JPH03233925A

JPH03233925A - 自動焦点調整制御装置

Info

Publication number: JPH03233925A
Application number: JP2028497A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Yamada; 雄一山田; Yoshiharu Kataoka; 義治片岡; Hiroyoshi Kubo; 博義久保; Haruna Kawashima; 春名川島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1991-10-17
Anticipated expiration: 2013-08-13
Also published as: JP2785146B2; US5323016A

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］本発明は自動焦点調整制御装置に関し、特にステッパー
と呼ばれる縮小投影露光装置において、レチクル像面に
対する被露光領域の投影光学系の光軸方向に関する位置
や傾きを整合させる自動焦点制御装置に関するものであ
る。

［従来の技術］従来、縮小投影露光装置における自動焦点調整制御装置
としては、ウェハ表面に光束を斜めに入射させ、ウェハ
表面からの反射光の位置ずれを、センサ上での反射光の
位置すれとして検出する検出光学系を用いてウェハ表面
の位置を検出し、その計測値に応じてレンズ焦点面との
ずれ量を算出し、クエへを駆動する方法を用いたものが
知られている。これによれば、レンズ焦点面と検出光学
系の焦点面を１度合致させても気圧、露光量等の変化に
よりレンズ焦点面が変化するため、検出光学系のベスト
フォーカス点貝外で計測する事にな［発明が解決しよう
としている課題］しかしながら、上記従来例では検出光学系のベストフォ
ーカス点以外で、フォーカス駆動量の計測を行っていた
ため、次の様な欠点がある。

すなわち、ウェハのレジスト表面で反射した光とウェハ
の基板面で反射した光との干渉により、フォーカス位置
検出時に検出誤差が生じるという問題がある。この値に
ついては、従来オフセットとして管理する方法が知られ
ているが、このオフセットの値の管理は、投影系の焦点
深度が小さくなってきたためますます難しくなっている
。このため、従来では問題とならなかった様々な問題が
判明している。−例として、検出光学系の斜入射によっ
て生ずる問題があげられる。オフセットの値は基板上の
パターンからの反射の影響を受ける。ところか、投影系
のベストフォーカスの値は気圧の変化、或いは投影系自
体の熱的な変化等によって所定量だけ変動するため、焼
き付けるへきウェハはその値を補正するだけ投影系の光
軸方向にずらした位置に設定して焼き付けを行わなけれ
ばならない。そしてこのとき、検出光学系は固定である
ためプローブビームとしてウェハに斜入射する光は不変
であるから、ベストフォーカスの変動値を知ってその量
だけウェハを投影系の光軸方向に動かすと、プローブビ
ームの当る位置がウェハ上で変化する。即ち、プローブ
ビームの位置とウニ八基板上のパターンとの相対位置が
変化してしまう。この変化が、オフセット量に変動を与
えてしまう事が判明したのである。

また、フォーカス計測の高分解能化により、検出光学系
の高倍率化が行なわれているが、その反面、計測レンジ
が小さくなってきている。これを補うためＣ１途中の折
返しミラーの位置制御を行い、センサーへ受光させる方
法が考えられるが、位置制御の機構が複雑化したり、ま
た可動部を設ける事により計測の安定性が問題となり、
ステッパーが求める精度を満足する事ができない。

［課題を解決するための手段］上記目的を遠戚するため本発明の自動焦点調整制御装置
は、露光光学系の焦点面に対して位置決め調整されるべ
き被露光面の露光光学系光軸方向位置を計測する面位置
計測手段と、被露光面を露光光学系光軸方向に移動させ
る移動手段と、被露光面を所定の基準位置に位置させて
被露光面位置を計測し、その計測結果に基づき被露光面
を露光光学系焦点面へ移動させるように面位置計測手段
および移動手段を制御する手段と、を備える。

被露光面を所定の基準位置に位置させるには、例えば、
面位置計測手段により所定の基準位置内に達したことが
検出されるまで被露光面の位置計測およびその結果に基
づく被露光面の移動を繰り返しＦ＋ｚうことによって行
なう。この場合は、所定の基準位置における被露光面位
置の計測は、所定の基準位置内に達したことが検出され
た時点で既に行なわれていることになる。また、被露光
面が半導体ウェハ上の複数の被露光面であるような場合
は、位置決め調整されるべき被露光面は、前回の位置決
め調整によって露光光学系の焦点面に前回の被露光面が
位置している半導体ウェハの位置から所定距離だけ露光
光学系光軸方向に半導体ウェハを移動手段によって移動
させることによって所定の基準位置に移動されつる。

移動手段は面位置計測手段とは異なる移動量計測手段を
有するのが好ましい。

［作用］この構成において、所定の基準位置としては、面位置計
測手段による計測が正確に行なわれる位置、例えば面位
置計測手段の光学系のベストフォーカス位置およびその
極めて近傍が選ばれ、投影レンズ等の露光光学系の焦点
面位置と面位置計測手段の例えばベストフォーカス位置
との間の距離は既知である。そして、被露光面を露光光
学系の焦点面位置ではなく面位置計測手段の例えばベス
トフォーカス位置へまず移動し、この位置で被露光面位
置を計測する。このとき、真の被露光面位置は、計測さ
れた被露光面位置に対して所定のオフセット値を加味す
ることによって得られるが、このオフセット値は所定の
基準位置例えばベストフォーカス位置において計測され
た被測定面位置に対してのみ精度上有効なものであるか
ら、極めて高い精度で得られることになる。そして次に
、被露光面は、得られた高精度の被露光面位置に基づき
露光光学系のベストフォーカス位置へ移動され、高精度
で焦点調整が行なわれる。したがって、計測系の複雑化
や不安定性を生ずることなしに、従来例のような投影光
学系のベストフォーカス値の変化に伴うフォーカス検出
光学系の投影光学系に対する検出誤差のない焦点調整が
行なわれる。

［実施例］第１図は本発明の一実施例に係る自動焦点調整制御装置
を備えた縮小投影露光装置の部分的概略図である。

第１図において、１は縮小投影レンズであり、その先軸
は図中ＡＸで示されている。縮小投影レンズ１は不図示
のレチクルのパターンを１１５乃至１／２０に縮小して
投影し、その像面にレチクルパターン像を形成する。ま
た、光軸ＡＸは図中のＺ方向と平行な関係にある。２は
表面にレジストが塗布されたウェハであり、先の露光工
程で形成された多数個の被露光領域（ショット）が配列
しである。３はウェハ２を載置するステージで、ウェハ
２はウェハステージ３に吸着され固定される。ウェハス
テージ３はＸ軸方向に動くＸステージと、ｙ軸方向に動
くＹステージと、Ｘ軸方向及びｘ、ｙ、ｚ軸方向に平行
な軸のまわりに回転するＺステージとで構成されている
。また、Ｘｙ、ｚ軸は互いに直交するように設定しであ
る。

従って、ウェハステージ３を駆動することにより、ウェ
ハ２の表面の位置を縮小投影レンズ１の光軸ＡＸ方向及
び光軸ＡＸに直交する面内で調整でき、更にレチクルパ
ターン像に対する傾きも調整できる。

第１図における符番４〜１１は、ウェハ２の表面位置及
び傾きを検出するために設けた検出光学系の各要素を示
している。４は発光ダイオード、半導体レーザなどの高
輝度光源、５は照明用レンズである。光源４から射出し
た光は照明用レンズにより略平行な光束となり複数個の
ピンホールが形成されたマスク６を照明する。マスク６
の各ピンホールを通過した複数個の光束は、結像レンズ
７を経て折り曲げミラー８に入射し、折り曲げミラー８
で方向を変えられた後、ウェハ２の表面に入射する。結
像レンズ７と折り曲げミラー８はウェハ２上にピンホー
ルの像を形成する。複数個の光束は、第４図に示す様に
ウェハ２の被露光領域１００の中央部を含む５箇所（４
１〜４５）を照射し、各々の箇所で反射される。即ち、
本実施例ではマスク６にピンホールを５個形成し、被露
光領域１００内でのその中央部を含む５箇所の測定点の
位置を測定する。

ウェハ２の各測定点で反射した光束は、折り曲げミラー
９により方向を変えられた後、検出レンズ１０を介して
２次元位置検出素子１１上に入射する。ここで、検出レ
ンズ１０は結像レンズ７、折り曲げミラー８、ウェハ２
、折り曲げミラー９と協力して、マスク６のピンホール
の像を２次元位置検出素子１１上に形成している。従っ
て、マスク６とウェハ２と２次元位置検出素子１１は互
いに光学的共役な位置にある。

２次元位置検出素子１１はＣＣＤなどから成り、複数個
の光束の素子１１の受光面への入射位置を各々独立に検
知することが可能である。ウェハ２の縮小投影レンズ１
の光軸ＡＸ方向の位置の変化は、２次元位置検出素子１
１上の複数の光束の入射位置のずれとして検出できるた
め、ウェハ２上の被露光領域１００内の５つの測定点４
１〜４５におけるウェハ表面の投影レンズの光軸ＡＸ方
向に対する位置が、２次元位置検出素子１１からの出力
信号に基づいて検出できる。また、この２次元位置検出
素子１１からの出力信号は信号線を介して制御袋Ｗ１３
へ人力される。

ウェハステージ３のＸ軸及びｙ軸方向の変位はレーザ干
渉計１７を用いて周知の方法により測定され、ウェハス
テージ３の変位量を示す信号がレーザ干渉針から信号線
を介して制御装置１３へ人力される。又、ウェハステー
ジ３の移動はステージ駆動装置１２により制御され、ス
テージ駆動装置１２は、信号線を介して制御装置１３か
らの指令信号を受け、この信号に応答してウェハステー
ジ３を駆動する。ステージ駆動装置１２は第１駆動手段
と第２駆動手段を有し、第１駆動手段によりウェハ２の
投影レンズの光軸ＡＸと直交する面内における位置（ｘ
、ｙ）と回転（θ）とを調整し、第２駆動手段により光
軸ＡＸ方向の位置と傾き（φ８．ｙ）とを調整する。

制御装置１３は、２次元位置検出素子１１からの出力信
号（面位置データ）を特願昭６３−２５６３１４号に示
されているような方法で処理し、ウェハ２の表面の位置
を検出する。そして、この検出結果に基づいて所定の指
令信号をステージ駆動装置１２に入力する。この指令信
号に応答して、ステージ駆動装置１２の第２駆動手段が
作動し、第２駆動手段がウェハ２の光軸ＡＸ方向の位置
と傾きを調整する。

次に、この露光装置の動作を第２図のフローチャートに
従って説明する。

まず、ステップ２０１においてウェハをステージ２上に
搬入し、ステップ２０２において１枚めのウェハか否か
を判定する。１枚めであればステップ２０３において面
形状関数を決定し、その定数項Ｃ１（ｉ＝１〜５）を求
めて制御装置１３のメモリにオフセット値として格納す
る。１枚めでなければそのままステップ２０４へ移行す
る。

ステップ２０４では、ウェハ２上の次の被露光領域（初
回であれば第１被露光領域）が縮小投影レンズ１の真下
にくるようにウェハステージ３を動かし、レチクルパタ
ーンに対して当該被露光領域を位置合わせする。

次に、ステップ２０５〜２０８において面位置調整を行
なう。すなわち、まずステップ２０５において、検出光
学系（４〜１１）により当該被露光領域の５つの測定点
（４１〜４５）の面位置検出を行い、２次元位置検出素
子１１からの出力信号に基づいて制御装置１３内で各測
定点の面位置データを形成する。制御装置１３はそのメ
モリからオフセット値Ｃ１（ｉ＝１〜５）を読み出し、
当該被露光領域の各面位置データを各々対応するオフセ
ット値で補正し、５個の新たな（真の）面位置データを
形成する。そして、制御装置１３は、この５個の補正さ
れた面位置データに基づいて当該被露光領域１００の最
小自乗平面を求め、この最小自乗平面とある一定の基準
面、即ち検出光学系の焦点面との合致度を算出する。定
数項ｃＩ　（ｉ＝ｉ〜５）の値の算出もこの検出光学系
の焦点面を基準として行われているため、正しくオフセ
ットを反映させる為にはウェハを検出光学系の焦点面に
持ってくることが望ましい。次に、ステップ２０６にお
いて、算出した上記合致度が、あるトレランス内にある
か否かを判定する。

トレランス内にあればステップ２０９へ進む。トレラン
ス内にない場合はステップ２０７において補正量を算出
し、ステップ２０８において制御装置１３はこの算出結
果に応した指令信号をステージ駆動装置１２へ人力し、
ステージ駆動装置によりウェハステージ２の投影レンズ
の光軸ＡＸ方向の位置と傾きを調整（補正）し、再びス
テップ２０５へ戻って面位置検出を行なう。このように
して、ウェハ２の表面すなわち当該被露光領域を検出光
学系の焦点面へ位置付けし、この位置における面位置デ
ータに対してオフセット値による補正を行なうことによ
り、面位置の計測誤差は最も少くかつ制御装置１３上の
メモリに格納されているオフセット値ＣＩ　（ｉ＝ＩＮ
Ｓ）は正しく反映されることになる。

この面位置調整があるトレランス内に入った後、ステッ
プ２０９においては、既に計算、実験により求められて
いる投影光学系の焦点面と、当該被露光領域との光軸Ａ
Ｘ方向の間隔及びウェハ２の傾き方向と傾き量に応した
一定量の補正駆動を行い、ウェハ２の表面すなわち当該
被露光領域を縮小投影レンズ１の最良結像面に位置付け
る。

そして、この面位置の再調整終了後、ステップ２１０に
おいて、当該被露光領域を露光してレチクルパターンの
転写を行い、ステップ２１１において全ショット位置に
対する露光が終了したか否かを判定する。終了していな
い場合は、ステップ２０４へ戻り、ウェハ２上の次の被
露光領域が縮小投影レンズ１の真下にくるようにウェハ
ステージ３を駆動し、上記面位置検出、面位置調整、露
光動作を繰り返す。全ショット位置の露光が終了したら
ステップ２１２で当該ウェハを搬出し、ステップ２１２
において全ウェハについて終了したか否かを判定する。

終了していない場合はステップ２０１へ戻って次のウェ
ハを搬入して上記各ステップを繰り返し、終了した場合
は、露光動作を終了する。

［他の実施例］上記実施例では各被露光領域に於て、被露光面位置の計
測と、その被露光面位置の検出光学系焦点面への補正駆
動および投影光学系の焦点面への駆動を行なうようにし
ているが、ここでは、スルーブツトを考慮し、各ショッ
ト間でのステップ移動中に投影光学系の焦点面から検出
光学系の焦点面へ一定量補正駆動を行うようにしている
。

すなわち、第３図のフローチャートに示すように、第ｎ
ショットにおける露光終了後、ステップ３０４の％　ｎ
　＋　１シヨツトへの移動時に、ステップ３０５におい
て前記検出光学系の焦点面と投影光学系焦点面との光軸
ＡＸ方向の間隔、及びウェハ２の傾き方向と傾き量、即
ち、第ｎショットで一定量補正駆動行った分を、元に戻
す。これによって、第ｎ＋１ショットては、当該露光領
域はほとんど検出光学系の焦点面と一致するため、正確
な面位置計測（ステップ３０６）が可能となり、この位
置で得られる面位置データをもとに、投影光学系焦点面
への一定駆動量に補正を加えて、当該露光領域を縮小投
影レンズ１の最良結像面へ位置付ける（ステップ３０７
．３０８）。ステップ３０１〜３０３およびステップ３
０９〜３１２の処理は第２図のステップ２０１〜２０３
およびステップ２１０〜２１３と同様である。

さらに他の実施例として、被露光面を投影光学系の焦点
面へ駆動する段階に於て、その駆動精度を高める事を目
的とし、ウェハ表面位置を計測する手段とは独立に、駆
動系自体の駆動量をモニターする計測手段、例えば、う
ず電流変位計を用いてクローズ・ループにする方法があ
る。

第５図は、その実施例の縮小投影露光装置の部分的概略
図である。第１図と異る点は、ウェハステージ３のＺ軸
方向及びＸ、Ｙ軸方向に平行な軸のまわりに回転するＺ
ステージに、うず電流変位計１４．１５．１６が付加さ
れている事である。

この場合、第６図に示すように、ウェハ２上の第１被露
光領域が縮小投影レンズ１の真下に於て、検出光学系の
焦点面へ位置付けられる過程まで（ステップ６０１〜６
０８）は、第２図のフローチャート（ステップ２０１〜
２０８）に従う。

そして、この面位置調整があるトレランス内に入った後
、ステップ６０９において、既に計算・実験により求め
られている投影光学系の焦点面との光軸ＡＸ方向の間隔
及びウェハ２の傾き方向と傾き量に応じて一定量の補正
駆動量信号が制御装置１３よりステージ駆動装置１２に
出力されると、ステージ駆動装置１２はウェハステージ
３のＺステーツを駆動すると共にステップ６１０および
６１１においてうず電流変位計１４．１５．１６の変位
量を読み取り、補正駆動量に達するまで駆動をつづけ、
第１露光領域を縮小投影レンズ１の最良結像面に位置づ
ける。その後の過程（ステップ６１２〜６１５）は、第
２図フローチャート（ステップ２１０〜２１３）に準じ
る。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、検出光学系焦点面
等の所定の基準位置で面位置計測を行うようにしたため
、計測誤差の少ない自動焦点調整を行うことが出来る。

従って、本発明を半導体露光装置に適用することにより
、超ＬＳＩの高集積化に伴ない縮小投影レンズの許容焦
点深度が小さくなっても、又、露光領域が大型化しても
、ウェハの被露光領域全面を確実に焦点深度内に位置付
けることができる。

このため、より良好なパターンの転写が行え、より集積
度の高い回路を作成できるという優れた効果がる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る自動焦点調整制御装
置を用いた縮小投影露光装置の部分的概略図、第２図は、第１図の装置の動作の一例を示すフローチャ
ート、第３図は、第１図の装置の他の動作例を示すフローチャ
ート、第４図は、第１図の装置の検出光学系による面位置検出
での被露光領域と各測定点の位置関係を示す説明図、第５図は、本発明の他の実施例に係る自動焦点調整制御
装置を用いた縮小投影露光装置の部分的概略図、そして第６図は第５図の装置の動作の一例を示すフローチャー
トである。１・・・縮小投影レンズ、２・・・ウェハ、　０３・・・ウェハステージ、４・・・高輝度光源５・・・
照明用レンズ、６・・・ピンホールをもつマスク、７・・・結像レンズ、８．９・・・折り曲げくラー　１０・・・検出レンズ、
１１・・・２次元位置検出素子、１２・・・ステージ駆動装置、１３・・・制御装置、１
４〜１６・・・うず電流変位計、４１〜４５・・・測定点、１００・・・被露光領域（ショット）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）露光光学系の焦点面に対して位置決め調整される
べき被露光面の露光光学系光軸方向位置を計測する面位
置計測手段と、被露光面を露光光学系光軸方向に移動さ
せる移動手段と、面位置計測手段により所定の基準位置
内に達したことが検出されるまで被露光面の位置計測お
よびその結果に基づく被露光面の移動を繰り返し、面位
置計測手段により所定の基準位置内に達したことが検出
されたらそのときの計測値に基づいてその位置から被露
光面を露光光学系の焦点面位置に移動させるように、面
位置計測手段および移動手段を制御する手段と、を具備
することを特徴とする、自動焦点調整制御装置。
（２）露光光学系の焦点面に対して位置決め調整計測す
る面位置計測手段と、被露光面を露光光学系光軸方向に
移動させる移動手段と、被露光面を所定の基準位置に位
置させて被露光面位置を計測し、その計測結果に基づき
被露光面を露光光学系焦点面へ移動させるように面位置
計測手段および移動手段を制御する手段と、を具備する
ことを特徴とする自動焦点調整制御装置。
（３）被露光面は半導体ウェハ上の複数の被露光面であ
り、位置決め調整されるべき被露光面は、前回の位置決
め調整によって露光光学系の焦点面に前回の被露光面が
位置している半導体ウェハの位置から所定距離だけ露光
光学系光軸方向に半導体ウェハを移動手段によって移動
させることによって所定の基準位置に移動される、請求
項２記載の自動焦点調整制御装置。
（４）移動手段は面位置計測手段とは異なる移動量計測
手段を有する、請求項１または２記載の自動焦点調整制
御装置。