JPH08222495A

JPH08222495A - 走査型投影露光方法及び装置

Info

Publication number: JPH08222495A
Application number: JP7021455A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Suzuki; 一明鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-02-09
Filing date: 1995-02-09
Publication date: 1996-08-30
Also published as: KR960032583A

Abstract

(57)【要約】【目的】走査露光方式でレチクルのパターンを感光基
板上に露光する際に、投影光学系の投影像自体に非等方
的な歪みがある場合でも、最終的に感光基板上に露光さ
れる像の解像度が劣化しないようにする。【構成】投影光学系のスリット状の投影像が投影像４
２Ａのように角度γだけ傾斜した平行四辺形状に歪んで
いるときには、レチクルと感光基板との走査方向を角度
γだけ傾けて走査を行う。そのスリット状の投影像が投
影像４２Ｂのように走査方向に倍率誤差βを有する長方
形状に歪んでいるときには、レチクルと感光基板との走
査速度比を（１＋β）に変える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子又は
液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際
に使用される露光方法及び露光装置に関し、特にマスク
及び感光性の基板を同期して走査することによりそのマ
スクのパターンを逐次その基板上に投影露光する、所謂
スリットスキャン方式又はステップ・アンド・スキャン
方式等の走査型投影露光方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子又は液晶表示素子等をフォト
リソグラフィ工程で製造する際に、レチクル（又はフォ
トマスク等）のパターン像を、投影光学系を介してフォ
トレジスト等が塗布されたウエハ（又はガラスプレート
等）上に投影露光する投影露光装置が使用されている。
斯かる投影露光装置においては、投影光学系の持つ高い
解像力を損なうことなく、微細なパターンを転写するこ
とが要求されている。

【０００３】これに関して、従来の投影露光装置として
は、感光基板上の露光フィールド全体にレチクルのパタ
ーンを一括して縮小投影する一括露光方式（又は、「フ
ル・フィールド方式」とも呼ばれる）の投影露光装置
（ステッパー等）が一般的であった。ところが、近年、
レチクルのパターンを逐次感光基板上に投影露光する方
式である、所謂スリットスキャン方式、又はステップ・
アンド・スキャン方式等の走査露光方式の投影露光装置
が開発されている。この走査露光方式では、レチクルの
パターン領域をスリット状に照明し、そのスリット状の
照明領域に対してレチクルを走査し、レチクルの走査と
同期してそのスリット状の照明領域と共役な露光領域に
対して、投影光学系の投影倍率と同じ速度比で感光基板
を走査することにより、露光が行われる。また、レチク
ルのパターン領域をスリット状に照明する代わりに、例
えば投影光学系内に設けた視野絞りにより感光基板上の
露光領域をスリット状に制限する方式もある。

【０００４】この走査露光方式では、レチクル上の照明
領域が一括露光方式に比べて小さいため、投影像の歪み
の量、像面湾曲、及び非点収差等の露光フィールド内で
のフォーカス位置の不均一性、並びに照度の不均一性が
小さく抑えられるという利点がある。更に、走査露光方
式では、走査方向に関しては投影光学系のフィールドサ
イズの制限を受けずに大面積の露光が行えるという利点
がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、走査露
光方式においては、投影光学系自体の収差により投影像
に歪みが生じている場合、その投影像の歪みによっては
走査露光により像質が劣化してしまうという不都合があ
った。そのように像質が劣化してしまう場合の具体例に
つき図７を参照して説明する。図７（ａ）〜（ｃ）にお
いて、感光基板の走査方向を＋ｘ方向（又は−ｘ方向）
として、ｘ方向に直交する非走査方向をｙ方向とする。
また、投影光学系に収差が無い場合のその投影光学系に
よるスリット状の露光領域（即ち歪みの無い投影像）を
ｘ方向の幅Ｄの長方形の露光領域４１とする。

【０００６】先ず、図７（ａ）に示すように、長方形の
露光領域４１が投影光学系の収差により、ｘ軸に対して
角度γ［ｒａｄ］だけ傾斜した平行四辺形の露光領域４
２Ａに変形した場合、感光基板をｘ方向に走査すると、
感光基板上の１点がその幅Ｄの露光領域４２Ａを横切る
間に、投影像は感光基板上で幅でほぼＤ・γだけ非走査
方向に移動して、像質劣化を招く。次に、投影光学系の
走査方向への投影倍率がβだけずれた場合には、図７
（ｂ）に示すように、幅Ｄの露光領域４１が幅（１＋
β）Ｄの長方形の露光領域４２Ｂに変形する。このと
き、感光基板上の１点がｘ方向に対して露光領域４２Ｂ
上の幅Ｄの領域を横切る間に、レチクルの走査に同期し
て投影像は感光基板に対して幅でβ・Ｄ分だけ感光基板
上で走査方向に余分に移動するため、やはり像質劣化を
招く。

【０００７】更に、図７（ｃ）に示すように、投影光学
系における投影倍率が走査方向で変化して、長方形の露
光領域４１の非走査方向の辺が角度δ［ｒａｄ］だけ対
称に傾斜して台形の露光領域４２Ｃに変形した場合、感
光基板上の１点が幅Ｄの露光領域４２Ｃをｘ方向に横切
る間に、投影像は感光基板上で最大でＤ・δだけ非走査
方向に移動するため、やはり像質劣化を招く。

【０００８】ここで、レチクル上のパターンを走査方向
に周期的に配列されたライン・アンド・スペースパター
ンと仮定し、その感光基板上での投影像のｘ方向へのピ
ッチをｐとして、そのピッチｐを露光波長の２倍程度と
する。この場合、その投影像の光強度分布Ｉ（ｘ）は、
Ｉcos{（２π／ｐ）・ｘ｝で表現できる。今、極端な例
として、その投影像の位相を±Δ／２ずつ異ならしめた
光学像のみが合成されたとすると、その光学像の光強度
分布ＩＴ（ｘ）は次のようになる。

【０００９】

【数１】ＩＴ（ｘ）＝（１／２）［Ｉcos{（２π／ｐ）・ｘ−Δ／２｝＋Ｉcos{（２π／ｐ）・ｘ＋Δ／２｝］＝Ｉcos(Δ／２）cos{（２π／ｐ）・ｘ｝この（数１）より分かるように、その合成像のコントラ
ストは、元の投影像に対してcos Δ／２倍に低下し、こ
れにより合成像の解像度が低下して、像質劣化が生じる
ことになる。

【００１０】また、図７（ａ）〜（ｃ）に示した投影像
の歪みは方向によって歪み方の異なる非等方的な歪みで
ある。逆に、その投影像の歪みが等方的である場合、即
ち投影倍率のみが変化している場合には、例えばレチク
ルと感光基板との走査速度比を調整する等の手法で容易
に対処できる。本発明は斯かる点に鑑み、走査露光方式
でレチクルのパターンを感光基板上に露光する際に、投
影光学系の投影像自体に非等方的な歪みがある場合で
も、最終的に感光基板上に露光される像の像質（解像
度）が劣化しないような走査型投影露光方法、及び走査
型投影露光装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による走査型投影
露光方法は、マスク（Ｒ）上の転写用のパターンの像を
感光性の基板（Ｗ）上に投影する投影光学系（ＰＬ）に
対して、この投影光学系の光軸を横切る所定の方向にマ
スク（Ｒ）を走査するのと同期して、その所定の方向に
対応する方向に基板（Ｗ）を走査することにより、その
マスクのパターンの像を逐次その基板上に転写する走査
型投影露光方法において、投影光学系（ＰＬ）による投
影像の歪みの内の非等方成分値（平行四辺形度、長方形
度、台形度等）に合わせて、走査露光中に基板（Ｗ）上
に転写されるマスク（Ｒ）のパターンの像に歪みを与え
るものである。

【００１２】この場合、マスク（Ｒ）のパターンを、そ
の投影像の歪みの非等方成分値を相殺するように予め歪
ませておくことが望ましい。次に、本発明による走査型
投影露光装置は、マスク（Ｒ）上の転写用のパターンの
像を感光性の基板（Ｗ）上に投影する投影光学系（Ｐ
Ｌ）と、この投影光学系の光軸を横切る所定の方向にマ
スク（Ｒ）を走査するマスクステージ（ＲＳＴ）と、投
影光学系（ＰＬ）の光軸を横切る方向で且つその所定の
方向に対応する方向に基板（Ｗ）を走査する基板ステー
ジ（ＷＳＴ）と、を有し、投影光学系（ＰＬ）に対して
マスク（Ｒ）及び基板（Ｗ）を同期して走査することに
より、マスク（Ｒ）のパターンの像を逐次基板（Ｗ）上
に転写する走査型投影露光装置において、投影光学系
（ＰＬ）による投影像の歪みの内の非等方成分値を記憶
する記憶手段（３９）と、この記憶手段に記憶されてい
る投影像の歪みの非等方成分値に合わせて、走査露光中
に基板（Ｗ）上に転写されるマスク（Ｒ）のパターンの
像に歪みを与える歪み制御手段と、を設けたものであ
る。

【００１３】この場合、その歪み制御手段の例は、マス
クステージ（ＲＳＴ）によるマスク（Ｒ）の走査方向と
基板ステージ（ＷＳＴ）による基板（Ｗ）の走査方向と
の相対角度を変化させる相対角度制御手段（１９）、マ
スクステージ（ＲＳＴ）によるマスク（Ｒ）の走査速度
と基板ステージ（ＷＳＴ）による基板（Ｗ）の走査速度
との相対速度を調整する相対速度制御手段（１９）、又
は投影光学系（ＰＬ）の投影倍率を調整する投影倍率制
御手段（１２）である。更に、これらの相対角度制御手
段（１９）、相対速度制御手段（１９）、及び投影倍率
制御手段（１２）を任意の２個の組合せ、又は３個で組
合せてもよい。

【００１４】また、その歪み制御手段によるマスク
（Ｒ）のパターンの像の調整量に応じて基板（Ｗ）上で
の露光量の分布を制御する露光量分布制御手段（４，２
２）を設けることが望ましい。

【００１５】

【作用】斯かる本発明の走査型投影露光方法によれば、
投影光学系の投影像の歪みの内の非等方成分値に対し
て、走査露光による基板上へのマスクパターンの投影像
が一致するように、走査露光時のマスクと基板との相対
走査角度、相対走査速度、又は投影倍率等が制御、調整
されるので、像質劣化を最小限に抑えた露光ができる。
従って、最終的に基板上に形成される像の解像度が損な
われない。

【００１６】この場合、マスクパターンに歪みが無い
と、その基板上に形成される像には投影光学系の投影像
の歪みに応じた非等方的な歪みが残存する。そこで、こ
の残存歪みを無くすためには、予め投影光学系の投影像
の歪みを相殺するようにマスクパターンを歪ませておけ
ばよい。次に、本発明の走査型投影露光装置によれば、
上述の露光方法が実施できる。

【００１７】また、相対走査速度調整や走査露光中の倍
率調整等に応じて、露光量分布制御手段を介して基板上
での露光量分布（又は露光量の大きさ）を制御すること
により、基板上で露光量むらや露光量のオフセットが生
じることもない。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき図面を参照し
て説明する。図１は本実施例のステップ・アンド・スキ
ャン方式の投影露光装置の概略的な構成を示し、この図
１において、光源１で発生した照明光ＩＬは不図示のシ
ャッターを通過した後、コリメータレンズ、及びフライ
アイレンズ等からなる照度均一化光学系２により照度分
布がほぼ均一な光束に変換される。照明光ＩＬとして
は、例えばＫｒＦエキシマレーザ光やＡｒＦエキシマレ
ーザ光等のエキシマレーザ光、銅蒸気レーザやＹＡＧレ
ーザの高調波、あるいは超高圧水銀ランプからの紫外域
の輝線（ｇ線、ｉ線等）等が用いられる。

【００１９】照度均一化光学系２を射出した光束は、リ
レーレンズ３を介して、可動型のレチクルブラインド５
Ａ、及び固定式のレチクルブラインド５Ｂに達する。可
動型のレチクルブラインド５Ａは、レチクルＲのパター
ン形成面及びウエハＷの露光面と光学的に共役な面に配
置され、レチクルブラインド５Ａのリレーレンズ３側に
密着するように、透過率分布が所望の状態に設定できる
可変ＮＤフィルター４が設置されている。レチクルブラ
インド５Ａは、特開平５−２３４６０８号公報にて本出
願人が開示しているように、複数枚の可動遮光部（例え
ば２枚のＬ字型の可動遮光板）より構成されている。そ
して、走査露光の直前及び直後にレチクル及びウエハの
動きに同期して、それらの可動遮光部を例えばモータに
より走査させることにより、レチクル上の遮光帯の幅を
小さくできる。また、可動のレチクルブラインド５Ａの
直後の固定のレチクルブラインド５Ｂにより、レチクル
Ｒ上のスリット状の照明領域の走査方向の正確な幅（ス
リット幅）が決定される。

【００２０】また、可変ＮＤフィルター４は、例えば二
重すだれ構造、液晶表示パネル、エレクトロクロミック
デバイス、又は所望の形状のＮＤフィルターより構成さ
れ、可変ＮＤフィルター制御部２２が可変ＮＤフィルタ
ー４を出し入れする等により、レチクルＲ上の照明領域
ＩＡＲ（図２参照）内の照度分布を意図的に不均一に
し、結果的に走査中のウエハＷ上の露光量を一定に保つ
ことができる。通常は、可変ＮＤフィルター４の全体が
１００％透過になっており、レチクルＲ上の照明領域Ｉ
ＡＲ内の照度分布は均一である。可変ＮＤフィルター４
は図１中の場所にある必要は必ずしもなく、より光源に
近い側、あるいはレチクル側でも構わない。可変ＮＤフ
ィルター４の使用法の詳細は後述する。なお、可変ＮＤ
フィルター制御部２２、及び可動のレチクルブラインド
５Ａの動作は装置全体を統轄制御する主制御系２０によ
り制御される。

【００２１】可変ＮＤフィルター４及びレチクルブライ
ンド５Ａ，５Ｂを通過した光束は、リレーレンズ６及び
ダイクロイックミラー７を介して回路パターン等が描か
れたレチクルＲを照明する。レチクルＲはレチクルステ
ージＲＳＴ上に真空吸着され、このレチクルステージＲ
ＳＴは、照明光学系の光軸ＩＸに垂直な平面内で２次元
的に微動してレチクルＲを位置決めする。

【００２２】また、レチクルステージＲＳＴはリニアモ
ータ等で構成されたレチクル駆動部（不図示）により、
所定の方向（走査方向）に指定された走査速度で移動可
能となっている。更に、レチクルステージＲＳＴは、不
図示のレチクルベース上にレチクルＲの全面が少なくと
も照明光学系の光軸ＩＸを横切ることができるだけの移
動ストロークで、走査方向に移動できるように載置され
ている。レチクルステージＲＳＴの端部には干渉計１６
からのレーザビームを反射する移動鏡１５が固定されて
おり、レチクルステージＲＳＴの走査方向の位置は干渉
計１６によって、例えば０．５ｎｍ程度の分解能で常時
検出される。干渉計１６からのレチクルステージＲＳＴ
の位置情報はステージ制御系１９に送られ、ステージ制
御系１９はレチクルステージＲＳＴの位置情報に基づい
てレチクル駆動部（不図示）を介して、レチクルステー
ジＲＳＴを駆動する。また、不図示のレチクルアライメ
ント系により所定の基準位置にレチクルＲが精度良く位
置決めされるように、レチクルステージＲＳＴの初期位
置が決定されるため、移動鏡１５の位置を干渉計１６で
測定するだけでレチクルＲの位置を十分高精度に測定し
たことになる。

【００２３】さて、レチクルＲを通過した照明光ＩＬ
は、例えば両側テレセントリックな投影光学系ＰＬに入
射し、投影光学系ＰＬはレチクルＲの回路パターンを例
えば１／５あるいは１／４に縮小した投影像を、表面に
フォトレジスト（感光材）が塗布されたウエハＷ上に形
成する。本実施例の投影露光装置においては、図２に示
すようにレチクルＲの走査方向（ｘ方向）に対して垂直
な方向（ｙ方向）に長手方向を有する長方形（スリット
状）の照明領域ＩＡＲでレチクルＲが照明され、レチク
ルＲは露光時に−ｘ方向（又は＋ｘ方向）に速度Ｖ_Rで
スキャンされる。照明領域ＩＡＲ（中心は光軸ＩＸとほ
ぼ一致）は投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に投影さ
れ、スリット状の露光領域ＩＡが形成される。ウエハＷ
はレチクルＲとは倒立結像関係にあるため、ウエハＷは
速度Ｖ_Rの方向とは反対の＋ｘ方向（又は−ｘ方向）に
レチクルＲに同期して速度Ｖ_Wでスキャンされ、ウエハ
Ｗ上のショット領域ＳＡの全面が露光可能となってい
る。走査速度の比Ｖ_W／Ｖ_Rは正確に投影光学系ＰＬの
縮小倍率に応じたものになっており、レチクルＲのパタ
ーン領域ＰＡのパターンがウエハＷ上のショット領域Ｓ
Ａ上に正確に縮小転写される。照明領域ＩＡＲの長手方
向の幅は、レチクルＲ上のパターン領域ＰＡよりも広
く、遮光領域ＳＴの最大幅よりも狭くなるように設定さ
れ、スキャンすることによりパターン領域ＰＡ全面が照
明されるようになっている。図２では投影光学系ＰＬが
非テレセントリック系となっているが、先にも述べたよ
うに実際は両側テレセントリック系である。

【００２４】再び図１の説明に戻って、ウエハＷはウエ
ハホルダ９上に真空吸着され、ウエハホルダ９はウエハ
ステージＷＳＴ上に保持されている。ウエハホルダ９は
不図示の駆動部により、投影光学系ＰＬの最良結像面に
対し、任意方向に傾斜可能で、且つ光軸ＩＸ方向（ｚ方
向）に微動が可能である。また、光軸ＩＸの回りの回転
動作も可能である。一方、ウエハステージＷＳＴは前述
のスキャン方向（ｘ方向）の移動のみならず、複数のシ
ョット領域に任意に移動できるようにスキャン方向に垂
直な方向（ｙ方向）にも移動可能に構成されており、ウ
エハＷ上の各ショット領域をスキャン露光する動作と、
次のショット露光開始位置まで移動する動作とを繰り返
すステップ・アンド・スキャン動作を行う。この場合、
モータ等のウエハステージ駆動部（不図示）によりウエ
ハステージＷＳＴがｘｙ方向に駆動される。ウエハステ
ージＷＳＴの端部には干渉計１８からのレーザビームを
反射する移動鏡１７が固定され、ウエハステージＷＳＴ
のｘｙ平面内での位置は干渉計１８によって、例えば
０．５ｎｍ程度の分解能で常時検出されている。ウエハ
ステージＷＳＴの位置情報（又は速度情報）はステージ
制御系１９に送られ、ステージ制御系１９はこの位置情
報（又は速度情報）に基づいてウエハステージＷＳＴを
制御する。

【００２５】また、図１の装置には、投影光学系ＰＬの
最良結像面に向けてピンホール、あるいはスリット像を
形成するための結像光束を光軸ＩＸ方向に対して斜め方
向より供給する照射光学系１３と、その結像光束のウエ
ハＷの表面での反射光束をスリットを介して受光する受
光光学系１４とから成る斜入射方式のウエハ位置検出系
（焦点検出系）が、投影光学系ＰＬを支える支持部（不
図示）に固定されている。このウエハ位置検出系の構成
等については、例えば特開昭６０−１６８１１２号公報
に開示されており、ウエハ表面の結像面に対する上下方
向（ｚ方向）の位置偏差を検出し、ウエハＷと投影光学
系ＰＬとが所定の間隔を保つ様にウエハステージＷＳＴ
をｚ方向に駆動するために用いられる。ウエハ位置検出
系からのウエハ位置情報は、主制御系２０を介してステ
ージ制御系１９に送られる。ステージ制御系１９はこの
ウエハ位置情報に基づいてウエハステージＷＳＴをｚ方
向に駆動する。

【００２６】なお、本実施例では結像面が零点基準とな
るように、予め受光光学系１４の内部に設けられた不図
示の平行平板ガラス（プレーンパラレル）の角度が調整
され、ウエハ位置検出系のキャリブレーションが行われ
る。また、例えば特開昭５８−１１３７０６号公報に開
示されているような水平位置検出系を用いたり、あるい
は投影光学系ＰＬのイメージフィールド内の任意の複数
の位置での焦点位置を検出できるようにウエハ位置検出
系を構成する（例えば複数のスリット像をイメージフィ
ールド内に形成する）ことによって、ウエハＷ上の所定
領域の結像面に対する傾きを検出可能に構成してもよ
い。

【００２７】ところで、図１の装置には投影光学系ＰＬ
の結像特性を補正するための補正機構が設けられてい
る。この補正機構は、大気圧変化、照明光吸収等による
投影光学系ＰＬ自体の結像特性の変化を補正するもので
ある。以下に補正機構の説明を行う。投影光学系ＰＬの
結像特性としては焦点位置、像面湾曲、ディストーショ
ン、非点収差等があり、それらを補正する機構はそれぞ
れ考えられるが、ここでは投影像の歪みに関する補正機
構のみの説明を行う。

【００２８】図１に示すように、本実施例では結像特性
制御部１２によって投影光学系ＰＬ内のレンズエレメン
ト２７を駆動することにより、結像特性の補正を行う。
投影光学系ＰＬ内において、レチクルＲに最も近いレン
ズエレメント２７は支持部材２８に固定され、レンズエ
レメント２７に続くレンズエレメント２９，３０，３
１，…は投影光学系ＰＬの本体に固定されている。な
お、本実施例において、投影光学系ＰＬの光軸ＩＸはレ
ンズエレメント２９以下の投影光学系ＰＬ本体の光軸を
指すものとする。支持部材２８は伸縮自在の複数（少な
くとも２つ以上で、図１中では２つを図示）のピエゾ素
子等からなる駆動素子１１を介して投影光学系ＰＬの本
体と連結されている。

【００２９】ここで、レンズエレメント２７が光軸ＩＸ
の方向に平行移動した場合、その移動量に応じた変化率
で投影倍率（投影像の寸法の拡大縮小率）が変化する。
この状態を図３に示し、図３の正方形の投影像３２が投
影光学系ＰＬにより投影された歪みの無い場合の正方形
のパターンの像とする。この場合、レンズエレメント２
７を例えば上方に移動したとすると、投影倍率が大きく
なり投影像３２の各頂点は矢印の方向に移動し、正方形
のパターンの像は等方的に拡大された投影像３２Ａのよ
うに投影される。同様に、走査露光方式で露光を行う場
合の、歪みが無い状態のスリット状の露光領域ＩＡ₀も
等方的に拡大されて、露光領域ＩＡ₁のようになる。

【００３０】上記の様にレンズエレメント２７を駆動す
る場合、それに伴って焦点位置あるいは像面が変化する
が、その量は各駆動量から主制御系２０が計算できる。
そして、主制御系２０がウエハ位置検出系（１３，１
４）の零点基準に対してその計算で求めた量だけオフセ
ットを加えることにより、ウエハＷの露光面が常に焦点
位置に来るように制御する。これにより、レンズエレメ
ント２７の駆動により投影光学系ＰＬの焦点位置又は像
面位置が変化しても、その変化に追従して焦点位置又は
像面位置が調整される。

【００３１】なお、投影像の歪みの補正方法は上記の方
法に限定されず、例えば投影光学系ＰＬ内部の一部のレ
ンズ間隔を密封して、その内部の空気圧力を変化させる
方法等も使用できる。また、主制御系２０には、オペレ
ータからのコマンド又はデータ等を入力するための磁気
ディスク、磁気テープ、又はキーボード等からなる入力
手段２１、及び投影光学系ＰＬの投影像の歪みの内の非
等方成分値を記憶するメモリ３９が接続されている。

【００３２】さて、本例の走査露光中の投影像の歪みの
制御、調整の方法を説明する前に、投影像の歪みの制御
量、調整量の決定方法に付いて述べる。図１において、
主制御系２０は投影光学系ＰＬの投影像の歪み量の自己
計測機能により、あるいは実際の露光パターンを外部の
計測装置により計測した結果を入力手段２１を介して入
力することにより、投影像の歪みを知ることができる。
ここで、歪みの無い状態の投影像の位置の（ｘ，ｙ）座
標を（Ｘ，Ｙ）、実際の歪みの有る投影像の位置の座標
を（Ｘ’，Ｙ’）とおくと、次のように表現できる。

【００３３】

【数２】Ｘ’＝（１＋α＋β＋Ｋ₁Ｘ＋Ｋ₂Ｙ）Ｘ−
（γ＋θ）Ｙ＋Ｔ_X，Ｙ’＝θＸ＋（１＋α＋Ｋ₁Ｘ＋Ｋ₂Ｙ）Ｙ＋Ｔ_Y ここで、αは等方的な投影倍率の誤差、βは長方形歪み
（ｘ方向への投影倍率の誤差）、γは平行度歪み、
Ｋ₁，Ｋ₂は台形度、θはローテーション、Ｔ_X，Ｔ_Y
は全体のシフトをそれぞれ表す。これらのパラメータの
値は、実際の計測データ（Ｘ’，Ｙ’）を（数２）に代
入し、設計上の歪みの無い場合の座標（Ｘ，Ｙ）との残
留誤差成分を最小にするような最小二乗法により求める
ことができる。

【００３４】これらのうち、投影倍率倍率α、ローテー
ションθ、シフトＴ_X，Ｔ_Yは像質劣化の原因とはなら
ないが、露光に先だって補正しておけばウエハ上に露光
されるパターン配列がより設計値に近いものとなる。一
方、長方形歪みβ、平行度歪みγ、台形度Ｋ₁，Ｋ₂等
の非等方成分は走査露光中の像質劣化を招くため、走査
露光中にできる限り補正をすることが望ましい。

【００３５】次に、本例の走査露光方式の投影露光装置
における投影像の歪みの補正方法につき説明する。先
ず、単純に等方的な投影倍率の誤差αのみが存在した場
合、図１の投影光学系ＰＬのレンズエレメント２７の移
動により投影倍率を一致させ、走査方向と直角な方向の
投影倍率をウエハＷ上のパターンの倍率に合わせる（図
３参照）。次に、実際に走査露光を行うときに、レチク
ルＲの走査速度とウエハＷの走査速度との相対速度を倍
率誤差の比αだけ変えて、走査方向の倍率を一致させ
る。つまり、レチクルＲとウエハＷとは投影光学系ＰＬ
の投影倍率Ｍに応じた速度比（１：Ｍ）で相対走査され
るが、倍率を大きくしたい場合、ウエハ側をレチクルＲ
の走査速度のＭ倍よりも速く移動させればよい。

【００３６】また、倍率の変化及び相対走査速度差によ
り、ウエハＷに対する実際の露光量が目標露光量に対し
て若干変化する。この変化量は通常無視してよいレベル
であるが、必要に応じて補正を行うこともできる。この
ような露光量の補正方法としては、レチクルＲ及びウエ
ハＷの走査速度自体（相対速度ではなくそれぞれの走査
速度）を変化させる、スリット状の照明領域の幅を決定
している固定のレチクルブラインド５Ｂの幅（走査方向
の長さ）を変える、高速でオン／オフするシャッター
（不図示）の開時間と閉時間との比を変える、又は可変
ＮＤフィルター４の濃度を変える、パルス光にあっては
ウエハ上の一点が投影像３２（露光領域ＩＡ）を横切る
間に照射されるパルス数を変えたり、パルス光源に与え
る印加電圧（又は充電電圧）を変える等の手法がある。

【００３７】次に、投影像の長方形歪みβにより、ウエ
ハ上で歪みの無い場合に走査方向の幅がＤのスリット状
の露光領域が、図４（ｂ）に示すように走査方向の幅が
（１＋β）Ｄの長方形の露光領域４２Ｂとなった場合を
考える。このとき、上記の等方的な倍率誤差αの補正に
加えて、レチクルＲの走査速度とウエハＷの走査速度と
の比を長方形歪みβ分だけ微調してやればよい。このと
き、歪みの無い場合にウエハ上のショット領域全面に露
光される投影像の走査方向の幅をＬとすると、その補正
後に露光される投影像ＦＢの走査方向の幅は（１＋β）
Ｌとなる。

【００３８】なお、走査露光時には実際には、スリット
状の露光領域に対してウエハＷが走査されるが、図４
（ｂ）ではウエハＷが固定され、その上を露光領域４２
Ｂが＋ｘ方向に移動するように表されている。従って、
図４（ｂ）では実際にはウエハＷは−ｘ方向に走査され
ている。以下の説明でも、便宜上、図面上では露光領域
がウエハＷ上を移動するように表している。

【００３９】また、投影像の平行度歪みγにより、ウエ
ハ上で歪みの無い場合の幅Ｄの露光領域が、図４（ａ）
に示すように、ｘ方向に対して角度γ［ｒａｄ］だけ傾
斜した平行四辺形の露光領域４２Ａとなった場合を考え
る。このときは、レチクルＲとウエハＷとの走査方向の
相対角度を角度γに設定する。従って、例えばレチクル
Ｒ側を＋ｘ方向に走査するときには、ウエハＷは−ｘ方
向に対して角度γだけ傾斜した方向に走査され、露光領
域４２Ａは矢印４３で示す方向に走査される。これによ
り、平行度歪みによる解像度の劣化は解消される。この
とき、補正後に露光される投影像ＦＡは、ｘ軸に対して
角度γだけ傾斜している。

【００４０】次に、台形状の歪み（台形度Ｋ₁，Ｋ₂）
に対する補正について説明を行う。台形状の歪みは、図
５に示すように走査方向に倍率が変化していく成分と、
図６に示すように走査方向に直交する方向に倍率が変化
していく成分とに分けられる。先ず、走査方向に倍率が
変化していく台形状の歪みの補正法を図５を参照して説
明する。

【００４１】図５の場合、露光位置ｘに応じて投影像の
倍率が一定の割合で大きくなっているため、スリット状
の露光領域は露光開始位置での露光領域ＩＡ_iから露光
終了時の露光領域ＩＡ_fまで次第に変化している。この
場合、既に説明した全体の倍率が等方的に変化する場合
を応用して、投影光学系ＰＬの投影倍率を連続的に変化
させてやればよい。即ち、走査により変化した露光位置
ｘに応じて投影倍率を変化させて、最終位置での露光領
域まで露光を行うことにより、走査露光後のウエハＷ上
のショット領域全面での投影像が台形状の投影像ＦＣに
なる。

【００４２】また、走査方向の倍率についても全体の倍
率が等方的に変化したときと同様に、ウエハステージＷ
ＳＴを倍率が大きい所で速くなるように、つまり図５の
例ではウエハステージＷＳＴの走査速度Ｖ_Wが位置ｘ１
〜ｘ２まで直線３６Ａに沿って連続的に速くなるように
走査してやればよい。また、ウエハＷ上での露光量につ
いても、直線３６Ｂに沿って次第にスリット状の露光領
域内の単位面積当りの露光量（照度）ＥＬが大きくなる
ように制御することにより、走査露光後のウエハＷ上の
各点での積算露光量が一定になる。

【００４３】以上の動作をまとめると、走査露光中に主
制御系２０は、レチクル側の干渉計１６の計測値に応じ
て、レンズエレメント２７の上下駆動、ウエハステ
ージＷＳＴの速度制御、可変ＮＤフィルター４の濃度
制御（に関しては前記の様に他の手法も考えられ
る。）を行う必要がある。これに関して、例えば倍率成
分のみの歪みについては補正機構があるが、台形成分の
歪みの補正ができない露光装置（例えばレンズエレメン
ト２７が、光軸ＩＸに平行に上下できるのみで傾斜はで
きない）では、スリット状の露光領域ＩＡ _i〜ＩＡ_fを
長方形のままにして倍率成分のみ変化させる方法を用い
ることにより、完全ではないが或る程度の補正ができ
る。このとき、スリット状の露光領域の走査方向の幅
（スリット幅）が小さい程誤差が小さくなるので、スリ
ット幅を小さくして露光を行うことが望ましい。

【００４４】次に、図６を参照して、走査方向と直交す
る方向に倍率が変化する台形状の歪みの補正方法につい
て説明する。このときは、非走査方向に投影倍率が異な
るわけであるから、レチクルＲとウエハＷとの被走査方
向での走査速度比を変える必要がある。即ち、ウエハＷ
を回転させながら走査露光することになる。具体的に、
図６に示すように走査露光によりスリット状の露光領域
の位置が露光領域ＩＡ _i、ＩＡ_m、ＩＡ_fと変化するの
に応じて、レチクルＲとウエハＷとの相対角度を次第に
変化させればよい。但し、厳密に言うと、本実施例の方
法では、投影像は扇状に歪むこととなり、若干の像質劣
化は残る。

【００４５】本方法ではレチクルＲとウエハＷとの相対
角度を変えることにより、倍率が小さい部分（図６の位
置ｙ２）に比べて倍率が大きい部分（図６の位置ｙ１）
でのウエハＷの走査速度Ｖ_W（ひいてはウエハＷの相対
速度）が速くなっており、これにより走査方向の倍率も
補正される。また、ウエハＷ上の露光量に関しては走査
方向と直交する方向に露光面積が変化するため、図１の
可変ＮＤフィルター４により図６の直線３７で示すよう
に図６の下側の照度ＥＬが大きくなるように制御すれば
よい。又は、スリット状の露光領域の走査方向の幅が図
６の下側で大きくなるように、図１の固定のレチクルブ
ラインド５Ｂの開口部の形状を変えて、レチクルＲを照
明してやればよい。

【００４６】最後に、図４〜図６から分かるように本実
施例によれば、走査露光後のパターンの像質劣化がない
反面、ショット領域全面での投影像ＦＡ，ＦＢ，ＦＣ，
ＦＤは元々の投影光学系による投影像（スリット状の露
光領域ＩＡ）の歪みに応じて歪んでしまう。これは、半
導体デバイス等を製造する際に、１台の投影露光装置で
ウエハ上の全てのレイヤを露光する場合や、１レイヤの
みのパターンニングを行う場合には問題ないが、例えば
複数台の投影露光装置を用いて各レイヤへの露光を行う
場合（ミックス・アンド・マッチ時）には、ウエハ上の
隣接するレイヤ間での重ね合わせ精度を悪化させてしま
う。

【００４７】そのため、ミックス・アンド・マッチを行
う際には、予め各投影露光装置の投影光学系の非等方歪
みを相殺するように、それぞれのレチクルのパターンを
描画しておくことが望ましい。即ち、各レチクル上のパ
ターンを、対応する投影光学系の投影像の歪みとは逆方
向に歪ませて描画しておけば、走査露光によりウエハ上
のショット領域全面に形成される投影像は歪みのないも
のとなり、重ね合わせ精度が向上する。

【００４８】なお、上述実施例では、投影光学系として
屈折系が使用されているが、反射系や反射屈折系よりな
る投影光学系を使用する場合にも、本発明は適用され
る。また、ウエハ上の露光領域は長方形状であるが、例
えば円弧状の露光領域の場合にも本発明は適用できる。
このように本発明は上述実施例に限定されず、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。

【００４９】

【発明の効果】本発明の走査型投影露光方法によれば、
投影光学系による投影像の歪みの非等方成分値に合わせ
て、走査露光の相対角度、相対速度、又はその投影倍率
等を調整することによりマスクのパターンの像に歪みを
与えているため、走査露光方式でマスク（レチクル等）
のパターンを感光基板上に露光する際に、投影光学系の
投影像自体に非等方的な歪みがある場合でも、最終的に
感光基板上に露光される像の像質（解像度）が劣化しな
い利点がある。

【００５０】この場合、投影光学系の投影像の歪み成分
の内で、上記のように走査露光中に調整、又は制御可能
な非等方成分は、投影光学系の光学調整時にラフな調整
でもよいため、製造工期が短縮できる利点もある。ま
た、マスクのパターンを投影像の歪みに対し逆に補正し
ておくことにより、走査露光後は歪みのないパターンが
得られ、隣接するレイヤ間での重ね合わせ精度が向上す
る。

【００５１】次に、本発明の走査型投影露光装置によれ
ば、上述の投影露光方法が実施できる。また、歪み制御
手段が、マスクステージによるマスクの走査方向と基板
ステージによる基板の走査方向との相対角度を変化させ
る相対角度制御手段であるときには、例えば平行四辺形
歪みが補正できる。また、歪み制御手段が、マスクステ
ージによるマスクの走査速度と基板ステージによる基板
の走査速度との相対速度を調整する相対速度制御手段で
あるときには、例えば長方形の歪みが補正できる。

【００５２】更に、歪み制御手段が、投影光学系の投影
倍率を調整する投影倍率制御手段であるときには、走査
方向に平行な軸に対称な台形歪みが補正できる。また、
その相対角度制御手段と、投影倍率制御手段とを組み合
わせて、走査中に相対角度と投影倍率とを調整すること
により、非走査方向に対称な台形歪みをも補正できる。

【００５３】また、その歪み制御手段によるマスクのパ
ターンの像の調整量に応じて基板上での露光量の分布を
制御する露光量分布制御手段を設けたときには、投影光
学系による投影像の歪みの補正を行って場合に、感光性
の基板上での露光量を適正露光量に維持できる利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のステップ・アンド・スキャ
ン方式の投影露光装置の概略を示す一部断面図を含む構
成図である。

【図２】図１の投影露光装置において走査露光を行う場
合のレチクルＲ及びウエハＷの状態を示す斜視図であ
る。

【図３】図１でレンズエレメント２７を光軸方向に駆動
したときの投影像の変化を示す図である。

【図４】（ａ）は実施例において平行四辺形歪みが生じ
ている場合の、スリット状の露光領域と、走査露光後の
ショット領域全面での投影像との関係を表す図、（ｂ）
は長方形歪みが生じている場合の、スリット状の露光領
域と、走査露光後のショット領域全面での投影像との関
係を表す図である。

【図５】走査方向に倍率が変化して投影像が台形状に歪
んでいる場合の露光方法の説明図である。

【図６】非走査方向に倍率が変化して投影像が台形状に
歪んでいる場合の露光方法の説明図である。

【図７】（ａ）は投影像の平行四辺形状の歪みを示す
図、（ｂ）は投影像の長方形状の歪みを示す図、（ｃ）
は投影像の台形状の歪みを示す図である。

【符号の説明】

１光源２照度分布均一化光学系３，６リレーレンズ４可変ＮＤフィルター５Ａ可動のレチクルブラインド５Ｂ固定のレチクルブラインドＲレチクルＰＬ投影光学系ＷウエハＲＳＴレチクルステージＷＳＴウエハステージ１１駆動素子１２結像特性制御部１６レチクル側の干渉計１８ウエハ側の干渉計１９ステージ制御系２０主制御系２１投影像の歪みの入力手段２２可変ＮＤフィルター制御部２７レンズエレメント３９メモリ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上の転写用のパターンの像を感光
性の基板上に投影する投影光学系に対して、該投影光学
系の光軸を横切る所定の方向に前記マスクを走査するの
と同期して、前記所定の方向に対応する方向に前記基板
を走査することにより、前記マスクのパターンの像を逐
次前記基板上に転写する走査型投影露光方法において、前記投影光学系による投影像の歪みの内の非等方成分値
に合わせて、走査露光中に前記基板上に転写される前記
マスクのパターンの像に歪みを与えることを特徴とする
走査型投影露光方法。
【請求項２】前記マスクのパターンを、前記投影像の
歪みの非等方成分値を相殺するように予め歪ませておく
ことを特徴とする請求項１記載の走査型投影露光方法。
【請求項３】マスク上の転写用のパターンの像を感光
性の基板上に投影する投影光学系と、該投影光学系の光
軸を横切る所定の方向に前記マスクを走査するマスクス
テージと、前記投影光学系の光軸を横切る方向で且つ前
記所定の方向に対応する方向に前記基板を走査する基板
ステージと、を有し、前記投影光学系に対して前記マスク及び前記基板を同期
して走査することにより、前記マスクのパターンの像を
逐次前記基板上に転写する走査型投影露光装置におい
て、前記投影光学系による投影像の歪みの内の非等方成分値
を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶されている投影像の歪みの非等方成分
に合わせて、走査露光中に前記基板上に転写される前記
マスクのパターンの像に歪みを与える歪み制御手段と、
を設けたことを特徴とする走査型投影露光装置。
【請求項４】前記歪み制御手段は、前記マスクステー
ジによる前記マスクの走査方向と前記基板ステージによ
る前記基板の走査方向との相対角度を変化させる相対角
度制御手段であることを特徴とする請求項３記載の走査
型投影露光装置。
【請求項５】前記歪み制御手段は、前記マスクステー
ジによる前記マスクの走査速度と前記基板ステージによ
る前記基板の走査速度との相対速度を調整する相対速度
制御手段であることを特徴とする請求項３記載の走査型
投影露光装置。
【請求項６】前記歪み制御手段は、前記投影光学系の
投影倍率を調整する投影倍率制御手段であることを特徴
とする請求項３記載の走査型投影露光装置。
【請求項７】前記歪み制御手段による前記マスクのパ
ターンの像の調整量に応じて前記基板上での露光量の分
布を制御する露光量分布制御手段を設けたことを特徴と
する請求項３、４、５、又は６記載の走査型投影露光装
置。