JP3024220B2

JP3024220B2 - 投影式露光方法及びその装置

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Publication number: JP3024220B2
Application number: JP40563690A
Authority: JP
Inventors: 良忠押田; 利栄黒崎; 晃稲垣; 良彦相場
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-12-25
Filing date: 1990-12-25
Publication date: 2000-03-21
Anticipated expiration: 2015-03-21
Also published as: JPH04221813A; US5247329A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体回路等微細パター
ンの投影式露光方法及びその装置に係り、特にサブミク
ロンパターンを光で露光する際の浅い焦点深度の露光に
対し、正確な合焦状態を実現する投影式露光方法及びそ
の装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の投影式露光装置においては、特開
昭５８−７１３６号公報に示されているように、ウェハ
単位あるいはロット単位に縮小レンズのベストフォーカ
ス位置を求め、フォーカスオフセットの補正を行ってい
た。すなわちこの場合上記従来技術に示すようにマスク
上のパターンをウェハステージ上に設けられたスリット
状開口付きの検出器で検出し、最も強度が強くなる高さ
を求め、この検出高さをオフセット値としてウェハ内の
或はロット内の露光を行っていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は露光光
がレンズに吸収され熱に変ることにより生じる焦点面の
微小な変化，或いはその他の条件によって時々刻々変化
する縮小レンズの微小な焦点ずれに対して配慮されてい
ない。即ち、前述したようにパターン微細化に伴う焦点
マージンの大幅な減小に対し、ウェハ単位或いはロット
単位で焦点オフセットを計測し、補正するのでは不十分
となり、露光毎、或いは１ウェハ内で複数回真の露光位
置を求めることが必要になって来ている。

【０００４】本発明の目的は、上記従来技術の課題を解
決し、一枚のウェハ（基板）を露光する時間内で焦点位
置が時時刻刻変化していっても常に露光のベストフォー
カスで線幅が０．５μｍ以下の微細回路パターンを投影
露光することができるようにした投影式露光方法及びそ
の装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的はマスク（レチ
クル）上に形成した微小パターンの配列に露光光もしく
は露光光とほぼ波長の等しい光を照射し、このパターン
を被露光物体（基板）に投影するとともに、基板からの
反射光をこの微小パターン配列に再結像し、その回折光
の強度を検出することにより、露光光による焦点合せを
露光位置で、従って露光毎に行い、達成している。

【０００６】即ち、本発明では、マスクもしくはレチク
ル上に描画されたパターンに露光照明光を照射し、マス
クもしくはレチクルを透過した露光照明光を投影光学系
により被露光物体上に投影してマスクもしくはレチクル
上に描画されたパターンを被露光物体上に投影結像する
投影式露光方法において、露光照明光と同一もしくはほ
ぼ同一波長の検出光をマスクもしくはレチクル上に形成
されたパターンに照射し、照射してパターンにより発生
する回折光のうちの０次光を除いて投影光学系を通して
被露光物体上に投影し、投影による被露光物体からの反
射光を投影光学系を通してマスクもしくはレチクルに入
射させ、入射してマスクもしくはレチクルを透過もしく
は反射した検出光を検出し、検出した検出光に基づいて
マスクもしくはレチクルと被露光物体との間の光学的な
結像関係を調整するようにした。また、本発明では、被
露光基板の小領域ごとにマスク又はレチクル上に描画さ
れたパターンを投影光学系を介して順次投影露光するこ
とにより被露光基板の全面を露光するステップアンドリ
ピート方式の露光方法において、被露光基板が露光位置
にある状態でマスク又はレチクル上に形成されたパター
ンで回折した光のうち０次光を除いた回折光による像を
被露光基板上へ投影し、投影により被露光基板から反射
して投影光学系を透過した光を検出し、検出した結果に
基づいて被露光基板とマスク又はレチクルとの投影光学
系の光軸方向の相対的な位置を調整するようにした。ま
た、本発明では、マスクもしくはレチクル上に描画され
たパターンに露光照明光を照射し、マスクもしくはレチ
クルを透過した露光照明光を投影光学系により被露光物
体上に投影してマスクもしくはレチクル上に描画された
パターンを被露光物体上に投影結像する投影式露光方法
において、光をマスクもしくはレチクル上に形成された
微細な繰り返しパターンに照射し、照射により微細な繰
り返しパターンで発生した回折光のうち０次光を除いた
回折光を投影光学系を通過させることにより形成した光
パターンを被露光物体上に投影し、投影により被露光物
体で反射した反射光を投影光学系を通してマスクもしく
はレチクルに入射させ、入射してマスクもしくはレチク
ルを透過もしくは反射した反射光を検出し、検出した反
射光の情報に基づいてマスクもしくはレチクルと被露光
物体との間の投影光学系の光軸方向の相対的な位置を調
整するようにした。

【０００７】また、本発明は、露光照明光源と、この露
光照明光源から発射した露光光をパターンを描画したマ
スク又はレチクルに照射する露光照明系と、マスク又は
レチクルに照射された露光光を被露光基板上に投影する
投影光学系と、被露光基板を保持するステージと、この
ステージを投影光学系の光軸方向に微動せしめる微動機
構とを少なくとも備えた投影露光装置において、マスク
又はレチクルに形成された微細パターンに露光光と同一
もしくはほぼ同一の波長の光を照射して発生させた回折
光のうち０次回折光を除いた回折光を投影光学系を透過
させて被露光物体上に光パターンとして投影する投影手
段と、この投影手段により被露光物体上に投影された光
パターンの反射光で投影光学系を透過してマスク又はレ
チクルに形成された微細パターンに入射して回折した光
を検出する検出手段と、この検出手段で回折した光を検
出して得た信号に基づいて微動機構を駆動制御する制御
回路とを更に備えたことを特徴とする。

【０００８】

【作用】半導体回路の微細化、高密度化に伴い、露光光
の短波長化、投影レンズの高開口数（ＮＡ）化が進み、
線幅が０．５μｍの微細回路パターン露光では焦点深度
は±０．９μｍ以下となり、線幅が０．３μｍの微細回
路パターンでは焦点深度は±０．５μｍ以下となる。こ
の焦点深度は露光フィールド内の各点でレンズのベスト
フォーカス位置（高さ）から上記の範囲内で解像するこ
とを意味する。従って実際にはベストフォーカス面は完
全な平面ではなく湾曲している（像面湾曲）ことと被露
光物体であるウェハ面は凹凸があり、又ウェハ全体が大
きくうねり平坦でないこと等のため、露光の焦点マージ
ンは、線幅が０．８μｍのＬＳＩ製造時に比べ非常に厳
しくなって来ている。

【０００９】そこで、本発明は、この焦点マージンを常
に確保できるようにしたものである。即ち、図１に示す
ごとく、レチクル２の上には回路パターン２１が描画さ
れており、この周辺はいわゆるスクライブエリア２２で
あり、この部分はウェハをチップごとに切断する時の切
断しろである。この領域に図２に示す様な露光検出用パ
ターン部３を設ける。この部分には３１で示すように幅
がＷ、配列方向の開口幅がＤでピッチＰで配列した微小
パターンを多数設ける。レチクルのパターン描画面の法
線（ｌ）に対し、この露光検出用パターン部３を照明す
る露光々と同一波長の光の入射主光線の角度（入射角）
をθ0とし、微小パターンの配列３１により回折する光
３００の主光線のｌに対する角度即ち回折角をθ1とす
ると、次式が成立する。

【００１０】Ｐ＝λ／（sinθ0−sinθ1）………(1) ここでλは検出光３０の波長である。回折せずにそのま
ま透過する光（０次光）３０１が縮小投影レンズ４の入
射瞳４１の外を通り、１次回折光が入射瞳４１のほぼ中
心を通るとすれば、縮小レンズの開口数ＮＡと、縮小レ
ンズの倍率１／Ｍ（Ｍ≧１）を用いて sinθ0−sinθ1＞ＮＡ／Ｍ……(2) が成り立つ。（１），（２）式よりＰ＜λＭ／ＮＡ……(3) 従ってＮＡ＝０．５，Ｍ＝５とすると、露光波長をｉ線
（λ＝０．３６５ｎｍ）およびＫrＦエキシマレーザ
（λ＝０．２４８ｎｍ）に対し、Ｐが上記(３)式の条件
を満足する微小パターン配列３１を通過する光はその１
次回折光３００のみが縮小レンズの瞳を通過し、ウェハ
５の上に、３１のＹ方向の微小配列の構造を失い、Ｙ方
向に一様に長細い、幅Ｗ／Ｍ（１／Ｍに縮小されるた
め）のパターンを投影する。この棒状のパターンの幅Ｗ
／Ｍは縮小レンズの解像限界近くにしておく。レチクル
とウェハの位置が互に縮小レンズのベストフォーカス位
置にあれば、上記の１次回折光によるウェハ上の棒状パ
ターンの線幅は最も細くなり、デフォーカスに伴い棒状
パターンの幅は広がる。このようにウェハに投影された
微小パターン配列で生じた一次回折光による棒状パター
ンは、ウェハ面で反射し、ウェハ照射時とは、逆の光路
をたどり、今度は縮小レンズ側（下側）からレチクルの
微小パターン配列に入射する。この時前述のウェハ面へ
の投影時のフォーカス状態に伴う投影パターンの幅と全
く同じく、ベストフォーカスでは最も幅の狭い（Ｗとほ
ぼ等しい）幅の棒状パターンが微小パターン配列に形成
されている。またデフォーカスでは幅が広がったパター
ンが形成され、微小パターン配列の幅Ｗ内の照射光エネ
ルギーもベストフォーカスに比べ小さくなっている。こ
の結果この微小パターン配列上に再結像した光の一次回
折光はベストフォーカス時に最大となる。更にこの一次
回折光はレチクル上の回路パターンをウェハに投影露光
する際の照明光並びにレチクル透過後露光に利用される
パターン回折光と重なることなく、分離検出できる。以
上のことからステップアンドレピート露光で、ウェハが
露光位置に有る状態で、ベストフオーカス位置を検出す
ることが可能となり、数十回に亘露光を繰返すことによ
り一枚のウェハ全面を露光する際に光の吸収等により起
る前述の微妙な焦点位置の変動も、露光するごとに検出
することが可能となり、一枚のウェハ（基板）を露光す
る時間内で焦点位置が時時刻刻変化していっても常に露
光のベストフォーカスで０．５μｍ線幅以下の微細回路
を投影露光することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を実施例を用いて説明する。

【００１２】図１は本発明の実施例であり、レチクル２
の下面上に描画されている回路パターン２１の最外周Ａ
部及びＢ部を照明する露光光１０１Ａ，１０２Ａならび
に１１１Ｂ，１１２Ｂはレチクル２を透過後縮小レンズ
４の瞳４１を通り、ウェハステージ５１上のウェハ５に
回路パターンの縮小像を結像する。１枚のウェハ全面を
露光するため、ウェハステージ５１をＸ，Ｙ方向にステ
ップ移動し、上記の露光を数十回繰返す。この繰返し露
光中に縮小レンズ４を透過する露光光のエネルギーはそ
の一部が縮小レンズ４内で吸収されるため、露光の履歴
によって縮小レンズ４の合焦点位置はＺ方向に僅かにΔ
Ｚ変化する。この変化量はサブミクロンオーダである
が、０．５μｍ以下の線幅の微細回路パターン２１では
焦点深度が±０．９μｍ以下となるため、正確な合焦点
位置の検出，補正が必要である。露光光投影合焦位置検
出器６はその詳細は後述するが、微細回路パターン露光
光（例えばｉ線やＫｒＦ，或いはＡｒＦエキシマレーザ
光）と同一の波長の光をミラー３０１を介し、レチクル
２上の回路パターン２１に隣接したスクライブエリア２
２内にある露光検出用パータン部３内に描画された微小
パターン配列３１を照射する。この照射光３０は後に詳
述するように所望の指向性を有しており、この照射光３
０の主光線は、露光検出用パターン部３の中心を照射
後、０次透過光３０１（図１の点線）は縮小レンズの入
射瞳４１の外側で遮光され、ウェハには達しない。他方
１次回折光３００は縮小レンズの瞳４１の中心を通り、
ウェハのスクライブエリアに相当する領域をほぼ垂直に
照射する。ウェハに投影照射されるパターンは図２の３
１に示す微小パターン配列の像とは異なり、Ｙ方向の微
細構造はなくなりＹ方向にほぼ一様に長細く、Ｘ方向の
幅がＷ／Ｍ（１／Ｍは縮小レンズの倍率）のパターンと
なる。この投影パターンを形成する光はウェハで反射
後、元の光路を逆にたどり、再びレチクル上の露光検出
用パターン部３の微小パターン配列３１を下方より入射
する。レチクル２およびウェハ５が完全に合焦点状態で
あれば、３１に入射する光のパターンは幅がほぼＷに等
しく、最も狭く、従ってこの幅Ｗ内でのエネルギー強度
は最大になっている。即ち、この合焦点状態からはずれ
るとパターンは広がり、この幅Ｗ内のエネルギは小さく
なる。従って３１を透過し回折し、露光光投影合焦点位
置検出器６に向うこの一次回折光の強度は合焦点時に最
大となる（検出法の詳細は後述する）。従って例えば検
出信号が最大となるように制御回路７により山登り制御
を行いウェハステージ５１を上下に微動し、合焦状態に
導く。

【００１３】図３は本発明の１実施例である。図１，図
２と同一番号は同一物を表わしている。図２の実施例で
はレチクル上の微小パターン配列３１の個々の微小矩形
パターンは透過部と遮光部から形成されているが、図３
の実施例では微小矩形パターン３５，３６は共に透過性
であるが、側面図に示すように、段差ｄがあり、この段
差により３５を通る光は３６を通る光より位相がπだけ
遅れる。即ちこのパターンは波長の位相変調を段差間
で与える位相形の微小パターンである。このパターンを
用いれば、図２のパターンに比べ２倍以上の一次回折効
率を与えるため、照射および検出時に２回ここで回折さ
れることより、本実施例では図２の実施例に比べ４倍以
上の検出強度が得られることになる。図３の微小パター
ン配列３１はウェハ上に図４に示す２つの回路パターン
２１Ｉ間のスクライブエリア上に前述したように棒状の
細長いパターン３１Ｉとして投影される。このパターン
の周辺３３Ｉは露光現像後レチクルを残すか残さないか
によりレチクル上の微小パターン配列３１の周辺３３は
光遮光性か透過性かを選択すれば良い。

【００１４】図６は本発明の一実施例である。図１と同
一番号は同一物を表わしている。露光光と同一波長の検
出用照明光３０はミラー３０１ａにより、レチクル２の
下方より、レチクル上の露光検出用パターン部３を照明
し、当パターン部３で反射した光の１次回折光３００が
ウェハ５上で棒状の幅Ｗ／Ｍのパターンを投影する。ウ
ェハで反射し、再びレチクル上に結像した棒状パターン
が微小パターン配列３１で反射し、その一次回折が、ミ
ラー３０１ａで反射し、露光光投影合焦点位置検出器６
に到る。図１および図６の露光光投影合焦点位置検出器
６の実施例を図７を用いて説明する。露光照明系の水銀
ランプより出射した光の一部をファイバ６１により導
き、ファイバの先端に開口６１２を有する開口板６１１
を設置し、所望の開口径ＤIを有する開口６１２を出射
した光を偏光板６５１通過後レンズ６３により照明視野
絞り板６２上の開口６２１に集光照明する。開口６１２
は後述のレンズ６３，６４により、縮小レンズ４の瞳４
１と共役（結像関係）でありこの開口寸法ＤIを所望の
値にすることによりレチクル上の露光検出用パターン部
を通過した光が縮小レンズを通り、ウェハ上に良好な解
像パターンを結像するようにしている。視野絞り開口６
２１を出射した光は偏光ビームスプリッタ６５２により
９５％以上が透過する。残りの５％は反射し、光強度モ
ニタ６９に入射する。偏光ビームスプリッタ６５２を透
過した直線偏光（Ｐ偏光）光はレンズ６４を通った後
波長板６５３で円偏光に変換される。照明視野絞り板６
２の開口６２１はレンズ６４によりレチクル上の露光検
出用パターン部（図７には図示せず）に相当する位置３
に結像する。即ち図１及び図６のレチクル２上のスクラ
イブエリア２２内部にある露光検出用パターン部３のみ
を限定して照明している。ウェハに露光すべき回路パタ
ーン２１には検出光が漏ることがない。レチクルを照明
する光３０はレチクルを通過し、その１次回折光は縮小
レンズを通り、ウェハを照明する。ウェハ照明光（３０
０）は、図１，図６の実施例で説明したように、ウェハ
で反射し、再び検出光３０ａとして露光光投影合焦点位
置検出器６に戻って来る。戻って来た検出光３０ａは
波長板でＳの直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ６
５２で反射され、合焦点用光検出器６６に入射し、光強
度Ｉ66が検出される。検出に用いる光源の変動を補正す
るため、前述の光強度モニタ６９により検出された強度
Ｉ69を用い、制御回路７により図８に示すようにＩ＝Ｉ
66／Ｉ69の信号を発生させる。この信号Ｉはウェハステ
ージの高さＺの変化ΔＺに伴い、図８のグラフの様に変
化する。完全な合焦点位置即ちΔＺ＝ΔＺ0の時にはＩ
は最大値Ｉmaxとなる。従ってこの信号を用いて信号Ｉ
が最大値になる様にウェハステージ５１を上下微動す
る。この方法は例えばこの信号Ｉを用いた山登り制御を
常時行うようにしてもよいし、図８に示すように山登り
制御をしながら、一定の閾値を越えたらステージの上下
微動を停止させてもよい。

【００１５】図９は本発明の一実施例であり、露光光投
影合焦点位置検出器６の一実施例である。図７の部品番
号と同一番号は同一物を表わす。露光光源より導かれた
検出光は所望の指向性の照明を得るための開口６１２を
通り、偏光板６５１，レンズ６３を通過後ストライプパ
ターン６２１および６２２を通過する。６２１と６２２
は光軸方向にΔＺｐだけ隔った位置に配置されている。
６２１，６２２を透過した光は偏光ビームスプリッタ６
５２、レンズ６４、波長板６５３を通過し、ミラー３
０１で反射されレチクル２上の露光検出用パターン部３
ａを照射する。このパターン部３ａは図１０に示すよう
にグリッド状のパターン３１Ｇが一様に配列され即ちグ
レーティングになっている。グレーティングを透過した
０次光は図１１に示すように縮小レンズの瞳４１の外に
至り、ウェハには達しない。他方１次回折光３００は瞳
４１のほぼ中心を通りウェハに垂直に入射する。ストラ
イプパターン６２１と６２２は、レンズ６４によりレチ
クル２のパターン描画面上にあるグレーティング状露光
検出用パターン３ａの上方および下方に図１２に示すよ
うに結像される。即ち図９のストライプパターン６２１
は図１２の６２１Ｉの位置に、６２２は６２２Ｉの位置
に結像する。この様子をレチクルの上方から見ると図１
０のようになっており露光検出用パターン３ａを両スト
ライプパターン６２１，６２２の像６２１Ｉ，６２２Ｉ
が通過する。露光検出用パターン３ａを通過してもＸ方
向の結像関係についてはこのグレーティング３ａの影響
を受けないため、グレーティングで一次回折し、縮小レ
ンズを通過した光は、もしウェハがレチクルと結像関係
にあると、ストライプパターン６２１はウェハの上方Δ
Ｚｗ、又６２２はウェハの下方−ΔＺｗに結像する。今
もし、図９のレンズ６４の結像倍率はＭ64，縮小レンズ
の結像倍率をＭ4とすると（但しいずれも１より小）、
総合の横倍率ＭはＭ＝Ｍ64・Ｍ4となるため、縦倍率に
関する式を用いれば、図９のΔＺpを用いてΔＺｗを表
わすと次式が成立する。

【００１６】ΔＺｗ＝Ｍ21/2ΔＺp ウェハ面に対し±ΔＺｗだけデフォーカスし投影された
像はウェハで反射し、光路を逆にたどり、再びグレーテ
ィング状露光検出用パターン３ａの上下で結像、回折
し、この像が図９のＣＣＤ660に再結像する。このＣＣ
Ｄ660はウェハと共役な位置に配置されているので、ス
トライプパターン６２１と６２２は±の方向にデフォー
カス状態で結像している。図１３はＣＣＤ660で得られ
る信号を示しており、ウェハ面がレチクルのベストの結
像位置に対し、若干ストライプパターン６２２の結像位
置に近い方向にデフォーカスしている状態を示してい
る。ＣＣＤの各絵素の内６２１と６２２の像のそれぞれ
について極大値の和と極小値の和の差Ｓ621，Ｓ622を図
１４に示す制御回路７ａ内のモジュレション演算回路で
求め、得られた値の差Ｓを７２で求め、この結果を用い
てウェハステージをΔＺ変化させる。図１５は上記の信
号Ｓ621及びＳ622とデフォーカスΔＺの関係を示してお
り、両信号がほぼ等しくなる所がベストフォーカス位置
になるように調整されている。

【００１７】図１６は本発明の一実施例であり、図９と
同一番号は同一物を表わしている。本実施例ではビーム
スプリッタ６５ａはストライプパターン６２１，６２２
の直前に配置されており、ウェハから戻ってきた検出光
は再びこのストライプパターン６２１，６２２を通過
し、ビームスプリッタ６５ａで反射された直後に配置さ
れた分離プリズムで、両ストライプパターン透過光が分
離され、レンズ６７２により検出器６６１と６６２によ
りそれぞれのストライプパターン６２１と６２２の透過
強度が検出される。検出される信号Ｓ₆₆₁aとＳ₆₆₂aはウ
ェハ面のベストフォーカスΔＺ＝ΔＺ₀からの変化に対
し、ほぼ図１５と同様の形状となるため、制御回路７ｂ
によりウェハステージ制御信号が得られる。

【００１８】図１７は本発明の実施例である。図１７
（ａ）はレチクル２の平面図であり、（ｂ），（ｃ）は
２側面より見たものである。露光検出用パターン３ｂは
回路パターンが描画されたパターンと同一の面３７から
±δz離れた面に図３で説明した位相変調型の微小パタ
ーン配列３１１と３１２を有している。δzの値は、前
述の図１２のレチクル面（３ａ）から６２１Ｉ及び６２
２Ｉの像面までの距離とほぼ等しい。位相変調型の微小
パターン配列部以外の露光検出用パターン３ｂは遮光部
となっている。本レチクルを用いる場合の露光光投影合
焦点位置検出器６ｃを図１８に示す。図７と同一番号は
同一物を表わす。本実施例ではシャッタ６８を用い、焦
点検出のための検出光がウェハを露光する量を制御する
ためシャッタを設けている。即ち上述したように位相変
調型の微小パターン配列を用いることにより光の利用効
率を高め、また微小配列パターンの検出器ＣＣＤ660へ
の結像を、このパターンの長手方向をシリンドリカルレ
ンズ６７５により圧縮することにより、更に光の利用効
率を高くしている。この結果シャッタ６８を非常に短時
間開放するだけで検出信号が得られ、ウェハ上のレジス
トを感光させることなく、焦点検出を可能としている。
本実施例でＣＣＤ660により得られる信号は図１３のご
ときものである。また図１７では微小パターン配列３１
１，３１２はそれぞれ２本であるが、更に数を多くし、
低いパターン群３２１と高いパターン群３２２を図１６
に示すごとき手段により分離し、各パターン群の検出光
を集め、それぞれ１ヶの高感度検出器（例えばフォトマ
ル）で検出すれば、更に短時間で検出することが可能と
なり、レジストへの感光は全く考慮する必要がなくな
る。

【００１９】図１９は本発明の一実施例である。１はエ
キシマレーザ露光照明系である。エキシマレーザ露光装
置は０．５μｍ以下のＬＳＩ露光に用いられるが、特に
０．３μｍ以下の線幅で焦点深度は±０．５μｍと浅
く、またエキシマレーザ用縮小レンズの屈折率の温度依
存性が大きいため、１ウェハを露光する間でも露光をエ
ネルギーの変化による焦点位置の変動は大きな問題とな
る。従って本発明の目的を達成することが益々重要とな
る。エキシマレーザを半導体露光装置の光源に用いよう
とすると、レーザの指向性，干渉性のため、レーザ出射
ビームの拡大照射しただけでは良好なパターンが露光で
きない。本発明者等が出願した特開昭６２−２３１９２
４号公報にも示されているように、エキシマレーザのパ
ルス発生ごとに光の指向性を変化させ数十パルスを用い
レチクルに照明することにより、ウェハ上の１チップを
露光する形が取られる。図１９の露光照明系１もこのよ
うな複数パルスを用いパルスごとに照明指向性を変化さ
せるものである。この照明光は図１のレチクル上の回路
パターン２１とスクライブエリアを照明している。即ち
スクライブエリア２２内の露光検出用パターン３も回路
パターン２１と同時に照明されている。従ってこの照明
光１３０は回路パターンの照明光１０Ａ，１１Ｂと同時
にパルス発光ごとに図２や図３や図１７の露光検出用パ
ターン３，３ｂを照射する。露光検出用パターン３，３
ｂ上の微小パターン配列３１や３１１，３１２の０次透
過光はそのまま縮小レンズの瞳４１を通過する。１次回
折光は瞳を通過できず、従ってウェハには微小パターン
の配列方向の微細構造が知られた微小パターン配列方向
に細長い棒状パターンが結像される。この結像光がウェ
ハで反射し、再びレチクル上の微小パターン配列を下方
より照射すると、レチクルとウェハが合焦状態であれば
最も強い一次回折光３０′が合焦点検出器６ｄに向う。
即ち、本実施例では合焦点検出を行うための特別な照明
系は不要であり、露光照明系の光を用いればよい。図２
０は本実施例の合焦点検出器６ｄの構成を示している。
照明系が不要なため、レンズ６４で検出光３０ａのＸ方
向パターンをＣＣＤ660に結像し、Ｘと直角な方向には
検出光を有効に使うためシリンドリカルレンズにより光
検出器６６ａ上に集光している。光検出器６６ａをＣＣ
Ｄとし結像タイプで検出してもよいし、光を集光し光量
全体或いは部分を検出してもよい。

【００２０】図１９に示すエキシマレーザ縮小露光装置
に本発明を適用した場合の装置の動作について図２１の
（Ａ）〜（Ｆ）を用いて説明する。（Ａ）に示すエキシ
マレーザのパルス発光信号ＳEXPに伴い発光した結果、
（Ｂ）に示すＣＣＤ660に検出された信号ＩCCD（（Ｂ）
のＩCCDは図１３のごとき１次元信号が得られるタイミ
ング信号）はパルスの発光回数Ｎ個の一次元信号を与え
る。Ｎ回の発光が終ったら、（Ｃ）に示すタイミングで
各絵素ごとのＮ個の信号の和ＩΣ1（一次元信号）が求
められる。即ちＩΣ1は１つのチップを露光する間に発
光されるエキシマレーザのパルス光全体によって得られ
る検出光を表わしており、これが最終的に焦点合せをす
るために用いられる。例えば前述の図１３の検出波形と
なる。この１次元信号を用いて合焦点制御を行うが、微
小パターン配列は図２，図３，図１７に示した各パター
ンを用いることが可能であることは明らかである。エキ
シマレーザ露光の場合には露光光が焦点検出のための検
出光となっているため、焦点検出した結果はそれ以降の
パルス露光に生かすしかない。その一つの方法は１つの
チップを例えば１００パルスで露光するならば、初めの
例えば１０パルスで焦点検出信号を求めてしまい、残り
の９０パルスは求めた焦点検出信号により、制御された
焦点位置で露光するようにしてもかなりの効果が得られ
るが、図２１では１チップを露光するための全パルス光
で焦点位置を検出し、その結果を次のチップ露光の焦点
合せに用いるようにしている。この方法で正確な合焦点
合せを実行するには、ステップアンドレピートでウェハ
ステージを移動した時、ウェハ上のレジスト表面が縮小
レンズの先端に対し、高さと傾きが再現性良く一定の位
置関係に再現されなければならない。このため図１９の
実施例に示すように、レーザ光の干渉を用いた傾き及び
高さ検出器８を用いている（特願平０２−６４１５５号
に記載されている。即ち、図２１で説明して来たよう
に、露光光を用いて露光しながら焦点位置を検出し、露
光が終了（ｔ＝ｔIN）したらウェハステージをステップ
移動し（ｔ＝ｔIN＋δ）ながら次の露光のための焦点位
置を求め（ｔ＝ｔIN＋Δ）ステップ移動が終ったら（ｔ
＝ｔ21−Δ3）、傾きおよび高さ検出器８により傾きと
高さを検出（ｔ＝ｔ21−Δ4）し、これらの結果を図１
９の制御回路７ｃで計算し、次のパルス露光開始（ｔ＝
ｔ21）までにウェハステージ５１を制御し、ベストフォ
ーカス位置に設定しておく。このようにすれば、パルス
発光のたびに照明の指向特性を変化させ、複数パルス全
体を用い１チップを高解像に露光するエキシマレーザス
テッパの場合でも正しい焦点位置検出・制御が可能とな
る。また装置構成も、焦点検出のための照明系を必要と
しないなど、効果は非常に大きい。図１９の実施例では
焦点検出用の微細パターン配列３（３ｂ）が回路パター
ン露光光と同一の照明となっているため、ウェハ上に形
成される０次光による棒状パターンは回路パターン部に
比べ若干弱い照度となる（±１次回折光は瞳に入らない
ため）。そこで中途半端な露光がされているため不都合
が生じる場合には、この部分を過露光するための手段を
用いてもよい。また図１９，図２０に示すように合焦点
検出器６ｄを図示した方向に移動し、次の露光工程のレ
チクルの微小パターン配列をこの移動に対応した隣りの
場所に記録しておいてもよい。このようにすれば合焦検
出のためにレチクルのパターンを投影するウェハ面は平
坦な部分にすることができ、安定で正確な合焦検出が可
能となる。

【００２１】なお図１９の実施例ではエキシマレーザ露
光について説明したが図１９のように回路パターン露光
光で合焦点検出することはエキシマレーザ以外の水銀ラ
ンプやその他の光源を露光光とする場合でも効果が大き
いことは上記の説明から明らかである。

【００２２】図２２は微小パターン配列３のパターンの
一実施例である。レチクル上に描画するパターンとして
このように何種類かの線幅のパターンを記録しておき、
最も高感度のパターン列を用いるようにすればよい。こ
の選択を行うには光検出器としてＣＣＤのような像検出
タイプを用いてもよいし、各パターン列ごとに検出光を
合計する（例えば２つの場合は図１６のような分離用プ
リズム６７１を用いる）方法を用いてもよい。このよう
にして得られる合焦信号は既に説明したごとく図２３や
図２４のようになる。図２３，図２４の合焦信号Ｉ₃₁₀₁
〜Ｉ₃₁₀₅は図２２の微小パターン配列の３１０１〜３１
０５に対応しており、図２３の信号の場合にはＩ₃₁₀₁を
用いればよく、図２４の信号の場合にはＩ₃₁₀₃を用いれ
ばよい。

【００２３】なお上記実施例では焦点検出系は１個であ
るが、露光フィールド周辺の２ヶ所以上を検出すれば更
に高精度に焦点合せができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、０．５μｍ線幅以下の
ＬＳＩ等微細パターンの投影露光において、露光履歴や
環境変化に対して焦点位置が微妙に変動しても露光ごと
に或いは短期間周期で合焦位置を正確に検出することが
できるようになり、その結果、ウェハ面の凹凸等に対応
する制御を含め、所望の焦点深度内に制御することが可
能となり、０．５μｍ線幅以下のＬＳＩ等の製品歩留り
の高い生産を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投影式露光装置の第１の実施例を示す
構成図である。

【図２】原画上の微小パターン配列を示す図である。

【図３】原画上の微小パターンの第１の例を示す図であ
る。

【図４】ウェハ上を示す図である。

【図５】原画上の微小パターンの第２の例を示す図であ
る。

【図６】本発明の投影式露光装置の第２の実施例を示す
構成図である。

【図７】本発明に係る合焦点位置検出器の第１の実施例
を示す図である。

【図８】合焦点位置検出で得られる検出信号を示す図で
ある。

【図９】本発明に係る合焦点位置検出器の第２の実施例
を示す図である。

【図１０】原画上の微小パターンの第３の例を示す図で
ある。

【図１１】本発明の投影式露光装置の第３の実施例を示
す構成図である。

【図１２】レチクル断面と像位置との説明図である。

【図１３】ＣＣＤからの検出信号波形を示す図である。

【図１４】制御回路の処理フローを示す図である。

【図１５】デフォーカスにおけるＣＣＤ検出出力を示す
図である。

【図１６】本発明に係る合焦点位置検出器の第３の実施
例を示す図である。

【図１７】原画上の微小パターンの第３の例を示す図で
ある。

【図１８】本発明に係る合焦点位置検出器の第４の実施
例を示す図である。

【図１９】本発明の投影式露光装置の第４の実施例を示
す構成図である。

【図２０】本発明に係る合焦点検出器の第５の実施例を
示す図である。

【図２１】図１９の実施例の駆動タイミングを示す図で
ある。

【図２２】原画上の微小パターンの第４の例を示す図で
ある。

【図２３】ＣＣＤからの検出出力を示す図である。

【図２４】ＣＣＤからの検出出力を示す図である。

【符号の説明】

１…露光照明系、２…レチクル、３…露光検出用パターン部、４…縮小レンズ、５…ウェハ、６…合焦点検出器、７…制御回路。

フロントページの続き (72)発明者相場良彦神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献特開昭63−137421（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−168112（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−13622（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−55430（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/20 521

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクもしくはレチクル上に描画されたパ
ターンに露光照明光を照射し、マスクもしくはレチクル
を透過した前記露光照明光を投影光学系により被露光物
体上に投影して前記マスクもしくはレチクル上に描画さ
れたパターンを前記被露光物体上に投影結像する投影式
露光方法であって、前記露光照明光と同一もしくはほぼ
同一波長の検出光を前記マスクもしくはレチクル上に形
成されたパターンに照射し、該照射して前記パターンに
より発生する回折光のうちの０次光を除いて前記投影光
学系を通して被露光物体上に投影し、該投影による前記
被露光物体からの反射光を前記投影光学系を通して前記
マスクもしくはレチクルに入射させ、該入射して前記マ
スクもしくはレチクルを透過もしくは反射した前記検出
光を検出し、該検出した検出光に基づいて前記マスクも
しくはレチクルと前記被露光物体との間の光学的な結像
関係を調整することを特徴とする投影式露光方法。
【請求項２】前記検出光を検出することにより得られた
前記マスクもしくはレチクルと前記被露光物体との間の
光学的な結像関係を前記被露光物体上の現在位置以降の
露光位置への露光に用いることを特徴とする請求項１記
載の投影式露光方法。
【請求項３】前記露光照明光はパルスレーザであること
を特徴とする請求項１記載の投影式露光方法。
【請求項４】被露光基板の小領域ごとにマスク又はレチ
クル上に描画されたパターンを投影光学系を介して順次
投影露光することにより前記被露光基板の全面を露光す
るステップアンドリピート方式の露光方法であって、前
記被露光基板が露光位置にある状態で前記マスク又はレ
チクル上に形成されたパターンで回折した光のうち０次
光を除いた回折光による像を前記被露光基板上へ投影
し、該投影により前記被露光基板から反射して前記投影
光学系を透過した光を検出し、該検出した結果に基づい
て前記被露光基板と前記マスク又はレチクルとの前記投
影光学系の光軸方向の相対的な位置を調整することを特
徴とする投影式露光方法。
【請求項５】前記マスク又はレチクル上に形成されたパ
ターンの像の前記被露光基板上への投影を、前記小領域
ごとにマスク又はレチクル上に描画されたパターンを投
影光学系を介して順次投影露光する露光光と同じかほぼ
同じ波長の光であることを特徴とする請求項４記載の投
影式露光方法。
【請求項６】前記露光光が、パルスレーザであることを
特徴とする請求項５記載の投影式露光方法。
【請求項７】前記被露光基板と前記マスク又はレチクル
との前記投影光学系の光軸方向の相対的な位置を調整す
るのに用いる前記マスク又はレチクル上に形成されたパ
ターンが、前記被露光基板の小領域ごとに投影光学系を
介して順次投影露光するマスク又はレチクル上に描画さ
れたパターンとは別に設けられたパターンであることを
特徴とする請求項４記載の投影式露光方法。
【請求項８】前記被露光基板と前記マスク又はレチクル
との前記投影光学系の光軸方向の相対的な位置を調整す
るのに用いる前記マスク又はレチクル上に形成されたパ
ターンの像を、前記順次投影露光する前記被露光基板上
の小領域の間に投影することを特徴とする請求項４記載
の投影式露光方法。
【請求項９】前記検出した結果に基づいて前記被露光基
板と前記マスク又はレチクルとの前記投影光学系の光軸
方向の相対的な位置を調整した後に、前記被露光基板の
小領域ごとにマスク又はレチクル上に描画されたパター
ンを投影光学系を介して順次投影露光することを特徴と
する請求項４記載の投影式露光方法。
【請求項１０】マスクもしくはレチクル上に描画された
パターンに露光照明光を照射し、マスクもしくはレチク
ルを透過した前記露光照明光を投影光学系により被露光
物体上に投影して前記マスクもしくはレチクル上に描画
されたパターンを前記被露光物体上に投影結像する投影
式露光方法であって、光を前記マスクもしくはレチクル
上に形成された微細な繰り返しパターンに照射し、該照
射により前記微細な繰り返しパターンで発生した回折光
のうち０次光を除いた回折光を前記投影光学系を通過さ
せることにより形成した光パターンを被露光物体上に投
影し、該投影により前記被露光物体で反射した反射光を
前記投影光学系を通して前記マスクもしくはレチクルに
入射させ、該入射して前記マスクもしくはレチクルを透
過もしくは反射した前記反射光を検出し、該検出した反
射光の情報に基づいて前記マスクもしくはレチクルと前
記被露光物体との間の前記投影光学系の光軸方向の相対
的な位置を調整することを特徴とする投影式露光方法。
【請求項１１】前記露光照明光が、エキシマレーザ光で
あり、該エキシマレーザ光により前記マスクもしくはレ
チクル上に描画されたパターンを前記被露光物体上に
０．５μｍ以下の線幅のパターンとして投影結像するこ
とを特徴とする請求項１０記載の投影式露光方法。
【請求項１２】前記レチクル上に形成された微細な繰り
返しパターンに照射する光が、前記露光照明光と同一も
しくはほぼ同一波長の光であることを特徴とする請求項
１０記載の投影式露光方法。
【請求項１３】露光照明光源と、該露光照明光源から発
射した露光光をパターンを描画したマスク又はレチクル
に照射する露光照明系と、前記マスク又はレチクルに照
射された前記露光光を被露光基板上に投影する投影光学
系と、前記被露光基板を保持するステージと、該ステー
ジを前記投影光学系の光軸方向に微動せしめる微動機構
とを少なくとも備えた投影露光装置であって、前記マス
ク又はレチクルに形成された微細パターンに前記露光光
と同一もしくはほぼ同一の波長の光を照射して発生させ
た回折光のうち０次回折光を除いた回折光を前記投影光
学系を透過させて被露光物体上に光パターンとして投影
する投影手段と、該投影手段により前記被露光物体上に
投影された光パターンの反射光で前記投影光学系を透過
して前記マスク又はレチクルに形成された微細パターン
に入射して回折した光を検出する検出手段と、該検出手
段で前記回折した光を検出して得た信号に基づいて前記
微動機構を駆動制御する制御回路とを更に備えたことを
特徴とする投影式露光装置。
【請求項１４】前記露光照明光源はパルスレーザである
ことを特徴とする請求項１３記載の投影式露光装置。