JPH1116807A

JPH1116807A - 倍率補正装置および倍率補正方法

Info

Publication number: JPH1116807A
Application number: JP9164188A
Authority: JP
Inventors: Makoto Fukuda; 真福田; Masanori Suzuki; 雅則鈴木; Haruo Tsuyusaki; 晴夫露嵜
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1997-06-20
Publication date: 1999-01-22
Anticipated expiration: 2017-06-20
Also published as: JP3394158B2

Abstract

(57)【要約】【課題】原画であるマスクパタンとウエハ上のパタン
とで、倍率誤差を補正し、重ね合せ精度を向上させる。【解決手段】チャック機構２をウエハ１と異なる線膨
張係数の材料で形成する。ウエハ１とチャック機構２を
加熱し膨張させる。一例として、線膨張係数がウエハ１
の線膨張係数より大きいチャック機構２を用いてパタン
を拡大する場合、ウエハ１とチャック機構２の温度を露
光温度よりも高く設定する。所定の温度となった時点で
ウエハ１をチャック機構２でチャックした後、ウエハ１
とチャック機構２の温度を露光温度まで下降させる。す
ると、ウエハ１とチャック機構２には熱応力が生じ、ウ
エハ１は圧縮され、チャック機構２は引張られる。ウエ
ハ１が圧縮された状態で、原パタンを露光し転写する。
その後、ウエハ１のチャック状態を解除すると、圧縮し
ていたウエハ１は元に戻り、転写されたパタンは原パタ
ンよりも寸法が拡大される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子形成時
に原パタンをウエハ上に転写形成する露光装置に用いら
れる倍率補正装置および倍率補正方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子は、紫外線あるいは波長の短
いエキシマレーザを用いて原画であるマスクパタンを縮
小転写して形成する。また、最近では、さらに波長の短
いＸ線を用いた１対１の近接露光がなされ、０．２μｍ
以下の微細なパタンが形成されている。パタンの微細化
とともに、露光すべきウエハ上に予め形成された下地パ
タンとマスクパタンとの位置を正確に合わせる必要があ
る。この下地パタンとマスクパタンとの位置合わせは、
両者に位置検出用に書かれたマークを検出し、ウエハと
マスクの位置をアライメントすることにより行う。実際
の露光ではアライメントが正確であっても、この下地パ
タンとマスクパタンとの間に何らかの要因により重ね合
せ誤差が生じてしまう。こうした重ね合せ誤差を生じる
主な原因として、次の２点が上げられる。（１）半導体
処理プロセスを経てきたウエハが伸縮し、ウエハ上のチ
ップサイズが異なる。（２）転写時の光学系の歪みによ
り倍率が異なる。

【０００３】本発明は、こうしたパタン転写時のパタン
位置ずれを極力小さくすることを狙いとしたもので、半
導体露光装置の重ね合せ向上のための手法に関わる。

【０００４】一般に、露光装置で倍率を補正する方法と
して、縮小投影露光では、投影レンズの倍率を変化さ
せ、投影されるパタンの寸法を制御する方法が取られて
いる。この実現方法には、投影レンズのレンズ距離を変
える場合と投影レンズ機構の内部圧力を変えるなどが採
られている。

【０００５】また、１対１の転写を行うＸ線露光装置で
は、次の４種類の方法が提案されている。（ａ）Ｘ線マスクパタンの製造工程で補正する方法（ｂ）照射Ｘ線に広がりがあるためマスク、ウエハ間ギ
ャップの変化により生じる転写パタンの位置シフトを利
用する方法（ｃ）露光時のＸ線マスクに引張力または圧縮力を加え
て撓みを発生させ、寸法を補正する方法（ｄ）マスクとウエハの温度を制御して寸法補正を行う
方法（特願平７−２１７２７２号）

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】縮小投影露光で、レン
ズ系の倍率を変えることは、同時に焦点距離を変えるこ
とになり、微細パタンを形成する上で焦点距離がますま
す厳しくなっている現在の露光トレンドからは、ますま
す難しい方法となっている。

【０００７】一方、等倍露光方法では、上記方法（ａ）
〜（ｄ）のそれぞれに次のような問題点がある。（ａ）による方法は、マスクを倍率が異なるたびに作り
なおすことになり、経済的に不利である。（ｂ）による方法は、マスクとウエハの近接ギャップを
正確に合わせる必要があり、ギャップ形成のために複雑
な機構が必要となる。また、最近では、シンクロトロン
放射光を光源としたＸ線露光が行われ、照射Ｘ線の広が
りは小さく、ギャップ制御によりパタン位置を制御させ
ることは難しい。（ｃ）による方法は、原パタンであるマスクに外力を加
えることにより、マスクに面内歪みを発生せしめ、パタ
ンの位置を補正する方法が提案されている（SPlE Vo1.2
437/p140〜p150）。

【０００８】これを図４を用いて説明すると、１１はマ
スク、１２はマスクフレーム、１３，１４，１５，１６
はマスク１１を歪ませるため、マスクフレーム１２に与
える強制力である。この強制力は、実験上は４本のねじ
により与えている。このような方法により、マスク１１
を強制的に撓ませ、パタンの原画であるマスクパタンを
歪ませることにより、寸法制御をする方法である。計算
によれば、１０ｐｐｍ程度の倍率補正が可能であるとし
ている。

【０００９】しかし、このような倍率補正機構をマスク
保持機構に実装するには、保持機構の強度が必要にな
り、また、力を加えるための複雑な機構が必要となる。
さらに、マスクのもつ内部応力はマスク毎に異なるた
め、異なるマスク間で正確な倍率補正をするには、マス
ク毎に加える力を変えることになり、正確な倍率補正を
することは非常に困難である。

【００１０】上記（ｄ）による方法は、露光中にマスク
とウエハの相対的な倍率を測定し、マスクとウェハのそ
れぞれの温度を制御し、相対寸法誤差を補正する方法で
ある。この前提として、マスクとウエハの温度が別々に
設定可能であることがある。しかしながら、マスクとウ
エハは３０μｍ以下の近接ギャップで接しており、マス
クとウエハが対向した時点で両者の温度は同一温度にな
ろうとし、実際はマスクとウエハ間で温度差を与えるこ
とは困難である。このため、マスクとウエハの温度が同
一になっても寸法制御が可能な機構および方法が求めら
れる。さらに、露光時に温度が異なることにより、マス
クとウエハの相対位置を検出するアライメント検出精度
にも影響を与え、アライメント誤差の要因となるなどの
問題がある。

【００１１】以上述べたように従来の方法では、縮小投
影露光では、倍率補正のためにレンズの焦点距離が異な
り、これを補正するためのレンズ機構を設けるなど、投
影光学系の構造が非常に複雑になるという問題があっ
た。また、１対１の転写においては、マスクに力を加え
るため、本来の原パタンの位置精度が崩れてしまうとい
う問題があった。また、マスク保持機構の構造が複雑に
なるなどの問題があった、

【００１２】本発明は、前述した従来の問題を解決する
ためになされたものであり、その目的とするところは、
原画であるマスクパタンとウエハ上のパタンとで簡単な
機構で経済的かつ高精度に倍率補正することにより、重
ね合せ精度を向上させるようにした倍率補正装置および
倍率補正方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る倍率補正装置は、基板を保持し固定する
ためのチャック機構と、このチャック機構および前記基
板の温度を制御して両者あるいは片方を膨張収縮させる
温度制御機構とを備え、前記チャック機構を前記基板と
線膨張係数が異なる材料で形成したことを特徴とする。
また、本発明に係る倍率補正装置は、チャック機構の材
料に、基板の線膨張係数より線膨張係数が大きい材料を
使用したことを特徴とする。また、本発明に係る倍率補
正装置は、チャック機構の材料に、基板の線膨張係数よ
り線膨張係数が小さな材料を使用したことを特徴とす
る。また、本発明に係る倍率補正装置は、チャック機構
が、真空圧を用いた真空チャック機構であることを特徴
とする。また、本発明に係る倍率補正装置は、チャック
機構が、静電力を用いた静電チャック機構であることを
特徴とする。また、本発明に係る倍率補正装置は、温度
制御機構が、加熱素子と冷却素子を埋め込んだ温度制御
機構であることを特徴とする。また、本発明は、温度制
御機構が、加熱ランプと冷却ファンを用いた温度制御機
構であることを特徴とする。また、本発明は、温度制御
機構が、加熱素子および冷却素子を用いた温度制御機構
であることを特徴とする。

【００１４】また、本発明に係る倍率補正方法は、上記
倍率補正装置を用いた倍率補正方法において、基板とチ
ャック機構を加熱または冷却して温度制御した後、チャ
ック機構で基板を保持し、その後基板とチャック機構の
温度を所定の温度にして熱応力を発生させることにより
基板の寸法を制御することを特徴とする。また、本発明
に係る倍率補正方法は、上記倍率補正装置を用いた倍率
補正方法において、基板を加熱または冷却して温度制御
した後チャック機構に搭載し、基板から伝達した熱によ
りチャック機構の寸法が拡大または縮小した時点で基板
をそのチャック機構で保持し、その後基板とチャック機
構の温度を所定の温度にして熱応力を発生させることに
より基板の寸法を制御することを特徴とする。さらに、
本発明にかかる倍率補正方法は、倍率補正を転写装置外
で予め行った後、基板をチャック機構ごと転写装置に装
填することを特徴とする。

【００１５】基板としては、ウエハ、半導体基板、ガラ
ス基板等が用いられる。本発明による倍率補正装置およ
び倍率補正方法では、次のような原理で倍率を補正する
ことができる。理解しやすいように、次のような仮定を
おく。ウエハとチャック機構は、チャック以前は温度変
化とともに面方向に自由に伸縮する。しかし、保持（チ
ャック）後はチャック機構とウエハは十分なカで固定さ
れ両者間で滑りはないと仮定する。すなわち、チャック
後はウェハとチャック機構の寸法は温度とともに同様に
変化する。この仮定の下に、ウエハとチャック機構の伸
縮を考える。

【００１６】まず、パタンを拡大する場合を説明する。
一例として、チャック機構の線膨張係数がウエハの線膨
張係数より大きなチャック機構を用いる。ウエハとチャ
ック機構の温度を露光温度よりも高く設定しておき、所
定の温度となった時点でウエハをチャックする。ウエハ
をチャック後、ウエハとチャック機構の温度を露光温度
に戻す。すると、ウエハとチャック機構には熱応力が生
じ、ウエハは圧縮され、チャック機構は引張られる。こ
のウエハが圧縮された状態で、原パタンを露光し転写す
る。その後、チャック力を取り除き、熱応力が掛からな
い状態に戻すと、圧縮していたウエハは元に戻り、転写
されたパタンは原パタンよりも寸法が拡大される。

【００１７】これを、図１を用いてより明確に説明す
る。同図において、１はウエハ、２はチャック機構であ
る。温度をｔだけ上げるとウエハ１とチャック機構２は
破線のように自由膨張する（図中（ａ））。この温度で
ウエハ１をチャックし（図中（ｂ））、温度を元に戻す
（図中（ｃ））。チャック機構２の線膨張係数はウエハ
１のそれよりも大きいので、チャック機構２はウエハ１
よりも大きく縮み、ウエハ１はそれにつられて大きく縮
む。温度が元に戻った時点では、ウエハ１は本来の自由
状態以上に縮み、ウエハ１には熱応力が生じる。この状
態で、マスク上の原パタンをウエハ１に転写する。転写
後、チャック機構２を外し、応力を解放すると縮んでい
たウエハ１は元の大きさに戻り、転写されたパタンは拡
大する。この寸法変化は、チャック機構２の材質が均一
なら等方的に生じるため、チップの位置によらず同様に
拡大縮小可能である。

【００１８】これを、数式で説明する。ウエハ１とチャ
ック機構２の線膨張係数をそれぞれαｗ，αｃ、弾性係
数をＥｗ，Ｅｃとする。また、熱応力をσｗ，σｃとす
る。いま、チャック前に温度をｔ上げたとすると、中心
からのＲの点でのウエハ１およびチャック機構２の寸法
はαｗ・Ｒｔ、αｃ・Ｒｔとなる。この自由変位がチャ
ック機構２により拘束されたまま、元の温度に戻った時
に、ウエハ１およびチャック機構２には熱応力が生じ
る。この熱応力は、σｗ・Ｒ／Ｅｗ、σｃ・Ｒ／Ｅｃで
表せる。ウエハ１の変位は熱膨張による変位と熱応力に
よる変位の両者の合計で表される。チャック機構２の変
位も同様であり、また、ウエハ１の変位とチャック機構
２の変位は等しい。この変位をλとすると、 λ＝αｗ・Ｒ・ｔ＋σｗ・Ｒ／Ｅｗ＝αｃ・Ｒ＋σｃ・
Ｒ／Ｅｃさらに、両者に作用する力は等しいから、 σｗ・Ｓｗ＋σｃ・Ｓｃ＝０ここで、Ｓｗ，Ｓｃはウエハとチャック機構の等価断面
積とする。Ｓｗ・Ｅｗ／Ｓｃ・Ｅｃ＝ｋとおき、これを
解くと、 λ＝αｗ−（αｗ−αｃ）／（１＋ｋ）＝αｃ＋（αｗ
−αｃ）ｋ／（１＋ｋ）で表せる。ｋ＜＜１、すなわち、ウエハ１の弾性変形よりチャック
機構２の弾性変形が十分小さければ、 λ＝αｗ＋（αｗ−αｃ）（１−ｋ）＝αｃ−（αｗ−
αｃ）ｋ（１−ｋ）となる。すなわち、線膨張係数の差が大きければ大きい
ほど、また、弾性変形の差が大きければ大きいほど、温
度変化による変位は大きく、倍率補正が容易になること
が分かる。

【００１９】縮小する場合には、温度を露光温度よりも
下げてチャックし、原パタンを転写すれば転写されたパ
タンは同様の原理で縮小する。

【００２０】ここでは、チャック後、ウエハ１とチャッ
ク機構２は全く滑らないと仮定したが、実際には多少滑
ったとしても、摩擦力がある限り、熱応力は生じ、これ
によってウエハ１は伸縮する。

【００２１】また、チャック機構２の線膨張係数がウエ
ハ１のそれよりも大きな場合を例にとって説明したが、
逆に、チャック機構２の線膨張係数がウエハ１のそれよ
りも小さな場合にも同様に温度変化を与えて熱応力を発
生せしめ、拡大縮小を実現できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図２は本発明に係る倍
率補正装置の断面図である。同図において、１はウエ
ハ、２はチャック機構、３はウエハ１を保持固定するた
めの真空吸着機構、４はウエハ温度を上昇下降させ温度
制御するための温度制御部（温度制御機構）、５は加熱
素子、６は冷却素子、７はウエハ１を温度制御部４から
チャック機構２に移すための移送装置、８は原パタンを
書いたマスク、９はパタンを転写するための照明光学
系、１０はウエハ１を露光位置まで移動するためのステ
ージである。この例では、チャック機構２は、アルミニ
ウムなどのウエハ１よりも線膨張係数が大きな材料で構
成してある。

【００２３】このような倍率補正装置でパタンを拡大さ
せるには、ウエハ１を温度制御部４で上昇させておく。
このウエハ１を移送装置７で取り出してチャック機構２
上に載せる。ウエハ１をチャック機構２上に載せると、
チャック機構２はウエハ１から熱をもらい、その温度は
上昇し膨張する。チャック機構２が膨張した後、真空吸
着機構３を動作させ、ウエハ１をチャック機構２で保持
固定する。その後、ウエハ１およびチャック機構２の温
度は下がる。この温度の下降に伴い、ウエハ１には圧縮
の熱応力が、チャック機構２には引張りの熱応力が生じ
るため、ウエハ１は収縮し、チャック機構２は拡大す
る。温度が露光温度まで下降した時点で原パタンを転写
する。転写後、真空吸着を切ってチャック機構２による
ウエハ１の保持固定を解除すると、収縮していたウエハ
１は元の寸法に戻り、転写されたパタンは原パタンより
も拡大される。

【００２４】ウエハ１にはシリコンの結晶を使う場合が
多いが、周期律表第３または第５族の半導体基板や液晶
用のガラス基板であっても同様に考えられる。

【００２５】チャック機構２にはアルミニウムのような
線膨張係数がウエハ１よりも大きな材料を用いるのが好
ましい。近年では、線膨張係数が大きなセラミックス材
料も入手可能となっており、そうした複合材料も利用可
能である。さらに、チャック機構２でのウエハ１の保持
固定には真空チャックを用いたが、静電力を用いた静電
チャックも使用可能である。

【００２６】温度制御部４は、ウエハ１全体の温度を上
昇、下降させるため、プレートのような接触型のもので
もよく、また、炉のような雰囲気温度制御型のものでも
よい。この例では、チャック機構２に温度制御部４を搭
載せずに寸法制御を行う例を示したが、チャック機構２
に温度制御部４を設け、チャック機構２自体の温度を制
御した後ウエハ１を搭載し、チャックしてウエハ１を固
定し、露光温度まで温度変化を与えることによっても寸
法を変化させることが可能である。

【００２７】さらに本方法により変形させたウエハ１の
寸法を詳細に見ると、単にウエハ１あるいはチャック機
構２の全面の温度を均一に変化させてチャックし、熱応
力を発生させて変形させる場合には、チップ形状は対角
方向に変位が小さく各辺の中点付近では変位が大きな寸
法変化となる。この問題を解決する方法として、チップ
の対角方向と各辺の中点方向とで温度勾配を設け、対角
方向に変位が大きくなるような温度制御部４とするとよ
い。具体的には、図３に示すようにチップに対して、対
角方向に加熱素子５、辺と直角方向に冷却素子６を配置
し、温度制御する構成にすれば正確な拡大縮小が可能で
ある。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明による倍率補
正装置および倍率補正方法によれば、露光ウエハに形成
された下地パタンの領域の大きさにより、倍率誤差が容
易に補正でき、重ね合せ精度を向上させることができ
る。さらに、露光時点の温度は、寸法を補正することに
より乱されることはなく常に一定に保つことができるの
で、温度が異なることによりアライメント誤差を生じる
ことがない。また、ウエハとチャック機構の温度を大き
く上げる必要もなく、露光温度にするために要する時間
も短くなり、処理の高速化に非常に有利である。さら
に、チャック機構とウエハの温度制御は露光装置以外の
場所で予め制御し、チヤツクしておくことによりオフラ
インで寸法を制御することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための図である。

【図２】本発明に係る倍率補正装置の一実施の形態を
示す断面図である。

【図３】温度勾配を持たせるための温度制御機構を示
す平面図である。

【図４】従来の拡大縮小方法を説明するための図で、
（ａ）はウエハとチャック機構の正面図、（ｂ）は断面
図である。

【符号の説明】

１…ウエハ、２…チャック機構、３…真空吸着機構、４
…温度制御部、５…加熱素子、６…冷却素子、７…移送
装置、８…マスク、９…照明光学系、１０…ステージ、
１１…マスク、１２…マスクフレーム、１３，１４，１
５，１６…マスクをマスク面外から押し付けるための
力。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板を保持し固定するためのチャック機
構と、このチャック機構および前記基板の温度を制御し
て両者あるいは片方を膨張収縮させる温度制御機構とを
備え、前記チャック機構を前記基板と線膨張係数が異な
る材料で形成したことを特徴とする倍率補正装置。
【請求項２】請求項１記載の倍率補正装置において、チャック機構の材料に、基板の線膨張係数より線膨張係
数が大きい材料を使用したことを特徴とする倍率補正装
置。
【請求項３】請求項１記載の倍率補正装置において、チャック機構の材料に、基板の線膨張係数より線膨張係
数が小さな材料を使用したことを特徴とする倍率補正装
置。
【請求項４】請求項１記載の倍率補正装置において、チャック機構が、真空圧を用いた真空チャック機構であ
ることを特徴とする倍率補正装置。
【請求項５】請求項１記載の倍率補正装置において、チャック機構が、静電力を用いた静電チャック機構であ
ることを特徴とする倍率補正装置。
【請求項６】請求項１記載の倍率補正装置において、温度制御機構が、加熱素子と冷却素子を埋め込んだ温度
制御機構であることを特徴とする倍率補正装置。
【請求項７】請求項１記載の倍率補正装置において、温度制御機構が、加熱ランプと冷却ファンを用いた温度
制御機構であることを特徴とする倍率補正装置。
【請求項８】請求項６記載の倍率補正装置において、加熱素子および冷却素子を四角形の露光チップの対角方
向と各辺の直角方向に配置し、対角方向と直角方向で温
度勾配をもたせる温度制御機構を用いたことを特徴とす
る倍率補正装置。
【請求項９】請求項１記載の倍率補正装置を用いた倍
率補正方法において、基板とチャック機構を加熱または冷却して温度制御した
後、チャック機構で基板を保持し、その後基板とチャッ
ク機構の温度を所定の温度にして熱応力を発生させるこ
とにより基板の寸法を制御することを特徴とする倍率補
正方法。
【請求項１０】請求項１記載の倍率補正装置を用いた
倍率補正方法において、基板を加熱または冷却して温度制御した後チャック機構
に搭載し、基板から伝達した熱によりチャック機構の寸
法が拡大または縮小した時点で基板をそのチャック機構
で保持し、その後基板とチャック機構の温度を所定の温
度にして熱応力を発生させることにより基板の寸法を制
御することを特徴とする倍率補正方法。
【請求項１１】請求項９または１０記載の倍率補正方
法において、倍率補正を転写装置外で予め行った後、基板をチャック
機構ごと転写装置に装填することを特徴とする倍率補正
方法。