JPS59161815A - 投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は露光装置用の（ロ）転偏位検出装置に関し、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（
ウェハ）上に露光する装置においてマスクパターンの光
学像に対し回転偏位なしにウェハの位置決めを行なうた
めの位置決め系に利用して好適な回転偏位検出装置に関
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は装置として縮小投影型露光装
置が普及してきている。従来よシ用いられてきたこれら
の装置においては、シリコンウェ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
投影レンズによって縮小投影され、１回の露光で焼付け
されるのはウェハ上で対角長２１馴の正方形よりもノ」
飄さい程度の領域である。従って直径１２５権位のウェ
ハ全面にパターンを焼付けるには、ウェハをステージに
載せて一定距離移動させては露光を繰返す、いわゆるス
テッ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ェハ
上に順次形成されていくが、異なるＪ−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１層間の導電または絶縁状態が意図するものでなく
なシ、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［５＋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
は時の位置ずれは、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
て示す禮明図で、実線の長方形パターン領域Ｐ１は既に
ウニ・・上に形成されている回路パターン領域であり、
この領域Ｐ＋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（ロ）
転偏位が生じることになる。

従来の縮小投影型露光装着においては、ステップアンド
リピート動作を行なうに際して、ウェハボルダを介して
ウェ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
、ウェハ上でのこのレチクルの投影像が前記ＩＵ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な位置
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ップアンドリ
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、ウニ・・上に焼付けられるパターン領域は一般に回
転偏差を生じることになる。従来、この回転偏位の補正
は、実際にレティクルパターンを繰返してウェハに焼付
け、焼付けられたウェハ上のパターンを光学顕微鏡等で
観測し、隣シ合って焼付けられたパターン相互間の偏位
量を測定し７．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っていた。しかしながらこ
のような方法ではウェ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０．１
μｍ以下に押え込むことは極めて困難であった。

本発明は前述の諸問題点を解決して、回転偏位を短詩Ｉ
Ｉ］で高精度に検出することを可能とする回転偏位検出
装置を提供することを目的とし、マスクパターン毎の露
光作業を高い重ね合せ精度で高能率に行なえるようにし
た露光装鎗用位置決め系の実現を可能にするものである
。

すなわち本発明の露光装置用の回転偏位検出装置では、
マスクのパターンをステップアンドリピート方式でウェ
ハ等の被露光物に順次露光するために前記被露光物を載
せてその移動平面をなす直交座標系の両座標軸方向に２
次元移動可能なステージを備えており、このステージに
は、該ステージに投影される前記マスクパターンの光学
像中の予じめ定められた局所部分、例えばマスクパター
ンに付されたマークの像などを検出する光電検出手段が
設けられている。この光電検出手段によって検出される
前記局所部分のｉＩＪ記直交座標系での座標位置を検出
するために、例えば前記ステージの前記直交座標系の原
点を基準とする位置を、前記ステージが移動して前記光
電検出手段が前記局所部分を検出したときに測定するレ
ーザー干渉計などの位置検出手段が装備されている。さ
らに、好ましくはプログラム制御と各種演算処堆を統括
的に果し得るように、マイクロコンピュータ等によって
構成された制御手段が組合わされ、この制御手段により
、互いに異なる複む個所の前記光学像局所部分について
前記位置検出手段によって検出された位置情報から前記
マスクパターン光学像の前記直交座標系の座標軸に対す
る回転偏位蓋（傾き）が算出される。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邦゛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、この別の直交座標糸の座標軸方向にステージをステ
ッ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。

本加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？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ップ移動を位置制御
可能である。

本発明を実殉例図面と共に詳述すれば以下の通りである
。

第２図は本発明の帥（転偏位検出装置の適用対象例とし
ての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／デンサレンズ２によ
って一度収束さｔｉたのち、第２コンデンサレンズ６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ャッタ４ａが設けら
れている。第２コンデンサレンズ６を通った光束は、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
が非テレセンドリンクで、像側かテレセンドリンクな光
学系である。投影レンズ６の山王のステージ７は、普段
は半導体ウェハ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アシ、前記ウ
エノ・１０は、ステージ７と一体に２次元移動するウエ
ノ・ホルダ１１上に載置される。ウェハホルダ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。このウエノ・ホルダ１１は、投影レンズ
乙によるレチクル５０回路パターン（図示せず）の投影
像がウェハ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１ｉ：！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ｔ！に着目すると、光束１．は投影
レンズ６によって集束されてその像側から光束ｔ２とな
って射出され、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、それを通過した光音受光して′離党信号を出力する
光゛直変換手段としての光電検出器９カ５組合さ九てお
シ、また微小開口部材８の開口面（ｄステージ７上のウ
ェハ１０の表面の高さとほぼ一致するように定められ、
従って微小開口部材８゛と光電検出器９は前述のように
ウエノ・ホルダ１１の上揺動に伴っ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とウエノ・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ャップセンサ１２
力；設けられている。

このギャップセンサ１２とウエノ・ホルタ−１１の上下
動機構とによって自動焦点調整が可能であシ、ウエノ・
１０上にレチクル５０回路ノくターンを焼付ける際、ウ
ヱノ・１０の表面の高さを検出して、常にコントラスト
の高い投影像力５転写できるようになっている。

一方、ステージ７の第１直交座標系ＸＹでの位置は、レ
ーザ干渉計によってステージ７に固定された反射鏡１で
の距離をレーザ光を甲いて演１１定することによシ求め
られるようになされておシ、第２図ではＸ軸方向（紙面
で左右方向）のレーザ干渉計１６と反射鏡１４のみが示
されている〃；、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力Ｓ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っ
て、装置に予じめ設定される第１直交座標糸ＸＹの原点
に対するステージ７の位置座標イ直力（そのステップ移
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＠１では投影レンズ６、の光軸
上にあシ、従って前Ｓ己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
交点力５投影レンズ６０光軸上に位置するように配電さ
れている。

−ｉ　７’（しｆ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次元移動可能でめシ。

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６０入射側の両脇に配置さ
れているシャッタ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
ＫＬへの入射光だけを所望時に遮光するだめのものであ
シ、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Ｒ
Ｌが設けられているが、このマークＲＲとＲＬは、具体
的には第６図に示したようにレチクル５のＩＤ’ｌ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ットである。このマークＲＲと
ＲＬは、第６図の例ではレチクル５の中心を原点とする
第２直交座標素系ｘｙのＸ軸上で互いに離れた２個所に
設けられているが、Ｘ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乙による投影像
はｘｙ座標に関して反転像となるので、第６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
逆にして示しである。

従って、レチクル５をしオクルホルダ１５に載置して固
定したときに、これらＹ軸と、投影レンズ６の光軸と、
Ｙ軸との６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６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５０回転側
位は零となることになる。

書てステージ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ット開口８ａを形成したも
のである。第４図（ｂ）は第４図（ａ）のＡ−ＡＩｆｌ
Ｊ矢視断面図であシ、スリット開口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、またスリット開口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乙の光軸上
にあることは前述した通シである。本実ｍ　ｆｉｌ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
１通常知られている方式と変シなくＸ軸方向とＹ　＃ｉ
！方向の各レーザ干渉計内のデジタルカウンタによって
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の移動に従ってその計数値を増減させるものでめ
シ、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りカウンタを零にリセット或
いは成る定められた一定値にプリセットする必要がめる
が、このステージ７の原点位置への定位を前述スリット
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の出力によってスリット開口８ａと
マークＲＲ（又はＲＬ）の像とが一致したこと全検知し
、このときにＹ軸方向のレーザ干渉計内のカウンタ（Ｘ
カウンタ）を零にリセットする。正確にはレチクル５の
回転偏位を考慮に入れて、マークＲＲＯ像とマークＲＬ
の像とがそれぞれスリット開口８ａと一致したときのＸ
カウンタの計数値ＹｒとＹｔとから、Ｘカウンタが（Ｙ
ｒ　＋　Ｙｚ）／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Ｘカウンタを零にリセットし、
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
Ｘ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にスリン１−８ａと直交する方向に延在した
別のスリッ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
ットを行なえばよい。このようにして座標糸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の位置座標をもって２次元移動中に
わたシ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言らにウェハ１０の位置合
わせに用いるアライメント顕微鏡（ＷＡＭ：　Ｗａｆｅ
ｒ　Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　　）
が備えられており、その配置は第６図に示した通りであ
る。すなわち、この顕微鏡はウニ・・１０上に後述の如
く形成されたアライメント用の特定の形状のウエノ・マ
ークを先車検出するもので、第６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６本をオ
フ・アクシス（ｏｆｆ　ａｘｉｓ　）で固定配置してろ
る。第１のアライメント顕微鏡ＷＬは、ウニ・・１０の
Ｙ軸方向の位置を検出するだめのもので、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ａ微ｄＷＸは、ウニ／
１１０のＸ軸方向の位置全検出するもので、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１孔とＷ
Ｘ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、ウエノ・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５のアライメント顕微樺ＷＲは、第
１のアライメント顕微鏡ＷＬと対になってウェハ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）Ｔｈ微４ＷＬの
検出中心とを結ぶ線分がＸ軸と平行になるように配装置
されている。

これら６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
ウェ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ｆｃ特定の形状、例えば短かい線
状のウェハマークを、振動スリッ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シ、その検出
中心は例えば振動スリッ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６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６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図のブロッ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ュータ（
ＣＰＵ）３０によって統括制御される。ＣＰＵ３０は、
インターフェース（ＩＦ）３１を介して周辺の検出部、
渓１１定部、あるいは駆動部と、各種情報のやシ取シを
行なう。

シャッタ駆動部６２は、ＣＰＵ、５０の指令によって各
シャッタ４ａ＋　４ｂ、　４ｃ　　の開閉動作を行ない
。

壕だレチクルアライメント制御系（Ｒ−ＡＬＧ）３３ハ
投影レンズ乙の光軸に対してレチクル５が所定の位ＩＫ
にくるようにレチクルホルダ１５′ｆ動かして位蓋合わ
せするものである。一方、ステーシ７の位値座標を計測
するために、前述のＹ軸用のレーザ干渉計１６によって
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６４によって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ェース３１’＆介
してＣＰＵ６０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＠ｈ方向
に駆動するＸ軸駆動部（Ｙ−ＡＣＴ）５６とが、ＣＰＵ
３０の指令によって動作するように設けられており、ざ
らにステージ７上のウェハホルダ１１を微小回転させる
ためのθ軸回転駆動部（θ−ＡＣＴ）３７と、ウニ・・
ホルダ１１および微／ＪＸ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＠駆動部（Ｚ−
ＡＣＴ）３８とが設けられ、ＣＰＵ３０の指令によって
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ェース６１を介ｔ、ＣＣＰＵ６Ｏ
Ｋ入力され、また焦点検出部（ＡＦＤ）３９は、第２図
に示したギャップセンサ１２からの信号を受けとってウ
ェハ１０の表面（又は微小開口部材８の開口面）と投影
レンズ乙の焦点位置のずれ情報（合焦情報）をインター
フェース５１　を介してＣＰＵ６０に与えるようになっ
ている。尚、ＣＰＵ３０には、インター７エース６１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ディ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６図に示したように、オフ・アクシス配置のアラ
イメン）Ｔｈ微鏡ＷＬ、ＷＸ、ＷＲは、光電顕微鏡また
はレーザースポット走査型のウェハ・マ−り検出手段で
６Ｃ１これらはそれぞれの検出中心がウェハ１０上の所
定のウェハマークと一致すると、マーク検出信号をイン
ターフェース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によるウニ・
・マークの検出に際してもギャップセンサ１２と焦点検
出部６９とによる合点情報がＣＰＵ３０に入力されるこ
とは述べる丑でもない。

アライメント顕微鏡ｗａには、振動スリットまたは振動
ビームの撮動中心や、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験だけ回転ないし
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がレチクルホルタ
１５に載置され、レチクルアライメント制御系６６でレ
チクル５のアライメントを行なったのチ、レチクル５の
パターンをウェハ１０上に投影するとその光学１象は概
６゛図のようになる。

第６図はレーザ干渉計１３と６４と計測されるステージ
７の第丁直交座標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軸上に沿った両脇に投影さ
れる。尚、ここではレチクル５の投影像の内部座標系ｘ
ｙの原点をステージ７の直交座標系ＸＹの原点０と一致
させ、投影レンズ乙による歪曲収差は無視し得るものと
して扱っている。通常、第２直交座標糸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６１＋はそれを誇張して示したもので、この回転
偏位量を角度ｅ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Ｃが無視できるほど／ＪＱさく
なるように調整する代シに、焼付けられたパターンが実
質的に角度ｅ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５０
投影像の一部でろって、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６の淵１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、ギャップセンサ１２と焦点検出部６９および２
軸駆動部６８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’をスリッ
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１６と６４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図においてスリット開
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、スリット開口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住僧“をレーザ干渉計１６と３
４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ＹＲＩ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ｔ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。

ａ　＝　ｊａｎ−１（ＹＲＹＬ）／ｌ′″拷　ＣＹＲ−
ＹＬ）／ｌ　　・・・・・・甲・・・　（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って
いれば、その投影像ＲＲ’とＲＬ’のＸ軸方向の間隔ｔ
′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。

ｔ　　＝　　ｓｉｎ　”　（ＹＲ−ＹＬ）／ｌ’ζ　（
ＹＲ−ＹＬ　）／ｌ’　・・・曲・・・・曲（２）この
ようにして予じめ角度εが求められ、以後のステップア
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
ンピンク脇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Ｒ
Ｌ’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Ｃ）の測定精度が向上する。また微小開
口部材８のスリット開口８　ａ’およびマーク像ＲＲ’
とＲＬ　　のスリット形状の長ざが長い程、検出光量が
増加するので＋１４１ｉ定精度が向上する。ここでｔま
たはｔ′の長さが長くなるようにした場合、マーク像Ｒ
Ｒ’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
けをシャッタ４ｂと４０によシ選択的に遮光できるよう
にして、回転偏ｆｆｆ量（角度ε）の（ｌｌｌｌ定時の
みこれらシャッタ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、回転偏位量の抑１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’やＲｂ２のような特別なマ
ークを用いずに、回路パターン領域像５８′内のＸ軸と
平杓な線、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ｉｌ、　ｉ２の位置計測は、ｉｌ、　
ｉ２の明暗境界をスリット開口８ａが横切ったときの光
電検出器９の出力信号立上りまたは立下シの中央でのレ
ーザ干渉計１６゜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、ウェハ１ｏ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Ｉｉ以下の通りである。

この場合、ウェハ１ｏの表面には未だ回路パターンもア
ライメント用のウェハマークも存在しないから、ウェハ
１ｏは第５図に示すようにその外周部の一部建設けられ
た直線状の切欠きであるファセット（またはフラン））
１［］ａを基準にしてウェハホルダ１１上に載置され吸
着固定される。

本実施例では、ファセットｌＯａの＠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
ギャップセンサ１２と焦点検出部６９および２軸駆動部
６８によりウェハ１ｏ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１６と６４、Ｘ軸部動部６
５およびＹ軸部動部６６によシスチーシフを一定距離ず
つ移動させてはシャッタ４ａを所定時間だけ開き、レチ
クル５のパターン領域５ａの縮小投影像をウェハ１０上
のフォトレジストに露光転写することを繰返す。この場
合、シャッタ４ｂ、４ｃは閉じられ、マークＲＲとＲＬ
の像がウェハ１０上に転写されるのを防止する。このよ
うにしてウェハ１０のほぼ全面にパターン領域５ａの縮
小像がマトリッ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巳の回転偏
位が存在したままステッ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軸方向の歩進によって、
第７図に示すように、ウニＩ・１０に次々と転写される
パターン領域Ｐｏ　＋　ＰＨノ中心を結ぶ線分はＸ１ｉ
ｌ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を用いてＣＰＵ３０内でＸＹ座標に対し角朋εだけ
回転した別の直交座標系αβ（以下第６直交座標系と云
う）を原点を一致させてウェハ１０上に対して設定する
ものである。尚、ウェハ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
原点の一致が必須である。

今、ひとつのパターン領域Ｐｏ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２里の代シにＰ２
となシ、このパターン領域Ｐ２と前記パターン領域Ｐｏ
との配列をみれば判るように第６直交座標糸αβをウェ
ハ１ｏ上での転写パターンのマトリクス配列座柳にする
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、ウェハ１０内の配列座標を第６直交座標系αβ
に定めてこの座標軸αβに沿っ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ってそ
のステッ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Ｐｏｐ次に露光転写すべきパターン領域をＰ
２とし、パターン領域Ｐ２の中心を０２とする。１だ第
６１１角座標糸αβにおけるパターン領域Ｐｏの中心Ｏ
の座標値を（Ｃ０，β０）、パターン領域Ｐ２の中心０
２の座標値を（αｌ、βｌ）とし、投影レンズ６０光軸
、すなわちパターン領域Ｐｏの中心を原点とするステー
ジ７の第１直交座標ＸＹに対してウニｚ−ｉＱ上の配列
座標系αβが角＃εだけ反時計方向に回転しておシ、座
標糸αβの原点Ｏが座標系ＸＹの座標値（Ｘｏ　、Ｙｏ
　）を持っているものとする。

パターン領域Ｐｏの露光が終了し、パターン領域Ｐ２の
中心０２と座標系ＸＹの原点Ｏ（投影レンズ６の光１１
１１）とを一致はせるためには、ステージ７を現在の位
置、すなわち（Ｘｏ、Ｙｏ　）から、第８図の辿シＸ軸
方向にΔＸ、　Ｙ軸方向に△Ｙだけ移動させればよい。

ここでΔＸとΔＹは、 ΔＸ＝　　＜Ｃ１−Ｃ０）可ε−（β１−β０）自εΔ
Ｙ＝（Ｃ１−αｏ）ｓｆｎｇ＋（β１−ＩＯ）邸εと表
わされ、角度Ｃが充分小さければ・ΔＸ＝（Ｃ１−αＧ
）−（β！−β０）ε・・・・・・（３）ΔＹ＝（Ｃ１
−α。）−（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
の中心位置を前記配列座標糸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ｅを用いて（
３）　（４）式の演算を行ない、結果的に角度Ｃを相殺
するようにステージ７のステッピング移動を制御する。

このステッピングは、ステージ７の現在位置（Ｘｏ　＝
　Ｙｏ　）に対してレーザ干渉計１６と６４のカウンタ
測定値を△Ｘ、ΔＹ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シ、例えばウエノ・１
０のファセット１０ａの石線と平行な一列をステップア
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ＩＯとβｌを互いに等しい値とし、α
ｌ−α０をピッチＥｐとして、（３）　（４）式から△
Ｘ　＝　　Ｅｐ △ｙ　＝　　Ｅｐ　僧　ε となるようにステージ７のステッ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７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Ｃｌ−Ｃ９は全てα軸上に運び、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ＸＹＯＸ軸と平行にされ
たファセッＮ［ｌａの直線に対してα軸が角度Ｃ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、ウェハ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に従って整
列した転写パターンを得ることができる。尚、この第１
＃目の転写によって、第２層目以降の重ね合わせのアラ
イメントのためのウニ・・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
前述した通シである。

このように、レチクル５が角度εの回転偏位を伴うよう
なセット条件下にあっても、ウニ・・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Ｃ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６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Ｘ
Ｙ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
所定位置に配電された各アライメント顕微＠ＷＬ、　Ｗ
Ｘ、　ＷＲはそれぞれの視野に見たてた破線の円で示さ
れてお）、それぞれの検出中心をＬＣＩＸＣｓ　Ｂ−Ｃ
とし、ＬＣとＲＣＯＸ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
るウェハ１０を模式的に示す平面図で、ウェハ１０内の
成る一列のパターン領域Ｅ、＋〜Ｅ６とその近傍のみを
描いである。パターン領域Ｅ。

〜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の各軸に沿って細長いアライメント用のウェハ
マークがすでに形成されている。ここでは、これらのウ
ェハマークのうち、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つのウェハマー
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
ウェハマークＡＸを２層目以降の重ね合わせ露光のウェ
ハ１０のアライメント用に使うものとする。

さて、第２１ｉｌ目のパターンの露光に先立って、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。従って再
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とによって検出し、
レーザ干渉計１３．３４によってその位置座標を求め、
回転偏差を（１）又は（２）式に従って角度ε′として
検出しておく。

次にアライメント顕微ψＷＬはＷＲの検出中心ＬＣとＲ
Ｃの調整を行なうが、この調整では、第１０図に示すよ
うに、アライメントｍ微鋭ＷＬとＷＲの雨検出中心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ａｙ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の光学系内部のバ
ーピ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シ微調整可能である。この場合
、検出中心ＲＣを決った量だけ変位させるのに、バーピ
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っ
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に周定し
た位置決め用の微小開口部材８のスリット開口８ａを利
用して、１ずアライメント顕微、ＱＷＬの検出中心ＬＣ
と、１１１記スリットｈ口８ａのＹＩ１１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６４でそのときのＹ座標値ｙ　ｖ−Ｊ、　
ｆ計測する。次いでステージ７を距離したけＸ軸方向に
移動させて、同じスリット開口８ａをアライメント顕微
＠ＷＲで検出できるようにする。このときレーザ干渉計
６４によるＹ軸座標測定値が　（ｙ−１＋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
スリット開口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ｆｉＷＬとＷＲの調
整が終了すると、次にウェーｉ　ｏ　（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、
真空等によシ吸着固定する。この場合、ウェハ１０は７
アセツ）　１０ａを使ってホルダ１１上に粗く位置決め
される。その後、ウニ・・１０上の１つのストリートラ
イン上に距離りだけ離れて形成された２つのウェハマー
クＡＬ、ＡＲがそれぞれアライメントｓ微境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Ｚ上の微小開口部材８に対す
るウェハ１０の位置が概ね定めら九ているから、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のスリット開口８ａと一致したときのス
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、ウェハ１０上の２つのつ王・・マークＡＬとＡＲ
がアライメント顕微鏡ＷＲとＷＬによってとらえられる
と、アライメントａ微鋭ＷＬの検出中心ＬＣとウェハマ
ークＡＬとが一致し、アライメントａ微鏡ＷＲの検出中
心ＲＣとウェハマークＡＲとが一致するように、ウエノ
・ホルダ１１をθ軸回転駆動部６７によシ回転させる。

この際、ウェハホルダ１１の回転中心をウェハマークＡ
Ｌ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ｄＷＬの検出中心ＬＣからのウニ・・
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
のウエノ・マークＡＲのＹ軸方向のずれが零となるよう
にウェハホルダ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
ウニＩ・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ノ・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、従って第２層目のレチク
ル５０投影パターン領域Ｐｏ′とウニ・・１０上にすで
に存在する第１層目の各パターン領域Ｅ１〜＆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。このようなウエノ・１０の位置
決めが終了すルト、ウェハマーク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Ｘ座標値、およびステージ７を移動してウニ／Ｓマー
り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、ＣＰ
Ｕ３０がパターン領域Ｐ。′ト、ウェハ１０上の各パタ
ーン領域Ｅｌ〜Ｅ６　との中心の位置関係を求め、パタ
ーン領域ＰＧ’がＥｌに重なるようにステージ７を移動
し、シャッタ４ａを開いて露光する。次いでパターン領
域Ｐｏ′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をステッピンク移
動するが、その際には前述（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
回転偏位はウェハ１０上の全てのパターン領域において
相殺され、従って第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、Ｗ
Ｒの調整を行ない、同様にステッ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＠ｌ’Ｌ。

ＷＲの調整を微小開口部材８と光電検出器９とを用いて
行なったが、ウェハ１０上にウェハマーク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、
まずウェハマーク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がウェハマーク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ＲＣとウェハマークＡＬとが一致するように検出
中心ＲＣを位置調整する。これによって両アライメント
顕微境ＷＬとＷＲの検出中心ＬＣとＥＣ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６′
に基づいてδγζＬε′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が再びウェハマークＡＬと一致するように該アラ
イメント顕微鏡ＷＲの光学系中のバーピングガラスやプ
リズム等を変位させればよい。

また前述の実施例は投影型露光装置に適用した場合であ
るが１本発明はこれに限らず、マスクとウェハとを微小
間隙を介して対面させ、マスク側から露光用の光線或い
はＸ線等を照射し、ウエノ・上にマスクのパターン像を
転写しては一定距離だけマスクを゛平行移動させてこｎ
を繰返す所謂プロキシミテイ方式（近接方式）のステッ
プアンドリピート露光装置にも同様に適用可能であるこ
とは述べるまでもない。

以上のように、本発明によれば、レチクルのウェハ移動
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
露光に先立ってウニ・・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
けで以後のステッピング中にレチクルの回転偏位が残ら
ず、従って回転偏位による重ね合わせ誤差の防止が極〈
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って投影した
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
位を求めておシ、・このように本来的に像面湾曲や歪み
を少なくしである投影光学系のみを使って、他に検出光
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シ、従ってそ
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図は本発明の回転偏位検出装置の適用対
象例としての縮小投影型露光装置の概−路を示す構成図
、第６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６本のアライメント顕微鏡の配置の様子を第１
直交座標糸ＸＹおよび第２直交座標糸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ック図
、第６図はレチクルパターンのウェ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って次々に露光したと
きの隣シ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ニ・・上の
転写パターン配列の説明図、第１０図は投影レンズと各
アライメント顕微境の第１直又座標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
ンが転写されたウニ・・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：シャッタ、　　５ニレチクル、　　５ａ
：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　ｌト開口
、９：光電検出器、　　１０：ウェハ、　　１１：ウエ
ハホルダ、　　１２：ギャップセンサ、　　１６：レー
ザ干渉計、　　１４：反射鏡、　　１５ニレチクルホル
タ、ＷＬ、　ＷＸ、　ＷＲニアライメン）顕微鏡、６０
：マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、　６１コインター
フエース、　　６２：シャンタ駆動部、　６６：レチク
ルアライメント制御系、　　６４：レーザ干渉計、　３
５：Ｘ軸駆動部、　３６：Ｘ軸駆動部、６７：θ軸駆動
部、　６８：Ｚ軸駆動部、　６９：焦点検出部、　　Ｒ
Ｒ％ＲＬ：透光マーク％　ＲＲ’　、　ＲＬ’：マーク
像、　　ＡＬ　Ａ凡ＡＸ：ウニ／）マーク、Ｅｓ〜Ｅ９
；転写されたパターン領域。 代理人木村三朗 −７： 米ｊ図 ｌ 、＋２図 Ｘ□ ２−３厘 士４図 オフ０口 Ｙ オフ１口 オフ２口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. マスクのパターンが転写される被露光物を載置して移動
   平面をなす直交座標系の両座標軸方向に２次元移動可能
   なステージと；該ステージに設けられ、前記マスクパタ
   ーンの光学像中の予じめ定められた局所部分を検出する
   光電検出手段と；前記ステージの移動によシ前記光電検
   出手段で検出される前記光学ｇ＃局所部分の前記直交座
   標糸における位置を検出する位置検出手段と：互いに異
   なる柳数個所の前記光学像局所部分について前記位置検
   出手段によって検出された位置情報に基づいとする露光
   装置用の回転偏位検出装置。