JP2662236B2

JP2662236B2 - 投影露光方法およびその装置

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Publication number: JP2662236B2
Application number: JP63055442A
Authority: JP
Inventors: 進小森谷; 慎也中川; 秀一花島; 隆義大坂谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-03-08
Filing date: 1988-03-08
Publication date: 1997-10-08
Anticipated expiration: 2012-10-08
Also published as: JPH01228130A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、アライメント技術に関し、特に半導体装置
製造の際の縮小投影露光工程におけるマスクに対する半
導体ウエハ（以下単に、「ウエハ」と略称する）のアラ
イメントに適用して有効な技術に関する。

〔従来の技術〕

レチクル等のマスク上に遮光膜で形成された回路パタ
ーンをウエハ上に転写する技術としては、縮小投影露光
装置を用いた技術が一般的であるが、このときのウエハ
とマスクとの位置合わせは、たとえば以下のようにして
行なわれる。

すなわち、ウエハの表面に凹凸の段差形状によって形
成されたアライメントマークに対して、縮小投影レンズ
を通じて照明光を照射し、上記アライメントマークから
の反射光をビームスプリッタなどを介してTVカメラに入
射させ、この反射光の光量に基づいて電気信号を検出す
ることにより上記アライメントマークの位置を把握し、
マスクに対するウエハの目的露光領域の位置決めを行な
うものである。このような位置決め技術は、一般にスル
ー・ザ・レンズ（TTL）方式と呼ばれている。

上記TTL方式によるアライメント技術について記載さ
れている例としては、株式会社工業調査会、昭和61年11
月18日発行、「電子材料別冊、超LSI製造・試験装置ガ
イドブック」P101〜P109がある。

ところで、半導体集積回路の回路パターンの微細化に
ともなって、転写されるパターンも微細化してきてお
り、露光前の光学系の機器調整が高精度な露光を実現す
る上で必要不可欠となってきている。

このような機器調整に先だって、露光用プリセット値
としてXYθ方向のアライメントオフセット値ならびにベ
ストフォーカス値等の各値の測定を行なう必要がある
が、前者の測定に際しては、実際のテストウエハ上にバ
ーニアパターンを露光し現像した後に、目視で位置誤差
を読取り、この誤差値に基づいて調整を行なっていた。
また、後者の測定に際しては、各種の線幅を有するライ
ンパターンをテストウエハ上に露光し現像した後に、最
小解像線幅が解像されるフォーカス値を求め、これによ
って調整を行なっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記のように実際のテストウエハ上にテスト
パターンの露光を行い、作業者の目視測定により最適値
を決定する方法では測定誤差が大きく、また複数回のテ
スト露光を繰り返すために測定時間も長く必要であり、
この測定結果に基づく機器設定にも多大な時間を必要と
していた。

本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、
その目的はアライメントにおける各種測定を高精度かつ
迅速に行い、機器設定を自動化することの可能な技術を
提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろ
う。

〔課題を解決するための手段〕本願において開示される発明のうち代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、概ね次の通りである。

すなわち、本発明の投影露光方法は、露光光源からの
光をレチクル及び投影レンズを介してXYテーブルに照射
し、レチクルのパターンとXYテーブルに設けた第１のパ
ターンとを一致させる工程と、上記露光光源からの光と
は異なる波長の照明光を上記投影レンズを通して照射す
ることにより上記XYテーブルに設けた第１のパターンと
一定の位置関係にある第２のパターンを検出する工程
と、上記XYテーブルを移動して、上記XYテーブルに設け
た半導体ウエハの所定領域を上記投影レンズ下に位置さ
せる工程と、上記投影レンズ下に位置させられた上記半
導体ウエハの所定領域に上記照明光を照射して上記半導
体ウエハの位置合わせを行う工程と、上記露光光源から
の光を投影レンズを介して上記半導体ウエハに投影し
て、レチクルの集積回路パターンに対応したパターンを
上記半導体ウエハ上に転写する工程とを有するものであ
る。

また、本発明の投影露光装置は、所定波長の露光光を
照射する露光光源と、投影レンズと、半導体ウエハが載
置されるXYテーブルと、上記露光光源と投影レンズとの
間に設けられるレチクルのパターンと上記XYテーブルに
設けられる第１のパターンとの一致を検出する検出機構
と、上記露光光とは異なる波長の照明光を上記投影レン
ズを通して上記XYテーブルに設けられる第２のパターン
に照射する光源と、上記露光光とは異なる波長の照明光
により上記第２のパターンを検出する検出機構とを有す
るものである。

〔作用〕

上記した手段によれば、露光光源からの光の他に、そ
の露光光源からの光とは波長の異なる光を投影レンズを
通して照射し、パターンの検出および投影露光を行うこ
とにより、実際のテストウエハによる露光工程を行なう
ことなく高精度かつ短時間で最適な各種の露光用プリセ
ット値を算出することができる。

この結果、露光装置における機器設定を自動化でき、
回路パターンの露光を効率的かつ高精度に行なうことが
できる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例である露光装置を示す概略
説明図、第２図（ａ），（ｂ）および（ｃ）は本実施例
で用いられる透過パターンを示す説明図、第３図は本実
施例の処理手順を示すフロー図、第４図（ａ）および
（ｂ）は光電管によるXYZ方向の電圧変動を示す説明図
である。

本実施例の縮小投影露光装置１は、図示されないフィ
ルタ等によりＧ線（436nm）波長を放射する水銀ランプ
からなる露光光源２と、この露光光源２から照射される
露光光を集束する集光レンズ３と、縮小投影レンズ４と
からなる露光光学系を有している。

上記集光レンズ３と縮小投影レンズ４との間には、透
明な石英ガラス基板等にクロム（Cr）等の遮光膜６で集
積回路パターンを形成したレチクル５（原版）が着脱可
能に配置されている。本実施例で用いられるレチクル５
はアライメント専用のテストマスクであり、透明の石英
ガラスの一面にクロム（Cr）等の蒸着で形成された遮光
膜６により、第２図（ａ）に例示される透過パターン７
が形成されているものである。

なお、上記レチクル５は、図示されない回転駆動機構
によりθ方向への所定量の回転が可能となっている。

一方、上記縮小投影レンズ４の下方には、XY方向駆動
源８により制御されたXYテーブル10が載置されており、
該XYテーブル10の主面上にはウエハチャック11に固定さ
れたウエハ12および光量検出機構13がそれぞれ設けられ
ている。上記ウエハチャック11は、近傍に設けられたレ
ーザ測長器９により、XYテーブル10の移動量等が測定さ
れるようになっている。

光量検出機構13はその上面に試料板14を載置する構造
とされており、当該試料板14は上記レチクル５と同様な
透過パターン7a（第２図（ｂ））を有している。当該透
過パターン7aは上記縮小投影レンズ４の縮小率に対応し
た大きさで形成されており、上記透過パターン7aの近傍
には第２図（ｃ）で示されるような十字形状の第２の透
過パターン7bが設けられている。

この光量検出機構13の内部には、反射鏡15を経て光信
号をその光量に対応した電気信号に変換する光電管16が
設けられている。上記光電管16は光電変換した電気信号
を第１図中において破線で囲まれた制御部17に送出する
構造となっている。

上記に説明したXYテーブル10は装置基体18上に載置さ
れており、該装置基体18よりＬ字状に上方に延設された
スタンド20にはＺ軸駆動モータ21によって上下動を制御
される前述の露光光学系が取付けられている。

この露光光学系は、その側方にアライメント光学系を
備えている。該アライメント光学系は、上記露光光源２
と共通あるいはそれから独立した水銀ランプあるいはキ
セノンランプ等からなる検出光源22を有しており、該検
出光源22から放出された照射光がフィルタ23を通過して
Ｅ線（546nm）あるいはＤ線（589nm）からなる検出光と
してコンデンサレンズ24およびハーフミラーで構成され
たビームスプリッタ25に入射される。ビームスプリッタ
25により屈折された上記検出光は、中継レンズ26および
反射鏡27を経て露光光学系に進み、縮小投影レンズ４を
経て上記光量検出機構13上の試料板14を照射する。上記
試料板14の透過パターン7aを通過した検出光は光量検出
機構13の内部で入射方向に対して反射され、この反射光
は上記光路を逆進して縮小投影レンズ４、反射鏡27、中
継レンズ26を介してビームスプリッタ25に入射される。
ここでビームスプリッタ25に入射された反射光はそのま
ま直進して画像認識手段としてのTVカメラ28に入射され
る構造となっている。

次に、本実施例の作用について説明する。

まず、ウエハ12の露光に先だって、本実施例における
機器調整のための各値を測定する必要がある。

露光光学系が光量検出機構13の上方に位置された状態
で、露光光源２より露光光が放射されると、当該露光光
は集光レンズ３を経てレチクル５を通過し、さらに縮小
投影レンズ４によって1/5に縮小されて光量検出機構13
上の試料板14に照射される。これによって試料板14上に
は上記レチクル５の透過パターン７が投影され、これに
対応して縮小形成された試料板14上の透過パターン7aを
透過した露光光のみが光量検出機構13の内部に導かれ、
反射鏡15を経て光電管16に入射される。このようにして
光電管16に入射された露光光は、アナログ電気信号に変
換されて制御部17の光量検出回路17aに入力される。該
光量検出回路17aでは上記アナログ電気信号をデジタル
信号にD/A変換し、マイクロプロセッサ等で構成される
制御回路17bに入力する。制御回路17bでは、上記検出光
量に基づいてXYZ駆動回路17cを通じてXY方向駆動源８お
よびＺ軸駆動モータ21を駆動してX,Z,Y方向に縮小変位
を繰り返しながら光電管16からの検出光量が最大となる
X₀,Y₀,Z₀の座標位置を算出する。このときの検出電圧と
各方向の座標位置との関係を示したものが第４図（ａ）
である。

ここで、検出光量が最大となる位置は、露光光学系上
において、上記レチクル５の透過パターン７と試料板14
の透過パターン7aとが一致している場合であり、この場
合には露光光の透過量は最大値となる。

上記の最大光量検出のための手順を第３図によってさ
らに具体的に説明すると、XYZそれぞれの方向への移動
時の電圧変化を検出し（第３図ステップ301）、Ｘ方向,
Y方向およびＺ方向へのそれぞれの目標移動量値を演算
する（ステップ302）。このときの各方向への検出電圧
の変動と座標値との関係を示したものが第４図（ｂ）で
ある。上記により算出された各方向への目標移動量値に
基づいてXYZ駆動回路17cを通じてXY方向駆動源８および
Ｚ軸駆動モータ21を駆動制御する。以上の処理をあらか
じめ設定された回数（ｎ回）分だけ繰り返して（ステッ
プ303）各領域におけるX_MAX,Y_MAX,Z_MAXをそれぞれ算出
する。これらの各領域での算出値に基づいて、平均結像
位置、ベストフォーカス位置、像回転量、像縮小率、像
面傾斜率等の各値が算出される。

このようにして得られた各値より、各方向についての
ずれ量が調整される。当該調整は、たとえば平均結像位
置についてはXYテーブル10を駆動することにより行なわ
れ、ベストフォーカス位置についてはＺ軸駆動モータ21
を制御することにより行なわれる。また、像回転量の調
整については、図示されないレチクル５アライメント機
構により、レチクル５を所定量だけ回転させて像回転誤
差の補正を行なう。像縮小率に関しては、図示されない
縮小倍率補正機構を駆動してたとえばレチクル５と縮小
投影レンズ４との距離を調整する等の方法を利用して、
適正値となるよう補正する。像面傾斜率の補正について
は、ウエハ12を載置するウエハチャック11自体の傾斜方
向を変化させることにより行なわれる。このように、光
学像の各算出値による誤差が最小となるように補正を行
なうことにより、実際のウエハ12上に転写されるパター
ンの合わせ精度と解像度を向上させることができる。

上記の各値が調整された後に、今度はアライメント光
学系の較正が行なわれる。当該較正は、まず検出光源22
からの検出光の照射によって、十字形状の第２の透過パ
ターン7bをTVカメラ28によって認識し、この認識画像よ
り当該透過パターン７の座標値を検出する。続いて、こ
の座標値を上記の露光光学系の調整の際の算出値により
得られた平均結像位置と比較して補正値を加えてアライ
メント光学系のオフセット値を得る。

次に、本実施例における露光工程について説明する。

まず、レチクル５が実際の集積回路パターンを備えた
ものと交換されて、XYテーブル10の移動によって、縮小
投影レンズ４の直下にウエハ12が位置された状態となる
と、検出光源22より検出光が照射され、これがフィルタ
23、コンデンサレンズ24、ビームスプリッタ25、中継レ
ンズ26、反射鏡27、縮小投影レンズ４を経てウエハ12の
所定領域を照射する。このウエハ12からの反射光は上記
光路を逆進してビームスプリッタ25よりTVカメラ28に入
射される。TVカメラ28で認識された上記ウエハ12の所定
領域の画像は、図示されない信号処理部により処理され
て、ウエハ12の位置認識、および位置修正が行なわれ
る。

このようにウエハ12が位置決めされた状態で、今度は
露光光源２が点灯されて、レチクル５および縮小投影レ
ンズ４を経た露光光がウエハ12上の所定領域に照射され
ると、レチクル５の集積回路パターンに対応したパター
ン形状がウエハ12上のフォトレジスト膜上に転写され
る。

以上のようにして各領域での集積回路パターンの転写
を順次繰り返して露光工程を完了する。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。

たとえば、透過パターンについては第２図に示した形
状のものに限られず如何なる形状であってもよい。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発
明をその利用分野である、いわゆる半導体装置の製造に
用いられる縮小投影露光装置に適用した場合について説
明したが、これに限定されるものではなく、他の投影露
光装置にも広く適用可能である。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りであ
る。

すなわち、本発明によれば、実際のテストウエハによ
る露光工程を行なうことなく高精度かつ短時間で最適な
各種の露光用プリセット値を算出することができる。こ
の結果、露光装置における機器設定を自動化でき、回路
パターンの露光を効率的かつ高精度に行なうことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である露光装置を示す概略説
明図、第２図（ａ），（ｂ）および（ｃ）は本実施例で用いら
れる透過パターンを示す説明図、第３図は本実施例の処理手順を示すフロー図、第４図（ａ）および（ｂ）は本実施例における光電管に
よるXYZ方向の電圧変動を示す説明図である。１……縮小投影露光装置、２……露光光源、３……集光
レンズ、４……縮小投影レンズ、５……レチクル（原
版）、６……遮光膜、7,7a,7b……透過パターン、８…
…XY方向駆動源、９……レーザ測長器、10……XYテーブ
ル、11……ウエハチャック、12……ウエハ、13……光量
検出機構、14……試料板、15……反射鏡、16……光電
管、17……制御部、17a……光量検出回路、17b……制御
回路、17c……XYZ駆動回路、18……装置基体、20……ス
タンド、21……Ｚ軸駆動モータ、22……検出光源、23…
…フィルタ、24……コンデンサレンズ、25……ビームス
プリッタ、26……中継レンズ、27……反射鏡、28……TV
カメラ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】露光光源からの光をレチクル及び投影レン
ズを介してXYテーブルに照射し、レチクルのパターンと
XYテーブルに設けた第１のパターンとを一致させる工程
と、上記露光光源からの光とは異なる波長の照明光を上
記投影レンズを通して照射することにより上記XYテーブ
ルに設けた第１のパターンと一定の位置関係にある第２
のパターンを検出する工程と、上記XYテーブルを移動し
て、上記XYテーブルに設けた半導体ウエハの所定領域を
上記投影レンズ下に位置させる工程と、上記投影レンズ
下に位置させられた上記半導体ウエハの所定領域に上記
照明光を照射して上記半導体ウエハの位置合わせを行う
工程と、上記露光光源からの光を投影レンズを介して上
記半導体ウエハに投影して、レチクルの集積回路パター
ンに対応したパターンを上記半導体ウエハ上に転写する
工程とを有することを特徴とする投影露光方法。
【請求項２】所定波長の露光光を照射する露光光源と、
投影レンズと、半導体ウエハが載置されるXYテーブル
と、上記露光光源と投影レンズとの間に設けられるレチ
クルのパターンと上記XYテーブルに設けられる第１のパ
ターンとの一致を検出する検出機構と、上記露光光とは
異なる波長の照明光を上記投影レンズを通して上記XYテ
ーブルに設けられる第２のパターンに照射する光源と、
上記露光光とは異なる波長の照明光により上記第２のパ
ターンを検出する検出機構とを有することを特徴とする
投影露光装置。