JP3658378B2 - Projection exposure apparatus and position detection apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は投影露光装置及び位置検出装置に関するものであり、特に半導体ICやLSIを製造する際に、レチクル面上のパターンをウエハに投影するときにレチクルやウエハ等の物体の位置情報を該物体の像を観察することによって高精度に検出し、該検出した位置情報に基づいて物体の位置合わせを行う際に好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子の製造技術の進展は近年ますます速度を増しており、それに伴って微細加工技術の進展も著しいものがある。特にその中心をなすレチクル面上のパターンをウエハに投影する投影露光装置を用いた光加工技術は1MDRAMを境にサブミクロンの領域に及んでいる。
【0003】
投影パターン像の解像力を向上させる手段として投影露光装置に対して過去より行われてきた方法に露光光の波長を固定して投影光学系のNAを大きくしていく手法や、露光波長をg線からi線、さらにはエキシマレ−ザの発振波長というようにより短波長化していく手法がある。また最近では位相シフトマスクや変形照明等により、光露光による光加工の限界を広げる試みが行われている。
【0004】
一方、解像力の向上に伴って、投影露光装置においてウエハとレチクルとを相対的に位置合わせするアライメントについても高精度化が必要とされている。半導体素子製造用の投影露光装置は露光装置と同時に位置検出装置としての機能も必要となっている。
【0005】
図3は従来の半導体素子製造用の投影露光装置におけるアライメント用の位置検出系の構成を示したものである。ウエハ4の表面内に図に示したようにx、y軸を取るが、投影露光装置の位置検出系はx及びy方向が同様なので、ここではy方向の計測について説明する。ここで位置検出光学系(位置検出系)とは光源から検出に到るまでの全ての光学系を総称した名称とする。
【0006】
不図示のHe−Neレ−ザ−等の光源から出射した光は、ファイバ−12を通して照明光学系11に導かれる。光は偏光ビ−ムスプリッタ10により紙面に垂直なS偏光成分が反射され、λ/4板7を透過して円偏光に変換される。その後、光は結像光学系6、5、ミラー30、投影露光光学系1を介し、xyz方向に駆動可能なステ−ジ2の上に置かれたウエハ4上に作成されたマ−ク(アライメントマーク)31をケ−ラ−照明する。マ−ク31からの反射光、あるいは散乱光は再び投影露光光学系1、ミラー30、結像光学系5、6を通過した後、λ/4板7を経て今度は紙面内成分であるP偏光に変換される。P偏光に変換されたため、光は偏光ビ−ムスプリッタ10を透過し、結像レンズ8によってCCDカメラ等の光電変換素子9上に前記マ−ク31の像を結像する。該光電変換素子9で検出されたマーク像の信号は画像処理されてマ−ク31の位置が高精度で検出され、該検出値からステ−ジ2を駆動してウエハ4の位置合わせを行っている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
図3に示す従来の位置検出系では位置検出精度を低下させるいくつかの問題点が存在している。
【0008】
第1に挙げられるのは検出波長に伴う問題である。このような位置検出系ではアライメント用の光源として、マーク像の検出時の露光を防ぐため非露光光を用いている。投影露光光学系1は露光波長に対して諸収差が最適化されているため、非露光光の波長では収差が発生し、また製造誤差による影響もあって位置検出時に計測誤差を発生させる要因となる。
【0009】
第2の要因はケ−ラ−照明に関する問題である。該照明法において照明をσ=0 で使用するのは、光量や結像時における空間周波数のカットオフの問題があるため実用上困難で、一般には有限の大きさの発光面を持った光源が用いられる。例えば実際にはレ−ザ−光源からの光をファイバ−で照明系に導光したり、ランプそのものを光源として用いたりしている。
【0010】
σがゼロでないため位置検出面のウエハ面では光軸に対してある角度を持った照明光が存在する。ケ−ラ−照明は検出面を一様に照明する手法であるが、検出光学系の瞳面の分布である有効光源の一様性まで保証するものではない。従って有効発光面の光強度分布がマ−クの計測方向に対して対称でない場合、即ち検出面に対する照明光の入射角分布が非対称な場合、観察されるマーク像の光強度分布が対称に照明されたものと異なり、計測誤差を発生させるという問題を生じる。
【0011】
図4(a)はy方向の計測マ−ク31の鳥瞰図、図4(b)は該マ−クをx方向から見た断面図、図4(c)は観察される信号波形を示す。
【0012】
有効発光面の光強度分布は光源の発光強度分布と等価なので、検出面では該発光領域の強度に依存した入射角度の強度分布を生じる。図4で32aをマ−ク31に対して垂直に入射する光、32bと32cをそれぞれ垂直方向に対して角度が等しいが方向の異なる方向からの入射光とし、段差構造を持ったマ−ク31を照明して位置検出を行うケ−スを考える。図に示すように斜方向から入射する光32bの照明光強度が、斜方向から入射する光32cの照明光強度より弱いとすると、マ−ク31を検出する場合、マ−クエッジ部の散乱光強度に差が発生し正確な位置検出ができないという問題が発生してくる。簡単のためマ−ク31の断面形状が完全に対称と仮定すれば、マ−クエッジからの散乱光の干渉条件の差は考慮しなくてよいが、このように理想的な場合でも、光32cの方が光32bよりも強度が強ければマ−クエッジ部での光の散乱の様子が異なり、得られるマ−クの画像信号は図4(c)に見られるように非対称となる。即ち、マ−ク自体が対称であるにもかかわらず、照明条件が非対称だと検出する画像信号の波形が歪んでしまい、正確なマ−ク位置の検出が困難となる。勿論、光32bと光32cの強度が等しければ対称性より、波形は完全に対称な形となる。
【0013】
実際の信号の非対称性はマ−ク段差の構造の違いや、レジスト等の半導体製造工程の違いによっても生じる。また、エッジの散乱特性は入射光の強度に比例したり、反比例したりと千差万別な様相を示して信号の非対称性の発生を複雑化させる。しかしながら、装置自身としてはまず測定方向における照明光の入射角強度の非対称性によるマ−クの計測誤差を取り除くのが重要である。
【0014】
このような現象を解決する方法としては位置検出系の瞳面や像面に拡散板等のフィルタを配置し、光強度分布及び角度分布の均一化を図っている。ところがこのように拡散板を用いると光強度の均一度に反比例して物体面での光量の減少を引き起こし、半導体素子の製造工程によってアライメントマ−クの検出が困難になる場合がある。本発明は上記の点及び幾つかの実験を通して判明した事実を考慮し、投影露光光学系も含む位置検出光学系の諸収差を除去するよう、該位置検出光学系の照明条件を最適化し、位置検出精度の向上を図り、高集積度の半導体素子を製造する際に好適な投影露光装置及び位置検出装置の提供を目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記説明したように位置検出装置の位置検出光学系の瞳面に当たる像面のフ−リエ変換面の一次元、あるいは二次元の光強度分布は、検出対象物体のマ−クをケ−ラ−照明する光の角度特性に対応する。そして該角度特性によって検出するべきマ−クの画像信号は影響を受ける。投影露光光学系を含む位置検出光学系が検出光に対して無収差の場合、検出される画像信号を対称にするためには、照明光の角度特性がマ−クの中心に対して対称になるようにすればよい。つまり、瞳面での光強度分布を光軸に対して対称になるようにすることが必要となる。なおここでの瞳面強度に要求される対称性はマ−クの計測方向に関するものである。
【0016】
更に発明者の実験によれば、検出されるマ−クの画像信号が特に光強度分布の重心位置に依存して顕著に変化することが確認された。投影露光光学系を含む位置検出光学系自体に収差が存在する場合、これらの影響によるマ−クの画像信号の非対称性は瞳面の光学重心の調整によってキャンセルできること、及びこの光学重心の変化に対して信号が敏感に反応する構造のマ−クのあることも発明者によって確認された。本発明は以上の点を考慮してなされたもので、位置検出光学系を光学重心の調整可能な照明系で構成し、ある特定の画像信号を観察して照明条件を最適化することで、マ−クの位置検出精度の向上を図ったことを特徴としている。
【0017】
次に具体的に各請求項の発明の構成を示す。
【0018】
請求項1の発明の投影露光装置は光電変換素子と、光源からの光で被検物体を照明し、該被検物体からの反射光を前記光電変換素子上に結像する位置検出光学系とを有し、前記光電変換素子で検出された画像信号に基づいて前記被検物体の位置を検出し、検出された前記被検物体の位置によりウエハの位置合わせを行う投影露光装置であって、前記位置検出光学系が収差を有しており、前記被検物体の画像信号の、前記収差による非対称性を打ち消す方向に作用するように、前記被検物体を照明する光の前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が設定されていることを特徴としている。
【0019】
請求項2の発明は請求項1の発明において前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【0020】
請求項3の発明は請求項1又は2の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【0021】
請求項4の発明は請求項1乃至3のいずれか1項の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面を偏心調整する手段を有していることを特徴としている。
【0022】
請求項5の発明は請求項1乃至4のいずれか1項の発明において前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、該開口又は空間フィルタが前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【0023】
請求項6の発明は請求項1乃至5のいずれか1項の発明において前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、前記開口又は前記空間フィルタを駆動する駆動装置を有することを特徴としている。
【0024】
請求項7の発明は請求項1乃至6のいずれか1項の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーと、前記光ファイバーの光出射側の端面の像が形成される位置に設けられた、前記端面の像よりも小さい開口部を有する開口とを有することを特徴としている。
【0025】
請求項8の発明は請求項7の発明において前記開口は前記位置検出光学系のσを1以下とする開口であることを特徴としている。
【0026】
請求項9の発明は請求項7又は8の発明において前記開口の最適移動量を算出する演算処理装置と、該演算処理装置による算出値に従い前記開口を駆動する駆動装置を有することを特徴としている。
【0027】
請求項10の発明は請求項1乃至9のいずれか1項の発明において前記位置検出光学系は、TTLの位置検出光学系であることを特徴としている。
【0028】
請求項11の発明は請求項1乃至9のいずれか1項の発明において前記位置検出光学系は、TTRの位置検出光学系であることを特徴としている。
【0029】
請求項12の発明は請求項1乃至9のいずれか1項の発明において前記位置検出光学系は、オフアクシスの位置検出光学系であることを特徴としている。
【0030】
請求項13の位置検出装置は発明は光電変換素子と、光源からの光で被検物体を照明し、該被検物体からの反射光を前記光電変換素子上に結像する位置検出光学系とを有し、前記光電変換素子で検出された画像信号に基づいて前記被検物体の位置を検出する位置検出装置であって、前記位置検出光学系が収差を有しており、前記被検物体の画像信号の、前記収差による非対称性を打ち消す方向に作用するように、前記被検物体を照明する光の前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が設定されていることを特徴としている。
【0031】
請求項14の発明は請求項13の発明において前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【0032】
請求項15の発明は請求項13又は14の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【0033】
請求項16の発明は請求項13乃至15のいずれか1項の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面を偏心調整する手段を有していることを特徴としている。
【0034】
請求項17の発明は請求項13乃至16のいずれか1項の発明において前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、該開口又は空間フィルタが前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【0035】
請求項18の発明は請求項13乃至17のいずれか1項の発明において前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、前記開口又は前記空間フィルタを駆動する駆動装置を有することを特徴としている。
【0036】
請求項19の発明は請求項13乃至18のいずれか1項の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーと、前記光ファイバーの光出射側の端面の像が形成される位置に、前記端面の像よりも小さい開口部を有する開口とを有することを特徴としている。
【0037】
請求項20の発明は請求項19の発明において前記開口は前記位置検出光学系のσを1以下とする開口であることを特徴としている。
【0038】
請求項21の発明は請求項19又は20の発明において前記開口の最適移動量を算出する演算処理装置と、該演算処理装置による算出値に従い前記開口を駆動する駆動装置を有することを特徴としている。
【0039】
請求項22の発明の投影露光装置は請求項13乃至21のいずれか1項記載の位置検出装置を有し、前記位置検出装置によって検出された前記被検物体の位置によりウエハの位置合わせを行うことを特徴としている。
【0040】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施形態1の半導体素子製造用の投影露光装置を示すものである。図中、従来例と同一の構成要素には同じ記号が付されている。ウエハ4の表面内に図に示したようにx、y軸を取るが、本実施形態の投影露光装置の位置検出光学系はx及びy方向の計測は同等なので、y方向の計測についてのみ説明する。
【0041】
図1でHeNeレ−ザ−あるいはその他の非露光光源で構成される光源13から出射した光はファイバ−12を通して照明光学系11に入射する。光は偏光ビ−ムスプリッタ10により紙面に垂直なS偏光成分が反射され、λ/4板7を透過して円偏光に変換される。その後、光は結像光学系6、5、ミラー30、投影露光光学系1を介してxyz方向に駆動可能なステ−ジ2の上に置かれたウエハ4上に作成されたマ−クあるいは調整用の基準マ−ク14を照明する。マ−クからの反射光、あるいは散乱光は再び投影露光光学系1、ミラー30、結像光学系5、6を通過した後、λ/4板7を経て今度は紙面内成分であるP偏光に変換される。P偏光に変換されたため、光は偏光ビ−ムスプリッタ10を透過し、結像レンズ8によってCCDカメラ等の光電変換素子9上に前記マ−クの像を結像させる。該光電変換素子9で検出された信号は画像処理されてマ−クの位置が検出され、該検出値からステ−ジ2を駆動してウエハ4の位置合わせを行っている。
【0042】
本発明は光学重心の調整用の基準マ−ク14をステージ2上に設けたことを特徴としている。調整用の基準マ−ク14は図9に示す構造を持ったメカニズムの上に形成されている。即ち基準マ−ク14は第2基板21の上に取り付けられているが、第2基板21はz軸方向の調整が可能となるようにピエゾ素子等の歪電素子22を介して第1基板23の上に設置されており、更に第1基板23は回転軸24によって保持されている。このような構造を持っているためピエゾ素子22の印加電圧を制御することで基準マ−ク14のフォ−カスを調整し、更に基準マ−ク14を所定の角度回転することが可能となっている。特に基準マ−ク14を180°回転させて観察し、回転前の観察と比較して、基準マ−ク14の構造自体の非対称性による影響を削除するようにしている。本実施形態では、調整用の基準マ−ク14のような特別なマ−クを装置に設け、これによってウエハと関係なく簡易に計測でき、且つ安定した調整基準を持つことを可能としている。
【0043】
ここでは特別にステ−ジ2上に調整用の基準マ−ク14を設けたが、同じことは同様のマ−クを持つウエハあるいはそれに類するマ−クを持つウエハを用いて行うことも可能である。
【0044】
ここで位置検出光学系の瞳面の光学重心が計測方向を含む面内で光軸に関して対称ではあるが、検出波長の光に対して投影露光光学系を含む位置検出光学系が偏心コマ収差を持つ場合を例に考える。図6は本実施形態で得られる検出信号の模式図である。図6(a)は計測方向断面の段差形状を持ったマ−クと照明光41、及び偏心コマを考慮した散乱光42a、42bを示す。図6(b)は図6(a)の状態での基準マ−クの画像信号である。マ−クエッジ部からの検出光はマ−ク中心に対して非対称な波形となる。ここで一方のエッジの強度をa、もう一方のエッジの強度をb、マ−ク全体の強度をcとして、評価値Eを、
E=(a−b)/c (1)
とする。評価値Eは波形歪みを表すパラメ−タ−と考えられる。このような定義の下、シリコン(Si)で矩形段差構造を持つアライメントマ−クの段差の高さdを幾つか変え、そのときの評価値Eを計測した結果を図7に示す。図で横軸は検出光のHeNeレ−ザ−の波長λでmodulusを取った段差(高さ)d、縦軸は評価値Eである。検討の結果、評価値Eは図7(a)に示すように周期関数的に変化することが実験及びシミュレ−ションから確認された。
【0045】
これに対し図7(b)は投影露光光学系を含む位置検出光学系に収差がない状態で、図1に示したファイバ−12の端面(瞳面)が偏心した時の段差に対する評価値Eを示したものである。実線は瞳面での光学重心の偏心を計測方向に検出系のNAの3%ずらした場合の特性、破線は同様に1.5%偏心させた時の特性を示す。縦軸、及び横軸は図7(a)と同じである。瞳面での光学重心の偏心量に応じて評価値Eが振幅を持って変化していることが分かる。即ち位置検出光学系に収差が存在しない場合は、瞳面の光学重心を光軸上に調整することで、段差の高さに依存しない、つまり多数ある半導体製造工程間でマ−クの構造に依存したオフセット(工程間オフセット)の少ない位置検出光学系を達成することができる。
【0046】
図7(a)と図7(b)の両者は類似した正弦波状の特性を持っている。従って投影露光光学系を含む位置検出光学系に偏心コマ成分がある場合、偏心コマによるマ−クに基づく画像信号の波形歪みを打ち消す方向に光学重心を調整することで、理想的な場合と同様に段差の高さに影響されない位置検出光学系を達成することができる。また図7(a),(b)より段差がλ/8、または3λ/8近辺の段差を持つマ−クを用いることで敏感に、且つ効率よく光学重心の調整を行うことができることも分かった。実際の調整ではSiウエハを使って矩形段差マ−クを作成すると、段差量dの制御が容易であるため都合が良い。しかしながらその他の材質を用いてこれに類似するマ−ク、つまり矩形段差構造を持ち、検出光に対してエッジ部のみ干渉現象を持つようなマ−クを用いても同様の効果が達成できる。また、図7で示した様に段差に対する評価値は周期的に変化するので、λ/8,3/8λに限定されず、1/8λの奇数倍の段差を用いることで、同様の効果が得られることは、このグラフからも容易に推測できる。
【0047】
図5は実際の調整手順を示したフローチャートである。調整はこれまで説明したように段差がλ/8、またはλ/8近辺の段差を持つウエハを用いても行うことができるが、ここでは図1に従って、調整用の基準マ−ク14を用いた場合について説明する。
【0048】
まず調整用の基準マ−ク14を回転がない初期状態においてピエゾ22を用いてフォ−カス位置に駆動して、該基準マ−ク14の画像デ−タの取り込みを行う。この状態での計測を添字nを付けて表す事とし、得られた画像デ−タのエッジ信号の高さをan、bn、信号の全体強度をcnとすると、(1)式より評価値Enを計算することができる。
【0049】
次に調整用の基準マ−ク14を回転軸24により180°回転し、再びピエゾ22によりフォ−カス駆動を行って画像デ−タを取り込む。この状態での計測を添字rを付けて表す事とし、得られた画像デ−タのエッジ信号の高さをar、br、信号の全体強度をcrとすれば、(1)式より評価値Enを計算することができる。その後、2つの評価値を平均化して
E0=(En+Er)/2 (2)
を最終評価値とする。評価値E0が所定の判断基準Ethよりも小さければ、検出光学系の調整が十分になされていることになり通常のアライメント・ル−チンを続けることができる。なお、判断基準Ethは位置検出光学系ごとに、発生する工程間オフセットが許容範囲となるような判断基準値として予め設定されている。評価値E0が条件(2)を満足しない場合は評価値E0に関する情報をCRT等の表示手段に表示する。この場合は位置検出光学系の調整が不十分であるため評価値E0の値が判断基準Eth以下になるまで光学重心の最適化が繰り返し行われる。
【0050】
以上述べたように調整用の基準マ−ク14の回転しない画像と、180°回転した画像を用いることで、使用する基準マ−ク14が保有する非対称性によるオフセットの影響を除去している。従って基準マ−ク14の段差構造がマ−ク中心に対して完全に対称なことが予め分かっている場合は180°回転して計測するという操作を割愛することができる。また180°の回転により発生するオフセット量が予め分かっている場合も、回転操作を割愛し、代わりに該オフセット量を評価値Enに反映させて最終評価値E0を求めることができる。
【0051】
これまでの説明は一方向の調整、即ち図1のy方向の計測の調整について述べてきたが、最終的な位置合わせは二次元的になされねばならない。その場合、前記y方向と直交するx方向、即ち図1のx方向についての調整も同様に行うことができる。即ちx方向については調整用の基準マ−ク14を90°、270°と回転させ、y方向と同様に互いに180°異なる2つの状態にして計測を行えば、一つの調整用マ−ク14でx、y両方向を賄うことができる。一つのマ−クを用いると省スペ−スとなると同時に、マ−ク自体が2つの方向で共通となるため、オフセットの管理上からも実用的に価値が大きい。
【0052】
図2は本発明の実施形態2の要部概略図である。本実施形態は半導体素子製造用の投影露光装置等の位置検出装置によって光学重心の最適化を自動的に行う補正システムを備えたことを特徴としている。図2においても前に説明したものと同一の部材については同一の符号が付されている。本実施形態の最も特徴となっている部分は位置検出光学系の照明部の構成で、その他は図1と同じなのでここでは照明部に着目して説明を行う。
【0053】
ファイバ−12から出射した光源13からの光は照明系レンズ15を通過した後、ファイバ−端面(瞳面)の像を照明系11内で少なくとも1度結像する。該結像位置には検出系のσが1以下となる開口16、またはそれと同等な空間フィルタが配置される。照明系レンズ15はファイバ−端面を開口16の位置に開口部の大きさより十分大きい大きさで結像させるため、開口16の位置を照明系の光軸に対して直交する方向に動かすことで光学重心を調整でき、最適な位置検出系を達成している。
【0054】
開口16の駆動は実施形態1で説明した評価値E0をもとに演算処理装置17で開口16の最適移動量を算出して行っている。該算出値に従い基板54上に設けたピエゾ素子等の駆動装置53を使って開口16を駆動し、自動で且つ容易に高精度な位置検出光学系の調整を行っている。
【0055】
このような自動補正シ−ケンスは装置の定期メンテナンス時や、装置に不具合が発生した時に行うとよい。評価値E0の計測値が判断基準Ethより大きければ、自動補正のクロ−ズト・ル−プ・シ−ケンスに入り、小さければ前述のとうり通常のアライメント・ル−チンに入る。
【0056】
図8は本発明の実施形態3の要部概略図である。これまでの実施形態では位置検出光学系として、投影露光光学系を介して位置検出する所謂TTLオフアクシス系について説明してきたが、図8は投影露光光学系を介さない単純なオフアクシスの位置検出光学系に本発明を適用した場合を示している。図中これまでの説明図で用いたものと同じ構成要素については同じ符号を付してある。光源13から出射した光は位置検出光学系50に導光され、ウエハまたは調整用の基準マ−ク14を照明する。調整用の基準マ−ク14はステ−ジ2上に載せられており、図9に示す構造を持っていることは他の実施形態と同様である。基準マ−ク14からの反射光はCCDカメラ等の光電変換素子9上に結像されて、電気信号に変換される。該電気信号から得られた情報より演算処理装置17が評価値E0の値を計算し、判断基準Ethと比較する。照明系の光学重心の位置を調整するか否かを決定する以降の手順は先の2つの実施形態1,2と同一である。
【0057】
またレチクル51を通してウエハ上のマ−クを観察する所謂TTRオンアクシス位置検出系についても、実施形態1〜3と同様の機能及び手段を持つことで、検出光学系の調整状態をチェックし、位置検出精度の向上を図ることができる。
【0058】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明は半導体素子製造用の投影露光装置のような位置検出装置における位置検出光学系を光学重心の調整可能な照明系で構成し、ある特定の画像信号を観察して照明条件を最適化することで、マ−クの位置検出精度の向上を可能としている。また本発明では特定の画像信号を得るためにステ−ジ上に所定の条件を持つ調整用の基準マ−クを配置することにより、位置検出光学系の調整状態を自動で簡単に評価することを可能とした。調整が不良な場合には位置検出光学系内の照明系の開口部の位置を光軸と直交する方向に動かして検出光学系の光学重心の最適化を行い、各種誤差成分をキヤンセルできるため、工程間オフセットの少ない位置検出装置を実現して、位置検出精度の向上を図っている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態1の位置検出装置の構成図
【図2】 本発明の実施形態2の位置検出装置の構成図
【図3】 従来の位置検出装置の構成図
【図4】 アライメント・マ−クと照明光と信号の関係を示す図
【図5】 光学重心最適化のフロ−チャ−ト
【図6】 位置検出光学系に収差がある場合の検出信号
【図7】 位置検出光学系の調整状態によるマ−クの段差量と評価量との関係を示す図
【図8】 本発明の実施形態3の位置検出装置の構成図
【図9】 ステ−ジ上に配置する調整用基準マ−クの構成図
【符号の説明】
1 投影露光光学系 2 XYZステ−ジ
3 ウエハチヤック材 4 ウエハ
5 検出光学系 6 検出光学系
7 λ/4板 8 結像光学系
9 光電変換素子 10 偏光ビ−ムスプリッタ
11 照明光学系 12 ファイバ−
13 光源 14 調整用基準マ−ク
15 照明系レンズ 16 開口
17 演算処理装置
21 第一基板 22 歪電素子
23 第二基板 24 回転軸
30 ミラ− 31 アライメントマ−ク
32 照明光 34 マ−ク中心
41 照明光 42 エッジ散乱光
50 位置検出光学系 51 レチクル
52 露光照明系 53 駆動装置
54 駆動基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a projection exposure apparatus and a position detection apparatus. In particular, when manufacturing a semiconductor IC or LSI, position information of an object such as a reticle or wafer is projected when a pattern on a reticle surface is projected onto the wafer. This is suitable when the object is positioned with high accuracy by observing the image of the object and based on the detected position information.
[0002]
[Prior art]
The progress of semiconductor element manufacturing technology has been increasing in recent years, and in accordance with this, the progress of microfabrication technology has been remarkable. In particular, an optical processing technique using a projection exposure apparatus that projects a pattern on a reticle surface at the center onto a wafer extends to a submicron region with 1 MDRAM as a boundary.
[0003]
As a means for improving the resolution of the projection pattern image, a method of fixing the exposure light wavelength to increase the NA of the projection optical system to the method used for the projection exposure apparatus from the past, and the exposure wavelength to g-line In other words, there is a technique of shortening the wavelength such as the oscillation wavelength of the i-line or the excimer laser. Recently, an attempt has been made to expand the limit of optical processing by light exposure using a phase shift mask, modified illumination, or the like.
[0004]
On the other hand, with the improvement in resolution, high precision is also required for the alignment for relatively aligning the wafer and the reticle in the projection exposure apparatus. A projection exposure apparatus for manufacturing semiconductor elements also needs a function as a position detection apparatus simultaneously with the exposure apparatus.
[0005]
FIG. 3 shows the configuration of an alignment position detection system in a conventional projection exposure apparatus for manufacturing semiconductor elements. Although the x and y axes are taken in the surface of the
[0006]
Light emitted from a light source such as a He—Ne laser (not shown) is guided to the illumination optical system 11 through the
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional position detection system shown in FIG. 3, there are some problems that lower the position detection accuracy.
[0008]
The first is a problem with the detection wavelength. In such a position detection system, non-exposure light is used as a light source for alignment in order to prevent exposure when a mark image is detected. Since the projection exposure optical system 1 is optimized for various aberrations with respect to the exposure wavelength, aberrations are generated at the wavelength of the non-exposure light, and a factor that causes measurement errors at the time of position detection is affected by manufacturing errors. Become.
[0009]
The second factor is a problem with Kohler illumination. It is difficult to use illumination with σ = 0 in the illumination method because of the problem of light quantity and spatial frequency cutoff at the time of image formation. Generally, a light source having a light emitting surface of a finite size is used. Used. For example, light from a laser light source is actually guided to an illumination system by a fiber, or a lamp itself is used as a light source.
[0010]
Since σ is not zero, there is illumination light having an angle with respect to the optical axis on the wafer surface of the position detection surface. Kohler illumination is a technique for uniformly illuminating the detection surface, but does not guarantee the uniformity of the effective light source, which is the distribution of the pupil plane of the detection optical system. Therefore, when the light intensity distribution on the effective light emitting surface is not symmetrical with respect to the measurement direction of the mark, that is, when the incident angle distribution of the illumination light on the detection surface is asymmetric, the light intensity distribution of the observed mark image is illuminated symmetrically. In contrast to what has been done, there is a problem of causing measurement errors.
[0011]
4A is a bird's-eye view of the
[0012]
Since the light intensity distribution of the effective light emitting surface is equivalent to the light intensity distribution of the light source, an intensity distribution of incident angles depending on the intensity of the light emitting region is generated on the detection surface. In FIG. 4, 32a is light incident perpendicularly to the
[0013]
The actual signal asymmetry is caused by the difference in the mark step structure and the difference in the semiconductor manufacturing process such as resist. Further, the scattering characteristics of the edge are proportional to the intensity of the incident light or inversely proportional to each other, thereby making it difficult to generate signal asymmetry. However, it is important for the apparatus itself to first remove the mark measurement error due to the asymmetry of the incident angle intensity of the illumination light in the measurement direction.
[0014]
As a method for solving such a phenomenon, a filter such as a diffusion plate is disposed on the pupil plane or image plane of the position detection system to achieve uniform light intensity distribution and angular distribution. However, when the diffusion plate is used in this way, the amount of light on the object surface is reduced in inverse proportion to the uniformity of the light intensity, and it may be difficult to detect the alignment mark depending on the manufacturing process of the semiconductor element. In consideration of the above points and facts found through some experiments, the present invention optimizes the illumination conditions of the position detection optical system so as to remove various aberrations of the position detection optical system including the projection exposure optical system, and An object of the present invention is to provide a projection exposure apparatus and a position detection apparatus suitable for manufacturing a highly integrated semiconductor element by improving detection accuracy.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
As described above, the one-dimensional or two-dimensional light intensity distribution of the image plane corresponding to the pupil plane of the position detection optical system of the position detection apparatus determines the mark of the detection target object as a marker. Corresponds to the angle characteristics of the illuminating light. The mark image signal to be detected is affected by the angle characteristic. When the position detection optical system including the projection exposure optical system has no aberration with respect to the detection light, in order to make the detected image signal symmetrical, the angle characteristic of the illumination light is symmetrical with respect to the center of the mark. What should I do. That is, it is necessary to make the light intensity distribution on the pupil plane symmetrical with respect to the optical axis. Note that the symmetry required for the pupil surface intensity here relates to the measurement direction of the mark.
[0016]
Further, according to the experiment by the inventor, it was confirmed that the detected mark image signal remarkably changes depending on the position of the center of gravity of the light intensity distribution. When there is aberration in the position detection optical system itself including the projection exposure optical system, the asymmetry of the mark image signal due to these effects can be canceled by adjusting the optical centroid of the pupil plane, and the change in the optical centroid. The inventor has also confirmed that there is a mark with a structure in which the signal reacts sensitively. The present invention has been made in consideration of the above points, and the position detection optical system is configured by an illumination system capable of adjusting the optical center of gravity, and by observing a specific image signal and optimizing the illumination conditions, It is characterized by improving the mark position detection accuracy.
[0017]
Next, the structure of the invention of each claim is shown concretely.
[0018]
A projection exposure apparatus according to a first aspect of the present invention includes a photoelectric conversion element, a position detection optical system that illuminates a test object with light from a light source, and forms an image of reflected light from the test object on the photoelectric conversion element. A projection exposure apparatus that detects a position of the test object based on an image signal detected by the photoelectric conversion element, and performs wafer alignment based on the detected position of the test object, The position detection optical system has an aberration, and the position detection optical system of the light that illuminates the test object acts in a direction that cancels the asymmetry due to the aberration of the image signal of the test object. The center of gravity position of the light intensity distribution on the pupil plane is set.
[0019]
The invention of
[0020]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the optical fiber according to the first or second aspect of the present invention, wherein the end surface on the light output side is located near the pupil position of the position detection optical system, and the end surface on the light output side of the optical fiber is It is characterized by being decentered with respect to the optical axis of the position detection optical system.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the optical fiber according to any one of the first to third aspects, further comprising an optical fiber disposed so that an end surface on the light emission side is in the vicinity of a pupil position of the position detection optical system. It has a means for adjusting the eccentricity of the end face on the emission side.
[0022]
A fifth aspect of the invention includes an aperture or a spatial filter arranged at a position conjugate with a pupil position of the position detection optical system in the invention of any one of the first to fourth aspects. It is characterized by being decentered with respect to the optical axis of the position detection optical system.
[0023]
The invention of
[0024]
A seventh aspect of the present invention is the optical fiber according to any one of the first to sixth aspects, wherein the end surface on the light output side is arranged near the pupil position of the position detection optical system, and the light output side of the optical fiber. And an opening having an opening smaller than the image of the end face provided at a position where the image of the end face is formed.
[0025]
The invention of claim 8 is characterized in that, in the invention of
[0026]
A ninth aspect of the invention is characterized in that in the seventh or eighth aspect of the invention, there is provided an arithmetic processing unit that calculates an optimum movement amount of the opening, and a driving unit that drives the opening according to a value calculated by the arithmetic processing unit. .
[0027]
A tenth aspect of the invention is characterized in that, in the invention of any one of the first to ninth aspects, the position detection optical system is a TTL position detection optical system.
[0028]
An eleventh aspect of the invention is characterized in that, in the invention of any one of the first to ninth aspects, the position detection optical system is a TTR position detection optical system.
[0029]
A twelfth aspect of the invention is characterized in that, in the invention of any one of the first to ninth aspects, the position detection optical system is an off-axis position detection optical system.
[0030]
A position detection device according to a thirteenth aspect of the present invention is a photoelectric conversion element, a position detection optical system that illuminates a test object with light from a light source, and forms an image of reflected light from the test object on the photoelectric conversion element. And a position detection device that detects the position of the object to be detected based on an image signal detected by the photoelectric conversion element, wherein the position detection optical system has an aberration, and the object to be detected The position of the center of gravity of the light intensity distribution on the pupil plane of the position detection optical system of the light that illuminates the test object is set so as to act in the direction of canceling the asymmetry due to the aberration of the image signal of It is a feature.
[0031]
The invention of
[0032]
A fifteenth aspect of the present invention includes the optical fiber according to the thirteenth or fourteenth aspect of the present invention, wherein the light emitting side end surface is disposed in the vicinity of the pupil position of the position detection optical system, and the light emitting side end surface of the optical fiber is It is characterized by being decentered with respect to the optical axis of the position detection optical system.
[0033]
According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided the optical fiber according to any one of the thirteenth to fifteenth aspects, further comprising an optical fiber disposed so that an end surface on the light emitting side is in the vicinity of a pupil position of the position detection optical system. It has a means for adjusting the eccentricity of the end face on the emission side.
[0034]
The invention of
[0035]
The invention of claim 18 has an aperture or a spatial filter arranged at a position conjugate with the pupil position of the position detection optical system in the invention of any one of
[0036]
A nineteenth aspect of the present invention is the optical fiber according to any one of the thirteenth to eighteenth aspects of the present invention, wherein the end surface on the light output side is arranged near the pupil position of the position detection optical system, and the light output side of the optical fiber. And an opening having an opening smaller than the image of the end face at a position where the image of the end face is formed.
[0037]
A twentieth aspect of the invention is characterized in that, in the nineteenth aspect of the invention, the aperture is an aperture in which σ of the position detection optical system is 1 or less.
[0038]
The invention of
[0039]
A projection exposure apparatus according to a twenty-second aspect of the invention has the position detection device according to any one of the thirteenth to twenty-first aspects, and performs wafer alignment based on the position of the test object detected by the position detection apparatus. It is characterized by that.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a projection exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, the same symbols are attached to the same components as in the conventional example. The x and y axes are taken as shown in the figure on the surface of the
[0041]
In FIG. 1, light emitted from a
[0042]
The present invention is characterized in that a
[0043]
Here, the
[0044]
Here, the optical center of gravity of the pupil plane of the position detection optical system is symmetric with respect to the optical axis in the plane including the measurement direction, but the position detection optical system including the projection exposure optical system has a decentration coma aberration with respect to the light of the detection wavelength. Take the case of having it as an example. FIG. 6 is a schematic diagram of a detection signal obtained in this embodiment. FIG. 6A shows a mark having a stepped shape in the cross section in the measurement direction, illumination light 41, and
E = (a−b) / c (1)
And The evaluation value E is considered to be a parameter representing waveform distortion. FIG. 7 shows the result of measuring the evaluation value E at that time by changing several heights d of the step of the alignment mark having a rectangular step structure with silicon (Si) under such a definition. In the figure, the horizontal axis represents the step (height) d obtained by taking the modulus at the wavelength λ of the HeNe laser of the detection light, and the vertical axis represents the evaluation value E. As a result of the examination, it has been confirmed from experiments and simulations that the evaluation value E changes in a periodic function as shown in FIG.
[0045]
On the other hand, FIG. 7B shows an evaluation value E for the step when the end face (pupil plane) of the
[0046]
Both FIG. 7 (a) and FIG. 7 (b) have similar sinusoidal characteristics. Therefore, if the position detection optical system including the projection exposure optical system has an eccentric coma component, the optical center of gravity is adjusted in the direction to cancel the waveform distortion of the image signal based on the mark by the eccentric coma, as in the ideal case. Therefore, a position detection optical system that is not affected by the height of the step can be achieved. 7 (a) and 7 (b), it is understood that the optical center of gravity can be adjusted sensitively and efficiently by using a mark having a step near λ / 8 or 3λ / 8. It was. In actual adjustment, it is convenient to create a rectangular step mark using a Si wafer because the step amount d can be easily controlled. However, the same effect can be achieved by using a mark similar to this by using other materials, that is, a mark having a rectangular step structure and having an interference phenomenon only at the edge portion with respect to the detection light. Further, as shown in FIG. 7, since the evaluation value for the step changes periodically, it is not limited to λ / 8, 3 / 8λ, and the same effect can be obtained by using a step that is an odd multiple of 1 / 8λ. What can be obtained can be easily estimated from this graph.
[0047]
FIG. 5 is a flowchart showing an actual adjustment procedure. As described above, the adjustment can also be performed using a wafer having a step of λ / 8 or a step in the vicinity of λ / 8. Here, the
[0048]
First, the
[0049]
Next, the
E 0 = (E n + E r ) / 2 (2)
Is the final evaluation value. Evaluation value E 0 Is a predetermined criterion E th If it is smaller than that, the detection optical system is sufficiently adjusted, and the normal alignment routine can be continued. Judgment criteria E th Is preset for each position detection optical system as a judgment reference value so that the generated inter-process offset falls within an allowable range. Evaluation value E 0 Does not satisfy the condition (2), the evaluation value E 0 Is displayed on a display means such as a CRT. In this case, since the position detection optical system is not sufficiently adjusted, the evaluation value E 0 Is the criterion E th The optical center of gravity is repeatedly optimized until:
[0050]
As described above, by using the image in which the
[0051]
The description so far has described the adjustment in one direction, that is, the adjustment in the measurement in the y direction in FIG. 1, but the final alignment must be made two-dimensionally. In that case, the adjustment in the x direction orthogonal to the y direction, that is, the x direction in FIG. That is, in the x direction, if the
[0052]
FIG. 2 is a schematic view of the essential portions of
[0053]
The light from the
[0054]
The driving of the
[0055]
Such an automatic correction sequence may be performed during periodic maintenance of the apparatus or when a malfunction occurs in the apparatus. Evaluation value E 0 Measured value is the criterion E th If it is larger, it enters the automatic correction closed loop sequence, and if it is smaller, it enters the normal alignment routine as described above.
[0056]
FIG. 8 is a schematic view of the essential portions of
[0057]
A so-called TTR on-axis position detection system for observing the mark on the wafer through the
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a position detection optical system in a position detection apparatus such as a projection exposure apparatus for manufacturing a semiconductor element is configured by an illumination system whose optical center of gravity can be adjusted, and a specific image signal is observed. By optimizing the illumination conditions, the mark position detection accuracy can be improved. In the present invention, the adjustment state of the position detection optical system can be automatically and simply evaluated by arranging an adjustment reference mark having a predetermined condition on the stage in order to obtain a specific image signal. Made possible. If the adjustment is poor, the position of the aperture of the illumination system in the position detection optical system is moved in the direction perpendicular to the optical axis to optimize the optical center of gravity of the detection optical system, and various error components can be cancelled. A position detection device with little inter-process offset is realized to improve position detection accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a position detection device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a position detection device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a conventional position detection device.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between an alignment mark, illumination light, and signals.
[Figure 5] Flow chart for optical center of gravity optimization
FIG. 6 is a detection signal when there is aberration in the position detection optical system.
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between a mark step amount and an evaluation amount according to an adjustment state of a position detection optical system.
FIG. 8 is a configuration diagram of a position detection device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram of an adjustment reference mark placed on a stage.
[Explanation of symbols]
1 projection exposure
3
5 Detection
7 λ / 4 plate 8 Imaging optical system
9
11
13
15
17 Arithmetic processing unit
21
23
30
32 Illumination light 34 Mark center
41 Illumination light 42 Edge scattered light
50 Position detection
52 Exposure illumination system 53 Drive device
54 Drive board
Claims (22)
前記位置検出光学系が収差を有しており、
前記被検物体の画像信号の、前記収差による非対称性を打ち消す方向に作用するように、前記被検物体を照明する光の前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が設定されていることを特徴とする投影露光装置。A photoelectric conversion element and a position detection optical system that illuminates a test object with light from a light source and forms an image of reflected light from the test object on the photoelectric conversion element, and is detected by the photoelectric conversion element A projection exposure apparatus that detects the position of the object to be detected based on the image signal that has been detected, and performs wafer alignment based on the detected position of the object to be detected;
The position detection optical system has an aberration;
The position of the center of gravity of the light intensity distribution on the pupil plane of the position detection optical system of the light that illuminates the test object is set so that the image signal of the test object acts in a direction that cancels the asymmetry due to the aberration. A projection exposure apparatus.
前記位置検出光学系が収差を有しており、
前記被検物体の画像信号の、前記収差による非対称性を打ち消す方向に作用するように、前記被検物体を照明する光の前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が設定されていることを特徴とする位置検出装置。A photoelectric conversion element and a position detection optical system that illuminates a test object with light from a light source and forms an image of reflected light from the test object on the photoelectric conversion element, and is detected by the photoelectric conversion element A position detection device for detecting the position of the object to be detected based on the image signal,
The position detection optical system has an aberration;
The position of the center of gravity of the light intensity distribution on the pupil plane of the position detection optical system of the light that illuminates the test object is set so that the image signal of the test object acts in a direction that cancels the asymmetry due to the aberration. A position detecting device characterized by that.
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