JPS6146023A - 超高圧水銀灯による半導体ウエハ−材料の露光方法 - Google Patents

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〕 本発明は超高圧水銀灯による半導体ウェハー材料の露光
方法に関するものである。

〔発明の背景〕

一般にＩＣ，ＬＳＩ、超ＬＳＩなどの半導体デバイスの
製造においては、シリコンなどよりなる半導体ウェハー
材料にフォトマスクを介してパターンを焼付けることが
必要である。このようなパターンの焼付けは、例えばエ
ツチング用レジストＦａの形成のために行なわれるもの
であり、この場合に＋３通常、半導体ウェハー上に形成
した紫外線感光性のレジスト層にフォトマスクを介して
超高圧水銀灯の光を照射して露光する方法が広く採用さ
れている。

半導体ウェハーは通常円形でその全面において縦横に配
列された微小区域に区画され、これらの微小区域が後に
分割されて各々が半導体デバイスを構成するチップとな
る。１枚の半導体ウニ／１−の大きさは直径で３インチ
、５インチ、６インチ程度のものが一般的であるが、半
導体ウエノ・−の製造技術の進歩に伴ない大型化する傾
向にある。

１枚の半導体ウェハー材料の全面を同時に露光せしめて
全微小区域を一度に焼付ける露光方法においては、大き
な面積全一度で露光するために大出力の水銀灯が必要で
ありそのため露光装置が大型となること、しかも１回の
露光面積が大きいためそれだけ半導体ウェハー材料の被
露光部における照度の均一化に相当高度な技術を要する
こと、などの問題点があり、結局半導体ウェハーの大型
化傾向に適応することが困難である。

〔従来技術〕

このようなことから、最近１枚の半導体ウェハー材料に
おいて、縦横に配列された微小区域の各々を１個ずつ順
次露光せしめてパターンを順次焼付ける露光方式（以下
単に「ステップ露光方式」ともいう。）が提案された。

このようなステップ露光方式によれば、１回の露光にお
いては、微小区域１個分の面積を露光すればよく、この
ため小出力の水銀灯を用いることが可能となって露光装
置が小型になること、しかも１回の露光面積が小さいの
で半導体ウェハーの被露光部の照度の均一化が容易であ
ること、などの大きな利益が得られ、結局高い精度でパ
ターンの焼付けを行なうことができる。

而して水銀灯は、消灯時には封入された水銀ガスが凝縮
するため、短い周期で点滅を繰返すことができず、この
ため連続点灯せしめた状態で使用されるが、この場合半
導体ウェハー材料の露光を所定の露光量で行なうため露
光時間を制限するシャッターが用いられ、このシャッタ
ーが閉じている間に、水銀灯よりの光が照射される露光
位置に半導体ウェハー材料における次の露光全施すべき
微小区域が位置されるよう当該半導体ウェハー材料をス
テップ的に移動（以下単に「ステップ移動ｊともいう。

〕せしめることが必要である。

しかしながら単にこのような従来の露光方法においては
、シャッターが閉じている期間中は水銀灯の光が露光に
は利用されないため電力の浪費が大きく、シかもシャッ
ターが高温にさらされるため当該シャッターの損傷が大
きいという問題点がある。

このようなことから、シャッターが閉じられている期間
中は、水銀灯の消費電力がシャッターが開いている露光
期間中の消費電力よりも小さくなるような状態で水銀灯
を点灯する方法が考えられる。

しかしながら、このような露光方法において新たな問題
点を有していることが判明した。即ち半導体ウェハー材
料の露光処理の高速化に伴ない、水銀灯をその消費゛シ
カが短い時間間隔で変化するように繰返し多数回に亘っ
て連続点灯せしめると、水銀灯の点灯時間の経過に伴な
い、電極の摩耗、電極物質の管壁付着による光透過率の
低下などの原因により水銀灯の放射光量が減少し、当初
の露光量での露光を行なうことができなくなる問題点で
ある。しかも露光用光源として用いる超高圧水銀灯は通
常冷却することが必要であり、この冷却が不十分であれ
ば封体管が過熱により劣化しさらには破裂という危険な
事故を招くおそれがあり、逆に冷却が過剰であれば封体
内の水銀が凝縮することがあってこの場合には点灯不良
となることから、通常は点灯時において水銀灯の各部例
えば封体管、口金などの温度が常に一定の温度範囲内に
維持されるように、冷却用ファンを一定の回転速度で回
転せしめて一定の風ｉｔ−水泉灯が岨み込まれているラ
ンプハウス内に供給して当該水銀灯を冷却するようにし
ている。しかしながら、斯かる冷却手段では、消費電力
が露光中と非露光中とではその大きさが変化し、さらに
露光中の光量が一定となるように水銀灯全点灯する場合
においては、当該水銀灯全適正に冷却することが困難で
ある。

即ち冷却風ｍｔ−例えば消費電力が大きな状態で点灯し
ているときに適合する値にして冷却を行なうと、消費電
力が小さな状態で点灯しているときには冷却が過剰とな
って封体内の水銀が凝縮して点灯不良が生じ易く、逆に
冷却風量を消費電力が小さな状態で点灯しているときに
適合する値にして冷却を行なうと、消費電力が大きな状
態で点灯しているときには冷却が不十分となって封体管
の過熱による早期劣化を招き易い。一方これに対して、
冷却風量を前者と後者の中間の値にして冷却を行なうこ
とも考えられるが、この場合には水銀灯の消費電力の可
変幅を十分に大きくすることができず、さらに高レベル
の消費電力と低レベルの消費電力との繰返しにおいてデ
ユーティ比を変えると必要な冷却条件が変わるため良好
な冷却を達成することができず、結局消費電力ｔ−変え
て点灯することの利益が十分に得られない。

そして上記のようなステップ露光方式以外の露光方式を
用いた露光方法においても、）随高圧水銀灯の放射光量
の経時的減少を補償するために点灯時間の経過に応じて
消費電力を増大せしめることがあり、この場合にも上述
のような冷却手段では超高圧水銀灯を適正に冷却するの
が困難である。

〔発明の目的〕

本発明は以上の如き事情に基いてなされたものであって
、超高圧水銀灯の放射光量の経時的減少を抑止すること
ができると共にＪは高圧水銀灯の冷却不良を防止するこ
とがでさて良好な露光を長期間に亘り安定に実行するこ
とができる超高圧水銀灯による半導体ウェハー材料の露
光方法を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

以上の目的は、超高圧水銀灯全連続点灯した状態で当該
水銀灯から放射される光により半導体ウェハー材料ｔｄ
光する露光方法であって、前記水銀灯の点灯時間の経過
に伴なう放射光量の減衰が補償されるよう当該水銀灯の
点灯時間の経過に応じて徐々に消費電力が増加する状態
で当該水銀灯を点灯し、かつ前記水銀灯の口金の温度を
検出し、この検出直に基いて当該口金の温度が一定とな
るように冷却用ファンの回転速度全増減することにより
、口金の温度に応じた冷却風量で前記水銀灯の冷却を行
なうことを特徴とする超高圧水銀灯による半導体ウェハ
ー材料の露光方法によって達成でれる。

以下本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の一実施例においては、例えば第１図に示すよう
に、半導体ウェハー材料の露光装置内に凪み込まれた水
銀灯１を、これに電力を常時供給して連続点灯状態とし
たうえで、第２図に消費電力の波形の一例全示すように
、後述する点灯回路部３により超高圧水銀灯１へ供給す
る電力を制御することにより、水銀灯１の消費電力が高
レベル例えば定格消費電力の約１．３〜２．５倍程度の
レベルとなる第１のステップＡと、水銀灯１の消費電力
が低レベル例えば定格消費電力またはこれに近いレベル
となる第２のステップＢとを周期的に交互に繰返し、１
Ｊ５Ｊ記第１のステップＡにおいて水銀灯１から放射さ
れる光により半導体ウェハー材料２を露光する。第１図
において、３は水銀灯１０点灯回路部、４は水銀灯１の
光を遮断するためのシャッター、５，６は反射鏡、７は
インテグレータ、８はフィルター、９はコンデンサレン
ズ、１０はフォトマスク、１１は縮小レンズであり、縮
小度は通常上〜１とされる。１２は冷却用ファン、１３
はファンモータ、１４はその詳細は後述する７アンモ一
タ駆動回路である。

図示の点灯回路部３は、小型＠量化が可能であるスイッ
チングレギュレータ方式を採用した場合の一例であり、
Ｅは商用の交流電源、３１は整流・平滑回路、３２はス
イッチング回路、３３はドライブ回路、３４はパルス幅
変調回路、３５は増幅回路、３６は基準電圧源、３８は
電力演算回路、３９は水銀灯１の電圧・電流検出回路、
４０はインバータトランス、４１は整流・平滑回路、４
２はスタータである。この例においては基準電圧源３６
の電圧レベルは連続的に可変制御可能であって、この基
準電圧源３６の電圧レベルに対応する電力が水銀灯１に
入力されるようスイッチング回路３２の動作が負帰還制
御される。即ちこの例においては、第１のステップＡと
第２のステップＢの繰返しは、基準電圧源３６の電圧レ
ベルを高レベル用基準電圧■Ｈと低レベル用基準電圧光
とに交互にステップ変化せしめることによって行なわれ
る。

露光量の規制においては、シャッター４の開いている時
間を適宜設定することによって、半導体ウェハー材料２
の被露光部における露光Ｍｋ必要な規定値に適合させる
。即ち、消費心力が高レベルとなる第１のステップＡに
よって水銀灯１が点灯されている状態においてシャッタ
ー４を設定された時間だけ開いた状態とすることにより
露光量を規定されたものとする。そして消費電力が低レ
ベルトする第２のステップＢによって水銀灯が点灯され
る状態に移行され、この間はずっとシャッター４が閉じ
ている。

前記第１のステップＡと第２のステップＢの繰返しは、
即ち点灯回路部３における基準電圧源３６の高しぶル用
基準電圧■Ｈと低レベル用基準電圧ｖＬのステップ変化
は、半導体ウェハー材料２のステップ移動の態様との関
連において互に連動するよう行なう。即ち第３図に示す
ように半導体ウェハー材料２の被露光部を縦横に並ぶ多
数の一微小区域Ｐに区画して、これらの微小区域Ｐの１
個１個を順次露光位置にステップ的に移動してその位置
に一旦静止せしめた状態で露光を行なう。シャッター４
が開閉することによって１回の露光が終了し、半導体ウ
ェハー材料の１つの微小区域Ｐにパターンが焼付けられ
る。そしてシャッター４が閉じている期間中に次に露光
すべき微小区域Ｐ′ｌｔ露光位置にまでステップ移動せ
しめ、そして同様にして露光を；藻返す。

このようにして第１のステップ八及び第２のステップＢ
と、シャッター４の開閉動作と、半導体ウェハー材料２
のステップ移動とを連係させて露光を行なうが、水銀灯
ｌの点灯時間の経過ｔζ応じて徐々に例えば第４図に一
例を示すように第１のステップＡにおける消費電力が直
線的、或いは曲線的または段階的に増加する状態で第１
のステップＡの各々における放射光量の経時的減少が防
止されるよう第１のステップｔ−繰返す。具体的に説明
すると、第１図に示したように、点灯回路部３における
基準電圧源３６の高レベル用基準屯圧ＶＨの値を、水銀
灯ｌの点灯時間の経過に応じて徐々に変化せしめること
により、第１のステ、ツブＡにおける水銀灯１への人力
電力を負帰還制御し、これにより当該水銀灯１の第１の
ステップＡにおける消費電力を上記の如く経時的に増大
せしめる。

この第１のステップＡにおける消費電力、の増加の程度
は、半導体ウェハー材料の焼付結果によって経験的に定
めるようにしてもよいし、或いは光センサーを用いて水
銀灯の放射光ｆｆｌ’に直接検出して、この検出値に基
いて放射光量が一定となるように点灯回路部３により負
帰還制御するようにしてもよい。

このようにして水銀灯ｌの消費電力を制御するが、この
水銀灯１の冷却は次のようにして行なう。

即ち、水銀灯１の口金の温度全検出し、この検出値に基
いて当該口金の温度が適正な一定値となるように冷却用
ファン１２の回転速度を増減することにより、各ステッ
プにおける冷却風量全それぞれそのときの水銀灯１の口
金の温度に応じた量とする。即ち口金の温度が設定値よ
り大きくなったときには冷却風量を大きくして口金の温
度を設定値にまで低下せしめるようにし、一方口金の温
度が設定値より小さくなったときには冷却風量を小さく
して口金の温度全設定値にまで上昇せしめるようにし、
第１のステップ八及び第２のステップＢのいずれのとき
においても水銀灯ｌの口金の温度が適正な一定値に維持
されるように当該水銀灯１′に冷却する。即ち水銀灯１
はその消費電力の変化に追随して発熱量が変化するので
、このような発熱量の変化に対して口金の温度が変化せ
ず設定値に一定に維持されるような冷却風量で水銀灯１
が冷却されるように冷却用ファン１２の回転速度をコン
トロールする。

具体的に説明すると、第１図に示したように、ファンモ
ータ駆動回路１４によってファンモータ１３の回転速度
を上記のように制御する。図示のファンモータ駆動回路
１４は、小型軽量化が可能である１周波数によって７ア
ンモータの速度制御を行なうインバータ方式を採用した
場合の一例であり、７１は電源、７２は整流・平滑回路
、７３は可変周波数インバータであり、この可変周波数
インバータ７３には水銀灯１の口金の温度を検出する温
度センサー１５ｔ−介して水銀灯１の口金の温度の検出
信号が入力され、この温度検出信号の大きさに基いて口
金の温度が設定値となるようにインバータ７３の出力周
波数が増減し、このインパータフ３より出力される温度
検出信号の大きさに基いた周波数の電圧がファンモータ
１３に印加され、そのときの周波数に応じた回転速度で
ファンモータ１３が回転する。

第５図は、水銀灯１の具体的構成の一例を示し、１０１
は石英ガラス製の封体、１０２Ａ、１０２Ｂは口金、１
０３，１０４　はそれぞれ電極棒、１０５，１０６はそ
れぞれ陽極体、陰極体である。封体１０１の内部には水
銀が封入されており、その封入量は、第２のステップＢ
において水銀灯１が点灯されているときに水銀が凝縮し
ない程度の量である。

前記陽極体１０５は、第６図に拡大して示すように、大
径円柱状の胴部５１と、この胴部５１からテーバ状に伸
びてその先端面５２が平坦面である先端部５３とにより
構成され、一方陰極体１０６は、同じく第６図に拡大し
て示すように柱状部６１とこの柱状部６１からコーン状
に形成されて伸びる先端部６２とにより構成されている
。

斯かる水銀灯１の具体的設計の一例を下記に示す。

定格消費電力　　　５００Ｗ（５０Ｖ、ｌ０Ａ）陽極体
形状 胴部５１の外径Ｄ１４．０＋ｘ茂 先端面５２の直径Ｄ２２．０順 先端部５３の開き角α　　　　　　　９０度陰極体形状 柱状部６１の外径Ｊ）３　　　　　　　２．０＋ｕ電極
間距離、［、３，Ｏ０ 定格消費電力で点灯しているときの 封体内圧力　　　　　　　　　　　　１３気圧斯かる構
成の水銀灯を用いて上記の如き方法に基いて、半導体ウ
ェハー材料の露光を下記の条件で実際に行なったところ
、約４００時間の長期間に亘るまで初期の露光量が安定
して得られ、半導体ウェハー材料の良好な露光処理を行
なうことができた。

第１のステップ人の時間間隔　　約４００ｍ５ｅｃ第２
のステップＢの時間間隔　　約４００ｒｍ　ｓｅｃ第１
のステップＡにおける消費電力 初期は７００Ｗで４００時間経過したときにＩＫＷとな
るようにほぼ直線的に増加せしめた。

第２のステップＢにおける消費電力 初期から４００時間経過するまで５００Ｗに一定に維持
した。

以上第１図に示した構成例に基いて本発明方法を説明し
たが、本発明方法においては、上記構成例に限定されず
、水銀灯１を点灯するための点灯回路部３の構成、露光
用光学系の構成、ファンセタ１３を駆動するためのファ
ンモータ駆動回路１４の構成は種々変更が可能である。

例えば、（イ）冷却用ファン１２の回転速度の制御方式
は、用いるファンモータ１３の特性に応じて適宜選択す
ればよ（、周波数による制御方式の他に例えばトライア
ツクヤトランス或いは可変抵抗などによって電圧を変化
させて回転速度全制御するようにしてもよい。

←）　ファンモータ駆動回路１４の構成要素と点灯回路
部３の構成要素とが一部共用されていてもよい。

〔実施例の作用効果〕 以上の実施例によれば、次のような作用効果が奏される
。

（１）　　水銀灯の放射光が露光に利用されない期間に
おいては、水銀灯の消費電力が低レベルとなる第２のス
テップにより当該水銀灯を点灯するため、水銀灯による
４力の浪費を大幅に小さくすることができるうえシャッ
ターの過熱損傷を防止することができ、しかも水銀灯は
第２のステップにおける低レベルの消費電力に応じて設
計される大きさのものを用いることができるうえ第１の
ステップでは水銀灯の消費電力が高レベルとなるためこ
のとき必要な露光量を得ることができ従って半導体ウェ
ハー材料の露光をより小型な水銀灯で行なうことができ
、この結果露光装置の占有容積が小さくなりクリーンル
ームなどのメンテナンスに必要なコストが小さく、結局
半導体デバイスの製造コストを大幅に低減化することが
可能となる。

（２）　　そして、□水銀灯の点灯時間の経過に伴なう
放射光量の減衰を補償するよう当該水銀灯の点灯時間の
、経過に応じて徐々に消費電力を増加せしめた状態で第
１のステップｔ−繰返しこの第１のステップにおいて半
導体ウェハー材料の露光を行なうため、水銀灯において
電極の摩耗、電極物質の管壁付着による光透過率の低下
などが生じたときにおいても、消費電力の増加によって
光量不足が補償されるため依然として第１のステップに
おける水銀灯の放射光量を初期と同様に維持することが
でき、しかも、水銀灯の口金の温度を検出しながらこの
検出値に基いて当該口金の温度が一定となるように冷却
用ファンの回転速度を増減することにより、口金の温度
に応じた冷却風量で超高圧水銀灯の冷却を行なうため、
点灯中は、第１のステップ及び第２のステップの何れの
ときにおいても水銀灯の口金の温度が一定化されるよう
になるうえこれに伴ない口金以外の各部例えば封体の管
壁などの温度も常に好適な温度範囲内に維持でれるよう
になり、従って消費電力が高レベルであってその大きさ
が徐々に増加する第１のステップにおいては封体などの
過熱損傷力；発生せず、消費電力が低レベルとなる第２
のステップにおいては封体内の水銀の凝縮が発生せず、
この結果第１のステップにおける高レベルの消費電力と
第２のステップ＼における低レベルの消費電力との差を
十分大きなものとしながら水銀灯の冷却不良を防止する
ことができ、結局低いコストでしかも短い時間間隔で繰
返して行なわれる露光を長期間に亘り安定に実行するこ
とができる。

（３）　　そして、冷却風量の調整ヲ冷却用ファンの回
転速度、を変化させることにより行なうため、冷却風量
の調整可能幅が大きく、従って水銀灯の消費電力の大き
な変化に伴なう口金の温度変化に対しても冷却風ｍｔ容
易に適応せしめることができ、しかもダンパーなどの開
閉操作に裏って冷却風量の調整に行なう場合に生ずる機
械的な振動が発生しにくく、従って半導体の露光に悪影
ｄ’に与えずに冷却風量の調整を行なうことができる。

（４）　　そして、冷却用ファンの回転速度は実質的に
冷却用ファンと組合せて用いられるモータの回転速度ｔ
−制御すればよいので、簡単なファンモータ駆動回路を
用いることにより冷却用ファンの回転速度を口金の温度
に対して高い精度で容易に追随せしめることができる。

以上本発明方法全好適な実施例に従って説明したが、本
発明は上記実施例に限定されず、例えばステップ露光方
式以外の露光方式全採用する場合においても適用するこ
とができる。さらに露光中の光量を一定にするために公
知の定照度フィードバック制御回路を組合せてもよい。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明方法によれば、超高
圧水銀灯の放射光量の経時的減少を抑止することができ
ると共に超高圧水銀灯の冷却不良を防止することができ
て良好な露光を長期間に亘り安定に実行することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は露光装置の一例の概略を模式的に示す説明図、
第２図は第１のステップと第２のステップの繰返しによ
って変化する水銀灯の消費電力の波形の一例を示す説明
図、第３図は半導体ウエノ１−材料の被露光部の一部を
示す説明図、第４図は第１のステップにおける消費電力
が水銀灯の点灯時間の経過に応じて徐々に増加する状態
を示す説明図、第５図は水銀灯の一例を示す説明図、第
６図は第５図に示した水銀灯の要部を拡大して示す説明
図である。 １・・・水銀灯　　　　　　　　　　２・・・半導体ウ
ェハー材料３・・・点灯回路部　　　　　４．・・シャ
ッター５．６−・・反射鏡　　　　　　７・・・インテ
グレータ８−・・フィルター　　　　　　９・・・コン
デンサレンズ１０・・・フォトマスク　　　　１１・・
・縮小レンズ１２−・・冷却用７アン　　　　１３−・
・ファンモータ１４・・・ファンモータ駆動回路 １５・・・温度センサー ３１・・・整流・平滑回路　　　　３２・・・スイッチ
ング回路３３・・・ドライブ回路　　　　　３４・・・
パルス幅変調回路３５・・・増幅回路　　　　　　３６
・・・基準電圧源３８・・・電力演算回路 ３９・・・電圧・電流検出回路 ４０・・・インパータトランス

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）超高圧水銀灯を連続点灯した状態で当該水銀灯から
   放射される光により半導体ウェハー材料を露光する露光
   方法であつて、 前記水銀灯の点灯時間の経過に伴なう放射光量の減衰が
   補償されるよう当該水銀灯の点灯時間の経過に応じて徐
   々に消費電力が増加する状態で当該水銀灯を点灯し、 かつ、前記水銀灯の口金の温度を検出し、この検出値に
   基いて当該口金の温度が一定となるように冷却用ファン
   の回転速度を増減することにより、口金の温度に応じた
   冷却風量で前記水銀灯の冷却を行なうことを特徴とする
   超高圧水銀灯による半導体ウェハー材料の露光方法。