JP4424739B2 - ステージ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、物体を移動して位置決めするステージ装置の位置計測技術に関し、特に、半導体露光装置に搭載されるステージ装置の位置計測技術に関するものである。
半導体素子や液晶表示装置等のデバイスを製造する工程で利用される露光装置は、マスクやレチクル等の原板や半導体ウエハやガラス基板等の被露光基板を移動させるステージ装置を有する。
このようなステージ装置において、ステージ位置の計測には一般にレーザー干渉計と反射鏡が用いられる。
特許文献1には、ステージ位置の計測にレーザー干渉計を用いた構成が開示されており、複数のレーザー干渉計を配置し、使用する干渉計を切り替えて位置計測を行うものである。
一方、レーザー干渉計は、気圧、温度、湿度のわずかな変動により、レーザー波長が変化し、計測誤差となってしまう。そこで、露光装置をチャンバーで覆って環境制御をすると同時に、残りの変動分に関しては、気圧計、温度計、湿度計などの計測値を用いて波長補正を行っている。
特開2002−319541号公報
レーザー干渉計を切り替えて位置計測を行う場合、切り替え前後で位置ずれが発生するのを防ぐ必要がある。そのために、複数のレーザー干渉計が互いに計測可能な重複区間を設け、切り替え前の計測値を切り替え後の計測値に継承していく必要がある。
前述した波長補正は、レーザー干渉計のリセット時の光路長を基点として行う。干渉計の切り替えが行われないステージ装置の波長補正は、エラーなどで装置停止しない限り、装置起動後継続して行われていく。しかし、干渉計の切り替えが行われる場合、すなわち、遮光され計測不能であったレーザー干渉計が計測可能になる場合、レーザー干渉計のリセットがその度行われる。前述した構成の場合、切り替え時のXYZ位置は毎回異なるので、波長補正の基点となる光路長が変化してしまい、変化分を考慮しないと計測誤差となり、結果的に位置ずれが生じてしまう。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、レーザー干渉計等の計測手段の切り替え時に発生するステージの位置ずれを低減することを目的とする。
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明のステージ装置は、物体を移動可能なステージと、計測光の経路長の変動に基づいて前記ステージの所定方向の変位を計測すると共に、前記ステージの移動中に、ステージ位置を同時に計測可能な重複領域が存在するように配置された第1及び第2計測手段と、前記重複領域において、前記第1計測手段から前記第2計測手段に計測値を引渡すことにより、前記第1計測手段による計測から第2計測手段による計測に切り替える切替手段と、前記計測光の波長変動を検出する波長補正器と、基点となる経路長と、前記波長補正器の出力とに基づいて計測光の波長変動を補正する補正手段とを備え、前記補正手段は、前記切替手段による切り替え時に、切り替え直前の前記ステージの位置に基づいて前記基点となる経路長を変更する
本発明においては、計測手段の切り替え前後のレーザー干渉計の波長補正の継承が可能となり、干渉計の切り替えに起因する位置ずれが低減できる。
以下に、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものである。
また、本発明は、後述する実施形態であるステージ位置計測方法や補正方法、デバイス製造方法等を実現するソフトウェアのプログラムコードを記憶した記憶媒体(または記録媒体)を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成されることは言うまでもない。
[第1の実施形態]
図1は第1の実施形態に係る露光装置の概略正面図である。
同図において、32は原版であるレチクルを照明する照明部、33は転写すべきパターンを有するレチクル、34はレチクル33上に形成されたパターンを基板であるウエハ上に投影する投影レンズ(投影光学系)、35はレンズ34を支持する鏡筒支持体、36は鏡筒支持体35を支持して振動を抑え、かつ床からの振動を絶縁する本体用(鏡筒支持体用)アクティブマウント、38は本体用アクティブマウント36とステージ用アクティブマウント37を設置する位置決め定盤である。
21,22は鏡筒支持体35に固定されたZ計測用の固定ミラーであり、39は2つの反射面をもったZ計測用の移動ミラーであって、後述のXミラー29と一体化されている。
31はX方向に移動可能なXステージ、40はXステージ31に対してY方向に移動可能なYステージ、41はYステージ40及びXステージ31を支持するステージ定盤、37はステージの移動により生じるステージ定盤41の振動を抑え、かつ床からの振動を絶縁するステージ用アクティブマウントである。なお、Xステージ31およびYステージ40は、不図示の静圧軸受によって、非接触でステージ定盤41に支持されている。
42はXステージ31をX方向に移動させるための駆動用のXリニアモータである。Xリニアモータ42は、Xステージ31に可動子が設けられ、ステージ定盤41上に固定子が設けられている。なお、Xリニアモータの固定子は、不図示の静圧軸受によって非接触でステージ定盤41上に支持されてもよく、または、ステージ定盤41に固定されていても良い。このほかにYステージ40をY方向に移動させるための図示しない駆動用のYリニアモータがある。Yリニアモータは、Yステージに可動子が設けられ、Xステージに固定子が設けられており、Xステージ31とYステージ40との間でY方向の駆動力を発生する。
23は鏡筒支持体35と基板用のトップステージ27とのX方向の相対位置を計測し、かつトップステージ27の姿勢を計測するためのレーザー干渉計である。同様にX方向を計測し、かつトップステージ27の姿勢を計測するための不図示のレーザー干渉計24がある。
25はXステージ31上から鏡筒支持体35とトップステージ27上の移動ミラー39間の距離を計測し、トップステージ27のZ方向の位置を算出するためのレーザー干渉計である。
なお、トップステージ27は、Yステージ40上に搭載されており、不図示のアクチュエータによってYステージ40に対して微動可能である。また、トップステージ27は、Yステージ40内に設けられたZ変位センサ43によって測定可能である。このセンサはリニアエンコーダや静電容量センサなどZ干渉計25とは別に設けられたZ変位センサであり、Yステージ40に対するトップステージ27の変位を3ヶ所(3つ目は不図示)で測定し、トップステージ27のZ方向の変位と傾き方向(チルト方向)の変位が測定可能である。
26はパターンを投影する対象である感光材の塗布された不図示の半導体基板(ウエハ)を保持するためのウエハチャック(基板ホルダ)、27はウエハチャック26をZ,θ,ωX,ωY方向に位置決めするためのθZステージ(トップステージ)である。
44は装置内の気圧を計測するための気圧計である。45はレーザー干渉計の波長の変動量を計測するための波長補正器であり、固定光路長の筒内をレーザー干渉計で計測し続けることで、波長の変動が分かる計測器となっている。いずれも、装置内のレーザー干渉計の波長補正に用いる。
図2はレーザー干渉計23,24とZ計測用レーザー干渉計25により、トップステージ27の位置または変位を計測する干渉計システムの配置を示す。同図において、26は不図示のウエハを搭載するウエハチャック、27はウエハチャック26を支持し搭載するトップステージであり、このトップステージ27は不図示のガイド及びアクチュエータによりX,Y方向に長ストローク移動し、Z方向及びωX,ωY,θの回転方向に短いストロークで移動する。
28はトップステージ27に取り付けられたYミラー、29はトップステージ27に取り付けられたXミラーである。30は、Xミラー29の上面に一体に設けられたZミラーである。Yミラー28は反射面がY方向に対し垂直になるように配置され、Xミラー29は反射面がX方向に対し垂直になるように配置され、Zミラー30は反射面がXY平面に対し平行となるように配置された光学部材である。
23a,23b,23cはY方向を計測するY干渉計であり、Yミラー28の反射面の各々所定位置にY方向と平行なレーザー光を入射し、その反射光によりビーム入射方向(Y方向)に沿った位置変動情報を検出する。24a,24bはX方向を計測するX干渉計であり、Xミラー29の反射面の各々所定位置にX方向と平行なレーザー光を入射し、その反射光によりビーム入射方向(X方向)に沿った位置変動情報を検出する。
各々の干渉計23,24は計測基準となる不図示の支持体に支持固定されている。例えば、干渉計23、24は、投影光学系34と一体的な構造物である鏡筒支持体に固定される。
25a,25bはZ方向を計測するZ干渉計であって、Xステージ31上に搭載されており、このZ干渉計25a,25bから出射するビームがXY平面に対して垂直になるように配置されるか、ミラーなどの光学素子によって垂直に引廻すように構成され、出射されたビームを、鏡筒支持体35に取り付けられたミラー21,22を介して、トップステージ27上に取り付けられたZミラー30のXY平面と平行な反射面に入射させることでトップステージ27のZ方向の位置計測を行う。
第1ミラー21及び第2ミラー22は、Z干渉計25からの出射光をZミラー30へ導くものであり、計測の基準となる鏡筒支持体35もしくはZ干渉計25からの計測光に対して鋭角の反射面をもつように支持固定されている。第1ミラー21および第2ミラー22は、Z干渉計25の配置された可動部(Xステージ31)のストローク方向(X方向)に長い長尺ミラーである。
図1に示すような露光装置では、鏡筒が鏡筒支持体35の中心にある。また、トップステージ27上にはウエハチャック26が搭載されている。そのため、Z干渉計25からの計測光路を遮らないよう引廻しに制約を受けてしまう。さらに、トップステージ27の可動範囲が長ストロークになる場合、全ストローク範囲でのZ計測を行うにはミラー21、22、30も長ストロークとなってしまう。しかし、ミラーの長大化は、
(1)加工、取付けの観点において、高精度な平面度実現が困難
(2)可能であってもコストがかかる
(3)反射鏡の固有値低下により制御帯域を劣化させる
などの弊害を生んでしまう。
そのため、本実施形態では、2つのZ干渉計25a、25bをトップステージ27のX座標に応じて切り替えて用いることにより、鏡筒に限らず計測光を遮蔽するような障害物を避けてトップステージ27の計測を行うことができる。切り替えは、これまで計測を行っていた干渉計からこれから測定可能になる干渉計へ不図示の制御部により測定値の引渡しを行う。切り替え時のステージの位置は2つの干渉計システムが重複する測定領域にあるときである。このとき、ステージが移動の最中でも切り替えが可能なように切り替え時間を考慮して重複する測定可能領域を設計する。
トップステージ27のZ方向の位置計測は、上記制御部に記憶されたトップステージ27の初期位置に、レーザー干渉計25aまたは25bの変位量を積算することで得られる。レーザー干渉計は、気圧、温度、湿度のわずかな変動により、レーザー波長が変化し、計測誤差となってしまう。そこで、前記制御部にて、気圧計、温度計、湿度計などの計測値を用いて波長補正をしている。
次に、図3〜6を用いて干渉計切り替えが生じる場合の波長補正方法を説明する。本実施形態では、気圧計を用いた場合について述べるが、温度計、湿度計などを用いた場合も同様に適用可能である。
図3A〜Dは、Z干渉計システムの概略図である。50a、50bはZ方向を計測するレーザー干渉計であり、トップステージ27上に取り付けられた不図示のZミラーの位置を計測している。50a、50bは図2の25a、25bに相当するが、光路途上のミラー21a、21b、22a、22bは便宜上不図示としている。トップステージ27は装置起動時に、前述したYステージ40との間に設けられたアクチュエータによって、Yステージに対して機械的な突き当てを行う。そして突き当て位置(図中のOrigin位置)にて、干渉計50bのリセット(値を0にセット)を行い、それと同時に気圧計44の値をサンプリングし、また波長補正器45のリセットも行う。これは、干渉計50bのリセットの瞬間(時間t=t0)を基点として波長補正を実施するためである。干渉計50bリセット時の、トップステージ27までの光路長(メカ設計値として保証されている固定値)をZi(t0)、気圧計44の示す気圧値から求めた波長補正係数をWi(t0)とする。また、t0を基点とし、ある時間tにおける波長補正器45の出力から求めた波長補正係数の変動分をW(t)とする。本実施形態では、t=t0での波長補正係数の絶対値Wi(t0)を気圧計44の気圧値から求め、その時点からの相対値W(t)を波長補正器45の出力から求めている。Wi(t0)にW(t)を加算すれば、時間tにおける波長補正係数の絶対値を算出することが出来る。波長補正器を使わず、気圧計のみで各時間における波長補正係数を求めても構わない。但し、その際にはサンプリング周期の短い気圧計を用いた方が、リアルタイム性が高まり補正精度は上がる。
図3Bは、図3Aの状態から、トップステージ27が干渉計50bの出力値に従ってZ方向にP(t1)だけ駆動した瞬間(t=t1)の概略図である。この時の、位置補正量ΔP(t1)は、以下の式で表される。
ΔP(t1)=k1*Zi(t0)+k2*P(t1)・・・(1)
ただし、k1=W(t1), k2=Wi(t0)+W(t1)
ここでk1はt0からt1までの波長補正係数の相対値であり、k2はt1における波長補正係数の絶対値である。
したがって、波長補正後のトップステージ27の位置P(t1)´は次式で表される。
P(t1)´=P(t1)+ΔP(t1)・・・(2)
これらの演算は、図4に示す波長補正制御部1によって行われる。ステージ駆動部2は、reference(目標値)に従って駆動を行う。ステージのposition(現在値)は干渉計3によって計測され、波長補正制御部1に出力される。波長補正制御部1は、気圧計4、波長補正器4の出力値を基に、波長補正演算を行い、補正後の現在値をステージ駆動部2にフィードバックする。
図3Cは、図3Bの状態から、トップステージ27がX方向に駆動し、干渉計切り替えを行う瞬間(t=t2)の概略図である。Zの位置P(t2)は図5と等しくなくても構わない。この時、干渉計50bだけでなく、50aも計測可能となっているので、干渉計50bの値P(t2)を50aにプリセットし、Z位置の計測および制御を50bから50aに切り替える。また、波長補正制御部1はt0からt2までの波長補正係数変動分W(t2)を保持しておく。
図3Dは、干渉計切り替え後に、トップステージ27がP(t3)の位置に駆動した瞬間(t=t3)の概略図である。この時の、位置補正量ΔP(t3)および補正後の位置P(t3)´は、以下の式で表される。
ΔP(t3)=k1*Zi(t2)+k2*(P(t3)- P(t2))・・・(3)
ただし、k1=W(t3)-W(t2), k2=Wi(t0)+W(t3), Zi(t2)=Zi(t0)- P(t2), P(t3)´=P(t3)+ΔP(t3)
ここでk1はt2からt3まで、すなわち干渉計50aに切り替わった瞬間からその後のt3までの波長補正係数の相対値である。50aに切り替わるということは、今まで計測不可能であった50aにリセットがかかることでもあるので、50bにとってのt0の瞬間と等価である。したがってt2を基点とした相対値k1が必要となるのである。
また、k2はt3における波長補正係数の絶対値である。Zi(t2)はt2における光路長であり、右辺2項目の(P(t3)- P(t2))は、t2からの駆動量である。
t3以後、50aから50bに切り替えが生じる場合も上記の方法にしたがって、波長補正を行っていけばよい。これにより、干渉計切り替え時にも波長補正を正しく継承することが出来る。
例えば、t=t4において50aから50bに切り替えが生じたとるすると、その後t=t5における補正式は以下のようになる。
ΔP(t5)=k1*Zi(t4)+k2*(P(t5)- P(t4))
ただしk1=W(t5)-W(t4), k2=Wi(t0)+W(t5), Zi(t4)=Zi(t0)- P(t4), P(t5)´=P(t5)+ΔP(t5)
なお、図3Aに示した機械的突き当ては、50bが有効な状態で行ったが、50aでもよい。
また、本実施形態においては、切り替え時のX、Y位置を規定しなかったが、50a、50bの重複測定可能範囲であればどこでも構わない。もちろん決まった位置で行ってもよい。ただし、トップステージ27の高速駆動時に切り替えを行う場合には、干渉計リセット(もしくはプリセット)や演算処理などに起因する切り替え時間を考慮した位置に設定するのが望ましい。
本実施形態ではXステージにZ計測用の干渉計を搭載しているが,Yステージに搭載した形に置き換えてもよい。また、本実施形態では干渉計システムをトップステージ27に1つまたは2つだけ設けた場合を示したが、これに限られるものではなく、3つ以上設けても良い。3ヶ所で測定を行えば、鏡筒支持体35を基準とするトップステージ27のZ方向の変位だけでなく、トップステージ27のチルト方向(ωX,ωY)の回転情報も得ることができる。
本実施形態では、本発明をウエハステージに適用したが、レチクルステージにも適用が可能である。
また、本発明は、Z方向計測に限らず、あらゆる方向において干渉計切り替えが行われるシステムにおいて適用可能である。
[デバイス製造方法]
次に、この露光装置を利用した半導体デバイスの製造プロセスを説明する。図5は半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップS1(回路設計)では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップS2(マスク作製)では設計した回路パターンに基づいてマスクを作製する。
一方、ステップS3(ウエハ製造)ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップS4(ウエハプロセス)は前工程と呼ばれ、上記のマスクとウエハを用いて、上記の露光装置によりリソグラフィ技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップS5(組み立て)は後工程と呼ばれ、ステップS5によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程(ダイシング、ボンディング)、パッケージング工程(チップ封入)等の組み立て工程を含む。ステップS6(検査)ではステップS5で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、ステップS7でこれを出荷する。
上記ステップS4のウエハプロセスは以下のステップを有する(図6)。ウエハの表面を酸化させる酸化ステップ、ウエハ表面に絶縁膜を成膜するCVDステップ、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する電極形成ステップ、ウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込みステップ、ウエハに感光剤を塗布するレジスト処理ステップ、上記の露光装置によって回路パターンをレジスト処理ステップ後のウエハに転写する露光ステップ、露光ステップで露光したウエハを現像する現像ステップ、現像ステップで現像したレジスト像以外の部分を削り取るエッチングステップ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップ。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。
本発明の実施形態に係る露光装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る干渉計切り替え計測をZ方向に適用した場合の概略図である。 本発明の実施形態に係る波長補正方法を示した概略図である。 本発明の実施形態に係る波長補正方法を示した概略図である。 本発明の実施形態に係る波長補正方法を示した概略図である。 本発明の実施形態に係る波長補正方法を示した概略図である。 本発明の実施形態に係る波長補正制御のブロック図である。 デバイス製造方法を示す図である。 ウエハプロセスを示す図である。

Claims (7)

  1. 物体を移動可能なステージと、
    計測光の経路長の変動に基づいて前記ステージの所定方向の変位を計測すると共に、前記ステージの移動中に、ステージ位置を同時に計測可能な重複領域が存在するように配置された第1及び第2計測手段と、
    前記重複領域において、前記第1計測手段から前記第2計測手段に計測値を引渡すことにより、前記第1計測手段による計測から第2計測手段による計測に切り替える切替手段と、
    前記計測光の波長変動を検出する波長補正器と、
    基点となる経路長と、前記波長補正器の出力とに基づいて計測光の波長変動を補正する補正手段とを備え
    前記補正手段は、前記切替手段による切り替え時に、切り替え直前の前記ステージの位置に基づいて前記基点となる経路長を変更することを特徴とするステージ装置。
  2. 前記補正手段は、前記波長補正器により検出された値から第1の波長補正係数を求め、求められた第1の波長補正係数に基づいて前記ステ−ジの位置補正量を算出することを特徴とする請求項1に記載のステージ装置。
  3. 前記ステージが配置されたチャンバー内の気圧、温度、湿度の少なくともいずれかを検出する検出手段を更に備え、
    前記補正手段は、前記検出手段によって得られた検出値から第2の波長補正係数を求め、前記第1の波長補正係数と第2の波長補正係数に基づいて前記ステージの位置補正量を算出することを特徴とする請求項2に記載のステージ装置。
  4. 物体を移動可能なステージと、
    計測光の経路長の変動に基づいて前記ステージの所定方向の変位を計測すると共に、前記ステージの移動中に、ステージ位置を同時に計測可能な重複領域が存在するように配置された第1及び第2計測手段と、
    前記重複領域において、前記第1計測手段から前記第2計測手段に計測値を引渡すことにより、前記第1計測手段による計測から第2計測手段による計測に切り替える切替手段と、
    前記計測光の波長変動を検出する波長補正器と、
    前記波長補正器の出力から算出される波長補正係数に基づいて前記ステージの位置補正量を算出する補正手段と、を備え、
    前記補正手段は、前記切替手段による切り替え前において、
    前記第1計測手段のリセット時における計測光の経路長をZi(t0)、リセット時における波長補正係数の絶対値をW(t0)、前記波長補正係数の絶対値に対する相対値をW(t1)、前記第1計測手段のリセット時におけるステージ位置に対するステージの変位をP(t1)としたときに、
    ΔP(t1)=W(t1)×Zi(t0)+(Wi(t0)+Wi(t1))×P(t1)
    に基づいて位置補正量ΔP(t1)を算出し、
    前記切替手段による切り替え後において、前記波長補正係数の絶対値に対する、切り替え時における波長補正係数の相対値をW(t2)、切り替え後における波長補正係数の相対値をW(t3)、前記第1計測手段のリセット時におけるステージ位置に対する、切り替え時の前記ステージの変位をP(t2)、切り替え後の前記ステージの変位をP(t3)としたときに、
    ΔP(t3)=(W(t3)−W(t2))×(Zi(t0)−P(t2))
    +(Wi(t0)+Wi(t3))×(P(t3)−P(t2))
    に基づいて位置補正量ΔP(t3)を算出することを特徴とするステージ装置。
  5. 物体を移動可能なステージと、計測光の経路長の変動に基づいて前記ステージの所定方向の変位を計測すると共に、前記ステージの移動中に、ステージ位置を同時に計測可能な重複領域が存在するように配置された第1及び第2計測手段とを備えるステージ装置における位置計測方法であって、
    前記重複領域において、前記第1計測手段から前記第2計測手段に計測値を引渡すことにより、前記第1計測手段による計測から第2計測手段による計測に切り替える切替工程と、
    前記計測光の波長変動を検出する波長補正器からの出力を取得する工程と、
    基点となる経路長と、前記波長補正器の出力とに基づいて計測光の波長変動を補正する補正工程とを備え
    前記補正工程では、前記切替工程における切り替え時に、切り替え直前の前記ステージの位置に基づいて前記基点となる経路長を変更することを特徴とする方法。
  6. 請求項1乃至のいずれか1項に記載のステージ装置を用いて、基板または原版を搭載したステージを駆動することを特徴とする露光装置。
  7. 請求項に記載の露光装置を用いてデバイスを製造することを特徴とするデバイス製造方法。
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