JPH1064808A

JPH1064808A - マスクの位置合わせ方法及び投影露光方法

Info

Publication number: JPH1064808A
Application number: JP8239714A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Taniguchi; 哲夫谷口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-08-22
Filing date: 1996-08-22
Publication date: 1998-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】投影光学系の投影倍率調整によってマスクの
パターンの投影像の位置ずれが発生しないマスクの位置
合わせ方法を提供する。【解決手段】マスクＲに形成されたパターンの像が投
影光学系ＰＬを介して感光性の基板上に転写されるのに
先立って、第１、第２工程において、投影光学系ＰＬの
投影倍率変更前後のマスクＲのパターンと所定の位置関
係で形成された少なくとも２つの位置合わせ用マーク１
９ａ、１９ｂの投影位置がそれぞれ計測される。そし
て、第３工程において、第１、第２工程の計測結果に基
づいて、投影光学系ＰＬの投影倍率を変更したときにも
パターンの投影像の中心が変化しないようにマスクＲの
位置が調整される。従って、投影光学系ＰＬの投影倍率
の調整によってマスクのパターンの投影像の位置ずれが
発生しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マスクの位置合わ
せ方法及び投影露光方法に係り、更に詳しくは、半導体
素子又は液晶表示素子等の製造におけるフォトリソグラ
フィ工程で使用される、マスクに形成されたパターンの
像を投影光学系を介して感光性の基板上に転写する投影
露光装置に適用して好適なマスクの位置合わせ方法及び
投影露光方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子又は液晶表示素子
等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、フォトマ
スク又はレチクル等（以下、「レチクル」と総称する）
のパターンの像を投影光学系を介して感光剤が塗布され
たウエハ又はガラスプレート等の基板（以下、適宜「感
光基板」という）上の各ショット領域に投影する投影露
光装置が使用されている。この種の投影露光装置として
近年は、感光基板を２次元的に移動自在なステージ上に
載置し、このステージにより感光基板を歩進（ステッピ
ング）させて、レチクルの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動作を繰り返す、所謂ステ
ップ・アンド・リピート方式の露光装置、特に、縮小投
影型の露光装置（ステッパー）が比較的多く用いられて
いる。

【０００３】例えば、半導体素子は基板（ウエハ）上に
多数層の回路パターンを重ねて露光することにより形成
される。そして、２層目以降の回路パターンをウエハ上
に投影露光する際には、ウエハ上の既に形成された回路
パターンとレチクルのパターン像との位置合わせ、即ち
ウエハとレチクルとの位置合わせ（アライメント）を精
確に行う必要がある。

【０００４】この位置合わせ（重ねあわせ）に際して、
露光波長の光束でウエハ上の位置合わせマークを照明し
その像をレチクルパターン面に生じさせ、その像の位置
とレチクル上の位置合わせマークとの位置関係を直接計
測することにより、相対的な位置関係の計測及び位置合
わせを行う方式もあるが、この方式ではウエハ上のマー
ク近傍が感光してしまうことから殆ど使用されておら
ず、現在使用されている一般的な方法は、露光波長以外
の光束で感光基板上のマークの位置を検出する方法であ
り、マーク検出光学系の一部として投影光学系を使用す
る方式（ＴＴＬ（Through The Lens）方式）や、専用の
位置検出光学系を使用する方式（以下「オフ・アクシス
（off-Axis）方式」と称する）がある。これらの方式で
は、レチクルと感光基板とを直接位置合わせするのでは
なく、投影露光装置内（一般には感光基板を載置する基
板ステージ上）に設けた基準マークを介して間接的に位
置合わせを行う。

【０００５】一例として、オフ・アクシス方式について
具体的に説明する。先ず、重ね合わせ露光に先立ってレ
チクル上の位置合わせマークの基板ステージ上への投影
像の位置に上記基準マークを位置合わせし、その時の基
板ステージの位置を計測する。続いて、基準マークをマ
ーク検出光学系の下に移動し、マーク検出光学系の検出
基準に対して位置合わせをし、この時にも基板ステージ
の位置を計測する。これら２つのステージ位置の差は、
レチクル基準位置とマーク検出光学系の基準位置の相対
距離を表し、これをベースライン量と呼び、上記のシー
ケンスをベースライン計測と呼ぶ。

【０００６】感光基板への重ね合わせ露光時には、感光
基板上の位置検出マークをマーク検出光学系に対して位
置合わせし、基板ステージを、そのときの基板ステージ
の位置からベースライン量だけずれた位置に移動して露
光を行うことで、感光基板上の既存の回路パターンとレ
チクルパターンの像とを重ね合わせることができる。

【０００７】このように、従来の投影露光装置では、レ
チクル上の位置合わせマークの基板ステージ上への投影
像の位置（レチクルのパターンの感光基板上への投影位
置）と、マーク検出光学系の検出基準との位置関係が正
確に求められていれば良いため、レチクルの（装置に対
してではなく感光基板に対する）位置が正確に判ってさ
えいれば、投影露光装置に対しての絶対的位置はそれほ
ど厳密に管理する必要はなかった。例えば、投影光学系
に対するレチクルの位置は、投影光学系の精度が保証さ
れている露光領域をはみださない限り、あまり正確に設
定する必要はなかった。また、投影光学系は通常複数
(例えば２０枚以上）のレンズ素子（レンズエレメン
ト）から構成されており、投影光学系の本当の光軸は、
それぞれのレンズ素子の微妙な中心軸の位置ずれの合成
で決まるため、投影光学系の外径基準ではもちろん、両
端のレンズ素子基準で測定しても求めることはできな
い。この一方、余裕を持たせすぎると投影光学系の露光
領域を大き目に作成する必要があり、コスト上不利であ
る。

【０００８】以上の理由により、従来は、例えば、投影
光学系の鏡筒外径基準に機械的な精度で調整を行うレベ
ル、具体的には投影光学系の外径基準でおおまかに（例
えば２００〜４００μｍ程度）でレチクルの位置調整を
行っていた。

【０００９】以上のように、従来の技術では、レチクル
のパターンの中心と投影光学系の光軸とは厳密に一致し
ていないが、前述したように、投影光学系に対するレチ
クルの位置は重ねあわせのためには重要ではないので、
特に問題にはなっていなかった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近におけ
る半導体集積回路等のパターン線幅の微細化に伴って、
重ねあわせ精度の要求値もますます厳しくなってきてお
り、このため、感光基板の歪みに合せて投影光学系の倍
率を調整する方法が実施されている。すなわち、感光基
板上に形成された位置検出マークの位置を検出して感光
基板の伸縮量を求め、それに合せて投影光学系の倍率を
最適に調整した状態で露光動作を行うのである。これ
は、主として基板が高熱のプロセス等を経る際の基板の
熱変形（伸縮）を考慮したものである。

【００１１】上述した倍率調整の際に、投影光学系の倍
率を本来の倍率から僅かに変化させて使用することにな
るが、前述した如く、従来の装置においては、レチクル
は投影光学系に対して厳密に位置合わせがされておら
ず、レチクル中心と投影光学系の光軸中心は正確には一
致していないため、投影光学系の倍率を変化させるとレ
チクルのパターン像の中心が僅かではあるがシフトして
しまう。すなわち、レチクル中心と投影光学系の光軸が
一致していない時、レチクル中心が投影露光装置に対し
て（アライメントセンサに対して）変化してしまう。こ
のため、倍率の調整の動作で倍率成分は一致しても全体
的に重ねあわせの位置ずれが発生してしまう。この位置
ずれを図３を用いて説明する。図３において、レチクル
のパターン像の中心ＲＣＴと投影光学系(有効エリア２
０１）の光軸ＡＸは斜めにずれた位置にある。当初のレ
チクル像２０２に対して、感光基板の伸縮に合せて投影
倍率を調整して、レチクル像２０３にしたとする。この
とき、倍率は光軸ＡＸを不動点として、そこからの距離
に比例した分、光軸ＡＸから離れる方向に変化する。従
って、各頂点は点線２０４、２０５、２０６上をそれぞ
れ動く。このとき、レチクル像中心ＲＣＴも僅かながら
光軸ＡＸから距離をもっているため、点線２０４にそっ
て僅かに移動（シフト）する。これが、誤差となる。

【００１２】通常、前述したように機械的に投影光学系
の外径基準でレチクル位置を調整した場合、レチクルの
パターン像の中心と光軸中心のずれは２００〜４００μ
ｍ程度見込まれる。この状態で、例えば倍率を２０ｐｐ
ｍ変化させるとレチクルのパターン像の中心は４〜８ｎ
ｍ変化してしまう。最近の投影露光装置の重ね合せ精度
としては１００ｎｍ以下の精度が要求されており、倍率
補正の他に投影光学系の結像性能（主としてディストー
ション）やベースラインの変化、ステージの制御精度及
びアライメントセンサ（マーク検出光学系）の測定誤差
等種々の重ね合せ誤差の要因があることを考慮すると、
倍率補正だけでその約１／１０が使われるのは許容でき
るレベルではない。

【００１３】また、倍率変更機構としては、例えば投影
光学系の一部のレンズエレメントを光軸方向に駆動する
機構がよく知られているが、レンズエレメントが正確に
光軸方向に駆動できず、光軸に垂直な方向にわずかにシ
フトしたり、傾斜したりすると、レチクルのパターンの
像は移動してしまう。このような場合、当該レチクルの
パターンの像の移動と、上述したレチクルのパターン像
の中心と光軸中心のずれとが重ね合わさり、倍率変更時
の誤差はますます大きくなるという不都合があった。

【００１４】本発明は、かかる事情の下になされたもの
で、請求項１ないし４に記載の発明の目的は、投影光学
系の投影倍率調整によってマスクのパターンの投影像の
位置ずれが発生しないマスクの位置合わせ方法を提供す
ることにある。

【００１５】また、請求項５に記載の発明の目的は、投
影光学系の投影倍率を調整しながら重ねあわせ露光を行
っても、マスクのパターンの像のシフトに起因する重ね
あわせ誤差が発生しない投影露光方法を提供することに
ある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、マスク（Ｒ）に形成されたパターンの像を投影光学
系（ＰＬ）を介して感光性の基板（Ｗ）上に転写するの
に先立って、前記マスクを位置合わせする方法であっ
て、前記マスク（Ｒ）上に前記パターンと所定の位置関
係で形成された少なくとも２つの位置合わせ用マーク
（１９ａ、１９ｂ）の投影位置を計測する第１工程と；
前記投影光学系（ＰＬ）の投影倍率を変更後に、前記少
なくとも２つの位置合わせ用マーク（１９ａ、１９ｂ）
の投影位置を計測する第２工程と；前記第１、第２工程
の計測結果に基づいて、前記投影光学系（ＰＬ）の投影
倍率を変更したときにも前記パターンの投影像の中心が
変化しないように前記マスクの位置を調整する第３工程
とを含む。

【００１７】これによれば、マスクに形成されたパター
ンの像が投影光学系を介して感光性の基板上に転写され
るのに先立って、第１、第２工程において、投影光学系
の投影倍率変更前後のマスクのパターンと所定の位置関
係で形成された少なくとも２つの位置合わせ用マークの
投影位置がそれぞれ計測される。そして、第３工程にお
いて、第１、第２工程の計測結果に基づいて、投影光学
系の投影倍率を変更したときにもパターンの投影像の中
心が変化しないようにマスクの位置が調整される。すな
わち、マスクが投影光学系に対して、投影光学系の投影
倍率変化によってもそのパターンの投影像の中心位置の
結像位置が変化しない位置に厳密に位置決めされること
から、投影光学系の投影倍率の調整によってマスクのパ
ターンの投影像の位置ずれが発生しない。換言すれば、
投影光学系の投影倍率を変更することにより、マスクの
パターンの像を基板上に既に形成されたパターンに正確
に位置合わせすることができる。

【００１８】ところで、複数枚のマスクを順次交換して
露光を行なうに際し、マスクの交換の度毎に、その交換
後の別のマスクを上記の方法により位置合わせしても勿
論良いが、請求項２に記載の発明の如く、マスクの交換
後にその交換後の別のマスクを、第３工程におけるマス
クの位置に関連する情報を用いて同一位置に位置合わせ
するようにしても良い。このようにすれば、前述した第
３工程におけるマスクの位置に関連する情報を残してお
きさえすれば、マスクを交換した場合にその交換後のマ
スクを速やかに同一位置に位置合わせすることができ
る。

【００１９】ここで、第３工程におけるマスクの位置に
関連する情報としては、マスクを第３工程と同一位置、
すなわち投影光学系の投影倍率変化によってもそのパタ
ーンの投影像の中心位置の結像位置が変化しない位置に
位置決めできる情報であれば何でもよいが、例えば、請
求項３に記載の発明の如く、第３工程のマスク位置に対
応した基準マーク（１５ａ、１５ｂ）の位置情報であっ
てもよい。この場合には、後述するように、オフ・アク
シス方式のアライメントを行なう場合に、ベースライン
計測の手順が簡略化される。

【００２０】あるいは、第３工程におけるマスクの位置
に関連する情報は、請求項４に記載の発明の如く、第３
工程におけるマスクの位置合わせ時にマスクの位置調整
手段から得られる情報であってもよい。この場合には、
この情報に基づいて位置調整手段を、例えば同一量だけ
調整することによりマスクを第３工程と同一位置、すな
わち投影光学系の投影倍率変化によってもそのパターン
の投影像の中心位置の結像位置が変化しない位置に自動
的にかつ確実に位置決めできる。

【００２１】請求項５に記載の発明は、マスク（Ｒ）に
形成されたパターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介して
感光性の基板（Ｗ）上に転写する投影露光方法であっ
て、前記マスク（Ｒ）と前記基板（Ｗ）の位置合わせを
するに先立って、請求項１ないし４のいずれか一項に記
載のマスクの位置合わせ方法によりマスク（Ｒ）と投影
光学系（ＰＬ）の位置合わせを行う工程を含む。これに
よれば、マスクが投影光学系に対して、投影光学系の投
影倍率変化によってもそのパターンの投影像の中心位置
の結像位置が変化しない位置に厳密に位置決めされるこ
とから、投影光学系の投影倍率を変更することにより、
マスクのパターンの像を基板上に既に形成されたパター
ンに正確に位置合わせした状態でマスクのパターンの像
を投影光学系を介して感光性の基板上に転写することが
でき、これにより高精度な重ねあわせ露光を実現でき
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
ないし図３に基づいて説明する。

【００２３】図1には、一実施形態に係る投影露光装置
１０の構成が概略的に示されている。この投影露光装置
は、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光
装置（いわゆるステッパー）である。

【００２４】この投影露光装置１０は、マスクとしての
レチクルＲを露光用照明光ＩＬで照明する照明系１２、
レチクルＲを保持するレチクルステージ１４、レチクル
Ｒに形成されたパターン（原版）の像を被露光基板とし
てのウエハＷ上に投影する投影光学系ＰＬ、ウエハＷを
保持して基準平面内を２次元移動するウエハステージＷ
ＳＴ、ウエハＷに形成された位置検出用マークとしての
アライメントマーク（ウエハマーク）を検出するオフ・
アクシス方式のアライメント顕微鏡１８、ウエハステー
ジＷＳＴの位置を計測するレーザ干渉計２０、ウエハス
テージＷＳＴを駆動する駆動系２２、装置全体を統括的
に制御するミニコンピュータ（又はマイクロコンピュー
タ）から成る主制御装置２４等を備えている。

【００２５】照明系１２は、光源（水銀ランプ又はエキ
シマレーザ等）、シャッタ、ブラインド、インプットレ
ンズ、フライアイレンズ、リレーレンズ、メインコンデ
ンサレンズ（いずれも図示せず）等を含んで構成されて
いる。この照明系１２は、光源からの露光用の照明光Ｉ
Ｌによって半導体の回路パターン等が描かれた原板であ
るレチクルＲを均一な照度分布で、かつ所定の照明条件
にて照明する。ここで、露光用照明光ＩＬは、フライア
イレンズを介して供給される単色光（又は準単色光）で
あり、その波長（露光波長）は例えば水銀輝線（ｉ線）
の３６５ｎｍであり、ＫｒＦエキシマーレーザの２４８
ｎｍ等である。

【００２６】レチクルステージ１４上には、レチクルホ
ルダ２４ａ，２４ｂを介してレチクルＲが真空吸着等に
よって固定されている。このレチクルステージ１４は、
不図示の駆動系によってＸ方向（図１における紙面左右
方向）、Ｙ方向（図１における紙面直交方向）及びθ方
向（ＸＹ面内の回転方向）に微小駆動可能とされてい
る。レチクルＲ上にはパターンとともにレチクルの位置
合わせのためのレチクルアライメントマーク（例えば、
十字状マーク）１９ａ，１９ｂが形成されており、この
レチクルアライメントマーク１９ａ，１９ｂをそれぞれ
検出するための一対のレチクル顕微鏡２９Ａ、２９Ｂが
レチクルステージ１４上方に設けられている。

【００２７】これらのアライメント顕微鏡２９Ａ、２９
Ｂは画像処理方式のアライメントセンサであり、一方の
アライメント顕微鏡２９Ａは、折り曲げミラー２６ａ、
不図示の対物レンズ等を含む光学系２７ａ及びＣＣＤ等
の撮像素子２８ａと、不図示の信号処理回路等を有し、
光学系２７ａ内には指標マークが形成された指標板が含
まれている。このアライメント顕微鏡２９Ａの光源とし
ては、例えば露光光源からの光を分岐して取り出した露
光光の一部が用いられる。他方のアライメント顕微鏡２
９Ｂもこのアライメント顕微鏡２９Ａと同様に、折り曲
げミラー２６ｂ、不図示の対物レンズ等を含む光学系２
７ｂ、ＣＣＤ等の撮像素子２８ｂと、不図示の信号処理
回路等を有し、光学系２７ｂ内には指標マークが形成さ
れた指標板が含まれている。

【００２８】本実施形態では、これらのレチクル顕微鏡
２９Ａ、２９Ｂは、レチクルアライメントと、ベースラ
イン計測時のレチクルマークと後述する基準マークとの
相対位置検出に用いられる。これらのレチクル顕微鏡２
９Ａ、２９Ｂの出力は、主制御装置２４に供給されるよ
うになっており、主制御装置２４により、後述するレチ
クルアライメント等が行われる。

【００２９】なお、レチクル顕微鏡２９Ａ、２９Ｂは、
露光動作中には邪魔に成るため、待避可能に構成されて
いる（図２参照）。

【００３０】前記投影光学系ＰＬは、両側テレセントリ
ックな光学配置になるように、共通の光軸を有する複数
枚のレンズエレメント４０、４１、……から構成されて
いる。レンズエレメントのうち、レチクルステージ１４
に最も近い一番上のレンズエレメント４０は、リング状
の支持部材４２によって保持され、この支持部材４２
は、伸縮可能な駆動素子、例えばピエゾ素子４４ａ，４
４ｂ，４４ｃ（紙面奥側の駆動素子４４ｃは図示せず）
によって、３点支持されるとともに鏡筒部４６と連結さ
れている。前記駆動素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃによっ
て、レンズエレメント４０の周辺３点を独立に、投影光
学系ＰＬの光軸ＡＸ方向に移動させることができるよう
になっている。すなわち、レンズエレメント４０を駆動
素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃの変位量に応じて光軸ＡＸ
に沿って平行移動させることができるとともに、光軸Ａ
Ｘと垂直な面に対して任意に傾斜させることもできる。
そして、これらの駆動素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃに与
えられる電圧が、主制御装置２４からの指令に基づいて
倍率補正コントローラ４８によって制御され、これによ
って駆動素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃの変位量が制御さ
れるようになっている。なお、図１中の投影光学系ＰＬ
の光軸ＡＸとは鏡筒部４６に固定されているレンズエレ
メント４１その他のレンズエレメント（図示省略）の共
通の光軸、すなわちこれらのレンズエレメントの微妙な
中心軸の位置ずれの合成で決まる光軸を指す。

【００３１】ここで、レンズエレメント４０の光軸ＡＸ
方向の移動により投影光学系ＰＬの倍率を変更できるこ
とは明らかであるから、本実施形態では駆動素子４４
ａ，４４ｂ，４４ｃ及びこれらの変位量を制御する倍率
補正コントローラ４８によって倍率の補正手段が構成さ
れている。

【００３２】また、本実施形態における投影光学系ＰＬ
はその光軸ＡＸがレチクルステージ１４の移動面に直交
するＺ軸方向とされ、所定の縮小倍率β（βは例えば１
／５）を有するものが使用されている。このため、後述
するようにレチクルＲのパターンとウエハＷ上のショッ
ト領域との位置合わせ（アライメント）が行われた状態
で、照明光ＩＬによりレチクルＲが均一な照度で照明さ
れると、パターン形成面のパターンが投影光学系ＰＬに
より縮小倍率βで縮小されて、フォトレジストが塗布さ
れたウエハＷ上に投影され、ウエハＷ上の各ショット領
域（例えば各ＬＳＩチップの領域）にパターンの縮小像
が形成される。

【００３３】ウエハＷはウエハホルダ３０及びウエハス
テージＷＳＴ上に載置され、ウエハホルダ３０に真空吸
着されている。ウエハステージＷＳＴは、実際には、不
図示のベース上をＹ方向（図１の紙面直交方向）に移動
するＹステージ、このＹステージ上をＸ方向（図１の紙
面左右方向）に移動するＸステージ及びウエハホルダ３
０及び後述する基準板ＦＰと一体的に光軸ＡＸ方向（Ｚ
軸方向）に微動可能なＺステージ等から構成されている
が、図１では、これらが代表してウエハステージＷＳＴ
として図示されている。

【００３４】ウエハステージＷＳＴ一端部上面には、移
動鏡３４が設けられており、この移動鏡３４に対向して
前記レーザ干渉計２０が配置されている。レーザ干渉計
２０は移動鏡３４にレーザビームを投射して、その反射
光を受光することにより、ウエハステージＷＳＴの位置
を、例えば０．０１μｍの分解能で計測する。なお、移
動鏡は、実際にはＸ軸に直交する反射面を有するＸ移動
鏡と、Ｙ軸に直交する反射面を有するＹ移動鏡とが設け
られ、これに対応してレーザ干渉計もＸ方向位置計測用
のＸレーザ干渉計とＹ方向位置計測用のＹレーザ干渉計
とが設けられているのであるが、図１ではこれらが代表
的に移動鏡３４、レーザ干渉計２０として図示されてい
る。従って、このレーザ干渉計２０によって、ウエハス
テージＷＳＴのＸＹ座標が計測される。

【００３５】レーザ干渉計２０の計測値が主制御装置２
４に供給されており、主制御装置２４ではこのレーザ干
渉計２０の計測値をモニタしつつ駆動系２２を介してウ
エハステージＷＳＴ、すなわちウエハＷを位置決めす
る。

【００３６】ウエハステージＷＳＴ上には、その表面が
ウエハＷの表面と同じ高さになるように基準板ＦＰが固
定されている。この基準板ＦＰの表面には、後述するベ
ースライン計測等に用いられる基準マークを含む各種の
基準マーク（後述する基準マーク１５ａ、１５ｂを含
む）が形成されている。

【００３７】前記アライメント顕微鏡１８は、投影光学
系ＰＬの側面に固定されたオフ・アクシス方式のアライ
メントセンサである。ここで、このオフ・アクシス方式
のアライメントセンサを使用する理由は、通常投影光学
系ＰＬは、露光波長の光の透過率等を考慮して設計製作
されるため、別波長の光をアライメント光として用いた
場合、色収差等の問題が生じる一方、アライメント光と
してはレジストの吸収による悪影響、プロセスに影響を
及ぼさない等の理由により、レジストを感光させない別
波長を用いることが望ましい。従って、ＴＴＬ方式の別
波長によるアライメント顕微鏡を用いる場合は、投影光
学系ＰＬの設計に何らかの制約が生じるが、図１に示さ
れるように、投影光学系ＰＬ以外に別の光学系を設けた
場合にはかかる制約が生じないからである。

【００３８】本実施形態では、このアライメント顕微鏡
１８としては、画像処理方式のものが用いられている。
このアライメント顕微鏡１８は、ハロゲンランプ等のブ
ロードバンドな照明光を発する光源、対物レンズ、指標
板、ＣＣＤ等の撮像素子（いずれも図示省略）を含んで
構成されている。このアライメント顕微鏡１８を構成す
る光源から発せられた照明光がアライメント顕微鏡１８
内部の対物レンズを通過した後ウエハＷ（又は基準板Ｆ
Ｐ)上に照射される。そのウエハＷ表面の不図示のウエ
ハマーク領域からの反射光がアライメント顕微鏡１８内
部に戻り、対物レンズ、指標板を順次透過してＣＣＤ等
の撮像面上にウエハマークの像、及び指標板上の指標の
像が結像される。

【００３９】これらの像の光電変換信号が信号処理回路
１６により処理され、主制御装置２４によってウエハマ
ークと指標との相対位置が算出される。

【００４０】ところで、図１から明らかなように、本実
施形態では、レチクルＲのパターン投影時のウエハステ
ージＷＳＴの位置と、アライメント顕微鏡１８によるマ
ーク測定時のウエハステージＷＳＴの位置は異なるた
め、両者の位置関係（ベースライン＝ＢＬ）を正確に測
定して補正する必要があり、このため、ウエハマークの
検出に先立って、ベースライン計測が行われるが、ここ
でこの手順について説明する。

【００４１】まず、ベースライン計測に先立ってレ
チクルＲの位置合わせを行う（レチクルアライメント）
を行う。本実施形態の場合、このレチクルアライメント
とは、レチクルステージ１４を駆動して、レチクルのパ
ターン像(以下、適宜「レチクル像」という）の中心Ｒ
ＣＴ（図３参照）を投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに正確に
位置合わせすることを意味する。

【００４２】このレチクルアライメントは主制御装置２
４によって次のようにして行われる。なお、多数枚のウ
エハを連続露光処理する場合は、このレチクルアライメ
ントは、多数枚の露光の先頭のみで行えば良い。

【００４３】装置調整時等に予め計測された、所定の位
置合わせ位置（この求め方については、後述する）に基
準板ＦＰ上のアライメントマーク１５ａ，１５ｂ（図１
参照）が位置するように、主制御装置２４では、不図示
のメモリ内のデータに基づいてレーザ干渉計２０の計測
値をモニタしつつ駆動系２２を介してウエハステージＷ
ＳＴを移動させる。

【００４４】次に、主制御装置２４では、レチクル顕微
鏡２９Ａ、２９Ｂの出力信号をモニタしつつ、アライメ
ントマーク１５ａ，１５ｂとレチクルマーク１９ａ、１
９ｂが一致するように、不図示の駆動系を介してレチク
ルステージ１４の位置を調整する。この調整に際し、レ
チクル顕微鏡２９Ａ，２９Ｂは、露光波長と等しい検出
波長を用いて、投影光学系ＰＬを介してレチクルアライ
メントマーク１９ａ、１９ｂとアライメントマーク（基
準マーク)１５ａ，１５ｂの相対位置を検出する。この
検出に際しては露光波長と等しい検出波長を使用するの
で、レチクルアライメントマークの投影位置と、露光時
に形成されるレチクルＲ上の他のパターン（回路パター
ン）の投影位置との関係は、色収差等の影響を受けずに
レチクルパターン設計値通りに保たれる。

【００４５】上記の調整により、レチクル像中心ＲＣＴ
が光軸ＡＸと一致する。図１には、このレチクルアライ
メントが完了した状態が示されている。

【００４６】ここで、装置調整時における前述した所定
の位置合わせ位置の求め方について、詳述する。

【００４７】まず、主制御装置２４では、基準板ＦＰが
投影光学系ＰＬの真下に位置するように、ウエハステー
ジＷＳＴを移動させる。この状態で、レチクル顕微鏡２
９Ａ、２９Ｂによりレチクルマーク１９ａ，１９ｂと基
準板ＦＰ上のマーク１５ａ、１５ｂとを同時に観察しな
がら、倍率補正コントローラ４８に適当な指令を与えて
投影光学系ＰＬの投影倍率を大きく変化させる。投影倍
率が変化するため基準板ＦＰ上のマーク１５ａ、１５ｂ
はレチクルマーク１９ａ，１９ｂに対して移動して見え
る。この時、焦点位置が合うように不図示の光軸ＡＸ方
向位置センサ（焦点検出系）の出力に基づいて駆動系２
２及び不図示のＺステージを介して基準板ＦＰを焦点面
に追従させる。

【００４８】さて、光軸ＡＸとレチクルセンター（レチ
クルＲのパターン領域の中心）とがずれていると、マー
ク１５ａと１５ｂでは変化量が異なる。すなわち、マー
ク１５ａと１５ｂとの中心の位置が変化して観察され
る。これは、光軸ＡＸと基準板ＦＰのセンターが一致し
ていないためであり、この基準板ＦＰ上のマーク１５ａ
と１５ｂとを基準として位置合わせしたレチクルＲのレ
チクルセンターも光軸ＡＸに一致していないことを意味
する。

【００４９】この場合、基準板ＦＰのセンターの変化量
は、｛（光軸ＡＸからの距離）×（倍率変化）｝で表す
ことができるので、しかも変化量と倍率変化は、レチク
ル顕微鏡２９Ａ、２９Ｂによる観察結果と倍率補正コン
トローラ４８に対する指令値に基づいてそれぞれ算出す
ることができるので、結果的に基準板ＦＰのセンターの
光軸ＡＸからの距離が求められる（変化量と倍率変化と
から光軸ＡＸからの距離を逆算することができる）。光
軸ＡＸからの距離はベクトルであるため、このベクトル
のＸ軸成分、Ｙ軸成分に従ってウエハステージＷＳＴを
Ｘ、Ｙ２次元方向に駆動することにより基準板ＦＰのセ
ンターと光軸ＡＸとを一致させることができる。

【００５０】これに続いて、この新たな位置にある基準
板ＦＰ上のマーク１５ａ、１５ｂに対して、レチクルマ
ークが一致するようにレチクルステージ１４を駆動し
て、レチクルＲの位置合わせを再度行い、さらに、投影
光学系ＰＬの投影倍率を変化させて確認を行なう。ずれ
ていれば、また同じ動作を繰り返し、基準板ＦＰのセン
ターと光軸ＡＸとが一致するように追い込む。

【００５１】上述した光軸ＡＸとレチクルＲの位置合わ
せは、顕微鏡２９Ａ、２９Ｂ及び基準板ＦＰを必ずしも
用いなくても、テストパターンをウエハＷ上に露光する
ことでも行なうことが、可能である。例えば、通常倍率
でテストパターンを露光し、その上に倍率を変化させて
テストパターンを重ね露光して、そのずれ量がウエハ内
の各点（設計上像高が等しい点）で同じになるように、
レチクルＲの位置を調整するという方法が考えられる。

【００５２】なお、上記各場合における投影倍率は倍率
補正手段のできるだけ大きなスパン(例えば、大気圧変
化等の補正分もすべて使う）で行えば、より精密に調整
でき、通常のウエハＷ伸縮補正では全く問題とならない
精度で調整可能である。

【００５３】上述のようにして、光軸ＡＸに対して基準
板ＦＰの位置合わせが完了した位置でのレーザ干渉計２
０の計測座標値が先に述べた所定の位置合わせ位置であ
る。従って、この所定の位置合わせ位置の座標値をメモ
リに記憶して置くのである。

【００５４】次にベースライン計測方法を簡単に説
明する。基準板ＦＰは、前述の如くウエハステージＷＳ
Ｔ上に固定されて、ほぼウエハＷと同一の面に成るよう
に保持されている。測定時には、主制御装置２４では基
準板ＦＰが投影光学系ＰＬの光軸ＡＸとアライメント顕
微鏡１８の光軸ＡＸＸのほぼ真下に来るように、すなわ
ちレチクルＲのレチクルアライメントマーク１９ａ，１
９ｂの像が、基準板ＦＰ上のマーク１５ａ，１５ｂと同
時にレチクル顕微鏡２９Ａ、２９Ｂでそれぞれ観察でき
るように、駆動系２２を介してウエハステージＷＳＴを
位置決めする（上述した、レチクルアライメント直後で
あれば、この条件は既に満たされているので、特に特別
な動作は不要である）。

【００５５】ここで、主制御装置２４は、予め位置関係
が正確に判っている基準板ＦＰ上のマーク１５ａ，１５
ｂに対して、レチクルＲのレチクルアライメントマーク
１９ａ，１９ｂの像が振り分けの位置に来るように、ウ
エハステージＷＳＴを位置決め（シフト、回転ともに）
する。これにより、基準板ＦＰ上のマーク１５ａ，１５
ｂの中心位置と、レチクル像中心ＲＣＴが一致したこと
になる。

【００５６】この場合において、基準板ＦＰ上のマーク
１５ｃはアライメント顕微鏡１８の設計上の位置に来る
ように正確に作られており、アライメント顕微鏡１８の
出力に基づいて基準板ＦＰ上のマーク１５ｃを観察する
ことにより、アライメント顕微鏡１８内部の位置合わせ
用の指標の設計位置からのズレ量を正確に測定できる。
これにより、レチクル像中心ＲＣＴとアライメント顕微
鏡１８の位置関係（ベースライン＝ＢＬ）を正確に求め
ることができる。

【００５７】本実施形態の投影露光装置１０では、
以上のベースライン計測シーケンスの後に、ウエハＷへ
の重ね合わせ露光を開始する。すなわち、主制御装置２
４は、図２に示されるようにウエハステージＷＳＴを移
動させ、ウエハＷ上の不図示のウエハアライメントマー
クを、アライメント顕微鏡１８を介して位置検出する。
そして、主制御装置２４ではこのときのウエハアライメ
ントマークと前述のウエハ顕微鏡１８内の指標マーク中
心との相対位置関係と、レーザ干渉計２０の出力値の和
を、マーク位置として認識する。続いて、主制御装置２
４ではこのマーク位置からベースライン量とウエハアラ
イメントマークの設計座標の和だけウエハＷ（即ちウエ
ハステージＷＳＴ）を、レーザ干渉計２０の計測値に基
づいて移動する。これにより、レチクルＲ上のパターン
の投影像と、ウエハＷ上の既存のパターンとは正確に位
置合わせされるので、この状態で露光を行いウエハＷに
レチクルＲ上のパターンを投影転写する。

【００５８】このようにして、ウエハＷ上の各ショット
領域を順次レチクルパターンの像の投影位置に移動させ
つつ、露光（投影転写）を繰り返しおこなうことによ
り、ステップ・アンド・リピート方式の露光が行われ
る。

【００５９】本実施形態では、上記ステップ・アンド・
リピート方式の露光動作は、露光に先立ってアライメン
ト顕微鏡１８により複数のショット（サンプルショッ
ト）内の各アライメントマークを検出し、それらの検出
値を最小自乗法等により統計処理してショット領域の配
列を決め、その配列に基づいて全ショットの露光を行う
いわゆるＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アライメ
ント）方式で行われるものとする。このＥＧＡ方式によ
ると、各ショット領域（例えば、１ショット１チップ取
りのときは各チップ）の設計値に対する偏差が、シフト
成分、回転成分、倍率成分等に分解されて求まる。従っ
て、この求められた倍率成分に応じて倍率補正コントロ
ーラ４８を介して駆動素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃが制
御され、高温のプロセス処理等で発生したウエハＷの伸
縮に合せて投影光学系ＰＬの倍率を調整することができ
るが、本実施形態では前述したレチクルアライメントに
より、レチクル像中心ＲＣＴと投影光学系ＰＬの光軸Ａ
Ｘが一致するように調整されているので、この倍率補正
によってアライメント誤差が生ずることがなく、高精度
な重ねあわせ露光を実現することができる。

【００６０】なお、ＥＧＡ計測の際に、例えば誤差パラ
メータの数を増やして、ショットの配列座標の他に、各
ショットの回転、各ショットの倍率等も求めるようなさ
らに精密な計算を行えば、プロセスの歪みに対して、例
えばウエハＷの外周部と中心部での倍率の変化の差を求
めることができ、より細かい倍率補正も可能である。

【００６１】また、生産性はよくないが、前記ＥＧＡ方
式に代えて、１ショット領域毎にショット領域の倍率を
求めて補正することも考えられる。この場合には、前述
したオフ・アクシス方式のアライメント顕微鏡１８と共
に、ＴＴＬ方式のアライメントセンサを併用して、ショ
ットの倍率変化を一層正確に検出するようにしても良
い。この場合に使用されるＴＴＬ方式のアライメントセ
ンサとしは、例えば、図２に示されるように、レチクル
ホルダ２４ｂの側面の開口部から水平にアライメントビ
ーム、例えばスリット状のレーザビームを入射し、ミラ
ーＭでこのアライメントビームを鉛直下方に折り曲げて
投影光学系ＰＬの周辺部を介してウエハＷ上の格子マー
クからなるアライメントマークに照射するとともに、こ
のアライメントマークに対して走査し、このアライメン
トマーク領域で回折・散乱された光（反射光）を投影光
学系ＰＬ、ミラーＭを介して受光することによりアライ
メントマークの位置を検出するＬＳＡ（Laser Step Ali
gnment）方式のアライメントセンサ５０を用いることが
できる。勿論、オフ・アクシス方式のアライメント顕微
鏡１８をＬＳＡ（Laser Step Alignment）方式のアライ
メントセンサにより構成してもよい。

【００６２】本実施形態においても倍率補正は、勿論、
投影光学系ＰＬそのものの倍率特性変化(大気圧変化等
に伴う）に対しても行なうことが望ましい。

【００６３】以上、説明したように本実施形態による
と、あらかじめ装置調整時にレチクルＲの位置合わせの
ための基準マークとしてのアライメントマーク（１５
ａ、１５ｂ）の位置をレチクル像中心ＲＣＴと投影光学
系ＰＬの光軸ＡＸ中心が一致するように、具体的には、
投影光学系ＰＬの投影倍率を大きく変化させてレチクル
像中心ＲＣＴの座標が変化しないように調整し、実際の
装置の使用時には、この調整時の情報（アライメントマ
ーク（１５ａ、１５ｂ）の位置調整時のウエハステージ
ＷＳＴ座標位置情報）に基づいてウエハステージＷＳＴ
をその位置に位置決めし、この位置のアライメントマー
ク（１５ａ、１５ｂ）を基準としてレチクルアライメン
トを行う。このため、露光時にウエハＷの伸縮補正のた
めに、投影光学系ＰＬの投影倍率を変化させてもレチク
ルＲのパターン像の中心位置は変化しないため、倍率変
動に伴うレチクルＲのパターン像のシフトに起因する重
ねあわせ誤差は発生しない。

【００６４】また、本実施形態では、予め装置調整時
に、レチクル像中心ＲＣＴと光軸ＡＸとを位置合わせす
るための所定の位置合わせ位置に、基準板ＦＰ上のマー
ク１５ａ、１５ｂが位置決めされたときのウエハステー
ジＷＳＴの位置座標を計測して、以後はこの位置を基準
としてレチクルアライメントを行なうことから、レチク
ルアライメントを短時間でおこなうことができ、スルー
プットの向上を図ることができる。また、このレチクル
アライメントの際に、所定の位置合わせ位置にある基準
板ＦＰ上のマーク１５ａ、１５ｂにレチクルＲのレチク
ルアライメントマーク１９ａ、１９ｂを位置合わせす
る。このレチクルアライメントが完了した状態を考えれ
ば、このときには、基準板ＦＰ上のマーク１５ａ，１５
ｂに対して、レチクルＲのレチクルアライメントマーク
１９ａ，１９ｂの像が振り分けの位置に来るように、ウ
エハステージＷＳＴが位置決めされ、基準板ＦＰ上のマ
ーク１５ａ，１５ｂの中心位置とレチクル像中心ＲＣＴ
が一致している。従って、本実施形態のレチクルアライ
メント方法を実施すれば、レチクルアライメントに続い
てアライメント顕微鏡１８の出力に基づいて基準板ＦＰ
上のマーク１５ｃを観察するだけで、ベースライン計測
が行なえることになり、ベースライン計測の手順が簡略
されるとともにその所用時間が短縮されるという利点も
ある。なお、本実施形態では、レチクル顕微鏡２９Ａ、
２９Ｂによる基準マーク１５ａ、１５ｂの計測と同時に
アライメント顕微鏡１８による基準マーク１５ｃの計測
が同時にできるような大きな基準板ＦＰを用いる場合に
ついて説明したが、これに限らず、レチクル上のマーク
１９ａ、１９ｂのウエハステージＷＳＴ上への投影像の
位置に基準マークを位置合わせし、これに続いて、基準
マークをアライメント顕微鏡１８の下に移動し、アライ
メント顕微鏡の検出基準に対して位置合わせをしてベー
スライン計測を行なうような通常の基準マーク板を用い
る場合であっても、ベースライン計測の手順を簡略化す
ることができる。

【００６５】なお、上記の実施形態中の説明では、光軸
ＡＸとレチクルＲのずれのみで倍率調整時にレチクル像
がシフトする説明を行ったが、実際には倍率補正手段の
誤差によっても、レチクル像はシフトする。図１中のレ
ンズエレメント４０が正確に光軸ＡＸ方向に駆動され
ず、斜めに動いたり、傾斜するとレチクルのパターン像
はシフトする。この現象と、レチクル位置による像のシ
フトは分離して測定できないため、上記実施形態のレチ
クルアライメントを行うと、両者の誤差が同時に補正さ
れる。倍率補正手段の誤差が一定値として毎回再現すれ
ば、全く問題無く、両方の誤差を補正できる。すなわ
ち、倍率補正手段の誤差による倍率調整時に発生するレ
チクル像の位置ずれも同時に補正できる。

【００６６】また、上記実施形態中の説明では、スルー
プット向上の観点から、予め装置調整時に、レチクル像
中心ＲＣＴと光軸ＡＸとを位置合わせするための所定の
位置合わせ位置に、基準板ＦＰ上のマーク１５ａ、１５
ｂを位置決めし、このときのウエハステージの位置座標
を計測して、以後はこの位置座標が不変のものとし、こ
れを基準としてレチクルアライメントを行なう場合につ
いて説明したが、装置の経時的変化を考慮して定期的に
この位置座標を計測し直しても良い。また、レチクルア
ライメントを十分早い時間でできるなら、レチクルＲの
交換の度毎にレチクルアライメントを行なってもよい。
この場合には、レチクルアライメントのためには基準マ
ーク１５ａ、１５ｂのような指標は必要ない。

【００６７】また、上記実施形態では、レチクル位置合
せ用の基準マーク１５ａ、１５ｂがウエハステージＷＳ
Ｔ上にある場合について説明したが、必ずしもその必要
はなく、例えば、レチクル顕微鏡内、あるいはレチクル
の直下等に配置されていてもよい。但し、上記実施形態
のように、指標位置は調整されるので、調整可能である
必要があり、また位置安定性が要求される。

【００６８】なお、上記実施形態では、レチクル位置合
せ用の基準マーク１５ａ、１５ｂに関する所定の情報に
基づいてレチクルの位置合わせを行なう場合について説
明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、例
えばレチクルの外形基準で位置決めピン等に押し当てて
位置決めする場合には、予め投影倍率の変更によらずレ
チクル像中心座標が変化しない位置にレチクルを位置決
めし、このレチクルに対してピンを押し当て、このピン
の位置を記憶しておいて、以後この位置にピンの位置を
調整すれば良く、要はレチクルの位置を調整する調整手
段から得られる情報に基づいて同一位置にレチクルを位
置合わせすれば良い。

【００６９】また、ベースライン、レチクル位置は、装
置の温度変化等で微小に変化するため、実施に当たって
は、例えばロットの先頭、および適宜測定・補正を行
い、重ね合せ誤差が発生するのを防ぐようにすることが
望ましい。

【００７０】なお、上記の実施形態では、本発明に係る
マスクの位置合わせ方法が一括露光型の投影露光装置に
適用される場合について説明したが、本発明の適用範囲
がこれに限定されるものではなく、レチクルＲとウエハ
Ｗを相対的に走査するステップ・アンド・スキャン型露
光装置にも適用は可能である。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし４
に記載の発明によれば、投影光学系の投影倍率調整によ
ってマスクのパターンの投影像の位置ずれが発生しない
マスクの位置合わせ方法が提供される。

【００７２】また、請求項５に記載の発明によれば、投
影光学系の投影倍率を調整しながら重ねあわせ露光を行
っても、マスクのパターンの像のシフトに起因する重ね
あわせ誤差が発生しない投影露光方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る投影露光装置の構成
を概略的に示す図である。

【図２】図１の装置の露光中の状態を示す図である。

【図３】図１の装置におけるレチクルの位置合わせ方法
及び発明が解決しようとする課題を説明するための図で
ある。

【符号の説明】

１５ａ、１５ｂ基準マーク１９ａ、１９ｂレチクルマーク２４主制御装置２９Ａ、２９Ｂレチクル顕微鏡４８倍率補正コントローラＲレチクルＷウエハＰＬ投影光学系ＦＰ基準板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクに形成されたパターンの像を投影
光学系を介して感光性の基板上に転写するのに先立っ
て、前記マスクを位置合わせする方法であって、前記マスク上に前記パターンと所定の位置関係で形成さ
れた少なくとも２つの位置合わせ用マークの投影位置を
計測する第１工程と；前記投影光学系の投影倍率を変更
後に、前記少なくとも２つの位置合わせ用マークの投影
位置を計測する第２工程と；前記第１、第２工程の計測
結果に基づいて、前記投影光学系の投影倍率を変更した
ときにも前記パターンの投影像の中心が変化しないよう
に前記マスクの位置を調整する第３工程とを含むマスク
の位置合わせ方法。
【請求項２】前記マスクの交換後にその交換後の別の
マスクを、前記第３工程におけるマスクの位置に関連す
る情報を用いて同一位置に位置合わせすることを特徴と
する請求項１に記載のマスクの位置合わせ方法。
【請求項３】前記マスクの位置に関連する情報は、前
記第３工程のマスク位置に対応した基準マークの位置情
報であることを特徴とする請求項２に記載のマスクの位
置合わせ方法。
【請求項４】前記マスクの位置に関連する情報は、前
記第３工程におけるマスクの位置合わせ時にマスクの位
置調整手段から得られる情報であることを特徴とする請
求項２に記載のマスクの位置合わせ方法。
【請求項５】マスクに形成されたパターンの像を投影
光学系を介して感光性の基板上に転写する投影露光方法
であって、前記マスクと前記基板の位置合わせをするに先立って、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載のマスクの位置
合わせ方法によりマスクと投影光学系の位置合わせを行
う工程を含む投影露光方法。