CN1462471A - 成像特性的测量方法和曝光方法 - Google Patents

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Abstract

一种根据曝光时照明条件和投影光学系统周围的气压，可以高精度检测投影光学系统成像特性的成像特性检测方法和曝光方法。用与曝光的光波长相同的照明光从试样台(24)内部照射基准标志(34A、34B)，利用标度线对准显微镜(38A、38B)，对通过基准标志(34A、34B)的投影光学系统(PL)的像的标度线标志(37A、37B)位置偏移量进行测量，从此测量值计算出投影光学系统(PL)的投影倍数β，求出与该基准倍数β0的误差Δβ2。从求出的误差Δβ2减去对应于曝光时标度线(R)照明条件和投影光学系统(PL)周围大气压P的倍数误差的修正值Δβ1，求出曝光时实际残留倍数误差Δβ(＝Δβ2－Δβ1)。

Description

成像特性的测量方法和曝光方法
技术领域
本发明涉及例如在用于制造半导体元件、摄影元件(CCD等)、液晶显示元件、等离子显示器、或薄膜磁头等器件的光刻工序中，把掩模图形转印到感应性基板上时使用的投影曝光装置的投影系统成像特性测量方法和曝光方法的发明。本发明也是使用测量这种成像特性方法的投影曝光装置的发明。
背景技术
制造半导体元件等时，作为掩模的标度线图形通过投影光学系统使用步进式曝光装置等投影曝光装置，转印在涂敷了感应材料或感光材料的抗蚀剂的晶片(或玻璃片)上的各照射区域。例如半导体元件由于在晶片上按规定位置关系重叠有十多层电路图形，在投影曝光装置中设置有用于检测标度线和晶片上的定位标志(标度线标志和晶片标志)的位置的对准传感器。
对准传感器有多种方式，例如检测标度线标志的对准传感器可以使用VRA(Visual Reticle Alignment)方式等曝光用的光的方式，用曝光用的照明光(曝光用的光)照射标度线标志，用CCD摄象机拍摄，对得到的图像数据进行图像处理，检测标度线标志的位置。这样VRA方式的对准传感器有时也在检测投影光学系统的投影倍数等成像特性时使用。
此外在投影曝光装置中，投影光学系统周围大气压变化的话，投影光学系统整体的折射率要发生变化，投影光学系统的投影倍数改变，所以为了要修正因气压变化造成的投影倍数的变化，例如使用所谓的透镜调节器(LC)。是把构成投影光学系统的一部分透镜之间的空间作成封闭的空间，通过调整此封闭空间内的气体压力，来修正因气压变化造成的投影倍数的变化。此外为了校正因气压变化造成的投影倍数的误差和投影光学系统的各种像差等的成像特性的变化，也使用在透镜支持部件上设置压电元件等的驱动部件，调整透镜的间隔，或者控制曝光波长的成像特性控制机构。
如上所述，在现有的投影曝光装置中，为了应对气压变化造成的成像特性变化的问题，使用透镜调节器等的成像特性控制机构，控制成像特性。在使用这样的成像特性控制机构情况下，例如曝光程序开始时，以及每次对规定批量的晶片曝光完成后，用上述VRA方式对准传感器等检测成像特性，把此检测的成像特性作为初始状态，此后例如用根据经验预测的成像特性的变化量，进行控制，使此成像特性在规定的目标范围内。
可是即使在检测此成像特性时，投影光学系统周围的大气压有变化，担心对应于检测时大气压，成像特性的检测值此成像特性的检测值产生误差。这样成像特性检测值(初始状态)本身产生误差的话，在随后采用成像特性控制机构，即使按预想的成像特性变化量进行修正，也会产生残留误差。现在看这样的残留误差是有限的，但是随着今后随着集成线路高密度化使电路图形更微细化，担心会导致最终制造的器件成品率恶化。
此外在投影曝光装置中，对应于曝光的线宽和图形形状，有时把照明条件切换成所谓的变形照明和小相干因子照明(小σ值照明)等，每次切换照明条件投影光学系统的投影倍数等成像特性发生微小变化，投影在晶片上的像会有微妙变化，有时重叠精度降低。
此外，检测标度线标志的位置的VRA方式对准传感器由于用不同于曝光用照明光学系统的其他照明系统照射被检测标志的方式，用VRA方式对准传感器的检测结果求投影光学系统投影倍数时，即使用求出的投影倍数为基础调整投影倍数，也担心曝光时的投影倍数产生误差。
鉴于上述问题，本发明第1个目的是，在检测转印对象图形像成像状态(成像特性)时(检测时)的环境条件即使改变的情况下，也要能够高精度调整它的成像状态。
本发明的第2个目的是，在检测成像状态(成像特性)时的照明条件和实际曝光时照明条件即使不同，也要能够高精度调整它的成像状态。
发明内容
本发明的曝光方法是用曝光光束照射掩模(R)，通过投影系统(PL)把掩模的图形像转印到基板(W)上的曝光方法，通过它的投影系统检测出标志(34A、34B)，在根据检测的结果调整它的图形像成像状态时，采用检测时的环境条件。
采用这样的本发明，根据它的检测结果求出它的图形像成像状态(例如投影倍数)。此时这样求出的成像状态对应于它的标志检测时环境条件(例如投影系统周围的气压等)发生变化。那末预先求出由它的标志检测结果求出的成像状态和它的环境条件的关系进行存储，对应此环境条件进行校正，可以高精度检测此检测时的成像状态。然后用此检测结果抵消来自作为成像状态的目标的状态的误差，这样修正此投影系统成像特性，可以高精度调整它的图形像成像状态。与此相反，直接使用由标志检测结果求出的成像状态的值，进行投影系统成像特性调整的话，担心在实际曝光时会残存有成像状态的调整误差。
这种情况下，希望从此检测结果求出的成像状态调整量以它的环境条件为基础对其进行修正。这样可以容易实现高精度地调整成像状态。
作为一个示例，它的成像状态调整量用与包含它的图形像形成条件和它的标志检测条件的差异相对应的补偿来确定。例如作为它的标志检测条件的其标志检测时的照明条件，作为它的图形像形成条件的实际光刻工序中曝光时照明条件，照明光的数值孔径和孔径光阑形状等条件有时不同。那末例如预先求出它的照明差异造成的成像状态变化量，并表格化，把它的标志检测结果得到的成像状态检测值，根据它的图形像形成条件进行修正，可以更高精度调整曝光时的成像状态。
作为一个示例，此补偿随它的图形像形成条件而不同，同时要根据它的环境条件进行修正。其形成条件的照明条件中有一般照明和环带状照明等多种条件，通过对这些条件改变调整量的补偿，可以在各种条件下高精度补偿它的成像状态。图形像形成条件不仅仅是上述的照明条件(也就是说在用曝光光束照射掩模的照明系统内，在掩模图形面和实际成傅立叶变换关系的规定面(照明系统的光瞳面)上的曝光光束强度分布)，也包括投影系统光瞳面上的曝光光束强度分布和投影系统的数值孔径等。
此外也可以以它的图形像形成条件为基础，对从此检测结果求出的成像状态调整量进行修正。
采用本发明的投影曝光装置具有用曝光光束照射掩模(R)的照明系统(1、3、6～9、13～19)和把该掩模图形像投影到基板(W)上的投影系统(PL)，该投影曝光装置还具有：通过投影系统检测标志的标志检测系统(38A、38B)；对该标志进行检测过程中检测环境条件的环境检测系统(31)；以及以该检测结果为基础，在调整其图形像成像状态时使用该环境条件的成像调整系统(28、42、43、44)。采用这样的本发明可以实施本发明的曝光方法。
这种情况下，希望它的成像状态调整系统以它的环境条件为基础，对从它的检测结果求出的成像状态调整量进行修正。
此外，希望此成像状态调整系统的调整量要通过了解与其图形像形成条件和标志检测条件的差异相对应的补偿来确定。
本发明的把第1面物体(R)像投影到第2面(W)上的投影系统(PL)成像特性的检测方法，具有：第1工序(第101、102步)，通过投影系统检测第1和第2面中至少有一个面上设置的标志(34A)，用此检测结果算出此投影系统的成像特性；和第2工序(第103、104步)，以在第1工序实施时的环境条件为基础，对第1工序求出的成像特性计算的结果进行修正。
采用本发明的话，例如预先求出环境条件和第1工序中算出的投影系统成像特性(例如投影倍数)的关系，通过根据环境条件对第1工序求出的成像特性进行修正，能够高精度修正此投影系统的特性。
这种情况下，希望使计算出的结果修正量随环境条件而不同。
此外，希望对应于标志检测条件和物体像形成条件的差异的补偿加上此计算结果，来确定成像特性的修正量，希望使此补偿随环境条件而变化。
本发明的第1和第2的器件制造方法分别采用本发明的曝光方法或曝光装置，包括把器件图形在基板上形成的光刻工序。采用本发明的话，由于使用本发明的曝光方法或曝光装置，可以高精度调整此图形像成像状态，可以制造高性能的器件。
附图说明
图1为表示本发明实施方式的一个示例中使用的投影曝光装置的结构图；
图2是表示图1的孔径光阑板9的图；
图3为表示图1投影曝光装置的载物台系统和对准系统主要部件的轴视图；
图4为表示图3的RA显微镜38A观察视野内的像的放大图；
图5为表示标度线对准时基准标志像和标度线标志的位置关系的图；
图6为表示投影光学系统周围大气压和与此相应的投影光学系统倍数误差修正值的关系的一个示例的图；
图7为表示投影光学系统投影倍数校准动作一个示例的流程图。
具体实施方式
下面参照图对本发明优选实施方式一个示例进行说明。本例是在控制步进扫描方式构成的扫描曝光型投影曝光装置的成像特性情况下适用于本发明的示例。
图1表示本例使用的投影曝光装置的简要结构，在此图1中，用ArF准分子激光器光源1发出的193nm波长窄带化的紫外脉冲激光束的曝光的光IL，通过包括可动的反射镜等的光束匹配单元(BMU)3，经过具有遮光性的管5射入至可变减光器6。用于控制相对于晶片上的抗蚀剂的曝光量的曝光调节器29控制ArF准分子激光器光源1的发光开始和停止、以及发光强度和振动频率等，同时对可变减光器6中的减光率进行调整。曝光调节器29从统一控制装置整体动作的主控制系统28接收目标曝光量等信息，同时如后所述，向主控制系统28输出实测的曝光量等信息。作为曝光的光(曝光光束)也可以使用KrF准分子激光器(波长248nm)、Kr2准分子激光器(波长146nm)、F2准分子激光器(波长157nm)等其他的激光器、水银灯的i线(波长365nm)、或软X射线等。
通过可变减光器6的曝光的光IL经过透镜系统7A、7B组成的光束整形光学系统，入射到复眼透镜等的光学-积分器(单值器或均质器)8。在本实施方式中光学-积分器8使用复眼透镜，光学-积分器8的出射面(出射一侧焦点面)与照明系统光瞳面(傅立叶变换面)大体一致。此外在光学-积分器8的出射面上，照明系统的孔径光阑9设置成用驱动电机10可自由转动。作为光学-积分器8也可以使用内面反射型积分器(杆积分器等)或用折射光学元件等，特别是用内面反射型积分器，它的出射面被设置成大体与标度线R的图形面共轭，孔径光阑9设置在光源1和光学-积分器8之间。
如图2所示，在孔径光阑9中设置有一般照明用的圆形孔径光阑9a、作为变形照明例子的环带照明用的内径为外径1/2的环带孔径组成的1/2环带光阑9b、内径为外径2/3的环带孔径组成的2/3环带光阑9c，以及其他变形照明例子的多个(本例中为4个)偏心小孔径组成的4极照明用孔径光阑9d。在一般照明用孔径光阑9a中也设置有用于切换成小相干因子照明(小σ值照明)控制孔径形状的可变光阑(虹彩光阑，图中没有表示)。返回到图1，主控制系统28根据照明条件，通过驱动电机10使孔径光阑9转动，在光学-积分器8的出射面设定规定照明条件下的规定的孔径光阑。
代替孔径光阑9或与其组合，例如把交换设置在照明光学系统内相互多个折射光学元件、可沿照明光学系统光轴移动的棱镜(圆锥棱镜、多面体棱镜等)、以及至少含有一个连续变焦式光学系统的光学单元配置在光源1和光学-积分器8之间，光学-积分器8是复眼透镜时，使它的入射面上的曝光的光IL强度分布可变、光学-积分器8是内面反射型积分器时，使曝光的光IL对它的入射面的入射角度范围可变，希望在照明光学系统的光瞳面上的曝光的光IL光量分布(2次光源的大小和形状)可以变更，也就是照明条件可以变更，要抑制伴随照明条件变更带来的光量损失。
从光学-积分器8射出，通过孔径光阑板9中规定孔径光阑的曝光的光IL射入到透射率高反射率低的连续变焦式分离器11。用连续变焦式分离器11反射的曝光的光入射到由光电检测器构成的积分器传感器12。把积分器传感器12的检测信号提供给曝光调节器29。曝光调节器29利用积分器传感器12的检测信号间接地监测曝光的光IL对基板的照度(脉冲能量)、和它的累计值(曝光量)。
透过连续变焦式分离器11的曝光的光IL经过反射镜13和聚光镜透镜系统14，入射到标度线挡板机构16内的固定视野光阑15。如本示例那样，投影曝光装置是步进扫描方式构成的扫描曝光型的情况下，除了规定照明区域的视野光阑15以外，为了防止扫描曝光前后不需要的区域的曝光设置有可动视野光阑。用标度线挡板机构16的视野光阑15整形后的曝光的光IL通过成像用透镜系统17、反射镜18、以及主聚光器透镜系统19，以相同的照度分布照射到标度线R图形区域上矩形的照明区域36(参照图3)。照明光学系统(照明系统)由ArF准分子激光器光源1、BMU3、可变减光器6、透镜系统7A、7B、光学-积分器8、孔径光阑板9、镜13～主聚光器系统19构成。
用曝光的光IL通过标度线R照明区域内电路图形像两侧(或基板一侧的单侧)焦阑的投影光学系统PL，以规定的投影倍数(例如1/4、1/5等)被投影到设在投影光学系统PL成像面上的晶片W上的抗蚀剂层的曝光区域。此曝光区域位于晶片W上的多个照射区域中的1个照射区域。对应于本发明的投影系统的投影光学系统PL是屈光的系统(折射系统)，由于对波长短的曝光的光的吸收少，例如像国际公开公报(WO)00/39623号披露的那样，可以使用由沿1根设置光轴多个折射透镜、在光轴附近分别有孔径的2个凹面镜构成的直筒型光线反射曲折的系统(反射折射系统)。作为投影光学系统PL也可以使用光轴弯成V字型的反射折射系统等。
由于在本示例中作为曝光的光IL使用在真空紫外区域的ArF准分子激光(波长193nm)，有必要防止氧等吸光物质对曝光的光IL的吸收。于是设置有把从管5内经过可变减光器6、透镜系统7A、7B以及光学-积分器8等到主聚光器透镜系统19的照明光路与外面的大气隔断的潜室60。而且为了避免曝光的光被吸光物质吸收，通过图中没有表示的配管，向整个潜室60内以及整个投影光学系统PL镜筒内的空间(多个透镜元件间的空间)通入干燥的氮气或氦气等净化的气体。下面取Z轴与投影光学系统PL的光轴AX平行、取X轴在与Z轴垂直的平面内垂直图1纸面的方向、取Y轴与图1平行的方向来进行说明。
首先本示例的投影光学系统PL由沿光轴AX设置的多个光学部件(在图1中表示有代表性的透镜L1、L2)、以及支持它们的镜筒构成。而且为了控制投影光学系统PL的投影倍数、规定的像差(失真、彗形像差、像散、像面弯曲等)成像特性，在以等角度间隔独立配置3个位置，设置了沿Z方向驱动投影光学系统PL中的透镜L1、L2的执行元件43、44，执行元件43、44的驱动量用成像特性调节器42控制。作为执行元件43、44可以使用压电元件(压电元件等)或电测微计等，3个位置的执行元件43(或44)同时伸缩，可以沿光轴ZX方向驱动透镜L1(或L2)，同时通过改变3个位置的执行元件43(或44)驱动量，可以控制透镜L1(或L2)绕X轴和Y轴的(回转)倾角。
成像特性调节器42和执行元件43、44对应于本发明成像调节系统，根据来自主控制系统28的成像特性控制指令，成像特性调节器42驱动执行元件43、44，使指定的成像特性修正指定的量。作为此成像调节系统也可以使用控制投影光学系统PL内规定透镜间气密室内气体(净化的气体)的压力的透镜调节器(LC)、或在3个位置控制标度线R光轴方向位置的机构等。此外，例如控制曝光的光IL光路上的气压与控制曝光的光IL波长大体是等效的。所以也可以用曝光调节器29控制ArF准分子激光器光源1的振荡波长来控制成像特性。这种情况下ArF准分子激光器光源1和曝光调节器29构成成像调节系统。
此外，此成像特性随投影光学系统PL周围气体压力(大气压)而变化。所以在投影光学系统PL附近设置用于测量大气压的气压计31，把用气压计31测量的大气压提供给主控制系统28。这种情况下预先把大气压和成像特性的变动量的关系做成表，存储在主控制系统28内的存储装置中，预测在大气压变化造成投影光学系统PL成像特性变化超过允许范围变动时，通过成像特性调节器42对它的成像特性进行修正，以抵消预测的成像特性变动量。此成像特性即使对应于通过投影光学系统PL的曝光的光IL累计能量而变动，例如对应于用积分器传感器12监测的累计能量，主控制系统28驱动成像特性调节器42，以抵消预测的成像特性变动量。这样使曝光中成像特性保持一定状态。本示例的气压计31对应于本发明的环境检测系统。
此成像特性即使随在投影光学系统PL的光瞳面上的曝光的光IL光量分布的变化而变动，例如根据投影光学系统PL光瞳面上的光量分布信息，主控制系统28通过成像特性调节器42调整它的成像特性，以抵消预测的成像特性变动量。其中投影光学系统PL的光瞳面上光量分布根据上述的照明条件(照明光学系统的光瞳面(傅立叶变换面)上的曝光的光IL光量分布)的变更、以及标度线图形种类(线宽等)而变化，主控制系统28根据照明条件等的成像特性算出变动量或补偿量。此时也可以通过成像特性调节器42投影光学系统PL至少移动1个透镜，代之以或再加上通过曝光调节器29变更曝光的光IL的振荡波长，补偿成像特性的变化。
下面对本示例投影曝光装置的载物台系统和对准系统的构成进行说明。首先标度线R被吸附固定在标度线载物台20上，标度线载物台20被放置在标度线底座21上沿X方向、Y方向和转动方向可自由移动。
图3为表示图1载物台系统和对准系统主要部件的轴向视图，如图3所示，标度线载物台20上固定有与于X轴和Y轴大体垂直的2个反射面的移动镜22a，用图1驱动单元22内激光干涉仪使与X轴平行的2束的激光束LRX1、LRX2和与Y轴平行的激光束LRY照射此移动透镜22a，用此激光干涉仪实时测量标度线载物台20(标度线R)的X坐标、Y坐标、以及回转角。返回到图1，驱动控制单元22以此测量结果和来自主控制系统28的控制信息为基础，通过图中没有表示的驱动电机(直线电机和音圈电机等)，对标度线载物台20的定位动作进行控制。
然后把晶片W通过晶片托架23吸附固定在试样台24上，试样台24被固定在XY载物台上，XY载物台沿与投影光学系统PL的像平面平行的XY平面(图中没有表示的晶片底座的上表面)进行2维移动，由试样台24和XY载物台25构成晶片载物台26。试样台24控制晶片W的焦点位置(Z向位置)和倾角，用自动聚焦方式和自动调平装置使晶片W表面与投影光学系统PL像面重合，XY载物台25进行向晶片W的X方向和Y方向的步进移动，此外在投影光学系统PL的Y向侧面，以偏离-中心线方式设置有图象处理方式的晶片标志用的对准传感器35。
试样台24的+X方向的侧面和+Y方向的侧面分别被加工成镜面，作为移动镜使用。如图3所示，用驱动控制单元27内的激光干涉计，使试样台24的+X方向的侧面和+Y方向的侧面分别被与X轴平行的2束的激光束LWX1、LWX2和与Y轴平行的激光束LWY照射。这种情况下，与Y轴平行的激光束LRY光轴延长线通过对准传感器35的检测中心和投影光学系统PL光轴AX，与X轴平行的2束的激光束LRX1、LRX2光轴延长线分别通过光轴AX和对准传感器35的检测中心。所以试样台24的Y座标用激光束LWY测量，同时为了抑制阿贝误差的产生，试样台24的X座标在曝光时用激光束LWX1测量，对准时用激光束LWX2测量。此外用2个激光束LWX1、LWX2的测量值的差分测量试样台24的回转角。
如图3所示，把试样台24侧面作为移动镜使用的情况下，由于在激光束光路和晶片W表面之间产生Z方向位置偏离，担心因试样台24的俯仰或横滚产生阿贝误差。为了避免此问题，也可以相对于激光束LWX1、LWX2、LWY分别在Z方向上间隔规定距离，把激光束照射到试样台24侧面，以在Z方向上分开的1对激光束的测量值为基础，修正因试样台24的俯仰造成的阿贝误差。此外与标度线载物台20一样，试样台24上设置了具有垂直反射面的移动镜，使激光束照射到移动镜上，也可以测量试样台24的位置。
返回到图1，用驱动控制单元27内的激光干涉计测量的试样台24(晶片W)2维位置和回转角的测量值也提供给主控制系统28和对准调节器30。然后驱动控制单元27以此测量值和来自主控制系统28的控制信息为基础，通过图中没有表示的驱动电机(直线电机等)控制XY载物台25定位动作。但是晶片W的回转误差的一个示例，通过主控制系统28和驱动控制单元22，用使标度线载物台20转动来修正。
曝光时根据需要主控制系统28利用转动孔径光阑板9来设定照明条件。然后通过标度线载物台20对曝光的光IL照射区域以速度Vr对标度线沿R+Y方向(或-Y方向)扫描，也就是在扫描方向SD(参照图3)进行扫描，与其同步，通过XY载物台25以速度βVr(β为从标度线R到晶片W的投影倍数)对投影光学系统PL的曝光区域进行扫描。标度线R和晶片W扫描方向是相反的，因为投影光学系统PL是进行反转投影的，正立像投影时标度线R和晶片W的扫描方向相同。此时利用曝光调节器29对在晶片W上各照射区域进行曝光量控制。然后在晶片W上一个照射区域的标度线R图形像扫描曝光完成后，通过XY载物台25把晶片W上的下一个照射区域移到投影光学系统PL曝光区域的跟前，所以所说的标度线R和晶片W同步扫描的动作以步进扫描方式反复进行，对晶片W上的各照射区域进行扫描曝光。
在进行上述对晶片W上的各照射区域曝光前，需要预先对标度线R的图形和晶片W的各照射区域的进行高精度的对准。为此，如图3所示，例如在X方向(非扫描方向)标度线R图形区域PA两侧形成1对十字形标度线标志37A、27B，标度线标志37A、27B上方分别设置有称为图像处理方式的标度线对准显微镜(以下称“RA显微镜”)38A、38B。RA显微镜38A、38B的摄像信号被提供给对准调节器30，对准调节器30从提供的摄像信号分别求出2个标志的X方向、Y方向的位置偏移量，把求出的位置偏移量提供给图1的主控制系统28。作为成像调整系统的主控制系统28从提供的位置偏移量求出规定的成像特性。
在图3中由玻璃基板构成的基准部件32固定在试样台24上的晶片托架23附近，基准部件32上表面设定成与晶片W表面(晶片表面)相同高度。基准部件32上表面以规定间隔在X方向设置有2个框形2维基准标志34A、34B、以及向X方向的线-空白图形和向Y方向的线-空白图形组成的2维基准标志33。基准标志34A、34B的X方向间隔被设定成与标度线标志37A、37B向晶片载物台一侧的投影像的设计间隔相等，基准标志34A、34B的中心和基准标志33的中心在Y方向上的间隔设定成标度线R图形像中心和对准传感器35检测中心的设计间隔(基线量)BL1。
返回到图1，对准传感器35设置有在比较宽的带域，用非感光性照明光对晶片W上光致抗蚀膜照射被检测标志的反射照明系统、设置在被检测标志像形成面上的指标标志、拍摄被检测标志像和指标标志的2维摄像元件，把此摄像元件的摄像信号也提供给对准调节器30。对准调节器30处理此摄像信号，检测被检测标志在X方向、Y方向相对于此指标标志的晶片载物台26上共轭像中心(检测中心)的位置偏移量检测，把检测结果提供给主控制系统28。在基准部件32底面的试样台24内部，传递光学系统39的前端设置有把从其前端发出的照明光聚光的透镜40、把聚光的照明光向基准标志34A、34B一侧弯曲的反射镜41，传递光学系统39在ArF准分子激光器光源1内把从曝光的光IL光路分出的光作为照明光，导向基准部件32底面一侧。这样本示例的基准标志34A、34B用与曝光的光IL相同波长的照明光从底面一侧照明，在投影光学系统PL中不产生色差。
此照明光的基础是基准标志34A、34B形成面和标度线标志37A、37B形成面(标度线面)成为关于投影光学系统PL共轭。因此不用特别设计修正色差用的光学系统，用标度线R上方的RA显微镜38A(或38B)，就能够高精度地检测出标度线标志37A(或37B)对基准标志34A(或34B)的投影光学系统PL向标度线面投影像的位置偏移量。本示例的基准标志34a、34B对应于本发明的标志，RA显微镜38A、38B对应标志检测系统。在本示例中，来自由传递光学系统39、透镜40、反射镜41生成的基准标志34A、34B底面的照明条件，与由含有光学-积分器8的照明光学系统生成的曝光的光IL的照明条件不同，如后所述，把用基准标志34A、34B得到的成像特性测量结果，与实际曝光时的照明条件等对照进行修正。
用传递光学系统39等代替从基准标志34A、34B底面照射基准标志34A、34B，例如也可以配备在RA显微镜38A、38B中用与曝光的光相同波长的照明光照射被检测标志的照明机构。这种情况下，用来自RA显微镜38A、38B的照明光，从标度线标志37A、37B的上方照射标度线标志37A、37B，透过标度线标志37A、37B周围的照明光通过投影光学系统PL照射到基准标志34A、34B。而后用来自基准标志34A、34B的反射光和来自标度线标志37A、37B的反射光，通过检测在RA显微镜38A、38B内部形成的两个标志像，可以检测出两个标志位置偏移量。
对应于图3的基准部件32上的基准标志34A、34B，在标度线载物台20上设置基准标志，用RA显微镜38A、38B也能检测作为标度线标志37A、37B的替代标志的标度线载物台20上的基准标志与基准部件32上的基准标志34A、34B的位置偏移量。此时，例如使标度线载物台20上的基准标志设置在长方形各顶点的位置，与此相对应，利用在基准部件32上也设置框形基准标志，也能测量投影光学系统PL的失真等。这样在标度线载物台20上设置基准标志情况下，增加了它的配置自由度。
上述基准标志34A、34B、标度线标志37A、37B和RA显微镜38A、38B在进行标度线对准情况下使用，在本示例中使用这些机构和上述成像特性调节器42等，可以测量和修正投影光学系统PL规定的成像特性。下面参照图7的流程框图，把测量对象的成像特性作为投影光学系统PL的投影倍数，对测量投影倍数的测量动作和修正动作(投影倍数的校准动作)的一个示例进行说明。
首先在图7的步骤101中，如图3所示，用RA显微镜38A、38B测量标度线标志37A、37B相对于向基准标志34A、34B标度线面的投影像的位置偏移量。为此，图1的主控制系统28驱动XY载物台25，使基准部件32的基准标志34A、34B移动到大体与标度线标志37A、37B共轭的位置。然后，在此状态下使用图1的传递光学系统39、透镜40和反射镜41，用与曝光的光IL相同波长的照明光，从基准部件32底面照射基准标志34A、34B。
图4表示用一个RA显微镜38A的标度线面的观察视野38Aa，在图4中用RA显微镜38A对一个基准标志34A的像34AR和标度线37A的像进行拍摄，把它的摄像信号用图1的对准调节器30进行处理，检测出标度线标志37A的中心RA相对于基准标志像34AR的中心FA在X方向和Y方向的位置偏移量(ΔX1、ΔY1)。与此同时进行的是通过另一个RA显微镜38B，检测出标度线标志37B的中心RB相对于基准标志34B的像中心FB(参照图5)在X方向和Y方向的位置偏移量(ΔX2、ΔY2)。
在本示例中，以检测出的标度线标志37A、37B的位置偏移量为基础，进行标度线对准。首先如图5(A)所示，求出连接标度线标志37A、37B像中心FA、FB的直线相对于连接基准标志34A、34B像中心FA、FB的直线的回转角，也就是求出标度线R相对于基准部件32的回转角θ。然后通过驱动控制单元22仅使标度线载物台20转动-θ角，调整标度线载物台20的Y方向位置，使Y方向的位置偏移量ΔY1、ΔY2分别为0。其结果，标度线标志37A、37B的中心RA、RB位于基准标志34A、34B像中心FA、FB连线上。然后，如图5(B)所示，主控制系统28在X方向移动标度线载物台20，使中心RA、RB相对于中心FA、FB在X方向位置偏移量对称分配，也就是2个中心RA、RB在X方向位置偏移量各为ΔD对称分配。这样就完成了标度线定位。此时，也可以再通过RA显微镜38A、38B测量向X方向的位置偏移量ΔD。这种情况下，中心RA相对于一个中心FA在X方向、Y方向的位置偏移量为(ΔD，0)的话，另一个位置偏移量为(-ΔD，0)。
然后进入步骤102，以检测出相对于标度线标志37A、37B的基准标志34A、34B像的位置偏移量ΔD为基础，计算出投影光学系统PL的投影倍数β(从标度线面对晶片面的投影倍数)，求出与基准倍数(设计值)β0的误差Δβ2。这种情况下，投影倍数β是晶片载物台一侧的基准标志34A、34B中心间隔DW除以标度线面的基准标志34A、34B像中心FA、FB的间隔的值，设标度线标志37A、37B中心RA、RB的间隔为DR的话，投影倍数β用下式表示。
＝DW/(DR+2ΔD)……………(1)
在图5(A)中，在基准标志34A、34B像中心FA、FB的间隔比标度线标志37A、37B中心RA、RB的间隔DR短的情况下，(1)式的位置偏移量ΔD符号为-(负)。其中晶片载物台一侧的基准标志34A、34B中心间隔DW和标度线标志37A、37B中心RA、RB间隔DR预先被高精度地测定，作为已知的曝光参数存储在主控制系统28的存储装置中，在用(1)式计算出投影倍数β后，主控制系统28求出如下所示的投影倍数β与基准倍数β0的误差Δβ2。
Δβ2＝β-β0……………(2)
随后在步骤103中，计算出对应于投影光学系统PL周围大气压P和以下次曝光时的照明条件的倍数误差修正值Δβ1。作为它的照明条件使用照明系统的数值孔径NAILL、照明系统孔径光阑形状(使用图2的光阑9a～9d中的某个)。在本示例中投影光学系统PL的数值孔径NAPL也看作是它的照明条件。也可以使用σ值(＝NAILL/NAPL)代替此照明系统的数值孔径NAILL。
图6表示测量投影倍数时，投影光学系统PL周围大气压P和与它对应实测的倍数误差(以下称为“倍数误差修正值Δβ1”)的关系的一个示例，在图6中横轴是大气压P(hPa)、纵轴表示倍数误差的修正值Δβ1(ppm)。如图6所示，投影光学系统PL的倍数误差相对于投影倍数测量时的大气压P，大体成直线变化，倍数误差的修正值Δβ1可以用下式近似表示。
Δβ1＝a·P+b……………(3)
其中系数a(ppm/hPa)和b(ppm)分别是倍数误差相对于大气压P的斜率和残留误差，这些系数的a、b的值随照明条件不同而不同。表1表示各种照明条件下系数a、b实测的示例。在表1中NAPL和NAILL分别为投影光学系统PL和照明光学系统的数值孔径，照明方式中的一般照明是使用图1的孔径光阑9a，1/2环带照明是使用1/2环带光阑9b，2/3环带照明是使用2/3环带光阑9c。此外环带照明时的照明光学系统的数值孔径NAILL是指环带外径的数值孔径。系数aSIM(ppm/hPa)表示用模拟求出的各照明条件下倍数误差的斜率。从表1可以看出模拟的结果与实测值非常一致。
[表1]
NAPL NAILL 照明方式     倍数误差斜率a(ppm/hPa)   倍数误差的偏移b(ppm) 倍数误差斜率aSIM(ppm/hPa)
  0.60   0.45     一般照明     -0.0587   59.854     -0.057
  0.60   0.36     一般照明     -0.0390   40.100     -0.045
  0.60   0.27     一般照明     -0.0235   24.024     -0.036
  0.55   0.45    1/2环带照明     -0.0762   77.995     -0.053
  0.55   0.45    2/3环带照明     0.0868   88.719     -0.058
在本示例中，图1的主控制系统28内部的存储装置或外部的主计算机等中，以表的方式存储对应各照明条件的倍数误差斜率a和倍数误差的偏移b的值，主控制系统28从此表求出对应于曝光时照明条件的倍数斜率a和倍数误差的偏移b的值。然后主控制系统28以用气压计31得到的大气压P的测量值为基础，用(3)式求出倍数误差的修正值Δβ1。
下面进入步骤104，主控制系统28从步骤102中求出的投影倍数β相对于基准倍数β0的误差Δβ2，减去在步骤103求出的倍数误差修正值Δβ1，求出曝光时实际残留倍数误差Δβ(＝Δβ2-Δβ1)。
在步骤105中，主控制系统28借助于驱动执行元件43、44，通过成像特性调节器42来调整投影光学系统PL透镜L1、L2的状态，进行修正，使投影光学系统PL的投影倍数β抵消残留倍数误差Δβ，也就是使投影倍数变为(β-Δβ)。
以这样的曝光时照明条件和投影光学系统PL周围大气压P的测量值为基础，通过对用RA显微镜38A、38B测量的投影倍数β的误差Δβ2的修正，可以对应于曝光时照明条件和投影光学系统PL周围大气压P高精度求出投影倍数，以此结果为基础，可以高精度校准投影倍数。采用本示例的话，由于利用了RA显微镜38A、38B的基准标志34A、34B像和标度线标志37A、37B的检测结果，所以具有在标度线对准的同时进行投影倍数的调整的优点。
在如上所述调整投影倍数β后，进行曝光工序(步骤106)，进行曝光的晶片经过显影后，经过进行把显影后残留的抗蚀剂图形作为掩模进行蚀刻和离子注入等加工工序，去除加工工序后不需要的抗蚀剂的抗蚀剂去除工序等。然后反复进行曝光、显影、加工、去除抗蚀剂等各工序，完成晶片加工过程。晶片加工过程完成后，在实际的组装工序中，经过把晶片按各个留下电路切断进行芯片化的划片工序、进行各芯片的布线等的压焊工序、把各芯片封装的封装工序等，制造成最终的LSI等的半导体器件。
此外把由多个透镜构成的照明光学系统、投影光学系统组装在投影曝光装置主体中进行光学调整，同时把由多个机械部件构成的标度线载物台和晶片载物台装在曝光装置主体中，连接配线和配管，利用综合调整(电气调整、动作确认等)，可以制造本实施方式的投影曝光装置。希望制造投影曝光装置要在对温度和清洁度等进行管理的净室中进行。
在上述实施方式中，驱动透镜L1、L2控制成像特性，代替它或与它一起使用，也可以控制ArF准分子激光器光源1的曝光的光IL的振荡波长λ。
在上述实施方式中，使用投影光学系统PL的投影倍数作为成像状态或成像特性，作为其他的成像状态，也可以进行测量和控制投影光学系统PL的失真、彗形像差、像散等。测量失真的情况下，例如要设置3个以上的基准标志34A、34B，可以测量各自投影像的位置偏移量，在测量彗形像差的情况下，例如使用框中框标志代替基准标志34A、34B，可以测量外侧框标志像和内侧框标志像的位置偏移量。
在上述实施方式中，区别于照明光学系统，另外设置RA显微镜38A、38B的照明系统，也可以把照明光学系统的一部分作为RA显微镜38A、38B的照明系统使用。例如，把从孔径光阑板9射出的曝光的光IL的一部分导向RA显微镜38A、38B，也可以使此曝光的光IL照射标度线标志和基准标志。或者设置可以自由退入标度线标志37A、37B上方的光束分离器，测量标志时把此光束分离器设置在曝光的光IL光路上，用从照明光学系统射出的曝光的光IL，照射标度线标志37A、37B和基准标志34A、34B，也可以通过此光束分离器，用RA显微镜38A、38B测量来自这些标志的反射光。
在上述实施方式中，使用RA显微镜38A、38B作为本发明的标志检测系统，此标志检测系统并不限于RA显微镜，其结构可任意。例如作为此标志检测系统，也可以使用在晶片载物台26一侧，通过规定的孔径检测通过投影光学系统PL投影的标志空间像的空间像检测系统等。这种情况下，例如此孔径使用比构成被检测标志的各标志像线宽要宽的孔径，从拍摄被检测标志像得到的摄像信号微分后的信号，也可以检测此被检测像的位置。作为此标志检测系统也可以使用聚焦位置检测传感器，使用与从晶片载物台26一侧来的曝光的光相同波长的照明光照射狭缝，利用接收透过此狭缝通过投影光学系统PL由标度线R反射的照明光，通过狭缝受光，检测投影光学系统PL的最佳聚焦位置。
在上述实施方式中，在标度线定位的同时，进行成像状态或成像特性的调整，两者也可以不同时进行，不进行成像状态或成像特性调整，仅进行它的检测也可以。在上述实施方式中，作为环境条件虽然使用了大气压(投影光学系统等的设置环境下的压力)，但使用温度来取代它或与它组合使用也可以。
本发明并不限于上述实施方式那样制造半导体元件用的曝光装置，例如也广泛用于制造在方形玻璃板上曝光液晶显示元件图形的液晶用曝光装置、以及等离子显示器元件、微型机械、薄膜磁头、DNA芯片等的器件的曝光装置上。此外投影光学系统的倍数不仅仅是缩小的系列，也可以是等倍数或放大的系列。
本发明并不限于上述实施方式，不脱离本发明的宗旨范围可以得到各种结构。此外2000年9月21日提出的日本国特愿2000-28651 5号包括说明书、专利要求书、附图和摘要的全部公开内容均引入结合到本申请中。
工业上利用的可能性
采用本发明的曝光方法，即使在检测标志时环境条件发生各种变化，例如利用检测时的环境条件对它的标志检测结果进行修正，可以用此检测结果对图形像的成像状态进行高精度调整。
在通过了解对应于此图形像形成条件和此标志检测条件的差异的偏移，来确定此成像状态的调整量的情况下，例如实际曝光时的照明条件与检测成像状态时的照明条件即使不同，也能高精度调整它的成像状态。
此外采用本发明的投影曝光装置，可以实施本发明的曝光方法。采用本发明的成像特性测量方法的话，对应于测量时的环境条件，可以高精度调整投影系统的成像特性。
采用本发明的第1和第2制造器件方法的话，可以高精度调整此图形像成像状态，制造高性能的器件。

Claims (18)

1.一种用曝光光束照射掩模，通过投影系统把上述掩模图形像转印到基板上的曝光方法，其特征在于，
通过上述投影系统检测标志，以此检测结果为基础，在调整上述图形像成像状态时，使用上述检测时的环境条件。
2.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，以上述环境条件为基础，修正从上述检测结果求出的上述成像状态的调整量。
3.如权利要求2所述的曝光方法，其特征在于，通过了解对应于上述图形像形成条件和上述标志检测条件的差异的偏移来确定上述调整量。
4.如权利要求3所述的曝光方法，其特征在于，在上述偏移随上述图形像形成条件而不同的同时，根据上述环境条件进行修正。
5.如权利要求1～4中任一项所述的曝光方法，其特征在于，以上述图形形成条件为基础，修正从上述检测结果求出的上述成像状态的调整量。
6.如权利要求1～4中任一项所述的曝光方法，其特征在于，以上述检测结果为基础，计算出上述投影系统的成像特性，以此计算出的成像特性和上述环境条件为基础，调整上述成像状态。
7.一种具有用曝光光束照射掩模的照明系统和把上述掩模图形像投影到基板上的投影系统的投影曝光装置，其特征在于，设有：
标志检测系统，用于通过上述投影系统检测标志；
环境检测系统，用于在检测上述标志过程中检测环境条件；以及
成像状态调整系统，在以上述检测结果为基础调整上述图形像成像状态时，使用上述环境条件。
8.如权利要求7所述的投影曝光装置，其特征在于，上述成像状态调整系统以上述环境条件为基础，修正从上述检测结果求出的上述成像状态调整量。
9.如权利要求8所述的投影曝光装置，其特征在于，上述成像状态调整系统通过了解上述图形像形成条件和上述标志检测条件差异相对应的的偏移来确定上述调整量。
10.如权利要求7、8、或9所述的投影曝光装置，其特征在于，上述成像状态调整系统以上述图形像形成条件为基础，修正从上述检测结果求出的上述成像状态调整量。
11.如权利要求7～9中任一项所述的投影曝光装置，其特征在于，以上述检测结果为基础，计算出上述投影系统的成像特性，以此成像特性和上述环境条件为基础，调整上述成像状态。
12.一种把第1面的物体像投影到第2面上的投影系统成像特性的检测方法，其特征在于，具有：
通过上述投影系统对设在上述第1和第2面中至少一个面上的标志进行检测，用此检测结果计算上述投影系统的成像特性的第1工序；和
以上述第1工序实施时的环境条件为基础，对用上述第1工序求出的成像特性计算结果进行修正的第2工序。
13.如权利要求12所述的成像特性测量方法，其特征在于，使上述计算结果的修正量随上述环境条件而不同。
14.如权利要求12所述的成像特性测量方法，其特征在于，
使对应于上述标志检测条件和上述物体像形成条件的差异的偏移加上上述计算结果，确定上述成像特性修正量，
使上述偏移随上述环境条件而变化。
15.如权利要求14所述的成像特性测量方法，其特征在于，使上述的偏移和它的修正量随上述物体像形成条件而不同。
16.如权利要求12～15中任一项所述的成像特性测量方法，其特征在于，也使用上述物体像形成条件来修正上述计算结果。
17.一种器件制造方法，其特征在于，包括使用权利要求1～4中任一项所述的曝光方法，使器件的图形在基板上形成的光刻工序。
18.一种器件制造方法，其特征在于，包括使用权利要求7～9中任一项所述的投影曝光装置，使器件的图形在基板上形成的光刻工序。
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