JPS6286722A - 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ミクロンもし
くはそれ以下のサブミクロンのルールを持つ半導体装置
等の露光装置に関するものである。

従来の技術 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ＬＳＩ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
、ウェハを着装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ナラナい。

まだ、Ｓ、オースチン〔アブライドフィジックスレター
ズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　　ｐｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ
　）　Ｖｏ１３１　Ｎ１７　Ｐ、４２８　、１９７７　
）　　らが示した干渉法を用いた位置合わせ方法では、
第２図で示したように、入射レーザビーム１をフォトマ
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５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エノ・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とウエノ・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、サブミクロン線巾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さくなり実用上問題があった
。

また、第３図に示した従来例〔アイイイイ　トランザク
シ、　ｙ　（ＩＥＥＩＣ、ｔｒａｎｓｏｎ　）Ｋ　、Ｄ
　ＥＤ　−２６、４，１９７４、７２３、Ｇｉｊｓ　Ｂ
ｏｕｗｈｕｉｓ　）では、２枚のり、、Ｌ２　のレンズ
系で示されたマイクロレンズのフーリエ変換面に、レー
ザビームを入射しレンズＬ２　を介してウエノ・上に形
成された格子に対してビームを照明し、空間フィルタＳ
Ｆで格子から回折される±１次光のみをレンズ系Ｌ１．
Ｌ２を通してレチクルＲ上に入射し、レチクルＲの近傍
において干渉縞を生成し、レチクルに設けた格子を通過
する光を光検出器りで検出して、ウエノ・Ｗとレチクル
Ｒを位置合わせする構成が図示されている。第３図の構
成においては、ウニ／％Ｗ上に形成した非対称の格子に
対しては位置を補正することができないと述べられてお
り、位置合わせマークの製造方法において、全ての工程
やマークで実現不可能であり実用化するに致っていない
。

発明が解決しようとする問題点 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、かつ、簡単な構成で行なえ
るＬＳＩのレチクルとウエノ・の正確かつ容易な位置合
わせを生産性良く可能とした露光装置を目的としている
。

問題点を解決するだめの手段 本発明は、投影露光装置において高精度な位置合わせを
実現するだめに、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１のレンズのスペクト
ル面で適当な光束を空間フィルターによって通過させ、
第２のレンズ系、投影レンズを通過させ、基板上に設け
た第２の格子上に投影する。第２の格子からは、回折光
が回折され、この回折光は逆方向に、投影レンズ系２の
レンズ中を通過し、光検出器に導びかれる。基板上の第
２の格子に２光束を適当な方向から投影すると、回折光
同志が重なった方向に回折され、各々が干渉する。この
干渉した回折光の光強度を検出することにより、高精度
の位置合わせが実現が可能となる。さらに、位置合わせ
光学系と縮小投影光学系を別系統とすることにより、再
現精度の高い位置合わせ系を実現するものである。

作用 位置合わせ光学系と投影レンズとを組み合わせることに
より、レチクル像を縮小投影する光学系と高精度な位置
合わせを行なう光学系を分離することができ、レチクル
像を投影する際に位置合わせに用いる空間フィルタやば
ラー等を脱着することなく露光ができるため、より精度
の高い位置合わせが実現できるものである。

実施例 本発明による光学系の実施例を第１図に示した。

光源１１から出た光（この図ではより鮮明な干渉性とよ
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。）を第１のレ
ンズ系１６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１５．１７は、フーリエ変換レンズとするが、必
らずしもフーリエ変換レンズでなくてもよい。

光源１１と第１のフーリエ変換レンズ１５との間にレチ
クル１４が配置され、レチクル１４の第１の格子１ｏの
パターンを２次光源として出た像を第１のフーリエ変換
レンズ１６によって一旦集光し、さらに、第２のフーリ
エ変換レンズ１７を通してレチクル１４のパターンの像
をウェハ１８に縮小投影光学系１９を通して投影する。

第１のフーリエ変換レンズ１５の後側焦点面には、レチ
クル上の格子１０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１４上に形成さ
れた格子１Ｑの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２ｏを生成
する。

半導体ウェハ１８上に形成した第２の格子２１からは、
回折光２２が回折され、縮小投影光学系１９及び第２の
レンズ１７を逆方向に戻り、空間フィルタ１６の位置に
配置されたミラーによって、光検出器２３に導ひかれる
。

以上がレチクル１４とウェハ１８の位置合せの　゛光学
系であるが、一方、レチクル１４０回路パターンは、投
影用光源１２及び照明光学系１３によって照明され、そ
の投影像は縮小投影光学系１９を通して、ウェハ１８上
に結像する。こうして通常の回路パターン露光用の光学
系が形成される。

以上のように本発明では、位置合わせ用光源及びその光
学系と露光用の光源及びその光学系を有しており、空間
フィルターを位置合わせ光学系に配置して使用し、合わ
せが完了後レチクル上の回路パターンの像がウェハ上に
縮小投影される。

第４図は本発明の露光装置に用いられるレチクルである
。第４図ａはレチクル１４の平面図であり、第４図すは
ａのムー人線断面図である。レチクル１４中には、回路
パターン部４２とその周辺部４３から成シ、周辺部４３
のスクライプラインにあたる部分に第１図の第１の格子
１ｏに相当する位置合わせ用格子パターン４１．４１’
が形成されている。レチクル１４には入射光４４人射し
、第４図すに示すように、パターン４１内部では格子４
１パターンによって、０次、±１次、±２次・・・・・
・のように複数の回折光が回折される。パターン４１を
取シ巻ぐしゃ断部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４１の内部のみ
通過させている。

第４図の例においては、回折光を得るだめに振幅格子パ
ターン４１を用いているが、この格子は位相格子でもよ
く、入射光がななめから入射する場合にはエシェレツト
格子でもよい。

第６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、レチクル上の格子４１
を照明する。

第１フーリエ変換レンズ１６の前側焦点ｆ１　の位置ｘ
１　にレチクル１４上の位相格子パターン４１を配置す
る。位相格子パターン４１のピッチＰ１と回折光の回折
角θ１は Ｐ、ｓｉｎθｎ＝ｎλ（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１５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
１は ξ１Ａ＝ｆ＋ｓｉｎθ１ Ｐ、ｓｉｎθ、＝λ で示され、０次の回折光のフーリエスペクトルξ６゜ξ
６０＝ｆ＋Ｓｉｎθｏ＝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ー６を配置し、第６図に示し
たように格子パターン４１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次光酸分を除く）を通過させる。この回折光は第
２フーリエ変換レンズ１７を通過し、さらにウェハ１Ｂ
Ｗ上に投影される。

ただし、第５図、第６図においては縮小投影レンズ系１
９を省略しである。

ウェハＷ上に投影された像は、レチクル上の開口部（パ
ターン４１）の像を大略結ぶとともに、格子パターン４
１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＝□ ２　ｓｉｎθ２ で与えられる。このとき、第２フーリエ変換レンズ１７
の前側焦点面に第１フーリエ変換レンズ１６のフーリエ
変換面を設定するので ｆ、ｓｉｎθ１＝ｆ２ｓｉｎθ２：ξ６１第１及び第２
フーリエ変換レンズ１５．１７、さらに、縮小率ｍの縮
小投影光学系を通しだ像の間には、 ・・・・・・・・・　（１） の関係がある。よって、ウェハＷ上に生成される干渉縞
のピッチＰ２はｆ１＝、ｈのときは、レチクル上の格子
パターン４１の投影像のピッチの半分となる。格子４１
の投影像によって、ウェハＷ上に第２の格子Ｇを形成し
、この格子Ｇに対して、光束１１１と１１２の光をそれ
ぞれ照射すると、波面分割する格子Ｇによってそれぞれ
回折された光が得られる。また、２光束１１１．１１２
をウェハＷ上に同時に照射すると、干渉縞を生成し、さ
らに、この場合ウェハＷ上の格子Ｇによって回折される
光が各々干渉し、この干渉した光を光検出器りで検出し
、干渉縞と格子０との間の位置関係を示す光強度情報が
得られる。

第６図の光検知器り上での観測される光強度工Ｉ　＝ｕ
ｌ　＋　ｕＢ　　＋　ｕム　＊ｕＢ＋ｕム・ｕＢ”ただ
し、ｕｌ　、　ｕＢ　は各々光束１１１，１１２の振幅
強度■ム＊、ｕＢ＊　　は、共役複素振幅である。

−）−Ｋｘ（ｓｉｎθム！！ｉｎθＢ）１（ただし、人
、Ｂは定数、Ｎ：格子の数、δ人、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、Ｘ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
、θ人、θＢは光束１１１及び１１２とウェハの垂線と
のなす角）として示される。

第７図に光束１１１と１１２の両方を同時にウェハの格
子Ｇに照射したときの回折光の光強度工の観測角度依存
性を示した。生成した干渉縞のピッチを１μｍ、格子Ｇ
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Ｇのピッチが整数倍のとき
に限られている。そして、第６図において、観測角度を
一π／２〜π／２と変化させると９つのピークがあられ
れ、θ２のピークには、入射光１１１．１１２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Ｇとの
間の位置情報が含まれている。

各々のピークは、（−３、＋ｓ　）　、　（−２、＋４
）。

・・・・・・（十ｓ、−３）の回折光の合成光強度とし
て観察される。

特に、（−１，＋１）の光が重なるθ１は回折光の光強
度が等しいため、検出するモアレ光のコントラストが高
い。

次に、本発明による露光装置の動作を説明する。

まず、レチクル１４が光路中に挿入され、ウェハ１８が
装填される。レチクル１４及びウェハ１８は予め荒い位
置合わせが行なわれる。次に、レチクル１４の第１の格
子１ｏに光源１１から出た光が照明される０レチクル１
４上の第１の格子１゜からは複数の回折光が回折され、
第１のレンズ系１５に導ひかれ、±１次の光のみが選択
的に通過するように空間フィルタ１６を配置する。±１
次の光は第２のレンズ系１７を通過し、縮小投影光学系
１９を通してウェハ１８近傍に干渉縞が生成される。光
源１１と投影用光源１２との間の波長が異なる場合には
第１及び第２のレンズ系の焦点距離ｆ１及びｆ２の比を
変化させ、第２の格子２１が干渉縞のピッチの整数倍に
なるように設定する。

これは投影用光源１２がエキシマレーザのようなパルス
である場合、位置合わせ用光源１１として連続発振のし
〜ザや水銀ランプ等の使用が可能となる。まだ、エキシ
マレーザ等を使用する場合、波長が限定されるが位置合
わせ用光源との間の整合が取れる。さらに、ウエノ・１
日上のレジスト感度がある波長域に限定されているとき
には、位置合わせ光源１１０波長をレジスト感度のない
波長に選択でき、位置合わせマークを保護することがで
きる。

第２の格子２１から回折された光は、光検出器２３によ
って検出され、前述した原理でウェハ１８とレチクル１
４との間の高精度な位置合わせを行なう。位置合わせが
完了すると、投影用光源１２を用いて、レチクル像を縮
小投影光学系１９によシ投影し、レチクル上の回路パタ
ーンをウェハ上に形成する。

以上の動作説明において、第３図に示したように、縮小
投影光学系中に空間フィルターを設置した場合には、投
影露光中に空間フィルタが露光光を妨げるために、空間
フィルタ及びミラーを脱着せねばならない。このように
空間フィルタを脱着すると、脱着の際の振動が問題とな
シ、レンズ系とらエバ、レチクル間の相対位置がずれる
。また、ミラーにおいては、再現性よく元の位置に戻る
ことは困難（２μｍ程度の位置誤差が生じる）であり、
波面の位置を制御することが困難である。さらに、フィ
ルタ、ｉラー等ｅ代は質性があるため脱着に時間がかか
り、位置合わせに従来より長時間を要することになる。

本発明においては動作説明にあるように、空間フィルタ
ーや光路におけるばラーは位置合わせ光学系に固定され
ておシ、また、位置合せの光学系は投影光学系とは別系
統の光学系であるため、空間フィルタやミラーは脱着を
必要とせず、なおかつ、固定されているため、空間フィ
ルタやばラー系の相対位置がづれることかなく、再現性
よく精度の高い位置合わせが可能となる。また脱着のた
めの余分の時間も浪費せず短時間の位置合わせが可能と
なる。また、さらに、上記に示したように異波長位置合
わせやその他位置合わせマークが非対称形状の場合の検
出等が可能となり、高い精度の位置合わせが実現される
。

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し、レチクル上の
パターンをウェハ上に露光形成することができる。さら
に、投影光学系と位置合わせ光学系とを異なった光路と
して構成するので異波長位置合わせを行なうことができ
る。また、空間フィルタやミラー系を脱着せずに露光が
可能となり、合わせ精度の高い露光装置が構成できる０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の露光装置における位置合わ
せの基本的な構Ｘ図、第２図は従来からの２重格子法に
よる位置合わせの原理図、第３図は従来からのレチクル
とウェハを干渉縞を用いて位置合わせる場合の構成図、
第４図ａは本発明によるレチクルの構成図、第４図すは
位置合わせ用格子の断面図、第５図は本発明による再回
折光学系の原理図、第６図は本発明によるウェハ近傍の
詳細図、第７図は２光束を入射したときの回折光の強度
を示す図である。 １１・・・・・・位置合せ用光源、１２・・・・・・投
影用光源、ハ３・・・・・・照明光学系、１４・・・・
・・レチクル、１５゜１７・・・・・・第１．第２のフ
ーリエ変換レンズ、１６・・・・・・空間フィルター、
１８・・・・・・ウエノ１．１９・・・・・・縮小投影
光学系、Ｇ・・・・・・格子、Ｄ・・・・・・光検出器
。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１連節　
１　図 Ｚノ、ｆＳＺの１１コ−５ 第２図 第３図 第４図 （０Ｌ） （ｂ＞ 第５図 ←ｊＩ−＋−ｆｌ−←ｆ２←ｆ２−１ Ｆ？Ｓｔ’ｎ６ｔ＝入　　５５．“ｆ’Ｓｔｘ　／り／
第６図 ｊｚ　　　　　　　　ｈ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光源、照明光学系、レチクル、第１のレンズ系、空間フ
   ィルター、第２のレンズ系、縮小投影光学系、基板およ
   び基板を保持するステージ、光検出器を有し、前記レチ
   クル面上に第１の格子が形成されており、前記光源から
   出た光束を照明光学系を通して前記レチクル面上の格子
   に入射させて前記光束を波面分割し、前記第１のレンズ
   系に導びくとともに、前記第１のレンズ系のスペクトル
   面付近に設けた所定の空間フィルターによって所定のス
   ペクトルを選択的に透過せしめて、前記スペクトルを持
   つ光束を前記第２のレンズ系を通過させ、さらに前記縮
   小投影光学系を通して第２の格子を持つ基板に光束を投
   影し、第２の格子から回折された回折光を前記縮小投影
   光学系、前記第２のレンズ系を逆方向に通過せしめ、前
   記第２の格子によって回折された光束を干渉させて、干
   渉させた光束の光強度を前記光検出器により測定し、前
   記レチクル上の第１の格子と基板上の前記第２の格子と
   を位置合わせすることを特徴とする露光装置。