JPH09306824A - 露光量制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外乱のスループットや露光精度への悪影響を
低減または除去する。 【解決手段】 被照射体の露光エネルギーが毎パルス一
定となるように各パルスの露光目標エネルギー量を設定
する露光量制御を行なうのではなく、レーザ出力時に各
パルスに付加される外乱エネルギー量を予測し、予測し
た外乱エネルギー量をもとに各パルスの露光目標エネル
ギー量を決定し露光量制御を行なう。または、設定露光
量を目標としたレーザ出力エネルギー制御を行なわない
非出力制御段階と、設定露光量を目標としたレーザ出力
エネルギー制御を行なう出力制御段階とを順次切り換え
て露光を行なう。あるいは、レーザ出力エネルギー量の
目標値である目標露光エネルギー量と過去の実露光エネ
ルギー量を比較し、その結果を用いて出力エネルギー制
御手段のレーザ充電電圧を決定するフィードバック系を
構成し、露光量制御を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源としてエキシ
マ等のパルスレーザを用いる場合の露光量制御方法およ
び装置に関し、特に、高精度な露光量制御を必要とする
半導体露光装置に適用して好適なそれらに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】半導体露光装置においては、半導体の高
集積化および高微細化に伴い、近年エキシマレーザなど
のパルスレーザが光源として使用されている。従来のパ
ルスレーザを用いた露光装置の露光量制御においては、
目標とする設定露光量Ｅ_doseより、露光前に予め平均出
力エネルギーＥ₀ および総露光パルス数Ｎを決定し、被
照射体の露光エネルギーが毎パルス一定となるように各
パルスの露光目標エネルギー量を設定し露光量制御を行
なっていた。

【０００３】ただし、実際の露光シーケンスにおいて
は、被照射体を露光目標エネルギー量で露光することを
阻害する光学特性やレーザ特性等に基づく種々の外乱エ
ネルギーが存在するため、これらに起因する露光誤差に
対してレーザ出力エネルギーの補正を行ないながら露光
量制御を行なう必要がある。このため、例えば図１５に
示す露光アルゴリズムが用いられていた。図１５におい
て、ステップ１２１で設定露光量Ｅ_doseを設定する。ま
た、初期パルス数値ｉ＝１とする。ステップ１２２で、
Ｅ_dose＝Ｎ×Ｅ₀ を満足する露光の総パルス数Ｎと１パ
ルス当たりのレーザ平均出力エネルギーＥ₀ を求める。
ステップ１２３でｉ−１パルス目までの露光誤差Ｅ_err
＝Ｅ_obj −Ｅ_measを求める（ｉ≧２）。ここで、Ｅ_meas
はｉ−１パルス目までの総実露光量、Ｅ_obj はｉ−１パ
ルス目までの総露光目標量であり、被照射体の露光エネ
ルギーが毎パルス一定となるように各パルスの露光目標
エネルギー量を設定する従来技術においてはＥ_obj ＝
（ｉ−１）Ｅ₀ と表わすことができる。ただし、ｉ＝１
の時はＥ_err ＝０とする。ステップ１２４で、ｉパルス
目のレーザ出力エネルギー

【０００４】

【数１】 を求める。ここで、右辺第二項が外乱エネルギーに起因
する露光誤差を除去するための補正量である。ステップ
１２５で、エネルギーｙ[i] にてレーザ出力する。ステ
ップ１２６でｉパルス目の露光量を計測する。また、ｉ
パルス目までの実露光量の総和Ｅ_measを求める。ステッ
プ１２７でパルス数ｉを１つ増やす。ステップ１２３〜
１２７をＮ回繰り返して露光を終了する。

【０００５】ステップ１２５のようにエネルギーｙ[i]
にてレーザ出力する場合、一般にパルスレーザの出力エ
ネルギー制御は、レーザ充電電圧を出力エネルギーに対
応した適切な値に設定することにより行なわれる。従来
のパルスレーザを用いた露光装置の露光量制御において
は、図１６に示すように、露光前に予め充電電圧と出力
エネルギーの関係を求め、目標とする出力エネルギーに
対応する充電電圧をパルスごとに設定しレーザ出力を行
なっていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来技
術においては、外乱エネルギー量が大きくなる程、露光
誤差Ｅ_err は大きくなり、ステップ１２４におけるレー
ザ出力エネルギーの補正幅は大きく必要となる。このた
め以下の問題が発生する。ここでは、レーザの最大出力
エネルギーをＥ_max 、最小出力エネルギーをＥ_min とす
る。すなわち、 １．露光量制御を可能にするためには、ステップ１２４
において全パルスともｙ[i] ＜Ｅ_max を満足するよう
に、ステップ１２２で平均出力エネルギーＥ₀ （Ｅ_min
＋α_d ≦Ｅ₀ ≦Ｅ_max −α_u ）を選択することが必要で
ある。ここで、α_d ，α_u （≧０）は露光エネルギー補
正範囲で、外乱エネルギー量例えば、レーザの出力エネ
ルギー値のばらつきが大きい程、補正範囲α_d ，α_u は
大きい値を必要とする。したがって、外乱エネルギー量
が大きくなり、レーザ出力エネルギーの補正幅が大きく
必要となる程、平均出力エネルギーＥ₀ を小さく選択
し、スループットを落として露光量制御を行なわなけれ
ばならない。

【０００７】２．外乱エネルギー量が大きくなり、全パ
ルスがＥ_min ＜ｙ[i] ＜Ｅ_max を満たす平均出力エネル
ギーＥ₀ が存在しない場合、露光量制御を行なうために
必要となるレーザの出力エネルギー制御を行なえず、露
光量制御が根本的に不可能になる。 ３．また、レーザガス劣化等によるレーザ出力の低下に
伴い、レーザの最大出力値Ｅ_max がレーザ出力要求範囲
の上限であるＥ₀ ＋α_u 未満となった場合には露光量制
御が不能となり、ガス交換を行なうか、あるいは１パル
スあたりのレーザ平均出力エネルギー値Ｅ₀ をＥ_max −
α_u 以下となるように再設定し、スループットを悪化さ
せて露光を行わなければならない。

【０００８】さらに、上記従来例におけるパルス毎の露
光量制御は、露光前に予めレーザ充電電圧と出力エネル
ギーの特性関係を求め、この関係を用いてレーザ充電電
圧を決定するというオープンループによるものであった
ため、 ４．予め求めたレーザ充電電圧と出力エネルギーの特性
関係が、実際のレーザの特性関係と異なっていた場合、
露光誤差となる。 ５．外乱に対する補償手段が無く、外乱が加わった場
合、露光誤差となる。という問題があった。

【０００９】以上の４，５の問題点についてさらに詳し
く述べる。図１６に示したレーザ充電電圧と出力エネル
ギーの特性関係は、常に一定ではなく、レーザガスの劣
化とともに経時的に変化していく。この経時変化に対
し、パルス毎の露光目標エネルギー量で露光誤差なく露
光を行なうためには、常にレーザ充電電圧と出力エネル
ギーの特性関係を計測し更新する必要がある。

【００１０】また、レーザは、発振開始直後の数十パル
スから数百パルスの出力エネルギーが、定常時の出力エ
ネルギーより高くなるという特徴がある（以下、スパイ
キング現象と呼ぶ）。このスパイキング現象に対し、露
光目標エネルギー量で露光誤差なく露光を行なうために
は、パルス毎にレーザ充電電圧と出力エネルギーの特性
関係を求める必要がある。

【００１１】これらの経時的あるいはパルス毎に異なる
レーザ充電電圧と出力エネルギーの特性関係を、全充電
電圧範囲において、装置のスループットを悪化させず正
確に求めていくことは困難であり、このため、従来のオ
ープンループによる露光量制御においては、予め求めた
レーザ充電電圧と出力エネルギーの特性関係が、実際の
レーザの特性関係と異なり、露光誤差が生じるという問
題があった。

【００１２】次に、パルスレーザを用いた露光装置の露
光量制御における外乱の発生例について述べる。半導体
露光装置においては被照射面上の照度が均一であること
が要求される。ところが、光源としてレーザを用いた場
合、レーザのビーム断面には照度ムラが生じているた
め、これに起因して被照射面上に照度ムラが発生する。
この照度ムラを除去するために、図１７に示すように、
例えば平行平面板を回転させることにより被照射面と共
役な面のレーザビームを時間的に振り分け、照度を均一
化する手段が考案されている。ところが、この手段を用
いることにより照度ムラは除去できるものの、平行平面
板の回転と連動して被照射面上全体の周期的なエネルギ
ー変動が発生する。これは被照射面を露光目標エネルギ
ー量で露光することを阻害する要因となる外乱例であ
る。照度ムラ除去器の例としては、これ以外にも、くさ
び状プリズムやミラーを周期的に動かす例がある。

【００１３】一般に、外乱の影響により、レーザ充電電
圧と実露光エネルギーの関係はパルス毎に変動する。従
来のオープンループによる露光量制御においては、この
ような外乱に対する補償手段がなく、外乱が加わった場
合に露光誤差が生じるという問題があった。

【００１４】本発明は、上記従来技術における問題点に
鑑みてなされたもので、外乱エネルギーの変動幅が大き
くなってもスループットを悪化させず、かつ露光量制御
不能に陥ることなく露光を行なうことを第１の目的とす
る。

【００１５】また、レーザガス劣化等によるレーザ出力
の低下に対して、スループットの悪化を最小限に抑制し
ながら高精度な露光を行なうことを第２の目的とする。

【００１６】さらに、レーザ充電電圧と出力エネルギー
の特性変動が生じても、パルス毎に露光目標エネルギー
に対し露光誤差なく露光を行なうこと、および外乱が発
生してもその露光量への影響を除去することを第３の目
的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段および作用】上記第１の目
的を達成するため、本発明の第１の局面においては、被
照射体の露光エネルギーが毎パルス一定となるように各
パルスの露光目標エネルギー量を設定する露光量制御を
行なうのではなく、レーザ出力時に各パルスに付加され
る外乱エネルギー量を予測し、予測した外乱エネルギー
量をもとに各パルスの露光目標エネルギー量を決定し露
光量制御を行なう。但し、本発明では、予測可能な再現
性のある外乱のみを対象とする。レーザの出力ばらつき
等の確率的外乱は本発明では対象としない。

【００１８】図１８に、レーザからエネルギーを出力し
被照射体を露光する簡略化モデルを示す。ここで、ｙ
[i] はｉパルス目（ｉ＝１，２，…，Ｎ）におけるレー
ザの出力エネルギー、ｄ[i] は外乱エネルギー、ｘ[i]
は被照射体の露光エネルギーである。この時、ｘ[i] ＝
ｙ[i] ＋ｄ[i] の関係が成り立つ。本発明の効果を最大
限に発揮するためには、レーザ出力エネルギーに外乱エ
ネルギーを付加したエネルギー

【００１９】

【数２】 を各パルスの露光目標エネルギーとして露光量制御を行
なう。

【００２０】本発明の第１の局面によれば、一定のレー
ザ出力ｙ[i] に外乱ｄ[i] が加算された場合の露光量ｘ
[i] をパルス毎の露光目標エネルギー量として設定する
ため、確率的外乱を無視した場合、以下の効果が可能と
なる。 １．全パルス出力可能な最大エネルギーで露光量制御を
行なうことができるため、スループットを向上できる。 ２．レーザから一定エネルギーを出力することにより露
光量制御を行なうことができ、出力エネルギーの変動幅
を必要としない。このため、外乱エネルギー量が大きく
なっても露光量制御不能に陥らない。

【００２１】上記第２の目的を達成するため、本発明の
第２の局面においては、設定露光量を目標としたレーザ
出力エネルギー制御を行なわない非出力制御段階と、設
定露光量を目標としたレーザ出力エネルギー制御を行な
う出力制御段階とを順次切り換えて露光を行なう。

【００２２】例えば、（１）露光の途中までは設定露光
量を目標とするレーザ出力エネルギー制御は行なわず、
最大エネルギーまたは推奨エネルギー等のある一定のレ
ーザ出力エネルギーＥ_const にて露光を行ない、（２）
残露光量が少なくなったある時点で、レーザ最大出力値
Ｅ_max 、余裕露光補正幅α_u 等を基に決定された平均出
力エネルギー値Ｅ₀ （＝Ｅ_ctrl ）にて、設定露光量Ｅ
_doseを目標としたレーザ出力エネルギー制御に切り換え
て高精度な露光量制御を実現する。

【００２３】この方法により、レーザガス劣化等に伴う
レーザ出力エネルギー低下に対して、スループットの悪
化を最小限に抑制しながら高精度な露光を行なうことが
可能になる。

【００２４】上記第３の目的を達成するため、本発明の
第３の局面においては、レーザ出力エネルギー量の目標
値である露光目標エネルギー量と過去の実露光エネルギ
ー量を比較し、その結果を用いて出力エネルギー制御手
段のレーザ充電電圧を決定するフィードバック系を構成
し、露光量制御を行なう。

【００２５】一般にフィードバック系の特徴として、
（１）モデル化誤差除去特性が良い、（２）低周波数領
域を中心に外乱除去特性が良い、という点が挙げられ
る。

【００２６】パルスレーザを用いた露光装置において、
フィードバック系を構成し露光量制御を行なった場合、
以下の効果がある。 １．レーザ充電電圧と出力エネルギーの特性変動が生じ
ても、露光目標エネルギーに対し、露光誤差なく露光を
行なうことができる。 ２．低周波数領域を中心に外乱を除去することができ
る。

【００２７】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。 （第１の実施例）図１は本発明の第１の実施例に係る露
光量制御方式を用いた露光装置の概略構成を示す。同図
において、１はエキシマ等のレーザ光源、２は集積回路
パターンが形成されたレチクル、３は投影光学系、４は
ウエハであり、レチクル２上に形成された集積回路パタ
ーンを投影光学系３を介してウエハ４上に投影露光する
ようになっている。レーザ光源１からの光路上にはハー
フミラー５が配置され、ハーフミラー５より反射される
光路上にはフォトセンサ６が配置されている。このフォ
トセンサ６の出力はセンサアンプ７を経てレーザ１パル
ス毎に露光量に変換される。ＣＰＵ８はフォトセンサ６
で計測した露光量に基づき次のレーザ出力値を演算し、
レーザ光源１に出力エネルギー指令値を与える。９は後
述する照度ムラ除去器を含む光学系である。

【００２８】光源としてパルスレーザを用いた場合、レ
ーザのビーム断面には照度ムラが生じているため、被照
射面上で照度ムラを発生させるという問題がある。これ
を防ぐために、被照射面、あるいは被照射面と共役な面
におけるレーザビームを振ることを目的としたクサビ型
プリズムや図１７のような平行平面板等の照度ムラ除去
器を入れ、これを周期的に回転させることにより時間的
に照度ムラを低減する手法が用いられている。

【００２９】ところが、照度ムラ除去器を周期的に回転
させることにより照度ムラは除去できるものの、照度ム
ラ除去器の回転位置に依存し、ウエハ面上に到達する露
光エネルギーの周期的変動が発生する。すなわち、レー
ザの出力エネルギーｙ[i] に、照度ムラ除去器の回転に
依存した外乱エネルギー

【００３０】

【数３】 が付加され、被照射体に到達する露光エネルギーはｘ
[i] ＝ｙ[i] ＋ｄ[i] となる。ここで、ｆ_L はレーザの
発振周波数、ｆ_N は照度ムラ除去器の回転周波数であ
る。またαは外乱の振幅、θ₀は外乱の初期位相であ
る。

【００３１】本実施例においては、照度ムラ除去器の回
転に伴うレーザ出力時の外乱エネルギーを予測し、

【００３２】

【数４】 を各パルスの露光目標エネルギーとした露光量制御を行
なう。レーザ出力時の外乱エネルギーは、例えば照度ム
ラ除去器に回転位置検出器を取り付け、予め回転位置と
外乱エネルギー量の関係を測定することにより、露光時
に回転位置より求めることができる。また、回転位置検
出器を取り付けなくても、被照射体に到達する露光エネ
ルギーの周期的変化より振幅、周波数および位相等を測
定し、レーザ出力時の外乱エネルギーを予測することが
可能である。なお、レーザのばらつき等の確率的外乱は
本実施例の手段で除去することができないため後述する
別手段を用いる必要がある。

【００３３】さらに本実施例を詳しく示す。図２に露光
アルゴリズムを示す。ステップ１１で露光目標量Ｅ_dose
を設定する。また、初期パルス数値ｉ＝１とする。ステ
ップ１２で、各パルス出力時の外乱エネルギー

【００３４】

【数５】 を予測する。外乱エネルギーの位相θ₀ は、照度ムラ除
去器の回転位置を検出する回転位置検出器等により求め
ることができる。ステップ１３で、

【００３５】

【数６】 を満足する、露光の総パルス数Ｎと平均出力エネルギー
Ｅ₀ を求める。Ｅ₀ は外乱エネルギーの変動幅αに関係
なく、出力可能最大エネルギー近辺のエネルギー量を選
択できる。ステップ１４でｉ−１パルス目までの露光誤
差Ｅ_err ＝Ｅ_obj−Ｅ_measを求める（ｉ≧２）。ここ
で、Ｅ_measはｉ−１パルス目までの総実露光量、Ｅ_obj
はｉ−１パルス目までの総露光目標量であり、

【００３６】

【数７】 と表わすことができる。ただしｉ＝１の時はＥ_err ＝０
とする。ステップ１５で、ｉパルス目のレーザ出力エネ
ルギー

【００３７】

【数８】 を求める。ここで右辺第二項はレーザの出力ばらつき等
の確率的外乱、および、ステップ１１で予測した外乱と
実際の外乱との誤差等を除去するための補正量である。
ステップ１６でエネルギーｙ[i] にてレーザ出力する。
ステップ１７でｉパルス目の露光量を計測する。また、
ｉパルス目までの実露光量の総和Ｅ_measを求める。ステ
ップ１８でパルス数ｉを１つ増やす。ステップ１４〜１
８をＮ回繰り返し露光を終了する。

【００３８】上記の手段を用いた時の実露光シーケンス
における各パルスのレーザの出力エネルギーｙ[i] と被
照射体の露光エネルギーｘ[i] を図３に示す（ｎ＝８、
θ₀＝０とする）。但し、レーザばらつき等の確率的外
乱のない理想的な状態を示す。上記の手段を用いること
により、照度ムラ除去器の回転に伴う外乱エネルギー量
に依らず、全パルスとも最大出力エネルギーで露光を行
なうことができるためスループットの向上が可能とな
る。また、レーザの出力変動幅を必要としないため、照
度ムラ除去器の回転に伴う外乱エネルギーの振幅が大き
くなっても露光量制御不能に陥らない。

【００３９】（第２の実施例）レーザは発振開始直後に
出力エネルギーが一定ではなく不安定になるという特徴
を持つ。例えば、図４に示すように、レーザは発振開始
直後に出力エネルギーが定常状態の出力エネルギーより
大きくなる状態が発生する。目標出力エネルギーをｙ
[i] 、実出力エネルギーをｘ[i] 、その差分を外乱エネ
ルギーｄ[i] とすることにより、図１８に示すモデルに
当てはめることができる。

【００４０】すなわち、レーザ発振開始直後のレーザ不
安定状態に伴う外乱エネルギーｄ[i] を予測し、

【００４１】

【数９】 を各パルスの露光目標エネルギーとして露光量制御を行
なう手段を用いる。外乱エネルギーは例えば露光前にパ
ルス数と外乱エネルギー量の関係を実計測して用いるこ
とができる。

【００４２】本実施例における露光アルゴリズムは、図
２で示した露光アルゴリズムにおいて、ステップ１２で
各パルス出力時のレーザ不安定状態に伴う外乱エネルギ
ーｄ[i] を予測し、ステップ１３で、

【００４３】

【数１０】 を満足する、露光の総パルス数Ｎと平均出力エネルギー
Ｅ₀ を求め、ステップ１４で

【００４４】

【数１１】 として露光誤差Ｅ_err を求めることにより、実施例１と
同様に露光量制御を行なうことができる。

【００４５】本実施例の手段を用いた時の実露光シーケ
ンスにおける各パルスのレーザの目標出力エネルギーｙ
[i] と実出力エネルギーｘ[i] を図５に示す。本手段を
用いることにより、レーザ発振開始直後のエネルギー不
安定状態に伴う外乱エネルギー量に依らず、全パルス最
大出力エネルギーで露光を行なうことができるためスル
ープットの向上が可能となる。また、レーザの出力変動
幅を必要としないため、レーザ発振開始直後の外乱エネ
ルギーの振れ幅が大きくなっても露光量制御不能に陥ら
ない。

【００４６】（第３の実施例）図１に示される構成の露
光制御装置において、一般に、エキシマレーザ等のレー
ザにおける出力エネルギー制御は、レーザに対する充電
電圧を変えることにより行なう。充電電圧とレーザ出力
エネルギーとの関係の一例を図６に示す。この関係はガ
スの状態と共に変化し、ガス劣化に伴い出力エネルギー
は低下する。すなわち、図６に示す最大出力エネルギー
Ｅ_max はガス劣化と共に小さくなる。

【００４７】本実施例では、図１のハードウエア構成を
有する装置において、露光は一定エネルギー出力シーケ
ンスと、露光量制御シーケンスの２つに分けて行なう。
一定エネルギー出力シーケンスにおいては露光量制御は
行なわず、例えばある一定の出力エネルギーＥ_const で
レーザを出力し露光を行なうシーケンスである。一般に
レーザには例えばガス劣化を最小限に抑制する等を考慮
した最適出力エネルギー値（レーザ推奨出力値）Ｅ_opt
が設定されており、ガスが十分な状態Ｅ_opt ≦Ｅ_max に
おいてはＥ_const ＝Ｅ_opt として露光を行なう。その
後、ガスが劣化しＥ_opt ＞Ｅ_max となった場合はＥ
_const ＝Ｅ_max として露光を行なう。

【００４８】そして、残露光量がある値以下になった
時、例えば図１５のステップ１２３〜１２７に示される
ような従来より用いられている露光量制御シーケンスに
移り、平均出力エネルギー値Ｅ_ctrl（＝図１５のＥ₀ ）
にて設定露光量Ｅ_doseを目標とした高精度な露光量制御
を行なう。Ｅ_ctrlの値の例としては、ガス交換直後でガ
スが十分な状態であるＥ_opt ＋α_u ≦Ｅ_max の時には、
Ｅ_ctrl＝Ｅ_opt として露光を行なう。その後、ガスが劣
化しＥ_opt ＋α_u ＞Ｅ_max となった場合はＥ_ctrl＝Ｅ
_max −α_u として露光を行なう。

【００４９】これらの各場合における露光シーケンスを
通してのレーザ出力エネルギー状態図を図７に示す。た
だし、図７においてはレーザの出力エネルギーばらつき
等のない理想的なエネルギー出力状態を示している。実
際の露光シーケンスにおいては出力エネルギー等のばら
つき、およびこれに対するレーザ出力エネルギー補正が
加わる。

【００５０】さらに本実施例を詳しく示す。図８に一定
出力シーケンスの露光アルゴリズムを示す。本実施例の
露光シーケンスは一定出力シーケンスと露光量制御シー
ケンスに分かれる。図８の一定出力シーケンスにおい
て、ステップ８１で目標露光量Ｅ_doseを設定する。ステ
ップ８２でレーザ最大出力エネルギー値Ｅ_max を読む。
ステップ８３で一定エネルギー出力シーケンスにおける
出力エネルギー値Ｅ_const を決定する。Ｅ_const はレー
ザ出力推奨値Ｅ_opt と最大出力エネルギー値Ｅ_max の小
さい方のエネルギー値を選択する。ステップ８４で露光
量制御シーケンスにおける必要余裕幅α_u および露光量
制御シーケンスにおけるパルス数ｍを決定する。パルス
数ｍについては後述する。ステップ８５で露光量制御シ
ーケンスにおける平均出力エネルギー値Ｅ_ctrlを求め
る。Ｅ_ctrlは、Ｅ_max の状態により、レーザの推奨出力
値Ｅ_opt とＥ_max −α_u の小さい方のエネルギー値を選
択する。ステップ８６でエネルギー値Ｅ_const にて１パ
ルスレーザを出力する。ステップ８７でこの１パルスの
光量を計測する。ステップ８８で残露光量がｍＥ_ctrl以
下であるか判別をする。否の場合はステップ８６に戻
る。真の場合はステップ８９の露光量制御シーケンスへ
移る。

【００５１】本実施例の露光量制御シーケンスは図１５
に示した従来の露光量制御例において、目標露光量Ｅ
_doseおよび総露光パルス数Ｎをそれぞれ残露光量および
露光量制御シーケンスのパルス数ｍと置き換えることに
よりそのまま使用することができる。

【００５２】また、ステップ８８で残露光量がｍＥ_ctrl
以下であるかの判別を行なうため、露光量制御シーケン
スに移った時点ではｍＥ_ctrl−Ｅ_const 〜ｍＥ_ctrlの範
囲内の残露光量となる。このため、露光量制御シーケン
スにおける実平均出力エネルギー値Ｅ_ctrl’は、ステッ
プ８５で当初設定した平均出力エネルギー値Ｅ_ctrlに対
し、Ｅ_ctrl−Ｅ_const ／ｍ＜Ｅ_ctrl’≦Ｅ_ctrlの範囲内
のエネルギー値となる。パルス数ｍの値を大きく選択す
ると近似的にＥ_ctrl’＝Ｅ_ctrlとなる。なお、露光量制
御を可能にするために、パルス数ｍ（整数）はレーザの
最小出力エネルギー値Ｅ_min に対して少なくともＥ_min
≦Ｅ_ctrl−Ｅ_const ／ｍ−α_d を満たす値を選択するこ
とが必要である。

【００５３】以上の手法を用いることにより、予めパル
ス数を決めて露光を行なう従来の手法と比較して、一定
出力シーケンスと従来手法との差分エネルギーであるｎ
（Ｅ_const −Ｅ_ctrl）に相当するスループットの向上が
可能となる。ここで、ｎは一定出力シーケンスにおける
パルス数である。すなわち、レーザの発振周波数がｆ_L
のとき、次式に示すスループットの向上ｔ_upが可能とな
る。

【００５４】

【数１２】

【００５５】（第４の実施例）前記第３の実施例におい
ては、レーザの出力エネルギー値をレーザ推奨出力値Ｅ
_opt 以下の値に抑える手法を用いた。推奨出力値Ｅ_opt
が与えられていないレーザに関しては常時、一定出力シ
ーケンスにおいては最大出力エネルギーＥ_max、露光量
制御シーケンスにおいては平均出力エネルギーＥ_max −
α_u にてパルスレーザを出力し露光量制御を行なうこと
が可能である。

【００５６】（第５の実施例）露光量制御シーケンスの
パルス数ｍの値（整数）は露光前にＥ_min ≦Ｅ_ctrl−Ｅ
_const ／ｍ−α_d を満たす範囲内で値を変え、露光精
度、スループット等を測定し仕様に合う最適パルス数を
決定することができる。

【００５７】また、レーザガス等の状態変化により、露
光途中に出力最大エネルギーＥ_max、出力最小エネルギ
ーＥ_min および出力必要余裕幅α_u 、α_d の値は変動す
るため、最適なパルス数ｍの値も変化する。このため露
光途中に露光精度やスループット等を測定し、これらの
実績に基づき学習的にその時点での最適値を求め更新し
使用することができる。

【００５８】（第６の実施例）図９は、本発明の第６の
実施例に係る露光装置の露光量制御系を示す。本露光装
置のハードウエア構成は図１に示す通りである。図９の
露光量制御系は図１のＣＰＵ８上に構成される。図９に
おいて、レーザの伝達関数をＧ_c 、補償器ゲインをＫ_c
とする。また、目標エネルギー量をｒ[i] 、実露光エネ
ルギー量をｘ[i] 、レーザ充電電圧をｖ[i] 、外乱エネ
ルギー量をｄ[i] 、誤差量をｅ[i] とする。ただし、＊
[i] はｉパルス目のパルスであることを示す。本制御系
を構成することにより、レーザ充電電圧は、

【００５９】

【数１３】 により決定される。すなわち、ｉパルス目の目標エネル
ギー量と（ｉ−１）パルス目の実露光エネルギー量の誤
差量により、ｉパルス目のレーザ充電電圧の決定が行な
われる。また、

【００６０】

【数１４】 の関係がある。（１２）（１３）式より、露光目標エネ
ルギー量ｒ[i] 、外乱エネルギー量ｄ[i] と、実露光エ
ネルギー量ｘ[i] の関係は、

【００６１】

【数１５】 と表わすことができる。

【００６２】前述したように、レーザガス劣化やスパイ
キング現象などの影響により、レーザ充電電圧と出力エ
ネルギーの特性関係は経時的、かつ、パルス毎に変動す
る。このため露光量制御系においてレーザのモデル化誤
差が発生する。ここでは露光量制御系のモデル化誤差に
対する影響について述べる。

【００６３】仮定として外乱は発生せず、レーザ出力エ
ネルギーがそのまま露光エネルギーになるとする。（１
４）式にｄ[i] ＝０を代入すると、

【００６４】

【数１６】 の関係が成立する。この関係より、一定目標エネルギー
量ｒ[i] ＝ｒが露光量制御系に入力された場合、ｉパル
ス目の出力エネルギーは、１パルス目の出力エネルギー
ｘ[1] を用いて、

【００６５】

【数１７】 と表わすことができる。以上の結果より、 １．１−Ｋ_cＧ_c＝０が成立していれば、２パルス目以降
の出力エネルギーはｙ[i] ＝ｒとなり、露光誤差は発生
しない。 ２．｜１−Ｋ_cＧ_c｜＜１が成立していれば、露光量制御
系の安定性が保証され、レーザ出力エネルギーは目標エ
ネルギーｘ[i] →ｒに収束する。

【００６６】以上のことを詳しく述べる。図１０に示す
ように、まずレーザ充電電圧と出力エネルギーの特性関
係が直線的であるとする。この時、補償器のゲインＫ_c
は、レーザのゲインＧ_c の逆数である

【００６７】

【数１８】 と決定する。ここで、レーザの最大充電電圧をＶ_max 、
最小充電電圧をＶ_min 、レーザの最大出力エネルギーを
Ｅ_max 、最小出力エネルギーをＥ_min とした。この場合
はレーザのモデル化誤差が生じず、Ｋ_c Ｇ_c ＝１の関係
が成立するため露光誤差は発生しない。

【００６８】次にレーザのゲインＧ_c は変わらず、レー
ザ充電電圧と出力エネルギーとのエネルギー軸に平行な
特性変動が発生した場合について述べる。この特性変動
を図１０に併せて示す。この場合も、Ｋ_cＧ_c＝１の関係
が成立するため、（１６）式より１パルス後には目標エ
ネルギーとの誤差のない実露光エネルギーが得られる。

【００６９】つづいて、図１１に示すようにレーザのゲ
インＧ_c がＧ_c’に変動する、レーザ充電電圧と出力エ
ネルギーの特性変動が発生した場合について述べる。こ
の場合、

【００７０】

【数１９】 が成立する範囲内でのレーザ特性変動であれば、露光量
制御系の安定性は保証され、レーザ出力エネルギーは目
標エネルギーｘ[i] →ｒに収束する。

【００７１】以上、レーザ充電電圧と出力エネルギーの
特性関係が直線的である場合について述べた。ところ
が、一般にレーザ充電電圧と出力エネルギーの特性関係
は必ずしも直線的でなく、図１２に示すように非線形で
あることが多い。この場合、レーザ特性の直線的なモデ
ル化を行なうとモデル化誤差が発生するが、前記した結
果より、全充電電圧のゲインが｜１−Ｋ_cＧ_c’｜＜１を
満足していれば露光量制御系の安定性は保証され、実露
光エネルギーは目標エネルギーｙ[i] →ｒに収束する。

【００７２】次に露光量制御系の外乱による影響につい
て述べる。ここでは、モデル化誤差のない理想的な状
態、Ｋ_c ＝１／Ｇ_c が成立していると仮定する。（１
４）式にＫ_c ＝１／Ｇ_c を代入することにより、

【００７３】

【数２０】 の関係が成立する。この結果より、外乱エネルギーｄ
[i] は、前パルスにおける外乱エネルギー量との差分の
み露光エネルギーに伝達されることがわかる。

【００７４】例えば、前述したように照度ムラ除去器の
回転に伴い、振幅α、初期位相θ₀の周期的な外乱エネ
ルギー

【００７５】

【数２１】 が発生する。ここで、ｆ_L ：レーザの発振周波数、ｆ
_N ：照度ムラ除去器の回転周波数である。この周期的な
外乱エネルギーが露光量制御系に加わっても、（１９）
式の結果より露光エネルギーｙ[i] に伝達される誤差量
は、

【００７６】

【数２２】 に軽減される。

【００７７】この結果は一般的に、ある周波数の外乱が
露光量制御系に入力された場合にも適用することがで
き、ｎの値が大きいほど、すなわち、低周波数領域の外
乱ほど外乱除去特性が優れていることがわかる。

【００７８】また近年、半導体の広画角化への対応とし
て、図１におけるレチクル２とウエハ４を逆方向に同期
駆動させながら露光を行なうスキャン露光方式が用いら
れている。ウエハを一定速度で動かしながらレーザを出
力し露光を行なう場合、各パルスのレーザ出力ばらつき
により、スキャン方向の照度ムラが発生する。図１３に
３パルスで１つの領域を露光するスキャン露光例を示
す。

【００７９】図１３では（ｍ＋３）パルス目の出力エネ
ルギーが大きく照度ムラとなる例を示している。

【００８０】本実施例に示した露光量制御系を用いるこ
とにより、レーザの特性変動、外乱の影響を除去し、毎
パルス一定露光エネルギーでウエハを露光できるように
なるため、スキャン露光において照度ムラの少ない露光
量制御が実現できる。 （第７の実施例）図１２に示したように一般にレーザの
充電電圧と出力エネルギーの特性関係は非線形である。
本実施例においては、レーザ充電電圧と出力エネルギー
の特性関係に近似させて、レーザの補償器のゲインＫ_c
をＬ段決定し、常時最適ゲインに切り換えて露光量制御
を行なう手段を用いる。図１４にＬ＝３で特性関係を近
似した例を示す。本手段を用いることにより、モデル化
誤差を軽減させることができ、目標値への収束を少パル
ス数で実現することが可能となる。 （第８の実施例）レーザ光路上へＮＤフィルター、プリ
ズム、絞り、レンズ等を挿入することにより、被照射体
に到達するレーザ光量は減衰し、レーザのゲインＧ_c は
変化する。本実施例においては、これらのレーザ照明条
件の変更により、レーザ光量が減衰しレーザのゲインＧ
_c が変化する場合、この変化を計測あるいは予測し、Ｇ
_cの値を変更する手段を用いる。

【００８１】例えば透過率β（０＜β＜１）のＮＤフィ
ルターをレーザ光路へ挿入した場合は、図９のゲインＧ
_c をβＧ_c と置き換えることにより露光量制御系を実現
することができる。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の第１の局面
によれば、レーザ出力時に各パルスに付加される外乱エ
ネルギー量を予測し、予測した外乱エネルギー量をもと
に各パルスの露光目標エネルギー量を決定し露光量制御
を行なうことにより、外乱エネルギーの変動幅が大きく
なってもスループットを悪化させず、また、露光量制御
不能に陥らず露光を行なうことが可能となる。

【００８３】また、本発明の第２の局面によれば、設定
露光量を目標としたレーザ出力エネルギー制御を行なわ
ない制御手段と、設定露光量を目標としたレーザ出力エ
ネルギー制御を行なう制御手段とを順次切り換える手法
を用いることにより、レーザガス劣化による出力エネル
ギー低下に対して、スループットの悪化を最小限に抑制
しながら高精度な露光量制御を実現することができる。

【００８４】さらに、本発明の第３の局面によれば、パ
ルスレーザを用いた露光装置において、露光目標エネル
ギー量と過去の実露光エネルギー量を比較し、その結果
を用いてレーザ充電電圧を決定するフィードバック系を
構成し露光量制御を行なうことにより、レーザ充電電圧
と出力エネルギーの特性変動が生じても、露光目標エネ
ルギーに対し露光誤差なく露光を行なうことができ、特
に低周波数領域を中心に外乱を除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る露光装置の概略構成
図である。

【図２】 本発明の第１の実施例に係る露光アルゴリズ
ムを表わす図である。

【図３】 本発明の第１の実施例に係るレーザ出力エネ
ルギーおよび被照射体の露光エネルギー状態を表わす図
である。

【図４】 本発明の第２の実施例に係るレーザ発振開始
直後のエネルギー不安定状態を表わす図である。

【図５】 本発明の第２の実施例に係るレーザ目標出力
エネルギー状態および実出力エネルギー状態を表わす図
である。

【図６】 本発明の第３の実施例におけるレーザの充電
電圧と出力エネルギーの関係を、レーザガス初期状態と
劣化後のそれぞれについて示す図である。

【図７】 本発明の第３の実施例における露光シーケン
スのエネルギー出力状態を示す図である。

【図８】 本発明の第３の実施例における露光シーケン
スの露光アルゴリズムを示す図である。

【図９】 本発明の第６の実施例に係るフィードバック
を用いた露光量制御系を示す図である。

【図１０】 レーザ充電電圧と出力エネルギーの直線的
な特性関係、およびエネルギー軸に平行な出力変動が生
じた場合の特性関係を示す図である。

【図１１】 レーザ出力エネルギーのゲイン変動が生じ
た場合の特性関係を示す図である。

【図１２】 レーザ充電電圧と出力エネルギーの非線形
な特性関係を示す図である。

【図１３】 スキャン露光における照度ムラ発生例を示
す図である。

【図１４】 本発明の第７の実施例に係るＬ段の補償器
ゲインを示す図である。

【図１５】 従来の露光アルゴリズムを表わす図であ
る。

【図１６】 従来のレーザ充電電圧の決定方法を示す図
である。

【図１７】 平行平面板を回転させ被照射体の照度ムラ
を除去する手段を示す図である。

【図１８】 レーザからエネルギーを出力し被照射体を
露光する簡略化モデルである。

【符号の説明】

１：レーザ光源、２：レチクル、３：投影光学系、４：
ウエハ、５：ハーフミラー、６：フォトセンサ、７：セ
ンサアンプ、８：ＣＰＵ、９：光学系。

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルスレーザを用いた光源と、パルスレ
   ーザのパルス毎の出力エネルギーを制御する手段と、パ
   ルスレーザのパルス毎の露光目標エネルギー量を設定す
   る手段と、パルスレーザのパルス毎の露光量を検出する
   手段と、該露光量検出手段より求めた露光量とパルス毎
   の露光目標エネルギー量とをもとにパルスレーザの次パ
   ルス以降の前記出力エネルギー値を演算する手段とを具
   備し、パルスレーザを複数回パルス発光させることによ
   り被照射体を露光する装置における露光量制御方法にお
   いて、被照射体を目標エネルギー量で露光することを阻
   害する予測可能な外乱エネルギーに対し該外乱エネルギ
   ー量を予測し、該予測外乱エネルギー量をもとに各パル
   スの前記露光目標エネルギー量を設定し、前記パルスレ
   ーザの出力エネルギーの演算および制御を行なうことを
   特徴とする露光量制御方法。
2. 【請求項２】 上記外乱エネルギーとして、照度ムラを
   除去することを目的とした照度ムラ除去器の駆動に伴う
   被照射体の露光エネルギー変動を含む請求項１記載の露
   光量制御方法。
3. 【請求項３】 上記外乱エネルギーとして、レーザ発振
   開始直後の出力エネルギー不安定状態に伴う被照射体の
   露光エネルギー変動を含む請求項１記載の露光量制御方
   法。
4. 【請求項４】 光源としてパルスレーザを用い、パルス
   レーザを複数回パルス発光させることにより被照射体を
   露光する装置の露光量制御装置において、パルスレーザ
   のパルス毎の出力エネルギーを制御する手段と、被照射
   体を目標エネルギー量で露光することを阻害する予測可
   能な外乱エネルギーに対し該外乱エネルギー量を予測
   し、該予測外乱エネルギー量をもとに各パルスの露光目
   標エネルギー量を設定する手段と、パルスレーザのパル
   ス毎の露光量を検出する手段と、該露光量検出手段より
   求めた露光量とパルス毎の前記露光目標エネルギー量と
   をもとにパルスレーザの次パルス以降の出力エネルギー
   値を演算する手段とを具備することを特徴とする露光量
   制御装置。
5. 【請求項５】 パルスレーザを用いた光源と、パルスレ
   ーザのパルス毎の出力エネルギーを制御する手段と、パ
   ルスレーザのパルス毎の露光量を検出する手段と、該露
   光量検出手段より求めた露光量をもとにパルスレーザの
   次パルス以降の出力エネルギー値を演算する手段とを具
   備し、パルスレーザを複数回パルス発光させることによ
   り被照射体を露光する装置における露光量制御方法にお
   いて、先ず、前記露光量検出手段より求めた露光量に依
   存しない所定の出力エネルギーで露光を行なう非出力制
   御段階と、予め設定されたパルス毎の露光目標エネルギ
   ー量または総露光エネルギー量と前記露光量検出手段よ
   り求めた露光量とをもとにパルスレーザの次パルス以降
   の出力エネルギー値を演算し、その演算値に基づいて制
   御されたレーザ出力エネルギーで露光を行なう出力制御
   段階とを順次切り換えて露光することを特徴とする露光
   量制御方法。
6. 【請求項６】 前記非出力制御段階における所定の出力
   エネルギーを、レーザの最大出力エネルギーとする請求
   項５に記載の露光量制御方法。
7. 【請求項７】 前記非出力制御段階における所定の出力
   エネルギーを、レーザの最大出力エネルギーが推奨出力
   エネルギーより大きいときは該推奨出力エネルギーと
   し、小さいときは前記最大出力エネルギーとする請求項
   ５に記載の露光量制御方法。
8. 【請求項８】 前記非出力制御段階から出力制御段階へ
   の切り換えタイミングを、残露光量をもとに判定する請
   求項５に記載の露光量制御方法。
9. 【請求項９】 前記非出力制御段階から出力制御段階へ
   の切り換えタイミングを、過去の露光における露光精度
   およびスループットを含む実績値に基づき学習的に最適
   値を求めて更新する請求項５に記載の露光量制御方法。
10. 【請求項１０】 光源としてパルスレーザを用い、パル
    スレーザを複数回パルス発光させることにより被照射体
    を露光する装置の露光量制御装置において、パルスレー
    ザのパルス毎の出力エネルギーを制御する手段と、パル
    スレーザのパルス毎の露光量を検出する手段と、該露光
    量検出手段より求めた露光量をもとにパルスレーザの次
    パルス以降の出力エネルギー値を演算する手段と、先
    ず、前記出力エネルギーが所定値となるように前記出力
    エネルギー制御手段を制御し、露光量が所定の露光量に
    なった後は前記演算された次パルス以降の出力エネルギ
    ー値に基づいて前記出力エネルギー制御手段を制御する
    露光制御手段とを具備することを特徴とする露光量制御
    装置。
11. 【請求項１１】 光源としてパルスレーザを用い、パル
    スレーザを複数回パルス発光させることにより被照射体
    を露光する装置の露光量制御装置において、パルスレー
    ザのパルス毎の露光目標エネルギー量を設定する手段
    と、パルスレーザのパルス毎の出力エネルギーを前記露
    光目標エネルギー量に基づいて制御する手段と、パルス
    レーザのパルス毎の露光エネルギー量を検出する手段
    と、前記露光目標エネルギー量と過去の実露光エネルギ
    ー量より前記出力エネルギー制御手段によるレーザ充電
    電圧を決定するフィードバック系とを具備することを特
    徴とする露光量制御装置。
12. 【請求項１２】 前記露光エネルギー量検出手段より求
    めたエネルギー量と前記露光目標エネルギー量とをもと
    にパルスレーザの次パルス以降の出力エネルギー値を演
    算する手段をさらに有する請求項１１記載の露光制御装
    置。
13. 【請求項１３】 前記フィードバック系の補償器ゲイン
    を、レーザ充電電圧と出力エネルギーの特性関係より決
    定したことを特徴とする請求項１１記載の露光制御装
    置。
14. 【請求項１４】 前記フィードバック系の補償器ゲイン
    を、レーザ充電電圧と出力エネルギーの特性関係より複
    数段決定し、常時最適ゲインに切り換えることを特徴と
    する請求項１１記載の露光制御装置。
15. 【請求項１５】 前記パルスレーザの照明条件の変更に
    伴う光量減衰率を計測または予測し、これをもとに前記
    フィードバック系の補償器ゲインを切り換えることを特
    徴とする請求項１１記載の露光制御装置。
16. 【請求項１６】 前記パルスレーザの照明条件の変更
    が、レーザ光路上へのＮＤフィルタ、プリズム、絞りま
    たはレンズの挿入によるものを含む請求項１５記載の露
    光制御装置。