JP6066627B2 - 位置検出装置、およびそれを用いたリソグラフィー装置並びにデバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、位置検出装置、およびそれを用いたリソグラフィー装置並びにデバイスの製造方法に関する。例えば、投影露光装置において、マスクやウエハなどの物体の位置情報を取得する際に、投影光学系を介さず、像観察を行うことにより高精度にかつ安定して位置合わせを行なう位置検出装置に関する。

露光装置などのリソグラフィー装置は半導体デバイスや液晶表示デバイスなどの製造工程に含まれるリソグラフィー工程において基板上に所望のパターンを形成する。例えば、露光装置は、原版（レチクルやマスク）のパターンを、投影光学系を介して感光性の基板（表面にレジスト層が形成されたウエハやガラスプレートなど）に転写する。ウエハの位置を検出する位置検出装置として、ＯＡ検出系（オフアクシス方式のアライメントマーク検出系）を使用する場合、投影光学系の光軸とＯＡ検出系の検出領域（光軸）が離れている。

そのため、投影光学系やＯＡ検出系の周辺の環境変化によって、両者の光軸間距離（ベースライン）が変動することにより投影光学系に対するウエハのアライメント精度が低下する。そこで特許文献１では、ＯＡ検出系の対物レンズの折り曲げミラー（反射部）を用いることによりＯＡ検出系を投影レンズに接近させる配置をとっている。この構成により、投影光学系とＯＡ検出系間のベースラインを短くし、ベースラインの変動量を小さくすることによりアライメント精度の低下を小さくしている。

特開２０００−９１２１９号公報

しかしながら、特許文献１のＯＡ検出系の対物レンズは、ウエハのマークからの反射光束が通過する際、折り曲げミラー（反射部）に収束状態や発散状態の光束が入射する場合がある。この場合、反射光束の各光線毎に反射部への入射角が異なるため、互い反射位相に差が生じる（光線間に位相差が生じる）。その結果、ＯＡ検出系の画像検出素子（ＣＣＤ等）で検出される画像や、それを光電変換した信号であるアライメントマーク信号に非対称性が生じ、マークの位置を正確に検出できない。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、アライメントマーク信号の非対称性を低減できる位置検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、マークを検出するための光学系を有するマーク検出装置であって、光学系は、マークからの光が屈折する正の屈折力を有するレンズと、マークからの光が内部を通る透明な部材のある面を反射面としてマークからの光を反射する反射部とを備え、マークからの光が収束状態または発散状態で反射面に入射する光学系であって、反射部は反射面に反射部材を備え、反射部材は、
屈折率が１．０より小さく、かつ、消衰係数が０．０より大きい物質と、屈折率が１．０より大きく、かつ、消衰係数が０．５より大きい物質の少なくとも一方の物質を含む。

本発明によれば、アライメント信号の非対称性を低減することにより正確にマークの位置を検出することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る露光装置の構成を示す図である。 ＸＺ断面における反射ミラーと入射光束を示す図である。 ＸＹ断面における反射ミラーと入射光束を示す図である。 反射ミラーの入射角度と反射位相の差異を示す図である。 図４の場合のアライメント検出波形を示す図である。 本実施形態に係る反射ミラーを示す図である。 物質の屈折率、係数、および反射位相を示す図である。 本発明の一実施形態に係る反射ミラーの入射角度と反射位相を示す図である。 本発明の一実施形態に係るアライメント検出波形を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

まず、本発明の位置検出装置を適用するリソグラフィー装置の構成について説明する。このリソグラフィー装置は、半導体デバイスや液晶表示デバイスなどの製造工程のうちのリソグラフィー工程にて使用される装置であり、本実施形態では基板（被処理基板）であるウエハやガラスプレートに対して露光処理を施す露光装置とする。図１は、本実施形態に係る露光装置１の構成を示す概略図である。なお、図１において、投影光学系の光軸に平行にＺ軸を取り、該Ｚ軸に垂直な平面内で走査露光時のウエハの走査方向にＹ軸を取り、該Ｙ軸に直交する非走査方向にＸ軸を取って説明する。この露光装置１は、まず、照明光学系２と、レチクル３を保持するレチクルステージ４と、投影光学系５と、ウエハ６を保持するウエハステージ７と、制御部（不図示）とを備える。

照明光学系（照明系）２は、例えば、レンズ、ミラー、ライトインテグレーター、または絞りなどの光学素子を含み、不図示の光源から照射された光を調整してレチクル３を照明する。光源としては、例えばレーザーを使用する。使用可能なレーザーは、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーや、波長約２４８ｎｍのＫrＦエキシマレーザーなどである。なお、レーザーの種類は、エキシマレーザーに限定されず、ＹＡＧレーザーなどを使用しても良く、レーザーの個数も限定されない。また、光源にレーザーが使用される場合には、レーザーからの平行光束を所望のビーム形状に整形する光束整形光学系や、コヒーレントなレーザーをインコヒーレント化するインコヒーレント光学系を使用することが望ましい。さらに、使用可能な光源は、一または複数の水銀ランプやキセノンランプなどの光源も使用可能である。

レチクル３は、例えば石英ガラス製の原版であり、転写されるべきパターン（例えば回路パターン）が形成されている。レチクルステージ（原版保持部）４は、レチクル３を保持しつつ、ＸＹ軸方向に移動可能とする。投影光学系５は、照明光学系２からの照射光で照明されたレチクル３上のパターンを所定の倍率（例えば１／２〜１／５）でウエハ６上に投影露光する。投影光学系５としては、複数の屈折要素（レンズ等）のみから構成される光学系や、複数の屈折要素と少なくとも１枚の凹面鏡とから構成される光学系（カタディオプトリック光学系）が採用可能である。または、投影光学系５として、複数のレンズと少なくとも１枚のキノフォームなどの回折光学要素とから構成される光学系や、全てミラーよりなる光学系なども採用可能である。

投影光学系５は、照明光学系２からの露光光で照明されたレチクル３から射出した露光光により、レチクルに形成されたパターンを所定倍率（例えば、１／４、又は１／５）でウエハ６上に投影する。

ウエハ６は、表面上にレジストが塗布された、例えば単結晶シリコンからなる基板であり、既にパターンが形成されているセカンドウエハなどが使用可能である。ウエハステージ（基板保持部）７は、ウエハ６を載置、および保持しつつ、ＸＹ軸方向に移動可能とする。

制御部は、露光装置１の各構成要素の動作および調整などを制御しうる。この制御部は、例えばコンピュータなどで構成され、露光装置１の各構成要素に回線を介して接続され、プログラムなどにしたがって各構成要素の制御を実行しうる。なお、制御部は、露光装置１の他の部分と一体で（共通の筐体内に）構成してもよいし、露光装置１の他の部分とは別体で（別の筐体内に）構成してもよい。

更に、露光装置１は、位置検出装置として、オフアクシス方式のマーク検出系（以下、「アライメントマーク検出系」又は「ＯＡ検出系」とも表記する）８を備える。例えば、ウエハ６としてセカンドウエハを採用した場合、予めウエハ６の位置（被検物体位置）を検出しておかなければならない。その位置検出方法として、投影光学系と異なる位置に配置され、投影光学系を介さずにウエハ６（被検物体）上のアライメントマーク（マーク）ＡＭの位置を検出し、その検出結果に基づいてウエハ６の位置合わせを行うＯＡ検出系が一般的に採用されうる。より具体的には、レチクル３の上方（或いは下方）に配置されたレチクルアライメントマーク検出系（不図示）を用いて、照明光学系２の光軸および投影光学系５の光軸とレチクルパターンの中心が一致するように、レチクルステージ４にレチクルを位置決めする。この投影光学系の光軸９からＯＡ検出系の検出中心（光軸）の長さをベースラインＢ．Ｌ．と呼ぶ。アライメントマークの位置情報は、ＯＡ検出系の検出位置に移動した後、ウエハ上に形成されているアライメントマークＡＭを検出することにより得られる。ＯＡ検出系８から得られたアライメントマークＡＭの位置情報と、干渉計から得られるウエハステージ７の位置情報に基づいて演算処理器１０が演算を行うことにより、実際のアライメントが行われる。

そこで、本実施形態に係る露光装置のＯＡ検出系の動作について説明する。ＯＡ検出系の照明光源１１から出射した光ＩＬは、集光光束または発散光束でありうり、ＯＡ検出系の照明光学系１２を透過した後、偏光ビームスプリッタ１３に入射する。偏光ビームスプリッタ１３に入射した光のうち、偏光ビームスプリッタ１３に対するＰ偏光成分（紙面に平行成分）が透過し、第２の対物レンズ（第２レンズ群）１４に入射する。その後、第２の対物レンズ１４を透過した光ＩＬは、反射ミラー（反射部）１５で反射し、ウエハ６に対して垂直方向の下向きに向かう。反射ミラー１５の下には、λ／４板１６が配置されており、ここを透過した光は円偏光に変換される。その後、正の屈折力を有する第１の凸レンズ（第１レンズ群、正レンズ）１７を透過した後、ウエハ６上のアライメントマークＡＭをケーラー照明する。アライメントマークＡＭからの反射光である検出光ＭＬは、再び被検物体側から第１の凸レンズ１７へ向かい、λ／４板１６を透過して、λ／４板１６により、円偏光からＳ偏光成分（紙面に垂直成分）の直線偏光に変換される。その後、検出光ＭＬは反射ミラー１５に導かれ、第２の対物レンズ１４を透過し、偏光ビームスプリッタ１３にて反射し、リレーレンズ１８に導光される。リレーレンズ１８に導光された検出光ＭＬは、検出光学系１９を通り、画像検出素子２０にてアライメントマーク信号が検出される。画像検出素子２０によって検出されたアライメントマーク信号および、ウエハステージ７の位置に基づいて演算処理器１０がウエハ６の位置を算出する。その算出結果を元に、ウエハステージ７の駆動機構２１を動作させ、ウエハ６の位置合わせを行っている。

なお、画像検出素子２０は、２次元画像検出素子でも１次元画像検出素子でもよく、２次元画像検出素子の場合、一つの検出系でウエハ上のアライメントマークのＸ、Ｙ方向の２方向の位置検出が可能となる。１次元画像検出素子を使用した場合は、同じ構成の一対の検出系を、一方を０゜方向に配置し、他方を９０゜回転した方向に配置することで対応可能である。

ＯＡ検出系は、第２の対物レンズ１４、反射ミラー１５、第１の対物レンズ１７を通してマークＡＭをケーラー照明する様に設計しており、非平行光束中（発散光束中）に反射ミラー１５を配置している。そのため、ウエハ６を照明する各光線は、反射ミラー１５の反射面Ｒｅｆｌに対して、異なる角度で入射する。図２および３は反射面Ｒｅｆｌと各ＮＡ光線の関係を示している。図２は、ＸＺ断面の光路図を示し、図３はＸＹ断面の光路図を示す。図２および３に示されるように、収束光束中に配置された反射ミラーに対しては、主光線と各ＮＡ光線の入射角度が異なる状態（収束状態）で入射し、反射される。反射面Ｒｅｆｌから受ける各入射光束の光学特性は、入射角度により異なるため、反射ミラー１５で反射した後は、各光束で異なる光学特性（反射率、反射位相）を有する。図４は、入射角度に対する反射位相の変化を示したグラフであり、反射面Ｒｅｆｌの入射角度が変化すると反射光の反射位相が大きく変化することになり、図２および３で示した各ＮＡ光線において、反射面Ｒｅｆｌから受ける位相変化量が異なることがわかる。この光線毎に異なる反射位相を有する照明光で、ウエハ６上のアライメントマークＡＭが照明される。さらに、アライメントマークＡＭからの検出光ＭＬは、反射ミラー１５に対して非平行光束（発散光束）として発散状態で入射し、光線毎に異なる反射位相を付与されて反射することとなる。そのため、図５に示すように、画像検出素子２０で検出されたアライメントマーク信号が非対称性を有することとなる。上記例では発散光束の例で説明したが、収束光束で反射ミラー１５に入射する場合も同様に、光線毎に異なる反射位相を有する。

本実施形態に係るＯＡ検出系８の反射ミラー（反射部）１５には、その反射面Ｒｅｆｌに対して、屈折率ｎ、消衰係数ｋが
屈折率ｎ ＜ １．０ かつ 消衰係数ｋ ≧ ０．０
または、屈折率ｎ ≧ １．０ かつ 消衰係数ｋ ≧ ０．５
となる性質を有する反射部材２２を備える。図６は、裏面に反射部材２２を備えた場合の反射ミラー１５に入射および反射ミラー１５から反射する光束の、ＸＺ断面の光路図を示す。

図７は、屈折率ｎ、消衰係数ｋに対する偏光位相の角度依存性を描画したグラフである。図７に示すように、実際に、屈折率ｎ、消衰係数ｋが上記範囲内である物質で作製される反射部材２２を反射ミラー１５に備えた場合、反射面Ｒｅｆｌの位相変化の角度依存性が小さくなる。従って、本実施形態の反射部材２２により反射面Ｒｅｆｌでの位相変化の角度敏感度が低減され、結果として各光線の位相差を低減でき、最終的に、アライメントマーク信号の対称性を向上させることが可能となる。

前述の屈折率ｎ、消衰係数ｋの条件を満たす反射部材２２の物質として、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、またはＡｕなどを含む金属物質を採用することが可能である。Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕを採用した場合の、周波数４５０ｎｍ、６００ｎｍ、９００ｎｍごとの屈折率ｎ、消衰係数ｋを表１に示す。

しかし、ＣｕまたはＡｕを適用した場合、４００ｎｍ近傍の短波長領域で反射率が急激に低下してしまう。そのため、反射部材２２に採用可能な物質は、使用波長に応じて決定する必要がある。このように反射部材（反射部）２２の物質を使用する光束の波長に合わせ、変更することができ、使用者が最適な屈折率ｎ、消衰係数ｋを調整することが可能である。

また、反射面Ｒｅｆlに付与する反射部材２２の最適な屈折率ｎ、消衰係数ｋは、反射ミラー１５に使用する硝材により変動する。しかし、上記ｎ、ｋ条件を満たす反射部材２２を選択することにより、任意の硝材に対しても、偏光位相の角度依存性を低減することが可能である。

図８は、本発明の一実施形態として、アライメント波長６００ｎｍ、反射部材２２としてＡｇを採用した場合の、反射部材２２を備えた反射ミラー１５への入射角度と反射位相を示す図であり、図９は、図８の場合のアライメントマーク信号を示す図である。図８に示すように、ｎ、ｋ条件を満たす物質を用いた反射部材２２を使用した場合の偏光位相の角度依存性は、反射部材２２を使用していない場合に比べ、低下する。そして、図９に示すように、アライメントマーク信号の対称性は、反射部材２２を使用していない図５のグラフに比べ、向上していることがわかる。このように、反射面Ｒｅｆlに反射部材２２としてｎ、ｋ条件を満たす物質を採用することにより、偏光位相の角度依存性が低減し、その結果、アライメントマーク信号の対称性が向上する。

なお、本発明の一実施形態において、光束が反射ミラー１５のガラス中（光学部材内部）を通過し、ガラスの裏面側で反射する例を説明した。しかし、空気中を通過し、反射ミラー１５のガラス表面（前面側）で反射する光学系に関しても同様にアライメントマーク信号の対称性を向上させることができる。

また、本発明の一実施形態において、アライメントマークＡＭを照明し、検出光ＭＬが形成するマークＡＭの像を画像検出素子２０で検出する方式のアライメントメーク検出光学系を説明した。しかし、他のタイプのアライメントメーク検出光学系に本発明の反射部材２２を備えた場合にも同様の効果が得られる。

（物品の製造方法）
実施形態に係る物品の製造方法は、例えば、半導体デバイス等のマイクロデバイスや微細構造を有する素子等の物品を製造するのに好適である。該製造方法は、物体（例えば、感光材を表面に有する基板）上に上記のリソグラフィー装置を用いてパターン（例えば潜像パターン）を形成する工程と、当該工程でパターンを形成された物体を処理する工程（例えば、現像工程）とを含みうる。さらに、該製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含みうる。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形または変更が可能である。例えば、上述の実施形態においてリソグラフィー装置として紫外光、真空紫外光または極端紫外光を用いた露光装置１の例を説明した。しかし、リソグラフィー装置は、それに限らず、可動の原版ステージおよび可動の基板ステージの少なくとも一方を含むリソグラフィー装置であればよい。例えば、電子線のような荷電粒子線で基板（上の感光材）に描画を行う描画装置であってもよく、また、型を用いて基板上のインプリント材を成形（成型）して基板上にパターンを形成するインプリント装置であってもよい。

８ ＯＡ検出系
１３ 第２レンズ群
１７ 第１レンズ群
１５ 反射ミラー
２２ 反射部材

Claims (10)

1. マークを検出するための光学系を有するマーク検出装置であって、
   前記光学系は、
   前記マークからの光が屈折する正の屈折力を有するレンズと、
   前記マークからの光が内部を通る透明な部材のある面を反射面として前記マークからの光を反射する反射部とを備え、
   前記マークからの光が収束状態または発散状態で前記反射面に入射する光学系であって、
   前記反射部は前記反射面に反射部材を備え、前記反射部材は、
   屈折率が１．０より小さく、かつ、消衰係数が０．０より大きい物質と、
   屈折率が１．０より大きく、かつ、消衰係数が０．５より大きい物質の少なくとも一方の物質を含むことを特徴とするマーク検出装置。
2. 前記物質は、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、またはＡｕを含む、請求項１に記載のマーク検出装置。
3. 前記レンズは、前記マーク側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、第２レンズ群を有し、該第１レンズ群と、第２レンズ群の間に前記反射部が設けてあることを特徴とする請求項１に記載のマーク検出装置。
4. 前記反射面は、前記光に含まれる互いに前記反射面に入射する角度が異なる光線を反射することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマーク検出装置。
5. 前記反射部材がない前記反射面に入射する前記光に含まれる光線の入射角度の違いによる反射位相の差よりも、前記反射部材を備える前記反射面に入射する前記光に含まれる光線の入射角度の違いによる反射位相の差が小さいことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のマーク検出装置。
6. 前記反射面に対する前記光学系の光軸の角度は、４５度であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のマーク検出装置。
7. 前記マークからの光を検出する検出素子を備え、
   前記反射部材がない前記反射面で反射した光が、前記検出素子で検出される前記マークからの信号の非対称性よりも、前記反射部材を備える前記反射面で反射した光が、前記検出素子で検出される前記マークからの信号の非対称性が低減されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のマーク検出装置。
8. 前記反射部は、前記マークからの光が入射する入射面と、前記反射面と、前記入射面から入射し前記反射面で反射した光が射出する射出面からなり、断面形状が三角形状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のマーク検出装置。
9. 原版に形成されたパターンを基板に転写するリソグラフィー装置であって、
   前記基板を保持し、移動可能である基板保持部と、
   前記基板保持部に保持されている前記基板に形成されているマークを検出するマーク検出装置とを備え、
   前記マーク検出装置は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のマーク検出装置であることを特徴とするリソグラフィー装置。
10. 請求項９に記載のリソグラフィー装置を用いたデバイスの製造方法であって、
    前記リソグラフィー装置を使用してパターンを基板に転写する工程と、
    転写された基板を現像する工程と、
    を備えることを特徴とするデバイスの製造方法。

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