JPH04290217A - 投影露光方法及びその装置 - 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、投影光学系の経時的に
変化する焦点位置に対する基板の位置ずれを検出し、基
板が投影系の焦点位置になるように制御して半導体等の
微細パターンを描画するようにした投影露光方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体の高集積化競争が引金となり、微
細パターンを試料（ウエハやマスク）上に形成する露光
装置や、描画装置の性能仕様は、ますます厳しさを増し
つつある。

【０００３】その投影露光装置では、パターン転写の際
の解像度を得るために露光波長の短い光を用い、レンズ
の開口数（ＮＡ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒ
ｅ）の大きな物を使用するようになってきた。そのため
、レンズの焦点深度が浅くなり投影露光装置は縮小レン
ズの合焦点面にウエハ面を高精度に合わせることが必要
になってきた。そのための焦点面検出方法として、従来
はオプティカル／レーザマイクロリゾグラフィＩＩエス
・ビー・アイ・イー第１０８８巻（１９８９年）第４２
４〜４３３頁（Ｏｐｔｉｃａｌ／Ｌａｓｅｒ　　Ｍｉｃ
ｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＩＩ：ＳＰＩＥ　　Ｖｏｌ
．１０８８（１９８９）ｐ４３４〜４４０にも見られる
ように、ウエハの高さ位置を微少に移動し、それぞれの
高さでパターンをウエハに露光し、さらに、それを現像
して顕微鏡等で観察することにより、合焦点位置を決め
ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来は投影光学系の焦
点面を求めるためにパターン転写後、現像を行い顕微鏡
等により目視で、パターンの位置、または、形状を測定
していたため、経時的に変化する投影光学系の合焦点面
を高精度に計測することが難しいという課題があった。 さらに、半導体製品の微細化に伴い回路パターンの高解
像化のために高ＮＡの縮小レンズを用いるようになにっ
た。そのために、レンズの焦点深度が浅くなり、従来問
題とならなかった微少な縮小レンズの焦点位置の経時的
なドリフトが問題となってきた。

【０００５】本発明の目的は、投影露光装置の投影光学
系の合焦点位置を高精度に且つ、自動で測定し、その位
置にウエハ（基板）上面を合わせることにより、製品の
歩留まりを向上させることができるようにした投影露光
方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ウエハ上の
露光可能域内でかつ、上記回路パターンを露光しないエ
リアに投影光学系を透過して露光光と同じ波長で、露光
光に比べ微弱な光を照射結像する方法と、その照射光が
ウエハ上面で反射する光が投影光学系を再び透過して入
射した方向に戻る光を結像光学系を用いて検出し、投影
光学系の焦点面と基板面の焦点ずれ量を検出することに
より、露光中に基板面を投影光学系の焦点面に合わせる
ことを可能にした。

【０００７】

【作用】即ち、上記手段を用いることにより、露光中に
変動する投影光学系の焦点面に対して、ウエハ面を常に
合わせることにより、焦点のあった状態で回路パターン
の転写が可能となり、製品の歩留まり向上を図ることが
出来る。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を用いて説明する。

【０００９】縮小露光投影装置は、図１２に示すように
照明光源、レチクル１のパターンを縮小転写するための
縮小レンズ３、ウエハ４を吸着し露光位置に移動するウ
エハステージ５、ウエハ上のアライメントパターンを検
出するためのパターン検出器６、ウエハ４の上面の高さ
を検出するエアマイクロメータ７、装置全体の制御を行
うメイン制御系１６も含む。

【００１０】従来は、投影光学系の焦点面にウエハ４上
面を合わせるために、パターン転写後、現像を行い顕微
鏡等により目視で、パターン形状を測定しその値を基に
エアマイクロメータ７の基準値を設け、エアマイクロメ
ータ７の出力がその基準値になるようにウエハステージ
５のＺ軸を制御していた。しかし、露光を連続すると露
光光により縮小レンズ３が温まり、焦点位置が変動する
という問題が生じている。これは従来よりあった現象で
あるが、前述のように、縮小レンズ３の焦点深度が浅く
なり、従来問題とならなかった微少な縮小レンズ３の焦
点位置の経時的なドリフトが問題となってきた。

【００１１】そこで本発明では、露光直前または、露光
中に投影光学系を通してウエハ面に露光光と同じ波長の
光を照射結像する方法と、その照射光の面からの反射光
を投影光学系を通して検出し、ウエハ面の焦点ずれ量を
検出する方法により、ウエハ面を投影光学系の焦点面に
合わせようとするものである。

【００１２】そこで、縮小露光装置において、ウエハの
焦点ずれを検出し、投影光学系の焦点面にウエハ面を合
わせる方法の一実施例である実施例１について図１から
図８を用いて説明する。

【００１３】《実施例１》まず、図１に示すように露光
装置はレチクル１に露光光２を照射し、縮小レンズ３を
通してレチクル１上のパターンをウエハ４上に転写する
。露光光２はレチクル１上の回路パターン部以外の領域
を露光しないようにレチクル１上に設けたブレード８に
より遮光されている。従って、ウエハ４上に照射される
露光光２はウエハ４上では、図２に示す露光エリア１９
がレチクル１の回路パターンを描画したエリアを投影し
た領域であり、ブレード８により遮光しない場合にウエ
ハ上に露光光２が照射される領域が円形の露光可能エリ
ア１８である。

【００１４】そこで、図１に示すように、ブレード８と
レチクル１の間にミラー９、集光レンズ１０、ハーフミ
ラー１１，１２、センサ部１３，１４により構成される
焦点検出光学系により、投影光学系の焦点面に対するウ
エハ４上面のずれ量をセンサ１３，１４により検出し、
信号処理部１５を経てメイン制御部１６に取り込み、そ
のデータを基にＺステージを制御し、縮小レンズ３の焦
点面にウエハ４の上面を合わせることが可能となる。こ
こで、投影光学系の焦点面に対するウエハ４面のずれ量
を検出する方法について述べる。

【００１５】露光光２に比べて微弱な光１７をハーフミ
ラー１１とレンズ１０及び、ミラー９を介してレチクル
１上に結像するように照射する。レチクル１上に照射結
像した光は縮小レンズ３を通して露光可能領域内１８で
、かつ、ウエハ上の回路パターンを露光しないエリア（
図２に示す領域２０）に露光光２と同じ波長でかつ、露
光光２に比べて微弱な光を縮小レンズ３を通して領域２
１に照射結像する。図２に示す領域１９と２０は隣接す
るためにウエハ面の高さに大きな違いはない。また、ウ
エハ４上に塗布されたレジストは図１３に示すような特
性をもっているため焦点検出に用いる露光光に比べ微小
な光ではほとんど感光しない。すなわち、現像後の膜厚
変化にほとんど影響しない。

【００１６】さらに、ウエハ上の照射光１７の反射光は
再び縮小レンズ３を介して上部のミラー９、ハーフミラ
ー１１，１２を経てセンサ部１３，１４に入射する。こ
の反射光から焦点ずれを検出する方法について図３，図
４を用いて詳しく述べる。図３は図１の反射光の光路を
分かりやすく表したものである。センサ部１３，１４は
センサ３５とピンホール３６より構成されている。ここ
で、ウエハ４が上下方向に変化した場合、センサ出力３
１と、３２は図４（ａ），（ｂ）に示すようになり、そ
の差信号３３は（ｃ）になる。同図（ｃ）に示すＺ方向
の範囲３４内では、焦点方向ずれ量Ｚと差信号３３の関
係が比例関係で得られるので、これにより、差信号３３
から縮小レンズ３の焦点位置からのウエハ４面のずれ量
を求めることができる。

【００１７】このような焦点ずれ量の検出を行うには、
■露光直前に検出して縮小レンズ３の合焦点位置にウエ
ハ面を合わせる方法もあれば、■露光中常に合焦点位置
の検出を行いウエハ面を常に縮小レンズ３の合焦点位置
に合わせる方法もある。ここでそれぞれの処理方法につ
いて図５から図８を用いて説明する。

【００１８】■露光中縮小レンズ３に露光光２が入射す
る事により縮小レンズ３の合焦点面の位置は図５に示す
ように変化する。従って、焦点検出をアライメント動作
時と同時に、露光の直前に行う事により、縮小レンズの
合焦点位置を検出し、露光時の焦点ずれを露光中の焦点
変位内に抑えることができる。さらに、この処理の流れ
を図６に示す。まず、ステージＸＹ方向に移動後、アラ
イメントと同時に焦点検出／焦点合わせを行い、アライ
メント及び、焦点合わせ完了後、露光に入る。１フィー
ルドの露光完了後、次に、ウエハ上の全フィールドの露
光が完了していなければ、再び、ステージＸＹ方向移動
によりこの処理を繰り返す。

【００１９】■露光中縮小レンズ３に露光光２が入射す
る事により縮小レンズの合焦点面の位置は図７に示すよ
うに変化する。従って、アライメント動作完了後、縮小
レンズ３の合焦点位置を検出し、露光中の焦点ずれを抑
えることができる。さらに、この処理の流れを図８に示
す。まず、ステージをＸＹ方向に移動し、アライメント
完了後、露光と同時に、焦点検出／焦点合わせを行う。 １フィールドの露光完了後、次にウエハ上の全フィール
ドの露光が完了していなければ、再び、ステージをＸＹ
方向に移動することによりこの処理を繰り返す。

【００２０】このようにして、露光直前にウエハ面と縮
小レンズ３の焦点面のずれ量を少なくする事により、ウ
エハ上に転写するパターンの寸法及び形状を正確に行う
ことにより、製品の歩留まりを向上することが可能とな
る。

【００２１】次に、露光装置に組み込む、焦点検出光学
系の位置が実施例１と異なる例を以下実施例２から実施
例４で述べる。

【００２２】《実施例２》基本構成は実施例１と同様で
あり、実施例１でレチクル１と縮小レンズ３との間隔が
非常にせまい場合には、焦点検出光学系をその間に組み
込むことが困難である。そこで、図９に示すように、レ
チクル１の裏面にミラーとなるような面を作り、そのミ
ラー面で焦点検出のための検出光を折り返すことにより
、焦点検出光学系を縮小レンズ３の横に配置することが
可能となる。この検出光は、縮小レンズ３を通して、ウ
エハ上面で反射してきた光を、再び、ミラー９、レンズ
１０、ハーフミラー１１，１２を介してセンサ部１３，
１４で検出し、その差信号を信号処理部１５で求め、メ
イン制御部１６でその信号を基にＺステージを制御する
。また、焦点検出の原理及び、処理の方法については実
施例１と同様である。このように焦点検出光学系を構成
することにより、実施例１と同様な効果が得られる。

【００２３】《実施例３》基本構成は実施例１と同様で
あり、実施例１でレチクル１と縮小レンズ３との間隔が
非常に狭く、且つ、レチクル１とブレード８との間が広
い場合には、図１０に示すように、焦点検出光学系をレ
チクル１とブレードの間に組み込むことが可能となる。 そのため、ブレードで遮光されたレチクル１の一部に焦
点検出光を通す窓を設け、露光光２に比べて微弱な光１
７を実施例１と同様に、焦点検出光学系のハーフミラー
１１と、レンズ１０および、ミラー９を介して、レチク
ル１の面上に結像するようにし、縮小レンズ３を通して
、ウエハ上面で反射してきた光を、再び、ミラー９、レ
ンズ１０、ハーフミラー１１，１２を介してセンサ部１
３，１４で検出し、その差信号を信号処理部１５で求め
、メイン制御部１６でその信号を基にＺステージを制御
する。また、焦点検出の原理及び、処理の方法について
は実施例１と同様である。このように、実施例１と同様
に縮小レンズ３の焦点面に対するウエハ面の焦点ずれを
少なくすることができ、実施例１と同様な効果が得られ
る。

【００２４】《実施例４》基本構成は実施例１と同様で
あり、実施例１でレチクル１と縮小レンズ３との間隔が
非常に狭く、且つ、レチクル１とブレード８との間も非
常に狭い場合には、焦点検出光学系をレチクル１とブレ
ードの間、あるいは縮小レンズ３とレチクル１との間に
組み込むことは困難となる。そこで、露光光２を遮光し
ているブレード８の一部に窓を設け、焦点検出に用いる
実施例１と同様に検出光学系の途中に設けることも可能
であるが、図１１に示すように、露光光２の一部を用い
てハーフミラー９を介して、ブレード８の窓に入れ、そ
の光をＮＤフィルタ３７で微弱な光にして、実施例１と
同様、縮小レンズ３を通して、ウエハ上面で反射してき
た光を、再び、ミラー９、レンズ１０、ハーフミラー１
１，１２を介してセンサ部１３，１４で検出し、その差
信号を信号処理部１５で求め、メイン制御部１６でその
信号を基にＺステージを制御する。また、焦点検出の原
理、及び、処理の方法については実施例１と同様である
。このように、実施例１と同様に縮小レンズ３の焦点面
に対するウエハ面の焦点ずれを少なくすることが可能と
なる。このように焦点検出光学系を構成することにより
、実施例１と同様な効果が得られる。

【００２５】

【発明の効果】露光装置において、投影光学系を介して
ウエハ面の焦点面からのずれを検出することにより、露
光中に変動する投影光学系の焦点面に対する焦点ずれ量
を正確に検出することができるため、焦点のあった状態
で回路パターンの転写が可能となり、製品の歩留まりが
向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の説明図。

【図２】ウエハ上の露光エリアと、焦点検出エリアの関
係を示した説明図。

【図３】焦点検出一実施例の原理説明図。

【図４】本発明の一実施例で用いた焦点検出信号の説明
図。

【図５】露光シーケンスと焦点合わせの関係を表した説
明図。

【図６】焦点検出一実施例の処理のフローチャート。

【図７】露光シーケンスと焦点合わせの関係を表した説
明図。

【図８】焦点検出一実施例の処理のフローチャート。

【図９】本発明の一実施例の説明図。

【図１０】本発明の一実施例の説明図。

【図１１】本発明の一実施例の説明図。

【図１２】露光装置の斜視図。

【図１３】レジスト感度と焦点検出光の関係説明図。

【符号の説明】

１……レチクル ２……露光光 ３……縮小レンズ ４……ウエハ ５……ウエハステージ ８……ブレード ９……ミラー １０…レンズ １１…ハーフミラー １２…ハーフミラー １３…センサ部 １４…センサ部 １５…信号処理部 １６…メイン制御部 １７…焦点検出照明光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レチクル上に形成された回路パターンを投
   影光学系によって基板上に露光する投影方法において、
   前記投影光学系により基板上に露光可能域内で、かつ、
   前記回路パターンを露光しないエリアに露光光と同じ波
   長で、かつ、前記露光光に比べて微弱な光を前記投影光
   学系を通して照射結像する方法と、その照射光の前記基
   板面からの反射光を前記投影光学系を通して検出し、前
   記基板面の焦点ずれ量を検出する方法により、前記基板
   面を前記投影光学系の焦点面に合わせることを特徴とす
   る投影露光方法。
2. 【請求項２】レチクル上に形成された回路パターンを投
   影光学系によって基板上に露光する投影装置において、
   露光光と同じ波長で、かつ、前記露光光に比べて微弱な
   光を前記投影光学系により露光可能域内で、かつ、前記
   回路パターンを露光しないエリアに前記投影光学系を通
   して前記基板面に照射結像する手段と、その照射光の前
   記基板面からの反射光を前記投影光学系を通して検出し
   、前記基板面の焦点ずれ量を測定する手段を具備し、焦
   点ずれ量検出手段により求めた前記基板面の焦点ずれ量
   に基づき前記基板面を投影光学系の焦点面に合わせる手
   段を具備してなることを特徴とする投影露光装置方法。