JPH0650717B2 - 露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、レチクルとウエハーを位置的に整合した状態
でレチクルの像をウエハー上に投影し転写する露光装置
に関し、特に、レチクルとウエハーの位置関係を露光位
置とは異なる位置で検出する位置合わせ用光学系を備え
た露光装置に関する。

［従来の技術の説明］ この種の露光装置は、主に半導体集積回路の微細パター
ンを焼付けるために用いられる。

このような半導体集積回路焼付用の装置では、複雑な半
導体集積回路の構造を形成するために１つの半導体集積
回路を製造するのに通常何種類ものパターンを兼ね合せ
て焼付けていかねばならなず、その必要な重ね合せ精度
は、パターンの微細化に伴い、ますます厳しくなってき
ている。この重ね合せのために位置合わせ用光学系があ
るが、これには、原画であるレチクルの位置合わせ用マ
ークと、焼付けようとするウエハーの位置合わせ用マー
クとを投影光学系を介して直接観察を行なうＴＴＬ(Thr
ough the Lens)方式と、投影光学系の光軸から一定の位
置に設けた顕微鏡等の光学系で位置を検知するオフアク
シス(Off-Axis)法とがある。

［発明が解決使用とする問題点］ ところで、前者は精度は良いが、投影光学系が一般に露
光波長にしか収差補正されていないため、位置合わせ用
に露光波長以外の波長を使用した場合、投影光学系で発
生した収差を何らかの方法で補正してやらねばならなく
なる等制約が多くさらにスピードも遅くなるのが通例で
ある。

また、位置合わせ用に露光波長を使用した場合、ウエハ
ー上に塗布された感光剤のフォトレジスト（以下レジス
ト）が露光してしまう。さらに、最近良く使用されるよ
うになった多層レジスト等の露光波長を吸収するレジス
トでは検出のための反射光が戻って来ないという問題も
ある。

一方、後者は前記のような問題無しに露光波長以外の波
長を位置合わせ用に使用でき、またスピードも速いが投
影光学系と位置合わせ用顕微鏡との光軸間距離が経時変
化するという問題があり、精度としては前者に劣る。

本発明は、前述したようなオフアクシス位置合わせ方式
における投影光学系と位置合わせ用顕微鏡との光軸間距
離の経時変化をモニターし、フィードバックすることに
よって、高速かつ高精度の位置合わせ方式を提供するこ
とを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明では、レチクル上に形
成されているパターンを投影光学系を介して可動ステー
ジ上に配置されたウエハーに露光する際の前記レチクル
とウエハーの相対位置合わせを、前記投影光学系の光軸
より所定の位置離れたオフアクシス光学系によって行な
う露光装置において、前記可動ステージ上の前記ウエハ
ーと異なる位置に書込・消去可能な記録媒体を配置した
ことを特徴としている。

［作用］ 前記投影光学系とオフアクシス光学系との光軸間距離を
モニターする際は、前記記録媒体（例えば光磁気記録媒
体またはフォトクロミック材料）を露光して像を形成
し、ステージを一定量送って該像形成部分をオフアクシ
ス光学系の下に移動させる。このとき該像の位置を検出
して該オフアクシス光学系内の基準位置とのずれを計測
するようにシーケンス制御する。シーケンス制御の最後
または最初に前記記録媒体に形成された像の消去を行
う。

［効果］ 以上のように、本発明によればウエハーを搭載して移動
する可動ステージ上の該ウエハーと異なる位置に書込・
消去可能な記録媒体を配置しているため、例えば上述し
た方法でオフアクシス位置合わせ方式における投影光学
系とオフアクシス光学系との光軸間距離をモニターする
ことができ、高精度かつ高速の位置合わせが可能とな
る。

［実施例］ 以下図面を用いて本発明の実施例を説明する。第１図は
本発明の一実施例に係る露光装置の全体図である。同図
において、照明光学系１を発した光はレチクル２を照射
し、そのパターンを投影光学系３によってウエハー４上
に転写する。ウエハー４は定盤10上に配置された可動ス
テージ５の上に固定されている。

可動ステージ５は不図示の駆動系によってＸおよびＹに
移動できるようになっており、その移動量はそれぞれＸ
およびＹ各方向用のレーザー測長器でモニターされてい
る。第１図においてはＸ方向用のレーザー測長器８が現
われており、Ｙ方向用のレーザー測長器は現われていな
い。このレーザー測長器８の光軸の高さはアッベの誤差
の排除のため、ウエハー４の面と同じ高さになってい
る。さらに可動ステージ５上のウエハー４の外側に光磁
気記録媒体６が配置され、その表面の高さはウエハー４
の高さと一致させてある。また、必要に応じ、光磁気記
録媒体６の表面の高さとウエハー４の高さとを一致させ
るような調整機構を具備している。この光磁気記録媒体
６の下方には電磁石７が埋め込まれ、投影光学系３の光
軸方向の上下任意方向に磁場をかけられるようになって
いる。

９は位置合わせ用の光学系で、レジストに実質的に感光
しない波長の光を発するランプ14、光路振分け用のビー
ムスプリッタ15、対物レンズ16、観察用のテレビカメラ
17等を含む。テレビカメラ17による画像は不図示のコン
ピューターに送られ画像処理されて位置検出が行なわれ
る。

また、11はレチクル上の位置合わせ用マーク18照射用の
光学系で、照明光学系１の露光光を一部取り出し、スリ
ット12を照射し、さらにスリット12の像をレチクル２面
上に結像させる機能をもつ。このマーク照射用光学系11
への照明光学系１からの導光はシャッター13によってオ
ン／オフされる。

第２図に光磁気記録媒体６付近の状態説明図を示して、
第１図の装置における投影光学系３と位置合わせ用光学
系９との光軸間距離のモニター方法を説明する。

ａ）第２図（ａ）を参照して、まず、予め下向きに磁化
させておいて媒体６が投影光学系３の真下でレチクル上
の位置合わせ用マーク18が結像される位置に可動ステー
ジ５をもってくる。次にシャッター13を開き、マーク照
射用光学系11により位置合わせ用マーク18を露光する
と、媒体６上にマーク18の像が結像する。この際、電磁
石７によって上向きに磁場をかけておくと、媒体６中で
光の当たった部分だけが光を吸収し、それによる熱でキ
ュリー点に達して磁化の方向が反転する。これにより、
位置合わせ用マーク18の形に磁化の反転した部分ができ
る。媒体６の分解能は磁区の大きさで決まり、約0.02μ
ｍと本実施例の目的には十分である。また、通常、半導
体露光に使用される紫外線は媒体６での吸収率も高く光
子エネルギーも高いので有効である。マーク18の露光が
終ったらシャッター13を閉じる。

ｂ）第２図（ｂ）を参照して、次に投影光学系３による
マーク18の露光位置から位置合わせ用光学系９の光軸ま
でのベクトルとほぼ同じベクトル だけ可動ステージ５を移動させて媒体６が位置合わせ用
光学系の対物レンズ16のほぼ真下にくるようにする。こ
の間のＸ，Ｙの移動量 はレーザー測長器８で正確に計測されている。そこで上
記のステップａ）で作られた位置合わせ用マークを観察
し、磁化の方向の違いによって生じる偏光状態の差によ
ってマークの位置を検出する。このようにしてレーザー
測長器で計測したステージの移動量と検出したマーク位
置によって投影光学系３と位置合わせ用光学系９との光
軸間距離またはその所定値からのずれ量 を正確に知ることができる。その計測値をもとにして光
学系９を用い、光学系９の下にウエハの所定のショット
のアライメントマークを持ってきて９に対するウエハー
のアライメントマークの位置とその時のステージ座標を
計測する。この場合、各ショット計測しウエハー４上の
全ショットの位置合わせを行なうダイ・バイ・ダイ方式
や、いくつのショットにおけるウエハーのアライメント
マークと光学系９の計測値とその時のステージの座標か
ら計算される基準格子の位置にステージを送って位置合
わせを行なうグローバル方式の位置合わせを選択し露光
を行なうことができる。

ｃ）第２図（ｃ）を参照して、可動ステージ５は任意の
位置で電磁石７によって下向きの強力磁場をかけると、
媒体６は全面下向きに磁化されてマークは消去され再使
用可能となる。

以上のシーケンスの一例を第３図のフローチャートに詳
しく示す。

［実施例の変形例］ なお、本発明は、上述の実施例に限定されることなく適
宜変形して実施することができる。

例えば、 Ｉ）上記ステップｃ）におけるマーク消去は、ステップ
ａ）におけるマーク露光の直前に行なっても良い。ま
た、消去の際、媒体６全面に光照射しながら行なえば強
力磁場をかけなくてもマーク露光時にかけた磁場と同程
度の強さの磁場でマーク消去可能である。

II）また、電磁石７は、上下反転可能な永久磁石でも良
く、位置も媒体６の真下以外のさまざまな位置に配置す
ることができる。要するに媒体６の位置に投影光学系３
の方向で上下任意の磁場を露光中にかけられれば、どの
ような構成でもよく、どのような位置に配置しても良
い。

III）光磁気記録媒体６には、使用可能回数に限度があ
るものがあり、また経時変化も起こす可能性があるので
媒体６の部分だけユニット化しておけば交換等が容易に
できる。

IV）レチクル上の位置合わせ用マークの照射はマーク照
射用光学系11によらなくても、第４図に示すように、照
明光学系を直接用いて行なう事も可能である。この際レ
チクル全面を照射しても良いが、環境条件によっては形
成された光磁気像が熱の為動き、精度を悪化させる事が
ある。その時は照明光学系１内にマスキング機構19を配
置し、レチクルの一部を選択時に露光して光磁気像を形
成すれば良い。この場合のシーケンスの一例を第５図の
フローチャートに示す。

Ｖ）媒体６上のマーク18の像検出は前述したように偏光
状態の変化を検出しているので、位置合わせ用光学系９
を偏光顕微鏡として使用できるようにしておけば有効で
ある。

VI）マーク照射用光学系11を利用してレチクル位置決め
用にも使用できる。

VII）照明光学系１内の露光用光源がレーザー等オン／
オフ可能なものであればシャッター13は不要である。

VIII）マーク18照射用の光源は照明光学系１から露光光
をとり出さなくても実質的に同じ波長の別光源でも構わ
ない。

次に本発明の別の実施例について第６図を参照して説明
する。以下の実施例は記録媒体としてフォトクロミック
材料を用いている。

同図において、照明光学系１を発した光はレチクル２を
照射し、そのパターンを投影光学系３によってウエハー
４上に転写する。ウエハー４は定盤10上に配置された可
動ステージ５の上に固定されている。

可動ステージ５は不図示の駆動系によってＸおよびＹに
移動できるようになっており、その移動量はそれぞれＸ
およびＹ各方向用のレーザー測長器でモニターされてい
る。第１図においてはＸ方向用のレーザー測長器８が現
われており、Ｙ方向用のレーザー測長器は現われていな
い。このレーザー測長器８の光軸の高さはアッベの誤差
の排除のため、ウエハー４の面と同じ高さになってい
る。さらに可動ステージ５上のウエハー４の外側にフォ
トクロミックガラス板60が配置され、その表面の高さは
ウエハー４の高さと一致させてある。また、必要に応
じ、フォトクロミックガラス板60の表面の高さとウエハ
ー４の高さとを一致させるような調整機構を具備してい
る。

９は位置合わせ用の光学系で、レジストに実質的に感光
しない波長の光を発するランプ14、光路振分け用のビー
ムスプリッタ15、対物レンズ16、観察用のテレビカメラ
17等を含む。テレビカメラ17による画像は不図示のコン
ピューターに送られ画像処理されて位置検出が行なわれ
る。

また、11はレチクル上の位置合わせ用マーク18照射用の
光学系で、照明光学系１の露光光を一部取り出し、スリ
ット12を照射し、さらにスリット12の像をレチクル２面
上に結像させる機能をもつ。このマーク照射用光学系11
への照明光学系１からの導光はシャッター13によってオ
ン／オフされる。

第７図にフォトクロミックガラス板60付近の状態説明図
を示して、第６図の装置における投影光学系３と位置合
わせ用光学系９との光軸間距離のモニター方法を説明す
る。

ａ）第７図（ａ）を参照して、まず、フォトクロミック
ガラス板60が投影光学系３の真下でレチクル上の位置合
わせ用マーク18が結像される位置に可動ステージ５をも
ってくる。レチクルは投影光学系３に対し所定の位置に
固定保持されている。次にシャッター13を開き、マーク
照射用光学系11により位置合わせ用マーク18を露光する
と、フォトクロミックガラス板60上にマーク18の像が結
像する。このときフォトクロミックガラス板60はその機
構特性上光（特に紫外光）に照射された部分のみが光化
学作用により着色されるため、このガラス板60上にマー
ク18の像が形成される。通常半導体露光に使用される紫
外線は光子のエネルギーが通常の可視光に比べ大きいた
めマーク像は確実に形成される。マーク18の露光が終っ
たらシャッター13を閉じる。

ｂ）第７図（ｂ）を参照して、次に投影光学系３による
マーク18の露光位置から位置合わせ用光学系９の光軸ま
でのベクトルとほぼ同じベクトル だけ可動ステージ５を移動させてフォトクロミックガラ
ス板60が位置合わせ用光学系の対物レンズ16のほぼ真下
にくるようにする。この間のＸ，Ｙの移動量 はレーザー測長器８で正確に計測されている。そこで上
記のステップａ）で作られた位置合わせ用マークをＴＶ
カメラ内で観察し、画像処理によってマークの位置を検
出する。このとき、観察光によってフォトクロミックガ
ラス板60が露光着色しないように観察光はなるべく微弱
な光または光子エネルギーの小さい長波長の光を使用す
ることが望ましい。このようにしてレーザー測長器で計
測したステージの移動量と検出したマーク位置によって
投影光学系３と位置合わせ用光学系９との光軸間距離ま
たはその所定値からのずれ量 を正確に知ることができる。その計測値をもとにして光
学系９を用い、その下にウエハー４上の所定のショット
のアライメントマークを持ってきて、光学系９に対する
アライメントマークの位置とその時のステージ位置を計
測する。この場合、各ショット計測しウエハー４上の全
ショットの位置合わせを行なうダイ・バイ・ダイ方式
や、いくつかのショットにおけるウエハーのアライメン
トマークと光学系９の計測値とその時のステージの座標
から計算される基準格子の位置にステージを送って位置
合わせを行なうグローバル方式の位置合わせを選択し露
光を行なうことができる。

フォトクロミックガラス板60上のマーク像は光照射が終
了してからある程度の時間が経過すると自然に消去され
再使用可能となる。

以上のシーケンスの一例を第８図のフローチャートに詳
しく示す。

上記実施例はさらに以下のように適宜変形して実施可能
である。

i)フォトクロミックガラス板60は、露光光以外の周囲の
照明光等によって着色してしまうおそれがある。従って
露光光と位置合わせ用の観察光の波長のみ透過し、それ
以外の波長の光は透過させないようなフィルターでフォ
トクロミックガラス板60をカバーすることにより、不必
要な光ができるだけフォトクロミックガラス板60に当た
らないようにすることが望ましい。

ii)フォトクロミックガラス板は、一般に温度が低いほ
ど着色、脱色の速度が速くなる。従って、第９図のよう
にフォトクロミックガラス板60を冷却する冷却機構70を
ステージ５に備え、前記マーク露光中に冷却してマーク
露光速度を速めたり、マーク位置計測後に冷却してマー
ク消去速度を速めることによってアライメント時間の一
層の短縮が可能となり、スループットの向上につなが
る。また、フォトクロミックガラス60を加熱する加熱機
構を備え、マーク観察中にガラス板を加熱することによ
って、観察光によるフォトクロミックガラス板60の着色
を防ぐこともできる。これは前記冷却機構に加熱機能を
付加して加熱、冷却機構70として構成することにより達
成される。

iii)フォトクロミックガラスの品種や、本発明のシーケ
ンスを行う時間間隔によっては、フォトクロミックガラ
ス板上に形成されたマークが次の露光までに完全に消去
されない場合がある。そのような場合には、フォトクロ
ミックガラス板上のマークの像形成位置を毎回少しずつ
ずらせる。フォトクロミックガラス板の大きさを１cm
角、マーク観察範囲を100μｍ角とすれば１万個の露光
位置があり、この目的には十分である。

iv)レチクル上の位置合わせ用マークの照射はマーク照
射用光学系11によらなくても第９図に示すように照明光
学系１を直接用いて行うことも可能である。この際レチ
クル全面を照射しても良いが前記iii)のような場合等に
おいてはレチクル２上のマーク近傍だけを選択的に光照
射したい場合がある。その時は照明光学系１内にマスキ
ング機構19を配置し、レチクル２の一部を選択的に露光
して像形成を行なう。このようなマスキング機構を具備
し、さらに前記ii)で述べた冷却および加熱機構を備え
た場合（第９図の構成）のモニター方法のシーケンスの
一例を第10図に示す。

第11図は前記各実施例で示したフローチャートのシーケ
ンスを実行する本発明の露光装置の概略ブロック図であ
る。

同図において、前記実施例と同一の部材には同一符号を
符して、ここでの説明は省略する。

20はレチクル２を支持するレチクルステージで、Ｘ，
Ｙ，Ｚ方向およびＺ軸を回転軸としてθ方向に可動であ
る。22はレチクルステージ20をＸ，Ｙ，Ｚ，θ方向に駆
動するレチクルステージ駆動手段、52はウエハステージ
５をＸ，Ｙ，Ｚ，θ方向に駆動する駆動手段である。

100は本露光装置で実行される位置合わせ動作および露
光動作等を制御する制御手段であり、110は位置合わせ
や露光条件に関する種々の指令を制御手段100に入力し
たり、位置ずれ情報等の情報をＣＲＴ、プリンター等で
出力するための入出力手段である。

そして、照明光学系１、マーク照射用光学系11、レーザ
ー測長器８、レチクルステージ駆動手段22、ウエハース
テージ駆動手段52、位置合わせ用光学系９、電磁石７ま
たは加熱冷却機構70が各々図示する信号線により制御手
段100と連結されている。したがって、これらの信号線
を介して、制御手段100から所定の制御信号が上述の各
機構、光学系、駆動手段等へと送られる。

本露光装置を用いて、投影光学系３の光軸とアライメン
ト光学系（位置合わせ用光学系９）との光軸間距離（基
準長）を計測する方法は、前述の通りである。

この方法により得られた正確な基準長は、制御装置100
内のメモリに格納され、以後行なう、ウエハーの位置決
め（またはウエハー上の各ショット）に際し、ウエハー
ステージ５を駆動する時の基準値として使用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る露光装置の全体図、 第２図は、第１図の装置における光磁気記録媒体付近の
動作状態の説明図、 第３図は、第１図の装置の位置合わせ方式を示すフロー
チャート、 第４図は、本発明の他の実施例に係る露光装置のシステ
ム図、 第５図は、第４図の装置の動作を示すフローチャート、 第６図は、本発明の別の実施例に係る露光装置の全体
図、 第７図は、第６図の装置におけるフォトクロミックガラ
ス板付近の動作状態の説明図、 第８図は、第６図の装置の位置合わせ方式を示すフロー
チャート、 第９図は、本発明のさらに別の実施例に係る露光装置の
システム図、 第10図は、第９図の装置の動作を示すフローチャート、 第11図は、本発明に係る露光装置の概略ブロック図であ
る。 １：照明光学系、 ２：レチクル（第１の物体）、 ３：投影光学系、 ４：ウエハー（第２の物体）、 ５：ステージ、 ６：光磁気記録媒体、 ７：電磁石、 ８：レーザー測長器、 ９：位置合わせ用光学系、 11：マーク照射用光学系 60：フォトクロミックガラス板、 70：加熱、冷却機構。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レチクル上に形成されているパターンをウ
   エハー上に投影露光する投影光学系と； 前記ウエハーを保持する可動ステージと； 前記レチクル上に形成されたマークに光を照射する照明
   光学系と； 前記可動ステージ上の前記ウエハーと異なる位置に設け
   られた書込・消去可能な記録媒体と； 前記投影光学系を介して前記記録媒体に露光転写された
   前記マークの像を検出するオフアクシス光学系とを有す
   ることを特徴とする露光装置。
2. 【請求項２】前記記録媒体に前記マーク像を露光転写
   し、前記可動ステージを一定量送って前記マーク像を前
   記オフアクシス光学系の下にもってくると共に、前記マ
   ーク像の位置を検出して前記オフアクシス光学系内の基
   準位置とのずれを検出する制御手段を有することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の露光装置。
3. 【請求項３】前記ウエハーと、前記記録媒体の被露光面
   との高さが同一であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の露光装置。
4. 【請求項４】前記記録媒体のユニットを交換可能に配置
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の露光
   装置。
5. 【請求項５】前記記録媒体が、光磁気記録媒体であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の露光装置。
6. 【請求項６】前記オフアクシス光学系が偏光顕微鏡であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の露光装
   置。
7. 【請求項７】前記光磁気記録媒体に対し前記投影光学系
   の光軸と同方向の磁場を付与する手段を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第５項記載の露光装置。
8. 【請求項８】前記磁場を付与する手段により前記光磁気
   記録媒体に磁場を付与しながら前記マーク像を前記光磁
   気記録媒体に形成し、前記マーク像を前記オフアクシス
   光学系により検出し、しかる後に、前記光磁気記録媒体
   に逆磁場を付与して前記マーク像を消去する制御手段を
   有することを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の露
   光装置。
9. 【請求項９】前記光磁気記録媒体の前記マーク像を前記
   照明光学系により光を照射しながら消去することを特徴
   とする特許請求の範囲第８項記載の露光装置。
10. 【請求項１０】前記記録媒体が、フォトクロミック材料
    であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の露
    光装置。
11. 【請求項１１】前記フォトクロミック材料の温度を変更
    する手段を有することを特徴とする特許請求の範囲第１
    ０項記載の露光装置。
12. 【請求項１２】前記フォトクロミック材料に形成された
    前記マーク像を検出する際、前記照明光学系の光より長
    波長の光で照明することを特徴とする特許請求の範囲第
    １０項記載の露光装置。