(57)【要約】【課題】パルスレーザの波長変化に影響されない焦点位置補正若しくは投影倍率補正機構を備えた投影露光装置を提供する。【解決手段】パルスレーザ光を投影レンズを通してステージ上のマークに照射し、照明されたマーク画像を観察する画像計測手段と、マークを投影レンズの光軸に対して上下させてマークの画像データにより投影レンズの焦点位置を求める焦点位置計測手段と、画像計測中のパルスレーザ光の発光パルスの波長データを求める波長計測手段と、求められた波長データを用いて前記焦点位置計測手段により求めた投影レンズの焦点位置を補正する補正手段を有する。また、投影倍率を補正する補正手段も有する。【選択図】    図１
2004165220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザ光を投影レンズを通して、ステージ上のマークに照射して、照明されたマーク画像を観察する画像計測手段と、マークを投影レンズの光軸に対して上下させてマークの画像データにより投影レンズの焦点位置を求める焦点位置計測手段と、画像計測中のパルスレーザ光の発光パルスの波長データを求める波長計測手段と、求められた波長データを用いて前記焦点位置計測手段により求めた投影レンズの焦点位置を補正する補正手段を有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】
前記マーク画像計測中のパルスレーザ光の発光パルスの波長データの平均値を用いて、前記焦点位置計測手段により求めた投影レンズの焦点位置を補正する補正手段を有することを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項３】
パルスレーザ光の発光パルスの発光開始から所定パルスを前記画像計測手段によるマーク画像計測から除去することを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項４】
前記所定パルスは、走査露光において設定される、露光に先だって発光され露光に寄与しない発光パルス数と同数としたことを特徴とする請求項３記載の投影露光装置。
【請求項５】
前記画像計測手段においてパルスレーザ光の発光開始から波長データを計測処理し、所定の閾値内に処理結果が静定後、画像計測を開始することを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項６】
前記波長データの計測処理においては波長データの移動平均を計算して、所定の閾値内に移動平均値が静定後、画像計測を開始することを特徴とする請求項５記載の投影露光装置。
【請求項７】
パルスレーザ光としてエキシマレーザを用いたことを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項８】
パルスレーザ光を投影レンズを通して、ステージ上のマークに照射して、照明されたマーク画像を観察する画像計測手段と、マークを投影レンズの光軸に対して上下させてマークの画像データにより投影レンズの焦点位置を求める焦点位置計測手段を有する投影露光装置において、マーク画像観察時のパルスレーザ光発光周波数と発光出力及び発光休止時間の全て、若しくは少なくとも一つ以上を投影露光時と同じ値に設定することを特徴とする投影露光装置。
【請求項９】
パルスレーザ光を投影レンズを通して、ステージ上のマークに照射して、照明されたマーク画像を観察する画像計測手段と、マーク間隔を投影レンズを通して計測する投影倍率計測手段と、画像計測中のパルスレーザ光の波長データを求める波長計測手段と、この波長データを用いて、前記投影倍率計測手段から求めた投影レンズの投影倍率を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項１０】
パルスレーザ光を投影レンズを通して、ステージ上のマークに照射して、照明されたマーク画像を観察する画像計測手段と、マークを投影レンズの光軸に対して上下させてマークの画像データにより投影レンズの焦点位置を求める焦点位置計測手段と、画像計測中のパルスレーザ光の波長データを求める波長計測手段と、この波長データを用いて、画像データから求めた投影レンズの焦点位置を補正する補正手段を備え、補正された焦点位置で投影露光を行うことを特徴とする投影露光方法。
【請求項１１】
パルスレーザ光を投影レンズを通して、ステージ上のマークに照射して、マーク画像を観察する画像計測手段と、マークを投影レンズの光軸に対して上下させてマークの画像データにより投影レンズの焦点位置を求める焦点位置計測手段と、画像計測中のパルスレーザ光の波長データを求める波長計測手段と、この波長データを用いて、画像データから求めた投影レンズの焦点位置を補正する補正手段を備え、補正された焦点位置で投影露光を行うことによりデバイスを製造するデバイス製造方法。
【請求項１２】
パルスレーザ光を投影レンズを通して、ステージ上のマークに照射して、照明されたマーク画像を観察する画像計測手段と、マーク間隔を投影レンズを通して計測する投影倍率計測手段と、画像計測中のパルスレーザ光の波長データを求める波長計測手段と、この波長データを用いて、前記投影倍率計測手段から求めた投影レンズの投影倍率を補正する補正手段とを備え、補正された投影倍率で投影露光を行うことを特徴とする投影露光方法。
【請求項１３】
パルスレーザ光を投影レンズを通して、ステージ上のマークに照射して、照明されたマーク画像を観察する画像計測手段と、マーク間隔を投影レンズを通して計測する投影倍率計測手段と、画像計測中のパルスレーザ光の波長データを求める波長計測手段と、この波長データを用いて、前記投影倍率計測手段から求めた投影レンズの投影倍率を補正する補正手段とを備え、補正された投影倍率で投影露光を行うことによりデバイスを製造するデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ、ＬＳＩ、超ＬＳＩ等の半導体回路素子製造用の投影型露光装置等およびこれを用いることができるデバイス製造方法に関し、特に半導体素子（デバイス）の製造分野において、エキシマ等のパルスレーザを光源に使用し、半導体ウエハ表面にレチクルの回路パターンを繰り返し縮小投影露光する際の自動ピント調整機能、所謂オートフォーカス機能や投影倍率制御機能を有する投影露光装置およびこれを用いたデバイス製造方法に好適なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の半導体素子の製造技術の進展はめざましく、又それに伴う微細加工技術の進展も著しい。特に光加工技術はサブミクロンの解像力を有するステップアンドスキャン方式の縮小投影露光装置、通称スキャナーが主流であり、更なる解像力向上にむけて光学系の開口数（ＮＡ）の拡大や、露光波長の短波長化がはかられている。露光波長の短波長化をはかるため、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）等のパルスレーザを用いることが一般的となりつつある。（特許文献１：特開平１−１８１５２０）
【０００３】
このように高精度化が図られているスキャナーにおいては、投影レンズの倍率変化や焦点位置の変化が露光性能に大きく関係してくる。投影レンズの倍率や焦点位置は大気圧変動やエキシマレーザの発光波長の変動、さらに投影レンズに投入されたエキシマレーザ光のエネルギー等による温度変動等によって引き起こされる。従って、最近のステップアンドスキャン露光装置、所謂スキャナーにおいては、定期的に投影レンズの倍率や焦点位置変動を計測して、露光時に補正するキャリブレーション機構が設けられるのが一般的である。
また、このようなスキャナーにおいては、マスクとしてのレチクル上に形成された回路パターンを感光基板としてのウエハまたはガラスプレート等の上のフォトレジスト層に高い重ね合せ精度で転写するために、レチクルとウエハとを高精度に位置合せ（アライメント）することが求められている。スキャナーなどの投影露光装置においては、投影露光光学系に対してレチクルの位置を合わせるレチクルアライメントと、投影露光光学系に対してウエハの位置を合わせるウエハアライメントとを行なうことによって、レチクルとウエハの位置を合わせる手法が知られている。
【０００４】
図１は所謂ＴＴＬ方式によるオートフォーカス機能を有する投影露光装置の概略図である。同図において、６はレチクルであり、走査可能なレチクルステージ７に保持されている。レチクル６上の回路パターンが投影倍率補正機構１８を備えた投影レンズ（露光レンズ）９によって、ｘｙｚステージ（ウエハステージ）１１上のウエハ１２上に１／４縮小されて結像し、露光が行なわれる。図１では、ウエハ１２に隣接する位置に、ウエハ１２の上面とミラー面がほぼ一致する基準平面ミラー１３が配置されている。基準平面ミラー１３には図２のステージ基準マーク（フォーカス検出用マーク）が設けられている。ｘｙｚステージ１１は投影レンズ９の光軸方向（ｚ）およびこの方向に直交する面内（ｘ，ｙ）で移動可能であり、もちろん光軸のまわりに回転させることもできる。レチクル６は、同図の要素１〜５、１５〜１７で示されるパルスレーザ光源（この場合、エキシマレーザ光源）および照明光学系によって、回路パターンの転写が行なわれる画面領域内が照明される。
【０００５】
露光用光源のエキシマレーザ１より発光したパルス光は、光路をウエハ露光時は照明光学系の方へ導き、ステージ基準マーク観察時は検出光学系の方へ導く移動可能な切り替えミラー２を通り、ビーム整形光学系４で所望のビームサイズにされた後、所謂スペックルの解消や照度の均一化を行うビーム均一化光学系５に入射される。ビーム均一化光学系５を出たパルス光は固定ブラインド１５により矩形に整形され、コンデンサレンズ１６及びコリメータレンズ１７を介してレチクル６を照明している。
【０００６】
走査露光の動作は、レチクルステージ７と同期して走査駆動可能な可動ブラインド８によりレチクル６の非露光領域を遮光した状態で実行される。レチクルステージと、可動スリット、ウエハステージの同期を取りながら走査露光が開始されるとほぼ同じくしてエキシマレーザの発振も開始される。発光開始の数パルスは無効パルスと呼ばれ、この無効パルス発振間は固定ブラインド１５により矩形に整形されたビームは、可動ブラインド８により遮光されるため、露光には寄与しないようになっている。これは、発光開始の数パルスは波長性能が悪いのみならず、エネルギーのばらつきも大きいため、これらが安定した後のパルスを露光に使用するためである。
【０００７】
要素１０、１３、１４はオフアクシスのオートフォーカス光学系２６を形成している。１０は投光光学系（オートフォーカス入射系）であり、投光光学系１０より発せられた非露光光である光束は、基準平面ミラー１３上の点（あるいはウエハ１２の上面）に集光し、反射される。この基準平面ミラー１３で反射された光束は、検出光学系（オートフォーカス受光系）１４に入射する。図示は省略したが、検出光学系１４内には位置検出用受光素子が配置され、位置検出用受光素子と基準平面ミラー１３上の光束の反射点が共役となるように構成されており、基準平面ミラー１３の縮小投影レンズ９の光軸方向の位置ズレは、検出光学系１４内の位置検出用受光素子上での入射光束の位置ズレとして計測される。
【０００８】
この検出光学系１４により計測された基準平面ミラー１３の所定の基準面からの位置ズレは、オートフォーカス制御系３３に伝達される。オートフォーカス制御系３３は、基準平面ミラー１３が固設されたｘｙｚステージ１１を駆動するｘｙｚステージ駆動回路３５にｚ方向への移動の指令を与える。また、後述する検出光学系２５によりＴＴＬデフォーカス位置を検知する時、オートフォーカス制御系３３は基準平面ミラー１３を所定の基準位置の近傍で投影レンズ９の光軸方向（ｚ方向）に上下に駆動を行なう。また、露光の際のウエハ１２の位置制御もオートフォーカス制御系３３により行なっている。
【０００９】
次に、ウエハ１２面のフォーカス状態を検知して、その信号に基づいてｘｙｚステージ１１を駆動させて投影レンズ９のピント位置を検出するための構成要素について説明する。２５はＴＴＬＡＦの検出光学系であり、後述する要素２１，２２，２３を有している。オプティカルファイバー３から出射したエキシマレーザ光はハーフミラー２３を通過し、対物レンズ２２とミラー２１を介してレチクル６近傍に集光する。レチクル６上には図示は略したが、実素子領域外の位置に所定の大きさの透光部（窓抜き部）が設けられている。照明光束はこの窓抜き部を通過した後に投影レンズ９を介して基準平面ミラー１３上に集光する。基準平面ミラー１３面上には図２に示すようなステージ基準マーク（フォーカス検知用マーク）１３ａが設けられている。そして基準平面ミラー１３からの反射光は元の光路を戻り、順に投影レンズ９、窓抜き部、ミラー２１、対物レンズ２２を介し、ハーフミラー２３で反射してＣＣＤカメラ２４に入射する。
この基準平面ミラー１３はウエハ１２と同じｘｙｚステージ１１上に配置されており、ウエハ１２とは概一致してフォーカス面上に固定されている。そしてウエハ面１２ａとステージ基準マーク１３ａ面の各々のフォーカス位置、ないしは両面間のフォーカスオフセット量はオートフォーカス制御回路３３によって管理されている。これにより以降の手順に従って基準平面ミラー１３に対してフォーカシングして、所定のオフセット量を与えるだけで自動的に実ウエハ上のフォーカシングを行なっている。
【００１０】
図２に示すように基準平面ミラー１３上のステージ基準マーク１３ａは所定の線幅の縦横方向のラインアンドスペースより成り立っている。基準平面ミラー１３上のステージ基準マーク１３ａから発した光束は往路を戻り（復路）、対物レンズ２２まで到達する。対物レンズ２２を通過した光束はハーフミラー２３を今度は反射し、ＣＣＤカメラ２４の図示しないセンサ面上に結像する。このＣＣＤカメラ２４は一次元アレーセンサであっても、ＣＣＤに代表される二次元センサやその他のＴＶカメラであっても良い。ステージ基準マーク１３ａ（図２）と対応して、一方向パターンだけ（縦線または横線）のフォーカス検出でよければ一次元アレーセンサで十分であるし、二方向パターン（縦線と横線同時）のフォーカス検出が必要ならば二次元アレーセンサやＣＣＤカメラを用いる。
【００１１】
最適フォーカス面を求めるために基準平面ミラー面１３を露光レンズ９の光軸方向に振る。その時、ＣＣＤカメラ２４上ではこれと対応して、ステージ基準マーク１３ａ（図２）のフォーカス状態が変化した情報が得られる。また、どの種のフォーカス情報を信号として利用するかは特に限定していない。例えばステージ基準マーク１３ａの像の光強度コントラストがベストピント位置では最も高く、デフォーカス位置ではこれが低下することを利用しても良いし、ステージ基準マーク１３ａの像の光プロファイルの微分値（傾斜角に対応）を評価しても良い。また、これらの信号処理は画像信号処理回路３２で行なっている。
【００１２】
次に、例えば光強度コントラストを用いた画像ＡＦについて説明する。
図１のオートフォーカス機能をもった投影露光装置において図５に示すように動作する。ｘｙｚステージ１１はＺ軸方向にＺｍｉｎ≦Ｚ≦Ｚｍａｘの範囲で駆動可能であるとする。画像ＡＦでは、最も適切なｘｙｚステージの高さ、すなわちベストフォーカスを求めるために、画像処理によって画像のボケ具合を定量化する評価関数を用いる。すなわち、ｘｙｚステージ１１を高さ方向に変位させながら、ＣＣＤカメラ２４を通してステージ基準マーク１３ａのパターンの画像信号を取り込み、そのときの評価関数を画像信号処理回路３２によって、図６のようにプロットし、最も表価値が高いと判定されたｘｙｚステージ１１の高さＺｂｅｓｔをベストフォーカスとしている。このとき、評価関数として、ＣＣＤカメラ２４から取り込んだパターンの画像信号より得られるコントラスト値が用いられる方法が知られている。
【００１３】
次に、従来のＴＴＬオートフォーカス方法の具体的な動作について説明する。最初にレチクル６上のパターンを実際にウエハ１２上に露光転写することによって、投影レンズ９の最良結像面に対してウエハ面をフォーカスする第１工程と、これと略同じ第１の時刻にＴＴＬのフォーカス検出光学系２５によってウエハ１２面ないしはこれと等価面の最良結像位置を検出する第２工程と、ウエハ１２の露光中、あるいは前記第１の時刻と異なる第２の時刻に、ウエハ１２面ないしは前記等価面の最適フォーカス位置を検出光学系２５によって検出する第３工程とを有し、第３工程によって求めた最適フォーカス位置の検出結果に基づいてレチクル６面とウエハ１２面とを常に最適なフォーカス状態に補正している。
【００１４】
これらの工程をさらに詳しく説明する。図３はオートフォーカス検出のシーケンスを示すフローチャートである。同図に示すように、まずレチクルパターン面６ａに検出光学系２５のフォーカスを粗調整する（ステップＳ１）。この目的はあくまで計測レンジが大きくずれないためのものである。次に、レチクル６とウエハ１２の焼きによるフォーカス原点合せを行なう。具体的にはウエハ面１２ａのフォーカスを変えながらレチクルパターン（例えば解像力チャートや実素子パターン）をウエハ１２上の複数位置に焼き付けていく（ステップＳ２、Ｓ３）。そしてこのウエハ１２を一旦現像し（ステップＳ４）、ＳＥＭ等の手段で焼き付け像を測定し、最適フォーカス面を決定する（ステップＳ５）。
【００１５】
一方、これと略同じ時刻（装置のフォーカス状態が変化しない十分短い時間以内を意味する）に、前述の検出光学系２５を用い、ステージ基準マーク１３ａを送り込んでそのフォーカスを変えながらフォーカス計測を繰り返す（ステップＳ６、Ｓ７）。そしてＣＣＤカメラ２４で得られる信号を用いて画像信号処理回路３２により、最適フォーカス面を自動決定する（ステップＳ８）。
【００１６】
最適のフォーカス面が求まったら、その情報を装置にフォーカスオフセットとして入力する（ステップＳ９）。このオフセット入力は、実際の最適露光ピントとオートフォーカス検出系２６が捉える最適ピント面との原点ずれ量の補正を意味する。このような原点出しを各プロセス毎に最初に行ない、プロセスオフセットとしてファイルする。
【００１７】
一旦、実プロセスウエハの露光が始まったら、実ウエハの露光（ステップＳ１０）の間に定期的にステージ基準マーク１３ａを送り込んで、そのフォーカスを変えながら、先と同様に検出光学系２５でそのフォーカス計測を繰り返す（ステップＳ１１、Ｓ１２）。そして最適フォーカス計測面を自動決定し（ステップＳ１３）、初期に求めたフォーカス原点とのオフセット変化量を算出する（ステップＳ１４）。その値だけウエハステージ１１をＺ方向に駆動してウエハ面１２ａを投影レンズ９の最適フォーカス面に持っていくように補正する（ステップＳ１５）。このフォーカスオフセットの変化量の検出は露光中に定期的にまたは所定のタイミングで実行される。
【００１８】
図１に示すＴＴＬオートフォーカスシステムの利点は、環境変化が生じた時や繰り返し露光を行なうことによって投影光学系の特性が変化して投影光学系のフォーカス位置が変動しても、被露光面を投影光学系のピント面に常に高精度に位置させることができ、高集積度のデバイスを容易に製造することができる投影露光方法およびそれを用いたデバイスの製造方法を達成できる点にある。すなわち、投影レンズを通してウエハ面のフォーカス検知を直に行なうので、経時的な投影レンズのフォーカス変動や露光によって発生する投影レンズのフォーカスシフトに対し、高い合焦精度が得られる。また、初期の原点出しの時だけパターンを焼き付けてフォーカスを確認しさえすれば、その後は焼き付ける必要が無いのでスループットが向上する。また、レチクル上にフォーカス検知用の特別なマークを必要とせず、実プロセスのレチクル上に１ｍｍ以内のガラス透過部分さえあれば、そこを通して基準マーク、ないしはウエハ上のマークからの信号を拾うことは十分可能である。したがって、既製のレチクル（オートフォーカス用マークや窓抜き部無し）に対してもこの方式を用いることができるので、高精度の合焦状態が約束される。さらに、常にレチクルパターンをウエハ上に最適フォーカス状態で露光転写できるので、半導体の不良率が低減し、大幅な生産性の向上を期待することができる。
【００１９】
以上、ＴＴＬオートフォーカスシステムについて詳細に述べたが、このシステムを少し変形すると、投影レンズ９の投影倍率を計測することが可能となる。即ち、レチクル６上に所定の距離を離してステージ基準マーク１３ａ類似のパターンを配置する。また、基準平面ミラー１３上にもステージ基準マーク１３ａを所定の距離を離して複数設置する。投影露光倍率を１／４とすると、レチクル６上のマーク間距離を１００ｍｍ、ステージ基準マーク１３ａ間の距離を２５ｍｍで配置すればよい。計測は、まずレチクル６上の一つのマークと、基準平面ミラー１３上の一つのステージ基準マーク１３ａを前述の検出光学系２５を通してＣＣＤカメラ２４で計測し、画像信号処理回路３２により、各マークのＸＹ方向の位置ズレ量を求める。次にレチクル６上のもう一つのマークと、基準平面ミラー１３上のもう一つのステージ基準マーク１３ａの各マークのＸＹ方向の位置ズレ量を求める。最初の計測での各マークの位置ズレ量と次の計測での各マークの位置ズレ量を加え、さらにレチクル６上のマーク間隔を加えるたものを、ステージ基準マーク１３ａのマーク間隔で割れば、投影倍率が求められる。求めた倍率が希望する値となるように投影倍率補正機構１８により補正することが可能である。このようにして、本システムにより投影倍率の変化も検出し、かつ補正することが可能となっている。
なお、上記従来技術を記載した文献としては特許文献１がある。
【００２０】
【特許文献１】
特開平１−１８１５２０号公報
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、半導体素子、ＬＳＩ素子、超ＬＳＩ素子等のパターンの微細化、高集積化の要求により、投影露光装置においては高い解像力を有した結像（投影）光学系が必要とされてきている。そして、それに伴って結像光学系の高ＮＡ化が進み、この結果、結像光学系の焦点深度がより浅くなってきている。従って、以前にもまして高精度なフォーカス合わせが必要となった。
【００２２】
最適なフォーカス位置がずれる要因としては、時間的な経時変化や露光による熱負荷、ウエハの厚さのバラツキや吸着方法、ウエハの変形、気圧変化、温度変化、そしてエキシマレーザ光の波長変化による投影レンズのフォーカス位置ズレ等が挙げられる。これに対し、上記従来例ではＴＴＬオートフォーカスにおけるステージ基準マーク像の観察期間中のエキシマレーザ光の波長変化に対して考慮していなかった。また、投影レンズの投影倍率も同様に時間的な経時変化や露光による熱負荷、気圧変化、温度変化、そしてエキシマレーザ光の波長変化により影響を受ける。しかし、投影倍率計測時においても同様にエキシマレーザ光の波長変化は考慮していなかった。図７に示すようにエキシマレーザには、発光開始時に波長が目標値に対してズレが発生するという、所謂チャープと一般的に呼ばれている過渡現象がある。このチャープ現象による波長ズレは、レーザの発光周波数や発光デューティにより変動するものである。ステージ基準マーク１３ａ像の観察で使われるレーザの発光周波数や発光デューティは、通常のウエハ露光で使われるそれらとは異なるのが一般的である。従ってステージ基準マーク１３ａ像の観察中に発生するエキシマレーザ光のチャープ現象による波長変化量とウエハ露光時でのチャープ現象による波長変化量とは異なる。このようにウエハ露光時と異なった波長変化量により投影レンズ９のフォーカス位置も異なることになる。その結果、計測されたステージ基準マーク像の光強度コントラストやステージ基準マーク像の光プロファイルの微分値（傾斜角に対応）に影響を与え、その結果として求められたフォーカス位置は波長変動による誤差を含むことになり、ウエハ露光時と異なるため、正確なフォーカスオフセット補正を行えないという欠点があった。
【００２３】
また、投影倍率も投影倍率計測時とウエハ露光時でのエキシマレーザ光のチャープ現象による波長変化量の違いにより影響を受けるので、投影倍率を計測して求めた倍率オフセット値をそのままウエハ露光時に適用すると、倍率誤差を生むという欠点があった。
【００２４】
そこで、本発明は、エキシマレーザから毎パルスの波長データを取得し、画像計測中の発光パルスの平均波長等を求めて、画像計測により求められたフォーカス位置データを補正することにより、エキシマレーザ波長変動に影響されない投影レンズのフォーカスオフセット補正を行うことを課題としている。
又、本発明は、エキシマレーザ発光波長のチャープ現象が解消するのを待って、画像計測を開始ことにより、エキシマレーザ波長変動に影響されない投影レンズのフォーカスオフセット補正を行うことを課題としている。
又、本発明は、画像計測により求めるフォーカス位置データ取得時と投影露光時で、エキシマレーザ光の発光周波数、発光出力及び発光休止時間の全て、若しくは少なくとも一つ以上を同じ値に設定することにより、エキシマレーザ波長変動に影響されない投影レンズのフォーカスオフセット補正を行うことを課題としている。
【００２５】
又、本発明は、エキシマレーザから毎パルスの波長データを取得し、画像計測中の発光パルスの平均波長等を求めて、画像計測により求められた投影レンズの投影倍率オフセットデータを補正することにより、エキシマレーザ波長変動に影響されない投影レンズの投影倍率オフセット補正を行うことを課題としている。
又、本発明は、エキシマレーザ発光波長のチャープ現象が解消するのを待って、画像計測を開始ことにより、エキシマレーザ波長変動に影響されない投影レンズの投影倍率オフセット補正を行うことを課題としている。
又、本発明は、画像計測により求める投影倍率データ取得時と投影露光時で、エキシマレーザ光の発光周波数、発光出力及び発光休止時間の全て、若しくは少なくとも一つ以上を同じ値に設定することにより、エキシマレーザ波長変動に影響されない投影レンズの投影倍率オフセット補正を行うことを課題としている。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための第１の発明に係る露光装置は、原版のパターンを投影光学系を介して可動ステージ上に載置した基板上に投影露光する露光手段と、前記可動ステージとの相対位置を前記投影光学系の光軸方向に変化させながら前記可動ステージ上の基準マークまたは前記基板の表面を観察することにより前記投影露光に際しての最適フォーカス位置を計測するフォーカス計測手段とを備えた露光装置であって、基準マーク表面観察中のエキシマレーザ発光波長データを取得するデータ取得手段と、取得したデータを処理する処理手段と、処理結果により最適フォーカス位置を補正する補正手段を具備することを特徴とする。
【００２７】
また、第２の発明に係る露光装置は、原版のパターンを投影光学系を介して可動ステージ上に載置した基板上に投影露光する露光手段と、前記可動ステージとの相対位置を前記投影光学系の光軸方向に変化させながら前記可動ステージ上の基準マークまたは前記基板の表面を観察することにより前記投影露光に際しての最適フォーカス位置を計測するフォーカス計測手段とを備えた露光装置であって、チャープ現象が解消するのを待って、基準マークの表面を観察する画像計測を開始するように制御する制御手段と、画像計測により取得したデータを処理する処理手段と、処理結果により最適フォーカス位置を補正する補正手段を具備することを特徴とする。
【００２８】
また、第３の発明に係る露光装置は、原版のパターンを投影光学系を介して可動ステージ上に載置した基板上に投影露光する露光手段と、前記可動ステージとの相対位置を前記投影光学系の光軸方向に変化させながら前記可動ステージ上の基準マークまたは前記基板の表面を観察することにより前記投影露光に際しての最適フォーカス位置を計測するフォーカス計測手段とを備えた露光装置であって、画像計測により求めるフォーカス位置データ取得時と投影露光時で、エキシマレーザ光の発光周波数、発光出力及び発光休止時間の全て、若しくは少なくとも一つ以上を同じ値に設定する制御手段を具備することを特徴とする。
【００２９】
また、第４の発明に係る露光装置は、原版のパターンを投影光学系を介して可動ステージ上に載置した基板上に投影露光する露光手段と、前記可動ステージを前記投影光学系の光軸に対して直角方向に変化させながら前記可動ステージ上の基準マークを観察することにより前記投影露光に際しての最適投影倍率補正値を計測する投影倍率計測手段とを備えた露光装置であって、基準マーク表面観察中のエキシマレーザ発光波長データを取得するデータ取得手段と、取得したデータを処理する処理手段と、処理結果により最適露光倍率を補正する補正手段を具備することを特徴とする。
【００３０】
また、第５の発明に係る露光装置は、原版のパターンを投影光学系を介して可動ステージ上に載置した基板上に投影露光する露光手段と、前記可動ステージを前記投影光学系の光軸に対して直角方向に変化させながら前記可動ステージ上の基準マークを観察することにより前記投影露光に際しての最適投影倍率補正値を計測する投影倍率計測手段とを備えた露光装置であって、チャープ現象が解消するのを待って、基準マークの表面を観察する画像計測を開始するように制御する制御手段と、画像計測により取得したデータを処理する処理手段と、処理結果により投影倍率を補正する補正手段を具備することを特徴とする。
【００３１】
また、第６の発明に係る露光装置は、原版のパターンを投影光学系を介して可動ステージ上に載置した基板上に投影露光する露光手段と、前記可動ステージを前記投影光学系の光軸に対して直角方向に変化させながら前記可動ステージ上の基準マークを観察することにより前記投影露光に際しての最適投影倍率補正値を計測する投影倍率計測手段とを備えた露光装置であって、画像計測により求める投影倍率データ取得時と投影露光時で、エキシマレーザ光の発光周波数、発光出力及び発光休止時間の全て、若しくは少なくとも一つ以上を同じ値に設定する制御手段を具備することを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
第１の発明の好ましい実施形態においては、前記データ取得手段はエキシマレーザより発光波長毎の発光波長データを通信ライン等により取得するものである。処理手段はたとえば基準マークの観察に使われた全ての発光波長データの平均値を求めるものである。補正手段は、処理手段により求められた処理データをフォーカスオフセット値に反映して補正する。
また、第２の発明の好ましい実施形態においては、制御手段はレーザ発光開始直後より予め決められたパルス数経過後に画像計測を開始するか、波長データの移動平均を計算し、その計算結果が所定の閾値内に入った場合に画像計測を開始するように制御するものである。補正手段は、処理手段により求められた処理データをフォーカスオフセット値に反映して補正する。
【００３３】
また、第３の発明の好ましい実施形態においては、制御手段は画像計測により求めるフォーカス位置データ取得時と投影露光時で、エキシマレーザ光の発光周波数、発光出力及び発光休止時間の全て、若しくは少なくとも一つ以上を同じ値に設定することでフォーカスオフセットの発生を防止する。
また、第４の発明の好ましい実施形態においては、前記データ取得手段はエキシマレーザより発光波長毎の発光波長データを通信ライン等により取得するものである。処理手段はたとえば基準マークの観察に使われた全ての発光波長データの平均値を求めるものである。補正手段は、処理手段により求められた処理データを投影倍率オフセット値に反映して補正する。
【００３４】
また、第５の発明の好ましい実施形態においては、制御手段はレーザ発光開始直後より予め決められたパルス数経過後に画像計測を開始するか、波長データの移動平均を計算し、その計算結果が所定の閾値内に入った場合に画像計測を開始するように制御する。補正手段は、処理手段により求められた処理データを投影倍率オフセット値に反映して補正する。
また、第６の発明の好ましい実施形態においては、制御手段は画像計測により求める投影倍率データ取得時と投影露光時で、エキシマレーザ光の発光周波数、発光出力及び発光休止時間の全て、若しくは少なくとも一つ以上を同じ値に設定することで投影倍率オフセットの発生を防止する。
このように、レーザのチャープ現象による画像計測における悪影響を排除することにより、常に最適なフォーカス位置や投影倍率を確保することが可能となる。
【００３５】
【実施例】
図１は本発明の第１の実施例に係る露光装置の要部概略図である。この装置の概要は前記従来技術において説明したとおりである。図４はこの装置における露光処理シーケンスのうち、実際のウエハの露光における基準マークのオートフォーカス計測処理部分（図３の従来技術の第３工程に対応する部分）の処理シーケンスを示すフローチャートである。実際のウエハの露光処理に入ると、同図に示すように、まず未露光時間の算出をする（ステップＳ４１）。これは、オートフォーカス計測を実施すべきか否かの判断要因となる。未露光時間とは最後にウエハの露光を行なってからの経過時間を指す。未露光時間が予め設定した範囲以内である場合にはステージ基準マーク１３ａによるオートフォーカス計測による最適フォーカス面の自動決定処理を行なわず、前回のオートフォーカス計測時に記憶している最適なフォーカス位置を元にフォーカス補正を行ない、ウエハ露光を実施する（ステップＳ４２、Ｓ４８、Ｓ４９）。未露光時間が予め設定した範囲を超えた場合にはステージ基準マーク１３ａによるオートフォーカス計測による最適フォーカス面の自動決定処理を行ない（ステップＳ４２〜Ｓ４５）、この時の最適なフォーカス位置を記憶すると共に（ステップＳ４６）、フォーカスオフセットの変化量の算出を行ない（ステップＳ４７）、この値を元にフォーカス補正を行ない（ステップＳ４８）、ウエハ露光を実施する（ステップＳ４９）。
【００３６】
なお、図４では不図示ではあるが、基準マークのオートフォーカス計測の実施のタイミングは、定期的であってもよいし、未露光時間を判別基準として決定してもよい。
【００３７】
ステージ基準マークのＴＴＬフォーカス計測（ステップＳ４３）の詳細について説明する。図５で、まず基準平面ミラー１３を観察可能なｘｙ位置に駆動する。次に、前回のオートフォーカス計測時に記憶している最適なフォーカス位置を基準として、その前後数点（例えば６点）をステージ基準マーク１３ａの投影光学系に対する光軸方向の変化量として設定する。したがって、ここでは、合計１３点のフォーカス計測を実施する。次に、この設定に従い、ステージ基準マーク１３ａのＴＴＬフォーカス計測を実施する。横軸をステージ基準マークの投影光学系に対する光軸方向の変化量として、縦軸をＣＣＤカメラ２４によって観察された画像データより求めた光強度コントラスト値として作成したグラフを図６に示す。各計測点の近似曲線の最大値を求め、その時のステージ基準マーク光軸方向位置を最適なフォーカス位置として記憶する（Ｚｂｅｓｔ１）。
【００３８】
このステージ基準マークの観察中にレーザ発光波長に図７に示すようなチャープ現象が発生しているために投影レンズの収差の影響により、求められた最適フォーカス位置はウエハ露光時における無効パルスの設定によりチャープ現象を除いた場合と比較して変化する（Ｚｂｅｓｔ２）。
【００３９】
このＺｂｅｓｔ１とＺｂｅｓｔ２の差は、図７に示す画像観察中に発光されたレーザパルスの実発光波長データの平均値（λａｖｅｒａｇｅ）と目標波長データ（λｔａｒｇｅｔ）との差分と相関関係にあり、その係数は投影レンズによってほぼ一定であるため、波長差をフォーカス差に変換することが可能である。投影レンズのレーザパルスの波長とフォーカスの係数をＫｆとすると、ほぼ、
（Ｚｂｅｓｔ１−Ｚｂｅｔｓ２）＝Ｋｆ・（λａｖｅｒａｇｅ―λｔａｒｇｅｔ）  −−−−−−−−−−−−（１）
の関係がある。
【００４０】
実際の露光動作では、前述のように無効パルスが設定されているため、チャープ現象によるフォーカス変動が収束した時点の波長（λｔａｒｇｅｔ）によって決まるフォーカス値、即ちＺｂｅｓｔ１を使用して露光することになる。従って、ステージ基準マーク計測により求めた最適フォーカス位置（Ｚｂｅｓｔ１）に対して、実発光波長データの平均値と目標波長データとの差分量（λａｖｅｒａｇｅ―λｔａｒｇｅｔ）から式（１）を用いて求めた（Ｚｂｅｓｔ１−Ｚｂｅｔｓ２）を補正すれば、実際のウエハ露光時に最適なフォーカス位置が求まる。
【００４１】
次に投影倍率の補正について説明する。投影レンズ９の投影倍率計測は、図３の第２工程、即ち基準マークのＴＴＬフォーカス計測に代えて実施すれば良い。まずレチクル６上に所定の距離を離してステージ基準マーク１３ａ類似のパターンを配置する。また、基準平面ミラー１３上にもステージ基準マーク１３ａを所定の距離を離して複数設置する。投影露光倍率を１／４とすると、レチクル６上のマーク間距離を１００ｍｍ、ステージ基準マーク１３ａ間の距離を２５ｍｍで配置すればよい。計測は、まずレチクル６上の一つのマークと、基準平面ミラー１３上の一つのステージ基準マーク１３ａを前述の検出光学系２５を通してＣＣＤカメラ２４で計測し、画像信号処理回路３２により、各マークのＸＹ方向の位置ズレ量を求める。次にレチクル６上のもう一つのマークと、基準平面ミラー１３上のもう一つのステージ基準マーク１３ａの各マークのＸＹ方向の位置ズレ量を求める。最初の計測での各マークの位置ズレ量をｄ１、次の計測での各マークの位置ズレ量をｄ２とする。レチクル６上のマーク間隔をＤｒ、ステージ基準マーク１３ａのマーク間隔をＤｓとして、投影倍率Ｍは、
Ｍ＝（Ｄｒ＋ｄ１＋ｄ２）／Ｄｓ                −−−−−−−−−−−−−−−−−−  （２）
として求められる。
【００４２】
次に求めた倍率が希望する値となるように投影倍率補正機構１８により補正する。ここで問題はこのステージ基準マークの観察中にレーザ発光波長に図７に示すようなチャープ現象が発生しているために投影レンズの収差の影響により、求められた投影倍率（Ｍｂｅｓｔ２）はウエハ露光時における無効パルスの設定によりチャープ現象を除いた場合（Ｍｂｅｓｔ１）と比較して変化する。
【００４３】
このＭｂｅｓｔ１とＭｂｅｓｔ２の倍率差は、図７に示す画像観察中に発光されたレーザパルスの実発光波長データの平均値（λａｖｅｒａｇｅ）と目標波長データ（λｔａｒｇｅｔ）との差分と相関関係にあり、その係数は投影レンズによってほぼ一定であるため、波長差を倍率差に変換することが可能である。投影レンズのレーザパルスの波長と投影倍率の係数をＫｍとすると、ほぼ、
（Ｍｂｅｓｔ１／Ｍｂｅｔｓ２）＝Ｋｍ・（λａｖｅｒａｇｅ―λｔａｒｇｅｔ）  −−−−−−−−−−−−−−−（３）
の関係がある。
【００４４】
実際の露光動作では、前述のように無効パルスが設定されているため、チャープ現象によるフォーカス変動が収束した時点の波長（λｔａｒｇｅｔ）によって決まる倍率値、即ちＭｂｅｓｔ１を使用して露光することになる。従って、ステージ基準マーク計測により求めた最適倍率値（Ｍｂｅｓｔ１）に対して、実発光波長データの平均値と目標波長データとの差分量（λａｖｅｒａｇｅ―λｔａｒｇｅｔ）から式（３）を用いて求めた（Ｍｂｅｓｔ１／Ｍｂｅｔｓ２）を投影倍率補正機構１８を用いて補正すれば、実際のウエハ露光時に最適な投影倍率にすることが可能となる。
【００４５】
次に、本発明の第２の実施例に係る基準マークのオートフォーカス計測処理について説明する。図７に示すように、従来のステージ基準マーク１３ａの画像計測期間（Ｔｃ）はチャープ現象も含んでいたため、求められる最適フォーカス位置には上述のＺｂｅｓｔ１とＺｂｅｓｔ２との差に相当する誤差が含まれる。本実施例では、実際の露光動作では、前述のように無効パルスが設定されているため、画像計測期間の開始をチャープ現象終了後から開始するように設定することにより求められた最適フォーカス位置は実際のウエハ露光時のフォーカス位置と一致することになる。
【００４６】
画像計測期間の開始点（Ｔｓ）は、チャープ現象が解消すると予想される最長のパルス数以上に設定すればよい。また、レーザ発振開始直後から波長データの移動平均値を求め、その値が予め設定された閾値内に収束した時点を画像計測期間の開始点（Ｔｓ）としてもよい。また、無効パルスとして設定されているパルス数と同じにＴｓを設定しても良い。
【００４７】
無効パルス数としては、完全にチャープ現象が解消するまでの必要パルス数である必要はなく、実露光に支障が無い程度にチャープ現象が解消するパルス数を設定すればよい。
投影倍率の補正に関しても、同様補正することが可能である。
本実施例では、いわゆるスキャナーを例に挙げたが、ステッパーにおいても適用が可能である。
【００４８】
次に、本発明の第３の実施例に係わる基準マークのオートフォーカス計測処理について説明する。ステッパーにおいては、エキシマレーザの発光パルス全てがレチクル６のパターンのウエハへの転写に使われる。また、エキシマレーザのチャープ現象は、レーザの発光周波数、発光出力、発光休止時間の設定値によってほぼ同じ形状を示す。そこで、実際のウエハ転写に使われるレーザの発光周波数、発光出力、発光休止時間と、ステージ基準マーク１３ａの画像計測での発光周波数、発光出力、発光休止時間を同じに設定すれば、両者にほぼ同等のチャープ現象によるフォーカス変化量が発生するため、フォーカスオフセットのズレは発生しない。また、少なくとも一つ以上を同一の値に設定しても効果は低減するが有効である。
投影倍率の補正に関しても、同様補正することが可能である。
【００４９】
＜デバイス製造方法の実施例＞
次に上記説明した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８は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）ではデバイスのパターン設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計したパターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコンやガラス等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、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。次のステップ５（組立て）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なう。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。
【００５０】
図９は上記ウエハプロセス（ステップ４）の詳細なフローを示す。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）ではウエハにレジストを塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明した露光装置または露光方法によってマスクの回路パターンをウエハの複数のショット領域に並べて焼付露光する。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。
本実施例の生産方法を用いれば、従来は製造が難しかった大型のデバイスを低コストに製造することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、エキシマレーザより発光波長毎の発光波長データを取得し、基準マークの観察に使われた全ての発光波長データの平均値を求め、この平均値より求められた処理データをフォーカスオフセット値に反映して補正することによりウエハ露光時のフォーカスを高精度に制御することができる。
また、レーザ発光開始直後より予め決められたパルス数経過後に画像計測を開始するか、波長データの移動平均を計算し、その計算結果が所定の閾値内に入った場合に画像計測を開始するようにすることで基準マーク観察により得られるフォーカス値とウエハ露光時のフォーカス値との差を無くすことが可能となり、ウエハ露光時のフォーカス値を高精度に制御することができる。
【００５２】
また、マーク画像観察時のパルスレーザ光発光周波数と発光出力及び発光休止時間の全て、若しくは少なくとも一つ以上をウエハ露光時と同じ値に設定することにより基準マーク観察により得られるフォーカス値とウエハ露光時のフォーカス値との差を無くすことが可能となり、ウエハ露光時のフォーカス値を高精度に制御することができる。
【００５３】
また、エキシマレーザより発光波長毎の発光波長データを取得し、基準マークの観察に使われた全ての発光波長データの平均値を求め、この平均値より求められた処理データを投影倍率オフセット値に反映して補正することによりウエハ露光時の投影倍率を高精度に制御することができる。
【００５４】
また、レーザ発光開始直後より予め決められたパルス数経過後に画像計測を開始するか、波長データの移動平均を計算し、その計算結果が所定の閾値内に入った場合に画像計測を開始するようにすることで基準マーク観察により得られる投影倍率値とウエハ露光時の投影倍率値との差を無くすことが可能となり、ウエハ露光時の投影倍率値を高精度に制御することができる。
【００５５】
また、マーク画像観察時のパルスレーザ光発光周波数と発光出力及び発光休止時間の全て、若しくは少なくとも一つ以上をウエハ露光時と同じ値に設定することにより基準マーク観察により得られる投影倍率値とウエハ露光時のフォーカス値との差を無くすことが可能となり、ウエハ露光時のフォーカス値を高精度に制御することができる。
このように、レーザのチャープ現象による画像計測における悪影響を排除することにより、常に最適なフォーカス位置を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１〜第２の実施例に係るオートフォーカス機能を有する投影露光装置の概略図である。
【図２】図１の装置におけるステージ基準マークの説明図である。
【図３】従来のオートフォーカス機能を有する投影露光装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施例に係る動作のフローチャートである。
【図５】画像ＡＦ処理の流れを表すフローチャートである。
【図６】図５の処理におけるフォーカス位置とコントラストの関係を表すグラフである。
【図７】レーザ波長のチャープ現象を表すグラフである。
【図８】本発明の露光装置を利用できるデバイス製造方法を示すフローチャートである。
【図９】図８中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：エキシマレーザ光源、２：切り替えミラー、３：オプティカルファイバー、４：ビーム整形光学系、５：ビーム均一化光学系、６：レチクル、６ａ：レチクルパターン面、７：レチクルステージ、８：可動ブラインド、９：投影レンズ、１０：投光光学系、１１：ｘｙｚステージ、１２：ウエハ、１２ａ：ウエハ面、１３：基準平面ミラー、１３ａ：ステージ基準マーク、１４：検出光学系、１５：固定ブラインド、１６：コンデンサレンズ、１７：コリメータレンズ、１８：投影倍率補正機構、２１：ミラー、２２：対物レンズ、２３：ハーフミラー、２４：ＣＣＤカメラ、２５：検出光学系、２６：オートフォーカス光学系、３１：主制御回路、３２：画像信号処理回路、３３：オートフォーカス制御回路、３４：パルスレーザ制御回路、３５：ｘｙｚステージ駆動回路。
【図１】
2004165220.tif 000003
【図２】
2004165220.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004165220.tif 000008
【図７】
2004165220.tif 000009
【図８】
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【図９】
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