JP7406946B2

JP7406946B2 - 露光装置およびその性能評価方法

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Publication number: JP7406946B2
Application number: JP2019171347A
Authority: JP
Inventors: 祐哉長谷川
Original assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: JP2021047368A; CN112540510A

Description

本発明は、光変調素子アレイなどを用いてパターンを形成する露光装置に関し、特に、性能評価に関する。

マスクレス露光装置では、基板が搭載されるステージを走査方向に沿って移動させながら、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などの光変調素子アレイによってパターン光を基板に投影する。そこでは、ステージに載せられた基板上における投影エリア（露光エリア）の位置に応じてパターン光を投影するように、２次元状に配列された光変調素子（マイクロミラーなど）を制御する。

露光装置のステージ機構、投影光学系の配置構造などに何らかの支障（変化）が生じると、露光面の位置が合焦範囲から外れる。また、水蒸気などが投影レンズ表面に付着すると、結像性能か低下する。このような光学的性能の劣化を検出する方法として、ライン＆スペースパターン（以下、Ｌ／Ｓパターンという）の光を投影し、その出力信号から判断することが知られている（特許文献１、２参照）。

ステージを移動させながらＬ／Ｓパターンの光をスリットに照射し、スリットを透過した光から、空間的な光量分布波形を検出する。その波形の振幅に基づき、合焦範囲にあるか否か、あるいは、解像力が基準を満たしている否かを判定する。また、Ｌ／Ｓパターンの光をＣＣＤで撮像し、コントラストを算出して合焦状態を検出する方法や、光源入力側と投影レンズ出射側の光量を測定し、光学系の劣化を検出する方法も知られている（特許文献３、４参照）。

特開２０１６－１１１１９７号公報特開２０１６－１１１２００号公報特開２００９－２４６１６５号公報特開２０１５－０６４５２５号公報

光学的な性能評価を行う場合、複数の評価項目が存在し、ピントずれ、ＤＭＤや投影光学系の素子劣化、光源出力変動、光量分布など様々である。しかしながら、これらの評価値をそれぞれ別々の測定、演算手法を用いて調べるのは作業効率が悪く、複数の評価項目を同時に測定できることが望ましい。

しかしながら、特許文献１、２の場合、合焦状態、解像力いずれの評価項目に対しても、演算値および比較判断いずれも波形の振幅に基づいている。そのため、振幅が基準振幅を満たさないことが検出されても、合焦状態、解像力いずれの劣化であるのか判断できない。

したがって、露光装置において、複数の評価項目を同時に評価できることが求められる。

本発明の露光装置は、露光対象の露光面に沿って形成された少なくとも１つのスリットと、バー状パターンを複数並べたパターン列の光であるライン＆スペース（以下、Ｌ／Ｓ）パターン光を、スリットに対して順に通過させたときに受光する測光部と、測光部の出力から検出される光量分布波形に基づいて、少なくとも２つの光学的性能に関する評価値を演算する演算部とを備える。ここで、光量分布波形は、測光部から時系列的に出力される信号の値を、パターン光の相対的移動量（移動時間）を横軸にしてプロットした軌跡で表される空間的波形を表す。

本発明では、Ｌ／Ｓパターン光のパターン間隔と、Ｌ／Ｓパターン光のパターン幅と、スリットのスリット幅とが、光量分布波形の谷部分が略平坦となるように定められている。ここで、「谷部分が略平坦」とは、正弦波のようにピーク付近まで傾斜が続くような波形でなく、傾きが実施的に横方向に一定、あるいはその許容範囲にあることを表す。例えば、バスタブ曲線のような波形、すなわち、光量分布波形が、谷部分の両端から山部分の頂部に向けて直線的に傾斜する波形にすることができる。また、台形波形、ハット型波形なども含まれる。このような平坦部分を構成することによって、少なくとも２つの光学的性能に関する評価値を演算することが可能となる。

平坦部分を形成するため、パターン幅を、スリット幅の３倍以上の長さにすればよい。また、パターン間隔を、スリット幅の３倍以上の長さにすればよく、特に、６倍以上の長さにすればよい。

演算部が、光量分布波形に対して様々な特性（パラメータ）を算出することが可能であり、例えば、光量分布波形の高さとオフセット値とを算出することができる。この場合、光学素子の性能劣化を判断する評価部をさらに設けることができる。

また、演算部は、光量分布波形の谷部分の幅の長さを算出することも可能である。この場合、検出される谷部分の幅の長さの減少度合い（例えば差分値）に基づいて、合焦範囲であるか否かを判断する評価部をさらに設けることができる。

本発明の他の態様である露光装置の性能評価方法は、バー状パターンを複数並べたパターン列の光であるライン＆スペース（以下、Ｌ／Ｓ）パターン光を、スリットに対して順に通過させ、スリットを透過した光を測光部において受光し、測光部の出力から検出される光量分布波形に基づいて、少なくとも２つの光学的性能に関する評価値を演算し、少なくとも２つの評価値に基づいて、光学的性能を評価する性能評価方法であって、光量分布波形の谷部分が略平坦となるように、Ｌ／Ｓパターン光およびスリットを形成する。

本発明によれば、露光装置において、複数の評価項目を同時に評価できる。

第１の実施形態である露光装置のブロック図である。遮光部と性能評価のパターン列を示した図である。フォトセンサと遮光部の配置を示した概略的側面図である。１つのスリットをバー状パターンの光が順次通過するときの光量分布波形を示した図である。素子劣化に起因する光量分布波形の変化を示した図である。ピントずれに起因する空間的光量分布波形の変化を示した図である。性能評価処理のフローを示した図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態である露光装置のブロック図である。

露光装置１０は、フォトレジストなどの感光材料を塗布、あるいは貼り付けた基板（露光対象）Ｗへ光を照射することによってパターンを形成するマスクレス露光装置であり、基板Ｗを搭載するステージ１２が走査方向に沿って移動可能に設置されている。ステージ駆動機構１５は、主走査方向Ｘ、副走査方向Ｙに沿ってステージ１２を移動させることができる。

露光装置１０は、パターン光を投影する複数の露光ヘッドを備えており（ここでは１つの露光ヘッド１８のみ図示）、露光ヘッド１８は、ＤＭＤ２２、照明光学系（図示せず）、結像光学系２３、焦点調整用プリズム２５を備える。光源２０は、例えば放電ランプ（図示せず）によって構成され、光源駆動部２１によって駆動される。

ベクタデータなどで構成されるＣＡＤ／ＣＡＭデータが露光装置１０へ入力されると、ベクタデータがラスタ変換回路２６に送られ、ベクタデータがラスタデータに変換される。生成されたラスタデータは、バッファメモリ（図示せず）に一時的に格納された後、ＤＭＤ駆動回路２４へ送られる。

ＤＭＤ２２は、微小マイクロミラーを２次元配列させた光変調素子アレイであり、各マイクロミラーは、姿勢を変化させることによって光の反射方向を選択的に切り替える。ＤＭＤ駆動回路２４によって各ミラーが姿勢制御されることにより、パターンに応じた光が、結像光学系２３を介して基板Ｗの表面に投影（結像）される。これによって、パターン像が基板Ｗに形成される。

ステージ駆動機構１５は、コントローラ３０からの制御信号に従い、ステージ１２を移動させる。コントローラ３０は、露光装置１０の動作を制御し、ステージ駆動機構１５、ＤＭＤ駆動回路２４へ制御信号を出力する。

遮光部４０の下方に設けられる光検出部２８は、フォトセンサＰＤ、およびパルス信号発生部２９を備え、ステージ１２の端部付近に設置されている。光検出部２８は、性能評価およびアライメント調整時に使用される。演算部２７は、光検出部２８から送られてくる信号に基づいて、性能評価に関連する値を算出する。

結像光学系２３と遮光部４０との間の光路上に設けられた焦点調整用プリズム２５は、２つの楔型プリズムを互いに斜面で接するように対向配置させた光学系であり、プリズム駆動部３３は、光軸方向厚さが変化するように２つのプリズムを互いに相対移動させる。結像光学系２３の焦点位置は、プリズム２５を駆動することにより、基板鉛直方向（ｚ軸方向）に沿って移動する。基板の種類変更などを行った場合、基板Ｗの厚みなどに応じて焦点調整が行われる。

露光動作中、ステージ１２は、走査方向Ｘに沿って一定速度で移動する。ＤＭＤ２２全体による投影エリア（以下、露光エリアという）は、基板Ｗの移動に伴って基板Ｗ上を相対的に移動する。露光動作は所定の露光ピッチに従って行なわれ、露光ピッチに合わせてマイクロミラーがパターン光を投影するように制御される。

ＤＭＤ２２の各マイクロミラーの制御タイミングを露光エリアの相対位置に従って調整することにより、露光エリアの位置に描くべきパターンの光が順次投影される。そして、露光ヘッド１８を含めた複数の露光ヘッドにより基板Ｗ全体を描画することによって、基板Ｗ全体にパターンが形成される。

本実施形態では、各基板に対する露光動作の開始前、ロット生産の開始前、あるいは露光作業時間が所定時間経過時などにおいて、光学的な性能評価を行う。具体的には、ステージ１２を一定速度で移動させながら性能評価用のパターン光を投影し、光検出部２８の出力信号に基づいて、光学的性能の劣化があるか否かを判定する。以下、これについて詳述する。

図２は、遮光部と、性能評価用のパターン列を示した図である。図３は、フォトセンサと遮光部の配置を示した概略的側面図である。

遮光部４０は、フォトセンサＰＤの光源側上方に配置され、複数のスリットＳＴが主走査方向Ｘに沿って等間隔に形成されている。図２では、主走査方向Ｘに垂直、すなわち副走査方向Ｙに平行な２つのバー状スリットを示している。なお、スリット数は３つ以上でもよく、１つであってもよい。

遮光部４０の真下に配置されたフォトセンサＰＤは、スリットＳＴを通った光のみ受光し、ステージ１２に取り付けられた支持機構６０によって保持される（図３参照）。遮光部４０は、その表面が基板Ｗの露光面に沿っていて、フォトセンサＰＤの受光面ＰＳは、遮光部４０の表面と平行になっている。遮光部４０を支持する支持機構５０は、支持機構６０によって保持されている。

図２に示すように、性能評価に用いられるパターン列ＰＴは、Ｌ／Ｓパターンであって、主走査方向Ｘに垂直、すなわち副走査方向Ｙに平行なバー状パターンを複数並べたパターン列で構成される。パターン列ＰＴの最小構成はＰＡ（パターン列ＰＴの全体幅）＜ＳＰ（遮光部４０の隣り合うスリット間隔）を満たす２本以上のバー状パターンであるが、ここでは、隣り合うパターンの主走査方向Ｘに沿って間隔ＰＰを空けて並ぶ３つのバー状パターンＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３から成る。ステージ１２移動の間にパターン列ＰＴの光を遮光部４０に向けて投影させることで、パターン列ＰＴの光がスリットを順に通過していく。

バー状パターンＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３の各パターン幅ＰＷは、遮光部４０に形成されたスリットＳＴのスリット幅ＳＷよりも大きい。また、パターン間隔ＰＰも、スリット幅ＳＷよりも大きい。バー状パターンＰＬ１、ＰＬ２、Ｐ３の各パターン幅ＰＷは、複数のマイクロミラー像に応じた幅に定められている。パターン列ＰＴの主走査方向Ｘに沿った全体幅ＰＡは、隣り合うスリット間隔ＳＰよりも小さい。

このようなパターン幅ＰＷ、スリット幅ＳＷ、パターン間隔ＰＰの長さの関係により、先頭のバー状パターンＰＬ１が１つのスリットＳＴを完全に通過した後、次のバー状パターンＰＬ２がスリットＳＴ通過を開始し、また、パターン列ＰＴの最後尾バー状パターンＰＬ３が１つのスリットＳＴを一定速度で通過終了した後、先頭のバー状パターンＰＬ１が次のスリットＳＴの通過を開始する。

図４は、１つのスリットをバー状パターンの光が順次通過するときの光量分布のグラフを示した図である。

パターン列ＰＴの光が遮光部４０を一定速度で通過するとき、フォトセンサＰＤから出力される信号（以下、光量信号という）は、バー状パターンＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３の光がスリットＳＴを透過することによって時系列的に連続変化する。

図４では、フォトセンサＰＤによって検出される時系列的な光量信号値を、ステージ１２の位置の移動に対して連続的にプロットした軌跡を表している。ステージ１２の位置を横軸として表されるこの空間的に示した波形状の光量分布ＡＴを、以下では光量分布波形という。図２のパターン幅ＰＷ、パターン間隔ＰＰに対応する区間を、ここでは同じ符号で示している。ただし、ここではＸ方向に沿った光量の変化の様子を表している。

光量分布波形ＡＴでは、山部分Ｍの傾斜が直線状に延び、波形ピークを含む区間Ａが略平坦になっている。また、谷部分Ｖは、その区間Ｂにおいて略平坦になっている。山部分Ｍと谷部分Ｖは、バスタブ曲線に相当する波形、あるいは台形のような波形を形成している。区間Ａと区間Ｂとを接続する傾斜部分を区間Ｃとする。

谷部分Ｖの平坦な区間Ｂは、パターン幅ＰＷと同等または広い。谷部分Ｖの区間Ｂでは、光の散乱などの影響により、微弱な光量が検出され、その平均値をオフセット値ｓとして表す。また、山部分Ｍの区間Ａと谷部分Ｖの区間Ｂを接続する区間Ｃは、スリット幅ＳＷをバー状パターンの端部が通過する際の光量変化を表すが、バー状パターンの輪郭のボケに起因する光量も影響する。

このような光量分布波形ＡＴは、上述したパターン幅ＰＷ、パターン間隔ＰＰ、スリット幅ＳＷの長さの関係によるものであり、山部分Ｍ、谷部分Ｖが略平坦な波形を実現させている。山部分Ｍ、谷部分Ｖの平坦な区間Ａ、Ｂを確保するためには、パターン幅ＰＷ、およびパターン幅ＰＰをスリット幅ＳＷの３倍以上に定めるのがよい。特に、谷部分Ｖの平坦な区間Ｂを十分確保するため、パターン間隔ＰＰは、スリット幅ＳＷの６倍以上に定めるのがよい。

図５は、光学素子劣化に起因する光量分布波形ＡＴの変化を示した図である。結像光学系２３や光変調素子アレイ２２といった光学素子が劣化すると、解像力の低下、光の散乱の影響が強まり、波形高さｈが低くなる一方、オフセット値ｓが増加する。したがって、波形高さｈの変化量、オフセット値ｓの変化量を調べることによって、光学素子劣化の判定を行うことができる。

図６は、ピントずれに起因する光量分布波形ＡＴの変化を示した図である。ピントずれが生じると、焦点位置が露光面と一致しない、あるいは許容錯乱円の範囲から外れる。その結果、光束が広がる影響で、山部分Ｍの区間Ａと傾斜する区間Ｃを合計した区間が幅広になり、谷部分Ｖの区間Ｂが狭くなる。したがって、区間Ｂの長さの変化を調べることによって、ピントずれの判定を行うことができる。

図７は、コントローラ３０の制御に基づく評価性能処理のフローを示した図である。

処理が開始されると、ステージ１２を移動させながらパターン列ＰＴが遮光部４０に投影される（Ｓ１０１）。光検出部２８から出力される光量信号は、所定のサンプリング周波数に従って得られる光量信号であることから、１つの光量分布波形の光量信号の山部分Ｍの区間Ａの平均値と、谷部分Ｖの区間Ｂの平均値を算出して、それぞれ光量波形分布の波形高さｈとオフセット値ｓとする。そして、これらの平均値の比（ｓ／ｈ）を、性能評価値として求める（Ｓ１０２）。波形高さｈに対するオフセット値ｓの比を算出することで、光の強度の影響を受けない。

算出された比が所定値を超える場合、すなわち、波形高さｈが減少し、オフセット値ｓが増加している場合、光学素子の劣化が生じていると判断し、警告表示を行う（Ｓ１０３、Ｓ１０４）。ユーザは警告表示に基づき、光学素子を点検すればよい。なお、光量分布波形全体から平均値ｓ、ｈを求めてもよい。また、平均値の比をｈ／ｓで表し、所定値以下であるか否かによって光学素子劣化を判断してもよい。

一方、谷部分Ｖの区間Ｂでは、光量信号が略一定の値となって検出される。したがって、略同じ値となる光量信号のサンプル数を調べることによって、谷部分Ｖの幅の変化を検出することができる。ここでは、オフセット値ｓとみなせるサンプル数と、基準となるサンプル数との差分を算出する（Ｓ１０５）。差分値の絶対値が閾値を越えている場合、合焦範囲から外れていると判断し、警告表示を行う（Ｓ１０６、Ｓ１０７）。

このように本実施形態によれば、谷部分Ｖが平坦な光量分布波形ＡＴを得るようなパターン列ＰＴおよびスリットＳＴを形成することにより、１つの測定手法によって、素子劣化に関する評価値（波形高さｈとオフセット値ｓとの比）と、ピントずれに関する評価値（谷部分Ｖの区間Ｂの長さと基準長さとの差分値）を検出可能となり、素子劣化とピントずれという、異なる評価項目を同時に評価判定することができる。

判定結果に基づいて劣化の原因が明らかになるため、ユーザは、焦点位置のキャリブレーション、あるいは、光学系のメンテナンスどちらか実施すればよい。なお、警告表示だけでなく、検出した値をメモリなどへ記録してもよい。メンテナンス実施時期などを算出することも可能となる。また、通常の基板を用いた露光動作と同じようにパターン光を投影するだけでよいので、性能評価の作業効率を高めることができる。

光量分布波形から光源出力変化などを評価判定してもよい。例えば、素子劣化に関する評価値とピントずれに関する評価値に変化ないときに光量の絶対値が変化していれば、光源出力が変化していると判定できる。これによって、光量分布波形ＡＴから多数の評価項目について同時に評価値を算出することが可能となり、また、評価値から光学的性能劣化の原因を特定することができる。

本実施形態では、光量波形分布において波形の頂部が略平坦であるが、正弦波のような曲線で形成してもよい。

１０露光装置
２２ＤＭＤ（光変調素子アレイ）
２７演算部
２８光検出部（測光部）
３０コントローラ（評価部）
４０遮光部
ＰＤフォトセンサ
ＰＴパターン列
ＳＴスリット

Claims

露光対象の露光面に沿って形成された少なくとも１つのスリットと、
バー状パターンを複数並べたパターン列の光であるライン＆スペース（以下、Ｌ／Ｓ）パターン光を、前記スリットに対して順に通過させたときに受光する測光部と、
前記測光部の出力から検出される光量分布波形に基づいて、少なくとも光学素子の性能劣化とピントずれに関する評価値を演算する演算部とを備え、
Ｌ／Ｓパターン光のパターン間隔およびＬ／Ｓパターン光のパターン幅が、光量分布波形の山部分の頂部および谷部分が略平坦となるように、前記スリットのスリット幅の３倍以上に定められていることを特徴とする露光装置。
光量分布波形が、谷部分の両端から山部分の頂部に向けて直線的に傾斜する波形になっていることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
露光対象の露光面に沿って形成された少なくとも１つのスリットと、
バー状パターンを複数並べたパターン列の光であるライン＆スペース（以下、Ｌ／Ｓ）パターン光を、前記スリットに対して順に通過させたときに受光する測光部と、
前記測光部の出力から検出される光量分布波形に基づいて、少なくとも２つの光学的性能に関する評価値を演算する演算部とを備え、
Ｌ／Ｓパターン光のパターン間隔およびＬ／Ｓパターン光のパターン幅が、光量分布波形の谷部分が略平坦となるように、前記スリットのスリット幅の３倍以上に定められ、
前記演算部が、光量分布波形の高さとオフセット値とを算出し、
オフセット値と光量分布波形の高さとの比に基づいて、光学素子の性能劣化を判断する評価部をさらに備えていることを特徴とする露光装置。
オフセット値と光量分布波形の高さとの比に基づいて、光学素子の性能劣化を判断する評価部をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
露光対象の露光面に沿って形成された少なくとも１つのスリットと、
バー状パターンを複数並べたパターン列の光であるライン＆スペース（以下、Ｌ／Ｓ）パターン光を、前記スリットに対して順に通過させたときに受光する測光部と、
前記測光部の出力から検出される光量分布波形に基づいて、少なくとも２つの光学的性能に関する評価値を演算する演算部とを備え、
Ｌ／Ｓパターン光のパターン間隔およびＬ／Ｓパターン光のパターン幅が、光量分布波形の谷部分が略平坦となるように、前記スリットのスリット幅の３倍以上に定められ、
前記演算部が、光量分布波形の谷部分の幅の長さを算出することを特徴とする露光装置。
検出される谷部分の幅の長さの減少度合いに基づいて、合焦範囲であるか否かを判断する評価部をさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載の露光装置。
バー状パターンを複数並べたパターン列の光であるライン＆スペース（以下、Ｌ／Ｓ）パターン光を、露光対象の露光面に沿って形成された少なくとも１つのスリットに対して順に通過させ、
前記スリットを透過した光を測光部において受光し、
前記測光部の出力から検出される光量分布波形に基づいて、光学素子の性能劣化とピントずれに関する評価値を演算し、
演算された光学素子の性能劣化とピントずれの評価値に基づいて、光学素子の性能劣化とピントずれを評価する性能評価方法であって、
光量分布波形の山部分の頂部および谷部分が略平坦となるように、Ｌ／Ｓパターン光のパターン間隔およびＬ／Ｓパターン光のパターン幅を、前記スリットのスリット幅の３倍以上に定めることを特徴とする露光装置の性能評価方法。