JP7213757B2 - 露光装置、および物品製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置、および物品製造方法に関する。

露光装置においては、露光に伴い投影光学系が露光エネルギーを吸収することにより結像特性が変動しうる。このような露光に伴う結像特性の変動は、露光収差とも呼ばれている。露光装置においては、そのような結像特性の変動を高精度に補正することが重要である。露光中の結像特性の変動は、露光画角に依存する。特許文献１には、露光画角に依存した関数を用いて結像特性の変動を予測することが記載されている。特許文献２には、トラブル等により露光処理を中断したときの結像特性の変動を実測により得て、復旧時の結像特性の予測情報の補正を行う技術が開示されている。

特許第６３８１１８８号公報 特公平７－１２０１２号公報

露光画角が最大露光画角よりも小さい場合は、露光画角内と露光画角外とでは熱の影響が異なるため、結像特性の像高高次成分が変動する。図１に、露光画角が最大露光画角よりもＸ方向に小さい場合の露光熱による結像特性として、Ｘ方向の像ズレ量ＤＸの例を示す。実線で示された枠が露光画角の範囲を示している。一般に、露光画角が小さい場合は、結像特性の像高高次成分が露光熱の影響で変動する。

ここで、特許文献２のように、露光中の結像特性の変動を精度よく予測するために、露光中に結像特性を時間間隔をおいて複数回計測することを考える。この場合、露光画角内の像高のみで計測を実施すると、像高高次成分を正しく計測できず、誤った予測係数を算出してしまう。さらに、誤った予測係数を用いて補正をしながら露光した後に、それよりも大きい露光画角のジョブを続けて露光すると、露光画角内に補正残差が表れ、結果的に大きい露光画角のジョブにて不良デバイスを作ることになる。

本発明は、例えば、投影光学系の結像特性の変動の高精度な予測に有利な露光装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、基板を露光する露光装置であって、マスクのパターンを前記基板に投影する投影光学系と、前記投影光学系の結像特性を調整する調整部と、前記投影光学系が露光エネルギーを吸収することによって生じる前記結像特性の変動を予測式により予測し、該予測の結果に基づいて前記調整部を制御して前記基板を露光する制御部と、を有し、前記制御部は、複数の基板の露光を順次行うジョブにおいて、各基板の露光の前に前記結像特性の計測を行い、前記ジョブの終了後、各計測の結果に基づいて前記予測式における予測係数を更新するモードを有し、前記モードにおいては、前記ジョブに設定されている露光画角内だけでなく前記ジョブに設定されている露光画角外の前記結像特性の計測も行う、ことを特徴とする露光装置が提供される。

本発明によれば、例えば、投影光学系の結像特性の変動の高精度な予測に有利な露光装置を提供することができる。

結像特性の例を示す図。 実施形態における露光装置の構成を示す図。 露光画角内のみで結像特性（像ズレ）の計測を行った場合の像高フィッティング結果を示す図。 誤った補正をした場合の結像特性を示す図。 ジョブＡの終了後、ジョブＢのためのキャリブレーションを実行した後の結像特性を示す図。 実施形態における露光処理の制御方法のフローチャート。 露光画角外も含めて結像特性の計測を行った場合の像高フィッティング結果を示す図。 露光画角内のみで結像特性（フォーカスズレ）の計測を行った場合の像高フィッティング結果を示す図。 マスク上に配置された計測用マークの例を示す図。 各ウエハへの露光および結像特性計測のタイミングの例を示す図。 マスクステージ上に配置された計測用マークの例を示す図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図２は、実施形態における露光装置の構成を示す図である。露光装置は、走査型露光装置でもよいし、ステップアンドリピート型露光装置でもよいが、以下の例では、露光装置は走査型露光装置とする。照明系１から照射された光は、パターンが描画されているマスク２を透過し投影光学系４に入射する。マスク２はマスクステージ３に保持されている。マスク２と基板５（ウエハ）は共役な位置関係になっており、マスク２上のパターンは投影光学系４を介して基板５に転写される。基板５は基板ステージ６に保持されている。

投影光学系４は、光学素子７と、光学素子７を駆動する駆動部７ａとを含みうる。駆動部７ａは、光学素子７を駆動することによって投影光学系４の結像特性を調整する調整部として機能する。ただし、調整部は、投影光学系４の光学素子７の駆動、マスクステージ３の駆動、基板ステージ６の駆動のうちの少なくとも１つを行うことにより、結像特性を調整することができる。また、図２においては、投影光学系４に光学素子７が１つだけ示されているが、投影光学系４は複数の光学素子を有し、駆動部７ａはそれら複数の光学素子の少なくともいずれかを駆動するように構成されていてもよい。

マスクステージ３は、図１１に示すように、最大露光画角に対応する長さにわたって配置された複数の計測用マーク８を有する。基板ステージ６には、複数の計測用マーク８および投影光学系４を透過した光を検出する計測器１５が設けられている。制御部１０は、計測器１５を用いて最大露光画角までの投影光学系４の結像特性の計測を行うことができる。なお、複数の計測用マーク８は、マスクステージ３に設けられるのではなく、図９に示すように、マスク２に形成されていてもよい。

制御部１０は、露光装置の各部を統括的に制御して露光処理を実行する。制御部１０は、ＣＰＵおよびメモリを含むコンピュータ装置によって構成されうる。とりわけ本実施形態においては、制御部１０は、投影光学系４が露光エネルギーを吸収することによって生じる結像特性の変動を予測式により予測し、その予測の結果に基づいて調整部（駆動部７ａ）を制御して基板を露光する。

露光処理は、「ジョブ」によって管理される。ジョブは、複数の基板（一般には例えば、１ロット２５枚）の露光を順次行うことを指示するものであり、その露光の手順等を規定する。とりわけ本実施形態のジョブにはショットレイアウトパラメータが含まれ、ショットレイアウトによって露光画角が決定される。

図１０（ｂ）に、ジョブが投入されて実行される通常露光モードのシーケンスを示す。ウエハが搬入（ロード）されると、まず、露光装置のキャリブレーション（Calib.）が実施される。キャリブレーションは、露光装置の各種精度を維持するために、計測によってハードウェアユニットのオフセット値を得ることを含む。キャリブレーションが完了した後、ウエハへの露光が行われ、ウエハが搬出（アンロード）される。その後、新たなウエハのロード、露光、アンロードが繰り返される。以上が、通常露光モードにおけるシーケンスである。

投影光学系４に構成されている光学素子７は、露光エネルギーの一部を吸収し、これによって発生する熱に起因して屈折率などが変化しうる。そのため、投影光学系４の結像特性が変動する。結像特性は、フォーカス、倍率、像面湾曲、歪曲収差、非点収差、球面収差、コマ収差のうちの少なくとも１つを含みうる。制御部１０は、この変動を、投影光学系４のＮＡ、照明系１の開口数、露光量、露光時間、マスク２の透過率等のパラメータを用いて、所定の変動モデル式（予測式）を適用して予測する。しかし、実際の露光時に用いられるマスク上のパターンや、ウエハ上に塗布されたレジスト反射率が異なると、この結像特性の変動も変わることが知られている。そのため、実露光時の条件と予測時の条件とが異なると、結像特性の変動傾向が変わり、結像特性の変動を正しく予測できないことがある。そのため、この乖離を埋めるべく、実露光条件下で露光している最中に、結像特性の変動を実測する方法が採用される。

一方、露光画角が最大露光画角よりも小さい場合において、結像特性を実測する像高を露光画角内に限定すると、誤った結像特性の予測値を算出してしまう。そこで以下では、露光画角が最大露光画角よりも小さい場合においても、正しい結像特性予測値を予測できる方法を示す。

上記したとおり、実施形態における露光装置は走査型露光装置であるとする。そうすると、照明系１から照射された光はＸ方向に長い矩形型の露光スリットによって整形されてマスク２を照射する。ここで、投影光学系４の最大露光画角がＸ方向の露光範囲２６ｍｍに対応する露光画角であるとする。またジョブＡの露光画角は、最大露光画角よりも小さいＸ方向の露光範囲１３ｍｍに対応する露光画角であり、ジョブＢの露光画角は、最大露光画角と同じＸ方向の露光範囲２６ｍｍに対応する露光画角であるとする。ジョブＡに対して、結像特性の予測値と実際の変動の乖離を埋めるため、露光中に結像特性を実測する。すなわち、制御部１０は、複数の基板の露光を順次行うジョブにおいて、各基板の露光の前に結像特性の計測を行い、ジョブの終了後、各計測の結果に基づいて予測式における予測係数を更新する結像特性実測モードを有する。結像特性実測モードにおける露光および実測のシーケンスを、図１０（ａ）に示す。

ジョブＡは、２５枚のウエハを連続露光するジョブであるとし、結像特性実測モードにおいて、結像特性を実測するタイミングは、図１０（ａ）に示すように各ウエハへの露光直前とする。結像特性計測において計測される像高は、露光画角内の５像高とし、具体的には、Ｘ＝０ｍｍ，±３．５ｍｍ，±６．５ｍｍとする。結像特性計測において、制御部１０は、マスクステージ３にあらかじめ配置された計測用マーク８（図１１）が照射領域内に入るようにマスクステージ３をＹ方向に移動させ、基板ステージ６に配置されたセンサ（不図示）で像ズレ（位置ズレ）を計測する。

図３に、５枚目のウエハの露光直前の結像特性計測の結果の例を示す。結像特性の一例としてＸ方向の像ズレ（ＤＸ）を示している。図３には、１～４枚目の露光熱の影響によって結像特性が変化していることが示されている。図３において、実線は結像特性の像高分布であり、黒丸は上記した各像高での計測値を示している。この計測値に対して、Ｘ像高フィッティングを行った結果は次のようになる。
Ｘ像高の１次成分（倍率）：２．３０ｎｍ／ｍｍ ・・・（１）
Ｘ像高の３次成分（歪曲収差）：－０．００３５ｎｍ／ｍｍ^３ ・・・（２）

制御部１０は、この次数ごとの成分を各計測のタイミングで取得されたデータに適用する。制御部１０は、それらの成分ごとに、各計測の結果として得られた結像特性の時系列データに対して所定の変動モデル（予測式）をフィッティングすることによって、予測係数を取得する。

結像特性の最大変動量Ｆ１は、結像特性の単位光量（単位露光エネルギー）当たりの変動量Ｋと、露光条件（露光時間、露光量、走査速度、露光領域情報等）を用いて得られる実露光エネルギーＱとの積によって算出される。すなわち、結像特性の最大変動量Ｆ１は次式で表される。
Ｆ１＝Ｋ×Ｑ ・・・（３）

次に、ある時刻における結像特性量をΔＦ１_ｋとすると、それから時間Δｔ露光した後の結像特性量ΔＦ１_ｋ＋１は、Ｆ１と時定数ＴＳ１より、次の近似式で表される。
ΔＦ１_ｋ＋１＝ΔＦ１_ｋ＋Ｆ１×（１－ｅｘｐ（－Δｔ／ＴＳ１）） ・・・（４）
また、時間Δｔ露光しなかった場合の結像特性量ΔＦ１_ｋ＋１は、次の近似式で表される。

ΔＦ１_ｋ＋１＝ΔＦ１_ｋ×ｅｘｐ（－Δｔ／ＴＳ１）・・・（５）

露光、非露光に応じて式（４）および式（５）を使い分ける。各ウエハの露光直前に得られた結像特性と、計測した時間とに基づいて、式（３）～（５）を用いて、結像特性の単位光量当たり変動量Ｋをフィッティングによって求める。本実施形態における結像特性は倍率および歪曲収差であるため、Ｋも倍率および歪曲収差の２種類を求める。このＫが結像特性の変動の予測係数となる。

しかし、正しい像高特性は、図３の実線をＸ＝－１３ｍｍ～＋１３ｍｍの範囲でフィッティングすることによって求められる。その範囲の計測値に対して、Ｘ像高に対して次数フィッティングを行った結果は次のようになる。

Ｘ像高の１次成分（倍率）：２．４７ｎｍ／ｍｍ ・・・（６）
Ｘ像高の３次成分（歪曲収差）：－０．０１２５ｎｍ／ｍｍ^３ ・・・（７）

このように、像高がＸ＝０ｍｍ，±３．５ｍｍ，±６．５ｍｍの範囲での計測値を用いて像高特性を求めると、誤った次数成分を用いて変動モデルでフィッティングしてしまうため、結果的に誤った予測係数Ｋを求めることになる。

この誤った予測係数Ｋを用いて再度ジョブＡを露光した場合のあるタイミングでの結像特性を図４に示す。予測係数Ｋに従って、結像特性の時間的変動を予測し、その予測値を補正するように投影系内の補正系や波長などを駆動させて露光が行われる。

図４の特性によれば、Ｘ＝－６．５～＋６．５ｍｍ範囲の露光画角内では良好に補正ができているが、露光画角外では誤った補正が行われＸ方向の像ズレ（ＤＸ）が大きく発生してしまう。ただし、ジョブＡはＸ＝－６．５～＋６．５ｍｍの範囲で露光されているため、ジョブＡではデバイス不良はない。しかしジョブＡの終了後に続けてジョブＢが投入されると、ジョブＢの露光画角はＸ＝－１３～＋１３ｍｍの露光範囲に対応する露光画角なので、結像特性に影響が出る。また、このような影響を抑える目的で、ジョブＢの１枚目のウエハ露光前に、露光画角の両端（Ｘ＝±１３ｍｍ）の計測値からキャリブレーションをした場合を考える。キャリブレーションではＸ方向の像ズレ（ＤＸ）の補正が行われる。このキャリブレーション後の結像特性の例を図５に示す。露光画角の両端ではＸ方向の像ズレは良好に補正されるが、内側の画角ではやはりＸ方向の像ズレ（ＤＸ）は補正できないため、結果的にジョブＢにて不良デバイスを作ってしまうことになる。

このような影響が出ないようにするための、本実施形態における露光処理の制御方法を説明する。図６は、本実施形態における露光処理の制御方法のフローチャートである。ジョブＡがセットされると、Ｓ１０１で、制御部１０は、そのジョブＡの情報または装置状態に基づいて、現在設定されている予測係数Ｋを更新する必要があるかを判断する。例えば、ユーザがデフォルトの精度よりも高精度な露光処理を所望する場合には、高精度処理の実行の指示をジョブＡの情報として含めることができる。制御部１０は、ジョブＡにそのような高精度処理の指示が含まれている場合、言い換えると、ジョブＡに予測係数の更新の指示が設定されている場合に、予測係数Ｋを更新する必要があると判断する。予測係数Ｋを更新する必要がない場合は、Ｓ１０２で、制御部１０は、図１０（ｂ）に示される手順に従い各ウエハを露光する。すなわちこの場合は結像特性の実測を含まない通常露光が行われる。一方、予測係数Ｋを更新する必要がある場合は、Ｓ１０３以降で、制御部１０は、図１０（ａ）に示される手順に従い各ウエハを露光することになる。すなわちこの場合は、実測モードに入り、各ウエハの露光直前に結像特性の計測を行うシーケンスとなる。Ｓ１０３では、制御部１０は、ジョブＡに設定されている露光画角が所定の画角リミット値より小さいか否かを判断する。画角リミット値とは、図１０（ａ）に示したシーケンスの中で、結像特性を露光画角外も計測するか否かを判断するための値である。画角リミット値が小さくなるほど結像特性の像高高次成分が大きくなるため、露光画角外の計測が必要になる。ジョブＡに設定されている露光画角が画角リミット値以上である場合、Ｓ１０４で、制御部１０は、ジョブＡの中で各ウエハの露光前に露光画角内のみの結像特性の実測を行う。一方、ジョブＡに設定されている露光画角が画角リミット値より小さい場合は、Ｓ１０５で、制御部１０は、ジョブＡの中で各ウエハの露光前に露光画角内だけでなく露光画角外の結像特性の実測も行う。

具体例として、ジョブＡの露光画角はＸ＝±６．５ｍｍ（すなわち１３ｍｍ）の露光範囲に対応する露光画角であり、画角リミット値が２０ｍｍの露光範囲に対応する画角に設定されているとする。この場合、Ｓ１０３では、露光画角＜画角リミット値の条件を満たし、処理はＳ１０４へ進み、露光画角内と露光画角外の両方について結像特性の計測が行われる。少なくとも露光画角外を計測するためには、ジョブＡの露光画角より広い計測用の露光画角に変更して計測用マークを照射することが必要になる。例えば、露光画角内も露光画角外も一括で計測できるように計測用露光画角をＸ＝±１３ｍｍ（すなわち２６ｍｍ）の露光範囲に対応する露光画角に広げる。あるいは、１像高分の計測用マークのみを照射できる小さい露光画角に狭め、計測像高ごとに露光画角をＸ方向に移動させる方法をとってもよい。

Ｓ１０６で、制御部１０は、Ｓ１０４またはＳ１０５で行われた結像特性の計測値（実測結果）を用いて予測係数Ｋを求め、その新たな予測係数ＫをジョブＡに上書きすることにより、予測係数Ｋを更新する。

図７に、Ｓ１０５で露光画角外も含めて結像特性の計測を行った場合の像高フィッティング結果の例を示す。黒丸は、Ｘ＝０、±６．５ｍｍ，±１３ｍｍの５点の像高での計測値を示している。この計測値に対して、Ｘ像高フィッティングを行った結果が破線で示されており、求めた次数成分は、次のようになる。
Ｘ像高の１次成分（倍率）：２．７４ｎｍ／ｍｍ ・・・（８）
Ｘ像高の３次成分（歪曲収差）：－０．０１４０ｎｍ／ｍｍ^３ ・・・（９）

像高高次成分が精度よく求められているため、式（３）～（５）から求めた予測係数Ｋも正しく求められる。このため、正しく求めた予測係数Ｋを用いてジョブＡに続いて、広い露光画角が設定されたジョブＢが投入されても、前述のようにジョブＢのデバイス不良は発生しない。

なお、上述の例では、計測像高をＸ＝０ｍｍ，±６．５ｍｍ，±１３ｍｍの５点としたが、像高３次成分以上を計測するため、５点以上であればよい。

＜第２実施形態＞
上述の第１実施形態では、計測する結像特性として像ズレ（ＤＸ）の例を示したが、計測する結像特性としてフォーカスズレを対象にすることもできる。図８は、例えば５枚目のウエハの露光直前のフォーカスズレを示している。像ズレＤＸと同様に、露光画角内と露光画角外で熱の影響が異なるためフォーカスズレの像高高次成分が発生する。計測像高としてＸ＝０ｍｍ，±３．５ｍｍ，±６．５ｍｍの露光画角内の５点を計測すると、破線のような像高フィッティングが行われ、結果的に誤った予測係数Ｋが求められてしまう。

そこで、結像特性（フォーカスズレ）の計測時には露光画角外も含めた像高で係数を求めることで、正しく結像特性（フォーカスズレ）の予測ができる。

ここでは、代表的にフォーカスズレについて説明したが、非点収差、球面収差、コマ収差についても同様である。

＜その他の実施形態＞
上述の第１および第２実施形態では、ジョブＡの露光画角はＸ＝－６．５～＋６．５ｍｍの露光範囲に対応する露光画角として、光軸に対して対称であった。しかし、露光範囲が光軸に対して対称である必要はない。例えば、露光画角をＸ＝０～＋１３ｍｍの露光範囲に対応する露光画角とする場合のように、光軸に対して非対称であっても、露光画角内および露光画角外の計測像高で結像特性を計測しその結果を像高に対して高次成分までフィッティングすることで正しい予測係数Ｋを求めることができる。

上述の第１および第２実施形態では、結像特性の計測において、露光装置に搭載された計測用マーク８をセンサで計測したが、マスク２に配置された計測用マークを使って計測してもよい。計測用マークが配置されたマスクの例を図９に示す。計測は露光装置に搭載されたセンサを用いてもよいし、計測用のウエハに露光し、露光後にマークの位置ズレ、フォーカスズレを計測することで結像特性を求めてもよい。

＜物品製造方法の実施形態＞
本発明の実施形態に係る物品製造方法は、例えば、半導体デバイス等のマイクロデバイスや微細構造を有する素子等の物品を製造するのに好適である。本実施形態の物品製造方法は、基板に塗布された感光剤に上記の露光装置を用いて潜像パターンを形成する工程（基板を露光する工程）と、かかる工程で潜像パターンが形成された基板を現像する工程とを含む。更に、かかる製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含む。本実施形態の物品製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１：照明系、２：マスク、３：マスクステージ、４：投影光学系、５：基板、６：基板ステージ、７：光学素子、１０：制御部

Claims (9)

1. 基板を露光する露光装置であって、
   マスクのパターンを前記基板に投影する投影光学系と、
   前記投影光学系の結像特性を調整する調整部と、
   前記投影光学系が露光エネルギーを吸収することによって生じる前記結像特性の変動を予測式により予測し、該予測の結果に基づいて前記調整部を制御して前記基板を露光する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   複数の基板の露光を順次行うジョブにおいて、各基板の露光の前に前記結像特性の計測を行い、前記ジョブの終了後、各計測の結果に基づいて前記予測式における予測係数を更新するモードを有し、
   前記モードにおいては、前記ジョブに設定されている露光画角内だけでなく前記ジョブに設定されている露光画角外の前記結像特性の計測も行う、ことを特徴とする露光装置。
2. 前記マスクを保持するマスクステージであって、最大露光画角に対応する長さにわたって配置された複数の計測用マークを有するマスクステージと、
   前記基板を保持する基板ステージと、
   前記基板ステージに設けられ、前記複数の計測用マークおよび前記投影光学系を透過した光を検出する計測器と、を有し、
   前記制御部は、前記計測器を用いて前記最大露光画角までの前記結像特性の計測を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記マスクは、最大露光画角に対応する長さにわたって配置された複数の計測用マークを有し、
   前記基板を保持する基板ステージと、
   前記基板ステージに設けられ、前記複数の計測用マークおよび前記投影光学系を透過した光を検出する計測器と、を有し、
   前記制御部は、前記計測器を用いて前記最大露光画角までの前記結像特性の計測を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
4. 前記制御部は、前記ジョブに前記予測係数の更新の指示が設定されているときに前記モードを適用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の露光装置。
5. 前記制御部は、前記モードにおいて、前記ジョブに設定されている露光画角が所定の画角リミット値以上であるときは、前記露光画角内の前記結像特性の計測を行い、前記露光画角が前記画角リミット値より小さいときに、前記露光画角内だけでなく前記露光画角外の前記結像特性の計測も行う、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の露光装置。
6. 前記制御部は、前記各計測の結果として得られた前記結像特性の時系列データに対して前記予測式をフィッティングすることにより前記予測係数を取得することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の露光装置。
7. 前記結像特性は、フォーカス、倍率、像面湾曲、歪曲収差、非点収差、球面収差、コマ収差のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の露光装置。
8. 前記マスクを保持するマスクステージと、
   前記基板を保持する基板ステージと、を有し、
   前記調整部は、前記投影光学系の光学素子の駆動、前記マスクステージの駆動、および前記基板ステージの駆動のうちの少なくとも１つを行うことにより、前記結像特性を調整する、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の露光装置。
9. 請求項１乃至８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、
   を含み、前記現像された基板から物品を製造することを特徴とする物品製造方法。

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