JPS62262427A - 露光方法および装置 - 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】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は、ＩＣおよびＬＳＩ等の半導体装置の製造工程
の内、ホトリソグラフィ工程において使用される露光装
置に関する。

具体例としては、投影光学系を用いてレチクル上のパタ
ーンを半導体基板（ウェハ）上に投影露光する装置であ
って、レチクル上のパターンと半導体基板上のパターン
との位置整合のためのアライメント光学系と、投影光学
系を含む装置全体とをマツチングさせた露光装置に関す
る。

［従来の技術］ マスクアライナに要求される基本的な性能は、解像性能
とアライメント精度である。あと一つ挙げるとすれば生
産機械としての価値感から処理能力（スループット）で
あろう。半導体素子の微細化、高集積度化に伴なって、
より高い解像性能とアライメント精度が際限なく要求さ
れる。マスクアライナは、その露光方法によってコンタ
クト方式、プロキシミティ方式、１：１ミラ一プロジエ
クシヨン方式、レンズプロジェクション方式等に大分類
されるが、より微細なパターンが焼付可能であるところ
から、現在は縮小型のレンズプロジェクション方式（い
わゆるステッパ）がその主流になりつつある。縮小型レ
ンズプロジェクションの解像性能面での利点は、すでに
文献等で紹介されているので省略するが、一方アライメ
ン、ト精度まで考えたシステムとして見た場合、このレ
ンズプロジェクション方式は大きな障害を有している。

それは簡単に言えば、投影レンズは、ある特定の波長（
通常、それは露光波長であるが）に対してしか結像およ
び収差の保証がされていないという事実に起因している
。

現在までに多数提案ないし実施されているレンズプロジ
ェクションにおけるアライメントシステムの中でレンズ
が保証している以外の波長の光を使用するシステムにお
いては上記の障害を克服するため種々の手法が採用され
ているが、そのいずれもがアライメントから露光に至る
プロセスの間に、その手法によって新たに発生する誤差
要因を含む結果となっている。それらの誤差を性格的な
面から分類すると、 Ａ１間接基準の介在による誤差、 Ｂ、アライメントから露光までの間にマスク（またはレ
チクル）あるいはウェハを移動すること（その送り精度
）による誤差、 Ｃ，アライメントから′Ｒキまでの間に罪する詰問、各
要素の温度、振動等による移動誤差、Ｄ、マスク・ウニ
へ間のアライメント光と露光光の光路差、 等となる。特開昭５９−７９５２７号のシステムにおい
てはＢ、Ｃの誤差が、特開昭５５−１３５８３１号で付
加レンズを使用する場合にはＣ，Ｄの誤差が、特開昭５
８−１４５１２７号のシステムではレチクルとウェハを
同時観察していないことによりＡ、Ｄ等の誤差要因が発
生することになる。オフアクシスタイプのステッパでは
Ａ〜ｐのすべての誤差が発生する。これらの誤差を減少
させることは可能であるが、誤差を低いレベルに安定維
持することは装置メーカーにとっても、ユーザーにとっ
ても大きな負担となるのは間違いない。

本出願人による特開昭５８−２５６３８号に提案したシ
ステムは、露光波長（ｇ線４３６μｍ）にごく近い波長
を持つＨｅ−Ｃｄレーザ〔４４２μｍ〕をアライメント
光源とし、投影レンズをこれらの２波長に対して補正す
ることにより、前記Ａ〜Ｄの誤差発生を回避したすぐれ
たシステムである。

しかし、より高い解像性能を得るために、投影レンズは
、より短い波長を使用する傾向にあり、この場合におい
ては前記システムのメリットを生かすことはできない。

また、レンズの持つ解像性能をより有効に使うためには
、レジストに発生する定在波効果を減少させる必要があ
り、そのためにウェハ表面に反射防止処理を施したり、
レジストに吸収剤を入れたり、あるいはまた、多層レジ
ストを用いるプロセスが今後増加していく傾向にあるが
、このようなプロセスにおいては露光波長もしくはその
近傍の波長によるアライメントにおいてウェハからの信
号を取ることが、より困難になることが予想される。

この問題に関して本発明者等は、すでに、先述したアラ
イメントシステムから派生してくる誤差を押えながら、
吸収レジストあるいは多層レジスト等の新しいプロセス
にも対応し得るように非焼付光によるアライメントを基
本とした新しい露光方法および装置を特願昭５９−２３
６３２１号として提案している。

この特願昭５９−２３６３２１号の発明（以下、先願発
明という）の概念は、従来のレンズプロジェクションは
もちろん、より短波長化するレンズプロジェクションあ
るいはミラープロジェクションさらにＸ線アライナにも
適用することが可能である。

この先願発明のポイントは露光の結果生じたレジスト層
の部分的な変化をマスク側の信号として検出することに
ある。

レジストは光の照射により光化学的な反応を起こすが、
それは光学的な意味でもまた透過率、屈折率の変化を生
じ、あるいは特殊な場合には膨張ないし収縮により非照
射部との表面段差等を生じる。一般的に使用されている
０ＦＰＲあるいはＡＺ系のレジストにおいても選択露光
の結果を白色光の顕微鏡の下で濃淡像として観察するこ
とができる。以降の説明においてこの像を便宜的に潜像
と称する。

正規な露光光学系によってレジスト上に焼付けられたマ
スクの潜像（レジスト潜像）は、その時点でマスクとの
関係において誤差を含まない関係にあり、レジスト潜像
とその下のウェハマーク（段差）の位置誤差を読みとる
ことは、同一物体上のごく近接した像の関係を読み取る
ことになり光学系等の影響を受けぬ極めて信頼性の高い
検出が可能となる。

この先願発明における基本的なアライメント露光の手順
を第２図に示す。

このプロセスにおいて発生する誤差は、（イ）検出誤差
、（ロ）ステージの送り誤差、（ハ）予備露光から正規
露光までの時間内にウェハないしマスクが動いてしまう
ことによる誤差である。現状のステッパの実績から、（
ロ）のステージの送り量は大きくても２〜３μ、（ハ）
の時間は１秒前後であり、これらの誤差を極めて小さな
値におさえることは可能である。

次に、本発明の一実施例を示す第３図を用いて上記先願
発明の詳細な説明する。

システム全体は定盤１上に組上げられる（構造は不図示
）。定盤１上にはウェハステージ２があり、ウェハ保持
板３およびそこに吸着保持されたウェハ４を投影レンズ
５の光軸に垂直な平面に沿って移動可能としている。ウ
ェハステージ２は、その上に設けた光学ミラー６にレー
ザ干渉計の光７を当てる既知の手法により、その位置座
標を知ることができ、かつ指定された量の移動がすべて
制御される。投影レンズ５の上方にはレチクル保持台８
に保持されたレチクル９があり、さらにその上方の照明
光学系Ａから光が照射された時レチクル９に取り込まれ
たパターンが投影レンズ５を介してウェハ４表面に転写
されるように構成保持されている。

照明光学系Ａは、超高圧水銀灯１０から発する光をレチ
クル９上に均等に照射すべく第１〜第３のコンデンサレ
ンズ１１．１２．１３と、光束を曲げるべく第１．第２
のミラー１４．１５とで構成されている。シャッタ１６
は露光の制御を行なう。

第２．第３のコンデンサレンズ１２．１３と第２ミラー
１５はまた、レチクルパターン面１７と共役で結像関係
を持つ面を図示Ｂの部分に作り出すように設計されてお
り、この部分にマスキングを置くことにより、レチクル
９の特定の部分だけ照明できるようになっている。面Ｂ
には枠１８に保持されたパターン露光用マスク１９と、
アライメントマーク露光用マスク２０を選択的に光束内
に挿入可能なようにシリンダ２１により切換駆動する。

投影レンズ５とウェハ４の間にその一部を突込んだ形で
アライメント光学系Ｃが配置される。

ハロゲンランプ２２から出た光は、集光ミラー２３およ
び集光レンズ２４により集光され、ハーフプリズム２５
および対物レンズ２６を経て可動ミラー２７に至る。可
動ミラー２７は、破線のように光軸に対し４５°の位置
関係になった時、対物レンズ２６により集められた光が
ウニへ面を照射する。ウェハ面から反射した光は逆に可
動ミラー２７および対物レンズ２６を経てハーフプリズ
ム２５で上方に光軸を曲げ、リレーレンズ２８を経て撮
像管２９の面３０につエバ像を結像する。

アライメントの場合、レチクルとウェハの平面的な位置
合せだけでＸ、Ｙ、θの３方向の成分のアライメントを
行なうことになるから、対物レンズが２眼必要であり、
実施例の場合においても２眼あるものと考える。

次に、第２図のフローチャートを参照しながらこの先願
発明の装置の動作を説明する。この露光装置においては
、先ずマスク（レチクル）９のマークとウェハステージ
２上に載置されたウェハ４のマークとを略アライメント
する。この略アライメントは、従来技術による方法、例
えば投影レンズを介してマスクのマークとウェハのマー
クとを観察し整合させるＴＴＬ法または投影レンズ光軸
外に配置されたオフアクシスＡ／Ｓ　（アライメントス
コープ）により観察しウェハのマークを所定の位置基準
に整合させるオフアクシス法等を適用することができる
。次に、アライメントマーク露光用マスク２０を露光光
束内に位置させ、シャッタ１６を駆動して、アライメン
トマークのみをウニハ上に露光する（予備露光）。さら
に、この予備露光によりウェハ４のレジスト上に形成さ
れたマスク９のマークおよびウェハ４の段差マークを非
露光光による暗視野で検出し、これらのマークの位置誤
差を読み取る。そして、この位置誤差が許容値を越えて
いればウェハ側またはマスク側のステージを駆動して位
置誤差を補正した後、一方、位置誤差が許容値内であれ
ばそのまま、シリンダ２１によりパターン露光用マスク
１９を露光光束内に位置させ、シャッタ１６を駆動して
マスク９上の回路パターン部を露光する（正規露光）。

レジスト潜像は、ウェハのフォトレジスト上に形成され
たマスクのアライメントマーク像であるから、このレジ
スト潜像を使用してこの潜像とウニへのアライメントマ
ーク（ウェハの段差）との相対位置関係を検出すること
によりシステム誤差の少ない位置合せが可能となる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、この先願発明においても、ウエハアライ
メントマークト「？ｔ！右六れｆ−７すに１パンストの
非対称または不均一によるアライメント精度劣化の問題
を解決するには至っていない。

本発明の目的は、上記潜像を使用することによりシステ
ム誤差を解消した位置合せ方式をさらに改良し、フォト
レジストの塗布ムラというプロセス誤差をも解消するこ
とによってより高精度の位置合せが可能な露光方法およ
び装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段および作用］上記目的を
達成するため本発明では、ウェハ表面のレジスト層に形
成されたマスクパターンの潜像とウェハアライメントマ
ークとを観察してマスクとウェハとを整合させ露光する
方法および装置において、ウェハ表面のアライメント用
パターン（段差）部分を覆うレジストを予め除去するこ
とを特徴とする。

また、本発明の実施態様の１つにおいては、上記レジス
トの所望部分を過度に露光することにより該部分のレジ
ストを蒸散させて除去する。

［発明の効果］ 上記構成からなる本発明によれば、ウェハアライメント
マークをフォトレジストを介することなく直接観察する
ことができるため、該マークの位置検出がフォトレジス
トに影響されず、極めて高精度となる。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第３図は、本発明の一実施例に係る露光装置（ステッパ
）の構成を示す。

第５図は、第３図のステッパで使用するレチクル９の外
観例を示す。同図において、３２はアライメントマーク
、３３は回路パターン部、３４はアライメントマーク部
である。

第６図は、上記ステッパで焼付けされるウニへの外観例
を示す。同図において、３５はアライメントマーク（段
ｉ）、３Ｂはスクライブライン、３７は実素子部である
。

本発明は、例えば第３図の装置において、露光光源１０
にエキシマレーザを使用し、アライメントマーク露光用
マスク２０のウェハアライメントマーク３５（第６図）
と重なる部分は透明にしてオーバ露光し、レチクルアラ
イメントマーク３２（第５図）と重なる部分は透過率を
低くして適度の露光を行なうことにより実施することが
できる。

エキシマレーザのように大出力のレーザ光を、フォトレ
ジストを塗布したウェハ上へ照射した場合、ＥＢ（電子
ビーム）を照射した場合と同様に蒸発現像する。この時
、照射した周辺部のレジストが炭化してカーボンリッチ
が形成する。このカーボンリッチは、酸素中で照射を行
なうことにより発生を防止することができる。

本実施例においては、レチクルマーク３２（第５図）を
照射するエキシマレーザ光の光量をアライメント露光用
マスク２０（第３図）によりフォトレジストを感光する
最適露光量となるよう減光し、ウェハマーク３５（第６
図）は高光量で照射する。

これにより、第１図に示すように、ウェハマークＷはレ
ジストを剥され、かつウェハマークＷの内側にはアライ
メントマーク露光用マスク２０（第３図）マスキングさ
れてフォトレジストが残った部分Ｍが形成される。同時
に、このフォトレジストが残った部分Ｍの中にアライメ
ントマーク露光用マスク２０の透明度の低い部分を通過
して最適露光量に減光されたエキシマレーザ光によりレ
チクルマークＲが転写される。すなわち、レチクルマー
クの潜像Ｒが形成される。

この時、第１図のＸＬＩ　ＸＲＩ　ｙｕ＋　ｙｏを計測
すれば、ずれ量ΔＸ、Δｙは、下記式６式％） により算出することが可能となる。

以下の動作は前述の先願発明と同様である。

第４図は、第３図の装置の動作を示すフローチャートで
ある。第２図のフローチャートとは、未露光ウェハを搭
載しくステップ１）、該ウェハを略アライメントした（
ステップ２，３）後、アライメントマーク部のみ露光（
予備露光）する（ステップ４）際、上述のようにウェハ
マーク部をオーバ露光して蒸発現像する点が異なる。ま
た、予備および正規露光時、可動ミラー２フが露光光束
外へ退避している（ステップ１４．５）点も異なる。

また、ステッパの動作として個々のショットについて上
記予備露光、マスク潜像とウェハマークの誤差検出およ
び正規露光を行なうこと（ステップ４〜１１．１６のル
ープ）が明示しである。なお、アライメントマーク部の
み露光した（ステップ４）後、パターン露光用マスク１
９とアライメントマーク用マスク２０とを切り換える点
（ステップ１３゜１５）は、第２図のフローチャートに
は図示されていないだけで同様である。

なお、レチクルマークＲは「潜像」であり、「段差」形
状ではないので、明視野で検出する。

また、ウェハマークＷは明視野でも暗視野でも検出可能
である。

第７図は、本発明の他の実施例に係る露光装置の構成を
示す。同図の装置は、第３図のオフアクシスの顕微鏡Ｃ
の瞳面に空間フィルタ、すなわち受光のＮＡを制限する
絞り５０と照明系の明視野絞リ５１または暗視野絞り５
２とを入れたものである。

明視野絞り５１と暗視野絞り５２とは相互に交換装着す
ることができる。潜像Ｒを検出する時には絞り５１を照
明系の光路に挿入する。ウェハマークＷを検出する時は
絞り５１または５２を挿入する。

［その他の実施例］ 本発明を縮小投影露光装（ステッパ）に適用する場合、
１枚のウェハをＮ回ステップして露光するとすればその
全てのショットで本発明を実施してもよいが、ウェハ内
の数ショットだけで本発明を実施と、その間は補間して
露光を行なうことも可能である。後者の方法によれば、
スルーブツトを向上させることができる。

また、本発明における ａ、フォトレジスト剥しと潜像転写（予備露光） ｂ、ｉｉとウェハマークとのずれ計測 Ｃ０正規露光 といった３つの流れを複数のショットのそれぞれにおい
て並行して実行させることも可能である。

例えば、第ｎショットの予備露光（ａ）中に第（ｎ−１
）ショットの計測（ｂ）を行なったり、または一方で正
規露光（Ｃ）を行なっているときに他方で計測（ｂ）を
行なうことができ、スルーブツトの向上を図ることがで
きる。

前述のフォトレジスト剥しのマークは、実素子と同時に
転写されて形成されたものでもよいが、実素子ではなく
専用のマークを使用してもよい。

この時の専用マークは、ステージ精度で隣接したショッ
トと所定量ずらして転写する。

また、上述においてはウェハマーク上のレジストを剥す
方法として照明系の中のマスキングの透過率を変えるこ
とにより可能とした例を示したが、これは他に補助的な
レジスト剥し用の照明光学系を配置し、ウェハマークに
対応する部分だけ透過するようなマスキングを設けるこ
とによっても実施可能である。これにより、潜像露光用
（通常は実素子パターン露光用で兼用する）照明系のマ
スクの透過率はウェハマークとレチクルマークの両方と
も同じ透明でよく、露光量も潜像を発生する最適露光量
でよいことになる。この場合、補助的照明系でウェハマ
ーク上のフォトレジストを剥すのは、潜像転写の前と後
のいずれでもよい。

前掲の第７図には、さらに、この補助的な照明光学系の
一例を示しである。

同図の装置において、レジスト剥し時には、切換ミラー
４２を破線の位置に切り換える。この時、切換ミラー４
２と同期させてミラー４３．４３’も切り換える。これ
により、エキシマレーザ４１から射出したビームは、切
換ミラー４２により補助的な照明系りへ導かれる。照明
系り内には、照明系Ａ内のマスク２０と同様に、ウェハ
４と結像関係の位置にマスク４４．４４’が配置しであ
る。また、このマスク４４．４４’は　光軸に垂直な方
向ではウェハマーク部のみレーザ光を照射し、レチクル
マークには照射しないように配置しである。この照明系
りによりウェハマーク部のみ上記レーザ光を照射し、蒸
発現像してフォトレジストを剥してしまう。次に、切換
ミラー４２．４３．４３’を実線の側に切り換えて、レ
チクルマークラウェハトに転写し、潜像を形成する。こ
れにより、第１図に示すように、ウェハマーク上のレジ
ストを剥すとともに潜像を転写することができる。

なお、第７図中、５０はブロック状はえの目レンズで、
例えば、すでに本出願人により出願され公開されている
光束インコヒーレント化光学系を用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例におけるウェハの部分上面
図、 第２図は、本発明の基本的なプロセス説明のフローチャ
ート、 第３図は、本発明の一実施例に係る縮小投影露光装置（
ステッパ）の構成図、 第４図は、第３図の装置のアライメント露光動作を示す
フローチャート、 第５図ＡおよびＢは、本発明で使用されるレチクルとア
ライメントマークの一例を示す図、第６図ＡおよびＢは
、本発明で使用されるウェハとアライメントマークの一
例を示す図、第７図は、本発明の他の実施例に係るステ
ツノ（の構成図である。 ２：ステージ、 ４：ウェハ、 ６：光学ミラー、 ９ニレチクル、 １０：エキシマレーザ、 １９：パターン露光用マスク、 ２０：アライメントマーク露光用マスク、Ａ、Ｄ：照明
系。 特許出願人　　　キャノン株式会社 代理人　弁理士　　　伊　東　辰　雄 代理人　弁理士　　　伊　東　哲　小 弟１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マスクのパターンをウェハのパターンに略整合し、
   マスクのパターンの一部分をウェハ表面のレジスト層に
   選択的に焼付け、ウェハ上面のみを非焼付光で観察しう
   るアライメント光学系によってウェハ表面のレジスト層
   に焼付けられたパターンの潜像とウェハ表面の段差とを
   観察してマスクとウェハのずれを検出し、ウェハもしく
   はマスクの少なくとも一方を露光光学系の光軸に直交し
   た面に沿って動かすことによりマスクとウェハを高精度
   に整合した後、マスクのパターンの残り部分をウェハ表
   面のレジスト層に焼付ける露光方法であって、上記ウェ
   ハ表面の段差を観察する前までに該段差部分上のレジス
   ト層を予め除去しておくことを特徴とする露光方法。 ２、前記マスクのパターンをウェハのパターンに略整合
   した後、前記ウェハ表面の段差部分を過度に露光するこ
   とにより、該部分のレジスト層を蒸散させ除去する特許
   請求の範囲第１項記載の露光方法。 ３、マスクのパターンをウェハのパターンに整合し、マ
   スクのパターンをウェハ表面のレジスト層に焼付ける露
   光装置であって、マスクのパターンの異なる部分を選択
   的に露光可能な露光光学系と、ウェハ表面のレジスト層
   を部分的に除去する手段と、ウェハ表面の段差およびウ
   ェハ表面のレジスト層の潜像（レジストの感光した部分
   がつくるパターン）を非焼付光で観察しうるアライメン
   ト光学系と、ウェハもしくはマスクの少なくとも一方を
   上記露光光学系の光軸に直交した面に沿って動かしうる
   ステージとを具備することを特徴とする露光装置。 ４、前記除去手段が、前記ウェハ表面の所望部分のレジ
   スト層を蒸散すべく該部分のみを過度に露光する手段か
   らなる特許請求の範囲第３項記載の露光装置。 ５、前記露光手段が、前記露光光学系を兼用するもので
   あり、前記レジストの除去時に上記露光光束の光路中に
   挿入されて所望範囲の露光光束のみを透過するマスキン
   グ部材を備えるものである特許請求の範囲第４項記載の
   露光装置。 ６、前記マスキング部材が、露光光束を適度の露光量に
   減衰させてウェハ表面のレジスト層に到達させる透明度
   の低い部分と露光光束を実質的に全量透過する透明度の
   高い部分との透明度が少なくとも２段階に分けられてお
   り、前記マスクのパターンの選択露光と前記ウェハ表面
   の段差上のレジスト層除去とが同時に行なわれる特許請
   求の範囲第５項記載の露光装置。