JPS61136227A - 投影装置 - 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】 （技術分野） 本発明は第１物体上のパターンを光学系を介して第２物
体上に投影する装２、特にＩＣ。

ＬＳ１．ＶＬＳＩ等の半導体装置を製造する際に用いら
れる投影装置に関する。

（従来技術） 近年、半導体装置においては、素子の高集積化に応じて
回路パターンの微細化が進んでいる。このため、マスク
もしくはレチクル七に描かれた回路パターンをウェハー
上に焼付けるための焼付装置も、従来のコンタクト方式
やプロキシミテイ方式からプロジェクション方式を採用
したものが主流となりつつある。プロジエク、ジョン方
式の焼付装置としては、投影光学系をミラー系としたも
のやレンズ系としたものがある。

ところで、レンズプロジエクショ／方式の焼付装置では
、レンズ系のピント位置にウェハ表面を自動的に位置さ
せるためにオートフォーカス機構を設けるのが一般的で
あるが、現在のオート２オーカス機構はレンズ系の端面
から所定の距離に基亭面を設定し、この基準面からつエ
バ表面までの距離を一定に保つものがほとんどで、レン
ズ系のピント位２が一定の時には極めて高い精度でウェ
ハ表面をピント位置に合わせることができるが、何らか
の影響でレンズ系のピント位置が変化すると、ウェハ表
面をピント位置に合わせることができなくなってしまう
。

この点を更に説明する。一般に、プロジェクション方式
の焼付装この限界解像力りは、入を焼付波長、Ｆｎｏを
投影光学系の明るさとして、 Ｌ　＝　１．６λＦ　ｎ　ｏ　　　　　　　　−−−−
（１）で与えられるので、この種の装置において、解像
力りを上げるためには波長入を短くするか。

１Ｆｎｏ値を小さく　（投影光学系を明るく）すること
が必要となる。しかし、光学系の焦点深度りは同様に。

Ｄ＝士入Ｆｎｏ２　　（入／８基準）−（２）で′ｊ−
えられるので、斯る装置において、解像力りを上げると
、即ち波長入を短＜Ｌ、Ｆｎ、値を小さくすると、焦点
深度が浅くなる０例えば、焼付波長をｇ線（入＝４３６
ｍｍ）とし、Ｆｎｏ値を１．４３程度とした場合の焦点
深度りは±０．９Ｂｍに過ぎない、従って、上述のオー
トフォーカス機構を採用するレンズプロジェクション方
式の焼付装置では、何等かの理由でレンズ系のピント位
置が変化するとウェハ表面に正確にパターンを投影する
ことが不可能となる。

投影光学系のピント位置を変える要因として考えられる
ものはリレチクルとウェハとの間の空気の温度変化およ
び投影光学系中の硝材の温度変化、（リレチクルとウェ
ハとの間の空気の大気圧、および（争レチクルとウェハ
との間の空気の湿度等である。

〈υの空気および硝材の温度変化に対して投影光学系構
成要素の中で変わり得るものはレンズ面の曲率半径、レ
ンズ面間の間隔、および空気と硝子の相対屈折率であり
、これ等の構成要素の変化により投影光学系のピント位
置は変わる。このような温度変化によるピント位置の変
化は、係数的には、上記３つの要因の中で最も大きい、
従来は、ニアコンディショニング等のＦ段により装置の
環境および装置内の温度を制御してピント位はの変化量
を抑えていた。

一方、・７）の空気の大気圧および１〉の空気の湿度の
変化に対しては、ジエー・シー・オーエンス（Ｊ、Ｃ，
Ｏｗｅｎｓ）が詳しく研究しアプライドオプチツクス　
１９６７年　第　１　号（ＡＰＰＬｒＥＤＯＰＴＩＣ５
１９６７Ｎｏ、１）に発表しているように、空気の大気
圧または湿度が変化すると空気の屈折率が変化すること
が知られている。この場合、硝材の屈折率は実質的に変
化してないから屈折面での相対屈折率が変化することに
なる。

空気の絶対屈折率をｎＡ、硝材の絶対屈折率をｎｃ　硝
子と空気の相対屈折率をｎとすると ｎ　＝　　ｎ　ｃ　／　ｎ　Ａ で与えられ、ｎＡがΔｎＡ変化するとｎの変化量Δｎは
ｎＡＡｌ１り Δｎ中ｎｏψΔｎＡ にって与えられる０通常、ｎｃは約１．５であるから、 Δｎ　＝　１．５ΔｎＡ となり、空気の屈折率変化が硝材と空気の相対屈折率変
化に与える影響は空気の屈折率変化自身の１．５倍の量
となる０例えば大気圧が５ｍｍＨｆ変化すると空気の屈
折率は約１．８Ｘ１０−６変化するが、これは硝材と空
気の相対屈折率の２、７　Ｘ　Ｉ　Ｏ−６に相当し、投
影光学系の個々の性質により変ってくるが、ピント変化
としては０．５〜１．５ルｍに相当する。この値は前述
の焦点深度の値が±０．９　ｐ−ｍであることからもわ
かるように装置の性能上、充分問題となる変化量である
。

また、このような変化が生じている際には、投影光学系
によってウェハ表面」−に投影されているパターンには
倍率誤差が生じていることか考えられる。一般に、半導
体装置はウェハに複　゛数の異なったパターンが焼付け
られに形成されるが、焼付けのために投影されたパター
ンごとに倍率が変化すると、ウェハ上における各パター
ンの正確なアライメントが困難となり、製造された半導
体装ｌの＠頼性を低下させるので、好ましくない。

このようにプロジェクション方式の焼付装置では、気圧
、温度、湿度等の外的環境の変化によりピント誤差並び
に倍率誤差による不都合が生じるが、従来は３日に１回
程度の焼付テストを行なうことで、ウェハ上に焼付けら
れるパターンを最良とするように装Ｍｔ−調整するに過
ぎなかった。

（目的） 本発明の目的は、第１物体上のパターンを光学系を介し
て第°２物体上に投影する装置において、気圧、温度、
湿度等の外的環境が変化してもパターンをｗ４２物体上
に正確に投影することのできる投影装置を提供すること
にある。

（実施例） 以下１図に示した実施例に基づいて本発明を説明するが
、以下の説明において、本実施例はＩＣ，ＬＳＩ、ＶＬ
ＳＩ等の半導体装置を製造する際に用いられ、レチクル
もしくはマスク上に描かれた回路パターンをレンズ光学
系を介してウェハー上に縮小して投影することによりウ
ェハー上にパターンを焼付ける装置、所謂ステッパを前
提としている。また、第１図の説明では、説明を容易に
するために、投影光学系の光軸方向をＺ方向、投影光学
系の光軸と垂直に交わる平面内で１図の左右方向をＸ方
向、図に対して垂直な方向をＹ方向とそれぞれ記す。

第１図において、１は半導体装置のためのパターンが描
かれているレチクル、２はレチクルｌ上のパターンを投
影するためのレンズ光学系、３はレンズ光学系２を支持
する鏡筒、４は感光剤が表面に塗布されたシリコンから
なるウェハー、５は座標原点７とウェハー４との間隔を
センスするためのギャップセンサーで、このギャップセ
ンナ−５の出力に応じてウェハー４がＺ方向に移動され
、自動的にレンズ光学系２のピント位置に合わせられる
８本実施例ではギャップセンサー５として、ノズルから
一定の圧のエアーを物体に向けて噴射した際の背圧の変
化に応じてノズル端面と物体との間隔を検出する所謂エ
アーマイクロを用いている。なお。

レンズ光学系２は複数のレンズ成分から構成されている
。

２１は不図示の光源からの光でレクチルｌを照明するた
めの照明光学系で、この光学系２１からの光によってレ
チクルｌ上の回路パターンはレンズ光学系２を介してウ
ェハ４上に縮小されて焼付けられる。２２はレチクルｌ
とウェハ４のＸＹ面における位置ずれ状ｊ島を観察する
ためのアライメントスコープ、２３はレチクル１、　　
を保持するレチクルステージ、２４はレンズ光学系２を
ｍ筒３を介して支持する支持台、２８はウェハ４を保持
するウェハステージで、ウェハ４のＺ方向の位置を調整
するための圧電素子２７とレンズ光学系２の光軸（２輪
）を中心としたθ方向の位置を調整するためのθ駆動装
置（不図示）を有している。３０はモータ、３１はウェ
ハステージ２８をａＭしているＸ−Ｙステージで、モー
タ３０の回転によりＸ方向の位置が調整されると共に、
不図示のモータの回転によりＹ方向の位置が調整される
。３２は装置全体を支持するための基礎定盤である。

３３は一定周波数のレーザ光ＬＢを発生するレーザ光源
、３４はビームスプリッタ（不図示）と参照用反射鏡（
不図示）で構成されている干渉計、３５はＸ−Ｙステー
ジ３１上に固着されている測長用反射鏡、３６は干渉計
３４を通過してくるレーザ光の強度変化を検出するため
のレシーバ、３７はレシーバ３６、気圧センサ１１、湿
度センサ１３、温度センサ４０のそれぞれの出力に基づ
いて反射鏡３５、即ちＸ−Ｙステージ３１のＸ方向の移
動距離を測定する測定器で、これらで周知のレーザ精密
測定システムを構成している。なお、図示してはいない
が。

このレーザ精１［定システムはＸ−Ｙステージ３１のＹ
方向の移動距離を測定するために、もう−組設けられて
いる。

ここでレーザ精密測定システムの原理を簡単に説明する
。レーザ光源３３からのレーザ光ＬＢは干渉計３４の一
部を構成するビームスプリッタで２つの光に分割され、
一方は測長用反射鏡３５に向うと共に、他方は干渉計３
４の一部を構成する参照用反射鏡へ向う、これらの光は
各反射鏡で反射された後、ビームスプリッタでセなり合
うので、各反射光の位相差に応じて干渉が生じる。この
位相差は反射＠３５がレーザ光ＬＢの半波長性移動する
ごとに３６００ずれるので、干渉計３４を通過してくる
レーザ光ＬＢの強度は反射鏡３５がレーザ光ＬＢの半波
長性移動するごとに強弱を繰り返す、従って。

１回の強度変化で反射鏡３５のレーザ光ＬＢの半波長分
の移動が判ることになり、レーザ光ＬＢの波長が正確に
判っていれば、強度変化の回数をレシーバ３６を介して
計数することで、反射鏡３５の移動距離を測定すること
が可能となる。なお、レーザ光ＬＢの波長は真空中では
一定であるが、空気中では空気の屈折率の増加にともな
って減少し、この屈折率は気温、気圧、湿度によって変
化する。従って、本実施例では、レジ−／へ３６からの
強度変化の回数とレーザ光ＬＢの半波長の積からｘ−Ｙ
ステージ３１の移動距離を測定器３７で求める際、測定
器３７内に設定されているレーザ光ＬＢの半波長の値を
気圧センサ１１、湿度センサ１３．温度センサ４０でセ
ンスした基準値に対する気圧、湿度、温度の変化分に応
じて補正するようなしている。

４２はレチクルステージ２３と支持台２４の間を略密閉
状態に覆うカバーで、レンズ光学系２の大部分はこのカ
バー４２で覆われた空間内に位置している。４３はカバ
ー４２で覆われた空間内の温度を調整する温調ユニット
で、ダクト４４を介してカバー４２内にカバー４２内の
温度が所定の値となるように冷却もしくは熱せられた空
気を流入する。温度センサ１２はこのカバー４２内の温
度をセンスする。４５は支持台２４と定１１３２の間を
略密閉状態に覆う力／＜−で、このカバー４５で覆われ
た空間内にはレンズ光学系２の一部、ギャップセンサ５
．ウェハステージ２Ｂ、Ｘ　−Ｙ　７．　＋−ジ３１．
モータ３０、干渉計３４．Ｊｌｌ長尺反射鏡３５温度セ
／す４０が少なくとも位置している。４６はカバー４５
内の温度を調整する空調ユニットで、空調ユニット４３
と同様にダクト４７を介して冷却もしくは熱せられた空
気をカバー４５内に魔人される。

次に、第２図において、１５はその内部に設定された各
種のルーチンによって本実施例の動作を制御するマイク
ロプロセッサで、このマイクロプロセッサ１５にはメイ
ンルーチン以外にメインルーチンからの指令に基づいて
作動するＸ方向駆動ルーチン、Ｙ方向駆動ルーチン、Ｚ
方向駆動ルーチン、補正量算出ルーチン等を有している
。Ｘ方向、Ｙ方向駆動ルーチンはつエバ４のＸＹ面にお
ける位置をｘ−Ｙステージ３１を介して制御するための
ものであり、Ｚ方向駆動ルーチンはウェハ４のＺ方向の
位置をウェハステージ２８を介して制御するためのもの
である。また、補正量算出ルーチンは、外部操作可能な
基準情報設定器５０に設定された基準気圧ＰＯ１基準温
度ＴＯ２、基準湿度ＨＯのそれぞれに応じた信号と、気
圧センサ１１、温度センサ１２、湿度センサ１３でセン
サされた環境気圧Ｐ、環境温度Ｔ２．ａｉ！境湿度Ｈの
それぞれに応じた信号を入力し、これに基づいて環境条
件の変化によって生じるピント誤差と倍率誤差を補正す
るためのＺ駆動補正量ΔＺｄと温度補正量ΔＴ２を算出
する。なお、第１図の装置は環境気圧Ｐ、環境温度Ｔ２
、環境湿度Ｈがそれぞれ基準気圧ＰＯ１基準温度ＴＯ２
、基準湿度ＨＯに−・致している時、レンズ光学系２の
ピント位置がギャップセンサ５の座標原点７（第１図参
照）と一致すると共に、レンズ光学系２によってウェハ
４上に投影されたレチクルｌのパターンの倍率が所望の
倍率、例えば１１５倍となるように設定されている。ま
た、設定器５０に設定される基準温度Ｔｏ１はカバー４
５内の環境温度Ｔ１を指定するために用いられる。

マイクロプロセッサ１５の補正量算出ルーチンにおいて
、Ｚ′ＮＡ！ｌＪ補正量ΔＺｄは環境条件の基準条件に
対する変化量をそれぞれΔＴ、ΔＰ。

ΔＨとして、 ΔＺｄ　　＝　　Ｋｌ・ΔＴ＋に２・ΔＰ＋に３−ΔＨ
・・・・・・　（３）ΔＴ　＝　７２−ＴＯ２ ΔＰ　＝　　Ｐ−ＰＱ ΔＨ＝　Ｈ−ＨＱ で求められる。ここで、Ｋｌ　、に２．に３は定数で、
ギャップセンサー５がエアマイクロである場合には、環
境の変化に応じた光学性能の変化とギャップセンサ５の
出力の変化を考慮して決定される。定数Ｋｌ、に２．に
３は、計算により求めても良いが、実験で求めるのがよ
り実際的である。なお、上式ではΔＰ、ΔＴ、ΔＨの１
次式によりΔＺｄを求めるよにしているが、理論的には
２次以上の高次の項の影響も考えられる。しかし、ΔＰ
、ΔＴ、ΔＨの値が実際には小さ−いので、１次式でも
充分である。

また、環境条件の変化に応じた投影倍率の変化？、即ち
倍率誤差Δβは、前述のΔＺｄの場合と同様にΔＴ、Δ
Ｐ、ΔＨを用いて、Δβ　＝　　ｋ１＊ΔＴ＋に２＊Δ
Ｐ＋に３＊ΔＨ−＝−・（４）で与えられるので、環境
に変化が生じても投影倍率を常に一定とするためには、
常に Δβ＝　ｋｌ・ΔＴ＋に２・ΔＰ＋に３・ΔＨ＝０が成
り立てば良い、従って、補正賃算出ルーチンは温度補正
量ΔＴｄを ΔＴｄ　＝　−に２／ｋｌ・ΔＰ−に３／ｋｌ・ΔＨ＝
に４＠ΔＰ＋　ｋ５・ΔＨ…・・・（５）ｋ４　”　−
に２／ｋｌ、　　ｋ５　＝　−に３／ｋｔと算出する。

ここで、ｋｌ、ｋｚ、に３は環境の変化に応じた光学性
能の変化によって決定される定数で、定数ｋｌ、に２．
に３と同様に実験で求めるのが良い。

補正量算出ルーチンで求められたＺ駆動補正賃ΔＺ　ｄ
ｌＺ方向駆動ルーチンに与える。これによりＺ方向駆動
ルーチンはギャップセンサ５の座標原点７（第１図参照
）からＺ方向にΔＺｄだけずれた位置を示す指令値を出
力する。

一方、ギャップセンサ５ば座標原点７からウェハ４の表
面までの距離Ｚｓを示す信号をマイクロプロセッサ１５
に与えている。マイクロプロセッサ１５はＺ方向駆動ル
ーチンからの補正量ΔＺｄとギャップセンサ５からの距
離Ｚｓとの差をＺ駆動制御部２６に与える。Ｚ駆動制御
部２６はこの差に応じてウェハ゛４の移動ＩＺｄを示す
信号を圧電素子２７に与え、ウェハステージ２８上のウ
ェハ４をＺｄだけ移動させる。

この動作によりギャップセンサ５で検出されている座標
原点７からウェハ４の表面までの距離、　ＺＳが補正量
ΔＺｄに等しくなり、差が零となったところでＺ駆動制
御部２６はウェハ４のＺ方向の移動を停止１−する、こ
れでウェハ４の表面は現在のカバー４２内の環境気温Ｔ
２、環境気圧Ｐ、環境湿度Ｈによって決定されているレ
ンズ光学系２のピント位置に正確に合わされたことにな
る。Ｚ！％動制御部２６、圧電素子２７、ウェハステー
ジ２８でＺＷＩＡ動装置１６を構成している。

一方、補正量算出ルーチンで求められた温度補正量ΔＺ
ｄはマイクロプロセッサ１５内で設定器５０にＪ々定さ
れている基準温度ＴＯ２に加算され、指令温度Ｔｄ　（
＝Ｔｏ　２＋ΔＴｄ）としてマイクロプロセッサ１５か
ら減算器５１へ出力される。減算器５１は温度センサ１
２でセンスしているカバー４２内の環境温度Ｔ２と指令
温度Ｔｄの差を演算し、この差を空調制御部５２へ与え
る。空調制御部５２はこの差に基づいて空調装置５３を
制御し、環境温度Ｔ２と指令温度Ｔｄとの差が零となる
ように、ダクト４４を介してカバー４２内に流入される
空気を冷却もしくは熱する。この動作によりカバー４２
内の温度Ｔ２は指令温度Ｔｄに等しくなるので、環境気
圧Ｐ、環境湿度Ｈの変化に応じたレンズ光学系の倍率誤
差は補正される。減算器５１．空調制御部５２．空調装
Ｎ５３で空調ユニット４３が構成されている。

この状態で本実施例はレチクル１上の回路パターンをレ
ンズ光学系２を介してウニ／＼４上に投影して焼付ける
動作をｆｒなうが、この焼付は動作はウェハ４をＸ−Ｙ
ステージ３１を介してステップ的に移動させながら繰り
返し行なわれる。マイクロプロセッサ１５のＸ方向駆動
ルーチン、Ｙ方向駆動ルーチンは焼付は動作と交互に繰
り返えされるウニ／＼４のステップ移動を制御するため
に設けられている。なお、Ｘ方向駆動ルーチンに基づい
てウェハ４をＸ方向にステップ駆動する構成と、Ｙ方向
駆動ルーチンに基づいてウェハ４をＹ方向にステップ駆
動する構成は同一なので、以下の説明ではＸ方向駆動ル
ーチンに関連する部分のみを説明する。

ウェハ４の所定部分への焼付けが終了すると、Ｘ方向駆
動ルーチンはウニ／＼４−ヒの他の部分をレンズ光学系
２の投影領域に位置させるための移動量を指示する。マ
イクロプロセッサ１５はこの指示移動量と測定器３７か
らのＸ−Ｙステージ３１の実際の移動量との差を演算し
、これをＸ駆動制御部２９へ出力する。Ｘ駆動制御部２
９はこの差に基づいて必要な移１１１ＪｉＸ　ｄを求め
、このＸｄに応じた信号でモータ３０の駆動を制御し、
Ｘ−Ｙステージ３１を介してウェハ４をＸ方向に移動さ
せる。Ｘ−Ｙステージ３１がＸ方向に移動すると、ｘ−
Ｙステージ３１上の反射鏡３５が光源３３からのレーザ
光ＬＢの半波長分移動するごとに、干渉計３４で干渉が
生じ、レシーバ３６の入射光の強度が変化する。この強
度変化が生じるたびにレシーバ３６は検出信号Ｘｒを測
定器３７に出力し。

測定２１３７はこの強度変化の回数と測定器３７内にレ
ーザ光ＬＢの半波長分の長さとして設定されている値と
の積を移動量ｘｓとして出力する。この動作は測定器３
７からの移動ｌ　Ｘ　ｓがＸ方向駆動ルーチンからの設
定移動量に等しくなって、Ｘ駆動制御部２９の出力Ｘｄ
が零となるまで行なわれる。

ところで、レーザ光ＬＢの波長は前述した如く環境条件
によって空気°の屈折率が変化すると変わるので、測定
器３７にはその内部に設定されているレーザ光ＬＢの半
波長としての値を補正するために温度センサ４０からカ
バー４５内の環境温度Ｔｌ、気圧センサ１１から環境気
圧Ｐ、湿度センナ１３から環境湿度Ｈの各情報が入力さ
れている。なお、この各センナ４０゜１１．１３からの
環境条件ばＹ方向駆動ルーチンに対応する測定器（不図
示）にも入力されている。

また、温度センナ４０でセンサされたカバー４５内の環
境温度Ｔ１に応じた信号Ｔｓｌは減算器５４に入力され
る。減算器５４はこの環境温度Ｔｌと設定＄５０に設定
されている基準温度ＴＯ１との差を演算する。空調制御
部５５はこの差にノルづいて空調装置５６を制御し、ダ
クト４７を介してカバー４５内に流入される空気を冷却
もしくは熱し、カバー４５内の環境温度Ｔ１を基準温度
ＴＯＩに等しくする。減算器５４、空調制御部５５、空
調装置５６で空調ユニット４６を構成している。この実
施例において、Ｐｓ、Ｔｓ２．Ｈｓ、Ｔｓｌは各センサ
１１，１２，１３．４０の検出信号を示す。

なお、本発明は前述の実施例に限定されることなく適宜
変形して実施することができる。

例えば、前記実施例ではギャップセンサとしてエアーマ
イクロを用いているが、これは非接触式電気マイクロメ
ータを用いてもよく、あるいは、レーザ光の走査または
テレビの映像処理による方法等光学的な検出方法を用い
た装置でもよい、また、前記実施例では所定の演算式を
用いてＺ駆動補正量ΔＺｄと温度補正量ΔＴｄを求める
ようにしているが、気圧、温度、湿度等の環境条件に対
応する各補正量を予めメモリに記憶させておき、環境条
件情報を用いて各補正ｊ、１を読み出すようにしてもよ
い。

また、上述においては、本発明を半導体焼付装置に適用
する場合について説明しているが、本発明は、ホログラ
ム作成装置や複写機等、他のパターン転写装置に対して
も適用することができることは勿論である。

（効果） 以上のごとく、未発明によれば、大気圧、温度または湿
度の変化に応じてウェハ表面等のパターン転写面の設定
位置と倍率を補正するようにしたため、大気圧、温度ま
たは湿度の変化にかかわらず、常にパターン転写面を投
影光学系のピント面に合致させることができると共に、
正確な倍率のパターンをパターン転写面に投影すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の投影装置の一実施例を示す図。 第２図は本実施例の制御系の一例を示す図である。 １−一一一レクチル、 ２−−一−レンズ光学系、 ４−一一一つエバ。 ５−−一−ギャップセンサ、 １１−−−一気圧センサ、 １２−−−一温度センサ、 １３−−−一湿度センサ、 １５−−−一マイクロプロセッサ。 ４０−−−一温度センサ。 ４３−４６−−−−空調ユニット。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１物体上のパターンを光学系を介して第２物体上に投
   影する装置において、上記光学系の光軸方向における上
   記光学系の基準点と上記第２物体の間隔を検出する第１
   検出器と、上記光学系によって投影されたパターンの倍
   率を補正するために上記光学系の周囲の環境条件を調整
   する空調器と、この空調器によって調整された環境条件
   を検出する第２検出器と、この第２検出器の出力に基づ
   いて上記光学系のピント位置の変化量を判別する判別器
   と、この判別器と上記第１検出器の出力に基づいて上記
   光学系の基準点と上記第２物体の間隔を調整する調整器
   を有することを特徴とする投影装置。