JP2024051203A - 露光装置および露光装置の焦点検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】露光装置において、焦点検出精度を維持しながら、迅速に焦点検出する。【解決手段】露光装置１０は、ステージ１２の端部付近に測光部４０を備え、測光部４０は、遮光部４１と受光部４２とを備える。遮光部４１は、複数の光透過部５０を形成し遮光面４１Ｓを有し、遮光面４１Ｓは、投影光学系２３の光軸Ｃに垂直な方向に対して傾斜角度θだけ傾斜している。焦点検出時、ステージ１２の移動しながらパターン光ＦＰを測光部４０の遮光面４１Ｓに投影し、受光部４２から出力される光量信号に基づいて結像位置を取得し、および焦点調整を行う。【選択図】図５

Description

本発明は、露光装置に関し、特に、露光装置の焦点検出に関する。

露光装置では、高解像度のパターン形成のため、露光される基板表面を投影光学系の結像面と一致させるため、焦点検出および焦点調整（キャリブレーション）が行われる。焦点検出および焦点調整の手法としては、基板位置を光軸方向へ段階的にシフトさせながら、焦点検出用パターンを基板に投影し、フォトセンサ、ＣＣＤなどを備えた焦点検出装置に対して焦点検出用パターンを投影し、焦点検出および焦点調整を行う方法が知られている。

例えば、光変調素子アレイを用いたマスクレス露光装置では、投影光学系の解像限界に近い周期をもつＬ／Ｓ（ライン＆スペース）パターンの光を、フォーカシングレンズを光軸方向に移動させながら、ＣＣＤなどの光センサに投影する。そして、画像処理によってコントラスト関連値を算出し、ピーク検出位置を合焦位置と定める（特許文献１参照）。

一方、マスク露光装置では、スリット形成板をウェハステージに搭載して走査しながら焦点検出する方法が知られている（特許文献２参照）。そこでは、スリット形成板を走査方向に移動させながら焦点検出用パターンの光を投影し、焦点検出用パターン光の強度信号（空間像プロファイル）を取得する。そして、光軸方向にスリット板を段階的に移動させながら各位置の空間像プロファイルを比較し、スリット透過光強度の最も大きい位置を合焦位置として判断する。

特開２００９－２４６１６５号公報 国際公開第２００５／１２４８３４号公報

上述した焦点検出方法では、テーブルの位置、またはパターン光の結像位置を光軸方向に移動させながら焦点検出を行うため、正確な焦点位置検出が難しく、計測時間を要する。

したがって、露光装置において、焦点検出精度を維持しながら、迅速に焦点検出できることが求められる。

本発明の露光装置は、例えばＤＭＤなどの光変調素子アレイを備えた露光装置として構成可能であり、投影光学系を有する露光部と、前記露光部の結像位置を測定する測定部とを備える。そして、前記測定部は、前記投影光学系の光軸方向に沿った位置が互いに異なる複数の光透過部を形成した遮光部と、各光透過部を透過する光を受光する受光部とを備え、前記受光部から出力される光量に応じた信号に基づいて、前記露光部の結像位置を取得する。例えば、演算部を設け、結像位置を算出することが可能であり、結像位置を検出しているともいえる。露光装置は、得られた前記露光部の結像位置に基づいて、前記露光部の焦点調整を行うことができる。

光透過部に対して投影する仕方は様々であり、前記遮光部を前記露光部に対して相対移動させるように構成することが可能である。遮光部を前記露光部に対して連続的に相対移動させることが可能な移動部を設け、遮光部を相対移動させる間に前記露光部から投影されるパターン光に基づいて、前記露光部の結像位置を取得することが可能である。例えば、測定部を基板搭載用ステージに装着する、あるいは一体的に構成することにより、投影光学系に対して走査方向に沿った相対移動が可能となる。

光変調素子アレイを備えた露光装置の場合、露光部が、前記遮光部を相対移動させる間、前記光変調素子アレイにおける同一の変調エリアで反射された光を、前記パターン光として投影することが可能である。

一方で、遮光部を露光部に対して移動させない構成にすることが可能である。例えば、光変調素子アレイを備えた露光装置の場合、露光部が、前記光変調素子アレイにおいてスクロールする変調エリアから反射された光を、前記パターン光として投影する構成によって、結像位置を得ることができる。

遮光部に関しては、互いの光軸方向に沿った光透過部の位置の違いによって結像位置が検出可能な光量信号が出力可能な範囲で、複数の光透過部を形成すればよい。複数の光透過部の光軸方向位置が、前記パターン光の相対移動方向に沿って段階的に高くまたは低くなるように形成することが可能である。例えば、遮光部が、前記複数の透過部を形成した遮光面を備え、前記遮光面が、前記投影光学系の光軸垂直方向に沿った面に対して傾斜している構成にすることができる。

複数の光透過部の形状を含めた構成も様々であり、例えば、複数の光透過部が、前記パターン光の相対移動方向に垂直な方向に延びる複数のスリットによって構成することが可能であり、パターン光は、前記遮光部上で前記複数のスリットと平行なライン状のパターンとすることができる。

本発明の他の一態様である露光装置の焦点検出方法は、複数の光透過部が並ぶように形成した遮光面を、投影光学系の光軸垂直方向に沿った面に対して所定角度だけ傾斜させて配置し、各光透過部を透過する光を受光する受光部を、前記遮光面の下に配置し、前記複数の光透過部に対してパターン光を、前記複数の光透過部の配列方向に沿って、前記投影光学系に対し相対移動させ、前記受光部から出力される光量に応じた信号に基づいて、パターン光の結像位置を取得する。

本発明によれば、露光装置において、焦点検出精度を維持しながら迅速に焦点検出することができる。

本実施形態である露光装置のブロック図である。 ステージおよび遮光部の概略的斜視図である。 測定部の概略的側面図である。 遮光部に形成された複数の光透過部およびＤＭＤのパターンを形成する変調エリアを示した平面図である。 遮光部の遮光面において複数の透過部の形成される区画を側面から示した模式図である。 結像検出用のパターン光を走査させた時に出力される光量信号の波形を示したグラフである。 焦点検出および焦点調整のフローチャートを示した図である。 検出された光量波形の一例を示したグラフである。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態である露光装置のブロック図である。

露光装置１０は、フォトレジストなどの感光材料を塗布、あるいは貼り付けた基板Ｗへ光を照射することによってパターンを形成可能なマスクレス露光装置であり、ここでは、複数の露光ヘッド２０を備えたマスクレス露光装置として構成されている（図１では、１つの露光ヘッドのみ図示）。基板Ｗを搭載するステージ１２は、ステージ駆動機構１５によって、主走査方向、副走査方向に移動可能である。

露光ヘッド２０は、照明光学系２１、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）２２、結像光学系（投影光学系）２３を備える。光源３０から出射した光は、照明光学系２１へ導かれる。光源３０は、例えばレーザダイオードなどによって構成される。

微小ミラーを２次元配列させたＤＭＤ２２（光変調素子アレイ）において、各マイクロミラーは、姿勢を変化させることによって光の反射方向を選択的に切り替える。ＤＭＤ駆動回路２４によって各ミラーが姿勢制御されることにより、パターンに応じた光が、投影光学系２３を介して基板Ｗの表面に結像される。

ステージ駆動機構１５は、コントローラ６０からの制御信号に従い、ステージ１２を移動させる。ステージ駆動機構１５は不図示のエンコーダを備え、ステージ１２の位置を測定する。コントローラ６０は、ステージ１２の位置に基づいて露光装置１０の動作を制御し、ＤＭＤ駆動回路２４へ制御信号を出力する。

露光動作中、ステージ１２は、主走査方向（相対移動方向）に沿って一定速度で移動する。ＤＭＤ２２全体による投影エリア（以下、露光エリアという）は、基板Ｗの移動に伴って基板Ｗ上を相対的に移動する。露光動作は所定の露光ピッチに従って行なわれ、露光ピッチに合わせてマイクロミラーがパターンに応じた光を投影するように制御される。以下では、主走査方向をＸ、副走査方向をＹ、そして主走査方向Ｘ、副走査方向Ｙに垂直な方向をＺと
する。

ＤＭＤ２２の各マイクロミラーの制御タイミングを露光エリアの相対位置に従って調整することにより、露光エリアの位置に描くべきパターンの光が順次投影される。そして、露光ヘッド２０を含めた複数の露光ヘッドにより、基板Ｗ全体にパターンが形成される。

なお、露光方式としては、一定速度で移動する連続移動方式だけでなく、間欠的に移動するステップ＆リピートも可能である。また、マイクロミラーの像を部分的に重ねて露光する多重露光（オーバーラップ露光）を行うことも可能である。

ステージ１２の端部付近には、遮光部４１およびフォトダイオードなどの受光部４２を備えた焦点検出用の測定部４０が設けられている。遮光部４１は、光を透過する光透過部を複数設けた遮光面４１Ｓを有し、受光部４２は、遮光面４１Ｓの下方に配置されている。演算装置２７は、受光部４２から送られてくる光量に応じた信号に基づいて、基板Ｂに投影される結像検出用パターンに応じた光の結像位置を検出する。

例えば基板の種類変更などを行った場合、露光前に不図示の焦点調整機構を用いて焦点調整が行われる。焦点調整機構は既知の技術を用いて行うことができる。焦点調整が行われると、各基板に対する露光動作の開始前、あるいは露光作業時間が所定時間経過する度に、合焦状態が維持されているか否かを検出／モニタリングする。そして、合焦状態から外れている場合、コントローラ６０によって焦点調整が行われる。

図２は、ステージ１２および遮光部４１の概略的斜視図である。図３は、測定部４０の概略的側面図である。

図２に示すように、測定部４０の遮光部４１は、ステージ１２の端部付近に一体的に設置されている。焦点検出および合焦状態のモニタリングを行うとき、遮光部４１はステージ１２とともに、主走査方向Ｘに沿った方向（－Ｘ方向）へ移動する。その間、パターン光ＦＰが露光ヘッド２０から投影される。ただし、図２では、１つの露光ヘッドからのパターン光のみ示している。

遮光部４１は、ここではガラスマスクによって構成され、その表面である遮光面４１Ｓには、後述する複数の光透過部５０（図２では図示せず）が形成されている。遮光面４１Ｓは、ステージ１２の基板搭載面、すなわち基板Ｂの表面に対し、所定角度θだけ傾斜している。遮光部４１Ｓは、不図示の支持部材によって位置決めされている。

光強度／光量を検出する受光部４２は、ステージ１２に取り付けられた支持機構（図示せず）によって保持されている。また、受光部４２は、その受光面が基板Ｂの搭載面に沿うように位置決めされている。ステージ１２の移動に伴い、パターン光ＦＰは、遮光面４１Ｓに対して主走査方向Ｘへ移動する。ここでは、パターン光ＦＰが連続的に一定速度で移動する。図１に示す演算装置（演算部）２７は、この間に受光部４２から出力される一連の光量信号およびステージ１２の位置情報に基づいて、パターン光ＦＰの結像位置を算出する。

図４は、遮光部４１に形成された複数の光透過部５０およびＤＭＤ２２においてパターン光を表示するための変調エリアを示した平面図である。図４（Ａ）に示すように、複数の光透過部５０は、バー状のスリット５０Ｓから構成され、パターン光ＦＰの相対移動方向、すなわち主走査方向Ｘに沿って所定間隔で並んでいる。ここでは、スリット５０Ｓが等間隔で並んでいる。

パターン光ＦＰは、図４（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ２２に定められた変調エリア２２ＡをＯＮ状態にすることによって、光源３０からの光を変調することで形成される。ここでは、パターン光ＦＰは、基板Ｗの表面付近において、スリット５０Ｓの開口形状に応じたバー状（ライン状）パターンとして結像される。変調エリア２２Ａは、パターン光ＦＰの像が基板Ｗの表面付近においてスリット５０Ｓと略平行となるように定められている。

変調エリア２２Ａの幅ＤＷは、投影光学系２３の倍率に基づいて、パターン光ＦＰの基板Ｗの表面付近における投影像の幅（像幅）Ｗが得られるように定められている。例えば、スリット５０Ｓの幅ＳＷよりも小さくなるように定めることができる。また、パターン光ＦＰの基板Ｗの表面付近における投影像の幅Ｗは、投影光学系２３の解像限界より大きい値に定められており、例えば幅１０μｍに定められる。スリット５０Ｓの幅ＳＷは、光量が焦点検出可能なように、充分取得できる大きさに定められている。

図５は、遮光部４１の遮光面４１Ｓにおいて複数の透過部５０の形成される区画を側面から示した模式図である。ただし、図５では、図３とは反対側から遮光部４１を見た図を模式図として示している。

複数の透過部５０は、遮光面４１Ｓのスリット形成区域ＳＬに形成されている。主走査方向Ｘに沿ったスリット形成区域ＳＬでは、その中央部Ｍ付近で投影光学系２３の光軸Ｃを通り、遮光面４１Ｓの両縁部分４１Ｅ１、４１Ｅ２に向け、およそ半分ずつ区分けされ、対称的である。

ここで、パターン光ＦＰの基準となる結像位置を基準露光面ＥＭとして定めた場合、基準露光面ＥＭがスリット形成区域ＳＬの略中央部付近で交わる。したがって、遮光面４１Ｓの縁部分４１Ｅ１は、ステージ１２に基板Ｂを搭載した場合の基準露光面ＥＭより下方に位置し、縁部分４１Ｅ２は、基準露光面ＥＭより上方に位置する。

このような傾斜角度θをもつ遮光面４１Ｓに複数の透過部５０を形成した測定部４０に対し、パターン光ＦＰを投影するとともに、ステージ１２とともに測定部４０を移動させ、複数の透過部５０に対してパターン光ＦＰを走査させる。図５では、パターン光ＦＰの結像位置が、基準露光面ＥＭに対して距離Ｚ₀だけ下方に位置している。

図６は、パターン光ＦＰを走査させた時に出力される光量信号の波形を示したグラフである。なお、ここでは、図３～５に示した複数の光透過部５０よりもスリット数が多いときの波形を示している。

パターン光ＦＰが複数のスリット形成区域ＳＬを通過し始めると、光量が増加する。しかしながら、スリット５０Ｓの光軸方向に沿った位置がパターン光ＦＰの結像位置から大きく離れているため、しばらくの間略一定の光量値が続く。

スリット５０Ｓの光軸方向に沿った位置がパターン光ＦＰの結像位置に近づくと、スリット５０Ｓを透過する結像検出用パターン光ＦＰの光強度の変化量が大きくなり 、振幅のある光量波形が現れる。そして、パターン光ＦＰの結像位置に最も近いスリット５０Ｓを通過するとき、光量波形の中で振幅最大となる。その後、パターン光ＦＰの移動とともに振幅が減衰し、光量値が再び略一定となる。

このような最大光量値（ピーク値）を中心にして対称的であって、幅ＥＷがスリット形成区域ＳＬに対応する光量波形Ｐが、受光部４２からの出力信号によって得られる。本実施形態では、基準となる光量波形と、検出された光量波形Ｐとの相対移動方向に沿ったずれに基づいて、パターン光ＦＰのデフォーカス量を検出する。

図７は、焦点検出および焦点調整のフローチャートを示した図である。ＤＭＤ２２によってパターン光ＦＰを投影するとともに、ステージ１２を移動させる（Ｓ１０１、Ｓ１０２）。演算装置２７は、受光部４２からの光量信号およびステージ１２の位置情報から光量波形を取得し、パターン光ＦＰの結像位置を検出する（Ｓ１０３、Ｓ１０４）。

図８は、検出された光量波形を示したグラフである。メモリ３２（図１参照）には、パターン光ＦＰの結像位置の基準位置が、あらかじめ記憶されている（以下、マスタデータという）。

図７のステップＳ１０５では、検出された光量波形から、デフォーカス量が求められる。ここでは、光量波形からピーク値付近における光量分布を急峻に表す包絡線を作成する。具体的には、光量波形に対して微分演算をした後、２乗してフィルタ処理を行い、サンプリング処理を行って得られるプロットにフィッティングする包絡線を作成する。そして、包絡線の中心位置をピーク位置として定める。

上述したマスタデータのピーク位置と検出されたピーク位置との差をΔＬ（以下、相対移動方向ずれ量という）とすると、デフォーカス量Δｆは、以下の式によって求められる。

Δｆ＝ΔＬ×ｔａｎθ ・・・・（１）

相対移動方向ずれ量ΔＬは、パターン光ＦＰの結像位置の基準露光面ＥＭに対してずれている方向に応じて、正の値または負の値になる。図８では、パターン光ＦＰの結像位置が被露光面ＥＭより上方側にずれている場合を示している。デフォーカス量Δｆが合焦範囲内にあるとみなせる閾値を超えている場合、焦点調整が行われる。一方、デフォーカス量Δｆが閾値以下の場合、合焦範囲内にあると判断される。

以上説明したように、本実施形態の露光装置１０は、ステージ１２の端部付近に測定部４０を備え、測定部４０は、遮光部４１と受光部４２とを備える。遮光部４１は、複数の光透過部５０を形成し遮光面４１Ｓを有し、遮光面４１Ｓは、投影光学系２３の光軸Ｃに垂直な方向に対して傾斜角度θだけ傾斜している。焦点検出時、ステージ１２の移動しながらパターン光ＦＰを測定部４０の遮光面４１Ｓに投影し、受光部４２から出力される光量信号に基づいて焦点検出および焦点調整を行う。

実施形態の焦点検出手法によれば、ステージ１２の端部付近に配置した測定部４０をステージ１２とともに移動させるだけで済み、測定部４０を光軸方向へ移動させる動作を伴わない。したがって、迅速に焦点検出および焦点調整を行うことができる。

また、測定部４０の遮光部４１を所定角度θだけ傾斜させる構成であるため、簡易な構成で精度よく焦点検出を行うことができる。さらに、スリット形成区域ＳＬが基準露光面ＥＭを跨ぐように、遮光面４１Ｓが位置決めされている。これにより、パターン光ＦＰの結像位置のずれの方向が上下方向いずれであっても検出することができる。

なお、実施形態のように測定部４０がステージ１２の載置面から突出する構成を避けるため、測定部４０の縁部分４１Ｅ２がステージ１２の載置面以下となるように測定部４０を設置し、その分だけオフセット値を加味してデフォーカス量Δｆを求めてもよい。

パターン光ＦＰの相対移動方向をステージ１２の移動方向、すなわち主走査方向Ｘに合わせているため、ステージ移動機構１５によるステージ１２の移動制御だけで焦点検出を行うことができる。なお、測定部４０をステージ１２とは独立して移動する機構にしてもよい。また、遮光部４１、受光部４２が一体的に移動してもよく、あるいは、遮光部４１のみ移動させてもよい。この場合、遮光部４１とパターン光ＦＰの方向を上記の例における方向から変更して副走査方向Ｙに沿って移動させることも可能であり、主走査方向Ｘ、副走査方向Ｙ以外の方向に移動させてもよい。

複数の光透過部５０は、様々に構成することが可能であり、遮光面１４Ｓの傾斜角度、ＤＭＤ２２に定められた変調エリア２２Ａの幅ＤＷ（図４参照）、スリットパターンピッチＳＰおよびスリットパターン幅ＳＷ（図４）などは、投影光学系２３の解像力、受光部４２の感度特性、ステージ１２の位置検出能力などに基づいて定めることができる。

例えば、遮光面４１Ｓの傾斜角度θは、演算装置２７に入力されるエンコーダ信号のパルス間隔が焦点検出分解能に関係するため、比較的小さい角度に定めるのがよい。また、パターン光ＦＰの結像位置付近の像幅Ｗは、投影光学系２３の解像度限界より大きい値に定められる。

また、スリットパターンピッチＳＰは、パターン光ＦＰの結像位置付近の像幅Ｗの約数以外に定められる。スリットパターン幅ＳＷは、光量が十分取得できる幅に定められ、ＤＭＤ２２の変調エリア２２Ａの幅ＤＷは、パターン光ＦＰの像幅Ｗおよびスリットパターン幅ＳＷの条件を満たすように定められる。なお、パターン光ＦＰは、バー状パターンに限定されず、正方形状や楕円形状等のパターンであってもよい。

本実施形態では、遮光面４１Ｓがパターン光ＦＰを通過するように測定部４０を移動させる構成であるが、測定部４０を静止させた状態で、パターン光ＦＰを測定部４０に対して移動させる構成にしてもよい。すなわち、測定部４０の位置を変えずに、ＤＭＤ２２の変調エリア２２Ａを移動（スクロール）させ、パターン光ＦＰを走査させる構成にしてもよい。この場合、ＤＭＤ２２の各微小ミラーの反射率の違いに合わせた補正テーブルをあらかじめ用意し、光量波形を補正すればよい。

複数の光透過部５０が相対移動方向に沿って段階的に上がっていくように、遮光面４１Ｓを傾斜させる構成にしてもよい。また、平坦な遮光面４１Ｓを形成する代わりに、階段状にガラスマスクを形成し、それに合わせて複数の光透過部を設けてもよい。この場合、遮光面４１Ｓを傾斜させずに測定部４０を配置することができる。

複数の光透過部５０は、その光軸方向に沿った位置が段階的に上がる、あるいは下がるように構成に限定されるものではなく、互いに異なる位置に形成することも可能である。この場合、解像度限界に近い空間像プロファイルが得られるように、パターン光ＦＰおよび光透過部を形成し、ピーク位置を検出するようにすればよい。

上述した焦点検出に関する構成は、ＤＭＤ２２などの光変調素子を備えたマスクレス露光装置だけでなく、マスク露光装置にも適用可能である。この場合、パターン光ＦＰを投影しながら、ステージ搭載面に測定部４０を搭載し、相対移動させればよい。

１０ 露光装置
１２ ステージ
２０ 露光ヘッド（露光部）
２２ ＤＭＤ（光変調素子アレイ）
２３ 投影光学系
２７ 演算装置（演算部）
４０ 測定部
４１ 遮光部
４２ 受光部

Claims (10)

1. 投影光学系を有する露光部と、
   前記露光部の結像位置を測定する測定部とを備え、
   前記測定部が、前記投影光学系の光軸方向に沿った位置が互いに異なる複数の光透過部を形成した遮光部と、各光透過部を透過する光を受光する受光部とを備え、
   前記受光部から出力される光量に応じた信号に基づいて、前記露光部の結像位置を取得することを特徴とする露光装置。
2. 前記遮光部を前記露光部に対して連続的に相対移動させることが可能な移動部を備え、
   前記遮光部を相対移動させる間に前記露光部から投影されるパターン光に基づいて、前記露光部の結像位置を取得することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記複数の光透過部の光軸方向位置が、前記パターン光の相対移動方向に沿って段階的に高くまたは低くなることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
4. 前記遮光部が、前記複数の透過部を形成した遮光面を備え、
   前記遮光面が、前記投影光学系の光軸垂直方向に沿った面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
5. 前記露光部が、光変調素子アレイを備え、
   前記露光部が、前記遮光部を相対移動させる間、前記光変調素子アレイにおける同一の変調エリアで反射された光を、前記パターン光として投影することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
6. 前記露光部が、光変調素子アレイを備え、
   前記露光部が、前記光変調素子アレイにおいてスクロールする変調エリアから反射された光を、前記パターン光として投影することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
7. 前記複数の透過部が、前記パターン光の相対移動方向に垂直な方向に延びる複数のスリットによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
8. 前記パターン光は、前記遮光部上で前記複数のスリットと平行なライン状のパターンであることを特徴とする請求項７に記載の露光装置。
9. 得られた前記露光部の結像位置に基づいて、前記露光部の焦点調整を行うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の露光装置。
   露光装置。
10. 複数の光透過部が並ぶように形成した遮光面を、投影光学系の光軸垂直方向に沿った面に対して所定角度だけ傾斜させて配置し、
    各光透過部を透過する光を受光する受光部を、前記遮光面の下に配置し、
    前記複数の光透過部に対してパターン光を、前記複数の光透過部の配列方向に沿って、前記投影光学系に対し相対移動させ、
    前記受光部から出力される光量に応じた信号に基づいて、パターン光の結像位置を取得することを特徴とする露光装置の焦点検出方法。

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