JP2009130065A - 露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度な露光量制御を行う露光装置を提供する。
【解決手段】 光源からの光束を用いてレチクルを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンを被露光体に投影する投影光学系と、を備える露光装置であって、前記照明光学系は、前記レチクルとフーリエ変換の関係にある面の光強度分布である有効光源を形成する有効光源形成手段と、前記有効光源形成手段よりも前記光源側に配置され、露光面における露光量を調節する露光量調整手段と、を有し、前記露光量調整手段は、離散的に前記光束の透過率を変更する透過率変更手段と、前記光束の径を調整するズーム光学系と、前記ズーム光学系により調整された前記光束の径を規定する一定の開口領域を有する光束径規定手段と、を有することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、露光装置及びデバイス製造方法に関する。

従来から、レチクル（マスク）のパターンを投影光学系を介して基板に露光する投影露光装置が使用されており、線幅（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ：ＣＤ）の均一性を維持した高品位な露光が益々要求されている。ＣＤ均一性を維持するためには、高精度に露光量を制御することが必要である。しかし、光源として汎用されているエキシマレーザーの出力を安定させることは困難であるため、光源ではなく照明光学系で露光量を調整することが望ましい。

この点、特許文献１は、レーザー出力を調整する方法を提案している。特許文献２は、複数の減光フィルターを切り替える方法を提案している。特許文献３は、光路中に設けた光学素子を傾斜させ、その表面反射で露光量を制御する方法を提案している。

その他の従来技術としては特許文献４がある。
特開昭６３−３１６４３０号公報 特開昭６１−２０２４３７号公報 特開２００６−７４０３５号公報 特開平１０−０５０５９９号公報

しかし、近年益々狭帯域化が求められる露光装置用レーザーは出力の安定化のために、制御範囲が狭くなっているため、特許文献１のように、レーザー出力の制御だけではあらゆる露光量に対応できない。特許文献２の方法は、露光量を離散的に調整して連続的には調整しないため露光量の調整精度が低い。一方、調整精度を向上するためにフィルター数を増加するとコストアップを招く。特許文献３の方法は、光学素子の傾斜角度に対する露光量変化が大きく安定した露光量の制御が困難であるという問題がある。

このように従来技術は高精度な露光量制御を行うことができなかった。したがって、高精度な露光量制御、例えば、露光量を連続的、広範囲、安定かつ高速（又は高スループット）に制御することが必要である。

本発明は、高精度な露光量制御を行う露光装置に関する。

本発明における露光装置は、光源からの光束を用いてレチクルを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンを被露光体に投影する投影光学系と、を備える露光装置であって、前記照明光学系は、前記レチクルとフーリエ変換の関係にある面の光強度分布である有効光源を形成する有効光源形成手段と、前記有効光源形成手段よりも前記光源側に配置され、露光面における露光量を調節する露光量調整手段と、を有し、前記露光量調整手段は、離散的に前記光束の透過率を変更する透過率変更手段と、前記光束の径を調整するズーム光学系と、前記ズーム光学系により調整された前記光束の径を規定する一定の開口領域を有する光束径規定手段と、を有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、高精度な露光量制御を行う露光装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明を適用した照明光学系及び、該照明光学系を備える露光装置１００の構成を概略的に示す図である。

光源１は、本実施例において、波長が約１９３ｎｍのＡｒＦレーザーを使用した。しかし、本発明は光源１として、波長が約２４８ｎｍのＫｒＦレーザーを使用してもよく、光源の種類や波長、個数に限定されるものではない。従って、光源１はレーザーに限らず、水銀ランプなどの非レーザー光源でもあってもよい。

ビーム引き回し光学系２は、光源１からの光束を集光して、ビームを拡大・縮小し、露光量調整手段３に光束を導く。

露光量調整手段３は、射出する光束の光量を調整する機能を有する。露光量調整手段３については後述する。

角度分布規定光学系４は、複数の光学素子から構成されている。角度分布規定光学系４は、光源からの光束が床振動や装置振動によって照明光学系の光軸に対して偏心したり入射する光束の大きさが変わったりしても、有効光源形成手段５入射面の光強度分布が変化しないような効果を持つ。例えば、図２に記載するように、レンズアレイ４１で一定の角度で光束を射出し、コンデンサレンズ４２で有効光源形成手段５入射面を均一に照明する。

有効光源形成手段５は、照明条件（円形照明、輪帯照明、４重極照明など）に応じて光束を輪帯状や４重極状に変換するための素子を含んでいる。変倍リレーレンズ６は、有効光源形成手段５で変形された光束を拡大・縮小して、後段のオプティカルインテグレータ７上に投影する。なお、有効光源は照明光学系の瞳面、あるいは、被照射面（レチクル）とフーリエ変換の関係にある面における光強度分布であって、被照射面に入射する光の角度分布のことをいう。

従来良く知られている輪帯状の有効光源（図３（ｂ））を形成させる場合、有効光源形成手段５は図３（ａ）のような、一対のプリズムで構成すればよい。また、一対のプリズムが光軸方向に相対移動可能とすれば、より多様な有効光源の形成が可能となる。入射面が凹の円錐面で射出面が平面のプリズムと入射面が平面で射出面が凸の円錐面のプリズムを一対とし、その間隔が小さいとき（図３（ａ））、図３（ｂ）で示すように、発光部の幅が大きい（輪帯率が小さい）輪帯形状の有効光源が形成される。一方、プリズム間隔を大きくすれば（図４（ａ））、図４（ｂ）で示すように、発光部の幅が小さい（輪帯率が大きい）輪帯形状の有効光源が形成される。なお、輪帯率は光強度分布の内径（内σ）を外径（外σ）で割った値である。従って、形成させたいパターンに応じて、有効光源の形成自由度が向上させることが出来る。更に、後段の変倍リレーレンズ６と組み合わせれば、輪帯率を維持したまま、有効光源の大きさ（σ値）が調整可能となる。遮光部材８は、オプティカルインテグレータ７の射出面近傍に配置される。遮光部材８が位置する面は、投影光学系１７の瞳面と共役関係にあり、遮光部材８の形状に応じて、種々の変形照明を形成することができる。
オプティカルインテグレータ７は、例えば複数の屈折光学素子や反射光学素子、フレネルレンズのような回折光学素子を２次元的に配置したマイクロレンズアレイである。オプティカルインテグレータ７を射出した光束は、コンデンサー光学系９によって集光され、走行視野絞り１３が位置する面を重畳的に照明する。
ハーフミラー１０は、計測手段である露光量センサ１１へ光を分岐し、露光量センサの出力信号が制御装置１２に入力され、制御装置１２によって被露光体（被照射面）における露光量が制御される。露光量制御は、制御装置１２が光源１や露光量調整手段３を制御することによって行われる。制御装置１２は、メモリ２０を有する。なお、露光量センサは図示の位置に限定されることなく、レチクル面またはウエハ面の位置に配置されて、直接露光量を計測してもよい。

走行視野絞り１３はレチクル１５が位置する被照射面と共役な位置に配置される。走行視野絞り１３は複数の可動遮光板から成り、任意の開口形状に制御することによって、被照射面の照明範囲を規制している。

走行視野絞り１３を通過した光束は、コンデンサー光学系１４、ミラーＭによって、被照射面に導かれる。

レチクル１５はレチクルステージ１６によって保持されている。

被照射面上に配置されたレチクル１５に描画されたパターンは、投影光学系１７によって露光面に位置するウエハ１８（被露光体）に転写される。

ウエハステージ１９はウエハ１８を保持し、光軸方向及び光軸と直交する平面に沿って２次元的に動くように制御されている。

スキャン型の露光方法は、レチクル１５とウエハ１８が図1の矢印方向に同期しながら走査露光を行う。投影光学系の縮小倍率が１／βの際には、ウエハステージ１９の走査速度がＶのとき、レチクルステージ１６の走査速度はβＶである。

図５を用いて、本発明を適用できる第１の実施形態を詳述する。具体的には、被露光体（露光面）における露光量を調整する露光量調整手段３について説明する。

３０１は透過率変更手段であり、透過率変更手段は減光フィルター群とその減光フィルター群を切り替えるターレット（切替手段）を有し、透過率の異なる幾つかの減光フィルターと切替ができる。３０２はビーム径調整光学系（ズーム光学系）であり、ズームすることにより入射面ビーム径と射出面ビーム径の大きさを変化させることが出来る。３０３は光束径規定手段であり、後段へ射出される光束の径を制限するために一定の開口領域を有する。

図５（ａ）乃至（ｃ）は、露光量調整手段３を駆使して、露光量の制御を光学的に行う具体例について示す。ここで、図５（ａ）乃至（ｃ）において、露光量調整手段３以外の露光条件は同じであるとする。図５（ａ）は、減光フィルター３０１１を用いて露光する場合を示す。図５（ｃ）は、減光フィルター３０１２を用いて、露光する場合を示す。ここで、減光フィルター３０１２は、減光フィルター群３０１の中で減光フィルター３０１１の次に透過率の低いフィルターとする。露光量を連続的に制御するために、図５（ｂ）に示すように、ビーム径調整光学系３０２で光束を拡大し、有効領域（開口領域）外に光を拡大させ、有効領域内に入る光量を調節する。図５では、簡易化のためにビーム径調整手段を２つのレンズで表しているが、２つに限定されるものではなく、ビーム径を調整できる屈折・反射光学系で構成される。ただし、有効光源の性能などを変化させないために、光束径規定手段３０３よりも後段の光学系ビームの大きさは一定にさせることが望ましい。ビーム径調整光学系３０２が最小倍率のとき、光束径規定手段３０３がある面におけるビーム径の大きさは、有効領域とほぼ同等とする。また、ビーム径調整光学系３０２で射出光束のビーム径を調節する場合でも、光束径規定手段３０３の射出面強度分布に大きな変化がないようにする。これで、ビーム径が大きく変動することを防ぎ、後段の光学系での光学性能を変動させないようにできる。さらに、光束径規定手段３０３の後段に図２で示したようなオプティカルインテグレータ等を含む角度分布規定光学素子（射出角度規定素子）を少なくとも２つ以上有することが好ましい。また、光束径規定手段３０３は有効光源形成手段５の前段に配置されることが好ましい。そうすることにより、光束径規定手段３０３面の光分布変化の影響を軽減させ、後段の光学性能への変動をより確実に抑えることが出来る。光量を光束断面に対して略均一に減光することで、安定した光学性能を提供できる。

減光フィルター３０１１でかつビーム径調整手段３０２が倍率最大の時に達成できる光量よりもさらに減光したい場合、図５（ｃ）に示すように、減光フィルター３０１２に切り替える。減光フィルター３０１２を使用し、かつ、ビーム径調整手段３０２を倍率最小としたときに達成できる減光量は、減光フィルター３０１１を使用しかつビーム径調整手段３０２を倍率最大としたときに達成できる減光量と同等がよい。もしくは余裕を持たせるため少し小さくするのもよい。具体的には、ビーム径調整手段３０２が最小倍率時の光束径規定手段３０３の射出面ビーム径が、有効領域の９割以上であることが望ましい。

ここで、透過率が最も近い減光フィルター同士において、透過率の低い減光フィルターの透過率を透過率の高い減光フィルターの透過率で割った値を減光段差と呼ぶことにする。ビーム径調整光学系によって光束径規定手段内に入る光量が１００％〜Ｔ％まで変化させられるとする。光量を連続的に制御したい場合、減光段差はＴ％以上である必要がある。ここで、光量を１００〜１％まで制御させるとすると、必要な減光フィルターの数は、ｔ＝０．０１×Ｔとおくと、ｔ^ｎ＜０．０１より−（２／ｌｏｇｔ）枚以上となる。もしＴが５０％とすると、必要な減光フィルターの数は、上式にｔ＝０．５を代入して算出すると７枚となり、減光フィルターを多く使わずに済む。ビーム径調整手段３０２の拡大率をもっと大きくすれば、減光フィルターの数はさらに削減できる。また、減光フィルター群を複数段にしても、減光フィルターを削減できる。通常の減光手段では連続的に減光する可変範囲を大きく取ることは難しいが、本方式では簡単な構成で、例えば０．０１％以下から１００％の範囲で光量を調整することが出来る。

本発明は、第１の実施形態において、露光処理に用いる露光量を調整する露光量調整手段３について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明の別の実施形態では、露光装置の計測系に使用される光量を調整する露光量調整手段３を有する。露光処理と露光装置の計測系に用いる露光量調整手段３とは、同じ構成であるので詳しい説明については省略する。露光装置の計測系に使用される光量は、非常に小さい場合、０．０１％以下の範囲で使用される。本発明によれば、例えば、露光装置の計測系に使用される光量の調整を０．０１％以下から３０％の範囲で調整でき、露光処理に使用される露光量の調整を３０％から１００％の範囲で調整できる。

この方法を用いて連続的な露光量の調整が容易に行える。例えば、露光前に減光フィルターとビーム径調整光学系ズーム位置から、両者の組み合わせで達成できる露光量を計測し、メモリ２０に記憶させる。そうすることで、必要な露光量を、装置上で即座に設定できる。

図６を参照して本発明の一実施例としての露光量調整方法について説明する。図６は、制御装置１２の露光量調整方法のフローチャートである。

制御装置１２は、まず、露光量センサ１１の検出結果とメモリ２０の閾値（データ）を比較する（ステップ１０００）。そして、露光量の制御が必要かどうかを判断する（ステップ１００１）。露光量制御が必要な場合、露光量の調整量が閾値以上かどうかを判断する（ステップ１００３）。露光量制御が必要でない場合は、そのまま現状を維持する（ステップ１００２）。

露光量の調整量が閾値以上かどうかを判断し（ステップ１００３）、露光量の調整量が閾値以上である場合、露光量が所望の値に最も近くなる減光フィルターを減光フィルター群３０１の中から選択し、切り替えを行う（ステップ１００５）。その後、ビーム径調整手段３０２にて所望の露光量になるように調整する（ステップ１００６）。露光量の調整量が閾値以上でない場合、ビーム径調整手段３０２にて所望の露光量になるように調整する（ステップ１００４）。

本発明は、このように露光量を調整することにより、所望の露光量に即座に調整することができる。これにより、高速化（スループット高）した露光装置を提供することができる。

本発明における露光量調整手段３の構成において、例えば、減光フィルター群３０１の枚数を極端に少なくしてビーム径調整手段３０２の拡大・縮小範囲を広くした場合においても連続的な露光量の調整は可能である。しかし、そうした場合、露光装置１００内のビーム径調整手段３０２が大型化するために露光装置全体も大型化してしまう。また、拡大・縮小範囲を広くして使用すると、拡大・縮小時間が長くなり、スループットが低下してしまう。逆に、減光フィルター群３０１の枚数を多くしてビーム径調整手段３０２の拡大・縮小範囲を狭くすると露光装置全体として高価格になってしまう。

したがって、本発明は、例えば、露光処理時において使用される減光フィルター群３０１の減光フィルター枚数を２乃至４枚までとし、ビーム径調整手段３０２による光量の減光量を０乃至３０％までとした。減光フィルター群３０１の枚数を２枚未満にすると、ビーム径調整手段３０２による拡大・縮小範囲が広くなるため露光装置１００が大型化し、スループットも低下する。また、減光フィルター群３０１の減光フィルター枚数を４枚より多くすると、露光装置全体のコストが高くなる。同様に、ビーム径調整手段３０２による光量の減光量を３０％より大きくしてしまうと露光装置が大型化し、スループットも低下する。

本発明は減光フィルター群３０１の減光フィルター枚数、ビーム径調整手段３０２の減光量を上述したように規定することにより、連続的かつ高精度に露光量を調節し、低価格化、小型化した露光装置を提供することができる。

このように、減光フィルター群３０１とビーム径調整光学系３０２を用いることで、簡素かつ低コストで露光量を制御できる。また、露光量制御時において、常に光束断面の照度を均一に低減させ、光束径規定手段３０３で光束断面の大きさを均一に保つことで、性能面でも安定した露光量制御を実現できる。

本実施形態では、このような構成の露光装置１００で露光した後にウエハの現像処理工程を介してデバイスを製造している。

次に、上記説明した露光装置１００を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。

図７は本発明のデバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体素子、ＣＣＤ、或いは液晶素子や磁性材などの微細パターン等）の製造方法のフローチャートである。これについて説明する。ステップ１（回路設計）では、半導体デバイスなどの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスク（レチクル）を製作する。一方、ステップ３（基板製造）ではシリコン等の材料を用いて、ウエハ等の基板を製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、本発明の露光装置１００を用い、用意したマスク（レチクル）とウエハを用いてリソグラフィ技術によっ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によって製作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、これが出荷（ステップ７）される。

図８は上記ステップ４のウエハプロセスの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）では本発明の露光装置１００によってレチクルの回路パターンをウエハに焼付露光する。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）ではエッチングがす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な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。

本実施形態の製造方法を用いれば、従来よりも短時間で高精度に半導体デバイスを製造することができる。このように、露光装置１００を使用するデバイス製造方法、並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲で種々の変形及び変更が可能である。

本発明を実施した露光装置の概要を表す図である。 角度分布規定光学系を表す図である。 図３（ａ）は有効光源形成手段の一例である円錐プリズムを表し、図３（ｂ）は輪帯比の小さい輪帯照明を表す。 図４（ａ）は有効光源形成手段の一例である円錐プリズムを表し、図４（ｂ）は輪帯比の大きい輪帯照明を表す。 図５（ａ）乃至図５（ｃ）は、本発明の実施例を表す。 本発明による露光量調整方法を示すフローチャートを表す。 本発明によるデバイス製造方法を示すフローチャートを表す。 図７に示す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 光源
２ 引き廻し光学系
３ 露光量調整手段
４ 角度分布規定光学系
５ 有効光源形成手段
６ 変倍リレーレンズ
７ オプティカルインテグレータ
８ 遮光部材
９ コンデンサー光学系
１０ ハーフミラー
１１ 露光量センサ
１２ 制御装置
１３ 走行視野絞り
１４ コンデンサー光学系
１５ レチクル
１６ レチクルステージ
１７ 投影光学系
１８ ウエハ
１９ ウエハステージ
３０１ 透過率変更手段
３０２ ビーム径調整光学系
３０３ 光束径規定手段

Claims (5)

1. 光源からの光束を用いてレチクルを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンを被露光体に投影する投影光学系と、を備える露光装置であって、
   前記照明光学系は、
   前記レチクルとフーリエ変換の関係にある面の光強度分布である有効光源を形成する有効光源形成手段と、
   前記有効光源形成手段よりも前記光源側に配置され、露光面における露光量を調節する露光量調整手段と、を有し、
   前記露光量調整手段は、
   離散的に前記光束の透過率を変更する透過率変更手段と、
   前記光束の径を調整するズーム光学系と、
   前記ズーム光学系により調整された前記光束の径を規定する一定の開口領域を有する光束径規定手段と、を有することを特徴とする露光装置。
2. 前記露光量調整手段よりも前記被露光体側にオプティカルインテグレータが複数配置されていることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記透過率変更手段は
   複数の減光フィルターと、
   前記複数の減光フィルターを切り替える切替手段とを有することを
   特徴とする請求項１又は２に記載の露光装置。
4. 光量を計測する計測手段と、
   前記計測手段による計測結果に基づいて、前記露光量調整手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項１乃至３に記載の露光装置。
5. 請求項１乃至４いずれか一項に記載の露光装置を用いて被露光体を露光するステップと、
   露光された前記被露光体を現像するステップと、を有することを特徴とするデバイス製造方法。