JPH1050582A

JPH1050582A - 走査型露光装置

Info

Publication number: JPH1050582A
Application number: JP8207166A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Miyai; 恒夫宮井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-08-06
Filing date: 1996-08-06
Publication date: 1998-02-20

Abstract

(57)【要約】【課題】投影光学系のフォーカス変動に自動的に追従
することのできるＡＦセンサを備えた走査型露光装置を
提供する。【解決手段】ブラインド１３で遮光された投影光学系
ＰＬの領域を介して走査露光領域２３の直前の計測点で
焦点位置を求める。ＡＦセンサの光源３６から発せられ
た検出光は、スリット板３８のスリットを透過し、回動
可能な選択ミラー４１又は反射ミラー４５で反射されて
投影光学系ＰＬに入射し、露光領域２３の直前の先読み
領域５０Ａ又は５０Ｂの計測点を照射する。計測点から
の反射光は検出器４３で受光され、焦点位置が検出され
る。主制御系３０は、検出結果に基づきアクチュエータ
２６Ａ〜２６Ｃを駆動して焦点位置を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子等をフ
ォトリソグフィ工程で製造する際に、マスクのパターン
を感光基板上に投影露光するために使用される露光装置
に関するもので、特に高精度な焦点位置合わせ機構を備
える走査型露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子、液晶表示素子等
のデバイスをフォトリソグラフィー技術を用いて製造す
る場合に、レチクル又はフォトマスク（以下、マスクと
いう）に形成されたパターンを、投影光学系を介してフ
ォトレジスト等の感光剤が塗布された半導体ウエハやガ
ラスプレート等の感光基板上に転写露光する露光装置が
用いられている。

【０００３】露光装置としては、感光基板をステッピン
グ駆動して感光基板上の各ショット領域を露光位置に設
定した後、マスクと感光基板を静止させた状態で露光を
行うステップ・アンド・リピート方式（一括露光方式）
の露光装置が多用されている。最近では、半導体素子等
の１個のチップパターンが大型化する傾向にあり、より
大面積のパターンを感光基板上に投影露光することが求
められている。このような被転写パターンの大型化に応
えるために、マスクと感光基板を投影光学系に同期して
走査することにより、投影光学系の露光フィールドより
広い範囲のショット領域へ露光が可能な走査型露光装置
が開発されている。走査型露光装置としては、１枚のマ
スクパターンの全体を等倍で１枚の感光基板の全面に逐
次露光するアライナー、及び感光基板上の各ショット領
域への露光を縮小投影でかつ走査露光方式で行うととも
に、各ショット領域間の移動をステッピング方式で行う
ステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置が知
られている。

【０００４】露光装置においては、感光基板の露光面を
投影光学系の像面（最良結像面）に合わせ込んだ状態で
露光を行う必要があるため、走査型露光装置において
も、感光基板の露光面のフォーカス方向の高さ（フォー
カス位置）をその像面に合わせるオートフォーカス機構
と、感光基板の露光面の平均的な面をその像面に平行に
合わせるオートレベリング機構とが設けられている。オ
ートフォーカス（ＡＦ）のためのセンサとしては種々の
ものが提案されているが、多く用いられているものに、
走査方向に見て露光領域の前方に計測点を有するＡＦセ
ンサ、例えば斜入射方式の多点ＡＦセンサがある。

【０００５】この斜入射方式の多点ＡＦセンサは、投影
光学系の光軸に対して斜方向から投影光学系を挟み込む
かたちで送光系と受光系を備え、感光基板上の計測点に
送光系から検出光を入射させて、計測点からの反射光を
受光系で検出することで露光面の高さ方向の変位を検出
するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記斜入射方式のＡＦ
センサは、マスクパターンと感光基板の露光面との合焦
状態を直接検出するものではなく、投影光学系とは独立
したＡＦセンサの送光系と受光系に対する感光基板の上
下位置を検出するのみである。したがって、ＡＦセンサ
の合焦位置を投影光学系のベストフォーカス位置に一致
させるためのキャリブレーションが必要である。

【０００７】また、露光光の照射による投影光学系の温
度上昇や大気圧変動によって投影光学系を構成している
光学部材の屈折率が変わると、投影光学系のベストフォ
ーカス位置は変動するが、ＡＦセンサはそのフォーカス
変動に追従することができない。そのため、ＡＦセンサ
の合焦位置を常に投影光学系のベストフォーカス位置に
合わせるためには一定期間ごとにキャリブレーションを
行わなければならない。ＡＦセンサのキャリブレーショ
ン中は感光基板の露光処理を行うことができないため、
頻繁なキャリブレーションは露光装置のスループットを
低下させることになる。

【０００８】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、投影光学系のフォーカス変動に
自動的に追従することのできるＡＦセンサを備えた走査
型露光装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決すための手段】走査型露光装置では、マス
クを照明する照明領域は矩形状又は円弧状等であり、投
影光学系の露光可能領域内には実際のパターン露光に使
用されていない領域が存在する。本発明は、この投影光
学系のパターン露光に使用されていない領域に着目し、
その領域にＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式のオート
フォーカスセンサを設けたもので、投影光学系を介して
走査露光領域の直前の計測点で焦点位置を求めることに
より前記目的を達成する。

【００１０】すなわち、本発明は、所定形状の照明領域
で照明されたマスク（１７）の像を投影光学系（ＰＬ）
を介して感光基板（ＰＰ）上の露光領域（２３）に投影
した状態で、マスク（１７）及び感光基板を投影光学系
に対して所定の方向に同期して走査することにより、マ
スクのパターン像を感光基板上に逐次転写する走査型露
光装置において、投影光学系（ＰＬ）を介して感光基板
（ＰＰ）上の露光領域（２３）の走査方向前方に検出光
を照射する検出光照射手段（３６，３７，３８，４０，
４１，４４，４５）と、感光基板で反射された検出光を
投影光学系を介して受光して感光基板の焦点位置を検出
する（３９，４０，４１，４３，４４，４５）焦点位置
検出手段（３５）と、焦点位置検出手段の検出信号によ
り感光基板の投影光学系の光軸方向位置を調整する焦点
位置調整手段（２６Ａ〜２６Ｃ）を備えることを特徴と
する。

【００１１】検出光照射手段は、露光領域の走査方向前
方に検出光を照射することができるように、マスク及び
感光基板の走査方向に応じて投影光学系への検出光入射
位置を選択する選択手段（４１，４２）を備える。検出
光は感光基板表面に略垂直に照射することができ、ま
た、走査方向に略垂直な線上の複数点に照射することが
できる。

【００１２】焦点位置調整手段（２６Ａ〜２６Ｃ）は、
焦点位置検出手段（３５）の検出信号をもとに、感光基
板上の計測点が露光領域（２３）に達するときに感光基
板（ＰＰ）の高さ方向位置を調整して投影光学系（Ｐ
Ｌ）のベストフォーカス位置に合わせ込む。本発明によ
ると、検出光が投影光学系内を通過するので（ＴＴＬ方
式）、投影光学系のフォーカス変動にも追従することが
可能になり、高精度なフォーカス検出精度を維持するこ
とができる。

【００１３】

【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、本発明によるステップ・
アンド・スキャン方式の走査型露光装置の一例を示す概
略図である。光源及びオプティカル・インテグレータ等
を含む光源系１１からの露光用の照明光ＩＬが、第１リ
レーレンズ１２、ブラインド（可変視野絞り）１３、第
２リレーレンズ１４、ミラー１５、及びメインコンデン
サーレンズ１６を介して、均一な照度分布でマスク１７
のパターン形成面のスリット状の照明領域１８を照明す
る。ブラインド１３の配置面はマスク１７のパターン形
成面とほぼ共役であり、ブラインド１３の開口の位置及
び形状により、照明領域１８の位置及び形状が設定され
る。

【００１４】マスク１７上の照明領域１８内のパターン
の投影光学系ＰＬを介した像が、フォトレジストが塗布
された感光基板ＰＰ上のスリット状の露光領域２３内に
投影露光される。ここで、投影光学系ＰＬの光軸に平行
にＺ軸を取り、その光軸に垂直な２次元平面内で図１の
紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取る。
マスク１７はマスクステージ１９上に保持され、マスク
ステージ１９はマスクベース２０上で走査方向であるＸ
方向に例えばリニアモータにより駆動される。マスクス
テージ１９上の移動鏡２８及び外部のレーザ干渉計２９
によりマスク１７のＸ座標が計測され、このＸ座標の情
報が装置全体の動作を統轄制御する主制御系３０に供給
される。主制御系３０は、マスクステージ駆動系３１及
びマスクステージ１９を介してマスク１７の位置及び移
動速度の制御を行う。

【００１５】一方、感光基板ＰＰは、不図示のウエハホ
ルダを介してＺチルトステージ２４上に保持され、Ｚチ
ルトステージ２４は３個のＺ方向に移動自在なアクチュ
エータ２６Ａ〜２６Ｃを介してＹステージ２５Ｙ上に載
置され、Ｙステージ２５Ｙは、Ｘステージ２５Ｘ上に例
えば送りねじ方式でＹ方向に移動されるように載置さ
れ、Ｘステージ２５Ｘは、装置ベース２７上に例えば送
りねじ方式でＸ方向に移動されるように載置されてい
る。３個のアクチュエータ２６Ａ〜２６Ｃを並行に伸縮
させることにより、Ｚチルトステージ２４のＺ方向位置
（焦点位置）の調整（フォーカシング）が行われ、３個
のアクチュエータ２６Ａ〜２６Ｃの伸縮量を個別に調整
することにより、Ｚチルトステージ２４のＸ軸及びＹ軸
の回りの傾斜角の調整（レベリング）が行われる。

【００１６】また、Ｚチルトステージ２４の上端に固定
されたＸ軸用の移動鏡３２Ｘ及び外部のレーザ干渉計３
３Ｘにより感光基板ＰＰのＸ座標が常時モニタされてお
り、同様に図示しないＹ軸用の移動鏡及び外部のレーザ
干渉計により感光基板ＰＰのＹ座標が常時モニタされて
いる。検出されたＸ座標及びＹ座標は主制御系３０に供
給されている。

【００１７】主制御系３０は、供給された座標に基づい
てウエハステージ駆動系３４を介してＸステージ２５
Ｘ、Ｙステージ２５Ｙ、及びＺチルトステージ２４の動
作を制御する。例えば、投影光学系ＰＬが投影倍率β
（βは例えば１／４等）で倒立像を投影するものとし
て、マスクステージ１９を介してマスク１７を照明領域
１８に対して＋Ｘ方向（又は−Ｘ方向）に速度Ｖ_Rで走
査するのと同期して、Ｘステージ２５Ｘを介して感光基
板ＰＰが露光領域２３に対して−Ｘ方向（又は＋Ｘ方
向）に速度Ｖ_W（＝β・Ｖ_R）で走査される。

【００１８】次に、図２に示した平面図も参照して、感
光基板ＰＰの表面のＺ方向の位置（焦点位置）を検出す
るためのオートフォーカスセンサ（多点ＡＦ系）３５の
構成につき説明する。マスク１７と投影光学系ＰＬとの
間の空間において、ブラインド１３で照明光が遮光され
ている投影光学系ＰＬの露光可能領域内の非露光領域部
分に選択ミラー４１と、リレーレンズ４４及び反射ミラ
ーが配置されている。多点ＡＦ系３５で用いる検出光と
しては、感光基板ＰＰ上のフォトレジストに対する感光
性の弱い波長帯域の光、例えばＨｅ−Ｎｅレーザビーム
等が使用される。そのため、投影光学系ＰＬは検出光に
対して色収差を有するため、この色収差を補正するため
の光学系が検出光の光路中に配置される。

【００１９】多点ＡＦ系３５の光源３６から射出された
検出光は、ビーム成形光学系３７を介してＹ方向に長
く、Ｚ方向に薄いシート状の断面を有するビームに成形
され、スリット板３８内の多数のスリットを照明する。
スリット板３８を透過した検出光は、ハーフミラー３９
及びリレーレンズ４０を通り、選択ミラー４１の位置に
達する。選択ミラー４１は駆動手段４２によって回動可
能になっており、リレーレンズ４０を通った検出光を下
方に反射させて投影光学系ＰＬに入射させる角度位置
と、検出光をそのままＸ方向に通過させる角度位置に選
択的に位置づけることができる。

【００２０】選択ミラー４１で反射されて投影光学系Ｐ
Ｌに入射した検出光は、感光基板ＰＰ上の露光領域２３
の前方の先読み領域５０Ａ（図３参照）の５個の計測点
Ｐ₁〜Ｐ₅に投影される。先読み領域５０Ａの５個の計
測点Ｐ₁〜Ｐ₅で反射された検出光は投影光学系ＰＬに
再入射し、入射光路を逆に辿って選択ミラー４１でリレ
ーレンズ４０の方向に反射され、リレーレンズ４０を通
ったのちハーフミラー３９で下方に反射されて検出器４
３に入射する。スリット板３８及び検出器４３は、投影
光学系ＰＬのベストフォーカス位置と共役な位置に配置
されている。

【００２１】一方、駆動手段４２により選択ミラー４１
を検出光をそのまま通過させる角度位置に位置づける
と、リレーレンズ４０を通った検出光は、第２のリレー
レンズ４４を通った後、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対
して選択ミラー４１と略対称な位置に配置されている反
射ミラー４５によって下方に反射され、投影光学系ＰＬ
に入射する。投影光学系ＰＬを通った検出光は、感光基
板ＰＰ上の露光領域２３の先読み領域５０Ｂ（図３参
照）の５個の計測点Ｐ₆〜Ｐ₁₀に投影される。先読み領
域５０Ｂの５個の計測点Ｐ₆〜Ｐ₁₀で反射された検出光
は再び投影光学系ＰＬに入射し、入射光路を逆に辿って
反射ミラー４５で反射され、リレーレンズ４４及びリレ
ーレンズ４１を通り、ハーフミラー３９で下方に反射さ
れて検出器４３に入射する。このとき、リレーレンズ４
０，４４の作用により、スリット板３８及び検出器４３
は、投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置と共役な位
置にある。

【００２２】図３は、感光基板ＰＰ上の計測点Ｐ₁〜Ｐ
₅，Ｐ₆〜Ｐ₁₀の配置を示し、この図３において、スリ
ット状の露光領域２３に対して＋Ｘ方向、及び−Ｘ方向
側にそれぞれ先読み領域５０Ａ及び５０Ｂが設定されて
いる。感光基板ＰＰを−Ｘ方向に走査するときは、検出
光を選択ミラー４１の位置から投影光学系ＰＬに入射さ
せて先読み領域５０Ａ内の計測点Ｐ₁〜Ｐ₅で計測が行
われる。一方、感光基板ＰＰを＋Ｘ方向に走査するとき
は、検出光を反射ミラー４５の位置から投影光学系ＰＬ
に入射させることによって、先読み領域５０Ｂ内の計測
点Ｐ₆〜Ｐ₁₀で計測が行われる。

【００２３】図４は、スリット板３８を示す。スリット
板３８には５個のスリットＳ₁〜Ｓ₅が設けられ、さら
にその左右に２個のスリットＳ₆，Ｓ₇が設けられてい
る。ここではスリットＳ₁〜Ｓ₇の形状を四角形とした
が、スリットの形状は十字形（＋）あるいは直線形
（／）等としてもよい。ここで、スリットＳ₁〜Ｓ₅は
先読み領域５０Ａ内の計測点Ｐ₁〜Ｐ₅、又は先読み領
域５０Ｂ内の計測点Ｐ₆〜Ｐ₁₀のＺ方向位置のずれを検
出するためのスリットであり、スリットＳ₆，Ｓ₇は感
光基板ＰＰ上の計測点のＺ方向位置のずれの方向、すな
わち計測点が投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置か
ら＋Ｚ方向にずれているか、−Ｚ方向にずれているかを
検出するためのものである。

【００２４】図５は、検出器４３の詳細を示す図であ
る。検出器４３には、スリット板３８の各スリットＳ₁
〜Ｓ₅から感光基板ＰＰ上に照射され、感光基板ＰＰ上
の計測点Ｐ₁〜Ｐ₅又は計測点Ｐ₆〜Ｐ₁₀で反射された
検出光を個別に検出するための検出素子Ｄ₁〜Ｄ₅と、
スリットＳ₆，Ｓ₇から感光基板ＰＰ上に照射され、感
光基板ＰＰで反射された検出光を個別に検出するための
検出素子Ｓ₆，Ｄ₇が配置されている。

【００２５】ここで、検出素子Ｄ₁〜Ｄ₅の検出面は、
投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置と共役な位置に
ある。一方、検出素子Ｄ₆の検出面は投影光学系ＰＬの
ベストフォーカス位置よりわずかに＋Ｚ側にずれた位置
と共役になるように設定され、検出素子Ｄ₇の検出面は
投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置よりわずかに−
Ｚ側にずれた位置と共役になるように設定されている。
したがって、検出素子Ｄ₆と検出素子Ｄ₇の出力の差分
をとることにより、感光基板ＰＰ上の計測点が＋Ｚ方向
にずれているのか、−Ｚ方向にずれているのかについて
の情報を得ることができる。

【００２６】いま、先読み領域５０Ａ内の計測点Ｐ₁〜
Ｐ₅に検出光が照射されているとすると、検出器４３は
各計測点Ｐ₁〜Ｐ₅から反射された検出光の強度を個別
に検出する。各計測点Ｐ₁〜Ｐ₅から得られた検出光強
度から、それぞれの計測点のＺ方向の位置ずれ量Ｚ₁〜
Ｚ₅が求められる。この検出光強度とＺ方向の位置ずれ
量の間の関係は、予め実験的に求められ主制御系３０内
に記憶されている。また、前述のように、検出器４３の
検出素子Ｄ₆と検出素子Ｄ₇の出力の差分から、ずれの
方向を知ることができる。

【００２７】主制御系３０内の演算部では、求められた
各計測点Ｐ₁〜Ｐ₅のＺ方向の位置ずれ量Ｚ₁〜Ｚ
₅と、ずれの方向についての情報をもとに先読み領域５
０Ａの焦点位置Ｚ_bが求められる。焦点位置Ｚ_bは計測
値Ｚ₁〜Ｚ₅を単純平均、あるいは例えば次の〔数１〕
のように重み付け平均することによって求められる。
〔数１〕の符号±は、ずれの方向についての情報から定
められる。

【００２８】

【数１】Ｚ_b＝±｛（Ｚ₁＋Ｚ₅）・Ｗ₁／２＋（Ｚ₂＋
Ｚ₄）・Ｗ₂／２＋Ｚ₃・Ｗ₃｝／Ｎただし、Ｎ＝Ｗ₁＋Ｗ₂＋Ｗ₃である。

【００２９】なお、重み係数の設定にあたっては、先読
み領域５０Ａの中央部分、すなわち重み係数Ｗ₃を他の
重み係数Ｗ₁，Ｗ₂に比べて大きく設定するのが好適で
ある。これは、先読み領域５０Ａの中央部分の計測値は
先読み領域５０Ａの高さをよく表しているので、計測値
Ｚ₃を重視して焦点位置Ｚ_bを計算すると露光領域２３
全体にわたって良好なフォーカシングを達成できると考
えられるからである。この重み係数は、予め主制御系３
０内のメモリに記憶されている。

【００３０】主制御系３０は、演算部で計算された先読
み領域５０Ａの焦点位置Ｚ_bに基づいて３個のアクチュ
エータ２６Ａ〜２６Ｃを並行に伸縮させることにより、
Ｚチルトステージ２４のＺ方向位置（焦点位置）の調整
を行う。いま、感光基板ＰＰの走査速度をＶｔ、多点Ａ
Ｆ系３５の先読み領域５０Ａと露光領域２３との間隔を
Ｌとすると、多点ＡＦ系３５で測定した領域は時間（Ｌ
／Ｖｔ）の後に露光領域２３にさしかかるので、焦点位
置合わせの制御は、時間（Ｌ／Ｖｔ）の間に焦点位置ず
れの計算とアクチュエータ２６Ａ〜２６Ｃの駆動による
Ｚチルトステージ２４の移動を行えばよい。

【００３１】また、感光基板ＰＰの露光時に走査露光の
方向が切り替わるときには、主制御系３０は駆動手段４
２を駆動して選択ミラー４１を回動させ、多点ＡＦ系３
５の検出領域を５０Ａから５０Ｂに切り替えて露光領域
２３に対して先読み部分の計測点Ｐ₆〜Ｐ₁₀を用いて焦
点位置の検出を行う。

【００３２】この多点ＡＦ系３５は、感光基板Ｗ上の計
測点Ｐ₁〜Ｐ₅又はＰ₆〜Ｐ₁₀のＺ方向位置を投影光学
系ＰＬを介して検出するＴＴＬ方式であるため、投影光
学系ＰＬの結像特性が変化したような場合でも、正確に
感光基板Ｗのデフォーカス量を検出し、感光基板Ｗの露
光領域２３を投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置に
合わせ込むことができる。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ブライン
ドによって遮光されてマスクのパターン露光に使用され
ていない投影光学系の部分を利用してＴＴＬ方式のオー
トフォーカスセンサを設けることで、投影光学系の結像
特性が変動してもそれに追従して焦点位置を検出するこ
とができ、高精度な焦点位置調整を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるステップ・アンド・スキャン型の
露光装置の概略図。

【図２】オートフォーカスセンサの平面図。

【図３】感光基板上の計測点の配置を示す図。

【図４】スリット板を示す図。

【図５】検出器の詳細を示す図。

【符号の説明】

１１…光源系、１３…ブラインド、１７…マスク、１９
…マスクステージ、２３…露光領域、２４…Ｚチルトス
テージ、２６Ａ〜２６Ｃ…アクチュエータ、３０…主制
御系、３１…マスクステージ駆動系、３５…多点ＡＦ
系、３６…光源、３７…ビーム成形光学系、３８…スリ
ット板、３９…ハーフミラー、４０…リレーレンズ、４
１…選択ミラー、４２…駆動手段、４３…検出器、４４
…リレーレンズ、４５…反射ミラー、５０Ａ，５０Ｂ…
先読み領域、ＰＬ…投影光学系、ＰＰ…感光基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定形状の照明領域で照明されたマスク
の像を投影光学系を介して感光基板上の露光領域に投影
した状態で、前記マスク及び前記感光基板を前記投影光
学系に対して所定の方向に同期して走査することによ
り、前記マスクのパターン像を前記感光基板上に逐次転
写する走査型露光装置において、前記投影光学系を介して前記感光基板上の露光領域の走
査方向前方に検出光を照射する検出光照射手段と、前記
感光基板で反射された検出光を前記投影光学系を介して
受光して前記感光基板の焦点位置を検出する焦点位置検
出手段と、前記焦点位置検出手段の検出信号により前記
感光基板の前記投影光学系の光軸方向位置を調整する焦
点位置調整手段を備えることを特徴とする走査型露光装
置。
【請求項２】前記検出光照射手段は、前記露光領域の
走査方向前方に検出光を照射することができるように、
前記マスク及び前記感光基板の走査方向に応じて前記投
影光学系への検出光入射位置を選択する選択手段を備え
ることを特徴とする請求項１記載の走査型露光装置。
【請求項３】前記検出光は前記感光基板表面に略垂直
に照射されることを特徴とする請求項１又は２記載の走
査型露光装置。
【請求項４】前記検出光は前記走査方向に略垂直な線
上の複数点に照射されることを特徴とする請求項３記載
の走査型露光装置。