JP2012234886A - 投影露光装置および投影露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実施形態は、露光位置を正確に決めることが可能な投影露光装置および投影露光方法を提供する。
【課題を解決するための手段】実施形態に係る投影露光装置は、第１主面と、前記第１主面の反対側の第２主面と、を有するステージであって、前記第１主面から前記第２主面に貫通した開口を有し、前記開口を覆って前記第１主面側にウェーハが載置される前記ステージと、前記第１主面側に設けられ、前記ウェーハの表面に第１の測定光を照射する第１光源と、前記ウェーハの表面で反射された前記第１の測定光を検出する第１受光器と、前記第２主面側から前記開口を介して前記ウェーハの裏面に第２の測定光を照射する第２光源と、前記ウェーハの裏面で反射された前記第２の測定光を検出する第２受光器と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、投影露光装置および投影露光方法に関する。

半導体素子の製造過程におけるリソグラフィープロセスでは、露光パターンの微細化に伴い、コンタクト露光装置に代わり非接触の投影露光装置、所謂ステッパが広く用いられるようになった。

一方、半導体素子が形成されるウェーハには、従来のシリコンおよびＧａＡｓなどに加えて、エネルギーバンドギャップの広い所謂ワイドギャップ半導体や絶縁体を材料とするものが用いられる。ワイドギャップ半導体や絶縁体の多くは、投影露光装置のフォーカシング機構に用いられる測定光に対して透明であり、露光位置の誤認を生じさせることがある。このため、ワイドギャップウェーハや絶縁性ウェーハなどの透明ウェーハに対して、露光位置を正確に決めることが可能な投影露光装置が必要とされている。

特開２００２−１４１２６２号公報

実施形態は、露光位置を正確に決めることが可能な投影露光装置および投影露光方法を提供する。

実施形態に係る投影露光装置は、第１主面と、前記第１主面の反対側の第２主面と、を有するステージであって、前記第１主面から前記第２主面に貫通した開口を有し、前記開口を覆って前記第１主面側にウェーハが載置される前記ステージと、前記第１主面側に設けられ、前記ウェーハの表面に第１の測定光を照射する第１光源と、前記ウェーハの表面で反射された前記第１の測定光を検出する第１受光器と、前記第２主面側から前記開口を介して前記ウェーハの裏面に第２の測定光を照射する第２光源と、前記ウェーハの裏面で反射された前記第２の測定光を検出する第２受光器と、を備える。

第１の実施形態に係る投影露光装置を示す模式図である。 第１の実施形態に係る投影露光装置の露光過程を示すフロー図である。 第２の実施形態に係る露光装置のウェーハステージを模式的に示す断面図である。 第２の実施形態に係る露光装置のフォーカシング機構を模式的に示す断面図である。 第３の実施形態に係る露光装置のウェーハステージを模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態に係る投影露光装置１００を示す模式図である。投影露光装置１００は、被処理ウェーハを載置するウェーハステージ１０と、露光光学系２０と、ウェーハステージ１０を制御する制御部３０と、を備える。

ウェーハステージ１０は、第１主面１０ａと、第１主面の反対の側の第２主面１０ｂと、を有し、第１主面１０ａの側から第２主面１０ｂの側に貫通した開口１０ｃを有する。被処理ウェーハ１３は、開口１０ｃを覆って第１主面１０ａ側に載置される。

露光光学系２０は、ウェーハステージ１０の第１主面１０ａの側の上方に配置され、露光光源３と、コンデンサレンズ５と、投影レンズ９と、を含む。コンデンサレンズ５と投影レンズ９との間には、露光パターンが形成されたレチクル７が配置される。

投影露光装置１００は、被処理ウェーハ１３の露光光学系２０の側の表面１３ａに露光パターンを投影し、ウェーハ１３の表面１３ａに塗布されたフォトレジストを露光する。このため、例えば、ウェーハ１３の表面１３ａが露光光学系２０の焦点に位置するように、ウェーハステージ１０の高さを制御する。

ウェーハステージ１０の第１主面１０ａの側には、第１光源２１と第１受光器２３とを含む光学測定系が設けられる。第１光源２１は、ウェーハ１３の表面に第１の測定光を照射し、第１受光器２３は、ウェーハ１３の表面１３ａで反射された第１の測定光を検出する。第１光源２１と第１受光器２３は、露光の障害とならないように、第１主面１０ａに対して平行な平面視においてウェーハ１３の外側に設けられる。

さらに、第２主面１０ｂの側に、第２光源２５と、第２受光器２７と、を含む光学測定系が配置される。第２光源２５は、ウェーハステージ１０に設けられた開口１０ｃを介してウェーハ１３の裏面１３ｂに第２の測定光を照射する。第２受光器２７は、ウェーハ１３の裏面１３ｂで反射された第２の測定光を検出する。

第１光源２１および第２光源２５には、例えば、Ｈｅ‐Ｎｅレーザを用い、第１受光器２３および第２受光器２７には、例えば、シリコンフォトダイオードを用いることができる。

ウェーハステージ１０は、制御部３０により制御される駆動装置１５により、上昇および下降する。そして、ウェーハステージの上昇および下降にともなって変化するウェーハ１３の表面１３ａおよび裏面１３ｂの位置に対応した信号が、第１受光器２３および第２受光器２７から出力される。

制御部３０は、第１受光器２３が出力する信号に基づいて、第１の位置情報であるウェーハ１３の表面１３ａの位置情報を取得し、第２受光器２７が出力する信号に基づいて、第２の位置情報であるウェーハ１３の裏面１３ｂの位置情報を取得する。そして、制御部３０は、ウェーハ１３の表面１３ａおよび裏面１３ｂの位置情報に基づいて、例えば、ウェーハ１３の表面１３ａの位置を特定する。

投影露光装置１００では、レチクル７に形成された露光パターンを１つの転写単位として、ウェーハ１３の面内における位置を変えながらフォトレジストを露光する。そして、複数回の露光（ショット）を行うことにより、ウェーハ１３の表面１３ａに塗布されたフォトレジストの全面に露光パターンを転写する。この際、ショット毎に、ウェーハ１３の表面１３ａの位置を測定し、ウェーハステージ１０を露光位置に移動する。したがって、露光精度を向上させるには、ウェーハ１３の表面１３ａの位置を正確に測定することが望ましい。

実施形態に係る投影露光装置１００は、ウェーハステージ１０の第１主面１０ａの側、および、第２主面１０ｂの側に、それぞれ被処理ウェーハ１３の表面１３ａおよび裏面１３ｂの位置情報を取得する光学系測定を備える。これにより、ウェーハ１３の表面１３ａの位置を正確に特定することが可能となり露光精度を向上させる。

次に、図２を参照して、投影露光装置１００の露光シーケンスを説明する。図２は、投影露光装置１００の露光過程を示すフロー図である。

まず、ウェーハ１３が載置されたウェーハステージ１０を、第１主面１０ａに垂直な方向に上昇または下降、もしくはその両方の動きを行わせる（Ｓ０１）。そして、第１光源２１からウェーハ１３の表面１３ａに第１の測定光を照射し、表面１３ａで反射された第１の測定光を第１受光器２３で検出する。同時に、第２光源２５から開口１０ｃを介してウェーハ１３の裏面１３ｂに第２の測定光を照射し、裏面１３ｂで反射された第２の測定光を第２受光器２７で検出する。

次に、制御部３０は、第１受光器２３が出力するウェーハステージ１０の動きに応じた信号に基づいて、ウェーハ１３の表面１３ａの位置情報を得る。さらに、第２受光器２７が出力するウェーハステージの動きに応じた信号に基づいて、ウェーハ１３の裏面１３ｂの位置情報を得る。

例えば、第１光源から放射される第１の測定光の全てが第１受光器２３の受光面に入射した時に、第１受光器の信号出力は最大となり、ウェーハ１３の表面の位置が移動し第１受光器の受光面に入射する第１の測定光の割合が減少するにつれて、第１受光器の信号出力は低下する。したがって、第１受光器２３の信号出力が最大となるウェーハステージ１０の位置を検知することにより、ウェーハ１３の表面１３ａと、ウェーハステージ１０と、の相対的な位置関係を把握することができる。同様に、第２受光器２７の信号出力が最大となるウェーハステージの位置を検知することにより、ウェーハ１３の裏面１３ｂと、ウェーハステージ１０と、の相対的な位置関係を把握することができる（Ｓ０２）。

次に、制御部３０は、ステップ２（Ｓ０２）で取得した位置情報の精度を検証する。例えば、制御部３０にウェーハ１３の厚さの情報が予め入力されているとすれば、制御部３０は、第１受光器２３から取得したウェーハ１３の表面１３ａの位置情報と、第２受光器２７から取得した裏面１３ｂの位置情報と、ウェーハ１３の厚さの情報と、に基づいて、ウェーハ１３の表面１３ａの位置を特定することができる。

例えば、ウェーハ１３の表面１３ａの高さと裏面１３ｂの高さの差が、ウェーハ１３の厚さに一致すれば、第１の受光器２３および第２の受光器２７から取得した位置情報が正しいものとして、表面１３ａの位置を特定する。一方、表面１３ａの高さと裏面１３ｂの高さの差が、ウェーハ１３の厚さに一致しなければ、第１の受光器２３および第２の受光器２７から取得した位置情報を補正する。

ウェーハ１３の表面１３ａの高さと裏面１３ｂの高さの差が、ウェーハ１３の厚さに一致するか否かの判定には、例えば、閾値を用いることができる。すなわち、ウェーハ１３の表面１３ａの高さと裏面１３ｂの高さの差から算出されるウェーハ厚と、入力されたウェーハ１３の厚さとの違いが、ある閾値を越えたときに不一致と判定し、その閾値以内であれば一致と判定する。例えば、投影パターンの許容できる収差に基づいて閾値を設定することができる。

算出されたウェーハ厚が、入力されたウェーハ１３の厚さと一致しない場合、例えば、裏面１３ｂの高さを基準として、入力されたウェーハ１３の厚さを加えた高さを表面１３ａの位置として特定しても良い。

次に、ウェーハ１３の表面１３ａおよび裏面１３ｂの位置情報に基づいて、ウェーハ１３の表面１３ａに塗布されたレジストを露光するウェーハステージ１０の露光位置を決める（Ｓ０３）。例えば、制御部３０は、特定したウェーハ１３の表面１３ａの位置と、予め検出した露光光学系２０の焦点とウェーハステージ１０との相対位置と、に基づいて、表面１３ａの高さが露光光学系２０の焦点位置に一致するように、ウェーハステージ１０の露光位置を決定する。

続いて、制御部３０は、駆動装置１５を制御してウェーハステージ１０を露光位置に移動させる（Ｓ０４）。そして、図示しないシャッター機構を稼動させてウェーハ１３の表面１３ａに塗布されたフォトレジストを露光する（Ｓ０５）。

次に、露光した位置が、ウェーハ１３の面内における最後のショット位置であるか否かを判断し、最後のショット位置であれば、ウェーハ１３の露光を終了する。一方、露光すべき領域が残っていれば、次のショット（露光）位置に移動し、Ｓ０１〜Ｓ０５のステップを繰り返す。

上記の通り、実施形態に係る投影露光装置１００では、ウェーハステージ１０の第１主面１０ａの側、および、第２主面１０ｂの側に、それぞれ配置された光学測定系により被処理ウェーハ１３の表面１３ａおよび裏面１３ｂの位置情報を取得し、その位置情報の精度を検証することができる。これにより、光学測定系の測定光に対して透明なワイドギャップウェーハや絶縁性ウェーハを露光する場合にも、露光位置を正確に決定することが可能となり、露光品質を向上させることができる。

例えば、窒化物半導体を材料とする半導体素子には、可視光に対して透明なサファイア基板が用いられる。サファイア基板の表面に塗布されたフォトレジストを露光する際には、表面に形成されたパターンの段差や、窒化物半導体層とサファイア基板との界面における測定光の反射のために露光位置の誤認が生じ易い。このため、実施形態に係る投影露光装置１００を用いることにより露光位置の誤認を防ぎ、微細パターンの露光が可能となる。

また、透明ウェーハに限らず、第１主面１０ａの側に配置された光学測定系を用いてウェーハ１３の表面１３ａの位置を正確に決定できない場合に、第２主面１０ｂの側の光学測定系を用いて裏面１３ｂの位置を測定し、それに基づいてウェーハステージ１０の露光位置を決定することも可能である。

〔第２の実施形態〕
図３は、第２の実施形態に係る露光装置のウェーハステージ４０を模式的に示す。図３（ａ）は、ウェーハステージ４０のＩＶａ−ＩＶａ断面を示す模式図であり、図３（ｂ）は、第２主面４０ｂの側からの平面視を示している。

図３（ａ）に示すように、ウェーハステージ４０には、第１主面４０ａの側から第２主面４０ｂの側へ貫通した複数の開口４０ｃが設けられる。そして、被処理ウェーハ１３は、複数の開口４０ｃを覆って。第１主面４０ａの側に載置される。

複数の開口４０ｃは、図３（ｂ）に示すように、ウェーハ１３が載置される部分に均等に設けられる。

図４は、ウェーハステージ４０のフォーカシング機構を模式的に示す断面図である。同図に示すように、ウェーハステージ４０の第１主面４０ａの側に、第１光源４１ａ、４１ｂと、第１受光器４３ａ、４３ｂを含む複数の光学測定系が設けられる。第１光源４１ａと第１受光器４３ａとを含む光学測定系と、第１光源４１ｂと第１受光器４３ｂとを含む光学測定系とは、それぞれウェーハ１３の表面１３ａの異なる部分の位置を測定する。

一方、第２主面４０ｂの側にも、第２光源４５と、第２受光器４７と、を含む光学測定系が、各開口４０ｃに設けられ、ウェーハ１３の裏面１３ｂのそれぞれの開口４０ｃに露出した部分の位置を測定する。

ウェーハステージ４０では、ウェーハ１３の表面１３ａおよび裏面１３ｂにおける複数の部分の位置を測定することにより、露光位置の誤認の防止を精度良く行う。例えば、複数の部分ごとに高さを測定し、その値のバラツキに対して閾値を設定する。そして、バラツキが閾値を越えたときに、測定した高さに誤りがあると判定し補正を行う。

また、ウェーハ１３に反りがある場合には、その面内の複数の部分の位置情報に基づいてウェーハ１３の反り量を算出し、その反り量に基づいてウェーハステージ４０の露光位置をショット毎に決定することが可能となる。

例えば、サファイア基板にＧａＮ系窒化物半導体層をエピ成長した場合、両者の熱膨張係数の差に起因して、ウェーハに反りが生じる。この反りは、サファイア基板および窒化物半導体層の物性に基づいてシミュレーションすることが可能である。したがって、ウェーハ１３の複数の部分の位置情報から算出される反り量と、シミュレーションされた反り量と、に基づいて、ウェーハ１３の表面１３ａの高さを精度良く特定することが可能となる。これにより、ショット毎の露光位置を、ウェーハ１３の反りに合わせて補正し、露光精度を向上させることができる。

〔第３の実施形態〕
図５は、第３の実施形態に係る露光装置のウェーハステージ５０を模式的に示す断面図である。同図に示すように、ウェーハステージ５０は、その第１主面５０ａの側から第２主面５０ｂの側に貫通する開口５０ｃを有する。そして、第１主面５０ａの側から開口５０ｃを覆うサブステージ５９が配置され、被処理ウェーハ１３は、サブステージ５９の表面５９ａの上に載置される。

ウェーハステージ５０の第１主面５０ａの側には、第１光源５１および第１受光器５３を含む光学測定系が配置される。一方、第２主面５０ｂの側には、第２光源５５ａ、５５ｂ、および第２受光器５７を含む光学測定系が配置される。

サブステージ５９には、ウェーハステージ５０の第２主面５０ｂの側に配置された第２光源５５が放射する第２の測定光を透過する材料、例えば、石英のような可視光を透過する材料を用いる。これにより、第２光源５５から放射される第２の測定光は、ウェーハ１３の裏面１３ｂで反射され、第２受光器５７で検出することができる。

ウェーハステージ５０においても、前述したウェーハステージ４０と同じように、第２主面５０ｂの側に複数の第２光源５５ａおよび５５ｂを配置することにより、ウェーハ１３の裏面１３ｂの複数の部分について位置情報を取得することが可能となる。これにより、ウェーハ１３の反りに合わせてウェーハステージ５０の露光位置を補正することができる。

図５に示すように、1つの第２受光器５７を用いて複数の第２光源５５が放射する第２の測定光を検出してもよい。例えば、第２受光器５７は、第２光源５５ａおよび５５ｂが放出する測定光に含まれる信号のそれぞれに同期して信号光を検出する。これにより、第２光源５５ａおよび５５ｂの信号光を区別して検出し、ウェーハ１３の裏面１３ｂの異なる部分の位置情報を取得する。また、第２受光器５７として、２次元光センサを用いることができる。その場合、第２受光器５７において検出される測定光の位置をトレースすることにより、ウェーハ１３の裏面１３ｂにおける測定光を反射した部分の位置情報を取得することができる。

以上、第１〜第３の実施形態を例に説明したが、上記の例に限定されることなく、例えば、ウェーハステージに設けられる開口の数、および、第１主面および第２主面のそれぞれの側に配置する光学測定系の数は任意である。

また、実施形態に係るウェーハステージを用いることにより、所謂両面位置合わせ露光が可能である。すなわち、ウェーハステージに設けられる開口を介して、第２主面側から被処理ウェーハに設けられた位置合わせマークを認識し、ウェーハの表面側における面内の露光位置を決定することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

３・・・露光光源、 ５・・・コンデンサレンズ、 ７・・・レチクル、 ９・・・投影レンズ、 １０、４０、５０・・・ウェーハステージ、 １０ａ、４０ａ、５０ａ・・・第１主面、 １０ｂ、４０ｂ、５０ｂ・・・第２主面、 １０ｃ、４０ｃ、５０ｃ・・・開口、 １３・・・ウェーハ、 １３ａ・・・表面、 １３ｂ・・・裏面、 １５・・・駆動装置、 ２０・・・露光光学系、 ２１、４１ａ、４１ｂ、５１・・・第１光源、 ２３、４３ａ、４３ｂ、５３・・・第１受光器、 ２５、４５、５５・・・第２光源、 ２７、４７、５７・・・第２受光器、 ３０・・・制御部、 ５９・・・サブステージ、 ５９ａ・・・表面、 １００・・・投影露光装置

Claims (5)

1. 第１主面と、前記第１主面の反対側の第２主面と、を有するステージであって、前記第１主面から前記第２主面に貫通した開口を有し、前記開口を覆って前記第１主面側にウェーハが載置されるステージと、
   前記第１主面側に設けられ、前記ステージに載置されたウェーハの表面に第１の測定光を照射する第１光源と、
   前記ウェーハの表面で反射された前記第１の測定光を検出する第１受光器と、
   前記第２主面側から前記開口を介して前記ウェーハの裏面に第２の測定光を照射する第２光源と、
   前記ウェーハの裏面で反射された前記第２の測定光を検出する第２受光器と、
   を備えたことを特徴とする投影露光装置。
2. 前記第１受光器の信号に基づいて第１の位置情報を取得し、
   前記第２受光器の信号に基づいて第２の位置情報を取得し、
   前記第１の位置情報および前記第２の位置情報に基づいて、前記ウェーハの表面に塗布されたレジストを露光する前記ステージの露光位置を決定する制御部をさらに備えたことを特徴とする投影露光装置。
3. 第１主面と、前記第１主面の反対側の第２主面と、を有するステージであって、前記第１主面から前記第２主面に貫通した開口を覆って前記第１主面側にウェーハが載置されたステージを、前記第１主面に垂直な方向に上昇または下降、もしくはその両方の動きを行わせるステップと、
   前記第１主面側に設けられた第１光源から前記ステージに載置されたウェーハの表面に第１の測定光を照射し、前記ウェーハの表面で反射された前記第１の測定光を検出した第１受光器が出力する前記ステージの動きに応じた信号に基づいて、第１の位置情報を得るステップと、
   前記第２主面側に設けられた第２光源から前記開口を介して前記ウェーハの裏面に第２の測定光を照射し、前記ウェーハの裏面で反射された前記第２の測定光を検出した第２受光器が出力する前記ステージの動きに応じた信号に基づいて、第２の位置情報を得るステップと、
   前記第１の位置情報および前記第２の位置情報に基づいて、前記ウェーハの表面に塗布されたレジストを露光する前記ステージの露光位置を決めるステップと、
   を備えたことを特徴とする投影露光方法。
4. 前記第１の位置情報、前記第２の位置情報および前記ウェーハの厚さに基づいて、前記露光位置を決めることを特徴とする請求項３記載の投影露光方法。
5. 前記第１の位置情報および前記第２の位置情報に基づいて前記ウェーハの反り量を算出し、前記反り量に基づいて前記ステージの前記露光位置を決めることを特徴とする請求項３または４に記載の投影露光方法。

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