JPH1137713A

JPH1137713A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH1137713A
Application number: JP9205281A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Shiraishi; 健一白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-07-14
Filing date: 1997-07-14
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】ウエハ位置検出装置において、空気の空間的・
時間的分布が検出光光路周辺および光路上で不均一とな
ることを防止し、計測精度を向上する。【解決手段】レチクルＲ上のパターンをウエハ面４ａに
投影する投影光学系ＰＬの一方の側部に配置されてウエ
ハ面４ａに検出光ＩＬを送光する送光光学系５ａと、他
方の側部に配置されてウエハ面４ａで反射した検出光Ｉ
Ｌを受光する受光光学系５ｂとを有し、ウエハ面４ａの
法線方向についてのウエハＷの位置を検出するウエハ位
置検出装置において、送光光学系５ａはウエハ面側端部
に送光側反射面１０６を有し、受光光学系５ｂはウエハ
面側端部に受光側反射面１０７を有し、送光側反射面１
０６からウエハ面４ａに至る検出光ＩＬの光路と、ウエ
ハ面４ａから受光側反射面１０７に至る検出光ＩＬの光
路とを取り囲むように、且つ投影光学系ＰＬを通過する
光束を遮光しないように、筒体１４を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集積回路のリソグ
ラフィ工程などに使用される投影露光装置に関し、特に
ウエハ面の法線方向のウエハの位置を検出し、またはウ
エハ面の面方向のウエハの位置を検出するウエハ位置検
出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】集積回路や液晶パネル等の半導体デバイ
ス製造におけるリソグラフィ工程用の投影露光装置にお
いては、マスクやレチクル等の原版（本明細書において
レチクルと総称する。）に形成されている微細パターン
を、投影光学系を介してウエハやガラスプレート等の感
光基板（本明細書においてウエハと総称する。）の上に
露光転写している。その際に、投影光学系の結像面に対
してウエハ面を合致させるように投影光学系の光軸方向
にウエハ面を移動させる位置合わせ（焦点位置合わせ）
や、投影光学系の光軸と直交する平面内での位置合わせ
（アライメント）等の各種位置合わせを行う必要があ
る。近年の半導体デバイスの高集積化に伴い、この位置
合わせに要求される精度は微細化を続けており、その最
先端では数十ナノメートルの位置合わせ精度が必要とさ
れている。上記位置合わせを実現するためには、ウエハ
の投影光学系の光軸方向（以下、Ｚ方向という）と投影
光学系の方向と直交する方向（以下、Ｘ−Ｙ方向とい
う）の位置検出を高精度で行うことが必要となる。例え
ばウエハのＺ方向の位置検出は、一般にウエハ面に対し
て検出光を斜め上方より照射し、その反射光を受光して
電気信号に変換し、信号処理することによって行われ
る。一方ウエハのＸ−Ｙ方向のアライメントは、一般に
ウエハ面上に形成されたアライメントマークに対して検
出光を照射し、その散乱光や回折光またはマーク画像を
受光して電気信号に変換し、信号処理することによって
行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記位置合わ
せ方法において、検出光がその発光部から受光部に至る
までの経路は通常空気中に位置している。そのため、検
出光光路周辺に存在する空気の温度や気圧および組成等
に関する空間的分布あるいは時間的分布が不均一である
（以下では空気揺らぎが存在すると表現する）場合に
は、空気に対する検出光の屈折率の位置あるいは時刻に
よる変動が、被検出物の測定位置の時間的変動となって
現れ、測定精度向上の妨げとなっていた。本発明の目的
は、上記の従来技術の問題点に鑑み、ウエハのＺ方向の
位置検出装置およびＸ−Ｙ方向のアライメント装置にお
いて、空気の空間的分布あるいは時間的分布が検出光光
路周辺および光路上で不均一となることを防止し、計測
精度を向上することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による位置検出装置は、Ｚ方向の位置検出装
置あるいはＸ−Ｙ方向のアライメント装置の発光部から
被測定物を経て受光部へ至る検出光光路を取り囲むよう
に筒を配置することにより、更にはこの筒の内部に気体
の流れを形成することにより、検出光が空気揺らぎによ
り受ける屈折率変動の影響を低減することを特徴とす
る。すなわち本発明は、主対物レンズの光軸に対して斜
め方向から基板に対して検出光を投射する投射光学系
と、前記基板で反射された前記検出光を受光する受光光
学系とを有し、前記主対物レンズの光軸方向における前
記基板の位置を検出する位置検出装置において、前記投
射光学系から前記基板に至る前記検出光の光路と、前記
基板から前記受光光学系に至る前記検出光の光路を囲む
筒を設けたことを特徴とする位置検出装置である。

【０００５】本発明はまた、マスクに形成されたパター
ンの像を投影光学系を介して基板上に結像する露光装置
において、前記投影光学系の光軸に対して斜め方向から
前記基板に対して検出光を投射する投射光学系と、前記
基板で反射された前記検出光を受光する受光光学系と、
前記受光光学系が受光した検出光に基づいて、前記投影
光学系の像面に対する前記基板の位置偏差を検出する検
出器と、前記投射光学系から前記基板に至る前記検出光
の光路と、前記基板から前記受光光学系に至る前記検出
光の光路を囲む筒と、を有することを特徴とする露光装
置である。

【０００６】上記位置検出装置又は露光装置によれば、
温度勾配を有する空気が当該装置内を対流することによ
って発生する空気揺らぎを検出光路上及びその周辺で抑
制することができる。従って、Ｘ−Ｙ、Ｚ方向における
基板の位置検出の精度を向上させることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。図１は本発明による位置検出装置を
適用する投影露光装置の一例を示す概略側面図である。
図１において照明光１によりレチクルＲを照射し、レチ
クルＲに描かれた回路パターンの像を投影光学系ＰＬを
通してウエハＷの上面４ａに結像することにより、ウエ
ハ面４ａ上に塗布された感光剤に回路パターンを形成す
る。このとき、予めウエハ面４ａの高さを回路パターン
の結像面に対して合せ込むために、ウエハＷのＺ方向の
位置を計測する必要がある。またウエハ面４ａ上の所定
位置にパターンが形成されるようにウエハＷを移動して
おくために、ウエハＷのＸ−Ｙ方向の位置を計測する必
要がある。

【０００８】ウエハ面４ａのＺ方向の位置は、投射光学
系５ａと受光光学系５ｂとからなるウエハ面高さ検出装
置によって計測される。すなわちウエハ面４ａのＺ方向
の位置は、投射光学系５ａによりウエハ面４ａに対して
検出光を照射し、その反射光を受光光学系５ｂにより受
光して電気信号に変換し、信号処理することによって計
測される。一方ウエハのＸ−Ｙ方向の位置は、オフアク
シス顕微鏡方式アライメント装置６、あるいはＴＴＬア
ライメント装置７によって測定される。オフアクシスア
ライメント装置６は、投影光学系ＰＬの側部に配置され
て、ウエハ面４ａに形成したアライメントマークを観察
し、その画像を信号処理するものである。またＴＴＬア
ライメント装置７とは、投影光学系ＰＬを通してウエハ
Ｗを観察することにより、ＴＴＬアライメント装置７に
設けた基準位置とウエハＷとのアライメントを図るもの
である。ＴＴＬアライメント装置７は、投影光学系ＰＬ
の上方側部に配置され、ウエハ面４ａに形成したアライ
メントマークに対して投影光学系ＰＬを通じて検出光を
照射し、その散乱光や回折光を投影光学系ＰＬを介して
受光して、電気信号に変換し信号処理するものである。
なおＴＴＬ方式のアライメントの他に、レチクルＲを観
察すると同時に、投影光学系ＰＬを通してウエハＷを観
察することにより、レチクルＲとウエハＷとのアライメ
ントを図るＴＴＲ方式がある。本発明はこのＴＴＲ方式
のアライメント装置にも適用することができる。

【０００９】図２は、本発明の位置検出装置の概略構成
図である。この位置検出装置は、投影光学系ＰＬの結像
面に対するウエハ面４ａの投影光学系の光軸方向におけ
る位置偏差を求める装置（以下、適宜ＡＦセンサーとい
う。）である。以下に本発明のＡＦセンサーの一例とし
て、同期検波を用いた斜入射方式ＡＦセンサーを説明す
る。このＡＦセンサーは、スリットが形成された送光用
スリット板１０１を有し、光源９から非感光性の検出光
ＩＬをこの送光用スリット板１０１と、レンズ系１０
２、ミラー１０３、絞り１０４、投射対物レンズ１０５
及びミラー１０６を介してウエハＷを斜めから投射す
る。また、投射対物レンズ１０５の光軸とウエハ表面と
の角度は５〜１２°程度に設定され、送光用スリット板
１０１のスリット像の中心は、投影光学系ＰＬの光軸Ａ
ＸがウエハＷと交差する点に位置する。

【００１０】ウエハＷで反射したスリット像の光束は、
ミラー１０７、受光用対物レンズ１０８、レンズ系１０
９、振動ミラー１１０、及び平行平板（プレーンパラレ
ル）１１２を介して受光用スリット板１１４に再結像さ
れる。振動ミラー１１０は、受光用スリット板１１４に
できるスリット像を、その長手方向と直交する方向に微
小振動させるものであり、プレーンパラレル１１２はス
リット板１１４上のスリットと、ウエハＷからの反射ス
リット像の振動中心との相対関係を、スリット長手方向
と直交する方向にシフトさせるものである。振動ミラー
１１０は、ミラー駆動部（Ｍ−ＤＲＶ）１１１の駆動に
より振動する。スリット像が受光用スリット板１１４で
振動すると、スリット板１１４のスリットを透過した光
束は、ディテクタ１１５で受光される。ディテクタ１１
５は、例えばＣＣＤ等の光電変換素子からなり、受光し
た光束を電気信号に変換し、検出信号として同期検波回
路（ＰＳＤ）１１６に検出信号として出力する。

【００１１】同期検波回路（ＰＳＤ）１１６では、ミラ
ー駆動部１１１が振動ミラー１１０を駆動する駆動信号
と同じ位相の交流信号を基準として同期整流が行われ、
検波出力信号を出力する。この検波出力信号は、いわゆ
るＳカーブ信号と呼ばれ、受光用スリット板１１４のス
リット中心とウエハＷからの反射スリット像の振動中心
とが一致したときに零レベルとなる。言い換えると、投
影光学系の結像面とウエハ表面とが合致したときにＳカ
ーブ信号は零レベルとなる。なお、ウエハＷが投影光学
系の光軸方向において投影光学系に近い方に変位してい
るときは正のレベル、下方に変位しているときは負のレ
ベルになる。

【００１２】この過程において、検出光ＩＬの光路上の
屈折率分布が一様でない場合には、ディテクタ１１５に
おける検出に誤差が生じる。これを防止するため本実施
例においては、図２に示すように投射側反射面１０６か
らウエハ面４ａへ至る光路、およびウエハ面４ａから受
光側反射面１０７へ至る光路に、それぞれ筒１４，１４
が設置されている。この筒１４は、検出光ＩＬの光路を
一周取り巻くような筒状の形状であるため、優れた密閉
性を有している。

【００１３】図２においてはウエハ面４ａの前後に筒１
４，１４が配置されているが、２つの筒１４，１４の屈
折率変動低減ヘの寄与は、検出光ＩＬの光路の周辺の空
気の状態によって異なるので、ウエハ面高さ検出装置の
置かれている環境によって、より効果的な筒１４の形状
や個数および配置等を検討することが重要である。例え
ば、ウエハ面４ａ付近の空気の温度むらをなくす目的
で、図２において左から右へ向かってＸ−Ｙ方向に空調
が行われている場合には、右側の筒１４の左下開口部か
ら筒内の温度と異なる温度を持つ空気が入り込み、筒内
での空気揺らぎが発生するのを防止するため、後述の第
２実施例のように、右側の筒１４の左側の開口部を透明
膜により塞ぐことが考えられる。

【００１４】図３は、図２における検出光ＩＬの光路の
一方の筒ｌ４のウエハ面４ａ側の先端部を拡大した斜視
図である。図３において、筒１４は、検出光ＩＬが筒ｌ
４の内壁に遮られることなく筒を通過するように設置さ
れている。筒１４は周囲から検出光ＩＬの光路を分離し
ているため、筒外部の空気の流れは、筒により遮られて
筒内部の検出光光路に直接到達することはない。その結
果、筒の内側では空気揺らぎが抑えられ、屈折率の変動
が少なくなる。空気の屈折率変動の影響を低減するため
には、検出光光路上の空気が周囲の空間から直接影響を
受ける部分は少ないほど良い。したがって、筒１４の先
端部は投影光学系を通過したレチクルの像を遮ることの
ない範囲で、ウエハ面４ａ側に延長することが望まし
い。

【００１５】ところで、上記実施の形態において、ウエ
ハ上に送光用スリットのパターン像を投射し、ウエハ上
で反射されたそのパターン像を受光用スリットを介して
受光する斜入射ＡＦセンサを例に挙げて説明した。しか
しながら、本発明は送光用スリット板１０１を設ける必
要は必ずしもない。すなわち、送光スリットを介すこと
なくウエハ上に対して斜めから光ビーム（例えば、レー
ザダイオード等からのレーザビーム）を投射し、１次元
のアレイセンサ等の光電変換素子がこの反射された光ビ
ームを受光するという構成の斜入射ＡＦセンサに対して
も適用可能である。この場合、光電変換素子は反射され
た光ビームの受光位置に対応した電気信号を出力するこ
とにより、投影光学系の像面に対するウエハ表面の位置
偏差を検出する。

【００１６】図４は本発明の第２実施例を示した斜視図
である。図４において、前記第１実施例同様の筒１４の
先端には、検出光ＩＬを透過させる膜ｌ５が筒１４の開
口部を塞ぐように取り付けられており、膜１５の端部１
５ａは筒１４の側面に密着するように折り返されてい
る。膜１５の代わりに透過性のある厚い板状部品を取り
付けることも可能であるが、筒１４および板状部品の機
械的振動により、検出光光路に対する板状部品の角度が
変化して検出光の光軸がずれ、測定誤差が生じる可能性
があるので注意が必要である。一方膜１５が薄い場合
は、膜の張力の調節が重要である。張力が弱いと筒１４
の機械的振動や外部の空気の振動により、検出光ＩＬの
光路に対する膜の角度が変化して、検出光ＩＬの光軸が
ずれたりして、測定精度に悪影響を及ぼす可能性があ
る。したがって膜の張力は、膜が破損しない範囲で大き
めに設定することが望ましい。また、局所的に張力の弱
い領域があると、その領域が振動源になってしまうため
膜１５の張力は一様であることが望ましい。第２実施例
においては、筒１４により検出光光路付近ヘの側方から
の空気の出入りが制限されているのに加え、膜１５によ
り筒１４内部への空気の出入りが制限されており、した
がって第１実施例よりもさらに厳しく空気揺らぎが抑制
され、屈折率変動が低減されている。

【００１７】図５は本発明の第３実施例を示した断面図
である。図５において、前記第１実施例同様の筒１４の
先端には、筒１４の内側に空気を導入するための送風管
１６が接続されている。送風管１６より導入される空気
は、温度や組成および流量等が変化することのないよう
正確に制御してあり、したがって導入された空気の流れ
１７により、筒１４の内側の空気揺らぎが抑制され、屈
折率の変動が低減される。空気の流れ１７は必ずしも検
出光ＩＬの光路に沿った方向である必要はなく、したが
って送風管１６の筒１４ヘの接続位置や接続方向は、も
っとも効果的な構成を選択することが好ましい。また送
光系側の筒１４と受光系側の筒１４のうち、一方の筒に
は送風管１６を接続し、他方の筒には吸入管を接続する
こともできる。なお上記第１〜第３実施例では、投影光
学系ＰＬの両側に、投射光学系５ａと受光光学系５ｂと
からなるウエハ面高さ検出装置が配置されていたが、投
影光学系ＰＬに付設してオフアクシス顕微鏡方式アライ
メント装置６を設け、このオフアクシス顕微鏡方式アラ
イメント装置６の両側にウエハ面高さ検出装置を設け
て、このウエハ面高さ検出装置の検出光の光路に、筒を
設けることもできる。

【００１８】図６は本発明の第４実施例を説明するため
の、図１におけるＴＴＬ方式アライメント装置７の主要
部分を下方から見上げた斜視図である。図６に示したア
ライメント装置は２光束干渉を用いており、光源２６か
ら発した光線はハーフミラー２７によって２つの径路に
分かれ、それぞれ変調素子２８とハーフミラー２９を通
ることにより、波長の僅かに異なる平行な２光線とな
る。その後２光束は、ビームスプリッタ３４によって検
出光と参照光とに分割され、検出光はミラー３０により
投影光学系ＰＬ内へと導かれ、参照光は２光束の周波数
差を取り出す参照光学系へと導かれる。

【００１９】２光線のうちの検出光は、被測定物（ウエ
ハ面上のアライメントマーク）により回折され、それら
の干渉光は再び投影光学系ＰＬ内を通り、ミラー３０お
よびハーフミラー３１によって反射されて検出器に入
り、アライメントマークの横ずれが干渉光の位相ずれと
なって現れることを利用して、ウエハＷのＸ−Ｙ方向の
位置検出が行われる。ここで、２つの入射光やマークに
よる回折光の通過する領域において、光学系外部から空
気揺らぎの影響を受けて屈折率分布が一様でなくなった
り、２つの光路上において屈折率分布が異なったりした
場合には、各光軸の向きがずれたり、回折角の変化によ
り干渉光の位相がシフトしたりする可能性が生じる。こ
れらを防ぐため、図６においてミラー３０の周辺の光
路、すなわちビームスプリッタ３４からミラー３０に至
る光路と、ミラー３０から投影光学系ＰＬに至る光路
は、筒３２により囲まれている。更に、ミラー３０から
投影光学系ＰＬに至る光路の投影光学系ＰＬ側の開口部
には、検出光を透過させる膜３３が貼り付けられてい
る。こうして、筒３２の内側の領域に周囲の空気揺らぎ
が直接伝わることを防ぐことによって屈折率変動をなく
し、測定精度を向上している。

【００２０】上記の各実施例において、筒や膜の材質・
形状や個数・配置および送風方法については様々な組合
せが考えられるが、それらの中から空気の屈折率変動を
小さくするための最も効果的な組合せを選択して用いる
ことが、測定精度向上のためには重要である。以上の実
施例は本発明の実施例の一部にすぎず、他にも多くの応
用が考えられる。本発明によれば、検出光光路周辺の空
気揺らぎを抑えて屈折率の変動を減らすことにより、位
置計測における測定精度を向上することが可能である。

【００２１】

【発明の効果】以上のように、本発明は検出光光路周辺
および光路上の空気揺らぎを抑制し、屈折率の変動を低
減することにより、Ｚ方向の位置検出装置あるいはＸ−
Ｙ方向のアライメント装置の測定精度を向上することを
可能にするものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】投影露光装置の一例を示す概略側面図

【図２】本発明の第１実施例を用いたウエハ面高さ検出
装置の側面図

【図３】図２における筒の先端部を拡大した斜視図

【図４】本発明の第２実施例を用いたウエハ面高さ検出
装置の筒部分の拡大斜視図

【図５】本発明の第３実施例を用いたウエハ面高さ検出
装置の筒部分の断面図

【図６】本発明の第４実施例を説明するための２光波光
束干渉型ＴＴＬ方式アライメント装置の主要部分を下方
から見上げた斜視図

【符号の説明】

１…照明光Ｒ…レチクルＰＬ…投影光学系Ｗ…ウエハ４ａ…ウエハ面５ａ…投射光学系５ｂ…受光光学系６…オフアクシス顕微鏡方式ウエハアライメント装置７…ＴＴＬ方式ウエハアライメント装置ＩＬ…検出光９…光源１４…筒１５…膜１５ａ…端部１６…送風管１７…空気の流れ２６…光源２７…ハーフミラー２８…変調素子２９…ハーフミラー３０…ミラー３１…ハーフミラー３２…筒３３…膜３４…ビームスプリ
ッタ１０１…送光用スリット板１０２…レンズ系１０３…ミラー１０４…絞り１０５…投射対物レンズ１０６…ミラー１０７…ミラー１０８…受光用対物
レンズ１０９…レンズ系１１０…振動ミラー１１１…ミラー駆動部（Ｍ−ＤＲＶ）１１２…平行平板（プレーンパラレル）１１４…受光用スリット板１１５…ディテクタ１１６…同期検波回路（ＰＳＤ）ＡＸ…光軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主対物レンズの光軸に対して斜め方向から
基板に対して検出光を投射する投射光学系と、前記基板
で反射された前記検出光を受光する受光光学系とを有
し、前記主対物レンズの光軸方向における前記基板の位
置を検出する位置検出装置において、前記投射光学系から前記基板に至る前記検出光の光路
と、前記基板から前記受光光学系に至る前記検出光の光
路を囲む筒を設けたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】前記筒は、前記主対物レンズを通過する光
を遮光しないように設けられたことを特徴とする請求項
１記載の位置検出装置。
【請求項３】前記筒の少なくとも一方の開口端を、光を
透過する物体によって塞いだ請求項１又は請求項２に記
載の位置検出装置。
【請求項４】前記筒の内部に気体流が形成されるように
気体を吹き込み、又は前記筒から前記気体を排気する請
求項１から請求項３のいずれかに記載の位置検出装置。
【請求項５】マスクに形成されたパターンの像を投影光
学系を介して基板上に結像する露光装置において、前記投影光学系の光軸に対して斜め方向から前記基板に
対して検出光を投射する投射光学系と、前記基板で反射された前記検出光を受光する受光光学系
と、前記受光光学系が受光した検出光に基づいて、前記投影
光学系の像面に対する前記基板の位置偏差を検出する検
出器と、前記投射光学系から前記基板に至る前記検出光の光路
と、前記基板から前記受光光学系に至る前記検出光の光
路を囲む筒と、を有することを特徴とする露光装置。