JPH05182895A - 投影露光装置及びそれを用いた半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 スループットを低下させずに高精度のＴＴＬ
オートフォーカス機能を有した投影露光装置及びそれを
用いた半導体素子の製造方法を得ること。 【構成】 照明手段からの露光光で照明したマスク１を
投影光学系３によりウエハ５面上に投影する投影露光装
置において、該ウエハの光軸方向の位置を面位置検出手
段１０で検出し、該露光光でマスク面上の合焦用マーク
２５を照明し、該合焦用マークを通過した光束を該投影
光学系３を介して該ウエハステージ４に設けた受光手段
６ａにより該投影光学系の像面位置を焦点面検出系２１
で検出し該焦点面検出系または／及び該面位置検出手段
からの信号に基づいて演算手段２０で求めた該投影光学
系３の像面位置の経時変化による像面位置を仮りの像面
位置とし、該仮りの像面位置を中心に該受光手段６ａを
該光軸方向に振ったときに得られる信号を用いて該投影
光学系の像面位置を検出したこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、投影露光装置及びそれ
を用いた半導体素子の製造方法に関し、特に半導体素子
製造の分野において、半導体ウエハ表面にレチクルの回
路パターンを繰り返し縮小投影露光する際の自動ピント
調整機能、所謂ＴＴＬオートフォーカス機能を有するス
テッパーと呼ばれる投影露光装置及びそれを用いた半導
体素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子、ＬＳＩ素子、超ＬＳ
Ｉ素子等のパターンの微細化、高集積化の要求により投
影露光装置において高い解像力を有した結像（投影）光
学系が必要とされてきている。この為、結像光学系の高
ＮＡ化が進みこれに対して結像光学系の焦点深度が浅く
なりつつある。

【０００３】従って縮小型の投影露光装置においては、
ウエハ面を焦点面に（投影光学系の像面）合致させるた
めの有効な高精度の自動焦点合わせ方法が重要なテーマ
となっている。

【０００４】この種の投影露光装置では、投影光学系の
周囲温度変化、大気圧変化、投影光学系に照射される光
による温度上昇、あるいは投影光学系を含む装置の発熱
による温度上昇、などによりピント位置（像面位置）が
移動し、これを補正しなければならない。これを補正す
るための手段として、投影光学系を介した光束を利用し
たＴＴＬオートフォーカスが知られている。

【０００５】このＴＴＬオートフォーカスは、例えばレ
チクル面上のスリット状のマークをウエハ面上に投影光
学系を介して結像させ、このマーク像をスリットを介し
て受光手段で受光し、該受光手段からの信号を用いてベ
ストフォーカス状態、即ち合焦状態を検出している。そ
して該検出結果をウエハ面位置検出系にフィードバック
し、これよりウエハ面を所定位置に設定し合焦状態を得
ている。

【０００６】この種の投影露光装置では、投影光学系の
周囲温度変化、大気圧変化、投影光学系に照射される光
線による温度上昇、あるいは投影光学系を含む装置の発
熱による温度上昇などによりピント位置（像面位置）が
移動し、これを補正しなければならない。

【０００７】これを補正するための手段として、ＴＴＬ
オートフォーカスが知られており、最も代表的なものは
スリット像を投影レンズを介してウエハ面上に投影し、
スリットを介して光量検出器で受光し、その受光光量の
特性からベストフォーカス位置を決定するものである。

【０００８】即ち、従来のＴＴＬオートフォーカスでは
レチクルの回路パターン以外の部分にＴＴＬオートフォ
ーカス用マークを形成し、レチクルをレチクルステージ
に装着した状態で照明手段からの露光光と同一の波長を
有する光をレチクルのＴＴＬオートフォーカス用マーク
に指向する。

【０００９】そしてレチクルを通過した光を投影光学系
を介してウエハステージ上に向け、ウエハステージに載
置したスリットを介して受光手段で受光する。そしてウ
エハステージを投影光学系の光軸方向に上下動させて受
光手段の位置を変化させ、この時の受光手段からの出力
信号の重心を示す受光面を検出することによりこの位置
を投影光学系の最適フォーカス位置（最良像面位置）と
している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】投影光学系の最適フォ
ーカス位置（像面位置）を検出する際、受光手段の投影
光学系の光軸方向の移動範囲（検出範囲）は予め一定の
範囲に定めている。このとき例えば温度変化等による投
影光学系のピント位置の変化が大きく検出範囲を超えて
しまうと検出不能となってくる。この為、従来は多少広
めの検出範囲を定めて、この検出範囲内で受光手段を上
下動させている。

【００１１】しかしながら投影光学系のピント位置変化
が小さい場合にはＴＴＬオートフォーカスの検出を無駄
な領域で行うことになり、スループットを低下させると
いう問題点があった。

【００１２】本発明は受光手段を投影光学系の光軸方向
に上下動させる検出範囲をあまり広くせず適切な大きさ
の検出範囲とし、演算手段で温度変化等の環境変化に伴
う像面変動を予め設定した関数に基づき演算し、その演
算結果による像面位置を仮りの像面位置とし、該仮りの
像面位置を基準に受光手段を検出範囲で上下動させるこ
とにより無駄な領域で検出をせず像面位置（最適フォー
カス位置）を迅速に、しかもスループットを低下させず
に高精度に検出し、該像面位置にウエハ面を一致させる
ことができるようにした投影露光装置及びそれを用いた
半導体素子の製造方法の提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の投影露光装置
は、照明手段からの露光光で照明したマスクステージに
支持したマスク面上の回路パターンを投影光学系により
ウエハステージに載置したウエハ面上に投影する投影露
光装置において、該ウエハの該投影光学系の光軸方向に
関する位置を面位置検出手段で検出し、該露光光の波長
と略同一の波長の光でマスク面上の合焦用マークを照明
し、該合焦用マークを通過した光束を該投影光学系を介
して該ウエハステージの所定位置に設けた受光手段に入
射させ、該受光手段を該投影光学系の光軸方向に振った
ときの該受光手段で得られる信号に基づいて該投影光学
系の像面位置を焦点面検出系で検出し、該焦点面検出系
又は／及び該面位置検出手段からの信号に基づいて該ウ
エハと該投影光学系の像面位置との間隔を駆動手段で調
整する際、該投影光学系の像面位置の経時変化による変
化量を演算手段で演算し、該演算手段で求めた像面位置
を仮りの像面位置とし、該仮りの像面位置を中心に該受
光手段を該光軸方向に振ったときに得られる信号を用い
て該投影光学系の像面位置を検出したことを特徴として
いる。

【００１４】又本発明の半導体素子の製造方法として
は、照明手段からの露光光で照明したマスクステージに
支持したマスク面上の回路パターンを投影光学系により
ウエハステージに載置したウエハ面上に投影し、半導体
素子を製造する半導体素子の製造方法において、該ウエ
ハの該投影光学系の光軸方向に関する位置を面位置検出
手段で検出し、該露光光の波長と略同一の波長の光でマ
スク面上の合焦用マークを照明し、該合焦用マークを通
過した光束を該投影光学系を介して該ウエハステージの
所定位置に設けた受光手段に入射させ、該受光手段を該
投影光学系の光軸方向に振る際受光手段に入射させ、該
投影光学系の像面位置の経時変化による変化量を演算手
段で演算し、該演算手段で求めた像面位置を仮りの像面
位置とし、該仮りの像面位置を中心に該受光手段を該光
軸方向に振ったときに得られる信号を用いて該投影光学
系の像面位置を焦点面検出系で検出し、該焦点面検出系
又は／及び該面位置検出手段からの信号に基づいて該ウ
エハと該投影光学系の像面位置との間隔を駆動手段で調
整したことを特徴としている。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の投影露光装置の要部概略図で
ある。

【００１６】同図において１は原板としてのレチクル
（フォトマスク）であり、レチクルステージ２に保持さ
れている。レチクル１上の回路パターンが投影光学系
（縮小投影レンズ３）によって、保持手段としてのＸＹ
Ｚステージ４上のウエハ５上のフォトレジスト面に１／
５に縮小されて結像し、露光が行われる。

【００１７】図１では、ウエハ５に隣接する位置に、ウ
エハ５の上面とその面の高さが略一致している基準平面
（基準マーク）６が配置されている。基準マーク６はス
リット開口６ｃを有し、その開口部６ｃの中には受光素
子６ｂが設けられており、これらの各要素は受光手段６
ａの一部を構成している。

【００１８】又、ＸＹＺステージ４はステージ駆動装置
により、縮小投影レンズ３の光軸方向（Ｚ方向）及びこ
の方向に直交する面内（ｘ−ｙ面）で移動可能であり、
光軸のまわりに回転させることもできる。ウエハ回路パ
ターンを転写する時、レチクル１は照明光学系７によっ
て回路パターンの転写が行われる画面領域内を照明され
る。

【００１９】８は投光光学系、９は検出光学系であり、
これらはウエハ５の投影光学系３の光軸方向の位置を検
出するウエハ位置検出手段（面位置検出光学系）を構成
している。投光光学系８からは複数個の光束を投光して
いる。この投光光学系８より投光される各光束は非露光
光から成り、ウエハ５上のフォトレジストを感光させな
い光より成っている。そしてこの複数の光束は基準平面
（基準マーク）６上（あるいはウエハ５の上面）に各々
集光されて反射される。

【００２０】基準マーク６で反射された光束は、検出光
学系９内に入射する。図示は略したが、検出光学系９内
には各反射光束に対応させて複数個の位置検出用の受光
素子が配置されており、各位置検出用の受光素子の受光
面と基準マーク６上での各光束の反射点が結像光学系３
によりほぼ共役となる様に構成されている。基準マーク
６の、縮小投影レンズ３の光軸３ｂ方向の位置ずれは、
検出光学系９内の位置検出用の受光素子上での入射光束
の位置ずれとして計測される。

【００２１】この検出光学系９により計測された基準マ
ーク６の所定の基準面６よりの位置ずれは、位置検出用
の受光素子からの出力信号に基づいて面位置検出系１０
により面位置として算出され、これに対する信号が信号
線を介してオートフォーカス制御系１１に入力される。

【００２２】オートフォーカス制御系１１は、基準マー
ク６が固設されたＸＹＺステージ４を駆動するための駆
動手段としてのステージ駆動装置１２に信号線を介して
指令信号を与える。又、後述する方法のＴＴＬで投影レ
ンズ３のフォーカス位置を検知する時には、オートフォ
ーカス制御系１１によりステージ駆動装置１２に指令を
与え、基準マーク６が後述する演算手段２０で演算され
た所定の基準位置の近傍で投影レンズ３の光軸方向（Ｚ
方向）に上下に変位する様にＸＹＺステージを駆動す
る。

【００２３】本実施例ではレチクル１の投影レンズ３に
よる像面位置（ピント位置）である投影レンズ３のフォ
ーカス位置を投影レンズ３を介した光で検出するＴＴＬ
オートフォーカス方式を採用している。このときレチク
ル１面上のオートフォーカス用の合焦用マーク２５の照
明光学系は次のような構成より成っている。

【００２４】露光用の照明光学系７から露光光と同一波
長の光の一部は検出ビームとして光ファイバー１３でコ
リメータレンズ１５に導光され、開口絞り１６を照射す
る。開口絞り１６は照明光学系７の２次放射源の形状に
応じた形状及び大きさと成っている。

【００２５】１４は光量制御用ＮＤフィルターであり、
開口絞り１６に応じて、光量が一定となるように設定し
ている。開口絞り１６からの光は偏光ビームスプリッタ
ー１７によって、λ／４板１８，対物レンズ１９，ミラ
ー２０を順次通ってレチクル１を照明するＳ偏光光と、
集光レンズ２２を介して基準光量検出系の受光素子２３
に入射するＰ偏光光とに分岐される。

【００２６】レチクル１を照明する光は、開口絞り１６
の形状及び大きさにより照明光学系７の露光時のＮＡと
同じＮＡの光となるように設定している。これにより投
影光学系３の使用態様が同じになるようにしている。受
光素子２３からの信号は基準光量検出系２４に送られ、
これにより照明光学系７から放射された光束の基準量を
求めている。

【００２７】２０は演算手段であり、露光開始により投
影光学系３の温度が上昇し、投影光学系３の像面位置
（ピント位置）が経時変化と共に変化する変化量をメモ
リＭに格納したデータを基準に演算し求めている。そし
て演算手段２０で求めた像面位置を仮りの像面位置と
し、この仮りの像面位置を中心にステージ駆動装置１２
は基準マーク６（ＸＹＺステージ４）を光軸方向に上下
動させている。

【００２８】次に、縮小投影レンズ３の像面位置である
フォーカス位置の検出処理について説明する。

【００２９】図２，図３は図１の一部分の概略図であ
る。図２，図３において１はレチクル、２６はレチクル
１上に形成されたパターン部で遮光性をもっている。ま
た２７はパターン部２６に挟まれた透光部である。この
パターン部２６と透光部２７により合焦用マーク２５を
構成している。

【００３０】ここで縮小投影レンズ３のフォーカス位置
（像面位置）の検出を行う時には、前述したようにＸＹ
Ｚステージ４が演算手段２０により求めた仮りの像面位
置を中心に縮小投影レンズ３の光軸方向に往復的に移動
する。基準マーク６は、縮小投影レンズ３の真下に位置
付けられており、レチクル１のパターン部２６と透光部
２７はオートフォーカス用照明光学系により照明されて
いる。

【００３１】次に基準マーク６が縮小投影レンズ８のピ
ント面にある場合について図２を用いて説明する。レチ
クル１上の透光部２７を通った光は、縮小投影レンズ３
を介して基準平面マーク６上に集光し、全部の光束が基
準マーク６のスリット部６ｃを透過し、受光素子６ｂに
よる受光光量が最大になる。

【００３２】次に基準マーク６が縮小投影レンズ３のピ
ント面よりずれた位置にある場合について図３を用いて
説明する。レチクル１上のパターン部２６の透光部２７
を通った光は、縮小投影レンズ３を介し、基準マーク６
は縮小投影レンズ３のピント面にないので光は広がった
光束として基準マーク６上に達する。

【００３３】この時、光は基準マーク６上のスリット６
ｃによって一部の光がけられを生じ、全部の光束がスリ
ット６ｃを透過することはできない。即ちピント面に合
致した時とそうでない時にはスリット６ｃを通して受光
素子６ｂによる受光光量に差が生じる。

【００３４】次に基準マーク６の下方の受光素子６ｂか
らの信号出力を用いて縮小投影レンズ３のフォーカス位
置（像面位置）を検出する方法について説明する。

【００３５】ステージ駆動装置１２により、基準マーク
６を搭載したＸＹＺステージ４を縮小投影レンズ３の光
軸方向に、演算手段２０で求めた仮りの像面位置である
零点を中心に駆動させる。

【００３６】この時は、面位置検出系１０で基準マーク
６の複数箇所の光軸方向に関する位置がモニターされ
る。この複数箇所の中で焦点面検出系２１により合焦用
マーク２５の像が投影される位置の近傍の計測値をｚと
して基準マーク６の位置を代表させる。基準マーク６の
受光素子６ｂで受光した時に焦点面検出系２１から得ら
れる信号出力とこのｚの関係を図４に示す。

【００３７】さて基準マーク６が縮小投影レンズ３のピ
ント面（像面）に位置した場合に、焦点面検出系２１の
出力はピーク値を示す。この時の面位置検出系１０の値
ｚ０をもってして縮小投影レンズ３を用いてウエハ５に
露光を行う際の投影光学系３のフォーカス位置とする。

【００３８】このようにして決まった投影レンズ３のフ
ォーカス位置はオートフォーカス検出系の基準位置とな
る。実際のウエハの焼き付け最良位置はこの基準位置か
らウエハの塗布厚や段差量等の値を考慮した分だけオフ
セットを与えた値となる。

【００３９】図４の信号出力を用いたピント位置ｚ０の
検出方法は以下の手法が適用可能である。

【００４０】（イ）光量出力の最大値となるオートフォ
ーカス計測値ｚ０をピント位置とする。

【００４１】（ロ）ピーク出力に対してある割合のスラ
イスレベル２２０を設定し、このスライスレベル２２０
の出力を示す時のオートフォーカス計測値ｚ１，ｚ２を
知ることによりピント位置を

【００４２】

【数１】 とする。

【００４３】（ハ）光量出力（ｆｉ）およびオートフォ
ーカス計測値（ｚｉ）に対して重心処理を行い、ピント
位置を

【００４４】

【数２】 （ニ）光量出力（ｆｉ）およびオートフォーカス計測値
（ｚｉ）に対して２次関数近似（ｙ＝ａｘ・ｘ＋ｂｘ＋
ｃ）を行い、ピント位置を

【００４５】

【数３】 とする。

【００４６】従来のＴＴＬオートフォーカス方式では予
め設定した零点を中心に基準マークを上下動させてい
た。この為、例えば図５に示すように面位置検出系１０
の零点が実際のフォーカス位置（像面位置）との差が大
きい場合にはスライスレベル２２０を設定しても焦点面
検出系２１から対称である出力信号が得られない為、検
出範囲を越えてしまい焦点検出の精度を低下させてしま
う。

【００４７】そこで本実施例では前述したように、まず
演算手段２０で投影光学系３のピント位置を環境変化に
伴う要素を考慮して演算で求めている。そして演算で求
めたピント位置を仮りの像面位置としてこの仮りの像面
位置を中心にステージ駆動装置１２により基準マーク６
（ＸＹＺステージ４）を上下動させている。これにより
無駄な領域でのオートフォーカス検出を排除してスルー
プットの向上を図っている。

【００４８】次に本実施例において投影レンズ３の像面
位置検出を行うまでの具体的な過程を図６に、又図７に
ウエハ１枚毎に縮小投影レンズ３の像面位置検出を行う
フローチャートを示す。

【００４９】図８は演算手段２０による投影レンズ３の
ピント位置の変化量ΔＦを演算する信号の回路図であ
る。

【００５０】図７のフローチャートにおいてはまず、初
期値として現在のピント位置をΔＦ０として設定し（７
０１）ウエハを供給する（７０２）。次に露光を行い
（７０３）、演算手段であるマイクロプロセッサ２０は
縮小投影レンズ３の焼き付け光照射による経時的なピン
ト変化量ΔＦ１を図８に示すようにΔＦ１＝Ｋ・τ・Ｅ
・ｔ０／ｔの計算式で演算を行う。

【００５１】ここでＫは縮小投影レンズ３の固有ピント
変化係数、τはレチクル１の透過率、Ｅは露光用照明系
７からの単位時間当たりの照射光量、ｔ０はシャッタの
開放時間、ｔは露光間隔時間合計である。

【００５２】尚、縮小投影レンズ３のピント変化係数Ｋ
は一つの投影レンズについて実験で測定すれば、同じ投
影レンズを組み込んだ装置では同じＫを使用できる。演
算手段２０は上述のΔＦに関する条件式とピント変化係
数Ｋを記憶装置Ｍに予め記憶させておく。他方、演算手
段２０はシャッタ開放と露光時間が生じる度にそれぞれ
を別に積算し、記憶装置Ｍへ露光履歴ｔ０／ｔとして記
憶する。そしてＫ・τ・Ｅ・ｔ０／ｔに基づいた演算に
よりΔＦの値を算出する。このΔＦの値はステージ駆動
装置１２へ入力される（７０４）。

【００５３】次にウエハ５を回収し（７０５）、前回Ｔ
ＴＬオートフォーカス計測時の演算によるピント変化量
ΔＦ０と今回ＴＴＬオートフォーカス計測時のピント変
化量ΔＦの差がεより大きければ（７０６）、ＴＴＬオ
ートフォーカスによる検出を行い（７０７）、その時の
ピント補正量をΔＦをΔＦ０としてメモリーする（７０
８）。

【００５４】本実施例では以上のようにして投影レンズ
３のピント面にウエハ５が位置するようにして、レチク
ル１面上の回路パターンを投影レンズ３によりウエハ５
面上のレジストに投影露光している。これにより半導体
素子を製造しいる。

【００５５】尚、本発明に係るＴＴＬオートフォーカス
方式は、例えば投影レンズを通して画像のコントラスト
を検出する方式、スリットを投影して再びそのスリット
を通して光量を検出する方式、画像のずれを検出する方
式等、種々のフォーカス方式が適用可能である。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば以上のように受光手段を
投影光学系の光軸方向に上下動させる検出範囲をあまり
広くせず適切な大きさの検出範囲とし、演算手段で温度
変化等の環境変化に伴う像面変動を予め設定した関数に
基づき演算し、その演算結果による像面位置を仮りの像
面位置とし、該仮りの像面位置を基準に受光手段を検出
範囲で上下動させることにより無駄な領域で検出をせず
像面位置（最適フォーカス位置）を迅速に、しかもスル
ープットを低下させずに高精度に検出し、該像面位置に
ウエハ面を一致させることができるようにした投影露光
装置及びそれを用いた半導体素子の製造方法を達成する
ことができる。

【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】 図１の一部分の説明図

【図３】 図１の一部分の説明図

【図４】 本発明に係る焦点面検出系からの出力信号
の説明図

【図５】 本発明に係る焦点面検出系からの出力信号
の説明図

【図６】 本発明に係る焦点面検出処理のフローチャ
ート

【図７】 本発明に係る焦点面検出処理から露光に至
るまでのシークエンスの説明図

【図８】 本発明に係る演算手段によるピント位置変
化を演算する信号の回路説明図

【符号の説明】

１ レチクル（フォトマスク） ３ 投影光学系 ４ ＸＹＺステージ ５ ウエハ ６ａ 受光手段 ７ 照明光学系 ８ 透光光学系 ９ 検出光学系 １０ 面位置検出系 １１ オートフォーカス制御系 １２ ステージ駆動装置 ２０ 演算手段 ２１ 焦点面検出系 ２５ 合焦用マーク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 照明手段からの露光光で照明したマスク
   ステージに支持したマスク面上の回路パターンを投影光
   学系によりウエハステージに載置したウエハ面上に投影
   する投影露光装置において、該ウエハの該投影光学系の
   光軸方向に関する位置を面位置検出手段で検出し、該露
   光光の波長と略同一の波長の光でマスク面上の合焦用マ
   ークを照明し、該合焦用マークを通過した光束を該投影
   光学系を介して該ウエハステージの所定位置に設けた受
   光手段に入射させ、該受光手段を該投影光学系の光軸方
   向に振ったときの該受光手段で得られる信号に基づいて
   該投影光学系の像面位置を焦点面検出系で検出し、該焦
   点面検出系又は／及び該面位置検出手段からの信号に基
   づいて該ウエハと該投影光学系の像面位置との間隔を駆
   動手段で調整する際、該投影光学系の像面位置の経時変
   化による変化量を演算手段で演算し、該演算手段で求め
   た像面位置を仮りの像面位置とし、該仮りの像面位置を
   中心に該受光手段を該光軸方向に振ったときに得られる
   信号を用いて該投影光学系の像面位置を検出したことを
   特徴とする投影露光装置。
2. 【請求項２】 照明手段からの露光光で照明したマスク
   ステージに支持したマスク面上の回路パターンを投影光
   学系によりウエハステージに載置したウエハ面上に投影
   し、半導体素子を製造する半導体素子の製造方法におい
   て、該ウエハの該投影光学系の光軸方向に関する位置を
   面位置検出手段で検出し、該露光光の波長と略同一の波
   長の光でマスク面上の合焦用マークを照明し、該合焦用
   マークを通過した光束を該投影光学系を介して該ウエハ
   ステージの所定位置に設けた受光手段に入射させ、該受
   光手段を該投影光学系の光軸方向に振る際、該投影光学
   系の像面位置の経時変化による変化量を演算手段で演算
   し、該演算手段で求めた像面位置を仮りの像面位置と
   し、該仮りの像面位置を中心に該受光手段を該光軸方向
   に振ったときに得られる信号を用いて該投影光学系の像
   面位置を焦点面検出系で検出し、該焦点面検出系又は／
   及び該面位置検出手段からの信号に基づいて該ウエハと
   該投影光学系の像面位置との間隔を駆動手段で調整した
   ことを特徴とする半導体素子の製造方法。