JPH0645223A

JPH0645223A - 投影型露光装置

Info

Publication number: JPH0645223A
Application number: JP5155046A
Authority: JP
Inventors: Makoto Uehara; 誠上原; Koichi Matsumoto; 宏一松本; Yutaka Suenaga; 豊末永; Takayuki Muramatsu; 享幸村松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-06-25
Filing date: 1993-06-25
Publication date: 1994-02-18
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: JP2591582B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ウェハ上のレジストに影響されることなく良
好にアライメント信号が検出でき、高精度で高スループ
ットが期待できる露光装置を提供すること。【構成】照明光学系（１）によって照明されたレチク
ル（３）上のパターンは、投影光学系（４）を介してウ
ェハ（５）上に転写される。そして、レチクルとウェハ
とのアライメント状態を投影光学系を通して検出するア
ライメント光学系（10L 〜 18L, 10R 〜 18R）は、露光
光とアライメント光とを分離するダイクロイックミラー
手段（２）を介することで生じる収差を補正する収差補
正手段（15L 〜 17L, 15R 〜 17R）を有する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造過程におい
て用いられる露光装置、特にフォトマスクパターンをウ
ェハ上に投影して転写する投影型露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の製造過程中のリソグラフィ
工程においては、１枚のウェハに対してレジスト塗布−
アライメント−露光−化学プロセスの工程が複数回繰り
返して行われる。近年、半導体素子の集積密度が高まる
に従って、上記のリソグラフィ工程中のアライメントと
露光の工程に、縮小投影型露光装置が多く用いられるよ
うになって来た。この縮小投影型露光装置においては、
特に高い解像力を有する投影レンズが要求され、その高
解像力投影レンズによりフォトマスク（以下「レチク
ル」と称する。）上のパターンの像が、移動ステージ上
に載置された直径７５mm乃至１５０mmのウェハ上に１０
mm角乃至２０mm角の露光フィールドで投影されて、ステ
ージ移動と露光とが繰り返し行われる。その際、迅速な
アライメント、露光、ステージ移動ばかりで無く、解像
力に見合う高いアライメント精度が要求される。

【０００３】また、縮小投影型露光装置では、投影レン
ズを介して投影露光された後、化学プロセスを経てウェ
ハ上に形成されたアライメントマークと次工程のレチク
ル上のアライメントマークとを露光ごとに合致させる、
いわゆるダイ・バイ・ダイアライメントが行われる。こ
の場合、収差の補正された投影光学系を介して行われる
レチクルとウェハとのアライメントマークの重ね合せ
は、焼付け露光と同時に確認できることが望ましい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の如き投影レンズ
を介してアライメントを行うＴＴＬ式のアライメント光
学系においては、レチクルとウェハとの双方のアライメ
ントマークを照明するためのアライメント用照明光とし
て、露光波長に近い波長の光が多く用いられていた。そ
のため、ウェハ上のレジスト（感光剤）とアライメント
波長との関係で、次のような不具合が生じることが判明
した。すなわち、通常のレジストは、感光域が広く、露
光波長近辺でも感光性を有するため、アライメント波長
が露光波長に近いとアライメント時にアライメントマー
ク上のレジストが感光してしまい、工程ごとにアライメ
ントマークを写し替える煩わしさが有る。そのため、ア
ライメントマークの写替えによりアライメント精度を低
下させる一因となっていた。

【０００５】また、ウェハ上のアライメントマークをレ
ジスト越しに観察する際に、アライメント光によるレジ
ストの感光前後で、レジストの質的変化のため観察状況
（主としてアライメントマークのコントラスト）が変化
するため、アライメント検出信号が不安定となる欠点が
あった。さらに、露光波長で干渉条件により無反射にな
るように設定された多層レジストや吸収層を持つダイ入
りレジストＣＥＬ（コントラスト、エンハンスト、レイ
ヤ）などでは、露光波長に近いアライメント波長ではウ
ェハ上のアライメントマーク観察が困難となる欠点があ
った。

【０００６】そこで、本発明は、上記従来装置の欠点を
解決し、ウェハ上のレジストに影響されることなく良好
にアライメント信号が検出でき、高精度で高スループッ
トが期待できる露光装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、例えば図１、図２に示す如く、本発明による投影
型露光装置は、所定の波長域の露光光によってレチクル
（３）を照明する照明光学系（１）と、照明光学系によ
って照明されたレチクル上のパターンをウェハ（５）上
に投影する投影光学系と、露光光とは異なる波長域のア
ライメント光によってレチクルとウェハとのアライメン
ト状態を投影光学系を通して検出するアライメント光学
系（１０_L〜１８_L、１０_R〜１８_R）と、照明光学系
の射出側の光路中に配置されかつ露光光とアライメント
光とのいずれか一方を反射し他方を透過させるダイクロ
イックミラー手段（２）とを有する。そして、アライメ
ント光学系は、ダイクロイックミラー手段を介したアラ
イメント光により発生する収差を補正する収差補正手段
（１５_L〜１７_L、１５_R〜１７_R）を有し、ダイクロ
イックミラー手段及び投影光学系を介してアライメント
の検出を行う如く構成される。

【０００８】

【作用】上述の構成の如き本発明による投影型露光装置
においては、露光光とアライメント光とが別の波長域で
あるため、アライメント光によってウェハ上のレジスト
が感光しない。従って、常に良好なアライメント検出信
号が得られる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付の図面に基づい
て詳しく説明する。図１は本発明の一実施例を示す光学
系の側面図で、図２は図１に示す光学系の正面図であ
る。図１において、図示されない光源から供給されてコ
ンデンサーレンズ１を通った露光光束は、ダイクロイッ
クミラー２にて反射され、レチクル３上のパターンを均
一に照明する。その露光光束によって照明されたレチク
ル３上のパターンは、投影レンズ４によりウェハ５上に
投影される。一方、露光光束とは異なる波長の光を発振
する左右のアライメント照明光源１０_L、１０_Rからの
レーザ光束は、図２に示すように、半透過鏡１１_L、１
１_Rを透過した後、アライメント用第２対物レンズ１２
_L、１２_R、反射鏡１３_L、１３_Rおよびアライメント
用第１対物レンズ、１４_L、１４_Rを経て、収差補正板
１５_L、１５_R、１６_L、１６ _Rおよび１７_L、１７_R
を通過する。さらに、そのレーザ光束は、後で詳しく述
べられるダイクロイックミラー２を透過した後、レチク
ル３上の左右のアライメントマークＰ_L、Ｐ_Rをそれぞ
れ照明する。またさらに、アライメントマークＰ _R、Ｐ
_Lを照明したアライメント用の照明光束は、色収差補正
された投影レンズ４により実質的絞り４ａの中心を通っ
てウェハ５上のアライメントマークＱ_R、Ｑ_Lをそれぞ
れ落射照明する。この絞り４ａは投影レンズ４の後側焦
点位置にある。

【００１０】落射照明されたウェハ５上のアライメント
マークＱ_R、Ｑ_Lからのレーザ光束による反射光は、逆
の光路を辿って進み、レチクル３上にウェハ５のアライ
メントマークＱ_R、Ｑ_Lの像を形成し、そのアライメン
トマークＱ_Rはレチクル３上のアライメントマークＰ_L
と、またアライメントマークＱ_L、Ｑ_Rレチクル３上の
アライメントマークＰ_Rとそれぞれ重ね合わされる。そ
の重ね合わされたレチクル３上のアライメントマークＰ
_L、Ｐ_Rの像とウェハ５上のアライメントマークＱ_R、
Ｑ_Lの像とは、ダイクロイックミラー２を透過した後、
収差補正板１７ _L、１７_R、１６_L、１６_R、１５_L、
１５_Rを透過し、アライメント用第１対物レンズ１
４_L、１４_R、反射鏡１３_L、１３_R、アライメント用
第２対物レンズ１２_L、１２_Rを通過し、さらに、半透
過鏡１１_L、１１_RにてＩＴＶ撮像管（または撮像素
子）１８_L、１８_Rの方へ転向され、それぞれの受光面
に結像される。

【００１１】ところで、厚さを持った平行平面板を光が
透過する場合、その透過光が平行光束の場合には、単に
その光束が横ずれするだけで収差に影響を及ぼすことは
無いが、その透過光が収斂または発散光の場合には、非
点収差とコマ収差とに影響する。そのため、レチクル３
からアライメント用第１対物レンズ１４_L、１４_Rに向
う光がアライメント光路中のダイクロイックミラー２を
透過する際に、コマ収差と非点収差とが発生する。その
ため、ダイクロイックミラー２に対して９０°傾斜して
配置された収差補正板１７_R、１７_Lでコマ収差を補正
し、アライメント光軸を中心にダイクロイックミラー２
に対して９０°回転し、さらにアライメント光軸に対し
て等しい角度だけ逆向きに傾斜して配置された一対づつ
の収差補正板１６_L、１５_L、１６_R、１５_Rで、非点
収差を補正するように構成されている。アライメント光
束の開口数（ＮＡ）が小さい場合やダイクロイックミラ
ー２が薄く収差に悪影響を与えない場合には収差補正板
を必要としないが、ＮＡが大きい場合には、ダイクロイ
ックミラー２に対し収差補正板１５_L、１６_L、１
５_R、１６_Rは、非点収差の補正上極めて重要となる。
また、アライメント方法として図示されないシリンドリ
カルレンズによりレーザ光束を光軸に直交するスリット
状に成型し、このスリット状の光束でアライメントマー
クを走査して、アライメントを行う方式の場合には、ダ
イクロイックミラー２に対して収差補正板１７_L、１７
_Rはコマ収差補正上極めて重要である。

【００１２】図３は、図１中に使用されているダイクロ
イックミラー２の光学特性を示し、波長λ₁の光を１０
０％反射し、波長λ₂の光に対しては、ミラー面に垂直
な面内で振動するＰ方向の偏光成分は１００％透過し、
これに垂直な面内で振動するＳ方向の偏光成分は１００
％反射するように、そのダイクロイックミラー２は薄膜
設計がなされている。また、Ｓ方向の偏光成分が１００
％透過する領域を超えて長い波長λ₃に対しては、１０
０％の透過光となる。この場合、投影レンズ４に対する
レチクル３側の所定の開口数（ＮＡ）の光束が均等にダ
イクロイックミラー２を反射または透過しなければなら
ない。

【００１３】縮小投影型露光装置に用いられる投影レン
ズは、通常、５乃至１０倍の縮小倍率を持つので、例え
ばウェハ側でＮＡ＝０．３５の投影レンズ４では、レチ
クル側で０．０７乃至０．０３５のＮＡとなる。そのた
め、ダイクロイックミラー２としては、露光波長とアラ
イメント波長のスペクトル半値巾も考慮するとＮＡ＝
０．１に相当する波長シフト範囲Δλの波長の光に対し
て均一な特性を持つことが必要である。具体的には、薄
膜特性上ＮＡ＝０．１は約±３nmの波長シフトに相当す
るため、図３中で、波長λ₁よりΔλ₁＝±３nmだけシ
フトした範囲の波長の光についてもほぼ１００％反射
し、また、波長λ₃よりΔλ₃＝±３nmだけシフトした
波長の光についてほぼ１００％透過し、さらに、λ₁に
近い波長λ₂についてはΔλ₂＝±３nmだけシフトした
波長の光に対して、Ｐ方向の偏光成分をほぼ１００％透
過し、Ｓ方向の偏光成分をほぼ１００％反射するよう
に、図１に示すダイクロイックミラー２では薄膜設計が
なされる。

【００１４】図４乃至図６は、図１の実施例に使用され
るそれぞれ別の投影レンズ４の露光波長とアライメント
波長とに対する色収差補正状態を説明するための線図
で、それぞれ横軸に波長λ、縦軸に投影レンズ４の軸上
色収差量を示し、破線にて挟まれた部分ｄは色収差許容
範囲を示す。図４は、一つの極値を持つ２次曲線の軸上
色収差状態を示す通常の投影レンズに見られる色収差補
正の状態を示し、色収差許容範囲ｄ内に比較的広い半値
巾（スペクトル値）ｂを持った露光波長λ₁と、レーザ
光λ₂のアライメント波長とが含まれている。本発明で
は、これを「一括色消しタイプ」と呼ぶ。従来の露光装
置などに組み込まれている通常のガラス素材を使用した
投影レンズ４では、色収差許容範囲が狭いため、露光波
長λ₁とアライメント波長λ₂とは、互いに近い図４に
示すタイプのものが多く使用されている。この一括色消
しタイプの投影レンズ４に対し、ダイクロイックミラー
２を介して使用される露光波長λ₁とアライメント波長
λ₂との組合わせの例を表１に示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】代表的な露光波長λ₁としてＨｇランプ
（高圧水銀ランプ）のスペクトルの４３６nm、３６５nm
および３１３nmを選び、波長半値巾は比較的広いため、
ここでは一様に±２nmとした。また、同じく露光波長λ
₁として選んだエキシマレーザについては、ＸｅＣｌと
ＫｒＦの比較的半値巾の広いものを±０．５nmとしてい
る。また、アライメント光としては高輝度光源が望まし
く、使い易いレーザとしてＨｅ−Ｃｄ：４４２nm、Ｈｅ
−Ｃｄ：３２５nmなどが選ばれる。また、アライメント
波長λ₂は露光波長λ₁に近いので、ダイクロイックミ
ラー２は、図３の波長λ₂にて示すように、Ｐ成分を透
過し、Ｓ成分を反射する領域が使用される。

【００１７】図５は、図４と同様に１つの極値を有する
２次曲線を示す軸上色収差を持つ投影レンズにおいて、
その極値０を挟む短波長側の波長λ₁と長波長側の波長
λ₃に対して色収差補正を行ったもので、ここでは、こ
れを「狭帯２色色消しタイプ」と呼ぶ。このタイプの投
影レンズを露光装置に用いる場合には、露光波長λ₁は
極値０から短波長側に大きく離れるので色収差許容範囲
ｄ₁が狭いため、半値巾の狭いエキシマレーザを露光用
光源として使用し、アライメント波長λ₃としては投影
レンズ４の設計により各種のものが選ばれる。このよう
に色収差補正された投影レンズに対し、ダイクロイック
ミラー２を介して使用される露光波長λ ₁とアライメン
ト波長λ₃との組合せの例を表２に示す。

【００１８】

【表２】

【００１９】上記表２のエキシマレーザは、いずれもイ
ンジェクションロッキング状態など半値巾が狭いものが
使用される。なお、アライメント波長λ₃は露光波長λ
₁から大きく離れているので、ダイクロイックミラー２
の全透過領域（図３中でλ₃の領域）で使用される。上
記のような一括色消しタイプでは、アライメント波長に
は露光波長に近い波長しか使用できず、また、狭帯２色
色消しタイプでは、露光用、アライメント用共に波長幅
の狭いレーザ光を必要とし、また、複数のアライメント
波長を用いることは不可能である。しかし、投影レンズ
４の構成要素の内に、螢石（ＣａＦ₂）、弗化リチウム
（ＬｉＦ）等のような異常分散を示す光学材料を用いて
色収差補正を行うと、波長を関数とする軸上色収差の振
舞いを、図６に示すように、少なくとも２つの極値０₁
および０₂を有する３次曲線の状態にすることができ
る。

【００２０】この図６に示す軸上色収差曲線において横
軸Ｘを短波長側の極値０₁にほぼ接するようにとると、
波長λ₁（極値０₁にほぼ等しい波長）と、長波長側の
極値０₂を超えた長波長域の波長λ₃とに対して軸上色
収差を０（ゼロ）に補正するができる。この場合、極値
０₁の近辺では色収差許容範囲内において波長幅を広く
とることができるので、エキシマレーザは勿論、例えば
Ｈｇランプ（超高圧水銀ランプ）のようなスペクトル幅
の広い光源の使用が可能となる。それ故、ここではこれ
を「広帯２色色消しタイプ」と呼ぶ。また、極値０₂を
超えた長波長域の波長λ₃は、アライメント光として使
用され、λ₁よりわずかに長い波長λ₂は露光用または
アライメント用のいずれにも使用できる。上記のような
広帯２色色消しタイプの投影レンズ４に対して、ダイク
ロイックミラー２を介して使用される露光波長λ₁とア
ライメント波長λ₂およびλ₃の組合わせの例を表３お
よび表４に示す。

【００２１】

【表３】

【００２２】表３は露光波長λ₁としてＨｇランプのス
ペクトの４３６nm、３６５nm、３１３nmなどがスペクト
ル幅±２nmで用いられ、また、ＸｅＣｌエキシマレーザ
は、波長２４９±０．５nm、ＫｒＦエキシマレーザは波
長２４９±０．５nmで用いられる。また、アライメント
光束としては、いずれも、図６中で長波長側の極値０ ₂
を超えた領域の波長λ₃のみが用いられ、ダイクロイッ
クミラー２の図３中で全透過領域（Ｓ成分も完全透過領
域）で使用される。

【００２３】さらに、広帯２色色消しタイプでは、表４
に示すようにアライメント波長として２波長選択も可能
である。この場合、ダイクロイックミラー２は、図３中
でλ ₂およびλ₃にて示すように、露光波長λ₁に近い
アライメント波長λ₂についてはＰ成分を透過すると共
にＳ成分を反射するように構成され、露光波長λ₁から
遠いアライメント波長λ₃について全透過させる。

【００２４】

【表４】

【００２５】レジスト（感光剤）が塗布されたウェハに
対してアライメントを行う際、一方の波長では、レジス
トの厚さや屈折率などによる干渉条件で、ウェハ上のア
ライメントマークの検出信号が得られなかったり、非常
にノイズが多くなる場合がある。このような場合、アラ
イメントに２つの異なる波長の光を用いると、一つの波
長で検出信号が不充分でも、他方の波長で充分な検出信
号が得られる場合が多く、検出能力の向上が期待でき
る。

【００２６】また、上記の表４には記載されていない
が、図６において、露光の２つの波長（例えばλ₁とλ
₂）を用い、アライメントを１つの波長（例えばλ₃）
で行うことも可能である。この場合、１つの波長（例え
ばλ₁）で露光を行うと、ウェハ上のパターンエッジに
レジストの上面とウェハ上面との双方の反射光により定
在波が生じ、そのため微細なパターンの形成に支障を来
す恐れが有るが、露光を２波長（例えばλ₁、λ₂）に
て行うと、その定在波を低減させることが可能なため、
焼付け線巾のコントロールの向上が期待できる。

【００２７】上記の実施例においてはダイクロイックミ
ラー２を平行平面板で形成したが、これを直角プリズム
２枚を貼り合わせて、その斜辺が反射面となるように構
成してもよい。この場合、そのプリズムの透過光には収
差が生じないので、収差補正板１５_R〜１７_R、１５_L
〜１７_Lを削除できる。一方、ダイクロイックミラー
は、その特性として短波長を反射し、長波長を透過する
コールドミラータイプのものが製作上有利である。また
通常、アライメント光束に高輝度レーザを使用すると、
ノイズが少なく、検出能力の高いアライメント光学系の
構成が可能となるが、その安定したレーザは、露光波長
より長い波長を持ったものが多い。そのため、図１の実
施例では、露光波長を反射し、アライメント波長を透過
するダイクロイックミラー２を採用している。しかし、
アライメント波長と露光波長との組合せによっては、ダ
イクロイックミラー２の透過側に露光光束、反射側にア
ライメント光束を選んでもよい。

【００２８】

【発明の効果】上述の如き本発明によれば、露光波長と
は異なる波長域のアライメント波長のもとでアライメン
トが実行できるため、露光波長に吸収帯を持つ多層レジ
ストやダイ入りレジスト、ＣＥＬなどに対してもＳＮ比
の良好なアライメント信号が得られ、検出能力の大巾な
向上が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す光学系の側面図。

【図２】図１に示す光学系の正面図。

【図３】図１に示すダイクロイックミラーの光学特性
図。

【図４】一括色消しタイプの投影レンズの色収差補正状
態を示す説明図。

【図５】狭帯２色色消しタイプの投影レンズの色収差補
正状態を示す説明図。

【図６】広帯２色色消しタイプの投影レンズの色収差補
正状態を示す説明図。

【符号の説明】

１ … コンデンサーレンズ、（照明光学系）２ … ダイクロイックミラー、（ダイクロイックミラ
ー手段）３ … レチクル、４ … 投影レンズ、（投影光学系）５ … ウェハ、１２_L，１２_R… アライメント用第１対物レンズ、１４_L，１４_R… アライメント用第２対物レンズ、１５_L〜１７_L，１５_R〜１７_R… 収差補正板、１０_L，１０_R… アライメント照明光源、１８_L，１８_R… ＩＴＶ撮像管、

フロントページの続き (72)発明者村松享幸神奈川県相模原市麻溝台1773番地株式会社ニコン相模原製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の波長域の露光光によってレチクルを
照明する照明光学系と、該照明光学系によって照明され
たレチクル上のパターンをウェハ上に投影する投影光学
系と、前記露光光とは異なる波長域のアライメント光に
よって前記レチクルと前記ウェハとのアライメント状態
を前記投影光学系を通して検出するアライメント光学系
と、前記照明光学系の射出側の光路中に配置されかつ前
記露光光と前記アライメント光とのいずれか一方を反射
し他方を透過させるダイクロイックミラー手段とを有
し、前記アライメント光学系は、前記ダイクロイックミラー
手段を介したアライメント光により発生する収差を補正
する収差補正手段を有し、前記ダイクロイックミラー手
段及び前記投影光学系を介して前記アライメントの検出
を行う如く構成されることを特徴とする投影型露光装
置。