JP2808151B2 - 露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、マスク等の原版の像を半導体ウエハ等の
被露光基板上に高精度に焼付転写する露光装置に関す
る。

［従来の技術］ 半導体集積回路は、近年、ますます高集積化が進めら
れており、それを製造するための露光装置（アライナ）
も転写精度のより高いものが要求されている。例えば、
256メガビットDRAMクラスの集積回路では、線幅0.25ミ
クロン程度のパターンの焼付を可能にする露光装置が必
要となる。

このような超微細パターン焼付用の露光装置として軌
道放射光（SOR−Ｘ線）を利用していわゆるプロキシミ
ティ露光を行なうものが提案されている。

この軌道放射光は、水平方向に均一なシートビーム状
であるため、面を露光するために、 マスクとウエハとを鉛直方向に移動して水平方向のシ
ートビーム状Ｘ線で面走査するスキャン露光方式、 シートビーム状Ｘ線を揺動ミラーで反射してマスクと
ウエハ上を鉛直方向に走査するスキャンミラー露光方
式、および 反射面が凸状に加工されたＸ線ミラーによって水平方
向のシートビーム状Ｘ線を鉛直方向に発散させて露光領
域全体に同時に照射する一括露光方式 等が提案されている。

本発明者等は、この一括露光方式に係るＸ線露光装置
を発案し、先に特願昭63−71040号として出願した。

ところで、このようなプロキシミティ露光装置におい
ては必ずしも所期の露光精度が得られないという不都合
があった。これは以下の理由による。すなわち、この種
の露光装置において、各ショット面の光軸方向の位置情
報（AF情報）は４辺上のものしか得られない。また、ウ
エハはどれも完全な平面ではなく、多少のうねりをもっ
ている。しかし、従来の露光装置においては、ショット
内部の面形状が分からないため、必ずしもショット全面
に対して最適な露光面（またはピント位置）に合わせら
れず、これが露光精度劣化の要因となっていた。

そこで、本発明者等は、先に、露光に先立って複数の
ショットにおける被露光基板表面の光軸方向の位置（ピ
ント）を検出（AF検出）し、このAF検出値により被露光
基板表面全体の面形状（うねり）を算出し、この面形状
に基づいて各ショットにおける露光に最適な平面（最適
露光平面）を求めておき、ステップアンドリピート露光
の際、各ショットごとに前記最適露光平面を当該露光装
置の理想露光平面に一致させるべく前記被露光基板を駆
動した後、露光する、いわばグローバルAF方式により前
記問題を解決しようとした。

しかしながら、このグローバルAF方式においても、場
合によっては露光精度が充分でないという不都合があっ
た。

これは、以下の理由による。すなわち、露光装置にお
いては、一般に、ウエハステージのX,Y,θ方向（露光軸
を法線とする平面内の移動）はレーザ干渉計により計測
しているが、Ｚ（露光軸方向），ω_Ｘ（Ｘ軸回りの回
転），ω_Ｙ（Ｙ軸回りの回転）は、静電センサ等により
計測している。このため、グローバルAF検出後、ステッ
プアンドリピート露光のためウエハステージを各露光位
置に移動した際の再現精度は、ウエハステージのX,Y,θ
方向は良好であるが、Z,ω_X,ω_Ｙ方向（すなわちAF精
度）は若干落ちる。X,Y,θ方向の位置合わせ（AA）は、
一般的には、ウエハに垂直でない光で行なうため、AF精
度の低下によって精度が低下する。このように、前記の
グローバルAF方式において、AF精度は、従来のものより
は改善されるが、ウエハのうねり具合によっては、前記
近似曲面から算出した位置に送り込んだ時に不充分とな
り、AA精度および露光精度に支障を来すことがあった。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は、上述の従来形における問題点に鑑みてな
されたもので、露光精度のより高い露光装置を提供する
ことを目的とする。

［課題点を解決するための手段］ 上記の課題を解決するため、この発明では、露光に先
立って複数のショットでAF検出を行ない、その検出値に
より被露光基板表面全体の面形状を算出するところまで
は前記グローバルAF方式と同様に行なう。しかしなが
ら、各ショットの最適露光平面の決定は、この面形状に
のみ基づいて行なうのではなく、ステップアンドリピー
ト露光時に各ショットごとにAF検出を行ない、この検出
値と前記面形状との双方に基づいて行なうことを特徴と
している。

この発明の一態様においては、原版との平行出し（平
面出し）をチェックするのにショット露光直前のAF検出
値そのものを用いるのではなく、このAF検出値から、先
に算出した近似曲面（または最適露光平面）の姿勢（Z,
ω_X,ω_Ｙ）を求め、それが目的の位置（そのショットが
露光するに最適な姿勢（Z,ω_X,ω_Ｙ））になるように、
すなわち、前記最適露光平面が前記理想露光平面に一致
するように追い込む。

［作用］ 上記構成によれば、露光前に被露光基板表面全体の面
形状が算出される。そして、ステップアンドリピート露
光の際には各ショットにおいてAF検出を行ない、このAF
検出と前記面形状との双方に基づいて各ショットの最適
露光平面が決定される。この決定値に従って各ショット
の最適露光平面を理想露光平面（結像面）に一致させて
露光が行なわれる。これにより、ショットごとにショッ
ト全面として最適な露光が行なわれ、露光精度が向上す
る。

［効果］ 以上のように、この発明によれば、各ショットにおけ
るAF精度（ピント合わせ精度）が向上し、露光精度が向
上する。

［実施例］ 第１図ＡおよびＢは、この発明の一実施例に係るステ
ップアンドリピート露光装置（ステッパ）のマスクウエ
ハアライメントおよび露光ステージ部分の構成を示す断
面図および平面図である。同図において、８はパターン
418を有するマスクであり、16は露光光、例えばSORから
放射されるＸ線である。また、１はマスク８のパターン
418を転写されるウエハ、２はウエハ１をマスク８と所
定のプロキシミテイギャップを介して対向させる際ウエ
ハ１をＺ（露光光16の光軸方向へ移動），ω_Ｘ（Ｘ軸回
りに回転），ω_Ｙ（Ｙ軸回りに回転）駆動するためのＺ
チルトステージ、３はＺチルトステージ２の駆動源であ
るピエゾ素子、17はＺチルトステージ２の変位（Z,ω_X,
ω_Ｙ）を計測するための変位センサである静電センサ、
４はウエハ１をその面内で回転させるためのウエハθス
テージ、５はウエハ１をＸ方向に駆動するためのウエハ
Ｘステージ、６はウエハ１をＹ方向に駆動するためのウ
エハＹステージ、７はこれらのＺチルトステージ２、ウ
エハθステージ４、ウエハＸステージ５およびウエハＹ
ステージ６等で構成されるウエハステージ24が組み付け
られるウエハステージベースである。

また、９はマスク８を着脱自在に保持するマスクチャ
ック、10はマスク８をその面内で回転させるためのマス
クθステージ、11はこれらのマスクチャック９およびマ
スクθステージ10等で構成されるマスクステージが組み
付けられるマスクステージベースである。

12はマスク８上およびウエハ１上に形成されているア
ライメントマークに光を照射し、これらのマークからの
散乱光を検出するピックアップである。この実施例にお
いて、アライメントマークは、第2A図に示すように、ウ
エハ１上の各ショットのスクライブライン上にそのショ
ットの各辺の端に近接してXU,XD,YL,YRの計４個が形成
されている。１個のアライメントマークは、第2B図に示
すように、そのマークが配置されている辺に平行な方向
のマスターウエハ重ね合せ誤差を検出するためのAAマー
ク201となる回折格子およびマスク８とウエハ１の間隔
を検出するためのAFマーク202となる無地領域が、先行
プロセスにおいて半導体回路パターンとともに形成され
ている。マスク８上にもこれらのウエハ１上アライメン
トマークと対となる４個のアライメントマーク203,204
が転写しようとする半導体回路パターンとともに金等で
形成されている。

第2B図において、205は発光素子である半導体レー
ザ、206は半導体レーザ205から出力される光束を平行光
にするコリメータレンズ、207は半導体レーザ205から出
力されコリメータレンズ206で平行光とされた投光ビー
ム、208はウエハ上AAマーク201とマスク上AAマーク203
により構成される光学系によって位置ずれ情報（AA情
報）を与えられたAA受光ビーム、209はウエハ上AFマー
ク202とマスク上AFマーク204により構成される光学系に
よってギャップ情報（AF情報）を与えられたAF受光ビー
ム、210はAA受光ビーム208により形成されるAA受光スポ
ット211の位置をAA情報として電気信号に変換する例え
ばCCD等のラインセンサであるAAセンサ、212はAF受光ビ
ーム209により形成されるAF受光スポット213の位置をAF
情報として電気信号に変換する例えばCCD等のラインセ
ンサであるAFセンサである。

第３図は、第１図の露光装置の電気制御系の構成を示
す。第１図の装置は、SORから水平方向のシートビーム
状に放射されるＸ線を鉛直方向に拡大して面状ビーム化
するミラーユニット、マスクとウエハをアライメントす
るアライメントユニットとアライメントされたマスクと
ウエハに前記面状Ｘ線を露光する露光ユニットとを含む
本体ユニット、ミラーユニットおよび本体ユニットの姿
勢をそれぞれ制御する姿勢制御ユニット、ならびにミラ
ーユニットおよび本体ユニットの雰囲気を制御するため
のチャンバーおよび空調ユニット等を備えている。

第３図において、301はこの装置全体の動作を制御す
るためのメインプロセッサユニット、302はメインプロ
セッサユニット301と本体ユニットとを接続する通信回
線、303は本体側通信インターフェイス、304は本体コン
トロールユニット、305はピックアップステージ制御
部、307および306,308は本体ユニット内で本体コントロ
ールユニット304とマスクアライメントおよびマスク・
ウエハアライメントのマーク位置ずれ計測をするための
ファインAA/AF制御部309a,309b,309c,309dとを接続する
通信回線および通信インターフェイス、311および310,3
12は本体ユニット内で本体コントロールユニット304と
アライメント時の補正駆動およびステップ移動を制御す
るためのステージ制御部313とを接続する通信回線およ
び通信インターフェイスである。

第４図は、ステップアンドリピートの露光方式を示し
た図である。説明を簡潔にするために、第１図に対し、
マスク８の駆動手段であるマスクθステージ10、ウエハ
１の駆動手段であるウエハステージ24等は省略してい
る。

同図において、12（12a〜12d）はマスク８とウエハ１
のアライメント用のピックアップ、418はマスク上に描
かれている転写パターン、419は先行プロセスによって
ウエハ上に形成されている転写済パターン、420はマス
クをウエハステージ24上のマスク位置合せ用基準マーク
（不図示）に対して合せるためのマスク位置合せ用マー
ク、421は転写パターン418と転写済パターン419を合せ
るためのマスク上アライメントマーク、422は同目的の
ウエハ上アライメントマーク、423は同目的でピックア
ップ12から投射される投光ビーム、410はショット間の
スクライブラインであり、このスクライブライン上にウ
エハ上アライメントマーク422が描かれている。また、
マスク上位置合せ用マーク420はウエハ上ショット間ス
クライブライン401に対応するマスク８上転写パターン4
18の各辺の外側の略中央部に各１個ずつ計４個が設けら
れている。

第１図の装置においては、マスクとウエハ間のギャッ
プを所定の露光ギャップに設定するＺ軸方向および軸回
転（ω_X,ω_Ｙ）の位置合わせであるAFと、マスクとウエ
ハの面方向（X,Y,θ）の位置合わせであるAAとの２種類
の位置合わせを行なう。ここでは、AAとして、各ショッ
トごとに位置ずれ計測および位置合わせを行なう、いわ
ゆるダイバイダイアライメントを採用している。また、
AFとしては、前記ダイバイダイアライメントを、ウエハ
全体について予めマスクとの間隔を計測し、その計測情
報に基づいて各ショットのギャップ合わせを行なう、い
わゆるグローバルアライメントにより修正する、いわば
修正ダイバイダイアライメントとも言うべき方式を採用
している。

この実施例のグローバルAFアライメントは、一般的な
ウエハのうねりを多項式で近似表現する。多項式として
は、例えば双３次式 が用いられる。

先ず、露光前に数ショット（パラメータＡを決定する
に足りる数）でAF検出を行ない、上記の式に代入して未
知パラメータＡ、つまりウエハ全面の近似曲面を決定
し、次に、ステップアンドリピート露光を行なう。

このステップアンドリピート露光においては、各ショ
ットごとの露光前にそのショットのAF検出を行ない、こ
の検出値と前記近似曲面との双方に基づいてマスクとウ
エハとをギャップ合わせするためのＺおよびチルト補正
を行なう。

Ｚおよびチルト補正は、ショット露光直前のAF検出値
そのものを用いるのではなく、このAF検出値から、先に
算出した近似曲面（または最適露光平面）の姿勢（Z,ω
_X,ω_Ｙ）を求め、それがそのショットが露光するに最適
な姿勢（Z,ω_X,ω_Ｙ）となるように、すなわち、前記最
適露光平面が前記理想露光平面に一致するように追い込
む。

次に、第５図のフローチャートを参照しながら第１図
の装置の動作を説明する。

この装置は、ウエハステージ24にウエハが供給される
と、そのウエハをチャッキングし、ウエハ全体としての
プリアライメントを行ない、その後、第５図ステップ50
1以下の処理を開始する。まず、ステップ501ではウエハ
ステージ24を移動してウエハ１上のグローバルAF計測用
ショットをAF計測位置に移動する。このグローバルAF計
測用ショットとしては、第６図に斜線を付して示すよう
にウエハ１上の露光ショットのうちからウエハ全体で均
一となるように抽出された前記パラメータＡを決定する
に充分な数のショット61が予めキー入力等の手段で指定
されているものとする。

ステップ502では、その計測用ショットのAF計測を行
なう。すなわち、第４図に示されるように、マスク８と
ウエハ１が対向して支持された状態で、ピックアップ12
a〜12dから投光ビーム423を投射して各々対応するマス
ク上アライメントマーク421とウエハ上アライメントマ
ーク422を通してマスクとウエハ間のギャップを測定す
る。そして、４つのピックアップから得られた各計測値
のデータを記憶する。

ステップ503では、設定されたAF計測用ショット全数
についてAF計測を終了したか否かを判定する。終了して
いなければステップ501に戻り、次の計測用ショットに
ついてAF計測を行なう。一方、終了していればステップ
504へ進み、記憶している全AF計測データに基づいてウ
エハ全面の面形状を把握する。この面形状把握とは、上
述のようにウエハ全面の近似曲面を求めることである。
また、この際、第７図Ａは理想的なウエハの表面形状
を、第７図Ｂは一般のウエハの表面形状を示す。

ステップ505ではウエハステージ24を移動してウエハ
１上の露光対象ショットの１つ（以下、現ショットとい
う）を露光位置に移動する。ステップ506では前記ステ
ップ502においてAF計測用ショットの１つについて行な
ったと同様のAF計測を行なう。

ステップ507では前記ステップ506におけるAF計測値と
前記ステップ504において把握した面形状から予測され
る該ショット内位置のAF予測値とに基づいてＺおよびチ
ルトの補正駆動量を算出する。この補正駆動量とは、該
ショット全面におけるピントずれが最小になるような平
面、すなわちそのショットの露光に最適な平面である最
適露光平面をこの露光装置における利用露光平面81（第
８図Ｂ）と一致させるためのＺチルトステージ駆動量で
ある。換言すると、第９図に示すように、前記最適露光
平面91と前記理想露光平面81とを一致させた場合の近似
曲面92に対し、露光時ステップ移動により露光位置に送
り込まれたショットの実際の露光表面93がずれている場
合、この露光表面93を近似曲面と一致させるために必要
なＺチルトステージ駆動量である。具体的には、露光位
置に送り込まれたショットのAF計測点94,95を近似曲面
上に載せるために必要なＺチルトステージ駆動量を算出
する。

ステップ508では、この補正駆動量が所定のトレラン
ス内であるか否かを判定する。トレランスを外れていれ
ばステップ509でＺチルトステージを前記補正駆動量だ
け駆動した後、前記ステップ506に戻って前記のAF計測
および補正駆動量算出動作を繰り返す。

一方、ステップ508における判定がトレランス内であ
れば、ステップ510へ進み、AA計測およびこのAA計測結
果に基づくX,Y,θの補正駆動を行なってマスクとウエハ
との平面方向の位置合わせ（AA）を行ない、続くステッ
プ511で現ショットの露光を行なう。

これにより、第８図Ａ〜Ｄに示されるように、現ショ
ットにおけるショット内の露光面82の理想露光平面81か
らの最大ずれ量Δg_max1をショット周辺のAF計測値のみ
から求めたウエハ面を理想露光平面81に一致させる従来
例におけるずれ量Δg_max2より格段に小さくすることが
できる。すなわち、露光精度の向上を図ることができ
る。また、第９図に示すように、露光位置に送り込まれ
たショットの実際のAF計測点94,95がグローバルAF計測
による近似曲面上から所定のトレランスを超えてずれた
場合にはこれらのAF計測点94,95を前記近似曲面上に載
せるべくウエハステージをＺおよびチルト駆動するよう
にしているため、グローバルAF計測により算出される最
適露光平面を理想露光平面により高精度に一致させるこ
とができ、露光精度をより向上させることができる。

続くステップ512では露光シーケンス対象ショット全
数のショット露光を終了したか否かを判定する。終了し
ていなければステップ505に戻り、次の露光対象ショッ
トについて前記ステップ505〜512の処理を繰り返す。

［発明の適用範囲］ なお、上述においては、主に、この発明を一括露光方
式のSOR−Ｘ線プロキシミティステッパに適用する例に
ついて説明したが、この発明のいわばグローバルAF方式
は、上述の例に限らず適用できることは明らかである。

例えば、露光方式は、一括露光方式の以外のスキャン
露光方式またはスキャンミラー露光方式であってもよ
い。また、露光光源は、SOR−Ｘ線以外のＸ線、さらに
はエキシマレーザ光などの遠赤外線や水銀等のｇ線のよ
うな近紫外線であってもよい。さらに、この発明は、マ
スク（レチクル）とウエハを光学系を介して対向させる
投影露光装置にも適用可能である。

【図面の簡単な説明】 第１図は、この発明の一実施例に係るステップアンドリ
ピート露光装置の要部構成図、 第2A図および第2B図は、ウエハ上アライメントマークお
よびマスク上アライメントマークの説明図、 第３図は、第１図のアライメント装置の制御系のハード
ウエア構成図、 第４図は、ステップアンドリピート露光方式の説明図、 第５図は、ステップアンドリピート処理を表わすフロー
チャート、 第６図は、第５図のフローチャートにおけるAF計測ショ
ットの説明図 第７図ＡおよびＢは、それぞれ理想ウエハの面形状およ
び一般的なウエハの面形状の一例を示す説明図、 第８図Ａ〜Ｄは、この発明のAFを従来のAFと比較して示
す説明図、そして 第９図は、第１図の装置において露光時ウエハをステッ
プ移動した際のAF誤差、およびその補正方法を説明する
ための図である。 1:ウエハ（被露光基板） 2:Zチルトステージ 8:マスク（原版） 12（12a〜12d）：ピックアップ 16:X線（露光光） 24:ウエハステージ 61:AF計測ショット 81:理想露光平面 （および最適露光平面） 82,93:ウエハ表面（露光表面） 91:最適露光平面 92:近似曲面 304:本体コントロールユニット 422（XU,XD,YR,YL）：ウエハ上アライメントマーク 421（XU,XD,YR,YL）：マスク上アライメントマーク 423:投光ビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鵜澤 俊一 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 野瀬 哲志 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−103136（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−107515（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−198121（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−279629（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−54726（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−38024（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 9/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステップアンドリピート方式の露光装置に
   おいて、 露光に先立って複数のショットにおける被露光基板表面
   の光軸方向への位置を検出する第１のAF検出手段と、 この第１のAF検出手段の検出値に基づいて前記被露光基
   板表面全体の面形状を算出する演算手段と、 各ショットごとにそのショットにおける被露光基板表面
   の光軸方向への位置を検出する第２のAF検出手段と、 この第２のAF検出手段の検出値と前記演算手段で算出さ
   れた面形状とに基づいて各ショットの最適露光平面を決
   定する決定手段と、 各ショットごとにそのショットの露光前にそのショット
   の最適露光平面を当該露光装置の理想露光平面に一致さ
   せるべく前記被露光基板を駆動するAF駆動手段と を具備することを特徴とする露光装置。
2. 【請求項２】前記決定手段は、前記演算手段にて算出さ
   れた面形状の情報をトレランスとして前記最適露光平面
   を決定する請求項１記載の露光装置。