JP2829666B2 - 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、半導体パターン等の焼付に用いられる露光
装置に関し、特に、ウエハ等の被露光体と装置またはレ
チクル等の原版と被露光体との相対位置関係を検出する
際の位置合わせマークの最適光学位置を自動的に合わせ
るようにした露光装置に関する。

［従来の技術］ 近年、半導体素子、LSI素子および超LSI素子等のパタ
ーンの微細化および高集積化の要求により、投影露光装
置において精度の高い位置合わせ方法や精度の高い焦点
合わせ方法が必要とされてきている。

縮小投影露光装置における自動焦点合わせについて
は、レチクル上の格子マークに紫外光を当て、露光用光
学レンズを経てウエハ表面あるいはウエハと同一光学位
置に位置する基準面に反射した後に再び光学レンズを通
り前記レチクル上マークを通過する光線の光度を評価基
準とし、その光度の最大点を持つ光学的位置をもって合
焦位置とする方法があった。

また、本件出願人は先に特開平１−299582号で以下の
ような自動焦点合わせ方法を提案している。この自動焦
点合わせ方法は、光学系を通してカメラに撮像する背景
を含む対象物の、量子化された２次元画像データの内に
所定の窓を置き、その窓内の画像データに対して画面上
縦または横または縦横両方の方向に微分し、絶対値を取
ることによって得られる微分絶対値画像データから微分
絶対値濃度に対する画素数を頻度とする微分絶対値濃度
ヒストグラムを求め、微分絶対値濃度の最大値より微分
絶対値濃度ゼロの方向に累積分布を取り、累積が窓内の
前画素数に対して所定の割合の画素数と一致する微分絶
対値濃度点を第１点とする。さらに、前記第１点より大
きな微分濃度絶対値方向の前記ヒストグラムの部分に対
して重心を求めそれを第２点とし、また前記ヒストグラ
ムの同一部分に対して前記第２点まわりの分散を求め
る。この時、対象物に対する光学的位置を変化させたと
きの前記第１点、または前記第２点、または前記分散の
依存性を求め、前記第１点または前記第２点または前記
分散がそれぞれ最大となる光学位置を合焦位置とするこ
とを特徴とする方法である。

［発明が解決しようとしている課題］ 縮小投影露光装置においては、ウエハ面を焦点面（露
光光学系の像面）に合致させるための自動焦点合わせ方
法が重要なテーマとなっている。しかしながら、従来の
露光装置における自動合焦方法は露光用の紫外光による
露光時に対する自動焦点合わせ（以下、焼き焦点と呼
ぶ）であったため、アライメントを行なう相対位置合わ
せにおいての合焦点との関係につては言及していなかっ
た。

一方、本発明者は、露光用合焦位置と位置合わせ用最
適光学位置が一般に半導体製造工程間で起きる各種のウ
エハ表面素材およびレジスト厚の変化ならびにレジスト
の吸収等に依存しており、露光光と位置合わせ用検出光
の合焦位置は必ずしも一致せず、工程に応じ最大数μｍ
の範囲で変動することを見出した。このような光軸方向
の光学位置差は、前記ウエハ上の位置合わせ用マークの
像をぼやけさせ、結果として位置合わせの精度を落と
し、程度によってはいわゆる誤検知または検出不能状態
となることがある。この現象は露光光と位置合わせ検出
光の波長差があると特に問題となる。

また、光学的位置に対しての撮像されるウエハマーク
像との対応は、第３図のようになる。第３図（ａ）はウ
エハの位置合わせマーク中１本のマーク断面の模式図で
ある。同図において、31はレジスト、30はウエハ、32は
レジスト表面とウエハ表面との干渉を示している。ま
た、Z₁、Z₂、Z₃およびZ₄はそれぞれ光学的位置を示し、
各々に合焦させたときに撮像される像の図（ａ）に対応
した光度分布が図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）
である。図示のように、これらの撮像されるマーク像は
ウエハ表面からとレジスト表面からとの多重反射光の干
渉のため光学的位置変化に敏感である。このことは、直
接、位置合わせの検出精度に反映され、変化する光度分
布にともなって位置合わせ精度も変化する。

このような現象はアライメントの手法として撮像素子
を用いる画像処理の手法が用いられることによって顕著
になってきた。特にパターンの微細化に伴い、アライメ
ント精度が酷しくなってきたことによりアライメント用
の画像として最適化された光学的位置の像を用いる必要
があることが本発明の背景には存在している。

従来の方法において着目されていた焼き焦点の場合
は、如何に露光光のエネルギーをレジストに集中させる
かが課題であり、第３図に33で示す区間内に露光光学系
の焦点、つまり焼き焦点を如何に定めるかを目的として
いた。例えば多層レジストを用いる場合、基板面に近い
位置には露光波長の吸収層が存在しており、感光層はレ
ジスト表面にある。したがって、焼き焦点位置はレジス
トの表面近傍にある。一方、単層レジストでの焼き焦点
の位置はレジストのブリーチング特性にもよるが、基板
面に近いことが知られている。したがって、焼き焦点の
位置は使用するレジストのプロセスや基板条件によって
大きく左右される。

他方、位置合わせにとっての適切な光学位置は、位置
合わせが最も精度良く求められる位置のことであり、そ
の時の撮像光学系の焦点位置は必ずしも焼き焦点の位置
とは合致しない。これは、位置合わせ光学系でウエハ基
板面の情報を伝える位置、（すなわち位置合わせ用のベ
ストフォーカス）のレジストの厚さ種類、ウエハの基板
条件等に対する依存性と、焼き付けでの前述のようなレ
ジストのプロセスやウエハの基板条件に対するベストフ
ォーカス位置の依存性とが独立に存在し、各々の関係が
密でないことにより生じる。特に、画像を用いた位置合
わせでは、フォーカスが酷しく、従来のように焼き付け
焦点位置をそのまま位置合わせ用に流用することは不可
能となってきた。

本発明は、ウエハ等の被露光体と装置あるいは被露光
体とレチクル等の原版との位置合わせ検出を、位置合わ
せ検出光学系を経た光学情報を利用して行なう露光装置
において、被露光体と装置あるいは被露光体と原版との
位置合わせをより精度良く行ない得るようにすることを
目的とする。

［課題を解決するための手段および作用］ 本発明の露光装置は、被露光体と装置あるいは被露光
体と原版との位置合わせ検出を位置合わせ検出光学系を
経た光学情報を利用して行なう露光装置において、位置
合わせ用の光学系と撮像素子とによって得られる位置合
わせ用のマークの画像信号に基づいて、焦点位置を検出
する位置合わせ用自動焦点合わせ装置を露光用の自動焦
点合わせ装置とは独立に設けたことを特徴としている。
具体的には、例えば以下の実施例では、被露光体と装置
あるいは被露光体と原版との位置合わせ検出（相対位置
関係の検出）を位置合わせ検出光学系を経た光学情報を
利用して行なうもので、被露光体と装置あるいは被露光
体と原版との位置合わせを行なう際に位置合わせを精度
良く行ない得るように、位置合わせ検出光学系における
前記被露光体の最適な光学的位置を露光時の最適光学位
置とは独立に求めるようにしている。そのため、前記位
置合わせ検出を行なう以前に、被露光体上の１点あるい
は数点の採用位置において、被露光体の光学位置を変化
させ、「位置合わせ検出光学系を経た被露光体上の位置
合わせマーク光学情報より、被露光体の光学位置と関係
の付けられた電気信号」を測定する。そして、被露光体
上各点の各々の光学位置の電気信号を光学位置に依存す
る関数として倣なした際のその関数的特徴より前記の最
適な光学位置を被露光体上の各点に対して求め、求めた
各点の光学位置を被露光体上の各点の情報として統計処
理し、得た被露光体の光学位置を位置合わせに対して最
適光学位置として記憶し、被露光体を該最適光学位置へ
駆動させる手段を露光用焦点合わせ手段と別種にまた同
時に備えている。

これにより、 １）焼き焦点とは独立に位置合わせ用最適光学位置を決
定し得る。

２）位置合わせマークを光学位置検出の対象物とし、同
時に位置合わせと同一の撮像系を使用することができ、
この場合、位置合わせにとって最も良い光学位置を直接
知り得る。

３）統計処理の手法を採用することによって、自動焦点
評価関数の合焦点に対応する最大値点のみでなく、他の
停留点に対しても活用できる方法が提供され、このた
め、位置合わせ時に使用する位置合わせ方法に依存して
位置合わせに適切な光学位置を決定し得る。

４）被露光体内の異常値を取り除くことが出来、最終的
に得た最適光学位置の信頼度が高まる。

５）平均化効果によって被露光体の形状から来るノイズ
を除去し得るため、被露光体個々によらない、半導体製
造工程のみ依存した位置合わせ最適光学位置を決定し得
る。

等の効果が得られる。

［実施例］ 以下、添付図面を用いて本発明の実施例を説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る縮小投影露光装置
の概念図である。

同図の縮小露光装置は、露光光を使用して回路パター
ンをウエハに１対５の割合で縮小して転写するものであ
る。

同図において、Ｒはレチクルであり、レチクルステー
ジ12に保持されている。Ｗはウエハであり、ウエハＷ上
には装置とウエハとの位置合わせを行なうための位置合
わせ用マークＭがある。10はXYZ−ステージ、11は投影
光学系を構成する縮小レンズ、12はレチクルステージ、
13はミラー、14は基準マーク、15は基準板、16は対物レ
ンズ、17はハーフミラー、18は照明光学系、19はミラ
ー、110はレーザ、111は撮像光学系、112は撮像装置、1
13はA/D変換装置、114は微分絶対値ヒストグラム演算装
置、115は評価値演算装置、116は自動焦点合わせ制御装
置、117は露光光用自動焦点合わせ装置、118は露光光用
自動焦点合わせ用マーク、119はXYZステージの基準面、
20は自動焦点合わせ用窓、30はウエハ、31はレジスト、
32はレジストおよびウエハでの反射光の干渉、33は露光
光の焦点位置である。ミラー13、基準板15、対物レンズ
16、ハーフミラー17、照明光学系18、ミラー19、レーザ
110、撮像光学系111、および撮像装置112は、位置合わ
せ用自動焦点合わせ検出光学系を構成しており、この自
動焦点合わせ検出光学系ならびにA/D変換装置113、微分
絶対値ヒストグラム演算装置114、評価値演算装置115お
よび自動焦点合わせ制御装置116は、位置合わせ用自動
焦点合わせ装置を構成している。ここで、位置合わせ用
自動焦点合わせ装置の上記光学系は画像を使用する位置
合わせ検出系と同一の光学系および撮像装置を並用して
いる。

第１図の縮小露光装置は、露光光を使用して回路パタ
ーンをウエハに１対５の割合で縮小して転写するもので
ある。また、特願昭63−258555と同様の露光光用自動焦
点合わせ装置117を有し、XYZステージ10を移動させるこ
とによって、レチクルＲ上の露光光用自動焦点合わせ用
マーク118と第３図の33の位置と光学的に同様の位置に
位置する基準面119上との関係、すなわち焼き焦点を補
正し得る。ここで、この露光光用自動焦点合わせ装置11
7と、次に述べる位置合わせ用光学位置制御装置系とは
独立に用意されている。

次に、ウエハＷと装置との位置合わせの際に使用する
自動焦点合わせ検出光学系について第１図に沿って説明
する。本実施例では位置合わせ用の照明光源としてレー
ザ光源110を使用している。レーザ光源110から発せられ
た光は、ミラー19および照明光学系18を経てハーフミラ
ー17で方向を変更した後に対物レンズ16、装置に固定さ
れた基準板15およびミラー13を通り、さらに縮小レンズ
11を介してウエハ上の位置合わせマークＭを照射し、ウ
エハ面上で反射される。前記反射光は、縮小レンズ11、
ミラー13、基準板15、対物レンズ16およびハーフミラー
17を経た後に撮像光学系111を通り、撮像装置112に受光
される。その時、ウエハ上の位置合わせマーク像は第２
図Ｍ′のように撮像される。XYZ−ステージ10は、光軸
方向に移動でき、自動焦点合わせ制御装置116によって
制御されている。ウエハと装置との位置合わせにおける
位置合わせ用の焦点合わせは上述のXYZ−ステージ10を
光軸方向に駆動させて行なう。また、装置に固定された
基準板15には基準マーク14があり、撮像光学系111を調
節することによって基準板15を撮像装置112と光学的に
共役にし、基準マーク14よって定期的に撮像装置112の
経時的変化を補正している。

撮像系における合焦点は、半導体製造工程間で起きる
ウエハ表面素材の変化およびレジストの厚さの変化に依
存して数μｍの程度で異なっている。

他方、位置合わせにとっての適切な光学的位置は、そ
の位置合わせ方法に依存し、マーク全体の像に着目する
場合（第３図（ｂ））に適切な位置Z₁、物体の細部構造
に着目する場合（第３図（ｄ））に適切な位置Z₄、両点
の中間位置、さらにそれ以外の非合焦点にある位置に分
けられる。したがって、ウエハと装置との位置合わせに
対する適切な光学位置合わせはウエハ上の位置合わせマ
ークの３次元構造に厳密に対応しなければならない。

３次元的構造を考慮に入れた自動最適光学的位置合わ
せ方法として、先に説明した特願平１−299582号で示さ
れた微分絶対値濃度ヒストグラム方法を使用する。

第１図の露光装置は、不図示の中央処理装置（CPU）
を備え、その全体動作は、このCPUの制御の下に行なわ
れる。

以下、上記位置合わせ用自動焦点合わせ動作全体の流
れを第４図に沿って説明する。

前記CPUは、先ず、初期設定（ステップ401）として、
XYZステージ10を自動焦点合わせ制御装置116により光軸
と垂直方向（XY方向）に駆動させ、ウエハ上の適当な位
置に存在する位置合わせマークＭが撮像されるようにす
る。この時、ウエハは既に数μｍ程度におおまかな位置
合わせを行われているものとする。

ウエハ上には、第５図に示すように複数個の位置合わ
せマークＭがそれぞれ51〜55の各位置に形成されてい
る。ここでは、これらのマークのうちの１つ、例えば第
５図の51の位置に形成されているマークを撮像する。

次に、ステップ403にて、自動焦点合わせ制御装置116
によりXYZステージ10を光軸（Ｚ軸）に沿って所定の方
向に所定の距離移動させ、同時にXYZステージ10の光学
位置を記憶する。さらに、前記自動焦点合わせ検出光学
系100および13〜19、撮像光学系111ならびに像装置112
を使用して撮像された像をA/D変換装置113によって量子
化された２次元画像データとして記憶する。ここで、自
動焦点合わせ用の窓として位置合わせの後にウエハマー
ク上になるような窓20（第２図）を選ぶ。微分絶対値ヒ
ストグラム演算装置114において窓20内の画像データに
対して基準マークと垂直方向（第２図、紙面横方向）に
差分絶対値（微分絶対値）を取らせ、微分絶対値画像デ
ータを得る。微分絶対値ヒストグラム演算装置114にお
いては、この微分絶対値画像データに対して量子化され
ている微分絶対値濃度を横軸に画素数を頻度とする微分
絶対値濃度ヒストグラムが得られる。そこで、微分絶対
値濃度最大値方向からゼロ方向に累積分布を取り、前記
窓20内の画素数のｒ（ｒ＜１）倍となる画素数に一致す
る微分絶対値濃度をｐ点とする。ｐ点より上方の前記ヒ
ストグラムに対して重心ｇを求め、評価値ｇとする。重
心ｇは評価値演算装置115内において自動焦点合わせ制
御装置116から送られてくるXYZステージの光学位置ｚと
共に記憶させる。次に、自動焦点合わせ制御装置116に
よってXYZステージ10を駆動し、XYZステージ10を光軸の
最初の設定時と逆方向に所定の間隔で変化させる。XYZ
−ステージの位置を自動焦点合わせ制御装置116に返
す。変化したXYZ−ステージの位置（光学的位置）ｚに
対して前記同様にしてヒストグラムの重心ｇを求める。
評価値演算装置115に記憶された前記ｇと位置ｚの配列
によって、重心ｇは位置ｚの関数となり、光学的位置ｚ
の変化に対して第６図のような焦点合わせ評価曲線を描
く。曲線が左右対象でないのはウエハの位置合わせマー
クの３次元構造のためである。

位置合わせ方法による非合焦時の特性が予め判ってい
るとしたとき、前記割合ｒを変化させることによって微
細構造（周波数の高い構造）に着目するか、対局的構造
（周波数の低い構造）に着目するかを区別できる。

そこで、使用する位置合わせ方法にとって最も適切な
光学位置を決定するような割合ｒを本実施例で使用する
自動焦点合わせに従って導くことができる。また、決定
されたｒに対しては半導体工程間差に依存せず、ほぼ同
一の周波数成分をもった画像が得られるような光学位置
を決定することができる。

また、算出された評価関数（第６図）の形によって最
大値廻りで補間手段を使用して合焦点を求めたり、最大
値点以外の停留点を求めたり、または評価関数の微分関
数より極小値を求めたりすることで、位置合わせ方法の
最適光学的位置を決定することができる。

このようにしてウエハ上の位置51でのウエハマークの
位置合わせに対して最適な光学的位置を検出することが
できた。

次に、自動焦点合わせ制御装置116によってXYZステー
ジ10を光軸垂直方向（XY方向）に駆動させて、ウエハ上
の適当な別の位置（例えば第５図の52の位置）に存在す
る位置合わせマークが撮影されるようにし、上記同様に
して位置52でのウエハマークの位置合わせに対して最適
光学位置を検出する。さらに同様の方法によって、第５
図における他の位置53、54および55に位置する各々のウ
エハマークの位置合わせに対して最適光学位置を検出す
る。位置51〜55の５箇所のウエハマークの位置合わせに
対する最適光学位置を検出したことをステップ402で判
定すると、処理をステップ404に移す。

ステップ404では、このようにして得られた各ウエハ
位置での位置合わせ最適光学位置に対して統計処理（例
えば、異常値を除き、平均化する）を行い、ステップ40
5にて得られた値を記憶する。以下、露光時のウエハと
装置あるいはウエハとレチクルとの位置合わせにおいて
は、XYZ−ステージを記憶された光学位置に駆動させ、
そこを位置合わせを行なうための位置合わせ最適光学位
置とする。

上述の例においてはウエハ上の各マーク毎に各マーク
に対する位置合わせ最適光学位置を求めた後に統計処理
しウエハ全体の最適光学位置を得た。しかし、ウエハ上
の各マーク毎に各マークに対する光学位置に対する評価
関数を統計処理しウエハ全体の最適光学位置を得てもよ
い。

このようにして、焼き付け焦点位置とは別個に位置合
わせ用の最適光学位置すなわちベストフォーカス位置を
設定した後の両者の差は位置合わせと露光時の差として
オフセット量として管理される。通常シーケンスは位置
合わせ計測を行った後露光動作に移行する。したがっ
て、位置合わせ時に位置合わせ用の最適光学位置で位置
合わせ計測を行われたウエハは、投影レンズの光軸方向
の動作に着目すると所定のオフセット量だけ光軸方向に
駆動されて焼き付け焦点位置にセットされ、然る後に露
光動作が行われる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、被露光体と装置ある
いは被露光体と原版とを位置合わせするに際し、被露光
体の光学位置を、露光時の光学位置とは別途に検出され
る最適光学位置、例えば半導体製造工程等のみに依存し
た位置合わせ最適光学位置に設定するようにしたため、
位置合わせの精度が向上した。

特にこの位置合わせ用の自動焦点合わせ装置が、位置
合わせ用の光学系と撮像素子とによって得た位置合わせ
用のマークの画像信号に基づいて焦点位置を検出するの
で、位置合わせ部材と兼用したコンパクト構成で且つ得
られた位置合わせ用マークの画像信号を直接使用した確
実な焦点検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る縮小投影露光装置の
要部概略図、 第２図は、第１図の装置においてウエハマークの位置合
わせ時に撮像される像を示す説明図、 第３図は、ウエハの断面図および撮像系の光学的位置と
撮像される像との関係を表わした説明図、 第４図は、第１図の装置における位置合わせ用自動焦点
合わせ動作の流れ図、 第５図は、本実施例で使用するウエハ上の位置合わせマ
ークの配置図、 第６図は、ウエハマークに対する自動焦点合わせ評価関
数の例を示すグラフである。 W:ウエハ R:レチクル M:ウエハ上の位置合わせマーク Ｍ′：ウエハ上の位置合わせマーク像 10:XYZ−ステージ 11:投影光学系 12:レチクルステージ 13:ミラー 14:基準マーク 15:基準板 16:対物レンズ 17:ハーフミラー 18:照明光学系 19:ミラー 110:レーザ光源 111:撮像光学系 112:撮像装置 113:A/D変換装置 114:微分絶対値ヒストグラム演算装置 115:評価値演算装置 116:自動焦点合わせ制御装置 117:露光光用自動焦点合わせ装置 118:露光光用自動焦点合わせ用マーク 119:XYZステージの基準面 20:自動焦点合わせ用窓 30:ウエハ 31:レジスト 32:レジストおよびウエハでの反射光の干渉 33:露光光の焦点位置

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被露光体と装置あるいは被露光体と原版と
   の位置合わせ検出を位置合わせ検出光学系を経た光学情
   報を利用して行なう露光装置において、 位置合わせ用の光学系と撮像素子とによって得られる位
   置合わせ用のマークの画像信号に基づいて、焦点位置を
   検出する位置合わせ用自動焦点合わせ装置を露光用の自
   動焦点合わせ装置とは独立に設けたことを特徴とする露
   光装置。
2. 【請求項２】前記位置合わせ用の自動焦点合わせ装置
   は、前記被露光体内の数ショットにおいてその焦点位置
   を計測し、統計処理により位置合わせに最適な被露光体
   の光学位置を検出するものである請求項１記載の露光装
   置。