JPH03293609A - 露光装置 - 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） 本発明は高精度な自動焦点合わせ手段（自動焦点補正装
置）を具備した半導体素子製造用に好適な露光装置に関
するものである。

（従来の技術） 近年、半導体素子、ＬＳＩ素子の微細化の要求に伴い、
半導体露光装置においては露光光学系に対して精度の高
い焦点合わせな行うことが求められている。特に露光光
学系の焦点深度は益々小さくなる傾向にあり、焦点に対
する要求は厳しさを増してきている。

他方、露光光学系は気圧の変動や、露光の経歴による温
度変化等により焦点位置が時間的に変動することが知ら
れている。そのため特願昭６３２５８５５５号公報にお
いては露光光学系を通す、即ちＴＴＬ（スルー・ザ・レ
ンズ）で検出を行う合焦装置と、露光光学系を通らない
光学位置検出装置とを利用した露光のための合焦方法及
び装置か考案されている。

第７図に示したのは特願昭６３−２５８５５５号公報で
提案されている半導体露光装置の実施例である。検出光
である露光光は露光照明系７９からファイバー７４によ
り、シャッター７５を介して検出光学系の照明光学系７
３に導かれる。導かれた光は照明光学系７３を経たあと
にハーフミラ−７１によって方向を変え、対物レンズ７
０、ミラー１３によりレチクルＲに到達する。レチクル
Ｒには第２図に示した様な微細パターン１２が形成され
てあり、照明光は微細パターン１２を通過して露光光学
系１１に入射する。入射した光は露光光学系１１を経た
あとにウェハＷと同一光学位置にある平面で反射し、再
び露光光学系１１、微細パターン１２、ミラー１３、対
物レンズ７０を戻ってハーフミラ−７１を通過し、集光
レンズ７２によりフォトディテクタ７６に入射する。

フォトディテクタ７６は入射した光の強度を電圧Ｖに変
換するという構成になっている。

このような構成で自動焦点合わせ制御装置７８によりＸ
ＹＺステージ１０を露光光学系１１の光軸方向に変化さ
せると、上記電圧Ｖは光軸方向の位置２の関数となり、
極大値を一つ持つ山型の変化を示す。この山型の変化て
Ｖが最大となる２の位置がＴＴＬで求めた露光光学系１
１の焦点位置である。

これに対し７１０は投光系、７１１は検出系であり、こ
れらの各要素はウェハに対して斜入射する光の反射を利
用した光軸方向の位置検出装置を構成している。投光系
７１０から発せられた光線はウェハＷ上のレジスト表面
で反射する。ウェハＷの反射点の位置はウェハが露光光
学系１１の光軸方向に動くと横ずれし、検出系７１１で
矢印７１１ａ方向の動きとなって検出される。

一方、前述のように露光光学系は種々の要因によりその
焦点位置を変動させるが、その変動は上記ＴＴＬの自動
焦点合わせ方法を用いて求めることかできる。ＴＴＬで
の計測合焦点位置を用いてウェハの光学的な位置が常に
最適焦点位置になるように前記斜入射の光軸方向位置検
出系の座標原点を決定し、その座標に従い光学位置（ウ
ェハ位置）を決定するのが従来の方法であった。

（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次の２つの問題点があった
。第一の問題点は前記斜入射の光軸方向位置検出装置の
誤検出である。つまり、前此位置検出装置の投光系７１
０及び検出系７１１の検出は主としてレジスト表面で反
射する光を検出するように設計されているが、実際には
検出光はレジスト内にも入り込んでしまう。その結果一
部の光はウェハ基板Ｗ上で反射し、半導体の製造工程、
レジストの厚さ等に依存して誤検出がおきて時としてミ
クロンオーダーのオフセットが必要とされることがある
。

第２の問題点は計測に時間がかかることである。半導体
製造工程においては、ウェハ１枚を露光するのにかかる
時間を縮小することが必要となフてきている。従来のＴ
ＴＬによる自動焦点検出方法は、合焦位置検出のため対
象物を露光光学系の光軸方向に多数回変化させなければ
ならない。

又、動かさなければ焦点位置がどちらの方向にあるかを
判定することができない。このためＴＴＬでは計測に時
間を多く費やすためショット毎に検出を行うことは実質
的に不可能であった。

従フて現在の最大の課題は露光光学系の特性な直接観察
できて精度の高いＴＴＬの特性を保つとともに、高速の
焦点合わせな行う方法及び装置を実現することであると
いえる。

（課題を解決するための手段） 本発明では、別種の波長領域にある数種の光が光源より
発してレチクル上の微細パターンを照明することを特徴
としている。そしてレチクルを通過した光は露光用光学
系を経てウェハを照射し、ウェハ表面で反射した後、再
び前記露光光学系及び前記微細パターンを通過して検出
光学系に入射する。検出光学系に入った光は再び波長別
に分割され、各波長に対応して設けられた光電変換系で
検出された電圧量より評価量を算出して該評価量より露
光光学系の焦点補正を行う。本発明は露光光学系の色収
差を積極的に利用することにより、従来の系の欠点を解
決した自動焦点合わせ手段を有した半導体露光装置を提
供している。

（実施例） 第１図は本発明の自動露光焦点補正装置を有する縮小型
の半導体露光装置の概念図である。第７図と同じくＲは
レチル、Ｗはウェハ、１１は縮小レンズ、１０は縮小レ
ンズ１１の光軸（２軸）及びそれに直交する面内方向（
ｘ−ｙ軸）に移動可能なＸＹＺステージである。レチク
ルＲの下面には本発明で使用する自動焦点合わせ用パタ
ーン１２が配置されている。第２図に示したのは該パタ
ーンの詳細図である。

前記半導体露光装置は露光照明系１３１からの露光光に
よりレチクルＲ上の回路パターンをウェハＷ上に５対１
の割合で微小レンズ１１て縮小して転写する。

次に本発明の色収差を利用した自動焦点合わせ方法につ
いて詳述する。ここで初期状態における露光光の焼き焦
点は予めわかっているものとする。白色光源１９から発
せられた白色光はミラー１８によって方向を曲げられた
後、照明光学系１７を通過しバントパスフィルター１６
に到達する。バンドパスフィルター１６は波長の異なる
３種類の光α、β、γを含む光束を選択的に通過させる
役目をする。ここては光α、β、γの波長をそれぞれ＾
　、λβ、λアとする。

α バントパスフィルター１６によって選ばれた光α、β、
γはハーフミラ−１５で反射し方向を変えた後に対物レ
ンズ１４を通り、ミラー１３によってレチクルＲに導か
れる。レチクルＲには前述のようにパターン１２が配置
されており、パターン１２を通過した光が縮小レンズ１
１に入射する。縮小レンズ１１を経た光線はウェハＷに
よって反射して、再び縮小レンズ１１及びパターン１２
を通り、ミラー１３によって対物レンズ１４に再入射す
る。光α、β、γは対物レンズ１４を通った後、ハーフ
ミラ−１５を通過し、ダイクロイックミラー列１２０，
１２１部に至り、ここで各波長ごとの分離が行われる。

光線αはダイクロイックミラー１２０によって反射され
、集光レンズ１２３により集光されて、その光強度をフ
ォトディテクタ１２６で積分して計測される。

同様に光線βはダイクロイックミラー１２０を通過後、
タイクロイックミラー１２１て反射され、集光レンズ１
２４により集められて、フォトディテクタ１２７で光強
度が計測される。

光線γはダイクロイックミラー１２０．１２１を通過し
、ミラー１２２によって方向を変換した後、集光レンズ
１２５を経てフォトディテクタ１２８により光強度か計
測される。

本発明で使用するレチクル上の微細パターン１２は第２
図に示されているように、レンズ１１のメリディオナル
方向とサジタル方向に各々対応する、同一面積を有する
縦横のパターンて形成されているため、色による非点収
差は平均化され影響を与えない。

従来の方法において紹介したように光線α、β、γの夫
々の光強度に対応するフォトディテクタ１２６．１２７
．１２８の電圧ｖ　　、ｖβ、α ■　は、ウェハＷの光軸方向の位置２の関数となγ る。自動焦点補正用の制御装置１３０によってＸＹＺス
テージ１０をＺ方向に駆動させ、各２での前記フォトデ
ィテクタの出力Ｖ、ＶＶα　　β゛　γ を計測すると、各光線に対応する特性は主として縮小レ
ンズ１１の軸上色収差により第３図（Ａ）の様になる。

ここで横軸はウェハの光軸方向の位置Ｚ、縦軸は出力電
圧である。電圧Ｖｃｃ、ｖβ、■　は縮小レンズの色収
差、光源のスペクトル特γ 性、フォトディテクタの感度の色依存性などの要因によ
って絶対値か左右される。

１２９に示しであるのは前記出力に基つき焦点位置を決
定する評価関数演算装置である。評価関数演算装置１２
９ては各フォトディテクタの出力差を考慮して評価関数
ｆ　　（ｚ）を予め計測してμ 求めたＶ　　　　に対して μ　ｍａｘ ｆ　（Ｚ）−ｖ　（Ｚ）／Ｖ、７ｍ８Ｘμ　　　　　　
　　　　　　μ μ＝α、β、γ と規格化し定義している。■　　　　は各μ＝μ　ｍ　
ａ　ｘ α、β、γに対しての最大値である。この結果評価関数
ｆ　　（ｚ）は第３図（Ｂ）のようになる。

μ ここで各評価関数に対して最大値をもつ２の値をそれぞ
れξ。、ξβ、ξアとすると、この３つの値は各波長に
対する合焦点位置であることが分かる。これは第４図に
示す露光光学系の軸上色収差に対応している。第４図で
横軸は波長、縦軸は軸上色収差を示す。

ここである２の値に対する各波長での評価関数の割合を
光線βを基準として δ　（２−ξβ）　＝ｆｃｔ（Ｚ）／ｆβ（Ｚ）α δ　（２−ξβ）　＝　ｆ　ｙ　（ｚ）　／　ｆβ（Ｚ
）γ と定義する。

軸上色収差の値を示す１ξ　−ξβ１及び１ξβ一ξ　
１の値は、評価関数ｆ　　（ｘ）を正準分布γ　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　μとみなしたとき
の偏差値σよりも大きくならないようにする必要があり
、光線α、β、γの波長λ　　λ 。、　β、λアはこのような制約の下で選ばれる。光線
α、β、γの波長λ　、λβ、λアα では縮少レンズ１１が非点収差、球面収差、コマ収差、
歪曲収差などを持っており、それらが評価関数を変形さ
せるので、その変形が無視できるような波長を選ぶ必要
がある。更に波長が露光光に近くなる、又はそれより短
くなると露光が起こってしまうので、波長は露光波長よ
り長く選ぶことが好ましい。

しカルながら光線α、β、γの波長λ。、λβλ　とし
て露光波長域の光を用いるさいには、γ 余分な部分への露光を避けるために視野絞りによってビ
ームを絞り、ウェハ上のスクライブライン上を照射して
も良い。

次に光線α、β、γによるＴＴＬ自動焦点合わせによる
実際の露光光の焦点補正について説明する。露光光学系
１１は既に述べてきたように露光動作を行ったことに伴
う露光エネルギーの吸収や、気圧、気温の変化に対して
敏感にその合焦点位置を変える。それらは時間ｔをパラ
メータとして持つので以下の議論では、露光光の焦点位
置ξを 　ｘ ξ　　　＝ξ　　　　（１） ｅｘ　　　　　　　ｅｘ として時間ｔの関数とする。従ってα、β、γに対する
合焦点位置は ξ　＝ξ　（１）　　　με（α、β、γ）　（１）μ
　　　　　μ で表わされる。ここで評価関数Ｆ　を μ Ｆ　　　＝Ｆ　　　（ｚ、ｔ） μ　　　　　μ 但し　Ｆ　　（ｚ、０）＝ｆ　　（ｚ）μ　　　　　　
　　　　　　　　　　μμε　（α、γ） として定義する。ここで露光光による合焦点位置の変化
、即ち ｓｕｐ　ｌξ　　（１）−ξ　　（０）＋　　（２）ｅ
ｘ　　　　　　　　　　　　　　ｅｘが充分小さい場合
には、基準波長βと露光波長との合焦位置差に関して σ（Δξβ）σｔ＝０； Δξβ＝ξｅｘ　（ｔ）−ξβ（ｔ）　　　（３）Ｆ　
　　（ｚ、　　ｔ）＝ μ Ｆ　　　（ｚ＋ξ　　　　（１）　　−ξ　　　　（０
））μ　　　　　　　　　ｅｘ　　　　　　　　　　　
　ｅｘμε　（α、γ）　　　　　　　　　　（４）の
近似が成り立つことは一般に知られている。

第５図は本発明の具体的な信号処理法を示した流れ図で
ある。流れは大きく８つのステップより成っている。ス
テップ０は初期状態である。この時点、即ち時刻１＝０
での焼き焦点位置は予め知られているものとする。続い
てステップｌでは前述の方法により１＝０での評価関数
ｆ　　、ｆβ、α ｆ　を評価関数演算装置１２９において２の開数γ として記憶する。ここで１＝０で判っている焼き焦点の
２位置より δａ。ミｆａ（ξβ）／ｆβ（ξ、５）ｌｔ−。

（５） として定義することのできるδ　　、δ　０の値α　　
　　　　　γ 及び、式（３）のΔξβを計算し記憶しておく。

各波長に対する出力の比率を予め記憶してあくことによ
り、合焦点位置に達した場合における状態を知っておく
ことができる。

ステップ２に・おいては適当に分割された計測時間の数
列ｔｎの設定が行われる（ｎ＝１．２．・・・ｍ−１）
。このようにして計測のタイミングが設定されると供に
、露光及び計測かｍ回行われるようにステップ３て判別
が入る。

ここでステップ４ては既にｎ−１回の計測及び露光が終
りでいるものとする。即ちステップ４ての状態はξ、、
（ｔ＝ｔ、−１）の光学的位置に又ｎ−１回目の露光シ
ョット位置にウェハが存在している。ここで自動焦点制
御装置１３０によってｘＹＺステージ１０を光軸方向に
Δξだけ駆動させてξ　（ｔ”ｔｎ−１）にする。又ウ
ェハを光軸β と垂直方向に駆動させてｎ回目の露光ショット位置にセ
ットする。ここでいう露光ショット位置セットはウェハ
の交換及び光軸と垂直方向の位置合わせも含む。但し、
ｎ＝１の時はＸＹＺステージ１０は所定の初期状態にセ
ットされるものとする。次いてステップ５においてシャ
ッター１１０を開けて計測を行い、評価関数演算装置１
２９内で評価関数を求め、その点でのδ　　δ　が求め
α゛　　　　γ られる。ステップ６はステップ５において求められたδ
　　δ　より、現在のウェハの光軸方向のα゛　　　γ 位置２＝ξ　（ｔ”ｔｎ−１）が計測の基準波長ββ の合焦点位置であるξβ（１＝１ｎ）に対してどの位置
に存在しているかを、予め求めておいた第６図のＺに対
するδ　、δ　の特性曲線より求α　　　　　γ める作用を行う。δ　、δ　の関数形は第３図のα　　
　　　γ ｆμ（με（α、β、γ））より容易に求めることがで
きる。即ち評価関数演算装置１２９内でΔ２　＝ξ　（
１＝１ｎ）−ξ　（ｔ＝ｔｏ−８）μ　　β　　　　　
　　　μ ＝δ　−１（δ　（ξ　（１＝１ｏ−＋）μ　　　μ　
　β 一ζβ（ｔ＝ｔｎ）））　　　　　　（６）με（α、
γ） としてδの逆関数より、合焦点からのずれ量Δ２を求め
ることができる。このようにして求まったΔ２の値によ
り、ｎ回目の計測時間１＝１．で光βに対する合焦点位
置ξβ（１＝１ｎ）を知ることができる。更に（３）式
で定義したΔξの値を使用すれば、露光波長での合焦点
位置はξ　（１＝１　　）＝ξβ（１＝１１）＋Δξｅ
ｘ　　　　　　　　　　ｎ （７） として求めることができる。この値より自動焦点制御装
置１３０よりウェハを露光位置であるξｅＭ（１＝１．
）に駆動させ露光させるのがステップ７である。このよ
うにして検出光である光線α、β、γのバランスを取る
ことによって露光光学系の時間変化を容易に補正するこ
とが可能である。

ウェハが上記の流れに従って露光位置に駆動され露光が
行われる。

本実施例ではステップ２において数列ｔ。はアプライり
に与えられたか、必ずしもアプリオリに与える必要はな
い。

（発明の効果） 以上説明したように本発明ではＴＴして互いに波長の異
なる光を通過させ、該波長での各々の出力を比較するこ
とにより、高速な自動焦点合わせを可能としそ。本発明
はＴＴＬ方式でウェハからの出力を直接数るために従来
の非ＴＴＬ方式にみられるような誤計測は起こらない。

又複数の波長の情報を有効に使用するので従来のＴＴＬ
方式の欠点である時間がかかるという点も克服している
。このように本発明ではＴＴＬの利点を保存しながら従
来の欠点を解消しており、これにより半導体露光装置に
おいて露光時の焼き焦点の位置の検出が大幅に改善され
ることとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による焦点検出装置を具備した半導体露
光装置の概略図、第２図は本発明で使用するオートフォ
ーカスマーク、第３図は本発明の出力及び評価関数を示
す図、第４図は露光光学系の色収差を示す図、第５図は
本発明のフローを示す図、第６図は焦点位置からの距離
と評価関数の比を示す図、第７図は従来の焦点検出装置
を具備した半導体露光装置の概略図、である。 図中、Ｗはウェハ、Ｒはレチクル、Ｂは基準面、１０は
ｘｙｚステージ、１１は露光光学系、１２はオートフォ
ーカス用マーク、１３はミラー、１４は対物レンズ、１
５はハーフミラ−１６はバントパスフィルター、１７は
照明光学系、１８はミラー、１９は光源、７０は対物レ
ンズ、７１はハーフミラ−７２は集光レンズ、フ３は照
明光学系、７４はファイバー、７５はシャッター　７６
はフォトディテクタ、７７は演算装置、７８は制御装置
、７９は露光照明光学系、１２０．１２１はダイクロイ
ックミラー１２２はミラー　１２３．１２４．１２５は
集光レンズ、１２６．１２７．１２８はフォトディテク
タ、！２９け評価値演算装置、１３０は制御装置、７１
０、フ１１は光学位置検出装置、である。 第 図 ９ 図面の浄書（内容に変更なし） 第　　　　２　　　　図 第 図（Ａ） 第 ５ 図 第 図 手 続 ネ甫 正 書（自発） 事件の表示 平成 ２年 ９７２７４号 発明の名称 露光装置 補正をする者 事件との関係

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）自動焦点補正装置とレチクルの回路パターンをウ
   ェハ上に投影する投影レンズ系とを備えた露光装置にお
   いて、該自動焦点検出装置は互いに異なる波長域をもっ
   た複数個の光を微細パターンを通して前記投影レンズ系
   に投射し、該投射された複数個の光はウェハで反射した
   後、再び前記投影レンズ系、前記微細パターンを通過し
   て各波長毎に別個に検出され、該検出された複数個の光
   の出力が、前記投影レンズ系の軸上色収差に基づいて演
   算評価されることによって前記投影レンズ系の焦点位置
   を検出することを特徴とする露光装置。