JPS61160931A - 露光装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、微細パターンを持つ装置特に１ミクでの回折
次数の二値表示で表わすと、回折光６は（０，１）、回
折光７は（１，１）、回折光８は（−１，２）・・・・
・・で表わすことができる。この回折光をレンズにより
一点に集め光強度を測定する。

回折光は入射レーザビーム１に対して左右対称な位置に
光強度を持ち、フォトマスク２とウェハ４との位置合わ
せには、左右に観察された回折光の強度を一致させるこ
とにより行なえる。この方法では位置合わせ精度は、数
１００人とされている。

しかし、この方法においては、フォトマスク２とウェハ
４との位置合わせは、フォトマスク２とウェハ４との間
隔りに大きく影響されるため、間隔りの精度を要求する
。また、フォトマスク２とウェハ４を接近させ、間隔り
の精度を保持した状態で位置合わせする必要があり、装
置が複雑となるため、実用に問題があった。

また、サブミクロン線幅を持つ素子の位置合わせには、
素子からの二次電子放出による観察による方法があるが
、大気中での取り扱いができないため、ＬＳＩを製造す
る上でのスループットが小半導体装置は最近ますます高
密度化され、各々の素子の微細パターンの寸法は１ミク
ロン以下に及んでいる。従来からのＬＳＩ製造時のフォ
トマスクとＬＩＩウェハの位置合わせは、ウェハに設け
た位置合せマークを用いて、ウェハを装着したステージ
の回転と２軸子行移動し、フォトマスク上のマークとウ
ェハ上のマークを重ね合わせることによって行なってい
たが、その位置合わせ精度は±０．３ミクロン程度であ
り、サブミクロンの素子を形成する場合には、合わせ精
度が悪く実用にならない。また、Ｓ、オースチｙ　（Ａ
ｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｖｏｌ
　３１Ａ７Ｐ、　４２Ｂ、　１９７７）もが示した干渉
法を用いた位置合わせ方法では、第９図で示したように
、入射レーザビーム１を７オトマスク２に入射させ、フ
ォトマスク２上に形成した格子３で回折し、この回折し
た光をもう一度、ウェハ４上に形成した格子６によって
回折することにより、回折光６．　７．　８・・・・・
・を得る。この回折光は、フォトマスクでの回折次数と
ウェハさくなり実用上問題があった。

発明が解決しようとする問題点 このような従来の位置合わせ方法では、フォトマスクと
ウェハとの間隔の大きな露光装置に応用できなかったシ
、簡易に大気中で位置合わせができなく、また、数１０
０Ａの高い位置合わせ精度を得ることが困難であった。

本発明はこのような従来からの問題に鑑み、微細パター
ンの位置合わせを大気中で、がっ、簡単な構成で行なえ
るＬＳＩのレチクルとウェハの正確かつ容易な位置合わ
せ方法を提供することを目的としている。

問題点を解決するための手段 本発明は、高精度な位置合わせを投影露光装置において
実現するために、レチクル面上に形成された格子によっ
て波面分割された光束のうち、第ルンズ系のスペクトル
面で二つの回折光の対をミラーよりなる空間フィルター
によって前記第１のレンズ系を通過した光束の一部分Ａ
をミラーによって反射して位置合わせ光路系に導びき、
適描な２光束のみを得、前記２光束を前記第２のレンズ
系に導びき、前記第２のレンズ系を通過した前記２光束
を用いて生成した干渉縞を前記基板上に投影し、さらに
基板上に形成した干渉縞の偶数倍のピッチを持つ格子に
よって回折された光束Ｂを第２のレンズ系を通過後、前
記第１のレンズ系のスペクトル面に配置したミラーによ
って位置合わせ光路系に導びき、前記光束Ａと光束Ｂと
の相対位置によってレチクル上の第１の格子と基板上の
第２の格子との概略の位置合わせを行ない、さらに光束
Ｂの光強度を光検出器で測定することによって、高精度
な位置合わせを実現する露光装置を与えるものである。

作　　用 本発明は上記した構成により、レチクルと基板の相対位
置をレチクルから００次の回折光と基板からの回折光の
相対位置を合わせることによって概略の位置合わせを行
ないさらに光束Ｂとの相対位置と高精度に行なえるもの
である。

実施例 パターンの像をウエノ・１８上に投影する。第１の７−
リエ変換レンズと第２のフーリエ変換レンズの焦点距離
を等しくするとレチクル上のパターンが等倍に投影され
る。第１及び第２のフーリエ変換レンズの焦点距離を変
化させると縮小投影が可能となる。第１の７−リエ変換
レンズの後側焦点面には、レチクル上のパターンの回折
光（フーリエスペクトル）が空間的に分布しており、本
発明の構成例においては、このフーリエ変換面に、空間
フィルター１６を配置してスペクトル面でフィルタリン
グし、レチクル上に形成されたパターンをスペクトル面
でフィルタリングすることによってウェハ１８面上に干
渉縞を形成する。

第２図は本発明の露光装置に用いられるレチクルである
。第２図ａはレチクル１４の平面図であり、第２図すは
その断面図である。レチクル１４中には、回路パターン
部４２とその周辺部４３か本発明に用いる基本構成を第
１図に示した。光源１１から出た光（この図ではよシ鮮
明な干渉性とより深い焦点深度を得るために、レーザ光
を想定した構成になっているが、全体の光学系は白色干
渉光学系であり、水銀灯などのスペクトル光源でもよい
。）をビームエクスパンダ１２によす拡大し、この光を
平行光又は収束光に変換するためのコリメータレンズ又
はコンデンサレンズで構成された照明光学系１３によっ
て第１のレンズ系１５の入射瞳に対して入射する。

以下の説明では、本発明の原理を簡潔に述べるためにレ
チクルは平行光束によって照明され、第１及び第２のレ
ンズ系は、フーリエ変換レンズとするが、必らずしも７
−リエ変換レンズでなくてもよい。

光源光学系１３と第１のフーリエ変換レンズ１６ソリエ
変換レンズによ・て−且集光し、さらに第２のフーリエ
変換レンズ１７を通してレチクル上の入射し、第２図す
に示すように１パタ一ン４１内部では位相格子４１によ
って、０次、±１次１士２次・・・・・・のように複数
の回折光が回折される。パターン４１を取り巻くしゃ断
部４３はクロムや酸化クロム等の膜で形成されており、
入射光４４を、パターンの内部のみ通過させている。

第２図の例においては、回折光を得るために位相格子を
用いているが、この格子は振幅格子でもよく、入射光が
ななめから入射する場合にはエシェレット格子でもよい
。

第３図はさらに本発明の露光装置の原理説明図である。

光源１１から出た波長λの光は、ビームエクスパンダ２
ｏによって拡大され、さらにコリメータレンズ２１で所
定の広がりを持つ平行光にされる。第１フーリエ変換レ
ンズ６１（第１図の１４に相当）の前側焦点ｆ　の位置
ｘ１　にレチクル上の位相格子を配置する。位相格子の
ピッチＰ１と回折光の回折角θ１は Ｐ１ＳＩＩＩθ１１λ（ｎ−ｏ、　　±１．±２　、　
　・−・−）の関係がある。このように複数の光束に回
折された光はフーリエ変換レンズに入射し、さらに後側
焦点面に各々の回折光に相当するフーリエスペクトル像
を結ぶ。−次の回折光のフーリエスペクトルに対応する
座標ξ６．は ξ６．−ｆ、Ｓｉｎθ。

Ｐ１ｓ＋ｎθ１■λ で示され、０次の回折光のフーリエスペクトルξ６０ ξ６Ｏ−ｆ１ＳＩｌｌ　θ０　冨隊　０とは完全に分離
された状態でフーリエ変換面にフーリエスペクトル像を
結ぶ。第１図に示したようにこのフーリエ変換面上に空
間フィルタ１６となるミラーＭを配置し、第３図に示し
たように格子の０次および±２次以上の回折光を遮断し
、±１次回折光と開ロバターンのスペクトル（０次光成
分を除く）を通過させる。この回折光は第２フーリエ変
換レンズ６２（第１図の１７に相当）を通過し、さらに
ウェハＷ１８上に投影される。ウニ・Ｗ上に投影された
像は、レチクル上の開口部の像を大略結ぶとともに、格
子の±１次光成分同志が干渉して新らたなピッチの干渉
縞が形成される。

ここで干渉縞のピッチＰ２は、 λ Ｐ２”’　ｚｓｉｎθ２ で与えられる。このとき、第２フーリエ変換レンズ５２
の前側焦点面に前記第１７−リエ変換レンズ６１の７一
リエ変換面を設定するのでｆ　１ｓｉｎθ１Ｌｆ　２５
１１１θ２；ξ６１の関係がある。

第１及び第２７−リエ変換レンズ５１．５２を通した像
の間には の関係がある。よって、ウェハ上に生成される干渉縞の
ピッチＰ　は、ｆ１＝ｆ２のときはレチクル上の格子の
ピッチの半分となる。

この干渉縞のピッチＰ２にほぼ等しいピッチを持つ格子
Ｇからは、２光束１１１と１１２の光を波面分割する格
子Ｇによって回折された光が得られる。さらに２光束は
ウェハ上に投影され干渉縞を生成し、ウェハＷ上の格子
によって回折される光を各々干渉させることにより、干
渉縞と格子との間の位置関係を示す光強度情報が得られ
る。

干渉縞を生成した２光束はウェハＷ上の格子によって回
折され、その一部分の回折光は第２のレンズ６２を通過
してフーリエ変換面において、フーリエスペクトル像を
結ぶ。ウェハＷからほぼ垂直に回折された光は、０次の
回折光と同じように振舞い ξ６０＝ｆ２””θｏ′＝０ で示される。

今、ウェハをセットした面上に、基準ターゲットとなる
回折格子が形成されており、第３図に示した光学系にレ
チクル４１をセットする。レチクル４１は、単にセット
しただけでは位置ずれがあり、この位置ずれは、フーリ
エ変換面においてフーリエスペクトル像の結像座標 ξ６．−＝ｆ１Ｓ１ｎθ１　及び　ξ６０”　ｆＩ　Ｓ
”θ。＼０の値が設定値と異なり、さらに基準ターゲッ
トから回折された光は、７一リエ変換面においてξｅｏ
＝ｆ２ｓ＋ｎθ０′＼０ となる。この様子を第３図のレチクル側のフーリエスペ
クトル像をミラーＭで反射し位置合わせ光路系に導びき
、フーリエ変換面の像Ｒとウェハ側のフーリエ変換面の
像Ｗ′で示した。

レチクルの位置ずれを修正してゆくと、像只のフーリエ
像は視野の中心に向うとともに、基準ターゲットから回
折された光も像Ｗ′の中心に向いレチクルの設定が完了
する。

次に、このレチクルに対して、フェノ１Ｗがセットされ
るが、このウェハＷは基準ターゲットとの相対的な位置
ずれがある。クエハＷ上には、位置合わせ用の回折格子
が形成されており、基準ターゲットと同様に２光束を回
折して ξ８０　”　ｆ　２　Ｓｌｎ　ｌ　ｏｚのフーリエ変換
面にフーリエスペクトル像を結像する。フーリエスペク
トル像の位置はやはり、位置ずれに比例して中心位置か
らずれているので、視野の中心に合うようにウェハＷの
位置ずれを修正する。７ さらに、フェノ・Ｗからの回折した光は、光検知器り、
で受光する。

光検知器Ｄ１上での観測される光強度Ｉは””Ａ　”Ｂ
　＋ｕＡ　１１ｕＢ＋ｕＡ”Ｂ＊ただし、ｕＡ、ｕＢ　
は各々光束１１１，１１２の振幅強度ｕｘ　、ｕｓは、
共役複素振幅である。

＊　　　＊ δＡ−δＢ ｕＡｅｕＢ＋ｕＡＩＩｕＢ＊−２＠Ａ＊ＢｃＯ５ｌ　（
Ｎ−１）　−＋Ｋｘ　（ｓｉｎθＡ−”’θＢ）１ （ただし、Ａ、Ｂは定数、Ｎ：格子の数、δＡ。

δＢは隣接した２格子によって回折された光の間の光路
差、Ｉは光束１１１と光束１１２との干渉縞と格子との
間の相対的位置関係、θＡ、θＢは光束１１１及び１１
２とウェハの垂線とのなす角）として示される。

第４図に光強度Ｉの観測角度依存性を示した。

干渉縞のピッチを１μｍ、格子のピッチを２μｍとした
場合の図である。光強度の鋭いピークが現われるのは光
強度Ｉで示されているように、干渉縞のピッチに対して
格子のピッチが整数倍のときに限られている。そして、
第４図において、観測角度を０〜π／２と変化させると
６つのピークがあられれ、θ２のピークには、入射光１
１１，１１２の０次の回折光が重なる。θ４のピークは
干渉縞と格子のピッチが等しい場合の１次の回折光のピ
ークに相当する。０１〜θ５の各々のピークに干渉縞と
ウェハ上の格子との間の位置情報が含まれている。

第６図に、光検出器の位置を第４図のピークを示す位置
に固定し、光束１１１と光束１１２の作る干渉縞とウェ
ハ上の格子との間の相対位置Ｉを変化させたときの光強
度工の変化を示した。相対位置Ｉの変化は、格子のピッ
チｌ毎に光強度を周期的に変化させ、光強度を観測する
ことによって、干渉縞と格子との間の相対位置を示すこ
とができる。

実際のＬＳＩのパターンを形成するときの位置合わせは
、ウェハ上に形成された回路素子部分のパターンと露光
しようとする２光束の干渉縞との間の位置合わせである
。

第６図に従来からの位置合わせマークｍと格子Ｇとを組
み合わせた場合の位置合わせパターンを示した。図に示
されているように、十字の位置合わせマークｍが格子Ｇ
のパターンの中に形成されている。この格子に十字の位
置合わせマークの入ったパターンに２光束を照射すると
、第８図のパターンからの回折光は四辺形の明パターン
の中に十字の暗パターンが組み合わさったもので、位置
合わせが不十分であると第７図ａのように十字の暗パタ
ーンが二実に見える状態となり、第７図すのように十字
のパターンを合わせるべく位置合せを行う。すなわち、
この十字のパターンに合わせて光検知手段を設けると従
来と同様のパターン位置合わせを行なうことができる。

こうした従来と同様の位置合わせ方法によって０．３ミ
クロン程度の概略の位置合わせができる。こうした位置
合せが終ると、第７図すに示したように、四辺形の明パ
ターンの中にモアレ状縞が観測されるようになり、この
縞を用いて本発明の位置合わせ方法により短時間に高精
度の位置合わせを行なうことができる。

第８図は、本発明による第２の実施例を示す。

この図においては、レチクルを通過したフーリエスペク
トル像のうち０次光をミラーＭによって位置合わせ光路
系αに導くとともに、±１次の回折光はピンホールｐに
よって第１のレンズ系の光軸Ｚ方向に通過させるフーリ
エスペクトル面の構造について示している。前記ミラー
Ｍの反射方向はせ光路系αが重ならないように配置され
ている。

これは、位置合わせ用のレチクルの格子のピッチが充分
小さく、０次、±１次の回折光がレンズの画角に入り、
±２次の回折光が瞳によって遮ぎられる場合には考慮す
る必要はないが、±２次の回折光が画角に入る場合には
、上述のようにピンホールの支持体によってミラーから
の反射光が遮ぎられないようにする必要がある。

なお、本発明の以上の機構は、通常の縮少投影露光装置
等に組み込むことができ、半導体装置の製造における通
常のウェハへの露光と、レチクルとウェハの位置合せを
高精度に行うことが可能となる。さらに、位置合せでな
く、干渉縞パターンをウェハに露光することも可能であ
る。

発明の効果 本発明により、干渉縞を媒介としてレチクル上のパター
ンをウェハ上に高い精度で位置合わせできる。また、本
発明によるレチクルとウェハとの間の光路の合わせ方法
により、ターゲットに対してレチクルを高精度に位置合
わせでき、レチクルとウェハの位置合わせが一定した条
件のもとて可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による位置合わせの基本的な構想図、第
２図ａは本発明によるレチクルの構成図、第２図すは位
置合わせ用格子の断面図、第３図は本発明による再回折
光学系の原理説明図、第４図は本発明によるウェハ上の
格子からの回折光強度を示す図、第６図は本発明による
ウェハ上の格子からの回折光強度のステージ位置依存性
を示す図、第６図は本発明による位置合わせ用格子のパ
ターン図、第７図ａ、　　ｂは本発明による位置合わせ
用格子からの回折像のパターン図、第８図は本発明によ
る第２の実施例でレチクルからの回折光のフーリエ変換
面における空間フィルタとミラーＭとの相対位置を示す
図、第９図は従来からの２重格子法による位置合わせの
原理図である。 １１・・・・・・光源、１４．４１・・・・・・レチク
ル、１６゜７．５１．５２・・・・・・フーリエ変換レ
ンス、１６・・・・・・空間フィルター、Ｍ・・・・・
・ミラー、１８．Ｗ・・・・・・ウェハ、Ｄｌ　・・・
・・・光検知器、１１１，１１２・・・・・・光束。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　はが１名第１
図 第２１！１ （α） （幻 第　４　図 θ、　θｔ　θ３　θ４　　θ５７／２第５図 ０　　り２１　　　慢　　２１ 第６図 Ｌｂ 第８図 ７）　　　　　　Ｚ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源、光源光学系、レチクル、第１のレンズ系、
   空間フィルター位置合わせ光路系、第２のレンズ系、基
   板を有し、前記レチクル面上に第１の格子また基板上に
   第２の格子が形成されており、前記光源から出た光束を
   前記光源光学系を通して前記レチクル面上に入射し、前
   記光束を前記レチクル上の第１の格子により波面分割し
   て前記第１のレンズ系に入射し、前記第１のレンズ系の
   スペクトル面付近に設けた前記ミラーよりなる空間フィ
   ルターによって前記第１のレンズ系を通過した光束の一
   部分Ａをミラーによって反射して位置合わせ光路系に導
   びき適当な２光束のみを得、前記２光束を前記第２のレ
   ンズ系に導びき、前記第２のレンズ系を通過した前記２
   光束を用いて生成した干渉縞を前記基板上に投影し、さ
   らに、前記基板上に形成した干渉縞の偶数倍のピッチを
   持つ格子によって回折された光束Ｂを前記第２のレンズ
   系を通過後前記第１のレンズ系のスペクトル面に配置し
   たミラーによって前記位置合わせ光路系に導びき、前記
   光束Ａと光束Ｂとの相対位置と光強度によって、前記レ
   チクル上の第１の格子と基板上の格子との相対的な位置
   合わせを行なう事を特徴とする露光装置。
2. （２）空間フィルターの一部分がミラーよりなり、第１
   のレンズ系を通過した０次光をミラーによって位置合わ
   せ光路系に導くとともに、±１次の回折光のみを通過さ
   せるピンホールを持ち、かつ、前記ミラーによって反射
   する位置合わせ光路系とピンホールの位置が前記第１の
   レンズ系の光軸面内において角度を持つことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の露光装置。