JPH0787175B2 - 露光方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ICおよびLSI等の半導体装置の製造工程の
内、ホトリソグラフィ工程において使用される露光方法
に関する。

具体例としては、投影光学系を用いてレチクル上のパタ
ーンを半導体基板（ウエハ）上に投影する露光方法であ
って、レチクル上のパターンと半導体基板上のパターン
との位置整合のためのアライメント光学系と、投影光学
系を含む装置全体をマッチングさせた露光方法に関す
る。

［従来の技術］ 縮小投影レンズを用いた露光装置（いわゆるステッパ）
におけるアライメントについてはこれまで数多くの提案
がなされ、また製品上に適用されてきた。これらの提案
および製品への適用例の意図するところは、投影レンズ
を介してレチクルのパターンとウエハ上のパターンとの
相対的な位置合せを行ない、しかる後に露光するプロセ
スに関して、いかに正確に、確実に、より早く、
当該プロセスを達成し得るかを追求したものである。さ
らに、あと一つの条件を付加するとすれば、ユーザの使
い勝手に関して、使い易さを挙げることができる。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、これらの条件を、満足しうるレベルですべて
達成するのは困難であり、これまでの提案や適用例にお
いてもいずれかの項目に対し欠点を持っているのが常で
ある。

この欠点は投影レンズを用いたステッパの宿命的な弱点
ともいえるが、その問題の所在を解析すると次のように
なる。つまり、 （イ）レチクルのパターンを投影レンズを介してウエハ
のパターン上に投影露光するに先だち、レチクルパター
ンの投影像とウエハパターンとの相対位置合わせを『よ
り正確に』行なうためには、投影レンズを通したアライ
メントが望ましい。つまりTTLアライメントが望まし
い。

（ロ）レチクルもしくはウエハのマークの位置情報を持
った光が投影レンズを通過しても情報媒体として有効で
あるためには、そこで発生する収差の関係から、ごく狭
い波長幅を持った光であることが必然となる。

（ハ）アライメントマークは常識的には凹凸を持った段
差構造であるため、ここに波長幅の狭い光を当てた場
合、凹凸の上のエッジから反射する光と下のエッジから
反射する光が干渉を生じる。そのため、段差量とそこに
塗布されたレジストの屈折率の条件によっては、信号光
が低減しまたは消失することがある。従って、どのよう
なプロセス条件に対しても『確実に』アライメントを実
行するためには、複数の別波長のアライメント光により
アライメントを行なう必要がある。

（ニ）露光波長と同一波長の光をアライメント光として
使用すれば、投影レンズによる色収差は発生せず付加的
な光学系無しでレチクルマークとウエハのマークとを同
時に２次元像として観察可能である。従って、アライメ
ント波長の一つとして露光波長を使用するのが妥当であ
る。

（ホ）他のアライメント光は露光波長と異なる波長にせ
ざるを得ない。このとき、露光波長と異なる波長の非露
光波長光がレンズを透過した場合に発生する色収差は、
光学理論上数種の収差に分析できる。しかし、これまで
の提案および適用例においては、軸上色収差しか補正し
ていなかった。

このことは、サジタル方向（レンズ光軸に対して放射方
向）に向いたマークしか使用できず、そのためマークに
直交する方向成分しか検出できないことを意味し、例え
ばXY方向をアライメントするためには２つの対物レンズ
を含む顕微鏡が必要となる。

（ヘ）投影レンズに対しアライメントマークの位置が制
限されることによる弊害は様々な形態で現れる。

（ｉ）例えば、レンズ光軸を原点とするXY座標の軸上に
しかアライメントマークが存在し得ない場合において、
ウエハ側のアライメントマークを更新する必要が生じた
場合には、投影レンズに対し実素子パターン部をシフト
して設定するしかない。しかし、このときには実素子パ
ターン部のうちシフトにより投影レンズの有効画面を外
れる部分ができるため、実質上投影レンズの有効画面を
損なうことになる。

（ii）また、上記のような事態を避けるためには、レチ
クルとウエハの関係において、実素子パターン部が重な
り合う位置とアライメントマークが重なり合う位置を定
量シフトする方法がある。しかし、この場合にはアライ
メント後、露光をかけるまでに一定量だけウエハまたは
レチクルを移動することが必要であり、この移動時間に
より『早さ』が損なわれ、移動精度により『正確さ』が
損なわれる。

（ト）一方、非露光波長をアライメント光として使用す
る場合、ウエハ側（像面側）の一点から出た光は軸上色
収差のため、通常、レチクルパターン面（物体面）より
遠くに結像する。もしこの光をレチクルを透過した位置
で捕捉しようとすれば、レチクルにはこの光束を通すた
めの大きな窓が必要となる。

本発明の目的は、縮小投影光学系を用いた露光方法にお
いて、先に述べた種々の欠点および問題点を考慮し、特
に投影光学系の倍率変化を精度よく検出してそれが、ア
ライメントに及ぼす影響を低減することにある。

［問題点を解決するための手段および作用］ 上記目的を達成するため本発明では、第１物体上に描か
れたパターンを投影光学系を介して第２物体上に投影露
光する露光方法において、前記第２物体を保持して移動
可能なステージ上であって前記第２物体と異なる位置に
設けられた基準プレートを前記投影光学系の像面位置に
位置させる段階と、前記基準プレート上の第１のマーク
の前記投影光学系を介して第１の検出面上に形成される
像と、前記第１のマークに対応する第１物体上のマーク
の前記第１の検出面上に形成される像との相対的位置関
係を検出する第１の検出段階と、前記第１の検出段階と
ともに、前記基準プレート上であって第１のマークと異
なる位置の第２のマークの前記投影光学系を介して第２
の検出面上に形成される像と、前記第２のマークに対応
する第１物体上のマークの前記第２の検出面上に形成さ
れる像との相対的位置関係を検出する第２の検出段階
と、前記第１、第２検出段階の検出結果に基づいて、前
記投影光学系の倍率補正量を設定する段階とを有するこ
とを特徴とする。

［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〜第４図は本発明の一実施例を示す。第１図を参
照して、１はレチクル、２は投影レンズ、３はウエハ、
４は可動ミラー、5a、5b、5c、5dはミラー、6a、6bは対
物レンズ、７は照明レンズ、８はHe−Neレーザ、９はハ
ーフプリズム、10はリレーレンズ、11はエレクタ、12は
空間フィルタ、13はCCDカメラ、14はダイクロプリズム
である。第２図に示す15はアスコマ補正光学系である。
第２〜４図の16はウエハアライメント用マークのレチク
ル側相当位置、17は実素子パターン、18はクロム枠取
り、19はHe−NeTTLアライメント用のレチクルマーク、2
0は露光光TTLアライメント用のレチクルマークである。
第１図に戻って、21は光ファイバ、22はXYステージ、23
はステージ基準プレートである。

第１図の概念図を用いて本実施例の作用について簡単に
説明する。

He−Neレーザ８より発した非露光波長光である波長633n
mのレーザ光（アライメント光）は、まず、照明レンズ
７、ミラー5a、ハーフプリズム９、ミラー5b、対物レン
ズ6aおよびミラー5cを経てレチクル１上の露光パターン
の外側にあるレチクル１のレチクルマーク19部分に入射
する。レチクル１を通った633nmアライメント光は次
に、ダイクロプリズム14により反射されて可動ミラー４
に送られ、可動ミラー４で折り曲げられ、投影レンズ２
を介して像面側に到達する。

ところで、第１図の状態では、XYステージ22上に構成さ
れたステージ基準プレート23が投影レンズ２の像面位置
に設定されている。このステージ基準プレート23は図示
Ｘの走り方向に精度良く合せられたウエハ側の西洋マー
クが描かれており、また、このステージ基準プレート23
は投影レンズ２の像面焦点に合せてＺ方向に可動であ
る。

したがって、前述のレチクル１を通った光はこのステー
ジ基準プレート23のマーク23aを照射し、その観察光は
前記の経路を逆に戻ってハーフプリズム９まで達する。
このレチクル１のレチクルマーク19とウエハ側の専用マ
ーク23aとを重ね合せて観察した信号光は、ハーフプリ
ズム９を抜けリレーレンズ10、エレクタ11および空間フ
ィルタ12を通ってCCDカメラ13に入る。図示しない画像
処理装置においては、このCCDカメラ13から出力される
映像信号を受信し、ウエハ３とレチクル１の相対合せ状
況を調べるための画像処理を行なう。

一方、ファイバ21を光源とした露光波長の観察光（以
下、露光波長光という）は照明レンズ７、ハーフプリズ
ム９、ミラー5d、対物レンズ6bを経てダイクロプリズム
14内に入る。ダイクロプリズム14に対してこの露光波長
光が入射する位置にはハーフミラー14b（第２図）が形
成されており、入射した露光波長光の一部はそのまま通
過してレチクル１上のレチクルマーク20を照射し、他の
部分はこのハーフミラー14bで反射されてダイクロプリ
ズム14内を通り、ダイクロミラー14aを通過し、可動ミ
ラー４に入射し、以下前述の波長633nmのレーザ光を用
いた場合と同様に、ステージ基準プレート23を照射す
る。このステージ基準プレート23からの反射光および上
記レチクルマーク20からの反射光である露光波長アライ
メント信号光はダイクロプリズム14のハーフミラー14b
で合成され、該ミラー14bの下側に配置された対物レン
ズ6bを経てハーフプリズム９を通り、さらにリレーレン
ズ10、エレクタ11および空間フィルタ12を経てCCDカメ
ラ13に入る。

つまり、可動ミラー４の投入によって投影レンズ２の像
面側の左右１組のパターン23a,23bを露光波長光と非露
光波長光とで同時観察可能になっている。その際、第２
図に示すように、露光光の観察においては、各CCD13
は、ステージ基準プレート23上のパターン23a（23b）と
レチクル上の露光光TTLアライメントマーク20a（20b）
とを重ね合わせた信号を検出し互いの相対的位置関係を
それぞれ検出している。また非露光光の観察において
は、各CCD13は、ステージ基準プレート23上のパターン2
3a（23b）とレチクル上の露光光TTLアライメントマーク
19a（19b）とを重ね合わせた信号を検出し互いの相対的
位置関係をそれぞれ検出している。このことにより、す
なわち露光波長光によりステージ基準プレート23とレチ
クルを相対合わせすることにより、XYステージ22のXY原
点設定、レチクル１のθ合わせ、投影レンズの補正項目
である気圧や温度により変化する倍率の補正量が設定で
き、同時にこの時633nmの波長の光で同時観察している
ので、その観察光の波長の違いによる「見え」のオフセ
ット等（前記したXY原点設定、レチクル１のθ合わせ、
投影レンズの補正項目である気圧や温度により変化する
倍率の補正量）も観察状態を保持したまま設定できる。

また、レチクル１上のパターンをウエハ３に相対合せし
た後に露光するという実働工程においては、露光光と同
一波長の観察光源をシャットし、非焼付光観察のみで相
対合せを行ない、この後、可動ミラー４を4bで示す位置
（第２図に点線で示す）ように退避させれば露光が可能
になる。

なお、従来どおりウエハとレチクルを露光光で観察し相
対合せする工程に対しても十分適用可能である。

第２図は、本実施例のレチクル１の周辺について展開し
ている説明図である。図中ダイクロプリズム14は説明の
都合上横方向に展開している。ダイクロプリズム14の14
aで示す面はダイクロミラーになっており、He−Ne光
（波長633nm）のみ反射するようになっており、14bで示
す面はハーフミラーになっていて露光波長光を２系統に
分離し、１系統でレチクル１を観察し、もう１つの系統
は可動ミラー４の方へ光路を向わせている。説明の都合
上この後者光路を第１の分岐光路と称す。本実施例で
は、第１の分岐光路は、可動ミラー４を投入した時に露
光光束の光軸に垂直に交わり、可動ミラー４の反射によ
って矢印Ａの方向に進む。ウエハ側より戻って来たウエ
ハ信号光は可動ミラー４により第１の分岐光路を通っ
て、ダイクロミラー面14aまで戻る。He−Neレーザの場
合は、このダイクロミラー面14aにより反射され、アス
コマ補正光学系15とレチクル１を通過してミラー5cによ
り反射され、対物レンズ6aを通り、前述の観察光学系内
に入る。以下これを第２の分岐光路と称す。

次に、露光波長光で観察する観察光学系について説明す
る。前述したように、ダイクロプリズム14の14bの面は
ハーフミラーになっており、その下側の対物レンズ6bを
通してハーフミラー14bに入射された露光波長光の光路
は、ハーフミラー14bにより折り曲げられて前記第１の
分岐光路に合せて進む光路と、そのまま直進してレチク
ルに垂直に入射する光路（以下、第３の分岐光路と称
す）に分かれる。

この第３の分岐光路を通ってレチクル１を照射した光
は、レチクルで反射した後そのままハーフミラー14bを
通過して対物レンズ６に入る、また第１の分岐光路に光
軸を合せて進んだ露光波長光の観察光は、ハーフミラー
14bと可動ミラー４の間の１点で結像し、そのまま進
み、４の可動ミラーで折り曲げられ矢印Ａ（第２図）の
光路をたどり、投影レンズ像面側を照射し、その返って
くる信号光は前述と逆に光路をたどり、ハーフミラー14
bにより折り曲げられ対物レンズ６に入る。この投影レ
ンズ２の像面側から来る信号光と前記レチクル１を観察
した信号光とは対物レンズ６で合成され、露光波長光観
察系の信号処理系に入る。

次に、各部の位置関係について説明する。本実施例にお
いて、投影レンズ２は両テレセンタイプのレンズであ
る。従って、可動ミラー４を露光光束内に45°傾いた状
態でミラー投入してやると、第１の分岐光路はレチクル
１のパターン面と平行になる。また、第１の分岐光路と
パターン面との間隔をＨとし、露光波長光と非露光波長
光を投影レンズ２に通した時の軸上色収差によるレチク
ル１側での光路長の差をΔＬとすると、第１の分岐光路
上の可動ミラー４からダイクロミラー面14aまでの光路
長と、アスコマ補正光学系15を含めた第２の分岐光路の
光路長との和から第１の分岐光路とレチクル１のパター
ン面との距離Ｈを差し引いた位置Ｌにダイクロミラー面
14aの中心がある。それは前記ΔＬを考慮している。こ
のことから、本来、像面側の基準プレート23を観察した
時のレチクル側マーク相当位置を16とすると、そのマー
ク相当位置16の外側に前記Ｌだけ離れた位置に633nmの
波長の光による観察用のレチクル側マーク19があること
になる。

次に、露光波長光観察位置について述べる。露光波長光
の信号光束は可動ミラー４により第１の分岐光路上に入
るが、途中、可動ミラー４の中心からＨだけ離れた光学
長位置にて一旦結像し、そのまま第１の分岐光路上を伸
びる。一方、ダイクロプリズム14のハーフミラー14b側
はレチクル観察用の光の収差発生を押えるために、３角
プリズム14cをはり合せている。このハーフミラー14bの
中心からレチクル１までの３角プリズム14cの補正を加
えた第３の分岐光路の光路長と等しくしてプリズム14の
長さを補正した結像点までの光路長を決定し、その結像
点と前記可動ミラー４から外側にＨだけ離れた所にある
結像点を合致させることで露光波長光観察系の位置やレ
チクル側露光波長光観察マーク位置が決定される。

つまり、レチクル１上のマーク位置を示すと、第３およ
び４図のようになる。

ただし、第３図は、第１露光工程（ファーストマスク）
で使用するレチクルで、ウエハ側合せマーク16はレチク
ル上のパターン17に近接した位置に配置して、その外側
をクロム枠18で囲っている。このパターンをウエハ側に
露光して行けば、各チップ間のスクライブ線内にウエハ
側合せマークを転写できるのは周知である。

次に、第４図を参照して第２露光工程以後の前記ウエハ
側合せマーク位置に相当するレチクル側合せマーク位置
について説明する。同図において、19はHe−Ne観察用の
レチクル側合せマークで、これを用いる場合レチクル１
上の実素子パターン17から大きく離れて位置でレチクル
・ウエハ間の相対合せをする。また、20は露光光観察用
のレチクル側合せマークで、前記He−Ne観察用マーク19
よりもっと離れた位置でレチクル１とウエハパターンま
たはレチクル１とステージ上基準プレート23との相対合
せをする。

［実施例の変形例］ 上述の実施例では非焼付光の光源をレチクル１の上方か
ら入射し、その光束が投影レンズ像面側に照射し、像面
側物体より出て来る信号光を投影レンズを介して同一光
軸束内を通して観察系に入れるように構成されている
が、レジスト塗りむら等プロセスがらみの誤差要因を少
なくする有効な手段であるところの、投影レンズ像面側
レンズNA光束の外側より、直接、非露光波長光をウエハ
のマークに照射し、ウエハ観察マーク段差による回折光
の高次成分を信号光として投影レンズ光束内で取り込み
レチクルより上の観察系に送り込むいわゆる“超暗視野
照明型アライメントシステム”に対しても容易に対応で
きる。

また、上述においてはHe−Ne観察系と、露光光観察光学
系の二種類で説明したが、第５図のように第２図から発
展してハーフプリズム14C部をその外側に延長すること
により、レチクルに対して露光波長光観察光学系と同じ
側に他の波長光の観察ポートを露光波長光観察系と同様
な方法で追加することができる。

また、第１図に示すダイクロプリズム14の折り曲げ部を
ダイクロ化することでこの部分からでも、他の波長光に
よる観察光学系が追加できる。

［発明の効果］ 以上説明したように、レジストの悪影響を受けないステ
ージ基準プレート上に形成された２つのマークとそれぞ
れに対応したレチクル上のマークとの相対的位置ずれを
同時にすなわち他の構成要素の位置、姿勢等の状態を変
化させることなく検出することにより、投影光学系の補
正項目である倍率誤差を検出してその補正量を設定でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す概念図、 第２図は、第１図を部分的に説明する図、 第３図は、本発明の一実施例で用いる第１露光工程用レ
チクル、 第４図は、第２露光工程用レチクル、 第５図は、第２図の部分の他の実施例を示す図である。 1:レチクル、2:投影レンズ、3:ウエハ、4:可動ミラー、
5a,5b,5c,5d:ミラー、6a,6b:対物レンズ、7:照明レン
ズ、8:He−Neレーザ、9:ハーフプリズム、10:リレーレ
ンズ、11:エレクタ、12:空間フィルタ、13:CCDカメラ、
14:ダイクロプリズム、15:アスコマ補正光学系、16:ウ
エハアライメント用マークのレチクル側相当位置、17:
実素子パターン、18:クロム枠、19:He−NeTTLアライメ
ント用レチクル側マーク、20:露光光TTLアライメント用
レチクル側マーク、21:光ファイバー、22:XYステージ、
23:ステージ基準プレート。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１物体上に描かれたパターンを投影光学
   系を介して第２物体上に投影露光する露光方法におい
   て、 前記第２物体を保持して移動可能なステージ上であって
   前記第２物体と異なる位置に設けられた基準プレートを
   前記投影光学系の像面位置に位置させる段階と、 前記基準プレート上の第１のマークの前記投影光学系を
   介して第１の検出面上に形成される像と、前記第１のマ
   ークに対応する第１物体上のマークの前記第１の検出面
   上に形成される像との相対的位置関係を検出する第１の
   検出段階と、 前記第１の検出段階とともに、前記基準プレート上であ
   って第１のマークと異なる位置の第２のマークの前記投
   影光学系を介して第２の検出面上に形成される像と、前
   記第２のマークに対応する第１物体上のマークの前記第
   ２の検出面上に形成される像との相対的位置関係を検出
   する第２の検出段階と、 前記第１、第２検出段階の検出結果に基づいて、前記投
   影光学系の倍率補正量を設定する段階と を有することを特徴とする露光方法。
2. 【請求項２】露光光を用いて前記第１、第２の検出が行
   われることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の露
   光方法。
3. 【請求項３】さらに非露光光を用いて前記第１、第２の
   検出を行い前記倍率補正量を求める段階を有し、波長の
   違いによる前記倍率補正量のオフセットを設定すること
   を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の露光方法。