JPH07142371A

JPH07142371A - 半導体露光装置

Info

Publication number: JPH07142371A
Application number: JP5308742A
Authority: JP
Inventors: Toru Ogawa; 透小川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-11-15
Filing date: 1993-11-15
Publication date: 1995-06-02

Abstract

(57)【要約】【目的】オフアクシス・アライメント方式において照明
光源を独立して設ける必要がなく、しかも高いアライメ
ントマーク検出分解能を有する半導体露光装置を提供す
る。【構成】半導体露光装置は、（イ）レーザ光源１０、及
びこのレーザ光源から射出された光が入射されそしてこ
の入射光の第２高調波に基づいた波長を有する光を射出
する第２高調波発生装置２０から成る投影光学系用光
源、（ロ）オフアクシス・アライメント検出系４０，４
１，４２，４４、並びに、（ハ）レーザ光源から射出さ
れた光の光路を分割する光路分割手段を備え、この光路
分割手段によって分割された光をオフアクシス・アライ
メント検出系の照明光源とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光源からの光で
レチクルに形成された半導体回路パターン等を基板上に
形成されたレジストに転写するための、オフアクシス・
アライメント方式の半導体露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体露光装置においては、半導
体集積回路の集積度を高めるために、短波長の投影光学
系用光源が使用されている。この投影光学系用光源とし
て、例えば超高圧水銀アークランプやエキシマ・レーザ
を挙げることができる。超高圧水銀アークランプにおい
ては、射出光の波長は、４３５．８ｎｍ（ｇ線）、４０
４．７ｎｍ（ｈ線）あるいは３６５ｎｍ（ｉ線）であ
る。然るに、これらの波長の内で最も短波長のｉ線を用
いても、近年の半導体集積回路に要求される０．２５μ
ｍ級の微細パターンを形成することはできない。半導体
集積回路におけるかかる微細加工の限界を越えるために
は、投影光学系用光源から射出される光の波長自体を一
層短くする必要がある。

【０００３】このような要求に対処するための方法の１
つに、エキシマ・レーザを投影光学系用光源として使用
する方法がある。エキシマ・レーザでは、通常希ガスと
ハロゲン系ガスとの組み合せからなる混合気体中の放電
でレーザ発振を行わせる。混合気体としてＫｒＦを用い
た場合には波長２４８ｎｍのレーザ光を、ＡｒＦを用い
た場合には波長１９３ｎｍのレーザ光を得ることができ
る。

【０００４】半導体露光装置においては、レチクル・パ
ターンとウエハ・パターンとの間でアライメントを行う
必要がある。このアライメントの方式は、微細パターン
を投影転写する投影光学系を利用するＴＴＬアライメン
ト方式と、アライメント専用の独立光学系を使用するオ
フアクシス・アライメント方式の２つに大別することが
できる。

【０００５】エキシマ・レーザを用いた半導体露光装置
において、レジストを露光しない長波長の光を用いたＴ
ＴＬアライメント方式を採用した場合、投影光学系にお
ける色収差が莫大になるという問題がある。従って、オ
フアクシス・アライメント方式の使用が望ましく、従
来、照明光源として、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光が用いられ、
あるいは又、ハロゲンランプが用いられている。

【０００６】図６に示すように、かかる独立光学系は、
オフアクシス・アライメント検出系、並びにオフアクシ
ス・アライメント検出系の照明光源１１０（以下、単に
照明光源とも呼ぶ）から構成されている。照明光源１１
０は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザから成る。また、オフア
クシス・アライメント検出系は、アライメント顕微鏡４
０、ハーフミラー４３、光検出器４１、信号処理装置４
４から成る。尚、図６中、４５は反射鏡である。

【０００７】基板ステージ６６に載置された基板には、
レジスト６３及びアライメントマーク６５が形成されて
いる。ハーフミラー４３及びアライメント顕微鏡４０を
介して、照明光源１１０からの光によってアライメント
マーク６５を照明すると、アライメントマークによって
光が回析、散乱、屈折反射する。光検出器４１を用いる
ことで、このような光に基づいた信号を得ることができ
る。この信号を信号処理装置４４にて信号処理すること
によって、アライメントマークの位置（Ｘ，Ｙ）座標を
決定する。尚、図６中、１００はエキシマ・レーザから
成る投影光学系用光源、６１はレチクル、６２は投影光
学系（例えば、縮小投影レンズ）である。

【０００８】絶縁膜が形成されたウエハ等のように表面
に大きな凹凸が形成された基板においてアライメントマ
ークを観察する場合、あるいは又、レジスト６３の厚さ
にばらつきがある場合、照明光源の干渉性は弱い方が好
ましい。照明光源の干渉性が強すぎると絶縁膜やレジス
トの等厚干渉縞が多数発生し、その結果、得られた信号
の出力にノイズ成分が多く含まれるからである。また、
絶縁膜の膜厚に大きなばらつきがある場合、照明光源の
干渉性が強すぎると照明光源の光の波長に依存した定在
波が発生し、得られた信号の出力に大きなばらつきが生
じる。これらの現象が生じると、アライメントマーク位
置の検出精度が大幅に低下する。

【０００９】この対策の１つにハロゲンランプを用いた
ブロードバンド照明法がある。このブロードバンド照明
法によれば、干渉性は低下する。従って、絶縁膜が形成
されたウエハ等のように表面に大きな凹凸が形成された
基板において、あるいは又、膜厚ばらつきが大きいレジ
ストが形成された基板において、アライメントマークを
観察するには、これらの干渉性が弱いブロードバンド照
明法の使用が適している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ハロゲ
ンランプ等は干渉性が弱いために、アライメントマーク
検出分解能が低い。従って、基板６４上に形成されたア
ライメントマーク６５の段差が低い場合には、ハロゲン
ランプを照明光源として用いると、アライメントマーク
６５を識別できない場合がある。

【００１１】また、従来のオフアクシス・アライメント
方式においては、例えばエキシマ・レーザから構成され
た投影光学系用光源と、Ｈｅ−Ｎｅレーザから構成され
た照明光源の２つの光源が必要とされ、半導体露光装置
のコストアップを招いている。しかも、Ｈｅ−Ｎｅレー
ザの寿命は１０００〜１５００時間程度しかなく、Ｈｅ
−Ｎｅレーザの頻繁な保守を必要とし、更には、レーザ
管の交換に労力を要し、保守のために多くの費用を必要
とする。

【００１２】従って、本発明の目的は、オフアクシス・
アライメント方式において照明光源を独立して設ける必
要がなく、しかも高いアライメントマーク検出分解能を
有する半導体露光装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の半導体露光装置は、（イ）レーザ光源、及
びこのレーザ光源から射出された光が入射されそしてこ
の入射光の第２高調波に基づいた波長を有する光を射出
する第２高調波発生装置から成る投影光学系用光源、
（ロ）オフアクシス・アライメント検出系、並びに、
（ハ）レーザ光源から射出された光の光路を分割する光
路分割手段を備え、この光路分割手段によって分割され
た光をオフアクシス・アライメント検出系の照明光源と
することを特徴とする。

【００１４】本発明の半導体露光装置においては、光路
分割手段は、ハーフミラー若しくはビームスプリッター
から構成することができる。

【００１５】また、レーザ光源は、レーザダイオード、
Ｎｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質及び非線形光学結
晶素子から構成されたＬＤ励起固体レーザから成り、第
２高調波発生装置は、非線形光学結晶素子、光共振器及
び共振器長制御装置から成ることが好ましい。

【００１６】

【作用】本発明の半導体露光装置においては、投影光学
系用光源から分割された光をオフアクシス・アライメン
ト検出系の照明光源とするので、独立したオフアクシス
・アライメント検出系のための照明光源が不要である
し、強い干渉性を有する光をオフアクシス・アライメン
ト検出系の照明光源とするので、オフアクシス・アライ
メント検出系のアライメントマーク検出分解能を向上さ
せることができる。更には、投影光学系用光源をレーザ
光源及び第２高調波発生装置から構成することによっ
て、投影光学系用光源からエキシマ・レーザの射出波長
に近い波長を有する光を射出することが可能となる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明の半導体露光装置を説明する。

【００１８】（実施例１）図１に模式図を示す、実施例
１の半導体露光装置は、投影光学系用光源、オフアクシ
ス・アライメント検出系、並びに光路分割手段を具備し
ている。

【００１９】投影光学系用光源は、レーザ光源１０及び
第２高調波発生装置２０から構成されている。レーザ光
源１０から射出された光は第２高調波発生装置２０に入
射される。第２高調波発生装置２０は、この入射光の第
２高調波に基づいた波長を有する光を射出する。第２高
調波発生装置２０から射出された光は、レチクル６１を
照射し、レチクル６１に形成されたパターンを投影光学
系（例えば、縮小投影レンズ）６２を介して基板６４上
に形成されたレジスト６３に転写する。レチクル６１に
形成されたパターンは、レジスト６３上に形成すべきパ
ターンが例えば５倍に拡大されたものである。投影光学
系６２は、入射した光を透過し、例えば１／５に縮小し
た光学像を基板６４に形成されたレジスト６３に投影す
る。これによって、レジスト６３には微細パターンが形
成される。基板６４は基板ステージ６６に載置されてい
る。

【００２０】実施例１の半導体露光装置には、更に、レ
ーザ光源１０から射出された光の光路を分割する光路分
割手段５０が備えられており、この光路分割手段５０に
よって分割された光をオフアクシス・アライメント検出
系の照明光源とする。光路分割手段５０は、ハーフミラ
ー若しくはビームスプリッターから成る。

【００２１】オフアクシス・アライメント検出系は、ア
ライメント顕微鏡４０、０次の回析光を検出する第１の
光検出器４１、±１次の回析光を検出する第２の光検出
器４２、基板６４で反射された０次の回析光を第１の光
検出器４１に入射させるためのハーフミラー４３、光検
出器４１，４２からの信号出力を処理する信号処理装置
４４から構成されている。アライメント顕微鏡４０は、
小さな開口数ＮＡを有する通常の光学顕微鏡である。
尚、オフアクシス・アライメント検出系には、例えば多
面回転ミラー（ポリゴンミラー）（図示せず）が設けら
れており、光路分割手段５０から分割された光がスキャ
ンされるようになっている。即ち、レーザ光源１０から
射出されそして光路分割手段５０にて分割された光は、
反射鏡４５及びを多面回転ミラーを介して、ハーフミラ
ー４３、アライメント顕微鏡４０を通過し、レジスト６
３及びアライメントマーク６５が形成された基板６４を
一定速度で照射・スキャンする。アライメントマーク６
５で回析、散乱、屈折反射した光を、第１及び第２の光
検出器４１，４２で検出する。尚、４５は反射鏡であ
る。

【００２２】０次の回析光を受光した第１の光検出器４
１からの出力信号を信号処理装置４４で信号処理するこ
とによって、明視野像を得ることができる。この明視野
像をＣＲＴにて観察する。明視野像は、信号の重ね合わ
せ処理を行うことによって得ることができ、信号出力の
平均化効果により再現性の良い像を得ることができる
が、アライメントマーク検出分解能は低い。基板６４に
形成されたグレーティングから成るアライメントマーク
６５からの±１次の回析光を受光した第２の光検出器４
２からの出力信号を信号処理装置４４で信号処理するこ
とによって、暗視野像を得ることができる。明視野像と
比較して、この暗視野像はアライメントマーク検出分解
能が高いが、像の再現性が低い。回析角がアライメント
マーク６５の形状等に大きく依存するからである。図１
に、基板に形成されたアライメントマーク６５が観察さ
れたときの第１及び第２の光検出器４１，４２からの信
号出力を模式的に示した。明視野像及び暗視野像を組み
合わせることによって、アライメントマーク６５の位置
を高い精度で検出することができる。

【００２３】オフアクシス・アライメント方式によるア
ライメント操作の概要を、以下に説明する。

【００２４】先ず、投影光学系６２を使用して、基板ス
テージ６６に設けられた基準マーク（Fiducial Mark）
（図示せず）に対してレチクル６１をアライメントす
る。このアライメントは、レチクル６１に設けられたレ
チクルアライメントマークと基準マークとを一致させる
ことによって行われる。次に、基準マークに対する基板
ステージ６６に載置された基板６４の位置関係を測定す
る。

【００２５】その後、基板ステージ６６を移動させて、
基板６４に設けられたアライメントマーク６５をアライ
メント顕微鏡４０の直下に移動させ、第１及び第２の光
検出器４１，４２からの信号出力に基づき、アライメン
トマークの（Ｘ，Ｙ）座標を決定する。投影光学系６２
の結像位置とオフアクシス・アライメント検出系の相対
位置（ベースライン）は予め測定されているので、アラ
イメントマークの測定（Ｘ，Ｙ）座標とベースラインと
の値に基づき、基板ステージ６６を移動させれば、投影
光学系６２の結像位置に所望の基板部分を移動させるこ
とができる。

【００２６】あるいは又、フォトクロミック材料を用い
てオフアクシス・アライメント方式によるアライメント
操作を行うことができる。この場合には、基板ステージ
６６の外縁部にフォトクロミック材料を予め配置してお
く。そして、先ず、投影光学系６２を使用して、レチク
ル６１に設けられたグレーティングから成るレチクルア
ライメントマークを、基板ステージ６６上に配置された
フォトクロミック材料に焼き付ける。

【００２７】次に、オフアクシス・アライメント検出系
を用いて、フォトクロミック材料に焼き付けられたレチ
クルアライメントマークを観察する。かかるレチクルア
ライメントマークの（Ｘ，Ｙ）座標を測定することによ
って、投影光学系６２の結像位置とオフアクシス・アラ
イメント検出系の相対位置（ベースライン）を得ること
ができる。

【００２８】その後、基板ステージ６６を移動させて、
基板６４に設けられたアライメントマーク６５をアライ
メント顕微鏡４０の直下に移動させ、第１及び第２の光
検出器４１，４２からの信号出力に基づき、アライメン
トマークの（Ｘ，Ｙ）座標を決定する。投影光学系６２
の結像位置とオフアクシス・アライメント検出系の相対
位置（ベースライン）はフォトクロミック材料を使用し
た上述の方法で求められているので、アライメントマー
クの測定（Ｘ，Ｙ）座標とベースラインとの値に基づ
き、基板ステージ６６を移動させれば、投影光学系６２
の結像位置に所望の基板部分を移動させることができ
る。

【００２９】こうして、投影光学系６２の結像位置に所
望の基板部分を移動させた後、第２高調波発生装置２０
から射出された光を用いて、レチクル６１に形成された
パターンを投影光学系６２を介して基板６４上に形成さ
れたレジスト６３に転写する。

【００３０】投影光学系用光源としての使用に適したレ
ーザ光源１０及び第２高調波発生装置２０を、図２、図
３及び図４を参照して、以下、説明する。

【００３１】レーザ光源１０は、レーザダイオード１
１、Ｎｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質１２、非線形
光学結晶素子１３から構成された、第２高調波を射出し
得るＬＤ励起固体レーザから成る。第２高調波発生装置
２０は、非線形光学結晶素子２１及び光共振器２２から
成る。第２高調波発生装置２０には、光共振器２２の共
振器長を制御するための共振器長制御装置３０が更に備
えられている。

【００３２】レーザ光源１０から射出された光は、光路
分割手段５０によって分割され、アライメント操作時に
はオフアクシス・アライメント検出系に送られ、一方、
レジスト焼付け操作時には、第２高調波発生装置２０を
構成する光共振器２２に入射する。第２高調波発生装置
２０は、光共振器２２に入射された光の第２高調波に基
づいた波長を有する光（固体レーザ媒質が生成するレー
ザ光を基準とした場合、第４高調波）を射出する。

【００３３】図２に示すように、レーザ光源１０は、例
えば、複数のレーザダイオード１１（射出光の波長：８
０８ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質１２
（射出光の波長：１０６４ｎｍ）、及びＫＴＰ（ＫＴｉ
ＯＰＯ₄）から成る非線形光学結晶素子１３から構成さ
れている。固体レーザ媒質１２は、端面励起方式であ
る。このような構成により、レーザ光源１０からは、Ｎ
ｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質の第２高調波である
５３２ｎｍの光が射出される。レーザ光源１０には、Ｎ
ｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質１２の前方に１／４
波長板１４が配置されている。これによって、レーザ光
源において、所謂ホールバーニング効果による多モード
発振を抑制することができる。

【００３４】非線形光学結晶素子１３は、平面鏡１５及
び凹面鏡１６から成る光共振器の光路内に配置されてお
り、所謂外部ＳＨＧ方式（レーザ発振器の外部に構成し
た光共振器中に配置する方式）を構成する。平面鏡１５
は光の殆どを反射する。また、凹面鏡１６はＮｄ：ＹＡ
Ｇから成る固体レーザ媒質の第２高調波の殆どを透過
し、その他の波長を有する光を殆ど反射する。凹面鏡１
６は、例えばダイクロイックミラーで構成することがで
きる。

【００３５】図２に示すように、第２高調波発生装置２
０は、例えばＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）から成る非線形
光学結晶素子２１及び光共振器２２から構成されてい
る。第２高調波発生装置２０を構成する非線形光学結晶
素子２１は、光共振器２２の光路内に配置されている。
即ち、第２高調波発生装置２０は、所謂外部ＳＨＧ方式
である。この光共振器２２においては、所謂フィネス値
（共振のＱ値に相当する）を例えば１００〜１０００程
度と大きくして、光共振器２２内部の光密度を、光共振
器２２に入射される光の光密度の数百倍とすることによ
って、光共振器２２内に配置された非線形光学結晶素子
２１の非線形効果を有効に利用することができる。

【００３６】光共振器２２は、一対の凹面鏡２３，２４
及び一対の平面鏡２５，２６から構成されている。第２
高調波発生装置２０に入射した光（例えば、５３２ｎｍ
の波長を有する光）は、第１の凹面鏡２３を透過し、非
線形光学結晶素子２１を透過して少なくとも一部が第２
高調波（例えば、波長２６６ｎｍの光）にされた後、第
２の凹面鏡２４によって反射され、次に、平面鏡２５，
２６によって反射され、更には、第１の凹面鏡２３によ
って反射される。このような状態において、第２の凹面
鏡２４に入射した光（例えば、波長２６６ｎｍの光）の
少なくとも一部が第２の凹面鏡２４を透過し、第２高調
波発生装置２０からレチクル６１に向かって射出され
る。また、平面鏡２６から第１の凹面鏡２３へと入射し
た光の一部分（例えば、波長５３２ｎｍの光）は、第１
の凹面鏡２３を透過し、後述する共振器長制御装置３０
へと入射する。尚、第１及び第２の凹面鏡２３，２４、
平面鏡２５，２６は、以上の説明のように光を反射・透
過させるように設計する。第２の凹面鏡２４は、例えば
ダイクロイックミラーで構成することができる。

【００３７】第２高調波発生装置２０から射出された光
の波長は、第２高調波発生装置２０に入射する光を基準
とすれば、かかる入射光の第２高調波である。即ち、第
２高調波発生装置２０に入射する入射光の波長は５３２
ｎｍであり、第２高調波発生装置２０から射出する光は
２６６ｎｍである。尚、Ｎｄ：ＹＡＧから成る固体レー
ザ媒質１２から射出されるレーザ光の波長（１０６４ｎ
ｍ）を基準とすれば、第２高調波発生装置２０から射出
される光は第４高調波に相当する。第２高調波発生装置
２０からは、波長２６６ｎｍの狭帯域を有するレーザ光
が連続的に射出され、かかる光のモード均一性は高い。

【００３８】第２高調波発生装置２０には、更に、共振
器長制御装置３０が備えられている。光共振器２２の共
振器長（Ｌ）は、共振器長制御装置３０によって精密に
制御され一定長に保持される。この光共振器２２の共振
器長（Ｌ）を一定長に精密に保持することにより、第２
高調波発生装置２０から射出される射出光の強度を一定
に保持することができる。尚、共振器長（Ｌ）は、第１
の凹面鏡２３、第２の凹面鏡２４、平面鏡２５、平面鏡
２６、及び第１の凹面鏡２３のそれぞれの反射面を結ん
だ光路長に相当する。

【００３９】第２高調波発生装置２０から射出される射
出光の波長をλとしたとき、光共振器２２の共振器長Ｌ
₀が、λ＝Ｌ₀／Ｎ（但し、Ｎは正数）を満足するとき
（ロック状態とも呼ぶ）、光共振器２２は共振し、第２
高調波発生装置２０は高強度の光を安定に射出する。言
い換えれば、光共振器２２における光路位相差Δが２π
の整数倍のとき、第２高調波発生装置２０を構成する光
共振器２２は共振状態となる。即ち、ロック状態とな
る。ここで、非線形光学結晶素子２１の屈折率をｎ、厚
さをｌとしたとき、光路位相差Δは（４πｎｌ／λ）で
表わすことができる。

【００４０】また、光共振器２２の共振器長Ｌ₀±ΔＬ₀
が、λ≠（Ｌ₀±ΔＬ₀）／Ｎ’（但し、Ｎ’は正数）の
とき（アンロック状態とも呼ぶ）、第２高調波発生装置
２０は低強度の光を射出する。言い換えれば、光共振器
２２における光路位相差Δが２πの整数倍からずれたと
き、第２高調波発生装置２０を構成する光共振器２２は
非共振状態となる。即ち、アンロック状態となる。

【００４１】従って、第２高調波発生装置２０から波長
λの光を安定に射出するためには、光共振器２２の共振
器長（Ｌ）の経時的な変動（具体的には、例えば、凹面
鏡２３，２４、平面鏡２５，２６の位置の変動）を出来
る限り小さくする必要がある。そこで、共振器長制御装
置３０の制御によって、第１の凹面鏡２３と第２の凹面
鏡２４とを結ぶ光軸上で、第１の凹面鏡２３を移動させ
たり、かかる光軸に対する第１の凹面鏡２３の配置角度
を変化させ、光共振器２２の共振器長（Ｌ）の経時的な
変動を抑制し、光共振器２２の共振器長（Ｌ）を一定に
保持する。

【００４２】共振器長制御装置３０は、本出願人が平成
４年３月２日付で特許出願した「レーザ光発生装置」
（特開平５−２４３６６１号）に詳述されている。

【００４３】この形式の共振器長制御装置３０は、図２
に示すように、フォトダイオード等の光検出器３１、ボ
イスコイルモータ（ＶＣＭ）３２、ボイスコイルモータ
制御回路（ＶＣＭ制御回路）３３、位相変調器３４から
構成される。位相変調器３４は、レーザ光源１０と第２
高調波発生装置２０との間の光路内に配置されており、
レーザ光源１０から射出された光を位相変調する所謂Ｅ
Ｏ（電気光学）素子やＡＯ（音響光学）素子から成る。
位相変調器３４と第２高調波発生装置２０との間には、
集光レンズ３５が配置されている。ボイスコイルモータ
３２には、光共振器２２を構成する第１の凹面鏡２３が
取り付けられている。

【００４４】図３に模式図を示すように、ボイスコイル
モータ３２は、磁性材料から成る基体３２０、１つ以上
の電磁石（所謂ボイスコイル）３２２、磁性体から成る
ヨーク３２３、及び少なくとも１つのコイルバネ（ある
いは渦巻き状の板バネ）３２１から構成された電磁アク
チュエータである。コイルバネ３２１は、その一端が基
体３２０に取り付けられ、そして他端がヨーク３２３に
取り付けられている。また、ヨーク３２３には、第１の
凹面鏡２３及び電磁石３２２が取り付けられている。電
磁石３２２に電流を流すと、磁界が形成され、ヨーク３
２３と基体３２０との間の距離が変化する。その結果、
第１の凹面鏡２３の位置を移動させることができる。即
ち、電磁石３２２に流す電流を制御することによって、
光共振器２２の共振器長（Ｌ）を変化させることができ
る。ボイスコイルモータ３２に対して、サーボ制御が行
われる。

【００４５】ボイスコイルモータ３２の駆動電流は数十
〜数百ｍＡ程度である。従って、駆動回路構成を安価に
作製することができる。しかも、サーボループの複共振
の周波数を数十ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ以上とすることが
でき、位相回りの少ない周波数特性を有するため、サー
ボ帯域を数十ＭＨｚと広帯域化することができ、安定し
た制御を得ることができる。

【００４６】光共振器２２がロック状態にあるとき、例
えば第１の凹面鏡２３から射出され光検出器３１に到達
する光の強度が極小となり、また、かかる光の位相が大
きく変化する。このような変化を利用して光共振器の制
御を行うことが、例えば、R.W.P.Drever, et al. "Lase
r Phase and Frequency Stabilization Using an Optic
al Resonator", Applied Physics B31. 97-105(1983)に
開示されている。光共振器２２のロック状態の制御は、
基本的にはこの技術を応用している。

【００４７】即ち、例えば第１の凹面鏡２３を透過し、
光検出器３１に到達する光の強度が常に極小値（例えば
０）となるように、ＶＣＭ制御回路３３によってボイス
コイルモータ３２を駆動して第１の凹面鏡２３の位置を
変化させれば、光共振器２２のロック状態を安定して保
持することができる。言い換えれば、レーザ光源１０か
ら射出された光を位相変調信号に基づき位相変調を施し
て、第２高調波発生装置２０に入射させ、第２高調波発
生装置２０からの戻り光を光検出器３１によって検出す
ることで検出信号を得る。そして、かかる検出信号を、
位相変調信号にて同期検波し、誤差信号を取り出す。こ
の誤差信号が０となるようにＶＣＭ制御回路３３によっ
て、ボイスコイルモータ３２を駆動して第１の凹面鏡２
３の位置を変化させる。

【００４８】ＶＣＭ制御回路３３は、図４に構成図を示
すように、例えば、発振器３３０、位相変調器駆動回路
３３１、同期検波回路３３２、ローパスフィルタ３３
３、及びボイスコイルモータ駆動回路（ＶＣＭ駆動回
路）３３４から構成されている。

【００４９】発振器３３０から出力された周波数ｆ
_m（例えば１０ＭＨｚ）の変調信号は、位相変調器駆動
回路３３１を介して位相変調器３４に送られる。位相変
調器３４においては、レーザ光源１０から射出された光
（周波数ｆ_O。１０¹⁴Ｈｚオーダー）に位相変調が施さ
れ、周波数ｆ_O±ｆ_mのサイドバンドが生成される。

【００５０】光共振器２２を構成する第１の凹面鏡２３
を通過して光共振器２２の系外に射出された光（周波
数：ｆ_O及びｆ_O±ｆ_m）は、光検出器３１によって検出
される。このような周波数（ｆ_O及びｆ_O±ｆ_m）を有す
る光の間のビートを検出するＦＭサイドバンド法によっ
て、極性を有する誤差信号を得ることができ、かかる誤
差信号に基づき光共振器２２の共振器長（Ｌ）を制御す
る。

【００５１】即ち、この光検出器３１から出力された信
号は、同期検波回路３３２に送られる。この信号は、周
波数ｆ_Oの光の強度信号と、周波数ｆ_mの変調信号に対応
する信号とが重畳された信号である。同期検波回路３３
２には、発振器３３０から出力された変調信号も（必要
に応じて波形整形や位相遅延等が施されて）供給され
る。光検出器３１から出力された信号と変調信号とは同
期検波回路３２２において乗算され、同期検波が行われ
る。同期検波回路３３２から出力された検波出力信号は
ローパスフィルタ３３３に入力され、ローパスフィルタ
３３３においてこの検波出力信号から変調信号成分を除
去することで、光共振器２２の共振器長の誤差信号が生
成される。ここで、誤差信号とは、光共振器２２の設定
共振器長（Ｌ₀）に対する測定共振器長（Ｌ₀±ΔＬ₀）
の差（±ΔＬ₀）を表わす信号である。

【００５２】この誤差信号はＶＣＭ駆動回路３３４に送
られ、かかる誤差信号に基づきボイスコイルモータ３２
が駆動され（具体的には、電磁石３２２に流れる電流を
制御し）、第１の凹面鏡２３を透過しそして光検出器３
１に到達する光が極小値となるように（言い換えれば、
光共振器２２の共振器長がＬ₀となり、誤差信号が０と
なるように）、光共振器２２の共振器長（Ｌ）が調整さ
れる。

【００５３】光共振器２２の共振器長（Ｌ）がＬ₀に設
定されている場合（即ち、ロック状態においては）、共
振器長制御装置３０の制御によって、光共振器２２の共
振器長（Ｌ）の経時的な変動を、第２高調波発生装置２
０に入射する光の波長の１／１０００〜１／１００００
に抑えることができる。

【００５４】（実施例２）実施例１にて説明した半導体
露光装置においては、オフアクシス・アライメント検出
系の照明光源として強い干渉性を有する光を用いて、ア
ライメントマークの位置を検出する。従って、アライメ
ントマーク検出分解能に優れている。しかしながら、基
板の表面状態によっては、照明光源の光の干渉性が強す
ぎて、アライメントマークの位置検出時、アライメント
の位置検出精度が低下する場合がある。このような事態
を回避するために、実施例２においては、オフアクシス
・アライメント検出系の照明光源として、所謂ブロード
・バンド光照明を併用し、オフアクシス・アライメント
検出系の照明光源を使い分ける。

【００５５】即ち、図５に概念図を示すように、実施例
２の半導体露光装置においては、レーザ光源１０から射
出された光をオフアクシス・アライメント検出系の照明
光源とすると共に、ハロゲンランプ７０をオフアクシス
・アライメント検出系の照明光源として併用する。これ
によって、基板の表面状態に依存して、最適な干渉性を
有する照明光源を用いることができる。即ち、基板の表
面状態によっては、照明光源の光の干渉性が強すぎて、
アライメントマークの位置検出時、アライメントの位置
検出精度が低下する場合がある。このような場合には、
オフアクシス・アライメント検出系の照明光源としてハ
ロゲンランプ７０を使用する。また、そうでない場合に
は、オフアクシス・アライメント検出系の照明光源とし
てレーザ光源１０を使用する。尚、図５中、７１はハー
フミラーである。

【００５６】以上、本発明を好ましい実施例に基づき説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。光ファイバを使用して、光路分割手段５０から
アライメント顕微鏡４０へと光を伝達することができ
る。光路分割手段５０は、ビームスプリッターやハーフ
ミラー以外にも、光路を分割し得る如何なる手段とする
こともできる。

【００５７】本発明の半導体露光装置は、上述した実施
例のような屈折系の光学系を用いた投影露光装置にのみ
限定されるものでなく、例えば反射系の光学系を用いた
半導体露光装置や近接露光装置にも応用することができ
る。

【００５８】実施例１において説明した半導体露光装置
において、光路分割手段によって分割された光をオフア
クシス・アライメント検出系の照明光源とする場合、光
の干渉性を低下させるために、例えば回転拡散板又はす
りガラス等を光路分割手段とアライメント顕微鏡との間
に配置してもよい。

【００５９】レーザ光源１０、第２高調波発生装置２０
及び共振器長制御装置３０の構造は例示であり、適宜設
計変更することができる。固体レーザ媒質は、Ｎｄ：Ｙ
ＡＧ以外にも、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｎｄ：ＢＥＬ、ＬＮＰ
等から構成することができる。レーザダイオードによる
固体レーザ媒質の励起方式も、端面励起方式だけでな
く、側面励起方式や表面励起方式とすることができ、更
にはスラブ固体レーザを用いることもできる。また、非
線形光学結晶素子として、ＫＴＰやＢＢＯの他にも、Ｌ
Ｎ、ＱＰＭＬＮ、ＬＢＯ、ＫＮ等、入射光や射出光に
要求される光の波長に依存して適宜選定することができ
る。

【００６０】一対の反射鏡から成る光共振器の光路内に
固体レーザ媒質と非線形光学結晶素子が配置された、所
謂内部ＳＨＧ方式のレーザ光源を用いることもできる。
また、固体レーザ媒質１２からの射出光を非線形光学結
晶素子１３に通すような構造（即ち、平面鏡１５及び凹
面鏡１６から成る光共振器を省略する構造）とすること
もできる。更には、レーザ光源として、ＬＤ励起固体レ
ーザの代わりに、例えば青色半導体レーザを使用し、か
かる半導体レーザの射出光を第２高調波発生装置に直接
入射させることもできるし、かかる半導体レーザと非線
形光学結晶素子とを組み合わせた所謂内部ＳＨＧ方式か
ら成るレーザ光源と第２高調波発生装置との組み合わせ
構造とすることもできる。また、平面鏡１５及び凹面鏡
１６から成る光共振器の共振器長の制御のために、共振
器長制御装置３０を別途設けることもできる。投影光学
系用光源とは別のレーザ光源からオフアクシス・アライ
メント検出系の照明光源を構成することもできる。ま
た、オフアクシス・アライメント検出系の照明光源とし
て、レーザ光源１０を構成するレーザダイオード１１を
用いることができる。更には、光共振器２２において
は、光共振器２２へ入射した光の一部を第２の凹面鏡２
４から射出させ得る構造とし、光共振器２２から射出し
た光からバンドパスフィルターを用いて長波長成分を有
する光を分光し、かかる長波長成分を有する光をオフア
クシス・アライメント検出系の照明光源とすることもで
きる。

【００６１】第２高調波発生装置２０における光共振器
２２の構造を、例えば、凹面鏡と平面鏡から構成された
ファブリ−ペロー型共振器とすることもできる。この場
合、第２高調波発生装置２０に入射する入射光を透過
し、そして第２高調波発生装置２０からの戻り光を反射
する反射鏡を、第２高調波発生装置２０の手前に配置
し、かかる反射鏡で反射された光を光検出器３１で検出
すればよい。光共振器２２の共振器長を変えるために
は、第１の凹面鏡２３を移動させるだけでなく、他の鏡
を移動させてもよい。

【００６２】共振器長制御装置３０の別の態様として、
ＰＺＴ等から成る共振器長制御装置を挙げることができ
る。即ち、光共振器２２を構成する第１の凹面鏡２３を
移動させるために、ＰＺＴ等から成る積層圧電素子及び
共振器長（Ｌ）の長さ変化に比例した信号をこの積層圧
電素子に供給する制御装置から成る共振器長制御装置を
用い、かかる信号をフィードバックしてサーボループを
構成する。これによって、光共振器２２の共振器長の制
御を行い、第２高調波発生装置２０から射出される射出
光の強度制御を行うこともできる。

【００６３】第２高調波発生装置から射出される光は、
レーザ光源からの入射光の第２高調波に基づいた波長を
有する光であるが、この第２高調波発生装置から射出さ
れる光の波長は、実施例にて説明したように、固体レー
ザ媒質の射出する光を基準とした第４高調波だけでな
く、第５高調波とすることもできる。この場合には、例
えばＮｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質から射出され
る光（波長：１０６４ｎｍ）と、第２高調波発生装置２
０から射出される光（波長：２６６ｎｍ）とを合成し
て、再び別の第２高調波発生装置２０（例えば、非線形
光学結晶素子として有機結晶の urea ＣＯ（ＮＨ₂）₂
を用いる）を通すことによって、Ｎｄ：ＹＡＧから成る
固体レーザ媒質の第５高調波（波長：２１３ｎｍ）を生
成することができる。

【００６４】基板としては、シリコン半導体基板や、Ｇ
ａＡｓ等の化合物半導体基板、ＴＦＴ等を形成するため
のガラス基板等を例示することができる。

【００６５】本発明の半導体露光装置におけるオフアク
シス・アライメント検出系の光源を用いて、投影光学系
６２の焦点補正を行うことができる。従来のレジスト露
光工程においては、予め投影光学系における焦点基準値
を設定しておく。そして、使用する基板やレジスト材料
等に対する実際のレジスト露光工程における最適焦点位
置は、かかる焦点基準値からのずれ（オフセット）とし
て決定される。言い換えれば、使用する基板やレジスト
材料等が決定されれば、実際のレジスト露光工程におけ
る最適焦点位置と焦点基準値との間の距離（オフセッ
ト）はほぼ一定とされ、このオフセット量を加味して最
適焦点位置が決定される。従って、基準焦点値が変動す
ると、実際のレジスト露光工程における焦点位置が最適
焦点位置からずれてしまう。従って、一定間隔で基準焦
点値が変動しているか調べる必要がある。

【００６６】そのためには、基板ステージ上に、予めフ
ォトクロミック材料を配置しておく。フォトクロミック
材料としては、各種有機系フォトクロミック材料あるい
は無機系フォトクロミック材料を用いることができる。
有機系フォトクロミック材料として、結合の開裂（スピ
ロピラン）、光酸化還元（メチレンブルー＋Ｆｅ²⁺）、
光解離反応による遊離基の生成（βテトラクロロ−１−
ケトジヒドロナフタレン）、分子内水素移動に伴う互変
異性化（サリチリデンアニリン）、シス−トランス光異
性化（アゾベンゼン）、光重合（アントラセン）等の反
応形態によるフォトクロミック材料を例示することがで
きる。また、無機系フォトクロミック材料として、Ｓｒ
ＴｉＯ₃などの酸化物に遷移金属元素をドープしたも
の、ＣａＦ₂などのフッ化物に稀土類元素をドープした
もの、ケイ酸塩ガラスなどのガラスに銀ハライドを分散
させたものを用いることができる。

【００６７】以下、焦点補正方法の概要を、図７〜図１
０を参照して説明する。

【００６８】［潜像形成工程］先ず、図７に示すよう
に、テストパターンが形成されたレチクル６１にレーザ
光源１０からの光を照射する。これによって得られたテ
ストパターン光学像を投影光学系６２を介して基板ステ
ージ６６上に配置されたフォトクロミック材料に結像さ
せ、フォトクロミック材料８０にテストパターンの潜像
を形成する。基板ステージ６６を（Ｘ，Ｙ）方向に移動
させて、フォトクロミック材料８０における潜像形成位
置を変え、しかも、基板ステージ６６のＺ軸方向の位置
を変えて、投影光学系６２からフォトクロミック材料８
０までの距離を変え、所定の回数だけフォトクロミック
材料８０への潜像形成を繰り返す。

【００６９】フォトクロミック材料８０に投影光学系用
光源からの光を照射して潜像を形成すると、図８に模式
的に示すように、潜像が形成された部分のフォトクロミ
ック材料８０の光吸収特性は、短波長領域に吸収ピーク
を有する特性（図８に（ａで示す）から、長波長領域に
吸収ピークを有する特性（図８に（ｂ）で示す）に変化
する。

【００７０】［コントラスト測定工程］フォトクロミッ
ク材料８０への所定の回数の潜像形成が完了した後、オ
フアクシス・アライメント検出系を用いて、潜像のコン
トラストの測定を行う（図９参照）。即ち、フォトクロ
ミック材料８０に形成された潜像がアライメント顕微鏡
４０の直下に位置するように、基板ステージ６６を移動
させる。そして、フォトクロミック材料８０に形成され
た潜像のコントラストをオフアクシス・アライメント検
出系を用いて測定する。即ち、レーザ光源１０から射出
されそして光路分割手段５０にて分割され、多面回転ミ
ラー、反射鏡（図示せず）を介して、ハーフミラー４３
及びアライメント顕微鏡４０を通過した光（この光は、
オフアクシス・アライメント検出系の照明光と同等であ
る）で、フォトクロミック材料８０の潜像を照射・スキ
ャンする。潜像が形成されたフォトクロミック材料８０
の領域にて反射された光は、アライメント顕微鏡４０及
びハーフミラー４３を経由して、第１の光検出器４１に
入射する。

【００７１】第１の光検出器４１からの信号出力は信号
処理装置４４によって信号処理され、図８に（ｂ）にて
示したフォトクロミック材料８０の光吸収曲線、即ちコ
ントラストを得ることができる。

【００７２】このような操作を各フォトクロミック材料
８０の潜像が形成された各領域に対して行う。そして、
コントラスト測定結果に基づき、半導体露光装置の投影
光学系６２の最適焦点を求める。即ち、最もシャープな
コントラスト（最も高いピークを有する吸収曲線及び／
又は最も狭い半値幅を有する吸収曲線）を有するフォト
クロミック材料８０の潜像が得られたときの、投影光学
系６２からフォトクロミック材料８０までの距離を決定
する。この距離が半導体露光装置の投影光学系６２の最
適焦点であり、焦点基準値に相当する。前回測定した焦
点基準値と今回測定した焦点基準値との間に相違がある
場合には、コンピュータに記憶されたレジスト露光実行
ファイルの焦点基準値を、今回測定して得られた焦点基
準値に置き換える。

【００７３】［潜像消色工程］以上の操作で、半導体露
光装置の投影光学系６２の最適焦点が求まる。その後、
フォトクロミック材料８０に形成された潜像に消色用光
源からの光を照射することによって潜像を消色する。具
体的には、図１０に示すように、消色用光源を兼ねたレ
ーザ光源１０（より具体的には、非線形光学結晶素子１
３）から射出された光を用いて、フォトクロミック材料
８０に形成された潜像を消色する。

【００７４】即ち、レーザ光源１０から射出され、ビー
ムスプリッターあるいはハーフミラー５０、反射鏡（図
示せず）、ハーフミラー４３、アライメント顕微鏡４０
を通過した光で、基板ステージ６６上に配置されたフォ
トクロミック材料８０を照射する。［コントラスト測定
工程］において、フォトクロミック材料８０に形成され
た潜像のコントラストを測定する場合には、フォトクロ
ミック材料８０へのレーザ光源１０からの光の照射時間
を短時間にする。こうすることによって、フォトクロミ
ック材料８０に形成された潜像が消色されることを防ぎ
得る。フォトクロミック材料８０に形成された潜像を消
色する場合には、フォトクロミック材料８０をレーザ光
源１０からの光に長時間晒せばよい。

【００７５】

【発明の効果】本発明の半導体露光装置においては、独
立したオフアクシス・アライメント検出用光源が不要と
なる。また、オフアクシス・アライメント検出系のアラ
イメントマーク検出分解能を向上させることができる。
更には、投影光学系用光源を、レーザ光源及び第２高調
波発生装置から構成することによって、エキシマ・レー
ザの射出波長に近い波長を有する光を投影光学系用光源
から射出することが可能である。また、このような投影
光学系用光源を用いることによって、半導体露光装置の
製造コストや保守コストの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の半導体露光装置の概要を示す図であ
る。

【図２】実施例１におけるレーザ光源、第２高調波発生
装置及び共振器長制御装置の模式図である。

【図３】ボイスコイルモータの模式図である。

【図４】共振器長制御装置を構成するＶＣＭ制御回路の
構成図である。

【図５】実施例１の半導体露光装置の概要を示す図であ
る。

【図６】従来のオフアクシス・アライメント方式の半導
体露光装置の概要を示す図である。

【図７】本発明の半導体露光装置を用いた、焦点補正方
法における潜像形成工程を示す図である。

【図８】フォトクロミック材料の光吸収曲線の変化を模
式的に示す図である。

【図９】焦点補正方法における潜像のコントラスト測定
工程を示す図である。

【図１０】焦点補正方法における潜像消色工程を示す図
である。

【符号の説明】

１０レーザ光源１１レーザダイオード１２固体レーザ媒質１３非線形光学結晶素子１４１／４波長板１５平面鏡１６凹面鏡２０第２高調波発生装置２１非線形光学結晶素子２２光共振器２３第１の凹面鏡２４第２の凹面鏡２５，２６平面鏡３０共振器長制御装置３１光検出器３２ボイスコイルモータ３２０基体３２１コイルバネ３２２電磁石３２３ヨーク３３ＶＣＭ制御回路３３０発振機３３１位相変調器駆動回路３３２同期検波回路３３３ローパスフィルタ３３４ＶＣＭ駆動回路３４位相変調器３５集光レンズ４０アライメント顕微鏡４１，４２光検出器４３，７１ハーフミラー４４信号処理装置４５，６０反射鏡５０光路分割手段６１レチクル６２投影光学系６３レジスト６４基板６５アライメントマーク６６基板ステージ７０ハロゲンランプ８０フォトクロミック材料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）レーザ光源、及び該レーザ光源から
射出された光が入射されそして該光の第２高調波に基づ
いた波長を有する光を射出する第２高調波発生装置から
成る投影光学系用光源、（ロ）オフアクシス・アライメント検出系、並びに、（ハ）レーザ光源から射出された光の光路を分割する光
路分割手段、を備え、該光路分割手段によって分割された光をオフア
クシス・アライメント検出系の照明光源とすることを特
徴とする半導体露光装置。
【請求項２】光路分割手段は、ハーフミラー若しくはビ
ームスプリッターから成ることを特徴とする請求項１に
記載の半導体露光装置。
【請求項３】レーザ光源は、レーザダイオード、Ｎｄ：
ＹＡＧから成る固体レーザ媒質及び非線形光学結晶素子
から構成されたＬＤ励起固体レーザから成り、第２高調
波発生装置は、非線形光学結晶素子、光共振器及び共振
器長制御装置から成ることを特徴とする請求項１又は請
求項２に記載の半導体露光装置。