JP3064367B2

JP3064367B2 - 投影光学装置、露光方法、および回路製造方法

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Publication number: JP3064367B2
Application number: JP2250288A
Authority: JP
Inventors: 昌治川久保; 哲夫谷口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1990-09-21
Publication date: 2000-07-12
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JPH04130711A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、半導体集積回路製造等に用いられる投影光
学系を備えた露光装置等において、マスクの特性に基く
結像特性の変化を補正して結像特性を向上させた投影光
学装置に関するものである。

［従来の技術］近年、半導体集積回路のパターンが微細化するに伴な
い、環境（大気圧、温度、湿度等）の変化や露光光吸収
等による投影光学系の結像特性の変化を補正する必要が
生じてきた。

従来の投影光学装置における結像特性の補正手段とし
ては、環境変化等をモニターするセンサの出力に基づい
て光学系自体の変動量を演算し、それに基づいて結像特
性を補正するものがある。

例えば「特開昭60−78454号」では、上記演算値に応
じて投影レンズの結像特性の変化を補正するため、投影
レンズ内の一部のレンズ間隔を密閉し、その空気圧力を
変動させて、倍率、焦点位置等の結像特性を補正する方
法が開示されている。また、投影レンズを構成するレン
ズ・エレメンントの一枚または複数のレンズエレメント
を３次元的（水平面に対する２次元傾斜も含む）に駆動
することにより、倍率、像面歪面、焦点位置等の結像特
性を補正する方法が提案されている。

一方、大気圧の変化による投影光学系自体の結像特
性、特に焦点変動を補正する方法としては、例えば「特
開昭61−183928号公報」に示されるように、投影光学系
の最良結像面とウエハ表面とのずれを検出する斜入射光
方式の焦点検出系に対し、上記変化による投影光学系の
結像面の変動量を演算にて求めてオフセットを与えるも
ので、１ショット毎に焦点検出系を用いて結像面とウエ
ハ表面とを一致させながらパターン露光を行っている。

［発明が解決しようとする課題］上記の従来の技術では、結像特性を変動させる要因と
しては、主に投影レンズに影響を及ぼすもののみが考慮
され、その原因として大気圧、チャンバー温度変化、投
影レンズの露光光線の吸収等が考えられていた。

しかし、近年、集積回路のパターンが微細化するにし
たがい、マスク自体の影響によるものが問題となってき
た。ここで、マスクとは回路パターンが形成されたガラ
ス基板と、この基板面への異物の付着を防止するための
ペリクル（もしくはカバーガラス）とを指しており、以
下の説明においては、ガラス基板（以下レチクルと呼
ぶ）とペリクルとを分けて考えることにする。

上記の影響の一例としては、まずレチクル自体の微小
な変形や、レチクルの厚みと材質（屈折率）等が考えら
れ、これらが結像特性に与える影響が問題となってい
る。

一方、近年露光エリアの面積が拡大しており、これに
伴なってレチクルのサイズ（パターンが形成されている
領域）も大きくなっている。このためレチクルの自重に
よるたわみが無視できなくなっており、レチクル（ガラ
ス基板）の厚み、あるいは剛性率の相違等が結像特性の
変動を発声させる場合もある。

さらに、レチクルのパターンの微細化に伴ないレチク
ル上の微細なゴミを無視できなくなり、ペリクル（異物
付着防止膜）を具備したレチクルを使用する場合があ
る。

このようなチレクルを使用して投影露光する場合、ペ
リクル自体の屈折率が空気と異なるため、ペリクルの有
無、もしくは種類、製造誤差等により、倍率、焦点位
置、像面歪曲等の結像特性に変動が生じる要因となる場
合がある。

これを第３図を用いて説明する。第３図（Ａ）はペリ
クルが装着されていない状態のレチクルの場合であり、
レチクル側が非テレセントリックな光学系の場合を示
す。レチクル51の下面にはパターン52が形成されてお
り、主光線54,55により投影レンズ50を介してその像が
投影される。

第３図（Ｂ）はペリクル57がペリクル取付枠56を介し
て装着されたレチクルの場合である。ここで、通常ペリ
クルはレチクルの上下に取り付けられるが、この例は下
側のみを示している。この図を誇張して示す様にペリク
ル57の屈折率が空気中と異なるため、主光線54,55は点
線54′,55′で示した光路となり、ペリクル無しの場合
の光路とは異なる光路を主光線が進むため、光学系の結
像特性に変化が生ずる。

また、ペリクルとレチクルとの間の空間が密封されて
いるため、周囲の大気圧の変動に応じてペリクルが変形
したり、密封されている空気の圧力変化に基く屈折率の
変化により、結像特性に影響を及ぼす場合がある。

これを第３図（Ｃ）に示す。この図では、ペリクル取
り付け時の大気圧より現在の大気圧が低くなった例を誇
張して示しており、この影響でペリクル膜57′は下側へ
脹らんでいる。このため主光線54,55は、点線54″,55″
で示した光路になり第３図（Ａ）の光路からずれ、結像
特性に大きな影響を与えることとなる。これらは、特に
レチクル側が非テレセントリック系な光学系を使用する
投影光学装置に大きな影響を与える。

前記の従来技術ではこれらの点が考慮されてないた
め、マスクの特性、即ちレチクルの種類（材質）・厚さ
・剛性率（たわみ）、ペリクルの有無，或は変形等によ
る結像特性の変動を補正できないという問題点があっ
た。

このため上記のように、同一の投影光学系を用いた露
光装置でも、使用するマスクの諸特性により結像特性に
変化をきたし、さらに、同一マスクを使用しても露光装
置（投影光学系）の機種により結像特性への影響が異な
るため、マスク、露光装置の機種を厳密に選ばなければ
良好な重ね合せ精度が得られない。

本発明は、これらの問題に鑑みてなされたもので、マ
スクの諸特性（マスクの変形）に関わらず所望の結像状
態が得られる投影光学装置、および露光方法を提供する
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記問題点の解決の為に本発明では、所定のパターン
が形成されたマスク（Ｒ）を照明し、該パターンの像を
被投影基板（Ｗ）上に結像させる投影光学装置におい
て、そのマスクのパターンの像をその被投影基板上に投
影する投影光学系（６）と、そのマスクの変形に関する
データに基づいて投影光学系（６）を介して形成される
パターン像の結像状態を調整する調整手段（14、15）と
を備えるようにしたものである。また本発明は、マスク
（Ｒ）のパターンの像を投影光学系（６）を介して被投
影基板（Ｗ）上に投影することによりその被投影基板を
露光する露光方法において、そのマスクの変形に関する
データに基づいて投影光学系（６）の結像特性を調整す
るようにしている。

［作用］本発明によれば、投影光学系を介して形成されるパタ
ーン像の結像状態に影響を与えるマスクの諸特性データ
のうちマスクの変形に関するデータに基づいて結像状態
の調整をするようにしたので、マスクの変形によるパタ
ーン像の結像状態への影響を小さくすることができる。
例えば、マスクの変形に関するデータ（数式やテーブ
ル）を予め記録しておけば、その記録をもとに結像状態
の変動を補正するための補正量を算出し、その補正量に
基づいて調整手段を使ってターン像の結像状態を調整す
ることができるので、常に所望の結像状態でパターン像
を被投影基板上に投影することができる。

ここで、マスクの特性データとしては、マスクを構成
するレチクルの厚み、剛性率もしくはガラス基板の種類
等の少なくとも一つ以上が考えられる。

さらに、マスクの特性データには、使用するレチクル
におけるペリクルの有無、並びにペリクル付きの場合に
は、そのペリクルの厚み、屈折率、張力、ペリクル取付
け時の大気圧等の少なくとも一つ以上が考えられる。

この場合、マスクの特性データとしては、上記の個々
のデータの代りにレチクル若しくはペリクルの種類とし
て記録させることもでき、露光波長に応じて記録させて
おくことが望ましい。

このように本発明においては、マスクの特性に基づい
て投影光学系の結像特性を結像特性調整手段でフィード
バック・コントロールしているため、マスク特性の結像
特性への影響をキャンセルすることができるので、常に
良好な結像状態を維持することができる。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

［実施例］第１図は、本発明の一実施例に係る縮小投影露光装置
の構成を示したものである。

この装置では、露光光源１からでた光線ILがシャッタ
ーを備えた光強度一様化照明部２を通過し、コンデンサ
レンズ３を介してミラー４で折りまげられ、レチクルス
テージ５に支持されたレチクルＲを照射する。

所定の回路パターンPAが描かれたレチクルＲを通過し
た照明光ILは片側（ウエハ側）テレセントリックな、投
影レンズ６を介してウェハＷ上にレチクルＲ（回路パタ
ーンPA）の像を結像する。

ウェハＷは、ウェハチャック７に真空吸着されてお
り、ウェハチャック７はモータ10によりＺ方向（光軸方
向）へ移動可能なＺステージ８上にある。

さらに、Ｚステージ８はモータ13により２次元移動可
能なXYステージ９に載置され、その位置はレーザ干渉計
11によって、例えば0.01μｍの分解能で常時検出され
る。

また、Ｚステージ８の端部には干渉計11からのレーザ
ビームを反射する移動鏡９が固定されている。

次に結像特性の補正機構の一例を説明する。

本実施例では、結像特性として、投影レンズ６の倍
率、焦点位置を考えている。基本的な補正機構は、「特
開昭60−78454号」、「特開昭61−183928号」と全く同
様なものであるので、以下簡単な説明を行なう。

投影レンズ６の倍率補正機構としては、投影レンズ６
中の空気室14の圧力を調整する方法がある。空気室14
は、倍率補正に適した２枚もしくは、それ以上のレンズ
間隔を密封したもので、空気室14内部の圧力はベローズ
ポンプ、弁等で構成された圧力制御部15により調整さ
れ、主制御系20から指示に従い最適な圧力に変更されて
保たれる。

次に焦点位置補正機構としては、投影レンズ６とウェ
ハＷとの距離を一定に保つ機構にオフセットを持たせる
方法による。

投影レンズ６とウェハＷとの距離を一定に保つ機構を
以下に説明する。LED等の光源，焦光レンズ等からなる
投光器16からウエハＷ上で結像するように光を照明し、
SPD等の受光素子、集光レンズ等からなる受光器17によ
り、ウェハＷからの反射光を受ける。

ウェハＷが所定位置からずれている場合、反射光がシ
フトし、ずれ量を検出することができる。ずれ量の信号
は主制御系20に送られ、主制御系20はウェハＷが所定位
置に来るまで、Ｚステージ８を光軸方向へ駆動するモー
ター10に信号を送り、常に投影レンズ６とウェハＷとの
間隔を一定に保つ。

ここで、焦点検出系16,17にオフセットを持たせる場
合は、反射光の光路を光学素子（プレーンパラレル等）
によりシフトさせるか、ずれ量の信号にオフセットを持
たせる等の方法で行なう。

また、主制御系20はセンサ19からの環境（大気圧等）
に関する情報とともに、記憶部18に格納されているレチ
クル及びペリクルの特性データを入力して投影レンズ６
の結像特性の変動量を算出し、この演算値に応じて圧力
制御部15、焦点検出系16,17に所定の指令を与える他、
装置全体を統括制御する。

次に本実施例の動作の説明を行なう。

第２図は、ペリクル21をペリクル支持枠22を介してレ
チクルＲの両面に装着したマスクの例である。

このようなペリクル21が装着されたレチクルＲを使用
する場合、ペリクル21の材質、厚さ、屈折率、張り具
合、ペリクル21を装着した時の大気圧、縮小投影露光装
置内で使用する時の縮小投影露光装置内の圧力等と、こ
れらが倍率、焦点位置等の結像特性にもたらす変動量と
の関係を実験もしくはシュミレーション等で求めておい
て、主制御系20の内部の記憶部18等にテーブルもしくは
数式の形で持たせておくとよい。上記のペリクル21の情
報をすべて使用あるいは記憶する必要はなく、精度上最
小限必要なものだけでよい。

そして、、ペリクル21のついたレチクルＲを使用する
時に、事前にレチクルＲ及びペリクル21の材質等の特性
データを記憶部18から読み出すとともに、縮小投影露光
装置内の大気圧等をセンサ19により検出して主制御系20
に入力し、環境変化、露光光吸収等による投影レンズ５
の結像特性の変動量と、レチクル及びペリクルの特性に
応じた結像特性の変動量とをそれぞれ算出して、これら
を合わせた倍率・焦点変動量を求める。

尚、予めレチクル毎にペリクルの有無、さらにはその
特性データに基づいて結像特性の変動量を算出して記憶
部18に登録しておき、該当するレチクルを使用するとき
に記憶部18から呼び出す方法も考えられる。この場合に
はレチクルにバーコードを付しておき、そのバーコード
を読み取ることにより対応する変動量を記憶部18から読
み出すようにすれば良い。また、レチクル及びペリクル
の特性データ（あるいは結像特性変動量）をバーコード
としてはレチクルに書き込んでおいても構わない。

さて、倍率変化に対しては、空気室14の内部圧力と外
気の圧力との差圧と倍率が比例することにより、倍率変
化を打ち消すような差圧を空気室14に与えてやればよ
い。この比例定数も、あらかじめ求めておいて記憶部18
データとして持ち、主制御系20は空気室14の目標圧力を
算出し、圧力制御部15に出力する。そして圧力制御部15
は、空気室14が常に目標圧となるように制御する。

一方、焦点位置に関しては、主制御系20は焦点変動に
ウェハＷ面が追従するように、オフセット信号を受光器
17に出力する。

以上の方法によりペリクルを具備したレチクルによる
倍率、焦点変動を補正できる。

本実施例では、マスクの特性の内、レチクルＲ、ペリ
クル21の特性から結像特性の計算を行なったが、レチク
ルＲのガラスの厚みと剛性によって自重によるレチクル
Ｒのたわみ量が異なるため、ペリクル21の特性同様に結
像特性に影響を与える場合がある。このため、本実施例
と同様な方法によりレチクルＲのたわみ量に伴なう結像
特性の変化も補正を行なうことが望ましい。

さらに、本実施例では補正機構としては、倍率につい
ては投影レンズ内の空気室14の圧力調整により、また、
焦点位置については焦点検出系16,17に光学的または電
気的にオフセットを持たせることによる方法を例として
あげたが、他の方法で補正を加えるものでもよい。

例えば、投影レンズ６を構成するレンズ，エレメント
の一枚または複数のレンズエレメントもしくはレチクル
を３次元的に駆動する方法、レチクルと投影レンズの間
隔をかえる方法、投影レンズの上方または下方に２枚の
平行平板ガラスを置き内部の圧力を変える方法等が考え
られる。

本実施例では、補正する結像特性として、倍率と焦点
位置とを考えたが、他にも像面湾曲、ディストーション
等を、倍率・焦点位置と同時に補正することも考えられ
る。この場合、補正項目ごとに独立して補正できる機構
が必要となる。

例えばディストーションについては、レチクルを水平
面に対して傾斜させる。もしくは投影レンズの一部のレ
ンズエレメントを傾斜または水平面内でシフトさせれば
良い。

また、本実施例では片側にテレセントリックな投影光
学系について述べたが、ディストーション補正のために
レチクルを傾斜させる場合には、両側テレセントリック
な投影光学系であっても、レチクル・ペリクルの特性に
応じて結像特性が変動し得るので、上記実施例と同様の
動作（ただし、さらにレチクルの傾斜量を考慮する）で
結像特性を補正することが望ましい。

また、本実施例では露光時の投影光学系の結像特性に
ついて述べたが、TTR（Throgh The Reticle）式のアラ
イメントセンサー（アライメント波長は露光波長、非露
光波長のいずれでも良い）に対しても本発明を適用する
ことができ、レチクルやペリクルの特性に応じたアライ
メント誤差をほぼ零とすることができる。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、マスクの諸特性による
結像特性の変動を補正機構により補正するため、マスク
の諸特性による影響が結像特性に及ばないという効果が
ある。

このため、マスクの種類によらず常に良好な結像状態
を保ったまま投影が行える利点がある。

さらに、もともと補正機構を備えた装置については、
大きな改造をすることなく、低コストで簡単に実現でき
る効果がある。

加えて、複数主のマスクを交換して使用する場合、あ
るいは露光装置の種類が異なる場合においても良好な重
ね合せ精度が得られる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を縮小投影露光装置に応用し
た場合の装置の概略構成を示す説明図、第２図はペリクルを具備したレチクルの一例を示す説明
図、第３図（Ａ）〜（Ｃ）はペリクルが結像特性に影響を与
える様子を示した説明図である。［主要部分の符号の説明］Ｒ……レチクル、Ｗ……ウェハ、１……光源、６……投
影光学系、14……空気室、20……主制御系、21……ペリ
クル、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のパターンが形成されたマスクを照明
し、該パターンの像を被投影基板上に結像させる投影光
学装置において、前記マスクのパターンの像を前記被投影基板上に投影す
る投影光学系と、前記マスクの変形に関するデータに基づいて前記投影光
学系を介して形成されるパターン像の結像状態を調整す
る調整手段と、を備えたことを特徴とする投影光学装置。
【請求項２】前記マスクの変形は、前記マスクのたわみ
を含むことを特徴とする請求項第１項に記載の投影光学
装置。
【請求項３】前記マスクの変形に関するデータは、前記
マスクの厚みのデータを含むことを特徴とする請求項第
１項または第２項に記載の投影光学装置。
【請求項４】前記マスクの変形に関するデータは、前記
マスクの剛性のデータを含むことを特徴とする請求項第
１項または第２項に記載の投影光学装置。
【請求項５】前記マスクの変形に関するデータは、前記
マスクの材質に関するデータを含むことを特徴とする請
求項第１項または第２項に記載の投影光学装置。
【請求項６】前記調整手段は、前記投影光学系中の所定
の密封空間の圧力を調整することにより前記結像状態の
調整を行うことを特徴とする請求項第１項から請求項第
５項のいずれか一項に記載の投影光学装置。
【請求項７】前記調整手段は、前記投影光学系を構成す
る一部のレンズを動かすことにより前記結像状態の調整
を行うことを特徴とする請求項第１項から第５項のいず
れか一項に記載の投影光学装置。
【請求項８】前記調整手段は、前記マスクを移動させる
ことにより前記結像状態の調整を行うことを特徴とする
請求項第１項から第５項のいずれか一項に記載の投影光
学装置。
【請求項９】前記調整手段は、前記投影光学系の前側ま
たは後側にガラス平板を配置することにより前記結像状
態を調整することを特徴とする請求項第１項から第５項
のいずれか一項に記載の投影光学装置。
【請求項１０】前記調整手段による結像状態の調整は、
前記被投影基板上に投影される前記マスクのパターン像
の焦点合わせを含むことを特徴とする請求項第１項から
第９項のいずれか一項に記載の投影光学装置。
【請求項１１】前記マスクの変形に関するデータを記憶
する記憶部を有し、該記憶部に記憶されたデータに基づ
いて、前記調整手段を制御する制御手段をさらに備えた
ことを特徴とする請求項第１項から第10項のいずれか一
項に記載の投影光学装置。
【請求項１２】前記制御手段は、前記記憶部に記憶され
たデータに基づいて、前記結像特性の変動を前記調整手
段により補正するための補正データを算出し、該算出さ
れた補正データに基づいて前記調整手段を制御すること
を特徴とする請求項第11項に記載の投影光学装置。
【請求項１３】請求項第１項から第12項のいずれか一項
に記載の装置を用いる回路製造方法。
【請求項１４】マスクのパターンの像を投影光学系を介
して被投影基板上に投影することにより前記被投影基板
を露光する露光方法において、前記マスクの変形に関するデータに基づいて、前記投影
光学系の結像特性を調整することを特徴とする露光方
法。
【請求項１５】前記結像特性は像面湾曲を含むことを特
徴とする請求項第14項に記載の方法。
【請求項１６】前記結像特性は焦点位置を含むことを特
徴とする請求項第14項に記載の方法。