JP6041541B2 - 露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示素子や半導体素子を製造する際に用いられるフォトリソグラフィ工程において使用される露光装置及びその露光装置を使用するデバイス製造方法に関する。

近年、パソコンやテレビ等の表示装置において、液晶表示基板が多用されるようになってきている。液晶表示基板は、フォトリソグラフィ工程を用いてガラス基板上に透明薄膜電極を所望の形状にパターニングすることによって製作される。フォトリソグラフィ工程を行うために、予め所望のパターンが描画されているマスク上に露光光を照射し、投影光学系を介してマスク上のパターンをフォトレジストが塗布されたガラス基板などの基板の上に投影して基板を露光する投影露光装置が用いられている。液晶表示基板の製造には、ミラー・プロジェクション方式による投影露光装置が用いられている。

図４を用いて、特許文献１、２に示されている従来のミラー・プロジェクション方式の投影露光装置を説明する。照明光学系１０１は、照明光学系１０１内部に載置されている高圧水銀ランプから発せられた光を所望の形状に整形し、パターンが描画されているマスク２を照明する。照明光学系１０１からの光はマスク１０２を照明した後、投影光学系が格納されている鏡筒１０３内に入射する。鏡筒１０３内に入射した光は、平面反射ミラー１３１および凹面反射ミラー１３２により反射されて投影光学系の瞳の近傍に導かれる。投影光学系瞳の近傍には、メニスカスレンズ１３３および凸面反射ミラー１３４が設置されている。平面反射ミラー１３１および凹面反射ミラー１３２により反射された光は、メニスカスレンズ１３３を透過した後、凸面反射ミラー１３４により反射されてメニスカスレンズ１３３を再び透過する。メニスカスレンズ１３３を再び透過した光は、凹面反射ミラー１３２および平面反射ミラー１３１により再び反射されて、感光剤が塗布されている基板１０４に到達する。基板１０４の位置で、マスク１０２からの透過光および回折光が干渉し、マスク１０２のパターンを結像し、基板１０４を露光する。マスク１０２およびプレート１０４はそれぞれ不図示のマスクステージおよび基板ステージに設置され、マスクステージおよび基板ステージは同期させて走査しながら露光を行うことで、大画面の基板１０４に対する露光が可能となっている。

特開２００６−７８６３１号公報 特開２００８−８９８３２号公報

近年、液晶表示基板は大画面化の一途をたどっており、その要求に応えるために露光装置の露光領域も拡大してきている。露光領域が大きくなると単位面積当たりの光量が小さくなり、露光に要する時間が長くなり、露光装置としての生産性が落ちてしまう。このため、露光用光源である出力１０ＫＷ程度の大型水銀ランプを複数本用いることで高い照度を保ち露光時間の増加の抑制を図っている。大型水銀ランプの数が増大することによって、露光工程中における露光装置の投影光学系内部では、非常に高い熱負荷がかかっている。具体的には、投影光学系を構成する光学部品に露光光の一部が吸収されて光学部品が蓄熱し、その熱が再び鏡筒内に放出されることにより、光学部品および光学部品周辺の気体の温度が上昇する。光学部品および光学部品周辺の気体の温度が上昇すると、気体の対流により、光学部品の表面近傍に気体の揺らぎが発生し、揺らいだ気体を通過する光線の進路のずれ（像の揺らぎ）が発生する。さらに、温度が上昇した気体は、投影光学系が搭載される鏡筒内上部に溜まり、鏡筒内部の気体は鉛直方向に温度勾配を持つ状態となる。

図４に示したミラー・プロジェクション方式の露光装置においては、投影光学系の瞳となる凸面反射ミラー１３４の近傍で最も集光度が高く高温になる。したがって、メニスカスレンズ１３３と凸面反射ミラー１３４との間の空間が高温になり、空間が密閉構造でないために凸面反射ミラー１３４の近傍から上方に対流する気体の流れが発生し、像の揺らぎなどを誘発することがある。このように露光工程で生じる投影光学系内の気体の温度勾配や、光学部品の表面近傍の気体の揺らぎにより、結像性能が低下することが問題視されてきている。

そこで、本発明は、光路の一部の雰囲気が光路の他の部分に与える影響を低減した光学系を提供することを目的とする。

本発明は、光路に沿って反射ミラー、凹面反射ミラー、メニスカスレンズ及び凸面反射ミラーがその順で配置された光学系であって、前記光学系は部材を備え、前記メニスカスレンズ、前記凸面反射ミラー及び前記部材によって、前記メニスカスレンズと前記凸面反射ミラーとの間に形成された空間を取り囲むことによって前記反射ミラーと前記凹面反射ミラーとの間の光路を含む空間と前記メニスカスレンズと前記凸面反射ミラーとの間に形成された空間とを分離することを特徴とする。

本発明によれば、光路の一部の雰囲気が光路の他の部分に与える影響を低減した光学系を提供することができる。

本発明の露光装置を示す概略図 図１において、凸面反射ミラーの近傍を示す詳細図 図１のうち、凸面反射ミラーの近傍を凹面反射ミラー３２側から見た図 従来の露光装置を示す概略図

［露光装置］
以下に本発明の露光装置の実施形態について、図１を用いて説明する。マスク２を照明する照明光学系１は、光源である高圧水銀ランプ、楕円ミラー、整形光学系、ＮＤフィルター、オプティカル・インテグレータ、コンデンサレンズなどの光学部品を内部に含んでいる。楕円ミラーは、高圧水銀ランプから発生した光を特定の方向に集光する。整形光学系は、楕円ミラーからの光分布を所望の形状に整形する。ＮＤフィルターは、光強度を調節する。オプティカル・インテグレータは、マスク２面での光強度分布を均一化させる。コンデンサレンズは、オプティカル・インテグレータを通過した光を集光する。

照明光学系１から射出された露光光は、転写させるべきパターンが描画されたマスク（原板ともいう）２に照射される。マスク２を透過した光は、投影光学系３を介して基板（プレート）４上に到達し、マスク２上のパターンをプレート４上に転写してプレート４を露光する。プレート４上には予め感光剤が塗布してあり、露光前後に適切な処理を施すことによって、プレート４上に所望のパターンを作製することができる。

投影光学系３内には、マスク２からプレート４に至る光路に沿って、平面反射ミラー（第１光学素子）３１、凹面反射ミラー（第２光学素子）３２、メニスカスレンズ（第３光学素子）３３、凸面反射ミラー（第４光学素子）３４がその順に配置される。本実施形態では、マスク２を経て投影光学系３に入射してきた光は、平面反射ミラー３１で折り曲げられ、凹面反射ミラー３２で反射された後、メニスカスレンズ３３を透過し、凸面反射ミラー３４に入射する。凸面反射ミラー３４で反射された光は、メニスカスレンズ３３を再度透過した後、凹面反射ミラー３２、平面反射ミラー３１で再度反射されてプレート４に入射する。平面反射ミラー３１、凹面反射ミラー３２、メニスカスレンズ３３及び凸面反射ミラー３４は、光路に沿って第１光学素子、第２光学素子、第３光学素子及び第４光学素子がその順に配置された光学系を構成している。

本実施形態で紹介されているミラー・プロジェクション方式の露光装置の投影光学系３では、光路の上流側にメニスカスレンズ３３が配置され、光路の下流側に凸面反射ミラー３４が配置されている。ミラー・プロジェクション方式の露光装置の投影光学系３では、設計上、メニスカスレンズ３３と凸面反射ミラー３４とは投影光学系３の瞳の近傍に配置される。凸面反射ミラー３４の近傍は最も集光度が高いため、発熱量も多い。凸面反射ミラー３４の表面の反射膜に照射することによって反射膜で発生した熱がメニスカスレンズ３３に伝搬しにくいように、メニスカスレンズ３３と凸面反射ミラー３４との間には空間３９が形成されている。メニスカスレンズ３３と凸面反射ミラー３４とは鏡筒３５で固定されており、空間３９はメニスカスレンズ３３、凸面反射ミラー３４及び鏡筒３５で取り囲まれている。したがって、反射膜部で発生した熱によって暖められた、空間３９中の気体は、空間３９から抜け出ることはなく、平面反射ミラー３１と凹面反射ミラー３２との間の光路で気体の揺らぎを発生させない。鏡筒３５は、平面反射ミラー(第１光学素子)３１と凹面反射ミラー（第２光学素子）との間の光路と空間３９とを分離する部材を構成している。

鏡筒３５の材質は、外部に熱が伝わりにくいように、断熱性の優れたものが選択される。凸面反射ミラー３４を挟んでメニスカスレンズ３３と反対側（光路の下流側）には、空間を介して光吸収部材３６が配置されている。光吸収部材３６は、凸面反射ミラー３４の表面で反射せず、凸面反射ミラー３４を透過してきた光を吸収する。凸面反射ミラー３４と光吸収部材３６との間に空間を介在させるのは、凸面反射ミラー３４と光吸収部材３６との熱膨張率の差を吸収し、また、光吸収部材３６で発生した熱を凸面反射ミラー３４に伝搬しにくくするためである。

凸面反射ミラー３４の反射面には、光を反射させるために反射膜が製膜されている。この反射膜の材質はアルミニウムなどの金属よりも誘電体が望ましい。誘電体を選択する理由は金属膜よりも誘電体の膜の方が光を照射した時の光吸収度が小さいためである。反射膜の材質として誘電体を選択した場合、金属膜と比較して凸面反射ミラー３４の光反射面を反射せずに透過する光量が増加するため、凸面反射ミラー３４を固定している鏡筒３５が発熱する可能性がある。その結果、凸面反射ミラー３４近傍の温度が上昇し、投影光学系３内部の光路中に気体の揺らぎが発生し、投影光学系３の結像性能を低下させてしまう。

図２に、凸面反射ミラー３４の近傍の拡大図を示す。光吸収部材３６にはその内部に温度制御された液体（冷媒)を供給する液体供給部と内部から液体を排出する液体排出部とを含む冷媒用配管３７が接続されており、光吸収部材３６の過熱を防ぐために図２中の矢印の向きに冷媒を流すことができる。冷媒用配管３７は投影光学系３の外部まで引き回されており、不図示のチラーなどを用いて冷媒の温度を一定に制御しながら循環させる。冷媒は常時循環させておいてもよいし、光吸収部材３６の温度が或るしきい値よりも高くなった場合のみ循環させてもよい。冷媒用配管３７を設けることにより、光吸収部材３６の温度上昇を最小限に抑えることができ、投影光学系３の内部の光路中における気体の揺らぎを抑えることができる。光吸収部材３６は、高い熱伝導率を有する物質、例えば、アルミニウムが用いられる。冷媒用配管３７を流す冷媒は、例えばフッ素系の不活性液体である。

次に図３を用いて、メニスカスレンズ３３と凸面反射ミラー３４との間の空間３９の冷却方法について記載する。図３は空間３９及び鏡筒３５を凹面反射ミラー３２側から見た断面図である。露光を続けていると、メニスカスレンズ３３と凸面反射ミラー３４の間の空間３９の温度が次第に上昇してくる。その結果、空間３９内に温度分布が生じ、像ずれや非点収差などが発生する。像ずれや非点収差などの発生を防止するために、鏡筒３５には配管３８が接続されており、配管３８を介してメニスカスレンズ３３と凸面反射ミラー３４の間の空間３９に、温度制御された空気や窒素などの気体を送ることができる。配管３８は投影光学系３の外部から引き回されている。気体の流量を調節したり、鏡筒３５内部への気体の噴出口の形状を調節したりすることで、メニスカスレンズ３３と凸面反射ミラー３４の間の空間３９の温度管理を効果的に行うことが可能である。図３中の矢印は、メニスカスレンズ３３と凸面反射ミラー３４の間の空間３９を効果的に気体が流れる様子を模式的に示している。配管３８を流す気体は、例えば空気、不活性ガスである。

なお、図３の配管３８の構造では、空間３９へ気体を供給する気体供給部、空間３９から気体を排出する気体排出部の数を１つとしているが、これに限定されることなく、気体供給部、気体排出部の数を複数としてもよい。また、気体の流れが水平方向となっているが、これについても水平方向以外の方向に配置した場合においても一定の効果を得ることは言うまでもない。

［デバイス製造方法］
つぎに、本発明の一実施形態のデバイス（半導体デバイス、液晶表示デバイス等）の製造方法について説明する。ここでは、半導体デバイスの製造方法を例に説明する。

半導体デバイスは、基板に集積回路を作る前工程と、前工程で作られた基板上の集積回路チップを製品として完成させる後工程を経ることにより製造される。前工程は、前述の露光装置を使用して感光剤が塗布された基板を走査露光する工程と、基板を現像する工程を含む。後工程は、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）と、パッケージング工程（封入）を含む。なお、液晶表示デバイスは、透明電極を形成する工程を経ることにより製造される。透明電極を形成する工程は、透明導電膜が蒸着されたガラス基板に感光剤を塗布する工程と、前述の露光装置を使用して感光剤が塗布されたガラス基板を走査露光する工程と、ガラス基板を現像する工程を含む。本実施形態のデバイス製造方法によれば、デバイスの生産性および品質の少なくとも一方において従来よりも有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

Claims (9)

1. 光路に沿って反射ミラー、凹面反射ミラー、メニスカスレンズ及び凸面反射ミラーがその順で配置された光学系であって、
   前記光学系は部材を備え、
   前記メニスカスレンズ、前記凸面反射ミラー及び前記部材によって、前記メニスカスレンズと前記凸面反射ミラーとの間に形成された空間を取り囲むことによって前記反射ミラーと前記凹面反射ミラーとの間の光路を含む空間と前記メニスカスレンズと前記凸面反射ミラーとの間に形成された空間とを分離することを特徴とする光学系。
2. 前記取り囲まれた空間に温度制御された気体を供給する気体供給部と前記取り囲まれた空間から前記気体を排出する気体排出部とを備える請求項１に記載の光学系。
3. 前記凸面反射ミラーの反射面は、誘電体の膜で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
4. 光路に沿って反射ミラー、凹面反射ミラー、メニスカスレンズ及び凸面反射ミラーがその順で配置された光学系であって、
   前記光学系は、前記反射ミラーと前記凹面反射ミラーとの間の光路を含む空間と前記メニスカスレンズと前記凸面反射ミラーとの間に形成された空間とを分離する部材を備え、
   前記凸面反射ミラーの反射面は、誘電体の膜で構成されていることを特徴とする光学系。
5. 前記メニスカスレンズは前記凸面反射ミラーよりも前記光路の上流側に配置され、
   前記光学系は、前記光路の前記凸面反射ミラーの下流側に前記凸面反射ミラーを透過した光を吸収する光吸収部材を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学系。
6. 前記光吸収部材の内部に温度制御された液体を供給する液体供給部と前記光吸収部材の内部から前記液体を排出する液体排出部とを備えることを特徴とする請求項５に記載の光学系。
7. 前記メニスカスレンズと前記凸面反射ミラーとは前記光学系の瞳の近傍に配置されており、前記メニスカスレンズを通過した光は、前記凸面反射ミラーにより反射され、再び前記メニスカスレンズを通過して前記凹面反射ミラーに入射することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学系。
8. マスクに形成されたパターンを投影光学系を介して基板に投影して前記基板を露光する露光装置であって、
   前記投影光学系は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光学系を含むことを特徴とする露光装置。
9. 請求項８に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
   前記露光された基板を現像する工程と、
   を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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