JP2008263194A - 露光装置、露光方法、および電子デバイス製造方法 - Google Patents

露光装置、露光方法、および電子デバイス製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 単位露光領域内の変形を迅速に且つ高精度に計測し、基板上でのパターンの重ね合わせを高精度に行う露光装置。
【解決手段】 投影光学系(PL)を用いて基板(W)上に明暗パターンを露光する本発明の露光装置は、基板の単位露光領域における所定の位置を検出する位置検出部であって、該位置検出部の基準検出位置が単位露光領域にほぼ等しい範囲内に入る複数の位置検出部(10)と、複数の位置検出部の検出結果に基づいて単位露光領域内の変形状態を算出する変形算出部(11)と、変形算出部により算出された変形状態に基づいて基板上に露光されるべき明暗パターンの形状を変更する形状変更部(12)とを備えている。
【選択図】 図1

Description

本発明の実施形態は、露光装置、露光方法、および電子デバイス製造方法に関する。さらに詳細には、本発明の実施形態は、半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等の電子デバイスを製造するリソグラフィー工程で用いられる露光装置および方法に関するものである。
半導体素子等のデバイスの製造に際して、感光材料の塗布されたウェハ(またはガラスプレート等の基板)上に複数層の回路パターンを重ねて形成する。このため、露光装置には、転写すべきパターンが描画されたマスクと回路パターンが既に形成されたウェハとの位置合わせ(アライメント)を行うためのアライメント装置が備えられている。この種のアライメント装置として、例えば撮像方式のアライメント装置が知られている。
撮像方式のアライメント装置は、光源から射出される光で、ウェハ上のアライメントマーク(ウェハマーク)を照明する。そして、結像光学系を介してウェハマークの拡大像を撮像素子上に形成し、得られた撮像信号を画像処理することによりウェハマークの位置を検出する。
1枚のウェハ上には複数の単位露光領域が縦横に設定され、各単位露光領域には1回の露光動作(一括露光動作、走査露光動作など)によりLSI(大規模集積回路)のような機能素子の回路パターン等が形成される。すなわち、露光装置では、投影光学系に対してウェハをステッピング移動させつつ、1つの単位露光領域に対する露光動作が複数回に亘って繰り返される。このとき、各単位露光領域には、1つまたは複数のアライメントマークが、1つまたは複数のLSIの回路パターンと共に転写される。
また、従来の位置検出装置には、1つの位置検出機構(アライメント顕微鏡等)が装着されているか、あるいはX方向計測用の位置検出機構とY方向計測用の位置検出機構とが別々に装着されている。
ウェハ上にパターンが露光された後、エッチング工程、成膜工程等のウェハプロセスを経たウェハは、面内方向に変形している可能性がある。すなわち、ウェハプロセスなどに起因して、ウェハが全体的にまたは局所的に伸縮する可能性がある。
従来、パターンを露光し、ウェハプロセスを経た後のウェハの変形に対応するために、ウェハ面内での各単位露光領域の配列に関する変形を補正するEGA(Enhanced Global Alignment)手法が提案されている。また、各単位露光領域の線形的な変形、すなわち各単位露光領域の面内における直交座標であるX,Y座標の一次関数で表わされる全体的な伸縮および回転に対応するために、投影光学系の倍率を補正する倍率補正手法や、マスクを回転させるマスク回転手法が提案されている。
近年、LSIの回路パターンの微細化に伴い、基板上でのパターンの重ね合わせについて益々高い精度が要求されている。したがって、将来的には、従来技術で補正の対象にならなかった「単位露光領域内の高度な変形」についても対応することが必要になるものと考えられる。ここで、「高度な変形」とは、X,Y座標の一次関数で表わすことのできない「高次の変形」である。すなわち、「高次の変形」とは、例えばX,Y座標の二次関数及び三次関数などの高次関数で表わされる変形をいう。
単位露光領域内の高度な変形を計測するには、例えば単位露光領域内に離散的に形成された多数のマークの位置を検出する必要がある。1つまたは一対の位置検出機構を備えた従来の位置検出装置を用いて多数のマークの位置を順次検出すると、マークの位置検出に時間が掛かり過ぎて、露光装置のスループット(処理能力)の低下を招き、ひいては十分な生産性を得ることが困難である。
本発明の実施形態は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、単位露光領域内の変形を迅速に且つ高精度に計測し、基板上でのパターンの重ね合わせを高精度に行うことのできる露光装置および露光方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の第1形態では、投影光学系を用いて基板上に明暗パターンを露光する露光装置において、
前記基板の単位露光領域における所定の位置を検出する位置検出部であって、該位置検出部の基準検出位置が前記単位露光領域にほぼ等しい範囲内に入る複数の位置検出部と、
前記複数の位置検出部の検出結果に基づいて、前記単位露光領域内の変形状態を算出する変形算出部と、
前記変形算出部により算出された前記変形状態に基づいて、前記基板上に露光されるべき明暗パターンの形状を変更する形状変更部とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。本明細書において、「単位露光領域」とは、1回の露光動作(一括露光動作、走査露光動作など)により明暗パターンが形成される基板上の単位的な露光領域を意味している。
本発明の第2形態では、投影光学系を用いて基板上に明暗パターンを露光する露光方法において、
前記基板の単位露光領域にほぼ等しい範囲内に入る複数の所定位置を検出する位置検出系を用いて、前記基板の前記単位露光領域における前記複数の所定位置を検出する位置検出工程と、
前記位置検出工程で得られた前記複数の所定位置に関する情報に基づいて、前記単位露光領域内の変形状態を算出する変形算出工程と、
前記変形算出工程で得られた前記変形状態に基づいて、前記基板上に露光されるべき明暗パターンの形状を変更する形状変更工程とを含むことを特徴とする露光方法を提供する。
本発明の第3形態では、リソグラフィー工程を含む電子デバイスの製造方法であって、
前記リソグラフィー工程において、第2形態の露光方法を用いることを特徴とする電子デバイス製造方法を提供する。
本発明の実施形態の露光装置および方法では、例えば基板の単位露光領域にほぼ等しい範囲内に入る複数の位置を検出する位置検出系(複数の位置検出部)を用いて、単位露光領域における複数の位置を検出する。そして、これらの複数の位置に関する情報に基づいて、単位露光領域内の変形状態を算出する。換言すれば、単位露光領域における複数の位置に関する情報に基づいて、単位露光領域に形成された既存のパターンの変形を計測する。
本発明の実施形態では、単位露光領域に形成された既存のパターンの変形に対応するように、基板上に露光されるべき明暗パターンの形状を変更することにより、基板上でのパターンの重ね合わせ精度を向上させる。こうして、本発明の実施形態の露光装置および方法では、単位露光領域内の変形を迅速に且つ高精度に計測し、基板上でのパターンの重ね合わせを高精度に行うことができ、ひいては電子デバイスを高精度に製造することができる。
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。添付図面は、本発明の一実施形態を示すことを意図しており、本発明を限定することを意図するものではない。図1は、本発明の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。図1では、X軸およびY軸がウェハWの表面(露光面)と平行な面内において互いに直交するように設定され、Z軸がウェハWの表面の法線方向に設定されている。さらに具体的には、XY平面が水平に設定され、+Z軸が鉛直方向に沿って上向きに設定されている。
本実施形態の露光装置は、図1に示すように、たとえば露光光源であるArFエキシマレーザ光源を含み、オプティカル・インテグレータ(ホモジナイザー)、視野絞り、コンデンサレンズ等から構成される照明系1を備えている。照明系1は、光源から射出された露光光ILにより、転写すべきパターンが形成されたマスク(レチクル)Mを照明する。照明系1は、例えばマスクMの矩形状のパターン領域全体、あるいはパターン領域全体のうちX方向に沿って細長いスリット状の領域(例えば矩形状の領域)を照明する。
マスクMのパターンからの光は、所定の縮小倍率を有する投影光学系PLを介して、フォトレジストが塗布されたウェハ(感光性の基板)Wの単位露光領域にマスクMのパターン像(明暗パターン)を形成する。すなわち、マスクM上での照明領域(視野)に光学的に対応するように、ウェハWの単位露光領域において、マスクMのパターン領域全体と相似な矩形状の領域、あるいはX方向に細長い矩形状の領域(静止露光領域)にマスクパターン像が形成される。
マスクMは、マスクステージMS上においてXY平面と平行に保持されている。マスクステージMSには、X方向、Y方向およびZ軸廻りの回転方向にマスクMを微動させる機構が組み込まれている。マスクステージMSには図示を省略した移動鏡が設けられ、この移動鏡を用いるマスクレーザ干渉計(不図示)が、マスクステージMS(ひいてはマスクM)のX方向、Y方向および回転方向の位置をリアルタイムに計測する。
ウェハWは、ウェハホルダ(不図示)を介して、Zステージ2上においてXY平面と平行に保持されている。Zステージ2は、投影光学系PLの像面と平行なXY平面に沿って移動するXYステージ3上に取り付けられ、ウェハWのフォーカス位置(Z方向の位置)および傾斜角(XY平面に対するウェハWの表面の傾き)を調整する。Zステージ2には移動鏡4が設けられ、移動鏡4を用いるウェハレーザ干渉計5は、Zステージ2のX方向、Y方向およびZ軸廻りの回転方向の位置をリアルタイムに計測する。XYステージ3は、ベース6上に載置され、ウェハWのX方向、Y方向および回転方向の位置を調整する。
マスクレーザ干渉計の出力およびウェハレーザ干渉計5の出力は、主制御系7に供給される。主制御系7は、マスクレーザ干渉計の計測結果に基づいて、マスクMのX方向、Y方向および回転方向の位置の制御を行う。即ち、主制御系7は、マスクステージMSに組み込まれている機構に制御信号を送信し、この機構が制御信号に基づいてマスクステージMSを微動させることにより、マスクMのX方向、Y方向および回転方向の位置の調整を行う。
主制御系7は、オートフォーカス方式及びオートレベリング方式により、ウェハWの表面を投影光学系PLの像面に合わせ込む(像面と一致させる)ために、ウェハWのフォーカス位置および傾斜角の制御を行う。即ち、主制御系7は、ウェハステージ駆動系8に制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系8が制御信号に基づいてZステージ2を駆動することにより、ウェハWのフォーカス位置および傾斜角の調整を行う。
主制御系7は、ウェハレーザ干渉計5の計測結果に基づいて、ウェハWのX方向、Y方向および回転方向の位置の制御を行う。即ち、主制御系7は、ウェハステージ駆動系8に制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系8が制御信号に基づいてXYステージ3を駆動することにより、ウェハWのX方向、Y方向および回転方向の位置の調整を行う。
ステップ・アンド・リピート方式では、ウェハW上に縦横に設定された複数の単位露光領域のうちの1つの単位露光領域に、マスクMのパターン像を一括的に露光する。その後、主制御系7は、ウェハステージ駆動系8に制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系8によりXYステージ3をXY平面に沿ってステップ移動させることにより、ウェハWの別の単位露光領域を投影光学系PLに対して位置決めする。こうして、マスクMのパターン像をウェハWの単位露光領域に一括露光する動作を繰り返す。
ステップ・アンド・スキャン方式では、主制御系7は、マスクステージMSに組み込まれた機構に制御信号を送信すると共に、ウェハステージ駆動系8に制御信号を送信し、投影光学系PLの投影倍率に応じた速度比でマスクステージMSおよびXYステージ3を移動させつつ、マスクMのパターン像をウェハWの1つの単位露光領域に走査露光する。その後、主制御系7は、ウェハステージ駆動系8に制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系8によりXYステージ3をXY平面に沿ってステップ移動させることにより、ウェハWの別の単位露光領域を投影光学系PLに対して位置決めする。こうして、マスクMのパターン像をウェハWの単位露光領域に走査露光する動作を繰り返す。
すなわち、ステップ・アンド・スキャン方式では、ウェハステージ駆動系8およびウェハレーザ干渉計5などを用いてマスクMおよびウェハWの位置制御を行いながら、矩形状(一般にはスリット状)の静止露光領域の短辺方向であるY方向に沿って、マスクステージMSとXYステージ3とを、ひいてはマスクMとウェハWとを同期的に移動(走査)させることにより、ウェハW上には静止露光領域の長辺に等しい幅を有し且つウェハWの走査量(移動量)に応じた長さを有する領域に対してマスクパターンが走査露光される。
本実施形態の露光装置は、ウェハWの単位露光領域内の変形を高精度に計測し且つウェハW上でのパターンの重ね合わせ精度を向上させるために、位置検出系10と、変形算出部11と、光学面形状変更部12とを備えている。位置検出系10は、投影光学系PLを介することなく、ウェハWの単位露光領域における複数の位置を検出する。変形算出部11は、位置検出系10の検出結果に基づいて、ウェハWの単位露光領域内の変形状態を算出する。光学面形状変更部12は、変形算出部11の算出結果に基づいて、ウェハWに露光されるべきパターン像(明暗パターン)の形状を変更するために、投影光学系PL中の少なくとも1つの光学面の面形状を変更する。
位置検出系10は、図2に示すように、XY平面に沿って二次元的に並列配置された複数の位置検出部を備えている。図2では、図面の明瞭化のために、複数の位置検出部の一部である5つの位置検出部(位置検出機構)10a,10b,10c,10d,10eがジグザグ状に並列配置されている様子を示している。ここで、ジグザグ状に並列配置とは、X方向に沿う直線から、+Y方向と−Y方向とに互いに交互に位置検出機構を配列することである。たとえば、図2においては、隣り合う2つの列、すなわち、位置検出機構10a,10c,10eを含む第1列と、位置検出機構10b,10dとを含む第2列が示されているが、位置検出機構10a,10c,10eは+Y方向側にオフセットされ、かつ、第1列上で所定の間隔で配置されている。位置検出機構10b,10dは−Y方向側にオフセットされ、かつ、第2列上で所定の間隔で配置されている。5つの位置検出部10a〜10eは、その基準検出位置10aa〜10eaがウェハWの単位露光領域にほぼ等しい矩形状の範囲10f内に入るように構成されている。図2では、位置検出部10a〜10eの各検出領域の中心を基準検出位置として十字マークにより示している。一実施形態では、位置検出系10を構成する全ての位置検出機構の基準検出位置が範囲10f内に収まる。
位置検出部10a〜10eは、例えば撮像方式の位置検出機構であって、互いに同じ基本構成を有する。撮像方式の位置検出部10a〜10eでは、図3に示すように、照明系31からの照明光がハーフプリズム32で反射された後、第1対物レンズ33を介して、ウェハWの単位露光領域に形成された位置検出マークPMを照明する。照明系31は、各位置検出部に個別に設けられても良いし、複数の位置検出部に共通に設けられても良い。
照明光に対する位置検出マークPMからの反射光(回折光を含む)は、第1対物レンズ33、ハーフプリズム32、および第2対物レンズ34を介して、CCDカメラ35のような撮像素子の撮像面に位置検出マークPMの像を形成する。すなわち、CCDカメラ35は、第1対物レンズ33と第2対物レンズ34とからなる結像光学系を介して形成された位置検出マークPMの像を光電検出するための光電検出器(光検出部)として機能する。
CCDカメラ35は、位置検出マークPMの像の光電検出信号を内部の信号処理部(不図示)において処理(波形処理)することにより、位置検出マークPMの位置情報として、例えば位置検出マークPMの中心位置のX座標およびY座標を得る。CCDカメラ35の出力である位置検出マークPMの位置情報は、位置検出部10a〜10eの出力(ひいては位置検出系10の出力)として、変形算出部11に供給される。
変形算出部11は、位置検出系10の検出結果、すなわちウェハWの単位露光領域に形成された複数の位置検出マークPMの位置情報(複数の位置検出値)に基づいて、単位露光領域内の変形状態を算出する。具体的には、変形算出部11は、ウェハWの単位露光領域に形成された複数の位置検出マークPMの基準位置からの位置ずれ量を検出し、この位置ずれ量に関する情報に基づいて、例えばX座標とY座標とで定義される関数により単位露光領域内の変形を近似的に表現する。
ここで、X座標とY座標との高次関数で定義される単位露光領域の高度な変形を想定し、設計上の位置検出マークPMの座標位置(以下、設計値とする)を(Dxn,Dyn)、実際の検出により得られた位置検出マークPMの座標位置(以下、実測値とする)を(Fxn,Fyn)とし、設計値と実測値との位置ずれの要因としてa〜f(一次成分の変数)の変数要素、g〜j(高次成分の変数)の変数要素を用いると、例えば以下の式(1)のように表わせる。ただし、nは整数で、単位露光領域に形成された位置検出マークPMの番号とする。
Figure 2008263194
しかし実際には、設計値(Dxn,Dyn)と実測値(Fxn,Fyn)との位置ずれ量、すなわち残差項(Exn,Eyn)が存在し、式(2)のような関係が成り立つ。
Figure 2008263194
ここで、式(2)におけるx成分は式(3)のように表わせる。
Figure 2008263194
また、式(2)におけるy成分についても同様に式(4)のように表わせる。
Figure 2008263194
そして、例えば最小二乗法を用いて、残差項の二乗和を最小にするように、各変数要素を決定する。以上のようにして、単位露光領域内の変形は、高次関数を用いて近似的に表現することができる。
なお、上述の高次関数を用いた近似表現においては、高次成分として二次成分及び三次成分を用いたが、四次成分以上の高次成分を用いることも可能である。また、単位露光領域内の変形は、光学系の波面収差をゼルニケ展開などの級数展開で表わす如く、極座標表示による関数系により近似的に表現することもできる。
ここで、位置検出マークPMの基準位置とは、位置検出マークPMの設計上の位置、または位置検出マークPMを形成した直後にウェハプロセスを経ることなく計測された実際の位置である。変形算出部11においてウェハWの単位露光領域内の変形を近似的に関数表現することは、ウェハWの単位露光領域内に形成された既存の回路パターンの変形を近似的に関数表現することに他ならない。
光学面形状変更部12は、投影光学系PL中の少なくとも1つの光学面の面形状を変更することにより、投影光学系PLの収差を変更する機能を有する。以下、図4に示すような2回結像型で反射屈折型の投影光学系PLを例にとって、光学面形状変更部12の具体的な構成例を説明する。図4の投影光学系PLは、マスクMのパターンの中間像を形成するための反射屈折型の第1結像光学系G1と、中間像からの光に基づいてマスクパターンの最終縮小像をウェハW上に形成するための屈折型の第2結像光学系G2とを備えている。
マスクMから第1結像光学系G1への光路中には例えばデフォーマブルミラーからなる平面反射鏡M1が設けられ、第1結像光学系G1から第2結像光学系G2への光路中にも同じくデフォーマブルミラーからなる平面反射鏡M2が設けられている。平面反射鏡M1の反射面はマスクMの近傍に位置決めされ、平面反射鏡M2の反射面は中間像の形成位置またはその近傍の位置に位置決めされている。平面反射鏡M1,M2は、図5に示すように、例えば表面反射面を有する反射部材M1a,M2aと、反射部材M1a,M2aの反射面に対応するように二次元的に並列配置された複数の駆動素子M1b,M2bとを有する。
光学面形状変更部12は、平面反射鏡M1,M2に加えて、例えば平面反射鏡M1とM2とに共通に設けられたミラー基材12aと、複数の駆動素子M1b,M2bを個別に駆動するための駆動部12bとを備えている。駆動部12bは、変形算出部11の出力を受けた主制御系7からの制御信号に基づいて、複数の駆動素子M1b,M2bを個別に駆動する。複数の駆動素子M1b,M2bは、共通のミラー基材12aに取り付けられ、互いに独立した押し/引き動作により反射部材M1aの反射面およびM2aの反射面を所望の面形状に変更する。
こうして、光学面形状変更部12は、投影光学系PLの物体面の近傍位置に設けられた平面反射鏡M1の反射面、および投影光学系PLの物体面と光学的に共役な位置またはその近傍位置に設けられた平面反射鏡M2の反射面のうちの少なくとも一方の面形状を適宜変更することにより、投影光学系PLの収差状態を変更し、とりわけ歪曲収差(ディストーション)を積極的に発生させる。その結果、光学面形状変更部12の作用により、ウェハWの単位露光領域に露光されるべきマスクパターン像(明暗パターン)の形状が変化する。
図6は、本発明の実施形態にかかる露光方法の露光シーケンスを概略的に示すフローチャートである。以下、本発明の理解を容易にするために、本実施形態の露光方法では、図1の露光装置を用いてマスクMのパターンをウェハWの各単位露光領域に一括露光するものとする。図6を参照すると、本実施形態の露光方法では、回路パターンが既に露光され且つウェハプロセスを経たウェハWを、Zステージ2上にローディング(載置)する(S11)。次いで、投影光学系PL(ひいてはマスクM)に対するウェハWのアライメント(位置合わせ)を行う(S12)。
アライメント工程S12では、ウェハWの外形などに関する情報に基づいて、XYステージ3を適宜駆動することにより、投影光学系PLに対するウェハWのプリアライメント(粗精度のアライメント)を行う。さらに、アライメント工程S12では、例えば図1の位置検出系10を用いて、ウェハW上の複数のウェハアライメントマークの位置を検出し、その位置情報に基づいてXYステージ3を適宜駆動することにより、投影光学系PLに対するウェハWのファインアライメント(細精度のアライメント)を行う。
ウェハWのファインアライメントに際して、位置検出すべき複数のウェハアライメントマークとして、後述する単位露光領域内の複数の位置検出マークPMから選択された1つまたは複数の位置検出マークを用いることができる。アライメント工程S12を経て、転写すべきパターンが描画されたマスクMと回路パターンが既に形成されたウェハWとが、ひいてはマスクMのパターン領域とウェハWの単位露光領域とが投影光学系PLを介して光学的に位置合わせされる。
Zステージ2上にローディングされたウェハWの各単位露光領域には、図7に示すように、例えばX方向に3列およびY方向に3列で合計9個のLSIのような機能素子の回路パターン41が形成されている。ここで、機能素子とは、1つの独立した電子デバイスとして機能する最小単位、すなわち1つのチップである。そして、前回またはそれ以前のリソグラフィー工程において、各単位露光領域ERのストリートライン(チップ間の「切断しろ」の領域)42には、複数の位置検出マークPMが形成されている。具体的に、図7に示す単位露光領域ERの周辺部、すなわち単位露光領域ERの外形境界線に沿った内側領域には、例えば合計24個の位置検出マークPMが形成されている。互いに隣り合う2つのLSIの回路パターン41の間には、例えば合計24個の位置検出マークPMが形成されている。
図示を省略したが、複数の位置検出マークPMの形成に用いられるマスクMのパターン領域には、9個のLSIの回路パターン41に対応する回路パターンが描画され、ストリートライン42に対応する余白領域(回路パターンが描画されていない余りの部分)には複数の位置検出マークPMに対応する複数のマークが描画されている。このように、各単位露光領域ERのストリートライン42に位置検出マークPMを形成する構成では、LSIの回路設計の自由度を実質的に損なうことがない。なお、図7では、図面の明瞭化のために、LSIの回路パターン41に比して、ストリートライン42の幅および位置検出マークPMの大きさを誇張して描いている。
次いで、本実施形態の露光方法では、ウェハWの少なくとも1つの単位露光領域ERにおける複数の位置を検出する(S13)。位置検出工程S13では、XYステージ3を駆動することにより、位置検出系10の検出範囲10fに対してウェハWの特定の単位露光領域ERを位置合わせする(S13a)。そして、位置検出系10の複数の位置検出部により、当該単位露光領域ER内の複数の位置検出マークPMの面内方向の位置を検出する(S13b)。検出工程S13bでは、単位露光領域ER内のすべての位置検出マークPMの位置を位置検出マークPMの数と同数の位置検出部により一括的に(ほぼ同時に)検出しても良いし、すべての位置検出マークPMの位置を複数回に分けて検出しても良い。
また、検出工程S13bでは、単位露光領域ER内のすべての位置検出マークPMから選択された複数の位置検出マークPMの位置を、これと同数の位置検出部により一括的に検出しても良いし、複数回に分けて検出しても良い。さらに、必要に応じて、ウェハWの他の単位露光領域ERを位置検出系10の検出範囲10fに位置合わせし、この単位露光領域ER内の複数の位置検出マークPMの位置検出を繰り返す(S13c)。なお、位置検出工程S13において投影光学系PL(ひいてはマスクM)に対するウェハWのアライメント(位置合わせ)を行うことによって、アライメント工程S12は省略することも可能である。
次いで、本実施形態の露光方法では、位置検出工程S13で得られた位置情報に基づいて、ウェハWの単位露光領域ER内の変形状態を算出する(S14)。変形算出工程S14では、位置検出系10の検出結果を受けた変形算出部11が、ウェハWの単位露光領域ERに形成された複数の位置検出マークPMの基準位置からの位置ずれ量を算出し、この位置ずれ量に関する情報に基づいて単位露光領域ER内の変形を近似的に関数表現する。変形算出工程S14における変形状態の算出は、例えば位置検出工程S13の対象になった単位露光領域毎に行われる。このように、位置検出工程S13では単位露光領域ER内の複数の位置検出マークPMの位置を複数の位置検出部により例えば一括的に検出するので、変形算出工程S14において単位露光領域ER内の変形を迅速に且つ高精度に計測(算出)することができる。
次いで、本実施形態の露光方法では、変形算出工程S14で得られた変形状態の情報に基づき、必要に応じて、ウェハW上の単位露光領域ERに露光されるべき明暗パターンの形状を変更する(S15)。ウェハプロセスなどを経てウェハWの単位露光領域ERが変形していると、この単位露光領域ERに形成された既存の回路パターンも所望の設計パターンから変形していることになる。したがって、単位露光領域ER内の変形状態が許容範囲を超えて大きい場合、当該単位露光領域ER内の既存の回路パターンに重ねて新たな回路パターン(明暗パターン)をそのまま露光すると、既存の回路パターンと新たに露光される回路パターンとの間で所望の重ね合わせ精度を得ることができない。
本実施形態の露光方法では、形状変更工程S15において、主制御系7からの指令に基づいて平面反射鏡M1およびM2のうちの少なくとも一方の反射面の面形状を適宜変更することにより、投影光学系PLに例えば所要量の歪曲収差を積極的に発生させる。その結果、単位露光領域ER内の既存の回路パターンの変形に対応するように、当該単位露光領域ERに露光されるべき明暗パターンの形状が変化する。
最後に、本実施形態の露光方法では、ウェハW上の各単位露光領域ERに対する投影露光を繰り返す(S16)。各単位露光領域ERには、原則として、同じ回路パターンが露光される。したがって、単位露光領域ER内の変形がウェハW上での単位露光領域ERの位置に実質的に依存することなく、主として単位露光領域ERに露光される回路パターンの特性に依存する場合、投影露光工程S16では、変形算出工程S14で得られた1つの代表的な単位露光領域内の変形状態に基づき、形状変更工程S15により投影光学系PLの収差を所要の状態に設定し、各単位露光領域ERに対する投影露光を繰り返す。あるいは、この場合、投影露光工程S16では、変形算出工程S14で得られた複数の単位露光領域内の変形状態の平均値などに基づき、形状変更工程S15により投影光学系PLの収差を所要の一定状態に保ったまま、各単位露光領域ERに対する投影露光を繰り返す。
一方、単位露光領域ER内の変形がウェハW上での単位露光領域ERの位置(中央位置、周縁位置など)に依存する場合、投影露光工程S16では、ウェハW上での位置が異なる複数の単位露光領域内の変形状態に基づき、投影光学系PLの収差を適宜変化させつつ、各単位露光領域ERに対する投影露光を繰り返す。あるいは、この場合、投影露光工程S16では、ウェハW上のすべての単位露光領域内の変形状態に基づき、投影光学系PLの収差を単位露光領域毎に調整しつつ、各単位露光領域ERに対する投影露光を繰り返す。
以上のように、本実施形態の露光装置および方法では、ウェハWの単位露光領域ERにほぼ等しい範囲内に入る複数の位置を検出する位置検出系(複数の位置検出部)10を用いて、単位露光領域ERに形成された複数の位置検出マークPMのウェハ面内方向の位置を検出する。そして、これらの複数の位置検出マークPMの位置情報(位置検出値)に基づいて、単位露光領域ER内の変形状態を算出し、ひいては単位露光領域ERに形成された既存の回路パターンの変形を計測する。
したがって、本実施形態では、単位露光領域ER内の既存の回路パターンの変形に対応するように、単位露光領域に露光されるべき明暗パターンの形状を変更することにより、ウェハW上での既存の回路パターンと新たに露光されるパターンとの間の重ね合わせ精度が向上する。こうして、本実施形態の露光装置および方法では、単位露光領域ER内の変形を迅速に且つ高精度に計測し、ウェハW上でのパターンの重ね合わせを高精度に行うことができる。
なお、上述の実施形態では、二次元的に並列配置された複数の検出光学系(32〜34)と、これと同数の光電検出器35とにより、複数の位置検出部が構成されている。しかしながら、これに限定されることなく、位置検出部の数、配置、構成などについて様々な変形例が可能である。具体的に、図8に示すように、複数の位置検出マークの位置検出に共通に用いられる1つの共通検出光学系51と、共通検出光学系51の検出範囲内に設けられた複数の撮像素子(光検出器)52とにより複数の位置検出部を構成することができる。なお、図8の構成例では、互いに独立した複数の撮像素子52を用いているが、複数の個別の撮像素子52に代えて、例えば1つの撮像素子の撮像面上の複数の領域を複数の光検出器として用いることもできる。また、図8の構成例では、共通検出光学系51を複数個設けたり、図2に示す形態の1つまたは複数の位置検出部を混在させたりすることもできる。
また、図9に示すように、複数の位置検出マークの位置検出に共通に用いられる1つの共通検出光学系53と、共通検出光学系53を介した光を検出するために例えば一方向に並列配置された複数の撮像素子54aからなるラインセンサ(光検出器)54とにより複数の位置検出部を構成することができる。この場合、XYステージ3の作用により、複数の撮像素子54aの配列方向と直交する方向に沿って共通検出光学系53に対してウェハWを移動させつつ複数の位置検出マークの位置をスキャン検出することになる。図9の構成例では、共通検出光学系53を複数個設けたり、複数の撮像素子54aを二次元的に並列配置したりすることもできる。
また、上述の実施形態では撮像方式の位置検出機構を用いているが、これに限定されることなく、位置検出機構の検出方式について様々な変形例が可能である。具体的に、例えば段差マークのような位置検出マークをスリット状のレーザービームスポットでスキャン(走査)し、位置検出マークからの散乱光をフォトディテクターで受光することにより、位置検出マークの位置を検出するレーザースキャン方式の位置検出機構を用いることができる。また、例えば格子マークのような位置検出マークに対して2方向から光束を斜め照射し、位置検出マークからの反射光をフォトディテクターで受光することにより、位置検出マークの位置を計測する格子アライメント方式の位置検出機構を用いることもできる。
また、上述の実施形態では、光学面形状変更部12において、デフォーマブルミラーからなる平面反射鏡M1およびM2の反射面の面形状を適宜変更している。しかしながら、デフォーマブルミラーに限定されることなく、例えば、平行平板ガラスに対し、これを局所的に変形することにより、投影光学系中の光学面の面形状を適宜変更することができる。また、上述の実施形態では、光学面形状変更部12が、平面反射鏡M1またはM2の反射面の面形状を適宜変更することにより、投影光学系PLの収差を変更し、とりわけ所要量の歪曲収差を発生させて、ウェハWに露光されるべき明暗パターンの形状を変更している。しかしながら、これに限定されることなく、投影光学系の物体面の近傍位置、物体面と光学的に共役な位置またはその近傍位置、あるいは投影光学系の像面の近傍位置に設けられた少なくとも1つの光学面の面形状を適宜変更することにより、他の収差を実質的に発生させることなく所要量の歪曲収差を発生させることができる。
一般に、投影光学系中の少なくとも1つの光学面の面形状を変更することにより、投影光学系の収差を変更して、基板に露光されるべき明暗パターンの形状を変化させることができる。さらに一般的には、投影光学系の収差を変更することにより、基板に露光されるべき明暗パターンの形状を変化させることができる。また、投影光学系の収差の変更に加えて、あるいは投影光学系の収差の変更に代えて、マスクのパターン面の面形状を変更することにより、基板に露光されるべき明暗パターンの形状を変化させることもできる。
また、上述の説明では、マスクMのパターンをウェハWの各単位露光領域に一括露光する一括型の露光方法に対して本発明の実施形態を適用しているが、これに限定されることなく、マスクMのパターンをウェハWの各単位露光領域に走査露光する走査型の露光方法に対しても同様に本発明の実施形態を適用することができる。ただし、この場合、走査露光中の基板の相対移動に応じて、基板に露光されるべき明暗パターンの形状を変更することが必要になる。
また、上述の説明では、転写すべきパターンが描画されたマスクMを用いる露光装置および方法に対して本発明の実施形態を適用しているが、これに限定されることなく、いわゆるマスクレスの露光装置および方法に対しても同様に本発明の実施形態を適用することができる。この場合、マスクに代えて、例えば所定の電子データに基づいて所定パターンを形成するパターン形成装置を用いることができる。なお、パターン形成装置としては、たとえば所定の電子データに基づいて駆動される反射型空間光変調器(例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイスなど)を用いることができる。反射型空間光変調器を用いた露光装置は、例えば米国特許第5523193号に開示されている。反射型空間光変調器を用いた露光装置の場合には、例えば所定のパターンを形成する所定の電子データを変形算出工程S14で得られた単位露光領域内の変形状態に基づいて変更することで、基板に露光されるべき明暗パターンの形状を変化させることができる。また、反射型空間光変調器以外に、透過型空間光変調器を用いても良く、自発光型の画像表示素子を用いても良い。
上述の実施形態にかかる露光装置は、本願特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように組み立てることにより製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続などが含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は、温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
上述の実施形態の露光装置では、投影光学系を用いてパターンを感光性基板に露光する(露光工程)ことにより、電子デバイス(半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等)を製造することができる。以下、本実施形態の露光装置を用いて感光性基板としてのウェハ等に所定の回路パターンを形成することによって、電子デバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法の一例につき図10のフローチャートを参照して説明する。
先ず、図10のステップ301において、1ロットのウェハ上に金属膜が蒸着される。次のステップ302において、その1ロットのウェハ上の金属膜上にフォトレジストが塗布される。その後、ステップ303において、本実施形態の露光装置を用いて、マスク上のパターンの像がその投影光学系を介して、その1ロットのウェハ上の各ショット領域に順次露光転写される。その後、ステップ304において、その1ロットのウェハ上のフォトレジストの現像が行われた後、ステップ305において、その1ロットのウェハ上でレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって、マスク上のパターンに対応する回路パターンが、各ウェハ上の各ショット領域に形成される。
その後、更に上のレイヤの回路パターンの形成等を行うことによって、半導体素子等のデバイスが製造される。上述の半導体デバイス製造方法によれば、微細な回路パターンを有する半導体デバイスをスループット良く得ることができる。なお、ステップ301〜ステップ305では、ウェハ上に金属を蒸着し、その金属膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチングの各工程を行っているが、これらの工程に先立って、ウェハ上にシリコンの酸化膜を形成後、そのシリコンの酸化膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチング等の各工程を行っても良いことはいうまでもない。
また、本実施形態の露光装置では、プレート(ガラス基板)上に所定のパターン(回路パターン、電極パターン等)を形成することによって、電子デバイスとしての液晶表示素子を得ることもできる。以下、図11のフローチャートを参照して、このときの手法の一例につき説明する。図11において、パターン形成工程401では、本実施形態の露光装置を用いてマスクのパターンを感光性基板(レジストが塗布されたガラス基板等)に転写露光する、所謂光リソグラフィー工程が実行される。この光リソグラフィー工程によって、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターンが形成される。その後、露光された基板は、現像工程、エッチング工程、レジスト剥離工程等の各工程を経ることによって、基板上に所定のパターンが形成され、次のカラーフィルター形成工程402へ移行する。
次に、カラーフィルター形成工程402では、R(Red)、G(Green)、B(Blue)に対応した3つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、またはR、G、Bの3本のストライプのフィルターの組を複数水平走査線方向に配列されたりしたカラーフィルターを形成する。そして、カラーフィルター形成工程402の後に、セル組み立て工程403が実行される。セル組み立て工程403では、パターン形成工程401にて得られた所定パターンを有する基板、およびカラーフィルター形成工程402にて得られたカラーフィルター等を用いて液晶パネル(液晶セル)を組み立てる。
セル組み立て工程403では、例えば、パターン形成工程401にて得られた所定パターンを有する基板とカラーフィルター形成工程402にて得られたカラーフィルターとの間に液晶を注入して、液晶パネル(液晶セル)を製造する。その後、モジュール組み立て工程404にて、組み立てられた液晶パネル(液晶セル)の表示動作を行わせる電気回路、バックライト等の各部品を取り付けて液晶表示素子として完成させる。上述の液晶表示素子の製造方法によれば、微細な回路パターンを有する液晶表示素子をスループット良く得ることができる。本発明の実施形態を図面に関連付けて説明したが、本発明は上記に限定されず、添付した請求の範囲および等価物の範囲内で変更されてもよい。
本発明の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。 図1の位置検出系の内部構成を概略的に示す図である。 図1の位置検出系を構成する各位置検出部の内部構成を概略的に示す図である。 図1の投影光学系の一例として、2回結像型で反射屈折型の投影光学系の構成を概略的に示す図である。 図1の光学面形状変更部の内部構成を概略的に示す図である。 本発明の実施形態にかかる露光方法の露光シーケンスを概略的に示すフローチャートである。 ウェハの単位露光領域に複数のLSIの回路パターンおよび複数の位置検出マークが形成されている様子を模式的に示す図である。 位置検出系の変形例の構成を概略的に示す図である。 位置検出系の別の変形例の構成を概略的に示す図である。 電子デバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法のフローチャートである。 電子デバイスとしての液晶表示素子を得る際の手法のフローチャートである。
符号の説明
M マスク
MS マスクステージ
PL 投影光学系
W ウェハ
1 照明系
2 Zステージ
3 XYステージ
5 ウェハレーザ干渉計
7 主制御系
8 ウェハステージ駆動系
10 位置検出系(複数の位置検出部)
11 変形算出部
12 光学面形状変更部

Claims (32)

  1. 投影光学系を用いて基板上に明暗パターンを露光する露光装置において、
    前記基板の単位露光領域における複数の所定の位置を検出する位置検出系であって、前記位置検出系に設定された複数の基準検出位置が前記単位露光領域にほぼ等しい範囲内に入る、前記位置検出系と、
    前記位置検出系の検出結果に基づいて、前記単位露光領域内の変形状態を算出する変形算出部と、
    前記変形算出部により算出された前記変形状態に基づいて、前記基板上に露光されるべき明暗パターンの形状を変更する形状変更部とを備えている露光装置。
  2. 前記位置検出系は、各々が前記単位露光領域にほぼ等しい範囲内に入る基準検出位置を有する少なくとも4つの位置検出部を有する請求項1に記載の露光装置。
  3. 前記位置検出系は、各々が前記単位露光領域にほぼ等しい範囲内に入る基準検出位置を有する、並列配置された複数の検出光学系を有する請求項1または2に記載の露光装置。
  4. 前記位置検出系は、前記複数の検出光学系を介した光を検出するための複数の光検出部を有する請求項3に記載の露光装置。
  5. 前記位置検出系は、少なくとも1つの検出光学系と、該少なくとも1つの検出光学系の検出範囲内に設けられた複数の光検出部とを有する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の露光装置。
  6. 前記位置検出系は、共通の検出光学系と、該共通の検出光学系を介した光を検出するために並列配置された複数の光検出部とを有する請求項1または2に記載の露光装置。
  7. 前記位置検出系は、前記共通の検出光学系に対して前記基板を相対移動させる相対移動手段を有する請求項6に記載の露光装置。
  8. 前記相対移動手段は、前記基板を保持する基板ステージを有する請求項7に記載の露光装置。
  9. 前記位置検出系は、前記投影光学系を介することなく前記複数の所定の位置をそれぞれ検出する請求項1乃至8のいずれか1項に記載の露光装置。
  10. 前記形状変更部は、前記投影光学系中の少なくとも1つの光学面の面形状を変更する光学面形状変更部を有する請求項1乃至9のいずれか1項に記載の露光装置。
  11. 前記少なくとも1つの光学面は、前記投影光学系の物体面の近傍位置、前記物体面と光学的に共役な位置またはその近傍位置、あるいは前記投影光学系の像面の近傍位置に設けられている請求項10に記載の露光装置。
  12. 前記露光装置は、前記投影光学系の物体面に設置されるマスク上に描画されたパターンの像を前記明暗パターンとして前記基板上に形成するように構成されている請求項1乃至11のいずれか1項に記載の露光装置。
  13. 前記投影光学系は、縮小倍率を有する請求項1乃至12のいずれか1項に記載の露光装置。
  14. 前記形状変更部は、前記投影光学系の物体面に設置されるマスクのパターン面の面形状を変更するマスク面形状変更部を有する請求項1乃至13のいずれか1項に記載の露光装置。
  15. 前記変形算出部により算出された前記変形状態は、前記基板上又は前記単位露光領域内の高度な変形状態を含む請求項1乃至14のいずれか1項に記載の露光装置。
  16. 前記露光装置は、前記投影光学系に対して前記基板を所定方向に沿って相対移動させつつ前記明暗パターンを前記基板へ走査露光するように構成され、
    前記形状変更部は、前記走査露光中の前記基板の相対移動に応じて前記明暗パターンの形状を変更するように構成されている請求項1乃至15のいずれか1項に記載の露光装置。
  17. 投影光学系を用いて基板上の各単位露光領域に明暗パターンを露光する露光方法において、
    前記基板の1つの単位露光領域にほぼ等しい範囲内に入る複数の所定位置を検出する位置検出系を用いて、前記基板の前記単位露光領域における前記複数の所定位置を検出する位置検出工程と、
    前記位置検出工程で得られた前記複数の所定位置に関する情報に基づいて、前記単位露光領域内の変形状態を算出する変形算出工程と、
    前記変形算出工程で得られた前記変形状態に基づいて、前記基板上に露光されるべき明暗パターンの形状を変更する形状変更工程とを含む露光方法。
  18. 前記位置検出工程は、少なくとも4つの所定位置を検出することを含む請求項17に記載の露光方法。
  19. 前記位置検出工程は、前記位置検出系に含まれる、並列配置された複数の検出光学系を介して前記複数の所定位置を検出することを含む請求項17または18に記載の露光方法。
  20. 前記位置検出工程は、前記複数の検出光学系を介した光を、複数の光検出部を用いて検出することを含む請求項19に記載の露光方法。
  21. 前記位置検出工程は、前記位置検出系に含まれる、少なくとも1つの検出光学系を介した光を、該少なくとも1つの検出光学系の検出範囲内に設けられた複数の光検出部を用いて検出することを含む請求項17乃至19のいずれか1項に記載の露光方法。
  22. 前記位置検出工程は、前記位置検出系に含まれる共通の検出光学系を介した光を、並列配置された複数の光検出部を用いて検出することを含む請求項17または18に記載の露光方法。
  23. 前記位置検出工程は、前記共通の検出光学系に対して前記基板を相対移動させつつ前記複数の所定位置を検出することを含む請求項22に記載の露光方法。
  24. 前記位置検出工程は、前記投影光学系を介することなく前記複数の所定位置を検出することを含む請求項17乃至23のいずれか1項に記載の露光方法。
  25. 前記形状変更工程は、前記投影光学系中の少なくとも1つの光学面の面形状を変更する光学面形状変更工程を含む請求項17乃至24のいずれか1項に記載の露光方法。
  26. 前記光学面形状変更工程は、前記投影光学系の物体面の近傍位置、前記物体面と光学的に共役な位置またはその近傍位置、あるいは前記投影光学系の像面の近傍位置に設けられた光学面の面形状を変更することを含む請求項25に記載の露光方法。
  27. 前記基板上に形成される前記明暗パターンはマスク上に描画されたパターンの像である請求項17乃至26のいずれか1項に記載の露光方法。
  28. 縮小倍率を有する前記投影光学系を用いて前記基板上に前記明暗パターンを露光する請求項17乃至27のいずれか1項に記載の露光方法。
  29. 前記形状変更工程は、前記投影光学系の物体面に設置されるマスクのパターン面の面形状を変更するマスク面形状変更工程を含む請求項17乃至28のいずれか1項に記載の露光方法。
  30. 前記変形算出工程により得られた前記変形状態は、前記基板上又は前記単位露光領域内の高度な変形状態を含む請求項17乃至29のいずれか1項に記載の露光方法。
  31. 前記投影光学系に対して前記基板を所定方向に沿って相対移動させつつ前記明暗パターンを前記基板へ走査露光する走査露光工程を更に備え、
    前記形状変更工程は、前記走査露光中の前記基板の相対移動に応じて前記明暗パターンの形状を変更することを含む請求項17乃至30のいずれか1項に記載の露光方法。
  32. リソグラフィー工程を含む電子デバイスの製造方法であって、
    前記リソグラフィー工程において、請求項17乃至31のいずれか1項に記載の露光方法を用いる電子デバイス製造方法。
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