JPH06349696A - 投影露光装置及びそれを用いた半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レチクル面上のパターンをウエハ面上に高精
度に投影露光し高集積度の半導体素子を製造することが
できる半導体製造装置及びそれを用いた投影露光装置。 【構成】 レジスト塗布装置によりレジストを塗布した
検査用ウエハに投影露光装置により２次元的な格子パタ
ーンより成るフォーカス計測用パターンを投影露光し、
現像装置により現像処理をした検査用ウエハの複数の領
域のフォーカス計測用パターンを計測して、半導体素子
製造中の各プロセス工程でのフォーカス位置及びレチク
ル投影面の傾きを求めてフォーカスオフセット又は傾き
補正量として投影露光装置に設定していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は集積回路（半導体素子）
製造用の投影露光装置及びそれを用いた半導体製造装置
に関し、特にレチクルとウエハとのフォーカスに関する
フォーカスセンサ補正量を測定し、高精度の投影パター
ン像を得て高集積度の半導体素子を製造する際に好適な
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より半導体素子製造工程のうちのパ
ターン露光工程では、ウエハにレチクルのパターンを露
光している。このパターン露光工程はアライメントを行
なう場合と、アライメントを行なわず露光を行なう場合
がある。今日の半導体素子製造技術は高密度化が進んだ
為、特に投影露光用の投影レンズの解像力が向上してい
る。

【０００３】ところが、投影レンズの解像力が向上した
為フォーカスのマージンが小さくなり、露光におけるフ
ォーカスのより正確さが必要になってきている。従来の
フォーカスは投影レンズとウエハの間隔を合わせるだけ
で問題なかったが、ウエハの傾きに伴うフォーカスくる
い（デフォーカス）を合わせることも必要になってきて
いる。

【０００４】従来より露光装置の持つフォーカスセンサ
（フォーカス位置検出手段）の正しさを検査する方法は
次のようにしている。まず、露光装置で指定したフォー
カス値によって、レチクル上の検査用パターン（チャー
ト）をレジストが塗布されているウエハに露光する。こ
の時、フォーカス値は順次増加或いは減少するように規
則的に変化させる。次に露光されたウエハを現像し、検
査パターンのレジスト像を作成する。検査作業者は顕微
鏡等を使用し、検査パターンのレジスト像が最良となる
パターンを探し、そのパターンを露光したときのフォー
カス値から最適フォーカス位置を決定している。

【０００５】ここで最良のレジスト像とは、例えば最も
細かい線（ライン）が解像しているレジスト像、或いは
ライン・アンド・スペースの比率が等しくなるレジスト
像等である。

【０００６】現在のフォーカスの検査は上述のように、
検査作業者が目視検査によって行なっている。又、露光
領域の傾きについても投影レンズが１度に露光可能な領
域内の複数の検査マークを目視検査を行ない、傾きの有
無を調べていた。検査には１ロット数１０から数１００
枚のウエハのうち、先行ウエハと呼ばれる先頭の１乃至
２枚を使用するのが普通である。先行ウエハによる検査
はレジスト塗布、露光、現像、目視検査の全ての工程を
作業者が行ない、検査結果確認後、露光装置に結果を入
力し残りのウエハを製造工程ラインに流している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】露光装置に使われてい
るフォーカスセンサによるフォーカス位置の検出方式と
して、エアーを使用したエアー方式や光を使用した光方
式などがある。エアー方式はセンサの先端を小さくする
ことができない為、上記露光領域内の傾きと面形状を細
かく計ることが難しい。その為、傾き制御の精度は良く
ない。光方式はウエハ上に塗布された半透明のレジスト
の上に光を当て面位置を計測している為、レジスト表面
からの反射光だけでなく、レジストの中に入りウエハ表
面からの反射する光の影響を受けやすい。又、ウエハ上
の反射率が光の当たっている位置によって異なるなど、
センサの測定値をだます要因がある。

【０００８】これらの欠点を取り除き、できるだけフォ
ーカスセンサの計測値を真値に近づける為に、オートフ
ォーカスセンサ自身を使用し繰り返し計測や、微小に位
置をずらした計測によって誤差を推測し補正する手段を
設けた方法がある。

【０００９】この補正方法は露光領域は平面であるか
ら、微小に位置をずらして統計的な処理により平面を計
測しておけば通常の計測位置におけるフォーカスセンサ
の計測誤差を求めることができるという考えで行なわれ
ている。この場合、ウエハの反射率の違いによるフォー
カスセンサの誤差を正しく求めることができる。

【００１０】しかし、統計的に求められた平面の絶対値
は、例えば光方式のフォーカスセンサで計測してもレジ
ストの中に入り込んだ光の影響は完全に除去できない。
例えば、最終的な誤差は最大０．５μｍ程度の場合もあ
る。従ってフォーカスセンサの計測誤差を自分自身のセ
ンサを使い補正したのでは、センサの誤差を取り除くこ
とができない。この誤差を求める為には実際に露光、現
像したウエハを先に述べた方法で目視検査する必要があ
る。つまり、露光装置のフォーカスセンサの誤差の補正
方式はいまだに目視検査が必要で、露光装置自身で完全
な補正はできない。

【００１１】一方、目視検査は検査時間が長いため製造
ラインの停止が長時間となり、製造効率が低下してしま
う。又、検査量が多くなると作業者の疲労により計測誤
差が発生する。更に検査作業者が変わった場合、目視検
査の結果に大きな差がでる。今日のＬＳＩ製造技術にお
いては、例えばフォーカスの検査結果に０．５μｍの差
が発生し、誤った値がフォーカスオフセットとして露光
装置へ入力された場合でも歩留まりは悪化する。

【００１２】現状の検査方法は半導体素子製造における
ウエハプロセス毎の最適フォーカスを管理する点におい
て、検査効率と検査精度の劣化を招いている。そこで安
定した計測精度を持つ高速の検査装置が必要となってい
る。

【００１３】最近では、目視検査の欠点を解消するに為
に露光後現像されたレジストパターンの線幅を自動計測
できる専用装置を利用している。例えば測長機能を持つ
電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いている。この装置は現在オ
フラインで半導体素子製造用の露光装置と個別に置かれ
ており、前記露光装置で露光されたウエハは現像後、自
動計測用の検査装置にかけられる。

【００１４】しかしながら専用装置を用いることは設置
面積が大きくなり、又コストが極めて高くなるという問
題点がある。例えば線幅測定によりフォーカスの最適条
件を求める場合、今日の微細加工技術のレベルから言え
ば０．５μｍと０．４８μｍを安定して識別できる装置
は、非常に高価でかつ装置全体が大型化してくる。その
為、計測精度に依存しない測定用マークも同様の精度が
必要である。

【００１５】検査を行なう背景としてレジストの使用法
も高度化しており、常に最適な露光を維持できる環境作
りも必要である。今日の半導体素子製造技術の条件が露
光装置にとって敏感となっている為、露光装置の環境の
変化もフォーカスへの影響は大きく、そのためにも検査
を最短にする必要がある。

【００１６】実際に上記の手段でフォーカスをＳＥＭ等
で自動又は目視検査し、露光装置にフィードバックする
間、露光装置自体は待状態にある場合が多い。ところが
露光装置にはフォーカスの検査パターンを計測可能なア
ライメント用の高精度の計測機構が装備されている。こ
の様な無駄はシステムとしての効率上、極めて悪い。更
にコータとデベロッパを備えている場合は、オンライン
化した検査システムを構築できる。

【００１７】本発明は露光装置自身の検出機構を利用す
ることにより、フォーカスセンサの補正量を高精度に検
出し、高解像度のパターン像が得られる投影露光装置及
びそれを用いた半導体の製造装置の提供を目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体製造装置
は、 （１−１）レジスト塗布装置によりウエハ面上にレジス
トを塗布し、該ウエハ面上のレジストにレチクル面上の
パターンを投影露光装置により投影露光し、該ウエハを
現像装置により現像処理して半導体素子を製造する半導
体製造装置において、該レジスト塗布装置によりレジス
トを塗布した検査用ウエハに該投影露光装置により２次
元的な格子パターンより成るフォーカス計測用パターン
を投影露光し、該現像装置により現像処理をした該検査
用ウエハの複数の領域のフォーカス計測用パターンを計
測して、半導体素子製造中の各プロセス工程でのフォー
カス位置及び該レチクル投影面の傾きを求めてフォーカ
スオフセット又は傾き補正量として該投影露光装置に設
定していることを特徴としている。

【００１９】（１−２）レチクル面上のマークとウエハ
面上のマークを撮像手段面上に形成し、該撮像手段で得
られる画像情報を利用して該レチクルとウエハとの相対
的な位置合わせをアライメント機構により行ない、位置
合わせをしたウエハ面上のレジストにレチクル面上のパ
ターンを投影露光する投影露光装置において、該ウエハ
面に設けた複数の２次元的な格子パターンより成るフォ
ーカス計測用パターンを該アライメント機構により計測
して該ウエハの最適フォーカス位置及び該レチクルの投
影面の傾きを求めたことを特徴としている。

【００２０】（１−３）ウエハ面上のマークを撮像手段
面上に形成し、該撮像手段で得られる画像情報を利用し
て該ウエハと該撮像手段との相対的な位置合わせをアラ
イメント機構により行ない、位置合わせをしたウエハ面
上のレジストにレチクル面上のパターンを投影露光する
投影露光装置において、該ウエハ面に設けた複数の２次
元的な格子パターンより成るフォーカス計測用パターン
を該アライメント機構により計測して該ウエハの最適フ
ォーカス位置及び該レチクルの投影面の傾きを求めてい
ることを特徴としている。

【００２１】特に本発明の投影露光装置は、前記フォー
カス計測用パターンを照明する照明光を前記レジストを
感光させる露光光と感光させない非露光光とに切り替え
る機構を有していることや、前記ウエハ面上に設けた前
記フォーカス計測用パターンの前記撮像手段面上におけ
る鮮鏡度より最適フォーカス位置を検出して、該ウエハ
の位置を制御するオートフォーカス機構を有しているこ
と等を特徴としている。

【００２２】以上のように本発明では、レジスト塗布装
置（コータ）、投影露光装置（ステッパ）、そして現像
装置（デベロッパ）等を１つのシステムとして構成し、
フォーカスセンサの補正量の計測の高速化、高精度化を
図ったこと、即ちコータとデベロッパ、そして露光と検
査機構をもつステッパで構成された半導体製造ラインに
より構成され、検査用のウエハである先行ウエハがコー
タから前記ステッパへ送られ露光されデベロッパで現像
された後、前記ステッパへ送られ計測される一貫した検
査作業の自動化を特徴としている。

【００２３】そしてこのときの計測値は露光時のステッ
パの状態と比較され、随時オフセットとしてステッパに
自動設定されることや、また計測誤差を最小にできる画
像処理によるフォーカス計測方法を採用すること等を特
徴としている。

【００２４】

【実施例】図１は本発明の半導体製造装置の要部概略図
である。図２，図３は本発明に係るオートフォーカス計
測機構の概略図である。図４，図５は本発明に係るフォ
ーカス補正量設定の為の自動検査工程の流れを示すフロ
ーチャートである。図６は本発明で使用するレチクルと
ウエハとの関係を示す斜視図、図７は本発明によるマー
ク観察を示す斜視図、図８，図９，図１０は本発明にお
いて使用するマークの形成法とマーク検出法の説明図で
ある。

【００２５】初めに本発明の概略を述べた後、自動検査
工程の説明をする。半導体素子製造においてウエハ露光
時の露光フォーカス（フォーカス位置）と露光焦点（投
影面）の傾きの検査を自動化する為にレジスト塗布装置
（コータ）、投影露光装置（ステッパ）、そして現像装
置（デベロッパ）等の機構を直列に結合した半導体素子
製造用の装置を使用している。

【００２６】図１はその外観図である。コータは検査す
るウエハにレジストを塗布する機構を有す。ステッパは
レチクルのパターンを検査ウエハに露光する機構と、ウ
エハ上に形成された上記検査用マークの計測を行なう機
構とを有す。デベロッパはステッパで露光された検査ウ
エハを現像する機構を有す。

【００２７】自動検査は制御装置の指令によって、コー
タの入口に置かれた検査用ウエハを各機構間を移動させ
ながら自動的に処理する。計測したフォーカスとフォー
カスの傾きはステッパに入力され、製品用ウエハの露光
パラメータとして使用される。検査用ウエハは製品ウエ
ハと同一のプロセスを経たウエハである。

【００２８】次に図４，図５，図１９を参照しながら図
１を用いて、本発明に係る自動検査の構成を説明する。

【００２９】第１ステップにおいて、検査対象となるウ
エハＷＦはウエハセットテーブルＷＳＴに置かれる（ス
テップS001）。ウエハＷＦは通路Ｒ１を通りレジスト塗
布装置ＣＯでレジストが塗られ（ステップS002）、通路
Ｒ２を通りステッパに送られる（ステップS003）。ステ
ッパに送られたウエハは、まずオートハンドＨＡＳでＸ
ＹステージＸＹＳ上のウエハチャックＷＳに乗せられ真
空吸着される。

【００３０】第２ステップはレチクルＲＴに描かれたパ
ターンをウエハＷＦ上に塗布されたレジストに露光する
工程である。一般に１度に露光されるパターン領域をシ
ョットという。縮小型の投影レンズＬＮの上部に置かれ
たレチクルＲＴは投影レンズＬＮの上面に付けられたセ
ットマークＲＳＭＬ，ＲＳＭＲとレチクルＲＴに刻まれ
たレチクルアライメント用マークＲＡＭＲ，ＲＡＭＬに
よって位置合わせられている。

【００３１】ＸＹステージＸＹＳはＸ軸方向をレーザＩ
ＦＸ、ミラーＭＲＸ、更にＹ軸方向をレーザＩＦＹ、ミ
ラーＭＲＹで構成するレーザ干渉計により精密に位置計
測され、モータＭＸ，ＭＹの回転を制御しながらウエハ
ＷＦの任意の位置を投影レンズＬＮの下に移動させてい
る。

【００３２】ウエハチャックＷＳに乗せられたウエハＷ
Ｆはオフアクシス光学系ＯＥでマークＷＡＭＬ，ＷＡＭ
Ｒの位置が計られ、ＸＹステージＸＹＳ上のウエハＷＦ
の位置が合わせられる（ステップS004）。次にＸＹステ
ージＸＹＳは第１ショットが投影レンズＬＮの下になる
ように移動しウエハＷＦと投影レンズＬＮの間隔を設定
された距離とし、更に焦点面の傾きを修正するオートフ
ォーカスを行なう。

【００３３】オートフォーカスはウエハＷＦの露光領域
ＷＦＳ上に、図３に示すようなフォーカス計測ポイント
ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４，ＳＰ５を設定し各計
測点に照明した光の点のずれによって計られる。この様
に露光領域内で５点の計測を行なうのは、各計測点間の
高さの違いからフォーカス面の傾きを計測する為であ
る。

【００３４】各照明光は光源ＡＦＬから照射された光を
平行光になるようにし、スリットＡＦＳで５つの光点に
分離し、露光領域ＷＦＳに斜めから照明する。露光領域
ＷＦＳで反射した光は撮像素子ＣＣＤ上に結像する。撮
像素子ＣＣＤ上の光点の位置は露光領域ＷＦＳの高さに
比例してシフトする。制御装置ＣＵで光点のシフト量を
計算し、５点のシフト量からフォーカスとステージＸＹ
Ｓを傾ける量を算出し、これに基づいてＸＹステージ
（ＸＹＳ）の駆動装置（図示せず）を駆動し（ステップ
SA101，ステップSA102）、焦点合わせを行う（ステップ
SA003）。

【００３５】オートフォーカス終了後、レチクルＲＴと
ウエハＷＦの位置合わせであるアライメントを行なう
（ステップSA004）。露光光の波長と略等しいアライメ
ント用のＨｅ−Ｃｄレーザ光源ＬＳ（ＬＳＣ，ＬＳＮ）
から照射された光は拡散板ＤＰで拡散され、照度むらを
なくした後、ポリゴンミラーＰＭでスキャンさせ照明領
域を拡大し、プリズムＤＡＰで右側と左側の光学系に光
を分けられる。

【００３６】左側光学系について説明すると、アライメ
ント光は対物ミラーＡＭＬにより投影レンズＬＮに照射
され、ウエハＷＦ上のアライメントマークＷＭＬを照明
する。アライメントマークＷＭＬの像はウエハＷＦで反
射され投影レンズＬＮを通り、レチクルＲＴのアライメ
ントマークＲＭＬの像と共に対物ミラーＡＭＬ、プリズ
ムＤＡＰを通り、エレクターレンズＥＬで拡大され、Ｃ
ＣＤカメラＣＭの撮像面上に結像する。右側アライメン
ト光学系も同様である。

【００３７】画像はステッパ制御装置ＣＵで処理されズ
レ量を計算し、レチクルＲＴを乗せてあるレチクルステ
ージＲＳを微小駆動し位置合わせを行なう。位置合わせ
完了と同時にレチクルＲＴ上のＩＣパターンを焼き付け
る為の露光用シャッタＳＨＴを開く。レチクルパターン
ＰＴに照射された露光光源ＩＬの光は投影レンズＬＮを
通して１／５に縮小され、ウエハＷＦの上に塗布されて
いるレジストを感光する。このようにして検査用のマー
クＲＰをウエハＷＦ上に転写する。検査マークＲＰは図
６に示されるようにレチクルＲＴ上に２次元的に複数配
置されている。

【００３８】この様に２次元的に配置した理由は、露光
領域ＷＦＳの傾きを計測する為である。この際、ウエハ
チャックＷＳと投影レンズＬＮの間隔をウエハチャック
ＷＳの上下移動によって露光時のフォーカスを変化させ
られる。露光（ステップSA005）が完了すると、ＸＹス
テージＸＹＳは次に露光する位置に移動する（ステップ
SA002）。

【００３９】後述するフォーカス量の検査の為に、順次
露光する際にフォーカス量を少しずつ段階的に変化させ
る（ステップSA006）。これは上記の方法で露光され、
次いでディベロッパＤＥによって現像されたウエハＷＦ
の検査工程において最適フォーカスを検出するために必
要である。

【００４０】変化のさせ方として、１次元方向に連続的
にフォーカスを変化させる方法（図１６（Ａ））。上記
の露光を２回以上複数回繰り返して、２次元的に露光す
る方法がある。（図１７（Ａ））。特に、２次元的に露
光した方が、より精度の高い測定が可能となる（後
述）。

【００４１】図１６（Ｂ）に、１次元的に連続的にフォ
ーカスを変化させる方法を示す。最初のフォーカス位置
はｆｓ、その後、変化させる量はｄｆである。従って、
最初にフォーカスｆｓで露光されるショットがＳ１で順
にフォーカスをｄｆ変化させてＳ２，Ｓ３・・・を露光す
る。２次元の場合は、１次元の繰り返しであるのでフォ
ーカスの変化をトレースすると、Ａ１からＡ６までのフ
ォーカス変化は重なり（図１７（Ｂ））、露光されるシ
ョットの配列もＳ１，Ｓ２・・・がＡ１列，Ａ２，Ａ３・・・
となる。

【００４２】各露光は毎回オートフォーカスでウエハ面
の傾きをステージで調整しているので、ウエハに反り、
うねりがあっても露光光の焦平面は露光領域に対して平
行となる。その様子を図１８に示す。

【００４３】例えば平坦なウエハ図１８（ａ）ＷＳに対
する露光平面ＥＳは傾きを調整しなくても常に平行であ
る。また反りのあるウエハ図１８（ｄ）ＷＳの場合、傾
きを調整することによって露光平面をウエハ平面に平行
に露光することができる（図１８（ｆ））。同じよう
に、うねりのあるウエハを図１８（ｇ）、小さなうねり
のあるウエハを図１８（ｊ）、細かな凹凸のあるウエハ
を図１８（ｍ）に示す。何れも傾きを調整するため露光
光の焦平面がウエハ上の露光領域に対して平行である。

【００４４】ここで述べたステージ移動、オートフォー
カス、アライメント、露光、ステージ移動の繰り返しを
ステップ・アンド・リピートという（ステップS005）。
ウエハＷＦの露光が全て完了すると、回収ハンドＨＡＲ
でウエハチャックＷＳから現像装置の搬入通路Ｒ３へ送
られ、第３ステップに移行する（ステップS006）。

【００４５】第３ステップでは、通路Ｒ３に送られたウ
エハＷＦは現像機ＤＥへ送られる（ステップS007）。現
像機ＤＥで現像終了したウエハＷＦは通路Ｒ４を通り通
路Ｒ５へ送られ、検査工程である第４ステップへ入る。

【００４６】第４ステップにおいて、ウエハＷＦは第１
ステップで使用した通路Ｒ１を通り、レジスト塗布装置
ＣＯではレジストを塗布しないでそのまま通路Ｒ２へ送
られ、供給ハンドＨＡＳにより再びウエハチャックＷＳ
上に乗せられ（ステップS008）、オフアクシス光学系Ｏ
ＥによってウエハＷＦの位置が合わせられる（ステップ
S009）。第４ステップでは第２ステップでフォーカスを
変化させて露光した検査用マークを使用して検査する
（ステップS010）。

【００４７】まず対物ミラーＡＭＲ又は対物ミラーＡＭ
ＬをレチクルＲＴ上の計測用窓（図７のＷＩＬ又はＷＩ
Ｒ（図示せず））の位置に移動させる。同時に２つの窓
ＷＩＬ，ＷＩＲを使用し計測すると、処理時間が約１／
２になるため効果的である。窓にはいかなるパターンも
無い。窓から観察されるマーク（図７のＷＰＡ）は図９
（Ｃ）のような形状となる。このとき光学系の変更を必
要としない。マークの計測方法は後述する。

【００４８】ウエハＷＦの第１ショットから最終ショッ
トまで順にＸＹステージＸＹＳをステップ・アンド・リ
ピート（ステップS010）させながら検査するが、検査の
場合ステージの動きは露光時とは異なる。露光領域内の
２次元的に複数配置された全ての検査マークＷＰＡを窓
ＷＩＬで観察できるように微小なステップでステージＸ
ＹＳを移動させる。１つの検査マークの計測は以下のフ
ローで行なわれる。

【００４９】初めに検査用マークＷＰＡの画像をＣＣＤ
カメラＣＭで取り込み、画像処理によるオートフォーカ
スを行ないＸＹステージＸＹＳと投影レンズＬＮの間隔
を最適な距離に設定する（ステップSB002 ）。次に画像
処理によって検査用マークＷＰＡから得られる評価値が
測定されステッパ制御装置ＣＵ内部に蓄積する（ステッ
プSB003 ）。露光領域ＷＦＳ内で全ての検査用マークＷ
ＰＡが観察されたならば次のショットへ移動する。

【００５０】計測を終了したウエハＷＦは回収ハンドＨ
ＡＲでウエハチャックＷＳから現像装置ＤＥの搬入通路
Ｒ３へ送られる。現像装置ＤＥでは現像作業を行なわず
通路Ｒ４へ送られ、ウエハ受取テーブルＷＥＮでウエハ
ＷＦが取り出される（ステップS011）。第１ステップか
ら第４ステップまでの制御はステッパ制御装置ＣＵで行
なわれている。各機器とステッパ制御装置ＣＵは通信ケ
ーブルでつながれている。

【００５１】ステッパ制御装置ＣＵ内に蓄積された評価
データから、その最大値（図１１のＰＥ）をもって最適
フォーカスＢＦを決定する。本実施例では各ショットで
露光フォーカスを変えながら、ショット内に複数の計測
マークを露光したため最適フォーカスＢＦの評価は露光
領域の１点に注目して行なう。例えばショット中心等で
ある。１点に注目したステッパ制御装置ＣＵ内の評価値
をプロットし（図１１）最適フォーカスＢＦを決定す
る。

【００５２】更にステッパ制御装置ＣＵ内に蓄積された
評価データから、露光時にフォーカスの傾きを求める。
２次元的に配置した各点の評価値からフォーカス値が求
められる。評価値からフォーカスへの変換は図１１のグ
ラフからできる。ただし最適フォーカスＢＦに対してプ
ラスかマイナスかの判断はできないので、符号を判定し
たい点のフォーカスに着目し、露光フォーカスを変化さ
せたときの露光領域内で同じ位置の数点の評価値の振る
まいから判断する。

【００５３】図１２（ａ）のようにある傾きをもって露
光されたショットのフォーカスに対する評価値の変化を
点Ｐ１と点Ｐ２についてプロットしたのが図１２（ｂ）
である。点Ｐ１はＦ１からＦ３へプラス方向へフォーカ
スを変えると評価値は単調増加した。つまり次第に最適
フォーカスＢＦへ近付いたことになる。又、点Ｐ２につ
いては単調減少なので最適フォーカスＢＦから遠ざかっ
たことになる。従って点Ｐ１はマイナスフォーカスで点
Ｐ２はプラスフォーカスであったことが判断できる。逆
の傾きでも同様に求められるので図１２（ｃ），（ｄ）
に示した。

【００５４】この様にして評価値から決定された２次元
状のフォーカス値をプロットすると図１３に示される平
面ＭＦＳが求められる。平面ＭＦＳの計算に使用するマ
ークの位置は既に計測するためにスーテジ移動量として
装置内に入力されたパラメータが使える。ここに示され
た平面ＭＦＳは露光領域のベストフォーカス平面ＢＦＳ
に対して傾いている。従って平面ＭＦＳがベストフォー
カス面ＢＦＳになるような傾き駆動の補正量が簡単な計
算で求められる。求められた補正量はステッパ制御装置
ＣＵに自動入力される。

【００５５】以後、製品となるウエハの露光時には、フ
ォーカスセンサのＣＣＤによって得られた測定値がステ
ッパ制御装置ＣＵ内に記憶された補正量に基づいて自動
的に補正される。

【００５６】今までの説明は、ウエハの凹凸が与える影
響を考慮せずに述べた。しかし、実際のウエハには凹凸
がある。そのためオートフォーカスでＺ方向と傾きを調
整したからと言って、露光焦平面の全領域が露光領域と
平行であるとは限らない。そのため図１２に示されるフ
ォーカスと評価値の関係を示す曲線は滑らかにならない
ことがある。

【００５７】先述のフォーカス機構は５点センサによっ
てＺ方向と傾きを求めている。特にＺについては、セン
サの平均値、または指定された任意のセンサの値を用い
て合わせることになる。ところが露光焦平面ＥＳとウエ
ハＷＳを平行にしても、図１８（ｌ）のようにウエハの
小さなうねりの影響で、必ずしも露光領域の全ての位置
で同じ間隔を得ることができなくなることがある。この
場合、一定量のフォーカス変化ｄｆを満たしての露光が
満足できない。従って、図１２に示される曲線は歪み、
１次元的に測定したグラフからＢＦ（ベストフォーカ
ス）を求めるのは精度が出ない。

【００５８】計測精度を向上させるために、先に示した
２次元的な露光を行ない各測定マークを計り同じ目標フ
ォーカス位置毎に得られデータをもとに処理を行なうこ
とになる。２次元的な露光は露光フォーカスをｄｆ毎に
変化させた焼き方を複数回繰り返す。現像後、全てのマ
ークを測定すると横軸にＺＸ方向の目標値、縦軸に評価
値とし、結果をプロットすると図１７（Ｃ）となる。デ
ータ処理の方式はプロットデータから近似される曲線を
求め、そのピークを求める。

【００５９】近似曲線の求め方は最小二乗誤差を最小と
する２次曲線、４次曲線、双曲線等がある。それらは次
式を満足する。

【００６０】

【数１】 を最小値にする。ｆはフィッティングしたい曲線の式で
ある。ｅｉは計測された評価値である。このようにして
求められたベストフォーカス位置を使用し、露光フォー
カスを決定したならば、極めて良好な露光が行われる。
更に、露光領域内の各点のフォーカス位置をここで述べ
た方法を用いて求めると、像の傾きを正確に決定でき
る。１つのフォーカスに対して複数のショットを露光
し、得られる計測データを複数とする測定は、ウエハ上
に小さなうねりがある場合だけでなく、平坦、反り、う
ねり、微小な凹凸を有す場合にも有効である。

【００６１】次に、複数列を露光する時のフローを述べ
る。図１９におけるS005（露光のステップアンドリピー
ト）が図２０に置き変わる。計測については、露光され
た全てのマークを計るため、変更点はない。初めの１列
目を順に露光するために、フォーカスの目標値ｆを初期
値をｆｓに設定する（SC002）。ＸＹステージが露光位
置に移動し、オートフォーカスはＺ方向の目標値をｆに
し、像の傾きを調整する（SC004）。

【００６２】次に、露光位置を正確に合わせるためにア
ライメントを行い、次に露光する。次のショットのフォ
ーカスの目標値をｄｆだけ変更し、まだ１列分の露光が
終了していなければSC003からSC008を繰り返す。次の列
を露光するならば、またフォーカスの目標値をｆｓに再
初期化し繰り返す。

【００６３】次に検査用マークの形成法について図８，
図９，図１０を用いて説明する。検査するウエハは半導
体素子製造において幾つかの工程を経たものを使用す
る。或いは検査する工程と同等の検査用ウエハである。
検査パターンを感光する部分は配線等の凹凸等が無い予
めショット内で構造及びパターン配置のわかっている領
域を使用する。

【００６４】図８（ａ）は露光領域内に３つのチップを
作成した場合の状態を示しているが、例えば図８（ａ）
のように各チップの周辺に４角で示してある（ＢＰＰ）
半導体のチップと足を接続するためのボンディングパッ
ト部等を利用するとよい。この領域ＢＰＰは半導体素子
製造の全工程において常に凹凸が無い。この領域ＢＰＰ
に図８（ｂ）のような検査パターンを形成する。１度に
露光可能な領域内に複数の半導体チップを作成する場
合、ボンディングパットは露光領域内に２次元的に配置
されるため面形状の測定に適している。

【００６５】本発明の実施例では、第１ステップにおい
てウエハＷＦ面上にレジストＲＥを塗布した状態が図９
（ａ）のようになる。第２ステップではレチクルＲＴに
描かれてた図８（ｂ）のパターンがレジスト層ＲＥに露
光される。第３ステップで現像されることにより図９
（ｃ）のようになる。図９（ｃ）において塗りつぶされ
ている部分ＲＥＲが現像後レジストが残った領域であ
る。ウエハの断面形状は図９（ｂ）となる。

【００６６】フォーカスを測定する第４ステップでＣＣ
ＤカメラＣＭが取り込む画像は図９（ｃ）となり、ステ
ッパ制御装置ＣＵ内で処理した時点で図９（ｄ）のよう
な微分画像となる。画像の微分は画像を縦方向、横方向
に微分し絶対値をとった画像である。

【００６７】Con(x,y)＝｜f(x-1,y)−f(x+1,y)｜＋｜f
(x,y-1)−f(x,y+1)｜ この式は画像信号の微分を表わしている。f(x,y)は座標
(x,y) における画素の値である。第１項は横方向の微分
値の絶対値を示し、第２項は縦方向の微分値の絶対値を
示している。Con(x,y)は縦方向、横方向の微分絶対値を
加算したもので、座標(x,y) のコントラストを表わして
いる。Con(x,y)の値が大きい画素は、そこが画像のエッ
ジであることを表わしている。図９（ｄ）ＥＧがエッジ
で画像信号のＸ軸方向の断面がＳＧＸ、Ｙ軸方向の断面
がＳＧＹである。

【００６８】検査パターンの形状は図１０（ａ）に示さ
れる格子状のパターンである。尚、図１０（ａ）はレチ
クルパターンＲＰである。このレチクルパターンＲＰが
ウエハＷＦ上のレジストＲＥに転写される。２次元の格
子上のパターンにした理由はデフォーカスした場合、現
像後のレジストパターン状態が隣接する格子パターンに
それぞれ重なり合い、重なり合っている部分の面積はデ
フォーカス量に追従して大きくなったり小さくなったり
するからである。

【００６９】この様子を図９を用いて説明する。図９
（ｃ）は最適フォーカスの場合の現像後のレジスト画像
である。図９（ｄ）はその時の微分画像と信号の断面形
状を示している。又、図９（ｆ）はデフォーカスした場
合の現像後のレジスト画像を示し、図９（ｇ）は微分画
像と信号を示している。図９（ｆ）ではデフォーカスし
て隣接する格子パターンが重なり合っている。そのため
微分したときのエッジの部分はベストフォーカスの場合
に比べて少ない。

【００７０】即ち格子パターンのエッジはデフォーカス
した場合少なく、最適フォーカスではレチクルのパター
ンが正確に転写されるためエッジの量は多くなる。エッ
ジの量を次に述べる方法で定量化し最適なフォーカス値
を求める。

【００７１】検査パターンの定量的な評価法について説
明する。評価値はＣＣＤカメラＣＭで捕らえた信号の微
分値とヒストグラムより求めている。図９（ｄ）の微分
ヒストグラムは図９（ｅ）のようになり、図９（ｇ）の
ヒストグラムは図９（ｈ）のようになる。このヒストグ
ラムから予め設定された閾値ＴＨで区切られた上位領域
の面積を計算し、コントラスト評価値としている。即ち
ベストフォーカスではエッジ部分が多いためヒストグラ
ムの上位の面積は広く（図９（ｅ）のＢＳ）、デフォー
カスではエッジ部分が少なくなるためヒストグラムの上
位の面積（図９（ｈ）のＤＳは狭くなる。

【００７２】第２ステップでフォーカスを変化させて露
光した各ショットの中心、又は決められた１点にある検
査マークの画像ＷＰＡは図１０に示されるように負のデ
フォーカス−ベストフォーカス−正のデフォーカスの順
に図１０（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）と変
化する。微分ヒストグラムによる評価結果をプロットす
ると図１１のようになる。その最大値ＰＦを示した露光
時のフォーカスが最適フォーカスＢＦである。図１０
（ｂ）〜（ｆ）の処理するパターンをＣＣＤに取り込む
際には、各画像について画像ＡＦがかけられる。

【００７３】次にこの画像処理によるオートフォーカス
（画像ＡＦ）について説明する。画像ＡＦに使用するマ
ークはフォーカス検査マークを使用する。画像ＡＦ用に
工夫された特別なマークではない。そのため画像を採取
するのに最も適切なステージの高さ、即ち最適画像フォ
ーカスを求めるには、画像処理によって画像のぼけ具合
を例えばコントラスト等を用いて定量化する評価関数を
用いている。最適画像フォーカスの決定はＸＹステージ
ＸＹＳを高さ方向に変位させながら画像を取り込み、そ
の時の評価関数の評価値をステッパ制御装置ＣＵ内でプ
ロットし、最も評価値が高いとされたステージの高さと
している。画像ＡＦ機構を付加することにより、マーク
検査の測定精度が向上し計測の安定性が増大する。

【００７４】この検査工程を使用することにより、縮小
投影型の露光装置の自己検査も可能である。従来検査作
業者がバーニア評価で行なっていた投影レンズの評価が
レジストの塗布、露光、現像、検査の全てが本発明で示
される自動検査工程で置き換えられる。

【００７５】次に本発明の実施例２について説明する。

【００７６】前述した本発明の実施例１では露光領域内
の計測マークを評価するために窓の開いたレチクルを使
用し、ＸＹステージＸＹＳを移動させながら窓の下にマ
ークが現れるように制御していた。レチクルとして全面
にパターンの無い、例えばガラス板等を使用した場合、
図１４に示すような装置でもフォーカス並びにフォーカ
スの傾き量の計測ができる。

【００７７】図１４はアライメント用のスコープに取り
付けられた対物ミラーＡＭＲをレチクルＲＴ上の任意の
点に移動できる構造を示している。図１４の機構は対物
ミラーＡＭＲがＸ軸移動機構ＡＢＸの先に取り付けてあ
り、Ｘ軸移動機構ＡＢＸの駆動によって対物ミラーＡＭ
ＲをＸ軸上の任意の位置に移動させられる。又、Ｘ軸移
動機構ＡＢＸはＹ軸移動機構ＡＢＹに乗っておりＸ軸移
動機構ＡＢＸ全体がＹ軸上の任意の点に移動できる。Ｘ
軸移動機構ＡＢＸとＹ軸移動機構ＡＢＹによって対物ミ
ラーＡＭＲはレチクルＲＴ上の任意の位置に移動可能で
ある。

【００７８】対物ミラーＡＭＲの位置を変えることによ
り、ＣＣＤカメラＣＭまでの光路長が変化してくる。そ
こで、この光路長の補正機構として光路長補正機構ＡＬ
ＨをＸ軸移動機構ＡＢＸの上に配置する。光路長補正機
構ＡＬＨの原理は対物ミラーＡＭＲが伸びたとき、中の
ミラーが上に移動し光路長補正機構ＡＬＨ内の光路長を
短くする。反対に対物ミラーＡＭＲが接近した場合、光
路長補正機構ＡＬＨ内のミラーが下がり光路長を長くす
る。

【００７９】即ち光路長補正機構ＡＬＨ内のミラーをＸ
軸移動機構ＡＢＸに連動させておけば常にＣＣＤカメラ
ＣＭまでの光路長は一定に保たれる。又、光路長補正機
構ＡＬＨとＣＣＤカメラＣＭがＹ軸移動機構ＡＢＹに乗
っているためＹ軸方向の移動に対しては補正は不要であ
る。

【００８０】この機構を使用し露光領域の複数の評価マ
ークＷＰＡを観察し画像を取り込むことができる。この
機構を用いた本発明の内容は、第１ステップから第３ス
テップまでは同じ思想で実施できる。又、第４ステップ
のフォーカス並びに傾きの補正量の計算についても同じ
方式が使える。

【００８１】図１５は本発明の実施例３の要部概略図で
ある。

【００８２】本実施例ではずれ量計測マークの画像をレ
チクルを通さないＴＴＬ方式によるアライメント機構を
用いた自動計測可能な半導体素子製造装置に適用した場
合を示している。第１ステップから第３ステップまで
は、実施例１と同一思想で実行できるので説明を省略す
る。但し、第２ステップでの位置合わせマークの計測に
は図１５に示したＴＴＬの計測機構を利用してもよい。
この場合、グローバルアライメントにより露光される。

【００８３】第４ステップでフォーカスを検査するマー
クを計測するアライメント用のスコープは常に固定され
た位置にある。投影レンズＬＮにアライメントマークの
照明光を照射するミラーＭＹはレチクルＲＴに描かれて
いる回路パターンをウエハＷＦに露光する際、露光光を
遮らない位置に設定されている。

【００８４】次に上記アライメントスコープを用いて、
フォーカスを検査するマークの画像を取り込む方法を述
べる。検査用マークを観察するにはアライメント機構が
固定されているので、検査ウエハを乗せているＸＹステ
ージＸＹＳの位置制御だけで行なっている。例えば図１
５に示される同一ショット内のマークＷＭＬとマークＷ
ＭＲはＸＹステージＸＹＳをマーク間隔だけ移動させ、
スコープの下に来るようにモータの動きを制御する。レ
ーザＬＳから発射されたマーク照明用のレーザ光はプリ
ズムＢＳ、ミラーＨＭＹ、ミラーＭＹを通り、投影レン
ズＬＮに照射され、ウエハＷＦに形成された検査用マー
クＷＭＲを照明する。

【００８５】マークの像は投影レンズＬＮ、ミラーＭＹ
を通りアライメント光学系に入り、ＣＣＤカメラＣＭＹ
に結像する。ＣＣＤカメラＣＭＹで取り込まれた検査用
マークの画像はステッパ制御装置ＣＵで処理され、評価
値が蓄積される。ステージの移動と画像取り込みと、取
り込まれた画像の処理はステップ・アンド・リピートで
全ての検査用マークについて行ない、最後のマークを計
測した後、回収ハンドＨＡＲでステージから取り出され
る。

【００８６】以後、ウエハは実施例１と同じように処理
される。又ステッパ制御装置ＣＵに蓄積されフォーカス
評価値の処理も同様に行なわれ、ステッパにフォーカス
オフセットと、フォーカス傾き補正量として自動的に入
力される。

【００８７】次に本発明の実施例４について説明する。
本実施例では投影レンズＬＮを通らないオフアクシス方
式によるアライメント機構を用いた自動計測を可能とし
ている。本実施例を半導体素子の製造装置を示す図１を
用いて説明する。この方式も第１から第３ステップは実
施例１と同一思想で実行できるので説明を省略する。但
し、第２ステップでの位置合わせマークの計測には、オ
フアクシスコープによる計測機構を利用してもよい。こ
の場合、グローバルアライメントにより露光される。

【００８８】第４ステップで露光量と露光フォーカス検
査用マークを計測するオフアクシスアライメント用のス
コープＯＥは常に固定された位置にある。このアライメ
ントスコープＯＥを用いて、ずれ量計測マークの画像を
取り込む方法を述べる。検査用マークを観察するにはア
ライメント機構が固定されているので、検査ウエハを乗
せているＸＹステージＸＹＳの位置制御だけで行なって
いる。アライメントスコープＯＥはマーク観察用の光源
と顕微鏡、ＣＣＤカメラで構成されている。光源から発
射された光で照明された検査ウエハ上のマークは、顕微
鏡で像が拡大されＣＣＤカメラＣＭに結像する。

【００８９】ＣＣＤカメラＣＭで取り込まれた画像はス
テッパ制御装置ＣＵで処理され、マークから評価値が求
められる。全ての評価値はステッパ制御装置ＣＵに蓄積
される。ステージの移動と画像取り込みと取り込まれた
画像の処理はステップアンドリピートで全ての検査用マ
ークについて行ない、最後のマークを計測した後、回収
ハンドＨＡＲでステージから取り出される。

【００９０】以後、ウエハは実施例１と同じように処理
される。又ステッパ制御装置ＣＵに蓄積されたフォーカ
ス評価値の処理も同様に行なわれ、ステッパにフォーカ
スオフセットとフォーカス傾き補正量として自動的に入
力される。

【００９１】ここまでの説明は第２ステップでレチクル
とステージの位置合わせを行なっているが、特に位置合
わせ精度を必要としないならば位置合わせを行なわず露
光を行なっても良い。

【００９２】前記のレチクルを通さないＴＴＬ方式によ
るアライメント機構を用いた場合と、オフアクシス方式
では、レチクル上にマーク観察用の窓を設ける必要がな
くなり、自動計測の為に必要なレチクルパターン占有面
積を縮小できる。

【００９３】ここまでの説明では、評価用マークは下が
平坦な領域、例えばボンディングパット部として説明し
た。そのような領域を使用できない場合は、特別な評価
パターンの入っているレチクルを使用しないでＩＣを製
造するレチクルをそのまま使用することも可能である。
即ちコンタクトホールのようなドットパターンを用いる
ことも可能である。この場合、レチクル設計時に、パタ
ーンの方向及び位置が分かっているので簡単な操作でス
テッパにパラメータとして評価パターンの位置とパター
ンの方向を入力を行なえば可能である。

【００９４】尚、前述した実施例１，２のマーク観察用
の光源ＬＳをＨｅＣｄレーザ或いは超高圧水銀灯のｇ線
等の露光光に近いものを使用せず、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等
の非露光光を使用しても良い。この場合、プリズムＢＳ
とセットマークＲＳＭＬの間に色収差を補正する光学系
を挿入する。

【００９５】又、本実施例に示された機能はステッパ等
の縮小投影型の露光装置に限らず、アライメント用の計
測光学系を持つ露光装置にも同様に使用できる。

【００９６】

【発明の効果】本発明によれば以上説明したように、フ
ォーカスとフォーカス傾きに関する自動計測システムを
露光装置であるステッパとコータ、デベロッパからなる
周辺装置で構成した為、従来人によって行なわれていた
ウエハ検査作業に比べると測定精度は向上し、検査時間
の短縮に効果がある。しかも検査条件、精度の安定性が
維持できる。即ち、本発明は半導体素子の製造の効率向
上と歩留まり向上に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の半導体製造装置の実施例１の要部
概略図

【図２】 図１のオートフォーカス計測機構の概略図

【図３】 図１のオートフォーカス計測機構の概略図

【図４】 本発明に係るフォーカス補正量設定の為の
フローチャート

【図５】 本発明に係るフォーカス補正量設定の為の
フローチャート

【図６】 図１のレチクルとウエハとの関係を示す説
明図

【図７】 図１のレチクルとウエハとの関係を示す説
明図

【図８】 本発明に係るフォーカス計測用パターンに
関する説明図

【図９】 本発明に係るフォーカス計測用パターンに
関する説明図

【図１０】 本発明に係るフォーカス計測用パターンに
関する説明図

【図１１】 本発明に係るフォーカスの最適値決定を示
す説明図

【図１２】 本発明に係るフォーカス値の符号を決定す
る説明図

【図１３】 本発明に係るフォーカス傾きを求める説明
図

【図１４】 本発明の半導体製造装置の実施例２の要部
概略図

【図１５】 本発明の半導体製造装置の実施例３の要部
概略図

【図１６】 １次元的に連続的にフォーカスを変化させ
て露光する方法を示す図

【図１７】 ２次元的に連続的にフォーカスを変化させ
て露光する方法を示す図

【図１８】 ウエハのうねりと露光平面を示す図

【図１９】 検査用露光のステップアンドリピートを示
すフロー図

【図２０】 ２次元的に露光するときのフローを示す図

【符号の説明】

ＸＹＳ ＸＹステージ ＷＦ ウエハ ＬＮ 縮小投影レンズ ＲＴ レチクル ＩＬ 露光光源 ＣＵ コントロールユニット ＬＳ レーザ光源 ＣＭ ＣＣＤカメラ ＣＯ コータ（レジスト塗布装置） ＤＥ デベロッパ（現像装置） ＢＦ 最適フォーカス位置 ＨＡＳ ウエハ供給ハンド ＨＡＲ ウエハ回収ハンド ＯＥ オフアクシスコープ ＷＳＴ ウエハセットテーブル ＷＥＮ ウエハ受取テーブル ＣＳ コンソール ＷＩＬ 検査マーク観察窓（左） ＷＩＲ 検査マーク観察窓（右） ＷＰＡ 検査マーク ＣＭＹ ＣＣＤカメラ ＭＦＳ フォーカス傾き平面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｚ 7630−4Ｍ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レジスト塗布装置によりウエハ面上にレ
   ジストを塗布し、該ウエハ面上のレジストにレチクル面
   上のパターンを投影露光装置により投影露光し、該ウエ
   ハを現像装置により現像処理して半導体素子を製造する
   半導体製造装置において、該レジスト塗布装置によりレ
   ジストを塗布した検査用ウエハに該投影露光装置により
   ２次元的な格子パターンより成るフォーカス計測用パタ
   ーンを投影露光し、該現像装置により現像処理をした該
   検査用ウエハの複数の領域のフォーカス計測用パターン
   を計測して、半導体素子製造中の各プロセス工程でのフ
   ォーカス位置及び該レチクル投影面の傾きを求めてフォ
   ーカスオフセット又は傾き補正量として該投影露光装置
   に設定していることを特徴とする半導体製造装置。
2. 【請求項２】 レチクル面上のマークとウエハ面上のマ
   ークを撮像手段面上に形成し、該撮像手段で得られる画
   像情報を利用して該レチクルとウエハとの相対的な位置
   合わせをアライメント機構により行ない、位置合わせを
   したウエハ面上のレジストにレチクル面上のパターンを
   投影露光する投影露光装置において、該ウエハ面に設け
   た複数の２次元的な格子パターンより成るフォーカス計
   測用パターンを該アライメント機構により計測して該ウ
   エハの最適フォーカス位置及び該レチクルの投影面の傾
   きを求めたことを特徴とする露光装置。
3. 【請求項３】 ウエハ面上のマークを撮像手段面上に形
   成し、該撮像手段で得られる画像情報を利用して該ウエ
   ハと該撮像手段との相対的な位置合わせをアライメント
   機構により行ない、位置合わせをしたウエハ面上のレジ
   ストにレチクル面上のパターンを投影露光する投影露光
   装置において、該ウエハ面に設けた複数の２次元的な格
   子パターンより成るフォーカス計測用パターンを該アラ
   イメント機構により計測して該ウエハの最適フォーカス
   位置及び該レチクルの投影面の傾きを求めていることを
   特徴とする投影露光装置。
4. 【請求項４】 前記フォーカス計測用パターンを照明す
   る照明光を前記レジストを感光させる露光光と感光させ
   ない非露光光とに切り替える機構を有していることを特
   徴とする請求項２又は３の投影露光装置。
5. 【請求項５】 前記ウエハ面上に設けた前記フォーカス
   計測用パターンの前記撮像手段面上における鮮鏡度より
   最適フォーカス位置を検出して、該ウエハの位置を制御
   するオートフォーカス機構を有していることを特徴とす
   る請求項２又は３の投影露光装置。