TW200524001A - Exposure apparatus and device manufacturing method - Google Patents

Description

200524001 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種曝光裝置，其使用浸洗法，而且適合 例如製造諸如半導體元件（例如ic，LSI )、影像拾取元 件（例如C C D )、顯示元件（例如液晶面板）、通訊元 件（例如光學導波器）、以及將幕罩（或光罩）上的圖案 移轉到塗覆感光劑的基板的磁頭之高度集成元件的微影製 程。 【先前技術】 將幕罩圖案曝光在塗覆感光劑的基板之曝光裝置已經 用來製造半導體元件和液晶面板，由於提升元件集成需要 圖案更精細的加工，曝光裝置被改良以解決細圖案。 下列雷里（Rayleigh)方程式（1)定義曝光裝置中的一 投影系統的解析度R，其爲可解析圖案尺寸指標： R = ki ( λ / NA ) (1) 其中λ爲曝光波長，ΝΑ爲投影光學系統影像側的數 値孔徑，而k!爲顯影程序及其他因素所決定的常數，一 般約爲〇 · 5。 從式（1 )可知，當曝光波長較短且投影光學系統影像 側NA較大’曝光裝置的光學系統的解析能力變高。 因此，在水銀燈i-line (波長約3 6 5nm )之後，已經 -4- 200524001 (2) 發展出氟化氪（KrF)準分子雷射（波長約248nm)以及 氟化氬（ArF)準分子雷射（波長約193nm)，而且F2準 分子雷射（波長約157nm )已付諸實施。然而選擇短波長 的曝光光線使其難以達到透射、均勻性、和穩定性等相關 的材料要求，造成裝置成本增加。 具有NA爲0.85的投影光學系統之曝光裝置已商品化 ，而且已硏發N A爲0.9或更大的投影光學系統。這種高 NA曝光裝置在維持良好影像性能（在大面積內的像差小 )上有其困難，所以使用一種在曝光期間使幕罩與基板同 步的掃瞄曝光系統。 然而，傳統設計原理上無法使NA大於1，因爲在投 影光學系統和基板之間有折射率約1的氣體層。 另一方面，有人建議以浸沒法係利用等效縮短曝光波 長來改進解析能力，其爲用於投影曝光之方法，將液體注 入投影光學系統最後表面與基板之間的空間，習用技術則 是注入空氣。 浸沒法優點爲等效曝光波長爲光源波長的1 /η，其中η 爲所使用液體的折射率，此意謂解析能力比傳統增進1 /η 倍’即使使用具相同波長之光源。 舉例言之，當光源波長爲193 nm，而液體爲水，折射 率爲1 .44，因此使用浸沒法在解析能力上比起傳統方法可 增進Ι/n倍。 一般言之，有兩種方法被建議來將液體注入使用浸沒 法的曝光裝置的投影光學系統最後表面與基板之間。 -5- 200524001 (3) 其中一種方法將投影光學系統最後表面與基板置入一 槽中的水中（參閱日本公開專利申請案第6- 1 248 73號）； 另一種是局部注入法5其係將液體注入投影光學系統最後 表面與基板之間的空間，以建立一液膜（參閱曰本公開專 利申請案第63 -49 8 93號和世界專利公開案第 WO 9 9/495 04 號）。 上述二方法中，將最後表面與基板置入一槽中的水中 的第一種方法的缺點是使裝置較大，另一方面，局部注入 法的問題是當基板移動時因大氣壓力而陷住的氣泡引起的 光散射影響。一般而言，每次曝光面積遠小於基板在元件 (諸如半導體和液晶面板）製程中的面積，因此需要在曝 光期間高速將基板移動。局部注入法無可避免地產生氣泡 ，因爲當基板預定部分移出在液膜端部的氣-液界面之外 時大氣被限制在一基板表面的凹凸圖案中。由於此時氣泡 尺寸約1 μπι，黏滯力限制了動作，且難以消除氣泡。在傳 統局部注入系統中，如世界專利公開案第 WO99/49504號 中實施例所示，液膜範圍做成稍大於曝光區，但是做得儘 可能地小。因此，氣泡產生並且在基板移到液膜端部的 氣·液界面之外時進入曝光區，這些進入曝光區的氣泡使 曝光光線散射，最糟時造成隔絶和短路，與設計目的相反 〇 因此需要一種可防法氣泡進入曝光區之使用局部注入 系統浸沒法的曝光裝置。 200524001 (4) 【發明內容】 依據本發明一觀點的曝光裝置包括將一幕罩上的一圖 案投影在一基板上的一投影光學系統、將基板定位和移動 的一站、以及在投影光學系統的一最後表面與基板之間形 成一液膜的一液膜形成裝置，其中符合L/V>T ，其中 τ爲在液膜中產生的一氣泡之壽命，V爲基板移動速度， 而L爲液膜界面沿著基板移動方向到曝光區之距離。 依據本發明另一觀點的掃瞄曝光裝置包括將一幕罩上 的一圖案投影在一基板上的一投影光學系統 '將基板定位 和移動的一站、以及在投影光學系統的一最後表面與基板 之間形成一液膜的一液膜形成裝置，其中從液膜界面沿著 基板移動方向到曝光區之距離爲1〇 mm — ；! 00 mm之間， 且從液膜界面沿著與基板掃瞄方向正交的移動方向到曝光 ^之距離爲5 mm - 80 nm之間。 從以下說明並參閱所附圖式將可明瞭本發明之其他特 徵及優點，其中相同的標號用標示相同或類似元件。 【實施方式】 現在參照所附圖式說明本發明較佳實施例。 第一實施例 圖1爲第一實施例的一曝光裝置主要部分槪示圖。此 胃施例讓本發明應用在一掃瞄曝光裝置。 圖1中，標號1爲以光源來的光線照明一光罩（或罩幕 200524001 (5) )的一照明光學系統，光源爲ArF準分子電射（波長爲 193 nm) 、KrF準分子雷射（波長約24 8nm)以及F2雷射 ’且照明光學系統1包括一已知光學系統等等。標號3爲將 被照明光學系統1照明的一光罩2上的一電路圖案投影在做 爲一第二目標的一晶圓5(基板）上的一折射或反折射或 其他投影光學系統。標號1 5爲測距雷射干涉儀，其經由一 參考鏡1 4用來測量一光罩站1 2和一晶圓站1 3的水平面上的 二維位置，一站控制器1 7依據測量値控制光罩2和晶圓5的 定位和同步，晶圓站1 3用來調整晶圓縱向位置、旋轉角度 以及傾斜角，使得晶圓5表面匹配投影光學系統3的影像表 面。 此實施例使用在投影光學系統最後表面和晶圓之間形 成一液膜的局部浸沒法，俾縮短等效曝光波長，並提升曝 光解析度。因此在投影光學系統3最後表面周圍設置一液 體供應口 1 0和一液體回收口 1 1，以在投影光學系統3最後 表面和晶圓5之間提供液體和形成一液膜4。液體供應口 i 〇 和液體回收口 11具有例如在側向較長的矩形形狀，此種構 造達成均勻供給液膜以及從液膜有效率地回收液膜。或者 ，液體供應口 1 0和液體回收口 1 1可形成以包圍投影光學系 統3圓周，或者它們可包括數個噴嘴。投影光學系統3最後 表面和晶圓5之間隔最好夠小以穩定地形成諸如〇. 5 mm的 液膜4。一液體供應單元6控制供應到投影光學系統3最後 表面和晶圓5之間的液體量，並包括一除氣系統1 8，除氣 系統1 8可包括例如一習知薄膜模組（未示出）和一真空栗 200524001 (6) (未示出）。液體供應單元6係經由一供應管8連接到液體 供應口 10 ; —液體回收單元7控制要從投影光學系統3最後 表面和晶圓5之間回收的液體量’而且經由一回收管9連接 到液體回收口 11。一浸沒控制器1 6發出一控制信號給液體 供應單元6和液體回收單元7並且與一站控制器1 7以數據聯 繫。藉此浸沒控制器1 6可依據晶圓移動方向和速度來調整 液體供應量和回收量’並將液膜維持在預定範圍。 液膜中的液體可爲例如水，有益者爲在半導體製程中 使用大量的水，且水與晶圓和光敏劑相容。液膜中的液體 可爲例如俗稱”功能水”者，其係在水中添加少量添加劑， 添加劑的種類和濃度變化可例如控制酸性，並使光敏劑的 化學反應程序最佳化。對氧化和還原電位加以控制可有益 地提供淸洗動力。或者，液膜中的液體可爲諸如Fomblin (Ansimont公司產品）的對氟惰性的液體，其對紫外線 有良好透射性。 圖2爲圖1中所示裝置的液膜放大圖，將參照圖2說明 其原理。圖2中，液膜4充滿投影光學系統3最後表面和晶 圓5之間的空間而且晶圓5以平均速度V移到左邊。標號4a 爲曝光區（或投影區），其中曝光區被輻照，且液膜4被 形成並覆蓋曝光區4a。當晶圓移出氣/液界面B到液膜4區 ，因大氣陷在凹凸表面而產生氣泡19，且氣泡19隨同晶圓 移到曝光區4a。本發明的一項特徵爲液膜部分使用除氣液 體以將氣泡中的空氣溶在液體中，且在移到曝光區之前將 氣泡消除。換言之，此實施例控制液膜區使得其符合下式 -9 - 200524001 (7) L / V > τ (2) 或者時間L/V (當晶圓從氣/液界面b移到曝光區與 非曝光區之邊界A的預定時間）比氣泡壽命1長，防止氣 泡19進入曝光區4a。 爲了晶圓整個表面的曝光，應藉由改變晶圓移動方向 和速度來重覆曝光，即使如此，式（2)有效，L爲沿著基板 移動方向之距離，而V爲晶圓預定部分從氣-液界面到曝 光區的平均速度。 接著將說明氣泡在水中的壽命（假設液體爲水），爲 求簡卓’热泡爲僅包含一種內部氣體的球形。在充分除氣 的水中，遠離氣泡的溶解氣體濃度Coo小於飽和濃度Cs。 由於氣體分子從氣泡表面散入水中，氣泡減小且最後消失 。热泡消失期間或氣泡尋命以下式估算（詳閱Epstein和 Μ · S · P 1 e s s e t，“液-氣溶液中的氣泡穩定性”，化學物理期 刊，第 18 卷（ 1950)，第 1505-1509 頁）·· τ=———- (3 ) 8D(C，CJ 1 ’ 其中P爲氣泡中氣體的密度，d〇爲氣初始直徑，而D 爲擴散係數。氮和氧氣體濃度在一大氣壓和298K之下分 別爲1 150g/cm3和13 10g/cm3，氣體對液體的擴散係數揭示 於例如Incropera和Dewitt，熱及質量傳遞基本原理，第5 -10- 200524001 (8) 版，John Wiley & Sons(2002)，第 92 7 頁。氮氣爲 〇·26 x 10 8 m2/s，而氧氣爲0.24 x 1(T8 m2/s。氣體對液體的飽和濃 度Cs係由氣體對液體的可溶性而定，例如Ε· Wilhelm，R· Battino，R. J. Wilcock於”氣體在液態水的低壓可溶性” ，化學評論第77卷（1977)第219-162頁。氮和氧在一大氣 壓和298K之下的氣體密度分別爲18 ppm和42 ppm。 當大氣爲空氣，氣泡壽命幾乎是由體積佔7 8%的氮所 決定。圖3顯示氮氣泡在水中壽命 τ ，其係依據式（3 )計 算且爲氣泡直徑dG之函數，其中假設1大氣壓、室溫（ 29 8K )、且完全消除溶解氣體或 C〇〇 = 0之理想水（ideal water )。當晶圓移動，因大氣陷在表面凹凸圖案中形成 的氣泡最大尺寸爲1 μιη。當氣泡直徑約1 μηι，從圖3可知 氣泡壽命約3 m s。在晶圓表面處接觸氣泡中的水之氣體分 子擴散延遲，當溶解空氣未完全移除，氣體分子之擴散亦 延遲。因這些理由，直徑約1 μιη的實際氣泡壽命約10 ms ，因此，爲了有效防止氣泡進入曝光區，液膜範圍依據晶 圓移動速度控制，使得L/V至少大於10 ms或更久。 現在說明在曝光期間使幕罩和基板同步相對於投影光 學系統移動的掃瞄曝光裝置的最佳L値，在掃瞄曝光裝置 中，在晶圓上的一晶片區在定速下被掃瞄和曝光，晶圓在 幾與掃瞄方向正交的方向步進，且另一晶片區的掃瞄曝光 類似地重覆。圖4爲一液膜形成區與一曝光區之關係圖， 其中X爲掃瞄期間的晶圓移動方向，y爲步進期間的晶圓 移動方向，且距離Lx和Ly爲從液膜界面在個別方向到 -11 - 200524001 (9) 曝光區之距離。晶圓移動速度主要由曝光裝置產量決定， 在掃猫方向的晶圓移動速度最好是Vx = 1 m/s。若假設氣 泡尋命τ爲10 ms，從式（2)中可得Lx最好爲10 mm或更 長。將液膜區的精確控制困難列入考量，更佳者爲Lx爲 2 0 mm或更長以維持雙重穩定性。在步進方向的晶圓移動 速度最好是Vy=約〇.5m/s，約爲掃瞄方向速度的一半（ 考量加速度和減速度）。因此從式（2)中可得Ly最好爲5 mm或更長，而更佳者爲Ly爲10 mm或更長以維持雙重 穩定性。另一方面，當L變得更大，裝置變得更長，且液 膜控制更形困難，另外，每次掃瞄和步進的距離幾乎是由 轉印到晶圓上的幕罩尺寸決定，而且在掃瞄方向約5 0 mm ，在步進方向約30 mm。即使Lx和Ly之値做成比移動方 向長，消除氣泡效果並未改進。爲此之故，Lx較佳做成 10 mm-100 mm，而 Ly 較佳做成 20 mm-7 0mm，更佳者 Lx 爲 20 mm-70 mm，而 Ly 爲 10 mm-50 mm。 現在說明溶解氣泡濃度影響，由式（3)得知氣泡壽命 與實際溶解氣體濃度C〇〇和氣體飽和濃度Cs差異成反比， 爲了防止氣泡進入曝光區，氣泡壽命最好越短越好，因此 溶解在水中的氣體濃度比起飽和濃度而言夠小。圖5顯示 氣泡標準壽命 τ / τ〇，其係由式（3)以Cs/C〇〇函數爲溶解氣 體標準濃度計算而得，其中τ〇爲C〇〇 = 0時之壽命。當溶解 氣體標準濃度Cs/C〇〇爲0.2或更小，氣泡壽命接近理想除氣 。另一方面，當溶解氣體標準濃度Cs/Cm爲0.5或更大，氣 泡壽命急遽增加，結果溶解在水中的氣體濃度較佳爲飽和 •12- 200524001 (10) 氣體濃度的50 %或更小，更佳爲飽和氣體濃度的20%或更 小。 當大氣爲空氣，相對於空氣中分壓之佔了約7 8 %的氮 氣濃度和佔了約2 1 %的氧氣濃度很重要，假定氮氣分壓爲 〇·78氣壓而氧氣分壓爲0.21氣壓，氮氣和氧氣對水的飽和 濃度在室溫（或298K)分別約爲14 ppm和9 ppm。因此較 佳者爲將溶解在水中的氮氣和氧氣濃度分別維持在7 ppm 和4·5 ppm，更佳者爲分別在2.8 ppm和1.8 ppm。 從上文可知重要者爲液膜的液體已在曝光裝置中除氣 ’然而，若一外部裝置已有用於供至曝光裝置的液體之除 氣功能，曝光裝置可去掉除氣系統。舉例言之，用於半導 體製程的淨水器通常有除氣功能，其可將氮氣和氧氣濃度 降低到空氣中飽和濃度的1 / 1 0 0 0或更小。 圖6爲第一實施例之變化例的曝光裝置主要部分槪示 圖，此變化例與圖1中第一實施例的曝光裝置不同處在於 其沒有除氣系統1 8，其餘構造相同。 依據上述實施例，舉例言之，可防止在基板移動時在 基板表面產生的細微氣泡進入曝光區。 氣泡可在基板表面以外的地方產生，例如在液體供應 口 1 〇頂端’這些氣泡被基板吸引且移到曝光區。即使此種 淸況下，上述實施例可防止氣體進入曝光區，由於液體供 應口 1 9頂端位於幾與液膜4的氣-液界面b相同的位置。 由是’此實施例讓曝光裝置的局部注入浸沒法能防止 氣泡進入曝光區。 -13- 200524001 (11) 第二實施例 現在說明使用上述曝光裝置的元件製造方法之實施例 〇 圖7爲元件（例如半導體晶片，諸如1C和LSI、液晶 面板和CCD )製造方法流程圖。步驟1 (電路設計）設計 一元件電路，步驟2 (生產光罩）形成具設計電路圖案之 光罩，步驟3 (晶圓加工）利用微影照相在一晶圓上形成 電路圖案，步驟4 (組裝加工）將個別電路圖案從晶圓上 分離並經由接線和封裝產生元件。 圖8爲晶圓加工詳細流程圖。步驟1 1 (被覆）利用熱 氧化、化學蒸氣澱積以及物理氣相成長形成各種被覆，步 驟1 2 (塗覆光阻）將光阻和抗反射被覆塗覆在晶圓上，步 驟13 (曝光）利用上述曝光裝置將幕罩圖案在晶圓上曝光 ，步驟1 4 (顯影）使晶圓顯影，步驟1 5 (蝕刻）將晶圓飩 刻，步驟1 6 (離子植入）將離子植入晶圓，步驟1 6 (釋放 光阻）將光阻從晶圓上移除。這些步驟重覆，在晶圓上形 成多層電路圖案。本實施例的製造方法可製造比品質習用 技術更高之元件。 可在不偏離本發明的精神和範圍之下發展出本發明許 多明顯各式各樣實施例之同時，除了申請專利範圍中所界 定者’請了解本發明不限於文中特定實施例。 工業可應用性 上述說明解釋本發明應用在使用晶圓做爲加工材料之 -14- 200524001 (12) 情形，然而，本發明之應用不限於晶圓加工，其一般可應 用在圖案形成曝光製程，包括例如製造光罩的曝光製程， 其中可使用電子控制空間光線調節器做爲幕罩。 【圖式簡單說明】 倂入且構成說明書一部分的所附圖式示出本發明的實 施例，其連同說明用來解釋本發明的原理。 圖1爲第一實施例的一曝光裝置主要部分槪示圖。 圖2爲圖1中所示裝置的一液膜部分圖。 圖3爲氣泡爵命τ·與氣泡直徑do關係圖。 圖4爲一液膜形成區與一曝光區之關係圖。 圖5爲氣泡標準壽命與溶解氣體標準濃度關係圖。 圖6爲第一實施例之變化例的曝光裝置主要部分槪示 圖。 圖7爲第二實施例之元件製造方法流程圖。 圖8爲圖7中晶圓加工詳細圖。 【主要元件符號說明】 1 昭 y \ \\ 明 光 學 系 統 2 光 罩 3 投 影 光 學 糸 統 4 液 體 膜 4a 曝 光 區 5 晶 圓 -15- 200524001 (13) 6 液體供應單元 7 液體回收單元 8 供應管 9 回收管 10 液體供應口 11 液體回收口 12 光罩站 13 晶圓站 14 參考鏡 15 測距雷射干涉儀 16 浸沒控制器 17 站控制器 18 除氣系統 19 氣泡 A 邊界 B 氣/液界面

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Claims (1)

1. 200524001 (1) 十、申請專利範圍 1 · 一種曝光裝置，包括： 一投影光學系統，其將一幕罩上的一圖案投影在一基 板上·； 一站’其將基板定位和移動；以及 .一液膜形成裝置，其在投影光學系統的一最後表面與 基板之間形成一液膜， 其中符合L/V>T ，其中τ爲在液膜中產生的〜 氣泡之壽命，V爲基板移動速度，而L爲液膜界面沿著_ 板移動方向到曝光區之距離。 2 · —種掃瞄曝光裝置，包括： 一投影光學系統，其將一幕罩上的一圖案投影在一基 板上； 一站，其將基板定位和移動；以及 一液膜形成裝置，其在投影光學系統的一最後表面與 基板之間形成一液膜， 其中從液膜界面沿著基板移動方向到曝光區之距離爲 10 mm - 100 mm之間，且從液膜界面沿著與基板掃瞄方 向正交的移動方向到曝光區之距離爲5 mm - 80 nm之間 〇 3 ·依據申請專利範圍第2項之掃瞄曝光裝置，其中從 液膜界面沿著基板移動方向到曝光區之距離爲20 mm - 70 mm之間，且從液膜界面沿著與基板掃瞄方向正交的移動 方向到曝光區之距離爲10 mm - 50 nm之間。 -17- 200524001 (2) 4.依據申請專利範圍第1項之曝光裝置，其中液膜中 的液體的溶解氮氣平均濃度爲7 PPm或更小，溶解氮氣平 均濃度爲4.5 ppm或更小。 5 .依據申請專利範圍第1項之曝光裝置，其中液膜中 的液體的溶解氮氣平均濃度爲2.8 ppm或更小，溶解氮氣 平均濃度爲1.8 ppm或更小。 6.依據申請專利範圍第1項之曝光裝置，其中該液膜 形成裝置包括供應液體到投影光學系統的最後表面與基板 之間的一液體供應口，以及將投影光學系統的最後表面與 基板之間的液體回收的一液體回收口。 7 ·依據申請專利範圍第1項之曝光裝置，其中液膜含 有去除氣體的液體。 8 · —種元件製造方法，包括下列步驟： 以依據申請專利範圍第1至7項中任一項之曝光裝置 將一基板曝光；以及 使已曝光物顯影。