JP2539047B2 - 位置合せ方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、２つの物体の位置合せ方法に関し、特にパ
ターン転写に用いられるマスク，ウエハ及び投影レンズ
の相互位置を合せるに好適な位置合せ方法に関する。

（従来の技術） 近年、LSI等の半導体素子の回路パターンの微細化に
伴ってパターン転写手段として高解像性能を有する光学
式投影露光装置が広く使用されるようになっている。こ
の装置を用いて転写を行う場合、露光に先だってマスク
を投影レンズの光軸に対して高精度に位置合せするとと
もにマスクとウエハとの相互位置を高精度に合わす（マ
マスクアライメント）必要がある。

ところで、かかるマスクアライメントの方法として
は、投影光学系とは異なる他の光学系（off−axis顕微
鏡）を用い、ウエハ上に予め形成したマークを検出して
ウエハを位置決めし、その後ウエハを投影光学系の視野
内の所定の位置に高精度に移動させて予め正確に位置決
めされたマスクとの位置合せを行うoff−axis方式と、
マスクとウエハに予め形成された位置合せマークを投影
光学系を通して検出し、直接マスクとウエハとを位置合
せするTTL（Through The Lens）方式とがある。

ここで、off−axis方式は、アライメントの回数が少
ないのでアライメントに要する時間が短く、かつスルー
プット（処理速度）が速いという利点を持つ。しかし、
位置合せされたウエハを転写すべき位置まで正確な距離
だけ移動させる必要があり、又他に絶対測長系を設けな
ければならない。このため、誤差要因が増えて高精度に
位置合せすることが困難である。そこで、より高精度な
アライメントを行うためにTTL方式のようにマスク及び
ウエハのマークを投影光学系を通して検出して直接アラ
イメントする方式が有力となっている。

かかるTTL方式のアライメント方法の１つとして、２
つのグレーティングを重ね合せる方法（文献 G.Dubroe
ucq,1980,ME,W.RTrutna.Jr.1948.SPIE等）がある。これ
は第５図に示すように投影レンズ１を挟んで対向配置さ
れたマスク２とウエハ３のうち、マスク１にグレーティ
ング状マーク４を形成するとともにウエハ３に同マーク
５を形成する。この状態にアライメント光が入射すると
グレーティング状マーク５で生じた回折光が投影レンズ
１を通してグレーティング状マーク４に照射され、さら
にこのグレーティング状マーク４で生じた干渉光が光電
検出器６に導かれる。しかるに、この光電検出器６の出
力は、第６図に示すように各グレーティング状マーク4,
5の重なり状態を示すものとなり、例えば各グレーティ
ング状マーク4,5が重なり合った状態（あるいは半ピッ
チずれた状態）で信号強度が最大（あるいは最小）とな
る。従って、最大値（あるいは最小値）を精度高く検出
できる信号処理（例えば振動型同期検波処理等）を備え
ることによって高精度なアライメントが可能となる。

ところで、露光を行う場合、投影レンズを用いたもの
では投影レンズ視野の周辺に相当する転写パターンの部
分に歪みが生じる。そこで、ウエハに対する露光におい
て１回目の転写に対する２回目の転写の重ね合せ誤差を
無くすためにマスク２の中心位置を投影レンズ１の光軸
に対して正確に位置合せする必要がある。又、露光のた
めの光学系は、投影レンズの光軸を中心に均一に照射さ
れるように調整されているので、マスク２を均一に照射
するためにもマスク２の中心位置を投影レンズ１の光軸
に対して正確に位置合せする必要がある。

ところが、上記TTL方式によるアライメントは、マス
ク２とウエハ３との相対位置は高精度に位置合せするも
のであって、マスク２を投影レンズ１の光軸に対して位
置合せすることは困難となっている。

そこで、マスクアライメントにTTL方式を用いた場
合、マスク２を投影レンズ１の光軸に対して位置合せす
るにはTTL方式とは別の位置合せ手段、例えばレチクル
アライメントを備える必要があった。この場合、TTLア
ライメントとレチクルアライメントとは全く別の光学系
であるため装置全体が複雑となるばかりでなく各アライ
メント系に対する基準が必要となって誤差が生じやすい
ものであった。

（発明が解決しようとする課題） 以上のようにマスクとウエハとの位置合せはできるも
ののマスクと投影レンズとを高精度に位置合せするのは
困難であった。

そこで本発明は、マスクと投影レンズとを高精度に位
置合せできるとともにマスクとウエハとも高精度に位置
合せできる位置合せ方法を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段と作用） 本発明は、投影レンズを介して対向配置された第１の
物体及び第２の物体と投影レンズとの相互位置合せを合
せる位置合せ方法において、第１の物体に第１の回折格
子を少なくとも２つ形成するとともに第２の物体に第２
の回折格子を形成し、これら第１の回折格子に同一波長
の各アライメント光を照射してこれら第１の回折格子か
らの各回折光の干渉光を検出して第１の物体の投影レン
ズに対する位置情報を求め、これとともに各第１の回折
格子の透過回折光を投影レンズを通して第２の回折格子
に照射し、この第２の回折格子からの反射回折光を検出
して第１の物体と第２の物体との相対位置情報を求めて
上記目的を達成しようとする位置合せ方法である。

又、本発明は、上記手段に加えて各第１の回折格子に
照射する各アライメント光のうち少なくとも一方のアラ
イメント光の波長を変調することによって上記目的を達
成しようとする位置合せ方法である。

（実施例） 以下、本発明の第１実施例について図面を参照して説
明する。

第１図は本方法を半導体露光装置に適用した位置合せ
装置の構成図である。同図において10は投影レンズであ
って、この投影レンズ10の光軸方向にはそれぞれこの投
影レンズ10を挟む如くマスク11及びウエハ12が配置され
ている。なお、投影レンズ10は露光用光源（不図示）に
対して位置決めされている。ここで、マスク11には回折
格子から成る各第１のマーク13,14が形成され、又ウエ
ハ12には同じく回折格子から成る第２のマーク15が形成
されている。なお、第１のマーク13,14は例えば第２図
（ａ）に示すような一次元格子パターンであり、又第２
のマーク15は例えば同図（ｂ）に示す２次元格子パター
ン又は同図（ｃ）に示す市松模様状の格子パターンとな
っている。

ところで、マスク11の上方には高反射ミラー16及びハ
ーフミラー17が配置されている。高反射ミラー16は第１
のマーク14で生じる−１次回折光q1をハーフミラー17を
通して光電検出器18に導くものであり、又ハーフミラー
17は第１のマーク13で生じた＋１次回折光q1を光電検出
器18に導くものである。ここで、−１次回折光q1及び＋
１次回折光q1とはハーフミラー17において干渉し、この
干渉光e1が光電検出器18に送られるようになっている。
そして、この光電検出器18の検出信号は信号処理回路19
に送られるようになっている。

又、第２のマーク15の上方には高反射ミラー20が設け
られ、第２のマーク15で生じる反射干渉光e2が光電検出
器21に導かれるようになっている。そして、この光電検
出器21の検出信号が信号処理回路22に送られるようにな
っている。

さらに、23は周波数シフト機構であって、これはアラ
イメント光p,qのうちいずれか一方のアライメント光、
例えばｑの周波数つまり波長をシフトする機能を持った
ものである。なお、この周波数シフト機構23はシフトさ
れた周波数を示す周波数信号を各信号処理回路19,22に
送出する。

又、各信号処理回路19は光ヘテロダイン位相検出方式
の機能、つまり周波数シフト機構23が作動しているとき
に周波数信号を基準信号として入力し、この周波数信号
の位相と光電検出器18からの検出信号のビートの位相と
の差を求めてマスク11の投影レンズ10に対する位置情報
を得る機能を有するものである。又、他方の信号処理回
路22は周波数シフト機構23が作動しているときに周波数
信号を基準信号として入力し、この周波数信号の位相と
光電検出器21からの検出信号のビートの位相との差を求
めてマスク11とウエハ12との相対位置情報を得る機能を
有するものである。

ところで、実際の装置は第３図の斜視図に示す如くで
あって、各アライメント光p,qは露光用の光源の波長と
異なる波長の光を出力する例えばHeNeレーザ発振装置か
ら出力されたレーザ光が用いられている。そして、この
レーザ光がハーフミラー等により各アライメント光p,q
に分けられてレンズ24及びコンデンサレンズ25を透過し
て第１のマーク13及び14に照射されるようになってい
る。そして、ハーフミラー17及び高反射ミラー20,16は
露光用光を遮蔽しない位置に配置されている。

次に上記の如く構成された装置の作用について周波数
シフト機構23が作動しない場合と作動した場合とについ
て説明する。

周波数シフト機構が作動しない場合 同一波長のアライメント光p,qがそれぞれ第１のマー
ク13、14に照射されると、これら第１のマーク13,14に
おいて±ｎ次回折光が生じる。このうち、第１のマーク
13で生じた＋１次回折光p1はハーフミラー17に向かって
進行するとともに−１次の透過回折光p2は投影レンズ10
に向かって進行する。又、これと同時に第１のマーク14
で生じた−１次回折光q2は高反射ミラー16で反射してハ
ーフミラー17に向かって進行するとともに＋１次の透過
回折光q2は投影レンズ10に向かって進行する。ここで、
ハーフミラー17における＋１次回折光p1と−１次回折光
q1とは互いに位相差が生じ、この位相差はマスク11の投
影レンズ10に対する位置と対応している。しかるに、＋
１次回折光p1と−１次回折光q1との干渉光e1は光電検出
器18に入射すると、この光電検出器18は干渉光e1の光強
度に応じた検出信号を出力する。この結果、この光強度
からマスク11の投影レンズ10に対する位置情報が得られ
る。

一方、−１次の透過回折光p2及び＋１次の透過回折光
q2の間にもマスク11と投影レンズ10との位置に応じた位
相差が生じており、これら−１次の透過回折光p2及び＋
１次の透過回折光q2は投影レンズ10により集光されて第
２のマーク15に照射される。これにより、第２のマーク
15上には各透過回折光p2,q2の干渉によりモアレ縞が生
じ、かつ各透過回折光p2,q2は第２のマーク15で回折さ
れる。この回折で生じる±ｎ次回折光のうち０次回折光
が反射干渉光e2として高反射ミラー20で反射して光電検
出器21に導かれる。ここで、反射干渉光e2の光強度はモ
アレ縞と第２のマーク15との一致，不一致に対応したも
のとなる。従って、光電検出器21からの検出信号はマス
ク11とウエハ12との相対位置情報となる。

この結果、マスク11の投影レンズ10に対する位置情報
及びマスク11とウエハ12との相対位置情報からマスク11
の投影レンズ10に対する位置合せが行なわれるとともに
マスク11とウエハ12との位置合せが行なわれる。

周波数シフト機構が作動した場合 この場合、周波数シフト機構23がアライメント光ｑの
光路上に配置されてアライメント光ｑの周波数はｆだけ
シフトされる。これにより、＋１次回折光p1と−１次回
折光q1との間に周波数ｆの差が生じ、これら回折光p1と
q1との干渉光e1には周波数ｆのビートが生じる。ここ
で、このビートの位相はマスク11と投影レンズ10との位
置情報を表わす。しかるに、信号処理回路19は光電検出
器18で検出されるビートの位相と周波数シフト機構23か
らの周波数信号の位相とを比較し、このずれからマスク
11の投影レンズ10に対する位置情報を求める。

一方、第２のマーク15からの反射干渉光e2の光強度に
は、干渉光e1と同様に周波数ｆのビートが生じる。しか
るに、信号処理回路22は光電検出器21で検出されるビー
トの位相と周波数シフト機構23からの周波数信号の位相
とを比較し、このずれからマスク11とウエハ12との相対
位置情報を求める。

このように上記一実施例においては、各第１のマーク
13,14に同一波長の各アライメント光p,qを照射してその
回折光の干渉光e1を検出してマスク11の投影レンズ10に
対する位置情報を求め、これとともに各第１のマーク1
3,14の透過回折光p2,q2を第２のマーク15に照射してそ
のモアレ縞からマスク11とウエハ12との相対位置情報を
求めるようにしたので、マスク11を投影レンズ10に対し
て高精度に位置合せできるとともにマスク11とウエハ12
とを高精度に位置合せできる。これにより、同一ウエハ
12に対して複数回露光を行っても転写された各パターン
にずれは生じない。

又、アライメント光ｑを周波数シフト機構23によって
シフトし、これに応じて各信号処理回路19,22で光ヘテ
ロダイン位相検出方式を用いたので、マスク11の反射率
等の変化の影響を受けることがない。

次に本発明の第２実施例について第４図を参照して説
明する。なお、第１図と同一部分には同一符号を付して
その詳しい説明は省略する。この第４図に示す装置はア
ライメント光ｒをスキャンさせるものとなっている。す
なわち、アライメント光ｒはビームスキャン機構30を通
ってハーフミラー31に送られ、このハーフミラー31で２
方向に分岐されてその一方のアライメント光r1が高反射
ミラー32で反射されて第１のマーク13に送られ、他方の
アライメント光r2が第１のマーク14に送られるようにな
っている。そして、各第１のマーク13,14で生じる±ｎ
次回折光のうち所定の回折光がそれぞれ集光レンズ33で
集光されて回折格子から成る第３のマーク34に照射され
るようになっている。そして、この第３のマーク34上で
干渉が生じ、この干渉光e3が光電検出器35に入射するよ
うになっている。ここで、干渉光e3の光強度はマスク11
の投影レンズ10に対する位置と対応している。しかる
に、光電検出器35は干渉光e3の光強度を検出してその検
出信号を信号処理回路36に送出する。一方、光電検出回
路21には信号処理回路37が接続され、これら信号処理回
路36,37にはビームスキャン機構30からのスキャン同期
信号が入力している。しかるに、これら信号処理回路3
6,37はスキャン同期信号を受けてアライメント光r1,r2
のスキャンに同期してそれぞれ光電検出器35,21からの
検出信号を入力して信号処理する。この結果、上記第１
実施例と同様にマスク11が投影レンズ10に対して位置合
せされるとともにマスク11とウエハ12とが位置合せされ
る。

このようにアライメント光ｒをスキャンしてこのスキ
ャンに同期して各干渉光を信号処理することにより外部
からの影響を受けなくなる。

なお、本発明は上記一実施例に限定されるものでなく
その主旨を逸脱しない範囲で変形してもよい。例えば、
上記一実施例できマスク，ウエハ及び投影レンズの相互
の位置合せに適用したが、これに限らずの物体の位置合
せにも適用できる。

［発明の効果］ 以上詳記したように本発明によれば、マスクと投影レ
ンズとを高精度に位置合せできるとともにマスクとウエ
ハとも高精度に位置合せできる位置合せ方法を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の位置合せ方法を適用した位
置合せ装置の第１実施例を説明するための図であって、
第１図は構成図、第２図は各マークの模式図、第３図は
実際の装置の外観図、第４図は本発明の第２実施例の構
成図、第５図及び第６図は従来技術を説明するための図
である。 10…投影レンズ、11…マスク、12…ウエハ、13,14…第
１のマーク、15…第２のマーク、16,20…高反射ミラ
ー、17…ハーフミラー、18,21…光電検出器、19,22…信
号処理回路、23…周波数シフト機構、30…ビームスキャ
ン機構、31…ハーフミラー、32…高反射ミラー、33…集
光レンズ、34…第３のマーク、35…光電検出器、36,37
…信号処理回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 晋 東京都板橋区蓮沼町75番１号 株式会社 トプコン内 (72)発明者 芳野 寿和 東京都板橋区蓮沼町75番１号 株式会社 トプコン内 (56)参考文献 特開 昭62−58628（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−90006（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−277923（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−184918（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−8606（ＪＰ，Ａ) 特公 平４−66295（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】投影レンズを介して対向配置された第１の
   物体及び第２の物体と前記投影レンズとの相互位置を合
   せる位置合せ方法において、前記第１の物体に第１の回
   折格子を少なくとも２つ形成するとともに前記第２の物
   体に第２の回折格子を形成し、これら第１の回折格子に
   同一波長の各アライメント光を照射してこれら第１の回
   折格子からの各回折光の干渉光を検出して前記第１の物
   体の前記投影レンズに対する位置情報を求め、これとと
   もに前記各第１の回折格子の透過回折光を前記投影レン
   ズを通して前記第２の回折格子に照射し、この第２の回
   折格子からの反射回折光を検出して前記第１の物体と前
   記第２の物体との相対位置情報を求めることを特徴とす
   る位置合せ方法。
2. 【請求項２】各第１の回折格子に照射する各アライメン
   ト光のうち少なくとも一方のアライメント光の波長を変
   調する請求項（１）記載の位置合せ方法。