JP3904034B2 - 露光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体素子、液晶表示素子、撮像素子（ＣＣＤ等）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、マスクパターンを感光性の基板上に転写するために使用される露光装置に関し、特に感光性の基板に対する露光量の制御機能を備えた露光装置に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
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が塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上の各ショット領域に転写露光する投影露光装置（ステッパー等）が使用されている。斯かる投影露光装置における１つの基本的な機能として、ウエハの各ショット領域内の各点に対する露光量（積算露光エネルギー）を適正範囲内に維持するための露光量制御機能がある。
【０００３】
従来の露光量制御方式としては、照明光学系中で露光光の一部を分離し、このように分離された露光光をこの露光光に対して十分な感度と応答速度とを有する光電センサ（以下、「インテグレータセンサ」と呼ぶ）で受光し、このインテグレータセンサの出力信号よりウエハに対する露光量を間接的にリアルタイムでモニタする方式が知られている。この場合、予めインテグレータセンサの出力と、レチクルのパターン像の投影面（ウエハの配置面）に設置された所定の基準照度計の出力（単位はエネルギー）との１次の相関係数を求めることにより、基準照度計で計測される露光量（これを「露光量絶対値」という）に対するそのインテグレータセンサの出力信号の較正が行われ、露光時間中にそのインテグレータセンサの出力を積算することにより、ウエハに対する露光量が求められていた。
【０００４】
また、従来の投影露光装置の照明光学系の開口絞り（２次光源）の標準的な形状は円形であり、通常、その開口絞りのサイズ、ひいては所謂コヒーレンスファクタ（σ値）は装置内では一定の値に設定されていた。これに対して、最近のリソグラフィ工程ではウエハ上のレイヤ毎にパターンの形状、寸法に応じて最適なコヒーレンスファクタ、及び投影光学系の開口数を使い分けるのが普通となりつつある。更に、例えば２次光源の形状を変形させることにより、解像度及び焦点深度を向上させる超解像技術も用いられるようになってきたこともあり、最近では、１つの投影露光装置内で、複数種類の照明条件を切り換えて使用するのが普通になってきている。
【０００５】
また、半導体集積回路等の更なる微細化に対応するために、露光波長は更に短波長化する傾向にある。例えば、近年では波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光源、又は波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光源を露光光源とする投影露光装置が実用に供されつつある。このような遠紫外域で最近用いられる高感度の化学増幅レジストの感度（必要露光量）は、従来のエキシマレーザ用のフォトレジストに比べて例えば１／１０倍より少なくて済み、投影露光装置が扱うフォトレジストの感度のレンジは大きくなる傾向にある。
【０００６】
ところで、エキシマレーザ光源はパルス光源であり、このようなパルス光源ではパルス発光毎の発光エネルギーにばらつきが有るため、或る一定のパルス数（以下、「最小露光パルス数」という）以上の複数のパルス光で露光することにより、所望の露光量制御再現性を得ている。この場合、高感度レジストに露光する際には、設定露光量が小さいため、パルス光源自体の出力を下げるか、又は光路に設置された減光手段によりパルス光を減光して、最小露光パルス数以上で露光できるようにしていた。
【０００７】
また、従来より、パルス光による積算露光エネルギーを検出する手法としては、１パルス光毎にインテグレータセンサの出力信号をピークホールド、及びアナログ／デジタル変換処理して積算する手法が使用されている。この際に、インテグレータセンサの出力信号に対するピークホールドされた信号の直線性を広いレンジに亘って必要な精度で維持するのはハードウェア的には困難であるため、従来は、入射パルスエネルギーに対する投影光学系の結像面上での基準照度計の出力と、インテグレータセンサの出力との相関を最小２乗法により１次関数で近似し、インテグレータセンサの出力のフルレンジでの基準照度計の出力に対する較正誤差の２乗和が最小になるようにしていた。つまり、インテグレータセンサの出力のフルレンジに対して唯一の較正係数を用いていた。また、更にインテグレータセンサの検出レンジを実質的に拡大するために、複数個のインテグレータセンサを使用する等の手法も使用されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように複数種類の照明条件を切り換えて使用する場合、従来は標準的な照明条件のもとで基準照度計の出力とインテグレータセンサの出力との１次の相関係数を求め、他の照明条件のもとでもその相関係数を用いてウエハ上の露光量を求めていた。しかしながら、照明条件が標準的な条件と異なる場合には、インテグレータセンサの検出面における露光光の入射角分布の変化、及びインテグレータセンサに露光光を導くための光学系全体の露光光に対する角度特性等によって、その他の照明条件のもとではその相関係数に基づいて必ずしも正確に露光量絶対値を求められないという不都合があった。
【０００９】
図４は、複数の照明条件のもとでの基準照度計の出力Ｅ［ｍＪ／（ｃｍ² pulse]とインテグレータセンサの出力Ｉ［任意単位］との関係を示し、この図４において、照明光学系のコヒーレンスファクタ（σ値）を標準的な値にした場合の両者の関係が直線３０Ｂで示され、そのσ値を小さな値にした場合、及び大きな値にした場合の両者の関係がそれぞれ３０Ａ及び３０Ｃで示されている。また、Ｅ_min は、両者の出力Ｅ及びＩの関係が直線で表されるべき最小値であり、Ｅ_max は、σ値を大きくした場合に露光光の減光を行わない状態で得られる基準照度計の出力である。図４から分かるように、σ値が異なると基準照度計の出力Ｅに対するインテグレータセンサの出力Ｉの傾きは変化している。ところが、従来は全ての照明条件下で、直線３０Ｂの傾き（１次の相関係数）を用いてインテグレータセンサの出力から露光量絶対値を求めていた。その結果、図５に示すように、照明光学系のσ値が標準的な値から外れると、ウエハに対する露光量が実際の露光量（基準照度計で計測されるエネルギー）に対して誤差を有するようになる。
【００１０】
即ち、図５は、図４の直線３０Ｂで表される１次の相関係数を用いて、複数の照明条件のもとで設定露光量Ｓ［ｍＪ／ｃｍ²]を変化させた場合の、ウエハに対する露光量の誤差を示し、この図５において、縦軸は設定露光量（基準照度計で計測されるエネルギー）に対する実際の露光量の誤差、即ち基準照度計に対する露光量直線性誤差δＳ［％］を表す。また、曲線３１Ａ，３１Ｂ，及び３１Ｃはそれぞれσ値を標準より小さな値にした場合、標準値にした場合、及び標準より大きな値にした場合の誤差δＳを表し、横軸のＳ_NDは、標準的なσ値の場合で減光が必要となる設定露光量の限界を示す。この図５において、例えば曲線３１Ｃのオフセット的誤差Δより明らかなように、σ値が標準値から或る程度以上に外れると、設定露光量に対する実際の露光量の誤差が無視できないものとなる。
【００１１】
また、そのオフセット的誤差は当該投影露光装置に固有の誤差であり、例えば複数台の投影露光装置を用いてウエハ上の異なる層に露光を行うような場合に、共通の照明条件下であっても、そのオフセット的誤差のばらつきによって投影露光装置間の露光量の互換性が劣化する不都合がある。このため、１台の投影露光装置内で照明条件を切り換えて使用する場合、又は複数台の投影露光装置を混用する場合において、露光量の互換性の管理が困難になりつつある。
【００１２】
次に、上述のように露光光源としてエキシマレーザ光源のような遠紫外域で発光するパルス光源を使用する場合、使用されるフォトレジストの感度のレンジが広くなり、且つ所望の最小露光パルス数を得るためにパルス光を減光する場合もあるため、インテグレータセンサへの入射光量のレンジが広くなっている。このため、それぞれパルス光源を使用する複数台の投影露光装置間で広いレンジに亘って露光量の互換性を得るためには、基準照度計に対して広いレンジでインテグレータセンサの較正を正確に行う必要がでてきた。
【００１３】
また、特に高感度の化学増幅レジストは一般に露光量誤差の許容量が狭く、複数台の投影露光装置を用いて、且つ化学増幅レジストを用いるときには、露光量再現性だけでなく露光量互換精度を所定の狭い許容範囲内に抑えることが重要である。
本発明は斯かる点に鑑み、１台の露光装置において照明条件を切り換えたような場合でも、各照明条件下においてそれぞれ正確にウエハに対して適正な露光量を与えることができる露光装置を提供することを第１の目的とする。
【００１４】
また、本発明は、露光用の照明光（露光光）の照度を広いレンジで切り換えたような場合でも、その広いレンジの全体でそれぞれ正確にウエハに対して適正な露光量を与えることができる露光装置を提供することを第２の目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の露光装置は、複数の照明条件から選択された所定の照明条件で、転写用のパターンの形成されたマスク（１３）を露光用の照明光で照明する照明光学系（１〜５Ａ，１２）と、その照明光のもとでマスク（１３）のパターンを感光性の基板（１６）上に転写露光する投影光学系（１４）とを備えた露光装置において、その照明光学系中で、その照明光から分離された光束を受光する第１の光電検出器（７）と、その投影光学系を通過したその照明光を受光する第２の光電検出器（１８，１９）と、その第１の光電検出器の出力よりその照明光の基板（１６）上での露光量を算出する露光量算出手段（１１）と、を備え、この露光量算出手段は、それら複数の照明条件のそれぞれに対して、その第１の光電検出器の出力とその第２の光電検出器の出力とに基づいて求めた、その第１の光電検出器の出力から基板（１６）上での露光量を算出するための較正値（相関係数、相関関数、相関マップ等を含む）を記憶しているものである。
【００１６】
斯かる本発明の第１の露光装置によれば、予め全ての照明条件のもとでそれぞれ例えば基板（１６）の配置面上の第２の光電検出器（１８，１９）の出力と第１の光電検出器（７）の出力とを比較することによりその較正値を求めておく。その後、全ての照明条件のもとで、それぞれその較正値及び第１の光電検出器（７）の出力より正確に基板（１６）上での露光量が計測される。従って、それに基づいて基板（１６）に対して適正な露光量を与えることができる。
本発明において、一例として、その第２の光電検出器の受光面が、その基板の表面と同じ高さになるように、その基板を保持するステージ（１７）に設けられる。
更に、一例として、その第２の光電検出器は、そのステージに常設される。
また、別の例として、その第２の光電検出器は、そのステージに着脱自在に設けられる。
また、一例として、その露光量算出手段は、その照明光の照度を所定範囲で変化させながら、その第１の光電検出器の出力とその第２の光電検出器の出力との相関データを計測し、この計測結果に基づいて前記較正値を求める。
【００１７】
また、本発明による第２の露光装置は、所定の照明条件で、転写用のパターンの形成されたマスク（１３）を露光用の照明光で照明する照明光学系（１〜５Ａ，１２）を有し、その照明光のもとでマスク（１３）のパターンを感光性の基板（１６）上に転写露光する露光装置において、その照明光学系中で、その照明光から分離された光束を受光する光電検出器（７）と、この光電検出器の光電変換信号よりその照明光の基板（１６）上での露光量を算出する露光量算出手段（１１）と、を備え、その露光量算出手段は、その光電検出器の光電変換信号から基板（１６）上での露光量を算出するための較正関数又は較正マップを記憶するメモリを有し、その較正関数又はその較正マップは、基板（１６）の配置面上に設置された基準照度計（１８）の出力信号と、その光電検出器の光電変換信号とを、その所定の照明条件及び他の照明条件のもとでその照明光の照度を所定範囲で変化させながら比較することにより求められるものである。
【００１８】
斯かる本発明の第２の露光装置によれば、予めその所定の照明条件のもとで、例えば光電検出器（７）のフルレンジで基準照度計（１８）の出力と光電検出器（７）の光電変換信号とを比較することによりその較正関数を求めておく。その後、その所定の照明条件のもとで、そのフルレンジに亘ってその較正関数、及び光電検出器（７）の光電変換信号より正確に基板（１６）上での露光量が計測される。更に、それら第１及び第２の露光装置を組み合わせることにより、複数の照明条件のそれぞれにおいて、例えば光電検出器（７）のフルレンジに亘って正確に基板（１６）上での露光量が計測される。
【００１９】
また、本発明の第３の露光装置は、複数の照明条件から選択された所定の照明条件で、転写用のパターンの形成されたマスク（１３）を露光用の照明光で照明する照明光学系（１〜５Ａ，１２）を有し、その照明光のもとでマスク（１３）のパターンを感光性の基板（１６）上に転写露光する露光装置において、その照明光学系中で、その照明光から分離された光束を受光する第１光電検出器（７）と、この第１光電検出器の光電変換信号よりその照明光の基板（１６）上での露光量を算出する露光量算出手段（１１）と、基板（１６）の配置面に常設された第２光電検出器（１９）と、を備え、複数の照明条件中の標準となる照明条件で、所定の基準照度計（１８）の出力信号と第１光電検出器（７）の光電変換信号とを比較することにより、第１光電検出器（７）の光電変換信号より基板（１６）上での露光量を算出する際の第１較正値を求め、その標準となる照明条件及び他の照明条件のそれぞれにおいて、第２光電検出器（１９）の光電変換信号と第１光電検出器（７）の光電変換信号とを比較することにより、第１光電検出器（７）の光電変換信号より基板（１６）上での露光量を算出する際の第２較正値を求め、それら第１較正値及び第２較正値を露光量算出手段（１１）に記憶させておくものである。
【００２０】
斯かる本発明の第３の露光装置によれば、その標準となる照明条件では、その第１較正値、及び第１光電検出器（７）の光電変換信号より基板（１６）上での露光量が計測され、他の照明条件ではその第２較正値、及び第１光電検出器（７）の光電変換信号より基板（１６）上での露光量が計測される。
また、この第３の露光装置において、一例として、その標準となる照明条件は、それら複数の照明条件の中で使用頻度が高い照明条件である。
なお、上述の第２及び第３の露光装置において、その基準照度計は、その基板を保持するステージに着脱自在に設けられることが好ましい。これによって、複数の投影露光装置間の全ての照明条件間の露光量の互換性が得られる。また、上述の第２の露光装置において、較正関数は、２次以上の高次関数であることが好ましい。これによって、基準照度計に対する所望の露光量直線性を得ることが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による露光装置の実施の形態の一例につき図１〜図３を参照して説明する。本例は、露光光源としてパルス光源であるエキシマレーザ光源を使用するステッパー型の投影露光装置に本発明を適用したものである。これに対して、水銀ランプのｉ線（波長３６５ｎｍ）等の連続光を用いた投影露光装置にも本発明は適用できるが、連続光を用いた場合には減光を行う露光量制御は必要なく、１つの照明条件内ではインテグレータセンサの出力の較正は極限的には１点で行っておけばよいため、現状では本発明を適用する必要性は小さい。
【００２２】
図１は本例の投影露光装置を示し、この図１において、発振波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光源（又はＡｒＦエキシマレーザ光源等も可）よりなるエキシマレーザ光源１から射出されたパルス照明光は、シリンダーレンズやビームエキスパンダ等で構成されるビーム整形光学系２により、後続のフライアイレンズ４に効率よく入射するようにビームの断面形状が整形される。ビーム整形光学系２から射出されたパルス照明光は、エネルギー減光ユニット３に入射する。エネルギー減光ユニット３は、透過率の異なる複数枚のＮＤフィルタを備え入射光に対する透過率を複数段階で粗く切り換えられる粗調ユニットから構成されている。エネルギー減光ユニット３は、入射光に対する減光率を露光コントローラ１１からの指令に応じた値に設定する。
【００２３】
露光対象のウエハ上のフォトレジストの感度が高い（設定露光量が少ない）場合、エネルギー減光ユニット３における減光率は、減光無しの場合のウエハの表面（結像面）上での照度、及び照明系の開口絞りの開口率との兼ね合いにもよるが、原則として所望の露光量制御再現性を得るための最小露光パルス数の条件を満たすＮＤフィルタが選択される。この結果、照明光学系のコヒーレンスファクタ（σ値）が大きく、照明系の開口絞りの開口率が大きい程、必要とされる減光率のレンジは大きく、後述のインテグレータセンサでも広い範囲で出力値の較正を行っておく必要がある。
【００２４】
エネルギー減光ユニット３から射出されたパルス照明光はフライアイレンズ４に入射する。フライアイレンズ４は、後続のレチクル１３を均一な照度分布で照明するために多数の２次光源を形成する。フライアイレンズ４の射出面には照明系の開口絞り（以下、「σ絞り」と呼ぶ）５Ａが配置され、そのσ絞り５Ａ内の２次光源から射出されるパルス照明光ＩＬは、反射率が小さく透過率の大きなビームスプリッタ６に入射し、ビームスプリッタ６を透過したパルス照明光は、コンデンサーレンズ１２を経て、レチクル１３を均一な照度分布で照明する。なお、不図示であるが、ビームスプリッタ６とコンデンサーレンズ１２との間には、リレーレンズ系及び視野絞り（レチクルブラインド）が配置され、この視野絞りによってレチクル１３上の照明領域が設定されるようになっている。
【００２５】
また、σ絞り５Ａの開口部の形状はほぼ円形であり、露光コントローラ１１の指令によって駆動部５Ｂを介して、その開口部の直径、ひいては照明光学系の開口数（N.A.）を所望の値に設定できるようになっている。この場合、後述の投影光学系１４の開口数に対する照明光学系の開口数の比の値がコヒーレンスファクタ（σ値）であるため、露光コントローラ１１は、駆動部５Ｂを介してそのσ値を制御できることになる。
【００２６】
レチクル１３上のパターンが、両側（又はウエハ側に片側）テレセントリックな投影光学系１４を介して投影倍率β（βは例えば１／５）で縮小されて、フォトレジストが塗布されたウエハ１６上の１つのショット領域に投影露光される。投影光学系１４の瞳面（レチクル１３に対するフーリエ変換面）上には、開口絞り１５が配置されている。以下、投影光学系１４の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、そのＺ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。このとき、レチクル１３は、ＸＹ平面内でレチクル１３の位置決めを行うレチクルステージ（不図示）上に載置されている。一方、ウエハ１６は不図示のウエハホルダーを介して、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向等にウエハ１６の位置決めを行うウエハステージ１７上に載置されている。
【００２７】
また、ウエハステージ１７上には、受光面がウエハ１６の表面と同じ高さになるように着脱自在の基準照度計１８が設置されている。基準照度計１８は、焦電検出器又はカロリーメータ等から構成され、その出力Ｅ［ｍＪ／（ｃｍ² pulse)］は、例えばＮＩＳＴ（National Institute of Standards and Technology：米国標準・技術研究所）等の標準照度計に対してトレーサブルである。また、その基準照度計１８は検出光の入射角に関して等方的である（ランバートの法則を満たす）とする。即ち、基準照度計１８の出力Ｅは、検出光の入射角θに対してcos θで変化する。更に、その基準照度計１８の出力Ｅは、投影露光装置側として要求されるウエハ上での入射エネルギー密度のレンジに対して所定の直線性を満足しているものとする。
【００２８】
更に、ウエハステージ１７上には、受光面がウエハ１６の表面と同じ高さになるように、ＰＩＮ型のフォトダイオード等の光電検出器よりなる常設の照度むらセンサ１９が固定されている。照度むらセンサ１９の受光面は所定の大きさのピンホールが形成されたカバーで覆われ、そのピンホールを通過した照明光を受光するようになっている。ウエハステージ１７を駆動して、照度むらセンサ１９のピンホールで投影光学系１４の露光フィールドをＸ方向、Ｙ方向に走査して照度むらセンサ１９の出力を取り込むことにより、その露光フィールド内での照明光の照度むらを検出できるようになっている。但し、本例では後述のように、その照度むらセンサ１９の出力を用いて、インテグレータセンサの出力の較正を行う。
【００２９】
そのため、照度むらセンサ１９の光電変換信号は、ピークホールド回路（以下、「Ｐ／Ｈ回路」という）２０、及びアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２１を介してデジタルの出力Ｑ［digit/pulse ］に変換され、その出力Ｑが積算器２２で所定期間積算され、積算結果が露光コントローラ１１に供給されている。
【００３０】
一方、ビームスプリッタ６で反射されたパルス照明光ＩＬは、ＰＩＮ型のフォトダイオード等の光電検出器からなるインテグレータセンサ７で受光され、インテグレータセンサ７の光電変換信号は、Ｐ／Ｈ回路８、及びＡ／Ｄ変換器９を介してデジタルの出力Ｉ［digit/pulse ］に変換され、その出力Ｉが積算器１０で所定期間積算され、積算結果が露光コントローラ１１に供給されている。インテグレータセンサ７においても、Ｐ／Ｈ回路９で検出されるパルス信号のピーク値を１パルス当たりの露光エネルギーとみなしている。以下では、Ａ／Ｄ変換器９からの出力Ｉ［digit/pulse ］を、各パルス照明光当たりのインテグレータセンサ７の出力とみなす。なお、ビームスプリッタ６とインテグレータセンサ７との間に集光レンズを配置してもよい。
【００３１】
本例では、基準照度計１８又は照度むらセンサ１９の出力を用いてインテグレータセンサ７の出力の較正が行われ、インテグレータセンサ７の出力からウエハ１６の表面でのパルス照明光ＩＬの１パルス当たりの露光エネルギーを求めるための相関関数が露光コントローラ１１内のメモリに記憶されている。そして、露光コントローラ１１では、積算器１０からの出力データ、及びその相関関数よりウエハ１６上の各点での積算露光量を求めて主制御系２３に供給する。
【００３２】
主制御系２３は、レチクル１３に応じたコヒーレンスファクタ（σ値）、及びウエハ１６上のフォトレジストに対する設定露光量（感度）の情報や、露光の開始の指令を露光コントローラ１１に発し、これに応じて露光コントローラ１１はエネルギー減光ユニット３の減光率の設定を行った後、エキシマレーザ光源１に発光トリガー信号を供給することにより、エキシマレーザ光源１の発光のタイミング及び発光期間を制御する。
【００３３】
次に、本例における露光量制御動作の一例につき説明する。以下、露光量制御方式としては一括露光方式で用いられているカットオフ制御をベースとして説明する。最近では、レチクルのパターンの一部をウエハ上に投影した状態で、レチクルとウエハとを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するステップ・アンド・スキャン方式等の走査露光方式の投影露光装置も使用されている。走査露光方式でもインテグレータセンサがフルレンジで正確に較正されていることが望ましい点で両方式は等価である。
【００３４】
Ａ．フォトレジストの種類が少ない場合
先ず、使用されるフォトレジストの種類が少なく、インテグレータセンサ７の出力のレンジをそれ程広くする必要がない場合につき説明する。
Ａ−１．第１ステップ
図１のレチクル１３の代わりにパターンの無いレチクル１３Ａを設置し、ウエハステージ１７上の基準照度計１８の受光面を投影光学系１４の照野フィールドの中央部に移動し、σ絞り５Ａを介して照明光学系のσ値を標準値に設定し、エキシマレーザ光源１をパルス発光させて、１パルス照明光当たりのインテグレータセンサ７の出力Ｉと、基準照度計１８の出力Ｅとの相関係数を求める。具体的に、エネルギー減光ユニット３を介してパルス照明光のエネルギーを、対象となるフォトレジストの感度の全てを想定したレンジで例えば１０段階程度で変化させて、それぞれインテグレータセンサ７の出力Ｉ、及び基準照度計１８の出力Ｅを取り込む。
【００３５】
図２の直線２４Ｂは取り込まれたデータ（相関データ）に対応する直線を示し、この図２において、横軸は基準照度計１８の出力Ｅ［ｍＪ／（ｃｍ² pulse)］、縦軸はインテグレータセンサ７の出力Ｉ［digit/pulse ］である。その直線２４Ｂは、その標準的なσ値で取り込まれた複数のデータを最小２乗法により直線で近似し、且つインテグレータセンサ７の出力Ｉのオフセット値を除去して得られたものであり、直線２４Ｂの傾きを相関係数α［digit/（ｍＪ／ｃｍ²)］として図１の露光コントローラ１１内のメモリに記憶する。従って、インテグレータセンサ７にて検出された１パルス照明光当たりの出力Ｉ［digit/pulse ］を相関係数αにて除算した結果が、像面上、即ちウエハ１６或いは基準照度計１８に与えられるエネルギー密度を表す。
【００３６】
そこで、図１でカットオフ制御を行う場合には、ウエハ１６上のフォトレジストに対する設定露光量にその相関係数αを乗ずることにより、その設定露光量をデジタル量に変換し、所望の露光量制御再現性から決まるカットオフレベルを算出する。そして、インテグレータセンサ７からの出力Ｉを積算器１０で積算して得られる値がそのカットオフレベルに達した時点でエキシマレーザ光源１のパルス発光を停止する。これによって、正確な露光量制御が行われる。
【００３７】
その他の方式として、図１において、インテグレータセンサ７の出力Ｉ（Ａ／Ｄ変換器９の出力）を直接露光コントローラ１１に供給し、その出力Ｉをその相関係数αで除算して得られる値を露光コントローラ１１内で積算していき、この積算値が設定露光量に対するカットオフレベルに達した時点でエキシマレーザ光源１の発光を停止するようにしてもよい。
【００３８】
Ａ−２．第２ステップ
次に、図１のσ絞り５Ａの開口径を変えることにより、照明系のσ値を種々の値σ_i(ｉ＝１，２，…）に変えてインテグレータセンサ７の出力Ｉと基準照度計１９の出力Ｅとの相関データを取る。そのσ値を変化させる範囲は、対象とするフォトレジストを使用する場合に必要な全範囲とする。
【００３９】
図２には、一例としてσ値を小さくした場合（直線２４Ａに沿ったデータ）、及び大きくした場合（直線２４Ｃに沿ったデータ）の相関データが示されている。そして、各σ値σ_i の相関データを、それぞれ最小２乗法によって直線近似し、その直線の傾きとしての相関係数α_i[digit/（ｍＪ／ｃｍ²)］を得る。このようにして求めた各σ_i 毎（照明条件毎）の相関係数α_i をパラメータとして露光コントローラ１１内のメモリに保持する。
【００４０】
最近ではσ絞りを変えてσ値を変化させたときでも、照明光の利用効率劣化を抑えるような照明光学系も開発されているが、本例では、σ絞り５Ａの開口率に比例してパルス照明光のパワーも減少する場合を考える。この場合には、図２に示すように、σ値が小さい程、露光量制御上減光しなければならないレンジが小さくなる。即ち、図２において、基準照度計１８の出力Ｅの範囲２５Ａ（最小値からＳ３max までの範囲）、範囲２５Ｂ（最小値からＳ２max までの範囲）、範囲２５Ｃ（最小値からＳ１max までの範囲）はそれぞれ、σ値が小さい場合、標準値の場合、大きい場合の必要制御範囲を示す。
【００４１】
Ａ−３．第３ステップ
図１の主制御系２３は、現在使われている照明条件に対する相関係数α_i を用いて通常の露光量制御を行う。これにより全ての照明条件においても基準照度計１８に対して較正された露光量制御が可能となる。結果として複数の投影露光装置間の全ての照明条件間の露光量の互換性が得られている。但し、通常は複数の投影露光装置間の共通照明条件間での互換性があれば十分である。
【００４２】
以上の工程が各照明条件においてインテグレータセンサ７に必要とされるレンジが比較的狭く、そのレンジ内においては基準照度計１８に対する直線性が１次近似直線で得られる場合である。露光光源としてｇ線やｉ線の連続光を出力する水銀ランプ等を使用する投影露光装置がこれに相当する。また、パルスレーザ光源を露光光源として使用する場合でも、使用するフォトレジストの種類が限定されている場合は有効である。
【００４３】
Ｂ．フォトレジストが多数種類の場合
次に、使用するフォトレジストの種類が多数種に亘り、インテグレータセンサ７の出力をより広いレンジで較正しておく必要がある場合につき説明する。現状のＫｒＦエキシマレーザ光源を使用して複数種類のフォトレジストを使用する状況に相当する。
【００４４】
Ｂ−１．第４ステップ
便宜上、１つの照明条件下に限定して説明するが、以下の動作が必要な全ての照明条件で実行される。
図３は、その１つの照明条件下で取り込まれた基準照度計１８の出力Ｅ［ｍＪ／（ｃｍ² pulse)］、及びインテグレータセンサ７の出力Ｉ［digit/pulse ］の関係を示すデータ（相関データ）を示し、この図３において、相関曲線２６が実際に計測された結果の非線形性を誇張した相関データである。その相関曲線２６に対して最小２乗法により当てはめた直線を最小２乗近似直線２８とする。また、横軸の基準照度計１８の出力Ｅ中の範囲２７は、縦軸のインテグレータセンサ７の出力Ｉの較正が必要なレンジに対応する範囲を示している。
【００４５】
図５より分かるように、相関曲線２６の非線形性が大きいため、較正が必要な範囲２７内で、最小２乗近似直線２８では基準照度計１８の出力Ｅに対して十分な直線性が得られない。そのため、その最小２乗近似直線２８の傾きである１つの相関係数αだけで較正したインテグレータセンサ７の出力Ｉを用いて、広いレンジで種々のフォトレジストに対する露光量制御を行うと、基準照度計に対する所望の露光量直線性が得られない。そこで、以下のような手法を用いる。
【００４６】
Ｂ−２．第５ステップ
この場合、まず第１の手法として、相関曲線２６を１次関数ではなく、基準照度計１８の出力Ｅ［ｍＪ／（ｃｍ² pulse)］の２次以上の高次関数Ｊ（Ｅ）で近似する。この場合、１次関数の傾きである相関係数αに対応して、インテグレータセンサ７の出力Ｉ［digit/pulse]における相関関数α（Ｉ）を次式のように定義する。但し、次式における出力Ｅは、出力Ｉに対して Ｉ＝Ｊ（Ｅ） を満たすように求められる値である。
【００４７】
α（Ｉ）＝Ｊ（Ｅ）／Ｅ （１）
即ち、露光中にインテグレータセンサ７の出力が１パルス照明光当たりＩ［digit/pulse]となったとき、その出力Ｉを対応する相関関数α（Ｉ）で除算することにより、像面上での露光エネルギーＥが求められる。それ以降は、Ａ−１の第１ステップで説明した露光量制御を行う。
【００４８】
次に、第２の手法として、図３の相関曲線２６を高次関数Ｊ（Ｅ）ではなく、基準照度計１８の出力Ｅについて所定ステップの相関マップ２９で近似してもよい。この場合の相関マップ２９の分解能は所望の近似精度が得られるように設定される。インテグレータセンサ７の検出された出力Ｉを、その出力Ｉに対応する相関マップ２９中の相関係数α（即ち、出力Ｉを基準照度計１８の出力Ｅで除算した値）で除算することにより、像面上での露光エネルギーが求められる。
【００４９】
Ｃ．簡便な露光量制御方法
以上の第５ステップでは１パルス照明光毎に相関関数α（Ｉ）、又は相関係数αを用いて、インテグレータセンサ７の出力Ｉを像面上の露光エネルギーに変換していたが、制御上簡便な手法を以下に述べる。
Ｃ−１．第６ステップ
露光の前、例えばウエハ毎、又はロット毎等の頻度で、インテグレータセンサ７を用いてパルス照明光のエネルギーチェックを行い、減光が必要な場合はエネルギー減光ユニット３を介して減光した状態で、インテグレータセンサ７の出力Ｉ及び基準照度計１８の出力Ｅの相関データを計測する。そして、予め露光前に露光で用いる相関係数α、又は相関関数α（Ｉ）をそれぞれ相関マップ、又は（１）式より算出する。露光量制御としては、最初に例えば、設定露光量を、得られた相関係数α、又は相関関数α（Ｉ）を乗じることによりインテグレータセンサ７の出力Ｉの設定値［digit]に換算する。
【００５０】
Ｃ−２．第７ステップ
その後の露光中は、インテグレータセンサ７の出力Ｉをパルス照明光毎に露光エネルギーに変換せず、第６ステップで求めた設定値を目標値としてデジタル量でのカットオフ制御を行う。この場合、パルス照明光のエネルギーはパルス間で約±１０％程度ばらつく。従って、この±１０％のレンジでの相関を１次近似の相関係数αで代表することになるが、±１０％という狭いレンジではその１次近似による露光量制御誤差は十分小さいと見なせる場合がほとんどである。
【００５１】
以上の第４、第５ステップ、又は第６、第７ステップの何れかを全ての照明条件について行う。これにより、全ての照明条件について広いレンジでインテグレータセンサ７の出力Ｉの基準照度計１８の出力Ｅに対する正確な相関係数、又は相関関数が得られる。但し、第２ステップで述べたように、照明系のσ値によって正確な相関データの必要なレンジ（図２の範囲２５Ａ〜２５Ｃに対応する範囲）が狭く、第１ステップのように相関係数αの値１つで十分な相関が得られる場合は最も低次の制御、即ちその１次近似の制御で構わない。
【００５２】
Ｄ．短時間でインテグレータセンサ７の出力の較正を行う方法
上述の例では全ての照明条件について、インテグレータセンサ７の出力と基準照度計１８の出力との相関データを取得しなければならない。これでは計測作業の工数が増えるばかりでなく、インテグレータセンサ７の基準照度計１８に対する較正は頻繁に行う場合があるので、一連のインテグレータセンサ７の出力の較正は短時間で済ませることが望ましい。以下の短時間でインテグレータセンサ７の出力Ｉの較正を行う手法は、一般に露光光を減光して露光量制御する必要のない水銀ランプ等を使用するステッパーに対して有効、且つ現実的である。即ち、露光光をシャッタで開閉している間は別にして、インテグレータセンサ７で検出される出力Ｉはほぼ一定なので、照明条件毎に相関係数αの値を持つこととする。
【００５３】
Ｄ−１．第８ステップ
そのために、図１に示すように、基準照度計１８と同じく像面上のセンサであり、投影光学系１４の照野フィールド内の照度むら計測を行うための照度むらセンサ１９を用いる。この照度むらセンサ１９は基準照度計１８と同様に入射光の入射角に対して等方的であり、σ絞り５Ａによるエネルギー損失程度のレンジの入射エネルギーに対してはその出力が十分な直線性を持っているものとする。
【００５４】
先ず、σ絞り５Ａを介して、照明系のσ値を最も使用頻度の高い照明条件のもとでの標準σに設定して、第１ステップと同様に、基準照度計１８に対して通常のインテグレータセンサ７の出力の較正を行って相関係数αを求める。このときの相関係数αとはシャッタオープンの状態の１点での相関係数でよく、そのように求められた相関係数αを相関係数α_std と置く。全ての照明条件に対して同じことを行えばよいが、それでは時間がかかるため、ここではその他の照明条件では同じ像面上の照度むらセンサ１９を利用する。
【００５５】
Ｄ−２．第９ステップ
その標準σの照明条件において、ウエハステージ１７を駆動して、基準照度計１８と同じ照野フィールド内の計測点（一般に照野フィールドの中央）に照度むらセンサ１９の受光部を移動する。このときのインテグレータセンサ７の出力Ｉと照度むらセンサ１９の出力Ｑとの比の値Ｒ_std を次のように求める。
【００５６】
Ｒ_std ＝Ｉ／Ｑ （２）
Ｄ−３．第１０ステップ
次に、σ絞り５Ａを介して照明系のσ値をσ_i(ｉ＝１，２，…）に変更する。そして、同様の手順にて、各σ値σ_i において、インテグレータセンサ７の出力Ｉと照度むらセンサ１９出力Ｑとの比の値Ｒ_i(＝Ｉ／Ｑ）を求める。そして、そのσ値σ_i において、インテグレータセンサ７の出力Ｉから像面上での露光エネルギーを算出するための相関係数α_i を次式にて求める。
【００５７】
α_i ＝（Ｒ_i/Ｒ_std)・α_std （３）
即ち、このσ値σ_i の照明条件での相関係数α_i を同じ像面上の照度むらセンサ１９を仲介して間接的に計測したこととなる。なお、（３）式中の比の値Ｒ_i の計測の際に計測誤差が生じると、結果として相関係数α_i の誤差になる。そこで、比の値Ｒ_i の計測時の平均値をインテグレータセンサ７及び照度むらセンサ１９のそれぞれの単体の計測再現性より算出して、（３）式で使用されるＲ_i を適切なものにすれば、相関係数α_i としての誤差を十分小さく抑えることができる。以下、同様の手順で全ての照明条件に対して間接的に相関係数α_i を求める。基準照度計１８はその性質上オフラインで使用される普通であるため、このように照度むらセンサ１９を使用する計測方法は非常に簡便である。
【００５８】
Ｄ−４．第１１ステップ
図１の主制御系２３は、現在使われている照明条件に対する相関係数αを用いて通常の露光量制御を行う。これにより全ての照明条件においても基準照度計１８に対して較正された露光量制御が可能となる。結果として複数の投影露光装置間の全ての照明条件間の露光量の互換性が得られている。但し、通常は複数の投影露光装置間の共通の照明条件間での露光量の互換性があれば十分である。
【００５９】
なお、この例では照度むらセンサ１９を用いたが、像面上に常設されて角度特性、及び直線性に問題のないセンサであるならば何でもよい。
また、水銀ランプ等を露光光源とするステッパー等では、例えばランプ交換時に第８ステップに示した標準σでの基準照度計に対するインテグレータセンサ７の出力の較正を行うが、他の照明条件に対しては以上の第９ステップ及び第１０ステップの一連の計測シーケンスをバッチ処理化しておけば良く、非常に簡単に済む。
【００６０】
また、本発明は、レチクルのパターンの一部をウエハ上に投射した状態で、例えば投影光学系に対してレチクル及びウエハを同期して走査することにより、レチクル上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・スキャン方式等の走査露光方式の露光装置で露光量制御を行う場合にも同様に適用できることは明らかである。このように、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。
【００６１】
【発明の効果】
本発明の第１の露光装置によれば、露光量算出手段は、照明光学系の複数の照明条件のそれぞれに対して光電検出器の光電変換信号から基板上での露光量を算出するための較正値を記憶しているため、１台の露光装置において照明条件を切り換えたような場合でも、各照明条件下においてそれぞれ正確に基板（ウエハ等）に対して照度計基準の適正な露光量を与えることができる利点がある。また、複数の露光装置間の複数の照明条件のもとでの露光量の互換性が向上する。
【００６２】
また、本発明の第２の露光装置によれば、照明光の照度を所定範囲で変化させながら基準照度計の出力信号と光電検出器の光電変換信号とを比較することにより求めた、その光電検出器の光電変換信号から基板上での露光量を算出するための較正関数又は較正マップを露光量算出手段に記憶させているため、露光用の照明光（露光光）の照度を広いレンジで切り換えたような場合でも、その広いレンジの全体でそれぞれ正確に基板に対して照度計基準の適正な露光量を与えることができる利点がある。また、広いレンジのフォトレジスト等の感光材料の感度に対して複数の露光装置間での露光量の互換性の精度も向上する。
【００６３】
更に、第１の発明と第２の発明とを合わせることにより、複数の露光装置間で複数の照明条件を用いる場合でも、全ての照明条件に対して広範な感光材料の感度に対して良好な露光量制御精度が得られ、露光装置間の露光量の互換性も向上する。
また、本発明の第３の露光装置によれば、標準となる照明条件以外の照明条件では、第２光電検出器の光電変換信号と第１光電検出器の光電変換信号とを比較することにより、その第１光電検出器の光電変換信号より基板上での露光量を算出する際の第２較正値を求めるようにしているため、計測時間を短縮できると共に、１台の露光装置において照明条件を切り換えたような場合でも、各照明条件下においてそれぞれ正確に基板に対して適正な露光量を与えることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の投影露光装置を示す構成図である。
【図２】その実施の形態の一例で照明条件を変更しながら計測した基準照度計１８の出力とインテグレータセンサ７の出力との線形の相関を示す図である。
【図３】その実施の形態の一例で１つの照明条件で計測した基準照度計１８の出力とインテグレータセンサ７の出力との非線形の相関を示す図である。
【図４】従来例で照明条件を変更した場合の基準照度計の出力とインテグレータセンサの出力との関係を示す図である。
【図５】従来例で照明条件を変更した場合の露光量誤差の状態を示す図である。
【符号の説明】
１ エキシマレーザ光源
２ ビーム整形光学系
３ エネルギー減光ユニット
４ フライアイレンズ
５ σ絞り
７ インテグレータセンサ
８，２０ ピークホールド回路（Ｐ／Ｈ回路）
９，２１ Ａ／Ｄ変換器
１０，２２ 積算器
１１ 露光コントローラ
１２ コンデンサーレンズ
１３ レチクル
１３Ａ パターン無しのレチクル
１４ 投影光学系
１５ 開口絞り
１６ ウエハ
１７ ウエハステージ
１８ 基準照度計
１９ 照度むらセンサ１９

Claims (14)

1. 複数の照明条件から選択された所定の照明条件で、転写用のパターンの形成されたマスクを露光用の照明光で照明する照明光学系と、前記照明光のもとで前記マスクのパターンを感光性の基板上に転写露光する投影光学系とを備えた露光装置において、
   前記照明光学系中で、前記照明光から分離された光束を受光する第１の光電検出器と、
   前記投影光学系を通過した前記照明光を受光する第２の光電検出器と、
   前記第１の光電検出器の出力より前記照明光の前記基板上での露光量を算出する露光量算出手段と、を備え、
   該露光量算出手段は、前記複数の照明条件のそれぞれに対して、前記第１の光電検出器の出力と前記第２の光電検出器の出力とに基づいて求めた、前記第１の光電検出器の出力から前記基板上での露光量を算出するための較正値を記憶していることを特徴とする露光装置。
2. 前記第２の光電検出器の受光面が、前記基板の表面と同じ高さになるように、前記基板を保持するステージに設けられることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記第２の光電検出器は、前記ステージに常設されることを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
4. 前記第２の光電検出器は、前記ステージに着脱自在に設けられることを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
5. 前記露光量算出手段は、前記照明光の照度を所定範囲で変化させながら、前記第１の光電検出器の出力と前記第２の光電検出器の出力との相関データを計測し、該計測結果に基づいて前記較正値を求めることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の露光装置。
6. 前記較正値は、相関係数、相関関数、又は相関マップを含むことを特徴とする請求項５に記載の露光装置。
7. 前記複数の照明条件は、前記照明光学系のσ値がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の露光装置。
8. 前記露光量算出手段は、前記較正値を記憶するメモリを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の露光装置。
9. 所定の照明条件で、転写用のパターンの形成されたマスクを露光用の照明光で照明する照明光学系を有し、前記照明光のもとで前記マスクのパターンを感光性の基板上に転写露光する露光装置において、
   前記照明光学系中で、前記照明光から分離された光束を受光する光電検出器と、
   該光電検出器の光電変換信号より前記照明光の前記基板上での露光量を算出する露光量算出手段と、を備え、
   前記露光量算出手段は、前記光電検出器の光電変換信号から前記基板上での露光量を算出するための較正関数又は較正マップを記憶するメモリを有し、
   前記較正関数又は前記較正マップは、前記基板の配置面上に設置された基準照度計の出力信号と、前記光電検出器の光電変換信号とを、前記所定の照明条件及び他の照明条件のもとで前記照明光の照度を所定範囲で変化させながら比較することにより求められることを特徴とする露光装置。
10. 前記較正関数は、２次以上の高次関数であることを特徴とする請求項９に記載の露光装置。
11. 複数の照明条件から選択された所定の照明条件で、転写用のパターンの形成されたマスクを露光用の照明光で照明する照明光学系を有し、前記照明光のもとで前記マスクのパターンを感光性の基板上に転写露光する露光装置において、
    前記照明光学系中で、前記照明光から分離された光束を受光する第１光電検出器と、
    該第１光電検出器の光電変換信号より前記照明光の前記基板上での露光量を算出する露光量算出手段と、
    前記基板の配置面に常設された第２光電検出器と、を備え、
    前記複数の照明条件中の標準となる照明条件で、所定の基準照度計の出力信号と前記第１光電検出器の光電変換信号とを比較することにより、前記第１光電検出器の光電変換信号より前記基板上での露光量を算出する際の第１較正値を求め、前記標準となる照明条件及び他の照明条件のそれぞれにおいて、前記第２光電検出器の光電変換信号と前記第１光電検出器の光電変換信号とを比較することにより、前記第１光電検出器の光電変換信号より前記基板上での露光量を算出する際の第２較正値を求め、前記第１較正値及び第２較正値を前記露光量算出手段に記憶させておくことを特徴とする露光装置。
12. 前記標準となる照明条件は、前記複数の照明条件の中で使用頻度が高い照明条件であることを特徴とする請求項１１に記載の露光装置。
13. 前記基準照度計は、前記基板を保持するステージに着脱自在に設けられることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載の露光装置。
14. 前記基準照度計は、複数の露光装置間で使用されることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一項に記載の露光装置。

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