JP3782736B2

JP3782736B2 - 露光装置及びその制御方法

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微細な回路パターンを転写可能な露光装置と、それに好適なプラズマ発光光源装置、およびその制御方法、それを用いたデバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体メモリや論理回路などの微細な半導体素子を製造するための焼き付け（リソグラフィー）方法として、紫外線を用いた縮小投影露光が行われてきた。
【０００３】
縮小投影露光で転写できる最小の寸法は転写に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数に反比例する。このため、微細な回路パターンを転写するためには、用いる光の短波長化を進めることが必要となる。このため、水銀ランプｉ線（波長３６５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）というように用いられる紫外光の波長は短くなってきている。
【０００４】
しかし半導体素子は急速に微細化しており、紫外光を用いたリソグラフィーでは限界がある。そこで０．１μｍを下回るような非常に微細な回路パターンを効率よく焼き付けるために、紫外線よりも更に短い波長（１０〜１５ｎｍ程度）の極端紫外光（ＥＵＶ光）を用いた縮小投影露光装置が開発されている。
【０００５】
このようなＥＵＶ光領域では物質による吸収が非常に大きくなるので、可視光や紫外光で用いられるような光の屈折を利用したレンズ光学系は実用的ではなく、ＥＵＶ光を用いた露光装置では反射光学系が用いられる。この場合、レチクルもミラーの上に吸収体によって転写すべきパターンを形成した反射型レチクルが用いられる。
【０００６】
ＥＵＶ光を用いた露光装置を構成する反射型光学素子としては、多層膜ミラーと斜入射全反射ミラーとがある。ＥＵＶ領域では屈折率の実部は１より僅かに小さいので、面にすれすれにＥＵＶ光を入射する斜入射で用いれば全反射が起きる。通常、面から測って数度以内の斜入射では数十％以上の高い反射率が得られる。しかし光学設計上の自由度が小さく、全反射ミラーを投影光学系に用いることは難しい。
【０００７】
直入射に近い入射角で用いるＥＵＶ光用のミラーとしては、光学定数の異なる２種類の物質を交互に積層した多層膜ミラーが用いられる。多層膜ミラーでは、精密な面形状に研磨されたガラス基板の表面にモリブデンとシリコンを交互に積層する。その層の厚さは、たとえばモリブデン層の厚さは０．２ｎｍ、シリコン層の厚さは０．５ｎｍ程度、積層数は２０層対程度である。２種類の物質の層の厚さを加えたものを膜周期とよぶ。上記例では膜周期は０．２ｎｍ＋０．５ｎｍ＝０．７ｎｍである。
【０００８】
このような多層膜ミラーにＥＵＶ光を入射すると、特定の波長のＥＵＶ光が反射される。入射角をθ、ＥＵＶ光の波長をλ、膜周期をｄとすると近似的にはブラッグの式
２×ｄ×cosθ＝λ
の関係を満足するようなλを中心とした狭いバンド幅のＥＵＶ光だけが効率よく反射される。このときのバンド幅は０．６〜１ｎｍ程度である。
【０００９】
反射されるＥＵＶ光の反射率は最大でも０．７程度であり、反射されなかったＥＵＶ光は多層膜中あるいは基板中で吸収され、そのエネルギーの大部分が熱になる。
【００１０】
ＥＵＶ領域で用いられる多層膜ミラーは可視光のミラーに比べて光の損失が大きいので、ミラーの枚数は最小限に抑えることが必要である。少ない枚数のミラーで広い露光領域を実現するには、光軸から一定の距離だけ離れた細い円弧状の領域（リングフィールド）だけを用いて、レチクルとウエハを同時に走査して広い面積を転写する方法（スキャン露光）が考えられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＥＵＶ露光装置には以下のような問題点があった。ＥＵＶ光源として用いられるレーザプラズマ光源は、ターゲット材に高強度のパルスレーザ光を照射し、高温のプラズマを発生させ、これから放射される例えば波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光を利用するものである。このプラズマからは高速のガス分子や荷電粒子が放出される。またターゲット材料供給装置の一部がプラズマの高速粒子に叩かれて（スパッタ現象）表面の原子が飛散する場合もある。これらはデブリと呼ばれる。このデブリが照明系の初段ミラーに照射された場合、ミラー上の多層膜は損傷を受ける。
【００１２】
そのメカニズムとしては、
・イオンのエネルギーによって多層構造が破壊される
・多層膜上にターゲット材料やターゲット供給装置の材料が堆積してＥＵＶ光の吸収層となる
・多層膜の加熱によって膜を構成する物質の再結晶化や相互拡散により膜構造が変化するなどが上げられる。
【００１３】
ＥＵＶ光源として放電プラズマ光源を用いた場合も同様の問題が生じる。放電プラズマ光源は、ガス中の電極にパルス電圧を印加して高温のプラズマを発生させ、これから放射される例えば波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光を利用するものであるが、このプラズマから高速のガス分子や荷電粒子が放出される。また、電極材料やそれを保持する絶縁体材料の一部がプラズマの高速粒子に叩かれて（スパッタ現象）表面の原子が飛散する場合もある。これらのデブリが照明系の初段ミラーに照射された場合、ミラー上の多層膜は損傷を受ける。このような現象によって、ＥＵＶ光源の運転に伴い多層膜ミラーの反射率は次第に低下する。そして、多層膜反射鏡の反射率が初期の値の９０％程度に低下した場合には、多層膜ミラーの寿命であるとして、ミラーを交換する必要が生じる。
【００１４】
多層膜ミラーの寿命を延ばす方法としては、照明系の初段ミラーの後の集光位置にフィルタを設ける例が特開２０００−３４９００９に開示されている。しかし、フィルタを用いる場合、ＥＵＶ光を有効に透過させるためには、非常に薄い薄膜である必要がある。例えば１３ｎｍの波長のＥＵＶ光の透過率を７０％とするためには、シリコンやベリリウムを用いた場合、約０．２μｍの厚さの薄膜とする必要がある。このような薄膜は大きな面積では自立したフィルタを得ることはできないので、上記出願では初段ミラーで集光して光束のサイズが最小となる位置の近傍にフィルタを設け、そのサイズを最小限にとどめている。また薄膜フィルタは熱に対して弱く破損しやすいので、光源の近傍に設置することは難しい。すなわち、光源と照明系の初段ミラーの間にフィルタを設置することは実現に困難を伴う。
【００１５】
したがって、以上のようなフィルタを用いる方法では、光源と照明系の初段ミラーとの間における高速粒子のデブリを阻止することはできず、初段ミラーの寿命を長く保つことはできない。
【００１６】
初段の多層膜ミラーの寿命を長く保つための一法として、露光を行わない場合にはＥＵＶ光源の運転を停止することが考えられる。すなわち、ステップアンドスキャン露光において、レジストを露光しながらレチクルステージとウエハステージが同期して走査している時間だけ光源を運転し、それ以外の時間は光源の運転を停止して多層膜ミラーの寿命を長く保つようにする。例えばレジストを露光しながら同期走査する時間が０．２秒、ウエハ上の１つの露光領域を露光してから別の露光領域を露光するまでの時間が０．８秒とすれば、１秒間隔で０．２秒だけ光源を発光させるという動作を繰り返す運転方法になる。このような光源の運転方法をとれば、光源を連続運転する場合に比べて光源の運転時間は５分の１になるので、多層膜ミラーの寿命をほぼ５倍に延ばすことができる。
【００１７】
ところで、レーザプラズマ光源の場合、光源から放射されるＥＵＶ光の強度はターゲットの温度によって変化する。特にガスの断熱膨張によってターゲットガスの密度を高めたり、ガス中をクラスタ化して高い密度のターゲットを得る方式においては、放出するガスやノズルの温度が僅かに変化しただけでも励起レーザを照射する時点のターゲット密度が大きく変化し、それに伴い放射されるＥＵＶ光の強度は大きく変化する。同様に放電プラズマ光源の場合も、光源から放射されるＥＵＶ光の強度は電極やガスの温度によって変化する。
【００１８】
光源から放射されるＥＵＶ光の強度が変動した場合には、ウエハに照射されるＥＵＶ光の量が変動し、転写される微細なパターンの寸法が変化したり、微細なパターンが転写できなくなるという問題が生じる。
【００１９】
レーザプラズマ光源では、励起レーザの散乱光や、プラズマから放射される電磁波や粒子によってターゲット材料供給装置の一部が加熱されるが、前述したような、多層膜ミラーの寿命を長くするために、光源を間欠的に発光させる方法で運転した場合、プラズマの発生が間欠的になるので、放出するガスやノズルの温度は光源の発光と停止によって上下する。このため、励起レーザを照射する時点のターゲット密度が大きく変化し、それに伴い放射されるＥＵＶ光の強度は大きく変化する。このため、転写される微細なパターンの寸法が変化したり、微細なパターンが転写できなくなるという問題が生じる。
【００２０】
放電プラズマ光源でも、プラズマから放射される電磁波や粒子によってガスターゲット供給装置のノズルや電極が加熱されたり、電極内のジュール熱によって電極が加熱されたりするが、前述したような、多層膜ミラーの寿命を長くするために、光源を間欠的に発光させる方法で運転した場合、プラズマの発生が間欠的になるので、放出するガスや電極の温度は光源の発光と停止によって上下する。このため、放電を開始する時点のターゲット密度が大きく変化し、それに伴い放射されるＥＵＶ光の強度は大きく変化する。このため、転写される微細なパターンの寸法が変化したり、微細なパターンが転写できなくなるという問題が生じる。
【００２１】
本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、プラズマ発光光源を用いた露光装置において、多層膜ミラー等の光学素子の寿命を長く保ちながら、安定して微細なパターン転写を可能とすることを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の一態様による露光装置は以下の構成を備える。すなわち、
プラズマ発光光源を用いる露光装置であって、
前記プラズマ発光光源からの光を用いてレチクルを照明する照明系と、
前記プラズマ発光光源と前記照明系の初段の光学素子との間に設けられたシャッターと、
前記プラズマ発光光源の発光強度が安定するのに必要な安定化時間を記憶する記憶手段と、
１つの露光領域の露光を完了してから次の露光領域の露光を開始するまでの露光間隔が前記安定化時間よりも短い場合には、前記プラズマ発光光源による発光を継続し、前記１つの露光領域の露光の終了後に前記シャッターを閉じ、前記次の露光領域の露光の開始前に前記シャッターを開け、
前記安定化時間が前記露光間隔よりも短い場合には、前記プラズマ発光光源による発光を停止し、前記次の露光領域の露光の開始より少なくとも前記安定化時間だけ前以て前記プラズマ発光光源の発光を開始する制御手段とを備える。
【００２３】
更に、上記の目的を達成するための本発明の他の態様による露光装置の制御方法は、
プラズマ発光光源と、
前記プラズマ発光光源と照明系の初段の光学素子との間に設けられたシャッターとを有する露光装置の制御方法であって、
前記プラズマ発光光源の発光強度が安定するのに必要な安定化時間を記憶し、
１つの露光領域の露光を完了してから次の露光領域の露光を開始するまでの露光間隔が前記安定化時間よりも短い場合には、前記プラズマ発光光源による発光を継続し、前記１つの露光領域の露光の終了後に前記シャッターを閉じ、前記次の露光領域の露光の開始前に前記シャッターを開け、
前記安定化時間が前記露光間隔よりも短い場合には、前記プラズマ発光光源による発光を停止し、前記次の露光領域の露光の開始より少なくとも前記安定化時間だけ前以て前記プラズマ発光光源の発光を開始することを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【００２５】
＜第１の実施形態＞
本実施形態では、プラズマ光源と照明系の初段のミラーとの間にシャッターを設け、光源はレジストが露光されていない間も定常的に発光し続け、レジストを露光しながらレチクルステージとウエハステージが同期して走査している時間だけシャッターを開いて、ＥＵＶ光が照明系に導かれるようにする。こうして、光源安定化と照明系初段ミラーの損傷防止を実現する。以下、本実施形態について詳細に説明する。
【００２６】
図１は、第１の実施形態によるＥＵＶ光露光装置の概略構成を示す図である。図示のように、本実施形態のＥＵＶ露光装置は、ＥＵＶ光源、照明光学系、反射型レチクル、投影光学系、レチクルステージ、ウエハステージ、アライメント光学系、真空系などで構成される。
【００２７】
本実施形態のＥＵＶ光源にはレーザプラズマ光源が用いられる。これは真空容器７０１中に供給されたターゲット材に、高強度のパルスレーザ光を照射し、高温のプラズマ７０５を発生させ、これから放射される例えば波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光を利用するものである。ターゲット材としては、金属薄膜、不活性ガス、液滴などが用いられ、ガスジェット等の手段を具備したターゲット供給装置７０３によって真空容器７０１内に供給される。また、パルスレーザ光は励起用パルスレーザ７０３より出力され、集光レンズ７０４を介してターゲット材に照射される。放射されるＥＵＶ光の平均強度を高くするためにはパルスレーザの繰り返し周波数は高い方が良く、励起用パルスレーザ７０３は通常数ｋＨｚの繰り返し周波数で運転される。
【００２８】
なお、ＥＵＶ光源として放電プラズマ光源を用いることも可能である。放電プラズマ光源は、例えば図６に示したＥＵＶ光源の構成を有することになる。これは真空容器中に置かれた電極周辺にガスを放出し、電極にパルス電圧を印加して放電を起こし高温のプラズマを発生させ、これから放射される例えば波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光を利用するものである。放射されるＥＵＶ光の平均強度を高くするためには放電の繰り返し周波数は高い方が良く、通常数ｋＨｚの繰り返し周波数で運転される。
【００２９】
照明光学系は、複数の多層膜または斜入射ミラーとオプティカルインテグレータ等から構成される。照明光学系は、照明系第１ミラー７０６、オプティカルインテグレータ７０７、照明系第２ミラー７０８照明系第３ミラー７０９によってプラズマ７０５から放射されたＥＵＶ光をレチクル７１１に導く。
【００３０】
初段の集光ミラー（照明系第１ミラー）７０６はレーザプラズマ７０５からほぼ等方的に放射されるＥＵＶ光を集める役割を果たす。オプティカルインテグレータ７０７はマスクを均一に所定の開口数で照明する役割を持っている。また照明光学系のレチクルと共役な位置にはレチクル面で照明される領域を円弧状に限定するためのアパーチャ７１０が設けられる。
【００３１】
この円弧状露光領域によりレチクルが照射され、その反射光が投影光学系を経てウエハに照射される。ＥＵＶ領域で用いられる多層膜ミラーは可視光のミラーに比べて光の損失が大きいので、ミラーの枚数は最小限に抑えることが必要であるが、少ない枚数のミラーで広い露光領域を実現するには、光軸から一定の距離だけ離れた細い円弧状の領域（リングフィールド）だけを用いて、レチクルとウエハを同時に走査して広い面積を転写する方法（スキャン露光）が用いられる（図７参照）。円弧状の照明領域は照明光学系内のオプティカルインテグレータ７０７や前後のミラーによって形成されることになる。
【００３２】
投影光学系にも複数のミラーが用いられる。図１では、投影系第１〜第４ミラー（７２１〜７２４）によって、レチクル７１１からの反射光がウエハチャック７３３に装着されたウエハ７３１上に導かれる。ミラー枚数は少ない方がＥＵＶ光の利用効率が高いが、収差補正が難しくなる。収差補正に必要なミラー枚数は４枚から６枚程度である。ミラーの反射面の形状は凸面または凹面の球面または非球面である。開口数ＮＡは０．１〜０．２程度である。
【００３３】
各ミラーは低膨張率ガラスやシリコンカーバイド等の剛性が高く硬度が高く、熱膨張率が小さい材料からなる基板を、研削・研磨して所定の反射面形状を創生した後、反射面にモリブデン／シリコンなどの多層膜を成膜したものである。ミラー面内の場所によって入射角が一定でない場合、前述のブラッグの式から明らかなように、膜周期一定の多層膜では場所によって反射率が高くなるＥＵＶ光の波長がずれてしまう。そこでミラー面内で同一の波長のＥＵＶ光が効率よく反射されるように膜周期分布を持たせることが必要である。
【００３４】
レチクルステージ７１２とウエハステージ７３２は縮小倍率に比例した速度比で同期して走査する機構をもつ。ここでレチクル又はウエハ面内で走査方向をＸ、それに垂直な方向をＹ、レチクル又はウエハ面に垂直な方向をＺとする。
【００３５】
レチクル７１１は、レチクルステージ７１２上のレチクルチャック７１３に保持される。レチクルステージ７１２はＸ方向に高速移動する機構をもつ。また、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、および各軸の回りの回転方向に微動機構をもち、レチクル７１１の位置決めができるようになっている。レチクルステージの位置と姿勢はレーザ干渉計によって計測され、その結果に基いて、位置と姿勢が制御される。
【００３６】
ウエハ７３１はウエハチャック７３３によってウエハステージ７３２に保持される。ウエハステージはレチクルステージと同様にＸ方向に高速移動する機構をもつ。また、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、および各軸の回りの回転方向に微動機構をもち、ウエハ位置決めができるようになっている。ウエハステージ７３２の位置と姿勢はレーザ干渉計によって計測され、その結果に基いて、位置と姿勢が制御される。
【００３７】
アライメント検出機構７１４、７３４によってレチクル７１１の位置と投影光学系の光軸との位置関係、およびウエハ７３１の位置と投影光学系の光軸との位置関係が計測され、レチクル７１１の投影像がウエハ７３１の所定の位置に一致するようにレチクルステージ７１２およびウエハステージ７３２の位置と角度が設定される。
【００３８】
また、フォーカス位置検出機構７３５によってウエハ面でＺ方向のフォーカス位置が計測され、ウエハステージ７３２の位置及び角度を制御することによって、露光中は常時ウエハ面を投影光学系による結像位置に保つ。
【００３９】
ウエハ７３１上で１回のスキャン露光が終わると、ウエハステージ７３２はＸ，Ｙ方向にステップ移動して次の走査露光開始位置に移動し、再びレチクルステージ７１２及びウエハステージ７３２が投影光学系の縮小倍率に比例した速度比でＸ方向に同期走査する。
【００４０】
このようにして、レチクルの縮小投影像がとウエハ上に結像した状態でそれらを同期走査するという動作が繰り返され（ステップ・アンド・スキャン）、ウエハ全面にレチクルの転写パターンが転写される。
【００４１】
ＥＵＶ光はガスによって強く吸収される。たとえば、空気が１０Ｐａ満たされた空間を波長１３ｎｍのＥＵＶ光が１ｍ伝播すると、その約５０％が吸収されてしまう。ガスによる吸収を避けるためには、ＥＵＶ光が伝播する空間は少なくとも１０^-1Ｐａ以下、望ましくは１０^-3Ｐａ以下の圧力に保たれている必要がある。
【００４２】
またＥＵＶ光が照射される光学素子が置かれた空間に炭化水素などの炭素を含む分子が残留していた場合、光照射によって光学素子表面に炭素が次第に付着し、これがＥＵＶ光を吸収するために反射率が低下してしまうという問題がある。この炭素付着を防止するためにはＥＵＶ光が照射される光学素子が置かれた空間は少なくとも１０^-4Ｐａ以下、望ましくは１０^-6Ｐａ以下の圧力に保たれている必要がある。このため光源、照明系や投影系光学系の光学素子、レチクル、ウエハなどは真空容器７０１に入れられ、上記真空度を満たすように排気される。
【００４３】
また、図１において、１０１はシャッターであり、レーザプラズマ光源７０５と照明系の初段ミラー（照明系第１ミラー）７０６との間に設けられる。また、レーザプラズマ光源７０５の近傍には、ＥＵＶ光強度検出器１０２が設けられている。第１の実施形態のＥＵＶ光露光装置では、レジストが露光されていない間も定常的にプラズマ光源を発光させ、レジストを露光走査しながらレチクルステージとウエハステージが同期して動作している間だけシャッター１０１を開き、ＥＵＶ光が照明系に導かれるようにする。
【００４４】
図２、図３にシャッター１０１の具体例を示す。シャッターの構造としては、図２のように開口２０１を設けたシャッター板２０２を直線駆動アクチュエータ２０３によって直線移動する構成、或いは図３のように半球の殻状の半球型シャッター板３０１を回転駆動アクチュエータ３０２によって回転させる構成などが挙げられる。このようなシャッター板は清掃、交換のために着脱可能に構成してもよい。
【００４５】
また、シャッター板２０２や半球型シャッター板３０１にはＥＵＶ光源からのデブリやＥＵＶ光を含めた広い波長域の電磁波が照射されるので、大きな熱負荷が掛かる。このためシャッター板は耐熱性があり熱伝導率が高い材料で構成することが必要であり、例えば、タングステンやモリブデンなどの高融点金属、シリコンカーバイド等のセラミックス、あるいは銅などの熱伝導が高い金属の表面に高融点金属やセラミクスをコーティングした構成を用いることが可能である。また、シャッターの内部に水冷配管を設け水冷しても良い。この場合、図２ではシャッターと水冷管を一体で出し入れすることになり、図３では水冷管を一体で回転させることになる。その際、大気中のアクチュエータとシャッターとを水冷管を介して剛に接続する、即ち水冷管そのものが駆動軸と一致するように構成しても良い。なお、図２の例では、真空封止は、ベローズ等を介して行われ、図３の例では、真空封止は磁性流体シール等を介して行われる。
真空中の水冷管を変形させないので、十分な高速動作が可能である。
なお、シャッタの構造としては、デブリが多量に付着した場合には清掃や交換が必要となるので、着脱容易な構造が望ましい。
【００４６】
更に、図１において、１０２は制御装置であり、ウエハステージやレチクルステージの駆動制御、ウエハ搬送の制御や、励起用パルスレーザ７０３、ターゲット供給装置７０２の駆動制御を行うとともに、シャッター１０１の駆動部を含み、図８のフローチャートで後述する制御を実現する。
【００４７】
また、シャッターの駆動方法としては、大気中に設けたアクチュエータからベローズを用いた直線導入機構で駆動する方法、磁性流体軸シールを用いた回転導入機構で駆動する方法、真空容器の中にアクチュエータを設ける方法等が挙げられる。アクチュエータとしてはパルスモーターやサーボモーターを用いる機構、あるいは空気圧や油圧で駆動するシリンダを用いる機構等を採用できる。
【００４８】
シャッターを開閉するのに要する時間はできるだけ短いことが望ましい。これは、露光開始に先立って、シャッターを開くのに要する時間より前にシャッターを開き始める必要があり、シャッターが開き切るまでの間、照明系初段ミラーはＥＵＶ光源からのデブリや放射に晒されることになり、シャッターを開閉するのに要する時間が長かった場合にはミラーの損傷がその分多くなるためである。効果的にミラーの損傷を防止するために、シャッターを開閉するのに要する時間はウエハ上の１つの露光領域を露光するのに要する時間より短いことが望ましく、更にはその１０分の１程度以内が好ましい。例えばウエハ上の１つの露光領域を露光するのに要する時間が０．２秒とすれば、シャッターを開閉するのに要する時間は０．２秒以内が望ましく、更に０．０２秒以内であることが好ましい。
【００４９】
以上の構成を備えた本実施形態の露光装置の動作について説明する。
【００５０】
第１の実施形態では、露光に先立って予め光源の発光強度の変動を計測しておく。この計測はレーザプラズマ光源７０５の近傍に設けられたＥＵＶ光強度検出器１０２を用いて行う。ＥＵＶ光強度検出器１０２には、フォトダイオードやイオンチャンバなどを用いることができる。
【００５１】
図４にレーザプラズマＥＵＶ光源から放射されるＥＵＶ光のパルス毎の強度変動を計測した例を模式的に示す。時間は、発光開始からの時間を示している。放射されるＥＵＶ光の強度はパルス毎にばらつきがあり、また発光開始直後は強度変動が大きく、時間とともに一定値に収束していく。この光源の場合、発光開始から約２秒経過すれば光源の発光強度は定常状態となる。このような特性をもつ光源の場合、露光開始から２秒以上前から光源を発光開始しておけば、露光中の強度変動は小さく抑えられることが分かる。実際にはレーザプラズマ光源は連続的ではなくパルス状に発光するので、そのパルス列を出し始めた状態を発光開始と呼ぶ。
【００５２】
ウエハの露光と光源の発光とシャッタ開閉のタイミングを図５に示す。レジストを露光しながら同期走査する時間が０．２秒、ウエハ上の１つの露光領域を露光してから別の露光領域の露光を開始するまでの時間が０．８秒とすれば、光源の発光強度が定常状態となるのに２秒かかるので、すなわち、露光間隔＜定常化時間であるので、１枚のウエハを露光している間は常に光源を発光させておくことが必要であることが分かる。この場合、レジストを露光終了直後に光源と照明系初段ミラーとの間に設けたシャッター１０１を閉め、次の露光領域の露光が開始する直前にそのシャッターを再び開ける。
【００５３】
１枚のウエハを露光し終わって次のウエハに交換する場合、ウエハの着脱やウエハのアライメントの計測やステージ駆動などが必要なので長い時間が必要である。仮にこの時間が１０秒であるとすれば、１枚のウエハの露光が終了した時点で光源の発光を停止し、次のウエハの露光が開始されるまでに光源の発光強度が安定するように光源の発光開始する。本例では、図４で説明したように、光源の発光強度が安定するまでに約２秒あればよいので、次のウエハの露光が開始する２秒前から光源の発光を開始するようにすれば良い。そして、シャッター１０１は、１枚のウエハの露光終了直後に閉状態とし、次のウエハの最初の露光領域の露光が開始する直前に再び開けるようにする。
【００５４】
以上の、シャッター動作を含めた露光処理動作について図８のフローチャートを参照して更に説明する。ステップＳ８０１において、露光済みとなったウエハの搬送、及び露光処理すべきウエハの搬送を開始する。そして、ステップＳ８０２において、露光処理開始の２秒前になるまで待つ。なお、露光処理開始２秒前のタイミングは、ステップＳ８０１で開始した搬送処理の進捗を監視することにより検出できる。
【００５５】
露光開始２秒前になったならば、ステップＳ８０３へ進み、プラズマ光源の発光を開始する。ステップＳ８０４では露光開始タイミングとなったか否かを判定する。この判定では、ウエハの搬送が開始して、露光処理が開始可能となったか否かを判定する。露光処理が開始可能となった時点で、プラズマ光源は発光開始から約２秒が経過していることになり、光源の発行強度は安定している。なお、ステップＳ８０４の判定で、プラズマ光源の発光を開始してから２秒が経過したか否かを確認することを含めてもよい。
【００５６】
露光開始タイミングとなったならば、ステップＳ８０５へ進み、ウエハを露光ショット位置へ移動し、シャッターを開いて露光を行い、当該ショット位置への露光を完了したならばシャッターを閉じる（ステップＳ８０６〜８０８）。そして、ステップＳ８０９にて、当該ウエハの露光処理を完了したか否かを判定し、まだ未処理のショット位置が有ればステップＳ８０５へ戻り上記のショット露光処理を繰り返す。一方、ステップＳ８０９で当該ウエハに対する露光処理が完了していれば、ステップＳ８１０へ進み、露光すべき次のウエハが有るかどうかを判定する。露光すべきウエハが有るならば、ステップＳ８１１へ進み、プラズマ光源をオフしてステップＳ８０１へ戻る。露光すべきウエハが無ければ、ステップＳ８１０より本処理を終了する。
【００５７】
なお、上記処理において、ステップＳ８０２、Ｓ８０４における「露光開始」とは、ウエハの最初の露光ショット位置への移動までを含めたタイミングとしてもよい。この場合、ステップＳ８０４で露光開始タイミングと判定されれば、ステップＳ８０４からステップＳ８０６へ直接進み、即座に露光動作を開始することができる。
【００５８】
なお、上述したように、第１の実施形態のＥＵＶ露光装置では、レーザプラズマ光源７０５の近傍に設けられたＥＵＶ光強度検出器１０２を用いて露光に先立って予め光源の発光強度の変動を計測し、光源強度の初期変動の時間を決定しておく。この時間は制御装置１０２の不図示のメモリに記憶しておき、図８の処理を実行する際に読み出される。この計測は１種類の光源に対して一度行っておけばよいので、計測終了後はＥＵＶ光強度検出器１０２を撤去しても構わない。従って、複数台の露光装置に対して１つのＥＵＶ光強度検出器１０２を持ち回りで使用し、光源強度の初期変動時間を測定するようにしてもよい。あるいは、同一構造のＥＵＶ光源に対しては光源強度の初期変動の時間はほぼ同一と考えられるので、１台の露光装置の光源についてＥＵＶ光強度検出器を用いて光源の発光強度の変動を計測しておき、それに基づいて他の露光装置の光源強度の初期変動の時間を決定するようにしてもよい。この場合は、個々の露光装置のレーザプラズマ光源の近傍にＥＵＶ光強度検出器を設ける必要はない。
【００５９】
以上のように、本実施形態のＥＵＶ光露光装置においては、レジストを露光しながらレチクルステージとウエハステージが同期して走査している時間だけ光源直後のシャッターを開いて照明系にＥＵＶ光を導き、それ以外の時間はシャッターを閉じて光源からのデブリや放射に多層膜ミラーが晒されることがないようにしている。例えばレジストを露光しながら同期走査する時間が０．２秒、ウエハ上の１つの露光領域を露光してから別の露光領域を露光するまでの時間が０．８秒とすれば、１秒間隔で０．２秒だけシャッターが全開になるようにする。このような方法をとれば、光源を連続運転してかつシャッターがない場合に比べて多層膜ミラーが光源からのデブリや放射に多層膜ミラーが晒される時間は約５分の１になるので、多層膜ミラーの寿命をほぼ５倍に延ばすことができる。
【００６０】
なお、光源の発光開始から発光強度が安定するまでの時間が、ウエハ上の１つの露光領域を露光してから次の露光領域を露光するまでの時間よりも短い場合には、ウエハ上の１つの露光領域を露光してから別の露光領域を露光するまでの間に光源の発光を停止しても構わない。すなわち、ウエハ上の１つの露光領域の露光が終了したならば直ちに光源の発光を停止し、シャッターを閉める。そして、次の露光領域の露光開始時刻より光源の発光開始から発光強度が安定するまでの時間だけ前に、光源の発光を開始すればよい。
【００６１】
また、もしも光源の発光開始から発光強度が安定するまでの時間が１枚のウエハを露光してから次のウエハを露光するまでの時間よりも長い場合は、１枚のウエハを露光してから次のウエハを露光するまでの間も光源の発光を停止しないことが必要である。この場合には、ウエハを連続して露光している間は光源は発光を停止しない。レチクルの交換や露光条件の変更あるいは露光装置や半導体製造工場のメンテナンス等長時間露光が行われない場合に光源の発光を停止すればよい。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態のＥＵＶ光露光装置においては、レーザプラズマ光源は、ウエハが実際に露光されるよりも、発光強度が安定するのに必要な時間以上前もって発光を開始するので、ウエハを露光する時点では放出するガスやノズルの温度は安定している。このため、励起レーザを照射する時点のターゲット密度は一定に保たれ、したがってウエハ露光中に放射されるＥＵＶ光の光強度は安定し、転写される微細なパターンの寸法が変化したり、微細なパターンが転写できなくなるという問題を解消することができる。
【００６３】
また、上記実施形態によれば、光源と照明系の初段のミラーとの間にシャッターを設け、光源はレジストが露光されていない間も定常的に発光し続け、レジストを露光しながらレチクルステージとウエハステージが同期して走査している時間だけシャッターを開いて、ＥＵＶ光が照明系に導かれるようにしている。このため、多層膜ミラーの寿命を長く保つことができるとともに、光源の温度変動に起因するＥＵＶ発光強度の変動とそれに伴う微細なパターンの寸法変化や解像度低下などを防止して、安定して微細なパターン転写が可能となる。
【００６４】
＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、発光強度が不安定な期間を予め測定しておき、その測定結果に基づいて露光開始に先だって光源の発光を開始させている。第２の実施形態では、発光開始からの発光強度の変動を監視して、安定な発光状態になったと判定されてから露光を開始する。
【００６５】
図６は第２の実施形態によるＥＵＶ光露光装置の概観を示す図である。第１の実施形態ではレーザプラズマ光源を用いたが、第２の実施形態では、放電プラズマ光源を用いる。放電プラズマ光源では、真空容器７０１中に置かれた電極６０３の周辺にガス供給装置６０１よりガスを放出し、放電用電源６０２からのパルス電圧を電極６０３に印加して放電を起こすことにより高温のプラズマ６１０を発生させ、これから放射される例えば波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光を露光光として利用する。放射されるＥＵＶ光の平均強度を高くするためには放電の繰り返し周波数は高い方が良く、通常数ｋＨｚの繰り返し周波数で運転される。
【００６６】
第１の実施形態と同様に、放電プラズマ光源６１０と照明系初段ミラー（照明系第１ミラー７０６）との間にシャッター６０４が設けられ、照明系初段ミラーへ向かうＥＵＶ光の通過、遮断が制御される。また、放電プラズマ光源６１０の近傍にはＥＵＶ光強度検出器６０７が設けられ、ピンホール６０５、フィルタ６０６を通過したＥＵＶ光の光強度が計測される。
【００６７】
第１の実施形態と同様に、光源６１０はレジストが露光されていない間も定常的に発光し続け、レジストを露光しながらレチクルステージとウエハステージが同期して走査している時間だけシャッター６０４を開いて、ＥＵＶ光が照明系に導かれるようにする。
【００６８】
６５０は、制御装置であり、ウエハステージやレチクルステージ、ウエハの搬送を制御するほか、光強度検出器６０７よりの光強度新を信号を入力してガス供給装置６０１や放電用電源６０２の駆動を制御するなど、後述の図９のフローチャートの処理を実現する。
【００６９】
第２の実施形態によるＥＵＶ露光装置では、ＥＵＶ光源の発光強度の変動を常時計測する。この計測は放電プラズマ光源の近傍に設けられたＥＵＶ光強度検出器６０７を用いて行う。ＥＵＶ光強度検出器６０７は、フォトダイオードやイオンチャンバなどを用いることができる。本実施形態のＥＵＶ光強度検出器６０７は強い放射やデブリに常時晒されることになるので、温度上昇を防止するために冷却することが望ましい。例えば水冷された銅ブロックにフォトダイオードのケースを固定して冷却する。またＥＵＶ光が入射する側にはピンホール６０５とフィルタ６０６が設けられるが、これらも前述の水冷した銅ブロックに固定されて冷却され、検出器の温度が上昇することを防止する。
【００７０】
光源と照明系の初段のミラーと間に設けるシャッターの構造やその駆動方法は、第１の実施形態と同様である。
【００７１】
本実施形態のＥＵＶ光露光装置ではウエハの露光に先立ち、まず放電プラズマ光源の発光を開始する。そして光源から放射されるＥＵＶ光の強度を光源の近傍に設けたＥＵＶ光強度検出器６０７によって計測する。検出器６０７の出力をみることで、光源から放射されるＥＵＶ光の強度が安定しているかどうかを見極める。すなわち、検出器の出力はパルス毎にばらつきがあり、また発光開始直後は変動が大きく、時間とともに一定値に収束していく。検出器６０７の出力の変動量が予め定めた一定の値を下回ったならば光源から放射されるＥＵＶ光の強度が安定しているとみなし、シャッター６０４を開いて露光を開始する。具体的にはまず、シャッター６０４を開く信号をシャッター駆動装置に与え、シャッターが全開になった後に露光シーケンスを制御するコントローラ（不図示）に露光開始許可を与える。
【００７２】
露光開始許可が与えられたコントローラは露光動作を開始するが、ウエハ状の各露光領域の露光終了直後にシャッター６０４を閉め、次の露光領域の露光が開始する直前にそのシャッターを再び開ける。
【００７３】
また、１枚のウエハを露光し終わって次のウエハに交換する場合には、ウエハの着脱やウエハのアライメントの計測やステージ駆動などが必要なので比較的長い時間が必要である。仮にこの時間が１０秒であるとすれば、１枚のウエハの露光が終了した時点で光源の発光を停止し、次のウエハの露光を開始よりも所定時間前に光源の発光を開始する。そして、光源から放射されるＥＵＶ光の強度をＥＵＶ光強度検出器６０７によって計測し、その信号に基づいて光源からの発光強度が安定するまで待って、ウエハの露光を開始する。
【００７４】
以上の、シャッター動作を含めた第２の実施形態の露光処理動作について図９のフローチャートを参照して更に説明する。ステップＳ９０１において、露光済みとなったウエハの搬送、及び露光処理すべきウエハの搬送を開始する。そして、ステップＳ９０２において、露光処理開始より所定時間だけ前になるまで待つ。なお、露光処理開始２秒前のタイミングは、ステップＳ８０１で開始した搬送処理の進捗を監視することにより検出できる。なお、この所定時間は、プラズマ光源の発光開始から発光強度が安定するまでの時間とほぼ等しいことが好ましい。本実施形態では２秒とする。
【００７５】
従って、露光開始２秒前になったならば、ステップＳ９０３へ進み、プラズマ光源の発光を開始する。ステップＳ９０４ではウエハの搬送を完了し、露光開始可能となり、且つ、プラズマ光源の発光強度が安定したかどうかを判定する。
【００７６】
上記条件が満足されたならば、ステップＳ９０５へ進み、ウエハを露光ショット位置へ移動し、シャッターを開いて露光を行い、当該ショット位置への露光を完了したならばシャッターを閉じる（ステップＳ９０６〜Ｓ９０８）。そして、ステップＳ９０９にて、当該ウエハの露光処理を完了したか否かを判定し、まだ未処理のショット位置が有ればステップＳ９０５へ戻り上記のショット露光処理を繰り返す。一方、ステップＳ９０９で当該ウエハに対する露光処理が完了していれば、ステップＳ９１０へ進み、露光すべき次のウエハが有るかどうかを判定する。露光すべきウエハが有るならば、ステップＳ９１１へ進み、プラズマ光源をオフしてステップＳ９０１へ戻る。露光すべきウエハが無ければ、ステップＳ９１０より本処理を終了する。
【００７７】
なお、上記処理において、ステップＳ９０４における露光開始可の判定を、ウエハの最初の露光ショット位置への移動が完了した時点としてもよい。この場合、ステップＳ９０４で露光開始可であれば、ステップＳ９０４からステップＳ９０６へ直接進み、即座に露光動作を開始することができる。
【００７８】
以上のように第２の実施形態のＥＵＶ光露光装置においては、レジストを露光しながらレチクルステージとウエハステージが同期して走査している時間だけ光源直後のシャッター６０４を開いて照明系にＥＵＶ光を導き、それ以外の時間はシャッター６０４を閉じて放電プラズマ光源６１０からのデブリや放射に多層膜ミラーが晒されることがないようにしている。このような方法をとれば、光源を連続運転してかつシャッターがない場合に比べて多層膜ミラーが光源からのデブリや放射に多層膜ミラーが晒される時間を減少させることができるので、多層膜ミラーの寿命を延ばすことができる。
【００７９】
更に、第２の実施形態によるＥＵＶ光露光装置においては、放電プラズマ光源６１０はウエハ７３１に対して露光を開始するよりも前に発光を開始させ、その光強度を監視して発光が安定したかどうかを判定する。このため、ウエハを露光する時点では放出するガスやノズルの温度は安定し、励起レーザを照射する時点のターゲット密度は一定に保たれる。したがってウエハ露光中に放射されるＥＵＶ光の強度は安定し、転写される微細なパターンの寸法が変化したり、微細なパターンが転写できなくなるという問題も生じることがない。
【００８０】
すなわち、放電プラズマ光源と照明系の初段のミラーと間にシャッターを設け、光源はレジストが露光されていない間も定常的に発光し続け、レジストを露光しながらレチクルステージとウエハステージが同期して走査している時間だけシャッターを開いて、ＥＵＶ光が照明系に導かれるようにすることによって、多層膜ミラーの寿命を長く保ちながら、光源の温度変動に起因するＥＵＶ発光強度の変動とそれに伴う微細なパターンの寸法変化や解像度低下などが起こらず、安定して微細なパターンが転写できるＥＵＶ光を用いた露光装置および露光方法が実現される。
尚、光源と制御方法の組み合わせは第１、第２実施形態で入れ替えても良い。即ち、第１実施形態に放電プラズマ光源を用いてもよく、第２実施形態にレーザプラズマ光源を用いても良い。
【００８１】
次に、上記説明した露光装置を利用した半導体デバイスの製造プロセスを説明する。図１０は、半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す。ステップＳ１１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップＳ１２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップＳ１３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップＳ１４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップＳ１５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップＳ１４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組立て工程を含む。ステップＳ１６（検査）ではステップＳ１５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これを出荷（ステップＳ１７）する。前工程と後工程はそれぞれ専用の別の工場で行い、これらの工場毎に上記説明した遠隔保守システムによって保守がなされる。また、前工程工場と後工程工場との間でも、インターネットまたは専用線ネットワークを介して生産管理や装置保守のための情報がデータ通信される。
【００８２】
図１１は、上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップＳ２１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップＳ２２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を成膜する。ステップＳ２３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップＳ２４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップＳ２５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップＳ２６（露光）では上記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップＳ２７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップＳ２８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップＳ２９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。
なお、第１実施形態の制御方式に放電プラズマ光源を用いてもよいし、第２実施形態の制御方式にレーザプラズマ光源を用いてもかまわない。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光学素子への悪影響を防止した現実的なプラズマ発光光源およびそれを用いた露光装置が実現される。特に、例えばＥＵＶ光を用いた露光装置において、多層膜ミラーの寿命を長く保ちながら、光源の温度変動に起因するＥＵＶ発光強度の変動やそれに伴う微細なパターンの寸法変化及び解像度低下などを防止することができ、安定して微細なパターン転写を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態によるＥＵＶ光露光装置の概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態によるシャッターの構造を説明する図である。
【図３】本実施形態による他のシャッターの構造を説明する図である。
【図４】レーザプラズマＥＵＶ光源から放射されるＥＵＶ光のパルス毎の強度変動を計測した例を模式的に示す図である。
【図５】ウエハの露光と光源の発光とシャッタ開閉のタイミングを示す図である。
【図６】第２の実施形態によるＥＵＶ光露光装置の概観を示す図である。
【図７】円弧状露光領域による露光の様子を示す図である。
【図８】第１の実施形態による、シャッター動作を含めた露光処理動作を説明するフローチャートである。
【図９】第２の実施形態による、シャッター動作を含めた露光処理動作を説明するフローチャートである。
【図１０】半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。
【図１１】図１０に示したウエハプロセスの詳細なフローを示す図である。

Claims

プラズマ発光光源を用いる露光装置であって、
前記プラズマ発光光源からの光を用いてレチクルを照明する照明系と、
前記プラズマ発光光源と前記照明系の初段の光学素子との間に設けられたシャッターと、
前記プラズマ発光光源の発光強度が安定するのに必要な安定化時間を記憶する記憶手段と、
１つの露光領域の露光を完了してから次の露光領域の露光を開始するまでの露光間隔が前記安定化時間よりも短い場合には、前記プラズマ発光光源による発光を継続し、前記１つの露光領域の露光の終了後に前記シャッターを閉じ、前記次の露光領域の露光の開始前に前記シャッターを開け、
前記安定化時間が前記露光間隔よりも短い場合には、前記プラズマ発光光源による発光を停止し、前記次の露光領域の露光の開始より少なくとも前記安定化時間だけ前以て前記プラズマ発光光源の発光を開始する制御手段とを備えることを特徴とする露光装置。
前記１つの露光領域と前記次の露光領域とが、互いに異なるウエハ上の露光領域であることを特徴とする請求項１記載の露光装置。
前記シャッターを水冷するための水冷配管を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の露光装置。
請求項１乃至３いずれかに記載の露光装置を用いて半導体デバイスを製造することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
プラズマ発光光源と、
前記プラズマ発光光源と照明系の初段の光学素子との間に設けられたシャッターとを有する露光装置の制御方法であって、
前記プラズマ発光光源の発光強度が安定するのに必要な安定化時間を記憶し、
１つの露光領域の露光を完了してから次の露光領域の露光を開始するまでの露光間隔が前記安定化時間よりも短い場合には、前記プラズマ発光光源による発光を継続し、前記１つの露光領域の露光の終了後に前記シャッターを閉じ、前記次の露光領域の露光の開始前に前記シャッターを開け、
前記安定化時間が前記露光間隔よりも短い場合には、前記プラズマ発光光源による発光を停止し、前記次の露光領域の露光の開始より少なくとも前記安定化時間だけ前以て前記プラズマ発光光源の発光を開始することを特徴とする露光装置の制御方法。