JP4274578B2 - 投影露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシンなどをリソグラフィ工程で製造する際に用いられる投影露光装置に関する。

半導体素子あるいは液晶素子をフォトリソグラフィ工程で製造する際には、原版であるレチクルに描かれるパターンを感光材が塗布されるウエハ上に転写する半導体露光装置が使用されている。

従来、半導体露光装置としては、ウエハの各露光領域（ショット領域）を順次投影光学系の露光フィールド内に移動して、各ショット領域へレチクルの回路パターンを一括露光する、いわゆるステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型半導体露光装置が多くの生産現場において稼動していた。しかし、半導体チップの大型化は近年の趨勢であり、半導体露光装置に対してはレチクル上のより大きな面積のパターンをウエハ上に転写露光するための大面積化が求められるようになっている。同時に、半導体素子のパターン微細化に応じて解像度の向上も要求されている。しかしながら、解像力向上と露光面積大型化の両条件を満たす縮小投影型露光装置の設計および製造は技術的に困難であるという問題があった。

このような問題の解決のために、スリット状の照明領域に対してレチクルを走査し、その照明領域と共役な露光領域に対してレチクルと同期してウエハを走査することにより、レチクル上に描画されたパターン像を逐次ウエハ上に露光するという、いわゆる走査型投影露光装置が開発されている。走査型半導体露光装置においては、レチクルを保持するレチクルステージと、感光基板であるウエハを保持するウエハステージとを同期させて、投影光学系に対して互いに逆向きかつ投影倍率に応じた速度比で相対走査により、ウエハに対する露光が行なわれる。

何れの方式の半導体露光装置も、スループット（生産性）向上を図るためには、レチクルステージおよびウエハステージを高加速度でしかも高速で駆動せねばならない。したがって、投影レンズ群を格納する鏡筒（以下、投影光学系と称する）をはじめとした構造体等に振動を発生せしめることは避けられなかった。不幸なことに、この種の振動は、位置決め整定あるいはスキャン整定を長引かせると共に露光性能を劣化させるという問題を惹起せしめていた。

まず、駆動反力に起因する構造体等の振動は、レチクルもしくはウエハステージの位置決め整定を乱す原因となることに注意したい。なんとなれば、構造体にはレチクルもしくはウエハステージの位置を計測する位置計測手段としてのレーザ干渉計が装着されているからである。構造体の振動によってレーザ干渉計も振動するので、各ステージも振動してしまい位置決め整定を長引かせるのである。そこで、両ステージ直近の本体構造体に備えられた加速度センサの出力を、それぞれのステージのドライバ前段にフィードバックすることによって位置決め整定を良好にすることが行なわれている。この技術は既知であり、例えば特開平１０−０１２５１３号公報（走査型投影露光装置）に詳しく開示されている。この制御技術は、ステージの駆動に起因して発生する定盤の振動を捕捉して、この振動に追従してステージを動かし位置決めの誤差を無くそう、とするものである。

次に、駆動反力に起因する振動が、露光性能を劣化させてしまうことを説明しよう。
まず、駆動反力による振動はステージそのものを直に支えている定盤などの構造物だけでなく、露光装置の心臓部である投影光学系も振動させている。当然に、ステージを直に支持する定盤などの構造物とは異なる振動モードである。そして、概ね円柱の構造物の投影光学系は、通常、鉛直方向に立てられ、フランジと称する結合部位で機械的に本体構造体に接続する。したがって、低次の振動モードで、かつ露光性能に甚大な影響を及ぼすモードは、円柱状の投影光学系が倒れを発生する振動である。例えば、半導体露光装置が走査型である場合、レチクルとウエハとを所定の速度比で同期スキャンすることによって、レチクルの回路パターンがウエハ上では静止した状態にあって露光がなされることが重要となる。このとき、投影光学系が振動していれば、回路パターンもウエハ上で振動することになり、したがって露光精度を劣化させてしまうのである。

より具体的に図面を参照しながら、ステージの駆動に起因した投影光学系の振動が及ぼす露光精度への影響をみていこう。
図１に本発明の走査型の半導体露光装置を示す。同図において、光源１から出射した露光光ＩＬは、ミラー２、レチクルブラインド３、リレーレンズ４、ミラー５、コンデンサレンズ６を通ることによって、均一な照度かつレチクルブラインド３によって設定したスリット状の照明領域でレチクル７を照明する。レチクルステージ８はレチクルステージ定盤９の上に支持され、そしてレチクルステージ８上の移動鏡１０にレーザビームＬＢを当ててその反射光を受光することによってレチクルステージ８の位置を検出するレチクル干渉計１１が設けられて、図中左右方向（ｙ軸方向）に走査される。

レチクルステージ８の下方には投影光学系ＰＯが配置されており、レチクル７上の回路パターンを所定の縮小率で感光基板としてのウエハＷに縮小投影する。ウエハＷは水平２次元平面を移動するウエハステージ１２の頂部の微動ステージ１２ａにいだかれており、移動鏡１３にレーザビームＬＢを照射して得られる反射光をウエハレーザ干渉計１４が捕捉することによってウエハステージ１２の位置が検出できる。そして、ウエハステージ１２はウエハステージ定盤１５に搭載されている。

さて、露光動作中、ウエハステージ１２はレチクルステージ８と同期して、図中左右方向（ｙ軸方向）でレチクルステージ８とは反対方向に走査されるが、両ステージの駆動反力は、レチクルステージ定盤９とウエハステージ定盤１５とを含む本体構造体を揺動させる。そして、本体構造体に含まれる投影光学系ＰＯの振動も惹起せしめる。

本体構造体の振動によってレチクル干渉計１１とウエハレーザ干渉計１４の計測値に発生する誤差の影響は、各ステージ直近に備えた振動センサとしての加速度センサ１８Ｒおよび１８Ｗの出力を各ステージ制御系にフィードバックして補正することができた。フィードバックの構成は既に特開平１０−０１２５１３号公報（走査型投影露光装置）に開示されている。しかし、投影光学系ＰＯの振動については、レチクル干渉計１１とウエハレーザ干渉計１４に重畳する本体振動とは様相を異にしており、したがって投影光学系ＰＯの振動に起因する露光精度への影響は、上記公開公報記載の技術によって軽減または排除できるものでなかった。

そこで、本発明では、各ステージの駆動反力などによる投影光学系ＰＯの振動の露光精度への悪影響を排除した投影露光装置を提供することを目的とする。

なお、本発明とほぼ同様の課題を解決するためになされた公知資料として特開平１０−２６１５８０号公報（露光装置）がある。同公開公報では、露光装置本体の振動を振動センサによって計測して、主制御系によりその計測結果を用いてレーザ干渉計の計測値に発生する振動に起因する誤差を補正し、これによってレチクルとウエハの位置ずれを防止する装置構成を開示している。より具体的に説明すると、露光装置本体の振動は投影レンズ群を納める投影光学系に振動センサを装着することによって検出し、この振動をレチクル微動ステージの位置制御系にフィードフォワードしている。

同公開公報には、振動センサの装着位置を特定する記述はないが、図面を参照すると鏡筒の下方に振動センサが取付けられている。つまり、露光位置の、すなわちウエハ側の振動を検出する意図がある。そして、露光位置での振動に起因する誤差を、投影光学系ＰＯの縮小倍率分だけ位置決め精度が緩くなるレチクル微動ステージで修正せんとしていることが分かる。

同公開公報中の図２には、投影光学系に設けた振動センサの出力信号に基づいてレチクル微動ステージの位置を修正するブロックが示されている。図８は、この公報中の図２を再掲したものである。同公報と同じ呼称および番号を使って、意図している動作をさらに詳しく記述すると以下のようになる。

まず、加速度センサ５０の出力は、積分回路７０に通して速度信号に変換され、続いてレチクル微動ステージ制御系５６にフィードフォワードしている。フィードフォワードはレチクル微動ステージの物理的な速度を表わす所（図中の自然積分器である７６の入力側）に印加されている。現実にはレチクル微動ステージを駆動するドライバの前段にしか信号を注入できないわけであり、したがって図８のブロック図の表記には過誤があり、このブロック図の忠実な実現は不可能である。しかし、図８から実現せんとしている思想は汲み取れる。すなわち投影光学系の振動を加速度センサ５０で検出し、それを積分器７０と積分器７６とを介することによって投影光学系の振動の絶対変位を演算して、それを位置制御系が構成されているレチクル微動ステージへの目標信号に相当するものとしているのである。つまり、投影光学系が振動したことによって発生した変位に相当する量を算出し、この量そのものでレチクル微動ステージの位置を修正せんとしているのである。

なお、加速度センサ５０の出力をレチクル微動ステージに「フィードフォワード」すると記述されているが、力学的に厳密な解釈を行なうと「フィードバック」である。その理由は、特開平５−２５００４１号公報（多重加速度フィードバック付き位置決め装置）を参照することによって理解できる。上記特開平１０−２６１５８０号公報に則して簡単に言うと、各ステージの駆動によって構造物たる投影光学系が振動し、逆に構造物が何等か原因によって振動したときには各ステージの性能に影響が及ぶわけであり、つまりは各ステージと投影光学系を含めた構造物は力学的に連成しているのである。連成している構造物の振動（加速度信号）をステージ制御系の中に取り込めば制御系の安定性に関与するフィードバックと言えるのである。ただ、そのフィードバックによってレチクル微動ステージの位置を補正するので必ず適量があってその量は僅かであるため、結果として各ステージ制御系の固有値を変更するような動作を示さないだけなのである。以上の理由から、本発明では、投影光学系に装着した振動センサの出力をステージ制御系に導入する形態を、フィードバックと呼ぶ。

次に、上記特開平１０−２６１５８０号公報（露光装置）に開示の装置構成の問題点を指摘しておこう。
概略円柱状の投影光学系ＰＯがある回転中心で回転したとき、ＰＯ内のレンズ群にとっては並進と回転の両者の変位が与えられる。ここで、「ある回転中心」が投影光学系ＰＯにおける「節点」のとき、レンズ群に与えられた並進と回転に起因する露光光のシフトが相互に相殺し合って最終的なウエハ上の結像位置のシフトとしては現われない。すなわち、収差は発生させてしまうものの、露光位置のずれに対する補正は本来不要なのである。しかるに、特開平１０−２６１５８０の露光装置によれば、投影光学系が節点で回転の振動をしていたとしても、投影光学系の下方に装着した振動センサの出力を使って、常にレチクル微動ステージの位置を修正してしまうので、本来補正すべきでないところを無意味に補正して露光の位置誤差を招いてしまうのである。そして、もともと、ステージに対する位置計測手段としてのレーザ干渉計に重畳する振動の影響を補正するために、レーザ干渉計と一体的に振動していると見做せるであろうところの投影光学系の振動を計測し、この信号出力を使ってレチクル微動ステージの位置に対して修正を掛けることを意図しており、レーザ干渉計とは様相を異にする投影光学系の振動に起因する露光誤差への影響を補正することはできない、という問題があった。

そこで、本発明では従来技術の欠点を克服するために、投影光学系の振動状態をよく踏まえて露光誤差への影響を補正せんとするものである。
特開平１０−０１２５１３号公報 特開平１０−２６１５８０号公報 特開平５−２５００４１号公報

本発明の課題を整理すると次のようになる。
半導体素子の製造に際して求められる高スループット化に伴い、レチクルステージとウエハステージの高速スキャンもしくは高速位置決めがなされている。その際、各ステージの駆動反力によって、本体構造体と剛に結合している各ステージの位置計測手段としてのレーザ干渉計を振動させていた。同時に、半導体露光装置の心臓部たる投影光学系ＰＯにも、先のレーザ干渉計とは様相を異にする振動を発生させていた。

従来、レーザ干渉計に重畳する振動のステージ整定への影響は、これを補正する制御手段によって軽減ないし除去されていた。しかしながら、投影レンズ群とこれらを納める鏡筒とからなる投影光学系ＰＯは、概ね円柱の形状をしており、機械的には鉛直方向に支持されている。したがって、レチクルステージあるいはウエハステージの駆動によって、主には倒れの振動が発生していた。この振動は、投影光学系ＰＯ内を通過する露光光を曲げることになるので露光精度の不良を招く原因となっていた。すなわち、レーザ干渉計の振動とは様相を異にする投影光学系ＰＯの振動に起因した露光精度への悪影響を排除する手段は十分開発されていない、という課題が残されていた。

本発明は、上述の従来例における問題点に鑑みてなされたもので、投影露光装置における投影光学系の振動の露光精度への悪影響を排除することを課題とする。

上記の課題を解決するため本発明では、原版に形成されたパターンを被露光基板上に投影する投影光学系を有する投影露光装置であって、前記投影光学系の振動を計測するための少なくとも２個の振動計測手段と、前記原版を搭載して前記投影光学系の光軸に垂直な方向に移動可能な原版ステージと、前記被露光基板を搭載して前記投影光学系の光軸に垂直な方向に移動可能な基板ステージと、前記原版および被露光基板の位置を計測する位置計測手段と、前記振動計測手段の出力に基づいて、前記投影光学系の振動による前記被露光基板上の露光光のシフト量を振動モードごとに算出し、該算出された結果と前記位置計測手段の計測値とに基づいて前記原版および被露光基板の少なくとも一方の位置を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。

本発明では、例えば、投影光学系の屈曲状の振動を検出するに必要な個数の振動センサもしくはレーザ干渉計を備え、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置の場合には、前記制御手段は、屈曲状の振動が所定のトレランス内になったことを検出もしくは判定してから露光を掛け、走査型投影露光装置の場合には、スキャン露光時に投影光学系の屈曲状の振動が所定のトレランス内になるように、ウエハとレチクルのどちらか一方もしくは両者を駆動するため加減速プロファイルあるいは一定速のスキャンに先立つ助走距離を最適化することが好ましい。

さらには、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型半導体露光装置と走査型投影露光装置の何れの装置においても、投影光学系における屈曲状の振動を最小と成すように投影光学系を支える除振装置のパラメータを最適選定することが好ましい。
なお、前記振動計測手段は、例えば、前記投影光学系の光軸方向および光軸に垂直な平面内の直交する２軸方向の１〜３方向の振動を計測できるものである。また、前記投影光学系の加速度、速度および変位のいずれかを計測できる手段である。また、前記振動計測手段はレーザ干渉計を用いたものであってもよい。
前記振動モードは、例えば、前記投影光学系の回転運動と並進運動とを含んでいる。または、前記投影光学系の回転運動と並進運動を含む剛体振動モードと、前記投影光学系の変形による振動モードとを含んでいる。

従来の露光装置において原版ステージおよび／または基板ステージを位置決めする際には、投影光学系の振動を検出するとしても上記特開平１０−２６１５８０号公報に記載されているように１個の振動センサにより検出しており、上述のように投影光学系の振動による像位置の光軸と垂直な方向へのシフトを必ずしも適切には補正できないという問題があった。これに対し本発明では、少なくとも２個以上の振動計測手段を備えることにより、投影光学系の振動モードを分離して検出することができる。したがって、この振動モードに応じて原版ステージおよび／または基板ステージの位置または走りの補正を行なうことにより、特に原版に対する被露光基板のアライメント精度および原版ステージと基板ステージの同期精度を向上させることができ、投影光学系の振動の露光精度への悪影響を抑えることができる。

本発明の好ましい実施の形態において、前記振動計測手段は、前記投影光学系の光軸方向（ｚ方向）および光軸に垂直な平面内の直交する２軸方向（ｘおよびｙ方向）のいずれか１もしくは２方向または３方向全ての振動を計測できるものである。また、前記振動計測手段は、前記投影光学系の原版側と被露光基板側とに離して設置することが好ましい。その場合、前記振動計測手段は、前記投影光学系の原版側および被露光基板側の各端部またはその近傍に設置するのが特に好ましい。

前記制御手段は、各振動計測手段の出力に基づいて前記投影光学系の振動（ゆれ）を検出する。ゆれとしては、１次モード（剛体モード）や、２，３次モード（変形モード）がある。また、振動の加速度としては、並進加速度や回転加速度がある。

前記振動計測手段は、前記投影光学系の加速度、速度および変位のいずれかを計測できる手段である。前記振動計測手段としては、例えば加速度センサが好適に使用できる。もしくは、振動計測手段に代えてレーザ干渉計を投影光学系の振動の計測に用いることも可能である。

一例として、前記振動計測手段は、前記投影光学系の鏡筒に取り付けられる。その場合、前記制御手段は、前記振動計測手段を使って、前記鏡筒の振動から前記振動の加速度や振動モードあるいは前記所定の位置の変位を算出し、振動モードに応じて被露光基板のアライメントや前記原版ステージと基板ステージの走査時の補正を行ない、あるいは変位後の前記所定の位置へ前記被露光基板表面を合致させる。または、前記振動計測手段を使って、前記鏡筒の振動から前記所定の位置の変形量を算出し、前記ステージの前記光軸方向への駆動量を補正する。

前記パターンの形成された原版は、マスク基板またはレチクル基板であり、前記被露光基板は、感光基板、前記投影光学系光軸方向の感光基板のずれ量を計測するための基板、前記投影光学系の光軸に垂直な方向の感光基板のずれ量を計測するための基板、および前記投影露光装置の状態を計測するための基板のいずれかである。また、前記所定の位置は、前記投影光学系の結像面、または該結像面に平行な所定の平面である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の一実施例に係る半導体露光装置の構成を示す。既に、［従来の技術］の項で、同図を用いての説明は行なっており、新規部分についてのみ説明を追加する。

先ず、半導体露光装置が走査型である場合における主制御装置１７が担う動作を説明する。レチクル干渉計１１の出力に基づいてレチクルステージ８を＋ｙ（または−ｙ）方向に所定の走査速度Ｖ_Ｒでスキャンする。これと同期して、ウエハステージ１２はウエハレーザ干渉計１４の出力に基づき−ｙ（または＋ｙ）方向に所定の速度比の速度Ｖ_Ｗでスキャンする。ただし、Ｖ_Ｗ＝βＶ_Ｒの関係がある。βは投影光学系ＰＯの縮小倍率である。ここで、レチクル干渉計１１の出力に基づくレチクルステージ８の制御と、ウエハレーザ干渉計１４の出力に基づくウエハステージ１２の制御が各々独立していると、種々の外乱の印加によって同期関係が乱されて同期誤差を招く。この同期誤差を吸収して即座にＶ_Ｗ＝βＶ_Ｒの関係を保持する同期補正のための制御ループも主制御装置１７の中に機能として含まれる。このようなステージ間の同期関係の修復機能としては、特開平１０−０１２５１３（走査型投影露光装置）に開示したマスタ・スレイブ同期制御系のループ構造が知られている。

さて、従来技術に係る半導体露光装置に対して、本実施例の半導体露光装置では投影光学系ＰＯの上下部分に振動センサ１６Ｕｙと１６Ｄｙを装着し、この出力が主制御装置１７に入力されていることが特徴となる。つまり、振動センサ１６Ｕｙ，１６Ｄｙの出力によって投影光学系ＰＯの振動状態を検出し、その出力に基づいてレチクルステージ８とウエハステージ１２の同期スキャンに対して補正を掛けて、投影光学系ＰＯが振動することに起因する露光精度への悪影響を除去する。同期スキャンに対して補正を掛けるとは、レチクルステージ８とウエハステージ１２の何れか一方に、もしくは両ステージに補正を掛けることを意味する。なお、振動センサとしては加速度センサが好適に使用できる。

より具体的に、図面を参照しながら、投影光学系ＰＯの上下部分に装着した振動センサ１６Ｕｙと１６Ｄｙとに基づいて、レチクルステージ８とウエハステージ１２の同期スキャンに対してどのような補正を加えるのかを説明する。
図２は、図１における主制御装置１７の具体的構成の一例を示す。ここで、ウエハステージ１２は、ｘ軸方向に駆動されるＸステージ１２Ｘ、ｙ軸方向に駆動されるＹステージ１２Ｙ、および微動ステージ１２Ｂから構成される。まず、ウエハＷを載置する微動ステージ１２Ｂを上下動かつ傾斜させる位置決め制御系の説明を行なう。微動ステージ１２Ｂに対しては運動モードに基づく非干渉化制御系が採用されており、本出願人の先の出願に係る特開平７−３１９５４９号公報に詳しい。簡単に説明すると、３６は運動モード抽出演算手段であり、微動ステージ１２Ｂのｚ軸方向変位を計測する不図示の変位検出手段からの信号を入力してｚ軸方向並進運動、ｘ軸回りの回転運動、およびｙ軸回りの回転運動という運動モード信号を抽出する。その出力は、指令値発生手段３１の出力信号と比較して運動モード偏差信号（ｅｇ，ｅθｘ，ｅθｙ）を生成する。ここで、ｅｇはｚ軸方向並進運動を表わす運動モード偏差信号、ｅθｘはｘ軸回りの回転運動を表わす運動モード偏差信号、ｅθｙはｙ軸回りの回転運動を表わす運動モード偏差信号である。これらの運動モード偏差信号は運動モードごとに最適な補償を施すための補償器３２Ｇ，３２Ｘ，３２Ｙに導かれ、運動モード分配演算手段３３への入力となる。運動モード分配演算手段３３の出力は微動ステージ１２Ｂを駆動するアクチュエータ３４Ｍ，３４Ｒ，３４Ｌを付勢する電力アンプ３５Ｍ，３５Ｒ，３５Ｌへの入力となる。ここで、指令値発生手段３１ヘの入力は、投影光学系ＰＯを基準にしてウエハＷの露光面までのフォーカス距離を計測する不図示の位置計測手段からの信号である。なお、特開平７−３１９５４９号公報ではアクチュエータ３４Ｍ，３４Ｒ，３４Ｌが変位拡大機構を含めたピエゾ素子であったが、本実施例においてはそのようなアクチュエータに限定されるものではなく電磁アクチュエータも含むものである。

次に、ｙ軸方向にスキャン駆動されるウエハステージ１２に対する位置制御手段について説明する。まず、ウエハレーザ干渉計１４の出力とスキャンプロファイラー２０の出力とを比較して位置偏差信号を得る。これを適切な補償器２１を介して駆動信号を生成する。具体的に、補償器２１としてはＰＩＤ補償器を使うことができる。ここで、Ｐは比例を、Ｉは積分を、そしてＤは微分動作をそれぞれ意味する。続いて、補償器２１が生成する駆動信号はウエハステージ１２を駆動するドライバ２２に印加され、スキャンプロファイラー２０が指定する時刻と位置にウエハステージ１２を定位させることができる。

最後に、ｙ軸方向にスキャン駆動されるレチクルステージ８に対する位置制御手段について説明する。まず、レチクルレーザ干渉計１１の出力と、スキャンプロファイラー２０の出力を、投影倍率βの逆数１／βである定数器２３に通した信号と比較して偏差信号を得る。この偏差信号は補償器２４への入力となる。この補償器２４としては、既に説明した補償器２１と同様にＰＩＤ補償器が好適に用いられ、この補償器２４の出力はレチクルステージ８を駆動するドライバ２５への入力となる。

このように、ウエハステージ１２とレチクルステージ８の駆動は、何れもウエハレーザ干渉計１４とレチクルレーザ干渉計１１の出力に基づく閉ループ系によって制御されている。そして、各閉ループ系の高速応答を図るために、フィードフォワード補償が施される。ウエハステージ１２に対しては、スキャンプロファイラー２０の信号を目標値フィードフォワード手段２６を通してドライバ２２の前段にフィードフォワードしており、レチクルステージ８に対しては定数器２３の信号を目標値フィードフォワード手段２７を通してドライバ２５の前段にフィードフォワードしている。

また、各ステージの駆動によってウエハレーザ干渉計１４とレチクルレーザ干渉計１１が揺れることによって計測値に誤差が重畳するが、これを相殺するために、ウエハ定盤１５の振動を振動センサ１８Ｗによって計測し、加速度フィードバック手段２８を介してドライバ２２の前段にフィードバックしている。同様に、レチクル定盤９の振動を振動センサ１８Ｒによって計測し、この信号を加速度フィードバック手段２９を介してドライバ２５の前段にフィードバックしている。

さらに、ウエハステージ１２とレチクルステージ８の同期を確保するために、ウエハステージ１２に対して組まれた閉ループ系の位置偏差信号を投影光学系ＰＯの縮小倍率βの逆数１／βである同期補正パス３０を介した信号をレチクルステージ８に対して構成される閉ループ系の目標入力としている。いわゆる、マスタ・スレイブ同期制御方式が採用されている。

上述の制御系構成によって、ウエハステージ１２の速度をＶ_Ｗとレチクルステージ８の速度をＶ_Ｒとおいて、スキャンプロファイラー２０が指定する時刻と位置に各ステージを定位させるとともに、Ｖ_Ｗ＝βＶ_Ｒの関係を満たす所定の速度比で同期的にスキャンさせることができる。

加えて、本実施例では、投影光学系ＰＯの上下方向に振動センサ１６Ｕｙ，１６Ｄｙを備え、これらの信号を露光精度確保のために活用する。まず、振動センサ１６Ｕｙ，１６Ｄｙの出力は、投影光学系の振動モード検出手段４０に導かれて、投影光学系ＰＯの回転中心に関する並進運動加速度ａ_ｔと回転運動加速度ａθとを検出する。振動センサ１６Ｕｙ，１６Ｄｙの計測に基づく回転中心の位置と、光学設計の観点から既知の「節点」の位置とを使った座標変換によって、投影光学系ＰＯの節点に関する並進運動加速度ａ_ｔと回転運動加速度ａθと演算しても構わない。ここで、並進投影光学系ＰＯの振動を並進と回転成分とに分離する必要性を述べておく。前記［従来の技術］の項で述べたように、投影光学系ＰＯの「振動の回転中心」と「節点」が一致しており、その回りで回転振動成分だけがある場合、同成分に起因した露光誤差は発生しない。したがって、レチクルステージ８とウエハステージ１２の何れに対しても回転振動成分に基づく補正は不要である。しかし、「節点」に関して投影光学系ＰＯの並進振動成分があると、これは露光誤差を招く。したがって、この成分の振動を捉えてレチクルステージ８もしくはウエハステージ１２のどちらか一方に、あるいはレチクルステージ８とウエハステージ１２の両者に対して並進振動成分に基づく補正を掛ける必要がある。そして、一般的には、「節点」以外に「振動の回転中心」があり、この回りで回転するとともに並進振動も混じるのである。したがって、回転と並進の振動に対して適切な補正を掛けていく必要がある。

いま、投影光学系ＰＯの並進振動成分による平行偏心量Δεが発生したとき、補正すべき位置誤差ΔｔεはΔｔε＝ＫεΔεと表現できる。ここで、Ｋεは平行偏心感度、である。

同様に、投影光学系ＰＯの回転振動成分による傾き偏心量Δθが発生したとき、補正すベき位置誤差ΔｔθはΔｔθ＝ＫθΔθと表現できる。ここで、Ｋθは傾き偏心感度である。そうして、トータルで補正せねばならない位置誤差はΔｔε＋Δｔθであるが、この量は投影光学系ＰＯの振動モードによって、すなわち並進と回転の運動モードの混ざり方によって大きく異なる。より具体的には、各振動モードの符号によって絶対値は異なってしまうのである。したがって、本実施例のように、振動センサを少なくとも２個（１６Ｕｙ，１６Ｄｙ）以上備えて、投影光学系ＰＯの振動モードを分離した形で検出する意義は大いにあると言えるのである。

再び、図２を参照して、投影光学系ＰＯの振動モード検出手段４０の出力ａ_ｔとａθはともにＰＯ位置レチクル補正フィードバック手段４１とＰＯ位置ウエハ補正フィードバック手段４２とに導かれ、フィードバック手段４１と４２においてはａ_ｔとａθを入力信号とする適切な補償が施される。そして、ＰＯ位置レチクル補正フィードバック手段４１の出力はレチクルステージ８を駆動するドライバ２５の前段に、ＰＯ位置ウエハ補正フィードバック手段４２の出力はウエハステージ１２を駆動するドライバ２２の前段にフィードバックしている。

以って、投影光学系ＰＯの振動に起因した露光精度への誤差を、レチクルステージ８とウエハステージ１２とが共同、もしくは何れかのステージ単独で補正することができる。

より詳細な理解を得るべく、投影光学系ＰＯが振動したときにおける露光光の軌跡を図３に示そう。同図は投影光学系ＰＯの振動モードを示す。まず、同図（ａ）は投影光学系ＰＯが＋ｙ軸方向に並進した場合における概略の露光光の軌跡を示すものである。図示のように、ウエハＷ上の露光光は＋ｙ方向にシフトする。（ｂ）は投影光学系ＰＯの節点以外の回転中心の回りで回転したとき露光光の概略の軌跡である。ｘ軸回りの十方向の回転に対してウエハＷ上の露光光は＋ｙ方向にシフトしている。同図（ｃ）は、投影光学系ＰＯが屈曲した場合における概略の露光光の軌跡を示す。ここで、屈曲とは、例えば、投影光学系ＰＯを機械的に支持するフランジＦ下方の回転状の変形を意味しており、概略図示のようにウエハＷ上の露光光はシフトする。

いずれの振動があっても、ウエハＷ上の露光光はシフトするわけである。しかしながら、既に述べているように投影光学系ＰＯが並進したときに補正すべきシフト量と投影光学系ＰＯがある回転中心の回りで回転したときに補正すべきシフト量は異なるので、投影光学系ＰＯの振動を捕捉する少なくとも２個の振動センサ１６Ｕｙ，１６Ｄｙを備えて、それぞれの振動モードに対して例えば図２の如き装置構成でシフト量を補正することが必要となるのである。もちろん、既に述べたように、図３（ｂ）の回転方向の振動のみの場合であって、回転中心が投影光学系ＰＯの「節点」にあるとき、ウエハＷ上に露光光のシフトは発生せず、したがって補正の要はないのである。

さて、図１あるいは図２の場合、振動センサ１６Ｕｙ，１６Ｄｙは、投影光学系ＰＯの上下であってｙ軸方向の並進とｘ軸回りの回転を検出できるように配置していた。振動センサ１６の装着部位を図４に再び示そう。同図（ａ）は図１および図２と同様の部位に振動センサ１６が装着されているときの図面である。もちろん、ｘ軸方向の並進とｙ軸回りの回転をも検出できるように振動センサ１６を装着することができる。すなわち、図４（ｂ）のように、振動センサ１６Ｕｙ，１６Ｄｙに加えて、新たに振動センサ１６Ｕｘ，１６Ｄｘを装着しても構わない。さらには、投影光学系ＰＯの並進や回転といった剛体振動モードに加えて、投影光学系ＰＯの柔軟振動モードを検出できるようにしてもよい。例えば投影光学系ＰＯ下方の屈曲振動を検出できるように、図４（ｃ）に示すごとく振動センサ１６Ｍｙ，１６Ｍｘを更に追加すると、図３（ｃ）に示す振動を検出し、その計測値を使って、レチクルとウエハのどちらか一方もしくは両者の位置を制御することができる。

ここで、本実施例では、投影光学系ＰＯの振動を検出するために例えば加速度センサに代表される振動センサを図４（ａ），（ｂ），（ｃ）のように備えている。しかし、振動センサ１６に代えて、例えば、投影光学系ＰＯに少なくとも２箇所以上の参照面を設け、ここにレーザ干渉計のビームを照射することによって投影光学系ＰＯの振動を計測してもよい。もちろん、この投影光学系ＰＯの振動の計測値を使って、レチクルとウエハのどちらか一方もしくは両者の位置を制御する、すなわち補正することになる。

さて、図３（ｃ）に示す屈曲振動が存在する場合、振動センサ１６を図４（ｃ）のように備えることによって振動が検出でき、その計測値に基づいてウエハＷ上のシフト成分については補正することができる。しかし、残念ながら諸々の収差については補正できない。この場合には、以下の方法を採用する。もしくは装置構成とする。
（１）ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型半導体露光装置の場合、屈曲状の振動が所定のトレランス内になったことを検出もしくは判定してから露光を掛ける。
（２）走査型投影露光装置の場合、スキャン露光時に屈曲状の振動が所定のトレランス内になるように、ウエハステージ１２とレチクルステージ８のどちらか一方もしくは両ステージの加減速プロファイルあるいは一定速のスキャンに先立つ助走距離を最適化する。すなわち、図２を参照して図中のスキャンプロファイラー２０のパターンを最適化する。
（３）ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型半導体露光装置と走査型投影露光装置ともに、投影光学系ＰＯにおける屈曲状の振動を最小と成すように、投影光学系ＰＯを支える不図示の除振装置のパラメータを選定する。特に、除振装置がアクチュエータとセンサとを備えるアクティブ型の場合にはパラメータ選定の妙が発揮できる。すなわち、屈曲状の振動を抑制するようにアクティブ型除振動装置のフィードバックパラメータもしくはフィードフォワードパラメータを定常動作時に対して切り替える等の操作を行なう。

本実施例による効果は以下の通りである。
（１）半導体露光装置の高スループット化に伴ってレチクルおよびウエハの高速スキャンあるいは高速位置決めが行なわれるため、半導体露光装置の構造体に駆動反力に起因する振動を発生せしめる。特に、半導体露光装置の心臓部である投影光学系に振動を惹起せしめてしまうため露光性能に甚大な影響を与えていた。しかるに、本実施例によれば、概ね円柱という特有の形状であるが故に発生する投影光学系の振動モードをよく検出するように振動センサが装着され、その出力信号に基づいてレチクルステージとウエハステージのスキャンもしくは位置決めがコントロールできる。
（２）したがって、高速スキャンもしくは高速位置決めに起因する駆動反力によって投影光学系が振動しても安定かつ高精度な露光が行なえる、という効果がある。
（３）加えて、本実施例によれば、投影光学系を含めた半導体露光装置の構造体を過大に剛に制作する必要はなくなるので、半導体露光装置に求められる微細化と高スループット化に応じて上昇していたコストを抑制できる、という効果がある。
（４）もって、半導体露光装置によって生産される半導体素子の品質と生産性向上に寄与するところ大という効果がある。

（実施例２）
図５は本発明の他の実施例に係る制御手段が適用されるステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置の構成を示す。同図において、回路パターンを有するレチクル７は、均一な照度の照明光ＩＬによって照明される。レチクル７のパターンは投影レンズＰＯによって半導体デバイス作成用のウエハＷに結像投影される。ウエハＷはＺ駆動およびレベリング駆動を行なうＺステージ１２Ｂ上に載置され、駆動系３４Ｍ，３４Ｒ，３４Ｌによって駆動される。これらＺステージ１２Ｂと駆動系３４Ｍ，３４Ｒ，３４Ｌは水平面内で２次元的に平行移動するＸＹステージ１２ＸＹの上に設けられており、ＸＹステージ１２ＸＹはモータ等を含むＸＹステージ駆動部１２０によって駆動され、その座標位置はステージ干渉計１２１により逐次計測される。また上記Ｚステージ１２Ｂは駆動系３４Ｍ，３４Ｒ，３４Ｌをそれぞれ独立に上下動（投影レンズＰＯの光軸方向へ動作）させることにより、フォーカスずれや傾きずれの調整を行なう。この駆動系３４Ｍ，３４Ｒ，３４ＬはＺステージ駆動部１２２からの駆動量指令に応答して上下動する。

制御部１２３はステージ干渉計１２１からの計測座標値に基づいて、ＸＹステージ駆動部１２０へ所定の駆動指令を出力するとともに、ＸＹ座標系の任意の位置にＸＹステージ１２ＸＹ（すなわちウエハＷ）を位置決めする。その際、投影レンズＰＯに取り付けられた加速度センサ１１３，１１４は、投影レンズＰＯの３軸方向の加速度を計測する。そして制御部１２３は加速度センサ１１３，１１４からの計測値に基づいて、投影レンズＰＯの振動、さらには投影レンズＰＯの結像面の変位を算出する。

さて、投影レンズＰＯの結像面と、ウエハＷの局所的なショット領域表面とを合致させるために、斜入射光式フォーカス傾きセンサが設けられている。このセンサは主に光源１０４、投影対物レンズ１０５、ウエハＷ表面からの反射光を入射する受光対物レンズ１０６、および受光部（ＣＣＤ）１０７から構成される。これらの斜入射光式フォーカス傾きセンサの計測値から制御部１２３はウエハＷの局所的なショット領域表面のフォーカスずれや傾きずれを算出し、Ｚステージ駆動部１２２へ所定の指令を出力する。

ウエハＷ上のあるショット領域から別のショット領域へＸＹＺ座標の位置決めを行なう際、制御部１２３はＸＹステージ１２ＸＹ（すなわちウエハＷ）を駆動する。そして前記加速度センサ１１３，１１４の計測値と前記斜入射光式フォーカス傾きセンサの計測値から、それぞれ投影レンズＰＯの結像面変位とウエハＷの局所的なショット領域表面のフォーカスずれ傾きずれを算出する。その後、結像面とウエハＷの局所的なショット領域表面とを合致させるべく、Ｚ駆動ステージ８の駆動を行ない、位置決めを完了する。

従来はフォーカス傾きセンサと投影光学系結像面の相対位置は一定とみなし、フォーカス傾きセンサの計測値からウエハ表面と結像面のずれを算出し、ステージ干渉計１２１により逐次計測しながらＸＹステージ１２ＸＹ、Ｚステージ１２Ｂの駆動を行ない、ウエハ表面と結像面を合致させていた。しかし実際には投影レンズの振動により、フォーカス傾きセンサに対して結像面は変位・変形してしまっていた。そのためフォーカス傾きセンサの計測値から算出した補正量どおりにステージを駆動しても、変位してしまった結像面とウエハ表面との合致は出来ないでいた。その結果、コントラストや解像力やアライメント精度などの低下を招いていた。

そこで本実施例においては、前記加速度センサ１１３，１１４を取り付け、結像面の変位を求める。これによって、結像面とウエハ表面との位置決め偏差が低減し、コントラストや解像力やアライメント精度の向上につながった。

上記実施例では加速度センサを用いて投影レンズの結像面変位を求めているが、速度計または変位計を用いることも可能である。
加速度センサの個数については、２個であれば剛体モードの振動が分かり、３個、４個と増やせば２次、３次の変形モードを知ることが可能である。

本発明によれば投影レンズのウエハステージから見たレチクル側の結像面の変位・変形も知ることができる。したがって、上記実施例ではウエハＷ側のステージ、３４Ｍ，３４Ｒ，３４Ｌ、１２で調整を行なっているが、レチクル７側にもステージを設け、レチクル表面と結像面との調整を行なうこともできる。

（デバイス生産方法の実施例）
次に上記説明した投影露光装置を利用したデバイスの生産方法の実施例を説明する。
図６は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）ではデバイスのパターン設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計したパターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコンやガラス等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（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５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４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）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５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なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

図７は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（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１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明した投影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１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（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１９（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なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

本実施例の生産方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度のデバイスを低コストに製造することができる。

上述の実施例１および２によれば、投影光学系に複数の加速度センサを取り付けることにより、その計測値を基に、投影光学系光軸に垂直な面内方向の原版と被露光基板の位置ずれ、あるいは投影光学系結像面の変位や変形を算出することが可能になり、原版と被露光基板の位置ずれを防止したり、被露光基板表面を投影光学系の結像面に精度良く合致させることが可能となり、アライメント精度や同期精度およびコントラストや解像力やアライメント精度を向上させることが出来る。

本発明の一実施例に係る半導体露光装置の構成を示す図である。 本発明の主制御装置の一具体的構成例を示す図である。 投影光学系の振動モード（（ａ）並進方向の振動、（ｂ）回転方向の振動、（ｃ）屈曲方向の振動）を示す図である。 振動センサの装着箇所（（ａ）２個の場合、（ｂ）４個の場合、（ｃ）６個の場合）を示す図である。 本発明による計測手段により、投影光学系結像面と被露光基板のずれを調整できるステージを備えた投影露光装置の構成を示す概略図である。 微小デバイスの製造の流れを示す図である。 図６におけるウエハプロセスの詳細な流れを示す図である。 特開平１０−２６１５８０の図２である。

符号の説明

１：光源、２：ミラー、３：レチクルブラインド、４：リレーレンズ、５：ミラー、６：コンデンサレンズ、７：レチクル（原版）、８：レチクルステージ、９：定盤、１０：移動鏡、１１：レチクル干渉計、１２：ウエハステージ、１２Ｘ：Ｘステージ、１２Ｙ：Ｙステージ、１２Ｂ：微動ステージ（Ｚステージ）、１２ＸＹ：ＸＹステージ、１３：移動鏡、１４：ウエハレーザ干渉計、１５：ウエハステージ定盤、１６：振動センサ、１７：主制御装置、１８Ｒ：振動センサ、１８Ｗ：振動センサ、２０：スキャンプロファイラー、２１：補償器、２２：ドライバ、２３：定数器、２４：補償器、２５：ドライバ、２６：目標値フィードフォワード手段、２７：目標値フィードフォワード手段、２８：加速度フィードバック手段、２９：加速度フィードバック手段、３０：同期補正パス、４０：振動モード検出手段、４１：ＰＯ位置レチクル補正フィードバック手段、４２：ＰＯ位置ウエハ補正フィードバック手段、５０：運動モード抽出演算手段、５１：指令値発生手段、３２Ｇ，３２Ｘ，３２Ｙ：補償器、３３：運動モード分配演算手段、３４Ｍ，３４Ｒ，３４Ｌ：アクチュエータ（Ｚステージ駆動系）、３５Ｍ，３５Ｒ，３５Ｌ：電力アンプ、ＰＯ：投影光学系（投影レンズ）、Ｗ：ウエハ（被露光基板）、ＬＢ：レーザビーム、１０４：フォーカス傾きセンサの光源、１０５：フォーカス傾きセンサの投影対物レンズ、１０６：フォーカス傾きセンサの受光対物レンズ、１０７：フォーカス傾きセンサの受光部（ＣＣＤ）、１１３，１１４：加速度センサ、１２０：ＸＹステージ駆動部、１２１：ステージ干渉計、１２２：Ｚステージ駆動部、１２３：制御部。

Claims (12)

1. 原版に形成されたパターンを被露光基板上に投影する投影光学系を有する投影露光装置であって、
   前記投影光学系の振動を計測するための少なくとも２個の振動計測手段と、前記原版を搭載して前記投影光学系の光軸に垂直な方向に移動可能な原版ステージと、前記被露光基板を搭載して前記投影光学系の光軸に垂直な方向に移動可能な基板ステージと、前記原版および被露光基板の位置を計測する位置計測手段と、前記振動計測手段の出力に基づいて、前記投影光学系の振動による前記被露光基板上の露光光のシフト量を振動モードごとに算出し、該算出された結果と前記位置計測手段の計測値とに基づいて前記原版および被露光基板の少なくとも一方の位置を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする投影露光装置。
2. 前記振動計測手段は、前記投影光学系の原版側と被露光基板側とに離れて設置されていることを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
3. 前記振動計測手段が、前記投影光学系の原版側および被露光基板側の各端部に設置されていることを特徴とする請求項２記載の投影露光装置。
4. ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置であって、前記振動計測手段は前記投影光学系の屈曲状の振動を検出し、その屈曲状の振動が所定のトレランス内になったことを検出もしくは判定してから露光を掛けることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の投影露光装置。
5. 走査型投影露光装置であって、前記振動計測手段は前記投影光学系の屈曲状の振動を検出し、スキャン露光時に前記投影光学系の屈曲状の振動が所定のトレランス内になるように、前記原版および被露光基板の少なくとも一方を駆動するため加減速プロファイルまたは一定速のスキャンに先立つ助走距離を最適化したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の投影露光装置。
6. 前記投影光学系における屈曲状の振動を最小と成すように前記投影光学系を支える除振装置のパラメータを最適選定したことを特徴とする請求項４または５記載の投影露光装置。
7. 前記振動計測手段は、前記投影光学系の光軸方向および光軸に垂直な平面内の直交する２軸方向の１〜３方向の振動を計測できることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の投影露光装置。
8. 前記振動計測手段は、前記投影光学系の加速度、速度および変位のいずれかを計測できる手段であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の投影露光装置。
9. 前記振動計測手段はレーザ干渉計を用いたものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の投影露光装置。
10. 前記振動モードは、前記投影光学系の回転運動と並進運動とを含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の投影露光装置。
11. 前記振動モードは、前記投影光学系の回転運動と並進運動を含む剛体振動モードと、前記投影光学系の変形による振動モードとを含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の投影露光装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の投影露光装置を用いてデバイスを製造することを特徴とするデバイス製造方法。

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