JP2636676B2 - 露光装置及びその焦点合わせ方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、露光装置及びその焦点
合わせ方法に関し、特に半導体集積回路の製造に好適な
露光装置及びその焦点合わせ方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路では、ウエハ上のパター
ン形成において露光装置が採用される。図４は、従来の
露光装置の一例を示すもので、光を利用した自動焦点合
わせ装置を備える縮小投影露光装置の構成を示してい
る。同図において、Ａ１は縮小投影露光装置本体（以
下、縮小投影露光装置と呼ぶ）を示し、Ａ２は、この縮
小投影露光装置と組合せて用いられる自動焦点合わせ装
置を示している。

【０００３】縮小投影露光装置Ａ１において、光源を成
す水銀灯１の光は、一点鎖線１２で示されるように、凹
面鏡２により反射・集光され、第一の反射鏡３によりそ
の方向が変えられてコリメータ４に入射する。コリメー
タ４により平行光となった光は更にインテグレータ５に
入射する。インテグレータ５は、光を均一化して照度ム
ラを少なくするために設けられ、光は、このインテグレ
ータ５から第二の反射鏡６に入射し、第二の反射鏡６で
反射された光は、集光用のコンデンサレンズ７を経由し
てマスク８に入射する。

【０００４】マスク８には、例えば原寸パターンの４〜
１０倍の大きさのパターンが形成され、その前方光軸上
には縮小投影レンズ９が設けられている。縮小投影レン
ズ９の出射光は、マスク８上のパターンを、ウエハ１１
表面上の２０mm×２０mm程度の四辺形の露光領域に結像
する。ウエハステージ１０を移動することで、各露光領
域が順次露光され、ウエハ１１全面が露光される。

【０００５】自動焦点合わせ装置Ａ２では、発光ダイオ
ード２０からの出射光は、一点鎖線２８で示されるよう
に、第一凸レンズ２１により集束されて第一スリット２
２を通過する。この第一スリット２２の通過光は、第二
凸レンズ２３により集束されて、ウエハ１１上の点２９
に第一スリット２２の像を結ぶ。更にウエハ１１上の点
２９で反射した光は、第三の凸レンズ２４を経て振動反
射鏡２５に入射する。この振動反射鏡２５により微小角
度の振動が与えられた光は、第二スリット２６において
再び像を結んでフォトダイオード２７に入射する。

【０００６】振動反射鏡２５は、振動によりその反射角
度を微小変化させるもので、ある反射角度と、そのとき
のフォトダイオード２７の感度との関係により、ウエハ
ステージ１０の所定の上下位置が検出される。即ち、フ
ォトダイオード２７の感度が最大となるような位置にウ
エハステージ１０を上下方向に移動させることにより、
ウエハ１１を縮小投影レンズ９の焦点に対して所定の上
下位置に設定する。このような自動焦点合わせ装置によ
り、ウエハ１１上の設定された点２９の縮小投影レンズ
９の焦点に対する誤差を±０．２μm以内とすることが
出来る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の露光装置に
おける自動焦点合わせ装置では以下のような問題点があ
った。即ち、自動焦点合わせ装置により、ウエハ１１上
の設定された点２９は、露光領域内の予め設定された点
で、露光領域内中央の一点のみ、又は多くとも５点程度
であり、露光領域を変化させた場合にもその設定を変更
することが出来ないという点である。他方、実際のウエ
ハ１１表面全体の平坦度は焦点深度を越えるほど大き
い。

【０００８】図５は、ウエハ表面と縮小投影レンズの焦
点面との関係を示すもので、光軸を通る平面での中央断
面図として示している。同図に示したように、焦点面の
中央断面は、曲線５２で示されるように湾曲しているの
で、ウエハ表面５３の２０mm×２０mm程度の広さの露光
領域内においては、焦点面５２の光軸上の位置と焦点面
５２の外縁部の位置との上下方向の距離は０．６μm程
度となる。露光領域全体としてのウエハ表面５３の上下
位置を検出するために、自動焦点合わせ装置により、ウ
エハ表面５３の所定の焦点合わせ位置において上下位置
を検出する。例えば５点検出の場合、その５点における
縮小投影レンズの焦点がウエハ表面５３に最も近くなる
ようにウエハステージ１０を上下方向に移動させ、且
つ、傾斜させる。

【０００９】ところが、実際のウエハ表面５３には１．
０μm程度の凹凸があり、その凹凸がデバイスの種類に
より異なることから、露光装置によって定まる露光領域
内の特定の位置のみの焦点合わせでは、焦点面５２から
のウエハ表面５３のずれａが大きく、その最大のときに
は、焦点深度±１μmを越える場合がある。

【００１０】上記従来の問題点を解決すべき露光装置と
して、特開昭６３−３６５２６号公報に記載の公知例が
ある。この公知例では、電圧印加により変形する圧電物
質を有し、この圧電物質の変形量に応じて上下動して露
光領域を変形させる複数の圧電駆動ピンを収容したウエ
ハチャックにより、ウエハ表面の凹凸を吸収する。しか
し、この装置は、圧電ピンを収容するウエハチャックを
採用するため、構造が複雑で且つ高価でもある。

【００１１】本発明の目的は、上記に鑑み、構造が複雑
でも或いは高価でもなく、露光領域の大きさやデバイス
の種類の相違にも拘らず、ウエハ表面のために最適な焦
点位置を検出して、安定なパターンを形成することが出
来る露光装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の露光装置は、ウエハを支持するためのウエ
ハステージと、ウエハに形成されるべきデバイスの種類
に関する第１の情報と、各デバイスに対応して前記ウエ
ハのスクライブ線上で合わせられる焦点の位置に関する
第２の情報と、その位置からパターン形成面までの高さ
に関する第３の情報とを記憶する記憶手段と、 前記第１
及び第２の情報に基づいてウエハの露光領域での焦点位
置を指定する位置指定手段と、前記指定された焦点位置
における上下位置に関する位置信号を検出する上下位置
検出手段と、前記位置信号及び前記記憶手段に記憶され
た第３の情報に基づいて、各露光領域毎のウエハステー
ジの上下位置及び傾斜を演算する演算手段と、前記演算
手段の演算に基づいて前記ウエハステージを上下移動又
は傾斜させるウエハステージ制御手段とを備えることを
特徴とする。

【００１３】また、本発明の露光装置のための焦点合わ
せ方法は、ウエハ表面に形成されるべきデバイスの種類
に関する第１の情報と、各デバイスに対応して前記ウエ
ハのスクライブ線上で合わせられる焦点の位置に関する
第２の情報と、その位置からパターン形成面までの高さ
に関する第３の情報とを記憶し、 前記第１及び第２の情
報に基づいてウエハの露光領域での焦点位置を指定し、
前記指定された焦点位置における上下位置に関する位置
信号を検出し、前記位置信号及び前記記憶された第３の
情報に基づいて露光領域毎のウエハステージの上下位置
及び傾斜を演算し、前記演算に基づいてウエハステージ
を上下移動又は傾斜させることを特徴とする。

【００１４】デバイスの種類毎の所定位置及び構造情報
は、焦点合わせに先立って外部から与えることが出来、
或いは、露光装置に内蔵する記憶手段に予め記憶させて
おくことも出来る。

【００１５】

【作用】デバイスの種類毎に選定される複数の所定位置
を露光領域毎に指定して上下位置を検出することで、各
所定位置毎に上下位置の情報が得られ、この上下位置の
情報とデバイスに特有の構造情報とに基づいて、その露
光領域全体について焦点合わせが最適となるようなウエ
ハの上下位置及び傾斜が選択できる。

【００１６】

【実施例】図面を参照して本発明を更に詳しく説明す
る。本発明の実施例の露光装置の構成は、先に参照した
図４に示した構成と同様である。同図を参照して実施例
の露光装置の構成を説明する。

【００１７】縮小投影露光装置Ａ１は、光源を成す水銀
灯１と、水銀灯１の光を反射・集光する凹面鏡２と、凹
面鏡２の反射光の方向を変える第一反射鏡３と、第一反
射鏡の光軸位置に配置され、その反射光を平行光に変え
るコリメータ４と、コリメータ４からの光を均一化して
照度ムラを少なくするインテグレータ５と、インテグレ
ータ５の前方に設けられる第二反射鏡６と、その反射光
の前方光軸位置に設置された集光用のコンデンサレンズ
７と、パターン形状が描かれ、コンデンサレンズからの
光が透過するマスク８と、マスクのパターン形状を即ち
１／４〜１／１０に縮小してウエハステージ１０上に配
置されたウエハ１１の上に結像させる縮小投影レンズ９
とから成る。縮小投影露光装置Ａ１の作用は、従来の縮
小投影露光装置について説明した作用と同様である。

【００１８】自動焦点合わせ装置Ａ２は、発光ダイオー
ド２０と、発光ダイオード２０からの光２８を集束させ
る第一凸レンズ２１と、第一凸レンズ２１の前方に配置
された第一スリット２２と、このスリット２２を通過し
た光をウエハ１１上の点２９に結像させる第二凸レンズ
２３と、ウエハ１１から反射された光を受けてこれを振
動反射鏡２５に入射させる第三凸レンズ２４と、振動反
射鏡２５により微小角度の振動を与えられた光の焦点位
置を成す第二スリット２６と、第二スリット２６を通過
した光を受光面に受けるフォトダイオード２７とを有す
る。

【００１９】自動焦点合わせ装置Ａ２では、振動反射鏡
２５がその反射角度を微小変化させ、ある反射角度とそ
のときのフォトダイオード２７の感度との関係でウエハ
ステージ１０の所定の上下位置を検出する。即ち、フォ
トダイオード２７の感度が最大となる位置にウエハステ
ージ１０を上下方向に移動させることにより、ウエハ１
１表面を、縮小投影レンズ９に対して所定の上下位置
に、例えばその焦点面に設定する。

【００２０】図１は、上記自動焦点合わせ装置Ａ２にお
いて採用される焦点合わせ位置を示すウエハの露光領域
の平面図である。同図では、焦点合わせ位置を参照符号
３１で示している。デバイスの種類の相違により露光領
域３２が異なるが、各デバイスの構造並びに露光領域の
情報は、予め露光装置全体を制御するＣＰＵに与えてあ
る。この情報に基づいて、露光領域３２の四隅にあるス
クライブ線上の４点と、露光領域３２内の中央附近の１
〜２点（図面上では１点）とを、露光領域３２毎の焦点
合わせ位置３１として設定する。

【００２１】中央の焦点合わせ位置３１は、チップ３３
とチップ３４との間のスクライブ線上に設定してある。
なお、露光領域の中央にスクライブ線がない場合には、
中央附近でスクライブ線が存在する位置にこの焦点合わ
せ位置３１を設定する。このようにスクライブ線上に焦
点合わせ位置３１を設定すると、露光領域内が非対称で
ある場合にも、スクライブ線上では段差が殆どないた
め、実際のデバイス構造に起因するウエハ表面の凹凸に
依存しないウエハ表面の上下位置を検出できる。

【００２２】図２は、図１のIIーII断面におけるウエハ
の露光領域の断面を、焦点面の断面と共に示している。
焦点合わせ装置によって、スクライブ線４１の上下位置
を縮小投影レンズの焦点面４２に合わせ、スクライブ線
４１から実際のパターン形成面４３迄のオフセット分を
差し引くことにより、焦点面４２とパターン形成面４３
との差を最小にすることが出来る。このオフセット分
は、予め露光装置に入力してある。露光領域の四隅の夫
々のスクライブ線４１の上下位置相互、並びにこれら
と、中央のスクライブ線３１の上下位置とは、必ずしも
一致しないが、各スクライブ線４１から夫々に隣接する
チップ表面４３であるパターン形成面迄の高さは、各焦
点合わせ位置３１相互で精度よく一致する。

【００２３】図３は、上記焦点合わせ処理及びこれに基
づいて実際に露光が行われる際の処理を示すフロー図で
ある。自動焦点合わせ装置は、予め、記憶したデバイス
情報から、スクライブ線上に定められたた５つの焦点合
わせ位置＃１〜＃５に関する情報を引き出している。ま
ず、ステップＳ１でウエハ上において１つの露光領域を
決定する。Ｎを１として、最初の焦点合わせ位置＃１を
選定すると共に、ウエハステージ１０を水平方向に移動
させて、自動焦点合わせ装置の像を、選定された＃１の
焦点合わせ位置に設定する（Ｓ２、Ｓ３）。

【００２４】次いで、自動焦点合わせ装置を作動させ
て、フォトダイオードの感度に従いウエハステージを上
下動させて、＃１の焦点合わせ位置において所定の上下
位置を検出する。このときのウエハステージの移動量に
基づいて＃１の上下位置を記憶する。次に、Ｎを２とし
て、＃２の焦点合わせ位置を選定し（Ｓ６、Ｓ７）、＃
１のときと同様に、＃２の焦点合わせ位置において所定
の上下位置を検出し、そのときの上下位置を＃１との比
較で記憶する。以下、同様に＃５迄の焦点合わせ位置に
おいて、所定の上下位置を検出し、そのときの上下位置
を順次記憶する。

【００２５】＃１〜＃５の焦点合わせ位置の全てについ
て、上下位置検出処理が終了すると（Ｓ７）、記憶され
た各焦点合わせ位置での上下位置情報と、デバイス毎に
定まるパターン形成面のスクライブ線からの高さ情報と
に基づいて、露光に最適なウエハステージの上下位置及
び傾斜が計算される（Ｓ８）。この計算に基づいて実際
にウエハステージの上下移動及び傾斜付けが行われ（Ｓ
９）、その位置及び傾斜を維持して露光が行われる（Ｓ
１０）。ウエハの他の露光領域についても同様に上記処
理が行われ、ウエハ全体の露光が終了した後、次のウエ
ハに処理が移される。

【００２６】上記の如き上下位置の検出処理を行うこと
により、デバイスの構造或いは露光領域の大きさの相違
に拘らず、パターン形成面を正確に縮小投影レンズの焦
点面に一致させて露光を行うことが出来る。例えば、こ
の焦点面とウエハ上のパターン形成面とを±０．５μm
以内の誤差範囲に納めることができ、最適な露光を可能
とする。

【００２７】なお、上記実施例では、５つの各焦点合わ
せ位置をスクライブ線上に定める例を示したが、焦点合
わせ位置は必ずしもスクライブ線上に定める必要はな
く、ウエハ上の所定位置でよい。また、焦点合わせ位置
を５点に定める必要もなく、各デバイスに最適な位置及
び点数を適宜選定しておくことが出来る。

【００２８】また、上記実施例では、各露光領域につい
て、５つの焦点合わせ位置で夫々上下位置を検出する例
を示したが、各露光領域の四隅の点であって、隣接する
露光領域相互に共通となる焦点合わせ位置では、何れか
一方の露光領域のみで上下位置検出を行うことで足り
る。この場合には、焦点合わせにおける処理能力を向上
させることが出来る。

【００２９】更に、上記実施例の構成は、単に例示であ
り、本発明の露光装置は、上記実施例の構成にのみ限定
されることを意図しない。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
特に複雑な構造を採用することなく、露光装置の投影レ
ンズの焦点面とウエハのパターン形成面との差を小さく
して露光を行うことが出来るので、特に大きな価格の上
昇を伴うことなく、精度が高いパターンを形成できる露
光装置を提供できたという顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】焦点合わせ位置を説明するためのウエハの平面
図。

【図２】焦点面とパターン形成面との関係を説明するた
めのウエハの断面図。

【図３】焦点合わせ及び露光処理を示すフロー図。

【図４】従来及び本発明の実施例の露光装置の構成を示
す模式的側面図。

【図５】従来の焦点合わせの問題点を説明するためのウ
エハの断面図。

【符号の説明】

１ 水銀灯 ２ 凹面鏡 ３ 第一反射鏡 ４ コリメータ ５ インテグレータ ６ 第二反射鏡 ７ コンデンサレンズ ８ マスク ９ 縮小投影レンズ １０ ウエハステージ １１ ウエハ ２０ 発光ダイオード ２１ 第一凸レンズ ２２ 第一スリット ２３ 第二凸レンズ ２４ 第三凸レンズ ２５ 振動反射鏡 ２６ 第二スリット ２７ フォトダイオード ３１ 焦点合わせ位置 ３２ 露光領域 ３３、３４ チップ ４１ スクライブ線 ４２、５２ 焦点面 ４３、５３ パターン形成面

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ウエハを支持するためのウエハステージ
   と、 ウエハに形成されるべきデバイスの種類に関する第１の
   情報と、各デバイスに対応して前記ウエハのスクライブ
   線上で合わせられる焦点の位置に関する第２の情報と、
   その位置からパターン形成面までの高さに関する第３の
   情報とを記憶する記憶手段と、 前記第１及び第２の情報に基づいてウエハの露光領域で
   の焦点位置を 指定する位置指定手段と、 前記指定された焦点位置における上下位置に関する位置
   信号を検出する上下位置検出手段と、 前記位置信号及び前記記憶手段に記憶された第３の情報
   に基づいて、各露光領域毎のウエハステージの上下位置
   及び傾斜を演算する演算手段と、 前記演算手段の演算に基づいて前記ウエハステージを上
   下移動又は傾斜させるウエハステージ制御手段とを備え
   ることを特徴とする露光装置。
2. 【請求項２】 ウエハ表面に形成されるべきデバイスの
   種類に関する第１の情報と、各デバイスに対応して前記
   ウエハのスクライブ線上で合わせられる焦点の位置に関
   する第２の情報と、その位置からパターン形成面までの
   高さに関する第３の情報とを記憶し、 前記第１及び第２の情報に基づいてウエハの露光領域で
   の焦点位置を 指定し、 前記指定された焦点位置における上下位置に関する位置
   信号を検出し、 前記位置信号及び前記記憶された第３の情報に基づいて
   露光領域毎のウエハステージの上下位置及び傾斜を演算
   し、 前記演算に基づいてウエハステージを上下移動又は傾斜
   させることを特徴とする、露光装置のための焦点合わせ
   方法。