JP2005506684A - リソグラフィーシステム及びデバイスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
新しい「フラッシュ・オン・ザ・フライ」動作モードで使用することができる、費用効果的にデバイスを製造するためのリソグラフィーシステムと方法であって、露光フィールドは単一の放射線パルスによって形成される。システムは、パルス放射線源（１４）と、照明系（２４）と、マスク（Ｍ）と、投影レンズ（４０）と、イメージ形成面（ＷＳ）を有するワークピース（Ｗ）を支持するワークピースステージ（５０）と、を含む。放射線源コントローラー（１６）と、計測装置（６２）を含むワークピースステージ位置制御系（６０）とは、前後する放射線パルスが隣同士の露光フィールド（ＥＦ）を形成するように放射線パルスのマスクへの照射を調整・制御するために使用される。放射線源からのパルス間均一性が十分ではない場合には、露光量における所望のパルス間均一性を達成するためにパルス安定化系（１８）を必要に応じて使用することができる。単一の放射線パルスを使用して露光することができる高速性によって非常に高いスループットが得られ、半導体集積回路などのデバイスの製造において費用効果が高い方法で小イメージフィールドの投影レンズを利用することができるようになる。システムは、従来の「ステップ・アンド・リピート」モードでも動作することができ、システムの所有者は所与の用途のために最も費用効果の高い動作モードを決定することができる。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明はリソグラフィーに関し、さらに詳細には、デバイスの製造においてリソグラフィー露光を高速かつ費用効果的に行うためのシステムと方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路（ＩＣ）、液晶ディスプレイ、マイクロ−エレクトロ−メカニカルデバイス（ＭＥＭ）、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、シリコンストリップ検出器などのマイクロデバイスの製造プロセスでは、解像度の高いリソグラフィーシステムを使用する。このようなシステムでは、パターニングされたマスク（すなわち、レチクル）に、マスクへの露光部全体で高い照度均一性を達成する照明系を通過させた放射線（例えば、レーザー放射線又はアークランプからの放射線）を照射する。マスクを通過した放射線は、所定のサイズのイメージフィールド（レンズフィールドともいう）を有する投影レンズによって集光される。投影レンズは、ワークピースのイメージ形成面にマスクパターンを映し出す。ワークピースは、これを投影レンズと相対的に移動させるワークピースステージに配置され、ワークピースの複数の露光フィールドにマスクパターンが繰り返し形成される。
【０００３】
リソグラフィーシステムは、ワークピースをマスクの投影イメージと正確に位置合わせするアライメント系を含み、これによって、ワークピースの選択領域の上方でマスクに光を照射する。マスクイメージは、製造中のデバイスの層を形成するために隣同士正確に配列されることが必要なので、多くの場合、ワークピースの既存の露光フィールドに正確に位置合わせする必要がある。
【０００４】
現在は、ステップ・アンド・リピートシステム（「ステッパー」）とステップ・アンド・スキャンシステム（「スキャナー」）という２種類のリソグラフィーシステムが実際の製造において使用されている。ステッパーでは、ワークピースの各露光フィールドに単一の静的な露光によって光を照射する。スキャナーでは、レンズのイメージフィールドを横切ってワークピースとマスクを同期させて走査することによってワークピースに光を照射する。典型的な走査式リソグラフィーのシステムと方法は、米国特許第５，２８１，９９６号に記載されている。ステッパーとスキャナーに使用される投影レンズは、通常は１倍（すなわち、等倍）、あるいは４倍又は５倍の縮小倍率（すなわち、光学用語で、より一般的に表現すると、±１／４又は±１／５の倍率）で動作する。
【０００５】
リソグラフィーシステムが所定サイズの形状を解像（より正確には「転写」）する能力は露光波長によって決定され、波長が短いほど、転写あるいは映し出すことのできる形状が小さくなる。多くのマイクロデバイス（特にＩＣ）では最小外形サイズの縮小が続いており、露光波長もより短くなってきている。また、デバイスサイズも大型化してきたので、レンズのフィールドサイズも着実に大きくなってきている。リソグラフィーシステムの解像度も、投影レンズの開口数（ＮＡ）とともに増加している。したがって、露光波長の短波長化に加えて、投影レンズの開口数も実用的に設計可能な開口数と同程度に増加する傾向があるが、焦点深度は、ＮＡの２乗で減少するため実用的な範囲にしなければならないという制約がある。
【０００６】
ごく最近まで、半導体産業のロードマップは、リソグラフィーシステムのフィールドサイズが増加し続け、メモリやマイクロプロセッサチップの装置サイズの大型化に対応することができると予測していた。この傾向は、製造コストにおいて重要な意味を持っている。小規模な回路の場合には、複数のデバイスを単一の露光フィールドに合わせることができる。デバイスのサイズは一般に大きくなってはいるが、ロードマップの作成者が予測したほどには急速に進んではいない。一方で、デバイスに使用される最小画像サイズは当初予測されたよりも急速に縮小している。現世代のステップ・アンド・スキャンシステムのフィールドサイズは次の数世代のメモリに対応するには十分だが、最小画像サイズが急速に小さくなっているため、マスクを得ることが非常に困難になっている。
【０００７】
インターナショナル・テクノロジー・ロードマップ最新版で、２００３年まで２５ｍｍ×３２ｍｍというレンズの最小イメージフィールドサイズが、２００４〜２０１３年には２２ｍｍ×２６ｍｍになると予測しているのは、マスクメーカーにとって朗報である。というのは、必要とされるフィールドサイズを、この程度に縮小するには、縮小倍率を４倍から５倍にすればよいからである。
【０００８】
最新のリソグラフィーシステムは、これまでに製造された機械の中で最も複雑なものの一つであり、その結果として極めて高価である。また、製造環境においてリソグラフィーシステムを保守・検査するためにはかなりの労力とコストが必要である。研究開発のために様々な実験的リソグラフィーシステムを組み立てることは比較的容易だが、手ごろな値段で、所有コストを考慮して決定された費用効果の高いリソグラフィーシステムを実際の製造に使用するために開発することは非常に困難なことである。
【０００９】
種類が異なるリソグラフィー装置のいずれを選択するかは、通常は相対的な所有コストに基づいて決められる。このコストに基づくモデルは、所定のリソグラフィーシステムを、入手し、製造環境において運転し、保守するためのコストを考慮に入れたものである。所有コストは、リソグラフィーシステムの特性に直接関連する種々の要因と、システムが製造環境においてどのように使用されるかを考慮することによって決定される。複雑な所有コストのモデルが数多く提案されており、一例としては、所有コストの計算において多くの異なる要因のスコアを考慮に入れたセマテックのリソグラフィー所有コストモデルがある。しかし、信頼性の高い所有コストは、ステッパーコスト、マスクコスト、フィールドサイズ、システムスループット（以下に定義する）、所定のマスクで処理できるワークピースの枚数などの主要な要因を検討することによって得られるものである。
【００１０】
リソグラフィーシステムの投影レンズと照明器のコストは、レンズのフィールドサイズの約３乗で増加することが知られている。０．１３μｍの解像度が得られるレンズを有し、２２ｍｍ×２２ｍｍのフィールドサイズで１９３ｎｍの露光波長で動作できる最新のステッパは、レンズとシステムの残りとに、およそ等分することができる。後者は、マスク及びウエハの処理系、マスク及びワークピースのステージ、レーザー露光源、アライメント系などを含む。これらの構成要素を、使用可能なシステムに組み込んだ場合、装置の価格は取付と保証を含めて約１〜２千万ドルになる。
【００１１】
リソグラフィーシステムのスループット（すなわち、１時間当たりに処理できるワークピースの枚数）は、所有コストの計算で最も重要な要因の１つである。従来のリソグラフィーシステムのスループットは、露光フィールドサイズ（直径）の２乗で増加する。スループットは、各露光フィールドにおいてウエハに十分に高くかつ均一な量の放射線を照射しなければならない放射線源の輝度によって部分的に制限されていた。しかし、現在の放射線源は、通常は２０００〜４０００Ｈｚで動作する狭帯域のパルスエキシマレーザーであり、それまで使用されていたアーク源よりもはるかに輝度が高い。リソグラフィーでの使用に適した典型的なエキシマレーザーのパルス間均一性は、８〜１０％（３σ）と非常に低い。
【００１２】
リソグラフィーシステムには、通常は１％（３σ）未満の、マスク上での照度均一性が必要であるため、放射線源からの複数の（例えば、１００）パルスを平均することによって必要な均一性を達成している。レーザー周波数が数千ヘルツの場合では、ステップ・アンド・スキャンシステムの露光時間は非常に短くなり、現在のリソグラフィーシステムのスループットは、ステッパーの場合には主としてステージの移動・修正時間によって制限され、ステップ・アンド・スキャンシステムの場合には加速時間と走査時間によって制限される。現在のステップ・アンド・スキャンシステムでは、修正とオーバースキャンを含むレチクルステージのターンアラウンド時間は、各フィールドで１４０ミリ秒である。これは、ステッパーのウエハステージの移動・修正時間と同じである。ステップ・アンド・スキャンシステムでは、移動に関する最も困難な問題は、通常、縮小倍率Ｘに比例してウエハよりもＸ倍高速に加速・移動しなければならないマスクステージにおいてみられる。
【００１３】
リソグラフィーシステムに関連する別の重要なコストは、マスクのコストである。マスクのコストは、レンズフィールドサイズ（直径）の２乗にほぼ比例する。このことは、マスクに埋め込む情報量を決定し、したがって、書込時間、検査時間、予想される欠陥数を決定することになる。大容量ＤＲＡＭやマイクロプロセッサの製造などの特定の用途では、リソグラフィーシステムを償却するコストと比較して、マスクのコストはそれほど大きくない。しかし、特殊な（「特注」）用途（例えば、デジタル信号プロセッサやカスタマイズされた制御回路などの特殊なデバイスの製造）では、マスクのコストはリソグラフィーのコストの大半を占める。特注用途の３０セットのマスクには、材料、保護膜、セットアップ、書込、検査、修理のコストを含めると１００万ドル以上かかることがある。
【００１４】
リソグラフィーシステムにおけるマスク当たりのワークピースの数（ＷＰＭ）は、所有コストのもう１つの重要な要因である。特注用途では、ＷＰＭは３〜３０００の範囲で変動する。マスクのコストがリソグラフィーツールの減価償却費と等しくなる分岐点は、様々な要因に依存する。一般に、大フィールドサイズ（例えば、２２ｍｍ×２２ｍｍ）を有し、３０００ＷＰＭ以下のリソグラフィーシステムでは、所有コストはマスクのコストによって占められている。
【００１５】
産業動向もそうであったが、これまでの知識は、ＤＲＡＭ（メモリ）とマイクロプロセッサの業界に最適なリソグラフィーシステムを設計するためのものであった。ステップ・アンド・リピート技術あるいはステップ・アンド・スキャン技術は、これらの大業界を十分にサポートしており、インターナショナル・テクノロジー・ロードマップで推奨されているフィールドサイズで最も低い所有コストを達成している。しかし、フィールドサイズの小さい装置によってサポートされるその他の用途は、一般に半導体装置製造業者から無視されてきた。
【００１６】
マスクのコストが多くの用途において全コストの多くを占めているという事実を考慮に入れ、所有コストの観点から、例えば、レンズのフィールドサイズを最適値まで小さくすることが有益である。しかし、ステッパーのスループットはフィールドサイズの約２乗に比例するため、フィールドサイズの縮小によって達成されるマスクのコスト節減が、全くなくなるわけではないが、いくらか少なくなる傾向がある。また、小フィールドシステムのフィールドに含めることができない大きなチップも常に存在する。これまで、付加的な開発費がかかることと、小フィールドのリソグラフィーシステムの潜在的な市場が小さいということのために、所有コストにおける利点にもかかわらず、このようなシステムの開発は行われてこなかった。また、小フィールドシステムの所有コストの利点自体がこれまで良く認識されていなかった。
【００１７】
したがって、マスク当たりのワークピースの枚数（ＷＰＭ）が３０００未満の場合に、高速かつ費用効果的にウエハに露光できるリソグラフィーシステムが求められている。また、さらに改良すれば、システムが比較的小さなレンズフィールドの投影レンズを利用している場合でも、高いスループットを達成することができる。
【特許文献１】
米国特許第５，２８１，９９６号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，６９９，６２１号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，６２１，８１３号明細書
【発明の開示】
【００１８】
本発明はリソグラフィーに関し、さらに詳細には、デバイスの製造においてリソグラフィー露光を費用効果的に行うためのシステムと方法に関する。費用効果は、リソグラフィー露光を非常に高速に行う方法によってさらに高めることができる。
【００１９】
本発明の一態様は、製造用のリソグラフィーシステムにおけるリソグラフィーレンズの使用を含み、レンズは従来のリソグラフィーシステムのレンズよりも非常に小さなレンズ（イメージ）フィールドサイズを有し、したがって、従来の装置で使用されるレチクルよりも非常に少ない情報を含むレチクルを使用することができる。小フィールドのリソグラフィーレンズを使用することによって、製造用のリソグラフィーシステムの初期価格をかなり低下させることができる。レチクルの縮小によるコスト節減はレチクルを使用して露光する基板の数に依存するが、レチクル１セット当たりの基板の枚数が３０００枚未満の場合に節減効果が顕著となる。レンズのフィールドサイズが小さいとスループットは低下するが、レンズとレチクルのコスト節減はこの不利益を補って余りあるものである。
【００２０】
本発明の別の態様は、新しい「フラッシュ・オン・ザ・フライ」露光モードの使用を含む。このモードを使用することによって、単一パルスの放射線を使用して露光を行うことができ、レンズフィールドの縮小によるスループットの低下という不利益を解消することができる。パルス当たりに必要な総エネルギー量は露光面積に比例するため、従来よりも小さなレンズフィールドサイズを使用することによって、単一パルス露光が容易になる。したがって、レンズのフィールドサイズが小さくなると、小さく、より安価なレーザーやフラッシュランプなどの他のパルス放射線源を使用することができる。また、レンズの耐用寿命は、各放射線パルスに含まれる高いエネルギーによって制限されることがある。遠紫外線の高エネルギーのパルスは、長期間にわたる使用とともにガラスを圧縮させる傾向があり、レンズの波面誤差につながる。レンズのフィールドサイズを小さくすることによって、屈折レンズ部品数を減らし、反射性レンズをより多く有する設計が可能になる。限られた寿命を有するのは屈折レンズであるため、屈折要素を減らすことによって通常よりも長い耐用寿命が得られることが期待される。これによって、通常よりも小さなレンズ（イメージ）フィールドを費用効果的に使用でき、より安価な投影レンズからなり、もっと一般的には、半導体集積回路などのデバイスをより安価に製造できるリソグラフィーシステムの実現に寄与することができる。
【００２１】
したがって、本発明の一態様は、３０００枚以下の基板を処理するために使用されるマスクの連続するイメージをワークピースに費用効果的に露光し、複数の露光フィールドを放射線パルスバーストを使用して形成して各フィールドを露光するためのリソグラフィーシステムである。このシステムは、光軸に沿って、放射線パルスを供給するための放射線源を含む。照明器が、放射線パルスを受け入れ、各放射線パルスを±１０％以下の空間均一性でマスク面に実質的に均一に分散させるように配置されている。また、照明器から出射した放射線パルスの各バーストに実質的に均一に照射されるようにマスクを支持することができるマスクホルダが含まれる。また、システムは、マスク又はその近傍に配置された物体平面と、ワークピース又はその近傍に配置された像平面と、像平面内のイメージフィールドとを有する投影レンズを含む。投影レンズのイメージフィールドは、従来のリソグラフィーシステムの２分の１未満の像平面積をカバーするサイズを有し、マスクの描画は従来のリソグラフィーシステムで使用されるマスクの２分の１未満の細かさでよい。投影レンズはマスクを透過した放射線を受け入れるように配置され、イメージフィールド内でワークピース上にマスクイメージを形成する。ワークピースステージが、像平面又はその近傍でワークピースを支持するために設けられている。ワークピースステージは、連続したマスクイメージを、対応する隣同士の露光フィールドに放射線パルスバーストによって露光できるようにワークピースをステップ移動させるようになっている。
【００２２】
本発明の別の態様は、マスクの連続するイメージでワークピースを高速に露光し、露光フィールド当たり単一の放射線パルスを使用して複数の露光フィールドを形成するための費用効果の高いリソグラフィーシステムである。このシステムは、光軸に沿って、±１０％以下のパルス間均一性を有する放射線パルスを供給するための放射線源を含む。照明器が、放射線パルスを受け入れ、各放射線パルスをマスク面に実質的に均一に分散させるように配置されている。また、照明器から出射した各放射線パルスによって実質的に均一に照らされるようにマスクを支持することができるマスクホルダを含む。また、システムは、マスク又はその近傍に配置された物体平面と、ワークピース又はその近傍に配置された像平面と、像平面内のイメージフィールドとを有する投影レンズを含む。投影レンズはマスクを透過した放射線を受け入れるように配置され、イメージフィールド内でワークピース上にマスクイメージを形成する。ワークピースステージが、像平面又はその近傍でワークピースを支持するために設けられている。ワークピースステージは、マスクイメージに顕著なスメアーを発生させることなく、連続したマスクイメージで隣同士の露光フィールドを単一の放射線パルスによって露光できる速度で、ワークピースを走査経路上で移動させる。
【００２３】
本発明のさらに別の態様は、放射線源からの放射線パルスのパルス間均一性を安定化させるように放射線源の下流に配置されたパルス安定化系である。
【００２４】
本発明の別の態様では、本発明の費用効果が高いリソグラフィーシステムは、放射線源に操作できるように接続された放射線源コントローラーと、ワークピースステージの移動を制御するためのワークピースステージ位置コントローラーとを含む。放射線源の動作とワークピースステージの移動は、基準に対して相対的なワークピースステージの正確な位置を計測する計測装置によって容易にすることができる。計測装置は、放射線源コントローラーに電気的に接続され、放射線パルスを走査経路上のワークピースの移動に合わせるために必要な位置情報を供給する。
【００２５】
本発明の別の態様では、ワークピースはイメージ形成面を含み、各放射線パルスは、イメージ形成面を除去することはないが露光できるエネルギーを有する。
【００２６】
本発明のさらなる態様は、投影レンズを使用してワークピース上に複数の露光フィールドを形成する方法である。投影レンズは、パターンを有するマスクが支持される物体平面と、マスクイメージが形成されるイメージフィールドを有する像平面と、を有する。この方法は、イメージフィールドと相対的にワークピースを位置合わせし、その後、複数の放射線パルスをマスクに照射する工程を含む。放射線パルスは、好ましくは１０％（３σ）以下、より好ましくは１％（３σ）以下の良好なパルス間均一性（すなわち、露光量のばらつきがほとんどないこと）を有する。また、放射線パルスは、好ましくは１０％（３σ）以下、より好ましくは１％（３σ）以下の良好な物体平面上の空間的な照度均一性を有する。この方法は、投影レンズによってマスクを透過した放射線パルスの一部を集光し、各放射線パルスによって別々のマスクイメージを形成する工程をさらに含む。集光工程では、各マスクイメージが、対応する別々の露光フィールドを形成するように、像平面においてワークピースを連続的に走査経路上を移動させる。
【００２７】
本発明の別の態様は上述した方法であって、マスクイメージをワークピース上の１つ又はそれ以上の既存の露光フィールドと位置合わせする工程をさらに含む。
【００２８】
本発明の別の態様は上述した方法であって、パルス安定化系を通して放射線パルスを送り、パルス間均一性を向上させる工程を含む。
【００２９】
本発明のさらなる態様は、物体平面と、像平面と、イメージフィールドとを有する投影レンズを使用して、ワークピース上に連続的に配置された複数の露光フィールドを高速に形成する方法である。この方法は、パターンを有するマスクを物体平面又はその近傍で支持し、連続的に配置された露光フィールドが形成されることになっているワークピースのワークピースステージを、走査経路上をイメージフィールドと相対的に像平面内において移動できるように配置する工程を含む。この方法は、放射線パルスをマスクに照射し、透過した放射線を投影レンズによって集光し、イメージフィールド内に各放射線パルスによるマスクイメージを形成する工程をさらに含む。マスクに光を照射している間には、前後する放射線パルスが隣同士の露光フィールドを形成するようにワークピースステージを連続的に走査経路上で移動させる。
【００３０】
本発明の別の態様は上述の方法であって、隣同士の露光フィールドは、ワークピース上に形成された既存の露光フィールドとずれないように並列に形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明はリソグラフィーに関し、さらに詳細には、デバイスの製造において、リソグラフィー露光を高速かつ費用効果的に行うためのシステムと方法に関する。本発明は、パルスとパルスの間でも基板ステージが連続的に移動することができる程度に短時間の単一パルス放射線を各フィールドに照射する動作モードに適している。
【００３２】
以下の説明では、本発明の費用効果が高いリソグラフィーシステムの主要な要素の概観を最初に述べる。次に、従来のリソグラフィーシステムとの相違に重点を置きながら、システムの重要な各要素を詳細に説明する。次に、本発明の費用効果が高いリソグラフィーシステムを使用して、高速かつ費用効果的にデバイスを製造する方法について説明する。ここで、単一パルスをフィールドに照射する動作モードを、「フラッシュ・オン・ザ・フライ」モードと呼ぶ。本発明のリソグラフィーシステムは、従来の「ステップ・アンド・リピート」モードでも動作することができるが、ここでは「フラッシュ・オン・ザ・フライ」システムとも呼ぶ。
【００３３】
以下の説明と図面では、同一の要素には同一の参照番号を付した。
【００３４】
リソグラフィーシステムの概観
図１に示すように、本発明のリソグラフィーシステム１０は、光軸Ａ１に沿って、放射線源コントローラー１６と電気的に接続された放射線源１４を含む。本発明において、全体的に、「放射線源」とは、可視光線から軟Ｘ線の範囲の波長を含む放射線を放出するための光源をいう。放射線源のパルス間の安定性を改善する必要がある場合に、放射線源から放出された放射線パルス間に均一性を与えるためのパルス安定化系１８が、選択的に、放射線源１４の隣りに設けられる。
【００３５】
システム１０は、光軸Ａ１に沿って、照明系２４と、マスク面ＭＰにおいてマスクＭを支持するマスクホルダー３０とをさらに含む。システム１０は、マスク面ＭＰと実質的に一致するように配置された物体平面ＯＰと、開口絞りＡＳと、像平面ＩＰと、を有する投影レンズ４０を含む。ワークピースステージ５０は、像平面ＩＰ又はその近傍において投影レンズ４０の隣に配置され、イメージ形成面ＷＳを有するワークピースＷを支持することができる上面５２を有する。ワークピースステージ５０には、ワークピースステージの位置を正確に計測するための計測装置６２を含むワークピースステージ位置制御系６０が電気的に接続されている。計測装置６２は、放射線源コントローラー１６に電気的に直接接続されている。焦点系７２は、ワークピースＷに動作を伝えられるようように、（例えば、図示するように投影レンズ４０に隣接して）配置され、投影レンズ４０に対するワークピースのイメージ形成面ＷＳの位置を検知する。焦点系７２は、電気信号を生成し、その電気信号は、制御系６０に送られて、ステージ５０がワークピースの軸方向の位置を調節する。
【００３６】
システム１０は、ワークピースＷと光学的に接続して配置され、基準（例えば、投影レンズ４０によってワークピースに映し出されたマスクアライメントキーの像）に対してワークピースを位置合わせするためのアライメント系７０をさらに含む。ワークピースステージ５０に操作できるように接続されたワークピース処理系８０が、ワークピースステージとワークピース保管部８４との間でワークピースを搬送するために設けられている。システムコントローラー９０は、放射線源コントローラー１６、パルス安定化系１８、照明系２４、ワークピースステージ位置制御系６０、焦点系７２、アライメント系７０、ワークピース処理系８０と電気的に接続され、以下に詳細に説明するように、これらの系の動作を制御・調整する。
【００３７】
放射線源
ワークピースの高速（１〜１００Ｈｚ）かつ均一な単一パルスの照射を可能とするために、放射線源１４は本発明のフラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードを行うための重要な要素である。リソグラフィーシステム１０で使用するために必要な放射線源１４の特性を正しく理解するために、本発明で発生し得る照度むらの原因について述べる。
【００３８】
ワークピースＷのイメージ形成面ＷＳに、リソグラフィーシステム１０によってイメージを形成する際に影響を与える照度むらには２つの原因がある。第１の原因は、フラッシュ・オン・ザ・フライモード動作で重要な、放射線源のパルス間エネルギーのばらつきである。第２の原因は、露光に使用されるパルス数に関係なく、所定のパルスにとっての、露光フィールド上でのエネルギーのばらつき（空間的な不均一性）である。
【００３９】
リソグラフィーシステム１０においてフラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードで単一パルスの露光を行う際に、転写されるパターンの臨界寸法がワークピースのイメージ形成面の露光量のばらつきによって影響を受けないように、パルス間の露光量のばらつきは十分に小さくなくてはならない。露光フィールド間の臨界寸法のばらつきによって、デバイスの性能が悪影響を受けることがある。
【００４０】
したがって、放射線源１４は、パルス放射線源であり、パルスレーザー、フラッシュランプ源あるいはその他のパルス放射線発生器であってもよく、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードで使用された場合に、パルス間のばらつきをほとんど生じることなくパルスを生成することができるものである。解像度が制限された画像サイズでの半導体集積回路の製造を含む多くの用途では、露光量のばらつきは理想的には１％（３σ）以下である。一方で、微小ではないＩＣ層やボンディングパッドを転写するなどの用途では、露光量のばらつきは５％（３σ）以下でもよい。「バンプリソグラフィー（すなわち、集積回路基板に配線を形成する際のはんだバンプの形成）」など、照度均一性がそれほど重要ではない用途では、露光量のばらつきは１０％（３σ）以下でもよい。
【００４１】
照明系は、通常は、放射線源からの放射線を混合して均一な出力を生成する素子を含む。しかし、このような放射線の混合は、混合される放射線が非干渉性あるいはほぼ非干渉性であり、強度が直線的に増す場合にのみ有効である。放射線が光路長にわたってスペクトル的に純粋（すなわち、干渉性）である場合には、ビームの異なる部分を結合することによって、均一性を悪化させる干渉効果が生じることがある。例えば、混合出力は、フィールドでの破壊的干渉によって完全に相殺され、±１００％の不均一性をもたらすこともある。
【００４２】
干渉効果によって引き起こされた照度むらは、レーザー放射線源の空間モード数を増加させることによって低下させることができる。干渉効果による照度むらは、本発明でｍ４と定義する空間レーザーモード数の平方根にほぼ反比例する。したがって、以下の関係が得られる。
干渉効果による変調レベルは、モード数の逆平方根（１／ｍ２）に近似される。１％（３σ）未満の照度均一性を達成するためには、ｍ２は３０以上であり、好ましくは１００以上である。
【００４３】
パルス放射線源１４は、約１ナノ秒より長く、約１ミリ秒（好ましくは１０マイクロ秒、さらに好ましくは１マイクロ秒）よりも短いパルス持続時間で放射線パルスを放射できることが好ましい。単一パルス露光のパルス当たりのエネルギーは、ワークピースのイメージ形成面ＷＳの感光性、投影レンズのイメージフィールドＩＦのサイズ、光学縦列（すなわち、照明系２４、マスクＭ、投影レンズ４０）の透過率に依存する。複数の放射線パルスが露光フィールドを形成するために使用される場合には、放射線パルスは、２以上のパルスバーストとして放出することができる。実施の形態では、所望の露光量を達成するために１バースト当たり１００以上のパルスを使用してもよい。
【００４４】
リソグラフィーシステム１０の用途の多くでは、ワークピースＷは、フォトレジスト層としてのイメージ形成面を有する半導体ウエハである。フォトリソグラフィーに使用される遠紫外線フォトレジストは、５ｍＪ／ｃｍ２から３０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー量で露光する必要がある。光学縦列の効率が２５％であり、イメージフィールドサイズが１１ｍｍ×１１ｍｍであり、フォトレジストの感度が２５ｍＪ／ｃｍ２であるとすると、放射線源１４からの必要とされる露光エネルギーは１２０ｍＪのオーダーである。フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードにおいて２０Ｈｚの周波数では、２．４Ｗの平均出力が必要である。ただし、これらの数字は例であり、特定の用途によって異なることは当業者には明らかであろう。パルスの周波数は、放射線源１４の最大出力性能によって制限される。
【００４５】
通常は、放射線源１４の出力は、ワークピースのイメージ形成面ＷＳが露光されるが消散しない範囲であることが好ましい。例えば、入射露光量が２５ｍＪ／ｃｍ２の単一パルスの３０％がイメージ形成面としての１μｍ厚のフォトレジスト層に吸収されるとすると、その結果として生じる温度上昇は、伝導損失を無視すると１００℃超である。このような温度上昇は、ほとんどの遠紫外線フォトレジスト系にとっては処理できるものである。
【００４６】
以下に詳細に説明するように、リソグラフィーシステム１０において、ワークピースステージ５０は、フラッシュ・オン・ザ・フライモードあるいはステップ・アンド・リピート動作モードでの露光中及び露光と露光の間にワークピースＷを移動させるために使用される。フラッシュ・オン・ザ・フライモードでは、パルス持続時間とパルス周波数によって、ワークピースステージ５０の最高速度が制限されることがある。パルス露光中に像のスメアーが検知されるのを避けるために、パルス露光中のワークピースステージ５０の動きは、転写される最小画像サイズよりも小さくなければならない。
【００４７】
許容できる像のスメアーの量は驚くほど大きいが分かっている。例えば、最小画像サイズの２０％に相当する像のスメアーはほとんど知覚できない。レンズフィールドサイズが１１ｍｍ幅であり、最小画像サイズが０．１μｍであり、レーザー露光パルスの持続時間が１０ナノ秒である場合、最大走査速度は２ｍ／秒であり、対応するレーザーパルス周波数は１８０パルス／秒である。スペクトルの他端で、画像サイズが３μｍであり露光パルスの持続時間が１マイクロ秒であれば、最大走査速度が６００ｍｍ／秒であるとともにパルス周波数が５４パルス／秒であることが必要となる。
【００４８】
本発明のリソグラフィーシステム１０に適する放射線源１４としては、市販の放射線源を改造する必要がある。市販レーザーを製造用途に使用するときは、単一あるいは極めて少数（ｍ４＜１０）の空間モードの干渉性の高いレーザーが必要とされているからである。ただし、エキシマレーザーは、その特徴として、十分に非干渉性であるから本発明での使用に適するほど十分に高いモード数で発振する。また、エキシマレーザーは、２４８ｎｍ（ＫｒＦ）、１９３ｎｍ（ＡｒＦ）あるいは１５７ｎｍ（Ｆ２）の望ましいリソグラフィー波長で動作する。しかし、サイマー社製（Ｃｙｍｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、カリフォルニア州サンディエゴ）やラムダ・フィジック社製（Ｌａｍｂｄａ Ｐｈｙｓｉｋ、ゲッティンゲン、ドイツ）などの代表的なリソグラフィー用エキシマレーザーは、優れたパルス間安定性（例えば、約１０％（３σ））を有しているわけではない。このようなレーザーを使用するシステムは、１％（３σ）という究極的な照度均一性を達成するために、パルスを平均しなければならない。特定の用途のために本発明での使用に適するエキシマレーザーは、２％（１σ）と公表されるパルス間安定性を有する遠紫外線エキシマレーザーを製造するＴＵＩレーザー社（ＴｕｉＬａｓｅｒ ＡＧ、ミュンヘン、ドイツ）から入手することができる。この公表された特性を超えるパルス間安定性は、ＴＵＩレーザー社のレーザーを本発明の特定の用途に適するように改造することによって得ることができる。
【００４９】
フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードで使用する場合には、固体レーザーも本発明のリソグラフィーシステム１０の放射線源１４として望ましいものである。固体レーザーは、優れたパルス間安定性（通常は１％（３σ）以下）を有し、出力波長がエキシマレーザーのリソグラフィー波長の１つと一致するように周波数を逓倍することができるからである。しかし、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーやアレキサンドライトレーザーなどの市販の固体レーザーのほとんどは高い干渉性を有しているため、本発明においては、上述した小規模な照度むらが発生する。
【００５０】
したがって、本発明の目的を達成するためには、固体レーザーは、使用することはできるが、上述したように大きな空間モード数（ｍ４）で動作するように設計しなければならず、遠紫外線波長を得るために周波数を逓倍しなければならない。マルチモード固体レーザーは実際に最初に開発されたレーザーではあるが、広範囲にわたる用途に使用できないために、普通市販されていない。マルチモード固体レーザーは、スペクトルバンド幅が従来の全屈折投影光学系で使用できないほど大きいというのが主たる理由であるが、現在のリソグラフィーシステムでは使用されていない。
【００５１】
コンテニュアム社（Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ，Ｉｎｃ．、カリフォルニア州サンタクララ）は、本発明者らのために、放射線源１４としての使用に適するマルチモードの周波数逓倍固体レーザーを、１６ナノ秒（ＦＷＨＭ）のパルス持続時間で波長５３２ｎｍの放射線を出力する、周波数２倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザーとして製造した。このレーザーをリソグラフィーに使用するためには、出力周波数を２倍にして２６６ｎｍの出力波長を得ることが必要である。大きな空間モード数で動作するように改造した場合に、本発明に適したレーザー放射線源として使用できる他の固体レーザーとしては、１０４７ｎｍ〜１０５３ｎｍ、７３０ｎｍ〜７８０ｎｍ、７００ｎｍ〜９００ｎｍの波長のレーザー光をそれぞれ放出するＮｄ：ガラスレーザー、アレキサンドライトレーザー、Ｔｉ：サファイアレーザーが挙げられる。これらのレーザーは、周波数を２倍、３倍、あるいは４倍にして、非常に感度の優れたフォトレジストを利用することができる遠紫外線（２６６ｎｍ未満）で動作するようにすることができる。可能な波長としては、４倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（２６６ｎｍ）、３倍アレキサンドライトレーザー又はＴｉ：サファイアレーザー（２４８ｎｍ）、４倍アレキサンドライトレーザー又はＴｉ：サファイアレーザー（１９３ｎｍ）が挙げられる。
【００５２】
別の好適な放射線源としては、電磁スペクトルの周波数領域である６ｎｍ〜ｌ４ｎｍの波長で動作するキセノンプラズマ源が挙げられる。
【００５３】
本発明の特定の用途（例えば、バンプリソグラフィー）に好適なさらに別の放射線源１４としては、投影レンズが補正されるスペクトル部分と同一のスペクトルの放射線を放出する充填ガスを含むフラッシュランプが挙げられる。例えば、水銀充填フラッシュランプは、バンプリソグラフィーに使用されるレジストの多くが感応性を示す、スペクトルのほぼ近紫外領域（例えば、約３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長）の放射線を放出する。この場合、ランプからのパルス持続時間は１０〜１００マイクロ秒の範囲であり、光学系によって形成される最小画像サイズの幅は２５〜５０μｍである。１０マイクロ秒のパルス持続時間で１０μｍのぼやけが許容できると仮定すると、１ｍ／秒の最大走査速度が得られる。そのような走査速度によって、非常に高いスループットを有するリソグラフィーシステムが確実に得られる。
【００５４】
放射線源コントローラー
放射線源１４は、放射線源からの放射線パルスの放出を制御するための放射線源コントローラー１６に電気的に接続されている。放射線源コントローラー１６は、計測装置６２に電気的に接続され、システムコントローラー９０に電気的に接続されている。後述するように、放射線パルスの制御が必要なのは、投影レンズによって映し出されたマスクパターンがワークピース（例えば、既存の露光フィールドあるいはアライメントマーク）と位置合わせされる時にのみワークピースに放射線が照射されることを保証するためである。
【００５５】
イメージ形成面ＷＳ上の露光フィールドＥＦの予測位置情報は、システムコントローラー９０によってアライメント系７０から得られ、ワークピースＷに放射線を照射する前に放射線源コントローラー１６に送られる。計測装置６２からの実際のワークピースステージ位置の情報は、継続的に放射線源コントローラー１６に送られる。放射線源コントローラー１６は、放射線源１４からパルスバーストあるいは単一パルスを放出する正確な時間を決定する。フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードにおいて単一パルスの放射線によって露光する場合では、３つの遅延時間を考慮に入れる必要がある。まず、「データエージング」と呼ばれる、計測装置６２からの位置情報の遅延時間ΔＴ１がある。第２に、信号が放射線源コントローラー１６から送られる時間と、ワークピースＷに放射線パルスの中間点が到達する時との間の遅延ΔＴ２がある。例えば、パルス持続時間が３０ナノ秒である場合には、中間点はいずれの端からも１５ナノ秒である。第３に、ワークピースステージ位置の予測位置と望ましい位置とを計算し、比較することに関連する遅延時間ΔＴ３がある。これらの遅延は素早く測定・計算でき、かつ一定である。放射線源コントローラー１６は、パルスが発生する前の種々の遅延を考慮に入れて、放射線パルスの出射を開始するための信号を発生する必要がある。遅延成分であるΔＴ１＋ΔＴ２＋ΔＴ３は、走査速度によって逓倍され、露光フィールドＥＦの望ましい位置に適用される位置ずれを生成する。修正された望ましい位置は、計測装置６２からの到達位置データと比較され、両者が同じ場合にはトリガパルスを生成する。
【００５６】
一実施の形態では、放射線源コントローラー１６は、ウィンド・リバー・システムズ社製（Ｗｉｎｄ Ｒｉｖｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．、カリフォルニア州アラメダ）のリアルタイムＯＳであるＶｘＷｏｒｋｓ（登録商標）を走らせるマーキュリー・コンピューター・システムズ社製（Ｍｅｒｃｕｒｙ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ、マサチューセッツ州チェルムスフォード）のＲａｃｅ＋＋ＶＭＥバスコンピュータシステムを含む。
【００５７】
パルス安定化系
パルス間のエネルギーのばらつきは、周波数逓倍固体レーザーで発生することがあり、周波数逓倍プロセスによって悪化する。したがって、放射線源１４として使用される周波数逓倍固体レーザーや大部分のタイプのエキシマレーザーでは、放射線源のパルス間均一性を許容できるレベルまで改善するために、システム１０にパルス安定化系１８を設けることが必要である。このことは、各露光に単一パルスを使用するフラッシュ・オン・ザ・フライモードでは特に重要である。
【００５８】
図２Ａは、本発明のパルス安定化系１８の第１の実施の形態を示す。系１８は、放射線源１４から下に向かって、第１及び第２の光路Ｐ１及びＰ２を形成する第１のビームスプリッターＢＳ１を含む。検出器１０２が、第２の光路Ｐ２に沿って配置されている。第１の光路Ｐ１に配置されたポッケルスセル１０８に電気的に接続されたポッケルスセル駆動系１０６に電気的に接続された積分回路１０４が、検出器１０２に電気的に接続されている。本発明に好適なポッケルスセル及び関連電子部品は、クリーブランド・クリスタルズ社（Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ、オハイオ州クリーブランド）の部品番号ＩＰＤ２５４５として入手することができる。光路Ｐ１は、３つのミラーＭ１〜Ｍ３を含む光学系として示される遅延ライン１１０を含む。
【００５９】
図２Ｂ〜２Ｅに示すように、動作時には、放射線源１４は、ビームスプリッターＢＳ１によって第１の光路Ｐ１に沿って進むビーム１１２ａ及び第２の光路Ｐ２に沿って進むビーム１１２ｂに分割される放射線パルス１１２を放出する。放射線ビーム１１２ｂは、放出された放射線１１２（図２Ｂ）の小さな（しかし、明確な）部分だけであることが必要である。検出器１０２は、放射線ビーム１１２ｂの瞬間的な強度を測定し、放射線ビームの強度Ｉに比例した信号Ａを生成する（図２Ｂ）。この信号は、信号を積分する積分回路１０４へと通過し、放射線ビーム１１２ｂによって与えられたエネルギー量が測定される（図２Ｃ）。積分された信号は、ポッケルスセル駆動系１０６へと通過する。所定の信号閾値Ｔ（所定のエネルギー閾値に相当）に到達すると、系１０６はポッケルスセル１０８をさせる起動信号を送り（図２Ｄ）、光路Ｐ１に沿って進む放射線ビーム１１２ａの伝達を遮断する。
【００６０】
その結果、パルスの尾部分が欠けている以外は放出された放射線パルス１１２と同一の形状を有する切り欠き放射線パルス１１３（図２Ｅ）が得られ、放射線パルス１１３はすべての出力放射線パルス１１２を実質的に均等化するように断ち切られている。すなわち、放射線パルス１１３は、望ましい全体的なパルスエネルギーの尺度である閾値に実質的に対応するエネルギー量を有する。放射線パルス１１３が尾部分で鋭く断ち切られて欠如しているのは、通常は１〜２ナノ秒であるポッケルスセルの立上り時間によるものである。この実施の形態では、ポッケルスセル１０８はＯＮ／ＯＦＦスイッチとしてのみ動作し、各放射線パルスの尾部分以外の全体を伝達する。
【００６１】
遅延ライン１１０は、放射線ビーム１１２ａがビームスプリッターＢＳ１から検出器１０２まで進み、検出器が対応する電気信号を生成し、積分回路１０４が信号を積分し、ポッケルスセル駆動系１０６が信号をポッケルスセル１０８に送るために要する時間にわたって、放射線ビーム１１２ａがポッケルスセル１０８に到達するのを遅らせる光学系（図ではミラーＭ１〜Ｍ３を含む）である。この遅延は、一般的に、約１０フィートの遅延ラインの長さに対応する１０ナノ秒のオーダーである。したがって、ポッケルスセル１０８が放射線パルス１１２ａを切断するポイントは、積分されたパルス強度（エネルギー）が所定の閾値に達したポイントに対応する。これにより、閾値Ｔが（予想される）最低のパルスエネルギーの統合されたエネルギーよりも低く設定される場合には、すべての出力パルス１１３は同一のエネルギーあるいは照射能力を有する。ポッケルスセル１０８の動作は、入力ビームを直線偏光させるか、直交偏光は通過するが光路Ｐ３に沿ったものと同一の偏光を遮断する偏光器ＢＳ２を出力側に有するか、にかかっている。
【００６２】
例えば、エキシマレーザーなどの場合には、レーザー出力は偏光されない。偏光ビームは、偏光感受型ビームスプリッターに出力ビームを通過させることによって生成することができる。意図しない偏光が遮断されると、５０％未満の効率となる。したがって、ビームスプリッターによって生成される２つの偏光ビームを結合することができれば有利である。
【００６３】
したがって、図２Ｆに示すように、パルス安定化の別の実施の形態では、パルス安定化系１８は、ビームスプリッターＢＳ３を介して、放射線ビーム１１２を直交偏光したビーム１１２ｃと１１２ｄに分離することを含む。偏光の一方（例えば、ビーム１１２ｄの偏光）は、ビーム１１２ｄの光路に配置された半波長板ＨＷＰによって他方の偏光に変換され、ビーム１１２ｃ’が形成される。ビーム１１２ｃ及び１１２ｄは、例えば、フォールドミラーＭ４〜Ｍ６を含む光学系によって再結合される。ビーム１１２ｃ及び１１２ｃ’は同一の偏光を有するため、これらは効率的に直線的には結合されず、並べて配置することによって結合することができる。この場合、ビーム１１２ｃ及び１１２ｃ’は、ビームの一方（例えば、図示するようにビーム１１２ｃ）を（刃形）ミラーＭ６で反射させ、他方をミラーの反射エッジによって通過させることによって結合させることができる。結合された出力ビームは、図２Ａに示すパルス安定化系のビームスプリッターＢＳ１の方向に向かい、図２Ａに関連して説明したように処理される。
【００６４】
図２Ｇは、ポッケルスセル１０８を通過する放射線ビームのエネルギー量を低下させる構成を有するパルス安定化系１８の別の実施の形態を示す。図２Ｇに示す系１８は、ビームスプリッターＢＳ４及びＢＳ５をそれぞれ光路Ｐ１及びＰ３に含み、ビームスプリッターＢＳ２の代わりにフォールドミラーＭ７が設けられている点以外は、図２Ａに示すシステムと同様である。放射線パルス１１２は、偏光されているか、あるいは偏光されたものとする。遅延ライン１１０から戻った放射線ビーム１１２ａは、偏光ビームスプリッターＢＳ４によって２つの部分１１２ａ１及び１１２ａ２に分離される。好ましくは放射線ビーム１１２ａの大部分である放射線ビーム１１２ａ２は、ポッケルスセル１０８をバイパスする光路Ｐ４に反射される。放射線ビーム１１２ａｌはポッケルスセル１０８を通過し、上述したように減衰される。放射線ビーム１１２ａ２は、光路Ｐ３に沿って偏光感受性ビームスプリッターＢＳ５によって完全に反射される。同様に、ミラーＭ７は光路Ｐ３に沿って出力ビーム１１３を反射し、ビーム１１２ａ２及び１１３が結合して、出力ビーム１１４を形成する。偏光感受性ビームスプリッターＢＳ４によって分離される光量は、ビームスプリッターを通る光軸の周りにビームスプリッターを回転させるだけで調節することができる。
【００６５】
ポッケルスセル１０８を通過する放射線ビーム１１２ａ１は、放射線パルス１１２のエネルギー量を均等にするために十分な量だけ減衰される。この場合、ポッケルスセル１０８は、ビームの一部のみを通過させるスイッチあるいは可変減衰器として動作する。ポッケルスセル１０８を通過する放射線ビーム１１２ａ１は、放射線１１２ａの大部分である放射線ビーム１１２ａ２と結合されたときに、結合ビーム１１４が非常に安定したパルスエネルギー量を有する放射線パルスからなるように減衰される。この実施の形態では、遅延ライン１１０は、放射線ビーム１１２ａ１が入射する前に正確にポッケルスセル１０８を減衰させることができるか、ビーム１１２ａ１が適正な比率で切り欠かれるために十分な長さでなければならない。他の可能性としては、偏光されていない放射線パルスから開始し、偏光感受性ビームスプリッターによって減衰される部分を抽出することが挙げられる。この場合、偏光・減衰されたビームと偏光されていないビームは、図２Ｆに関連して説明したように、刃形ミラーを使用して並行するように再結合させなければならない。
【００６６】
図２Ｇに示すパルス安定化系の動作の例として、放射線源１４は、最大パルス間照射量（エネルギー）のばらつきが９０〜１１０ｍＪと測定される。放射線源１４から出射したときにＸｍＪの照射量を有するパルスを測定し、ポッケルスセルでの減衰（Ａ）を次のように計算する。
Ａ＝（９０−０．８Ｘ）／０．２Ｘ （２）
放射線パルス１１２ａは、放射線パルス１１２ａの強度の８０％が放射線パルス１１２ａ２として光路Ｐ３に沿って直接出力され、パルスの２０％（放射線パルス１１２ａ１）がポッケルスセル１０８によって係数Ａだけ減衰され、パルス１１２ａ２と結合される前に放射線パルス１１３を形成するように、遅延ライン１１０を通過する。得られる出力パルス１１４の強度（ＩＯ）は、以下の式で表される。
ＩＯ＝０．８Ｘ＋０．２Ｘ（９０−８Ｘ）／０．２Ｘ＝９０ｍＪ （３）
したがって、出力パルスエネルギーは、９０〜１１０ｍＪのいかなる入力においても常に９０ｍＪである。
【００６７】
図２Ｈに示すように、パルス安定化系１８の別の好ましい実施の形態では、入力された放射線パルスを２つの部分に分けてその一方が一定の出力パルスを生成するために減衰される代わりに、同時又はほぼ同時に動作する２つの放射線源を使用することができる。図２Ｈに示す系１８は、図２Ａに示す系に加えて第２の放射線源１４ａを含む。好ましい実施の形態において、第２の放射線源１４ａは、放射線源１４からの放射線パルス１１２よりも大きな放射線パルス１１５を出力することができる。レーザー源１４ａに関連して、放射線ビーム１１５ａ及び１１５ｂを形成するビームスプリッターＢＳ１ａと、図２Ａに関連して説明したようにポッケルスセル駆動系１０６に電気的に接続された積分回路１０４ａに電気的に接続された検出器１０２ａとが設けられている。したがって、系１０６に両方の放射線源からの出力が入力される。フォールドミラーＭ８〜Ｍ１０は、ビーム１１５ａ及び１１３を共通のフォールドコーナーミラーＭ１１によって結合することができるように光路を折り曲げる光学系として作用する。
【００６８】
したがって、動作時には、１つの放射線源（１４ａ）はパルス出力の大部分を供給し、他方（１４）は、最大のレーザーからの最大パルス以上のエネルギーを全てのパルスが有するために必要とされる付加的な出力を供給する。放射線源１４からの照射量をＳ、１５からの照射量をＢとすると、閾値Ｔは放射線源１４ａからの最大パルス波高よりも大きく設定され、放射線源１４からの放射線パルスに適用される減衰（Ａ）は以下のように与えられる。
Ａ＝（Ｔ−Ｂ）／Ｓ （４）
放射線源１４ａからの減衰していない放射線パルス１１５ａと、係数Ａによる切り取りを介して減衰した放射線源１４からの放射線パルス１１３を結合すると、出力パルス１１４の強度（ＩＯ）は以下のようになる。
ＩＯ＝Ｂ＋Ｓ（Ｔ−Ｂ）／Ｓ＝Ｔ （５）
したがって、出力は常に閾値Ｔに等しい。
【００６９】
本発明の別の実施態様では、パルストリミングを基本周波数で、あるいは最終周波数の低周波数倍数で適用し、トリミングされたパルスに対して最終周波数変換を行うことができる。この実施態様の利点は、系１８のための部品を容易に得ることができ、低い周波数でパルス安定化を効率的に行うことができること、すなわち、例えば１９３ｎｍではなく７７２ｎｍあるいは３８６ｎｍでポッケルスセルを容易かつ効率的に動作させることができることである。
【００７０】
照明系
図１に示すように、システム１０は、軸Ａ１に沿って放射線源１４に隣接する、放射線源１４からの放射線が入力されるように配置された照明系（あるいは「照明器」）２４をさらに含む。
【００７１】
上述したように、本発明のリソグラフィーシステムにおける照度むらの第２の原因は、各露光パルスの露光フィールドでのエネルギーの空間的なばらつきである。したがって、パルス間のエネルギーのばらつきが完全に解消されたとしても、各放射線パルスはマスク上に均等かつ均一に分散されなくてはならない。
【００７２】
したがって、照明器２４は、下流のマスク面ＭＰに均一に光を照射する。マスク面ＭＰは、パターン３４が形成された下流表面３２を有する平坦なマスクＭを支持するマスクホルダ３０によって定められる。パターン３４は、バイナリマスク（例えば、透明なガラス上にクロムパターンを形成）、フェーズマスク（例えば、パターニングされた相誘発誘電材料によって相変化を生成）、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。パターン３４は、通常は、不透明及び透明なラインの可能な限り微細なパターンを形成するために繰り返し使用される場合に、最大マスク変調周波数と呼ぶ最大変調周波数を定義する最小画像サイズを有する。マスクのイメージは、それに関連する最大イメージ変調周波数を有する。マスク及びマスクイメージ変調周波数は、パターン３４及びマスクイメージをそれぞれ形成する最小画像サイズに対応する最大変調周波数である。
【００７３】
マスクＭは、通常は石英又は放射線源１４からの放射線の波長に対する透過性を有するその他の適当な材料からなる（マスクが反射マスクである場合と、基板材料の透過性が重要でない場合を除く）。システム１０がＥＵＶ放射線を使用する場合には、マスクＭは反射するものである。二進反射マスクは、反射層をパターニングされた吸収体層で被覆することによって形成する。本発明の実施の形態では、３０００枚以下のワークピースを処理することによってマスクＭのコストは償却される。これは、システム１０の所有コストを考慮に入れたものであり、半導体装置の製造を含む種々の用途のためにワークピースを費用効果的にパターニングすることができる。
【００７４】
マスク上の情報量は、最小画像サイズとパターニングされた面積に依存する。マスクからの情報はワークピース（例えば、ウエハ）に転写された情報と同一であるため、マスクの情報はウエハ上の単一の転写フィールドに含まれると考えることができる。これは、単に、最小画像サイズをどれだけ正確に配置することができるかを示す、距離の２乗によって割られた（露光）フィールドの面積である。通常は、この距離は最小画像サイズの５分の１から１０分の１である。したがって、係数が１０とすると、フィールド当たりの情報（Ｉ）は次のように与えられる。
Ｉ＝（フィールド面積）／（（最小画像サイズ）／１０）２ （６ａ）
又は
Ｉ＝１００（フィールド面積）／（最小画像サイズ）２ （６ｂ）
フィールドの情報は、マスクの書込と検査にどのくらいの時間がかかり、リペアを必要とする欠陥がどのくらい見つかるかを決定するため、重要である。従来のシステムの半分未満のフィールドサイズを使用することによって、サイズの縮小に比例して、マスク書込時間、検査時間、リペアを要するマスクの欠陥数を減らすことができる。マスクのコストは、書込み、検査、リペアのコストによって占められているため、従来よりも小さなイメージフィールドサイズの投影レンズを有するリソグラフィーシステムでは、マスクのコストをかなり低下させることができる。例えば、２２ｍｍ×２２ｍｍのフィールドサイズに通用する最新のレチクルは５万ドルもする。フィールドサイズとは関係なくレチクルに４千ドルの固定費がかかるとすると、１１ｍｍ×１１ｍｍのフィールドサイズしか通用しない同様なレチクルのコストでも約１５，５００ドルである。したがって、従来のフィールドの半分の幅を有する小さなイメージフィールドに使用されるレチクルは、より大きなイメージフィールドに使用されるレチクルの３１％のコストで済む。
【００７５】
小フィールドサイズに通用することのさらなる利点は、レチクルとワークピースとの間の縮小倍率を大きくすることができることである。例えば、レチクルに使用される基板のサイズは、通常は６インチ×６インチで標準化されている。このため、３３ｍｍ×２６ｍｍのフィールドサイズのステップ・アンド・スキャンシステムの最大縮小倍率は４に設定され、２２ｍｍ×２２ｍｍのステップ・アンド・リピートシステムでは縮小倍率は５に設定される。しかし、１１ｍｍ×１１ｍｍのフィールドサイズの縮小倍率は６あるいは１１でさえあり得る。高い縮小倍率によってレチクルの書込みが容易になり、レチクルのコストをさらに低下させることができる。縮小倍率がレチクルの情報量に影響を与えることはない。
【００７６】
図３に示すように、照明系２４は、放射線源１４から軸Ａ１に沿って、放射線源から放出されたパルス放射線を減衰させるための可変減衰器１２０をさらに含む。可変減衰器１２０は、パルス放射線の減衰量を制御する減衰器制御部１２４によって操作されるように接続されている。減衰器制御部１２４は、電子信号によって減衰器制御部を制御するコントローラー９０に電気的に接続されている。紫外線放射線源１４を使用する場合には、可変減衰器１２０は入射角によって変化する透過率を有する誘電体で被覆されたミラーであってもよく、望ましい角度と減衰を達成するために誘電体ミラーを回転させることができるモーターコントローラー（図示せず）によって駆動されてもよい。
【００７７】
照明系２４は、第１のビーム伝送光学系１３０と、拡散器１３４と、出力端１４２を有する光積分器１４０とをさらに含む。拡散器１３４は、すりガラスあるいは入射した放射線を分散させるその他の要素であってもよい。光積分器１４０は、拡散器から出射する分散された放射線が入力されるように配置され、複数の小レンズ（これに入射したレーザー放射線は複数の部分に分解され、分解された複数の部分は、均一性が改善されるように再結合される。）を含むフライアイレンズであってもよい。光積分器１４０は、放射線トンネル、すなわち、断面が多角形であって全内面反射によって内部を通過する放射線を反射する壁を有する固体ガラスロッド、あるいは断面が多角形であって内部を通過する放射線を反射する反射壁を有する中空ロッドであってもよい。放射線トンネル内での放射線の反射数によって、均一化の度合が決まる。
【００７８】
図３に示すように、照明器２４は、光積分器１４０の隣に配置された第２のビーム伝送光学系１５０をさらに含む。ビーム伝送光学系１５０は、投影レンズの開口絞りＡＳと対をなす瞳絞りＰＳを有し、その開口数は、光積分器１４０から放出される均一化された放射線を取り込むように設計されている。ビーム伝送光学系１５０は、光積分器１４０の端部１４２をマスク面ＭＰに映し出して均一に光を照射し、投影系の入射瞳に瞳絞りＰＳを映し出す。
【００７９】
上述したように、所定の放射線パルスにとっての露光フィールド上の照度均一性（すなわち、「パルス当たりの空間均一性」）は、多くの用途では１％（３σ）以内でなければならない。しかし、パルス当たりの空間均一性の正確な値は、様々な要因によって定義される特定用途のプロセスウインドウに依存する。半導体の製造では、これらの要因は、投影レンズの収差、マスク線幅のばらつき、フォトレジストの感度、コーティングの均一性、ウエハの平坦度などを含み、これらはすべてが線幅のばらつきを引き起こす。上述したように、ある種の用途では、パルス当たりの照度のばらつきは１％（３σ）でなければならず、他の用途では、ばらつきは５％（３σ）であってもよく、さらに他の用途（例えば、バンプリソグラフィー）では、ばらつきは１０％（３σ）であってもよい。
【００８０】
図３に示すように、一実施の形態では、部分反射性フォールドミラー１６０が、第２のビーム伝送光学系１５０の下流に配置されている。検出器１６６が、マスクに入射した放射線を検出するようにフォールドミラー１６０の隣に配置されている。また、第２のフォールドミラー１７０と検出器１７２が、放射線源１４のすぐ隣に設けられている。検出器１６６と１７２は、システムコントローラー９０に電気的に接続されており、システムコントローラー９０は検出器から電気信号を受け取り、照度均一性、照明器の多くの光路の透過率の変化、放射線源１４からの出力のパルス間ばらつきの分析を含むビーム診断を行う。
【００８１】
小フィールド投影レンズ
図４は、投影レンズ４０を詳細に示す。投影レンズ４０は、物体フィールドＯＦを含む物体平面ＯＰと、マスクイメージＭＩが形成されるイメージフィールドＩＦを含む像平面ＩＰとを含む。投影レンズ４０は、開口絞りＡＳも含む。物体フィールドＯＦ及びイメージフィールドＩＦは、実際には、円形の物体フィールドＯＦｃ及びイメージフィールドＩＦｃから形成されている。例えば、１１ｍｍ×１１ｍｍの正方形のイメージフィールドＩＦは、直径１６．０ｍｍの円形のイメージフィールドＩＦｃから具合良く形成することができる。マスクＭのイメージ（「マスクイメージ」）は、イメージフィールド内に形成される。
【００８２】
図５は、本発明のリソグラフィーシステム１０での使用に適したリソグラフィー用投影レンズ４０の光学図を示す。図５に示す投影レンズ４０は、縮小倍率が６Ｘ、イメージ側ＮＡが０．７５、イメージフィールドＩＦが１１ｍｍ×１１ｍｍのオン・アクシス・カタディオプトリック式レンズである。このような投影レンズの使用は現在のリソグラフィーでは一般的ではないが、本発明の教示によって、最先端のリソグラフィーで使用されている波長において、フィールドが大きくて縮小倍率が小さいレンズに実用的に取って代わるものである。適切なリソグラフィー投影レンズ４０の別の例としては、単一の縮小倍率を有するウィン−ダイソン式レンズがある。
【００８３】
図５のレンズ４０のような小フィールドの投影レンズは、所有コスト計算によって大フィールドサイズのリソグラフィーシステムよりも好ましいことが証明された特殊な場合（例えば、「マスク当たりのウエハ枚数」が限定された特定の特注用途）でも、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードを使用せずに、費用効果的に使用することができる。ここで、「小レンズフィールド」とは、通常は２ｃｍ２以下の面積を有するレンズフィールドをいう。本発明の「フラッシュ・オン・ザ・フライ」技術は、あらゆる状況で魅力的な小フィールドのリソグラフィーシステムについて好ましい所有コスト計算をすることができる点で利点があり、小フィールドのリソグラフィーシステムの使用を普遍的にすることができる。
【００８４】
したがって、本発明の好ましい実施の形態では、従来のリソグラフィーシステムのレンズよりも非常に小さなレンズフィールドサイズを有する投影レンズを、従来のステップ・アンド・リピートモードあるいはフラッシュ・オン・ザ・フライモードで使用する。小フィールドの投影レンズを使用することによって、従来の大レンズフィールドのシステムに使用されるよりも非常に少ない情報を有するマスク（レチクル）を使用することができるようになる。より小さなリソグラフィー用レンズを使用することによって、リソグラフィーシステムの初期の価格をかなり低下させることができる。小レチクルフィールドによるコストの節減は、レチクルを使用して露光する基板の数に依存するが、レチクル１セット当たりの基板の枚数が３０００枚未満の場合に節減効果が顕著となる。レンズのフィールドサイズが小さいとスループットは低下するが、レンズとレチクルのコスト節減はこの不利益を補って余りあるものである。
【００８５】
「フラッシュ・オン・ザ・フライ」露光モードを使用することによって、単一パルスの放射線を使用して露光を行うことができ、小レンズフィールドに関連するスループットの低下という不利益を解消することができる。パルス当たりに必要な総エネルギー量は露光面積に比例するため、従来よりも小さなレンズフィールドサイズを使用することによって、単一パルス露光が容易になる。したがって、レンズのフィールドサイズが小さくなると、小さく、より安価なレーザーを使用することができる。
【００８６】
また、レンズの耐用寿命は、各放射線パルスに含まれる高いエネルギーによって限られてしまうことがある。遠紫外線の高エネルギーのパルスは、長期間にわたる使用とともにガラスを圧縮させる傾向があり、レンズの波面誤差につながる。レンズのフィールドサイズを小さくすることによって、屈折レンズ部品を少なくし、反射性レンズ要素を多くすることができるなど、設計の可能性を拡げることができる。限られた寿命を有するのは屈折レンズ要素であるため、屈折要素を減らすことによって通常よりも長い耐用寿命が得られることが予想される。これによって、通常よりも小さなレンズ（イメージ）フィールドを費用効果的に使用でき、より安価な投影レンズからなり、もっと一般的には、半導体集積回路などのデバイスのより安価な製造を行うことができる費用効果が高いリソグラフィーシステムの実現に寄与することができる。
【００８７】
図５の投影レンズ４０は、光路に沿ってマスク面ＭＰから順に光軸Ａ２に沿って、第１及び第２のレンズ部Ｌ１及びＬ２と、発散鏡Ｍ１と、第１の凹面鏡Ｍ２と、開口絞りＡＳ近傍に配置された第３のレンズ部Ｌ３と、凸面マンジャン鏡Ｍ３と、第２の凹面鏡Ｍ４と、第４のレンズＬ４とを含む。レンズＬ４は、イメージが現れる中央領域に反射性コーティングを有していないマンジャン鏡Ｍ３の屈折部分を構成する。また、像平面ＩＰとイメージフィールドＩＦも示されている。
【００８８】
１９０ｎｍ未満で動作する系の場合には、レンズ部Ｌ１〜Ｌ４はフッ化カルシウムからなり、より長い波長の系の場合には、レンズ部Ｌ１〜Ｌ４は石英ガラスあるいはフッ化カルシウムからなる。鏡Ｍ１〜Ｍ４は非球面であり、反射率を高めるためのコーティングを含む。投影レンズ４０の光出力のほとんどすべてが４つの鏡Ｍ１〜Ｍ４に含まれ、微小レンズ部は主に収差校正器として作用するため、屈折部品によって伝達されるあらゆる波長において系を容易に動作させることができる。さらに、設計上の波長における分光帯域幅は、非狭窄エキシマレーザーあるいは周波数逓倍マルチモード固体レーザーによって生成されるスペクトル範囲を伝達するために要求されるよりも何倍も広い。図５に示す投影レンズ４０の実施の形態では、分光帯域幅は１オングストローム以上である。別の実施の形態では、ＮＡは０．７以上である。
【００８９】
最新の投影系と競合するためには、投影レンズ４０は、ＡｒＦとＦ２のエキシマ波長にそれぞれ対応する１９３ｎｍあるいは１５７ｎｍで動作することが好ましい。開口数が０．７５の場合、１９３ｎｍにおける解像度は１５４ｎｍ〜７７ｎｍの範囲であり、１５７ｎｍにおける解像度は１２６ｎｍ〜６３ｎｍの範囲である。所有コストの観点からは、投影レンズの解像度が高いほど、マスクはより複雑で高価になる。
ワークピース及びワークピースステージ
図１に示すように、システム１０は、加工されるワークピースＷを支持することができる上面５２を有するワークピースステージ５０をさらに含む。本発明の好ましい実施の形態では、ワークピースＷは半導体ウエハであり、イメージ形成面ＷＳはフォトレジスト層である。
【００９０】
ワークピースＷは、投影レンズ４０に対して、イメージ（すなわち、マスクイメージＭＩ；図４）が、ワークピース上に、イメージ形成面ＷＳ内に形成された露光フィールドＥＦ（図６を参照）にわたって形成されるように配置される。本発明では、露光フィールドＥＦはレンズイメージフィールドＩＦ内に含まれる。これは、イメージフィールドＩＦが円形であり（図４）、露光フィールドは矩形であるためである。イメージ形成面ＷＳは、ワークピースに対する前回の露光から形成された基板のパターンを、他のマスクＭを使用して覆ってもよい。通常は、高い精度、すなわち、最小画像サイズの数分の一の精度で連続したパターンを重ねることが必要である。露光フィールドＥＦがワークピースＷ上に存在しない場合、露光フィールドは、各露光フィールドの位置をマッピングすることなく、その後の露光を正確に位置合わせできるように、正確に予測可能な方法で配置しなくてはならない。
【００９１】
図１に示すように、ワークピースステージ５０は、投影レンズ４０あるいはイメージフィールドＩＦなどの基準に対して高い精度でワークピースＷを位置合わせすることができるステージ位置制御系６０に電気的に接続されている。ウエハステージ５０は、概略的に表され、リソグラフィー技術で現在適用されている６つの方向に自由に移動できることが好ましい。Ｘ平面及びＹ平面上を移動し、Ｚ軸の周りを回転することができることは、ワークピースＷのイメージ形成面ＷＳ上にマスクイメージＭＩを適切に配置するために必要である。Ｘ軸及びＹ軸周りの角度調整（ピッチ及びロール）とともに、Ｚ軸を移動できることは、ワークピースの表面を投影レンズ４０の浅い焦点深度内に維持するために必要である。ワークピースが完全に平坦ではない場合には、ワークピースＷのイメージ形成面ＷＳ（焦点面でもある）のＺ位置は、露光フィールドＥＦ間で異なる。同様に、Ｘ軸及びＹ軸周りの小さな回転も起こり得る。したがって、一実施の形態では干渉計である計測装置６２は、投影レンズ４０に対して正確にワークピースステージ５０の座標を計測し、この位置情報を上述したように放射線源コントローラー１６に供給するために、ステージ位置制御系６０の一部として含まれることが好ましい。
【００９２】
図７は、ワークピースＷとしての半導体ウエハ上で、ワークピースの表面ＷＳ上に複数の露光フィールドＥＦを形成するために、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードで利用される走査経路２００を示す。走査経路２００は、露光フィールドＥＦの行ｒ１、ｒ２、．．．ｒｎ上の複数の直線部分２０２と、各行の端部にある折り返し点２０４とを含む。本発明を実施するために必要なワークピースステージ５０の動きは、走査（すなわち、ステップ・アンド・スキャン）リソグラフィーシステムでこれまで行われてきたものとは非常に異なる。ワークピースＷは、好ましくは、露光フィールドＥＦの行又は列全体を横切ってかなりの速度で走査され、特定の列又は行の各露光フィールドＥＦが単一の短い放射線パルスによって露光される。多くの用途では、走査速度は好ましくは５０〜５００ｍｍ／秒であり、他の用途ではより高いステージ速度（例えば、２０００ｍｍ／秒）を使用することができる。上限は、ステージの最高走査速度（例えば、現在のステージでは２０００ｍｍ／秒）と放射線パルスの短さによって定まる。従来の空気軸受け及び磁気浮上ワークピースステージとステージ位置制御系はこのような走査速度を達成することができ、本発明での使用に適している。典型的なワークピースステージ５０は、米国特許第５，６９９，６２１号及びＭ．Ｅ，Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｐ．Ｆａｉｌｌ，Ｓ．Ｐ．Ｔｒａｃｙ，Ｐ．Ｂｉｓｃｈｏｆｆ、Ｊ．Ｗｒｏｎｏｓｋｙによる論文「超紫外線リソグラフィーの磁気浮上走査ステージ」、ＡＳＰＥ第１４回年次会合、カリフォルニア州モンテレー、１９９９年１１月に記載されており、これらの特許及び論文はこの参照によって開示に含まれる。
【００９３】
実際の最大走査速度は、多くの要因によって決定される。過度の振動が発生することなく、走査経路２００の直線部分２０２上で均一速度に移行するために、ワークピースステージは、ゼロから最高速度に加速してゼロに戻るという、傾斜した加速／減速軌道をたどらざるを得ない。これは、ワークピースステージがほんの短い時間のみ最大加速度に達し、最大加速度は通常は約１Ｇ〜２Ｇに限定されることを意味する。最大加速度が制限されているため、走査速度が速いほど、ワークピースステージを加速及び減速するために長い時間がかかることになる。走査速度が速いほど走査時間を節約することができるが、均一な速度が必要とされる経路の長さは、ワークピースの大きさによって制限され、例えば、利用可能な最大のワークピースが３００ｍｍのウエハである場合には、３００ｍｍに制限される。したがって、最適なスループットのための走査速度は、最大加速度と走査長に依存することになる。典型的な例で最大加速度が２Ｇである場合には、最適な走査速度は約ｌ２５０ｍｍ／秒である。
【００９４】
最高走査速度は経済性によっても制限される。走査速度が速いほど、高いパルス周波数と放射線源の高い出力レベルが必要となり、放射線源のコストが増加することになる。いくつかの点において、露光ツールのスループットを増加させるよりも、放射線源のコストを制限するほうが費用効果が高くなる。このことはワークピースステージにも当てはまるが、それは、経済性の観点から、低速（例えば、５００ｍｍ／秒）で走査するが、より入手しやすいワークピースステージを使用することが有益である点からである。言い換えると、ワークピースステージの速度と放射線源の出力の関数であるスループットは、ワークピースステージあるいは放射線源技術よりも、所有コストの経済性によって制限することが好ましい。
【００９５】
本発明の好ましい実施の形態では、ワークピースステージ５０は、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードにおけるワークピースＷの露光の間に走査される。走査は、ステージの加速及び減速時の速度変化はあるが、走査経路２００（図７）の直線部分２０２上で一定の速度で行われることが好ましい。走査中、直角（すなわち、Ｙ）方向の動きは非常に小さく、アライメント系７０によって決定された露光フィールドＥＦの直線性における残留誤差を収容するために使用される。これらの直角方向の動きは小さいが、露光パルス間で完了しなくてはならない。通常は、これらの小さな補正はワークピースステージの軌道に小さな摂動を導入することによって処理することができるが、Ｘ、Ｙワークピース走査ステージ５０上を移動する圧電駆動ステージによって対処することもできる。これらの動きの小さな補正は、圧電駆動レチクルステージで達成することもできる。図７に示すように、走査経路２００で次の走査部分に移動する前に、直角方向のより大きな動きが各走査部分２０２の端部で必要となる。露光は、パルス持続時間でのワークピースＷの動きが無視できるような短い単一放射線パルスによって行われる。例えば、レーザー放射線源が１０ナノ秒のパルス持続時間で放射線パルスを放出し、ワークピースステージがワークピースを５００ｍｍ／秒で移動させる場合、イメージスメアーは５ｎｍに過ぎず、１００ｎｍの最小線幅イメージの５％である。このイメージスメアー量がマスクの描画に及ぼす影響は取るに足りないものであり、最小画像サイズに対応する最大変調周波数の振幅はごくわずかに減少するのみである。
【００９６】
繰り返すが、本発明では、マスクイメージにおける許容できるスメアーは驚くほど大きい。イメージスメアーによる変調振幅のばらつきは次のように与えられる。
変調振幅の減少＝１−（１／ｘ）ｓｉｎ（ｘ） （７ａ）
式中、
ｘ＝π（スメアーの距離）／２（最小画像サイズ） （７ｂ）
最小画像サイズの１０％の動きによって変調振幅は０．４％減少するが、これはリソグラフィーでは無視できるものである。最小画像サイズの４０％に対応する動きでも、６．４５％の変調振幅の低下をもたらすに過ぎず、イメージの変調振幅をゼロにするには、最小画像サイズの２倍のイメージスメアーが必要となる。したがって、本発明によれば、「オン・ザ・フライ」、すなわち、単一パルスの露光中にワークピースステージ５０の動きを止めることなく露光を行うことができる。
【００９７】
アライメント系
図１に示すように、システム１０は、ワークピースＷと光学的に接続され、ステージ位置制御系６０と電気的に接続されるようにワークピースステージ５０の隣に配置されたアライメント系７０を含む。例えば、アライメント系７０は、投影レンズ４０を介して投影されたマスクイメージＭＩをワークピースＷ上のパターンに位置合わせするために使用される。図６に示すように、例えば、アライメント系７０は、露光フィールドＥＦ間の溝領域２１０にアライメントマーク２０６を光を照射して映し出すことによって動作する。本発明での使用に適した典型的なアライメント系７０は、米国特許第５，６２１，８１３号に開示されており、この参照によって開示に含まれる。
【００９８】
簡単に言うと、好ましい実施の形態において、アライメント系７０は、ワークピースＷ上の２〜１０箇所の露光フィールドＥＦを見つけ出し、ｘ方向の大きさ、ｙ方向の大きさ、スキュー、ｘキーストーン、ｙキーストーンなどのばらつきを考慮に入れて、歪みグリッドをこれらの位置に合わせ、合わせられた歪みグリッドをすべての露光フィールドの位置を予測するために使用する。
【００９９】
ワークピース処理系
図１に示すように、システム１０は、コントローラー９０に電気的に接続され、ワークピースステージ５０に操作できるように接続された、ワークピース処理系８０をさらに含む。ワークピース処理系８０は、１つ以上のワークピースＷをワークピース保管部８４からワークピースステージ５０まで搬送し、ワークピースＷをワークピースステージからワークピース保管部へ保管のために戻すことができる。
【０１００】
自動化されたワークピース処理系８０の利点は、後に示す表２で計算されるように、ワークピースを本発明のシステム１０を使用して高速に露光できることである。表２に示すように、ワークピースを挿入し、位置合わせし、除去するために必要な時間は、スループットの計算で重要である。したがって、自動化されたワークピース処理系は、高いスループットを維持するために、ワークピースの処理時間を最小にする点で好ましいものである。
【０１０１】
システムコントローラー
システム１０は、放射線源コントローラー１６、任意に設けられるパルス安定化系１８、ワークピースステージ位置制御系６０、焦点系７２、アライメント系７０、ワークピース処理系８０の動作を電気信号を介して制御・調節するシステムコントローラー９０を含む。システムコントローラー９０は、デル・コンピュータ（Ｄｅｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ、テキサス州オースティン）などのコンピュータ会社から入手できるパーソナル・コンピュータあるいはワークステーションである。好ましくは、コントローラー９０は、インテル社製ペンティアム（登録商標）やＡＭＤ Ｋ６又はＫ７などの市販のマイクロプロセッサと、プロセッサをハードディスク装置などの記憶装置と接続するバスアーキテクチャと、キーボードや表示画面などの入出力装置とを含む。コンピュータシステム９０は、以下に述べる手順に従ってシステム１０を動作させるために必要な制御ステップを実行するようにプログラムすることができる。
【０１０２】
スループット
【０１０３】
【表１】
【０１０４】
３つの異なるリソグラフィー技術について、直径３００ｍｍのワークピース（Ｗ）でのスループットの比較を表１に示す。これらのリソグラフィー技術は、従来のステップ・アンド・リピート技術及びステップ・アンド・スキャン技術と、本発明の新技術であるフラッシュ・オン・ザ・フライ・リソグラフィー技術である。ステップ・アンド・リピートシステムのスループットは、ワークピースをある位置から別の位置まで移動させ、最小の幾何学的サイズを露光できるようにワークピースステージを位置決めする時間によって決定される。
【０１０５】
表１に記載した本発明のフラッシュ・オン・ザ・フライシステム（すなわち、システム１０）のパラメータによれば、２０Ｈｚの周波数の放射線源と、毎秒２０箇所の露光フィールドに転写することができる２２０ｍｍ／秒のワークピースステージ走査速度を想定できる。走査速度はステップ・アンド・スキャンシステム（２５０ｍｍ／秒）よりもわずかに遅いが、フラッシュ・オン・ザ・フライシステムの有効なフィールドサイズは露光フィールドの行全体ｒｎと考えられる。本発明のフラッシュ・オン・ザ・フライシステムは、各行の端部で加速あるいは減速する。表１のフラッシュ・オン・ザ・フライシステムでは、加速及び減速数は２７であり、ステップ・アンド・スキャンシステムでは８２である。いずれの場合においても、レーザー放射線源の使用が想定でき、露光時間はワークピースの全サイクル時間にとって無視できる部分である。
【０１０６】
通常は、ステップ・アンド・スキャンシステムは、大きなフィールドサイズと少ない露光の点で有益である。しかし、このようなステムの走査時間は、約１ｍ／秒という最大マスク走査速度と、それぞれの及び全てのフィールドについてマスクを加速・減速するために必要な時間によって制限される。表１から明らかなように、本発明のフラッシュ・オン・ザ・フライ技術は、全体的なスループットの優位性を維持しながらも、他の技術よりも非常に多くの露光フィールドにパターンを転写することができる。
【０１０７】
以下の表２及び表３に、高速リソグラフィーシステム１０のスループットを示すための重要なパラメータを列挙する。表２は、小さなレンズフィールド（すなわち、ワークピース上における１１ｍｍ×１１ｍｍのフィールド）を有するリソグラフィーシステム１０に対応するパラメータを示し、表３は、大レンズフィールド（ワークピース上において２２ｍｍ×２２ｍｍ）を有するリソグラフィーシステム１０のパラメータを示す。
【０１０８】
【表２】
【０１０９】
表２から明らかなように、２２０ｍｍ／秒の適度な走査速度、２０Ｈｚの適度な放射線源周波数、１１ｍｍ×１１ｍｍの小さなイメージフィールドサイズであっても、１時間当たり７９．５枚のワークピースを処理できるという高いスループットが得られた。より速いステージ走査速度、より速い放射線パルス周波数、及び／又はより大きなレンズフィールドサイズによって、より高いスループットが得られることは容易に理解できる。
【０１１０】
本発明のフラッシュ・オン・ザ・フライモードは、比較的小さなレンズフィールドであっても高いスループットを達成することができるため、大フィールドのシステムの代わりとなり得る。
【０１１１】
表３に示すように、表２の投影レンズの面積の４倍である２２ｍｍ×２２ｍｍ（２．２ｃｍ×２．２ｃｍ）のイメージフィールド、３２Ｈｚの周波数、７０．０ｃｍ／秒の走査速度では、１時間当たり１６６枚のワークピースというスループットが達成できる。周波数と走査速度を増加させることによって、スループットは１時間当たり２００枚を容易に超えることができる。
【０１１２】
【表３】
【０１１３】
動作方法：フラッシュ・オン・ザ・フライモード
図１及び図８のフローチャート３００を参照して、システム１０の動作とワークピースを高速に露光する方法について説明する。
【０１１４】
最初に、ステップ３０１では、ワークピースステージ５０上にワークピースＷがない場合には、コントローラー９０は電子信号をワークピース処理系８０に送り、ワークピース保管部８４からワークピースをワークピースステージ５０及び上面５２に搬送させる。
【０１１５】
ワークピースＷがワークピースステージ５０に配置されると、ステップ３０２では、コントローラー９０は焦点系７２及びアライメント系７０に電子信号を送り、ワークピースＷとレンズイメージフィールドＩＦとの焦点合わせと位置合せを行う。焦点系７２は、ステージ位置制御系２９０に電気信号を送るコントローラー９０を介してワークピースＷを投影レンズ４０の最良の焦点位置に配置する。アライメント系７０は、例えば、アライメントマーク２０６（図６）の位置を画像化して分析し、アライメント系の軸とワークピース上のアライメントマーク２０６の投影イメージの位置とのずれを判断する補正を行うことによって、ワークピースＷのアライメント状態を測定する。このアライメント情報は、電子信号によってコントローラー９０に送られる。コントローラー９０が、今度は、電子信号をステージ位置制御系６０に送り、ステージ位置制御系６０は、ワークピースを、マスクイメージＭＩ（又はイメージフィールドＩＦ）に対して正しく位置合わせされ、投影レンズ４０の最良の焦点位置（又は少なくとも焦点深度内）に配置されるように配置する。この焦点合わせと位置合わせのプロセスでは、ワークピースＷを繰り返し移動させ、ワークピースＷの異なるポイントでのアライメント誤差を測定するとともに、投影レンズの焦点面に対してワークピースを水平にし、それによって最適なワークピースの位置を達成する。アライメント工程は、通常は、イメージフィールドＩＦに含まれるマスクイメージＭ１が、ワークピースＷのすでに露光された露光フィールドＥＦに位置合わせされるように行われる。
【０１１６】
好ましい実施の形態では、アライメント系７０は、ワークピースＷのイメージ形成面ＷＳの一部に点在する複数（例えば、５〜１０箇所）の露光フィールドＥＦの位置を定める。次に、アライメント系７０（又はコントローラー９０）のアルゴリズムを、ワークピース表面ＷＳに配置されたイメージの位置、すなわち、ｘ方向の大きさ、ｙ方向の大きさ、スキュー、キーストーンなどに関連した歪みをモデル化するために使用する。次に、すべての露光フィールドＥＦの正確な位置を計算する。計算された露光フィールドの位置に基づき、各露光フィールドの予測位置上を走査し、各露光フィールドの位置で放射線源からパルスを一回発生させることによってワークピースＷに露光する。
【０１１７】
ワークピースＷが適切に位置合わせされ、焦点合わせされると、ステップ３０３では、コントローラー９０はステージ位置制御系６０に電気信号を送り、投影レンズ４０の下でワークピースステージ５０を走査する。ワークピースステージ５０は、複数の露光フィールドＥＦがワークピース上で露光されるように、例えば図７に示すように走査経路２００を使用することによって、連続的に移動させることが好ましい。ワークピースステージ５０の速度はパルス持続時間によって制限されるが、より典型的には、上述したように、露光放射線源１４の周波数及び露光フィールド間の距離によって決定される。上記表２及び３に典型的な値を示す。上述したように、ステージは好ましくは一定の速度で移動するが、ステージの加速と減速による速度変化は許容することができる。
【０１１８】
ステップ３０３に続いて、ステップ３０４では、コントローラー９０は、電子信号を介して放射線源１４を動作させる放射線源コントローラー１６に電子信号を送り、放射線源１４は軸Ａ１に沿って所定のエネルギー量を有する放射線パルスを供給する。遠紫外線フォトレジストへの露光を含む用途では、各パルスのエネルギーは、好ましくは５〜５０ｍＪ／ｃｍ２の範囲である。放射線源１４からの放射線は照明器２４を通過し、照明器２４はマスクＭに均一に光を照射する。マスクＭを通過して回折された放射線は、投影レンズ４０によって集光され、ワークピースＷ上に映し出され、アライメント系７０によって決められた所定の位置にマスクイメージＭ１（図４）を形成する。マスクイメージは、すでに露光された露光フィールドＥＦとずれないで並列するように形成されてもよい。
【０１１９】
上述したように、放射線源コントローラー１６は、計測装置６２からの情報に基づいて、放射線源１４からの放射線パルスの放出を制御する。ワークピースステージ位置制御系６０は、ワークピースステージ５０の位置、すなわち、走査軌道を制御する。このように、ワークピースの軌道が、すでに露光されたフィールドＥＦの１つ又はその他の基準（例えば、ワークピースのエッジ）とマスクイメージとが一列になるポイントと交差する度に、ワークピースＷは放射線パルスによって露光される。
【０１２０】
このように、各放射線パルスによって単一のマスクイメージＭＩが転写される。放射線パルスの照射と照射の間のみならず各放射線パルスの照射期間における投影レンズ４０の下でのワークピースの連続的な動きによって、分離された（重なり合わない）露光フィールド（それぞれが単一の放射線パルスによって形成され、本質的に投影レンズ４０の縮小倍率の３４倍のマスクパターンのサイズを有する）が形成される。したがって、連続する（すなわち、時間的に隣接する）放射線パルスは、ワークピース上に形成された連続する（すなわち、空間的に隣接する）露光フィールドに対応する。
【０１２１】
一実施の形態では、ステップ３０４は、パルス安定化系１８によって放射線源１４のパルス間の均一性を安定させる任意のステップを含む。
【０１２２】
図８及びフローチャート３００に示すように、ワークピースが露光フィールドＥＦの所望の数で完全に露光されると、ステップ３０５では、コントローラー９０はワークピース処理系８０に電子信号を送り、ワークピースＷをワークピースステージ５０から取り除き、ワークピース保管部８４からの別のワークピースによって置き換える。質問ステップ３０６では、別のワークピースを露光するかどうかを判定する。「ｙｅｓ」の場合には、ステップ３０１〜３０５を、望ましい数のワークピースが処理されるまで、新しいワークピース及びその次のワークピースのために繰り返す。
【０１２３】
動作方法：ステップ・アンド・リピートモード
上述したように、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードに加えて、従来のステップ・アンド・リピート動作モードを使用することもできる。ステップ・アンド・リピート動作モードは、以下の点を除いてはフラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードと同様である。ステップ３０３では、コントローラー９０はステージ位置制御系６０に電気信号を送り、ワークピースステージ５０を投影レンズ４０の下でステップ移動させる。これに伴って、ステップ３０４では、コントローラー９０は、電子信号を介して放射線源１４を動作させる放射線源コントローラー１６に電子信号を送る。放射線源１４は、軸Ａ１に沿って、放射線パルスバースト（それぞれのパルスは所定量のエネルギーを有し、放射線バーストの全体として基板のイメージ形成面を適切に露光するために十分なエネルギーを有する）に供給する。ここで、放射線パルスバーストとは、２以上のパルスであって、通常は１００以上のパルスを含む。
【０１２４】
本発明のシステム１０の動作可能なモードは、人（すなわち、オペレーター）による操作を介してコントローラー９０によって、あるいはコントローラーをプログラムすることによって設定される。したがって、システムの所有者は、用途に応じて、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モード又はステップ・アンド・リピート動作モードのいずれかでシステムを動作させることができる。
【０１２５】
結論
本発明は、費用効果が高いリソグラフィーシステムであり、好ましい実施の形態では、従来のリソグラフィー用投影レンズよりも非常に小さなフィールドサイズを使用して、リソグラフィーシステムの初期コストとマスクのランニングコストを低下させる。これらのコスト節減によって、従来のステップ・アンド・リピート動作モードで使用し、マスク当たり３０００枚未満の基板を必要とする場合に使用されるようなシステムでも、その低いスループットを埋め合わせることができる。このシステムは、単一の放射線パルスを走査経路の軌道上に位置するフィールドに露光しながら、連続的にワークピースステージを移動させる新しいリソグラフィー技術である「フラッシュ・オン・ザ・フライ」動作モードにも適している。この動作モードは、小さなイメージフィールド（例えば、１１ｍｍ×１１ｍｍ）の投影レンズを有するリソグラフィーシステムであっても高いスループットが維持されるように、ワークピース全体のすべてのフィールドを高速に露光することができるという利点を有する。フィールドが大きな投影レンズの場合では、本発明は１時間当たり２００枚以上のワークピースを処理できるスループットを達成することができ、これは従来のリソグラフィー技術で得られるスループットの約２倍である。さらに、本発明は、小さなレンズと静置された小さなマスクを有するフラッシュ・オン・ザ・フライシステムを使用して、ステップ・アンド・スキャンシステムに匹敵するスループットを可能とし、それによって費用効果が高い製造が可能となる。
【０１２６】
本発明の主な利点は、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードと従来のステップ・アンド・リピート動作モードの両方を使用することができることであって、リソグラフィーシステムの所有者は、製造用途に応じて動作モードを選択することができる。これにより、用途が限られていたためにこれまで通常は利用されなかった小フィールドのリソグラフィーシステムを購入することが選択肢として与えられることになる。
【０１２７】
本発明の特徴と利点は詳細な説明から明らかであり、特許請求の範囲によって、本発明の範囲にあるシステムのすべての特徴と利点を網羅するものである。また、当業者にとっては様々な修正や変更に想到することは容易であるため、本発明は、ここで説明した構成と動作に限定されるものではない。したがって、他の実施の形態も特許請求項の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の費用効果が高いリソグラフィーシステムの概略断面図である。
【図２Ａ】図１に示す費用効果が高いリソグラフィーシステムでの使用に適した、本発明のパルス安定化系の実施の形態の概略図である。
【図２Ｂ】本発明の放射線源からの放射線パルスの強度（Ｉ）特性と時間の関係を示す図であり、図２Ａに示すパルス安定化系の検出器からの検出信号の振幅（Ａ）特性と時間の関係に相当する。
【図２Ｃ】図２Ｂの閾値エネルギー値Ｔを示す、統合化された信号を示す図である。
【図２Ｄ】ポッケルスセルを作動させてその内部を通過する放射線パルスを断ち切るための、ポッケルスセルに供給される閾値遮断信号を示す図である。
【図２Ｅ】ポッケルスセルを通過してポッケルスセルによって断ち切られた放射線パルスを示す図である。
【図２Ｆ】図１に示す高速リソグラフィーシステムでの使用に適し、同一偏光のビームを結合する、本発明のパルス安定化系の他の実施の形態の概略図である。
【図２Ｇ】図１に示す高速リソグラフィーシステムでの使用に適し、放射線パルスの一部のみをポッケルスセルを通過させる、本発明のパルス安定化系の他の実施の形態の概略図である。
【図２Ｈ】図１に示す高速リソグラフィーシステムでの使用に適し、２つの放射線源を組み込んだ、本発明のパルス安定化系の他の実施の形態の概略図である。
【図３】本発明の費用効果が高いリソグラフィーシステムに好適に使用される典型的な照明系の概略断面図である。
【図４】像平面とそれに関連するレンズフィールド、物体平面とそれに関連する物体フィールド、物体側及びイメージ側の開口数に関連する角度を示す投影レンズの概略斜視図である。
【図５】縮小倍率が６Ｘ、イメージ側ＮＡが０．７５、動作波長が２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍのいずれか、イメージフィールドサイズが１１ｍｍ×１１ｍｍのカタディオプトリック式の投影レンズの断面レンズ図（実際の大きさの０．２２７倍）である。
【図６】図１のシステムの投影レンズとワークピースステージの拡大斜視図であって、ワークピースステージ上のワークピースと、投影レンズのレンズフィールドに沿った既存及びこれから形成される露光フィールドが示され、ステージの動きは矢印によって示されている。
【図７】露光フィールドと、露光フィールドを形成するためのワークピースステージの移動を表す走査経路を示すワークピースの平面図である。
【図８】図１の費用効果が高いリソグラフィーシステムを、各露光フィールドが単一の放射線パルスによって形成されるように操作するためのステップのフローチャート図である。
【０００１】
本発明はリソグラフィーに関し、さらに詳細には、デバイスの製造においてリソグラフィー露光を高速かつ費用効果的に行うためのシステムと方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路（ＩＣ）、液晶ディスプレイ、マイクロ−エレクトロ−メカニカルデバイス（ＭＥＭ）、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、シリコンストリップ検出器などのマイクロデバイスの製造プロセスでは、解像度の高いリソグラフィーシステムを使用する。このようなシステムでは、パターニングされたマスク（すなわち、レチクル）に、マスクへの露光部全体で高い照度均一性を達成する照明系を通過させた放射線（例えば、レーザー放射線又はアークランプからの放射線）を照射する。マスクを通過した放射線は、所定のサイズのイメージフィールド（レンズフィールドともいう）を有する投影レンズによって集光される。投影レンズは、ワークピースのイメージ形成面にマスクパターンを映し出す。ワークピースは、これを投影レンズと相対的に移動させるワークピースステージに配置され、ワークピースの複数の露光フィールドにマスクパターンが繰り返し形成される。
【０００３】
リソグラフィーシステムは、ワークピースをマスクの投影イメージと正確に位置合わせするアライメント系を含み、これによって、ワークピースの選択領域の上方でマスクに光を照射する。マスクイメージは、製造中のデバイスの層を形成するために隣同士正確に配列されることが必要なので、多くの場合、ワークピースの既存の露光フィールドに正確に位置合わせする必要がある。
【０００４】
現在は、ステップ・アンド・リピートシステム（「ステッパー」）とステップ・アンド・スキャンシステム（「スキャナー」）という２種類のリソグラフィーシステムが実際の製造において使用されている。ステッパーでは、ワークピースの各露光フィールドに単一の静的な露光によって光を照射する。スキャナーでは、レンズのイメージフィールドを横切ってワークピースとマスクを同期させて走査することによってワークピースに光を照射する。典型的な走査式リソグラフィーのシステムと方法は、米国特許第５，２８１，９９６号に記載されている。ステッパーとスキャナーに使用される投影レンズは、通常は１倍（すなわち、等倍）、あるいは４倍又は５倍の縮小倍率（すなわち、光学用語で、より一般的に表現すると、±１／４又は±１／５の倍率）で動作する。
【０００５】
リソグラフィーシステムが所定サイズの形状を解像（より正確には「転写」）する能力は露光波長によって決定され、波長が短いほど、転写あるいは映し出すことのできる形状が小さくなる。多くのマイクロデバイス（特にＩＣ）では最小外形サイズの縮小が続いており、露光波長もより短くなってきている。また、デバイスサイズも大型化してきたので、レンズのフィールドサイズも着実に大きくなってきている。リソグラフィーシステムの解像度も、投影レンズの開口数（ＮＡ）とともに増加している。したがって、露光波長の短波長化に加えて、投影レンズの開口数も実用的に設計可能な開口数と同程度に増加する傾向があるが、焦点深度は、ＮＡの２乗で減少するため実用的な範囲にしなければならないという制約がある。
【０００６】
ごく最近まで、半導体産業のロードマップは、リソグラフィーシステムのフィールドサイズが増加し続け、メモリやマイクロプロセッサチップの装置サイズの大型化に対応することができると予測していた。この傾向は、製造コストにおいて重要な意味を持っている。小規模な回路の場合には、複数のデバイスを単一の露光フィールドに合わせることができる。デバイスのサイズは一般に大きくなってはいるが、ロードマップの作成者が予測したほどには急速に進んではいない。一方で、デバイスに使用される最小画像サイズは当初予測されたよりも急速に縮小している。現世代のステップ・アンド・スキャンシステムのフィールドサイズは次の数世代のメモリに対応するには十分だが、最小画像サイズが急速に小さくなっているため、マスクを得ることが非常に困難になっている。
【０００７】
インターナショナル・テクノロジー・ロードマップ最新版で、２００３年まで２５ｍｍ×３２ｍｍというレンズの最小イメージフィールドサイズが、２００４〜２０１３年には２２ｍｍ×２６ｍｍになると予測しているのは、マスクメーカーにとって朗報である。というのは、必要とされるフィールドサイズを、この程度に縮小するには、縮小倍率を４倍から５倍にすればよいからである。
【０００８】
最新のリソグラフィーシステムは、これまでに製造された機械の中で最も複雑なものの一つであり、その結果として極めて高価である。また、製造環境においてリソグラフィーシステムを保守・検査するためにはかなりの労力とコストが必要である。研究開発のために様々な実験的リソグラフィーシステムを組み立てることは比較的容易だが、手ごろな値段で、所有コストを考慮して決定された費用効果の高いリソグラフィーシステムを実際の製造に使用するために開発することは非常に困難なことである。
【０００９】
種類が異なるリソグラフィー装置のいずれを選択するかは、通常は相対的な所有コストに基づいて決められる。このコストに基づくモデルは、所定のリソグラフィーシステムを、入手し、製造環境において運転し、保守するためのコストを考慮に入れたものである。所有コストは、リソグラフィーシステムの特性に直接関連する種々の要因と、システムが製造環境においてどのように使用されるかを考慮することによって決定される。複雑な所有コストのモデルが数多く提案されており、一例としては、所有コストの計算において多くの異なる要因のスコアを考慮に入れたセマテックのリソグラフィー所有コストモデルがある。しかし、信頼性の高い所有コストは、ステッパーコスト、マスクコスト、フィールドサイズ、システムスループット（以下に定義する）、所定のマスクで処理できるワークピースの枚数などの主要な要因を検討することによって得られるものである。
【００１０】
リソグラフィーシステムの投影レンズと照明器のコストは、レンズのフィールドサイズの約３乗で増加することが知られている。０．１３μｍの解像度が得られるレンズを有し、２２ｍｍ×２２ｍｍのフィールドサイズで１９３ｎｍの露光波長で動作できる最新のステッパは、レンズとシステムの残りとに、およそ等分することができる。後者は、マスク及びウエハの処理系、マスク及びワークピースのステージ、レーザー露光源、アライメント系などを含む。これらの構成要素を、使用可能なシステムに組み込んだ場合、装置の価格は取付と保証を含めて約１〜２千万ドルになる。
【００１１】
リソグラフィーシステムのスループット（すなわち、１時間当たりに処理できるワークピースの枚数）は、所有コストの計算で最も重要な要因の１つである。従来のリソグラフィーシステムのスループットは、露光フィールドサイズ（直径）の２乗で増加する。スループットは、各露光フィールドにおいてウエハに十分に高くかつ均一な量の放射線を照射しなければならない放射線源の輝度によって部分的に制限されていた。しかし、現在の放射線源は、通常は２０００〜４０００Ｈｚで動作する狭帯域のパルスエキシマレーザーであり、それまで使用されていたアーク源よりもはるかに輝度が高い。リソグラフィーでの使用に適した典型的なエキシマレーザーのパルス間均一性は、８〜１０％（３σ）と非常に低い。
【００１２】
リソグラフィーシステムには、通常は１％（３σ）未満の、マスク上での照度均一性が必要であるため、放射線源からの複数の（例えば、１００）パルスを平均することによって必要な均一性を達成している。レーザー周波数が数千ヘルツの場合では、ステップ・アンド・スキャンシステムの露光時間は非常に短くなり、現在のリソグラフィーシステムのスループットは、ステッパーの場合には主としてステージの移動・修正時間によって制限され、ステップ・アンド・スキャンシステムの場合には加速時間と走査時間によって制限される。現在のステップ・アンド・スキャンシステムでは、修正とオーバースキャンを含むレチクルステージのターンアラウンド時間は、各フィールドで１４０ミリ秒である。これは、ステッパーのウエハステージの移動・修正時間と同じである。ステップ・アンド・スキャンシステムでは、移動に関する最も困難な問題は、通常、縮小倍率Ｘに比例してウエハよりもＸ倍高速に加速・移動しなければならないマスクステージにおいてみられる。
【００１３】
リソグラフィーシステムに関連する別の重要なコストは、マスクのコストである。マスクのコストは、レンズフィールドサイズ（直径）の２乗にほぼ比例する。このことは、マスクに埋め込む情報量を決定し、したがって、書込時間、検査時間、予想される欠陥数を決定することになる。大容量ＤＲＡＭやマイクロプロセッサの製造などの特定の用途では、リソグラフィーシステムを償却するコストと比較して、マスクのコストはそれほど大きくない。しかし、特殊な（「特注」）用途（例えば、デジタル信号プロセッサやカスタマイズされた制御回路などの特殊なデバイスの製造）では、マスクのコストはリソグラフィーのコストの大半を占める。特注用途の３０セットのマスクには、材料、保護膜、セットアップ、書込、検査、修理のコストを含めると１００万ドル以上かかることがある。
【００１４】
リソグラフィーシステムにおけるマスク当たりのワークピースの数（ＷＰＭ）は、所有コストのもう１つの重要な要因である。特注用途では、ＷＰＭは３〜３０００の範囲で変動する。マスクのコストがリソグラフィーツールの減価償却費と等しくなる分岐点は、様々な要因に依存する。一般に、大フィールドサイズ（例えば、２２ｍｍ×２２ｍｍ）を有し、３０００ＷＰＭ以下のリソグラフィーシステムでは、所有コストはマスクのコストによって占められている。
【００１５】
産業動向もそうであったが、これまでの知識は、ＤＲＡＭ（メモリ）とマイクロプロセッサの業界に最適なリソグラフィーシステムを設計するためのものであった。ステップ・アンド・リピート技術あるいはステップ・アンド・スキャン技術は、これらの大業界を十分にサポートしており、インターナショナル・テクノロジー・ロードマップで推奨されているフィールドサイズで最も低い所有コストを達成している。しかし、フィールドサイズの小さい装置によってサポートされるその他の用途は、一般に半導体装置製造業者から無視されてきた。
【００１６】
マスクのコストが多くの用途において全コストの多くを占めているという事実を考慮に入れ、所有コストの観点から、例えば、レンズのフィールドサイズを最適値まで小さくすることが有益である。しかし、ステッパーのスループットはフィールドサイズの約２乗に比例するため、フィールドサイズの縮小によって達成されるマスクのコスト節減が、全くなくなるわけではないが、いくらか少なくなる傾向がある。また、小フィールドシステムのフィールドに含めることができない大きなチップも常に存在する。これまで、付加的な開発費がかかることと、小フィールドのリソグラフィーシステムの潜在的な市場が小さいということのために、所有コストにおける利点にもかかわらず、このようなシステムの開発は行われてこなかった。また、小フィールドシステムの所有コストの利点自体がこれまで良く認識されていなかった。
【００１７】
したがって、マスク当たりのワークピースの枚数（ＷＰＭ）が３０００未満の場合に、高速かつ費用効果的にウエハに露光できるリソグラフィーシステムが求められている。また、さらに改良すれば、システムが比較的小さなレンズフィールドの投影レンズを利用している場合でも、高いスループットを達成することができる。
【特許文献１】
米国特許第５，２８１，９９６号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，６９９，６２１号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，６２１，８１３号明細書
【発明の開示】
【００１８】
本発明はリソグラフィーに関し、さらに詳細には、デバイスの製造においてリソグラフィー露光を費用効果的に行うためのシステムと方法に関する。費用効果は、リソグラフィー露光を非常に高速に行う方法によってさらに高めることができる。
【００１９】
本発明の一態様は、製造用のリソグラフィーシステムにおけるリソグラフィーレンズの使用を含み、レンズは従来のリソグラフィーシステムのレンズよりも非常に小さなレンズ（イメージ）フィールドサイズを有し、したがって、従来の装置で使用されるレチクルよりも非常に少ない情報を含むレチクルを使用することができる。小フィールドのリソグラフィーレンズを使用することによって、製造用のリソグラフィーシステムの初期価格をかなり低下させることができる。レチクルの縮小によるコスト節減はレチクルを使用して露光する基板の数に依存するが、レチクル１セット当たりの基板の枚数が３０００枚未満の場合に節減効果が顕著となる。レンズのフィールドサイズが小さいとスループットは低下するが、レンズとレチクルのコスト節減はこの不利益を補って余りあるものである。
【００２０】
本発明の別の態様は、新しい「フラッシュ・オン・ザ・フライ」露光モードの使用を含む。このモードを使用することによって、単一パルスの放射線を使用して露光を行うことができ、レンズフィールドの縮小によるスループットの低下という不利益を解消することができる。パルス当たりに必要な総エネルギー量は露光面積に比例するため、従来よりも小さなレンズフィールドサイズを使用することによって、単一パルス露光が容易になる。したがって、レンズのフィールドサイズが小さくなると、小さく、より安価なレーザーやフラッシュランプなどの他のパルス放射線源を使用することができる。また、レンズの耐用寿命は、各放射線パルスに含まれる高いエネルギーによって制限されることがある。遠紫外線の高エネルギーのパルスは、長期間にわたる使用とともにガラスを圧縮させる傾向があり、レンズの波面誤差につながる。レンズのフィールドサイズを小さくすることによって、屈折レンズ部品数を減らし、反射性レンズをより多く有する設計が可能になる。限られた寿命を有するのは屈折レンズであるため、屈折要素を減らすことによって通常よりも長い耐用寿命が得られることが期待される。これによって、通常よりも小さなレンズ（イメージ）フィールドを費用効果的に使用でき、より安価な投影レンズからなり、もっと一般的には、半導体集積回路などのデバイスをより安価に製造できるリソグラフィーシステムの実現に寄与することができる。
【００２１】
したがって、本発明の一態様は、３０００枚以下の基板を処理するために使用されるマスクの連続するイメージをワークピースに費用効果的に露光し、複数の露光フィールドを放射線パルスバーストを使用して形成して各フィールドを露光するためのリソグラフィーシステムである。このシステムは、光軸に沿って、放射線パルスを供給するための放射線源を含む。照明器が、放射線パルスを受け入れ、各放射線パルスを±１０％以下の空間均一性でマスク面に実質的に均一に分散させるように配置されている。また、照明器から出射した放射線パルスの各バーストに実質的に均一に照射されるようにマスクを支持することができるマスクホルダが含まれる。また、システムは、マスク又はその近傍に配置された物体平面と、ワークピース又はその近傍に配置された像平面と、像平面内のイメージフィールドとを有する投影レンズを含む。投影レンズのイメージフィールドは、従来のリソグラフィーシステムの２分の１未満の像平面積をカバーするサイズを有し、マスクの描画は従来のリソグラフィーシステムで使用されるマスクの２分の１未満の細かさでよい。投影レンズはマスクを透過した放射線を受け入れるように配置され、イメージフィールド内でワークピース上にマスクイメージを形成する。ワークピースステージが、像平面又はその近傍でワークピースを支持するために設けられている。ワークピースステージは、連続したマスクイメージを、対応する隣同士の露光フィールドに放射線パルスバーストによって露光できるようにワークピースをステップ移動させるようになっている。
【００２２】
本発明の別の態様は、マスクの連続するイメージでワークピースを高速に露光し、露光フィールド当たり単一の放射線パルスを使用して複数の露光フィールドを形成するための費用効果の高いリソグラフィーシステムである。このシステムは、光軸に沿って、±１０％以下のパルス間均一性を有する放射線パルスを供給するための放射線源を含む。照明器が、放射線パルスを受け入れ、各放射線パルスをマスク面に実質的に均一に分散させるように配置されている。また、照明器から出射した各放射線パルスによって実質的に均一に照らされるようにマスクを支持することができるマスクホルダを含む。また、システムは、マスク又はその近傍に配置された物体平面と、ワークピース又はその近傍に配置された像平面と、像平面内のイメージフィールドとを有する投影レンズを含む。投影レンズはマスクを透過した放射線を受け入れるように配置され、イメージフィールド内でワークピース上にマスクイメージを形成する。ワークピースステージが、像平面又はその近傍でワークピースを支持するために設けられている。ワークピースステージは、マスクイメージに顕著なスメアーを発生させることなく、連続したマスクイメージで隣同士の露光フィールドを単一の放射線パルスによって露光できる速度で、ワークピースを走査経路上で移動させる。
【００２３】
本発明のさらに別の態様は、放射線源からの放射線パルスのパルス間均一性を安定化させるように放射線源の下流に配置されたパルス安定化系である。
【００２４】
本発明の別の態様では、本発明の費用効果が高いリソグラフィーシステムは、放射線源に操作できるように接続された放射線源コントローラーと、ワークピースステージの移動を制御するためのワークピースステージ位置コントローラーとを含む。放射線源の動作とワークピースステージの移動は、基準に対して相対的なワークピースステージの正確な位置を計測する計測装置によって容易にすることができる。計測装置は、放射線源コントローラーに電気的に接続され、放射線パルスを走査経路上のワークピースの移動に合わせるために必要な位置情報を供給する。
【００２５】
本発明の別の態様では、ワークピースはイメージ形成面を含み、各放射線パルスは、イメージ形成面を除去することはないが露光できるエネルギーを有する。
【００２６】
本発明のさらなる態様は、投影レンズを使用してワークピース上に複数の露光フィールドを形成する方法である。投影レンズは、パターンを有するマスクが支持される物体平面と、マスクイメージが形成されるイメージフィールドを有する像平面と、を有する。この方法は、イメージフィールドと相対的にワークピースを位置合わせし、その後、複数の放射線パルスをマスクに照射する工程を含む。放射線パルスは、好ましくは１０％（３σ）以下、より好ましくは１％（３σ）以下の良好なパルス間均一性（すなわち、露光量のばらつきがほとんどないこと）を有する。また、放射線パルスは、好ましくは１０％（３σ）以下、より好ましくは１％（３σ）以下の良好な物体平面上の空間的な照度均一性を有する。この方法は、投影レンズによってマスクを透過した放射線パルスの一部を集光し、各放射線パルスによって別々のマスクイメージを形成する工程をさらに含む。集光工程では、各マスクイメージが、対応する別々の露光フィールドを形成するように、像平面においてワークピースを連続的に走査経路上を移動させる。
【００２７】
本発明の別の態様は上述した方法であって、マスクイメージをワークピース上の１つ又はそれ以上の既存の露光フィールドと位置合わせする工程をさらに含む。
【００２８】
本発明の別の態様は上述した方法であって、パルス安定化系を通して放射線パルスを送り、パルス間均一性を向上させる工程を含む。
【００２９】
本発明のさらなる態様は、物体平面と、像平面と、イメージフィールドとを有する投影レンズを使用して、ワークピース上に連続的に配置された複数の露光フィールドを高速に形成する方法である。この方法は、パターンを有するマスクを物体平面又はその近傍で支持し、連続的に配置された露光フィールドが形成されることになっているワークピースのワークピースステージを、走査経路上をイメージフィールドと相対的に像平面内において移動できるように配置する工程を含む。この方法は、放射線パルスをマスクに照射し、透過した放射線を投影レンズによって集光し、イメージフィールド内に各放射線パルスによるマスクイメージを形成する工程をさらに含む。マスクに光を照射している間には、前後する放射線パルスが隣同士の露光フィールドを形成するようにワークピースステージを連続的に走査経路上で移動させる。
【００３０】
本発明の別の態様は上述の方法であって、隣同士の露光フィールドは、ワークピース上に形成された既存の露光フィールドとずれないように並列に形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明はリソグラフィーに関し、さらに詳細には、デバイスの製造において、リソグラフィー露光を高速かつ費用効果的に行うためのシステムと方法に関する。本発明は、パルスとパルスの間でも基板ステージが連続的に移動することができる程度に短時間の単一パルス放射線を各フィールドに照射する動作モードに適している。
【００３２】
以下の説明では、本発明の費用効果が高いリソグラフィーシステムの主要な要素の概観を最初に述べる。次に、従来のリソグラフィーシステムとの相違に重点を置きながら、システムの重要な各要素を詳細に説明する。次に、本発明の費用効果が高いリソグラフィーシステムを使用して、高速かつ費用効果的にデバイスを製造する方法について説明する。ここで、単一パルスをフィールドに照射する動作モードを、「フラッシュ・オン・ザ・フライ」モードと呼ぶ。本発明のリソグラフィーシステムは、従来の「ステップ・アンド・リピート」モードでも動作することができるが、ここでは「フラッシュ・オン・ザ・フライ」システムとも呼ぶ。
【００３３】
以下の説明と図面では、同一の要素には同一の参照番号を付した。
【００３４】
リソグラフィーシステムの概観
図１に示すように、本発明のリソグラフィーシステム１０は、光軸Ａ１に沿って、放射線源コントローラー１６と電気的に接続された放射線源１４を含む。本発明において、全体的に、「放射線源」とは、可視光線から軟Ｘ線の範囲の波長を含む放射線を放出するための光源をいう。放射線源のパルス間の安定性を改善する必要がある場合に、放射線源から放出された放射線パルス間に均一性を与えるためのパルス安定化系１８が、選択的に、放射線源１４の隣りに設けられる。
【００３５】
システム１０は、光軸Ａ１に沿って、照明系２４と、マスク面ＭＰにおいてマスクＭを支持するマスクホルダー３０とをさらに含む。システム１０は、マスク面ＭＰと実質的に一致するように配置された物体平面ＯＰと、開口絞りＡＳと、像平面ＩＰと、を有する投影レンズ４０を含む。ワークピースステージ５０は、像平面ＩＰ又はその近傍において投影レンズ４０の隣に配置され、イメージ形成面ＷＳを有するワークピースＷを支持することができる上面５２を有する。ワークピースステージ５０には、ワークピースステージの位置を正確に計測するための計測装置６２を含むワークピースステージ位置制御系６０が電気的に接続されている。計測装置６２は、放射線源コントローラー１６に電気的に直接接続されている。焦点系７２は、ワークピースＷに動作を伝えられるようように、（例えば、図示するように投影レンズ４０に隣接して）配置され、投影レンズ４０に対するワークピースのイメージ形成面ＷＳの位置を検知する。焦点系７２は、電気信号を生成し、その電気信号は、制御系６０に送られて、ステージ５０がワークピースの軸方向の位置を調節する。
【００３６】
システム１０は、ワークピースＷと光学的に接続して配置され、基準（例えば、投影レンズ４０によってワークピースに映し出されたマスクアライメントキーの像）に対してワークピースを位置合わせするためのアライメント系７０をさらに含む。ワークピースステージ５０に操作できるように接続されたワークピース処理系８０が、ワークピースステージとワークピース保管部８４との間でワークピースを搬送するために設けられている。システムコントローラー９０は、放射線源コントローラー１６、パルス安定化系１８、照明系２４、ワークピースステージ位置制御系６０、焦点系７２、アライメント系７０、ワークピース処理系８０と電気的に接続され、以下に詳細に説明するように、これらの系の動作を制御・調整する。
【００３７】
放射線源
ワークピースの高速（１〜１００Ｈｚ）かつ均一な単一パルスの照射を可能とするために、放射線源１４は本発明のフラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードを行うための重要な要素である。リソグラフィーシステム１０で使用するために必要な放射線源１４の特性を正しく理解するために、本発明で発生し得る照度むらの原因について述べる。
【００３８】
ワークピースＷのイメージ形成面ＷＳに、リソグラフィーシステム１０によってイメージを形成する際に影響を与える照度むらには２つの原因がある。第１の原因は、フラッシュ・オン・ザ・フライモード動作で重要な、放射線源のパルス間エネルギーのばらつきである。第２の原因は、露光に使用されるパルス数に関係なく、所定のパルスにとっての、露光フィールド上でのエネルギーのばらつき（空間的な不均一性）である。
【００３９】
リソグラフィーシステム１０においてフラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードで単一パルスの露光を行う際に、転写されるパターンの臨界寸法がワークピースのイメージ形成面の露光量のばらつきによって影響を受けないように、パルス間の露光量のばらつきは十分に小さくなくてはならない。露光フィールド間の臨界寸法のばらつきによって、デバイスの性能が悪影響を受けることがある。
【００４０】
したがって、放射線源１４は、パルス放射線源であり、パルスレーザー、フラッシュランプ源あるいはその他のパルス放射線発生器であってもよく、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードで使用された場合に、パルス間のばらつきをほとんど生じることなくパルスを生成することができるものである。解像度が制限された画像サイズでの半導体集積回路の製造を含む多くの用途では、露光量のばらつきは理想的には１％（３σ）以下である。一方で、微小ではないＩＣ層やボンディングパッドを転写するなどの用途では、露光量のばらつきは５％（３σ）以下でもよい。「バンプリソグラフィー（すなわち、集積回路基板に配線を形成する際のはんだバンプの形成）」など、照度均一性がそれほど重要ではない用途では、露光量のばらつきは１０％（３σ）以下でもよい。
【００４１】
照明系は、通常は、放射線源からの放射線を混合して均一な出力を生成する素子を含む。しかし、このような放射線の混合は、混合される放射線が非干渉性あるいはほぼ非干渉性であり、強度が直線的に増す場合にのみ有効である。放射線が光路長にわたってスペクトル的に純粋（すなわち、干渉性）である場合には、ビームの異なる部分を結合することによって、均一性を悪化させる干渉効果が生じることがある。例えば、混合出力は、フィールドでの破壊的干渉によって完全に相殺され、±１００％の不均一性をもたらすこともある。
【００４２】
干渉効果によって引き起こされた照度むらは、レーザー放射線源の空間モード数を増加させることによって低下させることができる。干渉効果による照度むらは、本発明でｍ４と定義する空間レーザーモード数の平方根にほぼ反比例する。したがって、以下の関係が得られる。
【００４３】
パルス放射線源１４は、約１ナノ秒より長く、約１ミリ秒（好ましくは１０マイクロ秒、さらに好ましくは１マイクロ秒）よりも短いパルス持続時間で放射線パルスを放射できることが好ましい。単一パルス露光のパルス当たりのエネルギーは、ワークピースのイメージ形成面ＷＳの感光性、投影レンズのイメージフィールドＩＦのサイズ、光学縦列（すなわち、照明系２４、マスクＭ、投影レンズ４０）の透過率に依存する。複数の放射線パルスが露光フィールドを形成するために使用される場合には、放射線パルスは、２以上のパルスバーストとして放出することができる。実施の形態では、所望の露光量を達成するために１バースト当たり１００以上のパルスを使用してもよい。
【００４４】
リソグラフィーシステム１０の用途の多くでは、ワークピースＷは、フォトレジスト層としてのイメージ形成面を有する半導体ウエハである。フォトリソグラフィーに使用される遠紫外線フォトレジストは、５ｍＪ／ｃｍ２から３０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー量で露光する必要がある。光学縦列の効率が２５％であり、イメージフィールドサイズが１１ｍｍ×１１ｍｍであり、フォトレジストの感度が２５ｍＪ／ｃｍ２であるとすると、放射線源１４からの必要とされる露光エネルギーは１２０ｍＪのオーダーである。フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードにおいて２０Ｈｚの周波数では、２．４Ｗの平均出力が必要である。ただし、これらの数字は例であり、特定の用途によって異なることは当業者には明らかであろう。パルスの周波数は、放射線源１４の最大出力性能によって制限される。
【００４５】
通常は、放射線源１４の出力は、ワークピースのイメージ形成面ＷＳが露光されるが消散しない範囲であることが好ましい。例えば、入射露光量が２５ｍＪ／ｃｍ２の単一パルスの３０％がイメージ形成面としての１μｍ厚のフォトレジスト層に吸収されるとすると、その結果として生じる温度上昇は、伝導損失を無視すると１００℃超である。このような温度上昇は、ほとんどの遠紫外線フォトレジスト系にとっては処理できるものである。
【００４６】
以下に詳細に説明するように、リソグラフィーシステム１０において、ワークピースステージ５０は、フラッシュ・オン・ザ・フライモードあるいはステップ・アンド・リピート動作モードでの露光中及び露光と露光の間にワークピースＷを移動させるために使用される。フラッシュ・オン・ザ・フライモードでは、パルス持続時間とパルス周波数によって、ワークピースステージ５０の最高速度が制限されることがある。パルス露光中に像のスメアーが検知されるのを避けるために、パルス露光中のワークピースステージ５０の動きは、転写される最小画像サイズよりも小さくなければならない。
【００４７】
許容できる像のスメアーの量は驚くほど大きいが分かっている。例えば、最小画像サイズの２０％に相当する像のスメアーはほとんど知覚できない。レンズフィールドサイズが１１ｍｍ幅であり、最小画像サイズが０．１μｍであり、レーザー露光パルスの持続時間が１０ナノ秒である場合、最大走査速度は２ｍ／秒であり、対応するレーザーパルス周波数は１８０パルス／秒である。スペクトルの他端で、画像サイズが３μｍであり露光パルスの持続時間が１マイクロ秒であれば、最大走査速度が６００ｍｍ／秒であるとともにパルス周波数が５４パルス／秒であることが必要となる。
【００４８】
本発明のリソグラフィーシステム１０に適する放射線源１４としては、市販の放射線源を改造する必要がある。市販レーザーを製造用途に使用するときは、単一あるいは極めて少数（ｍ４＜１０）の空間モードの干渉性の高いレーザーが必要とされているからである。ただし、エキシマレーザーは、その特徴として、十分に非干渉性であるから本発明での使用に適するほど十分に高いモード数で発振する。また、エキシマレーザーは、２４８ｎｍ（ＫｒＦ）、１９３ｎｍ（ＡｒＦ）あるいは１５７ｎｍ（Ｆ２）の望ましいリソグラフィー波長で動作する。しかし、サイマー社製（Ｃｙｍｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、カリフォルニア州サンディエゴ）やラムダ・フィジック社製（Ｌａｍｂｄａ Ｐｈｙｓｉｋ、ゲッティンゲン、ドイツ）などの代表的なリソグラフィー用エキシマレーザーは、優れたパルス間安定性（例えば、約１０％（３σ））を有しているわけではない。このようなレーザーを使用するシステムは、１％（３σ）という究極的な照度均一性を達成するために、パルスを平均しなければならない。特定の用途のために本発明での使用に適するエキシマレーザーは、２％（１σ）と公表されるパルス間安定性を有する遠紫外線エキシマレーザーを製造するＴＵＩレーザー社（ＴｕｉＬａｓｅｒ ＡＧ、ミュンヘン、ドイツ）から入手することができる。この公表された特性を超えるパルス間安定性は、ＴＵＩレーザー社のレーザーを本発明の特定の用途に適するように改造することによって得ることができる。
【００４９】
フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードで使用する場合には、固体レーザーも本発明のリソグラフィーシステム１０の放射線源１４として望ましいものである。固体レーザーは、優れたパルス間安定性（通常は１％（３σ）以下）を有し、出力波長がエキシマレーザーのリソグラフィー波長の１つと一致するように周波数を逓倍することができるからである。しかし、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーやアレキサンドライトレーザーなどの市販の固体レーザーのほとんどは高い干渉性を有しているため、本発明においては、上述した小規模な照度むらが発生する。
【００５０】
したがって、本発明の目的を達成するためには、固体レーザーは、使用することはできるが、上述したように大きな空間モード数（ｍ４）で動作するように設計しなければならず、遠紫外線波長を得るために周波数を逓倍しなければならない。マルチモード固体レーザーは実際に最初に開発されたレーザーではあるが、広範囲にわたる用途に使用できないために、普通市販されていない。マルチモード固体レーザーは、スペクトルバンド幅が従来の全屈折投影光学系で使用できないほど大きいというのが主たる理由であるが、現在のリソグラフィーシステムでは使用されていない。
【００５１】
コンテニュアム社（Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ，Ｉｎｃ．、カリフォルニア州サンタクララ）は、本発明者らのために、放射線源１４としての使用に適するマルチモードの周波数逓倍固体レーザーを、１６ナノ秒（ＦＷＨＭ）のパルス持続時間で波長５３２ｎｍの放射線を出力する、周波数２倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザーとして製造した。このレーザーをリソグラフィーに使用するためには、出力周波数を２倍にして２６６ｎｍの出力波長を得ることが必要である。大きな空間モード数で動作するように改造した場合に、本発明に適したレーザー放射線源として使用できる他の固体レーザーとしては、１０４７ｎｍ〜１０５３ｎｍ、７３０ｎｍ〜７８０ｎｍ、７００ｎｍ〜９００ｎｍの波長のレーザー光をそれぞれ放出するＮｄ：ガラスレーザー、アレキサンドライトレーザー、Ｔｉ：サファイアレーザーが挙げられる。これらのレーザーは、周波数を２倍、３倍、あるいは４倍にして、非常に感度の優れたフォトレジストを利用することができる遠紫外線（２６６ｎｍ未満）で動作するようにすることができる。可能な波長としては、４倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（２６６ｎｍ）、３倍アレキサンドライトレーザー又はＴｉ：サファイアレーザー（２４８ｎｍ）、４倍アレキサンドライトレーザー又はＴｉ：サファイアレーザー（１９３ｎｍ）が挙げられる。
【００５２】
別の好適な放射線源としては、電磁スペクトルの周波数領域である６ｎｍ〜ｌ４ｎｍの波長で動作するキセノンプラズマ源が挙げられる。
【００５３】
本発明の特定の用途（例えば、バンプリソグラフィー）に好適なさらに別の放射線源１４としては、投影レンズが補正されるスペクトル部分と同一のスペクトルの放射線を放出する充填ガスを含むフラッシュランプが挙げられる。例えば、水銀充填フラッシュランプは、バンプリソグラフィーに使用されるレジストの多くが感応性を示す、スペクトルのほぼ近紫外領域（例えば、約３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長）の放射線を放出する。この場合、ランプからのパルス持続時間は１０〜１００マイクロ秒の範囲であり、光学系によって形成される最小画像サイズの幅は２５〜５０μｍである。１０マイクロ秒のパルス持続時間で１０μｍのぼやけが許容できると仮定すると、１ｍ／秒の最大走査速度が得られる。そのような走査速度によって、非常に高いスループットを有するリソグラフィーシステムが確実に得られる。
【００５４】
放射線源コントローラー
放射線源１４は、放射線源からの放射線パルスの放出を制御するための放射線源コントローラー１６に電気的に接続されている。放射線源コントローラー１６は、計測装置６２に電気的に接続され、システムコントローラー９０に電気的に接続されている。後述するように、放射線パルスの制御が必要なのは、投影レンズによって映し出されたマスクパターンがワークピース（例えば、既存の露光フィールドあるいはアライメントマーク）と位置合わせされる時にのみワークピースに放射線が照射されることを保証するためである。
【００５５】
イメージ形成面ＷＳ上の露光フィールドＥＦの予測位置情報は、システムコントローラー９０によってアライメント系７０から得られ、ワークピースＷに放射線を照射する前に放射線源コントローラー１６に送られる。計測装置６２からの実際のワークピースステージ位置の情報は、継続的に放射線源コントローラー１６に送られる。放射線源コントローラー１６は、放射線源１４からパルスバーストあるいは単一パルスを放出する正確な時間を決定する。フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードにおいて単一パルスの放射線によって露光する場合では、３つの遅延時間を考慮に入れる必要がある。まず、「データエージング」と呼ばれる、計測装置６２からの位置情報の遅延時間ΔＴ１がある。第２に、信号が放射線源コントローラー１６から送られる時間と、ワークピースＷに放射線パルスの中間点が到達する時との間の遅延ΔＴ２がある。例えば、パルス持続時間が３０ナノ秒である場合には、中間点はいずれの端からも１５ナノ秒である。第３に、ワークピースステージ位置の予測位置と望ましい位置とを計算し、比較することに関連する遅延時間ΔＴ３がある。これらの遅延は素早く測定・計算でき、かつ一定である。放射線源コントローラー１６は、パルスが発生する前の種々の遅延を考慮に入れて、放射線パルスの出射を開始するための信号を発生する必要がある。遅延成分であるΔＴ１＋ΔＴ２＋ΔＴ３は、走査速度によって逓倍され、露光フィールドＥＦの望ましい位置に適用される位置ずれを生成する。修正された望ましい位置は、計測装置６２からの到達位置データと比較され、両者が同じ場合にはトリガパルスを生成する。
【００５６】
一実施の形態では、放射線源コントローラー１６は、ウィンド・リバー・システムズ社製（Ｗｉｎｄ Ｒｉｖｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．、カリフォルニア州アラメダ）のリアルタイムＯＳであるＶｘＷｏｒｋｓ（登録商標）を走らせるマーキュリー・コンピューター・システムズ社製（Ｍｅｒｃｕｒｙ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ、マサチューセッツ州チェルムスフォード）のＲａｃｅ＋＋ＶＭＥバスコンピュータシステムを含む。
【００５７】
パルス安定化系
パルス間のエネルギーのばらつきは、周波数逓倍固体レーザーで発生することがあり、周波数逓倍プロセスによって悪化する。したがって、放射線源１４として使用される周波数逓倍固体レーザーや大部分のタイプのエキシマレーザーでは、放射線源のパルス間均一性を許容できるレベルまで改善するために、システム１０にパルス安定化系１８を設けることが必要である。このことは、各露光に単一パルスを使用するフラッシュ・オン・ザ・フライモードでは特に重要である。
【００５８】
図２Ａは、本発明のパルス安定化系１８の第１の実施の形態を示す。系１８は、放射線源１４から下に向かって、第１及び第２の光路Ｐ１及びＰ２を形成する第１のビームスプリッターＢＳ１を含む。検出器１０２が、第２の光路Ｐ２に沿って配置されている。第１の光路Ｐ１に配置されたポッケルスセル１０８に電気的に接続されたポッケルスセル駆動系１０６に電気的に接続された積分回路１０４が、検出器１０２に電気的に接続されている。本発明に好適なポッケルスセル及び関連電子部品は、クリーブランド・クリスタルズ社（Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ、オハイオ州クリーブランド）の部品番号ＩＰＤ２５４５として入手することができる。光路Ｐ１は、３つのミラーＭ１〜Ｍ３を含む光学系として示される遅延ライン１１０を含む。
【００５９】
図２Ｂ〜２Ｅに示すように、動作時には、放射線源１４は、ビームスプリッターＢＳ１によって第１の光路Ｐ１に沿って進むビーム１１２ａ及び第２の光路Ｐ２に沿って進むビーム１１２ｂに分割される放射線パルス１１２を放出する。放射線ビーム１１２ｂは、放出された放射線１１２（図２Ｂ）の小さな（しかし、明確な）部分だけであることが必要である。検出器１０２は、放射線ビーム１１２ｂの瞬間的な強度を測定し、放射線ビームの強度Ｉに比例した信号Ａを生成する（図２Ｂ）。この信号は、信号を積分する積分回路１０４へと通過し、放射線ビーム１１２ｂによって与えられたエネルギー量が測定される（図２Ｃ）。積分された信号は、ポッケルスセル駆動系１０６へと通過する。所定の信号閾値Ｔ（所定のエネルギー閾値に相当）に到達すると、系１０６はポッケルスセル１０８をさせる起動信号を送り（図２Ｄ）、光路Ｐ１に沿って進む放射線ビーム１１２ａの伝達を遮断する。
【００６０】
その結果、パルスの尾部分が欠けている以外は放出された放射線パルス１１２と同一の形状を有する切り欠き放射線パルス１１３（図２Ｅ）が得られ、放射線パルス１１３はすべての出力放射線パルス１１２を実質的に均等化するように断ち切られている。すなわち、放射線パルス１１３は、望ましい全体的なパルスエネルギーの尺度である閾値に実質的に対応するエネルギー量を有する。放射線パルス１１３が尾部分で鋭く断ち切られて欠如しているのは、通常は１〜２ナノ秒であるポッケルスセルの立上り時間によるものである。この実施の形態では、ポッケルスセル１０８はＯＮ／ＯＦＦスイッチとしてのみ動作し、各放射線パルスの尾部分以外の全体を伝達する。
【００６１】
遅延ライン１１０は、放射線ビーム１１２ａがビームスプリッターＢＳ１から検出器１０２まで進み、検出器が対応する電気信号を生成し、積分回路１０４が信号を積分し、ポッケルスセル駆動系１０６が信号をポッケルスセル１０８に送るために要する時間にわたって、放射線ビーム１１２ａがポッケルスセル１０８に到達するのを遅らせる光学系（図ではミラーＭ１〜Ｍ３を含む）である。この遅延は、一般的に、約１０フィートの遅延ラインの長さに対応する１０ナノ秒のオーダーである。したがって、ポッケルスセル１０８が放射線パルス１１２ａを切断するポイントは、積分されたパルス強度（エネルギー）が所定の閾値に達したポイントに対応する。これにより、閾値Ｔが（予想される）最低のパルスエネルギーの統合されたエネルギーよりも低く設定される場合には、すべての出力パルス１１３は同一のエネルギーあるいは照射能力を有する。ポッケルスセル１０８の動作は、入力ビームを直線偏光させるか、直交偏光は通過するが光路Ｐ３に沿ったものと同一の偏光を遮断する偏光器ＢＳ２を出力側に有するか、にかかっている。
【００６２】
例えば、エキシマレーザーなどの場合には、レーザー出力は偏光されない。偏光ビームは、偏光感受型ビームスプリッターに出力ビームを通過させることによって生成することができる。意図しない偏光が遮断されると、５０％未満の効率となる。したがって、ビームスプリッターによって生成される２つの偏光ビームを結合することができれば有利である。
【００６３】
したがって、図２Ｆに示すように、パルス安定化の別の実施の形態では、パルス安定化系１８は、ビームスプリッターＢＳ３を介して、放射線ビーム１１２を直交偏光したビーム１１２ｃと１１２ｄに分離することを含む。偏光の一方（例えば、ビーム１１２ｄの偏光）は、ビーム１１２ｄの光路に配置された半波長板ＨＷＰによって他方の偏光に変換され、ビーム１１２ｃ’が形成される。ビーム１１２ｃ及び１１２ｄは、例えば、フォールドミラーＭ４〜Ｍ６を含む光学系によって再結合される。ビーム１１２ｃ及び１１２ｃ’は同一の偏光を有するため、これらは効率的に直線的には結合されず、並べて配置することによって結合することができる。この場合、ビーム１１２ｃ及び１１２ｃ’は、ビームの一方（例えば、図示するようにビーム１１２ｃ）を（刃形）ミラーＭ６で反射させ、他方をミラーの反射エッジによって通過させることによって結合させることができる。結合された出力ビームは、図２Ａに示すパルス安定化系のビームスプリッターＢＳ１の方向に向かい、図２Ａに関連して説明したように処理される。
【００６４】
図２Ｇは、ポッケルスセル１０８を通過する放射線ビームのエネルギー量を低下させる構成を有するパルス安定化系１８の別の実施の形態を示す。図２Ｇに示す系１８は、ビームスプリッターＢＳ４及びＢＳ５をそれぞれ光路Ｐ１及びＰ３に含み、ビームスプリッターＢＳ２の代わりにフォールドミラーＭ７が設けられている点以外は、図２Ａに示すシステムと同様である。放射線パルス１１２は、偏光されているか、あるいは偏光されたものとする。遅延ライン１１０から戻った放射線ビーム１１２ａは、偏光ビームスプリッターＢＳ４によって２つの部分１１２ａ１及び１１２ａ２に分離される。好ましくは放射線ビーム１１２ａの大部分である放射線ビーム１１２ａ２は、ポッケルスセル１０８をバイパスする光路Ｐ４に反射される。放射線ビーム１１２ａｌはポッケルスセル１０８を通過し、上述したように減衰される。放射線ビーム１１２ａ２は、光路Ｐ３に沿って偏光感受性ビームスプリッターＢＳ５によって完全に反射される。同様に、ミラーＭ７は光路Ｐ３に沿って出力ビーム１１３を反射し、ビーム１１２ａ２及び１１３が結合して、出力ビーム１１４を形成する。偏光感受性ビームスプリッターＢＳ４によって分離される光量は、ビームスプリッターを通る光軸の周りにビームスプリッターを回転させるだけで調節することができる。
【００６５】
ポッケルスセル１０８を通過する放射線ビーム１１２ａ１は、放射線パルス１１２のエネルギー量を均等にするために十分な量だけ減衰される。この場合、ポッケルスセル１０８は、ビームの一部のみを通過させるスイッチあるいは可変減衰器として動作する。ポッケルスセル１０８を通過する放射線ビーム１１２ａ１は、放射線１１２ａの大部分である放射線ビーム１１２ａ２と結合されたときに、結合ビーム１１４が非常に安定したパルスエネルギー量を有する放射線パルスからなるように減衰される。この実施の形態では、遅延ライン１１０は、放射線ビーム１１２ａ１が入射する前に正確にポッケルスセル１０８を減衰させることができるか、ビーム１１２ａ１が適正な比率で切り欠かれるために十分な長さでなければならない。他の可能性としては、偏光されていない放射線パルスから開始し、偏光感受性ビームスプリッターによって減衰される部分を抽出することが挙げられる。この場合、偏光・減衰されたビームと偏光されていないビームは、図２Ｆに関連して説明したように、刃形ミラーを使用して並行するように再結合させなければならない。
【００６６】
図２Ｇに示すパルス安定化系の動作の例として、放射線源１４は、最大パルス間照射量（エネルギー）のばらつきが９０〜１１０ｍＪと測定される。放射線源１４から出射したときにＸｍＪの照射量を有するパルスを測定し、ポッケルスセルでの減衰（Ａ）を次のように計算する。
Ａ＝（９０−０．８Ｘ）／０．２Ｘ （２）
放射線パルス１１２ａは、放射線パルス１１２ａの強度の８０％が放射線パルス１１２ａ２として光路Ｐ３に沿って直接出力され、パルスの２０％（放射線パルス１１２ａ１）がポッケルスセル１０８によって係数Ａだけ減衰され、パルス１１２ａ２と結合される前に放射線パルス１１３を形成するように、遅延ライン１１０を通過する。得られる出力パルス１１４の強度（ＩＯ）は、以下の式で表される。
ＩＯ＝０．８Ｘ＋０．２Ｘ（９０−８Ｘ）／０．２Ｘ＝９０ｍＪ （３）
したがって、出力パルスエネルギーは、９０〜１１０ｍＪのいかなる入力においても常に９０ｍＪである。
【００６７】
図２Ｈに示すように、パルス安定化系１８の別の好ましい実施の形態では、入力された放射線パルスを２つの部分に分けてその一方が一定の出力パルスを生成するために減衰される代わりに、同時又はほぼ同時に動作する２つの放射線源を使用することができる。図２Ｈに示す系１８は、図２Ａに示す系に加えて第２の放射線源１４ａを含む。好ましい実施の形態において、第２の放射線源１４ａは、放射線源１４からの放射線パルス１１２よりも大きな放射線パルス１１５を出力することができる。レーザー源１４ａに関連して、放射線ビーム１１５ａ及び１１５ｂを形成するビームスプリッターＢＳ１ａと、図２Ａに関連して説明したようにポッケルスセル駆動系１０６に電気的に接続された積分回路１０４ａに電気的に接続された検出器１０２ａとが設けられている。したがって、系１０６に両方の放射線源からの出力が入力される。フォールドミラーＭ８〜Ｍ１０は、ビーム１１５ａ及び１１３を共通のフォールドコーナーミラーＭ１１によって結合することができるように光路を折り曲げる光学系として作用する。
【００６８】
したがって、動作時には、１つの放射線源（１４ａ）はパルス出力の大部分を供給し、他方（１４）は、最大のレーザーからの最大パルス以上のエネルギーを全てのパルスが有するために必要とされる付加的な出力を供給する。放射線源１４からの照射量をＳ、１５からの照射量をＢとすると、閾値Ｔは放射線源１４ａからの最大パルス波高よりも大きく設定され、放射線源１４からの放射線パルスに適用される減衰（Ａ）は以下のように与えられる。
Ａ＝（Ｔ−Ｂ）／Ｓ （４）
放射線源１４ａからの減衰していない放射線パルス１１５ａと、係数Ａによる切り取りを介して減衰した放射線源１４からの放射線パルス１１３を結合すると、出力パルス１１４の強度（ＩＯ）は以下のようになる。
ＩＯ＝Ｂ＋Ｓ（Ｔ−Ｂ）／Ｓ＝Ｔ （５）
したがって、出力は常に閾値Ｔに等しい。
【００６９】
本発明の別の実施態様では、パルストリミングを基本周波数で、あるいは最終周波数の低周波数倍数で適用し、トリミングされたパルスに対して最終周波数変換を行うことができる。この実施態様の利点は、系１８のための部品を容易に得ることができ、低い周波数でパルス安定化を効率的に行うことができること、すなわち、例えば１９３ｎｍではなく７７２ｎｍあるいは３８６ｎｍでポッケルスセルを容易かつ効率的に動作させることができることである。
【００７０】
照明系
図１に示すように、システム１０は、軸Ａ１に沿って放射線源１４に隣接する、放射線源１４からの放射線が入力されるように配置された照明系（あるいは「照明器」）２４をさらに含む。
【００７１】
上述したように、本発明のリソグラフィーシステムにおける照度むらの第２の原因は、各露光パルスの露光フィールドでのエネルギーの空間的なばらつきである。したがって、パルス間のエネルギーのばらつきが完全に解消されたとしても、各放射線パルスはマスク上に均等かつ均一に分散されなくてはならない。
【００７２】
したがって、照明器２４は、下流のマスク面ＭＰに均一に光を照射する。マスク面ＭＰは、パターン３４が形成された下流表面３２を有する平坦なマスクＭを支持するマスクホルダ３０によって定められる。パターン３４は、バイナリマスク（例えば、透明なガラス上にクロムパターンを形成）、フェーズマスク（例えば、パターニングされた相誘発誘電材料によって相変化を生成）、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。パターン３４は、通常は、不透明及び透明なラインの可能な限り微細なパターンを形成するために繰り返し使用される場合に、最大マスク変調周波数と呼ぶ最大変調周波数を定義する最小画像サイズを有する。マスクのイメージは、それに関連する最大イメージ変調周波数を有する。マスク及びマスクイメージ変調周波数は、パターン３４及びマスクイメージをそれぞれ形成する最小画像サイズに対応する最大変調周波数である。
【００７３】
マスクＭは、通常は石英又は放射線源１４からの放射線の波長に対する透過性を有するその他の適当な材料からなる（マスクが反射マスクである場合と、基板材料の透過性が重要でない場合を除く）。システム１０がＥＵＶ放射線を使用する場合には、マスクＭは反射するものである。二進反射マスクは、反射層をパターニングされた吸収体層で被覆することによって形成する。本発明の実施の形態では、３０００枚以下のワークピースを処理することによってマスクＭのコストは償却される。これは、システム１０の所有コストを考慮に入れたものであり、半導体装置の製造を含む種々の用途のためにワークピースを費用効果的にパターニングすることができる。
【００７４】
マスク上の情報量は、最小画像サイズとパターニングされた面積に依存する。マスクからの情報はワークピース（例えば、ウエハ）に転写された情報と同一であるため、マスクの情報はウエハ上の単一の転写フィールドに含まれると考えることができる。これは、単に、最小画像サイズをどれだけ正確に配置することができるかを示す、距離の２乗によって割られた（露光）フィールドの面積である。通常は、この距離は最小画像サイズの５分の１から１０分の１である。したがって、係数が１０とすると、フィールド当たりの情報（Ｉ）は次のように与えられる。
Ｉ＝（フィールド面積）／（（最小画像サイズ）／１０）２ （６ａ）
又は
Ｉ＝１００（フィールド面積）／（最小画像サイズ）２ （６ｂ）
フィールドの情報は、マスクの書込と検査にどのくらいの時間がかかり、リペアを必要とする欠陥がどのくらい見つかるかを決定するため、重要である。従来のシステムの半分未満のフィールドサイズを使用することによって、サイズの縮小に比例して、マスク書込時間、検査時間、リペアを要するマスクの欠陥数を減らすことができる。マスクのコストは、書込み、検査、リペアのコストによって占められているため、従来よりも小さなイメージフィールドサイズの投影レンズを有するリソグラフィーシステムでは、マスクのコストをかなり低下させることができる。例えば、２２ｍｍ×２２ｍｍのフィールドサイズに通用する最新のレチクルは５万ドルもする。フィールドサイズとは関係なくレチクルに４千ドルの固定費がかかるとすると、１１ｍｍ×１１ｍｍのフィールドサイズしか通用しない同様なレチクルのコストでも約１５，５００ドルである。したがって、従来のフィールドの半分の幅を有する小さなイメージフィールドに使用されるレチクルは、より大きなイメージフィールドに使用されるレチクルの３１％のコストで済む。
【００７５】
小フィールドサイズに通用することのさらなる利点は、レチクルとワークピースとの間の縮小倍率を大きくすることができることである。例えば、レチクルに使用される基板のサイズは、通常は６インチ×６インチで標準化されている。このため、３３ｍｍ×２６ｍｍのフィールドサイズのステップ・アンド・スキャンシステムの最大縮小倍率は４に設定され、２２ｍｍ×２２ｍｍのステップ・アンド・リピートシステムでは縮小倍率は５に設定される。しかし、１１ｍｍ×１１ｍｍのフィールドサイズの縮小倍率は６あるいは１１でさえあり得る。高い縮小倍率によってレチクルの書込みが容易になり、レチクルのコストをさらに低下させることができる。縮小倍率がレチクルの情報量に影響を与えることはない。
【００７６】
図３に示すように、照明系２４は、放射線源１４から軸Ａ１に沿って、放射線源から放出されたパルス放射線を減衰させるための可変減衰器１２０をさらに含む。可変減衰器１２０は、パルス放射線の減衰量を制御する減衰器制御部１２４によって操作されるように接続されている。減衰器制御部１２４は、電子信号によって減衰器制御部を制御するコントローラー９０に電気的に接続されている。紫外線放射線源１４を使用する場合には、可変減衰器１２０は入射角によって変化する透過率を有する誘電体で被覆されたミラーであってもよく、望ましい角度と減衰を達成するために誘電体ミラーを回転させることができるモーターコントローラー（図示せず）によって駆動されてもよい。
【００７７】
照明系２４は、第１のビーム伝送光学系１３０と、拡散器１３４と、出力端１４２を有する光積分器１４０とをさらに含む。拡散器１３４は、すりガラスあるいは入射した放射線を分散させるその他の要素であってもよい。光積分器１４０は、拡散器から出射する分散された放射線が入力されるように配置され、複数の小レンズ（これに入射したレーザー放射線は複数の部分に分解され、分解された複数の部分は、均一性が改善されるように再結合される。）を含むフライアイレンズであってもよい。光積分器１４０は、放射線トンネル、すなわち、断面が多角形であって全内面反射によって内部を通過する放射線を反射する壁を有する固体ガラスロッド、あるいは断面が多角形であって内部を通過する放射線を反射する反射壁を有する中空ロッドであってもよい。放射線トンネル内での放射線の反射数によって、均一化の度合が決まる。
【００７８】
図３に示すように、照明器２４は、光積分器１４０の隣に配置された第２のビーム伝送光学系１５０をさらに含む。ビーム伝送光学系１５０は、投影レンズの開口絞りＡＳと対をなす瞳絞りＰＳを有し、その開口数は、光積分器１４０から放出される均一化された放射線を取り込むように設計されている。ビーム伝送光学系１５０は、光積分器１４０の端部１４２をマスク面ＭＰに映し出して均一に光を照射し、投影系の入射瞳に瞳絞りＰＳを映し出す。
【００７９】
上述したように、所定の放射線パルスにとっての露光フィールド上の照度均一性（すなわち、「パルス当たりの空間均一性」）は、多くの用途では１％（３σ）以内でなければならない。しかし、パルス当たりの空間均一性の正確な値は、様々な要因によって定義される特定用途のプロセスウインドウに依存する。半導体の製造では、これらの要因は、投影レンズの収差、マスク線幅のばらつき、フォトレジストの感度、コーティングの均一性、ウエハの平坦度などを含み、これらはすべてが線幅のばらつきを引き起こす。上述したように、ある種の用途では、パルス当たりの照度のばらつきは１％（３σ）でなければならず、他の用途では、ばらつきは５％（３σ）であってもよく、さらに他の用途（例えば、バンプリソグラフィー）では、ばらつきは１０％（３σ）であってもよい。
【００８０】
図３に示すように、一実施の形態では、部分反射性フォールドミラー１６０が、第２のビーム伝送光学系１５０の下流に配置されている。検出器１６６が、マスクに入射した放射線を検出するようにフォールドミラー１６０の隣に配置されている。また、第２のフォールドミラー１７０と検出器１７２が、放射線源１４のすぐ隣に設けられている。検出器１６６と１７２は、システムコントローラー９０に電気的に接続されており、システムコントローラー９０は検出器から電気信号を受け取り、照度均一性、照明器の多くの光路の透過率の変化、放射線源１４からの出力のパルス間ばらつきの分析を含むビーム診断を行う。
【００８１】
小フィールド投影レンズ
図４は、投影レンズ４０を詳細に示す。投影レンズ４０は、物体フィールドＯＦを含む物体平面ＯＰと、マスクイメージＭＩが形成されるイメージフィールドＩＦを含む像平面ＩＰとを含む。投影レンズ４０は、開口絞りＡＳも含む。物体フィールドＯＦ及びイメージフィールドＩＦは、実際には、円形の物体フィールドＯＦｃ及びイメージフィールドＩＦｃから形成されている。例えば、１１ｍｍ×１１ｍｍの正方形のイメージフィールドＩＦは、直径１６．０ｍｍの円形のイメージフィールドＩＦｃから具合良く形成することができる。マスクＭのイメージ（「マスクイメージ」）は、イメージフィールド内に形成される。
【００８２】
図５は、本発明のリソグラフィーシステム１０での使用に適したリソグラフィー用投影レンズ４０の光学図を示す。図５に示す投影レンズ４０は、縮小倍率が６Ｘ、イメージ側ＮＡが０．７５、イメージフィールドＩＦが１１ｍｍ×１１ｍｍのオン・アクシス・カタディオプトリック式レンズである。このような投影レンズの使用は現在のリソグラフィーでは一般的ではないが、本発明の教示によって、最先端のリソグラフィーで使用されている波長において、フィールドが大きくて縮小倍率が小さいレンズに実用的に取って代わるものである。適切なリソグラフィー投影レンズ４０の別の例としては、単一の縮小倍率を有するウィン−ダイソン式レンズがある。
【００８３】
図５のレンズ４０のような小フィールドの投影レンズは、所有コスト計算によって大フィールドサイズのリソグラフィーシステムよりも好ましいことが証明された特殊な場合（例えば、「マスク当たりのウエハ枚数」が限定された特定の特注用途）でも、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードを使用せずに、費用効果的に使用することができる。ここで、「小レンズフィールド」とは、通常は２ｃｍ２以下の面積を有するレンズフィールドをいう。本発明の「フラッシュ・オン・ザ・フライ」技術は、あらゆる状況で魅力的な小フィールドのリソグラフィーシステムについて好ましい所有コスト計算をすることができる点で利点があり、小フィールドのリソグラフィーシステムの使用を普遍的にすることができる。
【００８４】
したがって、本発明の好ましい実施の形態では、従来のリソグラフィーシステムのレンズよりも非常に小さなレンズフィールドサイズを有する投影レンズを、従来のステップ・アンド・リピートモードあるいはフラッシュ・オン・ザ・フライモードで使用する。小フィールドの投影レンズを使用することによって、従来の大レンズフィールドのシステムに使用されるよりも非常に少ない情報を有するマスク（レチクル）を使用することができるようになる。より小さなリソグラフィー用レンズを使用することによって、リソグラフィーシステムの初期の価格をかなり低下させることができる。小レチクルフィールドによるコストの節減は、レチクルを使用して露光する基板の数に依存するが、レチクル１セット当たりの基板の枚数が３０００枚未満の場合に節減効果が顕著となる。レンズのフィールドサイズが小さいとスループットは低下するが、レンズとレチクルのコスト節減はこの不利益を補って余りあるものである。
【００８５】
「フラッシュ・オン・ザ・フライ」露光モードを使用することによって、単一パルスの放射線を使用して露光を行うことができ、小レンズフィールドに関連するスループットの低下という不利益を解消することができる。パルス当たりに必要な総エネルギー量は露光面積に比例するため、従来よりも小さなレンズフィールドサイズを使用することによって、単一パルス露光が容易になる。したがって、レンズのフィールドサイズが小さくなると、小さく、より安価なレーザーを使用することができる。
【００８６】
また、レンズの耐用寿命は、各放射線パルスに含まれる高いエネルギーによって限られてしまうことがある。遠紫外線の高エネルギーのパルスは、長期間にわたる使用とともにガラスを圧縮させる傾向があり、レンズの波面誤差につながる。レンズのフィールドサイズを小さくすることによって、屈折レンズ部品を少なくし、反射性レンズ要素を多くすることができるなど、設計の可能性を拡げることができる。限られた寿命を有するのは屈折レンズ要素であるため、屈折要素を減らすことによって通常よりも長い耐用寿命が得られることが予想される。これによって、通常よりも小さなレンズ（イメージ）フィールドを費用効果的に使用でき、より安価な投影レンズからなり、もっと一般的には、半導体集積回路などのデバイスのより安価な製造を行うことができる費用効果が高いリソグラフィーシステムの実現に寄与することができる。
【００８７】
図５の投影レンズ４０は、光路に沿ってマスク面ＭＰから順に光軸Ａ２に沿って、第１及び第２のレンズ部Ｌ１及びＬ２と、発散鏡Ｍ１と、第１の凹面鏡Ｍ２と、開口絞りＡＳ近傍に配置された第３のレンズ部Ｌ３と、凸面マンジャン鏡Ｍ３と、第２の凹面鏡Ｍ４と、第４のレンズＬ４とを含む。レンズＬ４は、イメージが現れる中央領域に反射性コーティングを有していないマンジャン鏡Ｍ３の屈折部分を構成する。また、像平面ＩＰとイメージフィールドＩＦも示されている。
【００８８】
１９０ｎｍ未満で動作する系の場合には、レンズ部Ｌ１〜Ｌ４はフッ化カルシウムからなり、より長い波長の系の場合には、レンズ部Ｌ１〜Ｌ４は石英ガラスあるいはフッ化カルシウムからなる。鏡Ｍ１〜Ｍ４は非球面であり、反射率を高めるためのコーティングを含む。投影レンズ４０の光出力のほとんどすべてが４つの鏡Ｍ１〜Ｍ４に含まれ、微小レンズ部は主に収差校正器として作用するため、屈折部品によって伝達されるあらゆる波長において系を容易に動作させることができる。さらに、設計上の波長における分光帯域幅は、非狭窄エキシマレーザーあるいは周波数逓倍マルチモード固体レーザーによって生成されるスペクトル範囲を伝達するために要求されるよりも何倍も広い。図５に示す投影レンズ４０の実施の形態では、分光帯域幅は１オングストローム以上である。別の実施の形態では、ＮＡは０．７以上である。
【００８９】
最新の投影系と競合するためには、投影レンズ４０は、ＡｒＦとＦ２のエキシマ波長にそれぞれ対応する１９３ｎｍあるいは１５７ｎｍで動作することが好ましい。開口数が０．７５の場合、１９３ｎｍにおける解像度は１５４ｎｍ〜７７ｎｍの範囲であり、１５７ｎｍにおける解像度は１２６ｎｍ〜６３ｎｍの範囲である。所有コストの観点からは、投影レンズの解像度が高いほど、マスクはより複雑で高価になる。
ワークピース及びワークピースステージ
図１に示すように、システム１０は、加工されるワークピースＷを支持することができる上面５２を有するワークピースステージ５０をさらに含む。本発明の好ましい実施の形態では、ワークピースＷは半導体ウエハであり、イメージ形成面ＷＳはフォトレジスト層である。
【００９０】
ワークピースＷは、投影レンズ４０に対して、イメージ（すなわち、マスクイメージＭＩ；図４）が、ワークピース上に、イメージ形成面ＷＳ内に形成された露光フィールドＥＦ（図６を参照）にわたって形成されるように配置される。本発明では、露光フィールドＥＦはレンズイメージフィールドＩＦ内に含まれる。これは、イメージフィールドＩＦが円形であり（図４）、露光フィールドは矩形であるためである。イメージ形成面ＷＳは、ワークピースに対する前回の露光から形成された基板のパターンを、他のマスクＭを使用して覆ってもよい。通常は、高い精度、すなわち、最小画像サイズの数分の一の精度で連続したパターンを重ねることが必要である。露光フィールドＥＦがワークピースＷ上に存在しない場合、露光フィールドは、各露光フィールドの位置をマッピングすることなく、その後の露光を正確に位置合わせできるように、正確に予測可能な方法で配置しなくてはならない。
【００９１】
図１に示すように、ワークピースステージ５０は、投影レンズ４０あるいはイメージフィールドＩＦなどの基準に対して高い精度でワークピースＷを位置合わせすることができるステージ位置制御系６０に電気的に接続されている。ウエハステージ５０は、概略的に表され、リソグラフィー技術で現在適用されている６つの方向に自由に移動できることが好ましい。Ｘ平面及びＹ平面上を移動し、Ｚ軸の周りを回転することができることは、ワークピースＷのイメージ形成面ＷＳ上にマスクイメージＭＩを適切に配置するために必要である。Ｘ軸及びＹ軸周りの角度調整（ピッチ及びロール）とともに、Ｚ軸を移動できることは、ワークピースの表面を投影レンズ４０の浅い焦点深度内に維持するために必要である。ワークピースが完全に平坦ではない場合には、ワークピースＷのイメージ形成面ＷＳ（焦点面でもある）のＺ位置は、露光フィールドＥＦ間で異なる。同様に、Ｘ軸及びＹ軸周りの小さな回転も起こり得る。したがって、一実施の形態では干渉計である計測装置６２は、投影レンズ４０に対して正確にワークピースステージ５０の座標を計測し、この位置情報を上述したように放射線源コントローラー１６に供給するために、ステージ位置制御系６０の一部として含まれることが好ましい。
【００９２】
図７は、ワークピースＷとしての半導体ウエハ上で、ワークピースの表面ＷＳ上に複数の露光フィールドＥＦを形成するために、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードで利用される走査経路２００を示す。走査経路２００は、露光フィールドＥＦの行ｒ１、ｒ２、．．．ｒｎ上の複数の直線部分２０２と、各行の端部にある折り返し点２０４とを含む。本発明を実施するために必要なワークピースステージ５０の動きは、走査（すなわち、ステップ・アンド・スキャン）リソグラフィーシステムでこれまで行われてきたものとは非常に異なる。ワークピースＷは、好ましくは、露光フィールドＥＦの行又は列全体を横切ってかなりの速度で走査され、特定の列又は行の各露光フィールドＥＦが単一の短い放射線パルスによって露光される。多くの用途では、走査速度は好ましくは５０〜５００ｍｍ／秒であり、他の用途ではより高いステージ速度（例えば、２０００ｍｍ／秒）を使用することができる。上限は、ステージの最高走査速度（例えば、現在のステージでは２０００ｍｍ／秒）と放射線パルスの短さによって定まる。従来の空気軸受け及び磁気浮上ワークピースステージとステージ位置制御系はこのような走査速度を達成することができ、本発明での使用に適している。典型的なワークピースステージ５０は、米国特許第５，６９９，６２１号及びＭ．Ｅ，Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｐ．Ｆａｉｌｌ，Ｓ．Ｐ．Ｔｒａｃｙ，Ｐ．Ｂｉｓｃｈｏｆｆ、Ｊ．Ｗｒｏｎｏｓｋｙによる論文「超紫外線リソグラフィーの磁気浮上走査ステージ」、ＡＳＰＥ第１４回年次会合、カリフォルニア州モンテレー、１９９９年１１月に記載されており、これらの特許及び論文はこの参照によって開示に含まれる。
【００９３】
実際の最大走査速度は、多くの要因によって決定される。過度の振動が発生することなく、走査経路２００の直線部分２０２上で均一速度に移行するために、ワークピースステージは、ゼロから最高速度に加速してゼロに戻るという、傾斜した加速／減速軌道をたどらざるを得ない。これは、ワークピースステージがほんの短い時間のみ最大加速度に達し、最大加速度は通常は約１Ｇ〜２Ｇに限定されることを意味する。最大加速度が制限されているため、走査速度が速いほど、ワークピースステージを加速及び減速するために長い時間がかかることになる。走査速度が速いほど走査時間を節約することができるが、均一な速度が必要とされる経路の長さは、ワークピースの大きさによって制限され、例えば、利用可能な最大のワークピースが３００ｍｍのウエハである場合には、３００ｍｍに制限される。したがって、最適なスループットのための走査速度は、最大加速度と走査長に依存することになる。典型的な例で最大加速度が２Ｇである場合には、最適な走査速度は約ｌ２５０ｍｍ／秒である。
【００９４】
最高走査速度は経済性によっても制限される。走査速度が速いほど、高いパルス周波数と放射線源の高い出力レベルが必要となり、放射線源のコストが増加することになる。いくつかの点において、露光ツールのスループットを増加させるよりも、放射線源のコストを制限するほうが費用効果が高くなる。このことはワークピースステージにも当てはまるが、それは、経済性の観点から、低速（例えば、５００ｍｍ／秒）で走査するが、より入手しやすいワークピースステージを使用することが有益である点からである。言い換えると、ワークピースステージの速度と放射線源の出力の関数であるスループットは、ワークピースステージあるいは放射線源技術よりも、所有コストの経済性によって制限することが好ましい。
【００９５】
本発明の好ましい実施の形態では、ワークピースステージ５０は、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードにおけるワークピースＷの露光の間に走査される。走査は、ステージの加速及び減速時の速度変化はあるが、走査経路２００（図７）の直線部分２０２上で一定の速度で行われることが好ましい。走査中、直角（すなわち、Ｙ）方向の動きは非常に小さく、アライメント系７０によって決定された露光フィールドＥＦの直線性における残留誤差を収容するために使用される。これらの直角方向の動きは小さいが、露光パルス間で完了しなくてはならない。通常は、これらの小さな補正はワークピースステージの軌道に小さな摂動を導入することによって処理することができるが、Ｘ、Ｙワークピース走査ステージ５０上を移動する圧電駆動ステージによって対処することもできる。これらの動きの小さな補正は、圧電駆動レチクルステージで達成することもできる。図７に示すように、走査経路２００で次の走査部分に移動する前に、直角方向のより大きな動きが各走査部分２０２の端部で必要となる。露光は、パルス持続時間でのワークピースＷの動きが無視できるような短い単一放射線パルスによって行われる。例えば、レーザー放射線源が１０ナノ秒のパルス持続時間で放射線パルスを放出し、ワークピースステージがワークピースを５００ｍｍ／秒で移動させる場合、イメージスメアーは５ｎｍに過ぎず、１００ｎｍの最小線幅イメージの５％である。このイメージスメアー量がマスクの描画に及ぼす影響は取るに足りないものであり、最小画像サイズに対応する最大変調周波数の振幅はごくわずかに減少するのみである。
【００９６】
繰り返すが、本発明では、マスクイメージにおける許容できるスメアーは驚くほど大きい。イメージスメアーによる変調振幅のばらつきは次のように与えられる。
変調振幅の減少＝１−（１／ｘ）ｓｉｎ（ｘ） （７ａ）
式中、
ｘ＝π（スメアーの距離）／２（最小画像サイズ） （７ｂ）
最小画像サイズの１０％の動きによって変調振幅は０．４％減少するが、これはリソグラフィーでは無視できるものである。最小画像サイズの４０％に対応する動きでも、６．４５％の変調振幅の低下をもたらすに過ぎず、イメージの変調振幅をゼロにするには、最小画像サイズの２倍のイメージスメアーが必要となる。したがって、本発明によれば、「オン・ザ・フライ」、すなわち、単一パルスの露光中にワークピースステージ５０の動きを止めることなく露光を行うことができる。
【００９７】
アライメント系
図１に示すように、システム１０は、ワークピースＷと光学的に接続され、ステージ位置制御系６０と電気的に接続されるようにワークピースステージ５０の隣に配置されたアライメント系７０を含む。例えば、アライメント系７０は、投影レンズ４０を介して投影されたマスクイメージＭＩをワークピースＷ上のパターンに位置合わせするために使用される。図６に示すように、例えば、アライメント系７０は、露光フィールドＥＦ間の溝領域２１０にアライメントマーク２０６を光を照射して映し出すことによって動作する。本発明での使用に適した典型的なアライメント系７０は、米国特許第５，６２１，８１３号に開示されており、この参照によって開示に含まれる。
【００９８】
簡単に言うと、好ましい実施の形態において、アライメント系７０は、ワークピースＷ上の２〜１０箇所の露光フィールドＥＦを見つけ出し、ｘ方向の大きさ、ｙ方向の大きさ、スキュー、ｘキーストーン、ｙキーストーンなどのばらつきを考慮に入れて、歪みグリッドをこれらの位置に合わせ、合わせられた歪みグリッドをすべての露光フィールドの位置を予測するために使用する。
【００９９】
ワークピース処理系
図１に示すように、システム１０は、コントローラー９０に電気的に接続され、ワークピースステージ５０に操作できるように接続された、ワークピース処理系８０をさらに含む。ワークピース処理系８０は、１つ以上のワークピースＷをワークピース保管部８４からワークピースステージ５０まで搬送し、ワークピースＷをワークピースステージからワークピース保管部へ保管のために戻すことができる。
【０１００】
自動化されたワークピース処理系８０の利点は、後に示す表２で計算されるように、ワークピースを本発明のシステム１０を使用して高速に露光できることである。表２に示すように、ワークピースを挿入し、位置合わせし、除去するために必要な時間は、スループットの計算で重要である。したがって、自動化されたワークピース処理系は、高いスループットを維持するために、ワークピースの処理時間を最小にする点で好ましいものである。
【０１０１】
システムコントローラー
システム１０は、放射線源コントローラー１６、任意に設けられるパルス安定化系１８、ワークピースステージ位置制御系６０、焦点系７２、アライメント系７０、ワークピース処理系８０の動作を電気信号を介して制御・調節するシステムコントローラー９０を含む。システムコントローラー９０は、デル・コンピュータ（Ｄｅｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ、テキサス州オースティン）などのコンピュータ会社から入手できるパーソナル・コンピュータあるいはワークステーションである。好ましくは、コントローラー９０は、インテル社製ペンティアム（登録商標）やＡＭＤ Ｋ６又はＫ７などの市販のマイクロプロセッサと、プロセッサをハードディスク装置などの記憶装置と接続するバスアーキテクチャと、キーボードや表示画面などの入出力装置とを含む。コンピュータシステム９０は、以下に述べる手順に従ってシステム１０を動作させるために必要な制御ステップを実行するようにプログラムすることができる。
【０１０２】
スループット
【０１０３】
【表１】
３つの異なるリソグラフィー技術について、直径３００ｍｍのワークピース（Ｗ）でのスループットの比較を表１に示す。これらのリソグラフィー技術は、従来のステップ・アンド・リピート技術及びステップ・アンド・スキャン技術と、本発明の新技術であるフラッシュ・オン・ザ・フライ・リソグラフィー技術である。ステップ・アンド・リピートシステムのスループットは、ワークピースをある位置から別の位置まで移動させ、最小の幾何学的サイズを露光できるようにワークピースステージを位置決めする時間によって決定される。
【０１０５】
表１に記載した本発明のフラッシュ・オン・ザ・フライシステム（すなわち、システム１０）のパラメータによれば、２０Ｈｚの周波数の放射線源と、毎秒２０箇所の露光フィールドに転写することができる２２０ｍｍ／秒のワークピースステージ走査速度を想定できる。走査速度はステップ・アンド・スキャンシステム（２５０ｍｍ／秒）よりもわずかに遅いが、フラッシュ・オン・ザ・フライシステムの有効なフィールドサイズは露光フィールドの行全体ｒｎと考えられる。本発明のフラッシュ・オン・ザ・フライシステムは、各行の端部で加速あるいは減速する。表１のフラッシュ・オン・ザ・フライシステムでは、加速及び減速数は２７であり、ステップ・アンド・スキャンシステムでは８２である。いずれの場合においても、レーザー放射線源の使用が想定でき、露光時間はワークピースの全サイクル時間にとって無視できる部分である。
【０１０６】
通常は、ステップ・アンド・スキャンシステムは、大きなフィールドサイズと少ない露光の点で有益である。しかし、このようなステムの走査時間は、約１ｍ／秒という最大マスク走査速度と、それぞれの及び全てのフィールドについてマスクを加速・減速するために必要な時間によって制限される。表１から明らかなように、本発明のフラッシュ・オン・ザ・フライ技術は、全体的なスループットの優位性を維持しながらも、他の技術よりも非常に多くの露光フィールドにパターンを転写することができる。
【０１０７】
以下の表２及び表３に、高速リソグラフィーシステム１０のスループットを示すための重要なパラメータを列挙する。表２は、小さなレンズフィールド（すなわち、ワークピース上における１１ｍｍ×１１ｍｍのフィールド）を有するリソグラフィーシステム１０に対応するパラメータを示し、表３は、大レンズフィールド（ワークピース上において２２ｍｍ×２２ｍｍ）を有するリソグラフィーシステム１０のパラメータを示す。
【０１０８】
【表２】
表２から明らかなように、２２０ｍｍ／秒の適度な走査速度、２０Ｈｚの適度な放射線源周波数、１１ｍｍ×１１ｍｍの小さなイメージフィールドサイズであっても、１時間当たり７９．５枚のワークピースを処理できるという高いスループットが得られた。より速いステージ走査速度、より速い放射線パルス周波数、及び／又はより大きなレンズフィールドサイズによって、より高いスループットが得られることは容易に理解できる。
【０１１０】
本発明のフラッシュ・オン・ザ・フライモードは、比較的小さなレンズフィールドであっても高いスループットを達成することができるため、大フィールドのシステムの代わりとなり得る。
【０１１１】
表３に示すように、表２の投影レンズの面積の４倍である２２ｍｍ×２２ｍｍ（２．２ｃｍ×２．２ｃｍ）のイメージフィールド、３２Ｈｚの周波数、７０．０ｃｍ／秒の走査速度では、１時間当たり１６６枚のワークピースというスループットが達成できる。周波数と走査速度を増加させることによって、スループットは１時間当たり２００枚を容易に超えることができる。
【０１１２】
【表３】
動作方法：フラッシュ・オン・ザ・フライモード
図１及び図８のフローチャート３００を参照して、システム１０の動作とワークピースを高速に露光する方法について説明する。
【０１１４】
最初に、ステップ３０１では、ワークピースステージ５０上にワークピースＷがない場合には、コントローラー９０は電子信号をワークピース処理系８０に送り、ワークピース保管部８４からワークピースをワークピースステージ５０及び上面５２に搬送させる。
【０１１５】
ワークピースＷがワークピースステージ５０に配置されると、ステップ３０２では、コントローラー９０は焦点系７２及びアライメント系７０に電子信号を送り、ワークピースＷとレンズイメージフィールドＩＦとの焦点合わせと位置合せを行う。焦点系７２は、ステージ位置制御系２９０に電気信号を送るコントローラー９０を介してワークピースＷを投影レンズ４０の最良の焦点位置に配置する。アライメント系７０は、例えば、アライメントマーク２０６（図６）の位置を画像化して分析し、アライメント系の軸とワークピース上のアライメントマーク２０６の投影イメージの位置とのずれを判断する補正を行うことによって、ワークピースＷのアライメント状態を測定する。このアライメント情報は、電子信号によってコントローラー９０に送られる。コントローラー９０が、今度は、電子信号をステージ位置制御系６０に送り、ステージ位置制御系６０は、ワークピースを、マスクイメージＭＩ（又はイメージフィールドＩＦ）に対して正しく位置合わせされ、投影レンズ４０の最良の焦点位置（又は少なくとも焦点深度内）に配置されるように配置する。この焦点合わせと位置合わせのプロセスでは、ワークピースＷを繰り返し移動させ、ワークピースＷの異なるポイントでのアライメント誤差を測定するとともに、投影レンズの焦点面に対してワークピースを水平にし、それによって最適なワークピースの位置を達成する。アライメント工程は、通常は、イメージフィールドＩＦに含まれるマスクイメージＭ１が、ワークピースＷのすでに露光された露光フィールドＥＦに位置合わせされるように行われる。
【０１１６】
好ましい実施の形態では、アライメント系７０は、ワークピースＷのイメージ形成面ＷＳの一部に点在する複数（例えば、５〜１０箇所）の露光フィールドＥＦの位置を定める。次に、アライメント系７０（又はコントローラー９０）のアルゴリズムを、ワークピース表面ＷＳに配置されたイメージの位置、すなわち、ｘ方向の大きさ、ｙ方向の大きさ、スキュー、キーストーンなどに関連した歪みをモデル化するために使用する。次に、すべての露光フィールドＥＦの正確な位置を計算する。計算された露光フィールドの位置に基づき、各露光フィールドの予測位置上を走査し、各露光フィールドの位置で放射線源からパルスを一回発生させることによってワークピースＷに露光する。
【０１１７】
ワークピースＷが適切に位置合わせされ、焦点合わせされると、ステップ３０３では、コントローラー９０はステージ位置制御系６０に電気信号を送り、投影レンズ４０の下でワークピースステージ５０を走査する。ワークピースステージ５０は、複数の露光フィールドＥＦがワークピース上で露光されるように、例えば図７に示すように走査経路２００を使用することによって、連続的に移動させることが好ましい。ワークピースステージ５０の速度はパルス持続時間によって制限されるが、より典型的には、上述したように、露光放射線源１４の周波数及び露光フィールド間の距離によって決定される。上記表２及び３に典型的な値を示す。上述したように、ステージは好ましくは一定の速度で移動するが、ステージの加速と減速による速度変化は許容することができる。
【０１１８】
ステップ３０３に続いて、ステップ３０４では、コントローラー９０は、電子信号を介して放射線源１４を動作させる放射線源コントローラー１６に電子信号を送り、放射線源１４は軸Ａ１に沿って所定のエネルギー量を有する放射線パルスを供給する。遠紫外線フォトレジストへの露光を含む用途では、各パルスのエネルギーは、好ましくは５〜５０ｍＪ／ｃｍ２の範囲である。放射線源１４からの放射線は照明器２４を通過し、照明器２４はマスクＭに均一に光を照射する。マスクＭを通過して回折された放射線は、投影レンズ４０によって集光され、ワークピースＷ上に映し出され、アライメント系７０によって決められた所定の位置にマスクイメージＭ１（図４）を形成する。マスクイメージは、すでに露光された露光フィールドＥＦとずれないで並列するように形成されてもよい。
【０１１９】
上述したように、放射線源コントローラー１６は、計測装置６２からの情報に基づいて、放射線源１４からの放射線パルスの放出を制御する。ワークピースステージ位置制御系６０は、ワークピースステージ５０の位置、すなわち、走査軌道を制御する。このように、ワークピースの軌道が、すでに露光されたフィールドＥＦの１つ又はその他の基準（例えば、ワークピースのエッジ）とマスクイメージとが一列になるポイントと交差する度に、ワークピースＷは放射線パルスによって露光される。
【０１２０】
このように、各放射線パルスによって単一のマスクイメージＭＩが転写される。放射線パルスの照射と照射の間のみならず各放射線パルスの照射期間における投影レンズ４０の下でのワークピースの連続的な動きによって、分離された（重なり合わない）露光フィールド（それぞれが単一の放射線パルスによって形成され、本質的に投影レンズ４０の縮小倍率の３４倍のマスクパターンのサイズを有する）が形成される。したがって、連続する（すなわち、時間的に隣接する）放射線パルスは、ワークピース上に形成された連続する（すなわち、空間的に隣接する）露光フィールドに対応する。
【０１２１】
一実施の形態では、ステップ３０４は、パルス安定化系１８によって放射線源１４のパルス間の均一性を安定させる任意のステップを含む。
【０１２２】
図８及びフローチャート３００に示すように、ワークピースが露光フィールドＥＦの所望の数で完全に露光されると、ステップ３０５では、コントローラー９０はワークピース処理系８０に電子信号を送り、ワークピースＷをワークピースステージ５０から取り除き、ワークピース保管部８４からの別のワークピースによって置き換える。質問ステップ３０６では、別のワークピースを露光するかどうかを判定する。「ｙｅｓ」の場合には、ステップ３０１〜３０５を、望ましい数のワークピースが処理されるまで、新しいワークピース及びその次のワークピースのために繰り返す。
【０１２３】
動作方法：ステップ・アンド・リピートモード
上述したように、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードに加えて、従来のステップ・アンド・リピート動作モードを使用することもできる。ステップ・アンド・リピート動作モードは、以下の点を除いてはフラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードと同様である。ステップ３０３では、コントローラー９０はステージ位置制御系６０に電気信号を送り、ワークピースステージ５０を投影レンズ４０の下でステップ移動させる。これに伴って、ステップ３０４では、コントローラー９０は、電子信号を介して放射線源１４を動作させる放射線源コントローラー１６に電子信号を送る。放射線源１４は、軸Ａ１に沿って、放射線パルスバースト（それぞれのパルスは所定量のエネルギーを有し、放射線バーストの全体として基板のイメージ形成面を適切に露光するために十分なエネルギーを有する）に供給する。ここで、放射線パルスバーストとは、２以上のパルスであって、通常は１００以上のパルスを含む。
【０１２４】
本発明のシステム１０の動作可能なモードは、人（すなわち、オペレーター）による操作を介してコントローラー９０によって、あるいはコントローラーをプログラムすることによって設定される。したがって、システムの所有者は、用途に応じて、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モード又はステップ・アンド・リピート動作モードのいずれかでシステムを動作させることができる。
【０１２５】
結論
本発明は、費用効果が高いリソグラフィーシステムであり、好ましい実施の形態では、従来のリソグラフィー用投影レンズよりも非常に小さなフィールドサイズを使用して、リソグラフィーシステムの初期コストとマスクのランニングコストを低下させる。これらのコスト節減によって、従来のステップ・アンド・リピート動作モードで使用し、マスク当たり３０００枚未満の基板を必要とする場合に使用されるようなシステムでも、その低いスループットを埋め合わせることができる。このシステムは、単一の放射線パルスを走査経路の軌道上に位置するフィールドに露光しながら、連続的にワークピースステージを移動させる新しいリソグラフィー技術である「フラッシュ・オン・ザ・フライ」動作モードにも適している。この動作モードは、小さなイメージフィールド（例えば、１１ｍｍ×１１ｍｍ）の投影レンズを有するリソグラフィーシステムであっても高いスループットが維持されるように、ワークピース全体のすべてのフィールドを高速に露光することができるという利点を有する。フィールドが大きな投影レンズの場合では、本発明は１時間当たり２００枚以上のワークピースを処理できるスループットを達成することができ、これは従来のリソグラフィー技術で得られるスループットの約２倍である。さらに、本発明は、小さなレンズと静置された小さなマスクを有するフラッシュ・オン・ザ・フライシステムを使用して、ステップ・アンド・スキャンシステムに匹敵するスループットを可能とし、それによって費用効果が高い製造が可能となる。
【０１２６】
本発明の主な利点は、フラッシュ・オン・ザ・フライ動作モードと従来のステップ・アンド・リピート動作モードの両方を使用することができることであって、リソグラフィーシステムの所有者は、製造用途に応じて動作モードを選択することができる。これにより、用途が限られていたためにこれまで通常は利用されなかった小フィールドのリソグラフィーシステムを購入することが選択肢として与えられることになる。
【０１２７】
本発明の特徴と利点は詳細な説明から明らかであり、特許請求の範囲によって、本発明の範囲にあるシステムのすべての特徴と利点を網羅するものである。また、当業者にとっては様々な修正や変更に想到することは容易であるため、本発明は、ここで説明した構成と動作に限定されるものではない。したがって、他の実施の形態も特許請求項の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の費用効果が高いリソグラフィーシステムの概略断面図である。
【図２Ａ】図１に示す費用効果が高いリソグラフィーシステムでの使用に適した、本発明のパルス安定化系の実施の形態の概略図である。
【図２Ｂ】本発明の放射線源からの放射線パルスの強度（Ｉ）特性と時間の関係を示す図であり、図２Ａに示すパルス安定化系の検出器からの検出信号の振幅（Ａ）特性と時間の関係に相当する。
【図２Ｃ】図２Ｂの閾値エネルギー値Ｔを示す、統合化された信号を示す図である。
【図２Ｄ】ポッケルスセルを作動させてその内部を通過する放射線パルスを断ち切るための、ポッケルスセルに供給される閾値遮断信号を示す図である。
【図２Ｅ】ポッケルスセルを通過してポッケルスセルによって断ち切られた放射線パルスを示す図である。
【図２Ｆ】図１に示す高速リソグラフィーシステムでの使用に適し、同一偏光のビームを結合する、本発明のパルス安定化系の他の実施の形態の概略図である。
【図２Ｇ】図１に示す高速リソグラフィーシステムでの使用に適し、放射線パルスの一部のみをポッケルスセルを通過させる、本発明のパルス安定化系の他の実施の形態の概略図である。
【図２Ｈ】図１に示す高速リソグラフィーシステムでの使用に適し、２つの放射線源を組み込んだ、本発明のパルス安定化系の他の実施の形態の概略図である。
【図３】本発明の費用効果が高いリソグラフィーシステムに好適に使用される典型的な照明系の概略断面図である。
【図４】像平面とそれに関連するレンズフィールド、物体平面とそれに関連する物体フィールド、物体側及びイメージ側の開口数に関連する角度を示す投影レンズの概略斜視図である。
【図５】縮小倍率が６Ｘ、イメージ側ＮＡが０．７５、動作波長が２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍのいずれか、イメージフィールドサイズが１１ｍｍ×１１ｍｍのカタディオプトリック式の投影レンズの断面レンズ図（実際の大きさの０．２２７倍）である。
【図６】図１のシステムの投影レンズとワークピースステージの拡大斜視図であって、ワークピースステージ上のワークピースと、投影レンズのレンズフィールドに沿った既存及びこれから形成される露光フィールドが示され、ステージの動きは矢印によって示されている。
【図７】露光フィールドと、露光フィールドを形成するためのワークピースステージの移動を表す走査経路を示すワークピースの平面図である。
【図８】図１の費用効果が高いリソグラフィーシステムを、各露光フィールドが単一の放射線パルスによって形成されるように操作するためのステップのフローチャート図である。
Claims (96)
- パターニングされたマスクを高速で露光してワークピース上に複数の露光フィールドを形成することができるリソグラフィーシステムであって、
ａ）１ミリ秒以下のパルス持続時間と１０％（３σ）以下のパルス間のエネルギーばらつきを有する放射線パルスを放出することができる放射線源と、
ｂ）前記放射線源に操作できるように接続され、前記放射線源からの放射線パルスの放出を制御するための放射線源コントローラーと、
ｃ）前記放射線源からの放射線パルスを受けて、前記マスクに光を照射するように配置された照明系と、
ｄ）前記マスクを通過した放射線パルスを受けるように配置され、前記ワークピース上にマスクイメージを形成する投影レンズと、
ｅ）前記ワークピースを支持し、前記ワークピースを走査経路上で動かすことができるワークピースステージと、
ｆ）前記ワークピースステージに操作できるように接続され、前記放射線源コントローラーと電気的に接続されたワークピースステージ位置制御系と、を含み、
前記ワークピースステージ位置制御系は、前記複数の露光フィールドを形成する際に、単一の放射線パルスが前記走査経路に沿った所望の位置で露光フィールド全体を露光するように、前記走査経路上での前記ワークピースステージの動きを制御し、前記放射線源コントローラーに情報を供給することを特徴とするリソグラフィーシステム。 - 前記ワークピースステージ位置制御系と電気的に接続されるとともに前記ワークピースに操作できるように接続された、前記ワークピースを前記マスクイメージと相対的に位置合わせするためのアライメント系をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記走査経路は、前記アライメント系によって各マスクイメージが位置合わせされる既存の露光フィールド上にある、請求項２に記載のシステム。
- 各ワークピースはイメージ形成面を含み、各放射線パルスは前記イメージ形成面を除去することはないが露光できるエネルギーを有する、請求項１に記載のシステム。
- 各放射線パルスは、前記ワークピースにおける測定で１〜５００のｍＪ／ｃｍ２の範囲の露光量を有する、請求項４に記載のシステム。
- 前記放射線源は、１〜５００Ｈｚの周波数の放射線パルスを放出することができる、請求項１に記載のシステム。
- 前記投影レンズの縮小倍率が４Ｘ以上である、請求項１に記載のシステム。
- 前記投影レンズは、縮小倍率が４Ｘ〜８Ｘ、イメージフィールドが２ｃｍ２以下、イメージ側開口数が０．６以上のオン・アクシス・カタディオプトリック式レンズである、請求項１に記載のシステム。
- 前記投影レンズは、等倍の縮小倍率を有するウィン−ダイソン式レンズである、請求項１に記載のシステム。
- 前記投影レンズは、直径１６ｍｍの円形のイメージフィールドによって囲まれた矩形のイメージフィールドを有する、請求項１に記載のシステム。
- 前記ワークピースステージは、５０〜５０００ｍｍ／秒の速度移動することのできる、空気軸受けステージ又は磁気浮上ステージである、請求項１に記載のシステム。
- 前記ワークピースステージに前記ワークピースを配置し、前記ワークピースステージから前記ワークピースを除去するための、前記ワークピースステージに操作できるように接続されたワークピース処理系をさらに含む、請求項２に記載のシステム。
- 前記アライメント系、前記ワークピースステージ位置制御系、前記放射線源コントローラー、前記ワークピース処理系に電気的に接続されたシステムコントローラーをさらに含む、請求項２に記載のシステム。
- 前記放射線源は、ｍ４の空間モードで動作する固体レーザーであり、ｍ４の値は１０００以上である、請求項１に記載のシステム。
- 前記放射線源はフラッシュランプを含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記固体レーザーは、２６６ｎｍ、２１３ｎｍ、１７７ｎｍ、又は１５２ｎｍの波長で動作するマルチモード周波数逓倍ＹＡＧレーザーである、請求項１４に記載のシステム。
- 前記固体レーザーは、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、又は１５７ｎｍの波長で動作するマルチモード周波数逓倍及び周波数混合ＹＡＧレーザーである、請求項１４に記載のシステム。
- 前記固体レーザーは、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、又は１５７ｎｍの波長で動作するマルチモード周波数逓倍アレキサンドライトレーザーである、請求項１４に記載のシステム。
- 前記放射線源は、６ｎｍ〜ｌ４ｎｍの波長領域の波長で動作するキセノンプラズマ源である、請求項１に記載のシステム。
- 前記放射線源は、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、又は１５７ｎｍの波長で動作するエキシマレーザーである、請求項１に記載のシステム。
- パルス安定化系をさらに含む、請求項１、１４、１５、１９又は２０に記載のシステム。
- 前記放射線源は、１ナノ秒〜１ミリ秒のパルス持続時間を有する放射線パルスを生成することができる、請求項１に記載のシステム。
- 各露光フィールドに単一の放射線パルスを使用してワークピースにマスクの連続するイメージを高速で露光することによって複数の露光フィールドを形成するためのシステムであって、光軸に沿った順に、
ａ）１０％（３σ）以下のパルス間均一性を有する放射線パルスを供給するための放射線源と、
ｂ）前記放射線源からの前記放射線パルスが入力されるように配置され、マスク面上で各放射線パルスを実質的に均一化する照明器と、
ｃ）前記照明器から出射する各放射線パルスによって実質的に均一に照射されるように、前記マスクを支持することができるマスクホルダと、
ｄ）前記マスク又はその近傍に配置された物体平面と、前記ワークピース又はその近傍に配置された像平面と、前記像平面内のイメージフィールドとを有し、前記マスクを通過した放射線が入力され、前記イメージフィールド内で前記ワークピース上にマスクイメージを形成するように配置された投影レンズと、
ｅ）前記像平面又はその近傍で前記ワークピースを支持し、前記マスクイメージにスメアーを発生させることなく、単一の放射線パルスによって対応する隣同士の露光フィールドを、連続した前記マスクイメージで露光することができる速度で、前記ワークピースを走査経路上で移動させるワークピースステージと、
を含むことを特徴とするシステム。 - 前記ワークピースステージに操作できるように接続され、前記走査経路上の前記ワークピースステージの移動を制御するためのワークピースステージ位置制御系をさらに含む、請求項２３に記載のシステム。
- 前記放射線源の放射線パルスのパルス間均一性を安定性を高めるためのパルス安定化系をさらに含む、請求項２３に記載のシステム。
- 前記放射線源及び前記ワークピースステージ位置制御系に操作できるように接続され、前記走査経路に沿った前記ワークピースの位置に対する前記放射線源の動作を調整・制御するための放射線源コントローラーをさらに含む、請求項２４に記載のシステム。
- 各ワークピースはイメージ形成面を含み、各放射線パルスは前記イメージ形成面を除去することはないが露光できるエネルギーを有する、請求項２３に記載のシステム。
- 前記イメージ形成面はフォトレジストである、請求項２７に記載のシステム。
- 各放射線パルスは、前記ワークピースにおける測定で１〜５００のｍＪ／ｃｍ２の範囲の露光量を有する、請求項２３に記載のシステム。
- 前記放射線源は、１〜５００Ｈｚの周波数の放射線パルスを放出することができる、請求項２３に記載のシステム。
- 前記投影レンズの縮小倍率が４Ｘ以上である、請求項２３に記載のシステム。
- 前記投影レンズの縮小倍率が１Ｘである、請求項２３に記載のシステム。
- 前記投影レンズは、直径１６ｍｍの円形のイメージフィールドによって囲まれた矩形のイメージフィールドを有する、請求項２３に記載のシステム。
- 前記ワークピースステージ位置制御系に操作できるように接続されるとともに前記ワークピースに光学的に接続された、前記ワークピースを前記マスクイメージと相対的に位置合わせするためのアライメント系をさらに含む、請求項２７に記載のシステム。
- 前記ワークピースステージに前記ワークピースを配置し、前記ワークピースステージから前記ワークピースを除去するために、前記ワークピースステージに操作できるように接続されたワークピース処理系をさらに含む、請求項３４に記載のシステム。
- 前記アライメント系、前記ワークピースステージ位置制御系、前記放射線源コントローラー、前記ワークピース処理系に電気的に接続され、これらを調整するためのシステムコントローラーをさらに含む、請求項３５に記載のシステム。
- 前記ワークピースステージは、前記ワークピースを５０００ｍｍ／秒以下の速度で移動することのできる、空気軸受けステージ又は磁気浮上ステージである、請求項２３に記載のシステム。
- 前記放射線源は、ｍ４のマルチ空間モードで動作し、ｍ４の値として１０００以上を有し、１０％（３σ）以下のパルス間のエネルギーばらつきを有する固体レーザーである、請求項２３に記載のシステム。
- 前記固体レーザーは、２６６ｎｍ、２１３ｎｍ、１７７ｎｍ又は１５２ｎｍの波長で動作するマルチモード周波数逓倍ＹＡＧレーザーである、請求項３８に記載のシステム。
- 前記固体レーザーは、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、又は１５７ｎｍの波長で動作するマルチモード周波数逓倍周波数混合ＹＡＧレーザーである、請求項３８に記載のシステム。
- 前記放射線源は、６〜２０ｎｍの波長領域の波長で動作するキセノンプラズマ源である、請求項２３に記載のシステム。
- 前記放射線源は、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、又は１５７ｎｍの波長で動作するエキシマレーザーである、請求項２３に記載のシステム。
- 前記放射線源は、約３５０〜４５０ｎｍの波長で動作するフラッシュランプである、請求項２３に記載のシステム。
- 前記放射線源は、１ナノ秒〜１ミリ秒のパルス持続時間を有する放射線パルスを生成することができる、請求項２３に記載のシステム。
- 前記照明器が、光軸に沿って前記放射線源から順に、
ｉ）第１のビーム伝送光学系と、
ｉｉ）拡散器と、
ｉｉｉ）光積分器と、
ｉｖ）第２のビーム伝送光学系と、
を含む、請求項２３に記載のシステム。 - 前記照明器は、
ｖ）前記放射線パルスのパルス間のエネルギーのばらつきを測定するためのビーム診断手段をさらに含む、請求項４５に記載のシステム。 - パターンを有するマスクが支持される物体平面と、マスクイメージが形成されるイメージフィールドを有する像平面とを含む投影レンズを使用して、ワークピース上に複数の露光フィールドを形成するための方法であって、
ａ）前記ワークピースを前記イメージフィールドと相対的に位置合わせする工程と、
ｂ）１０％（３σ）以下のパルス間の露光量のばらつきと、１０％（３σ）以下の物体平面での均一性のばらつきを有する複数の放射線パルスを、前記マスクに照射する工程と、
ｃ）各放射線パルスのマスクイメージを形成するように、前記投影レンズによって、前記マスクによって透過された前記放射線パルスの部分を集光する工程と、
ｄ）前記工程ｃ）と同時に、各マスクイメージが対応する個々の露光フィールドを形成するように、前記ワークピースを前記像平面において走査経路内を連続的に移動させる工程と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記工程ａ）は、前記マスクイメージをワークピース上の少なくとも１つの既存の露光フィールドと位置合わせする工程を含む、請求項４７に記載の方法。
- 各ワークピースはイメージ形成面を含み、前記工程ｂ）は、前記イメージ形成面を除去することはないが露光できるエネルギーを各放射線パルスを与える工程を含む、請求項４７に記載の方法。
- 前記工程ｂ）は、ｍ４の空間モードを有し、ｍ４の値が１０００以上である固体レーザーを動作させる工程を含む、請求項４７に記載の方法。
- 前記工程ｂ）は、各放射線パルスを前記マスクと前記放射線源の間に位置する照明器を通過させることによって、各放射線パルスを前記マスク面上に均等に分配する工程を含む、請求項４７に記載の方法。
- 前記工程ｂ）は、１〜５００Ｈｚの周波数で前記放射線パルスを供給する工程を含む、請求項４７に記載の方法。
- 前記工程ｂ）は、前記ワークピースにおける単一パルスからの露光量が１〜５００のｍＪ／ｃｍ２の値を有するように前記放射線パルスに十分なエネルギーを与える工程を含む、請求項４７に記載の方法。
- 前記イメージフィールドを、直径１６ｍｍの円形のイメージフィールドの矩形の部分として定義する工程をさらに含む、請求項４７に記載の方法。
- 前記工程ｄ）は、前記ワークピースを一定の速度で移動させることを含む、請求項４７に記載の方法。
- 前記放射線パルスのエネルギーを監視する工程をさらに含む、請求項４７に記載の方法。
- 前記工程ｄ）は、個々の露光フィールドを既存の露光フィールドとずれないように並列に形成することを含む、請求項４７に記載の方法。
- 前記マスクパターンには最小画像サイズがあり、前記放射線パルスには周波数とパルス持続時間とがあり、前記ステージには走査速度があり、前記方法は、各露光フィールドを形成する各マスクイメージが前記最小画像サイズの２０％だけの割合でしかぼやけないように、前記周波数、前記走査速度、前記パルス持続時間を選択することをさらに含む、請求項４７に記載の方法。
- 前記マスクパターンにはマスクイメージ変調周波数を定義する最小画像サイズがあり、前記放射線パルスには周波数とパルス持続時間とがあり、前記ステージには走査速度があり、前記方法は、各露光フィールドを形成する各マスクイメージが、最大マスクイメージ変調周波数の振幅を３４．６％以下低下させる量でぼやけるように、前記周波数、前記走査速度、前記パルス持続時間を選択することをさらに含む、請求項４７に記載の方法。
- 前記マスクのコストは、３０００枚以下のワークピースを露光することによって償却される、請求項４７に記載の方法。
- 前記放射線パルスをパルス安定化系に送り、パルス間均一性を向上させる工程をさらに含む、請求項４７に記載のシステム。
- 物体平面、像平面、イメージフィールドを有する投影レンズを使用して、ワークピース上に連続的に配置された複数の露光フィールドを高速に形成するための方法であって、
ａ）前記物体平面又はその近傍でパターンを有するマスクを支持する工程と、
ｂ）連続的に配置された前記露光フィールドが形成される前記ワークピースのステージを、前記像平面内で走査経路上を前記イメージフィールドと相対的に移動できるように配置する工程と、
ｃ）前記マスクに放射線パルスを照射し、前記投影レンズを透過した放射線を集光することによって、各放射線パルスのイメージフィールド内でマスクイメージを形成する工程と、
ｄ）前後する放射線パルスが隣同士の露光フィールドを形成するように、前記工程ｃ）で連続的に前記ワークピースステージを前記走査経路上を移動させる工程と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記隣同士の露光フィールドは、前記ワークピース上に形成された既存の露光フィールドとずれないように並列に形成される、請求項６２に記載の方法。
- 前記マスクに光を照射する工程は、ｍ４の空間モードを有し、ｍ４の値が１０００以上である固体レーザーから、前記放射線パルスを供給することを含む、請求項６２に記載の方法。
- 前記マスクに光を照射する工程は、スペクトルの近紫外線部分で動作するフラッシュランプから、前記放射線パルスを供給することを含む、請求項６２に記載の方法。
- 各ワークピースはイメージ形成面を含み、前記イメージ形成面を除去することはないが露光できるエネルギーを各放射線パルスに与える工程をさらに含む、請求項６２に記載の方法。
- 前記マスクはマスク面を定義し、前記工程ｃ）は、各放射線パルスを前記マスクの上流に配置された照明器を通過させることによって、各放射線パルスを前記マスク面上で均一に分散させる工程を含む、請求項６２に記載の方法。
- 前記工程ｃ）は、１〜５００Ｈｚの周波数で前記放射線パルスを供給する工程を含む、請求項６２に記載の方法。
- 前記工程ｃ）は、前記像平面での露光量が１〜５００のｍＪ／ｃｍ２となるのに十分なエネルギーを前記放射線パルスに与える工程を含む、請求項６２に記載の方法。
- 直径１６ｍｍの円形のイメージフィールド内に接する矩形のイメージフィールドを定義する工程をさらに含む、請求項６２に記載の方法。
- 前記工程ｄ）は、前記ワークピースを一定の速度で移動させることを含む、請求項６２に記載の方法。
- 前記放射線パルスは、１０％（３σ）未満のパルス間のエネルギーのばらつきを有する、請求項６２に記載の方法。
- 前記放射線パルスは、１％（３σ）未満のパルス間のエネルギーのばらつきを有する、請求項６２に記載の方法。
- 前記マスクパターンには最小画像サイズがあり、前記工程ｃ）及びｄ）は、連続的に前記ワークピースステージを動かすことによって生じる各露光フィールドのマスクイメージのぼやけ量が前記最小画像サイズの２０％未満であるように行われる、請求項６２に記載の方法。
- 前記マスクパターンには最小画像サイズがあり、前記マスクイメージには前記最小画像サイズに基づく最大変調周波数があり、前記工程ｃ）及びｄ）は、前記マスク照射工程中に連続的に前記ワークピースステージを動かすことによって生じる各露光フィールドのマスクイメージのぼやけ量が、前記最大変調周波数の振幅を３６．４％未満の割合で低下させるように行われる、請求項６２に記載の方法。
- 半導体製造環境での半導体装置の製造において費用効果的にワークピースをパターニングできるリソグラフィーシステムであって、
ａ）前記ワークピースに映し出されるパターニングされた部分を有し、３０００枚以下のワークピースを処理することによってコストが償却されるマスクと、
ｂ）空間的に均一化された放射線パルスを前記マスクに照射する操作ができるように配置された放射線源及び照明系と、
ｃ）開口数ＮＡの出力端と５Ｘ以上の縮小倍率を有し、前記マスクを介して放射線パルスが入力されるように前記マスクの隣に配置され、各放射線パルスに対して、２ｃｍ２以下の最大面積を有する露光フィールド上で前記ワークピースにマスクパターンのマスクイメージを形成する縮小投影レンズと、
ｄ）前記ワークピースを前記投影レンズの下で移動させるためのワークピースステージ及びワークピースステージ位置制御系と、
を含むことを特徴とするリソグラフィーシステム。 - 前記ワークピースステージ及び前記ワークピースステージ位置制御系による移動は、前記放射線パルスを複数の露光フィールドに照射する間にわたって連続して行われる、請求項７６に記載のシステム。
- 前記ステージ位置制御系と電気的に接続されるとともに前記ワークピースに操作できるように接続された、前記ワークピースを前記マスクイメージと相対的に位置合わせするためのアライメント系をさらに含む、請求項７６に記載のシステム。
- 前記放射線源は、波長が２４８ｎｍ以下の放射線を放出する、請求項７６に記載のシステム。
- 前記投影レンズは０．６以上の開口数を有する、請求項７９に記載のシステム。
- 前記投影レンズは、像平面を有する４鏡オンアクシスカタディオプトリック式光学系であり、前記４つの鏡の一つは前記像平面の隣に配置されたマンジャン鏡である、請求項８０に記載のシステム。
- 波長λ及び開口数ＮＡで動作し、複数の露光フィールドを有するイメージ形成面を有するワークピースを費用効果的にパターニングすることができるリソグラフィーシステムであって、
ａ）０．５λ／ＮＡ以下の最小画像サイズを有するマスクイメージとして前記ワークピースに映し出されるパターニングされた部分を有し、３０００枚以下のワークピースを処理することによってコストが償却されるマスクと、
ｂ）１０マイクロ秒以下のパルス持続時間、波長λ、１Ｈｚ以上の周波数、前記イメージ形成面を除去することはないが露光できるエネルギーを有する放射線パルスを放出することができるパルス放射線源と、
ｃ）前記放射線源から入力された放射線パルスを空間的に均一化し、前記空間的に均一化された放射線パルスを前記マスクに照射する操作ができるように配置された照明系と、
ｄ）開口数ＮＡの出力端と５Ｘ以上の縮小倍率を有し、前記マスクを介して放射線パルスが入力されるように前記マスクの隣に配置され、各放射線パルスに対して、２ｃｍ２以下の最大面積を有する露光フィールド上で前記ワークピースにマスクパターンのマスクイメージを形成する縮小投影レンズと、
ｅ）各露光フィールドが単一のマスクイメージから形成されるように、前記放射線源からの放射線パルスの放出と調和した走査速度で前記投影レンズの前記出力端の下であって走査経路上で前記ワークピースを走査するための手段と、
を含むことを特徴とするリソグラフィーシステム。 - 前記放射線パルスは、−５％（３σ）未満のパルス間のエネルギーのばらつきを有する、請求項８２に記載のシステム。
- 前記放射線源は、走査速度で割った前記最小画像サイズ未満のパルス持続時間を有する、請求項８２に記載のシステム。
- 前記放射線源は、２４８ｎｍ以下の波長λを有する、請求項８２に記載のシステム。
- 前記投影レンズのＮＡは０．６以上である、請求項８２に記載のシステム。
- 前記投影レンズは、１オングストローム以上の補正されたスペクトル範囲を有する、請求項８２に記載のシステム。
- 光路に沿って放射線源から放出された放射線パルスのビームのパルス間出力を安定化させるためのパルス安定化系であって、
ａ）前記放射線源から放出された放射線の一部を検出し、検出された放射線に対応する電気信号を生成するように前記放射線源の下流に配置された検出器と、
ｂ）前記検出器に電気的に接続され、前記検出器からの前記電気信号を積分し、積分された電気信号を供給する積分回路と、
ｃ）前記積分回路に電気的に接続され、前記積分された電気信号を受け取ることができ、閾値でプログラムされ、前記積分された電気信号が閾値に達したときに起動信号を生成することができるポッケルスセルドライバと、
ｄ）前記ポッケルスセルドライバに電気的に接続され、前記起動信号に反応し、前記光路に配置されたポッケルスセルと、を含み、
ｅ）前記放射線源と前記ポッケルスセルとの間の前記光路は、前記起動信号によるポッケルスセルの起動によって、前記起動信号を生成する前記放射線パルスが切り欠かかれて実質的に前記閾値に対応するエネルギー量が残るように設計された遅延ラインを含むことを特徴とするパルス安定化系。 - ａ）前記光源の隣であって前記光路に配置され、それぞれが異なる偏光を有する第１及び第２の光路に沿って前記放射線パルスを分割するための光学系と、
ｂ）前記第１及び第２の光路の前記放射線パルスが同一の偏光を有するように、第１及び第２の光路のいずれかに配置された半波長板と、をさらに含み、
ｃ）前記光学系は前記第１及び第２の光路を共通の方向に向ける、
請求項８８に記載の安定化系。 - 前記光学系は、偏光ビームスプリッターと、複数の鏡を含む、請求項８９に記載の安定化系。
- 前記ポッケルスセルの上流で第１の光路に配置され、前記放射線パルスのビームの一部が前記ポッケルスセルに向かい、前記ポッケルスセルを通過した前記放射線パルスのビームの前記一部と再結合されるように設計された光学系をさらに含む、請求項８８に記載の安定化系。
- 前記光学系は、前記ポッケルスセルの上流で第１の光路に配置された第１のビームスプリッターと、前記ポッケルスセルの下流に配置された第２のビームスプリッターと、を含む、請求項９１に記載の安定化系。
- 第１の光路に沿って第１の放射線源から放出された第１の放射線パルスビーム及び第２の光路に沿って第２の放射線源から放出された第２の放射線パルスビームから形成された放射線パルスの出力ビームのパルス間出力を安定化させるためのパルス安定化系であって、
ａ）第１の放射線源から放出された前記放射線の一部を検出・処理し、第１の積分された電気信号を生成するための第１の手段と、
ｂ）第２の放射線源から放出された前記放射線の一部を検出・処理し、第２の積分された電気信号を生成するための第２の手段と、
ｃ）前記第１及び第２の積分された電気信号を受け取り、前記第１及び第２の電気信号が結合閾値に達した時に、起動信号を生成するための手段と、
ｄ）前記起動信号に反応し、前記第１の光路に配置され、前記第１の放射線パルスビームの前記放射線パルスを減衰させる電気光学的手段と、
ｅ）前記第１及び第２の放射線パルスビームを結合し、パルス間で実質的に均一なエネルギーを有する放射線パルスの結合された出力ビームを生成する光学式手段と、
を含むことを特徴とするパルス安定化系。 - ４ｃｍ２以上のイメージフィールドサイズを有する投影レンズを有し、従来のリソグラフィーシステムと比較して、マスク１セット当たり３０００枚以下のワークピースを費用効果的に処理するためのリソグラフィーシステムであって、光軸に沿って順に、
ａ）放射線パルスを供給するための放射線源と、
ｂ）前記放射線パルスを受け取り、実質的に１０％（３σ）以下の空間均一性でマスク面に均一に各放射線パルスを分散させるように配置された照明器と、
ｃ）マスクセットのうちの１つのマスクを前記マスク面で支持することができるマスクホルダと、
ｄ）ワークピースを支持し、前記ワークピースを前記光軸と相対的に移動させるためのワークピースステージと、
ｅ）前記マスク面又はその近傍に配置された物体平面と、ワークピース又はその近傍に配置された像平面と、前記像平面内のイメージフィールドとを有し、前記イメージフィールドは、前記マスクセットの各マスクが従来のリソグラフィシステムで使用されるマスクの約２分の１以下の情報量を含むように２ｃｍ２以下の面積を有する投影レンズと、を含み、
ｅ）前記ワークピースステージは、複数の放射線パルスバーストな放出ができるように前記ワークピースをステップ移動させ、処理されている前記ワークピース上に複数の対応する露光フィールドを形成することを特徴とするリソグラフィーシステム。 - 前記放射線源と前記ワークピースステージは、各露光フィールドを択一的に単一パルスで露光する、請求項９４に記載のシステム。
- 前記放射線源は、フラッシュランプ又はレーザーである、請求項９４に記載のシステム。
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