JPH09260269A - 投影露光方法及びそれを用いたデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 経時的変化にかかわらず投影光学系のフォー
カス位置を精度良く検出し、レチクル面上のパターンを
ウエハ面上に高精度に投影露光することができる投影露
光方法及びそれを用いたデバイスの製造方法を得るこ
と。 【解決手段】 原板上のパターンを投影光学系を介して
可動のステージ上に載置した感光基板上に双方の光軸方
向の相対的位置を種々と変化させて投影露光し、該感光
基板に形成したパターン像より最適なフォーカス位置を
決定する第１工程と、該第１工程と略同時刻において該
ステージ上に設けたステージ基準マークを該投影光学系
を介して所定面上に形成して該ステージ基準マークの最
適なフォーカス位置を検出する第２工程と、該原板上の
パターンを該感光基板上に繰り返し投影露光する途中
で、該第２工程と同様にして該ステージ基準マークの最
適なフォーカス位置を検出する第３工程とを含むこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投影露光方法及び
それを用いたデバイスの製造方法に関し、特に半導体素
子（デバイス）の製造の分野において、半導体ウエハー
表面にレチクルの回路パターンを繰り返し縮小投影露光
する際の自動ピント調整機能、所謂オートフォーカス機
能を有するステッパーと呼ばれる投影露光装置に好適な
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子，ＬＩＳ素子，超ＬＳ
Ｉ素子等のパターンの微細化、高集積化の要求により、
投影露光装置においては高い解像力を有した結像（投
影）光学系が必要とされてきている。そしてそれに伴っ
て結像光学系の高ＮＡ化が進んで、この結果結像光学系
の焦点深度がより浅くなってきている。

【０００３】又、ウエハには、平面加工技術の点から、
ある程度の厚さのばらつきと曲りがある。通常ウエハの
曲りの矯正については、サブミクロンのオーダで平面度
を保証する様に加工されたウエハチャック上にウエハを
載せ、ウエハの背面をバキューム吸着することにより平
面矯正を行っている。しかしながら、ウエハ１枚の中で
の厚さのばらつきや吸着手法、更にはプロセスが進む事
によってウエハが変形してくる。

【０００４】この為、レチクルパターンが縮小投影露光
される画面領域内でウエハが凹凸を持つ為、実効的な光
学系の焦点深度は、さらに浅くなってくる。

【０００５】従って投影露光装置に於いては、ウエハ面
を焦点面に（投影光学系の像面）に合致させる為の有効
な自動焦点合わせ方法が重要なテーマとなっている。

【０００６】従来の投影露光装置のウエハ面位置検出方
法としては、エアマイクロセンサを用いる方法や、投影
露光光学系を介さずにウエハ面に斜め方向から光束を入
射させその反射光の位置ずれ量を検出する方法（光学方
式）そして投影光学系を通してそのピント面を検出す
る、いわゆる、スルーザレンズオートフォーカスシステ
ム（ＴＴＬＡＦ）という方式等がある。

【０００７】図９は特開平１−２８６４１８号公報で開
示されているオートフォーカス機能を有する投影露光装
置の概略図である。図９において、１０７はレチクルで
あり、レチクルステージ１７０に保持されている。レチ
クル１０７上の回路パターンが縮小投影レンズ１０８に
よって、ｘｙｚステージ１１０上のウエハ１０９上に１
／５に縮小されて結像し、露光が行われる。図９では、
ウエハ１０９に隣接する位置に、ウエハ１０９の上面と
ミラー面がほぼ一致する基準平面ミラー１１７が配置さ
れている。この基準平面ミラー１１７はフォーカスやア
ライメント等の為に用いられている。

【０００８】又、ｘｙｚステージ１１０は投影レンズ１
０８の光軸方向（ｚ）及びこの方向に直交する面内
（ｘ、ｙ）で移動可能であり、もちろん光軸のまわりに
回転させることも出来る。

【０００９】レチクル１０７は、同図の要素１０１〜１
０６で示される照明光学系によって、回路パターンの転
写が行われる画面領域内を照明されている。

【００１０】露光用の光源である水銀ランプ１０１の発
光部は楕円ミラー１０２の第一焦点に位置しており、水
銀ランプ１０１より発光した光は、楕円ミラー１０２の
第二焦点位置に集光している。楕円ミラー１０２の第二
焦点位置にその光入射面を位置付けたオプティカルイン
テグレーター１０３が置かれており、オプティカルイン
テグレーター１０３の光出射面は２次光源を形成する。
この２次光源をなすオプティカルインテグレーター１０
３より発する光は、コンデンサーレンズ１０４を介し、
ミラー１０５により光軸（光路）が９０°を折り曲げら
れる。

【００１１】尚、１５５は露光波長の光を選択的にとり
出す為のフィルターで、１５６は露光の制御を行う為の
シャッターである。このミラー１０５により反射された
露光光は、フィールドレンズ１０６を介し、レチクル１
０７上の、回路パターンの転写が行われる画面領域内を
照明している。ミラー１０５は露光光を例えば５〜１０
％という様に部分的に透過する構成となっている。ミラ
ー１０５を通過した光はレンズ１５２、露光波長を透過
し光電検出に余分な光をカットするフィルター１５１を
介して、光源１０１からの光量のゆらぎ等をモニターす
る為の光検出器１５０に到達する。

【００１２】同図において要素１１１〜１１２は、公知
のオフアクシスのオートフォーカス光学系を形成してい
る。１１１は投光光学系であり、投光光学系１１１より
発せられた非露光光である光束は、縮小投影レンズ１０
８の光軸と交わる。基準平面ミラー１１７上の点（ある
いはウエハ１０９の上面）に集光し反射されるものとす
る。この基準平面ミラー１１７で反射された光束は、検
出光学系１１２に入射する。

【００１３】図示は略したが、検出光学系１１２内には
位置検出用受光素子が配されており、位置検出用受光素
子と基準平面ミラー１１７上の光束の反射点は、共役と
なる様配置されており、基準平面ミラー１１７の縮小投
影レンズ１０８の光軸方向の位置ズレは、検出光学系１
１２内の位置検出用受光素子上での入射光束の位置ズレ
として計測される。

【００１４】この検出光学系１１２により計測された基
準平面ミラー１１７の所定の基準面よりの位置ズレは、
オートフォーカス制御系１１９に伝達される。オートフ
ォーカス制御系１１９は、基準平面ミラー１１７が固設
されたｘｙｚステージ１１０を駆動する処の駆動系１２
０にｚ方向への移動の指令を与える。又、ＴＴＬでフォ
ーカス位置を検知する時、オートフォーカス制御系１１
９は基準ミラー１１７を所定の基準位置の近傍で投影レ
ンズ１０８の光軸方向（ｚ方向）に上下に駆動を行うも
のとする。また、露光の際のウエハ１０９の位置制御
（図７の基準平面ミラー１１７の位置にウエハ１０９が
配置される）もオートフォーカス制御系１１９により行
われる。

【００１５】縮小投影レンズ１０８のピント位置検出光
学系について説明する。

【００１６】図１０，図１１において１０７はレチク
ル、１２１はレチクル１０７上に形成されたパターン部
で遮光性をもつものとする。又、１２２はパターン部１
２１に挟まれた遮光部である。ここで、縮小投影レンズ
１０８のピント位置（像面位置）の検出を行う時は、ｘ
ｙｚステージ１１０は縮小投影レンズ１０８の光軸方向
に移動する。

【００１７】基準平面ミラー１１７は縮小投影レンズ１
０８の光軸上に位置しており、レチクル１０７は、図７
の照明光学系１０１〜１０６により照明されているもの
とする。

【００１８】始めに、基準平面ミラー１１７が縮小投影
レンズ１０８のピント面にある場合について図１０を用
いて説明する。レチクル１０７上の透過部１２２を通っ
た露光光は、縮小投影レンズ１０８を介して、基準平面
ミラー１１７上に集光し反射される。反射された露光光
は、往路と同一の光路をたどり、縮小投影レンズ１０８
を介しレチクル１０７に集光し、レチクル１０７上のパ
ターン部１２１間の透光部１２２を通過する。この時、
露光光は、レチクル１０７上のパターン部１２１にケラ
レることなく、全部の光束がパターン部１２１の透過部
を通過する。

【００１９】次に、基準平面ミラー１１７が縮小投影レ
ンズ１０８のピント面よりズレた位置にある場合につい
て図１１を用いて説明する。レチクル１０７上のパター
ン部１２１の透過部を通った露光光は、縮小投影レンズ
１０８を介し、基準平面ミラー１１７上に達するが、基
準平面ミラー１１７は、縮小投影レンズ１０８のピント
面にないので、露光光は、広がった光束として基準平面
ミラー１１７で反射される。

【００２０】即ち、反射された露光光は往路と異なる光
路をたどり、縮小投影レンズ１０８を通り、レチクル１
０７上に集光することなく、基準平面ミラー１１７の縮
小投影レンズ１０８のピント面からのズレ量に対応した
広がりをもった光束となってレチクル１０７上に達す
る。この時露光光はレチクル１０７上のパターン部１２
１によって一部の光束がケラレを生じ全部の光束が透光
部１２２を通過することはできない。即ちピント面に合
致した時とそうでない時にはレチクルを通しての反射光
量に差が生じるのである。

【００２１】図１０，図１１において説明した、基準平
面ミラー１１７で反射された露光光の光束がレチクル７
を通過した後の光路を、図９を用いて説明する。

【００２２】レチクル１０７を透過した露光光は、フィ
ールドレンズ１０６を通りミラー１０５に達する。ミラ
ー１０５は前述の様に露光光に対して５〜１０％程度の
透過率をもっているので、ミラー１０５に達した露光光
の一部はミラー１０５を通過し、結像レンズ１１３を介
し視野絞り１１４の面上に集光する。この時、レチクル
１０７のパターンの存在する面と視野絞り１１４とは、
フィールドレンズ１０６と結像レンズ１１３を介し、共
役な位置にある。

【００２３】視野絞り１１４の開口部を通過した露光光
は、集光レンズ１１５によって受光素子１１６に入光す
る。

【００２４】受光素子１１６の前面には、必要な場合は
露光光のみを選択的に透過するフィルター１５１を配置
するものとし、入射した露光光の光量に応じた電気信号
を出力する。

【００２５】以下に、この受光素子１１６の信号出力を
用いて、縮小投影レンズ１０８のピント位置（像面位
置）を検出する方法について説明する。

【００２６】駆動系１２０により基準平面ミラー１１７
の載ったｘｙｚステージ１１０を縮小投影レンズ１０８
の光軸方向に、オフアクシスオートフォーカス検出系１
１２で予め設定される計測の零点を中心に駆動させるも
のとする。

【００２７】この時、各位置でのオートフォーカス検出
系１１２が計測する基準平面ミラー１１７の光軸方向の
位置信号（オートフォーカス計測値ｚ）と、基準平面ミ
ラー１１７で反射された露光光を受光素子１１６で受光
し、電気信号に変換することにより焦点面（像面）検出
系１１８から得られる出力の関係は、図１２に示す様に
なる。この時、検出系１１８の信号は光源１０１のゆら
ぎの影響を除く為、ミラー１０５を通過した光源１０１
からの光を光源光量モニター光学系（１５２，１５１）
を介して光検出器１５０で検出して、基準光量検出系１
５３で光源光量モニター信号を発生させる。そしてこの
モニター信号によって焦点面検出系１１８の信号を規格
化することによって補正している。

【００２８】基準平面ミラー１１７が縮小投影レンズ１
０８のピント面に位置した場合に焦点面検出系１１８の
出力はピーク値を示す。この時のオートフォーカス計測
値ｚ ₀ をもってして、縮小投影レンズ１０８を用いて、
ウエハ１０９に露光を行う際の縮小投影レンズ１０８の
ピント位置とする（又は計測値ｚ₀ に基づいて予め設定
しておいたピント位置を補正する。）。

【００２９】この様にして決まった縮小投影レンズ１０
８のピント位置にオフアクシスオートフォーカス検出系
１１０，１１２，１１９の基準位置を設定する。実際の
ウエハの焼付最良位置はこの基準位置からウエハの塗布
厚や段差量等の値を考慮した分だけオフセットを与えた
値となる。例えば多層レジストプロセスを用いてウエハ
を露光する場合には多層の一番上の部分だけを焼けば良
いのでウエハのレジスト表面と基準位置はほぼ一致す
る。

【００３０】一方、単層レジストで露光光が基板に十分
到達する様な場合、ウエハのピントはレジスト表面では
なく基板面に合致するので、この場合レジスト表面と基
準位置の間に１μｍ以上のオフセットが存在する事も稀
ではない。こうしたオフセット量はプロセス固有のもの
で投影露光装置とは別のオフセットとして与えられるも
のである。装置自体としては上述の１方法で縮小投影レ
ンズ１０８自体のピント位置を正確に求められれば充分
であり、上記オフセット量は、必要な場合にのみオート
フォーカス制御系１１９や駆動系１２０に対して投影露
光装置の不図示のシステムコントローラを介して予め入
力してやれば良い。

【００３１】このピント位置ｚ₀ の検出は、焦点面検出
系１１８の出力のピークをもって決定してもよいが、そ
の他にも色々な手法が考えられる。例えばより検出の敏
感度を上げるために、ピーク出力に対してある割合のス
ライスレベルＳＬを設定し、このスライスレベルＳＬの
出力を示す時のオートフォーカス計測値ｚ₁ ，ｚ₂を知
ることによりピント位置を

【００３２】

【数１】 として決定しても良いし、又、ピーク位置を微分法を使
って求める等の手法も考えられる。

【００３３】図９に示すＴＴＬのオートフォーカスシス
テムの長所は、投影露光光学系の周囲の温度変化、大気
圧変化、露光光線による投影光学系の温度上昇と、それ
に伴って生じるピントの経時変化を常時計測し補正をか
けらるという点である。

【００３４】

【発明が解決しようとする課題】図９に示すＴＴＬのオ
ートフォーカスシステムは前述したような長所がある
が、投影光学系の持つ収差、厳密には縦収差（球面収
差、像面弯曲、軸上色収差等）の影響を受けて図１２に
示した焦点面検出曲線が歪みやすくなる。特にステップ
アンドリピートによりウエハ面の露光が進むにつれて投
影レンズには熱負荷が累積し、このとき投影レンズのフ
ォーカスは次第にウエハ面からずれていく。更に露光が
進行するとピントのずれだけではなく、投影レンズに発
生する熱収差の影響で、前述のような検出曲線の変形は
益々顕著になり、ついには焦点面の検出が不可能となる
場合がある。

【００３５】図１３はその場合の検出曲線の１例であ
る。つまり、前述の図１２ではスライス中心が求まった
が、図１３では曲線が歪んでそのピークが２つあらわれ
ている。その為にスライスＳＬとの交点が３つ（Ｚ１，
Ｚ２，Ｚ３）発生し、ピント面の検出エラーとなってし
まう。

【００３６】以上述べてきたように、特に露光時におい
て、投影レンズを通してＴＴＬでレンズの焦点検出を行
おうとすると、投影レンズのもつ残存収差や熱収差の影
響を受けてしまい、その結果オートフォーカス精度が劣
化したり、検出不能となる場合があった。

【００３７】特に、露光が進行するとレチクルとウエハ
の共役関係がくずれていくが、その主な原因に投影レン
ズの熱による特性変化（ピントずれや熱収差の発生）や
ウエハ周辺部の変動がある。

【００３８】一般に縮小露光方式の場合には、ウエハ側
に比べてレチクル側での露光エネルギー密度は投影レン
ズの縮小率の自乗に比例して小さい。しかも同じ量だけ
位置変形しても、レチクル側での変形はウエハ側での変
形に比べて、ウエハ面のフォーカスへの効き率も縮小率
の自乗に比例して小さい。例えば、１／５ｘの縮小率の
場合、レチクルパターン面のフォーカス変動はウエハ面
のそれに比べて１／２５ｘ以下である。

【００３９】従って、レチクルのフォーカス状態、或い
はレチクルとウエハとの合焦状態を常時検知しなくて
も、例えば投影レンズが冷却状態にあるときに一度だけ
レチクルパターン面とウエハ面との合焦状態を知ってい
れば、その後の経時変化ないしは露光中のフォーカス変
化は、投影レンズを通してウエハ面のフォーカス状態だ
け検出し、それを最適位置に維持しておけば良い。また
以上のようなフォーカス思想はなにもウエハ露光時に限
らず、投影レンズが冷却状態にあるときのピントの経時
変化を補正する場合にも適用できる。

【００４０】本発明はこれらのことを考慮して、環境変
化が生じたときや繰り返し露光を行うことによって投影
光学系の特性が変化して投影光学系のフォーカス位置が
変動しても、被露光面を投影光学系のピント面に常に高
精度に位置させることができ、高集積度のデバイスを容
易に製造することができる投影露光方法及びそれを用い
たデバイスの製造方法の提供を目的とする。

【００４１】

【課題を解決するための手段】本発明の投影露光方法
は、（１−１）原板上のパターンを投影光学系を介して
可動のステージ上に載置した感光基板上に繰り返して投
影露光する際に、該パターンと該感光基板との該投影光
学系の光軸方向の相対的位置を種々と変化させて投影露
光し、該感光基板に形成したパターン像の結像状態を検
出して最適なフォーカス位置を決定する第１工程と、該
第１工程と略同時刻において該ステージ上に設けたステ
ージ基準マークを該投影光学系を介して所定面上に形成
して該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検
出する第２工程と、該原板上のパターンを該感光基板上
に繰り返し投影露光する途中で、該第２工程と同様にし
て該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出
する第３工程とを含むことを特徴としている。

【００４２】（１−２）原板上のパターンを投影光学系
を介して可動のステージ上に載置した感光基板上に繰り
返して投影露光する際に、該パターンと該感光基板との
該投影光学系の光軸方向の相対的位置を種々と変化させ
て投影露光し、該感光基板に形成したパターン像の結像
状態を検出して最適なフォーカス位置を決定する第１工
程と、該第１工程と略同時刻において該ステージ上に設
けたステージ基準マークを該投影光学系を介して所定面
上に形成して該ステージ基準マークの最適なフォーカス
位置を検出する第２工程と、該第２工程とは異なる時刻
において、該第２工程と同様にして該ステージ基準マー
クの最適なフォーカス位置を検出する第３工程とを含む
ことを特徴としている。

【００４３】特に構成要件（１−１）又は（１−２）に
おいて、（Ａ１）前記第３工程では該第３工程で検出し
た前記ステージ基準マークの最適なフォーカス位置に基
づいて前記第１工程で決定したフォーカス位置を補正し
ていること、（Ａ２）前記第２工程では前記ステージ上
に設けたステージ基準マークを前記投影光学系を１回だ
け通過させて所定面上に配置した受光素子面上に結像さ
せ、該受光素子からの信号を用いて該ステージ基準マー
クの最適なフォーカス位置を検出していること等を特徴
としている。

【００４４】本発明の投影露光装置は、（２−１）原板
上のパターンを投影光学系を介して可動のステージ上に
載置した感光基板上に繰り返して投影露光する投影露光
装置において、該パターンを該感光基板上に双方の該投
影光学系の光軸方向の相対的位置を種々と変化させて投
影露光し、該感光基板に形成したパターン像の結像状態
を検出して求めた最適な基板フォーカス位置を該ステー
ジ上に設けたステージ基準マークを該投影光学系を介し
て受光素子面上に形成し、該受光素子からの信号を用い
て該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を所定
の時間間隔で求めた複数のマークフォーカス位置に基づ
いて制御手段により補正していることを特徴としてい
る。

【００４５】本発明のデバイスの製造方法は、構成要件
（１−１）又は（１−２）の投影露光方法、又は構成要
件（２−１）の投影露光装置を用いてデバイスを製造し
ていることを特徴としている。

【００４６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１の要部
概略図である。

【００４７】本実施形態は逐次露光方式（ステッパー）
において、ウエハステージ上の基準平面ミラーを用いた
ＴＴＬＡＦ方式の概略構成を示している。

【００４８】同図において、６はレチクルであり、レチ
クルステージ７に保持されている。レチクル６上の回路
パターンが投影レンズ（露光レンズ）９によって、ｘｙ
ｚステージ（ウエハステージ）１１上のウエハ１２上に
１／５又は１／１０に縮小されて結像し、露光が行われ
る。図では、ウエハ１２に隣接する位置に、ウエハ１２
の上面とミラー面がほぼ一致する基準平面ミラー１３が
配置されている。基準平面ミラー１３には図３に示すよ
うなステージ基準マーク（フォーカス検出用マーク）１
３ａが設けられている。

【００４９】又、ｘｙｚステージ１１は投影レンズ９の
光軸方向（ｚ）及びこの方向に直交する面内（ｘ、ｙ）
で移動可能であり、もちろん光軸のまわりに回転させる
ことも出来る。

【００５０】レチクル６は、同図の要素１〜５で示され
る照明光学系によって、回路パターンの転写が行われる
画面領域内が照明されている。

【００５１】露光用の光源である水銀ランプ１の発光部
は楕円ミラー２の第一焦点に位置しており、水銀ランプ
１より発光した光は、楕円ミラー２の第二焦点位置に集
光している。楕円ミラー２の第二焦点位置にその光入射
面を位置付けたオプティカルインテグレーター（ハエの
目レンズ）３が置かれており、オプティカルインテグレ
ーター３の光出射面は２次光源を形成する。この２次光
源をなすオプティカルインテグレーター３より発する光
で照明用レンズ４とフィールドレンズ５を介してレチク
ル６を照明している。

【００５２】同図において要素１０，１３，１４は図９
で述べたのと同様なオフアクシスのオートフォーカス光
学系を形成している。１０は投光光学系（オートフォー
カス入射系）であり、投光光学系１０より発せられた非
露光光である光束は、基準平面ミラー１３上の点（ある
いはウエハ１２の上面）に集光し反射される。この基準
平面ミラー１３で反射された光束は、検出光学系（オー
トフォーカス受光系）１４に入射する。

【００５３】図示は略したが、検出光学系１４内には位
置検出用受光素子が配されており、位置検出用受光素子
と基準平面ミラー１３上の光束の反射点は、共役となる
様配置されており、基準平面ミラー１３の縮小投影レン
ズ９の光軸方向の位置ズレは、検出光学系１４内の位置
検出用受光素子上での入射光束の位置ズレとして計測さ
れる。

【００５４】この検出光学系１４により計測された基準
平面ミラー１３の所定の基準面よりの位置ズレは、オー
トフォーカス制御系３２に伝達される。オートフォーカ
ス制御系３２は、基準平面ミラー１３が固設されたｘｙ
ｚステージ１１を駆動する処の駆動系３３にｚ方向への
移動の指令を与える。又、後述する検出光学系２７によ
りＴＴＬでフォーカス位置を検知する時、オートフォー
カス制御系３２は基準平面ミラー１３を所定の基準位置
の近傍で投影レンズ９の光軸方向（ｚ方向）に上下に駆
動を行う。また、露光の際のウエハ１２の位置制御（図
１の基準平面ミラー１３の位置にウエハ１２が配置され
る）もオートフォーカス制御系３２により行っている。

【００５５】次に本実施形態において、ウエハ１２面の
フォーカス状態を検知して、その信号に基づいてウエハ
ステージ１１を駆動させて投影レンズ９のピント位置を
検出する為の構成要件について説明する。

【００５６】２７はＴＴＬＡＦの検出光学系であり、後
述する各要素２３，２４，２６，４０，４１を有してい
る。ファイバー４０から出射した照明光束はハーフミラ
ー４１を通過し、対物レンズ２４とミラー２３を介して
レチクル６近傍に集光する。レチクル６上には図２に示
すように、実素子領域外の位置ＲＷに所定の大きさの透
光部（窓抜き部）８が設けられている。

【００５７】照明光束はこの窓抜き部８を通過した後に
投影レンズ９を介して基準平面ミラー１３上に集光して
いる。基準平面ミラー１３面上には図３に示すようなス
テージ基準マーク（フォーカス検知用マーク）１３ａが
設けられている。そして基準平面ミラー１３からの反射
光は元の光路を戻り、順に投影レンズ９、窓抜き部８、
ミラー２３、対物レンズ２４を介し、ハーフミラー４１
で反射して位置センサー２６に入射している。

【００５８】この基準平面ミラー１３はウエハ１２と同
じウエハステージ１１上に配置されていて、ウエハ１２
とは概一致したフォーカス面上に固定されている。そし
てウエハ面１２ａとステージ基準マーク１３ａ面の各々
のフォーカス位置、ないしは両面間のフォーカスオフセ
ット量はオートフォーカス検出系３２によって管理され
ている。これにより以降の手順にしたがって基準平面ミ
ラー１３に対してフォーカシングして、所定のオフセッ
ト量を与えるだけで自動的に実ウエハ上のフォーカシン
グを行っている。

【００５９】図３に示すように基準平面ミラー１３上の
ステージ基準マーク１３ａは所定の線幅の縦横方向のラ
インアンドスペースより成っている。基準平面ミラー１
３上のステージ基準マーク１３ａから発した光束は往路
を戻り（復路）、対物レンズ２４まで到達する。対物レ
ンズ２４を通過した光束はハーフミラー４１を今度は反
射し、位置センサー２６のセンサー面２６ａ上に結像す
る。この位置センサー２６は一次元アレーセンサーであ
っても、ＣＣＤに代表される二次元センサーであっても
良い。ステージ基準マーク１３ａ（図３）と対応して、
一方向パターンだけ（縦線又は横線）のフォーカス検出
でよければ一次元アレーセンサーで十分であるし、二方
向パターン（縦線と横線同時）のフォーカス検出が必要
ならば二次元アレーセンサーを用いる。

【００６０】最適フォーカス面を求める為に基準平面ミ
ラー面１３を露光レンズ９の光軸方向に振っている。そ
のとき位置センサー２６上ではこれと対応して、ステー
ジ基準マーク１３ａ（図３）のフォーカス状態が変化し
た情報が得られる。

【００６１】本実施形態では、どの種のフォーカス情報
を信号として利用するかは特に限定していない。例えば
ステージ基準マーク像の光強度コントラストがベストピ
ント位置では最も高く、デフォーカス位置ではこれが低
下することを利用しても良い。或いはステージ基準マー
ク像の光プロファイルの微分値（傾斜角に対応）を評価
量としても良い。これらの信号処理は画像信号解析回路
４７で行っている。以上の説明で明らかなように、図１
に示す投影露光装置において、往路は照明光路であり、
フォーカスに関する情報は復路の片道だけの光路で得て
いる。

【００６２】本実施形態におけるＴＴＬオートフォーカ
ス方法では、最初にレチクル６上のパターンを実際にウ
エハ１２上に露光転写することによって、投影レンズ９
の最良結像面に対してウエハ面をフォーカスする第１の
工程と、これと略同じ第１の時刻にＴＴＬのフォーカス
検出光学系２７によってウエハ面ないしはこれと等価面
の最良結像位置を検出する第２工程と、ウエハ露光中、
或いは前記第１の時刻と異なる第２の時刻に、該ウエハ
面ないしは前記等価面の最適フォーカス位置を該検出光
学系２７によって検出する第３の工程とを有し、第３工
程によって求めた該最適フォーカス位置の検出結果に基
づいて該レチクル面と該ウエハ面とを常に最適なフォー
カス状態に補正し得る手段とを利用している。

【００６３】次に本実施形態のＴＴＬオートフォーカス
方法の具体的な動作について説明する。

【００６４】図４は本発明の最も特徴とするオートフォ
ーカス検出のシーケンスを示すフローチャートである。

【００６５】図４においては、まずレチクルパターン面
６ａに検出光学系２７のフォーカスを粗調整する。この
目的はあくまで計測レンジが大きくずれない為のもので
ある。即ち、元々レチクル面６ａとウエハ面１２ａとは
事前に概ねフォーカシングされているので、レチクル面
６ａとセンサー面１２ａとが極端にずれていると、結果
的にセンサー面２６ａとウエハ面１２ａとが大きくずれ
てしまい、信号のピーク位置を見失ってしまうことにな
る。この工程は本発明にとって必須ではない。ちなみ
に、もし計測レンジが大幅にずれて計測不能になった場
合には、駆動手段４８を用いて対物レンズ２４のフォー
カシングを行う。その必要性を判断するのはコントロー
ラ４６の作用の一つであり、画像信号解析回路４７の出
力を得て、駆動手段４８に指令を下している。

【００６６】次いで、レチクル６とウエハ１２の焼きに
よるフォーカス原点合わせを行う。具体的にはウエハ面
６ａのフォーカスを変えながらレチクルパターン（例え
ば解像力チャートや実素子パターン）をウエハ１２上の
複数位置に焼き付けていく。そして、このウエハ１２を
一旦現像し、ＳＥＭ等の手段で焼き付け像を測定し、最
適フォーカス面を決定する。

【００６７】一方、これと略同じ時刻（装置のフォーカ
ス状態が変化しない十分短い時間以内を意味する）に、
前述の検出光学系２７を用い、ステージ基準マーク１３
ａを送り込んでそのフォーカスを変えながら、フォーカ
ス計測を繰り返す。そして位置センサー２６で得られる
信号を用いて最適フォーカス面を自動決定する。

【００６８】最適のフォーカス面が求まったら、その情
報を装置にフォーカスオフセットとして入力する。この
オフセット入力は、実際の最適露光ピントとオートフォ
ーカス検出系３２が捉える最適ピント面との原点ずれ量
を補正することを意味する。このような原点だしを各プ
ロセス毎に最初に行い、プロセスオフセットとしてファ
イルしておく。

【００６９】一旦、実プロセスウエハの露光が始まった
ら、実ウエハの間に定期的にステージ基準マーク１３ａ
を送り込んで、そのフォーカスを変えながら、先と同様
に検出光学系２７でそのフォーカス計測を繰り返す。そ
して最適フォーカス面を自動決定し、初期に求めたフォ
ーカス原点とのオフセット変化量を算出する。その値だ
けウエハステージ１１をＺ方向に駆動してウエハ面１２
ａを投影レンズ９の最適フォーカス面にもっていく。露
光中は定期的に、又は所定のタイミングで、以上のシー
ケンスを実行する。

【００７０】以上の説明では露光中のフォーカス管理を
例にとりあげたが、本実施形態ではこれだけに限らず、
例えば日々の定期チェック等で経時変化を補正する場合
にも同様に適用できる。

【００７１】尚、以上の構成では、ファイバー４０から
発した照明光束が基準平面ミラー１３上に集光する場合
としたが、これは必ずしも集光する必要性はない。最
低、ステージ基準マーク１３ａの全域を十分に照明しさ
えすればよい。またステージ基準マーク１３ａを基準平
面ミラー１３上に設けたが、これを実ウエハ上に設けて
もよい。

【００７２】このように本実施形態では投影光学系９の
ピント面にウエハ１２が位置したときのウエハステージ
１１上の基準平面ミラー１３の位置（投影光学系９の光
軸方向の位置）を基準平面ミラー１３に設けたステージ
基準マーク１３ａの像を投影光学系９を介して検出光学
系２７の位置センサー２６に結像させ、このときの位置
センサー２６で得られる信号を投影光学系９のピント位
置としている。又、このときオフアクシスオートフォー
カス検出系１０，１４，３２で得られる信号を基準信
号、即ちピントが合ったときの信号としている。

【００７３】そして繰り返し露光するときにはウエハ１
２面の光軸方向の位置を検出方法が容易なオフアクシス
オートフォーカス検出系１０，１４，３２を用いて検出
し、該検出結果に基づいて駆動系３３によりウエハステ
ージ１１を光軸方向に駆動させてピント合わせを行って
いる。尚、検出光学系２７によるピント（フォーカス）
位置の検出は予め定めた時間毎に行っている。

【００７４】図５は本発明の実施形態２の要部概略図で
ある。

【００７５】図１の実施形態１では検出光学系２７がレ
チクル６の上方に配置され、レチクル６の窓抜き部８を
通して、ウエハ面１２ａのフォーカスを検知していた。
これに対して、本実施形態ではレチクル６を介せずに露
光レンズ９だけを通して基準平面ミラー１３のステージ
基準マーク１３ａのフォーカス状態を検知しており、こ
の点が実施形態１と異なっているだけであり、その他の
構成は同じである。

【００７６】図５に示すように本実施形態では、ファイ
バー４０から発した照明光束はハーフミラー４１を透過
し、対物レンズ２４の作用で一旦集光する。この光束は
更に進んでミラー２３によって露光レンズ９に入射し、
これを通過した後、基準平面ミラー１３上に到達し、ス
テージ基準マーク１３ａを照明する。それ以降、ステー
ジ基準マーク１３ａからの反射光のフォーカスを検出す
る構成やシーケンス等は実施形態１と基本的に同じであ
る。

【００７７】本実施形態において、検出光学系２７での
フォーカス検出用の光の波長は露光光のそれと同じであ
る必要はない。ＨｅＮｅレーザー（波長６３３ｎｍ）や
赤外域にある半導体レーザー等の光源を用いても良い。
そして、このとき実プロセスウエハ上のスクライブ線
か、或いは専用領域にオートフォーカス用のマークを設
けて、このマークに対してフォーカシングすれば、レジ
ストを感光することなく、ウエハ毎、又は１ショット毎
の実素子ＴＴＬオートフォーカス系を構成することがで
きる。

【００７８】又本実施形態によればレチクルに窓抜き部
８さえも不要となり、既製のレチクル（オートフォーカ
ス検出用マークや窓抜き部がないもの）に対しても本方
式を用いることができ、高精度の合焦状態が得られる。

【００７９】図６は本発明の実施形態３の要部概略図で
ある。

【００８０】図１の実施形態１や図５の実施形態２では
検出光学系２７からのフォーカス検出用の照明光を投影
レンズ９を介して基準平面ミラー１３に入射させてい
た、そして該基準平面ミラー１３の検出用マーク１３ａ
からの反射光を投影レンズ９を介して検出光学系２７で
検出していた。これに対して本実施形態では、基準平面
ミラー１３のステージ基準マーク１３ａをウエハ側に設
けた照明系（４０，５１，５２）からの光束で照明し、
ステージ基準マーク１３ａを通過し投影レンズ９を介し
た光束を利用している点が先の実施形態１，２と異なっ
ており、その他の構成は同じである。

【００８１】本実施形態ではファイバー４０から発した
照明光束は集光レンズ５１の作用でミラー１３を介した
後、基準平面ミラー１３上のステージ基準マーク１３ａ
を裏面側から照明する。このステージ基準マーク１３ａ
は例えばガラス基板上に遮光性のクロムパターンを形成
した部材であって、これを透過した光束は投影レンズ９
を通過後、レチクルパターン面６ａ近傍に一旦結像す
る。そしてレチクル６を透過して、既述した検出光学系
２７に入射する。検出光学系２７内では前記光束が位置
センサー２６上に再結像する。そしてウエハステージ１
１を投影レンズ９の光軸方向に振ることによって、その
最適フォーカス面を検出している。

【００８２】この場合、最適フォーカス状態（ステージ
基準マーク１３ａ面とレチクルパターン６ａ面とが合焦
した状態）において、検出光は必ずしも位置センサー２
６上に結像する必要は無い。つまりフォーカス検出光は
ステージ基準マーク面１３ａとレチクルパターン面６ａ
において結像しさえすれば位置センサー面２６ａではデ
フォーカスしていても本発明の効果は十分に得られる。
但し、この場合には、画像解析回路４７から得られる出
力のピーク（最適フォーカス状態）はずれる。このずれ
量は初期オフセットとして覚えていさえすれば、その後
のフォーカス補正にはなんら問題はない。

【００８３】又、本実施形態では検出光学系２７をレチ
クル６の上部に配置したが、これに限らず、実施形態２
のようにレチクル６を透過せずに検出しても良い。

【００８４】図７は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の
半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造の
フローを示す。

【００８５】ステップ１（回路設計）では半導体デバイ
スの回路設計を行なう。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。

【００８６】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、前記用意したマ
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。

【００８７】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。

【００８８】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。

【００８９】図８は上記ウエハプロセスの詳細なフロー
を示す。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。

【００９０】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）では前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。

【００９１】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に回路パターンが形成される。

【００９２】本実施形態の製造方法を用いれば、従来は
製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易に製
造することができる。

【００９３】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、環境変化
が生じたときや繰り返し露光を行うことによって投影光
学系の特性が変化して投影光学系のフォーカス位置が変
動しても、被露光面を投影光学系のピント面に常に高精
度に位置させることができ、高集積度のデバイスを容易
に製造することができる投影露光方法及びそれを用いた
デバイスの製造方法を達成することができる。

【００９４】特に、本発明によれば、 （Ｂ１）投影レンズを通してウエハ面のフォーカス検知
を直に行うので、経時的な投影レンズのフォーカス変動
や露光によって発生する投影レンズのフォーカスシフト
に対し、高い合焦精度が得られる。

【００９５】（Ｂ２）初期の原点出しのときだけパター
ンを焼き付けてフォーカスを確認しさえすれば、その後
は焼き付ける必要がないのでスループットが向上する。

【００９６】（Ｂ３）レチクル上にフォーカス検知用の
特別なマークを必要としない。実プロセスのレチクル上
に１ｍｍ以内のガラス透過部分さえあれば、そこを通し
て基準マーク、ないしはウエハ上マークからの信号を拾
うことは十分可能である。従って、既製のレチクル（オ
ートフォーカス用マークや窓抜き部無し。）に対しても
本方式を用いることができ、高精度の合焦状態が約束さ
れる。

【００９７】（Ｂ４）常にレチクルパターンをウエハ上
に最適フォーカス状態で露光転写できるので、半導体の
不良率が低減し、大幅な生産性の向上を期待できる。等
の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１の要部概略図

【図２】 図１のレチクルの説明図

【図３】 図２のステージ基準マークの説明図

【図４】 本発明の実施形態１の動作のフローチャート

【図５】 本発明の実施形態２の要部概略図

【図６】 本発明の実施形態３の要部概略図

【図７】 本発明のデバイスの製造方法のフローチャー
ト

【図８】 本発明のデバイスの製造方法のフローチャー
ト

【図９】 従来の投影露光装置の要部概略図

【図１０】 図９の一部分の拡大説明図

【図１１】 図９の一部分の拡大説明図

【図１２】 オートフォーカス信号波形の説明図

【図１３】 オートフォーカス信号波形の説明図

【符号の説明】

６ レチクル（原板） ７ レチクルステージ ８ 窓抜き部 ９ 撮影光学系 １０ 投光光学系 １１ ウエハステージ １２ ウエハ（感光基板） １３ 基準平面ミラー １３ａ ステージ基準マーク １４ 検出光学系 ２７ 検出光学系 ３２ オートフォーカス検出系 ３３ 駆動系

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原板上のパターンを投影光学系を介して
   可動のステージ上に載置した感光基板上に繰り返して投
   影露光する際に、該パターンと該感光基板との該投影光
   学系の光軸方向の相対的位置を種々と変化させて投影露
   光し、該感光基板に形成したパターン像の結像状態を検
   出して最適なフォーカス位置を決定する第１工程と、該
   第１工程と略同時刻において該ステージ上に設けたステ
   ージ基準マークを該投影光学系を介して所定面上に形成
   して該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検
   出する第２工程と、該原板上のパターンを該感光基板上
   に繰り返し投影露光する途中で、該第２工程と同様にし
   て該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出
   する第３工程とを含むことを特徴とする投影露光方法。
2. 【請求項２】 原板上のパターンを投影光学系を介して
   可動のステージ上に載置した感光基板上に繰り返して投
   影露光する際に、該パターンと該感光基板との該投影光
   学系の光軸方向の相対的位置を種々と変化させて投影露
   光し、該感光基板に形成したパターン像の結像状態を検
   出して最適なフォーカス位置を決定する第１工程と、該
   第１工程と略同時刻において該ステージ上に設けたステ
   ージ基準マークを該投影光学系を介して所定面上に形成
   して該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検
   出する第２工程と、該第２工程とは異なる時刻におい
   て、該第２工程と同様にして該ステージ基準マークの最
   適なフォーカス位置を検出する第３工程とを含むことを
   特徴とする投影露光方法。
3. 【請求項３】 前記第３工程では該第３工程で検出した
   前記ステージ基準マークの最適なフォーカス位置に基づ
   いて前記第１工程で決定したフォーカス位置を補正して
   いることを特徴とする請求項１又は２の投影露光方法。
4. 【請求項４】 前記第２工程では前記ステージ上に設け
   たステージ基準マークを前記投影光学系を１回だけ通過
   させて所定面上に配置した受光素子面上に結像させ、該
   受光素子からの信号を用いて該ステージ基準マークの最
   適なフォーカス位置を検出していることを特徴とする請
   求項１，２又は３の投影露光方法。
5. 【請求項５】 原板上のパターンを投影光学系を介して
   可動のステージ上に載置した感光基板上に繰り返して投
   影露光する投影露光装置において、該パターンを該感光
   基板上に双方の該投影光学系の光軸方向の相対的位置を
   種々と変化させて投影露光し、該感光基板に形成したパ
   ターン像の結像状態を検出して求めた最適な基板フォー
   カス位置を該ステージ上に設けたステージ基準マークを
   該投影光学系を介して受光素子面上に形成し、該受光素
   子からの信号を用いて該ステージ基準マークの最適なフ
   ォーカス位置を所定の時間間隔で求めた複数のマークフ
   ォーカス位置に基づいて制御手段により補正しているこ
   とを特徴とする投影露光装置。
6. 【請求項６】 請求項１から４のいずれか１項記載の投
   影露光方法を用いてデバイスを製造していることを特徴
   とするデバイスの製造方法。
7. 【請求項７】 請求項５の投影露光装置を用いてデバイ
   スを製造していることを特徴とするデバイスの製造方
   法。