JPH05144704A

JPH05144704A - 光投影露光装置

Info

Publication number: JPH05144704A
Application number: JP3304500A
Authority: JP
Inventors: Yoshimitsu Sase; 善光佐瀬; Hitoshi Takahashi; 仁高橋; Koichiro Hayashi; 広一郎林
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-11-20
Filing date: 1991-11-20
Publication date: 1993-06-11

Abstract

(57)【要約】【構成】投影レンズ２を通してウェハ３上のアライメン
トマーク４の位置を光学的に検知するアライメント光学
系の光路中に、色収差補正光学系１２，１５を設け、か
つ、検出に用いる波長域を任意に選択可能な、波長選択
手段を設ける事により、実際のアライメントマーク４の
膜厚条件に応じて、最適な波長域を選択する。又、波長
の選択は、信号判定回路３１及び波長選択回路３３によ
り、自動で制御され、常に干渉の影響を受けない好適な
アライメント用信号を得る。【効果】投影レンズの色収差を補正する色収差補正光学
系を実現可能な波長域の範囲で作成した場合、干渉効果
を完全に相殺出来ない膜厚領域となった時に、当該膜厚
条件に対し、最適な波長域を選択する事で、良好なアラ
イメント信号を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造等に用いら
れる光投影型の露光装置に用いられ、特に、高精度に、
露光対象物の位置決めを行う光投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光投影露光装置は、マスク上の回路パタ
ーンを、投影光学系を介して被露光体であるウェハの表
面に塗布された感光剤（レジスト）へ転写し、かつ、ウ
ェハをステップアンドリピートする事により、ウェハ全
面に対し正列転写するものである。従ってウェハは、２
次元的に移動可能なステージ上に載置されているのが通
常である。また、転写の際には、ウェハ上の既存のデバ
イス構造に対し、正確にマスクの像を重ね合わせる必要
があり、約０.２μｍ程度の精度で２次元的にアライメ
ントされる。アライメントに関しては、今迄に様々な方
式の検討がなされており、今の所主流になっているのが
実際に投影するレンズを介して、ウェハ上のマークを光
学的に検出する、いわゆるＴＴＬ（スルーザレンズ）方
式である。ＴＴＬ方式の利点は、投影レンズの光学的変
化（倍率等）が生じても、投影レンズを介して検出する
事により、変化の影響が少ない事である。又ＴＴＬ方式
は次のような制約があった。投影レンズは、転写の際の
解像力を最大限に引き出すために、特定の波長（通常水
銀ランプのｇ線又はｉ線）に対し、色収差補正がなされ
ている。又前述アライメント用の光としては、最近デバ
イスの都合上、レジストに、露光光に対して、吸光特性
を持たせるのが、一般的となった為、レジストに感光や
吸光がなされない、露光光以外の光を用いる事が余儀な
くされている。この場合、前述したように投影レンズが
露光光に対して色収差補正されている都合で、露光光以
外の光で、アライメントを実行する場合、投影レンズの
色収差の影響で、波長によって、ウェハと共役な位置が
異なってしまう為、アライメント用の光も、特定の波長
の単色光で検出せざるを得なかった。

【０００３】そこで、ＴＴＬ方式の利点は前述した通り
だが、上記制約により、次のような記述課題があった。
図３により説明する。アライメントはウェハ上の凹凸段
差を有する（ａ）のような構造のアライメントマーク位
置を正確に求めるが、上記アライメントマーク上には、
１〜２μｍ程度の厚さのレジストが塗布されている為、
マークの段差付近では、レジスト膜厚は局所的に変化す
る。従って、単色光により、上記アライメントマークを
光学的に像検出した場合、（ｂ）に示すように、レジス
ト膜厚による光学的干渉強度の影響を受け、得られる検
出信号に歪が生じてしまい、正確な位置検出が出来ない
ケースがあった。本問題に対し特開昭60−80223 号のよ
うな２つ以上の単波長による検出信号を合成する手段
や、最近では、特開平1−227431 号のような、ブロード
な波長域の光によるＴＴＬ検出手段が開示されている。
図２により従来のブロードな光によるＴＴＬアライメン
ト方式について説明する。

【０００４】まず、照明手段について説明する。白色光
源より発した光は、集光レンズ２１により集光されて、
光ファイバ２０により光伝達されて、アライメント光学
系へ導かれる。光ファイバ２０より出射した光は、バン
ドパスフィルタ４１を通り、バンドパスフィルタ４１の
光透過特性に準じて、特定の波長域の光に制限される。
更に照明レンズ１８により集光され、ハーフミラー１３
を反射して、投影レンズ２を介して、最終的にウェハ３
上のアライメントマーク４上に落射照明される。次に検
出手段について説明する。前述照明光の、ウェハ３から
の反射光で、アライメントマーク４の位置情報を含む検
出光は、投影レンズを通り、マスク１側で、アライメン
トマーク４の像を結像する。この時投影レンズ２の色収
差の影響で、照明光の波長域の内、最短波長である実線
で示す光λＭＩＮ５１と、点線で示すλＭＡＸ５２で
は、結像位置が光軸方向に異なっている。当然、λＭＩ
Ｎ51からλＭＡＸ５２の中間にある波長の光は、λＭＩ
Ｎ５１からλＭＡＸ５２の結像位置の中間で波長にリン
クした連続的な位置に各々の波長の像を結像している。
上記の如く結像している検出光は、取り込みミラー１１
によりアライメント光学系へ導かれる。色補正対物レン
ズ及び色補正結像レンズ１３よりなる色収差補正系は、
前述した波長によって検出光軸方向に結像位置が異なる
光を、波長にかかわらず、結像位置を一定にする作用を
持つ光学系である。すなわち、波長によって屈折率が異
なる種々のガラスの光学特性を利用して、波長毎に結像
位置を変化させたものである。取り込みミラー１１によ
り導かれた検出光は、前述色収差補正系１２，１５によ
り、一定の位置に検出光の全波長域によるアライメント
マーク４の像を得た後、拡大レンズ１６により、適当な
倍率に拡大して、光検出器１７上にアライメントマーク
４の像を再結像させる。光検出器１７により、光電変換
された検出信号は、信号メモリ３０に格納され、演算ユ
ニット３２によって、アライメントマーク４の位置が求
まる。更に、ホストＣＰＵ３５により、マスク１とウェ
ハ３の相対位置誤差を求めて、誤差量が、ステージ制御
系３６へ転送され、ウェハステージ５を測長系３８に基
づき、前述誤差量だけ、駆動系によって移動させて、ア
ライメントを完了させる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述した、レジスト膜
厚のアライメントマークの段差付近でおこる局所的な変
化に対し、光学的干渉の影響を完全に受けない為に必要
な波長域は図５に示すように原理的に２００ｎｍ以上の
スペクトル幅で検出する必要がある。

【０００６】ところが、実際の投影レンズの色収差によ
って生じる結像位置の違い、すなわち縦色収差は、スペ
クトル幅１００ｎｍで１０mm程度である。又、今後の投
影レンズの開発動向を見ると、更に長くなる見込みであ
る。従って、前述従来例で説明した色収差補正系も、現
実的には、ガラス硝材の種類にも限りがあり、無制限に
補正可能ではない。更に、結像位置の他、各波長の結像
倍率も同時に補正する必要があり、実際の色収差補正系
は相当に技術的難易度の高いものである。実状として
は、色補正するスペクトル幅と、実際に色収差補正系を
経て得られる像のコントラストとは、トレードオフの関
係で、両者を適当な値で妥協されていた。その為、結
局、充分な効果を有する色収差補正系は達成出来なかっ
た。

【０００７】本発明は、上記問題点に対し、限られた実
現可能な色収差補正波長域の光を使って、レジスト膜等
でおこる光学的干渉の影響を効率良く回避し、レジスト
塗布ムラ等による影響を受けないＴＴＬのアライメント
方式を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】アライメントマーク近傍
でのレジスト膜厚及び膜厚変化は、プロセスにより様々
であり、更に同一ウェハ内であっても決して一様ではな
い。従って、あらゆる膜厚変化に対しても、干渉の影響
を受けない、安定したアライメント光学系が必要とな
る。本問題点は本質的には広帯域な波長域の光で検出す
る事で、達成されるが、現実的には、前述したように、
投影レンズの色収差の制限を受け、理想的には２００ｎ
ｍ以上必要とされる波長域に対し、４０〜８０ｎｍ程度
で妥協されている。そこで本発明は、アライメント光学
系の一部に、色収差補正された波長域の内で、特定の波
長域をセレクト可能な波長選択手段を設け、検出すべき
ウェハ上のアライメントマーク近傍の膜厚変化に応じ
て、最も干渉の影響を受けない波長の組合わせを選択す
る事により目的を達成するものである。

【０００９】波長選択手段の一例を図４に示す。複数の
穴を設けた円板４２は、回転角度を制御可能なステッピ
ングモータ１９により回転駆動される。円板４２上の穴
には、それぞれ光学フィルタＡ４１，Ｂ４１′，Ｃ４
１″が載置されており、いずれかのフィルタがアライメ
ント光路中に挿入される。ここで光学フィルタＡ４１，
Ｂ４１′，Ｃ４１″は、検出波長を制限する為の干渉フ
ィルタ又はバンドパスフィルタであり、必要に応じて複
数種のフィルタを重ねてある。図４は、３種のフィルタ
により、３種類の波長域選択が可能であるが、同様原理
により、種類を増やす事は簡単である。

【００１０】

【作用】実際に実現可能な色収差補正波長域を、仮に５
４０ｎｍ〜５８０ｎｍ迄の幅４０ｎｍであるとする。こ
の波長域内においては、投影レンズの色収差は完全に補
正されているものとする。図６に、検出波長を特定の波
長域に制限した場合の、レジスト膜厚変化に対する、反
射光強度を示す。図６(ａ)は、５４０ｎｍから５８０ｎ
ｍ迄の幅４０ｎｍ全域における検出を行った場合を示
す。実際のプロセスを想定し１μｍ以上の膜厚で見た
時、レジスト膜厚３μｍ付近で、最大１０％程度の光強
度の振幅が見られる。従って、実際のアライメントマー
ク検出時に膜厚及び膜厚変化が、前述振幅領域となった
場合は、検出信号に歪が発生してしまう事を示す。

【００１１】これに対し、図６（ｂ），（ｃ）は、４０
ｎｍの補正波長域の内、波長特性に示すような、特定な
波長域に限定した場合を示す。(ｂ)は５４０〜５４５ｎ
ｍと５７５〜５８０ｎｍを合成した例であり、(ｃ)は５
４０〜５４５ｎｍと５６０〜５６５ｎｍを合成した例で
ある。（ｂ），（ｃ）における反射光強度で、特徴的な
事は、振幅がほぼ０となるレジスト膜厚領域が変化する
事である。これは、アライメントマーク近傍での実際の
レジスト変化に対し、常に振幅が０付近となる波長域を
セレクトする事により、レジスト塗布ムラによる干渉の
影響を受けない、安定なアライメントが可能となる事を
示す。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。

【００１３】通常、光投影露光装置は、直交する２軸の
アライメント検出系を有し、アライメント対象物を２次
元的にアライメントするが、図１は１軸のみ表現してあ
り、以下の説明も１軸のみであるが、２軸は、同一構
成，同一機能である。ウェハ３は、位置計測可能な測長
系３８及び駆動系３７を制御するステージ制御系３６に
より、位置制御されるウェハステージ５上に載置してあ
る。以下に説明するウェハ３位置のアライメントが完了
した後、露光用光源である水銀ランプ７より発した露光
光（通常はｉ線又はｇ線）が、コンデンサレンズ６によ
り集光されて、原画パターンを有するマスク１を照明
し、投影レンズ２により、ウェハ３上に転写が行われ
る。次にアライメントの手段について説明する。アライ
メント用の照明光源である、白色ランプ２２より発した
光は、集光レンズ２１により集光され、光ファイバ２０
の入射口へ入射する。光ファイバ２０により伝達された
アライメント照明光は、光ファイバ２０より出射した
後、ステッピンモータ１９により、選択された光学フィ
ルタ４１により白色光から、所定の波長領域の光に制限
されて透過し、アライメント用照明レンズ１８により集
光されて、ハーフミラー１３を反射し、アライメント検
出光路と合流した上で、投影レンズ２を通りウェハ３上
のアライメントマーク４上に落射照明される。前述、照
明手段により照明された光は、ウェハ３で反射し、アラ
イメントマーク４の位置情報を持つ検出光となって、照
明光路を逆行し、投影レンズを通り、マスク１例でアラ
イメントマーク４の投影結像を結ぶ。ここで前述投影像
は、投影レンズ２の色収差の影響を受け、波長毎に、光
軸方向の結像位置が異なるが、色収差補正光学系である
対物レンズ１２，結像レンズ１５により、光学フィルタ
４１により制限された波長域の投影像は、一点で結像す
る。更に、拡大レンズ１６により像拡大され、最終的に
光検出器１７上に再結像される。光検出器１７は、イメ
ージセンサーであり、検出光芒の光強度分布をモニタ可
能な素子である。

【００１４】次に信号処理及びアライメント動作につい
て説明する。光検出器１７で検出された、アライメント
マーク４の位置情報を持つ検出信号は、Ａ／Ｄ変換器２
９によりデジタル化され、信号メモリ３０へ格納され
る。次に検出信号は、信号判定回路３１に転送され、得
られた検出信号が、一定の条件に対し満足しているのか
否かを判定する。ここで一定の条件とは、例えば、信号
の全体のうねり量を定量化する事で評価する。つまり、
得られた検出信号が、レジスト塗布ムラに対して影響さ
れていない事を判定する。信号判定回路３１で、良と判
定された場合は、検出信号は演算回路３２へ転送されア
ライメントマーク４の位置が特定の画像処理を経て、求
められる。更に、演算結果はホストＣＰＵ３５へ転送さ
れ、マスク１と正確な相対位置となるウェハステージ５
の位置を求め、ステージ制御系３６へ指令され、ウェハ
ステージ５が位置制御され、アライメントが完了する。
又、信号判定回路により、否と判定された場合は、ホス
トＣＰＵ３５により、波長選択回路３１に指令が送ら
れ、アライメント光路中に挿入されている光学フィルタ
４１を、別の光学フィルタ４１′に変換する。変換の
後、前述、アライメントマーク４の検出を繰り返し、最
終的に信号判定回路３１が良と判定する条件が求められ
る迄上記を繰り返す。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、光投影露光装置におけ
るブロードな波長域でのＴＴＬアライメントで、実現可
能な光学系で、限定された波長域での補正となった場合
でも、レジスト膜による干渉効果を相殺出来ない膜厚変
化領域をカバーして、あらゆるレジスト膜厚の変化によ
っても、常に、干渉の影響を受けず、安定したアラメイ
ント精度を達成出来る。又、本発明によれば、選択する
波長域は、光学フィルタの種類を増やす事で容易に増設
出来る為、それらを自動選択させる事により、今後の半
導体プロセスの多様化に対しても対応力が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図である。

【図２】従来例を示す図である。

【図３】本発明の対象となるアライメントマークの段差
構造モデルと検出信号例を示す図である。

【図４】波長選択手段の例を示す図である。

【図５】波長幅と多重干渉による反射光強度特性を示す
図である。

【図６】波長域を適当に選んだ場合の反射光強度特性を
示す図である。

【符号の説明】

１…マスク、２…投影レンズ、３…ウェハ、４…アライ
メントマーク、１２…対物レンズ、１５…結像レンズ、
１７…光検出器、１９…ステッピングモータ、４１，４
１′，４１″…光学フィルタ、３１…信号判定回路、３
３…波長選択回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原画となるマスクを第１の波長域の光で照
明する露光用照明光学系と、該第１の波長域の光により
投影レンズを介して被露光体であるウェハ上に転写する
投影光学系を備え、かつ前記被露光体に設けられたアラ
イメントマークを前記第１の波長域とは異なる第２の波
長域の光で照明するアライメント用照明光学系と該アラ
イメント用光学系による照明光の反射光で、アライメン
トマークの位置情報を含む検出光を取り込み、被露光体
の位置計測を実行するアライメント検出系と、該アライ
メント検出系の光路中に、上記投影レンズの色収差によ
り発生する波長毎に異なる前記アライメントマークの結
像位置の違いを、特定の波長域に対して一定の位置に結
像せしめる事が可能な色収差補正系を有するタイプの光
投影露光装置で、上記アライメント光学系の光路中に、
色収差補正が成された波長領域中のいずれかの単一波長
又は、波長域を任意に選択可能な、波長選択手段を設け
た事を特徴とする光投影露光装置。
【請求項２】前記、波長選択手段は、得られたアライメ
ントマークの検出信号を信号判定回路により判定して、
アライメントマークのプロセス条件に応じて、常に最適
化されるべく自動制御される事を特徴とする、請求項１
記載の光投影露光装置。
【請求項３】前記、波長選択手段は、複数の光学フィル
タを組合わせて配置し、各々のフィルタが駆動系により
アライメント光路中に、必要に応じて、適宜設定される
事を特徴とする、請求項１記載の光投影露光装置。