JPS59121932A - 自動焦点制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）　発明の技術分野 本発明はステッパーと呼ばれるウェーハを縮小露光する
ための露光装置に係り、特に露光装置用の自動焦点制御
装置に関する。

（２）　技術の背景 近時、集積回路や大規模集積回路の素子が微細化し、そ
のパターンも極めて微細なものが要求されるようになっ
てきて縮小レンズを持ったステッパーと呼ばれる装置が
ウェーハ露光に用いられている。該ステッパーに用いら
れている縮小レンズの焦点深度範囲は１μｍ程度である
が、露光するためのウェーハには反りまたはうねりがあ
り、これらの値は最小で５μｍ位大きいと１０μｍの値
を持つためにウェーハは縮小レンズをステップアンドリ
ピートして自動焦点調整を行なう必要がある。

このような焦点調整を行うためには露光しようとするウ
ェーハ部分の高さを測定する必要がある。

このような測定方法としてはエアマイクロを用いるもの
或いは静電容量を測定するものが知られている。エアマ
イクロの場合は露光するウェーハの中心にエアを吹きつ
けることができない（露光用のビームが来るため）ため
に、その周辺にエアを吹き付けて露光部分周辺の高さを
測定し、これより露光部分の高さを推定することになり
、更に静電容量型のものも同様にウェーハ上に配設する
静電容量センサも露光部分の上部に配置することが出来
ないために焼付けるべきチップの高さを測定していない
ことになり、さらにＸＹステージ上のウェーハの端面近
くのチップを焼きつげる時には端面を境に一方すなわち
ウェーハ側にエアマイクロまたは静電容量センサがあり
、他方すなわちＸＹステージ側に他のエアマイクロまた
は静電容量センサが配置されることになる場合にはＸＹ
ステージ側のエアマイクロまたは静電容量センサは焼き
つけるべきチップ上の高さを検出しないためにレンズ等
が降下してきてウェーハを割る等の欠点があった。

これら欠点を除去するためには光を用いた検出方法であ
る反射光焦点検出方法がよい。

（３）　従来技術と問題点 第１図は従来の反射光焦点ヰ★出方法を用いた測定方法
を示す路線図、第２１図及び第３図は反射光焦点検出方
法の欠点を説明するためのウェーハ表面の入射光と反射
光との関係を示すウェーハの側面図であり、第１図に於
いて１はＸＹステージで該ＸＹステージ上にウェーハ２
を載置し、発光手段３よりの光を反射ミラー４を介しウ
ェーハ２上に入射させた入射光３ａはウェーハ２表面で
反射し、反射光３ｂは反射ミラー６で再び反射されて検
出手段５でウェーハ２の表面状態が検出される。

いま、ウェーハ２の表面が点線図示位置まで上動したと
すれば入射光３ａはウェーハ表面で反射して反射光３ｂ
’となり反射ミラー６を介して検出手段５に検出される
ために△て示すずれ量によってウェーハの上下動状態、
すなわち高さの変化（凹凸状態〉を知ることができる。

このような反射光焦点検出方法を用いた場合に生ずる問
題を第２図及び第３図について説明する。

いま、第２図に示すようにウェーハを単純化してウェー
ハ２の反射面２ａ上に屈折率ｎ＝１．５〜２の透明膜７
があると考えると入射光３ａは透明膜７上で一部が反射
波３Ｃとして反射し、後の大部分は透明膜７に入射する
。入射波３ｄは反射膜２ａで反射され、該反射光は再び
透明膜上面に向ってｎ１＝１の屈折率を有する空気中に
戻る。

従ってウェハー上よりの反射波は３Ｃ及び３ｅであり、
膜質、表面状態によって第１図の検出器５にはこの反射
光が受光され、フォーカスがあまくなってしまう。

透明膜７の上面に入射する光の入射角θ１は現在用いら
れているステッパーではθ＝１１°のものもある。この
場合の透明膜７への入射光３ｄの入射角θ３を求めると ｎ　＋　　５ｉｎ７９’　＝ｎ　２　　ｓｉｎθ３・−
・・（１）ｌ　ｘ　５ｉｎ７９°＝　（１，５〜２）　
　ｓｉｎθ３θ３＝４０．９°〜２９．４゜ すなわち屈折率ｎ　２　＝　１．５で４０．９°、屈折
率ｎ２＝２で２９．４　’となる。

次に反射膜２ａで反射した反射光３ｄが透明膜２上面で
全反射するときの臨界角θ４を計算すると ｎ　　２　ｓｉｎθ　ａ　／　ｎ　　＋　　＝　　１　
　　　・　・　・　・　・　・　（２）（１，５〜２）
　　ｓｉｎθ４／１＝１θａ−４１，８°〜３０゜ すなわち屈折率ｎ２＝１．５で４１．８°、ｎ２＝２で
３０°である。

この臨界角は曲成（１）で求めた屈折角θ３と極めて近
い値で入射角θ１＝１１°ではレジスト及び二酸化シリ
コン（ＳｉＯ２）等の膜上面で全反射する臨界角で極め
て不安定な角度である。

さらに第２の問題として第３図に示すようにウェーハ２
上の第２図で透明膜として表した焼付面（レジスト面）
７が点線図示のように傾いたときに誤動作を生ずる。現
在のステッパー（ＤＳＷ）の焦点ＦＡ整装置ではフォー
カス調整用の測定入射光３ａは上記したようにウェーハ
面で反射しウェーハの上下動のエラー検出を行っている
が、いま第３図の点線図示のようにウェーハの頭きをδ
とし対物レンズ９とウェーハ面迄の距離をＬとすると入
射光３ａは実線のようにウェーハ２が傾斜していなけれ
ばウェーハ２上のレジストすなわち透明膜７上面で３ｆ
で示すように反射するが領いた場合は一点鎖線３ｇで示
す位置迄反射光が進みエラー分Δを生ずる また焼付パターン左右に反射率の違いがあると、同様に
エラーを生じる。

（４）　発明の目的 本発明は上記欠点に鑑み、ウェーハ上面のレジスト表面
から全反射するような値の入射角θ１を選択すると共に
ウェーハを傾けても誤動作せず、更に反射面の反射率が
入射光の光軸中心面で異なっていても検出が可能なステ
ツパーの自動焦点装置を提供することを目的とするもの
である。

（５）　発明の構成 そしてこの目的は本発明によれば、ステージ上に載置さ
れた試料上にしンズ系の焦点を整合させるための自動焦
点調整制御装置において、第１及び第２の発光手段と、
上記試料からの反射光を受光する第１及び第２の検出手
段と、上記試料と第１及び第２の発光手段間に配設した
第１及び第２のハーフミラ−を具備し、上記第１及び第
２の発光手段よりの光を上記第１及び第２のハーフミラ
−に交互に照射して上記第１または第２の受光手段で交
互に受光し、該第１及び第２の受光手段に含まれた複数
の受光素子間の差出力信号を平滑化した出力によって上
記ステージまたは光学系を制御することを特徴とする自
動焦点制御装置を提供することによって達成される。

（６）発明の実施例 以下、本発明の実施例を図面によって詳述する。

第４図は本発明のウェーハ面上の焦点調整装置の原理的
な光学系の説明図を示すものであり、ウェーハ２の正常
なフォーカス面を符号１１でインフォーカス状態を符号
１３でアウトフォーカス状態を符号１２で示している。

１０は光ビーム投撮用の露光レンズを示し、検出手段５
．５としては光ビーム１０ａを軸中心とする対称位置に
ウェーハ３の露光点より所定距離Ｌ１を置いて４つの水
トセルａ、ｂ、ｃ、ｄを配設する。検出手段５．５とウ
ェーハ２の露光面間には上記ウェーハの反射面と平行に
第１及び第２のハーフミラ−１４、工５が配され、該ハ
ーフミラ−１４，１５の面にＡ、Ｂで示す二つの発光手
段３から光を交互に照射させる。

これら発光手段Ａ、Ｂとホトセルａ、ｂ、ｃ、ｄとの電
気回路を第１２図に示す。

第１２図において二つの発光素子Ａ、Ｂには発振器２３
よりの発振出力が切換回路２−４を通して与えられ、該
切換回路２４の出力によって発光素子Ａ、Ｂは交互に点
灯される。該切換回路２４の切換出力は同期検波回路２
１にも与えられ、検出手段５の出力に応じた同期出力を
平滑化回路２２に導く。検出手段３．３は４つのホトセ
ルａ、ｂ。

ｃ、ｄよりなりホトセルａ、ｄ並にｃ、ｂの出力は各々
加算回路１６．１７で加算され交流増中器１８．１９で
増巾され該二つの交流増中器１８．１９の出力は減算回
路２０で減算され、上記した同期検波回路２１で同期検
波される。

上記平滑化回路２２の出力はＸＹステージ１（第１図参
照）を駆動する駆動用モータ２６をサーボアンプ２５を
介してコントロールするようになされる。

上記した光学系並に回路系による本発明の動作を第４図
により説明する。

ウェーハ２の反射面での反射率を一定と考え、且つ一点
鎖線で示すようにウェーハ２の反射面１３がインフォー
カス状態であるとすれば第５図に示す如き波形が得られ
る。

すなわち、発光素子Ａが第５図（イ）の波形Ａの如く発
光したとすれば発光素子Ａよりの光はハーフミラ−１４
で反射して１６ａで示すようにウェーハ２のインフォー
カス面１３で反射されて一点鎖線で示す光１６ｂとなさ
れハーフミラ−１５を通過して受光手段５のホトセルＣ
にほとんどの反射光が入射するために、該ホトセルＣで
の出力は第５図（ロ）の波形Ｃの如く大きくなる。

一方ホトセルｄは反射光がほとんど入射しないために第
５図（ハ）の波形ｄに示すようにその出力レベルは小さ
い。

これらＣ及びｄで示す出力波形を加算回路１６．１７と
減算回路２０に加えて第５図（ニ）のｃ　−ｄに示す差
信号波形が得られる。

次に切換回路２４によって発光素子Ａが消灯し、発光素
子Ｂが点灯することで発光素子Ｂよりの光はハーフミラ
−１５で反射され１７ａで示すようにウェーハ２のイン
フォーカス面１３で反射して一点鎖線１７ｂで示す光の
経路で受光手段５のホトセルｂにほとんどの光が照射さ
れてホトセルｂの出力は第５図（ロ）の波形すの如く大
きな出力レベルで取り出される。

一方、検出手段５のホトセルａは第５図（ハ）の波形ａ
で示すように光がほとんど照射されないために小さなレ
ベルの出力波形ａとなる。

上記す及びａの波形出力は加算回路１６．１７と減算回
路２０で第５図（ニ）のｂ−ａに示す波形となされる。

上述の如くＡ及びＢの発光素子を交互に点灯するごとに
得られる波形を第１２図に示す平滑化回路２２で整流後
平滑化すれば第５図（ホ）に示すようなプラスの出力が
得られる。

すなわち、ウェーハの反射率が一定で且つインフォーカ
ス状態では平滑化回路２２の出力はプラス出力であり、
該出力によりＸＹステージ１を降下させてフォーカス位
置にウェーハの反射面を持ち来すようにする。

勿論レンズ系を上記平滑化回路２２よりのプラス出力に
よって降下させるようにコントロールすることで焦点調
整を行ってもよい。

第６図は上記したと同様の原理によってウェーハ２の反
射面１１がフォーカス状態にある場合の検出手段並に平
滑化回路出力を示すもので発光素子Ａの点灯時はホトセ
ルＣ及びｄに照射される光の量は同量となり第６図（ロ
）　（ハ）の波形Ｃ１ｄで示すような波形となり、減算
回路２０で上記Ｃ及びｄの差をとれば第６図（ニ）のｃ
−ｄで示す波形のように零となり平滑化回路出力は第６
図（ホ）のように零となる。発光素子Ｂの点灯時にはホ
トセルｂ及びａに照射される光の量は同量となり（第６
図（ロ）（ハ）の波形す、ａ参照）減算回路２０で減算
された出力ｂ−ａは第６図（ニ）のｂ−ａの波形の如く
零となり平滑化回路２２を通した出力は第６図（ホ）の
如く零となる。

ｂ＋ｃ、ａ＋ｄの波形加算は第１２図で加算回路１６．
１７で行なわれる。

この場合ＸＹステージまたはレンズ系はコントロールさ
れない。

次に第４図にウェーハ２の反射面１２を点線で示すよう
にアウトフォーカス状態とすればホトセルｂ及びＣ並に
ａ及びｄに得られる出力波形と減算回路２０の出力波形
は詳細な説明を省略するも上記と同様の原理に基づいて
第７図（イ）乃至（ホ）に示す如くなり平滑化回路２２
よりの出力はマイナス電圧となる。

よって、上記マイナス電圧によりＸＹステージまたはレ
ンズ系を上動させるようにモーフ２６をコントロールす
ればよい。

更に第８図に示すようにウェーハ２の反射面２ａが点線
図示のように角度δだけ伸いた場合について考える。ウ
ェーハ２が平らな場合には実線で示すように発光素子Ａ
、Ｂの交互の点灯で受光手段５．５のホトセルｄ、ｃ並
にす、ａに得ら共る出力は等しく第６図の波形の如くな
り事情後の出力は零である。次に点線で示すようにδだ
けウェーハ２が傾いたときには発光素子Ａが点灯しＢが
消灯している第９図（イ）の波形Ａに於いてはハーフミ
ラ−１４で反射された発光素子Ａよりの光は光路２７ａ
を通ってウェーハ２ａ表面で反射し点線で示す光路２７
ｂを通って受光素子５のホトセルｄにほとんどの光が照
射されるため、該ホトセルｄの出力波形は第９図（ハ）
の波形ｄに示すように高レベルである。これに対しホト
セルＣにはほとんど光が照射されないために第９図（ロ
）の波形Ｃに示すように低レベルであり波形ｃ、ｄを減
算回路２０にて差出力を取り出せば第９図（ニ）の波形
ｃ−ｄの如くマイナスレベルの波形となる。

さらに発光素子Ｂが第９図（イ）のＢ波形のように点灯
し、Ａが消灯すると発光素子Ｂよりの光はハーフミラ−
１５で反射して光路２８ａを通ってウェーハ２の表面２
ａで反射し点線図示の光路２８ｂを通ってほとんどの光
が受光手段５のホトセルｂに達する。このためホトセル
ｂの出力波形は第９図（ロ）の波形すのように高レベル
出力である。

一方ホトセルａにはほとんど光が達しないために該ホト
セルａの出力波形は第９図（ハ）の波形ａのように低レ
ベルである。

上記した各波形すとａを減算回路２０で減算すれば第９
図（ニ）の波形ｂ−ａが得られる。

これらｂ＋ｃ並にａ＋ｄの波形を平滑化すれば第９図（
ホ）のように零出力となりウェーハ２がイ頃いていても
零出力をとり出せる。

さらにフォーカス面で焦点が合っているかウェーハ上の
反射率が異なっている場合を第１０図について考えてみ
る。

ウェーハ２の反射面２ａで２９８で示す反射部分の反射
率がｒｌ＋で２９ｂで示す反射率がｎ２でｎｌ＞ｎ２で
あるとする。

上述したと同様に発光素子Ａが点灯した状態ではハーフ
ミラ−１４で反射した光はウェーハ２の互いに反射率の
異なる反射面２９ａ、２９ｂで反射してハーフミラ−１
５を通して光路３０ａ、３０ｂで示すように受光手段５
のホトセルｄ及びＣに入射される。この場合２９２の反
射率ｎ１が高いためにホトセルＣに比べてｄは多くの光
が入射し、ホトセルｄ及びＣの出力波形は第９図（ロ）
及び（ハ）の波形ｃ、ｄに示すように波形ｄの出力レベ
ルが大きい。

次に発光素子Ｂが発光してハーフミラ−１５で反射した
光は光路３０ａ、３０ｂを通ってウェーハ２の反射率の
異なる２９ａ、２９ｂで反射し光路３１ａ、３１ｂとハ
ーフミラ−１４を通して受光手段５のホトセルａ、ｂに
入射される。この時反射率の高い２９２点で反射した光
を受けるホトセルｂはホトセルａに比べより多くの光が
入射され、これらホトセルの出力波形は第９図（ロ）及
び（ハ）の波形す、ａで表される如くなる。よって減算
回路並に平滑化回路出力は第９図（ニ）。

（ホ）の如く出力は零となる。

よってホトセルによれば検出面の反射率が異なっている
場合でも誤動作することはない。

さらにウェーハ２の反射面で反射率がｎ’ｓｎ２と異な
り且つインフォーカスのときは第１０図で説明した第９
図（ロ）（ハ）の波形は多少変化する。

いま、Ａｘ＋Ｂｙ＝発光素子Ａ発光素子源射面積Ｘ！／
ｉ、Ａｘ−φ７’　ｔａｎθ、φ＝ゼインォーカス量、
θ＝入射角とすれば ホトセル　ａは　ｎ２（Ｂｇ　　Ａｘ）ｂは　ｎ＋ＸＢ
ｙ−ｎ　２ＸＡｘ Ｃは　ｎ　ｌ　ＸＡＸ−ｎ　２　ｘＢｙｄは　ｎ＋　（
Ｂｇ　　Ａｘ） 従って ｂ−ｃ＝ｎ＋Ｂｙ−ｎ２Ａｘ− （ｎ　＋　Ａｘ＋ｎ　２Ｂｙ） ＝ｒｚ　　（Ｂｙ−Ａｘ） −ｎ２　（Ｂｙ−Ａｘ） ＝　（Ｂｙ　　Ａｘ）　−（ｎ　＋　−ｎ　２）ａ−ｄ
＝ｎ　２　　（Ｂｙ−Ａｘ） −ｎ＋　　（Ｂｙ−Ａｘ） ＝（Ｂｙ−Ａｘ）（ｎ２−ｎ＋） となり第１１図（ロ）に示すようにｂ−ｃ波形と第１１
図（ハ）に示すようにａ−ｄ波形の絶対値は等しくフォ
ーカス面が傾いた場合と同一で出力は零となる。但し反
射率が左右独立に同一であるとは考えられないので自動
感度調整用の可変調整器をホトセルの後の回路に付加す
る必要がある。

また、上記実施例においてはウェー７１面の入射角θ１
については触れていないが反射面がレジストであるとす
れば反射率は第２図で示したように１．５〜２の値であ
り、この部分で全反射するようにθ１を１１°以下に選
択するを可とする。これにより、レジスト表面にフォー
カス面をもって来ることができ、レジスト下の膜質に左
右されない。

（７）　発明の効果 以上、詳細に説明したように、本発明の焦点調整装置に
よればウェーハ等の反射面が傾いていてもまた反射面の
反射率が入射光の光軸中心で異なっていても誤動作せず
、入射角をレジスト表面で全反射するような１１°以下
の値に選択したので不安定要素がなくなり、ステッパー
の自動焦点装置として極めて有効なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の焦点調整装置の検出手段とその光学系を
示す側面図、第２図及び第３図は従来の反射光焦点検出
方法の欠点を示すためのウェーハ表面の入射光と反射光
との関係を示すウェーハの側面図、第４図は本発明のウ
ェーハ面上の焦点調整装置の原理的な光学系の説明図、
第５図乃至第７図は第４図の波形説明図、第８図はウェ
ーハを伸ルノた場合の本発明の光学系を示す側面図、第
９図は第８図の波形説明図、第１０図はウェーハの焦点
面の反射率の異なる場合の本発明の光学系を示す側面図
、第１１図は第１０図の波形説明図、第１２図は本発明
の焦点調整装置をステッパーに適用した場合の回路図で
ある。 １・・・ＸＹステージ、　　２・・・ウェーハ、３・・
・発光手段、　　　４．６・・・反射ミラー、５・・・
検出手段、　　７・・・透明膜、　　９・・・対物レン
ズ、　　　１０・・・露光レンズ、１１・・・フォーカ
ス面、　　　１２・・・インフォーカス面、　　　１３
・・・アウトフォーカス面、１４．１５・・・ハーフミ
ラ−１１６，１７・・・加算回路、　　　１８．１９・
・・交流増幅器、　　　２０・・・減算回路、　　　２
１・・・同期検波回路、　　２２・・・平滑化回路、２
３・・・発振器、　　２４・・・切換回路、２５・・・
サーボアンプ、　　　２６・・・モータ。 す°、・〕−顎 第　２　図 へ４凹 第　５品 １）＋　（−（ａ＋ｄ）　　５ゝ（−一）″″″′７−
ゝ＼−一／′１１１７１１１１１ゝヒ悌６（２） （ニ）　ｌ）＋（−（ａｄｄ）　　　　　Ｃ−ｄ　　　
　ｂ　　ａ　　　ｄ　−”（ホ）　　　　　０□ 肇　７　図 （ハ）　　　　　ａｄｄ　　　　　　ｄ　　　　　　ａ
　　　　　　ｄ　　　　　　　（２）（−）　ｂ＋ｃ−
（ａｄｄ）　　ｃ−ｄ　　、　、０．７（ｈ％）溪８回 ／ 劣９　凹 ０□ 笛１０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ステージ上に載置された試料上にレンズ系の焦点を整合
   させるための自動焦点調整制御装置において、第１及び
   第２の発光手段と、上記試料からの反射光を受光する第
   １及び第２の検出手段と、上記試料と第１及び第２の発
   光手段間に配設した第１及び第２のハーフミラ−を具備
   し、上記第１及び第２の発光手段よりの光を上記第１及
   び第２のハーフミラ−に交互に照射して上記第１または
   第２の受光手段で交互に受光し、該第１及び第２の受光
   手段に含まれた複数の受光素子間の差出力信号を平滑化
   した出力によって上記ステージまたは光学系を制御する
   ことを特徴とする自動焦点調整制御装置。