JP2011171477A - 露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型であり、低額化可能な露光装置を提供する。
【解決手段】 上面にアライメントマーク４２が形成されている半導体ウエハ４０に対して露光を行う露光装置１０であって、半導体ウエハが載置されるステージ１２と、ステージを移動させる移動手段１３と、光を照射する投光手段２６と、投光手段が照射した光を、ステージの側面に向かう光と、ステージの上面に向かう光とに分光する分光手段３２、３６と、ステージの側面に向かう光の反射光を検出することにより、ステージの位置を検出する位置検出手段２６と、ステージの上面に向かう光が半導体ウエハのアライメントマークに照射されたときに生じる散乱光の有無を検出する散乱光検出手段３０を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハに対して露光を行う露光装置に関する。

特許文献１には、表面に感光性膜が形成されている半導体ウエハにレチクルの像を投影する露光装置が開示されている。感光性膜に対してレチクルの像を投影し、その後に感光性膜に所定の処理を施すことで、半導体ウエハの表面に所定パターンの膜（レジスト層等）を形成することができる。

特開平１１−３４５７６２号

露光を行う際には、半導体ウエハ上のレチクルの像を投影する位置を正確に制御する必要がある。このために、半導体ウエハの位置を正確に測定する必要がある。

従来において一般的に用いられている露光装置は、ステージと、投影光学系と、オフアクシスカメラと、撮影用光源と、移動手段と、投光手段と、位置検出手段を有している。ステージには、半導体ウエハが載置される。半導体ウエハの表面には、アライメントマークが形成されている。投影光学系は、ステージに載置されている半導体ウエハの表面にレチクルの像を投影する。オフアクシスカメラは、投影光学系を介さずに半導体ウエハの表面を撮影する。撮影用光源は、オフアクシスカメラの撮影軸に沿って光を照射する。移動手段は、ステージを移動させる。投光手段は、ステージの側面に向けて光を照射する。位置検出手段は、ステージの側面に向けて照射された光の反射光を検出することで、ステージの位置を検出する。
従来の露光装置では、撮影用光源により半導体ウエハの表面に光を照射しながら、オフアクシスカメラによって半導体ウエハの表面を撮影する。オフアクシスカメラの撮影範囲内の基準位置にアライメントマークが存在するようにステージを移動させ、その時のステージの位置を位置検出手段により検出する。このように、アライメントマークの位置を検出することで、ステージ上の半導体ウエハの位置や姿勢を特定することができる。半導体ウエハの位置及び姿勢を特定することで、レチクルの像を投影する半導体ウエハ上の位置を正確に制御することができる。

上述した従来の露光装置は、半導体ウエハの位置を測定するためにオフアクシスカメラと撮影用光源を有しているので、装置が大型となり、また、高額となるという問題があった。

上述した実情を鑑みて、本明細書では、小型であり、低額化可能な露光装置を提供することを目的とする。

本明細書で開示する露光装置は、上面にアライメントマークが形成されている半導体ウエハに対して露光を行う。この露光装置は、ステージと、移動手段と、投光手段と、分光手段と、位置検出手段と、散乱光検出手段を有する。ステージには、半導体ウエハが載置される。移動手段は、ステージを移動させる。投光手段は、光を照射する。分光手段は、投光手段が照射した光を、ステージの側面に向かう光と、ステージの上面に向かう光とに分光する。位置検出手段は、ステージの側面に向かう光の反射光を検出することにより、ステージの位置を検出する。散乱光検出手段は、ステージの上面に向かう光が半導体ウエハのアライメントマークに照射されたときに生じる散乱光の有無を検出する。

この露光装置では、投光手段が照射した光が、ステージの側面に向かう光とステージの上面に向かう光とに分光される。ステージの側面に向かう光は、位置検出手段でステージの位置を検出するために用いられる。ステージの上面に向かう光は、アライメントマークの検出用に用いられる。すなわち、ステージの上面（すなわち、半導体ウエハの上面）に向かう光がアライメントマークに照射されると、アライメントマークにおいて光が回折、反射等することで、散乱光が生じる。このため、散乱光の有無を散乱光検出手段で検出することで、光がアライメントマークに照射されているか否かを判別することができる。散乱光が生じているときに位置検出手段が示すステージの位置を読み取ることで、アライメントマークの位置を特定することができる。これにより、半導体ウエハの位置及び姿勢を特定することができる。
以上に説明したように、この露光装置は、１つの投光手段の光により、位置検出手段でステージの位置を検出することができるとともに、半導体ウエハの上面を照らすことができる。すなわち、半導体ウエハの上面を照らすための専用の光源が不要である。また、この露光装置では、半導体ウエハの上面を撮影することなく、散乱光の有無によりアライメントマークの位置を特定する。散乱光検出手段は、散乱光の有無を検出すものであり、半導体ウエハの上面を撮影するオフアクシスカメラよりも簡易な構造とすることができる。このように、半導体ウエハの上面を照らすための専用の光源が不要であり、半導体ウエハの上面を撮影するカメラも不要となるので、この露光装置は、従来の露光装置よりも小型化し、低額化することができる。

上述した露光装置は、ステージの上面のうち、半導体ウエハが載置される載置部の外部に、基準マークが形成されていることが好ましい。また、散乱光検出手段は、さらに、ステージの上面に向かう光が基準マークに照射されたときに生じる散乱光の有無を検出することが好ましい。
このような構成によれば、ステージの上面の基準マークと、半導体ウエハの上面のアライメントマークとの相対位置を特定することができる。これにより、より正確に半導体ウエハの位置及び姿勢を特定することができる。

上述した露光装置は、散乱光検出手段により散乱光が有ることが検出されたときの位置検出手段による検出位置を記憶する記憶手段をさらに有することが好ましい。

露光装置１０の概略構成を示す図。 レーザ干渉計２６の概略構成を示す図。 露光装置１０による位置検出処理を示すフローチャート。

図１は、実施例に係る露光装置１０の概略構成を示している。図１に示すように、露光装置１０は、ウエハステージ１２、ステージ基部１３、投影光学系１４、レチクルステージ１６、位置検出装置１８、露光光源２０、オンアクシスカメラ２２、レーザ光源２４、レーザ干渉計２６、２８、散乱光検出器３０、及び、制御装置３２を有している。

ウエハステージ１２は、ステージ基部１３上に設置されている。ステージ基部１３は、ウエハステージ１２を移動させる駆動機構を有している。ステージ基部１３は、ウエハステージ１２を、図１のＸ方向（水平面内の一方向）に移動させることができるとともに、図１のＹ方向（水平面内でＸ方向と直交する方向）に移動させることができる。

ウエハステージ１２には、半導体ウエハ４０が載置される。半導体ウエハ４０の上面には、複数のアライメントマーク４２が形成されている。アライメントマーク４２は、半導体ウエハ４０の上面から突出する凸状の構造物である。アライメントマーク４２は、半導体ウエハ４０の半導体装置とならない領域（例えば、ダイシングされる領域）内に形成されている。半導体ウエハ４０の上面全体には感光性樹脂からなる感光性膜が形成されている。ウエハステージ１２の上面のうち、半導体ウエハ４０が載置される載置面より外側の領域には、基準マーク１２ａが形成されている。基準マーク１２ａは、ウエハステージ１２の上面から突出する凸状の構造物である。

投影光学系１４は、ウエハステージ１２の上方に配置されている。投影光学系１４は、複数のレンズが組合されることによって構成された光学系である。投影光学系１４はその光軸が、ウエハステージ１２の上面に対して垂直となるように配置されている。

投影光学系１４の上方には、レチクルステージ１６が配置されている。レチクルステージ１６上には、レチクル６０が載置される。図示していないが、レチクル６０の上面には、半導体ウエハ４０の感光性膜に転写されるべき所定のパターンが形成されている。また、レチクル６０の上面には、複数のアライメントマークが形成されている。レチクルステージ１６は、その上面が投影光学系１４の光軸に対して垂直となるように配置されている。レチクルステージ１６は、投影光学系１４に対してＸ方向及びＹ方向に移動することができる。位置検出装置１８は、レチクルステージ１６のＸ方向及びＹ方向の位置を検出する。

レチクルステージ１６の上方には、露光光源２０が配置されている。露光光源２０は、半導体ウエハ４０の感光性膜が反応する波長の光を照射する。露光光源２０は、投影光学系１４に向けて光を照射する。露光光源２０から照射された光は、レチクル６０を透過して投影光学系１４の上面に入射する。投影光学系１４は、レチクル６０を透過した光（レチクル６０のパターン）を縮小した像を半導体ウエハ４０の上面に投影する。

レチクルステージ１６の上方には、ハーフミラー２１、オンアクシスカメラ２２、及び、レーザ光源２４が配置されている。ハーフミラー２１、オンアクシスカメラ２２、及び、レーザ光源２４は、投影光学系１４に対して固定されている。オンアクシスカメラ２２は、ハーフミラー２１の上方に配置されている。レーザ光源２４は、ハーフミラー２１の側方に配置されている。レーザ光源２４は、半導体ウエハ４０の感光性膜が反応する波長のレーザ光を照射する。すなわち、レーザ光源２４は、露光光源２０と略同じ波長のレーザ光を照射する。レーザ光源２４は、ハーフミラー２１に向けてレーザ光を照射する。照射されたレーザ光は、ハーフミラー２１で反射される。反射したレーザ光は、レチクル６０を透過して投影光学系１４に入射する。投影光学系１４に入射したレーザ光は、投影光学系１４の内部で屈折した後にウエハステージ１２上に照射される。ウエハステージ１２上にレーザ光が照射されると、反射光が生じる。反射光は、レーザ光の経路を逆方向に進行してハーフミラー２１に到達する。反射光は、ハーフミラー２１を透過してオンアクシスカメラ２２に入射する。したがって、オンアクシスカメラ２２は、ウエハステージ１２上を撮影することができる。なお、投影光学系１４の内部のレンズの屈折率は光の波長によって変化するが、露光光源２０と略同じ波長のレーザ光源２４を用いるので、オンアクシスカメラ２２はウエハステージ１２上を鮮明に撮影することができる。

図２は、レーザ干渉計２６の構造を示している。図２に示すように、レーザ干渉計２６は、レーザ光源２６ａと、ハーフミラー２６ｂと、反射板２６ｃと、光検出器２６ｄと、演算装置２６ｅを有している。レーザ光源２６ａは、ハーフミラー２６ｂに向けてレーザ光を照射する。ハーフミラー２６ｂでは、約半分のレーザ光が透過して直進し、残りのレーザ光が上方に反射される。
ハーフミラー２６ｂを透過したレーザ光は、レーザ干渉計２６ｂの外部に射出される。レーザ干渉計２６の外部に射出されたレーザ光の一部は、後述するように、ウエハステージ１２の側面で反射し、再度、レーザ干渉計２６内に入射する。レーザ干渉計２６内に入射したレーザ光は、ハーフミラー２６ｂで下方に反射されて、光検出器２６ｄに入射する。
一方、ハーフミラー２６ｂで上方に反射されたレーザ光は、反射板２６ｃで反射される。反射板２６ｃで反射されたレーザ光は、ハーフミラー２６ｂを透過して、光検出器２６ｄに入射する。
このように、光検出器２６ｄには、レーザ干渉計２６の外部で反射されたレーザ光と、反射板２６ｃで反射されたレーザ光の両方が入射する。これらのレーザ光が干渉するため、光検出器２６ｄで検出される光の強度は、レーザ干渉計２６の外部で反射されたレーザ光と反射板２６ｃで反射されたレーザ光との光路長の差によって変動する。すなわち、ウエハステージ１２が移動することによってレーザ干渉計２６とウエハステージ１２の側面（すなわち、レーザ光が反射される位置）との間の距離が変化すると、光検出器２６ｄで検出される光の強度が周期的に変動する。演算装置２６ｅは、光検出器２６ｄで検出される光の強度変化の波数をカウントすることで、ウエハステージ１２のＸ方向の位置を検出する。

図１に示すように、レーザ干渉計２６は、ウエハステージ１２に対してＸ方向に距離を隔てた位置に固定されている。レーザ干渉計２６とウエハステージ１２の間には、ハーフミラー３４が配置されている。ハーフミラー３４の上方には、ミラー３６が配置されている。レーザ干渉計２６は、Ｘ方向に向けて（すなわち、ハーフミラー３４に向けて）レーザ光を照射する。ハーフミラー３４では、約半分のレーザ光が透過して直進し、残りのレーザ光が上方に反射される。
ハーフミラー３４を透過したレーザ光は、ウエハステージ１２の側面で反射される。反射されたレーザ光は、ハーフミラー３４を透過して、レーザ干渉計２６に入射する。レーザ干渉計２６は、入射したレーザ光を検出することで、ウエハステージ１２のＸ方向の位置を検出する。
一方、ハーフミラー３４で上方に反射されたレーザ光は、ミラー３６でウエハステージ１２上に向けて反射される。このため、ウエハステージ１２をＸ方向及びＹ方向に移動させることで、ミラー３６で反射されたレーザ光を、半導体ウエハ４０の上面に照射したり、ウエハステージ１２の上面（すなわち、半導体ウエハ４０の載置部の外側）に照射したりすることができる。以下では、ミラー３６で反射されたレーザ光を特定用レーザ光という。

レーザ干渉計２８も、レーザ干渉計２６と同様の内部構造を有している。なお、図１では見易さを考慮してレーザ干渉計２８をステージ基部１３の下方に図示しているが、レーザ干渉計２８は、ウエハステージ１２に対してＹ方向に距離を隔てた位置に固定されている。レーザ干渉計２８は、Ｙ方向に向けて（すなわち、ウエハステージ１２の側面に向けて）レーザ光を照射する。レーザ光は、ウエハステージ１２の側面で反射され、レーザ干渉計２８に入射する。レーザ干渉計２８は、入射したレーザ光を検出することで、ウエハステージ１２のＹ方向の位置を検出する。

散乱光検出器３０は、投影光学系１４の側方に設置されている。上述したように、特定用レーザ光は、半導体ウエハ４０の上面またはウエハステージ１２の上面に照射される。特定用レーザ光が、アライメントマーク４２以外の領域の半導体ウエハ４０の上面に照射された場合、及び、基準マーク１２ａ以外の領域のウエハステージ１２の上面に照射された場合には、特定用レーザ光は正反射する。一方、特定用レーザ光がアライメントマーク４２や基準マーク１２ａに照射された場合には、特定用レーザ光は、回折したり、アライメントマーク４２又は基準マーク１２ａの側面で反射したりする。これによって、特定用レーザ光が散乱する。散乱光検出器３０は、正反射した特定用レーザ光が入射せず、かつ、散乱した特定用レーザ光が入射する位置に設置されている。散乱光検出器３０は、散乱した特定用レーザ光の強度を検出する。

図示していないが、制御装置３２は、露光装置１０の各部と電気的に接続されている。露光装置１０には、位置検出装置１８、２６、２８が検出する位置のデータが入力をされる。また、制御装置３２は、ウエハステージ１２、レチクルステージ１６、露光光源２０、オンアクシスカメラ２２、レーザ光源２４を制御する。また、制御装置３２は、メモリを内蔵しており、各種のデータを記憶することができる。

次に、露光装置１０を用いた露光方法について説明する。図３は、露光を行う際に制御装置３２が実行する位置検出処理を示すフローチャートである。なお、図３の処理中において、レーザ干渉計２６、２８は常に動作している。したがって、図３の処理中において、特定用レーザ光が常に照射されている。図３の処理中に特定用レーザ光が半導体ウエハ４０の表面の感光性膜に照射されるが、レーザ干渉計２６が照射するレーザ光は感光性膜が反応しない波長のレーザである。このため、特定用レーザ光の照射により感光性膜が反応することはない。

ステップＳ２では、制御装置３２は、図示しない搬送機構によって、レチクルステージ１６上にレチクル６０を載置し、ウエハステージ１２上に半導体ウエハ４０を載置する。レチクル６０及び半導体ウエハ４０は、数μ単位の位置精度で載置される。

ステップＳ４では、制御装置３２は、オンアクシスカメラ２２を用いて、レチクル６０の各アライメントマークの位置を測定する。レチクル６０のアライメントマークの位置の測定は従来公知の技術により行う。制御装置３２は、測定された各アライメントマークの位置を記憶する。各アライメントマークの位置を測定することで、投影光学系１４に対するレチクル６０の位置及び姿勢を特定することができる。

ステップＳ６では、制御装置３２は、オンアクシスカメラ２２を用いて、ウエハステージ１２の基準マーク１２ａの位置を測定する。すなわち、ステップＳ６では、最初に、ウエハステージ１２を予め決められた座標に移動させることによって、オンアクシスカメラ２２の撮影範囲内に基準マーク１２ａを移動させる。次に、レーザ光源２４とオンアクシスカメラ２２を作動させて、オンアクシスカメラ２２によって基準マーク１２ａを撮影する。そして、オンアクシスカメラ２２によって基準マーク１２ａを撮影しながら、基準マーク１２ａがオンアクシスカメラ２２の撮影範囲の中心部に位置するように、ウエハステージ１２ａを移動させる。制御装置３２は、基準マーク１２ａが撮影範囲の中心部に位置しているときのレーザ干渉計２６の検出値（すなわち、Ｘ座標）とレーザ干渉計２８の検出値（すなわち、Ｙ座標）を記憶する。ステップＳ６で検出されるＸＹ座標（以下、第１座標という）は、投影光学系１４と基準マーク１２ａとの相対位置を示す。

ステップＳ８では、制御装置３２は、散乱光検出器３０を用いて、ウエハステージ１２の基準マーク１２ａの位置を測定する。すなわち、ステップＳ８では、最初に、ウエハステージ１２を予め決められた座標に移動させることによって、特定用レーザ光が照射される位置の近くに基準マーク１２ａを移動させる。そして、その周辺位置がレーザ光でスキャンされるように、ウエハステージ１２を移動させる。スキャン時に基準マーク１２ａにレーザ光が照射されると、散乱光が生じ、散乱光検出器３０で散乱光が検出される。制御装置３２は、散乱光検出器３０で散乱光が検出されたときのウエハステージ１２のＸＹ座標を記憶する。ステップＳ８で検出されるＸＹ座標（以下、第２座標という）は、特定用レーザ光の光路と基準マーク１２ａとの相対位置を示す。すなわち、第２座標は、ミラー３６と基準マーク１２ａの相対位置を示す。

ステップＳ１０では、制御装置３２は、散乱光検出器３０を用いて、半導体ウエハ４０の各アライメントマーク４２の位置を測定する。すなわち、ステップＳ１０では、最初に、ウエハステージ１２を予め決められた座標に移動させることによって、特定用レーザ光が照射される位置の近くにアライメントマーク４２を移動させる。そして、その周辺位置がレーザ光でスキャンされるように、ウエハステージ１２を移動させる。スキャン時にアライメントマーク４２にレーザ光が照射されると、散乱光が生じ、散乱光検出器３０で散乱光が検出される。制御装置３２は、散乱光検出器３０で散乱光が検出されたときのウエハステージ１２のＸＹ座標を記憶する。ステップＳ１０で検出されるＸＹ座標（以下、第３座標という）は、特定用レーザ光の光路とアライメントマーク４２との相対位置を示す。すなわち、第３座標は、ミラー３６とアライメントマーク４２の相対位置を示す。ステップＳ１０では、制御装置３２は、各アライメントマーク４２について上述した処理を実行し、各アライメントマーク４２の第３座標を特定する。

以上の処理を実行することで、投影光学系１４と基準マーク１２ａとの相対位置を示す第１座標、基準マーク１２ａとミラー３６との相対位置を示す第２座標、及び、ミラー３６とアライメントマーク４２との相対位置を示す第３座標が制御装置３２に記憶される。したがって、第１座標、第２座標、及び、第３座標から、投影光学系１４と各アライメントマーク４２との相対位置を特定することができる。すなわち、投影光学系１４に対する半導体ウエハ４０の位置及び姿勢を正確に特定することができる。制御装置３２は、図３の処理に引き続いて、特定された相対位置関係に基づいて露光処理を行う。このため、半導体ウエハ４０の位置を正確に制御して、レチクル６０の像を半導体ウエハ４０上の所望の位置に投影することができる。

以上に説明したように、この露光装置１０は、ハーフミラー３４によって、レーザ干渉計２６が照射するレーザ光を、ウエハステージ１２の側面に向かうレーザ光と、ウエハステージ１２の上面（すなわち、半導体ウエハ４０の上面）に向かう特定用レーザ光に分光する。そして、特定用レーザ光がアライメントマーク４２又は基準マーク１２ａに照射されたときに生じる散乱光を検出して、これらの位置を検出する。したがって、半導体ウエハ４０と基準マーク１２ａを照らすための専用の光源が不要であり、これらを撮影するオフアクシスカメラも不要となる。このため、露光装置１０を小型化し、低額化することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：露光装置
１２：ウエハステージ
１２ａ：基準マーク
１３：ステージ基部
１４：投影光学系
１６：レチクルステージ
１８：位置検出装置
２０：露光光源
２１：ハーフミラー
２２：オンアクシスカメラ
２４：レーザ光源
２６：レーザ干渉計
２６ａ：レーザ光源
２６ｂ：ハーフミラー
２６ｃ：反射板
２６ｄ：光検出器
２６ｅ：演算装置
２８：レーザ干渉計
３０：散乱光検出器
３２：制御装置
３４：ハーフミラー
３６：ミラー
４０：半導体ウエハ
４２：アライメントマーク
６０：レチクル

Claims (3)

1. 上面にアライメントマークが形成されている半導体ウエハに対して露光を行う露光装置であって、
   半導体ウエハが載置されるステージと、
   ステージを移動させる移動手段と、
   光を照射する投光手段と、
   投光手段が照射した光を、ステージの側面に向かう光と、ステージの上面に向かう光とに分光する分光手段と、
   ステージの側面に向かう光の反射光を検出することにより、ステージの位置を検出する位置検出手段と、
   ステージの上面に向かう光が半導体ウエハのアライメントマークに照射されたときに生じる散乱光の有無を検出する散乱光検出手段、
   を有することを特徴とする露光装置。
2. ステージの上面のうち、半導体ウエハが載置される載置部の外部に、基準マークが形成されており、
   散乱光検出手段は、さらに、ステージの上面に向かう光が基準マークに照射されたときに生じる散乱光の有無を検出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 散乱光検出手段により散乱光が有ることが検出されたときの位置検出手段による検出位置を記憶する記憶手段をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。

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