JPH0574682A - 投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レジストが塗布されたウエハー面の位置を斜
入射ＡＦ方式と画像ＡＦ方式を利用して高速、高精度に
検出することができる半導体デバイス製造に好適な投影
露光装置を得ること。 【構成】 第１物体面Ｒ上のパターンを投影光学系ＰＬ
を介して第２物体面Ｗ上に投影露光する投影露光装置に
おいて、投影光学系の光軸下の露光領域の焦点位置を検
出する第１検出手段と該露光領域の画像情報を信号処理
することにより、該投影光学系とは独立に設けたアライ
メントスコープと該露光領域との間隔を検出する第２検
出手段と該アライメントスコープの光軸下の該露光領域
の光軸方向の位置を検出する該第１検出手段と同様の構
成の第３検出手段とを有しており、該第２，第３検出手
段で得られた検出結果に基づき該第１検出手段で得られ
た信号を補正することにより、該投影光学系の焦点位置
を検出するようにしたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体デバイス製造用の
縮小型の投影露光装置（ステッパー）に関し、特にウエ
ハーステージ上に載置された半導体ウエハーの各被露光
領域を、縮小型の投影レンズ系（投影光学系）の焦平面
に合焦せしめる為に使用される自動焦点合せ装置を有し
た投影露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、超ＬＳＩの高集積化に応じて回路
パターンの微細化が進んでおり、これに伴なってステッ
パーの縮小型の投影レンズ系は、より高ＮＡ化されて、
これに伴ない回路パターンの転写工程におけるレンズ系
の許容深度（焦点深度）がより狭くなっている。又、投
影レンズ系により露光するべき被露光領域の大きさも大
型化される傾向にある。

【０００３】このようなことにより大型化された被露光
領域全体に亘って良好な回路パターンの転写を可能にす
る為には、投影レンズ系の許容深度内に確実に、ウエハ
ーの被露光領域（ショット）全体を位置付ける必要があ
る。

【０００４】これを達成する為には、ウエハー表面の投
影レンズ系の光軸方向の位置を高精度に検出し、ウエハ
ー表面の位置を調整してやることが重要となってくる。
ステッパーにおけるウエハー表面の位置の検出方法とし
ては、ウエハー表面に光束を斜め方向から入射させ、ウ
エハー表面からの反射光の反射点の位置ずれをセンサ上
への反射光の位置ずれとして検出する検出光学系を用い
て、ウエハー表面の位置を検出する方法（以下「斜入射
ＡＦ」という。）やウエハー表面に形成したマーク像を
撮像管や固体撮像素子（ＣＣＤ）等を介して画像処理す
ることによりウエハー表面の位置を検出する方法（以下
「画像ＡＦ」という。）等がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のウエハー表面の
位置の検出方法のうち斜入射ＡＦ方式の場合は位置検出
が高速に行なえる特長を有している。被投影基板である
ウエハー面上には一般に光学的にほぼ透明なレジスト膜
が存在するため、レジスト膜の表面反射と基板面（ウエ
ハー面）からの反射光の干渉の影響を受ける場合があっ
た。

【０００６】又、基板（ウエハー）に構成されているパ
ターンにより検出光の光路が変化してしまう場合があっ
た。即ちレジスト膜の膜厚、屈折率、基板の反射率、形
状等により計測値が変化するという問題点があった。

【０００７】又、画像ＡＦ方式の場合は、たとえば投影
画像のコントラストを検出することで正確に基板（ウエ
ハー）の表面位置を検出することができるという特長が
ある。しかしながら画像情報の信号処理時間が長くな
り、繰り返し使用するとスループットが低下するという
問題点があった。

【０００８】本発明は斜入射ＡＦ方式と画像ＡＦ方式の
双方を適切に利用することにより、斜入射ＡＦ方式によ
るウエハー面上に塗布したレジスト膜の表面反射とウエ
ハー面（基板面）からの反射光に基づく検出誤差を画像
ＡＦ方式によって得られた検出結果に基づいて補正する
ことにより、常に投影光学系の最適結像面にウエハーを
高速、高精度に位置させることができる半導体デバイス
製造に好適な投影露光装置の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の投影露光装置
は、第１物体面上のパターンを投影光学系を介して可動
ステージに載置した第２物体面上に投影露光する投影露
光装置において、該第２物体面上の該投影光学系の光軸
下の露光領域に斜め方向から光束を照射し、該第２物体
面からの反射光束の光路の変化を検出することにより、
該露光領域での該投影光学系の焦点位置を検出する第１
検出手段と該第２物体面上の露光領域を該投影光学系と
は独立に設けたアライメントスコープの光軸下に移動
し、該アライメントスコープで得られる該露光領域の画
像情報を信号処理することにより、該アライメントスコ
ープと該露光領域との間隔を検出する第２検出手段と該
アライメントスコープの光軸下の該露光領域の該アライ
メントスコープの光軸方向の位置を検出する該第１検出
手段と同様の構成の第３検出手段とを有しており、該第
２検出手段と第３検出手段で得られた検出結果に基づき
該第１検出手段で得られた信号を補正することにより、
該投影光学系の焦点位置を検出するようにしたことを特
徴としている。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部斜視図、図２
は図１の一部分の説明図である。

【００１１】図１において、ＰＬは縮小型の投影レンズ
系（投影光学系）であり、その光軸は図中ＡＸ１で示し
ている。投影レンズ系ＰＬはレチクルＲの回路パターン
を例えば１／５倍に縮小して投影し、その焦平面に回路
パターン像を形成している。又光軸ＡＸ１は図中のｚ軸
方向と平行な関係にある。Ｗは表面にレジストを塗布し
たウエハーであり、先の露光工程で互いに同じパターン
が形成された多数個の被露光領域（ショット）が配列し
てある。

【００１２】３はウエハーを載置するウエハーステージ
である。ウエハーＷはウエハーステージ３のＺステージ
３ｃのウエハーチャック（不図示）に吸着され固定して
いる。ウエハーステージ３はｘ軸方向に動くｘステージ
３ａと、ｙ軸方向に動く３ｂと、ｚ軸方向及びｘ，ｙ，
ｚ軸方向に平行な軸のまわりにモータ１３により回転す
るＺステージ３ｃとで構成している。又ｘ，ｙ，ｚ軸は
互いに直交するように設定してある。

【００１３】従って、ウエハーステージ３を駆動するこ
とにより、ウエハーＷの表面の位置を投影レンズ系ＰＬ
の光軸ＡＸ１方向及び光軸ＡＸ１方向に直交する平面に
沿った方向に調整し、更に焦平面、即ち回路パターン像
に対する傾きも調整している。Ｘステージ３ａとＹステ
ージ３ｂはレーザ干渉装置（不図示）により、その位置
情報を検出し、位置調整を行っている。

【００１４】１１は反射板であり、その面上には細いパ
ターンが形成されており、Ｚステージ３ｃ面上のウエハ
ーＷの外側の一部に載置している。４は投光器であり、
スポット光をウエハーＷ面上の投影光学系ＰＬの光軸Ａ
Ｘ１近傍に照射している。５は受光器であり、投光器４
からの光束のうちウエハーＷ面からの反射光を受光し、
受光位置よりウエハーＷのｚ方向（光軸ＡＸ１方向）の
位置情報を求めている。投光器４と受光器５はウエハー
Ｗの光軸ＡＸ１方向の位置、即ち投影光学系ＰＬの焦点
情報を検出する斜入射ＡＦ方式の第１検出手段の一要素
を構成している。

【００１５】６は顕微鏡（アライメントスコープ）であ
り、投影光学系ＰＬの近傍に配置しており、ウエハー面
上の画像をＣＣＤ７面上に投影している。顕微鏡６の光
軸ＡＸ２と投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ１とは平行となる
ように設定している。８は画像処理部であり、ＣＣＤ７
で検出した画像信号を処理し、ウエハーＷの光軸ＡＸ２
方向の位置を検出している。顕微鏡６とＣＣＤ７、そし
て画像処理部８はウエハーＷの光軸ＡＸ２方向の位置を
検出する画像ＡＦ方式の第２検出手段の一要素を構成し
ている。

【００１６】９は投光器であり、スポット光をウエハー
Ｗ面上の顕微鏡６の光軸ＡＸ２近傍に照射している。１
０は受光器であり、投光器９からの光束のうちウエハー
Ｗからの反射光束を受光している。投光器９と受光器１
０は第２検出手段によるウエハーＷ面上の画像観察位置
を反射位置（測定位置）とする斜入射ＡＦ方式の第３検
出手段の一要素を構成している。

【００１７】本実施例では第１検出手段の投光器４と受
光器５と、第３検出手段の投光器９と受光器１０とは同
じ構より成っている。

【００１８】１２は制御回路であり、画像処理部８や受
光器５，１０からの信号に基づいてモータ１３を駆動さ
せ、Ｚステージ３ｃのＺ方向の位置を制御している。

【００１９】図２は図１の斜入射ＡＦ方式の第１検出手
段（第２検出手段）の構成を示した説明図である。同図
において投光器４（９）は発光ダイオード２１、焦光レ
ンズ２２、絞り２３、第１結像レンズ２４で構成してい
る。

【００２０】発光ダイオード２１からの光束は焦光レン
ズ２２により集光し、絞り２３を照明している。そして
第１結像レンズ２４により絞り２３の像をウエハーＷ上
に結像するようにし、これによりウエハーＷ面上にスポ
ット光を照射している。

【００２１】受光器５，（１０）は第２結像レンズ２
５，位置検出センサ２６，回動可能の平行平面板２７よ
り構成している。ウエハーＷにより反射したスポット光
である絞り２３の像を第２結像レンズ２５により回動可
能の平行平面板２７を介して位置検出センサ２６上に結
像している。位置検出センサ２６は光線の結像位置（ウ
エハーＷのＺ方向の位置）に対応した信号を出力してい
る。即ち、位置検出センサ２６への光束の入射位置情報
よりウエハーＷのＺ方向の位置情報を求めている。

【００２２】次に図１の投影露光装置においてウエハー
Ｗの光軸ＡＸ１方向の位置検出方法について説明する。

【００２３】本実施例では前記第２検出手段と第３検出
手段による検出結果に基づいて第１検出手段で得られる
検出結果を補正し、ウエハーＷを光軸ＡＸ１方向の所定
位置に設定するものである。

【００２４】まず投影レンズＰＬの直下に（光軸ＡＸ１
の下方に）反射板１１が位置するようにステージ３を
ｘ，ｙ方向に移動する。そして投影レンズＰＬの最適結
像面と反射板１１の表面とが一致するようにＺステージ
３をＺ方向に駆動させる。

【００２５】投影レンズＰＬの最適結像面を検出する方
法としては例えば反射板１１上に細いパターンを形成す
る。そしてこのパターンを反射または透過で照明して投
影光学系ＰＬによりパターン像を形成し、そのパターン
像のコントラストを投影レンズＰＬに対してレチクルＲ
と共役な位置に配置した固体撮像素子で観察して検出す
る方法いわゆるＴＴＬフォーカス検出方式が適用可能で
ある。

【００２６】以上の操作の後に第１検出手段（投光器
４，受光器５）の受光器５からの出力信号がゼロ位置と
なる様に平行平板２７を駆動し、設定する。次にＸＹス
テージ３ａ，３ｂにより反射板１１を第２検出手段とし
ての顕微鏡６の直下（光軸ＡＸ２下方）に移動し、顕微
鏡６の最適結像面位置と反射板１１の表面とが一致する
ようにＺステージ３ｃを駆動させる。

【００２７】顕微鏡６の最適結像面位置を検出する方法
としては前記ＴＴＬフォーカス検出方式と同様に反射板
１１面上の細いパターンを顕微鏡６で投影し、固体撮像
素子７と画像処理装置８によりパターン像のコントラス
トを観察して検出している。これにより第２検出手段と
しての検出調整を行っている。

【００２８】そして第２検出手段の観察位置（ウエハー
Ｗ面上の光軸ＡＸ２上）と略等しい位置を測定位置とす
る第３検出手段（投光器９，受光器１０）により受光器
１０からの出力信号がゼロ位置となる様に平行平板２７
を駆動し、設定する。以上の操作によりウエハーＷの光
軸ＡＸ１方向の位置検出を行う準備が完了する。

【００２９】次にレジストの塗布されたウエハーＷを顕
微鏡６の直下（光軸ＡＸ２下）に移動させる。そして前
記第２検出手段（画像ＡＦ方式）により顕微鏡６の最適
結像面位置を検出するようにＺステージ３を光軸ＡＸ２
方向（Ｚ方向）に駆動させる。この状態で第３検出手段
の受光器１０からの出力を測定するとその出力はレジス
ト膜や基板（ウエハー）の形状、反射率等の影響による
誤差Δｆを含んだ値となっている。

【００３０】次にウエハーＷを投影レンズＰＬの直下
（光軸ＡＸ１下方）に移動させて第３検出手段と同等の
構成の第１検出手段により焦点検出を行う。このとき第
１検出手段の測定値が前記第３検出手段の計測値Δｆと
同じ値となるようにＺステージ３ｃを移動させている。
これにより投影レンズＰＬの最適結像面位置とウエハー
表面を正確に一致させている。

【００３１】尚、本実施例において投影レンズＰＬの最
適結像面位置を投影露光にとっての最適位置に設定する
やり方としては、例えば投影露光の最適位置がレジスト
表面の場合にはｄ／ｎ（ｄはレジスト膜厚，ｎはレジス
トの屈折率）、レジスト表面と基板表面（ウエハー表
面）の中間の場合にはｄ／２ｎというように基板表面か
ら投影露光にとっての最適位置までの光学的距離ｘ／ｎ
（ｘは基板表面から投影露光にとっての最適位置までの
距離，ｎはｘの位置する媒質の屈折率）をオフセット値
として適宜第１検出手段に加えるように設定しておくの
が良い。

【００３２】本実施例においては第２検出手段及び第３
検出手段を投影レンズ及び第１検出手段と同一装置上に
構成したが、必ずしもこのような配置にする必要はなく
別装置として構成しても良い。又画像を検出するための
顕微鏡６を投影レンズＰＬを含む系所謂ＴＴＬ方式とし
て構成しても良い。

【００３３】更に本実施例において第１検出手段の投光
位置を投影レンズＰＬの直下の一点のみとしているが複
数の投光器と受光器を設け、投影露光領域内の複数箇所
のフォーカス（Ｚ方向位置）を検出してウエハーのレベ
リングを行なうようにしても良い。この場合はそれぞれ
の投光位置における第１検出手段の計測値が異なるので
第１検出手段の複数の投光位置を順次顕微鏡６の下に送
り込みそれぞれの箇所における計測値に基づいて補正す
るようにすれば良い。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば前述のごとく、斜入射Ａ
Ｆ方式と画像ＡＦ方式の双方を適切に利用することによ
り、斜入射ＡＦ方式によるウエハー面上に塗布したレジ
スト膜の表面反射とウエハー面（基板面）からの反射光
による検出誤差を画像ＡＦ方式によって得られた検出結
果に基づいて補正することにより、常に投影光学系の最
適結像面にウエハーを高速、高精度に位置させることが
できる半導体デバイス製造に好適な投影露光装置を達成
することができる。

【００３５】特に本発明によればウエハー面に塗布した
レジスト膜内のどの位置を検出しているかが不明確な斜
入射ＡＦ方式の欠点を基板表面の位置を正確に検出可能
な画像ＡＦ方式の結果に基づいて補正することにより、
常に投影光学系の最適結像面を最適な位置に高速・高精
度で設定することができる投影露光装置を達成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部斜視図

【図２】 図１の一部分の説明図

【符号の説明】

ＰＬ 投影光学系 Ｒ レチクル Ｗ ウエハー ３ ステージ ４，９ 投光器 ５，１０ 受光器 ６ 顕微鏡 ７ ＣＣＤ ８ 画像処理部 １１ 反射板 １２ 制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１物体面上のパターンを投影光学系を
   介して可動ステージに載置した第２物体面上に投影露光
   する投影露光装置において、該第２物体面上の該投影光
   学系の光軸下の露光領域に斜め方向から光束を照射し、
   該第２物体面からの反射光束の光路の変化を検出するこ
   とにより、該露光領域での該投影光学系の焦点位置を検
   出する第１検出手段と該第２物体面上の露光領域を該投
   影光学系とは独立に設けたアライメントスコープの光軸
   下に移動し、該アライメントスコープで得られる該露光
   領域の画像情報を信号処理することにより、該アライメ
   ントスコープと該露光領域との間隔を検出する第２検出
   手段と該アライメントスコープの光軸下の該露光領域の
   該アライメントスコープの光軸方向の位置を検出する該
   第１検出手段と同様の構成の第３検出手段とを有してお
   り、該第２検出手段と第３検出手段で得られた検出結果
   に基づき該第１検出手段で得られた信号を補正すること
   により、該投影光学系の焦点位置を検出するようにした
   ことを特徴とする投影露光装置。