JPH0792557B2

JPH0792557B2 - 投影型露光装置

Info

Publication number: JPH0792557B2
Application number: JP61058624A
Authority: JP
Inventors: 誠上原; 宏一松本; 豊末永; 亨幸村松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1986-03-17
Filing date: 1986-03-17
Publication date: 1995-10-09
Anticipated expiration: 2010-10-09
Also published as: JPS62215230A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕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。

〔発明の技術分野〕

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10mm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。

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
の補正された投影化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。しかしながら、投
影レンズを介してアライメントを行う従来公知のTTL式
のアライメント光学系においては、そのアライメント光
学系の一部が露光用光路内に配置されているため、露光
の際にはそのアライメント光学系の一部を露光用照明光
路外へ退避させねばならず、構造が複雑で、しかも露光
中はアライメント状況を確認できない欠点があった。

また従来、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には、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。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。

〔発明の目的〕

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、高精度で高スルーブ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。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するために、本発明は、少なくとも２
つの異る波長の光に対して色収差補正され且つレチクル
上のパターンをウェハ上に投影する投影光学系と、その
２つの波長のうち、一方の波長の光をもってレチクル上
のパターンを照明する照明光学系と他方の波長の光をも
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ためのアライメント光学系とを設け
ると共に、そのレチクルに対して投影光学系とは反対側
に、前記の２つの波長のうち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を設け、レチク
ルの照明とアライメントの検出とをそのダイクロイック
ミラー手段を介して行うように構成することを技術的要
点とするものである。

〔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。

第１図は本発明の一実施例を示す光学系の側面図で、第
２図は第１図に示す光学系の正面図である。

第１図において、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、第２図に示すように、半透過鏡11_L、11_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、1
4_Rを経て、収差補正板15_L、15_R、16_L、16_Rおよび17_L、1
7_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。

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14_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。

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、1
6_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、1
6_L、15_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。

第３図は、第１図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λ_１の光を100％反射
し、波長λ_２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λ_３に対しては、100％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。

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0.03
5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、第３図中で、波長λ_１よりΔλ_１＝±
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λ_３よりΔλ_３＝±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、λ_１
に近い波長λ_２についてはΔλ_２＝±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方向の偏向成分をほぼ100％反射するように、
第１図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。

第４図乃至第６図は、第１図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、破線にて狭まれた部分ｄは色収差許容範囲を示
す。

第４図は、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
トル幅）ｂを持った露光波長λ_１と、レーザ光λ_２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λ_１とア
ライメント波長λ_２とは、互いに近い第４図に示すタイ
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λ_１とアライメント波長λ_２との
組合わせの例を第１表に示す。

代表的な露光波長λ_１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−C
d:442nm、He−Cd:325nmなどが選ばれる。また、アライ
メント波長λ_２は露光波長λ_１に近いので、ダイクロイ
ックミラー２は、第３図の波長λ_２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。

第５図は、第４図と同様に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λ_１と長波長側の波長λ_３に対
して色収差補正を行ったもので、ここでは、これを「挟
帶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λ_１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が挟い
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λ_３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λ_３
との組合せの例を第２表に示す。

上記第２表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λ_３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（第３図中でλ_３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、狭帶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、第６図に示すように、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。

この第６図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λ_１（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λ_３とに対して軸上色収差を０（ゼロ）
に補正することができる。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「広帶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λ_３は、アライメント光として使用され、λ_１よりわ
ずかに長い波長λ_２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λ_１とアライメント波長λ_２
およびλ_３の組合わせの例を第３表および第４表に示
す。

第３表は露光波長λ_１としてHgランプのスペクトの436n
m、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、第６図中で長波長
側の極値0₂を超えた領域の波長λ_３のみが用いられ、ダ
イクロイックミラー２の第３図中で全透過領域（Ｓ成分
も完全透過領域）で使用される。

さらに、広帶２色色消しタイプでは、第４表に示すよう
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、第３図中でλ_２お
よびλ_３にて示すように、露光波長入λ_１に近いアライ
メント波長λ_２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λ_１から遠いア
ライメント波長λ_３について全透過させる。

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。

また、上記の第４表には記載されていないが、第６図に
おいて、露光の２つの波長（例えばλ_１とλ_２）を用
い、アライメントを１つの波長（例えばλ_３）で行うこ
とも可能である。この場合、１つの波長（例えばλ_１）
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λ_１、入_２）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。

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、その斜辺が反斜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、第１図の実施例では、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
透過例に露光光束、反射例にアライメント光束を選んで
もよい。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、ダイクロイックミラーを介
して露光照明とアライメントとを行うように構成したか
ら、ウェハの焼付け露光時にも、露光フィールド近傍ま
たはその内部に設けられたアライメントマークに対して
常時アライメントが可能となり、露光の都度アライメン
ト光学系の一部を照明光路外に退避させる必要が無いか
ら高いアライメント精度と高いスループットが実現でき
る。また、投影レンズの色収差補正された波長を明確に
分別して、反射または透過させるようにダイクロイック
ミラーを構成したから、露光波長と大きく離れたアライ
メント波長は勿論、露光波長近辺の波長でもアライメン
ト波長として使用できるから、露光波長に吸収帶を持つ
多層レジストやダイ入りレジスト、CELなどに対してもS
N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】

第１図は本発明の一実施例を示す光学系の側面図で、第
２図は第１図に示す光学系の正面図、第３図は、第１図
に示すダイクロイックミラーの光学特性図、第４図乃至
第６図は第１図に示す投影レンズの種々の色収差補正状
態を示す説明図で、第４図は一括色消しタイプ、第５図
は狭帶２色色消しタイプ、第６図は広帶２色色消しタイ
プを示す。〔主要部分の符号の説明〕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、５……ウェハ４……投影レンズ（投影光学系） 12_L、12_R……アライメント用第１対物レンズ（アライメ
ント光学系） 14_L、14_R……アライメント用第２対物レンズ（アライメ
ント光学系） 15_L〜17_L、15_R〜17_R……収差補正板（アライメント光学
系） 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)発明者村松亨幸神奈川県相模原市麻溝台1773番地日本光学工業株式会社相模原製作所内 (56)参考文献特開昭60−194521（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２つの異なる波長について色収
差補正され且つレチクル上のパターン像をウェハ上に形
成する投影光学系と、前記２つの波長のうちの一方の波
長の光をもって前記レチクル上のパターンを照明する照
明光学系と、他方の波長の光をも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
て検出するためのアライメント光学系とを設けると共
に、前記レチクルに対して前記投影光学系とは反対側に
前記２つの波長のうち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を設け、前記レチク
ルの照明と前記アライメントの検出とを前記ダイクロイ
ックミラー手段を介して行う如く構成し、前記投影光学
系には、波長を関数とする軸上色収差が少なくとも２つ
の極値を有するように異常分散を示す光学材料が用いら
れ、前記ダイクロイックミラー手段によって分別されて
前記照明光学系を介して前記レチクルを照明する露光波
長には、前記２つの極値のうちの短波長側の極値ないし
その近辺の波長を用いる如く構成したことを特徴とする
投影型露光装置。
【請求項２】前記ダイクロイックミラー手段（２）は平
行平面板にて形成され、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（２）を透過した光によるコ
マ収差と非点収差とを補正する収差補正手段（15_L〜1
7_L、15_R〜17_R）を含むことを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の投影型露光装置。