JPH01227431A - 半導体集積回路装置の製造方法 - 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、アライメント技術に関し、特に半導体装置の
製造における縮小投影露光工程におけるマスクに対する
半導体ウェハ（以下単に、「ウェハ」と略称する）のア
ライメントに適用して有効な技術に関する。

〔従来の技術〕

レチクル−等のマスク上に遮光膜で形成された回路パタ
ーンをウェハ上に転写する技術としては、縮小投影露光
装置を用いた技術が一般的であるが、このときのウェハ
とマスクとの位置合わせは、たとえば以下のようにして
行なわれる。

すなわち、ウェハの表面に凹凸の段差形状によって形成
されたアライメントマークに対して、縮小投影レンズを
通じて照明光を照射し、上記アライメントマークからの
反射光をビームスブリッタなどを介してＴＶカメラに入
射させ、この反射光の光単に基づいて電気信号を検出す
ることにより上記アライメントマークの位置を把握し、
マスクに対するウニへの目的露光領域の位置決めを行な
うものである。このような位置決め技術は、一般にスル
ー・ザ・レンズ（ＴＴＬ＞方式と呼ばれている。

ところで上記ＴＴＬ方式による今後の課題点を指摘した
文献としては、日経マグロウヒル社、昭和６２年１２月
１日発行、「日経マイクロデバイセス」Ｐ８０〜Ｐ８１
がある。

ここで、−船釣なＴＴＬ方式のアライメント技術を第７
図の系統図によって説明する。

すなわち、第７図において７１は非露光対象物であるウ
ェハ、その直上に位置される７２は露光用の縮小投影レ
ンズ、７３は原版としてのレチクル、７４は認識部とし
てのＴＶカメラ、７５は露光光源と照明光源とを兼ねた
水銀ランプである。

上記縮小投影レンズ７２とＴＶカメラ７４との光路上に
は反射鏡７６、中継レンズ７７およびビームスプリッタ
７８がそれぞれ配置されており、当該ビームスプリッタ
７８によって透過された光はＴＶカメラ７４に入射され
る構造となっている。

一方、水銀ランプ７５とビームスブリフタ７８との間に
は水銀ランプ７５からの波長中、Ｅ線（５４６ｎｍ）の
みを通過させるバンドパスフィルタ８０およびコンデン
サレンズ８１がそれぞれ配置されている。

以上のように、パターン検出のために照明光として、単
色光であるＥ線が用いられており、露光時は露光光であ
るＧ線（４３６ｎｍ）が用いられる構造とされていた。

照明光はビームスプリッタ７８より中継レンズ７７、反
射鏡７６、縮小投影レンズ７２を経てウェハ７１上に照
射され、この反射光が上記経路を逆進してＴＶカメラ７
４に入射し、当該ＴＶカメラ７４の認識画像に基づいて
波形検出を行い、第６図（ａ）に示すようなウェハ７１
上のアライメントマーク６の中心位置を算出する構造と
なっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが上記構造における縮小投影露光装置では以下の
ような問題のあることが本発明者によって見い出された
。

すなわち、露光対象物であるウェハは、フォトレジスト
膜８２が塗布された状態で上記縮小投影露光装置に提供
されるが、フォトレジスト膜３２の塗布はウェハ７１を
回転状態としてレジスト液を滴下し、該レジスト液の遠
心力による広がりを利用して行なっている。

このため、上記回転時の遠心力によりアライメントマー
クの段差周辺でフォトレジスト膜８２の塗布厚が不均衡
となり、特に段差パターンの中心に対してフォトレジス
ト膜８２の堆積形状が非対称となる。ここで、上記アラ
イメントのための照明光としては露光に用いられるＧ線
（４３６ｎｍ）を単一波長く単色光）で用いることが一
般的であるため、本来の段差パターン上からの反射光と
フォトレジスト膜８２上からの反射光とによって生じろ
干渉縞が非対称となり、ＴＶカメラの認識画像である該
干渉縞から得られろ信号電圧波形も非対称かつ複雑とな
り、この結果、アライメントマークの段差パターンの検
出が困難となる場合もあった。

この点に関して、上記文献ではいくつかの解決手段が紹
介されているが、いずれも十分な解決手段を提供するも
のとはいえなかった。

本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、そ
の目的はフォトレジスト膜を被着したウェハにおけるパ
ターン検出を確実に行い、高精度なアライメントを実現
できる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、次の通りである。

すなわち、少なくとも２波長以上の連続スペクトル光を
投影縮小レンズを介して露光対象物に対して照光する光
源と、該露光対象物からの反射光を入射して位置認識を
行なう認識部と、当該露光対象物と認識部との間の反射
光の光路上に設けられた色収差補正レンズ機構とを備え
た構造とするものである。

〔作用〕

上記した手段によれば、照明光の光路に色収差補正レン
ズ機構を設け、各波長に対応して焦点距離を調整するこ
とによって、パターン照明光として２以上の波長あるい
はそれ以上の連続スペクトル光を用いることが可能とな
る。このため、たとえば検出部分のアライメントパター
ンに対してフォトレジスト膜厚が不均一かつ非対称であ
る場合にも、単一波長光のような干渉縞の非対称にとも
なう検出不能を防止でき、アライメント時の位置決め精
度を高めることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例である縮小投影露光装置を示
す要部斜視図、第２図は本実施例の光学系を示す系統図
、第３図（ａ）およびら）は、それぞれ色収差補正レン
ズを示す説明図、第４図は本実施例に用いられる非点収
差補正レンズを示す斜視図、第５図（ａ）〜（Ｃ）は、
実施例における色収差補正レンズによる補正原理を概念
的に示した説明図、第６図（ａ）　Ｊよび（ｂ）はウェ
ハ上に形成されたアライメントマークと検出波形との関
係を示す説明図である。

本実施例の縮小投影露光装置は、水銀ランプからなる露
光光源ｌと、この露光光源１から照射される図示されな
い露光光を集束する集光レンズ２と、縮小投影レンズ３
とからなる露光光学系を有している。

上記集光レンズ２と縮小投影レンズ３との間には、透明
な石英ガラス基板等にクロム（Ｃｒ）等の遮光膜で集積
回路パターンを形成したレチクル（原版）４が着脱可能
に配置されている。

一方、上記縮小投影レンズ３の下方には、図示されない
ＸＹステージ上において水平面内において移動自在とさ
れたウェハ（露光対象物）５が載置されている。当該ウ
ェハ５は、所定のアライメントマーク６等が第６図（ａ
）に示されるように段差状に形成されており、さらにそ
の上面にフォトレジスト膜７が回転塗−布技術によって
被着された状態となっている。すなわち第１図において
、露光光ｉｆから照射されレチクル４を透過した露光光
が縮小投影レンズ３によって所定の倍率（たとえば１１
５）に縮小されてウェハ５に投影されることにより、当
該ウェハ５の表面に塗布されたフォトレジスト膜７が所
定パターンに露光されるものである。

上記露光光学系の近傍には、照明光源８が設けられてお
り、この照明光源８からの照明光がその光路上に設けら
れたバンドパスフィルタ１０およびコンデンサレンズ１
１を介してハーフミラ−構造のビームスプリッタ１２に
入射される構造となっている。

本実施例においては、上記照明光源８は、露光光源１か
ら光フアイバ１３等の導光手段によって導かれ、その先
端に装着された円筒鏡１４で構成されている。

上記バンドパスフィルタ１０は、たとえば露光光源１で
ある水銀ランプの放光波長のうち、Ｅ線（５４６ｎｍ）
とＤ線（５８９ｎｍ）のみを透過させるものであり、該
バンドパスフィルタ１０を通過した照明光は、可視光範
囲における連続スペクトル光としてビームスプリッタ１
２に入射される。ビームスプリッタ１２の光軸上には、
中継レンズ１５、色収差補正レンズ１６および非点収差
補正レンズ１′７がそれぞれ設けられており、上記縮小
投影レンズ３の側上に設けられた反射鏡１８に達する構
造となっている。

一方、ビームスプリッタ１２の光軸上において、上記中
継レンズ１５と対称位置には、中継レンズ１５を経て認
識部としてのＴＶカメラ２０が配置されている。

次に、本実施例の特徴的な構成要素である色収差補正レ
ンズ１６について詳説する。

説明に先だって、色収差について第８図（ａ）および（
ハ）に基づいて説明すると、同図中ａおよびｂはそれぞ
れレンズ２１から結像位置までの距離を示している。こ
こで、当該レンズ２１の焦点距離をｆとすると、ａ、ｂ
、ｆの関係式は −　　＋　　−＝　　− ａ　　　　　　ｂ　　　　　　　ｆ △ｂ＝　□△ｆ ２１の焦点距離ｆと屈折率ｎの関係式は、下記のように
なる。

ｆ＝□ （ｎ−１＞ ける半径長を示している。

この（３）式より、屈折率の変化Δｎにともなう焦ら、 上記（５）式は、 〔６〕 となる。

この（６）式より、屈折率の変化Δｎにより結像位置も
Δｂだけ変化することが理解できる。ここで、光の波長
と屈折率ｎとは反比例するため、波長が長くなると、結
像位置はΔｂだけレンズ２１の方向にシフトする。これ
が色収差である。一般に縮小投影露光装置で用いられる
縮小投影レンズ３は、露光光であるＧ線に体して最適な
光学特性となるよう設計されているため、照明光として
Ｅ線あるいはＤ線を用いた場合の焦点距離のずれについ
てまでは考慮されていない。

したがって、干渉縞による検出不能を防止するためＥ線
とＤ線とによる連続スペクトル光を用いた場合、波長の
短いＥ線は比較的レンズの近傍で結像し、波長の長いＤ
線はレンズの遠方で結像する結果となり、本発明者の算
出によればアライメント光学系を通過した同波長のＴＶ
カメラ２０における結像位置の差は数十１程度にまでな
ってしまっている。

本実施例では、この点を色収差補正レンズ１Ｇによって
解決している。

すなわち、色収差補正レンズ１６は、入射波長の大小に
かかわらず結像位置を一定に維持する機能を有するもの
であり、入射波長が大、すなわち屈折率の小さな光に対
しては結像距離を小とし、一方、入射波長が小、すなわ
ち屈折率の大きな光に対しては結像距離を大とするよう
調整されている。

この色収差補正レンズ１６は、たとえば第３図（ａ）、
（ｂ）に示されるように、フリシトガラスからなる凹レ
ンズ１６ａとクラウンガラスからなる凸レンズ１６ｂと
を組み合わせて構成されているものであり、本実施例で
は上記構成の一対の色収差補正レンズ１６．１６が用い
られている。なお、同図（ｂ）に示される組み合わせと
してもよい。当該色収差補正レンズ１６は、本実施例で
は色収差補正範囲として波長λ＝５００ｎｍ〜５９０ｎ
ｍ程度のＥ線とＤ線を包含する波長帯域での包収等を補
正できるものであればよく、該色収差補正可能範囲につ
いては一対の色収差補正レンズ１６間の間隔を変更する
ことにより調整可能である。

以上の色収差補正レンズ１６の原理を概念的に示したの
が第５図（ａ）〜（Ｃ）であり、同図（ａ）は色収差補
正前のＥ線の単色光が入射された場合にあける結像距離
ｆｅＳ（ｂ）は同じくＤ線における結像距離ｆｄ、（Ｃ
）は光路上に色収差補正レンズ１６を配置して色収差補
正を行なった場合のＥ線とＤ線の結像距離ｆｓをそれぞ
れ示している。同図では結像距離ｆｓは、（ａ）と（ｂ
）との結像距離の中間点、すなわちほぼｆ　ｓ＝　（ｆ
　ｅ＋　ｆ　ｄ）／２となるように調整されている。し
たがって、照明光としてＥ線とＤ線との連続スペクトル
光を用いた場合において、色収差を抑制して、結像位置
を一定に保つことができる。このため、Ｅ線あるいはＤ
線のみの単色光を用いた場合に生じる干渉縞の非対称に
起因した位置検出不能が防止でき、ＴＶカメラ２０によ
る高精度なアライメントパターンの検出が可能となる。

な右、本実施例では光路上において、一対の色収差補正
レンズ１６の間に第４図に示すような非点収差補正レン
ズ１７が設けられている。該非点収差補正レンズ１７は
、非点光線束に起因するウェハ５上の検出画像のＸＹ力
方向ずれ、すなわち非点収差を補正するためのものであ
り、シリンドカルレンズからなる凸レンズ１７ａと凹レ
ンズ１７ｂとの組合せで構成されている。したがって、
本実施例によれば色収差とともに非点収差も補正された
状態の照明光がＴＶカメラ２０に入射されるため、高精
度な画像認識による位置検出が可能となる。

次に、本実施例によるアライメント方法について説明す
る。

まず、図示されないＸＹステージを移動させることによ
って、照明光源８である光ファイバ１３の先端の円筒鏡
１４より照明光が放射されると、バンドパスフィルタ１
０、コンデンサレンズ１１を経た後、ビームスプリフタ
１２で屈折されて、該照明光は、中継レンズ１５、色収
差補正レンズ１６および非点収差補正レンズ１７、反射
鏡１８、縮小投影レンズ３を経てウェハ５の所定領域を
照射する。このウェハ５からの反射光は上記経路を逆進
し、縮小投影レンズ３、反射鏡１８、色収差補正レンズ
１６および非点収差補正レンズ１７を経てビームスプリ
フタ１２に達する。ここで、反射光はビームスプリッタ
１２を通過して中継レンズ１５を経てＴＶカメラ２０に
達する。当該ＴＶカメラ２０には図示されない信号処理
部が接続されており、ＴＶカメラ２０による認識画像か
ら信号波形が検出されるようになっている。

この信号検出波形を示したものが第６図（ハ）である。

本実施例によれば照明光の光路上に色収差補正レンズ１
６が設けられているため、ＥＩＩＩとＤ線との連続スペ
クトル光を照明光として使用した場合にも色収差、すな
わち結像位置のずれが修正される。この結果、照明光ｉ
１ｊ！８に単色光を用いた場合に７オトレジスト膜厚の
不均一に起因して生じる干渉波形によるアライメントマ
ーク６の検出困難が回避され、第６図υに示されるよう
にアライメントマーク６の段差部に対応する検出信号の
把握を確実に行なうことができ、当該アライメントマー
ク６の位置が正確に検出される。このようにして得られ
たアライメントマーク６の位置に基づいてウェハ５の目
的の部位が、露光光学系上に正確に位置決めされ、その
後、露光光源１から放射され、集光レンズ２、レチクル
４、縮小投影レンズ３を経た図示されない露光光により
、レチクル４上の集積回路パターンがウェハ５の７オト
レジスト膜７上に転写される。

以上の説明では、照明光源として露光光源である水銀ラ
ンプを用いた場合について説明したが、検出光源として
独立したキセノンランプを用いてもよい。

この場合には、各波長において比較的均一な光エネルギ
ーを有するキセノンランプを用いることにより、連続ス
ペクトラム光を選択的に採用することが可能となり、色
収差補正レンズ１６の補正率を調整して最適補正値を設
定することにより反射光の干渉によるパターン検出不能
を防止でき、高精度な位１検出が可能となる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではな（、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

たとえば、照明光源としては光ファイバの先端に装着さ
れた円筒鏡を一例として図示したが、これに限らず多角
形柱部体、多角錘筒体等、如何なる形状のものであって
もよい。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその利用分野である、いわゆるウェハの縮小投影露光
におけるアライメント技術に適用した場合について説明
したが、これに限定されるものではなく、一般の縮小投
影露光に右けるアライメント技術に広（適用できる。

〔発明の効果〕

本願にふいて開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである
。

すなわち本発明によれば、照明光の光路に色収差補正レ
ンズ機構を設け、各波長に対応して焦点距離を調整する
ことによって、パターン照明光として２以上の波長ある
いはそれ以上の連続スペクトル光を用いることが可能と
なる。このため、たとえば検出部分のアライメントパタ
ーンに対してフォトレジスト膜厚が不均一かつ非対称で
ある場合にも、単一波長光のような干渉による検出不能
を防止でき、アライメント時の位置決め精度を高めるこ
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である縮小投影露光装置を示
す要部斜視図、 第２図は本実施例のパターン検出における光学系を示す
系統図、 第３図（ａ）およびら）はそれぞれ本実施例に用いられ
る色収差補正レンズを示す説明図、 第４図は本実施例に用いられる非点収差補正レンズを示
す斜視図、 第５図（ａ）〜（Ｃ）は実施例における色収差補正レン
ズによる補正原理を概念的に示した説明図、第６図（ａ
）およびＱ））は実施例におけるウェハ上に形成された
アライメントマークと検出波形との関係を示す説明図、 第７図は従来技術のパターン検出における光学系を示す
系統図、 第８図（ａ）および（ｂ）は色収差の説明のための図で
ある。 ■・・・露光光源、２・・・集光レンズ、３・・・縮小
投影レンズ、４・・・レチクル（原版）、５・・・ウェ
ハ（ｒｉ光対称物）、６・・・アライメントマーク、７
・・・フォトレジスト膜、８・・・照明光源、１０・・
・バンドパスフィルタ、１１・拳−コンデンサレンズ、
１２俳・ψビームスプリフタ、１３・・・光ファイバ、
１４・・・円筒鏡、１５・・・中継レンズ、１６・・・
色収差補正レンズ、１６ａ・・・凹レンズ、１６ｂ・・
・凸レンズ、１７・・・非点収差補正レンズ、１７ａ・
・・凸レンズ、１７ｂ・・・凹レンズ、１８・・・反射
鏡、２０・・・ＴＶ左カメラ２１・・・レンズ、２２・
・・照明光源（キセンランプ）、７１・・・ウェハ、７
２・・・縮小投影レンズ、７３・・・レチクル（原版）
、７４・・・ＴＶ左カメラ認識部）、７５・・・水銀ラ
ンプ（露光光源、照明光源）、７６・・・反射鏡、７７
・・・中継レンズ、７８・・・ビームスブリフタ、８０
・・・バンドパスフィルタ、８１・・・コンデンサレン
ズ、８２・・・フォトレジスト膜。 代理人　弁理士　筒　井　大　和 第１図 第２図 第３図 （ａ）（ｂ） 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、露光工程における原版と露光対象物との位置決めを
   行なう投影露光装置であって、少なくとも２波長以上の
   連続スペクトル光を投影縮小レンズを介して露光対象物
   上に形成されたパターンに対して照光する光源と、該パ
   ターンからの反射光を入射して上記露光対象物の位置認
   識を行なう認識部と、当該露光対象物と認識部との間の
   反射光の光路上に設けられた色収差補正レンズ機構とを
   備えた投影露光装置。 ２、色収差補正レンズ機構とともに非点収差補正レンズ
   を備えていることを特徴とする請求項１記載の投影露光
   装置。 ３、上記光源が露光用光源から独立したパターン検出専
   用光源を備えていることを特徴とする請求項１記載の投
   影露光装置。 ４、露光用光源が水銀ランプで構成されるとともに、パ
   ターン検出専用光源がキセノンランプで構成されている
   ことを特徴とする請求項３記載の投影露光装置。