JP2682067B2

JP2682067B2 - 露光装置及び露光方法

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Publication number: JP2682067B2
Application number: JP63261224A
Authority: JP
Inventors: 恭一諏訪
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-10-17
Filing date: 1988-10-17
Publication date: 1997-11-26
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: JPH02106917A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体素子等の製造に用いられる露光装置に
関し、特に高い照度が得られるエネルギー源（放電灯、
レーザ発振器等）をもつ露光装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種の露光装置として、マスク、又はレチク
ルに形成されたパターン領域の像を、投影レンズ系を介
して感光基板であるウェハ上へ投影するステップアンド
リピート方式の投影型露光装置、所謂ステッパーが知ら
れている。

現在、IC、VLSIの製造現場で使われているステッパー
は、波長436nm（ｇ線）、又は365nm（ｉ線）等の光を発
生する水銀放電灯（水銀ランプ）を露光用光源としてい
る。このステッパーは、レチクルのパターンを1/1、1/
5、1/10等に縮小してウェハ上に投影する投影レンズを
有するが、その投影レンズは年々高分解能で、低いディ
ストーション量（像の歪み、倍率誤差等）のものが要求
され、使用条件や環境条件による影響で生ずる結像特性
の変動が無視できなくなってきている。

そこで例えば特開昭60-78454号公報に開示されている
ように、投影レンズの結像特性を変動させる１つの要因
として、露光用照明光が投影レンズを通ったときに、照
明光のエネルギーの一部が投影レンズに吸収されること
に着目し、その吸収により生じる結像特性変動、特に倍
率誤差、焦点誤差を演算により求め、それを補正するこ
とが知られている。

この従来の技術では、投影レンズにレチクルを介して
入射する露光エネルギーの蓄積量を時々刻々演算で求め
ることで、等価的に結像特性の変動を予測している。そ
して算出された結像特性の変動の補正には、投影レンズ
内の密封された空気間隔内の圧力を制御する方式、ある
いは投影レンズとレチクル、又はウェハの機械的な間隔
を調整する方式が採用されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の従来技術によれば、露光エネルギーの一部吸収
に起因した投影レンズの結像特性変動を極めて良好に、
かつ安定して補正することができる。ところでステッパ
ーでは、１枚のウェハ上の複数のショット領域をステッ
プアンドリピート方式で露光していくため、各ショット
領域毎の露光時間を短縮することで、１枚当りの処理時
間を短くし、スループットを高めることが行なわれてい
る。露光時間の短縮は、ショット領域に与えるべき適正
露光量が定まっていることから、実際上は露光用照明光
の照度を上げることで達成することになる。

しかしながら、スループットの向上をねらって高照度
化すべく、照明系やランプの改良を重ねていくと、照明
系が高照度化し過ぎてしまい、その結果投影レンズに吸
収されるエネルギー量も増大し、投影レンズの諸収差へ
悪影響を及ぼすとともに、その過大な蓄積エネルギー量
によって結像特性の変動補正が不十分なものになるとい
った問題が生じる。このため、照明系からの照明光の照
度は、一方的に増大させる訳にはいかず、投影レンズ固
有の条件から、ある上限が定められていた。その上限を
守る１つの手法として、ランプからレチクルまでの照明
光路中で、投影レンズの瞳とほぼ共役な位置に、光量減
衰用の金属性のフィルターを配置し、一定量だけ像面
（レチクル面）照度を低下させることも提案されてい
る。

このようなフィルターを設ける場合、フィルターの減
衰率（透過率）は、使用し得るレチクルのうち最もパタ
ーン密度の低いレチクルを用いて、最もスループットの
高い露光シーケンス（例えばファーストプリント）でス
テッパーを稼働させたときでも、投影レンズの蓄積エネ
ルギー量が上限を超えない照度となるように選ぶ必要が
あった。

ところが、デバイス製造に用いられるレチクルは、回
路パターンによって様々の透過率を有する。ここでレチ
クルの透過率とは、投影レンズの有効視野内、もしくは
その視野内の予め定められた有効露光領域内にしめるレ
チクルのパターン領域中の透明部面積の割合を意味す
る。

例えば、配線用のパターンを有するレチクルの透過率
は比較的高く、30〜60％程度であるのに対し、コンタク
トホール用のパターンを有するレチクルの透過率は、極
めて低く３〜６％程度と1/10位になっている。

このため、配線層露光用の透過率の高いレチクルに対
しては、投影レンズを限界に近い状態で効率的に使える
が、透過率の低いレチクルに対しては、投影レンズを限
界から大幅に下回った状態で非効率的に使うことになっ
てしまうといった問題があった。

そこで本発明では、上記のような非効率な状態を改善
し、透過率の低いレチクル（マスク）におけるスループ
ットを向上させた露光装置を得ることを目的とする。

さらに本発明は、レチクル（マスク）の透過率に応じ
て露光動作条件の最適化を計り、デバイス製造時の装置
稼働を、より効率的にした露光装置を得ることを目的と
する。

〔問題点を解決する為の手段〕

まず本発明においては、露光用照明光、又はエネルギ
ー線のマスク上、又は像面上での照度（単位時間あたり
の照度）を可変にする調整手段を設ける。さらに、投影
光学系（投影手段）にマスクを介して入射する照明光
（エネルギー線）の一部が、投影光学系に蓄積するエネ
ルギー量（１枚のウェハの露光処理の間における平均蓄
積エネルギー量、あるいは時々刻々変化する入射エネル
ギー量と発散エネルギー量との代数和）を、マスクの透
過率、照明光の照度、又は露光動作条件の基づいて算出
する。そして投影光学系に蓄積したエネルギー量が、予
め定めておいた許容蓄積エネルギー量以下となるよう
に、調整手段によって照明光の照度を調整するように構
成した。

そして、第１の発明は、照明光のうちマスク（Ｒ）を
介して投影光学系（10）へ入射する照明光のエネルギー
量に応じた第１の情報（マスクの透過率η）を入力する
ための入力手段（21、21A、22）と、パターン（PA）の
像の感光基板（Ｗ）への露光時間（T exp）と非露光時
間（T stp）とに基づいて露光時間効率に関する第２の
情報（τ）を予め算出するとともに、第１の情報と第２
の情報とに基づいて投影光学系に蓄積され得るエネルギ
ー量に関する第３の情報（Ｅ）を予め算出する演算手段
（20B）と、予め設定された前記投影光学系の許容蓄積
エネルギー量に関する第４の情報（Em）と前記第３の情
報（Ｅ）とを比較し、その比較結果に基づいて前記照明
光の照度を調整する照度調整手段（６、23、24F）とを
備える。

また、第２の発明は、所定の露光動作条件（τ）とエ
ネルギー線の照度に応じた値（マスクの透過率η）とに
基づいて、投影手段（10）に蓄積され得るエネルギー量
に対応した第１の値（Ｅ）を算出し、予め設定された許
容蓄積エネルギー量に対応した第２の値（Em）との大小
関係を算出する演算手段（20B）と、演算結果に基づい
て、第１の値が前記第２の値以下になるように前記エネ
ルギー線が投影手段に吸収される量を調整する調整手段
（６、23、24F）とを備える。

さらに、第３の発明は、所定の露光動作条件（τ）と
マスクを透過したＸ線の照度に応じた値（マスクの透過
率η）とに基づいて、マスク（Ｍ）に蓄積され得るエネ
ルギー量に対応した第１の値（Ｅ）を算出し、予め設定
された許容蓄積エネルギー量に対応した第２の値（Em）
との大小関係を算出する演算手段（20B）と、演算結果
に基づいて、エネルギー源又は前記露光動作条件が許す
範囲内で、第１の値が前記第２の値以下になるようにＸ
線がマスクに吸収される量を調整する調整手段（6A、24
F）とを備える。

〔作用〕

本発明では、投影光学系に蓄積したエネルギー量が、
投影光学系の結像特性に変動を与えるという現象に基づ
いて、蓄積エネルギー量に対応した値（情報）を予測演
算により求めることで、蓄積エネルギー量が常に許容値
以下になるように、露光動作を進めることができる。こ
のためマスク、レチクルの透過率が高いときは蓄積エネ
ルギー量の許容値を守るように動作し、レチクルの透過
率が低いときは逆に許容値の範囲内で最大の照度が得ら
れるように動作可能なので、透過率の低いレチクルによ
る露光処理はスループットが高まることになる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例によるステッパーの構
成を示す斜視図であり、基本構成は特開昭60-78454号公
報に開示されたものと同じである。

水銀ランプ１は、楕円鏡２の第１焦点に発光点が位置
するように配置され、楕円鏡２で集光された照明光は、
短波長域で反射率が高いダイクロイックミラー３で反射
され、ロータリーシャッタ４のところで最小径に集束さ
れる。シャッタ４を通った照明光はレンズ系５、光量可
変減衰フィルター６を介して、オプチカルインテグレー
タとしてのフライアイレンズ７に入射する。フライアイ
レンズ７の射出端には多数の２次光源像が結像し、各２
次光源からの光はミラー８で垂直に反射された後、コン
デンサーレンズ９に入射し、レチクルＲ上で重畳され
る。このフライアイレンズ７とコンデンサーレンズ９の
作用で、レチクルＲにおける照明光の照度分布は数％以
下の極めて均一なものになる。

また、第１図では図示を省略したが、フライアイレン
ズ７とコンデンサーレンズ９との間には、例えば特開昭
61-19129号公報に開示されているようなリレー系が設け
られ、レチクルＲと共役な像面が作られる。そしてこの
共役像面には、レチクルＲのパターン領域PAに合わせて
照明領域を制限する可変照明視野絞り（レチクルブライ
ンド）が配置される。

尚、レチクルＲのパターン領域PAの周辺には、レチク
ルＲに関する各種情報（レチクル名、パターン領域PAの
大きさ、アライメントマークの位置等）がバーコードBC
として形成されている。

さて、パターン領域PA内には、クロム層等の遮光体で
微細な回路パターンが形成されており、パターン中の透
明部を通った照明光は、投影レンズ系10を介してレジス
トの塗布されたウェハＷへ達する。ウェハＷは、投影レ
ンズ10に関してレチクルＲと共役になるようにウェハス
テージ11上に載置される。ウェハステージ11はｘ、ｙ方
向に２次元移動するとともに、レーザ干渉計により高精
度に座標位置が計測される。セカンドプリントの場合、
ウェハＷ上には複数のショット領域SAがマトリックス状
に形成されている。

また、投影レンズ10には結像特性を補正するためのレ
ンズコントローラ12が設けられている。このレンズコン
トローラ12は、先の特開昭60-78454号公報、又は特開昭
61-19129号公報に開示されているように、投影レンズ10
自体の倍率、焦点位置を圧力制御で微小量補正するとと
もに、投影レンズ10とウェハＷとの間隔をフォーカスセ
ンサーのオフセット調整で補正する機能を有する。

主制御系20は、ステッパーの露光シーケンス、アライ
メントシーケンス等の基本動作を制御するとともに、レ
チクルＲの透過率に応じて照明光の照度を最適に制御す
るための演算を行なう。

レチクルＲの透過率は、ウェハステージ11に設けられ
た照度センサー21により検出される。照度センサー21の
受光面は、使用される最大の大きさのパターン領域PAの
投影像（最大有効露光領域）と同等、もしくはそれ以上
の大きさ、あるいは投影視野（例えば23mm径の円）を包
含する大きさに定められる。

また、レチクルＲの透過率に関する情報をバーコード
BCに入れておく場合は、レチクルＲのローディング時に
バーコードBCを読み取るバーコードリーダ22が透過率情
報の入力手段になる。

さて、主制御系20は、照度センサー21からの信号、あ
るいはバーコードリーダ22からの信号に基づいて、減衰
フィルター６の駆動系23に、最適な減衰量に対応した駆
動指令を出力する。また主制御系20は水銀ランプ１を駆
動するための電力供給源24へ、露光シーケンスに対応し
た適正な電力供給を行なうような指令も出力する。この
電力供給源24は、レチクルＲを照明する光の照度（強
度）を逐次検出する光電センサー25からの信号に基づい
て、供給電力の確認を行なう。また光電センサー25から
の信号は、シャッター４の開時間を光量積分（インテグ
レータ）モードで自動制御する場合、シャッター制御系
（不図示）にも入力される。シャッター制御系は、主制
御系20との間でシャッター４の開放タイミング、閉成タ
イミングの情報をやり取りするとともに、主制御系20か
らの設定値に応じてシャッター４をタイマーモード（定
時間方式）で制御することもできる。

コンソール26はオペレータとステッパーとのマン・マ
シンインターフェイスであり、各種パラメータやコマン
ドの入出力を行なう。

尚、第１図に示したレンズコントローラ12は、主制御
系20との間、及びシャッター制御系との間で各種指令や
情報のやり取りを行なっている。そして、このレンズコ
ントローラ12は、ステッパーが稼動している間は、露光
処理中か否かを問わず常時投影レンズ10の結像特性の補
正制御を行なう。また電力供給源24は、例えば特開昭60
-144938号公報に開示されているように、ランプ１への
供給電力を露光時にのみ一時的に公称値から増大させる
フラッシュ露光方式、あるいは公称電力で駆動するノー
マル露光方式で動作可能な構成になっている。

第２図は第１図のうち、減衰フィルター６、駆動系2
3、ランプ１、電力供給源24、及び主制御系20内の照度
制御演算部の構成の一例を模式的に表わしたものであ
る。

電力供給源24は、直流入力電圧Viにシリアルに接続さ
れた電力制御素子24A、ランプ１に流れる電流値を検出
する電流検出回路24B、ランプ１に印加された電圧値を
検出する電圧検出回路24C、ランプ１に供給される電力
を電流値と電圧値の積により求める電力演算回路24D、
ランプ１の供給電力に応じた計測値Vmと外部から設定さ
れる基準値Vrとの偏差を求め、この偏差が零になるよう
に電力制御素子24Aをフィードバック制御する誤差増幅
回路24Eとを基本構成として備えている。そして本実施
例ではさらに、光電センサー25の信号を増幅するアンプ
24G、アンプ25Gの出力信号S₁と主制御系20から出力され
た信号S₆との差を求める減算回路24H、切り替えスイッ
チ24Jを設ける。

主制御系20には、信号S₁の大きさ、レチクルＲの透過
率ηに関する情報、露光動作条件の各種パラメータを記
憶するデータ記憶部20A、照度制御のための演算部20B、
ランプ１の点灯状態をフラッシュ露光方式、又はノーマ
ル露光方式にするためのタイミングやフラッシュアップ
率を設定するフラッシュ・ノーマル制御部20C、及び照
度安定化のための安定化部20Dが設けられている。さら
に、減衰フィルター６は円板状のプレートに４つのフィ
ルター6a、6b、6c、6dが配置され、照明光を離散的に４
段階に切り替えて減光することができる。ここでフィル
ター6aは単なる透明部で、フィルター6b、6c、6dの順で
光減衰率が大きくなっている。フィルター６のプレート
は、駆動系23の制御によりモータ6eで回転駆動される。

このフィルタープレート６の各フィルター6a、6b、6
c、6dは、照明光学系中で投影レンズ10の瞳（入射瞳）
とほぼ共役な位置、すなわちフライアイレンズ７の射出
端の位置、もしくはそれとほぼ共役な位置に配設され
る。

次に本実施例の動作を説明するが、本実施例のステッ
パーでは第１図に示したレンズコントローラ12により常
時、結像特性の補正を行なっているものとして説明す
る。

〔１〕第１の動作モードまずオペレータは、１ショット毎の適正露光量に対応
した値Dos、１枚のウェハＷ上の露光ショット数Ns、シ
ョット領域SAの大きさによって決まるウェハステージ11
の１ショット毎のステッピング時間Tstp、１枚のウェハ
の露光が完了してから次のウェハがステージ11上に載置
されるまでの平均的なウェハ交換時間Tc、及びステージ
11に載置されたウェハＷをグローバルアライメントする
ために、ウェハ上のアライメントマークを検出して、ウ
ェハＷ上の最初のショット領域をレチクルＲに合わせる
までに要する平均的なアライメント時間Talg等を、コン
ソール26から入力する。尚、アライメント時間Talgは、
ファーストプリントの際は零である。また各時間Tstp、
Tc、Talgは、ステッパーに設けられた計時カウンターを
使って過去に実測したデータに基づいてオートセットす
るようにしてもよい。以上の各露光動作条件のデータ
は、データ記憶部20AにデータDexpとして記憶される。

次に主制御系20は、安定化部20Dから信号S₅を出力し
てスイッチ24Jを図示の状態から切り替えて、電圧Vdを
零にし、フラッシュ・ノーマル制御部20Cからノーマル
露光時の公称電力に対応した電圧Vpを加算回路24Fに出
力させる。加算回路24Fは基準値Vrとして、Vr＝Vpを出
力するので、ランプ１は公称入力電力に応じた強度で点
灯する。また主制御系20は、駆動系23を介して、例えば
減衰率が零のフィルター6aを選択するように制御する。

次にレチクルＲが存在しない状態、もしくは素ガラス
をレチクルの代りに設置した状態で、主制御系20はシャ
ッター４を開く。このとき投影レンズ10の直下に、照度
センサー21が位置するようにウェハステージ11を位置決
めしておく。またレチクルブラインドは全開、又は最大
有効露光領域に合わせて開けておく。そして主制御系20
は、このときの照度センサー21の出力をPoとして記憶す
る。

次に、第１図に示すように露光用のレチクルＲを位置
決めし、同様にシャッター４を開放して照度センサー21
からの出力をPrとして記憶する。そして主制御系20はレ
チクルＲの透過率ηをPr/Poの演算によって求め、それ
をデータ記憶部20Aへ格納する。透過率ηは０＜η＜１
の範囲である。尚、この動作の間、光電センサー25で受
光した照明光の照度（正確には単位時間あたりのレチク
ル上照明光量）Ifを求めておき、この照明光量Ifと適正
露光量の値Dosとに基づいて１ショットの平均露光時間T
expを算出してデータ記憶部20Aへ格納する。平均露光時
間TexpはTexp≒Dos/Ifで算出される。

次に主制御系20の演算部20Bは、単位時間当りに投影
レンズ10へ入射（又は通過）する平均的な入射エネルギ
ー量（平均蓄積エネルギー量）Ｅを算出する。そして本
実施例では、複数枚のウェハを連続して処理することを
前提として、１枚のウェハの処理時間にしめる照明光の
通過時間合計の割合、すなわち露光時間効率τを用い
て、以下の式（１）に基づいて入射エネルギー量Ｅを算
出する。

Ｅ＝η・If・τ＋ΔＥ ……（１）ここで単位時間当りのエネルギー量ΔＥは、露光動作
中にウェハＷで反射された照明光の一部が投影レンズ10
に入射することによって生ずる誤差分である。このエネ
ルギー量ΔＥは、かなり小さい場合が多いので無視して
もかまわないが、反射率の高いウェハ、例えば表面にア
ルミ層をもつウェハでは無視できないこともある。

さらに本実施例では、例えば特開昭62-183522号公報
に開示された手法によって、ウェハの反射率に関する値
Kwを求めてあるものとする。そこでウェハ面上での単位
時間当りの照明光量をＫ・If（Ｋは定数）とすると、単
位時間当りの平均エネルギー量ΔＥは式（２）で求めら
れる。

ΔＥ＝η・Ｋ・If・Kw・τ ……（２）従って式（１）と（２）をまとめると式（３）が得ら
れる。

Ｅ＝η・τ・If・（１＋Ｋ・Kw） ……（３）一方、露光時間効率τは、初めに設定された露光動作
条件の各パラメータNs、Tc、Talg、Tstp、Texpから式
（４）によって求める。

この式（４）で分母は１枚のウェハの処理に要するト
ータルの時間であり、分子は１枚のウェハにおけるトー
タルの露光時間である。

尚、式（４）において、照明光の照度（照明光量If）
を調整した後においては、露光時間Texpが変化すること
になるので、式（４）は次の式（５）で扱うとよい。

この式（５）で時間Tssは、 Tss＝Ns・Tstp＋Talg＋Tc ……（６）であり、一定値と考えてよい。

演算部20Bは上記式（３）、（５）に各パラメータの
値を代入して、平均入射エネルギー量Ｅを算出する。

次に演算部20Bは、投影レンズ10に対して予め設定さ
れた許容平均入射エネルギー量Emと、算出されたエネル
ギー量Ｅとの大小関係（Em−Ｅ）を求める。ここで許容
エネルギー量Emとは、この値を瞬間的にでも起えると、
ただちに投影レンズ10に悪影響を与えるというものでは
なく、瞬間的なエネルギー量の許容値よりはかなり低め
に設定される。この許容エネルギー量Emは予め実験等に
より求め、データ記憶部20Aに記憶されている。

その結果演算部20Bは、Em−Ｅ＜０のとき、照明光の
照度を低下させるものと判定する。

そこで演算部20Bは、照度低下に必要な照明光の減衰
率を求める。

そのため演算部20Bは、式（３）、（５）をまとめて
変形した式（７）の演算を行なう。

ところが露光時間TexpはTexp＝Dos/Ifであるから、式
（７）は式（８）に変形される。

さらに式（８）を照明光量Ifについてまとめてみると
式（９）に変形される。

そこで演算部20Bは式（９）のＥにEmを代入するとと
もに、他の定数η、Ｋ、Kw、Ns、Dos、Tssを代入して、
許容エネルギー量Emに対応した許容照明光量Ifmを算出
する。

ここで先に求めた照明光量IfとIfmとの比を求めれ
ば、If/Ifmが求めるべき減衰率である。そして演算部20
Bは、この算出された減衰率よりも大きな減衰率をもつ
フィルター６を選ぶ。

３つのフィルター6b、6c、6dのフィルター6aに対応す
る減衰率は予めデータ記憶部20Aに格納されている。従
って、算出されたIf/Ifmよりは小さくなく、かつできる
だけIf/Ifmに近い減衰フィルターが選ばれる。

これによって演算部20Bは、選ばれたフィルターを表
わす信号S₂を駆動系23に出力する。

次に主制御系20は、選ばれた減衰フィルターのもとで
得られるレチクル上での単位時間当りの照明光量Ifcを
算出する。選ばれたフィルターのフィルター6aに対する
減衰率をαｃとすると、 Ifc＝αｃ・If ……（10）である。

この照明光量Ifcが実際の露光動作におけるレチクル
上での照度となるから、演算部20Bは露光動作条件のパ
ラメータのうち、露光時間Texpを、Texp＝Dos/Ifcの演
算により修正し、データ記憶部20Aに格納する。ただ
し、露光量制御がインテグレータ・モードのときは、シ
ャッター４の開時間（露光時間Texp）が照明光量Ifcに
対応して自動的に補正されるので、露光時間Texpの修正
演算は不要であるが、タイマー・モードのときは、修正
された露光時間Texpだけシャッター４の開放が行なわれ
る。またより完全を期するなら、タイマー・モードの時
は減衰後の照度を実際に測定して減光量を確認してか
ら、露光動作に移っても良い。以上によって、露光動作
条件の各パラメータが決まるので、主制御系20は露光シ
ーケンスに従って順次ウェハＷを露光していく。尚、第
２図中で、露光に必要なパラメータが修正されたとき
は、その修正データはDchgとして演算部20Bから出力さ
れる。

以上、本動作ではレチクルＲの透過率ηを実測する際
に、フラッシュ・ノーマル制御部20Cはノーマル露光に
対応した電圧Vpを出力するものとした。しかしながら実
際の露光動作をフラッシュ露光で行なうときは、ランプ
１の公称入力電力の約２倍程度の電力に対応した電圧Vp
が出力されるように演算部20Bは信号S₃をフラッシュ・
ノーマル制御部20Cに出力する。また透過率ηの情報を
バーコードリーダ22から入力する場合、あるいはコンソ
ール26からオペレータによって入力する場合は、照度セ
ンサー21を用いた実測が不要であることは言うまでもな
い。さらに、レチクルの透過率ηが小さいために、フラ
ッシュ露光モードで、かつフィルタープレート６が減衰
率零のフィルター6aにセットされる場合もある。この場
合、レチクルＲ上での照明光量は、照明系が出力し得る
最大の照度に対応しており、その状態においても許容エ
ネルギー量Emを超えることがないときは、そのまま露光
することになる。

尚、本実施例では４段階の減光率をもつフィルターを
用いたが、少なくとも２段階に照度切り替えできるフィ
ルターを用いたステッパーでは、同様の効果が得られ
る。

〔２〕第２の動作モード第１の動作モードでは、フラッシュ露光とノーマル露
光との切り替えによるランプ１の発光強度の２段階切り
替えと、フィルター６による減衰率の４段階の切り替え
とを組み合わせて、離散的な照度調整が可能であった。
このため、許容平均入射エネルギー量Emに対して実露光
時の平均入射エネルギー量Ｅはほとんどの場合低く押え
られることになる。そこで平均入射エネルギー量Ｅを極
力Emに近づけた露光動作を第３図を参照して以下に説明
する。

基本的な動作は、第１の動作モードと同じであり、式
（３）、（５）、（９）を用いて、許容エネルギー量Em
に対応した照明光量Ifmを求める。

第３図に示すように、例えばフィルター6a（減衰率
零）のもとでノーマル露光モードにしたときの照明光量
をIf₂、フラッシュ露光モードにしたときの照明光量をI
f₁とすると、算出された許容照明光量IfmがIf₁よりも大
きいときは、それ以上照度を上げることはできない。一
方、許容照明光量IfmがIf₁とIf₂の間にあるときは、フ
ィルターを6aにしたままランプ１の発光強度を調整する
ことができる。

この照明光量If₁、又はIf₂の実測値は、光電センサー
25により検出され、データ記憶部20Aに記憶されている
ので、演算部20Bは、加算回路24Fに印加される電圧Vpの
補正演算を行なう。フラッシュ・モードのときの電圧Vp
がVp₁であるとすると、第３図に示すように、許容照明
光量Ifmを得るための電圧Vpは、次の式（11）により求
められる。

Vp＝Vp₁−ΔVp₁＝Vp₁・（Ifm/If₁） ……（11）ノーマル・モードのときも同様で式（12）により求め
る。

Vp＝Vp₂−ΔVp₂＝Vp₂・（Ifm/If₂） ……（12）そして演算部20Bは、フラッシュ・ノーマル制御部20C
へ算出した新たな電圧Vpに応じた信号S₃を出力する。こ
れによって、実露光時は許容照明光量Ifmとほぼ等しい
照度が得られるように、ランプ１はフラッシュモード
（シャッター４の開放中のみ公称定格電力よりも大きな
電力により点灯）で駆動される。

次に、フィルター６による減衰が零の状態で算出され
た許容照明光量Ifmが、ノーマル露光時の照明光量If₂よ
りも低い場合を、第４図を参照して説明する。通常の水
銀ランプは、定格入力電力よりも小さな電力で駆動する
と、放電が不安定になったり、放電が停止してしまう。
このため、定格電力よりも下げてランプ１を駆動するこ
とはさける必要がある。そこでこの場合は、フィルター
６による減衰と組み合わせて制御する。

まず第４図に示すように、フィルター６の切り替えに
よって変化する照明光量の供給電力調整による制御範囲
を確認する。例えばフィルター6aの減衰率を零（透過率
βは1.0）、フィルター6bの減衰率を20％（β＝0.8）、
フィルター6cの減衰率を40％（β＝0.6）そしてフィル
ター6dの減衰率を60％（β＝0.4）とすると、許容照明
光量Ifmは、フィルターの透過率βが0.6、又は0.4のと
きに、制御範囲内に入いることがわかる。そこで演算部
20Bは減衰率が40％（β＝0.6）のフィルター6cを選んで
セットする。同時に演算部20Bは制御範囲の上限β・I
f₁、又は下限β・If₂を求める。次に演算部20Bは次の式
（13）の関係から、目標照明光量Ifrを求める。

この目標照明光量Ifrは、フィルター６による減衰が
零だった場合に、レチクル上で得られるべき照度に対応
している。この式（13）からも明らかなように、適正な
減衰率（透過率β）が定まれば、IfrはIfr＝Ifm/βによ
り一義的に求められる。またIfrはかならずIf₂IfrI
f₁に設定される。後は、先の式（11）、又は（12）のIf
mにIfrを代入して、以下の演算によりランプ供給電力に
対応した電圧Vpを求める。

以上、第２の動作モードでは、投影レンズを許容平均
入射エネルギー量Emで決まる限度いっぱいのところで使
うことができるため、露光シーケンス上の効率が最もよ
くなるといった利点がある。

〔３〕第３の動作モードこの動作モードは、主制御系20内の安定化部20Dを用
いてランプ１の発光強度を一定値に安定させるものであ
る。一般に水銀ランプの発光強度は入力電力に応じて変
化するが、そのリニアリティはあまりよくない。そこで
露光中のレチクル上照度を光電センサー25で検出し、ラ
ンプ１の発光強度の変化分を補正する電圧Vdをアンプ24
G、減算回路24H、及び安定化部20Dによって作り出し、
この電圧Vdを加算回路24Fにより電圧Vpに加えてランプ
１の発光強度を安定化する。この場合、ノーマル露光モ
ードのときはスイッチ24Jを第２図に示した位置に固定
しておくが、フラッシュ露光モードのときはシャッター
４の開放中のみスイッチ24Jを第２図の位置にし、他の
非露光期間中はスイッチ24Jをアースに落すように信号S
₅によって切り替える。

さて、例えば先に説明した方法で、許容照明光量Ifm
が定められたとすると、演算部20Bはアンプ24Gが許容照
明光量Ifmのときに出力すべき信号S₁の大きさを算出
し、その値を信号S₄として安定化部20Dへ送る。安定化
部20Dはフィルター６による減衰が行なわれる場合は、
その減衰率（透過率β）に応じて減算回路24Hの増幅率
を補正するとともに、信号S₄で入力した値を信号S₆とし
て減算回路24Hに印加する。減算回路24Hは、光電センサ
ー25が照明光を受光している間は次の式（14）により電
圧Vdを算出する。

Vd＝（S₆−S₁）／β ……（14）従って１ショットの露光動作中、ランプ１の供給電力
を決定する基準値Vrは式（15）で表わされる。

Vr＝Vp＋Vd＝Vp＋（S₆−S₁）／β ……（15）このため、例えばランプ１の発光強度が照明光量Ifm
に対応した値から増大すると、電圧Vdは負方向に変化
し、基準値Vrを低下させる。これによってランプ１の発
光強度は低下し、常に一定の発光強度を維持するように
フィードバック制御が行なわれる。

以上、本発明の第１の実施例においては、照度減衰用
のフィルター６として、離散的なものを用いたが、連続
可変のものでもよいことは言うまでもない。連続可変方
式の場合、照明光路中で開口径を可変にするものは、投
影レンズ10の瞳面にできる光源像（フライアイレンズ７
の射出端の光源像）の大きさを変化させ、ウェハ面上で
の照明光の開口数（N.A.）を変化させることがあるので
あまり好ましくない。従って、照明光束の径（特に瞳面
での径）を変えずに減光するフィルターがよい。またフ
ィルターの材質としては、金属板又はセラミック板にラ
ンダムな配置で微小孔を形成したもの、あるいは金属性
のメッシュを用いると、ランプ１からの強力な照明光の
照射による高温化に耐え得るので好都合である。またフ
ィルターは１枚、ないし複数枚を組み合わせる構成に
し、その組み合わせ枚数を自動的に切り替えるようにし
てもよい。

また本実施例で説明した露光時間効率τについては、
ステッパーのウェハ処理のシーケンスによって最適な演
算を行なう必要がある。とくに、ウェハＷ上の各ショッ
ト領域SA毎にマークを検出して位置合わせを行なうダイ
・バイ・ダイ（又はサイト・バイ・サイト）方式の場
合、１ショット毎のアライメント時間をTalg₂、グロー
バルアライメントの時間をTalg₁とすると、先の式
（６）は式（6a）のようになる。

Tss＝Ns（Tstp＋Talg₂）＋Talg₁＋Tc ……（6a）次に本発明の第２の実施例を第５図を参照して説明す
る。第１の実施例と異なる点は、許容平均入射エネルギ
ー量Emに達するか否かを、レンズコントローラ12で算出
されている特性変動予測値から判断する点である。第５
図に示した方法は、特開昭63-58349号公報に開示された
方法と同じである。

さて第５図において、時間t₁、t₂……t₁₂は一定時間
Δｔ（2mSec〜5Sec）毎のサンプリング時刻を表わし、
レンズコントローラ12は時間Δｔの間に投影レンズ10へ
入射したエネルギー量ΔＱを式（16）によって求める。

ΔＱ＝η・If・Δｔ・（１＋Ｋ・Kw）・Du ……（16）ここでDuは、Δｔ内におけるシャッター４の開時間合
計の比率である。そしてあるサンプリング時刻tnでの予
測値Ynを用いて、次のΔｔ後の時刻t_n+1での予測値Y_n+1
を求める。ここで投影レンズ個有の特性変動の減衰率
（Δｔの間に変動値が初期値から変化する率）をCt（０
＜Ct＜１）とすると、レンズコントローラ12は式（17）
を演算する。

Y_n+1＝Ct（Yn＋ΔＱ） ……（17）以下、レンズコントローラ12はΔｔの経過のたびに式
（17）を演算していくことで、入射エネルギー量のリア
ルタイムな変化特性を求める。そしてこの変化特性に従
って倍率や焦点の変動を補正していく。そこで例えば時
刻t₁からt₆までは、Δｔ間の入射エネルギー量ΔＱがΔ
Q₁とすると、主制御系20は各サンプリング時刻毎に予測
値Ynをモニターし、許容平均入射エネルギー量Emに対応
して定められた許容値Ymを超えるか否かを判断する。第
５図で主制御系20は時刻t₆の時点で許容値Ymを超えると
判断し、時刻t₆以降はレチクル上の単位時間当りの照明
光量Ifを減光フィルター６、又はランプ制御により低下
させる。もちろんこれに伴って露光時間Texpも少し長く
なる。従って次のサンプリング時刻t₇からは新たな入射
エネルギー量としてΔQ₂（ΔQ₂＜ΔQ₁）が使われる。

この結果、予測値の変化は、特性Caから特性Cbのよう
に変更され、許容値Ym以下に押えられる。尚、第５図で
時刻t₁₀以降は露光が行なわれないため、予測値Y₁₁、Y
₁₂は単調に減少していく。

以上、本実施例によれば、ほぼリアルタイムで算出さ
れる入射（蓄積）エネルギー量の予測値に基づいて、投
影レンズのエネルギー量に関する限界値を判断するの
で、１枚のウェハの露光処理中においても、限界まで投
影レンズを用いることができる。尚、第１の実施例で求
めた許容平均入射エネルギー量Emと本実施例で求めた許
容値Ymとの兼ね合いで照度調整の限界値、あるいは照度
調整量を決定してもよい。

また、１枚のウェハの露光動作中に照度を変える場合
は、式（16）の演算において、Ifが変化することになる
ので、Δｔ間の新たな入射量ΔＱを求めるために、光電
センサー25からの信号S₁をΔｔの間だけ積算する積分回
路を設け、その積分値を式（16）のIf・Δｔ・Duの代り
に用いればよい。

以上本発明の第１、第２の実施例においては、水銀ラ
ンプを用いたステッパーについて説明したが、紫外域の
強力なレーザビームを発生するエキシマレーザ源を光源
としたステッパーでも全く同様の効果が得られる。

エキシマレーザの場合は、パルス発振であるため、各
パルス毎の光量（例えばピーク値）やパルス間隔（発振
周期）を調整すればよい。また、フィルター６の減衰率
を正確に知る必要があるときは、レチクルＲがない状態
でウェハステージ11上の照度センサー21を用いると、極
めて簡単に減衰率を求められる。さらに、各実施例で
は、レチクルのパターンの粗密、透明部の有無等に起因
した透過率を論じたが、エマルジョンマスク等ではパタ
ーンそのもののコントラストが中間調であるため、照度
センサー21はパターンコントラスト（濃度）を測定する
ことになる。このエマルジョンマスクの場合にも、本発
明を同様に適用することができる。

ところで各実施例では、ステッパーを例にしたが、投
影光学系を用いたミラープロジェクションアライナー、
等倍投影レンズによる一括露光装置でも同様の効果が得
られる。さらに、本発明はＸ線露光装置に対しても同様
の考え方で、マスクの熱影響の対策を行なうことができ
る。第６図は典型的なＸ線露光装置の構成を示し、Ｘ線
源1AからのＸ線1BはマスクＭのパターン領域PAを介して
プロキシミティ・ギャップで配置されたウェハＷへ達す
る。マスクＭは一般的には、シリコン基板の中央をくり
ぬいたフレームMfと、フレームMfの下面に配設されたポ
リイミド等の薄膜（１〜５μｍ厚）Msから成り、パター
ン領域PAは薄膜Ms上に金属等のＸ線吸収体を蒸着して形
成される。この場合、Ｘ線源1AがSOR等のように強力な
Ｘ線1Bを発生すると、パターン領域PAの金属層はＸ線の
吸収により温度変化を起す。このためパターン領域PAが
熱膨張を起し、マスクＭのパターン面の平面性が失なわ
れる。そこでＸ線1Bの照度を低下させるためのフィルタ
ー6Aを設けるか、Ｘ線源1Aを制御する系を設け、熱膨張
の影響が生じない又は一定となるようににマスクＭへ照
射されるＸ線の照度を押える。マスクＭの熱膨張は、パ
ターン領域PA内の金属層の面積に対応しているので、ウ
ェハステージ18上にＸ線センサー21Aを設けてマスクＭ
のＸ線に対する透過率（又は濃度）を計測し、許容値以
上になるときはフィルター6Aを挿入すればよい。

〔発明の効果〕

以上本発明によれば、投影光学系もしくはマスクに照
明光（エネルギー線）のエネルギーが蓄積することによ
って生じる影響を、マスクの透過率や吸収率の差異にか
かわらず、ほぼ一定に近づけることができ、極めて歩留
りよく半導体製造ができ、しかも露光シーケンス上の効
率を格段に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による露光装置の構成を示す斜
視図、第２図は主制御系を中心とした各部の具体的な構
成を示すブロック図、第３図、第４図は照度調整の方法
を説明する図、第５図は投影光学系の入射エネルギー量
の予測演算の方法を説明するグラフ、第６図はＸ線露光
装置の構成を示す図である。〔主要部分の符号の説明〕１……ランプ４……シャッター６……減光フィルター 10……投影レンズ 12……レンズコントローラ 20……主制御系 21……照度センサー 23……駆動系 24……電力供給源 25……光電センサーＲ……レチクルＷ……ウェハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−216547（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−201418（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−192233（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−192232（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−78454（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−19129（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−126071（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−141923（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−126073（ＪＰ，Ａ) 特開平１−161831（ＪＰ，Ａ) 特許2550579（ＪＰ，Ｂ２) 特許2550658（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上の所定領域を照明光で照明し、該
所定領域内に形成されたパターンの像を投影光学系を介
して感光基板へ露光する露光装置において、前記照明光のうち前記マスクを介して前記投影光学系へ
入射する照明光のエネルギー量に応じた第１の情報を入
力するための入力手段と、前記パターンの像の前記感光基板への露光時間と非露光
時間とに基づいて露光時間効率に関する第２の情報を予
め算出するとともに、前記第１の情報と前記第２の情報
とに基づいて前記投影光学系に蓄積され得るエネルギー
量に関する第３の情報を予め算出する演算手段と、予め設定された前記投影光学系の許容蓄積エネルギー量
に関する第４の情報と前記第３の情報とを比較し、その
比較結果に基づいて前記照明光の照度を調整する照度調
整手段とを備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項２】マスク上の所定領域にエネルギー線を照明
するエネルギー源と、前記エネルギー線の一部を吸収す
る特性を有し、前記マスクの所定領域内に形成されたパ
ターンを感光基板へ投影する投影手段とを備えた露光装
置において、所定の露光動作条件と前記エネルギー線の照度に応じた
値とに基づいて、前記投影手段に蓄積され得るエネルギ
ー量に対応した第１の値を算出し、予め設定された許容
蓄積エネルギー量に対応した第２の値との大小関係を算
出する演算手段と、前記演算結果に基づいて、前記第１の値が前記第２の値
以下になるように前記エネルギー線が前記投影手段に吸
収される量を調整する調整手段とを備えたことを特徴と
する露光装置。
【請求項３】エネルギー源は、水銀ランプ又はエキシマ
レーザーであることを特徴とする請求項２に記載の露光
装置。
【請求項４】前記調整手段は、前記エネルギー源と前記
マスクとの間に配置されたフィルター、及び／又は前記
エネルギー源から照明するエネルギー線の量を変更する
加算回路とを有することを特徴とする請求項２に記載の
露光装置。
【請求項５】エネルギー線を照射するエネルギー源と、
前記エネルギー線の一部を吸収する特性を有し所定領域
が形成されたマスクとを備えた露光装置において、所定の露光動作条件と前記マスクを透過したエネルギー
線の照度に応じた値とに基づいて、前記マスクに蓄積さ
れ得るエネルギー量に対応した第１の値を算出し、予め
設定された許容蓄積エネルギー量に対応した第２の値と
の大小関係を算出する演算手段と、前記演算結果に基づいて、前記第１の値が前記第２の値
以下になるように前記エネルギー線が前記マスクに吸収
される量を調整する調整手段とを備えたことを特徴とす
る露光装置。
【請求項６】マスク上のパターンをエネルギー線で照明
し、前記パターンの像を投影光学系を介して感光基板へ
露光する露光方法において、前記エネルギー線のうち前記マスクを介して前記投影光
学系へ入射するエネルギー線のエネルギー量に応じた第
１の情報と、前記パターンの像の前記感光基板への露光
時間と非露光時間とに基づいて露光時間効率に関する第
２の情報とに基づいて、前記投影光学系に蓄積され得る
エネルギー量に関する第３の情報を予め算出する工程
と、予め設定された前記投影光学系の許容蓄積エネルギー量
に関する第４の情報と前記第３の情報とを比較し、その
比較結果に基づいて前記照明光の照度を調整する工程とを備えたことを特徴とする露光方法。
【請求項７】エネルギー源からエネルギー線をマスクに
照射する露光方法において、所定の露光動作条件と前記マスクを透過したエネルギー
線の照度に応じた値とに基づいて、前記マスクに蓄積さ
れ得るエネルギー量に対応した第１の値を算出し、予め
設定された許容蓄積エネルギー量に対応した第２の値と
の大小関係を算出する工程と、前記算出結果に基づいて、前記第１の値が前記第２の値
以下になるように前記エネルギー線が前記マスクに吸収
される量を調整する工程とを備えたことを特徴とする露光方法。