JPH10154654A

JPH10154654A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH10154654A
Application number: JP8327986A
Authority: JP
Inventors: Jiro Inoue; 次郎井上
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 1998-06-09

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】レチクルステージの膨張や変形に影響されな
いレチクル位置検出を行うと共に、レチクルの膨脹、変
形を随時検出し補正を行なう。【解決手段】照明光学系４と、投影光学系１と、２次
元方向に移動可能であるフォトマスクステージ５と、フ
ォトマスクステージ上のフォトマスク支持部材５１〜５
３と、フォトマスクの位置を検出するフォトマスク位置
検出機構とを有する投影露光装置において、前記フォト
マスク位置検出機構は前記フォトマスク支持部材５１〜
５３に一体的に設けられた反射鏡部分と、該反射鏡部分
に光ビームを照射し該反射鏡で反射された光ビームを受
光することによって該反射鏡部分の位置変化に関する情
報を計測する干渉計２１〜２４とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路や液晶
表示装置などの製造過程のフォトリソグラフィ工程で使
用される、微細パターンの投影転写用の露光装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子、液晶表示装置などを製造す
るためのフォトリソグラフィ工程では、転写用の回路パ
ターンが形成されたフォトマスク又はレチクル（以下ま
とめて「レチクル」と呼ぶ）の像を、投影露光法あるい
はプロキシミティ露光法により、フォトレジスト等の感
光材料が塗布されたウエハ等の感光基板（以下まとめて
ウエハと呼ぶ）上に転写する露光装置が使用されてい
る。

【０００３】近年ではこの種の露光装置として、ウエハ
を２次元的に移動可能なステージ上に置き、感光基板上
のショット領域にレチクルの回路パターンの投影像が露
光される度に、感光基板を保持する２次元移動ステージ
を一定量だけ移動させることを繰り返す、いわゆるステ
ップ・アンド・リピート方式の露光装置が多用されてい
る。

【０００４】また近年、より高い解像力と広い露光フィ
ールドとを同時に確保するために、ショット露光時には
レチクルと感光基板とを投影光学系の視野に対して相対
的に１次元走査し、非露光時には感光基板のみをステッ
プ移動させるステップ・アンド・スキャン方式の投影露
光装置も実用化されている（１９８９年、ＳＰＩＥＶｏ
ｌ．１０８８の“Optical/ Laser Microlithography I
I”の第４２４頁ー４３４頁）。

【０００５】ところで、半導体集積回路は、ウエハ上に
多数層の異なった回路パターンを重ねて露光転写するこ
とにより形成されるが、２層目以降の回路パターンをウ
エハ上に投影露光する際には、ウエハ上にすでに形成さ
れた回路パターンとレチクルの回路パターン像との位置
合わせ（アライメント）を高精度に行う必要がある。

【０００６】現在一般的に使用されている方法は、露光
波長以外の光束でウエハ上のマーク位置を検出する方法
であり、ウエハマーク検出光学系の一部として投影光学
系を使用する方式（以後「ＴＴＬ方式」と呼ぶ）や、専
用の位置検出光学系を使用する方式（以後「Ｏｆｆ−Ａ
ｘｉｓ方式」と呼ぶ）がある。これらの方式ではレチク
ルとウエハの位置を直接合わせるのではなく、投影露光
装置内に設けられた基準マークを介して間接的に位置合
わせを行う。

【０００７】ウエハへの重ね合わせ露光時には、ウエハ
上の位置検出マークをウエハマーク検出光学系に対して
位置合わせし、次いでウエハステージを、そのときのウ
エハステージの位置からベースライン量だけずれた位置
に移動して露光を行うことで、ウエハ上の既存の回路パ
ターンとレチクルの回路パターンの像とを重ね合わせる
ことができる。

【０００８】上記のベースライン計測には、１〜２分程
度の時間を要するため、実際のウエハへの露光に際して
は、多数枚のウエハを効率よく（高スループット）で露
光するために、ベースライン計測は露光すべきレチクル
の交換時でのみ行い、各々のウエハ毎の位置合わせはそ
のベースライン量を用いてウエハマーク検出光学系のみ
で行っていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来技術においては、
多数枚の同一種類のウエハの露光中には、レチクル投影
像、及びレチクルそのものの位置計測は全く行わない。
すなわち、レチクルは投影光学系に対し静止し、膨張、
変形等がないものとみなして重ね合わせ露光が行われて
いた。

【００１０】しかし、露光装置の高スループット化のた
めに、単位時間当たりにレチクルに照射される照射光の
エネルギーは、増加の一途をたどっている。その理由と
して１つには照射される照度そのものの増大であり、他
にも露光に関与しない時間（ウエハ交換時間やウエハア
ライメント時間等）の短縮によりレチクルに照明光が照
射される時間の割合が増加していることにも起因してい
る。この結果、照明光のエネルギーがレチクルに蓄積さ
れ、多数枚にわたるウエハの露光中にはこの熱がレチク
ルステージに伝わりレチクルステージが熱膨張し、レチ
クルの位置がずれてしまう恐れがでてきた。この解決策
として、多数枚のウエハへの露光中のウエハ何枚めか毎
にベースライン計測をやり直しレチクルのずれを修正す
る方法も考えられるが、ベースライン計測に要する時間
だけスループットが低下することになり、実用的ではな
い。

【００１１】そこで本発明では、レチクルステージの膨
張や変形に影響されないレチクル位置検出を行うと共
に、レチクルの膨張、変形を随時検出し補正を行うこと
で、より高精度かつ高スループットな投影露光装置の実
現を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の投影露光装置は
転写用の回路パターンが形成されたフォトマスク（２）
上の所定の領域を照明する照明光学系（４）と、前記フ
ォトマスクの回路パターン像を感光基板上に投影する投
影光学系（１）と、２次元方向に移動可能であり前記フ
ォトマスクを保持するためのフォトマスクステージ
（５）と、前記フォトマスクステージ上に前記フォトマ
スク（２）を固定的に支持するためのフォトマスク支持
部材（５１〜５３；５１’〜５３’）と、前記フォトマ
スク支持部材上に固定的に支持されたフォトマスク
（２）の位置を検出するフォトマスク位置検出機構とを
有し、前記フォトマスク上に形成された回路パターンを
感光基板（３）上に投影して重ね合わせ露光する投影露
光装置において、前記フォトマスク位置検出機構は前記
フォトマスク支持部材に一体的に設けられた反射鏡部分
（６０〜６２）と，該反射鏡部分に光ビームを照射し該
反射鏡で反射された光ビームを受光することによって該
反射鏡部分の位置変化に関する情報を計測する干渉計
（２１〜２４）とを備える。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施の形態を示
す投影露光装置全体の概略構成図である。図示の都合上
Ｙ方向からの図であるが、本来紙面奥に向かう照明光学
系Ｌは、これを図示するため図中左方に向けて描いてあ
る。また、図２はレチクル位置検出用の干渉計の配置を
示している。

【００１４】図１において、照明光学系４は光源Ｌから
の露光用照明光を均一な照度分布で投影光学系１の上方
に配置されたレチクル２の回路パターン領域に照射す
る。レチクル２はレチクルステージ５上に形成されたレ
チクルチャック５１ー５４上に例えば真空吸着により固
定的に保持される。

【００１５】レチクルステージ５は、装置本体の一部を
構成するレチクルステージベース構造体（図示なし）上
に移動可能に保持され、駆動系のモータ等もベース構造
体上に取り付けられている。

【００１６】レチクル２の回路パターンの像は、レチク
ルステージ５の直下に配置された投影光学系１を介して
感光基板としてのウエハ３上に１／４または１／５の縮
小倍率で結像投影される。その投影光学系１の鏡筒は装
置本体の一部を構成するレンズベース構造体（図示な
し）に固定され、このレンズベース構造体は図示を省略
した支柱構造体を介してレチクルベース構造体を支持し
ている。

【００１７】ウエハ３はウエハホルダ６に真空吸着等に
よって保持されている。ウエハホルダ６はウエハステー
ジ７上に搭載されており、ウエハステージ７はＸＹ平面
に沿って２次元移動可能にウエハベース構造体（図示な
し）上に取り付けられており、これによりウエハ３及び
ウエハホルダ５は可動となっており、ウエハ３上の各シ
ョット領域（各ＬＳＩチップの領域）を順次投影光学系
１の真下に移動して、ウエハ３上の既存の回路パターン
上にレチクル２上の回路パターンの像を重ね合わせ露光
する。

【００１８】このウエハステージ７には、ウエハホルダ
６をＺ方向（投影光学系の光軸方向）に微小移動させる
とともに微小傾斜させるレベリングテーブルが設けられ
ている。

【００１９】ウエハステージ７のＸＹ平面内での移動座
標位置とヨーイングによる微小回転量とは、ウエハ用干
渉計１３によって計測される。ウエハ用干渉計１３は、
レーザ光源Ｌからのレーザビームをウエハステージ３の
レベリングテーブルに固定された反射鏡１２と投影光学
系１の最下部の側面に固定された固定反射鏡（図示な
し）とに投射し、これらウエハステージ７と共に移動す
る反射鏡１２および対応する固定反射鏡からの反射光ビ
ームを干渉させてウエハステージ７の座標位置と微小回
転量（ヨーイング量）とを計測する。

【００２０】またウエハステージ７のレベリングテーブ
ル上には、各種のアライメント系やフォーカスセンサ
ー、レベリングセンサーのキャリブレーションとベース
ライン計測（レチクル２のパターン中心の投影点と各ア
ライメント系の検出中心との位置関係の計測）とに使わ
れる基準板ＦＭも取付けられている。この基準板ＦＭの
表面には、基準マークが形成されている。基準マークを
用いて、投影光学系１を介して（投影光学系の一部とし
て使用して）ウエハ３上の位置合わせマークを検出する
ＴＴＬ（ＴｈｒｏｕｇｈＴｈｅＬｅｎｓ）検出光学
系８ー１０やオフアクシス（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ）検出系
１１を使用して、ウエハ３上の既存の回路パターンの位
置の検出が行われる。

【００２１】尚、基準板ＦＭを使ったベースライン計測
法については、例えば特開平４ー４５５１２号公報、特
開平５ー２１３１４号公報に開示されており、また基準
板ＦＭを使ったフォーカスキャリブレーション法につい
ては例えば特公平６ー１６４８３号公報に開示されてい
るので、ここではその詳細な説明は省略する。

【００２２】さて、本実施の形態においては、図２に示
すごとく２つづつが互いに対向してほぼ矩形状に配置さ
れたレチクルチャック５１〜５４（５４は図に出ていな
い）がレチクル２の４隅下部を支持する形状で、各々が
レチクル２の隣り合う隅部間に延びている。

【００２３】各レチクルチャック５１〜５４は、完全な
矩形形状でなく、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すようにレチ
クル２とレチクルチャック５１（５３）または５２（５
４）とが接触する面積が少なくなるように形成されてい
る。このように接触面積を小さくしているのは、接触面
積が大きいと接触面の平面度および表面荒さを所定精度
範囲に入れるのが困難になるからである。

【００２４】一対の向かい合うレチクルチャック５１お
よび５３の側面部中央付近には一体に反射鏡部６０が形
成されている。これら向かい合うレチクルチャック５
１、５３の両外側にはレチクル位置検出用の干渉計２１
及び２２が配置されており、レチクルチャック５１、５
３の反射鏡部６０に水平方向内向きに光ビームを投射す
る構成となっている。

【００２５】また、レチクルチャック５１および５３と
直交するレチクルチャック５２の側面には、その両端部
付近にそれぞれ一体に反射鏡部６１、６２が設けてあ
る。これら反射鏡部６１、６２にそれぞれ向かい合って
レチクル位置検出用の干渉計２３および２４が固設され
ている。

【００２６】図３（Ｃ）は、別のレチクルチャック５
１’の形状である。Ｙ方向に延びるチャック５１’（５
３’）は、レチクルステージ５から３点でレチクル２を
真空吸着固定する。レチクル２の膨張量を確認するため
に、レチクル２の中央付近にレーザービームを照射した
いからである。

【００２７】また、図３（Ｄ）において、Ｘ方向に延び
るレチクルチャック５２’（５４’）は、レチクルステ
ージから２点でレチクル２を真空吸着固定する。レチク
ルチャック５２’に対してＹ方向のレチクル２の位置と
回転量を確認するため、レチクル２の両端付近にレーザ
ービームを照射したいからである。

【００２８】レチクル位置検出用干渉計２１〜２４では
対応する反射鏡部からの反射ビームが投影光学系１の上
部側面に固定された対応する参照鏡（図示なし）で反射
してきた参照ビームと干渉するような構成とするが，こ
の参照鏡をレチクルベース構造体側に固定した構成の干
渉計や参照鏡自体を内蔵した干渉計を用いてもよい。

【００２９】このような構造であるため、Ｘ軸方向に関
してはレチクル位置検出用干渉計２１とレチクル位置検
出用干渉計２４によってレチクルチャック５１と５３と
にそれぞれ設けられた反射鏡部を計測する事によりレチ
クルの両端の位置を計測している。露光動作中のレチク
ルステージ５およびレチクル２の膨張量は上記レチクル
位置検出用の干渉計２１、２２で計測されたレチクルチ
ャック５１、５３の位置の差から求めることが出来る。
レチクル２の位置変動は、Ｘ軸方向については上記レチ
クル位置検出用干渉計２１、または２２で計測された反
射鏡部の位置、Ｙ軸方向については上記レチクル位置検
出用干渉計２３で計測された反射鏡部の位置から求める
ことが可能になる。また、レチクル２のＸＹ平面内での
回転量はレチクル位置検出用干渉計２３、２４の計測値
の差から求められる。

【００３０】なお、一連の露光動作では露光に先立ちベ
ースライン計測を行うので、この時のレチクル位置検出
用干渉計の計測値を基準値としてレチクル変動を計測す
ることはもちろんである。

【００３１】ここで、本発明においてレチクル位置検出
用干渉計２１〜２４が計測するのはレチクルそのもので
はないが、レチクル２をレチクルステージ５に固定的に
支持しているレチクルチャック５１〜５３の位置を計測
しているため、事実上レチクルの位置を計測しているこ
とになる。

【００３２】主制御系１４は、レチクル位置検出用干渉
計２１〜２４の示す座標位置に基づいてレチクル位置、
レチクル膨張量を計算すると同時に、レチクルステージ
干渉計２１〜２４の出力値を参照しながらレチクル２の
中心位置がベースライン計測時からずれないようにレチ
クルステージの位置を補正する。

【００３３】また、主制御系１４は算出されたレチクル
膨張量に基づいて投影光学系１の結像状態の制御を行
い、レチクルの回路パターンの投影像が所望の倍率にな
るようにする。結像状態の制御は、投影光学系１を構成
するレンズの一部を駆動するか、もしくは投影光学系１
の内部の気圧を変化させるなど、結像性能の悪化を伴わ
ない範囲において適宜選択すれば良い。

【００３４】次に、図４を参照して、計測されたレチク
ル膨張量のデータを使って、投影光学系の結像状態の制
御を行う例について説明する。なお、図４においてレチ
クル、レチクルレチクルステージ、レチクル位置検出機
構等は図示を省略してある。

【００３５】投影光学系１のテレセントリック部にはフ
ィールドレンズＧ１が光軸方向に平行移動および傾斜移
動可能に配置されており、これらの移動を行うために複
数のピエゾ素子７０Ａ、７０Ｂが設けてある。そして、
駆動制御回路７２によって各ピエゾ素子７０Ａ、７０Ｂ
の駆動量を制御することで、投影光学系１結像倍率や歪
曲収差を微少変化させるようにする。

【００３６】あるいは、投影光学系１内の適当な空気間
隔（空気レンズ）７３を密封して、その内圧を圧力制御
系７４で調整することで、投影光学系１の結像倍率を微
少変化させるようにする。

【００３７】さらに、フィールドレンズＧ１の位置調
整、空気レンズ７３の内圧調整によって副次的に生じる
最良結像面の光軸方向の位置変化を補正するために、ウ
エハ３の表面に斜めに結像光を照射してその反射光を受
光してウエハ３の光軸方向の位置を検出する検出系７５
と、検出されたウエハ３の位置に基づいてウエハ３を吸
着するウエハホルダ６をＺ方向に変位させる複数のアク
チュエータ７７と、それらアクチュエータ７７を駆動す
る駆動制御系７６とで構成される斜入射オートフォーカ
ス系を設ける。

【００３８】以上の構成において、主制御系１４は算出
されたレチクル膨張量に基づいて、補正情報を、駆動制
御回路７２か圧力制御系７４の少なくとも一方に出力す
る。これに応答してフィールドレンズＧ１の位置補正ま
たは空気レンズ７３の内圧補正が実行され、投影像のウ
エハ２条での寸法誤差が補正される。

【００３９】本実施の形態のように、レチクル膨張量を
干渉系システムによって時々刻々直接計測するようにす
れば、レチクル位置の変化やレチクル膨張による見かけ
上の倍率変化分もリアルタイムに補正することが可能と
なり、投影露光装置の結像光路（レチクルパターンから
ウエハ面まで）に生じる各種の結像誤差の全てに対する
補正が可能になる。

【００４０】

【発明の効果】本発明では、レチクルの位置を示すレチ
クル位置検出干渉計用の反射鏡は、レチクル支持部材と
一体となって設置されているため、従来技術で見られた
レチクルステージの膨張・変形によるレチクルとレチク
ル位置検出干渉計用反射鏡との間の距離の変化は起こり
得ず、すなわちレチクルステージの膨張・変形の影響を
受けずにレチクル位置を計測することが可能になる。

【００４１】さらに、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の少なくとも
一方について、レチクルを挟む形でレチクル干渉計を設
けることで、レチクルとレチクル位置検出干渉計用反射
鏡との間の距離の変化がないことから事実上レチクル両
端の位置を計測していることになるため、レチクルの膨
張量を計測することが可能となる。

【００４２】したがって、照明光の熱エネルギーの蓄積
によるレチクルやレチクルステージの変形から発生する
ベースライン誤差を随時算出し、レチクルステージの位
置および／もしくは投影光学系の投影光学系の結像状態
の補正を随時行うことが可能となり、多数枚ウエハを連
続的に、途中でベースライン計測を行うことなく露光し
ても、レチクル及びレチクルステージの膨張や変形に起
因する重ね合わせずれのない高精度な位置合わせを持続
することができる。

【００４３】さらにまた、本発明によれば、照明光の熱
によるレチクルやレチクルステージへの影響をレチクル
支持部材に一体に設けられた反射鏡からの反射光により
計測するためレチクルの構造は従来のままでよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の投影露光装置全体の概略
的構成図である。

【図２】本発明の上記実施形態のレチクル位置検出用干
渉計の配置を示す図である。

【図３】レチクルチャックの説明図であり、レチクルス
テージは模式的に示してある。（Ａ）、（Ｂ）は図２に
示すレチクルチャックの拡大説明図、（Ｃ）、（Ｄ）は
レチクルチャックの別の例を示している。

【図４】本発明の上記一実施形態のうち計測されたレチ
クル膨張量のデータを使って、投影光学系の結像状態の
制御を行う例を示す図である。

【符号の説明】

１投影光学系２レチクル（フォトマスク）３ウエハ（感光基板）４照明光学系５レチクルステージ６ウエハテーブル７ウエハステージ８〜１０ＴＴＬ検出光学系１１オフアクシス検出系１４主制御系２１〜２４レチクル位置検出用干渉計５１〜５３レチクルチャック

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】転写用の回路パターンが形成されたフォ
トマスク上の所定の領域を照明する照明光学系と、前記
フォトマスクの回路パターン像を感光基板上に投影する
投影光学系と、２次元方向に移動可能であり前記フォト
マスクを保持するためのフォトマスクステージと、前記
フォトマスクステージ上に前記フォトマスクを固定的に
支持するためのフォトマスク支持部材と、前記フォトマ
スク支持部材上に固定的に支持されたフォトマスクの位
置を検出するフォトマスク位置検出機構とを有し、前記
フォトマスク上に形成された回路パターンを感光基板上
に投影して重ね合わせ露光する投影露光装置において、前記フォトマスク位置検出機構は前記フォトマスク支持
部材に一体的に設けられた反射鏡部と，該反射鏡部に光
ビームを照射し該反射鏡部で反射された光ビームを受光
することによってフォトマスクの位置変化に関する情報
を計測する干渉計とを備えることを特徴とする投影露光
装置。
【請求項２】前記フォトマスク位置検出機構は、前記
フォトマスクの２次元方向の少なくとも一方向について
は前記フォトマスク支持部材の両側に互いに外向きに光
を反射する第１および第２の反射鏡部分と、該反射鏡部
にそれぞれ光ビームを投影しそれら反射鏡で反射された
光ビームを受光することによって該反射鏡部の位置変化
を計測する第１および第２の干渉計とから成ることを特
徴とする請求項１に記載の投影露光装置。
【請求項３】前記投影露光装置はさらに前記干渉計に
よるフォトマスクの位置検出の結果に応じてフォトマス
クステージの位置および／もしくは前記投影光学系の結
像状態を補正制御する制御手段を備えることを特徴とす
る請求項１に記載の投影露光装置。