JP2610324B2

JP2610324B2 - 位置合わせ方法

Info

Publication number: JP2610324B2
Application number: JP63300892A
Authority: JP
Inventors: 亮一平野; 頼幸石橋; 寿和芳野
Original assignee: Toshiba Corp; Topcon Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Topcon Corp
Priority date: 1988-11-30
Filing date: 1988-11-30
Publication date: 1997-05-14
Anticipated expiration: 2012-05-14
Also published as: JPH02147904A

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，縮小投影型露光装置のマスクとウエハとの
アライメントに好適な位置合わせ方法に関する。

（従来の技術）周知のように,LSI製造時における回路パターンの形成
には，パターン転写手段として露光装置が使用されてい
る。露光装置には種々のタイプがあるが，回路パターン
の微細化に伴って，最近では高解像性能を有する縮小投
影型露光装置が広く使用されている。この装置を用いて
転写を行なうには，露光に先立ってマスクとウエハとを
高精度に位置合わせする必要がある。

この位置合わせの方法としては，マスクとウエハとに
予め設けられた位置合わせ用マークを投影光学系を通し
て検出し，これによってマスクとウエハとを直接位置合
わせするTTL（Through The Lens）方式が知られてい
る。しかし，この方法では位置合わせ用光として，露光
光とは異なる波長の光（たとえば,He−Neレーザー光）
を用いるため，投影レンズの色収差で結像位置がずれ易
く，これが原因して高精度な位置合わせが困難であっ
た。

そこで，このような不都合を解消するために最近，第
４図に示すような位置合わせ方法が提案されている（特
願昭63−116962号）。すなわち，同図において,1はウエ
ハを示し,2はマスクを示し,3はマスク２とウエハ１との
間に配置された投影レンズを示している。位置合わせ方
向が図中実線矢印で示すｘ方向であるとすると，この方
法ではマスク２上のｘ方向の２箇所位置にｘ方向とは直
交する方向に延びる一次元回折格子からなる第１および
第２のマスクマーク4,5を設ける。また，ウエハ１上に
も回折格子からなるウエハマーク６を設ける。そして，
第１のマスクマーク４に対して周波数シフト機構７を介
して得られた露光光とは異なる周波数f₁のレーザ光８
を，また第２のマスクマーク５に対して同じく周波数シ
フト機構９を介して得られた露光光とは異なる周波数f₂
（ただし,f₁≠f₂）のレーザ光10を，各マスクマークの
透過０次回折光が投影レンズ３のフーリエ変換面Ｆ上に
集光する関係に照射する。この照射によって第１および
第２のマスクマーク4,5から透過回折光が得られるが，
この方法では第１のマスクマーク４からの回折光のうち
位置合わせ方向には−１次で位置合わせ方向と直交する
方向には０次の回折光αと，第２のマスクマーク５から
の回折光のうち位置合わせ方向には＋１次で位置合わせ
方向と直交する方向には０次の回折光βとをウエハマー
ク６上に集光させて干渉させる。そして，ウエハマーク
６からの反射回折光のうち，マスク２とウエハ１との相
対位置のずれ量に応じた位置ずれ情報を持つ回折光を投
影レンズ３とマスク２との間に配置されたミラー11を介
して検出系に導き，この回折光のビート信号成分（周波
数|f₁−f₂|）の位相変化からマスク２とウエハ１との相
対位置のずれ量を検出するようにしている。

ところで，このように光ヘテロダイン方式を用いた位
置合わせ方法では，マスク２とウエハ１との相対位置の
ずれに伴う信号の位相変化を測定するために，位置ずれ
によって位相変化が生じないビート信号成分（周波数|f
₁−f₂|），つまり基準信号を必要とする。この基準信号
を得る手段としては，上記提案のものでは，第５図ある
いは第６図に示す手法を考えている。すなわち，第５図
に示す手法では，第１のマスクマーク４および第２のマ
スクマーク５から得られる反射もしくは透過回折光をミ
ラー12およびハーフミラー13を使って光検出器14に導入
し，この光検出器14から基準信号Δf₄を得ている。そし
て，前記ミラー11を介して得られた回折光を光検出器15
に導入して位置ずれ情報を含む検出信号Δf₃を得，この
検出信号Δf₃と基準信号Δf₄とを位相検出器16に導入し
て両信号間の位相差Δφを求めている。なお，求められ
た位相差Δφは,ROM等に記憶されている校正曲線と比較
されて位置ずれ量に変換される。そして，この位置ずれ
量を使って図示しない制御系でマスク２とウエハ１との
ｘ方向の位置合わせを行なうようにしている。

一方，第６図に示す手法では，第１および第２のマス
クマーク4,5からの透過０次回折光γ，δが垂直に入射
するウエハ１上の位置に回折格子からなる基準信号用ウ
エハマーク17,18を設け，この基準信号用ウエハマーク1
7,18から得られる反射回折光をマスク２と投影レンズ３
との間に配置されたミラー19,レンズ20を介して光検出
器14に導入し，この光検出器14から基準信号Δf₄を得る
ようにしている。

しかしながら，上述した手法で基準信号を得るように
した上記の位置合わせ方法にあっても次のような問題が
あった。すなわち，第５図に示した方法では，位置合わ
せ用光α，βがマスク２〜投影レンズ３の上面〜投影レ
ンズ３〜投影レンズ３の下面〜ウエハ１といった光路を
辿るのに対して，基準信号用光はマスク２〜検出光学系
といった全く異なる光路を辿ることになる。したがっ
て，投影レンズ３の上面とウエハ１との間に何らかの環
境変化が起き，その環境変化によって位置合わせ用光の
位相がΔφａ変化し，基準信号用光の位相がΔφｒ変化
したとすると，上記光路の異なりによって環境変化の影
響の度合いが異なることからして，Δφａ≠Δφｒとな
る。これは位置合わせが完了した状態にもかかわらず，
位置ずれが生じているように観測されてしまうことにな
る。

一般に,He−Neレーザー光を使用した場合,300mmの光
路長に対して温度変化による光路長変動は,0.3μm/deg
程度であると考えられる。したがって，投影レンズ３の
上面からウエハ１までの距離を600mm,温度変動を0.2deg
とすると，光路長変化は,600/300×0.3×0.2＝0.12（μ
ｍ）に相当し，これは位置合わせオフセット量として無
視できない値となる。

一方，第６図に示した方法では，基準信号用光も投影
レンズ３の上面〜投影レンズ３〜投影レンズ３の下面〜
ウエハ１といった光路を辿るので，第５図の場合に比べ
て環境変化の影響をあまり受けずに位置合わせが行なえ
ると予想される。しかし，マスクマーク4,5からの位置
合わせ用光α，βと基準信号用光γ，δとの方向が違う
ため，両回折光の通過位置が異なり，この結果，空気の
ゆらぎ等の環境にむらがあった場合には基準信号用光
γ，δと位置合わせ用光α，βとが受ける環境変化の影
響に差が生じ，位置合わせ誤差が生じることが予想され
る。

さらに，位置合わせ用光α，βと基準信号用光γ，δ
とがウエハ１に入射する位置のずれ量をｌとした場合，
マスク２上に設けられるマスクマーク4,5間の距離を24m
mとして，レンズ倍率を1/5とすると,l＝24×1/5×1/2＝
2.4mmとなる。一方，デバイス製作のために種々のプロ
セスを経たウエハ１には，ウエハの表面に凹凸が存在
し，さらにはレジストの塗布むらが存在していることが
予想される。レジストの塗布むらがｄだけ生じた場合を
例にとると，レジストの屈折率をn,レーザー光の波長を
λとしたとき，光路長変化φは，φ＝２π・nd/λとな
る。今，λ＝633nm,n＝1.5,d＝0.05μｍとすると，φ＝
0.74radとなる。この値は無視できない値である。また,
d＝0.05μｍの塗布むらは,l＝2.4mm離れた他点間では十
分有り得る値である。さらに，位置合わせを行なうため
に，ウエハ１上に位置合わせ用ウエハマーク６と基準信
号用ウエハマーク17,18とを，ある距離ｌだけ離して設
置する必要があり，これはデバイス製作上，マーク個数
が増えるので不利を免れ得ないことになる。

（発明が解決しようとする課題）上述の如く，上記の位置合わせ方法にあっては，環境
変化の影響やウエハ表面の影響を受けて高精度な位置合
わせが困難であった。また，位置合わせを行なうための
準備工程にも多大の時間を要する問題があった。

そこで本発明は，環境変化の影響を受けることなく，
しかもウエハの表面状態の影響も極少に抑えることがで
き，もってマスクとウエハとを高精度に位置合わせする
ことができ，そのうえ位置合わせを行なうための準備工
程も簡単な位置合わせ方法を提供することを目的として
いる。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は，位置合わせ用マークを用いた光ヘテロダイ
ン方式による位置合わせ方法を対象にしている。

すなわち，本発明方法ではウエハ上に回折格子からな
る位置合わせ用ウエハマークおよびこれに隣接した位置
に基準信号用ウエハマークを設ける。またマスクに互い
に離間した第１および第２の回折点が得られるように回
折格子からなる少なくとも１つの位置合わせ用のマスク
マークを設ける。そして，露光光とは異なる周波数f₁の
光をマスクマークの第１の回折点に照射するとともに露
光光とは異なる周波数f₂（ただし,f₂≠f₁）の光をマス
クマークの第２の回折点に照射し，これら光照射による
各マスクマークからの回折光の一部を投影レンズを通し
てそれぞれウエハ上の位置合わせ用ウエハマークおよび
基準信号用ウエハマークに同時に入射させる。位置合わ
せ用ウエハマークからの反射回折光のうちからマスクと
ウエハとの位置ずれ情報を持つ回折光を検出し,|f₁−f₂
|の周波数のビート信号を得る。同時に，基準信号用ウ
エハマークからの反射回折光のうちからマスクとウエハ
との位置ずれ情報を持たない回折光を検出し,|f₁−f₂|
の周波数のビート信号を得る。そして，これら両信号間
の位相差からマスクとウエハとの相対位置のずれ情報を
得るようにしている。

（作用）本発明方法によれば，位置合わせ用ウエハマークに隣
接させて基準信号用ウエハマークを設け，マスクマーク
の一対の回折点からの回折光を位置合わせ用ウエハマー
クおよび基準信号用ウエハマークに同時に照射し，この
照射による基準信号用ウエハマークからの反射回折光か
らマスクとウエハとの位置ずれ情報を持たない|f₁−f₂|
の周波数のビート信号，つまり基準信号を得るようにし
ている。

前述の如く，位置合わせ用光は，環境変化によってゆ
らぐことがあり，この影響で位置ずれ情報を持つ検出信
号の位相が乱れることがある。しかし，本発明方法では
基準信号を位置合わせ用ウエハマークに隣接して設けら
れた基準信号用ウエハマークから得ており，しかも両ウ
エハマークに入射するマスクマークの第１および第２の
回折点からの回折光は等しいものであるため，環境変化
により位相の乱れは検出信号と基準信号とで等しく生じ
ることになる。したがって，双方の位相差を検出すると
き，位相の乱れの影響を相殺することができる。

さらに，位置合わせを行なうには，位置合わせ用ウエ
ハマークと基準信号用ウエハマークとを一体化したマー
クをウエハ上に設ければよいので，新たなマークや光学
系等を追加する必要がなく，デバイス製作上負担になる
こともない。

また，デバイス製作工程においてレジストの塗布むら
が生じた場合でも，位置合わせ用ウエハマークと基準信
号用ウエハマークとが隣接して設置されているので，塗
布むらによる位相ずれを極めて小さくできる。

（実施例）以下，図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図は縮小投影型露光装置のマスクとウエハとの位
置合わせに本発明方法を適用した例が示されている。

同図において，位置合わせ方向（ｘ方向）に移動可能
な図示しないウエハテーブル上にはウエハ31が載置され
ている。ウエハテーブルの上方位置には図示しないマス
クテーブルが配置されており，このマスクテーブル上に
はマスク32が載置されている。そして，マスク32とウエ
ハ31との間には投影レンズ33が配置されている。なお，
マスク32は，露光波長においてウエハ31上に結像関係を
持つように載置されている。

本発明方法では，マスク32のｘ方向における２箇所位
置に位置合わせ用マスクマークとしての透過型の第１お
よび第２の回折格子34,35を設ける。回折格子34,35は，
位置合わせ方向，つまりｘ方向とは直交する方向に延び
る一次元回折格子である。そして，回折格子34,35に対
して，周波数シフト機構36,37で変調された周波数f₁,f₂
のレーザ光38,39を投影ルンズ33のフーリエ変換面Ｆで
集光するように照射する。この照射によって，回折格子
34,35からそれぞれ０次，±１次，±２次…の回折光が
生じる。これらのうちで回折格子34から得られた−１次
の回折光αと，回折格子35から得られた＋１次の回折光
βとが投影レンズ33を通ってウエハ31上の１点に集光す
るようにする。ただし，±１次の回折光が望ましいが，
これに限定されるものではなく，高次の回折光でもよ
い。さらにまた，マスクマークとしての回折格子34,35
は，実質的に繋がった１つの回折格子でもよく，周波数
f₁,f₂のレーザ光38,39を所定距離離れた２つの回折点に
照射できればよい。

一方，ウエハ31上で，回折光α，βが集光する点にウ
エハマーク40を予め設けておく。このウエハマーク40と
しては，第２図に示すように位置合わせ用ウエハマーク
としての市松模様の二次元回折格子41と，基準信号用ウ
エハマークとしての位置合わせ方向に延びる一次元回折
格子42とを隣接させたものを用いる。なお，この例で
は，回折格子41のｙ方向のピッチＰYAと，回折格子42の
ｙ方向のピッチＰYRとはＰYA≠ＰYRの関係に設定されて
いる。また，回折格子41のｘ方向のピッチＰXAは，回折
光α，βの方向と，この回折格子41からの±１次の反射
回折光の方向とを等しくし得るピッチに設定されてい
る。

このように構成されたウエハマーク40を回折光α，β
が集光する点に設置すると，回折格子41,42から反射回
折光が生じる。この反射回折光のうち，回折格子41から
の回折光で，位置わせ方向には０次，位置合わせ方向と
は直交する方向には＋１次の回折光43をマスク32と投影
レンズ33との間に配置されたミラー44で取出し，これを
光検出器45へ導いて検出信号Δf₃を得る。また，回折格
子42からの反射回折光で，位置合わせ方向には＋１次，
位置合わせ方向とは直交する方向には＋１次の回折光46
と，位置合わせ方向には−１次，位置合わせ方向と直交
する方向には＋１次の回折光47とをマスク32と投影レン
ズ33との間に配置されたミラー48,49およびその光路上
に配置されたレンズ50を介して光検出器51へ導いて基準
信号Δf₄を得る。

光検出器45,51から得られた検出信号Δf₃および基準
信号Δf₄は，それぞれ|f₁−f₂|の周波数を持つビート信
号である。そして，検出信号Δf₃にはマスク32とウエハ
31とのｘ方向の位置ずれの情報が含まれており，また基
準信号Δf₄には位置ずれの情報は含まれてはいない。そ
して，光検出器45,51の出力信号を位相検出器52に導
き，この位相検出器52から相互間の位相差Δφに対応し
た信号を得，この信号を使ってマスク32とウエハ31との
位置合わせを行なうようにしている。

なお，上述した検出光としては，市松模様の位置合わ
せ用回折格子41からは（0,1）の回折光に限らず，（0,
±ｍ）（ただし,mは整数）の回折光を検出光として検出
することも可能である。同様に，一次元の基準信号用の
回折格子42からの検出光も（−1,1）と（1,1）に限ら
ず，（−1,±ｎ）と（1,±ｎ）（ただし,nは整数）の回
折光を検出してもよい。これらを検出する場合，検出光
が露光領域に入らないことが望ましい。

このように，位置合わせ用の回折格子41および隣接し
て設けられた基準信号用の回折格子42に同じ回折光を照
射し，この照射による反射回折光から検出信号Δf₃およ
び基準信号Δf₄を得ているので，検出信号Δf₃を得るた
めの光路と基準信号Δf₃を得るための光路との条件を等
しくできる。したがって，両信号では環境変化の影響を
相殺できることになり，高精度な位置合わせが可能とな
る。また，位置合わせ用の回折格子41と基準信号用の回
折格子42とを隣接して設けているので，ウエハ31の表面
状態の影響を最少に抑えることも可能となる。

なお，上述した実施例では回折格子41,42のｙ方向の
ピッチをＰYA≠ＰYRの関係にしているので，回折光43,4
6,47の回折方向を完全に異ならせることができ，これら
をそれぞれ独立に検出できる。しかし，位置合わせ用の
回折格子として市松模様格子を用いた場合には，たとえ
ＰYA＝ＰYRとしても第３図に示すように，回折光43,46,
47の方向を異ならせることができるので何等不都合は生
じない。この場合，回折格子41からの反射回折光は（1,
1），（−1,1）の方向には向かわない。また，上述した
実施例ではマスクと投影レンズとの間から検出用の回折
光，基準信号用の回折光を取出すようにしているが，マ
スクに窓を３つ設け，これらの窓を通してマスクの上方
から取出すようにしてもよい。また，各回折格子は振幅
格子，位相格子のいづれであってもよい。

［発明の効果］以上説明したように，本発明によれば，マスクとウエ
ハの相対位置情報を位相情報として持つ光と，基準信号
との位相差を検出することによってマスク・ウエハの位
置合わせを行なう方法において，基準信号をウエハ上の
位置合わせ用マークに隣接して設けられた基準信号用マ
ークから得るようにしているので，検出信号と基準信号
とに含まれる環境変化の影響分を等しくでき，しかもウ
エハの表面状態の変動等の外乱の影響を極少とすること
ができ，この結果，高精度な位置合わせを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る位置合わせ方法の一例を説明する
ための図，第２図は同方法において位置合わせ用および
基準信号用ウエハマークと入射光の方向と回折光の方向
との関係を示す図，第３図は別の位置合わせ用および基
準信号用ウエハマークと入射光の方向と回折光の方向と
の関係を示す図，第４図は光ヘテロダイン法による位置
合わせ法を説明するための概念図，第５図および第６図
は基準信号を得るための従来の手法を説明するための図
である。 31……ウエハ,32……マスク,33……投影レンズ,34,35…
…マスクマークとしての回折格子,36,37……周波数シフ
ト機構,38,39……変調されたレーザー光,40……ウエハ
マーク,41……位置合わせ用のマークとしての回折格子,
42……基準信号用のマークとしての回折格子,43……検
出信号としての回折光,45,……光検出器,46,47……基準
信号としての回折光,52……位相検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者芳野寿和東京都板橋区蓮沼町75番１号東京光学機械株式会社内 (56)参考文献特開昭62−261003（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−172203（ＪＰ，Ａ) 特公昭59−38521（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上に形成されたパターンを投影レン
ズを介してウエハ上に転写するに先立ち，マスクおよび
ウエハ上にそれぞれ設けられた位置合わせ用のマークを
用い，これらマークの光学的な相対位置ずれ量を求め，
この位置ずれ量に基いてマスクとウエハとを位置合わせ
する位置合わせ方法において，前記ウエハ上に隣接させ
て回折格子からなる位置合わせ用マークおよび基準信号
用マークからなるウエハマークを設けるとともに前記マ
スクに互いに離間した第１および第２の回折点が形成さ
れるように回折格子からなるマスクマークを少なくとも
１つ設け，上記マスクマークの第１の回折点に露光光と
は異なる周波数f₁の位置合わせ用光を照射するとともに
上記マスクマークの第２の回折点に露光光とは異なる周
波数f₂（ただしf₂≠f₁）の位置合わせ用光を照射し，こ
れら光照射によるマスクマークの各回折点からの回折光
の一部を前記投影レンズを通してそれぞれ上記ウエハマ
ーク上に集光させて干渉させ，上記ウエハマークからの
反射回折光のうち上記マスクと上記ウエハとの相対位置
のずれ量情報を持つ回折光を検出して|f₁−f₂|の周波数
を持った検出信号を求め，これと同時に上記ウエハマー
クからの反射回折光のうち上記マスクと上記ウエハとの
相対位置のずれ量情報を持たない回折光を検出して|f₁
−f₂|の周波数を持った基準信号を求め，これら検出信
号と基準信号との位相差から上記マスクと上記ウエハと
の相対位置のずれ量を検出するようにしたことを特徴と
する位置合わせ方法。
【請求項２】前記ウエハマークに入射する回折光は，前
記マスクマークの第１の回折点からの透過＋１次（又は
−１次）の回折光と上記マスクマークの前記第２の回折
点からの透過−１次（又は＋１次）の回折光とであるこ
とを特徴とする請求項１に記載の位置合わせ方法。
【請求項３】前記マスクマークは，位置合わせ方向に対
して直交する方向に延びる一次元回折格子であることを
特徴とする請求項１に記載の位置合わせ方法。
【請求項４】前記ウエハマークにおける位置合わせ用マ
ークは，前記マスクマークからの±１次回折光の入射方
向とこの位置合わせ用マークからの±１次の回折光の方
向とを等しくする位置合わせ方向ピッチを持つ市松模様
の二次元回折格子であることを特徴とする請求項１に記
載の位置合わせ方法。
【請求項５】前記ウエハマークにおける基準信号用マー
クは，位置合わせ方向に延びる一次元回折格子であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の位置合わせ方法。