JP2773117B2 - 露光装置及び露光方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、適宜の感応物体に対する照射エネルギー量
の制御にかかるものであり、例えば、露光光としてエキ
シマ等のパルスレーザを使用する露光装置の露光量制御
に好適なエネルギー量制御装置に関するものである。 〔従来の技術〕 従来のエネルギー量制御装置、例えば半導体素子製造
用の露光装置における露光光の制御手段装置としては、
特開昭60−169136号公報に開示されているものがある。 この装置は、感応体（レジスト付ウェハ等）へ与える
露光エネルギーを、適正露光量よりわずかに少ない露光
エネルギーを与える粗露光と、残りの必要とされる露光
エネルギーを与える修正露光との２段階に分けることに
より、全体として露光エネルギーのばらつきを抑制する
ようにしたものである。 すなわち、複数パルスで１ショットの露光を行う場
合、エネルギー量を小さくした最終パルスによって露光
量を制御することにより、最適露光量を得るようにして
いる。 尚、ここで１ショットとは一括露光方式の場合は、マ
スクを介してウェハ全体に露光エネルギーが照射される
ことであり、ステップアンドリピート方式の場合は、ウ
ェハ上の部分的な領域に露光エネルギーが照射されるこ
とである。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、以上のような手段では、最終パルスに
含まれるエネルギー量の誤差（ばらつき）に対して何ら
配慮されていないため、依然として露光量が適格に制御
されず、適切な露光を行なうことができないという不都
合がある。また、上記公報に指摘されているように、半
導体素子製造のフォトリソグラフィ工程における露光量
の変動は、解像力や線幅の再現性に重大な影響を与える
おそれがある。そして、他方では、集積回路の集積度は
近年増々向上しており、解像度等もより良いものが要求
されるに至っている。従って、露光エネルギーの制御に
も、増々高い精度が必要とされている。 本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、露
光光量などのエネルギー量を、要求される精度に応じて
制御することができるエネルギー量制御装置を提供する
ことを目的とするものである。 〔問題点を解決する為の手段〕 上記問題点を解決する為、本発明は、エネルギー発生
源から発生して被照射物に達するパルスエネルギー量の
総和を所定の範囲内に制御する装置を備え、所定のパタ
ーンを基板上に形成する露光装置において、 被照射物に達するパルスエネルギー量を調整する調整
手段と；パルスエネルギー量の積算値を計測する積算手
段と；積算手段による積算値が目標値よりも小さい所定
値を越えるまで、エネルギー発生源から単数もしくは複
数のパルスエネルギーを射出される第１制御手段と；所
定値を越えた時点で、目標値に到達するのに必要な修正
エネルギー量を算出し、算出結果とパルスエネルギーの
ばらつきと目標値への制御精度とに基づいて制御精度を
満たすように、修正露光時のパルスエネルギーのばらつ
きを使ってエネルギー調整量と修正パルス数との条件を
ショット毎に決定し、条件に基づいて被照射部へパルス
エネルギーの修正照射を行う第２制御手段とを備えるこ
ととした。 また、エネルギー発生源から発生して被照射物に達す
るパルスエネルギー量の総和を所定の範囲内に制御する
とともに、所定のパターンを基板上に形成する露光方法
において、被照射物に達するパルスエネルギー量を調整
する工程と； パルスエネルギー量の積算値を計測する工程と；積算
値が目標値よりも小さい所定値を越えるまで、エネルギ
ー発生源から単数もしくは複数のパルスエネルギーを射
出させる工程と；所定値を越えた時点で、目標値に到達
するのに必要な修正エネルギー量を算出し、算出結果と
パルスエネルギーのばらつきと目標値への制御精度とに
基づいて制御精度を満たすように、修正露光時のパルス
エネルギーのばらつきを使ってエネルギー調整量と修正
パルス数との条件をショット毎に決定し、該条件に基づ
いて被照射部へパルスエネルギーの修正照射を行う工程
とを備えることとした。 本発明においては、エネルギー発生源から出力される
パルスのエネルギー量のパルス毎のばらつきを考慮に入
れて、修正露光時のパルスエネルギー調整量および修正
パルス数を決定しているので、露光光量などのエネルギ
ー量を要求される精度に制御することができる。 〔実施例〕 以下、本発明の実施例を、添付図面を参照しながら詳
細に説明する。 第１図は、本発明の実施例によるエネルギー量制御装
置の構成を示してある。また、第２図には、主要部分の
詳細な構成例が示されている。 これら第１図及び第２図において、露光光源であるエ
キシマレーザなどの外部トリガ可能なパルスレーザ10か
ら出力されたレーザ光は、拡大レンズ12、対物レンズ14
を各々透過して、エネルギー量調整手段16に入射するよ
うになっている。 エネルギー量調整手段16は、第２図に示されているよ
うに、斜線部にレーザ光があたり、回転制御装置18によ
って制御される回転位置により、その透過エネルギー量
が制御される。なお、回転量は、図示しないエンコーダ
などによって検出されるようになっている。 エネルギー量調整手段16を透過したレーザ光は、ビー
ムスプリッター20に入射するようになっている。ここで
レーザ光は分割され、一方は集光レンズ22を透過して光
量計測用の受光素子24に入射し、他方は可干渉除去装置
26に入射した後、更に光学的なインテグレータ（フライ
アイレンズ等）28、コンデンサレンズ30を透過してレチ
クル（マスクと同義）32に入射し、その後不図示の投影
レンズを介して感光基板の露光に使用されるようになっ
ている。感光基板はxy方向に移動可能なステージ上に載
置されている。 次に、上述した受光素子24の出力は、アンプ34を介し
て、積算光量記憶装置36に入力され、ここで積算により
得られた光量は、制御装置38に入力されるようになって
いる。制御装置38は、入力されたデータあるいは予め設
定されたデータに基づいて、エネルギー量調整手段16の
回転制御装置18およびパルスレーザ10に制御指令を行な
う機能を有する。 すなわち、レチクル32に達するレーザ光量は、制御装
置38の指令により、パルスレーザ10自身に含まれるエネ
ルギー変更手段（図示せず）と、エネルギー量調整手段
16の回転量によって調整されるように構成されている。 ここで、エネルギー量調整手段16の具体例としては、
調整量を連続的に設定できるものとして偏光板があげら
れる。レーザ光が直線偏光である場合、偏光板の回転量
によって透過する光量は理想的には０〜100％の間で変
化する。第３図には、偏光板の回転量と、透過光量との
関係の一例が示されており、透過光量変化は、偏光板の
回転角度位置に関してCOSカーブになる。 また、エネルギー量調整手段16の別の具体例として
は、調整量を離散的に設定するものとして数種類の荒さ
の異なるメッシュフィルタを切換可能な構造にすること
があげられる。数種類のメッシュフィルタを組み込んだ
エネルギー量調整手段16の一例を第４図に、このときの
エネルギー調整手段16の回転量と透過光量の関係を第５
図に示す。第４図において、円板16′には円周方向に６
つの円形開口部が形成され、開口16′ａは単なる透過孔
で透過率は100％であり、角度２πの位置に対応する。
そして荒さの異なるメッシュフィルタ16′ｂ、16′ｃ、
16′ｄ、16′ｅ、16′ｆが設けられ、夫々の透過光量は
第５図のように角度π/3毎に順次小さくなるように定め
られる。 次に、エネルギー積算量を制御目標範囲に制御するた
めの手法について述べる。 通常、パルス発光型のレーザにおいては、パルスごと
のエネルギー量はある平均値のまりにばらつく。今、露
光位置（例えば投影像面）でエネルギー量のパルス間平
均値（例えば100パルスの平均値を、そのばらつき量
をδＰとおく。適正エネルギー量はＮを粗露光平均パル
ス数としてＮ・で表現できるものとする。また、修正
露光パルス数をｎ、エネルギー量の目標制御精度をＡ
（１％の場合、Ａ＝0.01）とおく。本実施例において
は、修正露光時の積算エネルギー量のばらつきは、適正
エネルギー量（目標値）に対するばらつきにそのまま効
く。そこで、修正露光エネルギー量の最大値Ｐ′は、 であり、これをｎパルスにわけて修正露光したときの
ばらつき量SP′は、 で表わされる。さらに、エネルギー量制御精度がＡ以
下であることより、式（２）から、 これを整理すると式（３）が得られる。 エキシマレーザの場合、普通（δP/）＝10％程度で
あり、またＡを１％（0.01）とすると、式（３）より修
正露光パルス数ｎが１のとき、Ｎは10以上、ｎが２のと
き、Ｎは８以上となる。すなわち、粗露光平均パルス数
Ｎを大きくとれば、粗露光完了時での積算エネルギー量
のばらつきが少く修正露光パルス数ｎは小さな値でよ
い。一方、スループットの観点からは、総パルス数が小
さい方がよいので、修正パルス数ｎを複数パルスにして
Ｎを小さく押さえることは意味がある。ここで第６図に
１ショットにおける適正露光量を得るまでの露光の様子
を示す。この図に示すように本実施例においては、粗露
光時は受光素子24、アンプ34に介して積算光量記憶装置
36で１パルス毎に積算光量を計算しつつ１パルスのエネ
ルギー量のばらつきを考慮して、次の１パルスによって
積算値が制御目標値を超える可能性が生じるところまで
行なう。 具体的には適正露光量Ｎ・で規格化した粗露光終了
判定レベルRcを次の（４）式のように定める。 そして実測した積算光量をN.で割り算した値が判定レ
ベルRcを越えるまで粗露光を行なうようにする。この判
定レベルRcに対応する積算値が本発明における目標値よ
り小さい所定値に相当する。 この粗露光の場合はエネルギー量調整手段16（又は1
6′）の回転角を調整して、100％（すなわち最大）の透
過率が得られるようにしておくとよい。そして最適な粗
露光パルス数Ｎ（Ｎ≧１）が得られるようにパルスレー
ザ10の出力エネルギー量を調整しておく。このようにす
れば、Ｎを小さく押えることができる。粗露光が終了す
ると、それまでの光量積算値、制御目標値、精度Ａ及び
パルスエネルギーのばらつきδP/に応じて式（３）に
基づいて修正パルス数と修正パルスのエネルギー量を決
定する。エネルギー量に関しては調整手段16（又は1
6′）を回転させて所定の透過率が得られるように設定
する。そして、所定のパルス数で修正露光が行なわれ
る。 具体的には、第３図に示した回転偏光板16の場合は、
先の式（３）により確認を行った上で修正パルス数ｎを
固定して、エネルギー量（透過率）を適切に調整してや
ればよい。また第４図に示した数種類のメッシュフィル
タを有する回転板16′の場合には、修正露光時のエネル
ギー調整量が第５図のように離散的あるから、制御精度
Ａを達成するために、制御目標値と粗露光終了時点の積
算光量値の差（不足の露光量）に応じて、メッシュフィ
ルタの透過率と修正パルス数との適切な組み合わせが存
在することになる。この場合も、残りの修正露光量をｎ
パルスで行なうとして、先の式（３）により確認を行な
うとよい。 ここで、修正露光時のエネルギー調整量ａと修正パル
ス数ｎの決定について述べる。ここでエネルギー調整量
ａとは、粗露光時のパルス間平均エネルギー（）に対
する修正露光時のルス間平均エネルギーの比である。
今、粗露光終了時の積算光量をＩとおくと、 を満たすａ、ｎであれば、修正露光後の積算光量は、
適宜露光量Ｎ・に対し、±Ａの制御精度が保証される
ことになる。 以上、本実施例により、各パルスのエネルギー量の積
算値を要求される精度に正確に制御することができる。 次に、露光装置として本発明を適用した場合の具体的
なシーケンスについて第７図を用いて説明する。 まず、ステップ100で適正露光量がオペレータにより
入力される。次に、ステップ102で露光面上での１パル
スの平均エネルギーの測定を行なう。これは、第１
図、第２図では不図示の感光基板が載置されるべきXYス
テージ上に設置された光電センサ（照度測定計）により
おこなわれ、複数パルスの平均により、１パルスのエネ
ルギーのばらつきの寄与を消去するものとする。この光
電センサは予め較正されているものとすれば、オペレー
タにより入力された適正露光量とから、直ちに、粗露光
平均パルス数Ｎが求まる（ステップ104）。次に、Ｎが
（３）式を満たしているか否かと判断し（ステップ10
6）、満たしていない場合は、ステップ108でエネルギー
調整手段16（又は16′）あるいはレーザ10自体により、
露光面でのエネルギーを減衰させたのち、再度の測定
に戻る。さて、Ｎが（３）式を満たしているの場合に
は、（４）式により、粗露光終了判定レベルRcが求まる
（ステップ110）。そして、次にXYステージが移動して
感光基板を所定位置にアライメント後、粗露光が開始さ
れる。粗露光時は１パルスごとに積算光量Ｉのチェック
がおこなわれ（ステップ112、114）、粗露光終了判定レ
ベルRcを越えた時点で、修正露光に入る。この時、すで
に露光量制御精度が満たされているか否かを判断し（ス
テップ116）、満たされていれば、修正露光は不要であ
るからこの位置での露光を終了し、次のステップ118に
進む。また、修正露光が必要な場合には、（５）（６）
式より、エネルギー調整量ａとパルス数ｎを決定後（ス
テップ120）、修正露光をおこなう（ステップ122）。次
に、ステップ118において感光基板上の別の場所で同様
な露光をおこなうと判断された場合は、ステップ124で
ａを1.0（100％）にインシャライズ後、次の露光に入
る。また、感光基板上の必要な場所すべてで露光が終了
したときは、一連のシーケンスが終了することとなる。 以上により、第７図のようなフローチャートに従え
ば、能率よく、要求された露光量制御精度でもって露光
をおこなうことができる。 ところでエネルギー源がレーザ光の場合、レーザ光の
持つ可干渉性により露光面においてスペックルト呼ばれ
る照度むらが生じることがある。照度むらは半導体素子
製造のフォトリソグラフィ工程におけるパターン線幅の
コントロールに重大な影響を与える。そこで特開昭59−
226317号公報に開示されているような手法でスペックを
低減させることも考えられている。本発明によるエネル
ギー量制御は、このようなスペックル低減策と組み合わ
せて用いるとより効果的である。 上記公報におけるスペックル低減策（インコヒーレン
ト化）では、レーザ光を振動ミラー等により一定周期で
２次元振動（ラスタースキャン）させて、レーザ光の照
明光路をわずかにずらしていくものであり、空間的にコ
ヒーレンシィを低減させていくものである。このような
手法の照明系にエキシマレーザ光のようなパルスエネル
ギーを通す場合は、ミラー等による２次元走査に同期さ
せて複数のパルスを照射することになる。通常エキシマ
レーザの発振パルス幅は20nSec程度と極めて短く、ミラ
ー等を数＋Hz程度で振動させたとしてもエキシマレーザ
の１パルスはミラーの２次元振動周期中は、あたかも静
止しているようにふるまう。第８図は、先の特開昭59−
226317号公報に開示された手法を用いたときに、レーザ
光（パルス光）をスキャンさせて生じる投影レンズの瞳
面での光源像（レーザスポット）の様子を示す平面図で
ある。投影レンズの瞳面epにはオプチカルインテグレー
タ28の射出端の像が形成され、所謂ケーラー照明が行な
われるものとする。オプチカルインテグレータ28に入射
するパルスエネルギーを平行光とし、その入射角がわず
かに変化するようにミラー等で偏向すると、インテグレ
ータ28を構成する複数のレンズ素子（ロッドレンズ等）
の各々の射出面にできるスポット光SPの位置も２次元的
に変化する。ミラー等の偏向角は極めて小さいため、小
ミラーをピエゾ素子でドライブする程度で十分である。
第９図はインテグレータ28の１つのレンズ素子28′の拡
大図であり、２次元走査の軌道SLに沿って適宜パルス発
光させ、１回の走査中にスポット光SPの位置を変えて点
在させる。第９図は模式的に示したものであり、実際の
スポット光SPの大きさはレンズ素子28′の端面の大きさ
程度に近づくこともある。第９図では１回の走査で11パ
ルスの発光がおこなわれている。またパルス発光の１走
査期間中の位置はレンズ素子28′の端面中で規則的な位
置、ランダムな位置のいずれであってもよい。 このような手法の場合、ミラーによる１走査の間に複
数のパルスが打たれることで、レクチル32（又は感光基
板）上で生じるスペックル縞が移動し、その複数のパル
スの積算後には照明むらが低減されるというものであ
る。 このスペックル低減策と本実施例のエネルギー量制御
方式とを組み合わせる場合は、第６図中の粗露光動作時
に行なうと効果的である。すなわち第６図の粗露光時の
１パルス分のエネルギー量を、１回の２次元走査中に打
つ複数のパルスの合計エネルギー量に置き換えて考えれ
ばよい。従って、この場合は１回の走査中に打たれる各
パルス毎のエネルギー量は第６図の粗露光中のパルスエ
ネルギー量よりも十分小さくする必要がある。またミラ
ーによる２次元走査も複数回行なわれることもある。 そして修正露光時は照度むらに与える影響は少ないの
で、粗露光時のような置き換えは行なわず、第６図中の
修正露光時の１パルスは走査期間中の１パルスと同じに
扱えばよい。このようにするとスループットの点で有利
である。また、オプチカルインテグレータとビームスキ
ャンによりレーザ光をインコヒーレント化する場合、特
開昭58−147708号公報に開示されているように、オプチ
カルインテグレータを２段配置にするとよい。このよう
にすると、１段のインテグレータに含まれるレンズ素子
をｍ個とすると、投影レンズの瞳面ではｍ×ｍ個の２次
光源像（レーザのスポット光）ができ、照度均一性がよ
り高精度になるからである。 〔発明の効果〕 以上の様に本発明によれば、エネルギー発生源から出
力されるパルスのエネルギー量にパルス間ばらつきがあ
ったとしても、その積算値を目標値に対して要求される
精度内に押えることができる。また、機械の駆動等によ
るエネルギー量の調整動作が修正露光直前の１回のみで
あるので、スループットの観点からも有利である。更
に、修正露光時のパルス数を複数パルスにすることによ
り総露光パルス数を減らすことができ、やはりスループ
ットの観点から有利である。 また、エネルギー源がレーザ光の場合スペックル対策
と組み合わせることができ、効果的である。

【図面の簡単な説明】 第１図、第２図は本発明の実施例によるエネルギー制御
装置の構成を表わす図、第３図は、エネルギーの連続的
な調整手段の回転量と透過光量の関係を表わすグラフ、
第４図は、エネルギーの離散的な調整手段としてのメッ
シュフィルタの構成を示す平面図、第５図は第４図に示
した調整手段の回転量と透過光量の関係を表わすグラ
フ、第６図は、本実施例における露光の様子を示すタイ
ミングチャート図、第７図は実際の露光動作時の具体的
なシーケンスを表わすフローチャート図、第８図はオプ
チカルインテグレータの瞳面での様子を示す平面図、第
９図はインテグレータの１つの素子の端面でのビームス
キャンの様子を示す平面図である。 〔主要部分の符号の説明〕 10……パルスレーザ 16……エネルギー調整手段 20……ハーフミラー 18……エネルギー調整手段回転制御装置 24……受光素子 36……積算光量記憶装置 38……制御装置

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．エネルギー発生源から発生して被照射物に達するパ
   ルスエネルギー量の総和を所定の範囲内に制御する装置
   を備え、所定のパターンを基板上に形成する露光装置に
   おいて、 前記被照射物に達するパルスエネルギー量を調整する調
   整手段と； 前記パルスエネルギー量の積算値を計測する積算手段
   と； 該積算手段による積算値が目標値よりも小さい所定値を
   越えるまで、前記エネルギー発生源から単数もしくは複
   数のパルスエネルギーを射出させる第１制御手段と； 前記所定値を越えた時点で、前記目標値に到達するのに
   必要な修正エネルギー量を算出し、該算出結果とパルス
   エネルギーのばらつきと前記目標値への制御精度とに基
   づいて該制御精度を満たすように、修正露光時のパルス
   エネルギーのばらつきを使ってエネルギー調整量と修正
   パルス数との条件をショット毎に決定し、該条件に基づ
   いて前記被照射部へパルスエネルギーの修正照射を行う
   第２制御手段とを備えたことを特徴とする露光装置。 ２．前記目標値よりも小さい所定値は、前記パルスエネ
   ルギー量の１パルス分が次に照射されると、該パルスエ
   ネルギー量の平均的な大きさとばらつきによって前記積
   算値が目標値に対する制御精度からはずれると予想され
   る値に定められることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の装置。 ３．前記調整手段が調整量を連続的に変化させる場合、
   前記第２制御手段は前記修正照射の前記条件内でのパル
   ス数を予め所定値に設定し、必要とされるパルスエネル
   ギー調整量を算出することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項または第２記載の装置。 ４．前記調整手段が調整量を離散的に変化させる場合、
   前記第２制御手段は前記修正照射時のエネルギー調整量
   とパルス数との最適な組み合わせを選択することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の装置。 ５．前記調整手段は、回転板と、該回転板に設けられ互
   いに異なる減光率を有する複数の減光部材と、該回転板
   を回転させる駆動装置とを有することを特徴とする特許
   請求の範囲第４項記載の装置。 ６．前記第１制御手段と前記第２制御手段は、前記エネ
   ルギー発生源から発生して被照射物に達するパルスの総
   和が最小となるように制御されることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項から第５項のいずれか１項に記載の装
   置。 ７．前記第１制御手段により前記エネルギー発生源から
   射出されるパルスの数は、前記パルスエネルギーのばら
   つきと前記被照射物上で生じるスペックル低減のために
   必要なパルス数とに基づいて決定されることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の装置。 ８．前記第２制御手段は、前記修正エネルギー量と前記
   目標値とを比較し、比較結果が許容値内の場合には、前
   記修正照射を行わず、許容値外のとき前記修正照射を行
   うことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。 ９．エネルギー発生源から発生して被照射物に達するパ
   ルスエネルギー量の総和を所定の範囲内に制御するとと
   もに、所定のパターンを基板上に形成する露光方法にお
   いて、 前記被照射物に達するパルスエネルギー量を調整する工
   程と； 前記パルスエネルギー量の積算値を計測する工程と； 前記積算値が目標値よりも小さい所定値を越えるまで、
   前記エネルギー発生源から単数もしくは複数のパルスエ
   ネルギーを射出させる工程と； 前記所定値を越えた時点で、前記目標値に到達するのに
   必要な修正エネルギー量を算出し、該算出結果とパルス
   エネルギーのばらつきと前記目標値への制御精度とに基
   づいて該制御精度を満たすように、修正露光時のパルス
   エネルギーのばらつきを使ってエネルギー調整量と修正
   パルス数との条件をショット毎に決定し、該条件に基づ
   いて前記被照射部へパルスエネルギーの修正照射を行う
   工程とを備えたことを特徴とする露光方法。 １０．前記エネルギー発生源から射出されるパルスの数
   は、前記パルスエネルギーのばらつきと前記被照射物上
   で生じるスペックル低減のために必要なパルス数に基づ
   いて決定されることを特徴とする特許請求の範囲第９記
   載の方法。 １１．前記修正照射を行う工程は、前記積算値が前記所
   定値を越えた時点で、修正露光を行うか否かを判定する
   工程を含むことを特徴とする特許請求の範囲第９項記載
   の方法。