(57)【要約】【課題】露光装置において、光電センサの温度変化に伴う感度変化を軽減化させて、高精度で計測露光を行う。【解決手段】露光フィールド上の照度むら等の計測を行う計測露光では、光電センサの温度変化に伴う感度変化を軽減する条件にてパルス光源を発振させて、測定精度の向上を図るとともに、ウエハ上にレチクルパターンの転写を行う通常露光では、スループットを優先した条件でパルス光源を発振させ、スループットへの影響を軽減する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光源より照明光を照射して、レチクルに形成されたパターンを感光基板の露光領域に転写する露光装置において、
露光フィールド上の光量を計測する為の計測用光電センサと
前記露光フィールド上の照度むら計測等を行う計測露光時における前記パルス光源の発振条件を決定する手段と、
ウエハ上にレチクルパターンの転写を行う通常露光と、前記計測露光とでパルス光源の発振条件を変更できる手段とを有し、
通常露光と計測露光とで、前記パルス光源の発振条件を変えることを特徴とする露光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の露光装置において、前記パルス光源の発振条件を決定する手段は、目標測定精度に応じて、前記計測用光電センサの温度変化に伴う感度変化の特性から決定することを特徴とする露光装置。
【請求項３】
請求項１に記載の露光装置において、前記パルス光源の発振条件はパルス光源の発振周波数であることを特徴とする露光装置。
【請求項４】
請求項１に記載の露光装置において、前記パルス光源の発振条件はパルス光源における発振時間と非発振時間（停止時間）との比率を表す発振ｄｕｔｙであることを特徴とする露光装置。
【請求項５】
前記計測用光電センサがフォトダイオードである請求項１〜４のいずれか１つに記載の露光装置。
【請求項６】
前記パルス光源がエキシマレーザである請求項１〜４のいずれか１つに記載の露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や液晶表示素子等を製造する際にフォトリソグラフィ工程で使用される露光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子または液晶表示素子等をフォトリソグラフィ技術を用いて製造する際に、レチクルのパターンをウエハ上に塗布された感光材とに転写する露光装置が使用されている。
【０００３】
現在、使用されている露光装置には、ウエハ上のショット領域にレチクルパターンを転写する際に、ウエハが搭載されたウエハステージを静止した状態で一括して露光を行うステップ・アンド・リピート方式の露光装置（以後、ステッパ）や、あるいはレチクルパターンの一部を投影光学系を介してウエハ上に投影した状態で、レチクル及びウエハを投影光学系に対して同期して走査することによりレチクルのパターンをウエハ上の各ショット領域に逐次転写露光するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（以後、スキャナ）等があり、露光装置の動作にはウエハ上にレチクルパターンの転写を行う通常露光と、露光フィールド上の照度むら等の計測・調整を行う計測露光とに分けることができる。
【０００４】
従来、露光フィールド上の照度むら等を計測する計測露光時には、ウエハステージ上に設置された照度むらセンサを使用している。この照度むらセンサには出力が飽和しないように、受光面の上部に減光素子（ＮＤフィルタ）が設置されている。このＮＤフィルタは非常に透過率が低く（１［％］程度）、照度むらセンサに入射された光量の９９［％］程度はＮＤフィルタにて吸収、反射し、残った僅かな光量が照度むらセンサの検出部を照射している。
【０００５】
ところが、ＮＤフィルタにて吸収される光量が多いので、ＮＤフィルタは発熱を引き起こし易い。ＮＤフィルタで生じた熱エネルギは拡散により照度むらセンサの温度を上昇させて、その結果、照度むらセンサの出力を変動させるという問題点があった。
【０００６】
たとえば、露光フィールド上の照度むら計測において、照度むらセンサで感度変化が生じた場合には、感度変化による計測誤差の影響も含めて、スリットなどにより照度むらの調節が行われるので、結果的に通常露光時の露光フィールド上には照度のむらを作る原因となる。
【０００７】
一方、通常露光中のウエハ上の露光量を間接的にモニタする積算露光量センサにおいても同様に温度変化が生じるが、ビームスプリッタによって分割された僅かな光量を検出しているので、照度むらセンサと比較すると温度の変化量は僅かである。
【０００８】
この対策として、特開平９−２２１２０号公報においては、照明光の一部の光束の光量を計測する光電センサと、光電センサの受光面の温度を検出する温度検出手段とを備え、温度検出手段により検出された温度に基づいて光電センサの温度変化に伴う感度変化を補正するように構成している。
【０００９】
あるいは、照明光の一部の光束の光量を計測する光電センサと、光電センサの受光面の温度を検出する温度検出手段と、光電センサの受光面の温度を制御する温度制御手段とを備え、温度検出手段の検出値に基づいて温度制御手段を制御し、光電センサの受光面の温度を安定化し、温度変化に伴う感度の変化を一定に保つように構成している。
【００１０】
また、特開平１１−１８６１４８公報で提案された方法は、光電センサの暗電流または順方向電圧を検出し、その検出値に基づいて、光電センサの出力に対するゲインを制御するか、または光電センサの受光面の温度を制御するように構成している。このとき、照明光がパルス状の照明光である場合、暗電流または順方向電圧は、パルス状の照明の合間に検出する構成をしている。
【００１１】
上記提案では暗電流や順方向電流が温度に依存する特性を用いて、暗電流または順方向電流を検出することにより、光電センサの温度変化に伴う感度変化を補正している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記した特開平９−２２１２０号公報や特開平１１−１８６１４８号公報の提案により、照度むらセンサの温度変化に伴う感度変化による影響を正確に補正することは難しい。
【００１３】
上記に記載した特開平９−２２１２０号公報においては、照度むらセンサの受光面の近傍に温度検出手段を備えても、照度むらセンサと温度検出手段が別物であるがゆえに若干の温度差が生じ、正確に照度むらセンサの受光面の温度を検出することができず、照度むらセンサの感度を正確に安定化することができなかった。
【００１４】
さらに温度検出手段や温度制御手段を設置することは、ウエハステージ構成を複雑にし、温度的な安定性を低下させるのもである為、ウエハステージ等の性能劣化や装置のコスト高も懸念される。
【００１５】
また、特開平１１−１８６１４８公報においては、照度むらセンサの暗電流もしくは順方向電圧を検出し、照度むらセンサの温度変化に伴う感度変化の影響を補正または補償する構成であるが、センサは同じ型番のものであっても、それぞれ固有の特性をもつために特性がそれぞれ異なっている可能性がある。そのため、同じ型番のセンサから同じ大きさの暗電流が検出されたとしても、同量の温度変化に伴う感度変化が生じているとはいえない。
【００１６】
さらに、暗電流や順方向電流は照度むらセンサの使用時間とともに変化することが知られている。同公報では照度むらセンサの使用時間を考慮していないために、長期にわたって照度むらセンサの温度変化に伴う感度変化を補正することは困難であった。
【００１７】
このように、照度むらセンサで温度変化に伴う感度変化が生じた場合、その影響を正確に補正することは難しい。
【００１８】
照度むらセンサにおいて温度変化に伴う感度変化が生じる原因は、光電センサが照射される光量によって発熱するからである。したがって照射する光量を減らすことで、温度変化に伴う感度変化の変化量を低減させることができるが、露光装置のスループットを大きく悪化させてしまうために現実的ではない。
【００１９】
そこで本発明では、
通常露光と比較して、計測露光の使用頻度は低くいこと、
また計測露光は、照度むらの計測・調節等に用いられ、露光精度に及ぼす影響が大きいこと、
計測露光時でのみ用いられる照度むらセンサは積算露光量センサと比較して、受光面に照射される光量が多く、そのため温度変化に伴う感度変化の影響を受け易いこと、
以上のことから、スループットへの影響を最小限に抑えて、照度むら等の測定精度を向上させるために、計測露光と通常露光とでそれぞれ適した発振条件にてパルス光源を発振させることを提案するものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、
計測露光時の目標測定精度に応じて、ウエハステージ上に設置された計測用光電センサの温度変化に伴う感度変化の特性からパルス光源の発振条件を決定する手段と、
通常露光と計測露光とで、それぞれ異なった発振条件でパルス光源を制御する手段と、
前記発振条件に基づいて照明光を照射できるパルス光源と、
を提案するものである。
【００２１】
また前記パルス光源の発振条件はパルス光源の発振周波数と、パルス光源における発振時間と非発振時間（停止時間）との比率を表す発振ｄｕｔｙであるものとする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１、２を用いて本発明の実施の形態に係る露光装置の説明を行う。図１は露光装置の概略構成である。図１において１はパルス光源であるエキシマレーザであり、パルス状の照明光を発生する。２はビーム整形光学系であり、エキシマレーザ１から出射された照明光が、所望の断面形状の平行光束に整形される。３は１／４波長板であり、ビーム整形光学系２を通った直線偏光の照明光を、円偏光に変換する。４は反射鏡、５はフライアイレンズであり、フライアイレンズ５の射出面には多数の光源像が形成され、これにより照明光の照度分布の平坦化が行なわれる。６はビームスプリッタであり、フライアイレンズ５を通った照明光がここで分割される。７は後述のレチクルを均一な照度分布で照明するためのレンズ群、８は反射鏡である。  ９はレチクル、１０は投影光学系、１１はウエハであり、レチクル９上のパターンが、投影光学系１０を介してウエハ１１に投影転写される。１２はウエハステージであり、このステージを制御することでウエハ上の所望する部位を露光することができる。１３は照度むらセンサであり、露光フィールド上の照度むらを計測する際に用いられる。１４はビームスプリッタ６で反射された光を集める集光レンズ、１５は積算露光量センサであり、通常露光中のウエハ上の露光量を間接的にモニタする。１６は主制御系であり、照度むらセンサ１３や積算露光量センサ１５の出力より、エキシマレーザ１等の制御を行う。
【００２３】
図２はエキシマレーザ１における各発振条件（発振周波数、発振ｄｕｔｙ）を変えた場合の出力波形を示す。同図（ａ）はエキシマレーザの最高発振周波数での波形、同図（ｂ）は発振ｄｕｔｙを変えた場合の波形、同図（ｃ）はエキシマレーザの発振周波数を下げた場合の波形である。同図中のＳはエキシマレーザ１の発振開始時間を示す。照明光を休止時間と照射時間の割合（（照射時間：ＴＯＮ）／（照射時間：ＴＯＮ  ＋  休止時間：ＴＯＦＦ））をｄｕｔｙとする。このとき、同図（ａ）に示す通常露光時（エキシマレーザの最高発振周波数）の状態をｄｕｔｙが１００パーセントであるとすると、図４（ｂ）に示す波形のｄｕｔｙは休止時間と照射時間の割合より６６パーセントであり、図４（ｃ）に示す波形の発振周波数は図４（ａ）の４分の１であるので、２５パーセントと表すことができる。
【００２４】
以下、実施の形態について説明する。
図３に光電センサに照射されたエキシマレーザのパルス数とそれに伴う感度の変化量を示す。同図によると、照射するパルス数が増えると、温度変化に伴う感度変化の影響も大きくなる。これは照射されたパルスのエネルギによって、光電センサの受光面が熱せられたためである。さらに照射するパルス数が増えると、温度変化に伴う感度変化の影響は飽和している。これは照射されたパルスのエネルギによって、光電センサの受光面で生じた発熱量と周囲に放つ放熱量が等しくなり、温度が安定したためである。またエキシマレーザのｄｕｔｙを変えた場合は、各ｄｕｔｙともほぼ同じ変動を示した。また温度変化に伴う感度変化量を温度変化に伴う感度変化の飽和量（図３におけるＥ１〜Ｅ４の値）とした場合、またエキシマレーザの照射開始付近での変化量とした場合、ともにｄｕｔｙと温度変化に伴う感度変化量との関係は比例関係にあった。
以上の特性を用いて、計測露光ではエキシマレーザの発振周波数や発振ｄｕｔｙを決定する。
【００２５】
まず、予めエキシマレーザをｄｕｔｙ１００パーセントで発振させたときの露光装置における温度変化に伴う感度変化量（図３中ではＥ４）を調べておき、露光装置内部のメモリなどに記録させておく。そして、計測露光では設定された目標測定精度（温度変化に伴う感度変化の変動率）を満足するエキシマレーザのｄｕｔｙを露光装置にて求め、求めたられたｄｕｔｙに従ってエキシマレーザを発振させる。
【００２６】
図３を用いて説明すると、例えば予め求めたエキシマレーザをｄｕｔｙ１００パーセントで発振させたときの温度変化に伴う感度変化量Ｅ４が５パーセントであるとする。露光装置ではＥ４（５パーセント）とそのｄｕｔｙを記録しておく。
【００２７】
このとき、計測露光の目標測定精度として光電センサに要求される温度変化に伴う感度変化の変動範囲が．０．５パーセント以下に設定されている場合には、ｄｕｔｙと温度変化に伴う感度変化量間の関係は比例関係にあるので、計測露光時に限り、エキシマレーザのｄｕｔｙを１０パーセントに設定して測定を行うものである。照度むらセンサに要求される精度は、露光装置のシステム全体の精度によりある程度決まってくるので、通常はこの値を目標値とする。ただし、スループットを優先させる場合、あるいはさらに測定精度を高精度にしたい場合に応じて目標測定精度を設定できるものとする。特開平９−２２１２０や特開平１１−１８６１４８で提案された方法では、温度や暗電流の測定誤差があるため、その性能以上の精度で補正することができないのに対して、本発明はｄｕｔｙを下げることによって、限りなく温度変化に伴う感度変化を発生させないで計測することも可能である。
【００２８】
つまり、計測露光時では、上記方法により定められたエキシマレーザの発振周波数や発振ｄｕｔｙなどの発振条件をエキシマレーザに送り、エキシマレーザでは発振条件に従ってパルス光を照射し、露光フィールド上の照度むら等の計測が行われる。
【００２９】
一方、通常露光時では従来と同様に、スループットを優先した発振条件を、エキシマレーザに送り、エキシマレーザを発振させる。
スキャナを例にして従来の発振条件を決定する方法について説明する。
スキャナにおける露光量と発振周波数の関係は、次式で表すことができ、露光量制御ではこの関係を満たすようにパルスエネルギを調整する必要がある。
Ｄ＝Ｅ×Ｎ＝Ｅ×（Ｗ／Ｖ×ｆ）      ・・・（１）
Ｄは、露光量、Ｅは、パルス当たりのエネルギ、Ｎは、露光パルス数、Ｗは、露光スリットの幅、Ｖは、走査速度、ｆは、レーザの発振周波数を示す。
【００３０】
露光シーケンスの流れとしては、露光量が設定され、像面上平均エネルギが計測され、１点当たりのパルス数が算出され、定数として扱っているスリット幅Ｗ、レーザ発振周波数ｆより、走査速度Ｖが決められていた。この場合において、レーザ発振周波数ｆは、露光装置のステージ制御システムの性能によって規定される最高走査速度によって律速される最高発振周波数ｆ０に固定されおり、スループットを優先した発振条件を決定する。
【００３１】
このように、通常露光と計測露光とでそれぞれ適した発振条件にて、エキシマレーザを発振させることにより、装置のスループットへの影響を軽減させた上で、照度むらセンサにおける温度変化に伴う感度変化の発生を抑え、測定精度を向上させることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、照明光によって光電センサの受光面の温度が広範囲に変化する状況においても、計測露光時には設定された目標測定精度（光電センサの温度変化に伴う感度変化の変動範囲）を満足するパルス光源の発振条件を決定し、パルス光源は発振条件に従ってｄｕｔｙを下げる。この結果、光電センサの温度変化に伴う感度変化を低減させることができ、照度むら等の計測・調整精度を向上できる。このとき、計測露光と通常露光とでそれぞれ適した条件で、パルス光源を発振させることにより、スループットへの影響を軽減することができる。
【００３３】
また、本発明では新たに追加すべきハードは必要ないので、ローコストにて装置の改善を図ることができる。
【００３４】
【図面の簡単な説明】
【図１】露光装置の概略構成図。
【図２】エキシマレーザにおける各発振条件（発振周波数、ｄｕｔｙ）を変えた場合の出力波形。
【図３】光電センサに照射されたエキシマレーザのパルス数とそれに伴う感度の変化率の概略特性図。
【符号の説明】１：エキシマレーザ、２：ビーム整形光学系、３：１／４波長板、４：反射鏡、５：フライアイレンズ、６：ビームスプリッタ、７：レンズ群、８：反射鏡、９：レチクル、１０：投影光学系、１１：ウエハ、１２：ウエハステージ、１３：照度むらセンサ、１４：集光レンズ、１５：積算露光量センサ、１６：主制御系。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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