JP2004111995A

JP2004111995A - 投影露光装置および方法

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Publication number: JP2004111995A
Application number: JP2003418985A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Suzuki; 鈴木　大介
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】投影露光装置におけるステップアンドリピート処理において、焦点補正動作のスループットおよび精度の性能を向上させる。
【解決手段】ステップアンドリピートにおける焦点補正処理において、ショット移動間にＸＹステージ駆動に起因する焦点ズレ量を見込んで先送りする処理方法（先送りオートフォーカス）を取り入れることで、焦点ずれの発生を抑制し、オートフォーカスセンサを用いた焦点補正処理の処理時間の短縮と精度を向上させる。先送りする焦点ずれとは、投影像面とＸＹステージの駆動面が平行でないことに起因してＸＹ移動距離に比例して発生する、露光領域面の投影像面からの光軸方向への位置ずれのことである。
【選択図】　　図１　

Description

　本発明は、半導体デバイス製造用の縮小型の逐次移動式投影露光装置（ステッパ）および方法に関し、特にウエハステージ上に載置された半導体ウエハの各被露光領域を、縮小型の投影レンズ系（投影光学系）の投影像面に合焦せしめるために使用される自動焦点合わせ装置を有した投影露光装置およびその露光方法に関するものである。

　従来、ステップアンドリピート方式の投影露光装置においての焦点合わせ機能は、各露光対象領域（ショット）をＸＹステージにより投影レンズ下の露光位置に移動する毎に、露光対象面と投影像面との位置ずれ量を検出し補正している。

　これは、大口径のＮＡ比をもつレンズを用いた縮小投影光学系において微小パターンを転写投影する用途においては大口径化するほど焦点深度が浅くなるため、各露光対象面の平坦度や感光材料の塗布状況などの差異による焦点ずれ量が転写性能に大きく影響するからである。通常の焦点合わせ機構は、投影レンズ下に露光対象領域を逐次移動させるＸＹステージと、投影レンズ直下の露光対象面と像面との焦点ずれ量を検出するオートフォーカスセンサとこのセンサにて検出された焦点ずれ量を補正するためのＺステージとそれらの制御装置からなるオートフォーカス制御系によって構成される。

　各露光対象領域への露光動作の制御シーケンスとしては、１．露光対象領域をレンズ直下にＸＹステージ駆動（ステップ移動）し、２．フォーカスセンサにてウエハの露光対象領域と投影光学系の像面の焦点ずれ量を検出し、３．検出した焦点ずれ量をΖステージにて光軸方向へ補正（合焦）した後、４．露光する。以上の１〜４の工程によって１つの露光対象領域に対する露光処理がなされ、ＸＹステージ上に搭載されたウエハ上に設定された露光対象領域の数だけ、つまりステップアンドリピー卜毎に上記シーケンスの実行を繰り返すことになる。
特開平６−２６０３９２号公報

　近年、半導体デバイスの製造においては、ウエハサイズの大径化に伴い、露光装置においては露光ショット数が増大し、ステップアンドリピートのスループット性能向上が期待されている。また転写パターンの線幅の微細化もあいまって、焦点合わせ動作はより一層の精度向上と動作時間の短縮が求められている。

　しかし、ステップアンドリピート方式を特徴とする縮小型投影露光装置の場合、露光毎にウエハ上の複数個のショットを直交する軸上を移動するＸＹステージを用いて投影レンズ直下へ移動させる必要があるため、ＸＹステージの走査平面（走り面）と投影像面が一致しないことが原因となって、ＸＹステージの移動毎に、露光ショットと投影像面の焦点ずれを発生させてしまう。

　露光ショットの平坦度を加味した投影像面との焦点ずれ量はオートフォーカスセンサによって検出され、Ｚステージによって補正されるが、この焦点ずれが大きいとＺステージの収束精度が影響して、装置の転写性能の要求する許容範囲にフォーカスを補正しきれない場合がある。これを防止するための、再度の焦点ずれ量検出および補正を、焦点ずれが許容範囲に収まるまで繰り返し実行するフィードバック制御方式が用いられることがあるが、フィードバック制御は、焦点ずれ量の大きさによっては、焦点合わせに費す時間を助長する可能性がある。また、スループットを考慮して焦点合わせ動作におけるオートフォーカスセンサとＺステージ間のフィードバック制御を実施しない場合、補正精度の悪化を招く結果になる。上記理由より、焦点合わせ処理による焦点ずれの補正量は極力少ないことが望ましい。

　発生する焦点ずれの要因として特に、このステージ走り面成分による焦点ずれ量は、ＸＹステージの移動量に比例するため、ウエハの大径化に伴い、ウエハ搭載用のＸＹステージも大型化されていく傾向の中、製造装置としての性能上無視できない要因である。

　本発明の目的は、ステップアンドリピート方式の投影露光装置において、各露光ショットに対する焦点合わせ動作のスループットと補正精度の性能向上を可能とする制御方式を提供することである。

　上記の目的を達成するため、本発明の投影露光装置は、パターンを縮小して転写する投影光学系と、該投影光学系の光軸方向と略直交する方向に沿って２次元方向に移動可能なステージとを有し、ステージ上部に搭載された感光基板上の複数露光対象領域に前記投影光学系により縮小されたパターンを前記ステージを逐次移動させながら転写するステップアンドリピート方式の投影露光装置において、前記投影光学系が投影形成する像面に前記露光対象領域の前記光軸方向の位置を合致させる焦点ずれ補正手段と、露光対象領域間の移動毎に発生する、前記像面と前記ステージ上の１点が前記２次元方向の移動に際し形成するステージ走り面とが平行でないことに起因する焦点ずれ成分を、露光対象領域間の移動量と、前記像面と前記ステージ走り面の傾きとにより焦点ずれ量として予め算出する算出手段を有し、該算出手段により算出された焦点ずれ量を前記焦点ずれ補正手段により次の露光対象領域へステージが移動している間に補正することを特徴とする。

　また、本発明の投影露光方法は、感光基板を投影光学系の光軸と略直交する方向に沿って２次元方向に移動可能なステージに搭載して該基板上の複数の領域を所定の露光位置に順次送り込むとともに、送り込まれた露光対象領域の前記光軸方向の位置を前記投影光学系が投影形成する像面と焦点合わせした後、前記投影光学系を介してレチクルのパターンを縮小し前記露光対象領域に投影する投影露光方法において、前記ステージの上の１点が移動に際し形成するステージ走り面の、前記投影光学系が投影形成する像面に対する傾きを検出する段階と、露光対象領域間の前記像面に対するステージ走り面の傾きに起因する焦点ずれ成分を露光対象領域間の移動量と前記ステージ走り面の傾きとにより予め算出する段階と、露光対象領域間のステージの移動中に、送り込むべき露光対象領域について算出された焦点ずれ成分を補正する段階とを具備することを特徴とする。

　本発明によれば、ステージ走り成分による露光ショット間移動時に発生する焦点ずれ量を予め算出して、ステージ移動時間に同時に補正量を先送りする、先送りオートフォーカス処理機能を有することにより、期待される効果として、露光対象ショットが投影レンズ直下に到着した時点で、焦点ずれが起こる要因は露光ショットのウエハ表面の凹凸度のみとなるため、焦点合わせ処理における補正量の絶対値を最小限にすることができる。結果として２つの性能向上が見込まれる。１つは自明なとおり処理時間の短縮であり、もう１つは製造工程上のスループット上の制約からオートフォーカス補正処理においてフィードバック制御時間を制限する必要がある場合においてもあらかじめ焦点ずれの発生量を抑えることができるため、焦点補正精度の向上が図られることである。

　本発明の好ましい実施の形態に係る投影露光装置は、パターンを縮小して転写する投影光学系（投影レンズ）と、投影光学系の光軸（Ｚ軸）と名目直交するＸＹの２次元方向に移動可能なＸＹステージを有し、ＸＹステージ上部に搭載されたウエハ上の複数領域に投影光学系により縮小されたパターンを逐次ＸＹステージを移動させながら転写するステッパにおいて、ウエハ上の各露光ショットのＺ軸方向の位置を投影光学系が投影形成する像面と焦点合わせすることを目的とするフォーカスセンサそのフォーカス検出結果によりウエハのフォーカスを補正するＺステージおよびその駆動手段を用いて、各露光ショット間のＸＹステージの移動毎（ステップアンドリピード毎）に実施する焦点合わせ処理の際、ＸＹステージの移動毎に発生する、投影光学系が投影形成する像面とＸＹステージ上の１点が移動に際し形成するステージ走り面とが平行でないことを原因とする焦点ずれ成分に対し、ＸＹステージの移動量と予め設定された投影光学系の像面とステージ走り面との傾きにより焦点ずれ量を算出し、次の露光領域へＸＹステージが移動中に前記算出された焦点ずれ量を前記Ｚステージなどからなるオートフォーカス系により予め補正することを特徴とする。

　ＸＹステージが真に直交する直線軸上を移動すると仮定した場合、前述したＸＹステージ走り面は平面になると考えられる。この場合、ステージ移動にともなって発生する焦点ずれ量はレンズ投影像面と走り面の相対傾斜量とショット間のステージ移動量から予め算出できる。これを用いて、前ショットの焦点合わせおよび露光処理終了後次ショットへステージを駆動する間にＺステージを算出された焦点ずれ分補正することにより、投影レンズ下に露光ショットが到着した時点で、投影像面と露光面との焦点ずれ量はウエハの凸凹成分にのみ依存し、結果としてオートフォーカスセンサによる焦点ずれ量の発生を最小限に抑えることができる。以上により焦点合わせ動作に費す時間を短縮し、焦点合わせ精度の性能向上を図ることができる。

　以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
（第１実施例）
　以下、本発明の第１実施例を示す。図１は本発明の第１実施例に係るステップアンドリピート方式の投影露光装置の概略図である。図１によれば、レチクル１２に形成された転写パターンの原画は照明光源１１および投影レンズ１３によってウエハ１６上の露光領域（ショット）に縮小投影される。

　また、このステップアンドリピート方式の投影露光装置における焦点合わせ機能は、露光ショットを投影レンズ１３下に逐次ＸＹ移動させるＸＹステージ１８と、投影レンズ直下の露光領域と像面との焦点ずれ量を検出するオートフォーカスセンサ１４，１５，１９とセンサにて検出された焦点ずれ量を補正するため光軸方向に駆動されるＺステージ１７と、この投影露光装置全体の制御を行なう装置制御ＣＰＵ２２によって実現される。オートフォーカスセンサによる光軸方向に対する露光ショット面の位置検出の手段は、投光器１４によりスポット光をウエハ上の検出対象領域に斜投射し、ウエハ１６により反射された光をＣＣＤ受光器１５にて受光し、面位置検出装置１９にて画像処理をすることによって現在のウエハ上対象領域の面位置を検出している。オートフォーカス制御系２１では、先の面位置検出結果を装置制御ＣＰＵ２２内の記憶装置に予め登録されている投影像面位置と比較し、差異がある場合はこれを焦点ずれ量と判断し、ステージ駆動装置２０を制御してＺステージ１７を焦点ずれ量分駆動する。この時Ｚステージ１７の駆動精度上、実際の露光面の焦点ずれが補正しきれない場合があるので、指定した許容範囲に焦点ずれ量が収まるまで面位置検出ないしステージ補正の動作を繰り返すフィードバック制御を実施することも可能である。

　本実施例では、前述した焦点合わせ処理の時間短縮と精度の向上を目的に、露光ショット間移動によるＸＹステージ駆動時間を利用して機器要因として理論上算出できる焦点ずれ成分を予め補正処理する手法（以下、先送りオートフォーカス処理という）を採用している。

　以下、先送りオートフォーカス処理におけるステージ駆動にともなう焦点ずれ量の算出方法について述べる。図２は投影光学系による投影結像面と、直交する軸上を移動するＸＹステージ装置特有の駆動平面（以下、ステージ走り面という）の関係を示したものである。図２における投影像面４の位置算出は、後述するように、実際の投影露光装置を用いたウエハへの解像力評価用パターン転写の結果から求めることが可能である。

　ＸＹステージ２上に搭載されたウエハ１６上の各点（Ｓ１，Ｓ２）は、ＸＹステージのＸＹ駆動にともない、投影像面４に対しステージ走り面５に平行して移動する。このときウエハ表面は均一に平坦であるとし、ウエハ表面はＸＹステージ上に位置する傾斜補正用のレベリング・Ｚステージ１７により、投影像面に平行に位置合わせされている状態であると仮定している。

　この状態でウエハ上の露光ショットＳ１に対する露光処理終了後、ＸＹステージ駆動により別の露光ショットＳ２を投影レンズ下の露光領域へ駆動した場合、露光ショット表面Ｓ２はステージ走り面５に平行に移動するため、露光位置到着時点においてΔＺ量分投影像面に対し焦点ずれすると考えられる。このΔＺをステージ走りによる焦点ずれ量６と称し、ＸＹステージ駆動毎に予めこの焦点ずれ量６の補正処理を実行することにより理論上ではオートフォーカスセンサを用いた焦点合わせ処理においてはウエハの凸凹分のみを焦点すればよいことになる。

　次にステージ走りによる焦点ずれ量ΔＺ算出方法を示す。投影像面とステージ走り面との相対傾斜角がＸ方向にａ（ｐｐｍ）、Ｙ方向にｂ（ｐｐｍ）、露光ショット間のＸＹ移動距離がＸ方向にｘ（ｍｍ）、Ｙ方向にｙ（ｍｍ）であるとすると、ＸＹ駆動後の光学軸方向（Ｚ方向）への焦点ずれ量は、
　ΔＺ（ｎｍ）＝ａ・ｘ＋ｂ・ｙ
にて算出される。本式によると、仮に２０（ｐｐｍ）の傾きに対して、ステージが２０（ｍｍ）ステップ駆動した場合、発生する焦点ずれは０．４μｍとなり、装置としてのパターン転写性能上無視できない焦点ずれ量となる。

　上記の投影像面とステージ走り面との相対傾斜の算出方法に関して述べると、まず、オートフォーカスセンサによる傾斜検出の基準面をステージ走り面に一致させる必要がある。これは、ステージ上の複数点をフォーカスセンサにて高さ検出し、検出した高さから算出された傾きをステージ走り面としてフォーカスセンサの基準となる傾斜量として登録する。次に、サンプルとしてのウエハに対し、露光対象面をオートフォーカスセンサにて前記算出した傾斜に合わせて補正する（ダイ・バイ・ダイチルト補正制御）。補正完了した面に対し転写解像度評価用のパターンを露光転写する。現像結果から、ステージ走り面に一致するよう補正された面と投影光学系の投影像面が非平行であることが原因となる、転写像のぼけ分が傾斜角として求められ、これを、投影像面とステージ走り面の相対傾斜量としている。

　図３に図１の装置による先送りオートフォーカス処理を用いた露光ショット毎におけるステップアンドリピート露光処理の処理シーケンスを示す。ウエハ上のある露光ショットの表面に対し完全に焦点合わせされ、投影露光による焼き付け処理が完了する（ステップ１０１）。装置制御ＣＰＵ２２に付属する記憶装置の内容に従い、ＸＹステージにおいて次露光ショットをレンズ直下まで移動させるための、現在位置からの相対駆動量ｘ、ｙを確認する（ステップ１０２）。同様に記憶装置内に記録されている投影像面とステージ走り面の相対傾斜角（ａ，ｂ）を用い、前記式により次ショット領域がレンズ直下の露光領域にステージ駆動された場合に、発生すると予測されるΔＺを算出する（ステップ１０３）。ＸＹステージ１６を駆動し、露光ショットの移動を実行すると同時に、１０３にて算出したΔＺをΖステージ１７にて補正駆動する（ステップ１０４）。ステップ１０４の処理が完了後、オートフォーカス制御系を用い露光ショット表面の投影像面との最終的な焦点ずれ量を検出する（ステップ１０５）。ステップ１０５にて検出された焦点ずれ量が許容範囲にない場合、Ｚステージを検出した焦点ずれ分の補正駆動を行なう（ステップ１０６）。装置制御ＣＰＵ２２がフィードバック補正制御を指定している場合、焦点ずれ量が許容範囲内に収束するまでステップ１０５および１０６の処理を繰り返す。

（第２実施例）
　本発明の第２の実施例として、投影露光装置におけるサンプルショット計測への適用を示す。サンプルショット計測とは、縮小型のステップアンドリピート方式の投影露光装置において、ステージ上に搭載されたウエハ上にレイアウトされた複数の被露光領域（露光ショット）内に、露光条件計測用のサンプルとなる露光ショットを任意に複数点設定し、実行される。図４はサンプルショット計測時のサンプル設定レイアウトの一例を示す。サンプルショット計測の目的として、非直線上の任意の３点以上のフォーカス計測より、ウエハ全体の傾きを検出するグローバルレベリング計測や、露光ショットのＸＹ位置ずれ量を検出するグローバルアライメント計測などに一般的に利用される。この場合、サンプルショットは極力間隔を離して設定されることが多いため、計測時に前述したＸＹステージ駆動にともなう焦点ずれが原因となる計測誤差が問題になる。

　サンプルショット計測シーケンスにおいては、投影像面に対し、極力平行な面上をサンプルショットが移動する状態位置で各種計測を実行することが望ましいことから、サンプルショット計測シーケンスのＸＹ駆動に対しても、本発明の先送りオートフォーカス処理を適用し、サンプル点間の移動にともなうＺ方向の位置ずれをキャンセルすることが好ましい。

　上述の実施例によれば、ステージ走り成分による露光ショット間移動時に発生する焦点ずれ量を予め算出して、ステージ移動時間に同時に補正量を先送りする、先送りオートフォーカス処理機能を有することにより、期待される効果として、露光対象ショットが投影レンズ直下に到着した時点で、焦点ずれが起こる要因は露光ショットのウエハ表面の凹凸度のみとなるため、焦点合わせ処理における補正量の絶対値を最小限にすることができる。結果として２つの性能向上が見込まれる。１つは自明なとおり処理時間の短縮であり、もう１つは製造工程上のスループット上の制約からオートフォーカス補正処理においてフィードバック制御時間を制限する必要がある場合においてもあらかじめ焦点ずれの発生量を抑えることができるため、焦点補正精度の向上が図られることである。

(デバイス生産方法の実施例)
　次に上記説明した露光装置または露光方法を利用したデバイスの生産方法の実施例を説明する。
　図５は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）ではデバイスのパターン設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計したパターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコンやガラス等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

　図６は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明した先送りオートフォーカス機能を有する投影露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

　本実施例の生産方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度のデバイスを低コストに製造することができる。

本発明の一実施例に係る投影露光装置の概略構成図である。ＸＹステージ走りによる焦点ずれの概念を示す説明図である。図１の装置における焦点ずれ補正機能の制御の流れを示すフローチャートである。サンプルショット計測時のサンプル設定レイアウトを示す図である。微小デバイスの製造の流れを示す図である。図５におけるウエハプロセスの詳細な流れを示す図である。

符号の説明

　５：ステージ走り面、６：ステージ走りによる焦点ずれ、１１：照明光源、１２：レチクル、１３：投影レンズ、１４：投光器、１５：ＣＣＤ受光器（受光センサ）、１６：ウエハ、１７：Ｚステージ、１８：ＸＹステージ、１９：面位置検出装置、２０：ステージ駆動装置、２１：オートフォーカス制御系、２２：装置制御ＣＰＵ、Ｓ１，Ｓ２：露光ショット表面。

Claims

　パターンを縮小して転写する投影光学系と、該投影光学系の光軸方向と略直交する方向に沿って２次元方向に移動可能なステージとを有し、ステージ上部に搭載された感光基板上の複数露光対象領域に前記投影光学系により縮小されたパターンを前記ステージを逐次移動させながら転写するステップアンドリピート方式の投影露光装置において、
　前記投影光学系が投影形成する像面に前記露光対象領域の前記光軸方向の位置を合致させる焦点ずれ補正手段と、
　露光対象領域間の移動毎に発生する、前記像面と前記ステージ上の１点が前記２次元方向の移動に際し形成するステージ走り面とが平行でないことに起因する焦点ずれ成分を、露光対象領域間の移動量と、前記像面と前記ステージ走り面の傾きとにより焦点ずれ量として予め算出する算出手段を有し、該算出手段により算出された焦点ずれ量を前記焦点ずれ補正手段により次の露光対象領域へステージが移動している間に補正することを特徴とする投影露光装置。
感光基板を投影光学系の光軸と略直交する方向に沿って２次元方向に移動可能なステージに搭載して該基板上の複数の領域を所定の露光位置に順次送り込むとともに、送り込まれた露光対象領域の前記光軸方向の位置を前記投影光学系が投影形成する像面と焦点合わせした後、前記投影光学系を介してレチクルのパターンを縮小し前記露光対象領域に投影する投影露光方法において、
　前記ステージの上の１点が移動に際し形成するステージ走り面の、前記投影光学系が投影形成する像面に対する傾きを検出する段階と、露光対象領域間の前記像面に対するステージ走り面の傾きに起因する焦点ずれ成分を露光対象領域間の移動量と前記ステージ走り面の傾きとにより予め算出する段階と、露光対象領域間のステージの移動中に、送り込むべき露光対象領域について算出された焦点ずれ成分を補正する段階とを具備することを特徴とする投影露光方法。