JPH08195335A

JPH08195335A - 露光方法及び露光装置

Info

Publication number: JPH08195335A
Application number: JP7003776A
Authority: JP
Inventors: Souichi Katagiri; 創一片桐; Masaaki Ito; 昌昭伊東; Shigeo Moriyama; 茂夫森山; Yoshio Kawamura; 喜雄河村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-01-13
Filing date: 1995-01-13
Publication date: 1996-07-30

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、半導体製造方法において、
原画パターンとウェハ上のパターンとの位置合わせ精度
を向上させるのに好適なウェハ変形機能付きのＸ線露光
装置、縮小投影露光装置あるいは、電子線描画装置の提
供である。【構成】ウェハを複数のアクチュェータで独立に保持
する手段あるいは、ウェハに局所的な温度分布を与える
手段を備えた露光装置。【効果】本発明により、露光光学系の像歪、レティク
ルパターンの配列誤差やウェハプロセスによるプロセス
歪を低減できるので、アライメント精度を向上させられ
るという効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造方法に係り、
Ｘ線露光装置、縮小投影露光装置あるいは、電子線描画
装置の位置合わせ精度を向上させるのに好適な露光方法
及びその露光装置の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の集積回路パターンを転写する工
程（リソグラフィ工程）においては、マスク等に形成さ
れた原画パターンをウェハ上に既に加工されているパタ
ーンへ如何に精度良く重ね合わせるか（アライメント）
が重要である。このアライメント精度を向上させるに
は、機械的な位置決め精度を向上させることの他に、ウ
ェハプロセスを経ることによって生じるウェハ基板の変
形や露光光学系の像歪、あるいはマスクの原画パターン
やレティクルの原画パターンの配列誤差等に起因するア
ライメント誤差を低減することが有効である。

【０００３】従来は、特開昭６３−７０４２０号公報に
記載のように、マークアライメント方式を用いて、上記
ウェハの伸縮変形に起因する倍率変化の補正をしたり、
特開平４−１３８４６５号公報に記載のようにレティク
ル基板を変形させることで倍率補正をしたり、あるいは
特開昭５３−９８７８２号公報に記載のようにウェハ全
体の熱変形を用いた倍率補正をすることにより、誤差を
低減し、デバイスの製造を行なっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、
０.１μｍルール以降のデバイスの製造には不適当であ
った。なぜなら、０.１μｍルール以降のデバイスの製
造には、３０ｎｍより高いアライメント精度が要求され
る。この精度を上回るには、図２、図３に示すマスク上
の原画パターンの配列誤差５や露光光学系の像歪２２、
ウェハ１４の局所的なプロセス歪によるアライメント誤
差を低減する必要がある。しかし、上記従来技術では、
ウェハ全体の熱変形を用いた倍率補正を行なっていたた
め、ウェハの局所的な変形や露光光学系の像歪に伴うア
ライメント誤差を低減できなかった。これらの誤差要因
は、これまでのデバイス加工プロセスでは無視できるレ
ベルであった。例えば、現在主流のｉ線ステッパの像歪
は露光フィールド内で５０ｎｍ程度、レティクルのパタ
ーン配列精度はウェハ上で１２ｎｍ程度であるので、
０．２μｍルール（必要アライメント精度６０ｎｍ）ま
では許容できていた。ところが、０．１μｍルールでは
無視できない問題であった。

【０００５】本発明は、上記課題を解決し、０．１μｍ
ルール以降のデバイスの製造を行なうことができる露光
方法および露光装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、線源を用いて
第１の基板のパターンを第２の基板上に転写する露光方
法において、第１の基板パターンの結像パターンと第２
の基板上のパターンとの間に生じる露光面内の歪などの
偏差量を求める工程と、偏差量を補正する補正量を演算
する工程と、結像パターンと第２の基板上のパターンの
面方向の偏差を第１の基板もしくは第２の基板を相対的
に変形して補正する工程を含むことを特徴とする。

【０００７】また本発明は、線源を用いて第１の基板の
パターンを第２の基板上に転写する露光装置において、
パターンの転写前に露光面内の相対的な偏差を補正する
局所温度制御手段などの補正手段と、紫外線、極紫外
線、Ｘ線、電子線、イオン源のいずれかの線源を有する
ことを特徴とする。

【０００８】以上の構成からなる露光方法、および露光
装置を用いるときは、まず始めにレティクル上に形成さ
れたパターンの結像位置とウェハ上に形成されているパ
ターン位置の偏差量を一枚の先行ウェハを露光すること
によって、計測する。計測には、長寸法測定装置を用い
れば良い。

【０００９】次にウェハ、レティクル、マスクを複数の
アクチュェータで独立に保持する手段、あるいはウェ
ハ、レティクル、マスクに局所的な温度分布を与える手
段にウェハ、レティクル、マスクを搭載する。先の計測
により得られた偏差量を相殺するために必要な補正量を
制御手段を用いて演算し、この補正量だけアクチュエー
タをドライブ手段により駆動してウェハを変形させる
か、あるいはウェハ、レティクル、マスクに局所的な熱
分布生じさせ、変形させることにより、偏差量を補正で
きる。この後に通常の露光動作を行なえば、レティクル
上に形成されたパターンの結像位置とウェハ上に形成さ
れているパターン位置とを偏差なく良好に重ね合わせる
ことができる。

【００１０】以上の構成からなる露光方法、および露光
装置を用いることにより、上記課題は解決される。

【００１１】

【作用】図５および図１０を用いて本発明の作用を詳し
く説明する。図５は本発明の露光装置を示す図であり、
図１０は本発明における露光のフローチャートを示す図
である。

【００１２】露光は図１０に示すような流れに沿って行
なわれ、まずダミーウェハを図５に示すような露光装置
にローディングする。このダミーウェハには前層のパタ
ーンが形成され、パターンの中にはアライメント評価用
のマークもある。一方、露光装置には次のパターンとア
ライメント評価用のマークが形成されたレティクル１７
が搭載されている。アライメント評価用のマークは、ボ
ックス−イン−ボックス型が有効であるが、他の型式を
用いてもよい。

【００１３】次に、通常のアライメント工程の後にパタ
ーンを転写する。その後、ダミーウェハをアンロード
し、寸法測定装置などにより露光面内の偏差量を測定す
る。この他に露光面外の偏差量、つまり結像点の偏差量
も求めておく。このデータは露光光学系の像面湾曲や、
デバイスの段差構造を考慮して求める必要がある。

【００１４】これらのデータは、図５に示す露光装置の
データ入出力手段４０から主制御手段４１に送られ、ウ
ェハチャック１の補正量が算出される。この補正量は、
チャック制御手段４２へ転送される。ここで次のウェハ
が露光装置にローディングされる。そしてドライバ４３
によりウェハチャック１が駆動されて偏差量が補正され
る。この補正量が適正であるか否であるかをウェハ位置
検出器２５により評価する。ウェハ位置検出器２５に
は、図１１に示す２ビーム方式のウェハ裏面位置検出器
を用いるとウェハプロセスやウェハ厚さの影響がない高
い位置検出精度を得ることが出来て好ましい。評価の結
果、所定の補正が完了していれば露光工程に進むが、不
良の場合はウェハチャック１を解除して、再度チャック
するという動作を繰り返す。露光工程終了後、残りのウ
ェハの有無を確認し、残っている場合は次のウェハをロ
ーディングしてウェハチャック１の補正工程から繰り返
す。ウェハが残っていない場合は、露光後のウェハをア
ンロードして全ての工程を終了する。

【００１５】次に、ウェハチャック１の具体的な構成に
ついて説明する。ウェハ１４の局所的な領域を保持して
歪を補正する場合について図１を用いて説明する。ウェ
ハを保持する領域ｄを５ｍｍ角とし、その領域のピッチ
ｐが６ｍｍであるとする。一般的に弾性変形は次の式で
表される。

【００１６】

【数１】

【００１７】ここで、σは応力、εは歪、Ｅはヤング率
である。ここで、ピッチｐの間に１５ｎｍの歪Δｐが存
在すると仮定すると、この歪を除去するには３．２５×
１０⁵Ｎ／ｍ²の応力σに耐える保持力を持つアクチュェ
ータを１５ｎｍ変位させれば良い。この時必要な保持力
Ｆは、ウェハ１４をＳｉ（Ｅ＝１．３×１０¹¹Ｎ／
ｍ²）、厚さｔを４００μｍ、静止摩擦係数μを０．３
とすると次のようになる。

【００１８】

【数２】

【００１９】よって、２．１７Ｎの保持力があれば良
い。真空吸着によるウェハチャック１を用いた場合、ウ
ェハを保持する領域ｄが５ｍｍ角であるので、この領域
における吸着力は大気圧１．０１３２５×１０⁵Ｐａと
領域ｄの面積との積、つまり２．５３Ｎとなり、必要な
保持力を上回り使用に耐えることがわかる。

【００２０】次に局所的な温度分布を生じさせ、熱変形
によって局所歪を低減する方法について図４を用いて説
明する。ウェハ１４を露光装置にローディングする前に
図示の局所温度制御手段にローディングする。ウェハ１
４全体は、温度制御部７により一定温度に保たれると同
時に、ウェハ１４上に集光されるレーザビーム３８によ
り局所的に加熱される。加熱部は熱膨張により領域を拡
大する。この熱膨張による変形を利用して歪を補正する
ものである。予め歪量がどの程度存在しているのか計測
し、その歪量を低減するレーザ照射量と照射領域を計算
しておく。例えば、Ｓｉの線膨張係数αは、摂氏２０度
で０．０００００２６（１／℃）であるので、５ｍｍ角
の領域を一辺あたり１５ｎｍ拡大するには、１．１５度
の加熱が必要である。局所温度制御手段にローディング
したら、所定の位置に所定の量だけレーザを照射する。
その後、露光装置にローディングして通常の露光を行え
ば良い。こうすることによって、プロセス歪やマスクに
形成された原画パターンの配列誤差、露光光学系の像歪
等がある場合でも、精度の高いアライメントが可能とな
る。

【００２１】

【実施例】

（実施例１）図１に示した例は、本発明をウェハチャッ
ク１に適用したものである。チャック部分の拡大図を同
図右側に示した。各ブロックには真空吸引口を有する吸
着部（吸着ブロック）２がある。この吸着ブロック２
は、チャック１に片側を固定したピエゾ素子３−１およ
び３−２で支持されている。このような構造をした吸着
ブロック２を複数個有するウェハチャック１である。こ
のチャック１にウェハをローディングし、真空吸着した
後に、所定の量だけピエゾ素子３−１および３−２を駆
動してウェハを所望の形状に歪ませれば良い。また、ピ
エゾ素子３−１、３−２の代わりに形状記憶合金を用い
ても良い。実用的な材料として、ニチノールと呼ばれる
チタン、ニッケル系の形状記憶合金は変形力が６００Ｎ
／ｍｍ²と強く、変形速度も音速並にとれる。

【００２２】実際のプロセスを順を追って説明する。図
５に示す光リソグラフィ装置を用いる場合につき詳しく
説明する。本露光装置は、レテイクル１７上に形成され
た原画パターンをウェハ１４上に縮小転写する装置であ
る。露光に先立って、レティクル１７の位置とウェハ１
４の位置をそれぞれ検出する位置検出器２４、２５によ
って検知し、両基板の相対位置ずれを無くするようにス
テージ２０を駆動して位置決めする。その後、光源１５
と照明光学系１６の間にあるシャッタ（図示せず）を開
いてレティクル１７を照明光学系１６により照明するこ
とになる。原画パターンイメージは露光光学系１８によ
り縮小されてウェハ１４上に転写される。その後、次の
ショット位置にステージ２０を駆動してウェハ１４を移
動して、同じ動作を繰り返すことになる。このようなリ
ソグラフィ装置を用いた場合、（１）レテイクル１７に
描画された原画パターンの配列誤差と（２）露光光学系
１８の像歪を補正する必要がある。原画パターンの配列
誤差とは、図２に示すように、同パターンを電子線描画
装置等で形成する際の描画誤差やエッチング等のプロセ
ス歪のことである。ここで像歪とは、図３に示すように
理想格子が描かれたレティクルパターンを転写した場合
に、転写されるパターンが露光光学系１８の収差によっ
て配列誤差を持つ現象を指す。また、結像点の偏差量と
は、露光光学系１８の像面湾曲や製造するデバイスの段
差構造により生じる結像点のずれを指す。

【００２３】これら配列誤差を予め計測し、この配列誤
差を打ち消すデータをウェハチャック制御手段１２に記
憶させる。次にウェハ１４をローディングし、真空吸着
する。その後、予め記憶した量だけピエゾ素子３−１、
３−２を駆動してウェハ１４を所定の量だけ歪ませる。
こうすることによって、新たに転写するパターンと既に
ウェハ１４上に形成されたパターンを精度良く重ね合わ
せることが可能となる。本実施例では、光リソグラフィ
装置を用いた例を説明したが、図８に示す構造からなる
Ｘ線縮小露光装置にも全く同様に適用可能であり、図９
に示す構造からなる電子線描画装置による直接描画に応
用しても良い。

【００２４】（実施例２）実施例１においては、ウェハ
チャック１に歪補正機構を設けたが、本実施例では露光
フィールドのみに歪補正機構を設けた例である。このよ
うな構成をとることで、複雑な機構を減らすことができ
る。図６は、本実施例の構造を示す図である。ウェハ１
４は、中抜きの平面板（中抜きチャック）２７に吸着さ
れ、中抜きの平面板（中抜きチャック）２７の内側に
は、歪補正機構付きのチャック２８がある。本チャック
２８は装置のベース２１に固定され、常に露光光学系１
８の直下にある。このチャック２８にはウェハ１４と転
写パターンの位置合わせ用のアライメントセンサが内蔵
されている。図７は本チャック２８を上から見た図であ
る。チャック２８にはアライメント用穴３６があり、ア
ライメント用穴３６は貫通しており、この開口からウェ
ハ１４の裏面に形成されたアライメントマーク（図示せ
ず）の位置を検出する。なお、図示してないが、各吸着
ブロックはピエゾ素子等により支持され、微動できるよ
うになっている。

【００２５】ウェハ１４の位置検出が終了したら、第１
ショットの位置へウェハ１４を移動させ、チャック２８
に吸着する。この時の位置決めにはレーザ測長器１９や
アライメントセンサ２５の信号を用いると精密な位置合
わせができる。そして、実施例１と同様に歪を補正した
後に転写する。第１ショット終了後、ウェハチャック１
の吸着をはずして次のショット位置へウェハ１４を移動
させ、同様なプロセスを繰り返す。こうすることによ
り、実施例１よりも簡単な構成で、かつ同様な効果を得
ることができる。

【００２６】（実施例３）図４を用いてその他の実施例
について説明する。上述の実施例においては、ウェハ１
４の弾性変形を利用したが、本実施例においては、ウェ
ハ１４の熱変形を利用する。歪補正を行う前に予めウェ
ハ１４の歪を計測するまでは上述の実施例と同様であ
る。その後、図４に示す局所温度制御装置にウェハ１４
を１軸ステージ９にローディングする。このステージ９
は１軸方向に移動可能で、レーザビーム３７の揺動と同
期して駆動できるようになっている。また、ウェハ１４
を特定の一定温度に制御するために温度制御部７を備え
ている。レーザビーム３７はレンズ１３によりウェハ１
４上に集光するように調整され、シャッタ３８を介して
揺動ミラー１０で反射されてウェハ１４面に至る。この
レーザビーム３７によってウェハ１４面は、加熱されて
局所的な熱変形を生じる。例えば、Ｓｉの線膨張係数α
は、摂氏２０度で０．０００００２６（１／℃）である
ので、５ｍｍ角の領域を一辺あたり１５ｎｍ拡大するに
は、１．１５度の加熱が必要である。この変形量とレー
ザの照射量の関係を予め求めておき、所定の量を所定の
位置に照射すれば良い。処理済みのウェハ１４は放熱に
よる再変形を起こす前にリソグラフィ装置にローディン
グして通常の露光処理を施す。このように露光前にウェ
ハ１４を変形させて歪を相殺すれば、新たに転写するパ
ターンと既にウェハ１４上に形成されたパターンを精度
良く重ね合わせることが可能となる。

【００２７】ここでは、図示しないが、ウェハの代わり
にレティクルあるいはマスクを局所温度補正してもよ
い。なお、補正する工程も露光直前に限らず、露光中で
あっても同様の効果があることは自明である。

【００２８】

【発明の効果】本発明により、リソグラフィ装置に光学
系の像歪が存在したり、ウェハプロセスによる歪が生じ
た場合においても露光フィールド全面にわたってアライ
メント精度が著しく向上するという効果がある。また本
発明により、０.１μｍルール以降のデバイスの製造を
行なうことも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を説明する図である。

【図２】レティクルパターンのウェハ上における配列誤
差を示す図である。

【図３】露光光学系の像歪を示す図である。

【図４】本発明の別の実施例を説明する図である。

【図５】本発明を光リソグラフィ装置に適用した例を説
明する図である。

【図６】本発明のその他の実施例を説明する図である。

【図７】本発明のその他の実施例について説明を補足す
る図である。

【図８】本発明をＸ線縮小露光装置に適用した例を説明
する図である。

【図９】本発明を電子線描画装置に適用した例を説明す
る図である。

【図１０】本発明の露光方法を示す図である。

【図１１】本発明の露光装置に用いるウェハ裏面位置検
出器の一例を示す図である。

【符号の説明】

１…ウェハチャック、２…吸着ブロック、３−１…ピエ
ゾ素子、３−２…ピエゾ素子、４…真空吸着溝、５…レ
ティクルパターンの配列誤差、６…レーザ、７…温度制
御部、８…ステージ駆動手段、９…ステージ、１０…揺
動ミラー、１１…揺動ミラー駆動手段、１２…ウェハチ
ャック制御手段、１３…レンズ、１４…ウェハ、１５…
露光光源、１６…照明光学系、１７…レティクル、１８
…露光光学系、１９…レーザ測長器、２０…ステージ、
２１…ベース、２２…露光光学系の像歪、２３…レティ
クルステージ、２４−１…レティクル位置検出器、２４
−２…レティクル位置検出器、２５…ウェハ位置検出
器、２６…ミラー、２７…中抜きチャック、２８…チャ
ック、２９…Ｘ線源、３０…照明光学系、３１…マス
ク、３２…マスクステージ、３３−１…露光光学系、３
３−２…露光光学系、３３−３…露光光学系、３３−４
…露光光学系、３４…電子銃、３５…電磁光学系、３６
…アライメント用穴、３７…レーザビーム、３８…シャ
ッタ、３９−１…絞り、３９−２…絞り、４０…データ
入出力手段、４１…主制御手段、４２…チャック制御手
段、４３…ドライバ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河村喜雄東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の基板のパターンを第２の基板上に転
写する露光方法において、第１の基板のパターンの結像
パターンと第２の基板上のパターンとの偏差量を検出す
る工程と、該偏差量を補正する補正量を演算する工程
と、該結像パターンと該第２の基板上のパターンの面方
向の偏差を第１の基板もしくは第２の基板を相対的に変
形して補正する工程とを含むことを特徴とする露光方
法。
【請求項２】上記第１の基板のパターンの結像パターン
と上記第２の基板上のパターンとの偏差量として、面内
の歪を検出する工程を含むことを特徴とする請求項１記
載の露光方法。
【請求項３】上記転写に用いる露光光学系の像歪を低減
するように上記露光面内の相対的な誤差の補正を行なう
工程を含むことを特徴とする請求項１記載の露光方法。
【請求項４】上記第１の基板のパターンの配列誤差を低
減するように上記露光面内の相対的な偏差の補正を行な
う工程を含むことを特徴とする請求項１記載の露光方
法。
【請求項５】光源と、該光源からの光線を第１の基板に
照明する照明光学系と、上記第１の基板を透過した光線
により形成された上記第１の基板のパターンを縮小し、
第２の基板に転写する露光光学系と、上記第２の基板を
保持するチャックと、上記第１の基板の位置を検出する
第１の位置検出器と、上記第２の基板の位置を検出する
第２の位置検出器と、上記第１の基板と上記第２の基板
の相対的な偏差を補正する補正手段と、上記第２の基板
の露光位置を決めるステージとからなり、上記チャック
は、複数の真空保持部を有し、かつ該複数の真空保持部
が独立にウエハの面内方向に移動可能である構造からな
り、上記補正手段は、上記第１の位置検出器と上記第２
の位置検出器で検出した位置信号を入力する入力手段
と、入力された信号から上記チャックの補正量を制御す
る制御手段と、上記チャックを移動させる移動手段とか
らなることを特徴とする露光装置。
【請求項６】上記補正手段は、転写に用いる露光光学系
の露光フィールドにおける像歪と上記第１の基板に形成
されたパターンの位置ずれ、または倍率誤差とを低減す
るように露光面の相対的な誤差を補正する構造からなる
ことを特徴とする請求項５に記載の露光装置。
【請求項７】上記移動手段は、電歪素子（ピエゾ）から
なることを特徴とする請求項５、６のいずれかに記載の
露光装置。
【請求項８】上記移動手段は、形状記憶合金からなるこ
とを特徴とする請求項５、６のいずれかに記載の露光装
置。
【請求項９】上記補正手段は、上記第２の基板の露光面
内の上記露光フィールド内に局所的な温度分布を生じさ
せる局所温度制御手段を備えたことを特徴とする請求項
５、６のいずれかに記載の露光装置。
【請求項１０】上記線源は、紫外線、極紫外線、Ｘ線、
電子線、イオン源のいずれかであることを特徴とする請
求項５、６のいずれかに記載の露光装置。