JPH0582410A

JPH0582410A - 結像平面検出方法

Info

Publication number: JPH0582410A
Application number: JP3241078A
Authority: JP
Inventors: Akira Inagaki; 晃稲垣; Masataka Shiba; 正孝芝; Yoshihiko Aiba; 良彦相場
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-20
Filing date: 1991-09-20
Publication date: 1993-04-02

Abstract

(57)【要約】【目的】投影露光装置の投影光学系の結像平面を高精度
かつ自動で測定することにより、試料面の傾きと高さを
求める測定器の基準値を高精度かつ高速に求め、スルー
プットを向上させる。【構成】試料を載置するステージ上に３箇所以上の照度
検出ユニットを設置し、その照度検出ユニットの上面と
投影光学系を介して共役な被投影体の面の双方の面に、
ライン状または矩形状の１または複数のパターンを３箇
所以上に設け、各々の焦点位置を同時に検出することに
より、結像平面を求め、試料面の傾きと高さを求める検
出器の基準値とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体等に微細パター
ンを露光し、または該微細パターンを検査する光学装置
に係わり、特に、半導体等に微細パターンを露光する場
合に、投影光学系の結像平面を高精度に求めることがで
き、しかもスループットの向上を図るのに好適な結像平
面検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の高集積化に伴い、光学装置のう
ち特に露光装置は、光の波長がｇ線からｉ線に、さらに
はエキシマレーザー光へと波長の短い光を用いるように
なってきており、一方、レンズも開口数（ＮＡ）の大き
いものを使用するようになってきているため、レンズの
焦点深度が浅くなり、露光装置としてレンズの結像面に
ウエハ面を高精度に合わせることが必要になっている。

【０００３】従来の露光装置の一例を、その主たる構成
を示す図９を参照して説明する。図において１は試料と
しての半導体ウエハ（以下、単にウエハという）、２は
被投影体としての回路パターン描画マスク、３は回路パ
ターン描画マスク２を保持してＸ，Ｙの各方向へ移動可
能なマスクステージ、４は照明光源、５は図示しない架
台に支持されているウエハ１と回路パターン描画マスク
２との間に介設されている縮小レンズ、６はウエハ１上
に設けられているアライメントパターン１ａを検出する
パターン検出器である。７はウエハ１を載置するステー
ジで、ステッパ７はＸ，Ｙ，Ｚの各方向へ移動可能に構
成されている。８ａ，８ｂはステージ７をＸ，Ｙの方向
へ駆動するモータ、９ａ，９ｂはモータ８ａ，８ｂに対
応してステージ７の位置計測を行うレーザ測長器、１０
はウエハ１上面の高さ方向（Ｚ方向）の位置検出を行う
エアマイクロメータである。１１はモータ８ａ，８ｂお
よびレーザ測長器９ａ，９ｂを制御するステージ制御
系、１２はエアマイクロメータ１０より出力されるウエ
ハ１上面のＺ方向信号を取り込み、メイン制御系１３に
送るエアマイクロメータ信号処理系である。

【０００４】上記構成からなる露光装置において、露光
を行うには、まず、縮小レンズ５の結像面にウエハ１の
上面を合わせ、ついでウエハ１上のアライメントパター
ン１ａと回路パターン描画マスク２に設けられたパター
ン位置とのずれをパターン検出器６で検出し、検出した
ずれ量がゼロになるようにステージ制御系１１によりス
テージ７を移動してアライメントパターン１ａを検出
し、回路パターン描画マスク２との位置合わせを行う。
つづいて照明光源４のシャッターを開いて露光が行われ
る。

【０００５】上記露光に際して行われる縮小レンズ５の
結像面とウエハ１上面との位置合わせは、まず、エアマ
イクロメータ１０によりウエハ１の上面位置を検出し、
検出したウエハ１の上面位置信号をエアマイクロメータ
信号処理系１２を介してメイン制御系１３に取り込む。
ついでステージ制御系１１によりステージ７をＺ方向へ
移動し、前記検出したウエハ１の上面位置の高さを保持
するように制御される。しかし、縮小レンズ５の結像面
は、主として（１）気圧及び温度の変動、（２）縮小レ
ンズ５を支持している架台の温度変化、（３）エアマイ
クロメータ１０のドリフト、等の要因により変動するか
ら、上記ウエハ１上面との位置合わせは通常１回だけで
は正確には合わず、現状では複数枚のウエハ１を使用し
て試し露光を行い、それらの、現像結果の内から選択し
て結像面位置を求め、選択して求めた結像面位置におけ
るエアマイクロメータ１０の出力値を基準にしてウエハ
１上面の高さ位置制御を行い、該位置制御を行いながら
露光が行われるようになっている。

【０００６】一方、所要のパターンが形成される被投影
体（例えばレチクル）を露光体（例えば半導体ウエー
ハ）表面に投影露光する露光装置として、被投影体の一
部に微小光透過部を形成し、この微小光透過部を露光体
表面に投影し、かつこれにより反射された投影光を再び
被投影体位置で結像して微小透過部を通過させ、この通
過光の光量を検出することにより、焦点位置合わせを自
動かつ短時間で行うとともに、焦点位置合わせを高精度
に行う焦点位置合わせ方法及びその装置（例えば、特開
昭５７−２１２４０６号公報）が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の露光装置
は、試し露光を繰り返し行ってウエハ１の合焦点位置を
求め、その位置におけるエアマイクロメータ１０の出力
値を基準にしてウエハ１上面の高さ位置制御を行いなが
ら露光を行うため、上記試し露光に数十分の時間を必要
とし、前記露光装置等の数分程度の短時間に発生するド
リフトを補正することは不可能であり、試し露光による
スループットの低下が問題点となっていた。また、縮小
レンズ５の焦点深度が従来より浅くなってきたことによ
り、ウエハ１の厚さむら等により発生するウエハ１の面
のうねり或いは反り等による露光領域内における傾きが
大きな問題点となってきた。このウエハ１の面の傾き検
出のため、露光領域内におけるウエハ１の面の平均的な
高さ位置をエアマイクロメータ１０により検出するので
はなく、ウエハ１の露光領域内における面の高さと傾き
とを検出するためのレベル測定器を備えるようになって
きたが、実際に露光を行うためには、該レベル測定器に
前記高さと傾きとの基準値を設定する必要があり、該基
準値を求めるためには縮小レンズ５の結像面（焦点面）
の高さと傾きとを検出し、検出した結像面位置に、ウエ
ハ１または他の基準となる平面を正確に合わせなければ
ならないという問題点もあった。

【０００８】また、前記反射投影光を微小光透過部を再
通過させる方法及びその装置における焦点位置合わせ
は、微小光透過部を再通過した通過光の光量を検出して
最適焦点合わせ位置を求める方法であるが、該通過光の
光量検出は、露光体表面の各点ごとの最大光量を検出す
る方法であって複数個所の最大光量を同時検出する方法
ではない。このため、露光体表面の各焦点測定位置にお
ける最適焦点合わせは可能であっても、露光領域内にお
ける露光体表面の高さと傾きとを検出することはでき
ず、従って結像平面を正確に求めることはできない問題
点を有していた。

【０００９】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、
特に、半導体等に微細パターンを露光する露光装置にお
いて、投影光学系の結像平面を高精度に求めることがで
き、しかもスループットの向上を図ることができる結像
平面検出方法およびその装置を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の結像平面検出方法は、試料を載置するステ
ージ上に３個所以上に光センサーを備えた照度検出ユニ
ットを設置し、該照度検出ユニットの上面と投影光学系
のレンズを介して前記照度検出ユニットの上面と共役な
被投影体の面の双方の面に、ライン状または矩形状の１
または複数のパターンを３個所以上に設け、前記被投影
体の面に設けられたパターンを前記照度検出ユニットの
上面に設けられたパターン上に投影し、該投影されたパ
ターンの光量を前記ステージを上下移動させて前記光セ
ンサーにて３個所以上測定し、該測定した各光センサー
の最大出力値を同時に検出して投影光学系のレンズの合
焦点を検出し、該検出した合焦点面を結像平面として求
める方法である。

【００１１】

【作用】結像平面検出方式およびその装置を上記構成と
したことにより、被投影体の面に設けられたパターンを
前記照度検出ユニットの上面に設けられたパターン上に
投影すると、投影されたパターンの光量が前記ステージ
を上下移動させて前記光センサーにより３個所以上測定
される。そして、測定された各光センサーの最大出力値
が同時に検出されて投影光学系のレンズの合焦点面、す
なわち、結像平面が短時間に、しかも高精度で求めら
れ、同時にスループットの向上を図ることができる。な
お、検出された合焦点面に前記照度検出ユニットの上面
を一致させ、その一致した状態で照度検出ユニットの上
面に高さと傾きとを、レベル測定器で測定することによ
り該レベル測定器の基準値を求めることができ、この求
めたレベル測定器の基準値に、ステージを移動させて試
料（ウエハ）の露光領域内における面を一致させること
により、高精度に焦点合わせを行い順次露光を行うこと
ができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例を図１ないし図
５を参照して説明する。図１は結像平面検出器の構成説
明図、図２はラインパターン合わせの説明図、図３はＺ
方向レベルと光量検出用の光センサ出力との関係を示す
図、図４は回路パターン描画マスクと照度検出ユニット
とに設けられたパターンの一例を示す図、図５は面状の
複数の焦点位置から結像平面を求める方法を説明した図
である。

【００１３】図１において、ウエハ１は、チャック上に
吸着して載置される。ステージ７は、Ｘ−Ｙステージ、
Ｚステージ、チルトステージから構成される。結像面検
出ユニット２０は、図４に示すように、１または複数
（群）のライン状または矩形状の透明部で形成された第
１の検出パターン２０ａを少なくとも３個所に形成した
上面と、該上面に形成された上記第１の検出用パターン
２０ａの位置に対応させて上記上面の裏面に配置された
少なくとも３ケ光電変換素子（センサ）とから構成され
ている。そして、結像面検出ユニット２０のセンサの受
光面の高さとウエハ１の表面の平均的高さとを一致させ
て上記ステージ７上に、上記結像面検出ユニット２０と
チャックとを載置している。８ａはＸステージを駆動す
るＸ軸駆動源、８ｂはＹステージを駆動するＹ軸駆動源
である。なお、図示されていないが、Ｚステージを上下
に微動させるＺ軸駆動源、チルトステージをチルトさせ
るチルト駆動源が存在する。Ｚ軸駆動源には、Ｚステー
ジのＺ軸方向の変位を高精度に検出するＺ軸変位検出器
が備えられ、チルト駆動源にもチルトステージのチルト
量を高精度に検出するチルト量検出器が備えられてい
る。９ａはＸステージの変位を測定するＸ軸レーザ測長
器、９ｂはＹステージの変位を測定するＹ軸レーザ測長
器である。３は、マスク２１を載置するマスクステージ
で、露光投影する基準位置にマスク２１を位置合わせす
るためのものである。４は、露光照明光源、シャッタ、
コンデンサレッズ等から構成された露光照明光学系を示
す。５は、マスク２１に形成された回路パターンをウエ
ハ１上の露光領域に縮小投影露光する縮小投影レンズで
ある。６は、ウエハ１上に設けられたアライメントパタ
ーンを検出する検出器である。ウエハ１上の露光領域内
の高さと傾き、および結像面検出ユニット２０の上面の
高さと傾きを検出するレベル測定器は、具体的に例え
ば、ＰＣＴ Application No.702643/90(April 20.1990)
に記載されているように発光器２２と受光器２３とを二
対設けることにより構成されている。

【００１４】なお、マスク２１には、図４に示すよう
に、回路パターンの周辺部の少なくとも３個所に、縮小
投影レンズ５を通した第１の検出パターン２０ａの位置
に対応させて１または複数（群）のライン状または矩形
状の不透明部で形成された第２の検出パターン２１ａを
形成している。

【００１５】１１はステージ制御系で、メイン制御系１
３からの指令とＸ軸レーザ測長器９ａで測定されるＸス
テージの変位量、Ｙ軸レーザ測長器９ｂで測定されるＹ
ステージの変位量、Ｚ軸変位検出器で検出されるＺステ
ージの変位量、およびチルト量検出器で検出されるチル
トステージのチルト量とに基づいて、ステージ７を構成
するＸ−Ｙステージ、Ｚステージ、チルトステージの各
々を制御するものである。また、ステージ制御系１１
は、Ｘ軸レーザ測長器９ａで測定されるＸステージの変
位量、Ｙ軸レーザ測長器９ｂで測定されるＹステージの
変位量、Ｚ軸変位検出されるＺステージの変位量、およ
びチルト量検出器で検出されるチルトステージのチルト
量をメイン制御系１３に送信するものである。２４はレ
ベル測長器の信号処理系で、レベル測定器の受光器２３
からの検出信号に基づいて、図５に示す装置基準面から
のウエハの露光領域毎の表面の高さと傾きとを高精度に
検出するものである。このレベル測定器の信号処理系２
４についても、具体的に例えば、ＰＣＴ Application N
o.702643/90(April 20.1990)に記載されている。２５は
結像面検出ユニットの信号処理系で、結像面検出ユニッ
ト２０内に設けられた３ケの光電変換素子（センサ）の
各々から検出される映像信号をディジタル信号に変換し
て出力するものである。メイン制御系１３は、露光照明
光学系のシャッタを開閉させる駆動信号を送出するとと
もに、マスクに形成されたパターンの縮小投影レンズ５
による結像平面（図５において２９で示す。）を求める
ために、ＸステージおよびＹステージを移動させて、結
像面検出ユニット２０の中心を縮小投影レンズ５の光軸
に合わせる指令信号を制御系１１に送信し、結像面検出
ユニットの信号処理系２５で検出される第１の検出用パ
ターン２０ａと第２の検出用パターン２１ａとの画像デ
ィジタル信号に基づいてずれ量を算出してこのずれ量が
なくなるようにステージ制御系１１に指令信号を送信
し、その後ＸステージおよびＹステージを静止させた状
態でＺステージを上下に微動させる指令をステージ制御
系１１に送信してＸステージおよびＹステージを静止さ
せた状態でＺステージを上下に微動させ、結像面検出ユ
ニットの信号処理系２５で検出される少なくとも３つの
第２の検出パターン２１ａの検出ディジタル信号のピー
クＭ₁，Ｍ₂，Ｍ₃を示す高精度のＺステージの変位量と
に基づいて結像点位置Ｚ₁，Ｚ₂，Ｚ₃を算出し、算出さ
れた結像点位置Ｚ₁，Ｚ₂，Ｚ₃と、３ケの光電変換素子
（センサ）の配置座標（Ｘ₁，Ｙ₁）（Ｘ₂，Ｙ₂）
（Ｘ₃，Ｙ₃）とから装置基準面２８に対する結像平面２
９を算出し、算出された結像平面２９に、結像面検出ユ
ニット２０の各センサの受光面で形成される平面が一致
するようにＺステージおよびチルトステージを駆動すべ
く、ステージ制御系１１に指令するものである。そして
メイン制御系１３は、ＸステージおよびＹステージを静
止させた状態で、算出された結像平面２９に、結像平面
検出ユニット２０の各センサの受光面で形成される平面
を一致される平面を一致させた後、レベル測定器で結像
面検出ユニット２０の上面の高さおよび傾きを測定し、
レベル測定器の信号処理系２４から算出される結像面検
出ユニット２０の上面の高さおよび傾きを、実際に露光
する前にウエハの露光領域毎にレベル測定器で測定する
ウエハの露光領域毎の高さと傾きの基準とする。なお、
結像平面と結像面検出ユニット２０の上面とを正確に合
わせるために、検出ユニット２０の上面に設けたパター
ンはクロム等によりプレートの上表面に形成しておく必
要がある。

【００１６】更に上記構成の作用について具体的に説明
する。まず、メイン制御系１３からの指令に基づいて、
ステージ制御系１１は、Ｘステージ、ＹステージをＸお
よびＹ方向に移動して結像面検出ユニット２０の中心を
縮小投影レンズ５の光軸に一致させる。ついでメイン制
御系１３からの指令に基づいて露光照明系４のシャッタ
を開き、図４に示すようにマスク２１の周辺に設けられ
た３つの第２の検出パターン２１ａを、縮小投影レンズ
５を通して結像面検出ユニット２０の上面に縮小投影す
る。たとえ、マスク２１と縮小投影レンズ５との相対位
置関係が微妙に変動しても、あるいは縮小投影レンズ５
の倍率等が、経時変化や温度等の環境の変化で変動して
も、実際に露光する状態と同じ結像面が結像面検出ユニ
ット２０の上面に形成されることになる。

【００１７】ところで、通常図２（ａ）に示すように、
第２の検出用パターン２１ａがライン状の場合、結像面
検出ユニット２０の上面に縮小投影されたスリット像２
６と、それを受光する結像面検出ユニット２０の上面に
形成された第１の検出用パターン２０ａの透明なライン
状のパターン２７とは一致せず、ずれているため、メイ
ン制御系１３は、各光電変換素子（センサ）から検出さ
れる各画像信号に基づいてこのずれを算出し、このずれ
量がなくなるようにステージ制御系１１を介してＸステ
ージおよびＹステージを微動させて図２（ｂ）に示すよ
うに両者を一致させる。

【００１８】つぎにＸステージおよびＹステージを固定
した状態で、メイン制御系１３は、ステージ制御系１１
にＺステージを上下方向に微動させる指令を与えて、Ｚ
ステージを上下方向に微動させながら、結像面検出ユニ
ット２０内の各光電変換素子（センサ）、第１の検出用
パターン２０ａを通して得られる第２の検出用パターン
２１ａの結像を検出して検出信号を信号処理系２５を介
して取り込む。メイン制御系１３は、テーブル制御系１
１を介して得られるＺ方向位置と、各センサで検出され
る信号の出力値との関係は、図３に示すような山形の曲
線を形成し、最大出力値を示す点Ｍが容易に検出され
る。この検出された最大出力値を示すＺ方向の位置Ｚ
が、センサが設置された位置（Ｘ，Ｙ）における縮小レ
ンズ５によるマスク２１上に形成された第２の検出パタ
ーンの結像位置となる。

【００１９】即ち、メイン制御１３は、第１の検出パタ
ーン２０ａの位置に対応して設置された各センサから結
像面検出ユニットの信号処理系２５を介して検出される
３つの第２の検出用パターン２１ａの検出ディジタル信
号（図５（ｂ）に示す。）のピークＭ₁，Ｍ₂，Ｍ₃を示
す高精度のＺステージの変位とに基づいて装置基準面２
８に対する結像点位置Ｚ₁，Ｚ₂，Ｚ₃を算出し、算出さ
れた結像点位置Ｚ₁，Ｚ₂，Ｚ₃と、３ケの光電変換素子
（センサ）の配置座標（Ｘ₁，Ｙ₁）（Ｘ₂，Ｙ₂）
（Ｘ₃，Ｙ₃）とから装置基準面２８に対する結像平面２
９を算出する。そして、メイン制御系１３は、算出され
た結像平面２９に、結像面検出ユニット２０の上面が一
致するようにステージ制御系１１に指令を出し、ステー
ジ制御系１１はＺステージおよびチルトステージを駆動
制御して結像面検出ユニット２０の各センサの受光面で
形成される平面を、算出された結像平面２９に一致され
る。

【００２０】なお、このとき、結像平面２９を算出する
場合と同様にして結像平面を算出して両者が一致してい
ることを確認してもよい。

【００２１】そしてメイン制御系１３は、Ｘステージお
よびＹステージを固定させた状態で、算出された結像平
面２９に、結像面検出ユニット２０の各センサの受光面
で形成される平面を一致させた後、レベル測定器で結像
面検出ユニット２０の上面の高さおよび傾きを測定し、
レベル測定器の信号処理系２４から算出される結像面検
出ユニット２０の上面の高さおよび傾きを実際に露光す
る前にウエハの露光領域毎にレベル測定器で測定するウ
エハの露光領域毎の高さと傾きの基準とする。なお、検
出ユニット２０の上面に設けたパターンはクロム等によ
りプレートの上表面に形成しておく必要がある。

【００２２】以上のようにして実際露光する際、レベル
測定器で測定され、合わせるべくウエハ表面の基準面
（結像面）を算出することができたことになる。

【００２３】なお、マスク２１上に形成する第２の検出
用パターン２１ａの寸法は、回路パターン寸法（１μｍ
以下）より、微細にすることが必要となる。

【００２４】つぎにメイン制御系１３は、露光工程に移
行すべく、ステージ制御系１１に指定信号を送り、Ｘス
テージおよびＹステージをステップ＆リピートさせ、露
光領域毎に、ウエハ１の表面の高さと傾きとをレベル測
定器およびレベル測定器の信号処理系で測定し、この測
定された高さと傾きを上記基準面に合わせることによっ
て、露光領域毎のウエハの表面は、マスクに形成された
回路パターンの縮小投影レンズによる結像面となり、１
μｍ以下の高精細の回路パターンを焼き付けるために、
露光波長がｉ線更にエキシマレーザ光のように短波長に
なって、縮小レンズ投影５の焦点深度が浅くなっても、
高精細な回路パターンを確実に焼き付けることができ
る。

【００２５】即ち、縮小投影光学系の焦点合わせのドリ
フトを高精度に補正することを可能にすると共に、補正
に要する時間を短縮することができ、その結果、露光波
長がｉ線更にエキシマレーザ光のように短波長になっ
て、焦点深度のマージンが非常に少なくなった縮小投影
露光装置において、従来のような試し露光をやめること
ができるため、大幅なスループットの向上を図ることが
できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、合焦点位置を同時に３点以上計測して投影
光学系のレンズの結像平面を精度よく求めることがで
き、また、合焦点位置を照度検出ユニットの光センサー
で直接検出することにより、結像平面を高精度短時間で
検出できるため、レベル測定器の基準値を求めることが
可能になり、従来の様な試し露光による焦点検出を止め
ることができ大幅なスループット向上を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の結像平面検出装置の構
成説明図である。

【図２】ラインパターン合わせの説明図である。

【図３】Ｚ方向レベルと光量検出用の光センサー出力と
の関係を示す図である。

【図４】回路パターン描画マスクと照度検出ユニットと
に設けられたパターンの一例を示す図である。

【図５】面状の複数の焦点位置から結像平面を求める方
法の説明図である。

【符号の説明】

１…ウエハ（試料）、２，２１…回路パターン描画マスク（被投影体）、５…縮小レンズ、７…ステージ、１１…ステージ制御系、２０…照度検出ユニット、２０ａ，２１ａ…パターン、２５…光センサーの信号処理系、２９…結像平面。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】投影系を介して試料面に像を投影する装置
において、試料を載置するステージ上に、光センサーを
３個所以上備えた照度検出ユニットを設置し、該照度検
出ユニットの上面及び、投影光学系のレンズを介して前
記照度検出ユニットの平坦な上面と共役な被投影体の双
方の面に、ライン状または矩形上の１または複数のパタ
ーン群を３個所以上に設け、前記被投影体の面に設けら
れたパターンを前記照度検出ユニットの上面に設けられ
たパターン上に投影し、該投影されたパターンの光量を
前記ステージを上下移動させて前記光センサーにて３個
所以上測定し、該測定した各光センサーの出力値を同時
に検出して、その出力値の最大値となる点を合焦点とし
て求め、それぞれ３点以上の合焦点位置より試料面の傾
きと高さを求める検出器の基準値を求めることを特徴と
する結像平面検出方法。
【請求項２】請求項１と同様に３箇所以上の測定点にお
いて合焦点位置を検出して、その結果に基づき合焦点位
置を検出する３箇所以上の点において同時にセンサー出
力が最大値となるように検出ユニット上面を傾斜及び、
高さ方向に移動し、検出ユニット上面を投影光学系のレ
ンズの合焦点面と一致させ、試料面の傾きと高さを検出
器の原点として、この面を測定しその検出値を装置の合
焦点面基準値とし、このように、投影系の合焦点面を検
出した結果を基に、合焦点面と同じ平面を作り、その面
を基準面として試料面の傾きと高さを求める検出器の基
準値を求めることを特徴とする結像平面検出方法。