JPH0729816A - 投影露光装置及びそれを用いた半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ウエハ主光線傾き角をモニターし、高解像力
の投影パターン像が得られる投影露光装置及びそれを用
いた半導体素子の製造方法を得ること。 【構成】 光源からの光束を照明系により被照射面上の
パターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板
面上に投影し露光する際、該照明系は該光源からの光束
を集光して２次光源を形成し、該２次光源を該投影光学
系の瞳面近傍に結像する光学系と、該投影光学系の瞳面
と共役な面内において、該２次光源と共役な位置から射
出する光線の該基板面への入射角度を測定する検出手段
とを有していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は投影露光装置及びそれを
用いた半導体素子の製造方法に関し、具体的には半導体
素子の製造装置である所謂ステッパーにおいて、レチク
ル面上のパターンを適切に照明し高い解像力が容易に得
られるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】最近の半導体素子の製造技術の進展は目
覚ましく、又それに伴う微細加工技術の進展も著しい。
特に光加工技術は１MDRAM の半導体素子の製造を境にサ
ブミクロンの解像力を有する微細加工の技術まで達して
いる。解像力を向上させる手段として、これまで多くの
場合、露光波長を固定して光学系のＮＡ（開口数）を大
きくしていく方法を用いていた。

【０００３】しかし最近では露光波長をｇ線からｉ線に
変えて超高圧水銀灯を用いた露光法により解像力を向上
させる試みも種々と行なわれている。又、エキシマレー
ザーに代表される、更に短い波長の光を用いることによ
り解像力の向上を図る方法が種々と提案されている。短
波長の光を用いる効果は一般に波長に反比例する効果を
持っていることが知られており、波長を短くした分だけ
焦点深度は深くなる。

【０００４】この他、本出願人はレチクル面上への照明
方法を変えることにより、即ちそれに応じて投影光学系
の瞳面上に形成される光強度分布（有効光源分布）を種
々と変えることにより、より解像力を高めた露光方法及
びそれを用いた投影露光装置を、例えば特願平３−２８
６３１号（平成３年２月２２日出願）で提案している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】実際の半導体集積回路
の製造工程は、パターンの高い解像性能が必要とされる
工程、それほどパターンの解像性能は必要とされない工
程と種々様々である。又、レチクル面上に形成されてい
るパターン形状も水平方向、垂直方向の他に斜方向と種
々の形状のパターンがある。この為、パターン形状に応
じた種々の照明方法（変形照明法）がとられている。

【０００６】一方、投影露光装置で用いている投影光学
系は両テレセントリック光学系、又は片側テレセントリ
ック光学系より成り、ウエハの側において主光線（２次
光源の中心、オプティカルインテグレーターの中心又は
絞りの中心を通る光線）が垂直に入射する（この時の主
光線の入射角度を以下“ウエハ主光線傾き角”と呼
ぶ）。このとき主光線がウエハに垂直に入射しないとデ
ィストーション等の諸収差の影響により投影パターン像
の画質が低下してくる。

【０００７】パターン形状により、照明方法を種々と切
り換えて照明する変形照明法を用いた場合、被照射面上
で生じる照度ムラをとる方法として、例えば照明系のズ
ーム機能を作動させる方法がある。この時ウエハ主光線
傾き角が垂直とならずに種々と変化してくる場合があ
る。

【０００８】しかしながら、簡易な構成により像性能に
大きく影響するウエハ主光線傾き角を精度良く測定し、
モニターすることは大変難しいという問題点があった。

【０００９】本発明はウエハ主光線傾き角を簡易な構成
により精度良くモニターすることにより、レチクル面上
のパターンをウエハ面上に高い解像力で容易に露光転写
することができる投影露光装置及びそれを用いた半導体
素子の製造方法の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の投影露光装置
は、 （１−１）光源からの光束を照明系により被照射面上の
パターンを照明し、該パターンを投影光学系により基板
面上に投影し露光する際、該照明系は該光源からの光束
を集光して２次光源を形成し、該２次光源を該投影光学
系の瞳面近傍に結像する光学系と、該投影光学系の瞳面
と共役な面内において、該２次光源と共役な位置から射
出する光線の該基板面への入射角度を測定する検出手段
とを有していることを特徴としている。

【００１１】特に、前記検出手段は、前記被照射面の近
傍又は該被照射面と共役な面付近に設けたピンホールと
該ピンホールを介した光を検出する為に、前記投影光学
系の瞳面と共役な面内に設けた検出器とを有しているこ
とや、前記検出手段は、前記基板面の近傍に設けたピン
ホールと該ピンホールを介した光を検出する為に、前記
投影光学系の瞳面と共役な面内に設けた検出器とを有し
ていること等を特徴としている。

【００１２】又、本発明の半導体素子の製造方法として
は、 （１−２）光源からの光束を照明系により集光してレチ
クル面上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系
によりウエハ面上に投影し露光した後に、該ウエハを現
像処理工程を介して半導体素子を製造する際、該照明系
は該光源からの光束を集光して２次光源を形成し、該２
次光源を該投影光学系の瞳面近傍に結像しており、該投
影光学系の瞳面と共役な面内に設けた検出手段により該
２次光源と共役な位置から射出する光線の該基板面への
入射角度を測定していることを特徴としている。

【００１３】特に、前記検出手段は、前記被照射面の近
傍又は該被照射面と共役な面付近に設けたピンホールと
該ピンホールを介した光を検出する為に、前記投影光学
系の瞳面と共役な面内に設けた検出器とを有しているこ
とや、前記検出手段は、前記基板面の近傍に設けたピン
ホールと該ピンホールを介した光を検出する為に、前記
投影光学系の瞳面と共役な面内に設けた検出器とを有し
ていること等を特徴としている。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。

【００１５】図中、２は楕円鏡である。１は光源として
の発光管であり、紫外線及び遠紫外線等を放射する高輝
度の発光部１ａを有している。発光部１ａは楕円鏡２の
第１焦点近傍に配置している。３はコールドミラーであ
り、多層膜より成り、大部分の赤外光を透過すると共に
大部分の紫外光を反射させている。楕円鏡２はコールド
ミラー３を介して第２焦点４近傍に発光部１ａの発光部
像（光源像）１ｂを形成している。

【００１６】５はレンズ系であり、コンデンサーレンズ
やズームレンズ等から成り、第２焦点４近傍に形成した
発光部像１ｂをオプティカルインテグレータ６の入射面
６ａに結像させている。オプティカルインテグレータ６
は複数の微小レンズ（ハエの眼レンズ）６−ｉ（ｉ＝１
〜Ｎ）を２次元的に所定のピッチで配列して構成してお
り、その射出面６ｂ近傍に２次光源を形成している。

【００１７】７は絞りであり、通常の絞りや、図２
（Ａ），（Ｂ）に示すような投影レンズ１３の瞳面１４
上の光強度分布を変化させる輪帯照明用絞り７ａや４重
極照明用絞り７ｂ等から成っている。７ｐはアクチエー
ターであり、絞り７を切り替えている。本実施例では、
絞り７を交換することにより照明方法を種々と切り替え
ている。

【００１８】８は集光レンズ（コンデンサーレンズ）で
ある。集光レンズ８は照明方法を切り替えた時の、後述
するレチクル面上の照度ムラを補正する為にズーム系よ
り構成している。オプティカルインテグレータ６の射出
面６ｂ近傍の２次光源から射出した複数の光束は集光レ
ンズ８で集光され、ミラー９で反射させてマスキングブ
レード１０に指向し、該マスキングブレード１０面を均
一に照明している。マスキングブレード１０は複数の可
動の遮光板より成り、任意の開口形状が形成されるよう
にしている。

【００１９】１１は結像レンズ（コンデンサーレンズ）
であり、マスキングブレード１０の開口形状を被照射面
としてのレチクル１２面に転写し、被照射面としてのレ
チクル１２面上の必要な領域を均一に照明している。

【００２０】１３は投影光学系（投影レンズ）であり、
レチクル１２面上の回路パターンをウエハチャックに載
置したウエハ（基板）１５面上に縮小投影している。１
４は投影光学系１３の瞳面である。集光レンズ８と結像
レンズ１１は射出面６ｂを投影光学系１３の瞳面１４に
結像させる光学系を構成している。

【００２１】本実施例においては、発光部１ａと第２焦
点４とオプティカルインテグレータ６の入射面６ａが略
共役関係となっている。又、マスキングブレード１０と
レチクル１２とウエハ１５が共役関係となっている。
又、絞り７と投影光学系１３の瞳面１４とが略共役関係
となっている。

【００２２】本実施例では以上のような構成により、レ
チクル１２面上のパターンをウエハ１５面上に縮小投影
露光している。そして所定の現像処理過程を経て半導体
素子を製造している。

【００２３】本実施例では、ウエハ主光線傾き角を投影
光学系１３の瞳面１４上における光軸上の有効光源像と
軸外の有効光源像の中心間の距離より求めている。

【００２４】次に、投影光学系１３の瞳面１４の有効光
源像の測定方法について説明する。

【００２５】本実施例においては、有効光源像を測定す
る時はレチクル１２を光路中よりどけるか、又はレチク
ルと同じ厚さのガラスで作られ光を透過する所謂ダミー
レチクルを取付けている。又、ウエハ１５も光路中より
どけている。

【００２６】図１において、１０１はウエハ１５の位置
付近に置かれた有効光源像測定用のピンホールであり、
ピンホール１０１はアクチエーター１０２により有効光
源像を測定したい位置に自由に動かすことができるよう
に構成している。１００は有効光源像を検出する為の検
出器であり、アクチエーター１０３により、ピンホール
１０１の動きにともない動かすことができるように構成
している。

【００２７】ピンホールカメラの原理により、瞳面１４
の像が検出器１００面上に形成される。このとき検出器
１００をウエハ光軸１４ａ方向にずらすことによって、
有効光源像の大きさ（倍率）を変えることができる。こ
のようにして瞳面１４と共役な面に設けた検出器１００
で有効光源像の分布を測定している。

【００２８】本実施例では、ピンホール１０１の位置を
動かすことにより、軸上及び軸外のいろいろな位置での
有効光源像を測定している。このときピンホール１０１
の移動に合わせて、検出器１００も動かしている。検出
器１００はピンホール１０１の下側に置かれ、下側ほど
有効光源像の大きさは大きくなる。

【００２９】測定される有効光源の像はオプティカルイ
ンテグレーター６を構成する個々のハエの目レンズの像
から構成している。

【００３０】検出器１００として、例えばＣＣＤ等の２
次元検出器を用いれば一度に有効光源像分布を測定する
ことができる。又、測定領域の小さな検出器を用いてウ
エハ１５面と平行な面内をスキャンして有効光源像分布
を測定しても良い。

【００３１】検出器１００はウエハ１５上のピンホール
１０１の位置に対応して、ウエハ面に平行な面内で移動
させている。これにより、軸上及び軸外のいろいろな位
置での有効光源像が測定できるようにしている。

【００３２】本実施例では、有効光源像を求める際に
は、先ず図１の絞り７を図３（Ｂ）に示すような中心マ
ーク入りの絞り７ｃに交換している。このとき、その中
心マークから来る光が主光線となる。有効光源像の中心
は、その中心マークの位置を検出器１００で測定して求
めている。中心マーク入りの絞り７ｃとしては、ワイヤ
等で十字線を張ったものや、薄いガラスに中心マークを
つけたものを用いている。

【００３３】又、中心マーク入りの絞りを用いなくて
も、有効光源像の中心を求めることができる。例えば有
効光源像はハエの目レンズを構成する微小レンズによる
像から構成されており、個々の微小レンズの像には楕円
ミラー２の開口部が見えている。ハエの目レンズの中心
と楕円ミラー２の開口部の中心は略一致しており、楕円
ミラー２の開口部の中心は暗くなっているので、これよ
り容易に有効光源像の中心を判定することができる。

【００３４】ウエハ主光線傾き角は、次のようにして求
めている。

【００３５】図３において、ウエハ１５面の相当位置に
置かれた軸上と軸外のピンホール１０１間の距離をａ、
ピンホール１０１と検出器１００との距離をｂとし、そ
れぞれのピンホールによりできる有効光源像（中心絞り
の像）の中心間の距離Ｌを測定する。

【００３６】このとき、ウエハ主光線傾き角φは φ＝ tan^-1（（Ｌ−ａ）／ｂ） で求めている。

【００３７】尚、本実施例では、検出器１００によりウ
エハ主光線傾き角φの他に、有効光源分布・形状、ウエ
ハに到達する光量（露光量に対応）等も測定している。

【００３８】例えば、有効光源像の形状を求める場合
は、図３（Ｂ）の有効光源像の長径Ｌ１またはＬ２を測
定して求めている。ＣＣＤ等の２次元検出器を用いれば
一度にＬ１，Ｌ２を測定することができる。又、測定領
域の小さな検出器を用いて、それを動かすことによりＬ
１，Ｌ２を測定しても有効光源像の形状を測定すること
ができる。

【００３９】本実施例では、光源１として水銀ランプ等
の高圧ランプを用いた場合を示したが、例えばエキシマ
レーザ等の紫外線光源を用いても良い。

【００４０】図４は本発明の実施例２の一部分の要部概
略図である。図中、図１で示した要素と同一要素には同
符番を付している。

【００４１】本実施例は、図１の実施例１に比べてピン
ホール１００をウエハ面１５の代わりにレチクル１２面
付近に配置して、有効光源像を検出器１００で測定して
いる点が異なっており、その他の構成は同じである。

【００４２】本実施例では、図１の実施例１と同様にピ
ンホール１０１をレチクル１２面と平行な面内で移動さ
せて、軸上及び軸外のいろいろな位置での有効光源像を
測定し、これよりウエハ主光線傾き角φを求めている。
尚、ピンホール１０１の移動に対応して検出器１００も
移動させている。

【００４３】図５は本発明の実施例３の一部分の要部概
略図である。図中、図１で示した要素と同一要素には同
符番を付している。

【００４４】本実施例は、図１の実施例１に比べて結像
レンズ１１とレチクル１２との間にハーフミラー１０４
を配置し、該ハーフミラー１０４で反射した光束を利用
してピンホール１０１と検出器１００で有効光源像を測
定し、ウエハ主光線傾き角φを求めている点が異なって
おり、その他の構成は同じである。

【００４５】図５において、ピンホール１０１はレチク
ル２と略共役な位置に配置している。そして図１の実施
例１と同様にして、ピンホールカメラの原理により、検
出器１００で有効光源像を測定している。ピンホール１
０１はレチクル１２面と光学的に平行な面内において移
動させて軸上及び軸外のいろいろな位置での有効光源像
を測定している。尚、ピンホール１０１の移動に対応し
て検出器１００も移動させている。

【００４６】本実施例では、ウエハ主光線傾き角は直接
測定することができない。そこで、レチクル相当位置で
主光線が傾く角度を測定することにより、ウエハにどの
ような角度で主光線が入射するかを求めている。例えば
図３において、あるウエハ位置において、主光線が垂直
に入射する為には相当するレチクル位置において、ある
角度θで主光線を入射させなければならないとする（こ
れは投影レンズの光線追跡をすれば容易にわかる）。従
って、この角度θからのズレを測定することにより、ウ
エハ主光線傾き角を求めている。

【００４７】尚、本実施例においても、有効光源像の測
定手段によりウエハ主光線傾き角の他に、有効光源分布
・形状、ウエハに到達する光量（露光量に対応）等も測
定している。次に上記説明した投影露光装置を利用した
半導体デバイスの製造方法の実施例を説明する。

【００４８】図６は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の
半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造の
フローを示す。ステップ１（回路設計）では半導体デバ
イスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）で
は設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。

【００４９】一方、ステップ３（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４
（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマ
スクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ
上に実際の回路を形成する。

【００５０】次のステップ５（組立て）は後工程と呼ば
れ、ステップ４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）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ
５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なう。こうした工程を経て半導体
デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

【００５１】図７は上記ウエハプロセスの詳細なフロー
を示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化
させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁
膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上
に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン
打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５
（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。

【００５２】ステップ１６（露光）では上記説明した露
光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露
光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現
像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジ
スト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト
剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを
取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによ
って、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

【００５３】本実施例の製造方法を用いれば、従来は製
造が難しかった高集積度の半導体デバイスを製造するこ
とができる。

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば以上のように各要素を設
定することにより、ウエハ主光線傾き角を高精度に測定
し、レチクル面上の各種のパターンをウエハ面上に高い
解像力で容易に露光転写することができる投影露光装置
及びそれを用いた半導体素子の製造方法を達成すること
ができる。

【００５５】特に、投影パターン像の像性能に大きく影
響を与えるウエハ主光線傾き角を正確にモニターでき
る。特にズームレンズ機能、プリズム交換機能、絞り交
換機能等を持つ複数の照明モードを持つ照明系において
は、それぞれの照明モードが希望するようなウエハ主光
線傾き角を持つかどうかをモニターできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部概略図

【図２】 図１の絞りの説明図

【図３】 図１の一部分の拡大説明図

【図４】 本発明の実施例２の一部分の要部概略図

【図５】 本発明の実施例３の一部分の要部概略図

【図６】 本発明の半導体素子の製造方法のフローチャ
ート

【図７】 本発明の半導体素子の製造方法のフローチャ
ート

【符号の説明】

１ 光源 ２ 楕円鏡 ３ コールドミラー ５ レンズ系 ６ オプティカルインテグレータ ７ 絞り ７ａ 虹彩絞り ８ 集光レンズ ９ ミラー ９ａ ハーフミラー １０ マスキングブレード １１ 結像レンズ １２ レチクル １３ 投影光学系 １４ 瞳面 １５ レチクル １００ 検出器 １０１ ピンホール

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光束を照明系により被照射面
   上のパターンを照明し、該パターンを投影光学系により
   基板面上に投影し露光する際、該照明系は該光源からの
   光束を集光して２次光源を形成し、該２次光源を該投影
   光学系の瞳面近傍に結像する光学系と、該投影光学系の
   瞳面と共役な面内において、該２次光源と共役な位置か
   ら射出する光線の該基板面への入射角度を測定する検出
   手段とを有していることを特徴とする投影露光装置。
2. 【請求項２】 前記検出手段は、前記被照射面の近傍又
   は該被照射面と共役な面付近に設けたピンホールと該ピ
   ンホールを介した光を検出する為に、前記投影光学系の
   瞳面と共役な面内に設けた検出器とを有していることを
   特徴とする請求項１の投影露光装置。
3. 【請求項３】 前記検出手段は、前記基板面の近傍に設
   けたピンホールと該ピンホールを介した光を検出する為
   に、前記投影光学系の瞳面と共役な面内に設けた検出器
   とを有していることを特徴とする請求項１の投影露光装
   置。
4. 【請求項４】 光源からの光束を照明系により集光して
   レチクル面上のパターンを照明し、該パターンを投影光
   学系によりウエハ面上に投影し露光した後に、該ウエハ
   を現像処理工程を介して半導体素子を製造する際、該照
   明系は該光源からの光束を集光して２次光源を形成し、
   該２次光源を該投影光学系の瞳面近傍に結像しており、
   該投影光学系の瞳面と共役な面内に設けた検出手段によ
   り該２次光源と共役な位置から射出する光線の該基板面
   への入射角度を測定していることを特徴とする半導体素
   子の製造方法。
5. 【請求項５】 前記検出手段は、前記被照射面の近傍又
   は該被照射面と共役な面付近に設けたピンホールと該ピ
   ンホールを介した光を検出する為に、前記投影光学系の
   瞳面と共役な面内に設けた検出器とを有していることを
   特徴とする請求項４の半導体素子の製造方法。
6. 【請求項６】 前記検出手段は、前記基板面の近傍に設
   けたピンホールと該ピンホールを介した光を検出する為
   に、前記投影光学系の瞳面と共役な面内に設けた検出器
   とを有していることを特徴とする請求項４の半導体素子
   の製造方法。