JP2652896B2 - 露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体製造用の露光装置に関し、特にマスク
とウエハのアライメント（合わせ）を行う方式の中で、
テレビカメラを用いた画像処理方式によるアライメント
の改良に関するものである。

［従来の技術］ 従来、半導体露光装置のアライメント方式には、例え
ば特公昭63−37321号、63−135654号等に記載されてい
るように線または帯状を成すアライメントマーク上を細
い径のレーザビームにより一次元的に走査しその反射光
電信号からマスクとウエハの位置合せ（アライメント）
を行う方式がある。この時露光光波長は例えば300〜450
nm、レーザ光波長は633nmの非露光光を用いる。

他のアライメント方式にはマスクとウエハのアライメ
ントマークをTVカメラに撮像し、２次元的に両者のアラ
イメントを行う方式もある。この時TVカメラに撮像する
ための照明光が必要であり、例えば本出願人による既提
案の技術によれば546nmおよび578nmにピークのある光を
使う例もある（第２図の実線部）。露光光は前述の300
〜450nmとしアライメント照明光による露光を避けた波
長を用いることが望ましい。

上記提案によるTVカメラアライメント方式によればア
ライメント用照明光を光学的分割方法により得ることが
でき、装置の大型化を避けることができる。

しかし、この照明光は前記した如く、546nmおよび578
nmにピークを有する光であり、露光のために塗られたウ
エハ上のレジストの厚さ、或いはウエハ上のアライメン
トマークの段差量によってTVカメラに撮像されるアライ
メントマークのコントラストが異ってくる。このためあ
る条件下においては、光の干渉によってコントラストが
はっきりせずマークの検出が不可能な場合があった。

第４図はウエハ断面を示す。401は基板、402はレジス
ト、403はアライメントマーク、404は照明光を示す。

光の干渉条件は下式による（第４図：ウエハの断面図
参照）。

ここでt:レジスト厚、n:レジストの屈折率、λ：照明
光波長、ｍ＝０、１、２、３……（整数）である。

上式が成り立つ時干渉により反射光は弱め合い暗くな
る。

例えば、λ＝578nm,n＝1.5、ｍ＝５のときｔ≒1060nm
であり、またλ,nが同条件でｍ＝４のときｔ≒867nmで
ある。このとき両者の差は193nmとなる。

従来、半導体集積回路をウエハ上に作り込んでいく過
程で、前述の如きアライメントマークが検出不能になら
ない様、事前に試作確認等を行っていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、試作確認により干渉が生じないよう工程を設
定しても、製造時のわずかな制御不安定によりレジスト
膜厚や段差量が変化し光干渉の条件が整い検出不能とな
る場合があった。

検出不能な場合には装置は自動作動ができずオペレー
タによる手動アライメントが必要になっていた。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなされたもので
あって、光干渉によるアライメント不能を確実に防止す
る半導体製造用露光装置の提供を目的とする。

［課題を解決するための手段および作用］ 前記目的を達成するため、本発明では、TVカメラアラ
イメント方式によるアライメント照明光として前述の54
6nmおよび578nmとは別の波長の照明光を用意し、一方の
光でアライメント不能時には別に用意した照明光によっ
てこれを可能にする。

本発明によればアライメント照明光として既述の546n
m,578nmにピークのある波長の光（水銀ランプ光の一
部）および波長633nmにピークのあるHeNe（ヘリウムネ
オン）レーザ光を用いることにより、各々単一光による
光干渉作用を相互に回避することができる。

即ち第２図の非露光領域中の点線波長（633nm）光を
別に設けるものである。

これが有効であることは光の干渉条件を示す（１）式
によっても理論的に裏づけられる。

一般に半導体集積回路を製造するときウエハに塗布す
るレジスト厚は1000nm（１μｍ）近辺が多い。またその
厚さの制御はプラスマイナス数パーセント程度の変動が
予測される。レジストの光屈折率ｎは1.5程度のものが
よく使われる。

以上の条件で（１）式より光干渉で反射光が弱められ
るレジスト厚ｔ（単位:nm）を求め下表に示す。

上記表１から水銀ランプ光とHeNeレーザ光とは相互に
干渉作用を補完し合っていることが判る。

但し水銀ランプ光は異波長光（546、578nm）の混合光
であるがこれらのみでは干渉作用を避けることはできな
いことは実験的に判っている。

本来光干渉作用を生じさせないためには連続的に広帯
域の波長の光を発光する光が有効であるが、高い発光効
率を有し強輝度の光源がなく広帯域発光光源は大がかり
なものになる。

本発明ではアライメントマーク照明光として546nm、5
78nmにピークを有する水銀ランプ光および633nmにピー
クを有するHeNeレーザ光各々を単独に切換使用しても良
く、両者をミックスして使用しても良い。

ミックスして用いる場合には各ピーク波長光の強度が
ほぼ1:1:1のときが最も干渉作用が少ない。強度の偏り
があった場合には干渉作用が発生することが理論的にも
実験的にも判明した。

［実施例］ 第１図は本発明の位置合わせ装置を投影型露光装置に
適用したときの一実施例の概略図である。

本発明による露光装置は２種類のアライメント手段を
選択して使用可能である。

一つは第５図（ａ）に示すようなマスクパターンおよ
び同図（ｂ）に示すウエハパターンを配列し同図（ｃ）
のようにウエハ面上で重ね合せレーザ光601で走査する
ことにより各パターン間隔W₁〜W₅に基づいて該マスクと
ウエハの位置合せを行う手段である。

他の１つのアライメントマークをTVカメラに撮像し画
像処理等を行って位置合せを行なう手段である。

第１図は本発明の上述の両者の位置合せ手段を投影型
露光装置に適用したときの一実施例の概略図である。

前者の手段は同図において、HeNeレーザ100からの光
束は、ミラー101を光軸から退避させた状態でミラー30
（31）、シリンドリカルレンズ29、ミラー28そしてレン
ズ27を介した後、回転しているポリゴンミラー26で反射
し、射出光束をテレセントリックとするとｆθレンズ25
に入射する。ｆθレンズ25はその入射瞳面をポリゴンミ
ラー26の反射面に一致させている。ｆθレンズ25を通過
した光束はハーフミラー22、レンズ21を介しダハプリズ
ム20により左右２つのアライメント光学系に分けられ
る。

本実施例では左右のアライメント光学系は対称となっ
ている為に以下は右方のアライメント光学系について説
明する。

ダハプリズム20で分けられた光束はハーフミラー15で
反射した後、レンズ14、ハーフミラー５を通り、対物レ
ンズ４によりｆθレンズ25の像画若しくはその共役面で
あるレチクル（マスクと同意語）３面上および投影光学
系２によるその共役面であるウエハ１面上に入射し、ポ
リゴンミラー25を回転させることによりテレセントリッ
クな状態でウエハ１面上を走査する。

レチクル３面上とウエハ１面上には不図示の位置整合
用の識別マークとしてのアライメントパターンが各々左
右２ケ所に設けられている。そして光束がアライメント
パターン近傍を通過した場合にはアライメントパターン
のエッジのない部分では正反射し所謂非散乱光となり入
射してきた光路と同じ光路を戻り、エッジのある部分で
は回折や乱反射し所謂散乱光となり入射してきた光路と
同じ光路を戻る。

このうち対物レンズ４を通過した非散乱光と散乱光は
ハーフミラー５で２つに分割される。ハーフミラー５で
反射した光束はハーフミラー６で反射した後MD系に導光
される。一方ハーフミラー５を通過した光束はハーフミ
ラー15を通過しMW系に導光される。

MD系はレンズ９、ミラー10、スリット11、コンデンサ
レンズ12そして受光部13を有しておりレチクル３面上の
第１識別マークとしてのレチクルアライメントパターン
からの非散乱光と散乱光が入射している。

MW系はミラー16、コンデンサレンズ17、スリット18そ
して受光部19を有しており、レチクル３とウエハ１面上
の第２識別マークとしてのウエハアライメントパターン
からの非散乱光と散乱光が入射している。（尚、MW系で
はウエハ面上のウエハアライメントパターンからの信号
光のみを用いるようにしている。）MW系とMD系に入射し
た光束は対物レンズ４の瞳面と共役な位置に配置された
中心部分が不透明のスリット11、18により散乱光のみを
通過させ受光部13、19で受光している。

このようにして本実施例ではアライメントパターンか
らの散乱光を検出し、レチクル３とウエハ１とのズレ量
を検出して位置整合を行なっている 尚、同図において、７はコンデンサレンズ、23はエレ
クターレンズ、24は接眼レンズである。第１図に示す位
置合せ装置におけるレチクル３とウエハ１との位置整合
方法に関しては本出願人による特開昭53−135654号に詳
しく説明されている。

アライメント手段の後者は同図において、201は光源
で例えば第２図の分光特性を有する超高圧水銀ランプや
エキシマレーザー等の広い波長域に発振スペクトルを有
する光源より成っている。202は楕円ミラーであり、光
源201として例えば水銀ランプ等を用いたときの、該光
源からの放射光束を有効に集光する為のものである。20
3は光分割手段であり、例えばコールドミラー等から成
り、主に第２図に示すように露光に必要な紫外線に相当
する露光領域の光束を反射させ、それ以外の分光特性の
非露光光束を通過させる特性を有している。204はシャ
ッターであり露光時以外にコールドミラー203からの露
光光を遮断している。205はフライアイレンズであり射
出光束の配光特性を調整し、被照射面であるレチクル３
面上の照度分布の均一化を図っている。206はミラー、2
07はコンデンサレンズでありミラー206からの光束によ
りレチクル３面上を照射している。図は簡単のためコン
デンサレンズ207とレチクル３、投影光学系２、ウエハ
１とは切離して示されている。

一方コールドミラー203を通過した第２図の非露光領
域に相当する非露光光は熱線フィルター221に入射させ
ている。

熱線フィルター221は非露光光のうち後述する照明用
として不要な赤外線に相当する熱線を遮断している。22
2はNDフィルターであり通過光量を調整している。223は
ライトガイド（光ガイド）であり、射出端が二肢に分離
しているグラスファイバーなどから成っており入射端か
らの入射させた光束を二肢の射出端より後述する右系と
左系の２つの観察系に導光している。

224は集光レンズでありライトガイド223からの光束を
集光している。この光はミラー225、ハーフミラー105、
ハーフミラー６を通過しコンデンサレンズ７で集光し、
ミラー５を介して対物レンズ４に入射させる。対物レン
ズ４を出た光はレチクル３面上を照明し、更に投影光学
系２を介してウエア１面上のアライメントマークを照明
している。

レチクル３およびウエハ１面上のアライメントマーク
からの反射（散乱）光束は対物レンズ４、ミラー５そし
て集光レンズ14を介してハーフミラー15で反射させた後
ダハプリズム20、レンズ21、ハーフミラー22を介してエ
レクターレンズ23を入射させている。エレクターレンズ
32はダハプリズム20からの光束を集光しミラー301、ミ
ラー302を介してTV−カメラ303の撮像面に導光してい
る。

本実施例では集光レンズ224からミラー15に至る光路
中の各要素で右系の観察系を、集光レンズ224′からミ
ラー15′に至る光路中の各要素で左系の観察系を構成し
ている。

そして右系と左系によって形成される撮像面上のアラ
イメントマークの像をTV−カメラ303で観察している。
なお、この像は接眼レンズを介してオペレータの肉眼で
も観察できる。

本実施例においてアライメントマークの観察時にはシ
ャッタ204を閉じ、レチクル３面上への露光光の入射を
遮光している。又露光時にはミラー５と対物レンズ４を
有効光束外に退避させシャッタ204を開いてレチクル３
面上へ露光光を照射する。

本実施例では光分割手段203としてコールドミラーを
利用し、光源201からの光束のうち主に紫外領域の光束
を反射させ露光光として用い、それよりも波長の長い光
束を透過させて非露光光として用いて光源201から放射
される光束の有効利用を図っているのを特徴としてい
る。

そして露光光を照明系を介してマスク面上のパターン
を照射し、非露光光をスポット状の光束に集光させ、ラ
イトガイド等と観察系を介してマスク面上およびウエハ
面上のアライメントマークを照明している。

本発明はアライメントの後者の手段（TVカメラによる
手段）に於てアライメントマークの照明手段として別の
手段を設けている。

すなわちHeNeレーザ100からの光をミラー101を介して
（このときレーザ光はアライメントの前者の手段には無
効となる。）別光学系に導かれる。ミラー101を経たレ
ーザは拡散板102により拡散され光ガイド103に入射す
る。光ガイドによって導かれた光は光ガイド端103bより
集光レンズ104、ミラー105、集光レンズ７、ミラー６、
ミラー５、対物レンズ４を経てレチクル３面上を照明す
る。この仕組は前述の水銀ランプ201よりの照明光の場
合と同様であり、以下は省略する。

この時、本図では水銀ランプ201による照明光とHeNe
レーザ100による照明光とはミラー105、およびミラー22
5により混合されてアライメントマークを照明する例を
示しているが、一方の光ガイド端223bまたは光ガイド端
103bをこの光軸外に退避させることによりまたはシャッ
タ等で遮ることにより単一光によりアライメントマーク
を照明することもできる。

いづれかの単一光であっても両者の混合光であっても
アライメントのための照明光として本発明の目的に合っ
たものである。

以上はアライメント照明光源として別のアライメント
手段に用いているHeNeレーザ100を利用した例について
説明したが、別個に用意したHeNe（ヘリウムネオン）レ
ーザを使用しても本発明の目的を達成するものである。

また該光源用レーザもHeNeレーザでなくても、630nm
近辺の光を発する光源であればよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明による位置合せ手段によ
れば例えば水銀ランプ照明光で前述した光干渉作用で位
置合せ不能なときには即座にHeNeレーザ光照明に切替え
ることによりコントラストのはっきりした画像が得られ
る位置合せが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるアライメント手段を備えた露光装
置の光学系構成図、 第２図は照明光の波長特性図、 第３図はウエハ基板の断面図、 第４図（ａ），（ｂ），（ｃ）はアライメント方式の１
例の説明図である。 100……HeNeレーザ、 201……水銀ランプ、 １……ウエハ、 ３……レチクル。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスクおよびウエハの回路パターン面を照
   明する第１の光源と、該第１の光源からの光を分岐して
   前記マスクおよびウエハのアライメントパターンを照明
   するための光ガイド手段と、照明されたアライメントパ
   ターンの撮像手段と、前記第１の光源の波長特性と異な
   る光を発する第２の光源と、該第２の光源の光を前記ア
   ライメントパターンに照射するための光学系と、前記第
   １および第２の光源のいづれか又は両方で前記アライメ
   ントパターンを照明するための光源切換え手段を具備し
   たことを特徴とする露光装置。
2. 【請求項２】前記撮像手段は、画像処理によりアライメ
   ント制御を行う第１のアライメント手段のTVカメラから
   なり、前記第２の光源は、レーザー光によりアライメン
   トパターンを走査し反射光を検出してアライメント制御
   を行う第２のアライメント手段の前記レーザー光の光源
   からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   露光装置。
3. 【請求項３】前記第１の光源は水銀ランプからなり、前
   記第２の光源はHe−Neレーザーからなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載の露光装置。