JP2005116854A - ロードロックチャンバー、露光装置、デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロードロックチャンバーの真空排気時のパーティクル巻上げに対し、パーティクル位置を考慮して真空排気する。
【解決手段】 ロードロック機構を有し、真空環境下で基板上に露光を行う半導体露光装置において、ロードロックチャンバーに付帯して設けたパーティクルカウンタと、チャンバー内に１箇所もしくは複数箇所設けたパーティクルカウンタのサンプリングノズルと、チャンバー底面のセンターとコーナーに配置した真空排気管と、それぞれの排気管に付帯する排気バルブと、真空排気前のパーティクルカウンタの計数結果によって真空排気管の選択を行う排気管選択手段と、を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体露光装置に関するものであり、特に真空雰囲気下で半導体基板を露光する装置に付帯して設けられている、ロードロックチャンバーに関するものである。

現在、DRAM、MPU、等の半導体デバイス製造に関して、デザインルールで0.1μｍ以下の線幅を有するデバイスの実現に向けて精力的に研究開発がなされている。この世代に用いられる露光装置は、その露光光にエレクトロンビーム（ＥＢ）、あるいは極端紫外域光（ＥＵＶ）、等が用いられると予測されている。

ＥＢ露光装置、ＥＵＶ露光装置では、大気中での露光は不可能になるため、露光は真空中で行わざるを得なくなり、必然的に、ウエハーの搬入、搬出には特許文献１に記載されているようなロードロックチャンバーを介して行うことになる。通常、露光装置のロードロック室は、大気圧下でウエハーを受け入れ、チャンバー内を所定圧力まで真空排気した後、露光装置側の扉を開いて、露光装置側にウエハーを搬入し、露光が終了すると、装置側からウエハーが搬出され、露光装置側の扉を閉め、室内を大気圧下に戻し、ウエハーが取り出される、という機能を有する。

以前より、ロードロック内が真空排気される際に、チャンバー内にパーティクルが発生し、ウエハー表面に付着、堆積することにより、デバイス製造の歩留まりや、デバイスの信頼性が低下するという問題があった。

この現象のメカニズムの一つとして、従来より、真空排気を急激に行うと、チャンバー内に存在しているパーティクルが真空排気時にその気流により巻き上げられ、それがウエハーに付着するという考え方があげられる。

そこで、従来より、このメカニズムの対策の一つとして、チャンバー内の気流を制御する方法が提案されている。例えば、排気、給気の流れを同じ方向にする方法、排気口付近が層流になるような排気口形状を設ける、排気口入り口に多孔質部材を設け排気速度が大きくても排気口付近の気流を遅くする、等多数提案されている。
特開平０７−１２２５０５号公報

しかしながら、上記従来例はいずれも、真空排気を行う前にパーティクルがチャンバー内のどこに多く存在しているか、ということを全く関知しない方法であった。すなわち、結果としてパーティクル付着が少なくなれば良いという発想の下での発明であった。従って、パーティクルの存在する領域によっては、上記従来例の手法をとることが、かえってパーティクル付着を増大させる懸念も考えられるのである。

発明者は、パーティクルをあらかじめ空間に浮遊させた場合と、壁に一定の付着力を生じさせて、付着させた場合の２つのパーティクル配置に対し、排気速度、排気口位置、等をパラメータとして、シミュレーションした。その結果、パーティクル配置と排気口位置に密接な関係が存在していることが明らかになった。

本発明は、このようにロードロックチャンバーの真空排気時のパーティクル巻上げに対し、パーティクル位置を考慮して真空排気することに重点を置いたものである。

具体的に、本発明は、
（１）ロードロックチャンバー内に１箇所もしくは複数箇所設けたパーティクルカウンタのサンプリングノズルと、チャンバー底面のセンターとコーナーに配置した真空排気管と、その排気管にそれぞれ付帯する排気バルブと、パーティクルカウンタの計数結果によって真空排気管の選択を行う排気管選択手段と、を備えたことを特徴としている。

（２）排気管選択手段は、パーティクルカウンタの計測値が所定以下の値であった場合、センターの排気管で真空排気を行うため、センター排気管排気バルブの開閉を制御し、パーティクルカウンタの計測値が所定以上の値であった場合、コーナーの排気管で真空排気を行うため、コーナー排気管排気バルブの開閉を制御することを特徴としている。

（３）パーティクルカウンタの所定計数値は、あらかじめパーティクルのウエハー付着数と相関をとってあることを特徴としている。

本発明によれば、ロードロックに付帯してパーティクルカウンタを設け、真空排気前にロードロック内の浮遊パーティクルを計数し、その結果によって排気口の選択を行うことが可能になる。

以下、本発明について図を用いて説明する。

先ず、本発明の詳細について説明する前に、本発明が適用される投影露光装置について、ＥＵＶ露光装置を例に挙げ、その概略の構成を図２を用いて説明する。

同図で、１はウエハー、２は電子回路パターンが形成されている反射型レチクルで、３はその反射型レチクルを保持し、スキャン方向に粗微動させるためのレチクルステージである。５はレチクルからの反射光をウエハー１に投影露光するための光学系である。６はウエハーを保持して６軸方向に粗動、微動可能なウエハーステージであり、そのｘｙ位置は不図示のレーザー干渉計によって常にモニターされている。通常、レチクルステージ３とウエハーステージ６のスキャン動作は、投影光学系の縮小倍率を１／βとし、レチクルステージの走査速度をVr、ウエハーステージの走査速度をVwとすると、両者の走査速度の間には、Vr／Vw＝βの関係が成立するように同期制御される。８は後述するロードロックチャンバーとウエハーステージ６との間でウエハーを搬入、搬出する搬送ハンドである。露光は、真空下で行われるため、これらのユニットは装置チャンバー４の中に入っており、７は装置チャンバー内を真空排気するための真空ポンプである。１５は本発明のロードロックチャンバーの略図で、詳細は後述するが、９はロードロック内を真空排気するための真空排気系、１０はロードロック内の真空状態を大気圧に戻す際のドライN2,ドライエア、等のベント用ガス供給源である。１１は装置チャンバーとロードロックチャンバーとの間を仕切る装置側ゲートバルブ、１２はロードロックチャンバーと後述するウエハー交換室との間を仕切る交換室側ゲートバルブである。１４はウエハーを大気圧下で一時保管するウエハー交換室であり、１３はロードロックとの間でウエハーを搬入、搬出する搬送ハンドである。

次に本発明のロードロックチャンバーについて詳細に説明する。

ウエハーの搬送手順としては、まず基板交換室１４のウエハーが搬送ハンド１３により大気圧下のロードロック１５内に搬入され、ゲートバルブ１２が閉じると真空排気系９のバルブが開き、排気が開始される。数十秒して、所定の圧力になるとゲートバルブ１１が開き、搬送ハンド８によりウエハーがロードロック１５からウエハーステージ６に搬送され、アライメントの後に露光となる。

このロードロックの真空排気の過程で、チャンバー内に存在しているパーティクルが気流により巻き上げられる。この巻上げに関して発明者のシミュレーションでは、パーティクル配置と排気口位置に密接な関係があることが明らかになった。表１に発明者が行ったシミュレーションの条件を示す。想定したチャンバーは容積数リットルの箱型ロードロックチャンバーである。排気口位置は、底面中央(センター)と底面隅(コーナー)の2条件とした。また、パーティクルは所定の粒径と材質を想定し、真空排気される前のパーティクル初期位置は、チャンバー内に空間浮遊している場合と、チャンバー内壁に所定の力で付着している場合の２条件とした。

一般に、粒子と平面間の付着力は静電気力、液架橋力が存在していないとすると、次式で表される分子間力（Van Der Walls力）のみとなる。

ここで、AはHamaker定数、dpは粒子径、Zは粒子-表面間距離である。サブμmの粒子の場合、Z=4Å程度とすると、Fは10-8Nのオーダーとなる。一方、粒子が気流の流れから受ける力は、

とあらわせる。ここで、ＣＤは抵抗係数、ρはガス密度、は粒子速度、は流体速度、ＣＣは、カニンガムの補正係数と言われるものである。従って、粒子が流体から受ける力ＦＤ（流体抗力）が、付着力ＦＶよりも大きくなれば、粒子は飛散することになる。しかし、この２式を使った概算では、ロードロック内はこの力ＦＶに勝る流体抗力は容易には発生しないため、シミュレーション上では、（１）式で計算される力よりも小さい付着力を仮定している。

以上のように、排気口位置２条件、粒子位置２条件、計４条件でシミュレーションを行い、評価量はウエハーに付着するパーティクル個数とした。

図３から６に、１〜４の条件下で所定の排気速度で真空排気した際、チャンバー内に存在するパーティクルの、ウエハー付着に大きくかかわる特徴的なパーティクル軌跡の一例を示す。

条件1(図３)では、空間に浮遊しているパーティクルに対し、チャンバー底面センターから排気した場合を示す。真空排気が開始されると、チャンバー内の気流が排気口に対し対称となるため、ウエハー上空に流れのよどみ点が生じやすくなる。すると、ウエハー上空にパーティクルが存在していると、パーティクルには流れによる慣性力よりも重力が相対的に大きくなり、パーティクルは重力沈降し、ウエハーに付着しやすくなるという状況を説明している。

一方、同じ空間浮遊の条件下でも、条件２（図４）のように排気口がチャンバー底面コーナーにある場合は、ウエハー全面に排気口に向かう一方向の流れが生じるので、条件1のようにウエハー上空によどみ点が生じることもなく、パーティクルがウエハー上空に存在しているとしても流れに沿ってパーティクルは排気口から排出される。

条件３（図５）は、チャンバー内壁に所定の力で拘束されているパーティクルに対し、チャンバー底面センターから排気をした場合である。チャンバー内は、真空排気が始まると、断熱膨張に伴う急激に温度低下したガスと、常温に維持されている熱容量の大きいチャンバー壁との温度差により、急激な自然対流が発生する。実験では、この温度低下の様子は図７で説明できる。真空排気が始まると、ガスの温度は急速に低下し、チャンバー容積、排気速度、等にもよるが、十数秒後にT0よりも数十度温度低下し、その後は熱容量の大きいチャンバー壁からの伝熱により急速にT0に漸近する。この真空排気開始直後に急激な自然対流が起きるわけである。従って、チャンバーの垂直壁、及び近傍に存在しているパーティクルはこの影響をまともに食らうため、図のように垂直壁付近で舞い上がる。しかし、センター排気の場合、チャンバー内ではウエハー下面方向空間の流速が大きいため、舞い上がったパーティクルはすぐさま円を描くようにウエハー下面方向に潜り込み、排気口から排出される。従って、このような条件下ではパーティクルの付着確率は比較的低く抑えられる。

一方、同じチャンバー内壁に付着している場合でも、条件４(図６)のように排気口がチャンバー底面コーナーにある場合は、垂直壁に付着しているパーティクルは、条件３の場合と同様に急激な自然対流の影響を受け舞い上がる。今の場合、ウエハー上面空間と下面空間で排気口に向かう一方向流の流速に差がほとんどないため、パーティクルはウエハー上空までもっていかれ、ウエハー上空を長い距離飛来し、排気口から排出される。従って、このような条件下ではパーティクルの付着確率は条件３よりも高くなる。

本発明は、このようにロードロック内のパーティクル巻上げに関して、想定されるパーティクル初期位置と真空排気口位置との間に密接な関係が存在しているということを技術的な背景としている。

本実施例を具体的に、図１を用いて説明する。同図でロードロックは箱型を想定しており、１はウエハーで３本ピン上に置かれている。１２はウエハー交換室との間でウエハーを搬入、搬出する際に用いられるゲートバルブ、同様に１１は装置チャンバーとの間でウエハーを搬入、搬出する際に用いられるゲートバルブである。２２は、ロードロックチャンバーの底面四隅（コーナー）のいずれか一箇所に設けられている排気管A、２３は流量調節可能な排気バルブAである。同様に２４はチャンバー底面中央(センター)に設けられている排気管B、２５は流量調節可能な排気バルブBである。これら二つの排気管は一本の主排気管２６に接続されており、真空ポンプ２７により真空排気される。２０はパーティクルカウンタであり、２１はそのサンプリングノズルである。このサンプリングノズルはウエハー上面方向の空間でガスをサンプリングし、浮遊パーティクルを計数するものである。２８は、このパーティクルカウンタの計数結果から、排気管A、Bのいずれかを選択し、排気バルブA、Bの開閉をコントロールする排気管選択コントローラーである。

本発明は、真空排気を開始する前にこのウエハー上空の浮遊パーティクルを計数する。その計数結果が所定の値以下であった場合、浮遊パーティクルはウエハー付着に影響しないとし、パーティクルは存在しないか、もしくはチャンバー内壁に付着、あるいはその近傍に拘束されていると想定する。この所定個数とは、あらかじめ実験、シミュレーションなどにより、浮遊パーティクル個数と、ウエハー付着の相関をとっておくことで可能である。今の場合、前述のシミュレーション結果、つまり条件３と４の比較により、真空排気は、チャンバー底面中央(センター)から行う。これにより、チャンバー内壁壁に付着、もしくはその近傍に拘束されていると想定されるパーティクルは、ガスと壁との温度差による急激な自然対流により巻き上がるが、ウエハー上空に到達することなくすぐさま流速の早いウエハー下面に潜り込み、排気口から排出されるため、ウエハーのパーティクル付着確率は低く抑えることができる。

一方、真空排気を開始する前に、このウエハー上空の浮遊パーティクルを計数し、その計数結果が所定の値以上であった場合、浮遊パーティクルはウエハー付着に影響するため、これを避けるべく、前述のシミュレーション結果、つまり条件1と2の比較により、真空排気はチャンバー底面隅（コーナー）から行う。これにより、ウエハー上面空間に流れのよどみ点を生じさせることなく、ウエハー面には排気口に向かう一方向流の流れが形成されるため、パーティクルは流線に沿って排気口から速やかに排出される。従って、ウエハーのパーティクル付着確率は低く抑えることができる。

今の場合、パーティクルは、浮遊していると同時にチャンバー内壁に付着している場合も考えられる。この場合、浮遊パーティクルに関しては、前述のように真空排気はチャンバー底面隅（コーナー）を選択したほうが有利であるが、壁付着パーティクルは前述のようにチャンバー底面中央(センター)を選択したほうが有利になる。しかし、浮遊パーティクルと付着パーティクルを比較した場合、ウエハー付着の影響度としては、浮遊パーティクルの方がはるかに大きいことが、シミュレーション結果からも得られている。これは、ロードロック内に、パーティクル付着力に勝るだけの流体抗力は容易には発生しないため、実際にパーティクルが舞い上がってウエハーに付着する確率が極めて低いからである。従って、コーナー排気を行うことによる壁付着パーティクルからの付着量の増加を懸念するよりは、コーナー排気を行うことによって、浮遊パーティクルの付着量の低減を計ったほうが、トータルの付着量ははるかに少なく抑えられる。いずれにせよ、パーティクルが、浮遊していると同時に内壁に付着している場合でも、コーナー排気を選択したほうがより有利になる。

次に、本発明を用いたロードロックに対し、一連の真空排気手順を図８に示す。スタートすると、まずウエハー交換室側のゲートバルブが開く(ステップ３１)。このとき装置側ゲートバルブは閉じた状態にある。次に、交換室にあるロボットハンドによりウエハーがロードロック内に搬入され（ステップ３２）、交換室側ゲートバルブが閉じ（ステップ３３）、ロードロック内に密閉された空間が形成される。ここで、本発明の大きな特徴である、ロードロック内に設置されたサンプリングノズルから、チャンバー内ガスをサンプリングし、パーティクル数をカウントする（ステップ３４）。この計数結果が、所定個数以下の場合は、パーティクルは存在しないか、もしくは壁付着によるものが主であると想定し、排気管選択コントローラーは、前述のようにセンター排気管を選択し、排気バルブを開く（ステップ３７）。排気バルブを開くと、あらかじめドライポンプ等で、ポンプから排気バルブまでは所定の真空度になっているため、すぐさまロードロック内の真空排気が開始される（ステップ４０）。一方、パーティクルカウンタの計数結果が所定個数以上の場合は、浮遊パーティクルの影響が無視できないとして、排気管選択コントローラーは、前述のように、コーナー排気管を選択し、排気バルブが開き（ステップ３９）、真空排気が開始される（ステップ４０）。これら両者の真空排気の過程で、チャンバー内に存在しているパーティクルは巻き上がるが、パーティクルの存在している領域に対応して、排気管を選択してあるので、パーティクルのウエハー付着は、低レベルに抑えることが可能である。真空排気開始後、圧力が下がっていき、数十秒して所定圧力に到達すると（ステップ４１）、装置チャンバーとの圧力差が、所定範囲内に入っているので装置側ゲートバルブのみが開く(ステップ４２)。このときウエハー交換室側ゲートバルブは閉じた状態にある。そして、装置チャンバー内にあるロボットハンドにより、ロードロック内のウエハーが搬出され、装置側に受け渡され(ステップ４３)、装置側のゲートバルブが閉じられる（ステップ４４）。以上、ステップ３０〜４５が本発明のロードロックのウエハー一枚単位の処理方法であり、このシーケンスを繰り返すことで、ウエハーが次々に装置内に送り込まれる。

以上説明したように、本実施例では、真空排気前にチャンバー内の浮遊パーティクルを計数することで、パーティクルの存在する領域を想定し、その結果により排気管を選択可能とすることにより、パーティクルのウエハー付着を低減することが可能になる。

（実施例）
第２の実施例は、パーティクルカウンタのサンプリングノズルを第一実施例のウエハー上方空間の一箇所の他に、複数箇所設けたことを特徴としている。

図９でこれを説明すると、２１はウエハー上方空間のガスをサンプリングするサンプリングノズル、２１ａ、２１ｂはそれぞれウエハー交換室側ゲートバルブ１２と装置チャンバー側ゲートバルブ１１の近傍に設けられたサンプリングノズルである。２９はパーティクルを計数する際、場所毎にサンプリングすることを可能にするためのサンプリング切り替え器である。実際のパーティクルの計数に当たっては、真空排気前にサンプリング切り替え器により、順次ノズル２１、２１ａ、２１ｂというように計測すれば良い。他の構成に関しては実施例１と同様である。

通常、チャンバーの真空排気が始まると、断熱膨張に伴う急激に温度低下したガスと、常温に維持されている熱容量の大きいチャンバー壁との温度差により、急激な自然対流が発生するため、垂直壁付近に存在するパーティクルは、この影響を受け舞い上がる。特に、ゲートバルブ付近は、ゲートバルブの開閉や、ウエハーの搬入搬出で機械的な摩擦、摺動などの影響でパーティクルが発生しやすいため、この自然対流による巻上げは無視できない。本実施例は、このようにパーティクルが発生する可能性が高く、かつ巻き上げによる影響が大きい領域にサンプリングノズルを配置したことが大きな特徴となっている。

実際の動作としては、次のようなものになる。

ウエハーが搬入されて、真空排気を始める前にパーティクルカウンタでガスをサンプリングする。その結果、ウエハー上方空間（サンプリングノズル２１）よりも、ゲートバルブ付近（サンプリングノズル２１ａ、２１ｂ）の計数結果が所定の値より大きい場合は、ゲートバルブに付着もしくはその近傍に存在しているパーティクルの影響度が大きいので、実施例１と同様に、センター排気の方が付着を抑えることが可能になる。従って、排気管選択コントローラー２８により、センター排気管２３が選択され、これを用いて真空排気が行われる。

逆に、ゲートバルブ付近（サンプリングノズル２１ａ、２１ｂ）よりも、ウエハー上方空間（サンプリングノズル２１）の計数結果が所定の値より大きい場合は、チャンバー内に浮遊しているパーティクルの影響度が大きいので、実施例１と同様に、コーナー排気の方が付着を抑えることが可能になる。従って、コーナー排気管２２が選択され、これを用いて真空排気が行われる。

このように、サンプリングノズルを複数設けることにより、より実際のパーティクル存在領域に即した排気管の選択が行われることになり、ウエハーのパーティクル付着を低減することが可能になる。

また、本発明は、上述のロードロックチャンバーを介して、ウエハー等の被露光体を露光装置内に搬入したり、この露光装置内からウエハー等を搬出したりするようにした露光装置にもて起用可能である。

さらに、本発明は、本実施例に記載の露光装置を用いたデバイスの製造方法にも適用可能である。具体的には、上述の露光装置を用いて、ウエハーやガラス基板等の被露光体を露光する工程と、その露光された被露光体を現像する工程と、さらに現像された被露光体に後処理を施す工程とを有するデバイスの製造方法である。

以上説明したように、本出願に関わる第１の発明によれば、ロードロックに付帯してパーティクルカウンタを設け、真空排気前にロードロック内の浮遊パーティクルを計数し、その結果によって排気口の選択を行うことが可能になる。

本出願に関わる第２の発明によれば、パーティクルカウンタの計測値が所定以下の値であった場合、センターの排気管で真空排気を行うため、仮にパーティクルが壁付着、もしくは壁付近存在していても、真空排気に伴うウエハー付着をより少ないレベルに押さえ込むことが可能である。また一方、パーティクルカウンタの計数値が所定以上の値であった場合、コーナーの排気管で真空排気を行うため、浮遊パーティクルは速やかに排気口から排出され、真空排気に伴うウエハー付着をより少ないレベルに押さえ込むことが可能である。

本出願に関わる第３の発明によれば、パーティクルカウンタの所定計数値は、あらかじめパーティクルのウエハー付着数と相関をとってあるため、排気管選択の判断が容易に行うことが可能になる。

本発明の第一の実施例を表すロードロックチャンバー 本発明が適用される露光装置システム シミュレーション条件１の付着に関わる特徴的なパーティクル軌跡の例 シミュレーション条件２の付着に関わる特徴的なパーティクル軌跡の例 シミュレーション条件３の付着に関わる特徴的なパーティクル軌跡の例 シミュレーション条件４の付着に関わる特徴的なパーティクル軌跡の例 真空排気時のガス温度低下を示す図 本発明の真空排気シーケンス 本発明の第二の実施例を表す図

符号の説明

１ ウエハー
２０ パーティクルカウンタ
２１ サンプリングノズル
２２ コーナー排気管
２３ コーナー排気管排気バルブ
２４ センター排気管
２５ センター排気管排気バルブ
２６ 主排気管
２７ 真空排気ポンプ
２８ 排気管選択コントローラー

Claims (7)

1. パーティクルカウンタと、チャンバー内に１箇所もしくは複数箇所設けたパーティクルカウンタのサンプリングノズルと、チャンバー底面のセンターとコーナーに配置した真空排気管と、該真空排気管に付帯する排気バルブと、前記真空排気管によって真空排気する前のパーティクルカウンタの計数結果によって真空排気管の選択を行う排気管選択手段と、を備えたことを特徴とするロードロックチャンバー。
2. 前記排気管選択手段は、パーティクルカウンタの計測値が所定以下の値であった場合、センターの排気管で真空排気を行うため、センター排気管排気バルブの開閉を制御し、一方、パーティクルカウンタの計数値が所定以上の値であった場合、コーナーの排気管で真空排気を行うため、コーナー排気管排気バルブの開閉を制御することを特徴とする請求項１記載のロードロックチャンバー。
3. 前記パーティクルカウンタの所定計数値は、あらかじめパーティクルのウエハー付着数と相関をとってあることを特徴とする、請求項１又は２記載のロードロックチャンバー。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載のロードロックチャンバーを用いて、該ロードロックチャンバー内を真空排気する真空排気方法。
5. 請求項１乃至３いずれかに記載のロードロックチャンバーを有することを特徴とする露光装置。
6. 前記ロードロックチャンバーを介して、前記露光装置内に被露光体を搬入及び／又は前記露光装置外に被露光体を搬出することを特徴とする請求項５記載の露光装置。
7. 請求項５又は６記載の投影露光装置を用いて被露光体を露光する工程と、前記露光された被露光体を現像する工程とを有することを特徴とするデバイスの製造方法。
   

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