KR100433349B1 - 노광 장치에 사용되는 기체 정화 장치 및 기체 정화 방법과 노광장치 - Google Patents

노광 장치에 사용되는 기체 정화 장치 및 기체 정화 방법과 노광장치 Download PDF

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Abstract

공기 취입구에 화학적인 불순물을 제거하는 케미컬 필터를 설치하는 동시에, 케미컬 필터의 상류 측에 그 화학적인 불순물을 흡착하는 가스 센서를 설치하고, 가스 센서의 공진 주파수에 의거하여 케미컬 필터의 수명을 판정한다. 또는 케미컬 필터의 일부에, 화학적인 불순물의 제거 용량이 다른 부분보다도 낮은 특정 부분을 설치하는 동시에, 그 특정 부분의 하류 측에 화학적인 불순물을 검지하는 센서를 설치하고, 그 센서의 출력에 의거하여 케미컬 필터의 수명을 예측한다.

Description

노광 장치에 사용되는 기체 정화 장치 및 기체 정화 방법과 노광 장치
발명의 배경
본 발명은, 예를 들면, 반도체 디바이스, 액정 디스플레이, 박막 자기 헤드, 촬상 소자(CCD), 광자기 디스크 등의 마이크로 디바이스를 제조하는 포토리소그래피 공정에 사용되는 노광 장치에 관한 것으로서, 특히 노광 장치 내에 공급되는 공기중의 화학적 오염 물질을 제거하는 필터를 구비한 공기 정화 장치에 관한 것이다.
관련 배경 기술
종래에는, 방전 램프로부터의 광으로 물체를 조명하는 장치가 각종의 분야에서 각가지 용도로 사용되고 있다. 특히, 반도체 디바이스 등을 제조하는 포토리소그래피 공정에 사용되는 축소 투영형 노광 장치(스텝퍼, 얼라이너 등)에서는 초고압 수은 램프(Hg 램프, Xe-Hg 램프 등)에서 출력되는 광중, 특정 파장의 광(예를들면 365nm의 i 선, 436nm의 g 선 등)으로 레티클을 조명하는 장치가 사용되고 있다.
이와 같은 투영 광학 장치에서는 미세한 패턴을 높은 해상도로 감광 기판 위에 전사하기 위한 연구 개발이 진행되어 오고있다. 일반적으로, 투영 노광 장치의투영 광학계의 개구수를 NA, 노광 광의 파장을 λ라고 하면, 그 투영 노광 장치의 해상도 RT 및 초점 심도 DOF 는 다음과 같이 나타낼 수가 있다.
단, k1, k2는 각각 프로세스에 의해 결정되는 계수이다. 위 식에서 패턴의 미세화는 다음의 2 개의 방법중 하나의 방법에 의해 달성되는 것을 알 수 있다.
① 투영 광학계의 개구수 NA 의 확대
② 노광 광의 파장(노광 파장) λ의 단파장화
투영 광학계의 개구수 확대에 대해서는 개구수가 0.5 내지 0.65 의 투영 광학계가 실용화되고 이에 따라 해상도가 향상되고 있다. 그러나 단지 투영 광학계의 개구수 NA 를 크게 하면, (2) 식에서 명백해지는 바와 같이, 초점 심도 DOF 가 개구수 NA 의 자승에 반비례해서 적어지는 불합리함이 있다. 일반적으로 반도체 제조 프로세스에 있어서는, 앞 공정에서 단차가 생긴 웨이퍼(wafer) 위에 회로 패턴의 상(像)을 투영하는 일이 많고, 또한 웨이퍼의 평면도 오차 등이 존재하므로 초점심도 DOF 로서는 충분히 큰 값이 확보될 필요가 있다. 이에 대해서 노광 광을 단파장화하는 방식에서는, (2)식에서 명백해지는 바와 같이, 초점 심도 DOF 는 노광 광의 파장 λ에 비례해서 적어진다. 따라서, 노광 광의 단파장화에 의해 해상도를 향상시키는 편이 개구수 확대보다도 초점 심도 확보의 점에서 유리해진다.
이와 같은 배경에서, 투영 노광 장치에서는 노광 광으로서, 종래 사용되고있던 수은 램프의 g 선(파장 436nm)이라 칭하는 휘선에서, 현재에서는 같은 수은 램프의 i 선(파장 365nm)이라 불리는 휘선을 사용하는 것이 주류로 되어 있다.
제 13 도는 투영 노광 장치에 사용되는 초고압 수은 램프를 광원으로 하는 종래의 조명 광학 장치의 한 예를 도시한다. 제 13 도에 있어서 수은 램프(1)의 발광점은 타원경(2)의 제 1 초점 F1 위에 배치된다. 타원경(2)에는 수은 램프(1)의 전극부를 통과하는 개구가 형성되고, 타원경(2)의 내면에는 예를 들어, 알루미늄 또는 각종의 다층의 유전체 재료가 증착되고 그 내면이 반사면으로서 작용한다. 수은 램프(1)에서 방사되어서 타원경(2)에서 반사된 광 L 은 미러(3)에서 반사되어서 타원경(2)의 제 2 초점 F2 에 집광되고, 이 제 2 초점 F2 위에 광원상(光源像)이 형성된다. 미러(3)의 반사면에도 알루미늄 또는 각종의 많은 층의 유전체 재료가 증착되어 있다.
상기 광원상으로부터의 발산 광은 입력 렌즈(input lens)(4)에 의해 거의 평행한 광속으로 변환되어서 협대역의 밴드 패스 필터(파장 선택 소자)(5)에 입사한다. 밴드 패스 필터(5)에서 선택된 특정 파장의 광(예를 들면 i 선)이 옵티컬 인테그레이터(optical integrator)로서의 플라이 아이 렌즈(fly-eye lens)(6)에 입사되고, 플라이 아이 렌즈(6)의 뒤쪽(레티클 측) 초점면에 다수의 2차 광원(광원상)이 형성된다. 다수의 2차 광원으로부터의 발산 광은 각각 미러(7)에서 반사되고 콘덴서 렌즈(condenser lens)(8)에 의해 거의 평행한 광속으로 되어 레치클 R 위에서 중첩된다. 미러(7)의 반사면에도 알루미늄 또는 각종의 여러 층의 유전체 재료가 증착되어 있다.
제 13 도의 조명 광학 장치는 광로를 구부리기 위한 미러(3,7)에 의해 전체가 콤팩트하게 정리되어 있다. 또한, 타원경(2)의 내면과 미러(3,7)의 각 반사면은 각각 노광 광의 파장에서 최대의 반사율이 얻어지도록 설계되어 있다. 또한, 초고압 수은 램프(1)의 발광 스펙트럼 분포를 제 14 도에 도시한다. 또한, 표면에 알루미늄이 증착된 반사경의 반사율의 파장 의존성을 제 15A 도에 도시하고, 표면에 다층의 유전체막이 증착된 반사경의 반사율의 파장 의존성을 제 15B 도에 도시한다. 또한, 노광 광이 i 선 (파장 365nm)인 경우의 밴드 패스 필터(5)의 투과율의 파장 의존성을 제 16 도에 도시한다. 이 때문에, 수은 램프(1)에서 방사되어서 밴드 패스 필터(5)에서 선택된 노광 광(i 선)에 의해서만 레티클(R)이 균일한 조도로 조명되고, 또한 그 노광 광의 감쇠도 최소한으로 억제된다.
그런데, 종래의 조명 광학 장치에서는 수은 램프(1)에서 밴드 패스 필터(5)까지의 광학 부재(제 13 도에서는 타원경(2), 미러(3), 입력 렌즈(4), 밴드 패스 필터(5))의 표면이 흐려지고, 각 광학 부재의 반사율 또는 투과율이 차츰 저하하는, 즉 조명 광학 장치의 조명 효율(레티클 R 위에서의 조도)이 저하하는 불합리함이 있다. 광학 부재의 흐림은 그 표면에 특정한 물질이 부착하여 생기고, 이온 크로마토그래피법(ion chromatography)에 의한 분석의 결과, 하나의 특정 물질로는 황산암모늄((NH4)2SO4)이 있고, 그 특정 물질은 대부분의 경우 이 황산암모늄인 것으로 판명되고 있다.
또한, SEM(주사형 전자 현미경) 등으로 분석한 결과, 산화규소(SiOx)가 렌즈나 미러의 표면에 부착되는 일도 있다. 산화규소가 부착되어 있으면, 표면이 매끄럽지 못한 광학 부재에서는 그 표면에서 산란이 생기고, 표면이 매끄러운 광학 부재에서는 반사 방지막 또는 반사막이 적정 조건에서 벗어나므로 투과율 또는 반사율이 실질적으로 저하해서 조도 저하를 초래한다.
상술한 특정 물질은, 어떠한 원인으로 존재하는 암모늄 이온(NH4 +) 및 황산이온(SO4 2-), 혹은 유기 실라놀(Silanol)이, 원자외광(UV 광)의 조사에 의해 광화학 반응을 일으켜서 생성된 것으로 생각된다. 이들의 이온, 또는 화합물 분자는 조명 광학 장치에서 유지 부재나 차폐 부재로서 많이 사용되는 블랙 아루마이트(black anodized aluminum)(BAm)재의 표면에서 발생한 것, 또는 투영 노광 장치가 설치되는 클린룸 내의 공기중에 원래부터 존재하거나, 혹은 UV 광의 조사에 의해 이온화한 것으로 생각되어 왔었다. 블랙 아루마이트재의 경우 디아존 염료(diazo dye)가 사용되고 있고, 더욱이 블랙 아루마이트 처리 공정에서 황산을 사용하기 위해 황화암모늄의 구성 물질인 암모늄기 및 황산기의 발생원으로 될 수 있다.
여기에서, 질소(N2) 분위기, 산소(O2) 분위기 및 수증기를 많이 포함한 공기분위기 아래의 블랙 아루마이트재에 각각 UV 광을 조사해서, 광학 부재의 오염을 측정하였다. 그 결과 증기 분위기 중에서 가장 많은 암모늄기 및 황산기가 발생하고, 이어서 산소 분위기 중에서 이들의 이온이 많이 발생하였다. 즉, 공기중의 수증기의 개재에 의해 광학 부재의 오염이 촉진될 가능성이 높은 것이 확인되었다.
또한, 산소(O2)에 UV광을 조사하면 반응성이 높은 오존으로 되고, 이 오존이 유지 부재 등의 벽면으로부터의 이온 발생이나 공기중의 가스의 이온화를 촉진하고 있는 것도 고려된다. 그러나, 산화규소의 발생원은 조명 광학 장치 내에서 볼 수가 없었다.
또한, 조명 광학 장치의 더러워진 정도의 설치 환경 의존성을 조사한 결과, 클린룸 내에서는 암모늄기, 황산기, 질산기의 이온 물질이 많이 존재하고 있음이 확인되고, 장소에 따라서는 HMDS(hexamethyldisiloxane), 트라이메틸실라놀(trimethylsilanol) 등의 유기 실란이 많이 검출되었다. HMDS는 웨이퍼 위에 감광 재료를 칠할 때에 표면 처리재로서 주로 사용되는 재료이고, 트라이메틸실라놀은 HMDS가 가수 분해해서 되는 물질이다. 조사 결과, 광학 부재를 흐리게 하는 특정 물질의 양과 설치 환경 하의 상기 불순물의 양 사이에는 매우 양호한 상관 관계가 있는 것을 알 수 있었다.
이상과 같이 광학 부재의 더러워진 정도, 상황을 상세히 검토한 결과, 광학 부재를 흐리게 하는 특정물질의 발생원은 장치 내에 있는 것은 아니고, 장치를 설치하는 환경에 있는 것이 판명되었다.
근래에는, 반도체 집적 회로는 집적도가 더욱 높아지고 회로의 최소 선폭을 서브미크론으로 형성하는 것이 요구되고 있다. 이와 같은 서브미크론화에 대응하는 미세화 기술의 하나로서 반도체 집적 회로 작성용의 투영 노광 장치로 사용하는 노광 광의 단파장화가 있다. 현재, 단파장의 노광 광으로서는 파장 248nm 의 KrF 엑시머 레이저(excimer laser), 티탄 사파리어 레이저의 고조파, YAG 레이저의 4배의 고조파(파장 266nm) 또는 5배 고조파(파장 213nm), 혹은 파장 193nm 의 ArF 엑시머 레이저 등이 주목되고 있다.
그런데, g 선, i 선 등의 비교적 파장이 긴 노광 광을 사용하는 투영 노광 장치에서는, 웨이퍼 위에 도포되는, 노보락계(novolak-base)라 불리는 노보락 수지와 감광 재료로 이루어지는 포토레지스트(감광성 수지)에, 레티클의 패턴의 상을 전사하고 있다. 그러나, 노광 광이 단파장화되는, 예를 들면 KrF 엑시머 레이저(파장 248nm)가 노광 광으로서 사용되면, 수지의 광 흡수가 증대하는 등의 이유에서, 종래의 노보락계 포토레지스트에서는 형상이 좋은 패턴을 형성할 수가 없다.
그래서, 엑시머 레이저 등의 단파장 광을 사용하는 노광 장치를 향해서, 패턴 형성 특성, 해상력 등의 특성이 뛰어난, 화학 증폭형이라 불리는 새로운 형태의 포토레지스트가 개발되어 있다. 화학 증폭형 포토레지스트는, 일반적으로 수지, 감광성의 산 발생제, 및 용해 촉진제 또는 가교제 등으로 이루어지고, 노광에 의해 산 발생제로부터 산이 발생되고, 노광 후의 베이킹(baking)(PEB)시에 그 산이 촉매로 되어 용해 촉진제 또는 가교제의 반응을 촉진하고, 현상에 의해 패턴을 형성하는 것이다. 용해 촉진제를 사용한 것은 포지티브형의 패턴을 형성하고, 가교제를 사용한 것은 네거티브형의 패턴을 형성한다.
그러나, 화학 증폭형 포토레지스트는 해상력의 점에서 뛰어나나, PEB 에 있어서, 노광에 의해 발생한 산의 촉매 작용의 제어가 어렵고, 안정성 결여 문제가 있다. 특히, 포지티브형 포토레지스트에서는, 노광 장치와 PEB 장치 사이의 분위기중에 암모니아나 아민(amine) 등의 염기성 가스가 존재하면, 노광에 의해 발생한 산이 염기성 가스와 반응해서 중화된다. 이 때문에, 본래는 현상액에 용해해야 할 부분이 난용화하는, 말하자면 난용화 현상도 생긴다. 난용화층이 형성되면, 현상에 의해 형성되는 패턴이 상부에 챙을 갖는 T형으로 되는, 말하자면 T톱(T-top) 현상이 생겨, 에칭 등의 후 공정에서 큰 지장을 일으킨다. 그러나, 클린룸 내에는 염기성 가스가 존재하고 있는 일이 적지 않다. 이것이 화학 증폭형 포토레지스트의 사용을 방해하는 한 원인으로 되어 있다. 바꾸어 말하면, 광학 부재를 흐리게 하는 그 표면에 생성되는 물질의 발생원이 되는 물질(암모니아 등)이 화학 증폭형 포토레지스트의 사용을 곤란하게 하고 있다.
그런데, 종래부터 조명 광학 장치 내를 유통하는 공기용 필터로서, 먼지 제거용의 HEPA 필터(high Efficiency Particulate Air Filter)가 사용되고 있다. 또한, 황산암모늄의 분해가 120˚C 정도에서 시작하는 것을 이용하고, 광학 요소(예를 들면 타원경)를 해당 온도 이상으로 유지하므로서 황산암모늄의 부착을 회피하는 종래의 장치가 미국 특허 제 5,207,505 호에 개시되어 있다.
그러나, HEPA 필터는 파티클(particles)을 제거하는 것이기 때문에, 상술한 광화학 반응을 유발시키는 암모니아(암모늄 이온), 황산 이온, 산화규소 등의 불순물을 제거할 수는 없다. 또한, 광학 요소를 소정의 온도 이상으로 보존하는 수법에 관해서는, 수은 램프라는 큰 「열원」에 근접하는 타원경은 비교적 용이하게 고온화가 가능하나, 그 밖의 광학 요소에서는 새로운 큰 열원이 필요하게 된다. 따라서, 특히 엄중한 온도 관리를 필요로 하는 반도체 디바이스 등을 제조하기 위한 노광 장치로서는 그 배열(heat exhaust) 방법이 문제로 된다.
그래서, 광원과 몇 개의 광학 요소를 용기에 수납하고, 이 용기 내에 이온 입자를 제거한 기체를 공급해서 상기 광학 요소의 흐름을 방지하는 종래의 장치가 일본특허공개공보 평4-139453호, 미국특허공보 제 5,166,530 호에 개시되어 있다. 또한, 황산암모늄((NH4)2SO4)의 부착, 또는 화학 증폭형 포토레지스트에 있어서 난용화층의 형성을 회피하기 위해 화학 흡착 기구를 갖는 필터(소위 케미컬 필터)를 사용해서, 노광 장치를 수납하는 챔버 내를 순환하는 공기중의 암모니아, 황산 이온 등을 제거하는 장치가, 본 출원인에 의한 미국출원번호 제 083,287 호(1993.6.29)에 개시되어 있다.
제 17 도는 공조 시스템을 구비한 종래의 노광 장치의 개략적인 구성을 도시한다. 제 17 도에서 광원 유닛(수은 램프, 타원경 등을 포함)를 수납하는 램프 박스(하우징)(201)는 노광 장치 본체부(조명 광학계, 투영 광학계를 포함)(207) 및 공조 시스템(203)을 수납하는 챔버(202)의 외측에 배치된다. 램프 박스(201)내의 광원에서 사출된 광은 미러 등에 의해 챔버(202)내의 조명 광학계(도시 않음)에 유도되어, 조명 광학계는 그 광으로 레티클 R 을 조명한다. 레티클 R 을 통과한 광은 투영 광학계 PL 에 입사하고, 투영 광학계 PL 은 레티클 R 위의 패턴의 상을 웨이퍼 위에 투영한다.
노광 장치의 본체부(207)에 청정한 공기를 공급하는 공조 시스템(203)은, 챔버(202)내에서 그 본체부(207)와 칸막이 설치됨(partitioned))과 함께,온조기(204), 팬(205) 및 필터 유닛(206)으로 구성된다. 필터 유닛(206)은 HEPA 필터(206a)와 케미컬 필터(206b)로 구성된다. 공조 시스템(203)은 온조기(204)에 의해 온도 제어된 공기를 팬(205)에 의해 일정한 풍속으로 본체부(207)에 공급한다. 이때 온도 제어된 공기는 HEPA 필터(206a)에 의해 파티클 등의 오염 물질이 제거됨과 함께, 케미컬 필터(206b)에 의해 암모니아, 황산 이온 등의 화학적 불순물이 제거되고, 일정의 청정도가 유지된다. 또한, HEPA 필터(206a) 및 케미컬 필터(206b)는 각각 일정 기간마다 혹은 소정의 청정도가 유지할 수 없게 되면 교환된다.
제 18 도는 제 17 도의 공조 시스템에 사용하는 종래의 케미컬 필터의 단면도이다. 제 18 도에 있어서 케미컬 필터(206b)는 흡착재로서 활성탄이 사용되고, 또한 화학적인 불순물의 흡착 효율을 높이기 위해 그의 활성탄이 화학처리 되어 있다. 또한, 제 18 도 중의 화살표(207)는 공기의 흐름을 표시하고 있다. 화학적인 불순물을 포함하는 공기가 케미컬 필터(206b)를 통과하면, 필터 내부에서 활성탄에 의한 물리 흡착, 및 화학 흡착(중화 반응) 기구에 의해 화학적인 불순물이 제거되고, 공기가 화학적으로 불활성화 되도록 되어 있다.
그러나, 조명 광학계를 구성하는 광학 요소의 흐림 및 화학 증폭형 포토레지트에서의 T 톱 현상은, 불순물 가스 농도가 매우 낮아도 일어나는 것이 알려져 있다. 특히, 암모니아는 수 ppb 존재하는 것만으로 T 톱 현상이 발생하므로, 그것의 농도를 1ppb 이하로 억제하는 것이 요구된다. 이에 대해서 노광 장치가 설치되는 클린룸 내의 평균적인 암모니아 농도는 수 ppb ∼ 수십 ppb 이고, 현재 시판되고 있는 케미컬 필터에서는 최악의 경우 수개월 정도에 포화되므로, 케미컬 필터를 정기적으로 교환할 필요가 있다.
그러나, 케미컬 필터의 수명은 사용되는 환경에 크게 의존한다. 또한, 반도체 제조 공장의 클린룸에 있어서의 공기중의 불순물 가스 농도는 일정하다고는 하기 어렵고, 제조 장치의 가동 상황, 공정의 내용, 작업자의 수, 공장 주위의 환경이나 계절 등에 따라 크게 변동한다. 그 때문에 케미컬 필터로의 통기량이 일정할지라도 케미컬 필터를 통과하는 불순물의 양은 변동한다.
여기에서, 케미컬 필터의 교환 시기를 알기 위해, 케미컬 필터에 대해서 하류 측에 가스 센서를 설치하고, 가스 농도가 소정치를 초과한 시점에서 케미컬 필터를 교환하는 것이 고려된다. 그러나, 현재 시판되고 있는 가스 센서의 측정 성능은 1ppm 정도(암모니아 센서에서도 10ppm 정도)이므로, 가스 센서를 사용해서 케미컬 필터의 수명 진단을 행하는 일은 실용상 무리이다. 또한, 수명이 다하기 전에 케미컬 필터를 조기에 교환해 가는 일도 고려되나, 노광 장치의 유지비(런닝 코스트(running cost))가 높아지는 문제가 있다.
또한, 1ppb 정도의 저농도를 측정하는 방법으로서 이온 크로마토그래피법(ion chromatography)이나 가스 크로마토그래피법이 공지되어 있으나, 노광 장치의 주위의 가스 농도로부터 케미컬 필터의 수명을 판단하려면 많은 시간과 경비를 필요로 한다는 불합리함이 있다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 기체로부터 화학적인 불순물을 제거하는 필터 장치의 수명을 간단 용이하고 또한 정확하게 판정할 수 있는 기체 정화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기체로부터 화학적인 불순물을 제거하는 필터 장치의 수명을 간단 용이하고 또한 정확하게 판정할 수 있는 노광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 조명 광학계를 구성하는 광학 요소의 흐림, 또는 화학 증폭형 포토레지스트에서의 T 톱을 실질적으로 발생시키지 않는 노광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 제 1 기체 정화 장치는, 기체로부터 화학적인 물질을 제거하는 필터 장치와, 이 필터 장치에 대해서 그 기체의 유입 측에 배치되는, 그 화학적인 물질을 흡착하는 흡착 부재와, 이 흡착된 화학적인 물질의 양을 계측하고 이 계측된 물질의 양에 의거해서 필터 장치의 수명을 판정하는 판정 장치를 갖는다.
본 발명에 의한 제 1 노광 장치는, 광원으로부터의 조명광으로 마스크를 조사하는 조명 광학계의 적어도 일부와, 마스크의 패턴의 상을 감광 기판 위에 투영하는 투영 광학계를 수납하는 챔버와, 챔버 내에 도입된 기체(공기)를 순환시키는 공조기와, 챔버 내의 공기 순환 경로와 챔버의 외기 도입구의 적어도 한편에 설치되는, 그 공기로부터 화학적인 불순물을 제거하는 필터 장치와, 이 필터 장치에 대해서 그 공기의 유입 측에 배치되는, 그 화학적인 물질을 흡착하는 부재와, 이 흡착된 화학적인 물질의 양을 계측하고, 이 계측된 물질의 양에 의거해서 필터 장치의 수명을 판정하는 장치를 갖는다.
기체(공기)로부터 제거되는 화학적인 물질은, 암모니아(암모늄 이온을포함), 아민계 화합물(아민 이온을 포함함), 황산 산화물(아황산 이온, 황산 이온을 포함함) 및 규소 산화물(산화 규소 이온을 포함함)중 적어도 1 개이다. 더욱이 계측 장치는, 그 흡착 부재의 공진 주파수를 검출하는 주파수 검출기와, 이 주파수 검출기의 출력에 의거해서 흡착 부재에 흡착된 물질의 양을 산출하는 연산기로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 기체에서 파티클(먼지 입자)을 제거하는 필터를 더 설치하는 것이 바람직하고, 특히 필터 장치의 기체 배출구에 그 필터를 설치하면된다.
본 발명의 제 1 장치에 의하면, 필터 장치에 의해 기체(공기)에서 화학적인 불순물(이온, 유기 가스)을 제거하고, 이 불순물이 제거된 청정한 기체가 예를 들면 마스크 위의 패턴의 상으로 감광 기판을 노광하는 노광 장치에 보내진다. 특히 노광 장치에서는, 챔버 내로 유입하는 공기(또는 챔버 내로 유입해서 장치 본체에 공급되는, 온도 제어된 공기)로부터, 마스크를 광 빔(i 선, 엑시머 레이저 등)으로 조사하는 조명 광학 장치의 광학 요소의 희고 탁함(흐림)의 원인이 되는 암모늄 이온(NH4 +), 산화 규소 이온(SiO4 2-), 또는 그들 이온의 발생원이 되는 유기 가스 등이 제거된다. 이 때문에 노광 장치(챔버)내로 유입하는 이온이나 유기 가스가 대폭적으로 감소하고, 광학 요소의 흐림의 진행을 극단적으로 늦어지게 할 수 있음과 함께 화학 증폭형 포토레지스트(특히 포지티브형)의 사용에 있어서는 염기성 가스(예를 들면 암모니아)가 제거되고, T 톱의 발생이 억제되는 이점도 있다.
그런데, 필터 장치의 수명을 판정하려면, 필터 통과 후의 기체에 포함되는불순물 가스의 농도를 측정하는 일이 고려된다. 여기에서 문제로 하고 있는 필터 장치의 수명이란 필터 통과후의 기체중의 불순물 가스 농도가 예를 들면 ppb 보다도 커지는 시점을 말한다. T 톱 현상을 억제하기 위해 암모니아를 제거하는 경우에 관해서 말하자면, 필터 통과 후의 가스 농도가 1ppb 이상으로 된 시점이 그 필터 장치의 수명으로 고려된다. 현재에 있어서, 암모니아 농도를 1ppb 전후에서 측정하는 방법은 이온 크로마토그래피법 밖에 없으나, 이 방법에서는 샘플링 시간을 수 시간 필요로 하고, 또한 1 회의 분석에 요하는 비용도 고가여서 필터 수명의 판정법으로서는 실용적인 방법은 아니다. 다른 이온이나 유기 가스에 대해서도 같다고 말할 수 있다.
이에 대해서 본 발명에서는, 필터 장치의 상류 측에 설치한 흡착 부재에 부착된 불순물의 양으로부터 필터 장치의 수명을 판정하므로, 극히 미량의 가스(저농도 가스)라도 고분해능(예를 들면 ppm 오더)으로 검출할 수가 있고, 필터 장치의 하류측에서 가스 농도를 측정하는 경우에 비해서 필터 장치의 수명을 정확하게 판정할 수가 있다. 또한, 필터 장치의 정확한 수명 판단을 행함으로써, 화학적 청정도가 낮은 환경 하에 있어서도 높은 효율로 광학 요소의 흐림을 저감할 수가 있게 된다. 또한, 필터 장치를 안전면에서 조기(수명이 다하기 전) 파기하는 일이 없어지기 때문에, 런닝 코스트의 저감도 도모할 수가 있다. 또한, 필터 장치의 재질 등을 적당히 선택하므로서, 장래 문제로 될 가능성이 있는, 그 밖의 미량 가스에도 대응이 가능해진다.
또한, 흡착 부재의 공진 주파수로부터 필터 장치의 수명을 판정하는 경우는,흡착 부재에 부착된 불순물을 채취하는 등의 번거로운 작업이 불필요하고, 더욱이 필터 장치를 통과하는 불순물의 양에 비례해서 흡착 부재의 공진 주파수가 변화하므로, 그 주파수를 상시 또는 수시 측정해서 그것의 변화량을 구하는 것만으로, 필터 장치에 유입하는 불순물의 양(적산치), 나아가서는 필터 장치의 수명이 판정된다.
또한, 필터 장치의 기체 배출구에 먼지 제거용 필터를 설치하면 광학 요소에 악영향을 주는 금속 분말 등의 미세한 먼지 성분이 제거됨과 함께 그 필터 장치로부터 발생할 우려가 있는 먼지도 제거된다.
또한, 예를 들면 반도체 디바이스를 제조하기 위한 노광 장치를 외부공기와 격리해서 수납하는 챔버의 외기 도입구에 필터 장치(및 흡착 부재)를 설치하면, 챔버 내에 도입되는 공기중의 화학적인 불순물(이온, 유기 가스)이 대폭적으로 감소하므로, 광학 요소의 오염(흐림)이 방지될 뿐만 아니라, 노광시의 웨이퍼 위에서의 아민 가스와 화학 증폭형 포지티브 레지스트의 피노광부와의 반응도 저감된다. 이에 따라서 화학 증폭형 포지티브 레지스트에서의 표면 난용화, 나아가서는 레지스트 패턴의 T 톱 현상을 방지할 수가 있다.
본 발명의 제 2 기체 정화 장치는, 기체에서 오염 물질(화학적인 불순물)을 제거하는 필터 장치의 일부에, 오염 제거 용량이 다른 부분보다도 낮은 특정 부분을 설치함과 동시에, 그 특정 부분의 하류 측에 오염 물질을 검지하는 장치를 배치한다.
본 발명에 의한 제 2 노광 장치는, 광원으로부터의 조명광으로 마스크를 조사하는 조명 광학계의 적어도 일부와, 마스크의 패턴의 상을 감광 기관 위에 투영하는 투영 광학계를 수납하는 챔버와, 챔버 내에 도입된 기체(공기)를 순환시키는 공조기와, 챔버 내의 공기 순환 경로와 챔버의 외기 도입구의 적어도 한편에 설치되는, 그 공기로부터 오염 물질을 제거하는 필터 장치를 갖고, 이 필터 장치의 일부에, 오염 제거 용량이 다른 부분보다도 낮은 특정 부분을 설치함과 함께, 그 특정 부분의 하류 측에 오염 물질을 검지하는 장치를 배치한다.
또한, 필터 장치의 오염 제거 용량이 낮은 특정 부분에는 그 특정 부분의 오염 제거 용량을 다른 부분보다도 낮게 하므로서 생기는 압력 손실을 보상하기 위한 부하 부재를 설치하는 일이 바람직하다.
본 발명의 제 2 장치에서는, 필터 장치의 일부에 오염 제거 용량을 다른 부분보다도 낮게 한 특정 부분을 설치하고 있으므로, 예를 들어 반도체 제조 장치가 설치된 클린룸에서 계속적으로 사용되면 그 특정 부분은 다른 부분보다도 빨리 포화하여 오염 물질이 많이 통과하도록 된다. 따라서 필터 장치에 대해서 그 특정 부분의 하류 측에 오염 물질을 검지하는 장치를 설치하고, 그 특정 부분을 통과하는 오염 물질을 모니터하므로서, 필터 장치 전체의 수명을 정확히 또 용이하게 예측할 수가 있다. 이 때문에 필터 장치가 그것의 전체로 포화해서 파과(破過)가 일어나기 (수명이 다함)기 전에 있어서, 필터 장치를 쓸모 없게 하지 않는 적절한 시기에, 필터 장치를 교환할 수 있다. 특히, 화학 증폭형 포지티브 레지스트가 도포된 기판을 노광하는 노광 장치에서는, 예를 들면 공기중의 염기성 물질(암모니아 등)을 제거, 또는 불활성화 하는 필터 장치의 교환 시기를 놓치는 일이 없어지므로, 염기성물질이 필터 장치를 통과해서 챔버(노광 장치)내에 유입하는 일이 없고, 즉 염기성 물질이 그 포지티브 레지스트와 반응해서 그 표면을 난용화하는 것을 회피할 수 있다.
또한, 오염 제거 용량을 다른 부분보다도 낮게 한 필터 장치의 특정 부분에서는, 공기 역학적 부하 저항(압력 손실)이 상대적으로 적어지므로, 그것의 특정 부분에는 다른 부분보다도 많은 증기가 유입되게 된다. 이 결과 필터 장치의 특정 부분이 가속적으로 포화하여 수명에 도달해 버리는 일이 있다. 이와 같은 경우 필터 장치 전체의 수명을 정확하게 예측하는 일이 곤란해지나, 본 발명에서는 부하 부재(예를 들면 화학적으로는 불활성인 필터)를 설치해서 압력 손실을 보상하므로, 필터 장치의 교환 시기를 정확하게 예측할 수 있다.
또한, 본 발명의 필터 장치에 의한 오염 물질(화학적인 불순물)의 제거는 그 오염 물질을 불활성화 하는 것도 포함한다.
양호한 실시예의 설명
제 1 도 내지 제 3B 도를 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 의한 노광 장치에 가장 적합한 필터 장치(기체 정화 장치)에 대해 설명한다. 본 실시예는 반도체 디바이스 제조용의 투영 장치를 구성하는 조명 광학 장치에 본 발명을 적용한 것이다. 제 1 도는 본 실시예에 의한 초고압 수은 램프를 광원으로 하는 조명 광학 장치의 광학계의 개략적인 구성을 표시하고, 제 13 도와 같은 기능, 작용의 부재에는 동일한 부호를 병기한다.
제 1 도에 있어서, 타원경(2)의 제 1 초점에 배치되는 수은 램프(1)로부터방사된 광은, 타원경(2)의 내면(알루미늄 또는 다층 유전체막이 증착된 반사면)에서 반사되어서 광로 구브림용의 미러(3)로 향한다. 본 실시예에 있어서 미러(3)는 자외광은 반사하고, 또한 가시광 및 적외광은 통과시키는 다이크로익 미러(dichroic mirror)이다. 미러(3)에서 반사된 광(자외광)은 타원경(2)의 제 2 초점에서 집광되어서 입력 렌즈(4)에 입사한다. 입력 렌즈(4)는 제 2 초점(광원상)으로부터의 발산 광을 거의 평행한 광속으로 변환해서 밴드 패스 필터(파장 선택 소자)(5)에 입사시킨다. 밴드 패스 필터(5)로서는 예를 들면 간섭 필터가 사용된다.
밴드 패스 필터(5)는 수은 램프(1)로부터의 광(자외광)에서 특정 파장의 광, 예를 들면 파장 365nm 의 i 선을 선택하고 밴드 패스 필터(5)에서 선택된 조명 광(i 선)만이 플라이 아이 렌즈(6)에 입사한다. 플라이 아이 렌즈(6)는 그 뒤쪽(레티클 측) 초점면이 레티클의 패턴면과 실질적으로 퓨리에 변환의 관계를 이루는 면에 배치되어 있고, 또한 그 뒷측 초점면에 다수의 광원상(2차 광원)을 형성한다. 플라이 아이 렌즈(6)에 의해 형성되는 다수의 2차 광원상으로부터의 광은 각각 도시하지 않은 릴레이 렌즈계에 입사한다. 이 릴레이 렌즈계는 제 13 도의 플라이 아이 렌즈(6)와 콘덴서 렌즈(8)와의 사이에 배치되고 레티클의 패턴면과 실질적으로 공역인 면을 생성하기 위한 렌즈계이다.
도시하지 않았지만, 미러(3)를 투과한 광(가시광 및 적외광)은 램프 모니터, 웨이퍼 글로벌 얼라인먼트(WGA) 광학계, 및 오토 포커스(AF) 광학계에 유도된다. 램프 모니터는 수은 램프(1)의 발광량을 모니터하기 위한 광전 변환기, WGA 광학계는 레티클의 패턴이 투영되는 웨이퍼의 글로벌 얼라인먼트를 행하기 위한 광학계, AF 광학계는 포토레지스트에 대해서 비감광성의 검출광을 웨이퍼 위에 비스듬히 조사해서 웨이퍼의 포커스 위치를 검출하기 위한 광학계이다.
그런데, 제 1 도 중에서, ★표를 붙인 면, 즉 타원경(2)의 내면, 미러(3)의 반사면, 입력 렌즈(4)의 양면 및 밴드 패스 필터(5)의 입사면이 흐림 방지 대책을 강구하지 않은 경우에 흐림이 생긴 면이다. 이제까지, 밴드 패스 필터(5)보다도 레티클 측의 광학 요소에서는 현저한 흐림이 생기지 않았다. 이에 따라 흐림은 365nm미만의 파장 영역의 광이 관여하는 광화학 반응인 것이 상정될 수 있다.
본 실시예에서는, 타원경(2)에서 밴드 패스 필터(5)까지의 흐림 현상이 생기는, 타원경(2)을 제외한 각 광학 요소에, 화학적으로 청정한 공기로 이루어지는 에어커텐을 형성해서, 화학적인 청정도가 낮은 분위기로부터 광학 요소를 차단하여 격리한다. 화학적으로 청정한 공기란 케미컬 필터라 칭하는 불순물 제거 필터를 사용해서 광학 요소에 흐림을 발생시키는 물질, 특히 암모니아 이온(또는 암모니아)이나 황산이온 등을 화학 흡착 기구에 의해 제거하고, 유기 실라놀(organic silanol) 등을 물리 흡착 기구에 의해 제거한 것이다.
또한, 케미컬 필터에 공기를 통과시키는 방법으로서, 특히 발진(發塵)이 문제로 되는 경우에는 케미컬 필터, 먼지 제거용의 HEPA 필터(또는 ULPA 필터), 및 송풍용의 팬 등을 유닛화하는 방법이 있다. 이 경우, 케미컬 필터를 효율적으로 사용하기 위해 공기의 흐름을 케미컬 필터 전체면에서 균일화하는 것이 바람직하다. 또한, 케미컬 필터를 통과한 공기의, 파티클(먼지 입자)에 관한 청정도가 문제로되지 않은 경우나, 1차측 공기, 케미컬 필터 및 송풍 팬의 발진이 문제로 되지 아니할 정도로 낮은 경우는, 그 구성에서 HEPA 필터를 제외해도 상관없다. 또한, 1차 측 공기에 충분한 양압이 있는 경우나 2차측에 충분한 음압이 있는 경우는, 다시 송풍 팬을 상기 구성에서 제외해도 관계없다.
또한, 화학적으로 청정한 공기에 의한 에어커텐은 각 광학 요소마다 개별적으로 형성해도 좋고, 혹은 서로 근접한 복수개의 광학 요소에 대해서 정리해서 광범위하게 에어카텐을 형성해도 좋다. 제 1 도에서는, 입력 렌즈(4)만에 대해서 에어커텐을 형성한 예를 도시하고 있고, 다른 광학 요소에 대해서 에어커텐을 형성하는 기구는 도시를 생략하고 있다.
본 실시예에서는 제 1 도에 도시하는 바와 같이, 온조 유닛(도시 아니함)에서 공급되는 온도 제어된 공기를 파이프(34)를 거쳐서 케미컬 필터(42)(제 2 도 참조)가 탑재된 필터 유닛(35)에 유도한다. 그래서, 필터 유닛(35)에서 불순물이 제거된 청정한 공기를 송풍 팬(45), HEPA 필터(44) 및 파이프(36)를 거쳐서 에어커텐 형성용의 취출구(吹出口)(37)로 유도하고, 취출구(37)에서 입력 렌즈(4)의 주위에 청정한 공기를 내뿜는다. 상기 취출구(37)는 조명 광로의 방해가 되지 않도록 배치되어 있다.
즉, 본 실시예에서는 필터 유닛(35)의 하류측에 HEPA 필터(44)가 설치되어 있다. 또한, HEPA 필터(44)에서는 압력 손실이 크므로, 그 앞(쌍류측)에 송풍 팬(45)이 설치되어 있다. 다만, 상술한 바와 같이 케미컬 필터(42)를 통과한 공기의, 파티클(먼지 입자)에 관한 청정도가 문제로 되지 않은 경우나, 1차측 공기, 케미컬 필터(42), 및 송풍 팬(45)에서의 발진이 문제로 되지 않을 정도로 낮은 경우는, 그 구성에서 HEPA 필터(44)를 제외해도 상관없다. 또한, 1차측 공기에 충분한 양압이 있는 경우나 2차 측에 충분한 음압이 있는 경우는 또한 송풍 팬(45)을 상기한 구성에서 제외해도 상관이 없다.
다만, 노광 장치는 파티클에 관한 청정도가 엄격하고, 통상은 HEPA 필터(44)가 사용되므로 HEPA 필터(44)에서의 압력 손실을 고려해서 1차측의 공기는 송풍 팬(45)등으로 2차측으로 압송한다. 이때 HEPA 필터를 통과한 공기에 배관 등으로부터의 불순물이 혼입하지 않도록 파이프(36) 등의 재질의 선정에 유의 할 필요가 있다. 또한, 2차 측의 공기의 끌어당김은 가급적 행하지 아니하는 것이 바람직하다.
또한, 광학 요소의 흐림의 생성 요인이 되는 이온의 발생을 억제하기 위해서는 발생원으로 되어 있는 유지 부재 및 차폐 부재의 재료를 변경하고, 또한 산소(O2)의 영향을 적게 하기 위해 공기 대신에 고순도의 질소 가스(N2)를 흐르게 하는 것이 고려된다. 단, 조명 광학계에 질소(N2)가스를 흐르게 하기 위해서는 상당량의 질소(N2)가 필요하므로 조명 광학 장치의 배기 관리를 철저히 할 필요가 있다.
또한, 본 실시예에서는, 수은 램프(1), 타원경(2) 및 미러(3)를 덮도록, 조명 광학계에 덕트(39)가 부착되고, 타원경(2)의 단부 근처의 덕트(39)의 취출 구멍(39a)으로부터, 시로코 팬(sirocco fan) 등을 거쳐서 수은 램프(1)의 냉각용의 공기류(40)가 공급되고, 이 공기류(40)는 타원경(2)의 저부의 덕트(39)의 배기 구멍(39b)으로부터 강제적으로 배기된다. 또한, 덕트(39)에 타원경(2)과 미러(3)와의사이에, 수은 램프(1)로부터의 광을 통과시키는 개구를 갖는 칸막이 판(41)이 고정되고, 입력 렌즈(4)측의 덕트(39)의 개구(39c)로부터 유입한 공기가, 칸막이 판(41)의 개구를 거쳐서 배출 구멍(39b)으로부터 강제 배기된다. 또한, 미러(3)를 투과한 램프 모니터, WGA 광학계, 및 AF 광학계용의 광은 덕트(39)의 투과 창을 거쳐서 외부로 끌어내어지도록 되어 있다.
이 경우 타원경(2)에는 수은 램프(1)로부터의 열이 조사됨과 함께 타원경(2)부근에 다량의 냉각용의 공기류(40)가 존재하기 때문에 여기에 에어 커텐을 친다는 것은 곤란하다. 그 때문에 타원경(2)에 관해서는 온도 콘트롤에 의해 황산 암모늄의 부착을 방지한다. 화학 요소로의 황산 암모늄((NH4)2SO4) 부착을 회피하기 위한 온도 콘트롤이란, 미국 특허 제 5,207, 505 호에 개시되어 있는 바와 같이 황산 암모늄의 분해가 120˚C 정도로부터 시작되는 것을 이용해서 그 화학 요소를 해당 온도이상으로 유지하는 방법이다. 큰 열원인 수은 램프(1)에 근접하는 타원경(2)은 비교적 용이하게 고온화가 가능하다.
제 2 도는 제 1 도의 필터 유닛(35)의 내부 구조를 확대해서 도시하는 개략적인 구성도이다. 제 2 도에 있어서 통 형상의 케이싱(51)의 가운데쯤에 케미컬 필터(42)가 고정되고 케미컬 필터(42)의 상류측의 케이싱(51a)내에는 유체 가스 중의 소정의 물질의 적산 유량을 계측하는 가스 센서(43)가 배치되어 있다. 이 가스 센서(43)는 수정 진동자(AT 컷트 타입)(43a) 및 이 진동자(43a)의 표면에 도포된 흡착막(43b)으로 구성된다. 수정 진동자(43a)의 일단에는 트랜스듀서(52)가 설치되고트랜스듀서(52)는 수정 진동자(43a)를 끼는 전극판 및 수정 진동자(43a)의 진동을 전기 신호로 변환하는 변환기(보이스 코일 모터 등으로 구성됨)로 구성이 되어 있다. 그래서, 마이크로 프로세서(MPU)(55)중의 제어부(56)로부터의 스타트 신호에 따라서 구동부(53)가 트랜스듀서(52)를 거쳐서 수정 진동자(43a)에 넓은 주파수의 진동을 준다. 또한, 트랜스듀서(52)로부터의 전기 신호를 주파수 측정부(54)에서 해석하여, 수정 진동자(43a) 및 흡착막(43b)의 공진 주파수를 구하고, 이 공진 주파수를 마이크로 프로세서(55)중의 연산부(57)에 공급한다. 연산부(57)는 그 공진 주파수에서 최초(케미컬 필터(42)의 교환직후)의 공진 주파수를 뺀 변화분 △F을 구하여 판정부(58)에 인지시키고, 판정부(58)는 그 변화분 △F로부터 케미컬 필터(42)가 수명이 다됐는가 어떤가를 판정한다. 제 2 도에서의 화살표는 가스(공기)의 흐르는 방향을 표시한다.
다음으로, 케미컬 필터(42)의 상류측에 설치된 가스 센서(43)의 동작에 대해서 설명한다.
가스 센서(43)의 수정 진동자(43a)의 표면은 흡착막(43b)으로 피복되어 있다. 이 흡착막(43b)은 흡착 대상의 가스에 따라 가장 적합한 재료가 선택된다. 흡착막(43b)에 가스가 흡착되면, 흡착막(43b)에 질량 변화가 생기고, 그것에 따라 다음 식과 같이 공진 주파수가 변환한다.
단, F0는 기본 공진 주파수, ν는 수정 진동자의 두께 방향으로 전파하는벌크 횡파 속도(3,320[m/s]), S는 전극면적, ρ는 수정 밀도(2.65 x 103[Kg/m3]), △M 는 흡착막(43b)의 질량의 변화량이다.
다음에, 흡착 대상 가스로서 암모니아를 예로 들어 상세히 설명한다. 이 경우, 수정 진동자(43a)의 표면을 피복하는 흡착막(43b)의 베이스로서 고분자 막을 사용한다. 가스 센서의 표면에 이 고분자막을 LB 법으로 성막한다. 여기에서 LB 법이란 Langmuir-Blodgett법을 말하고, 단분자나 수분자의 층으로 되는 엷은 막을 만드는 방법이다. 다공질의 고분자막 중에, 대상 가스와 반응하는 센서 물질을 고정시키고 반응 생성물을 유지할 수 있는 물질을 성막 재료로서 선택한다. 고분자 재료로서는 매우 박막화가 가능한 물질이 바람직하고, 대표적인 것으로서 셀루로스(cellulose)를 들 수 있다. 센서 물질로서는 예를 들면 인산(H3PO4), 또는 과망간산칼륨(KMnO4)(potassium permanganate) 등이 선택된다.
환경 기체 중의 암모니아(암모늄 이온을 포함)는 수정 진동자(43a) 위의 흡착막(43b)중의 인산과 중화 반응을 일으키고, 흡착막(43b)위에 고정된다. 중화 반응한 암모니아는 이탈하는 일은 없으므로, 케미컬 필터(42)를 통과하는 총 암모니아 양에 비례한 양의 암모니아가 가스 센서(43)의 흡착막(43b)의 표면으로 계속적으로 흡착된다.
여기에서 제 2 도의 케미컬 필터(42)의 작용에 대해서 설명한다.
제 3A 도 및 제 3B 도는 케미컬 필터(42)의 전후(상류측, 하류측)의 암모니아 농도를 도시하는 도면이다. 제 3A 도는 활성탄 등을 사용한 케미컬 필터의 주로물리 흡착 기구에 의해 암모니아를 흡착하는 실험예를 도시한다. 제 3B 도는 이온 교환섬유 등을 사용한 케미컬 필터의 주로 화학 흡착 기구에 의해 암모니아를 흡착하는 실험예를 도시한다. 또한, 제 3A 도 및 제 3B 도에 있어서 횡축에 시간을 종축에 암모니아의 농도를 취한다.
제 3A 도 및 제 3B 도에 있어서 곡선 f(t)는 상류측 농도, g(t)는 하류측 농도를 도시한다. 상류측 농도 f(t)는 실제로는 파선과 같이 변동하고 있으나, 편의상 그 평균치를 C1로서 계산한다.
하류측의 필터 파과 농도(필터의 수명의 판단 기준이 되는 하류측 농도)를 CR로 하면, 직선 Y = CR과 곡선 Y = g(t)와의 교점 R 의 시간 TC이 필터 수명이 된다. 여기에서 필터 파과시까지의 총 암모니아 양을 Q 라 하면 다음식이 성립한다.
그러나 일반적으로 클린룸의 환경 조건의 차이 또는 계절적인 요인 등에 의해 f(t)가 크게 변동하기 때문에 통상 C1을 결정하는 것은 곤란하다.
그러나, 본 실시예에서는 케미컬 필터(42)의 상류측에 가스 센서(43)가 설치되어 있다. 이 가스 센서(43)의 공진 주파수의 변화 dF 를 적분한 값은 총 암모니아 양 Q 에 비례하므로 필터 파과시의 가스 센서(43)의 공진 주파수의 초기치로 부터의 어긋난 양 FR(이하, 「파과 주파수」라 함)은 다음 식으로 나타내어진다.
여기에서 α는 풍량이나 설치 조건 등에 의해 결정되는 계수, Q 는 케미컬 필터에 고유의 양이며, 모두 실험적으로 결정 가능한 양이다.
실험에 의한 결정의 방법을 구체적으로 상술하면, 실험계가 실제의 계와 다른 경우, 예를 들면 퍼미에이터(permeator)나, 표준 암모니아 가스에 의해 인공적으로 상류측 암모니아 농도를 거의 일정(단, 극단적인 고농도에서는 케미컬 필터의 반응 기구가 변화하므로 수십 ppb 정도로 억제할 필요가 있음)하게 유지하면서, 케미컬 필터의 상류 및 하류측 농도를 이온 크로마토그래피법을 사용해서 측정하고, 그것의 농도의 경시(時) 변화를 조사해서 수명 Tc 을 구해, 상기 (4)식에 의해 총 암모니아 양 Q 을 결정하는 것이다. 이때의 실험계는 실제로 사용하는 계와 유체 역학적으로 서로 유사하지 않으면 안된다. 실험계가 실제의 계와 동일하면 실제로 가스 센서를 설치해서 계수 α, 파과 주파수 FR를 직접 측정하면 된다.
여기에서 얻어진 필터 파과시까지의 총 암모니아 양 Q, 계수 α , 및 파과 주파수 FR의 값은 제 2 도의 판정부(58)에 기억된다.
실제 가동시에는, 가스 센서(43)의 수정 진동자(43a)의 공진 주파수를 상시 또는 필요에 따라 주파수 측정부(54)에 의해 측정하고 그 측정치를 연산부(57)로 송신한다. 연산부(57)는 이 공급된 공진 주파수로부터 최초의 공진 주파수를 빼서 주파수의 변화분 △F 을 구한다. 이것은 (3)식을 사용해서 흡착막(43b)에 흡착된물질의 양을 구하는 것과 등가이다. 판정부(58)는 그 변화분 △F 이 먼저 기억된 필터 파과시까지의 파과 주파수 FR에 달했을 때에는 케미컬 필터(42)의 수명인 것으로 판정한다. 또한, 연산부(57)에서 실제로 (3)식에 의해 흡착된 물질량 △M 을 구하고 이 양 △M에 따라서 판정부(58)에서 수명 판정을 해도 좋다.
여기에서 긴요한 것은 통상의 클린룸의 암모니아 농도는 수십 ppb 정도이므로 탈착형의 가스 센서에서는 암모니아 농도가 감지될 수 없다는 점이다.
본 실시예에서는, 그 문제를 해결하기 위해, 가스 센서(43)의 흡착막(43b)에, 통과하는 가스를 흡착 및 고정하는 성질을 갖도록 하고 있다. 이 같은 사실로, 암모니아의 통과량의 산출이 가능해진다. 이와 같이, 케미컬 필터(42)의 상류측에 적산형의 가스 센서(43)를 설치하므로서 각종의 환경하에서 사용되는 케미컬 필터의 수명을 판단할 수 있다.
또한, 암모니아 이외의 불순물(황산 이온, 유기 실라놀 등)에 관한 케미컬 필터의 수명도 상술한 바와 같이 구할 수가 있다. 단, 가스 센서의 흡착막(센서 물질)은 처리하는 가스를 흡착 및 고정할 수 있는 물질로부터 가장 유효한 것이 선택될 필요가 있다. 따라서, 노광 장치가 설치되는 클린룸(분위기)에 복수의 화학적인 불순물이 존재할 때는 그 복수의 불순물의 각각에 대해서 유효한 흡착막(센서 물질)을 갖는 가스 센서를 설치하고 이 복수의 가스 센서의 각공진 주파수에 의거해서 불순물마다 케미컬 필터의 수명을 판정한다. 그래서 복수의 불순물에 대해서 공통으로 단일의 케미컬 필터가 설치되어 있을 때는, 1 개의 불순물에 관해서 케미컬필터가 수명에 이르면 곧바로 케미컬 필터를 교환하고, 복수의 불순물에 각각 대응해서 복수의 케미컬 필터가 설치되어 있을때는, 케미컬 필터마다 그 수명을 판정해서 교환을 하도록 하면 된다. 또한, 복수의 불순물에 대해서 공통으로 단일의 케미컬 필터가 설치되어 있을때는, 복수의 불순물중에서 케미컬 필터가 가장 빨리 수명에 도달하는 불순물에 대해서 유효한 가스 센서만을 설치하고, 이 가스 센서의 공진 주파수에 의거해서 케미컬 필터의 수명을 판정하고, 그 불순물에 관해서 케미컬 필터가 수명에 달한 시점에서 교환을 하도록 해도 좋다.
또한, 암모니아에 대한 센서 물질로서는 상술한 인산 외에 염화아연(ZnCl2)을 사용할 수 있다. 또한, 황산에 대한 센서 물질로서는 수산화칼륨(KOH)이나 수산화칼슘(Ca(OH)2) 등을 사용할 수가 있다.
제 1 도에서 조명 광학계의 각 광학 요소에 대해서 에어커텐을 형성함과 함께 노광 장치를 수납하는 챔버의 외기 도입구에 케미컬 필터를 설치하고, 그에 따라 챔버가 설치되는 클린룸의 공기로부터 화학적인 불순물을 제거해서 청정한 공기를 챔버내에 도입시키도록 구성하고 있다.
제 1 도에 있어서, 외기(클린룸)로부터 끌어들여져서 온조(溫調) 유닛(temperature control unit)(도시 생략)에서 소정의 온도로 조절된 공기는 순환 파이프(46) 및 필터 유닛(35A)를 경유해서 송풍기(47)에 도입된다. 또한, 온도 조정된 공기는 송풍기(47)에서 승압되고, HEPA 필터(48)를 거쳐서, 챔버 벽(49)에 그 주위를 감싸인 챔버룸(50) 내에 내뿜어진다. 그래서, 필터 유닛(35A) 및 HEPA필터(48)를 통과한 청정 공기는 챔버룸(50)내의 소정의 순환 경로를 거쳐서 대부분은 온조 유닛으로 되돌려 보내지거나, 일부는 챔버룸(50)의 측벽의 틈 사이에서 외부로 내뿜어진다. 필터 유닛(35A)는 필터 유닛(35)와 같은 기능을 갖는 대용량의 필터 유닛이다.
이와 같이 필터 유닛(35A) 및 HEPA 필터(48)에 의해 불순물이 제거된 청정 공기를 챔버룸(50)에 도입 혹은 순환시킴으로써, 노광 장치내의 광학 요소의 오염이 방지될 뿐만이 아니라, 챔버룸(50)내의 이온이나 유기 가스(아민 가스 등)가 감소함으로, 노광 동작시 웨이퍼 상에서의 아민 가스와 화학 증폭형 레지스트와의 반응도 저감한다. 따라서, 화학 증폭형 레지스트의 표면 난용화, 나아가서는 레지스트 패턴의 T 톱화를 방지할 수 있다.
다음으로, 제 2 도의 케미컬 필터(42)에 관해 설명한다.
상술의 이온을 제거하는 케미컬 필터로서는, 이온 교환 수지 및 이온 교환 섬유 등이 있지만, 표면적 및 반응 속도가 크고, 또한 형성 가공이 용이함으로 기체 처리용으로서는 이온 교환 섬유가 적당하다. 이온 교환 섬유는 예를 들면 폴리프로필렌제 섬유로부터 방사선 그라프트(graft) 중합에 의해 만들어진다. 이온 교환 섬유에는 산성 양이온(cation) 교환 섬유와 염기성 음이온(anion) 교환 섬유의 2 종류가 있고, 목적으로 하는 이온의 극성에 의해 구별하여 쓴다. 본 실시예에서는 양쪽의 필터를 이용하여, 암모늄 이온(NH4 +), 아민 등의 플러스 이온, 및 염기성가스는 전자에서, 황산 이온(SO4 2-), 산화 질소(NOx) 등의 마이너스 이온, 및 산성 가스는 후자에서 흡착한다. 예를 들면 암모늄 이온(NH4 +)은 강산성 양이온 교환 섬유와의 중화 반응에 의해, 저농도에서도 약 90% 이상은 흡착이 가능하다. 또한, 마이너스 이온은 염기성 음이온 교환 섬유와의 중화 반응으로 흡착된다. 이들 이온 교환 섬유는 끝까지 이온성의 불순물의 제거를 목적으로 사용되고 있고, 유기 물질의 제거에는 적합하지 않다.
활성탄 필터는 거의 모든 불순물에 대해 기본적으로 유효 하지만, 일반적으로는 유기 화합물의 분자 사이즈가 큰 것, 분자간 힘이 큰 것, 물에 용해성이 낮은 것, 극성이 낮은 것일 수록 흡착성은 높다. 따라서, 이온 교환 수지에 취할 수 없는 유기 물질, 예를 들면 트라이메틸실라놀, HMDS(헥사메틸디실록산) 등의 유기 실란의 제거에는 유효하다. 활성탄 필터의 선정에는, 활성탄의 표면적, 평균 세공(細孔) 직경(average pore size)을 고려하는 동시에, 활성탄의 형상, 발진성(發塵性)(dust generation properties)을 고려할 필요가 있다.
본 실시예에서는 장치의 압력 손실을 고려하고, 활성탄을 우레탄 섬유에 함침시킨 시트, 혹은 활성탄 섬유를 시트형으로 가공한 것, 흑은 허니콤(honeycomb)형상의 활성탄을 이용하는 것이 바람직하다. 활성탄에 산화 물질, 또는 약 알카리 물질을 침착한 것은 이온성인 불순물 제거에도 유효하다. 또한, 제올라이트(zeolite)는 활성탄과 마찬가지로 거의 모든 불순물 제거에 대해 유효하고, 제거하는 불순물의 사이즈에 따라 세공 직경(pore size)을 선택하게 된다.
이상과 같이, 본 실시예에서는 공기중의 불순물 종류에 따라 케미컬 필터의 재질을 선택하면 무방하다. 또한, 활성탄 또는 제올라이트로 이루어진 케미컬 필터는 이온 물질이거나 유기 물질이라도 어느 정도 제거할 수 있다. 따라서, 상기 종류의 케미컬 필터에서는 제거 효율을 높이기 위해, 제거해야할 불순물의 분자 사이즈에 맞추어 세공 직경을 결정하고 있다. 그래서, 적어도 1 종류의 이온 교환 섬유로 이루어진 필터와, 활성탄, 또는 제올라이트로 이루어진 필터를 조합하여 케미컬 필터를 구성하고, 전자의 필터에서 이온성 물질을 제거하고, 후자의 필터에서 유기 물질을 제거하도록 역할을 분담시켜도 무방하다.
또한, 본 실시예는 투영형 노광 장치, 프록시미티(proximity) 방식 이나 콘택트 방식의 노광 장치를 시작으로 하는 각종의 노광 장치 및 그 조명 광학 장치에 대해 유효할뿐 아니라, 자외선을 이용하는 모든 광학 장치에 대해서도 유효한 것이다.
다음으로, 제 4 도 내지 제 12 도를 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 관해 설명한다. 제 4 도는 본 실시예에 의한 레이저 광원을 구비한 노광 장치의 개략구성을 도시한 측면도, 제 5 도는 제 4 도의 노광 장치를 상방에서 본 평면도이다. 또한, 제 2 도에서는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해, 제 1 도의 광원 및 조명 광학계를 생략하고 있다.
제 4 도에 있어서, 광원(101)으로부터 사출되는 KrF 또는 ArF 엑시머 레이저, 혹은 YAG 레이저의 4배 고조파 또는 5배 고조파(이하, DUV 광이라 한다)는 조명 광학계(102)에 입사하고, 조명 광학계(102)는 DUV 광으로 레티클 R을 균일 조명한다. 도시하고 있지 않지만, 조명 광학계(102)는 빔 정형 광학계, 옵티컬 인티그레이터(플라이 아이 렌즈), 개구 조리개, 릴레이 렌즈, 시야 조리개(레티클 블라인드), 및 콘텐서 렌즈 등으로 구성되어 있다. 조명 광학계(102)의 구체적인 구성은 예를 들면 미국 특허 제 5,253,110 호, 제 5,307,207 호에 개시되어 있다. 레티클 R 을 통과한 광은 양측상에서 텔레센트릭(telecentric)한 투영 광학계 PL 에 입사하고, 투영 광학계 PL 은 레티클 R 위의 패턴의 상을, XY 스테이지(103)상에 적재된 웨이퍼 W 위에 투영한다. 본 실시예에서는, 웨이퍼 W 위에는 화학 증폭형 포토레지스트가 도포되어 있는 것으로 한다.
또한, 조명 광학계(102), 레티클 R, 투영 광학계 PL, 및 XY 스테이지(103)는 공조 시스템(110)(제 5 도 참조)에 의해 온도 조정된 공기가 순환되는 챔버(104)에 수납되어 있다. 광원(101)은 챔버(104)의 외부에 배치되고, 광원(101)으로부터의 DUV 광은 미러 MR 에 의해 챔버(104)내의 조명 광학계(102)에 유도된다. 또한 제 4 도에서는 레티클 R, 투영 광학계 PL, 및 XY 스테이지(103)를 포함한 장치 본체부가 챔버(105)내에 설치되고, 챔버(105)의 흡기구 전면에 제 1 필터 유닛(113)이 설치되어 있다.
제 5 도에 도시한 바와 같이, 공조 시스템(110)은 챔버(104)내의 공기 귀환 경로에 배치되는 온조기(11) 및 송풍 팬(112)으로 구성되고, 온조기(111)에서 소정의 온도로 설정되어 송풍 팬(112)으로부터 송출되는 공기가 제 1 필터 유닛(113)을 거쳐서 챔버(105)에 공급된다.
또한, 제 4 도에서는 챔버(104)의 외기 취입구 OA 에 제 2 필터 유닛(114)이 설치되어 있다. 제 1 및 제 2 필터 유닛(113, 114)은 각각 파티클 등의 물리적 오염 물질을 제거하기 위한 HEPA 필터(또는 ULPA 필터)와, 암모니아 등의 화학적 오염 물질을 제거하기 위한 케미컬 필터로 구성되어 있다.
그런데, 제 4 도 및 제 5 도에 도시된 노광 장치에서는 외기 취입구 OA 로 부터 취입된 외기는, 제 2 필터 유닛(113)에 의해 파티클 및 화학적 불순물이 제거된 후, 송풍 필터(112)에 의해 챔버(104, 105)내를 순환하고 있는 공기류와 합류하고, 온조기(111)에 의해 최적한 온도로 조정된다. 도시되지 않았지만, 상기 온조기(111)의 상류측 또는 하류측에 온도 조정기를 설치하고, 순환 공기류의 온도 조절과 함께 습도 조정하는 것이 가능하게 되어 있다. 또한, 제 4 도에서는 외기 취입구 OA 로부터는 챔버(104) 내외의 압력차에 따라 자연히 외기를 받아들이도록 구성되어 있지만, 외기 취입구 OA 에 다른 팬을 설치하여, 강제적으로 챔버(104)내에 외기를 받아들이도록 구성하여도 무방하다.
이와 같이 온조기(111)에 의해 온도 조절된 공기는, 송풍 팬(112)에 의해 제 1 필터 유닛(113)으로 보내어지고, 제 1 필터 유닛(113)에서 파티클이나 화학적 불순물이 제거된 후, 장치 본체부가 수용되는 챔버(105)내에 공급된다. 또한, 제 1 필터 유닛(113)은 챔버(105)의 한쪽 측면(상류측) 전면에 배치되고, 또한 챔버(105)의 다른 쪽 측면(하류측) 전면에는 예를 들면 펀칭 메탈(punching metal) 등으로 구성된 배기면(排氣面)이 형성되어 있음으로, 본 실시예에서는 챔버(105)내에 청정한 공기를 층류로하여 공급할 수 있다. 물론, 본 발명은 상기 실시예의 구성에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 제 1 필터 유닛(113)은 챔버(105)의 상면에 설치되고, 청정한 공기를 투영 광학계 PL 의 광축을 따라 흐르는 다운 플로우 타입으로 해도 무방하고, 혹은 제 1 필터 유닛(113)을 챔버(105)에 설치하지 않고, 제 1 필터 유닛(113)과 챔버(105)의 공기 유입구를 파이프 등으로 접속하여도 무방하다.
또한, 본 실시예에서는 필터 유닛을 챔버(105)내의 공기 유입구 및 챔버(105)의 공기 유입구 및 챔버(104)의 외기 취입구만 설치하고 있지만, 그 외에도, 예를 들면, 송풍 팬(112)의 출구, 온조기(111)의 출구 등에도 필터 유닛을 설치하여, 송풍 팬(112)이나 온조기(111)가 발생하는 오염 물질이 순환 공기에 혼입하는 것을 미연에 방지하도록 구성하는 것으로도 가능하다. 요는, 외기 취입구나 공기 순환 경로내에 필터 유닛을 배치함으로써, 챔버에 공급되는 공기로부터 오염 물질(파티클이나 화학적 불순물)을 여과하는 것이 되도록, 어떠한 구성 및 배치를 채용하는 것도 가능하다.
또한, 제 1 및 제 2 필터 유닛(113, 114)은 공기중에 존재하는 파티클을 물리적으로 포집하는 HEPA 필터(또는 ULPA(Ultra Low Phneumatic Air) 필터)와, 공기 중에 존재하는 이온이나 유기 가스 등의 화학적 불순물을 화학적으로 제거 또는 중화하기 위한 케미컬 필터로 구성된다. 물론, 필터 유닛의 설치 장소에 따라서는 HEPA 필터와 케미컬 필터중 어느 한쪽만으로 필터 유닛을 구성하여도 무방하다.
또한, HEPA 필터로서는, 여과제로서 유리 섬유나 유리 석면 섬유를 사용하는, IES에 준거하는 시판중인 필터를 사용하는 것이 가능하다. 케미컬 필터로서는,활성탄 필터, 제올라이트 필터 또는 이온 교환 수지 필터 등을 사용하는 것이 가능하다.
활성탄 필터는 거의 화학적 오염 물질(이온, 가스, 유기 물질)에 대해 기본적으로 유효하지만, 일반적으로 유기 화합물의 분자 사이즈가 큰 것, 분자간 힘이 큰 것, 물에의 용해성이 낮은 것, 극성이 낮은 것일수록 흡착성은 높다. 활성탄 필터의 선정에는, 활성탄의 표면적, 평균 세공 직경을 고려하는 동시에, 활성탄의 형상, 발진성을 고려할 필요가 있고, 표면적이 큰 포집 대상물의 분자량에 맞춘 세공 직경을 갖는 것이 좋다. 이들로서는 페놀 수지에 활성탄화 처리를 실시하여 얻은 필터, 예를 들면 KURARAY CHEMICAL Co., Ltd.에 의해 제조된 KURACTIVE, 혹은 폴리에스틸 섬유에 분(紛)형상 활성탄을 부가한 필터, 예를 들면 EXTRACTION SYSTEM INC.에 의해 제조된 VAPORSORB 1076 등을 사용할 수 있다. 또한, 활성탄에 산성 물질 혹은 약알카리 물질을 첨착하고, 산이나 알카리의 흡착 효율을 높인 것을 사용할 수 있다, 이들로서는, 폴리에테르계 우레탄폼(polyether urethane foam)이나 폴리에스테르계(polyester) 우레탄폼에 코코넛 쉘(shell) 분말 활성탄을 함침시킨 KURARAY CHEMICAL Co., Ltd.의 KURASHEET T-B 또는 T-F(예를 들면, 염기성 가스를 제거하는 경우에는 산성 물질을 첨착한 T-B형 필터를 사용하고, 아세트알데히드, 포름알데히드(formaldehyde) 등을 제거하는 경우에는 약알카리성 물질을 첨착한 T-F형 필터를 사용할 수 있다), 혹은 EXTRACTION SYSTEM INC.제의 VAPORSORB 1073K(예를 들면, 산과 NH3를 제거하는 경우에 사용할 수 있다)가 있다. 또한, 제올라이트는 활성탄과 마찬가지로, 거의 모든 화학적 오염 물질(이온, 가스, 유기 물질)에 대해 유효하고, 제거하는 오염 물질의 사이즈에 따른 세공 직경을 선택할 필요가 있다.
또한, 이온성의 화학적 불순물(NH4 +, 아민, SO4 2-, NOx)을 제거하기 위해서는, 예를 들면 폴리프로필렌 섬유로부터 방사선 그라프트 중합에 의해 제조되는 이온 교환 섬유나 이온 교환 수지를 이용한 이온 교환 섬유 필터를 사용할 수 있다. 이온 교환 섬유에는, 산성 양이온(cation) 교환 섬유와 염기성 음이온(anion) 교환 섬유의 2 종류가 있고, 이온의 극성에 따라 분리 사용할 수 있다. 그리고, NH4 +, 아민 등의 + 이온이나 염기성 가스는 산성 양이온 교환 섬유로, SO4 2-, NOx 등의 - 이온이나 산성 가스는 염기성 음이온 교환 섬유에 의해 흡착할 수 있다. 예를 들면, NH4+는 강산성 양이온 교환 섬유의 이온 교환 반응에 따라, 저농도라도 약 90% 이상 흡착하는 것이 가능하다. 또한, - 이온은 염기성 음이온 교환 섬유와의 이온 교환 반응으로 흡착된다.
그런데, 이상과 같이 공조 시스템(110)을 구성함으로써, 챔버(104, 105)에 유입하는 공기로부터 파티클이나 화학 물질 등의 오염 물질을 제거하고, 보다 청정한 환경에서 노광 동작을 행하는 것이 가능하다. 그러나, 수 ppb 부터 수십 ppb 의 평균 암모니아 농도를 갖는 통상의 클린룸 내의 공기로부터, 케미컬 필터에 의해암모니아를 제거하여, 암모니아 농도를 1ppb 이하로 유지하는 것이 요구되는 화학 증폭형 포지티브 레지스트의 처리 환경을 구축한 경우에는, 현재 시판되고 있는 케미컬 필터에서는 수개월에서 수년에 포화되고 만다. 그 때문에 수율을 일정 수준 이상으로 유지하기 위해서는 케미컬 필터를 정기적으로 교환할 필요가 있다.
종래에서는 케미컬 필터의 교환 타이밍을 알기 위해, 케미컬 필터에 대해 하류측에 암모니아 검출기를 설치하고, 암모니아 농도가 소정치를 초과한 시점에서 케미컬 필터를 교환하고 있다. 그러나, 현재 개발되고 있는 최고감도의 암모니아용의 센서에 있어서도, 10ppb 정도의 감도밖에 갖고 있지 않고, 상기 센서가 케미컬 필터의 포화, 파과(破過)를 검지한 시점에서는, 필터의 거의 전면에서 수명에 도달해 있고, 최적인 교환 시기를 놓칠 우려가 있고, 실용상 문제가 있는 것은 이미 기술된 바이다.
그래서, 본 실시예에서는 필터 유닛(113, 114)의 일부에 필터 교환 시기 검지부(121a, 121b)를 설치하는 동시에, 그 검지부(121a, 121b)의 하류측에 암모니아 센서(122a, 122b)를 배치하고 있다. 이 부분의 확대도를 제 6 도에 도시한다. 제 6도에 도시한 바와 같이 본 실시예에서는 케미컬 필터(113, 114)의 일부(121)의 두께(D1)를 다른 부분의 두께(D2)보다도 얇게 하고 있다. 그리고, 화살표로 나타내는 공기류의 방향에 대해 하류측에 암모니아 센서(122)를 설치하고 있다.
그런데, 상기와 같이 구성된 케미컬 필터에서는, 예를 들면 특정 부분(121)의 두께(D1)를 다른 부분의 두께(D2)의 90% 정도로 해두면, 그 특정 부분의 오염 제거 용량은 다른 부분의 오염 제거 용량의 약 90% 로 되고, 그 특정 부분은 다른부분의 약 9 할의 사용 시간에서 수명에 달하는 것으로 된다. 즉, 필터 전체의 수명이 10 개월 정도의 환경에서는 사용 개시 9 개월 정도로 특정 부분(121)이 다른 부분에 선행하여 수명으로 되고, 이 특정 부분(121)에서 필터가 파괴된다. 이 때문에, 이 특정 부분(121)의 하류측에 설치된 암모니아 센서(122)에 의해 케미컬 필터를 통과한 암모니아가 검출된다. 그 결과, 필터 전체의 수명이 또는 약 1 개월 전에 케미컬 필터 교환의 예정을 여유를 갖고 세우는 것이 가능하게 되고, 케미컬 필터의 교환 시기를 놓치거나, 혹은 충분하게 사용에 견디는 케미컬 필터를 교환해 버리는 바와 같은 사태를 피할 수 있다.
제 7 도는 케미컬 필터의 오염 제거율의 경시적 변화를 그래프로 나타낸 것이고, 횡축에 시간, 종축에 필터 통과후의 화학적 불순물의 농도를 갖고, 케미컬 필터의 특정 부분(121)의 하류측에서의 농도 변화를 곡선 123'으로 나타내고, 케미컬 필터 전체의 하류측에서의 농도 변화를 곡선 123으로 나타내고 있다. 이 케미컬 필터에 있어서의 화학 물질의 허용 농도(역치)를 Th 로 하면, 특정 부분(121)의 수명은 L1 으로 되고, 케미컬 필터 전체의 수명은 L3 로 된다. 제 7 도에 도시된 바와 같이 케미컬 필터는 일단 포화하면, 오염 제거율이 급격히 악화되기 때문에, 예를 들면 수명 L3 에 도달한 시점에서 케미컬 필터를 교환하고 있던 것에서는 시기를 놓치게 되고, 화학 증폭형 포지티브 레지스트의 표면이 난용화할 우려가 있다. 이것에 대해 본 실시예에서는, 특정 부분(121)의 수명 L1 의 시점에서 케미컬 필터 전체의 수명 L3 를 여유를 갖고 예측할 수 있으므로, 교환 시기를 놓치지 않는다.
또한, 제 4 도 및 제 5 도에 도시한 노광 장치의 본체부가 수납되는 챔버(5)의 케미컬 필터(113) 전체의 단면적은 3∼4 평방미터이고, 오염 제거 용량이 낮은 특정 부분(121)의 단면적은 겨우 수 평방 센티미터로 충분하므로, 그 특정 부분(121)이 수평이 다되어도 장치 전체에 주어지는 영향은 무시될 정도로 작다. 또한, 특정 부분(121)을 설치하는 장소를 웨이퍼로부터 가급적 거리를 두면, 포토레지스트의 표면 난용화의 발생을 보다 억제할 수 있고, 안전하게 케미컬 필터의 교환 시기를 검출할 수 있다.
제 8 도 내지 제 10 도에는 케미컬 필터에는 오염 제거 용량이 다른 부분보다도 낮은 특정 부분을 설치하기 위한 구체예가 도시되어 있다. 일반적으로, 케미컬 필터(113, 114)는 케이싱(124)내에 공기 밀폐되어 수용되어 있다. 그래서, 제 8 도에 도시한 바와 같이 케이싱(124)의 우부(隅部)(125)를 별체로서 구성하고, 그 케이싱(125)내에, 케이싱(124)내의 케미컬 필터보다도 △d 만큼 얇게한 동일 재질의 케미컬 필터(121)를 수용한다. 또는 제 9 도에 도시한 바와 같이 케이싱 및 케미컬 필터에 관통 구멍(126)을 설치하고, 그 관통 구멍(126)에 케이싱(124)내의 케미컬 필터보다도 △d 만큼 얇게한 동일 재질의 케미컬 필터 (121)를 수용한 통 형상 케이싱(125')을 삽입한다. 혹은, 제 10 도에 도시한 바와 같이 케이싱(124)내의 케미컬 필터의 일부에, 케이싱(125, 125')을 이용하지 않고 직접, 그 케미컬 필터보다도 △d 만큼 얇게 한 동일 재질의 케미컬 필터(121)를 시일 부재(127a, 127b)를 통해 공기 밀폐되게 삽입되도록 하여도 무방하다.
그런데, 본 실시예에서는 필터 교환 시기를 검지하기 위한 필터(특정 부분)(121)를 케미컬 필터(113, 114)보다도 얇은 별체로서 구성하고 있지만, 본 실시예는 그 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, 케미컬 필터(113, 114)를 얇은 필터를 적층하여 구성하도록한 경우에는, 특정 부분(121)에서의 적층 개수를 줄임으로써, 그 특정 부분의 오염 제거 용량을 감소시키는 것이 가능하다. 또한 본 실시예에서는, 어느 것이나 케미컬 필터의 특정 부분을 다른 부분보다도 얇게 함으로써, 그 특정 부분의 오염 제거 용량을 감소시키는 구성으로 했지만, 본 실시예는 그 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, 활성탄 필터를 이용하는 경우에는, 같은 두께일지라도, 표면적 및 평균 세공 직경에 따른 오염 제거 용량을 적게 할 수 있다. 그래서, 활성탄 필터의 표면적 및 평균 세공 직경을 부분적으로 다르게 한 것으로, 특정 부분의 오염 제거 용량을 낮게 하는 것이 가능하다. 또한, 흡착 물질을 첨착시킨 활성탄 필터를 이용하는 경우에는, 같은 두께일지라도, 흡착 물질의 첨착량에 따라 오염 제거 용량을 적게 할 수 있다. 그래서, 활성탄 필터에의 흡착 물질의 첨착량을 부분적으로 다르게 함으로, 특정 부분의 오염 제거 용량을 낮게 하는 것이 가능하다.
제 11 도는 케미컬 필터의 특정 부분(121)의 하류측에 설치되는 오염 물질 검지 센서의 다른 구성예를 도시한다. 제 11 도에서는 특정 부분(121)에 근접하여 그 하류측에 검지 센서(122)를 설치하는 대신에, 샘플링 튜브(128)를 설치하고, 특정 부분(122)을 통과한 공기를 샘플링 튜브(128)에 의해, 거리를 둔 장소에 설치된 센서 모듈(129)에 유도하여 오염 물질의 검출을 행하고 있다. 제 11 도에서는 제 6 도에 도시한 바와 같이 센서(122)를 소형화할 필요가 없으므로, 센서 선택의 자유도를 높게 할 수 있다. 또한, 제 11 도에 도시한 바와 같은 구성을 채용하는 경우에는, 소형의 흡인 펌프를 내장시키고, 특정 부분(121)을 통과한 공기를 샘플링 튜브(128)에서 효율적으로 포집할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
제 12 도는 본 실시예에 있어서의 필터 교환 시기를 검지하기 위한 특정 부분(121)의 변형예를 도시한다. 제 12 도에서는 제 6 도에 도시한 구성에 또한 공기 역학적 부하 저항으로 되는 부재(130)를 부가하고 있다. 제 6 도에 도시한 바와 같이 특정 부분(121)의 두께를 얇게 하여 오염 제거 용량을 낮게 한 경우에는, 그 특정 부분(121)의 공기 역학적 부하 저항(압력 손실)은 다른 부분(113, 114)에 비해 적게 되므로, 화살표로 나타낸 공기류는 특정 부분(121)에 보다 많이 유입되게 된다. 따라서, 특정 부분(121)은 가속적으로 포화하여 수명에 달하게 되므로, 상술한 바와 같이 케미컬 필터 전체의 포화 시기(수명)를 정확히 예측할 수 없는 우려가 있다. 그래서, 제 12 도에서는 특정 부분(121)의 거의 전면에, 또한 그 상류측에, 화학적으로는 불활성인 파티클 필터(130)(HEPA 필터 등)을 직렬로 배치하여, 압력 손실을 상쇄하도록 구성하고 있다. 그 결과, 케미컬 필터의 특정 부분(121)을 통과하는 공기의 유량을 다른 부분(113, 114)을 통과하는 공기의 유량과 실질적으로 같게할 수 있음으로, 특정 부분(121)의 케미컬 필터의 두께를 얇게 하여도 그 교환 시기를 정확히 예측하는 것이 가능하게 된다.
그런데, 제 4 도, 제 5 도에 도시한 바와 같이 본 실시예에서는 케미컬 필터의 특정 부분(121)의 하류측에 설치된 오염 물질 검지 센서(122)의 검출 신호는 제어기(131)에 보내어진다. 그리고, 오염 물질 검지 센서(122)에 의해, 예를 들면, 암모니아 등의 염기성 물질로 이루어지는 오염 물질이 검출된 경우, 혹은 검출치가소정의 값에 도달한 경우에는, 특정 부분(121)이 필터 전체에 선행하여 포화하고 파과가 일어난(즉 수명에 도달한) 것으로 판단할 수 있다. 그래서, 제어기(131)은 그 정보를 디스플레이(132)에 표시하고, 오퍼레이터에게 필터의 교환 시기의 도래를 알린다. 그 결과, 오퍼레이터는 교환 시기를 놓치지 않고, 게다가 시간적으로 충분한 여유를 갖고 필터를 교환할 수 있다. 물론, 오염 물질 검지 센서(122)가 허용량 이상의 오염 물질을 검출한 시점에서, 혹은 그 시점으로부터 일정 기간 경과 후에 자동적으로 노광 동작을 정지시키도록 구성하는 것도 가능하다.
이상의 제 2 실시예에서는 화학 증폭형 포토레지스트를 사용하는 노광 장치에 본 발명을 적용한 경우를 예로 들어 설명하였지만, 그 외에도, 자외역의 광(UV광 혹은 DUV 광)의 조사에 의해 흐림이 발생하는 광학계를 수용하는 챔버의 공조계에 대해서도 적절히 응용할 수 있다. 더욱이 노광 장치 이외에도, 물리적인 오염 물질 및 화학적 오염 물질을 제거한 청정한 환경에서 처리를 행하는 것이 필요한 에칭 장치, 애싱(ashing) 장치 등 모든 종류의 반도체 제조 장치에 대해서도 적용 가능하다. 그리고, 극미량인 화학적 오염 물질의 오염에 대해 민감한 장치에 대해서 특히 적절히 응용할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 반도체 제조장치에 한정되지 않고, 필터 유닛에 의해 오염 물질을 제거한 청정한 환경이 요구되는 소위 공조계의 필터의 교환 시기를 판정하기 위해 사용하는 것이 가능하다.
이와 같이 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 이탈하지 않은 범위에서 다양한 구성을 취할 수 있다.
제 1 도는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 노광 장치의 조명 광학계의 주요부의 구성을 도시하는 도면.
제 2 도는 제 1 도의 필터 유닛의 내부 및 그 신호 처리계를 도시하는 도면.
제 3A 도는 활성탄 등을 사용한 케미컬 필터의 전후(상류측, 하류측)의 암모니아 농도를 도시하는 도면.
제 3B 도는 이온 교환 섬유 등을 사용한 케미컬 필터의 전후의 암모니아 농도를 도시하는 도면.
제 4 도는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 노광 장치의 전체 구성을 개략적으로 도시하는 도면.
제 5 도는 제 4 도의 노광 장치를 위에서 본 도면.
제 6 도는 제 2 실시예에 의한 케미컬 필터의 교환 시기 검지 부분의 한 예를 도시하는 도면.
제 7 도는 케미컬 필터의 오염 제거율의 경시적 변화를 도시하는 그래프.
제 8 도는 케미컬 필터의 교환 시기 검지부의 구체적인 구성의 한 예를 도시하는 도면.
제 9 도는 케미컬 필터의 교환 시기 검지부의 구체적인 구성의 다른 예를 도시하는 도면.
제 10 도는 제 2 실시예에 의한 케미컬 필터의 교환 시기 검지부의 다른 예를 도시하는 도면.
제 11 도는 제 6 도의 오염 물질 검출 장치의 다른 예를 도시하는 도면.
제 12 도는 제 2 실시예에 의한 케미컬 필터의 교환 시기 검지부의 또다른 예를 도시하는 도면.
제 13 도는 종래의 노광 장치로 사용되는 조명 광학 장치의 개략적인 구성을 도시하는 도면.
제 14 도는 초고압 수은 램프의 발광 스펙트럼 분포를 도시하는 도면.
제 15A 도는 알루미늄이 증착된 반사경의 반사율 특성을 도시하는 도면.
제 15B 도는 유전체 다층막이 증착된 반사경의 반사율 특성을 도시하는 도면.
제 16 도는 제 13 도의 밴드 패스 필터의 투과 특성을 도시하는 도면.
제 17 도는 공조 시스템을 구비한 종래의 노광 장치의 개략적인 구성을 도시하는 도면.
제 18 도는 제 17 도의 노광 장치에 적용되는 종래의 케미컬 필터의 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 수은 램프 2 : 타원경(elliptical mirror)
3 : 미러 4 : 입력 렌즈(input lens)
5 : 밴드 패스 필터 34, 36 : 파이프
35 : 필터 유닛 37 : 취출구(吹出口)(blow opening)
39 : 덕트(duct) 40 : 공기류
43 : 가스 센서 45 : 송풍 팬

Claims (26)

  1. 노광 장치에 사용되는 기체 정화 장치에 있어서,
    기체로부터 화학적인 물질을 제거하는 필터 장치,
    상기 필터 장치에 대해 상기 기체의 유입측에 배치되는, 상기 화학적인 물질을 흡착하는 흡착 부재, 및,
    상기 흡착된 화학적인 물질의 양을 계측하고, 이 계측된 물질의 양에 의거하여 필터 장치의 수명을 판정하는 판정 장치를 포함하는, 기체 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학적인 물질은 암모니아, 아민계(amine) 화합물, 유황 산화물, 및 규소 산화물의 적어도 하나인, 기체 정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 판정 장치는, 상기 흡착 부재의 공진 주파수를 검출하는 검출기와, 상기 검출기의 출력에 의거하여, 상기 흡착된 화학적인 물질의 양을 산출하는 연산기를 포함하는, 기체 정화 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 흡착 부재는, 수정 진동자와, 수정 진동자의 표면에 설치된 흡착막을갖는, 기체 정화 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 판정 장치는, 흡착된 화학적인 복수의 물질의 각각의 양을 측정하고, 상기 복수의 물질마다, 상기 필터 장치의 수명을 판정하는, 기체 정화 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터 장치 및 상기 흡착 부재는 케이싱(casing) 내에 배치되는, 기체 정화 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터 장치에 대하여 상기 기체의 유출 측에 배치되는, 상기 기체로부터 파티클(particles)을 제거하는 필터를 더 포함하는, 기체 정화 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    마스크 위의 패턴의 상(像)으로 감광 기판을 노광하는 노광 시스템, 및 상기 노광 시스템을 외기(外氣)와 격리하여 수납하는 챔버를 더 포함하고,
    상기 필터 장치와 상기 흡착 부재는 상기 챔버의 외기 도입구에 설치되는, 기체 정화 장치.
  9. 노광 장치에 있어서,
    챔버내, 또는 노광 광의 광로내에 공급되는 기체로부터 화학적인 물질을 제거하는 필터, 및
    상기 필터의 수명을 판정하기 위해, 상기 필터에 대해 상기 기체의 유입측에 배치되는, 상기 화학적인 물질을 흡착하는 흡착 부재를 포함하는, 노광 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 흡착된 화학적인 물질의 양을 계측하고, 이 계측된 물질의 양에 의거하여 필터의 수명을 판정하는 장치를 더 포함하는, 노광 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 판정 장치는, 상기 흡착 부재의 공진 주파수를 검출하는 검출기와, 상기 검출기의 출력에 의거하여, 상기 흡착된 화학적인 물질의 양을 산출하는 연산기를 포함하는, 노광 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 흡착 부재는, 수정 진동자와, 수정 진동자의 표면에 설치된 흡착막을 갖는, 노광 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 필터에 대하여 상기 기체의 유출 측에 배치되는, 상기 기체로부터 파티클을 제거하는 필터를 더 포함하는, 노광 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 판정 장치의 판정 결과에 의거하여, 필터의 교환 시기를 표시하는 표시장치를 더 포함하는, 노광 장치.
  15. 노광 장치에 사용되는 기체 정화 장치에 있어서,
    기체로부터 화학적인 물질을 제거하는 필터로서, 상기 물질의 제거 용량이 다른 부분보다도 낮은 특정 부분을 갖는, 상기 필터, 및,
    상기 특정 부분의 하류 측에 배치되는, 상기 물질을 검지하는 센서를 포함하는, 기체 정화 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 특정 부분에서의 압력 손실을 보상하는 부하 부재를 더 포함하는, 기체 정화 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 특정 부분은 상기 다른 부분에 대하여 두께가 다른, 기체 정화 장치.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 센서는, 상기 특정 부분의 하류 측에 배치되고, 상기 특정 부분을 통과한 상기 물질을 샘플링하는 샘플링 튜브(sampling tube)를 구비하는, 기체 정화 장치.
  19. 노광 장치에 있어서,
    챔버내, 또는 노광 광의 광로 내에 공급되는 기체로부터 화학적인 물질을 제거하는 필터로서, 상기 물질의 제거 용량이 다른 부분보다도 낮은 특정 부분을 갖는, 상기 필터, 및
    상기 특정 부분의 하류 측에 배치되는 상기 물질을 검지하는 센서를 포함하는, 노광 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 특정 부분에서의 압력 손실을 보상하는 부하 부재를 더 포함하는, 노광 장치.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 특정 부분은 상기 다른 부분에 대해 두께가 다른, 노광 장치.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 판정 장치의 판정 결과에 의거하여 필터의 교환 시기를 표시하는 표시 장치를 더 포함하는, 노광 장치.
  23. 노광 장치내에 공급 또는 노광 장치내를 순환하는 기체로부터, 필터를 사용하여 화학적인 물질을 제거하는 기체 정화 방법에 있어서,
    상기 필터에 대하여, 상기 기체의 유입측에서 상기 화학적인 물질을 흡착하는 단계, 및
    상기 흡착된 화학적인 물질의 양에 의거하여, 필터의 수명을 판정하는 단계를 포함하는, 기체 정화 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 화학적인 물질은 암모니아, 아민계 화합물, 유황 산화물, 및 규소 산화물의 적어도 하나인, 기체 정화 방법.
  25. 노광 장치내에 공급 또는 노광 장치내를 순환하는 기체로부터, 필터를 사용하여 화학적인 물질을 제거하는 기체 정화 방법에 있어서,
    상기 필터에, 상기 기체로부터, 상기 화학적인 물질을 제거하는 제거 용량이 다른 부분보다도 낮은 특정 부분을 설치하는 단계,
    상기 특정 부분의 하류 측에서 상기 물질을 검지하는 단계, 및
    상기 검지 결과에 의거하여 필터의 수명을 판정하는 단계를 포함하는, 기체정화 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 특정 부분에서의 압력 손실은 부하 부재에 의해 보상되는, 기체 정화 방법.
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