JPH05343283A - 半導体露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、Ｘ線縮小露光法における高ス
ル−プット化を可能とする露光装置を提供するものであ
る。 【構成】露光光学系の縮小率に相当する速度比でマスク
１とウェハ６を同期走査しながら露光する装置におい
て、同期走査時の両者の相対的位置誤差関係を常時検出
し、検出された誤差に応じて露光光学系内部に設けた可
動折り曲げ鏡５を可動させることによりマスク１とウェ
ハ６の光学的位置関係を一定に保ちながら露光する。 【効果】本発明によれば、マスクとウェハの同期走査制
御に高い精度が要求されないため高速運転が可能とな
り、露光装置のスル−プットを向上させることができ
る。また、低コストのステ−ジ機構とすることもでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路を製造す
る際の露光工程で用いられる露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体製造工程では、マスクやレ
チクルの回路パターンをウェハ上に焼き付けるために紫
外光を用いたステッパ等の露光装置が用いられている。
近年、半導体回路の高集積化に伴い回路の最小パターン
幅は０.２μｍ より小さな値が要求されているが、上記
紫外光を用いたステッパでは投影レンズ系の制約のため
に解像不可能な状況となってきている。

【０００３】このため、紫外光より波長の短いＸ線を露
光光源とするＸ線露光法が提案されている。古くから研
究が進められてきた等倍マスクを用いるＸ線プロキシミ
ティ露光法は、極めて薄いメンブレン状のマスクを用い
て影絵のようにしてウェハ上にマスクパターンを投影す
る露光法であるが、欠陥および寸法ひずみのないメンブ
レンマスクの製造が困難であり、実用化にはいたってい
ない。

【０００４】これに対して最近、拡大マスクが使用可能
なＸ線縮小露光法として、図１に示すような反射光学系
を用いた露光法が提案されている（例えば、特開昭63−
311315号など）。すなわち、シンクロトロン放射リング
などから出射される波長１３０Å程度の軟Ｘ線を拡大反
射マスク１に照射し、拡大反射マスク１上の反射パター
ン部から反射された軟Ｘ線を３面の非球面反射鏡２，
３，４からなる縮小光学系および折り曲げ鏡５を介して
ウェハ６上に結像させる。この場合、上記反射縮小光学
系において収差なく結像できるフィールドは図２に示す
ように半径ｒ＝１２mm，幅ｄ＝１mm程度のリング状であ
るので、半導体露光工程で必要とされる直径１５０mm程
度のウェハ全面には一度に露光できない。そのため、図
３に示すようにウェハ６をＸＹステージ７上に載せ、拡
大反射マスク１とＸＹステージ７の速度比をマスクの拡
大率の比、例えば５：１に保って拡大反射マスク１とＸ
Ｙステージ７を同時に機械的に走査して１フィールド分
を露光する。１フィールド分の露光後、従来のステッパ
と同様にＸＹステージ７を２次元的に移動させ、再度１
フィールド分を露光する。このように走査露光とステッ
プ移動を繰返しながらウェハ全面の露光を行う。なお、
図３中の集光鏡８はＸ線源から放射される軟Ｘ線を有効
に集めて反射マスク１を照明するためのものである。ま
た、波長１３０Å程度の軟Ｘ線は大気があると吸収され
てしまうため、上記光学系部分は真空容器９の中に設置
される。

【０００５】さて、本Ｘ線縮小露光装置では、前述した
ように小さなリング状の露光フィ−ルドしか得られない
ので、ウェハ全面を露光するためには拡大反射マスクと
ウェハの速度比をマスクの拡大比、例えば５：１に正確
に保ちながら機械的に走査露光する必要がある。例え
ば、露光すべき回路パタ−ンの最小線幅を０．１μｍと
した場合、許容される寸法歪は０．０１μｍ以下とな
る。マスクとウェハの走査速度比を５０ｍｍ／ｓ：１０
ｍｍ／ｓとした場合、２０ｍｍの長さのチップパタ−ン
を０．０１μｍ以下の寸法誤差で露光するためには、マ
スクとウェハの両者とも設定値からの速度誤差を５×１
０-⁷以下としながら走査しなければならないことにな
る。さらに、走査方向と直交する左右軸方向およびヨ−
イング軸まわりのマスクとウェハの相対的位置ずれ量も
当然のことながら露光されるパタ−ン位置の誤差となる
ので、これらも０．０１μｍ以下相当の値でなければな
らない。

【０００６】このための走査機構として、てこのレバ−
比を利用するもの（特開昭６１−２２８６２７）や歯車
装置の減速比を利用するもの（特開昭６１−１１７８３
０）などが提案されているが、機構伝達部のバックラッ
シの存在などのために上記要求精度を達成することは実
用上ほとんど不可能である。

【０００７】上記機械的な手法で速度比を発生させるも
の以外に、マスクとウェハをそれぞれ独立の精密移動装
置上に載せ、それぞれレ−ザ測長器を位置検出要素とす
る閉ル−プ位置制御系としてそれぞれ所定の指令信号に
従って同期運転する手法（例えば電子材料、１９９０年
３月号６９ペ−ジ）が知られている。しかしながら、上
記精密移動装置の可動部重量はおよそ５ｋｇを超え、さ
らに可動範囲として２００ｍｍ以上が必要となるため、
上記閉ル−プ系内の機械的共振周波数として高い値は得
られず、せいぜい２００Ｈｚが限界となる。そのため位
置偏差０．０１μｍ以下で追従させるためには、機構案
内部等からの外乱振動レベルが十分に小さくサ−ボ系で
抑圧可能なレベル、例えば１０ｍｍ／ｓ程度の低い速度
で走査させねばならず、スル−プット向上をはかる上で
の大きな制約となっている。

【０００８】他方、上記と同様にマスクとウェハを機械
的に走査しながら露光する形式の半導体露光装置とし
て、反射型等倍露光装置が古くから存在する。この場
合、等倍の露光光学系を利用するためにマスクとウェハ
を同一速度で走査すれば良く、マスクとウェハは一体の
テ−ブル上に載せて走査する。しかしこの場合、走査テ
−ブルにヨ−イングを生じるとマスクとウェハの相対的
位置関係に誤差を生じ、その結果、露光されるパタ−ン
位置がずれる問題がある。この問題を解決する手法の一
つとして、特開平３−１９８３１９には走査テ−ブルの
ヨ−イングを検出し、露光光学系内に設けた反射鏡の角
度を制御して結像位置を補正しながら露光する技術が開
示されている。すなわち、図４に示すように１つの走査
テ−ブル１０にマスク１とウェハ６を載せ、図中のＸ軸
方向に走査しながら反射光学系２、３を介してマスク上
のパタ−ンをウェハ上に投影露光する。走査に伴って生
じるテ−ブル１０のヨ−イングをレ−ザ干渉計１１で検
出し、ずれ量検出回路１２に送る。ずれ量検出回路１２
は、このヨ−イングによって生じるであろうパタ−ン図
形のずれ量を演算し、その演算結果信号がモ−タ駆動装
置１３を介して反射鏡７の角度を傾斜させ、上記図形の
ずれを補正する。

【０００９】上記技術を本Ｘ線縮小露光装置に適用すれ
ばマスクとウェハの走査方向の送りむらを補正できるこ
とは容易に想像できる。しかしながら、上記技術では本
Ｘ線縮小露光装置では無視できない走査方向と直交する
軸方向、すなわち上下左右方向のマスクとウェハの相対
的運動誤差は補正できず、結局、利用可能なテ−ブル走
査速度は運動誤差の発生が小さい低速領域のみに限られ
てしまう。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はマスク
とウェハの同期走査機能を向上させ、高いパタ−ン配列
位置精度を保持しつつ、スル−プットの向上を可能とす
る露光装置を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、高速でマス
クとウェハを機械的に同期走査させる一方、両者の相対
的位置関係について走査方向、走査と直交する方向、お
よびヨ−イング軸まわりについてそれぞれの運動誤差を
検出し、それらの誤差群に対応させて露光光学系の光軸
を３次元的に変位させることにより両者の光学的位置関
係を補正しながら露光することにより達成できる。

【００１２】

【作用】マスクとウェハをそれぞれ所定の速度比で同期
走査させる一方、両者の相対的位置関係について走査方
向、走査と直交する方向、およびヨ−イング軸まわりに
ついてそれぞれの運動誤差を検出し、それらの誤差に対
応させて露光光学系の光路途中に設けられた反射鏡を傾
斜および平行変位させることにより、光学像を所定の位
置関係に保つ。

【００１３】

【実施例】以下、図５を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。ここでは簡略化のために露光走査方向（Ｘ軸
方向）についてのみ説明する。

【００１４】拡大反射マスク１はマスクステ−ジ３１上
に装着されている。軟Ｘ線照明光のうち、マスク１の反
射パタ−ン部で反射した軟Ｘ線は３面の非球面反射鏡
２，３，４からなる縮小光学系および折り曲げ鏡５を介
してウェハ６上に結像される。前述したように、上記縮
小光学系の露光フィ−ルドは小さいので、マスク１とウ
ェハ６を同期走査しながら露光する。このためマスク１
はマスクステ−ジ３１上に、ウェハ６はウェハステ−ジ
３２上に装着され、それぞれモ−タ駆動装置３３、３
４、により直線駆動される。両ステ−ジのそれぞれの位
置はレ−ザ干渉測長器３５、３６により検出され、検出
信号３７、３８は同期制御回路３９に送られる。同期制
御回路３９はレ−ザ検出値３７、３８を位置指令信号４
０と比較演算し、両ステ−ジの理想的動作からのずれ量
４１、４２を出力する。これらのずれ信号はそれぞれの
モ−タ駆動装置３３、３４に送られて両ステ−ジを閉ル
−プ制御するために用いられる。同時にこれらのずれ信
号は同期制御回路３９内で演算処理される。演算結果に
より得られた信号４３は、折り曲げ鏡駆動装置４４を駆
動し、折り曲げ鏡５の姿勢を調整して光学的に上記両ス
テ−ジ間の相対位置ずれ量を補正する。

【００１５】以上、走査露光におけるＸ軸走査方向のみ
の動作について説明した。これと直交するＹ軸方向もま
ったく同様な構成であるが、位置指令信号４０がステッ
プ信号で与えられる点のみ異なる。さらにマスクステ−
ジ３１、ウェハステ−ジ３２のそれぞれのヨ−イング量
もレ−ザ干渉計で検出され、折り曲げ鏡５の姿勢を調整
して相対的なヨ−イング量を補正する。

【００１６】同期制御回路３９の具体的な構成例を図６
に示す。

【００１７】基本的にはＸ軸制御系、Ｙ軸制御系、およ
びヨ−イング軸制御系からなっている。まずＸ軸系は、
走査露光のための走査指令信号４０は２分割され、マス
クステ−ジとウェハステ−ジへの位置指令信号となる。
これらの信号はそれぞれモ−タ駆動装置３３、３４を駆
動して２つのステ−ジを直線駆動するが、それぞれレ−
ザ干渉測長器からの位置検出信号３７、３８がフィ−ド
バックされて閉ル−プ位置制御系を構成している。ここ
で、ウェハステ−ジへの位置指令信号Ｓｗは鋸歯状に変
化する同期走査指令信号Ｓと同一であるが、マスクステ
−ジへの位置指令信号Ｓｍは掛け算器４５によってｎ倍
（但し、ｎはマスクの拡大率）されているので、結局マ
スクステ−ジ３１はウェハステ−ジ３２のｎ倍の速度で
運動することになる。これにより、拡大マスク１のパタ
−ンを１／ｎに縮小したものがウェハ上に露光できるこ
とになる。

【００１８】しかし現実には、、機械的な外乱等により
閉ル−プ制御のステ−ジにおいても指令値から微少な偏
差を生じ、露光されるパタ−ンの位置ずれの原因とな
る。ここで、マスクステ−ジに生じている指令値からの
位置偏差信号３３を１／ｎした信号とウェハステ−ジ位
置偏差信号３４の差信号をとれば、それは、そのまま露
光された場合に生じるパタ−ンの配列位置誤差に相当す
る位置ずれ信号４３となる。

【００１９】Ｙ軸系も構成は上記Ｘ軸系とまったく同一
であり、位置指令信号５０がステップ状で与えられる点
のみが異なる。

【００２０】ヨ−イング軸系ではマスク側のヨ−イング
量とウェハ側のヨ−イング量が一対一で対応するためｎ
倍化処理は不用であり、また通常、位置指令値６０は零
であるので、レ−ザ検出値からの信号６７、６８の差信
号がそのまま折り曲げ鏡駆動装置４４に送られることに
なる。

【００２１】次に折り曲げ鏡駆動装置４４について説明
する。図７に示すように折り曲げ鏡駆動装置４４は３つ
の圧電アクチュエ−タ７１−１、７１−２、７１−３か
らなっており、これらアクチュエ−タの伸縮により微少
角度だけ折り曲げ鏡５を傾斜させる。この折り曲げ鏡５
の傾斜により、ウェハ面上に投影される縮小光学像の位
置をＸ，Ｙ方向およびヨ−イング軸周りに微動させるこ
とができる。

【００２２】すなわち、折り曲げ鏡５を図中α方向に角
度制御することにより、両ステ−ジ間の走査方向の相対
的位置ずれを補正でき、またβ方向に角度制御すること
により、走査方向と直交する軸方向、すなわちステ−ジ
真直運動誤差を補正することができる。さらに３つのア
クチュエ−タへの駆動信号をうまく配分することによっ
てヨ−イング軸周りに反射像を回転させることができ
る。

【００２３】上記のような構成の折り曲げ鏡駆動装置に
よれば、容易に高い固有振動数を得ることができ、例え
ば１ＫＨｚ程度のサ−ボ帯域を得ることも可能である。
これはステ−ジ制御系で得られるサ−ボ帯域の１００倍
程度の値である。その結果大きな機械的外乱も抑制可能
となるため、それだけ速い速度でステ−ジを走査させる
ことができ、露光装置としてのスル−プット向上が可能
となる。

【００２４】さて、上記実施例においては、折り曲げ鏡
５の傾き量制御には極めて高い精度、例えば±３０μｒ
ａｄの角度範囲を±０．１μｒａｄの精度が要求され
る。ところが図７の実施例で用いている傾き制御用の圧
電アクチュエ−タは大きなヒステリシス特性を持ってい
るため、印加電圧の制御のみでは上記の制御精度達成は
不可能である。この問題は、折り曲げ鏡の傾き角を検出
し、閉ル−プ制御することにより解決できる。傾き角の
検出法としては、図８に示すようにオ−トコリメ−タの
原理を適用することができる。すなわち、点光源８０か
らの光をレンズ８１を用いて平行光として、折り曲げ鏡
５の裏面に設けた平面反射部を照射する。そこで反射し
た光は再びレンズ８１で集光され、半透鏡８２で反射さ
れて光電変換位置検出器８３の検出面上に結像する。こ
の構成により、折り曲げ鏡５の傾きは位置検出器上の光
点の２次元変位となって表われ、Ｘ，Ｙの２チャンネル
の電気信号として取り出すことができる。

【００２５】上記のようにＸ，Ｙおよびヨ−イング量を
補正するほか、折り曲げ鏡を可動鏡とすることにより、
ウェハ走査に伴う露光光学系の焦点ぼけも補正すること
ができる。すなわち図９に示すように、ウェハの高さが
Δｚだけ高くなった場合、折り曲げ鏡を図中の点線のよ
うに多少傾けながら後退させる。これにより、パタ−ン
の結像面を面内に変位させることなく中心光軸上でのみ
ずらすことができ、ウェハを上下動させることなく焦点
合わせをすることができる。また同様にすれば、ウェハ
表面の傾きや面内の回転も補正できることは明らかであ
る。

【００２６】なお上記実施例では、露光光学系最終段の
折り曲げ鏡を制御したが、その他の手段、例えば反射鏡
自身の姿勢を変えたり、拡大マスク位置を変化させても
同じ効果が得られることは明らかである。

【００２７】

【発明の効果】上記のように本発明によれば、マスクと
ウェハの同期走査制御に高い精度が要求されないため高
速運転が可能となり、露光装置のスル−プットを向上さ
せることができる。また、低コストのステ−ジ機構とす
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｘ線縮小露光法の説明図である。

【図２】Ｘ線縮小露光光学系のフィ−ルド形状例を示す
図である。

【図３】Ｘ線縮小露光装置の構成例を示す図である。

【図４】従来の走査速度補正技術を説明する図である。

【図５】本発明の実施例を示す図である。

【図６】本発明における同期走査制御回路例を示す図で
ある。

【図７】本発明における折り曲げ鏡駆動装置の実施例を
示す図である。

【図８】本発明における折り曲げ鏡の傾き検出法を示す
図である。

【図９】本発明の応用を説明する図である。

【符号の説明】

１…拡大反射マスク、２、３、４…非球面反射鏡、５…
折り曲げ鏡、６…ウェハ、３１…マスクステージ、３２
…ウェハステ−ジ ３５、３６…レ−ザ測長器、３９…同期走査制御回路、
４３…位置ずれ信号、４４…折り曲げ鏡駆動装置、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 片桐 創一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 瀬谷 英一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスク上の図形を投影光学系を用いてウェ
   ハ上に投影露光する露光装置において、 マスクとウェハを所定の速度比をもって機械的に同期走
   査する手段と、上記所定の速度比をもって理想的に同期
   走査された場合のマスクとウェハの空間的相対的位置関
   係に対して実際のマスクとウェハの空間的相対的位置関
   係の誤差群を検出する手段と、上記検出された誤差群に
   もとづいて露光光学系の中心光軸の少なくとも一部を傾
   斜または平行変位させる手段、を含むことを特徴とする
   露光装置。
2. 【請求項２】上記検出されるべき誤差群が、同期走査方
   向、同期走査と直交する方向、ヨ−イング軸まわりの３
   種であることを特徴とする第１項請求の露光装置。
3. 【請求項３】上記検出された３つの誤差群にもとづい
   て、露光光学系の中心光軸の少なくとも一部を傾斜また
   は平行変位させることにより、露光光学系を介してウェ
   ハ表面上に結像されるマスクの光学像とウェハの相対的
   位置関係を補正しながら露光することを特徴とする第２
   項請求の露光装置。
4. 【請求項４】上記露光光学系の中心光軸の少なくとも一
   部を傾斜または平行変位させる手段が、露光光学系の光
   路内に設けられた折り曲げ鏡を少なくとも３つ以上のア
   クチュエ−タで駆動する構成であることを特徴とする、
   第２項請求の露光装置。
5. 【請求項５】上記露光光学系の光路内に設けられた折り
   曲げ鏡を傾斜させる手段が、折り曲げ鏡の傾斜量を検出
   し、これに基いて閉ル−プ制御することを特徴とする、
   請求項４の露光装置。
6. 【請求項６】マスク上の図形を投影光学系を用いてウェ
   ハ上に投影露光する場合、 マスクとウェハを所定の速度比をもって機械的に同期走
   査しながら露光する方法において、上記所定の速度比を
   もって理想的に同期走査された場合のマスクとウェハの
   空間的相対的位置関係に対して実際のマスクとウェハの
   空間的相対的位置関係の誤差群を検出する工程と、上記
   検出された誤差群にもとづいて露光光学系の中心光軸の
   少なくとも一部を傾斜または平行変位させながら露光す
   る工程からなることを特徴とする半導体の露光方法。