JPH09320924A

JPH09320924A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH09320924A
Application number: JP8131509A
Authority: JP
Inventors: Atsuyuki Aoki; 淳行青木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-05-27
Filing date: 1996-05-27
Publication date: 1997-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】露光中でもレチクル像を観察することが可能
な投影露光装置を提供することを課題とする。【解決手段】投影光学系１２の結像特性あるいはレチ
クル１１の位置を測定する測定光学系１３が設けられ、
測定光学系が投影光学系の最終像側結像面より物面側の
所定位置、例えばワーキングディスタンス内に配置され
る。このような構成では、露光前はもちろん露光中であ
っても、投影光学系を通ったあとのレチクルの像を観測
することができ、投影光学系のディストーション、倍率
変動、レチクル位置、レチクル位置センサの位置ドリフ
ト等などを測定することができる結果、これらの誤差を
算出して補正することが可能になる。従って、レチクル
像の精度が向上し、正確なアライメントが可能になるの
で、良質な製品を生産できることになる。また、従来必
要であった露光光の照射とレンズ倍率の調整も不要にな
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、投影露光装置、更
に詳細には、レチクル（原画）上のパターンをＸＹ方向
に移動可能なステージ上に載置された基板上に投影する
投影光学系を備えた半導体または液晶デバイスの製造に
用いられる投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の投影露光装置を用いて半導体チ
ップあるいは液晶デバイス等の回路装置を製造する場
合、原画であるレチクル（マスクと同義）を投影レンズ
を介してレジスト塗布の基板の所定位置に正確に露光す
る必要性がある。基板はレーザ干渉計でその位置が正確
に測定できるＸＹステージに載置されるので、各要素の
位置に関しての管理は、全てこのＸＹステージの位置を
基準にして、各種のアライメント（位置合わせ）が行な
われる。

【０００３】そのために、従来では、まず露光を行う前
に、ＸＹステージ上に取り付けられた基準マークを用い
て各種センサあるいはマークの位置検出を行う、いわゆ
るベースライン計測と呼ばれる位置計測が行われる。こ
のベースライン計測では、まず、光源により照明される
レチクル上のマークの投影レンズを介したマーク像と、
ＸＹステージ上の基準マークの位置合わせを行ない、Ｘ
Ｙステージ上の基準マークによってレチクル上のマーク
位置を測定することでレチクル位置測定センサの位置が
測定される。

【０００４】一方、ＸＹステージを介し基板アライメン
トを行うセンサの位置が測定される。このように、レチ
クル用センサと基板のアライメントセンサ両者の位置を
ＸＹステージを介して測定することによりレチクルと基
板の位置関係が把握できる。

【０００５】このように各センサの位置の計測が終了し
た時点で基板がアライメントされる。すでに基板アライ
メント用のセンサ位置とレチクルの位置関係は把握でき
ているので、基板上のアライメントマーク位置を測定す
れば直ちに基板上の所定の露光位置が算出できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この従来の方法では、
レチクル像の位置を露光前のべースライン計測動作中に
測定しているが、露光中のレチクル像は観測することが
できない。というのは、露光中のＸＹステージ位置は、
レチクル位置を測定するために必要な位置的条件、すな
わち基準マークを検出できる位置にあるとはかぎらない
からである。従って、従来の技術では露光中に投影光学
系を通ったレチクル像を検知することができず、実際の
露光時のレチクル像に基づいて直接レチクル位置あるい
は投影光学系の倍率等を制御することができなかった。

【０００７】しかしこのような方法では、実際の露光中
の投影レンズのディストーション、倍率変動、レチクル
位置、レチクル位置センサの位置ドリフト等などが測定
できないため、もし露光中にレチクル像がこれらの原因
で変化しても、これを検知することができず、意図する
露光パターンが得られず、生産する製品が不良となる場
合がある。通常、基準マークを用いたセンサ位置の計測
は数枚の基板を露光するときの最初に行われ、以降、こ
の結果をもとに順次基板の露光を行うため、途中の時点
でレチクル像が変化したとしても、もはやこれを検知す
る手段がないため、次々に不良基板が生産されてしまう
結果になる。

【０００８】たとえば、各基板の露光が終了した時点で
直ちにセンサ位置測定を再度おこなうようにすれば、こ
のような不良露光を一応は防止することができる。しか
しながらべースライン計測には相当の時間を要するた
め、各基板ごとにこれを測定することは装置の生産性を
大きく低下させることになり非現実的である。仮にこの
ようなシーケンスを実現できたとしても、露光中のレチ
クル像のずれないし変化は、依然として観測不可能であ
る。

【０００９】従って、本発明はこのような問題点を解決
するもので、露光中でもレチクル像を観察することが可
能な投影露光装置を提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、この課
題は、レチクル上のパターンをステージ上に載置された
基板上に投影する投影光学系と、前記投影光学系の結像
特性あるいはレチクルの位置を測定する測定光学系とを
備え、前記測定光学系が投影光学系の最終像側結像面よ
り物面側の所定位置に配置されることを特徴とする投影
露光装置によって解決される。

【００１１】本発明では、投影光学系の結像特性、レチ
クルの位置を測定する測定光学系が投影光学系の最終像
側結像面より物面側の所定位置、例えばワーキングディ
スタンス内に配置されるので、露光前はもちろん露光中
であっても、投影光学系を通ったあとのレチクルの像を
観測することができ、投影光学系のディストーション、
倍率変動、レチクル位置、レチクル位置センサの位置ド
リフト等を測定することができる結果、これらの誤差を
算出して補正することが可能になる。従って、レチクル
像の精度が向上し、正確なアライメントが可能になるの
で、良質な製品を生産できることになる。また、従来必
要であった露光光の照射とレンズ倍率の調整も不要にな
る。

【００１２】また、本発明の投影露光装置は、レチクル
上のパターンをステージ上に載置された基板上に投影す
る投影光学系と、前記投影光学系の最終像側結像面より
物面側の所定位置に配置されて、投影光学系の結像特性
あるいはレチクルの位置を測定する測定光学系と、前記
測定光学系により投影光学系の結像特性の変化が測定さ
れたとき投影光学系に対して倍率制御を行なう手段と、
前記測定光学系によりレチクルの位置の変化が測定され
たときレチクル位置制御を行なう手段とを備えたことも
特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面に示す実施の形態に基
づき本発明を詳細に説明する。

【００１４】図１には、例えば半導体あるいは液晶デバ
イスを製造するのに用いられる投影露光装置が図示され
ている。同図において、符号１０で示すものは、レチク
ル位置測定部であり、光源１０ａからでた光束はコンデ
ンサレンズ１０ｂ、ハーフミラー１０ｃ、リレーレンズ
１０ｄを介してレチクル（マスクと同義）１１上に導か
れ、図２に図示されたような露光パターン１１ｃおよび
露光有効領域１１ｄを有するレチクル１１上に設けられ
たマーク１１ａ（１１ｂ）を照明する。レチクルマーク
で反射された光はリレーレンズ１０ｄ、ハーフミラー１
０ｃを通過してレチクル位置測定センサ１０ｅにより受
像される。

【００１５】図２に図示したように、マーク１１ｂが設
けられる場合には、これに対応してレチクル位置測定部
１０と同様なレチクル位置測定部がもう一つ設けられ
る。

【００１６】また、照明されたレチクルマークは、投影
光学系１２を通過してレチクル像位置測定部１３のハー
フミラー１３ａ、シャッタ１３ｂを介してＸＹステージ
１５上に取り付けられた基準マーク１４に投影され、Ｘ
Ｙステージ１５に取り付けられたレチクル像位置測定セ
ンサ１６により受像される。

【００１７】投影光学系１２は、不図示の照明光学系で
均一に照明されるレチクル１１上のパターン１１ｃをＸ
Ｙステージ１５上に載置された基板１７に投影し、その
パターンを基板上に露光する。基板１７上の一つのショ
ット領域に対するレチクル１１のパターン露光が終了す
ると、基板１７はＸＹステージ１５により次のショット
位置までステッピングされ、順次露光が行なわれてい
く。

【００１８】レチクル像位置測定部１３は、ハーフミラ
ー１３ａ、シャッタ１３ｂ、視野絞り１３ｃ、ミラー１
３ｄ、リレーレンズ１３ｅ、空間フィルタ１３ｆおよび
レチクル像位置測定センサ１３ｇから構成されており、
ハーフミラー１３ａを通過したレチクル像の光線は、上
述したようにシャッタ１３ｂを介して基準マーク１４に
投影され、一方、ハーフミラー１３ａで反射された光束
は、水平方向になり、視野絞り１３ｃを通過してミラー
１３ｄで垂直方向に偏向された後、リレーレンズ１３
ｅ、空間フィルタ１３ｆを介してレチクル像位置測定セ
ンサ１３ｇにより受像される。

【００１９】図１において、レチクル位置測定センサ１
０ｅは、レチクル位置測定装置２０として、レチクル像
位置測定センサ１３ｇは、レチクル像測定装置２４とし
て、またレチクル像位置測定センサ１６は、レチクル像
測定装置２６としてそれぞれブロックとしても図示され
ている。ホストコンピュータ２１は、レチクル位置測定
装置２０、レチクル像位置測定装置２４、２６等の測定
結果に従って、レチクル位置制御装置２２、倍率制御装
置２３、基板位置制御装置２５を駆動し、レチクル位
置、投影光学系１２の倍率、基板位置をそれぞれ制御す
る。またホストコンピュータ２１は、ステージ位置制御
装置を介してＸＹステージ１５をＸＹ制御する。

【００２０】また、図１では、基板１７のアライメント
を行なうセンサは複雑さを避けるために図示されていな
いが、この基板アライメント用のセンサの位置がセンサ
１６を介して測定される。図４には、独立したオフアク
シス方式の基板アライメント光学系３０が図示されてお
り、ＸＹステージ１５が基板アライメント光学系に移動
し、そのセンサ３０ａの位置が測定される状態が図示さ
れている。この測定は、例えば、光源３０ｂにより照明
されたマーク（不図示）を基準マーク１４上に投影しセ
ンサ１６で両マークの一致をみることにより行なわれ
る。

【００２１】次に、このような構成の投影露光装置にお
いて従来から行なわれていたベースライン計測について
図５を参照しながら説明する。この場合、レチクル１１
上のマークおよびレチクル位置測定センサの配置は、図
２のようにＸＹ両軸測定可能なものを２個配置するもの
とする。

【００２２】まず、ステップＳ１において、レチクル位
置測定センサ１０ｅを用いレチクルを位置合わせする。
これは、レチクルマークをセンサ１０ｅで検出できるま
で、レチクル位置制御装置２２でレチクルの位置を制御
することにより行なわれる。続いて、ステップＳ２で倍
率制御装置２３を用いて投影光学系１２の倍率を設定
し、ステップＳ３でレチクル像位置測定センサ１６によ
りレチクル像を検出する。検出されたレチクル像の位
置、倍率、回転が所定の許容値内にあるか否かがステッ
プＳ４で判断され、ない場合にはステップＳ５におい
て、レチクル位置制御装置２２、倍率制御装置２３を介
してレチクル位置、回転並びに投影レンズの倍率を補正
し、ステップＳ１に戻る。

【００２３】一方、ステップＳ４で許容値内にある、と
判断された場合には、ステップＳ６において、基板アラ
イメントセンサ３０ａの位置を測定する。なお、ステツ
プＳ４で検出される許容値以下の誤差はホストコンピユ
ータで記憶され、以後の露光時の補正値に加算される。
その後、ＸＹステージ１５に基板１７が載置される（ス
テップＳ７）。すでに基板アライメント用のセンサ位置
とレチクルの位置関係が把握されているので、ステップ
Ｓ８において基板上のアライメントマーク位置が測定さ
れると、基板の露光位置を算出することができ（ステッ
プＳ９）、ステップＳ１０において基板上にレチクルパ
ターンを露光することが可能になる。この基板に対する
露光は、ステップＳ１１において、全ての基板が露光さ
れたことが判断されるまで、継続される。

【００２４】このような方法では、露光が開始され、基
板を露光していく段階でレチクル像を観測することは不
可能であるが、図１においてレチクル像位置測定部１３
を投影光学系１２の最終像側結像面より物面側のワーキ
ングディスタンス内に配置することによりレチクル投影
像が常時観測可能となる。このようなレチクル像位置測
定部を用いたべースライン計測から露光に至るまでのシ
ーケンスが図６に図示されている。

【００２５】まず、ステップＴ１において、ステップＳ
１と同様に、センサ１０ｅを用いてレチクルを位置合わ
せする。続いてステップＴ２において倍率制御装置２３
を使用し投影光学系の倍率を設定する。その後のステッ
プＴ３において、レチクルマーク像の位置をレチクル像
位置測定センサ１６および１３ｇで測定する。すなわ
ち、両センサ１６、１３ｇで、同時に同一のレチクルマ
ークの位置計測を行なう。

【００２６】ステップＴ４で、基板アライメントセンサ
の位置が測定された後、ステップＴ５〜Ｔ９において、
ステップＳ７〜Ｓ１１と同様な処理が行なわれ、各基板
に順次露光が行なわれていく。

【００２７】一方、この処理と並行してステップＴ１０
〜Ｔ１２においてセンサ１３ｇを介してレチクル像の観
察が行なわれる。これらのステップでは、終始センサ１
３ｇがレチクルマーク位置を測定するが、センサ１６、
１３ｇの出力は同義で扱えるため、センサ１３ｇによる
測定結果はステージ座標と見なすことができる。

【００２８】具体的には、ステップＴ１０において、以
下に詳細に示すように、センサ１３を用いてレチクル像
を検出し、レチクル像の位置、倍率、回転を算出する。
これらの量がステップＴ１１で許容範囲にはいるまで、
ステップＴ１２においてレチクル位置、回転およびレン
ズ倍率が補正される。

【００２９】すなわち、ステップＴ１２では、センサ１
３ｇによるレチクル像の計測結果が、レチクル像測定装
置２４からステージ位置制御装置２７、レチクル位置制
御装置２２、および倍率制御装置２３へ反映され、レチ
クルのＸＹ位置と倍率と回転に関しいわゆるフィードバ
ック制御を行うことが可能となる。ＸＹ位置の補正はレ
チクルの回転とともにレチクル位置制御装置２２で補正
してもよいし、ステージ位置制御装置２７で補正しても
よい。

【００３０】なお、露光時ではシヤツタ１３ｂを閉じて
アライメント光がステージ面に照射するのを防止するこ
とが好ましい。

【００３１】上述した補正シーケンス（ステップＴ１０
〜Ｔ１２）は、露光シーケンス（ステップＴ５〜Ｔ９）
と並行なシーケンスとして動作されるので、露光シーケ
ンスに時間的な影響を与えることが無く効率を上げるこ
とができる。すなわち、一般に図１に示した各センサあ
るいは制御装置は、それぞれがＣＰＵをもったいわゆる
ファームウエアで構成され、それらをミニコンあるいは
パソコンなどのホストコンピュータで制御することが多
い。そのような場合、上記の補正をファームウエア同士
のインターフェースで行う方が生産性を考えた場合有利
である。もちろんホストコンピュータが各補正を行うこ
とも可能ではあるが肝心の露光処理で時間的不利がない
よう考慮する必要性がある。

【００３２】以下に、ステップＴ１０で行なわれるレチ
クル像の位置誤差、倍率、回転を算出する方法の一例を
以下に示す。センサの座標を（Ｘｉ、Ｙｉ）、レチクル
マーク像の位置誤差を（ｘｉ、ｙｉ）とすれば、これら
レチクル像のパラメータは、

【００３３】

【数１】

【００３４】として求められる。

【００３５】ただしξ、ηはｘｙ位置、γは倍率、θは
回転をあらわす。ＸＹはセンサの位置である。またｖと
ｗはｘｙそれぞれに掛かるウエイトであり、通常は両方
とも１として使用する。特に基板の特性上ｘまたはｙの
片側の要求精度がより高い場合は、ｘまたはｙの他方向
より大きな値とすればさらに重要な方向の品質を向上で
きる。ｘ、ｙ、Ｘ、Ｙ、ｗ、ｖは個々のセンサごとに添
え字（サフィックス）が付いているが上式では省略され
ている。

【００３６】これらの結果からそれぞれξ、ηに関して
は露光座標に補正を加える、またはレチクル位置を微少
変動させることで、またγに関しては投影光学系の倍率
を変化させることで、θに関してはレチクルの回転を行
うことで補正可能となる。なお、補正の際はξ、η、
γ、θともに符号を逆転し作用させることは言うまでも
ない。

【００３７】レチクル位置や回転の方法としては、例え
ばレチクルアライメントのためのＰＳＤ（位相検波によ
る位置測定方式）指示値を変え、レチクルを保持するレ
チクルテーブル部に対しサーボ制御をさせるなどが考え
られる。

【００３８】また投影光学系に対しての倍率制御方法と
しては、投影レンズ内部の適当なレンズ間の内圧を変化
させる、あるいは適当なレンズ間の距離を変化させるな
どの方法で実施可能である。

【００３９】投影レンズに対して露光光を照射するとレ
ンズ倍率が徐々に変化していく。従来では、露光中にレ
ンズ倍率の変化が測定できないため、装置の調整段階で
レンズ個体ごとに照射量と倍率変化を綿密に計測し、露
光時にはこの挙動を考慮にいれて倍率制御を行う必要が
あった。この作業はレンズの特性の経時変化を測定する
ため調整にかなりの時間を必要とし、結果として装置調
整の手間、時間を必要としていた。本発明を適用するこ
とによって従来で必要であったセンサ類を省略すること
が可能となり、装置コストの面からも有利となった。

【００４０】また、従来では、露光中の倍率は予測制御
で行なわれていたため、制御装置に何らかの障害が発生
してもこれを検知する手段がなく、いたずらに不良品を
生産するという欠点があったが、本発明では、障害があ
った場合でも直ちにこれを検知でき、そのような場合、
シーケンスをエラー停止することによって不要な不良品
の生産を最小限に留めることが可能となった。

【００４１】なお、図１ではレチクル位置測定部１０を
送光系とし、一方レチクル像位置測定部１３、レチクル
像位置測定センサ１６を受光系としているが、逆にレチ
クル像位置測定部１３、レチクル像位置測定センサ１６
を送光系として、レチクル位置測定部１０を受光系とし
て使用することも可能である。この場合には、照明光源
が２つとなるので、使用しない照明はシヤツタ１３ｂあ
るいはレチクル像位置測定センサ１６に内蔵のシヤツタ
を閉じておくことが必要となる。

【００４２】また、図２のレチクルのレイアウト例では
ＸＹ２軸有効なセンサを２本設置することで、レチクル
像の４つのパラメータを算出しているが、設置が可能で
あればより多くのセンサを配することも有効である。例
えば図３のようにレチクルマーク１１ａ’、１１ｂ’を
追加し、これに対応して４本のＸＹ軸有効なセンサを配
置することができる。図２の例では、レチクル像の４つ
のパラメータであるＸ方向位置誤差、Ｙ方向位置誤差、
倍率、回転を求めることができ、図３の例では、これら
の４つのパラメータだけでなく、他の誤差要素、すなわ
ち直交性、ＸＹ個別の倍率などを求めることが可能とな
る。

【００４３】なお、レチクル位置測定部１０とレチクル
像位置測定部１３は１対１で対応している必要性はな
く、それぞれの配置は自由でありレチクル上の異なった
マークをそれぞれで検出する様な配置でも構わない。例
えば、レチクル位置測定部１０は単純にレチクルのアラ
イメントのためにだけ使用し、レチクル像位置測定部１
３は別のレチクル上マークを観測するようにしてもよ
い。この場合、レチクル像位置測定部１３およびレチク
ル像位置測定センサ１６に対する照明光は露光のための
レチクル上方からの露光光を利用すればよい。前述のレ
チクル像位置測定部１３およびレチクル像位置測定セン
サ１６を送光系とする様な逆照明のレイアウトを採用す
る場合、レチクル位置測定部１０のセンサの代わりにレ
チクル上方にセンサを設ければよい。

【００４４】また、上述した各センサの検出方法は、例
えば、光電顕微鏡、レーザ回折、画像処理などの種々の
方式が考えられる。照明光は投影光学系で色収差を生じ
ない波長を使用するのが好ましいが、もちろん波長の異
なる光線を使用してもレチクル位置や倍率の傾向を知る
ことが可能であり有効である。

【００４５】更に、図１では簡単のため、１個のレチク
ル像位置測定部１３が配置されているが、勿論複数設け
るようにしてもよい。

【００４６】なお、本使用例は投影レンズを伴った投影
光学系で説明したが、ミラーを利用した投影光学系を用
いた露光装置でも利用可能であり、この場合、投影光学
系の結像面とこれよりレチクル側に配置された最終光学
部品との間がワーキングディスタンスとなる。

【００４７】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明では、投
影光学系の結像特性あるいはレチクルの位置を測定する
測定光学系が投影光学系の最終像側結像面より物面側の
所定位置に配置されるので、露光前、露光中を問わず投
影光学系を通過し、まさに露光に使用されるレチクル像
の位置、回転、倍率が測定でき、より精度の高い露光が
可能となり、生産される品質の向上、不良率の改善を実
現できる。

【００４８】また、従来では、露光中の投影光学系のレ
ンズ倍率の挙動が測定できなかったために、装置調整の
段階で、露光光の照射量とレンズの倍率変化のデータを
レンズ個体ごとに測定することが必要であったが、本発
明では、常にレンズの倍率が測定可能となり、調整作業
が大幅に少なくなり、加えて装置を長期使用する際に定
期的にレンズ倍率を測定することも必要なくなる結果、
装置保守の工数が大幅に削減できる、という優れた効果
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構成を示した構成図で
ある。

【図２】センサを２個配置する場合のレチクルの説明図
である。

【図３】センサを４個配置する場合のレチクルの説明図
である。

【図４】基板アライメントセンサとその位置計測を示す
説明図である。

【図５】従来でのベースライン計測並びに露光シーケン
スを示すフローチャート図である。

【図６】本発明でのベースライン計測並びに露光シーケ
ンスを示すフローチャート図である。

【符号の説明】

１０レチクル位置測定部１０ｅレチクル位置測定センサ１１レチクル１２投影光学系１３レチクル像位置測定部１３ｇレチクル像位置測定センサ１４基準マーク１５ＸＹステージ１６レチクル像位置測定センサ１７基板３０基板アライメント光学系３０ａ基板アライメントセンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レチクル上のパターンをステージ上に載
置された基板上に投影する投影光学系と、前記投影光学系の結像特性あるいはレチクルの位置を測
定する測定光学系とを備え、前記測定光学系が投影光学系の最終像側結像面より物面
側の所定位置に配置されることを特徴とする投影露光装
置。
【請求項２】レチクル上のパターンをステージ上に載
置された基板上に投影する投影光学系と、前記投影光学系の最終像側結像面より物面側の所定位置
に配置されて、投影光学系の結像特性あるいはレチクル
の位置を測定する測定光学系と、前記測定光学系により投影光学系の結像特性の変化が測
定されたとき投影光学系に対して倍率制御を行なう手段
と、前記測定光学系によりレチクルの位置の変化が測定され
たときレチクル位置制御を行なう手段と、を備えたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項３】前記測定光学系の他に前記投影光学系の
結像特性あるいはレチクルの位置を測定する測定センサ
がステージに設けられることを特徴とする請求項１また
は２に記載の投影露光装置。
【請求項４】前記所定位置がワーキングディスタンス
内であることを特徴とする請求項１から３までのいずれ
か１項に記載の投影露光装置。