JPH1092718A - 投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自重あるいは熱によりマスクにたわみが生じ
ても、マスクのパターンを感光基板上の露光領域の全域
で常にベストフォーカス状態で露光する。 【解決手段】 基準板１に設けられた開口パターンの像
を投影光学系を介してマスク３のパターン面に投影し、
その反射像を再度投影光学系２を介して基準板１上に投
影する。基板ステージ１２を移動させながら複数の位置
で検出器７の受光量を検出することによりマスク３のパ
ターンの結像面を検出する。制御系１０は、基板ステー
ジ１２の基板載置面の形状がマスクのパターン結像面に
一致するように基板載置面形状駆動系１６を制御する。

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
ディスプレイパネル等をフォトリソグラフィ工程で製造
する際に、マスクパターンを感光基板上に投影露光する
ために使用される投影露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子や液晶表示素子を製造するた
めのフォトリソグラフィ工程において、フォトマスク又
はレチクル（以下、マスクという）に形成されたパター
ン像をフォトレジスト等が塗布された半導体ウエハやガ
ラスプレート等の感光基板に投影露光して転写する投影
露光装置が用いられている。投影露光装置においては、
露光すべき回路パターンの微細化が進むに従って、投影
光学系による投影像の結像特性の変動量の許容範囲が狭
くなっている。そのため、従来の投影露光装置において
は、投影光学系がパターン露光用の照明光を吸収するこ
とによって生じる結像特性の変動量を補正するために、
投影光学系に入射する光量を検出し、検出した光量に応
じて投影光学系の結像特性の変動量を補正する結像特性
補正機構が設けられている。

【０００３】例えば、特開昭６０−７８４５５号公報に
は、投影光学系の結像特性の変動に対応するモデルを予
め作っておき、感光基板が載置される基板ステージ上に
配置した光電センサ等により所定時間間隔で投影光学系
に入射する光エネルギーを求め、この光エネルギーの積
分値をそのモデルに当てはめて結像特性の変動量を計算
する機構が記載されている。この場合、投影光学系に入
射する光エネルギーの積分値を求めるための露光時間
は、例えば照明光の開閉を行うためのシャッターが開状
態にあることを示す信号を常時モニタすることにより算
出されるため、そのモデルに従って現在の投影光学系の
結像特性の変動量を算出でき、その変動量に基づいて投
影光学系の補正を行う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年益々微細化するマ
スクのパターンに対応して、投影光学系は解像力向上の
ために開口数が大きな投影レンズを使用するようになっ
ている。開口数が大きいということは、解像力が高いこ
ととともに焦点深度が浅いということをも意味する。同
時に、感光基板上に一度に露光する露光領域についても
拡大の方向にあり、それに伴ってマスクの大きさも大型
化する方向に進んでいる。

【０００５】大きなマスクは重量が重く、自重によるマ
スクのたわみが相当に大きくなっている。そして、この
マスクのたわみに起因するマスクのパターン結像面の変
位が投影光学系の焦点深度程度に達することもあり、マ
スクのたわみの問題は無視できない問題になっている。
それに加えて、パターン照明光がマスクを通過するた
め、マスクが照明光を吸収して熱変形を起こし、この熱
変形によるマスクのたわみによってもマスクのパターン
結像面が変位するという問題がある。特に、最近では、
露光パワーを上げて露光時間を短くすることで露光工程
のスループット向上を図る傾向にあり、露光パワーの増
大によりマスクに照射される光エネルギーも増大して、
それに伴うマスクの熱変形も大きくなってきている。

【０００６】マスクは、クロム膜等の遮光膜によりパタ
ーンが描かれているため、透過率の高いガラス基板部と
異なり遮光膜での光吸収が大きい。更に、近年光学系の
フレア防止の目的でマスク上の遮光膜を低反射化する技
術が採用されているが、これにより遮光膜での光吸収は
更に増加している。その上、マスクの遮光膜による回路
パターンはマスク全体に均一に分布しているとは限ら
ず、偏って分布していることもある。この場合、マスク
の温度は局所的に上昇し、非等方的なたわみ変形を発生
することもある。さらに、可変視野絞り（マスクブライ
ンド）等を使用してマスクの一部のパターンのみを露光
するような場合にも、同様にマスクに非等方的なたわみ
が生じる。このようにして発生したマスクのたわみによ
り、投影されるマスクのパターンの結像面も不均一に変
位することになる。このようなマスクのパターン結像面
の不均一な変位に対しては、投影光学系の結像特性の補
正や、基板ステージの光軸方向位置もしくは傾斜角度の
調整のみでは完全に対応することができない。

【０００７】本発明は、投影露光装置の有するこのよう
な問題点に鑑みてなされたものであり、自重あるいは熱
によりマスクにたわみが生じても、マスクのパターンを
感光基板上の露光領域の全域で常にベストフォーカス状
態で露光することのできる投影露光装置を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、マスクのた
わみ量を投影光学系を介してマスクのパターン結像面の
変位として計測し、基板ステージの基板載置面の形状を
そのパターン結像面の変位にあわせて制御することによ
って、マスクに生じた自重あるいは熱によるたわみによ
って感光基板上の露光領域へのパターン結像状態が悪化
するのを防止し、前記目的を達成する。

【０００９】すなわち、本発明は、マスクステージ（３
ａ）に保持されたマスク（３）のパターンを投影光学系
（２）を介して基板ステージ（１２）上に載置された感
光基板（１１）に転写する投影露光装置において、マス
クステージ（３ａ）に保持されたマスク（３）のたわみ
量を投影光学系（２）を介して光電的に検出するたわみ
量検出手段（１，１ａ，７，８，１３，１４）と、基板
ステージ（１２）の基板載置面（２２）の形状を変更す
るための駆動手段（１６，２３）と、マスク（３）のパ
ターンの結像面と感光基板（１１）の露光領域表面とが
ほぼ一致するようにたわみ量検出手段の検出結果に基づ
いて駆動手段（１６，２３）を制御する制御手段（１
０）とを備えることを特徴とする。

【００１０】マスクのたわみ量検出手段は、所定形状の
開口パターン（１ａ）を有し基板ステージ（１２）上に
設けられた基準板（１）と、開口パターン（１ａ）を照
明すると共に投影光学系（２）によりマスク（３）のパ
ターン面に形成された開口パターンの投影像の反射光を
投影光学系（２）及び開口パターン（１ａ）を介して受
光し開口パターン（１ａ）を通過した投影像の反射光の
光量変化を検出する検出手段（７，８，１３，１４）
と、この検出手段による反射光の光量変化の検出をマス
クパターン面の複数箇所で行うように基板ステージ（１
２）を移動制御する制御手段（１０，１５）とを備える
ことができる。

【００１１】本発明の投影露光装置は、自重あるいは熱
によるマスクのたわみに起因するマスクのパターン結像
面の変化を検出し、検出されたパターンの結像面に対し
て感光基板の露光領域表面を一致させてパターン露光を
行うものであるため、マスクのパターンを感光基板上の
露光領域の全域で常にベストフォーカス状態で露光する
ことができる。

【００１２】マスクが吸収した光エネルギーの増加に起
因する露光中のマスクのたわみ量の経時的な変化につい
ては、マスク照射量をモニターすることで、予め実測や
シミュレーションによって求めておいたマスク照射量と
たわみ量との関係からマスクのたわみ量を求め、そのた
わみ量にあわせて基板ステージの基板載置面の形状を変
更することにより対応することができ、常に良好な結像
状態を保つことが可能になる。

【００１３】また、マスクのたわみ量検出手段は、投影
露光装置に付属させずに、投影露光装置とは別個の専用
装置とすることもできる。この専用装置は、干渉計等の
測距手段を備え、マスクステージに保持されたマスクに
対向させた測距手段を２次元移動させることによってマ
スクのたわみ量を測定する。マスクのたわみ検出装置に
マスクを光照射する手段を備えることで、マスクへの露
光光照射量とマスクのたわみ量との関係を求めることも
できる。測定されたマスクのたわみ量は、投影露光装置
にマスクを設置したときのマスクのパターン結像面の変
位に換算される。投影露光装置の制御系は、その換算さ
れたマスクのパターン結像面の変位データに基づいて基
板ステージの基板載置面の形状を制御する。

【００１４】

【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、本発明による投影露光装
置の一例の概略図である。マスクパターンを下面に有す
るマスク３はマスクステージ３ａに保持されている。マ
スク３は、投影光学系２を介してステージ１２と対向し
ており、投影露光時には露光照明系４により照明され
る。感光基板１１を載置した基板ステージ１２は、ＸＹ
駆動系１５によって基板ステージ１２上の任意の場所を
投影光学系２の直下に移動でき、Ｚθ駆動系９によって
基板ステージ１２全体を任意の高さおよび傾きに調整で
きる。基板ステージ１２上には、所定の開口パターン１
ａが形成された基準板１が設けられ、開口パターン１ａ
には、照明光源８、グラスファイバーケーブル１３等を
含む照明光学系と、グラスファイバーケーブル１３、光
量検出器７、ハーフミラー１４等を含む検出光学系とか
らなるマスク３のたわみ量検出手段が接続されている。
投影光学系２には感光基板面検出用の射入射フォーカス
センサ用の投光系５と受光系６が固定されている。受光
系６および検出器７の出力は制御系１０に入力され、Ｚ
θ駆動系９及びＸＹ駆動系１５は制御系１０により制御
される。

【００１５】マスク３のたわみ量検出手段においては、
照明光源８から出力された照明光がグラスファイバーケ
ーブル１３を経て基準板１にまで導かれ、基準板１の開
口パターン１ａを通して上方に射出され、さらに投影光
学系２を介してマスクのパターン面（マスクの下面）に
開口パターン１ａの投影像を形成する。この投影像は、
ＸＹ駆動系１５を用いて基板ステージ１２を２次元移動
して投影光学系２の視野の範囲内で基準板１を走査する
ことにより、マスクパターン上の任意の場所に移動する
ことができ、それぞれの場所で個別に合焦点、すなわち
マスクパターンの結像位置を検出することができる。

【００１６】また、マスク３のパターン面の投影像から
の光情報は照明光の光路をさかのぼってマスクパターン
の投影光学系２に関する共役面に結像する。このとき、
基準板１の開口パターン１ａ面の高さがマスク３のパタ
ーン面と投影光学系２に関して共役な位置関係にあれば
マスク３のパターン面上の投影像はピントが合った境界
の明らかなものとなり、この投影像の反射光によって基
準板１の開口パターン１ａ上に形成される反射投影像も
またピントが合った境界の明らかなものとなる。ここ
で、開口パターン１ａの反射投影像は、当然、開口パタ
ーン１ａと同一形状、同一寸法、同一姿勢であるから、
マスクパターン面の投影像からの光情報は最大限に開口
パターン１ａに入射して検出光学系を進み、検出器７に
達して受光量のピークを与える。一方、基準板１の開口
パターン１ａ面の高さがマスク３のパターン面の共役面
からずれている場合、マスク３のパターン面の投影像お
よび基準板１上の反射投影像はピントがずれて境界のぼ
けたものとなる。従って、反射投影像が開口パターン１
ａからはみだした分だけ光情報が損なわれて開口パター
ン１ａに入射することとなり、検出器７に達する受光量
を低下させる。

【００１７】従って、ＸＹ駆動系１５により基板ステー
ジ１２を移動して、基準板１の開口パターン１ａの投影
像をマスク３のパターン面上に定めた複数の場所に順番
に位置決めし、それぞれの場所で制御系１０はＺθ駆動
系９により、検出器７が光量変化を検出する高さまで基
板ステージ１２の高さを調整して基板ステージ１２の高
さ情報、すなわちマスクのパターンの結像位置情報を次
々に蓄積する。制御系１０は、こうして得られたマスク
３のパターンの結像面の情報を用いて、後述する基板ス
テージ１２の基板載置面の形状を変更するための基板載
置面形状駆動系１６を制御し、基板載置面の形状したが
ってその上に載置された感光基板１１の露光領域表面の
形状をマスクのパターンの結像面に合致させる。

【００１８】基板載置面の形状が調整された後、開口パ
ターン１ａの投影像は再度マスク３のパターン面のほぼ
中央に移動され、再度、基準板１が合焦点の高さになる
までＺθ駆動系９により基板ステージ１２の高さを調整
する。その後、合焦点高さに調整された基準板１を用い
て斜入射フォーカスセンサの投光系５及び受光系６の原
点調整が実行される。すなわち、基準板１における反射
ビーム・スポット高さが原点として記憶され、以後、基
板ステージ１２上の任意の場所に投影光学系２の視野を
走査した際には、斜入射フォーカスセンサの投光系５及
び受光系６における反射ビーム・スポット高さにより感
光基板１１の露光面高さが計測され、その高さが原点高
さとなるように制御系１０はＺ駆動系９により基板ステ
ージ１２の高さを調整する。

【００１９】次に、マスク３のたわみ量を検出するたわ
み量検出手段によるマスク３のパターン結像位置の検出
例を詳細に説明する。図２は、マスク３のパターン結像
面（合焦点）の上下における検出器７による検出光量の
変化を表す線図である。図１において、基準板１に設け
られた開口パターン１ａを透過した光が投影光学系２を
介してマスク３のパターン面に投影され、マスク３のパ
ターン面で反射された投影像が投影光学系２によって開
口パターン１ａ上に再結像され、再び開口パターン１ａ
を通過して検出器７に入射した光量とマスク３のパター
ン結像位置の関係を示している。

【００２０】図２において、横軸は基板ステージ１２の
高さで、合焦点高さＺ₀ を中心にして投影光学系２に近
い方をＺ_- 、遠い方をＺ₊ とする。縦軸は検出器７によ
って検出された光量である。基板ステージ１２を上下さ
せると光量が最大となる高さがあるが、これが合焦点高
さ（マスク３のパターンの結像位置）Ｚ₀ である。これ
を見つけるために、斜入射フォーカスセンサの受光系６
の信号に基いて基板ステージ１２を投影光学系２の光軸
に沿って上下させる。これと同時に検出器７の光量をモ
ニタすれば図２の線図が得られる。

【００２１】ところで、図２に示したような信号はでき
るだけ光量変化部での傾きが大きいのが好ましい。その
ためには基準板１から投影する開口パターン１ａのパタ
ーンを適当な線幅を有したものとする必要がある。例え
ば、開口パターン１ａとして図３に示すようなライン・
アンド・スペースを考える。ライン・アンド・スペース
のピッチをｐ、開口部の幅をａ、デューティ比（ａ／
ｐ）を５０％とすると、図２における検出光のフォーカ
ス位置に対する変化は大体次の〔数１〕のようになる。

【００２２】

【数１】｜Ｚ₀−Ｚ_-｜＝｜Ｚ₊−Ｚ₀｜＝ａ／２ｔａｎθ ただし、θは光線の傾き角で、回折を無視した場合の見
積りである。例えば、ＮＡ＝０．５、σ＝０．５、ａ＝
２μｍの場合、θ＝１４．５度となり、｜Ｚ₀−Ｚ_-｜は
３．９μｍとなる。

【００２３】図４は、基板ステージ１２の基板載置面の
一例の略断面図である。基板載置面は上方が開放した箱
状部材２１の開放部に配置された柔軟なダイヤフラム部
材２２によって構成されており、感光基板１１はダイヤ
フラム部材２２の上に載置され、ダイヤフラム部材２２
上に真空吸着保持される。箱状部材２１の内部にはピエ
ゾ素子等からなる多数の伸縮部材２３が設けられ、ダイ
ヤフラム部材２２は複数の伸縮部材２３の先端部の上に
保持されている。箱状部材２２の内部は真空排気手段２
５により真空排気されている。したがって、複数の伸縮
部材２３の各々の伸縮量を制御することにより、伸縮部
材２３の先端部に保持されているダイヤフラム部材２２
の形状は多数の伸縮部材２３の先端部によって形作られ
る曲面に倣ったものになる。

【００２４】制御系１０は、前述のようにマスク３のパ
ターン結像面の情報を用いて演算した結果をもとに、基
板載置面形状駆動系１６に指令を発して各伸縮部材２３
の伸縮量を制御し、基板載置面となるダイヤフラム部材
２２の表面形状をマスク３のパターンの結像面に合致さ
せる。伸縮部材２３がピエゾ素子であるとき、その伸縮
量の制御は各ピエゾ素子に印加する電圧を変化させるこ
とで行うことができる。ダイヤフラム部材２２の上に真
空吸着保持されている感光基板１１はダイヤフラム部材
２２の形状に倣うため、感光基板１１の露光領域表面は
マスクのパターン結像面とほぼ一致し、露光領域の全域
においてベストフォーカス状態でマスク３のパターン露
光を行うことができる。

【００２５】ステップ・アンド・リピート方式の投影露
光装置のように、感光基板１１上の複数のショット領域
に同一のマスクパターンを反復して露光する場合には、
そのショット領域の配列ピッチにあわせて同一の伸縮パ
ターンで複数の伸縮部材２３を伸縮制御すればよい。

【００２６】マスク３への露光光照射による熱変形たわ
みは、露光照明系４側のマスク表面と投影光学系２側の
パターンが描かれているマスク表面との間の温度差によ
って引き起こされる。この露光照明系４による照射量と
マスクの変形量の関係を予め測定しておき、経時的に変
化するマスクの熱変形にあわせて基板載置面の形状を変
化させることにより、マスクの熱変形によるパターン結
像面の経時的な変化の影響も同様に回避することができ
る。

【００２７】露光光照射による熱変形に起因するマスク
３のパターン結像面の変化は、所定枚数の感光基板を露
光する度毎に、投影露光装置に組み込まれたマスクの歪
み量検出手段でマスク３のパターン結像面を検出するこ
とで測定してもよいが、専用のマスクたわみ量検出装置
を用いて測定してもよい。図５は、そのようなマスクた
わみ量検出装置の一例を示す略図である。

【００２８】図５に示したマスクたわみ量検出装置は、
投影露光装置に備えられているマスクステージ３ａと同
じ材質及び同じ構造のマスクステージ３１を備えてお
り、たわみ量の測定を行われるマスク３はこのマスクス
テージ３１上に保持される。マスク３の下方には、マス
ク３のパターン形成面のたわみ量を測定するために光干
渉計等の測距装置３４が１個もしくは複数個設置されて
いる。測距装置３４を用いてマスク３の全面における変
形を測定するために、測距装置３４は移動ステージ３２
上に固定され、図示しない駆動制御系によってマスク３
のパターン面に平行な平面内で２次元的に移動される。

【００２９】このマスクたわみ量検出装置は、実際の投
影露光装置の露光照明系４と同等の照明系３３を備える
こともでき、マスク３を照明手段３３によって照明しな
がら所定の時間間隔でマスク３のたわみ量を測定するこ
ともできる。このマスクたわみ検出装置を用い、投影露
光装置による感光基板へのパターン露光時と同じ条件で
照明手段３３によってマスク３を照明しながら、マスク
３のたわみ量を測距装置３４によって測定し、マスク照
射量とたわみ量との関係を求める。このマスクたわみ量
のデータは、投影露光装置の投影光学系２を介して投影
されたマスク３のパターン結像面のデータに変換され、
記憶手段に記憶される。

【００３０】実際のパターン露光工程においては、投影
露光装置の露光照明系４内に設置されている照射量モニ
ター（図示せず）を用いてマスク３の照射量をモニター
し、前記マスクたわみ量検出装置を用いて検出され、記
憶手段に記憶されたマスク照射量とマスクのパターン結
像面の関係を表すデータをもとに、基板ステージ１２の
基板載置面、すなわちダイヤフラム部材２２の形状を変
更することで、マスク３のたわみ量が露光光の影響で経
時的に変化したとしても良好な結像状態を維持してパタ
ーン露光することが可能となる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、マスクが自重あるいは
熱変形に起因してたわむことによって生じる感光基板上
でのマスクパターンの結像状態の悪化を回避し、マスク
パターンを感光基板上の露光領域の全域で常にベストフ
ォーカス状態で露光することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の一例の概略図。

【図２】マスクのたわみ量検出手段による検出光量を説
明する線図。

【図３】マスクのたわみ量検出手段により投影する開口
パターンの例を示す図。

【図４】基板ステージの基板載置面の略断面図。

【図５】マスクのたわみ量検出手段の他の例を説明する
図。

【符号の説明】

１…基準板、１ａ…開口パターン、２…投影光学系、３
…マスク、３ａ…マスクステージ、４…露光照明系、５
…投光系、６…受光系、７…検出器、８…照明光源、９
…Ｚθ駆動系、１０…制御系、１１…感光基板、１２…
基板ステージ、１３…グラスファイバーケーブル、１４
…ハーフミラー、１５…ＸＹ駆動系、１６…基板載置面
形状駆動系、２１…箱状部材、２２…ダイヤフラム部
材、２３…伸縮部材、２５…真空排気手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスクステージに保持されたマスクのパ
   ターンを投影光学系を介して基板ステージ上に載置され
   た感光基板に転写する投影露光装置において、 前記マスクステージに保持された前記マスクのたわみ量
   を前記投影光学系を介して光電的に検出するたわみ量検
   出手段と、 前記基板ステージの基板載置面の形状を変更するための
   駆動手段と、 前記マスクのパターンの結像面と前記感光基板の露光領
   域表面とがほぼ一致するように前記たわみ量検出手段の
   検出結果に基づいて前記駆動手段を制御する制御手段
   と、 を備えることを特徴とする投影露光装置。
2. 【請求項２】 前記たわみ量検出手段は、所定形状の開
   口パターンを有し前記基板ステージ上に設けられた基準
   板と、前記開口パターンを照明すると共に前記投影光学
   系により前記マスクのパターン面に形成された前記開口
   パターンの投影像の反射光を前記投影光学系及び前記開
   口パターンを介して受光し前記開口パターンを通過した
   投影像の反射光の光量変化を検出する検出手段と、該検
   出手段による前記反射光の光量変化の検出を前記マスク
   パターン面の複数箇所で行うように前記基板ステージを
   移動制御する制御手段とを備えることを特徴とする請求
   項１記載の投影露光装置。