JPH10256148A

JPH10256148A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH10256148A
Application number: JP9079097A
Authority: JP
Inventors: Gen Uchida; 玄内田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-03-13
Filing date: 1997-03-13
Publication date: 1998-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、半導体装置あるいは液晶表示装置の
製造におけるフォトリソグラフィ工程で使用される投影
露光装置に関し、転写されるべきレチクルのパターンの
像が像面湾曲を生じていても、転写誤差を極力抑えた高
精度の投影露光が行える投影露光装置を提供することを
目的とする。【解決手段】レチクル３のパターンを基板ステージ１２
上に載置された感光基板１１上に露光する投影光学系２
を備えた投影露光装置において、投影光学系２の結像面
の形状を測定する形状測定手段２０と、基板ステージ１
２に載置された感光基板１１の形状を変形させる基板変
形手段１６、２１、２４、２６、２８、３０と、結像面
と感光基板１１の露光領域表面とがほぼ一致するように
形状測定手段２０の測定結果に基づいて基板変形手段を
制御する制御手段１０とを備えるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置あるい
は液晶表示装置の製造におけるフォトリソグラフィ工程
で使用される投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置あるいは液晶表示装置を製造
する際のフォトリソグラフィ工程では、フォトマスクあ
るいはレチクル（以下、レチクルという）に描画された
回路パターンの像をフォトレジストが塗布された半導体
ウェハやガラス基板等の感光基板上に投影露光する投影
露光装置が用いられる。

【０００３】投影露光装置は、レチクルを載置してＸ−
Ｙ平面を移動可能なレチクルステージと、感光基板を載
置してＸ−Ｙ平面を移動可能な基板ステージとを有し、
レチクルおよび感光基板に設けられた位置合わせ用マー
クを用いて両者を位置合わせして、レチクルに照射した
照明光による回路パターンの像を投影光学系を介して感
光基板上の所定の露光領域に投影して露光する。

【０００４】レチクルのパターンを高い精度で感光基板
に転写するには、レチクルを均一の照度分布で照明した
り、投影光学系の収差を少なくしたりする必要がある。
また、基板サイズが近年益々大型化してきている液晶表
示装置用のガラス基板に対して分割露光するような場合
には、ガラス基板自体の平面度はもちろん、ガラス基板
を載置する基板ステージの基板載置面の平面度も露光精
度に影響する。基板平面度が許容範囲を外れていれば、
投影光学系の収差が所定範囲に抑えられていても、転写
された回路パターンの線幅のばらつき等の転写誤差はな
くならない。従って、露光に先立ってレチクル及び感光
基板の平面度を測定し、それらが許容範囲内に収まるよ
うに調整、補正を行う必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一方、基板の平面度が
仮に理想的に調整、補正されたとしても、投影光学系の
収差（特に像面湾曲）が許容範囲を超えていれば、転写
された回路パターンの線幅のばらつき等の転写誤差はな
くならない。投影光学系の収差は、装置の設計段階での
残留分、装置の製造段階での製造誤差分、及び装置の使
用時における周辺環境の変動、特に温度、気圧、湿度等
の要因により生じ、経時的に変化するものである。従っ
て、露光に先立って投影光学系の収差を小さくするよう
な調整、補正も随時行う必要がある。

【０００６】ところが、この投影光学系の収差を少なく
するための調整や補正、あるいは基板の平面度の調整や
補正を行うためには、複雑で大掛かりな機構を必要と
し、装置全体も大型で高価なものになってしまうという
問題を有している。また、これらの調整、補正には、極
めて煩雑で手間のかかる作業が伴ってしまうという問題
も有している。

【０００７】本発明の目的は、転写されるべきレチクル
のパターンの像が像面湾曲を生じていても、転写誤差を
極力抑えた高精度の投影露光が行える投影露光装置を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】一実施の形態を表す図１
および図４とに対応付けて説明すると上記目的は、レチ
クル（３）のパターンを基板ステージ（１２）上に載置
された感光基板（１１）上に露光する投影光学系（２）
を備えた投影露光装置において、投影光学系（２）の結
像面の形状を測定する形状測定手段（２０）と、基板ス
テージ（１２）に載置された感光基板（１１）の形状を
変形させる基板変形手段（１６、２１、２４、２６、２
８、３０）と、結像面と感光基板（１１）の露光領域表
面とがほぼ一致するように形状測定手段（２０）の測定
結果に基づいて基板変形手段（１６、２１、２４、２
６、２８、３０）を制御する制御手段（１０）とを備え
ることを特徴とする投影露光装置によって達成される。

【０００９】また、上記の投影露光装置において、基板
変形手段は、基板ステージ（１２）の感光基板（１１）
の載置面に複数設けられた凹部（２１）と、複数の凹部
（２１）と各凹部（２１）上の感光基板（１１）裏面と
の間の空気圧をそれぞれ変化させる空気圧変更手段（１
６、２４）とを有するようにしている。さらに、上記投
影露光装置において、形状測定手段（２０）は、基板ス
テージ（１２）に載置された感光基板（１１）の表面の
形状も測定できるようにしている。

【００１０】本発明によれば、投影光学系の像面の形状
を予め計測した後、感光基板の投影領域をその測定値に
基づいて投影光学系の像面に合わせるように強制的に変
形させるようにしている。

【００１１】こうすることにより、投影光学系の像面湾
曲によるレチクルパターンの像の劣化を小さくできると
ともに、焦点深度を大きく取ることができるようになる
ので、より微細化されたパターンを精度よく露光するこ
とができるようになる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態による
投影露光装置を図１乃至図５を用いて説明する。図１
は、本実施の形態による投影露光装置の概略の構成を示
している。図１において、レチクルパターンを下面に有
するレチクル３はレチクルステージ３ａに保持されてい
る。レチクル３は、投影光学系２を介して基板ステージ
１２と対向しており、投影露光時には露光照明系４によ
り照明される。感光基板１１を載置した基板ステージ１
２は、ＸＹ駆動系１５によって基板ステージ１２上の任
意の場所を投影光学系２の直下に移動でき、Ｚθ駆動系
９によって基板ステージ１２全体を任意の高さおよび傾
きに調整できる。基板ステージ１２上には、所定の開口
パターン１ａが形成された基準板１が設けられ、開口パ
ターン１ａには、照明光源８、グラスファイバーケーブ
ル１３等を含む照明光学系と、グラスファイバーケーブ
ル１３、光量検出器７、ハーフミラー１４等を含む検出
光学系とからなる投影光学系２の結像面の形状を測定す
る形状測定部２０が接続されている。投影光学系２には
感光基板面検出用の斜入射フォーカスセンサ用の投光系
５と受光系６が固定されている。受光系６および検出器
７の出力は制御系１０に入力され、Ｚθ駆動系９および
ＸＹ駆動系１５は制御系１０により制御される。

【００１３】形状測定部２０においては、照明光源８か
ら出力された照明光がグラスファイバーケーブル１３を
経て基準板１にまで導かれ、基準板１の開口パターン１
ａを通して上方に射出され、さらに投影光学系２を介し
てレチクルのパターン面（レチクルの下面）に開口パタ
ーン１ａの投影像を形成する。この投影像は、ＸＹ駆動
系１５を用いて基板ステージ１２を２次元移動して投影
光学系２の視野の範囲内で基準板１を走査することによ
り、レチクルパターン上の任意の場所に移動することが
でき、それぞれの場所で個別に合焦点、すなわちレチク
ルパターンの結像位置を検出することができる。

【００１４】また、レチクル３のパターン面の投影像か
らの光情報は照明光の光路をさかのぼってレチクルパタ
ーンの投影光学系２に関する共役面に結像する。このと
き、基準板１の開口パターン１ａ面の高さがレチクル３
のパターン面と投影光学系２に関して共役な位置関係に
あればレチクル３のパターン面上の投影像はピントが合
った境界の明らかなものとなり、この投影像の反射光に
よって基準板１の開口パターン１ａ上に形成される反射
投影像もまたピントが合った境界の明らかなものとな
る。ここで、開口パターン１ａの反射投影像は、当然、
開口パターン１ａと同一形状、同一寸法、同一姿勢であ
るから、レチクルパターン面の投影像からの光情報は最
大限に開口パターン１ａに入射して検出光学系を進み、
検出器７に達して受光量のピークを与える。一方、基準
板１の開口パターン１ａ面の高さがレチクル３のパター
ン面の共役面からずれている場合、レチクル３のパター
ン面の投影像および基準板１上の反射投影像はピントが
ずれて境界のぼけたものとなる。従って、反射投影像が
開口パターン１ａからはみだした分だけ光情報が損なわ
れて開口パターン１ａに入射することとなり、検出器７
に達する受光量を低下させる。

【００１５】従って、ＸＹ駆動系１５により基板ステー
ジ１２を移動して、基準板１の開口パターン１ａの投影
像をレチクル３のパターン面上に定めた複数の場所に順
番に位置決めし、それぞれの場所で制御系１０はＺθ駆
動系９により、検出器７が光量変化を検出する高さまで
基板ステージ１２の高さを調整して基板ステージ１２の
高さ情報、すなわちレチクルのパターンの結像位置情報
を次々に蓄積する。制御系１０は、こうして得られたレ
チクル３のパターンの結像面の情報を用いて、後述する
基板ステージ１２に載置された感光基板１１の形状を変
形させる基板変形手段の構成要素である基板面形状駆動
系１６を制御し、載置された感光基板１１の露光領域表
面の形状をレチクルのパターンの結像面に合致させる。

【００１６】感光基板１１の形状が調整された後、開口
パターン１ａの投影像は再度レチクル３のパターン面の
ほぼ中央に移動され、再度、基準板１が合焦点の高さに
なるまでＺθ駆動系９により基板ステージ１２の高さを
調整する。その後、合焦点高さに調整された基準板１を
用いて斜入射フォーカスセンサの投光系５及び受光系６
の原点調整が実行される。すなわち、基準板１における
反射ビーム・スポット高さが原点として記憶され、以
後、基板ステージ１２上の任意の場所に投影光学系２の
視野を走査した際には、斜入射フォーカスセンサの投光
系５及び受光系６における反射ビーム・スポット高さに
より感光基板１１の露光面高さが計測され、その高さが
原点高さとなるように制御系１０はＺθ駆動系９により
基板ステージ１２の高さを調整する。

【００１７】次に、投影光学系２の結像面の形状を測定
する形状測定部２０によるレチクル３のパターン結像位
置の検出例を詳細に説明する。図２は、レチクル３のパ
ターン結像面（合焦点）の上下における検出器７による
検出光量の変化を表す線図である。図１において、基準
板１に設けられた開口パターン１ａを透過した光が投影
光学系２を介してレチクル３のパターン面に投影され、
レチクル３のパターン面で反射された投影像が投影光学
系２によって開口パターン１ａ上に再結像され、再び開
口パターン１ａを通過して検出器７に入射した光量とレ
チクル３のパターン結像位置の関係を示している。

【００１８】図２において、横軸は基板ステージ１２の
高さで、合焦点高さＺ0 を中心にして投影光学系２に近
い方をＺ-、遠い方をＺ+とする。縦軸は検出器７によっ
て検出された光量である。基板ステージ１２を上下させ
ると光量が最大となる高さがあるが、これが合焦点高さ
（レチクル３のパターンの結像位置）Ｚ0 である。これ
を見つけるために、斜入射フォーカスセンサの受光系６
の信号に基いて基板ステージ１２を投影光学系２の光軸
に沿って上下させる。これと同時に検出器７の光量をモ
ニタすれば図２の線図が得られる。

【００１９】ところで、図２に示したような信号はでき
るだけ光量変化部での傾きが大きいのが好ましい。その
ためには基準板１から投影する開口パターン１ａのパタ
ーンを適当な線幅を有したものとする必要がある。例え
ば、開口パターン１ａとして図３に示すようなライン・
アンド・スペースを考える。ライン・アンド・スペース
のピッチをｐ、開口部の幅をａ、デューティ比（ａ／
ｐ）を５０％とすると、図２における検出光のフォーカ
ス位置に対する変化は大体次式のようになる。

【００２０】｜Ｚ0−Ｚ-｜＝｜Ｚ+−Ｚ0｜＝ａ／２ｔａｎθ ただし、θは光線の傾き角で、回折を無視した場合の見
積りである。例えば、ＮＡ＝０．５、σ＝０．５、ａ＝
２μｍの場合、θ＝１４．５度となり、｜Ｚ0−Ｚ-｜は
３．９μｍとなる。

【００２１】次に、本実施の形態における基板変形手段
を図４および図５を用いて説明する。図４は、基板ステ
ージ１２の基板載置面上の一つの露光領域を含む部分断
面図である。基板載置面には、露光領域の大きさに対応
した形状を有し、上方が開放した凹部２１が形成されて
いる。隣接する凹部２１間には感光基板１１を吸引して
真空吸着する吸引孔２６が設けられている。凹部２１の
底部のほぼ中央には、凹部２１と感光基板１１の裏面と
で形成される空間内の圧力を調整して感光基板１１を変
形させるための加減圧孔２４が設けられている。加減圧
孔２４および吸引孔２６はそれぞれ加減圧路２８および
減圧路３０を介して基板面形状駆動系１６に接続されて
いる。基板面形状駆動系１６は制御系１０に接続され、
制御系１０の指令により、吸引孔２６により所定の吸引
力で感光基板１１を吸着しつつ、加減圧孔２６を介して
感光基板１１裏面と凹部２１で形成される空間の圧力を
調整し、感光基板１１を投影光学系２の像面湾曲に合わ
せて変形させる。

【００２２】例えば、簡略化してレチクル３、投影光学
系２、および感光基板１１のみを図示した図５におい
て、破線で示した像面湾曲量ＦＣが上述の形状測定部２
０により予め測定されているとする。このような像面湾
曲に対して、吸引孔２６から感光基板１１の裏面と凹部
２１で形成される空間内の気体を吸引することにより、
図５の破線で示した像面湾曲に倣うように感光基板１１
を変形させることができる。像面湾曲に倣うように変形
させた感光基板１１を図４の破線で示している。

【００２３】図５において一点鎖線で示した像面湾曲量
ＦＣ’のように、像面が傾斜しているような場合には、
基板ステージ１２のＺθ駆動系９によって基板ステージ
１２全体を傾けることにより、上述と同様にして感光基
板１１の投影領域を像面湾曲に倣うように変形させるこ
とができる。また、投影光学系２の像面湾曲量ＦＣが一
定の曲率を有していない場合には、２次近似を行うこと
により誤差の少ない基板変形を行わせることができる。

【００２４】なお以上の説明は、基板ステージ１２に吸
着された感光基板１１の平面度が所定の許容範囲内にあ
ることを前提としているが、基板ステージ１２に吸着さ
れた感光基板１１の平面度が許容範囲を超えている可能
性を考慮する場合には、予め感光基板１１を基板ステー
ジ１２で真空吸着した状態で感光基板１１の平面度を計
測しておく必要がある。その場合にも、本実施の形態に
おける形状測定部２０の斜入射フォーカスセンサの投光
系５及び受光系６を用いることにより、反射ビーム・ス
ポット高さから感光基板１１の露光面高さを複数点計測
して感光基板１１の平面度を求めることができる。予め
求めた感光基板１１の平面度と、測定した像面湾曲量Ｆ
Ｃとに基づいて、最適な像面を計算し、さらに感光基板
１１の張力等も考慮して、感光基板１１の裏面と凹部２
１とで形成される空間内の空気圧を調整して感光基板１
１の露光領域を変形させればよい。

【００２５】また、ステツプ・アンド・リピート方式の
投影露光装置のように、感光基板１１上の複数のショッ
ト領域に同一のレチクルパターンを反復して露光する場
合であって、基板の平面度が一定である場合には、その
ショット領域の配列ピッチにあわせて同一の伸縮パター
ンで複数の凹部２１の加減圧を制御すればよい。

【００２６】このように、本実施の形態による投影露光
装置は、レチクルのパターン結像面の像面湾曲を検出
し、検出された像面湾曲に対して感光基板の露光領域表
面を一致させてパターン露光を行うものであるため、レ
チクルのパターンを感光基板上の露光領域の全域で常に
ベストフォーカス状態で露光することができるようにな
る。

【００２７】次に、本発明の第２の実施の形態による投
影露光装置を図６を用いて説明する。本実施の形態によ
る投影露光装置は、図６に示す基板変形手段が第１の実
施の形態と異なる点以外は第１の実施の形態による投影
録装置と同一であるので同一の構成要素についてはその
説明および図示は省略する。第１の実施の形態では、感
光基板１１の露光領域内を一様に加減圧したが、本実施
の形態においては、露光領域を複数の領域に分けて、さ
らに細かい変形を行わせる点に特徴を有している。

【００２８】図６は、基板ステージ１２の基板載置面上
の一つの露光領域を含む部分断面図である。基板載置面
には、一つの露光領域内に、上方が開放した凹部２１が
複数形成されている。隣接する凹部２１間には感光基板
１１を吸引して真空吸着する吸引孔２６が設けられてい
る。凹部２１の底部のほぼ中央には、凹部２１と感光基
板１１の裏面とで形成される空間内の圧力を調整して感
光基板１１を変形させるための加減圧孔２４が設けられ
ている。加減圧孔２４および吸引孔２６はそれぞれ加減
圧路２８および減圧路３０を介して基板面形状駆動系１
６に接続されている。基板面形状駆動系１６は制御系１
０に接続され、制御系１０の指令により、吸引孔２６に
より所定の吸引力で感光基板１１を吸着しつつ、加減圧
孔２６を介して感光基板１１裏面と凹部２１で形成され
る空間の圧力を調整し、感光基板１１を投影光学系２の
像面湾曲に合わせて変形させる。

【００２９】像面湾曲量ＦＣと、感光基板１１の吸着後
の平面度が上述の形状測定部２０により予め測定されて
いるとする。制御系１０は、前述のようにレチクル３の
パターン結像面の情報を用いて演算した結果をもとに、
基板面形状駆動系１６に指令を発して複数の凹部２１の
加減圧値をそれぞれ制御し、露光領域の基板面形状をレ
チクル３のパターンの結像面に合致させる。

【００３０】そして、この像面湾曲が局所的に許容範囲
を超えるうねりを生じているが全体としてはほぼ平面形
状であるような場合や、像面湾曲は所定の許容範囲内に
あるが、感光基板１１が局所的に許容範囲を超えるうね
りを生じているような場合に、本実施の形態による基板
変形手段が好適に機能する。すなわち、本実施の形態に
よる基板変形手段は、一つの露光領域内に複数の凹部２
１が形成されているので、感光基板１１の裏面とそれぞ
れの凹部２１とで形成される各空間内の圧力を、各凹部
２１底部に設けられた加減圧孔２６により変化させるこ
とができるので、投影領域内の局所的な結像位置の変化
に対応して感光基板１１の形状を変形させることができ
るようになる。

【００３１】図６において、感光基板１１の変形は破線
で示しており、例えば図中、中央の凹部２１上の感光基
板のように、感光基板１１裏面と凹部２１で形成される
空間の圧力を加減圧孔２６から気体を送り込むことによ
って加圧し、基板面を投影光学系２側に持ち上げるよう
にすることも可能である。このように、本実施の形態に
おける基板変形手段を用いると、投影領域内の感光基板
１１をより細かい領域毎に変形させることができるの
で、微細なパターンを高精度で転写することができるよ
うになる。

【００３２】以上第１および第２の実施の形態によれ
ば、感光基板１１の露光領域表面はレチクル３のパター
ン結像面とほぼ一致し、露光領域の全域においてベスト
フォーカス状態でレチクル３のパターン露光を行うこと
ができる。

【００３３】本発明は、上記実施の形態に限らず種々の
変形が可能である。例えば、上記実施の形態においては
投影露光装置の一構成要素として形状測定部２０を設け
たが、投影露光装置に付属させずに、投影露光装置とは
別個の専用装置とすることも可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、転写され
るべきレチクルのパターンの像が像面湾曲を生じていて
も、転写誤差を極力抑えた高精度の投影露光を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による投影露光装置
の概略の構成を示す図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態による投影露光装置
の形状測定部での検出光量を説明する図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態による投影露光装置
の形状測定部により投影する開口パターンの例を示す図
である。

【図４】本発明の第１の実施の形態による投影露光装置
の基板変形手段の概略の構成を示す図である。

【図５】像面湾曲の例を示す図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態による投影露光装置
の基板変形手段の概略の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ａ開口パターン２投影光学系３レチクル３ａレチクルステージ４露光照明系５投光系６受光系７検出器８照明光源９Ｚθ駆動系１０制御系１１感光基板１２基板ステージ１３グラスファイバーケーブル１４ハーフミラー１５ＸＹ駆動系１６基板面形状駆動系２１凹部２４加減圧孔２６吸引孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レチクルのパターンを基板ステージ上に載
置された感光基板上に露光する投影光学系を備えた投影
露光装置において、前記投影光学系の結像面の形状を測定する形状測定手段
と、前記基板ステージに載置された前記感光基板の形状を変
形させる基板変形手段と、前記結像面と前記感光基板の露光領域表面とがほぼ一致
するように前記形状測定手段の測定結果に基づいて前記
基板変形手段を制御する制御手段とを備えることを特徴
とする投影露光装置。
【請求項２】請求項１記載の投影露光装置において、前記基板変形手段は、前記基板ステージの前記感光基板
の載置面に複数設けられた凹部と、前記複数の凹部と前
記各凹部上の前記感光基板裏面との間の空気圧をそれぞ
れ変化させる空気圧変更手段とを有することを特徴とす
る投影露光装置。
【請求項３】請求項１又は２に記載の投影露光装置にお
いて、前記形状測定手段は、前記基板ステージに載置された前
記感光基板の表面の形状も測定することを特徴とする投
影露光装置。