JP3197629B2 - 光投影露光装置 - Google Patents

光投影露光装置

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JP3197629B2 JP28037292A JP28037292A JP3197629B2 JP 3197629 B2 JP3197629 B2 JP 3197629B2 JP 28037292 A JP28037292 A JP 28037292A JP 28037292 A JP28037292 A JP 28037292A JP 3197629 B2 JP3197629 B2 JP 3197629B2
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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光投影露光装置に関わ
り、とくに半導体ウェハにおけるマスクの位置合わせ精
度を向上することのできる光投影露光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】光投影露光装置においては、投影光学系
を介してステップアンドリピート法により、2次元に移
動可能なステージ上に載置された半導体ウェハ(ウェ
ハ)表面の感光剤(レジスト)にマスクパターンを転写
するようにしている。上記転写においては、ウェハ上に
既に転写されたパタ−ンに次ぎのマスクのパタ−ン像を
正確に重ね合わせる必要上、2次元のアライメント精度
には約0.2μm程度以下が要求されている。
【0003】上記アライメントには種々の方式が検討さ
れているが、現在では、ウェハにマスクのパタ−ン像を
投影する投影レンズを通してウェハ上のマークに光ビ−
ムを照射してマークからの反射光を投影レンズを介して
検出するTTL(Through The Lens)方式が主流になっ
ている。TTL方式では、マスクパタ−ンの投影とウェ
ハマークの検出を共通の投影レンズを介して行うため、
倍率等の投影レンズの光学的特性の変化の影響が比較的
少ないことが特徴となっている。
【0004】特開昭60−80223や特開平1−22
7431号公報に開示のように、上記TTL方式の光学
系は通常の光学顕微鏡と同様であり、落射照明による反
射光を検出するようにしている。図2は上記TTL方式
によるパターン検出装置の光学系斜視図である。アライ
メント光源30の光は光ファイバ29を介してファイバ
端面26よりパターン検出装置内へ導光される。ファイ
バ端面26の出射光は集光レンズ25,ハーフプリズム
22,対物レンズ21,取り込みミラー20を介して、
投影レンズ2の入射瞳40にファイバ端面26の像を結
像され、ウェハ3上の合わせマーク4に集光落射照明さ
れる。
【0005】上記ファイバ端面像を入射瞳40上に結像
させることにより、ウェハ3には平行ビームが照射され
る。これは一般的に顕微鏡等の照明光学系で採用されて
いる方法である。ウェハ3からの反射光は、投影レンズ
2を介してマスク1側に合わせマーク4の逆投影像を結
び、取り込みミラー20によりパターン検出装置内へ導
かれ、対物レンズ21,結像レンズ23により像拡大さ
れて光検出器24上に再結像される。光検出器24は上
記再結像の検出信号よりウェハ3の位置を正確に検出す
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】最近の半導体装置の微
細化に伴って、光投影露光装置のパターン検出精度は上
記0.2μmから0.04μm以下が要求されるように
なっている。このため、光投影露光装置のレンズの開口
数(N.A)を上げ、同時に照明のコヒーレンシをあげ
て光学系の解像力を最大限に向上する努力が重ねられて
いる。
【0007】しかし、このような光学系では、僅かな温
度変化や外的ショックにより光軸変化が起こり、パター
ン検出装置の像が歪むことが大きな問題であった。図3
は上記光軸変化の影響を説明する光学系断面図である。
通常、投影レンズ2は、瞳位置40と出射側主平面41
の間隔が投影レンズ2の焦点距離fと一致するテレセン
トリックな光学系となっている。このため、ファイバ端
面26の像を瞳40上に結像させると、瞳40上の点光
源はウェハ3に平行ビームとなって照明される。
【0008】また、テレセントリックな光学系の場合、
ウェハ3への照明主光軸の入射角ψは、瞳40上の位置
により決定されるので、瞳40の中心に照射された光は
ウェハ3に垂直に照明される。図3(a)において、入
射光aiは垂直入射の場合、入射光bi51は垂直でない
場合を示している。通常の光学系ではウェハ3に対する
照明入射角は垂直である。入射光がbiのように傾く
と、光ビ−ムは近軸でなくなる結果、光学系収差による
歪が発生する。
【0009】図3(b)は合わせマーク4上に入射光a
i(垂直入射)を走査した場合における光検出器24の
出力信号波形例であり、下側に伸びるパルス波形は合わ
せマーク4のエッジ部で反射光が減衰することを示して
いる。合わせマーク4の断面形状は対称であるので上記
検出信号もパルス波形も良好な対称性を示している。こ
れに対して同図(b)では、入射光biが合わせマーク
4に斜め入射するので、上記パルス波形は著しい非対称
性を示すようになる。合わせマーク4の位置は上記二つ
のパルス波形の中心位置として認識されるので、同図
(b)のような非対称性が発生すると上記中心位置にず
れが発生したように誤認識される。
【0010】図4(a)に示すように、入射光ai(垂
直入射)の場合にウェハ3がaの位置からbの位置へΔ
dだけずれてフォーカスされると、投影レンズ2により
逆投影される像のフォーカス位置は、a′からb′へΔ
d′だけ変化するが、この変化は光軸上の位置変化であ
るため、光検出器24上の位置変化にはならない。しか
し、図4(b)のように、入射光bi(斜め入射)では
反射光も傾いて光検出器24に入射されるので、ウェハ
3の位置がaからbに変化すると、光検出器24上の投
影像の位置ずれ、即ち像シフトが発生する。本発明の目
的は、上記ウエハ入射光の傾きによるマーク検出の位置
ずれを自動的に補正することのできる光投影露光装置を
提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、投影レンズの瞳位置と光学的に共役な関
係になっているアライメント光源の出射端からのアライ
メント照明光を上記投影レンズの瞳に入射してウエハ等
の被露光体にほぼ垂直入射し、その反射光を上記投影レ
ンズを介して光検出器に導いて被露光体上の合わせマー
クの位置を検出する光投影露光装置であって上記アラ
イメント光源の出射端から出射されるアライメント照明
光の上記投影レンズに対する主光軸のズレを自動調整す
る手段を設け、該手段を、上記アライメント光源の出射
端からのアライメント照明光を投影レンズの瞳に入射し
て被露光体の合わせマークに照明した状態で、上記被露
光体にその高さ方向の位置変化を繰り返し与えて、その
都度、上記合わせマークからの反射光を上記投影レンズ
に入射して結像される光像についての上記光検出器上に
おける上記合わせマークの検出方向に対応する位置変化
を上記光検出器で検出し、該検出される位置変化を基に
上記アライメント光源の出射端の上記合わせマークの検
出方向に対応する位置を調整して上記光検出器上での位
置変化をゼロに収斂させるように構成したことを特徴と
する。また、本発明は、上記手段、所望の範囲内にお
ける被露光体の高さ変化に対応させて上記光検出器から
検出される上記位置変化量を算出し、該算出される位置
変化量が所定の基準値を越える場合には上記位置変化量
を基に上記アライメント光源の出射端の位置補正量を算
出する算出手段と、該算出手段によって算出されたアラ
イメント光源の出射端の位置補正量に基いて上記アライ
メント光源の出射端の上記位置を補正する補正手段とで
構成したことを特徴とする。
【0012】
【作用】上記アライメント光の入射角調節により被露光
体に対するアライメント光が垂直入射に近づくにつれ、
光検出器の合わせマ−ク検出信号波形の対称性が向上
し、合わせマ−クの位置情報誤差が減少する。投影レン
ズに対するアライメント光入射位置を変えることによ
り、被露光体に対する上記アライメント光の入射角度が
変化する。
【0013】また、アライメント光を導く光ファイバの
端部の位置を変えることにより投影レンズに対するアラ
イメント光入射位置が変化する。また、被露光体と投影
レンズ間の距離を変えることにより合わせマ−ク検出信
号波形が非対称に変化する。また、被露光体と投影レン
ズ間の距離を変えることにより得られる複数の合わせマ
−ク検出信号波形より投影レンズに対するアライメント
光の入射位置補正量が算出される。
【0014】
【実施例】まず、図5を用いて本発明による光投影露光
装置のパターン検出装置の動作を原理的に説明する。ウ
ェハ3はZステージ52上に載置され、その位置は常に
X/Y測長系11とZ測長系11′とにより位置制御さ
れる。なお、ステージはXステージ6,Yステージ7、
Zステージ51,52により3方向に移動可能に構成さ
れている。また、ファイバ端面26と、投影レンズ2の
瞳位置40とは光学的に共役となっている。
【0015】ウェハ3がaの位置にある場合には、ウエ
ハ3からの反射光は実線で示すようにa′,a″で結像
を繰り返して光検出器24で位置検知される。同様に、
ウェハ3がbの位置になると、点線で示すようにb′,
b″と結像して、最終的に若干ディフォーカスしながら
光検出器24で位置検知される。ウェハ3に対する入射
光が図3のbiのように傾斜している場合には、上記ウ
ェハ3のZ方向位置変化Δdに対応して光検出器24上
の結像位置が変化する。
【0016】そこで本発明では、上記光検出器24上の
位置変化を減少させるようにファイバ端面26の位置を
調整する。このため、ウェハ3にZ方向の位置変化Δd
を繰り返し与えて、その都度、光検出器24上の位置変
化を検出してファイバ端面26の位置を調整し、光検出
器24上の位置変化をゼロに収斂させるようにする。
【0017】なお、本発明においては原理的にアライメ
ント光源30の出射光の位置を制御できればよいのであ
るから、上記ファイバ端面26の位置を調整する代わり
にアライメント光源30の出射端位置を調整できる他の
光学的手段を用いようにすることもできる。この他、光
検出器24出力の歪量の変化から照明光軸の傾きを検知
する方法も考えられるが、上記歪は合わせマーク4の非
対称性や検出光軸のズレ等によっても発生するので、こ
の方法には要因の区別が困難という問題が伴う。
【0018】図1は本発明による光投影露光装置のパタ
ーン検出装置実施例の斜視図である。実際の光投影露光
装置では、互いに直交する2軸のパターン検出装置によ
りウェハ3を2次元的に位置決めしているが、各軸に対
する位置決め方法は同様なので、図1では1軸分のみを
表現している。ウェハ3を載置するステージは、駆動モ
ータ、Yモータ10,Xモータ9,Zモータ8等により
それぞれ駆動されるYステージ7,Xステージ6,Zス
テージ51,52により3方向に移動可能となってい
る。
【0019】また、Zステージ52上には棒ミラー1
2,12′が配置され、それぞれの位置が光学的な測長
系11により計測される。なお、Z方向にも同様な測長
系が設けられるが、図1では省略されている。以下、本
発明によるアライメントの手順について説明する。アラ
イメント光源30からの光は光ファイバ29を介しその
ファイバ端面26より出射される。
【0020】ファイバ端面26の像は、集光レンズ2
5,ハーフプリズム22,対物レンズ21、取り込みミ
ラー20を介して、投影レンズ2の瞳位置40上に結像
し、ウェハ3の合わせマーク4上に集光照射される。マ
ーク4からの反射検出光は、取り込みミラー20により
パターン検出装置内へ導かれ、対物レンズ21,結像レ
ンズ23により拡大されて光検出器24上に結像され
る。
【0021】上記光検出器24の出力信号はA/D回路
50によりディジタル変換され、演算回路51により合
わせマーク4の位置が検出される。CPU55は上記合
わせマーク4の位置信号よりファイバ端面26を取りつ
けた光源ステージ27の位置補正信号を生成し、光源モ
ータ駆動回路52を介して光源ステージ駆動用のモータ
28を制御する。図1において、ウェハ3に対する照明
主光軸が傾いていると、点線で示すようにファイバ端面
26の中心と投影レンズ2の瞳40中心がb点にデセン
ターする。
【0022】図6は上記光軸の補正手順を示すフローチ
ャ−トである。まず、ウェハ3上の合わせマーク4を光
学系の検出視野内に移動し、ウェハ3の高さZiを初期
状態+5μm相当位置に位置決めする。次いで、合わせ
マーク4の位置を検出して検出結果Xiを得、Ziとと
もにXiをCPU55にデータセーブする。次いで、Z
位置を所定ステップ(例えば1μm)づつ−5μm迄変
化させて、各Z位置のXiを対応するZiとともにCP
U55にデータセーブする。
【0023】CPU55は上記Zi,Xiの全データよ
り、上記Z位置変化に対応するXiの変化量α、すなわ
ちウェハ3のフォーカス変化による位置検出結果の変化
量を算出し、このα値が所定の基準値Aを越える場合に
は光源位置補正量βを算出する。光源位置補正量βは、
ファイバ端面26と瞳位置40間の光学倍率を用いて算
出式することができる。
【0024】CPU55は光源位置補正量βにより光源
モータ駆動回路52を介してモータ28を駆動し、ファ
イバ端面26の位置を補正する。この結果、光軸はb点
から実線で示す瞳40の中心aに移動する。次いで、ウ
ェハ3のZ位置を初期化して、Xiの変化量αを再度求
めて光軸が正しく補正されたか否かを確認し、不十分で
あれば上記の補正手順をα<Aとなる迄くり返すように
する。なお、上記の説明においては、X方向の光軸補正
のみについて説明したが、Y方向に付いても同様の補正
を行う。
【0025】
【発明の効果】本発明により、ウエハ等の試料に照射さ
れる合わせマ−ク検出光の光軸状態を自動的に正しく補
正し合わせマ−ク検出信号の波形歪を低減できるので、
合わせマ−クの位置検出誤差を大幅に低減した光投影露
光装置のパターン検出装置を提供することができる。ま
た上記光軸の自動補正により、温度変化や機械的ショッ
ク等により発生する合わせマ−クの位置検出誤差を低減
できるので、光投影露光装置の解像度を向上することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光投影露光装置実施例の斜視図で
ある。
【図2】従来の光投影露光装置におけるパターン検出装
置の斜視図である。
【図3】光投影露光装置におけるパターン検出光の光軸
ずれを説明する光学系断面図と合わせマ−ク検出波形図
である。
【図4】(a)光投影露光装置におけるパターン検出光
のフォーカス変化の影響を説明する光学系断面図であ
る。
【図5】 本発明による光投影露光装置のパターン検出
装置の断面図である。
【図6】 本発明による光軸の自動補正手順を示すフロ
ーチャ−トである。
【符号の説明】
1…マスク、2…投影レンズ、3…ウェハ、4…合わせ
マーク、51、52…Zステージ、8…Zモータ、11
…測長系、21…対物レンズ、23…結像レンズ、24
…光検出器、26…ファイバ端面、27…光源ステー
ジ、28…光源駆動モータ、29…光ファイバ、51…
演算回路、52…光源モータ駆動回路、53…Zモータ
駆動回路、55…CPU。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青柳 正美 茨城県勝田市市毛882番地の2 日立計 測エンジニアリング株式会社内 審査官 星野 浩一 (56)参考文献 特開 平2−47822(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/027 G03F 9/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】投影レンズの瞳位置と光学的に共役な関係
    になっているアライメント光源の出射端からのアライメ
    ント照明光を上記投影レンズの瞳に入射してウエハ等の
    被露光体にほぼ垂直入射し、その反射光を上記投影レン
    ズを介して光検出器に導いて被露光体上の合わせマーク
    の位置を検出する光投影露光装置であって上記アライメント光源の出射端から出射されるアライメ
    ント照明光の上記投影レンズに対する主光軸のズレを自
    動調整する手段を設け、該手段を、上記アライメント光
    源の出射端からのアライメント照明光を投影レンズの瞳
    に入射して被露光体の合わせマークに照明した状態で、
    上記被露光体にその高さ方向の位置変化を繰り返し与え
    て、その都度、上記合わせマークからの反射光を上記投
    影レンズに入射して結像される光像についての上記光検
    出器上における上記合わせマークの検出方向に対応する
    位置変化を上記光検出器で検出し、該検出される位置変
    化を基に上記アライメント光源の出射端の上記合わせマ
    ークの検出方向に対応する位置を調整して上記光検出器
    上での位置変化をゼロに収斂させるように構成した こと
    を特徴とする光投影露光装置。
  2. 【請求項2】請求項1記載の手段、所望の範囲内にお
    ける被露光体の高さ変化に対応させて上記光検出器から
    検出される上記位置変化量を算出し、該算出される位置
    変化量が所定の基準値を越える場合には上記位置変化量
    を基に上記アライメント光源の出射端の位置補正量を算
    出する算出手段と、該算出手段によって算出されたアラ
    イメント光源の出射端の位置補正量に基いて上記アライ
    メント光源の出射端の上記位置を補正する補正手段とで
    構成したことを特徴とする光投影露光装置。
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