JP2003532866A - 結晶基板をアライメントするための方法および装置 - Google Patents

結晶基板をアライメントするための方法および装置

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JP2003532866A JP2001542280A JP2001542280A JP2003532866A JP 2003532866 A JP2003532866 A JP 2003532866A JP 2001542280 A JP2001542280 A JP 2001542280A JP 2001542280 A JP2001542280 A JP 2001542280A JP 2003532866 A JP2003532866 A JP 2003532866A
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リチャード・ビーンランド
デリック・ゴードン・ハート
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ブッカム・テクノロジー・ピーエルシー
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、マスク35から基板上へパターンを焼き付けるためのリソグラフィツール20と、基板の結晶方向を決定するためのX線回折技術による基板角度測定ツール100,310とを備えている装置10,300に関する。装置10,310は、マスク35が測定ツール100,310に対して角度的に正しく向き付けられるように較正されている。新しい基板が、装置10,310内に搬入されると、装置10,300は、測定ツール100,310に対する基板の角度アライメントを行って、これにより、マスク35に対する基板の角度アライメントをも行なう。装置10,300は、角度アライメントを行なうために基板上のフラットを用いず、その結果、この装置10,300によって、マスク35上の構造に基板190の結晶面をアライメントする際、高い精度が実現可能となる。この精度は、1´(1分角)に達するか、あるいはさらに優れたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リソグラフィ工程によって半導体ウェハ等の結晶基板上へ転写され
るべきリソグラフィーパターンに、前記結晶基板の一つ又は複数の結晶面を一致
させるよう前記結晶基板をアライメントする方法、さらには、この方法に用いら
れる装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスの従来のマイクロ加工においては、半導体ウェハにリソグラフ
ィ処理を施してその上に構造を描き込むようにし、デバイスの動作部分に構造を
転写するための該リソグラフィ処理と組み合わせて、このウェハが化学的に処理
され、これらのリソグラフィ処理、及び化学処理が終了した時点で、個々のデバ
イスを切り出すようこのウェハが切断され、その後、顧客に出荷されるのに先立
ち、パッケージングとテスティングとが行なわれる。
【0003】 このようなデバイスは、結晶が単結晶構造からなるものであれば、リソグラフ
ィ用パターンを結晶面の方向に一致させるようにして作製されることが多い。例
えば、III−V族半導体ウェハからマイクロ加工される光電子デバイスは、通常、
平滑にへき開された{110}結晶面のファセットを作製することを通して、例
えば固体レーザのキャビティ用の鏡面を設けるといった創出に基づいている。平
滑にへき開された斯かるファセットを創出することは、実現が困難となる可能性
もある上に、デバイスを作製するのに用いられるリソグラフィ用パターンが、要
求されるウェハへき開面に対して極めて精度良く平行にアライメントされること
を要求するものである。この問題は、往々にしてウェハが作製中に意図的に切断
され、ウェハの主要表面の平面がウェハを構成している単結晶材料の{001}
面に対して正確に平行でなく、カットオフ角(cut-off angle)だけ異なったも
のにされる場合には、さらに込み入ったものになる。このカットオフ角は、例え
ば2°〜10°の範囲に存在し得る。このようなウェハは、今では、半導体処理
施設で普通に用いられており、ゼロでない(non-zero)カットオフ角がデバイス
製造を通して結晶層のエピタキシャル成長を助け、このような結晶層がデバイス
の一部を形成している。
【0004】 通常、丸い単結晶シリコンウェハおよび75mmより小さい直径の単結晶のII
I−V混晶ウェハは、ウェハの外側のエッジに、研磨された「フラット」を備えた
状態で半導体デバイス工場に供給されるが、このフラットは、固有のウェハ結晶
面に呼び値で一致させられている。150mmないしそれより大きな直径を持っ
た、もっと大きなIII−V混晶ウェハは、通常その外側のエッジにフラットを持た
ない代わりに、ノッチを有していて、このノッチによってウェハ結晶面に対する
誤差限界±1°までの角度アライメント精度が可能になっている。より小さなII
I−V族材料の場合、ウェハ上のフラットは、その{110}結晶面に呼び値で一
致させられている。一般に、リソグラフィツールは、このフラットに機械的に見
当合わせして、それにより、このフラット、つまりこのフラットに関係付けられ
た結晶面に対して、リソグラフィ用マスク上のリソグラフィ用パターンをツール
の中で角度的にアライメントすることによって機能する。しかしながら、このフ
ラットの角度アライメントの精度は、平滑にへき開されたデバイス表面を実現す
るためにウェハをへき開するという目的に対して正確なアライメントを行なうと
いうのには大抵不十分である。このような不正確さは、ゼロでないカットオフ角
を有するウェハの場合、あるいは、デバイスの製造を通して成長させられるエピ
タキシャル層がフラット上にも成長して、その結果、そのレジストレーション精
度に悪い影響が及んでいるような個所ではとりわけ問題になる。
【0005】 光電子デバイスを製造する場合、必要なへき開面の、主要表面の平面との交線
が、ウェハ上への投影のためのリソグラフィ用パターンに、1分角(minute of
arc)より小さい角度誤差で平行になることが往々にして求められるものである
。例えば、ウェハ内におけるデバイス間のへき開用のトラックは、幾つかの状況
では、ウェハ上に十分なデバイス密度を確保するために100μmの幅に限られ
る。このとき、もしウェハが75mmの直径なら、ウェハは、±2.25分角内
でアライメントされなければならず、さもなければ、デバイスがウェハの結晶面
に沿ってへき開されるときに、へき開面が横方向にへき開トラックを超えて伝わ
ることになって、その結果、デバイスの歩留まりに不利に働いてしまう。このア
ライメント精度の問題は、例えば150mmの直径のウェハといった、より大き
な直径のウェハが用いられる場合には、さらに深刻化する。このアライメントの
問題を軽減するのに、100μmより広いへき開トラックを採用し、それに伴い
ウェハ上のデバイス密度が低下することに甘んじるということが通常行われてい
る。
【0006】 関係するウェハフラットに対して機械的なレジストレーションを行なうことに
よりウェハ結晶面にリソグラフィ用パターンをアライメントするという上記の問
題を解決するための方法が現在二つ知られている。第一の方法において、ウェハ
は、呼び値で正確とされた該ウェハ上の既存のフラットに空間的に近接した所要
の面に沿ってへき開される。そして、その結果生成されたへき開面が、ウェハ結
晶面に角度的に正確に一致させられ、マスクパターンのアライメントのために使
用されることが可能となる。第二の方法において、ウェハは、その製造時からウ
ェハ上にフラットを有するようにして供給されるものであり、このとき、このフ
ラットは、その精度が研磨処理によって低下させられないよう、研磨されない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
これらの二つの解決方法のいずれによっても、十分正確にアライメントされた
フラットが得られ、このフラットに対するリソグラフィツールの数分角の誤差内
での見当合わせが可能になる。しかしながら、へき開されて研磨されないこのよ
うなフラットは、斯かるフラットを有するウェハを横断して進行するクラックの
もとになることが知られており、その結果、このウェハから作製されたデバイス
の欠陥や、それどころかウェハの破壊にすら至ることになる。通常、ウェハのフ
ラットは、デバイスの欠陥やウェハの破壊につながるおそれを低減するために研
磨され、角取りされる。このように、へき開された、あるいは研磨されないレジ
ストレーション用フラットを有するウェハを使用することは、デバイスを作製す
る歩留まりに深刻な危険をもたらし、回避されることが好ましい。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、リソグラフィ用パターンに対するウェハの結晶学的なアライメ
ントを行なうために従来のフラットやノッチを用いることは、要求を満たさない
アプローチであって、それゆえに問題を露呈しているという見解にいたった。本
発明者らは、この問題に取り組むためには、従来のものに代わる別のアライメン
ト技術を採用できるのではないかという認識にいたった。
【0009】 本発明の第一の観点によれば、装置内における基板をアライメントする方法に
おいて、前記装置は、基板上にパターンを焼き付けるためのリソグラフィツール
と、基板の一つ又は複数の結晶面の角度方向を測定するための回折式基板角度測
定ツールとを備え、以下の工程: (a)前記パターンの前記測定ツールに対する相対的な角度方向を較正し、 (b)前記基板を前記リソグラフィツール内に挿入し、 (c)前記測定ツールを用いて前記基板の前記一つ又は複数の結晶面の角度方
向を測定するとともに、前記基板を該基板の一つ又は複数の結晶面が前記パター
ンに対して角度的に一致するまで回転する、 工程を有して、前記パターンがこれにより前記基板および該基板の前記一つ又は
複数の結晶面に角度的にアライメントされる方法が提供される。
【0010】 本発明によれば、上記装置により、この基板内に組み込まれたフラットや類似
のアライメント構造に何ら頼ることなく、上記基板の結晶面を上記パターンに対
してアライメントすることが可能になるという利点が得られる。
【0011】 上記回折式測定ツールは、上記一つ又は複数の結晶面の角度方向を決定するた
めに、X線放射線の波長で動作することが好ましい。X線放射線を用いることに
より、その波長が基板を構成する原子間の距離と同じオーダーになり、その結果
、基板に対する測定可能な角度にX線ビームが回折されるという利点が得られる
。上記測定ツールは、結晶内でのブラッグ回折に起因する回折されたX線を測定
するものであることが好ましい。
【0012】 上記の方法を簡易で信頼性の高いものするために、上記一つ又は複数の結晶面
の正しい角度方向が、上記測定ツールのX線検出器におけるX線計数率が最大に
なるような、上記基板の上記測定ツールに対する方位を見出すことによって特定
されることが望ましい。このようなアプローチの仕方によって、回折されたビー
ムの複雑な計算や外挿を含んだ他の結晶方位測定技術に付随する煩雑な計算を実
行する必要性が回避される。
【0013】 この方法においては、簡便にも、上記一つ又は複数の結晶面の角度方向を測定
するために、上記基板を通して、検査用の(interrogating)X線ビームを透過
させることによって、回折されたX線ビームが生成される。
【0014】 しかしながら、基板を通してX線の放射線を透過させると放射線が弱まってし
まうので、上記の方法において、上記一つ又は複数の結晶面の角度方向を測定す
るために、上記基板から、検査X線ビームを反射させることによって、回折され
たX線ビームを生成することが好ましい。その結果、基板を透過して回折される
割合に比べると、基板上に入射したX線放射線の比較的高い割合が回折によって
反射されるという利点が生じる。好ましくは、上記リソグラフィツールを遮らな
いよう、上記検査ビームは、上記基板の周囲の端面に入射される。
【0015】 さらに、上記の方法において、上記測定ツールは、上記リソグラフィツールを
遮らないように、このリソグラフィツールの一方の側に維持されていることが望
ましい。したがって、上記の方法において、上記測定ツールは、1次、2次、ま
たは3次の回折のモードを用いて、上記一つ又は複数の結晶面の角度方向を測定
することが好ましい。1次より高い回折のモードによって、回折角が比較的大き
くなり、その結果、上記測定ツールを上手く上記リソグラフィツールの一方の側
に向けて取り付けることができるようになる。
【0016】 上述の方法において、較正は、下位の方法を用いて行なわれ、この下位の方法
は、 (a)前記リソグラフィツール内にテスト基板を挿入し、結晶面に対応するへ
き開された端面が露出するように、前記テスト基板をへき開し、 (b)前記テスト基板を前記測定ツールに対して角度的にアライメントして、
前記測定ツールの検出器から最大の放射線計数率が得られるようにし、 (c)前記パターンの構造を前記へき開された端面に対して角度的にアライメ
ントする、 工程を有している。へき開されたテストウェハを用いることによって、或る特定
の結晶面に対応する上記へき開された端面に、上記パターンが確実にアライメン
トされる。
【0017】 本発明の第二の観点により、上記本発明の第一の観点による方法を実施するた
めの装置が提供され、該装置は、基板上にパターンを焼き付けるためのリソグラ
フィツールと、前記基板の一つ又は複数の結晶面の角度方向を測定するための回
折式基板角度測定ツールとを備え、前記装置は、前記パターンに対して前記一つ
又は複数の結晶面を角度的にアライメントして、前記基板上に前記パターンを焼
き付けるように操作できるものとされている。
【0018】 上記装置により、この基板上に存在するアライメント用のフラットを何ら参照
せずに、上記パターンに対して上記基板をアライメントすることができるという
利点が得られる。
【0019】 前記測定ツールは、X線光源とX線検出器とを備え、前記光源は、前記基板を
検査するためのビームを生成するように構成され、前記検出器は、前記ビームの
ブラッグ回折に起因する回折された放射線を受け入れるように構成されているこ
とが好ましい。X線ブラッグ回折は、基板の結晶学的な方位の測定に対する便利
で正確な方法である。
【0020】 好ましくは、前記測定ツールは、前記基板を通して透過させられて回折された
放射線を検出するように配置されている。また、これとは異なり、前記測定ツー
ルは、前記基板から反射させられて回折された放射線を検出するように配置され
ている。基板を透過する放射線に比べると、それよりも大きな割合の放射線が基
板から反射されるため、反射されて回折されたX線放射線を用いることによって
、基板結晶の方位の特定に用いるために、比較的大きな信号が得られ、その結果
、高い精度が得られることになろう。基板の方位を特定するのに反射された放射
線を用いる場合、大面積X線検出器によって前記基板から反射された回折放射線
が検出されることが望ましい。ここで、大面積X線検出器とは、本明細書中、X
線を感度良く検出する1cm2を上回る大きさの面積を有している検出器のこと
を言う。
【0021】 上記X線光源は、好ましくは、ビーム用の放射線を生成するためのX線ターゲ
ットを備え、該ターゲットは、銅、コバルト、鉄、銀またはモリブデンを含む材
料からなる。このようなターゲットにより、X線放射線の上記装置に用いるため
の有用な波長領域が得られる。
【0022】 上記測定ツールは、簡便にも、上記リソグラフィツールに対して調節可能に取
り付けられた二つの構成部に配列され、これにより、前記基板から回折された放
射線に伴うブラッグ回折角の範囲に対する必要に応じて、前記測定ツールの調節
が可能とされている。
【0023】 上記測定ツールのためのこのような構成によって、測定ツールが、異なる組成
と寸法の結晶に対して、結晶学的な方位を測定するために用いられることができ
るようになる。その上、上記測定ツールに用いられる便利なセットアップ角を実
現するために、上記測定ツールは、1次、2次、または3次の回折のモードで動
作するよう操作することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき単なる実例によって詳述する。
【0025】 図1には、本発明による装置が符号10によって示されている。装置10は、
符号20によって示される従来のリソグラフィツールを備え、このリソグラフィ
ツール20は、有機ウェハレジストを露光するための照射用光源25と、光源2
5からの照射光をコリメートするための光学ユニット30と、リソグラフィ用パ
ターンを有するリソグラフィ用マスク35とを備えている。リソグラフィツール
20は、さらに、対応する駆動ユニット45に連結されたウェハチャック40を
備えており、前記駆動ユニット45の入力P1がウェハアライメント制御ユニッ
ト50の出力O1に接続されている。この制御ユニット50は、その入力I1に受
け入れられる計数信号に反応してチャック40の角度回転を制御するためのコン
ピュータを有している。制御ユニット50は、装置10が手動で操作される場合
等、操縦者からの入力による命令をも受け取るように構成されている。制御ユニ
ット50は、さらに、その出力O2でリソグラフィ制御ユニット60の入力C1
接続されている。制御ユニット60は、光源25がマスク35を照明するのに照
射光を放射する際、その制御を行うように、その出力O3で光源25の入力Sに
接続されている。加えて、制御ユニット60は、さらに、マスク35の角度回転
を制御するためのマスク駆動ユニット65の入力P2に接続された出力O4を備え
ている。
【0026】 装置10は、符号100が付されたX線回折ツールを備えている。このツール
100の第1の構成部は、図1に示すように、下側の、しかもチャック40の一
方の側に設置されており、さらに、第2の構成部は、上側の、しかもチャック4
0のもう一方の側に設置されている。ツール100の第1の構成部は、点状X線
光源110と、第1のX線シールド120と、X線コリメータ130とを備えて
いる。このシールド120は、コリメータ130によってビームに整えられなか
ったX線放射線や、チャック40で散乱されるX線放射線から、チャック40な
らびに装置10の操縦者を遮蔽して保護するために設けられている。X線光源1
10は、銅ターゲットを有した35kVの水冷式の市販のX線光源で、波長0.
154nmの波長のX線をその大半において放射するよう動作可能になっている
が、0.154nmから隔たった他の波長の成分も放射される。コリメータ13
0は、真鍮製のチューブといった金属製チューブを備え、この金属製チューブに
よって、X線光源110から放射されるX線放射線が、チャック40上に搬入さ
れ角度的にアライメントされるあらゆるウェハのカットオフ角よりも大きい最大
半角を有する光線ビームに変換される。このコリメータ130は、X線光源11
0からチャック40の直ぐ下側まで延びている上記第1のシールド120の中に
内包されている。
【0027】 ツール100の第2の構成部は、ビーム方向のディスクリミネータ(弁別器)
140と、第2のX線シールド150と、X線検出器160とを備えている。X
線放射線に対して有感な検出器160の部分とディスクリミネータ140とは、
検出器160からチャック40の直ぐ上側まで延びている第2のシールド150
の中に内包されている。ディスクリミネータ140は、比較的高い透過ファクタ
ーと、ビーム方向に対する高い感度とを示す4−バウンス・チャンネル・カット
結晶(four-bounce channel cut crystal)を用いて構成され、また、このディ
スクリミネータ140が、X線光源110によって放射された0.154nmの
波長から不要なX線成分を取り除くためのモノクロメータとしても機能している
【0028】 このディスクリミネータ140は、代わりに一対のスリットとして構成され、
この一対のスリットの一方のスリットが、この一対のスリットの他方のスリット
に対して位置的に調節可能とされるものであってもよい。しかしながら、ディス
クリミネータ140のこの実施形態によると、X線光源110と検出器160と
の間のどこかにモノクロメータを設けることが必要になる。
【0029】 X線光源110は、0.154nmの波長のX線放射線を生成するよう動作可
能とされており、このX線放射線がコリメータ130を通って進行し、このコリ
メータ130の中で一部コリメートされて平行にされ、符号170が付された光
線束(ビーム)が得られるようになっている。このビーム170は、チャック4
0内のスロット180を通り、そしてチャック40上の半導体ウェハ190のエ
ッジ領域をも通って進行し、このウェハのエッジ領域でビーム170がブラッグ
回折され、さらにそこからディスクリミネータ140を通って検出器160にま
で進み、この検出器160でビーム170が検出されて、検出器160の出力Q
に出力信号が生成されるようになっている。出力Qは、制御ユニット50の入力
1に接続されている。この制御ユニット50は、検出器160からの上記出力
信号を、回折ツール100に対するウェハ190の角度アライメントを制御する
ためのフィードバックとして用いるように動作させることができる。
【0030】 装置10において、回折ツール100は、チャック40上のウェハ190の所
望の結晶面から回折されたX線放射線を集めるようにチャック40に対してアラ
イメントされている。さらに、リソグラフィツール20は、光学プロキシミティ
焼付け器(optical proximity printer)ならびにステップアンドリピート光学
焼付けシステム(optical step-and-repeat optical printer system)、あるい
は、電子ビームリソグラフィシステム(electron-beam lithographic system)
を備えていてもよい。ツール20が電子ビームによるシステムである場合、ウェ
ハ190およびチャック40は、システムの真空チャンバ内に設置される。
【0031】 X線シールド120,150は、回折ツール100内に設けられていて、照明
光源25の方に面しているウェハ190の上部主要面を覆っている有機レジスト
を露光してしまうような、回折ツールから脇にそれた迷走X線放射線を低減する
ようになっている。さらにまた、これらのシールド120,150は、有害なX
線被爆から装置10の操縦者を保護している。
【0032】 以下に、図1に基づき、装置10の動作について説明する。
【0033】 最初に、回折ツール100に対するマスク35の角度アライメントを較正する
ために、例えば1分角より遥かに小さな誤差といった高い角度精度でマスク35
を回転する。このような較正は、チャック40上にテストウェハを挿入すること
によって実現されるが、このウェハは、内部に比較的長いへき開された端面を有
しており、この端面は、装置10に対して要求される程度の角度誤差でウェハの
結晶面に揃えられている。X線光源110からのX線放射線は、ビーム170を
形成するようにコリメータ130を通って進行し、このビーム170がさらにス
ロット180を通ってテストウェハまで進行し、そしてここで回折ビームを生成
するようにビームが回折される。この回折されたビームは、ディスクリミネータ
140を通り抜け、最終的に検出器160で検出されて出力Qに信号を生成し、
この信号が、検出されたX線光子に対応する一連の複数のパルスの形となる。制
御ユニット50は、検出器160の出力Qにどういったレートでパルスがもたら
されるかをモニタし、検出器160からのX線パルスのレートが最大に達するま
でチャック40を回転するよう駆動ユニット45に命令する。分割画面顕微鏡等
を用いて人間による目視検査を行うことにより制御ユニット60に命令を入力し
、投影されるマスク上の構造がウェハ上のへき開された端面に角度的に正確に一
致するまでマスク35を正確に回転させる。このようにして、このアライメント
が終了する時点で、マスク35は、テストウェハによって回折装置100に対し
てアライメントされた状態になっている。較正は、マスク35が交換されるたび
に行ったり、あるいは、装置10内でのドリフトに対して補正を行うために定期
的に行ったりする必要がある。
【0034】 装置10が較正されている最中にないときの装置10の通常の運転の間に、ウ
ェハ190をチャック40上に搬入する。制御ユニット50は、検出器160か
らのX線パルスのレートをモニタし、駆動ユニット45に命令してX線パルスの
レートが最大になるまでチャック45上のウェハ190を回転する。X線パルス
の最大のレートは、ウェハ190内の結晶面がディスクリミネータ140のアク
セプタンスの角度(acceptance angle)に対して調節され、したがって、回折装
置100に対してアライメントがなされたときに得られる。アライメント制御ユ
ニット50は、自身の出力O2においてリソグラフィ制御ユニット60に向けて
信号を出力する。次に制御ユニット60は、ウェハ190に対してマスク35の
見当合わせを行う。ウェハ190の見当合わせが完了したら、次に制御ユニット
60は、光源25を作動させてマスク35を照明し、これにより、マスク35の
方に面したウェハの主要面上におけるウェハ190上に被覆された有機レジスト
の層上に、マスクの構造を転写する。
【0035】 露光後、ウェハ190をチャック40から取り外し、次いで、レジスト層を相
応の溶剤中で現像して、反応性イオンによるエッチングないしイオンミリング等
の化学処理をウェハ190に施す。このとき、レジスト層は、化学処理に対する
ステンシルとして働く。
【0036】 装置10によれば、従来のリソグラフィツールと比較すると、この装置によっ
て、ウェハの角度アライメントの目的のためにウェハ190上に正確に方位付け
られたフラットを必要としなくても済むようになるという利点が得られる。この
装置10によって、装置10の較正精度に制限されるような、ウェハ結晶方位に
対するマスク構造のアライメント精度が得られる可能性がある。さらに、装置1
0を操作する際には、チャック40上に取り付けられたウェハの角度アライメン
トを数秒角のオーダー(桁)で達成することができるよう、煩雑な数学的データ
処理を自身の制御ユニット50によって行うといったことが要求されない。
【0037】 上記X線光源110は、点状光源として働き、ウェハ190のカットオフ角の
差に対する要求に応えるようになっている。光線束170の半角は、ウェハ19
0に方向付けられた少なくとも幾つかの光線がディスクリミネータ140を介し
て検出器160内に進行するようにブラッグ回折されることができるような角度
になっている。
【0038】 図1において、軸A−A´及び軸C−C´は、ウェハ190の主要表面の平面
に対して垂直である。回折装置100の第1の構成部および第2の構成部の光軸
は、軸B−A及び軸C−Dにそれぞれ平行になっている。軸A−A´と軸A−B
との間が角θに対応している。同じように、軸C−C´と軸C−Dとの間が角θ
に対応している。図1中のこの角度は、ウェハ190がガリウム砒素を含んでい
るような場合には、0.154nmの波長のX線放射線に対する1次の<220
>回折に対して、大体20°〜25°の程度になる。ブラッグ回折角は、ウェハ
190内の原子の間隔や、相対的な空間的配置によるので、装置10は、例えば
ガリウム砒素と同じく、シリコン、インジウム、燐化物等の異なるウェハ成分に
対する要求に角度θが対応できるように構成されている。
【0039】 幾つかの場合、リソグラフィツール20に回折装置100を接近させて設置す
ることが便利なこともある。このように近づけて設置することによって、実用上
、X線光源110から検出器160までの放射線の径路長を比較的長くすること
が可能である。ウェハ190からの2次の<440>の回折、あるいは3次の<
660>の回折さえ用いることは実現可能で、このとき、ウェハ190からの回
折は、角度θが50°ないしそれ以上になることができて、その結果、便利なよ
うに回折ツール100の大半をリソグラフィツール20の一方の側へ動かせるよ
うになる。回折ツール100に対するこのような構成によって、装置10がより
小形になるようにX線光源110から検出器160までの径路長を低減すること
が可能となる。
【0040】 さらに、回折ツール100内で所望の角θが得られるように、0.154nm
以外の異なるX線放射線の波長を用いることもできる。異なる放射線波長は、X
線光源110内の銅ターゲットを、例えば銀、鉄、モリブデン、あるいは、更に
コバルトといった同じようなターゲットによって置き換えることによって得るこ
とができる。X線光源110は、より小形なユニットになるように、水冷よりは
むしろ空冷とされていることが好ましい。
【0041】 装置10は、ウェハ190を介してかなりのX線放射線の減衰が生じるという
欠点がある。このような減衰は、ウェハ190によって受け取られるX線放射線
の量を、ディスクリミネータ140でウェハ190から受け取られるX線放射線
の量と比較することによって特定される。さらに、ウェハ190の周辺2〜5m
mの部分がX線放射線に曝されることになり、デバイスを製造することのできる
ウェハ190の有用な面積が減ってしまうという欠点が生じる。加えて、図2及
び図3を参照して以下に述べるように、反射による回折によれば、以上述べてき
た装置10に採用された透過による回折に比べて精度が改善される。
【0042】 図2には、X線の反射による回折を採用した本発明による装置が平面図によっ
て示されており、この装置に符号300が付されている。装置300は、リソグ
ラフィーツール20を備えており、このリソグラフィツール20は、処理される
べきウェハをツール20内に供給するためのウェハ挿入カセット302と、ツー
ル20内で露光されたウェハを受け取るためのウェハ取出カセット304とを有
している。装置300は、さらに、第1の構成部と第2の構成部とを有する回折
ツール310を備え、これら第1の構成部と第2の構成部とは、弧状支持部31
2に取り付けられ、この弧状支持部312は、符号315が付された滑動するエ
ア式の支えテーブルを介してリソグラフィツール20に装着されている。これら
第1の構成部と第2の構成部とは、リソグラフィツール20の側方に、概ね水平
面内に取り付けられている。さらに、弧状支持部312は、テーブル315上に
滑動可能に取り付けられており、これにより、異なるウェハ190の成分ならび
に大きさ、そして、その結果異なるブラッグ回折角に対する必要に応じて、ウェ
ハ190からのテーブルの距離が変えられることができるようになっている。
【0043】 回折ツール310の第1の構成部は、点状X線光源110と、4−バウンス・
モノクロメータ318(4-bounce monochrometer)と、ウェハ190に向かって
進行するX線放射線の外に出るビーム325を生成するための水平なスリットの
集合体320とを備えている。これらのスリットは、ウェハ190のエッジに対
してビーム325をアライメントするよう調節可能とされている。
【0044】 これらのスリットの調節は、ビーム325がチャック40上に入射するはずの
位置に、適した材料からなる粉末試験片を配置することによって実現され、その
結果、試験片から生成されて、回折ツールの第2の構成部によって検出可能な反
射ビームが広がり得るようになる。ここで、試験片は、例えば、GaAsないし
InPを有する比較的小さなガラス細孔チューブとすることができる。
【0045】 モノクロメータ318および複数スリット320は、X線光源110に対する
回転軸上に取り付けられたアーム330上に取り付けられている。このような回
転軸による取り付けによって、回折ツール310が異なるウェハ成分やウェハ寸
法に対応することができるようになっている。さらに、アーム330およびX線
光源110は、弧状支持部312上に滑動可能に取り付けられ、これにより、角
φが、ウェハ成分や、あるいはX線光源110のターゲット成分、つまりX線放
射線の波長に依存して変えられることができるようになっている。
【0046】 同じようにして、回折ツール310の第2の構成部は、弧状支持部312上に
滑動可能に取り付けられた大面積X線検出器340を備え、角φが、やはり、ウ
ェハ190の成分や、X線光源110のターゲット成分に依存して調節されるこ
とができるようになっている。本明細書中、大面積とは、検出器が、X線を感度
良く検出する概ね1cm2を上回るような面積を有していることを意味する。
【0047】 回折ツール310は、X線光源110が0.154nmの波長のX線放射線を
銅ターゲットから生成し、この放射線がX線ビーム325を形成するようにモノ
クロメータ318と複数スリット320とを通って進行し、このビーム325が
ウェハ190の端面まで進んで、そこで回折によって反射され、そしてその一部
がウェハ190から離れて大面積検出器340にまで進行するように動作可能と
されている。図1に示される装置10と同じように、図2中の検出器340は、
ウェハ190の結晶面が回折ツール310に対して角度的に正確にアライメント
される場合に、最大のパルスのレートを与える。
【0048】 装置300は、さらに、アライメント制御ユニット50と、リソグラフィ制御
ユニット60と、チャック40と、チャック駆動ユニット45と、マスク駆動ユ
ニット65とを備えている。これらの構成要素は、図2中に示されていないが、
装置300の一部を形成している。大面積検出器340からの出力パルスは、装
置10における検出器160と同じようにして、アライメント制御ユニット50
の入力I1に接続されている。放射線シールド(図2中図示せず)は、回折ツー
ル310の上側に設置され、迷走X線放射線がウェハ190や装置300の操縦
者に達するのを少なくとも部分的に防いでいる。
【0049】 回折ツール310のこれらの構成部(第1の構成部と第2の構成部)は、図2
に示すように、軸F−F´に関して対称に配置されている。この軸F−F´は、
ウェハ190の真ん中を突き抜け、ウェハ190の外側の端面と、ビーム325
が端面上に入射する所で交差している。ツール310の各構成部は、軸F−F´
に対して角度φをなしている。
【0050】 もし、1次の<220>の回折による反射が使われるなら、これらの構成部は
、角度φが60°程度となるように弧状支持部312上で調節される。もし、<
440>や<660>等の、より高次の回折による反射が用いられるなら、角度
φは、装置300をさらに小形にするように0°に近づけるように低減すること
ができる。
【0051】 表1および表2は、X線光源110の異なるターゲット成分、ウェハ成分、及
び回折の次数に対する角度2θ(φ=90°−θ)の例を示すものである。表1
および表2から分かるように、ウェハ成分、回折次数、及びターゲット成分の幾
つかの組み合わせは、回折ツール310のセットアップに関して動作可能な角度
を与えない。表1に示されているように、1次の<220>の反射回折のモード
によれば、常に動作可能な角度が得られる。
【表1】
【表2】
【0052】 装置300は、マスク35が装置300内に装着されると、最初に、装置10
と同じようにして較正される。すなわち、テストウェハが先ず回折ツール310
に対してアライメントされ、次いで、マスク35がこのテストウェハのへき開さ
れた端面に対してアライメントされる。次に、このテストウェハは、装置300
内に搬入されて内部で処理されるべきウェハ190等の生産用ウェハのために取
り外される。
【0053】 装置300のチャック40上に装着されたウェハ190を処理する際には、ア
ライメント制御ユニット50によって、検出器330からのパルスのレートが最
大になるまでウェハ190の角度方向が調節される。この最大が正しいアライメ
ントに対応している。ウェハ190に対するマスク35の見当合わせが行われた
後、ユニット60は、光源25を作動させてウェハ190の露光される主要表面
を覆っている有機レジスト層上にマスク35上のパターンを焼き付ける。
【0054】 装置10内のウェハ190を通して透過させられる放射線の割合と比較すると
、装置300によれば、ウェハ190の端面上に入射する放射線の比較的大きな
割合が装置300内で反射されるという重要な利点が得られる。放射線の波長0
.154nmでは、ガリウム砒素を含んでいるウェハ190内に進行する放射線
に対する1/eに減衰する深さは、eが大体2.818の値を有するとして、僅
かに10μm程となる。その結果、検出器330におけるパルス計数率は、10
000/秒に到達することが可能で、これにより、最適アライメントに対応する
最大値を達成するための比較的大きい統計標本が制御ユニット50に与えられる
。所定のX線光源の出力に対して、装置300は、装置の回折ツール310に対
するウェハ190のアライメントを、装置10がその回折ツール100に対して
行えるよりも高い精度で、かつ素早く行なう能力を有している。加えて、装置3
00は、装置10においてアライメント時に起きるような、ウェハ190の端面
外側部分の露光を起こさない。ここで、この端面外側部分は、ウェハ190の端
面から5mm程度になることもある。
【0055】 ビーム325は、ウェハ190の中に数μm入るだけであるにもかかわらず、
もし表面粗さの結果として結晶が壊れていないなら、回折ツール310は、ウェ
ハ190のエッジ表面の粗さに対して比較的鈍感である。
【0056】 図3には、図2に示された装置300の構成部の立面図が示されており、この
見方には、符号400が付されている。X線放射線シールド410が、ビーム3
25の上方に位置させられており、これにより、操縦者が保護され、ウェハ19
0の上側の露光される主要表面上の有機レジスト層420が意図せず露光される
事態を引き起こしかねない迷走放射線が低減される。ビーム325がウェハ19
0の端面上に入射し、エッジ表面のμm内で減衰する結果として、ビーム325
は、装置300が働いている際、それ自身ではレジスト層420にさほど露光を
生じさせない。
【0057】 図4には、装置300の変形実施例が符号600によって示されている。この
変形された装置600において、装置300の弧状支持部312は、テーブル3
15上に滑動自在に取り付けられた真っ直ぐな直線型支持組子610に代えられ
ている。検出器340は、この組子610上に滑動自在に取り付けられ、その位
置が組子610の延在する軸に沿って調節自在とされている。直線型支持組子6
10は、対応する弧状支持部312よりも実施するのにより簡単で安価であり、
このため、装置600を作製する費用が低減される。
【0058】 装置600の回折ツール310は、アライメント及び較正を行なうことが比較
的複雑である。
【0059】 モノクロメータ318の調節は、以下の工程を有している: (a)アーム330をその光源ゴニオメータ620を用いて回転し、アーム33
0が組子610の長軸に平行になるようにする。 (b)スリットの集合体320からスリットを取り除く。 (c)検出器340をその検出器ゴニオメータ630を用いて回転し、そのX線
有感領域をX線光源110の方に向ける。 (d)X線放射線を放射するようにX線光源110を作動させ、次いで、検出器
340で最大のX線光子計数率が得られるようにモノクロメータ318のアライ
メントを行なう。 (e)X線光源110を停止させて、それからスリットの集合体320を元に戻
す。
【0060】 続くチャック40に対するツール310のアライメントは、以下の工程を有し
ている: (a)組子610の長軸と角度βをなすようにアーム330を回転する。ここで
、β=90°−ββで、ββは、<440>等の、しかるべき回折次数での{1
10}面からの回折に対するブラッグ角である。このとき、精密なアライメント
は必要ではなく、普通は例えば、±1°のアライメント誤差で足りる。 (b)スリット集合体320からスリットを取り除く。 (c)ランダムな方向に向けられた結晶面を有する比較的小さい多結晶の試験片
をチャック40上に設置し、次いで、チャック40を回転して、X線光源110
からモノクロメータ318およびスリットの集合体320を通して進行するX線
放射線が試験片上に入射する位置まで上記試験片を持ってくる。 (d)検出器340をそのゴニオメータ630上で回転して、その有感面をチャ
ック40の方に向ける。 (e)X軸並進移動調節器640を用いて組子610の長軸に沿って検出器34
0を並進移動させ、検出器340が組子610の中心点Xから同じような距離に
位置するようにする。ここで、点Xは、組子610の長軸と、この長軸に垂直で
チャック40の中心点を貫く直交軸とが交わる位置にある。 (f)X線光源110を作動させてX線放射線を放射させる。 (g)y軸調節器650を用いて組子610を並進移動させ、検出器340で最
大のX線計数率が生成されるようにする。 (h)検出器340からの計数率をさらに最大化させるようにしてゴニオメータ
620上の鉛直なZ軸調節器を調節する。 (i)集合体320内のスリットを再度装着する。 (j)検出器340からの計数率の最大がさらに達成されるようにしてゴニオメ
ータ630の鉛直なZ軸位置の高さを調節する。 (k)X線光源110を停止してチャック40から試験片を取り外す。
【0061】 初期較正を通してマスク35を回折ツール310に対してアライメントするこ
とについては、以下の方法を用いることができ、この方法は、以下の工程を有し
ている。 (a)マスク35をツール20内に装着する。 (b)テストウェハをチャック40上に配置する。 (c)X線光源110を作動させる。 (d)検出器340から最大のX線計数率が得られるようにチャック40を回転
する。 (e)分割画面双眼顕微鏡を用いてマスク35を通してテストウェハを見て、次
いで、マスク35が上に取り付けられているホルダを回転してマスク35のパタ
ーンがテストウェハのへき開された端面に一致するようにする。 (f)X線光源110を停止し、次いで、テストウェハをチャックから取り外し
て較正を終了する。
【0062】 もし、ホルダに対する十分再現可能なマスクのレジストレーションを達成でき
るのであれば、リソグラフィツール内のチャック40上の生産用ウェハに対する
マスク35のレジストレーションを、光源25からの照射を通してパターンが転
写される前に行う必要は無い。
【0063】 本発明の観点から離れることなく上述の装置10、300、600に対して変
更を加えることが可能であることは理解されよう。例えば、装置10内において
、ウェハ190の結晶学的な面の方位は、回折された数本のビームの位置を測定
し、次いで、これらのビームに対して交差する線を計算することによって正確に
特定することができる。このようにしてウェハ190の方位が特定されたら、ウ
ェハ190は、マスク35にウェハを角度的に一致させるための既知の量だけ回
転させることができる。こういったアプローチの仕方は、図1に示された上述の
装置10において要求されるよりも計算を多く必要とするという短所を有してい
る。
【0064】 もし必要なら、装置10,300,600は、装置10,300,600に携
わる操縦者を保護するために、包括的なX線シールドの中に全て内包させてしま
うことができる。
【0065】 回折ツール100,310は、ステッパモータ駆動部上といった、駆動部の上
に取り付けられた個々の構成部を有していてもよい。これらの駆動部は、ウェハ
アライメント制御ユニット50から制御可能とされ、これにより、一つの種類の
ウェハによってコピーすることから他のものへと、装置10,310が自動的に
切り替えられることが可能になっている。
【0066】 もし必要なら、装置10,300は、ブラッグ回折によってウェハ190の結
晶学的な方位が特定できるのであれば、他のX線波長において操作されるもので
あってもよい。X線放射線は、本明細書中、0.01nmから10nmまでの範
囲の波長を有しているものとして定められている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 透過によるX線回折を用いた本発明に係る装置の第一の実施形態
を示す側面図である。
【図2】 反射によるX線回折を用いた本発明に係る装置の第二の実施形態
を示す平面図である。
【図3】 図2の第二の実施形態による装置を示す側面図である。
【図4】 直線型支持組子を有し、該支持組子の上部に、該装置のX線回折
ツールが調節可能に取り付けられている図2および図3の本発明の第二の実施形
態の変形例による装置を示す平面図である。
【符号の説明】
10,300・・・装置 20・・・リソグラフィツール 35・・・リソグラフィ用マスク 40・・・チャック 100,310・・・回折ツール(測定ツール) 110・・・点状X線光源(装置10,300の第1の構成部) 120・・・第1のX線シールド(装置10の第1の構成部) 130・・・X線コリメータ(装置10の第1の構成部) 140・・・ディスクリミネータ(装置10の第2の構成部) 150・・・第2のX線シールド(装置10の第2の構成部) 160・・・検出器(装置10の第2の構成部) 190・・・基板 312・・・弧状支持組子 610・・・直線型支持組子 318・・・モノクロメータ(装置300の第1の構成部) 320・・・スリットの集合体(装置300の第1の構成部) 340・・・検出器(装置300の第2の構成部)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM, AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,B Z,CA,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK ,DM,DZ,EE,ES,FI,GD,GE,GH, GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,K E,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS ,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK,MN, MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,RO,R U,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM ,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VN, YU,ZA,ZW Fターム(参考) 2F067 AA32 BB04 CC17 DD07 HH04 JJ03 KK09 PP13 5F046 AA17 DB05 DD03 FC08

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 装置(10)内で基板(190)をアライメントする方法に
    おいて、 前記装置(10)は、基板(190)上にパターンを焼き付けるためのリソグ
    ラフィツール(20)と、前記基板(190)の一つ又は複数の結晶面の角度方
    向を測定するための回折式基板角度測定ツール(100)とを備え、以下の工程
    : (a)前記パターンの前記測定ツール(100)に対する相対的な角度方向を
    較正し、 (b)前記基板(190)を前記リソグラフィツール(20)内に挿入し、 (c)前記測定ツール(100)を用いて前記基板(190)の前記一つ又は
    複数の結晶面の角度方向を測定するとともに、前記基板(190)を該基板の一
    つ又は複数の結晶面が前記パターンに対して角度的に一致するまで回転する、 工程を有し、 前記パターンがこれにより前記基板(190)および該基板の前記一つ又は複
    数の結晶面に角度的にアライメントされることを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の方法において、 前記一つ又は複数の結晶面の角度方向を決定するために、前記回折式測定ツー
    ル(100)をX線放射線の波長で動作させることを特徴とする方法。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載の方法において、 前記測定ツール(100)によって、前記基板(190)内のブラッグ回折に
    起因する回折されたX線を測定することを特徴とする方法。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の方法において、 前記測定ツール(100)のX線検出器(160)におけるX線計数率が最大
    になるような、前記基板(190)の前記測定ツール(100)に対する方位を
    見つけることによって、前記一つ又は複数の結晶面(190)の正しい角度方向
    を特定することを特徴とする方法。
  5. 【請求項5】 請求項3または請求項4に記載の方法において、 前記一つ又は複数の結晶面の角度方向を測定するために、前記基板(190)
    を通して検査X線ビームを透過させることによって、回折されたX線ビームを生
    成することを特徴とする方法。
  6. 【請求項6】 請求項3または請求項4に記載の方法において、 前記一つ又は複数の結晶面の角度方向を測定するために、前記基板(190)
    から検査X線ビームを反射させることによって、回折されたX線ビームを生成す
    ることを特徴とする方法。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載の方法において、 前記検査ビームを、前記基板(190)の周囲の端面上に入射することを特徴
    とする方法。
  8. 【請求項8】 請求項2から請求項7のいずれか1項に記載の方法において
    、 前記一つ又は複数の結晶面の角度方向を測定するために、前記測定ツール(1
    00)によって1次、2次、または3次の回折のモードを用いることを特徴とす
    る方法。
  9. 【請求項9】 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の方法において
    、 前記基板(190)は、単結晶ウェハであることを特徴とする方法。
  10. 【請求項10】 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の方法におい
    て、 前記リソグラフィツール(20)が、前記パターンを前記基板上に焼き付ける
    ためのマスクプロキシミティ焼付け器、ステップアンドリピート型リソグラフィ
    カメラ、又は偏向電子ビームを用いた電子ビームリソグラフィシステムを備える
    ようにすることを特徴とする方法。
  11. 【請求項11】 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の方法にお
    いて、 前記工程(a)における較正は、 (a)前記リソグラフィツール(20)内にテスト基板を挿入し、このテスト
    基板をへき開して、結晶面に対応するへき開された端面を露出させ、 (b)前記測定ツール(100)に対して前記テスト基板を角度的にアライメ
    ントして、前記測定ツールの検出器(160)から最大の放射線計数率が生じる
    ようにし、 (c)前記パターンの構造を前記へき開された端面に対して角度的にアライメ
    ントする、 工程を有していることを特徴とする方法。
  12. 【請求項12】 請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の方法にお
    いて、 前記パターンは、前記リソグラフィツール(20)内に搬入可能なリソグラフ
    ィ用マスク上に含まれていることを特徴とする方法。
  13. 【請求項13】 請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の方法にお
    いて、 前記測定ツール(100)を、二つの構成部(110,318,320,33
    0;340)に配置し、これらの構成部を調節可能に取り付け、該方法を用いる
    際に異なる回折角を選択できるようにすることを特徴とする方法。
  14. 【請求項14】 前記装置(10)は、基板(190)上にパターンを焼き
    付けるためのリソグラフィツール(20)と、前記基板(190)の一つ又は複
    数の結晶面の角度方向を測定するための回折式基板角度測定ツール(100)と
    を備え、前記装置(10)は、前記パターンに対して前記一つ又は複数の結晶面
    を角度的にアライメントして、前記基板(190)上に前記パターンを焼き付け
    るように操作可能とされている請求項1に記載の方法に用いる装置。
  15. 【請求項15】 請求項14に記載の装置において、 前記測定ツール(100)は、X線光源(110)とX線検出器(160)と
    を備え、前記光源(110)は、前記基板(190)を検査するためのビームを
    生成するよう構成され、前記検出器(160)は、前記ビームのブラッグ回折に
    起因する回折された放射線を受け入れるように構成されていることを特徴とする
    装置。
  16. 【請求項16】 請求項15に記載の装置において、 前記測定ツール(100)は、前記基板(190)を通して透過させられ回折
    された放射線を検出するように配置されていることを特徴とする装置。
  17. 【請求項17】 請求項15に記載の装置において、 前記測定ツール(100)は、前記基板(190)から反射させられ回折され
    た放射線を検出するように配置されていることを特徴とする装置。
  18. 【請求項18】 請求項17に記載の装置において、 前記測定ツール(100)は、前記基板(190)から反射された回折放射線
    を検出するための大面積X線検出器を備えていることを特徴とする装置。
  19. 【請求項19】 請求項15から請求項18のいずれか1項に記載の装置に
    おいて、 前記X線光源は、ビーム用の放射線を生成するためのX線ターゲットを備え、
    該ターゲットは、銅、コバルト、鉄、銀またはモリブデンを含む材料からなるこ
    とを特徴とする装置。
  20. 【請求項20】 請求項14から請求項19のいずれか1項に記載の装置に
    おいて、 前記測定ツール(310)は、前記リソグラフィツール(20)に対して調節
    可能に取り付けられた二つの構成部(110,318,320,330;340
    )に配置され、これにより、前記測定ツール(310)の調節が可能とされ、前
    記基板(190)から回折された放射線に伴うブラッグ回折角の範囲に対する必
    要に応じるように構成されていることを特徴とする装置。
  21. 【請求項21】 請求項20に記載の装置において、 前記測定ツール(310)の前記二つの構成部(110,318,320,3
    30;340)は、前記リソグラフィツール(20)に接続された弧状支持組子
    (312)上に調節可能に取り付けられていることを特徴とする装置。
  22. 【請求項22】 請求項20に記載の装置において、 前記測定ツール(310)の前記二つの構成部(110,318,320,3
    30;340)は、前記リソグラフィツール(20)に接続された概ね直線型支
    持組子(610)上に調節可能に取り付けられていることを特徴とする装置。
  23. 【請求項23】 請求項20から請求項22のいずれか1項に記載の装置に
    おいて、 前記測定ツールは、1次、2次、または3次の回折のモードで動作するように
    操作可能に設けられていることを特徴とする装置。
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