JPH05347239A - 投影露光装置及びそれを用いた半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 露光光吸収によるレンズの熱的変化に伴う光
学特性を補正し、高解像度の投影パターン像が得られる
投影露光装置及びそれを用いた半導体素子の製造方法を
得ること。 【構成】 第１物体面上のパターンを投影光学系により
第２物体面上に投影露光する際、該投影光学系を構成す
る少なくとも１つのレンズの周辺部を加熱する加熱手段
と該加熱手段による加熱を制御する加熱制御手段とを利
用して該レンズの温度分布を制御したこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は投影露光装置及びそれを
用いた半導体素子の製造方法に関し、特にＩＣ、ＬＳＩ
等の半導体素子を製造する際にレチクル面上の電子回路
パターンを投影光学系（投影レンズ）によりウエハ面上
に投影するとき、該投影光学系を構成するレンズが露光
光を吸収し、該レンズの温度分布が不均一となり光学特
性が変化するのを効果的に防止し、高精度な投影パター
ン像が得られるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子製
造用に高解像力、高スループット化が比較的容易な投影
露光装置（アライナー）が多く用いられている。この投
影露光装置では１回の露光によりウエハ面全体にパター
ン像を形成する一括露光方式に比べ、１回の露光が終了
する毎にウエハを移動しながら他の領域を露光し、この
ような露光を順次複数回繰り返すことにより、ウエハ面
全体にパターン像を形成していくステップアンドリピー
ト露光方式が多く用いられている。

【０００３】このとき投影光学系はレチクル面上の電子
回路パターンをウエハ面上に所定の投影倍率、例えば１
／５又は１／１０で縮小投影している。最近の投影露光
装置では半導体素子の高集積化に対応して露光光の短波
長化及び投影光学系の高ＮＡ化等が図られている。

【０００４】投影露光装置で高集積化を図る際に投影光
学系を構成するレンズが露光光を吸収して温度が上昇
し、このとき該レンズの温度分布が不均一となり光学特
性が変化してくるという問題点がある。

【０００５】特に投影光学系は通常１０〜２０枚のレン
ズより構成されており、これらの各レンズの温度分布が
不均一となり各レンズ毎に光学特性が変化してくると投
影解像力が低下し、高精度な投影パターン像が得られな
くなってくる。

【０００６】図１０は投影光学系を構成する１つの凸レ
ンズを例にとり、該凸レンズが露光光を吸収し、温度分
布が変化し、レンズ形状及び内部の屈折率分布が変化す
る様子を示した説明図である。

【０００７】図１０（Ａ）は露光による熱吸収が起こる
前でレンズ表面は変化はなく元の形状の球面であり、内
部の屈折率分布も一様となっている。

【０００８】露光が行なわれると凸レンズの場合は、光
軸近傍の肉厚が厚い為にレンズ周辺部よりも光軸近傍の
方が露光光の吸収が多い。この結果、図１０（Ｂ）に示
すように光軸近傍の熱膨張が大きくなり、レンズ表面は
球面５１より変化し、例えば非球面５２のように変化し
てくる。

【０００９】更にレンズ内部は図１０（Ｃ）に示すよう
に光軸近傍では温度が高く、周辺部では低くなり、温度
分布が不均一となり、それに伴い内部の屈折率分布が不
均一となってくる。

【００１０】このようにレンズ面形状の変化、及びレン
ズ内部の屈折率分布の不均一により光学特性が大きく変
化してくる。

【００１１】次にこのときの光学特性の変化として投影
光学系の焦点位置の変動と結像倍率の変動を例にとり説
明する。

【００１２】（イ）投影光学系の焦点位置の変動 投影光学系を構成するレンズが露光光の一部を吸収し、
熱的変化を生じ、焦点位置が例えば図１１に示すように
時間経過と共に変化してくる。図１２は露光工程による
時間経過により実線の光束６１が点線の光束６２の如く
変化し、焦点位置が変動した状態を示している。

【００１３】一般に図１１に示すように露光開始の時間
の経過と共に焦点位置の変動量は増大し、時刻ｔ1 で定
常状態に達した後、時刻ｔ2 で露光を終了したとすると
今度は時間の経過と共に焦点位置の変動量は減少し、最
終的に時刻ｔ3 で初期の状態に戻ってくる。焦点位置の
変動は変動量が小さいときには問題ないが、変動量が投
影光学系の焦点深度の範囲を超えてくると大きな問題と
なってくる。

【００１４】（ロ）投影光学系の結像倍率の変動 投影光学系を構成するレンズが露光光の一部を吸収し、
熱的変化を生じ、結像倍率が例えば図１３に示すように
時間経過と共に変化してくる。図１４は時間経過により
実線のパターン６３が点線のパターン６４の如く変化し
た状態、即ち結像倍率が変化した状態を示している。

【００１５】一般に図１３に示すように時刻ｔ0 で露光
開始をしたとすると時間の経過と共に結像倍率の変化量
は増大し、時刻ｔ1 で定常状態に達した後、時刻ｔ2 で
露光を終了したとすると、今度は時間の経過と共に結像
倍率の変化量は減少してくる。そして最終的に時刻ｔ3
で初期の状態に戻る。この結像倍率の変動は回路パター
ンの重ね合わせ誤差に直接影響し、微細な回路パターン
を焼き付ける場合には大きな問題となってくる。

【００１６】従来は（イ）の焦点位置の変動に対しては
ウエハを載置しているウエハステージを投影光学系の光
軸方向に移動させてウエハと投影光学系との間隔を焦点
位置の変動に応じて調整して補正していた。

【００１７】又（ロ）の結像倍率の変動に対しては投影
光学系中の複数のレンズ間隔のうち特定のレンズ間隔を
密閉空間として、該密閉空間内の空気圧を結像倍率の変
動に応じて調整して補正していた。

【００１８】この他、レチクルと投影レンズの間隔、あ
るいは投影レンズを構成する各レンズの間隔を結像倍率
の変動に合わせて調整していた。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】一般に投影光学系を構
成するレンズの温度が変化すると投影光学系の焦点位置
や結像倍率が変動すると共に球面収差やコマ収差等の諸
収差も変動してくる。この結果、投影解像力が大きく低
下してくる。

【００２０】従来の投影露光装置においては、レンズの
温度変化に伴う光学特性の変化に対する補正はレンズの
温度が全体として均一に変化した場合を想定して行って
いた。

【００２１】即ち、レンズの温度分布の不均一より生ず
るレンズ表面形状の変化やレンズ内部の屈折率分布の不
均一より生ずる光学特性の変化に対する補正は行ってい
なく、補正としては十分ではなかった。

【００２２】本発明は投影光学系を構成するレンズが露
光光を吸収し、該レンズの温度分布が不均一となり、レ
ンズ形状が変化し、又内部の屈折率分布が不均一となる
のを適切に構成した加熱手段と該加熱手段による加熱
（加熱量）を制御する加熱制御手段とを利用することに
より効果的に補正し、光学特性を良好に維持し、高い解
像力の投影パターン像が得られる投影露光装置及びそれ
を用いた半導体素子の製造方法の提供を目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明の投影露光装置
は、第１物体面上のパターンを投影光学系により第２物
体面上に投影露光する際、該投影光学系を構成する少な
くとも１つのレンズの周辺部を過熱する加熱手段と該加
熱手段による加熱（加熱量）を制御する加熱制御手段と
を利用して該レンズの温度分布を制御したことを特徴と
している。

【００２４】特に前記投影光学系を構成するレンズの露
光中における温度分布に関するデータを予め求めて記録
したメモリ手段と該メモリ手段のデータを用いて該レン
ズの加熱量を演算し、その結果を前記加熱制御手段に入
力する演算手段とを設けたことを特徴としている。

【００２５】又、本発明の半導体素子の製造方法として
は、レチクル面上のパターンを投影光学系によりウエハ
面上に投影露光した後、該ウエハを現像処理工程を介し
て半導体素子を製造する際、該投影光学系を構成する少
なくとも１つのレンズの周辺部を加熱する加熱手段と、
露光中における該投影光学系を構成するレンズの温度分
布に関するデータを予め求めて記録したメモリ手段と、
該メモリ手段からのデータを用いて該レンズの加熱量を
演算する演算手段と、該演算手段からの信号に基づいて
該加熱手段による加熱（加熱量）を制御する加熱制御手
段とを利用して該レンズの温度分布を調整していること
を特徴としている。

【００２６】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。同図において２はレチクルであり、その面上には電
子回路パターンが形成されている。２ａはレチクルチャ
ックであり、レチクル２を吸着保持している。４は照明
系であり、光源手段として例えばエキシマレーザ、又は
超高圧水銀灯等を有し、レチクル２面上の電子回路パタ
ーンを露光光で均一な照度分布で照明している。

【００２７】１は投影光学系（投影レンズ）であり、照
明系４からの露光光で照明されたレチクル２面上の電子
回路パターンを所定倍率（例えば１／５又は１／１０）
でウエハ３面上に投影している。

【００２８】ウエハ３はその面上にレジスト等の感光材
料が塗布されている。５はウエハチャックであり、ウエ
ハ３を吸着保持している。１０はウエハステージであ
り、ウエハチャック５を所定面内（ＸＹ平面内）に駆動
している。

【００２９】同図ではレチクル２とウエハ３を所定の関
係となるように位置決めした後、シャッター手段（不図
示）を開閉し、レチクル２面上の電子回路パターンをウ
エハ３面上に投影露光している。その後、ウエハ３をウ
エハステージ１０により所定量Ｘ・Ｙ面内に駆動させ
て、ウエハ３の他の領域を順次同じように投影露光する
ようにした所謂ステップアンドリピート方式を採用して
いる。

【００３０】本実施例における投影光学系１は複数のレ
ンズを有し、該複数のレンズのうち所定のレンズには後
述する該レンズの周辺部を加熱する加熱手段６を設ける
と共に保持部材と押え環で保持してレンズ鏡筒内に収納
している。

【００３１】７は加熱制御手段であり、加熱手段６によ
るレンズの加熱（加熱量）を制御している。８はメモリ
手段であり、投影光学系１を構成するレンズの露光中に
おける温度分布に関するデータを予め求めて記録してい
る。９は演算手段であり、メモリ手段８からのデータを
用いてレンズの加熱量を演算し、その結果を加熱制御手
段に入力している。

【００３２】本実施例では実際の露光開始後、演算手段
９によりメモリ手段８から必要とするデータを読み出
し、加熱手段６によりレンズの周辺部を加熱する際の加
熱（加熱量）を演算し、その結果を加熱制御手段７に入
力している。

【００３３】加熱制御手段７は演算手段９からの信号に
基づいて加熱手段６によるレンズの加熱を制御し、該レ
ンズの温度分布が均一となるようにしている。これによ
り投影光学系１の光学特性の変動の補正を容易にし、高
い投影解像力が得られるようにしている。

【００３４】図２は投影光学系１を構成するレンズの一
部分の要部断面図、図３は図２の１つのレンズ周辺の要
部斜視図である。

【００３５】図中１１ａ，１１ｂは各々投影光学系１を
構成する一部のレンズ、１２ａ，１２ｂはそれぞれレン
ズ１１ａ，１１ｂを力学的に保持するためのレンズ保持
部、１３ａ，１３ｂはそれぞれレンズ１１ａ，１１ｂの
周辺部に密着して配置されたヒーター線等の加熱手段と
しての発熱部である。

【００３６】発熱部１３ａはレンズ１１ａの周辺部の加
熱を行い、発熱部１３ｂはレンズ１１ａの周辺部の加熱
を行う。その際、両者が干渉することなく独立に加熱を
行えるようにレンズ保持部１２ａとレンズ保持部１２ｂ
の間に断熱部１４を設けている。尚、図３はレンズ１１
ａと発熱部１３ａのみを描いている。

【００３７】図４は照明手段４からの露光光によって投
影レンズ１中のレンズが熱吸収を起こし、レンズの内部
の温度分布が変化する様子を示している。

【００３８】同図では露光開始時（ｔ＝ｔ0 ）から定常
状態到達時（ｔ＝ｔ2 ）までのレンズ内部の径方向Ｒを
横軸に、縦軸に温度Ｔをとり温度分布の変化を時間を追
って（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の順に示してい
る。図中の破線はレンズの中心軸を表す。

【００３９】図（Ａ）に示す通り、時刻ｔ＝ｔ0 では、
レンズ内部で温度が均一であったものが、時間とともに
中心部と周辺部の温度差が大きくなっていく。そのた
め、図１０（Ｃ）で示したようにレンズ形状は中心部が
大きく膨張して非球面形状になり、更にレンズ内部の屈
折率分布は温度分布に応じて不均一になってくる。この
結果、レンズの光学的特性が変化してくる。

【００４０】図５は本発明に係る発熱部１３によってレ
ンズ１１内部に形成することが可能なレンズ径方向Ｒの
温度分布を図４と同様に示している。

【００４１】図５では露光開始（ｔ＝ｔ0 ）と同時に発
熱部１３の動作を開始させ、レンズ周辺部を加熱したと
きの時間経過とともに温度分布が（Ａ），（Ｂ），
（Ｃ），（Ｄ）の順で変化していく様子を示している。
この場合は、レンズ外周の温度が最も高く、レンズ中心
部に近づくにつれて、温度が下がっていくような分布と
なっている。尚、図５（Ａ）〜（Ｄ）は図４（Ａ）〜
（Ｄ）に対応している。

【００４２】実際の露光時にはレンズ１１内部には図４
に示す露光光の熱吸収による温度分布と図５に示す発熱
部１３による温度分布とを重ね合わせた形の温度分布が
形成される。

【００４３】このとき本実施例では発熱部１３による温
度分布を適切に制御することによって、図６（Ａ）〜
（Ｄ）に示すように、露光開始後の全時刻において、レ
ンズ内部の温度分布が比較的均一となるようにしてい
る。これによりレンズ形状の非球面的な変化及びレンズ
内部の屈折率分布の不均一の発生を防止し、露光時にお
けるレンズの光学特性の変化を最小限に押えている。
尚、図６（Ａ）〜（Ｄ）は図４（Ａ）〜（Ｄ）に対応し
ている。

【００４４】次に本実施例の全体的な動作について説明
する。

【００４５】投影光学系１は複数のレンズによって構成
されている。露光の際に、これらの各レンズは硝材、レ
ンズ形状、露光光の通過領域等に応じて異った温度分布
となってくる。

【００４６】露光時の各々のレンズの温度分布は実測又
はコンピュータシュミレーション等によって予め得るこ
とができる。本実施例では、このときのデータをメモリ
手段８に記録している。

【００４７】そして演算手段９により露光開始後の時間
とメモリ手段８からのデータを読み込み、読み込まれた
時間において、各々のレンズの内部の温度分布が図６に
示したように、全体でほぼ均一になるような加熱を算出
して、この結果を加熱制御手段７に入力している。

【００４８】加熱制御手段７は各々のレンズに装着した
加熱手段６の加熱制御を行い、各レンズ毎に独立にレン
ズ周辺部の温度を制御してレンズ内部の温度分布が均一
となるようにしている。

【００４９】本実施例では露光中でも常にレンズ内部の
温度分布が均一となるようにして投影光学系１の光学的
特性の変化が最小となるようにしている。

【００５０】尚、本実施例では露光時に投影光学系１で
発生する焦点位置と結像倍率の変動量を小さく押えてい
るが、これらの補正は前述した従来の補正方法を併用す
れば更に高精度の投影パターン像が得られる。

【００５１】図７は本発明の実施例２の要部概略図、図
８は図７の投影光学系１を構成するレンズの一部分の要
部断面図、図９は図８の要部斜視図である。

【００５２】本実施例は図１の実施例１に比べて加熱手
段２１の構成が異なり、その他の構成は略同じである。

【００５３】図８において、３１ａ，３１ｂは各々投影
光学系１を構成するレンズ、３２は各レンズ３１ａ，３
１ｂを保持するためのレンズ保持部、３３はレンズ保持
部３２を通してレンズ３１ａ，３１ｂの周辺部の温度を
上昇させ制御するためのヒーター線等の加熱手段として
の発熱部である。レンズ保持部３２は、発熱部３３から
の熱を効率良く、各レンズ３１ａ，３１ｂの周辺部に伝
えるために、高い熱伝導率を有する素材より成ってい
る。

【００５４】尚、図９はレンズ保持部３２及び発熱部３
３を立体的に示している。

【００５５】先の実施例１ではレンズ毎に発熱部を装着
し、それぞれのレンズの周辺部の温度上昇量を互いに独
立に制御していた。これに対して、本実施例では全ての
レンズの周辺部の温度上昇量をレンズ保持部３２の外側
に装着した１つの発熱部３３によって制御している。

【００５６】本実施例では１つの発熱部３３によりレン
ズの周辺部の温度制御を行い、これにより構造上の簡素
化を図っている。全体の動作も実施例１とほぼ同様であ
る。

【００５７】本実施例におけるメモリ手段２３には各々
レンズの露光時の温度上昇量のデータを全て格納する必
要はなく、例えば、各レンズの温度上昇量の平均値のみ
を格納している。演算手段２４は露光開始後の経過時間
毎に１つのレンズに対する加熱量を算出している。

【００５８】又、本実施例においては、演算手段２４か
ら加熱制御手段２２に信号を送る代わりに、露光作業を
行う作業者が経験を生かして手動で加熱制御手段２２を
操作するように構成しても良い。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば前述の如く投影光学系を
構成するレンズが露光光を吸収し、該レンズの温度分布
が不均一となり、レンズ形状が変化し、又内部の屈折率
分布が不均一となるのを適切に構成した加熱手段と該加
熱手段による加熱（加熱量）を制御する加熱制御手段と
を利用することにより効果的に補正し、光学特性を良好
に維持し、高い解像力の投影パターン像が得られる投影
露光装置及びそれを用いた半導体素子の製造方法を達成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の要部概略図

【図２】図１の一部分の要部断面図

【図３】図２の一部分の要部斜視図

【図４】露光光吸収によるレンズ内部の温度分布の説明
図

【図５】加熱によるレンズ内部の温度分布の説明図

【図６】本発明に係る加熱手段によるレンズ内部の温度
分布の説明図

【図７】本発明の実施例２の要部概略図

【図８】図７の一部分の要部断面図

【図９】図８の一部分の要部斜視図

【図１０】露光光吸収による凸レンズの形状及び内部屈
折率変化の説明図

【図１１】露光光吸収による投影光学系の焦点位置の変
化量の説明図

【図１２】露光光吸収による投影光学系の焦点位置の変
化を示す説明図

【図１３】露光光吸収による投影光学系の結像倍率の変
化量の説明図

【図１４】露光光吸収による投影光学系の結像倍率の変
化を示す説明図

【符号の説明】

１ 投影光学系 ２ レチクル ３ ウエハ ４ 照明系 ５ ウエハーチャック ６ 加熱手段 ７ 加熱制御手段 ８ メモリ手段 ９ 演算手段 １０ ウエハステージ １１ａ，１１ｂ レンズ １２ａ，１２ｂ レンズ保持部 １３ａ，１３ｂ 発熱部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１物体面上のパターンを投影光学系に
   より第２物体面上に投影露光する際、該投影光学系を構
   成する少なくとも１つのレンズの周辺部を加熱する加熱
   手段と該加熱手段による加熱を制御する加熱制御手段と
   を利用して該レンズの温度分布を制御したことを特徴と
   する投影露光装置。
2. 【請求項２】 前記投影光学系を構成するレンズの露光
   中における温度分布に関するデータを予め求めて記録し
   たメモリ手段と該メモリ手段のデータを用いて該レンズ
   の加熱量を演算し、その結果を前記加熱制御手段に入力
   する演算手段とを設けたことを特徴とする請求項１の投
   影露光装置。
3. 【請求項３】 レチクル面上のパターンを投影光学系に
   よりウエハ面上に投影露光した後、該ウエハを現像処理
   工程を介して半導体素子を製造する際、該投影光学系を
   構成する少なくとも１つのレンズの周辺部を加熱する加
   熱手段と、露光中における該投影光学系を構成するレン
   ズの温度分布に関するデータを予め求めて記録したメモ
   リ手段と、該メモリ手段からのデータを用いて該レンズ
   の加熱量を演算する演算手段と、該演算手段からの信号
   に基づいて該加熱手段による加熱を制御する加熱制御手
   段とを利用して該レンズの温度分布を調整していること
   を特徴とする半導体素子の製造方法。