JPH059934B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は結像光学装置に関し、特に結像倍率誤
差を調整し得る光学装置に関する。そして本発明
は半導体集積回路パターンをウエハをウエハ上に
投影結像させる精密光学系で発生する横倍率誤差
の修正に特に有効である。

近年、半導体集積回路の微細化への要求は急速
に高まりつつあり、電子回路の微細パターンの寸
法は1μｍにまで迫ろうとしている。このような
高集積素子を製造する工程の１つに、マスクパタ
ーンをウエハー上に転写するフオト工程がある。

いわゆる半導体焼付装置とは、このようなマス
クパターンの転写に用いられる装置であるが、そ
れには幾つかの方式がある。例えばマスクとウエ
ハーを接触させて焼き付けるコンタクト露光方
式、マスクウエハを数μｍ離して焼付ける近接露
光方式、レンズないしはマラーを用いて焼き付け
る光学式投影露光方式などが上げられる。

一般に半導体集積回路は単層の構造ではなく、
集積度が高まればそれだけ多層化する傾向にあ
る。その為、フオト工程においては、前述の幾つ
かの焼付方式を適宣使い分けて、一枚のウエハー
上に各層毎に異なるマスクパターンを、高い寸法
精度で重ね焼きしていく必要がある。また一方で
は、回路の生産性を高める為にウエハー径の大型
化が進められている。そして現在では5″径のもの
が主流になりつつある。

しかしながら、この様な大型ウエハーにマスク
の像を転写する際、種々の要因の絡りによつて、
いくらアライメント操作を行なつても、1μｍあ
るいは以下の微小量まで両者を所望の位置関係に
追いめない現像が時折生ずる。即てマスク像とウ
エハー上の既パターンが正規の関係からずれてし
まうわけである。

この横方向の変位の仕方は千差万別であるが、
その大半はいわゆる倍率誤差と呼ばれるもので、
倍率誤差は位置の一次関数として表わし得る。た
だこの倍率誤差が入るとウエハー上のマスクの像
は第１図Ａ，Ｂに描く様に正規の寸法より拡大あ
るいは縮小されて転写され、その結果、既パター
ンとの結合がうまく行かず、不良品となる。

一般に倍率誤差の原因を考えてみると、第１に
上述した投影方式の差に依存するマスク像の倍率
差があり、第２に、同じ方式の装置でも各装置に
個有の倍率差が上げられる。その他にも加工工程
中の温度変化に伴うウエハーの伸び縮みなども倍
率誤差相当の作用となる。

マスク像に誤差が入り込むことはどの方式にと
つても不都合であるが、ミラー投影露光方式では
より深刻である。そこでこの方式を取上げて説明
する。

ここで言うミラー投影露光方式というのは、主
として鏡面で構成された光学系において、収差の
補正された、軸外の輪帯状の領域を用いて、マス
クパターンをウエハー上に焼き付ける方式であ
る。そして、この方式では光学系の良像域が輪帯
状になつている。それ故大面積のマスクをウエハ
ー上に焼き付ける為には、ウエハー上に投影され
た輪帯（第２図のＴ）の方向と直角方向にマスク
ＭとウエハーＷを同期して走査させている。

以上の構成を具体的に示す為一例として構成図
を第３図に示す。図中1Sは照明系、ASはマスク
とウエハーのアライメント系である。PSがミラ
ー光学系であり、これによりマスクＭのパターン
がウエハーＷ上に転写される。

ミラー光学系PSはその光軸OO′に対して軸対
称な系であり、像高Ｒにおいて収差が補正されて
いる。そして、この良像域である半径Ｒの円周の
一部を含む輪帯状の領域を用いて、 マスク上の微細パターンをウエハー上に転写す
るしくみになつている。また結像関係としては、
マスクＭ上の一点から発散した光束は平面ミラー
BS1で反射した後、凹面鏡M1絞りである凸面鏡
M2、そして再び凹面鏡M1で反射し、平面ミラー
BS2で光路を曲げられてウエハーＷ上の一点に収
束する。

この装置で生ずる倍率誤差は、投影光学系で光
学的に発生するものとし、マスクとウエハーを走
査する際の機械的な送り誤差に起因するものに分
けられるが、後述する様に後者の難点は解決され
ている。

一方、前者については次の様な原因が考えられ
る。

先にも延べたようにウエハー径の大型化に伴
い、現在では５インチ径のものが使われている。
ミラー投影露光方式において、この大きさのウエ
ハーを焼き付ける為には、凹面鏡M1は直径400mm
近い大きさになる。このようなミラーの大口径化
にも答えながら、一方では1μｍ近い微細パター
ンを忠実にウエハー上に転写していく為には、鏡
面の研摩後の面歪の波長の1/10以下の高精度に抑
えなければならない。なぜなら、第３図に点線で
示されるように、もし、鏡面上光束のあたる位置
に面歪があると、光束は、本来反射していくべき
方向からそれて進んでしまうからである。その結
果、ウエハー上では規定の位置から光軸に垂直な
方向へ変化した位置に結像するので、像に倍率誤
差が生じることになる。

そしてこの種の誤差は走査型のミラー光学系で
はウエハー上の主に走査方向ｙに直交する方向に
発生し、これを第４図Ａに小矢印で模式的に示し
た。これに対して、第２番目の機械的原因から発
生する寸法誤差は、マスクのウエハーの移動に伴
なつて起きるものであり、第４図Ｂに描く様に主
に走査方向ｙに沿つて発生する。

そこで、この２つの倍率誤差を各々独立に除け
ば、ウエハー全面にわたり集積回路の重ね焼き精
度が向上し、他の焼付装置との混用も可能となる
訳である。

特にこのミラー光学系は物体側、像面側双方と
もテレセントリツクであり、物体であるマスク
や、ウエハーの光軸方向での位置を変化させても
結像倍率が全く変化しないという光学的特殊性を
持つている。従つて走査方向と垂直方向の倍率誤
差は光学系によつて定まる事になり、これを補正
する手段は知られていなかつた。

一方、倍率誤差の機械的原因の主なものは機械
の組立及び工作精度の悪さと考えられる。例え
ば、第５図に描く様にガイド面Ｇ上に沿つてマス
クとウエハーを載置した摺動対Ｋを静圧気体ベア
リングb₁とb₂で支持しつつ移動させた場合、もし
ガイド面が上に凸の形状をしていたとすれば、摺
動体Ｋは走査範囲の前後で傾くことになる。従つ
てウエハー面も傾くことになり、これが第４図Ｂ
に示す形態の誤差を発生させることになる。従つ
てこれを防止する一法としては、走査範囲の前端
ではベアリングb₁に供給する圧力を高め、また後
端ではベアリングb₂に供給する圧力を高めて、摺
動体Ｋが常に水平に移動する様に圧力制御するの
が良い。

この他には、ウエハーを温度制御する事により
倍率誤差を除く方式や光学系内の結像特性に寄与
している光学部材を移動させて補正する方式もあ
る。しかしながら、温度制御による方式では、ウ
エハがその中心に対して放射状に伸縮する為に、
倍率誤差を走査方向と、これに直角な方向の各々
にわけて独立に補正でかない。しかも、熱伝導を
利用する為に時間がかかるという欠点もある。ま
た、光学系内の結像特性に寄与している光学部材
を移動させて補正する方式も発表されているが、
その場合は投影系の結像性能そのものも悪化させ
てしまう危険が伴う。

本発明の目的とする処は、難点を派生させるこ
となく、結像に生じた倍率誤差を調整することに
ある。そしてこの目的を達成するため、後述する
実施例では物体と像を結ぶ光略中、そして更に望
ましくは物体又は像もしくは中間結像面の近傍
に、投影光学系の結像位置のずれ以外の結像性能
に殆ど影響を与えない程度の透明な薄膜部材を挿
入し、この部分がわん曲していることで結像位置
を修正している。

以下、本発明の実施例を説明する。第３図の光
学系を構成する部分の大半は既に説明した。即
ち、Ｍはマスク、Ｗはウエハーでこれらは一体的
に走査方向ｙへ移動する。Ｓは遮光板で、第２図
のＴに示す形状の軸帯開口を具え、ウエハーに近
接した位置に固設される。BS1とBS2は光路転換
鏡であり、また凹面鏡M₁の凸面鏡M₂は球心をず
らして光軸OO′上に配されいる。そして照明され
たマスクＭを発した中心光線は鏡で反射後、凹面
鏡M₁、凸面鏡M₂、凹面鏡M₁、鏡B₂と順次反転
してウエハーＷへ入射する。

次に、ウエハーＷの近傍に固設された部分Ｂが
本発明に特徴的な部材で、結像性能に影響を与え
ない程度の厚さの薄体を半円筒状にわん曲させて
なる。わん曲薄膜Ｂはその母線が走査方向ｙと一
致する様に配置するものとし、図面に垂直な方向
の見えは第６図、第７図の通りである。

一般にペリクルで代表される様な光学薄膜は光
学的には非常に薄い平行面として考える事ができ
る。この光学部材は非常に薄く、且つノーパワー
である為、結像性能を殆ど劣化させない事が知ら
れている。そこで物体或いは像面の近傍に、光束
の中心となる光線（主光線）に対して傾斜をもつ
た透明な光学部材、例えば、光軸方向に湾曲した
光学薄体を新たに挿入したとしても、これが像面
上での結像特性を劣化させる程度は小さい。にも
かかわらず、主光線はスネルの法則に従つて、第
６図に示す様に薄体Ｂで屈折をうけて進む。

以上の理由により、半導体焼付装置において、
その焼付光路中物体面であるマスク、あるいは、
像面であるウエハーの近傍に、適度に湾曲した、
透明な光学薄体を挿入する事によつて、ウエハー
上の焼付像を、その結像特性を劣化せずに移動さ
せる事ができる。

半導体焼付装置の光学系は普通テレセントリツ
ク系といつて、焼付画面内のすべての点について
主光線が、ウエハー面に垂直に投射されるように
設計されている。そうする事によつてウエハーが
焦点はずれを生じた際にも、光束の中心はウエハ
ー上で横ずれを生じない為、倍率誤差を生じな
い、という長所がある。

第６図において、いま挿入した光学薄膜の厚み
をｄmm、屈折率をｎとし、ウエハー上で焼付像を
横ずれさせたい方向をｘ軸にとり、これと垂直な
主光線の方向をｚ軸とすると、挿入しいたい光学
薄膜のｚ方向への湾曲量ｚmmはｘの関数として表
わされる。

この時えられる、ｘ方向での焼付像の横ずれ量
Δxmmは Δx＝ｄ（１−１／ｎ）・dz／dx …… である。

特に、光学薄体を半径R^mmの球面状に張つた場
合、ｚ＝x²／2Rの関係があるので式は Δ＝ｄ／Ｒ（１−１／ｎ） …… となる。ｎ＝1.5のし、ｄ／Ｒを変化させると第
８図がえられる。この線図を使えば、修正すべき
ずれ量に対するｄ／Ｒが求まる。実施例の実験で
は10μｍの厚さのペリクルを使用して良好な結果
を得たが、工学系の性能に応じてもつと厚いもの
あるいは薄いものが適宣使用できる。但し精密工
学系では博体を挿入する以前と以後の波面収差が
λ（波長）から−のλの間になる様に抑えるのが
一つの基準である。

第６図へ戻つて、薄体がない時にウエハーＷ上
のａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅに各々入射する主光線を想
定する。今、薄体ＢをウエハーＷに対して凹面を
向ける様に挿入すると、各光線は屈折されて、
a′、b′、d′、e′に結像する。その結果、結像倍率
を図中ｘ軸の方向へ縮小できる。

またこれとは逆に第９図に示す様に、薄体Ｂを
ウエハーＷに対して凸面を向ける様に挿入する
と、屈折された光線はa″、b″、c″、e″に結像す
る。従つて、像を図中ｘ軸の方向に拡大できるこ
とになる。

すなわち、博体Ｂのわん曲の方向と、上記式
によつて数値を決定すれば、いかなる倍率誤差に
も対処できる。

尚、わん曲薄体Ｂは半円筒状に形成されている
ので、図面の垂直な方向、即ち母線に平行な方向
については単なる平行平面板として作用すること
になり、この方向の倍率には影響を与えない。ま
た、以上の説明では倍率調整用の部材を第３図の
ウエハー側Ｂに挿入した場合を想定したが、これ
をマスク側B′に挿入しても原理的には全く同じ
効果をえられる。但し、この場合、ウエハー側Ｂ
に入れた場合と拡大、縮小の関係が異なる。つま
り、Ｂにおいてウエハーに凸になる様挿入した場
合、ウエハー焼付像は拡大されるのに対し、Ａに
おいてマスクに凸になる様挿入した場合、ウエハ
ー焼付像は縮小される。更に光路転換鏡BS₁又は
BS₂と凹面鏡M₁の間に薄体を移動しても良く、
またもし、光路中に中間結像があれば、その近傍
に薄体を配置することもできる。

以上、本発明の実施例の第１として各補正書に
見合つた半円筒状の湾曲した金枠に光学薄膜の部
材を光学系PS内に挿入する方式があげられる。
この部材の挿入により多数の機会の間の微妙な倍
率光を補正する事が可能となる。又、ウエハーの
プロセスによる伸縮がある場合には、その量に応
じて本発明の補正部材を交換すれば良いし、曲率
を変更自在にしておけば、倍率の変化を１つの部
材で自由にコントロールすることが可能である。

次に光学薄体を担持する枠を含めた補正部材を
より具体的に説明する。まず第１０図Ａ，Ｂに示
すように半円筒状に湾曲した金枠に数ミクロン厚
の光学薄膜を張り、その金枠の円周部の曲率を変
化させるという例が上げられる。具体的には、短
形の金属枠に光束を充分通すような軸帯状の開口
APを設けて両側から力を加え、これを半円筒状
にする。光学薄膜をこの金属枠にはり、金属枠に
加えた力を加減すると半円筒の円周部の曲率を自
由に加えられる。それ故、ウエハ上焼付像倍率の
補正ができる。実施例の第３として、薄膜を単な
る半円筒状以外の一般形状に張る場合が上げられ
る。つまり、薄膜を半円筒状にはつた場合にはウ
エハー面上での位置の補正量は第８図の示すよう
にウエハー上位置の一次の関数である。といころ
が、実際に発生している焼付像ずれの中にいは、
位置の二次、あるいは、それ以上の関数で表わさ
れるものもある。これらの像ずれを除く為には、
光学部材を式にみたすような適正な形状に湾曲
させる必要がある。例えば、像のずれ位置の２次
あるいは３次の関係として表わされる（第１１
図）場合にこれを補正するとすれば、薄膜のわん
曲量は式より位置の３次あるいは４次の関数に
夫々従わなければならない。

更に、光学薄体を三次元的にわん曲させて像の
倍率補正を二次元的に行なうことも可能である。
第１２図中で、B″と示される半球状に形成され
た薄体を、投影レンズPLを用いた投影露光装置
に光軸と球心を合わせて挿入し、倍率を補正して
いる。レンズを使つた装置では光軸を中心とした
領域で焼付が行なわれるから、補正手段は三次元
的な半球状の形状となる。半球状の部材は硝子あ
るいはプラスチツクといつたソリツドなもので実
現できるし、あるいは気密箱の中にニトロセルロ
ースの膜を張り、空気圧の差を利用してこれを半
球状にふくらませても実現し得る。

又本発明の技術思想はレンズ光学系の微小なデ
イストーシヨンの補正にも用いる事が可能であ
る。例えばレンズ系は硝子の加工誤差及び組立誤
差の集積である特定の方向と、それに直交する方
向で微小な倍率差が生じる事がある。この様な場
合も今迄本発明で述べてきた様な光学部材を光路
中に挿入し、その部材を円筒状に湾曲させる事に
より倍率差を調整する事が可能である。この時、
円筒の母線は、倍率差が最も大きく生じている二
つの方向のどちらかと実質的に一致する方向にセ
ツトされる。この様子は第１３図に示された、
CLという光学部材が異万性のある倍率を補正し
ている。この補正は勿論Ｍと示されたマスク（又
はレチクル）側で行なつても良い。

以上説明した例では、屈折率と厚みが一様な光
学薄膜をわん曲させて使用したが、屈折率が所定
の分布を持つて連続的に変化する平行平板あるい
は厚みが微小に連続的に変化する平板を物体面あ
るいは像面もしくは中間結像面の近傍に配しても
良い。この場合、平板の屈折率又は厚みの変化が
小プリズム様の屈折作用を光線に付与し、所望の
倍率に修正できる。例えばガラスによる平行平板
の屈折率分布を形成するためにはイオン拡散法に
よるのが適当であり、また厚さの変化を形成する
には薄膜上に同じ屈折率の物質を蒸着するのが一
法である。

以上述べた本発明によれば従来の光学系に手を
加えることなく横倍率の修正が可能となる効果が
ある。そして周知の半導体焼付工程では、ウエハ
ー上に鹿埃が落ちるのを防止するためにペリクル
がウエハーから若干離間して平坦に張られていた
が、この種のペリクルを積極的に利用して本発明
を実現することができる。

本発明に従い光学薄膜の形状を所定のものにす
る事により、微小の機差或いはプロセスに伴うウ
エハーの伸縮を補正する事が可能となつた。この
事実は0.1μｍオーダーのアライメント誤差を云々
するVS1の製造では非常に重大な意味を持つ。
又、ミラー光学系に適用した場合には走査方向と
直交方向の倍率を自由に変えられるというのも従
来見られなかつた利点である。

本発明の実施により、LS1の製造における位置
合せ誤差は飛躍的に小さくなり、高い歩留りでの
生産が可能となつた。又本発明の技術思想はこう
した部門のみに留まらず、微小な位置合わせを要
するあらゆる分野に適用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，Ｂは倍率誤差を模式的に示す平面
図。第２図はウエハー上の像を示す平面図。第３
図は本発明の実施例を示す光学断面図。第４図
Ａ，Ｂは倍率誤差を模式的に示す平面図。第５図
は走査機構の補助説明図。第６図は実施例の要部
拡大図。第７図は実施例の横方向の光学断面図。
第８図は半径と厚さを変数とし線図。第９図は要
部変形図。第１０図Ａは構成部材の平面図で、第
１０図Ｂは斜視図。第１１図は位置とずれ量を示
す図。第１２図と第１３図は光学系の斜視図。 図中、Ｍはマスク、Ｗはウエハー、M₁は凹面
鏡、M₂は凸面鏡、ＢとB′は薄体、Ｃは開口を具
えた枠、ｙは走査方向である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 結像光学系を備え、結像位置のずれ以外の結
   像性能に対し実質的に影響を与えない程度の光学
   的厚さで且つわん曲した形状の光学手段を光路中
   に配することを特徴とする像調整された光学装
   置。 ２ 前記光学手段は前記結像光学系の物体面又は
   像面もしくは中間結像面の近傍に配置されている
   特許請求の範囲第１項記載の像調整された光学装
   置。 ３ 前記光学手段のわん曲度は物体の情報密度に
   応じて変更される特許請求の範囲第１項記載の像
   調整された光学装置。 ４ 前記光学装置は前記結像光学系による物体の
   帯状の像と感光面を相対的に走査して露光する装
   置で、前記光学手段は母線の方向が走査方向と実
   質一致する円筒状にわん曲して成る特許請求の範
   囲第１項記載の像調整された光学装置。 ５ 前記光学手段は枠に保持されたペリクルであ
   る特許請求の範囲第１項記載の像調整された光学
   装置。 ６ 結像光学系を具え、結像位置のずれ以外の結
   像性に対し実質的に影響を与えない程度の光学的
   厚さで且つ連続的に変化する屈折率分布又は厚み
   の分布を有する光学手段を光略中に設けたことを
   特徴とする像調整された光学装置。