JPS62271428A - 投影露光方法及び投影露光装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、投影光学系を介してマスク（或いはレチクル
）のパターンをウェハ上に転写する技術に係わり、特に
複数のマスクパターンを露光してその周辺をつなぎ合わ
せてチップパターンを形成するフォトコンボーズ方式の
投影露光方法及びこの方法に使用する投影露光装置に関
する。

（従来の技術） 近年、ＬＳＩ等の半導体素子の回路パターンの微細化に
伴い、パターン転写手段として、第１１図に示す如く高
ｗ１ｍ性能を有する光学式縮小投影露光装置が広く使用
されるようになっている。

図中１０は露光用照明光学系、２０はマスク、３０は縮
小投影レンズ、４０は半導体ウェハであり、マスク２０
には位置合わせ用マーク２１ａ。

２１ｂが形成されている。また、５０はウェハステージ
、６１ａ、６１ｂはアライメント検出光学系、７１ａ、
７１ｂは駆動系、７２ａ、７２ｂはレーザ測長系を示し
ている。

この装置の解像性能は、搭載される投影レンズ３０の解
像度Ｒで略決定され、リイレーの理論等から解像度Ｒは
次式で表わされる。

Ｒ−ｋ　（λ／ＮＡ） ここで、Ｒは解像度（μｍ）、λは波長（μＴｒＬ）、
ＮＡはレンズの開口数にューメリカル・アパーチャ）で
あり、ＮＡ−ｎｓｉｎαで示される。αはウェハ４０に
対して入射する光の開き角度（光束角度）、ｎは媒質の
屈折率である。ｋは比例定数であり、レンズ３０の収差
が無い場合理論上に−０，６１となるが、実際に研究室
レベルではｋ　＝　０．６５程度、量産レベルではｋ　
＝　０．８程度と言われている。この式から判るように
解像度を上げるには、露光波長を短くするか、レンズの
開口数ＮＡを大きくするのが有効である。従来から、こ
の種の露光装置に用いられている露光波長としては水銀
スペクトル中のＱ線（４３６ｎｉ　）が主流で、近年よ
うやくｉ線（３６５ｎ１ｍ　）用の投影レンズが出始め
た段階であり、それ以上の短波長用についてはレンズ自
身の吸収率の増加に伴う諸問題等のため実用化されてい
ない。従って、レンズの開口数ＮＡを大きくすることが
、解像度向上の上で最も重要な要因となる。

ところが、レンズ設計上は開口数ＮＡと露光領域とはあ
る種のトレード・オフの関係にあり、開口数ＮＡの大き
なレンズは一般的には大きな露光領域を確保することが
難しい。例えば、０．３５クラスのＮＡに対しては１５
ｍ＋口（２０ｍφ）程度の露光領域を確保できるが、０
．４２クラスのＮＡに対しては１０順口（１４Ｍφ）程
度の露光領域しか確保できない。

一方、半導体素子の最近の傾向としてパターンの微細化
にも拘らず、高集積化の要求から素子のチップサイズは
大きくなっている。特に、１ＭビットダイナミックＲＡ
Ｍ以上の超ＬＳＩ等では１０厘口以上のチップサイズが
必要となっている。

しかし、上述したように光学式投影露光装置においては
、大きな開口数ＮＡと大きな露光領域とを同時に満足す
ることは難しく、これが大きな問題となっている。

ところで、この問題の解決法の一つとして、フォトコン
ポーズ露光法と云う提案がある。これは、第１２図（ａ
）に示すように素子チップ４２の領域をＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ
のように４分割し、それぞれの領域のパターンを別々に
露光していくと云うものである。つまり、１つの露光領
域は小さくても、これらをつなぎ合わせることによって
大きな露光領域を得ることができると云うものである。

この方法によれば、例えば１つの露光領域が１０ＷｌＩ
Ｉ口であっても、４面つなぎ合わせることで２０ＩＭＲ
口の領域を得ることができる。

しかし、この方法における大きな欠点は、分割した各ｗ
４域を高精度につなぎ合わせなくてはならない点である
。前記第１１図に示す従来装置を用いてこの方法を行う
と、第１２図（ｂ）に示す如く１つの領１ｉｉｔＡにつ
いては、該領ＭＡの周辺に設けた位置合わせ用マーク４
１ａ、４１ｂ及びマスク２０のマスクパターン領域周辺
に設けた位置合わせ用マーク２１ａ、２１ｂを用い、ア
ライメント検出光学系６１ａ、６１ｂにより高精度に位
置決めして露光することができる。しかし、その他の領
域Ｂ、Ｃ，Ｄについては、上記と同一関係に位置合わせ
用マークを設けることができないため、マークを頼りに
して高精度に位置決めすることができない。

考えられる方法としては領域Ｂ、Ｃ，Ｄを位置決めする
場合、一旦領ＭＡの位置で領域Ｂ、Ｃ。

Ｄをマーク２１ａ、２１ｂに対して位置決めした後、ウ
ェハ４０が載置されるステージ５０を移動し、その際ス
テージ５０の移動山は別の測長系（例えばレーザ測長系
７２ａ、７２ｂ等）を用いて計測し、その圃を頼りにし
て領域Ｂ、Ｃ，Ｄそれぞれの位置を決定して露光してい
くことである。

しかし、この方法は関節的な位置合わせであるため、高
精度に位置決めすることが難しく、転写されるＡ、Ｂ、
Ｃ，Ｄの各領域を高精度につなぎ合わせることはできな
い。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来のフォトコンボーズ露光方式にあっては
、分割される各領域を高精度に位置決めすることが困難
であり、各領域を高精度につなぎ合わせることはできな
かった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、フォトコンボーズ露光方式において分
割される各領域を高精度に位置決めして露光することが
でき、各領域間を高精度につなぎ合わせることのできる
投影露光方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、上記方法を実施するための
投影露光装置を提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、ウェハ上に転写すべき位置に応じてマ
スクに設ける位置合わせ用マークの位置を変えることに
より、それぞれのマスク毎にマークを用いた直接位置合
わせを行うことにある。

即ち本発明は、所定のパターンが形成された複数のマス
クを用い、複数のマスクパターンを投影光学系を介して
順次ウェハ上に転写し、各々のマスクパターン領域の周
辺部をウェハ上で結合して１つのチップパターンを形成
する投影露光方法において、前記マスクには前記マスク
パターン領域の前記ウェハ上で結合されない少なくとも
２つの周辺部の近傍にそれぞれ第１の位置合わせ用マー
ク群を形成し、前記ウェハには前記各マスク毎の上記マ
ーク群と位置合わせされるべき第２の位置合わせ用マー
ク群を形成しておき、上記第１及び第２の位置合わせ用
マーク群の相対位置を合わせて、それぞれのマスクパタ
ーンを露光するようにした方法である。

また本発明は、上記方法を実施するための投影露光装置
において、前記マスクとウェハとの位置合わせを行うた
めの位置検出光学系を、前記マスクパターンの４周辺方
向にそれぞれ配設するようにしたものである。

（作用） 上記の方法であれば、各マスク毎に第１の位置合わせ用
マーク群と第２の位置合わせ用マーク群とが直接的に位
置合わせされるので、全てのマスクについてウェハの位
置合わせを高精度に行うことが可能となる。従って、パ
ターンのつなぎを高精度に行うことが可能となり、フォ
トコンボーズ露光方式の利点を十分に生かすことができ
る。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる投影露光装置を示す
概略構成図である。図中１０は露光用照明光学系であり
、この照明光学系１０からの光はマスク２０に照射され
る。マスク２０を透過した光は、縮小投影レンズ（投影
光学系）３０を介してウェハ４０上に照射され、これに
よりマスクパターンがウェハ４０上に転写されるものと
なっている。

ここで、本装置の基本構成は前記第１１図に示した従来
装置と同様であり、本装置がこれと異なる点は、アライ
メント検出光学系６１を４個設けたことにある。即ち、
マスク２０のマスクパターン領域の４つの周辺にアライ
メント検出光学系６１　（６１ａ、　〜、６１ｄ）がそ
れぞれ配置されている。そして、マスク２０及びウェハ
４０には、後述する如く第１及び第２の位置合わせ用マ
ーク群２１．４１がそれぞれ形成されるものとなってい
る。

第２図はウェハ４ｏ上に転写されるチップパターンの分
割例を示す平面図であり、チップパターン４２はＡ、、
Ｂ、Ｃ，Ｄの４つの領域に分割されている。また、各領
域の周辺には、予め第２の位置合ワセ用マーク群４１　
（４１ａ、　〜、４１ｈ）が形成されている。即ち、領
域Ａの他の領域Ｂ。

Ｄと結合されない２つの周辺部にはマーク４１ａ。

４１ｂが形成され、領域Ｂの他の領域Ａ、Ｃと結合され
ない２つの周辺部にはマーク４１ｃ、４１ｄが形成され
、領域Ｃの他の領域Ｂ、Ｄと結合されない２つの周辺部
にはマーク４１ｅ、４１ｆが形成され、また領域りの他
の領域Ａ、Ｃと結合されない２つの周辺部にはマーク４
１ａ、４１ｈが形成されている。

ここで、アライメント検出光学系６１によるマーク２１
．４１の位置合わせは、ウェハ４０に形成したマーク４
１に光を照射し、該マーク４１からの反射光を投影レン
ズ３ｏによりマスク２０に形成したマーク２１に結像し
、これをアライメント検出光学系６１により受光する。

そして、第３図に示す如く、ウェハマーク４１による検
出信号のビークＰｔ　、Ｐ２の中点と、マスクマーク２
１による検出信号のピークＱ１．Ｑ２の中点とが一致す
るようにすればよい。

一方、マスク２ｏは第４図乃至第７図に示す如く４種類
であり、それぞれのマスク２０　（２０ａ。

〜、２０ｄ）には、ウェハ４０上の第２の位置合わせ用
マーク群４１に対応する第１の位置合わせ用マーク群２
１　（２１ａ、　〜、２１　ｈ）が形成されている。即
ち、マスク２０ａには、第４図（ａ）に示す如く、該マ
スク２０ａのマスクパターン領域Ａの周辺部で、且つウ
ェハ４０上で他のマスクパターン領域と結合されない２
つの周辺部にマーク２１ａ、２１ｂが形成されている。

同様に、マスク２０ｂには第５図（ａ）に示す如くマー
ク２１Ｇ、２１ｄが形成され、マスク２０ｃには第６図
（ａ）に示す如くマーク２１ｅ、２１ｆが形成され、マ
スク２０ｄには第７図（ａ＞に示す如（マーク２１ｇ、
２１ｈが形成されている。

次に、上記装置を用いた投影露光方法について説明する
。

第４図乃至第７図は位置合わせを行う際に使う位置検出
光学系とマスクマークとの関係を説明するためのもので
、マスク上面から見た図である。

転写パターンはＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄの順に露光していくもの
とし、各々ステップＡ、ステップＢ、ステップＣ，ステ
ップＤとする。

まず、ステップＡについて、第４図（ａ）（ｂ）を参照
して説明する。この場合、使用するマスク２０は、第４
図（ａ）に示す如くパターン“Ａ　１１が描画されてい
るマスク２０ａである。このパターン“Ａ”の周辺には
位置合わせ用マーク２１ａ。

２１ｂが存在する。このマスク２０ａを投影露光装置に
セットし、転写ざるれるウェハ４０をステージ上にセッ
トし、第４図（ｂ）に示す如くパターン“Ａ”が転写さ
れる領域Ａの中心が投影レンズ３０の中心になるように
ステージ５０を移動する。このとき、アライメント検出
光学系６１ａを用いてマスクマーク２１ａとウェハマー
ク４１ａとの位置ずれ量を、アライメント検出光学系６
１ｂを用いてマスクマーク２１ｂとウェハマーク４１ｂ
との位置ずれ量をそれぞれ検出し、ウェハステージ５０
のＸ、Ｙ、θ方向の微動機構（図示せず）を用いて位置
補正を行い、マスク２０ａとウェハ４０との位置合わせ
を行う。位置合わせ終了後、マスクパターン“Ａ　”を
ウェハ４０上に転写し、ステップＡが終了する。

次に、マスク２０をマスク２０ｂに交換し、ステップＢ
に移る。マスク２０ｂに゛は、第５図（ａ）に示す如く
転写パターン“Ｂ”とマスクマーク２１ｃ、２１ｄが形
成されている。このマスク２０ｂをセットした後、第５
図（ｂ）に示す如くウェハ４０にパターン“Ｂ′が転写
されるべき位置ヘウエハステージ５ｏを移動する。そし
て、アライメント検出光学系６１ｂを用いてマスクマー
ク２１ｃとウェハマーク４１ｃとの位置ずれ量を、アラ
イメント検出光学系６１ｃを用いてマスクマーク２１（
ｊとウェハマーク２１ｄとの位置ずれ量をそれぞれ検出
し、ステップＡの場合と同様にマスク２０ａとウェハ４
０との位置合わせを行い、その後マスクパターン゛′Ｂ
″をウェハ４０上に転写し、ステップＢが終了する。

ステップＣ，ステップＤの場合にも、ステップＡ、ステ
ップＢの場合と同様の手順を行う。但し、ステップＣに
おける使用マスク２０はマスク２０Ｃ１使用するアライ
メント検出光学系は６１ｃ、６１ｄ、マスクマークは２
１ｅ、２１ｆ、ウェハマークは４１ｅ、４１ｆである。

また、ステップＤにおける使用マスク２ｏはマスク２０
ｄ、使用するアライメント検出光学系は６１ｄ。

６１ａ、マスクマークは２１！；ｌ、２１ｈ、ウェハマ
ークは４１ｇ、４１ｈである。

上記の方法により、４枚のマスク２ｏをウェハ４０上の
それぞれに対応したマークに対して位置合わせを行うこ
とができ、それぞれ高精度に位置決めしてパターン転写
を行うことができる。従って、４つのマスクパターンを
ウェハ４ｏ上に高精度につなぎ合わせて転写することが
でき、フォトコンポーズ露光方式の利点を十分に生かす
ことができる。

ところで、上述のパターンＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄを高精度につ
なぎ合わせるためには、本方法によれば、それぞれのパ
ターンの位置合わせに用いるウェハ上）位置合ｂｔ用ｖ
−り４１　ａ、４１　ｂ　；４１　ｃ。

４１ｄ：４１ｅ、４１ｆ：４１ｏ、４１ｈそれぞれの位
置関係が正確でなければならない。このウェハ上マーク
の形成法としては、他の露光装置を用いて描画する方法
が考えられる。つまり、第１回目の露光でマークパター
ンを形成するが、同一の装置でこれを行うには露光領域
が小さいため、第２図に示す如きマーク４１ａ、〜、４
１ｈを形成するために最低４回の露光を必要とする。こ
のときの露光はウェハステージ５０の絶対位置決め精度
に頼って行われるため、マーク４１ａ、〜。

４１ｈ間の位置精度は上記４回の露光の際の位置決め精
度に依存し、十分な位置精度を保証することは難しい。

そこで、第１回目の露光の際には露光領域の大きな他の
露光装置を用いる。つまり、第８図に示す如くマーク４
１ａ、〜、４１ｈを含むマスクパターンを１回の露光で
行い、ウェハマークを同時に形成する。このようにすれ
ば、マーク４１ａ。

〜、４１ｈ間の位置精度はステージ５０の位置決め精度
に依存されずに保証される。また、この１回目の露光で
はマークパターンを形成できる程度の解像度があればよ
いため、前述したように光学式投影露光装置を用いても
大きな露光領域を確保することが可能である。また、他
の露光装置として、電子ビーム露光装置を用いてもよく
、要は第１回目の露光でマーク４１ａ、〜、４１ｈ間の
位置関係を高精度に補償してアライメントマークを形成
すればよい。

このように本実施例によれば、ウェハ４０上に形成され
、且つ位置関係が十分に保証された第２の位置合わせ用
マーク群４１のそれぞれに対して、４枚のマスク２０上
にそれぞれ形成された第１の位置合わせ用マーク群２１
を位置合わせすることにより、マスクパターンＡ、Ｂ、
Ｃ，Ｄを高精度に位置決めしてウェハ４０上に転写する
ことができる。つまり、パターンＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄを高精
度につなぎ合わせて１つのチップパターンを形成するこ
とが可能となる。従って、投影レンズ３０の高ＮＡ化に
伴い露光領域が小さくなっても、大きなチップサイズの
パターンを形成することができ、より微細なパターン形
成が可能となる。即ち、半導体素子形成のりソゲラフイ
エ程における効果は絶大である。また、第１図と第１１
図とを比較して判るように、装置としては、従来装置の
アライメント検出光学系６１の個数及び配置位置を変え
るのみで、簡易に実現し得る等の利点がある。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記チップパターンの分割は４分割に限る
ものではな（、第９図に示す如く２分割としてもよい。

この場合、マスクに形成する第１の位置合わせ用マーク
群は、マスクパターン領域のウェハ上で結合されない２
つ若しくは３つの周辺部に形成すればよい。つまり、第
１の位置合わせ用マーク群は、マスクパターン領域のウ
ェハ上で結合されない少なくとも２つの周辺部に形成す
ればよい。また、アライメント検出光学系６１は、第１
０図に示す如く、マスク２０と投影レンズ３０との間に
設置されるものであってもよい。さらに、アライメント
検出光学系６１による位置合わせの原理は、前記第３図
に示した方法に何等限定されるものではなく、仕様に応
じて適宜変更可能である。その他、本発明の要旨を逸脱
しない範囲で、種々変形して実施することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、各マスク毎に第１
の位置合わせ用マーク群と第２の位置合わせ用マーク群
とが直接的に位置合わせされるので、全てのマスクにつ
いてウェハの位置合わせを高精度に行うことが可能とな
る。従って、フォトコンボーズ露光方式において分割さ
れる各領域を高精度に位置決めして露光することができ
、各領域間を高精度につなぎ合わせることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例に係わる投影露光装置を示す
概略構成図、第２図はウェハ上に形成すべきパターン及
び第１の位置合わせマーク群を示す平面図、第３図はマ
ークによる位置合わせ原理を説明するための模式図、第
４図乃至第７図はそれぞれアライメント検出光学系とマ
スクマークとの関係を説明するための模式図、第８図は
ウェハ上マークを形成する方法を説明するための模式図
、第９図及び第１０図はそれぞれ変形例を説明するため
の模式図、第１１図は従来の投影露光装置を示す概略構
成図、第１２図は従来のフォトコンボーズ露光法を説明
するための模式図である。 １０・・・露光用照明光学系、２０．２０ａ、〜。 ２０ｄ−マスク、２１．２１ａ、　〜、２１ｈ・マスク
マーク（第１の位置合わせ用マーク群）３０・・・縮小
投影レンズ（投影光学系）、４０・・・ウェハ、４１、
４１　ａ、　〜、　４１　ｔｌ・（第２の位置合わせ用
マーク群）、４２・・・チップｒＲｗｉ、５０・・・ウ
ェハステージ、６１．６１ａ、　〜、６１ｄ・・・アラ
イメント検出光学系。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図 第３図 第４図 （ａ）　　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）第５図 （ａ）　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）第６図 （ａ）　　　　　　　　　（ｂ）’ 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定のパターンが形成された複数のマスクを用い
   、複数のマスクパターンを投影光学系を介して順次ウェ
   ハ上に転写し、各々のマスクパターン領域の周辺部をウ
   ェハ上で結合して１つのチップパターンを形成する投影
   露光方法において、前記マスクには前記マスクパターン
   領域の前記ウェハ上で結合されない少なくとも２つの周
   辺部の近傍にそれぞれ第１の位置合わせ用マーク群を形
   成し、前記ウェハには前記各マスク毎の上記マーク群と
   位置合わせされるべき第２の位置合わせ用マーク群を形
   成しておき、上記第１及び第２の位置合わせ用マーク群
   の相対位置を合わせて、それぞれのマスクパターンを露
   光することを特徴とする投影露光方法。
2. （２）前記複数のマスクとして、矩形のマスクパターン
   領域を有する４枚のマスクを用いることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の投影露光方法。
3. （３）前記第２の位置合わせ用マーク群を形成する手段
   として、電子ビーム露光装置を用いることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の投影露光方法。
4. （４）前記第２の位置合わせ用マーク群を形成する手段
   として、前記マスクパターンを前記ウェハ上に転写する
   際に用いる投影露光装置よりも露光領域の広い投影露光
   装置を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の投影露光方法。
5. （５）マスクに形成されたマスクパターンを投影光学系
   を介してウェハ上に転写する投影露光装置において、前
   記マスクとウェハとの位置合わせを行うための位置検出
   光学系を、前記マスクパターン領域の４周辺方向にそれ
   ぞれ配設したことを特徴とする投影露光装置。
6. （６）前記位置検出光学系は、マスクの種類により任意
   の複数個が選択して使用されるものであることを特徴と
   する特許請求の範囲第５項記載の投影露光装置。
7. （７）前記位置検出光学系は、前記マスクに形成された
   第１の位置合わせ用マーク群と前記ウェハに形成された
   第２の位置合わせ用マーク群との相対位置を検出するも
   のであり、該位置検出光学系によるそれぞれのマーク信
   号検出は、前記投影光学系を介して行われることを特徴
   とする特許請求の範囲第５項記載の投影露光装置。