JP3230101B2

JP3230101B2 - 投影露光装置及び方法、並びに素子製造方法

Info

Publication number: JP3230101B2
Application number: JP05135292A
Authority: JP
Inventors: 一明鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-03-10
Filing date: 1992-03-10
Publication date: 2001-11-19
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: JPH05259033A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路や液晶
表示素子製造用の投影露光装置に関し、特に露光用光源
としてエキシマレーザ等のパルス光源を備えた投影露光
装置の露光量制御や照度均一化制御に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等の回路パターン形成には、
一般にフォトリソグラフィと呼ばれる工程が必要であ
る。この工程では通常、レチクル（マスク）パターンを
半導体ウエハ等の基板上に転写する方法が採用される。
基板上には感光性のフォトレジストが塗布されており、
照射光像、すなわちレチクルパターンの透明部分のパタ
ーン形状に応じて、フォトレジストに回路パターンが転
写される。一般に投影露光装置（例えばステッパー）で
は、レチクル上に描画された転写すべき回路パターンの
像が、投影光学系を介して基板（ウエハ）上に投影、結
像される。

【０００３】また、レチクルを照明するための照明光学
系中には、フライアイレンズ等のオプチカルインテグレ
ータが使用されており、レチクル上に照射される照明光
の強度分布がほぼ均一化される。この均一化を最適に行
うため、フライアイレンズを用いる場合には、レチクル
側焦点面（射出面側）とレチクル面（パターン面）とは
ほぼフーリエ変換の関係で結ばれており、さらにレチク
ル側焦点面と光源側焦点面（入射面側）ともフーリエ変
換の関係で結ばれている。従って、レチクルのパターン
面とフライアイレンズの光源側焦点面（正確にはフライ
アイレンズの個々のレンズの光源側焦点面）とは、結像
関係（共役関係）で結ばれている。このため、レチクル
上ではフライアイレンズの各光学エレメント（２次光
源）からの照明光がコンデンサーレンズ等によってそれ
ぞれ加算（重畳）されることで平均化され、レチクル上
の照度均一性を良好にすることが可能になっている。

【０００４】以上のことは、現在露光用光源として一般
的に用いられている高圧水銀ランプであっても、最近注
目を集めているＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザのような
パルスレーザ光源であっても原理的には変わらない。但
し、パルスレーザを光源とした投影露光装置では、レー
ザ光がパルス毎に±１０％程度のばらつきを有している
上、レチクル（またはウエハ）面上にはレーザ光の持つ
可干渉性による規則的な干渉パターン、さらに照明光学
系内の傷、ゴミ、面不良等によって生じる位相の異なっ
た多数の光束が重なった不規則な干渉パターン（スペッ
クル）が発生し、これらによりレチクル面には照度むら
が生じ得る。そこで、例えば特開昭６３−３１６４３０
号公報、特開平１−２５７３２７号公報等に開示された
手法を用い、複数パルスによる干渉パターンの平滑化
（照度均一化）と所望の露光量制御精度とを達成するこ
とが提案されている。

【０００５】ところで、最近ではレチクルの回路パター
ンの透過部分のうち、特定の部分からの透過光の位相
を、他の透過部分からの透過光の位相よりπ(rad) だけ
ずらす、いわゆる位相シフトレチクルが、例えば特公昭
６２―５０８１１号公報等で提案されている。この位相
シフトレチクルを使用すると、従来よりも微細なパター
ンの転写が可能となる。ところが、位相シフトレチクル
については、その製造工程が複雑になる分コストも高
く、また検査及び修正方法も未だ確立されていないの
で、多くの問題が残されている。

【０００６】そこで、位相シフトレチクルを使用しない
投影露光技術として、レチクルの照明方法を改良するこ
とで転写解像力を向上させる試みがなされている。その
１つの照明方法として、照明光学系の瞳面（フーリエ変
換面）、すなわちフライアイレンズの射出側焦点面近傍
に輪帯状の開口絞り（空間フィルター）を配置し、照明
光学系の光軸の回りに分布する照明光束を部分的にカッ
トして照明光束の光量分布を輪帯状に規定することで、
レチクルパターンに達する照明光束に一定の傾斜を持た
せる方式（輪帯照明法）が提案されている。さらに高解
像力、大焦点深度の投影露光を達成するため、フライア
イレンズの射出側焦点面近傍に照明光学系の光軸に対し
てほぼ対称な２つの開口を有する絞りを配置し、レチク
ルパターンの周期性に対応して特定方向から照明光束を
所定角度だけ傾斜させて照射する方式（傾斜照明法）も
提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の如
き傾斜照明法を採用する場合、特に光源がエキシマレー
ザのようなパルスレーザであると、パルス毎にそのエネ
ルギー量（光量）や光強度分布が変動する上、機械的な
振動等によって照明光路中でのビーム位置（重心位置）
がその断面方向に微小シフトし得るので、上記２つの開
口部（２次光源）の各々から射出される１パルス毎の光
量、さらにはその積算値が互いに異なることになる。こ
のため、レチクル面（またはウエハ面）上の１点に集ま
る各々の照明光束の光量が片寄る、すなわち照明光学
系、または投影光学系の光軸に関してほぼ対称的に傾い
てレチクルパターンに達する複数の照明光束の光量（積
算値）の各々が大きくばらつき、ウエハに対して良好な
パターン形成を行うことができないという問題が生じ得
る。

【０００８】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
であり、通常のレチクルを使用しても高解像度、大焦点
深度が得られるとともに、照度均一性に優れ、かつエキ
シマレーザに代表されるパルスレーザを光源として使用
する場合にも良好なパターン形成が可能な投影露光装置
を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる問題点を解決する
ため本発明においては、照明光学系中のマスクパターン
に対する光学的なフーリエ変換面、もしくはその近傍面
内で、照明光学系の光軸から偏心した離散的な少なくと
も２つの位置の各々に規定される複数の部分領域（すな
わち複数のフライアイレンズの各射出面（２次光源像）
に相当）の各々から射出されるパルス光の光量を個別に
計測し、この計測されたパルス光の光量の積算値が、複
数の部分領域（フライアイレンズ）の各々でほぼ等しく
なるように、複数の部分領域の各々を通過する各パルス
光の光量を、単位パルス数毎に調整することとした。さ
らにパルス光源が可干渉性のパルス光を発生する場合に
は、フライアイレンズへの入射角度をパルス毎に微小変
化させることで、干渉縞のコントラストの低減化も行う
こととした。また、部分領域毎の通過光量の積算値が、
所定の露光量（パターン露光時の適正露光量）に対応し
た目標積算光量値ともほぼ一致するように、上記光量調
整と並行して光源から射出されるパルス光の光量調整も
適宜行うこととした。

【００１０】

【作用】本発明では傾斜照明法を採用するにあたって、
照明光学系の瞳面（フーリエ変換面）、もしくはその近
傍面内に規定される少なくとも２つの部分領域（例えば
フライアイレンズの射出面）の各々から射出されるパル
ス光の光量の各積算値を互いにほぼ等しくするものとし
た。このため、照明光学系、または投影光学系の光軸に
関してほぼ対称的に傾いてマスクのパターンに達する複
数の照明光束の各積算光量値がほぼ等しくなり、感光基
板に対して良好なパターン形成を行うことが可能にな
る。さらにフライアイレンズへの入射角度をパルス毎に
微小変化させることで、可干渉性のパルス光の照射によ
り生じる干渉縞のコントラストを低減してマスク（また
は感光基板）面での照度均一性も向上させることが可能
となる。また、先の部分領域毎の通過光量の積算値が目
標積算光量値ともほぼ一致するので、マスク（または感
光基板）へ与える各積算光量の合計値（露光量）が適正
値、ないしは所定の許容範囲内となり、所望の露光量制
御精度までも達成することができる。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の第１の実施例による投影露
光装置（ステッパー）の概略的な構成を示す図であっ
て、本実施例では光分割器として２個の多面体プリズム
（図３）を使用したものである。また、ここでは露光用
光源として、特に遠紫外域の可干渉性のパルス光（Ａｒ
Ｆ、ＫｒＦエキシマレーザ等）を射出するパルスレーザ
光源を用いるものとする。尚、可干渉性のパルス光以
外、例えば非干渉性のパルス光を用いても良い。

【００１２】図１において、レーザ制御装置３２は次に
照射すべきパルス光のエネルギー量（光量）に対応する
レーザ光源１の高圧放電電圧（印加電圧、または充電電
圧に対応）を制御するものであって、ここではパルス毎
にその光量の調整を行う。さらに光源１にて必要な所定
の充電時間が経過した後、外部トリガパルスを光源１に
送ってその発振（パルス数、発振間隔等）も制御する。
ここで制御装置３２は、露光装置本体用の主制御系３１
からの指令に基づいて上記制御を行うが、例えば特開平
２−２９４０１３号公報等に開示されているように、主
制御系３１と制御装置３２とによって露光装置本体とレ
ーザ光源１との協調制御を行うこともできる。

【００１３】さて、パルスレーザ光源１から射出される
レーザビームＬＢは減光部２に入射し、ここでそのビー
ム光量が０％（完全透過）から１００％（完全遮光）の
間で連続的、もしくは段階的に減衰させられる。減光部
２の構成や制御方法については、例えば特開平３−１７
９３５７号公報に開示されているので、ここでは説明を
省略する。さらにレーザビームＬＢは、例えば２組（凹
凸）のシリンドリカルレンズを組み合わせたビームエク
スパンダ（ビーム断面形状変換光学系）３に入射し、ビ
ームエクスパンダ３はビーム断面を適当な形状、大きさ
に整形する、すなわちレーザビームＬＢの短手方向の幅
を拡大してその断面形状をほぼ正方形に変換する。

【００１４】ビームエクスパンダ３を射出したレーザビ
ーム（平行光束）ＬＢはビームスプリッタ４で分割さ
れ、大部分はここで反射してビーム位置調整部（本発明
の光量調整手段）５に入射する。一方、ビームスプリッ
タ４を透過したレーザビームＬＢは光量モニタ（例えば
焦電型のパワーメータやＰＩＮフォトダイオード等）３
３に入射し、光量モニタ３３はレーザビームＬＢの各パ
ルス毎の光量（光強度）に応じた信号を制御装置３２に
出力する。制御装置３２は、単位パルス毎にレーザ光源
１に対する印加電圧と、その印加電圧のもとで発振され
るパルス光の光量との関係に関する情報を更新するとと
もに、主制御系３１で決定される次に照射すべきパルス
光の光量に対応した印加電圧を上記更新した関係から求
め、この印加電圧のもとで次パルスを光源１から発振さ
せる。

【００１５】図２はビーム位置調整部５の具体的な構成
の一例を示し、本実施例では２枚の平行平板ガラス５
ａ、５ｂで構成している。図２において平行平板ガラス
５ａ、５ｂは、それぞれ照明光学系の光軸ＡＸに対して
垂直な互いに直交する２つの軸（紙面と垂直な方向と平
行な方向）の回りを回転可能となっている。従って、平
行平板ガラス５ａ、５ｂの各傾斜角を調整することによ
って、照明光学系の光軸ＡＸと垂直な面内での光軸ＡＸ
に対するレーザビームＬＢの位置（光量分布の重心位
置）を任意に変更、調整することが可能となっている。

【００１６】さて、ビーム位置調整部５を通過したレー
ザビーム（平行光束）ＬＢは光分割器６に入射し、ここ
で複数（図１中では２つ）のビームＬＢａ、ＬＢｂに分
割されて射出される。図３は本実施例に好適な光分割器
６の具体的な構成の一例を示し、ここではＶ型の凹部を
持つ第１の多面体プリズム６ａと、Ｖ型の凸部を持つ第
２の多面体プリズム６ｂとを組み合わせたもので構成さ
れる。これら２つのプリズム６ａ、６ｂの屈折作用によ
って、ビームＬＢは２つのビームＬＢａ、ＬＢｂに分割
されることになる。

【００１７】また、本実施例では多面体プリズム６ａ、
６ｂの間隔を調整可能に構成している。これによって、
照明光学系の光軸ＡＸと垂直な面内でビームＬＢａ、Ｌ
Ｂｂの各位置を、光軸ＡＸに対してその垂直方向（紙面
内上下方向）に変更することが可能となっている。但
し、本実施例では光分割器６によるビームＬＢの分割位
置（換言すればＶ型プリズム６ａ、６ｂの凹部、凸部の
各頂点）が、照明光学系の光軸ＡＸとほぼ一致している
ものとする。このことは、第２フライアイレンズ７ａ、
７ｂを移動するときに、その移動に追従してビームＬＢ
ａ、ＬＢｂをその各入射面に正確に入射させる上で有効
となる。

【００１８】さらに図３では、光分割器６ａ、６ｂで分
割された２つのビームのうち、いずれか一方（図中では
ビームＬＢａ）の光路中に光路差発生部材として、例え
ば平行平板ガラス３４を配置している。このため、ビー
ムＬＢａはビームＬＢｂに対して所定量だけ位相遅れが
与えられる、すなわち２つのビームの間に光路長の差が
生じることになる。尚、２つのビームの光路差がビーム
ＬＢのコヒーレント長よりも長くなるように、平行平板
ガラス３４の厚さが定められている。これによって、ビ
ームＬＢａ、ＬＢｂによる干渉パターンのコントラスト
が低減されることになる。

【００１９】また、本実施例では光分割器６として２組
の多面体プリズム６ａ、６ｂを用いるものとしたが、例
えば光ファイバー、Ｖ字型ミラーと２枚の平面ミラーと
を組み合わせたもの、凹型の多面体プリズムと凸レンズ
（または正のパワーを持つレンズ群）とを組み合わせた
もの、回折格子（特に位相型回折格子）、あるいは凸レ
ンズアレイ等を用いても構わない。さらに、本実施例で
は光分割器６による光束分割数を２個としていたが、そ
の分割数は３個以上でも良く、要はレチクルパターンの
周期性（第１、第２フライアイレンズの数）に応じた分
割数であれば良い。例えば２次元の周期性パターンの場
合は分割数を４個とし、光分割器６としてピラミッド型
（４角錐型）プリズムや４つの射出部を有する光ファイ
バー等を用いれば良い。

【００２０】ところで、本実施例では光分割器６として
多面体プリズム（図３）を用いるとともに、光分割器６
より光源側にビーム位置調整部５を設けている。一般に
レーザビームＬＢは図４に示すような光強度分布を持っ
ているため、ビーム位置調整部５によって光分割器６に
入射するビームＬＢの位置をシフトさせると、光分割器
６によるビームＬＢの分割比が変化してビームＬＢａ、
ＬＢｂの各光量も変化することになる。すなわちビーム
位置調整部５は、ビームＬＢａ、ＬＢｂの各光量を調整
することが可能であり、本発明の第２の光量調整手段に
相当する。尚、ビーム位置調整部５は平行平板ガラス
（図２）以外で構成しても良く、さらに照明光学系の光
軸ＡＸと垂直な面内で光分割器６を移動可能に構成して
も、あるいは光分割器６とレチクル１９との間のビーム
ＬＢａ、ＬＢｂの光路中の各々に配置した減光フィルタ
ー（互いに透過率が異なる複数の減光フィルターを交換
可能に構成しておくことが望ましい）を第２の光量調整
手段として用いるようにしても良い。

【００２１】さて、図１の説明に戻り、光分割器６から
のビームＬＢａ、ＬＢｂの各々は、干渉パターンのコン
トラストの低減化手段１１ａ、１１ｂを介して第２フラ
イアイレンズ７ａ、７ｂに入射し、さらに第２フライア
イレンズ７ａ、７ｂを射出した各光束はフィールドレン
ズ９ａ、９ｂ、干渉パターンのコントラストの低減化手
段１２ａ、１２ｂ、及びフィールドレンズ１０ａ、１０
ｂを介して第１フライアイレンズ８ａ、８ｂに入射す
る。このとき、第１フライアイレンズ８ａには第２フラ
イアイレンズ７ａからの光束のみが入射し、第１フライ
アイレンズ群８ｂには第２フライアイレンズ群７ｂから
の光束のみが入射する。

【００２２】さらに第１フライアイレンズ８ａ、８ｂを
射出した各光束は、その射出面近傍に配置された開口絞
り（σ絞り）１３ａ、１３ｂ、及びビームスプリッタ１
４ａ、１４ｂを通ってコンデンサーレンズ１６、１８、
及び折り曲げミラー１７に導かれ、レチクル１９の下面
に形成されたパターンＲＰをほぼ均一な照度で照明す
る。レチクルパターンＲＰを透過、回折した光は投影光
学系２０により集光結像され、ウエハ２２上にパターン
ＲＰの像を形成する。ここで、絞り１３ａ、１３ｂは、
第１フライアイレンズから射出される光束の開口数、す
なわちコヒーレンスファクター（σ値）が０．１〜０．
３程度となるように、その開口径が定められている。
尚、同図中２１は投影光学系２０中のパターンＲＰに対
する光学的なフーリエ変換面（以下、投影光学系の瞳面
と称す）を表し、この瞳面２１には可変開口絞り（ＮＡ
絞り）を設ける場合もある。また、瞳面２１内には光軸
ＡＸに対して偏心した離散的な２つの位置（光軸ＡＸか
らほぼ等距離）の各々に、第１フライアイレンズ８ａ、
８ｂによる光源像（３次光源像）が形成される。

【００２３】また、照明光学系中にもレチクルパターン
ＲＰに対する光学的なフーリエ変換面（以下、照明光学
系の瞳面と称す）が存在するが、前述の第１フライアイ
レンズ８ａ、８ｂの各々はそのレチクル側焦点面（射出
側焦点面）が照明光学系の瞳面とほぼ一致するように配
置されている。また、第２フライアイレンズ７ａ、７ｂ
の各射出面は、フィールドレンズ（９ａ、１０ａ）、
（９ｂ、１０ｂ）によって第１フライアイレンズ８ａ、
８ｂの入射面に対するフーリエ変換面になっている。但
し、厳密にフーリエ変換の関係に維持される必要はな
く、要は第２フライアイレンズを構成する各レンズエレ
メントから射出した光束が、第１フライアイレンズの入
射面上で重畳されるような関係が維持されていれば良
い。

【００２４】ところで、図１中では第１フライアイレン
ズ８ａ、８ｂの各々を射出した光束の一部を、ビームス
プリッタ１４ａ、１４ｂを介して光量センサー（本発明
の計測手段）１５ａ、１５ｂに導くように構成してい
る。尚、光量センサー１５ａ、１５ｂはフォトマル、シ
リコンフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード等で
あり、パルス光に対する応答性や感度等に応じて選択
（決定）される。光量センサー１５ａ、１５ｂは、レー
ザビームＬＢａ、ＬＢｂの各パルス毎の光量（光強度）
に応じた信号を光量積算器３０ａ、３０ｂに出力し、こ
こでフライアイレンズ毎にその通過光量の積算値（全パ
ルスの光量の合計値）が算出される。尚、光量センサー
１５ａ、１５ｂの各出力は予めウエハ２２面上での光強
度（照度）と較正されているものとする。

【００２５】主制御系３１は、光量積算器３０ａ、３０
ｂにて逐次算出される積算光量値が等しくなるように、
単位パルス毎（１パルス毎、または複数パルス毎）にビ
ーム位置調整部５を制御してビームＬＢａ、ＬＢｂの各
光量（すなわち本実施例では光分割器６によるビームＬ
Ｂの分割比）を調整する。この結果、複数のパルス光の
照射によるパターン露光が終了した時点で、ビームＬＢ
ａ、ＬＢｂの各積算光量がほぼ一致、もしくはその差が
所定の許容範囲内に抑えられることになる。

【００２６】また、図１中には干渉縞のコントラストを
低減するための手段（１１ａ、１１ｂ）及び（１２ａ、
１２ｂ）が設けられている。この種の低減化手段の具体
的な構成の一例としては、例えば特開平１−２５７３２
７号公報に開示されているように、振動ミラー（ガルバ
ノミラー、ポリゴンミラー等）によってフライアイレン
ズに入射する光束の入射角をパルス毎に変化させるもの
がある。しかしながら、上記方式では振動ミラーを用い
るため、照明光路を折り曲げなければならず、照明光学
系に大きなスペースが必要となる。そこで、本実施例で
は低減化手段として、図５に示すようにくさび形プリズ
ム２７を、光軸ＡＸと垂直な方向（図では紙面と垂直な
方向）を回転軸として微小回転可能に構成することが望
ましい。さらに図５中には示していないが、図５におい
て回転可能なくさび形プリズム２７よりレチクル側に、
プリズム２７と同一形状のくさび形プリズムを逆向きに
配置（固定）すれば、第１、または第２フライアイレン
ズに入射するビームＬＢａ、ＬＢｂの各々が光軸ＡＸに
対して傾かず、光軸ＡＸと平行のまま、光軸ＡＸと垂直
な面内で相対的にシフトするだけで済む。

【００２７】尚、本実施例では第１、第２フライアイレ
ンズの各々に対して干渉縞のコントラスト低減化手段
（１１ａ、１１ｂ）、（１２ａ、１２ｂ）を配置してい
たが、いずれか一方のみに低減化手段を配置するだけで
も良い。但し、第１フライアイレンズ８ａ、８ｂに入射
する光束の入射角を変化させた方が照度均一性の向上に
は有効であるため、少なくとも低減化手段（１２ａ、１
２ｂ）は設けておくことが望ましい。また、低減化手段
として折り曲げミラー４を用いても良く、ミラー４を振
動させることにより第２フライアイレンズ７ａ、７ｂに
入射する光束の入射角を変化させることで、同様に干渉
縞のコントラストを低減することができる。

【００２８】ここで、本実施例による装置（図１）で
は、ビーム位置調整部５を介してレーザビームＬＢを光
分割器６に入射させる構成を採っていたが、ビーム位置
調整部５と光分割器６との配置を逆にしても良い。すな
わち、光分割器６で分割された複数の光束の各々の光路
中にビーム位置調整部５、すなわち平行平板ガラス５
ａ、５ｂを配置し、第２フライアイレンズに対する光束
の入射位置をずらしてその入射効率を変化させるように
しても良く、上記と同様にビームＬＢａ、ＬＢｂの各光
量を調整することが可能である。

【００２９】ところで、本実施例では傾斜照明法を採用
するにあたり、露光すべきレチクルパターンの微細度
（ピッチ）や周期方向に応じて、第１フライアイレンズ
の各位置（光軸と垂直な面内での位置）を決定（変更）
する。このとき、第１フライアイレンズの各位置は、第
１フライアイレンズ群からの各照明光束が転写すべきパ
ターンの微細度（ピッチ）に対して最適な解像度、及び
焦点深度の向上効果を得られるようにレチクルパターン
に入射する位置（入射角）とすれば良い（詳細は本願出
願人が先に出願した特願平３−２３１５３１号公報に開
示されている）。従って、レチクル毎にそのパターンに
対して瞳面内での第１フライアイレンズ８ａ、８ｂの各
中心位置が最適となるように、不図示の駆動系によって
第１フライアイレンズ８ａ、８ｂ、さらにはフィールド
レンズ（９ａ、１０ａ）、（９ｂ、１０ｂ）、第２フラ
イアイレンズ７ａ、７ｂ、及び低減化手段（１１ａ、１
２ａ）、（１１ｂ、１２ｂ）までも追従（連動）して移
動可能に構成しておくことが望ましく、これらを保持部
材に一体に固定しておくと良い。尚、上記駆動は主制御
系３１からの動作命令に基づいて行われるが、このとき
の位置等の設定条件は入出力装置（キーボード等）３５
より入力する。あるいはバーコードリーダーによりレチ
クル上のバーコードパターンを読み、その情報に基づい
て設定を行うようにしても良い。

【００３０】次に、本実施例による装置の動作を説明す
る。通常、パルス光源から発振されるパルス光のエネル
ギー量（光量）はパルス毎に、ある平均値を基準として
ばらつき、そのばらつきは１５％（３σ）程度である。
これに対して、露光量制御で要求される目標制御精度は
±１％程度と高い。従って、１ショットの露光に対して
複数のパルス光を用いることが必要となり、パルス毎の
エネルギー量のばらつきや露光制御ロジックに対応した
最小露光パルス数Ｎmin 以上で露光を行わなければなら
ない。このため、ウエハ２２上に形成されるレジスト層
の感度がある程度高感度の場合には、パルス光源１から
のパルス光のエネルギー量を減光部２で減衰させて、１
ショットの露光に必要なパルス数をＮmin 以上にしなけ
ればならない。

【００３１】ここで、減光部２の具体的な構成の一例を
図６に示す。図６では、ターレット板上に６種類の異な
る透過率を持ったメッシュ状の減光（ＮＤ）フィルター
２ａ〜２ｆが設けられており、各フィルターの透過率は
図７のように定められている。図７では回転量π／３が
ＮＤフィルター２ｂに相当し、回転量２πがＮＤフィル
ター２ａに相当する。尚、ＮＤフィルターとしてはメッ
シュ状以外であっても良く、例えば互いに反射率が異な
る誘電体膜がコートされた透明光学部材でも構わない
し、エネルギー吸収性のあるＮＤフィルターでも構わな
い。

【００３２】次に、図８を参照して具体的な露光シーケ
ンスを説明する。図８において、まずオペレータが入出
力装置３５によって、もしくはウエハ（またはローダカ
セット）の識別コードに対応した露光条件をメモリから
読み出すことによって、レジスト層の感度に対応した１
ショットの目標（最適）露光量Ｓを装置本体（主制御系
３１）に入力する（ステップ１００）。次に、主制御系
３１は露光動作に先立ち、パルス光源１からパルス光を
１パルスないし数パルスだけ発振させ、ウエハ２２面上
での１パルス当たりのエネルギー量（平均値）Ｐ_AV (mJ
/cm²・ pulse)を測定する（ステップ１０１）。平均エネ
ルギー量Ｐ_AVは、予めウエハ面上でのエネルギー量（光
量）との較正が行われている光量センサー１５ａ、１５
ｂの各出力値に、その較正値αa 、αb を乗じた値の合
計値として求められる。このとき、減光部２では適当な
ＮＤフィルター、例えば２ｅが光路中に設定されている
ものとする。また、光量センサー１５ａ、１５ｂの出力
値を比較して、その差が大きく異なっている（所定の許
容範囲を越えている）場合には、上記差が零となるよう
にビーム位置調整部５を制御してビームＬＢａ、ＬＢｂ
のエネルギー量（光分割器６によるビームＬＢの分割
比）を調整しておくことが望ましい。

【００３３】次のステップ１０２において、主制御系３
１は１ショットの露光に必要なパルス数Ｎ（Ｎ＝Ｓ／Ｐ
_AV）を計算した後、所望の露光量制御精度を達成するた
めの最小露光パルス数Ｎmin に対して、Ｎ≧Ｎmin なる
関係を満足しているか否かを判定する（ステップ１０
３）。ここで、Ｎ＜Ｎmin となっていると、ステップ１
０４に進み、主制御系３１は平均パルスエネルギー量Ｐ
_AVを小さくしてパルス数Ｎを増やすため、上記関係（Ｎ
≧Ｎmin)を満足する最適なＮＤフィルターを選択し、減
光部２においてＮＤフィルターの交換を行う。しかる
後、再度ステップ１０１〜１０３を実行し、露光パルス
ＮがＮ≧Ｎmin を満足しているかを確認する。

【００３４】さて、ステップ１０３でＮ≧Ｎmin なる関
係が満たされていると判定されると、ウエハ２２上の所
定のショット領域が露光位置まで移動された後、所定の
露光制御ロジックに従って露光が開始される。ステップ
１０５において主制御系３１は、パルス光源１から１パ
ルスだけ発振させた後、ステップ１０６で露光制御ロジ
ックに従って１つのショット領域に対する露光が完了し
たか否かを判定する。ここでは１パルスしか発振されて
いないので、ステップ１０７に進む。

【００３５】ステップ１０７において主制御系３１は、
光量積算器３０ａ、３０ｂの出力値からビームＬＢａ、
ＬＢｂの（積算）光量比をチェックし、次パルスの照射
によりビームＬＢａ、ＬＢｂの光量の各積算値がほぼ一
致するようなビームＬＢの分割比、すなわちビーム位置
調整部５の駆動量を求める。しかる後、この求めた駆動
量に従ってビーム位置調整部５を制御し、ビームＬＢ
ａ、ＬＢｂの光量比を変更する（ステップ１０８）。ス
テップ１０８終了後、再びステップ１０５に戻り、パル
ス光源１から１パルスだけ発振させる。このとき、主制
御系３１（レーザ制御装置３２）はビーム位置調整部５
の駆動に同期して、パルス光源１に発光トリガパルスを
与えることになる。以下、１つのショット領域に対する
露光が終了する、すなわち露光パルス数Ｎだけのパルス
発振が終了するまで、ステップ１０５〜１０８を繰り返
し実行する。この結果、露光が終了した時点で、第１フ
ライアイレンズ８ａ、８ｂの各々から射出されるビーム
ＬＢａ、ＬＢｂの各光量の積算値がほぼ一致することに
なる。

【００３６】さて、ステップ１０６で１ショットの露光
が終了したと判定されると、主制御系３１はウエハ２２
上に次に露光を行うべきショット領域があるか否かを判
断し（ステップ１０９）、次ショットの露光を続けて実
行する場合にはステップ１１０に進んでウエハ２２を移
動する。そして、上記動作と全く同様にステップ１０５
〜１０８を繰り返し実行して、次ショットに対する露光
を完了する。以下、ウエハ２２上の全てのショット領域
に対する露光が終了するまでステップ１０５〜１１０を
繰り返し実行し、ステップ１０９にて露光終了と判断さ
れた時点で１枚のウエハに対する露光動作が完了するこ
とになる。

【００３７】以上の実施例では、１パルス毎にビーム位
置調整部５の位置調整（ビームＬＢａ、ＬＢｂの光量調
整）を行うシーケンスを例に挙げて説明した。これは、
１パルス毎にその光量（光強度）や光強度分布が異なる
上、機械的な振動等により光分割器６に対するビームＬ
Ｂの入射位置がその断面方向に微小変動し得るため、光
分割器６で分割された２つのビームＬＢａ、ＬＢｂの各
光量が必ずしも一致するとは限らないためである。ま
た、ステップ１０７、１０８で所定のパルス数までのビ
ームＬＢａ、ＬＢｂの各積算光量がほぼ等しい、あるい
は各積算光量が異なっていても特にビーム位置調整部５
を駆動する必要がないと判断した場合には、当然ながら
次パルスの照射に先立ってビーム位置調整部５の制御を
行う必要はない。さらに、上記調整動作は１パルス毎に
行う必要はなく、パルスエネルギー量のばらつきの程度
やビーム位置調整部５によるビームＬＢａ、ＬＢｂの光
量比の制御精度等に応じて、複数パルス毎に上記動作を
行うようにしても良い。

【００３８】また、露光量制御精度をより一層向上させ
るため、１パルス毎にパルス光源１（すなわち減光部
２）から射出される平均パルスエネルギー量Ｐ_AVを微調
整する方式（特開平３−１７９３５７号公報に開示）も
提案されている。この種の露光量制御ロジックを採用す
る場合には、次パルスの平均パルスエネルギー量（補正
値）Ｐ_AVまでも考慮してビームＬＢａ、ＬＢｂの光量
比、すなわちビーム位置調整部５の駆動量を決定するこ
とが望ましい。このとき、最終的なビームＬＢａ、ＬＢ
ｂの積算光量をほぼ一致させるにあたっては、１パルス
または複数パルス毎に、パルス光源１から射出される
（すなわち光分割器６に入射する）パルス光のエネルギ
ー量と、第１フライアイレンズ８ａ、８ｂの各々から射
出されるパルス光の各エネルギー量との少なくとも一方
を、パルス光源１に与える印加電圧とビーム位置調整部
５の駆動量とを制御して調整を行っていくことになる。

【００３９】さらに、上記実施例では照度均一性につい
ては何も述べていなかったが、可干渉性のパルス光を使
用する場合にはその干渉縞のコントラストの低減化も重
要となってくる。しかしながら、上記低減化を行う場合
にも最小パルス数Ｎmin とともに、その低減化に最低限
必要なパルス数Ｎspまでも考慮して露光パルス数Ｎを決
定するだけで良く、実際の露光にあたっては１パルス毎
に、低減化手段（１１ａ、１１ｂ）、（１２ａ、１２
ｂ）を駆動してフライアイレンズに入射する光束の入射
角を変化させれば良い。

【００４０】また、上記実施例では光分割器６によって
レーザビームＬＢを２つのビームに分割する例について
説明したが、例えばレチクルパターンが２次元の周期性
パターンである場合には、照明光学系の瞳面に形成すべ
き２次（または３次）光源像（フライアイレンズの射出
面）の数は４つとなる。このような場合には、４組の合
成フライアイレンズ群（第１、第２フライアイレンズ、
及びフィールドレンズから構成される）と、それぞれに
対応した４組の光量センサ（及び光量積算器）とを配置
するとともに、光分割器としてピラミッド型プリズム等
を用いるようにすれば良い。また、４つのビームの光量
調整を行うにあたっては、４つの光量センサ（光量積算
器）からの各出力値をＰａ〜Ｐｄ、ウエハ面上での実際
のエネルギー量との較正を行うための各較正値をαa 〜
αd とすると、 αa ×Ｐａ＋αb ×Ｐｂ＝αc ×Ｐｃ＋αd ×Ｐｄ αa ×Ｐａ＋αc ×Ｐｃ＝αb ×Ｐｂ＋αd ×Ｐｄ αa ×Ｐａ＋αd ×Ｐｄ＝αb ×Ｐｂ＋αc ×Ｐｃなる関係式がほぼ成り立つように、１パルス毎、もしく
は複数パルス毎にビーム位置調整部５を制御すれば良
い。この結果、１ショットの露光が終了した時点で、各
ビームの積算光量を所定の許容範囲内でほぼ一致させる
ことができる。

【００４１】但し、図２に示した２組の平行平板ガラス
５ａ、５ｂとピラミッド型プリズムとを用いて４分割さ
れたビームの各光量を調整する場合、４本のビームの各
光量を個別に精度良く調整することは難しい。従って、
光量調整を精度良く行う必要がある場合には、例えば光
分割器６としてピラミッド型プリズムを用いるのではな
く、図３に示したＶ型プリズム（６ａ、６ｂ）を２組配
置し、各Ｖ型プリズムを駆動して光量調整を行うように
構成することが望ましい。このとき、ビームＬＢの分割
方向（図３では紙面と垂直な方向）が互いに直交するよ
うに、２組のＶ型プリズムを照明光学系の光軸ＡＸにほ
ぼ沿って直列に配置する。

【００４２】次に、図９を参照して本発明の第２の実施
例について説明する。上述の如く第１の実施例では、１
つのパルス光を光分割器６によって２つの光束に分割し
て第２フライアイレンズ７ａ、７ｂの各々に入射させる
ように構成していた。本実施例では、パルス光源１から
のパルス光を、パルス単位で第２フライアイレンズ７
ａ、７ｂの各々に振り分けて入射させる点のみが異な
る。従って、第１の実施例（図１）による装置との構成
上の差異は、光分割器６の代わりに図９に示すような光
束偏向部材（２８、２９ａ、２９ｂ）を配置した点であ
るので、ここではこの差異のみについて説明する。

【００４３】図９において、第２フライアイレンズ７
ａ、７ｂの各々にパルス光を振り分けるための可動ミラ
ー２８は、照明光学系の光軸ＡＸを回転軸として回転可
能に構成されており、ここで振り分けられたパルス光は
固定ミラー２９ａ、２９ｂの各々を介して第２フライア
イレンズ７ａ、７ｂに導かれる。尚、４組の第２フライ
アイレンズが設けられているときには、それに対応して
２枚の固定ミラーを追加するだけで良い。

【００４４】さて、本実施例では可動ミラー２９の回転
に同期して、主制御系３１はパルス光源１に発光トリガ
信号を出力する。さらに主制御系３１は、１パルス毎、
または複数パルス毎にビーム位置調整部５を制御して、
第２フライアイレンズ７ａ、７ｂの各々に対する各パル
ス光の入射効率を変化させる。これによって、本実施例
でも第１フライアイレンズ８ａ、８ｂから射出されるパ
ルス光の光量の各積算値を所定の許容範囲内でほぼ一致
させることができる。尚、本実施例でも第１の実施例と
同様の露光量制御ロジックを使用できる。また、可動ミ
ラー２８による第２フライアイレンズ７ａ、７ｂの各々
へのビームＬＢの振り分けは、１パルス毎に可動ミラー
２８を駆動して行っても良いし、複数パルス毎に可動ミ
ラー２８を駆動して行うようにしても良い。さらに光束
偏向部材は、図９に示した構成に限られるものではな
く、任意の構成で構わない。

【００４５】本実施例では、ビーム位置調整部５のみを
用いて積算光量の制御を行うようにしていたが、例えば
ビーム位置調整部５を設けず、減光部２、またはパルス
光源１に与える印加電圧を制御することによって、光束
偏向部材（２８、２９ａ、２９ｂ）に入射する光束自体
の光量を調整して行うようにしても良く、あるいはこの
光量調整とビーム位置調整部５とを併用しても良い。ま
た、第２フライアイレンズ７ａ、７ｂの各々に入射させ
るパルス光の数は、所望の露光量制御精度を達成するた
めに必要なパルス数Ｎmin 以上（さらに可干渉性のパル
ス光にあっては、所望の照度均一性を達成する、すなわ
ち干渉縞のコントラストを低減するのに最低限必要なパ
ルス数Ｎspまでも満足するよう）に定めれば良い。この
とき、第２フライアイレンズ７ａ、７ｂの各々に入射さ
せるパルス光の数が互いに異なっていても良いが、実際
は両者のパルス数を同数に定める、換言すれば露光パル
ス数Ｎを第１または第２フライアイレンズの数の整数倍
に定めることが望ましい。

【００４６】以上の第１、第２の実施例による装置では
露光量制御ロジックとして、最小露光パルス数Ｎmin 以
上のパルス光（平均パルスエネルギー量Ｐ_AV）を照射す
る方式を採用していたが、本発明による投影露光装置に
対してはいかなる制御ロジックでも適用することができ
る。この種の制御ロジックとしては様々な方式のものが
提案されているが、その１つの方式として修正露光方式
がある。この修正露光方式は、特に高感度のレジストに
対して１ショット当たりの露光パルス数を減らす（すな
わち最小パルス数Ｎmin を少なくする）方法として有効
であり、その詳細については例えば特開昭６３−３１６
４３０号公報に開示されている。以下、図１０を参照し
て修正露光方式について簡単に説明する。

【００４７】図１０に示すように、修正露光方式では１
つのショット領域に対する露光を粗露光と修正露光とに
分け、粗露光によってウエハへの積算露光量が目標露光
量に対してあるレベルに達した時点で、予め定められた
制御ロジックに従って修正露光に適した透過率と修正露
光パルス数とが選択（決定）され、１パルス当たりのエ
ネルギー量を大幅に小さくした数パルスのパルス光の照
射による修正露光が行われる。修正露光用のパルスエネ
ルギー量調整手段としては、図６に示した露光パルス数
調整用の減光部を兼用させるようにしても良いし、修正
露光専用の別の調整手段（ＮＤフィルター等）を設ける
ようにしても良い。

【００４８】以上のことから、第１の実施例による装置
では修正露光方式をそのまま適用できるが、第２の実施
例による装置では露光量制御精度を考慮して修正露光用
パルス数ｎを第１または第２フライアイレンズの数の整
数倍に定めておくことが望ましい。以上の各実施例では
照度均一性を向上させるため、光分割器６で分割された
複数の光束の各々に対して、２組のフライアイレンズを
設ける２段のインテグレータ構造としていたが、例えば
オプチカルインテグレータとして角柱状のロッド型イン
テグレータを用いても良く、２組のロッド型インテグレ
ータ、あるいはロッド型インテグレータとフライアイ型
インテグレータとを組み合わせて、上記の如き２段のイ
ンテグレータ構造としても良い。尚、このような構成に
ついては、例えば特開平１−２７１７１８号公報等に開
示されている。

【００４９】さらに２段のインテグレータ構造以外に、
例えば光分割器６で分割された複数の光束の各々を、さ
らに多面体プリズムやミラー等を用いて複数の光束に分
割し、この分割された複数の光束の各々を、１つのフラ
イアイレンズ群（またはロッド型インテグレータでも良
い）の入射面に重畳して入射させるように構成しても良
い。このような構成によれば、１つのオプチカルインテ
グレータを用いるだけでも、ある程度の照度均一性の向
上効果を得ることができる。

【００５０】また、例えばフライアイレンズを構成する
各エレメントの大きさ（断面積）を小さくすれば、２段
のインテグレータ構造を採用せずとも、１つのメッシュ
状のフライアイレンズを用いるだけで、照度均一性をあ
る程度向上させることができる。さらに、上記実施例で
は光分割器６で分割された複数の光束の各々に対して２
組のフライアイレンズ群（７ａ、８ａ）、（７ｂ、８
ｂ）を配置していたが、例えば第１フライアイレンズ群
と第２フライアイレンズ群の少なくとも一方を、照明光
学系の光軸ＡＸと垂直な面内で各光束が通過する領域の
全面に広がる１つの大きなフライアイレンズとしても良
い。このとき、レチクルパターンの周期性や微細度に応
じた光軸ＡＸと垂直な面内での各光束の移動範囲を考慮
して、そのフライアイレンズの大きさを定めることが望
ましい。このことは、フライアイレンズを１組だけ用い
る場合についても同様である。

【００５１】尚、図１では光量モニタ３３を設けていた
が、第１、第２の実施例による装置では特に必要ではな
く、設けないときには光量センサー１５ａ、１５ｂの出
力の合計値を代用すれば良い。また、パルス発振型の光
源を備えた投影露光装置であれば本発明を適用でき、さ
らに電磁レンズ等によって上記実施例と同様の装置を構
成すれば、電子線等の光以外のパルスエネルギー等を発
生するものでも光源として用いることができる。

【００５２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、複数の２
次（または３次）光源から射出するパルスエネルギー量
の積算値の各々を所定の許容範囲内でほぼ一致させると
ともに、各積算値を所定の露光量（適正露光量）から定
められる目標積算光量とも所定の許容範囲内でほぼ一致
させることとした。このため、感光基板に対して良好な
パターン露光を行うことができ、感光基板に与える露光
量（複数の２次光源の各々から射出されるパルスエネル
ギー量の積算値の合計値に相当）も適正露光量とほぼ一
致して所望の露光量制御精度を達成することが可能とな
る。さらに、可干渉性のパルス光源を使用する場合で
も、干渉縞のコントラストを大幅に低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による投影露光装置の概
略的な構成を示す図。

【図２】図１中に示したビーム位置調整部の具体的な構
成の一例を示す図。

【図３】図１中に示した光分割器の具体的な構成の一例
を示す図。

【図４】パルス光源から射出されるパルスエネルギーの
光強度分布を示す図。

【図５】図１中に示した低減化手段の具体的な構成の一
例を示す図。

【図６】図１中に示した減光部の具体的な構成の一例を
示す図。

【図７】図６中に示したＮＤフィルターの透過率特性を
示す図。

【図８】第１の実施例による装置の動作説明に供するフ
ローチャート図。

【図９】本発明の第２の実施例による装置の構成を説明
する図。

【図１０】露光量制御に適用される修正露光方式を説明
する図。

【符号の説明】

１光源２減光部５ビーム位置調整部６光分割器７ａ、７ｂ第２フライアイレンズ８ａ、８ｂ第１フライアイレンズ１５ａ、１５ｂ光量センサー１９レチクル２０投影光学系２１瞳面２２ウエハ３０ａ、３０ｂ光量積算器３１主制御系

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】発振のたびに所定範囲内で光量変動を伴う
パルス光を射出する光源と、前記パルス光をマスクに照
射する照明光学系と、前記マスクのパターンの像を感光
基板上に投影する投影光学系とを備えた投影露光装置に
おいて、前記パターンに応じて前記照明光学系の光軸に対して傾
き、かつ互いに異なる方向から前記マスクに入射するパ
ルス光の光量を調整する光量調整手段と、前記各入射方向における前記パルス光の積算光量が互い
にほぼ等しくなるように、単位パルス数毎に前記光量調
整手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする
投影露光装置。
【請求項２】前記光源からのパルス光を、前記照明光学
系内の前記マスクのパターンに対するフーリエ変換面上
でその光軸から偏心した離散的な複数の領域からそれぞ
れ射出させる光学部材を更に備えることを特徴とする請
求項１に記載の投影露光装置。
【請求項３】前記複数の領域はその位置が前記パターン
の微細度に応じた入射角で前記パルス光が前記マスクに
入射するように決定されることを特徴とする請求項２に
記載の投影露光装置。
【請求項４】前記光学部材は、前記マスク毎にそのパタ
ーンに対して前記複数の領域の中心位置が最適となるよ
うに、前記フーリエ変換面上で前記複数の領域を移動す
ることを特徴とする請求項２又は３に記載の投影露光装
置。
【請求項５】前記光学部材は、前記照明光学系の光軸方
向に関する間隔を調整可能な一対のプリズムを含むこと
を特徴とする請求項４に記載の投影露光装置。
【請求項６】前記光学部材は、前記複数の領域で前記パ
ルス光の開口数をそれぞれ０．１〜０．３程度に設定す
ることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載
の投影露光装置。
【請求項７】前記光学部材は、前記光源と前記照明光学
系内のオプチカルインテグレータとの間に配置されるこ
とを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の投
影露光装置。
【請求項８】前記光量調整手段は、前記入射方向が異な
るパルス光の光量を調整するために、前記パルス光と前
記光学部材との位置関係を変更することを特徴とする請
求項２〜７のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項９】前記入射方向が異なるパルス光の光量を個
別に計測する計測手段を更に備え、前記制御手段は、前
記計測された光量の積算値がほぼ等しくなるように前記
光量調整手段を制御することを特徴とする請求項１〜８
のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項１０】前記光源から射出されるパルス光の光量
を調整可能な光源制御手段を更に備え、前記制御手段
は、前記パターンが所定の露光量で前記感光基板上に転
写されるように前記光量調整手段と前記光源制御手段と
を制御することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一
項に記載の投影露光装置。
【請求項１１】請求項１〜１０のいずれか一項に記載の
投影露光装置を用いて回路パターンを基板上に転写する
ことを特徴とする素子製造方法。
【請求項１２】照明光学系を通して光源からのパルス光
をマスクに照射するとともに、投影光学系を介して前記
パルス光で感光基板を露光する投影露光方法において、前記パターンに応じて前記照明光学系の光軸に対して前
記パルス光を傾け、かつ互いに異なる方向から前記マス
クに照射するとともに、前記各入射方向における前記パ
ルス光の積算光量が互いにほぼ等しくなるように、単位
パルス数毎に前記パルス光の光量を調整することを特徴
とする投影露光方法。
【請求項１３】前記光源からのパルス光を、前記照明光
学系内の前記マスクのパターンに対するフーリエ変換面
上でその光軸から偏心した離散的な複数の領域からそれ
ぞれ射出させることを特徴とする請求項１２に記載の投
影露光方法。
【請求項１４】前記パターンの微細度に応じた入射角で
前記パルス光が前記マスクに入射するように、前記複数
の領域の位置を決定することを特徴とする請求項１３に
記載の投影露光方法。
【請求項１５】前記マスク毎にそのパターンに対して前
記複数の領域の中心位置が最適となるように、前記フー
リエ変換面上で前記複数の領域を移動することを特徴と
する請求項１３又は１４に記載の投影露光方法。
【請求項１６】前記マスク毎にそのパターンに応じて前
記照明光学系の光軸方向に関する一対のプリズムの間隔
を調整することを特徴とする請求項１５に記載の投影露
光方法。
【請求項１７】前記複数の領域で前記パルス光の開口数
をそれぞれ０．１〜０．３程度に設定することを特徴と
する請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の投影露光
方法。
【請求項１８】前記パルス光を前記複数の領域から射出
させる光学部材と前記パルス光との位置関係を変更して
前記パルス光の光量を調整することを特徴とする請求項
１３〜１７のいずれか一項に記載の投影露光方法。
【請求項１９】前記入射方向が異なるパルス光の光量を
個別に計測して得られるその積算値がほぼ等しくなるよ
うに前記パルス光の光量を調整することを特徴とする請
求項１３〜１８のいずれか一項に記載の投影露光方法。