JP2006128732A - リソグラフィ走査露光投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放射パルスとの走査ビームにより基板の放射線感知層を露光するリソグラフィ装置において、リソグラフィ装置のスループットを維持しながらバンド型の不均一性を軽減する。
【解決手段】リソグラフィ走査露光投影装置は、放射パルスを発生する放射源（１）と、レンズ系（３，７）と、基板（９）上に結像されるマスク（５）と、放射源（１）の出射窓（２）の像を基板（９）に対してある走査速度で走査する走査手段（１０）とを具える。コントローラ（１３）は放射パルスのエネルギー及び走査速度の両方を基板に対する必要な露光量及び放射パルスの繰り返しレートに応じて制御する。このコントローラにより、この装置における基板のスループット及び基板に対する最小不均一露光量を最大にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リソグラフィ走査露光投影装置、特に半導体デバイス、液晶デバイス又は磁気ヘッドのようなマイクロデバイスの製造のための露光装置であって、放射パルスの走査ビームにより放射感知層を露光する装置に関するものである。また、本発明は、放射パルスの走査ビームにより放射感知層を露光する方法に関するものである。

光走査リソグラフィ装置において、エキシマレーザのようなパルス型の放射源によりスリット形状の露光視野内の放射感知層が露光されている。露光視野に対して感知層を走査方向に移動させることにより、この放射感知層は、重なり合う露光視野の一連の順次のパルスにより照射される。層の一点に入射する照射パルス数は、露光視野の重なり合う程度に依存する。例えば、２０個のパルス後露光視野が走査方向にその幅に等しい距離だけ移動すると、層上の点は２０回の照射を受けることになる。一方、層が配置されているテーブルのアクチュエータの公差及び放射パルスのタイミングの不正確さにより、層と露光視野との間の相対速度が、２個のパルス間における２０番目の幅の移動に対して必要な速度に正確に等しくならなくなってしまう。つまり、隣接する瞬時露光視野の正確な整列性に偏移が生じてしまう。層のある点は、その点の位置及びオーバラップの程度に応じて１９番目、２０番目又は２１番目の放射パルスに受光することになる。このいわゆるバンド形（Danding type）の不均一性は、順次の露光視野が適切に並置しない位置の放射感知層上にバンド形状の不均一な露光量の区域として現われる。例えば放射源の出射窓の形態の絞りのような鮮明に結像されたスリット形状の瞬時視野絞りの場合、この不均一性は各照射パルスのスリット縁部の位置における露光の不連続な形態となる。露光におけるバンド形の不均一性はパルス対パルスの変動のない場合に依存する。従って、層に対する露光量の制御は、走査方向の露光の不均一性の制御と密接に関係する。

Proceeding of the ＳＰＩＥ、Volume９２２（１９８８）第４３７〜４４３頁に記載されている文献「Exposure Dose Control Techniques for Excimer laser Lithography」D. H. Tracy and F. Y. Wu著には、リソグラフイ走査露光投影装置が記載されている。この投影装置は、放射パルスの十分に高い繰り返しレートを用いることにより露光の不連続性を軽減しており、放射感知層の照射位置当りのパルス数は１００回程度にしている。この位置当りのパルス数は、放射から発生する繰り返しレートが制限されているため、基板の走査速度が比較的遅くなる欠点がある。走査速度が遅いことにより、この装置による基板のスループットが低下し、基板当りのコストが増大してしまう。

本発明の目的は、装置のスループットを高く維持しながらバンド形の不均一性を軽減することにある。

この目的は、出射窓を有し、この出射窓に予め定めた繰り返し速度でほぼ等しいエネルギーの放射パルスを供給して放射感知層を有する基板を予め定めた露光量で照射する放射源と、前記出射窓を放射感知層上に結像する結像光学系と、前記出射窓の像と基板とを互いに走査方向の走査速度で走査する走査手段と、前記放射源及び走査手段と関連し、前記露光量及び繰り返し速度に応じて前記放射パルスのエネルギー及び走査速度を制御するコントローラとを具える走査露光装置により達成される。

この装置の最大スループットは放射源の繰り返しレート及び放射パルス当りの最大エネルギーにより決定される。一旦、エキシマレーザのような放射源が最大出力パワーに調整されると、繰り返しレートは同一の出力パワーを維持しながら意のままに変化することができない。この理由は、このレーザのレーザ条件がこのパラメータについて相対的に臨界状態にあるからである。しばしば繰り返しレートは水晶により制御される。従って、本発明による装置はパルスエネルギー及び走査速度を適切に制御し、放射感知層に対する必要な露光量はできるだけ短時間に予め定めた最大値以下に維持される不均一な露光量に設定される。各放射パルスのエネルギーは、露光の不均一性を回避するため特定の基板の走査露光中にほぼ等しくする。異なる基板については、基板上の放射感知層の特性に応じてエネルギーを相異させることができる。

放射感知層を露光するパルス数を制御する好適実施例においては、パルスのエネルギー及び走査速度は従属する請求項に規定される。

以下に後述する実施例に基づき本発明を詳細に説明する。

図１は本発明によるリソグラフィ走査投影装置を線図的に示す。この装置は、放出パルスを出射窓２に放出する例えばエキシマレーザのような放射源１を具える。出射窓は、例えば欧州特許出願ダイオード０６５８８１０号に図示されている水晶ロッドのような光積分器の出射面とすることができる。この積分器は出射窓全体に一様な強度分布を与える。出射窓は、好ましくは伸長形状とする。３個のレンズ３’、３’’及び３’’’を含むように図示した結像光学系３は出射窓２をパターンを有するマスクすなわちレチクル５の表面４に結像する。例えば線型アクチュエータのような第１の走査手段６は、表面４に形成されているパターン全体が照明されるようにマスク５を出射窓に対して走査する。或いは、マスク５を静止させて出射窓２を走査することができる。マスク上の出射窓の像の長手方向に走査方向、すなわち放射パルスで露光される期間中に走査手段６がマスク５を変位させる方向と直交する。符号１〜６の素子は走査スリット露光装置を構成する。

図面上単一の素子として線図的に表示した投影レンズ系７はマスク４の照明された部分を基板９上に形成した放射感知層８上に結像する。基板は半導体ウエハとすることができる。投影レンズ系７は、好ましくは１／４の倍率を有する。基板９は投影レンズ系７の倍率を考慮してマスク５の走査と同期して第２の走査手段１０により走査され、基板の移動はマスクの移動と同一方向又は反対方向とする。マスクと基板の結合された走査は、走査方向に変位した一連の像が基板上に形成されるように行い、この像はマスク５の表面４に形成されたパターンのスリット状部分となる。用いることができる走査シーケンスは、１９８６年５月に発行された雑誌「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌの第１３７〜１４２頁に記載されている文献「Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ １：１ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」 Ｄ．Ａ．Ｍａｒｃｌｅ著に記載されている。この装置の光路は露光装置のミラー１１により曲げることができる。
コントローラ１３は、放射源１、第１の走査手段６及び第２の走査手段１０を制御する。コントローラはマイクロプロセッサ、ディジタル信号プロセッサ、アナログ信号プロセッサ、ディジタル論理回路又はニューラルネットワークで構成することができる。このコントローラは、第１の入力パラメータとして放射感知層８に照射すべき必要な露光量Ｄを有する。この露光量は層の材料の特性及び照射に用いられる波長に依存する。第２の入力パラメータは放射パルスの繰り返し速度ｆであり、その値は一般的にエキシマレーザのような放射源について固定されている。第３の入力パラメータは放射感知層８上に入射する放射パルス当たりの最大エネルギーＥ（ｍａｘ）であり、これは持続動作モードの放射源から供給される。Ｅ（ｍａｘ）の値は用いられる特定の放射源及び放射源と層との間の光学系の透過率により決定される。コントローラは出力信号としてエネルギーを制御する信号及び走査速度を制御する信号を有する。

エネルギー及び走査速度の決定に際し、コントローラは、この層の最適露光量Ｄ、用いることができるエネルギーＥ（ｍａｘ）及び層上の露光視野の大きさに依存する特定の層８の点の露光に必要なパルス数を必要とする。従って、コントローラ１３は、以下の式に基づき露光されるべき放射感知層８上の点の放射パルス数を決定する。

Ｎ_１＝Ｄ・Ｗ・Ｈ／Ｅ（ｍａｘ）
ここで、Ｗは露光視野、すなわち層８上の出射窓２の像の走査方向における幅であり、Ｈはこの視野の走査方向と直交する方向の高さである。

必要なパルス数が整数の場合、バンド形（banding type）の不均一性は最小になる。残りの不均一性は、隣接する瞬時露光視野の上述した不正確な重なり合いに少なくとも部分的に起因する。後述するように、多くの露光装置は不正確な重なり合いの効果を除去するための手段を講じている。最終的な重なり合いの公差は、層８の点の露光に必要なパルス数に対する公差に対して影響する。つまり、パルス数は、好ましくはＮ−ｄＮ（ｍａｘ）からＮ＋ｄＮ（ｍａｘ）の範囲とし、ここでＮは整数であり、ｄＮ（ｍａｘ）はパルス数の公差である。公差の値は特に出射窓２の形状に依存し、これについて、後述する。

必要な露光量から取り出された値Ｎ_１は一般に整数ではない。本発明では、露光中に実際に用いられるパルス数は以下のようにして取り出す。

第１のケースにおいて、値Ｎ_１と最も近い整数Ｎ_２との間の差が公差ｄＮ（ｍａｘ）以下の場合、パルス数Ｎ_３はＮ_２ｄＮ（ｍａｘ）からＮ_２＋ｄＮ（ｍａｘ）までの範囲内に選択する。この差は絶対値として理解される。この場合、不均一性は受入れられることになる。値Ｎ_３が好ましくＮ_２にできるだけ接近している。この第１のケースにおいて、コントローラ１３は、放射パルスが最大エネルギーＥ（ｍａｘ）に等しいエネルギーＥを有するように放射源を制御する。基板の走査速度ｖは以下のように設定する。

ｖ＝Ｗ・ｆ／Ｎ_３
マスクの速度は対応するように適合される。

第２のケースにおいて、Ｎ_１の値は整数からｄＮ（ｍａｘ）以上に偏移する。この場合層８上の点を照射する放射パルス数Ｎ_３はＮ_１以上の最も近い整数Ｎ_２′に接近するようにとる。必要とされる量の均一性を達成するため、パルス数Ｎ_３は、好ましくはＮ_２′−ｄＮ（ｍａｘ）からＮ_２′＋ｄＮ（ｍａｘ）の範囲内に存在する。Ｎ_３の値は、好ましくはＮ_２′にできるだけ接近させて最小値の不均一性を得る。

第２のケースにおいて必要な露光量を照射するため、コントローラ１３は、それぞれ以下の値に等しいエネルギーＥを有する放射パルスを発生するように放射源を制御する。

Ｅ＝Ｅ（ｍａｘ）・Ｎ_１／Ｎ_３
このエネルギー減衰は、例えば放射源１のエキシマレーザの励起電圧を制御することにより又はレーザと出射窓２との間の放射源内に配置した減衰器を制御することにより行なうことができる。この減衰器の取り得る実施例は、６個の異なるエネルギー量制御手段を示す米国特許第５１１９３９０号に記載されている。基板の走査速度ｖは以下のように制御する。

ｖ＝Ｗ・ｆ／Ｎ_３
露光視野が層８上の点を通過する時間内でこの点により受光される放射パルス数は整数に等しくなる。

正しいパルスを選択した後の層８上に残りのバンド形の不均一性は、特に隣接する瞬時露光視野の不正確な重なり合いに起因する。これらの不均一性は、例えば光路中に散乱素子を挿入することにより又は出射窓２をデフォーカスにすることにより軽減することができる。

散乱素子１２は、出射窓２とマスク５との間の放射パルスの光路中に、好ましくは結像光学系３の瞳に配置する。

この散乱素子は、層８上の隣接する瞬時露光視野の重なり合いの公差を軽減する。散乱素子１２は、出射窓の像を、好ましくは走査方向においてだけボケさせる。マスク５の走査方向を紙面内に設定した場合、散乱素子１２は紙面内においてボケを発生させる。散乱素子を用いる代りに、表面４上の出射窓の像をわずかにデフォーカスにすることによりボケを発生させることができる。

第１のケースと第２のケースとの間においてコントローラ１３により行なわれる選択は、公差ｄＮ（ｍａｘ）の値に依存する。出射率の形状並びに結像光学系及び投影レンズ７の結像性能が既知の場合、層８の点の放射パルスの数の関数としての露光量の不均一性ｄＤは計算することができる。この結果に基いて、パルス数の公差と最終的な露光量の不均一性ｄＤとの間の関係を得ることができる。不均一性ｄＤは、この装置を用いて行なわれる製造プロセスに必要な予め定めた最大値ｄＤ（ｍａｘ）以下に維持する必要がある。パルス数に対する公差の対応する値はｄＮ（ｍａｘ）となる。

走査方向における露光視野の強度分布は、例えば出射窓２をデフォーカスにすることにより得られるようなほぼ台形となる。公差ｄＮ（ｍａｘ）と必要な最大の不均一性との間の関係は、
ｄＮ（ｍａｘ）＝ｄＤ（ｍａｘ）・ｄ・Ｎ^２／（Ｄ・Ｗ）
ここで、ｄは台形の側辺の幅であり、Ｗは層８上の出射窓の幅、すなわち図２に示す強度分布が半分になる位置の幅である。全体の分布の全幅はＷｔｄに等しくなる。この露光量の不均一性ｄＤは、露光量のピーク対ピーク変化として規定される。パラメータＮは、幅Ｗの矩形の強度分布を有する走査される出射窓の像が通過する期間中に層８の一点に入射するパルス数である。Ｎの値は、ｄＮ（ｍａｘ）の計算に対してＮ_１とすることができる。

縁部の露光量が台形分布として線形にならず、例えばコサイン又は誤差関数のように一層滑らかな場合、バンド形の不均一性は一層小さく、従って所定ｄＮ（ｍａｘ）に対するｄＮ（ｍａｘ）の値は台形分布の場合よりも大きくなる。コサイン形状の縁部強度の場合のｄＮ（ｍａｘ）の関数としてのｄＮ（ｍａｘ）の値は、
ｄＮ（ｍａｘ）＝ｄＤ（ｍａｘ）１．７ｄ^２・Ｎ^３／（Ｄ・Ｗ^２）
ここで、ｄは強度分布の側部の幅であり、この側部はコサイン関数の半周期の形状を有している。誤差関数形状を有する縁部強度の関係は、
ｄＮ（ｍａｘ）＝ｄＤ（ｍａｘ）１２．５Ｎ^２／Ｄ
一例として、像の縁部の幅は象の幅Ｗの０．２倍、すなわちｄ／Ｗ＝０．２とし、必要な最大値に対する不均一な露光量ｄＤ（ｍａｘ）／Ｄを０．００１とし、パルス数Ｎを１５とする。この場合、線形な縁部強度の場合のｄＮ（ｍａｘ）の値は０．０５に等しくなる。コサイン形状の縁部強度の場合ｄＮ（ｍａｘ）は０．２に等しく、誤差関数形状の縁部強度の場合ｄＮ（ｍａｘ）は２．８に等しくなる。０．５以上のｄＮ（ｍａｘ）の値はパルス数と最も近い整数との間の最大の取り得る差であり、この値は少なくともＮ−０．５からＮ＋０．５の範囲の全てのＮの値が上記０．００１の値の場合よりも一層良好な相対的均一性を保証することを示している。この場合、必要な露光量の均一性を得るためＮの値をこれ以上整数に近づける必要はない。

表１は、以下のパラメータの組み、Ｗ＝０．８ｃｍ、Ｈ＝２．６ｃｍ、ｄ＝０．２ｃｍ、Ｅ（ｍａｘ）＝１．５ｍＪ、ｄＮ（ｍａｘ）＝０．２、及びｆ＝１０００Ｈｚを用いて一連の必要な露光量Ｄについてのコントローラ１３の動作の一例を示す。台形強度分布の場合、ｄＮ（ｍａｘ）＝０．２は、ｄＤ（ｍａｘ）／Ｄ＝０．１％の最大不均一性に対応する。上記第１及び第２のケースは、ケース１及びケース２としてそれぞれ示す。第１のケースにおいて、Ｎ_３の値はＮ_１に等しくとり、第２のケースにおいてＮ_３の値はＮ_２に等しくとった。

（表１）
必要な露光量 パルス数 ケース 減 衰 走査速度
Ｄ（mJ） Ｎ_１ Ｎ_３ Ｅ／Ｅ(max)(%) ｖ(cm／s）
20 27.73 28 2 99.0 28.57
21 29.12 29.12 1 100 27.47
22 30.50 31 2 98.4 25.81
23 31.89 31.89 1 100 25.09
24 33.28 34 2 97.9 23.53
25 34.67 35 2 99.1 22.86
表１：予め定めた値の繰り返しレートにおける必要な
露光量に対する減衰及び走査速度依存性

本発明に基いて動作するコントローラ１３は、放射感知層８に最大量の放射を供給すると共に、以下の露光量の不均一性を最大許容値に以下に維持することができる。このようにして、本装置において基板の最大スループトレートが得られる。

本発明によるリソグラフィ走査投影装置の実施例を示す。 基板上の強度分布を示す。

Claims (2)

1. 出射窓を有し、この出射窓に予め定めた繰り返し速度でほぼ等しいエネルギーの放射パルスを供給して放射感知層を有する基板を予め定めた露光量で出射する放射源と、前記出射窓を放射感知層上に結像する結像光学系と、前記出射窓の像と基板とを互いに走査方向の走査速度で走査する走査手段と、前記放射源及び走査手段と関連し、前記露光量及び繰り返し速度に応じて前記放射パルスのエネルギー及び走査速度を制御するコントローラとを具える走査露光装置。
2. 予め定めた繰り返しレートにおいてほぼ等しいエネルギーを有する放射パルスにより露光中に走査方向のある走査速度で放射感知層を放射分布強度で走査することにより予め定めた露光量で放射感知層を照射するに当たり、露光量及び繰り返しレートに応じて放射パルスのエネルギーを制御する工程を含む放射感知層の照射方法。

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