(57)【要約】      （修正有）【課題】  露光光の高NA化に有利な光検知センサを備える露光装置を提供する。【解決手段】  原版のパターンの像を投影光学系によって基板に投影して前記基板を露光する露光装置であって、基板ステージ内に投影光学系から出射された光を検知するセンサを備える。センサは、開口を有する遮光膜５と、受光面を有する受光素子３と、開口を有する遮光膜と受光素子との間に配置され、開口を通過した光を受光素子に向けて反射させる反射面１ｃとを含む。そして、反射面は、反射面と受光面とが鋭角をなすように配置されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原版のパターンの像を投影光学系によって基板に投影して前記基板を露光する露光装置であって、
前記投影光学系から出射された光を検知するセンサを備え、
前記センサは、開口を有するパターンと、受光面を有する受光素子と、前記開口を有するパターンと前記受光素子との間に配置され前記開口を通過した光を前記受光素子に向けて反射させる反射面とを含み、前記反射面は、前記反射面と前記受光面とが鋭角をなすように配置されている、
ことを特徴とする露光装置。
【請求項２】
前記反射面は、円錐台プリズム又は多角錐台プリズムにより構成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。
【請求項３】
前記センサは、前記投影光学系側に透過性基板をさらに含み、
前記開口を有するパターンは、前記透過性基板に設けられた遮光膜に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の露光装置。
【請求項４】
前記開口を有するパターンは、ピンホールパターン又はラインアンドスペースパターンであることを特徴とする請求項請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の露光装置。
【請求項５】
前記センサは、前記投影光学系側に透過性基板をさらに含み、
前記反射面は、円錐台プリズム又は多角錐台プリズムにより構成され、
前記開口を有するパターンは、前記透過性基板に設けられた遮光膜に形成され、
前記プリズムと前記透過性基板とは、オプティカルコンタクトで接合させていることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
【請求項６】
前記露光装置が、前記投影光学系の下端面と前記基板の表面との間に液体を提供して前記基板を露光する液浸露光装置であり、前記受光面と前記反射面とがなす角度は、８３度以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の露光装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
前記露光された基板を現像する工程とを備えることを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体メモリや論理回路等の微細な半導体素子又は液晶表示素子を製造する際に、マスク（レチクル）に描画された回路パターンを投影光学系によってウエハ等の基板に投影して回路パターンを転写する縮小投影露光装置が従来から使用されている。縮小投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数(NA)に反比例する。したがって、波長を短くすればするほど、また、NAを上げれば上げるほど、解像度は良くなる。近年では半導体素子の微細化への要請に伴い、より小さい解像度が要求されている。
【０００３】
投影光学系の高NA化の手法として現在注目されているのが液浸型の露光装置である。液浸露光とは投影光学系のウエハ側（像面側）の媒質を液体にすることによって高NA化を更に進めるものである。つまり、投影光学系のNAは液浸剤の屈折率をnとすると、NA=n・sinθであるので、投影光学系とウエハの間が空気である従来露光装置のNAは１を限界値としていた。そこで、投影光学系とウエハとの間を空気よりも屈折率が高い媒質（液体）で満たすことで、媒質の屈折率までは投影光学系のNAを拡大することが可能となる。これによりますます高まる解像度向上の要求に応える露光装置を提供できるようになる。
【０００４】
さらに、露光装置を制御するには装置状態を管理するために種々の物理量をモニターする必要がある。例えば、露光量や結像位置の計測等を例に考えると、これらの量は実際の投影光学系を透過した露光光をモニターすることで取得され、装置の制御に使われる。当然、光量センサには、液浸状態つまり最大NA時の物理量をモニターできる能力が要求される。
【０００５】
前記光量センサは、光量を電気信号に変換するフォトダイオード等の光電変換デバイスを用いており、一般的にフォトダイオードは湿気に弱い。したがって、フォトダイオードに液浸材が浸入しないよう、投影光学系の像面側に透過性基板を配置し液浸材をブロックする必要がある。
【０００６】
そうすると、測定時は、前記投影光学系の像面側に配置された透過性基板を介して受光するため、液浸法によって投影光学系のＮＡが１を超えた光は、透過性基板の出射面側で全反射を起こし受光面に光が到達できなくなる。この問題を解決する方法として、前記透過性基板と平凸レンズとをオプティカルコンタクトさせることで、ＮＡが１を超えた光が透過性基板の出射面で全反射しないようにする方法が考えられている。その他の方法として、透過性基板の出射面を拡散面にする構成や、円柱プリズムの側面の反射作用を用いて受光面まで導光させる構成や光ファイバを用いること等が提案されている（特許文献１〜３）。
【特許文献１】特開２００５−２６８７４４号公報
【特許文献２】特開２００５−１７５０３４号公報
【特許文献３】特開２００５−２２３２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら上記の従来技術では以下のような問題が残っていた。
【０００８】
平凸レンズを用いて集光させる構成では、透過性基板を出射する出射角度がほとんど保たれたまま受光面に入射するため受光素子の角度特性による計測誤差が大きくなる問題がある。この問題を解決するために、平凸レンズの後にさらに複数枚のレンズを配置し、センサへの入射角度を抑える構成も考えられるが、レンズ枚数が増えるので構成が複雑になるという問題がある。さらに、平凸レンズを出射する角度が大きいとセンサの受光素子を大きくしなければならず、スペースの確保や受光面の大きいセンサの製造が困難になってしまうという問題もある。受光面が大きくならないように、透過性基板とセンサの受光面の距離を近づけると、照明系のコヒーレントファクタσが小さい照明モード（小σ）での計測時には、受光素子に入射する面積が小さく絞られるためにエネルギーが集中し、センサの耐久性が問題となる。
【０００９】
また、上記従来技術の円柱プリズムの側面で反射させて受光面まで導光させる構成では、入射した光のNAが保たれたまま円柱プリズムの出射面に光が到達するため、高NAの光は出射面で全反射を起こし、透過しなくなる。このため、円柱プリズムの出射面と受光素子をオプティカルコンタクトさせる構成や、円柱プリズムの出射面を曲面形状にする構成が考えられているが、以下のような問題がある。
【００１０】
まず、前者の円柱プリズムの出射面と受光素子をオプティカルコンタクトさせる構成では、一般に円柱プリズムと受光素子の材質は異なる。材質の違う部品同士のオプティカルコンタクトは接着強度が弱く、剥れやすいため実装には向かない。また、後者の円柱プリズムの出射面を曲面形状にする構成では、入射光のＮＡがほとんど保たれたままプリズムを出射し、受光面に入射することになる。したがって、受光素子の角度特性による計測誤差が大きくなる、センサの受光素子を大きくする必要がある等の問題がある。
【００１１】
次に、透過性基板の出射面を拡散面にする構成や、光ファイバーを用いる構成は、光学素子の製造が困難あるいは構成が複雑になるという問題がある。
【００１２】
本発明は、露光光の高NA化に有利な光検知センサを備える露光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、原版のパターンの像を投影光学系によって基板に投影して基板を露光する露光装置であって、投影光学系から出射された光を検知するセンサを備え、センサは、開口を有するパターンと、受光面を有する受光素子と、開口を有するパターンと受光素子との間に配置され開口を通過した光を受光素子に向けて反射させる反射面とを含み、反射面は、反射面と受光面とが鋭角をなすように配置されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、露光光の高NA化に有利な光検知センサを備える露光装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
［計測器の実施形態］
図１は、露光装置が液浸露光装置である場合の実施形態を示す概略図である。本実施形態の液浸露光装置は、光源を含み光源から出射される光束をマスク(原版)Ｍに導く照明光学系ＩＬと、マスクＭのパターンの像を感光性材料が塗布された基板Ｐ上に投影露光する投影光学系ＰＬを備えている。また、投影光学系ＰＬの下端面と基板Ｐの表面との間に液体（液浸剤）Ｗに提供して露光を行い、高ＮＡ化を実現している。光量センサＵは、基板Ｐと同じ高さになるように、基板ステージＰＳ内に配置されている。センサは、光量センサ以外の、投影光学系から出射された光を検知するセンサであり得る。
【００１６】
図２は、光量センサＵの概略図である。１は円錐台プリズム、２は透過性基板、３は受光素子、４は保持構造、５は遮光膜であり開口を有するパターン６が形成されている。液浸剤Ｗとして純水等の液体が使用されている。円錐台プリズム１に換えて多角錐台プリズムも使用可能である。
【００１７】
円錐台プリズム１は、例えば石英から成っており、円錐台プリズム１と円錐台プリズム１の外気（空気）との屈折率差による全反射を用いて、側面（反射面）で高ＮＡの光を偏向させるようにしている。円錐台プリズム１において、液浸剤側の円錐台プリズムの上面を１a、受光素子側の下面を１ｂ、側面を１ｃとする。円錐台プリズムの側面１ｃは受光素子３の受光面及び透過性基板と鋭角をなしている。側面１cは、パターン６と受光素子３との間に配置され、開口を通過した光を受光素子３に向けて反射させる反射面として機能する。このことによって開口を通過した高ＮＡの光でも円錐台プリズム側面１ｃで全反射し、円錐台プリズムの１bの面に入射する角度が浅くなり、１bの面を透過し受光素子３に入射することができる。
【００１８】
透過性基板２は、遮光膜５が施されている面が液浸剤に接するように配置されており、円錐台プリズム１は、断面の径が大きい方の面１ｂが受光素子３側に向くように配置されている。なお、円錐台プリズム１の断面の径が小さい方の面１aと透過性基板２の遮光膜が施されていない面とをオプティカルコンタクトさせている。ここでは、露光光として波長１９３nmのＡｒＦレーザー光を用いる場合を考慮し、一般的に接着剤がＡｒＦレーザー光に対して耐久性が無いことから、オプティカルコンタクトによって接合をおこなっている。したがって、円錐台プリズム１と透過性基板２の材質は同じであることが望ましい。
【００１９】
透過性基板２には遮光膜５が施されており、計測したい露光装置の性能に合わせてピンホールパターンやラインアンドスペースパターン等の開口を有するパターン６がパターンニングされている。また、透過性基板２のパターン面には撥水コートを施しても良い。
【００２０】
透過性基板２の外径は前記円錐台プリズム１の径より大きい平行平板であることが望ましい。以下、その理由を説明する。透過性基板２の外径が円錐台プリズム１の径より小さい場合、透過性基板２又は円錐台プリズム１を受光素子３の直上で保持する保持構造４が必要となる。この構成では、円錐台プリズム１と保持構造４の隙間から液浸剤が漏れ、受光素子が濡れてしまうおそれがある。したがって、受光素子３から十分離れた位置で透過性基板２又は円錐台プリズム１を保持する必要があり、透過性基板２の外径は、円錐台プリズム１の径より大きいことが望ましい。また、その他の理由として、製造上の問題もある。前述のように遮光膜の開口パターンは計測する露光装置の性能に合わせて様々なパターンがパターンニングされており、数nmオーダーの開口パターンである場合もある。このような微細なパターンニングを行うには、プリズム面や径の小さい基板面よりも、所定の大きさの径を持った平行平板の方が製造上容易となる。
【００２１】
また、受光素子３として光量を電気信号に変換するフォトダイオード等の光電変換デバイスが用いられている。一般に上記デバイスには、光線の入射角度が大きくなると出力される値が小さくなる角度特性があり、この角度特性を抑えるために受光素子の改良が進められている。
【００２２】
図６は、本実施例で使用する受光素子の入射角度特性のグラフである。我々は、光線の入射角度を４５度以内にすることで、入射角度特性がほとんど現れないことを確認した。
【００２３】
次に図３を用いて、円錐台プリズム側面の傾斜角度αの最適値について説明する。図３には、受光素子３に取り込みたい最大ＮＡの光線Ａに関して示されており、その光線Ａの入射角度、透過角度等を以下のとおり表現するとする。ここで、透過性基板２と円錐台プリズム１の材質は同じとする。
【００２４】
液浸剤Ｗを通過し透過性基板２に入射する角度：θ１Ａ
透過性基板２を透過する角度：θ１'Ａ
円錐台プリズムの出射面１ｂに入射する角度：θ２Ａ
円錐台プリズムの出射面１ｂを透過する角度（＝受光面への入射角度）：θ２'Ａ
円錐台プリズムの側面１ｃに入射する角度：θ３Ａ
円錐台プリズムの側面１ｃの傾斜角度：α
液浸剤Ｗの屈折率：Ｎ１
透過性基板２と円錐台プリズム１の屈折率：Ｎ２
円錐台プリズム１の外気の屈折率：Ｎ３
上記の角度間の関係式は、下記（１）〜（４）のとおりである。
【００２５】
N１×sinθ１Ａ＝N２×sinθ１'A・・・（１）
N２×sinθ２A＝Ｎ３×sinθ２'A・・・（２）
θ３A=１８０−θ１'A−α・・・・・・・・・（３）
θ２A=２×α+θ１'A−１８０・・・・・・・（４）
ここで、露光光として波長１９３nmのＡｒＦレーザー光、液浸剤Ｗとして純水、透過性基板２と円錐台プリズム１の硝材を石英、円錐台プリズムの外気を空気とすると、N１＝１.４４、N２＝１.５６、N３＝１となる。この時、石英から空気へ入射する光線の全反射条件は、臨界角θc=３９.９度以上となる。
【００２６】
NA＝１の光線について検討すると、透過性基板２を透過する角度θ１'Aは式（１）より３９.９度となる。円錐台プリズムの側面１ｃが傾いていない場合（α＝９０度）、式（３）よりθ３A＝５０.１度となり、全反射条件θc=３９.９度以上であるので、円錐台プリズムの側面１ｃで全反射する。しかし、式（４）よりθ２A＝３９.９度となり円錐台プリズムの出射面１ｂで全反射を起こし、円錐台プリズムから出射することができないことが確認できる。したがって、ＮＡが１以上の光がプリズムを出射するためには、円錐台プリズムの側面１ｃは透過性基板に対して傾斜していなければならないことがわかる。すなわち、円錐台プリズムの側面１ｃと透過性基板２及び受光素子３の受光面とのなす角度は鋭角である必要がある。
【００２７】
また、受光素子３への光線の入射角度θ２'Ａを４５度以内にすれば、実質的に受光素子３の角度特性が計測誤差にならない受光素子３を用いることを仮定すると、αは８３度以下にすれば良い事が式（２）、（４）より求められる。
【００２８】
ＮＡ＝１.３の光線について検討すると、透過性基板２を透過する角度θ１'Aは５６.４度となり、受光素子３への光線の入射角度θ２'Ａを４５度以内にするためには、式（２）、（４）より、αは７５度以下にする必要があることが求められる。
【００２９】
このように、測定したい光線のＮＡ及び受光素子の入射角度特性から、円錐台プリズムの側面１ｃの傾斜角度αが決定できる。
【００３０】
図４を用いて、円錐台プリズムの側面１ｃで全反射させる必要のある光線のＮＡに関して説明する。図４のような構成で、受光素子３内に光線を集光させる場合、受光素子３への入射角度が最大となる光線は、円錐台プリズムの出射面１ｂの淵を通る光線Bとなる。
【００３１】
透過性基板２と円錐台プリズム１の硝材を同じとすると、光線Ｂに関して、透過性基板２を透過する角度と円錐台プリズムの出射面１ｂに入射する角度が等しくなり（θ１'B＝θ２B）、したがって、式（１）、（２）から、以下のとおりとなる。
【００３２】
光線の基板への入射ＮＡ＝N１×sinθ１B＝N３×sinθ２'B・・・（５）
受光素子３への最大の入射角度θ２'Ｂをある値に抑えたいのであるならば、式（５）から求められるＮＡ以上の光線は、円錐台プリズムの側面１ｃで全反射させる必要があることがわかる。
【００３３】
例えば、波長１９３nmのＡｒＦレーザー光、液浸剤Ｗとして純水、透過性基板２と円錐台プリズム１の硝材を石英、受光素子３の外気を空気とした場合について考える。受光素子３への光線の入射角度を４５度以内にするためには、式（５）より、光線の基板への入射ＮＡが０.７以上の光線は、円錐台プリズムの側面１ｃで全反射させる必要があることがわかる。
【００３４】
次に図５を用いて、偏向光学素子として円錐台プリズムを用いた構成（a）と平凸レンズを用いた構成（b）とを比較する。
【００３５】
図５の（ｂ）に示されているように、平凸レンズを用いた構成では、光線は透過性基板２を出射した角度をほとんど保ったまま受光素子３に入射することになる。したがって、ＮＡの高い光線ほど受光素子３に入射する角度が大きくなり受光素子の角度特性が大きくなり、また、受光素子３面で光線が大きく広がるため受光素子３の有効領域を大きくしなければならなくなる。
【００３６】
また図５の（ｃ）のように、受光素子３の有効領域が大きくならないように透過性基板２と受光素子３面の距離を近づけるとする。そうすると、小σで測定する場合に、受光素子３の受光面で光の照射する領域が小さくなるので、光のエネルギー密度が大きくなり受光素子の耐久性が問題となる。
【００３７】
図５の（a）のような円錐台プリズムを用いた構成では、前述のようにＮＡの大きい光線は円錐台プリズム１の側面で全反射される。そのため、ＮＡの大きい光線でも受光素子３に入射する角度は小さくなり、また所定の受光素子３の有効領域内に光線を集めることができる。したがって、照明系コヒーレンスファクターσが変化しても受光素子への入射面積がほぼ等しくなるように、透過性基板２と受光素子３を所定の距離だけ離すことができ、特に、小σ時での受光素子の耐久性が問題となることはない。
【００３８】
ここまで、側面で全反射させる光学部品として円錐台のプリズム１を例に挙げて説明してきたが、円錐台に限らず、多角錐台形状のプリズムや側面の曲線が方物面となっているプリズムでも良い。
【００３９】
また、本実施例は液浸露光装置を前提に説明してきたが、液浸露光装置に限定されることなく、投影光学系と基板との間が液体でないいわゆるドライの露光装置にも適用される。
【００４０】
［デバイス製造の実施形態］
次に、図７及び図８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７は、デバイス（半導体デバイス、液晶デバイス等）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、半導体デバイスの製造方法を例に説明する。
【００４１】
ステップＳ１（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Ｓ２（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を製作する。ステップＳ３（基板製造）ではシリコン等の材料を用いて基板を製造する。ステップＳ４（基板プロセス）は前工程と呼ばれ、マスクと基板を用いて、上記の露光装置によりリソグラフィ技術を利用して基板上に実際の回路を形成する。ステップＳ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップＳ４によって作製された基板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Ｓ６（検査）では、ステップＳ５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Ｓ７）される。
【００４２】
図８は、ステップ４の基板プロセスの詳細なフローチャートである。ステップＳ１１（酸化）では、基板の表面を酸化させる。ステップＳ１２（ＣＶＤ）では、基板の表面に絶縁膜を形成する。ステップＳ１３（電極形成）では、基板上に電極を蒸着によって形成する。ステップＳ１４（イオン打ち込み）では、基板にイオンを打ち込む。ステップＳ１５（レジスト処理）では、基板に感光剤を塗布する。ステップＳ１６（露光）では、露光装置によってマスクの回路パターンを基板に露光する。ステップＳ１７（現像）では、露光した基板を現像する。ステップＳ１８（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Ｓ１９（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基板上に多重に回路パターンが形成される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明を適用できる液浸露光装置の概略図である。
【図２】本発明を適用できる光量センサを説明するための図である。
【図３】本発明を適用できる円錐台プリズムの好ましい形状について説明するための図である。
【図４】本発明を適用できる光量センサの好ましい構成について説明するための図である。
【図５】円錐台プリズムを用いた構成と平凸レンズを用いた構成とを比較するための図である。
【図６】受光素子の角度特性を示すグラフである。
【図７】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８】図７に示すフローチャートにおけるステップＳ４の基板プロセスの詳細なフローチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１：円錐台プリズム、１a：円錐台プリズムの上面、
１b：円錐台プリズムの下面、１c：円錐台プリズムの側面（反射面）、
２：透過性基板、３：受光素子、４：保持構造、５：遮光膜、
６：開口パターン、
A：光線（受光素子内に取り込みたい最大ＮＡの光線）、
B：光線（１b面の淵を通る光線）、
ＩＬ：照明光学系、Ｍ：マスク、ＰＬ：投影光学系、Ｐ：基板、
ＰＳ：基板ステージ、W：液浸剤（液体）、Ｕ：光量センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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