を示す概略構成図である。

このウェハ保持ブロックは、ウェハのレチクルに対する
図示ｘ、ｙ、ｚ軸方向の大まかな位置合せを行う粗動ス
テージ１１３と、粗動ステージ１１３に固定された支持
台１．１２と、支持台１１２の中央部に設けられている
、ウニへのレチクルに対する細かな位置合せを行う微動
ステージ１０５と、微動ステージ１０５に固定さたウェ
ハチャック１０１とから構成されている。

ここで、ウェハチャック１０１は、不図示のアクチュエ
ータにより駆動される粗動ステージ１１３によって図示
ｘ、ｙ、ｚ軸方向にそれぞれ移動させられるとともに、
微動ステージによって図示Ｘ。

ｙ、ｚ軸方向およびω８．ω７．ω２方向（ｘ。

ｙ、ｚ軸の回転方向）にそれぞれ微動可能となっている
。しかし、第５図には簡単のため、図示ω２方向にのみ
微動可能な微動ステージ１０５について示した。すなわ
ち、微動ステージ１０５は、その四隅およびその四辺の
中央においてそれぞれ板ばね１１０を介して支持台１１
２に支持されており、図示右側の板ばね１１０を挟んで
設けられているゴム１０９とピエゾ素子１１１によって
駆動されて図示ω２方向に微動する。なお、微動ステー
ジ１０５の四辺の中央の各板ばね１１０を挟んてゴム１
０９とピエゾ素子１１１とをそれぞれ設けることにより
、微動ステージ１０５を図示ｘ、ｙ、ｚ軸方向およびω
つ、ωつ、ω２方向に微動可能とすることができる。さ
らに、ウェハチャック１０１には、十文字状の真空吸着
用溝１０２が設けられており、真空吸着用溝１０２は不
図示の真空ポンプに配管（不図示）を介して接続されて
いる。

また、このＸ線露光装置における露光は、ウェハに転写
するパターンが極く微細であるため、約１００ｍＷ／ｃ
ｍ２の強度を有するＸ線を照射することにより行われる
。その結果、Ｘ線照射によるウニへの温度上昇に伴う熱
歪が無視てきなくなるので、露光中のウェハを冷却する
ウェハ冷却装置が必須となる。

このようなウェハ冷却装置としては、次に示すようなも
のが考えられる。

（イ）特開昭５９−１１７１２８号公報、特開昭６１−
１７２３５７号公報および特開昭６３−１９３４４７号
公報に記載されているような、ウェハ冷却装置とウェハ
チャックとの間にまたはウェハとウェハチャックとの間
に、水銀、金属織物あるいは細い銅線などの自由度と変
形を有する熱伝導材を介在させるもの。　　　　“ （ロ）特開昭６３−６５０６６号公報に記載されている
ような、ウェハチャックを蒸発部としてヒートパイプを
構成するもの。

（ハ）特開昭６３−９８１１９号公報に記載されている
ような、ウェハチャック１０１内に温度調節された冷却
水を循環させてウェハチャック１０１の温度を一定に保
つもの。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記したウェハ冷却装置では、次に示す
ような問題点がある。

（イ）ウェハ冷却装置とウェハチャックとの間にまたは
ウェハとウェハチャックとの間に、自由度と変形を有す
る熱伝導材を介在させるものでは、ウニへの変形を矯正
するために必要な平面度（たとえば、］ＯｃｍＸ　１０
ｃｍの範囲で１μｍ以下）が保てなくなり、パターン転
写精度の悪化を招く。また、このような熱伝導材は、一
般的に熱伝導率があまりよくない。

（ロ）ウェハチャックを蒸発部としてヒートパイプを構
成するものでは、冷却水が供給される凝縮部と前記ウェ
ハチャックとを前記ヒートパイプにより接続する必要が
あるため、前記ウェハチャックを固定して使用する真空
蒸着装置などには適するが、ウェハチャックｌＯ１の位
置を調節する必要がある前記Ｘ線露光装置には適さない
。

（ハ）温度調節された冷却水によりウェハチャック１０
１の温度を一定に保つものでは、第７図に示す一実験結
果からも明らかなように、ウェハチャック１０１が、剛
性の弱いステージである微動ステージ１０５に固定され
ているときには、ウェハチャック１０１に吸着・保持さ
れているウェハに生じる変位は前記冷却水の流量の２乗
に比例するため（たとえば、４．０　ｍ／ｓｅｃの流量
の冷却水を流すと前記ウェハに約０．２０μｍの変位が
生じるのに対して、前記冷却水の流量を半分の２．０　
ｍ／ｓｅｃとすると前記ウェハの変位は約０．０５μｍ
となる。）、前記冷却水の流量はできるだけ小さくする
必要がある。しかしながら、ウェハチャック１０１の吸
着面（ウェハが吸着される面）の温度上昇を避けるため
には、第６図に示すように７本の冷却水用流路１０４、
〜１０４７を前記吸着面の近傍に設けて、該吸着面と冷
却面（各冷却水用流路１０４Ｉ〜１０４□の前記吸着面
側の面）との距離を短くするのが一般的であるが、前記
距離が短い場合には図示ｘｙ平面への温度の拡散は少な
くなるため、前記冷却面の熱流密度は前記吸着面に流入
した熱流密度とほぼ等しくなり、前記温度上昇を防止す
るためには大量の冷却水を各冷却水用流路１０４１−１
０４．に流す必要が生じるので、前記ウェハの変位によ
るパターン転写精度の悪化が問題となる。

本発明の目的は、パターン転写精度の悪化を招くことな
くウェハを冷却することができる露光用ウェハ冷却装置
を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明の露光用ウェハ冷却装置は、剛性の弱いステージに固定されたウェハチャックを備え
た露光装置に用いられる露光装置用ウェハ冷却装置であ
って、前記ウェハチャックが、ヒートパイプ構造を有する中空
体からなり、該ウェハチャックと前記ステージとの間に、冷却媒体が
循環可能な内部構造を有する冷却板が介在されている。

また、前記中空体が、縦方向に分割されていてもよい。

［作用］本発明の露光用ウェハ冷却装置では、ウェハチャックが
ヒートパイプ構造を有する中空体からなることより、露
光中に該ウェハチャックの受熱面に入射してくる熱流束
は、該ウェハチャックの前記中空体内部で拡散するため
、前記ウェハチャックの冷却面（冷却媒体が循環可能な
内部構造を有する冷却板と接する面）における熱流密度
は、前記受熱面に入射した熱流密度よりも該受熱面と前
記冷却面との面積比だけ小さくなるので、前記冷却板に
流す前記冷却媒体の流量を大幅に小さくすることができ
る。

なお、シンクロトロン放射光を光源とするＸ線露光装置
においては、前記ウェハチャックは縦にして使用される
ため、前記中空体を縦方向に分割することにより、前記
作動液を効率的に還流することができるので、ドライア
ウト現象の発生を防止することができる。

［実施例］次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第２図は、本発明の露光装置用ウニ八冷却装置の第１の
実施例を示すウェハ保持ブロックの概略構成図である。

このウェハ保持ブロックは、ウニへのレチクルに対する
図示ｘ、ｙ、ｚ軸方向の大まかな位置合せを行う粗動ス
テージ１３と、粗動ステージ１３に固定された支持台１
２と、支持台１２の中央部に設けられている、ウェハの
レチクルに対する細かな位置合せを行う微動ステージ５
と、微動ステージ５に固定さたウェハチャック１とから
構成されている。また、ウェハチャック１は、不図示の
アクチュエータにより駆動される粗動ステージ１３によ
って図示ｘ、ｙ、ｚ軸方向にそれぞれ移動させられると
ともに、微動ステージ５によって図示ｘ、ｙ、ｚ軸方向
およびω８．ω２．ω２方向（ｘ、ｙ、ｚ軸の回転方向
）にそれぞれ微動可能となっているが、本実施例では簡
単のため図示ω２方向にのみ微動可能な微動ステージ５
を用いている。すなわち、微動ステージ５は、剛性の弱
いステージであり、その四隅およびその四辺の中央にお
いてそれぞれ板ばねｌＯを介して支持台１２に支持され
ており、その四辺の右側の板ばね１０を挟んで設けられ
ているゴム９とピエゾ素子１１によって駆動されて図示
ω２方向に微動する。なお、微動ステージ５の四辺の中
央の各板ばね１０を挟んでゴム９とピエゾ素子１１とを
それぞれ設けることにより、微動ステージ５を図示ｘ、
ｙ、ｚ軸方向およびω８．ωア、ω２方向に微動可能と
することができる。さらに、ウェハチャック１には、十
文字状の真空吸着用溝２が設けられており、真空吸着用
溝２は不図示の真空ポンプに真空吸着用配管３を介して
接続されている。以上の点については、第５図に示した
従来のものと同じである。

しかし、第１図に示すように、ウェハチャック１がヒー
トバイブ構造を有する中空体からなる点（すなわち、ウ
ェハチャック１が、熱伝導性のよいＡｆ２材からなり、
減圧された中空部８を有し、作動液で湿ったウィック７
が内面に貼付けられている点）、および７本の冷却水用
流路４、〜４７が図示Ｘ軸方向に等間隔に配設された冷
却板１４が、微動ステージ５とウェハチャック１との間
に介在されている点が、第５図に示した従来のものと異
なる。

なお、中空部８は、前記作動液の沸点が約２０．０℃と
なる圧力に減圧されている。また、各冷却水用流路４．
〜４７には、恒温槽により約２０．０℃に温度調節され
た冷却水が、冷却媒体として循環させられている。

次に、このウェハ保持ブロックの動作について説明する
。

前記冷却水が、前記恒温槽より冷却水用流路４１〜４７
に循環させられることにより、ウェハチャック１の冷却
面（冷却板１４との接触面）は約２０．０℃に一定に保
たれている。

マスクパターンが転写されるウェハは、ウェハチャック
１の吸着面と互いに対向する位置まで公知の搬送ハンド
（不図示）により搬送されたのち、十文字状の真空吸着
用溝２と前記真空ポンプとが真空吸着用配管３を介して
連通されることにより、ウェハチャック１に真空吸着さ
れる。その後、粗動ステージ１３が不図示のアクチュエ
ータにより駆動され、また、微動ステージ５がピエゾ素
子１１で駆動されることにより、ウェハのレチクルに対
する位置合せが行われる。

該位置合せが完了すると、第１図図示Ｚ軸方向にＸ線（
シンクロトロン放射光）が入射されて露光が開始される
。該露光は前述したようにステップアンドリピート露光
により行われるため、１回の露光におけるＸ線の照射範
囲は約３ｃｍ角（９０ｍ２）である。

このとき、ウェハチャック１の吸着面と該吸着面側のウ
ィック７との間隔および前記ウェハの厚さは小さいため
、露光中に該ウェハに発生した熱は、第１図図示ｘｙ平
面に拡散することなく前記吸着面側のウィック７まで伝
導される。したがって、Ｘ線の入射熱流密度を１００ｍ
Ｗ／ｃｍ２とすると、前記吸着面側のウィック７には、
Ｘ線の照射範囲に対応する約３ｃｍ角の面積に約１００
ｍＷ／ｃｍ２の熱流密度が入射することになる。

しかし、前記熱流密度が入射すると、該入射した部分の
ウィック７の温度が上がるため、飽和蒸気圧が上昇して
ウィック７内の作動液が気化熱を奪って蒸発する。該蒸
発した作動液は、このとき生しる中空部８内の圧力分布
により瞬時に拡散して前記冷却面に達する。該冷却面の
温度は前述したように前記冷却水により約２０．０℃に
保たれているため、該冷却面に達した前記蒸発した作動
液は凝縮して液体となり、該冷却面側のウィック７に吸
収される。その結果、露光中にウェハの温度が上昇して
も、該温度上昇に伴う熱のほとんどは、前記作動液の蒸
発に費やされるので、ウェハの温度を一定に保つことが
できる。なお、前記吸収された作動液は、ウィック７内
の毛細管現象により拡散されて、前記作動液が蒸発した
前記吸着面側のウィック７に還流される。

また、前記蒸発した作動液は拡散して前記冷却面に達す
るため、該冷却面における熱流密度は、該冷却面の面積
を１５ｃｍ角（２２５ｃｍ２）とすると約４　ｍＷ／ｃ
ｍ２（＝　１００ｍＷ／ｃｍ２Ｘ　９ｃｍ２÷２２５ｃ
ｍ２）に減少するので、各冷却水用流路４、〜４７に流
す前記冷却水の流速を従来の場合よりも小さくすること
ができる。すなわち、第５図に示した従来例では、１０
０ｍＷ／ｃｍ２熱流密度に対してウェハの温度上昇を０
．０５℃以下に抑えるためには、たとえば各冷却水用流
路１０４１〜１０４７に約５　ｍ／ｓｅｃの流速で冷却
水を流す必要があったときでも、本実施例の場合には、
前記冷却面における熱流密度は約４　ｍＷ／ｃｍ２に減
少しているので、各冷却水用流路４１〜４゜には約０．
５ｍ／ｓｅｃ以下の流速で冷却水を流すだけても充分に
ウニへの温度上昇を０．０５℃以下に抑えることができ
る。。その結果、本実施例においては従来例と比較して
約１００分の１にウェハの変位を抑えることができる。

なお、前記作動液としてたとえば水を用いた場合には、
ウェハチャック１の中空部８は、水の沸点が約２０．０
℃となるように約２０［Ｔｏｒｒ］に減圧しておけばよ
い。

第３図は、本発明の露光装置用ウェハ冷却装置の第２の
実施例を示すウェハチャックの内部構造を示す断面図で
ある。

本実施例の露光装置用ウェハ冷却装置が、第２図に示し
たものと異なる点は、ウェハチャック２１が、ヒートパ
イプ構造を有する中空体である、縦方向に２個に分割さ
れたコンテナ２６１゜２６□を内部に具備することであ
る。

ここで、各コンテナ２６゜、２６２は熱伝導性のよいＡ
ｌ２材からなり、減圧された中空部２８１゜２８２を有
し、作動液で湿ったウィック２７１゜２７□が内面に貼
付けられている。

本実施例の露光装置用ウェハ冷却装置においても、第３
図図示上方からステップアンドリピート露光が行われる
とすると、ウェハチャック２１の吸着面と各コンテナ２
６１，２６２の受熱面（前記吸着面と互いに対向する面
）との間隔、および前記ウニへの厚さは小さいため、最
初の露光中にウェハに発生した熱は図示ｘｙ平面に拡散
することなく、コンテナ２６＋の受熱面まで伝導される
。

このとき、コンテナ２６□の前記受熱面の内側に張付け
られたウィック２７．の温度が上がるため、飽和蒸気圧
が上昇してウィック２７１内の作動液が気化熱を奪って
蒸発する。該蒸発した作動液は、このとき生じる中空部
２８．内の圧力分布により瞬時に拡散して、コンテナ２
６□の冷却面（冷却板３４と接触する面）に達する。該
冷却面の温度は、冷却水用流路２４１〜２４７内を循環
する温度調節された冷却水により約２０．０℃に保たれ
ているため、該冷却面に達した前記蒸発した作動液は凝
縮して液体となり、該冷却面側のウィック２７１に吸収
される。その結果、露光中にウニへの温度が上昇しても
、該温度上昇に伴う熱のほとんどは、前記作動液の蒸発
に費やされるので、ウェハの温度を一定に保つことがで
きる。なお、前記吸収された作動液は、ウィック２７．
内の毛細管現象により拡散されて、前記作動液が蒸発し
た部分のウィック２７１に還流される。

したがって、本実施例の露光装置用ウェハ冷却装置では
、前記蒸発した作動液は拡散してコンテナ２６゜の冷却
面に達するため、第１図に示したウェハチャック１と同
様にして各冷却水用流路２４１〜２４７に流す前記冷却
水の流速を従来の場合よりも小さくすることができる。

また、本実施例においては、ウェハチャック２１が内蔵
するコンテナを縦方向に２分割することにより、前記作
動液を効率的に還流することができるので、ドライアウ
ト現象の発生を防止することができる。すなわち、シン
クロトロン故射光を光源とするＸ線露光装置のようにウ
ェハチャック２１が縦に配置されて露光が行われるとき
には、前記冷却面で冷却され凝縮して液体となった作動
液は、重力に逆らって毛細管現象により前記作動液が蒸
発した部分のウィック２７１に還流するため、ウィック
２７１の縦方向の長さは短いほど前記作動液を効率的に
還流することができる。

なお、本実施例では、ウェハチャックが内蔵するコンテ
ナを縦方向に２分割したが、露光時間が長い場合などに
は、コンテナの分割数を多くした方が、前記受熱面に生
しるドライアウト現象の発生を防止する点で有効となる
ため、ウェハの振動の防止が確保される範囲内であれば
、コンテナの分割数を増やしてもよい。

また、本実施例では、ヒートパイプ構造を有する中空体
からなるウェハチャック２１は、各コンテナ２６１．２
６□と各ウィック２７．，２７２と各中空部２８．，２
８□とを用いて構成されたが、第１図に示したウェハチ
ャック１の中空部８を縦に２分割して構成されてもよい
。

以上の実施例において、各ウェハチャック１゜２１は、
第２図に示した構造を有する微動ステージ５．２５にそ
れぞれ固定されたが、微動ステージ５，２５の構造はこ
れに限るものではなく、たとえば第４図に示すようなも
のであってもよい。

この微動ステージ４５は、微動ステージ４５のウェハチ
ャック４１と反対側に設けられている不図示の粗動ステ
ージに、微動ステージ４５の左右側面にそれぞれ設けら
れた、２つの固定部５５１゜５５２により取付けられて
いるものである。ここで、微動ステージ４５と図示右斜
め下側の固定部５５、との間には、２つのアクチュエー
タ５７１゜５７□が介在されており、また、微動ステー
ジ４５と図示左斜め上側の固定部５５□との間には、微
動ステージ４５を常時２つのアクチュエータ５７　ｒ　
、　５７２側に付勢するひんじばね５６が介在されてい
る。

この微動ステージ４５は、２つのアクチュエータ５７．
．５７□がともに駆動されることにより、図示ｙ軸方向
に沿って両方向に微動し、２つのアクチュエータ５７１
，５７２の一方が駆動されるごとにより図示ω２方向に
微動する。

この微動ステージ４５に、第１図に示したウェハチャッ
ク１または第３図に示したウェハチャック２１と同じ構
造を有するウェハチャック４１を、温度調節された冷却
水が循環される７本の冷却水用流路４４、〜４４７が図
示Ｘ軸方向に等間隔に配設された冷却板５４を介して固
定することにより、同様の効果を有する露光装置用ウェ
ハ冷却装置を構成することができる。

以上説明した実施例では、各ウェハチャック１．２１．
４１に形成された各真空吸着用溝２゜２２．４２の形状
を十文字状としたが、放射線状など他の形状としてもよ
い。また、各冷却水用流路４１〜４□、２４．〜２４７
．４４　ｒ〜４４フの本数を７本としたが、それ以外の
本数としてもよい。

さらに、各ウェハチャック１．’２１，４１は、各真空
排気用配管３，２３．４３と不図示の真空ポンプとによ
り真空吸着するものとしたが、公知の磁気吸着または静
電吸着するものであってもよい。

以上の説明では、シンクロトロン放射光を光源とするＸ
線露光装置に使用される露光装置ウェハ冷却装置につい
て詳しく述べたが、本発明の露光装置ウェハ冷却装置は
、シンクロトロン放射光以外の光（たとえば、ｇ線、ｉ
線、エキシマレーザなど）を光源とする露光装置に使用
しても、同様の効果が得られるものである。

［発明の効果コ本発明は、上述のとおり構成されているので、次に記載
する効果を奏する。

本発明の露光装置用ウェハ冷却装置では、ウェハチャッ
クがヒートパイプ構造を有する中空体からなることより
、冷却媒体が循環可能な内部構造を有する冷却板と接す
る該ウェハチャックの冷却面における熱流密度は、受熱
面に入射した熱流密度よりも該受熱面と前記冷却面との
比だけ小さくなり、前記冷却媒体の流量を大幅に小さく
することができるため、ウェハが吸着・保持される前記
ウェハチャックが、剛性の弱いステージに固定されてい
ても、露光中の前記ウニへの変位を十分小さい値に抑え
ることができるので、パターン転写精度の悪化を招くこ
となく前記ウェハを冷却することができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図のウェハチャックの内部構造を示す断面
図、第２図は本発明の露光装置用ウェハ冷却装置の第１
の実施例を示すウェハ保持ブロックの概略構成図、第３
図は本発明の露光装置用ウェハ冷却装置の第２の実施例
を示すウェハチャックの内部構造を示す断面図、第４図
は微動ステージの他の例を示すウェハ保持ブロックの概
略構成図、第５図はシンクロトロン放射光を光源とする
Ｘ線露光装置において使用されるウェハ保持ブロックの
一例を示す概略構成図、第６図は冷却媒体を流してウェ
ハを冷却する露光装置用ウェハ冷却装置の従来例の一つ
を示すウェハチャックの内部構造を示す断面図、第７図
は流量と変位との関係を測定したー実験結果を示すグラ
フである。１．２１．４１・・・ウェハチャック、２．２２．４２
・・・真空吸着用溝、３．２３．４３・・・真空吸着用配管、４１〜４７，２
４１〜２４．．４４１〜４４７・・・冷却水用流路、５．２５．４５・・・微動ステージ、７．２７１．２７□・・・ウィック、８．２８１．２８□・・・中空、９・・・ゴム、　　　　　１０・・・板ばね、１１・・
・ピエゾ素子、　　１２・・・支持台、１３・・・粗動
ステージ、１４．３４．５４・・・冷却板、２６、．２６２・・・コンテナ、５５、．５５２・・・固定部、５６・・・ひんじばね、５７１．５７２・・・アクチュエータ、ｘ、ｙ、ｚ・・
・軸、 ω８．ωつ、ω２・・・回転方向。

Claims

【特許請求の範囲】１、剛性の弱いステージに固定されたウェハチャックを
備えた露光装置に用いられる露光装置用ウェハ冷却装置
において、前記ウェハチャックが、ヒートパイプ構造を有する中空
体からなり、該ウェハチャックと前記ステージとの間に、冷却媒体が
循環可能な内部構造を有する冷却板が介在されているこ
とを特徴とする露光装置用ウェハ冷却装置。２、中空体が、縦方向に分割されていることを特徴とす
る請求項第１項記載の露光装置用ウェハ冷却装置。