JPS6167036A - 投影露光装置における投影倍率の補償方法及びその装置 - 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】 発明の分野 本発明は、環境条件の変動に起因する投影露光装置の投
影倍率の変化を補償するための方法及び装置に関する。

より詳細には、環境条件、特に気圧の変動に起因する投
影型精密露光装置における投影光学系の横倍率の変化を
補正するだめの方法及び装置に関する。

発明の技術的背景 近時、半導体素子の超微細化及び高集積化が必要とされ
るようになるに併窪い、半導体素子、特に超ＬＳＩの製
造加工において、非常に高い精度か要求されるに至って
いる、 従って、従来より半導体の精密な製造加工に用いられた
投影露光装置においても、レチクル等の原板のパターン
を半導体ウェーハの表面に縮小投影する倍率（通常１１
５〜１／１０が用いられている）は極めて正確でなけれ
ばならない。例えば、特に微細な構造を有する半導体チ
ップでは０．１ミクロン（μ）の寸法精度が必要とされ
るが、これは１４ミリ（ｆｌ）角のＬＳＩについて言え
ば０．１（μ）÷１４　（ｍ）＝；　７ｘ　１０−’と
いう非常に高い倍率精度が要求されることを意味する。

このような高い倍率精度を得るためＫ。

従来より露光装置の光学系の設定等には細心の注意が払
われてきた。

ところが、最近、実際に露光装置を用いた種々の実験か
ら、装置環境の変動がパターンの縮小（転写）倍率に実
質的な影響を及ぼすことが判明した。このことは、例え
ば、装置環境の温度が変化した場合には投影光学系の鏡
筒が熱膨張または熱収縮し原板とレンズ間の距離を変化
させるためと考えられるし、また環境の湿度が変化した
場合には、投影光学系内の空気の湿度も変化してレンズ
の相対的屈折率を変化させるためと考えられる。

このため、環境温度等は厳しく管理され制御されており
、例えばクリーンルーム内の温度変化は通常±０．１℃
以下に抑制されている。

ここで、投影光学系内の空気の屈折率、従ってパターン
の縮小倍率に実質的影響を及はす重要な環境要因として
、さらに気圧の変動を考慮すべきことはいうまでもない
。簡単のために、第１図のように投影光学系のレンズを
１枚の薄肉レンズに置換えて考察する。また、レチクル
等の原板ｙ０かも薄肉レンズまでの距離をＳ？薄肉レン
ズから原板の＊　）’ｏ’までの距離をｓ／、空気の屈
折率をｎ。

薄肉レンズの屈折率をｎＱ、　　曲率半径をｒ、　、　
ｒ！とすると、焦点距離ψ、結結成式よび横ｉ率ｍはそ
れぞれ次のように表わされる。

ｓ’　　　ｓ　　＋ψ　　　　　　　　　　（２）ｍ＝
　　ｌ／　　　　　　　　　　　　　　　　（３）　　
　　Ｓ 但し、ｓ　＝　ｓ　／　ｎ　　　　　　　　　　　　　
　　（４）ｓ’＝　ｓ’／　ｎ　　　　　　　　　　　
　　　　（５）であり、ｓ　、　ｓ’は光の進行方向を
正とし、従って、横倍率ｍは倒立実像の場合に負となる
９一般に、空気の圧力Ｐが変化すると空気の屈折率ｎも
変化するが、Ｐとｎとの関係は次式によって与えられる
。

ｎ　　１　＝Ａ　（Ｔ）　（ｎ　ｓ−１）　　　　　　
　　　　（６１Ｓ 但し、Ｐ、は標準大気圧であって、 Ｐ　ｓ　＝　７６０　ｘｍＨｇ　＝　１０１５ミリバー
ル（ｍｂ　）である。′また、ｎ、は標準大気圧におけ
る標準の屈折率であって、波長が４３５　ｎｍの光では
１．０００２８である。さらに、係数Ａ　（Ｔ）は気温
Ｔの関数であるが、標準温度（１５℃）では１となる。

従って、標準温度から変化がないとすれば、となる。こ
のように、空気の屈折率がδ。たけ変化した場合、Ｓが
不変とすると、（４）式から明らかなよ５Ｋｓが変化す
る。また、このとき（１）式から明らかなよ５にψも変
化するが、露光装置では常にオートフォーカスになって
いるので、（２）式を満足するようにｉ′も決まる。

以上より、結局横倍率の変化δｍは次式で与えられるこ
とになる。

δ□＝ｎ（ｎｒｏ−ｎ）ｍ（１−ｍ）δｎ（８）ここで
讐物体（原板）ｙｏおよび像の大きさｙ、、／の間には
、 Ｔｏ’　＝　ｍ　ｙｏ（９） の関係があるので、さらに となり、（８）式と（１１式より次式を得る。

この（１０式において、ｎ　＝　１とすると（７）式よ
りとなる。さらにｎ。＝１．５とすると、δＰ δｙ、’＝０．０００８４　ｙ、’　（１−ｍ）　−Ｑ
３ｓ となる。縮小倍率を１１５倍とすると、倒立像であるか
ら、ｍ＝−０，２であり、さらにＬＳＩのチップサイズ
Ｙｏ’＝１０　（ａｍ　）　ｔδ！’、＝　２０　（ｍ
ｂ　）とすると、 δｙ、’　”：、　０．２　（μ）（１４となる。これ
らの変化量δｒ、δｙ、／の値は実際の露光装置におけ
る実験で確認されている。この０．２ミクロン（μ）程
度の誤差は、極めて微小に見えるけれども、最近のよう
に所謂サブミクロ／の精度が要求される露光装置におい
ては無視できないものであり、是非とも補正が必要とさ
れるところである。

発明の目的 従って、本発明の目的は、投影露光装置の環境条件、特
に気圧の変動に起因する転写パターンの投影（縮小）倍
率の変動を補償して、高精度なノくターン転写を可能に
する投影露光方法及びその装置を提供することＫある。

発明の概要 １′ 上記のような目的を達成するために、本発明に従う方法
によれば、まず投影露光装置の環境条件（特に気圧）を
測定検出し、その検出値に応じて投影光学系内の圧力、
従って投影光学系内の気体の屈折率を変化させて、レチ
クル等の原板から投影レンズまでの光学的距離を制御す
る。

また、本発明に従う装置は、上述のように気圧等の環境
条件の変動を検出する装置と、投影光学系内の圧力を調
整する装置と、上記の検出値に応じて投影光学系内の圧
力を変化させるように上記の圧力調整装置を制御する装
置とを特徴的構成要素として備え、これにより投影露光
装置の環境条件の変動に起因する投影倍率の変動を補償
し、高精度なパターンの転写を可能にするものである。

好適な実施例の説明 次に、本発明の好適な実施例である投影露光装置の全体
的構成を第°２図に示す。同図に示すように、露光装置
本体１は、光源２と、コンデンサレンズ６を含む照明光
学系４と、転写パターンを有するレチクル５等を載置す
る支持台６と、投影レンズ７を含む投影光学系８を内蔵
し固定アーム１２に取付けられた鏡筒９とを備える。ま
た、投影像の焦点設定やアライメント（平面位置）の設
定を行なうための光学系１６も、露光機本体１に内装さ
れる。

さらｋ、上記の投影光学系８は、ガラス等の材質から成
る隔壁１１ａ及び１１ｂによって画成される圧力調整室
（以下、単に「チャンバ」と称する）１０を、投影レン
ズ７と原板５との間に設けている。そして、チャンバ内
の空気の圧力、従って屈折率を変化させることにより投
影光学系８０投影倍率を補正する。

露光機本体１の下に配設したＸＹテーブル１５上には、
半導体ウェーハ１４が塔載される。原板５の転写パター
ンは、投影光学系８により縮小されて、半導体ウェーハ
１４に結像される。

また、露光機本体１の近傍には気圧計１７を設置して、
通常はクリーンルーム内の気圧を検出する。本実施例に
おいては、％に気圧の変動に起因する投影倍率の変動の
補償を問題にしているので気圧計としたが、温度や湿度
の変動の影響をも問題にする場合は、さらに温度計（温
度センサー）や湿度計を設置することも可能である。

一方、チャンバ１０の内部には圧力計１２を設置して、
チャンバ内の空気の圧力を検出する。そして、これら気
圧計１７および圧力計１２から検出信号が制御部１８に
送出される。この制御部１８には、後に詳説するように
大気圧またはクリーンルーム内の気圧と縮小率との相関
情報が予め入力され、且つ記憶されており、上記の検出
信号に基づいて、チャンバ内の圧力の補正量を計算する
。

その計算の結果、チャンバ１０内の空気を加圧する必要
がある場合、制御部１８は方向切換弁（６ポート弁）２
１に制御信号を送って、第２図に示すようにチャンバ１
０と圧縮機１９とを接続するとともに、圧縮機１９に駆
動信号を送る。

一方、チャンバ１０内の空気を減圧する必要がある場合
、制御部１８は、第６図に示すようにチャンバ１０との
接続を真空ポンプ２０の方に切換えるよう方向切換弁２
１を制御し、且つ真空ボンダ２０を駆動する。その後、
制御部１８は制御信号を送って電磁弁２４を開く。本実
施例では、方向切換弁２１とチャンバ１０との間には、
空気の逆流を防止する電磁弁２４の他に、圧力を除々に
変化させるための空気だめ（パックアーメンク）２２と
、除湿のためのエアフィルタ２５とを設けている。

チャンバ１０内の空気の加圧または減圧の結果、所望の
空気圧が得られているか否かは圧力計１２からの圧力検
出信号に基づいて制御部１８により確認され、さらに加
圧または減圧をする必要がある場合には、制御部１８か
ら方向切換弁２１並びに圧縮機１９又は真空ボン１２０
に駆動信号が送られる。また、チャンバ１０内において
、所望の空気圧が得られた場合には、制御部１８かも制
御信号を送って電磁弁２４を閉じる。

次に、大気圧（またはクリーンルーム内の気圧）の変動
に依存して変化する縮小倍率を補正するために増減され
るべきチャンバ内の空気圧の大きさが、どのように決定
されるかＫついて説明する。

第４図は、チャンバ１００部分を拡大して示したもので
あり、厚さａの２枚のガラス製平行平面板１１ａおよび
１１ｂによりチャンバ１０は画成されている。但し、簡
単のために、チャンバ１０の隔壁１１ｂの外側の面は殆
ど投影レンズ（薄肉レンズ）７のレンズ面に接している
ものとする。

このチャンバ１０内の空気圧は上述のように自由に調整
できるようになっている。

さらＫ、原板ｙ０から投影レンズ面までの距離を！、チ
ャンバ１０の空気層の厚さをｄ、大気（またはクリーン
ルーム内の空気）の屈折率をｎ、チャンバの側壁のガラ
ス板の屈折率をｎｇ、チャンバ内の空気の屈折率をｎＩ
　＋　　投影レンズ７の屈折率を００とすると、　原板
からレンズ面までの光路長（換算距離）７は次式で与え
られる。

ここで、上記（１）乃至（５）式より、この投影光学系
の縮小倍率ｍ′を決定する式は、 ｒ、　　　　ｒｌ である。大気（またはクリーンルーム内の空気）の屈折
率がδ。変化するとき、チャンバ内の空気の屈折率をδ
。、だゆ変化させることにより倍率ｍ′を一定に保つよ
５に調整するとすれば、δ。とδ１は次の関係式を満足
すればよいことが分っている。

空気の圧力Ｐと屈折率ｎとの関係は（７）式で与えられ
ているので、（１０式を大気圧（またはクリーンルーム
内の空気圧）の変化δＰ、Ｉと、縮小倍率ｍ′の補正の
ために必要なチャンバ内の空気圧の変化δＰ、。

との関係式に置要えると次式のようになる。

さらに、ｎ　”；　１．０１　ｎＩ”ｔ　１．０とみな
せることカラ、ａ神式より となる。

ここで本実施例における具体的数値として、１　＝　５
００（ＩＩＩ）　、ｄ＝２５０　（！ＩＩＥ）　、　ａ
＝２５　（ｍ）　。

ｎ　□＝　１．５　ｔ　ｎ　ｇ＝　１．５を一２式に代
入すると、δｎ、　＝　−４，６６７δｎ　　　　　　
　（２珍という関係式が得られる。α９式を得た場合と
同様にして（７）式から、翰式および００式を大気圧（
またはクリーンルーム内の空気圧）の変化δＢと、縮小
倍率ｍ′の補正のために必要なチャンバ内の空気圧の変
化δＰ、との関係式に置換えると、それぞれ次のように
なる。

従って、例えばδＰ＝１０（ｍｂ）であれば、チャンバ
内の空気圧は４６．６７ミＩＪパール（ｍｂ）だけ小さ
くすればよい。このようなチャンバ内の空気圧の補正用
の関係式は、制御部２０内の記憶装置に予めプログラム
として記憶されており、気圧計１７から送られてくる大
気圧（またはクリーンルーム内の気圧）の変化量に基づ
いて、チャンノく１０内の空気圧の補正値が上述のよう
に計算される。

発明の効果 上述のように、本発明に従えば、投影露光機本体または
その近傍に配設された検出装置に上り気圧等の環境条件
を検出し、環境の変動に対応した縮小倍率の補正を、投
影光学系内の気体の圧力を制御することにより行なうこ
とができ、高精度なパターン転写を実現できるう もちろん、他の機械的または電気的方法によって投影光
学系の原板から投影レンズまでの距離を変化させること
により光路長を変え、投影倍率を補正することも可能で
ある。例えば、原板５の支持台６を環境条件の変動に対
応した距離だけモータや圧電性素子等を利用して上下方
向に駆動することも考えられる。しかし、これらの方法
のように投影光学系の装置自体を機械的、物理的に駆動
□する場合に比較して、本発明の方法及び装置によれば
、投影光学系の機械装置自体のくろいが生じにくく、光
学的距離の調整も簡単に行なえるという利点が得られる
。

以上、一実施例に基づいて具体的に本発明を説明したが
、例えば、チャンバ内の気圧調整機構の具体的構成につ
い【若干の変更が可能であり、圧縮機（コンプレッサー
）の代りにブロワ−等も使用可能である。また、上述の
実施例においては、環境条件としての温度や湿度は一定
であって気圧が変動するときにチャンバ内の気圧を補正
する場合を説明したが、実験で得た相関情報に基づいて
、温度や湿度の変動に起因する縮小倍率の微小変化をも
、チャンバ内の圧力制御によって補正することは可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、投影露光装置の投影光学系における空気圧の
変動と、パターン転写の縮小倍率の変化との関係を説明
するための、投影光学系の概略図であり、 第２図は、本発明の好適な一実施例の構成図であり、 第３図は、第２図に示した実施例において、圧縮機と真
空ポンプとを切換えた場合の方向切換弁装置の拡大図で
あり、 第４図は、第２図に示した実施例の投影露光装置におけ
る投影光学系の拡大図である。 なお、図面において、 １：ｇ光機本体　　　４：照明光学系 ５：原　板　　　　　７：投影レンズ ８二投影光学系　　　９：鏡　筒 １０：圧力調整室　　　１１ａ、１１ｂ　ニガラス製側
壁１２：圧力計　　　　　１４二半導体ウェー７１１７
二気圧計　　　　　１８二制御部 １９：圧縮機　　　　２０：真空ポンプ２１°：方向切
換弁 （外５名）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）投影露光装置の環境条件としての気圧の変動を検
   出し、 この検出値に応じて前記投影露光装置の投影光学系内の
   気体の圧力の補正値を算出し、前記補正値に基づき前記
   投影光学系内の気体の圧力を制御してその屈折率を変化
   させることにより、 前記環境条件の変動による前記投影光学系の投影倍率の
   変動を補償する方法。
2. （２）投影露光機本体の投影光学系内に設けられ内部の
   気体の圧力を変化させ得る圧力調整室と、前記圧力調整
   室内の気体の圧力を変化させる駆動機構と、 投影露光装置の環境条件としての気圧を検出する検出装
   置と、 該検出装置による検出値に応じて前記圧力調整室内の圧
   力補正値を算出し、該補正値に基づいて前記駆動機構を
   制御し、前記圧力調整室の圧力を制御する制御装置と、
   を備え、 これにより、前記圧力調整室内の気体の相対的屈折率を
   変化させて前記環境条件の変動による前記投影光学系の
   投影倍率の変動を補償する装置。
3. （３）前記圧力調整室は、光軸方向に一定の厚さ（ｄ）
   を有する気体層と、該気体層を閉じこめるための光軸方
   向に一定の厚さ（ａ）を有する２枚の隔壁と、を有し、 前記の環境条件としての気圧がある値（δＰ）変化した
   ときに、前記気体層の圧力の補正値（δＰ）は、厚板と
   投影レンズまでの光軸距離（ｌ）と、投影レンズの相対
   屈折率（ｎ＿０）と、変化前の環境の気体の相対屈折率
   （ｎ）および前記気体層の相対屈折率（Ｎ＿１）とから
   、関係式 δＰ＿１＝ｎ＿１＾２／ｄ｛−［ｎ＿０］／［ｎ＾２（
   ｎ＿０−ｎ）］ｌ＋［ｎ＿０ｎ−ｎ＾２］／［ｎ＾２ｎ
   ＿１（ｎ＿０−ｎ）］ｄ＋［２ａ（ｎ＿０ｎｇ−ｎ＾２
   ］／［ｎ＾２ｎｇ（ｎ＿０−ｎ）］｝δＰによつて決定
   されることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の投
   影倍率補償装置。