JPS62183522A - 投影露光方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は投影光学系を備えた露光装置において、投影光
学系の結像特性に変動が生じても、投影されたマスクの
パターン像を所定の投影状態に制御するようにした投影
露光装置に関する。

（発明の背景） 縮小投影露光装置の重要な性能の一つに重ね合わせ精度
があげられる。この重ね合わせ精度に影響を与える要素
の中で重要なものに投影光学系の倍率誤差がある。超Ｌ
ＳＩに用いられるパターンの大きさは年々微細化の傾向
を強め、それに伴ってウェハ上での重ね合わせ精度の向
上に対する要求も強まっている。従って、投影倍率を所
定の値に保つ必要性がきわめて高くなってきている。と
ころで、投影光学系の倍率は、装置の僅かな温度変化や
、クリーンルーム内大気の僅かな気圧変動、温度変化、
および投影光学系へのエネルギー線の照射履歴等により
、所定の倍率の近傍で変動する。

このため、最近の縮小投影露光装置には、投影光学系の
倍率と微調整して所定の倍率を実現するための倍率補正
機構を有するものも出現している。

具体的には、物体（レチクル）と投影レンズの間隔を変
化させる、投影レンズ中のレンズ間隔を動かす、投影レ
ンズ中のある空気室の圧力を調整する等の倍率補正機構
がある。また、倍率に関する変動要因と同じ変動要因に
より、フォーカス（結像面位置）も移動する。このため
、最近の縮小投影露光装置にはフォーカス補正機構を有
するものも出現している。

さて、上記の結像特性の変動要因のうち、投影光学系へ
のエネルギー線照射の影響については、例えば特開昭６
（１７８４５４号公報に開示されているように、照射履
歴に応じて投影レンズ内の圧力を調整する方法により、
所定の投影状態に制御することができる。しかしながら
、この方法においては、投影レンズを透過して結像に寄
与するエネルギー線量は、シャッター状態、露光光強度
、レチクルの透過率等で決まる露光条件に基づいて容易
に測定できるものの、結像面での反射により投影レンズ
に逆戻りするエネルギー線量は測定できないため、結像
面に位置した物体（ウェハ等）の反射率が変化すると、
制御された結像特性が所定の状態からずれてしまうとい
う欠点があった。

このことを第５図を参照して説明する。第５図において
横軸は時間を表わし、縦軸はウェハ上での倍率変化と圧
力調整の際の制御値変化とを表わす。時刻ｔ、からｔ２
までの間に反射率の低いウェハを順次露光し、時刻ｔ３
からは反射率の高いウェハを露光するものとする。反射
率の低いウェハについては投影レンズに逆戻りするエネ
ルギー線（露光光）の量は少なく、圧力制御への影響が
無視できるものとすると、時刻１．からｔ２の間に制御
値はＰｏからＰ、まで変化し、Ｐ、で飽和している。そ
して時刻ｔ２からｔ３までの間は露光が行なわれないの
で制御値はＰ、から徐々に低下する。この時刻ｔ３まで
はウェハ上の投影像の倍率は一定値Ｍに正確に制御され
る。そして時刻ｔ３から前のウェハと同じ条件で露光が
行なわれたとすると、制御値は特性ＢのようにＰ＋で飽
和するように変化する。しかしながら、投影レンズに逆
戻りするエネルギー線量は増大しているため、倍率は特
性Ａに示すように一定値Ｍからずれてしまう。この特性
Ａを一定値Ｍに引きもどすためには、制御値を特性Ｂよ
りも強い制御が働くような特性Ｃにすればよいことが、
各種実験により明らかとなった。

（発明の目的） 本発明はこれらの欠点を解決し、投影光学系の視野内に
位置する物体（ウェハ等）の反射率が変化しても、投影
光学系による投影状ａ（倍率、焦点位置）を常に所定の
状態に保ち得るような投影露光装置を得ることを目的と
している。

（発明の概要） 本発明は、露光すべき感応基板（ウェハ等）からの反射
光量を検出する反射エネルギー検出器を装備することに
より、例えば投影光学系へのエネルギー線照射により生
じる結像特性の変動量を、基板の反射率の変化にかかわ
らず高精度に検出することを、さらに好ましくは投影状
態を所定の状態に制御することを技術的要点としている
。

（実施例） 第１図は本発明の第１の実施例による投影露光装置の概
略的な構成を示す図である。基本的な構成については特
開昭６０−７８４５４号公報に開示されているので簡単
に説明する。

水銀ランプ１からの照明光は楕円鏡２で集光され、シャ
ッター３を介してグイクロイックミラー４で反射される
。そしてコリメーターレンズ５で平行にされた照明光は
、露光波長（例えばｇ線）のみを選択するフィルター６
を介してコーンプリズム７、オプチカルインテグレータ
８の順に入射する。オプチカルインテグレータ８の射出
面には多数の２次光源像が形成され、この射出面近傍に
は開口絞り９が配置される。この開口絞り９を射出した
露光光は透過率が高く、反射率の低いミラー１０を介し
てグイクロイックミラー１１に入射し、ここで反射され
てコンデンサーレンズ１２により均一な強度分布に成形
されてレチクルＲを照射する。照明視野絞り（所謂レチ
クルブラインド）１３はレチクルＲ上の露光すべきでな
いパターン部分を任意の形状で遮光する。レチクルＲの
露光用のパターン部を透過した露光光は投影レンズ１４
に入射し、感応性基板としてのウェハＷ上にパターンの
投影像が形成される。１４ａは投影レンズ１４の瞳であ
る。ウェハＷは２ステージ１５上に載置され、Ｚステー
ジ１５はＸＹステージ１６上に上下動（投影レンズ１４
の光軸方向への移動）可能に設けられている。ＸＹステ
ージ１６はモータ等の駆動部１７によって、投影レンズ
１４の投影結像面と平行に２次移動する。さてＺステー
ジ１５にはＸＹステージ１６（又はウェハＷ）の２次元
的な位置を検出するためのレーザ干渉計（不図示）から
のレーザ光束ＬＢを垂直に反射させる移動鏡１８が固定
されている。そして移動鏡１８の上方には、移動鏡１８
と直接接触しないように固定された遮光板１９が配置さ
れる。この遮光板１９は投影レンズ１４を通ってきた露
光光が移動鏡１８に照射され、移動鏡１８が温まること
を防止するものである。またＺステージ１５上には、各
種アライメントの際の基準とするための基準マークを設
けた基準マーク板２０が設けられている。

ところで本実施例では投影状態の調整手段として圧力調
整器３０が設けられ、投影レンズ１４自体の結像特性（
倍率、焦点位置）を微小量制御することができる。圧力
調整器３０は、投影レンズ１４の露光光の透過による結
像特性の変動を時々刻々補正し得るような圧力制御値を
主制御系３１から入力し、これに応答して投影レンズ１
４内の選ばれた空気間隔（空気室）の圧力を調整する。

主制御系３１は、シャッター３の開閉動作や露光時間を
制御するシャッター制御系３２に開放信号ＳＴを与える
とともに、単位時間（例えば５秒）内におけるシャッタ
ー３の開状態と閉状態とのジューティに対応した信号Ｄ
Ｓをシャッター制御系３２から入力する。また主制御系
３１は、環境情報（大気圧値、温度値）ＡＳも入力し、
信号ＤＳに基づいて投影レンズ１４の露光光の入射によ
る倍率変動量、焦点変動量を推定し、この変動量を補正
するための圧力制御値を、環境情報ＡＳを加味して算出
する。

以上の構成は特開昭６０−７８４５４号公報に開示され
ているのと同様である。本実施例において新規な構成は
ミラー１０と、露光光の波長を選択的に透過するフィル
ター４０と、光電検出器（反射エネルギー線検出器）４
１とを設けたことである。第１図においてオプチカルイ
ンテグレータ８の射出面（又は絞り９）は投影レンズ１
４の瞳１４ａと共役であり、ミラー１０は瞳１４ａと共
役な位置の近傍に配置される。このミラー１０としては
単なる素ガラス、オプチカルインテグレータ８側を反射
防止コートし、投影レンズ１４側を素ガラスのままにし
たもの、あるいはインテグレータ８側を反射防止コート
し、投影レンズ側をハ−フミラ−にしたもの等が使用で
きる。尚、第１図では光電検出器４１の受光面は瞳１４
ａと正確な共役関係にあることが望ましい。すなわちミ
ラー１０の中心からオプチヵルインテグレータ８まカル
インテグレータ８の射出面の大きさ）と等しいか、もし
くはそれ以上の寸法となるように定められる。また第１
図のような構成以外に、ミラー１０と光電検出器４１と
の間にレンズ系を入れて、瞳１４ａを光電検出器４１の
受光面に再結像させることもできる。さて、このような
構成において、光電検出器４１にはコンデンサーレンズ
１２、レチクルブラインド１３、レチクルＲ１投影レン
ズ１４の内部レンズエレメント、及び投影視野内に位置
した物体、特にウェハＷからの各反射光が重畳して入射
する。一般にウェハＷの表面には未露光のフォトレジス
トが塗布されており、プロセスの進行に伴って表面には
微小な凹凸が存在する。

このためウェハＷの表面では露光光の正反射光以外に散
乱回折光も発生し、正反射光とともに投影レンズ１４に
逆戻りすることになる。このため、光電検出器４１の受
光面が、ここに形成される瞳１４ａの像の大きさよりも
大きい程、散乱回折光を含めてより多くの反射光（投影
レンズ１４を通る反射光）を検出することができる。そ
の場合、フィルター４０も光電検出器４１の大きさに合
わせる必要がある。

尚、第１図においてミラーｌＯの上方に配置さに反射し
、上方の金物で反射して光電検出器４１に迷光として入
射するのを防止するものであり、単なる無光たくの黒色
塗装で十分である。また後述の反射率測定方法を実行す
れば、光トラップ４５は全くなくてもよい。さらに光ト
ラップ４５の位置にシャッター制御系３２を光量積分モ
ードで動作させるための測光素子を設けてもよい。

次に本実施例による反射率測定方法を第２図、第３図を
用いて説明する。第１図のように光電検出器４１を照明
光学系の光路中に設けると、ウェハＷ表面からの反射光
以外に、コンデンサーレンズ１２やレチクルＲのパター
ン（クロム部）等からの反射光がオフセットとして加わ
った形で受光される。そこでＺステージ１５上のウェハ
Ｗが載らない部分のうち、なるべく反射率の異なる２ケ
所（以後Ａ点とＢ点とする）でレチクルＲのパターンの
投影を行ないＡ点において受光された反射光量に応じた
光電出力ｒｈとＢ点において受光された反射光量に応じ
た光電出力Ｉｌとを予め計測し、上記オフセット分を相
殺した形でウェハＷの露光光に対する反射率Ｒｗを求め
る。このため本実施例ではＡ点を基準マーク板２０の表
面とし、Ｂ点を遮光板１９の表面とし、Ａ点の露光光に
対する反射率ＲｈとＢ点の露光光に対する反射率Ｒ１（
ここではＲＪ＜Ｒｈとする）とは、予め別の方法で測定
され、主制御系３１に記憶されているものとする。

まずレチクルＲをセットし、レチクルブラインド１３を
所定の形状及び大きさにセットした後、投影レンズ１４
の投影視野内に基準マーク板２゜が位置するようにＸＹ
ステージ１６を位置決めする。そして主制御系３１は、
シャッター３を開いてレチクルＲのパターンを基準マー
ク板２０に投影するとともに、光電検出器４１の光電出
力■を読み込み、その大きさをＩｈとして記憶する。も
ちろん基準マーク板２０の表面寸法はパターンの投影像
寸法よりも大きい。次にＸＹステージ１６を移動させて
遮光板１９にレチクルＲのパターンを投影するとともに
、そのときの光電出力■を読み込み、その大きさを■ｌ
として記憶する。そして以後光電出力Ｉに基づいて（１
）式により内挿又は外挿することにより、ウェハＷの反
射率Ｒｗが算出される。

この（１）式を図示したものが第２図であり、横軸は光
電出力■を表わし、縦軸は反射率Ｒを表わす。第２図に
おいてＩｗはウェハＷが投影視野□内に位置して露光が
行なわれているときの光電出力■の大きさである。本実
施例ではステップ・アンド・リピート方式でウェハＷを
露光する各露光ショット毎に反射率Ｒｗの測定が可能で
ある。

さて、ウェハＷの反射率Ｒｗが求まった段階で、主制御
系３１は圧力制御値を反射率Ｒｗに応じて補正する。例
えば投影視野内の物体の反射率を零としたときに得られ
る圧力制御値（結像特性の変動量と一義的に対応する）
を、（１＋Ｒｗ）倍するように補正する。これによって
、ウェハＷの反射率が一定でないことによって生じる制
御上の誤差が格段に低減される。

またＡ点、Ｂ点を使った光電出力■β・Ｉｈの検出は、
レチクルＲが変わるたび、レチクルブラインド１３の大
きさく又は形状）を変えるたびに行なわれる。さらに光
電出力１１１ｈの検出は、水銀ランプ１の照度低下に応
じである一定時間おきにも行なうことが望ましい。

ところで第１図のような構成では、ウェハＷへの実際の
露光を開始しないと、反射率Ｒｗが求められない訳であ
るが、ウェハＷへの第１ショット目から正確な反射率Ｒ
ｗを得られるとは限らない。

すなわち第３図に示すようにウェハＷ上の右上から左に
ショットＳ９、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を順次露光し、次にそ
の下の列を左から右にショットＳ５、Ｓｂ　、Ｓ？　−
３ｔ。の順に露光する場合を考えてみる。ショット５Ｉ
ＳＳ４、Ｓ５、ＳＩｏはウェハＷの外周からかなりはみ
出しているため、このショットで測定された反射率は不
正確である。ショットＳ２、Ｓ３についてもわずかには
み出しているため、正確さに欠けるが、はみ出している
面積がわずかなので、そこそこの精度で計測される。ま
たショットＳｂ、ＳｑについてはウェハＷ内に包含され
るため、信転性の高い計測値が得られる。

第３図のように、大きくはみ出すショットと包含される
ショットとは、ステップ・アンド・リピート露光時のシ
ョット配列の設計値から容易に判別できる。そこで主制
御系３１は、ウェハＷ内に包含されるショットの露光時
において計測された反射率Ｒｗのみを使い、露光が進む
ごとに、計測された反射率を順次平均化し、一枚目のウ
ェハＷの露光が終了した時点での平均的な反射率を、２
枚目以降のウェハ（一枚目と同じプロセスを経由したウ
ェハ）の反射率とみなして処理する。あるいは、はみ出
しているショットについて、そのはみ出し量に応じて重
ね付けを変えて反射率を算出し、全ショットについての
平均値を求めるようにしてもよい。尚、圧力制御におい
て重要なのは、ウェハＷからの反射光量の変化のみであ
り、反射率そのものではないので、ショットがウェハ外
形からはみ出すか否かにかかわらず、第２図で求められ
る反射率Ｒｗを反射量とみなして、そのまま補正に用い
ればよい。

さて、第４図は本発明の第２の実施例による反射量測定
部を示す。第４図のように、投影レンズ１４から離れた
位置に、例えばウェハグローバルアライメント用の顕微
鏡、又はプリアライメント用の拡大光学系が設けられて
いる場合、それらの光学系の多くは照明光源５０と、対
物レンズ５１とを有している。そこでハーフミラ−５２
とレンズ５３を設け、照明光のウェハＷでの反射光量を
光電検出器４１で受光する。この場合もＡ点、Ｂ点にお
ける２点計測を行なった後、ウェハＷの反射率（光電出
力１ｗ）を求めた方が正確である。

また照明光源５０からの照明光の波長が露光光の波長と
異なる場合は、フォトレジストの反射特性の振舞いも異
な゛るため、予めその照明光に対する反射率と露光光に
対する反射率との間で対応付けを行なってお（必要があ
る。

以上本発明の２つの実施例を述べたが、いずれの場合も
、投影状態の調整手段として投影レンズ１４自体の結像
特性を圧力制御により補正する系を例示した。しかしな
がら投影レンズ１４の露光光の入射による焦点変動のみ
を補正する場合は、主制御系３１で信号ＤＳに基づいて
推定された変動量に応じて、Ｚステージ１５の高さを変
動が補正されるように自動的に調整すればよい。この場
合、Ｚステージ１５が本発明の調整手段に相当する。そ
の他この種の調整手段としては、レチクルＲと投影レン
ズ１４との間隔を変化させ得る機構投影レンズ１４内の
特定のレンズエレメント（例えばレチクルＲに最も近い
レンズ）を光軸方向に移動させ得る機構等がそのまま応
用できる。

またウェハＷの反射率を別の測定器で計測し、その値を
主制御系３１に入力するようにしてもよい。あるいは、
光電検出器４１によって測定された反射率（反射量）Ｒ
ｗをオペレータに表示するのみにとどめ、その反射率Ｒ
ｗを投影状態の変動の補正時に加味するか否か、又は表
示された反射率Ｒｗをオペレータの経験から修正するか
否か等をオペレータの判断に任せるようにしてもよい。

ところで第１の実施例のように露光光によるウェハＷの
反射特性は、フォトレジストの特性に大きく左右される
ことが考えられる。通常のフォトレジストは、露光光の
波長に対する光化学的な反応が最も高感度になるように
定められている。このことは露光光がフォトレジストを
照射した直後では、フォトレジストは露光光を吸収し、
光化学的な反応が進むにつれて吸収性がなくなること、
すなわち露光が進むにつれて反射率が大きくなる特性を
有することを意味する。この反射率の変化は単位面積あ
たりの露光光の照度、フォトレジストの材質や厚さ、及
び感度によって異なる。従って露光光による反射率Ｒｗ
の測定では、第１図において例えばシャッター３の開放
完了時、露光時間轟（シャッター全開時間）内の中間点
、又はシャッター３の閉成動作の開始時等で光電出力■
を高速にサンプリングし、各サンプリング点で求めた、
反射率を平均化するようにするとよい。

また第１の実施例のように、光電検出器４１が投影レン
ズ１４によるウェハＷ上の露光領域からの反射光を受け
る場合は、シャッター３を開放した後の光電出力■の変
化を検出し、上記のフォトレジストの特性を利用して光
電出力■が所定の変化を示したときにシャッター３の閉
成動作を開始するように制御すれば、所謂露光量制御が
可能である。このような露光量制御は、フォトレジスト
の感光の過程がリアルタイムに把握できるので、フォト
レジストの下地の影響によるオーバー露光、アンダー露
光を低減できる点で有利である。

（発明の効果） 以上本発明によれば感応性基板の反射率を計測し得るよ
うにしたので、露光光の投影光学系への入射による投影
状態の変動量をより高精度に推定できるといった効果が
得られる。

また実施例によれば、投影状態の変動の補正がより精密
になるといった利点があるのみならず、どのような感応
性基板にも対応できるといった利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による投影露光装置の構
成を示す図、第２図は反射率の測定方法を説明するグラ
フ、第３図はウェハ上の露光ショットの配列を示す配置
図、第４図は反射率測定部の他の実施例を示す構成図、
第５図は従来における投影状態の変動の補正を説明する
特性図である。 〔主要部分の符号の説明〕 Ｒ−レチクル、　　　　ｗ−ウェハ Ｉ　−水銀ランプ、　　３−シャッター１０−　ミラー
、　　　１４−投影レンズ１４　ａ−’−瞳、　　　３
〇−圧力調整器３１・−主制御系

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定のパターンが形成されたマスクにエネルギー
   線を照射する手段と；前記パターンの像を感応基板上に
   所定の投影状態で形成する投影光学系と；前記投影状態
   を調整するための調整手段と：前記投影光学系によるパ
   ターン投影像を所定の露光条件で感応基板上に転写する
   ように制御する露光制御手段と；前記感応基板の反射率
   に関する情報を入力する入力手段とを備えたことを特徴
   とする投影露光装置。
2. （２）前記入力手段は、前記投影光学系の瞳とほぼ共役
   な位置において、前記投影光学系の視野内に位置した物
   体により反射されたエネルギー線を入射して、その量に
   応じた電気信号を発生する反射エネルギー線検出器であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。
3. （３）前記調整手段は、前記投影光学系でのエネルギー
   線の通過に起因した投影状態の変動を、前記露光条件に
   応じて補正する補正制御系を含み、該補正制御系は前記
   入力手段によって入力された反射率に関する情報を前記
   補正に加味することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の装置。