JP5288477B2 - 露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置に関する。

半導体デバイスは、高性能化の要求から、より微細化されてきている。微細なデバイス素子を形成する方法としては、写真製版プロセスを繰り返し行なう方法が主流となっている。このように複数回の写真製版プロセスが行なわれる場合、フォトマスクおよびウエハの間の位置合わせ精度は、半導体デバイスの電気特性に関わる重要な項目となる。この位置合わせ精度を高めるために、フォトマスクおよびウエハの各々のアライメントマークの位置を精度よく観測しようとする方法が提案されている。

たとえば特開平５−４５８９５号公報（特許文献１）によれば、フレネルゾーンプレートを設けてなるマスクが配置される。フレネルゾーンプレートに垂直にコヒーレント光が照射される。この照射によって試料の表面に生じる輝点または輝線の画像が顕微鏡対物レンズで結像して得られると共に、試料の表面にインコヒーレント光が照射されて試料の表面の画像が顕微鏡対物レンズで結像して得られる。輝点または輝線が試料の位置合わせ用マークに対して所定位置に位置するように試料またはマスクを移動することにより、試料とマスクとの位置合わせが行なわれる。

特開平５−４５８９５号公報

上記公報の技術によれば試料表面の様子がフォトマスク越しに観測されるので、この観測の際にフォトマスクの遮光部が視野の妨げになることでアライメントが困難になるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、フォトマスクに視野を妨げられることなくアライメントを行なうことができる露光装置を提供することである。

本発明の露光装置は、光源と、アライメント調整部と、検出部とを有する。光源は、フォトマスクを介してウエハに照射される光を発生させるためのものである。アライメント調整部は、フォトマスクおよびウエハの平面視における相対位置を調整するためのものである。検出部は、フォトマスクおよびウエハの間の位置からフォトマスクおよびウエハの各々の平面視における位置を観測するためのものである。検出部は、フォトマスクおよびウエハのそれぞれを観測するための第１および第２対物レンズを含む。検出部は、受光素子と、受光素子へ第１および第２対物レンズの一方の光を選択的に入射させるための可動ミラーとを有する。

本発明によれば、ウエハの平面視における位置がフォトマスクおよびウエハの間の位置から観測される。よってウエハ上の視野がフォトマスクによって遮られることがないので、フォトマスクに視野を妨げられることなく容易にアライメントを行なうことができる。

本発明の実施の形態１における露光装置の構成を概略的に示す断面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態１における露光装置のアライメント光学系によってフォトマスクが観測されている様子を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態１における露光装置のアライメント光学系によってウエハが観測されている様子を概略的に示す図である。 図３の観測によって得られる画像を概略的に示す平面図である。 図４の観測によって得られる画像を概略的に示す平面図である。 比較例の露光装置の構成を概略的に示す断面図である。 図７の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿う概略断面図である。 比較例の露光装置のアライメント光学系によってフォトマスクおよびウエハが観測されている様子を概略的に示す図である。 図９においてアライメント光学系の焦点がフォトマスクに合わせられた様子を概略的に示す図である。 図９においてアライメント光学系の焦点がウエハに合わせられた様子を概略的に示す図である。 アライメントが完了した際に図９の観測によって得られる画像を概略的に示す平面図である。 アライメント中に図９の観測によって得られる画像の一例を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態２における露光装置のアライメント光学系によってフォトマスクおよびウエハが観測されている様子を概略的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図４を参照して、本実施の形態の露光装置は、フォトマスク１に形成されたマスクパターン２２を用いてウエハ３上のフォトレジスト４を露光するためのものである。マスクパターン２２はアライメントマーク２を有し、またウエハ３上にはアライメントマーク５が形成されている。アライメントマーク２および５は、両者が互いに重ねあわされることで、フォトマスク１とウエハ３との平面視における位置合わせを行なうことができるように構成されている。

上記露光を行なうために、露光装置は、露光光源９（光源）と、検出部６と、ウエハステージ７と、ウエハステージモータ群８と、シャッター１０と、スプリッター１４と、ＣＣＤ(Charge-Coupled Device)受光素子１５と、ハロゲンランプ１６と、マスクステージ２１とを有する。

マスクステージ２１およびウエハステージ７のそれぞれは、フォトマスク１およびウエハ３を支持するためのものである。

露光光源９は、フォトマスク１を介してウエハに照射される光を発生させるためのものである。ハロゲンランプ１６は、アライメントマーク２および５を観測することができるように、アライメントマーク２および５を照明するためのものである。

ステージモータ群８は、ウエハステージ７の位置を調整するためのステージモータ８ｘｙ、８ｚを有する。

ステージモータ８ｘｙ（アライメント調整部）は、ウエハステージ７の位置を、ｘ方向、ｙ方向、およびｘｙ面内における回転方向であるθ方向の各々において調整することができるように構成されている。すなわちステージモータ８ｘｙは、ウエハステージ７の位置をｘｙ面内において（平面視において）調整することができるように構成されており、これによりフォトマスク１およびウエハ３の平面視における相対位置を調整することができる。

ステージモータ８ｚ（間隔調整部）は、ウエハステージ７の位置をｚ方向において調整することができるように構成されている。これによりウエハステージ７とフォトマスク１との間の光軸方向（図中の縦方向）における間隔を調整することができる。

検出部６は、図２に示すように光軸方向（図中における縦方向）においてフォトマスク１およびウエハ３の間に位置することができ、かつ図２の矢印Ａ２に示すようにフォトマスク１およびウエハ３の間の位置から退避することができるように構成されている。具体的には検出部６は、フォトマスク１およびウエハ３のそれぞれの方を向いた第１および第２対物レンズ１１、１２を有する。

また第１および第２対物レンズ１１、１２の間には可動ミラー１３が設けられている。可動ミラー１３は第１および第２対物レンズ１１、１２の一方の光を選択的にスプリッター１４に入射させることができるように構成されている。ＣＣＤ受光素子１５は、可動ミラー１３からスプリッター１４に入射された光を受光できる位置に配置されている。

上記の検出部６の構成によって、第１対物レンズ１１はフォトマスク１およびウエハ３の間の位置からフォトマスク１のアライメントマーク２を観測することができ、また第２対物レンズ１２はフォトマスク１およびウエハ３の間の位置からウエハ３のアライメントマーク５を観測することができる。すなわち検出部６は、フォトマスク１およびウエハ３の間の位置から、フォトマスク１およびウエハ３の各々の平面視における位置を観測することができる。

次に本実施の形態の露光装置を用いた露光方法について説明する。
図１および図２を参照して、まずアライメントマーク２を有するマスクパターン２２が形成されたフォトマスク１が準備される。またアライメントマーク５が形成され、さらにフォトレジスト４が塗布されたウエハ３が準備される。次にフォトマスク１およびウエハ３のそれぞれがマスクステージ２１およびウエハステージ７の上に載せられる。

次にステージモータ８ｚを駆動させることでウエハステージ７が下降される。これによりウエハ３とフォトマスク１との間の間隔が大きくされる。すなわちフォトマスク１およびウエハ３が十分な間隔を空けて配置される。

次に矢印Ａ１（図２）に示すように、フォトマスク１およびウエハ３の間に検出部６が挿入される。

図３を参照して、可動ミラー１３の位置が、第１対物レンズ１１からの光をスプリッター１４に入射させることができる位置とされる。そして検出部６のｚ方向（図中の縦方向）における位置が調整されることによって、第１対物レンズ１１の焦点がマスクパターン２２の位置に合わせられる。そして検出部６のｘｙ面内における（平面視における）位置が移動されることによって、マスクパターン２２が有するアライメントマーク２が探索される。これにより、図５に示すように、フォトマスク１のアライメントマーク２のｘｙ面内における位置が観測される。

主に図４を参照して、可動ミラー１３の位置が、第２対物レンズ１２からの光をスプリッター１４に入射させることができる位置に切り替えられる。そしてステージモータ８ｚ（図１、図２）によって第２対物レンズの焦点がウエハ３上の位置に合わせられる。そしてステージモータ８ｘｙ（図１、図２）によってウエハ３のｘｙ面内における位置が移動されることによって、ウエハ３のアライメントマーク５が探索される。これにより図６に示すように、ウエハ３のアライメントマーク５のｘｙ面内における位置が観測される。

上記のように、アライメントマーク２および５の各々のｘｙ面内における位置が観測されるので、この観測結果に基づいて、アライメントマーク２および５の間の平面視における相対位置を知ることができる。次にこの観測結果に基づいて、アライメントマーク２および５の重ね合わせが行なわれる。これによりフォトマスク１およびウエハ３の平面視における相対位置が調整されることで、ウエハ３に対するフォトマスク１の平面視における位置が合わせられる。

次に矢印Ａ２（図２）に示すように、フォトマスク１およびウエハ３の間から検出部６が退避させられる。そしてステージモータ８ｚによってウエハステージ７が上昇させられることで、フォトマスク１およびウエハ３の間の間隔が小さくされる。たとえばこの間隔は、プロキシミティ露光のために０μｍを超え３０μｍ以下とされたり、あるいはコンタクト露光のために０μｍとされたりする。

次にシャッター１０（図１、図２）が所定の時間に渡って開放されることによって、露光光源９からの光がフォトマスク１を介してウエハ３に照射される。これによりウエハ３上のフォトレジスト４に対してフォトマスク１を用いた露光が行なわれる。

なお、上記の第１および第２対物レンズ１１、１２の焦点合わせ、アライメントマーク２および５の探索、およびアライメントマーク２および５の重ね合わせは、検出部６を用いた観測を行ないながら作業者が手動で行なうことができ、また画像認識技術を用いて露光装置が自動で行なうこともできる。

次に比較例の露光装置について説明する。
図７〜図９を参照して、比較例の露光装置のアライメント光学系は、一の対物レンズ１８と、固定ミラー２３とを有する。対物レンズ１８は、フォトマスク１を観測することができ、かつウエハ３をフォトマスク１越しに観測する位置に配置されている。

対物レンズ１８の焦点は、図１０に示すようにフォトマスク１のアライメントマーク２に合わせることができ、また図１１に示すようにウエハ３のアライメントマーク５に合わせることもできる。しかしながら対物レンズ１８の焦点を、アライメントマーク２および５の両方に同時に合わせることはできない。このためアライメントマーク２および５の両方を高いコントラストで認識することができないので、アライメントマーク２および５の重ね合わせを高い精度で行なうことが困難である。

また、図１２に示すようにアライメントマーク２および５が互いに十分に重ね合わされればアライメントマーク５を十分に観測することができる。しかしながら図１３に示すようにアライメントマーク２および５の間の位置ずれが大きいと、マスクパターン２２の遮光部によってアライメントマーク５の一部が隠されてしまい、またこの位置ずれがさらに大きいとアライメントマーク５が完全に隠されてしまう。このためアライメントの初期段階におけるアライメントマーク５の探索が困難となり得るので、アライメントに要する時間が長くなってしまうという問題がある。

これに対して本実施の形態によれば、図３および図４に示すように、第１および第２対物レンズ１１、１２のそれぞれの焦点をアライメントマーク２および５に合わせることができるので、アライメントマーク２および５の両方を高いコントラストで認識することができる。よってアライメントマーク２および５の重ね合わせを高い精度で行なうことができる。

また図５および図６のそれぞれに示すようにアライメントマーク２および５の各々を観測することができ、アライメントマーク５がマスクパターン２２に隠されることがない。よってアライメントマーク２および５の間の位置ずれが大きくても、アライメントマーク５を容易に探索することができる。よって比較例の場合に比して、アライメントに要する時間を短縮することができる。

（実施の形態２）
主に図１４を参照して、本実施の形態の露光装置は、実施の形態１の露光装置（図３および図４）の可動ミラー１３の代わりに、三角プリズム１７（光学部品）を有する。三角プリズム１７は、ハロゲンランプ１６からの光をフォトマスク１およびウエハ３の各々の方へと分岐する機能を有する。また三角プリズム１７は、第１および第２対物レンズ１１、１２の各々からの光の進行方向をスプリッター１４の方へと同時に変化させる光学部品としての機能を有する。

上記構成により、第１および第２対物レンズ１１、１２のそれぞれからの光がスプリッター１４を介してＣＣＤ受光素子１５、１５に入射される。ＣＣＤ受光素子１５、１５の各々からの画像が合成されることで、アライメントマーク２および５を高いコントラストで同時に観測することができる。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態によれば、実施の形態１と異なり可動ミラー１３（図３および図４）がないので、可動ミラー１３の切替時に生じる機械的な振動の発生を避けることができる。よって機械的な振動による観察画像の位置ずれが発生しないため、高精度の位置合わせが可能である。

今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

本発明は、露光装置に特に有利に適用され得る。

２，５ アライメントマーク、３ ウエハ、４ フォトレジスト、６ 検出部、７ ウエハステージ、８ ウエハステージモータ群、８ｘｙ ステージモータ（アライメント調整部）、８ｚ ステージモータ（間隔調整部）、９ 露光光源（光源）、１０ シャッター、１１ 第１対物レンズ、１２ 第２対物レンズ、１３ 可動ミラー、１４ スプリッター、１５ ＣＣＤ受光素子、１６ ハロゲンランプ、１７ 三角プリズム（光学部品）、２１ マスクステージ、２２ マスクパターン。

Claims (2)

1. フォトマスクを介してウエハに照射される光を発生させるための光源と、
   前記フォトマスクおよび前記ウエハの平面視における相対位置を調整するためのアライメント調整部と、
   前記フォトマスクおよび前記ウエハの間の位置から前記フォトマスクおよび前記ウエハの各々の平面視における位置を観測するための検出部とを備え、
   前記検出部は、前記フォトマスクおよび前記ウエハのそれぞれを観測するための第１および第２対物レンズを含み、
   前記検出部は、受光素子と、前記受光素子へ第１および第２対物レンズの一方の光を選択的に入射させるための可動ミラーとを有する、露光装置。
2. 前記検出部は、前記フォトマスクおよび前記ウエハの間から退避可能に構成されている、請求項１に記載の露光装置。

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