JP2010147482A - マイクロリソグラフィのための投影露光方法及び投影露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投影露光方法及びこの方法を実施するのに適する投影露光装置を提供する。
【解決手段】投影対物器械の物体表面領域に配置されたマスクパターンの少なくとも１つの像による投影対物器械の像表面領域に配置された放射線感応基板の露光のための投影露光方法は、露光時間間隔中に投影対物器械の有効像視野におけるパターン像によって基板を露光する段階、及び同じく有効像視野における像点が露光時間間隔中にマスク像の異なる焦点位置で露光されるような方法で露光時間間隔中に基板表面と投影対物器械の焦点表面との間の相対位置を変更する段階を含む。露光時間間隔中の焦点位置の変化によって誘起される少なくとも１つの結像収差の少なくとも一部分の能動的補償は、結像品質が露光時間間隔中の合焦の変更によって大きく劣化されないという効果を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、投影対物器械の物体表面領域に配置された少なくとも１つのマスクパターン像への投影対物器械の像表面領域に配置された放射線感応基板の露光のための投影露光方法、及び本方法を実施するのに適する投影露光装置に関する。

現在、マイクロリソグラフィ投影露光方法は、主に半導体構成要素及び他の微細パターン構成要素を製造するのに用いられている。これらの方法は、結像される構造パターン、例えば、半導体構成要素層の線パターンを担持するマスク（レチクル）の使用を伴っている。マスクは、投影露光装置内で照明システムと投影対物器械の間の投影対物器械の物体表面領域内に位置決めされ、照明システムによって供給される照明放射線を用いて照らされる。マスク及びパターンによって変更された放射線は、投影放射線として投影対物器械を通過し、投影対物器械は、マスクパターンを通常は放射線感応層（フォトレジスト）を担持する露光される基板上に結像する。

マスクパターン像を基板へと転写するのに様々な可能性が存在する。１つの変形では、パターン全体が投影対物器械の有効物体視野内に位置決めされ、露光時間間隔にわたって続く露光中に基板上に結像され、マスク及び基板は、露光時間間隔中には移動しない。これに対応する投影露光装置は、一般的に、ウェーハステッパと呼ばれる。別のシステムでは、転写されるパターンの異なる領域が、時間的に連続して基板へと転写される。この目的のために、照明時間間隔中に走査作業が実施され、この走査作業は、投影対物器械の有効物体視野に対する物体表面におけるマスクの移動を伴い、これに対して基板は、マスクの移動と同期して像表面内で投影対物器械の有効像視野に対して移動される。マスクの走査方向におけるマスクの移動速度は、基板の走査方向における基板の移動速度に投影対物器械の倍率βによってリンクし、倍率は、縮小対物器械の場合は１よりも小さい。そのような走査作業に向けて設計された投影露光装置は、一般的に、ウェーハスキャナと呼ばれる。

露光処理中に可能な限り原物に忠実なパターン像を基板へと転写するためには、基板表面は、露光時間間隔中に投影対物器械の像側焦点範囲に位置すべきである。特に、基板表面は、λが投影露光装置の作動波長であり、ＮＡが投影対物器械の像側開口数である時に、ＲＵ＝λ／ＮＡ²として定められるレイリー単位ＲＵに比例する投影対物器械の焦点深度（ＤＯＦ）の範囲に位置すべきである。λ＝１９３ｎｍにおける深紫外（ＤＵＶ）範囲におけるリソグラフィは、例えば、０．２μｍ又はそれ未満の一般的なサイズを有する構造要素を製造するために、０．７５又はそれよりも大きい像側開口数を有する投影対物器械を必要とする。このＮＡ範囲では、一般的に、焦点深度は、１０分の数マイクロメートルである。一般的に、焦点深度は、投影対物器械の分解機能が高くなる程小さくなる。

一部の用途では、比較的大きい焦点深度を有するリソグラフィ処理が必要である。大きい焦点深度は、例えば、ＳＲＡＭセル、ランダムコンタクトホール、又はピッチによるコンタクトホールを製造するための例えば論理回路用途のためのパターン化半導体構成要素の製造において望ましいものである。また、大きい焦点深度は、いわゆる二重パターン化法においても有利なものとすることができる。二重パターン化法（又は二重露光法）では、基板、例えば、半導体ウェーハが連続して２度露光され、その後、フォトレジストが更に処理される。最初の露光処理では、適切な構造幅を有する通常構造が投影される。２回目の露光処理では、異なるマスク構造を有する第２のマスクが用いられる。特に、第２のマスクの構造は、第１のマスクの構造に対して２分の１周期変位することができる。一般的な場合、特に、より複雑な構造の場合には、２つのマスクのレイアウト間の差は大きいものとすることができる。基板において得ることができる構造サイズの縮小を二重パターン化によって達成することができる。

有効焦点深度を拡大する１つの可能性は、いわゆる「焦点ドリリング」である。焦点ドリリングは、有効像視野における像点が、露光時間間隔中にマスク像の異なる焦点位置で露光されるように、露光時間間隔中に投影対物器械の焦点表面に対して基板表面の相対位置を変更する段階を伴っている。
これは、例えば、結像に用いられる光源の作動波長を変更し、それによって投影対物器械の像側に異なる焦点位置を生成することによって達成することができる。また、焦点ドリリングに向けて投影対物器械の焦点距離を変更することができるように、１つ又はそれよりも多くの調節可能な光学要素を含む投影対物器械を用いることができる。この場合、焦点ドリリングは、露光時間間隔中に投影対物器械の焦点距離を調節することによって達成することができる。焦点ドリリングのこれらの可能性は、ウェーハステッパ及びウェーハスキャナにおいて用いることができる。

ウェーハスキャナの場合には、基板法線が像平面領域内で投影対物器械の光軸に対して有限の傾斜角だけ傾くような方法で、露光時間間隔中に投影対物器械に対して傾斜軸回りに傾斜方向に基板を傾斜することによって焦点ドリリングを達成することも可能である。傾斜方向に対して平行に進む基板の走査移動と共に、この傾斜は、各像点において異なる焦点位置にある多数の空中像の重ね合わせを引き起こし、それによってこの処理の焦点深度が実質的に拡大される。この手法で達成される焦点深度の拡大には、一般的に、ある一定のコントラストの低下が伴うが、全体的には、より好ましい処理帯、及び従ってユーザに対する付加価値をもたらすことができる。

ＵＳ２００７／０１６５２０２Ａ１ ＷＯ２００５／０２６８４３Ａ２ ＵＳ２００８／０１７４８５８Ａ１

Ｈ．Ｇｒｏｓｓ編「光学システムハンドブック」、第２巻、「物理的像形成」、「Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ Ｖｅｒｌａｇ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ． ＫＧａＡ」、第２０．２章（２００５年）

本発明の１つの目的は、従来の方法と比較して改善された結像品質を可能にする、焦点ドリリングを用いた投影露光方法を達成することである。本発明の更に別の目的は、この投影露光方法を実施するのに適する投影露光装置を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を含む投影露光方法、及び請求項１２の特徴を含む投影露光装置を用いて達成される。従属請求項において有利な発展が特定される。全ての請求項の表現は、引用によって本明細書の内容に組み込まれている。
本方法では、基板は、露光時間間隔中に投影対物器械の有効像視野におけるパターン像によって露光される。この有効像視野は、パターン又はパターンの一部が置かれた投影対物器械の有効物体視野に対して光学的に共役である。有効像視野における像点が露光時間間隔中にマスク像の異なる焦点位置で露光されるように、露光時間間隔中に、光の入射表面として機能する基板表面と投影対物器械の焦点表面との間の相対位置が変更される。従って、焦点ドリリングが発生する。結像の品質は、露光時間間隔中の焦点位置の変化によって誘起される少なくとも１つの結像収差の少なくとも一部分の能動的補償によって改善することができる。

本発明者は、一例として、照明システム及び／又は投影対物器械からのテレセントリック性誤差に起因して、通常作動中には最良の焦点領域内での露光処理の結像品質を変動させないが、大きい非合焦設定では結像品質に対して無視することができない不利な影響を有する可能性がある望ましくない副次的効果が存在する場合があることを認めた。焦点位置の変化によって誘起される結像収差の少なくとも一部分の能動的補償は、そのような能動的補償を持たないシステムと比較すると、生成される製品に対して結像収差が小さい程度にしか影響を与えず、従って製品の品質を改善することができる。

本発明者による調査は、多くの場合に、焦点ドリリングが、大きい収差寄与率を占める可能性がある歪曲状収差を引き起こすことを示している。従って、一実施形態は、照明時間間隔中の投影対物器械の歪曲収差の変更であって相対位置の変更と協調する変更を構成する能動的補償を準備する。
ウェーハスキャナ又はウェーハステッパでは、投影露光装置の結像挙動に対する焦点ドリリングの悪影響が発生する可能性がある。これらの影響は、投影対物器械の有効物体視野に対する物体表面におけるマスクと、有効像視野に対する像表面領域おける基板とのそれぞれの走査方向への同期した移動を含む走査作業が実施されるスキャナシステムでは特に有害である。

スキャナシステムでは、基板法線が像平面領域内で投影対物器械の光軸に対して有限の傾斜角だけ傾くように、基板が露光時間間隔中に投影対物器械に対して傾斜方向に傾斜軸回りに傾斜されるということにより、投影対物器械及び／又は光源における変更なしに焦点ドリリングを達成することができる。傾斜方向は、基板の走査方向に対応し、傾斜軸は、それに対して垂直である。この場合には、投影対物器械の歪曲パラメータの変更は、傾斜方向に対して平行に歪曲の変化を含むものとすることができる。歪曲収差が傾斜方向に対して垂直なプロフィールを有する場合には、歪曲パラメータの変更は、この垂直方向の収差をより均一にするために、傾斜方向に対して垂直な歪曲収差プロフィールを含むことができる。この場合には、特に、傾斜軸に対して平行な方向において関数の２次プロフィールを発生させることができる。

露光時間間隔中の焦点位置の変化によって誘起される結像収差の少なくとも一部分の能動的補償は、露光時間間隔中の投影対物器械の結像特性のターゲット式の変更によって有利に達成することができる。従って、これに応じて構成される補償システムは、投影対物器械の少なくとも１つの光学要素を操作するための少なくとも１つのマニピュレータ、及び同じくマニピュレータを制御するためのマニピュレータ制御ユニットを含むことができ、マニピュレータ制御ユニット及びマニピュレータは、露光時間間隔中に焦点位置の変化によって誘起される少なくとも１つの結像収差の少なくとも一部分の能動的補償を得ることができるように構成される。

マニピュレータは、少なくとも１つの光学要素の他の光学要素に対する剛体移動、例えば、光軸の方向の変位（ｚマニピュレータ）、光軸に対して垂直な変位（ｘ／ｙマニピュレータ）、及び／又は傾斜を引き起こすように具現化することができる。また、操作は、選択された一実施形態のターゲット式の変形、例えば、ミラー、レンズ、又は透過平面プレートの変形を含むことができる。
マニピュレータを駆動するための制御信号は、補償システムのメモリ内にルックアップテーブル方式で記憶された所定値に基づいて発生させることができる。また、マニピュレータの移動に必要とされる制御信号は、例えば、測定値に基づいてそれぞれの場合に応じて計算することができる。マニピュレータを駆動するための制御信号を判断するための入力値は、例えば、傾斜の程度に関する情報から、又は歪曲収差、波面収差、及び／又は結像品質を特徴付けるのに適する他の特性を検出するセンサを用いて得ることができる。

本発明はまた、本方法を実施するように構成又は設計された構成要素を有する投影露光装置にも関する。特に、本発明は、従って、１次放射線を発光するための１次放射線源と、１次放射線を受光し、マスク上に誘導される照明放射線を発生させるための照明システムと、投影対物器械の像表面領域内にパターン像を発生させるための投影対物器械と、有効像視野における像点が露光時間間隔中にマスクの像の異なる焦点位置で露光されるように、露光時間間隔中に基板表面と投影対物器械の焦点表面との間の相対位置を変更するためのデバイスと、露光時間間隔中に焦点位置の変化によって誘起される少なくとも１つの結像収差の少なくとも一部分の能動的補償のための補償システムとを含む、投影対物器械の物体表面領域に配置されたマスクパターンの少なくとも１つの像による投影対物器械の像表面領域に配置された放射線感応基板の露光のための投影露光装置に関する。
以上の及び更に別の特徴は、特許請求の範囲からだけでなく、本明細書及び図面からも明らかになり、個々の特徴は、各場合にこれらの個々の特徴自体により、又は本発明及び他の分野の実施形態における部分的な組合せの複数の形態ものとして実現することができ、有利で本質的に保護可能な実施形態を構成することができる。本発明の例示的な実施形態を図面に例示し、下記に詳細に説明する。

マイクロリソグラフィのための投影露光装置の構成の概略図である。 マイクロリソグラフィのための投影露光装置において走査方向に移動される傾斜した基板を用いる焦点ドリリングの概略図である。 照明システムによってマスクにおいて照らされる有効物体視野にわたる照明テレセントリック性残存誤差のプロフィールの概略図である。 有効像視野ＩＦ内での焦点ドリリング中の非合焦プロフィールの概略図である。 有効像視野ＩＦ内で誘起されたオーバーレイ誤差の場所依存性の概略図である。 図５に示す誤差からｙ方向に走査することによって生成される平均化されたオーバーレイ誤差の概略図である。 オーバーレイ誤差のない結像パターンの図である。 図６に略示するオーバーレイ誤差が結像されるパターンに如何に影響を及ぼすかを示す図である。 ｘの位置に依存し、Ｚ３マニピュレータを用いて導入された波面収差による補償の後の走査作業における像変位の不在の概略図である。

図１は、半導体構成要素及び他の微細パターン化構成要素の製造において用いることができ、数分の１マイクロメートルまで細かい分解能を得るために、深紫外領域（ＤＵＶ）からの光又は電磁放射線を用いて作動するマイクロリソグラフィ投影露光装置ＷＳＣの例を示している。約１９３ｎｍの作動波長を有するλＡｒＦエキシマレーザは、１次光源ＬＳとして機能する。他のＵＶレーザ光源、例えば、１５７ｎｍの作動波長を有するＦ₂レーザ、又は２４８ｎｍの作動波長を有するＡｒＦエキシマレーザも同様に可能である。
反射サブシステムしか持たない投影露光装置の場合には、極紫外領域（ＥＵＶ）内で発光する放射線源を用いることができる。

光源ＬＳの下流に配置された照明システムＩＬＬは、その出射表面ＥＳ内に、光路内の下流に配置された投影対物器械ＰＯのテレセントリック性要件に適合する大きく鮮明に境界が定められた実質的に均一に照らされる照明視野を発生させる。照明システムＩＬＬは、異なる照明モード（照明環境）を設定するためのデバイスを有し、例えば、異なる干渉度σを有する従来の軸上照明と軸外照明との間で変更することができ、軸外照明モードは、例えば、環状照明、双極照明、又は四重極照明、又はいずれか他の多極照明を含む。適切な照明システムの構成は、それ自体公知であり、従って、本明細書では詳細に説明しない。特許出願ＵＳ２００７／０１６５２０２Ａ１（ＷＯ２００５／０２６８４３Ａ２に対応する）は、様々な実施形態の状況に用いることができる照明システムの例を開示している。

レーザＬＳからの光を受光し、この光からレチクルＭ上に誘導される照明放射線を成形する光学構成要素は、投影露光装置の照明システムＩＬＬに属する。
マスクＭ（レチクル）を担持し、操作するデバイスＲＳは、レチクルに配置されたパターンが照明システムの出射平面ＥＳと対応し、本明細書ではレチクル平面ＯＳとも呼ぶ投影対物器械ＰＯの対物面ＯＳ内に位置するように照明システムの下流に配置される。マスクは、光軸ＯＡ（ｚ方向）に対して垂直の走査方向（ｙ方向）の走査駆動体を用いたスキャナ作動に向けて、この平面内で可動である。

レチクル平面ＯＳの下流には投影対物器械ＰＯが続き、投影対物器械ＰＯは、縮小対物器械として機能し、それによってマスクＭに配置されたパターン像は、縮小スケール、例えば、１：４（／１β／＝０．２５）、又は１：５（／１β／＝０．２０）でフォトレジスト層で被覆した基板Ｗ上に結像され、この基板の感光基板表面ＳＳは、投影対物器械ＰＯの像平面ＩＳの領域内に位置する。屈折性、反射屈折性、又は反射性（例えば、ＥＵＶにおける）の投影対物器械が可能である。他の縮小スケール、例えば、１：２０又は１：２００に至るより大きい縮小率が可能である。

この例の場合は半導体ウェーハＷである露光される基板は、光軸ＯＡに対して垂直に走査方向（ｙ方向）にレチクルＭと同期してウェーハを移動するためのスキャナ駆動体を含むデバイスＷＳによって担持される。投影対物器械ＰＯの設計（例えば、屈折性、反射屈折性、又は反射性、中間像を持たないか又は中間像を有する、折り返しか又は非折り返し）に依存して、マスク及び基板のこれらの移動を互いに平行又は非平行に達成することができる。「ウェーハ台」とも呼ばれるデバイスＷＳ、及び「レチクル台」とも呼ばれるデバイスＲＳは、この実施形態では、投影露光装置の中央制御デバイスＣＵ内に統合された走査制御デバイスを用いて制御されるスキャナデバイスの一部である。

図１に関する挿入図に略示しているように、照明システムＩＬＬは、投影露光装置の作動中にマスクパターンが置かれるその出射平面に、投影露光中に用いられる投影対物器械の有効物体視野ＯＦの形状及びサイズを判断する形状及びサイズを有する鮮明に境界が定められた矩形の照明視野を発生させる。他の実施形態では、スロット形の照明視野は、湾曲したものとすることができる。有効物体視野は、物体表面の所定の処理において基板上に結像することが計画される全物体視野点を含む。有効物体視野は、走査方向に対して平行に長さＡ^*を有し、走査方向に対して垂直な走査直交方向に幅Ｂ^*＞Ａ^*を有する。この例の場合には、有効物体視野は、投影対物器械の光軸から完全に外れて光軸からある一定の距離のところに配置される（軸外視野）。結像中には、有効物体視野の物体視野点は、有効物体視野に対して光学的に共役であり、有効物体視野と比較して投影対物器械の結像スケールで縮小されたサイズにあるが、有効物体視野と同じアスペクト比Ａ／Ｂ＝Ａ^*/Ｂ^*の同じ矩形形状を有する有効像視野へと結像される。

投影対物器械ＰＯは、複数の略示しているレンズを有することができ（多くの場合に、一般的なレンズ数が１０個を超えるか又は１５を超えるレンズである）、適切な場合には、他の透過又は反射光学構成要素を有することができる。投影対物器械は、純屈折性（光屈折性）投影対物器械とすることができる。また、投影対物器械は、反射屈折投影対物器械が存在するように、少なくとも１つの湾曲ミラー、特に少なくとも１つの凹ミラーを更に含むことができる。純ミラーシステム（反射光学システム）も同様に可能である。

投影露光装置は、有効像視野ＩＦ内の像点が露光時間間隔中にマスク像の異なる焦点位置で露光されるように、露光時間間隔中に基板表面ＳＳと投影対物器械ＰＯの合焦範囲との間の相対位置を変更するように設計される。その結果、焦点ドリリング技術を用いると、投影対物器械の公称焦点深度よりも大きく、レイリー単位ＲＵ＝λ／ＮＡ²に比例する有効焦点深度を有するリソグラフィ処理を実施することができる。

投影対物器械の像側開口数が大きい程、焦点深度は小さく、従って、主にＮＡ≧０．８又はＮＡ≧０．９のような高開口投影対物器械では、一般的に、焦点ドリリングが必要である。特に、焦点ドリリングは、像側開口数ＮＡ＞１、例えば、ＮＡ≧１．１、ＮＡ≧１．２、ＮＡ≧１．３、又はＮＡ≧１．４が可能な液浸システムとの併用において有利なものとすることができる。焦点ドリリングを用いる用途における一般的な焦点深度は、多くの場合に、５０ｎｍと２００ｎｍの間の範囲にある。この種類の高開口投影システムを用いると、波長及び処理パラメータに依存して、１００ｎｍよりも有意に小さい一般的な構造サイズ、例えば、８０ｎｍ又はそれ未満、６５ｎｍ又はそれ未満、４５ｎｍ又はそれ未満、３２ｎｍ又はそれ未満、又は２２ｎｍ又はそれ未満の構造サイズを得ることができる。

基板Ｗを担持し、移動させるためのデバイスＷＳは、基板法線ＳＮが、像平面ＩＳの領域内で投影対物器械の光軸ＯＡに対して有限の傾斜角ＴＷだけ傾くように、露光の前に走査方向に対して平行に延びる傾斜方向に、その方向に対して垂直に延びる（ｘ方向に）傾斜軸回りに基板を傾斜させるための統合された傾斜デバイスを有する。一般的な傾斜角は、例えば、０．０１ｍｒａｄから０．２ｍｒａｄの範囲のものとすることができる。ｙ方向のこの傾斜（基板法線はｙ−ｚ平面に位置する）は、ｙ方向に対して平行に進む走査移動と共に、異なる焦点位置において多数の空中像の重ね合わせを発生させ、本明細書ではこれを焦点ドリリングと呼ぶ。

投影対物器械ＰＯは、投影対物器械の少なくとも１つの作動可能な光学要素ＯＥを操作するための少なくとも１つのマニピュレータ、及び同じくマニピュレータを制御するためのマニピュレータ制御ユニットＭＣＵを含み、マニピュレータ制御ユニットは、中央制御デバイスＣＵに接続されるか、又はその中に統合される。マニピュレータを用いると、１つ又は複数の作動可能な光学要素に対する作用を利用して、投影対物器械によって生成される波面収差をターゲット方式で変更することにより、投影対物器械の結像性能を変更することができる。この例の場合には、マニピュレータは、走査方向に対して平行、すなわち、ｙ方向に対して平行な歪曲収差成分をマニピュレータを用いてターゲット方式で変更することができるように構成される。

例えば、焦点ドリリング中に、傾斜された基板を有するウェーハスキャナにおいて発生する可能性がある問題を図３から図７を参照して以下に説明する。全ての実際の光学システムと同様に、マイクロリソグラフィ投影露光装置のための照明システム及び投影対物器械は、残存収差が完全に存在しないわけではなく、対応する収差が用途に特定の限界値よりも低く留まるように補正される。この例の場合には、照明システムは、特に、テレセントリック性残存誤差を有する。図３は、照明システムによってマスクにおいて照らされる有効物体視野にわたる照明テレセントリック性残存誤差のプロフィール例を示している。矢印は、テレセントリック性誤差の方向を示しており、矢印の長さは、一部の選択された視野点におけるテレセントリック性誤差の程度（又は絶対値）を示している。ｙ方向に残存テレセントリック性誤差が存在することが分る。テレセントリック性残存誤差は、視野の中心（視野中心ＦＣ）では消失し、ｙ方向には、視野中心に対して正のｙ位置の場合と負のｙ位置の場合の反対の符号のテレセントリック性誤差を有する非対称プロフィールが発生する。ｙ方向（走査方向）に対して垂直に延びる走査直交方向（ｘ方向）には、ほぼ２次のプロフィールが発生し、テレセントリック性誤差の程度は、ｘ方向にほぼ放物線の関数に従って視野縁部に向けて増大する。

図４は、有効像視野ＩＦにおける焦点ドリリング中の非合焦プロフィールを略示している。焦点ドリリングは、ウェーハにおける照明視野にわたって走査方向（ｙ方向）に沿って大きい非合焦絶対値を有する線形非合焦プロフィールを生成する。例示的なシステムでは、非合焦の変化の程度は、傾斜角ＴＷのサイズ及び有効物体視野の長さＡ^*によって判断される。一般的に、非合焦は、絶対値に対して走査移動の開始点及び終了点において最大であるが、非合焦は異なる符号を有する。

照明システムによって像内に導入されるテレセントリック性誤差は、走査中の焦点位置の変化と併せて、非合焦の程度及びテレセントリック性誤差の程度と実質的に比例して増減するオーバーレイ誤差（像配置誤差）を引き起こす。図５は、有効像視野ＩＦ内のオーバーレイ誤差の場所依存性を略示しており、矢印は、オーバーレイ誤差の方向及び絶対値を表している。この例の場合には、正のｙ方向の像変位が、正負両方のｙ位置（視野中心に対して）において発生する。視野中心領域（ｙ＝０の周囲）には、いかなる変位も発生しない。テレセントリック性誤差のプロフィールから生じる変位の程度の２次プロフィールがｘ方向に発生する。
走査作業、すなわち、ｙ方向の走査は、図５に示している効果の全てのｙ位置における平均化を引き起こす。その結果、図６に略示している平均化されたオーバーレイ誤差が発生し、この平均化されたオーバーレイ誤差は、走査視野内でｙ方向に一定であり、この場合ｘ軸に関して２次プロフィールを有し、すなわち、中心の両側で外向きに放物線状に増大する。

図７は、図６に略示したオーバーレイ誤差が、結像されるパターンに如何に影響を及ぼすかを略示している。この目的で、図７Ａは、オーバーレイ誤差のない理想的なシステムにおいて基板上に結像された構造の例を示している。黒塗りの正方形は、例えば、コンタクトホールを表すことができる。オーバーレイ誤差が、焦点ドリリングに関連するテレセントリック性残存誤差に起因して発生する場合には、構造は、例えば、ｘ方向の位置に依存するｙ方向のオーバーレイ誤差を伴って、図７Ｂに示しているように出現する可能性がある。言い換えれば、オーバーレイ誤差の程度は、ｘ方向に見て視野中心及びその近くで消失する程に小さいが、オーバーレイ誤差は、結像された構造のｙ方向の理想的な位置に対する相対変位を引き起こし、変位の程度は、ｘ方向にほぼ２次プロフィールを有する。

投影露光装置では、これらのオーバーレイ誤差は、発生しないか、又は有意に小さい程度にしか発生しないように能動的に補償される。この目的で設けられる補償システムは、投影対物器械の少なくとも１つの光学要素に対して作用する少なくとも１つのマニピュレータＭＡＮを用いた投影対物器械の特定の波面収差の状態による結像構造の変位を可能にし、それによってこの構造の変位を部分的又は完全に補償する波面収差が生成されるようにする。図示の例では、結像構造のｙ方向の変位が、ゼルニケＺ３波面収差を設定することによって補償される。特に、ｘ方向に２次であるオーバーレイプロフィールは、Ｚ３波面収差の２次波プロフィールを設定することによって補償される。マニピュレータＭＡＮは、そのようなＺ３波面収差を生成するか又はその絶対値をターゲット方式で変更するように相応に設計及び位置決めされる。

公知のように、光学システム内で引き起こされ、及び／又は外部の影響によって誘起される波面収差は、多項式の線形結合として説明することができる。光学分野では、収差に関する様々な多項式表現、例えば、ザイデル多項式又はゼルニケ多項式が存在する。この用途では、波面を表す上でゼルニケ多項式が用いられ、それによって光学システムの特定の結像収差を説明する。例示的に、非合焦、非点収差、歪曲収差、コマ収差、球面収差のような高次に至る収差をゼルニケ多項式によって表すことができる。収差は、選択された数のゼルニケ多項式の線形結合として表すことができる。ゼルニケ多項式は、単位円上に定められる１組の完全直交多項式を形成する。例えば、正規化半径ρ及び方位角（周方向の角度）θの極座標が一般的に用いられる。波面収差Ｗ（ρ、θ）は、ゼルニケ項と対応する重み係数との積の和としてゼルニケ多項式に展開することができる（例えば、Ｈ．Ｇｒｏｓｓ編「光学システムハンドブック」、第２巻、「物理的像形成」、「Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ Ｖｅｒｌａｇ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ． ＫＧａＡ」、第２０．２章（２００５年）を参照されたい）。ゼルニケ表現では、ゼルニケ多項式Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３等は、合計収差への対応する寄与を表す特定の意味を有する。例示的に、Ｚ１＝１は、定数項（円筒項）に対応し、Ｚ２＝ρｃｏｓθは、ｘ方向の歪曲に対応し、Ｚ３＝ρｓｉｎθは、ｙ方向の歪曲に対応し、Ｚ４＝２ρ²−１は、非合焦の放物線状の部分に対応し、Ｚ５＝ρ²ｃｏｓ２θは、３次の非点収差に対応する等々である。
ゼルニケ多項式は、光学面、例えば、レンズ表面又はミラー表面の例えば球形の基準表面からの偏差を説明するのに用いることができる。

ｙ方向の歪曲の例示的事例では、Ｚ３絶対値とｙ方向の像変位との間の関係が線形であることを考慮すべきである。線形関係は、Δｙ＝Ｚ３^*λ／ＮＡという式から生じ、ここで、Δｙは、ｙ方向の像変位であり、λは波長であり、ＮＡは、投影対物器械の像側開口数であり、Ｚ３は、ゼルニケ多項式Ｚ３の係数である。この場合、フリンジ正規化におけるゼルニケ多項式Ｚ３の定義が用いられ、すなわち、瞳座標ρ及びθにおいて、Ｚ３＝ρｓｉｎθである。この関係は、用いられる照明分布、及び同じく結像されるパターンとは独立して適用可能である。

同様に像変位を引き起こすより高次の収差、例えば、Ｚ８、Ｚ１５、Ｚ２４等では、ゼルニケ係数と像変位の間の関係も線形であるが、比例係数は、照明分布及び結像されるパターンに依存する。従って、この関係は、一般的に、シミュレーションによって判断される。実際の用途では、これは、特に、起こり得る構造依存オーバーレイ誤差を投影対物器械の１つ又はそれよりも多くの光学要素の操作に高いゼルニケ次数、例えば、Ｚ８、Ｚ１５、Ｚ２４などを含めることによって同様に補償することができることを意味する。

これらの関係は、上述の実施形態では以下のように用いられる。上述のように、投影露光装置は、この手法で焦点ドリリングを得るために、傾斜基板を用いる走査作業に向けて設計される。この目的のために、基板における望ましい傾斜角又は関連の変数、例えば、望ましい焦点走査範囲を制御ユニットＣＵにおいて事前に定めることができる。これらの仕様は、焦点ドリリングに起因して予想される歪曲収差を補償することになる波面収差の必要なマグニチュードを計算するのに用いられる。必要な波面収差は、基本的に焦点ドリリングとは反対の等しい像変位を生成することが計画される。対応する値は、コントローラ内に、例えば、ルックアップテーブルの形態で記憶することができる。この仕様に基づいて、１つ又はそれよりも多くのマニピュレータに向けての制御信号が判断され、次に、これらのマニピュレータは、例示的な事例では、ｙ方向の１次波面収差（Ｚ３及び同じくより高次のＺ８、Ｚ１５、Ｚ２４等）からのｘ方向の視野プロフィールを生成するように制御信号に応じて駆動される。

得ることができる結果を図８に略示している。図７と同様に、この図は、ｘ位置に依存する波面収差による補償の後の走査作業中の像変位を示している。矢印の不在は、像変位の方向及びマグニチュードが、補償が像視野の幅全体に対して有効であることを示すように意図している。図７Ａに例示的に示しているものと同様に、補償が起動された投影露光は、それに応じてオーバーレイ誤差のない結像構造を生成することになる。

本出願人の名前による特許出願ＵＳ２００８／０１７４８５８Ａ１の図３に示され、この図に関連して詳細に説明されている反射屈折投影対物器械に基づいて、達成することができる収差補正の定量化を下記に説明する。この文献におけるこの点に関するその開示内容は、本明細書の内容に引用によって組み込まれている。シミュレーションにおいて、この投影対物器械は、基板の走査移動と併せて基板を傾斜することによって生成した焦点ドリリングを用いた方法で作動された。焦点ドリリングシミュレーションのパラメータは、視野にわたるオーバーレイ誤差のプロフィールが、図５に示すものと類似の方式で発生し、走査作業中の平均化効果の結果としてｘ方向の縁部で最大値１０ｎｍを有し、視野中心において値０を有する、図６による平均化されたオーバーレイ誤差を引き起こすように選択された。
補償目的で、レンズ１、４、７、１３、１４、１６、及び２０（対物面から像平面への伝播方向に見て）を光軸に対して平行に、すなわち、ｚ方向に変位させ、更に同じくこれらのレンズを傾斜させるためにマニピュレータ群を作動させた。このようにして、元の外乱を最大値１０ｎｍから最大値ほぼ０．５ｎｍまでほぼ２０倍低下させることができた。

更に別のシミュレーションでは、レンズ７、９、１０、及び１４を光軸に対して平行に変位させ、それと同時にこれらのレンズを傾斜させるために別のマニピュレータ群を作動させた。更に、レンズ１及び６に２次の変形を施した。その結果、収差を更に大きく低下させることができ、正確には、初期の１０ｎｍからほぼ０．０８ｎｍまで低下させることができた。
これらの例は、露光時間間隔中に、すなわち、焦点ドリリング中に焦点位置の変化の結果として発生する可能性がある結像収差の少なくとも一部分の補償の方法の高い潜在力を明確に示している。

本明細書では、一例として、露光される基板の傾斜によって焦点ドリリングが引き起こされ、この焦点ドリリングが、走査移動との組合せでディレクトリ状の結像収差を招き、それによってオーバーレイ誤差が引き起こされるウェーハスキャナに基づいて本発明の重要な態様を説明した。本発明は、そのようなシステムに限定されない。焦点ドリリングは、調節可能な光学要素（マニピュレータ）を用いて投影対物器械の焦点距離を変更することによっても可能である。この場合には、非合焦の時間調節が走査移動と完全に同期して達成されないと、説明した歪曲状の結像収差が発生する可能性がある。同期性からの偏差の場合には、値０とは異なる平均化された非合焦が露光基板において発生する可能性があり、更に、照明システム及び／又は投影対物器械から起こり得るテレセントリック性誤差が、結像構造におけるオーバーレイ誤差へと変換される可能性がある。補償は、予め定めることができる収差プロフィールを設定することにより、上述の例示的な実施形態と同様に可能であると考えられ、この場合、収差プロフィールは、例えば、起こり得るテレセントリック性誤差の視野プロフィールに対応する視野プロフィールを有するＺ３に実質的に対応するものとすることができ、補償目的で導入される収差プロフィールは、時間的にも調節される。基板のいかなる走査移動も発生しないウェーハステッパの場合には、時間調節が露光間隔と同期化されないと、露光時間間隔中の焦点距離調節に起因して歪曲状結像収差が発生する可能性がある。この場合には、０に等しくない平均非合焦が生じる可能性があり、これは、既に説明したものと類似の方式で補償することができる。

また、ウェーハステッパ及びウェーハスキャナでは、焦点ドリリングは、露光時間間隔中に波長を変更することによって達成することができる。この場合に１次放射線の帯域幅のみが静的に変更される場合では、一般的に、補償されるいかなる効果も発生しない。しかし、焦点ドリリングが、帯域幅の変更なしに適切な場合に、波長自体を変更することによって達成された場合には、波長の時間調節は、非合焦の時間調節を引き起こし、原理的に、焦点距離を変更することを利用する焦点ドリリングの場合と同じ影響が発生する可能性があり、これらの影響は相応に補償することができる。

ＩＬＬ 照明システム
ＬＳ レーザ
Ｍ マスク、レチクル
ＯＡ 光軸
ＰＯ 投影対物器械

Claims (21)

1. 投影対物器械の物体表面の領域に配置されたマスクのパターンの少なくとも１つの像による該投影対物器械の像表面の領域に配置された放射線感応基板の露光のための投影露光方法であって、
   露光時間間隔中に投影対物器械の有効像視野におけるパターンの像によって基板を露光する段階と、
   前記有効像視野における像点が前記露光時間間隔中にマスクの像の異なる焦点位置で露光されるような方法で、該露光時間間隔中に前記基板の表面と前記投影対物器械の焦点表面との間の相対位置を変更する段階と、
   前記露光時間間隔中の前記焦点位置の変化によって誘起される少なくとも１つの結像収差の少なくとも一部分を能動的に補償する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記能動的補償は、照明時間間隔中の前記投影対物器械の歪曲収差の変更を含み、該変更は、前記相対位置の前記変更と協調することを特徴とする請求項１に記載の投影露光方法。
3. 走査作業が、前記照明時間間隔中に実施され、該走査作業は、前記投影対物器械の有効物体視野に対する前記物体表面における前記マスクと、該有効像視野に対する前記像表面の前記領域おける前記基板とのそれぞれの走査方向への同期した移動に関わっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投影露光方法。
4. 前記基板は、基板法線が前記像平面の前記領域において前記投影対物器械の光軸に対して有限の傾斜角だけ傾くような方法で、傾斜軸回りに前記露光時間間隔中に該基板の前記走査方向と平行に延びる傾斜方向に該投影対物器械に対して傾斜されることを特徴とする請求項３に記載の投影露光方法。
5. 前記投影対物器械の歪曲パラメータの変更が、前記基板の前記走査方向に平行な歪曲の変化を含むことを特徴とする請求項４に記載の投影露光方法。
6. 前記投影対物器械の前記歪曲パラメータの前記変更は、前記基板の前記走査方向に垂直な歪曲収差のプロフィールを発生させ、該プロフィールは、好ましくは、該走査方向に垂直な方向に実質的に２次のプロフィール関数を有することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の投影露光方法。
7. 前記能動的補償は、前記投影対物器械の少なくとも１つの光学要素の他の光学要素に対する剛体移動、特に、前記光軸の方向の変位、該光軸と垂直な変位、及び／又は傾斜を含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の投影露光方法。
8. 前記能動的補償は、少なくとも１つの光学要素の変形を含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の投影露光方法。
9. 前記投影対物器械のマニピュレータを駆動するための制御信号が、補償システムのメモリにおいてルックアップテーブルに記憶された所定値に基づいて発生されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の投影露光方法。
10. 前記投影対物器械のマニピュレータを駆動するための制御信号が、該投影対物器械の結像品質をモニタする少なくとも１つのセンサの測定値に基づいて計算されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の投影露光方法。
11. 前記投影対物器械のマニピュレータを駆動するための制御信号が、前記基板の前記傾斜の程度に関する情報に基づいて判断されることを特徴とする請求項４から請求項１０のいずれか１項に記載の投影露光方法。
12. 投影対物器械の物体表面の領域に配置されたマスクのパターンの少なくとも１つの像による該投影対物器械の像表面の領域に配置された放射線感応基板の露光のための投影露光装置であって、
    １次放射線を放出するための１次放射線源（ＬＳ）と、
    前記１次放射線を受光し、かつマスク（Ｍ）上に向けられる照明放射線を発生させるための照明システム（ＩＬＬ）と、
    投影対物器械の像表面（ＩＳ）の領域にパターンの像を発生させるための投影対物器械（ＰＯ）と、
    有効像視野（ＩＦ）における像点が露光時間間隔中に前記マスクの像の異なる焦点位置で露光されるような方法で、該露光時間間隔中に基板の表面と前記投影対物器械の焦点表面との間の相対位置を変更するためのデバイスと、
    前記露光時間間隔中に前記焦点位置の変化によって誘起される少なくとも１つの結像収差の少なくとも一部分の能動的補償のための補償システム（ＭＣＵ、ＭＡＮ）と、
    を含むことを特徴とする装置。
13. 前記補償システムは、前記投影対物器械の少なくとも１つの光学要素（ＯＥ）を操作するための少なくとも１つのマニピュレータ（ＭＡＮ）、及び同じく該マニピュレータを制御するためのマニピュレータ制御ユニット（ＭＣＵ）を含み、該マニピュレータ制御ユニット及び該マニピュレータは、前記露光時間間隔中に前記焦点位置の前記変化によって誘起される少なくとも１つの結像収差の少なくとも一部分の能動的補償を得ることができるように構成されることを特徴とする請求項１２に記載の投影露光装置。
14. 少なくとも１つのマニピュレータ（ＭＡＮ）が、照明時間間隔中に前記投影対物器械の歪曲収差を変更するためのマニピュレータとして構成されることを特徴とする請求項１３に記載の投影露光装置。
15. 前記投影対物器械の有効物体視野に対する前記物体表面における前記マスクと、該有効像視野に対する前記像表面の前記領域おける前記基板とのそれぞれの走査方向への同期した移動を伴う走査作業を実施するためのデバイスを特徴とし、好ましくは、更に、前記露光時間間隔中に基板法線が該像平面の該領域において該投影対物器械の光軸に対して有限の傾斜角だけ傾くような方法で傾斜軸の回りに傾斜方向に該投影対物器械に対して該基板を傾斜させるための傾斜デバイスが備えられることを特徴とする請求項１２、請求項１３、又は請求項１４に記載の投影露光装置。
16. 前記マニピュレータ（ＭＡＮ）は、前記投影対物器械（ＰＯ）の歪曲パラメータの変更が前記基板の前記走査方向に平行な歪曲の変化を含むような方法で設計され、該投影対物器械の該歪曲パラメータの該変更は、好ましくは、該基板の該走査方向に垂直な歪曲収差のプロフィールを発生させることを可能にし、該プロフィールは、好ましくは、該走査方向に垂直な方向に実質的に２次のプロフィール関数を有することを特徴とする請求項１５又は請求項１５に記載の投影露光装置。
17. マニピュレータが、それが前記投影対物器械の少なくとも１つの光学要素の他の光学要素に対する剛体移動、特に、前記光軸の方向の変位、該光軸に垂直な変位、及び／又は傾斜をもたらすように具現化されることを特徴とする請求項１３から請求項１７のいずれか１項に記載の投影露光装置。
18. マニピュレータが、光学要素の所定の変形に向けて設計されることを特徴とする請求項１３から請求項１８のいずれか１項に記載の投影露光装置。
19. マニピュレータを駆動するための制御信号が、前記補償システムのメモリにルックアップテーブルの方式で記憶された所定値に基づいて発生されることを特徴とする請求項１３から請求項１８のいずれか１項に記載の投影露光装置。
20. 前記投影対物器械の結像品質に固有の歪曲収差、波面収差、及び／又は他の特性を検出するための少なくとも１つのセンサが備えられ、前記マニピュレータ制御ユニット（ＭＣＵ）は、該センサの信号から少なくとも１つのマニピュレータを駆動するための駆動信号を発生させることを特徴とする請求項１３から請求項１９のいずれか１項に記載の投影露光装置。
21. 前記基板の前記傾斜の程度に関する情報を検出するためのデバイスが備えられ、前記マニピュレータ制御ユニット（ＭＣＵ）は、該センサの信号から少なくとも１つのマニピュレータを駆動するための駆動信号を発生させることを特徴とする請求項１５から請求項２０のいずれか１項に記載の投影露光装置。

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