JP2503495B2

JP2503495B2 - 露光装置及び露光方法

Info

Publication number: JP2503495B2
Application number: JP62074563A
Authority: JP
Inventors: 郁雄引間; 章宮地
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1987-03-30
Filing date: 1987-03-30
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2011-06-05
Also published as: JPS63241925A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、エキシマレーザ等のパルス光を用いた露光
装置と露光方法に関し、特にLSI製造においてマスク
（レチクル）のパターンを感光性の基板としてのウェハ
上に焼き付ける露光装置とその露光方法に関するもので
ある。

［従来の技術］近年LSIの高集積化が著しく進展し、これに伴い半導
体露光装置においては、基板上への微細パターンの焼付
の高精度化がこれまで以上に要求されてきている。

そこで、現在では露光光の波長の短波長化によりパタ
ーンの微細化に対応している。露光光としては、現在Hg
ランプのｇ線,i線等の紫外光が比較的多く使用されてお
り、更に最近では、上記の紫外光に比べ非常に高い強度
を持つエキシマレーザ等のパルスレーザ光が注目されて
いる。

しかし、パルスレーザ光を露光光として利用した場合
にレーザの出力の安定性に問題があった。詳述すると、
発振されるレーザのパルス間のレーザ出力が不安定であ
り、且つビームの均一性を保つのが困難であった。従っ
てこのような場合には、ウエハのシヨット（チップ）間
の露光量の管理及びウエハ面上における照度均一性が保
証できなかった。

上記のような点から現在では、光量（レーザ出力）を
レーザのパルス毎に測定し、更に積算してレーザ出力を
求め、これを調整する方法、あるいは１パルスの基準出
力を予め設定しておき、出力されるレーザのパルス数を
調整することによって露光量を制御する方法が多く利用
されている。

上記２つの露光量制御方法のうちパルス毎の出力を積
算して露光量制御を行なう積算方法における露光量の調
整方法としては、レーザ本体の電圧や制御する方法や、
出力の安定性及び出力の変動範囲から外部光学系（減光
手段）による方法がある。

上記減光手段としては、使用するレーザ光がパルスレ
ーザであるとともに紫外光であり光強度が高いため、素
子の安定性の面から通常のガラスフィルターのような減
光素子を用いることができない。またレーザに対して安
定な減光素子を用いても、光量調整において透過率の異
なる複数の素子を用いる必要がある。その場合、選択的
に素子を用いるのでその可動部が必要になり、装置の構
成が複雑になる可能性がある。

また、レーザの波長幅が狭いインジエクションロッキ
ング型エキシマレーザ、あるいはエタロン又はプリズム
等による狭帯化レーザを使用した場合には、スペックル
が発生しやすいため、振動ミラーあるいはガルバノミラ
ー等の手段でレーザビームを駆動させてスペックルの平
均化を行なうことにより、ウェハ上でのスペックルの発
生を防止していた。

従って、例えばＮパルス（一周期）の出力を行なって
始めて照度の均一性が保証されることとなる。このた
め、露光量に必要な出力を得るためにはＮ回の整数倍の
パルスの出力が必要となり、露光時間が長くかかり、ス
ループットが低下してしまうという不都合があった。

以上のようなパルス出力の積算方法による不都合を考
慮し、現在では出力されるレーザのパルス数を管理して
露光量を制御する方法が比較的多く利用されている。

この方法は、レーザのパルス間の出力に安定性を持た
せ、所定の安定性を持ったパルスの数を制御し、その結
果良好な露光光量を得ようとするものであり、容易に露
光量の制御を行なえるものである。

例えば、レーザのパルス間の出力の安定性が±ｎ％と
し、１ショット（チップ）に必要な露光量を得るために
N²のパルスの発振を必要とした場合に、ウェハ上に照射
されるレーザ光の安定性が統計的にになることを利用し、結果的に±１％以内の安定性を保
証できる露光量制御を行なおうとするものである。

［発明が解決しようとする問題点］しかし、上記のようなレーザのパルス数の管理による
光量制御方法においては、レーザを連続的に使用する場
合には上述したようにレーザの出力は±ｎ％（市販のレ
ーザでは通常ｎ＝５程度）に制御可能であるが、露光装
置においては必ずしも上記のような安定性が得られない
という不都合が生じた。

また、レーザのピークパワーが強すぎて、ウェハのレ
ジスト特性が変化してしまうこととなった。

これは、発振されるレーザのパルス間の出力がレーザ
発振開始時において特にばらつきが大きく安定性が低い
のに対し、露光装置においてはウェハの交換等によりレ
ーザ発振の一時的な中断を必要とし、統計的な安定性を
得る程の連続的にレーザ発振を行なえないことに起因す
る。

従って、露光装置においては特に不安定な部分のパル
スを使用せざるを得ず、安定した出力のパルス、即ち正
確な光量制御が行なえないという問題点があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、所
定の露光に使用するパルス間の強度のばらつきを少なく
し、安定したパルス光の特性のもとで正確な露光が可能
な露光装置を得ることを目的としたものである。

［問題点を解決するための手段］本願の第１の発明にかかる露光装置では、露光用の照
明光としてのパルスレーザ光（エキシマレーザ）の光路
の閉鎖、開放を行うシャッター手段（18）と、このシャ
ッター手段（18）の手前でパレスレーザ光を受光して各
パルス光毎の特性（たとえば強度）を検出する検出手
段、又は第１検出手段（14）と、この検出手段（14）に
よってシャッター手段（18）が光路を閉鎖している間に
検出される複数個のパルスレーザ光の各々の特性がウェ
ハ等の感光性の基板の露光に適した基準値（例えば、パ
ワー強度Io）に対して所定の誤差範囲（±ａ％）内とな
った場合にシャッター手段の開放動作を行う制御手段
（16）とを設けるようにした。

また本願の第２の発明に係る露光装置では、第１の発
明における基本的な構成としてのシャッター手段（1
8）、第１検出手段（14）及び制御手段（16）を設ける
と共に、その制御手段（16）を、第１検出手段（14）で
検出された少なくともフ２つのパルスレーザ光の各特性
がウェハの露光に適した基準値（例えばパワー強度Io）
に対しての誤差範囲（±ａ％）内のときにシャッター手
段（18）を開放制御するように構成した。

さらに本願の第３発明に係る露光方法では、パルスレ
ーザ源（10）からのパルス光をマスク（34）に照射し、
そのマスクのパターンを投影光学系（32）を介してウェ
ハ等の基板（38）上の複数のショットの各々に順次露光
する際、基板（38）上の１つのショットに対する露光動
作の終了とともにパルス光の光路をシャッター等で閉鎖
する段階と、基板（38）上の次ショットに対する露光量
制御のために、パルス光の光路が閉鎖されている間にパ
ルスレーザ源（10）から発振される複数のパルス光の平
均的な強度値（I_ave）を検出する段階と、パルス光の光
路を開放すると共に、検出された平均的な強度（I_ave）
に基づいて次ショットに所望の露光量を与えるように決
定された露光条件（例えば、パルス数nm）に従って、次
ショットを複数のパルス光で露光する段階とを実施する
ようにした。

［作用］本発明においては、パルス光の出力特性のばらつきが
大きいレーザ発振初期のレーザをシャッター手段によっ
て遮断して、その後のパルス光の出力特性が安定したレ
ーザのみを露光用の照明光として使用しているため、レ
ーザのピークパワーが強すぎて、ウェハのレジスト特性
が変化することもなく、露光量制御を極めて正確に行な
えることとなる。

［実施例］次に、本発明の実施例を図面を参照しながら説明す
る。

第１図には、本発明の一実施例が示されている。

図において、エキシマレーザ光源10から発振されたパ
ルスレーザは、まず光路中に進退可能なビームスプリッ
タ12に入射し、該ビームスプリッタ12を透過する露光用
の照明光と、ここで一部反射されるパルス出力検出用の
光とに分割されるようになっている。

このうちビームスプリッタ12で反射された光は、第１
ディテクター14に入射し、入射した光のパルスの強度を
１パルス毎に検出し、これを電気信号に変換して、制御
部16に送信するようになっている。つまり、パルス間の
出力強度のばらつきをここで検出できるようになってい
る。

他方ビームスプリッタ12を透過した光は、シャッター
18に入射して、入射した光の光路の遮断及び開放の調整
がなされるようになっている。シャッター18は上記制御
部16によって駆動制御され、該制御部16に入力された第
１ディテクター14からの情報に基いて、パルス間出力の
ばらつきが所定の許容値以下になるまでシャツター18を
閉じてレーザ光を遮断し、ばらつきが所定の許容値以下
になったらシャツター18を開けるとともに、ビームスプ
リッタ12を光路からはずし、露光を開始するように制御
されている。

このような制御は、エキシマレーザ光のパルス間出力
の安定性が、間欠的使用の場合にはレーザ発振の初期の
数パルスについては所定の出力値に対して±10％以上の
ばらつきを有するが、それ以後は±５％以内におさまっ
ていることを利用したものである。

更に、シャッター18は制御部16を介し、後記光量ディ
テクター28において得られる光量即ちパルス数に基い
て、１ショット毎の開閉も行なわれるようになってい
る。

次に、シャッター18を通過した光は、第１ミラー20及
び第２ミラー22で反射された後、フライアイレンズ、あ
るいはシリンドリカルレンズ等の第１照明系24に入射す
るようになっている。ここで照明むらが除去され、照明
の均一化が図られることとなる。

次に、第１照明系24を透過した光は、ビームスプリッ
タ26において反射されるが、該ビームスプリッタ26に入
射した光の一部は分割されて、第２ディテクター28に入
射するように構成されている。

第２ディテクター28は、受光された光のパルス数を検
出し、これを電気信号に変換して制御部16に入力するよ
うになっている。なお、上述したようにこの第２ディテ
クター28からの情報は、制御部16において、上記シャッ
ター18の１ショット毎の開閉制御の基礎データとなる。

次に、ビームスプリッタ26において反射された光は、
コンデンサレンズ等の第２照明系30に入射するようにな
っている。

更に、このように各光学素子によって得られた照明光
は、投影レンズ32を介し、レチクル34上のパターンをス
テージ36上に載置されたウェハ38上に投影露光されるよ
うに構成されている。

次に、上記実施例の全体的な動作及び制御方法につい
て第２図を参照しながら説明する。

図において、レーザ光がエキシマレーザ光源10から発
振されると、該レーザ光はビームスプリッタ12に入射
し、露光用の照明光とパルス出力検出用の光とに分割さ
れる。

このうちビームスプリッタ12で反射された光は、第１
ディテクター14に入射し、入射した光のパルス強度を１
パルス毎に第２図のように検出し、パルス間の出力強度
のレベル状態を得る。図から明らかなようにレーザ発振
初期はパルス間の出力強度のばらつきが特に大きくなっ
ている。

次に、このような情報を電気信号に変換して制御部16
に入力し、この情報に基いてシャッター18の開閉制御が
以下のように行なわれる。

予め基準となるパルスのパワー強度I_oを設定してお
き、パルスレーザ発振開始後、レーザパルス間の出力の
ばらつきが所定の許容値（誤差範囲）±ａ％以下になる
までのｎパルス間はシャツター18を閉じてレーザを遮断
する。

そして、該ばらつきが±ａ％以下になつたらシャツタ
ー18を開けて露光を開始する。つまり、パルス間の出力
が安定している部分のパルスのみを利用して露光を行な
う。

なお、所定の許容値に入っているかどうかの判断は以
下の基準で行う。

基準となるパルスのパワー強度I_oに対する、レーザ発
振開始後のパルスの強度Ｉ（ｔ）の値がを満たすかどうかの判断を行い、２パルス以上連続で、
上記（１）式を満たした時（許容値ａ以下になった時）
に、シャツターを開けて、露光を開始するようにする。

また、レーザ発振後のｉ番目の強度をＩ（ti）としてを上記（１）式の代りとしても良い。

また、経験的にレーザ発振開始から、パルス間の出力
強度が所定のパルス間安定性±ａ％以下になるまでのパ
ルス数を測っておき、そのパルス数までレーザを遮断
し、その後シヤッターを開け露光を行っても良い。

更に、より１パルス当りの平均的なパワー強度Iaveを算出し、
これを基準に必要露光量に対応する１ショットに必要な
パルス数ｍを求め、記憶しておく。

次に、パルスの出力が上記のような条件を満たしシャ
ッター18を通過した光は、第１ミラー20,第２ミラー22
及び第１照明系24の各光学素子の各作用によって、均一
化された光がビームスプリッタ26に入射する。

そして、ビームスプリッタ26で反射された光は、第２
照明系30に入射し、投影レンズ32を介して、レチクル34
上のパターンをステージ36上に載置されたウエハ38上に
投影露光を行なう。

他方、ビームスプリッタ26に入射した光の一部は分割
されて、第２ディテクター28に入射し、ここで入射した
光のパルス数を検出し、これを電気信号に変換して制御
部16に入力する。

次に、該パルス数と制御部16に記憶されている１ショ
ットの必要パルス数ｍを比較して、第２ディテクター28
に入射する光のパルス数が、上記必要パルス数ｍに足し
たら一時的にシャッター18を閉じるような、１ショット
毎のシャッター18の制御を行ない、次のショットを露光
するべくスッテプアンドリピート方式でウェハをステッ
ピングさせる。

このため、例えば１シヨット（チップ）当りの露光パ
ルス数をｍとした場合に、パルス間出力のばらつき許容
値±ａ％に対してウエハ面上での露光量のばらつきは統
計的にとなる。

更に、上記のような露光を繰返し、ウェハの交換等に
よりレーザの発振を停止した場合にも、上述したものと
同様の手順によって、露光を再開する。

上記のような露光装置においては、パルスレーザ発振
直後のパルス間出力のばらつきが許容値±ａ％以上のレ
ーザ光をシャッター18によって遮断し、その後のパルス
間の出力強度のばらつきが許容値±ａ％以下の安定した
レーザ光のみを露光光として利用している。

このため、レーザ光のパルス間の出力強度のばらつき
によりピークパワーが強すぎて、ウェハのレジスト特性
が変化する心配がない。また、露光量管理も積算管理で
なくパルス数管理で充分対応できるため正確な露光量制
御が行なえる。

更に、狭帯域レーザ使用時のスペックル対策として振
動ミラー，ガルバノミラー等を使用した場合にも、ウエ
ハ面上での照度均一性に関して不都合はなく、スループ
ットの点でも有利となる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、同様にパルス間の出力の安定性を必要とする例えば
アライメント用の照明光、光化学反応装置の励起光を発
する装置にも充分適応可能なものである。

また、上記実施例では、シャッター18として透過型の
ものを使用したが、反射型のものを用いていもよいこと
は明らかである。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、パルスレーザ光源から
放射されるパルス光の各々の特性が基準値に対して所定
の誤差範囲（許容範囲）内に納まった状態で露光動作が
行われるので、露光量の制御精度を安定にすることがで
きるとともに、ウェハ等の基板上のレジスト特性の変化
を防止できるので、マスクのパターンを基板上に転写し
た時の中実度のばらつきも低減されるといった効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す構成図、第２図は実施例
の作用を示す説明図である。［主要部分の符号の説明］ 10……エキシマレーザ光源、14……第１デイテクター、
16……制御部、18……シヤッター

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】露光用照明光としてのパルスレーザ光を予
め設定された強度で発振するレーザ光源を利用して露光
する露光装置において、前記レーザ光源から出力されるパルスレーザ光の光路の
閉鎖、開放を行うためのシャッター手段と、該シャッター手段の手前で前記パルスレーザ光を受光し
て前記パルスレーザ光の各発振毎の特性を検出する検出
手段と、前記シャッター手段が光路を閉鎖している間に前記レー
ザ光源から連続して複数回発振されるパルスレーザ光の
各々の特性を前記検出手段により検出し、各パルスレー
ザ光毎の特性が前記基板の露光に適した基準地に対して
所定の誤差範囲内となった場合に前記シャッター手段の
開放動作を行う制御手段、とを具備したことを特徴とす
る露光装置。
【請求項２】前記制御手段は、前記シャッター手段が光
路を閉鎖している間に発振される各パルスレーザ光毎の
特性が２パルス以上連続して前記誤差範囲内となった場
合に、前記シャッター手段の開放動作を行うことを特徴
とする特許請求の範囲第１項に記載の露光装置。
【請求項３】前記検出手段は、前記レーザ光源と前記シ
ャッター手段との間の光路中に配置されて前記レーザ光
源からのパルスレーザ光の一部を分割して取り出すため
のビームスプリッタを含むことを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載の露光装置。
【請求項４】前記検出手段は、前記パルスレーザ光の各
発振毎の特性として各パルスレーザ光の強度を検出する
受光器を有し、前記制御手段は、前記シャッター手段が光路を閉鎖して
いる間に前記受光器で検出された複数のパルスレーザ光
の各強度に基づいて前記パルスレーザ光の平均的な強度
値を算出し、該平均的な強度値に基づいて前記基板に与
えられる露光量を制御することを特徴とする特許請求の
範囲第２項に記載の露光装置。
【請求項５】エキシマレーザ光源から予め設定された強
度で発振されるパルスレーザ光を露光用照明光としてマ
スクに均一に照明するためのフライアイレンズを含む照
明光学系を備え、前記マスクのパターンをウェハ上に露
光する露光装置において、前記エキシマレーザ光源から前記照明光学系のフライア
イレンズに至る光路中に配置され、前記エキシマレーザ
光源からのパルスレーザ光の閉鎖、開放を行うためのシ
ャッター手段と、該シャッター手段が光路を閉鎖している間に前記エキシ
マレーザ光源から発振される複数のパルスレーザ光を受
光することによって、各パルスレーザ光の特性を検出す
る第１の検出手段と、該第１の検出手段で検出された少なくとも２つのパルス
レーザ光の各特性が前記ウェハの露光に適した基準値に
対して所定の誤差範囲内の時に、前記シャッター手段を
開放するように制御する制御手段、とを備えたことを特
徴とする露光装置。
【請求項６】前記第１の検出手段は、前記エキシマレー
ザ光源から前記シャッター手段に至る光路中で前記パル
スレーザ光の一部を分割して取り出す第１のビームスプ
リッタを含み、該分割されたパルスレーザ光の特性を検
出することを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の
露光装置。
【請求項７】前記照明光学系は、前記フライアイレンズ
を射出した後のパルスレーザ光の一部を分割するビーム
スプリッタと、該分割されたパルスレーザ光を受光して
該パルスレーザ光の特性を検出する第２の検出手段とを
含み、前記制御手段は、前記シャッター手段が開放された後は
該第２の検出手段によって検出されるパルスレーザ光に
基づいて前記ウェハに与えるべき露光量を制御すること
を特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の露光装置。
【請求項８】紫外線のパルス光を出力するパルスレーザ
源と、該パルス光を均一な露光用照明光としてマスクに照射す
る照明光学系と、該マスクのパターンの像を基板上に投影するための投影
光学系とを備えた露光装置を用いて、前記基板上の複数
のショットの各々に前記マスクのパターン像を順次露光
する方法において、前記基板上の１つのショットに対する露光動作の終了と
ともに前記パルス光の光路を閉鎖する段階と、前記基板上の次のショットに対する露光量制御のため
に、前記パルス光の光路が閉鎖されている間に前記パル
スレーザ源から出力される複数のパルス光の平均的な強
度値を検出する段階と、前記パルス光の光路を開放するとともに、前記検出され
た平均的な強度値に基づいて前記次のショットに所望の
露光量を与えるように決定された露光条件に基づいて、
前記次のショットを複数このパルス光で露光する段階と
を含むことを特徴とする露光方法。
【請求項９】前記基板上の複数のショットの各々に対し
て、前記光路の閉鎖段階、前記平均的な強度値の検出段
階および前記露光段階を繰り返し実行することを特徴と
する特許請求の範囲第８項に記載の露光方法。
【請求項１０】前記露光条件は、前記パルスレーザ源が
連続的にパルス光を出力している時の基準レベルに対す
る各パルス光の強度ばらつきを±ａ％とし、前記基板の
ショット露光に必要の露光量と前記検出された平均的な
強度値とで決まるパルス数をｍとしたとき、で表される計算上露光量精度が約１％以下になるように
設定されることを特徴とする特許請求の範囲第８項に記
載の露光方法。