JPH0352207B2

JPH0352207B2 -

Info

Publication number: JPH0352207B2
Application number: JP58035737A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Tanimoto
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1983-03-07
Filing date: 1983-03-07
Publication date: 1991-08-09
Also published as: JPS59161815A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は投影露光装置に関し、特に高密度集積
回路の転写マスクパターンを半導体基板（ウエ
ハ）上に２次元配列で露光する際に、パターン投
影像の回転偏位に起因する位置ずれを防止する技
術に関する。

大規模集積回路（LSI）パターンの微細化は
年々進行しているが、微細化に対する要求を満た
し、且つ生産性の高い回路パターン焼付け装置と
して縮小投影型露光装置が普及してきている。従
来より用いられてきたこれらの装置においては、
シリコンウエハに焼付けされるべきパターンの何
倍か（例えば５倍）のレチクルパターンが投影レ
ンズによつて縮小投影され、１回の露光で焼付け
されるのはウエハ上で対角長21mmの正方形よりも
小さい程度の領域である。従つて直径125mm位の
ウエハ全面にパターンを焼付けるには、ウエハを
ステージに載せて一定距離移動させては露光を繰
返す、いわゆるステツプアンドリピート方式を採
用している。

LSIの製造においては、数層以上のパターンが
ウエハ上に順次形成されていくが、異なる層間の
パターンの重ね合せ誤差（位置ずれ）を一定値以
下にしておかなければ、層間の導電または絶縁状
態が意図するものでなくなり、LSIの機能を果す
ことができなくなる。例えば1μｍの最小線幅の
回路に対しては、せいぜい0.2μｍ程度の位置ずれ
しか許されない。このような焼付け時の位置ずれ
は、大別して回転偏位と平行偏位とに分けられ
る。第１図は前記回転偏位が生じた状態を誇張し
て示す説明図で、実線の長方形パターン領域P₁
は既にウエハ上に形成されている回路パターン領
域であり、この領域P₁に対して微小量だけ回転
した状態で破線で示す長方形パターン領域P₂が
重ね合せて露光焼付けされる。この場合、領域
P₁の対角線の中心Ｏは領域P₂の対角線の中心と
完全に一致しているものとすると、中心Ｏ以外の
個所では領域P₁に対して領域P₂に回転偏位が生
じることになる。

従来の縮小投影型露光装置においては、ステツ
プアンドリピート動作を行なうに際して、ウエハ
ホルダを介してウエハを載置するステージを、そ
の移動平面をなす直交座標の原点を基準にして移
動しては位置決めし、一方マスクとして回路パタ
ーンの描かれたレチクルについては、ウエハ上で
のこのレチクルの投影像が前記直交座標に対して
回転偏位をできるだけ持たなくなるように位置決
めをして固定しておき、このような状態で、前記
直交座標系の座標位置を与えてステージを移動
し、所定位置に位置決めして露光するという一連
のステツプアンドリピート方式の露光焼付けを行
なうようにしていた。ところでレチクルの位置決
めの際に用いる位置検出器（例えばレチクルアラ
イメント顕微鏡）の検出中心がずれている場合、
位置検出器を基準に位置決めされたレチクルは、
ステージの直交座標系に対して位置決め誤差を持
つので、ウエハ上に焼付けられるパターン領域は
一般に回転偏位を生じることになる。従来、この
回転偏位の補正は、実際にレテイクルパターンを
繰返してウエハに焼付け、焼付けられたウエハ上
のパターンを光学顕微鏡等で観測し、隣り合つて
焼付けられたパターン相互間の偏位量を測定し、
その測定値から位置検出器の検出中心のずれを逆
に求めて補正を行なつていた。しかしながらこの
ような方法ではウエハ上にパターンを焼付け、そ
れを現像してから回転偏位の量を観察して求める
ので多大の手間と時間を費し、そのうえ補正の精
度も高くはなく、回転偏位を要因とする回路パタ
ーンの位置ずれを0.1μｍ以下に押え込むことは極
めて困難であつた。

本発明は前述の諸問題点を解決して、回転偏位
を短時間で高精度に検出することを可能とし、マ
スクパターン毎の露光作業を高い重ね合わせ精度
で高能率に行なうことのできる投影露光装置を提
供することを目的とするものである。

すなわち本発明の投影露光装置は、ウエハ等の
感光基板１０へ転写すべきパターンと、一定の間
隔だけ離して配置された複数のマークRR，RLと
を有するマスク５を保持するホルダ１５と、前記
パターンと前記複数のマークRR，RLを前記感光
基板１０へ投影するための投影光学系６と、前記
感光基板１０を保持して、前記投影光学系６の光
軸とほぼ垂直な面内で２次元移動するステージ７
と、該ステージ７の一部に設けられ、前記投影光
学系６によつて投影された前記マスク５のマーク
RR，RLの投影像を光電的に検出する光電検出手
段９と、前記ステージ７を前記マスク５のパター
ンの投影像の大きさによつて決まる量だけ移動さ
せたステツプ位置に順次位置決めするマイクロコ
ンピユータ等の制御手段（CPU３０）とを備え、
前記パターンの投影像を前記感光基板１０上に２
次配列で露光する、いわゆるステツプアンドリピ
ート方式の投影露光装置であり、上記の目的を達
成するために、前記マスク５上の複数のマーク
RR，RLを照明して、該マークRR，RLの前記投
影光学系６による投影像を前記光電検出手段９に
結像するための照明手段１と、前記ステージ７の
互いに直交するＸ方向とＹ方向の各座標位置を計
測する手段を含み、前記光電検出手段９によつて
検出される前記複数のマークRR，RL投影像の各
位置を前記ステージ７の直交座標系XY内の座標
位置として検出する位置検出手段（レーザ干渉計
１３，３４）と、前記検出された複数のマーク
RR，RL投影像の各座標位置の差と、前記複数の
マークRR，RLの間隔、又は複数のマークRR，
RL投影像の間隔との比に基づいて、前記マスク
ホルダ１５に保持された状態で残留した前記マス
ク５の前記直交座標系XY上での回転偏位量を算
出する手段（CPU３０）と、前記制御手段
（CPU３０）によつて前記ステージ７を順次ステ
ツプ位置に位置決めする際、前記ステツプ位置の
Ｘ方向とＹ方向の各座標位置を、前記算出された
回転変位量とＸ方向の設計上のステツプ移動量と
の積、及び前記算出された回転偏位量とＹ方向の
設計上のステツプ移動量との積に応じて決まる位
置に補正する手段（CPU３０）とを備え、前記
感光基板１０上に転写された前記複数のパターン
像の配列によつて決まる座標系に対する各パター
ン像の回転偏位を補正するものである。本発明の
好適な応用例では、前記直交座標系に対しこの回
転偏位量を相殺するように座標軸を回転した別の
直交座標系が定められ、この別の直交座標系の座
標軸方向にステージをステツプ移動させて位置決
めが行なわれるようになされている。

本発明によればステージの移動座標軸に対する
マスクパターン光学像の回転偏位自体を小さくす
る代りに、この回転偏位が存在してもそれが焼付
パターンに実直的に影響しなくなるようにステー
ジのステツプ移動を位置制御可能である。

本発明を実施例図面と共に詳述すれば以下の通
りである。

第２図は本発明実施例による縮小投影型露光装
置の概略を示す構成図で、露光用照明光源１から
の照明光は第１コンデンサレンズ２によつて一度
収束されたのち、第２コンデンサレンズ３に達す
る。その光路中、光が収束される位置には照明光
の通過を所望時に遮断するためのシヤツタ４ａが
設けられている。第２コンデンサレンズ３を通つ
た光束は、マスクとしてのテスト・レチクル（以
下単にレチクルと云う）５を照明する。このレチ
クル５を透過した光束は結像光学系としての投影
レンズ６に入射する。この投影レンズ６は、その
レチクル５側すなわち物体側が非テレセントリツ
クで、像側がテレセントリツクな光学系である。
投影レンズ６の直下のステージ７は、普段は半導
体ウエハ１０を載せてその移動平面をなす第１直
交座標系XY方向に２次元移動するものであり、
前記ウエハ１０は、ステージ７と一体に２次元移
動するウエハホルダ１１上に載置される。ウエハ
ホルダ１１はステージ７に対して微少回転と上下
動とができるように設けられている。このウエハ
ホルダ１１は、投影レンズ６によるレチクル５の
回路パターン（図示せず）の投影像がウエハ１０
の表面に結像するように、すなわち焦点合わせが
できるように上下動する。

さてレチクル５の下面には、前記回路パターン
の他に、光透過性のマークRR，RLが左右両端の
所定位置（局所部分）に描かれている。レチクル
５のマークRRを透過した光束l₁に着目すると、
光束l₁は投影レンズ６によつて集束されてその像
側から光束l₂となつて射出され、ステージ７に設
けられた微小開口部材８上にマークRRの像を結
像する。この微小開口部材８には、それを通過し
た光を受光して電気信号を出力する光電変換手段
としての光電検出器９が組合されており、また微
小開口部材８の開口面はステージ７上のウエハ１
０の表面の高さとほぼ一致するように定められ、
従つて微小開口部材８と光電検出器９は前述のよ
うにウエハホルダ１１の上下動に伴つて一体に上
下動するようになされている。このような焦点合
わせのために、投影レンズ６とウエハ１０の表面
（または微小開口部材８の開口面）との間隔を計
測するギヤツプセンサ１２が設けられている。こ
のギヤツプセンサ１２とウエハホルダ１１の上下
動機構とによつて自動焦点調整が可能であり、ウ
エハ１０上にレチクル５の回路パターンを焼付け
る際、ウエハ１０の表面の高さを検出して、常に
コントラストの高い投影像が転写できるようにな
つている。

一方、ステージ７の第１直交座標系XYでの位
置は、レーザ干渉計によつてステージ７に固定さ
れた反射鏡までの距離をレーザ光を用いて測定す
ることにより求められるようになされており、第
２図ではＸ軸方向（紙面で左右方向）のレーザ干
渉計１３と反射鏡１４のみが示されているが、ス
テージ７の移動平面を成すＸ軸と直交するＹ軸方
向（紙面の表裏方向）に関しても同様にレーザ干
渉計と反射鏡との別の組合せが設けられているこ
とは述べるまでもない。これらのレーザ干渉計に
よつて、装置に予じめ設定される第１直交座標系
XYの原点に対するステージ７の位置座標値がそ
のステツプ移動中に逐次計測されるものであり、
この第１直交座標系XYの原点は、この実施例で
は投影レンズ６の光軸上にあり、従つて前記Ｘ軸
およびＹ軸方向の両レーザ干渉計は、それらの各
レーザ光束が成す２つの測定軸の交点が投影レン
ズ６の光軸上に位置するように配置されている。

またレチクルホルダ１５は、レチクル５を保持
して第１直交座標系のXY平面と平行な平面内の
第２の直交座標系xyにて２次元移動可能であり、
後述するレチクルアライメント制御系による駆動
制御でレチクル５の位置決めを行なうものであ
る。

さらに第２コンデンサレンズ３の入射面の両脇
に配置されているシヤツタ４ｂおよび４ｃは、照
明光源１からレチクル５までの照明光路中でレチ
クル５のマークRRとRLへの入射光だけを所望時
に遮光するためのものであり、その配置位置は図
示の位置に限定されるものではない。

レチクル５には前述のように光透過性のマーク
RRとRLが設けられているが、このマークRRと
RLは、具体的には第３図に示したようにレチク
ル５の回路パターン領域５ａの周辺の遮光部分に
例えばｘ軸方向に向けて設けられた透光スリツト
である。このマークRRとRLは、第３図の例では
レチクル５の中心を原点とする第２直交座標系
xyのｘ軸上で互いに離れた２個所に設けられて
いるが、ｙ軸上にも同様な透光性マークを設けて
もよい。

尚、レチクル５のパターンの投影レンズ６によ
る投影像はxy座標に関して反転像となるので、
第３図ではレチクル５の座標系xyとステージ７
の座標系XYの方向を逆にして示してある。

従つて、レチクル５をレチクルホルダ１５に載
置して固定したときに、これらｘ軸と、投影レン
ズ６の光軸と、Ｘ軸との３軸を含む平面が規定で
きて、しかもｙ軸と、投影レンズ６の光軸を、Ｙ
軸との３軸を含む別の平面が規定できれば、ステ
ージ７に対するレチクル５の回転偏位は零となる
ことになる。

さてステージ７には、前述のようにレチクル５
のマークRRとRLの投影像を検出する微小開口部
材８が設けられている。この微小開口部材８は、
第４図ａに示すように、円形状のガラス板全面に
クロム層などを蒸着し、そのクロム層の一部にス
リツト開口８ａを形成したものである。第４図ｂ
は第４図ａのＡ−Ａ線矢視断面図であり、スリツ
ト開口８ａの長手方向はステージ７の第１直交座
標系XYのＸ軸方向と一致するように定められ、
またスリツト開口８ａのＹ軸方向の巾寸法は、投
影光学系の縮小率等を考慮に入れてマークRR又
はRLが部材８の開口面上に結像されたときの該
マークの投影像のＹ軸方向の巾寸法と略等しくな
るように定められている。

前記第１直交座標系XYの原点が投影レンズ６
の光軸上にあることは前述した通りである。本実
施例におけるレーザ干渉計によるステージ７の位
置座標の測定は、通常知られている方式と変りな
くＸ軸方向とＹ軸方向の各レーザ干渉計内のデジ
タルカウンタによつてデジタル測定方式で行なわ
れる。このカウンタは、ステージ７の移動に従つ
てその計数値を増減させるものであり、装置の電
源投入時などには、ステージ７の原点位置を定め
てその原点位置でこのカウンタを零にリセツト或
いは或る定められた一定値にプリセツトする必要
があるが、このステージ７の原点位置への定位を
前述スリツト開口８ａを利用して行なうことがで
きる。すなわちこの場合、光電検出器９の出力に
よつてスリツト開口８ａとマークRR（又はRL）
の像とが一致したことを検知し、このときにＹ軸
方向のレーザ干渉計内のカウンタ（Ｙカウンタ）
を零にリセツトする。正確にはレチクル５の回転
偏位を考慮に入れて、マークRRの像とマークRL
の像とがそれぞれスリツト開口８ａと一致したと
きのＹカウンタの計数値YrとYlとから、Ｙカウ
ンタが（Yr＋Yl）／２となるようにステージ７
をＹ軸方向に位置決めしたところでＹカウンタを
零にリセツトし、Ｙ軸の原点位置決めを行なう。
Ｘ軸方向についても同様で、図示しないがレチク
ル５のｙ軸上に同様の透光マークを一対設けてお
き、また微小開口部材８にスリツト８ａと直交す
る方向に延在した別のスリツト開口を設けておい
て、同様の手順でＸ軸方向のレーザ干渉計内のカ
ウンタ（Ｘカウンタ）の零リセツトを行なえばよ
い。このようにして座標系XYの原点設定が果さ
れ、以後ステージ７はこの原点を基準とする第１
直交座標系XYの位置座標をもつて２次元移動中
にわたり逐次位置測定されることになる。

さて、この実施例の装置にはさらにウエハ１０
の位置合わせに用いるアライメント顕微鏡
（WAM：Wafer Alignment Microscope）が備
えられており、その配置は第３図に示した通りで
ある。すなわち、この顕微鏡はウエハ１０上に後
述の如く形成されたアライメント用の特定のウエ
ハマークを光電検出するもので、第３図に示すよ
うに投影レンズ６の鏡筒の周囲にWL、WXおよ
びWRの３本をオフ・アクシス（off axis）で固
定配置してある。第１のアライメント顕微鏡WL
は、ウエハ１０のＹ軸方向の位置を検出するため
のもので、その検出中心（観察中心）が基準状態
でＹ軸上に位置するように配置されている。第２
のアライメント顕微鏡WXは、ウエハ１０のＸ軸
方向の位置を検出するもので、その検出中心（観
察中心）が基準状態でＸ軸上に位置するように配
置されている。このように両アライメント顕微鏡
WLとWXの検出中心をそれぞれＹ軸上とＸ軸上
とに一致させるのは、ウエハ１０の位置検出に際
してアツベ誤差を無くすためである。第３のアラ
イメント顕微鏡WRは、第１のアライメント顕微
鏡WLと対になつてウエハ１０の回転ずれを検出
するもので、基準状態においてその検出中心（観
察中心）と第２のアライメント顕微鏡WLの検出
中心とを結ぶ線分がＸ軸と平行になるように配置
されている。

これら３本のアライメント顕微鏡は、第１層目
のパターン焼付けで第２層目以降の露光のアライ
メントのためにウエハ上の回路パターンの内部ま
たは近傍ストリートライン上に転写形成された特
定の形状、例えば短かい線状のウエハマークを、
振動スリツトまたはレーザ光振動ビームで走査し
て検出する光電顕微鏡であり、その検出中心は例
えば振動スリツトや振動ビームの振動中心と一致
するように定められ、特に第３のアライメント顕
微鏡WRの光学系には、検出中心をＹ軸方向に微
少変位させるために、回転可能な平行平板ガラス
等が設けられている。

第２図および第３図に示した装置を制御するた
めの制御系の主要構成は第５図のブロツク図に示
されている。装置全体は、プログラムによる制御
および各種演算処理が可能なように、メモリ等を
含むマイクロコンピユータ（CPU）３０によつ
て統括制御される。CPU３０は、インターフエ
ース（IF）３１を介して周辺の検出部、測定部、
あるいは駆動部と、各種情報のやり取りを行な
う。シヤツタ駆動部３２は、CPU３０の指令に
よつて各シヤツタ４ａ，４ｂ，４ｃの開閉動作を
行ない、またレチクルアライメント制御系（Ｒ−
ALG）３３は投影レンズ６の光軸に対してレチ
クル５が所定の位置にくるようにレチクルホルダ
１５を動かして位置合わせするものである。一
方、ステージ７の位置座標を計測するために、前
述のＸ軸用のレーザ干渉計１３によつて読取られ
たステージ７のＸ軸方向の位置情報と、Ｙ軸用の
レーザ干渉計３４に読取られたステージ７のＹ軸
方向の位置情報とが共にインターフエース３１を
介してCPU３０に送られる。またステージ７を
２次元移動させるために、ステージ７をＸ軸方向
に駆動するＸ軸駆動部（Ｘ−ACT）３５と、ス
テージ７をＹ軸方向に駆動するＹ軸駆動部（Ｙ−
ACT）３６とが、CPU３０の指令によつて動作
するように設けられており、さらにステージ７上
のウエハホルダ１１を微小回転させるためのθ軸
回転駆動部（θ−ACT）３７と、ウエハホルダ
１１および微小開口部材８と光電検出器９の組合
せを一体的に上下動させるためのＺ軸駆動部（Ｚ
−ACT）３８とが設けられ、CPU３０の指令に
よつて動作するようになされている。前記光電検
出器９の光電出力信号もインターフエース３１を
介してCPU３０に入力され、また焦点検出部
（AFD）３９は、第２図に示したギヤツプセンサ
１２からの信号を受けとつてウエハ１０の表面
（又は微小開口部材８の開口面）と投影レンズ６
の焦点位置のずれ情報（合焦情報）をインターフ
エース３１を介してCPU３０に与えるようにな
つている。尚、CPU３０には、インターフエー
ス３１を介して、測定した結果や動作状態等を表
示するためにモニタ用のCRTデイスプレイある
いはプリンタなどの出力端末装置４０も接続され
ている。

また第３図に示したように、オフ・アクシス配
置のアライメント顕微鏡WL，WX，WRは、光
電顕微鏡またはレーザースポツト走査型のウエハ
マーク検出手段であり、これらはそれぞれの検出
中心がウエハ１０上の所定のウエハマークと一致
すると、マーク検出信号をインターフエース３１
を介してCPU３０に与える。尚、これらアライ
メント顕微鏡WL，WX，WRによるウエハマー
クの検出に際してもギヤツプセンサ１２と焦点検
出部３９とによる合焦情報がCPU３０に入力さ
れることは述べるまでもない。

アライメント顕微鏡WRには、振動スリツトま
たは振動ビームの振動中心や、レーザ光の送光々
路をＹ軸方向に微小量シフトさせるために、平行
平板ガラスやプリズムがCPU３０の指令による
制御で所望量だけ回転ないし移動可能に設けられ
ている。

以上のような構成においてレチクル５がレチク
ルホルダ１５に載置され、レチクルアライメント
制御系３３でレチクル５のアライメントを行なつ
たのち、レチクル５のパターンをウエハ１０上に
投影するとその光学像は第６図のようになる。

第６図はレーザ干渉計１３と３４とで計測され
るステージ７の第１直交座標XYに対するレチク
ル５のパターン領域５ａの投影像５a′を示してい
る。レチクル５のマークRRとRLも像RR′と
RL′としてそれぞれ投影像５a′のｘ軸上に沿つた
両脇に投影される。尚、ここではレチクル５の投
影像の内部座標系xyの原点をステージ７の直交
座標系XYの原点Ｏと一致させ、投影レンズ６に
よる歪曲収差は無視し得るものとして扱つてい
る。通常、第２直交座標系xyは第１直交座標系
XYに対して回転偏位による重ね合わせ誤差をも
ち、第６図はそれを誇張して示したもので、この
回転偏位量を角度εで表わしている。本発明のひ
とつの実施態様においてはこの角度εが無視でき
るほど小さくなるように調整する代りに、焼付け
られたパターンが実質的に角度εの影響を受けな
くなるようにステージ７を移動制御することで回
転偏位による重ね合わせ誤差をなくそうとするも
のである。

第６図においてマーク像RL′とRR′はレチクル
５の投影像の一部であつて、それらのｙ軸座標値
は一致しているものとする。またレチクル５の投
影面レベルは微小開口部材８の開口面レベルと一
致し、部材８はこの投影面内をステージ７の移動
と共に２次元移動するものとする。ここで角度ε
の測定法について述べると、まず、微小開口部材
８の開口面にレチクルの投影像が結像するよう
に、ギヤツプセンサ１２と焦点検出部３９および
Ｚ軸駆動部３８を用いて焦点合わせを行なう。そ
の後、ステージ７を移動させてマーク像RR′と
RL′をスリツト開口８ａで走査し、この走査時に
得られる光電検出器９の出力と、レーザ干渉計１
３と３４の出力とにより、マーク像RR′とRL′と
の第１直交座標系XYでの位置を計測する。これ
は例えば第６図においてスリツト開口８ａがＹ軸
方向に移動してマーク像RR′又はRL′を走査した
際に、スリツト開口８ａとマーク像とが合致した
瞬間に光電検出器９がピーク値を示すから、この
ピーク値の得られたときの位置をレーザ干渉計１
３と３４で計測すればよい。このようにして計測
されたマーク像RR′のＹ座標値をYR₁マーク像
RL′のＹ座標値をYLとし、ステージ７のＸ軸方
向の移動量から求めたマーク像RR′とRL′との間
隔をｌとすると、角度εは通常は微小角度である
ので次の(1)式のように表わされる。

ε＝tan^-1（YR−YL）／ｌ ≒（YR−YL）／ｌ ………(1) またレチクル５上でのマークRRとRLとの間隔
が予じめ判つていれば、その投影像RR′とRL′の
ｘ軸方向の間隔l′も判るので、角度εは次の(2)式
のように表わすこともできる。

ε＝sin^-1（YR−YL）／l′ ≒（YR−YL）／l′ ………(2) このようにして予じめ角度εが求められ、以後
のステツプアンドリピート方式の露光操作におけ
るステージ７のステツピング移動の方向補正情報
として用いられる。

以上の説明の中で、第６図においてマーク像
RR′とRL′が回路パターン領域像５a′から離れて
いる程、回転偏位量（角度ε）の測定精度が向上
する。また微小開口部材８のスリツト開口８ａお
よびマーク像RR′とRL′のスリツト形状の長さが
長い程、検出光量が増加するので測定精度が向上
する。ここでｌまたはl′の長さが長くなるように
した場合、マーク像RR′とRL′が繰返し露光され
る隣の回路パターン領域像に重なるので、このよ
うなときにはマーク像RR′とRL′に対するレチク
ル５への照明光源からの入射光だけをシヤツタ４
ｂと４ｃにより選択的に遮光できるようにして、
回転偏位量（角度ε）の測定時のみこれらシヤツ
タ４ｂと４ｃを開き、回路パターンの露光時には
これを閉じるようにする。

尚、回転偏位量の測定精度がそれほど高くなく
てもよい場合には、マーク像RR′とRL′のような
特別なマークを用いずに、回路パターン領域像５
a′内のｘ軸と平行な線、例えばパターン領域と周
囲との境界線の像の両端部（第６図にｉ１，ｉ２
の位置計測は、ｉ１，ｉ２の明暗境界をスリツト
開口８ａが横切つたときの光電検出器９の出力信
号立上りまたは立下りの中央でのレーザ干渉計１
３，３４の計測値を用いて行なう。

次に本実施例装置を用いた露光動作について説
明する。

まずはじめに、ウエハ１０に対して回路パター
ンの第１層目を焼付ける場合の露光動作を第７
図、第８図および第９図と共に説明すれば以下の
通りである。

この場合、ウエハ１０の表面には末だ回路パタ
ーンもアライメント用のウエハマークも存在しな
いから、ウエハ１０は第５図に示すようにその外
周部の一部に設けられた直線状の切欠きであるフ
アセツト（またはフラツト）１０ａを基準にして
ウエハホルダ１１上に載置され吸着固定される。
本実施例では、フアセツト１０ａの直線方向がス
テージ７のＸ軸方向と一致するように位置決めさ
れる。次いでギヤツプセンサ１２と焦点検出部３
９およびＺ軸駆動部３８によりウエハ１０の表面
を投影結像面に焦点合わせする。その後、レーザ
干渉計１３と３４、Ｘ軸駆動部３５およびＹ軸駆
動部３６によりステージ７を一定距離ずつ移動さ
せてはシヤツタ４ａを所定時間だけ開き、レチク
ル５のパターン領域５ａの縮小投影像をウエハ１
０上のフオトレジストに露光転写することを繰返
す。この場合、シヤツタ４ｂ，４ｃは閉じられ、
マークRRとRLの像がウエハ１０上に転写される
のを防止する。このようにしてウエハ１０のほぼ
全面にパターン領域５ａの縮小像がマトリツクス
状に転写され焼付けられることになる。

ここでもしレチクル５に前述したような角度ε
の回転偏位が存在したままステツプアンドリピー
ト方式の露光転写を行なうと、ステージ７のＸ軸
方向の歩進によつて、第７図に示すように、ウエ
ハ１０に次々と転写されるパターン領域P₀，P₁
の中心を結ぶ線分はＸ軸上に位置するものの個々
のパターン領域は偏位角度εだけＸ軸（又はＹ
軸）に対して回転した状態で転写されてしまう。

そこで本実施例では前述のように予じめ求めて
おいた角度εを用いたCPU３０内でXY座標に対
し角度εだけ回転した別の直交座標系αβ（以下第
３直交座標系と云う）を原点を一致させてウエハ
１０上に対して設定するものである。尚、ウエハ
１０上への転写に際し第１層目のときは両直交座
標系XYとαβの原点同士を必ずしも一致させる必
要はないが、第２層目以降についてはこの原点の
一致が重要である。

今、ひとつのパターン領域P₀を転写したのち、
次のパターン領域P₁の転写のためにステージ７
をＸ軸方向に歩進させるに際して、ステージ７の
歩進方向をα軸に沿わせることで次の転写パター
ン領域はP₁の代りにP₂となり、このパターン領
域P₂と前記パターン領域P₀との配列をみれば判
るように第３直交座標系αβをウエハ１０上での
転写パターンのマトリクス配列座標することで回
転偏位（角度ε）が実質的に相殺されることにな
る。

そこで、ウエハ１０内の配列座標を第３直交座
標系αβに定めてこの座標軸αβに沿つてパターン
領域露光位置の位置決めをすることにし、ステー
ジ７には第３の直交座標系と第１の直交座標系と
の間の座標変換によつてそのステツピング位置を
与えるようにする。

今、第８図のように、投影レンズ６で投影して
いるパターン領域をP₀、次に露光転写すべきパ
ターン領域をP₂とし、パターン領域P₂の中心を
O₂とする。また第３直角座標系αβにおけるパタ
ーン領域P₀中心Ｏの座標値を（α₀、β₀）、パター
ン領域P₂の中心O₂の座標値を（α₁、β₁）とし、
投影レンズ６の光軸、すなわちパターン領域P₀
の中心を原点とするステージ７の第１直交座標系
XYに対してウエハ１０上の配列座標系αβが角度
εだけ反時計方向に回転しており、座標系αβの
原点O₁が座標系XYの座標値（X₀、Y₀）を持つ
ているものとする。

パターン領域P₀の露光が終了し、パターン領
域P₂の中心O₂と座標系XYの原点Ｏ（投影レンズ
６の光軸）とを一致させるためには、ステージ７
を現在の位置、すなわち（X₀、Y₀）から、第８
図の通りＸ軸方向に△Ｘ、Ｙ軸方向に△Ｙだけ移
動させればよい。ここで△Ｘと△Ｙは、 △Ｘ＝（α₁−α₀）cosε−（β₁−β₀）sinε △Ｙ＝（α₁−α₀）sinε＋（β₁−β₀）cosε と表わされ、角度εが充分小さければ、 △Ｘ＝（α₁−α₀）−（β₁−β₀）ε ………(3) △Ｙ＝（α₁−α₀）ε−（β₁−β₀） ………(4) と近似できる。

第５図に示したCPU３０にこの(3)(4)式をプロ
グラムしておき、さらに露光転写すべき各パター
ン領域を中心位置を前記配列座標系αβの座標値
として予じめ記憶させておき、先に検出しておい
た角度εを用いて(3)(4)式の演算を行ない、結果的
に角度εを相殺するようにステージ７のステツピ
ング移動を制御する。このステツピングは、ステ
ージ７の現在位置（X₀、Y₀）に対してレーザ干
渉計１３と３４のカウンタ測定値を△Ｘ、△Ｙだ
け変化させるようにステージ７の位置を移動させ
て行なうものであり、例えばウエハ１０のフアセ
ツト１０ａの直線と平行な一列をステツプアンド
リピート方式で露光転写するには、パターン領域
の中心座標値のうちβ₀とβ₁を互いに等しい値と
し、α₁−α₀をピツチEpとして、(3)(4)式から △Ｘ＝Ep △Ｙ＝Ep・ε となるようにステージ７のステツピングを行なえ
ばよい。例えば９個のパターン領域を一列に転写
した場合、第９図に示すようにこの一列のパター
ン領域E₁〜E₉のそれぞれの中心C₁〜C₉は全てα
軸上に並び、各パターン領域E₁〜E₉のいずれも
が座標系αβに関して回転偏位なく並び、唯、座
標系XYのＸ軸と平行にされたフアセツト１０ａ
の直線に対してα軸が角度εだけ傾いているだけ
である。このようにして二列目、三列目も同様に
座標系αβ上にパターン領域を配列させながら露
光転写することで、ウエハ１０の全面に、第７図
の如き回転偏位を生じることなく、配列座標系
αβに従つて整列した転写パターンを得ることが
できる。尚、この第１層目の転写によつて、第２
層目以降の重ね合わせのアライメントのためのウ
エハマークが各パターン領域内またはその近傍の
ストリートライン上に転写されることは前述した
通りである。

このように、レチクル５が角度εの回転偏位を
伴うようなセツト条件下にあつても、ウエハ１０
に転写された第１層目のパターン領域はいずれも
実質的に角度εの影響を受けることがない。

次に第２層目以降のパターンの重ね合わせ露光
転写について第１０図および第１１図と共に説明
する。

第１０図は、第３図に示した投影レンズ６、ア
ライメント顕微鏡WL，WX，WRの配置関係を
第１直交座標XY平面上に示した説明図で、投影
レンズ６の最大露光領域６ａ内におけるレチクル
パターン領域５ａの投影領域６ｂの中心、すなわ
ち投影レンズ６の光軸は、第１直交座標XYの原
点に一致している。投影レンズ６の周囲の所定位
置に配置された各アライメント顕微鏡WL，WX，
WRはそれぞれの視野に見たてた破線の円で示さ
れており、それぞれの検出中心をLC₁XC₁RCと
し、LCとRCのＸ軸方向の間隔をＬとして示す。

第１１図は、すでに第１層目のパターンが転写
されているウエハ１０を模式的に示す平面図で、
ウエハ１０内の或る一列のパターン領域E₁〜E₆
とその近傍のみを描いてある。パターン領域E₁
〜E₆の上下、左右のストリートライン上には、
配列座標系のβの各軸に沿つて細長いアライメン
ト用のウエハマークがすでに形成されている。こ
こでは、これらのウエハマークのうち、α軸と平
行な１本のストリートライン上で互いに間隔がほ
ぼＬだけ離れた２つのウエハマークALとAR、
それにβ軸と平行な１本のストリートライン上の
１つのウエハマークAXを２層目以降の重ね合わ
せ露光のウエハ１０のアライメント用に使うもの
とする。

さて、第２層目のパターンの露光に先立つて、
レチクル５として第１層目のときとは異なる回路
パターンのものがレチクルホルダ１５にマウント
される。従つて再びレチクルによる回転偏位を考
慮する必要がある。そこで第２層目のパターン露
光に際しても、まずステージ７を移動させてレチ
クル５の透光マークRRとRLの投影像を微小開口
部材８と光電検出器９とによつて検出し、レーザ
干渉計１３，３４によつてその位置座標を求め、
回転偏位を(1)又は(2)式に従つて角度ε′として検出
しておく。

次にアライメント顕微鏡WLはWRの検出中心
LCとRCの調整を行なうが、この調整では、第１
０図に示すように、アライメント顕微鏡WLと
WRの両検出中心LCとRCを結ぶ線分がXY座標
平面上においてＸ軸に対し前記角度ε′だけ傾くよ
うにする。このためにはアライメント顕微鏡WR
の検出中心RCを、第２層目のレチクルの回転偏
位角度ε′からδy≒Ｌ・ε′で求められる変位量δyだ
けＹ軸方向に変化させればよい。これは、具体的
には、アライメント顕微鏡WRの光学系内部のハ
ービングガラスやプリズム等の光学部品を回転ま
たはシフト移動させることにより微調整可能であ
る。この場合、検出中心RCを決つた量だけ変位
させるのに、ハービングガラス等の回転角または
プリズム等の移動量を検出する別の検出手段を設
けてその検出信号を用いて行なつてもよいが、前
記レーザ干渉計１３，３４を利用して行なうほう
が何かと好都合である。このレーザ干渉計１３，
３４を利用する場合においては、ステージ７に固
定した位置検出用の微小開口部材８のスリツト開
口８ａを利用して、まずアライメント顕微鏡WL
の検出中心LCと、前記スリツト開口８ａのＹ軸
方向の中心とが一致するようにステージ７の位置
決めを行ない、前記レーザ干渉計３４でそのとき
のＹ座標値ywlを計測する。次いでステージ７を
距離ＬだけＸ軸方向に移動させて、同じスリツト
開口８ａをアライメント顕微鏡WRで検出できる
ようにする。このときレーザ干渉計３４によるＹ
軸座標測定値が（ywl＋δy）となるようにステー
ジを位置決めし、その後に検出中心RCとスリツ
ト開口８ａの中心のＹ座標値が一致するようにア
ライメント顕微鏡WRの光学系内の光学部品を回
転または移動させる。

以上のようにしてアライメント顕微鏡WLと
WRの調整が終了すると、次にウエハ１０（第１
層目の転写パターンが形成されたもの）をホルダ
１１上に載置し、真空等により吸着固定する。こ
の場合、ウエハ１０はフアセツト１０ａを使つて
ホルダ１１上に粗く位置決めされる。その後、ウ
エハ１０上の１つのストリートライン上に距離Ｌ
だけ離れて形成された２つのウエハマークAL，
ARがそれぞれアライメント顕微鏡WLとWRの
検出視野内に入るようにステージ７を位置決めす
る。この位置決めは、ステージ７上の微小開口部
材８に対するウエハ１０の位置が概ね定められて
いるから、予じめアライメント顕微鏡WLとWR
の検出中心LCとRCが微小開口部材８のスリツト
開口８ａとが一致したときのステージ７の座標値
を記憶しておくことで容易に行なうことができ
る。

さて、ウエハ１０上の２つのウエハマークAL
とARがアライメント顕微鏡WRとWLによつて
とらえられると、アライメント顕微鏡WLの検出
中心LCとウエハマークALとが一致し、アライメ
ント顕微鏡WRの検出中心RCとウエハマークAR
とが一致するように、ウエハホルダ１１をθ軸回
転駆部３７により回転させる。この際、ウエハホ
ルダ１１の回転中心をウエハマークALの近傍に
定めておくと、ホルダ１１を回転したとき、アラ
イメント顕微鏡WLの検出中心LCからのウエハ
マークALのずれ量は極めて小さくなる。この場
合には、実質的にアライメント顕微鏡WRの検出
中心RCからのウエハマークARのＹ軸方向のず
れが零となるようにウエハホルダ１１の微小回転
またはステージ７のＹ軸方向への微小移動を行な
うだけでよい。このようにしてウエハ１０のステ
ージ７に対する回転位置が定まるとホルダ１１は
ステージ７に固定される。

以上のようにしてウエハ１０内の配列座標系
αβは第１２図に示す如くステージ７のXY座標軸
に対して角度ε′だけ傾いて位置決めされ、従つて
第２層目のレチクル５の投影パターン領域P₀′と
ウエハ１０上にすでに存在する第１層目の各パタ
ーン領域E₁〜E₆とは、それぞれXY座標軸に対し
て反時計方向に角度ε′だけ傾いた状態で設定され
る。このようなウエハ１０の位置決めが終了する
と、ウエハマークALとアライメント顕微鏡WL
の検出中心LCとが一致したときのステージ７の
Ｙ座標値、およびステージ７を移動してウエハマ
ークAXとアライメント顕微鏡WXの検出中心XC
とが一致したときのステージ７のＸ座標値とに基
づいて、CPU３０がパターン領域P₀′と、ウエハ
１０上の各パターン領域E₁〜E₆との中心の位置
関係を求め、パターン領域P₀′がE₁に重なるよう
にステージ７を移動し、シヤツタ４ａを開いて露
光する。次いでパターン領域P₀′をE₂以下の第１
層目パターン領域のそれぞれに順次重ね合わせる
ためにステージ７をステツピング移動するが、そ
の際には前述の(3)、(4)式に基づいてステージ７を
位置決めすれば、レチクル５の角度ε′の回転偏位
はウエハ１０上の全てのパターン領域において相
殺され、従つて第１層目と第２層目のパターン領
域が互いに回転偏位なく重ね合わされることにな
る。以下、第３層目以降についても、アライメン
ト顕微鏡WL，WRの調整を行ない、同様にステ
ツプアンドリピートの焼付けが回転偏位の発生な
しに行なわれる。

尚、前述の実施例ではアライメント顕微鏡
WL，WRの調整を微小開口部材８と光電検出器
９とを用いて行なつたが、ウエハ１０上にウエハ
マークALがあるときはそれを用いても同様に調
整が行なえる。この場合、まずウエハマークAL
をアライメント顕微鏡WLの検出中心LCと一致
させたのちステージ７をＸ軸方向に移動させ、ア
ライメント顕微鏡WRがウエハマークALをその
検出視野内にとらえたらステージ７を停止し、そ
の検出中心RLとウエハマークALとが一致するよ
うに検出中心RCを位置調整する。これによつて
両アライメント顕微鏡WLとWRの検出中心LCと
RCを結ぶ線分がＸ軸と平行になる。その後、予
じめ求めておいた角度ε′に基づいてδy≒Lε′だけ
ステージ７をＹ軸方向に移動させて位置決めし、
アライメント顕微鏡WRの検出中心RCが再びウ
エハマークALと一致するように該アライメント
顕微鏡WRの光学系中のハービングガラスやプリ
ズム等を変位させればよい。

以上のように、本発明によれば、レチクルのウ
エハ移動座標系に対する回転偏位を定量的に短時
間で精度よく求めて露光に先立つてウエハ移動方
向を補正できるから、重ねて焼付けられる回路パ
ターン同士がレチクルの回転偏位に起因して位置
ずれを起すのを効果的に防止でき、レチクル毎に
１度だけアライメント顕微鏡の調整をするだけで
以後のステツピング中にレチクルの回転偏位が残
らず、従つて回転偏位による重ね合わせ誤差の防
止が極く短時間の調整で果し得るものである。ま
た本発明ではレチクルパターンを露光用の投影光
学系によつて投影した像そのものをステージ上の
光電検出器で直接検出してレチクルパターン像の
ステージ移動座標系に対する回転偏位を求めてお
り、このように本来的に像面湾曲や歪みを少なく
してある投影光学系のみを使つて、他の検出光学
系を必要としないので、回転偏位の検出自体極め
て高精度で投影光学系と整合のとれたものとな
り、従つてその回転偏位検出量による回転偏位相
殺のための補正の精度も検めて高精度とすること
ができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は重ね合わされたパターン相互間の回転
偏位を示す説明図、第２図は本発明実施例による
縮小投影型露光装置の概略を示す構成図、第３図
はレチクルの透光マークの位置および投影レンズ
周囲の３本のアライメント顕微鏡の配置の様子を
第１直交座標系XYおよび第２直交座標系xyとの
関連で示した模式斜視図、第４図ａ，ｂは微小開
口部材の一例を示す平面図とそのＡ−Ａ線矢視断
面図、第５図は実施例に係る露光装置制御系の構
成を示すブロツク図、第６図はレチクルパターン
のウエハ上での投影像を第１および第２直交座標
系の原点を一致させて示した拡大図、第７図はス
テージの歩進によつて次々に露光したときの隣り
合う転写パターンの回転偏位とその相殺を示す説
明図、第８図はステージの歩進に際しての位置決
め座標変換を示す説明図、第９図は第１層目の転
写パターンについて回転偏位が相殺されることを
示すウエハ上の転写パターン配列の説明図、第１
０図は投影レンズと各アライメント顕微鏡の第１
直交座標XY平面上での配置関係を示す説明図、
第１１図はすでに第１層目のパターンが転写され
たウエハの模式平面図、第１２図は第２層目のパ
ターンの重ね合わせを示す説明図である。１：照明光学系、２，３：コンデンサレンズ、
４ａ，４ｂ，４ｃ：シヤツタ、５：レチクル、５
ａ：パターン領域、６：投影レンズ、７：ステー
ジ、８：微小開口部材、８ａ：スリツト開口、
９：光電検出器、１０：ウエハ、１１：ウエハホ
ルダ、１２：ギヤツプセンサ、１３：レーザ干渉
計、１４：反射鏡、１５：レチクルホルダ、
WL，WX，WR：アライメント顕微鏡、３０：
マイクロコンピユータ（CPU）、３１：インター
フエース、３２：シヤツタ駆動部、３３：レチク
ルアライメント制御系、３４：レーザ干渉計、３
５：Ｘ軸駆動部、３６：Ｙ軸駆動部、３７：θ軸
駆動部、３８：Ｚ軸駆動部、３９：焦点検出部、
RR，RL：透光マーク、RR′，RL′：マーク像、
AL，AR，AX：ウエハマーク、E₁〜E₉；転写さ
れたパターン領域。

Claims

【特許請求の範囲】１感光基板へ転写すべきパターンと、一定の間
隔だけ離して配置された複数のマークとを有する
マスクを保持するホルダと、前記パターンと前記複数のマークを前記感光基
板側へ投影するための投影光学系と、前記感光基板を保持して、前記投影光学系の光
軸とほぼ垂直な面内で２次元移動するステージ
と、該ステージの一部に設けられ、前記投影光学系
によつて投影された前記マスクのマークの投影像
を光電的に検出する光電検出手段と、前記ステージを前記マスクのパターンの投影像
の大きさによつて決まる量だけ移動させたステツ
ブ位置に順次位置決めする制御手段とを備え、前記パターンの投影像を前記感光基板上に２次
配列で露光する投影露光装置において、前記マスク上の複数のマークを照明して、該マ
ークの前記投影光学系による投影像を前記光電検
出手段に結像するための照明手段と；前記ステージの互いに直交するＸ方向とＹ方向
の各座標位置を計測する手段を含み、前記光電検
出手段によつて検出される前記複数のマーク投影
像の各位置を前記ステージの直交座標系XY内の
座標位置として検出する位置検出手段と；前記検出された複数のマーク投影像の各座標位
置の差と、前記複数のマークの間隔、又は複数の
マーク投影像の間隔との比に基づいて、前記マス
クホルダに保持された状態で残留した前記マスク
の前記直交座標系XY上での回転偏位量を算出す
る手段と；前記制御手段によつて前記ステージを順次ステ
ツプ位置に位置決めする際、前記ステツプ位置の
Ｘ方向とＹ方向の各座標位置を、前記算出された
回転変位量とＸ方向の設計上のステツプ移動量と
の積、及び前記算出された回転偏位量とＹ方向の
設計上のステツプ移動量との積に応じて決まる位
置に補正する手段とを備え、前記感光基板上に転写された前記複数のパター
ン像の配列によつて決まる座標系に対する各パタ
ーン像の回転偏位を補正することを特徴とする投
影露光装置。