JPH01305520A - ウエハの露光処理における焦点位置の最適化方法 - 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］ この発明はウェハの露光処理における焦点位置の最適化
方法に関し、特に自動焦点位置検出機構を備えた縮小投
影露光装置を用いて、ウェハ上にマスクパターンをチッ
プごとに露光する方法において焦点位置を最適化する方
法に関するものである。

［従来の技術］ 半導体集積回路装置の製造方法においてマスクパターン
をウェハ」二に露光する工程では、ウェハ上に高精度な
パターンを形成するため、現在では縮小投影露光装置を
用いて］チップずつ露光処理を行なうことが主流となり
つつある。縮小投影露光装置を用いててウェハ上に露光
処理を施し、解像度の高いパターンを形成する場合、特
に露光処理において焦点位置を制御することが重要であ
る。

第９図は市販の縮小投影露光装置、たとえば、ＧＣＡ社
のＤＳＷ−６８００，１］本光学社のＮＳＲ１，５０５
に設けられているオートフォーカス機構を概略的に示す
図である。図において、縮小投影レンス１の下には露光
処理が施されるべきウェハ３がＸＹステージ２の上に載
せられている。この縮小投影露光装置においては、マス
クパターンを縮小投影レンズ１を用いてウェハ３上に露
光処理を施す際、ウェハ３内の１シヨツトことに、縮小
投影レンス１とウェハ３の表面との間の距離を一定に保
ちながら、ＸＹステージ２か移動（ステップ・リピート
）することにより露光が行なわれる。発光ダイオ−１；
’（ＬＥＤ）４から発するレーザ光が、コンデンザレン
ス５を通過し、投影スリット６を介して、さらに投影レ
ンス７を通じてウェハ３の表面上に入射さぜられる。ウ
エノ＼３の表面上で反射したレーザ光は受光レンス８を
通じて振動子９に受止められ、受光スリット１０を介し
てディテクタ１］によって、そのレーザ光の強度が検出
される。このとき、ウエノＸ３の上に凹凸が存在する場
合、ディテクタ１１によって検出されるレーザ光の強度
が変化する。このレーザ光の強度を一定に保つように、
縮小投影レンス１の鏡ｊ、１、またはＸＹステージ２が
」二下する。それによって、縮小投影レンス１とウェハ
３の表面との間の距離ａ（焦点距離）が一定に保たれる
。このようにして、露光処理か施されるべきショットの
中心は常に最適な焦点距離の位置に保たれ、精度の高い
パターンの形成が可能になる。

第１０図は相対焦点変化と、現像後のレジストパターン
の線幅の変化との関係を示す図である。

横軸の相対焦点変化は、ショットの中心において最適な
焦点距離に保たれている位置（０μｍ）からの距離を示
す。縦軸の線幅の変化は、ウエノ１上に転写された現像
後のパターンが０．８μｍの線幅（適正線幅）からすれ
た距離を示す。この図によれば、適正な線幅の変化量を
０．１μｍ以内とすると、露光処理が施される１シヨツ
トの範囲は、最適な焦点距離に保たれた位置から１．５
μｍの距離以内に入るように制御される必要がある。こ
のように、現像後のレジストパターンの線幅は最適な焦
点距離に保たれた位置からの距離によって変化すること
が理解される。

［発明か解決しようとする課題］ 半導体集積回路装置の製造方法においては、酸化膜の形
成、絶縁膜の堆積、各種のアニール処理等の熱処理サイ
クルが含まれている。このような熱処理はシリコン結晶
であるウェハに種々の損傷を与え、ウェハの反りや歪み
を引き起こす。特に露光処理の工程においては、このよ
うな熱歪みは重大な欠陥をもたらす。たとえば、露光処
理時においてはアライメントエラーや、ウェハがチャッ
クに吸着しないほどの反りの発生等の問題がしばしば起
こっている。ウェハがチャックに吸着され得る場合にお
いても、局所的にはウェハの密着不良や凹凸が生じてい
るものである。この場合、上述のように縮小投影露光装
置を用いて露光処理が施されるとき、ショットの中心で
は最適な焦点距離が保たれているにもかかわらず、ショ
ット内の周辺部においては適正な線幅の変化量、たとえ
ば、０．１μｍ以内を保つことが可能な相対焦点変化に
制御することが不可能となる。特に、高いレンズ開口数
を有する縮小投影露光装置を用いて露光処理が施される
場合、その焦点深度（適正な線幅の変化量を保つことが
可能な相対焦点変化の範囲）が浅く　（±１．０〜１．
５μｍ）、ウェハ内で焦点エラーを起こす箇所の出現す
る可能性はさらに高くなる。また、段差を有するウェハ
の場合、その影響はさらに大きくなる。

このようなウェハの反りや歪み等の表面形状に起因する
問題に対して、従来より、フラッ］・ネステスタや歪み
量測定器を用いてウェハ表面の凹凸形状を測定すること
によって、各種熱処理条件の最適化が図られてきた。し
かしながら、ウェハ表面の凹凸形状が測定される際の測
定器におけるウェハの状況と、露光処理が施される際の
縮小投影露光装置におけるウェハの吸着の程度やチャッ
クの状況とは異なっているため、上述のような問題に対
して有効な解決方法とはならない場合があった。また、
焦点深度が浅い欠点をカバーするため、レジストの処理
方法の改善や、多層レジスト法等か用いられているか、
露光処理工程のスループッＩ・を低下させる等の問題か
あった。

そこで、この発明は播上述のような問題点を解消するた
めになされたもので、自動焦点位置検出機構を備えた縮
小投影露光装置を用いて、ウェハ」二に露光処理を施す
方法においてウェハ内の反りや歪みぢを測定する方法を
与えることかできるとともに、焦点位置を最適化する方
法を提１共することを目ｒ白とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に従ったウェハの露光処理における焦点位置の
最適化方法は、自動焦点位置検出機構を備えた縮小投影
露光装置を用いて、ウェハ上にマスクパターンをチップ
ごとに露光する方法において、次のような工程を備えた
ものである。

（ａ）　　縮小投影レンズおよびステージの垂直方向の
位置検出信号を取出す工程。

（ｂ）　　ステージを水平移動させる工程。

（Ｃ）　　上記水平移動に伴う垂直方向の位置検出信号
の変化を演算処理し、ウェハ表面の形状変化を測定する
工程。

（ｃｌ）　　測定された形状変化に基づいて、露光処理
における縮小投影レンズとウェハ表面との間の最適距離
をチップごとに算出する工程。

［作用］ この発明においてはウェハか置かれるステージを水平移
動させるとき、それに伴って縮小投影レンズおよびステ
ージの垂直方向の位置検出信号の変化が取出され得る。

この取出された垂直方向の位置検出信号の変化を演算処
理することによって、ウェハ表面の形状変化が測定され
得る。そのため、ウェハ内の隣接チップ間の焦点高さ位
置の差より、チップの周辺部での焦点すれ量を算出する
ことが可能となる。したがって、この焦点ずれ量に基づ
いて、ウェハ内の１チツプごとの焦点距離を最適化する
ことができるので、焦点エラーを削減することかできる
。

［実施例］ この発明の一実施例を図について説明する。第１図はこ
の発明に従ったウェハの露光処理における焦点位置の最
適化方法を実現するための装置構成を概略的に示すブロ
ック図、第２図はこの最適化方法を工程順に示すフロー
チャートである。

これらの図を参照して、第９図に示されたオートフォー
カス機構を備えた縮小投影露光装置（以下、ステッパと
略称する）のレンズ系およびステージ系から、レンズお
よびステージの垂直方向のセンサの信号が取出される。

この位置検出信号は、ステージに置かれたウェハを水平
移動させながら、位置検出信号取出手段によって取出さ
れ、増幅手段によって、演算処理が可能になるように増
幅させられる。このとき、自動的に１チツプことにレン
ズまたはステージが上下移動することにより、レンズと
ウェハ表面との距離が一定に保たれる。

このように保たれたレンズとウェハの位置かチップごと
に垂直方向の位置検出信号として検出される。チップご
とに検出された垂直方向の位置検出信号が増幅された後
、解析手段により演算処理される。この演算処理は、マ
イクロコンピュータ等の解析手段によって行なわれても
よい。垂直方向の位置検出信号の変化はウェハ表面の形
状変化として解析処理される。算出された凹凸形状の変
化に基づいて、露光処理におけるレンズとウェハ表面と
の間の最適距離がチップごとに算出される。

この最適距離はステッパコントローラに伝えられ、実際
の露光処理において使用される。

上記のように算出された最適距離は以下のような場合に
有用である。第３図は相対焦点変化と線幅との関係を示
す図、第４図はチップごとに焦点距離ａかその中心にお
いて保たれるように、縮小投影レンズ１がウェハ３の表
面形状に沿って上下動することを示す図である。図にお
いて、チップＮの中心においてウェハ３の表面と縮小投
影レンズ１との間の距離が焦点距離ａに設定される場合
にここでは着目する。隣接するチップ？ｌ−１，Ｎ十１
とチップＮとにおいて、その焦点高さ位置（ここでは、
レンズの垂直方向の位置）を比較した場合、チップＮ−
１とは麩２、チップＮ＋１とは麩１だけずれている。そ
のため、チップＮの周辺部では、チップの中心と少なく
ともＬ／２゜良、／２だけ焦点が合っていないことが理
解される。また、相対焦点変化に対して第３図に示すよ
うに線幅が変化するものとすると、相対焦点変化量がα
２／２のとき、適正な線幅の変化量０１μｍを越えるこ
ととなる。したがって、チップＮの周辺部においては現
像後の線幅は大きくずれる可能性かある。このような場
合、本発明に従った焦点位置の最適化方法によれば、チ
ップＮに対して露光処理が施されるときの焦点距離を、
すなわち、レンズとウェハ表面との間の距離ａを（玖。

−Ｌ）／４たけ、大きくするように最適距離が算出され
る。これによって、チップＮ内において線幅の変化量を
小さくすることが可能になる。

次に、実際に縮小投影露光装置のステージまたはレンズ
の垂直方向の位置センサの信号を取出すことによって、
１ショットごとに露光と同時にモニタされたウェハ表面
内の凹凸形状のデータについて説明する。第５図は、成
るチップのフラットネス（乎面度）を０μｍとした場合
にショットごとに測定されたフラットネスデータのヒス
トグラムである。第６図は、隣接するショット（チップ
）間のフラットネスデータの差、ずなわち、隣接するシ
ョット間においてレンズの焦点位置の高さの差をヒスト
ダラムで表わした図である。このようにして、ショット
間の焦点位置高さの差を評価することにより、隣接する
チップ間で、ステッパか有する焦点深度の能力具」二の
凹凸形状にウェハの表面がなっているかどうか、チエツ
クすることか可能になる。

また、第７図は、第５図に示されたフラットネスデータ
を、ウェハに区切られたチップごとに７トリクス状に表
わした表である。第８図は第７図に示されたデータに基
づいてフラットネスをウェハ内に等高線で表わした図で
ある。なお、等高線の描画間隔は０．０９μｍとし、そ
のフラットネスの平均値は−０，９０μｍとした。平均
値以」二を示す等高線は点線、平均値を示す等高線は実
線、および平均値以下を示す等高線は一点鎖線で示され
ている。このように、この発明によれば、チップごとに
フラットネスを測定することにより、ウエバ内のチップ
間に存在する凹凸形状を測定することが可能である。し
たがって、第７図において＊で示される隣接チップ間に
存在する焦点位置の高さの大ぎな差すなわち、傾斜の急
な段差を検出することが可能になる。

なお、この発明に従った焦点位置を最適化する方法を実
現するために、縮小投影露光装置内において、測定され
るフラットネスデータを記憶、表示する機能が設けられ
、かつ検出される焦点エラーの情報をフィードバックし
、ウェハ内の１チツプごとの焦点条件を最適化すること
が可能な制御系が設けられてもよい。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば自動焦点位置検出機構
を備えた縮小投影露光装置を用いてウェハ上に露光する
際の実効的なウェハ内のフラットネス、および局所的な
ウェハ内の反り、歪みを測定することが可能となる。さ
らに、この方法を用いて、露光処理時の焦点条件を最適
化することにより、精度の高いパターンの形成が可能と
なるので、ウェハの歩留りを向」ニさせることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に従った焦点位置の最適化方法を実現
するための装置構成を概略的に示すブロック図、第２図
はこの発明に従った焦点位置の最適化方法を工程順に示
すフローチャー１・、第３図および第４図はこの発明に
従った焦点位置の最適化方法が適用される場合の相対焦
点変化と線幅の変化との関係を示す図、レンズとウェハ
表面との位置関係を示す図、第５図、第６図、第７図モ
年ｎはこの発明に従った焦点位置の最適化方法によって
得られるデータの処理結果の一例を示す図および表、第
８図は第５図、第６図、第７図によって得られたデータ
をウェハ内に等高線で表イつした図、第９図は縮小投影
露光装置におけるオートフォーカス機構を概略的に示す
図、第１０図は相対焦点変化と線幅の変化との関係を示
す図である。 図において、］は縮小投影レンズ、２はＸＹステージ、
３はウェハである。 ○　　　　　　　　　ＯＯ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　縮小投影レンズと、ステージ上に置かれたウェハの表
   面との間の距離を所定の焦点距離に保ちながら、前記ス
   テージを水平移動させるための自動焦点位置検出機構を
   備えた縮小投影露光装置を用いて、ウェハ上にマスクパ
   ターンをチップごとに露光する方法において、 前記縮小投影レンズおよび前記ステージの垂直方向の位
   置検出信号を取出す工程と、 前記ステージを水平移動させる工程と、 前記水平移動に伴う前記垂直方向の位置検出信号の変化
   を演算処理し、前記ウェハ表面の形状変化を測定する工
   程と、 前記測定された形状変化に基づいて、露光処理における
   前記縮小投影レンズと前記ウェハ表面との間の最適距離
   をチップごとに算出する工程とを備えたことを特徴とす
   る、ウェハの露光処理における焦点位置の最適化方法。