JP2794593B2 - 投影露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えばLSI製造に用いられる投影露光装
置、特にオフアキシス位置合せ光学系を備えた投影露光
装置に関する。

［従来の技術］ IC製造工程において使用される投影露光装置の位置合
せ（アライメント）精度は、製品ICの歩留りを決定する
重要な要因の１つであり、この精度の向上を目的とした
種々の方法や技術が考案され実施されている。

投影露光装置における位置合せ、すなわち原版として
のレチクル上のパターン領域とウェハ上の所定の投影領
域との投影光学系を介した重ね合せの方法には大別して
２種類の方式がある。１つは投影光学系により直接重ね
合せを検出するオンアキシス方式であり、今１つは、投
影光学系とは無関係に設けられた位置合せ専用の位置決
め光学系を用いて投影光学系に対して間接的な重ね合せ
を行うオフアキシス方式である。

オンアキシス方式としては、例えばレチクルの位置合
せマークと投影光学系を介したウェハの位置合せマーク
とを顕微鏡により同時観察して位置合せする方法等があ
る。この方式の長所は、後述するような誤差の要因が少
なく高精度を期待できる点である。

しかし、この方式では位置合せ用の照明光として露光
用の照明光、もしくは投影光学系に関する色収差補正が
可能な露光用の照明光に近い波長の光が用いられるの
で、位置合せ用の照明光の照射領域でウエハ上に形成さ
れたレジスト層が感光してしまう。このため、露光ごと
に別の位置合せマークを用いる必要がある。また、通
常、各露光領域ごとに位置合せ動作を行うので、装置の
スループットが低くなる。

一方、オフアキシス方式では、位置決め光学系による
間接的な位置合せであることに起因する、ベースライン
ドリフトと呼ばれる位置合せ誤差が発生し易いものの、
専用の位置決め光学系に対する設計上の制約が少なく、
高精度で高分解能な光学系を比較的容易に採用できる。
また、照明光も任意に設定できるため、レジスト層に対
し非感光性で、広い波長分布を有する照明光を用いるこ
とが可能である。また、この照明光のもとでウェハ上に
設定された多数のマークを検出して１度ウェハの位置決
めを行った後で、各露光領域の投影露光をステップアン
ドリピート方式で行えば、装置のスループットが高くな
る。

オフアキシス方式におけるステージ位置座標の管理
は、通常、ウェハを載置して移動するステージの位置を
高精度にモニタするレーザ干渉計によりすべて行われ
る。また、投影光学系を介してステージ位置座標とレチ
クル上のパターン領域との対応を取る別の検出光学系も
備える。

この検出光学系を用いて、レチクル上の所定点とステ
ージ上の所定点とが投影光学系を介して重なるステージ
位置を検出することにより、レチクル上のパターン領域
の投影されるステージ上の領域が、レーザ干渉計による
ステージ位置座標上に取りこまれる。ここで、この投影
される領域の位置座標、すなわち、ウェハ上の所定投影
領域を真に位置決めすべき位置と、位置決め光学系によ
る位置検出が実際に行われる位置座標との距離をベース
ラインと呼ぶ。このベースライン値に従って位置決め光
学系によりウェハ上の投影領域を位置決めして投影露光
を行う。

例えば、レジスト層の形成されたウェハがステージに
載置されると、まずステージを移動させながら位置決め
光学系によりウェハ上の多数の位置決め用マークを検出
して、それぞれのステージ位置座標を取りこむ。これら
の位置座標に統計的な処理を加えてウェハ上の各投影領
域の位置座標が算出される。この位置決め光学系による
各投影領域の位置座標からベースライン値、すなわち実
際の重ね合せ位置までの距離を差し引いた位置にステー
ジを位置決めすることによりレチクルとウェハとの投影
光学系を介した重ね合せが行われる。

オフアキシス方式の位置合せは、ベースライン値を基
準とした間接的な重ね合せであるから、位置決め光学系
と投影光学系との距離関係が変動したり、位置決め光学
系とステージ位置座標との関係が変動したりするとその
変動量はそのまま重ね合せ誤差となる。これがベースラ
インドリフトである。

ベースラインドリフトは、通常、装置部材の温度変化
に伴なって発生するため、これを機械的に抑制するため
にはこれに関連する構造部材を低熱膨張材料（例えばイ
ンバー等）とし、さらに、装置各部で厳密な温度管理を
行う必要がある。これは、装置の構造を複雑にしたり、
重量を増させて経済的問題を発生する。

このため、ステージ上に設けられた基準マークを用い
て随時位置決め光学系とステージ位置座標との関係を計
測してベースライン値を補正することが考えられた。

［発明が解決しようとする課題］ この基準マークにより随時ベースライン値を補正する
方法においては、前述のような位置決め光学系と投影光
学系との距離関係の変動や、位置決め光学系とステージ
位置座標との関係の変動に起因するベースラインドリフ
トに関しては、随時補正される。

しかし、ステージ構造部材の温度変動に伴なう熱膨張
により、ステージに設置された基準マークとレーザ干渉
計用の反射ミラーとの間隔が変化する。その結果、基準
マークにより求められた位置決め光学系とステージ位置
座標との関係に新たな誤差を発生することが判明した。

例えば、ステージ構造部材に熱膨張係数9ppmのチタン
が用いられ、反射ミラーと基準マークとの間隔が50mmの
場合、0.1℃の温度変化により発生する誤差Δｘは、次
のようになる。

Δｘ＝50mm×9ppm×0.1℃ ＝0.045μｍ この値は、レーザ干渉計の計測分解能（0.02μｍ）よ
りも大きい。

一方、位置決め光学系による基準マーク検出を、投影
光学系を介したオンアキシス方式の検出光学系を用いた
基準マーク検出の直後に行うようにすれば、この反射ミ
ラーと基準マークとの間隔の誤差は相殺される。しか
し、通常、検出光学系による投影光学系を介しての基準
マーク検出は、オフアキシス方式の位置決め光学系によ
る基準マーク検出に比べて相当時間を要するため、装置
のスループットが著しく低下する。

［課題を解決するための手段］ 請求項１記載の投影露光装置は、マスクのパターンを
被露光体上に投影する投影光学系と、前記被露光体を載
置する移動可能なステージと、このステージの位置を計
測する計測手段と、前記ステージに固定された基準マー
クと、前記投影光学系に対して所定の関係で固定された
アライメント検出光学系とを有し、前記基準マークと前
記アライメント検出光学系と前記投影光学系と前記計測
手段とを用いて前記アライメント検出光学系と前記投影
光学系との間隔の計測を行い、この間隔値に基づいて前
記アライメント検出光学系と前記計測手段とを用いて前
記投影光学系に関する前記被露光体と前記マスクパター
ンとの相対位置合せを行った後に、前記投影光学系を介
して前記マスクパターンの露光転写を行う投影露光装置
であって、前記ステージの温度の検出を行う温度検出手
段と、この温度検出手段の検出結果に基づいて前記ステ
ージの熱変形により発生する前記間隔値の誤差を補正す
る補正手段とを備えている。

請求項２記載の投影露光装置は、前記計測手段が前記
ステージに設けられた反射部材を含んでおり、前記温度
検出手段が前記基準マークと前記反射部材との間に設け
られている。

請求項３記載の投影露光装置は、マスクのパターンを
基板に露光する投影露光装置であって、前記マスクと前
記基板との相対位置関係を検出するアライメント光学系
と、前記基板を載置して移動する基板ステージと、前記
基板ステージの温度を計測する温度検出手段と、前記温
度検出手段が検出した前記基板ステージの温度に基づい
て、前記アライメント光学系の検出結果を補正する補正
手段とを備えている。

請求項４記載の投影露光装置は、前記基板ステージの
熱膨張係数を記憶する記憶手段を備えている。

請求項５記載の投影露光装置は、マスクのパターンを
基板に露光する露光装置であって、前記基板を載置して
移動可能であり反射鏡が配設された基板ステージと、前
記反射鏡を用いて前記基板ステージの位置を計測する計
測手段と、前記基板ステージに固定され基準マークを有
した基準マーク部材と、前記反射鏡と前記基準マーク部
材との間隔の変化を検出する検出手段とを備えている。

請求項６記載の投影露光装置は、前記検出手段が前記
基準マークと前記反射部材との間に設けられている。

［作用］ 請求項１記載の投影露光装置において、投影光学系
は、マスクパターンを被露光体上に投影する。また、ス
テージは、投影光学系に関してマスクパターンと共役な
面に沿って自由な移動が可能である。さらに、ステージ
上には被露光体が、位置決め載置される。

計測手段は、例えば、ステージに固定された反射ミラ
ーとステージを載せる定盤側に固定されたレーザ干渉計
との組み合せであり、ステージの移動量を計測して、ス
テージに固定された基準マークを原点とするステージ面
上の位置座標系を構築する。ここで、基準マークは、ス
テージとともに移動する被露光体上に形成されていても
良い。

投影光学系に対し一定距離を持たせて固定されたアラ
イメント検出光学系は、従来例で述べた位置決め光学系
であり、ステージ移動に伴なってステージ上の被露光体
（または基準マーク）を観察する。このアライメント検
出光学系は、内部に位置決め用の指標を備えていて、こ
れとステージ上の所定点（マーク）とが重なったときの
ステージ位置を検出手段により求めてこの所定点のステ
ージ上の位置座標を求める。

請求項１記載の投影露光装置では以下の手順に従って
マスクパターンの投影露光を行う。

まず、ステージを移動させて基準マークがアライメン
ト検出光学系の指標と一致するステージ位置座標と、基
準マークが投影光学系を介してマスク上の指標と一致す
るステージ位置座標とを計測手段により計測する。これ
により、実際にアライメント検出光学系によりステージ
上で位置検出を行う位置と、ステージ上のマスクパター
ン投影位置との間隔、すなわちベースライン値が算出さ
れる。

次に、このベースライン値に基いて、アライメント検
出光学系と計測手段とにより、投影光学系に関する被露
光体とマスクパターンとの所定の位置合せを行った後
に、投影光学系によるマスクパターンの露光転写を行
う。

請求項１記載の投影露光装置では、さらに、温度検出
手段がステージの温度の検出を行う。また、補正手段
が、温度検出手段の検出結果に基いてステージの熱変形
により発生するベースライン値の誤差を補正する。請求
項２記載の投影露光装置は、温度検出器がステージ上の
反射ミラーと基準マーク板との間の金物の温度を検出す
るように配置される。

請求項３記載の投影露光装置は、温度検出手段が基板
ステージの温度を計測し、補正手段が温度検出手段によ
り検出した基板ステージの温度に基づいてアライメント
光学系の検出結果を補正しているので、精度よくマスク
と基板との相対位置関係を検出することができる。

請求項４記載の投影露光装置は、記憶手段が基板ステ
ージの熱膨張係数を記憶しているので、基板ステージの
熱変形を検出することができる。

請求項５記載の投影露光装置は、検出手段が反射鏡と
基準マーク部材との間隔の変化を検出しているので、基
板ステージの位置を計測する際に反射鏡と基準マーク部
材との間隔の変化に起因した誤差を検出することができ
る。

請求項６記載の投影露光装置は、検出手段が基準マー
ク部材と反射鏡との間に設けられているので、基準マー
ク部材と反射鏡との間隔の変化を検出できる。

［発明の実施例］ 図面を参照して本発明の実施例を説明する。

第１図は、本実施例の投影露光装置で、図示されない
照明光学系により照明されたレチクル１上のパターン
が、投影レンズ２によりウェハ３上に露光転写される構
成である。

ウェハ３は、Ｘステージ５に固定されたホルダ４上に
載置され、Ｘステージ５とＹステージ６との動作により
自由に平面移動できる。

位置決め光学系であるウェハアライメントセンサ７の
位置は、Ｘステージ５に固定された基準板８上に設定さ
れた基準マーク8aのマーク位置を検出したときのＸ、Ｙ
ステージ５、６の位置で定義される。同様に、レチクル
１の位置は、レチクル位置検出センサ18によりレチクル
の指標1aと基準マーク8aとを同時に検出して相互の位置
ずれおよびそのときのＸ、Ｙステージ５、６の座標位置
から算出される。

本実施例において、レチクル位置検出センサ18のアラ
イメント光には、露光光源からの光を利用している。ま
た、Ｘステージ５の位置は、Ｘステージ５上に反射ミラ
ー９を設け、レーザ干渉計11により測定される。Ｙステ
ージの位置は、図示しない同様の手段により測定され
る。

ウェハアライメントセンサ７は、レーザ光のスポット
に対してステージを走査し、格子マークによって回折さ
れた回折光を受光してその強度信号が検出回路13で検出
される。この信号は、レーザ干渉計処理回路12の位置信
号パルスに同期してAD変換され、波形処理回路14に取り
込まれる。波形処理回路14では、信号波形を処理してマ
ーク位置が求められ、次にそのマーク位置の情報は演算
回路17に送られる。

一方、ステージには温度センサ10が設置されていてス
テージの構造部材、特に反射ミラー９と基準マーク8aと
の間の金物部分の温度を検知する。温度センサ10の出力
信号は、温度検出回路17に送られ、求められた温度Ｔの
信号が演算回路17に送られる。メモリ16には、基準マー
ク8aとミラー９の反射面との間隔１、およびステージ構
造部材の熱膨張係数αが予め記憶されている。この温度
センサ10としては、測定分解能が0.1℃程度以上のもの
を使うのが望ましい。

次に、Ｘステージ５に関する温度変化によるベースラ
イン値の補正を説明する。

いま、Ｘ方向のベースライン値がBL_Xであるとする。
これは、ウェハアライメントセンサ７の座標位置x₀およ
びレチクルの投影点の座標位置x_Rを測定して、その差を
次式のように計算して求められる。

BL_X＝x₀−x_R ウェハアライメントセンサ７の位置x_Oの測定とレチク
ル１の位置x_Rの測定とは引き続いて行われるので、この
間のステージの温度はほぼ一定と考えられる。このとき
のステージの温度をT₀とする。

ベースライン値の補正は、ウェハアライメントセンサ
７の位置を適当な時間間隔で測定することにより行われ
る。例えば、ウエハ３の重ね合せ露光を連続して実行し
ているときにウェハを５枚処理するごとに、この測定動
作を挿入したりすれば良い。この測定時のウェハアライ
メント処理結果をｘとして、そのときのステージの温度
をＴとすれば、正しいベースライン値BL_X′は次式で求
められる。

BL_X′＝BL_X＋（ｘ−x₀）−１α（Ｔ−T₀） この計算処理は、演算回路17で実行される。また、こ
のとき、レチクルの位置計測は、装置の構成上、その位
置が安定であることから省略される。これにより、スル
ープットが最適化される。

なお、第１図とここまでの説明とにおいてＸ方向のみ
を対象としたが、Ｙ方向に関しても全く同様に、温度検
出とベースライン値の補正が行われる。さらに、レチク
ル１を交換するときは、レチクル１を装置に位置決めし
た後でベースライン測定を行い、同時にステージの温度
T₀を計測し直してメモリ16に記憶する。

以上のように、本実施例によれば、Ｘ、Ｙステージ
５、６の位置決めを干渉計により管理するから、高精度
な位置決めが可能である。また、オフアキシス方式のア
ライメントにおいて、安価な部品の追加により、Ｘ、Ｙ
ステージ５、６の温度変動に伴なうベースライン値の補
正を高速かつ高精度に行うことができる。

また、本実施例では、Ｘステージ５に固定された基準
マーク8aによりレチクルの位置計測を行ったが、これは
ウェハ上に設定されたマークでも良い。この場合、マー
ク部分のレジスト層のみを選択的に除去したウェハを使
用することで、レジスト層に起因する種々の不都合は改
善される。

［発明の効果］ 請求項１記載の投影露光装置は、専用の位置決め光学
系により被露光体を投影光学系を介さずにマスクパター
ンと相対位置合せするから、位置合せ用の照明光を自由
に選択して高精度で高能率な位置合せが可能である。

請求項１記載の投影露光装置は、さらに、ステージの
温度変化に伴なうベースライン値の誤差が補正手段によ
り直ちに補正されるから、正確なベースライン値に基い
たマスクパターンと被露光体との高精度な重ね合せが常
に可能である。

請求項２記載の投影露光装置は、温度検出手段が基準
マークと反射部材との間に設けられているので、温度変
化に伴う基準マークと反射部材との間隔の変化を検出す
ることができる。

請求項３記載の投影露光装置は、温度検出手段が検出
した基板ステージの温度に基づいて、補正手段がアライ
メント光学系の検出結果を補正するので、簡単な構成
で、かつ、精度よくマスクと基板との相対位置関係を検
出することができる。

請求項４記載の投影露光装置は、記憶手段が基板ステ
ージの熱膨張係数を記憶しているので、温度変化による
基板ステージの熱膨張を簡単な構成で検出することがで
きる。

請求項５記載の投影露光装置は、検出手段が反射鏡と
基準マーク部材との間隔の変化を検出しているので、反
射鏡と基準マーク部材との間隔の変化に起因した誤差を
検出して基板ステージの位置を高精度に検出することが
できる。

請求項６記載の投影露光装置は、検出手段が基準マー
クと反射部材との間に設けられているので、基準マーク
と反射部材との間隔の変化を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の投影露光装置の構成を示す
模式図である。 ［主要部分の符号の説明］ １……レチクル、２……投影レンズ ３……ウェハ、５……Ｘステージ ７……ウェハアライメントセンサ 8a……基準マーク、９……反射ミラー 10……温度センサ、11……干渉計 17……演算回路

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスクのパターンを被露光体上に投影する
   投影光学系と、前記被露光体を載置する移動可能なステ
   ージと、このステージの位置を計測する計測手段と、前
   記ステージに固定された基準マークと、前記投影光学系
   に対して所定の関係で固定されたアライメント検出光学
   系とを有し、 前記基準マークと前記アライメント検出光学系と前記投
   影光学系と前記計測手段とを用いて前記アライメント検
   出光学系と前記投影光学系との間隔の計測を行い、この
   間隔値に基づいて前記アライメント検出光学系と前記計
   測手段とを用いて前記投影光学系に関する前記被露光体
   と前記マスクパターンとの相対位置合せを行った後に、
   前記投影光学系を介して前記マスクパターンの露光転写
   を行う投影露光装置において、 前記ステージの温度の検出を行う温度検出手段と、この
   温度検出手段の検出結果に基づいて前記ステージの熱変
   形により発生する前記間隔値の誤差を補正する補正手段
   とを備えたことを特徴とする投影露光装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の投影露光装置において、 前記計測手段は、前記ステージに設けられた反射部材を
   含んでおり、 前記温度検出手段は、前記基準マークと前記反射部材と
   の間に設けられていることを特徴とする投影露光装置。
3. 【請求項３】マスクのパターンを基板に露光する投影露
   光装置において、 前記マスクと前記基板との相対位置関係を検出するアラ
   イメント光学系と、 前記基板を載置して移動する基板ステージと、 前記基板ステージの温度を計測する温度検出手段と、 前記温度検出手段が検出した前記基板ステージの温度に
   基づいて、前記アライメント光学系の検出結果を補正す
   る補正手段とを備えたことを特徴とする投影露光装置。
4. 【請求項４】請求項３記載の投影露光装置において、 前記基板ステージの熱膨張係数を記憶する記憶手段を備
   えたことを特徴とする投影露光装置。
5. 【請求項５】マスクのパターンを基板に露光する露光装
   置において、 前記基板を載置して移動可能であり、反射鏡が配設され
   た基板ステージと、 前記反射鏡を用いて前記基板ステージの位置を計測する
   計測手段と、 前記基板ステージに固定され、基準マークを有した基準
   マーク部材と、 前記反射鏡と前記基準マーク部材との間隔の変化を検出
   する検出手段とを備えたことを特徴とする投影露光装
   置。
6. 【請求項６】請求項５記載の投影露光装置において、 前記検出手段は、前記基準マークと前記反射部材との間
   に設けられていることを特徴とする投影露光装置。