JP2010157620A - 露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 露光に使用するパルス光のスペクトル分布の変動を低減できる露光装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、パルス光を発生する光源から供給されるパルス光を用いてレチクルのパターンを基板に露光する露光装置であって、前記露光装置が基板を露光しているときに前記光源が単位時間内に発光する回数である発振周波数が周期的に変化するように前記光源を制御する制御部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、露光装置及びデバイス製造方法に関する。

近年、半導体製造工程に供される露光装置において、より微細なパターンを基板に投影し転写する微細加工技術の進展が著しく、更なる解像力の向上に向けて露光波長の短波長化が図られている。この露光波長の短波長化に伴って、露光光源もガスレーザの一種であるKrFやArFのエキシマレーザに変移してきている。

このエキシマレーザは、狭帯域化モジュールにより特定波長のみを選択できるため、特定の非常に狭帯域化されたパルス光の発光を発振現象により実現できる。しかも、上記特定波長は予め設定されたスペクトル幅を設定することが可能である。特許文献１には、狭帯域化モジュールで狭帯域化された特定の波長の光を生成し、狭帯域化モジュールから出た光の波面収差を補正しスペクトルの幅を変化させることが開示されている（図５４、図５５）。

従来の露光装置は、エキシマレーザの光を次の２つの用途で利用する。一つは、エキシマレーザから発光されるパルス光によってレチクル上のパターンを半導体ウエハ上に投影転写する用途である。他方は、エキシマレーザの光を用いて、レチクルと投影レンズを介してウエハステージの位置を計測する用途である。
特開2006-024855号公報 特開2004-288874号公報

上記エキシマレーザはガスレーザであるため、定期的にガス交換を行う必要がある。このガス交換により、ガスチャンバ内部におけるガスの成分比率が変動し、パルス光のスペクトル分布が変動する場合がある。また、上記狭帯域化モジュールの中にある光学部品も経時変化によって特性が変化することがあり、上記スペクトル分布を変動させる要因となっている。

さらに、上記エキシマレーザは、光のスペクトル幅を一定に保持しようとする機能を有しているが、エキシマレーザ内部の各種要因により、特に発振周波数によりそのスペクトル分布は、図２に示すように、変動する。この課題は特許文献２にでも指摘されており、1秒間に発光する回数（周波数）が音響波なる問題となり、スペクトル線幅、エネルギーなどへ悪影響があることが判明している。

以上のように、露光装置に使用されるエキシマレーザは、各種要因によりスペクトル分布が変動し、これらの変動が発生すると露光装置のパターン転写性能に悪影響を及ぼすことがある。エキシマレーザのスペクトル分布が変動した場合には、投影転写するパターンのコントラストが変化してしまう。コントラストが変化すると、転写されるパターンによってその影響度が異なるため、単に転写パターンのコントラストが低下するだけでなく、転写パターンが変形してしまう。

特許文献１記載の技術では、狭帯域化モジュールに備わっている波面収差を調整する機構の位置を調整することによって、レーザの発振周波数によって変化するスペクトル分布を目標の分布に修正することが可能である。しかし、露光装置において、露光を行うためのレーザ発振周波数と、ウエハステージの位置を計測するためのレーザ発振周波数とは異なることがある。位置計測のためのレーザの発振は、計測を短時間で完了するのが半導体の生産性に寄与するため、レーザの最大発振周波数で実施されることが望ましい。露光のためのレーザの発振は、レジストを感光するための発振であって、レジストの感度等によって必要とされる露光量が変わってくる。そのため露光のためのレーザの発振は、最大周波数ではなく比較的低い周波数で露光し、露光量を軽減する場合がある。

このように、露光装置においては、２種類のレーザの使い方があり、それぞれ発振周波数が異なる場合、レーザの特性により所定のスペクトル幅に戻す為の調整が入ってしまう。調整には狭帯域化モジュールなどに付属する光学部品を調整しスペクトル分布を観察しながら行うため時間がかかる。また、レーザ光の中心波長が変動すると、露光装置のフォーカス位置が変化してしまい微細なパターンを転写することが困難になる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、露光に使用するパルス光のスペクトル分布の変動を低減できる露光装置を提供することを目的とする。

本発明は、パルス光を発生する光源から供給されるパルス光を用いてレチクルのパターンを基板に露光する露光装置であって、前記露光装置が基板を露光しているときに前記光源が単位時間内に発光する回数である発振周波数が周期的に変化するように前記光源を制御する制御部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、露光に使用するパルス光のスペクトル分布の変動を低減できる露光装置を提供することができる。

以下に、本発明に係る実施形態について、図１乃至図３を参照して詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態は、本発明の一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記の実施形態を修正又は変形したものにも適用可能である。

本実施形態では、レチクルのパターンを介して基板を露光する露光装置として、図１に示される、基板をスリット状のパルス光で露光するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置を使用する。しかし、露光装置としてステップ・アンド・リピート方式の露光装置も使用し得る。パルス光を発生して供給する光源としてのエキシマレーザ１は、ガスチャンバ２、狭帯域化モジュール３Ｗ、スペクトル調整モジュール３S、波長計４及びレーザ内制御部５を含み、パルス光６を出力する。ガスチャンバ２には、エキシマレーザ１の内部にあるエキシマガスが封入されている。狭帯域化モジュール３Ｗはパルス光６の波長を選択して狭帯域化する。波長計４はパルス光６の中心波長及びスペクトル分布を計測する。レーザ内制御部５は、不図示のパルス発生器にトリガを与え、ガスチャンバ２に高電圧のパルスを印加する。また、レーザ内制御部５は、パルス発光毎に波長計４により計測されたパルス光６の中心波長及びスペクトル分布を読み込んで、次のパルス光の中心波長とスペクトル分布が指令値になるように、狭帯域化モジュール３Ｗに駆動制御の指令を出力する。本実施形態では、レーザ内制御部５がパルス発生器にトリガを与え、狭帯域化モジュール３Ｗに駆動制御の指令を出力する。しかし、レーザ内制御部５のこれらの機能は、後述する露光装置のエキシマレーザ制御部16に行わせるように設けてもよい。

エキシマレーザ１は、狭帯域化モジュール３Ｗにより特定波長のみを選択してガスチャンバ２に戻せるため、非常に狭帯域化された特定のパルス光６の発光を発振現象により実現でき、上記特定波長をある程度変更可能である。さらに、エキシマレーザ１は、内部のアクチュエータにより光学部材を調整することによってスペクトル分布もコントロールできる。また、エキシマレーザ１は後述のように、単位時間内にパルス発振する回数すなわち発振周波数を変更することが可能である。

この露光装置は、エキシマレーザ１から発光されるパルス光６によってレチクル１２のパターンを基板１４に投影転写を行って基板１４を露光する。次に、投影転写について述べる。

エキシマレーザ１から発光されたパルス光６は、照明光学系１１によって、レチクル１２を照明するための略均一な照明光に変換される。照明光は、レチクルステージ２１に搭載されたレチクル１２のパターンを、投影レンズ１３を介して基板１４に投影する。基板１４は、ＸＹＺ方向に移動可能な基板ステージ１５に搭載されている。エキシマレーザ制御部１６はエキシマレーザ１に対してパルス発光毎のエネルギーや発光タイミングを指令する。レチクルステージ２１と基板ステージ１５は、それぞれ干渉計１８ｒ、１８ｗによって位置が測定され、ステージ制御部１８は、レチクルステージ２１と基板ステージ１５の位置を制御し、2つのステージ２１，１５を同期駆動する。

一方、露光装置にはレチクル１２と基板ステージ１５の相対位置を計測する位置計測機構を備えている。位置計測機構は、基板ステージ１５とレチクル１２の相対距離を求めるとともに、不図示のウエハ顕微鏡を用いて、基板ステージ１５と基板１４の相対位置を計測する。二つの計測によって基板１４とレチクル１２の相対位置が正確に決定され、決定された相対位置に基づいて基板１４とレチクル１２との位置合わせが行われる。以下にレチクル１２と基板ステージ１５の位置計測機構すなわちキャリブレーション計測機構について説明する。

エキシマレーザ１からのパルス光６の一部は分岐してミラー９，１０を介してレチクルステージ２１又はレチクル１２に形成されたレチクルマーク１９を照明する。レチクルマーク１９で反射したレチクルマークの像は、光電変換素子１７に入射する。一方、レチクルマーク１９を通過した光は投影レンズ１３を介して基板ステージ１５の上に搭載されているステージマーク２０を照明する。ステージマーク２０で反射したステージマークの像は、投影レンズ１３を逆戻りし、レチクルマーク１９を透過して光電変換素子１７に入射する。光電変換素子１７の上にはレチクルマーク１９の反射像とステージマーク２０の反射像が合成され、それぞれのマークの像が同時に撮像される。撮像されたマークの像は画像処理されレチクルマーク１９とステージマーク２０の相対ずれ量が計測される。

ここでは、画像処理方式の位置計測で説明したが、基板ステージ１５に光電変換素子を配置し、レチクルマーク１９とステージマーク２０にそれぞれ設けているスリットを通過する光を受光する空中像方式で位置を検出しても良い。

次に、エキシマレーザ１の光を制御しパルス光のスペクトル分布を安定化させる動作を詳細に述べる。パルス光の光源を制御する制御部として露光装置が備えるエキシマレーザ制御部１６によりエキシマレーザ１の発光が制御される。即ち、エキシマレーザ制御部１６は、レーザ内制御部５に対して中心波長の指令値、スペクトル分布の指令値を出力するとともに、露光パルス数について、通信手段を介して設定した後、発光指令を出力する。露光パルス数は、露光装置が露光を行う場合に、エキシマレーザ１が単位時間内に発光する回数であり、発振周波数とも呼ばれる。なお、スペクトル分布、露光パルス数、中心波長は予め、レーザ内部に設定されていても良い。

レーザ内制御部５は、エキシマレーザ制御部１６から、中心波長の指令値、スペクトル分布の指令値、露光パルス数を受け取ると、狭帯域化モジュール３Wに駆動指令を出力し中心波長を設定する。また、レーザ内制御部５は、スペクトル調整モジュール３Sに駆動指令を出力しスペクトル分布を設定する。そして、レーザ内制御部５は、実際の発光波長が中心波長の指令値及びスペクトル分布の指令値と一致すると期待される位置に内部の光学素子（不図示）を設定し、その後、発光指令を受け取ると実際の発光を実行させる。

レーザ内制御部５は、上記発光の実行後、波長計４にパルス光の中心波長とスペクトル分布の計測を行わせる。中心波長の計測値と指令値との間に誤差がある場合、レーザ内制御部５は、この誤差を最小にするように狭帯域化モジュール３Ｗに駆動指令を出力する。そして、レーザ内制御部５は、次回発光時のパルス光の中心波長及びスペクトル分布を各指令値と一致するように補正してスペクトルを安定化させる。

補正が完了した時点で、ステージ制御部１８、レチクルステージ２１、基板ステージ１５を同期させながら駆動する。同時に、エキシマレーザ制御部１６は、１パルスずつ発光指令をレーザ内制御部５へ送る。その際、エキシマレーザ制御部１６は、パルス発光の間隔を調整しながら発光指令を送る。

エキシマレーザ制御部１６によるパルス発光間隔の調整方法を図３に示す。走査露光においては、スリット状のパルス光６が照明光学系１１より、レチクル１２面上に照射される。レチクル１２と基板ステージ１５は同期して移動しているので、基板１４のある位置に着目すると、スリットの先端から終端の光が積分されてその位置に照射される。図３は、横軸に時間、縦軸に光源が単位時間内にパルス発振する回数すなわち発振周波数を示している。露光装置が基板１４の露光を行う場合、図３に示されるように、発振周波数が周期的に変化するように、エキシマレーザ制御部１６はエキシマレーザ１を制御する。発振周波数の１周期内の調整パターンは、図３に示す正弦波形状であっても、三角波でもかまわないが、できるだけ発振周波数が時間に対して片寄らないように均一に分布させるのがよい。

エキシマレーザの発振周波数を制御は、エキシマレーザ１へのエキシマレーザ制御部１６の指令に基づいて行われる。エキシマレーザ制御部１６の指令値は発振周波数そのものでも、発振周波数の変化の周期でも、基板上のある位置における露光時間でも、露光工程や後述の計測工程の開始及び終了に関する情報でもよい。指令値が発振周波数そのものでない場合は、レーザ内制御部５が該指令値から発振周波数を算出（決定）して、エキシマレーザ１の発振周波数を制御する。なお、発振周波数や露光のタイミング等が予め決められていれば、エキシマレーザ制御部１６の指令によらず、予め決められた発振周波数等に基づいてエキシマレーザ１のみで発振周波数を制御して良い。

このように、発振周波数が周期的に変化するようにエキシマレーザ１を制御することで、次の２つの作用が得られる。１つ目の作用は、図２の露光時の発振周波数で出現する音響波の影響を無くすことである。この音響波の発生は、パルス発振とガスチャンバとの共振現象によるものと推測されるが、発振周波数を露光時の発振周波数近傍で周期的に変化させることで、音響波の発生が抑えられ、パルス光６のスペクトル分布が安定化される。２つ目の作用は、露光時の基板に１４に照射される光量を一定としうることである。露光時の基板１４は常に移動しているため、基板上の位置によって、スリットを通過する時刻が異なる。しかし、スリットを通過する時間は、基板１４の上の位置によって変化しない。基板上のある位置がスリット状のパルス光で走査露光される時間は、スリットの走査方向の長さを基板ステージ１５の走査速度で割った時間である。そこで、スリットを通過する時間が発振周波数の変化の周期の整数倍であるように発振周波数を変化させると、基板１４の上のどの位置においても、同じパルス数の光が照射されることになる。

露光装置においては、レチクル１２及び基板１４を搬入後、レチクル１２と基板１４の位置合わせための計測を行うキャリブレーション工程と、その後レチクル１２上のパターンを基板１４上に転写する露光工程に大きく分かれる。

露光工程では、露光装置は、露光工程に適した発振周波数でその発振周波数を周期的に変化させながら発光させたパルス光６を用いて基板１４を露光する。一方、キャリブレーション工程では、露光装置は、キャリブレーションに適した発振周波数でその周波数を周期的に変化させながら発光させたパルス光６を用いてレチクルマーク１９及びステージマーク２０を観察し撮像する。それによって、露光装置は、レチクル１２と基板１４の位置合わせのための計測を行う。露光工程及びキャリブレーション工程における発振周波数が互いに異なっていても、それぞれの工程に適した発振周波数でその発振周波数を周期的に変化させる。なお、キャリブレーション工程において音響波の影響によるスペクトル分布の悪化が許容できる場合は、発振周波数近傍での発振間隔の調整を実施しなくても良い。

上述の実施形態では、露光光の光源が発光するパルス光を用いてレチクル１２と基板１４の位置合わせための計測を行った。しかし、露光光の光源とは別の第２光源からのパルス光を用いて、レチクル１２と基板１４の位置合わせための計測を行うようにすることもできる。

次に、上述の露光装置を利用したデバイス製造方法の実施形態を説明する。デバイスは、前述の露光装置を使用して、感光剤が塗布された基板を露光する工程と、該工程で露光された基板を現像する工程と、他の周知の工程とを経ることにより製造される。デバイスは、半導体集積回路素子、液晶表示素子等でありうる。基板は、ウエハ、ガラスプレート等でありうる。当該周知の工程は、例えば、酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等の各工程である。

本発明に係る露光装置の一例を示す図である。 エキシマレーザのスペクトル分布の変動を説明する図である。 エキシマレーザの発振周波数の制御を説明する図である。

符号の説明

１：エキシマレーザ
５：レーザ内制御部
６：エキシマレーザ光
１６：エキシマレーザ制御部

Claims (5)

1. パルス光を発生する光源から供給されるパルス光を用いてレチクルのパターンを基板に露光する露光装置であって、
   前記露光装置が基板を露光しているときに前記光源が単位時間内に発光する回数である発振周波数が周期的に変化するように前記光源を制御する制御部を備えることを特徴とする露光装置。
2. 前記露光装置は、前記基板をパルス光で走査露光する露光装置であって、
   前記制御部は、前記基板上のある位置がパルス光で走査露光される時間が前記発振周波数の変化の周期の整数倍となるように前記光源を制御することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記露光装置は、前記光源が発生するパルス光を用いてレチクルと基板との位置合わせのための計測を行い、
   前記制御部は、前記露光装置が前記計測を行うときに前記光源の発振周波数が周期的に変化するように前記光源をさらに制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の露光装置。
4. 前記露光装置は、前記光源とは別の第２光源が発生するパルス光を用いてレチクルと基板との位置合わせのための計測を行い、
   前記制御部は、前記第２光源の発振周波数が周期的に変化するように前記第２光源を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の露光装置。
5. デバイス製造方法であって、
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
   前記露光された基板を現像する工程と、
   を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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