JP2008124341A - 露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 多大な費用と広大な設置スペースを要することなく、また照明系を露光時と大きく変えることなく投影光学系の波面収差測定機能を付加した露光装置を提供する。
【解決手段】 本発明の露光装置は、投影光学系７の結像性能を測定するラテラルシアリング干渉計９を有し、該ラテラルシアリング干渉計は、投影光学系の物点に回折限界またはそれより微小なピンホールを複数個有するマスク６と、投影光学系の像点側に配された該投影光学系の瞳を結像する瞳結像光学系と、瞳結像光学系により結像された瞳近傍に配された回折格子と、回折格子で生じた次数の異なる回折光による干渉縞を撮影する撮像手段と、この干渉縞を解析して、投影光学系の波面収差の結像性能を計算する計算手段とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＩＣやＬＳＩ等の半導体デバイスやＣＣＤ等の撮像デバイスや液晶パネル等の表示デバイスや磁気ヘッド等のデバイスを製造する際に用いられる露光装置に関する。この露光装置は、原版（マスクやレチクル等）面上の電子回路パターンを感光基板面上に投影光学系を介して投影露光または走査露光し、高集積度のデバイスを得るフォトリソグラフィ工程で用いて好適なものである。

従来、半導体デバイスや液晶パネル等のデバイスを、フォトリソグラフィ技術を用いて製造する際には、レチクル面上のパターンを、投影光学系を介してフォトレジスト等が塗布されたウエハまたはガラスプレート等の感光基板上に露光転写している。

近年、ＩＣやＬＳＩ等のデバイスの高集積化がますます加速度を増しており、これに伴う半導体ウエハの微細加工技術の進展も著しい。この微細加工技術の中心をなす投影露光装置として、等倍投影露光装置（ミラープロジェクションアライナ）や縮小投影露光装置（ステッパ、スキャナ）等がある。ミラープロジェクションアライナは、円弧状の露光領域を持つ等倍のミラー光学系に対してマスクと感光基板を走査しながら露光するものである。ステッパは、レチクルのパターン像を屈折光学系により感光基板上に形成し、感光基板をステップアンドリピート方式で露光するものである。スキャナは、レチクルをスリット状の露光光で照明し、レチクルのパターン像を投影光学系により感光基板上に形成する。この状態でレチクルと感光基板とを投影光学系に対し相対的に同期走査することにより感光基板をステップアンドスキャン方式で露光するものである。

最近では、投影露光装置に搭載される投影光学系の高解像力化が進み、それに伴い投影光学系の収差補正にも厳しい要求がなされている。そのため露光装置本体に投影光学系を搭載した後に投影光学系の光学性能をえ測定し検査することが不可欠となっている。
従来は、露光装置本体上での投影光学系の性能、特に収差に関する検査はレチクル上の光透過部に複数の遮光パターン（ラインアンドスペース等）を設け、ウエハにこのパターンを実際に焼き付ける。そして、そのレジスト像を、電子顕微鏡等を用いて観察し検査することにより行われてきている。

しかしながら、投影光学系の光学性能を検査する方法として、ウエハ上に焼き付けられたレジスト像を電子顕微鏡を用いて観察して検査する方法は、以下の問題がある。
すなわち、露光工程、現像工程等の煩雑な作業を経た後にレジスト像を得るために検査が複雑になり、その結果、検査全体として長時間を必要とする。また、レジスト像の検査には高精度な測定装置が必要であり、現存する装置としては走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）のみである。しかし、ＳＥＭの測定精度は電子光学系の光軸合わせ精度、内部の真空度等によって変化し、作業者の個人差や装置の状態等により測定値に差が生じている。
加えて、ウエハ上に形成したレジスト像の検査を行うため、レジスト工程（塗布や現像）に誤差が生じた場合には検査精度が悪く、特に検査の再現性が悪いという問題がある。更に、実際のデバイスの焼付けに使用される照明条件毎に焼付けを行う必要があるため、やはり検査に大きな労力を要するという問題がある。

また、近年ではますます進むデバイスの微細化傾向に伴い、投影光学系には一層の光学性能を維持することが要求されつつある。例えば輸送時の投影光学系の光学性能の微妙な変化を設置時に測定し、光学性能が最良となるように設置後に再調整をする必要も生じている。
一方では、照明条件の変化に伴う投影光学系の光学性能の変化を極力低減させる必要も生じつつある。そのために、露光装置本体上で様々な照明条件のもとでの投影光学系の性能を短時間で簡便に測定する必要が生じつつある。

また、実際の露光工程では露光とともに投影光学系が照明系により暖められ、像性能が変化してしまうという問題が生じている。この場合、露光装置上では投影光学系の波面収差測定や像評価を行う手段は無く、また調整する手段も無いため、装置の動作を止める等の処理しかできないのが現状である。
このため、投影光学系の光学性能を簡便に短時間で高精度に測定し検査することが可能な干渉計を搭載した投影露光装置が必要となっている。

投影光学系の波面収差を見るよく知られた方法として、ラテラルシアリング干渉計（以後ＬＳＩと呼ぶ）を用いる方法や、点回折干渉計（以後ＰＤＩと呼ぶ）を用いる方法がある。このうちＬＳＩはＰＤＩに比べてアライメントが容易なこと、測定できる収差の範囲が広いことで投影光学系の評価には有力な方式である。本発明はＬＳＩに関するものである。

図４を用いて、ＬＳＩについて説明する。ここでは構成が最も単純になる２次元格子を使ったＬＳＩについて説明するが、１次元格子を使ったＬＳＩについても本発明では同様に有効である。
光源からの光２１をピンホールマスク２５に照射する。ピンホールマスク２５には回折限界以下のピンホール２６が配置されている。ピンホール２６を通過することで球面波となった光は被検光学系２２を通過することで被検光学系２２の波面収差を持った状態で、回折格子２７に入射する。回折格子２７は被検光学系２２からの光を多数の回折光に分離し、光学系の物体面上に複数の集光点を形成させる。これらの回折光は互いに干渉し、撮像素子３０で干渉縞が観察される。撮像素子３０としてはＣＣＤが好適である。この時干渉縞を明瞭にするためにはＴａｌｂｏｔ効果が現れるよう回折格子２７を特定の位置に配置する必要がある。または、物体面と撮像素子３０の間に被検光学系２２の瞳を結像する光学系を配し、瞳結像位置に回折格子２７を配する構成としても良い。

ＬＳＩで得られた干渉画像から投影光学系の収差を得るには例えば電子モアレ法やフーリエ変換法を用いて一旦ｘ、ｙ方向の差分波面を求め、次にこれらを各々積分した上でそれらを合成するという手法がある。
ＬＳＩで使用されるピンホールはその透過光の波面を十分に精度のよい球面波にするためには回折限界以下、一般的には１００ｎｍ程度の微小な直径にする必要がある。そのピンホールから測定に十分な強度の光を取り出すには、輝度の高い光源が必要である。
特開２００４−２１９４２３号公報

波面収差測定機能を半導体露光装置に搭載するに当たっては、波面収差測定用の光源と露光光源とは共通化することが望ましい。また、装置をコンパクトにするために、光源を波面測定用のマスクに引き回す光学系も露光用照明系を流用した構成が望ましい。

ところで、半導体露光装置用の光源としてエキシマレーザが使用されている。
エキシマレーザは空間コヒーレンシーが低く、指向性が悪いため、ピンホールマスク２５上のピンホール２６上の微小領域に集光することができない。さらに半導体露光装置の照明系は、一般にインテグレータを用いて照明領域全体で均一な照度を実現している。この結果、ピンホールマスク２５を照射する光量は極めて少量となり波面測定に必要な強度の干渉画像を撮像素子３０上で得ることができない。

これに対する一つの有効な対策としては特許文献１（特開２００４−２１９４２３）に記載された方法がある。ただしこの方法で正確な波面収差測定をするためには空間的に極めてインコヒーレントな照明光を必要とするという問題がある。
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、多大な費用と広大な設置スペースを要することなく、また照明系を露光時と大きく変えることなく投影光学系の波面収差測定機能を付加した露光装置を提供することを課題とする。
本発明は、上述の従来例における問題点を解消することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の露光装置は、露光光源より照明系、原版および投影光学系を介し基板を露光する露光装置であって、前記投影光学系の結像性能を測定するラテラルシアリング干渉計を有する。そして、該ラテラルシアリング干渉計は、前記投影光学系の物点に回折限界またはそれより微小なピンホールを複数個有する結像性能測定用マスクと、前記投影光学系の像点側に配され該投影光学系の瞳を結像する瞳結像光学系とを有する。さらに、該瞳結像光学系により結像された瞳近傍に配された回折格子と、該回折格子で生じた次数の異なる回折光による干渉縞を撮影する撮像手段と、前記干渉縞を解析して、前記投影光学系の波面収差の結像性能を計算する計算手段とを有する。

本発明によれば、照明系を露光時と大きく変えることなく、かつ格別の投影スペースを要することなく、露光光源を結像性能測定用に用いることができる。これにより、露光装置の設置スペースの増大およびコストアップの増大を最小限に抑え、露光装置本体上で投影光学系の光学性能を簡便に短時間で高精度に測定し検査することが可能となる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を実施例により説明する。
［実施例１］
以下に、本発明の一実施例を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例に係る半導体露光装置の基本配置を示す概略断面図である。
エキシマレーザ等の露光光源１から出射した光束は照明系３に引き回される。照明系３に入った光束は、光束形整形、インコヒーレント化、σ調整、視野調整等が行われて、レチクル（転写用原版）５に照明される。レチクル５はレチクルステージ４上に置かれ、スキャンタイプの露光装置では露光に応じて駆動される。レチクルステージ４上には、結像性能測定用のパターンを形成したマスク（結像性能測定用マスク）６が搭載（配設）される。

レチクルステージ４上に配されたレチクル５の転写パターンは投影光学系７によりウエハチャック８上に置かれたウエハ（感光性基板）に投影露光される。ウエハチャック８はウエハステージ１０上に配され、露光に応じて駆動される。ウエハステージ１０上には、結像性能測定用の干渉計ユニット９が搭載（配設）される。この干渉計ユニット９は、投影光学系７の像点側に配され、投影光学系７の物点側に配されたマスク６とともにラテラルシアリング干渉計を構成する。

図２を用いて、結像性能測定用マスク６を説明する。図中、１８は回折限界以下の透過型ピンホールである。ピンホール１８は投影光学系７の収差が変わらない領域、いわゆるアイソプラナティック領域Ａ内に複数個配置されている。
また、この領域は、図３の回折格子１６で回折した１次光の主光線の撮像素子１７上の位置と０次光の主光線の撮像素子１７の位置の間隔よりも十分小さい領域にもなっている。

図２の複数個の透過型ピンホール１８の間隔ｐは、マスク６に照明系３（図１参照）から照明される光の空間コヒーレンシーよりも十分に離れた距離で、隣り合うピンホールから射出した光束同士が干渉しないような間隔である。これにより、照明系３からの光束を極めてインコヒーレントとする必要がなく、投影露光に使用する照明と共通化することが可能となる。

次に図３を用いて、干渉計ユニット９を説明する。図中１５は投影光学系７の瞳を結像する瞳結像光学系、１６は回折格子、１７はＣＣＤ等の撮像素子である。回折格子１６は瞳結像光学系１５による投影光学系７の瞳共役位置（瞳結像光学系１５により結像された瞳近傍）に配置される。また、回折格子１６と撮像素子１７の距離ｚは（式１）のＴａｌｂｏｔ条件の位置に置かれる。

ここで、ｍは偶数、ｐｇは回折格子１６の格子間隔、λは使用光源の波長である。

図１の投影光学系７の波面収差を測定する時（結像性能測定時）は、レチクルステージ４を駆動してマスク６を、投影光学系７の露光領域の波面収差測定を行いたい場所に移動する。同時にウエハステージ１０により干渉計ユニット９を、投影光学系７によりマスク６が結像される場所に移動する。
マスク６には、照明系３からの照明光が照射される。

マスク６内の回折限界以下の多数のピンホール１８からは、多数の球面波が出射する。多数の球面波は投影光学系７を介して、ウエハステージ側に集光する。
集光した光束は、干渉計ユニット９内の瞳結像光学系１５により平面波となって、回折格子１６上に照射される。回折格子１６は光束を回折する。回折格子で生じた次数の異なる回折光は、回折格子に対してＴａｌｂｏｔ位置に配置された撮像素子１７上において干渉縞を形成する。

回折格子１６は投影光学系７と共役位置（瞳結像光学系１５により結像された瞳近傍）に置かれているので、撮像素子１７には投影光学系の瞳がシアした干渉縞が形成されることとなる。この干渉縞を不図示の演算手段により、前述のフーリエ変換法等を用いて処理（解析）することで、投影光学系７の波面収差情報を得ることが可能となる。すなわち、前記演算手段により、干渉縞を解析して、投影光学系７の波面収差の結像性能を計算する。

前述したように、回折格子１６と撮像素子１７の距離はＴａｌｂｏｔ条件に置かれる。
これにより、撮像素子１７上のコントラストが明瞭な多数本の干渉画像を得ることができる。その結果、Ｔａｋｅｄａ（Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ． ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．１１ ｐ．ｐ．１７６０）等による、干渉縞のキャリアを用いるフーリエ変換法により、干渉縞から波面を導出することが可能となる。
さらにフーリエ変換法では位相シフトが不要なため前記回折格子として２次元回折格子を採用すれば２方向のシア波面が一枚の干渉画像から得られる。その結果、測定時間が短縮されると共に、位置精度等も緩和される。

上述の方式でも十分であるが、結像性能測定時に、ステージ５、１０により、干渉計ユニット９をマスク６と平行に駆動させて、干渉縞の明暗を時間変化させる、いわゆる位相シフト法によりシア波面を得ることも可能である。この場合、ステージ５（原版ステージ）および１０（基板ステージ）を同期して移動させる。さらに、この移動と撮像手段１７による撮像とを同期させる。この方法を用いれば、さらに測定精度を向上させることが可能となる。

［実施例２］
次に、上述の露光装置を利用した微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造プロセスを説明する。
図５は半導体デバイスの製造のフローを示す。
ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では設計したパターンを形成したマスク（原版またはレチクルともいう）を製作する。
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハ（基板ともいう）を製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクを設置した露光装置とウエハを用いて、フォトリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。
次のステップ５（組立）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程である。後工程は、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組立工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、ステップ７でこれを出荷する。

上記ステップ４のウエハプロセスは、ウエハの表面を酸化させる酸化ステップ、ウエハ表面に絶縁膜を成膜するＣＶＤステップ、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する電極形成ステップステップを有する。また、ウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込みステップ、ウエハに感光剤を塗布するレジスト処理ステップ、上記の露光装置を用いて、回路パターンを有するマスクを介し、レジスト処理ステップ後のウエハを露光する露光ステップを有する。さらに、露光ステップで露光したウエハを現像する現像ステップ、現像ステップで現像したレジスト像以外の部分を削り取るエッチングステップ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップを有する。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。

本発明の一実施例に係る半導体露光装置の説明図である。 図１におけるレチクル側パターンの説明図である。 図１における干渉計ユニットの説明図である。 シアリング干渉計の説明図である。 デバイスの製造プロセスのフローを説明する図である。

符号の説明

１：露光光源
３：照明光学系
４：レチクルステージ
５：レチクル
６：結像性能測定用マスク
７：投影光学系
８：ウエハチャック
９：干渉計ユニット
１０：ウエハステージ
１５：瞳結像光学系
１６：回折格子
１７：撮像素子
１８：回折限界以下のピンホール
２１：光
２５：ピンホールマスク
２６：ピンホール
２７：回折格子
３０：撮像素子

Claims (4)

1. 露光光源より照明系、原版および投影光学系を介し基板を露光する露光装置であって、
   前記投影光学系の結像性能を測定するラテラルシアリング干渉計を有し、
   該ラテラルシアリング干渉計は、
   前記投影光学系の物点に回折限界またはそれより微小なピンホールを複数個有する結像性能測定用マスクと、
   前記投影光学系の像点側に配され該投影光学系の瞳を結像する瞳結像光学系と、
   該瞳結像光学系により結像された瞳近傍に配された回折格子と、
   該回折格子で生じた次数の異なる回折光による干渉縞を撮影する撮像手段と、
   前記干渉縞を解析して、前記投影光学系の波面収差の結像性能を計算する計算手段と、
   を有することを特徴とする露光装置。
2. 前記結像性能測定用マスクは、前記原版を搭載して移動する原版ステージに配設され、前記瞳結像光学系、回折格子および撮像手段からなる干渉計ユニットは前記基板を搭載して移動する基板ステージに配設され、前記投影光学系の結像性能測定は、前記マスクを前記照明系からの露光光により照明して行うことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記結像性能測定用マスクは、前記原版を搭載して移動する原版ステージに配設され、前記瞳結像光学系、回折格子および撮像手段からなる干渉計ユニットは前記基板を搭載して移動する基板ステージに配設され、前記投影光学系の結像性能測定時は、前記撮像手段の画像取り込みと、前記原版ステージおよび基板ステージの移動が同期していることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の露光装置を用いて基板を露光するステップを有することを特徴とするデバイス製造方法。

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