JPH09306819A

JPH09306819A - 露光装置

Info

Publication number: JPH09306819A
Application number: JP8123481A
Authority: JP
Inventors: Toshinobu Morioka; 利伸森岡; Kei Nara; 圭奈良
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-05-17
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 1997-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】重ね精度をなるべく損なわず重ね差を最適に
してパターン露光する。【解決手段】第２層目のパターンＮ₁〜Ｎ₄を露光する
際、露光する基板に伸縮が生じているとき、投影光学系
の倍率をその伸縮量より決められた倍率補正値分だけ補
正する。また、基板ステッピング時のステッピング量
は、倍率補正量に基づいてＸ軸方向とＹ軸方向について
同一量だけ補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は露光装置に関し、特
にマスクに形成されたパターンを投影光学系を介して基
板上に連続的に存在する複数の領域につなぎあわせて順
次転写する露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、大型の液晶ディスプレイ（ＬＣ
Ｄ）を製造する露光装置として、レチクル又はマスク
（以下、マスクという）上に形成されたパターンをフォ
トレジストが塗布されたガラスプレート（以下、基板と
いう）の所定領域に露光した後、基板を一定距離だけス
テッピングさせて再びマスクのパターンを露光すること
を繰り返す、いわゆるステップ・アンド・リピート方式
の露光装置が用いられている。

【０００３】この露光装置には、マスクと基板の正確な
位置合わせを行うため、マスクを投影光学系の光軸に垂
直な面内で移動させるマスクステージ、基板を投影光学
系の光軸に対して垂直な面内で移動させる基板ステー
ジ、マスク上のパターンを所定の倍率で基板に投影する
ために投影光学系の投影倍率を制御する倍率コントロー
ラ等が設けられている。

【０００４】液晶ディスプレイの製造のためには、基板
上に形成されたパターンの上に更に重ねてマスクのパタ
ーンを投影する必要があるが、前層露光後のプロセスに
よって基板が膨脹し、前層露光時にパターンが転写され
た基板上の領域（ショット領域）が拡張することがあ
る。このような場合には、倍率コントローラによって投
影光学系の倍率を調整するとともに、基板ステージのス
テッピング移動量（スケーリング）を変更することによ
って、パターンの重ね合わせ精度を確保するようにして
いる。

【０００５】従来の露光装置は、マスクのパターンを基
板上に連続的に存在する複数の領域につなぎ合わせて順
次転写する際に、第１層のパターンについては隣接領域
間のつなぎあわせ精度を重視し、第２層目以降のパター
ンは前層に対する重ね合わせ精度が重視されており、倍
率補正及びステッピングのスケーリング補正はそれに最
適なものを採用していた。

【０００６】すなわち、第２層目以後の露光では、各層
の露光に先立って基板上に形成されたアライメントマー
クの位置を検出し、この検出結果に基づいて基板の２次
元方向の伸縮率を算出し、投影倍率と基板ステージのス
ケーリングを変更する。具体的には、基板ステージの移
動方向であるＸ軸方向の伸縮率（γ_Xとする）とＹ軸方
向の伸縮率（γ_Yとする）を算出し、基板ステージのス
ケールをＸ軸方向についてはγ_Xだけ変更し、Ｙ軸方向
についてはγ_Yだけ変更する。また、γ_Xとγ_Yの平均値
ｍ〔ｍ＝（γ_X＋γ_Y）／２〕を倍率補正値として設定
し、この倍率補正値に基づいて倍率コントローラが投影
光学系の投影倍率を制御することで重ね合わせ精度を確
保していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図５は、もともとは破
線Ｓで示す領域であったショット領域が、プロセスによ
って基板が膨張することで第２層目以降の露光時に実線
で示される領域Ｓ’まで拡がったときに、前記従来の方
法で第２層目以降のパターン露光を行った様子を示した
ものである。第２層目以降の露光においてＸ軸方向のス
ケールをγ_X、Ｙ軸方向のスケールをγ_Y、投影倍率を
（γ_X＋γ_Y）／２と、それぞれ独立して変更すると、同
図中に斜線部で示されるように、Ｘ軸方向では各ショッ
ト領域をはみ出してパターンが転写され、Ｙ軸方向では
各ショット領域より狭い領域でしかパターンが転写され
ない。そして、Ｙ軸方向に延びる帯状のＬｘ部分では隣
接するパターンが重なり合い、Ｘ軸方向に延びる帯状の
Ｌｙ部分では隣接するパターン間に隙間が生じる。

【０００８】このようにパターンの重ね精度を重視する
と、第１層のつなぎ部、すなわち帯状のＬｘ部及びＬｙ
部においてパターンの重なり具合が変化し、そのパター
ンによって形成される素子の特性がその箇所を境にして
変化する。この素子の特性の変化は僅かなものであって
も、第１層のつなぎ部を跨いで急激に変化するため、人
間の目には非常に目立って観察され、液晶ディスプレイ
上に明暗の線として観察される。最近、このような表示
品質を劣化させる明暗の線を生じさせないために、液晶
ディスプレイの品質向上においては、素子の特性をでき
るだけ均一にして特定の境界線に沿って特性が急変する
ことを回避すること、すなわち第１層目のつなぎ部に対
する重ね差の精度が重ね精度よりも重要であると認識さ
れるに到った。本発明は、このような従来技術の問題点
に鑑みてなされたものであり、重ね精度をなるべく損な
わず重ね差を最適にしてパターン露光することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、マスクに形成
されたパターンを投影光学系を介して基板上に連続的に
存在する複数の領域につなぎ合わせて順次転写する露光
装置において、互いに直交する第１軸と第２軸とで決定
される移動座標系に沿って基板を載置して２次元的に移
動する基板ステージと、基板上に形成されたアライメン
トマークの位置を検出するマーク検出手段と、投影光学
系の倍率を補正する倍率補正手段と、マーク検出手段に
より検出されたアライメントマークの位置情報に基づい
て第１軸方向及び第２軸方向の基板の伸縮量をそれぞれ
算出する演算手段と、演算手段により算出された伸縮量
に基づいて倍率補正手段による倍率補正量を設定する設
定手段と、設定手段により設定される倍率補正量に基づ
いて、基板ステージの移動を規定する移動座標系の第１
軸及び第２軸のスケールをそれぞれ同一量で変更するス
ケール変更手段とを備えることを特徴とするものであ
る。

【００１０】ここで、移動座標系の第１軸及び第２軸の
スケールを変更するということは、例えば基板上の第１
のショット領域から第２のショット領域へのステージの
ステッピング移動量を変更することと等価である。第１
層目のパターンは、ステージ座標系と合致するようにマ
スク補正（マスクシフト、マスクローテーション）及び
投影光学系の倍率補正をして露光する。次に、プロセス
を経て伸縮した第１層目を露光した基板のＸ軸方向及び
Ｙ軸方向のスケーリングを計測する。第２層目のパター
ンを露光する際には、露光する基板に伸縮が生じていな
ければ、第１層目と同様ステージ座標系と合致するよう
にするマスク補正（マスクシフト、マスクローテーショ
ン）して露光する。露光する基板に伸縮が生じている場
合、投影光学系の倍率をその伸縮量より決められた倍率
補正値分だけ補正する。また、ステッピング時のＸ軸方
向、Ｙ軸方向へのステッピング量は、倍率補正値の補正
分と同じ値を用いて補正する。

【００１１】本発明によると、各層のパターン形成にお
いて、基板の伸縮を考慮して各層で投影倍率補正分だけ
等方的に拡大もしくは縮小したパターン配置で露光す
る。したがって、各層においてつなぎ合わされるパター
ンはつなぎ部で完全につながるため、重ね差は原理的に
生じない。また、重ね精度はＸ軸方向とＹ軸方向の伸縮
差内で合わせることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明による露光装置の
一例を示す概略図である。この露光装置は、投影光学系
１１、投影光学系の上方に配置されたマスクステージ１
２及び投影光学系の下方に配置された基板ステージ１５
を備え、マスクステージ１２には裏面に転写パターンが
形成されたマスク１３が保持され、基板ステージ１５に
は表面にフォトレジストが塗布されたガラスプレート等
の基板１６が保持される。基板１６の表面は投影光学系
１１に関してマスク１３のパターン面と共役になってお
り、図示しない照明系からの露光光で照明されたマスク
のパターンは投影光学系系１１によって基板１６の表面
に結像される。

【００１３】基板ステージ１５は、投影光学系１１の光
軸ＡＸ方向をＺ軸として、Ｚ軸に直交するＸ軸とＹ軸と
で決定される移動座標系に沿って移動可能になってい
る。移動座標系内での基板ステージ１５の位置は図示し
ないレーザ干渉計によって常時計測されており、基板ス
テージコントローラ２５はこのレーザ干渉計の計測値に
基づいて基板ステージ１５を駆動制御する。また、マス
クステージ１２は、Ｚ軸に直交する面内を２次元方向に
移動可能であるとともにその面内で回転可能に構成され
ており、マスクステージコントローラ２２の制御下に２
次元方向及び回転方向（θ方向）に駆動される。

【００１４】投影光学系１１は、倍率コントローラ２３
によって制御される倍率調整機構によって倍率を調整す
ることができる。倍率調整機構としては、例えば特開昭
６０−７８４５４号公報に記載されているように、投影
光学系１１のレンズエレメント間に封入されている気体
の圧力を変えてその空間の屈折率を変えることで投影倍
率を変化させる機構、あるいは投影光学系１１を構成す
る特定のレンズエレメントを光軸方向に移動させること
で投影倍率を変化させる機構等を用いることができる。

【００１５】基板ステージ１５上には、基板１６の表面
と同じ高さに、マスク１３に形成されたマスクアライメ
ントマークを計測するためのマスクアライメント系を較
正する基準マーク３０が設けられている。基準マーク３
０には光源が組み込まれている。マスクステージ１２へ
のマスク１３の搭載時には、基板ステージコントローラ
２５では、図２に示すように、基準マーク３０からの光
線が投影光学系１１を介してマスク１３上に形成された
マスクアライメントマークを走査するように基板ステー
ジの移動を制御する。このとき、アライメントセンサ３
２で受光する透過光量と基板ステージの位置を計測する
レーザ干渉計の出力に基づいて、基板ステージ１５の移
動座標系におけるマスクアライメントマークの位置がわ
かるようになっており、これに基づいてマスクステージ
コントローラ２２では、マスクステージ１２をＸ，Ｙ，
θ方向に駆動してマスク１３のアライメントを行う。

【００１６】投影光学系１１の近傍には、投影光学系１
１の光軸ＡＸに対して所定の関係で基板アライメント系
を構成するオフ・アクシスのアライメント顕微鏡１８が
配置されている。アライメント顕微鏡１８は、基板ステ
ージ１５上に載置された基板１６上に形成されたアライ
メントマークを計測する。アライメントコントローラ２
４は、アライメント顕微鏡１８の出力を用いて、投影光
学系１１の露光フィールドと基板１６の露光すべき領域
とを一致させるために必要な基板ステージ１５の移動量
を計算する。また、後述のように、基板１６上に形成さ
れた複数のアライメントマークを計測することで、基板
１６の伸縮量等を算出し、さらにその伸縮量に基づいて
投影光学系の倍率補正値及び移動座標系のスケール補正
値を算出する。

【００１７】基準マーク３０には、マスクアライメント
系を較正するためのマークだけでなく、基板アライメン
ト系を較正するためのマークも設けられている。このた
め、基準マーク３０に設けられている基板アライメント
系用のマークをアライメント顕微鏡１８で計測すれば、
基準マーク３０上のマスクアライメント系用のマークと
基板アライメント系用のマークの設計位置差でマスクと
アライメント顕微鏡１８の関係が分かる。したがって、
マスク１３と基板１６の位置関係も分かる。

【００１８】レーザ干渉計やアライメントコントローラ
２４からの出力は、マイクロコンピュータ又はミニコン
ピュータからなる主制御部２１に入力され、マスクステ
ージコントローラ２２、倍率コントローラ２３及び基板
ステージコントローラ２５は、主制御部２１からの制御
信号に基づいて露光装置の各部を制御する。

【００１９】次に、本発明による露光装置を用いた露光
の手順について説明する。まず、第１層目の露光につい
て説明する。前述のようにしてマスク１３のアライメン
トが行われた後、基板ステージ１５上に基板１６が載置
されると、主制御部２１によって基板ステージコントロ
ーラ２２等が制御され、ステップ・アンド・リピート動
作により基板ステージ１５のステッピングと露光が繰り
返され、１層目のマスクパターンの転写が行われる。こ
れにより、例えば図３（ａ）に示されるように、基板１
６上の所定の領域に複数（ここでは４つ）のショット領
域Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃，Ｓ₄が形成される。この場合、隣接す
るショット領域には連続したパターンが存在する。ま
た、この第１層目の露光の際に、基板１６上にはアライ
メントマーク、例えばＸ軸方向の位置決め用のアライメ
ントマークＭ_X1，Ｍ_X2，Ｍ_X3，Ｍ_X4とＹ軸方向の位置決
め用のアライメントマークＭ_Y1，Ｍ_Y2，Ｍ_Y3，Ｍ_Y4が形
成される。

【００２０】この第１層目の露光の後、現像、エッチン
グその他のプロセス処理が行われ、このプロセスによ
り、図３（ｂ）に示されるように、基板１６が膨張して
破線で示されるショット領域Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃，Ｓ₄が実線
で示されるショット領域Ｓ₁'，Ｓ₂'，Ｓ₃'，Ｓ₄'のよう
に拡大したものとする。

【００２１】次に、第２層目の露光について説明する。
まず、基板１６が保持されている基板ステージ１５を、
アライメント顕微鏡１８とレーザ干渉計の出力をモニタ
しつつ基板ステージコントローラ２５の制御下にＸ，Ｙ
軸方向に駆動することで、基板１６上に形成されている
Ｘ軸方向の位置決め用のアライメントマークＭ_X1，
Ｍ_X2，Ｍ_X3，Ｍ_X4及びＹ軸方向の位置決め用のアライメ
ントマークＭ_Y1，Ｍ_Y2，Ｍ_Y3，Ｍ_Y4の位置を計測する。

【００２２】次に、アライメントマークの計測値に基づ
いて、各補正パラメータを算出する。算出方法としては
最小２乗法が用いられる。すなわち、基板１６の伸縮及
びアライメント誤差等によってアライメントマークの位
置に誤差が生じたとして、アライメントマークＭ_Xj，Ｍ
_Yj（ｊ＝１，２，３，４）の設計上の配列座標（Ｘ_j,Ｙ
_j）と、位置合わせすべき実際の配列座標すなわち補正
パラメータによって補正されたアライメントマーク位置
（Ｘ_j',Ｙ_j'）（ｊ＝１，２，３，４）とを、次の〔数
１〕で対応させることにより、各種補正パラメータを算
出する。

【００２３】

【数１】Ｘ_j'＝（１＋γ_X×１０^-6）Ｘ_j−（θ＋ω）×
１０^-6Ｙ_j＋ε_X Ｙ_j'＝θ×１０^-6Ｘ_j＋（１＋γ_Y×１０^-6）Ｙ_j＋ε_Y ここで、各補正パラメータは、次の通りである。基板伸縮：γ_X（Ｘ軸方向）、γ_Y（Ｙ軸方向）［ｐｐ
ｍ］基板ローテーション：θ［μｒａｄ］直交度：ω［μｒａｄ］基板シフト：ε_X（Ｘ軸方向）、ε_Y（Ｙ軸方向）［μ
ｍ］

【００２４】各補正パラメータは、次の〔数２〕で表さ
れる、上記〔数１〕に基づいて変換された実際の配列座
標と計測値との差の２乗和Ｓが最小になるように決定さ
れる。

【００２５】

【数２】

【００２６】Ｘ_j"：Ｘ軸方向のアライメントマークの計
測位置Ｙ_j"：Ｙ軸方向のアライメントマークの計測位置Ｘ_j'：〔数１〕により変換されたＸ軸方向のアライメン
トマークの計測位置Ｙ_j'：〔数１〕により変換されたＹ軸方向のアライメン
トマークの計測位置次に、倍率補正値ｍ［ｐｐｍ］及びスケーリング補正値
を決定する。本発明では、γ_Xとγ_Yの間の値を用いて倍
率補正を行い、基板ステージ移動座標系のＸ軸及びＹ軸
のスケールを倍率補正値と同じ値を用いて補正する。例
えば、倍率補正値ｍ［ｐｐｍ］としてγ_Xとγ_Yとの平均
値を用いたとすると、基板ステージ移動座標系のＸ軸の
スケール補正値Γ_X及びＹ軸のスケール補正値Γ_Yは次の
〔数３〕のように設定される。

【００２７】

【数３】ｍ＝（γ_X＋γ_Y）／２ Γ_X＝Γ_Y＝ｍ第２層目の露光に先立ち、露光装置の倍率コントローラ
２３は、〔数３〕で定められた倍率補正値ｍに従って投
影光学系１１の倍率を調整する。また、マスクコントロ
ーラ２２は、基板ローテーションθを相殺するようにマ
スク１３をθだけ回転させる。基板ステージコントロー
ラ２５は、移動座標系のＸ軸及びＹ軸のスケールを各々
（１＋ｍ×１０^-6）倍し、基板シフトε_X，ε_Yをオフセ
ットとして基板１６をＸ軸及びＹ軸に沿って移動させる図４は、露光後のプロセスによって拡大されたショット
領域Ｓ₁'，Ｓ₂'，Ｓ₃'，Ｓ₄'に重ねて第２層のパターン
Ｎ₁，Ｎ₂，Ｎ₃，Ｎ₄を露光した状態を示す。これはステ
ージ座標系で設計位置に従って露光した像を（１＋ｍ×
１０^-6）倍拡大したものに等しい。

【００２８】次の表１は、本発明に従う図４と従来の方
法に従う図５において、図中に示した４つの点Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄにおける重ね精度及び重ね差精度を比較して示し
たものである。Ａ点及びＣ点に関する重ねは、各点の左
側のショットのものであり、重ね差は各点の左側のショ
ットの重ねずれを基準としてみた右側のショットの重ね
ずれ量である。すなわち、重ね差はそれぞれの重ねずれ
の差で評価する。例えば、左側のショットのＡ点上の重
ねが０．１μｍ、右側のショットのＡ点上の重ねが０．
２μｍの場合、重ね差は０．１μｍとなる。また、Ｂ点
及びＤ点の重ねは、各点の上側のショットのものであ
り、重ね差は各点の下側のショットの重ねずれを基準と
してみた上側のショットの重ねずれ量である。表１か
ら、本発明によると重ね差をゼロにできることが分か
る。

【００２９】

【表１】

【００３０】下記の表２は、ｌ＝８０ｍｍ、γ_X＝５ｐ
ｐｍ、γ_Y＝１０ｐｐｍのときの前記Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点
の重ね精度及び重ね差精度を数値で比較したものであ
る。単位はμｍである。表２中の数値は、例えばＡ点で
の重ね差精度は、従来の方法によるとＸ軸方向が０.２
μｍ、Ｙ軸方向が０であるのに対し、本発明によるとＸ
軸方向、Ｙ軸方向ともに０であることを示している。

【００３１】

【表２】

【００３２】なお、一方向における重ね精度を向上した
い時には、その方向の基板伸縮量によって投影倍率及び
Ｘ軸及びＹ軸のスケールを補正すればよい。例えば、Ｘ
軸方向の重ね精度を向上させたい時には、ｍ＝Γ_X＝Γ_Y
＝γ_Xとすればよい。この時、Ｙ軸方向の重ね精度は悪
くなるが重ね差は影響を受けない。このような場合、重
ね精度を重視する方向が予めわかっていれば、その方向
についてのみ基板の伸縮量の計測を行えばよい。残りの
方向については、基準位置のアライメントマークが１つ
もしくは２つ、通常は置かれた基板のステージ座標系に
対する傾きを検出する必要もあるので２つあれば原点は
決められる。ただし、スケーリングによって原点の位置
の判断は、正しくないかもしれないが、原点位置がずれ
ても全体がシフトするだけなので、重ね差の精度は悪く
ならない。

【００３３】また、各マスクにおいてあらかじめステー
ジ座標系に合うような補正量（マスクシフト、マスクロ
ーテーション、倍率）を求めておけば、各層における伸
縮のみを倍率及びステッピングのスケーリングにフィー
ドバックすればよいので、露光実行時に容易に適用でき
る。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、第２層目露光の倍率及
びステッピングのスケーリング補正を第１層目の伸縮量
より求めているため、重ね精度がよく、重ね差について
は理想的にはゼロとなる。このため、高品位の液晶ディ
スプレイを製作することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による露光装置の構成を示す模式図。

【図２】マスクアライメントマークの計測方法を説明す
る図。

【図３】基板の膨張によるショット領域の拡大を説明す
る図。

【図４】本発明によって重ね露光された状態を示す図。

【図５】従来の方法で重ね露光された状態を示す図。

【符号の説明】

１１…投影光学系、１２…マスクステージ、１３…マス
ク、１５…基板ステージ、１６…基板、１８…アライメ
ント顕微鏡、２１…主制御系、２２…マスクステージコ
ントローラ、２３…倍率コントローラ、２４…アライメ
ントコントローラ、２５…基板ステージコントローラ、
３０…基準マーク、３２…アライメントセンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクに形成されたパターンを投影光学
系を介して基板上に連続的に存在する複数の領域につな
ぎ合わせて順次転写する露光装置において、互いに直交する第１軸と第２軸とで決定される移動座標
系に沿って前記基板を載置して２次元的に移動する基板
ステージと、前記基板上に形成されたアライメントマー
クの位置を検出するマーク検出手段と、前記投影光学系
の倍率を補正する倍率補正手段と、前記マーク検出手段
により検出されたアライメントマークの位置情報に基づ
いて前記第１軸方向及び第２軸方向の前記基板の伸縮量
をそれぞれ算出する演算手段と、前記演算手段により算
出された伸縮量に基づいて前記倍率補正手段による倍率
補正量を設定する設定手段と、前記設定手段により設定
される倍率補正量に基づいて、前記基板ステージの移動
を規定する前記移動座標系の第１軸及び第２軸のスケー
ルをそれぞれ同一量で変更するスケール変更手段とを備
えることを特徴とする露光装置。