JP3996212B2 - 整列装置およびそのような装置を含むリソグラフィー装置 - Google Patents

Description

この発明は、少なくとも第１整列マークを備える第１物体を、少なくとも第２整列マークを備える第２物体に関して整列するための整列装置で、少なくとも整列ビームを供給するための放射線源、第１物体ホルダ、第２物体ホルダ、上記第１整列マークおよび上記第２整列マークを互いの上に結像するための結像システム、並びに第１整列マークおよびその上にこの第１整列マークを結像する第２整列マークから来る選択した整列ビーム部分の経路に配置した放射線感応検出システムを含み、この検出システムの出力信号は、この第１物体と第２物体が互いに関して整列した程度を示す装置に関する。
この発明は、基板上にマスクパターンを繰返し結像するためのリソグラフィー装置にも関し、その装置は、マスクを基板に関して整列するためのそのような装置を使用する。このマスクは、少なくともマスク整列マークを有し、基板は、少なくとも基板整列マークを有する。
例えば、マスク整列マークおよび基板整列マークを互いに関して整列するということは、これらの整列マークを直接的および間接的の両方で整列することを意味すると理解する。直接整列の場合、基板整列マークをマスク整列マーク上に結像し、またはその逆にし、検出システムをこの最後のマークの後に配置する。間接整列の場合、基板整列マークとマスク整列マークの両方を更なる、基準、マークの異なる部分上に結像し、検出システムをこの基準マークの後に配置する。後者の場合、この基板整列マークとマスク整列マークが互いに関して整列した程度は、この基板整列マークとマスク整列マークの両方が基準マークに関して整列した程度を検出することによって決まる。
選択した整列ビーム部分とは、整列ビームの第１整列マークを第２整列マーク上に結像するために有効に使う部分である。もし、これらの整列マークが回折格子であれば、選択した整列ビーム部分は、この整列マークによって与えられた次数、例えば、１次に回折したビーム部分である。
ＵＳＡ−Ａ４，７７８，２７５は、マスクパターン、例えば、集積回路（ＩＣ）のパターンを基板の多数のＩＣ領域、または基板フィールド上に繰返し、縮小結像するための光学的リソグラフィー投影装置を記載する。このマスクおよび基板を互いに関して、二つの相次ぐ照明の間で、例えば、この基板平面とマスク平面に平行な平面で相互に垂直な２方向に沿って動かし、このマスクパターンを全ての基板フィールドに相次いで結像する。
集積回路は、拡散およびマスキング技術によって製造する。多数の異なるマスクパターンを半導体基板上の全く同一位置に次々と結像する。同じ位置での引き続く結像工程の間に、基板は、所望の物理的および化学的変化を受けなければならない。このため、基板を第１マスクパターンで照明してからこの装置から取出さねばならず、およびそれを所望の処理工程に掛けてから、それを第２マスクパターンで照明するために、再びこの装置の同じ位置に置かねばならない等々。そこで、この第２マスクパターンのおよび次のマスクパターンの投影を基板に関して正確に位置付けることを保証しなければならない。
このリソグラフィー装置は、集積平面光学システム、磁気ヘッド、または液晶ディスプレーパネルの構造物のような、詳細寸法がミクロンオーダ以下の、その他の構造物の製造にも使うことが出来る。これらの構造物の製造に於いても、マスクパターンの像を基板に関して非常に正確に整列しなければならない。
ＵＳＡ−Ａ４，７７８，２７５による装置で、マスクパターンの基板に関する投影について、１ミクロンの数十分の一の範囲の、所望の、非常に正確な位置決めを実現できるために、この装置は、基板をマスクパターンに関して整列するための装置を含み、それで基板に設けた整列マークをマスクに設けた整列マーク上に結像する。もし、基板整列マークの像がマスク整列マークと正確に一致すれば、この基板がマスクパターンに関して正しく整列される。公知の整列装置では、ヘリウムネオンレーザを整列ビームとして使用する。
ＩＣ当りの電子部品数の増加および結果としてこれらの部品寸法が小さくなることに関連して、ＩＣを製造できる精度に益々厳しい要求が課される。これは、マスクパターンを基板フィールドに関して厳しい精度で整列しなければならないことを意味する。
ＵＳＡ−Ａ４，７７８，２７５に記載されている整列装置は、これまで完全に満足に働いたが、ＩＣパターンの詳細寸法、または線幅の減少と共に、およびＩＣ製造での新規技術の使用と共に、整列装置がその信頼性および精度に関して問題を示すかも知れないことを予測すべきである。これらの問題は、整列に必要な整列マークの対称性、および基板、従って基板整列マークも受ける処理の対称性に関連する。公知の整列装置は、この整列マークと処理の両方が対称であるときにだけ信頼できる。
線幅の小さい新世代ＩＣを製造する際、マスクパターン投影に使用する投影レンズ系の解像力を増さねばならず、それはこの系の開口数を増さねばならないことを意味する。これは、この系の焦点深度が減ることを意味する。投影レンズ系の所望の比較的大きい像界では、この像界に幾らかの湾曲があるだろうから、基板の平坦性に実質的に公差がない。基板の所望の平坦性を維持するためには、それを基板の照明の間に化学・機械的研摩（ＣＭＰ）作業によって研摩してもよい。この研摩作業は、格子として実施した基板整列マークに非対称歪みを生ずることが判った。このＣＭＰ作業の他に、ＩＣの製造は、不均一エッチング法の使用および基板上に設ける金属層数の増加により、益々複雑にもなっている。これも、基板整列マークの非対称歪みに繋がる。その上、これらの基板、従って整列マークを酸化物、窒化物およびポリ層のような、多数の透明層で塗被する。これらの層は、等方性に堆積してもよいが、それらは整列に影響する整列ビームに干渉効果を生じるかも知れない。特に、整列マークの非対称性と干渉効果の組合せは、比較的大きな整列誤差をもたらすかも知れない。
本発明の目的は、上記の問題が起らず、公知の装置より正確且つ確実な整列装置を提供することである。この整列装置は、この整列ビームの波長が最小でも１０００ｎｍおよび最大でも１１００ｎｍのオーダであることを特徴とする。
この発明は、格子マークの周期の関連パラメータ、選択した回折次数、非対称形の形状および深さを含むマークの輪郭、堆積した誘電層および金属層並びに整列誤差の標準偏差を考慮に入れても、整列ビームの波長が長いのでより正確且つ確実な整列誤差検出が可能であるという認識に基づく。この波長の上限は；１１００ｎｍを超える波長に対し、シリコンが整列ビームに透明になり、それでその裏側がこの整列装置に見えるようになるので、基板の材料によって制限される。この標準偏差は、パラメータ：層厚さまたはマークの深さの変動から生じる偏差である。この標準偏差を選択したという事実は、判断基準が平均値ゼロではなく、この装置によって観察した基板整列マークの位置が一定でなければならないことであることを意味する。この要件は、仮令マークが非対称で、基板上の放射線感応層、またはマーク上に堆積した層パケットの厚さに無関係でも、観察したマークの位置が、例えば、層厚さが変動しても一定のままであるということである。
ＪＰ−Ａ６３−４０３１６の英語版要約書が放射線感応層での干渉が反射した整列ビームの強度の任意変動を生じ、それで干渉縞が不明確になると記述していることに注目すべきである。しかし、この要約書に読取りビームの波長を変えることが提案されている。この解決策は、広帯域整列ビームを使用するという代替解決策と同じ欠点を有する。即ち、この整列装置の素子を広帯域放射線に適するように作らねばならず、それがこの装置をかなり複雑にする。その上、すると検出信号が弱くなり、適当な回折次数を選択するための次数絞りを整列ビームに置けなくなる。
この整列装置の好適実施例は、更に、放射線源を以下のレーザの一つによって構成することを特徴とする：
−１０６４ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧレーザ；
−１０４７ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＬＦレーザ；
−９８０ｎｍの波長を有する半導体レーザ。
これらのレーザは、既に他の用途に多数製造され、この新規な整列装置に使うために非常に適する。
この整列装置は、更に、検出システムがＩｎＧａＡｓ検出器を含むことを特徴とする。
この検出器は、上記波長に所望の感度を有する。
Ｓｉ検出器を使うことも可能である。
この発明は、マスクに存在するマスクパターンを基板上に結像するためのリソグラフィー装置であって、このマスクを投影ビームで照明するための照明ユニット、マスクホルダ、基板ホルダ、およびこのマスクホルダと基板ホルダの間に配置された投影システムを含み、更にこのマスクと基板を互いに関して整列するための装置を含む装置にも関する。この装置は、整列装置を先に述べた整列装置によって構成し、そこでこの基板およびマスクがこの整列装置の第１物体および第２物体となる。
この装置の最も慣例的実施例は、更に、投影ビームが電磁放射線のビームであること、投影システムが光学投影システムであること、並びにこの整列装置の結像システムもこの光学投影レンズシステムを含むことを特徴とする。
しかし、この投影ビームは、イオンビーム、電子ビームまたはＸ線ビームのような荷電粒子ビームで、この投影システムをその放射線の種類に適合してもよい。例えば、もし、投影ビームが電子ビームであれば、投影システムは電子レンズ系になるだろう。するとこの投影システムは、もう整列装置の結像システムの一部ではない。
整列ビーム用の上述の波長で、第１整列マークを第２整列マーク上に結像するための投影システムを使うとき、結像誤差、即ち、倍率誤差および焦点合せ誤差が生ずる。その理由は、投影システムを短波投影放射線、例えば深紫外線用に最適化しているからである。投影放射線の波長と整列放射線のそれの間の差は、今や、整列放射線が６３３ｎｍの波長を有する公知の装置より大きくさえある。
これらの結像誤差を防ぐため、この発明による装置は、更に、整列マークが反射した整列ビームの部分の方向および収束性を補正するための補正素子を基板ホルダとマスクホルダの間に配置し、上記補正素子の寸法がこの補正素子の平面でこの投影ビームの直径よりかなり小さいことを特徴とする。
整列装置にそのような補正素子を使う原理は、ＵＳ−Ａ５，１００，２３７に記載されている。この特許は、この補正素子の位置についての詳細も提供し、この素子の幾つかの実施例を記載する。整列ビームに対して提案する波長の整列装置では、この補正素子がＵＳ−Ａ５，１００，２３７に記載する装置よりも必要でさえある。
この発明のこれらおよびその他の側面は、以後説明する実施例から明白であり、それらを参照すれば明らかになるだろう。
これらの図で：
図１は、基板上にマスクパターンを繰返し結像するためのリソグラフィー装置の実施例を示し；
図２は、２次元格子の形の整列マークの実施例を示し；
図３は、複式整列装置を含むリソグラフィー装置の実施例を示し；
図４は、整列誤差を感光層の厚さの関数として新規な整列波長に対し、および公知の整列波長に対して示し；並びに
図５は、整列放射線用補正レンズの作用を示す。
図１は、基板上にマスクパターンを繰返し結像するためのフォトリソグラフィー装置の原理および実施例を示す。この装置の主要部品は、中に結像すべきマスクパターンＣがあるマスクＭＡが配置されている投影コラム、および基板Ｗをこのマスクパターンに関して配置できる可動基板テーブルＷＴである。この装置は、更に、放射線源ＬＡ、例えば、弗化クリプトンレーザ、レンズ系ＬＳ、反射器ＲＥおよびコンデンサレンズＣＯを含む照明ユニットを有する。この照明ユニットが供給する投影ビームＰＢが、マスクテーブルＭＴのマスクホルダ（図示せず）上に配置されているマスクＭＡの中にあるマスクパターンＣを照明する。
このマスクパターンＣを通過する投影ビームＰＢが、この投影コラムの中に配置され且つ図式的にだけ示す投影レンズ系ＰＬを横切り、その系が毎回パターンＣの像を基板Ｗの多くのＩＣ領域、または基板フィールドの一つに作る。この投影レンズ系は、例えば、倍率がＭ＝１／４、開口数が０．５のオーダ、および回折限界像界の直径が０．２５のオーダである。これらの数値は任意で、投影装置の新しい世代毎に変ってもよい。基板Ｗは、例えば、空気軸受で支持された基板テーブルＷＴの一部を構成する基板ホルダ（図示せず）に配置する。投影レンズ系ＰＬおよび基板テーブルＷＴは、下側を、例えば花崗岩の、座板ＢＰで、および上側をマスクテーブルＭＴで閉じたハウジングＨＯの中に配置する。
図１の右上隅に示すように、マスクＭＡは、二つの整列マークＭ₁およびＭ₂を有する。これらのマスクは、回折格子から成るのが好ましいが、その代りに、その他周期的構造物で作ってもよい。これらの整列マークは、２次元であるのが好ましく、即ち、それらは、二つの相互に垂直方向、図１でＸおよびＹ方向に拡がる。基板Ｗは、例えば、半導体基板で、その上にパターンＣを異なる基板フィールドに結像しなければならず、やはり２次元回折格子であるのが好まし複数の整列マークを含み、それらの二つＰ₁およびＰ₂を図１に示す。マークＰ₁およびＰ₂は、パターンＣの像を作らねばならない基板フィールドの外側にある。基板整列子マークＰ₁およびＰ₂は、位相格子として作るのが好ましく、マスク整列マークＭ₁およびＭ₂は、振幅格子であるのが好ましい。
図２は、二つの同じ基板位相格子の一つを拡大して示す。そのような格子は、四つのサブ格子Ｐ_1,a、Ｐ_1,b、Ｐ_1,cおよびＰ_1,dを含み、その二つ、Ｐ_1,bおよびＰ_1,d、をＸ方向の整列に使い、他の二つのサブ格子、Ｐ_1,aおよびＰ_1,c、をＹ方向の整列に使ってもよい。二つのサブ格子Ｐ_1,bおよびＰ_1,dは、例えば、１６μｍの格子周期を有し、サブ格子Ｐ_1,aおよびＰ_1,dは、例えば、１７．６μｍの格子周期を有する。各サブ格子は、例えば、２００×２００μｍの表面積に及んでもよい。原理的に０．１μｍ未満の整列精度を、これらの整列マークおよび適当な光学系で達成できる。整列装置のキャプチャレンジを拡げるために、異なる格子周期を選択している。
図１は、整列装置の第１実施例、即ち、２本の整列ビームｂおよびｂ’を、基板整列マークＰ₂をマスク整列マークＭ₂上に、および基板整列マークＰ₁をマスク整列マークＭ₁上に整列するために使用する、複式整列装置を示す。整列ビームｂを反射素子３０、例えば、ミラーによってプリズム２６の反射面２７へ反射する。面２７は、このビームｂを基板整列マークＰ₂へ反射し、それが放射線の一部のビームｂ₁を関連するマスク整列マークＭ₂へ送り、そこにマークＰ₂の像を作る。反射素子１１、例えば、プリズムをマークＭ₂の上に配置し、そのプリズムは、マークＭ₂が通した放射線を放射線感応検出器１３の方へ向ける。
第２整列ビームｂ’をミラー３１が投影レンズ系ＰＬの中の反射器２９へ反射する。この反射器は、ビームｂ’をプリズム２６の第２反射面２８へ送り、その面がビームｂ’を基板整列マークＰ₁へ向ける。このマークは、ビームｂ’の放射線の一部ｂ₁’をマスク整列マークＭ₁へ反射し、そこにマークＰ₁の像を作る。ビームｂ₁’のマークＭ₁を通過する放射線は、反射器１１’が放射線感応検出器１３’の方へ向ける。この複式整列装置を、そのような装置の更なる実施例を示す図３を参照して更に説明する。
この投影装置は、更に、投影レンズ系ＰＬの焦点面と基板Ｗ上の表面との間の偏差を測定するための焦点合せ誤差検出システムを含み、この偏差を、例えば、この投影レンズ系をこの投影レンズ系の光軸に沿って基板ホルダに関して動かすことによって、補正できるようにする。この焦点合せ誤差検出システムは、この投影レンズ系のホルダにに固定したホルダ（図示せず）に配置した、素子４０，４１，４２，４３，４４，４５および４６によって構成してもよい。素子４０は、焦点合せビームｂ₃を出す放射線源、例えばダイオードレーザである。このビームを反射プリズム４２によって非常に小さい角度で基板上に向け、一方この表面で反射したビームをプリズム４３によって再帰反射器４４の方へ向ける。この素子は、この焦点合せビームがプリズム４３での基板へおよびこの基板からプリズム４２への反射を経てもう一度ビームｂ_3'と同じ経路を辿るようにこのビームそれ自体を反射する。それで反射した焦点合せビームｂ_3'は、ビームスプリッタ４１に達し、それがこのビームを更なる反射器４５へ反射する。この反射器は、焦点合せビームを放射線感応検出システム４６へ送る。この検出システムは、例えば、位置依存検出器または二つの別々の検出器から成る。このシステム上にビームｂ’が作る放射線スポットの位置は、投影レンズ系の像面が基板Ｗの表面と一致する程度に依存する。この焦点合せ誤差検出システムの広範囲の説明については、ＵＳＡ−Ａ４，３５６，３９２を参照する。
この単色焦点合せビームを使う焦点合せ誤差検出システムではなくて、広帯域ビームで作動する焦点合せおよび倒れ検出システムを使うのが好ましい。そのような広帯域検出システムは、ＵＳＡ−Ａ５，１９１，２００に記載されている。
基板のＸおよびＹ位置を正確に測定するために、この装置は、複数の測定軸を有する複合干渉計システムを含み、その１軸サブシステムだけを図１に示す。このサブシステムは、放射線源５０、例えば、レーザ、ビームスプリッタ５１、固定基準ミラー５２および放射線感応検出器５３を含む。放射線源５０が出すビームｂ₄をビームスプリッタ５１によって測定ビームｂ_4,mと基準ビームｂ_4,rに分ける。測定ビームは、基板テーブルの反射側面である測定ミラー、または好ましくは、基板テーブルの一部を構成し、基板がしっかりと固定されている基板ホルダの反射側面に達する。この測定ミラーによって反射した測定ビームを、基準ミラー５２によって反射した基準ビームとビームスプリッタ５１で組合せ、検出器５３の位置で干渉縞を作る。この複合干渉計システムは、ＵＳＡ−Ａ４，２５１，１６０に記載されているように実施してもよく、そうすれば２測定軸を含む。干渉計システムは、そうではなくてＵＳＡ−Ａ４，７３７，８２３に記載されているように３本の測定軸を含んでもよいが、ＥＰ−Ａ０４９８４９９に記載されているように少なくとも５本の測定軸を備えるシステムが好ましい。
複合干渉計システムの形の基板位置検出システムを使うことによって、整列マークＰ₁およびＰ₂並びにマークＭ₁およびＭ₂の位置、およびそれらの間の相互距離を整列中にこの干渉計システムが形成する座標系に固定することができる。従って、この投影装置のフレームまたはこのフレームの部品を参照する必要がなく、それでこのフレームの、例えば、温度変動、機械的クリープ等による変動が測定値に影響しない。
図３は、複式整列装置の原理を、整列ビームｂおよびｂ’を投影レンズ系に結合する方法が異なることによって図１のそれと区別する実施例を参照して示す。この装置は、投影レンズ系ＰＬの光軸ＡＡ’に関して対称に配置された、二つの別々で同じ整列システムＡＳ₁およびＡＳ₂を含む。整列システムＡＳ₁は、マスク整列マークＭ₂に関連し、整列システムＡＳ₂は、マスク整列マークＭ₁に関連する。これら二つの整列システムの対応する素子は、同じ参照番号で示し、システムＡＳ₂の素子の参照番号はプライム符号を付けて区別する。
マスク整列マークＭ₂と、例えば、基板整列マークＰ₂の相互位置を決める方法は勿論、システムＡＳ₁の構造をそこで最初に説明する。
整列システムＡＳ₁は、整列ビームｂを出す放射線源１を含む。このビームをビームスプリッタ２によって基板の方へ反射する。このビームスプリッタは、半透明反射器または半透明プリズムでもよいが、四分の一波長板３が続く偏光感応分割プリズムであるのが好ましい。投影レンズ系ＰＬは、整列ビームｂを基板Ｗ上に１ｍｍのオーダの直径を有する、小さい放射線スポットＶに集束する。この基板は、整列ビームの一部をビームｂ₁としてマスクＭＡの方向へ反射する。ビームｂ₁は、投影レンズ系ＰＬを通り抜け、その系がこの放射線スポットをマスク上に結像する。基板をこの投影コラムに配置する前に、それを予備整列ステーション、例えばＵＳＡ−Ａ５，０２６，１６６に記載されているステーションで予備整列し、放射線スポットＶが基板整列マークＰ₂上に位置するようにする。次に、このマークをビームｂ₁によってマスク整列マークＭ₂上に結像する。この投影レンズ系の倍率Ｍを考慮に入れて、マスク整列マークＭ₂の寸法を基板整列マークＰ₂のそれと適合させ、もし、二つのマークが相互に正しい方法で位置付けられていれば、マークＰ₂の像がマークＭ₂と正確に一致するようにする。
基板Ｗへおよびそれからの経路で、整列ビームｂおよびｂ₁は、四分の一波長板３を２度横断し、その板の光軸は、線源１から来る直線偏光したビームｂの偏光方向と４５°の角度に伸びる。それで、板３を通過するビームは、偏光方向がビームｂのそれに関して９０°回転され、それでビームｂ₁が偏光分割プリズム２を通過する。この偏光分割プリズムを四分の一波長板と組合わせて使うことが、整列ビームを整列システムの放射線経路に結合するとき、放射線損失を最小にする利点をもたらす。
整列マークＭ₂を通過したビームｂ₁をプリズム１１が反射し、例えば、更なる反射プリズム１２によって放射線感応検出器１３の方へ向ける。この反射器は、例えば、図２によるサブ格子の数に従って四つの別々の放射線感応領域を有する、例えば、複合ホトダイオードである。このサブ検出器の出力信号は、マークＭ₂がマークＰ₂の像と一致する程度についての情報を含む。これらの信号を電子的に処理して、基板整列マークＰ₂の像がマスク整列マークＭ₂と一致するように、マスクを駆動システム（図示せず）によって基板に関して動かすために使用してもよい。
ビームｂ₁の一部をビームｂ₂として分割するビームスプリッタ１４をプリズム１１と検出器１３の間に配置してもよい。分割されたビームは、次に、例えば、二つのレンズ１５および１６を経てテレビカメラに入射し、それはモニタ（図示せず）に結合され、それで整列マークＰ₂およびＭ₂がこの装置の操作員に見える。
上に整列マークＰ₂およびＭ₂について説明したのに類似して、マークＭ₁およびＰ₁、並びにＭ₁およびＰ₂を、それぞれ、互いに関して整列できる。整列システムＡＳ₂は、最後に述べた整列のために使用する。
複式整列システムによる整列手順についての詳細は、ＵＳＡ−Ａ４，７７８，２７５を参照する。
格子またはその他の回折素子の形の整列マークＰ₁およびＰ₂は、それに入射する整列ビームを非偏向０次サブビームと複数の、偏向した、１次および高次サブビームに分割する。これらのサブビームの中で、同じ次数を持つものだけを整列装置で選択し、基板整列マークをマスク整列マーク上に結像する。サブビームを選択するために、次数絞りを投影レンズ系の中の、異なる次数に回折したサブビームが、例えば、投影レンズ系のフーリエ平面で、十分な程度に空間的に分離する位置に配置する。この次数絞りは、図３に参照番号５５によって図式的に示し、整列放射線に対し非透過性の板から成り、複数の放射線透過開口または領域を有する。もし、この整列マークが２次元格子構造を有するならば、この板は、四つの開口を有し：二つはプラスおよびマイナスＸ方向に関連する次数で回折したサブビーム用に、並びに二つはプラスおよびマイナスＹ方向に回折したサブビーム用とする。その上、所望の次数の選択を向上する追加の次数絞りを検出枝路、即ち、マスク整列マークから検出器１３、１３’までの放射線経路の部分に配置するのが好ましい。１次に回折したサブビームを整列用に使うのが好ましい。
説明した整列装置は、もし、基板整列マークが対称で、この基板、従ってこの基板上にある整列マークが受ける処理が対称処理であれば、満足に作用する。これら二つの条件が満たされるときだけ、この整列装置で観察する基板整列マークの対称軸の位置が一定で、整列位置がこれらの処理工程中一定に留まる。しかし、リソグラフィープロセス技術は、時が経つにつれて複雑になり、非均一エッチングプロセス、化学・機械的研摩技術および基板上への増加する金属層の堆積を使うことにより更に複雑にさえなっている。その結果、主として基板整列マークの片側だけに材料を堆積または除去し、それでこのマークが非対称になる。その上、基板整列マークを厚さの管理の悪い誘電層で塗被する。通例の酸化物、窒化物およびポリ層の堆積は、原理的に、等方性であるが、マークの結果として生じる非対称性と組合さってこれらの層に起るかも知れない干渉効果が、許容できない大きな整列誤差を生ずるかも知れない。もし、整列誤差をグラフで層厚さに対してプロットすると、振動曲線が得られる。層厚さがλ／４・ｎ（ｎはこの層の屈折率）だけ変化する度毎に、整列誤差が最大から最小まで変化する。整列放射線を６３３ｎｍの波長（ヘリウムネオンレーザからの）で使用するとき、１００ｎｍだけの酸化物層の厚さの変化が全振動周期中に起るだろう。透明層の数が更に増えるので、層の厚さの変動を１００ｎｍの何分の一かに制限することは非常に困難であろう。
整列信号への上記効果の影響をかなりの程度減らすために、この発明に従って、整列ビームの波長を１０００ｎｍのオーダに選ぶ。整列信号の外乱を最小にするためには、整列ビームの波長が出来るだけ大きくなければならないことが分った。他方、シリコン基板が、例えば、１１００ｎｍを超える波長で透明になるので、最大値がこの波長に課される。この波長で、この整列装置が基板の下側を見ることができ、それで他の誤差が導入される。
この発明によれば、１０６４ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧレーザを整列装置の放射線源１（１’）に使用する。その代りに、１０４７ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＬＦレーザを使ってもよい。更なる代替案は、９８０ｎｍの波長を有する半導体ダイオードレーザを使用することである。
整列放射線として長波長を選択する効果を図４に示す。この図に、整列誤差Ｅｒを基板上の感光層の厚さＴｈの関数として、三つの異なる波長で示す。整列誤差が１０６０ｎｍの波長で、他の二つの波長のいずれかで生じる整列誤差よりかなり小さいことが直ちに明らかである。
この発明の更なる側面によれば、整列装置の検出器１３（１３’）を、放射線感応素子がインジウム、ガリウムおよび砒素材料から成る半導体検出器によって構成する。そのようなＩｎＧａＡｓ検出器は、選択した波長に対して所望の感度を有する。
投影レンズ系ＰＬを、この装置の所望の大解像力に関連して出来るだけ小さくあるべき投影ビームＰＢの波長に対して設計しているので、この系を、整列マークＰ₁、Ｐ₂およびＭ₁、Ｍ₂を整列ビームによって互いの上に結像するために使うとき、狂いが起るかも知れない。例えば、基板整列マークは、マスク整列マークがあるマスクパターンの平面に結像せず、それから与えられた距離の平面に結像するかも知れない。この距離は、投影ビームと整列ビームの波長差および二つの波長に対する投影レンズ系の素子の材料の屈折率の差によって決る。投影ビームが、例えば２４８ｎｍの波長を有し、整列ビームが６３３ｎｍの波長を有する公知のリソグラフィー装置では、この距離が２ｍに達するかも知れない。その上、上記波長差のために、基板整列マークがマスク整列マーク上に所望の倍率からずれた倍率で結像する。投影ビームと整列ビームの波長差が大きいと、この倍率誤差および上記距離が増すこと、および補正手段が更に一層必要になることが明白だろう。
単純性のために好ましい補正は、第１図と第３図に図示のように投影レンズ系に補正レンズ２５、またはその他の屈折または回折素子を設けて行う。投影コラムの中に配置するこの補正レンズは、一方で、基板整列マークから来る、選択した回折次数、例えば、１次のサブビームだけがこのレンズで影響され、他方このレンズが投影ビームおよびそれで作ったマスクパターン像に与える影響を無視できる高さに配置する。
この補正レンズの効果を、この補正レンズと基板整列マークＰ₂の間の放射線経路の一部を示す図５を用いて説明する。回折格子Ｐ₂に入射する整列ビームｂを、このビームｂが垂直に入射すると、この整列ビームと同じ方向を有する０次サブビームｂ（０）、１次の二つのサブビームｂ（＋１）およびｂ（−１）並びに３次、５次等の多数のサブビームの対に分割する。これらのサブビームを投影レンズ系の方へ反射する。この１次サブビームが平面２４に位置する補正レンズ２５に達する。このレンズは、これらの１次サブビームの方向をこれらのビームの主光線がマスク整列マークＭ２の平面で互いに交差するように変化するような屈折力を有する。この補正レンズは、高次サブビームがこのレンズを通過しないような小さな直径を有する。０次サブビームがこのレンズを通過するのを防ぐ素子をこの補正レンズに近接して配置する。図５の実施例では、この素子を、整列ビームｂおよびｂ’を投影レンズ系に結合するために使う反射プリズム２６が構成する。このプリズムは、０次サブビームを入射整列ビームｂの方向に反射する。上記施策のために、基板整列マークをマスク整列マーク上に結像するために１次サブビームだけを使い、それである追加の利点を達成できる。
０次サブビームは、基板整列マークの位置についての情報を含まない。この格子形マークの幾何形状、特に格子溝の深さおよびこれらの溝の幅と格子中間ストリップの幅の比に依って、このビームは、１次のサブビームの強度に比べてかなりの強度を有するかも知れない。０次サブビームを抑制することによって、基板マークの像のコントラストがかなり向上するかも知れない。１次サブビームだけを使うとき、基板整列マークの第２高調波が結像してしまい、それはマークの像が、投影レンズ系の倍率Ｍを別にして、マスクそれ自体の周期の半分の周期を有することを意味する。もし、マスク整列マークの格子周期が基板整列マークの像のそれに等しい、即ち、Ｍ／２掛ける基板整列マークの格子周期に等しいことを保証するならば、基板整列マークをマスク整列マークに関して整列する精度が、全整列ビームを結像工程に使う場合の２倍大きい。
この補正レンズは、選択した整列ビーム部分をマスク平面上に鮮明に集束するだけでなく、原理的に、基板整列マークをマスク整列マーク上に結像する倍率の誤差も補正するかも知れない。投影ビームと整列ビームの波長差が以前より大きいので、残留倍率誤差を補正するために、特別なレンズ９（図３参照）を投影レンズ系ＰＬとマスク整列マークの間の整列ビームの経路に配置するのが好ましい。
ＰＣＴ特許出願ＷＯ９７／３５２３４は、整列装置の精度を向上するための整列ビームの回折次数の特別な選択に関し、本発明による整列装置にも適用可能な、整列装置の幾つかの実施例を記載している。例えば、楔形のビーム偏向素子を、例えば、投影レンズ系ＰＬとマスク板ＭＡの間に配置してもよく、その素子は、選択した整列ビーム部分の対称軸がこのマスク板に垂直であることを保証する。それによって、マスク板内の内部反射による、整列精度に悪影響する位相ずれが整列ビームに起るのを防ぐ。
この発明は、基板整列マークをマスク整列マーク上に結像する装置に使えるだけでなく、逆の作業を行う装置にも使える。
その上、この発明は、マスク整列マークと基板整列マークの両方を各々、この基板の外部でマスクの外部にある基準マーク上に結像する装置に使ってもよい。
この基準マークは、物理的マークでもよいが、基板整列マークおよびマスク整列マークの位置にある干渉縞とした人工マークで、その干渉縞をこの整列装置の放射線源からの２本の干渉ビームで構成してもよい。
基板整列マークをマスク整列マークに関して整列できる精度は、図１および図３の検出器１３および１３’の出力信号を固定周波数で変調することによってかなり向上できる。このため、マスクＭＡ、従って、例えば、マスク整列マークＭ₂を周期的に動かすことが出来る。しかし、複屈折素子による変位と組合せた偏光方向切換えに基づく電気光学的変調を使うのが好ましい。
最後に述べた実施例の原理は、請求項８ないし１４で定義され、上記のＰＣＴ特許出願ＷＯ９７／３５２３４に記載され、その関連する本文部分および図面を参考までにここに援用する。
ＩｎＧａＡｓの代りに、１０００〜１１００ｎｍの範囲で十分な感度を有する検出器を使ってもよい。
この発明を、基板マークから高回折次、例えば、２〜７回折次の一つ以上のサブビームを整列検出用に使う装置に使うことも可能である。高次サブビームでの整列検出は、基板整列マークの非対称誤差に敏感でないという利点を有する。高次サブビームで整列検出を行うときは、ＴＴＬ法、即ち、マスク整列マークと基板整列マークを投影レンズによって互いの上に結像する方法を使うことは最早不可能である。その場合、基板マークをマスクマークの両方を、投影レンズを通らない放射線ビームによって基準マーク上に結像すべきである。
例えば、６３３ｎｍの波長を有する従来の整列ビームと１０００〜１１００ｎｍのオーダの波長を有する新規な整列ビームの両方を使う組合せ整列装置を備える投影装置を提供することも可能である。そうすると、乱されない基板マーク用には、従来の整列ビームを使うことができ、一方非対称に乱された基板マーク用には、新規な整列ビームを使うことができる。この組合せた整列装置は、従来の整列ビームおよび新規な整列ビーム用に、それぞれ、別の放射線源および別の検出器を有する。この装置は、ＴＴＬ整列装置でも、投影レンズを通らない高次のサブビームを使う整列装置でもよい。
この発明を光学的リソグラフィー装置を参照して説明したが、この発明はそれに限定されない。この発明は、投影ビームが電子ビーム、イオンビームまたはＸ線ビームのような荷電粒子ビームであるリソグラフィー装置にも使うことが出来る。これらのリソグラフィー装置は、集積回路の製造に使うだけでなく、例えば液晶ディスプレーパネル、磁気ヘッド、または集積平面光学システムの製造にも使うことが出来る。

Claims (10)

1. マスクに存在するマスクパターンを基板上に結像するためのリソグラフィー装置であり、マスクを投影ビームで照明するための照明ユニット、マスクホルダ、基板ホルダ、およびマスクホルダと基板ホルダの間に配置された投影システムを含み、更にマスクと基板を互いに関して整列するための整列装置を含む装置であって、
   前記整列装置は、少なくとも整列ビームを供給するための放射線源、第１整列マークおよ第２整列マークを互いの上に結像するための結像システム、第１整列マークおよびその上に第１整列マークが結像する第２整列マークから来る整列ビーム部分の経路に配置された放射線感応検出システムを含み、該検出システムの出力信号が第１物体と第２物体が互いに関して整列した程度を示す装置であり、
   基板およびマスクのそれぞれが前記第１物体および前記第２物体のいずれかであり、前記第２整列マークは前記基板の外部かつ前記マスクの外部に位置する基準整列マークであり、基板整列マークおよびマスク整列マークは、それぞれが前記基準整列マークの異なる部分上に結像する第１整列マークであり、
   前記整列ビームの波長が最小でも１０００ｎｍおよび最大でも１１００ｎｍのオーダであることを特徴とする装置。
2. 請求項１で請求する整列装置に於いて、この放射線源を以下のレーザの一つによって構成することを特徴とする装置：−１０６４ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧレーザ；
   −１０４７ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＬＦレーザ；
   −９８０ｎｍの波長を有する半導体レーザ。
3. 請求項１または請求項２で請求する整列装置に於いて、この検出システムがＩｎＧａＡｓ検出器を含むことを特徴とする装置。
4. 請求項１で請求するリソグラフィー装置に於いて、この投影ビームが電磁放射線のビームであること、この投影システムが光学投影システムであること、並びにこの整列装置の結像システムもこの光学投影システムを含むことを特徴とする装置。
5. 請求項１または請求項４で請求するリソグラフィー装置にに於いて、整列マークが反射した整列ビームの部分の方向および収束性を補正するための補正素子をこの基板ホルダとマスクホルダの間に配置し、上記補正素子の寸法がこの補正素子の平面でこの投影ビームの直径よりかなり小さいことを特徴とする装置。
6. 請求項１、請求項４または請求項５で請求するリソグラフィー装置に於いて、この投影システムが、整列ビームの第１整列マークによって１次に回折した部分だけをこの第２整列マークへ透過する放射線透過部分を備える次数絞りを収容することを特徴とする装置。
7. 請求項１、請求項４、請求項５または請求項６で請求するリソグラフィー装置に於いて、選択した整列ビーム部分の対称軸を主としてこのマスク板の平面に垂直に向けるために、放射線偏向素子をマスク整列マーク付近に配置し、上記放射線偏向素子が上記板の平面でこの投影ビームの断面よりかなり小さいことを特徴とする装置。
8. 請求項１ないし請求項７の何れか一つで請求するリソグラフィー装置に於いて、第１マスク整列マークを基板整列マークに関して整列するための第１整列装置に加えて、第２マスク整列マークを基板整列マークに関して整列するための第２整列装置を備えることを特徴とする装置。
9. 請求項１ないし請求項８の何れか一つで請求するリソグラフィー装置に於いて、前記整列装置の放射線源が基板整列マークの平面におよびマスク整列マークの平面に干渉縞を作る２本の放射線ビームを供給し、前記第２整列マークをこの干渉縞によって構成することを特徴とする装置。
10. 請求項１ないし請求項９の何れか一つで請求するリソグラフィー装置に於いて、整列ビームの放射線経路内に周期的信号によって制御される手段を配置し、第２整列マークおよびこの検出システムで観察する上記マーク上の第１整列マークの像を互いに関して周期的に変位することを特徴とする装置。

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