JPH0669014B2

JPH0669014B2 - 露光装置

Info

Publication number: JPH0669014B2
Application number: JP61038852A
Authority: JP
Inventors: 宏一松本; 豊末永; 誠上原; 亨幸村松
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1986-02-24
Filing date: 1986-02-24
Publication date: 1994-08-31
Anticipated expiration: 2009-08-31
Also published as: US4798962A; JPS62196825A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は、ＩＣやＬＳＩ等の集積回路の微細パターンを
ウエハー面上に投影露光するための露光装置、特に露光
用とアライメント用とでそれぞれ異なる波長の光を用い
る露光装置に関する。

（発明の背景）従来、ＩＣやＬＳＩ等の集積回路の微細パターンをウエ
ハー面上に投影して焼き付けるための露光装置において
は、特に高い解像力を有する投影光学系が要求されてお
り、そのため、マスクパターンを照明する露光用光源に
は、超高圧水銀灯の発光スペクトル中の４３６nmまたは
３６５nmが用いられている。また、その露光装置には、
マスクパターンをウエハー上に正確に投影・焼付けする
ために、そのウエハーとフォトマスクの両者の相対位置
関係を検出するための、アライメント光学系が設けられ
ている。また、そのアライメント検出のための光源に
は、フォトマスクとウエハーとの相対位置関係を観察に
よって容易に行うことができるように、例えば６３２．
８nmの波長をもつＨｅ−Ｎｅレーザ等が一般に用いられ
ている。

さらに、そのアライメント光学系には、アライメント精
度の向上を図るために投影光学系の全部またはその一部
を利用するいわゆるＴＴＬ方式が従来から多く採用され
ている。このＴＴＬ方式において、ウエハー上のアライ
メントマークとマスク上のアライメントマークとを同時
に観察するためには、露光用の使用波長とアライメント
用の使用波長の双方に対して色収差を良好に補正するこ
とが要求される。この場合、露光に用いられる短い波長
λＩを例えば４３６nm、アライメントに使用される長い
長波λ_２を例えば６３２．８nmとし、その２波長で色収
差補正を行うと第６図に示す曲線Ａ（破線にて示す。）
のような色収差補正状態となる。

ところで実際の光源は第６図中でΔλにて示すようにあ
る波長幅を有しており、そのため、波長λＩでは完全に
色収差が補正されても、この波長λＩの前後の波長幅Δ
λに相当する波長では、軸上色収差が大となり、その色
収差量が投影光学系の解像力を大きく低下させる原因と
なる。従って、第６図中で曲線Ａにて示すような２色補
正の投影光学系においては、例えば超高圧水銀灯の４３
６nmのスペクトルは、波長幅が約±５nmあるので、波長
域１０μの範囲で色収差をほぼ完全に補正しなければ所
望の高解像力は得られない。

そこで、上記のような２波長に対して色収差補正された
投影光学系を用いても高解像力が得られるように、露光
用光源として、波長幅を狭く制御できる、例えばエキシ
マレーザのような光源を用いる露光装置が、例えば特開
昭６０−２２２８６２号公報によって開示され、既に公
知である。

この公知の露光装置では、第６図中で曲線Ｂ（実線にて
示す。）にて示す如く、２波長に対して色収差が補正さ
れた投影光学系を用い、波長λ_１（２４８．５nm）にて
露光を行い、波長λ_２（６３２．８nm）でアライメント
を行っている。しかしながら、この従来公知の露光装置
においては、露光およびアライメントに用いられる光源
としては、双方共に波長幅の狭いレーザ光源に限られ、
従来からこの種の装置の露光用光源として扱い馴れてい
る超高圧水銀ランプやハロケンランプ等を使用できない
欠点がある。さらにまた、アライメント用の波長が一つ
に限られているため、ウエハー上のフォトレジストの条
件によっては、アライメント信号が必ずしも精度よく検
出できるとは限らないという難点があった。

（発明の目的）本発明は、上記従来装置の欠点を解決し、従来から使用
されている超高圧水銀灯やハロゲンランプ等の色収差補
正が必要とされるスペクトル幅の光に対しても色収差が
良好に補正されて露光用光源として用いることができ、
しかも解像力が高く、極めてアライメント精度の良好な
露光装置を提供することを目的とする。

（発明の概要）上記の目的を達成するために本発明は、フォトマスク上
のパターンを照明するための露光用光源を含むパターン
照明光学系と、その露光用光源によって照明されたパタ
ーンをウェハー面上に結像させる投影光学系と、フォト
マスクとウェハーとにそれぞれ設けられたアライメント
マークを照明するためのアライメント用光源を含むアラ
イメント照明光学系と、投影光学系を介してマスクパタ
ーンとウェハーとの相対位置関係の検知を行うためのア
ライメント光学系とを備え、その投影光学系には、波長
を関数とする軸上収差が少なくとも２つの極値を有する
ような結像系を用い、露光用光源として、レーザー光源
ばかりでなく、色収差補正を必要とする波長幅の光でも
使用できるように構成することを技術的要点とするもの
である。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を添付の図面に基づいて詳しく説
明する。

第１図は本発明の一実施例を示す露光装置の光学系配置
図で、第２図は第１図とは異なる本発明の実施例を示す
露光装置の光学系配置、第３図は第１図及び第２図に示
す実施例における色収差補正の原理を説明するための軸
上色収差曲線図である。

第１図において、露光用光源の超高圧水銀ランプ１から
発した光は、楕円反射鏡２によって集光された後、コリ
メータレンズ３により平行光束となり、露光波長を所定
のスペクトル幅（波長幅）に制限するバントパスフィル
ター４Ａ、フライアイレンズにて構成されたオプチカル
インテグレータ４Ｂおよびコンデンサーレンズ５を介し
て、投影原板のフォトマスク（以下「レチクル」と称す
る。）６を照明する。なお、露光用光源１乃至コンデン
サーレンズ５をもってパターン照明光学系が構成され
る。このパターン照明光学系１〜５によって照明された
レチクル６上のパターンは、後で詳しく述べられる投影
光学系７によってウェハー８上のフォトレジスト（感光
層）に投影され、露光、焼付けが行われる。

一方、アライメント用光源として２個の互いに異なる波
長の光を発振するレーザー光源１０Ａ及び１０Ｂが設け
られ、一方のレーザー光源１０Ａからの光は半透過鏡１
１を透過し、他方のレーザー光源１０Ｂからの光はその
半透過鏡１１で反射された後、共に集光レンズ１２、視
野絞り１３、半透過鏡１４、第２アライメント対物レン
ズ１６、第１アライメント対物レンズ１５及びミラー１
７を介してレチクル６上のアライメントマークＲを照明
し、さらに、前記の投影光学系７を介してウェハー８上
のアライメントマークＳを落射照明する。アライメント
用照明光として２つの異なる波長を用いる理由について
は、後で詳述する。

このレーザー光源１０Ａ、１０Ｂからのレーザー光によ
って照明されるウェハー８上のアライメントマークＳ
の、投影光学系によって拡大投影された中間像は、レチ
クル６上のアライメントマークＲと重ねられ、さらに、
その量疊された双方のアライメントマークＲとＳの像
は、第１アライメント対物レンズ１５、第２アライメン
ト対物レンズ１６により、半透過鏡１４の後方に配置さ
れたＩＴＶ用撮像管１８の受光面上に結像される。これ
により、レチクル６上のアライメントマークＲに対する
ウェハー８上のアライメントマークＳの相対的位置ずれ
量が、そのＩＴＶ撮像管１８を介して検出され、アライ
メントの状態が精度よく、明瞭に確認される。なお、半
透過鏡１１のかわりに、光路上に挿脱される可動ミラー
を設け、この可動ミラーによりレーザー光源１０Ａの光
を必要に応じて１０Ｂの光に切り換えるようにしても良
い。また、２つのアライメント光を必要としない場合に
は、一方のレーザー光源１０Ｂ及び半透過鏡１１は削除
される。

第２図では、露光用の光源に、それぞれ異なる波長の光
を発振するレーザー光源１Ａ、１Ｂを設け、双方のレー
ザー光を半透過鏡２Ａを介して、ビームイクスパンダー
３Ａに導き、さらに、オプチカル・インテグレーター４
Ｂ及びコンデンサーレンズ５を介してレチクル６を照明
するように構成されている。露光用光源として、２個の
レーザー光源１Ａ、１Ｂを設けた理由については、後で
詳しく述べる。なお、アライメント用光源として１個の
レーザー光源１０Ａを使用するが、その他の構成は、第
１図の実施例と同様であるから、同じ作用をする部材に
は、第１図の実施例と同じ符号を付し、その構成につい
ての詳しい説明は省略する。

次に、レチクル６上のパターン投影と、アライメントマ
ークＳの像のレチクル６上へ結像との双方の作用を行な
う投影光学系７の色収差補正について詳しく説明する。

レチクル６上のパターンの像をウェハー８上に投影する
投影光学系７の解像力を高めるためには、投影光学系７
の開口数ＮＡを大きくする共に、使用する光の波長を短
くする必要がある。また、この開口数ＮＡと、使用波長
λと、軸上の色収差の許容範囲を定める焦点深度ｄとの
間には、一般に次式のような関係がある。

ｄ＝λ／（２ＮＡ^２）ここで、レチクル６上のアライメントマークＲとウェハ
ー８上のアライメントマークＳとの相対的位置ずれを検
出するアライメントにおいては、信号検出方法を工夫す
れば像性能をあまり厳しくする必要がないため、焦点深
度の許容値はかなり大きくてよい。しかし、レチクル６
上のパターンをウェハ８上に投影する露光においては、
焦点深度は使用波長が短いため極めて小さいものとな
る。

一方、焦点深度が関係する軸上色収差の振舞いは、通常
は、従来装置の投影光学系の収差補正曲線（第６図）に
示すように１つの極値Ｐ_０しか持たず、従って、許容値
（焦点深度）の大きいアライメント側で軸上色収差の補
正を行なうと、露光側の短い波長では、その許される許
容値（焦点深度）に対応する波長幅Δλが極めて狭い光
源しか使用できない。しかし、投影光学系７の構成ガラ
スの内に、螢石(CaF₂)、弗化リチウム(LiF)等のような
異常分散を示す光学材料を用いて色収差補正を行なう
と、波長を関数とする軸上色収差の振舞いを、第３図に
示すように少なくとも２つの極値Ｐ_１及びＰ_２を有する
曲線の状態にすることができる。

この第３図に示す軸上色収差曲線において、横軸Ｘ_１で
は、波長λＩ、λIIIおよびλIVの３つの波長に対して
軸上色収差を０（ゼロ）に補正できることを示してい
る。この場合、最も短い波長λＩは露光用、最も長い波
長λIVはアライメント用に使用され、中間の波長λIII
は露光用、アライメント用のいずれにも使用できる。ま
た、短波長側の極値Ｐ_１に接する横軸Ｘ_２では、波長λ
II（極値Ｐ_１での波長）と、長波長側の極値Ｐ_２より長
波長域にある波長λＶの２つの波長に対して軸上色収差
を０（ゼロ）に補正できる。この場合、その極値Ｐ_１近
辺では、投影光学系７の焦点深度（軸上色収差の許容範
囲）ｄ_２が小さくてもこの焦点深度ｄ_２に対応するスペ
クトル幅（波長幅）Δλ_２は広くなる。従って、露光用
光源として、レーザー以外の例えば高圧水銀ランプ（第
１図参照）のようなスペクトル幅の広い光源の使用が可
能となる。また、この場合、長波長側の極値Ｐ_２を超え
た長い波長λＶに対しては、レーザー光源を用いて軸上
色収差の補正されたアライメントを行なうことができ
る。このアライメントにおいては、信号検出方法を工夫
すれば、焦点深度の許容値ｄ_５をかなり大きくとること
ができるので、この焦点深度ｄ_５に対応する使用可能な
波長範囲Δλ_５が広くなる。従って、この波長範囲Δλ
_５内で適当なレーザー光源（例えば第１図中の１０Ａ）
を選べばよい。なお、短波長側の極値Ｐ_１近辺の波長
（例えば第３図中でλVI）の光をアライメントに使用す
る場合にも、露光に許される焦点深度（例えば第３図中
でｄ_２）よりアライメント光の焦点深度ｄ_６は大きくと
れるので、アライメント用レーザー光源（例えば第１図
中で１０Ｂ）の使用可能な波長の選択範囲（例えば第３
図中でΔλ_６）を広くとることができ、この範囲Δλ_６
内で、そのレーザー光源を適宜選択することが可能とな
る。

第４図は、第１図に示す投影光学系７の一実施例の色収
差補正状態を示す曲線図で、一方の極値Ｐ_１（波長
λ_１）と他の別の点（波長λ_３）との色収差を補正する
ことで、λ_１を露光波長とし、λ_３をアライメント波長
とする露光装置を構成している。この場合、λ_１は殆ど
極値Ｐ_１となっている部分を用いているので、露光用光
源がある程度のスペクトル幅Δλを有しても、軸上色収
差の発生は少ない。従って、第１図に示すように露光用
光源１としてレーザー以外の光源を用いることができ
る。具体的には、水銀スペクトル中のｇ線（４３６n
m）、ｉ線（３６５nm）を中心波長とする光である。ま
た、λ_３にはアライメント用のレーザーが用いられる。
この場合、具体的にはＨｅ−Ｎｅレーザー（６３３n
m）、Ｈｅ−Ｃｄレーザー（４４２nm）等である。

さらに、λ_１の近辺で軸上色収差が許容される範囲に別
のアライメント光（波長λ_２）を設定することもでき
る。アライメント光が一種に限られると、ウェハー８上
のフォトレジスト等の、その波長での反射率、吸収率の
関係で十分なアライメント信号を検出できないことが有
るが、アライメント光としてλ_２とλ_３の２つの異なる
波長の光源あるいはそれ以上の複数の波長を用いること
により、上記のような欠点を解決することができる。

また、軸上色収差を第５図に示すようにλ_１、λ_２、λ
_３の３つの波長に対して０（ゼロ）に補正した場合、λ
_１及びλ_２を露光用波長とし、λ_３をアライメント用波
長とすることができる。しかし、λ_１、λ_２は波長が短
いために十分なスペクトル幅を取ることができないの
で、レーザー光源を用いるのが適切である。具体的に
は、ＫｒＦエキシマレーザー（２４９nm）とＸｅＣｌエ
キシマレーザー（３０８nm）などである。これらのレー
ザーは、インジェクシヨンロッキングにて用いることが
望ましい。この場合、第２図の実施例に示すように、２
つのエキシマレーザー１Ａ、１Ｂが用いられ、半透過鏡
２Ａを介して両者の光を用いて同時にパターン像を投影
するか、半透過鏡２Ａのかわりに光軸上に挿脱される可
動ミラーを用いて両者の光を切り換えるように構成すれ
ばよい。このように、露光を複数の波長で行なうことに
より、ウェハーパターンの側壁面に発生する定在波によ
るヒダ状構造は軽減され、その側壁面を滑らかに仕上げ
ることができ、一層精密なパターンをウェハー８上に形
成させることが可能となる。

また、別の組み合わせとして、波長λ_１のみを露光波長
として用い、波長λ_２およびλ_３をアライメント波長と
することもできる。この場合には、第２図におけるレー
ザー光源１Ｂおよび半透過鏡２Ａは削除され、アライメ
ント照明光学系側に第１図に示すようなレーザー光源１
０Ｂと半透過鏡１１が追加される。このように２種のア
ライメント波長を用いることにより、前述の第４図での
説明と同様に、ウェハー８上の種々のフォトレジストに
対応させることが可能となる。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、投影光学系として、波長を
関数とする軸上色収差が少なくとも２つの極値を有する
ような結像系を用いたので、露光光とアライメント光の
双方の色収差を補正しつつ、露光用光源に超高圧水銀ラ
ンプやハロゲンランプ等のようなスペクトル幅の広い従
来からの光源を用いることが可能となり、あるいは露光
用光源とアライメント用光源のいずれか一方に波長が互
いに異なる複数の光源を用いることができるので、露光
用光源にレーザーの様にスペクトル幅の十分細い光源を
用いた場合には二波長露光法により、ウェハ側のパター
ン側壁面に現れる定在波効果を軽減でき、またアライメ
ント用光源では、使用されるフォートレジストに適応し
たアライメント用波長を選択できる、高精度なアライメ
ントと露光とが可能な露光装置を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す光学系配置図、第２図
は第１図とは別の本発明の実施例を示す光学系配置図、
第３図は、本発明の要部をなす投影光学系の軸上色収差
補正の原理を説明するための軸上色収差曲線図、第４図
は第１図に示す実施例に用いられた投影光学系の色収差
補正状態を示す軸上色収差曲線図、第５図は第２図に示
す実施例に用いられた投影光学系の色収差補正状態を示
す軸上色収差曲線図、第６図は従来公知の装置における
軸上色収差補正の状態を説明するための軸上色収差曲線
図である。〔主要部分の符号の説明〕１……超高圧水銀ランプ（パターン照明光学系）１Ａ、１Ｂ……エキシマレーザー（パターン照明光学
系）３……コリメーターレンズ（パターン照明光学系）３Ａ……ビームイクスパンダー（パターン照明光学系）４Ａ……バンドパスフィルター（パターン照明光学系）４Ｂ……オプチカルインテグレータ（パターン照明光学
系）５……コンデンサーレンズ（パターン照明光学系）６……レチクル（フォトマスク）７……投影光学系、８……ウェハー１０Ａ……レーザー光源（アライメント照明光学系）１０Ｂ……レーザー光源（アライメント照明光学系）１２……集光レンズ（アライメント照明光学系）１３……視野絞り（アライメント照明光学系）１４……半透過鏡（アライメント照明光学系）１５……第１アライメント対物レンズ（アライメント光
学系）１６……第２アライメント対物レンズ（アライメント光
学系）１７……ミラー（アライメント光学系）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フォトマスク上のパターンを照明するため
の露光用光源を含むパターン照明光学系と、前記露光用
光源からの光によって照明される前記パターンをウエハ
ー面上に結像させる投影光学系と、前記フォトマスクと
前記ウエハーとにそれぞれ設けられたアライメントマー
クを照明するためのアライメント用光源を含むアライメ
ント照明光学系と、前記投影光学系を介して前記ウエハ
ーと前記フォトマスクの相対位置関係の検出を行うため
のアライメント光学系とを備え、前記投影光学系には、
波長を関数とする軸上色収差が少なくとも２つの極値を
有するような結像系を用いたことを特徴とする露光装
置。
【請求項２】前記露光用光源には、前記２つの極値（Ｐ
_１，Ｐ_２）のうちの短波長側の極値（Ｐ_１）を含む波長
幅の広い光を発する光源（１）または、前記短波長側の
極値（Ｐ_１）を狭む互いに異なる複数の波長の光を発す
る光源（１Ａ，１Ｂ）を用い、前記アライメント用光源
には、前記２つの極値（Ｐ_１，Ｐ_２）のうちの長波長側
の極値（Ｐ_２）より長い波長の光を発する光源（１０
Ａ）を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の露光装置。
【請求項３】前記２つの極値（Ｐ_１，Ｐ_２）のうち、一
方の極値（Ｐ_１）は前記投影光学系（７）の焦点深度内
とし、該焦点深度内の極値（Ｐ_１）近辺の波長の光を、
前記パターンを前記ウエハー（８）上に投影する露光光
としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の露
光露置。
【請求項４】前記２つの極値（Ｐ_１，Ｐ_２）のうち、短
波長側の極値（Ｐ_１）を前記投影光学系（７）の焦点深
度内とすると共に長波長側の極値（Ｐ_２）を前記投影光
学系（７）の焦点深度外とし、該長波長側の極値
（Ｐ_２）より長波長領域の波長によってアライメントを
行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の露光
装置。
【請求項５】前記アライメント用光源にはレーザ光源
（１０Ａ，１０Ｂ）を用い、前記露光用光源には前記レ
ーザ光源より波長が短く且つ波長幅の広い光源（１）を
用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の露
光装置。
【請求項６】前記露光用光源と前記アライメント用光源
のいずれか一方には互いに波長が異なる複数のレーザ光
源を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の露光装置。