JP2008171974A - 光量調整装置、露光装置およびデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ハードの複雑化を防ぎながら、無段階の光量調整を行うことができ、望ましい分解能での光量調整が可能な手段を提供する。
【解決手段】 光源３０からの光でレチクル１９を照明する照明光学系３１の瞳面に固定開口を有する絞り２５を配設し、かつ、該絞りの該固定開口を含む領域への前記光源からの光の照射範囲を拡大または縮小して該固定開口を通過する照明光光量を調整するズーム光学系２８または開口面積可変の第２絞り３６を設ける。
【選択図】 図５

Description

本発明は、光源からの光で対象物を照明する照明光学系の前記対象物への照明光光量を調整する光量調整装置に関する。本発明は、特に、パルスレーザ等を露光光源とする投影露光装置の像面における照射エネルギの制御を行う露光制御に適用して好適である。

近年、半導体素子等のデバイスを製造する際に、ステッパのような一括露光型の投影露光装置と共に、スキャナのような走査露光型の投影露光装置が利用されている。スキャナは、レチクルとウエハとを投影光学系に対して同期して移動させることによって、ウエハ上の各ショット領域にレチクルのパターン像をステップアンドスキャン方式で露光する。このような走査露光型の投影露光装置においても、一括露光型と同様に、ウエハ上の各ショット間領域内の各点に対する露光量（積算露光量）を目標露光量に収め、照度ムラを最小限にするための露光量制御機構が必要不可欠である。

ここで従来技術では、例えば減光フィルタ等の光量調整手段、あるいはパルスレーザ発振周波数の少なくとも一方を制御し、露光量制御を行う方式が提案されている（特許文献１）。ここで言う減光フィルタ等の光量調整手段とは、例えば図６に示すような、ターレット１上に異なる透過率を有する減光フィルタ２を複数有し、光軸上でそれらを切換えることで透過率を調整し、光量調整を行う手段を指す。上記２種の調整手段を駆使することで、必要な精度に応じた露光量制御が可能となる。ここで２種の手段を併用すれば、減光効果によりパルスとしての制御が可能となるため、パルス幅変調による高精度な露光量制御が実現できる。

また、照明光光軸に沿って直列に配置された、複数枚の減光フィルタを切換えることで、単一の減光フィルタを用いた場合と比較して高速に、光量調整を行う手段も提案されている（特許文献２）。この構成を図示するのが図７であり、ここでは光軸上３に減光フィルタ４を有する複数枚のターレット５を配置し、その組み合わせで減光を行う。ここでは光軸上に５枚の減光フィルタを有するターレットを２枚設けた場合を例に取る。この場合、減光フィルタの組み合わせにより５×５＝２５段階の減光調整が可能となる。この動作を１枚のターレットで達成するには、２５枚の減光フィルタをターレットに含めることが必要となり、ターレットの大型化、減光フィルタの切換高速化等の、ハードの複雑化をもたらすこととなる。
特開平８−２３６４３９号公報 特開平５−２５１３１０号公報

従来技術による光量調整、例えば背景技術に記した減光フィルタの切換えは離散的光量調整である。これを図示するのが図８である。ここで横軸は減光フィルタ番号、縦軸にレーザ光透過率を表す。ここでは簡単のため一例として、１段の減光フィルタ列を想定し、減光フィルタの番号が増すごとに透過率を低く設定している場合を想定している。図８より、このような系では、透過率が階段状に変動するため、その段差の間隙の透過率値を実現することは不可能である。すなわち例えば、減光フィルタの切換えのみで２番フィルタと３番フィルタとの中間の透過率ａ［％］を実現することはできず、最も近い透過率を与える２番フィルタを用いることで、これに代用するしか手立てはない。

一方、減光フィルタの切換え以外に、例えば露光走査速度を変化させる、光源レーザの発振周波数を変化させる、等の手段を併用することで、より精密に露光量制御を行うことは可能である。しかし、走査速度を上げるには装置駆動系により高い駆動性能が必要とされて装置コストが上がる要因となり、逆に走査速度を下げた場合、スループットが悪化するといった問題がある。また光源レーザの発振周波数を上げた場合、レーザの低寿命化をもたらし、逆に光源レーザの発振周波数を下げた場合、照度ムラが悪化する原因となるといった問題がある。

従来技術にて上述の問題を解決するには、減光フィルタの段数を増加させ、階段状関数の縦軸の段差を小さくし、所望の透過率と実現可能な透過率との差とを細分化する手法が考えられる。しかしながらこの手法では、減光フィルタの枚数増加、ハード構成の複雑化、ならびにそれに伴ったコスト増大といった弊害を伴う。したがって、コストや装置規模、光量調整精度等の間で最適化を計り、可能な限りの段数増加で対応せねばならない。そのため階段状関数の縦軸の段差間隔には、下限値が存在する。
本発明は、上述の従来例における問題点に鑑みてなされたもので、ハードの複雑化を防ぎながら、無段階の光量調整を行うことができ、望ましい分解能での光量調整が可能な手段を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の光量調整装置は、光源からの光で対象物を照明する照明光学系の前記対象物への照明光光量を調整する光量調整装置であって、該照明光学系の瞳面に配設された固定開口を有する絞りと、該絞りの該固定開口を含む領域への前記光源からの光の照射範囲を拡大または縮小して該固定開口を通過する照明光光量を調整するズーム光学系と、を有することを特徴とする。

本発明によると、理論的には無段階の光量調整を行うことができ、ハードの複雑化を防ぎながら、望ましい分解能での光量調整が可能となる。

本発明の好ましい実施の形態において、本発明は、露光装置において予め定められた露光領域への露光量を予め定められた露光量に制御するために該露光装置の照明光学系に適用される。露光装置は、レチクル（原版）に形成されたパターンをウエハ（基板）に投影露光するものであり、ステップアンドリピート投影露光方式（ステッパ）およびステップアンドスキャン投影露光方式（スキャナ）等がある。特に好ましくは、転写用パターンが形成された原版（対象物）上の特定の照明領域を露光用の照明光で照明する照明光学系を備え、該照明領域に対し該原版を走査するのに同期して該照明領域と共役な露光領域に対して基板を走査する走査露光装置に適用される。

露光用の光源としては、例えば、レーザを使用する。レーザは、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ、波長約１５３ｎｍのＦ_２エキシマレーザなどを使用することができる。但し、レーザの種類はエキシマレーザに限定されず、例えば、ＹＡＧレーザを使用してもよいし、そのレーザの個数も限定されない。光源にレーザが使用される場合、レーザ光源からの平行光束を所望のビーム形状に整形する光束整形光学系、コヒーレントなレーザ光束をインコヒーレント化するインコヒーレント化光学系を使用することが好ましい。また、光源はレーザに限定されるものではなく、一または複数の水銀ランプやキセノンランプなどのランプも使用可能である。

以下、本発明の実施態様を列挙する。
［実施態様１］ 前記照明光学系の、光源からのレーザ光光軸上に減光フィルタと照射範囲調整のためのズーム光学系を備える。さらに、該照明光学系の瞳面に配設された固定開口を有する絞りを備える。ズーム光学系は、該絞りの該固定開口を含む領域への前記光源からの光の照射範囲を拡大または縮小して該固定開口を通過する照明光光量を調整する。該構成要素を用いて、理論的には減光量を連続的に変動させることができる。この機構を説明するのが、図１である。すなわち、図１は、減光フィルタの切換え、並びにズーム光学系を併用し、従来の減光フィルタの切換えによる光量調整の離散性（階段状の変化）を補完する機構を図示するものである。本実施態様では、ズーム光学系のズーム駆動により照射範囲を可変するが、この照射範囲の変化が連続的であることが、上述の連続的な光量調整を可能とする。

［実施態様２］ 実施態様１の構成に加え、像面における照明光照度を測定する手段（照度検知センサ）と、減光量制御手段とを有する。減光量制御手段は、像面における照明光照度の測定結果と露光装置に設定される露光量と走査速度とから、照明光減光量（または透過率）を算出する。そして、該照明光減光量を前記減光フィルタの切換えによる減光量と前記ズーム光学系のズーム位置による減光量とに振り分ける。さらに、光源のレーザパルス数制御と組み合わせ、理論的には減光量を連続的に変動させ、所望の露光量を得る。

［実施態様３］ 実施態様１または２の構成に加え、前記光源からの光の光路に沿って前記固定開口の直前に配置された光源側インテグレータと、前記固定開口より後に配置された最終インテグレータとを有する。この照明光学系を図示するのが図２である。図２は、図１の減光手段に複数のインテグレータを付加することにより、ズーム駆動の有効光源形状を不感にする構造を図示するものである。光源３０からのレーザ光光軸上に減光フィルタ２９とズーム光学系２８を有しており、照射範囲可変２７の機能を持つ。ここで、最終インテグレータ２４の光源側に位置するインテグレータ２６の直下に瞳面の絞り２５を挿入する。本実施態様の光学系を用いることで、ズームにより照射範囲を変化させても、有効光源形状を不変とする機構を実現することができる。

［実施態様４］ 光源からのレーザ光光軸上に減光フィルタと照射範囲調整のための開口面積可変の絞り機構を有する。該構成要素を用いて、理論的には減光量を連続的に変動させることを特徴とする。可変絞り機構により露光光透過領域を変動させるが、この照射範囲の変動が連続的であることが、上述の光量調整を可能とする。

［実施態様５］ 実施態様４の構成に加え、像面における照明光照度を測定する手段（照度検知センサ）と、減光量制御手段とを有する。減光量制御手段は、像面における照明光照度の測定結果と露光装置に設定される露光量と走査速度とから、照明光減光量（または透過率）を算出する。そして、該照明光減光量を前記減光フィルタの切換えによる減光量と前記可変絞りによる減光量とに振り分ける。さらに、光源のレーザパルス数制御と組み合わせ、理論的には減光量を連続的に変動させ、所望の露光量を得る。

［実施態様６］ 実施態様４または５の構成に加え、前記光源からの光の光路に沿って前記固定開口の直前に配置された光源側インテグレータ２６と、前記固定開口より後に配置された最終インテグレータ２４とを有する。図２を参照して説明すると、光源３０からのレーザ光光軸上に減光フィルタ２９を有する。さらにズーム光学系２８に代えて、またはズーム光学系２８に加えて、開口面積可変の第２絞り（不図示）を有している。第２絞りは、照射範囲可変２７の機能を持つ。ここで、最終インテグレータ２４の光源側に位置するインテグレータ２６の直下の瞳面に固定絞り（第１絞り）２５を挿入する。本実施態様の光学系を用いることで、可変絞り（第２絞り）により照射範囲を変化させても、有効光源形状を不変とする機構を実現することができる。

［第１の実施例］
図３は、露光光源からの露光光でレチクルのパターンを照明し、該レチクルパターンをウエハ上に形成する露光装置に本発明を適用した実施例を示す。図３の露光装置は、露光光源３０から投影光学系３２に至る露光光の光路上に配置される光学系素子を複数の筐体内に配置し、内部を不活性ガス、あるいはクリーンドライエアに置換できるものである。

図３において、露光光源３０から供給される露光光は、照明光学系３１へと導かれる。照明光学系３１は内部に照明光に所望の照度と角度分布とを与える光学素子系を有する。照明光学系３１へ導かれた露光光は、複数の折り曲げミラー１８、２１を介して、レチクル１９を均一に照射する。レチクル１９を通過した露光光は、投影光学系３２によってウエハステージ３４上のウエハ３３へレチクル１９のパターンを転写する。また、ウエハステージ３４には、照度を計測する照度検知センサ３５を有している。一方、露光光の一部を分割するハーフミラー２０を介し、露光光を測定する照度検知センサ２２を有しており、これら２つのセンサにより照度を測定し、その照度測定結果（照度測定値）をＣＰＵ２３に対する検出出力として用いる。ＣＰＵ２３は、これら２つのセンサの検出出力に基づき、露光光源３０であるレーザ光源の発振パルス数、減光フィルタ２９の切換え、ならびに、ズーム光学系２８の駆動、の各々の動作に関するフィードバック制御により、露光量制御を行う。露光量制御は減光フィルタ２９とズーム光学系２８にて行う。

ここで照度測定値より算出した設定パルスエネルギ量が、光源レーザ最小パルスエネルギ量より小になる場合、減光により１パルスあたりの照射エネルギを減ずる必要がある。この場合、ＣＰＵ２３にてその差を最小にする減光量を算出し、算出結果に基づき、必要な減光フィルタ２９の切換え、ならびにズーム光学系２８のズーム駆動の減光量を振り分ける指令を行い、露光量制御を行う。すなわち、光量の粗調整を減光フィルタ２９の切換えで行い、その段階的調整の段差を、ズーム光学系２８での連続的調整にて補完する。ズーム光学系２８は、径が一定の瞳面の絞り２５とズーム動作による絞り２５上への露光光の照射範囲の拡大／縮小とを組み合わせ、所望の減光を達成する。例えば照射範囲を増加させた場合、絞りを通過する光束のエネルギ密度は照射範囲が狭いときと比較して小さくなるため、結果として減光効果は大きくなる。

照明光学系３１は、さらに複数のインテグレータを有する。最終インテグレータ２４よりも光源側のインテグレータ２６の直下に瞳面の絞り２５を有しており、かつこれとズーム光学系による照射範囲可変２７により、有効光源形状を不変に保ちつつ、光量調整を行う。

上記の構成の効果を定性的に記述するのが、図４である。図８（従来例）との差異は、減光フィルタの透過率により定まる黒丸同士の間が、直線補完されている点である。ここでは一例として直線補完を図示したが、曲線補完するようにしてもよい。このような構成により、図４に示すとおり、図８では実現不可能であった透過率ａ［％］を、量子化誤差、演算誤差等のシステムの分解能が許容する範囲内で実現することができる。

［第２の実施例］
図５は、図３を用いて説明した構成に加え、照明光学系３１内の露光光路上に露光光の通過領域を変動させる絞り機構（第２絞り）３６を有している。図５では、光源３０に対して照明光学系３１の最も上流に絞りを配置しているが、これは絞り配置の一例であり、本発明の範囲を限定するものではない。ここで例えば絞りにより露光光の通過領域を狭めれば、像面における照射エネルギは減少する。この機構を用いて、第１の実施例で説明した露光量制御機構に加え、露光光路上の絞りにより像面の照射範囲を可変とすることで、露光量制御の自由度を向上させることができる。例えば装置の構造上、光学ズーム機構のズーム量が限定され、ズーム機構により所望の減光範囲を達成できない場合でも、前記絞り機構を併用することで、より少ないズーム量にて望ましい減光範囲を実現することができる。
なお、減光フィルタの段数が多い等、減光範囲が狭くても足りる場合には、ズーム光学系２８を含むズーム機構または絞り機構３６の一方を省略してもよい。

［デバイス製造方法の実施例］
次に、図９および図１０を参照して、上述の露光装置を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図９は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造方法を例に説明する。
ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンに基づいてマスク（原版またはレチクルともいう）を製作する。ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハ（基板ともいう）を製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、マスクとウエハを用いて、上記の露光装置によりリソグラフィ技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組立）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組み立て工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、それが出荷（ステップ７）される。

図１０は、ステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）では、ウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

本発明の一実施例に係るズーム光学系を併用して従来の減光フィルタ切換えの離散性を補完する機構を示す図である。 本発明の他の実施例に係る照明系の構成を示す、減光手段と複数のインテグレータの構成により、ズーム駆動の有効光源形状を不感にする構造を図示する。図である。 本発明の第１の実施例に係る露光装置の構成を示す図である。 本発明に係るズーム光学系を併用して従来の減光フィルタ切換えの離散性を補完する減光調整を定性的に示す図である。 本発明の第２の実施例に係る露光装置の構成を示す図である。 第１の従来例に係る、減光フィルタを複数枚含むターレットを示す図である。 第２の従来例に係る、光軸上に減光フィルタターレットを２段有する機構を示す図である。 減光フィルタの切換えによる離散的な減光調整を定性的に示す図である。 露光装置を使用したデバイスの製造を説明するためのフローチャートである。 図９に示すフローチャートにおけるステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。

符号の説明

１、５ ターレット
２、４ 減光フィルタ
３ 光軸
１８、２１ 折り曲げミラー
１９ レチクル
２０ ハーフミラー
２２ 照度検知センサ
２３ ＣＰＵ
２４ 最終インテグレータ
２５ 瞳面の絞り（第１絞り）
２６ 光源側インテグレータ
２７ 照射範囲可変
２８ ズーム光学系
２９ 減光フィルタ
３０ 光源
３１ 照明光学系
３２ 投影光学系
３３ ウエハ
３４ ウエハステージ
３５ 照度検知センサ
３６ 絞り機構（第２絞り）

Claims (10)

1. 光源からの光で対象物を照明する照明光学系の前記対象物への照明光光量を調整する光量調整装置であって、
   該照明光学系の瞳面に配設された固定開口を有する絞りと、
   該絞りの該固定開口を含む領域への前記光源からの光の照射範囲を拡大または縮小して該固定開口を通過する照明光光量を調整するズーム光学系と、
   を有することを特徴とする光量調整装置。
2. 前記ズーム光学系より前記光源側に開口面積可変の第２絞りを有することを特徴とする請求項１に記載の光量調整装置。
3. 光源からの光で対象物を照明する照明光学系の前記対象物への照明光光量を調整する光量調整装置であって、
   該照明光学系の瞳面に配設された固定開口を有する第１絞りと、
   該第１絞りの該固定開口を含む領域への前記光源からの光の照射範囲を拡大または縮小して該固定開口を通過する照明光光量を調整する開口面積可変の第２絞りと、
   を有することを特徴とする光量調整装置。
4. 前記光源からの光の光路に沿って前記固定開口の直前に配置された光源側インテグレータと、前記固定開口より後に配置された最終インテグレータとを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光量調整装置。
5. 前記照明光学系の光路に対して複数個の減光フィルタを切換えて挿入する減光フィルタ切換え手段を備え、該減光フィルタの切換えによる照明光光量の階段状の変化を補完することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光量調整装置。
6. 転写用パターンが形成された原版を露光用の照明光で照明する照明光学系と、該原版の像を基板上に投影する投影光学系とを有する露光装置であって、
   前記照明光学系として請求項１乃至５のいずれかに記載の光量調整装置を備える照明光学系を用いたことを特徴とする露光装置。
7. 前記原版を前記照明光学系による照明領域に対し走査し、該走査と同期して該照明領域と共役な露光領域に対して基板を走査することにより、該原版の像を該基板上に露光することを特徴とする請求項６に記載の露光装置。
8. 前記投影光学系の像面における照明光照度を測定する手段を有し、設定される露光量と走査速度と照度測定結果とから、照明光減光量を算出し、該照明光減光量を前記減光フィルタの切換えにより減光量と前記ズーム光学系のズーム位置とに振り分けて制御する減光量制御手段を有することを特徴とする請求項７に記載の露光装置。
9. 前記光源は、レーザ光源であり、該レーザ光源の発振パルス数を制御するレーザ発振パルス数制御手段を有し、前記減光量制御手段は、前記設定される露光量と走査速度と照度測定結果とさらに前記発振パルス数とから前記照明光減光量を算出することを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
10. 請求項６乃至９のいずれかに記載の露光装置を用いて基板を露光するステップを有することを特徴とするデバイス製造方法。

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