JP2020187334A - 露光装置、および物品製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板の熱変形に対する重ね合わせ精度のロバストネスの点で有利な技術を提供する。【解決手段】基板を交換しながら複数の基板のそれぞれを露光するジョブ処理を行う露光装置は、基板を保持する基板保持部と、前記ジョブ処理の制御を行う制御部と、を有し、前記制御部は、前記ジョブ処理の経過時間と基板変形量との関係に基づいて、基板の変形によって生じる重ね合わせ誤差を補正して前記基板を露光し、前記関係においては、基板交換時において前記基板保持部に搬入される基板に対して、該基板交換時における前記基板保持部の残熱に応じた初期変形量が与えられている。【選択図】 図１

Description

本発明は、露光装置、および物品製造方法に関する。
原版のパターンを基板に投影露光する露光装置の重要な性能の１つに、複数の工程を経て基板に転写される各パターンの重ね合わせ精度がある。露光装置において露光が繰り返されると、基板または基板保持部が露光光のエネルギーの一部を吸収して加熱されて基板が熱膨張し、これが重ね合わせ精度を低下させる要因となりうる。
そこで、基板または基板保持部への露光光の照射による重ね合わせ精度の変動を補償するための技術が提案されている。例えば特許文献１は、露光中の基板倍率等の重ね合わせ誤差の変動モデルを開示している。特許文献１では、モデル精度を高めるため、露光前後にアライメントスコープで重ね合わせ誤差を計測することで露光中の基板の変動量を求め、その変動幅に基づいてモデルの校正が行われる。しかし、基板の変形量は露光画角、露光順、露光量などの様々な変数によって決まるため予測することが困難である。これに対して、特許文献２では、基板を微小領域に区切り、露光による基板の変形量を微小領域の重ね合わせモデルにより予測を行う手法を開示している。
特許第５５５５９８３号公報 特許第４４４４８１２号公報
近年の半導体素子の微細化、高密度化の進展に伴い、露光装置の重ね合わせ精度の一層の向上が求められている。したがって、基板の熱変形による重ね合わせ精度の変動を更に高度に補償することが必要とされている。
本発明は、基板の熱変形に対する重ね合わせ精度のロバストネスの点で有利な技術を提供する。
本発明の一側面によれば、基板を交換しながら複数の基板のそれぞれを露光するジョブ処理を行う露光装置であって、基板を保持する基板保持部と、前記ジョブ処理の制御を行う制御部と、を有し、前記制御部は、前記ジョブ処理の経過時間と基板変形量との関係に基づいて、基板の変形によって生じる重ね合わせ誤差を補正して前記基板を露光し、前記関係においては、基板交換時において前記基板保持部に搬入される基板に対して、該基板交換時における前記基板保持部の残熱に応じた初期変形量が与えられていることを特徴とする露光装置が提供される。
本発明によれば、基板の熱変形に対する重ね合わせ精度のロバストネスの点で有利な技術が提供される。
実施形態における露光装置の構成を示す図。 露光時間と基板変形量との関係を示す図。 基板変形量の成分を例示する図。 （ａ）は、実施形態による、露光時間（ジョブ処理の経過時間）と基板変形量との関係を示す図、（ｂ）は、従来技術における、露光時間（ジョブ処理の経過時間）と基板変形量との関係を示す図。 複数のモデル式を線形重ね合わせして得られた加熱モデルの時間特性の一例を示す図。 温度の実測に基づいてモデルを校正した場合の効果を示す図。
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
＜第１実施形態＞
図１は、実施形態における露光装置１０の構成を示す図である。露光装置１０は、例えば、原版１（マスク、レチクル）を保持する原版ステージ２と、投影光学系３と、基板４と、基板保持部５（基板チャック）と、基板ステージ６と、照明光学系７と、制御部９とを含みうる。基板ステージ６は、基板保持部を支持し、基板保持部５と共に移動可能に構成されている。制御部９は、露光装置１０の各部を制御する。制御部９は、例えばＣＰＵやメモリなどを含み、原版１のパターンを基板４のショット領域に転写する処理を制御する。
照明光学系７は、原版ステージ２に保持された原版１を照明する。具体的には、照明光学系７は、マスキングブレードなどの遮光部材により光源から射出された光を整形し、整形した光で原版１のパターン領域（パターンが形成された領域）を照明する。光源としては、超高圧水銀ランプ、ＬＥＤなどの固体光源、エキシマレーザー、ＥＵＶ光源などが使用されうる。原版１は原版ステージ２によって保持され、基板４は（基板保持部５を介して）基板ステージ６によって保持され、このとき、原版１と基板４は、投影光学系３を介して光学的にほぼ共役な位置（投影光学系３の物体面および像面）にそれぞれ配置される。投影光学系３は、原版１のパターンを基板４（のショット領域）に投影する。投影光学系３は、光学素子３ａと、光学素子３ａを駆動する駆動部３ｂとを含みうる。また、露光装置１０は、基板４または基板保持部５の温度を計測する計測部１１と、基板保持部５の温度を調整する調整部１２とを有する。計測部１１は、基板の温度を計測するための赤外線カメラ等を含んでいてもよいし、基板保持部５を冷却している冷却水の温度を計測するためのセンサを含んでいてもよい。
露光装置１０は、不図示の基板搬送機構を介して基板を交換しながら複数の基板（例えば１ロット分の枚数の基板）のそれぞれを順次に露光するジョブ処理を行うことができる。制御部９は、そのようなジョブ処理の制御を行う。
露光装置１０では、基板４および基板保持部５において露光光８の一部が吸収されるため、それにより発生した熱の影響で基板４の変形が発生して重ね合わせ精度が露光時間（ジョブ処理の経過時間）とともに変動しうる。基板４の変形量の成分には、図３に示されるような、基板シフト、基板（ショット）倍率、基板駆動方向シフト差、台形変形、湾曲変形等がある。
例えば、図２に示すように、一定の強度を有する露光光８で露光処理を行うと、露光熱に起因する基板の変形量は指数関数的に変動するため、原版１のパターンをショット領域に精度よく転写することが困難になりうる。そこで本実施形態においては、制御部９は、ジョブ処理の経過時間と基板変形量との関係に基づいて、基板の変形によって生じる重ね合わせ誤差を補正して基板を露光する。ここで、上記関係においては、各基板交換時において基板保持部５に搬入される基板に対して、基板保持部５の残熱に応じた初期変形量が与えられている。以下、具体例を説明する。
例えば、制御部９は、ジョブ処理の経過時間に対する基板の熱変形による重ね合わせ誤差特性の変動についての予測値を、予測式を用いて求め、この予測値に基づいて重ね合わせ誤差の補正を行う。補正は、例えば、投影光学系３の駆動部３ｂによる光学素子３ａの駆動、基板ステージ６の駆動、原版ステージ２の駆動、照明光学系７の光学素子の駆動、照明光学系７の光源の発振周波数の調整等の少なくともいずれか１つによって実現されうる。投影光学系３の光学素子３ａを駆動して補正を行う場合、予測値に基づいて光学素子３ａを光軸方向に移動させることにより、投影光学系３のショット倍率を補正することができる。また、基板ステージ６の駆動により補正を行う場合には、制御部９は、予測値に基づいて基板４の最適露光位置を算出し、これを基板ステージ６の駆動位置に反映する。これにより、基板シフト、基板倍率、ショット倍率、基板駆動方向シフト差、台形変形、湾曲変形のうちの少なくともいずれか１つを含む、基板変形量の成分を補正することができる。また、基板変形量の予測値、基板保持部５の温度の予測値、または計測部１１で実測された基板４の温度に基づいて、調整部１２により基板保持部５の温度を調整することもできる。
なお、補正の実現方法は上記以外にも、投影光学系３を調整するものとして、投影光学系３の光学素子３ａの赤外線等による加熱、投影光学系３の光学素子３ａの変形、投影光学系３における反射部材の反射面の変形等がありうる。さらに、補正の実現方法は上記以外にも、基板４の変形を直接補正する方法として、基板４の赤外線等による局所的な加熱、基板への空気の局所的な吹き付けによる冷却等がありうる。ただし、本発明は特定の補正方法に限定されない。また、本実施形態における露光装置１０は原版１のパターンを投影する構成を有するものとして説明したが、原版を用いないいわゆるマスクレス露光装置にも、本発明を適用可能である。
以下、本実施形態における重ね合わせ誤差特性の変動の予測式について説明する。本実施形態は、基板を交換しながら複数の基板のそれぞれに露光を行うジョブ処理を行う場合における基板変形量の予測を行うものである。そのようなジョブ処理においては、基板（の各ショット領域）の露光と基板の交換が繰り返される。ジョブ処理の経過時間と基板変形量との関係は、基板（の各ショット領域）の露光時に適用される加熱モデル（heating model）と、基板交換時に適用される冷却モデル（cooling model）とによって表される。
φhを基板変形量（予測値）、thを露光時間、Ｉoを飽和変形量、φini-heatを加熱初期変形量、Ｋhを加熱時定数とすると、加熱モデルは次式で表される。
φh(th) ＝ Ｉo − (Ｉo − φini-heat) ÷ exp(th／Ｋh) ・・・（１）
また、φcを基板変形量（予測値）、tcを露光停止時間、φini-coolを冷却初期変形量、Ｋcを冷却時定数とすると、冷却モデルは次式で表される。
φc(tc) ＝ φini-cool ÷ exp(tc／Ｋc) ・・・（２）
式（１）の加熱モデル式は基板４への露光光の照射中における重ね合わせ誤差変動を反映する。式（２）の冷却モデル式は、基板４への露光光の照射を停止した状態における基板膨張起因の重ね合わせ誤差変動、即ち露光を終了した後の重ね合わせ誤差の変動を反映する。Ｉoは、基板の露光による熱の影響での基板変形量（基板シフト、基板倍率、ショット倍率、基板駆動方向シフト差、台形変形、湾曲変形成分）の飽和変形量である。この飽和変形量は、照度、原版透過率、露光画角等によって変わりうるものなので、予め露光実験または計算によって決定される。thは各基板の第１ショット領域の露光直前を基準（th＝０）とした露光時間であり、式（１）は、各ショット領域を露光するごとにthを求めて基板変形量を予測するモデルになっている。また、tcは各基板の最終ショット領域の露光終了直後の時点を基準（tc＝０）とした露光停止時間であり、式（２）は、露光待機時間中の冷却時間tcを求めて基板変形量を予測するモデルになっている。
φini-heat、φini-coolはモデルの初期条件（加熱初期変形量、冷却初期変形量）を示している。初期変形量は、基板交換時における基板保持部の残熱に応じた量でありうる。基板露光および基板交換の動作が交互に行われる場合は加熱モデル、冷却モデルが交互に適用される。そこで本実施形態では、加熱モデルの加熱初期変形量φini-heatは、その直前に適用された冷却モデルによる基板変形量の最終予測値に基づいて決定される。また、冷却モデルの冷却初期変形量φini-coolは、その直前に適用された加熱モデルによる基板変形量の最終予測値に基づいて決定される。
図４（ａ）は、本実施形態の上記モデルに従う、露光時間（ジョブ処理の経過時間）と基板変形量との関係を示す図、図４（ｂ）は、従来技術における露光時間（ジョブ処理の経過時間）と基板変形量との関係を概念的に示す図である。
一枚の基板に対してショット領域ごとに露光が繰り返される間、入熱により基板変形量が大きくなっていき、露光が中断されると、その時点から冷却により基板変形量は小さくなっていき、露光が再開されると再び基板変形量が大きくなっていく。図４（ａ）のグラフは、この関係を、基板を交換しながら複数の基板を露光する場合に適用したものである。図４（ａ）のグラフにおいて、基板変形量が増大する各期間は、各基板の露光時に対応し、基板変形量が減少する各期間は、基板交換時に対応する、と考えることができる。
図４（ｂ）に示す従来技術では、基板交換によって露光熱回収が実施されたと想定されているため、各基板の初期変形量はないものとされている。しかし実際には、前の基板の露光時の基板保持部５の残熱の影響で、同じ露光条件であっても初期条件が異なるため、露光処理中の基板変形量は基板毎に異なっている。そこで、本実施形態のモデルは、図４（ａ）に示すような、基板毎の初期変形量を考慮に入れたモデルになっている。各グラフの実線はそれぞれのモデルで予測した補正量、破線は実際の変形量となっている。
基板露光時は加熱モデル式（１）に従い予測を行うが、モデル式が初期条件φini-heatに依存しているため、各基板露光時のφini-heatの大きさによって単位時間当たりの変形量の増加量が異なることになる。基板交換等の非露光時における冷却モデル式（２）もまた、初期条件φini-coolに依存するモデルになっている。式（１）と同様に初期条件に応じて単位時間当たりの変形量の減少量が異なることになる。図４（ａ）および図４（ｂ）を比較して見れば分かるように、本実施形態によるモデルの方が実際の発生量を良好に予測しており基板熱膨張による重ね合わせ誤差を低減することが可能になる。
基板変形量の成分変化量の要因が複数ある場合、時定数Ｋc, Ｋhだけでは高精度にモデル化できない場合がある。そこで、加熱モデルおよび冷却モデルのそれぞれを、互いに係数が異なる複数のモデル式を線形重ね合わせして得られたモデル式で表現してもよい。図５に、互いに係数が異なる複数のモデル式（モデル１とモデル２）を線形重ね合わせして得られた加熱モデルの時間特性の一例を示す。
＜第２実施形態＞
第２実施形態においては、基板温度を予測し、計測された基板温度から、基板変形量を予測する。ジョブ処理の経過時間と基板温度との関係（第１関係）が、基板（の各ショット領域）の露光時に適用される加熱モデル（heating model）と、基板交換時に適用される冷却モデル（cooling model）とによって表される。
ψhを基板温度（予測値）、thを露光時間、Toを飽和温度、ψini-heatを加熱初期温度、Ｋhを加熱時定数とすると、加熱モデルは次式で表される。
ψh(th) ＝ To − (To − ψini-heat) ÷ exp(th／Ｋh) ・・・（３）
また、ψcを基板温度（予測値）、tcを露光停止時間、ψini-coolを冷却初期温度、Ｋcを冷却時定数とすると、冷却モデルは次式で表される。
ψc(tc) ＝ ψini-cool ÷ exp(tc／Ｋc) ・・・（４）
式（３）の加熱モデル式は基板４への露光光の照射中における基板温度の変動を表す。式（４）の冷却モデル式は、基板４への露光光の照射を停止した状態における基板温度の変動を表す。Toは、予め露光実験または計算によって決定された基板の露光による温度変動の係数になっている。また、基板温度と基板変形量（基板シフト、基板倍率、ショット倍率、基板駆動方向シフト差、台形変形、湾曲変形）との関係（第２関係）が予め求められている。その関係に基づいて、制御部９は、予測された温度から基板変形量を予測し、それに基づいて、重ね合わせ誤差を補正しながら露光処理を行う。thは各基板の第１ショット領域の露光直前を基準（th＝０）とした露光時間であり、式（３）は、各ショット領域を露光するごとにthを求めて基板温度を予測するモデルになっている。また、ｔcは各基板の最終ショット領域の露光直後の時点を基準（ｔc＝０）とした露光停止時間であり、式（４）は、露光待機時間中の冷却時間ｔcを求めて基板温度を予測するモデルになっている。
ψini-heat、ψini-coolはモデルの初期条件（加熱初期温度、冷却初期温度）を示している。初期温度は、基板交換時における基板保持部の残熱に応じた量でありうる。基板露光および基板交換の動作が交互に行われる場合は加熱モデル、冷却モデルが交互に適用される。そこで本実施形態では、加熱モデルの加熱初期温度ψini-heatは、その直前に適用された冷却モデルによる基板温度の最終予測値に基づいて決定される。また、冷却モデルの冷却初期温度ψini-coolは、その直前に適用された加熱モデルによる基板温度の最終予測値に基づいて決定される。
制御部９は、加熱モデル式の加熱初期温度ψini-heatを計測部１１を用いた実測結果に基づいて校正してもよい。それにより、より高精度に重ね合わせ誤差を補正することが可能となる。図６は、基板交換開始のタイミングで計測部１１を用いた温度計測に実施してモデルを逐次校正した場合の効果を示す図である。図６において、点線は校正なしのモデルで予測した基板温度、破線は計測部１１による実測値、実線は実測値に基づいて校正した基板温度を示している。校正された基板温度モデルの方が実測値に近似していることが分かる。
なお、本実施形態では、計測部１１を用いて基板４の温度を計測するものとして説明したが、計測部１１は基板保持部５の温度を計測するように構成されていてもよい。
また、基板温度変化の要因が複数ある場合、時定数Ｋc, Ｋhだけでは高精度にモデル化できない場合がある。そこで、加熱モデルおよび冷却モデルのそれぞれを、互いに係数が異なる複数のモデル式を線形重ね合わせして得られたモデル式で表現してもよい。
＜物品製造方法の実施形態＞
本発明の実施形態に係る物品製造方法は、例えば、半導体デバイス等のマイクロデバイスや微細構造を有する素子等の物品を製造するのに好適である。本実施形態の物品製造方法は、基板に塗布された感光剤に上記の露光装置を用いて潜像パターンを形成する工程（基板を露光する工程）と、かかる工程で潜像パターンが形成された基板を現像する工程とを含む。更に、かかる製造方法は、他の周知の工程（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）を含む。本実施形態の物品製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。
１：原版、２：原版ステージ、３：投影光学系、４：基板、５：基板保持部、６：基板ステージ、７：照明光学系、９：制御部、１０：露光装置

Claims (12)

  1. 基板を交換しながら複数の基板のそれぞれを露光するジョブ処理を行う露光装置であって、
    基板を保持する基板保持部と、
    前記ジョブ処理の制御を行う制御部と、を有し、
    前記制御部は、前記ジョブ処理の経過時間と基板変形量との関係に基づいて、基板の変形によって生じる重ね合わせ誤差を補正して前記基板を露光し、
    前記関係においては、基板交換時において前記基板保持部に搬入される基板に対して、該基板交換時における前記基板保持部の残熱に応じた初期変形量が与えられている、ことを特徴とする露光装置。
  2. 前記関係は、基板露光時に適用される加熱モデルと、基板交換時に適用される冷却モデルとによって表され、
    φhを基板変形量、thを露光時間、Ｉoを飽和変形量、φini-heatを加熱初期変形量、Ｋhを加熱時定数とするとき、前記加熱モデルは、
    φh(th) ＝ Ｉo − (Ｉo − φini-heat) ÷ exp(th／Ｋh)
    で表され、
    φcを基板変形量、tcを露光停止時間、φini-coolを冷却初期変形量、Ｋcを冷却時定数とするとき、前記冷却モデルは、
    φc(tc) ＝ φini-cool ÷ exp(tc／Ｋc)
    で表されることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
  3. 前記加熱初期変形量は、直前に適用された冷却モデルによる基板変形量の最終予測値に基づいて決定され、前記冷却初期変形量は、直前に適用された加熱モデルによる基板変形量の最終予測値に基づいて決定されることを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
  4. 前記加熱モデルおよび前記冷却モデルはそれぞれ、互いに係数が異なる複数のモデル式を線形重ね合わせして得られたモデル式で表現されることを特徴とする請求項２または３に記載の露光装置。
  5. 基板を交換しながら複数の基板のそれぞれを露光するジョブ処理を行う露光装置であって、
    基板を保持する基板保持部と、
    前記ジョブ処理の制御を行う制御部と、を有し、
    前記制御部は、前記ジョブ処理の経過時間と基板温度との関係である第１関係と、基板温度と基板変形量との関係である第２関係とに基づいて、基板の変形によって生じる重ね合わせ誤差を補正して前記基板を露光し、
    前記第１関係においては、基板交換時において前記基板保持部に搬入される基板に対して、該基板交換時における前記基板保持部の残熱に応じた初期温度が与えられている、ことを特徴とする露光装置。
  6. 前記第１関係は、基板露光時に適用される加熱モデルと、基板交換時に適用される冷却モデルとによって表され、
    ψhを基板温度、thを露光時間、Toを飽和温度、ψini-heatを加熱初期温度、Ｋhを加熱時定数とするとき、前記加熱モデルは、
    ψh(th) ＝ To − (To − ψini-heat) ÷ exp(th／Ｋh)
    で表され、
    ψcを基板温度、tcを露光停止時間、ψini-coolを冷却初期温度、Ｋcを冷却時定数とするとき、前記冷却モデルは、
    ψc(tc) ＝ ψini-cool ÷ exp(tc／Ｋc)
    で表されることを特徴とする請求項５に記載の露光装置。
  7. 前記加熱初期温度は、直前に適用された冷却モデルによる基板温度の最終予測値に基づいて決定され、前記冷却初期温度は、直前に適用された加熱モデルによる基板温度の最終予測値に基づいて決定されることを特徴とする請求項６に記載の露光装置。
  8. 前記基板の温度を計測する計測部を有し、
    前記制御部は、基板交換開始のタイミングで前記計測部により計測された温度に基づいて前記加熱初期温度を校正する、ことを特徴とする請求項７に記載の露光装置。
  9. 前記加熱モデルおよび前記冷却モデルはそれぞれ、互いに係数が異なる複数のモデル式を線形重ね合わせして得られたモデル式で表現されることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の露光装置。
  10. 前記基板変形量の成分は、基板シフト、基板倍率、ショット倍率、基板駆動方向シフト差、台形変形、湾曲変形のうちの少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の露光装置。
  11. 原版を保持する原版ステージと、
    前記基板を保持する基板保持部と、
    前記基板保持部を支持する基板ステージと、
    前記原版ステージに保持された前記原版を照明する照明光学系と、
    前記照明光学系によって照明された前記原版のパターンを前記基板保持部に保持された前記基板に投影する投影光学系と、を有し、
    前記制御部は、前記投影光学系の光学素子の駆動、前記基板ステージの駆動、前記原版ステージの駆動、前記照明光学系の光学素子の駆動、前記照明光学系の光源の発振周波数の調整の少なくともいずれか１つを行うことにより、前記重ね合わせ誤差を補正する、ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の露光装置。
  12. 請求項１乃至１１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、
    を有し、前記現像された基板から物品を製造することを特徴とする物品製造方法。
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