(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光エネルギービームをマスクに照射して、前記マスクに形成されたパターンを投影光学系を介して感光材料が塗布された基板上に露光する露光方法において、
前記投影光学系の結像特性の変動に起因する前記マスクのパターン像のコントラストの変化に応じて、前記感光材料に対する前記露光エネルギービームの露光量を制御することを特徴とする露光方法。
【請求項２】
請求項１記載の露光方法であって、
前記基板上における前記マスクのパターン像が、明部を背景とした孤立的な暗パターンである場合に前記露光量を減少させて、前記基板上における前記マスクのパターン像が、暗部を背景とした孤立的な明パターンである場合に前記露光量を増加させることを特徴とする露光方法。
【請求項３】
請求項１記載の露光方法であって、
前記マスクのパターンが互いに線幅の異なる複数種類のパターンよりなる場合に、前記複数の種類のパターンの内の最小線幅のパターンに応じて前記感光材料に対する露光量を制御することを特徴とする露光方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項記載の露光方法であって、
前記マスクのパターン像のコントラストの変化量と、前記マスクのパターン像のコントラストの変化量に対する前記露光量との関係に基づいて、前記感光材料に対する前記露光エネルギービームの露光量を制御することを特徴とする露光方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項記載の露光方法であって、
前記投影光学系の結像特性の変動は、前記投影光学系の前記露光エネルギービームの吸収に起因したものであることを特徴とする露光方法。
【請求項６】
露光エネルギービームをマスクに照射する照明系と、前記マスクに形成されたパターンの像を感光材料が塗布された基板上に転写する投影光学系とを有する露光装置において、
前記投影光学系の結像特性の変化に基づく、前記マスクのパターン像のコントラストの変化量を計算する計算系と、
該計算系の計算結果に応じて前記感光材料に対する前記露光エネルギービームの露光量を制御する露光量制御系とを備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項７】
請求項６記載の露光装置であって、
前記照明系は、前記マスクに対する照明条件を変更するための可変開口絞りを備え、前記計算系は、前記照明条件に応じた前記投影光学系の結像特性の変化量を計算する際のパラメータを変更することを特徴とする露光装置。
【請求項８】
請求項１から５のいずれか一項記載の露光方法を用いたデバイスの製造方法であって、
前記マスクのパターン像のコントラストの変化に応じて、前記感光材料に対する前記露光エネルギービームの露光量を制御しながら、前記マスクのパターンの像を前記基板上に露光する工程を含むことを特徴とするデバイスの製造方法。
【請求項９】
露光エネルギービームをマスクに照射して、前記マスクに形成されたパターンを投影光学系を介して感光材料が塗布された基板上に転写する露光方法において、
前記投影光学系の結像特性の変化に起因する前記マスクのパターン像のコントラストの変化に応じて、前記パターン像の結像特性の一部を補正すると共に、前記感光材料に対する前記露光エネルギービームの露光量を制御することを特徴とする露光方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の露光方法であって、
前記投影光学系の結像特性は、ディストーションとコマ収差と球面収差とを含み、
前記パターン像の結像特性の一部を補正することは、前記ディストーションを補正することを含み、
前記コマ収差又は前記球面収差による前記パターン像のコントラストの変化に応じて、前記露光エネルギービームの露光量を制御することを特徴とする露光方法。
【請求項１１】
露光エネルギービームをマスクに照射する照明系と、前記マスクに形成されたパターンの像を感光材料が塗布された基板上に転写する投影光学系とを有する露光装置において、
前記投影光学系の結像特性を補正する結像特性補正機構と、
前記感光材料に対する前記露光エネルギービームの露光量を制御する露光量制御機構と、
前記結像特性補正機構を制御し、前記投影光学系の結像特性うち、一部の結像特性の変化を補正するとともに、前記露光量制御機構を制御し、前記投影光学系の結像特性の変動に起因する前記マスクのパターン像のコントラストの変化に応じて、前記感光材料に対する前記露光エネルギービームの露光量を制御する制御装置と
を有することを特徴とする露光装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の露光装置において、
前記投影光学系の結像特性は、ディストーションとコマ収差と球面収差とを含み、
前記制御装置は、前記ディストーションを補正するように前記結像特性補正機構を制御すると共に、前記コマ収差又は前記球面収差による前記パターン像のコントラストの変化に応じて、前記露光量制御機構を制御することを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、例えば半導体素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等を製造するためのリソグラフィ工程中でマスクパターンをフォトレジストが塗布されたウエハ等の基板上に転写する際に使用される露光方法、及び露光装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より半導体素子等を製造する際に、マスクとしてのレチクルのパターンを投影光学系を介してフォトレジストの塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上の各ショット領域に転写する一括露光型（ステッパー型）の投影露光装置が使用されている。最近では、投影光学系を大型化することなく、大面積のパターンをウエハ上に転写するために、レチクル及びウエハを投影光学系に対して同期移動して露光を行うステップ・アンド・スキャン方式等の走査露光型の投影露光装置（走査型露光装置）も注目されている。
【０００３】
これらの露光装置においては、常に高い結像特性を維持した状態で露光を行うことが求められている。ところが、露光中の環境条件（気圧、温度、湿度等）の変化や投影光学系の露光光吸収等により結像特性（ベストフォーカス位置、投影像のコントラスト等）は次第に微妙に変化する。このような結像特性の変化によって、図１１に示すように、転写されたパターンの線幅も変化することになる。
【０００４】
即ち、図１１（ａ）に示すように、レチクル１３に遮光性の孤立パターン３３が存在するときに、露光光ＩＬのもとでその孤立パターン３３の像を不図示の投影光学系を介して、フォトレジストの塗布されたウエハ上に投影する場合を考える。この場合、その投影光学系の結像特性に変化が無い状態では、ウエハ上での投影像による露光量Ｅの分布は、図１１（ｂ）の曲線３５ａに示すようにコントラストの良い分布となる。なお、図１１（ｂ）の横軸は投影像の位置Ｘ（実際には例えば縮小投影されている）であり、露光量Ｅの分布は結像光束の強度分布に比例している。また、ウエハ上に塗布されたフォトレジスト（ここではポジ型とする）の感光レベルをスライスレベル（閾値）Ｅｔｈとすると、露光量ＥがそのスライスレベルＥｔｈ以上になった領域で現像後にフォトレジストが溶解するため、現像後にウエハ上には図１１（ｃ）のレジストパターン３６ａで示すように広い線幅のパターンが残される。
【０００５】
そして、環境条件等によって例えばコマ収差、及び球面収差等の結像特性が変化すると、ウエハ上での投影像による露光量Ｅの分布は図１１（ｂ）の曲線３５ｂ，３５ｃ，３５ｄで示すようにコントラストが徐々に悪化していく。この場合でも通常は、フォトレジストの感光レベルであるスライスレベルＥｔｈは変化しないため、現像後にウエハ上に残されるパターンは、レジストパターン３６ｂ，３６ｃで示すように次第に線幅が狭くなる。特にＩＣ等の半導体デバイス等を製造する上で、レジストパターンの線幅は非常に重要なファクタになっており、レジストパターンの線幅が変化して、ひいては最終的にウエハ上に形成される回路パターンの線幅が設計値に対して許容範囲を超えて変化すると、半導体デバイス等の歩留りが低下してしまう。
【０００６】
そこで、従来はこのような結像特性の変化を防止するために、例えば投影光学系を構成するレンズエレメントの一部を駆動する結像特性補正系を備えておき、環境条件等の変化に応じてその結像特性の変動量を予測し、この予測される結像特性の変動量を相殺するようにその結像特性補正系を介して結像特性を補正していた。
【０００７】
上記の如く従来の投影露光装置では、環境条件等の変化によって、現像後にウエハ上に形成されるレジストパターンの線幅等が変化するのを防止するために、結像特性補正系を用いて投影像の結像特性を補正していた。
しかしながら、実際の投影露光装置では結像特性補正系を用いて全ての結像特性を補正することは困難であるため、環境条件等が変化した場合にレジストパターンの線幅の変化が殆ど生じないように結像特性を補正するのは困難であった。また、結像特性補正系を介して結像特性を補正するには或る程度の制御時間を要するため、その結像特性補正系の複雑な駆動によって露光工程のスループットが低下するという不都合もある。
【０００８】
また、例えば孤立的パターン（密集度の低いパターン）と、密集度の高いパターンとを同時に転写するような場合には、パターンの種類によって結像特性の変化の影響が異なるため、全体として最も影響が小さくなるようにすることが望ましい。
更に、結像特性が変動しない場合であっても、例えば露光から現像までのフォトレジストの引き置き時間の変化等によって、図１１（ｂ）に示すフォトレジストの感光レベル（スライスレベルＥｔｈ）が変動した場合には、現像後に形成されるレジストパターンの線幅が変化するという不都合がある。このような場合に、結像特性補正系を介してレジストパターンの線幅が変化しないように対応する結像特性を補正することも考えられるが、それには極めて複雑な制御が必要になる。
【０００９】
本発明は斯かる点に鑑み、転写されるパターンの線幅等の形状に影響する所定の特性が変動した場合に、結像特性補正系を駆動することなく、その形状の変動量を軽減できる露光方法を提供することを第１の目的とする。
更に本発明は、複数種類のパターンを転写する際にその所定の特性が変動した場合に、結像特性補正系を駆動することなく、全体として有効にその形状の変動量の影響を軽減できる露光方法を提供することを第２の目的とする。更に本発明は、そのような露光方法を実施できる露光装置、この露光装置の効果的な製造方法、及びそのような露光方法を用いた高機能のデバイスの製造方法を提供することを第３の目的とする。
【００１０】
【発明の開示】
本発明による第１の露光方法は、露光エネルギービームをマスク（１３）に照射して、そのマスクに形成されたパターンを投影光学系を介して感光材料（５１）が塗布された基板（２０）上に露光する露光方法において、前記投影光学系の結像特性の変動に起因する前記マスクのパターン像のコントラストの変化に応じて、前記感光材料に対する前記露光エネルギービームの露光量を制御するものである。
【００１１】
斯かる本発明によれば、投影光学系の結像特性が変動して転写されるパターン像が変化しても、結像特性補正系を駆動することなく、そのパターン像の変化量を軽減できる。例えばその基板上での露光像、即ち露光量分布のコントラスト等が変化して、その露光量分布が感光材料の感光レベルを横切る位置が変化することが予測される場合には、その露光量分布がその感光レベルを横切る位置が変化しないように、露光量を増減させる。同様に、露光から現像までの引き置き時間等の変化によってその感光材料の感光レベルの変化が予測される場合にも、その露光量分布が変化後の感光レベルを横切る位置が変化しないように露光量を増減させることで、現像後に形成される感光材料のパターンの線幅等が変化しない。
【００１２】
また、露光エネルギービームの吸収による投影光学系の結像特性の変動に応じて露光量を制御しているので、露光エネルギービームの出力が大きくなってもパターンの線幅が変化することなく高精度の露光を実現することができる。
これらの場合に、一例として、そのマスクのパターン（３３）のその基板上での露光像が、明部を背景とした孤立的な暗パターンである場合にその露光量を減少させて、そのマスクのパターン（５３ａ）のその基板上での露光像が、暗部を背景とした孤立的な明パターンである場合にその露光量を増加させることが望ましい。例えば図４（ｂ）に示すように、その露光像が孤立的な暗パターンであると共に、感光レベル（Ｅｔｈ）が比較的低い場合には、露光量分布のコントラストの低下によって露光量分布がその感光レベルを横切る位置が内側にずれる傾向がある。従って、露光量を減少させることで露光量分布がその感光レベルを横切る位置を元の位置に戻すことができる。
【００１３】
一方、例えば図７（ｂ）に示すように、その露光像が孤立的な明パターンであると共に、感光レベル（Ｅｔｈ）が比較的高い場合には、露光量分布のコントラストの低下によって露光量分布がその感光レベルを横切る位置が内側にずれる傾向がある。従って、露光量を増加させることで露光量分布がその感光レベルを横切る位置を元の位置に戻すことができる。
【００１４】
また、そのマスクのパターンが互いに線幅の異なる複数種類のパターン（３８，３９）よりなる場合に、それら複数種類のパターンの内の最小線幅のパターンに応じてその感光材料に対する露光量を制御するようにしてもよい。露光像の特性等の変化による線幅等の変化量はほぼ同様であるため、その線幅の変化量の影響は最小線幅のパターンにとって最も大きくなる。そこで、その最小線幅のパターンの線幅の変化が最も小さくなるように露光量を制御することで、全体として有効に線幅等の変化の影響が軽減される。
【００１５】
また、別の方法として、そのマスクのパターンが同じ程度の線幅の複数種類のパターンよりなる場合に、各パターンの線幅の変化を抑制できる露光量をそれぞれ求めた後、最終的な露光量をそれらの露光量の最大値と最小値との中間の値に設定してもよい。これによって、全体として線幅等の変化量が最小になる。
また、本発明による第２の露光方法は、露光エネルギービームをマスクに照射して、前記マスクに形成されたパターンを投影光学系を介して感光材料が塗布された基板上に転写する露光方法において、前記投影光学系の結像特性の変化に起因する前記マスクのパターン像のコントラストの変化に応じて、前記パターン像の結像特性の一部を補正すると共に、前記感光材料に対する前記露光エネルギービームの露光量を制御するものである。
【００１６】
次に、本発明による第１の露光装置は、露光エネルギービームをマスク（１３）に照射する照明系（１，４，１０〜１２）と、そのマスクに形成されたパターンの像を感光材料（５１）が塗布された基板（２０）上に転写する投影光学系（１９）と、を有する露光装置において、その投影光学系の結像特性の変化に基づく、そのマスクのパターン像のコントラストの変化量を計算する計算系（３１）と、この計算系の計算結果に応じてその感光材料に対するその露光エネルギービームの露光量を制御する露光量制御系（２，３，７，８，３２）と、を備えたものである。
【００１７】
また、本発明による第２の露光装置は、露光エネルギービームをマスクに照射する照明系と、前記マスクに形成されたパターンの像を感光材料が塗布された基板上に転写する投影光学系とを有する露光装置において、前記投影光学系の結像特性を補正する結像特性補正機構と、前記感光材料に対する前記露光エネルギービームの露光量を制御する露光量制御機構と、前記結像特性補正機構を制御し、前記投影光学系の結像特性うち、一部の結像特性の変化を補正するとともに、前記露光量制御機構を制御し、前記投影光学系の結像特性の変動に起因する前記マスクのパターン像のコントラストの変化に応じて、前記感光材料に対する前記露光エネルギービームの露光量を制御する制御装置とを有するものである。
【００１８】
斯かる本発明の露光装置によって、本発明の露光方法が実施できる。
また、その照明系は、そのマスクに対する照明条件を変更するための可変開口絞り（５，６）を備え、その計算系は、その照明条件に応じてその投影像の結像特性の変化量、及びその感光材料の特性の変化量の少なくとも一方を計算する際のパラメータを変更することが望ましい。照明条件をも考慮することで、その特性の変化量をより正確に予測できる。
【００１９】
また、本発明によるデバイスの製造方法は、本発明の露光方法を用いたデバイスの製造方法であって、そのマスク（１３）のパターンの露光像の結像特性の変化、及びその感光材料（５１）の特性の変化の少なくとも一方に応じてその感光材料に対するその露光エネルギービームの露光量を制御しながら、そのデバイス用の基板に露光する工程を含むものであり、パターンの線幅精度が向上し、高機能のデバイスを製造できる。
【００２０】
【発明を実施するための最良の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態の一例につき図１〜図７を参照して説明する。
図１は本例で使用される一括露光型（ステッパー型）の投影露光装置を示し、この図１において、水銀ランプよりなる露光光源１から射出された例えばｉ線（波長３６５ｎｍ）の露光光ＩＬは、シャッタ２の近傍を通過して不図示のビーム整形光学系等を経てオプティカル・インテグレータとしてのフライアイレンズ４に入射する。この場合、露光量制御系３２が駆動モータ３によりシャッタ２を回転して、露光光ＩＬの光路を開閉することによって、ウエハに対する露光時間、ひいては露光光の露光量（積算露光量）を制御できるように構成されている。装置全体の動作を統轄制御する主制御系３１が、露光量制御系３２に対して目標露光量等の情報を供給する。
【００２１】
なお、露光光源としては、ＫｒＦ、ＡｒＦ、又はＦ2 等のエキシマレーザ光源等を使用することも可能であるが、この場合には一例としてシャッタを使用することなく、レーザ光源等の発光のオン／オフ、及び発振周波数等を制御することによって露光量が制御される。
フライアイレンズ４の射出面には、照明系の開口絞り板５が回転自在に配置され、開口絞り板５の回転軸の周りには、図２に示すように、通常照明用の円形の開口絞り５ａ、小さいコヒーレンスファクタ（σ値）用の小さい円形の開口絞り５ｂ、輪帯照明用の輪帯状の開口絞り５ｃ、及び複数の偏心した小開口よりなる変形照明用の開口絞り５ｄが配置されている。なお、必要に応じて更に別の種類の照明系開口絞りを設けてもよい。
【００２２】
図１に戻り、主制御系３１が、駆動モータ６を介して開口絞り板５を回転することによって、フライアイレンズ４の射出面に所望の照明系開口絞りを配置できるように構成されている。主制御系３１には、後述のように結像特性の変動量等を計算するためのコンピュータも含まれている。フライアイレンズ４の射出面の開口絞りを通過した露光光ＩＬの一部は、ビームスプリッタ７にて反射された後、光電検出器よりなるインテグレータセンサ８に入射する。インテグレータセンサ８の検出信号は露光量制御系３２に供給され、露光量制御系３２は、その検出信号より露光光ＩＬのウエハの表面での照度（パルスエネルギー）を間接的にモニタする。インテグレータセンサ８の検出信号は、露光量制御系３２を介して主制御系３１にも供給されており、インテグレータセンサ８の検出信号よりウエハ上の照度を算出するための変換パラメータの情報が主制御系３１から露光量制御系３２に供給される。
【００２３】
一方、ビームスプリッタ７を透過した露光光ＩＬは、リレーレンズ、及びレチクルブラインド等を含む光学系１０を経た後、光路折り曲げ用のミラー１１、及びコンデンサレンズ１２を経て、レチクル１３のパターン面（下面）に設けられたパターン領域内の照明領域を照明する。レチクル１３の照明領域内のパターンは、投影光学系１９を介して所定の投影倍率β（βは１／４，１／５等）でフォトレジストが塗布されたシリコンウエハ（以下、単に「ウエハ（ｗａｆｅｒ）」と言う）２０上の１つのショット領域に縮小投影される。ウエハ２０上のフォトレジストの感光レベル、及び露光から現像までの引き置き時間による感光レベルの変動特性等の情報は、例えば不図示のホストコンピュータ等から主制御系３１に供給されている。以下、投影光学系１９の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行にＸ軸を取り、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。
【００２４】
先ず、レチクル１３はレチクルステージ１４上に保持されている。レチクルステージ１４は、２次元的にレチクル１３の位置決めを行う。レチクルステージ１４の位置は不図示のレーザ干渉計によって計測されており、この計測結果、及び主制御系３１からの制御情報に基づいて不図示のレチクルステージ駆動系がレチクルステージ１４の動作を制御する。
【００２５】
一方、ウエハ２０は不図示のウエハホルダ上に吸着保持され、ウエハホルダはウエハステージ２１上に固定されている。ウエハステージ２１上のウエハ２０（ウエハホルダ）の近傍には光電検出器よりなる照射量モニタ２７が取り付けられ、照射量モニタ２７の検出信号が主制御系３１に供給されている。そして、ウエハステージ２１は、この上のウエハ２０及び照射量モニタ２７をＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する。ウエハステージ２１には、ウエハ２０及び照射量モニタ２７の投影光学系１９の光軸方向の位置（フォーカス位置）、及び傾斜角を制御するＺ駆動部も組み込まれている。
【００２６】
また、投影光学系１９の側面に送光系２５及び受光系２６よりなるオートフォーカスセンサ（以下、「ＡＦセンサ２５，２６」と呼ぶ）が配置され、送光系２５からウエハ２０の表面に斜めに投影される複数のスリット像を受光系２６内で再結像し、再結像された像の横ずれ量を検出することによって、それらのスリット像が投影された複数の計測点でのフォーカス位置が検出され、検出結果が主制御系３１に供給されている。主制御系３１は、ＡＦセンサ２５，２６によって検出される複数のフォーカス位置が、予めテストプリント等によって求められている投影光学系１９の像面の位置（ベストフォーカス位置）に合致するように、オートフォーカス方式、及びオートレベリング方式でウエハステージ駆動系２４を介してウエハステージ２１内のＺ駆動部を駆動する。
【００２７】
また、ウエハステージ２１上に直交する反射面を有する移動鏡２２が固定され、対向するように配置された３軸のレーザ干渉計２３から移動鏡２２にレーザビームが照射され、レーザ干渉計２３によってウエハステージ２１（ウエハ２０）のＸ座標、Ｙ座標、及び回転角が計測され、この計測値がウエハステージ駆動系２４、及び主制御系３１に供給されている。ウエハステージ駆動系２４は、レーザ干渉計２３の計測値、及び主制御系３１からの制御情報に基づいてウエハステージ２１をＸ方向、Ｙ方向に駆動する。
【００２８】
露光時には、ウエハ２０上の一つのショット領域に対する露光が終了すると、ウエハステージ２１のステップ移動によってウエハ２０上の次の露光対象のショット領域が投影光学系１９の露光領域に設定された後、シャッタ２が開放されてレチクル１３のパターンの像が当該ショット領域に露光されるという動作がステップ・アンド・リピート方式で繰り返されて、ウエハ２０上の各ショット領域にそれぞれレチクル１３のパターン像が転写される。その後、ウエハ２０は現像装置に搬送されて、ウエハ２０上のフォトレジストの現像が行われる。
【００２９】
このようにウエハ２０上の各ショット領域への露光を行うに際しては、ウエハ２０上のフォトレジストの感光レベル（感度）に応じた適正露光量で露光を行う必要がある。この場合、投影光学系１９の結像特性に変動が無いと共に、そのフォトレジストの感光レベルにも変動が無い状態での適正な露光量は、例えば露光量を種々に設定して所定の線幅の回路パターンのテストプリント（試し焼き）を行い、現像後に得られるレジストパターンの線幅が目標値に最も近いときの露光量を求めることで決定されている。この適正露光量の情報は主制御系３１から露光量制御系３２にも供給されており、露光量制御系３２は、結像特性等に変動が無い状態では、インテグレータセンサ８を介して間接的に検出されるウエハ２０上での単位時間当たりの光量（照度）の積算値がその適正露光量となるように、シャッタ２の開放時間（露光時間）を制御する。なお、シャッタ２の開放時間を制御する以外に、露光光源１の発光パワーを制御してもよく、更に露光光源１の後に光量減衰器等を配置しておいて、この減衰率等を制御してもよい。
【００３０】
更に、本例では例えば露光光ＩＬの照射等によって投影光学系１９の所定の結像特性が変動することで、現像後のレジストパターンの線幅の変動が予測される場合には、後述のようにウエハ２０に対する露光量を増減することによって対処する。
なお、本発明は、一括露光型のみならず、ステップ・アンド・スキャン方式のような走査露光型の投影露光装置にも適用可能である。走査露光型の場合には、ウエハ上でのスリット状の露光領域の走査方向の幅（スリット幅）をＤＹ、走査速度をＶＷＹ、ウエハ上での照度をＰＷとすると、ウエハに対する露光量Ｅscanは、ＰＷ・ＤＹ／ＶＷＹで表される。従って、ウエハに対する露光量Ｅscanを制御するためには、照度ＰＷ、スリット幅ＤＹ、又は走査速度ＶＷＹ等の何れを制御してもよい。
【００３１】
さて、上述のように露光を継続すると、露光光ＩＬの照射熱によって投影光学系１９を構成する各光学部材が膨張、又は変形し、これらに応じてウエハ２０上に投影される投影像のディストーション（倍率誤差を含む）、ベストフォーカス位置、及び諸収差等の結像特性が次第に変化する。これによって、次第にウエハ２０上に目標とするパターン像を露光することが困難となる。また、大気圧等の環境条件の変化によっても所定の結像特性が変化して、目標とするパターン像の露光が困難になることもある。このような結像特性の変動の影響を軽減するために、本例の投影露光装置には露光光ＩＬの照射量や環境条件の計測機構、及び投影像の所定の結像特性の補正機構が組み込まれている。
【００３２】
［露光光の照射量等の計測機構］
先ず、露光光ＩＬの照射量の計測機構の一部がウエハステージ２１上の照射量モニタ２７である。照射量モニタ２７は実際に投影光学系１９を通過した露光光ＩＬの照度（パルス光ではパルスエネルギー）を測定できるように構成されており、投影光学系１９の像面の位置（ベストフォーカス位置）が変化しても、ウエハステージ２１をＺ方向に駆動することで、照射量モニタ２７の受光面をそのベストフォーカス位置に位置決めできるようになっている。照射量モニタ２７としては、シリコンフォトダイオードやフォトマルチプライアを使用できる。なお、本例ではウエハステージ２１上に照射量モニタ２７が設置されているが、ウエハステージ２１上には集光光学系のみを組み込み、この集光光学系で集光された露光光をリレー光学系、又は光ファイバ等を介して、外部の照射量モニタ２７に導くようにしてもよい。この場合、照射量モニタ２７をウエハステージ２１上に設置しなくても済むため、照射量モニタ２７の発熱によるウエハステージ２１の位置決め精度等の悪化を防ぐことができるとともに、ウエハステージ２１が軽量化できる。
【００３３】
また、本例において、ウエハ２０で反射された露光光ＩＬは、投影光学系１９、レチクル１３、及びコンデンサレンズ１２等を経てビームスプリッタ７に戻り、ビームスプリッタ７で反射された光束が光電検出器よりなる反射率センサ９に入射し、反射率センサ９の検出信号が主制御系３１に供給されている。主制御系３１は、反射率センサ９の検出信号よりウエハ２０の反射率を算出する。照射量モニタ２７で計測される露光光ＩＬの照度（パルスエネルギー）と、この照度に反射率センサ９を介して検出される反射率を乗じて得られる照度との和より、投影光学系１９を通過する露光光ＩＬの単位時間当たりのエネルギーが求められる。
【００３４】
また、環境条件の計測機構として、投影光学系１９の近傍に気圧センサ２８、温度センサ２９、湿度センサ３０が配置されている。気圧センサ２８、温度センサ２９、及び湿度センサ３０によってそれぞれ計測される投影光学系１９を囲む気体の気圧、温度、及び湿度の情報も主制御系３１に供給されている。
［所定の結像特性の補正機構］
次に、本例の所定の結像特性の補正機構につき説明する。本例では、ディストーション（倍率誤差を含む）のように露光位置の変動を招く結像特性の変動は、この補正機構によって補正する。即ち、図１において、投影光学系１９の鏡筒１５のレチクル側の面に載置されたレンズ群のレンズ枠上に、圧電素子（ピエゾ素子）等からなる伸縮自在の駆動素子１７を介してレンズ群Ｌ２を保持するレンズ枠が載置され、このレンズ枠上に伸縮自在の駆動素子１６を介してレンズ群Ｌ１を保持するレンズ枠が載置されている。駆動素子１６，１７は、それぞれ光軸ＡＸを中心として１２０°間隔で配置された３個の駆動素子より構成され、駆動素子１６，１７の伸縮量は結像特性制御部１８によって制御されている。
【００３５】
また、駆動素子１６，１７が配置されている位置（駆動点）には、不図示の位置センサが配置され、これらの位置センサで検出される駆動素子１６，１７の伸縮量の情報が結像特性制御部１８に供給され、結像特性制御部１８では検出される伸縮量が目標値になるようにクローズドループ方式で駆動素子１６，１７を駆動する。位置センサとしては、例えば静電容量型のギャップセンサ、光学式や磁気式のリニアエンコーダ、又は干渉計等が使用できる。
【００３６】
そのように駆動素子１６，１７を伸縮させることで、それぞれ対応するレンズ群Ｌ１，Ｌ２を投影光学系１９の光軸方向に移動できると共に、その光軸に垂直な面に対して傾斜させることができる。また、レンズ群Ｌ１，Ｌ２は互いに独立に駆動可能となっており、レンズ群Ｌ１，Ｌ２の駆動によって対応する結像特性が変化する。主制御系３１から所定の結像特性の補正量の情報が結像特性制御部１８に供給されると、結像特性制御部１８では対応する駆動素子１６，１７をその補正量に応じた量だけ駆動する。これによって、倍率誤差を含むディストーション等の結像特性が補正される。
【００３７】
なお、本例では各レンズ群Ｌ１，Ｌ２を駆動することにより所定の結像特性を補正しているが、投影光学系１９の内部の一部のレンズ間の空間を密封して内部圧力を変更することにより結像特性を補正する機構を採用しても良い。
また、機械的に補正可能な結像特性としては、他にベストフォーカス位置の変動量がある。この変動量、即ちデフォーカス量は後述のように、例えばウエハステージ２１中のＺ駆動部の駆動でウエハ２０のフォーカス位置を制御することで補正できる。更に、本例では、投影像のコントラストのように機械的に補正するには複雑な機構を要するような結像特性の変動に対しては、後述のように露光量制御で対処する。
【００３８】
［投影光学系の各種の結像特性の変動量の計算方法］
次に、図１の投影光学系１９の各種の結像特性の変動量の計算方法について説明する。そのために、先ず、ウエハ２０の反射率Ｒを求める。ウエハステージ２１上には投影光学系１９の露光領域を覆う大きさを備え、それぞれ反射率がＲＨ及びＲＬ（ＲＨ＞ＲＬ）である２つの反射板（不図示）が設置してある。そして、レチクル１３をレチクルステージ１４上に設置した状態で、ウエハステージ２１を駆動して反射率ＲＨの反射板を投影光学系１９の露光領域に移動する。次に、照明条件（照明系開口絞りの種類、及び投影光学系１６の開口数等）を所定の状態に設定した上で反射率センサ９の出力ＶＨを測定する。次に、ウエハステージ２１を駆動させることにより反射率ＲＬの反射板を投影光学系１９の露光領域に移動して反射率センサ９の出力ＶＬを測定する。
【００３９】
図３は、計測されるウエハ２０の反射率と反射率センサ９の出力との関係を示し、この図３において、横軸は計測される反射率Ｒであり、縦軸は反射率センサ９の出力Ｖである。この図３に示すように、上述の２回の反射率の測定結果（ＲＨ，ＶＨ）及び（ＲＬ，ＶＬ）を直線で結ぶことによって、反射率Ｒと反射率センサ９の出力Ｖとの関係を直線（１次関数）で表すことができる。その後、ウエハ２０を露光する際には、反射率センサ９の出力Ｖを用いて、図３の直線に対応する以下の式よりウエハ２０の反射率Ｒを算出する。
【００４０】
0004433609.tif 000002
続いて、露光光吸収による投影光学系１９の結像特性の変動量を計算する。先ず、図１のウエハステージ２１を駆動して照射量モニタ２７を投影光学系１９の露光領域に移動する。そして、照明条件を所定の状態にしてシャッタ２を開いて露光光ＩＬで照射量モニタ２７を照明し、主制御系３１にてそのときの照射量モニタ２７の出力ＰOWとインテグレータセンサ８の出力ＩO とを記憶する。また、主制御系３１は、インテグレータセンサ８の出力ＩO から照射量モニタ２７の出力ＰOWを求めるための変換パラメータ（＝ＰOW／Ｉ0)を算出し、この変換パラメータを露光量制御系３２に供給する。そして、ウエハ２０に露光を行う際に、主制御系３１は、露光量制御系３２を介して供給されるインテグレータセンサ８の出力Ｉと反射率センサ９を介して求めたウエハの反射率Ｒとを用いて以下の式より、各結像特性の変動量の計算を行う。
【００４１】
0004433609.tif 000003
但し、この式において、Ｍｈｅａｔは露光光吸収による倍率の変化量、Ｄｈｅａｔは露光光吸収によるディストーションの変化量、Ｆｈｅａｔは露光光吸収による像面（ベストフォーカス位置）の変化量（フォーカス位置の変化量）、Ｌｈｅａｔは露光光吸収による投影像の線幅の変化量である。この線幅の変化は、例えば投影光学系１９のコマ収差や球面収差の変化による投影像のコントラストの変化によって生ずるものである。また、（２）式において、Ｋｍ，Ｔｍはそれぞれ露光光吸収による倍率変化の係数及び時定数、Ｋｄ，Ｔｄはそれぞれ露光光吸収によるディストーションの変化量の係数及び時定数、Ｋｆ，Ｔｆはそれぞれ露光光吸収によるフォーカス位置の変化量の係数及び時定数、Ｋｌ，Ｔｌはそれぞれ露光光吸収による線幅変化の係数及び時定数である。
【００４２】
インテグレータセンサ８の出力Ｉには露光光源１の照射量の経時変化を測定する役割と、投影光学系１９に露光光が入射しているかどうかを判定する役割との２つの役割がある。各結像特性の変化係数及び時定数については予め実験により求めておいてもよく、熱変形等のシミュレーションによる計算で求めても構わない。また、照明系の光軸上に照明系の開口絞り板５の中でどの開口絞りが設置されているかによって、それらの結像特性の変化係数と時定数とを変更してもよい。この場合は、開口絞りの違いによる微妙な結像特性の変化量も高精度に計算可能となる。なお、本例では照射熱吸収による結像特性の変化を１次遅れ系としたが、更に高精度な計算をするために２次系やむだ時間系、あるいはそれらを組み合わせた伝達関数を導入しても良い。
【００４３】
続いて、図１の気圧センサ２８、温度センサ２９、湿度センサ３０を介して投影光学系１９の周囲の環境条件である気圧、温度、及び湿度の変化量を測定し、主制御系３１は、これらの測定結果より投影光学系１９の倍率変化量ΔＭ、ディストーションの変化量ΔＤ、フォーカス位置の変化量ΔＦ、及び線幅の変化量ΔＬを算出する。その後、これらに（２）式の結像特性の変化量を加算することによって、主制御系３１は次式より全体としての倍率の変化量Ｍ、ディストーションの変化量Ｄ、フォーカス位置の変化量Ｆ、及び線幅の変化量Ｌを求める。
【００４４】
0004433609.tif 000004
但し、Ｐ，Ｔ，Ｈはそれぞれ投影光学系１９の周囲の気体の気圧、温度、及び湿度の変化量であり、Ｋｍｐは気圧変化に対する倍率変化係数、Ｋｍｔは温度変化に対する倍率変化係数、Ｋｍｈは湿度変化に対する倍率変化係数である。また、Ｋｄｐは気圧変化に対するディストーションの変化係数、Ｋｄｔは温度変化に対するディストーションの変化係数、Ｋｄｈは湿度変化に対するディストーションの変化係数であり、Ｋｆｐは気圧変化に対するフォーカス位置の変化係数、Ｋｆｔは温度変化に対するフォーカス位置の変化係数、Ｋｆｈは湿度変化に対するフォーカス位置の変化係数であり、Ｋｌｐは気圧変化に対する線幅変化係数、Ｋｌｔは温度変化に対する線幅変化係数、Ｋｌｈは湿度変化に対する線幅変化係数である。
【００４５】
なお、ここでは上式のように各環境変動に対して結像特性が比例して変化すると仮定しているが、より高精度に結像特性の変動量を求めるために、例えば温度に対して１次遅れ系や熱の移動を考慮したむだ時間系、あるいはそれらの組み合わせの伝達関数を採用してもよい。
［所定の結像特性を補正するための各レンズ群の駆動方法］
次に、上記のように計算された結像特性の変化量の内で、倍率の変化量Ｍ、及びディストーションの変化量Ｄを、投影光学系１９内のレンズ群Ｌ１，Ｌ２の駆動によって補正するために、主制御系３１は、（３）式の変化量Ｍ及びＤを結像特性制御部１８に供給する。結像特性制御部１８では、それらの変化量Ｍ及びＤに対して以下の連立方程式を解いて、レンズ群Ｌ１のＺ方向への駆動量ＺＬ１、及びレンズ群Ｌ２のＺ方向への駆動量ＺＬ２を計算する。
【００４６】
0004433609.tif 000005
但し、Ｋｍａはレンズ群Ｌ１の駆動量に対する倍率変化係数、Ｋｍｂはレンズ群Ｌ２の駆動量に対する倍率変化係数、Ｋｄａはレンズ群Ｌ１の駆動量に対するディストーションの変化係数、Ｋｄｂはレンズ群Ｌ２の駆動量に対するディストーションの変化係数である。
【００４７】
次に、結像特性制御部１８は、計算されたレンズ群Ｌ１，Ｌ２の駆動量ＺＬ１，ＺＬ２に応じて駆動素子１６，１７の伸縮量を制御する。これによって、倍率の変化量、及びディストーションの変化量、即ち投影像の位置のずれが補正される。
［フォーカス位置の補正方法］
次に、（３）式中のフォーカス位置の変化量Ｆ、即ちデフォーカス量の補正を行うが、実際には上記のレンズ群Ｌ１，Ｌ２の駆動によってもフォーカス位置が次のように変動する。結像特性制御部１８は、次式からレンズ群Ｌ１，Ｌ２の駆動量ＺＬ１，ＺＬ２に応じたフォーカス位置の変動量ｆ１を計算し、計算結果を主制御系３１に供給する。
【００４８】
ｆ１＝Ｋｆａ×ＺＬ１＋Ｋｆｂ×ＺＬ２                    （５）
但し、Ｋｆａはレンズ群Ｌ１の駆動量に対するフォーカス位置の変化係数、Ｋｆｂはレンズ群Ｌ２の駆動量に対するフォーカス位置の変化係数である。各係数は実験により求めてもよく、光学的な計算値を採用してもよい。
以上の変化量をまとめて、主制御系３１は次式より投影光学系１９のベストフォーカス位置の変化量ｆを求める。
【００４９】
ｆ＝ｆ１＋Ｆ                                            （６）
これに応じて、主制御系３１は、ＡＦセンサ２５，２６で検出されるウエハ２０のフォーカス位置がその変化量ｆとなるように、ウエハステージ駆動系２４を介してウエハステージ２１内のＺ駆動部を制御する。これによって、オートフォーカス方式でウエハ２０の表面は投影光学系１９の変動後のベストフォーカス位置（像面）に合わせ込まれる。
【００５０】
［線幅の変化量の補正方法］
以上のように、結像特性の内のディストーション（倍率誤差を含む）、及びフォーカス位置の変化量については、結像特性制御部１８、及びウエハステージ２１中のＺ駆動部を介して補正することができる。しかしながら、線幅の変化量を補正するために、例えば投影光学系１９内のコマ収差や球面収差等を補正するには複雑な制御が必要になる。そこで、本例では、以下のようにウエハ２０に対する露光量を制御することによって、その線幅の変化量を補正する。
【００５１】
そのため、主制御系３１では、（３）式の線幅の変化量Ｌを補正するための最適な露光量を計算する。ここで、露光量の制御によってレジストパターンの線幅を補正する原理につき図４を参照して説明する。先ず、ウエハ上に明部を背景として孤立的なライン状の暗パターンが投影される場合につき、図４を参照して説明する。
【００５２】
この場合、図４（ａ）に示すように、レチクル１３に紙面に垂直な方向（これをＹ方向とする）に伸びた遮光膜よりなるライン状の孤立パターン３３が存在するものとする。このとき、図１の投影光学系１９を介して図４（ｃ）のウエハ２０上のフォトレジスト（ここではポジ型とする）５１に投影される像の露光量Ｅの分布は、投影光学系１９の結像特性に変化が無い状態では、図４（ｂ）の曲線３５ａに示すようにコントラストの良い分布となる。なお、図４（ｂ）の横軸は投影像の位置Ｘ（実際には縮小投影されている）であり、露光量Ｅの分布は結像光束の強度分布に比例している。また、ポジ型のフォトレジストは、露光量Ｅが感光レベルであるスライスレベルＥｔｈ以上になった領域で現像後に溶解するため、現像後のウエハ２０上には図４（ｃ）に示すように、広い線幅ｄ１の凸のレジストパターン５２ａが残される。
【００５３】
そして、照射熱等によって投影光学系１９の例えば球面収差等の結像特性が変化すると、ウエハ上での投影像による露光量Ｅの分布は、図４（ｂ）の実線の曲線３５ｃで示すようにコントラストが悪化して、露光量ＥがスライスレベルＥｔｈを横切る位置は内側に移動する。従って、現像後にウエハ２０上には、狭い線幅ｄ２のレジストパターン５２ｃが残される。これによって、照射量が増大するにつれて、レジストパターンの線幅は次第に狭くなることが分かる。
【００５４】
図５は、そのように照射時間ｔによって次第にレジストパターンの線幅ｄが狭くなる様子を示している。
この場合、図４（ｂ）より分かるように、曲線３５ａ，３５ｃに対応する明部での露光量（目標露光量）をＥ１とすると、露光量をＥ２（＜Ｅ１）に低下させて、露光量Ｅの分布を点線の曲線５０ｃに低下させることによって、露光量ＥがスライスレベルＥｔｈを横切る位置は曲線３５ａの場合の位置と同一となる。これによって、図４（ｃ）に示すように、現像後にウエハ２０上に残されるレジストパターンの線幅もｄ１に戻される。また、これはフォトレジストがネガ型の場合にも、得られるレジストパターンが凹パターンになる以外は同様であり、感光レベル（スライスレベルＥｔｈ）が比較的低い場合に、孤立的な暗パターンの像を露光する場合には通常、露光量Ｅが多くなる程、現像後に得られるレジストパターンの線幅ｄは狭くなる。これより、露光量Ｅを制御することによってレジストパターンの線幅ｄを制御できることが分かる。
【００５５】
図６は、２つの結像条件のもとで露光量Ｅを変えた場合のレジストパターンの線幅ｄの変化の様子を示し、この図６において、横軸の露光量Ｅは露光開始から露光終了までのウエハ上での照度の積分値である。また、図６の曲線３７ａは、図４（ｂ）の曲線３５ａのように最もコントラストの良好な投影像が転写される場合の特性を示し、曲線３７ｂは、曲線３５ｃのようにコントラストが低下した場合の特性を示している。図６の曲線３７ａ，３７ｂ、及びそれ以外のコントラストに対応する曲線の情報（例えば１次関数近似、若しくは高次関数近似したときの係数、又はテーブル等）は、予め実験（テストプリント及び現像）により求められて、図１の主制御系３１の記憶部に記憶されている。なお、実際には、最もコントラストの良好な場合の曲線３７ａを露光量を種々に変えたテストプリント等によって求めた後、コントラストが悪化した場合の特性はコンピュータによるシミュレーションによって求めることでも、高精度に露光量Ｅと線幅ｄとの関係を求めることができる。
【００５６】
また、どの曲線の特性を用いるかについては、例えば図６の曲線３７ａを基準として（３）式で求められる線幅の変化量Ｌだけ狭い線幅の曲線を用いればよい。また、対応する曲線が無い場合には、上下の曲線を補間して得られる曲線を使用してもよい。また、図６の曲線３７ａ，３７ｂ等を求める場合のパターンとしては、例えば解像度の限界に近い線幅のパターンを使用してもよい。
【００５７】
図６の曲線３７ａ，３７ｂを用いて、主制御系３１は、それぞれ露光量Ｅを初期の目標値Ｅ１とした場合の線幅ｄの値ｄ１及びｄ２を求める。そして、現在の結像特性に対応する線幅ｄ２の目標とする線幅ｄ１に対する誤差が所定の許容値を超えている場合には、現在の結像特性に対応する曲線３７ｂにおいて、線幅ｄが目標値であるｄ１となるときの露光量Ｅ２の値を求め、この露光量Ｅ２の情報を図１の露光量制御系３２に供給する。露光量制御系３２では、シャッタ２の開放時間（露光時間）を制御することによって、ウエハ２０の露光対象のショット領域に対してその露光量Ｅ２が与えられるようにする。これによって、現像後のレジストパターンの線幅は目標値であるｄ１となり、最終的に形成される回路パターンの線幅も目標値となる。
【００５８】
次に、ウエハ上に暗部を背景として孤立的なライン状の明パターンが投影される場合につき、図７を参照して説明する。この場合、図７（ａ）に示すように、レチクル１３の遮光膜５３中に紙面に垂直な方向（これをＹ方向とする）に伸びたライン状の開口よりなる孤立パターン５３ａが存在するものとする。このとき、図１の投影光学系１９を介して図７（ｃ）のウエハ２０上のフォトレジスト（ここではポジ型とする）５１に投影される像の露光量Ｅの分布は、投影光学系１９の結像特性に変化が無い状態では、図７（ｂ）の曲線５４ａに示すようにＸ方向にコントラストの良い分布となる。また、ここでもフォトレジストの感光レベルをスライスレベルＥｔｈとすると、現像後のウエハ２０上には図７（ｃ）に示すように、広い線幅ｄ１の凹のレジストパターン５６ａが残される。
【００５９】
そして、照射熱等によって投影光学系１９の所定の結像特性が変化すると、ウエハ上での投影像による露光量Ｅの分布は、図７（ｂ）の実線の曲線５４ｂで示すようにコントラストが悪化して、露光量ＥがスライスレベルＥｔｈを横切る位置は内側に移動する。従って、現像後にウエハ２０上には、狭い線幅ｄ２のレジストパターン５６ｂが残される。
【００６０】
この場合、図７（ｂ）より分かるように、曲線５４ａ，５４ｂに対応する明部での露光量（目標露光量）をＥ１とすると、露光量をＥ３（＞Ｅ１）に増大させて、露光量Ｅの分布を点線の曲線５５ｂに上昇させることによって、露光量ＥがスライスレベルＥｔｈを横切る位置は曲線５４ａの場合の位置と同一となる。これによって、図７（ｃ）に示すように、現像後にウエハ２０上に残されるレジストパターンの線幅もｄ１に戻される。また、これはフォトレジストがネガ型の場合にも、得られるレジストパターンが凸パターンになる以外は同様であり、感光レベル（スライスレベルＥｔｈ）が比較的高い場合に、孤立的な明パターンの像を露光する場合には通常、露光量Ｅが多くなる程、現像後に得られるレジストパターンの線幅ｄは広くなる。
【００６１】
そこで、この場合にも図６の曲線３７ａ，３７ｂ等に対応させて、露光量Ｅとレジストパターンの線幅ｄとの関係を示す曲線を種々の条件について求めておき（この場合の曲線は露光量Ｅについて単調増加となる）、例えば（数３）で求められる線幅の変化量Ｌに応じた曲線を用いて、露光量を増加させればよい。これによって、目標とする線幅のレジストパターンが得られる。
【００６２】
上述のように本例によれば、露光光ＩＬの照射熱、及び環境条件の変化によって投影像の結像特性が変化して、現像後のレジストパターンの線幅の変化が予測される場合には、結像特性制御部１８等を駆動することなく、露光量制御系３２を介してウエハに対する露光量を制御することによって、そのレジストパターンの線幅が目標値になるようにしている。従って、投影光学系１９を構成するレンズエレメント等を駆動するという複雑で或る程度の時間を要する補正動作を行うことなく、即ち露光工程のスループットを低下させることなく目標とする線幅の回路パターンを形成でき、半導体デバイス等の歩留りが向上する。
【００６３】
また、上記の実施の形態では、例えば図４（ｂ）において、投影像のコントラストが低下した場合を考慮しているが、ウエハ２０上のフォトレジスト５１の露光から現像までの引き置き時間（これは工程管理上で予測できる）によっては、フォトレジスト５１の感光レベルであるスライスレベルＥｔｈが変動することもある。このようにスライスレベルＥｔｈが例えばδＥだけ変動することが予測される場合には、図１の主制御系３１では、その変動量δＥだけ露光量Ｅを増減するように露光量制御系３２を制御すればよい。これによって、感光レベルが変化しても、現像のレジストパターンの線幅の変化が防止される。
【００６４】
次に、本発明の実施の形態の他の例につき図８〜図１０を参照して説明する。本例でも図１の投影露光装置を使用するが、露光対象のパターンは、孤立的なパターンではなく、２種類のパターンが混在している。
即ち、図８（ａ）は本例のレチクル１３に形成されたパターンを示し、この図８（ａ）において、レチクル１３のパターン面には光透過部を背景として周期的なライン・アンド・スペースパターンよりなる密集パターン３８と、ライン状の遮光膜よりなる孤立パターン３９とが混在している。この場合に図１の投影光学系１９を介してウエハ２０上に投影される縮小像の露光量Ｅの分布は、結像特性が良好である場合には、図８（ｂ）の曲線４０ａで示すようにＸ方向にコントラストの良好な分布となる。これに対して、投影光学系１９のコマ収差や球面収差等の結像特性が悪化すると、ウエハ２０上での投影像の露光量Ｅの分布は曲線４０ｂで示すようにコントラストが悪化するが、密集パターン３８の像は振幅が変化するのみで平均レベルはあまり変化しないのに対して、孤立パターン３９の像は振幅が大きく変化すると共に平均レベルも大きく変化する。従って、ウエハ２０上のフォトレジストの感光レベルであるスライスレベルＥｔｈがほぼ中間位置にあるものとすると、密集パターン３８の像を現像した後のレジストパターンの線幅はあまり変化しないのに対して、孤立パターン３９の像を現像した後のレジストパターンの線幅は大きく変化する。
【００６５】
図９は、投影光学系１９に対する露光光の照射時間ｔ（これにほぼ比例して投影像のコントラストが低下する）と現像後に得られるレジストパターンの線幅ｄとの関係を示し、この図９において、曲線４２は図８（ａ）の密集パターン３８に対応し、曲線４１は孤立パターン３９に対応している。曲線４２より分かるように、密集パターン３８では長時間露光を行った後でも、現像後の線幅の変化量が少ない。
【００６６】
そして、本例でも、現像後のレジストパターンの線幅の変化を露光量の増減によって予め補正する。即ち、図８（ｂ）において、投影像のコントラストが曲線４０ｂで示すように低下した場合には、露光量Ｅを減少させることによって、密集パターン３８及び孤立パターン３９に対応するレジストパターンの線幅をそれぞれ広くする。本例でも、予め種々の結像特性のもとで露光量Ｅに対する現像後のレジストパターンの線幅ｄの変化の特性を、パターンの種類毎に求めておく。
【００６７】
図１０は、そのようにして求めた露光量Ｅと線幅ｄとの関係を示し、この図１０において、曲線４３ａは投影像のコントラストが良好な場合の密集パターン３８、及び孤立パターン３９に共通の特性を示し、曲線４３ｂ及び４３ｃはそれぞれ投影像のコントラストが低下した場合の孤立パターン３９及び密集パターン３８に対応する特性を示す。図１０において、結像特性が変化しない状態での露光量ＥをＡとすると、投影像のコントラストが低下した場合に孤立パターン３９に対応する線幅ｄを変化させないためには、曲線４３ａ及び４３ｂより露光量をＢにすればよいことになる。一方、投影像のコントラストが低下した場合に密集パターン３８に対応する線幅ｄを変化させないためには、曲線４３ａ及び４３ｃより露光量をＣにすればよいことになる。そこで、実際の露光量は、ＢとＣとの間の所定の値Ｄにすることによって、全体として線幅変化を最小限に抑えることができる。
【００６８】
また、本例においても、曲線４３ａと共に使用する曲線を決定する際に、線幅の変化量Ｌを（３）式の第４式より計算することができる。以下にその第４式を再び示す。
Ｌ＝Ｋｌｐ×Ｐ＋Ｋｌｔ×Ｔ＋Ｋｌｈ×Ｈ＋Ｌheat          （７）
この場合の各係数Ｋｌｐ，Ｋｌｔ，ＫＬｈとしては、密集パターン３８と孤立パターン３９とで異なる係数を使用すればよい。これらの係数は、パターンの種類に応じて用意しておけばよい。そして、３種類以上のパターンの転写を行う場合には、例えば線幅変化が最大のパターンの露光量と振幅変化が最小のパターンの露光量との中間の露光量とすればよい。これによって、露光量を制御するだけで、複数種類のパターンのレジストパターンの線幅変化を全体として最小に抑制できる。
【００６９】
なお、図８の例では、密集パターン３８の線幅の設計値をｄＬ、孤立パターン３９の線幅の設計値をｄＳとすると、線幅ｄＬ，ｄＳの比率に応じて線幅が狭い方に図１０の露光量の値Ｄを近付けて設定してもよい。これによって、最も線幅の狭いパターンが高精度に転写されるため、半導体デバイス等の歩留りが向上する場合がある。また、一方のパターンの線幅が他方のパターンに比べて特に狭い場合には、線幅の狭いパターンのみを考慮して線幅の変化量が最小になるように露光量を制御してもよい。
【００７０】
なお、上記の実施の形態では、（３）式で示すようにレジストパターンの線幅の変化量を計算する方法を採用したが、その代わりに例えば対応する露光量の変化量を直接計算してもよく、これによって計算量が少なくなる。また、その線幅が変化する要因である結像性能、特に球面収差の変化量を計算してもよい。この場合は、球面収差の発生量と線幅の変化量との関係を記憶しておけば、その球面収差の発生量から線幅の変化量が求められる。
【００７１】
なお、上記の実施の形態では紫外光を使用した投影露光装置が使用されているが、本発明は露光エネルギービームとして紫外光等を使用したプロキシミティ方式の露光装置、更にはＸ線を使用する露光装置、又は電子線露光装置等にも適用することができる。
なお、露光装置の用途としては半導体製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに液晶表示素子パターンを露光する液晶用の露光装置や、薄膜磁気ヘッドを製造するための露光装置にも広く適用できる。
【００７２】
また、投影光学系を使用する場合、その倍率は縮小系のみならず等倍及び拡大系のいずれでもいい。
そして、投影光学系としては、エキシマレーザ等の遠紫外線を用いる場合は硝材として石英や蛍石等の遠紫外線を透過する材料を用い、Ｆ2 レーザやＸ線を用いる場合は反射屈折系又は反射系の光学系にし（レチクルも反射型タイプのものを用いる）、また、電子線を用いる場合には光学系として電子レンズ及び偏向器からなる電子光学系を用いることになる。この際に、電子線が通過する光路は真空状態にすることはいうまでもない。
【００７３】
また、複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をすると共に、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより本実施の形態の露光装置を製造することができる。なお、露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
【００７４】
そして、半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、このステップに基づいたレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを制作するステップ、前述した実施の形態の露光装置によりレチクルのパターンをウエハに露光するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、検査ステップ等を経て製造される。
【００７５】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。更に、明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約を含む、１９９７年１２月５日付提出の日本国特許出願第９−３３５４６０号の全ての開示内容は、そっくりそのまま引用してここに組み込まれている。
【００７６】
【産業上の利用可能性】
本発明の第１、又は第２の露光方法によれば、露光像、又は感光材料の特性の変化に応じて露光量を制御しているため、転写されるパターンの線幅等の形状に影響する所定の特性が変動した場合に、結像特性補正系を駆動することなく、その形状の変動量を軽減できる利点がある。これによって露光工程のスループットを低下させることなく簡単な制御で線幅等の変動量を低減できると共に、最終的に形成されるデバイスの歩留りが向上する。また、結像特性が変化しないように環境条件の変化の抑制策等を講じる必要が無いため、露光装置等の設備費が低減できる。
【００７７】
また、投影光学系の露光エネルギービームの吸収による結像特性の変化を露光量の制御で補正する場合には、結像特性の主な変動量を複雑な機構を用いることなく補正できる利点がある。
また、マスクのパターンが互いに線幅の異なる複数種類のパターンよりなる場合に、その複数の種類のパターンの内の最小線幅のパターンに応じてその感光材料に対する露光量を制御する場合には、結像特性補正系を駆動することなく、全体として有効にその線幅（形状）の変動量の影響を軽減できる利点がある。
【００７８】
次に、本発明による露光装置によれば本発明の露光方法が実施できる。
また、計算系は、投影光学系を通過する露光エネルギービームの光量、及び感光材料が露光されてから現像されるまでの予測される引き置き時間の少なくとも一方に基づいて、その投影像の結像特性の変化量、及びその感光材料の特性の変化量の少なくとも一方を計算する場合には、簡単な計算で線幅等の形状の変化量を正確に予測できる。
【００７９】
また、照明系は、マスクに対する照明条件を変更するための可変開口絞りを備え、計算系は、その照明条件に応じて投影像の結像特性の変化量、及び感光材料の特性の変化量の少なくとも一方を計算する際のパラメータを変更する場合には、照明条件が切り換えられた場合でも線幅等の変化量を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態の一例で使用される投影露光装置を示す一部を切り欠いた構成図である。図２は、図１中の複数の照明系開口絞りを示す図である。図３は、ウエハの反射率と反射率センサ９の出力との関係を示す図である。図４（ａ）は、レチクル１３に形成された孤立的な遮光パターンを示す図、図４（ｂ）は、その遮光パターンに対応するウエハ上での投影像の露光量分布を示す図、図４（ｃ）は、その露光量分布に対応するレジストパターンを示す図である。図５は、露光光の照射時間ｔと現像後に得られるレジストパターンの線幅ｄとの関係を示す図である。図６は、露光量Ｅを制御して現像後に得られるレジストパターンの線幅ｄを制御する場合の、露光量Ｅの決定方法の説明図である。図７（ａ）はレチクル１３に形成された孤立的な明パターンを示す図、図７（ｂ）はその明パターンに対応するウエハ上での投影像の露光量分布を示す図、図７（ｃ）はその露光量分布に対応するレジストパターンを示す図である。図８（ａ）は本発明の実施の形態の他の例において、レチクル１３に形成された２種類のパターンを示す図、図８（ｂ）はその２種類のパターンのウエハ上での投影像の露光量分布を示す図である。図９は、図８の２種類のパターンにおける、露光光の照射時間ｔと現像後に得られるレジストパターンの線幅ｄとの関係を示す図である。図１０は、図８の２種類のパターンに対して露光量Ｅを制御して現像後に得られるレジストパターンの線幅ｄを制御する場合の、露光量Ｅの決定方法の説明図である。図１１は、投影像のコントラストの低下によってレジストパターンの線幅が変化する様子を示す図である。
【図１】
0004433609.tif 000006
【図２】
0004433609.tif 000007
【図３】
0004433609.tif 000008
【図４】
0004433609.tif 000009
【図５】
0004433609.tif 000010
【図６】
0004433609.tif 000011
【図７】
0004433609.tif 000012
【図８】
0004433609.tif 000013
【図９】
0004433609.tif 000014
【図１０】
0004433609.tif 000015
【図１１】
0004433609.tif 000016