JPS63185024A - 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】

産業上の利用分野 本発明は、微細パターンを持つ装置時に１ミクロンもし
くはそれ以上のサブミクロ／のルールを持つ半導体装置
等の露光装置に関するものである。 従来の技術 半導体装置は最近ますます高密度化され、各々の素子の
微細パターンの寸法は１ミクロン以下に及んでいる。従
来からのＬＳＩ製造時のフォトマスクとＬＳＩウェハの
位置合わせは、ウェハに設けた位置合せマークを用いて
、ウェハを着装したステージの回転と２軸子行移動し、
フォトマスク上のマークとウェハ上のマークを重ね合わ
せることによって行なっていたが、その位置合わせ精度
は±０．３ミクロン程度であり、サブミクロンの素子を
形成する場合には、合わせ精度が悪く実用にならない。 また、Ｓ、オースチ／〔ムｐｐｌｉｅｄｐｈｙｓｉｃｓ
　Ｌｅｔｔｅｒｓ　（アプライド　フィシツクスレｊｌ
−ス）Ｖｏｌ　３１　Ａ７　　Ｆ、４２８．１９７７〕
らが示した干渉法を用いた位置合わせ方法では、第９図
で示したように、入射レーザビーム１を７嘱トマスク２
に入射させ、７オトマスク２上に形成した格子３で回折
し、この回折した光をもう一度、ウェハ４上に形成した
格子６によって回折することにより、回折光６，７．８
・・・・・・を得る。この回折光は、７オトマスクでの
回折次数とウェハでの回折次数の二値表示で表わすと、
回折光ｅは（０゜１）、回折光７は（１，１）、回折光
８は（−１゜２）・・・・・・で表わすことができる。 この回折光をレンズにより一点に集め光強度を測定する
。回折光は入射レーザビーム１に対して左右対称な位置
に光強度を持ち、フォトマスク２とウエノ・４との位置
合わせには、左右に観察された回折光の強度を一致させ
ることにより行なえる。この方法では位置合わせ精度は
、数１００人とされている。しかし、この方法において
は、フォトマスク２とウェハ４との位置合わせは、フォ
トマスク２とウェハ４との間隔りに大きく影響されるた
め、間隔りの精度を要求する。また、フォトマスク２と
ウェハ４を接近させ、間隔りの精度を保持した状態で位
置合わせする必要があシ、装置が複雑となるため、実用
に問題があった。 また、サブミクロ７線巾を持つ素子の位置合わせには、
素子からの二次電子放出による観察による方法があるが
、大気中での取シ扱いができないため、ＬＳＩを製造す
る上でのスループットが小さくなり実用上問題があった
。 また、第１０図に示した従来の例〔アイイイイトラ／ズ
　オ／　イーデ（ＩＩＥＩＣＫ、ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｉ
Ｅ、Ｄ）ＫＤ−２ｅ、４．ｖ９７４，７ｓ、ＧｉｊｓＢ
ｏｕｗｈｕｉｓ）では、２枚の”１＋”２のレンズ系で
示されたマイクロレンズのフーリエ変換面に、レーザビ
ームを入射しし／ズＬ２を介してウェハＷ上に形成され
た格子に対してビームｌを照明し、空間フィルタｓｙで
格子から回折される±１次光のみをし／ズ系Ｌ２＋Ｊを
通してレチクルＲ上に入射し、レチクルＲの近傍におい
て干渉縞を生成し、レチクルに設けた格子を通過する光
を光検出器り、ムＭＰで検出して、ウェハＷとレチクル
Ｒを位置合わせする構成が図示されている。第１０図の
構成においては、ウェハＷ上に形成した非対称の格子に
対しては位置を補正することができないと述べられてお
り、位置合わせマークの製造方法において、全ての工程
やマークで実現不可能であり実用化するに至っていない
。 発明が解決しようとする問題点 本発明はこのような従来からの問題に鑑み、微細パター
ンの位置合わせを大気中で、かつ、簡単な構成で行なえ
るＬＳＩのレチクルとウェハの正確かつ容易な位置合わ
せを可能とした露光装置を目的としている。 また、ウズハ上に形成した位置合わせ用の格子が非対象
であっても、その非対象性を検知して修正できる機能を
有する露光装置を提供することを目的としている。 問題点を解決するための手段 本発明は、高精度な位置合わせを投影露光装置において
実現するために、レチクル面上に形成された格子によっ
て波面分割された光束のうち、第ルンズのスペクトル面
で適当な第１の２光束を空間フィルターによって通過さ
せ、次に第２のレンズ系を通過させ、さらに、投影レン
ズによって基板上に投影する。基板上に設けた第２の格
子から回折された回折光を逆に投影レンズ中及び第２の
レンズ系を通過させ、第２の格子からの回折光とを互い
に干渉させ、干渉させたモアレ縞の光強度を光検出器に
より測定し、前記レチクル上の第１の格子と基板上の第
２の格子との相対位置を検出する。さらに、第２の２光
束を空間フィルターによって通過させ、基板上の第２の
格子から回折された回折光のモアレ縞光強度を前述の第
１の２光束によって得たモアレ縞光強度と比較すること
で高精度の位置合わせを実現するものである。 作用 従来位置合わせマークを形成する際の非対称性について
は補正することができず、位置合わせは、位置合わせマ
ークの非対称を含んだ状態で位置合わせされていたので
、合わせ誤差が大きかった。 本発明による上記手段を持つ露光装置は、位置合わせマ
ークの非対称性について補正が可能であり、よシ高い精
度の位置合わせを実現するものである。 実施例 本発明による光学系の実施例を第１図に示した。 光源１１から出た光（この図ではより鮮明な干渉性とよ
り深い焦点深度を得るために、レーザ光を想定した構成
になっているが、全体の光学系は白色干渉光学系であり
、水銀灯などのスペクトル光源でもよい。）を第１のし
／ズ系１６の入射瞳に対して入射する。 以下の説明では、本発明の原理を簡潔に述べるためにレ
チクルは平行光束によって照明され、第１及び第２のレ
ンズ系１５．１７は、フーリエ変換レンズとするが、必
らずしもフーリエ変換し／ズでなくてもよい。 光源１１と第１のフーリエ変換レンズ系１６との間にレ
チクル１４が配置され、レチクル１４の第１の格子１０
のパター７を２次光源として出た像を第１のフーリエ変
換し／ズ１６によって一旦集光し、さらに、第２のフー
リエ変換レンズ系１７を通してレチクル１４のパター／
の像をウェハ（半導体基板）１８に縮小投影光学系１９
を通して投影する。第１のフーリエ変換レンズ１６の後
側焦点面には、レチクル上の格子１０のパターンの回折
光（フーリエスペクトル）が空間的に分布しており、本
発明においては、このフーリエ変換面に空間フィルター
１６を配置してスペクトル面でフィルタリングし、レチ
クル１４上に形成された格子１ｏのパターンをスペクト
ル面でフィルタリングすることによってウェハ１８面上
に干渉縞２ｏを生成する。 半導体ウェハ１８上に形成した第２の格子２１からは、
回折光２２が回折され、縮小投影光学系１９及び第２の
レンズ１７を逆方向に戻り、空間フィルタ１６の位置に
配置されたミラーＭによって、光検出器２３に導かれる
。 以上がレチクル１４とウェハ１８の位置合せの光学系で
あるが、一方、レチクル１４の回路パターンは、投影用
光源１２及び照明光学系１３によって照明され、その投
影像は縮小投影光学系１９を通して、ウェハ１８上に結
像する。こうして通常の回路パターン露光用の光学系が
形成される。 以上のように本発明では、位置合わせ用光源及びその光
学系と露光用の光源及びその光学系を有しており、空間
フィルターを位置合わせ光学系に配置して使用し、合わ
せが完了後レチクル上の回路パターンの像がウェハ上に
縮小投影される。 第２図は本発明の露光装置に用いられるレチクルである
。第２図ａはレチクル１４の平面図であり、第２図すは
ａのムーム線断面図である。レチクル１４中には、回路
パター７部４２とその周辺部４３から成り、周辺部４３
のスクライプラインにあたる部分に第１図の第１の格子
１ｏに相当する位置合わせ用格子パターン４１．４１’
が形成されている。レチクル１４には入射光４４人射し
、第２図すに示すように、パター／４１内部では格子４
１パターンによって、０次、±１次、±２次・・・・・
・のように複数の回折光が回折される。パター７４１を
取シ巻くしゃ断部４３はクロムや酸化クロム等の膜で形
成されておシ、入射光４４を、位置合わせ用パターン４
１の内部のみ通過させている。 第２図の例においては、回折光を得るために振幅格子パ
ターン４１を用いているが、この格子は位相格子でもよ
く、入射光がななめから入射する場合にはエシェレット
格子でもよい。 第３図は本発明の露光装置の位置合わせ系の原理説明図
である。光源１１から出た波長λの光は、レチクル上の
格子４１を照明する。 第１フーリエ変換し／ズ１５の前側焦点ｆ、の位置Ｘ、
にレチクル１４上の位相格子パターン４１を配置する。 位相格子パターン４１のピッチＰ。 と回折光の回折角θ１は Ｐ、ｇｉｎ？Ｈ＝ｎλ（ｎ＝ｏ、±１．±２．・・・・
・・）の関係がある。このように複数の光束に回折され
た光は７−リエ変換し／ズ１５に入射し、さらに後側焦
点面に各々の回折光に相当するフーリエスペクトル像を
結ぶ。−次の回折光の７−リエスペクトルに対応する座
標ξ６１は ξ６１＝ｆ１ｓｉｎθ。 Ｐ１ａｉｎθ、；λ で示され、０次の回折光の７−リエスペクトルξ６０ ξｈａ　＝　ｆ　、　ｓｉｎθＯ＝Ｑ とは完全に分離された状態でフーリエ変換面に７−リエ
スペクトル像を結ぶ。第１図に示したようにこの７一リ
エ変換面上に空間フィルターｅを配置し、第４図に示し
たように格子パターン４１の０次訃よび±２次以上の回
折光を遮断し、±１次回折光と開ロバターンのスペクト
ル（ｏ次光成分を除く）を通過させる。この回折光は第
２７−リエ変換レンズ１７を通過し、さらにウェハ１８
Ｗ上に投影される。 ただし、第３図、第４図においては回路パターン露光用
の縮小投影し／ズ系１９を省略しである。 ウェハＷ上に投影された像は、レチクル上の開口部（パ
ターン４１）の像を大略結ぶとともに、格子パターン４
１の±１次光成分同志が干渉して新なピッチの干渉縞が
形成される。ここで干渉縞のピッチＰ２は・ λ で与えられる。このとき、第２フーリエ変換し／ズ１７
の前側焦点面に第１フーリエ変換レンズ１５のフーリエ
変換面を設定するので ｆ、ｓｉ、ｎθ、　＝　ｆ２ｇｉｎθ２＝ξ６゜の関係
がある。 第１及び第２７−リエ変換レンズ１５．１７、さらに、
縮小率ｍの縮小投影光学系を通した像の間には、 ・・・・・・・・・（１） の関係がある。よって、ウェハＷ上に生成される干渉縞
のピッチＰ２はｆ１＝ｆ２のときは−、レチクル上の格
子パターン４１の投影像のピッチの半分となる。格子４
１の投影像によって、ウェハＷ上に第２の格子Ｇを形成
し、この格子Ｇに対して、光束１１１と１１２の光をそ
れぞれ照射すると、波面分割する格子Ｇによってそれぞ
れ回折された光が得られる。また、２光束１１１．１１
２おウェハＷ上に同時に照射すると、干渉縞を生成し、
さらに、この場合ウェハＷ上の格子Ｇによって回折され
る光が各々干渉し、この干渉した光を光検出器りで検出
し、干渉縞と格子Ｇとの間の位置関係を示す光強度情報
が得られる。 第４図の光検知器り上での観測される光強度Ｉは Ｉ”ｕム２＋　ｕＢ２＋　ｕｌ”　ｅｕＢ　＋　ｕＡ・
ｕＢ”ただし、ｕＡ、　ｕＢは各々光束１１１．１１２
の振幅強度ｕ、ｄａ　、　ｕＢ＊は、共役複素振幅であ
る。 ＋Ｋｘ（ｇｉｎθＡ　−ｓ　ｉ　ｎθＢ）１（ただし、
ム、Ｂは定数、Ｎ：格子の数、δム、δＢは隣接した２
格子によって回折された光の間の光路差、Ｘは光束１１
１と光束１１２との干渉縞と格子との間の相対的位置関
係、θム、θＢは光束１１１及び１１２とウェハの垂線
とのなす角）として示される。 第５図に光束１１１と１１２の両方を同時にウェハの格
子Ｇに照射したときの回折光の光強度工の観測角度依存
性を示した。生成した干渉縞のピッチを１μｍ　、格子
Ｇのピッチを２μｍとした場合の図である。光強度の鋭
いピークが現われるのは光強度Ｉで示されているように
、干渉縞のピッチに対して格子Ｇのピッチが整数倍のと
きに限られている。そして、第６図において、観測角度
を一π／２〜π／２と変化させると９つのピークがあら
れれ、θ２のピークには、入射光１１１．１１２の０次
の回折光が重なる。θ４のピークは干渉縞と格子のピッ
チが等しい場合の１次の回折光のピークに相当する。θ
、〜θ５の各々のピークに干渉縞とウェハ上の格子Ｇと
の間の位置情報が含まれている。 各々のピークは、（−ｓ　、＋ｔｓ　）、　（−２，＋
４）＊・・・・・・（＋５．−３）の回折光の合成光強
度として観察される。 特に、（’＋＋’）の光が重なるθ、は回折光の光強度
が等しいため、検出するモアレ光のコノトラストが高い
。 ウェハ上に形成された位置合わせ格子の非対称形状は以
下のようにして、前記のモアレ光強度を測定することに
よって実現できる。２組の空間フィルターを用意し、第
１の組の空間フィルターによってレチクルの格子から回
折された±１次光を通過させたときのステージの合わせ
位置と第２の空間フィルターによって０次と１次光を通
過させたときのステージの合わせ位置との差を読み取り
、表面形状に対応した位置合わせを行えるようにする。 第６図に周期ｌの非対称形状の格子にレチクルから回折
された±１次光が入射した様子を示した。 第７図にはさらに、周期ｌの非対称形状の格子にレチク
ルから回折された＋１次及び０次光が入射した様子を示
した。 表面にある格子をαとし、底面にある格子をβとする。 格子βは、ｌ／２　の位置からずれ量Δだけずれた位置
にある。また、格子の深さをｄとする。 第６図において格子αの反射中心ム点から回折される光
と格子βの反射中心Ｂ点から回折される光の位相差を求
める。 左から入射する＋１次元Ｒ１に対して、回折光町。とＲ
１βとの位相差は距離ＦＩＥＢＯにあたる。 距離ＦＸＢＣ＝（−一Δ）ｓｓｉｎψ＋４（１＋ｏｏｓ
　ψ）右から入射する一１次光Ｒ２に対して回折光町。 とＲ′２βとの位相差は、距離ＨＧＢＣにあたる。 距離ＨＧＢＣ＝＝（−＋Δ）ｓｉｎψ−ｔ４（１＋ｃｏ
ｓψ）今、入射光Ｒ１とＲ２を同時に入射させ、回折光
Ｈ／、。Ｒ？βと回折光”２ａｓ町β　とを同時にモア
レ光として観察すると、七アレ光の光強度は位相差２Δ
ｇｉｎψ　だけずれた状態で変化する。 一方、第７図に示すように基板表面に対して左から入射
する＋１次光Ｒ１と垂直に入射する０次光ＢＳを照射し
た場合の格子から回折される光の位相差を求める。回折
した光は入射光で言えば一１次光の方向で検出する。 左から入射する＋１次光Ｒ１に対して、回折光Ｒ，％と
Ｒ＃ｌβとの位相差は、距離ＦＫＧＨにあたる。 距離ＦＸＧＨ＝（−−２Δ）ｓｉｎψ−１−２ａｃｏｓ
ψ垂直に入射する０次光Ｒ３に対して、回折光Ｒ３ｔと
ＲＺβ　との位相差は距離ＣｊＢＣｋＨにあたる。 距離ＣＢＧＨ＝（”−−Ｊ）ｓｉｎ＠＋ｄ（１＋ｏｏｓ
＠）今、入射光ＲとＲ５を同時に入射させて、回折光Ｒ
７ａ　、　Ｒ、？と回折光Ｒ，：、、　ＲＸ、とを同時
に検出し、モアレ光として観察するとモアレ光の光強度
は位相差−Δｓｉｎψ−ｄ（１−ｃｏｓψ）だけずれた
状態で変化する。 第６図で求めた２Δｓｉｎψと第７図で求めた一Δｇｉ
ｎψ−ｄ（１−ｏｏｓψ）での未知数は、Δのみ第８図
に示すようにステージの移動量に対応した光強度を測定
比較することで、この未知数Δは求まる。このΔに対応
した量ｒだけステージを移動し、位置合わせを完了する
。位置合わせが完了すると、投影用光源１２を用いて、
レチクル像を縮小投影光学系１９により投影し、レチク
ル上の回路パター／をウェハ上に形成する。 発明の効果 本発明により、干渉縞を媒介としてレチクル上にパター
７をウェハ上に高い精度で位置合わせし、さらに、ウェ
ハ上に形成した格子の形状を推定し、形状が非対称な場
合には位置の補正を行なって、より高い精度の位置合わ
せを行なうことができる。 ４、

【図上の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の露光装置の基本的な構成図
、第２図１はレチクルの概略平面図、第２図すは第２図
ａのムーム′線断面図、第３図は本発明の露光装置の位
置合わせ系の原理説明図、第４図は光強度の測定系の概
略図、第６図はクエハ度依存性を示す図、第６図および
第７図はレチクルからの回折光の様子を示す図、第８図
はステージの移動量と光強度の関係を示す図、第９図は
干渉法を用いた位置合わせ方法の概略図、第１０図は従
来の位置合わせ系の概略図である。 １０・・・・・・第１の格子、１１．１２・・・・・・
光源、１４・・・・・・レチクル、１５・・・・・・第
１のし／ズ系、１６・・・・・・空間フィルタ、１７・
・・・・・第２のレンズ系、１８・・・・・・ウェハ、
１９・・・・・・縮小投影光学系、２゜・・・・・・干
渉縞、２１・・・・・・第２の格子、２２・・・・・・
回折光。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 ＷＳ２図 ＬＧ） （ｂ） 第　３　図 ←ｈ　−＋−ｈ−÷−ｉｔ←ｆｚ← Ｒ１；１ｎ（ｉｔ　ｍス　　　Ｓ４ｆ　ｆｔ５ｊｎθｌ
１６図 第７図 第８図 ステージ移動量ＣＤｒｌ’ｌ） 第９図 第１０１１！ｉ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光源、照明光学系、レチクル、第１のレンズ系、空間フ
   ィルター、第２のレンズ系、縮小投影光学系、基板およ
   びこの基板を保持するステージ、光検出器を有し、前記
   レチクル面上に第１の格子が形成されており、前記光源
   から出た光束を照明光学系を通して前記レチクル面上の
   格子に入射させて前記光束を波面分割し、この波面分割
   された２組の２光束を前記基板上に設けた第２の格子に
   順次入射し、回折された光束を互いに干渉させ、干渉さ
   せた光束の光強度を前記光検出器により測定し、前記第
   １組の２光束の光強度変化と第２組の２光束の光強度変
   化を比較することにより、前記レチクル上の第１の格子
   と前記基板上の第２の格子とを位置合わせすることを特
   徴とする露光装置。