JP2000277411A - 投影露光装置 - Google Patents

投影露光装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】投影露光装置の投影光学系の波面収差を投影露
光装置上で直接測定可能とする露光装置を実現するこ
と。 【解決手段】投影露光装置本体上に投影光学系の波面収
差測定用の干渉計を搭載し、干渉計光源として露光光源
とは別の光源を配置して、該投影光学系の波面収差を露
光装置本体上で測定可能とすることを特徴とする投影露
光装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体製造用の投影
露光装置に関し、特に半導体素子や液晶表示素子を製造
するリソグラフィ工程で用いる半導体製造用の投影露光
装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】集積回路の高密度化に伴い、半導体製造
用の投影露光装置にはレチクル面上の回路パターンをウ
エハー面上に高い解像力で投影露光することが要求され
ている。高解像を実現するため投影露光装置の投影光学
系では高ＮＡ化、短波長化が進み、光源にKrFエキシマ
レーザー（λ＝248 nm）を用いたNA 0.6の投影露光装置
においては0.18μmの解像力を実現するまでに至った。
【０００３】更に近年、輪帯照明、４重極照明など変形
照明による超解像露光技術が開発され、解像力も0.15〜
0.1μmを達成しようとしている。
【０００４】高解像度の投影光学系を製造するには投影
光学系を組み立てた後、精密な調整が必要とされる。す
なわち、投影光学系では、球面収差，コマ収差，ディス
トーション，露光倍率，などの光学評価を行い、所定の
レンズならびにレンズ群の間隔、偏心を調整しながら、
仕様を満足する性能に追い込んでいく。光学性能の評価
はウエハなどの感光性基板に塗布されたレジスト（感光
部材）上にマスクパターン像を投影した後、現像し、得
られたレジスト像を観察して行われる。
【０００５】また、別の方法として投影光学系の波面収
差を干渉計を用いて測定することも行われているが、特
別な装置が必要であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の投
影露光装置では、投影光学系の最終的なレンズ性能の調
整のため、レジスト像の良否を確認する必要がある。し
かしながらレジスト像の良否の判定にはレジストを塗布
したウエハにパターンを焼き付けて現像処理を行い、さ
らに走査型電子顕微鏡（SEM）によりレジスト像を観察
するという、非常に煩わしさが伴う工程が必要であっ
た。
【０００７】加えて、投影光学系は光学調整、評価が完
了後、変化することがないようレンズならびにレンズ群
を固定した後、投影露光装置に搭載される。したがっ
て、投影露光装置に投影光学系を搭載後は投影露光光学
系を調整することはできない。ところが、実際のウエハ
露光工程では露光とともに投影光学系が照明光により暖
められ、像性能が変化するという問題がある。
【０００８】従来、投影露光装置に搭載した後で投影光
学系の波面収差を測定を行う手段は無く、従って像性能
の再調整の目標が定まらないため、装置を止めて変化を
抑える等の処置しかできないのが現状である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題点に
顧み、投影露光装置本体上に投影光学系の光学特性測定
用の干渉計を搭載し、投影光学系の波面測定を投影露光
装置本体上で直接行うことを可能としたことを特徴とす
るものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１の投影
露光装置の概略図で、本発明を露光波長248nmのエキシ
マステッパーに適用したものである。
【００１１】図中、1は露光用の光源であるKrFエキシマ
レーザーである。1を出射した光は2のビーム整形光学系
で光軸に対し対称なビーム形状に整形される。3のイン
コヒーレントユニットで可干渉距離の低下した光は、4
の照明光学系を経て15のレチクルを照射する。15のレチ
クル上には所望のパターンが描画されており、16の投影
光学系にて17の位置に結像する。18はウエハーを搭載す
るチャックで19のステージに固定されている。投影露光
装置にはこの他、アライメント検出系、フォーカス検出
系などが搭載されているが、図1では説明の簡略化のた
め省略した。
【００１２】次に本発明の特徴である投影光学系の波面
測定の干渉計の構成について説明する。図1はレチクル
側にフィゾー型の干渉計を構成した実施形態である。
【００１３】一般に露光光源がエキシマレーザーの場
合、可干渉距離は数10mm程度であるのに対し、測定対象
の投影光学系の全長は約1000mmあり、フィゾー型の干渉
計を構成することができない。そのためで本発明では投
影光学系の波面測定用の干渉計の光源として露光光源と
別の専用光源を配置したことを特徴としている。
【００１４】6が干渉計の専用光源である。露光波長が2
48nmなので、本実施形態ではArレーザーの第2高調波で
ある248nmのビームを使用する。 Arレーザービームはミ
ラーを介し7の集光系、8のピンホールを経て、9のコリ
メーターレンズで平行ビームを形成する。ピンホール8
の径はコリメーターレンズ9の開口数によって決まるエ
アリーディスクと同程度に設定されているため、ピンホ
ール8から出射した光束はほぼ理想的な球面波となる。
コリメーターレンズ9は実質的に無収差に設計製作され
ているので、コリメーターレンズ9から出射する光束
は、理想的な平面波となって出射すると考えられる。図
1の構成で干渉計光源6からの光は偏波保存ファイバーを
用いて8のピンホールまで導いても良い。形成された平
行ビームは10のハーフミラー、11のミラーを介し12の対
物レンズに入射する。11のミラー、12の対物レンズは5
のXYZステージに保持されている。
【００１５】ステッパーにはレチクルとウエハーをアラ
イメントする手段として、レチクルを通してウエハー位
置を検出するTTRアライメントスコープがレチクル上の
任意の位置に駆動できる機構に保持されて搭載されてい
る。本実施形態ではこのTTRアライメントスコープを干
渉計用対物レンズ12として兼用する。
【００１６】TTRアライメントスコープを検出光学系と
して用いると、干渉計用対物レンズ12が露光時には投影
光学系16の露光光束の外に退避し、波面収差計測時には
前記投影光学系の光路内に移動するという動作を行うこ
とができる。従って、 TTRアライメントスコープがレチ
クル上の任意の位置に駆動できる機構を利用すれば、露
光領域の画面内の複数個の点を測定することが可能とな
る。
【００１７】12の対物レンズのレチクル側の最終面の曲
率半径はレチクルのパターン面に相当する位置15迄の距
離と同一になっており、該最終面からの反射光が参照光
として11のミラー、10のハーフミラーを介し、27の集光
系を通って28のCCD受光面に導かれる。
【００１８】一方、12の対物レンズを透過したビームは
15のレチクルパターン相当位置で結像後、16の投影光学
系により再度ウエハー面側の17の位置で結像する。19の
ステージ上には20の球面ミラーが配置され、該ミラー20
の曲率半径は投影光学系の結像位置17からの距離に一致
させる。従って、20の球面ミラーで反射した光は再び投
影光学系の結像位置17に集光して16の投影光学系を戻
り、12の対物レンズ、11のミラー、10のハーフミラーを
介し、27の集光系をとおり、28のCCD受光面に導かれ
る。投影光学系16を通過したビームは前述の対物レンズ
12の最終面で反射した参照ビームと干渉するため、投影
光学系の波面の測定が可能となる。
【００１９】また球面ミラー20として凹面鏡型のものを
示したが、凸面鏡型の球面ミラーでも干渉計を構成する
ことが可能である。この時、凸面鏡の中心位置は結像位
置17と一致し、置かれる位置は凹面鏡の場合と逆側であ
る。また、平面ミラーとして、頂点反射させても波面収
差の回転対称成分のみなら求められる。
【００２０】12の対物レンズ最終面、20の球面ミラー
等、干渉計自体が持っている波面の誤差は、測定すべき
16の投影光学系の波面収差と区別するため、システムエ
ラー法によりあらかじめ波面を測定して求めておくこと
が必要である。該波面誤差を投影光学系16の測定結果か
ら差し引いて補正することで、投影光学系16の波面を正
確に求めることができる。
【００２１】さらに測定精度を向上させるため干渉計の
測定にはフリンジスキャン法を用いる。19のウエハース
テージ内のPZT素子を駆動しミラー20を光軸方向に波長
程度移動させて波面の位相変調を行えば、フリンジスキ
ャンを実現することができる。球面ミラー20の光軸方向
の移動手段としては、投影露光装置の焦点あわせの移動
手段を用いることができる。
【００２２】投影光学系の波面の測定からは測定点の波
面収差に対する情報を得ることができる。さらに、波面
測定時に測長器から得られる対物レンズ12、球面ミラー
20のXYZ座標と投影光学系16の波面の測定で得られた波
面収差の回転非対称成分、及び回転対称成分を組合せれ
ば、投影光学系の各測定点相互の関係である像面湾曲及
びディストーションを求めることもできる。
【００２３】投影光学系の像面湾曲は投影光学系の画面
内の複数点を波面測定することによって求められる。即
ち波面測定時の干渉計の検出光学系の座標位置と、干渉
計により測定された波面と、球面ミラー20の投影光学系
16の光軸方向に対する座標位置が分かれば、該複数点の
情報から像面湾曲が計算できる。像面湾曲の計算に当た
って特に重要な波面収差の成分は、測定された波面の回
転対称なパワー成分（デフォーカス成分）である。
【００２４】投影光学系のディストーションも投影光学
系の画面内の複数点を波面測定することによって求める
ことができる。即ち波面測定時の干渉計の検出光学系の
座標位置と、干渉計により測定された波面と、投影光学
系16の光軸と直交する方向に対する球面ミラー20の座標
位置が分かれば、該複数点の情報から投影光学系のディ
ストーションを計算することができる。ディストーショ
ンの計算に当たって特に重要な波面収差の成分は、測定
された波面の回転非対称な成分（傾き成分）である。
【００２５】該測定結果から投影光学系16内の所定のレ
ンズを駆動すれば投影光学系の収差を所望の状態に調
整、制御することができる。
【００２６】図2は本発明の実施形態2の概略図である。
本実施形態は実施形態1と同様に露光波長248nmのエキシ
マステッパーの構成であるが、レチクル側にトワイマン
ーグリーン型の干渉計を構成したことを特徴としてい
る。
【００２７】6は干渉計用の光源で、Arレーザーの第2高
調波である248nmのビームを取り出している。該レーザ
ービームはミラーを介し7の集光系、8のピンホールを経
て、9の光学系で平行ビームに変換される。該平行ビー
ムは10のハーフミラーで2本のビームに分割される。10
のハーフミラーを透過したビームは参照ビームとして29
のミラーで反射し、今度は10のハーフミラーで反射後27
の集光系をとおり、28のCCD受光面に導かれる。
【００２８】一方、10のハーフミラーを反射したビーム
は11のミラーを介し13の対物レンズに入射する。13の対
物レンズを透過したビームは15のレチクルパターン相当
位置で結像後、16の投影光学系により再度ウエハー面側
の17の位置で結像する。19のステージ上には20の球面ミ
ラーが配置され、該ミラーの曲率半径は投影光学系の結
像位置17からの距離に一致させてある。従って、20の球
面ミラーで反射した光は再び投影光学系の結像位置に集
光して16の投影光学系を戻り、13の対物レンズ、11のミ
ラー、10のハーフミラーを介し、27の集光系を通って28
のCCD受光面に導かれる。投影光学系16を通過したビー
ムは前述の参照ビームと干渉し、投影光学系の波面の測
定が可能となる。
【００２９】測定された波面のシステムエラーの補正
や、測定精度向上のフリンジスキャンの採用、凸面鏡型
の球面ミラーの使用、投影光学系の収差の計算等につい
ては実施形態1と同様である。該波面の測定結果から投
影光学系16内の所定のレンズを駆動することにより、投
影光学系の収差量を所望の状態に調整、制御することが
できる。
【００３０】図3は本発明の実施形態3の概略図である。
【００３１】本実施形態では前述の実施形態1と同様に
露光波長248nmのエキシマステッパーの構成で、レチク
ル側にラジアルシェア型の干渉計を構成したことを特徴
としている。
【００３２】6は干渉計用の光源で、Arレーザーの第2高
調波である248nmのビームを取り出している。該レーザ
ービームはミラーを介し7の集光系、8のピンホールを経
て、9の光学系で平行ビームが形成される。この平行ビ
ームは10のハーフミラーで反射し11のミラーを介し13の
対物レンズに入射する。13の対物レンズを透過したビー
ムは15のレチクルパターン相当位置で結像後、16の投影
光学系により再度ウエハー面側の17の位置で結像する。
19のステージ上には20の球面ミラーが配置され、該ミラ
ー20の曲率半径は投影光学系の結像位置17からの距離に
一致させてある。従って、20の球面ミラーで反射した光
は再び投影光学系の結像位置17に集光して16の投影光学
系を戻り、13の対物レンズ、11のミラー、10のハーフミ
ラーを介し、21以降の干渉計内に導かれる。
【００３３】干渉計内に入射したビームは21の1:1のハ
ーフミラーで2本のビームに分割される。反射したビー
ムは22のミラーを介し23のビームエクスパンダーで拡大
される。拡大倍率は通常10倍以上が用いられる。拡大し
たためビームはほぼ理想平面波とみなすことができ、参
照ビームとして24のハーフミラー、27の集光系をとお
り、28のCCD受光面に導かれる。
【００３４】一方、21のハーフミラーを透過したビーム
は測定ビームとして25のミラー、24のハーフミラーを反
射して参照ビームと合成され、27の集光系をとおり、28
のCCD受光面に導かれる。尚、干渉計の微調のため25の
ミラーは傾き、平行偏心の調整可能な機構26上に配置し
てある。該測定ビームが前述の参照ビームと干渉し、投
影光学系16の波面の測定が可能となる。
【００３５】測定された波面のシステムエラーの補正、
凸面鏡型の球面ミラーの使用、投影光学系の収差の計算
等については実施形態1と同様である。該波面の測定結
果から投影光学系16内の所定のレンズを駆動することに
より、投影光学系の収差量を所望の状態に調整、制御す
ることができる。
【００３６】図4は本発明の実施形態4の概略図である。
本実施形態は実施形態１と同様に露光波長248nmのエキ
シマステッパーの構成をもとにウエハー側にフィゾー型
の干渉計を構成したことを特徴としている。
【００３７】6は干渉計用の光源で、Arレーザーの第2高
調波である248nmのビームを取り出している。該レーザ
ービームはミラーを介し7の集光系、8のピンホールを経
て、9の光学系で平行ビームが形成される。該平行ビー
ムは10のハーフミラー、31のミラーを介し32の対物レン
ズに入射される。対物レンズ32のウエハー側の最終面の
曲率半径は投影光学系16のウエハー側の結像面17迄の距
離と同じで、該最終面からの反射光が参照光として31の
ミラー、10のハーフミラーを介し、27の集光系をとお
り、28のCCD受光面に導かれる。
【００３８】一方、32の対物レンズを透過したビームは
17のウエハー相当面上で結像後、16の投影光学系により
再度15のレチクルのパターン相当面で結像する。レチク
ル側のステージ34上には球面ミラー33が配置され、該ミ
ラーの曲率半径は投影光学系のレチクル相当面の結像位
置15からの距離に一致させてある。従って、33の球面ミ
ラーで反射した光は再び投影光学系のレチクル面相当の
結像位置15に集光して16の投影光学系を戻り、32の対物
レンズ、31のミラー、10のハーフミラーを介し、27の集
光系から28のCCD受光面に導かれる。投影光学系16を通
過したビームは前述の対物レンズ32の最終面で反射した
参照ビームと干渉し、投影光学系16の波面の測定が可能
となる。
【００３９】ウエハー側に検出光学系を構成されている
のでウエハーステージのXY方向の可動性を利用して、露
光領域の画面内の複数個の点を測定することが可能とな
る。ウエハーステージの移動に伴って、レチクル側の球
面ミラー33はステージ34により所定の位置に移動され
る。従って個々の点の波面の測定だけでなく、複数個の
点の測定データより投影光学計の像面湾曲、ディストー
ション等の波面収差を計算して求めることができる。
【００４０】測定された波面のシステムエラーの補正
や、測定精度向上のフリンジスキャンの採用、投影光学
系の収差の計算等については実施形態1と同様である。
また、レチクル側に凸面鏡型の球面ミラーを配置する変
形も用意に構成することができる。ただし本実施形態の
場合は34のレチクル側のステージ内のPZT素子を駆動し
ミラー33を光軸方向に波長程度移動させて波面の位相変
調を行ってフリンジスキャンを実現する。また19のウエ
ハーステージ内のPZT素子を駆動し対物レンズ32を光軸
方向に波長程度移動させて波面の位相変調を行ってもフ
リンジスキャンを実現することができる。
【００４１】該波面の測定結果から投影光学系16内の所
定のレンズを駆動することにより、投影光学系の収差量
を所望の状態に調整、制御することができる。
【００４２】図5は本発明の実施形態5の概略図である。
【００４３】本実施形態では前述の実施形態1と同様に
露光波長248nmのエキシマステッパーの構成で、レチク
ル側にシングルパス型のラジアルシェア干渉計を構成し
たことを特徴としている。
【００４４】6は干渉計用の光源で、Arレーザーの第2高
調波である248nmのビームを取り出している。該レーザ
ービームは11のミラーを介し13の対物レンズに入射す
る。13の対物レンズを透過したビームは17のウエハー相
当位置で結像後、16の投影光学系によりレチクル面側の
15の位置で結像する。15に結像した光は13の対物レン
ズ、11のミラー、10のハーフミラーを介して、21以降の
干渉計内に導かれる。
【００４５】干渉計内に入射したビームは21の1:1のハ
ーフミラーで2本のビームに分割される。反射したビー
ムは22のミラーを介し23のビームエクスパンダーで拡大
される。拡大倍率は通常10倍以上が用いられる。拡大し
たためビームはほぼ理想平面波とみなすことができ、参
照ビームとして24のハーフミラー、27の集光系をとお
り、28のCCD受光面に導かれる。
【００４６】一方、21のハーフミラーを透過したビーム
は測定ビームとして25のミラー、24のハーフミラーを反
射して参照ビームと合成され、27の集光系をとおり、28
のCCD受光面に導かれる。尚、干渉計の微調のため25の
ミラーは傾き、平行偏心を調整可能な機構26上に配置し
てある。該測定ビームが前述の参照ビームと干渉し、投
影光学系16の波面の測定が可能となる。
【００４７】測定された波面のシステムエラーの補正、
投影光学系の収差の計算等については実施形態1と同様
である。該波面の測定結果から投影光学系16内の所定の
レンズを駆動することにより、投影光学系16の収差量を
所望の状態に調整、制御することができる。
【００４８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では投影露
光装置本体上に投影光学系の光学特性測定用の干渉計を
搭載することにより、投影光学系の波面測定を投影露光
装置本体上で可能とした。
【００４９】投影光学系の光学特性を投影露光装置本体
上で測定することにより、投影光学系の状態をその場で
チェックすることが可能となり、投影光学系の状態に応
じた対応を投影露光装置本体上で取ることが可能となっ
た。
【００５０】即ち、光学特性の測定結果に応じて例えば
投影光学系の収差状態を補正したり、装置を停止するか
否かの決定をすることができる。従って投影露光装置の
結像性能を高い水準に保ったままで露光することがで
き、半導体素子の製造上で大きな効果を得ることが可能
となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の投影露光装置の構成を
示す図
【図２】 本発明の実施形態２の投影露光装置の構成を
示す図
【図３】 本発明の実施形態３の投影露光装置の構成を
示す図
【図４】 本発明の実施形態４の投影露光装置の構成を
示す図
【図５】 本発明の実施形態５の投影露光装置の構成を
示す図
【符号の説明】
1 露光用光源 2 ビーム整形光学系 3 インコヒーレント化ユニット 4 照明系 5 XYZステージ 6 波面計測用光源 7 集光レンズ 8 ピンホール 9 コリメーターレンズ 10 ハーフミラー 11 ミラー 12 対物レンズ 13 対物レンズ 15 レチクル側のパターン相当面 16 投影光学系 17 ウエハー側の結像面 18 ウエハーチャック 19 ウエハーステージ 20 球面ミラー 21 ハーフミラー 22 ミラー 23 ビームエクスパンダー 24 ハーフミラー 25 ミラー 26 ミラー偏心調整機構 27 集光レンズ 28 CCD受光器 31 ミラー 32 対物レンズ 33 球面ミラー 34 ステージ

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１物体上に形成されたパターンを照明光
    学系で照明し、該パターンを投影光学系によって第２物
    体に投影露光する投影露光装置において、該投影露光装
    置本体上に投影光学系の光学特性測定用の干渉計を搭載
    したことを特徴とする投影露光装置。
  2. 【請求項２】該干渉計の光源として該投影露光装置の露
    光光源とは別の光源を配置したことを特徴とする請求項
    １記載の投影露光装置。
  3. 【請求項３】該干渉計により該投影光学系の露光領域内
    の複数個の点を測定することを特徴とする請求項２記載
    の投影露光装置。
  4. 【請求項４】該複数個の点の測定結果より、該投影光学
    系の露光領域内の収差の特性を求めることを特徴とする
    請求項３記載の投影露光装置。
  5. 【請求項５】該干渉計は第１物体又は第２物体面からの
    光束を観察する検出光学系を有し、該検出光学系は露光
    時には該投影光学系の露光光束外に配置され、該投影光
    学系の波面収差計測時には該投影光学系の光路内に移動
    することを特徴とする請求項４記載の投影露光装置。
  6. 【請求項６】該複数個の点の測定結果より、該投影光学
    系の像面湾曲を測定することを特徴とする請求項５記載
    の投影露光装置。
  7. 【請求項７】該投影光学系の像面湾曲を該複数個の点の
    波面測定時の該干渉計の検出光学系の光軸方向の座標位
    置と、該干渉計により測定された波面と、該干渉計に構
    成された球面ミラーの該投影光学系の光軸方向に対する
    座標位置から求めることを特徴とする請求項６記載の投
    影露光装置。
  8. 【請求項８】該複数個の点の測定結果より、該投影光学
    系のディストーションを測定することを特徴とする請求
    項5記載の投影露光装置。
  9. 【請求項９】該投影光学系のディストーションを該複数
    個の点の波面測定時の該干渉計の検出光学系の光軸と直
    交方向の座標位置と、該干渉計により測定された波面
    と、該干渉計に構成された球面ミラーの該投影光学系の
    光軸方向と直交方向の座標位置から求めることを特徴と
    する請求項８記載の投影露光装置。
  10. 【請求項１０】該干渉計が該投影光学系の第１物体側に
    配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれ
    か１項に記載の投影露光装置。
  11. 【請求項１１】該干渉計において、該投影光学系の第２
    物体側像面近傍に球面ミラーを配置させたことを特徴と
    する請求項１０記載の投影露光装置。
  12. 【請求項１２】該球面ミラーが該投影露光装置の第２物
    体用ステージ上に配置されていることを特徴とする請求
    項１１記載の投影露光装置。
  13. 【請求項１３】該球面ミラーを該投影露光装置の焦点あ
    わせの為の移動手段により該投影光学系の光軸方向に移
    動させることを特徴とする請求項１２記載の投影露光装
    置。
  14. 【請求項１４】該干渉計の検出光学系が該投影露光装置
    に搭載されたTTRアライメントスコープの対物レンズを
    共有することを特徴とする請求項１３記載の投影露光装
    置。
  15. 【請求項１５】該干渉計が該投影光学系の第２物体側に
    配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれ
    か１項に記載の投影露光装置。
  16. 【請求項１６】該干渉計が該投影光学系の第１物体側像
    面近傍に球面ミラーを配置させたことを特徴とする請求
    項１５記載の投影露光装置。
  17. 【請求項１７】該干渉計がフィゾー型の干渉計であるこ
    とを特徴とする請求項２記載の投影露光装置。
  18. 【請求項１８】該干渉計がトワイマングリーン型の干渉
    計であることを特徴とする請求項２記載の投影露光装
    置。
  19. 【請求項１９】該干渉計がラジアルシェア型の干渉計で
    あることを特徴とする請求項２記載の投影露光装置。
  20. 【請求項２０】該干渉計の測定をフリンジスキャン法で
    行うことを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項
    に記載の投影露光装置。
  21. 【請求項２１】該干渉計の光源からの光束がミラー、フ
    ァイバー等の導光手段により該投影光学系の光路内に導
    光されることを特徴とする請求項２０記載の投影露光装
    置。
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