KR20030033067A - 결상특성의 계측방법 및 노광방법 - Google Patents

결상특성의 계측방법 및 노광방법 Download PDF

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오꾸노히로끼
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가부시키가이샤 니콘
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Abstract

노광시의 조명조건이나 투영광학계 주위의 기압에 따라 고정밀도로 투영광학계의 결상특성을 계측할 수 있는 결상특성의 계측방법 및 노광방법이다. 노광광과 동일한 파장의 조명광으로 시료대(24)의 내부로부터 기준 마크(34A, 34B)를 조명하고, 기준 마크(34A, 34B)의 투영광학계(PL)를 통한 이미지에 대한 레티클 마크(37A, 37B)의 위치어긋남량을 레티클 얼라인먼트 현미경(38A, 38B)에 의해 계측하고, 이 계측값으로부터 투영광학계(PL)의 투영배율 β를 산출하고, 기준배율 β0로부터의 오차 Δβ2 를 구한다. 구한 오차 Δβ2 로부터, 노광시의 레티클(R)의 조명조건 및 투영광학계(PL) 주위의 대기압 P 에 따른 배율오차의 보정값 Δβ1 을 감산하여 노광시의 실제 잔류배율오차 Δβ(=Δβ2 - Δβ1) 를 구한다.

Description

결상특성의 계측방법 및 노광방법{METHOD OF MEASURING IMAGE CHARACTERISTICS AND EXPOSURE METHOD}
기술분야
본 발명은, 예컨대 반도체소자, 촬상소자(CCD 등), 액정표시소자, 플라즈마 디스플레이 또는 박막자기헤드 등의 디바이스를 제조하기 위한 포토리소그래피 공정에서 마스크 패턴을 감응성 기판상에 전사할 때 사용되는 투영노광장치의 투영계 결상특성의 계측방법 및 노광방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그와 같은 결상특성의 계측방법을 사용하는 투영노광장치에 관한 것이다.
배경기술
반도체소자 등을 제조할 때, 마스크로서의 레티클 패턴을 투영광학계를 통해 감응재료 또는 감광재료로서의 레지스트가 도포된 웨이퍼(또는 유리플레이트 등)상의 각 쇼트영역에 전사하는 스테퍼 등의 투영노광장치가 사용되고 있다. 예컨대 반도체소자는 웨이퍼상에 수십층의 회로 패턴을 소정의 위치관계로 적층하여 형성되므로, 투영노광장치에는 레티클이나 웨이퍼상의 얼라인먼트 마크(레티클 마크나 웨이퍼 마크)의 위치를 검출하기 위한 얼라인먼트 센서가 구비되어 있다.
이 얼라인먼트 센서에는 다양한 방식이 있다. 예컨대 레티클 마크를 검출하는 얼라인먼트 센서에는 노광용 조명광(노광광)으로 레티클 마크를 조명하여 CCD 카메라 등으로 촬상하고, 얻어진 화상 데이터를 화상처리하여 레티클 마크의위치를 계측하는 VRA(Visual Reticle Alignment) 방식 등의 노광광을 사용하는 방식이 사용된다. 이와 같은 VRA 방식의 얼라인먼트 센서는 투영광학계의 투영배율 등의 결상특성을 계측할 때에도 사용되는 경우가 있다.
또, 투영노광장치에서는 투영광학계 주위의 대기압이 변동하면, 투영광학계 전체로서의 굴절율이 변화하고, 투영광학계의 투영배율이 변동하므로, 기압변화에 의한 투영배율의 변동을 수정하기 위해, 예컨대 소위 렌즈컨트롤러(LC)가 사용된다. 이것은 투영광학계를 구성하는 일부 렌즈간의 공간을 밀폐공간으로 하고, 밀폐공간내의 기체의 압력을 조정함으로써 기압변화에 의한 투영배율의 변동을 수정하는 것이다. 또한, 기압변화 등에 의해 생기는 투영배율의 오차나 투영광학계의 모든 수차 등의 결상특성의 변동을 보정하기 위해, 렌즈지지부에 피에조소자 등의 구동부재를 배치하여 렌즈간격을 조정하거나, 노광파장을 제어하는 결상특성 제어기구도 사용되고 있다.
상기와 같이 종래의 투영노광장치에서는 기압변화 등에 의한 결상특성의 변동에 대처하기 위해, 렌즈컨트롤러 등의 결상특성 제어기구를 사용하여 결상특성을 제어하고 있었다. 이와 같은 결상특성 제어기구를 사용하는 경우에는, 예컨대 노광 시퀀스의 개시시 및, 소정 로트수의 웨이퍼에 대한 노광이 끝날때마다 상기 VRA 방식의 얼라인먼트 센서 등을 사용하여 결상특성을 계측하고, 계측된 결상특성을 초기상태로 하고, 그 후에는, 예컨대 경험칙에 의해 예측되는 결상특성의 변동량을 사용하여 결상특성이 소정의 목표범위내에 들어가도록 제어하고 있었다.
그러나, 결상특성의 계측시에도 투영광학계 주위의 대기압은 변화하고 있어계측시의 대기압에 따라 결상특성의 계측값에 오차가 생길 우려가 있다. 이와 같이 결상특성의 계측값(초기상태) 자체에 오차가 생기면, 그 후에 결상특성 제어기구를 사용하여 예상되는 결상특성의 변동량을 보정했다고 해도, 잔류오차가 생기게 된다. 이와 같은 잔류오차는 현 상황에서는 작은 것으로 생각되지만, 집적회로의 고밀도화에 의한 회로 패턴의 미세화가 앞으로도 더욱 진행됨에 따라, 최종적으로 제조되는 디바이스의 수율 악화 등을 일으킬 우려가 있다.
또, 투영노광장치에서는 노광하는 선폭이나 패턴형상에 따라 조명조건을 소위 변형조명이나 작은 코히어런스 팩터의 조명(작은 σ값 조명) 등으로 전환하는 경우가 있는데, 조명조건을 전환할때마다 투영광학계의 투영배율 등의 결상특성이 약간 변동하고, 웨이퍼상에 투영되는 이미지가 미묘하게 변화하여 중첩정밀도 등이 저하되는 경우가 있었다.
또, 레티클 마크의 위치를 검출하는 VRA 방식의 얼라인먼트 센서는 노광용 조명광학계와는 다른 조명계로 피검 마크를 조명하는 방식이므로, VRA 방식의 얼라인먼트 센서에 의한 계측결과로부터 투영광학계의 투영배율을 구한 경우에는 구해진 투영배율에 기초하여 투영배율을 조정해도, 노광시의 투영배율에 오차가 생길 우려가 있었다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 전사대상 패턴 이미지의 결상상태(결상특성) 계측시(검출시)의 환경조건이 변화한 경우에도, 고정밀도로 결상상태를 조정할 수 있도록 하는 것을 제 1 목적으로 한다.
또, 본 발명은 결상상태(결상특성)를 계측(검출)할 때의 조명조건과 실제 노광시의 조명조건이 다른 경우에도, 고정밀도로 결상상태를 조정할 수 있도록 하는 것을 제 2 목적으로 한다.
발명의 개시
본 발명에 의한 노광방법은 노광 빔으로 마스크(R)를 조명하고, 투영계(PL)를 통해 마스크의 패턴 이미지를 기판(W)상에 전사하는 노광방법에 있어서, 투영계를 통해 마크(34A, 34B)를 검출하고, 이 검출결과에 기초하여 패턴 이미지의 결상상태를 조정할 때 검출시의 환경조건을 사용하는 것이다.
이러한 본 발명에 의하면, 마크의 검출결과로부터 패턴 이미지의 결상상태(예컨대 투영배율)를 구한다. 이 경우, 그와 같이 구해지는 결상상태는 마크검출시의 환경조건(예컨대 투영계 주위의 기압 등)에 따라 변화한다. 그래서, 예컨대 미리 환경조건과, 마크의 검출결과로부터 구해지는 결상상태의 관계를 구하여 기억하고, 환경조건에 따라 보정함으로써 검출시의 결상상태를 고정밀도로 계측할 수 있다. 그 후, 이 계측결과를 사용하여 결상상태가 목표로 하는 상태로부터의 오차를 상쇄하도록 투영계의 결상특성을 보정함으로써, 패턴 이미지의 결상상태를 고정밀도로 조정할 수 있다. 이에 대해, 마크의 검출결과로부터 구해지는 결상상태의 값을 그대로 사용하여 투영계의 결상특성을 조정하면, 실제 노광시에는 결상상태의 조정오차가 잔존할 우려가 있다.
이 경우, 검출결과로부터 구해지는 결상상태의 조정량을 환경조건에 기초하여 보정하는 것이 바람직하다. 이에 의해 용이하게 결상상태를 고정밀도로 조정할 수 있다.
또, 결상상태의 조정량은 일례로서 패턴 이미지의 형성조건과 마크의 검출조건의 차이에 따른 오프셋을 포함하여 결정된다. 예컨대, 마크의 검출조건으로서의 마크검출시의 조명조건과, 패턴 이미지의 형성조건으로서의 실제 리소그래피 공정중의 노광시의 조명조건은 조명광의 개구수나 개구조리개의 형상 등의 조건이 다른 경우가 있다. 그래서, 예컨대 미리 조명조건의 차이에 의한 결상상태의 변화량을 구하여 테이블화하고, 마크의 검출결과로부터 얻어지는 결상상태의 계측값을 패턴 이미지의 형성조건에 따라 보정함으로써, 노광시의 결상상태를 보다 고정밀도로 조정할 수 있다.
또, 오프셋은 일례로서 패턴 이미지의 형성조건에 따라 다르고, 또 환경조건에 따라 보정된다. 형성조건으로서의 조명조건에는 통상조명 및 윤대(輪帶)조명 등의 복수의 조건이 있는데, 이들 조건마다 조정량의 오프셋을 바꿈으로써 각종 조건하에서 결상상태를 고정밀도로 보정할 수 있다. 또, 패턴 이미지의 형성조건은 상술한 조명조건(즉, 노광빔으로 마스크를 조명하는 조명계 내에서 마스크의 패턴면과 실질적으로 푸리에 변환의 관계가 되는 소정 면(조명계의 동공면(瞳面))상에서의 노광 빔의 강도분포) 뿐만 아니라, 투영계의 동공면상에서의 노광 빔의 강도분포나 투영계의 개구수 등을 포함하는 것이다.
또한, 검출결과로부터 구해지는 결상상태의 조정량을 패턴 이미지의 형성조건에 기초하여 보정하도록 해도 된다.
다음으로, 본 발명에 의한 투영노광장치는 노광빔으로 마스크(R)를 조명하는 조명계(1, 3, 6∼9, 13∼19)와, 마스크의 패턴 이미지를 기판(W)상에 투영하는 투영계(PL)를 갖는 투영노광장치에 있어서, 투영계를 통해 마크를 검출하는 마크검출계(38A, 38B)와, 마크검출시의 환경조건을 검출하는 환경검출계(31)와, 검출결과에 기초하여 패턴 이미지의 결상상태를 조정할 때 환경조건을 사용하는 결상조정계 (28, 42, 43, 44)를 구비한 것이다. 이러한 본 발명에 의하면, 본 발명의 노광방법을 실시할 수 있다.
이 경우, 결상상태 조정계는 검출결과로부터 구해지는 결상상태의 조정량을 환경조건에 기초하여 보정하는 것이 바람직하다.
또, 결상상태 조정계는 조정량을 패턴 이미지의 형성조건과 마크의 검출조건의 차이에 따른 오프셋을 포함하여 결정하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 의한 결상특성의 계측방법은 제 1 면의 물체(R)의 이미지를 제 2 면(W)상에 투영하는 투영계(PL) 결상특성의 계측방법에 있어서, 제 1 및 제 2 면 중 적어도 일측에 배치되는 마크(34A)를 투영계를 통해 검출하고, 이 검출결과로부터 투영계의 결상특성을 산출하는 제 1 공정(스텝 101, 102)과, 제 1 공정 실행시의 환경조건에 기초하여 제 1 공정에서 구한 결상특성의 산출결과를 보정하는 제 2 공정(스텝 103, 104)을 갖는 것이다.
이러한 본 발명에 의하면, 예컨대 미리 환경조건과 제 1 공정에서 산출되는 투영계의 결상특성(예컨대 투영배율)의 관계를 구하고, 제 1 공정에서 산출된 결상특성을 환경조건에 따라 보정함으로써, 투영계의 결상특성을 고정밀도로 보정할 수 있다.
이 경우, 환경조건에 따라 산출결과의 보정량을 다르게 하는 것이 바람직하다.
또, 마크의 검출조건과 물체 이미지의 형성조건의 차이에 따른 오프셋을 산출결과에 더해 결상특성의 보정량을 결정하고, 환경조건에 따라 오프셋을 변화시키는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 의한 제 1 및 제 2 디바이스 제조방법은 각각 본 발명의 노광방법 또는 투영노광장치를 사용하여 디바이스 패턴을 기판(W)상에 형성하는 리소그래피 공정을 포함하는 것이다. 이러한 본 발명에 의하면, 본 발명의 노광방법 또는 투영노광장치를 사용하므로, 패턴 이미지의 결상상태를 고정밀도로 조정할 수 있고, 고기능의 디바이스를 제조할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명 실시형태의 일례에서 사용되는 투영노광장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1의 개구조리개판(9)을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 투영노광장치의 스테이지계 및 얼라인먼트계의 요부를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 RA 현미경(38A) 관찰시야내의 이미지를 나타내는 확대도이다.
도 5는 레티클 얼라인먼트시의 기준 마크의 이미지와 레티클 마크의 위치관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 투영광학계 주위의 대기압과 그에 따른 투영광학계 배율오차의 보정값의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 투영광학계 투영배율의 캘리브레이션 동작의 일례를 나타내는 흐름도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태의 일례에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 본 예는 스텝ㆍ앤드ㆍ스캔 방식으로 이루어지는 주사노광형 투영노광장치의 결상특성을 제어하는 경우에 본 발명을 적용한 것이다.
도 1은 본 예에서 사용되는 투영노광장치의 개략구성을 나타내고, 이 도 1에서 ArF 엑시머 레이저 광원(1)으로부터의 파장 193㎚에서 협대화된 자외 펄스 레이저 빔으로 이루어지는 노광광(IL)은 가동 미러 등을 포함하는 빔 매칭 유닛(BMU; 3)을 통과하고, 차광성 파이프(5)를 통해 가변감광기(減光器; 6)에 입사한다. 웨이퍼상의 레지스트에 대한 노광량을 제어하기 위한 노광 컨트롤러(29)가 ArF 엑시머 레이저 광원(1)의 발광개시 및 정지, 그리고 발광강도나 발진주파수 등을 제어함과 동시에, 가변감광기(6)에서의 감광률을 조정한다. 노광 컨트롤러(29)는 장치 전체의 동작을 통괄제어하는 주제어계(28)로부터 목표노광량 등의 정보를 받음과 동시에, 후술하는 바와 같이 실측되는 노광량 등의 정보를 주제어계(28)에 출력한다. 또, 노광광(노광 빔)으로서는 KrF 엑시머 레이저(파장 248㎚), Kr2레이저(파장 146㎚) 또는 F2레이저(파장 157㎚) 등의 다른 레이저광, 수은램프의 i선(파장 365㎚) 또는 연 X선 등을 사용할 수도 있다.
가변감광기(6)를 통과한 노광광(IL)은 렌즈계(7A, 7B)로 이루어지는 빔 정형광학계를 거쳐 플라이 아이 렌즈 등의 옵티컬 인테그레이터(유니포마이저 또는 호모지나이저; 8)에 입사한다. 본 실시 형태에서는 옵티컬 인테그레이터(8)로서 플라이 아이 렌즈를 사용하는 것으로 하고, 옵티컬 인테그레이터(8)의 사출면(사출측 집점면)이 조명계의 동공면(푸리에 변환면)과 거의 일치하고 있다. 또, 옵티컬 인테그레이터(8)의 사출면에는 조명계의 개구조리개판(9)이 구동모터(10)에 의해 회전이 자유롭게 배치되어 있다. 그리고, 옵티컬 인테그레이터(8)로서 내면반사형 인테그레이터(로드 인테그레이터 등) 또는 회절광학소자 등을 사용해도 되고, 특히 내면반사형 인테그레이터에서는 그의 사출면이 레티클(R)의 패턴면과 거의 공액으로 배치되고, 개구조리개판(9)은 광원(1)과 옵티컬 인테그레이터(8)의 사이에 배치된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 개구조리개판(9)에는 통상조명용인 원형 개구조리개(9a), 변형조명의 일례로서의 윤대조명용인 내경이 외경의 거의 1/2인 윤대개구로 이루어지는 1/2 윤대조리개(9b), 내경이 외경의 거의 2/3인 윤대개구로 이루어지는 2/3 윤대조리개(9c) 및, 변형조명의 다른 예로서의 복수(본 예에서는 4개)의 편심된 소개구로 이루어지는 4극조명용 개구조리개(9d)가 배치되어 있다. 또한, 통상조명용 개구조리개(9a)에는 작은 코히어런스 팩터용 조명(작은 σ값 조명)으로 전환하기 위해 개구형상을 제어하는 홍채조리개(도시 생략)도 구비되어 있다. 도 1로 돌아와, 주제어계(28)가 조명조건에 따라 구동모터(10)를 통해 개구조리개판(9)을 회전시킴으로써, 조명조건을 규정하는 소정의 개구조리개가 옵티컬 인테그레이터(8)의 사출면에 설정된다.
또, 개구조리개판(9) 대신에 또는 그것과 조합하여, 예컨대 조명광학계내에 교환되어 배치되는 복수의 회절광학소자, 조명광학계의 광축을 따라 가동 프리즘(원추 프리즘, 다면체 프리즘 등) 및 줌광학계 중 적어도 하나를 포함하는 광학유닛을 광원(1)과 옵티컬 인테그레이터(8)의 사이에 배치하고, 옵티컬 인테그레이터(8)가 플라이 아이 렌즈일 때에는 그의 입사면상에서의 노광광(IL)의 강도분포, 옵티컬 인테그레이터(8)가 내면반사형 인테그레이터일 때에는 그의 입사면에 대한 노광광(IL)의 입사각도범위를 가변으로 함으로써, 조명광학계의 동공면상에서의 노광광(IL)의 광량분포(2차 광원의 크기나 형상), 즉 조명조건을 변경할 수 있도록 하여 조명조건의 변경에 따른 광량손실을 억제하는 것이 바람직하다.
옵티컬 인테그레이터(8)로부터 사출되어 개구조리개판(9)중의 소정의 개구조리개를 통과한 노광광(IL)은 투과율이 높고 반사율이 낮은 빔 스플리터(11)에 입사한다. 빔 스플리터(11)에서 반사된 노광광은 광전검출기로 이루어지는 인테그레이터 센서(12)에 입사하고, 인테그레이터 센서(12)의 검출신호는 노광 컨트롤러(29)에 공급되고 있다. 노광 컨트롤러(29)는 인테그레이터 센서(12)의 검출신호로부터 간접적으로 웨이퍼에 대한 노광광(IL)의 조도(펄스에너지) 및 적산값(노광량)을 모니터한다.
빔 스플리터(11)를 투과한 노광광(IL)은 반사미러(13) 및 콘덴서 렌즈계(14)를 거쳐 레티클 블라인드 기구(16)내의 고정 시야조리개(15)에 입사한다. 또, 본 예와 같이 투영노광장치가 스텝ㆍ앤드ㆍ스캔 방식과 같은 주사노광형인 경우에는, 조명영역을 규정하는 시야조리개(15) 외에 주사노광 전후에 불필요한 영역으로의 노광을 방지하기 위한 가동 시야조리개가 설치된다. 레티클 블라인드 기구(16)의 시야조리개(15)로 정형된 노광광(IL)은 결상용 렌즈계(17), 반사미러(18) 및 주콘덴서 렌즈계(19)를 통해 레티클(R) 패턴영역상의 직사각형 조명영역(36; 도 3 참조)을 일정한 조도분포로 조명한다. ArF 엑시머 레이저 광원(1), BMU(3), 가변감광기(6), 렌즈계(7A, 7B), 옵티컬 인테그레이터(8), 개구조리개판(9), 미러(13) ∼ 주콘덴서 렌즈계(19)로 조명광학계(조명계)가 구성되어 있다.
노광광(IL) 하에서, 레티클(R) 조명영역내의 회로패턴의 이미지가 양측(또는 웨이퍼측으로 일측)이 텔레센트릭한 투영광학계(PL)를 통해 소정의 투영배율(예컨대 1/4, 1/5 등)로, 투영광학계(PL)의 결상면에 배치된 웨이퍼(W)상의 레지스트층의 노광영역에 투영된다. 노광영역은 웨이퍼(W)상의 복수의 쇼트영역 중 하나의 쇼트영역상에 위치하고 있다. 또, 본 발명의 투영계에 대응하는 투영광학계(PL)는 디옵트릭계(굴절계)인데, 단파장의 노광광에 대한 흡수를 적게 하기 위해, 예컨대 국제공개공보(WO) 00/39623호에 개시되어 있는 바와 같이, 1개의 광축을 따라 복수의 굴절렌즈와, 각각 광축의 근방에 개구를 갖는 2개의 오목면경을 배치하여 구성되는 직통형(直筒型) 카타디옵트릭계(반사굴절계)를 사용해도 된다. 또는, 투영광학계(PL)로서 광축이 V자형으로 절곡된 반사굴절계 등을 사용해도 된다.
본 예에서는 노광광(IL)으로서 진공자외역의 ArF 엑시머 레이저광(파장 193㎚)을 사용하고 있으므로, 산소 등의 흡광물질에 의한 노광광(IL)의 흡수를 방지할필요가 있다. 그래서, 파이프(5)내로부터 가변감광기(6), 렌즈계(7A, 7B) 및 옵티컬 인테그레이터(8) 등을 거쳐 주콘덴서 렌즈계(19)까지의 조명광로를 외기로부터 차단하는 서브챔버(60)가 설치되어 있다. 그리고, 노광광의 흡광물질에 의한 흡수를 피하기 위해, 서브챔버(60)내의 전체 및, 투영광학계(PL) 경통 내부의 공간(복수의 렌즈소자간의 공간) 전체에는 도시를 생략한 배관을 통해 건조질소가스 또는 헬륨가스 등의 퍼지가스가 공급되고 있다. 이하, 투영광학계(PL)의 광축(AX)에 평행한 축을 Z축으로 하고, Z축에 수직인 평면내에서 도 1의 지면에 수직인 축을 X축으로 하고, 도 1의 지면에 평행한 축을 Y축으로 하여 설명한다.
먼저, 본 예의 투영광학계(PL)는 광축(AX)을 따라 배치된 복수장의 광학부재(도 1에서는 대표적으로 렌즈(L1, L2)를 나타냄)와, 이들을 지지하는 경통으로 구성되어 있다. 그리고, 투영광학계(PL)의 투영배율 및 소정의 수차(디스토션, 코마수차, 비점수차, 이미지면 만곡 등) 등의 결상특성을 제어하기 위해, 투영광학계(PL)중의 렌즈(L1, L2)를 독립적으로 등각도 간격으로 배치된 3개소의 위치에서 Z방향으로 구동하는 액추에이터(43, 44)가 설치되며, 액추에이터(43, 44)의 구동량이 결상특성 컨트롤러(42)에 의해 제어되고 있다. 액추에이터(43, 44)로서는 압전소자(피에조소자 등) 또는 전기식 마이크로미터 등을 사용할 수 있고, 3개소의 액추에이터(43(또는 44))를 동시에 신축함으로써 렌즈(L1(또는 L2))를 광축(AX)방향으로 구동할 수 있음과 동시에, 3개소의 액추에이터(43(또는 44))의 구동량을 바꿈으로써 렌즈(L1(또는 L2))의 X축 및 Y축 주위의 틸트각을 제어할 수 있다.
결상특성 컨트롤러(42) 및 액추에이터(43, 44)가 본 발명의 결상조정계에 대응하고 있고, 주제어계(28)로부터의 결상특성의 제어지령에 따라 결상특성 컨트롤러(42)는 지정된 결상특성을 지정된 양만큼 보정하도록 액추에이터(43, 44)를 구동한다. 또, 결상조정계로서는 투영광학계(PL)내의 소정 렌즈간의 기밀실내 기체(퍼지가스)의 압력을 제어하는 렌즈 컨트롤러(LC), 또는 레티클(R)의 광축방향의 위치를 3개소에서 제어하는 기구 등을 사용해도 된다. 또, 예컨대 노광광(IL)의 광로상의 기압을 제어하는 것은 노광광(IL)의 파장을 제어하는 것과 거의 등가이다. 그래서, 노광 컨트롤러(29)에 의해 ArF 엑시머 레이저 광원(1)의 발진파장을 제어함으로써 결상특성을 제어해도 된다. 이 경우에는 ArF 엑시머 레이저 광원(1) 및 노광 컨트롤러(29)가 결상조정계가 된다.
또, 결상특성은 투영광학계(PL) 주위의 기체의 압력(대기압)에 의해서도 변동한다. 그래서, 투영광학계(PL) 근처에 대기압을 계측하기 위한 기압계(31)가 설치되어 있고, 기압계(31)로 계측되는 대기압이 주제어계(28)에 공급되고 있다. 이 경우, 미리 대기압과 결상특성의 변동량의 관계가 테이블로서 주제어계(28)내의 기억장치에 기억되어 있고, 대기압이 변동하여 투영광학계(PL)의 결상특성이 허용범위를 초과하여 변동하는 것이 예측될 때, 주제어계(28)는 결상특성이 예측되는 변동량을 상쇄하도록 결상특성 컨트롤러(42)를 통해 결상특성을 보정한다. 또, 결상특성은 투영광학계(PL)를 통과하는 노광광(IL)의 적산 에너지에 따라서도 변동하므로, 예컨대 인테그레이터 센서(12)에 의해 모니터되는 적산 에너지에 따라 주제어계(28)는 예측되는 결상특성의 변동량을 상쇄하도록 결상특성 컨트롤러(42)를구동한다. 이에 의해 노광중에 결상특성이 일정한 상태로 유지된다. 또, 본 예의 기압계(31)가 본 발명의 환경검출계에 대응하고 있다.
또한, 결상특성은 투영광학계(PL) 동공면상에서의 노광광(IL) 광량분포의 변화에 따라서도 변동하므로, 예컨대 투영광학계(PL)의 동공면상에서의 광량분포에 관한 정보에 따라 주제어계(28)는 예측되는 결상특성의 변동량을 상쇄하도록 결상특성 컨트롤러(42)를 통해 결상특성을 조정한다. 여기에서, 투영광학계(PL)의 동공면상에서의 광량분포는 상기 기술한 조명조건(조명광학계의 동공면(푸리에 변환면)상에서의 노광광(IL)의 광량분포)의 변경 및, 레티클 패턴의 종류(선폭 등) 등에 따라 변화하므로, 주제어계(28)는 조명조건 등에 따라 결상특성의 변동량 또는 보정량을 산출한다. 이 때, 결상특성 컨트롤러(42)를 통해 투영광학계(PL) 중 적어도 하나의 렌즈를 이동하는 대신에 또는 그것에 더해, 노광 컨트롤러(29)를 통해 노광광(IL)의 발진파장을 변경하여 결상특성의 변동을 보정해도 된다.
다음으로, 본 예의 투영노광장치의 스테이지계 및 얼라인먼트계의 구성에 대해 설명한다. 먼저, 레티클(R)은 레티클 스테이지(20)상에 흡착지지되며, 레티클 스테이지(20)는 레티클 베이스(21)상에 X방향, Y방향 및 회전방향으로 이동이 자유롭게 탑재되어 있다.
도 3은 도 1의 스테이지계 및 얼라인먼트계의 요부를 나타내는 사시도이고, 이 도 3에 나타낸 바와 같이, 레티클 스테이지(20)상에는 X축 및 Y축에 거의 수직인 2개의 반사면을 갖는 이동경(22a)이 고정되고, 이 이동경(22a)에 도 1의 구동제어유닛(22)내의 레이저 간섭계로부터 X축에 평행한 2축의 레이저 빔(LRX1, LRX2)및 Y축에 평행한 레이저 빔(LRY)이 조사되고, 레이저 간섭계에 의해 레티클 스테이지(20; 레티클(R))의 X좌표, Y좌표 및 회전각이 리얼타임으로 계측되고 있다. 도 1로 돌아와, 구동제어유닛(22)은 계측결과 및 주제어계(28)로부터의 제어정보에 기초하여 도시를 생략한 구동모터(리니어모터나 보이스코일모터 등)를 통해 레티클 스테이지(20)의 위치결정동작을 제어한다.
다음으로, 웨이퍼(W)는 웨이퍼 홀더(23)를 통해 시료대(24)상에 흡착지지되고, 시료대(24)는 투영광학계(PL)의 이미지면과 평행한 XY 평면(도시를 생략한 웨이퍼 베이스의 상면)을 따라 2차원 이동하는 XY 스테이지(25)상에 고정되고, 시료대(24) 및 XY 스테이지(25)로 웨이퍼 스테이지(26)가 구성되어 있다. 시료대(24)는 웨이퍼(W)의 포커스 위치(Z방향의 위치) 및 기울기각을 제어하여 웨이퍼(W)의 표면을 오토포커스 방식 및 오토레벨링 방식으로 투영광학계(PL)의 이미지면에 맞추고, XY 스테이지(25)는 웨이퍼(W)의 X방향, Y방향으로의 스테핑을 행한다. 또, 투영광학계(PL) Y방향의 측면에 축외(off-axis) 방식으로 화상처리방식의 웨이퍼 마크용 얼라인먼트 센서(35)가 배치되어 있다.
그리고, 시료대(24)의 +X방향의 측면 및 +Y방향의 측면은 각각 경면가공되어 이동경으로서 사용된다. 구동제어유닛(27)내의 레이저 간섭계로부터 도 3에 나타낸 바와 같이, 시료대(24)의 +X방향의 측면 및 +Y방향의 측면에 각각 X축에 평행한 2축의 레이저 빔(LWX1, LWX2) 및 Y축에 평행한 레이저 빔(LWY)이 조사되고 있다. 이 경우, Y축의 레이저 빔(LWY)의 광축의 연장선은 얼라인먼트 센서(35)의 검출중심 및 투영광학계(PL)의 광축(AX)을 통과하고, X축의 레이저 빔(LWX1 및LWX2)의 광축의 연장선은 각각 광축(AX) 및 얼라인먼트 센서(35)의 검출중심을 통과하고 있다. 그래서, 시료대(24)의 Y좌표는 레이저 빔(LWY)에 의해 계측됨과 동시에, 아베오차의 발생을 억제하기 위해, 시료대(24)의 X좌표는 노광시에는 레이저 빔(LWX1)에 의해 계측되고, 얼라인먼트시에는 레이저 빔(LWX2)에 의해 계측된다. 또, 2개의 레이저 빔(LWX1, LWX2)에 의한 계측값의 차분으로부터 시료대(24)의 회전각이 계측된다.
그리고, 도 3과 같이 시료대(24)의 측면을 이동경으로서 사용하는 경우, 레이저 빔의 광로와 웨이퍼(W)의 표면 사이에 Z방향으로 위치가 어긋나 있으므로, 시료대(24)의 피칭 또는 롤링에 의해 아베오차가 생길 우려가 있다. 이것을 피하기 위해, 레이저 빔(LWX1, LWX2, LWY)에 대해 각각 Z방향으로 소정간격 떨어져 레이저 빔을 시료대(24)의 측면에 조사하고, Z방향으로 떨어진 1쌍의 레이저 빔에 의한 계측값에 기초하여 시료대(24)의 피칭 등에 의한 아베오차를 보정하도록 해도 된다. 또, 레티클 스테이지(20)와 마찬가지로, 시료대(24)상에 직교하는 반사면을 갖는 이동경을 설치하고, 이 이동경에 레이저 빔을 조사하여 시료대(24)의 위치를 계측해도 된다.
도 1로 돌아와, 구동제어유닛(27)내의 레이저 간섭계에 의해 계측되는 시료대(24; 웨이퍼(W))의 2차원적인 위치 및 회전각의 계측값은 주제어계(28) 및 얼라인먼트 컨트롤러(30)에도 공급되고 있다. 그리고, 구동제어유닛(27)은 계측값 및 주제어계(28)로부터의 제어정보에 기초하여 도시를 생략한 구동모터(리니어모터 등)를 통해 XY 스테이지(25)의 위치결정동작을 제어한다. 단, 웨이퍼(W)의 회전오차는 일례로서 주제어계(28) 및 구동제어유닛(22)을 통해 레티클 스테이지(20)를 회전시킴으로써 보정된다.
노광시에는 필요에 따라 주제어계(28)가 개구조리개판(9)을 회전시킴으로써 조명조건의 설정이 행해진다. 그리고, 레티클 스테이지(20)를 통해 노광광(IL)의 조명영역에 대해 레티클(R)이 +Y방향(또는 -Y방향), 즉 주사방향(SD; 도 3 참조)으로 속도 (Vr)로 주사되는 것에 동기하여 XY 스테이지(25)를 통해 투영광학계(PL)에 의한 노광영역에 대해 웨이퍼(W)가 -Y방향(또는 +Y방향)으로 속도 (βㆍVr; β는 레티클(R)로부터 웨이퍼(W)로의 투영배율)로 주사된다. 레티클(R)과 웨이퍼(W)에서 주사방향이 반대인 것은 투영광학계(PL)가 반전투영을 행하기 때문이며, 정립상(正立像)이 투영될 때에는 레티클(R)과 웨이퍼(W)의 주사방향은 동일해진다. 이 때, 노광 컨트롤러(29)에 의해 웨이퍼(W)상의 각 쇼트영역에 대한 노광량의 제어가 행해진다. 그리고, 웨이퍼(W)상의 하나의 쇼트영역으로의 레티클(R) 패턴 이미지의 주사노광이 종료된 후, XY 스테이지(25)를 통해 웨이퍼(W)상의 다음 쇼트영역을 투영광학계(PL)에 의한 노광영역의 앞으로 이동시키고 나서, 레티클(R)과 웨이퍼(W)를 동기주사하는 동작이 스텝ㆍ앤드ㆍ스캔 방식으로 반복되어 웨이퍼(W)상의 각 쇼트영역으로의 주사노광이 행해진다.
그런데, 상기와 같이 웨이퍼(W)상의 각 쇼트영역으로의 노광을 행하기 전에는 미리 레티클(R)의 패턴과 웨이퍼(W)상의 각 쇼트영역의 얼라인먼트를 고정밀도로 행할 필요가 있다. 이 때문에, 도 3에 나타낸 바와 같이, 레티클(R)의 패턴영역(PA)을 X방향(비주사방향)으로 끼우도록 1쌍의 예컨대 십자형 레티클 마크(37A및 37B)가 형성되고, 레티클 마크(37A 및 37B)의 상측에 각각 화상처리방식의 레티클 얼라인먼트 현미경(이하, 「RA 현미경」이라고 함; 38A 및 38B)이 배치되어 있다. RA 현미경(38A, 38B)의 촬상신호는 얼라인먼트 컨트롤러(30)에 공급되고 있고, 얼라인먼트 컨트롤러(30)는 공급된 촬상신호로부터 각각 2개 마크의 X방향, Y방향으로의 위치어긋남량을 구하고, 구한 위치어긋남량을 도 1의 주제어계(28)에 공급한다. 결상조정계로서의 주제어계(28)는 공급된 위치어긋남량으로부터 소정의 결상특성을 구한다.
도 3에서 시료대(24)상의 웨이퍼 홀더(23)의 근방에 유리기판으로 이루어지는 기준부재(32)가 고정되며, 기준부재(32)의 상면은 웨이퍼(W)의 표면(웨이퍼면)과 동일한 높이로 설정되어 있다. 기준부재(32)의 상면에 2개의 프레임형의 X방향으로 소정간격으로 배치된 2차원 기준 마크(34A, 34B) 및, X방향으로의 라인ㆍ앤드ㆍ스페이스패턴과 Y방향으로의 라인ㆍ앤드ㆍ스페이스패턴을 조합한 2차원 기준 마크(33)가 형성되어 있다. 기준 마크(34A, 34B)의 X방향의 간격은 레티클 마크(37A, 37B)의 웨이퍼 스테이지측으로의 투영 이미지 설계상의 간격과 동일하게 설정되며, 기준 마크(34A, 34B)의 중심과 기준 마크(33)의 중심의 Y방향의 간격은 레티클(R) 패턴 이미지의 중심과 얼라인먼트 센서(35) 검출중심의 설계상의 간격(베이스라인량; BL1)으로 설정되어 있다.
도 1로 돌아와, 얼라인먼트 센서(35)는 비교적 광대역에서 웨이퍼(W)상의 포토레지스트에 대해 비감광성 조명광으로 피검 마크를 조명하는 낙사(落射)조명계와, 피검 마크의 이미지가 형성되는 면에 배치된 지표 마크와, 피검 마크의 이미지및 지표 마크를 촬상하는 2차원 촬상소자를 구비하고 있으며, 이 촬상소자의 촬상신호도 얼라인먼트 컨트롤러(30)에 공급되고 있다. 얼라인먼트 컨트롤러(30)는 촬상신호를 처리하여 지표 마크의 웨이퍼 스테이지(26)상의 공액 이미지의 중심(검출중심)에 대한 피검 마크의 X방향, Y방향으로의 위치어긋남량을 검출하고, 검출결과를 주제어계(28)에 공급한다. 또한, 기준부재(32) 저면의 시료대(24)의 내부에는 전달광학계(39)의 선단부, 이 선단부로부터의 조명광을 집광하는 렌즈(40), 집광된 조명광을 기준 마크(34A, 34B)측으로 절곡하는 미러(41)가 배치되어 있으며, 전달광학계(39)는 ArF 엑시머 레이저 광원(1)내에서 노광광(IL)의 광로로부터 분기된 빛을 조명광으로서 기준부재(32)의 저면측에 안내하고 있다. 이에 의해, 본 예의 기준 마크(34A, 34B)는 노광광(IL)과 동일한 파장의 조명광으로 저면측으로부터 조명되며, 투영광학계(PL)에서 색수차가 생기지 않는다.
조명광 하에서, 기준 마크(34A, 34B)의 형성면과 레티클 마크(37A, 37B)의 형성면(레티클면)은 투영광학계(PL)에 관해 공액이 된다. 따라서, 특별히 색수차 보정용 광학계를 설치하지 않고, 레티클(R) 상측의 RA 현미경(38A(또는 38B))에 의해 기준 마크(34A(또는 34B))의 투영광학계(PL)에 의한 레티클면으로의 투영 이미지에 대한 레티클 마크(37A(또는 37B))의 위치어긋남량을 고정밀도로 검출할 수 있다. 본 예의 기준 마크(34A, 34B)가 본 발명의 마크에 대응하고, RA 현미경(38A, 38B)이 마크검출계에 대응하고 있다. 본 예에서는 전달광학계(39), 렌즈(40) 및 미러(41)에 의한 기준 마크(34A, 34B)의 저면으로부터의 조명조건이 옵티컬 인테그레이터(8)를 포함하는 조명광학계에 의한노광광(IL)의 조명조건과 다르므로, 후술하는 바와 같이 기준 마크(34A, 34B)를 사용한 결상특성의 계측결과를 실제 노광시의 조명조건 등에 맞춰 보정한다.
또, 전달광학계(39) 등을 사용하여 기준 마크(34A, 34B)를 저면으로부터 조명하는 대신에, 예컨대 RA 현미경(38A, 38B)에 노광광과 동일한 파장의 조명광으로 피검 마크를 조명하는 조명기구를 구비해도 된다. 이 경우에는 RA 현미경(38A, 38B)으로부터의 조명광으로 레티클 마크(37A, 37B)를 상측으로부터 조명하고, 레티클 마크(37A, 37B)의 주위를 투과한 조명광으로 투영광학계(PL)를 통해 기준 마크(34A, 34B)를 조명한다. 그리고, 기준 마크(34A, 34B)로부터의 반사광 및 레티클 마크(37A, 37B)로부터의 반사광에 의해 RA 현미경(38A, 38B)의 내부에 형성되는 양측의 마크 이미지를 검출함으로써, 양 마크의 위치어긋남량을 검출할 수 있다.
또, 도 3의 기준부재(32)상의 기준 마크(34A, 34B)에 대응하여 레티클 스테이지(20)상에 기준 마크를 형성하고, 레티클 마크(37A, 37B) 대신으로서의 레티클 스테이지(20)상의 기준 마크와, 기준부재(32)상의 기준 마크(34A, 34B)의 위치어긋남량을 RA 현미경(38A, 38B)으로 검출하도록 해도 된다. 이 때, 레티클 스테이지(20)상의 기준 마크를 예컨대 장방형의 각 정점의 위치에 배치하고, 그에 대응하도록 기준부재(32)상에도 프레임형의 배치로 기준 마크를 형성함으로써, 투영광학계(PL)의 디스토션 등도 계측할 수 있다. 이와 같이 레티클 스테이지(20)상에 기준 마크를 형성하는 경우에는 그 배치의 자유도가 증가한다.
상기 기준 마크(34A, 34B), 레티클 마크(37A, 37B) 및 RA 현미경(38A, 38B)은 레티클 얼라인먼트를 행하는 경우에 사용되는데, 본 예에서는 이들 기구 및 상기 결상특성 컨트롤러(42) 등을 사용하여 투영광학계(PL)의 소정의 결상특성을 계측 및 보정한다. 이하에서는 계측대상의 결상특성을 투영광학계(PL)의 투영배율로 하여 투영배율의 계측동작 및 보정동작(투영배율의 캘리브레이션 동작)의 일례에 대해 도 7의 흐름도를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 7의 스텝 101에서 도 3에 나타낸 바와 같이, RA 현미경(38A, 38B)에 의해 기준 마크(34A, 34B)의 레티클면으로의 투영 이미지에 대한 레티클 마크(37A, 37B)의 위치어긋남량을 계측한다. 이 때문에, 도 1의 주제어계(28)는 XY 스테이지(25)를 구동하여 기준부재(32)의 기준 마크(34A, 34B)를 거의 레티클 마크(37A, 37B)와 공액인 위치로 이동한다. 다음으로, 이 상태에서 도 1의 전달광학계(39), 렌즈(40) 및 미러(41)를 사용하여 노광광(IL)과 동일한 파장의 조명광으로 기준부재(32)의 저면으로부터 기준 마크(34A, 34B)를 조명한다.
도 4는 일측의 RA 현미경(38A) 레티클면에서의 관찰시야(38Aa)를 나타내고, 이 도 4에서 일측의 기준 마크(34A) 이미지(34AR) 및 레티클 마크(37A) 이미지를 RA 현미경(38A)으로 촬상하고, 촬상신호를 도 1의 얼라인먼트 컨트롤러(30)로 처리함으로써, 기준 마크 이미지(34AR)의 중심(FA)에 대한 레티클 마크(37A) 중심(RA)의 X방향 및 Y방향으로의 위치어긋남량(ΔX1, ΔY1)을 검출한다. 이것과 병행하여 타측의 RA 현미경(38B)을 통해 타측의 기준 마크(34B) 이미지의 중심(FB; 도 5 참조)에 대한 레티클 마크(37B) 중심(RB)의 X방향 및 Y방향으로의 위치어긋남량(ΔX2, ΔY2)을 검출한다.
여기에서 본 예에서는 검출된 레티클 마크(37A, 37B)의 위치어긋남량에 기초하여 레티클 얼라인먼트를 행한다. 먼저, 주제어계(28)는 도 5(A)에 나타낸 바와 같이, 기준 마크(34A, 34B) 이미지의 중심(FA, FB)을 연결하는 직선에 대한 레티클 마크(37A, 37B)의 중심(RA, RB)을 연결하는 직선의 회전각, 즉 기준부재(32)에 대한 레티클(R)의 회전각(θ)을 구한다. 다음으로, 구동제어유닛(22)을 통해 레티클 스테이지(20)를 -θ만큼 회전시키고, Y방향의 위치어긋남량(ΔY1, ΔY2)이 각각 0이 되도록 레티클 스테이지(20) Y방향의 위치를 조정한다. 그 결과, 레티클 마크(37A, 37B)의 중심(RA, RB)은 기준 마크(34A, 34B) 이미지의 중심(FA, FB)을 연결하는 직선상에 위치한다. 그 후, 주제어계(28)는 도 5(B)에 나타낸 바와 같이, 중심(FA, FB)에 대한 중심(RA, RB)의 X방향의 위치어긋남량이 대칭으로 할당되도록, 즉 2개 중심(RA, RB)의 X방향의 위치어긋남량이 대칭으로 ΔD씩이 되도록 레티클 스테이지(20)를 X방향으로 이동시킨다. 이것으로 레티클 얼라인먼트가 완료된다. 이 때, RA 현미경(38A, 38B)을 통해 X방향으로의 위치어긋남량 ΔD 을 재계측해도 된다. 이 경우, 일측의 중심(FA)에 대한 중심(RA)의 X방향, Y방향으로의 위치어긋남량을 (ΔD, 0)이라고 하면, 타측의 위치어긋남량은 (-ΔD, 0)이 된다.
다음으로, 스텝 102로 진행하여, 검출된 레티클 마크(37A, 37B)의 기준 마크(34A, 34B) 이미지에 대한 위치어긋남량(ΔD)에 기초하여 투영광학계(PL)의 투영배율(β; 레티클면으로부터 웨이퍼면에 대한 투영배율)을 산출하고, 기준배율(계산값; β0)로부터의 오차(Δβ2)를 구한다. 이 경우, 투영배율(β)은 웨이퍼 스테이지측 기준 마크(34A, 34B)의 중심의 간격(DW)을 레티클면에서의 기준 마크(34A, 34B) 이미지의 중심(FA, FB)의 간격으로 나눈 값이고, 레티클 마크(37A, 37B)의 중심(RA, RB)의 간격을 DR로 하면, 투영배율 β는 다음 식과 같이 표시된다.
β= DW/(DR + 2ㆍΔD) …(1)
또, 도 5(A)에서 기준 마크(34A, 34B) 이미지의 중심(FA, FB)의 간격이 레티클 마크(37A, 37B)의 중심(RA, RB)의 간격 DR 보다 짧아진 경우에는 (1)식의 위치어긋남량 ΔD 의 부호는 -(마이너스)가 된다. 여기에서, 웨이퍼 스테이지측 기준 마크(34A, 34B)의 중심의 간격 DW 및 레티클 마크(37A, 37B)의 중심(RA, RB)의 간격 DR 은 미리 고정밀도로 계측되어 주제어계(28)의 기억장치에 이미 알려진 노광 파라미터로서 기억되어 있다. 주제어계(28)는 (1)식으로부터 투영배율 β를 산출한 후, 다음과 같이 투영배율 β의 기준배율 β0로부터의 오차 Δβ2 를 구한다.
Δβ2 = β- β0…(2)
다음으로, 스텝 103에서 투영광학계(PL) 주위의 대기압 P 및 다음 노광시의 조명조건에 따른 배율오차의 보정값 Δβ1 을 산출한다. 조명조건으로서는 조명계의 개구수 NAILL및 조명계 개구조리개의 형상(도 2의 조리개(9a∼9d) 중 어느 하나를 사용하거나)을 사용한다. 또한, 본 예에서는 투영광학계(PL)의 개구수NAPL도 조명조건으로 간주한다. 또, 조명계의 개구수 NAILL대신에 σ값(= NAILL/NAPL)을 사용해도 된다.
도 6은 투영배율 계측시의 투영광학계(PL) 주위의 대기압 P 과 그에 따라 실측된 배율오차(이하, 「배율오차의 보정값 Δβ1」이라고 함)의 관계의 일례를 나타내고, 이 도 6에서 횡축은 대기압 P(hPa), 종축은 배율오차의 보정값 Δβ1(ppm) 을 나타낸다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 투영광학계(PL)의 배율오차는 투영배율 계측시의 대기압 P 에 대해 거의 직선적으로 변화하고, 배율오차의 보정값 Δβ1 은 다음 식과 같다.
Δβ1 = aㆍP + b …(3)
여기에서, 계수 a(ppm/hPa) 및 b(ppm) 는 각각 대기압 P 에 대한 배율오차의 기울기 및 오프셋이고, 이들 계수(a, b)의 값은 조명조건에 따라 다른 값이 된다. 표 1에 다양한 조명조건에서의 계수(a, b)값의 실측예를 나타낸다. 표 1에서 NAPL및 NAILL은 각각 투영광학계(PL) 및 조명광학계의 개구수이고, 조명방식중의 통상조명은 도 2의 개구조리개(9a)를 사용하고, 1/2 윤대조명은 1/2 윤대조리개(9b)를 사용하고, 2/3 윤대조명은 2/3 윤대조리개(9c)를 사용하는 것을 의미한다. 또, 윤대조명시의 조명광학계의 개구수 NAILL는 윤대 외경의 개구수를 의미한다. 또, 계수 aSIM(ppm/hPa) 는 시뮬레이션에 의해 구한 각 조명조건에서의 배율오차의 기울기를 나타낸다. 표 1로부터 시뮬레이션의 결과는 실측 데이터와 잘 합치하고 있는 것을 알 수 있다.
[표 1]
본 예에서는 도 1의 주제어계(28) 내부의 기억장치 또는 외부의 호스트 컴퓨터 등에 각 조명조건에 대응한 배율오차의 기울기 a 및 배율오차의 오프셋 b 의 값이 테이블로서 기록되어 있고, 주제어계(28)는 테이블로부터 노광시의 조명조건에 대응한 배율오차의 기울기 a 및 배율오차의 오프셋 b 의 값을 구한다. 그리고, 주제어계(28)는 기압계(31)에 의한 대기압(P)의 계측값에 기초하여 (3)식으로부터 배율오차의 보정값 Δβ1 을 구한다.
다음으로, 스텝 104로 진행하여, 주제어계(28)는 스텝 102에서 구한 투영배율 β의 기준배율 β0에 대한 오차Δβ2 에서, 스텝 103에서 구한 배율오차의 보정값 Δβ1 을 감산하여 노광시의 실제 잔류배율오차 Δβ(= Δβ2-Δβ1)를 구한다.
그리고, 스텝 105에서 주제어계(28)는 결상특성 컨트롤러(42)를 통해 액추에이터(43, 44)를 구동함으로써, 투영광학계(PL)의 렌즈(L1, L2)의 상태를 조정하고, 투영광학계(PL)의 투영배율 β를 잔류배율오차 Δβ를 상쇄하도록, 즉 투영배율이 β-Δβ 로 되도록 보정한다.
이와 같이 노광시의 조명조건 및 투영광학계(PL) 주위의 대기압 P 의 계측값에 기초하여 RA 현미경(38A, 38B)에 의해 계측된 투영배율 β의 오차 Δβ2 를 보정함으로써, 노광시의 조명조건 및 투영광학계(PL) 주위의 대기압 P 에 따라 고정밀도로 투영배율을 구할 수 있고, 이 결과에 기초하여 고정밀도로 투영배율을 캘리브레이션할 수 있다. 또한, 본 예에 의하면, RA 현미경(38A, 38B)에 의한 기준 마크(34A, 34B) 이미지 및 레티클 마크(37A, 37B)의 검출결과를 이용하므로, 레티클 얼라인먼트와 동시에 투영배율을 조정할 수 있는 이점이 있다.
이상과 같이 하여 투영배율 β가 조정된 후, 노광공정(스텝 106)이 행해지고, 노광이 행해진 웨이퍼는 현상공정을 거치고 나서 현상후에 남겨진 레지스트 패턴을 마스크로 하여 에칭이나 이온주입 등을 행하는 가공공정, 가공공정후의 불필요한 레지스트를 제거하는 레지스트 제거공정 등을 거친다. 그리고, 노광, 현상, 가공, 레지스트 제거 등의 각 공정을 반복함으로써 웨이퍼 프로세스가 종료된다. 웨이퍼 프로세스가 종료되면, 실제 조립공정에서, 전사된 회로마다 웨이퍼를 절단하여 칩화하는 다이싱공정, 각 칩에 배선 등을 행하는 본딩공정, 각 칩마다 패키징하는 패키징공정 등을 거쳐 최종적으로 LSI 등의 반도체 디바이스가 제조된다.
또, 복수의 렌즈로 구성되는 조명광학계, 투영광학계를 투영노광장치 본체에 장착하여 광학조정하는 동시에, 다수의 기계부품으로 이루어지는 레티클 스테이지나 웨이퍼 스테이지를 노광장치 본체에 장착하여 배선이나 배관을 접속하고, 또한 종합조정(전기조정, 동작확인 등)함으로써 본 실시 형태의 투영노광장치를 제조할수 있다. 그리고, 투영노광장치의 제조는 온도 및 청정도 등이 관리된 클린 룸에서 행하는 것이 바람직하다.
또, 상기 실시 형태에서는 렌즈(L1, L2)를 구동하여 결상특성을 제어하고 있는데, 그 대신에 또는 그것과 병용하여 ArF 엑시머 레이저 광원(1)으로부터의 노광광(IL)의 발진파장 λ을 제어하도록 해도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는 결상상태 또는 결상특성으로서 투영광학계(PL)의 투영배율을 사용하고 있는데, 그 외에 결상상태로서 투영광학계(PL)의 디스토션, 코마수차 및 비점수차 등의 계측 및, 제어를 행하도록 해도 된다. 디스토션을 계측하는 경우에는 기준 마크(34A, 34B)를 예컨대 3개 이상 배치하여 각각의 투영 이미지의 위치어긋남량을 계측하면 되고, 코마수차를 계측하는 경우에는, 예컨대 기준 마크(34A, 34B) 대신에 박스ㆍ인ㆍ박스 마크를 사용하여 외측의 박스 마크 이미지와 내측의 박스 마크 이미지의 위치어긋남량을 계측하면 된다.
또, 상기 실시형태에서는 조명광학계와는 별도로 RA 현미경(38A, 38B)의 조명계를 형성하는 것으로 했는데, 조명광학계의 적어도 일부를 RA 현미경(38A, 38B)의 조명계로서 이용해도 된다. 예컨대, 개구조리개판(9)으로부터 사출되는 노광광(IL)의 적어도 일부를 RA 현미경(38A, 38B)에 안내하고, 노광광(IL)을 레티클 마크나 기준 마크에 조사하도록 구성해도 된다. 또는, 레티클 마크(37A, 37B)의 상측에 퇴피(退避)가 자유롭게 빔 스플리터를 배치하고, 마크계측시에는 빔 스플리터를 노광광(IL)의 광로에 설치하여 조명광학계로부터의 노광광(IL)으로 레티클 마크(37A, 37B) 및 기준 마크(34A, 34B)를 조명하고, 그들 마크로부터의 반사광을 빔 스플리터를 통해 RA 현미경(38A, 38B)으로 검출하도록 해도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는 본 발명의 마크검출계로서 RA 현미경(38A, 38B)을 사용했는데, 마크검출계는 RA 현미경에 한정되는 것은 아니며, 그 구성은 임의여도 상관없다. 예컨대, 마크검출계로서 투영광학계(PL)를 통해 투영되는 마크의 공간 이미지를 웨이퍼 스테이지(26)측에서 소정의 개구를 통해 검출하는 공간 이미지 계측계 등을 사용해도 된다. 이 경우, 개구로서 예컨대 피검 마크를 구성하는 각 마크 이미지의 선폭보다 폭이 넓은 개구를 사용하고, 피검 마크 이미지를 촬상하여 얻어지는 촬상신호를 미분하여 얻어지는 신호로부터, 피검 마크 이미지의 위치를 검출하도록 해도 된다. 또, 마크검출계로서 웨이퍼 스테이지(26)측으로부터 노광광과 동일한 파장의 조명광으로 슬릿을 조명하고, 이 슬릿을 투과하고 추가로 투영광학계(PL)를 통해 레티클(R)에서 반사된 조명광을, 슬릿을 통해 수광함으로써 투영광학계(PL)의 베스트포커스 위치를 검출하는 포커스위치 검출센서를 사용해도 된다.
또한, 상술한 실시형태에서는 레티클 얼라인먼트와 동시에 결상상태 또는 결상특성을 조정하는 것으로 하고 있는데, 양자를 동시에 행하지 않아도 되고, 결상상태 또는 결상특성을 조정하지 않고 검출만을 행해도 된다. 또, 상술한 실시형태에서는 환경조건으로서 대기압(투영광학계 등의 설치환경 하에서의 압력)을 사용하고 있는데, 그 대신에 또는 그것과 조합하여 온도 등을 사용해도 된다.
또, 본 발명은 상기 실시형태와 같은 반도체소자 제조용 노광장치에 한정되지 않고, 예컨대 사각형 유리플레이트에 액정표시소자 패턴을 노광하는 액정용 노광장치, 그리고 플라즈마 디스플레이 소자, 마이크로머신, 박막자기헤드 및, DNA 칩 등의 디바이스를 제조하기 위한 노광장치에도 널리 적용할 수 있다. 또한, 투영광학계의 배율은 축소계 뿐만 아니라, 등배 및 확대계의 어느 것이어도 된다.
그리고, 본 발명은 상기 기술한 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 구성을 취할 수 있다. 또, 명세서, 특허청구의 범위, 도면 및 요약을 포함하는 2000년 9월 21일자로 제출한 일본 특허출원 2000-286515호의 모든 개시내용은 그대로 인용하여 본원에 삽입되어 있다.
산업상의 이용 가능성
본 발명의 노광방법에 의하면, 마크검출시의 환경조건이 다양하게 변화된 경우에도, 예컨대 마크의 검출결과를 검출시의 환경조건을 사용하여 보정함으로써, 검출결과를 사용하여 패턴 이미지의 결상상태를 고정밀도로 조정할 수 있다.
또, 결상상태의 조정량을 패턴 이미지의 형성조건과 마크검출조건의 차이에 따른 오프셋을 포함하여 결정하는 경우에는, 예컨대 결상상태를 검출(계측)할 때의 조명조건과, 실제 노광시의 조명조건이 다른 경우에도 고정밀도로 결상상태를 조정할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 투영노광장치에 의하면, 본 발명의 노광방법을 실시할 수 있다. 또, 본 발명에 의한 결상특성의 계측방법에 의하면, 계측시의 환경조건에 따라 투영계의 결상특성을 고정밀도로 조정할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 및 제 2 디바이스 제조방법에 의하면, 패턴 이미지의 결상상태를 고정밀도로 조정할 수 있고, 고기능의 디바이스를 제조할 수 있다.

Claims (18)

  1. 노광빔으로 마스크를 조명하여, 투영계를 통해 상기 마스크의 패턴 이미지를 기판상에 전사하는 노광방법에 있어서,
    상기 투영계를 통해 마크를 검출하고, 이 검출결과에 기초하여, 상기 패턴 이미지의 결상상태를 조정할 때 상기 검출시의 환경조건을 사용하는 것을 특징으로 하는 노광방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출결과로부터 구해지는 상기 결상상태의 조정량을 상기 환경조건에 기초하여 보정하는 것을 특징으로 하는 노광방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 조정량은, 상기 패턴 이미지의 형성조건과 상기 마크검출조건과의 차이에 따른 오프셋을 포함하여 결정되는 것을 특징으로 하는 노광방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 오프셋은, 상기 패턴 이미지의 형성조건에 따라 상이함과 동시에, 상기 환경조건에 따라 보정되는 것을 특징으로 하는 노광방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출결과로부터 구해지는 상기 결상상태의 조정량을 상기 패턴 이미지의 형성조건에 기초하여 보정하는 것을 특징으로 하는 노광방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출결과에 기초하여 상기 투영계의 결상특성을 산출하고, 이 산출된 결상특성과 상기 환경조건에 기초하여 상기 결상상태를 조정하는 것을 특징으로 하는 노광방법.
  7. 노광빔으로 마스크를 조명하는 조명계와, 상기 마스크의 패턴 이미지를 기판상에 투영하는 투영계를 갖는 투영노광장치에 있어서,
    상기 투영계를 통해 마크를 검출하는 마크검출계;
    상기 마크검출시의 환경조건을 검출하는 환경검출계; 및
    상기 검출결과에 기초하여 상기 패턴 이미지의 결상상태를 조정할 때 상기 환경조건을 사용하는 결상상태 조정계;
    를 구비한 것을 특징으로 하는 투영노광장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 결상상태 조정계는, 상기 검출결과로부터 구해지는 상기 결상상태의 조정량을 상기 환경조건에 기초하여 보정하는 것을 특징으로 하는 투영노광장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 결상상태 조정계는, 상기 조정량을 상기 패턴 이미지의 형성조건과 상기 마크검출조건과의 차이에 따른 오프셋을 포함하여 결정하는 것을 특징으로 하는 투영노광장치.
  10. 제 7 항, 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 결상상태 조정계는, 상기 검출결과로부터 구해지는 상기 결상상태의 조정량을 상기 패턴 이미지의 형성조건에 기초하여 보정하는 것을 특징으로 하는 투영노광장치.
  11. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출결과에 기초하여 상기 투영계의 결상특성을 산출하고, 이 결상특성과 상기 환경조건에 기초하여 상기 결상상태를 조정하는 것을 특징으로 하는 투영노광장치.
  12. 제 1 면의 물체의 이미지를 제 2 면상에 투영하는 투영계 결상특성의 계측방법에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 면 중 적어도 일방에 배치되는 마크를 상기 투영계를 통해 검출하고, 이 검출결과로부터 상기 투영계의 결상특성을 산출하는 제 1 공정;및
    상기 제 1 공정의 실행시의 환경조건에 기초하여, 상기 제 1 공정에서 구한 결상특성의 산출결과를 보정하는 제 2 공정;
    을 갖는 것을 특징으로 하는 결상특성의 계측방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 환경조건에 따라 상기 산출결과의 보정량을 상이하게 하는 것을 특징으로 하는 결상특성의 계측방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 마크검출조건과 상기 물체의 이미지의 형성조건과의 차이에 따른 오프셋을 상기 산출결과에 부가하여 상기 결상특성의 보정량이 결정되고,
    상기 환경조건에 따라 상기 오프셋을 변화시키는 것을 특징으로 하는 결상특성의 계측방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 물체의 이미지의 형성조건에 따라 상기 오프셋 및 그의 보정량을 상이하게 하는 것을 특징으로 하는 결상특성의 계측방법.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물체의 이미지의 형성조건도 사용하여 상기 산출결과를 보정하는 것을 특징으로 하는 결상특성의 계측방법.
  17. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 노광방법을 사용하여, 디바이스 패턴을 기판상에 형성하는 리소그래피 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스 제조방법.
  18. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 투영노광장치를 사용하여, 디바이스 패턴을 기판상에 형성하는 리소그래피 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스 제조방법.
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