JP4358530B2

JP4358530B2 - Mask making device for semiconductor device manufacturing

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Publication number: JP4358530B2
Application number: JP2003038941A
Authority: JP
Inventors: 忠弘大見; 成利須川; 究武久
Original assignee: Foundation for Advancement of International Science
Current assignee: Foundation for Advancement of International Science
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2023-02-17
Also published as: JP2004251928A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路の製造時の露光工程で用いられるマスクの作成装置、及び半導体デバイス製造用露光装置に関する。マスクとしては、特にＬＥＥＰＬ（Low Energy E-Beam Proximity Lithographyの頭文字である。）などの露光システムで用いられる等倍マスクを対象としたものであるが、紫外線やＸ線を露光光源とした光リソグラフィ用のフォトマスクをも対象とする。
【０００２】
【従来の技術】
一般に半導体集積回路の製造時に用いられるマスク（レチクルと呼ばれることもある。）を作成するには、マスクの基板となる石英板などの表面に、目的とする回路パターンに相当するパターン状に露光光を遮光するクロム膜などを付ける必要がある。このクロム膜などは、パターン露光によって形成され、そのパターン状に描画して露光する一般的な手法は、電子ビームを用いた電子ビーム描画である。これは電子ビーム直接描画と呼ばれるように、細く絞った電子ビームをパターンに沿って描画するものであり、装置としては通常ＥＢ描画装置と呼ばれている。
【０００３】
マスク製造における課題としては、半導体が年々高集積化、及び微細化していくため、マスクパターンの情報量が膨大になっていく。そのため、ＥＢ描画装置による描画時間は、マスク１枚当たり数十時間から数百時間にも達することから、描画速度の速い装置が強く望まれていた。
【０００４】
一方、マスク製造装置として、電子ビームではなく、紫外域のレーザ光（以下、紫外レーザ光と略す。）を用いてパターン描画（すなわちレジストが塗布されたマスク基板に対して、パターン状に露光）する手法に基づくものも（レーザビーム描画装置と呼ばれることがある。）製品化されている。この装置には構成的に２通りあり、１つには、１本あるいは複数本に分割された紫外レーザ光をマスク基板にパターン描画するものである。また、もう１つの構成としては、微小なミラーを二次元配列状に多数並べた反射鏡表示素子（デジタルマイクロミラーなどと呼ばれるデバイス）を用いて、これに紫外レーザ光を照射し、反射光をパターン的に制御して、マスク基板上にパターン描画するものである。このレーザビーム描画装置では、回路パターンの中の一部のパターンを一括して露光できることから、ＥＢ描画装置に比べて処理速度が速いと言われている。なお、これに関しては、例えば、Electronic Journal 2001年７月号、第140〜142頁において示されている。
【０００５】
ところで、半導体デバイスを露光する通常の露光機においては、解像度を上げるために、縮小投影光学装置における最もウエハに近いレンズと、ウエハとの間を純水で満たして、事実上の露光波長を短波長化する手法が提案されており、その光学系は液浸光学系と呼ばれている。例えば、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを光源とした露光装置（以下、ＡｒＦ露光機と呼ぶ。）に適用したものはＡｒＦ液浸光学系と呼ばれ、通常の半導体チップを露光するＡｒＦ露光機の解像度向上手法として知られており、例えば、SEＭICON Japan 2002、Technical programs for the semiconductor equipment and materials industries、第3-15〜3-16において示されている。これによると、ＡｒＦ液浸光学系の場合、ＡｒＦエキシマレーザからのレーザ光の波長は１９３ｎｍであるが、前記レンズとマスク基板との間の屈折率は約１．４５となるため、これらの間を一般的な窒素や空気などの気体で満たす場合と比較するならば、実質的に、１９３／１．４５〜１３３ｎｍの波長で露光する場合と同等になって解像度が向上する。
【０００６】
液浸光学系に関して指摘されていた問題点としては、レンズとウエハとの間（ワーキングディスタンスと呼ばれる。）に満たされる純水は、空気や窒素などの気体に比べて、屈折率の温度依存性（すなわち屈折率温度係数）がおよそ２桁も大きいことである。例えば、窒素の屈折率ｎは、理化年表等に示されているように、０℃において、ｎ＝１．０００２９７である。温度変化による屈折率変化は、熱膨張の割合に比例して（ｎ−１）の値が小さくなると考えられるため、１℃当たりの屈折率変化は、（ｎ−１）／２７３．１５／ｎで近似でき、１．０９×１０のマイナス６乗となる。一方、水の屈折率温度係数は、２０℃において、―８×１０のマイナス５乗と示されていることから、窒素に比べて、約７３倍も大きいことが判る。これによると、水で満たされたワーキングディスタンスにおいて、水の温度変化が生じると、露光光の波長変化から生じる結像波面収差が大きくなることが問題だと指摘されていた。
【０００７】
そこで、液浸光学系における、露光光の波長変化から生じる結像波面収差の拡大の抑制法として、従来、特開平１０−３０３１１４において、ワーキングディスタンスを特定の値より狭くすることが提案されている。これによると、水で満たされたワーキングディスタンスを約２ｍｍ以下にすることで、水の温度変動を０．０１℃以下の場合、結像波面収差を露光波長の１／３０以下に抑制できるとされている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−３０３１１４号公報
【０００９】
【非特許文献１】
Electronic Journal 2001年７月号、第140〜142頁
【００１０】
【非特許文献２】
SEＭICON Japan 2002、Technical programs for the semiconductor equipment and materials industries、第3-15〜3-16
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前記二次元配列微小ミラーを用いたレーザビーム描画装置では、一括して露光できるパターンがマスクパターンの一部であるため、その部分パターン状に露光してから、隣の部分パターンを露光する際に、マスク基板を移動させる必要があり、半導体デバイス用露光装置と同様に高速ステージが必要である。その結果、前記液浸光学系を適用しようとすると、液体中に高速ステージを配置する必要が生じるため、ステージ構造が極めて複雑になることが問題であった。特に半導体デバイス用露光装置では広く適用されているように、高速で高精度に移動できるステージはエア浮上（エアガイドと呼ばれることがある。）により可動部と固定部とは非接触になっている。すなわちステージ自体が水に浸るため、エアガイドの構造を実現することはほとんど不可能であった。
【００１２】
さらにまた、露光光の波長変化から生じる結像波面収差の拡大の抑制法として、上記、特開平１０−３０３１１４において提案されているように、ワーキングディスタンスを２ｍｍ以下にすると、レンズの直下のウエハに、計測用のレーザ光を当てることが困難になるため、ウエハの位置や傾斜を瞬時に計測するレーザ側距離システムの構成が極めて困難であった。
【００１３】
また、前記デジタルマイクロミラーなどの二次元配列微小ミラーの代わりに、二次元自発光デバイスとして、半導体レーザアレイを用いてパターン状の光を発生させる装置を構成しようとしたところ、以下の問題が発生した。半導体レーザアレイから取り出される複数本のレーザ光のビーム間隔は、スタックされる各半導体レーザの並び方で決まるため、一般的に横方向に１０ｍｍ間隔、縦方向に０．５ｍｍ間隔となる。ところが、これらの間隔、特に横方向の間隔は前記二次元配列微小ミラーの一般的な間隔の１５ミクロン前後に比べて、３桁も大きいことから、実際のマスクパターンにおける最小パターン寸法のおよそ０．１〜１ミクロンまで縮小するには、１／１００００以上の高い縮小倍率が必要になってしまい、それを実現する縮小投影光学系の設計、製作が極めて困難であった。
【００１４】
本発明の目的は、二次元配列状の光制御素子を用いたマスクパターン投影装置と縮小投影光学装置とを含むマスク作成装置においてマスクを高速に描画できるように改良することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、液浸光学系の適用が容易なマスク作成装置を提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、液浸光学系の適用が容易な半導体デバイス製造用露光装置を提供することにある。
【００１７】
また浸光学系においては、ワーキングディスタンスを従来同様の１０ｍｍ程度まで増大できる装置を提供することである。
【００１８】
また、二次元配列状の光制御素子として半導体レーザを用いてもシステムを構成できる装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、二次元配列状の光制御素子を用いた部分マスクパターン投影装置と、前記光制御素子をマスクパターンデータによって制御することによって前記部分マスクパターン投影装置から少なくとも第１および第２の部分マスクパターンの光学像を出力させる手段と、前記第２の部分マスクパターンの光学像が前記第１の部分マスクパターンの光学像が出力される空間に隣接する空間に出力されるように前記部分マスクパターン投影装置を制御する手段と、前記第１および第２の部分マスクパターンを入力して前記第１および第２の部分マスクパターンが縮小されかつ空間的に合成されたマスクパターンを形成する縮小投影光学装置とを含むようにしたものである。
【００２０】
二次元配列状の光制御素子としては、二次元配列状に光を制御できるデバイスであれば何でも適用でき、例えば、前記デジタルマイクロミラーなどの二次元配列微小ミラーや、有機ＥＬ、ＰＤＰ、半導体レーザアレイなどの自発光デバイスを用いることができる。なお、部分マスクパターンを隣接空間に出力するよう制御する手段としては、前記マスクパターン投影装置をＸＹステージなどに固定して移動できるようにしてもよいし、あるいは前記マスクパターン投影装置において形成される部分マスクパターンを有する光学像のみをポリゴンミラーなどの可動ミラーによって移動させてもよい。
【００２１】
これによると、前記部分マスクパターンを有する光学像を空間内で移動させながら次々に異なる部分パターンを有する光学像を発生させることができるので、各部分マスクパターンを有する光学像を合成させることで実際のマスクパターンと同じで拡大されたパターン（以下、拡大マスクパターンと呼ぶ。）を有する光学像を形成することができる。したがって、これを縮小投影光学装置に入力させることで、マスク基板に実際の大きさのマスクパターンを有する光学像を投影させることができるため、マスク基板を移動する必要がない。すなわちマスク基板をステージ上に載せる必要がないことから、液体中で移動させる高速ステージが不用となる。したがって、液浸光学系の構造が簡素化でき、構造の実現が容易になる。
【００２２】
また、水などの液体の温度を７℃以下にすることで、以下で説明するように、屈折率の温度依存性を約１／５に抑制できる。水の屈折率は密度に比例するが、水の密度の温度依存性は広く知られているように、図３で示したような曲線を示す。室温２３℃の水の密度は０．９９７５４であり、その前後の温度の密度から、温度係数を算出すると、−２．４×１０のマイナス４乗である。これに対して、７℃の水の密度は０．９９９９であり、温度係数は−４．５×１０のマイナス５乗となり、ほぼ１／５に小さくなる。これによると、水の屈折率の温度係数も約１／５になる。したがって、従来のワーキングディスタンスとして、従来の限界値２ｍｍの５倍の約１０ｍｍまで伸ばすことが可能となり、レンズの直下に計測用のレーザ光を当てることが容易になる。
【００２３】
なお、水の屈折率の温度依存性の値は、例えば、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｆ．Ｄａｔａ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．３，１９９０，ｐ．６７７−６８７において示されている。これによると、屈折率ｎは、温度Ｔ、光の波長λ、及び密度ρを変数とした関数として表され、数１から算出される。ただし、数１中の各物理定数に関しては数２に、また、実測から求められるパラメータに関しては数３にまとめる。
【００２４】
【数１】

【数２】

【数３】

密度ρに関しては、図３に示した値を用いて、波長１９３ｎｍにおける屈折率の温度依存性を算出したグラフを図４に示す。これによると、水温５℃における屈折率温度係数は２５℃の場合の約１／５になることが判る。したがって本発明における水の温度は５℃以下とすることがさらに好ましい。さらに、水温約１℃において屈折率温度係数が０になることから、１℃前後に保つことが最も好ましい。
【００２５】
なお、水の屈折率の温度依存性の値は測定が難しいため、報告されているデータにも多少ばらつきがある。したがって、本発明においては、前記２つの考え方の両方を判断基準とすることで、水温の範囲は７℃以下で、流体状のものとしたものである。
【００２６】
ただし、好ましくは水温は５℃以下、特に４℃程度が最もよく、その場合、図３から判るように、密度が最大値を示し、密度の温度係数が０になるため、屈折率温度係数もほぼ０になることが予想できる。したがって、ワーキングディスタンスを１０ｍｍ程度と大きくとれるだけでなく、水の温度変動の許容範囲も広げることができる。なお、水温は０℃でもよく、水を常に流すことで、過冷却となって凍ることはない。
【００２７】
いずれにせよ、純水は常に層流をなしてフローしており、これにより全体が均一な温度になるようにされている。
【００２８】
さらにまた、水などの液体が溶存酸素脱気され、かつ少なくともマスク基板が前記液体で満たされた部分が密閉されていることで、液体中に酸素が溶解していくことがなく、その結果、ワーキングディスタンスを従来と同様の１０ｍｍ以上にしても、露光光である紫外光が大きく減衰することがない。
【００２９】
なお、純水の代わりに、融点が約１７℃のグリセリンのように、融点が１０〜２０℃で無色透明の液体を用いてもよい。その理由としては、一般的に液体の屈折率温度係数は図４に示した水の場合と同様に、融点より僅かに高い温度付近において極めて小さくなる場合が多いことから、安定化を行う温度が室温に近くなるため、利用しやすいからである。
【００３０】
また、二次元配列状の光制御素子として、半導体レーザアレイを用いる場合は、光ファイバを用いて前記半導体レーザアレイから取り出されるレーザ光を束ねることで、ミクロンオーダーの狭い間隔に光ファイバを並べることができるため、光ファイバから出射するレーザ光のパターンを縮小する際に必要となる縮小倍率は数百分の一程度で済み、縮小投影光学系の設計、製作が困難になることはない。すなわち、半導体レーザアレイから取り出されるレーザ光は、ビーム径が数ミクロンから数十ミクロンであるため、コア径１００ミクロン以下の細い光ファイバが利用できるため、これを束ねるならば、光ファイバを１００ミクロン前後の狭い間隔で並べられるからである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
【００３２】
図１は本発明の第1の実施例としてのマスク作成装置１００の構成図である。マスク作成装置１００は、大別して、本発明を構成する二次元配列状の光制御素子である二次元配列微小ミラー１０６が備えられた部分マスクパターン生成部１０１、縮小投影光学系１０２、及び、波長１９３ｎｍのレーザ光Ｌ１１を発生するＡｒＦエキシマレーザ発振器１０４とで構成されている。
【００３３】
ＡｒＦエキシマレーザ発振器１０４から取り出されたレーザ光Ｌ１１は、ミラー１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅで順次反射して、部分マスクパターン生成部１０１における二次元配列微小ミラー１０６を照射する。二次元配列微小ミラー１０６では、マスクパターンデータ出力装置１０７からのデータによって、各微小ミラーが個別に制御され、目的とするマスクの描画パターンの一部分のパターン状に微小ミラーを制御している。描画パターンの一部分のパターンを形成する微小ミラーに入射するレーザ光は、ここで反射すると図で下方のレーザ光Ｌ１２のように進み、レンズ１０８ａとレンズ１０８ｂを通過して、拡大マスクパターン１１１と示された空間パターンにおける一部分のパターンである部分マスクパターン１１０として光学像が投影される。すなわち、レンズ１０８ａとレンズ１０８ｂとは投影光学系を形成している。
【００３４】
部分マスクパターン発生部１０１はＸＹステージ１０９に固定されているため、図１でＸ方向及びＹ方向に高速で移動可能な構造になっている。これによって、部分マスクパターン１０１形成部が順次移動しながら二次元配列微小ミラー１０６が制御されることで、拡大マスクパターン１１１に目的とするマスクパターンと同じパターンで拡大されたパターンの光学像が形成されることになる。ただし、これは時間的に積算した結果であり、ある瞬間には、拡大マスクパターン１１１の位置に投影される部分マスクパターン１１０は１個である。なお、部分マスクパターン形成部１０１がＸ、Ｙ方向に移動する間、二次元配列微小ミラー１０６に常にレーザ光Ｌ１１が当たるように、ミラー１０５ｄ、１０５ｅは部分マスクパターン形成部１０１と共に移動できる構造になっている。また、ミラー１０５ｃは、図でＹ方向のみに移動できるようになっており、部分マスクパターン形成部１０１のＹ方向の移動に追従して移動できる構造になっている。
【００３５】
拡大マスクパターン１１１は、縮小投影光学系１０２によって、マスク基板１１２上に縮小投影される。これにより、目的とする描画パターンがマスク基板１１２上に描画され、パターン露光されることになる。部分マスクパターン生成部１０１の構成については、前記の文献、米国特許5,870,176号、同6,312,134号、同6,425,669号等に記載されたものを用いても良い。
【００３６】
ところで、本発明では、作成対象のマスクとして、ＬＥＥＰＬ（Low Energy E-Beam Proximity Lithographyの頭文字である。）などで用いられる等倍マスクが特に適している。その理由としては、等倍マスクでは、描画パターン１１５が半導体デバイスの１チップと同じ大きさであるため、縮小投影光学系１０２として、半導体デバイス製造用露光装置の縮小投影光学系がそのまま利用できるからである。
【００３７】
一方、マスク基板１１２は水槽１１３内に満たされた純水１１４中に設置されている。図２に示したように、これによって縮小投影光学系１０２の最も下のレンズとマスク基板１１２との間の空間は完全に純水１１４で満たされている。純水は層流をなして最下レンズとマスク基板１１２との間を流通する。装置内部はここでは乾燥窒素で充満されているが、他の不活性ガス、たとえば熱容量の大きなヘリウムで充満させてもよい。
【００３８】
本実施例によると、ＡｒＦエキシマレーザ発振器１０４からのレーザ光Ｌ１１の波長は１９３ｎｍであるが、縮小投影光学系１０２の最も下のレンズとマスク基板１１２との間の屈折率は約１．４５となるため、これらの間を一般的な窒素や空気などの気体で満たす場合に比べて、実質的に、１９３／１．４５〜１３３ｎｍの波長で露光する場合と同等になって解像度が向上する。しかも、マスク基板１１２は水槽１１３の中に浸されているだけであり、半導体デバイスを露光する露光機のようにウエハを高速で往復移動する必要がないことから、水槽１１３の構造が非常に単純化される。具体的には、純水１１４の供給口と排水口を設けるだけでよい。ここで、液体としては水の他に、エチルアルコールやベンゼンなどの有機化合物などを用いることができる。
【００３９】
また、本実施例では、純水１１４の温度を１℃に保っており、前述したように、屈折率温度係数がほぼ０になっている。したがって、従来のワーキングディスタンスとして、従来の制限値２ｍｍの５倍の１０ｍｍ以上と、従来の露光機と同程度まで伸ばすことが可能になった。その結果、図２に示したように、マスク基板１１２における、縮小投影光学系１０２の最も下のレンズの直下の位置に計測用の半導体レーザ１２１のレーザ光Ｌ２２を図のように斜めから当てることが可能になった。これにより光検出器１２３でレーザ光Ｌ２２を受光できるので、マスク基板１１２の高さや傾きなどが正確に計測できるようになった。
【００４０】
なお、マスク基板１１２の高さの計測には、本実施例では、縮小投影光学系１０２の上に配置されている半導体レーザ１１６によっても行われている。半導体レーザ１１６から出たレーザ光は小型ミラー１１７で反射して下方に進み、縮小投影光学系１０２内を進んで、マスク基板１１２に真上から当たる。これによって正反対に反射するレーザ光を検出することで、マスク基板１１２の高さが正確に測定できる。このように露光に用いる縮小投影光学系に計測用のレーザ光を入射させることで、露光面のアライメントを行う技術はＴＴＬ方式と呼ばれることがある。ところが、通常の半導体デバイス用露光装置の場合、縮小投影光学系の真上には実際の大きなマスクが配置されるため、計測用レーザ光を導入するためのミラー等を配置、あるいは出し入れする構造が複雑になっていた。これに対して、本発明では、拡大マスクパターン１１１は空間中の光学像であり、実際には物体は存在しないため、小型ミラー１１７の出し入れが容易に行えるため、構造が簡素化できる。
【００４１】
また、前記のように本発明では、ワーキングディスタンスを大きくとれるようになっただけでなく、用いる液体の温度変動の許容範囲を広げることもできる。本実施例では、ワーキングディスタンスを従来と同じにとれば、純水１１４の温度変動の許容範囲を約５倍大きくすることができる。これによると、従来は許容温度範囲は約０．０１℃と小さく、これを実現するには非常に高精度な温度制御装置が必要になっていた。これに対して、本実施例では、水温変動の許容範囲を±１℃まで大きくできるため、温度制御機構が極めて簡素で安価な装置が利用できるようになった。なお、純水１１４は層流になるように流すのが好ましい。さらに、水槽１１３内に、ペルチェ素子のような冷却装置を設けてもよい。
【００４２】
一方、前記のようにワーキングディスタンスを大きくできた結果、純水１１４中で露光光である波長１９３ｎｍのレーザ光が減衰する割合が大きくなる。これに対して、本実施例で用いられる純水１１４では、溶存酸素濃度が１ｐｐｍ以下と、飽和溶解濃度の約１／４０以下と小さい値に抑制されている。その結果、露光光である波長１９３ｎｍの紫外光が純水１１４中で減衰することがない。つまり、酸素は波長１９３ｎｍの紫外光を強く吸収するからである。
【００４３】
また、純水１１４の溶存窒素濃度は飽和溶解度（室温で約１９ｐｐｍ）以下の１ｐｐｍに抑制されている。その結果、純水１１４に接する空間に満たされている乾燥窒素が多少溶解しても、飽和溶解濃度に達することがないため、純水１１４中で気泡が発生することもない。これにより露光光である紫外光が気泡により乱されることがない。なお、溶存窒素濃度は、飽和溶解濃度の１／２程度以下であれば効果があるが、出来る限り低い方がよい。
【００４４】
また、純水１１４に接する空間（すなわち装置内部を満たす空間）は完全密閉とし、これをヘリウムガスで満たす場合は、純水１１４において、ヘリウムガスに対する溶存濃度を飽和溶解濃度（室温で約１．５ｐｐｍ）以下（例えば０．１ｐｐｍ以下）にすればよい。また、アルゴンガスで満たす場合も、アルゴンガスの溶存濃度を飽和溶解濃度以下にすればよい。
【００４５】
あるいはまた、純水１１４に対して、水素ガスを飽和溶解濃度以下で多少添加してもよい。これによると、純水１１４は水素水と呼ばれる還元性の強い液体となるため、接水部に金属があっても、錆びさせることがない。したがって、純水１１４に、金属パーツを有する可動ステージを配置することも可能となる。
【００４６】
以上に説明した液浸光学系は、一般の半導体デバイス製造用の露光装置にも適用することができる。すなわち、本発明によれば、マスクパターンを投影光学装置によってウエハなどの半導体デバイス用基板上に投影する半導体デバイス製造用露光装置において、前記投影光学装置の最終投光手段と前記半導体デバイス用基板との間に純水を約５℃以下に保ち、また層流状に流通させ、前記純水として気泡が除去されかつ酸素が除去されたものを用い、かつ前記純水は密閉部分を流通させ、また前記純水に水素を添加することを特徴とする半導体デバイス製造用露光装置を得ることができる。このような露光装置において、純水に関する上記の技術はすべて適用可能である。
【００４７】
一方、本実施例におけるＡｒＦエキシマレーザ発振器１０４と縮小投影光学系１０２とにおいて、半導体デバイス露光用のＡｒＦ露光機に利用されているＡｒＦエキシマレーザ発振器と縮小投影光学系とをそのまま利用してもよい。その場合、縮小投影光学系１０２は、石英レンズとフッ化カルシウムのレンズとの２種のレンズの組み合わせによる色消しレンズで構成されることが一般的である。その理由は、チップ露光用のＡｒＦ露光機におけるＡｒＦエキシマレーザ発振器は狭帯域化されてるが、波長幅は０．５ｐｍ程度あるため、石英レンズのみで構成される単色レンズを用いると色収差が無視できない程大きく発生するからである。
【００４８】
これに対して、本発明では、ＡｒＦエキシマレーザ発振器１０４に要求されるレーザ出力は、半導体デバイス露光用のＡｒＦエキシマレーザ発振器より２桁程度小さくてもよい。その理由としては、半導体デバイスの露光には、１チップ当たり１秒程度で露光する必要があるが、マスクの描画には、１枚当たり数十分から数時間の時間が掛けられるからである。そこで、ＡｒＦエキシマレーザ発振器１０４として、レーザ出力は低下しても、さらに狭帯域化を強めて、波長幅を０．１ｐｍ以下にすることができる。つまり、一般に、エキシマレーザの狭帯域化を強めるとレーザ出力が低下するからである。これによると、色収差が小さくなるため、縮小投影光学系１０２を、石英レンズのみで構成される単色レンズを用いることができる。その結果、縮小投影光学系１０２の設計、製作が容易になるためコストダウンが図れる。また、それだけでなく、石英はフッ化カルシウムに比べて、水に対して強い（すなわち、水に対する溶解度［水１００グラム中への溶解重量］は、石英は０であるが、フッ化カルシウムは１／１０００程度有することが知られている。）ことから、本実施例のように、液浸光学系を適用するには極めて好ましい構成が実現でき、縮小投影光学系１０２を構成する全レンズが長期間劣化することがない。
【００４９】
次に、本発明のマスク作成装置において、二次元配列状の光制御素子として半導体レーザアレイを用いた実施例を図５に示す。図５は本発明のマスク作成装置２００の構成図である。二次元配列状の光制御素子の一つである半導体レーザアレイ２０１は、多数の半導体レーザが二次元（Ｙ、Ｚ方向）状にスタックされた構造になっている。半導体レーザアレイ２０１から出射するレーザ光は波長約２００ｎｍの紫外光である。半導体レーザアレイ２０１を構成する各半導体レーザ（例えば半導体レーザ２０２）においては、レーザ光の各出射部に光ファイバ（半導体レーザ２０２の場合は光ファイバ２０３）が近接している。これによって半導体レーザ２０２から出射するレーザ光は光ファイバ２０３内に入射する。なお、各光ファイバ中へのレーザ光の入射にはマイクロレンズを用いてもよい。また、各光ファイバが並ぶ間隔は各半導体レーザの寸法と等しため、ここでは横方向（Ｙ方向）に３ｍｍ、縦方向（Ｚ方向）に０．５ｍｍとなっている。また、図は簡略化されているが、本実施例では、半導体レーザはＹ、Ｚ方向にどちらも１０００個並んでいる。したがって、半導体レーザアレイ２０１の大きさとしては、Ｙ方向に３ｍ、Ｚ方向に０．５ｍになる。
【００５０】
また、各光ファイバはコア径１０ミクロンであり、クラッドと被覆を含めると外径２０ミクロンになっており、コアの材質は石英であるため、半導体レーザアレイ２０１から取り出される波長約２００ｎｍの紫外レーザ光を高く透過する。光ファイバはファイバ固定枠２０６で束ねられ、光ファイババンドル２０４となって、部分マスクパターン生成部２０５内に導かれる。光ファイババンドル２０４から出射する二次元配列状のレーザ光はレンズ２０７ａ、２０７ｂを通ることで部分マスクパターン２０８へ縮小投影される（厳密には、部分マスクパターンを有する光学像が部分マスクパターン２０８と示された位置に投影される）。なお、光ファイババンドル２０４から出射する多数のレーザ光をマイクロレンズに通過させて平行ビームに変換してもよい。あるいは光ファイババンドル２０４を構成する各光ファイバの出射端を凸面レンズのような形状を持たせることで、出射ビームを平行にしてもよい。
【００５１】
一方、部分マスクパターン生成部２０５はＸＹステージ２０９内の可動部に固定されており、Ｘ方向とＹ方向に移動できるようになっている。これによって部分マスクパターン２０８がＸ、Ｙ方向に移動することで拡大マスクパターン２１０が形成される。この拡大マスクパターン２１０が実際に作成するマスクのパターンと同じパターンであるが４倍に拡大されている。拡大マスクパターン２１０は縮小投影光学系２１１によって、ステージ２１２上に固定されたマスク基板２１３上に縮小投影され、描画パターン２１４が形成される。
【００５２】
本実施例で示したように、半導体レーザアレイ２０１はＹ方向に３ｍ、Ｚ方向に０．５ｍの寸法であるため、もしもその多数のレーザ光により、部分マスクパターン２０８を形成しようとすると、部分マスクパターン２０８はここでは０．２ｍｍ角であるため、半導体レーザアレイ２０１に対して、Ｙ方向に１／１５０００、Ｚ方向に１／２５００という非常に大きな縮小倍率で縮小する必要が生じるが、これを構成する光学系の設計、製作が非常に困難になる。例えば、レンズ２０７ａの寸法として、少なくとも直径３ｍ以上が必要になってしまう。
【００５３】
これに対して、光ファイババンドル２０４の寸法としては、各光ファイバの外径が２０ミクロンであり、縦、横１０００本並ぶため、２０ｍｍ角になっている。したがって、０．２ｍｍ角の部分マスクパターン２０８を形成するには、１／１００の縮小倍率でよく、この程度の縮小投影光学系の設計、製作は容易である。なお、実際に従来装置では、Electronic Journal 2001年７月号、第140〜142頁において示されているように、１／１６０の縮小投影光学系が利用されている。
【００５４】
以上のように、本実施例では、本発明を構成する二次元配列状の光制御素子として、半導体レーザアレイを用いたが、それと共に光ファイバを用いたことから、部分マスクパターンを小さく形成することができ、本発明を実現することが可能になった。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、本発明のマスク作成装置によると、マスク基板をステージ上に配置する必要がないため、液浸光学系を容易に適用でき、描画パターンの解像度を向上できる。
【００５６】
また、特に作成するマスクとしてＬＥＥＰＬなどで用いられる等倍マスクの場合は、本発明を構成する縮小投影光学系として半導体デバイス製造用露光装置の縮小投影光学系がそのまま利用できるため、新たに設計、開発する必要がなく、量産効果により安価に利用できる。
【００５７】
また、液浸光学系を構成する液体である純水等の液温を７℃以下としたことで、屈折率温度係数が従来の１／５以下にできるため、ワークディスタンスを大きくとれる。その結果、マスク基板やウエハの位置や傾きを精度良く計測できるようになった。あるいはまた、純水の温度変動の許容範囲を大きくできるようになった。
【００５８】
しかも、本発明の液浸光学系では、用いられる液体中の溶存酸素濃度が低いため、ワークディスタンスを大きくとっても、露光光が大きく減衰することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマスク作成装置１００の全体構成図である。
【図２】マスク作成装置１００における純水１１３の配置図である。
【図３】水の密度の温度依存性を示すグラフである。
【図４】水の屈折率の温度依存性を示すグラフである。
【図５】マスク作成装置２００の構成図である。
【符号の説明】
１００マスク作成装置
１０１部分マスクパターン生成部
１０２縮小投影光学系
１０４ＡｒＦエキシマレーザ発振器
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅミラー
１０６二次元配列微小ミラー
１０７マスクパターンデータ出力装置
１０８ａ、１０８ｂレンズ
１０９ＸＹステージ
１１０部分マスクパターン
１１１拡大マスクパターン
１１２マスク基板
１１３水槽
１１４純水
１１５描画パターン
１１６、１２１半導体レーザ
１１７小型ミラー
２０１半導体レーザアレイ
２０２半導体レーザ
２０３光ファイバ
２０４光ファイババンドル
２０５部分マスクパターン生成部
２０６ファイバ固定筒
２０７ａ、２０７ｂレンズ
２０８部分マスクパターン
２０９ＸＹステージ
２１０拡大マスクパターン
２１１縮小投影光学系
２１２ステージ
２１３マスク基板
２１４描画パターン
Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ２２レーザ光[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for producing a mask used in an exposure process when manufacturing a semiconductor integrated circuit, and an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device. The mask is particularly intended for an equal magnification mask used in an exposure system such as LEEPL (which is an acronym for Low Energy E-Beam Proximity Lithography). A photomask for lithography is also targeted.
[0002]
[Prior art]
In general, a mask (sometimes referred to as a reticle) used in the manufacture of a semiconductor integrated circuit is prepared by exposing light to a surface corresponding to a target circuit pattern on a surface of a quartz plate or the like as a mask substrate. It is necessary to attach a chromium film that shields light. The chromium film or the like is formed by pattern exposure, and a general method of drawing and exposing in a pattern shape is electron beam drawing using an electron beam. This is to draw a finely focused electron beam along a pattern as called electron beam direct drawing, and the apparatus is usually called an EB drawing apparatus.
[0003]
As a problem in mask manufacturing, the amount of information of a mask pattern becomes enormous because semiconductors are highly integrated and miniaturized year by year. For this reason, the drawing time by the EB drawing apparatus reaches several tens to several hundred hours per mask, and thus an apparatus having a high drawing speed has been strongly desired.
[0004]
On the other hand, as a mask manufacturing apparatus, pattern drawing is performed using ultraviolet laser light (hereinafter abbreviated as ultraviolet laser light) instead of an electron beam (that is, exposure is performed in a pattern on a mask substrate coated with a resist). Those based on this technique (sometimes called a laser beam drawing apparatus) have been commercialized. There are two types of this apparatus, and one is for pattern drawing of ultraviolet laser light divided into one or more on a mask substrate. As another configuration, a reflection mirror display element (device called a digital micromirror) in which a large number of minute mirrors are arranged in a two-dimensional array is used, and this is irradiated with ultraviolet laser light, and reflected light is emitted. Patterns are drawn on the mask substrate under pattern control. This laser beam drawing apparatus is said to be faster in processing speed than an EB drawing apparatus because a part of the circuit patterns can be exposed at once. This is shown, for example, in Electronic Journal, July 2001, pages 140-142.
[0005]
By the way, in an ordinary exposure apparatus that exposes a semiconductor device, in order to increase the resolution, the space between the lens closest to the wafer in the reduction projection optical apparatus and the wafer is filled with pure water to shorten the actual exposure wavelength. A method of wavelength conversion has been proposed, and the optical system is called an immersion optical system. For example, what is applied to an exposure apparatus using an ArF excimer laser having a wavelength of 193 nm as a light source (hereinafter referred to as an ArF exposure machine) is called an ArF immersion optical system, and the resolution of an ArF exposure machine for exposing a normal semiconductor chip It is known as an improvement technique, and is shown, for example, in SEMICON Japan 2002, Technical programs for the semiconductor equipment and materials industries, Nos. 3-15 to 3-16. According to this, in the case of the ArF immersion optical system, the wavelength of the laser light from the ArF excimer laser is 193 nm, but the refractive index between the lens and the mask substrate is about 1.45. Compared with the case where the gas is filled with a general gas such as nitrogen or air, the resolution is substantially the same as the case of exposing at a wavelength of 193 / 1.45 to 133 nm.
[0006]
The problem that has been pointed out regarding the immersion optical system is that the pure water filled between the lens and the wafer (called the working distance) has a temperature dependency of the refractive index compared to a gas such as air or nitrogen. (Ie, the refractive index temperature coefficient) is about two orders of magnitude larger. For example, the refractive index n of nitrogen is n = 1.000297 at 0 ° C. as shown in the rational chronology. Since the refractive index change due to temperature change is considered to have a smaller value of (n−1) in proportion to the rate of thermal expansion, the refractive index change per 1 ° C. is (n−1) /273.15/n. It can be approximated by 1.09 × 10 minus 6th power. On the other hand, the refractive index temperature coefficient of water is shown to be −8 × 10 minus 5th power at 20 ° C., which indicates that it is about 73 times larger than nitrogen. According to this, in a working distance filled with water, it has been pointed out that when a temperature change of water occurs, an imaging wavefront aberration resulting from a change in wavelength of exposure light becomes large.
[0007]
Therefore, as a method for suppressing the expansion of the imaging wavefront aberration caused by the change in the wavelength of the exposure light in the immersion optical system, it has been conventionally proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-303114 to make the working distance narrower than a specific value. . According to this, by setting the working distance filled with water to about 2 mm or less, when the temperature fluctuation of water is 0.01 ° C. or less, the imaging wavefront aberration can be suppressed to 1/30 or less of the exposure wavelength. ing.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-10-303114
[0009]
[Non-Patent Document 1]
Electronic Journal July 2001, pp. 140-142
[0010]
[Non-Patent Document 2]
SEMICON Japan 2002, Technical programs for the semiconductor equipment and materials industries, 3-15-3-16
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In the laser beam drawing apparatus using the two-dimensional array of micromirrors, the pattern that can be exposed at one time is a part of the mask pattern. Therefore, when the partial pattern is exposed, the next partial pattern is exposed. The mask substrate needs to be moved, and a high-speed stage is required as in the semiconductor device exposure apparatus. As a result, when the immersion optical system is to be applied, it is necessary to dispose a high-speed stage in the liquid, so that the stage structure is extremely complicated. In particular, as widely applied in exposure apparatuses for semiconductor devices, a stage that can move at high speed and high accuracy is in contact with the movable part and the fixed part by air floating (sometimes called an air guide). . That is, since the stage itself is immersed in water, it is almost impossible to realize the structure of the air guide.
[0012]
Furthermore, as a method for suppressing the expansion of the imaging wavefront aberration caused by the wavelength change of the exposure light, as proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-303114, when the working distance is set to 2 mm or less, the wafer directly under the lens is formed. Since it becomes difficult to apply a laser beam for measurement, it is extremely difficult to construct a laser side distance system that instantaneously measures the position and tilt of a wafer.
[0013]
In addition, instead of the two-dimensional array of micromirrors such as the above-mentioned digital micromirrors, an attempt was made to construct a device that generates patterned light using a semiconductor laser array as a two-dimensional self-luminous device. did. Since the beam interval of the plurality of laser beams extracted from the semiconductor laser array is determined by the arrangement of the stacked semiconductor lasers, it is generally 10 mm in the horizontal direction and 0.5 mm in the vertical direction. However, since these intervals, particularly the horizontal intervals, are three orders of magnitude larger than the typical interval of the two-dimensional array of micromirrors, which is about 15 microns, the minimum pattern size of the actual mask pattern is about 0. In order to reduce to 1 to 1 micron, a high reduction ratio of 1/10000 or more is required, and it has been extremely difficult to design and manufacture a reduction projection optical system for realizing it.
[0014]
An object of the present invention is to improve a mask creation apparatus including a mask pattern projection apparatus and a reduction projection optical apparatus using a two-dimensional array of light control elements so that a mask can be drawn at high speed.
[0015]
Another object of the present invention is to provide a mask making apparatus in which an immersion optical system can be easily applied.
[0016]
Another object of the present invention is to provide an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device in which an immersion optical system can be easily applied.
[0017]
Another object of the immersion optical system is to provide an apparatus capable of increasing the working distance to about 10 mm as in the prior art.
[0018]
Another object of the present invention is to provide an apparatus that can constitute a system even if a semiconductor laser is used as a two-dimensional array of light control elements.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a partial mask pattern projection apparatus using a two-dimensional array of light control elements, and the partial mask pattern projection apparatus by controlling the light control elements with mask pattern data. Means for outputting an optical image of at least the first and second partial mask patterns; and an optical image of the second partial mask pattern in a space adjacent to a space in which the optical image of the first partial mask pattern is output. Means for controlling the partial mask pattern projection device to output, and the first and second partial mask patterns are inputted, and the first and second partial mask patterns are reduced and spatially synthesized. And a reduction projection optical device for forming a mask pattern.
[0020]
Any device that can control light in a two-dimensional array can be used as the two-dimensional array of light control elements. For example, a two-dimensional array of micromirrors such as the digital micromirror, organic EL, PDP, and semiconductor laser Self-luminous devices such as arrays can be used. As a means for controlling to output the partial mask pattern to the adjacent space, the mask pattern projection apparatus may be fixed and moved on an XY stage or the like, or formed in the mask pattern projection apparatus. Only an optical image having a partial mask pattern may be moved by a movable mirror such as a polygon mirror.
[0021]
According to this, it is possible to generate optical images having different partial patterns one after another while moving the optical image having the partial mask pattern in space, so it is actually possible to combine the optical images having the partial mask patterns. An optical image having the same enlarged pattern (hereinafter referred to as an enlarged mask pattern) can be formed. Therefore, by inputting this into the reduction projection optical apparatus, an optical image having a mask pattern of an actual size can be projected onto the mask substrate, so that it is not necessary to move the mask substrate. That is, since it is not necessary to place the mask substrate on the stage, a high-speed stage that moves in the liquid becomes unnecessary. Therefore, the structure of the immersion optical system can be simplified and the structure can be easily realized.
[0022]
Further, by setting the temperature of a liquid such as water to 7 ° C. or less, the temperature dependence of the refractive index can be suppressed to about 1/5 as will be described below. Although the refractive index of water is proportional to the density, the temperature dependence of the water density is a curve as shown in FIG. The density of water at room temperature of 23 ° C. is 0.99754, and the temperature coefficient is calculated from the density of the temperature before and after that, and is −2.4 × 10 minus fourth power. On the other hand, the density of water at 7 ° C. is 0.9999, and the temperature coefficient is −4.5 × 10 minus 5th power, which is almost 1/5. According to this, the temperature coefficient of the refractive index of water is also about 1/5. Therefore, as a conventional working distance, it can be extended to about 10 mm, which is 5 times the conventional limit value of 2 mm, and it becomes easy to irradiate a laser beam for measurement directly under the lens.
[0023]
The temperature dependence value of the refractive index of water is, for example, J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 19, no. 3, 1990, p. 677-687. According to this, the refractive index n is expressed as a function with the temperature T, the wavelength λ of light, and the density ρ as variables, and is calculated from Equation 1. However, each physical constant in Equation 1 is summarized in Equation 2, and parameters obtained from actual measurement are summarized in Equation 3.
[0024]
[Expression 1]

[Expression 2]

[Equation 3]

Regarding the density ρ, FIG. 4 shows a graph in which the temperature dependence of the refractive index at a wavelength of 193 nm is calculated using the values shown in FIG. According to this, it can be seen that the refractive index temperature coefficient at a water temperature of 5 ° C. is about 1/5 that at 25 ° C. Therefore, the temperature of water in the present invention is more preferably 5 ° C. or less. Furthermore, since the refractive index temperature coefficient becomes 0 at a water temperature of about 1 ° C., it is most preferable to keep the temperature around 1 ° C.
[0025]
In addition, since the value of the temperature dependence of the refractive index of water is difficult to measure, the reported data varies somewhat. Therefore, in the present invention, the water temperature range is 7 ° C. or lower and the fluid temperature range is based on both of the above two concepts.
[0026]
However, the water temperature is preferably 5 ° C. or less, particularly about 4 ° C., and in this case, as can be seen from FIG. 3, the density shows the maximum value and the temperature coefficient of the density becomes 0. It can be expected to be almost zero. Therefore, not only can the working distance be as large as about 10 mm, but also the allowable range of water temperature fluctuation can be expanded. The water temperature may be 0 ° C., and by constantly flowing water, it does not freeze due to overcooling.
[0027]
In any case, pure water always flows in a laminar flow, so that the entire temperature is uniform.
[0028]
Furthermore, the liquid such as water is degassed with dissolved oxygen, and at least the portion of the mask substrate filled with the liquid is sealed, so that oxygen does not dissolve in the liquid. Even if the working distance is 10 mm or more as in the conventional case, the ultraviolet light as the exposure light is not significantly attenuated.
[0029]
Instead of pure water, a colorless and transparent liquid having a melting point of 10 to 20 ° C., such as glycerin having a melting point of about 17 ° C., may be used. The reason for this is that the refractive index temperature coefficient of the liquid is generally very small in the vicinity of a temperature slightly higher than the melting point, as in the case of water shown in FIG. It is easy to use because it is close to room temperature.
[0030]
When a semiconductor laser array is used as the two-dimensional array of light control elements, the optical fibers are arranged at narrow intervals on the order of microns by bundling the laser light extracted from the semiconductor laser array using an optical fiber. Therefore, the reduction magnification required for reducing the pattern of the laser light emitted from the optical fiber is about one hundredth, and the design and manufacture of the reduction projection optical system is not difficult. That is, since the laser light extracted from the semiconductor laser array has a beam diameter of several microns to several tens of microns, a thin optical fiber having a core diameter of 100 microns or less can be used. This is because they are arranged at narrow intervals before and after.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0032]
FIG. 1 is a configuration diagram of a mask creating apparatus 100 as a first embodiment of the present invention. The mask creation apparatus 100 is roughly divided into a partial mask pattern generation unit 101 provided with a two-dimensional array micromirror 106 that is a two-dimensional array light control element constituting the present invention, a reduction projection optical system 102, and a wavelength. And an ArF excimer laser oscillator 104 that generates a 193 nm laser beam L11.
[0033]
The laser beam L11 extracted from the ArF excimer laser oscillator 104 is sequentially reflected by the mirrors 105a, 105b, 105c, 105d, and 105e, and irradiates the two-dimensional array micromirror 106 in the partial mask pattern generation unit 101. In the two-dimensional array micromirror 106, each micromirror is individually controlled by data from the mask pattern data output device 107, and the micromirror is controlled in a pattern of a part of the drawing pattern of the target mask. The laser beam incident on the micromirror that forms a pattern of a part of the drawing pattern travels like a lower laser beam L12 in the drawing, passes through the lens 108a and the lens 108b, and is shown as an enlarged mask pattern 111. An optical image is projected as a partial mask pattern 110 which is a partial pattern in the spatial pattern. That is, the lens 108a and the lens 108b form a projection optical system.
[0034]
Since the partial mask pattern generation unit 101 is fixed to the XY stage 109, the partial mask pattern generation unit 101 has a structure that can move at high speed in the X and Y directions in FIG. As a result, the two-dimensional array micromirror 106 is controlled while the partial mask pattern 101 forming portion sequentially moves, so that an optical image of a pattern enlarged in the same pattern as the target mask pattern is formed on the enlarged mask pattern 111. Will be. However, this is a result of integration over time, and at a certain moment, there is one partial mask pattern 110 projected onto the position of the enlarged mask pattern 111. It should be noted that the mirrors 105d and 105e can move together with the partial mask pattern forming unit 101 so that the laser beam L11 always hits the two-dimensional array micromirror 106 while the partial mask pattern forming unit 101 moves in the X and Y directions. It has become. Further, the mirror 105c can move only in the Y direction in the figure, and has a structure that can move following the movement of the partial mask pattern forming unit 101 in the Y direction.
[0035]
The enlarged mask pattern 111 is reduced and projected onto the mask substrate 112 by the reduction projection optical system 102. As a result, a target drawing pattern is drawn on the mask substrate 112, and pattern exposure is performed. As the configuration of the partial mask pattern generation unit 101, one described in the above-mentioned document, US Pat. Nos. 5,870,176, 6,312,134, 6,425,669, etc. may be used.
[0036]
By the way, in the present invention, an equal-magnification mask used in LEEPL (which is an acronym for Low Energy E-Beam Proximity Lithography) is particularly suitable as a mask to be created. The reason is that, in the same size mask, since the drawing pattern 115 is the same size as one chip of the semiconductor device, the reduction projection optical system of the exposure apparatus for manufacturing semiconductor devices can be used as it is as the reduction projection optical system 102. It is.
[0037]
On the other hand, the mask substrate 112 is installed in pure water 114 filled in the water tank 113. As shown in FIG. 2, the space between the lowermost lens of the reduction projection optical system 102 and the mask substrate 112 is thereby completely filled with pure water 114. Pure water circulates between the bottom lens and the mask substrate 112 in a laminar flow. The Dress The interior of the chamber is filled with dry nitrogen here, but may be filled with other inert gas, for example, helium having a large heat capacity.
[0038]
According to the present embodiment, the wavelength of the laser beam L11 from the ArF excimer laser oscillator 104 is 193 nm, but the refractive index between the lowermost lens of the reduction projection optical system 102 and the mask substrate 112 is about 1.45. Therefore, as compared with the case where the space between them is filled with a gas such as general nitrogen or air, the resolution is substantially the same as the case of exposure at a wavelength of 193 / 1.45 to 133 nm. Moreover, since the mask substrate 112 is only immersed in the water tank 113 and there is no need to reciprocate the wafer at high speed unlike an exposure machine that exposes semiconductor devices, the structure of the water tank 113 is very simple. It becomes. Specifically, it is only necessary to provide a pure water 114 supply port and a drain port. Here, as the liquid, in addition to water, an organic compound such as ethyl alcohol or benzene can be used.
[0039]
In this embodiment, the temperature of the pure water 114 is kept at 1 ° C., and the refractive index temperature coefficient is almost zero as described above. Therefore, the conventional working distance can be increased to 10 mm or more, which is five times the conventional limit value of 2 mm, to the same extent as that of the conventional exposure apparatus. As a result, as shown in FIG. 2, the laser beam L22 of the measurement semiconductor laser 121 is obliquely applied to the position immediately below the lowermost lens of the reduction projection optical system 102 on the mask substrate 112 as shown in the figure. Became possible. As a result, the laser beam L22 can be received by the photodetector 123, so that the height and inclination of the mask substrate 112 can be accurately measured.
[0040]
Note that the height of the mask substrate 112 is also measured by the semiconductor laser 116 disposed on the reduction projection optical system 102 in this embodiment. The laser light emitted from the semiconductor laser 116 is reflected by the small mirror 117 and travels downward, travels in the reduction projection optical system 102 and strikes the mask substrate 112 from directly above. Thus, the height of the mask substrate 112 can be accurately measured by detecting the laser beam reflected in the opposite direction. A technique for aligning an exposure surface by making measurement laser light incident on a reduction projection optical system used for exposure in this way is sometimes called a TTL method. However, in the case of an ordinary exposure apparatus for semiconductor devices, an actual large mask is arranged directly above the reduction projection optical system, and therefore a structure for arranging or taking in and out a mirror or the like for introducing measurement laser light is provided. It was complicated. On the other hand, in the present invention, the enlarged mask pattern 111 is an optical image in space, and no object is actually present. Therefore, the small mirror 117 can be easily put in and out, and the structure can be simplified.
[0041]
Further, as described above, in the present invention, not only can the working distance be increased, but also the allowable range of temperature fluctuation of the liquid used can be expanded. In this embodiment, if the working distance is the same as the conventional one, the allowable range of temperature fluctuation of the pure water 114 can be increased by about 5 times. According to this, conventionally, the allowable temperature range is as small as about 0.01 ° C., and a highly accurate temperature control device has been required to realize this. On the other hand, in this embodiment, since the allowable range of fluctuations in water temperature can be increased up to ± 1 ° C., a device with an extremely simple temperature control mechanism can be used. Note that the pure water 114 is preferably flowed in a laminar flow. Further, a cooling device such as a Peltier element may be provided in the water tank 113.
[0042]
On the other hand, as a result of increasing the working distance as described above, the rate of attenuation of the laser light having a wavelength of 193 nm, which is the exposure light, in the pure water 114 increases. On the other hand, in the pure water 114 used in the present embodiment, the dissolved oxygen concentration is suppressed to a low value of 1 ppm or less and about 1/40 or less of the saturated dissolved concentration. As a result, ultraviolet light having a wavelength of 193 nm as exposure light is not attenuated in the pure water 114. That is, oxygen strongly absorbs ultraviolet light having a wavelength of 193 nm.
[0043]
Moreover, the dissolved nitrogen concentration of the pure water 114 is suppressed to 1 ppm which is equal to or lower than the saturation solubility (about 19 ppm at room temperature). As a result, even if the dry nitrogen filled in the space in contact with the pure water 114 is somewhat dissolved, the saturated dissolution concentration is not reached, so that no bubbles are generated in the pure water 114. Thereby, the ultraviolet light as the exposure light is not disturbed by the bubbles. The dissolved nitrogen concentration is effective as long as it is about ½ or less of the saturated dissolved concentration, but is preferably as low as possible.
[0044]
In addition, the space in contact with the pure water 114 (that is, the space filling the inside of the apparatus) is completely sealed, and when this is filled with helium gas, the dissolved concentration of the pure water 114 with respect to the helium gas is set to the saturated dissolution concentration (approximately 1.. 5 ppm) or less (for example, 0.1 ppm or less). Moreover, what is necessary is just to make the dissolved density | concentration of argon gas below a saturated solution density | concentration also when satisfy | filling with argon gas.
[0045]
Alternatively, hydrogen gas may be slightly added to the pure water 114 at a saturation dissolution concentration or less. According to this, since the pure water 114 becomes a highly reducing liquid called hydrogen water, it does not rust even if there is a metal in the water contact portion. Accordingly, it is possible to dispose a movable stage having metal parts in the pure water 114.
[0046]
The immersion optical system described above can also be applied to a general exposure apparatus for manufacturing semiconductor devices. That is, according to the present invention, in a semiconductor device manufacturing exposure apparatus that projects a mask pattern onto a semiconductor device substrate such as a wafer by a projection optical apparatus, the final light projecting means of the projection optical apparatus, the semiconductor device substrate, Pure water is kept at about 5 ° C. or less during the period, and is circulated in a laminar flow, using the pure water from which bubbles are removed and oxygen is removed, and the pure water is circulated through the sealed part, Further, an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device, characterized in that hydrogen is added to the pure water, can be obtained. In such an exposure apparatus, all of the above-described techniques relating to pure water can be applied.
[0047]
On the other hand, the ArF excimer laser oscillator 104 and the reduction projection optical system 102 in the present embodiment may use the ArF excimer laser oscillator and the reduction projection optical system used in an ArF exposure machine for semiconductor device exposure as they are. . In this case, the reduction projection optical system 102 is generally configured by an achromatic lens that is a combination of two types of lenses, a quartz lens and a calcium fluoride lens. The reason for this is that although the ArF excimer laser oscillator in the ArF exposure machine for chip exposure has a narrow band, the wavelength width is about 0.5 pm, so chromatic aberration cannot be ignored if a monochromatic lens composed only of a quartz lens is used. This is because it occurs as large as possible.
[0048]
On the other hand, in the present invention, the laser output required for the ArF excimer laser oscillator 104 may be about two orders of magnitude smaller than the ArF excimer laser oscillator for semiconductor device exposure. This is because the semiconductor device needs to be exposed in about 1 second per chip, but the mask drawing can take several tens of minutes to several hours. Therefore, as the ArF excimer laser oscillator 104, even if the laser output is lowered, the band width can be further increased and the wavelength width can be reduced to 0.1 pm or less. That is, generally, when the narrow band of the excimer laser is increased, the laser output decreases. According to this, since the chromatic aberration is reduced, the reduction projection optical system 102 can be a monochromatic lens composed only of a quartz lens. As a result, the reduction projection optical system 102 can be easily designed and manufactured, so that the cost can be reduced. In addition, quartz is stronger against water than calcium fluoride (that is, its solubility in water [weight dissolved in 100 grams of water] is 0 for quartz, but 1 for calcium fluoride. Therefore, it is possible to realize a very preferable configuration for applying the immersion optical system as in this embodiment, and all the lenses constituting the reduction projection optical system 102 are long. There is no deterioration over time.
[0049]
Next, FIG. 5 shows an embodiment in which a semiconductor laser array is used as a two-dimensional array light control element in the mask making apparatus of the present invention. FIG. 5 is a block diagram of the mask creating apparatus 200 of the present invention. A semiconductor laser array 201, which is one of two-dimensionally arranged light control elements, has a structure in which a large number of semiconductor lasers are stacked in a two-dimensional (Y, Z direction) form. Laser light emitted from the semiconductor laser array 201 is ultraviolet light having a wavelength of about 200 nm. In each semiconductor laser (for example, the semiconductor laser 202) constituting the semiconductor laser array 201, an optical fiber (in the case of the semiconductor laser 202, the optical fiber 203) is close to each laser beam emitting portion. As a result, the laser light emitted from the semiconductor laser 202 enters the optical fiber 203. A microlens may be used for the incidence of laser light into each optical fiber. Further, since the distance between the optical fibers is equal to the size of each semiconductor laser, it is 3 mm in the horizontal direction (Y direction) and 0.5 mm in the vertical direction (Z direction). Although the drawing is simplified, in the present embodiment, 1000 semiconductor lasers are arranged in both the Y and Z directions. Therefore, the size of the semiconductor laser array 201 is 3 m in the Y direction and 0.5 m in the Z direction.
[0050]
In addition, each optical fiber has a core diameter of 10 microns, the outer diameter is 20 microns when the cladding and the coating are included, and the core material is quartz. Therefore, an ultraviolet laser having a wavelength of about 200 nm extracted from the semiconductor laser array 201 is used. High light transmission. The optical fibers are bundled by a fiber fixing frame 206 to become an optical fiber bundle 204 and guided into the partial mask pattern generation unit 205. The two-dimensional array of laser beams emitted from the optical fiber bundle 204 is reduced and projected onto the partial mask pattern 208 by passing through the lenses 207 a and 207 b (strictly speaking, an optical image having the partial mask pattern is combined with the partial mask pattern 208. Projected to the indicated position). Note that a large number of laser beams emitted from the optical fiber bundle 204 may be passed through the microlens and converted into parallel beams. Or you may make an output beam parallel by giving the output end of each optical fiber which constitutes optical fiber bundle 204 the shape like a convex lens.
[0051]
On the other hand, the partial mask pattern generation unit 205 is fixed to a movable part in the XY stage 209 and can move in the X direction and the Y direction. As a result, the partial mask pattern 208 moves in the X and Y directions, whereby the enlarged mask pattern 210 is formed. The enlarged mask pattern 210 is the same pattern as the mask pattern actually created, but is enlarged four times. The enlarged mask pattern 210 is reduced and projected onto the mask substrate 213 fixed on the stage 212 by the reduction projection optical system 211 to form a drawing pattern 214.
[0052]
As shown in the present embodiment, the semiconductor laser array 201 has a dimension of 3 m in the Y direction and 0.5 m in the Z direction. Therefore, if the partial mask pattern 208 is formed by the multiple laser beams, a partial mask pattern 208 is formed. Since the mask pattern 208 is 0.2 mm square here, it is necessary to reduce the semiconductor laser array 201 at a very large reduction ratio of 1/15000 in the Y direction and 1/2500 in the Z direction. It becomes very difficult to design and manufacture the optical system that constitutes. For example, the dimension of the lens 207a needs to be at least 3 m in diameter.
[0053]
On the other hand, the size of the optical fiber bundle 204 is 20 mm square because the outer diameter of each optical fiber is 20 microns and 1000 vertical and horizontal lines are arranged. Therefore, in order to form the partial mask pattern 208 of 0.2 mm square, a reduction ratio of 1/100 is sufficient, and the design and manufacture of such a reduction projection optical system is easy. Actually, in the conventional apparatus, as shown in Electronic Journal, July 2001, pages 140 to 142, 1/160 reduction projection optical system is used.
[0054]
As described above, in this embodiment, the semiconductor laser array is used as the two-dimensional array of light control elements constituting the present invention. However, since the optical fiber is used together with the semiconductor laser array, the partial mask pattern is formed small. The present invention can be realized.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, according to the mask creating apparatus of the present invention, it is not necessary to arrange the mask substrate on the stage, so that the immersion optical system can be easily applied and the resolution of the drawing pattern can be improved.
[0056]
In addition, in the case of the same size mask used in LEEPL as a mask to be created, the reduction projection optical system of the exposure apparatus for manufacturing semiconductor devices can be used as it is as the reduction projection optical system constituting the present invention. There is no need for development, and it can be used at low cost due to mass production.
[0057]
Further, by setting the liquid temperature of pure water or the like, which is the liquid constituting the immersion optical system, to 7 ° C. or lower, the refractive index temperature coefficient can be reduced to 1/5 or lower, so that the work distance can be increased. As a result, the position and tilt of the mask substrate and wafer can be accurately measured. Alternatively, the allowable range of temperature fluctuation of pure water can be increased.
[0058]
In addition, in the immersion optical system of the present invention, since the dissolved oxygen concentration in the liquid used is low, even if the work distance is increased, the exposure light is not greatly attenuated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a mask creation apparatus 100 of the present invention.
FIG. 2 is a layout view of pure water 113 in the mask making apparatus 100. FIG.
FIG. 3 is a graph showing temperature dependence of water density.
FIG. 4 is a graph showing temperature dependence of the refractive index of water.
FIG. 5 is a configuration diagram of a mask creation apparatus 200;
[Explanation of symbols]
100 Mask making device
101 Partial mask pattern generation unit
102 Reduction projection optical system
104 ArF excimer laser oscillator
105a, 105b, 105c, 105d, 105e Mirror
106 Two-dimensional array of micromirrors
107 Mask pattern data output device
108a, 108b Lens
109 XY stage
110 Partial mask pattern
111 Enlarged mask pattern
112 Mask substrate
113 Aquarium
114 pure water
115 Drawing pattern
116, 121 Semiconductor laser
117 Small mirror
201 Semiconductor laser array
202 Semiconductor laser
203 Optical fiber
204 Optical fiber bundle
205 Partial mask pattern generator
206 Fiber fixing cylinder
207a, 207b lens
208 Partial mask pattern
209 XY stage
210 Enlarged mask pattern
211 Reduction projection optical system
212 stages
213 Mask substrate
214 Drawing pattern
L11, L12, L22 Laser light

Claims

A partial mask pattern projection apparatus using a two-dimensional array of light control elements, and at least first and second partial mask pattern optics from the partial mask pattern projection apparatus by controlling the light control elements with mask pattern data Means for outputting an image, and the partial mask pattern projecting device so that the optical image of the second partial mask pattern is output to a space adjacent to a space where the optical image of the first partial mask pattern is output. And sequentially moving the first and second partial mask patterns as optical images adjacent to each other , reducing the received first and second partial mask patterns, and reducing the first and second partial mask patterns . and second and reduction projection optical device that outputs as a reduced mask pattern, the first and second condensation from the reduced projection optical system Even if the partial mask pattern projection device moves, the mask substrate includes a liquid filled between a mask substrate onto which a mask pattern is projected and an optical means closest to the mask substrate in the reduction projection optical device. Is fixed without moving into the liquid, a mask making apparatus for manufacturing a semiconductor device.

2. The mask manufacturing apparatus for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein dissolved oxygen is degassed and at least a portion of the mask substrate filled with the liquid is sealed. 3.

At least one kind of gas of the same kind as the gas contained in the gas that fills the space in contact with the liquid is dissolved in the liquid, and the dissolved concentration of the gas in the liquid is less than its saturation solubility. The semiconductor device manufacturing mask making apparatus according to claim 1, wherein the mask making device is a semiconductor device manufacturing mask making device.

4. The liquid according to claim 1, wherein the liquid is circulated in a laminar flow, the liquid from which bubbles are removed and oxygen is removed, and the liquid circulates in a sealed portion. Mask making device for semiconductor device manufacturing.

5. The semiconductor device manufacturing mask manufacturing apparatus according to claim 1, wherein an inert gas is dissolved in the liquid at a concentration equal to or lower than a saturation solubility.

5. The semiconductor device manufacturing mask making apparatus according to claim 2, wherein the liquid is fluid water kept at 7 degrees Celsius or less.

7. The semiconductor device manufacturing mask making apparatus according to claim 6, wherein the liquid is fluid water kept at 5 degrees Celsius or less.

5. The semiconductor device manufacturing mask making apparatus according to claim 2, wherein a colorless and transparent liquid having a melting point of 10 to 20 degrees Celsius is used as the liquid.

The two-dimensional array of light control elements is composed of a two-dimensional array of micromirrors, and an ultraviolet laser having a wavelength of 193 nm is used as the light for forming the optical image, and the half width of the wavelength of the laser light of the ultraviolet laser The mask making apparatus for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the value is 0.1 pm or less.