JP2005043300A

JP2005043300A - レーザ測長システム及び露光装置

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Publication number: JP2005043300A
Application number: JP2003279890A
Authority: JP
Inventors: Tomoharu Fujiwara; 朋春藤原
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】レーザ光源の温度をより厳密に制御できるレーザ測長システムを提供する。
【解決手段】レーザ測長ユニット１は、レーザ測定光を生成して射出するレーザ光源ユニット１０と、レーザ光源ユニット１０に温度調整用の熱媒体を供給する熱媒体供給装置３０と、を備える。レーザ光源ユニット１０には複数の温度センサ２１が備えられている。温度センサ２１が取り付けられたレーザ光源ユニット１０内の各箇所のうち、熱媒体供給装置３０から供給される熱媒体の温度に対する応答性が最もよい箇所の温度が温度制御装置４７に入力され、この温度を基にして、温度調節装置４５によって熱媒体供給配管４１内の熱媒体の温度を調整する。これにより、レーザ光源ユニット１０の温度を厳密に制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザを用いて高精度で測長を行うレーザ測長システムに関する。また、そのようなレーザ測長システムを用いてステージの位置を測定する露光装置に関する。

近年、ＬＳＩ等の半導体のデバイスのより一層の高密度化・高精度化に対応すべく、より高精度な露光装置の開発が進められている。露光装置を高精度化するには、解像性能を高めたり、処理能力を高速化することに加え、露光装置の位置決め精度が重要となる。つまり、レチクル上のパターンをウェハ上の目標位置に正確に露光するために、レチクルステージやウェハステージを高精度で移動・位置決めする必要がある。このようなステージの正確な位置・姿勢の測定には、レーザ干渉計を用いた測長システムが使用される。

レーザ測長システム技術は、干渉計構成材料の開発や、光学部品の製造・組立技術の向上、レーザ干渉光に混入するノイズ的な光波成分の除去、電気信号処理の高安定化及び高分解能化などの改良により、現在では、分解能が１ｎｍ以下という高い精度が得られている。

そして、このような高精度のレーザ測長システムと、電子線の特長を合わせて、レチクルやウェハを非常に高精度で位置決めできる電子線露光装置の開発が進められている。この装置においては、レーザ測長システムで各ステージの位置を計測し、位置誤差が生じていた場合は、この位置誤差を露光装置の電子線光学系で補正する。電子線は電磁的な偏向が可能で、その照射位置を非常に高速で制御できるため、光学系では、このステージ位置誤差をほぼリアルタイムで補正した後露光することができる。さらに、この方法によって、ステージを移動させる機械的な機構に対する高精度化の要求を軽減できる。

ところで、レーザ測長システムで計測される長さは、干渉光光源の波長で決定され、この波長安定性が、レーザ測長システムの安定性を決定する。レーザ波長は、高い位置検出精度と処理能力の向上の観点から、より長い時間安定に持続することが要求される。

また、波長と同時に、レーザ光源から発せられるレーザ光の射出位置も計測精度に影響を与える。レーザ波長、あるいはレーザ光射出位置が不安定になる要因として、光源の温度変化が挙げられる。温度が不安定になると、レーザのキャビティが変わって波長がドリフトし、スケールが変わってくる。
さらに、このレーザ光源自身の発熱が露光装置の本体に直接的あるいは間接的に伝わった場合、装置全体が熱によって変形することもあり、誤差を生じるおそれがある。

そこで、このようなレーザ光源の温度変化を回避するために、冷却媒体を用いてレーザ光源ユニットを冷却する方法がある。この方法では、恒温槽等を有する恒温冷却装置から一定温度の冷媒をレーザ光源ユニットに供給し、同ユニットの温度を一定に保つものである。この方法においては、ユニットに供給する冷媒の温度を一定に保つために、供給する冷媒の温度を温度センサで計測し、この温度が一定となるように恒温冷却装置を制御している。

近年では、露光装置をさらに高精度化するために、一層高精度なレーザ測長システムによってステージ位置を測定して位置制御することが求められている。そのためには、レーザ光源の温度をより厳密に制御する必要がある。しかし、上述の方法によってレーザ光源ユニットの温度を管理する方法では、恒温冷却装置とレーザ光源ユニットとの距離が長い場合に、供給される冷媒がレーザ光源ユニットに達する間に室温等の熱的外乱を受けて温度が変化することがある。すると、同ユニットを適切に冷却できくなり、温度変化を起こしてしまう。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、レーザ光源の温度をより厳密に制御できるレーザ測長システムを提供することを目的とする。特には、そのようなレーザ測長システムを備えた露光装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ測長システムは、平面鏡に対してレーザ測定光を射出し、該レーザ測定光が前記平面鏡で反射した反射光と参照光とを干渉させて、前記平面鏡の基準位置に対する距離を測長するレーザ測長システムであって、前記レーザ測定光を生成して射出するレーザ光源ユニットと、該レーザ光源ユニットに温度調整用の熱媒体を供給する熱媒体供給装置と、を備え、前記レーザ光源ユニットの複数箇所の温度を計測する温度センサを備えることを特徴とする。

本発明は、前記温度センサで計測された温度をモニタし、該温度センサが取り付けられた前記レーザ光源ユニット内の各箇所のうち、前記熱媒体供給装置から供給される熱媒体の温度に対する応答性が最もよい箇所を選択し、該箇所の温度を基にして前記熱媒体の温度を調整することが好ましい。

本発明の露光装置は、感応基板に転写すべきパターンの形成されたマスク（レチクル含む）を移動・位置決めするマスクステージと、前記感応基板を移動・位置決めする感応基板ステージと、を備え、前記パターンを前記感応基板上に転写する露光装置であって、前記マスクステージ及び感応基板ステージの位置及び姿勢が、前記レーザ測長システムによって計測されることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光源の温度を厳密に制御することができるため、レーザ波長やレーザ光射出位置を安定に維持できる。したがって、より高精度な測長が可能になり、ステージ位置を高精度で制御できる露光装置を提供できる。さらに、レーザ光源自身の発熱を抑えることができ、装置全体の温度変化を防止できる。

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ測長ユニットを模式的に示す図である。
レーザ測長ユニット１は、レーザを生成して射出するレーザ光源ユニット１０と、同ユニットに温度調節用の冷媒（熱媒体）を供給する冷媒（熱媒体）供給装置３０を備える。

レーザ光源ユニット１０の放熱筐体１１内には、ガラス等で作製されたレーザチューブ１３が配置されている。同チューブ１３内には、ＡｒＦやＫｒＦなどの、励起して特定の波長の光を生成させるレーザ媒質が封入されている。レーザチューブ１３の両端には反射鏡が備えられている。レーザが射出される側の反射鏡は、レーザ光の一部を透過させる性質を有する。
レーザ媒質が励起して生成されたレーザ光は、レーザチューブ内を両端の反射鏡の間で往復して光強度が増幅され、その一部のレーザ光ＬＢは射出側の反射鏡から外部に射出される。

レーザチューブ１３の外側には、熱伝達媒体１５を介して冷媒流路１７が設けられている。熱伝達媒体１５及び冷媒流路１７はレーザチューブ１３の全長にわたって、同チューブを取り囲むように設けられている。冷媒流路１７を流れる冷媒の熱は、熱伝達媒体１５を介してレーザチューブ１３に伝えられ、同チューブ１３を冷却する。熱伝達媒体１５としては、例えば高熱伝導性の金属を使用できる。冷媒流路１７の一端は、熱媒体供給装置３０の冷媒供給配管４１に接続し、他端は同装置の冷媒戻り配管４３に接続している。

レーザ光源ユニット１０には、複数の温度センサ２１が配置されている。この例では、冷媒流路の両端に１個ずつ（符号２１−１、２）、冷媒流路の内側に６個（符号２１−３〜８）、冷媒流路の外側に４個（符号２１−９〜１２）の温度センサが配置されている。温度センサ２１としては、白金抵抗体等の高精度な計測素子であることが好ましい。

冷媒供給装置３０は、水などの冷媒を溜める冷媒槽３１を備える。冷媒槽３１内の冷媒は、冷却装置３３によって一定温度（例えば２０℃）に保持されている。冷却装置３３は温度センサ３５と熱発生素子３７を備え、温度センサ３５で計測される冷媒の温度が所定温度となるように、同装置３３から熱発生素子３７を駆動する。冷却装置３３としては、ペルチェ素子や冷凍サイクル式の装置を使用できる。

冷媒槽３１には冷媒供給配管４１と冷媒戻り配管４３が接続しており、冷媒供給配管４１はレーザ光源ユニット１０の冷媒流路１７の入口に接続し、冷媒戻り配管４３は同流路の出口に接続している。冷媒は、冷媒槽３１と冷媒流路１７との間を循環する。冷媒供給配管４１には温度調節装置４５が設けられている。温度調節装置４５としては、ヒータやペルチェ素子を使用できる。冷媒供給配管４１の温度調節装置４５の下流側には温度センサ２１−１３が配置されている。この温度センサ２１−１３も、白金抵抗体等の高精度な計測素子であることが好ましい。

温度制御装置４７は、温度調節装置４５を制御して、レーザ光源ユニット１０に供給される冷媒の温度を所定の温度（例えば２３℃）に調節する。なお、温度調節装置４５にヒータを使用した場合、上述のように、冷媒槽３１中の冷媒の温度を２０℃に一次冷却し、供給される冷媒の温度が２３℃となるようにヒータ４５で加熱する方法が有効である。

温度制御装置４７は、単純なフィードバック制御ではなく、例えばＰＩＤ制御により温度を制御する。これは、例えば、レーザ光源ユニット１０と冷媒供給装置３０との間隔が広く、冷媒供給及び戻り配管４１、４３の長さが長い場合、冷媒が供給される間に室温等の熱的外乱を受けやすくなる。このため、光源ユニットの温度の変化率などから、温度変化をより短時間で安定化させる必要があるからである。

実際に温度制御を行う際には、まず、各温度センサ２１−１〜１３で計測されたレーザ光源ユニット各部の温度及び供給される冷媒の温度を観察する。そして、レーザ光源ユニット１０の各箇所のうち、冷媒の温度に対する応答性の最もよい箇所を選択する。そして、同箇所（この例では温度センサ２１−１１）の温度を温度制御装置４７に入力し、この温度を基にして同装置４７において温度調節装置４５を制御する。この方法によれば、レーザ光源ユニット１０の温度を実際に計測しているため、同ユニット１０の温度をより確実に制御することができる。このため、冷媒供給装置３０とレーザ光源ユニット１０との間隔が広い場合や、レーザ光源ユニット１０の周辺での温度の外乱に影響されず、レーザ光源ユニット１０を安定に温度制御できる。

次に、本発明の露光装置を説明する。
図２は、本発明の実施の形態に係る露光装置の構成を模式的に示す平面図である。この図は、露光装置のウェハステージ付近を示している。
露光装置５０は、パターンが形成されたマスクが載置されるマスクステージと、感応基板が載置されるウェハステージ５１とを備える。各ステージの位置や姿勢は、図１に示すレーザ測長ユニット１によって計測される。

以下、ウェハステージ５１の位置制御方法について説明する。なお、マスクステージにおいても、ウェハステージ５１と同様に、レーザ測長ユニット１を用いて位置制御することができる。
ウェハステージステージ５１はウェハチャンバ５５内に配置されている。そして、ウェハチャンバ５５は露光装置の真空チャンバ５７内に配置されている。各チャンバ５５、５７には、レーザ測長ユニット１から射出されたレーザ光ＬＢを通す窓５９、６１が形成されている。

ウェハステージ５１はウェハチャンバ５５内に配置されて、図示せぬステージ装置によってＸＹＺ方向及びθｚ回りに移動可能である。同ステージ上には、ウェハが保持されるウェハチャック５３が設けられている。ウェハステージ５１の平面形状は方形で、同ステージの隣り合う２つの側面には平面鏡６３Ａ、６３Ｂが取り付けられている。

レーザ測長ユニット１は、露光チャンバ５７の外に配置されている。同ユニット１から射出されたレーザ光ＬＢは、露光チャンバ５７の外に配置されたレーザ光全反射鏡７１で反射されて、各チャンバの窓６１、５９を通ってウェハチャンバ５５内に向けられる。ウェハチャンバ内に導かれたれレーザ光ＬＢは、レーザ光分配素子７３によって、同素子を通過する光ＬＢ１と、同素子で反射する光ＬＢ２に分配される。素子７３を通過したレーザ光ＬＢ１は、光学ユニット７５を介して２つの平行光（測長干渉計軸）ＩＢに分けられて、ウェハステージ５１の一側面の反射鏡６３Ａに入射する。
一方、レーザ光分配素子７３で反射したレーザ光ＬＢ２は、２枚のレーザ光全反射鏡７７、７９で反射された後、光学ユニット８１を介して２つの平行光（測長干渉計軸）ＩＢに分けられて、ウェハステージ５１の他方の側面の反射鏡６３Ｂに入射する。

各レーザ光（測長干渉計軸）ＩＢは各反射鏡６３で反射して、上述の経路を逆にたどり、レーザ光源ユニット１０に戻る。
なお、この例では、レーザ光源ユニット１０から各光学ユニット７５、８１まで複数の反射鏡を使用して送光したが、光ファイバを用いて送光してもよい。

レーザ光源ユニット１０では、レーザ光が各平面鏡６３で反射した反射光と参照光とを干渉させて、各平面鏡６３の基準位置に対する距離を測長する。そして、その距離からステージ５１の位置や姿勢を算出する。算出された結果に基づいて、ステージ５１が所望の位置となるように駆動される。

この露光装置５０においては、レーザ光源ユニット１０は、上述の方法で温度調整されている。つまり、レーザ光源ユニット１０に複数の温度センサ２１（図２では１個のみ図示）を配置し、同ユニット１０の温度を管理しながら同ユニット１０に供給する冷媒の温度を調整している。このため、同ユニット１０の温度を安定に制御でき、温度変化を少なくすることができる。したがって、ステージ５１の位置を正確に計測することができ、パターン転写精度を向上できる。

なお、この例では、ウェハチャンバが露光チャンバ内に配置されている場合について説明したが、露光チャンバがウェハチャンバを兼ねる場合についても適用できる。

本発明の実施の形態に係るレーザ測長ユニットを模式的に示す図である。本発明の実施の形態に係る露光装置の構成を模式的に示す平面図である。

符号の説明

１レーザ測長ユニット１０レーザ光源ユニット
１１放熱筐体１３レーザチューブ
１５熱伝達媒体１７冷媒流路
２１温度センサ３０冷媒（熱媒体）供給装置
３１冷媒槽３３冷却装置
３５温度センサ３７熱発生素子
４１冷媒供給配管４３冷媒戻り配管
４５温度調節装置４７温度制御装置
５０露光装置５１ウェハステージ
５３チャック５５ウェハチャンバ
５７真空チャンバ５９、６１窓
６３平面鏡７１レーザ光全反射鏡
７３レーザ光分配素子７５光学ユニット
７７、７９レーザ光全反射鏡８１光学ユニット

Claims

平面鏡に対してレーザ測定光を射出し、該レーザ測定光が前記平面鏡で反射した反射光と参照光とを干渉させて、前記平面鏡の基準位置に対する距離を測長するレーザ測長システムであって、
前記レーザ測定光を生成して射出するレーザ光源ユニットと、
該レーザ光源ユニットの複数箇所の温度を計測する温度センサと、
該レーザ光源ユニットに温度調整用の熱媒体を供給する熱媒体供給装置と、を備えることを特徴とするレーザ測長ユニット。
前記温度センサで計測された温度をモニタし、該温度センサが取り付けられた前記レーザ光源ユニット内の各箇所のうち、前記熱媒体供給装置から供給される熱媒体の温度に対する応答性が最もよい箇所を選択し、該箇所の温度を基にして前記熱媒体の温度を調整することを特徴とする請求項１記載のレーザ測長ユニット。
感応基板に転写すべきパターンの形成されたマスク（レチクル含む）を移動・位置決めするマスクステージと、前記感応基板を移動・位置決めする感応基板ステージと、を備え、前記パターンを前記感応基板上に転写する露光装置であって、
前記マスクステージ及び感応基板ステージの位置及び姿勢が、請求項１又は２記載のレーザ測長システムによって計測されることを特徴とする露光装置。