JPH10223521A - 投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、フォトリソグラフィ工程で用いられ
る投影露光装置に関し、ウェハステージ位置が微視的に
変動しても高精度でアライメントを行うことができる投
影露光装置を提供することを目的とする。 【解決手段】フラッシュランプを光源とするアライメン
ト照明系２からの光はビームスプリッタ３によって折り
曲げられ、顕微鏡光学系１１を介してウェハＷ上のマー
クＡＭを照明する。アライメント信号処理系２００は、
アライメント照明系２のフラッシュランプが閃光を発す
ると同時に、ウェハステージ干渉計の出力値を読み取
る。撮像素子４に結像されるマークＡＭの画像は、フラ
ッシュランプ発光時にのみ発生するので、フラッシュラ
ンプの発光時のウェハステージＷＳＴの位置を示すＸ、
Ｙ座標値は、撮像素子４でのマークＡＭの画像の計測時
におけるウェハステージＷＳＴの位置のＸ、Ｙ座標値を
示している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置あるい
は液晶表示装置等を製造する際のフォトリソグラフィ工
程で用いられる投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置あるいは液晶表示装置を製造
する際のフォトリソグラフィ工程では、投影露光法ある
いはプロキシミティ露光法を用いて、フォトレジスト等
の感光材料が塗布された半導体ウェハあるいはガラス基
板等の感光基板（以下、ウェハという）上に、転写用の
パターンが描画されたフォトマスクまたはレチクル（以
下、レチクルという）の像を転写する露光装置が使用さ
れている。このような露光装置においては、ウェハ上に
既に形成された回路パターンに対してレチクル上の回路
パターンの像を高精度で重ね合わせする必要があるの
で、露光に先立ってレチクルとウェハとの位置合わせ
（以下、アライメントという）が行われる。露光装置
は、前工程で回路パターンと共にウェハ上に形成された
位置合わせ用のマーク（以下、アライメントマークとい
う）の位置を正確に検出してレチクルとウェハのアライ
メントを行う。

【０００３】アライメント方式には以下のようなものが
ある。まず、ウェハ上に形成された格子状のアライメン
トマークに対してレーザ光束を照射し、その反射光強度
の変化からアライメントマーク位置を検出するＬＳＡ
（レーザ・ステップ・アライメント）方式がある。ま
た、格子状のアライメントマークの２つの対称な次数方
向（例えば、＋１次回折光の方向と−１次回折光の方
向）からコヒーレントな光束を入射し、格子マークから
同一方向に発生する２つの回折光成分を干渉させて格子
マークのピッチ方向の位置や位置ずれを検出するＬＩＡ
（レーザ干渉アライメント）方式などがある。さらに、
ウェハステージを静止させてウェハのアライメントマー
ク上に白色光を照射して、得られたアライメントマーク
の画像を撮像素子で検出し、画像処理によってアライメ
ントマーク位置を検出するＦＩＡ（フィールド・イメー
ジ・アライメント）方式がある。

【０００４】また、これらの方式に使用されるアライメ
ント光学系としては以下のようなものがある。まず、投
影光学系を検出光学系として用い、ウェハ上のアライメ
ントマークを検出するＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方
式、さらにレチクル上に設けられたレチクルアライメン
トマークとウェハ上のアライメントマークを投影光学系
を介して同時に観察（検出）するＴＴＲ（スルー・ザ・
レチクル）方式がある。あるいは投影光学系の光軸と所
定距離離れた位置に光軸を有する専用光学系を別に設
け、専用光源から白色光を照射してウェハ上のアライメ
ントマークを観察（検出）するオフ・アクシス方式があ
る。

【０００５】さて、従来ウェハを載置して移動させるウ
ェハステージは、ローラーベアリングによってウェハス
テージガイドとの位置関係を保ち、かつ通常の回転式モ
ータ及びこれに駆動されるボールネジによって位置制御
がなされていたため、モータを停止させておけばウェハ
ステージは常に静止状態に置くことが容易であった。近
年では、レチクルを載置するレチクルステージとウェハ
ステージを投影光学系に対して同期して走査させて露光
する、いわゆるスキャン型投影露光装置の開発に伴うウ
ェハステージの高速化及び微細制御のため、空気圧によ
り浮上して非接触型のリニアモー夕などで駆動される、
いわゆる完全非接触式エアステージが採用されるように
なってきている。このエアステージは移動速度や動的制
御等の様々な点で従来型ステージに比べて優位にある
が、完全非接触式であるが故に、極めて微視的に見た場
合には静止状態を保持させておくことが困難であるとい
う性質を有している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように微視的に見
るとステージが変動している完全非接触式エアステージ
をウェハステージに用いた投影露光装置で、例えば上記
オフ・アクシス方式のアライメント光学系を用いてＦＩ
Ａ方式でアライメントを行おうとすると、以下のような
問題が生じる。

【０００７】従来の白色光源を用いた画像処理アライメ
ントでは、画像取込に用いる撮像素子に対して所定量の
積算露光量を与えなければならないため、ウェハ上のア
ライメントマークを照明する白色光は所定時間連続して
発光させる必要がある。従って、白色光の発光している
期間中は、ウェハを載置するウェハステージは静止して
いる必要がある。もし、撮像素子に必要な積算露光量を
与えるための発光期間中にウェハステージ位置が変動す
るようなことがあると、アライメントマークの位置検出
の精度が低下してしまう可能性がある。

【０００８】しかしながら、上述のように完全非接触式
エアステージでは静止状態を保持させておくことが困難
であり、アライメント光学系の撮像素子がアライメント
マークの画像を取り込んでいる最中に、エアステージの
位置が微少量変化してしまう可能性があり、その結果ア
ライメントマークの位置検出の精度が低下して高精度の
位置合わせができなくなってしまう。

【０００９】アライメントマーク検出時になんらかの固
定機構で機械的にエアステージを固定して静止させるこ
とも考えられるが、エアステージを固定する毎にエアス
テージの一部に機械的なストレスが加えられてしまう
点、さらにステージ固定のための固定機構を駆動させる
に要する時間も余分に必要となってスループットを低下
させる原因となってしまう点から好ましくない。また、
ウェハステージ位置の変動を無視できるだけの短時間で
撮像素子の必要積算露光量が得られる照度を有する連続
発光の自色光源を採用したとすれば、白色光源からの発
熱量が大幅に増大してしまい、露光装置側への熱遮蔽の
対策が困難であるという問題も生じる。本発明の目的
は、ウェハステージ位置が微視的に変動しても高精度で
アライメントを行うことができる投影露光装置を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、露光光で照
明されたレチクル上のパターンの像を感光性基板上に投
影する投影光学系と、投影光学系の光軸に垂直な面内で
感光性基板を移動させる基板ステージと、基板ステージ
の移動量を計測するステージ位置計測系と、感光性基板
上に設けられた位置合わせ用のマークに検出光を照射す
ると共にその反射光を受光して、位置合わせ用のマーク
の位置を検出するアライメント系とを備えた投影露光装
置において、アライメント系は、検出光として白色の閃
光を発する光源を有することを特徴とする投影露光装置
によって達成される。また、上記目的は、閃光の発光タ
イミングが、ステージ位置計測系の計測タイミングと同
期していることを特徴とする投影露光装置によって達成
される。

【００１１】本発明によれば、画像処理アライメント系
の撮像素子への必要積算露光量を光源の閃光の発光時間
内に与えることができ、且つ閃光の発光時間が非常に短
いので、発光時間内のウェハステージの位置変動を無視
することができるようになる。すなわち、アライメント
信号処理系での制御により、フラッシュランプの閃光の
発光タイミングをウェハステージ干渉計の計測タイミン
グに同期させて、アライメントマークの画像取り込みと
ウェハステージの位置計測を同時に行うことにより、ウ
ェハステージ位置が微視的に変動しても高精度なアライ
メントを容易に行うことができるようになる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態による投影
露光装置を図１乃至図３を用いて説明する。本実施の形
態における投影露光装置は、レチクル上のパターンの像
を投影光学系を介して縮小投影し、パターン像を感光基
板上の各ショット領域に順次露光するステップ・アンド
・リピート方式の投影露光装置である。図１は本実施の
形態による投影露光装置の概略構成を示している。以
下、投影光学系ＰＬの光軸方向をＺ軸とし、光軸に垂直
な平面をＸＹ平面として本実施の形態による投影露光装
置の構成を説明する。

【００１３】露光用の照明光源ＬＭＰからの照明光ＩＬ
として、例えば、超高圧水銀ランプの輝線であるｉ線
（波長λ＝３６５ｎｍ）、ｇ線（λ＝４３６ｎｍ）、或
いは、ＫｒＦエキシマレーザ光（λ＝２４８ｎｍ）、さ
らにはＡｒＦエキシマレーザ光、金属蒸気レーザ光等の
紫外域の光を用いることができる。本実施の形態におい
ては超高圧水銀ランプの輝線であるｉ線を照明光ＩＬと
して用いている。

【００１４】照明光源ＬＭＰから射出された照明光ＩＬ
は、コリメータレンズ、フライアイレンズ、レチクルブ
ラインドなどからなる照明光学系５０により照度分布が
ほぼ均一な平行光束に変換され、ダイクロイックミラー
ＤＭに入射する。照明光ＩＬはダイクロイックミラーＤ
Ｍでほぼ鉛直下方に折り曲げられてレチクルＲを均一な
照度分布で照明する。

【００１５】レチクルＲのパターン描画領域には、被露
光基板であるウェハＷに投影すべき回路パターンが電子
ビーム描画装置等により描画されている。レチクルＲ上
の回路パターン原版はレチクルＲの上方に配置されてい
るダイクロイックミラーＤＭによって垂直下方に折り曲
げられた照明光束の照射によりウェハＷに投影露光され
る。

【００１６】レチクルＲは、図示しないモータの駆動に
よりＸＹ面内を移動可能なレチクルステージ（マスク保
持機構）ＲＳに設けられたレチクルチャックＲＳ１、Ｒ
Ｓ２によって、例えば真空吸着等によりレチクルステー
ジＲＳ上に固定される。レチクルステージＲＳのＸ、Ｙ
方向の位置は、レチクルステージＲＳの周辺に配置され
た反射鏡ＲＳ４にレーザ干渉計ＲＳ３からのレーザ光を
反射させて計測するレチクルステージ干渉計によりＸ方
向の位置が常時計測され、同様にＹ方向の位置について
も図示を省略したレチクルステージ干渉計によって常時
計測されている。これらレチクルステージ干渉計の計測
信号は制御系１００に送られ、この計測信号に基づいて
制御系１００は、レチクルステージＲＳのＸ、Ｙ方向の
移動量を正確に制御してレチクルＲを所定の位置に位置
決めすることができるようになっている。

【００１７】投影光学系ＰＬは、レチクルＲを透過した
光束を集束させ、Ｘ、Ｙ方向に移動可能な基板ステージ
ＷＳＴ上に設けられたウェハホルダＷＳ１に載置された
ウェハＷの所定のショット位置にレチクルＲのパターン
の像を投影する。ウェハホルダＷＳ１はウェハＷを真空
吸着して保持し、Ｚ軸方向に移動してウェハＷ面と投影
光学系ＰＬとの距離を調整して投影光学系ＰＬの結像面
にウェハＷ面を一致させることができるようになってい
る。レチクルＲのパターンの幅に対して投影像の幅は例
えば１／５に縮小される。

【００１８】ウェハステージＷＳＴの移動量は、ステー
ジのＸ、Ｙ方向にそれぞれ固定された反射鏡ＷＳＴ１に
レーザ干渉計ＷＳＴ２からのレーザ光を反射させて計測
するウェハステージ干渉計により計測される。図１では
Ｙ方向の移動量を計測する反射鏡及びレーザ干渉計は図
示を省略している。ウェハステージＷＳＴの移動量をレ
ーザ干渉計ＷＳＴ２で正確に計測しながらウェハステー
ジＷＳＴをステップ・アンド・リピート動作させること
により、ウェハステージＷＳＴに載置されたウェハＷ上
の所定の複数のショット位置に対して順次レチクルＲの
回路パターンの像を重ね合わせ露光することができる。

【００１９】ウェハステージＷＳＴのＸＹ平面内の位置
は、Ｘ、Ｙ方向にそれぞれ設けられたウェハステージ干
渉計により常時検出され、これらウェハステージ干渉計
の計測信号は制御系１００に送られている。制御系１０
０は、これらの計測信号に基づいてウェハステージＷＳ
ＴのＸ、Ｙ方向の移動量を正確に制御してウェハＷを所
定の位置に位置決めすることができるようになってい
る。

【００２０】レチクルＲの回路パターンをウェハＷ上に
露光する際には、予めレチクルＲに対するウェハＷの位
置合わせをする必要があり、そのためウェハＷには位置
合わせ用のアライメントマークＡＭが予め形成されてい
る。なお、ウェハＷには通常複数のアライメントマーク
ＡＭが形成されているが、本実施の形態では図示の位置
のアライメントマークＡＭで代表的に示している。

【００２１】オフ・アクシス（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）型で
ある画像処理方式アライメント用のアライメント顕微鏡
１が、投影光学系ＰＬの側方で投影光学系ＰＬの投影面
内を遮光しない位置に配置されている。このアライメン
ト顕微鏡１の構成を簡単に説明する。フラッシュランプ
を光源とするアライメント照明系２は、ウェハＷ上のア
ライメントマークＡＭの照明に用いられる。アライメン
ト照明系２からの光はビームスプリッタ３によって折り
曲げられ顕微鏡光学系１１に送られ、顕微鏡光学系１１
を介してウェハＷ上のアライメントマークＡＭを照明す
る。

【００２２】アライメント照明系２の光源のフラッシュ
ランプの波長領域は、ウェハＷに塗布されている感光材
料の感光波長域を避け、例えば２００ｎｍ程度の波長帯
域幅になるように、アライメント照明系２の光路内部に
設けられた波長選択性のフィルタ（不図示）によって選
択されるようになっている。また、フラッシュランプの
発光時間は通常１／１０００秒程度であるが、フラッシ
ュランプを光源に用いることにより閃光の発光時間内で
撮像素子４に対する必要積算露光量を十分確保できると
共に、光源から余計な発熱を生じさせないようにするこ
とができる。

【００２３】アライメント照明系２の光源であるフラッ
シュランプの光量は、撮像素子４で検出される光量に基
づいてアライメント信号処理系２００で計算され、最適
光量値に制御される。フラッシュランプの発光時間は上
記のように極めて短いので、フラッシュランプの発光時
間中に、ウェハステージＷＳＴは静止しているとみなす
ことができる。

【００２４】アライメント信号処理系２００は、アライ
メント照明系２のフラッシュランプが閃光を発すると同
時に、反射鏡ＷＳＴ１とレーザ干渉計ＷＳＴ２からなる
ウェハステージ干渉計の出力値を読み取る。アライメン
ト信号処理系２００は、読み取った出力値からフラッシ
ュランプ発光時のウェハステージＷＳＴの位置を示す
Ｘ、Ｙ座標値を算出する。

【００２５】フラッシュランプによるアライメント照明
系からの閃光は、ウェハＷ上のアライメントマークＡＭ
を照明し、その反射光すなわちアライメントマークＡＭ
の画像を形成する光束は顕微鏡光学系１１の光路を戻
り、ビームスプリッタ３を通過し撮像素子４に結像され
る。

【００２６】撮像素子４に結像されるアライメントマー
クＡＭの画像は、フラッシュランプ発光時にのみ発生す
るので、上述のアライメント信号処理系２００で算出さ
れたフラッシュランプの発光時のウェハステージＷＳＴ
の位置を示すＸ、Ｙ座標値は、撮像素子４でのアライメ
ントマークＡＭの画像の計測時におけるウェハステージ
ＷＳＴの位置のＸ、Ｙ座標値を示していることになる。

【００２７】顕微鏡光学系１１の内部にはガラスなどで
作製された指標板４０があり、撮像素子４はこの指標板
４０上に形成された指標マークとアライメントマークＡ
Ｍを同時に画像として取り込むようになっている。撮像
素子４で取り込まれる画像の例を図２を用いて説明す
る。図２においては、ウェハＷ上のＸ方向のアライメン
トマークＡＭｘのみを検出する場合について説明する。
ガラス基板で作製された指標板４０には、ウェハＷ上の
アライメントマークＡＭｘの拡大像を挟み込むような関
係で配置された指標マーク４２、４４がクロム等で形成
されている。図２は、この指標板４０とアライメントマ
ークＡＭｘの画像を表示装置に表示させた例を示してい
る。指標マーク４２、４４の間にアライメントマークＡ
Ｍｘの像ＡＭ’ｘが位置するようにウェハＷを位置決め
したとき、指標マーク４２、４４のＸ方向の中心位置Ｘ
ｃに対してアライメントマークの像ＡＭ’ｘの中心位置
Ｘ３はΔＸだけＸ方向にずれているものとする。このず
れ量がいわゆるアライメント誤差である。中心位置Ｘｃ
はマーク４２の中心Ｘ１とマーク４４の中心Ｘ２との中
点として求められる。

【００２８】撮像素子４に取り込まれた画像信号はアラ
イメント信号処理系２００に送られ、指標マーク４２、
４４とアライメントマークＡＭのずれ量が以下のように
して算出される。図２に示す画像に対して所定の走査領
域に位置する走査線ＳＬでの画像信号は図３に示すよう
な波形になる。図３で縦軸は画像信号の大きさＩを表
し、横軸は位置Ｘを表す。指標板４０はウェハＷからの
反射光によって照明されるので、位置Ｘ１、Ｘ２におい
て、指標マーク４２、４４により出力信号の大きさＩは
ボトムになる。また、アライメントマークＡＭｘについ
ては走査線ＳＬと直交する方向に平行に延びた２つの段
差エッジで光の散乱が生じるので、位置Ｅ１、Ｅ２にお
いてボトムとなる。位置Ｘ３は位置Ｅ１とＥ２の中点と
して検出され、位置Ｘｃは位置Ｘ１とＸ２の中点として
検出されるので、アライメント誤差は以下の式で表され
る。

【００２９】 ΔＸ＝（Ｘ１＋Ｘ２）／２−（Ｅ１＋Ｅ２）／２

【００３０】上述のようにフラッシュランプの閃光の発
光タイミングとウェハステージ干渉計の計測タイミング
とは同期しているので、アライメント信号処理系２００
により演算されたウェハステージＷＳＴの位置から−Δ
ＸだけウェハステージＷＳＴを移動させればＸ軸方向の
アライメントが達成されたことになる。

【００３１】このように本実施の形態によれば、画像処
理アライメント系の撮像素子への必要積算露光量を光源
の閃光の発光時間内に与えることができ、且つ閃光の発
光時間が非常に短いので、発光時間内のウェハステージ
ＷＳＴの位置変動を無視することができるようになる。
すなわち、アライメント信号処理系２００での制御によ
り、フラッシュランプの閃光の発光タイミングをウェハ
ステージ干渉計の計測タイミングに同期させて、アライ
メントマークの画像取り込みとウェハステージＷＳＴの
位置計測を同時に行うことにより、ウェハステージ位置
が微視的に変動しても容易に高精度でアライメントを行
うことができるようになる。

【００３２】本発明は、上記実施の形態に限らず種々の
変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、１回
の閃光による撮像素子４での画像取り込みについて説明
しているが、閃光を複数回発光させて複数回の画面取込
を行うようにしてもよい。その場合でも、複数の閃光の
各瞬間のウェハステージＷＳＴの位置はウェハステージ
干渉計により検出されるので、取り込んだ複数画面間で
生じたウェハステージＷＳＴの位置変動はアライメント
信号処理系２００での簡単な演算によりキャンセルする
ことが可能である。

【００３３】このように複数個の画像を取り込んで、そ
れら複数の画像を平均化することによりアライメントの
精度の向上を図ろうとする際には、撮像素子４への画像
取り込みの度にフラッシュランプの発光とウェハステー
ジ干渉計の出力値の読み取りを同時に行い、各取り込み
時のウェハステージＷＳＴのＸ、Ｙ座標値を用いてアラ
イメントマークＡＭの位置の算出を行う。

【００３４】また、今後主流になることが予想されるエ
キシマレーザーを露光光源とする、いわゆるエキシマス
テッパーでは、ウェハＷ上に塗布する感光材料として、
化学増幅型レジストと呼ばれる、感光波長領域が４００
ｎｍ以下のものが使用されるようになる。従って、フラ
ッシュランプの発光波長領域の波長選択範囲の制限が緩
和され、より広い波長領域を使用して閃光の光量を増大
させることができるようになるので、ｉ線を露光光源に
用い、感光材料として通常型レジスト（感光波長領域５
６０ｎｍ程度以下）を用いることを前提とした上記実施
の形態におけるフラッシュランプよりもさらに小型のフ
ラッシュランプを採用することが可能になる。

【００３５】また、上記実施の形態においては、レチク
ルＲとウェハＷとを静止させて露光するいわゆるステッ
パー型の投影露光装置に本発明を適用したが、レチクル
Ｒのパターンの一部を投影光学系を介してウェハＷ上に
投影し、レチクルＲとウェハＷとを同期させて走査する
ことによりレチクルＲのパターンをウェハＷに逐次露光
する、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式の走査
型投影露光装置にも本発明を適用することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、ウェハス
テージ位置が微視的に変動したとしても容易に高精度で
アライメントを行うことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による投影露光装置の概
略構成を示す図である。

【図２】アライメントマークを用いたアライメント誤差
の検出の様子を示す図である。

【図３】アライメント信号の波形を示す図である。

【符号の説明】

ＡＭ アライメントマーク ＤＭ ダイクロイックミラー ＩＬ 照明光 ＬＭＰ 露光光源 ＰＬ 投影光学系 Ｒ レチクル ＲＳ レチクルステージ ＲＳ１、ＲＳ２ レチクルチャック ＲＳ３ 反射鏡 ＲＳ４ レーザ干渉計 Ｗ ウエハ ＷＳ１ ウェハホルダ ＷＳＴ１ 反射鏡 ＷＳＴ２ レーザ干渉計 １ アライメント顕微鏡 ２ アライメント照明系 ３ ビームスプリッタ ４ 撮像素子 １１ 顕微鏡光学系 ４０ 指標板 １００ 主制御系 ２００ アライメント信号処理系

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】露光光で照明されたレチクル上のパターン
   の像を感光性基板上に投影する投影光学系と、 前記投影光学系の光軸に垂直な面内で前記感光性基板を
   移動させる基板ステージと、 前記基板ステージの移動量を計測するステージ位置計測
   系と、 前記感光性基板上に設けられた位置合わせ用のマークに
   検出光を照射すると共にその反射光を受光して、前記位
   置合わせ用のマークの位置を検出するアライメント系と
   を備えた投影露光装置において、 前記アライメント系は、前記検出光として白色の閃光を
   発する光源を有すること を特徴とする投影露光装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の投影露光装置において、 前記閃光の発光タイミングは、前記ステージ位置計測系
   の計測タイミングと同期していることを特徴とする投影
   露光装置。