JPH10116776A - 露光装置及び露光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 露光時間に応じて焦点位置決め方法の適正化
を行ない、スループットの向上を図る。 【解決手段】 Ｚステージの駆動開始から合焦位置に至
るまでの経過時間と感光基板の光軸方向の位置との関係
を示す過渡特性３０と、所定の線幅を露光できる焦点深
度との関係を記憶しておく。１ショットに必要な露光時
間Ｔを、焦点深度（±ｂμｍ）と過渡特性３０とに基づ
いて感光基板が焦点深度の外から焦点深度に入るまで
（Ｔ−Ｔ₁ ）と焦点深度に入った後Ｔ₁ とに割り振り、
感光基板が焦点深度の外にあるとき（ｔ₁ ）から露光を
開始し始める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子や液晶
表示素子等の製造工程で用いられる露光装置及び露光方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子や液晶表示素子の製造工程に
おいて、マスクに形成されたパターンをフォトレジスト
等の感光剤が塗布された半導体ウエハやガラスプレート
等の基板（以下、感光剤が塗布された基板を感光基板と
いう）に露光するために露光装置が使用される。露光装
置には一般に大きな開口数（Ｎ．Ａ．）の投影光学系が
用いられており、許容焦点範囲が狭い。このため、感光
基板上の露光領域（ショット領域）全体に鮮明なパター
ン露光を行うためには、露光領域全体を投影光学系の焦
点深度の範囲に維持して露光することが必要とされる。

【０００３】感光基板の露光領域を投影光学系のベスト
フォーカス位置に合わせる操作は、露光装置に設けられ
たオートフォーカス機構を用いて、投影光学系のベスト
フォーカス位置と露光領域の光軸方向位置の間の位置ず
れを監視しながら感光基板を載置した基板ステージを光
軸方向に駆動することで行われる。その際、露光可能か
否かの判断は、感光基板の露光領域全面が投影光学系の
焦点深度内にある所定時間の間収まっていることを確認
することによって行っていた。しかも、この判断におけ
る焦点深度及び確認時間は、感光剤の種類等によらず最
も厳しい条件に合わせて定められていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】通常、露光装置の焦点
位置の変更は、前述のように基板ステージを光軸方向に
駆動することで行われ、その際、露光可能か否かの判断
は、感光基板の露光領域全面において焦点深度内にある
所定の時間収まっていることを確認することで行ってい
た。

【０００５】この判断は、露光時間の大小すなわち感光
基板に塗布されているフォトレジストの感度の高低にか
かわらず最も厳しい条件を満たすようにして行われるた
め、低感度フォトレジストが塗布されている感光基板を
露光する場合においても、高感度フォトレジストが塗布
されている感光基板と同様に露光領域全面が焦点深度内
にある所定の時間収まっていることを確認の後、露光を
行っていた。そのため、露光量の大小にかかわらずスル
ープットを向上させることが困難であった。

【０００６】本発明は、このような従来技術に鑑みてな
されたものであり、マスクのパターンを感光基板に露光
する露光装置において、露光時間（露光量）に応じて焦
点位置決め方法の適正化を行ない、実質的なスループッ
トの向上を図ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】感光基板の露光領域を投
影光学系の焦点深度に位置づける焦点合わせの問題は、
フォトレジスト感度、換言すると露光時間の大小に応じ
て異なる。すなわち、鮮明なパターンを露光するために
は、感光基板の露光領域が露光中に投影光学系のベスト
フォーカス位置を基準にしてどの程度の範囲にどの程度
の時間存在しているかという存在確率が重要であり、露
光時間が長い場合には焦点深度の範囲から多少外れた状
態から露光を開始しても、露光中のほとんどの時間が焦
点深度内にあれば実際上は問題とならない。

【０００８】また、露光すべきパターンの線幅に応じて
焦点合わせに対する厳密性の要求度は異なる。すなわ
ち、狭い線幅のパターンを露光する際には感光基板をベ
ストフォーカスに近い状態にまで焦点合わせする必要が
あるが、線幅が広くなるにつれて焦点合わせに対する要
求は緩くなる傾向がある。これは、露光すべきパターン
の線幅に応じて考慮すべき投影光学系の焦点深度が変化
すると言い換えてもよい。

【０００９】本発明は、このような考察に基づいてなさ
れたものであり、露光パターンの線幅、１ショットに必
要な露光時間、及び基板ステージの光軸方向の位置決め
の際の過渡特性から、露光開始のタイミング決定のため
の焦点位置に対する露光領域の位置決めの許容値（焦点
深度）、確認時間（焦点深度内に入っている時間）等の
条件を変更し、その条件に合致したときに露光を開始す
ることで実質的なスループットの向上を可能にするもの
である。

【００１０】すなわち、本発明は、マスクに形成された
パターンを感光剤が塗布された基板上に投影する投影光
学系と、投影光学系の合焦位置と感光剤が塗布された基
板の光軸方向位置との位置ずれを検出する焦点位置検出
手段と、焦点位置検出手段による検出結果に基づいて感
光剤が塗布された基板と合焦位置とを一致させる手段と
を含む露光装置において、所定の線幅を感光剤が塗布さ
れた基板に対して露光できる焦点深度と、焦点深度の外
から合焦状態に至るまでの経過時間と光軸方向の位置と
の関係を示す過渡特性を記憶した記憶手段と、前記過渡
特性と焦点深度とに基づいて、１ショットを露光するに
必要な時間を、感光剤が塗布された基板が焦点深度の外
から焦点深度内に入るまでの時間と焦点深度内に入って
いる時間とに割り振る割り振り手段とを備え、前記割り
振り手段による露光時間の割り振りに基づき感光剤が塗
布された基板が焦点深度の外にあるときから露光を開始
し始めることを特徴とするものである。

【００１１】記憶手段は、感光剤の種別を記憶し、前記
割り振り手段は、感光剤の種別に基づいて、１ショット
を露光するに必要な時間を、感光剤が塗布された基板が
焦点深度の外から焦点深度内に入るまでの時間と焦点深
度内に入っている時間とに割り振ることができる。

【００１２】また、本発明は、投影光学系の合焦位置と
感光剤が塗布された基板の光軸方向の位置との位置ずれ
を検出し、その位置ずれをなくしてからマスクに形成さ
れたパターンを感光剤が塗布された基板に露光する露光
方法において、所定の線幅を感光剤が塗布された基板に
対して露光できる焦点深度と、焦点深度の外から合焦状
態に至るまでの経過時間と光軸方向の位置との関係を示
す過渡特性とを記憶し、前記過渡特性と焦点深度とに基
づいて、１ショットを露光するに必要な時間を、感光剤
が塗布された基板が焦点深度の外から焦点深度内に入る
までの時間と焦点深度内に入っている時間とに割り振
り、前記露光時間の割り振りに基づき、感光剤が塗布さ
れた基板が焦点深度の外にあるときから露光を開始する
ことを特徴とする。

【００１３】感光剤が塗布された基板の位置と投影光学
系の合焦位置とを一致させる操作は、基板を載置する基
板ステージを投影光学系の光軸方向に移動させることに
よって行ってもよいし、投影光学系の所定のレンズ間の
気圧を変化させたり、所定のレンズを動かすことによっ
て投影光学系の合焦位置を変化させることにより行って
もよい。

【００１４】本発明によると、露光時間（露光量）に応
じた適切な焦点位置確認が可能となり、焦点位置決めの
際の確認方法を常に最も厳しい条件とする場合に比べ、
露光量によっては露光開始を早くすることができ、スル
ープットの向上を図ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、斜入射光方式の焦点位置
検出手段（以下、ＡＦ系という）を備えた本発明による
露光装置の概略図である。図示しない照明系からの露光
光（ｉ線、ＫｒＦ，ＡｒＦエキシマレーザ）は、ブライ
ンド駆動部１９で駆動されるブラインド２０によって照
明領域を制限されて、マスクＭに形成されたパターンを
均一に照明する。露光光で照明されたマスクＭのパター
ンは、投影光学系ＰＬによって基板ステージ上に載置さ
れた感光基板Ｗ上に投影露光される。基板ステージは、
投影光学系ＰＬの光軸と直交するＸＹ方向に移動可能な
ＸＹステージ２２、及び光軸方向（Ｚ方向）に移動可能
なＺステージ２１とを備える。ＸＹステージ２２はＸＹ
ステージ駆動部（モータ制御回路、位置出力回路を含
む）１７によって駆動され、Ｚステージ２１はＺステー
ジ駆動部（Ｚ−ＤＲＶ）１６によってＺステージ駆動用
モータ１８をドライブすることで駆動される。

【００１６】ＡＦ系２５は、感光基板Ｗ上に塗布された
フォトレジストに対して非感光性の照明光ＩＬを用い
て、投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置と感光基板
Ｗの表面の位置ずれを検出する。フォトレジストに対し
て非感光性の照明光ＩＬはスリット板１を照明する。ス
リット板１のスリットを通った照明光はレンズ系２、ミ
ラー３、対物レンズ４、及びミラー５を介して感光基板
Ｗを斜めに照射し、感光基板Ｗの表面にスリットの像を
結像する。感光基板Ｗで反射したスリット像光束はミラ
ー６、対物レンズ７、振動ミラー８、及び平行平面板１
０を介して受光用スリット板１１上に再結像され、セン
サ１２で受光される。振動ミラー８は受光用スリット板
１１上に結像されるスリット像をその長手方向と直交す
る方向に微小振動させるためのものであり、平行平面板
１０はスリット板１１上のスリットと感光基板Ｗからの
反射スリット像の振動中心との相対関係をスリット長手
方向と直交する方向にシフトさせるためのものである。
振動ミラー８は、発振器（ＯＳＣ）１３からの駆動信号
でドライブされるミラー駆動部（Ｍ−ＤＲＶ）９により
振動される。

【００１７】振動ミラー８で反射されたスリット像が受
光用スリット板１１上で振動するとき、受光用スリット
板１１のスリットを透過することで強度変調された光束
がセンサ１２で受光される。センサ１２からの信号は同
期検波回路（ＰＳＤ）１４に入力する。このＰＳＤ１４
にはＯＳＣ１３からの駆動信号と同じ位相の交流信号が
入力され、この交流信号の位相を基準として同期検波が
行われる。そして、その検出信号ＦＳは主制御ユニット
（ＭＣＵ）１５に出力される。検波出力信号ＦＳはＳカ
ーブ信号と呼ばれ、受光用スリット板１１のスリット中
心と感光基板Ｗからの反射スリット像の振動中心とが一
致したときに零レベルとなり、感光基板Ｗがその状態か
ら上方に変位しているときには正レベル、感光基板Ｗが
下方に変位しているときには負のレベルになる。受光用
スリット板１１のスリット中心と感光基板Ｗからの反射
スリット像の振動中心との位置関係は、平行平面板１０
の傾きを調整することにより予め較正されている。した
がって、出力信号ＦＳが零レベルになる感光基板Ｗの高
さ位置が合焦点として検出される。このＡＦ系２５の詳
細については、例えば特開平５−１９０４２３号公報に
記載されている。

【００１８】またＭＣＵ１５は、平行平面板１０の傾き
を設定する機能、ＰＳＤ１４から出力されるＡＦ出力信
号ＦＳに基づいてＺステージ駆動用モータ１８をドライ
ブするＺステージ駆動部（Ｚ−ＤＲＶ）１６への指令信
号ＤＳを出力する機能、Ｚステージ位置決め（焦点位置
決め）の過渡特性を記憶しておく機能、上位コンピュー
タ２３から指示される露光時間と記憶された焦点位置決
めの過渡特性から、焦点位置の許容値（焦点深度）、確
認時間を変更する機能、露光制御ユニットへの露光開始
トリガＥＳを出力する機能、ＸＹステージ２２を駆動す
る駆動部（ＸＹ−ＤＲＶ）１７へ指令を出力する機能、
及び現在位置の入力を行う機能を備えている。

【００１９】Ｚステージ位置決め（焦点位置決め）の過
渡特性は、Ｚステージ駆動部１６によるＺステージの駆
動開始から合焦位置に至るまでの経過時間と感光基板の
光軸方向の位置の関係を表すものであり、図２にその一
例を示す。焦点位置決めが開始されると、ＭＣＵ１５
は、ＰＳＤ１４から出力される検波出力信号ＦＳが零レ
ベルになるように、Ｚステージ駆動部１６に指令信号Ｄ
Ｓを発してＺステージ駆動用モータ１８をサーボ制御
し、Ｚステージ２１を光軸方向（Ｚ方向）に駆動する。
このとき、Ｚステージ２１上に載置された感光基板Ｗの
表面のＺ方向位置は、図２の曲線３０で示されるよう
に、一般には振動しながら投影光学系ＰＬのベストフォ
ーカス位置に収束する。図２の縦軸は、ＰＳＤ１４から
出力される検波信号ＦＳ、すなわちベストフォーカス位
置からの位置ずれ量を表し、図２の曲線３０で示される
過渡特性は、ベストフォーカス位置に収束するときのＰ
ＳＤ１４の出力信号を経過時間とともに記録することに
より求めることができる。

【００２０】また、パターンの線幅と、そのパターンを
鮮明に露光するために必要な焦点深度の関係を予め実験
等により求めておく。これは、感光基板をジャストフォ
ーカス状態から光軸方向に所定量、例えば±０．５μ
ｍ、±１．０μｍ、±１．５μｍずつ移動した状態にお
いて種々の線幅のパターンを含むテストパターンを試し
焼きすることによって求めることができる。その結果、
例えば、線幅Ａのパターンを鮮明に形成するためには感
光基板がジャストフォーカス状態から±ａμｍの範囲
（焦点深度）に入った状態で露光する必要があることが
分かり、線幅Ｂのパターンを鮮明に形成するためには感
光基板がジャストフォーカス状態から±ｂμｍの範囲
（焦点深度）に入った状態で露光する必要があることが
分かる。

【００２１】また、前述のように、１ショットのパター
ンを露光するのに必要な露光時間が与えられたとき、そ
の露光時間の全ての期間を通してショット領域（露光領
域）が焦点深度内に入っていることは必ずしも必要では
ない。露光時間が長い低感度のフォトレジストが塗布さ
れている感光基板に対しては、この焦点深度から外れて
いる期間に対する許容度も大きくなる。全露光時間のう
ちどの程度の割合の時間焦点深度内に入っていればパタ
ーン形成が可能であるかについても、種々の感度のフォ
トレジストに対して予め実験等によりデータを得てお
く。

【００２２】こうして得られたパターンの線幅と焦点深
度のデータ、及び種々のフォトレジストに対する１ショ
ットに必要な露光時間のうち焦点深度内に入っているこ
とが要求される時間のデータは、上位コンピュータ２３
又はＭＣＵ１５の記憶装置に記憶させておく。

【００２３】次に、図１に示した露光装置による露光動
作について以下に説明する。

【００２４】ＭＣＵ１５は、上位コンピュータ２３等か
ら次の露光時のＸＹステージ２２の目標位置、露光時間
を入力されると、ＸＹステージ駆動部（ＸＹ−ＤＲＶ）
１７へ前記目標位置を設定し、ＸＹステージ２２の移動
を開始する。次に、ＭＣＵ１５は、パターンの線幅と焦
点深度に関するデータから露光すべきパターンに対する
焦点深度を求め、予め記憶している図２の焦点位置決め
の過渡特性から露光開始のタイミングを算出する。

【００２５】一例として、いま焦点深度が±ｂμｍと求
められたとすると、図２に示すように、ベストフォーカ
ス位置を中心とする±ｂμｍの範囲に位置づけられたと
き合焦状態であると判定される。また、感光基板に塗布
されているフォトレジストの感度から、１ショットに必
要な露光時間Ｔのうち焦点深度内に入っていることが要
求される期間が９０％と求められたとする。この場合、
全露光時間Ｔのうち９０％の期間は焦点深度±ｂμｍの
範囲に入っている必要があるが、１０％の期間は必ずし
も焦点深度±ｂμｍの範囲に入っていなくとも構わな
い。したがって、感光基板Ｗのショット領域が焦点深度
±ｂμｍの範囲に入る時刻ｔ₀ からさかのぼって未だシ
ョット領域が焦点深度±ｂμｍの範囲に入っていないＺ
方向位置ずれ量ｚ₁ を有する時刻ｔ₁ から露光を開始し
ても、所望の精度のパターンを露光することができる。
ＭＣＵ１５は、このように全露光時間Ｔを、焦点深度と
過渡特性を用いて、焦点深度の範囲内に入っている時間
と、焦点深度の範囲外にある時間に割り振り、露光開始
時点を決定する。

【００２６】ＭＣＵ１５は、ＸＹステージ２２の移動中
の位置情報をＸＹステージ駆動部１７から逐次入力し、
あらかじめ決められたフォーカス可能範囲内に入ったこ
とを確認した後、ＰＳＤ１４から出力される検波信号Ｆ
Ｓの値から焦点位置のずれを求め、このずれを補正する
ために必要なＺステージ２１の制御信号ＤＳをＺステー
ジ駆動部１６に出力し、Ｚステージ２１を光軸方向（Ｚ
方向）に移動する。

【００２７】そして、ショット領域の光軸方向位置（Ｚ
方向位置）のベストフォーカス位置からの位置ずれをＰ
ＳＤ１４から出力される検波信号ＦＳからモニターし、
検出されたＺ方向位置ずれ量が予め算出された位置ずれ
量ｚ₁ に達した時点ｔ₁ で、露光開始のトリガＥＳをＯ
Ｎにする。

【００２８】この動作を露光毎に繰り返し行うことで、
特に長時間露光時においては実質的に露光開始の時点を
前倒しすることが可能となり、スループットを向上する
ことができる。

【００２９】なお、上述した実施の形態では、モータ１
８によって感光基板Ｗを投影光学系ＰＬの光軸方向に移
動させ、感光基板Ｗを投影光学系ＰＬの合焦位置に入る
ようにした。しかし、投影光学系ＰＬの所定のレンズ間
の気圧を変化させたり、または所定のレンズを動かすこ
とにより、投影光学系ＰＬの合焦位置を変化させる場合
には、感光基板Ｗを一定位置にした状態で合焦位置が感
光基板の位置にくるようにすればよい。この場合の過渡
特性は、投影光学系ＰＬの所定のレンズ間の気圧を変化
し始めてから又は所定のレンズを動かし始めてから、感
光基板Ｗの位置に合焦位置がくるまでの特性をいう。

【００３０】

【発明の効果】本発明によると、最小露光時間を考慮し
た最も厳しい焦点位置決め制御に比べ焦点位置決めの許
容値を拡大（露光開始を早くすること）できるため、露
光装置のスループットを向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による露光装置の概略図。

【図２】焦点位置決めの過渡特性の一例を示す図。

【符号の説明】

１，１１…スリット板、２…レンズ系、３，５，６…ミ
ラー、４，７…対物レンズ、８…振動ミラー、９…ミラ
ー駆動部、１０…平行平面板、１２…センサー、１３…
発振器（ＯＣＳ）、１４…同期検波回路（ＰＳＤ）、１
５…主制御ユニット（ＭＣＵ）、１６…Ｚステージ駆動
部（Ｚ−ＤＲＶ）、１７…ＸＹステージ駆動部（ＸＹ−
ＤＲＶ）、１８…Ｚステージ駆動用モータ、１９…ブラ
インド駆動部、２１…Ｚステージ、２２…ＸＹステー
ジ、２３…上位コンピュータ、２５…ＡＦ系、Ｍ…マス
ク、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…感光基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスクに形成されたパターンを感光剤が
   塗布された基板上に投影する投影光学系と、前記投影光
   学系の合焦位置と前記感光剤が塗布された基板の光軸方
   向位置との位置ずれを検出する焦点位置検出手段と、前
   記焦点位置検出手段による検出結果に基づいて前記感光
   剤が塗布された基板と前記合焦位置とを一致させる手段
   とを含む露光装置において、 所定の線幅を前記感光剤が塗布された基板に対して露光
   できる焦点深度と、前記焦点深度の外から合焦状態に至
   るまでの経過時間と前記光軸方向の位置との関係を示す
   過渡特性を記憶した記憶手段と、 前記過渡特性と前記焦点深度とに基づいて、１ショット
   を露光するに必要な時間を、前記感光剤が塗布された基
   板が前記焦点深度の外から前記焦点深度内に入るまでの
   時間と前記焦点深度内に入っている時間とに割り振る割
   り振り手段とを備え、 前記割り振り手段による露光時間の割り振りに基づき前
   記感光剤が塗布された基板が前記焦点深度の外にあると
   きから露光を開始し始めることを特徴とする露光装置。
2. 【請求項２】 前記記憶手段は、前記感光剤の種別を記
   憶し、前記割り振り手段は、前記感光剤の種別に基づい
   て、１ショットを露光するに必要な時間を、前記感光剤
   が塗布された基板が前記焦点深度の外から前記焦点深度
   内に入るまでの時間と前記焦点深度内に入っている時間
   とに割り振ることを特徴とする請求項１記載の露光装
   置。
3. 【請求項３】 投影光学系の合焦位置と感光剤が塗布さ
   れた基板の光軸方向の位置との位置ずれを検出し、その
   位置ずれをなくしてからマスクに形成されたパターンを
   前記感光剤が塗布された基板に露光する露光方法におい
   て、 所定の線幅を前記感光剤が塗布された基板に対して露光
   できる焦点深度と、前記焦点深度の外から合焦状態に至
   るまでの経過時間と前記光軸方向の位置との関係を示す
   過渡特性とを記憶し、 前記過渡特性と前記焦点深度とに基づいて、１ショット
   を露光するに必要な時間を、前記感光剤が塗布された基
   板が前記焦点深度の外から前記焦点深度内に入るまでの
   時間と前記焦点深度内に入っている時間とに割り振り、 前記露光時間の割り振りに基づき、前記感光剤が塗布さ
   れた基板が前記焦点深度の外にあるときから露光を開始
   することを特徴とする露光方法。