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JP2796404B2 - 露光方法及びその装置並びにそれを用いた薄膜生産制御方法及びその装置 - Google Patents

露光方法及びその装置並びにそれを用いた薄膜生産制御方法及びその装置

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JP2796404B2
JP2796404B2 JP2096443A JP9644390A JP2796404B2 JP 2796404 B2 JP2796404 B2 JP 2796404B2 JP 2096443 A JP2096443 A JP 2096443A JP 9644390 A JP9644390 A JP 9644390A JP 2796404 B2 JP2796404 B2 JP 2796404B2
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light
photoresist
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正孝 芝
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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体デバイス等の製造に係り、特に半導
体デバイスの露光工程における露光方法及びその装置な
らびにそれらを用いた薄膜生産制御方法及びその装置に
関するものである。
〔従来技術〕
半導体の高集積化が進むに従い、パターン寸法は微細
化し、また素子構造も立体化し製造工程がますます複雑
化してきている。このため、各製造工程で用いられる装
置の製造プロセス条件安定化には、これまで以上に十分
な注意を払う必要がある。
例えば、投影露光装置でレチクル上のパターンをウエ
ハに転写露光する際、比較的波長バンド幅の狭い単一波
長の露光光を用いるため、フォトレジスト膜内72や光透
過性を有する下地層形成膜74が存在する場合、第2図
(a)のように露光光71がその中で多重反射し、光の相
互干渉が起こりフォトレジスト膜72内の深さ方向で光の
強度が変化する。このため、深さ方向で露光エネルギー
に差が生じ、現像するとフォトレジストの断面は、第2
図(b)のように深さ方向で凸凹になる。また、各種製
造装置にプロセス条件変動があると、フォトレジスト膜
厚tや光透過性を有する下地層74の形成状態が変化し、
第3図に示すように同じ露光エネルギーでフォトレジス
トを露光した場合下地層73の最上層に接するフォトレジ
ストの幅Wが変化してパターン寸法が変化する。従っ
て、このパターン寸法Wを安定にするには、フォトレジ
スト膜厚tの変動及び下地層74の形成状態に対応した最
適露光エネルギーを設定する必要がある。
また、フォトレジスト塗布装置の塗布やベーク条件の
変動によりフォトレジストの光学特性や膜厚が変化する
と、ウエハ下地層の形成状態や露光,現像条件が同じ場
合でもパターン寸法が変化する。従って、このフォトレ
ジスト塗布装置でもフォトレジスト膜厚や光学特性の変
動要因である塗布やベーク条件の変動を常にモニタし、
これを一定に保つように制御する必要がある。
一方、第4図に示す露光工程の前後の工程の成膜やエ
ッチングなどの薄膜生成・処理工程においても、生成・
処理されるウエハの大口径化、膜の薄膜化のため、生成
・処理される薄膜の厚さや光学特性がわずかな製造プロ
セスを条件変動により変化する。従って薄膜生成・処理
装置では生成・処理される薄膜の厚さや光学特性を常に
モニタし、これを一定に保つように製造プロセス条件を
制御する必要がある。
このように、各構造工程で用いられる装置に製造プロ
セス条件変動が存在する中で、例えば露光工程において
はパターン寸法を一定に保つ方法として、従来は試行的
に1枚ないし数枚のウエハを露光、現像して、測定器で
パターン寸法を測定し、その結果によって露光エネルギ
ーの良否を判定し、照明光学形のシャッタ開閉時間等に
フィードバックするいわゆる先行作業が行われてきた。
しかし、ASICなどの多品種少量生産の製品製造におい
ては、品種交換時に必ずこの先行作業を行う必要があ
り、作業回数が増え、露光装置の稼働率低下の主たる原
因となってきた。また、高集積化が進むに従い、このよ
うな先行作業によりプロセス条件変動の補正を行う方法
では、十分な制度が得られなくなってきた。
そこで、この先行作業をなくすため、従来特開昭63−
31116号公報に記載のように、フォトレジスト膜厚とパ
ターン寸法の関係、露光エネルギとパターン寸法の関係
とが明らかになっているものと仮定して、縮小投影露光
装置にフォトレジスト膜厚測定装置を内蔵させ、露光し
ようとするウエハ上のフォトレジスト膜厚を測定しその
結果を露光エネルギに反映させることによりパターン寸
法のばらつきを低減し安定化を図る方法が考案されてい
た。
また、薄膜生成・処理工程においても、先行するウエ
ハにより薄膜生成・処理装置で生成・処理された膜厚を
測定し、この値をもと製造プロセス条件を設定してい
た。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術のうち、パターン寸法安定化について
は、塗布されたフォトレジスト膜厚のバラツキを測定し
て、最適露光エネルギーを求め、パターン寸法を制御す
ることで行っている。しかし、半導体の高集積化に伴
い、薄膜生成・処理工程での生成・処理条件変動による
下地層の形成状態のばらつきやフォトレジスト塗布工程
での塗布条件,ベーク条件反動によるフォトレジストの
光学特性のバラツキ等製造プロセス条件にばらつきの影
響が無視できなくなってきた。
また、上記従来技術の薄膜生成・処理工程において、
現状の膜厚測定装置ではその前の工程で作成された下地
層の形成状態のばらつきの影響をまともに受け、膜厚測
定値に誤差が生じるため、この膜厚測定値より最適製造
プロセス条件を正確に設定することが困難となってき
た。
本発明の目的は、これら各種の製造プロセス条件設定
のばらつきを低減し、薄膜生成、処理を常に安定に保つ
ための薄膜生産制御方法及びその方式を提供することに
ある。
また本発明の目的は、これら各種のプロセス上のバラ
ツキにもかかわらず、パターン寸法を常に安定に保つた
めの露光方法及びその方式を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、所望の薄膜層生成・処理前にその下地層
の光学特性を予め測定し、薄膜層の生成・処理中あるい
は生成・処理後の光学特性測定値に補正を加えることに
より、正確に製造プロセス条件を制御することで達成さ
れる。
つまり、薄膜生成・処理中に光学特性のうち、複素屈
折率が変化する光透過性を有する薄膜であるフォトレジ
ストにパターンを転写露光する露光工程を例にとると、
要求パターン寸法を得るために最適な露光エネルギー
を、フォトレジストを塗布する前の下地層の光学特性と
フォトレジストを塗布した後のウエハ露光による光学特
性の変化からフォトレジストの光学特性の変化の様子を
求めることにより達成される。
フォトレジストは、露光されるに従って第5図
(a),(b)に示すように光吸収係数(κ)や屈折率
(n)などの光学特性が変化する。この特性の時間的変
化の様子は、露光工程の前の工程での製造装置の製造プ
ロセス条件変動による下地層の反射率の変化などのため
に異なるが、ウエハへの転写露光が終了したときのフォ
トレジストの光吸収係数,屈折率などの光学的特性はほ
ぼ一定である。第5図において製造プロセス条件変動の
影響で最適露光終了時間がT1,T2,T3と変動するが、露光
終了状態での光吸収係数κ1,屈折率n1はほぼ一定であ
る。そこで、この点に着目し、パターン露光工程に先立
ちフォトレジストが塗布されたウエハの一部を仮露光
し、フォトレジストの光吸収係数(κ),屈折率(n)
などの光学特性の仮露光過程における時間的変化の様子
を測定すればよい。しかし、これらの値は直接測定でき
ないので、フォトレジストを塗布する前の下地層の光学
特性の測定結果によりフォトレジストを塗布した後のウ
エハの総合反射率Rの変化より求めたフォトレジストの
複素屈折率N(N=n−i・κ)を補正し、換算するこ
とにより求めている。そして、これをもとにウエハ上の
フォトレジストが要求パターン寸法精度を満たすために
必要な露光エネルギTまたはフォトレジスト塗布条件も
しくはフォトレジストのベーク条件を求め、実際のパタ
ーン転写を行なう投影露光装置の照明系またはフォトレ
ジスト塗布装置等にフィードバックし、パターンの寸法
制御の安定化を図ることができる。
また同様にフォトレジスト塗布前の下地層の分光透過
スペクトルとフォトレジスト塗布後のウエハの露光によ
る分光透過スペクトルの時間的変化を測定して、これら
の結果よりフォトレジストの分光透過スペクトルの時間
的変化を算出してウエハ上のフォトレジストが要求パタ
ーン寸法精度を満たすために必要な露光エネルギTまた
はフォトレジスト条件もしくはフォトレジストのベーク
条件を求める方法もある。
あるいは、光透過特性を有する薄膜を成膜する薄膜成
膜工程を例にとると、要求成膜膜厚を得るために最適な
成膜条件を、成膜する前の下地層の光学特性と成膜中の
ウエハの光学特性の変化から成膜される膜の光学特性の
変化の様子を求めることにより達成される。
ウエハに膜が成膜されると、成膜されるに従って第6
図のようにウエハからの反射率Rdは変化する。この反射
率の時間的変化の様子は、成膜工程の前の工程での製造
装置の製造プロセス条件変動のため異なるため、ウエハ
の反射率変化から成膜時間を制御するとこの時間がT0,T
1と変化する。ここで成膜する前の下地層の光学特性が
測定されるとウエハからの反射率Rdと成膜膜厚dの関係
は第7図のようになり、成膜中のウエハの反射率変化を
成膜膜厚変化に換算すれば、第6図のウエハからの反射
率と成膜時間の関係は、成膜膜厚と成膜時間の関係に置
き換えることができる。従ってこの関係を用いると成膜
中の膜圧をリアルタイムで求めることができる。そこ
で、これより求められる成膜速度や成膜膜厚を成膜装置
のプロセス条件変動量に変換し制御すれば、成膜装置を
安定化することができる。
このように、所望の薄膜厚の生成・処理する前に予め
光学特性を測定し、生成・処理中もしくは生成・処理後
の光学特性測定値に補正を加えることにより、正確に製
造プロセス条件を制御し、安定化を図ることができる。
〔作用〕
薄膜生成・処理工程の薄膜の光学特性を反射率を例に
とり説明する。薄膜生成・処理工程の薄膜の光学特性
は、ウエハ上に薄膜を生成・処理する前と、ウエハ上に
薄膜を生成・処理中または生成・処理後にウエハ上の薄
膜を生成・処理する前に測定した位置と同じ位置で、総
合反射率Rを測定することにより行う。予め与えられて
いるパラメータ例えば下地最上層の複素屈折率n′等を
もとに、下地層の反射率R′の測定結果を用いて、総合
反射率Rから生成・処理される薄膜の光学特性(薄膜の
膜厚d、吸収係数κ、屈折率n)の変化を解析すること
により、薄膜生成・処理による薄膜の光学特性の変化が
求められ、これからプロセス条件変動量が正確に求めら
れる。
「波動光学」(久保田 広著 岩波書店)によれば、
光透過性を有する薄膜からの総合反射率Rは R=f(N,n′,R′,I2,d) N :生成・処理される薄膜の複素屈折率N=n−
i・κ n :生成・処理される薄膜の屈折率 κ :生成・処理される薄膜の吸収係数 n′:生成・処理される薄膜下地最上層の複素屈折
率 R′:生成・処理される薄膜下地層の反射率 I2 :照射照度 d :生成・処理される薄膜膜厚 で与えられるので、n′,I2を予め測定すれば、薄膜生
成・処理前にR′を測定し、総合反射率Rの時間的変化
測定値を補正することで、生成・処理される薄膜の光学
特性の時間的変化を正確に求めることができる。
例えば、フォトレジストの露光光を照射したときの膜
厚は露光前後で変化しないので、(1)式よりn′,I2,
dを予め測定すれば、フォトレジスト塗布前にR′を測
定し、総合発射率Rの時間的変化測定値を補正すること
でフォトレジストの複素屈折率N(N=n−i・κ)の
時間的変化を下地層の反射率が製造プロセス条件のばら
つきにより変化しても正確に求めることができる。そこ
で、要求パターン寸法が得られるフォトレジストの複素
屈折率N1=n1−i・κ1となる露光エネルギE1=I2(照
度)×T2(時間)を求めれば、そのエネルギが最適露光
エネルギである。
また、フォトレジストの光学特性は第5図(a),
(b)に示すように、最終的には、既知の値で、ある一
定値κ∞,n∞に収束する。従って、(1)式の関係(但
しN∞=n∞−i・κ∞は既知である。)に基づいてこ
の状態でのレジスト膜厚dの変化に対する反射率Rを測
定すれば、第15図に示す関係を用いて、その反射率から
レジストの膜厚dが前記したように予め測定せずに下地
層の反射率が製造プロセス条件のばらつきにより変化し
ても正確に求められる。
また、一般にフォトレジストの露光前後の分光透過ス
ペクトルは第16図のような特性があるが、下地層の反射
率が製造プロセス条件のばらつきにより変化するとこの
曲線のカーブが変化する。そこでフォトレジウト塗布前
の下地層の分光透過スペクトルを予め測定し、露光過程
における分光透過スペクトルの測定値を補正するとフォ
トレジスとの分光透過スペクトルの時間的変化が求めら
れ、露光終了時の分光透過スペクトルの基準パターンデ
ータを予め記憶しておき、測定された露光終了時の分光
透過スペクトルの基準パターンデータとを比較し、一致
するまでの時間を測定すれば、最適露光エネルギE(I
(照度)×T(時間))が正確に求められる。
そしてここで求めた最適露光エネルギを投影露光装置
の露光照明系のシャッタ開閉回路にフィードバックする
ことにより、本露光に入りパターンを転写する際に、下
地層の反射率が製造プロセス条件のばらつきにより変化
しても正確に安定なパターン寸法制御が可能となる。
また、フォトレジスト塗布工程においてプロセス条件
の不安定性により、ウエハ毎,あるいはロット毎にフォ
トレジストの膜厚や初期光吸収係数などがばらつくこと
がわかっているが、フォトレジスト塗布過程を終了した
ウエハについて、上記方法でウエハのスクライブライン
等の上のフォトレジストを部分露光することにより光学
特性の変化測定値を補正し、この結果が一定となるよう
にスピンステップやベークステップにフィードバックす
れば、フォトレジスト塗布工程を安定化させることがで
きる。そしてこれにより、プロセス条件変動によるパタ
ーン寸法のバラツキをさらに低減することができる。
一方、生成・処理される薄膜が、成膜装置、エッチン
グ装置、フォトレジスト以外の薄膜塗布装置で生成・処
理される薄膜の場合、生成・処理中に薄膜の複素屈折率
N(N=n−i・κ)は変化しないので、(1)式よ
り、n′,I2,Nを予め測定すれば、薄膜生成・処理前の
ウエハの反射率R′を測定し、生成・処理中の総合反射
率Rの時間的変化測定値を補正することで、生成・処理
薄膜の膜厚dの時間的変化を求めることができる。そこ
で、ここで求めた膜厚を一定にするように生成・処理装
置の製造プロセス条件をフィードバック制御すれば、薄
膜を生成・処理する前にウエハの反射率が製造プロセス
条件のばらつきにより変化しても生成・処理装置を安定
化させることができる。
上記光学特性測定方法として、透過率、偏光特性等も
あり、これを用いても反射率と同様の補正を行うことに
より、製造プロセス条件変動を正確に求め、生成・処理
装置を安定化することができる。
〔実施例〕
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。第1
図はこの発明の第1の実施例の薄膜生産制御システムの
ブロック図である。この図において、ウエハ搬送路104
により光学特性測定系108に搬送されたウエハは、薄膜
を生成・処理する前の状態での光学特性が測定される。
この測定結果は、インターフェイス103を介しプロセス
制御系45に送られる。光学測定測定系108で光学特性が
測定されたウエハはウエハ搬送路104により薄膜生成・
処理装置107に送られ、薄膜が生成・処理される。薄膜
生成・処理装置107において薄膜が生成・処理されたウ
エハは、ウエハ搬送路104により光学特性測定系56に送
られ、光学特性測定系108で光学特性を測定した位置と
同じ位置で光学特性が測定される。この結果は、インタ
ーフェイス101を介し、プロセス制御系45に送られ、光
学特性測定系108より送られてきたデータにより補正が
かけられる。この補正がかけられたデータから薄膜生成
・処理装置のプロセス変動量が算出される。プロセス変
動量は、インターフェイス102を介し、薄膜生成・処理
装置107にフィードバックされ、薄膜生成・処理条件の
プロセス条件を制御することにより薄膜生成・処理装置
の安定化が図られる。
この実施例では、光学特性測定系108及び光学特性測
定系56は、薄膜生成・処理条件の安定化が図られる複数
の薄膜生成・処理装置にも接続可能である。
この実施例の薄膜生成・処理装置としてフォトレジス
ト塗布装置に適用する場合、薄膜生成・処理装置107が
フォトレジスト塗布装置に、プロセス制御系45によって
算出されるプロセス変動量がフォトレジスト塗布・ベー
ク条件変動量になればよい。また、この実施例の薄膜生
成・処理装置として薄膜成膜装置に適用する場合、薄膜
生成・処理装置107が薄膜生成装置になればよい。ま
た、この実施例の薄膜・生成処理装置としてエッチング
装置装置に適用する場合、薄膜生成・処理装置107がエ
ッチング装置になればよい。また、この実施例の薄膜生
成・処理装置として光を照射しても光学特性の変化しな
い薄膜を塗布する薄膜塗布装置に適用する場合、薄膜生
成・処理装置107が薄膜塗布装置になればよい。
薄膜・生成処理装置がフォトレジスト塗布装置で、制
御される装置が投影露光装置である例を第8図に示す。
光学特性測定系108で測定されたデータを用い、光学特
性測定系56で測定されたデータにプロセス制御系45で補
正をかけ、フォオレジストのみの光学特性を抽出し、こ
のデータから要求通りのパターンを作成するために最適
な露光エネルギーが設定される。この露光エネルギーは
インターフェイス57を介し、投影露光装置58にフィード
バックされ、光学特性測定系108及び56で光学特性が測
定されたウエハが投影露光装置58に搬入されたとき、こ
のウエハに対する露光エネルギーで露光し、投影露光装
置58で作成されるパターン寸法の安定化が図られる。
薄膜・生成処理装置がフォトレジスト塗布装置で、制
御される装置が現像装置である例を第9図に示す。光学
特性測定系108で測定されたデータを用い、光学特性測
定系56で測定されたデータにプロセス制御系45で補正を
かけ、フォトレジストのみの光学特性を抽出し、このデ
ータから要求通りのパターンを作成するために最適な現
像条件が設定される。この現状条件はインターフェイス
110を介し、現像装置109にフィードバックされ、光学特
性測定系108及び56で光学特性が測定されたウエハが現
像装置109に搬入されたとき、このウエハに対する現像
条件で現像し、現像装置109で作成されるパターン寸法
の安定化が図られる。
第10図はこの発明の第1の実施例である光学特性測定
系56の実用形態とインターフェイス57を有する装置の概
略図である。この図において水銀灯などの光源26からの
照明光は、レンズ81により光ファイバー等に導かれ、2
つに分岐される。これら分岐された各光は、レンズ82,8
3を介してシャッタ29,30を通り、露光波長を通す干渉フ
ィルタ27により露光波長の光と、露光に関与しない波長
の光を透過するシャープカットフィルタ28により露光に
関与しない光とに変換されて取り出され、シャッタ28,3
0の切り替えによりオンオフされる。2つの光はダイク
ロイックミラー31により再び光軸が合成される。そして
ハーフミラー85によりウエハ上に照射される。レンス84
は対物レンズである。視野絞り55は、ウエハ上への露光
波長の光の照射領域を挟めて限定させるものである。シ
ャッタ290を閉じ、シャッタ30を開ければ、露光に関与
しない光をウエハに照射し、ハーフミラー85を透過し、
ダイクロイックミラー86で反射した光をアライメント検
出系(TVカメラ)32で観察しながらXYステージ36を動か
すことにより、フォトレジストを露光することなしにウ
エハ上の特定の領域を探すことができる。またステージ
を止め、シャッタ29を開けシャッタ30を閉じれば、その
場所に露光光を照射することができる。
一方下地層の複素屈折率n′、後述する光量測定系35
から検出される照射照度I0,レジスト膜厚dのデータ
は、予め測定して最適露光量検出系37に入力され、下地
層の反射率R′は光学特性測定系108で測定され、最適
露光量検出系37に入力されている。従って、最適露光量
検出系37は、光学特性測定器(フォトセンサ)33で測定
される露光中の2次的光学特性であるフォトレジストか
らの総合反射率Rの変化に基づいて、前記した(1)式
の関係からレジストの複素屈折率Nの時間的変化を算出
し、このレジストの複素屈折率Nが所望の値N1(=n1−
i・κ1)になるまでの露光時間T2と、後述する光量測
定系35から検出される照射照度I2とに基づいて最適露光
エネルギE1(=露光時間T2×照射照度I2)を求めること
ができる。
また、フォトレジストの光学特性は、第5図(a),
(b)に示すように、最終的には、既知の値である一定
値κ∞,n∞に収束する。従って、(1)式の関係(但し
N∞=n∞−i・κ∞は既知である。)に基づいてこの
状態でのレジスト膜厚dの変化に対する反射率R∞は第
11図に示すようになる。そこで、フォトレジストを露光
し、光学特性がある一定値に収束したときの反射率R∞
を測定すれば、第11図に示す関係からその反射率からレ
ジストの膜厚dが前記したように予め測定せずに求めら
れる。従って、フォトレジストの膜厚を予め測定してお
かなくても上記のようにフォトレジストからの総合反射
率Rの変化からフォトレジストの膜厚dを求めることが
できる。従って、最適露光量検出系37において、レジス
トの複素屈折率Nの時間的変化を算出する際、求められ
たフォトレジストの膜厚dを用いればよい。
照度検出器34はウエハ位置における照度を測定する光
電変換素子である。露光位置(フォトレジストからの総
合反射率Rの変化を検出する位置)に照度検出器34をXY
ステージを用いて移動すると、光学測定系35は照度検出
器34から得られる信号に基づいて露光光の強度(照射強
度I2)を測定することができる。そこで、最適露光量検
出系37は、予め測定されて入力された下地層の複素屈折
率n′、下地層の反射率R′、光量測定系35から検出さ
れる照射照度I2、レジスト膜厚dのデータと、光学特性
測定器(フォトセンサ)33から測定されるフォトレジス
トからの総合反射率Rの変化に基づいて、前記した
(1)式の関係からレジストの複素屈折率Nの時間的変
化を算出し、このレジストの複素屈折率Nが所望の値N1
(=n1−i・κ1)になるまでの露光時間T2と、照射検
出器34で検出して光量測定系35から得られる照射照度I2
とに基づいて最適露光エネルギE1(=露光時間T1×照射
照度I2)を求める。このように求められた最適露光エネ
ルギE1が投影露光装置58の照明制御系38にデータが転送
される。
次に以上の構成で動作を説明する。まず、フォトレジ
ストを塗布したウエハ18が装置に搬入される。そしてシ
ャッタ29を閉じ、シャッタ30を開け露光に関与しない光
をウエハ18に照射し、アライメント検出系32でウエハの
一部領域例えばウエハの回路を転写する場所に影響を与
えない場所であるスクライブラインの一部をXYステージ
36でウエハ18を移動して探す。そしてこの位置におい
て、視野絞り55で露光する領域を限定し、シャッタ30を
閉じ、シャッタ29を開け、露光波長の光でウエハ18を露
光する。そして露光中におけるウエハからの2次的光学
特性であるフォトレジストからの総合反射率Rの変化を
光学特性測定器(フォトセンサ)33で測定し、最適露光
量検出系37は、予め測定されて入力された下地層の複素
屈折率n′,下地層の反射率R′、光量測定系35から検
出される照射照度I2,レジスト膜厚dのデータと、光学
特性測定器(フォトセンサ)33から測定されるフォトレ
ジストからの総合反射率Rの変化に基づいて、前記した
(1)式の関係からレジストの複素屈折率Nの時間的変
化を算出し、このレジストの複素屈折率Nが所望の値N1
(=n1−i・κ1)になるまで,即ちウエハ18を露光す
るために最適な露光時間T2を求める。次にXYステージ36
で照度検出器34を露光位置に移動し、露光光の照度を照
度検出器34で検出して光量測定系35から求める。このよ
うに最適露光量検出系37は、光量測定系35から得られる
照射照度I2と最適な露光時間T2とに基づいて最適露光エ
ネルギE1(=露光時間T2×照射照度I2)を求め、投影露
光装置58の照明制御系38に転送される。そして上記のよ
うに最適露光エネルギE1が求められたウエハ18が投影露
光装置58に搬入されたとき、該投影露光装置58内に設置
された露光光照度検出器(第10図においては図示せず。
第16図に9で示す。)により検出された露光光照度I1か
ら照明制御系38よりこのエネルギに見合う露光時間T1が
設定され、露光照明系39のシャッタが駆動される。
この実施例では、光学特性測定系56はインターフェイ
ス57を介し、最適露光エネルギE1が求められたウエハ18
が搬入される複数の投影露光装置にも接続が可能であ
る。
この実施例でフォトセンサ33の代りに分光器を用いる
ことにより2次的光学特性として露光過程における分光
スペクトルを測定することもできる。この際、まず前記
実施例と同様に、シャッタ29を閉じ、シャッタ30を開け
露光に関与しない光をフエハ18に照射し、アライメント
検出系32でウエハの一部領域例えばウエハの回路を転写
する場所に影響を与えない場所であるスクライブライン
の一部をXYステージ36でウエハ18を移動して探す。そし
てこの位置において、視野絞り55で露光する領域を限定
し、シャッタ30を開いた状態で、更にシャッタ29を開
け、多くの波長を含む光と露光波長の光とでウエハ18を
露光する。すると、分光器からは第12図に示すように露
光前の分光透過率から露光後の分光透過率へと時間的に
変化する分光透過率が検出される。そこで、最適露光量
検出系37に一定値を示す露光後の分光透過率(基準分光
透過率)のデータを入力しておき、最適露光量検出系37
は、上記分光器から検出される分光透過率の時間的変化
と露光後の分光透過率(基準分光透過率)のデータとを
比較し、一致する最適な露光時間T2を求める。次にXYス
テージ36で照度検出器34を露光位置に移動し、露光光の
照度を照度検出器34で検出して光量測定系35から求め
る。このように最適露光量検出系37は、光量測定系35か
ら得られる照射照度I2と最適な露光時間T2とに基づいて
最適露光エネルギE1(=露光時間T2×照射照度I2)を求
め、投影露光装置58の照明制御系38に転送される。従っ
て前記実施例と同様に上記のように最適露光エネルギE1
が求められたウエハ18が投影露光装置58に搬入されたと
き、該投影露光装置58内に設置された露光光照度検出器
(第10図において図示せず。第16図に9で示す。)によ
り検出された露光光照度I1から照明制御系38によりこの
エネルギに見合う露光時間T1が設定され、露光照明系39
のシャッタが駆動される。
この実施例の異なる例として第13図と第14図がある。
第13図、第14図もとに基本構成は第10図と同じである。
第13図2次的光学特性を測定する露光に関与しない波長
の光を斜方より照射し、斜方で検出し、この時の偏光特
性や反射率等を調べることにより、下地層の影響を受け
にくい形で光学特性を測定することができる。また第14
図においては、露光による透明基板上のフォトレジスト
の透過率または分光透過率の低下の様子をフォトレジス
トの透過率または分光透過率の変化の様子をフォトセン
サ33,33′を用いることにより測定できる。これは、TFT
液晶ディスプレイなどの光を透過する物質90にパターン
を転写露光の際有効である。
また、上記実施例と違って光学特性測定系56で制御す
る装置がフォトレジスト塗布装置49である例を第15に示
す。すなわち光学特性測定系56で測定された光学特性の
変化の測定結果が常に一定となる様にプロセス制御系45
からインターフェイス102にデータを送り、これに基づ
き、例えばスピンナー41の回転数、ベーク炉42の温度及
びベーク時間等と制御して、フォトレジスト塗布工程を
安定化させることができる。この実施例では、光学特性
測定系56はインターフェイス57を介し、フォトレジスト
塗布工程を安定化する複数のフォトレジスト塗布装置に
接続可能である。40はウェハストッカを示す。
また、光学特性測定系56を用いて投影露光装置58とフ
ォトレジスト塗布装置49の双方を制御することもでき
る。
第16図は縮小投影露光装置にウエハの露光による光学
的特性の変化を測定する系を搭載したときの実施例であ
る。この図において、水銀ランプ1からの照明光は電源
制御系2により照度を一定に制御される。一方ハーフミ
ラー3により露光系とプリアライメント系に分岐され
る。ハーフミラー3を透過した光はシャッタ制御系4に
よりシャッタ5の開閉時間が制御される。尚、この系で
は干渉フィルタ59により露光波長のみが抽出される。コ
ンデンサレンズ6を透過した光は所要のパターンを形成
したレチクル7に照射され、縮小投影レンズ8により、
ウエハ18上にレチクルの像を結像させる。一方、ハーフ
ミラー3により反射した光はプリアライメント系に光フ
ァイバー90などの手段を用いて視野絞り55を介して導か
れる。プリアライメント系を導かれた光は露光に関与し
ない波長の光のみを透過するシャープカットフィルタ12
と露光波長の干渉フィルタ13を切り替えることにより、
フィルタ12又は13を透過する光が選択される。フィルタ
にシャープカットフィルタ12を選択することでウエハ18
上のアライメントパターンをフォトレジストを露光する
ことなしにプリアライメント検出系32で検出し、露光波
長の絞られた光をウエハ18上のスクライブライン位置に
設定できる。ここでまた、干渉フィルタ18に切り替える
ことにより、ウエハ18を部分露光することができ、また
視野絞り55により露光光の照射される領域を限定でき
る。そして露光過程におけるフォトレジストの総合反射
率R時間的変化をフォトセンサ33で測定し、最適露光量
検出系37は、予め測定されて入力された下地層の複素屈
折率n′、レジストの薄厚dと、光学特性測定系108で
測定された下地層の反射率R′とフォトセンサ33により
測定されるフォトレジストの総合反射率Rと照度検出器
9の出力を入力している光量測定系35から検出される照
度I2の値により、前記(1)式からレジストの複素屈折
率Nの時間的変化を算出し、このレジストの複素屈折率
Nが所望の値N1(=n1−i・κ)になるまでの最適露
光時間T2を求め、この最適露光時間T2と光量測定系35か
ら検出される照度I2との値により、最適露光エネルギE1
を決定し、最適露光エネルギE1が決定されたウエハ18に
対して実際レチクル7に回路パターンを縮小投影レンズ
8により露光する際の露光照度I2を照度検出器9で測定
して光量測定系35から得られる露光照度I1に基いて上記
最適露光エネルギE1になる露光照度または露光時間T1
求め、インターフェイス57を介して照度制御系である電
源制御系2により光源電圧及びシャッタ制御系4により
シャッタ開閉時間が制御するのは上記の実施例と同じで
ある。照度検出器9はこの結像位置における照度を測定
する光電変換素子であり、光量測定系35によりその照度
は測定される。また、照度検出器9はXYステージ36を移
動することによりプリアライメント系における照度を測
定することもできる。
本実施例では、絶対照度を測定する必要が無い。つま
り露光系においてレチクル7上に描かれたパターンを、
ウエハ18上に転写する露光位置での照度を照度検出器9
で検出し、照度検出器9をプリアライメントを行った位
置に移動し、プリアライメント系に導かれた光の照度を
求める。するとレチクル7上に描かれたパターンをウエ
ハ18上に転写する露光位置での最適露光時間T1は、この
露光位置での照度I1、プリアライメント位置での照度を
I2、プリアライメント系に導いた光で最適露光時間をT2
とすると次の(2)式で求められる。
T1=(I2/I1)×T2 ……(2) これによりレチクル7上に描かれたパターンをウエハ
18上に転写する露光位置での最適露光時間T1は、最適露
光量検出系37で光学特性測定器33で測定される光学特性
(反射率、分光スペクトル等)と照度検出器9で測定さ
れる照度から求められる。ここで求めた露光時間にする
ため、制御系4で照明系の電源制御2による水銀ランプ
の照度及びシャッタ5の開閉時間を制御し、最適露光時
間でレチクル7上に描かれたパターンをウエハ18上に転
写する、こうしてレクチル7上のパターンを要求パター
ン通り転写露光できる。また、本実施例は、露光直前の
ウエハについての最適露光エネルギを求めており、最適
露光エネルギを求めてから露光までの時間が短いためプ
ロセス変動の影響を受けることがない。
次に第17図はフォトレジスト塗布装置49に光学特性測
定系56を搭載したときの例である。この図において、ウ
エハ18は光学特性測定系108により下地層の光学特性が
測定され、ウエハストッカ40からフォトレジストを塗布
するスピンナー41,ベーク炉42を通る。この後、光学測
定系56で露光過程におけるフォトレジストの反射率の変
化の様子を測定する。光学特性測定系56より得られた結
果と光学特性測定系108より得られる結果は、インター
フェイス57、103を介してプロセス制御系45に入力さ
れ、プロセス条件変動量(例えばスピンナ41による塗布
量又はベーク炉42によるベーク条件等)が制御される。
この実施例により、フォトレジスト塗布過程における
プロセス条件変動によるフォトレジストの膜厚変化及び
吸収係数などの光学特性の変化を低減し、フォトレジス
ト塗布過程を安定化させることができる。その結果、フ
ォトレジスト塗布過程において安定化したウエハに対し
て均一な露光を行なうことができる。
なお、前記実施例では、フォトレジストの総合反射率
Rからフォトレジスト複素屈折率Nを算出するようにし
たが、直接フォトレジストの複素屈折率Nが測定できれ
ばよいことは明らかである。
第18図はプロセス変動量を補正される装置がフォトレ
ジスト塗布装置49と縮小投影露光装置58で、フォトレジ
スト塗布、ベーク及び露光過程を安定化させるシステム
の概略図である。この図において、露光過程に搬入され
たウエハは、光学特性測定系108においてフォトレジス
トを塗布する前のウエハの光学特性が測定され、このデ
ータはインターフェイス103を介してプロセス制御系45
に送られる。光学特性が測定されたウエハは、ウエハ搬
送路104によってフォトレジスト塗布装置49に搬入され
フォトレジストが塗布、ベークされる。このフォトレジ
ストを塗布したウエハはウエハ搬送路104によって光学
特性測定系56に搬入され、フォトレジストを塗布する前
に光学特性測定系108で光学特性が測定され、このデー
タはインターフェイス101を介してプロセス制御系45に
送られる。光学特性測定系108より送られてきたデータ
を用い、光学特性測定系56により送られてきたデータに
補正をかけ、この結果をもとにプロセス制御系45により
露光工程のプロセス条件変動量である最適露光エネルギ
及びフォトレジスト塗布工程のプロセス条件変動量が求
められる。光学特性が測定されたウエハがウエハ搬送路
104によって投影露光装置58に搬入されると、プロセス
制御系45よりこのウエハに対応した最適露光エネルギが
インターフェイス57を介して投影露光装置58に入力さ
れ、このエネルギに見合う最適露光時間で露光され、パ
ターン寸法の安定化が図られる。また、プロセス制御系
45により求められたフォトレジスト塗布工程のプロセス
変動量は、インターフェイス102を介してフォトレジス
ト塗布装置49にフィードバックされ、フォトレジスト塗
布、ベーク条件の安定化が図られる。
この実施例では、光学特性測定系108及び光学特性測
定系56は、製造プロセス条件であるフォトレジスト塗
布、ベーク条件の安定化が図られる複数のフォトレジス
ト塗布装置や最適露光エネルギが求められたウエハが搬
入される複数の投影露光装置にも接続可能である。
上記露光、塗布、ベーク条件制御をウエハ数枚に一回
行えば、従来の先行作業を移動化する効果がある。ま
た、同じ製造装置でもウエハ毎にプロセス条件が異な
り、これを考慮する必要がある場合は上記露光、塗布、
ベーク条件制御をウエハ毎に行うことが可能である。ま
た、ウエハ内でのプロセス条件変動が問題になる場合
は、チップ毎に上記露光条件制御とウエハ内での塗布、
ベーク条件制御を行うことが可能である。
上記実施例において、光学特性測定系108はフォトレ
ジスト塗布装置49に内蔵でき、光学特性測定系56はフォ
トレジスト塗布装置49や投影露光装置58に内蔵が可能で
あり、光学特性測定系56を投影露光装置58に内蔵すれ
ば、投影露光装置58でパターンを転写露光する直前にウ
エハの最適露光エネルギを測定でき、最適露光エネルギ
ーを求めてから9露光までの時間が短いため、フォトレ
ジスト塗布時から露光時までの時間によるプロセス変動
の影響を受けることがない。また、ウエハの搬送経路が
短いため、この工程の効率が良くなる利点と搬送時の異
物の付着が低減される利点がある。
また、上記実施例において光学特性測定系56をフォト
レジスト塗布装置49に内蔵すれば、塗布、ベーク直後の
フォトレジストの光学特性を測定することができるた
め、フォトレジスト塗布装置49のプロセス変動量をリア
ルタイムで制御でき、安定したウエハの作成が可能とな
る。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、光透過性を有す
る薄膜を生成・処理する工程において、生成・処理する
前のウエハの光学特性を測定し、生成・処理した後の光
学送性の測定値に補正を加えて生成・処理される薄膜の
みのデータを抽出し、この測定結果に基づいて生成・処
理装置のプロセス変動量を求め、これを制御することに
よって、生成・処理装置の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に関わる第1の実施例の薄膜生産管理シ
ステムの概略構成を示すブロック図、第2図はフォトレ
ジスト及び光透過性を有する下地層形成膜内の多重反射
の影響を示す図、第3図は定在波効果を示す図、第4図
は露光工程のフローを示す図、第5図は露光エネルギと
フォトレジストの反射率及び屈折率の関係を示す図、第
6図は成膜時間と反射率の関係を示す図、第7図は成膜
膜厚dと反射率Rdの関係を示す図、第8図は本発明の第
2の実施例である薄膜生成・処理装置がフォトレジスト
塗布装置で、制御される装置が投影露光装置であるシス
テムの概略構成を示すブロック図、第9図は本発明の第
2の実施例である薄膜生成・処理装置がフォトレジスト
塗布装置で制御される装置が現像装置であるシステムの
概略構成を示すブロック図、第10図は本発明に係わる第
1の実施例の光学特性測定系の実用形態を表すシステム
を示す構成図、第11図はフォトレジストの反射率Rとフ
ォトレジストの膜厚d変化との関係を示す図、第12図は
フォトレジストの露光前後の分光スペクトルを示す図、
第13図は光学特性の実用形態の実施例の変形例である斜
方から照明し、斜方で検出するシステムの構成図,第14
図は光学特性の実用形態の実施例の変形例である光学特
性として透過率を測定する場合のシステム構成を示す
図、第15図は本発明に係わる実施例で制御する工程がフ
ォトレジスト塗布工程であるときのシステム構成図、第
16図は本発明に係わる実施例の光学特性測定系を内蔵し
た投影露光装置を示す構成図、第17図は本発明に係わる
実施例のフォトレジスト塗布装置に光学特性測定系を搭
載したシステム構成図、第18図は本発明に係わる実施例
の変形例のフォトレジスト塗布工程と露光量を制御する
機能を持たせたシステム構成図である。 18……ウエハ、26……光源、27……干渉フィルタ 28……シャープカットフィルタ 29,30……シャッタ、31……ダイクロイックミラー 32……アライメント検出系(TVカメラ) 33……光学特性測定器(フォトセンサ) 35……光量測定系、37……最適露光量検出系 38……照明制御系、45……プロセス制御系 49……フォトレジスト塗布装置 56,108……光学特性測定系 57,101,102,103……インターフェイス 58……投影露光装置、104……ウエハ搬送路 107……薄膜生成、処理装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−177623(JP,A) 特開 昭64−52161(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/027 G03F 7/20

Claims (22)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レジストを塗布した半導体等の第1の基板
    上の領域に予め照度のわかっている露光波長の光を照射
    してレジストの光学特性の時間的変化を測定し、この測
    定結果に基づいてレジストの最適な塗布又はベーク条件
    を求め、この最適な塗布又はベーク条件に基いてレジス
    トの第2の基板への塗布又はベーク条件を制御して前記
    第2の基板を処理し、この塗布又はベーク条件を制御し
    て処理された第2の基板を露光することを特徴とする露
    光方法。
  2. 【請求項2】上記レジストの露光特性の時間変化を、上
    記レジストからの光の反射率、又は光の屈折率、又は光
    の透過率、又は偏光特性、又は光の吸収係数により測定
    することを特徴とする請求項1記載の露光方法。
  3. 【請求項3】露光波長の光と、少なくとも1種類以上の
    前記露光波長と異なる光を用いて光学特性の時間的変化
    を測定することを特徴とする請求項1記載の露光方法。
  4. 【請求項4】レジストの膜厚について露光前後のレジス
    トの光学特性の変化から測定することを特徴とする請求
    項1記載の露光方法。
  5. 【請求項5】レジストを塗布した半導体等の基板上の領
    域に予め照度のわかっている露光波長の光を照射してレ
    ジストの光学特性の時間的変化を測定する測定手段と、
    該測定手段によって測定されたレジストの光学特性の時
    間的変化に基づいてレジストの最適な塗布又はベーク条
    件を求める最適な塗布又はベーク条件算出手段と、該最
    適な塗布又はベーク条件算出手段によって算出された最
    適な塗布又はベーク条件に基づいてレジストの基板への
    塗布又はベーク条件を制御する制御手段と、該制御手段
    により塗布又はベーク条件を制御されて塗布又はベーク
    処理された基板を露光する露光手段とを備えたことを特
    徴とする露光装置。
  6. 【請求項6】上記制御手段がレジスト塗布装置であるこ
    とを特徴とする請求項5記載の露光装置。
  7. 【請求項7】上記測定手段は、上記レジストからの光の
    反射率、又は光の屈折率、又は光の透過率、又は偏光特
    性、又は光の吸収係数により測定するように構成したこ
    とを特徴とする請求項5記載の露光装置。
  8. 【請求項8】上記想定手段は、露光波長の光と少なくと
    も1種類以上の露光波長と異なる光を用いて光学特性の
    時間的変化を測定するように構成したことを特徴とする
    請求項5記載の露光装置。
  9. 【請求項9】上記測定手段は、レジストの膜厚について
    露光前後のレジストの光学特性の変化から測定すること
    を特徴とする請求項5記載の露光装置。
  10. 【請求項10】半導体等の基板上に光透過特性を有する
    薄膜を生成もしくは処理する前に、この基板の第1の光
    学特性を測定し、上記基板上に薄膜を生成もしくは処理
    中または生成もしくは処理した後、この基板の第2の光
    学特性を測定し、上記測定された第1の光学特性に基づ
    いて上記測定された第2の光学特性に補正することによ
    って生成もしくは処理中または生成もしくは処理した薄
    膜の光学特性を正確に求め、この求められた薄膜の光学
    特性に基づいて薄膜生成もしくは処理装置の条件を制御
    して、基板上に薄膜を生成もしくは処理することを特徴
    とする薄膜生産制御方法。
  11. 【請求項11】上記薄膜がフォトレジストであり、制御
    される条件が露光エネルギー量、又はレジスト塗布もし
    くはベーク条件、又は現像条件であることを特徴とする
    請求項10記載の薄膜生産制御方法。
  12. 【請求項12】上記薄膜が下地薄膜であり、制御される
    条件が薄膜成膜条件、又は薄膜エッチング条件、又は薄
    膜塗布条件であることを特徴とする請求項10記載の薄膜
    生産制御方法。
  13. 【請求項13】上記第1及び第2の光学特性の測定を、
    光の反射率、又は光の屈折率、又は光の透過率、又は偏
    光特性、又は分光透過スペクトル、又は光の吸収係数に
    基いて行うことを特徴とする請求項10記載の薄膜生産制
    御方法。
  14. 【請求項14】上記第1及び第2の光学特性の測定を、
    光学特性の時間的変化に基いて行うことを特徴とする請
    求項10記載の薄膜生産制御方法。
  15. 【請求項15】上記第1及び第2の光学特性の測定を、
    露光波長の光と少なくとも1種類以上の露光波長と異な
    る光とを用いて行うことを特徴とする請求項10記載の薄
    膜生産制御方法。薄膜の膜厚について
  16. 【請求項16】上記第1及び第2の光学特性の測定を、
    前記光透過特性を有する薄膜を生産・処理する前と後と
    に行い、この薄膜を生成・処理する前と後との光学特性
    の変化から前記光透過性を有する薄膜の膜厚を求めるこ
    とを特徴とする請求項10記載の薄膜生産制御方法。
  17. 【請求項17】フォトレジストを塗布する前の下地層が
    形成された半導体等の基板上の領域に予め照度のわかっ
    ている露光波長の光を照射して上記下地層の光学特性を
    測定し、上記下地層の上にフォトレジストを塗布した半
    導体等の基板上の領域に予め照度のわかっている露光波
    長の光を照射してこのフォトレジストの光学特性の時間
    的変化を測定し、上記下地層の光学特性と上記フォトレ
    ジストの光学特性の時間的変化との測定結果に基づいて
    最適露光エネルギー量を求め、この際的露光エネルギー
    量を制御してフォトマスク上に描かれたパターンをフォ
    トレジストを塗布した基板に露光することを特徴とする
    露光方法。
  18. 【請求項18】フォトレジストを塗布する前の下地層が
    形成された半導体等の基板上の領域に予め照度のわかっ
    ている露光波長の光を照射して上記下地層の光学特性を
    測定し、上記下地層の上にフォトレジストを塗布した半
    導体等の基板上の領域に予め照度のわかっている露光波
    長の光を照射してこのフォトレジストの光学特性の時間
    的変化を測定し、上記下地層の光学特性のフォトレジス
    トの光学特性の時間的変化との測定結果に基づいてフォ
    トレジストの最適な塗布又はベーク条件を求め、この最
    適な塗布又はベーク条件に基づいてフォトレジストの基
    板への塗布またはベーク条件を制御して上記基板を塗布
    又はベークし、この塗布又はベークされた基板に対して
    フォトマスク上に描かれたパターンを露光することを特
    徴とする露光方法。
  19. 【請求項19】光透過特性を有する薄膜を生成した基板
    の上記薄膜を処理する前の第1の光学特性を測定する第
    1の測定手段と、上記基板上に生成した薄膜を処理する
    薄膜処理手段と、該薄膜処理手段により処理した後の上
    記薄膜の第2の光学特性を測定する第2の測定手段と、
    前記第1の光学特性に基いて前記第2の光学特性を補正
    してこの補正した第2の光学特性に基づいて上記処理し
    た後の薄膜の光学特性を求める算出手段と、上記算出手
    段により求められた薄膜の光学特性に基づいて前記薄膜
    処理手段の処理条件を制御する制御手段とを備えたこと
    を特徴とする薄膜生産制御装置。
  20. 【請求項20】フォトレジストを塗布する前の半導体等
    の基板上の領域に予め照度のわかっている露光波長の光
    を照射して下地層の光学特性を測定するとともにフォト
    レジストを塗布した後の半導体等の基板上の領域に予め
    照度のわかっている露光波長の光を照射してこのフォト
    レジストの光学特性の時間的変化を測定する測定手段
    と、該測定手段によって測定された下地層の光学特性と
    フォトレジストの光学特性の時間的変化に基づいて最適
    露光エネルギー量を求める最適露光エネルギー量算出手
    段と、該最適露光エネルギー量算出手段により算出され
    た最適露光エネルギー量に基づいて露光エネルギー量を
    制御する制御手段と、該制御手段により露光エネルギー
    量が制御された露光光によりフォトマスク上に描かれた
    パターンをフォトレジストが塗布された基板上に露光す
    る露光手段とを備えたことを特徴とする露光装置。
  21. 【請求項21】上記制御手段は、照明光学系のシャッタ
    開閉を制御する手段を有することを特徴とする請求項20
    記載の露光装置。
  22. 【請求項22】フォトレジストを塗布する前の半導体等
    の基板上の領域に予め照度のわかっている露光波長の光
    を照射して下地層の光学特性を測定するとともにフォト
    レジストを塗布した半導体等の基板上の領域に予め照度
    のわかっている露光波長の光を照射してこのフォトレジ
    ストの光学特性の時間的変化とを測定する測定手段と、
    該測定手段によって測定された下地層の光学特性とフォ
    トレジストの光学特性の時間的変化に基づいてフォトレ
    ジストの最適な塗布またはベーク条件を求める最適な塗
    布またはベーク条件算出手段と、該最適な塗布またはベ
    ーク条件算出手段によって算出された最適な塗布又はベ
    ーク条件に基づいてフォトレジストの基板への塗布また
    はベーク条件を制御する制御手段と、該制御手段により
    制御された基板に対してフォトマスク上に描かれたパタ
    ーンを露光する露光手段とを備えたことを特徴とする露
    光装置。
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