JP2720202B2 - 基板露光装置におけるギャップ制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、基板露光装置におけるギャップ制御方法
に関し、詳しくは厚さにムラがある被露光基板をマスク
板にて対して最適な位置に設定するための制御方法に関
するものである。

［従来の技術］ 半導体ICの製造においてはマスク板を原盤として、こ
れに描かれた配線パターンが露光装置により基板に露光
される。露光方式には投影方式と密着方式があり、後者
においてはパターンが1:1に転写される。ただし、密着
ではマスクにキズなどが生ずるので、マスクと基板の間
を狭いギャップとするプロキシミティ（近接）露光が主
に行われている。この場合、ギャップに不整があると露
光の焦点がボケるので、露光範囲の全面に渡ってこれを
所定のプロキシミティ・ギャップに制御し、両者を正確
に平行とすることが必要である。従来においては、ギャ
ップ制御用の光学系を設けて縞パターンを投影し、これ
に対するマスク板と基板の双方に設けられた反射膜の反
射光より縞パターンを受光し、そのコントラストを検出
して光学系を合焦して平行とする方法が行われている。

第４図（ａ），（ｂ）および（ｃ）により、上記のギ
ャップ制御方法を説明する。図（ａ）において、マスク
板１は所定の位置に固定され、これに対する被露光基板
２は載置台４に載置される。載置台４はＺ移動機構５に
より上下方向に移動し、基板２がマスク１に対して所定
の位置に停止する。ただしこれだけでは両者は正確に平
行していない。そこで、３組の光学系３をマスク１およ
び基板２の図示のような対称的な３点に対応して設け
る。各光学系３の測定光により、縞パターン板3aの縞パ
ターンが対物レンズ3bによりマスク板１に設けられた反
射膜1aに投影される。その反射光は対物レンズ3b,結像
レンズ3cによりイメージセンサ3dに縞パターンが再投影
される。図（ｂ）は縞パターン板3aを示すもので、適当
な厚さの透明板の表面と裏面に一定の間隔で不透明な縞
Ｎを、交互に作る。図示のＴは透明部分である。これに
対して平行な測定光Ｌを照射すると、対物レンズ3bがマ
スク板１に合焦していないときは、表面側と裏面側の縞
パターンのコントラストが異なり、合焦したときは両者
が均一のコントラストとなるので、これを検出して対物
レンズ3bまたは被照射体の位置を制御して合焦がなされ
るものである。

第４図（ｃ）によりギャップ制御の手順を説明する。
まず、マスク板１の反射膜1aに対して合焦するように各
対物レンズ3bが調整され、ついでこれらを所定のプロキ
シミティ・ギャップｇづつ下降する。これに対してＺ移
動機構５により載置台４を所定の位置まで上昇する。た
だし、この状態では基板表面はマスク板１に対して正確
に平行していない。そこで、基板２の表面に設けられた
反射膜2aに縞パターンを投影し、３組のチルト機構６に
より載置台４の作用点を矢印z₁〜z₃に示す上下に微動
し、各イメージセンサ3dの縞パターンを合焦させる。こ
れによりマスク板１と基板２の間は全面に渡って平行な
所定のプロキシミティ・ギャップｇとされ、別途の露光
光学系により露光が行われるものである。

［解決しようとする課題］ 以上のギャップ制御方法においては、基板２の厚さｄ
が全面に渡って均一であることが条件とされる。しかし
ながら、実際の厚さには微小であるが不均一があり表面
が曲面をなしているので、精度の高い合焦を行うために
は上記の制御方法では不十分である。これを第５図によ
り説明する。図において、各対物レンズ3bの焦点は水平
のマスク板１に平行しているので、チルト機構により載
置台を移動しても曲面の全体に対して合焦することがで
きない。従って、露光に際して部分的に焦点ボケが発生
する。この場合、例えば全面の厚さに対する平均値を利
用しても、平行出しを正確に行うことは原理上困難であ
る。これに対して有効な解決方法が必要とされている。

この発明は以上の問題を解決するためになされたもの
で、厚さにムラがある透明な被検査基板の上側表面を、
マスクに対して最適な状態に設定するギャップ制御方法
を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明は、水平な載置台に載置された透光性の被露
光基板に対してギャップをなしてマスク板を重ね合わ
せ、該マスク板の３点に対して３組の光学系をそれぞれ
合焦させた後、各該光学系の対物レンズをギャップに相
当する距離だけ下降し、載置台を３組のチルト機構によ
り上または下方向に微小移動することにより、各光学系
を基板の上側表面に合焦させてマスク板と基板間を平行
な所定のプロキシミティ・ギャップとする露光装置にお
けるギャップ制御方法である。

この発明においては厚さにムラのある基板を対象と
し、まず、厚さ測定器により上記の対称的な３点を含む
適当な複数の測定点における基板の厚さを測定し、この
厚さデータにより基板の上側表面のなす曲面に対する回
帰平面式を求める。上記の３点に対する厚さの測定値
と、該回帰平面式による厚さの計算値との差分を算出す
る。次に、３組の対物レンズをマスク板に合焦した後、
該差分をそれぞれオフセットしてプロキシミティ・ギャ
ップ量づつそれぞれ下降する。また、各チルト機構の作
用点における上記回帰平面式による厚さの計算値を各チ
ルト機構にオフセットする。オフセットされたチルト機
構により回帰平面がマスク板に対して平行となり、この
状態でＺ移動機構により載置台を所定の距離だけ上昇し
て基板に対する合焦の確認を行う。

上記の複数の測定点の座標を［xi,yi］、各座標にお
ける基板の厚さの測定値をdiとし、（xi,yi,di）に対す
る平均値（ｘ′,y′,d′）より、最小自乗法によりＸ軸
およびＹ軸に対する傾斜係数a,bを求め、次の方程式： ｄ−ｄ′＝ａ（ｘ−ｘ′）＋ｂ（ｙ−ｙ′）＋Ｃ ……（１） を上記回帰平面式とするものである。

［作用］ まず、この発明における回帰平面について第１図を参
照して説明する。厚さ測定器により被測定物を測定した
場合、各測定点psに対する厚さｄが変化して曲線Ｒをな
すとする。いま曲線Ｒを１本の直線で近似させる場合、
最も良好な近似を示すものが回帰直線Ｑである。回帰直
線Ｑはこれがえられたと仮定し、これと各測定点psにお
ける厚さの測定データとの差δdsの自乗の総和が最小と
なる条件（最小自乗法）により求められる。さらに測定
点psが２次元に分布している場合は、上記の回帰直線Ｑ
に代わって回帰平面Ｑ′となるもので、その誘導法はよ
く知られている。

第２図（ａ）はこの発明によるギャップ制御方法にお
ける回帰平面を説明するもので、載置台に載置された被
露光基板２には厚さｄにムラがあり、その上側表面2bが
曲面をなす。ここでは、例として３組の光学系が対応す
る点をp₁,p₂,p₃とし、これらを含むp₀〜p₄を測定点とす
る。各測定点の座標をそれぞれ［xi,yi］（ｉ＝１〜
４）、各座標における厚さの測定データをdiとし、（x
i,yi,di）に対するそれぞれの平均値（ｘ′,y′,d′）
を求めると、回帰平面Ｑ′の方程式は式（１）により表
される。

ｄ−ｄ′＝ａ（ｘ−ｘ′）＋ｂ（ｙ−ｙ′） ……（１） ここで、a,bはそれぞれＸ軸およびＹ軸に対する回帰
平面の傾斜係数であり、次の各式より求められる。

ａ＝［ＳXZＳYY−ＳYZＳXY］ ÷［ＳXXＳYY−ＳXY^２］ ……（２） ｂ＝［ＳYZＳXZ−ＳXZＳXY］ ÷［ＳXXＳYY−ＳXY^２］ ……（３） ここで各Ｓは、 ＳXX＝Σ（xi−ｘ′）^２ ＳXY＝Σ（xi−ｘ′）（yi−ｙ′） ＳYY＝Σ（yi−ｙ′）^２ ＳXZ＝Σ（xi−ｘ′）（zi−ｚ′） ＳYZ＝Σ（yi−ｙ′）（zi−ｚ′） ……（４） であり、Σはｉについての総和を示し、各式の数値演算
はマイクロプロセッサにより容易に実行することができ
る。

次に、第２図（ｂ）において、３組の光学系に対応す
る３点（p₁,p₂,p₃）における、基板の厚さの測定値と回
帰平面式の計算値の差分δp₁,δp₂,δp₃が求められ、ま
た載置台に対するチルト機構の作用点t₁ t₂,t₃の座標よ
り、これら点における回帰平面式の計算値dt₁,dt₂,dt₃
が求められる。

以上において、測定点を５点としたが、測定点をこれ
より多くとることにより近似が向上するが、基板の厚さ
ムラはそれほど大きくないので、上記の５点で十分であ
る。

さて、ギャップ制御においては、まずマスク板に対し
て３組の光学系が縞パターン法により合焦される。つい
で、各対物レンズに対して上記の差分δp₁…をそれぞれ
オフセットしてプロキシミティ・ギャップ量だけそれぞ
れ下降する。一方、各チルト機構に対して上記の回帰平
面の厚さdt₁…をオフセットすると、第２図（ｃ）のよ
うに載置台４が回帰平面Ｑ′の傾斜と逆方向に傾斜して
マスク板１と回帰平面Ｑ′とが平行となる。この状態で
Ｚ移動機構により載置台４の全体を所定の距離だけ上昇
すると、マスク板１に対する回帰平面Ｑ′のプロキシミ
ティ・ギャップｇが全面で一定となり、基板の曲面2aが
マスク板１に対して最適な状態となされる。この状態に
おいて、基板の反射膜2aに対して各光学系により合焦が
確認されるが、各対物レンズは上記によりオフセットさ
れているので、通常ではこのままで合焦している筈であ
る。もし合焦が不良であれば上記の手順を再度行う。以
上により平行出しが終了し、この状態に対して別途露光
光学系による露光が行われる。

なお以上における光学系の合焦に対する対物レンズの
移動制御は、図示しない制御機構により自動化されてい
る。また、マスク板と基板の反射膜を省略し、それぞれ
の素地に対して直接的に合焦する方法がこの発明の発明
者により提案されて特許出願されているが、これに対し
ても上記の制御方法は適用できるものである。

［実施例］ 第３図はこの発明による基板露光装置におけるギャッ
プ制御方法の実施例に対する制御手順を示すフローチャ
ートである。まず厚さ測定器により、基板の５点におけ
る厚さが測定され、測定データより回帰平面式が算出
される。これより光学系の対応する３点における測定
値と回帰平面の厚さの差分δp₁〜δp₃対物レンズのオフ
セット量）と、各チルト機構の作用点における回帰平面
の厚さdt₁〜dt₃（チルト機構のオフセット量）が計算さ
れる，。次に、マスク板に対する各光学系の合焦が
行われ、ついで各対物レンズに対して差分δp₁〜δp₃
がオフセットされてプロキシミティ・ギャップｇづつ下
降する，。一方、各チルト機構に対してオフセット
量dt₁〜dt₃を与えて載置台を上下方向に微小移動し、マ
スク板に対して回帰平面が平行とされる。この状態で
Ｚ移動機構により載置台を上昇するとマスク板に対して
回帰平面がプロキシミティ・ギャップｇまで接近し、基
板の表面がマスク板に対して最適の状態となる。これ
に対して基板表面の合焦を縞パターンにより確認し、
結果を判定して良好であれば終了する。異常があれ
ばチルト機構により再調整してルーチンはに戻って
再確認される。

［発明の効果］ 以上の説明により明らかなように、この発明によるギ
ャップ制御方法においては、被露光基板の複数の測定点
に対する厚さの測定データより、基板の上側表面のなす
曲面に対して最適に近似する回帰平面を算出し、チルト
機構に回帰平面の計算値をオフセットして回帰平面をマ
スク板に対して平行とした上で、Ｚ移動機構により載置
台を上昇し、マスク板に対して回帰平面をプロキシミテ
ィ・ギャップまで接近して基板表面を最適の状態とす
る。さらにこれを光学系の合焦により確認するもので、
マスク板と基板の反射膜の有無に拘らず適用され、厚さ
にムラのある被露光基板に対するプロキシミティ・ギャ
ップの制御方法として優れた手段を提供するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、回帰直線と回帰平面の一般的な説明図、第２
図（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、この発明による基板
露光装置におけるギャップ制御方法に対する回帰平面式
の誘導とその作用の説明図、第３図はこの発明による基
板露光装置におけるギャップ制御方法の実施例に対する
フローチャート図、第４図（ａ），（ｂ）および（ｃ）
は基板露光装置の構成図と縞パターンおよび従来のギャ
ップ制御方法の説明図、第５図は厚さムラがある被露光
基板に対する問題点の説明図である。 １……マスク板、２……被露光基板、 1a,2a……反射膜、2b……基板の上側表面、 ３……光学系、3a……縞パターン板、 3b……対物レンズ、3c……結像レンズ、 3d……イメージセンサ、４……載置台、 ５……Ｚ移動機構、６……チルト機構、 ｇ……ギャップ、Ｎ……不透明部、 Ｔ……透明部、Ｑ……回帰直線、 Ｑ′……回帰平面、 〜……フローチャートのステップ番号。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水平な載置台に載置された透光性の被露光
   基板に対してギャップをなしてマスク板を重ね合わせ、
   該マスク板の３点に対して３組の光学系をそれぞれ合焦
   させた後、各該光学系の対物レンズを上記ギャップに相
   当する距離だけそれぞれ下降し、上記載置台をチルト機
   構により上または下方向に微小移動することにより、上
   記３組の光学系を上記基板の上側表面にそれぞれ合焦さ
   せて上記マスク板と基板間を平行な所定のプロキシミテ
   ィ・ギャップとする基板露光装置において、 厚さにムラのある上記基板を対象とし、厚さ測定器によ
   り、上記基板上の上記光学系に対応する３点を含む適当
   な複数の測定点における該基板の厚さを測定し、該測定
   による厚さデータにより該基板の上側表面のなす曲面に
   対する回帰平面式を求め、上記３組の光学系に対応する
   ３点に対する厚さの測定値と、該回帰平面式による厚さ
   の計算値との差分を算出し、上記３組の対物レンズを上
   記マスク板に合焦した後、各対物レンズに該差分をそれ
   ぞれオフセットして上記プロキシミティ・ギャップ量づ
   つそれぞれ下降し、上記各チルト機構の作用点における
   上記回帰平面式による厚さの計算値を該各チルト機構に
   オフセットし、該オフセットされたチルト機構により上
   記回帰平面が上記マスク板に対して平行とされ、該平行
   の状態でＺ移動機構により上記載置台を所定の距離だけ
   上昇して上記基板に対する合焦の確認を行い、 上記複数の測定点の座標を［xi,yi］、該座標における
   上記基板の厚さの測定値をdiとし、該（xi,yi,di）に対
   する平均値（ｘ′,y′,d′）より、最小自乗法によりＸ
   軸およびＹ軸に対する傾斜係数a,bを求め、次の方程
   式： ｄ−ｄ′＝ａ（ｘ−ｘ′）＋ｂ（ｙ−ｙ′）……（１） を上記回帰平面式とする、基板露光装置におけるギャッ
   プ制御方法。