JP3027870B2 - 位置検出装置及び半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は位置検出装置及び半導体
素子の製造方法に関し、特に複数個の物体を投影系を介
して互いに正確に位置合わせする半導体素子製造用の露
光装置に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子製造用の露光装置の基本的な
性能として解像力、重ね合わせ精度、そしてスループッ
トがある。半導体素子の微細化に伴ないこれらの性能に
ついてもますます高性能化が要求されている。例えば解
像力を上げるために投影光学系の高ＮＡ化、光源の短波
長化が進み、投影光学系の焦点深度の許容量はますます
浅くなってきている。

【０００３】現在では大気圧変化による焦点位置の変化
や、投影光学系の露光光の吸収による焦点位置の変化ま
でが製造上無視できなくなってきている。

【０００４】又、位置合わせ（位置検出）も微細化に伴
なって要求精度が厳しくなり、次世代の半導体素子の微
細化の鍵は位置合わせになるとさえ言われている。この
位置合わせの中の重要な技術の一つに露光光を用いた検
出技術がある。この技術では位置合わせを行なう対象で
あるレチクルとウエハーを直接合わせたり、レチクルを
セットしたり、ベースライン計測でリファレンス計測を
するなどの重要な測定が行なわれる。

【０００５】投影光学系は露光を行なう波長に対して最
適となるよう収差補正がされる。このため投影光学系を
通して観察するウエハーあるいは基準となるマークの露
光波長での像は、他の波長で観察を行なうときより鮮明
で、結果的に良好な検出が行なわれる。観察を行なう場
合、照明光はアライメントスコープと呼ばれる観察光学
系からレチクルを通して与えられる。この場合、レチク
ルとウエハー上にあるアライメントマークが同時に計測
され、両者の相対位置が計測される。

【０００６】又、別の検出系でレチクルのアライメント
とウエハーの載置されたステージ上の基準マークをステ
ージ側から露光光で照明して行なうのも重要な応用例で
ある。

【０００７】図６は従来の露光装置におけるレチクルア
ライメント系の要部概略図である。超高圧水銀灯１から
出た光は楕円ミラー２、ミラー３で反射した後オプティ
カルインテグレータ４に導かれ、符番５〜１０の複数の
コンデンサーレンズ及びミラーを有する集光系を介して
レチクル１１に到達する。符番１〜１０の各要素に至る
系全体が照明系と呼ばれる部分である。この照明系の中
にシャッター４１が設けられている。オプティカルイン
テグレータ４の直前には波長選択フィルタ３０が配置さ
れ、超高圧水銀灯１からのスペクトルを制限し、露光で
ベストの性能を引き出す役目をしている。

【０００８】５０は検出用の光源で、その前方には照明
系と同じく波長選択フィルタ５１が付加されている。波
長選択フィルタ５１の波長特性は照明系の波長選択フィ
ルタ３０と同一で、波長選択フィルタ５１を通過した光
はファイバ２８に入射する。ファイバ２８の逆側の端は
ステージ１５に導かれて、ステージ１５上に載置された
基準マーク１３を裏面から照明する。基準マーク１３は
該照明光によって投影光学系１２を介しレチクル１１上
に結像される。レチクル１１上には基準マーク１３に対
するセットマークが配置され、該２つのマークはミラー
２２、対物レンズ２１、ミラー２３そしてレンズ２４に
よってＣＣＤ２５に到達する。従ってＣＣＤ２５上では
基準マークとレチクル１１のセットマークの像が同時に
観察され、両者の相対関係が計測されて不図示の駆動装
置により両者の関係が補正される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来これら露光光によ
る位置合わせ及びフォーカスシステムは各要素の配置上
の都合から検出光を別光源から導くため、挿入するフィ
ルタを露光用の照明系と前述の検出系とで別個に入れる
のが普通であった。

【００１０】しかしながら位置合わせや焦点位置の検出
が厳しくなるにつれ、両者の差が問題となっている。別
個に入れたフィルタの特性が異なると露光光と検出光の
波長が異なり、以下のような問題が顕在化してきてい
る。 （イ）フィルタの特性は同じスペックで作成しても完全
に同一とはならず個体差が存在する。従って検出光と露
光光のフィルタの光学的作用の差により各投影露光装置
毎に該個体差に相当する波長分だけ倍率ディストーショ
ンやフォーカスの差が生じる。これらを一致させるため
には装置固有の補正値が必要とされる。 （ロ）フィルタの特性の経時変化により波長特性がシフ
トするため、補正値も経時変化し、安定した補正を行な
うことができない。

【００１１】本発明は検出用の光を露光系の照明系内の
フィルタを通過した位置から導き、フィルタを共用する
ことによって前述した露光光と検出光の差によって生じ
る補正値の差を無くすとともに、フィルタ特性の経時変
化にも対応できるようにし高精度な位置検出を可能とし
た位置検出装置の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出装置
は、第１の物体を第２の物体に該２つの物体の間に存在
する投影光学系を介して位置合わせを行う位置検出装置
において、該投影光学系を介して前記物体のいずれか一
つを装置に対して位置付けをし、該投影光学系に対し露
光を与える照明系の中に配置されている波長選択手段を
通過した光を別光路に切り替えて導き、該別光路に導い
た光束を用いて前記物体の位置合わせ、あるいは焦点位
置計測を行うことを特徴としている。

【００１３】また、本発明の半導体素子の製造方法は、
レチクルとウエハのいずれか一方の物体を該２つの物体
の間に存在する投影光学系を有する露光装置に対して位
置付けをし、次いで該投影光学系に対し露光を与える照
明系の中に配置されている波長選択手段を通過した光を
別光路に切り替えて導き、該別光路に導いた光束を用い
て前記物体の位置合わせ、あるいは焦点位置計測を行
い、その後レチクル面上のパターンをウエハ面上に投影
露光し、半導体素子を製造するようにしたことを特徴と
している。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。同図ではレチクル１１のアライメント検出を行なう
場合を示している。図中、図６で示した従来例と同じ要
素には同一の番号がつけてある。１は超高圧水銀灯、２
は楕円ミラー、３はミラーまたはハーフミラー、３０は
波長選択フィルタ、４はオプティカルインテグレータで
ある。２７は照明系の光軸に対して斜設されたシャッタ
で、駆動装置２９により照明光束中に出入りし、投影光
学系１２に対するＯＮ／ＯＦＦを行なう。シャッタ２７
はミラーとなっていて、反射した光はファイバ２８に導
かれる。

【００１５】オプティカルインテグレータ４を出た光は
順にミラー５、レンズ６、ミラー７、レンズ８、ミラー
９、レンズ１０を介してレチクル１１を照明する。１７
はレチクルステージ、１２は投影光学系、１４はウエハ
ー、１５はウエハーを載置しているウエハーステージで
ある。ウエハーステージ１５の上には不図示のレーザ干
渉計の一部を構成するミラー１６が配置され、その位置
が該レーザ干渉計によりモニタされている。

【００１６】ウエハーステージ１５上にある基準マーク
１３は、照明系より光の導かれたファイバ２８のもう一
方の端からの光束により照明が行なわれる。５１はレン
ズ、５２はミラーである。基準マーク１３はガラスの上
に所定のマークがクロムによりパターニングされてい
る。基準マーク１３上にある基準マークパターンはファ
イバ２８からの光束により照明され、投影光学系１２を
介してレチクル１１に結像される。レチクル１１には基
準マーク１３の基準マークパターンに対応するセットマ
ークが設けられ、この２つのマークが対物レンズ２１、
リレーレンズ２４を含む各要素２２〜２４の観察系でＣ
ＣＤ２５に導かれる。２つのマークの相対位置は不図示
の信号処理系により処理され、その値に基づいて不図示
の駆動系によりレチクル１１の位置が調整される。この
動作はレチクル１１を装置の基準に合わせることを意味
するが、２次元的な位置合わせを行なうため、レチクル
１１のセットマークはレチクル１１上の複数箇所に設け
るのが普通である。ウエハーステージ１５上の基準マー
ク１３はレチクル１１上のセットマークの位置に応じて
駆動され、各々の点で計測が行なわれて全体の位置計測
が終了する。

【００１７】図２は本発明の実施例２の要部概略図であ
る。同図では図１の実施例１と同じくレチクル１１のア
ライメントを行なう場合を示している。

【００１８】本実施例は波長選択フィルタ３０とシャッ
タ２７の系との関係から生じる制約を両立させるため、
照明系にリレーレンズ４０を挿入している。フィルタ３
０の系は作成上から制限があり、またシャッタ２７は高
速化のためになるべく光束径の小さいところに配置する
と有利である。このためフィルタ３０、シャッタ２７に
はともに光束径の小さいところに置きたいという配置上
の矛盾が存在する。

【００１９】本実施例ではこの矛盾の対処にリレーレン
ズ４０を設けて光束径の絞られる箇所を２箇所作り、該
２箇所に光源から見てフィルター３０、シャッタ２７の
順に部材を配置したことを特徴としている。この配置で
波長選択フィルタ３０が共用でき、従来問題となってい
たフィルタ差や、経時変化の問題が解決される。レチク
ル１１のアライメントを行なう手順は実施例１と同一で
ある。

【００２０】図３は本発明の実施例３の要部概略図であ
る。同図では露光光でレチクル１１とウエハー１４の相
対位置を計測するアライメント系を示している。ここで
もこれまで説明した実施例と同一部材には同一番号が記
されている。照明系から波長選択フィルタ３０を通過し
てファイバ２８へ入射した光は顕微鏡観察系へ直接導か
れる。顕微鏡系へ入った光はコンデンサーレンズ３６、
ビームスプリッタ３５、対物レンズ２１、ミラー２２を
介しレチクル１１を照明する。レチクル１１にはアライ
メント用のマークのついた窓部があり、ここを照明した
光が投影光学系１２を介してウエハー１４上のアライメ
ントマークを照射する。照射されたウエハー１４上のア
ライメントマークは投影光学系１２によりレチクル１１
のアライメントマークのついた窓部に結像される。

【００２１】こうして同時観察が可能となった２つのア
ライメントマークがレチクルアライメントと同様にミラ
ー２２、レンズ２４を介してＣＣＤ２５に結像され、レ
チクル１１とウエハー１４の相対関係が把握されて位置
合わせ用の計測値が得られる。この場合も２次元的な位
置合わせを可能とするため複数個のマークを観察するの
が通常であるが、フィルタの共用により実施例１，２と
同様の効果が得られる。

【００２２】図４は本発明の実施例４の要部概略図であ
る。同図では露光光を用いた焦点計測の概略を表わして
いる。図１と同様に１は超高圧水銀灯、２は楕円ミラー
で同じ機能を示すものには同一番号が記されている。

【００２３】本実施例も対物レンズ２１以下がＴＴＬの
焦点検出に用いられる。実施例３の露光光アライメント
と同じく、ファイバ２８からの光は顕微鏡光学系にビー
ムスプリッタ３５を介して導かれ、レチクル１１を照明
する。レチクル１１には図５に示したマークが形成さ
れ、このマークを通過した光が投影光学系１２によりウ
エハーステージ１５上に配置された基準面ミラー４８に
結像する。基準面ミラー４８で反射した光は再び投影光
学系１２、レチクル１１上のマークを通過し、対物レン
ズ２１、ビームスプリッタ３５を介してディテクタ４５
で検出される。

【００２４】ここで基準面ミラー４８を不図示の駆動系
により投影レンズ１２の光軸方向に移動させるとディテ
クタ４５で検出される光量が変動する。この値が最大に
なったとき基準面ミラー４８が投影光学系１２のフォー
カス位置にきていると見なすことができる。

【００２５】ディテクタ４５の出力が最大になったとき
の基準面ミラー４８の高さは、投光系４６よりビームを
照射し、反射光をポジションセンサなどに導く検出系４
７でモニタされる。

【００２６】尚、基準面ミラー４８は図１の基準マーク
１３のパターンのないところで代用することも可能であ
る。本実施例でも露光光と全く同一の波長を用いるため
に露光と同じ状態で焦点位置を検出でき、これまでの実
施例と同様の効果を得ることができる。

【００２７】

【発明の効果】以上述べてきたように本発明によれば従
来問題となっていた波長選択フィルタの差に起因する検
出光学系の誤差を、検出光束の取り出しを露光用の照明
光学系の波長選択フィルタの後から取り出して共用して
除去している。この結果投影光学系と検出系との間のフ
ィルタ特性のばらつきや、経時変化の影響を無視するこ
とができ、高精度な検出、補正ができる位置検出装置を
達成することができる。また、波長選択手段を通過した
光を別光路に切り替えて導く形で物体の位置合わせ、ま
たは焦点検出に用いるようにしているので、使用光をそ
のままの特性でいずれの光路にも導けるという効果もあ
る。すなわち本発明によって波長選択の部材と光路変更
の部材の２つのファクターにおいて特性を変化させるこ
とを防止でき、より高精度な位置検出装置が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１のレチクルアライメント系
を示す図

【図２】 本発明の実施例２のレチクルアライメント系
を示す図

【図３】 本発明の実施例３のウエハーアライメント系
を示す図

【図４】 本発明の実施例４の焦点検出系を示す図

【図５】 実施例４で用いられるマークの一例

【図６】 従来例でのレチクルアライメント系を示す図

【符号の説明】

１ 超高圧水銀灯 ２ 楕円ミラー ３ ハーフミラー ４ オプティカルインテグレータ ５，７，９ ミラー ６，８，１０ レンズ １１ レチクル １２ 投影光学系 １３ 基準面 １４ ウエハー １５ ウエハーステージ １６ レーザ干渉計のミラー １７ レチクルステージ ２１ 対物レンズ ２２，２３ ミラー ２４ リレーレンズ ２５ ＣＣＤ ２７ シャッタ ２８ ファイバ ２９ シャッタの駆動系 ３０ 波長選択フィルタ ３５ ビームスプリッタ ３６ コンデンサーレンズ ４６ 投光系 ４７ 検出系 ５１ レンズ ５２ ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−82527（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−109316（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−209303（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−207603（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/20 G03F 9/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の物体を第２の物体に該２つの物体
   の間に存在する投影光学系を介して位置合わせを行う位
   置検出装置において、該投影光学系を介して前記物体の
   いずれか一つを装置に対して位置付けをし、該投影光学
   系に対し露光を与える照明系の中に配置されている波長
   選択手段を通過した光を別光路に切り替えて導き、該別
   光路に導いた光束を用いて前記物体の位置合わせ、ある
   いは焦点位置計測を行うことを特徴とする位置検出装
   置。
2. 【請求項２】 レチクルとウエハのいずれか一方の物体
   を該２つの物体の間に存在する投影光学系を有する露光
   装置に対して位置付けをし、次いで該投影光学系に対し
   露光を与える照明系の中に配置されている波長選択手段
   を通過した光を別光路に切り替えて導き、該別光路に導
   いた光束を用いて前記物体の位置合わせ、あるいは焦点
   位置計測を行い、その後レチクル面上のパターンをウエ
   ハ面上に投影露光し、半導体素子を製造するようにした
   ことを特徴とする半導体素子の製造方法。