JPS62215230A - 投影型露光装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、半導体製造過程において用いられる露光装置
、特にフォトマスクパターンをウニハトに投影して転写
する投影型露光装置に関する。

〔発明の技術分野〕

半導体素子の製造過程中のりソゲラフイエ程においては
、１枚のウェハに対してレジスト塗布−アライメント−
露光−化学プロセスの工程が複数回繰り返して行われる
。近年、半導体素子の集積密度が高まるに従って、上記
のりソゲラフイエ程中のアライメントと露光の工程に、
縮小投影型露光装置が多く用いられるようになって来た
。この縮小投影型露光装置においては、特に高い解像力
を有する投影レンズが要求され、その高解像力投影レン
ズによりフォトマスク（以下「レチクル」上に１０ｍｍ
角乃至２０１１角の露光フィールドで投影されて、ステ
ージ移動と露光とが繰り返し行われる。その際、迅速な
アライメント、露光、ステージ移動ばかりで無く、解像
力に見合う高いアライメント精度が要求される。

また、縮小投影型露光装置では、投影レンズを介して投
影露光された後、化学プロセスを経てウェハ上に形成さ
れたアライメントマークと次工程のレチクル」二のアラ
イメントマークとを露光ごとに合致させる、いわゆるダ
イ・パイ・ダイアライメントが行われる。この場合、収
差の補正された投影光学系を介して行われるレチクルと
・ウェハとのアライメントマークの重ね合−Ｉ！口、焼
付は露光と同時に確認できることが望ましい。しかしな
がら、投影レンズを介してアライメントを行う従来公知
のＴＴＬ式のアライメント光学系においては、そのアラ
イメント光学系の一部が露光用光路内に配置されている
ため、露光の際にはそのアライメント光学系の一部を露
光用照明光路外へ退避させねばならず、構造が複雑で、
しかも露光中はアライメント状況を確認できない欠点が
あった。

また従来、レチクルとウェハとの双方のアライメントマ
ークを照明するためのアライメント用照明光には、露光
波長に近い波長の光が多く用いられていた。そのため、
ウニハトのレジスト（感光剤）とアライメント波長との
関係で、次のような不具合が生じることが判明した。す
なわち、通常のレジストは、感光域が広く、露光波長近
辺でも感光性を有するため、プライメン１波長が露光波
長に近いとアライメント時にアライメントマーク上のレ
ジストが感光してしまい、工程ごとにアライメントマー
クを写し替える煩わしさが有る。そのため、アライメン
トマークの写替えによりアライメント精度を低下させる
一因となっていた。また、ウェハ」二のアライメントー
クークをレジスト越しに観察する際に、アライメント光
によるレジストの感光前後で、レジストの質的変化のた
め観察状況（主としてアライメントマークのコントラス
ト）が変化するため、アライメント検出信号が不安定と
なる欠点があった。さらに、露光波長で干渉条件により
無反射になるように設定された多層レジストや吸収層を
持つグイ入りレジストＣＥ　Ｌ（コントラスト、エンハ
ンスト、レイヤ）などでは、露光波長に近いアライメン
ト波長ではウェハ上のアライメントマーク観察が困難と
なる欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明は、上記従来装置の欠点を解決し、ウェハ上のレ
ジストに影響されることなく良好にアライメント信号が
検出でき、高精度で高スルーブツトが期待できる露光装
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、少なくとも２
つの異る波長の光に対して色収差補正され目、つレチク
ル上のパターンをウェハ上に投影する投影光学系と、そ
の２つの波長のうら、一方の波長の光をもってレチクル
上のパターンを照明する照明光学系と他方の波長の光を
もってレチクルとウェハとのアライメント状態を投影光
学系を通して検出するためのアライメント光学系とを設
けると共に、そのレチクルに対して投影光学系とは反対
側に、前記の２つの波長のうちいずれか一方を反射し他
方を透過させるダイクロイックミラー手段を設け、レチ
クルの照明とアライメントの検出とをそのダイクロイッ
クミラー手段を介して行う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〕

以下、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光学系の側面図で、第
２図は第１図に示す光学系の正面図である。

第１図において、図示されない光源から供給されてコノ
ンデンザーレンズ１を通った露光光束は、ダイクロイッ
クミラー２にて反射され、レチクル３」−のパターンを
均一に照明する。その露光光束によって照明されたレチ
クル３−Ｌのパターンは、投影レンズ４によりウェハ５
上に投影される。−・方、露光光束とは異なる波長の光
を発振する左右のアライメント照明光源１０．、．１０
Ｂからのレーザ光束は、第２図に示すように、半透過鏡
１１゜、ＩＩＲを透過した後、アライメント用第２対物
レンズ１２□、１２Ｂ１反射鏡１３１−１１３Ｒおよび
アライメント用第１対物レンズ、］　４Ｌ、　、Ｉ　４
Ｒを経て、収差補正板１５Ｌ、１５Ｒ１１６Ｉ、１６Ｒ
および１７１．１７Ｒを通過する。さらに、そのレーザ
光束は、後で詳しく述べられるダイクロイックミラー２
を透過した後、レチクル３上の左右のアライメントーク
ークｐ　ｌ、Ｐ　Ｒをそれぞれ照明する。またさらに、
アライメン「ン一りＩ）ＲｌＰｌ−を照明したアライメ
ント用の照明光中ζ、ｉ、色収差補正された投影レンズ
４により実質的絞り４ａの中心を通ってウェハ５七のア
ライメントマークＱＲ、Ｑｔをそれぞれ落１・１照明す
る。この絞り４ａは投影レンズ４の後側焦点位置にある
。

落射照明されたウェハ５上のアライメントマークＱＲ、
Ｑ＋　からのレーザ光束による反射光は、逆の光路を辿
って進み、レチクル３−ににウェハ５のアライメントマ
ークＱＲＸＱ１　の像を形成し、そのアライメントマー
クＱＲはレチクル３−にのアライメントマークＰＬと、
またアライメントマークＱＬＸＱ８レチクル３上のアラ
イメントマークＰ、とそれぞれ車ね合わされる。その重
ね合わされたレチクル３−１−のアライメンＩ・マーク
ｐ１、Ｐｈの（象とウェハ５−にのアライメントマーク
ＱＲ，，Ｑ１−の像とは、ダイク１」イックミラー２を
透過した後、収差補正板１７□、１７Ｒ１ｌＥｉ１．、
Ｉ〔ｉＲ１］５Ｉ、１５Ｒを透過し、アライメント用第
１対物レンズ１４．、］４．、反射鏡］　Ｌ　、］、３
Ｒ、アライメント用第２対物レンズ１２Ｌ、１２Ｒを通
過し、さらに、半透過鏡１１１．１１ＲにてＩＴＶ撮像
管（または撮像素子）１８Ｌ、１８Ｒの方へ転向され、
それぞれの受光面に結像される。

ところで、厚さを持った平行平面板を光が透過する場合
、その透過光が平行光束の場合には、単にその光束が横
ずれするだけで収差に影響を及ぼずことは無いが、その
透過光が収斂または発散光の場合には、非点収差とコマ
収差とに影響する。

そのため、レチクル３からアライメント用第１対物レン
ズ１４１．１４Ｒに向う光がアライメント光路中のダイ
クロイックミラー２を透過する際に、コマ収差と非点収
差とが発生ずる。そのため、ダイクロインクミラー２に
対して９０°傾斜して配置された収差補正板１７Ｌ、１
７．でコマ収差を補正し、アライメント光軸を中心にダ
イクロイックミラー２に対して９０°回転し、さらにア
ライメント光軸に対して等しい角度だけ逆向きに傾斜し
て配置された一対づつの収差補正板１６゜、■５Ｌ、１
６Ｒ，１５，で、非点収差を袖ＩＩ−するように構成さ
れている。プライメン１−光中の開１１敗（ＮＡ）が小
さい場合やダイクロイックミー７−２イツクミラー２に
対し収差補正板１５１．１６Ｌ、１５Ｒ，１６Ｒは、非
点収差の補正ト極めて重要となる。また、アライメント
方法として図示されないシリンドリカルレンズによりレ
ーザ光束を光軸に直交するスリット状に成型し、このス
リット状の光束でアライメントマークを走査して、アラ
イメンｉ・を行う方式の場合には、ダイクロイックミラ
ー２に対して収差補正板１７．、．１７Ｒはコマ収差補
正」二極めて重要である。

第３図は、第１図中に使用されているダイクロイックミ
ラー２の光学特性を示し、波長λ１の光を１００％反射
し、波長λ２の光に対しては、ミラー面に垂直な面内で
振動するＰ方向の偏光成分は１００％透過し、これに垂
直な面内で振動するＳ方向の偏光成分は１００％反射す
るように、そのダイクロイックミラー２は薄膜設計がな
されている。また、Ｓ方向の偏光成分が１００％透過す
る領域を超えて長い波長２３番ご対して４Ｊ、１００％
の透過光となる。この場合、投影レンズ４に対するレチ
クル３例の所定の開口ｉ１　（ＮＡ）の光束が均等にダ
イクロイックミラー２を反射または透過しなければなら
ない。

縮小投影型露光装置に用いられる投影レンズは、通常、
５乃至１０倍の縮小倍率を持つので、例えばウェハ側で
ＮＡ＝０．３５の投影レンズ４では、レチクル側で０．
０７乃至０．０３５のＮＡとなる。

そのため、ダイクロイックミラー２としては、露光波長
とアライメント波長のスペクトル半値中も考慮するとＮ
　Ａ　＝　０．１に相当する波長シフト範囲Δλの波長
の光に対して均一な特性を持つことが必要である。具体
的には、薄膜特性上ＮＡ＝０．１は約±３ｎｍの波長シ
フトに相当するため、第３図中で、波長λ１よりΔλ１
−±３ｎｍだけシフトした範囲の波長の光についてもほ
ぼ１００％反射し、また、波長λ３よりΔλ３−±３ｎ
ｍだけシフトし１ま た波長の光についてほぼ１００％ｉ３Ｊし、さらに、λ
１に近い波長λ２について（ＪΔλ２−±３ｎｍだけシ
フトした波長の光に対して、Ｐｈ向の偏光酸イックミラ
ー２では薄膜設計がなされる。

第４図乃至第６図は、第１図の実施例に使用されるそれ
ぞれ別の投影レンズ４の露光波長とアライメント波長と
に対する色収差補正状態を説明するための線図で、それ
ぞれ横軸に波長λ、縦軸に投影レンズ４の軸上色収差量
を示し、破線にて挾まれた部分ｄは色収差許容範囲を示
す。

第４図は、一つの極値を持つ２次曲線の軸上色収差状態
を示す通常の投影レンズに見られる色収差補正の状態を
示し、色収差許容範囲ｄ内に比較的広い半値＋１１　（
スペクトル幅）ｂを持った露光波長λ、と、レーザ光λ
２の７ライメント波長とが含まれている。本発明では、
これを１一括色消しタイプ」と呼ぶ。従来のｎ光装置な
どに組み込まれている通常のガラス素材を使用した投影
レンズ４では、色収差許容範囲が狭いため、露光波長λ
１とアライメント波長λ２とは、互いに近い第４図に示
すタイプのものが多く使用されている。この一括色消し
タイプの投影レンズ４に対し、ダイクロイックミラー２
を介して使用される露光波長λ１とアライメント波長λ
２との組合わせの例を第１表に示す。

第１表（一括色消タイフ） 代表的な露光波長λ、として１１ｇランプ（高圧水銀ラ
ンプ）のスペクトルの４３６ｎｍ、３６５ｎｍおよび３
］３ｎｍを選び、波長半値１目よ仕較的広いため、ここ
では一様に±２ｎｍとした。また、同じく露光波長λ１
として選んだエキシマレーザについては、ＸｅＣＥとＫ
ｒＦの仕較的半値１１１の広いものを±０．５ｎｍとし
ている。また、アライメント光などが選ばれる。また、
′アライメント波長λ２は露光波長λ１に近いので、ダ
イクロイックミラー２は、第３図の波長λ２にて示すよ
うに、Ｐ成分を透過し、Ｓ成分を反射する領域が使用さ
れる。

第５図は、第４図と同様に１つの極値を有する２次曲線
を示す軸上色収差を持つ投影レンズにおいて、その極値
０を挟む短波長側の波長λ１と長波長側の波長λ３に対
して色収差補正を行ったもので、ここでは、これを［狭
曹２色色消しタイプ」と呼ぶ。このタイプの投影レンズ
を露光装置に用いる場合には、露光波長λ１は極値０が
ら短波長側に大きく離れるので色収差許容範囲ｄ１が狭
いため、半値ＩＩＩの狭いエキシマレーザを露光用光源
として使用し、アライメンＩ・波長λ、とｔ−７では投
影レンズ４の設計により各種のものが選ばれる。

このように色収差補正された投影レンズに対し、ダイク
ロイックミラー２を介して使用される露光波長λ、とア
ライメント波長λ３との組合せの例を第２表に示す。

第２表（狭帯２色色消しタイプつ ｔｉ 上記第２表のエキシマレーザは、いずれもインジェクシ
ョンロッキング状ｆｌｕなど下（直中が狭いものが使用
される。なお、プライメン１波長λ３は露光波長λ１か
ら大きく離れているので、ダイクロインクミラー２の全
透過領域（第３図中でλ３の領域）で使用される。

上記のような一括色消しタイプでは、アライメント波長
には露光波長に近い波長しか使用できず、また、狭帯２
色色消ｄ イメント用共に波長幅の狭いレーザ光を必要とし、また
、複数のアライメント波長を用いることは不可能である
。しかし、投影レンズ４の構成要素の内に、螢石（Ｃａ
Ｆ’２）、弗化リチウ１．（１，ｉＦ）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うと、波長
を関数とする軸上色収差の振舞いを、第６図に示すよう
に、少なくとも２つの極値０１および０□を有する３次
曲線の状態にすることができる。

この第６図に示す軸上色収差曲線において横軸Ｘを短波
長側の極値Ｏ１にほぼ接するようにとると、波長λ１（
極値ＯＩにほぼ等しい波長）と、長波長側の極値０２を
超えた長波長域の波長λ３とに対して軸上色収差をＯ（
ゼロ）に補正することができる。この場合、極値０．の
近辺では色収差許容範囲内において波長幅を広くとるこ
とができるので、エキシマレーザは勿論、例えばｌ１ｇ
ランプ（超高圧水銀ランプ）のようなスペクトル幅の広
い光源の使用が可能となる。それ故、ここではこれを「
法曹２色色消しタイプ」と呼ぶ。また、極値０２を超え
た長波長域の波長λ、は、アライメント光として使用さ
れ、λ１よりわずかに長い波長λ２は露光用またはアラ
イメント用のいずれにも使用できる。上記のような広帯
２色色消しタイプの投影レンズ４に対して、ダイクロイ
ックミラー２を介して使用される露光波長λ１とアライ
ラン１〜波長λ２およびλ３の組合わせの例を第３表お
よび第４表に示す。

第３表鉱帯２色色消タイプ、共の１） 第３表は露光波長λ１としてＨｇランプのスペクトの４
３６ｎｍ、３６５ｒ＋ｍ、３１３ｎｍなどがスペクトル
幅±２ｎｍで用いられ、また、ＸｅＣ１，エキシマレー
ザは、波長２４９±０．５ｎｍ、、ＫｒＦエキシマレー
ザは波長２４９±０．５ｒ＋ｎ＋で用いられる。

また、アライメント光束としては、いずれも、第６図中
で長波長側の極値０２を超えた領域の波長λ３のみが用
いられ、ダイクロインクミラー２の第３図中で全透ｉ１
５領域（Ｓ成分も完全透過領域）で使用される。

さらに、法曹２色色消しタイプでは、第４表に示すよう
にアライメント波長として２波長選択も可能である。こ
の場合、ダイクロイックミラー２は、第３図中でλ２お
よびλ３にて示すように、露光波長入λ１に近いアライ
メント波長λ２についてはＰ成分を透過すると共にＳ成
分を反射するように構成され、露光波長λ、から遠いア
ライメント波長λ３について全透過させる。

第４表砿帯び２色色消しタイプ、其の２）レジスト（感
光剤）が塗布されたつ、ハに対してアライメンｉ・を行
う際、一方の波長では、レジストの厚さや屈折率などに
よる干渉条件で、ウェハ上のアライメントークークの検
出信号が得られなかったり、非常にノイズが多くなる場
合がある。

このような場合、アライメントに２つの異なる波長の光
を用いると、一つの波長で検出信号が不充分でも、他方
の波長で充分な検出信号が得られる場合が多く、検出能
力の向上が期待できる。

また、上記の第４表には記載されていないが、第６図に
おいて、露光の２つの波長（例えばλ。

と２２）を用い、アライメントを１つの波長（例えばλ
３）で行うことも可能である。この場合、１つの波長（
例えばλ１）で露光を行うと、ウェハ」二のパターンエ
ツジにレンズｉ・の」二面とウェハに面との双方の反射
光により定在波が生し、そのため微細なパターンの形成
に支障を来す恐れが有るが、露光を２波長（例えばλ１
、入２）にて行うと、その定在波を低減さ−υ″るごと
か可能なため、焼イ・１け線［１１のコントロールの向
上が期待できる。

上記の実施例においてはダイク１１イツクミラー２を平
行平面板で形成したが、これを直角プリスム２枚を貼り
合わせて、その斜辺が反口・１而となる〜１７Ｒ１！５
．〜１７．を削除できる。

一方、ダイクロイックミラーは、その特性として短波長
を反射し、長波長を透過するコー月月・ミラータイプの
ものが製作−Ｊ二有利である。また通常、アライメント
光束に高輝度レーザを使用すると、ノイズが少なく、検
出能力の高いアライメント光学系の構成が可能となるが
、その安定したレーザは、露光波長より長い波長を持っ
たものが多い。

そのため、第１図の実施例では、露光波長を反射し、ア
ライメント波長を透過するダイクロイックミラー２を採
用している。しかし、アライメント波長と露光波長との
組合せによっては、ダイクロイックミラー２の透過例に
露光光束、反射例にアライメント光束を選んでもよい。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、ダイクロイックミラーを介
して露光照明とアライメントとを行うように構成したか
ら、ウェハの焼（」ＬＪ露光時にも、露光フィール１−
近傍またはその内部に設けられたアライメントマークに
対して常時アライメントが可能となり、露光の都度アラ
イメント光学系の一部を照明光路外に退避させる必要が
無いから高いアライメント精度と高いスループットが実
現できる。また、投影レンズの色収差補正された波長を
明確に分別して、反射または透過させるようにダイクロ
イックミラーを構成したから、露光波長と大きく離れた
アライメン［波長は勿論、露光波長近辺の波長でもアラ
イメント波長として使用できるから、露光波長に吸収槽
を持つ多層レジストやダイ入りレジスト、ＣＥ　Ｌなど
に対してもＳＮ比の良好なアライメント信号が得られ、
検出能力の大１１な向−１−が実現できる。

【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の側面図で、第
２図は第１図に示す光学系の正面図、第３図は、第１し
１に示ずダイク１１イツクミラーの光学特性図、第４図
乃至第６図番」第１図に小Ａ投影レンズの種々の色収差
補正状態を示す説明図で、第４図は一括色消しタイプ、
第５図は狭幣２色色消しタイプ、第６図は広％！２色色
消しタイプを示す。 〔主要部分の符号の説明〕 ■−コンデンザーレンズ（照明光学系）３−　レチクル
、　　　　５−ウェハ ４−投影レンズ（投影光学系）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも２つの異なる波長について色収差補正
   され且つレチクル上のパターン像をウェハ上に形成する
   投影光学系と、前記２つの波長のうちの一方の波長の光
   をもって前記レチクル上のパターンを照明する照明光学
   系と、他方の波長の光をもって前記レチクルと前記ウェ
   ハとのアライメント状態を前記投影光学系を通して検出
   するためのアライメント光学系とを設けると共に、前記
   レチクルに対して前記投影光学系とは反対側に前記２つ
   の波長のうちいずれか一方を反射し、他方を透過させる
   ダイクロイックミラー手段を設け、前記レチクルの照明
   と前記アライメントの検出とを前記ダイクロイックミラ
   ー手段を介して行う如く構成し、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
   有するように異常分散を示す光学材料が用いられ、前記
   ダイクロイックミラー手段によって分別されて前記照明
   光学系を介して前記レチクルを照明する露光波長には、
   前記２つの極値のうちの短波長側の極値ないしその近辺
   の波長を用いる如く構成したことを特徴とする投影型露
   光装置。
2. （２）前記ダイクロイックミラー手段（２）は平行平面
   板にて形成され、前記アライメント光学系は前記ダイク
   ロイックミラー手段（２）を透過した光によるコマ収差
   と非点収差とを補正する収差補正手段（１５＿Ｌ〜１７
   ＿Ｌ、１５＿Ｒ〜１７＿Ｒ）を含むことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の投影型露光装置。