JPH04219919A - 投影露光装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレチクル面上に形成した
電子回路パターン（レチクルパターン）をウエハ面上に
所定倍率で投影し露光する半導体素子製造の際に好適な
投影露光装置に関し、特に所謂位相シフト法を利用して
投影レンズによるレチクルパターンの投影面（ピント面
）を精度良く検出し、高精度な投影露光を可能にした投
影露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に半導体素子製造用の縮少型の投影
露光装置において高解像力を維持する為にはウエハ面上
にレチクルパターンを高精度に投影させる必要がある。 このうちウエハ表面にレチクルパターンを繰り返して縮
少投影し露光する所謂ステッパーと呼ばれる投影露光装
置においては投影レンズによるレチクルパターンの投影
面（ピント面）を検出すると共にウエハ表面を例えば面
位置検出手段で検出し、これよりウエハ表面と投影面と
を精度良く合致させることが重要となってくる。

【０００３】従来よりウエハ表面の露光位置（面位置）
決定方法としてエアマイクロセンサを用いる方法とウエ
ハ表面に斜方向から光束を入射させ、ウエハ表面からの
反射光の所定位置からの位置ずれ量を光学的に検出する
方法（光学的方法）が知られている。

【０００４】図１５は従来の面位置検出装置を備えた縮
少型の投影露光装置の要部概略図である。同図において
１は縮少型の投影レンズであり、不図示のレチクルパタ
ーンをウエハ２面上に投影している。又ウエハ２は上下
方向及び傾きが制御可能なステージ３に載置されている
。１１５は結像レンズでありレーザやＬＥＤ等の光源１
１４の光源像をミラー１１６を介してウエハ２面上のチ
ップ中心である反射点２ａに結像している。

【０００５】ウエハ２で反射した光束はミラー１１７で
反射し、結像レンズ１１８によりポジションセンサー１
１９面上に入射し光源像を結像している。

【０００６】同図に示す面位置検出装置においてはウエ
ハ２面上の光束の反射点２ａとポジションセンサー１１
９上の入射点１１９ａとを結像関係となるようにし、ウ
エハ２の上下方向の面位置ずれ量をポジションセンサー
１１９上の光束の入射位置より検出している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述のエアマイクロセ
ンサーを用いる方法も光学的方法も投影レンズのピント
位置を直接測定しないでウエハ表面を予め設定した位置
（実験又は計算により求めたピント位置に相当する位置
）に合致させるという機構を用いている。

【０００８】この為気圧や温度等の環境変化があると投
影レンズのピント位置が変化してきてウエハ表面と投影
レンズのピント位置（投影面）がずれてくるという問題
点があった。

【０００９】本発明は所謂位相シフト法を利用し、投影
レンズによるレチクルパターンの投影面（ピント面）を
直接測定することにより気圧、温度等の環境変化の影響
による投影面の位置変化を検出することにより、常にウ
エハ表面を投影面に合致させ、高精度な投影露光を可能
にした投影露光装置の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の投影露光装置は
レチクル面上の電子回路パターンを投影レンズによりウ
エハ面上に投影露光する投影露光装置において基板面上
に透明部と不透明部とから成るマークを設けると共に、
該マークの不透明部を挟んで隣接した透明部のうちの少
なくとも一方の透明部に隣接した透明部を発する透過光
に対して所定の位相差を付与する位相部材を設けたパタ
ーンを該投影レンズを介して受光素子面上に投影し、該
受光素子面上に形成したパターン像の１次元方向の強度
分布を測定手段で測定し、該測定手段からの信号を利用
して、該投影レンズにより投影したパターン像の投影面
位置を求めるようにしたことを特徴としている。

【００１１】特に本発明では前記透明部に付与する位相
部材は透過光に１８０°×ｎ（ｎ＝０、±１、±２・・
・）以外の位相差を付与していることを特徴としている
。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図である
。同図において１は縮少型の投影レンズでありウエハ側
がテレセントリックの射出テレセントリック系より成っ
ており、レチクル１８面上の電子回路パターン（レチク
ルパターン）をウエハ面上に投影倍率１／５〜１／１０
程度で投影している。３はステージでありステージドラ
イバー１０２により水平方向（Ｘ，Ｙ方向）と垂直方向
（Ｚ方向）、そして傾き方向（θ方向）に駆動制御され
ている。ステージ３面上にはウエハ２と後述する位相シ
フト法により投影レンズ１の投影面（ピント面）を検出
する為の投影面検出手段を構成する投光部材１０１が設
けられている。

【００１３】４，５は各々光源であり各々異った波長の
光を放射しており、ウエハ２面のレジストからの反射光
による干渉による検出誤差の発生を防止している。

【００１４】光源４（５）からの光束をハーフミラー（
ビームスプリッター）６を介して投光レンズ７によりミ
ラー８で反射させた後ウエハ２面の反射面上に集光させ
ている。ウエハ２面上で反射した光束をミラー９で反射
させ、受光レンズ１０により偏光板（又は偏光ビームス
プリッター）１１を介した後、ポジションセンサーダイ
オードや分割センサ等から成る受光素子１２面上に集光
している。

【００１５】尚、偏光板１１によりウエハ２で反射した
光束中に含まれている不要なノイズ光を除去している。 受光素子１２への光束の入射位置を検出することにより
ウエハ２面上のＺ方向の位置を検出している。

【００１６】本実施例では以上の各要素４〜１２を有す
る自動焦点制御手段（面位置検出装置）でウエハ２表面
の面位置を検出している。

【００１７】尚、自動焦点制御手段はウエハ２表面の面
位置が予め設定した位置にくるように制御するものであ
り、この構成は前述した図１５の従来の面位置検出装置
と同じである。

【００１８】次に本実施例においては位相シフト法を用
いて投影面検出手段（後述する各要素１３〜１８）によ
り投影レンズ１を介した光束を用いて投影レンズ１の投
影面（ピント面）を検出している。これにより気圧や温
度等の環境変化の影響により投影レンズ１の投影面（ピ
ント面）の位置が変化したときの誤差（変動量）を補正
し、前述した面位置検出装置で得られた信号とを用いて
ウエハ表面と投影面とが常に合致するようにしている。

【００１９】次に本発明の投影面検出手段の各要素につ
いて説明する。

【００２０】１３はパターンであり、石英等の透明基板
１４面上に形成されている。パターン１３は所定ピッチ
の透明部と不透明部のマークとから成り、このうち不透
明部を挟んで隣接した（両側の）透明部のうちの少なく
とも一方の透明部に隣接した透明部を発する透過光に所
定の位相差を付与する位相部材を設け、これより所謂位
相シフト法が可能なパターンを構成している。これによ
り隣接する透明部を通る光束間に位相差を付与している
。

【００２１】１５は照明光源であり、ステージ３の一部
に設けられており、パターン１３を照明している。尚、
照明光源１５をステージ３以外に設け、導光手段を利用
してパターン１３を照明するようにしても良い。

【００２２】１６はミラー、１７は受光素子であり、１
次元ラインセンサ又はＣＣＤ等から成っている。１０４
は処理回路であり受光素子１７からの信号を処理してい
る。受光素子１７と処理回路１０４で測定手段１０３を
構成している。

【００２３】ここで受光素子１７の受光面はミラー１６
を介してレチクル１８のレチクルパターン面と投影レン
ズ１に対して光学的に等価な位置に配置されている。

【００２４】本実施例では照明光源１５からの光束で照
明されたパターン１３を投影レンズ１によりミラー１６
を介して受光素子１７面上に結像している。

【００２５】図２は平行平面板より成る透明基板１４面
上に設けたパターン１３の要部断面図、図３は図２の平
面図である。図２、図３において９０ａはパターン１３
の不透明部であり、クロム等で形成されている。

【００２６】９０ｂ１〜９０ｂ５（９０ｂ）は各々パタ
ーン１３の透明部であり、一定のピッチで形成されてい
る。９１は位相部材であり不透明部９０ａを挟んで隣接
する透明部のうち一方の透明部に設けられている。位相
部材９１は透過光に対して１８０°×ｎ（ｎ＝０，±１
，±２，・・）以外の位相差を付与するように膜厚や材
質の屈折率等が設定されている。

【００２７】同図では透明部９０ｂ１，９０ｂ３，９０
ｂ５に位相部材９１を設けている。そしてこれらの透明
部９０ｂ１，９０ｂ３，９０ｂ５を透過する透過光に対
して透明部９０ｂ２，９０ｂ４を透過する透過光に比べ
て前述の如く１８０°×ｎ（ｎ＝０，±１，±２，・・
）以外の位相差を付与している。

【００２８】尚、本実施例においてパターン１３は位相
部材９１が施されている透明部と施されていない透明部
、例えば透明部９０ｂ２と９０ｂ３の２つがあれば良い
が、投影面を高精度に検出する為に図２、図３に示すよ
うに全体として５つの透明部、９１ｂ１〜９１ｂ５を設
けた場合を示している。

【００２９】図４、図５、図６、図７は測定手段１０３
で得られるパターン１３のパターン像の１次元強度分布
をシミュレーションした結果の説明図である。図４〜図
７は位相部材９１による位相シフト量を０度から３０度
おきに１８０度まで変化させたときの平行平面板１４（
パターン１３）が投影レンズ１によるレチクル１８の投
影面（結像面）に対して合致した位置にあった場合（デ
ィフォーカス０）と平行平面板１４が投影面に対して光
軸方向に上方向（ディフォーカス（−））と下方向（デ
ィフォーカス（＋））にずれていたときの３つの状態で
のパターン像の１次元強度分布を示している。

【００３０】同図ではパターン１３の透明部９０ｂ１〜
９０ｂ５のうち位相部材９１を設けた透明部９０ｂ１，
９０ｂ３，９０ｂ５と位相部材９１を設けない透明部９
０ｂ２，、９０ｂ４における強度分布がディフォーカス
量に対して、どのように変化しているかを示している。

【００３１】図８は図７における位相シフト量が１８０
度のときパターン１３の透明部９０ｂ３のベストフォー
カスでの１次強度分布のピークを１として、強度０．５
でスライスしたときの強度分布の幅（強度分布幅と呼ぶ
ことにする）が位相シフト量とデフォーカスによってど
のよう変化するかを表わした説明図である。図８より位
相シフト量が０°、１８０°（正確には１８０ｎ°、ｎ
＝０，±１，±２，・・）以外では＋デフォーカスで強
度分布幅が太くなり、−デフォーカスでは細くなってい
る。またベストフォーカスでは位相シフト量にかかわら
ず強度分布幅／ピッチが０．５で一定である。このシミ
ュレーションではデフォーカスによる強度分布変化が最
大になるのは位相シフト量が６０°〜９０°の間である
。これは光源の波長、投影レンズのＮＡ、パターン１３
の透明部９０ｂのピッチ等によって変わるので、実際に
は応用するシステムごとに最適化する必要がある。しか
し０°、１８０°以外の位相シフトを与えるということ
に関しては共通である。

【００３２】図９は図５における位相シフト量が６０度
のときの強度分布幅をディフォーカス変化に対して、図
３の透明部９０ｂ２（９０ｂ４）と透明部９０ｂ３につ
いて表わした説明図である。図９から明らかのようにデ
ィフォーカスの方向による強度分布幅の太り又は細りは
位相部材９１を設けた透明部９０ｂ３とそのとなりの位
相部材を設けない透明部９０ｂ２とでは逆になってくる
。

【００３３】そして本実施例のシミュレーションにおい
てはベストフォーカスで強度０．５のスライスで同一の
幅、及び強度分布幅／ピッチ＝０．５となってくる。

【００３４】このように本実施例では位相シフト法を適
用したパターン１３の投影レンズ１による投影面の一次
元強度分布の強度分布幅を測定手段１０３によって得る
ことにより平行平板１４、即ちウエハ表面２がレチクル
１８の投影レンズ１による投影面に対して＋デフォーカ
ス側の位置にいるのか、−デフォーカス側に位置にいる
のか、又はベストフォーカスの位置にいるのかを容易に
判定している。

【００３５】すなわち図９に示すようにパターン１３の
透明部９０ｂ２，９０ｂ３の投影像の強度分布幅がデフ
ォーカス量に対応して変化しており、透明部９０ｂ２，
９０ｂ３の強度分布幅が強度分布幅／ピッチ＝０．５で
等しくなる点がレチクル１８の投影レンズ１による投影
面（ピント位置）ということになる。このような測定を
露光しおわったウエハと未処理のウエハとの交換を行な
う際にステージ３を動かして行なえば、気圧や熱による
投影レンズ１のピント位置の変化も検出することができ
る。又従来の面位置検出装置（自動焦点制御機構）の問
題点を補正することができる。

【００３６】尚、本実施例では光源１５の波長をウエハ
の露光に使用する波長と同じにすることができる為投影
レンズ１の色収差による影響がなく、かつウエハに通常
塗布されている感光剤を誤まって感光させてしまうこと
もない等の長所を有している。

【００３７】図１０〜図１４は本発明の実施例２〜６の
要部概略図である。これらの各実施例においては主に位
相シフト法を用いたパターン１３の配置に関して示して
おり、又図１で示した要素と同一要素には同符番を付し
ている。

【００３８】図１０の実施例２では位相シフト法を適用
したパターン１３をレチクル１８の一部に設けている。 パターン１３と受光素子１７は投影レンズ１に対して光
学的に等価な位置に配置されている。レチクルパターン
１８ａの露光用の光源を含む照明系２１からの光束をフ
ァイバー又はスリット（不図示）等を介して導光し、該
光束によりパターン１３の必要な領域のみを照明してい
る。パターン１３はハーフミラー等のビームスプリッタ
２０を介し投影レンズ１によりステージ３上の反射面１
９上に投影している。反射面１９からの反射光を再度、
投影レンズ１とビームスプリッタ２０を介して受光素子
１７に導光し、その面上にパターン１３のパターン像を
形成している。

【００３９】受光素子１７面上に形成したパターン像よ
り投影レンズ１の投影面（ピント面）を検出する方法は
図１の実施例１と同じである。

【００４０】本実施例では位相シフト法を用いたパター
ン１３をレチクル１８の一部に設けており、これにより
パターン１３の透明部９０ｂ１〜９０ｂ５の線幅を投影
レンズ１の投影倍率の逆比分だけ太くすることができパ
ターンを描画しやすくしている。

【００４１】図１１の実施例３では位相シフト法を適用
したパターン１３をビームスプリッタ２３とミラー１６
を介してレチクル１８と投影レンズ１に対して光学的に
等価な位置に配置している。又受光素子１７をビームス
プリッタ２３を介してパターン１３と光学的に等価な位
置に配置している。

【００４２】本実施例では照明系２１からの光束をファ
イバー２２等で取り出し、該光束により平行平面板１４
を介してパターン１３を照明している。そしてパターン
１３をビームスプリッタ２３とミラー１６を介して投影
レンズ１によりステージ３上に設けた反射面１９上に投
影している。

【００４３】そして反射面１９からの反射光を元の光路
に戻し、再度、投影レンズ１とミラー１６、ビームスプ
リッタ２３を介して受光素子１７に導光し、その面上に
パターン１３のパターン像を形成している。受光素子１
７面上に形成したパターン像より投影レンズ１の投影面
を検出する方法は図１の実施例１と同じである。

【００４４】本実施例では図１０の実施例２に比べてレ
チクル１８に位相シフト法を適用したパターンを設けて
いないので、今までのレチクルがそのまま使用できると
いう長所がある。

【００４５】図１２の実施例４では図１０の実施例２に
おいて反射面１９をステージ３上に設けた代わりにウエ
ハ２の表面を反射面として用いている。これにより投影
レンズ１の投影面（ピント面）検出とウエハ２を投影レ
ンズ１の投影面に合致させることを同時に行っている。 本実施例における光学的作用は図１０の実施例２と同じ
である。

【００４６】本実施例では投影レンズ１の投影面の検出
にウエハ２の表面反射を利用しているのでウエハ２の表
面が投影レンズ１の投影面に合致しているか否かを容易
に判定することができる。

【００４７】この為図１の一部に示した従来の面位置検
出装置を用いなくてもウエハ２の表面を投影レンズ１の
投影面に合致させることができるという特長を有してい
る。

【００４８】尚、本実施例ではレチクルパターン１８ａ
の露光用の光束を投影面の検出の為、直接ウエハ２面上
に照射している為、ウエハ２の表面に塗布されている感
光剤（レジスト）に影響（感光）しないように光路中に
、例えばレチクル１８の光路上方に減光フィルター２４
を配置している。

【００４９】図１３の実施例５では図１２の実施例４に
比べてパターン１３の照明用として独立の光源２５を設
けている点、又それに応じて補正光学系２７を設けてい
る点が異っている。

【００５０】本実施例の光源２５はレチクルパターン１
８の露光用の光束の波長とは異っており、かつウエハ２
に塗布してある感光剤に対して感度が殆んどない波長の
光束を放射している。パターン１３のパターン像を得る
際、光源２５からの光束の波長と照明系２１からの露光
用の光束の波長との違いによる投影レンズ１の色収差に
よる影響を補正する為にビームスプリッタ２０と投影レ
ンズ１との間の光路中に補正光学系２７を設けている。 そしてパターン１３からの光束を該補正光学系２７を介
して投影レンズ１に入射させている。これによりレチク
ルパターン１８ａの露光用の光束の波長と異なる波長の
光束を用いてもパターン１３のパターン像を受光素子１
７面上に高精度に形成することができるようにして、実
施例４と同様の効果を得ている。

【００５１】尚、本実施例では光源２５からの光束はウ
エハ２に塗布してある感光剤に感光しない為図９の実施
例４で用いた減光フィルター２４は不要となっている。

【００５２】図１４の実施例６では図１３の実施例５に
比べて位相シフト法を適用したパターン１３をレチクル
１８に設けなく、図１１の実施例３と同様にレチクル１
８と投影レンズ１に対して光学的に等価な位置に配置し
ている。又、受光素子１７をビームスプリッタ２３を介
してパターン１３と光学的に等価な位置に配置している
。

【００５３】本実施例では光源２５からの光束によりパ
ターン１３を照明している。パターン１３からの光束の
光路は図１１の実施例３とステージ３面上の反射点を除
き同じである。

【００５４】即ち、パターン１３からの光束はビームス
プリッタ２３、ミラー１６、補正光学系２７、そして投
影レンズ１によりウエハ２面上に導光され、その面上に
パターン像を形成している。そしてウエハ２からの反射
光を元の光路に戻し、再度投影レンズ１、補正光学系２
７、ミラー１６、そしてビームスプリッタ２３を介して
受光素子１７面上に導光し、その面上にパターン像を形
成している。

【００５５】本実施例において受光素子１７面上に形成
されたパターン像より投影レンズ１の投影面（ピント面
）を検出する方法は図１の実施例１と同じである。

【００５６】尚、図１２の実施例４と図１３の実施例５
、そして図１４の実施例６ではウエハ２表面からの反射
光を用いている為投影レンズ１による投影面の検出とウ
エハ２表面の検出が同時に行なえる。図１１の実施例３
、図１３の実施例５、図１４の実施例６ではレチクル１
８に位相シフト法を適用したパターンを設けていないの
で従来のレチクルを使用することができるといった長所
がある。

【００５７】又、実施例２〜６ではパターン１３に基づ
く光束が投影レンズ１を２度通過しているので図１の実
施例１に比べて２倍の感度を持っている。

【００５８】以上の各実施例ではパターン像の１次元強
度分布の強度幅を測定することにより投影レンズ１の投
影面を検出した場合について説明したが、本発明では、
この他位相シフト用の位相部材が設けられているパター
ンと設けられていないパターンの各々のパターン像の強
度の最大値を比較することによって投影面を検出する方
法や１次元強度分布を計算機によりフーリエ変換し、そ
の分布の特徴より投影面を検出する方法やパターン像を
光学系によりフーリエ変換して、その分布の特徴より投
影面を検出する方法等が適用可能である。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば位相シフト法を適用した
前述の条件を有した透明部と不透明部とから成るパター
ンを投影レンズを介して所定面上に投影し、このときの
パターン像の光学特性を測定することにより、例えば環
境変化に伴う投影面（ピント面）の変動を容易に検出す
ることができ、常にウエハ表面を投影レンズの投影面に
合致させることができ、高精度な投影露光ができる投影
露光装置を達成することができる。

【００６０】又、本発明は投影面の検出を従来の面位置
検出機構の補正に使う場合、次に露光するウエハと露光
を終了したウエハとの交換の間に行うことができるので
スループットを低下させることがないといった特長を有
している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の要部概略図、

【図２】本発
明に係る位相シフト法を適用したパターンの要部断面図
、

【図３】本発明に係る位相シフト法を適用したパターン
の平面図、

【図４】本発明に係るパターン像の１次元強度分布のシ
ミュレーションによるディフォーカス特性図、

【図５】
本発明に係るパターン像の１次元強度分布のシミュレー
ションによるディフォーカス特性図、

【図６】本発明に
係るパターン像の１次元強度分布のシミュレーションに
よるディフォーカス特性図、

【図７】本発明に係るパタ
ーン像の１次元強度分布のシミュレーションによるディ
フォーカス特性図、

【図８】本発明に係るパターン像の
１次元強度分布の強度分布幅と位相シフト量のディフォ
ーカス特性を示した説明図、

【図９】本発明に係るパターン像の強度分布幅のディフ
ォーカス特性を示した説明図、

【図１０】本発明の実施例２の要部概略図、

【図１１】
本発明の実施例３の要部概略図、

【図１２】本発明の実
施例４の要部概略図、

【図１３】本発明の実施例５の要
部概略図、

【図１４】本発明の実施例６の要部概略図、

【図１５】従来の面位置検出装置を有した投影露光装置
の概略図。

【符号の説明】

１　　投影レンズ ２　　ウエハ ３　　　　ステージ １２　　受光素子 １３　　パターン １４　　基板 １５　　光源 １７　　受光素子 １０４　　処理回路 １８　　レチクル ２１　　照明系 ９０ａ　　不透明部 ９０ｂ　　透明部 ９１　　　　位相部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レチクル面上の電子回路パターンを投
   影レンズによりウエハ面上に投影露光する投影露光装置
   において基板面上に透明部と不透明部とから成るマーク
   を設けると共に、該マークの不透明部を挟んで隣接した
   透明部のうちの少なくとも一方の透明部に隣接した透明
   部を発する透過光に対して所定の位相差を付与する位相
   部材を設けたパターンを該投影レンズを介して受光素子
   面上に投影し、該受光素子面上に形成したパターン像の
   １次元方向の強度分布を測定手段で測定し、該測定手段
   からの信号を利用して、該投影レンズにより投影したパ
   ターン像の投影面位置を求めるようにしたことを特徴と
   する投影露光装置。
2. 【請求項２】　　前記透明部に付与する位相部材は透過
   光に１８０°×ｎ（ｎ＝０，±１，±２，・・）以外の
   位相差を付与していることを特徴とする請求項１の投影
   露光装置。