JPH09199407A

JPH09199407A - 投影露光装置及び半導体ディバイスの製造方法

Info

Publication number: JPH09199407A
Application number: JP8023225A
Authority: JP
Inventors: Minoru Yoshii; 実吉井; Masanori Hasegawa; 雅宣長谷川; Kyoichi Miyazaki; 恭一宮崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-01-17
Filing date: 1996-01-17
Publication date: 1997-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】原版と被露光体との間の光路長の変化を高精
度で検出出来る投影露光装置を得ること。【解決手段】原版の像を投影光学系により被露光体上
に投影露光する投影露光装置において、前記投影光学系
を通しての前記原版と被露光体の間に光路を有するレー
ザー干渉測長器を設け、該レーザー干渉測長器を用いて
原版と被露光体の間の光路長変化を検出すること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＩＣ，ＬＳＩ等の半
導体ディバイスなどを製造するリソグラフィー工程にお
いて使用される投影露光装置、特にフォーカス、チルト
の管理を高精度で行える投影露光装置、及び、露光工程
で高精度のフォーカス、チルトの管理を行った半導体デ
ィバイスの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ，ＬＳＩ等の量産の重要な工程の１
つは、図７に示すような投影露光装置を使用し原版であ
るレチクル上の回路パターンを被露光体であるウエハ上
に順次焼き付けて行く露光工程である。ここで１は回路
原版であるところのレチクル、２は原版を１／５に縮小
投影する投影レンズ、３はレジストを塗布したウエハ、
１４はウエハ３を移動するステージである。光源１１を
点灯しレチクル１を照明すると、レチクル１上の回路パ
ターンは、ウエハ３上に結像し、回路パターンがレジス
トに焼き付けられる。１ショットの焼付けが完了する
と、ステージ１４をステップ駆動し、隣に焼き付ける。
このようにして、一枚のウエハ全面にマトリクス状に、
回路パターンが焼き付けられていく。ＩＣの量産工程で
は、露光装置の常時稼動により、ウエハを一時間に６０
枚程度の速さで、焼き付けていく。

【０００３】５０１は光源、５０２は光束位置検出器で
あり、光源５０１とともにウエハ高さ検出系を構成して
いる。光源５０１からの光束のうちウエハ３で反射した
光束を光束位置検出器５０２で検出し、これによりウエ
ハ高さを検出している。この検出系はレチクル１上の回
路パターンの投影レンズ２による結像位置にウエハ３を
設置するため、ウエハの表面高さ（投影光学系２の光軸
方向の位置）を検出している。

【０００４】このとき、所望線幅、特にクリティカル
（最小限界）線幅を解像するためには、ウエハの高さ
（光軸方向の高さ）と露光光量（ｄｏｓｅ量）の２つを
最適化する必要がある。このために、量産工程の最初に
センド・アヘッドと呼ぶ試し焼き工程で決定する。セン
ド・アヘッドとは、まず所望線幅の描かれたレチクルを
セットし、例えば図８に示すように、ウエハ３のｘ方向
にウエハの高さ（フォーカス）を変化させたショット、
ｙ方向には露光光量（ｄｏｓｅ量）を変化させたショッ
トを焼き付ける。このウエハのレジストを現像して、走
査型電子顕微鏡でどのショットが所望の線幅を解像して
いるか選び出す。そしてそのショットを焼き付けたウエ
ハの高さと露光光量を本番の焼付け条件として、量産工
程で焼付けていく。

【０００５】図９はウエハの高さを検出する方法の原理
図である。

【０００６】図９の（Ａ）は図７のウエハ３の高さ検出
系の詳細を図であり、光源５０１から出射した光束５０
４はウエハ表面５０３で反射する。このウエハ表面５０
３は、図７の投影レンズ２の結像面に位置している。

【０００７】ウエハ表面５０３で反射した光束はＣＣＤ
の如き光束位置検出器５０２で光束の入射位置を検出す
る。図９の（Ｂ）には光束位置検出器５０２と光束のピ
ーク位置５０２１が示されている。今、ウエハー表面が
図９の点線の位置５０３’にδだけ移動したとすると、
光束位置検出器５０２の光束位置は５０２１’で示す位
置に移動する。図９の（Ｂ）ではピーク位置の移動量Δ
で示されている。ウエハの高さ変動量δと光束位置変動
量Δは比例関係があり、光束位置移動変動Δを測定する
ことにより変動量δを算出することが出来、ウエハ表面
を変動量δだけ下降させることにより正規の結像面にウ
エハを位置させることが出来る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のウエ
ハの高さ検出方式は、オフアクシス方式と分類される。
これは検出光束が投影光学系を透過せずに検出する方法
である。この方式は投影光学系の熱歪変動や気圧変化の
変動等を反映せずに検出するため、つぎのような欠点が
ある。

【０００９】つまり、使用される照明光源の波長が、Ｌ
ＳＩの集積化が進むに従い、ｇ線、Ｉ線、ＥＸレーザー
と紫外から真空紫外へとむかって短波長化している。一
方レンズの材料であるガラスは光源が短波長化するに従
い、光を吸収する割合（吸収率）がふえる。投影レンズ
が露光光を吸収すると、そのエネルギーが熱になり、そ
の熱がレンズの形状変化と屈折率の変動を生じさせるこ
とがわかっている。この形状変化と屈折率の変動によ
り、所定の線幅を解像するベストフォーカス面、つまり
投影レンズによるレチクルパターンの像が形成する光軸
上の位置が変動する。

【００１０】以上の様な欠点を補うために、従来ではこ
のベストフォーカス面の変動を、焼付け開始時点を基準
に、変動が落ち着きレンズの温度が一定の状態になるま
での時刻までを、前記センド・アヘッド工程等で予め測
定して時刻と変動量の補正テーブル表を作成しておく。
実際の焼付けでは、その補正テーブルに基づき、焼付け
開始からの時間基準でウエハの高さを補正することによ
り対策している。

【００１１】また、大気圧変動によっても投影光学系の
光学的変動が生じベストフォーカス面は変動する。焼付
け露光装置を入れたチャンバーは温度と湿度は一定に保
つが、気圧は大気圧に連動して変化する。気圧の変動は
レンズ中の空気の屈折率変化を生じ、その結果、ベスト
フォーカス面の変動を生じる。従来は気圧変動とベスト
フォーカスの変動位置を予め測定して、気圧変動とベス
トフォーカス位置を対応させた気圧補正テーブルを用意
しておき、実際の焼付けでは気圧計により検出した気圧
から、先の気圧補正テーブルに基づいて、ウエハの高さ
の補正を行う。

【００１２】上記に述べた様に、ＬＳＩの集積化が進
み、回路の線幅が微細化するに従い、短波長化と投影系
のＮＡの増大化がおこり、その結果焦点深度が浅くなっ
ている。一方、露光光の吸収による発熱や気圧変動によ
り、投影光学系のベストフォーカス位置が変動し、上記
補正テーブルによるフォーカス補正では、正確な追随が
できず、精度が劣り所定の線幅が解像しないという問題
があった。

【００１３】このような、ベストフォーカス位置の変動
に対し、追随すべきウエハの高さが正確に追随しないと
いう、問題が発生する根本原因は、従来のウエハの高さ
検出系が投影レンズ内の光学的変動を反映していないた
めである。

【００１４】従って、本発明は投影光学系内の光学的変
動を反映させた原版（レチクル）と被露光体（ウエハ）
の間の光路長の変化を検出可能な投影露光装置の提供及
び投影光学系内の光学的変動を反映させた原版と被露光
体の間の光路長の変化を検出し、その変化を補正する工
程を有する半導体ディバイスの製造方法の提供を目的と
する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】

（１ー１）本発明の投影露光装置は投影光学系を通し
ての原版と被露光体の間に光路を有するレーザ干渉計が
設けられ、このレーザ干渉計で、投影光学系の光学的変
動を反映させた原版と被露光体との光路長の変化を検出
している。

【００１６】（１ー２）本発明の半導体ディバイスの
製造方法はレチクルの像をウエハ上に投影露光する工程
において、投影光学系を通したレチクルとウエハの間の
光路長を検出し、光路長に変化が有った場合それを補正
して投影露光を行っている。

【００１７】

【発明の実施の形態】

（実施形態１）以下本発明を実施形態に基づいて詳細に
説明する。

【００１８】図１は露光装置の原版であるレチクルと被
露光体であるウエハとの間の光路長を検出する実施形態
１の要部概略図である。図は特にレチクル、投影レン
ズ、ウエハの位置関係を抜きだして示してあるが、その
他は図７に示すように、全体として投影露光装置として
の構成となっている。ここで１は回路パターンが描画さ
れたレチクル、２はレチクル１の像を形成する投影レン
ズ、３はレチクル１の回路パターンを焼き付けるレジス
トの塗布されたウエハである。そして、４が可干渉性を
有する光源であるところの２周波レーザで、その差周波
数が通常は１００ＫＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲で固定され
ている。ここで、光源４はレチクルとウエハの距離を測
長する光源である。光源４からの光束の波長はレジスト
が感光しない波長で、例えばＨｅＮｅのゼーマンレーザ
ーである。もちろん音響光学素子ＡＯＭで２周波光源を
構成してもよい。２１は光分割器で１０〜２０％の光を
反射して偏光板９を介して光電検出器２０へ向ける。光
電検出器２０は基準信号を別途検出する。６は偏光ビー
ムスプリッター（以下ＰＢＳと称する。）、７、８は各
々λ／４位相差板、９は偏光面を揃える偏光板、１０は
光エネルギーを電気信号に変える光電変換素子、１００
はミラーである。

【００１９】レーザ４からの光束３０は偏光板５を通る
ことにより偏光面が揃う。この光束の偏光方位はＰＢＳ
６のビーム分割面の法線と光束３０が作る平面に対し４
５°をなす。従って、ＰＢＳ６で透過するＰ偏光成分３
２と、反射するＳ偏光成分３１の強度比は１：１とな
る。ＰＢＳ６で反射した光束３１は、レチクル１の所定
の部分に入射する。この部分はＣｒ蒸着膜で覆われたで
反射面になっており、入射した光束はこの面で反射して
再びＰＢＳ６に向かう。このときλ／４板７を２回往復
して偏光面が９０°回転するので、偏光ビームスプリッ
タを透過し、投影レンズ２を経てウエハ３の表面に入射
する。ウエハ３で反射した光束３１は、再びＰＢＳ６に
向かう。このときλ／４板８をもう一度透過するので、
偏光面が９０°さらに回転し偏光ビームスプリッタ６で
反射してＰ偏光成分光３２と合わさる。偏光板９はＰ、
Ｓ偏光に対し４５°に設置しており、光束３１と３２は
偏光面が揃えられて２光束は干渉し、２周波光源４の差
周波数からなるビート強度を生ずる。このビート干渉光
が光電検出器１０に入射し、電気ビート信号が得られ
る。１９は位相比較器等の処理系で、光電検出器２０か
ら得られた参照光電気ビート信号と光電検出器１０から
の電気ビート信号の位相変化を検出する。１８は制御系
で処理系１９の出力でステージ１４を上下駆動する。こ
れによりウエハ３の高さを制御している。

【００２０】量産露光に先だって、前述したように、セ
ンド・アヘッド工程によって、レチクル１のクリティカ
ル線幅が解像するウエハの高さをステージ１４を上下駆
動して定める。そのときの光電検出器１０の信号と、光
電検出器２０の基準ビート信号との位相差φＯをベスト
フォーカス時のウエハ高さ信号としてを記憶しておく。

【００２１】ここから、投影光学系の熱変形を例にして
説明する。もちろん気圧変動等の場合でも同様である。

【００２２】まず、ウエハ３の高さは、検出波長のλ／
２（例えば０．３２μｍ）以内に予めセットしておく。

【００２３】レチクル１をウエハ３に次々露光すると、
投影レンズ２が露光光を吸収し、クリティカル線幅を解
像するベストフォーカス位置がレンズ３側に近寄る。こ
のままでは、ウエハ３の位置は不動なので、レチクル１
からウエハ３までの光路長が伸びる。従ってウエハ３上
で回路パターンの像がぼける事になる。そこで、ウエハ
高さを示す光電検出器１０の信号φは、レチクル１とウ
エハ３の光路長を測定しているので、センド・アヘッド
工程で測定した位相φ０から変化する。この変化を打ち
消すようにステージ１４を制御系１８で投影レンズの光
軸方向に移動させることにより、光路長の変化を補正
し、常にベストフォーカス位置にウエハ３面の高さを位
置決めし露光することができる。従って半導体ディバイ
スの投影露光工程で光路長変化を精密に管理することが
出来る。

【００２４】ところで、露光波長（例えば極紫外）とレ
チクル／ウエハ間を測長する波長（例えばＨｅＮｅ）の
違いによる光路長変化の違いは、制御系１８で線形補正
すればよい。

【００２５】（実施形態２）図２は先に述べた実施形態
１の方式を応用して、ウエハの傾きを検出する構成をし
めす。図は同一部材に同一番号でしめす。

【００２６】光束３０のＳ偏光成分がＰＢＳ６で反射／
透過／反射して光束３１に、また光束３０のＰ偏光成分
がＰＢＳ６を透過し光束３２になるまでは、実施形態１
と同一であるので説明を省略する。λ／２板１５は光束
３１、３２の偏光方位を９０°回転する。つまりλ／２
板１５の前後でＰ偏光はＳ偏光に、Ｓ偏光はＰ偏光にな
る。従って、ＰＢＳ６を透過した光束３２はＰＢＳ６と
同様にＰＢＳ１１により反射／透過／反射をする。また
ＰＢＳ６で反射／透過／反射した光束３１はＰＢＳ１１
を透過する。これは、光束３１の位相はレチクル１のＡ
側（図面左側）のレチクル／ウエハ間の光路長の変化
を、光束３２の位相はレチクル１のＢ側（図面右側）の
レチクル／ウエハ間の光路長の変化を反映している。偏
光子９により、偏光面が揃えられビート信号として光電
検出器１０に検出される。その位相φはレチクルのＡ
点、Ｂ点とそれぞれウエハ上の共役点との光路長差の変
化を示している。この位相φを前述したセンド・アヘッ
ド工程で定められた位相φ１を目標にウエハティルトス
テージ１６を駆動する。このようにしてウエハのティル
トを制御することができる。

【００２７】（実施形態３）図３はこのウエハティルト
検出制御系をスキャン露光装置に適用したときのレチク
ル側の上面からみた図である。図３の断面図は図２とほ
ぼ同様になるので参照されたい。スキャン露光装置は、
露光光源がレチクル１上を４０で表わすスリット状の領
域を照明した状態で、レチクルは図のｙ方向に移動し、
同時にウエハも投影光学系の縮小率に応じた速度で物像
共役関係を保ちながら同期スキャン露光する。レチクル
１上の両側Ａ、Ｂに、回路パターンが描画された面に３
０、３１で示した反射面をスキャン方向に沿って設け
る。この反射面３０、３１にＰＢＳ６、１１の反射光を
向け図２と同様に位相φ１を目標にティルト管理をす
る。反射面３０、３１はスキャン方向に沿って設けられ
ているため、レチクルがスキャンする全面にわたってウ
エハのティルト変化を検出し制御することができる。

【００２８】（実施形態４）実施形態４と実施形態３
は、反射面３０に沿って、ＰＢＳ６、１１が配置されて
いることが異なっている。そして縦断面図は図２とほぼ
同様であるので参照されたい。スキャン方向に沿って設
けられた反射面のスリット露光領域４０の前後に反射光
を向けるためＰＢＳ６、１１は配置されている。これら
ＰＢＳ６、１１からの検出光３１、３２は光電検出器１
０によって検出され、光電検出器２０の信号との位相変
化が処理系１９により検出される。この変化はウエハ３
のスキャン方向のティルト変化を示すものでティルトス
テージ１６を駆動することによって補正される。この第
４実施形態の投影露光装置により、今迄の実施形態と同
様にティルト管理を精密に行った半導体ディバイス製造
が行なわれる。

【００２９】（実施形態５）図５は実施形態１で示した
投影レンズを通してのレチクルとウエハの距離の検出で
行う実施形態と実施形態３で示したウエハのティルトの
検出を共通のＰＢＳ６で行う実施形態を示す。

【００３０】ハーフミラー２３をＰＢＳ６とＰＢＳ１１
の間の光路の露光光を遮光しない位置におき、図１で示
した光束３１、３２を取り出し、ミラー２４、偏光板９
をへて光電検出器２２でビート信号を検出する。この検
出器２２と基準検出器２０からのビート信号の位相差か
ら、レチクルとウエハの間隔の変動が検出される。さら
に実施形態３で説明したように、光電変換器１０と光電
変換器２０によりウエハのティルトが検出でき、この２
系統を検出することにより、ウエハ間の高さとティルト
を同時に検出し制御することが出来る。

【００３１】これまでの説明ではゼーマンレーザー等の
２周波レーザーを使用したが、図６に示すように２つの
波長の異なるレーザーを用いても良い。２つのレーザー
からの光束をハーフミラー１０１で重ね合せ、合成波長
を生成することができる。合成波長は λ１・λ２／（λ１−λ２）で表され、実質的な波長を数μｍオーダーに拡大でき、
検出レンジを拡大することも出来る。

【００３２】次に、本発明の投影露光装置を使用したデ
ィバイスの製造方法を説明する。

【００３３】図１０は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等
の半導体チップ、或は液晶パネルやＣＣＤ等）の製造の
フローを示す。

【００３４】ステップ１（回路設計）では半導体デバイ
スの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では設
計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一
方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を
用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセ
ス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを
用いてリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路
を形成する。

【００３５】次のステップ５（組立）は後工程と呼ば
れ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導
体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシ
ング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封
入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ
５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久
性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体
デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

【００３６】図１１は上記ウエハプロセスの詳細なフロ
ーを示す。

【００３７】ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を
酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に
絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエ
ハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イ
オン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ
１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。
ステップ１６（露光）では上記説明した露光装置によっ
てマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。

【００３８】ステップ１７（現像）では露光したウエハ
を現像する。ステップ１８（エッチング）では現像した
レジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジ
スト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジス
トを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうこと
によってウエハ上に多重の回路パターンが形成される。

【００３９】本実施形態に製造方法を用いれば、高集積
度の半導体デバイスを製造することができる。

【００４０】

【発明の効果】本発明の投影露光装置によれば原版と被
露光体の間に投影光学系を通しての光路を有するレーザ
干渉測長器を使用して原版と被露光体の間の光路長変
化、ティルト状態を検出しているため、投影光学系の光
学的変動をも含めた光路長変化が検出出来、この検出に
基づき調整することにより、高精度な投影像が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投影露光装置の実施形態１の要部概略
図

【図２】本発明の投影露光装置の実施形態２の要部概略
図

【図３】本発明の投影露光装置の実施形態３の要部概略
図

【図４】本発明の投影露光装置の実施形態４の要部概略
図

【図５】本発明の投影露光装置の実施形態５の要部概略
図

【図６】本発明の投影露光装置に使用する合成波長を生
成するレーザを説明する図

【図７】従来の露光装置の要部概略図

【図８】試し焼き工程で使用するウエハーの説明図

【図９】図７の一部分の拡大説明図

【図１０】本発明の半導体ディバイスの製造方法のフロ
ーチャート

【図１１】本発明の半導体ディバイスの製造方法のフロ
ーチャート

【符号の説明】

１回路原版（レチクル）２投影レンズ３ウエハ４２周波レーザー９偏光素子６、１１偏光ビームスプリッター７、８、１２、１３ λ／４位相差板１０、２０、２２光電変換器１４Ｚステージ１５ λ／２位相差板１６ティルト機構１８ステージ制御系１９処理系２１ハーフミラー３０反射ミラー部４０露光部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原版の像を投影光学系により被露光体上
に投影露光する投影露光装置において、前記投影光学系
を通しての前記原版と被露光体の間に光路を有するレー
ザー干渉測長器を設け、該レーザー干渉測長器を用いて
原版と被露光体の間の光路長変化を検出することを特徴
とする投影露光装置。
【請求項２】前記レーザー干渉測長器により検出した
光路長変化を補正する補正機構を設けたことを特徴とす
る請求項１の投影露光装置。
【請求項３】原版の像を投影光学系により被露光体上
に投影露光する投影露光装置において、前記投影光学系
を通しての、前記原版と被露光体の間の異なる、少なく
とも２つの光路の光路長変化を検出するようにしたレー
ザー干渉測長器を設けたことを特徴とする投影露光装
置。
【請求項４】前記レーザー干渉測長器によりそれぞれ
の光路の光路長変化を検出した際に、それぞれの光路長
を補正するティルト補正機構を設けたことを特徴とする
請求項３の投影露光装置。
【請求項５】前記レーザー干渉測長器は波長の異なる
２つのレーザー光源の合成波長を用いていることを特徴
とする請求項１，２，３又は４の投影露光装置。
【請求項６】レチクル上のパターンの像を投影光学系
により感光層が形成されたウエハー上に投影露光する工
程を有する半導体ディバイスを製造する際、前記投影露
光工程は前記投影光学系を通しての前記レチクルとウエ
ハーの間の光路長の変化をレーザー干渉測長器で検出
し、変化が検出された際に光路長を補正した後、若しく
は補正しつつ投影露光を行うことを特徴とする半導体デ
ィバイス製造方法。
【請求項７】レチクル上のパターンの像を投影露光光
学系により感光層が形成されたウエハー上に投影露光す
る工程を有する半導体ディバイスを製造する方法におい
て、前記投影露光工程は前記投影光学系を通しての前記
レチクルとウエハーの間の異なる少なくとも２つの光路
長の変化をレーザー干渉測長器で検出し、光路長差を検
出した際に、その差を補正した後、若しくは補正しつつ
投影露光を行うことを特徴とする半導体ディバイスの製
造方法。