JP2808152B2

JP2808152B2 - 露光装置

Info

Publication number: JP2808152B2
Application number: JP1325867A
Authority: JP
Inventors: 裕久太田; 真起子森; 邦貴小澤; 俊一鵜澤; 哲志野瀬
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-12-18
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2013-10-08
Also published as: JPH03187211A

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Ｘ線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、各ショットの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（またはピント位置もしくは結
像面）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、および露
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と
もに、さらにステップアンドピリート露光時の各ショッ
トごとにAF検出を行ない、この各ショットごとのAF検出
値を前記面形状に基づいて修正する、いわば修正ダイバ
イダイAF方式を試みた。

ところで、これらのグローバルAF方式および修正ダイ
バイダイAFにおいては、AF検出位置は必ずしも最適露光
平面上にない。そして、これらの方式を適用したＸ線プ
ロキシミティ露光装置においては、マスクとウエハとの
間隔（ギャップ）の設定（AF設定）の誤差が、マスクと
ウエハとの平面方向の位置ずれ検出値（AA検出値）の誤
差として影響するという不都合があった。

これは、次の理由による。すなわち、上記のＸ線露光
装置においては、マスクとウエハとの位置関係を、マス
クおよびウエハ上に形成された回折格子により回折され
センサ上に結像されたスポットの重心により検知してい
る。このスポットは２つの異なる光路（110回折と011回
折）を経由する光が加算されたものであり、マスクとウ
エハとのギャップが変動すれば、２つの光路を経由する
光の間での光量の変化が異なる。このため、スポットの
重心、つまりAA情報に誤差が生じる。

なお、このようなウエハの表面に垂直な方向の位置設
定（AF設定）誤差がウエハ表面に平行な方向の位置検出
（AA検出）に影響するという事は、例えば、AA光がウエ
ハ表面に垂直でない場合等、上記の回折格子を用いたAA
検出方式に限らず生じる問題である。

［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、AA精度、従って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、被露光基
板上に形成された基板上AAマークと原版上に形成された
原版上AAマークとの位置関係より被露光基板と原版との
相対位置関係を検出するAA検出手段と、AA検出に先立っ
て被露光体表面の理想露光平面からの位置ずれを検出す
るAF検出手段と、前記AA検出手段のAA検出値を、前記AF
検出手段のAF検出値に基づいて補正する補正手段とを具
備することを特徴とする。

この発明は、好ましくは前記AAマークと前記AF検出の
ためのAFマークとが極く近接した対となって前記被露光
基板上の各ショットごとに複数対ずつ設けられる、ステ
ップアンドリピート方式の露光装置に適用される。この
場合、前記補正手段は各AAマークのAA検出値をそのAAマ
ークと対をなすAFマークのAF検出値に基づいて補正を行
なう。

［作用］上記構成によれば、AA検出をする際、予め被露光表面
の理想位置からのAF設定誤差を検出（AF検出）してお
き、そのAF設定誤差に対応するAA検出誤差でAA検出値を
補正する。AF設定誤差に対応するAA検出誤差は、実測ま
たは設計値等をキー入力等の手段により設定すればよ
い。

一具体例を挙げてより詳しく説明するならば、ウエハ・マスク間ギャップ対AA検出誤差のデータを予
め求めておく。

AF検出・補正の際、決定した最適露光平面からの各AA
検出位置のギャップずれを記憶しておく。

最適露光平面を理想露光面に合わせた後、すなわち最
適露光平面とマスクとの間隔をAA検出ギャップ（基準ギ
ャップ）に合わせた後、複数AAマークのAA検出を同時に
行なう。

記憶しているギャップずれとギャップ対AA検出誤差デ
ータとから各AA検出値の補正量を算出し、AA検出値を補
正する。

［効果］以上のように、この発明によれば、AA検出値をAF検出
値（AA検出ギャップ）に応じて補正するようにしたた
め、AAをより正確に行なうことができ、露光精度のが向
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
のマスク−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上にアライメ
ントマークと対となる４個のアライメントマーク203,20
4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、401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、AFとして、予めウエ
ハ上の複数個所においてマスクとの間隔を計測してウエ
ハ全体としてのうねりを検出するとともに、ステップア
ンドリピート露光時各ショットごとにAF検出し、このAF
検出値と前記うねり情報に基づいて各ショットの露光に
最適な平面である最適露光平面を決定し、この最適露光
平面が理想露光平面と一致するようにAF補正してウエハ
・マスク間のギャップ合わせを行なう、いわゆるダイバ
イダイAFのギャップ情報をグローバルなうねり情報で修
正する、修正ダイバイダイアライメントとも呼ぶべき方
式を採用している。また、AAとしては、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方式において、AA計測値を前記
うねり情報から求めたAA計測位置のウエハ・マスク間ギ
ャップ誤差に基づいて補正する方式を採用している。

次に、第５図および第６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、さらにウエハ全体としての
うねりを検出した後、第５図ステップ501以下の処理を
開始する。

ウエハ全体としてのうねり検出は、ウエハ全体の表面
形状を多項式で近似表現する。多項式としては、例えば
双３次式を用い、数ショット（パラメータＡを決定するに足りる
数）でAF計測（マスク・ウエハ間ギャップ計測）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する。第７図Ａは理想的なウエ
ハの表面形状を、第７図Ｂは一般的なウエハの表面形状
を示す。

第５図のフローチャートにおいて、先ず、ステップ50
1では、マスクの交換の要否を判断する。現在チャッキ
ングされているマスクで露光する場合はステップ504
に、マスクを交換して露光する場合はステップ502に進
む。ステップ502では、現在チャッキングされているマ
スクをマスクトラバーサ（不図示）を用いてマスクステ
ージからはずしてマスクカセット（不図示）に収納し、
露光に用いるマスクをマスクトラバーサを用いてマスク
カセットから取り出してマスクステージ10にチャッキン
グする。そして、ステップ503でピックアップ12を用い
て、マスク８に描かれているマスクアライメント用マー
ク420とウエハステージ上に設けられている基準マーク
（不図示）とのアライメントをとる。

次にステップ504で、ウエハステージ24を駆動して、
今露光しようとするウエハ上の位置（ショット位置、す
なわち転写済パターン419）と、マスク上の転写パター
ン418とを対向させる。そして、ステップ505で、マスク
上アライメントマーク421およびウエハ上アライメント
マーク422とを用いてマスクとウエハ間のギャップを計
測し、この計測値と前記近似曲面との双方に基づいてマ
スクとウエハとのギャップを所定のAA検出ギャップに合
わせるためのＺおよびチルト補正（AF補正駆動）を行な
う。また、このAF補正駆動の際、各AF計測点のAF設定値
（ギャップ合わせ誤差）ΔGyl、ΔGyr（第８図Ａ参
照）、ΔGxuおよびΔGxd（不図示）を記憶しておく。

この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、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
むのが好ましい。このＺおよびチルト補正により、第８
図Ａに示すように現ショット内の露光面81の理想露光平
面82からの最大ずれ量を、ショット周辺のAF計測値のみ
から求めたウエハ面83を理想露光平面82に一致させる従
来例におけるずれ量より格段に小さくすることができ
る。すなわち、AF面から露光精度の向上を図ることがで
きる。第８図Ａでは、AF補正駆動後の各AF計測点のマス
ク・ウエハ間ギャップは、AA検出ギャップをG_AAとし
て、それぞれG_AA−ΔGyl、G_AA−ΔGyr、‥‥となってい
る。

AF補正駆動が終了すると、ステップ506で、マスク上
アライメントマーク421およびウエハアライメントマー
ク422とを用いてマスクとウエハ間のX,Y方向のずれを計
測してAA補正駆動を行ない、AAを行なう。AA（ステップ
506）の詳細な処理内容は後述する。

AAが終了すると、ステップ507で１ショット露光を行
ない、ステップ508で次の露光ショットの有無を判断
し、あればステップ504に戻り、なければ終了する。

第６図は、第５図ステップ506のAA処理の内容を記し
たフローチャートである。１ショットについてのAA計
測、X,Y,θのずれ量計算、補正駆動を表している。

先ず、ステップ601で今露光するショット（現ショッ
ト）の４辺に設けられている４個のアライメントマーク
422と421を用いてこれら４点のAA計測を行なう。ステッ
プ602ではこれら４点のAF設定誤差に基づくAA補正量を
算出する。なお、この実施例においては、前記第２図A,
Bおよび第８図A,Bに示したように、AF計測用マークとAA
計測用マークとは極く近接して設けられているため、前
記ステップ505で記憶したAF計測点のAF設定値（ギャッ
プ誤差）ΔGyl、ΔGyr、ΔGxuおよびΔGxdをそのままAA
計測点のAF設定値として用いている。第９図は、ギャッ
プ誤差ΔＧとAA誤差ΔAAとの関係を示す。AA補正量はこ
のAA誤差の符号を反転した値となる。

ステップ603ではこれら４点のAA計測値およびAA補正
量に基づいてマスクとウエハのずれ量ΔX,ΔY,Δθを計
算する。ステップ604ではこれらのずれ量ΔX,ΔY,Δθ
が所定のトレランス内に入っているか否かを判定する。
入っていなければ、ステップ605へ進んでX,Y,θのずれ
補正駆動を行なった後、ステップ601へ戻って、上記し
たステップ601〜604の処理処理を繰り返す。一方、ステ
ップ604の判定においてずれ量ΔX,ΔY,Δθが所定のト
レランス内に入っていれば、このAA処理を終了して第５
図のステップ507へ戻る。

［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紫外線や水銀等の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。

さらに、AF方式は、前記グローバルAF方式であっても
よい。

【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図ステップ506のAA処理の内容を記した
フローチャート、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およびＢは、AF補正後のマスクとウエハとの位
置関係を示す説明図、そして第９図は、第１図の装置におけるギャップ誤差ΔＧとAA
誤差ΔAAとの関係を示すグラフである。 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 81:ウエハ表面（露光表面）近似曲面 82:理想露光平面（および最適露光平面） 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61−97915（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−132125（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−279629（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 9/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被露光基板上に形成された基板上AAマーク
と原版上に形成された原版上AAマークとの位置関係より
被露光基板と原版との相対位置関係を検出するAA検出手
段と、 AA検出に先立って被露光面の理想露光平面からの位置ず
れを検出するAF検出手段と、前記AA検出手段のAA検出値を、前記AF検出手段のAF検出
値に基づいて補正する補正手段とを具備することを特徴とする露光装置。
【請求項２】ステップアンドリピート方式の露光装置で
あって、前記AAマークと前記AF検出のためのAFマークと
が極く近接した対となって前記被露光基板上の各ショッ
トごとに複数対ずつ設けられており、前記補正手段は各
AAマークのAA検出値をそのAAマークと対をなすAFマーク
のAF検出値に基づいて補正する請求項１記載の露光装
置。