JPH01198019A - 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、マスクパタンを半導体ウェハ上のレジストに
、精度よく位置合わせできる露光装置に関するものであ
る。

［従来の技術］ 従来の露光装置は、アイ・イー・イー・イー・トランザ
クションズ・オン・エレクトロン・デバイス（ＩＥＥＥ
　　ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ○Ｎ　　ＥＬＥＣＴＲＯ
Ｎ　　ＤＥＶＩＣＥＳ）ＶＯＬ、ＥＤ−２６，Ｎａ４．
Ａｐｒｉｌ、１９７９゜ｐ７２３に記載されているよう
に、第２図に示した構成になっている。上記装置では、
第１の光源からの光、すなわち露光光はコンデンサレン
ズ３０を通過してマスク３１に入射する。マスク３１を
透過した光は投影レンズ３２．３３を通過して６エハ３
４に達し、マスク３１の像をウェハ３４上に結像させる
。上記光学系は物体すなわちマスク３１側においてもウ
ェハ３４上においても、いわゆるテレセントリック光学
系になっており。

ウェハ側およびマスク側の両方とも、結像のための光線
における主光線はウェハ３４、マスク３１のそれぞれに
垂直に入射している。位置合わせのための光は、第２の
光源としてレーザ光３５を用い、投影レンズ３３．３２
中の小ミラー３６によって反射したレーザ光３５はウェ
ハマークとしての格子バタンに入射する。上記格子パタ
ンからの反射光のうち、±１次回折光だけが投影レンズ
中の空間フィルタ３７で選ばれマスク３１上に結像する
。上記マスク３１にはマスクマークとして格子バタンか
配置されており、ウェハマークからのバタンとマスクマ
ークのバタンとか合致させられ、ウェハ３４とマスク３
１との位置ずれが検知される。

また、第２図に３８で示しているように、偏光子を用い
てウェハマークからの回折像を横にずらせた２重像とし
て、それぞれの像をファラデー素子で電気的に交互に取
出すことにより、位置合わせ精度を向上させる試みがな
されている。しかし。

上記方法では１回折像を横ずらしにする量が発生させる
２重像のそれぞれを、精度よく等しい値だけ左右にずら
す必要があり、用いる光学部品が高精度で作成され、か
つ、経時的に位置ずれを生じない構成としなければなら
ない。

［発生が解決しようとする課題］ 上記従来技術は、つぎに示す点で限界があり、欠点を有
している。すなわち、第１の光源としての露光光の波長
および第２の光源としての位置合わせ用レーザ光の波長
が、大きく離れているときには、投影レンズの色収差補
正が十分になされず、上記ウェハマークからの反射光は
マスク上で結像しなくなり、上記従来技術は使用できな
くなる。

また、第２図に示した光学系では、ウェハマークの格子
ピッチ方向は、ウェハの光軸との交点とウェハマークを
結ぶ線分方向に垂直になっているため、ウェハマークか
らの±１次回折光がマスク上に結像するバタンの位置は
二段形レンズの色収差によりずれ、露光光による結像位
置と１位置合わせ用レーザ光による位置検出位置がずれ
たものになる欠点がある。また、ウェハマークからの±
１次回折光を取出すフィルタは投影レンズの中にあり、
マスクパタンをウェハに転写する露光光を一部遮ること
になり好ましくない。

［課題を解決するための手段］ 本発明では第１の光源からの光をマスクの照射し、投影
レンズを含む第１の光学系でウェハ上に結像させ、感光
材料に感光させる露光装置において、ウェハ上には格子
パターンからなるウェハマークおよび上記マスクにも格
子パターンからなるマスクマークを配置し、第１の光源
と異なる周波数の異なる２つの波長を出射する第２の光
源からの光をウェハマーク、マスクマークそれぞれに照
射するようにし、ヴエハマーク、マスクマークからの反
射光を第２の光学系で光検知器上に結像させ、第２の光
学系のフーリエ面に反射光の±１次回折光だけを取り出
すフィルタ、光検知器前の結像面にスリットを設けたこ
とを特徴とする。また。

第２の光学系においてマスクマークおよびウェハマーク
を同一のスリット上に結像させるようにマスクマークか
らの反射光およびウェハマークからの反射光を分離して
色収差補正光学素子を設ける。

また、ウェハマークあるいはマスクマークからスリット
のある位置に達するまでの光学系の倍率をｍとし、マス
クマークあるいはウェハマークの格子ピッチをｐとする
と該スリット幅は概略ｎｌ　ｐ／４に設定するとＳ／Ｎ
比の大きな信号が得られる。

［作用］ 本発明の原理を第３図〜第６図を用いて説明する。第３
図に示すようにウェハ３上にはＩＣパタン２２およびウ
ェハ位置合わせ用の格子パタンからなるウェハマーク４
が形成されている。マスク１上のマスクパタンを露光光
８により投影レンズ２を用いて結像し、ウェハ３上に形
成されているＩＣパタン５に正確に位置合わせし重ねて
作成する。本発明は上記のようにウェハ３とマスク１と
を正確に位置合わせするための装置を得るものである。

まず、ウェハマーク４を使って、ウェハ３の位置をマス
ク１の位置に対応する場所で位置合わせする原理を説明
する。第４図は露光光８に対する光学系のｘ−ｚあるい
はｙ−ｚ断面を説明する図で、露光光８としては波２４
８．４ｎｍのＫｒＦレーザ光を用い、投影レンズ２とし
て焦点距離８０ｍｍ、屈折率１．５０８３１の合成石英
ガラスで、マスク１を縮小投影する倍率°として１１５
のものを用いる。投影レンズ２のマスク側焦点位置に絞
り６を置くテレセントリック配置にすると、投影レンズ
２とウェハ３間の距１１ａは９６ｍｍ、投影レンズ２と
マスク１１間の距離すは４８０ｍｍになる。第５図は位
置合わせ用レーザ光に対する光学系の説明図である。位
置合わせ用レーザとして波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎ
ｅレーザを用いるとすると、投影レンズ２のレンズ材料
である合成石英の屈折率は１．４５７１となるため、投
影レンズ２の焦点距離も８０ｍｍから８９ｍｍと大きく
変り、ウェハ３の表面に対応するマスク１側の結像位置
ｂ′も４８０ｍｍから１２１４ｍｍと　きくマスク１の
位置からずれることになる。第５図（ａ）はウェハマー
ク４からの反射光をｘ−ｚ断面に斜影した図を示し、第
５図（ｂ）はｙ−ｚ断面に斜影した図を示している。

ＩＩｍするウェハマーク４はＸ軸上にあり、格子ピッチ
に垂直な方向は、Ｘ軸すなわち投影レンズ２の光軸とウ
ェハ３との交程ｄの方向におおむね向いているとする。

ウェハマーク４の格子は第１２図に示すように、ピッチ
ｐの凹凸格子とし、入射するレーザ光と回折する光の角
度を０とすると、ｐｓｉｎθ＝ｍλなる関係がある。こ
こでｍは回折の次数、λは光の波長である。いま、上記
−ど」仁ｔ」−ラジアン）になる。第５図（ｂ）には±
１次回折光が示しである。±１次回折光は投影レンズ２
からｂ′の位置で交叉する。

±１次回折光の交叉位置すなわちウェハマークの結像位
置をマスク位置にくるようにすることが、ウェハマーク
とマスクマークの相対位置合わせを精度良く行なうのに
必要である。第５図（Ｑ）は第１の光源としての露光々
と第２の光源としての位置合わせ用レーザ光の波長差に
よる投影レンズの色収差を補正するための色収差補正素
子として凹レンズ１４を用いた例を示す、凹レンズはウ
ェハマークの結５像位置をマスク位置にくるようにして
いる。

次に本発明の原理を詳細に説明する。

ウェハマークに周波数Ｖ１ｊ’２の２つの周波数をもつ
レーザ光が照射している場合を考える。

第６図の４に示したウェハマークを反射した光の位相ψ
は次式のように展開式で表わされる。ただし、δはウェ
ハマークの位置、ｐは格子ピッチ。

Ａ□＠　Ａ２．Ａ３は格子形状、溝深さに関係する定数
、 ｐ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｐウェハマ
ークからの光は　ｌｔで表わされ条がこのうち１次の回
折光Ｄ１は次式で表わされる。

２π Ｄｔ＝　ｉ　Ａ４　ｃｏｓ　　　（ｙ−δ）上式では光
の周波数を無視したが、＋１次を周波数シ１．−１次を
周波数ヤ。のものを選ぶようにすると上式は次式となる
。

この±１次回折光を倍率ｍの光学系で結像すると上式と
同様の式となる。ただし、上式のｐ→ｍ　Ｐ　ｒ　δ→
ｍδ、ｙは結像位置での座標に変換するとよい。ここで
は、簡単のために倍率ｍ＝１として説明する。＋１次の
回折光を倍率ｌの光学系で再結像したものの光強度は上
式のｌＤ１＋２で表わされる。

ｐ ±−欣の回折像の結像パターンＩＤ□１２のｙ＝０の部
分の光強度をスリットで選び出し光検知すると 一方、レーザ自身のヘテロダイン信号を基準信号とする
ため、。、レーザの。１２π・・ｔの光とｅ、１２ｉｙ
１ｔの光を干渉させると＝１２πｖａｔ ｌＤｇ１２１ｅｘｐｉ２πｙｌｔ＋ｅ　　　　　　１２
＝２　（１＋ｃｏｓ２π（ｙｌ−ｙ２）ｔ）　　　　　
　　　　　　−’（Ｄが得られる。

式（１）のｃｏｓ　（２π（ヤ、−ヤ２）ｔ−土工δ）
とと式（２）のｃｏｓ　２π（ヤ、−ν２）ｔを位相比
較することによりδすなわちウェハマークの位置が検出
できる。式（１）の導出においてｙ＝ｏの光強度をスリ
ットで選び出したが、スリットの幅は光強度を検知する
感度から言えば大きい方が望ましいが、大きすぎると信
号成分が小さくなる。位置Ｙにあるスリットの幅をＷと
するとスリット内に入る光量は次式で与えられる。

４π 十−（ｙ−δ）］　　　　　　　　　　　　−■わち、
スリット幅Ｗが概要Ｐ／４の時最大の信号振幅が得られ
る。

上述したように、位相比較によってウェハマークの位置
を求める方法は、位相差δが信号周期１／（シ１−シ２
）の１／１０００の精度で求められるとすると、ウェハ
マークの位置δは（Ｐ／４π）×　　　　　の高精度で
求められることになｏ００ る。

以上の説明はウェハマークの検出について述べたが、マ
スクマークに同様の格子を作っておくと同様の原理で検
出できることは明らかである。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図において、エキシマレーザ、水銀ランプからの露
光光８がコンデンサレンズ３０を通過して、マスク１上
のパターンをウェハ３上に転写する。

ウェハおよびマスクの位置合わせ用レーザとして２周波
をもつレーザ光を発振するゼーマン効果を利用するＨｅ
−Ｎｅレーザ１０を用いる。ウェハマークの検出は次の
ように行なう。ゼーマンレーザ１０から出射したレーザ
光はミラー５−２で反射しマスクの反射面９で反射しウ
ェハ上のウェハマーク４を照射する。ウェハマークから
の回折光は光路を逆進し、マスク反射面の、ミラー５−
３で反射し色収差補正素子として作用する半分けの凹レ
ンズ１４を通過する。凹レンズ１４は第５図（ｃ）です
でに説明したようにウェハマークの結像位置をマスク位
置にくるようにするためのものである。レンズ１５−１
はマスク位置に焦点を有するレンズで、その後側焦点面
に±１次回折光のみを取り出すための空間フィルタ１２
を配置する。

空間フィルタ１２を出射した±１次回折光はレンズ１５
−２でスリット１８上に結像させ、光検知器１３でその
光強度を検知する。

フィルタ１２は第７図、第８図に示すように構成されて
いる。第７図（ａ）に示すように±１次回折光７−１．
７−２はそれぞれの偏光成分が矢印を向くように設定さ
れており、それぞれ図に示すように周波数ν０．ν２を
有している。第７図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すフィ
ルタ１２は、（ｂ）に示す１２−１．１２−２が線方向
の偏光だけを通過させるためのフィルタで、１２−１は
回折光７−１のν１成分の光、１２−２は回折光７−２
のν２成分の光だけを通過させる。（、）に示す１２−
３はそれぞれの周波数成分の光が光検知器１３上で干渉
するように、±１次回折光の隔たり方向と直交する方向
の偏光成分だけを通過させるためのものであり、（ｄ）
に示す１２−４は０次光および高次回折光を遮断するも
のであり、スリット１２−５によって±１次回折光だけ
を通過させる。第８図はフィルタの別の構成を示したも
のである。第８図（ａ）に示すように±１次回折光の偏
光方向が設定されているとする。第８図（ｂ）はｐｓ分
離プリズム１２−１．１２−２をはり合わせたもので１
２−１は水平方向の偏光（周波数ν２成分の光）を通過
し、１２−２は垂直方向の偏光（周波数シ、成分の光）
を通過させる。ｐｓ分離プリズムを通過した光は±１次
回折光の偏光方向と４５”の角度に設定した偏光子１２
−３を通過し、第８図１２−４のスリット板で０次光お
よび高次回折光を遮断する。

第１図に示すように、ウェハマークを検出した光検知信
号と位置合わせ用レーザからのレーザ光を半透鏡１９で
光検知器２０に導き検出した光検知信号の基準信号との
位相比較を回路２１で行ないウェハ位置を検知する。

マスクマークの検出は次のように行なう。ミラー６を矢
印１７の方向に動かし位置合わせレーザ光の光路中にそ
う人するとレーザ光は矢印のごとく進みミラー５−１．
ミラー１６を通過してマスクマーク１１を照射する。マ
スクマークの回折光はミラー５−３で反射し、レンズ１
５−１に導かれる。この時色収差補正素子として半欠け
の凹レンズ内を光は透過しないようにすると、マスクマ
ークの位置はスリットの位置に結像するようにで　・き
、ウェハマークの位置を検出したのと同様の原理でマス
クマークの位置を検出できるようになる。

以上のごとく検出したウェハマーク位置とマスクマーク
位置の情報からウェハとマスクを高精度に位置合わせを
することが可能となる。位置合わせが完了すると露光光
８がマスク１を照射しマスクパターンがウェハに転写さ
れる。この時、位置合わせ用に用いた光学系の一部、図
ではミラ１６等が露光光の一部を遮ぎる時は欠削１７で
示すように動かし退避させることが必要である。

第９図はマスクパターン２３として大きなピッチの格子
の中にその格子配列方向と垂直な方向に細かいピッチの
格子２４を配列したものを用いる別の実施例を示す。こ
の場合、位置合わせ用レーザ光２５がマスクマークを照
射すると、マスクマーク内の細かいピッチの格子により
照射方向に光が回折してもどってくるので、第１図のミ
ラー１６のごとく露光光の一部を遮ぎることかなくなり
好都合となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の露光装置の一実施例を示す図、第２図
は従来例を示す図、第３図から第６図は本発明の原理を
示す図、第７図、第８図は本発明で用いるフィルタの構
成を示す図、第９図は本発明の別の実施例を示す図であ
る。 箋４后 第７ソ ノー−，５′ 纂？■ ノ２Ｊ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の光源からの光をマスクに照射し、投影レンズ
   を含む第１の光学系でウェハ上に結像させ、感光材料に
   感光させる露光装置において、上記・ウェハ上には格子
   パターンからなるウェハマークを上記マスクにも格子パ
   ターンからなるマスクマークを配置し、上記第１の光源
   と異なる周波数の異なる２つの波長を出射する第２の光
   源からの光をウェハマーク、マスクマークをそれぞれに
   照射するようにし、上記ウェハマーク、マスクマークか
   らの反射光を第２の光学系で光検知器上に結像させ、上
   記第２の光学系のフーリエ面に上記反射光の±１次回折
   光を取り出すフィルタ、上記光検知器前の結像面にスリ
   ットを設けたことを特徴とする露光装置。 ２、上記第２の光学系においてマスクマークおよびウェ
   ハマークを同一のスリット上に結像させるようにマスク
   マークからの反射光およびウェハマークからの反射光を
   分離して色収差補正光学素子を設けたことを特徴とする
   第１請求項記載の露光装置。 ３、上記、第２の光源は偏光状態が異なる２つの波長で
   出射し、上記フィルタはウェハマーク、マスクマークか
   らの±１次回折光を選び出すと共に偏光状態を弁別する
   ために、互いに直交して配置した２個のｐｓ分離偏光プ
   リズムを用いることを特徴とする第１請求項記載の露光
   装置。 ４、上記ウェハマークあるいはマスクマークからスリッ
   トに至る光学系の倍率をｍとし、マスクマークあるいは
   ウェハマークの格子ピッチをｐとすると該スリット幅を
   概略ｍｐ／４としたことを特徴とする第１請求項記載の
   露光装置。