JP2884767B2 - 観察装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は観察装置に関し、特に半導体素子製造用の露
光装置において半導体基板（ウエハ）と露光装置本体の
一部、例えばアライメントスコープとの相対的な位置関
係を検出する際に好適な観察装置に関するものである。

（従来の技術） 従来より半導体素子製造用の露光装置では半導体素子
を製造するのに何種類もの回路パターンをウエハ面上に
投影レンズを介して順次重ね合わせて焼付ける工程（積
層して焼付ける工程）を用いている。

この為回路パターンが形成されているレチクルとウエ
ハとの位置合わせ精度は歩留りを向上させる為の重要な
要素となっている。

従来より、位置合わせは露光装置の一部に観察装置
（アライメントスコープ）を設けてウエハ面上のマーク
を観察することにより行っている。

このときの観察方式の１つにオフアクシスアライメン
ト方式がある。この方式は露光用の投影レンズより所定
量離れた位置に観察装置をその光軸（観察光学系の光
軸）が投影レンズの光軸と平行となるように設けてい
る。そして観察装置でウエハに関するアライメントマー
クの位置合わせを行った後、観察装置の光軸から投影レ
ンズの光軸までの距離（以下「ベースライン」と称す
る。）だけレチクル面上の回路パターンを投影露光する
ウエハを載置した可動ステージを移動する。これにより
レチクルとウエハとの相対的位置合わせを行っている。
その後レチクル面上の回路パターンを投影レンズを介し
てウエハ面上に投影露光している。

このオフアクシスアライメント方式におけるベースラ
イン計測の最も大きな計測誤差要因の１つに温度変化等
の環境変化がある。

本出願人は特開平１−120819号公報、特開平１−1208
20号公報、特開平１−286309号公報において光記録材料
を利用することにより環境変化に影響されずに高精度に
ベースラインを計測することができる観察装置を提案し
ている。

これらの公報では可動ステージ面に載置したウエハを
固着しているウエハチャック面上のウエハ面以外の領域
又は焼付け用のウエハとは異なるダミーウエハを用いそ
の一領域に光磁気記録材料やフォトクロミック材料等の
光記録媒体を塗布している。そして投影レンズの投影面
内の所定位置に可動ステージ上に設置した該光記録媒体
を配置する。そして投影レンズにより該光記録媒体面上
に計測用のアライメントマーク（レチクル面上に設けら
れているアライメントマーク）を焼付けた後、可動ステ
ージを観察装置の観察面内に移動させて該光記録媒体面
上のアライメントマーク像を観察する。このときレーザ
干渉測長器等で可動ステージの移動量を求めておく。そ
して観察装置の所定位置（光軸上の指標）とアライメン
トマーク像との位置関係（位置ズレ）との計測値よりベ
ースラインを求めている。

次に可動ステージ面上に載置したウエハ面のアライメ
ントマークを観察装置で観察し、観察装置の指標との位
置関係を検出する。

そしてこのときのウエハ位置より前記方法で求めたベ
ースラインを参照して可動ステージ面上のウエハをレー
ザ干渉測長器を用いて投影レンズの光軸下に送り込む。

これによりレチクル面上のアライメントマークとウエ
ハ面上のアライメントマークとの位置合わせ即ちレチク
ルとウエハとの位置合わせを行っている。

（発明が解決しようとする問題点） オフアクシスアライメント方式の観察装置でアライメ
ントマークを観察する際の観察光としては観察装置本来
の目的のウエハ面上の塗布されたフォトレジストに覆わ
れたアライメントマークをウエハの層構造の境界面間の
干渉の影響無しに検出することができるようにフォトレ
ジストが実質的に感光しない可視域のうちの広帯域の光
束が用いられる。

従って光記録媒体としてもレチクル面上のアライメン
トマークを露光した後のアライメントマーク像の検出が
前記観察光でなされるような光記録媒体を選択して用い
るのが常であった。

次に光記録媒体として例えばフォトクロミック材料を
用いた場合を例にとりそのときの問題点について説明す
る。

フォトクロミック材料は高分子のベース材に溶解され
てダミーウエハ面上や可動ステージ面上の所定の領域に
塗布されている。フォトクロミック材料は第２図の曲線
Ａで示すように露光前は紫外領域のみに吸収帯を持って
おり、可視領域の光束で観察しても無色透明である。し
かしながら露光波長である紫外光や遠紫外光を照射する
と第２図（Ｂ）で示すように可視領域に新たな吸収帯を
発生する。この為第２図の曲線Ｃで示す観察装置の観察
波長域の光束で露光された部分は着色域として観察可能
となる。

一旦着色したフォトクロミック材料は例えば熱をかけ
たり、又は可視光を照射することにより曲線Ａで示す元
の状態に戻すことができる。

ところが近年焼付け用の回路パターンの微細化により
半導体素子の高集積化を図るという観点から半導体メー
カーは各社で独自の微細化プロセスを採用するようにな
ってきた。そこでは種々なフォトレジストが用いられ、
従ってフォトレジストの不感帯の波長域も種々と異って
いる。又光記録媒体としてのフォトクロミック材料も繰
り返し使用回数やコスト、取り扱い容易性等のトレード
オフで必ずしも所望の吸収波長域のものを選択すること
ができるとは限らないという問題点が生じてきた。

本発明はオフアクシスアライメント方式を用いた観察
装置において、前述したような光記録媒体を用いてベー
スライン計測を行う際にウエハ面上に塗布したフォトレ
ジストに実質的に感光しないでウエハ面上のアライメン
トマークを観察する為の光束の波長域と光記録媒体面に
形成したアライメントマークを観察することができる波
長域とが分離してくるという問題点を観察装置に設けた
波長域切換手段を利用することにより解決し、双方のア
ライメントマークを最適な波長域の光束で良好に観察
し、ベースラインを高精度に求めることができる観察装
置の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の観察装置は、 （１−１）感光体が塗布されている第１物体と光記録材
料を有した第２物体のうち一方の物体を選択して観察系
で観察する観察装置であって、且つ第１物体を観察する
ときは、該感光体が実質的に感光しない程度の第１波長
域を有した光束を用いて行い、該第２物体を観察すると
きは該光記録材料の安定状態のいずれかの吸収波長域の
少なくとも一部を含み、且つ第１波長域とは異なる第２
波長域の光束を用いて行うための波長域切換手段を有す
ることを特徴としている。

（１−２）可動ステージ面上に感光体が塗布されている
第１物体と光記録材料を有した第２物体とを設け、該可
動ステージを移動させて一方の物体を選択して光源手段
からの光束で照明するとともに観察系で観察する観察装
置であって、且つ該第１物体を観察するときは、該光源
からの光束のうち該感光体が実質的に感光しない第１波
長域の光束を選択して行い、該第２物体を観察するとき
は該光源手段からの光束のうち該光記録材料の露光前又
は露光後の安定状態のいずれかの吸収波長域の少なくと
も一部を含み、且つ第１波長域とは異なる第２波長域の
光束を選択して行うための波長域切換手段を有すること
を特徴としている。

特に、 （１−２−１）前記第１物体は半導体基板より成り、前
記第２物体は前記可動ステージの一部又は該可動ステー
ジに関して設けた部材の一部より成っていること。

（１−２−２）前記感光体はフォトレジストより成り、
前記光記録材料はフォトクロミック材料より成り、前記
安定状態のいずれかの吸収波長域は前記フォトクロミッ
ク材料の着色状態における吸収波長域であること等を特
徴としている。

本発明の露光装置は、 （２−１）構成（１−１）又は（１−２）の観察装置を
用いてレチクルとウエハとの位置合わせを行う手段と、
該レチクル面上のパターンをウエハ面上に露光転写する
手段を有することを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明を縮少投影型半導体露光装置（ステッ
パー）に適用したときの一実施例の要部概略図である。

図中１は露光用の照明系であり、超高圧水銀灯やコン
デンサーレンズ等を有している。２はレチクル（原板）
であり、後述するウエハ面上に焼付ける半導体素子の電
子回路パターンが５倍〜10倍の寸法でクロム等によって
基板面上に描かれている。レチクル２は照明系１によっ
て均一に照明されている。

３は投影レンズであり、レチクル２面上の回路パター
ンを感光体としてのフォトレジストが塗布された第１物
体としてのウエハ４面上に1/5〜1/10倍で投影してい
る。

ウエハ４はXYZステージ６に載置されたウエハーチャ
ック５面上に真空吸着や静電的手段により固定されてい
る。

XYZステージ６は定盤７面上に載置されており、光軸
（投影レンズ３の光軸、以下同じ）に垂直な平面内及び
光軸方向に沿って移動可能となっている。XYZステージ
６の端部には反射部材８が装着され定盤７面上に設けた
レーザ干渉測長器９からのレーザ光とによって既知の手
段により、その位置座標が測定されている。

10は光記録媒体面（光記録材料面）であり、その面上
には例えばフォトクロミック材料が設けられており、ウ
エハーチャック５面の周囲の複数領域に設けられて第２
物体を形成している。

本実施例ではこの光記録媒体面10上にレチクル面上の
アライメントマークを形成して、該アライメントマーク
像を用いて前述したベースライン計測を行っている。

18はレチクルアライメントスコープであり、レチクル
２をステッパー本体の所定位置に対して位置合わせをし
ている。

11は観察系としてのオフアクシスアライメントスコー
プ（以下「アライメントスコープ11」と称する。）であ
り、投影レンズ３から所定距離離れた位置にその光軸が
投影レンズ３の光軸と平行となるように設定されてい
る。13はランプボックスであり、ランプ14、波長域切換
手段としてのフィルター切換板16、ロータリーソレノイ
ド17等を有しており、アライメントスコープ11に所定の
波長域の光束を入射させている。

ランプ14は可視域で連続スペクトルを発するハロゲン
ランプやキセノンランプ等から成っている。ランプ14か
らの光束のうちロータリーソレノイド17とフィルター切
換板16とにより所定の波長域の光束が選択されてオプテ
ィカルファイバー15を通過してアライメントスコープ11
に入射されている。

本実施例における前述したベースライン計測で行うベ
ースラインは投影レンズ３とアライメントスコープ11と
の光軸間ベクトル1bである。

アライメントスコープ11はウエハ４面や光記録媒体面
10を撮像手段としてのCCD12面上に結像レンズで結像さ
せている。そしてウエハ４面や光記録媒体面10をCCD12
によって画像観察し、該画像を演算処理することによっ
てウエハ４面上及び光記録媒体面上のアライメントマー
クの位置を計測している。

第３図は本実施例におけるウエハ４面上に塗布したフ
ォトレジストの分光感度曲線とウエハーチャック５面上
に設けたフォトクロミック材料の分光吸収曲線の概略図
である。

同図において曲線Ｄはフォトレジストの分光感度曲
線、曲線Ｂはフォトクロミック材料の露光後の分光吸収
曲線である。

アライメントスコープ11でウエハ４面上を観察する為
の波長域はフォトレジストが実質的に感光しない波長域
の光束を用いる必要がある。従って第３図においては、
例えば曲線Ｅで示す波長域（第１波長域）の光束とな
る。

しかしながら曲線Ｅとフォトクロミック材料の分光吸
収曲線Ｂとは全くオーバーラップする領域がない。従っ
て曲線Ｅで示す光束ではフォトクロミック材料の露光さ
れた領域と露光されない領域とをパターンとして検出
し、認識することはできない。

光記録媒体面10上のアライメントマークを観察する為
の光束の波長域は分光吸収曲線Ｂと所定範囲オーバーラ
ップするような、例えば曲線Ｃで示す波長域（第２波長
域）の光束を用いる必要がある。

ところが曲線Ｃで示す波長域の光束はフォトレジスト
の感度領域Ｄに一部がオーバーラップしている為にフォ
トレジストが感光してしまい、ウエハ面上を観察する光
束として用いることができない。

そこで本実施例ではランプボックス13内のフィルター
切換板16により曲線Ｅと曲線Ｃで示す波長域の光束が切
換えてランプボックス13から出射するようにしている。

即ちランプボックス13からはウエハ４面上を観察する
ときは曲線Ｅで示す波長域の光束を出射し、光記録媒体
面（フォトクロミック材料面）10を観察するときは曲線
Ｃで示す波長域の光束を出射するようにしている。

第４図は第１図のフィルター切換板16の要部正面図で
ある。同図において19、20は各々フィルターである。

フィルター19は第３図の曲線Ｅと同様の分光透過率を
有しており、フィルター20は第３図の曲線Ｃと同様の分
光透過率を有している。

本実施例ではこのフィルター切換板16を支点16aを中
心にロータリーソレノイド17で回動させることにより、
アライメントスコープ11に入射する光束の分光透過率を
換えている。

これによりウエハ４面上及び光記録媒体10面上の双方
に対して最適な波長域の光束で観察することができるよ
うにしている。

第５図（Ａ），（Ｂ）は本実施例の観察装置でのベー
スライン計測のフローチャートを示す。

尚本実施例においてウエハ４面上の観察の際にフォト
レジスト層の上面と下面等の層構造の境界面からの反射
光が互いに干渉してある特定の波長域での光束による観
察では反射光強度が弱くなって観察しにくくなる場合が
ある。

このような場合にはフィルター切換板16に例えば第３
図の曲線Ｆで示す波長域を透過させる第３のフィルター
を設けて、該第３のフィルターを通過した光束を用いる
ようにするのが良い。

又必要に応じて分光透過率の異なる第４、第５のフィ
ルターを設けて同様に行っても良い。

この他フォトクロミック材料の分光吸収曲線Ｂの違い
に対応させて分光透過率の異なる複数のフィルターを用
いるようにしても良い。

（発明の効果） 本発明によれば、感光体が塗布されている第１物体を
観察するときは、感光体が実質的に感光しない第１波長
域を有した光束を用いて行い、光記録材料を有した第２
物体を観察するときは該光記録材料の安定状態のいずれ
かの吸収波長域の少なくとも一部を含み、且つ第１波長
域とは異なる第２波長域の光束を用いて行えるので、双
方において良好なる観察を可能とし、両者を用いた高精
度な計測が可能な観察装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部概略図、第２図はフォ
トクロミック材料の分光特性の説明図、第３図は本発明
に係る観察光と被観察物の分光特性の説明図、第４図は
第１図の一部分の拡大説明図、第５図（Ａ），（Ｂ）は
本発明に係るフローチャート図である。 図中１は照明系、２はレチクル、３は投影レンズ、４は
ウエハ、５はウエハーチャック、６はXYZステージ、７
は定盤、10は光記録媒体面、11はアライメントスコー
プ、１は撮像手段、13はランプボックス、16は波長切換
手段、である。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】感光体が塗布されている第１物体と光記録
   材料を有した第２物体のうち一方の物体を選択して観察
   系で観察する観察装置であって、且つ第１物体を観察す
   るときは、該感光体が実質的に感光しない程度の第１波
   長域を有した光束を用いて行い、該第２物体を観察する
   ときは該光記録材料の安定状態のいずれかの吸収波長域
   の少なくとも一部を含み、且つ第１波長域とは異なる第
   ２波長域の光束を用いて行うための波長域切換手段を有
   することを特徴とする観察装置。
2. 【請求項２】可動ステージ面上に感光体が塗布されてい
   る第１物体と光記録材料を有した第２物体とを設け、該
   可動ステージを移動させて一方の物体を選択して光源手
   段からの光束で照明するとともに観察系で観察する観察
   装置であって、且つ該第１物体を観察するときは、該光
   源からの光束のうち該感光体が実質的に感光しない第１
   波長域の光束を選択して行い、該第２物体を観察すると
   きは該光源手段からの光束のうち該光記録材料の露光前
   又は露光後の安定状態のいずれかの吸収波長域の少なく
   とも一部を含み、且つ第１波長域とは異なる第２波長域
   の光束を選択して行うための波長域切換手段を有するこ
   とを特徴とする観察装置。
3. 【請求項３】前記第１物体は半導体基板より成り、前記
   第２物体は前記可動ステージの一部又は該可動ステージ
   に関して設けた部材の一部より成っていることを特徴と
   する請求項２記載の観察装置。
4. 【請求項４】前記感光体はフォトレジストより成り、前
   記光記録材料はフォトクロミック材料より成り、前記安
   定状態のいずれかの吸収波長域は前記フォトクロミック
   材料の着色状態における吸収波長域であることを特徴と
   する請求項２記載の観察装置。
5. 【請求項５】請求項1,2,3又は４記載の観察装置を用い
   てレチクルとウエハとの位置合わせを行う手段と、該レ
   チクル面上のパターンをウエハ面上に露光転写する手段
   を有することを特徴とする露光装置。