JPH07245257A

JPH07245257A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH07245257A
Application number: JP3673194A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Nakajima; 吉男中島; Hiroshi Ninomiya; 二宮　　拓
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-03-08
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 1995-09-19

Abstract

(57)【要約】【構成】エンコーダサーボ系５２を比例・積分・微分制
御で位置決め制御系を構成すると共に磁気センササーボ
系５４を比例制御で位置決め制御系を構成し、ステージ
の水平方向の移動と同時に二つの制御系を動作させる。【効果】応答の悪いエンコーダサーボ系のために生じた
高さの制御偏差を応答の良い磁気センササーボ系で補正
することが出来るので、検出範囲の狭いウエハ高さ検出
器を用いても、検出範囲を越えることなくウエハを所定
の位置に合わすことが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路製造用
の投影露光装置に係り、特に、レチクルパターンの投影
像をウエハ表面に精度良く位置合わせすることが可能な
投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路の微細化が進み、
それに伴い半導体集積回路製造用の投影露光装置でも、
縮小投影レンズの高ＮＡ化が進み、焦点深度が浅くなる
傾向がある。

【０００３】そのため、ウエハの高さをエアマイクロセ
ンサで検出し、その検出値に基づいてウエハの高さを一
段の駆動系で制御する補正方式では、縮小投影レンズの
焦点深度内にウエハを位置決めすることが困難になって
いる。

【０００４】このような事情から、縮小投影レンズによ
るレチクルパターンの投影像とウエハ位置の関係が一定
に保持されるように、高精度でウエハの高さを検出し、
高精度でウエハの高さを補正する要求が高まっている。

【０００５】従来、高精度でウエハの高さを検出する手
段は、光をウエハに照射し、その反射光と照射しない参
照光を干渉させ、その干渉縞情報からウエハの高さを検
出する特開平3−249513 号公報が開示されている。ま
た、高精度でウエハの高さを補正する手段は、応答性は
悪いが駆動量の大きい粗位置決め系と、駆動量は小さい
が応答が良くまた精度の高い微位置決め系を用いている
特開昭62−127705号公報が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来例のウエ
ハ高さ検出手段をウエハ高さ補正手段に適用すると次の
ような問題点がある。

【０００７】従来例のウエハ高さ検出手段は、干渉縞の
位相からウエハ高さを演算している。このため、ウエハ
高さの変化が大きく、位相変化が±１８０度を超える
と、ウエハの絶対高さが不明となる。すなわち、ウエハ
高さの検出範囲が狭い。このため、ウエハ高さ補正の誤
差を常に位相換算で±１８０度以内に収める必要があ
る。ところが、従来例のウエハ高さ補正手段は、ウエハ
のＸ，Ｙ方向の位置決めが終了した後、ウエハ高さの補
正を行っている。このため、ウエハのＸ，Ｙ方向の位置
決め動作の途中で、ウエハ表面の凹凸やＸ，Ｙ方向位置
決め機構のレールの凹凸のため、ウエハ高さ検出値が位
相換算で±１８０度以上変化することが生じると、ウエ
ハの絶対的な高さが不明となり、ウエハを所定の高さに
位置決めすることが不可能となる。

【０００８】また、従来例のウエハ高さ補正方式をウエ
ハのＸ，Ｙ方向の位置決め動作と同時に行おうとする
と、以下のようなシーケンスとなる。すなわち、ウエハ
高さの検出値に基づき粗位置決め系と微位置決め系を動
作させ、その動作が完了するまで待つ。そして、その動
作が完了したならば、シーケンスを再度行う。このシー
ケンスをウエハのＸ，Ｙ方向の位置決め動作が終了する
まで行う。

【０００９】しかし、粗位置決め系と微位置決め系が動
作している間に、ウエハ表面の凹凸やレールの凹凸のた
め、ウエハの高さは大きく変化する。このため、ウエハ
高さ検出器の検出範囲を越え、ウエハの絶対的な高さが
不明となり、ウエハを所定の高さに位置決めすることが
不可能となる。

【００１０】本発明の目的は、ウエハ高さの検出範囲が
狭い検出器であっても、ウエハを所定の高さに精度良く
位置合わせすることが可能な投影露光装置を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、次の投影露光装置を提案する。

【００１２】すなわち、ウエハを保持するテーブルと、
レチクルに形成されたパターンを投影レンズを介して前
記テーブル上のウエハ表面に結像転写させる光学系とを
備える投影露光装置で、前記テーブル部分に前記テーブ
ル上にある前記ウエハの高さを検出する検出手段を設
け、前記テーブルとその下方に設けた水平面内の方向に
移動するステージとの間に、前記テーブルを前記水平面
と略垂直に移動させる粗動位置決め手段と微位置決め手
段とからなる垂直方向移動手段を設け、前記粗位置決め
制御手段は比例・積分・微分制御で位置決め制御系を構
成し、微位置決め制御手段は比例制御で位置決め制御系
を構成し、前記検出手段の検出値に基づいて、前記垂直
方向手段の動作と、前記水平面内の二方向に移動するス
テージの移動動作を同時に制御する制御手段を備えたこ
とを特徴とする。

【００１３】また、前記粗位置決め制御手段は比例・積
分・微分制御で位置決め制御系を構成し、微位置決め制
御手段は比例制御で位置決め制御系を構成して、前記垂
直方向手段の動作と、前記水平面内の二方向に移動する
ステージの移動動作を同時に開始し、前記水平面内の二
方向に移動するステージの移動動作が終了すると共に前
記検出手段の検出値がある一定値以内に達したならば、
前記粗位置決め手段の制御系の動作を停止すると共に前
記微位置決め手段の制御系を比例・積分・微分制御に切
り替える。

【００１４】

【作用】本発明によれば、あるショット位置での露光
後、ウエハを次のショット位置へ移動する場合、テーブ
ルを水平方向に駆動すると同時に高さの補正制御を開始
する。この時、ウエハ表面の凹凸により、ウエハ高さの
検出値は変化するが、比例制御で位置決め制御系を構成
した微位置決め手段でテーブルの移動に伴うウエハ高さ
の検出変化に追従する。また、比例・積分・微分制御で
位置決め制御系を構成した粗位置決め手段で定常的な高
さ変化は補正する。したがって、ウエハ高さの検出範囲
が狭いウエハ高さ検出器であっても、ウエハを所定の高
さに精度良く位置合わせすることができる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て詳述する。

【００１６】図１は、本発明の投影露光装置の一実施例
の構成を示すもので、図で、１はウエハ、２はウエハ１
に回路パターンを露光するために用いるパターン原版が
描画されたレチクル、３は露光照明系、４は投影レン
ズ、５はウエハ１を載置するテーブル、６はテーブル上
に設けられたウエハチャックであり、ウエハ１はウエハ
チャック６に吸着，固定される。７はテーブル５上に設
けられた平面鏡、８はレーザ干渉計であり、平面鏡７と
レーザ干渉計８によりテーブル５のＸ軸方向の位置が検
出される。また、同様の方式（図示せず）により、テー
ブル５のＹ軸方向の位置が検出される。９はウエハ表面
の高さを検出するための検出光学系であり、演算器１０
と組み合わせて、検出光学系９のある基準位置とウエハ
１の表面との間の距離、すなわち、ウエハ１の表面の高
さを検出する。１１は、露光時間やウエハ１の大きさ等
露光条件を入力する入力コンソールである。１２はチャ
ンバ内（図示せず）の温度や気圧等を検出する検出回
路、１３は入力コンソール１１から入力された露光条件
や検出回路１２からの信号に基づいて、テーブル５の制
御や照明系のシャッタ（図示せず）の開閉制御等を行う
統括制御手段である。

【００１７】１４は、統括制御手段１３からの位置目標
値に基づいて、テーブル５の水平方向の移動量を制御す
る水平方向制御手段、１５は統括制御手段１３からの位
置目標値に基づいて、テーブル５の垂直方向の移動量を
制御する垂直方向制御手段であり、粗位置決め手段と微
位置決め手段から構成されている。１６はテーブル５を
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させるためのステージ部であ
る。

【００１８】図２ないし図４は本発明を構成するステー
ジ部の詳細な構成を示す図であり、図２は正面図、図３
は平面図、図４は図２のＡ−Ａ矢視図である。

【００１９】図２で、１７はテーブル５のＸ軸方向の移
動量を制御するＸ軸駆動装置であり、電気モータ１８と
ボールねじ１９等で構成されており、統括制御手段１３
からの位置目標値とレーザ干渉計８からのテーブル５の
位置信号に基づいて、水平方向制御手段１４によって電
気モータ１８が駆動される、いわゆる位置決め制御系を
構成している。２０はＸ軸駆動装置１７によって駆動さ
れるＸステージ、２１はテーブル５のＹ軸方向の移動量
を制御するＹ軸駆動装置であり、電気モータ２２，ガイ
ドローラ２３，図示しないボールねじ等で構成されてお
り、Ｘステージ２０上に設けられている。２４はＹ軸駆
動装置２１によって駆動されるＹステージである。そし
て、Ｘ軸駆動装置１７と同様に位置決め制御系を構成し
ている。

【００２０】次に、テーブル５の垂直方向の駆動系につ
いて説明する。

【００２１】２５はテーブル５の垂直方向（Ｚ方向）の
移動量を制御する、すなわち、ウエハ１の高さを制御す
る垂直駆動機構のうちの粗位置決め駆動機構であり、電
気モータ２６を駆動することによって、くさび２７をＸ
方向に出し入れすることにより微動台２８をＺ方向に駆
動する。また、電気モータ２６には回転量検出器、例え
ば、ロータリエンコーダが直結されており、垂直方向制
御手段１５の粗位置決め手段でこのロータリエンコーダ
を位置フィードバックセンサとした位置決め制御系を構
成している（以下、粗位置決め手段をエンコーダサーボ
系と呼ぶ）。

【００２２】２９は微動台２８上に設けられたピエゾア
クチュエータ３０，３１，３２からなる垂直駆動機構の
うちの微位置決め駆動機構であり、例えば、図のように
ウエハ１の中心を原点として１２０°間隔で振り分け設
置されており、この３本のピエゾアクチュエータ３０，
３１，３２を伸縮することにより、ウエハ１の高さを変
える。また、ピエゾアクチュエータ３０、３１、３２に
はそれぞれ変位検出器、例えば磁気センサが取り付けら
れており、垂直方向制御手段１５の微位置決め手段でそ
の磁気センサを位置フィードバックセンサとした位置決
め制御系を構成している（以下、微位置決め手段を磁気
センササーボ系と呼ぶ）。

【００２３】３３，３４は板ばねであり、くさび２７を
駆動すると、部材３５が図５の破線のように曲がり、微
動台２８がＺ軸方向以外に動かないようになっている。

【００２４】次に、エンコーダサーボ系と磁気センササ
ーボ系の特徴を述べる。磁気センササーボ系は、エンコ
ーダサーボ系に比べて、負荷が小さいため応答性が良
い。また、エンコーダサーボ系では、くさび２７と微動
台２８の間に摩擦やがたがある。したがって、磁気セン
ササーボ系はエンコーダサーボ系に比べて制御精度が良
好である。

【００２５】次に、上述した本発明の装置の一実施例の
動作を説明する。

【００２６】図６は本発明の投影露光装置の一実施例の
概略的な動作のフローチャートを示す、図７は本発明に
よるウエハ１内の露光ショット位置と露光順序の一例を
示す、図８は動作のタイムチャートである。なお、図６
の手順３７ないし４０は統括制御手段１３の処理内容で
ある。また、図６はパターン重ね合わせのための処理等
は割愛してある。

【００２７】図６で、まず、手順３６でウエハローダ等
（図示せず）により、ウエハチャック６上にウエハ１を
載せて固定する。この時、テーブル５はウエハ１の中心
と投影レンズ４の光軸が一致する所に位置決めされてい
るものとする。すなわち、図７のショット番号Ａの中心
が投影レンズ４の光軸と一致する。

【００２８】そして、手順３７で図７のショット番号Ｂ
の中心を投影レンズ４の光軸と一致させるためのＸ，Ｙ
方向の位置目標値を水平方向制御手段１４へ出力する。
また、手順３７と同時に手順３８を処理する。手順３８
は、入力コンソール１１から与えられたウエハ表面の高
さの目標値（検出回路１２から得られた各種の状態量に
基づいて、目標値が補正されることもある）に、演算器
１０によって得られるウエハ１の表面の高さを一致させ
るためのエンコーダサーボ目標値と磁気センササーボ目
標値を垂直方向制御手段１５へ出力する。そして、手順
３７と手順３８により、ウエハ１のＸ，Ｙ，Ｚ方向の位
置が入力コンソール１１から与えられた目標値に達した
なら動作は手順３９に移る。手順３９では、入力コンソ
ール１１から与えられた露光時間だけシャッタを開き、
露光を行う。次に、手順４０に移り、ウエハ１の全ショ
ットの露光が完了したかを調べる。最初は全ショットの
露光が完了してないので、制御手順は手順３７，３８に
進み、先ほど述べた動作を行う。

【００２９】図８は以上説明した手順３７ないし４０の
動作のタイムチャートである。図８で、（ａ）および
（ｂ）の線は各制御の状態を示しており、（ｃ）はシャ
ッタの開閉、すなわち、露光のオン−オフを示してい
る。なお、水平方向の制御については、Ｘ方向のみ示し
たが、Ｙ方向も同様の制御を行っている。

【００３０】時刻ｔ１で手順３７で統括制御手段１３か
ら水平方向制御手段１４へＸ方向の位置目標値が出力さ
れると、水平方向制御手段１４では、Ｘ軸駆動装置１７
を用いた位置決め制御系を動作させる。

【００３１】そして、それと同時に手順３８でウエハ表
面の高さの目標値と、演算器１０によって得られるウエ
ハ１の表面の高さの差を小さくするためのエンコーダサ
ーボ目標値と磁気センササーボ目標値が時々刻々と統括
制御手段１３から垂直方向制御手段１５へ出力され、垂
直方向制御手段１５では、その目標値に基づいて、エン
コーダサーボ系と磁気センササーボ系を動作させる。

【００３２】そして、時刻ｔ２で水平方向の位置決めが
完了（制御偏差がある規定値以下になる）した後、時刻
ｔ３で高さの制御も完了(制御偏差がある規定値以下に
なる)すると、手順３９であらかじめ決められた時間だ
けシャッタを開け露光を行う。

【００３３】そして、露光が終了したならば、手順４０
で全ショットの露光が終了したか調査し、終了してなけ
れば、手順３７，３８に戻り、次の露光ショットへの移
動を開始する。

【００３４】手順３７ないし４０を全ショットが終了す
るまで、すなわち、図７のショット番号ｉの露光が終了
するまで行う。そして、全ショットの露光が終了したな
ら手順４１に移り、ウエハ１をウエハアンローダ等（図
示せず）で搬出して、ウエハ１枚の全処理を終了する。

【００３５】次に、図６の手順３８について詳述する。

【００３６】図９は手順３８の第一の実施例の詳細な説
明を行うためのブロック図である。図９で、４２は統括
制御手段１３の処理内容で、ソフトウエアで構成されて
おり、一定のサンプリング間隔で繰返し実行されてい
る。

【００３７】入力コンソール１１から与えられた高さ目
標値Ｈref と演算器１０から得られるウエハ１の表面の
高さとの偏差を減算器４３で演算する。そして、その偏
差ΔＨをＰＩＤ（比例，積分，微分）制御演算ブロック
４４と比例制御演算ブロック４５に入力する。

【００３８】ＰＩＤ制御演算ブロック４４は、偏差ΔＨ
に比例ゲイン４６を掛けた値と、偏差ΔＨに積分ゲイン
４７を掛けた値を積分ブロック４８で積分した値と、偏
差ΔＨに微分ゲイン４９を掛けた値を微分ブロック５０
で微分した値を加算器５１で演算し、その演算結果を垂
直方向移動制御手段１５のエンコーダサーボ系５２へ出
力する。また、比例制御演算ブロック４５では、偏差Δ
Ｈに比例ゲイン５３を掛けた値を磁気センササーボ系５
４へ出力する。そして、エンコーダサーボ系５２と磁気
センササーボ系５４により、高さの偏差ΔＨが小さくな
る方向にテーブル５が駆動される。

【００３９】また、テーブル５が水平方向に移動する
と、ウエハ表面の凹凸やレールの凹凸のため、検出光学
系９の検出面におけるウエハ表面の高さが変化する。そ
の変化を図９のＤ_Hで表した。したがって、テーブルの
水平方向の移動が完了するとＤ_Hの値は一定値となる。

【００４０】統括制御手段１３の処理手順４２では以上
説明した処理を行うと共に、制御完了判定ブロック５５
で高さの制御が完了したか監視している。制御の完了判
定は、例えば、以下のように行う。すなわち、高さの偏
差ΔＨがある規定値（例えば、エンコーダ分解能の１〜
２digit 分）以下になり、かつ水平方向制御手段１４か
らの制御完了信号がオンになったことにより、高さの制
御が完了したとする。

【００４１】このように、エンコーダサーボ系５２を比
例・積分・微分制御で位置決め制御系を構成すると共
に、磁気センササーボ系５４を比例制御で位置決め制御
系を構成し、Ｘ，Ｙ方向の移動と同時に上記二つの位置
決め制御系を動作させると、応答の悪いエンコーダサー
ボ系５２のために生じた高さの制御偏差を応答の良い磁
気センササーボ系５４で補正する。これにより、検出範
囲の狭いウエハ高さ検出器を用いても、検出範囲を越え
ることなくウエハを追従させることが出来る。

【００４２】また、Ｘ，Ｙ方向の移動が終了すると、図
９のＤ_Hは一定値となる。その時点で生じていた制御偏
差ΔＨは、ＰＩＤ制御演算ブロック４４の積分動作によ
り補正され、露光開始時にはほぼ零となる。したがっ
て、磁気センササーボ系５４への指令値がほぼ零とな
る。すなわち、露光時のピエゾストロークは零となり、
ピエゾのストロークエンド処理などの特別な処理を行う
必要がなく、制御系の構成が簡単となる。

【００４３】図１０は手順３８の第二の実施例の説明を
行うためのブロック線図である。この図１０は磁気セン
ササーボ系５４の位置決め制御系を比例制御とＰＩＤ制
御に切り替えるものである。

【００４４】制御系の切り替えは例えば以下のように行
う。すなわち、高さの偏差ΔＨがある規定値（制御完了
判定ブロック５５の規定値より大きい、例えば、エンコ
ーダの分解能の３〜４digit 分）以下になり、かつ水平
方向制御手段１４からの制御完了信号がオンになったこ
とにより、スイッチ５７を開くと共にスイッチ５８を閉
じ、高さの偏差ΔＨの入力先を比例制御演算ブロック４
５からＰＩＤ制御演算ブロック５９へ切り替える。ま
た、それと同時にＰＩＤ制御演算ブロック４４の積分ゲ
イン４７を零にし、積分動作を停止する。

【００４５】図１０のように構成することにより、テー
ブルのＸ，Ｙ方向の移動時は検出範囲の狭いウエハ高さ
検出器を用いても検出範囲を越えることなくウエハを追
従することができ、かつＰＩＤ演算制御ブロック５９に
より定常偏差を零にすることが出来るので、露光時には
高さの制御偏差ΔＨを零にすることが出来る。

【００４６】なお、ＰＩＤ制御演算ブロック４４，５９
は、積分・比例・微分動作と述べたが、このブロックは
定常偏差を零にするのが目的であり、積分動作又は比例
・積分動作あるいは積分・微分動作であっても良い。

【００４７】また、比例制御演算ブロック４５は、比例
動作と述べたが比例・微分動作であっても良い。

【００４８】さらに、磁気センササーボ系５４の詳細は
述べなかったが、ピエゾアクチュエータ３０，３１，３
２にそれぞれ取り付けた磁気センサの検出値に基づい
て、各ピエゾアクチュエータを駆動しても良いし、３個
のピエゾアクチュエータと離れたところに１個の磁気セ
ンサを取り付けて、その検出値に基づいて各ピエゾアク
チュエータを駆動しても良い。また、ピエゾアクチュエ
ータの数はいくつであっても良い。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、エンコーダサーボ系を
比例・積分・微分制御で位置決め制御系を構成すると共
に、磁気センササーボ系を比例制御で位置決め制御系を
構成し、Ｘ，Ｙ方向の移動と同時に上記二つの位置決め
制御系を動作させるので、応答の悪いエンコーダサーボ
系のために生じた高さの制御偏差を応答の良い磁気セン
ササーボ系で補正することができる。また、比例・積分
・微分制御で位置決め制御系を構成したエンコーダサー
ボ系で定常的な高さ変化は補正することが出来る。これ
により、検出範囲の狭いウエハ高さ検出器を用いても、
検出範囲を越えることなくウエハを追従させることが出
来ると共に所定の位置に合わすことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投影露光装置の一実施例の構成を示す
正面図。

【図２】本発明の投影露光装置を構成するステージ部の
詳細な構成を示す正面図。

【図３】図２に示す本発明の投影露光装置を構成するス
テージ部の平面図。

【図４】図２に示す本発明の投影露光装置を構成するス
テージ部のＡ−Ａ矢視図。

【図５】図２に示す本発明の投影露光装置を構成する微
動台を拡大して示す正面図。

【図６】本発明の投影露光装置の動作のフローチャー
ト。

【図７】本発明の投影露光装置によるウエハ内の露光シ
ョット位置と露光順序の一例を示す平面図。

【図８】本発明の投影露光装置の動作のタイムチャー
ト。

【図９】図６の手順３８の第一の実施例のブロック図。

【図１０】図６の手順３８の第二の実施例のブロック
図。

【符号の説明】

５…テーブル、９…検出光学系、１５…垂直方向制御手
段、４２…統括制御手段１３の処理内容、４４…ＰＩＤ
制御演算ブロック、４５…比例制御演算ブロック、５２
…エンコーダサーボ系、５４…磁気センササーボ系。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０３Ｆ 7/20 ５２１ 9/00 ＨＨ０１Ｌ 21/68 ＧＫ 7609−3ＨＧ０５Ｄ 3/12 ３０５ＥＢ２３Ｑ 1/18 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウエハを保持するテーブルと、レチクルに
形成されたパターンを投影レンズを介して前記テーブル
上の前記ウエハの表面に結像転写させる光学系とを備え
る投影露光装置において、前記テーブルの部分に前記テ
ーブル上にある前記ウエハの高さを検出する検出手段を
設け、前記テーブルとその下方に設けた水平面内の方向
に移動するステージとの間に、前記テーブルを前記水平
面と略垂直に移動させる粗位置決め手段と微位置決め手
段とからなる垂直方向移動手段を設け、前記粗位置決め
手段は比例・積分・微分制御で位置決め制御系を構成
し、前記微位置決め手段は比例制御で位置決め制御系を
構成し、前記検出手段の検出値に基づいて、前記垂直方
向移動手段の動作と、前記水平面内の二方向に移動する
前記ステージの移動動作を同時に制御する制御手段を備
えたことを特徴とする投影露光装置。