JPH0344914A

JPH0344914A - 露光装置

Info

Publication number: JPH0344914A
Application number: JP1181046A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yamamoto; 正樹山本; Takeo Sato; 佐藤　健夫; Shinichiro Aoki; 新一郎青木; Yoshiyuki Sugiyama; 杉山　吉幸
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-07-13
Filing date: 1989-07-13
Publication date: 1991-02-26
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: JPH0732116B2

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、レチクル上のパターンを投影光学系を介して
ウェハ上に転写する露光装置に関するものである。

従来の技術従来より、半導体装置はますます高密度化され、各々の
素子の微細パターンは０５μｍ以下に及ぼうとしている
。このような微細パターンの露光において、半導体製造
時に必要とされるような多数回にわたる重ね合わせ露光
を行うためには、各露光間の位置合わせがきわめて大切
であり、その重ね合わせ精度は０．１μｍ以下が必要と
される。この露光装置として、特開昭６３−７８００４
号公報に記載の構成が知られている。以下、第５図を参
照して従来の露光装置について説明する。第５図は露光
装置の構成図である。第５図において、高精度な位置合
わせを実現するために、レチクル１１４面上に形成され
た１対の格子１１０．　１１０’によって波面分割され
た光束のうち、第１のレンズ１１５．１１５’のスペク
トル面で適当な光束を空間フィルタ１１６゜１１６′に
よって通過させ、更に第２のレンズ系１１７゜１１７′
、投影レンズ１１９を通過させ、基板上に設けた第２の
１対の格子上１２１．　１２１’に投影する。第２の格
子１２１．　１２１’からは、回折光１２２．１２２’
が回折され、この回折光１２２．　１２２’は逆方向に
、投影レンズ１１９．第２のレンズ１１７．　１１７’
中を通過し、光検出器１２３．　１２３’に導びかれる
。また、基板上の第２の格子１２１．　１２１’に２光
束を適当な方向から投影すると、回折光同志が重なった
方向に回折され、各々が干渉する。この干渉した１対の
回折光強度を光検出器１２３．　１２３’で検出し、そ
れらの差がゼロとなるようにすることで前記レチクル１
１４とウェハ１１８との高精度な位置合わせが可能とな
る。

発明が解決しようとする課題しかし、以上のような構成では、露光光とアライメント
光がほぼ同波長であり、投影光学系が両者に対して同様
に良好な結像性能を発揮する場合のみ有効であるという
課題がある。たとえば、将来露光光の主流になると期待
されるエキシマレーザ等の紫外光に対しては、屈折光学
系を構成するための硝子材料が限られるため、色収差を
補正した色消し投影光学系を構成することはきわめて困
難である。このため投影光学系は露光波長でのみ十分に
色補正されるように設計され、他の波長に対しては非常
に大きな色収差を示すため、アライメント波長は露光波
長に十分近いことが望ましい。

ところが半導体製作のプロセスからの要望としては、ア
ライメント波長は露光波長から十分に離れていることが
要請される。この理由として、化学増感レジスト等の高
感度レジストの使用にともない、アライメント光による
レジストの露光が心配される点、及び投影光学系の結像
性能の限界を補うために使用される多層レジストや、多
重反射を防止する染料入りレジストによる露光光の吸収
にともなうアライメント光の減衰により、アライメント
精度が低下しまう点等がある。

つまり、プロセス上の理由によりアライメント光の波長
は露光波長より離れていなければならず、ここで説明し
た従来の構成では、アライメントが困難になる課題があ
る。

本発明はアライメント光として露光波長とは異なる波長
を用い、更に投影光学系の色収差を十分に補償し、回折
格子を用いた投影レンズを通して行うアライメント（ス
ルー・ザ・レンズ・アライメントまたはＴＴＬアライメ
ント）を行えるようにした露光装置を提供することを目
的とする。

課題を解決するための手段本発明は第１物体と第２物体を露光波長とは異にるアラ
イメント波長を用いて位置合わせする位置合わせ光学系
内において、アライメント光を波面分割する回折格子か
らなる位置合わせ用マーク、および空間フィルタリング
を行う光学系、および投影光学系の特定位置での色収差
を十分に補正するような補正光学系、及び光検出器によ
り構成したものである。

作用本発明は上記構成により、レチクル上の回折格子からな
る位置合わせワークをウェハ上の回折格子からなる位置
合わせマーク上に、露光波長とは異なる２周波のコヒー
レント光を用いて投影し、空間フィルタリングを行なっ
た後に光検出器でアライメント光を受光することにより
、ビート信号を検出し、その位相情報からウエノ・のレ
チクルに対する位置ずれ量を検知し、この位置ずれ量か
らウェハとレチクルとの位置関係を操作することにより
、両者の正確な位置合わせが可能になる。

実施例以下、第１図から第３図を参照して本発明の第１実施例
について説明する。第１図は本発明の露光装置の構成図
であり、第２図は本発明に用いられる色補正を行う投影
レンズの画角内の特定領域を示すレチクルの平面図、第
３図は同じく本発明に用いられるレーザ光源から出射さ
れるレーザ光の偏向状態を示す偏向方向図である。第１
図において、ｌは露光用の原版であるレチクル、２はパ
ターンを露光するウェハ　４は光源、５はレチクル１上
に設けられた位置合わせ用マーク、７，７′は空間フィ
ルタリング光学系、９は色収差を補正するための補正光
学系、３は投影レンズ、１０はアライメント光、６はウ
ェハ２上に設けられた位置合わせマーク、１１は位置合
わせマーク６により回折されたアライメント光である。

次に、第２図において、レチクル１に対する有効画角２
１、及び色補正を行った特定領域２２を示す。

以上のような構成において、以下その動作について説明
する。まず、レチクル１の像をウェハ２上に投影するよ
うに投影レンズ３が配置されている。投影レンズ３は露
光波長に合わせて設計されているため、光源４から出射
されるアライメント光１０で照明されるレチクル１上の
位置合わせマーク５を投影レンズ３だけでウェハ２上に
結像することは、色収差が大きすぎて不可能である。こ
こで、レチクル１上の位置合わせマーク５は回折格子よ
りなっており、透過光は多数の回折光に分割される。こ
の回折光を空間フィルタリングするために、空間フィル
タリング光学系７，７′と空間フィルタ８を透過させる
。さらに、色収差を補正するための補正光学系９を透過
した光は、投影レンズ３によりウェハ２上の位置合わせ
マーク６上に到達する。ここで、補正光学系９はたとえ
ば第２図に示すように、投影レンズ３の有効画角２１の
特定領域２２（図中では同一円環領域）において、投影
レンズ３の色収差を補正しており、光源４から出射され
るアライメント光１０で照明されたレチクル１上の特定
領域２２内に存在する位置合わせマーク５は、ウェハ２
上に正確に投影結像される。つまり、実際の露光光であ
るＫｒＦエキシマレーザの光（λ−２４８，！Ｊｕｎ）
に対する投影レンズに用いられる石英等の屈折率は、エ
キシマレーザ光のような紫外光と、アライメント光１０
のような可視光に対する屈折率が大きく異っている。こ
のため、エキシマレーザ光に合わせて最適設計された投
影レンズ３のアライメント光１０に対する色収差はきわ
めて大きく、投影レンズ３の全画角を色補正できるよう
な補正光学系を設計することはきわめて難しい。そこで
、本実施例のように、投影レンズ３の画角の中で、位置
合わせマーク５の存在するごく限られた領域に対して色
補正を行うような補正光学系９を用いることで、補正光
学系９の設計はかなり容易なものとなる。次に、ウニ／
Ｓ２上に結像される回折格子のピッチＰｒ’は、レチク
ル１上の位置合わせマーク５のピッチをＰｒ、投影レン
ズ３の露光波長に対する倍率をＭとすると、アライメン
ト光１０に対しても、倍率Ｍの光学系として色補正され
ることから、Ｐｒ’　＝　（Ｐｒ／　２　）／Ｍという関係となる。さらに、ウエノ・２上の位置合わせ
マーク６も回折格子からなり、そのピッチＰｗば、ＰＷ＝Ｐｒ／Ｍで表されるので、・ウエノ・２上の位置合わせマーク６
に入射したアライメント光１０のうち±１次の回折を受
けたものは、回折光１１で示す光路を通り、投影レンズ
３、補正光学系９、空間フィルタリング光学系７を通っ
た後、空間フィルタ８の上側に設けられた全反射ミラー
１２によって光路外に取り出され、光検出器１４に入射
する。次に、光検出器１４の信号出力よりレチクル１と
ウェハ２の位置ずれ量が測定でき、図示していないが、
前記測定データを用いてウェハ２用ステージ、あるいは
レチクル１．用ステージを駆動することで、レチクル１
とウェハ２の位置合わせを行うことができる。ところで
光源４は第３図に示すように、互いに直交偏光した、周
波数がｆ、、　　ｆ、のコヒーレント光を射出する光学
ユニットであり、このような光学ユニットとしては、レ
ーザ管に磁場をかけることにより２周波を得るゼーマン
レーザや、一方向に伝播する超音波や回転回折格子を用
いてレーザ光をドツプラーシフトさせることにより２周
波を得るような装置が利用できる。また、ｆｌとｆ、の
周波数差として数十ＫＨｚ〜数十ＭＨｚが一般的である
。

次に、光源４を出射した光は、レチクル１上の位置合わ
せマーク５、空間フィルタリング用レンズ系７，７′を
通過した後、偏光光学素子１３．１３’に入射する。偏
光光学素子１３．１３’はコヒーレントな２周波のアラ
イメント光ｆ、、　　ｆ、のうちどちらか一方のみを透
過し、さらに透過光が円偏光になるような働きをする。

このような偏光光学素子１３、１３’は偏光板や偏光ビ
ームスプリッタと位相板の組合わせ、あるいは適切に設
計された誘電体多層膜によって実現できる。

次に、偏光光学素子１３を透過したアライメントは光ｒ
１およびｆ、は、補正光学系９投影レンズ３を通過しウ
ェハ２へ至り、再び投影レンズ３、補正光学系９を通り
、全反射ミラー１２によって光検出器１４上へと導かれ
る。光検出器１４上に導かれたアライメント光１０は、
ｆｌとｆ２の２周波よりなり両者は共に円偏光により互
いに干渉しｒｌとｒｌの差周波に相当するビートを生じ
る。ビート周波数は光検出器１４の検出周波数帯域内で
あるため、光検出器１４の出力はビートに相当する正弦
波ｂ　（ｔ）となる。光検出器１４に至るアライメント
光ｒ１とｆ２は偏光光学素子１３の働きによって別々の
経路を通っている。このため、光検出器１４上に至るア
ライメント光ｆ、とｆ、は次に示すウェハ２の変位に関
する情報を含んでいる。

ｆ　ｔ（ｔｌ＝Ａｓｓｆｎ（２ｙｃ　ｆ　１　ｔ−２π
−）　　　・−・・（１）ｗｆｔ（ｔｌ＝Ａｔｍ（２πｆｓ　ｔｌ２π−）　　　　
−・・４２）ｗここで、ｆｌ（ｔ）、　　ｆ雪（ｔｌはアライメント光
ｆ、、　　ｆ。

の電界強度を表し、Ａ、、　Ａ、は電界振幅である。

また、△Ｘはウェハ２の紙面に平行な方向の変位である
。

次に、ビート信号ｂ　（ｔ）はアライメント光ｆ１とｒ
ｌの干渉の結果生じ、１）　（ｔｌ＝　Ｋ　ｌ　ｆ　１（ｔｌ＋　ｆ　ｔ（ｔ
）ビ＝Ｋ　Ｉ　Ａ、’＋Ａ：＋　２ＡｔＡｔｃｏｓ　（
２ｙｃ　（ｆｌ−ｆｔ）　ｔで表すことができる。ここ
でＫは比例定数である。

このように、ビート信号ｂ　（ｔｌは正弦波の位相の中
にウェハ２の位置ずれ△Ｘの情報を持っていることがわ
かる。そこで、ウェハ２の変位△Ｘの情報を含まないビ
ート信号を検出するもう１つの光検出器（図示せず）を
用い、２つの光検出器の出力を位相差検出用測定器（た
とえば位相計）により。

測定すれば、ウェハ２のレチクル１に対する変位△Ｘを
正確に知ることができる。

以下、第４図を参照して本発明の第２実施例について説
明する。第４図は本発明の露光装置の構成図である。第
４図において、１は露光用の原版であるレチクル、２は
パターン露光するウェハ４は光源、５はレチクル１上に
設けられた位置合わせ用マーク、９は色収差を補正する
ための補正光学系、７，７′は空間フィルタリング用光
学系、３は投影レンズ、１０はアライメント光、６はウ
ェハ２上に設けられた位置合わせマーク、１１は位置合
わせマーク６により回折されたアライメント光である。

以上のような構成において、以下その動作について説明
する。

まず、前記光源、４から出射したコヒーレントな２周波
のアライメント光１０はレチクル１上の位置合わせマー
ク５の回折格子で波面分割された後、０次回折光は全反
射ミラー１２によって遮光され、±１次回折光のみが前
記偏光光学素子１３．１３’に入射する。偏光光学素子
１３．１３’で２周波酸分ｆ、、　ｆ。

のどちらか一方のみを透過し、補正光学系９と投影レン
ズ３により、ウェハ２上に結像する。ウェハ２上の位置
合わせマーク６で回折されたアライメント光１１は、投
影レンズ３、補正光学系９、全反射ミラー１２を通過し
、空間フィルタリング用光学系７，７′および空間フィ
ルタ８に入射する。ここで、ウェハ２の表面状態に起因
するスペックルノイズなどを空間フィルタ８によりカッ
トした後光検出器１４上に回折光１１を結像する。光検
出器１４では本発明の第一実施例と同様の理由から、ウ
ェハ２の変位ΔＸを位相情報として持つビート信号が得
られ、これよりウェハ２の変位△Ｘを正確に測定するこ
とができる。

以上、本発明につき実施例を用いて説明したが本発明の
第１実施例においては、補正光学系９と空間フィルタリ
ング用光学系７，７′の投影レンズ３に対する取付位置
精度はきわめて重要である。

仮に、補正光学系９か空間フィルタリング用光学系７，
７′が何らかの原因で位置ずれしたとするとレチクル１
上の位置合わせマーク５とウェハ２上の位置合わせマー
ク６との共役関係がずれてしまう。従って、補正光学系
９と空間フィルタリング用光学系７，７′は投影レンズ
３に対して長時間安定性を持って強固に固定されなけれ
ばならない。

また、本発明の第２実施例においては、補正光学系９の
投影レンズ３に対する取付位置精度が重要である。よっ
て、補正光学系９を投影レンズ３と一体に作る等の工夫
が必要である。

このように本発明では、特定位置に置かれたレチクル上
の位置合わせマークを、露光波長とは異なるコヒーレン
トな２周波のアライメント光を用い゛〔照明し、位置合
わせマークで回折された＋１次＝１次回折光に対し、ア
ライメント光の２周波成分子、、　　ｆ、のうち一方の
みを通過させ、補正光学系と投影レンズによって、ウエ
ノ・上の位置合わせマーク上に投影し、再回折した光を
空間フィルタリングした後に、光検出器上に導き、ビー
ト信号を検出し、その位相情報を調べることでウニ・・
のレチクルに対する位置ずれを知ることができ、この位
置ずれ検出量にもとづいてウエノ・とレチクルを操作し
て位置ずれをなくし、正確なアライメントを行うことが
できる。

発明の効果以上のように本発明は、位置合わせマークの存在領域に
対する色収差を十分に補正する補正光学系を用い、レチ
クル上の回折格子からなる位置合わせマークをウェハ上
の回折格子からなる位置合わせマーク上に、露光波長と
異なるコヒーレント光を用いて投影し、空間フィルタリ
ングを行った後に光検出器で受光することで、高精度な
ＴＴＬアライメント系を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例における露光装置の構成図
、第２図は本発明に用いられる色補正を行う投影レンズ
の画角内の特定領域を示すレチクルの平面図、第３図は
本発明に用いられるレーザ光源から出射されるレーザ光
の偏光状態を示す偏光方向図、第４図は本発明の第２実
施例における露光装置の構成図、第５図は従来の露光装
置の構成図である。１・・・レチクル、２・・・ウェハ　３・・・投影レン
ズ、４・・・光源、５・・・位置合わせマーク、６・・
・位置合わせマーク、７・・・空間フィルタリング光学
系、８・・・空間フィルタ、９・・・補正光学系、１０
・・・アライメント光、１１・・・回折光、１２・・・
全反射ミラー、偏向光学素子、１４・・・光検出器。１３゜１３′・・・

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の物体と第２の物体の位置合わせ、並びに露
光する際、少なくとも露光波長と異なる波長を持つコヒ
ーレントな光を出射する光源と、投影光学系の特定領域
の色収差をほぼ完全に補正することを目的とした色収差
補正光学系と、空間フィルタリング用光学系と、光検出
手段からなる投影光学系を通して位置合わせを行う系と
を具備してなることを特徴とする露光装置。
（２）第１の物体、及び第２の物体上には回折格子から
なる両者の位置合わせ用マークが設けられていることを
特徴とする請求項１記載の露光装置。
（３）少なくとも第１の物体上に位置合わせ用の回折格
子が設けられ、これをコヒーレントな光によって照明し
、色収差補正光学系、空間フィルタリング光学系、及び
投影レンズの少なくとも一部を用いて前記第２の物体上
に投影することを特徴とする請求項１記載の露光装置。
（４）コヒーレント光の通過する経路には、第１の物体
、空間フィルタリング用光学系、色収差補正光学系、第
２の物体、投影レンズ、色収差補正光学系、空間フィル
タリング用光学系、及び光検出手段が順番に設けられて
いることを特徴とする請求項１記載の露光装置。
（５）コヒーレント光の通過する経路には、第１の物体
、色収差補正光学系、投影レンズ、第２の物体、投影レ
ンズ、色収差補正光学系、空間フィルタリング用光学系
、及び光検出手段が順番に設けられていることを特徴と
する露光装置。
（６）コヒーレント光を出射する光源は、２周波のコヒ
ーレント光を発生する光源を用い、第１の物体の位置合
わせ用マークを透過する光の光路上に、少なくとも１個
の偏光光学素子を設けたことを特徴とする請求項１記載
の露光装置。