JP2979541B2 - 露光制御装置並びに露光方法及び装置 - 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、及び照度均一化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関するものである。

［従来の技術］ 従来、パルスレーザを光源とした露光装置における露
光量制御は、レーザ光が一般にパルス毎に±10％程度の
ばらつきを有している上、短期的、長期的にレーザ密度
の低下現象があることから、各パルス毎の光量を検出し
て積算し、この積算結果が所望の値となるまで発光を行
なうという方法で行なわれていた。レーザ密度の低下現
象は、ガスレーザを用いた場合に顕著であり、内部ガス
の劣化に伴って出力の低下が起こる。通常、内部ガスが
劣化して出力が低下してきた場合には放電印加電圧等を
増加させたり、場合によっては部分的なガス交換を行っ
て出力の低下を少なくする様な工夫がなされているが、
一定のパルス数で所望の露光量に制御することは困難で
あった。

こうした中で、例えば半導体素子製造用の露光装置に
おける露光制御のように、より高い精度での露光量制御
が要求される場合の制御装置としては、例えば特開昭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（レジスタ付きウェハ等）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制御する
ようにしたものである。

即ち、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（後述）の場
合は、ウェハ上の部分的な１つの領域に露光エネルギー
が照射されることである。

ところで近年半導体素子製造用の露光装置において採
用されているステップアンドリピート方式では、１枚の
ウエハを露光するにあたって、露光すべき領域を複数の
露光領域に分割し、各露光領域毎に露光を行ない、１つ
の露光領域の露光が終了した段階で次の露光領域に移動
して再び露光を行うという動作をくり返すことにより最
終的にウエハ全面の露光を行っている。

従って単位時間当たりの半導体素子の生産量を多くす
るには、各露光領域の間の移動時間を極力短くするとと
もに、各露光領域に於ける露光時間を短くすることが重
要である。このため特開昭60−169136号公報に開示され
ている手段により露光を行う場合でも、なるべく大きな
エネルギーで粗露光を行い、修正露光の時間を短くする
ことが必要である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前述の特開昭60−169136号公報に開示
されたような方法では、最小パルスに含まれるエネルギ
ーの量の誤差（ばらつき）に対して何等配慮されていな
いため、依然として露光量が適格に制御されず、適切な
露光を行うことができないという不都合がある。

又、最終パルスの設定エネルギーは、適正露光量より
粗露光分を差し引いた値となる為、最終パルスの露光量
を設定する手段のダイナミックレンジを大きくとらなけ
ればならず、装置の複雑化を招く上、高い制御精度が得
られないという問題点がある。

又、特開昭63−81882号公報に開示されているように
修正露光を複数パルスとして適正露光量を得る方法もあ
るが、この場合においても露光時間が長くなるととも
に、露光量設定手段のダイナミックレンジが大きくなる
という問題点は解消されない。

さらに、上記のような修正露光で露光量を調整する方
法においては、修正露光時の１パルスのエネルギー量及
び露光パルス数が粗露光を完了した時点での積算露光量
に依存する為、各ショット毎に一定とならないという欠
点が有る。即ち、露光エネルギー源がレーザ光源の場
合、レーザ光の持つ可干渉性により露光面においてスペ
ックルと呼ばれる照度むらが生じることが有るが、上記
の光量制御方法ではこのスペックルを効果的に低減する
ことができない。この問題について以下に説明する。

スペックルは半導体素子製造のフォトリソグラフィー
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
を与えるので、例えば特開昭59−226317号公報に開示さ
れているようにパルス光の発光毎にスペックルパターン
（又は干渉パターン）を移動させて（レーザ光を振動さ
せて）スペックルを最終的に平滑化することも考えられ
ている。しかるにこの特開昭59−226317号の方法と特開
昭63−81882号の方法を組み合せ、露光量を最適化しつ
つもスペックルを低減することを行う場合、特開昭59−
226317号公報に示されている様に投影レンズの瞳面での
光源像（レーザスポット）を瞳面内に於てなるべく均一
に分布させる必要が有る。これを実現するには瞳面に於
けるレーザスポットの点数を一定とし、その整数倍のパ
ルス数で露光を行うとともに、露光中はレーザ強度を一
定に保つ必要が有る。ところが、前述の特開昭63−8188
2号の方法では、修正露光時に露光強度を変える為、瞳
面に於て、修正露光時に対応する領域のみ他の領域より
積算エネルギーが低く、結果として充分にスペックルを
低減出来ない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、露
光量を要求される精度に応じて制御するとともに、効果
的に照度均一化を行なうことができ、かつ露光時間の短
縮も図ることのできる露光制御装置を提供することを目
的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明では、発振のたびに所定の範囲内で光量変動
を伴う可干渉性のパルス光の複数の照射によって、第１
物体に形成されたパターンを所定の露光量で感光性の第
２物体に転写する装置の第２物体への露光量を制御する
露光制御装置に、 第１物体もしくは第２物体上に生じる干渉パターン
を、パルス光の照射毎に移動させて平滑化する為に必要
な必要パルス数と、目標とする適正露光量に応じた値と
に基づいて、各パルス光の平均光量値を予め決定する第
１演算手段と； 平均光量値のもとでパルス光を照射した時に第２物体
へ与えられるべき目標積算光量に対応した目標値を、必
要パルス数の各パルス毎に決定する第２演算手段と； 第２物体へ与えられた実際の積算光量に対応した実測
値を検出する光量計測手段と； 先行して照射されたパルス光によって得られた実測値
と、それに対応した目標値との差分を算出する第３演算
手段と； 算出された差分に応じた値だけ、次に照射すべきパル
ス光の光量を前記平均光量値から補正して調整する光量
調整手段とを備えたことによって、上記の課題を達成し
ている。

また、前記パルス光が非干渉性である場合、又は可干
渉性であってもパターン転写の際に問題とならない場
合、さらには光以外に例えばＸ線等のパルスエネルギー
を照射することによりパターンの転写を行なう場合に
は、 パルスエネルギーのエネルギー変動の範囲と目標とす
る適正露光量に対する許容制御精度とによって定められ
る必要パルス数と、前記所定の露光量に応じた値とに基
づいて、必要パルスの照射のたびに前記第２物体に与え
られるべき目標積算エネルギー量に対応した目標値を求
める演算手段と； 先行して照射されたパルスエネルギーによって得られ
た実際の積算エネルギー量に対応した実測値を検出する
エネルギー量計測手段と； 次のパルスエネルギーのエネルギー量を、次のパルス
エネルギーの照射に対応して達成されるべき目標値と、
それまでに計測されている実測値との差分に対応する如
く調整するエネルギー量調整手段とを備えることによっ
て、良好な露光制御を行なうことができる。

［作 用］ 本発明に於ては、露光すべき全パルスにわたって露光
エネルギーが所定の平均光量値になるように制御すると
ともに、各ショット毎のパルス数をほぼ一定とする構成
をとっている為、スペックルパターンをパルス光の照射
に同期させて移動させることにより、最終的にスペック
ルパターンをほぼ完全に平滑化することができる。

また、本発明では従来のように最後の数パルス又は１
パルスの光量を低下させて修正露光を行なうことをしな
いので、ショット毎の露光時間が最短かつ一定となり得
る。

さらに、各パルス毎に光量を実測し、各パルス毎に光
量を調整するようにしていることから、従来のように目
標露光量にかなり接近した段階で光量の調整を行なう場
合に比較して、光量を実測する光量計測手段及次のパル
ス光量を調整する光量調整手段のダイナミックレンジが
小さくて済み、露光量の制御精度を向上させることがで
きる。

［実施例］ 第１図は本発明実施例の構成を示し、ここではレチク
ルＲ（第１物体）のパターンをウエハＷ（第２物体）へ
半導体製造用投影露光する縮小投影露光装置（ステッパ
ー）に応用した構成を示す。

第１図において、外部トリガパルスを出力するトリガ
制御部９は、エキシマレーザ光等のパルス光を射出する
パルスレーザ光源10の発振を制御する。このパルスレー
ザ光源10は、レーザチューブを挟んで両端に配置される
２枚の共振ミラーの間の一部にエタロン、分散素子等で
構成される狭帯化波長安定化機構を有し、安定共振器を
持つレーザ光源として構成されている。パルスレーザ光
源10からの射出ビームLB₀は、例えば波長248nmのディー
プUV域であって、そのビーム断面は縦横比が1/2〜1/5程
度の長方形をしている。レーザビームはシリンドリカル
レンズを組み合せたビームエクスパンダー12に入射し、
エクスパンダー12はビーム断面を長方形からほぼ正方形
に整形してビームLB₁として射出する。

高速減光部13は入射したビームLB₁のビーム光量（エ
ネルギー）を、例えば離散的な６段階又は連続的に減衰
させる。この高速減光部13は、レチクルＲのパターンを
投影レンズPLを介してウエハＷに露光している間に高速
に減光率を切替えられるように構成さている。一例とし
てレーザビームに対して透明な部分と不透明な部分を有
する２枚の明暗格子を一定の間隔を置いて相対移動可能
に配置したものが採用される。

第２図は高速減光部13の一例を示す構成図であり、高
速減光部13は、２枚の明暗格子16a,16bと格子駆動部16c
から成っている。明暗格子16a及び16bは、石英ガラス等
の紫外光に対して透過率の良い材質のガラス板の上にク
ロム等の蒸着により紫外光に対して不透明な部分を適当
な間隔でスリット上に構成したもので作られており、２
枚の格子16a,16bは適当な間隔で平行に並べられてい
る。そして、一方の格子16aはレーザビームLB₁に対して
固定されており、他方の格子16bには格子駆動部16cが結
合されていて、光量制御部14からの指令により格子のピ
ッチ方向に微動するようになっている。

第３図に明暗格子の部分拡大図及びその動作を示す。
格子のピッチをG_P、不透明部（遮蔽部）の幅をG_Wとす
る。第３図（ａ）に於ては２つの格子は全くずれておら
ず、透明部と遮蔽部が一致している場合であり、入射光
LB₁に対する減光率はG_W/G_Pとなる。第３図（ｂ）は明暗
格子16a（固定）と明暗格子16b（可動）が△ｄだけずれ
ている場合であり、入射光LB₁に対する減光率は（G_W＋
△ｄ）/G_Pとなる。但し、△ｄはG_W＞△ｄの範囲であ
る。

例えばG_Pを10μｍ、G_Wを2.5μｍとするとこの構成に
より入射ビームLB₁に対して出射ビームLB₁′は75％から
50％まで減光可能である。この例の場合は△ｄの最大の
移動量はG_Wで規定される為、最大2.5μｍ移動させれば
良い。従って格子駆動部16Cはピエゾ素子等を用いても
充分に機能を果たすことが出来、一般的なエキシマレー
ザ等の場合のくり返し周波数100Hz〜500Hzに対して、各
パルス発光毎に完全に通随して制御可能であり、高速減
光が実現出来る。

第１図の説明に戻って、所定の減衰を受けたほぼ平行
なビームLB₁′は干渉縞を含むスペックルパターンを平
滑化するためスペックル低減部20を通過することによ
り、微小な角度で一次元（又は二次元）に振れる振動ビ
ームとなった後、ミラー21で折り返されオプチカルイン
テグレーターとしてのフライアイレンズ28に入射する。
フライアイレンズ29は複数本のロッド状のエレメントレ
ングを束ねたもので、その射出端にはエレメントレンズ
の数だけ２次光源像（ここではビームLB₁′の部分光束
の夫々の集光スポット）が形成される。

従ってフライアイレンズ28に入射するビームLB₁′
は、そのフライアイレンズ28の入射面における入射角が
時々刻々変化する。第４図はフライアイレンズ28の入射
ビームと２次元光源像（スポット光）との関係を示し、
特開昭59−226317号公報に開示された原理に従う模式的
な説明図である。フライアイレンズ28の各ロッドレンズ
28aは両端に凸球面が形成された石英の四角柱である。
光軸AXと平行にビームLB_b（平行光束）がフライアイレ
ンズ28に入射すると、フライアイレンズ28の各ロッドレ
ンズ28aの射出端、又は射出端から所定量だけ空気中に
出た位置には、スポット光SP_bが集光する。このスポッ
ト光SP_bは第４図では１つのロッドレンズのみについて
表わしたが、ビームLB_bの照射されるロッドレンズの全
ての射出側に形成され、ビームLB_bに対して、各スポッ
ト光SP_bはロッドレンズ射出面のほぼ中心に集光され
る。さらに光軸AXに対して右に傾いた平行なビームLB_c
がフライアイレンズ28に入射すると、各ロッドレンズ28
aの射出面の左側にスポット光SP_cとして集光される。

従ってスペックル低減部20内でのビームの一次元の振
動によって、フライアイレンズ28の射出側に生じる複数
のスポット光の全てが、フライアイレンズ28（光軸AX）
に対して一方向に同時に往復移動することになる。

こうして、フライアイレンズ28の射出側にできた各ス
ポット光を成す複数のビームは、第１図に示されるよう
にビームスプリッタ29で大部分が透過し、コンデンサー
レンズ30に入射し、レチクルＲ上で、それぞれ重ね合わ
される。これによってレチクルＲは、ほぼ一様な照度分
布で照明され、レチクルＲのパターンは投影レンズPLに
よってステージ上に載置されたウエハＷのレジスト層に
所定の露光量で転写される。即ち、スペックル低減部20
は、フライアイレンズ28に入射するビームを振動するこ
とにより、レチクル面又はウエハ面に生じる干渉縞（一
次元のスペックルパターン）を微小量移動させて、露光
完了時においては、結果的にレジスト層に転写された明
暗縞を平滑化し、干渉縞のビジビリティを低減させる。
（ただし、各スポット光からの光の干渉による露光ムラ
は生じる。）像（ウエハ）側テレセントリックの投影レ
ンズPLの瞳（入射瞳）epには、フライアイレンズ28の射
出端にできる複数のスポット光が再結像され、所謂ケー
ラー照明系が構成される。

なお、この実施例ではスペックルパターンを平滑化す
るにあたって、フライアイレンズ28に入射するレーザ光
を振動させているが、この他に例えば回転拡散板をパル
ス光の発光に同期して回転させる構成としても良い。

次に、ビームスプリッター29で分割された一部のビー
ムは集光光学系23によって受光素子24に集光される。受
光素子24はビームLB₀（又はLB₁）の各パルス発光の光量
に応じた光電信号を正確に出力するように、紫外域にお
いて十分な感度を有するPINフォトダイオード等で構成
される。その光電信号は光量モニター部26に入力され、
ここで各パルス発光毎の光量が順次積算される。受光素
子24,光量モニター部26が本発明における光量計測手段
を構成し、計測された実測値（実際の光量に対応した値
であれば良く、光量自体である必要はない。以下同
様。）は、主制御系８に送られる。この主制御系８はト
リガ制御部9,光量制御部14,スペックル制御部22にそれ
ぞれ指令信号を送り装置全体の動作を制御する。

主制御系８に備えられた入出力装置７はオペレータと
装置本体とのマン・マシンインターフェイスであり、露
光に必要な各種パラメータをオペレータから受け付ける
とともに、装置の状態をオペレータに知らせる。

また、メモリ６には入出力装置７から入力された露光
動作及び各種演算等に必要なパラメータ（定数）やテー
ブル等が記憶されている。本実施例では、ビームが半周
期だけ振動する間に良好にスペックルパターンを平滑化
するのに必要な最小発光パルス数を決定するための情報
がメモリ６に記憶されている。ここでビームの半周期と
は、第４図においてスポット光をSP_a→SP_b→SP_cの順
（又は逆）に移動させるのに、ビームをLB_a→LB_b→LB_c
（又は逆）の順の揺動角α゜だけ傾けることに対応して
いる。

主制御系８では、メモリ６に予め記憶されているとこ
ろのスペツクルパターンを平滑化するために必要なパル
ス数とウエハｗに塗布されたレジストの適正露光量に関
するデータに基づいて、第１演算手段（図示せず）によ
って各パルス光の平均光量値が決定される。

主制御系８は、さらにこの平均光量値で各パルスを照
射した時にウエハＷに与えられるべき目標積算光量に対
応する目標値を第２演算手段（図示せず）によって算出
し、第３演算手段（図示せず）によって、この目標値と
前述した光量モニター部26から送られてきた実測値との
差分を算出する。そして、この差分に基づいて、光量制
御部14に対して高速減光部13での光量調整のための指令
を出力する。

また、主制御系８はレーザ光源10のパルス発光とスペ
ックル低減部20によるビームの振れ角とが同期するよう
に、スペックル制御部22に駆動信号を出力する。尚、こ
の同期は、ビームの振れ角を高精度にモニターする検出
器の出力に追従してトリガ制御部９へ発振開始及び停止
の信号を出力するようにしても良い。

ところで、以上の説明では、高速減光部13を２枚の明
暗格子にて構成する場合を示したが、高速減光部13はこ
れに限定されるものではなく、例えばレーザビームLB₀
（LB₁）を直線偏光とした場合等では、偏光板を回転さ
せる構成にしてもよい。この場合は偏光板の回転位置に
よってビームの透過率を連続可変することができる。

また、高速減光部13としてレーザの波長帯域を狭くす
る為に用いられるエタロンを使用しても良い。一般にエ
タロンは２枚のガラス板（この場合は紫外光に対する透
過率を上げる為に石英ガラスを用いる。）を一定の間隔
をおいて平行に保持したものであり、その間隔に応じて
特定の波長に対して高い透過率を有するものであるる。

このエタロンを用いた時の高速減光部の構成を第５図
に示す。第５図に於ける高速減光部は２枚の石英ガラス
板40,2枚に石英ガラス板40を一定の間隔をおいて平行に
保持する為のスペーサー41,エタロンを保持する為の保
持枠45,エタロンを支点44のまわりに回転微動させる為
のアクチュエーター42及び保持枠を固定部46に引きつけ
ておく為のバネ43から構成されている。

かかる構成のエタロンにおいては、２枚のガラス板40
の間隔をｄとし、光軸に対して垂直な面に対する傾き角
をθとすると 2d cosθ＝ｍλ …（１） の関係の成り立つ波長λに最も高い透過率が得られる。
ここでｍは整数値であり、一例としてθ＝０゜,d＝59.9
84μm,λ＝248.380nmの条件では、ｍ＝483という値で最
大透過率を有する。逆に言えばｍが一定の条件に於て
は、角度θを可変にすることにより最大透過率を得る波
長λを変えることが可能となる。

エタロンの波長に対する透過率の代表的な例を第６図
に示す。第６図に示す様にエタロンの波長に対する透過
率特性はいわゆる“くし形”のBand−Passフィルター特
性となっており、ｍの次数によりほぼ一定の間隔で透過
率の高い部分が存在する。透過率のピーク間の間隔Ｒは
一般にフリースペクトルレンジと呼ばれ、（１）式の関
係が成立している場合には となる。又、各帯域に於けるフィルターのＱ値は、フィ
ネスと呼ばれる表現が用いられており、R/△Ｂで表現さ
れる。△Ｂは第６図に示す様に、フイルターの１つの山
の半値幅を示している。

上記で示したエタロンを高速減光部13として用いる場
合には、レーザ光の波長帯域幅より少し広い帯域幅を有
するエタロンを用いると都合が良い。通常露光装置に用
いられるレーザの波長帯域幅は5/1000〜3/1000nm程度で
ある為、10/1000nm以上の帯域を有するエタロンを使用
すると良い。

エタロンを使用してレーザ光を減光する場合の原理を
第７図に示す。第７図に於て（ａ）はパルスレーザ光源
10より発するレーザの波長に対する強度分布を示してお
り、その帯域幅は3/1000nmから5/1000nm程度である。
又、その中心波長はパルスレーザ光源10内又は外部で安
定化され、安定性は1/1000nm以下に制御されている。一
方、高速減光部13として用いられるエタロンの特性は第
７図（ｂ）に示され、くし形のフィルター特性を有して
いる。エタロンを実際に高速減光部13として用いる場合
には、フィルターの中心波長λ_ｍは、フィルターの帯域
幅△Ｂに対し、λ_０±△Ｂの間で制御される（実際には
λ_０＋△Ｂ〜λ_０の間で制御を行うか又はλ_０−△Ｂ〜
λ_０の間て制御を行えば良い）。フィルターの中心波長
λ_ｍの制御は先述した様にエタロンの傾き角を変えるこ
とで実現可能である。

高速減光部を透過したあとのレーザ強度は第７図
（ａ）のプロファイルと第７図（ｂ）のプロファイルの
積で決定され、第７図（ｃ）に示す様なパワーのレーザ
が出力される。ここでλ_０とλ_ｍを完全に一致させてお
けば最大の透過率が得られ、実際には90％以上の透過率
となる。一方、λ_０に対してλ_ｍ＝λ_０−△Ｂとして設
定すると透過率は10％ぐらいの値が得られる。（λ_ｍ＝
λ_０＋△Ｂとしても同様の効果が得られる。）又、λ_ｍ
をλ_ｍ＝λ_０−△Ｂの値よりももう少し小さい値に設定
すれば、０％近いレベルの透過率も得られる。

実際の制御に再しては、エタロンの角度に対する光の
透過率をあらかじめ測定しておき、このデータをメモリ
ー６に格納しており、所望の透過率に対するエタロンの
角度制御量を求めることによりアクチュエータ42に対し
駆動指令を与えれば良い。

一例としてガラス板の間隔が60μｍのエタロンを用い
てλ_０＝248.380nmのレーザに対して減光制御を行う場
合には、θ＝6.5262度にてλ_０とλ_ｍが一致する。この
時ｍの次数は480である。１つ隣りの次数ｍ＝481の時の
中心周波数はλ＝247.864nmである為、このエタロンの
フリースペクトルレンジは0.516nmとなる。フィネスを1
0とすれば帯域の半値幅は約0.05nmとなる。従って、0.0
5nm分の中心波長シフトを行えば透過率は10％程度にな
り、この時の角度は6.4246度となる。故に、約0.1゜の
エタロンの傾斜により90％から10％まで透過率の制御が
可能なる。エタロンの回転中心44に対して半径50mmの位
置にて駆動する場合0.1゜の傾きを制御するには駆動点
にて約90μｍ移動すれば良い。この程度で制御可能であ
る為、アクチュエータとしては、ピエゾ素子等を用いれ
ば十分に高速に駆動することが可能である。

なお、かかる高速減光部13は、図１にて示した位置の
みでなく、パルスレーザ光源10とエクスパンダー12の
間、又はパルスレーザ光源10内の共振器ミラーの間に入
れても同様の効果が得られる。さらにスペックル低減部
で、前述したビームを微小角振動させる方式を採らない
場合はスペックル低減部20とフライアイレンズ28の間に
入れても良い。しかし、いづれにしてもこの高速減光部
13は、フライアイレンズ28にレーザ光を入射する前の段
階に入れておく必要が有る。

なんとなればエタロンの透過率はそのGap値にも依存
する為、エタロンの透光部に対し極力均一はGap値に保
つことが好ましいが、製造誤差もある為、全面で全く同
じ透過率に維持することは事実上不可能である。従っ
て、エタロンによる照度均一性の劣化（ビーム断面での
強度分布のむら）をフライアイレンズによって解消する
ためには、フライアイレンズの前段にこのエタロンを挿
入することが望ましい。エタロンを用いた場合の特徴
は、制御出来る減光比が大きくとれること、最大透過率
が高いこと、又、第２図に示した明暗格子による方式に
比較して照明むらや、干渉（格子エッジから発生）が生
じにくいという利点を有することである。

高速減光部13のさらに別の例としては、第８図に示し
たような透過型二重位相格子がある。かかる位相格子
は、一定のピッチで所定の段差を有する２枚の回折格子
を、一定の間隔おいて平行に保持したものである。回折
格子の段差ｄは格子の部材（この場合は紫外光に対して
透明な部材を用いる。）の屈折率をｎとすると ｄ＝λ/2（ｎ−１） …（３） となる様に作られている。ここでλはこの位相格子を透
過する光の波長である。

第８図のように２つの位相格子を一定量ずらして配置
することにより、光の通る道筋（以下パスという）とし
ては、Ａ（凹−凸）,B（凸−凸）,C（凸−凹）,D（凹−
凹）の４種類が考えられる。この中でＡとＣは光路長的
には全く同一であるが、ＢのパスはＡのパスと比較する
とｄ（ｎ−１）の光路差がある（但し空気の屈折率を１
とした）。従って（３）式よりＡとＢの光路差はλ/2と
なりＡの部分とＢの部分の光は互いに干渉し合って打ち
消し合い、結果としてこの２枚の位相格子による光の透
過率が減少する。この減光の度合は２枚の位相格子のず
れ量（△ｘ）に依存する。上記と同様にＢとC,CとD,Dと
Ａの部分を透過する光がそれぞれお互いに干渉し合うこ
とにより減光される。本方式の場合も回折格子の凹凸ピ
ッチは10μｍ程度で良く、従って２枚の回折格子を相対
移動させる為のアクチュエーターもピエゾ素子を用いれ
ば十分に高速に駆動することが可能である。

次に、第９図のフローチャート図を用いて実施例の動
作を説明する。

動作開始後、まず最初にステップ101において、予め
メモリ６に格納されているスペックルの低減に必要なパ
ルス数Nmin,ウエハに塗布されたレジストに見あった最
適（目標）総露光量S,露光量制御の許容精度の各データ
に基づいて、主制御系８に備えられた第１演算手段によ
り１パルス当りの平均光量値を算出する。

ここで、スペックルの低減に必要なパルス数Nminは、
スペックル（一次元の干渉縞も含む）のビジビリティー
をどこまで低減するかによって決まる値であり、大きな
値とすればそれだけスペックルの影響は少なくなり照度
の均一化が計れるが余り大きな値とすると露光時間が長
くなり、露光装置としてのスループットが低下してしま
うので、これらを考慮して設定される。

一方、単位パルス当たりの平均露光エネルギー（露光
前に高速減光部13でセットされた初期減光値のもとで）
をＰとし、１つの露光域に対する総エネルギー（目標と
する適正露光量）をＳとすると、１つの露光域に対する
露光パルス数N_EXPはN_EXP＝iNT（S/P）となる。ここでiN
T（α）は実数値αに0.5を加え四捨五入により整数値に
変換することを示している。

ところで、この露光パルス数N_EXPはスペックル低減の
為には前述したN_minの整数倍でなければならない。従っ
て となる。ここでｍは１以上の整数値、βは１以下、０以
上の係数であり、平均減光率と称する。

又、各パルス毎の光強度のバラツキを△Ｐとすると、
各パルス毎に光量を制御する場合にあっては、最終的な
積算露光量に誤差は最終パルスの強度バラツキ△Ｅ＝△
Ｐ・βとなるから、これが露光量制御の許容誤差に入る
様にすれば良い。

即ち、露光量制御精度をＡとすれば 又、（４）式より であるから、 の関係が成り立つ。

故に 又、βは１以下である為、 よって、（６），（７）式を満足する整数値ｍを求
め、露光パルス数を決定するとともに平均減光率β（即
ち平均光量値Ｐβ）を決定すれば良い。

一例として、１パルスの平均エネルギーＰが2mJ/cm²,
適正露光量が153mJ/cm²,N_minを50パルスとすると、適正
露光制御のみの場合に必要なパルス数は77パルスとなる
が、ｍ・N_minが50の整数倍でなければならないことか
ら、ｍ＝２、即ち100パルスで露光を行う様になる。こ
の時の平均減光率βは0.765となる。又、１パルスの露
光エネルギーのバラツキを±10％とすれば、△Ｐは±0.
2mJ/cm²となりβ・△Ｐ＝±0.153mJ/cm²となる。

続いて、ステップ102で高速減光部13の減光率をβに
設定し、ステップ103でパルスカウンターｎ及び光量モ
ニタ部26の積算光量に対応する値S_aを、それぞれN_exp及
び零に設定する。

そして、次のステップ104でパルスカウンタの値が零
であるか否か判断し、零でなければ、ステップ105に進
んで、トリガ制御部９からトリガ信号を光源10に送って
１パルスを発光させるとともに、受光素子24で発光した
パルスの実際の光量に対応する値P_aを検出する。続く、
ステップ106では光量モニタ部26における積算光量の設
定をS_a＋P_aとするとともに、パルスカウンタの設定をｎ
−１とする。

次に、ステップ107で、（８）式に従って第２演算手
段で先のステップ101で決定した平均光量値Ｐβによっ
て与えられるべき目標積算光量を求めるとともに、第３
演算手段で目標積算光量と実測した積算光量の差分Ｄを
求める。

Ｄ＝（N_exp−ｎ）・Ｐ・β−S_a …（８） そして、この差分Ｄに基づいて次のパルスにおける減
光率をβ_ｎを（９）式によって決定する。

但し、各パルス光の露光エネルギーのバラツキをａ％
とした時に、β_ｎ＞１−a/100である場合には、β_ｎ＝
１−a/100（最大透過率）とする。

次に、ステップ109において、光量制御部14によって
高速減光部13に減光率を前のステップ108で決定したβ
_ｎに設定し、ステップ104に戻る。このステップ104で前
述したと同様にパルスカウンターの値が零であるか否か
判断し、零でなければステップ105に進んで前述したと
同様に動作を行なって再びステップ104に戻り、零であ
れば露光動作を終了する。

次に、第10図のパルス数と積算露光量の関係を示すグ
ラフを用いて本実施例における露光量制御の状態を説明
する。第10図は８パルスで露光が終了する場合を示して
おり、横軸がパルス数、縦軸が積算露光量である。

図において、二点鎖線で示した直線はステップ101で
決定した平均光量値のパルス光によって与えられるべき
積算光量の目標値を示しており、本発明ではこの目標値
に添って露光が行なわれるように各パルス光毎に光量を
制御する。

第１発目のパルス光がP₁という露光量を目標として発
光され、発光後の実際に検出された露光量がＰ′_１であ
ったとすると、第２発目は目標露光量2P₁とＰ′_１の差
（2P₁−Ｐ）＝P₂の光量に設定されて発光が行なわれる
ことになる。

同様に、２発目の光量の実測値がＰ′_２であったとす
ると第３発目は3P₁−P₁′−P₂′に設定された光量で発
光を行う。これをくり返してゆくことにより二点鎖線の
目標ラインからのずれが少ない状態で８パルス目で露光
が完了する。最終的な制御精度（適正露光量に対する誤
差）は８パルス目の光量誤差となる。

なお、上記の例では次のパルス光を設定する場合に、
次のパルス光が発光したあとの積算露光量の目標値と過
去の積算光量の差から次のパルスの光量を設定したが、
パルス毎のばらつき方に何らかの傾向がある場合には、
単位パルス毎の目標値と単位パルス毎の実測値の比を過
去の複数パルスに対して平均し、目標値をこの比の平均
値で除算したもので新たな目標値を設定しても良い。

また、上記の実施例では、光源から発振されるパルス
エネルギーが可干渉性のレーザ光である場合について述
べたが、露光装置の光源が非干渉性のパルス光を射出す
る場合や、例えばｘ線等の光以外のパルスエネルギーを
射出する場合には、スペックルの低減ということについ
ては考慮する必要がないので、パルスエネルギーの変動
範囲と許容制御精度に基づいて必要パルス数を定め、こ
の必要パルス数と最適露光量の値から各パルス毎の目標
値を設定すれば良い。即ち、最終的な適正露光量に対す
る誤差は最終パルスの誤差によって決まるわけであるか
ら、１パルスのばらつきが許容誤差内に入るように１パ
ルスのエネルギー量を設定すれば良い。

［発明の効果］ 以上のように、本発明においては１ショットの露光中
に射出されるパルス数が予め設定された一定の値となっ
ているとともに、各パルス毎に露光量制御が行なわれる
ので、干渉パターンをパルス毎に移動させて平滑化する
上で好都合であり、かつ、必要最低限のパルス数で露光
が行われるので生産性の向上を図ることができる。又、
露光量制御が１パルス毎に行なわれることから、従来に
比較してより正確に光量（エネルギー量）の制御ができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による露光装置の構成を示す
図、第２図は高速減光部の一例を示す構成図、第３図は
第２図の構成により減光を行う場合の説明図、第４図は
オプチカルインテグレーターとしてのフライアイレンズ
と入射ビームの関係を模式的に示す図、第５図は高速減
光部の別の例を示す構成図、第６図及び第７図は第５図
の構成により減光を行なう場合の説明図、第８図はさら
に別の高速減光部の例を示す構成図、第９図は第１図に
示された実施例の動作を示すフローチャート図、第10図
は第１図に示さた実施例における露光量制御の様子を示
すグラフである。 ［主要部分の符号の説明］ Ｒ……レチクル Ｗ……ウエハ PL……投影レンズ ８……主制御系 10……光源 13……高速減光部 14……光量制御部 20……スペックル低減部 22……スペックル制御部 26……光量モニタ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−110722（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−190333（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−81420（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−257327（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/20

Claims (27)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発振のたびに所定の範囲内で光量変動を伴
   う可干渉性のパルス光を射出する光源と、該パルス光を
   第１物体に照射する照射光学系とを備え、複数のパルス
   光の照射によって前記第１物体に形成されたパターンを
   所定の露光量で感光性の第２物体に転写する装置にあっ
   て、前記第２物体への露光量を前記所定の露光量に制御
   する露光制御装置において、 前記第１物体、又は前記第２物体上に生じる干渉パター
   ンを、前記パルス光の照射毎に移動させて平滑化するた
   めに必要な必要パルス数と、前記所定の露光量に応じた
   値とに基づいて、各パルス光の平均光量値を予め決定す
   る第１演算手段と、 前記平均光量値のもとで前記パルス光を照射したときに
   前記第２物体へ与えられるべき目標積算光量に対応した
   目標値を、前記必要パルス数の各パルス毎に決定する第
   ２演算手段と、 前記第２物体へ与えられた実際の積算光量に対応した実
   測値を検出する光量計測手段と、 先行して照射されたパルス光によって得られた前記実測
   値と、それに対応した前記目標値との差分を算出する第
   ３演算手段と、 前記算出された差分に応じた値だけ、次に照射すべきパ
   ルス光の光量を前記平均光量値から補正して調整する光
   量調整手段とを備えたことを特徴とする露光制御装置。
2. 【請求項２】発振のたびに所定の範囲内でエネルギー変
   動を伴うパルスエネルギーを射出するエネルギー源と、
   該パルスエネルギーを第１物体に照射する照射系とを備
   え、複数のパルスエネルギーの照射によって前記第１物
   体に形成されたパターンを所定の露光量で感光性の第２
   物体に転写する装置にあって、前記第２物体への露光量
   を前記所定の露光量に制御する露光制御装置において、 前記パルスエネルギーのエネルギー変動の範囲と前記所
   定の露光量に対する許容制御精度とによって定められる
   必要パルス数と、前記所定の露光量に応じた値とに基づ
   いて、前記パルスエネルギーの照射のたびに前記第２物
   体に与えられるべき目標積算エネルギー量に対応した目
   標値を求める演算手段と、 先行して照射されたパルスエネルギーによって得られた
   実際の積算エネルギー量に対応した実測値を検出するエ
   ネルギー量計測手段と、 次のパルスエネルギーのエネルギー量を、次のパルスエ
   ネルギーの照射に対応して達成されるべき前記目標値
   と、それまでに計測されている前記実測値との差分に対
   応する如く調整するエネルギー量調整手段とを備えたこ
   とを特徴とする露光制御装置。
3. 【請求項３】前記エネルギー量調整手段として、前記パ
   ルスエネルギーを透過する透過部と前記パルスエネルギ
   ーを遮蔽する遮蔽部とからなる２枚の明暗格子を、前記
   実測値と前記目標値との差分に対応してそのピッチ方向
   に相対移動するように配置したことを特徴とする請求項
   ２記載の露光制御装置。
4. 【請求項４】前記エネルギー源として、所定の波長成分
   を含むパルス光を発振する光源を備え、前記エネルギー
   量調整手段として、２枚の平板をほぼ平行に保持したエ
   タロンを、前記実測値と前記目標値との差分に対応し
   て、前記パルス光の光軸に対する角度が変化するように
   配置したことを特徴とする請求項２記載の露光制御装
   置。
5. 【請求項５】前記エネルギー源として、所定の波長成分
   を含むパルス光を発振する光源を備え、前記エネルギー
   量調整手段として、２枚の回折格子をほぼ平行に保持し
   た透過型位相格子を、前記実測値と前記目標値との差分
   に対応して、前記２枚の回折格子がそのピッチ方向に相
   対移動するように配置したことを特徴とする請求項２記
   載の露光制御装置。
6. 【請求項６】パルス光をマスクに照射して、前記マスク
   のパターンを基板上に転写する露光方法において、 前記マスク又は前記基板上での照度むらを補正するため
   に必要なパルス数と、前記基板の感度特性とに応じて前
   記パルス光の平均強度を決定し、該平均強度のパルス光
   が前記基板に照射されるように前記パルス光の強度を調
   整する段階と、 前記マスクのパターンが転写される前記基板上の領域内
   の各点に、前記強度調整されたパルス光が前記必要パル
   ス数以上照射されるように前記パルス光の発振を制御す
   る段階とを含むことを特徴とする露光方法。
7. 【請求項７】パルス光をマスクに照射して、前記マスク
   のパターンを基板上に転写する露光方法において、 前記マスク又は前記基板上での照度むらを補正するため
   に必要なパルス数と、前記基板の感度特性とに応じて前
   記パルス光の平均強度を決定し、該平均強度のパルス光
   が前記基板に照射されるように前記パルス光の強度を調
   整し、 前記マスクのパターンが転写される前記基板上の領域内
   の各点での積算光量を均一化するために、前記基板に照
   射される前記パルス光の強度を微調整しながら前記マス
   クのパターンを前記基板に転写することを特徴とする露
   光方法。
8. 【請求項８】前記照度むらは、前記パルス光の照射によ
   って前記マスク又は前記基板上に形成される干渉パター
   ンに起因して発生し、前記基板上の各点に前記パルス光
   を照射している間に前記干渉パターンを移動することを
   特徴とする請求項６又は７に記載の露光方法。
9. 【請求項９】前記干渉パターンは前記パルス光の照射毎
   に移動されることを特徴とする請求項８に記載の露光方
   法。
10. 【請求項１０】前記パルス光の強度を調整するために、
    前記必要なパルス数と前記感度特性に対応する前記基板
    の適正露光量とに応じて、前記基板上の各点に照射する
    露光パルス数を決定し、該露光パルス数に基づいて前記
    パルス光の平均強度を決定することを特徴とする請求項
    ６〜９のいずれか一項に記載の露光方法。
11. 【請求項１１】前記露光パルス数は、前記パルス光の強
    度ばらつきを考慮して所定の露光量制御精度が得られる
    ように決定されることを特徴とする請求項10に記載の露
    光方法。
12. 【請求項１２】前記パルス光の強度調整は、前記パルス
    光の透過率を変更可能な減光部材によって行われること
    を特徴とする請求項10又は11に記載の露光方法。
13. 【請求項１３】前記基板上の各点に前記パルス光を照射
    している間、前記パルス光の照射で実際に与えられる積
    算光量と、これに対応して予め設定された目標積算光量
    とに基づいて、次に照射されるパルス光の強度を微調整
    することを特徴とする請求項６〜12のいずれか一項に記
    載の露光方法。
14. 【請求項１４】前記パルス光が照射されるたびにその強
    度を微調整することを特徴とする請求項13に記載の露光
    方法。
15. 【請求項１５】前記基板上での前記パルス光の強度に対
    応した値を検出し、この検出値を積算して前記積算光量
    を求めることを特徴とする請求項13又は14に記載の露光
    方法。
16. 【請求項１６】光源から射出されるパルスエネルギーを
    マスクに照射する照明系を有し、前記マスクを介して複
    数のパルスエネルギーで感光基板を露光する装置におい
    て、 前記感光基板上の露光領域内の各点に照射すべき前記パ
    ルスエネルギーの露光パルス数から決定される平均強度
    のパルスエネルギーによって前記感光基板の露光を開始
    するために、前記決定される平均強度に基づいて前記照
    明系内での前記パルスエネルギーの透過率を調整する第
    １調整手段と、 前記感光基板上の各点に前記パルスエネルギーを照射し
    ている間、前記パルスエネルギーの照射によって前記感
    光基板に与えられる露光量と、これに対応して予め設定
    された目標露光量とに基づいて、次に照射されるパルス
    エネルギーの強度を微調整する第２調整手段とを備えた
    ことを特徴とする露光装置。
17. 【請求項１７】前記第１調整手段は、前記感光基板の適
    正露光量と前記パルスエネルギーの強度ばらつきとを考
    慮して所定の露光量制御精度が得られるように、前記露
    光パルス数を決定することを特徴とする請求項16に記載
    の露光装置。
18. 【請求項１８】前記第１調整手段は、前記パルスエネル
    ギーの照射によって前記マスク又は前記感光基板上に干
    渉パターンが生じる場合、前記露光パルス数を、前記干
    渉パターンのビジビリティを所定精度まで低減させるの
    に必要なパルス数以上に設定することを特徴とする請求
    項16又は17に記載の露光装置。
19. 【請求項１９】光源から射出されるパルスエネルギーを
    マスクに照射する照明系を有し、前記マスクを介して複
    数のパルスエネルギーで感光基板を露光する装置におい
    て、 前記パルスエネルギーの強度ばらつき、前記感光基板の
    適正露光量、及び該適正露光量に対する制御精度に応じ
    て決まる露光パルス数に基づいて前記パルスエネルギー
    の平均強度を決定し、該平均強度のパルスエネルギーに
    よって前記感光基板の露光を開始するために、前記照明
    系内での前記パルスエネルギーの透過率を調整する第１
    調整手段と、 前記感光基板上の露光領域内の各点での露光量を均一化
    するために、前記感光基板上の各点に照射される前記パ
    ルスエネルギーの強度を微調整する第２調整手段とを備
    えたことを特徴とする露光装置。
20. 【請求項２０】前記第１調整手段は、前記パルスエネル
    ギーの照射によって前記マスク又は前記感光基板上に干
    渉パターンが生じる場合、前記露光パルス数を、前記干
    渉パターンのビジビリティを所定精度まで低減させるの
    に必要なパルス数以上に設定することを特徴とする請求
    項19に記載の露光装置。
21. 【請求項２１】光源から射出されるパルスエネルギーを
    マスクに照射する照明系を有し、前記マスクを介して複
    数のパルスエネルギーで感光基板を露光する装置におい
    て、 前記パルスエネルギーの照射によって前記マスク又は前
    記感光基板上に生じる干渉パターンのビジビリティを所
    定精度まで低減させるのに必要なパルス数、及び前記感
    光基板の適正露光量に基づいて前記パルスエネルギーの
    平均強度を決定し、該平均強度のパルスエネルギーによ
    って前記感光基板の露光を開始するために、前記照明系
    内での前記パルスエネルギーの透過率を調整する第１調
    整手段と、 前記感光基板上の露光領域内の各点での露光量を均一化
    するために、前記感光基板上の各点に照射される前記パ
    ルスエネルギーの強度を微調整する第２調整手段とを備
    えたことを特徴とする露光装置。
22. 【請求項２２】前記第２調整手段は、前記照明系内で分
    岐される前記パルスエネルギーの一部を受光する光電素
    子を有し、該光電素子の出力に基づいて前記パルスエネ
    ルギーの強度を微調整することを特徴とする請求項16〜
    21のいずれか一項に記載の露光装置。
23. 【請求項２３】前記照明系はオプチカルインテグレータ
    を有し、該カプチカルインテグレータから射出される前
    記パルスエネルギーの一部を前記光電素子で受光するこ
    とを特徴とする請求項22に記載の露光装置。
24. 【請求項２４】前記パルスエネルギーの照射によって前
    記マスク又は前記感光基板上に生じる干渉パターンを移
    動する照度均一化手段を更に備え、前記干渉パターンの
    移動を前記露光パルス数の間に繰り返すことを特徴とす
    る請求項16〜23のいずれか一項に記載の露光装置。
25. 【請求項２５】前記照明系はオプチカルインテグレータ
    を有し、前記第１調整手段は、前記光源と前記オプチカ
    ルインテグレータとの間に配置され、前記パルスエネル
    ギーの透過率を調整する減光部材を有することを特徴と
    する請求項16〜24のいずれか一項に記載の露光装置。
26. 【請求項２６】前記第２調整手段は、前記感光基板上の
    各点に前記パルスエネルギーが照射されるたびにその強
    度を微調整することを特徴とする請求項16〜25のいずれ
    か一項に記載の露光装置。
27. 【請求項２７】前記光源として、エキシマレーザ光、又
    は紫外レーザ光、あるいはＸ線を発生するパルス光源で
    あることを特徴とする請求項16〜26のいずれか一項に記
    載の露光装置。