JP2713552B2 - 露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、高密度集積回路の転写
マスクパターンを半導体（ウエハ）上に露光する装置に
関し、特にマスクパターンの光学像等に対し回転偏位な
しにマスクとウエハとの相対位置合わせを行なうための
装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】大規模集積回路（ＬＳＩ：Large Scale
Integrated circuit）パターンの微細化は年々進行して
いるが、微細化に対する要求を満たし、且つ生産性の高
い回路パターン焼付け装置として縮小投影型露光装置が
普及してきている。従来より用いられてきたこれらの装
置においては、シリコンウエハに焼付けされるべきパタ
ーンの何倍か（例えば５倍）のレチクルパターンが投影
レンズによって縮小投影され、１回の露光で焼付けされ
るのはウエハ上で対角長２１ｍｍの正方形よりも小さい
程度の領域である。従って、直径１２５ｍｍくらいのウ
エハ全面にパターンを焼付けるには、ウエハをステージ
に載せて一定距離移動させては露光を繰返す、いわゆる
ステップアンドリピート方式を採用している。 【０００３】ＬＳＩの製造においては、数層以上のパタ
ーンがウエハ上に順次形成されていくが、異なる層間パ
ターンの重ね合わせ誤差（位置ずれ）を一定値以下にし
ておかなければ、層間の導電または絶縁状態が意図する
ものではなくなり、ＬＳＩの機能を果たすことができな
くなる。例えば１μｍの最小線幅の回路に対しては、せ
いぜい０．２μｍ程度の位置ずれしか許されない。 【０００４】このような焼付け時の位置ずれは、大別し
て回転偏位と平行偏位とに分けられる。図１２は前記回
転偏位が生じた状態を誇張して示す説明図で、実線の長
方形パターン領域Ｐ₁ はすでにウエハ上に形成されてい
る回路パターン領域であり、この領域Ｐ₁ に対して微小
量だけ回転した状態で破線で示す長方形パターン領域Ｐ
₂ が重ね合わせて露光焼付けされる。この場合、領域Ｐ
₁ の対角線の中心ＯはＰ₂ の対角線の中心と完全に一致
しているものとすると、中心Ｏ以外の箇所では領域Ｐ₁
に対して領域Ｐ₂ に回転偏位（回転方向の保持誤差）が
生じることになる。 【０００５】従来の縮小投影型露光装置においては、ス
テップアンドリピート動作を行なうに際して、ウエハホ
ルダを介してウエハを載置するステージを、その移動平
面をなす直交座標の原点を基準にして移動しては位置決
めし、一方マスクとして回路パターンの描かれたレチク
ルについては、ウエハ上でのこのレチクルの投影像が前
記直交座標に対して回転偏位をできるだけ持たなくなる
ような位置決めをして保持しておき、このような状態
で、前記直交座標系に位置決めして露光するという一連
のステップアンドリピート方式の露光焼付けを行なうよ
うにしていた。 【０００６】ところでレチクルの位置決めの際に用いる
位置検出器（例えばレチクルアライメント顕微鏡）の検
出中心がずれている場合、位置検出器を基準に位置決め
されたレチクルは、ステージの直交座標系に対して位置
決め誤差を持つので、ウエハ上に焼付けられるパターン
領域は一般に回転偏差を生じることになる。 【０００７】従来、この回転偏位の補正は、実際にレチ
クルパターンを繰返してウエハに焼付け、焼付けられた
ウエハ上のパターンを光学顕微鏡等で観測し、隣り合っ
て焼付けられたパターン相互間の偏位量を測定し、その
測定値から位置検出器の検出中心のずれを逆に求めて補
正を行なっていた。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き従来の方法では、ウエハ上にパターンを焼付け、そ
れを現像してから回転偏位の量を観察して求めるので多
大の手間と時間を費やし、そのうえ補正の精度も高くは
なく、回転偏位を要因とする回路パターンの位置ずれを
０．１μｍ位置に押え込むことは極めて困難であった。 【０００９】本発明は、上記諸問題を解決して、マスク
の回転偏位を短時間で高精度に検出して、マスクパター
ン毎の露光作業を高い重ね合わせ精度で高能率に行なえ
るようにした露光装置を得ることを目的とする。 【００１０】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明に係る露光装置では、１層目
のパターンが形成されたマスクを保持する保持手段と、
感光基板を保持して所定の直交座標系内で２次元移動可
能な基板ステージと、前記直交座標系内での前記基板ス
テージの移動量を検知することにより前記感光基板の座
標位置を測定する座標測定手段と、該座標測定手段の測
定値に基づいて前記基板ステージの移動を制御する制御
手段とを備え、予め定められた目標位置情報に応じて前
記基板ステージを順次位置決めして、前記１層目のパタ
ーンを前記感光基板上に露光する装置において、前記保
持手段に前記マスクが装着された状態で、前記直交座標
系に対する前記マスクの回転方向の誤差量を検出する回
転誤差検出手段と、該検出された回転方向の誤差量に基
づき前記感光基板上に規定される配列座標系に対して前
記１層目のパターンが回転偏位なく整列して露光される
ように、前記検出された回転方向の誤差量に基づいて前
記目標位置情報を補正演算し、前記感光基板を位置決め
すべき座標位置を算出する演算手段とを備え、前記制御
手段は、前記座標測定手段で測定される座標位置が前記
演算手段で算出される座標位置とほぼ一致するように前
記基板ステージの位置決めを制御するものである。 【００１１】また、請求項２に記載の発明に係る露光装
置では、請求項１に記載の露光装置において、前記回転
誤差検出手段は、前記マスク上の複数のマークを各々の
前記直交座標系上での位置を計測する手段を有し、該計
測された位置に基づいて前記回転方向の誤差量を求める
ものである。 【００１２】 【作用】本発明においては、ステージの移動座標軸に対
するマスクパターンの回転偏位自体を十分小さく押え込
む代わりに、この回転偏位が存在してもそれが焼付けパ
ターンに実直的に影響しなくなるようにステージのステ
ップ移動を位置制御可能である。 【００１３】 【実施例】以下に、本発明を実施例をもって詳細に説明
する。図１は、本発明の一実施例による縮小投影露光装
置の概略を示す構成図である。図１において、露光用照
明光源１からの照明光は第１コンデンサレンズ２によっ
て一度収束されたのち、第２コンデンサレンズ３に達す
る。その光路中、光が収束される位置には照明光の通過
を所望時に遮断するためのシャッタ４ａが設けられてい
る。第２コンデンサレンズ３を通った光束は、マスクと
してのテスト・レチクル（以下、単にレチクルと記す）
５を照明する。 【００１４】このレチクル５を透過した光束は結像光学
系としての投影レンズ６に入射する。この投影レンズ６
は、そのレチクル５側即ち物体側が非テレセントリック
で、像側がテレセントリックな光学系である。投影レン
ズ６の直下のステージ７は、普段は半導体ウエハ１０を
載せてその移動平面をなす第１直交座標系ＸＹ方向に２
次元移動するものであり、前記ウエハ１０は、ステージ
７と一体に２次元移動するウエハホルダ１１上に載置さ
れる。 【００１５】ウエハホルダ１１はステージ７に対して微
小回転と上下動とができるように設けられている。この
ウエハホルダ１１は、投影レンズ６によるレチクル５の
回路パターン（不図示）の投影像がウエハ１０の表面に
結像するように、すなわち焦点合わせができるように上
下動する。 【００１６】さて、レチクル５の下面には、前記回路パ
ターンの他に、光透過性のマークＲＲ，ＲＬが左右両端
の所定位置（局所部分）に描かれている。レチクル５の
マークＲＲを透過した光束ｌ₁ に着目すると、光束ｌ₁
は投影レンズ６によって集光されてその像側から光束ｌ
₂ となって射出され、ステージ７に設けられた微小開口
部材８上にマークＲＲの像を結像する。 【００１７】この微小開口部材８には、それを通過した
光を受光して電気信号を出力する光電変換手段としての
光電検出器９が組み合わされており、また微小開口部材
８の開口面はステージ７上のウエハ１０の表面の高さと
ほぼ一致するように定められ、従って微小開口部材８と
光電検出器９は前述のようにウエハホルダ１１の上下動
に伴って一体に上下動するようになされている。 【００１８】このような焦点合わせのために、投影レン
ズ６とウエハ１０の表面（または微小開口部材８の開口
面）との間隔を計測するギャップセンサ１２が設けられ
ている。このギャップセンサ１２とウエハホルダ１１の
上下動機構によって自動焦点調整が可能であり、ウエハ
１０上にレチクル５の回路パターンを焼付ける際、ウエ
ハ１０の表面高さを検出して、常にコントラストの高い
投影像が転写できるようになっている。 【００１９】一方、ステージ７の第１直交座標系ＸＹで
の位置は、レーザ干渉計によってステージ７に固定され
た反射鏡までの距離をレーザ光を用いて測定することに
より求められるようになされており、図１ではＸ軸方向
（紙面で左右方向）のレーザ干渉計１３と反射鏡１４の
みが示されているが、ステージ７の移動平面をなすＸ軸
と直交するＹ軸方向（紙面の表裏方向）に関しても同様
にレーザ干渉計と反射鏡との別の組合せが設けられてい
ることは述べるまでもない。 【００２０】これらのレーザ干渉計によって、装置に予
め設定される第１直交座標系ＸＹの原点に対するステー
ジ７の位置座標値がそのステップ移動中に逐次計測され
るものであり、この第１直交座標系ＸＹの原点は、この
実施例では投影レンズ６の光軸上にあり、従って前記Ｘ
軸およびＹ軸方向の両レーザ干渉計は、それらの各レー
ザ光束がなす２つの測定軸の交点が投影レンズ６の光軸
上に位置するように配置されている。 【００２１】またレチクルホルダ１５は、レチクル５を
保持して第１直交座標系のＸＹ平面と平行な平面内の第
２の直交座標系ｘｙにて２次元移動可能であり、後述す
るレチクルアライメント制御系による駆動制御でレチク
ル５の位置決めを行なうものである。 【００２２】さらに第２コンデンサレンズ３の入射側の
両脇に配置されているシャッタ４ｂおよび４ｃは、照明
光源１からレチクル５までの照明光路中でレチクル５の
マークＲＲとＲＬへの入射光だけを所望時に遮光するた
めのものであり、その配置位置は図示の位置に限定され
るものではない。 【００２３】レチクル５には前述のように光透過性のマ
ークＲＲとＲＬが設けられているが、このマークＲＲと
ＲＬは、具体的には図２に示したようにレチクル５の回
路パターン領域５ａの周辺の遮光部分に例えばｘ軸方向
に向けて設けられた透光スリットである。このマークＲ
ＲとＲＬは図２の例ではレチクル５の中心を原点とする
第２直交座標系ｘｙのｘ軸上で互いに離れた２個所に設
けられているが、ｙ軸上にも同様な透光性マークを設け
てもよい。なお、レチクル５のパターンの投影レンズ６
による投影像はｘｙ座標に関して半転造となるので、図
２ではレチクル５の座標系ｘｙとステージ７の座標系Ｘ
Ｙの方向を逆にして示してある。 【００２４】従って、レチクル５をレチクルホルダ１５
に載置して固定したときに、これらｘ軸と、投影レンズ
６の光軸と、Ｘ軸との３軸を含む平面が規定できて、し
かもｙ軸と、投影レンズ６の光軸を、Ｙ軸との３軸を含
む別の平面が規定できれば、ステージ７に対するレチク
ル５の回転偏位は零となることになる。 【００２５】さてステージ７には、前述のようにレチク
ル５のマークＲＲとＲＬの投影像を検出する微小開口部
材８が設けられている。この微小開口部材８は、図３
（ａ）に示すように、円形状のガラス板全面にクロム層
などを蒸着し、そのクロム層の一部にスリット開口８ａ
を形成したものである。 【００２６】図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線矢視断
面図であり、スリット開口８ａの長手方向はステージ７
の第１直交座標系ＸＹのＸ軸方向と一致するように定め
られ、またスリット開口８ａのＹ軸方向の幅寸法は、投
影光学系の縮小率等を考慮に入れてマークＲＲまたはマ
ークＲＬが部材８の開口面上に結像されたときに該マー
クの投影像のＹ軸方向の幅寸法と略等しくなるように定
められている。 【００２７】前記第１直交座標系ＸＹの原点が投影レン
ズ６の光軸上にあることは前述したとおりである。本実
施例におけるレーザ干渉計によるステージ７の位置座標
の測定は、通常知られている方式と変わりなくＸ軸方向
とＹ軸方向の各レーザ干渉計内のデジタルカウンタによ
ってデジタル測定方式で行なわれる。 【００２８】このカウンタは、ステージ７の移動に従っ
てその計数値を増減させるものであり、装置の電源投入
時などには、ステージ７の原点位置を定めてその原点位
置でこのカウンタを零にリセット或はある定められた一
定値にプリセットする必要があるが、このステージ７の
原点位置への定位を前述のスリット開口８ａを利用して
行なうことができる。 【００２９】即ち、この場合、光電検出器９の出力によ
ってスリット開口８ａとマークＲＲ（またはＲＬ）の像
とが一致したことを検知し、このときにＹ軸方向のレー
ザ干渉計内のカウンタ（Ｙカウンタ）を零にリセットす
る。正確にはレチクル５の回転偏位を考慮に入れて、マ
ークＲＲの像とマークＲＬの像とがそれぞれスリット開
口８ａと位置したこときのＹカウンタの計数値ＹｒとＹ
ｌとから、Ｙカウンタが（Ｙｒ＋Ｙｌ）／２となるよう
にステージ７をＹ軸方向に位置決めしたところでＹカウ
ンタを零にリセットし、Ｙ軸の原点位置決めを行なう。 【００３０】Ｘ軸方向についても同様で、図示していな
いがレチクル５のｙ軸上に同様の透光マークを一対設け
ておき、また微小開口部材８にスリット８ａと直交する
方向に延在した別のスリット開口を設けておいて、同様
の手順でＸ軸方向のレーザ干渉計内のカウンタ（Ｘカウ
ンタ）の零リセットを行なえばよい。このようにして座
標系ＸＹの原点設定が果たされ、以後ステージ７はこの
原点を基準とする第１直交座標系ＸＹの位置座標をもっ
て２次元移動中にわたり逐次位置測定されることにな
る。なお、カウンタの零リセットは、ステージ７が所定
の位置にきたときにリミットスイッチ等で行なってもよ
い。 【００３１】さて、本実施例の装置にはさらに、ウエハ
１０上のマークを検出して位置合わせに用いるアライメ
ント顕微鏡（ＷＡＭ：Wafer Alignment Microscope）が
本発明の第２の回転誤差検出手段として備えられてお
り、その配置は図２に示した通りである。即ち、この顕
微鏡はウエハ１０上に後述の如く形成されたアライメン
ト用の特定の形状のウエハマークを光電検出するもの
で、図２に示すように投影レンズ６の鏡筒の周囲にアラ
イメント顕微鏡ＷＬ、アライメント顕微鏡ＷＸおよびア
ライメント顕微鏡ＷＲの３本をオフ・アクシス（off ax
is）で固定配置してある。 【００３２】第１のアライメント顕微鏡ＷＬは、ウエハ
１０のＹ軸方向の位置を検出するためのもので、その検
出中心（観察中心）が基準状態でＹ軸上に位置するよう
に配置されている。第２のアライメント顕微鏡ＷＸは、
ウエハ１０のＸ軸方向の位置を検出するもので、その検
出中心（観察中心）が基準状態でＸ軸上に位置するよう
に配置されている。このように両アライメント顕微鏡Ｗ
Ｌとアライメント顕微鏡ＷＸの検出中心をそれぞれＹ軸
上とＸ軸上とに一致させるのは、ウエハ１０の位置検出
に際してアッベ誤差をなくすためである。 【００３３】第３のアライメント顕微鏡ＷＲは、第１の
アライメント顕微鏡ＷＬと対になってウエハ１０の回転
ずれを検出するもので、基準状態においてその検出中心
（観察中心）と第２のアライメント顕微鏡ＷＬの検出中
心とを結ぶ線分がＸ軸と平行になるように配置されてい
る。 【００３４】これら３本のアライメント顕微鏡（ＷＬ，
ＷＸ，ＷＲ）は、第１層目のパターン焼付けで第２層目
以降の重ね合わせ露光のアライメントのために、ウエハ
上の回路パターンの内部または近傍ストリートライン上
に転写形成された特定の形状、例えば短い線状のウエハ
マークを、振動スリットまたはレーザ光振動ビームで走
査して検出する光電顕微鏡であり、その検出中心は例え
ば振動スリットや振動ブームの振動中心と一致するよう
に定められ、特に第３のアライメント顕微鏡ＷＲの光学
系には、検出中心をＹ軸方向に偏位させるために、回転
可能な平行平面板ガラス等が設けられている。 【００３５】図１及び図２に示した装置を制御するため
の制御系の主要構成を、図４のブロック図に示す。装置
全体は、プログラムによる制御および各種演算処理が可
能なように、メモり等を含むマイクロコンピュータ（Ｃ
ＰＵ）３０によって統括制御される。ＣＰＵ３０はイン
ターフェース（ＩＦ）３１を介して周辺の検出部、測定
部あるいは駆動部と、各種情報のやり取りを行なう。 【００３６】シャッタ駆動部３２は、ＣＰＵ３０の指令
によって各シャッタ４ａ，シャッタ４ｂ，シャッタ４ｃ
の開閉動作を行ない、またレチクルアライメント制御系
（Ｒ−ＡＬＧ）３３は投影レンズ６の光軸に対してレチ
クル５が所定の位置に来るようにレチクルホルダ１５を
動かして位置合わせするものである。 【００３７】一方、ステージ７の位置座標を計測するた
めに、前述のＸ軸用のレーザ干渉計１３によって読み取
られたステージ７のＸ軸方向の位置情報と、Ｙ軸用のレ
ーザ干渉計３４によって読み取られたステージ７のＹ軸
方向の位置情報とが共にインターフェース３１を介して
ＣＰＵ３０に送られる。 【００３８】またステージ７を２次元移動させるため
に、ステージ７をＸ軸方向に駆動するＸ軸駆動部（Ｘ−
ＡＣＴ）３５と、ステージ７をＹ軸方向に駆動するＹ軸
駆動部（Ｙ−ＡＣＴ）３６とが、ＣＰＵ３０の指令によ
って動作するように設けられている、さらにステージ７
上のウエハホルダ１１を微小回転させるためのθ軸回転
駆動部（θ−ＡＣＴ）３７と、ウエハホルダ１１及び微
小開口部材８と光電検出器９の組合せを一体的に上下動
させるためのＺ軸駆動部（Ｚ−ＡＣＴ）３８とが設けら
れ、ＣＰＵ３０の指令によって動作するようになされて
いる。 【００３９】前記光電検出器９の光電出力信号もインタ
ーフェース３１を介してＣＰＵ３０に入力され、また焦
点検出部（ＡＦＤ）３９は、図２に示したギャップセン
サ１２からの信号を受け取ってウエハ１０の表面（又は
微小開口部材８の開口面）と投影レンズ６の焦点位置の
ずれ情報（合焦情報）をインターフェース３１を介して
ＣＰＵ３０に与えるようになっている。なお、ＣＰＵ３
０には、インターフェース３１を介して、測定した結果
や動作状態等を表示するためにモニタ用のＣＲＴデイス
プレイあるいはプリンタなどの出力端末装置４０も接続
されている。 【００４０】また、図２に示したように、オフ・アクシ
ス配置のアライメント顕微鏡ＷＬ、アライメント顕微鏡
ＷＸ、アライメント顕微鏡ＷＲは、光電顕微鏡またはレ
ーザースポット走査型のウエハマーク検出手段であり、
これらはそれぞれの検出中心がウエハ１０上の所定のウ
エハマークと一致すると、マーク検出信号をインターフ
ェース３１を介してＣＰＵ３０に与える。なお、これら
のアライメント顕微鏡（ＷＬ，ＷＸ，ＷＲ）によるウエ
ハマークの検出に際してもギャップセンサ１２と焦点検
出部３９とによる合焦情報がＣＰＵ３０に入力されるこ
とは述べるまでもない。 【００４１】アライメント顕微鏡ＷＲには、振動スリッ
トまたは振動ビームの振動中心や、レーザ光の送光光路
を、第１の直交座標計ＸＹ上のＹ軸方向に微小量シフト
させるために、平行平板ガラスやプリズムがＣＰＵ３０
の指令による制御で所望量だけ回転ないし移動可能に設
けられている。 【００４２】以上のような構成においてレチクル５がレ
チクルホルダ１５に載置され、レチクルアライメント制
御系３３でレチクル５のアライメントを行なった後、レ
チクル５のパターンをウエハ１０上に投影するとその光
学像は図５のようになる。この図５は、レーザ干渉計１
３およびレーザ干渉計３４とで計測されるステージ７の
第１直交座標ＸＹに対するレチクル５のパターン領域５
ａの投影像５ａ’を示したものである。レチクル５のマ
ークＲＲとＲＬも像ＲＲ’とＲＬ’としてそれぞれ投影
像５ａ’のｘ軸上に沿った両脇に投影される。なお、こ
こではレチクル５の投影像の内部座標系ｘｙの原点をス
テージ７の直交座標系ＸＹの原点０と一致させ、投影レ
ンズ６による歪曲収差は無視し得るものとして扱ってい
る。 【００４３】通常、レチクル側の第２直交座標系ｘｙは
ウエハ側の第１直交座標計ＸＹに対して回転偏位による
重ね合わせ誤差を持ち、図５ではそれを誇張して示して
おり、この回転偏位量を角度εで表している。本発明の
ひとつの実施態様においてはこの角度εが無視できるほ
ど小さくなるように調整する代わりに、焼付けられたパ
ターンが実質的に角度εの影響を受けなくなるようにス
テージ７を移動制御することで回転偏位による重ね合わ
せ誤差をなくそうとするものである。 【００４４】図５において、マーク像ＲＬ’とマーク像
ＲＲ’はレチクル５の投影像の一部であって、それらの
ｙ軸座標値は一致しているものとする。またレチクル５
の投影面レベルは縮小開口部材８の開口面レベルと一致
し、部材８はこの投影面内をステージ７の移動と共に２
次元移動するものとする。 【００４５】ここで角度εの測定方法について述べる
と、まず、微小開口部材８の開口面にレチクルの投影像
が結像するように、ギャップセンサ１２と焦点検出部３
９およびＺ軸駆動部３８を用いて焦点合わせを行う。そ
の後、ステージ７を移動させてマーク像ＲＲ’とマーク
像ＲＬ’をスリット開口８ａで走査し、この走査時に得
られる光電検出器９の出力と、レーザ干渉計１３および
レーザ干渉計３４の出力とによりマーク像ＲＲ’とマー
ク像ＲＬ’の第1直交座標系ＸＹでの位置を計測する。
これは例えば図5においてスリット開口８ａがＹ軸方向
に移動してマーク像ＲＲ’またはマーク像ＲＬ’を走査
した際に、スリット開口８ａとマーク像とが合致した瞬
間に光電検出器９がピーク値を示すから、このピーク値
の得られたときの位置をレーザ干渉計１３およびレーザ
干渉計３４で計測すればよい。 【００４６】このようにして計測されたマーク像ＲＲ’
のＹ座標値をＹＲ、マーク像ＲＬ’のＹ座標値をＹＬと
し、ステージ７のＸ軸方向の移動量から求めたマーク像
ＲＲ’とマーク像ＲＬ’との間隔をｌとすると、角度ε
は通常は微小角度であるので次の (1)式のように表され
る。 ε＝ tan^-1（ＹＲ−ＹＬ）／ｌ ≒（ＹＲ−ＹＬ）／ｌ …(1) 【００４７】また、レチクル５上でのマークＲＲとマー
クＲＬとの間隔が予め判っていれば、その投影像である
マーク像ＲＲ’とマーク像ＲＬ’のｘ軸方向の間隔ｌ’
も判るので、角度εは次の (2)式のように表すこともで
きる。 ε＝ sin^-1（ＹＲ−ＹＬ）／ｌ’ ≒（ＹＲ−ＹＬ）／ｌ’ …(2) このようにして予め角度εが求められ、以後のステップ
アンドリピート方式の露光走査におけるステージ７のス
テッピング移動の方向補正情報として用いられる。 【００４８】以上の説明の中で、図７においてマーク像
ＲＲ’とマーク像ＲＬ’が回路パターン領域像５ａ’か
ら離れている程、回転偏位量（角度ε）の測定精度が向
上する。また微小開口部材８のスリット開口８ａおよび
マーク像ＲＲ’とマーク像ＲＬ’のスリット形状の長さ
が長い程、検出光量が増加するので測定精度が向上す
る。 【００４９】しかし、ここでマーク像ＲＲ’とマーク像
ＲＬ’とのＸ軸方向の間隔ｌまたはｘ軸方向の間隔ｌ’
の長さが長くなるようにした場合、マーク像ＲＲ’とマ
ーク像ＲＬ’が繰返し露光される隣の回路パターン領域
像に重なるので、このようなときにはマーク像ＲＲ’と
マーク像ＲＬ’に対するレチクル５への照明光源からの
入射光だけをシャッタ４ｂとシャッタ４ｃにより選択的
に遮光できるようにして、回転偏位量（角度ε）の測定
時のみこれらシャッタ４ｂとシャッタ４ｃを開き、回路
パターンの露光時にはこれらを閉じるようにする。 【００５０】なお、回転偏位量の測定精度がそれほど高
くなくても良い場合には、マーク像ＲＲ’やマーク像Ｒ
Ｌ’のような特別なマークを用いずに、回路パターン領
域像５ａ’内のｘ軸と平行な線、例えばパターン領域と
周囲との境界線の像の両端部（図７中にｉ１，ｉ２で示
した領域）を利用しても良い。この場合での位置計測
は、境界線ｉ１，ｉ２の明暗境界をスリット開口８ａが
横切った時の光電検出器９の出力信号立上りまたは立下
りの中央でレーザ干渉計１３、レーザ干渉計３４の計測
値を用いて行なう。 【００５１】次に、本実施例の装置を用いた動作につい
て説明する。まずはじめに、ウエハ１０のに対して回路
パターンの第１層目を焼付ける場合の露光動作を図６、
図７および図８をもって以下に説明する。この場合、ウ
エハ１０の表面には未だ回路パターンもアライメント用
のウエハマークも存在しないから、ウエハ１０は図４に
示すようにその外周部の一部に設けられた直線状の切欠
きであるフアセット（またはフラット）１０ａを基準に
してウエハホルダ１１上に載置され吸着固定される。 【００５２】本実施例では、フアセット１０ａの直線方
向がステージ７のＸ軸方向と一致するように位置決めさ
れる。次いでギャップセンサ１２と焦点検出部３９及び
Ｚ軸駆動部３８によりウエハ１０の表面を投影結像面に
焦点合わせする。その後、レーザ干渉計１３とレーザ干
渉計３４、Ｘ軸駆動部３５及びＹ軸駆動部３６によりス
テージ７を一定距離ずつ移動させてはシャッタ４ａを所
定時間だけ開き、レチクル５のパターン領域５ａの縮小
投影像をウエハ１０上のフォトレジストに露光転写する
ことを繰返す。 【００５３】この場合、シャッタ４ｂとシャッタ４ｃは
閉じられ、マークＲＲとマークＲＬの像がウエハ１０上
に転写されるのを防止する。このようにしてウエハ１０
のほぼ全面にパターン領域５ａの縮小像がマトリックス
上に転写され焼付けられることになる。ここでもしレチ
クル５に前述したような角度εの回転偏位が存在したま
まステップアンドリピート方式の露光転写を行なうと、
ステージ７のＸ軸方向の歩進によって、図６に示すよう
に、ウエハ１０に次々に転写されるパターン領域Ｐ₀ と
パターン領域Ｐ₁ の各中心を結ぶ線分はＸ軸上に位置す
るものの個々のパターン領域は偏位角度εだけＸ軸（又
はＹ軸）に対して回転した状態で転写されてしまう。そ
こで、本実施例では前述のように予め求めておいた角度
εを用いてＣＰＵ３０ないでＸＹ座標に対し角度εだけ
回転した別の直交座標系αβ（以下第３直交座標系と記
す）をウエハ１０に対して設定するものである。 【００５４】今、ひとつのパターン領域Ｐ₀ を転写した
のち、次のパターン領域Ｐ₁ の転写のためにステージ７
をＸ軸方向に歩進させるに際して、ステージ７の歩進方
向をα軸に沿わせることで次の転写パターン領域Ｐ₁ の
代わりにＰ₂ となり、このパターン領域Ｐ₂ と前記パタ
ーン領域Ｐ₀ との配列を見れば判るように第３直交座標
系αβをウエハ１０上での転写パターンをマトリックス
配列座標にすることで回転偏位（角度ε）が実質的に相
殺されることになる。 【００５５】そこで、ウエハ１０内の配列座標を第３直
交座標系αβに定めてこの座標軸αβに沿ってパターン
領域露光位置の位置決めをすることにし、ステージ７に
は第３の直交座標系と第１の直交座標系との間に座標変
換によってそのステッピング位置を与えるようにする。 【００５６】今、図7のように、投影レンズ６で投影し
ているパターン領域をＰ₀、次に露光転写すべきパター
ン領域をＰ₂とし、パターン領域Ｐ₂の中心をＯ₂とす
る。又第３直交座標系αβにおけるパターン領域Ｐ₀の
中心Ｏの座標値を（α₀，β₀）、パターン領域Ｐ₂の中
心Ｏ₂の座標値を（α₁，β₁）とし、投影レンズ６の光
軸、即ちパターン領域Ｐ₀の中心を原点とするステージ
７の第１直交座標系ＸＹに対してウエハ１０上の配列座
標系αβが角度εだけ反時計方向に回転しており、座標
系αβの原点Ｏ₁が座標系ＸＹの座標値（Ｘ₀，Ｙ₀）を
持っているものとする。 【００５７】パターン領域Ｐ₀ の露光が終了し、パター
ン領域Ｐ₂ の中心Ｏ₂ と座標系ＸＹの原点Ｏ（投影レン
ズ６の光軸）とを一致させるためには、ステージ７を現
在の位置、即ち（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ）から、図７のとおりＸ軸
方向にΔＸ、Ｙ方向にΔＹだけ移動させれば良い。ここ
でΔＸとΔＹは、以下のように表される。 ΔＸ＝（α₁ −α₀ ）cos ε−（β₁ −β₀ ）sin ε ΔＹ＝（α₁ −α₀ ）sin ε＋（β₁ −β₀ ）cos ε さらに、角度εが十分小さければ以下の (3)式および
(4)式に近似できる。 ΔＸ＝（α₁ −α₀ ）−（β₁ −β₀ ）ε …(3) ΔＹ＝（α₁ −α₀ ）ε−（β₁ −β₀ ） …(4) 【００５８】図４に示したＣＰＵ３０に上記 (3)式およ
び (4)式をプログラムしておき、更に露光転写すべき各
パターン領域の中心位置を前記配列座標系αβの座標値
として予め記憶させておき、先に検出しておいた角度ε
を用いて (3)式および (4)式の演算を行ない、結果的
に、角度εを相殺するようにステージ７のステッピング
移動を制御する。 【００５９】このステッピングは、ステージ７の現在位
置（Ｘ₀，Ｙ₀）に対してレーザ干渉計１３とレーザ干渉
計３４のカウンタ測定値をΔＸ、ΔＹだけ変化させるよ
うにステージ７の位置を移動させて行うものであり、例
えばウエハ１０のフアセット１０ａの直線と平行な一列
をステップアンドリピート方式で露光するには、パター
ン領域の中心座標値のうちβ₀とβ₁を互いに等しい値と
し、α₁−α₀をピッチＥＰとして、上記(3)式および(4)
式から、 ΔＸ＝Ｅ_P ΔＹ＝Ｅ_P・ε となるようにステージ７のステッピングを行えばよい。 【００６０】例えば、９個のパターン領域を一列に転写
した場合、図８に示しようにこの一列のパターン領域Ｅ
₁ 〜Ｅ₉ の各々の中心Ｃ₁ 〜Ｃ₉ は全てα軸上に並び、
各パターン領域Ｅ₁ 〜Ｅ₉ は何れも座標系αβに関して
回転偏位なく並び、唯、座標系ＸＹのＸ軸と平行にされ
たフアセット１０ａの直線に対してα軸が角度εだけ傾
いているだけである。このようにして二列目、三列目も
同様に座標系αβ上にパターン領域を入れさせながら露
光転写することで、ウエハ１０の全面に、図６の如き回
転偏位を生じることなく、配列座標系αβに従って整列
した転写パターンを得ることができる。 【００６１】なお、この第１層目の転写によって、第２
層目以降の重ね合わせのアライメントのためのウエハマ
ークが各パターン領域内又はその近傍のストリートライ
ン上に転写されることは前述したとおりである。このよ
うに、レチクル５が角度εの回転偏位を伴うようなセッ
ト条件下にあっても、ウエハ１０に転写された第１層目
のパターン領域はいずれも実質的に角度εの影響を受け
ることがない。 【００６２】次に、第２層目以降のパターン重ね合わせ
露光転写について図９及び図１０をもって以下に説明す
る。図９は、図２に示した投影レンズ６、アライメント
顕微鏡ＷＬ、アライメント顕微鏡ＷＸ、アライメント顕
微鏡ＷＲの配置関係を第１直交座標ＸＹ平面上に示した
説明図であり、投影レンズ６の最大露光領域６ａ内にお
けるレチクルパターン領域５ａの投影領域６ｂの中心、
即ち投影レンズ６の光軸は、第１直交座標ＸＹの原点に
一致しているものとする。投影レンズ６の周囲の所定位
置に配置された各アライメント顕微鏡（ＷＬ、ＷＸ、Ｗ
Ｒ）は各々の視野に見立てた破線の円で示されており、
各々の検出中心をＬＣ、ＸＣ、ＲＣとし、検出中心ＬＣ
と検出中心ＲＣのＸ軸方向の間隔をＬとして示す。 【００６３】図１０は、すでに第１層目のパターンが転
写されているウエハ１０を模式的に示す平面図であり、
ウエハ１０内のある一列のパターン領域Ｅ₁ 〜Ｅ₆ とそ
の近傍のみを描いてある。パターン領域Ｅ₁ 〜Ｅ₆ の上
下、左右のストリートライン上には、配列座標系のβの
各軸に沿って細長いアライメント用のウエハマークがす
でに形成されている。ここでは、これらのウエハマーク
のうち、α軸と平行な１本のストリートライン上で互い
に間隔がほぼＬだけ離れた２つのウエハマークＡＬとウ
エハマークＡＲ、それにβ軸と平行な１本のストリート
ライン上の１つのウエハマークＡＸを２層目以降の重ね
合わせ露光のウエハ１０のアライメント用に使うものと
する。 【００６４】さて、第２層目のパターンの露光に先立っ
て、レチクル５として第１層目のときとは異なる回路パ
ターンのものがレチクルホルダ１５にマウントされる。
従って、再びレチクルによる回転偏位を考慮する必要が
ある。そこで第２層目のパターン露光に際しても、まず
ステージ７を移動させてレチクル５の透光マークＲＲと
透光マークＲＬの投影像を微小開口部材８と光電検出器
９とによって検出し、レーザ干渉計１３、レーザ干渉計
３４によってその位置座標を求め、回転偏差を(1) 又は
(2) 式に従って角度ε’として検出しておく。 【００６５】次にアライメント顕微鏡ＷＬの検出中心Ｌ
Ｃとアライメント顕微鏡ＷＲの検出中心ＲＣの調整を行
うが、この調整では、図９に示すように、アライメント
顕微鏡ＷＬとアライメント顕微鏡ＷＲの両検出中心ＬＣ
とＲＣとを結ぶ線分がＸＹ座標平面上においてＸ軸に対
し前記角度ε’だけ傾くようにする。このためにはアラ
イメント顕微鏡ＷＲの検出中心ＲＣを、第２層目のレチ
クルの回転偏差角度ε’からδｙ≒Ｌ・ε’で求められ
る偏位量δｙだけＹ軸方向に変化させれば良い。 【００６６】これは、具体的には、アライメント顕微鏡
ＷＲの光学系内部のハービングガラスやプリズム等の光
学部品を回転又はシフト移動させることにより微調整可
能である。この場合、検出中心ＲＣを決まった量だけ偏
位させるのに、ハービングガラス等の回転角またはプリ
ズム等の移動量を検出する別の検出手段を設けてその検
出信号を用いて行なっても良いが、前記レーザ干渉計１
２、レーザ干渉計３４を利用して行なう方が何かと好都
合である。 【００６７】このレーザ干渉計１３、レーザ干渉計３４
を利用する場合においては、ステージ７に固定した位置
検出用の微小開口部材８のスリット開口８ａを利用し
て、まずアライメント顕微鏡ＷＬの検出中心ＬＣと、前
記スリット開口８ａのＹ軸方向の中心とが一致するよう
にステージ７の位置決めを行ない、前記レーザ干渉計３
４でその時のＹ座標値Ｙ^W1を計測する。次いでステージ
７を距離ＬだけＸ軸方向に移動させて、同じスリット開
口８ａをアライメント顕微鏡ＷＲで検出できるようにす
る。この時レーザ干渉計３４によるＹ軸座標測定値が
（ｙ^W1＋δｙ）となるようにステージを位置決めし、そ
の後に検出中心ＲＣとスリット開口８ａの中心のＹ座標
値が一致するようにアライメント顕微鏡ＷＲの光学系内
の光学部品を回転又は移動させる。 【００６８】以上のようにしてアライメント顕微鏡ＷＬ
とアライメント顕微鏡ＷＲの調整が終了すると、次にウ
エハ１０（第１層目の転写パターンが形成されたもの）
をホルダ１１上に載置し、真空等により吸着固定する。
この場合、ウエハ１０はフアセット１０ａを使ってホル
ダ１１上に粗く位置決めされる。その後、ウエハ１０上
の１つのストリートライン上に距離Ｌだけ離れて形成さ
れた２つのウエハマークＡＬ、ウエハマークＡＲが各々
アライメント顕微鏡ＷＬとアライメント顕微鏡ＷＲの検
出視野内に入るようにステージ７を位置決めする。この
位置決めは、ステージ７上の微小開口部材８に対するウ
エハ１０の位置が概ね定められているから、予めアライ
メント顕微鏡ＷＬの検出中心ＬＣとアライメント顕微鏡
ＷＲの検出中心ＲＣが微小開口部材８のスリット開口８
ａと一致した時にステージ７の座標値を記憶しておくこ
とで容易に行なうことができる。 【００６９】さて、ウエハ１０上の２つのウエハマーク
ＡＬとウエハマークＡＲがアライメント顕微鏡ＷＲとア
ライメント顕微鏡ＷＬによってとらえられると、アライ
メント顕微鏡ＷＬの検出中心ＬＣとウエハマークＡＬと
が一致し、アライメント顕微鏡ＷＲの検出中心ＲＣとウ
エハマークＡＲとが一致するように、ウエハホルダ１１
をθ軸回転駆動部３７により回転させる。この際、ウエ
ハホルダ１１の回転中心をウエハマークＡＬの近傍に定
めておくと、ホルダ１１を回転した時、アライメント顕
微鏡ＷＬの検出中心ＬＣからのウエハマークＡＬのずれ
量は極めて小さくなる。この場合には、実質的にアライ
メント顕微鏡ＷＲの検出中心ＲＣからのウエハマークＡ
ＲのＹ軸方向のずれが零となるようにウエハホルダ１１
の微小回転又はステージ７のＹ軸方向への微小移動を行
なうだけで良い。このようにしてウエハ１０のステージ
７に対する回転位置が定まるとホルダ１１はステージ７
に固定される。 【００７０】以上のようにしてウエハ１０内の配列座標
系αβは図１１に示す如くステージ７のＸＹ座標軸に対
して角度ε’だけ傾いて位置決めされ、従って第２層目
のレチクル５の投影パターン領域Ｐ₀ とウエハ１０上で
すでに存在する第１層目の各パターン領域Ｅ₁ 〜Ｅ₆ と
は、各々ＸＹ座標軸に対して反時計方向に角度ε’だけ
傾いた状態で設定される。 【００７１】このようなウエハ１０の位置決めが終了す
ると、ウエハマークＡＬとアライメント顕微鏡ＷＬの検
出中心ＬＣとが一致した時のステージ７のＹ座標値、及
びステージ７を移動してウエハマークＡＸとアライメン
ト顕微鏡ＷＸの検出中心ＸＣとが一致した時のステージ
７のＸ座標値とに基づいて、ＣＰＵ３０がパターン領域
Ｐ₀ ’と、ウエハ１０上の各パターン領域Ｅ₁ 〜Ｅ₆ と
の中心位置関係を求め、パターン領域Ｐ₀ ’がＥ₁ に重
なるようにステージ７を移動し、シャッタ４ａを開いて
露光する。次いでパターン領域Ｐ₀ ’をＥ₂ 以下の第１
層目パターン領域の各々に順次重ねあわせるためにステ
ージ７のステッピング移動するが、その際には前述の
(3)式及び (4)式に基づいてステージ７を位置決めすれ
ば、レチクル５の角度ε’の回転偏位はウエハ１０上の
全てのパターン領域において相殺され、従って第１層目
と第２層目のパターン領域が互いに回転偏位なく重ねあ
わされることになる。 【００７２】以下、第３層目以降についても、アライメ
ント顕微鏡ＷＬ、アライメント顕微鏡ＷＲの調整を行
い、同様にステップアンドリピートの焼付けが回転偏位
の発生なしに行なわれる。 【００７３】なお、以上の実施例では、アライメント顕
微鏡ＷＬ及びアライメント顕微鏡ＷＲの調整を微小開口
部材８と光電検出器９とを用いて行なったが、ウエハ１
０上にウエハマークＡＬがあるときはそれを用いても同
様に調整が行なえる。この場合、まずウエハマークＡＬ
をアライメント顕微鏡ＷＬの検出中心ＬＣと一致させた
のちステージ７をＸ軸方向に移動させ、アライメント顕
微鏡ＷＲがウエハマークＡＬをその検出視野内にとらえ
たらステージ７を停止し、その検出中心ＲＣとウエハマ
ークＡＬとが一致するように検出中心ＲＣを位置調整す
る。これによってアライメント顕微鏡ＷＬの検出中心Ｌ
Ｃとアライメント顕微鏡ＷＲの検出中心とを結ぶ線分が
Ｘ軸と平行になる。 【００７４】その後、予め求めておいた角度ε’に基づ
いてδｙ≒Ｌε’だけステージ７をＹ軸方向に移動させ
て位置決めし、アライメント顕微鏡ＷＲの検出中心ＲＣ
が再びウエハマークＡＬと一致するように該アライメン
ト顕微鏡ＷＲの光学系中のハーブングガラスやプリズム
等を偏位させればよい。 【００７５】また以上の実施例は投影型露光装置に適用
した場合であるが、本発明はこれに限らず、マスクとウ
エハとを微小間隙を介して対面させ、マスク側から露光
用の光線或はＸ線等を照射し、ウエハ上にマスクのパタ
ーン像を転写しては一定距離だけマスクを平行移動させ
てこれを繰返す所謂プロキシミテイ方式（近接方式）の
ステップアンドリピート露光装置にも同様に適用可能で
あることは述べるまでもない。 【００７６】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
マスク（レチクル）の被露光体（ウエハ）移動座標系に
対する回転偏位を定量的に短時間で精度良く求め、露光
に先立ってウエハ移動位置を補正できるため、ウエハ上
の回路パターン、所謂チップのローテーションが防止さ
れた第１層のウエハを作ることができ、第２層以降の重
ね合わせ精度も向上するといった効果が得られる。さら
に、レチクルを回転させる必要がないので、その回転機
構が不要となって構成が簡略化でき、しかもその分スル
ープットが向上するという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施例による縮小投影型露光装置を
示す概略構成図である。 【図２】図１のレチクル５のの透光マークの位置及び投
影レンズ６周囲の３本のアライメント顕微鏡の配置を第
１直交座標系ＸＹと第２直交座標系ｘｙとの関連で示し
た模式斜視図である。 【図３】図１の微小開口部材８の位置れを示す模式図で
あり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視
断面図である。 【図４】図１に示す縮小投影型露光装置の制御系の構成
を示すブロック図である。 【図５】レチクルパターンのウエハ上での投影像を第１
及び第２直交座標系の原点を一致させた場合において示
した模式図である。 【図６】ステージ７の歩進により次々に露光する場合の
隣り合う転写パターンの回転偏位とその相殺を示すため
の説明図である。 【図７】ステージ７の歩進に際しての位置決め座標変換
を示す説明図である。 【図８】第１層目の転写パターンについて回転偏位が相
殺されることを説明するためのウエハ上の転写パターン
配列の模式図である。 【図９】投影レンズ６と各アライメント顕微鏡の第１直
交座標系ＸＹ平面上での配置関係を示す説明図である。 【図１０】第１層目のパターンが転写されたウエハの模
式平面図である。 【図１１】第２層目のパターンの重ね合わせを示す説明
図である。 【図１２】重ね合わされたパターン相互間の回転偏位を
示す説明図である。 【符号の説明】 １：照明光学系 ２，３：コンデンサレンズ ４ａ，４ｂ，４ｃ：シャッタ ５：レチクル ６：投影レンズ ７：ステージ ８：微小開口部材 ８ａ：スリット開口 ９：光電検出器 １０：ウエハ １１：ウエハホルダ １２：ギャップセンサ １３，３４：レーザ干渉計 １４：反射鏡 １５：レチクルホルダ ＷＬ，ＷＸ，ＷＲ：アライメント顕微鏡 ３０：マイクロコンピュータ（ＣＰＵ） ３１：インターフェース ３２：シャッタ駆動部 ３３：レチクルアライメント制御系 ３５：Ｘ軸駆動部 ３６：Ｙ軸駆動部 ３７：θ軸駆動部 ３８：Ｚ軸駆動部 ３９：焦点検出部 ＲＲ，ＲＬ：透光マーク ＲＲ’，ＲＬ’：マーク像 ＡＬ，ＡＲ，ＡＸ：ウエハマーク Ｅ₁ ，Ｅ₂ ，Ｅ₃ ，Ｅ₄ ，Ｅ₅ ，Ｅ₆ ，Ｅ₇ ，Ｅ₈ ，Ｅ
₉ ：転写されたパターン領域

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．１層目のパターンが形成されたマスクを保持する保
   持手段と、感光基板を保持して所定の直交座標系内で２
   次元移動可能な基板ステージと、前記直交座標系内での
   前記基板ステージの移動量を検知することにより前記感
   光基板の座標位置を測定する座標測定手段と、該座標測
   定手段の測定値に基づいて前記基板ステージの移動を制
   御する制御手段とを備え、予め定められた目標位置情報
   に応じて前記基板ステージを順次位置決めして、前記１
   層目のパターンを前記感光基板上に露光する装置におい
   て、 前記保持手段に前記マスクが装着された状態で、前記直
   交座標系に対する前記マスクの回転方向の誤差量を検出
   する回転誤差検出手段と、 該検出された回転方向の誤差量に基づき前記感光基板上
   に規定される配列座標系に対して前記１層目のパターン
   が回転偏位なく整列して露光されるように、前記検出さ
   れた回転方向の誤差量に基づいて前記目標位置情報を補
   正演算し、前記感光基板を位置決めすべき座標位置を算
   出する演算手段とを備え、 前記制御手段は、前記座標測定手段で測定される座標位
   置が前記演算手段で算出される座標位置とほぼ一致する
   ように前記基板ステージの位置決めを制御することを特
   徴とする露光装置。 ２．前記回転誤差検出手段は、前記マスク上の複数マー
   クの各々の前記直交座標系上での位置を計測する手段を
   有し、該計測された位置に基づいて前記マスクの回転方
   向の誤差量を求めることを特徴とする請求項１に記載の
   露光装置。