曝光装置、曝光方法以及半导体器件的制造方法

专利名称：曝光装置、曝光方法以及半导体器件的制造方法
技术领域：
本发明涉及曝光装置、曝光方法以及半导体器件的制造方法。
背景技术：
JP 11-340125 A公开了一种步进重复曝光装置。如图10所示，在JP 11-340125 A中所描述的曝光装置中，通过Z驱动部12A至12C，将样品 台11设置在XY台13上，并且通过晶圆保持器(holder) 10，将晶圆W 保持在样品台11上，以转印(transfer)晶圆W上的光罩(reticle)R的图案。 曝光之前，测定投影光学系统PL的成像表面22相对于XY台13的运转平 面(running plane) 14a的倾斜角度Itx和Ity。在曝光过程中，当将XY台 13逐步移动时，例如，基于成像表面22的倾斜角度和XY台13的位置， 调整Z驱动部12A至12C的伸縮量，以修正晶圆W表面在Z方向的位置和 倾斜角度。随后，在曝光位置，修正晶圆W表面的表面位置，以便将自 动对焦探测器(未示出)所测定的残余离焦量设置为O。
在测定投影光学系统PL的成像表面22的倾斜角度的方法中，将具 有良好的平面度的晶圆设置在晶圆保持器上，在曝光区的五个点上测 定对焦位置，B卩，其中心点和四个角点，并且随后，基该测定值， 获得成像表面22的倾斜角度Itx和Ity (未示出)。
JP 2003-142365 A公开了一种曝光装置，该装置用于通过在光罩上 在与扫描方向垂直的方向上周期地布置棒状周期图案以及与扫描方向 平行地布置直线标记来计算光罩在光罩的扫描方向和与其垂直的方向 上的光罩变形量。曝光装置用设置在投影曝光光学系统的轴的外部的 探测器来测定光罩变形量。此外，主控制系统执行改变光罩载物台驱 动部和晶圆载物台的相对位移速度，改变在投影光学系统之内的透镜
元件之间的间隔，以及通过包括在投影光学系统中的压力控制部来改 变镜筒内的压力，从而修正成像特性的放大倍率成分。
然而，JP 11-340125 A和JP 2003-142365 A描述的技术具有以下需 要改善的方面。
对于JP 11-340125 A中公开的曝光装置，当异物粘附在光罩和光罩 保持器之间，从而光罩浮于光罩保持器之上时，必须执行繁琐的程序 以测定成像表面的倾斜角度，在该程序中，具有良好的平面度的晶圆 被设置在晶圆保持器上。此外，可想而知的是，在进行曝光操作时或 在交换光罩时，由于所粘附的异物而导致光罩变形，所以在每次曝光 或交换光罩时，必须将具有良好的平面度的晶圆设置在晶圆保持器上， 以测定成像表面的倾斜角度。结果，曝光处理本身变得复杂和繁琐， 这导致难以轻易地获得极好的分辨率。
对于JP 2003-142365 A中公开的曝光装置，将棒状周期图案和直线 标记设置在光罩上。因此，要求在光罩上形成棒状周期图案和直线标 记，因为通过通常使用的光罩无法获得光罩变形量，所以难以获得极 好的分辨率。

发明内容
本发明提供了一种曝光装置，该曝光装置包括用于将形成在光 罩表面上的图案投射在晶圆上的光学系统；用于直接测定(探测)光 罩相对于与光学系统的光轴方向垂直的平面的倾斜角度的测定(探测) 部；以及用于根据由测定部所测定的倾斜角度来调整晶圆的位置的调 整部。
在曝光装置中，基于用于直接测定光罩相对于与光学系统的光轴 方向垂直的平面的倾斜角度的测定部所测定的倾斜角度，调整晶圆的 位置。根据具有这种结构的曝光装置，即使当光罩被倾斜时，也能够
容易获得具有高分辨率的图案而不使曝光处理复杂化。
本发明所提供了一种曝光方法，该曝光方法包括将形成于光罩 的表面上的图案投射在晶圆上；测定光罩相对于与光学系统的光轴方 向垂直的平面的倾斜角度；以及基于所测定的倾斜角度而将晶圆的表 面调整成与光罩的表面平行，其中光罩的平面垂直于光学系统的光轴 方向。
在该曝光方法中，在曝光前，测定光罩相对于与光学系统的光轴 方向垂直的平面的倾斜角度，以基于所测定的倾斜角度来调整晶圆表 面的位置。因此，即使当光罩被倾斜时，处理也能够被连续执行而不 需为了调整对焦而交换晶圆，从而能够容易获得具有高分辨率的图案。
本发明提供了一种半导体器件的制造方法，该制造方法包括通过 使用曝光装置在晶圆上形成图案，所述曝光装置包括将形成于光罩 表面上的图案投射在晶圆上的光学系统；用于测定光罩相对于与光学 系统的光轴方向垂直的平面的倾斜角度的测定部；以及用于根据测定 部所测定的倾斜角度来调整晶圆位置的调整部。
在该半导体器件的制造方法中，使用曝光装置，利用该曝光装置， 即使在光罩被倾斜时，也能够在不使曝光处理复杂化的情况下调整对 焦，并且形成具有高分辨率的图案。因此，提高半导体器件的生产率 是可能的。
需要注意的是，本发明各个部件能够用任何部件形成，只要它们 能够实现其功能。例如，各个部件可被实现为执行指定功能的专用硬 件、具有通过计算机程序所给予的指定功能的计算机设备、计算机程 序所实现的计算机设备的指定功能、从它们中任意选择的组合等。
本发明的各种构成要素不必彼此独立。也可能多个构成要素形成
一个构件， 一个构成要素由多个构件形成， 一个构成要素是另一个构 成要素的一部分， 一个构成要素的一部分与另一构成要素的一部分重 复等。
根据本发明，即使当光罩被倾斜时，曝光装置、曝光方法以及半 导体器件的制造方法也能够实现，从而容易地提供极好的分辨率。


在附图中
图l是示出根据本发明实施方式的曝光装置的剖视图； 图2A至图2D是示出放置在根据本实施方式的曝光装置的光罩保
持器上的光罩的视图，其中，图2A和图2C是光罩的平面图，图2B和图
2D是其剖视图3是示出放置在根据本实施方式的曝光装置的光罩保持器上的 光罩的平面图4是用于解释根据本实施方式的曝光装置的光罩的概念图5是用于解释根据本实施方式的曝光装置的光罩的另一概念图6是用于解释根据本实施方式的曝光装置的光罩的倾斜角度的 测定方法的概念图7是用于解释根据本实施方式的曝光装置的光罩的倾斜角度的 测定方法的另一概念图8A至图8C是用于解释根据本实施方式的曝光装置的光罩的浮 置量(floating amount)的计算方法的概念图9A和图9B是用于解释根据本实施方式的曝光装置的光罩的浮 置量的计算方法的概念图；以及
图10是示出传统曝光装置的剖视图。
具体实施例方式
下文将结合附图，对根据本发明的曝光装置、曝光方法和半导体 器件的制造方法的优选实施方式进行详细的描述。对于附图的解释，
相同的构成要素被赋予相同的参考符号，且其解释在此被省略。在本 发明的实施方式中，采用定义为前后、左右和上下的方向进行解释。 然而，为了容易地解释构成要素之间的相对关系，出于方便考虑而定 义这些方向，因此，不限制在实施本发明的情况中生产或应用时所使 用的方向。
(第一实施方式)
参考图1至图9，根据本发明的第一实施方式的曝光装置描述如下。
曝光装置ioo的结构如下。
图1是根据本实施方式的曝光装置的剖视图。如图1所示，本实
施方式的曝光装置100包括用于将形成在光罩101的表面上的图案投 射在晶圆130上的光学系统(未示出)、每个均用作测定部的发光器 件110、受光器件120以及控制装置150、用作调整部的晶圆载物台131、 放置在光罩保持器102上的光罩101以及縮影投影透镜160。
在曝光装置100中，从光学系统发射的曝光光(exposure light) 穿过光罩101和縮影投影透镜160，以将形成在光罩101的表面上的图 案投射在晶圆130 (曝光对象)上，并且成像表面140形成于晶圆130 的表面上。成像表面140是在晶圆130的表面上已经形成的图案。在 图1中，为了方便，晶圆130、晶圆载物台131和成像表面140分开示 出。
细节将在下文描述。
图2A至图2D是示出放置在光罩保持器102上的光罩101的视图。 图2A和图2C是光罩101的平面图，图2B和图2D是其剖视图。
如图2A和图2B所示，光罩101放置在光罩保持器102上。从平 面图中看，光罩101是正方形，并且光罩101的各个顶点由光罩保持 器102支撑。将光罩101设定在垂直于光学系统的光轴方向的平面上， 并且图案170形成于光罩101的表面上(图2A)。
如图2C和图2D所示，异物粘附在光罩101和光罩保持器102中 的一个之间。由于异物的存在，相对于与光学系统的光轴方向垂直的 平面，光罩101被倾斜。
下文中，本实施方式中的术语"倾斜角度"意指光罩101相对于 与光学系统的光轴方向垂直的平面的倾斜的角度。另外，术语"异物" 意指，例如，当制造半导体器件时，在图案形成于晶圆上的步骤中光 罩交换时，粘附在光罩101和光罩保持器102之间的东西。倾斜角度 随异物的大小或弹性以及异物所粘附的位置等变化。
如图3所示，光罩101的XY平面是具有顶点A至D的正方形。 将发光器件110和受光器件120布置成关于正方形的各条边成对。换 言之，在光罩101的XY平面上，将发光器件110a和受光器件120a 布置成在它们之间夹入边AD;将发光器件110b和受光器件120b布置 成在它们之间夹入边AB;将发光器件110c和受光器件120c布置成在 它们之间夹入边DC;以及将发光器件110d和受光器件120d布置成在 它们之间夹入边BC。
发光器件110将测定光发射至光罩101的任意点。受光器件120 接收反射光，该反射光是在光罩101的任意点上反射的测定光。受光 器件120可以是可移动的。以这种结构，根据光罩101的倾斜角度， 移动受光器件120，以接收反射光。
控制装置150被连接到发光器件110和受光器件120 (图l)。
控制装置150根据从受光器件120传输的信号，利用在光罩101 倾斜之前受光器件120所接收的反射光和光罩101倾斜时受光器件120 所接收的反射光，测定光罩101的倾斜角度。
如上所述，发光器件110、受光器件120以及控制装置150用作 用于测定光罩101的各条边的倾斜角度的测定部。
控制装置150包括用于预先存储由受光器件120在光罩101倾斜 之前接收的反射光的存储部。以这种结构，能够基于从受光器件120 传输的信号，自动执行倾斜角度测定。此外，控制装置150包括计算 部，该计算部能够基于光罩101所测定的倾斜角度来计算在光罩101 在其每个顶点上的浮置量。基于所计算的浮置量，能够控制晶圆载物 台131的操作，从而调整晶圆130的倾斜角度。因此，晶圆130的定 位能够自动化。需要注意的是，下文将描述"浮置量"。
晶圆载物台131被连接至控制装置150。光罩101的倾斜角度从 控制装置150传输至晶圆载物台131，包含在晶圆载物台131中的调整 部根据所传输的倾斜角度来调整晶圆130的位置。
晶圆130被布置在晶圆载物台131上，并且成像表面140在晶圆 130上形成。晶圆载物台131包括调整部。
调整部具有根据测定部所测定的倾斜角度而将晶圆130的表面调 整成平行于光罩101的表面的功能，其中光罩101的表面垂直于光学 系统的光轴方向。因此，即使当光罩101被倾斜时，也能够调整在晶 圆130的表面上形成的图案(成像表面140)的对焦。
需要注意的是，在本实施方式中，"定位"意指包括表面调整和 角度调整之一或两者。表面调整是在三个轴方向上的可移动的调整， 角度调整是围绕轴的可旋转移动的调整。对于本实施方式的曝光装置
100，针对通过围绕光轴的旋转移动来执行的角度调整的情形来描述晶 圆130的定位。
图4是用于解释曝光装置100的光罩101的概念图，其中，异物 粘附在顶点C的邻近处，并且通过使用X、 Y和Z轴来示出光罩101 的位置。光罩101的XY平面是其每个边都具有长度L的正方形。在 异物粘附之前获得的光罩101的XY平面的各个顶点由A、 B、 C、 D 表示。因为粘附异物而倾斜的光罩101的XY平面的各个顶点由A'、B'、 C，、 D'表示。在图4中，光罩101的XY平面的顶点C的邻近处粘附 异物，并且顶点B、 C和D是浮置的，将顶点A作为支撑点。当边AD 相对于X轴方向倾斜角度a时，得到边A'D'。当边AB相对于Y轴方 向倾斜角度/3时，得到边A'B'。当边DC从顶点D'的Y轴方向倾斜角 度7时，得到边D'C'。当边BC从顶点B'的X轴方向倾斜角度)？时， 得到边B'C'。
参考图5，将对光罩101的XY平面的顶点B、 C和D的浮置量进 行描述，正浮置的顶点如图4所示。
在本实施方式中，"浮置量"是光罩101的顶点中的每个相对于 Z轴方向的变化量(variation)。换言之，"浮置量"是顶点A，、 B，、 C'、 D'中的每个分别和顶点A、 B、 C、 D中的每个在Z轴方向之间的 差。如图5所示，顶点A、 B、 C和D的每个浮置量分别用jl、 j4、 j3 和j2表示。顶点A是支撑点，所以A-A'成立，并且其浮置量jl为0。
接下来，将描述倾斜角度的测定方法和浮置量的计算方法。
如图3所示，点e、 f、 g和h分别在光罩101的顶点A、 B、 C、 D的邻近处示出。在本实施方式中，"邻近处"意指当光罩101的倾 斜角度被测定时没有生成误差的状态，比较发光器件110将光发射至 点e、 f、 g和h的情况和发光器件110将光发射至顶点A、 B、 C、 D
的情况。点e、 f、 g和h的位置可根据需要进行调整。发光器件110a、 110b、 110c和110d将测定光分别发射至点e、e、h和f。受光器件120a、 120b、 120c和120d分别从点e、 e、 h和f接收反射光。即使当光罩101 被倾斜时，发光器件110也能够将测定光发射至点e、 e、 h和f，并且 受光器件120能够接收来自那里的反射光。
如下测定角度a。
如图3和图6所示，将发光器件110a和受光器件120a布置成与X 轴平行。发光器件llOa将测定光发射到光罩101的点e，并且受光器 件120a接收点e上反射的反射光。
图6示出了发光器件110a发射的反射光和在光罩101上的点e上 反射的反射光。在光罩101倾斜之前(处于水平状态)被反射的反射 光用实线示出，而倾斜后的光罩101的点e所反射的反射光用虚线示 出。比较水平状态和倾斜状态的光罩101的反射光，以测定倾斜角度a。 请注意，虽然在图6中没有示出，但是即使当光罩101倾斜时，发光 器件110a也能够将测定光发射至光罩101上的点e。
随后，如下计算浮置量j2。
图8A至图8C是用于解释如图5所示的浮置量的计算方法的概念 图。对于如上所述测定的倾斜角度a，通过下文的表达式(1)，能够 用几何方法近似地计算浮置量j2。
y2 w丄x sin a…(1)
如上所述，测定倾斜角度a，并且计算浮置量j2。 如下测定角度/ 。
如图3所示，将发光器件110b和受光器件120b布置成与Y轴平 行。与上述相似，发光器件110b将测定光发射至光罩101的点e，并 且受光器件120b接收点e上反射的反射光。与上述相似，比较水平状 态的反射光和倾斜后的光罩101的反射光，以测定倾斜角度/3。
随后，如下计算浮置量j4。
图8A至图8C是用于解释如图5所示的浮置量的计算方法的概念 图。对于如上所述测定的倾斜角度/ ，通过下文的表达式(2)能够用 几何方法近似地计算浮置量j4。
74"xsin/ …(2)
如上所述，测定倾斜角度/3，并且计算浮置量j4。 接下来，如下测定角7。
如图3和图7所示，将发光器件110c和受光器件120c布置成与Y 轴平行。与上述相似，发光器件110c将测定光发射至光罩101的点h， 并且受光器件120c接收点h上反射的反射光。
图7示出了发光器件110c所发射的反射光和从光罩101的点h上 反射的反射光。在光罩101倾斜之前(处于水平状态)反射的反射光 用实线示出，而倾斜后的光罩101的点h上反射的反射光用虚线示出。 比较水平状态的发射光和倾斜后的光罩101的反射光，以测定倾斜角 度7。请注意，虽然在图7中没有示出，但是即使当光罩101倾斜时， 发光器件110c也能够将测定光发射至光罩101上的点h。
随后，如下计算浮置量j3。
图9A和图9B是用于解释如图5所示的浮置量的计算方法的概念
图。对于如上所述测定的倾斜角度7，通过下文的表达式(3)能够用 几何方法近似地计算浮置量j3。
<formula>formula see original document page 14</formula>(3)
如上所述，测定倾斜角度7，并且计算浮置量j3。
接下来，如下测定角r 。
如图3所示，将发光器件110d和受光器件120d设置成与X轴平 行。与上述相似，发光器件110d将测定光发射至光罩101的点f，并 且受光器件120d接收从点f反射的反射光。与上述相似，在水平状态 的反射光和倾斜后的光罩101的反射光之间进行比较，以测定倾斜角 度"。
随后，如下计算浮置量j3。
图9A和图9B是用于解释如图5所示的浮置量的计算方法的概念 图。对于如上所述测定的倾斜角度) ，通过下文的表达式(4)能够用 几何方法近似地计算浮置量j3。
<formula>formula see original document page 14</formula>(4)
如上所述，测定倾斜角度7J，并且计算浮置量j3。
在上文中，通过表达式(3)和(4)能够计算浮置量j3。此外， 事实上，通过表达式(3)获得的浮置量j3和通过表达式(4)获得的 浮置量j3之间被认为存在由测定误差所引起的微小差别。因此，优选 的是，通过诸如将通过多次测定而得到的浮置量j3 (利用表达式(3)) 与浮置量j3 (利用表达式(4))进行平均的统计处理，以测定最终浮 置量j3。
利用前述的程序，测定光罩101相对于与光学系统的光轴方向垂 直的平面的倾斜角度。换言之，曝光装置100中的光罩101的XY平面
的倾斜角度由浮置量j2、 j4、 j3和jl—0)限定。基于由浮置量j2、 j4、 j3和jl—0)所限定的倾斜角度，曝光装置IOO倾斜其晶圆载物台131， 以调整晶圆130和成像表面140的位置，从而使晶圆130的表面和光 罩101的表面互相平行，其中光罩101的表面垂直于光学系统的光轴 方向。结果，即使光罩101被倾斜，成像表面140上发生的对焦偏移 也会减少。即，在执行投影曝光时，晶圆130上所发生的对焦偏移在 整个拍摄区域中能够被减少。
根据曝光装置100的曝光方法包括将形成于光罩101表面上的 图案170投射在晶圆130上的步骤；测定光罩101相对于光学系统的 光轴方向的倾斜角度的步骤；以及基于所测定的倾斜角度，调整晶圆 130的表面使之平行于光罩101的表面的步骤，其中光罩101的表面垂 直于光学系统的光轴方向。
从光学系统发射的曝光光穿过光罩101和縮影投影透镜160，以 将在光罩101的表面上形成的图案170投射在晶圆130(曝光对象)上。 对于该投影，可使用公知方法。此外，如上所述执行测定倾斜角度的 步骤和调整该倾斜角度的步骤。
曝光装置IOO的优点描述如下。
在异物粘附在光罩101和光罩保持器102之间的情形下，光罩101 被倾斜，曝光装置IOO直接测定光罩101的倾斜角度。随后，曝光装 置IOO基于所测定的倾斜角度来控制晶圆载物台131的操作，并且调 整晶圆130的位置，从而调整在晶圆130上的对焦。因此，即使当采 用通常所使用的光罩而不考虑光罩的类型时，能够容易地调整在晶圆 130上的对焦，并且能够获得具有高分辨率的图案。而且，不必执行诸 如使用具有良好的平面度的晶圆的繁琐操作，从而实现连续处理(在
线处理(in-line process))。具体而言，当考虑到生产率和优点时，对于 每次曝射(shot)、对于每一连串曝射或对于所设定的每个光罩，执行 倾斜角度的测定和浮置量的计算。结果，其上整个拍摄区域中对焦已 经被调整的成像表面140，能够通过连续处理(在线处理)而形成在晶 圆130的表面上。
用曝光装置100，能够在晶圆130上形成图案以制造半导体器件。 对于除了在晶圆130上形成图案的步骤之外的步骤，使用公知方法。 结果，能够获得具有高生产率的半导体器件的制造方法。
根据本发明的曝光装置和曝光方法不限于前述的实施方式，并且 可执行其的各种修改例。
例如，在上述实施方式中，对光罩101是正方形的情况进行了描 述，但是本发明不限于此。例如，光罩101可以是矩形、多边形或圆 形。此外，对使用四对发光器件110和受光器件120的情况进行描述， 但是本发明不限于此。可以应用五对或更多对的发光器件和受光器件。
此外，在上述实施方式中，对异物粘附在光罩101的顶点C的邻 近处的情况进行描述，但是异物所粘附的顶点的位置和数目不限于此。 在本发明的实施方式中，对顶点A是支撑点的情况进行了描述，但是 可能存在所有的四个顶点都是浮置的情形或者顶点A和顶点B可能被 作为支撑点而顶点C和顶点D可能为浮置的情形。类似地，支撑点的 位置以及浮置顶点的位置和数目都不限于此。发光器件110和受光器 件120的数目和其安装位置能够被适当地设定，从而即使在异物被粘 附在光罩101的任何顶点中时，也能够利用相似的原理获得光罩101 的倾斜角度和浮置量。
权利要求
1.一种曝光装置，包括光学系统，用于将形成在光罩的表面上的图案投射在晶圆上；测定部，用于测定所述光罩相对于与所述光学系统的光轴方向垂直的平面的倾斜角度；以及晶圆载物台，用于保持所述晶圆。
2. 根据权利要求l所述的曝光装置，还包括调整部，用于基于由 所述测定部测定的所述倾斜角度来调整所述晶圆载物台上的所述晶圆 的位置。
3. 根据权利要求2所述的曝光装置，其中，所述调整部基于由所 述测定部测定的所述倾斜角度而将所述晶圆的表面调整成与所述光罩 的表面平行，其中所述光罩的表面垂直于所述光学系统的所述光轴方 向。
4. 根据权利要求1所述的曝光装置，其中，所述测定部包括用于 将光发射至所述光罩的发光器件和用于接收在所述光罩上反射的所述 光的受光器件。
5. 根据权利要求4所述的曝光装置，其中，所述测定部包括至少 四对所述发光器件和所述受光器件。
6. 根据权利要求4所述的曝光装置，其中，所述受光器件是可移 动的。
7. 根据权利要求l所述的曝光装置，还包括用于存储由所述测定 部测定的所述倾斜角度的存储部。
8. —种曝光方法，包括测定光罩相对于与光学系统的光轴方向垂直的平面的倾斜角度； 基于所测定的倾斜角度而将晶圆的表面调整成与所述光罩的表面 平行，其中所述光罩的表面垂直于所述光学系统的光轴方向；以及 将形成在所述光罩的表面上的图案投射在所述晶圆上。
9. 根据权利要求8所述的曝光方法，其中，所述测定倾斜角度包括将光发射至所述光罩和接收所述光罩上反射的所述光。
10. 根据权利要求9所述的曝光方法，其中，对所述光罩上的至少 四个点执行将所述光发射至所述光罩和接收所述光罩上反射的所述 光。
11. 一种半导体器件的制造方法，包括通过使用根据权利要求1 所述的曝光装置在晶圆上形成图案。
全文摘要
提供了一种即使当光罩被倾斜时也具有高分辨率的曝光装置。该曝光装置包括用于将形成在光罩(101)的表面上的图案投射在晶圆(130)上的光学系统；用于测定光罩(101)相对于与光学系统的光轴方向垂直的平面的倾斜角度的测定部；以及用于根据由测定部所测定的倾斜角度来调整晶圆(130)的位置的调整部。
文档编号G03F7/20GK101364051SQ20081014533
公开日2009年2月11日 申请日期2008年8月7日 优先权日2007年8月8日
发明者林省一郎 申请人:恩益禧电子股份有限公司