JPH01109721A - Ｘ線露光装置における位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、半導体の製造に使用するＸ線露光装置にお
いて、露光Ｘ線とは干渉せずにアライメ）ドパターンを
検出するＸ線露光装置における位置検出装置に関する。

［従来の技術］ Ｘ線露光？ｔ２１では、スループットとアライメント精
度の向上かその課題として挙げられているが、これを満
足するアライメント方式としては、露光フィールド内の
アライメントパターンを検出しながら露光可能な検出が
一番望ましい。

現在公表されているアライメント方式は大別すれば次の
２つに分類される。即ち、 （１３５Ｍ光中もアライメントマークが検出可能で露光
中もサーボが可衡となっている。

（２）露光中はアライメントマークの検出か不可能で、
カートリッジ方式や露光中に検出系の対物レンズを露光
エリアから後退させる。

上記（１）の方式が（２）の方式に比べて優れている点
をスループットとアライメント精度の点から説明する。

上記（２）の場合、Ｘ１１露光時にはカートリッジや対
物レンズの検出装置かウェハー露光領域から退避させな
ければならず、その移動時間によるタイムラグが必ず必
要となり、このため当然スループットの低下の原因とな
る。

また、上記（２）の場合、露光中にアライメントマーク
の検出ができないということは、検出装置の退避時間と
露光時間中にはマスクとウェハーの位置関係は補償され
ておらず、この時間の長さに比例してマスクとウェハー
の位置は振動や環境条件の変化により当初アライメント
により補償された位ａから変動していってしまう。

現在、Ｘ線による露光時間は最も強力なシンクロトロン
放射光（ＳＯＲ）を使用した場合であっても１０秒前後
必要とされており、光露光の場合に比べてかなり長いも
のとなっている。その間にマスクとウェハーの位置関係
を一定に保つことは、機構的にも制御的にも極めて困難
である。これに加えて、検出装置の駆動装置は振動源と
なるため、さらに精度を低下させる原因となっている。

このように、露光中においてもアライメントマークを検
出するということは、スループットとアライメント精度
の向上という点からＸ線露光装置においては必要不可欠
な条件となりつつある。

また、上記（１）の方式においては、■回折格子法（リ
ニアフレネル、円形フレネル、回折格子）と■パターン
計測法（２重焦点光学顕微鏡。

斜方検出）が挙げられる。

この発明は、上記■のパターン計測法に関するものであ
るので、以下、この検出方法について詳しく説明する。

ａ、斜方検出方法（例えば、特開昭６１−１９３４４８
号公報参照） これは、検出系の対物レンズをウェハーの露光領域外に
その光軸なウェハー面に斜めに配置して検出を行なうも
ので、次の２つの問題点を解決している優れたものであ
る。即ち、■マスクとウェハーのギャップの克服、■露
光Ｘ線と干渉せずに露光中においてもアライメントマー
クを検出することができる。

ｂ、二重焦点光学顕微鏡による検出方法（精密機械　Ｖ
ｏｌ　、　５１．　ＮＯ，５（１９８５）　ＰＰ。

１５６〜１６２） これは、複屈折を利用した２重焦点を有する対物レンズ
をウェハーの露光領域に近接させてマスクとウェハーの
位置を同時に検出する方法である。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、上記すの２重焦点光学顕微鏡を使用する検出
系ては、アライメントマークの位置が露光領域からかな
り離れてしまい、ウェハーの露光領域に不必要に余分な
スペースが必要となってしまう。そのスペースの幅は基
本的には次式で表わ例えば、対物レンズ鏡筒の直径を３
０　ｍ　ｍとすると、余分スペースは１５ｍｍと非常に
大きなものになる。一方、ウェハーの露光エリアは最大
でも２５ｍｍ角であることから、如何に余分スペースが
過大であるものかが分る。半導体の生産においてはこの
余分スペースはスループットの低下に対して最大の障害
となる。

次に、ａの斜方検出方法は、露光Ｘ線と干渉することな
しにアライメントマークを検出することができる点にお
いて優れたものであるが、アライメント精度の点におい
て技術的に極めて困難な問題をかかえている。即ち、原
理的に斜方結像方式なので、像ボケの問題が常に生じて
しまう。第３図に示すように、ウェハーの露光面２０に
対して垂直にＸ線で照射する露光装置において、対物レ
ンズＯｂが角度θの斜め方向から検出するものであると
し、対物レンズの焦点深度をａｐｍとすると、結像範囲
はウェハー上のマーク面において２ａｓｉｎθであって
非常に狭く、アライメントに十分な映像情報を得ること
は極めて困難である。

特にプロセス形成マークを検出する場合には、Ｓ／Ｎ比
を高くとるためにできるだけ多くの情報を得る必要があ
るため、レジスト形成マークで得られる精度と同程度の
検出精度では不十分であると推測される。

ちなみに、対物レンズの開口比Ｎ、Ａ＝０．３２とすれ
ば、その焦点深度はレーリーの式より約±３１Ｌｍであ
り、斜方角度θを２５度とすれば結像範囲は２Ｘ３ＩＬ
ｍＸｓ　１ｎ２５”　＝２．５１Ｌｍと極めて狭い範囲
となる。

次に、第４図に示すように、ウェハーまたはマスク面Ａ
Ｂに対し結像面Ａ’Ｂ”は傾斜して生じるためＡＨＡ　
”の倍率β、　、　Ｂ−＋Ｂ　”の倍率β３とすると、
１βＡ１く１βＩ％１の関係が常に生じ、この関係を十
分考慮してウェハーまたはマスク上のパターンを作成し
なければならない繁雑さがある。

そして、クエへ−上のＸ線露光領域の外方斜めの位置に
検出用の対物レンズを配置しなければならず、必然的に
対物レンズの焦点距離が長くなり、したがって開口数Ｎ
Ａが低下しがちになるので、ウェハーまたはマスク面上
のパターンを十分精細に検出することができにくいこと
になる。

また、検出用の対物レンズの設計上から、マスクとクエ
へ−間の設定可能なギャップは限定されてしまうことに
なる。

このように、通常の対物レンズを斜めに配置するという
極めて単純なアイデアだけではアライメント精度の向上
は克服できない不利な条件を持ワている。

［問題点を解決するための手段］ この発明では、位置検出装置の検出用光学系として色収
差対物レンズと反射鏡の組合せを使用し、上記反射鏡は
Ｘ線を透過し可視光を反射する薄膜反射鏡であり、露光
パターンの四隅上に望ませて微小間隔離れて位置するマ
スクとウェハ上のアライメントマークを上記色収差対物
レンズに反射させて同時に位置検出することかできるよ
うにしたＸ線露光装置における位置検出装置である。

［作　用］ したがって、ウェハーをＸ線で露光中においてもアライ
メントが可能であり１色収差対物レンズによりマスクお
よびウェハー上のアライメントマークを同時に垂直に検
出することが可能となる。

［実　施　例］ まず、この発明のＸ線露光装置における位置検出装置に
ついて説明する。対物レンズは波長の異なる光線に対し
、色収差を有し、例えばｇ線（λ＝４３５ｎｍ）、ｅ線
（入＝５４６ｎｍ）の２種の光線に対し異なる焦点距離
をもっている。したがって、同一物点上にあるマークを
ｇ線を使用して結像させた像点とｅ線を使用したときに
生ずる像点は異なることになる０例えば、開口＠ＮＡ＝
０．４２倍率ｎ＝１Ｏ倍の対物レンズの焦点距離はｅ線
９ｇ線に対しそれぞれＦｅ＝１２．５ｍｍ、Ｆｇ＝１２
．７４１ｍｍとなり、物点距離Ｓを１３．７５ｍｍとし
たときに生ずる像点距離ｓ　”はそれぞれＳ”　ｇ＝１
３７．５ｍｍ、Ｓ″ｅ＝１３７．６１５ｍｍとなる。こ
のような対物レンズを使用して微小間隔Ｓ離れた物点例
えばマスクとウェハーが第５図に示すようにそれぞれＭ
。

Ｍ′にあるとすると、ｇ線、ｅ線の焦点距離Ｆｇ　ｓ　
Ｆ　ｅが異なるため、二つの光線によるマスク上のマー
クの像はり、Ｂ点に生じ、ウェハー上のマークの像はＢ
、Ｃ点にそれぞれ生じることになる。つまり対物レンズ
系の色収差によってＢ点にはマスク上のマークとウェハ
ー上のマークの像が同一位置に生じている。ただし、マ
スク上のマークはｇ線により形成された像であり、ウニ
へ−上のマークはｅｉｉにより形成された像である。

今、Ｂ点に例えばテレビカメラ等の検出系を置いてＵＸ
Ｓするとすると、マスク上のマークとウェハー上のマー
クを同時に観察することができるが、色収差のためにそ
れぞれにじみの像を伴って観察される。このにじみの像
をｇ線をカットしてｅｉｉを透過するフィルタおよび逆
にｇ線を透過しｅ線をカットするフィルタを組み合せた
フィルタを使用することにより、それぞれの色収差のに
じみを除去することによって同一のＢ点においてそれぞ
れ異なった位置におけるマスクとウェハー上のマークの
像を同時にａ察することが回部となる。

（特願昭６２−１９６１７４号参照） この発明で使用する対物レンズは、このように色収差を
積極的に生じさせ、かつ収差をよく補正した色収差対物
レンズである。以下、その光学系スペックの一例を第１
表に示す。

（以下余白） 、　　ｉ　　　　、＋１１４、スベ・・り（対物レンズ
。

フィールドレンズ、リレーレンズを含む）以下、第１図
、第２図に基づいてこの発明の詳細な説明する。第１図
は位置検出光学系の一部を拡大して示した側面図で、第
２図はその平面図である。検出光学系は色収差対物レン
ズｌと薄膜ミラー２を組合せて使用する。この薄膜ミラ
ー２はＸ線に対して透過度が良好であり、可視光（４０
０〜８００ｎｍ）に対しては透過度が極めて低い、即ち
１反射率の高い、例えば、ベリリウム等の原子番号が低
い金属等が適当である。この薄膜ミラー２は片面を泣面
研磨して、鏡面の平面度を色収差対物レンズｌの大きさ
の半分以下の大きささであることが望ましい。

色収差対物レンズｌの光学スペックとしては、例えば、
開口数Ｎ、Ａ、＝＝Ｑ、３５　（開口角＝２０．５”　
）作動距離＝　１１　ｍ　ｍのものである。

また、薄膜ミラー２の仕様は大きさ＝１０ｍｍ角（内反
射領域＝６．５ｍｍφ）、Ｄ傾斜角度＝６０″である。

この薄膜ミラー２はマスク３の四隅の１隅以上の上側に
４５°〜８０°の角度で配置し、マスク３上のアライメ
ントマーク４を反射して色収差対物レンズｌをその反射
方向に位置させて可視光にて検出するものである。この
薄膜ミラー２をマスク３の四隅に配置するのは、薄膜ミ
ラー２の製造技術上の難易度からできるだけ小面積のも
のを使用することが望ましいためである。上記の例では
マスク３上のアライメントマーク４を検出するものにつ
いて説明したが、微小間隔マスク３から離れて位置する
ウェハー上のアライメントマークについても同様に同時
に観察されることになる。そして色収差対物レンズｌに
より光学的に拡大されたマスクとウェハー上のアライメ
ントマークの像は、例えば、テレビカメラで撮影され、
電気信号の映像信号と成９てデジタル量子化され、これ
を信号処理することにによりそれぞれの位置が検出され
る。

この方式の短所は、薄膜ミラーのＸ線透過度が３０〜５
０％と低いため、スループット低下の原因となることで
ある。しかしながらこの短所は、Ｘ線源として強力なシ
ンクロトロン放射光（Ｓ。

Ｒ）を採用することにに始まり、Ｘ線に対して高感度な
レジストの開発やベリリウムに代わる優れたｘｉ透過率
を有する材質による薄膜ミラーの出現およびベリリウム
膜の薄膜化等のＸ線露光装置の量産化に伴う技術開発に
より解決されることが十分期待できる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によればマスクおよびウ
ェハーに設けるスクライブスペースを従来のものより少
なくすることかでき、かつ色収差対物レンズによりｘｍ
露光領域外からマスクおよびウェハー上のアライメント
マーク等を同時に観察することが可能であり、露光中に
おいてもサーボ制御を行なうことが可能となる。また、
斜方検出方式に比べ像ボケＳよび倍率誤差を発生させず
鮮明で広い範囲を検出することが可能となり、マスクと
ウェハーとの正確な位置合せを行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の位置検出装置の光学系の一
部を拡大して示した側面図、 第２図は、上記第１図の平面図、 第３図は、斜方検出法における焦点深度の説明図。 第４図は、像ボケおよび倍率誤差の説明図、第５図は、
色収差対物レンズの説明図である。 １　、−−−−−・　色収差対物レンズ２　、−・・・
・・　薄膜ミラー ３　、−−−−−−　　マスクおよびウェハー４、・・
・・・・　　アライメントマーク特許出願人　住友重機
械工業株式会社 代　　理　　人　　　小　　山　　１）　光　　夫第２
図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　Ｘ線露光装置におけるマスクとウェハーとの位置検出
   装置において、 検出用光学系として色収差対物レンズと反射鏡の組合せ
   を使用し、上記反射鏡はＸ線を透過し可視光を反射する
   薄膜反射鏡であり、マスクおよびウェハー上の露光パタ
   ーンの四隅上に望ませてアライメントマークを上記色収
   差対物レンズに反射させて位置を検出するようにしたこ
   とを特徴とする露光装置における位置検出装置。