JP2002033277A - 投影露光装置及びそれを用いた半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スループットを低下させずに高精度のＴＴＬ
オートフォーカス機能を有した投影露光装置及びそれを
用いた半導体素子の製造方法を得ること。 【解決手段】 マスクのパターンをウエハに投影する投
影光学系の像面位置を検出し、この検出結果に応じて前
記ウエハに対してオートフォーカスを行なう投影露光装
置であって、環境変化に伴なう像面位置の変化量を演算
する演算手段を有し、像面位置の変化量が所定の値を超
えるまでは像面位置検出を実行せずに露光を行ない、該
所定の値を超えたときに前記像面位置の検出を行なう

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投影露光装置及び
それを用いた半導体素子の製造方法に関し、特に半導体
素子製造の分野において、半導体ウエハ表面にレチクル
の回路パターンを繰り返し縮小投影露光する際の自動ピ
ント調整機能、所謂オートフォーカス機能を有する、投
影露光装置及びそれを用いた半導体素子の製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子であるＬＳＩ素子、超
ＬＳＩ素子等の微細化、高集積化の要求により、投影露
光装置において高い解像力を有した結像（投影）光学系
が必要とされてきている。この為、結像光学系の高ＮＡ
化が進み、これに対して結像光学系の焦点深度が浅くな
りつつある。

【０００３】従って投影露光装置においては、ウエハ面
を焦点面に（投影光学系の像面）合致させるための有効
な高精度の自動焦点合わせ方法が重要なテーマとなって
いる。

【０００４】この種の投影露光装置では、投影光学系の
周囲温度変化、大気圧変化、投影光学系に照射される光
による投影光学系自身の温度上昇、あるいは投影光学系
を含む装置の発熱による温度上昇、などによりピント位
置（像面位置）が移動し、これを補正しなければならな
い。これを補正するための手段として、投影光学系を介
した光束を利用したＴＴＬオートフォーカスが知られて
いる。

【０００５】このＴＴＬオートフォーカスは、例えばレ
チクル面上のスリット状のマークをウエハ面上に投影光
学系を介して結像させ、このマーク像をスリットを介し
て受光手段で受光し、該受光手段からの信号を用いてベ
ストフォーカス状態、即ち合焦状態を検出している。そ
して該検出結果をウエハ面位置検出系にフィードバック
し、これよりウエハ面を所定位置に設定し合焦状態を得
ている。

【０００６】即ち、従来のＴＴＬオートフォーカスでは
レチクルの回路パターン以外の部分にＴＴＬオートフォ
ーカス用マークを形成し、レチクルをレチクルステージ
に装着した状態で照明手段からの露光光と同一の波長を
有する光をレチクルのＴＴＬオートフォーカス用マーク
に指向する。

【０００７】そしてレチクルを通過した光を投影光学系
を介してウエハステージ上に向け、ウエハステージに載
置したスリットを介して受光手段で受光する。そしてウ
エハステージを投影光学系の光軸方向に上下動させて受
光手段の位置を変化させ、ウエハ面位置検出系により、
この時の受光手段からの出力信号の重心に対応する受光
手段の位置を検出することによりこの位置を投影光学系
の最適フォーカス位置（最良像面位置）としている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】投影光学系の像面位置
を検出する際、受光手段の投影光学系の光軸方向の移動
範囲（検出範囲）は予め一定の範囲に定めている。この
とき例えば温度変化等による投影光学系のピント位置の
変化が大きく検出範囲を超えてしまうと検出不能となっ
てくる。この為、従来は多少広めの検出範囲を定めて、
この検出範囲内で受光手段を上下動させている。

【０００９】しかしながら投影光学系のピント位置変化
が小さい場合にはＴＴＬオートフォーカスにおける信号
の検出を無駄な領域で行うことになり、スループットを
低下させるという問題点があった。また、従来は、ＴＴ
Ｌオートフォーカスによる像面位置の検出が自動化され
ておらず、ユーザーにとって使いづらい装置となってい
る。

【００１０】本発明はＴＴＬオートフォーカスによる像
面位置検出の際の上記理由によるスループットの低下を
なくすことができる投影露光装置及びそれを用いた半導
体素子の製造方法の提供を目的とする。

【００１１】また本発明は、ＴＴＬオートフォーカスに
よる像面位置の検出を行なうが、使い易い投影露光装置
及びそれを用いた半導体素子の製造方法の提供を目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の投影露
光装置は、マスクのパターンをウエハに投影する投影光
学系の像面位置を検出し、この検出結果に応じて前記ウ
エハに対してオートフォーカスを行なう投影露光装置で
あって、環境変化に伴なう像面位置の変化量を演算する
演算手段を有し、像面位置の変化量が所定の値を越える
までは像面位置検出を実行せずに露光を行ない、該所定
の値を超えたときに前記像面位置の検出を行なうことを
特徴としている。

【００１３】請求項２の発明は請求項１の発明において
前記投影光学系と露光光により、あるパターンの像を像
面位置検出部材上に投影し、前記像面位置検出部材を前
記投影光学系の像面位置を検出するために変化させるフ
ォーカス計測位置を中心に前記投影光学系の光軸方向に
上下動させ、該像面位置検出部材の光軸方向の各位置に
おける検出信号の大きさに基いて前記投影光学系の前記
像面位置を検出することを特徴としている。

【００１４】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記環境変化は、前記投影光学系の光照射に
伴う温度変化を含むこと特徴としている。

【００１５】請求項４の発明の半導体素子の製造方法は
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の投影露光装置
によって前記マスクの回路パターンをウエハに投影する
段階を有することを特徴としている。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の投影露光装置の要
部概略図である。

【００１７】同図において１は原板としてのレチクル
（マスク）であり、レチクルステージ２に保持されてい
る。レチクル１上の回路パターンが投影光学系（縮小投
影レンズ３）によって、保持手段としてのＸＹＺステー
ジ４上のウエハ５上のフォトレジスト面に１／５に縮小
されて結像し、露光が行われる。

【００１８】図１では、ウエハ５に隣接する位置に、ウ
エハ５の上面とその面の高さが略一致している基準平面
（基準マーク）６が配置されている。基準マーク６はス
リット開口６ｃを有し、その開口部６ｃの中には受光素
子６ｂが設けられており、これらの各要素は受光手段６
ａの一部を構成している。

【００１９】又、ＸＹＺステージ４はステージ駆動装置
により、縮小投影レンズ３の光軸方向（Ｚ方向）及びこ
の方向に直交する面内（ｘ−ｙ面）で移動可能であり、
光軸のまわりに回転させることもできる。ウエハに回路
パターンを転写する時、レチクル１は照明光学系７によ
って回路パターンの転写が行われる画面領域内を照明さ
れる。

【００２０】８は投光光学系、９は検出光学系であり、
これら光学系８，９はウエハ５の投影光学系３の光軸方
向の位置を検出するウエハ位置検出手段（面位置検出光
学系）を構成している。投光光学系８からは複数個の光
束を投光している。この投光光学系８より投光される各
光束は非露光光から成り、ウエハ５上のフォトレジスト
を感光させない光より成っている。そしてこの複数の光
束は基準平面（基準マーク）６上（あるいはウエハ５の
上面）に各々集光されて反射される。

【００２１】基準マーク６で反射された光束は、検出光
学系９内に入射する。図示は略したが、検出光学系９内
には各反射光束に対応させて複数個の位置検出用の受光
素子が配置されており、各位置検出用の受光素子の受光
面と基準マーク６上での各光束の反射点が検出光学系９
内の光学系によりほぼ共役となる様に構成されている。
基準マーク６の、縮小投影レンズ３の光軸３ｂ方向の位
置ずれは、検出光学系９内の位置検出用の受光素子上で
の入射光束の位置ずれとして計測される。

【００２２】この検出光学系９により計測された基準マ
ーク６の所定の基準面６よりの位置ずれは、位置検出用
の受光素子からの出力信号に基づいて面位置検出系１０
により面位置として算出され、これに対する信号が信号
線を介してオートフォーカス制御系１１に入力される。

【００２３】オートフォーカス制御系１１は、基準マー
ク６が固設されたＸＹＺステージ４を駆動するための駆
動手段としてのステージ駆動装置１２に信号線を介して
指令信号を与える。又、後述する方法のＴＴＬで投影レ
ンズ３のフォーカス位置を検知する時には、オートフォ
ーカス制御系１１によりステージ駆動装置１２に指令を
与え、基準マーク６が後述する演算手段２０で演算され
た所定の基準位置の近傍で投影レンズ３の光軸方向（Ｚ
方向）に上下に変位する様にＸＹＺステージを駆動す
る。

【００２４】本実施例ではレチクル１の投影レンズ３に
よる像面位置（ピント位置）である投影レンズ３のフォ
ーカス位置を、ＴＴＬオートフォーカス方式で投影レン
ズ３を介した光で検出する。このときレチクル１面上の
オートフォーカス用の合焦用マーク２５を照明する照明
光学系は次のような構成より成っている。

【００２５】露光用の照明光学系７から露光光と同一波
長の光の一部は検出ビームとして光ファイバー１３でコ
リメータレンズ１５に導光され、開口絞り１６を照射す
る。開口絞り１６は照明光学系７の２次放射源の形状に
応じた形状及び大きさと成っている。

【００２６】１４は光量制御用ＮＤフィルターであり、
開口絞り１６に応じて、光量が一定となるように設定し
ている。開口絞り１６からの光は偏光ビームスプリッタ
ー１７によって、λ／４板１８，対物レンズ１９，ミラ
ーＭ１を順次通ってレチクル１を照明するＳ偏光光と、
集光レンズ２２を介して基準光量検出系の受光素子２３
に入射するＰ偏光光とに分離される。

【００２７】レチクル１を照明する光は、開口絞り１６
の形状及び大きさにより照明光学系７の露光時のＮＡと
同じＮＡの光となるように設定している。これによりＴ
ＴＬオートフォーカス時の投影光学系３の使用態様が露
光時と同じになるようにしている。受光素子２３からの
信号は基準光量検出系２４に送られ、これにより照明光
学系７から放射された光束の基準量を求めている。

【００２８】２０は演算手段であり、露光開始により投
影光学系３の温度が上昇し、投影光学系３の像面位置
（ピント位置）が経時変化と共に変化する変化量をメモ
リＭに格納したデータを基準に演算し求めている。そし
て演算手段２０で求めた像面位置を仮りの像面位置と
し、この仮りの像面位置を中心にステージ駆動装置１２
は基準マーク６（ＸＹＺステージ４）を光軸方向に上下
動させている。このように仮の像面位置は像面位置を検
出するために変化させるフォーカス計測位置となってい
る。

【００２９】次に、縮小投影レンズ３の像面位置である
フォーカス位置の検出処理について説明する。

【００３０】図２，図３は図１の一部分の概略図であ
る。図２，図３において１はレチクル、２６はレチクル
１上に形成されたパターン部で遮光性をもっている。ま
た２７はパターン部２６に挟まれた透光部である。この
パターン部２６と透光部２７により合焦用マーク２５を
構成している。

【００３１】ここで縮小投影レンズ３のフォーカス位置
（像面位置）の検出を行う時には、前述したようにＸＹ
Ｚステージ４が演算手段２０により求めた仮りの像面位
置を中心に縮小投影レンズ３の光軸方向に往復的に移動
する。基準マーク６は、縮小投影レンズ３の真下に位置
付けられており、レチクル１のパターン部２６と透光部
２７はオートフォーカス用照明光学系により照明されて
いる。

【００３２】次に基準マーク６が縮小投影レンズ８のピ
ント面にある場合について図２を用いて説明する。レチ
クル１上の透光部２７を通った光は、縮小投影レンズ３
を介して基準平面マーク６上に集光し、全部の光束が基
準マーク６のスリット部６ｃを透過し、受光素子６ｂに
よる受光光量が最大になる。

【００３３】次に基準マーク６が縮小投影レンズ３のピ
ント面よりずれた位置にある場合について図３を用いて
説明する。レチクル１上のパターン部２６の透光部２７
を通った光は、縮小投影レンズ３を介し、基準マーク６
は縮小投影レンズ３のピント面にないので光は広がった
光束として基準マーク６上に達する。

【００３４】この時、光は基準マーク６上のスリット６
ｃによって一部の光がけられを生じ、全部の光束がスリ
ット６ｃを透過することはできない。即ちピント面に合
致した時とそうでない時にはスリット６ｃを通して受光
素子６ｂによる受光光量に差が生じる。

【００３５】次に基準マーク６の下方の受光素子６ｂか
らの信号出力を用いて縮小投影レンズ３のフォーカス位
置（像面位置）を検出する方法について説明する。

【００３６】ステージ駆動装置１２により、像面位置検
出部材としての基準マーク６を搭載したＸＹＺステージ
４を縮小投影レンズ３の光軸方向に、演算手段２０で求
めた仮りの像面位置である零点を中心に駆動させる。

【００３７】この時は、面位置検出系１０で基準マーク
６の複数箇所の光軸方向に関する位置がモニターされ
る。この複数箇所の中で焦点面検出系２１により合焦用
マーク２５の像が投影される位置の近傍の計測値をｚと
して基準マーク６の位置を代表させる。基準マーク６の
受光素子６ｂで受光した時に焦点面検出系２１から得ら
れる信号出力とこのｚの関係を図４に示す。

【００３８】さて基準マーク６が縮小投影レンズ３のピ
ント面（像面）に位置した場合に、焦点面検出系２１の
出力はピーク値を示す。この時の面位置検出系１０の値
ｚ０をもってして縮小投影レンズ３を用いてウエハ５に
露光を行う際の投影光学系３のフォーカス位置とする。

【００３９】このようにして決まった投影レンズ３のフ
ォーカス位置はオートフォーカス検出系の基準位置とな
る。実際のウエハの焼き付け最良位置はこの基準位置か
らウエハの塗布厚や段差量等の値を考慮した分だけオフ
セットを与えた値となる。

【００４０】図４の信号出力を用いたピント位置ｚ０の
検出方法は以下の手法が適用可能である。

【００４１】（イ）光量出力の最大値となるオートフォ
ーカス計測値ｚ０をピント位置とする。

【００４２】（ロ）ピーク出力に対してある割合のスラ
イスレベル２２０を設定し、このスライスレベル２２０
の出力を示す時のオートフォーカス計測値ｚ１，ｚ２を
知ることによりピント位置を

【００４３】

【数１】

【００４４】とする。

【００４５】（ハ）光量出力（ｆｉ）およびオートフォ
ーカス計測値（ｚｉ）に対して重心処理を行い、ピント
位置を

【００４６】

【数２】

【００４７】（ニ）光量出力（ｆｉ）およびオートフォ
ーカス計測値（ｚｉ）に対して２次関数近似（ｙ＝ａｘ
・ｘ＋ｂｘ＋ｃ）を行い、ピント位置を

【００４８】

【数３】

【００４９】とする。

【００５０】従来のＴＴＬオートフォーカス方式では予
め設定した零点を中心に基準マークを上下動させてい
た。この為、例えば図５に示すように面位置検出系１０
の零点が実際のフォーカス位置（像面位置）との差が大
きい場合にはスライスレベル２２０を設定しても焦点面
検出系２１から対称である出力信号が得られない為、検
出範囲を越えてしまい焦点検出の精度を低下させてしま
う。

【００５１】そこで本実施例では前述したように、まず
演算手段２０で投影光学系３のピント位置を環境変化に
伴う要素を考慮して演算で求めている。そして演算で求
めたピント位置を仮りの像面位置としてこの仮りの像面
位置を中心にステージ駆動装置１２により基準マーク６
（ＸＹＺステージ４）を上下動させている。これにより
無駄な領域でのオートフォーカス検出を排除してスルー
プットの向上を図っている。

【００５２】次に本実施例において投影レンズ３の像面
位置検出を行うまでの具体的な過程を図６に、又図７に
ウエハ１枚毎に縮小投影レンズ３の像面位置検出を行う
フローチャートを示す。

【００５３】図８は演算手段２０による投影レンズ３の
ピント位置の変化量ΔＦを演算する信号の回路図であ
る。

【００５４】図７のフローチャートにおいてはまず、初
期値として現在のピント位置をΔＦ０として設定し（７
０１）ウエハを供給する（７０２）。次に露光を行い
（７０３）、演算手段であるマイクロプロセッサ２０は
縮小投影レンズ３の焼き付け光照射による経時的なピン
ト変化量ΔＦを図８に示すようにΔＦ＝Ｋ・τ・Ｅ・ｔ
０／ｔの計算式で演算を行う。

【００５５】ここでＫは縮小投影レンズ３の固有ピント
変化係数、τはレチクル１の透過率、Ｅは露光用照明系
７からの単位時間当たりの照射光量、ｔ０はシャッタの
開放時間、ｔは露光間隔時間合計である。

【００５６】尚、縮小投影レンズ３のピント変化係数Ｋ
は一つの投影レンズについて実験で測定すれば、同じ投
影レンズを組み込んだ装置では同じＫを使用できる。演
算手段２０は上述のΔＦに関する条件式とピント変化係
数Ｋを記憶装置Ｍに予め記憶させておく。他方、演算手
段２０はシャッタ開放と露光時間が生じる度にそれぞれ
を別に積算し、記憶装置Ｍへ露光履歴ｔ０／ｔとして記
憶する。そしてＫ・τ・Ｅ・ｔ０／ｔに基づいた演算に
よりΔＦの値を算出する。このΔＦの値はステージ駆動
装置１２へ入力される（７０４）。

【００５７】次にウエハ５を回収し（７０５）、前回Ｔ
ＴＬオートフォーカス計測時の演算によるピント変化量
ΔＦ０と今回ＴＴＬオートフォーカス計測時のピント変
化量ΔＦの差がεより大きければ（７０６）、ＴＴＬオ
ートフォーカスによる検出を行い（７０７）、その時の
ピント変化量ΔＦをΔＦ０としてメモリーする（７０
８）。

【００５８】本実施例では以上のようにして投影レンズ
３のピント面にウエハ５が位置するようにして、レチク
ル１面上の回路パターンを投影レンズ３によりウエハ５
面上のレジストに投影露光している。これにより半導体
素子を製造しいる。

【００５９】尚、本発明に係るＴＴＬオートフォーカス
方式は、例えば投影レンズを通して画像のコントラスト
を検出する方式、スリットを投影して再びそのスリット
を通して光量を検出する方式、画像のずれを検出する方
式等、種々のフォーカス方式が適用可能である。

【００６０】

【発明の効果】本発明によればＴＴＬオートフォーカス
による像面位置検出の時の従来方式によるスループット
の低下をなくすことができる投影露光装置及びそれを用
いた半導体素子の製造方法を達成することができる。

【００６１】また本発明によれば、使い易いＴＴＬオー
トフォーカスによる像面位置検出機能をもつ投影露光装
置及びそれを用いた半導体素子の製造方法を達成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部概略図

【図２】 図１の一部分の説明図

【図３】 図１の一部分の説明図

【図４】 本発明に係る焦点面検出系からの出力信号
の説明図

【図５】 本発明に係る焦点面検出系からの出力信号
の説明図

【図６】 本発明に係る焦点面検出処理のフローチャ
ート

【図７】 本発明に係る焦点面検出処理から露光に至
るまでのシークエンスの説明図

【図８】 本発明に係る演算手段によるピント位置変
化を演算する信号の回路説明図

【符号の説明】

１ レチクル（フォトマスク） ３ 投影光学系 ４ ＸＹＺステージ ５ ウエハ ６ａ 受光手段 ７ 照明光学系 ８ 投光光学系 ９ 検出光学系 １０ 面位置検出系 １１ オートフォーカス制御系 １２ ステージ駆動装置 ２０ 演算手段 ２１ 焦点面検出系 ２５ 合焦用マーク

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスクのパターンをウエハに投影する投
   影光学系の像面位置を検出し、この検出結果に応じて前
   記ウエハに対してオートフォーカスを行なう投影露光装
   置であって、環境変化に伴なう像面位置の変化量を演算
   する演算手段を有し、像面位置の変化量が所定の値を超
   えるまでは像面位置検出を実行せずに露光を行ない、該
   所定の値を超えたときに前記像面位置の検出を行なうこ
   とを特徴とする投影露光装置。
2. 【請求項２】 前記投影光学系と露光光により、あるパ
   ターンの像を像面位置検出部材上に投影し、前記像面位
   置検出部材を前記投影光学系の像面位置を検出するため
   に変化させるフォーカス計測位置を中心に前記投影光学
   系の光軸方向に上下動させ、該像面位置検出部材の光軸
   方向の各位置における検出信号の大きさに基いて前記投
   影光学系の前記像面位置を検出することを特徴とする請
   求項１に記載の投影露光装置。
3. 【請求項３】 前記環境変化は、前記投影光学系の光照
   射に伴う温度変化を含むことを特徴とする請求項１又は
   ２に記載の投影露光装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
   の投影露光装置によって前記マスクの回路パターンをウ
   エハに投影する段階を有することを特徴とする半導体素
   子の製造方法。