JPH07183210A

JPH07183210A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH07183210A
Application number: JP6160887A
Authority: JP
Inventors: Susumu Komoriya; 進小森谷; Hiroshi Nishizuka; 弘西塚; Shinya Nakagawa; 慎也中川; Hiroshi Maejima; 央前島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-07-13
Filing date: 1994-07-13
Publication date: 1995-07-21
Anticipated expiration: 2011-11-20
Also published as: JP2555274B2

Abstract

(57)【要約】【目的】大気圧ないし投影露光装置の環境気圧の変動
に起因する投影光学系の焦点位置の変動を防止し、転写
パターンの寸法精度および合わせ精度を向上して高精度
なパターン転写を実現する。【構成】照明光学系４、レチクル５、レチクル５のパ
ターンを半導体ウェーハ２２に転写する投影光学系７、
半導体ウェーハ２２が載置されるＸ，Ｙテーブル２１、
投影光学系７の一部を構成し、移動レンズ支持体４０に
保持された移動レンズ３９、移動レンズ支持体４０を介
してレチクル５に対して移動レンズ３９を上下動させる
圧電素子１６、環境気圧を検知する気圧計２３からの信
号によって圧電素子１６を制御する制御部２４を含み、
環境気圧の変動に応じて、移動レンズ３９をレチクル５
に対して上下動させることにより、環境気圧の変動に起
因する投影光学系７の半導体ウェーハ２２に対する倍率
変化を補正する投影露光装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は環境気圧の変動に伴う投
影倍率、焦点位置の変動を防止して高精度なパターン投
影を可能にした投影露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にＩＣ、ＬＳＩ等の半導体装置の製
造工程では、所謂フォトリソグラフィ技術が利用されて
おり、レチクルやフォトマスクのパターンを夫々写真技
術を用いてフォトマスク原板や半導体ウェーハ表面に転
写している。そして、近年では半導体装置の素子パター
ンの微細化、高集積化に伴って転写されるパターンのサ
イズもますます微小化される傾向にあり、したがってパ
ターン転写を行う光学系にも１：５、１：１０等の微小
型の投影露光装置が多用されてきている（工業調査会発
行、電子材料１９８３年別冊、Ｐ９７〜Ｐ１０４）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の投
影露光装置を用いて本発明者が種々のパターン転写を行
ってきたところ、転写されるパターンの縮小倍率が日に
よって微小に変動し、かつこれと共に焦点位置も微小に
変動することが判明した。この変動は投影露光装置を設
置している作業所（クリーンルーム）内の温度、湿度を
一定に保っても、また光源の波長の安定化を確保しても
発生することが明らかとなった。

【０００４】このようなことから、本発明者が種々の実
験を繰り返して縮小（転写）倍率の変動原因について検
討したところ、次のような一つの結果を得ることができ
た。即ち、パターンの縮小率の変動を日毎に測定する一
方で、その日の大気圧を測定しこれらの相関を求めたと
ころ、図１に示す関係が求められた。図に示すグラフは
横軸に大気圧をとり縦軸に縮小率をとったもので、多数
のデータをプロット（図には一部のデータのみをプロッ
ト）することにより略１次式で示される相関、つまり大
気圧（Ｐ）と縮小変動率（Ｍ）は、Ｍ＝Ｋｐ・Ｐ＋Ｃｐ
で示される関係式を満足することが判明した。ここで、
Ｋｐ，Ｃｐは光学系の特性により定まる定数である。ま
た、縮小率（Ｍ）は図１に示すようにパターン寸法１3.
５mmに対する寸法変化量で定義されている。

【０００５】このことから、本発明者は縮小変動率と気
圧との関係についてさらに検討を加え、大気圧の変動に
伴うクリーンルーム（チャンバ）内の気圧変動と縮小率
変動およびそのときの焦点位置の変動について相関を求
めてみた。この結果、図２および図３に夫々示すように
クリーンルーム内の圧力と縮小率変動との間にも大気圧
と同様の相関が確認でき、また焦点変動の若干の幅はあ
るものの略同様の相関の存在が認められた。

【０００６】なお、クリーンルームは大気圧よりも若干
（略１mb）高圧に保つことにより大気中の塵埃がクリー
ンルーム内に侵入することを防止している。

【０００７】本発明の目的は、レチクル側において実質
的にテレセントリックな投影光学系を有する投影露光装
置において、投影光学系に対してガスの熱や圧力による
ストレスを与えることなく、大気圧または投影露光装置
の環境気圧の変動に起因する転写パターンの投影倍率の
変動を防止することにより、転写パターンの寸法精度お
よび合わせ精度を向上させ、高精度なパターン転写を実
現することにある。

【０００８】本発明の他の目的は、必要以上に複雑な構
成を必要とすることなく、大気圧または環境気圧の変動
に起因する転写パターンの投影倍率の変動を防止するこ
とが可能な投影露光装置を提供することにある。

【０００９】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００１１】すなわち、本発明の投影露光装置は、半導
体ウェーハが載置されるテーブルと、照明光学系と、所
望の転写パターンを有するレチクルと、第１および第２
のレンズ群からなり、少なくともレチクル側において実
質的にテレセントリックで、転写パターンを半導体ウェ
ーハの一主面に投影する投影光学系と、半導体ウェーハ
に対する転写パターンの投影倍率を調整する倍率調整機
構と、投影光学系の半導体ウェーハに対する焦点位置を
調整する焦点位置調整機構と、大気圧または投影露光装
置の環境気圧の変動を検出する気圧計と、気圧計によっ
て検出された大気圧または環境気圧の変動量に応じて、
投影光学系を構成する第１および第２のレンズ群のう
ち、レチクルに近い側の第２のレンズ群を光軸方向に変
位させることにより半導体ウェーハに対する転写パター
ンの投影倍率を調整する倍率調整機構を作動させる制御
部とを備えたものである。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００１３】（実施例１）図４および図５は本発明の一
実施例の投影露光装置を示す。図において、１は投影露
光装置の露光機本体であり、内部には光源２、コンデン
サレンズ３を有する照明光学系４と、この照明光学系４
により照明されるレチクル５等の転写パターン、および
これを投影結像するレンズ群６を有する投影光学系７を
備えている。また、詳細は省略するが、投影像のフォー
カス（焦点）設定やアライメント（平面位置）設定を行
うための光学系８も内装される。前記投影光学系７は図
５に拡大して示すように鏡筒９の上端のレチクル支持枠
１０を取着し、また下端よりの位置をフレーム１１に嵌
合している。前記レチクル支持枠１０は図６の平面構造
のように２点Ｐ₁，Ｐ₂において弾性リング板１２に取
着され、かつこの弾性リング板１２を介して２点Ｐ₃，
Ｐ₄において前記鏡筒９に取着されており、これにより
弾性リング板１２の弾性変形によってレチクル支持枠１
０は鏡筒９に対して光軸方向に微小移動できる。そし
て、周囲３点Ｐ₅，Ｐ₆，Ｐ₇においてレチクル支持枠
１０と、鏡筒９に一体的に螺合させた調整ねじ１３との
間にボール１４，１５を介して圧電素子１６を光軸方向
に介在させている。この圧電素子１６には所要の電極を
設けてリード線１７を接続し、このリード線１７を通じ
て通電を行うことにより、通電量に応じて光軸方向に伸
縮変形される。

【００１４】すなわち、本実施例の場合、レチクル支持
枠１０，弾性リング板１２，調整ねじ１３，ボール１
４，１５，圧電素子１６，リード線１７等によって倍率
調整機構が構成されている。

【００１５】また、前記レンズ群６を有する鏡筒９もフ
レーム１１に対して光軸方向に移動できるように構成し
ており、これにはフレーム１１側に設けてモータ１８に
より軸転されるスクリュシャフト１９と、鏡筒９側に設
けてこのスクリュシャフト１９に螺合するスクリュナッ
ト２０とからなる構体（焦点位置調整機構）が採用され
ており、スクリュシャフト１９の軸転に伴ってレンズ群
６およびレチクル支持枠１０は光軸方向に移動される。

【００１６】前記露光機本体１の下方には、Ｘ，Ｙテー
ブル２１（テーブル）を配置し、このＸ，Ｙテーブル２
１上には前記レチクル５のパターンを縮小して投影する
半導体ウェーハ２２を搭載している。

【００１７】一方、露光機本体１およびＸ，Ｙテーブル
２１を含む環境、通常ではクリーンルーム内の気圧を検
出する気圧計２３をその近傍に配置し、かつこの気圧計
２３の検出信号に基づいて前記圧電素子１６および前記
モータ１８を制御する制御部２４を設けている。この制
御部２４は投影倍率補正演算回路２５、倍率ドライバ２
６、焦点位置補正演算回路２７、焦点ドライバ２８を有
し、前記気圧計２３による環境気圧に応じて前記圧電素
子１６およびモータ１８への通電量を変化制御すること
ができる。

【００１８】以上の構成によれば、光学系８の作用によ
って通常のフォーカス設定やアライメント設定が行われ
るが、これと同時に気圧計２３で環境気圧を検出する。
そして、この気圧が予定された気圧よりも低いと、空気
の密度が小さくなるためレンズ群６における実質的な焦
点距離が小さくなり、実質的な投影パターン像の投影倍
率が小さくなり、また焦点位置が小さくなる状態とな
る。このため、投影倍率補正演算回路２５では、図１お
よび図２に示したような相関に基づいて、レンズ群６と
レチクル５との距離を減少させて同一の倍率が得られる
ような補正寸法を算出し、これに基づいて倍率ドライバ
２６を作動させる。倍率ドライバ２６の作用によって圧
電素子１６には所要の電流が通電されこれに応じて圧電
素子１６は短縮（または伸長）する。圧電素子１６の短
縮に伴ってレチクル支持枠１０は鏡筒９に対して下方へ
移動され、これによりレチクル５とレンズ群６との距
離、つまり気圧変化に対する実質的な投影倍率を一定に
保つことができる。さらに、これと同時に焦点位置補正
演算回路２７が気圧に基づいて焦点位置の補正量を算出
し、焦点ドライバ２８を作動させてモータ１８を駆動す
ればレンズ群６は軸方向に移動され、前述の動作と共に
焦点位置を実質的に一定のものとする。気圧が予定圧よ
りも高い場合にはレチクル５やレンズ群６は前述と逆方
向に移動され、この場合にも実質的に倍率と焦点位置を
一定のものとする。

【００１９】この結果、大気圧はもとよりクリーンルー
ム等の投影露光装置の環境気圧の変化にもかかわらず投
影光学系におけるレチクル５、レンズ群６、半導体ウェ
ーハ２２間の実質的な倍率と焦点位置を常に一定に保持
することができるので、投影倍率の変動を防いで倍率の
安定化を図り、高精度なパターン転写を達成することが
できる。投影倍率の安定化と共に焦点位置を最適位置に
設定して良好な投影パターンが得られることは言うまで
もない。

【００２０】（実施例２）図７は本発明の他の実施例を
示す。

【００２１】図中、図４における実施例１と同一部分に
は同一符号を付している。本実施例では、投影光学系７
は、半導体ウェーハ２２に近い側のレンズ群６（第１の
レンズ群）と、レチクル５に接近している移動レンズ３
９（第２のレンズ群）とで構成され、移動レンズ３９は
移動レンズ支持体４０に保持されることによって光軸方
向に変位自在にされている。鏡筒９と移動レンズ支持体
４０の間には圧電素子１６が、伸縮方向を光軸方向に一
致させた姿勢で介在されており、当該圧電素子１６の伸
縮変形によって、移動レンズ３９が光軸方向に駆動され
る構成となっている。

【００２２】すなわち、本実施例の場合には、移動レン
ズ３９，移動レンズ支持体４０，圧電素子１６等によっ
て倍率調整機構が構成されている。この圧電素子１６に
は所要の電極を設けてリード線を接続し、このリード線
を通して通電を行うことにより、通電量に応じて光軸方
向に伸縮変形される。

【００２３】一般に光束がパターン面に対して垂直に入
射するテレセントリックの投影光学系においては、レチ
クルの上下により倍率の補正を行うことが困難となる。
このようなテレセントリックな投影光学系においては、
レチクルに接近したレンズがあり、このレンズを光軸方
向に移動することにより、縮小率を変化させることが可
能である。気圧による縮小率変動は、気圧計２３で気圧
を検出し、気圧に応じて移動レンズ３９を光軸方向に移
動することにより、一定とすることができる。

【００２４】

【発明の効果】

(1).レチクル側において実質的にテレセントリックな光
学系を有する投影露光装置において、気圧計によって計
測される大気圧または投影露光装置の環境気圧の変動に
基づいて、投影光学系に設けられた倍率調整機構を作動
させることにより、当該大気圧または環境気圧の変動に
起因する転写パターンの倍率の変化を打ち消すように倍
率を調整した後、転写パターンの露光操作を行うので、
大気圧または投影露光装置の環境気圧の変動に起因する
転写パターンの投影倍率の変動を確実に防止できる。

【００２５】また、投影光学系等の内部のガス圧や温度
を変化させる場合のように、投影光学系に対してガスの
熱や圧力によるストレスが作用せず、当該ストレスに起
因する投影光学系等の精度低下の懸念もない。

【００２６】この結果、転写パターンの寸法精度および
合わせ精度が向上し、高精度なパターン転写を実現する
ことが可能となる。

【００２７】(2).鏡筒内等を加圧のために密閉構造にし
たり、加圧のための空気圧制御機器等を設ける必要がな
いので、必要以上に複雑な構成を必要とすることなく、
大気圧または環境気圧の変動に起因する転写パターンの
投影倍率の変動を防止することが可能となる。

【００２８】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例
に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲
で種々変更可能であることはいうまでもない。

【００２９】たとえば、圧力検出部は大気圧を検出して
もよく、この大気圧と、予め求められた投影露光装置の
環境（クリーンルーム）との圧力差から環境気圧を検出
してもよい。または、直接大気圧で制御するようにして
もよい。

【００３０】なお、実施例１の圧電素子に変えて機械的
な伸縮機構を利用することができ、さらに、環境温度、
湿度の変化によっても倍率が変化されることもあるの
で、温度、湿度を検出し、これによって光学特性を制御
するようにしてもよい。

【００３１】（利用分野）以上の説明では主として本発
明者によってなされた発明をその利用分野である半導体
装置のフォトリソグラフィ技術に使用する縮小型の投影
露光装置に適用した場合について説明したが、これに限
定されるものではなく、たとえば等倍型の露光装置はも
とより、半導体製造技術以外の分野における投影露光装
置に適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】気圧と投影倍率、焦点位置の相関を説明するグ
ラフである。

【図２】気圧と投影倍率、焦点位置の相関を説明するグ
ラフである。

【図３】気圧と投影倍率、焦点位置の相関を説明するグ
ラフである。

【図４】本発明の実施例１の全体構成図である。

【図５】図４の要部の拡大図である。

【図６】図４の要部の平面図である。

【図７】本発明の実施例２の全体構成図である。

【符号の説明】

１露光機本体２光源４照明光学系５レチクル６レンズ群７投影光学系９鏡筒１０レチクル支持枠１１フレーム１２弾性リング板１６圧電素子１８モータ１９スクリュシャフト２０スクリュナット２１Ｘ，Ｙテーブル２２半導体ウェーハ２３気圧計２４制御部３９移動レンズ４０移動レンズ支持体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者前島央東京都千代田区丸の内１丁目５番１号株式会社日立製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウェーハが載置されるテーブル
と、照明光学系と、所望の転写パターンを有するレチクルと、第１および第２のレンズ群からなり、少なくとも前記レ
チクル側において実質的にテレセントリックで、前記転
写パターンを前記半導体ウェーハの一主面に投影する投
影光学系と、前記半導体ウェーハに対する前記転写パターンの投影倍
率を調整する倍率調整機構と、前記投影光学系の前記半導体ウェーハに対する焦点位置
を調整する焦点位置調整機構と、大気圧または投影露光装置の環境気圧の変動を検出する
気圧計と、前記気圧計によって検出された前記大気圧または環境気
圧の変動量に応じて、前記投影光学系を構成する第１お
よび第２のレンズ群のうち、前記レチクルに近い側の前
記第２のレンズ群を光軸方向に変位させることにより前
記半導体ウェーハに対する前記転写パターンの投影倍率
を調整する倍率調整機構を作動させる制御部とを備えた
ことを特徴とする投影露光装置。