JP2672052B2 - Step pattern detection method and apparatus - Google Patents

Step pattern detection method and apparatus

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JP2672052B2
JP2672052B2 JP6013192A JP6013192A JP2672052B2 JP 2672052 B2 JP2672052 B2 JP 2672052B2 JP 6013192 A JP6013192 A JP 6013192A JP 6013192 A JP6013192 A JP 6013192A JP 2672052 B2 JP2672052 B2 JP 2672052B2
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俊彦 中田
良忠 押田
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、ウエハ等の試料上に形
成された段差パターンの位置を検出するための段差パタ
ーン検出方法とその装置に関するものである。 【0002】 【従来の技術】段差パターンの検出に関する従来技術と
しては、縮小投影露光装置によるアライメントパターン
検出が知られている。即ち、半導体集積回路の微細化が
進行するのに伴い、縮小投影露光装置で露光する際での
レチクルとウエハとのアライメント精度は益々高精度が
要求されているのが現状である。そのため、1チップ毎
にアライメントが行えるようにして、ウエハ内でのチッ
プの配列誤差に対応し得る、縮小投影レンズを介するT
TLアライメント方式が今後の高集積回路の製造におい
て主流になると考えられている。 【0003】図13はTTLアライメント方式の一例を
示したものである。これによる場合、レチクル1上に予
め形成されている回路パターンは縮小投影レンズ2を介
し、ウエハステージ4上に載置されたウエハ3にて、1
〜数個のチップ16単位に露光されるが、この露光に先立
っては、先ずレチクルアライメント光学系5,5′によ
りレチクル初期設定用パターン15,15′の位置が検出さ
れることによって、レチクル1は初期位置にセットされ
る。次にウエハ3上において、チップ16近傍のアライメ
ントパターン14,14′が縮小投影レンズ2を介しレチク
ル1上のアライメントパターン(窓パターン)13,13′上
に結像され、両パターンがウエハアライメント検出光学
系で検出されるようになっている。ウエハアライメント
検出光学系はミラー6,6′、リレーレンズ7,7′、
拡大レンズ8,8′、可動スリット9,9′、光電子増
倍管(フォトマルチプライヤ)10,10′の他、露光光と
同じ波長のアライメント用照明光を発する光ファイバ1
1,11′などより構成されるようになっている。光ファ
イバ11,11′からの照明光はハーフミラー、リレーレン
ズ7,7′、ミラー6,6′を介し、アライメントパタ
ーン13,13′を照明する一方、それらからの反射光はミ
ラー6,6′、リレーレンズ7,7′、ハーフミラー、
拡大レンズ8,8′、ミラー、可動スリット9,9′を
介し光電子増倍管10,10′で検出されるようになってい
るものである。 【0004】さて、もしも、検出されたウエハアライメ
ントパターン14,14′とレチクルアライメントパターン
13,13′との位置が一致していない場合には、ウエハ3
を搭載しているウエハステージ4がずれ方向とその量に
応じ、X方向やY方向に移動されることによって、両パ
ターン14,14′、13,13′の位置が一致されるようにな
っているものである。このようにして、アライメントが
終了した後は、露光系12により露光光がレチクル1に照
射されるものである。なお、この種のアライメント方式
に関連するものとしては、例えば特開昭55-41739号公報
が挙げられる。ところで、このTTLアライメント方式
において、従来から指摘されながらも未だに解決されて
いない問題としては、ウエハ上のホトレジストの塗布む
らに起因するアライメント精度の低下が挙げられる。こ
の問題は半導体回路が高集積化するのに伴い、近年極め
て深刻な問題となっている。 【0005】ここで、ウエハへのホトレジストの塗布方
法について説明すれば、図14に示すように、ホトレジ
ストはスピンコータ(回転塗布機)でウエハ3をR方向に
高速回転させつつその遠心力によりウエハ3全面に1〜
2μm(単層レジストの場合)の厚さで塗布されるよう
になっている。この場合、ホトレジストの流れる方向は
矢印A,B,C,Dで示すように、ウエハ3中心から放
射状に広がる方向となるが、図15はチップ17近傍のX
方向アライメントパターン19を拡大して示したものであ
る。この例では、アライメントパターンは、図15に示
すように、Si基板21上に、凹、あるいは凸の段差パタ
ーンとしてのSiO2層22が形成されることによって構成
されるが、更にその上に塗布されるホトレジスト23の膜
厚は段差の形状に応じて緩やかな曲線を描くようになっ
ている。このようにして、アライメントパターンはSi
基板21上に形成されるが、問題は図14に示すように、
チップ17近傍のX方向アライメントパターン19はレジス
トの流れ方向Bと平行であるが、例えばチップ18近傍の
X方向アライメントパターン20はレジストの流れ方向C
とはほぼ直交するようになっていることである。その結
果、図16(a)に示すように、アライメントパターン19
部分でのパターン幅方向のホトレジスト膜厚分布は左右
対称となるが、図16(b)に示すように、アライメント
パターン20部分でのホトレジスト膜厚分布はパターンエ
ッジ部でホトレジストの流れが大きく乱され左右非対称
になるというものである。 【0006】さて、これらアライメントパターン19,20
はパターン照明光24a,25aによって照明されるが、パタ
ーンからの反射光は近似的にホトレジスト表面からの反
射光24b,25bとSi基板21、あるいはSiO2層22表面から
の反射光24c,25cとの干渉光として得られるようになっ
ている。即ち、図18に示す干渉強度曲線28より判るよ
うに、ホトレジスト23の膜厚dに応じ、その干渉光強度
Iは周期的に変化するというわけである。以上よりアラ
イメントパターン19からの反射光強度分布26は図17
(a)に示すように、左右対称となるが、アライメントパ
ターン20からの反射光強度分布27は図17(b)に示すよ
うに、左右非対称となるものである。よって検出信号波
形の対称性を利用し波形の対称中心をアライメントパタ
ーンの中心位置とする従来のアライメント方式において
は、図17(b)に示すように、真のパターン中心位置xw
に対し、xd をパターン中心位置と見做してしまい誤
差ex が生じることがあり、アライメント精度の低下は
逸れ得ないものとなっている。また、これまでのTTL
アライメント方式においては、塗布むらだけではなく、
ホトレジストの塗布膜厚によってパターン検出信号のコ
ントラストが大きく変化するという問題も以前から指摘
されているのが実状である。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、試料上に形成された段差パターンの位置を安定にし
て、しかも高精度に検出しようとする課題に対して、十
分な配慮がなされていなかった。本発明の目的は、上記
従来技術の課題を解決すべく、試料上に形成された段差
パターンの位置を光干渉を用いて安定にして、しかも精
度良好にして検出し得る段差パターン検出方法とその装
置を供するにある。 【0008】 【問題点を解決するための手段】上記目的は、試料上に
形成された段差パターンを可干渉性照明光によって照明
するとともに、該段差パターンの非近傍位置としての可
干渉性照明光光路途中位置から分岐された可干渉性照明
光より別途参照光を作成し、上記段差パターンからの反
射可干渉性照明光と上記参照光との干渉により2次元干
渉パターンを発生させた上、光電的に干渉信号として検
出し、該干渉信号から、上記段差パターンでの段差深さ
対応位相変化に起因した信号レベル変化が検出された
上、該信号レベル変化にもとづき上記段差パターンの位
置が検出されることで達成される。また、段差パターン
検出装置としては、試料上に形成された段差パターンを
照明する可干渉性照明光源と、該段差パターンの非近傍
位置としての可干渉性照明光光路途中位置から分岐され
た可干渉性照明光より、反射鏡により参照光を別途作成
する参照光作成手段と、上記段差パターンからの反射可
干渉性照明光と上記参照光とを干渉させる干渉手段と、
該干渉手段からの2次元干渉パターンを干渉信号として
光電的に検出する干渉パターン検出手段と、該干渉パタ
ーン検出手段からの干渉信号を処理することによって、
上記段差パターンでの段差深さ対応位相変化に起因した
信号レベル変化を検出した上、該信号レベル変化にもと
づき該段差パターンの位置の位置を検出する処理手段
と、を少なくとも含むべく構成することで達成される。 【0009】 【作用】ウエハ等の試料上に形成されている段差パター
ンを可干渉性照明光によって照明した状態で、その段差
パターンからの反射光を参照光と干渉させれば、2次元
の干渉パターンが発生されるが、段差パターンの段差部
において段差深さだけ位相が変化することに起因してそ
の干渉パターンは大きな信号変化を有する。しかして、
この干渉パターンを光電変換した上、その信号変化を検
出すれば、ウエハ等の試料上に形成された段差パターン
の位置を高精度に検出し得るものである。なお、可干渉
性照明光は単色光に限定されるものではなく、白色光で
あっても差し支えない。 【0010】 【実施例】以下、本発明の段差パターン検出について、
縮小投影露光装置のアライメントパターン検出に例を採
って、その一実施例を図1から図9にもとづいて説明す
る。先ず本発明の段差パターン検出を縮小投影露光装置
のアライメントパターン検出に適用した場合での原理を
図1から図5にもとづいて説明する。アライメントパタ
ーンとしてSi 段差パターンを想定すれば、通常、ホト
レジスト・空気界面での反射率は5.5%(空気の屈折率
1.0,ホトレジストの屈折率1.61(波長 514nmの場合))
程度であるのに対し、ホトレジスト・アライメントパタ
ーン(段差パターン)界面での反射率は24%(Siの屈
折率4.75(波長514nm))と高い値を示すものとなってい
る。図1に示すように、レーザ光源等の可干渉性光源40
からの照明光41はビームスプリッタ42によって2方向に
分離され、一方はアライメント照明光43として縮小投影
レンズ2を介しウエハ上のアライメントパターン48を照
明するようになっている。アライメントパターン48はS
i基板45の段差パターンとして形成されており、その上
にホトレジスト46が塗布されたものとなっている。一
方、他方は半透明鏡(この場合は透過率0)51に入射さ
れるが、ここでビームスプリッタ42から半透明鏡(反射
鏡)51までの光路長lr を、同じくビームスプリッタ42
からホトレジスト46表面までの光路長lw (x)とほぼ等
しくし、その光路長差を可干渉性光源40の可干渉距離内
に設定すれば、ホトレジスト46表面からの反射光49と、
Si基板45の段差パターンとホトレジスト46との界面47
からの反射光50とは、半透明鏡51からの反射光52と互い
に干渉し、結果として干渉パターン53が得られるように
なっている。これについての詳細は後述するところであ
るが、上記各界面での反射率よりして、この干渉パター
ン53では、主として段差パターンとホトレジスト46との
界面47からの反射光50と、半透明鏡51からの反射光52と
の干渉による影響が最も強く、アライメントパターン48
の段差部において段差深さeだけ位相が変化することに
起因して干渉パターン53は大きな信号変化を有するもの
として得られるようになっている。即ち、相対的にホト
レジスト46の膜厚d(x)に起因する干渉の影響は小さく
なるわけである。しかして、この干渉パターン53と、レ
チクル上のアライメントパターン(図示せず)とを拡大レ
ンズおよび撮像装置を備えたアライメント光学系(図示
せず)により検出し、両パターンの中心位置よりアライ
メント量を求めれば、レチクルとウエハとを相対的に精
度良好にしてアライメントすることが可能となるもので
ある。なお、図2はアライメントパターン48に入射され
る平行ビームからなる照明光43の入射状態を示したもの
である。 【0011】ところで、照明光が入射される半透明鏡は
広義の鏡であり、図1に示す光学系のように、透過率0
の場合も含まれるようになっている。この半透明鏡は縮
小投影レンズを含むウエハ上アライメントパターン照明
光路外に設けられることも、また、後述のように、照明
光路内に設けられることも可能となっている。また、望
ましくは半透明鏡が設けられた光路中には波面補正光学
系が設けられるものとなっている。更に、本実施例で
は、可干渉性光源からの光は時間的、かつ空間的に可干
渉性を有するものとされる。 【0012】さて、ここで、既述の干渉パターンについ
て詳細に説明すれば、図1に示す光学系において、ホト
レジスト46表面からの反射光49の強度をI1 、Si基板4
5の段差パターンとホトレジスト46との界面47からの反
射光50の強度をI2 、半透明鏡51からの反射光52の強度
をIrとすれば、これら3つの反射光による干渉パター
ン53の強度分布I(x)は近似的に以下の数式で示される
ようになっている。 【0013】 I(x)=(I1+I2+Ir) +2(I 1 ・I 2 1/2 cos{4πn r d(x)/λ} +2(I 1 ・Ir) 1/2 cos{4πn a (l w (x)−lr)/λ} +2(I 2 ・Ir) 1/2 cos[4π{n a (l w (x)−lr)+n r d(x)}/λ] 【0014】但し、λはアライメント照明光の波長を、
a は空気の屈折率を、nr はホトレジストの屈折率を
示す。その数式での第1項は干渉強度の直流成分を与え
ており、また、第2項は反射光49と反射光50との干渉強
度の変調成分を、第3項は反射光49と反射光52との干渉
強度の変調成分を、第4項は反射光50と反射光52との干
渉強度の変調成分をそれぞれ与えている。 【0015】ここで、照明光41の強度を1、ビームスプ
リッタ42での反射率と透過率との比を1、na =1,n
r =1.6(λ=436nm)、半透明鏡51の反射率を95%、ホ
トレジスト46・空気界面の反射率を5.5%、段差パター
ン・ホトレジスト46界面47の反射率を24%とすると、上
記数式での第1項は図3においては直線60として示さ
れ、また、第2項は曲線61として、第3項は曲線62とし
て、第4項は曲線63としてそれぞれ示されるようになっ
ている。この図3より干渉パターン53の強度分布として
は、数式における第4項、即ち、段差パターン・ホトレ
ジスト46界面47からの反射光50と、半透明鏡51からの反
射光52との干渉による影響が最も強く現われていること
が知れる。この結果、アライメントパターン48の段差部
で、段差深さeだけ位相が変化することに起因して、干
渉パターン53は大きな信号変化を有するものとして得ら
れるものである。これは、界面47での反射率がホトレジ
スト46表面での反射率よりも高いためである。これより
して、相対的にホトレジスト46の膜厚d(x)に起因する
干渉(上記数式における第2項,第3項)の影響は小さ
なものとなるわけである。 【0016】したがって、図4(a)に示すように、アラ
イメントパターン48の段差部でホトレジスト46の膜厚分
布が左右非対称となっている場合には、従来のアライメ
ント方式では、図18に示す干渉光強度曲線から明らか
なように、アライメントパターン48からの反射光強度分
布64は図4(b)に示すように左右非対称となり、真のパ
ターン中心位置xw に対しxd をパターン中心位置と見
做してしまい、検出誤差ex が生じていたものである。
しかしながら、本発明によれば、図4(c)に示すよう
に、その反射光強度分布65はホトレジスト46の膜厚分布
にそれ程影響されることなく対称性良好にして、しかも
高コントラストのものとして得られ、理想的には真のパ
ターン中心位置xw を検出し得るものである。その結
果、ホトレジストの膜厚および塗布むらに起因するアラ
イメント精度の低下が除去され得るものである。 【0017】なお、本発明はアライメントパターンが図
5に示すように、Si 基板66の段差パターン上にSiO2
67,Si34 68の各透明層が形成されたものとして構
成されている場合にも適用可となっている。これは、入
射光74に対して、ホトレジスト69表面、各層界面72,7
1,70各々からの反射光75,76,77,78のうち、最も強
度が高いものは下地のSi 基板66とSiO2 67との界面7
0からの反射光78であるからである。したがって、得ら
れる干渉強度分布はSi 基板66の段差部で大きく変化す
ることから、ホトレジスト69の膜厚はそれ程影響されず
に、先の場合と同様な効果が得られるものである。 【0018】さて、本発明の段差パターン検出を縮小投
影露光装置のアライメントパターン検出に適用した場合
での一実施例を図6から図9にもとづいて説明する。図
6は本実施例における光学系を示したものである。光学
系は段差パターン照明系、段差パターン検出光学系、参
照光路および干渉パターン検出信号処理系から構成され
るようになっている。これによる場合、可干渉性光源と
してのAr レーザ(波長514.5nm)80からのレーザビーム
81はビームスプリッタ82、リレーレンズ83を介しビーム
スプリッタ84により2系統のビーム86,87に分離される
ようになっている。このうち、ビーム87はミラー85b〜8
5f、波面補正光学系88および反射鏡89からなる参照光路
に導かれ反射鏡89で反射されると同時に、波面補正光学
系88によって、ビーム87に対しビーム径の調整、縮小投
影レンズの結像特性に対応した波面の位相調整が施され
るようになっている。また、他方のビーム86はミラー85
a、レチクル1上のミラー1m 面で順次反射された後
は、縮小投影レンズ2における入射瞳2p の中心に入射
され、ウエハ3上のアライメントパターン(段差パター
ン)48を照明するものとなっている。図7はこの場合で
の照明状態を拡大して示したものである。ビーム86は平
行ビームとされ段差パターン照明光として機能するもの
である。 【0019】ここで、ビームスプリッタ84から反射鏡89
までの光路長と、同じくビームスプリッタ84からウエハ
3上のアライメントパターン(段差パターン)48までの
光路長との光路長差を、反射鏡89を光軸方向に微動する
ことによってArレーザ80の可干渉距離内に設定するこ
とにより、丁度、トワイマン・グリーンの干渉計と同じ
原理で反射鏡89からの反射光とアライメントパターン
(段差パターン)48からの反射光とが干渉し、ビームス
プリッタ84にて干渉パターンが得られるようになるもの
である。この干渉パターンはリレーレンズ83、ビームス
プリッタ82、ミラー85g、拡大レンズ90を順次介され2
次元固体撮像素子91で撮像されるが、2次元固体撮像素
子91からの光電変換された干渉パターンはこの後、前処
理回路92でノイズ除去、AD変換され、更に垂直方向圧
縮回路93によってはパターン検出方向と直交する方向に
電気的に圧縮されるようになっている。この圧縮により
1次元情報にされた信号を計算機94が所定に処理するこ
とによって、アライメントパターン(段差パターン)48
の中心位置が求められるわけである。 【0020】その際での計算機94による処理について説
明すれば、図8(a),(b)は固体撮像素子91で撮像された
干渉パターンの例をそれぞれ示したものである。アライ
メントパターン(段差パターン)48に対する段差パター
ン検出光学系の検出エリア95は図示の如くである。先ず
図8(a)について説明すれば、これは反射鏡 89とアライ
メントパターン(段差パターン)48が矢印の方向に相対
的に傾斜している場合を示しており、傾斜の大きさと方
向に応じて細い干渉縞96が生じている。このような場合
には、図9(a)に示すように、圧縮によって得られる1
次元信号98はコントラストの低いものとして得られる。
そこで、予め、反射鏡89とアライメントパターン(段差
パターン)48、即ち、ウエハとは完全に平行になるよう
に設定しておく必要がある。因みに、ウエハ上の1チッ
プの大きさを20mm×20mmとすると、1チップ内でのウエ
ハの傾きはたかだか約1μmであることから、一旦、反
射鏡89を微調整しておけば、常にこれを監視する必要は
ない。 【0021】次に、図8(b)について説明すれば、これ
は反射鏡89とウエハとが完全に平行となっている場合で
の干渉パターンを示したものであり、アライメントパタ
ーン(段差パターン)の段差部で大きく強度が変化した
像97が得られるようになっている。図9(b)に示す1次
元信号99もそれに応じて高いコントラストのものとして
得られるようになっている。計算機94ではこの1次元信
号99より波形の対称性を利用してウエハ上でのアライメ
ントパターン(段差パターン)の中心位置xw(X方向
中心位置)が求められるものである。これと別途得られ
たレチクル上でのアライメントパターン(図示せず)の
中心位置xr との位置ずれよりアライメント量Δとアラ
イメント方向が求められるわけである。このアライメン
ト量Δとアライメント方向にもとづきステージ4がx方
向に微動されるわけであり、y方向でのアライメントに
ついても事情は全く同様となっている。このようにし
て、x,y方向におけるアライメントが終了した後は、
露光系(図示せず)より露光光が照射されることによっ
て、レチクル1上の回路パターンがウエハ3上のチップ
に焼き付けられるわけである。以上のアライメントと焼
き付けの動作を各チップ毎に繰り返すことによって、ウ
エハ3に対する縮小投影露光が行われるものである。 【0022】さて、以上に述べた実施態様によれば、既
述のようにホトレジストの膜厚分布に影響されることな
く対称性良好にしてアライメントパターン(段差パター
ン)検出信号が得られ、ホトレジストの塗布むらに起因
するアライメント精度の低下を除去し得ることになる。
また、従来のアライメント方式による場合には、塗布む
らだけでなくホトレジストの塗布膜厚そのものによって
もアライメントパターン(段差パターン)検出信号のコ
ントラストが大きく変化していたが、本実施態様によれ
ば、反射鏡89を光軸方向に微動させることによって、干
渉強度を常に図3に示す曲線63の傾斜部分に設定し得、
信号のコントラストを高く保つことが可能となってい
る。 【0023】次に、本発明の段差パターン検出を縮小投
影露光装置のアライメントパターン検出に適用した場合
での第2の実施例を図10から図12にもとづいて説明
する。図10は第2の実施例における光学系を示したも
のである。このアライメント光学系では図6に示す光学
系より参照光路を取り除き、縮小投影レンズ2の下端に
ダイクロイックミラーとしての半透明鏡100を付加し、
段差パターン照明光路そのものを参照光路とした点が異
なっている。先の実施態様と同様、先ずArレーザ80か
らのビーム 81はビームスプリッタ82、リレーレンズ83
を介しミラー85a、レチクル1上のミラー1m 面で順次
反射された後、縮小投影レンズ2における入射瞳2pの
中心に入射され、更に半透明鏡100を透過した後は、ウ
エハ3上のアライメントパターン(段差パターン)48に
照明光として入射されるようになっている。さて、この
場合、半透明鏡100の上面には反射防止膜(波長514.5n
m)が、また、その下面101には図12に示す反射率・透
過率分光特性を有する薄膜がコーティングされている
が、下面101とアライメントパターン(段差パターン)4
8までの光路長を半透明鏡100を光軸方向に微動すること
によって、Arレーザ80の可干渉距離内に設定する場合
は、フィゾーの干渉計と同じ原理により半透明鏡100の
下面101からの反射光と、アライメントパターン(段差
パターン)48からの反射光とが干渉し干渉パターンが得
られるものである。この干渉パターンは縮小投影レンズ
2を介し同一の光路を逆に辿った後、ビームスプリッタ
82、ミラー85g、拡大レンズ90を介し2次元固体撮像素
子91で撮像されるが、これ以後の信号処理とアライメン
トの手順は先の実施態様での場合と全く同様にして行わ
れることになるものである。なお、半透明鏡100の下面1
01にコーティングされる薄膜は図12に示すように、露
光波長である436nm(水銀ランプのg線)に対しては極め
て高い透過率を示しており、露光時において特に問題は
生じないようになっている。また、符号111は干渉パタ
ーンの結像位置を示す。 【0024】ここで、半透明鏡100の微動機構について
簡単に説明すれば、図11(a),(b)は半透明鏡100のそ
の微動機構を示したものである。半透明鏡100は縮小投
影レンズ2に対し板バネ等(図示せず)で支持されるよ
うになつており、微動機構は、例えば半透明鏡100の上
面に固定された3つのくさび形ベース102a,103a,104a
に対しくさび形可動スペーサ102b,103b,104bをそれぞ
れ3つのピエゾ素子102c,103c,104cで独立に微動する
ことによって実現されている。ピエゾ素子102c,103c,
104cの一端はくさび形可動スペーサ102b,103b,104bに
取付されるが、他端は縮小投影レンズ2に固定されてい
るものである。したがって、ピエゾ素子102c,103c,10
4cに電圧信号を印加する場合は、その電圧信号に応じて
それらは伸縮する結果、半透明鏡100は上下方向に微動
し得るわけである。したがって、本実施態様による場合
は、先の実施態様の場合と全く同様の効果が得られるだ
けでなく、アライメント光路そのものを参照光路とした
ことによって、参照光路中での外乱、あるいは縮小投影
レンズの結像特性そのものの干渉パターンに及ぼす影響
が除去されると同時に、また、アライメント光学系が簡
素化されるという効果も併せて得られるものである。 【0025】以上、本発明を説明したが、本発明は以上
に述べたアライメントパターン検出に限定されるもので
はなく、半導体ウエハ上に形成されたレジストパターン
等の段差パターンの線幅測定等、その幾何学的情報の検
出にも十分適用し得ることは明らかである。 【0026】 【発明の効果】以上説明したように、請求項1,2によ
れば、ウエハ等の試料上に形成された微細な段差パター
ンを高コントラストで検出することが可能となり、その
結果、段差パターンの位置を安定にして、しかも高精度
に検出することが可能となる。
BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] Field of the Invention The present invention relates to a stepped pattern detecting method and apparatus for detecting the position of the step pattern formed on a sample such as a wafer is there. [0002] As a conventional technique for detecting a step pattern, alignment pattern detection by a reduction projection exposure apparatus is known . That is, with the progress of miniaturization of semiconductor integrated circuits, it is the current situation that the alignment accuracy between the reticle and the wafer during exposure by the reduction projection exposure apparatus is required to be higher and higher. Therefore, it is possible to perform alignment for each chip so as to cope with an array error of chips in a wafer, and to perform T through a reduction projection lens.
It is considered that the TL alignment method will become the mainstream in the future manufacturing of highly integrated circuits. FIG. 13 shows an example of the TTL alignment method. In this case, the circuit pattern previously formed on the reticle 1 is transferred to the wafer 3 mounted on the wafer stage 4 through the reduction projection lens 2 and
~ Several chips 16 are exposed, but prior to this exposure, the positions of the reticle initial setting patterns 15, 15 'are first detected by the reticle alignment optical systems 5, 5', so that the reticle 1 is exposed. Is set to the initial position. Next, on the wafer 3, the alignment patterns 14, 14 'near the chip 16 are imaged on the alignment patterns (window patterns) 13, 13' on the reticle 1 via the reduction projection lens 2, and both patterns are detected for wafer alignment. It is designed to be detected by an optical system. The wafer alignment detection optical system includes mirrors 6 and 6 ', relay lenses 7 and 7',
In addition to the magnifying lenses 8 and 8 ', the movable slits 9 and 9', the photomultiplier tubes (photomultipliers) 10 and 10 ', an optical fiber 1 for emitting alignment illumination light having the same wavelength as the exposure light
It is composed of 1, 11 ', etc. Illumination light from the optical fibers 11 and 11 'illuminates the alignment patterns 13 and 13' through half mirrors, relay lenses 7 and 7 ', and mirrors 6 and 6', while reflected light from the mirrors 6 and 6 '. ', Relay lens 7, 7', half mirror,
It is designed to be detected by the photomultiplier tubes 10 and 10 'through the magnifying lenses 8 and 8', the mirror, and the movable slits 9 and 9 '. By the way, if the detected wafer alignment patterns 14 and 14 'and the reticle alignment pattern are detected,
If the positions of 13 and 13 'do not match, the wafer 3
The position of both patterns 14, 14 ', 13, 13' is made to coincide by moving the wafer stage 4 carrying the wafers in the X and Y directions according to the displacement direction and the amount thereof. There is something. In this way, after the alignment is completed, the exposure system 12 irradiates the reticle 1 with exposure light. Note that, as one related to this type of alignment method, there is, for example, JP-A-55-41739. By the way, in this TTL alignment method, a problem that has been pointed out in the past but has not yet been solved is a decrease in alignment accuracy due to uneven coating of photoresist on the wafer. This problem has become an extremely serious problem in recent years as semiconductor circuits are highly integrated. Here, the method of applying the photoresist to the wafer will be described. As shown in FIG. 14, the photoresist 3 is rotated by the spin coater (rotational coating machine) at a high speed in the R direction while the wafer 3 is rotated by centrifugal force. 1 to the whole surface
It is adapted to be applied in a thickness of 2 μm (in the case of a single layer resist). In this case, the flow direction of the photoresist is a direction that spreads radially from the center of the wafer 3, as shown by arrows A, B, C, and D, but FIG.
3 is an enlarged view of the directional alignment pattern 19. In this example, the alignment pattern is formed by forming the SiO 2 layer 22 as a concave or convex step pattern on the Si substrate 21 as shown in FIG. The film thickness of the formed photoresist 23 draws a gentle curve according to the shape of the step. In this way, the alignment pattern is Si
It is formed on the substrate 21, but the problem is as shown in FIG.
The X-direction alignment pattern 19 near the chip 17 is parallel to the resist flow direction B, but for example, the X-direction alignment pattern 20 near the chip 18 is the resist flow direction C.
Means that they are almost orthogonal. As a result, as shown in FIG.
The photoresist film thickness distribution in the pattern width direction in the portion is symmetrical, but as shown in FIG. 16B, the photoresist film thickness distribution in the alignment pattern 20 portion is largely disturbed by the flow of the photoresist at the pattern edge portion. It is asymmetrical. Now, these alignment patterns 19 and 20
Is illuminated by pattern illumination light 24a, 25a, but the reflected light from the pattern is approximately reflected light 24b, 25b from the photoresist surface and reflected light 24c, 25c from the Si substrate 21 or the SiO 2 layer 22 surface. Is obtained as interference light. That is, as can be seen from the interference intensity curve 28 shown in FIG. 18, the interference light intensity I changes periodically according to the film thickness d of the photoresist 23. From the above, the reflected light intensity distribution 26 from the alignment pattern 19 is shown in FIG.
As shown in (a), it is symmetrical, but the reflected light intensity distribution 27 from the alignment pattern 20 is asymmetric, as shown in FIG. 17 (b). Therefore, in the conventional alignment method in which the symmetry of the detection signal waveform is used to set the symmetry center of the waveform as the center position of the alignment pattern, as shown in FIG. 17B, the true pattern center position x w
On the other hand, x d may be regarded as the center position of the pattern and an error ex may occur, and the deterioration of the alignment accuracy cannot be neglected. Also, the TTL so far
In the alignment method, not only uneven application,
Problem that the contrast of the pattern detection signal is largely changed by the coating thickness of the photoresist is also circumstances that have been pointed out previously. [0007] In THE INVENTION to be solved INVENTION The above prior art, the position of the step pattern formed on a sample in the stable and against challenges to be detected with high accuracy, sufficient consideration Was not done. An object of the present invention is to solve the above problems of the prior art, the position of the step pattern formed on a sample in the stable with a light interference, moreover a step pattern detection method which can detect in the accuracy better The equipment is provided. The above object is to illuminate a step pattern formed on a sample with coherent illumination light.
In addition, it can be used as a position near the step pattern.
Coherent illumination light Coherent illumination branched from the midway position of the optical path
A reference light is created separately from the light, and the reference light is reflected from the above step pattern.
The two-dimensional display is caused by the interference between the coherent illumination light and the reference light.
In addition to generating the interference pattern, it is detected photoelectrically as an interference signal.
From the interference signal, the step depth in the step pattern
Signal level change due to corresponding phase change detected
The position of the step pattern is changed based on the signal level change.
This is achieved by detecting the position . Further, as the step pattern detection device, a coherent illumination light source that illuminates the step pattern formed on the sample, and a non-neighborhood of the step pattern are provided.
Coherent illumination light as a position
Separate reference light is created by a reflecting mirror from the coherent illumination light
Reference light creating means and the reflection from the step pattern
Interfering means for interfering the coherent illumination light and the reference light,
The two-dimensional interference pattern from the interference means is used as an interference signal.
Interference pattern detecting means for photoelectrically detecting the interference pattern
By processing the interfering signal from the lane detection means,
Due to the phase change corresponding to the step depth in the above step pattern
After detecting the signal level change,
Processing means for detecting the position of the step pattern
And is configured to include at least . If the step pattern formed on the sample such as the wafer is illuminated with the coherent illumination light and the reflected light from the step pattern interferes with the reference light, two-dimensional interference is caused. Although a pattern is generated, the interference pattern has a large signal change due to the phase change in the step portion of the step pattern by the step depth. Then
The upper interference pattern photoelectrically converted, by detecting the signal change, in which the position of the step pattern formed on a sample, such as a wafer can be detected with high accuracy. The coherent illumination light is not limited to monochromatic light and may be white light. Embodiments of the step pattern detection of the present invention will be described below.
An example of the alignment pattern detection of the reduction projection exposure apparatus will be described with reference to FIGS. 1 to 9. First, the principle when the step pattern detection of the present invention is applied to the alignment pattern detection of a reduction projection exposure apparatus will be described with reference to FIGS. Assuming an Si step pattern as the alignment pattern, the reflectance at the photoresist / air interface is usually 5.5% (refractive index of air
1.0, refractive index of photoresist 1.61 (when wavelength is 514 nm))
On the other hand, the reflectance at the photoresist alignment pattern (step pattern) interface shows a high value of 24% (Si refractive index 4.75 (wavelength 514 nm)). As shown in FIG. 1, a coherent light source 40 such as a laser light source.
The illumination light 41 from the above is separated into two directions by the beam splitter 42, and one of them is adapted to illuminate the alignment pattern 48 on the wafer as the alignment illumination light 43 via the reduction projection lens 2. Alignment pattern 48 is S
The i substrate 45 is formed as a step pattern, and a photoresist 46 is applied thereon. On the other hand, the other is incident on a semitransparent mirror (transmission factor 0 in this case) 51. Here, the optical path length lr from the beam splitter 42 to the semitransparent mirror (reflecting mirror) 51 is changed to the beam splitter 42.
From the surface of the photoresist 46 to almost the same as the optical path length l w (x), and setting the optical path length difference within the coherence length of the coherent light source 40, the reflected light 49 from the surface of the photoresist 46,
Interface 47 between step pattern of Si substrate 45 and photoresist 46
The reflected light 50 from the light interferes with the reflected light 52 from the semitransparent mirror 51, and as a result, an interference pattern 53 is obtained. Although details will be described later, in the interference pattern 53, the reflected light 50 mainly from the interface 47 between the step pattern and the photoresist 46 and the semi-transparent mirror 51 from the reflectance at each interface. Of the alignment pattern 48
The interference pattern 53 is obtained as a signal having a large signal change due to the change of the phase by the step depth e at the step. That is, the influence of interference caused by the film thickness d (x) of the photoresist 46 is relatively small. Then, the interference pattern 53 and the alignment pattern (not shown) on the reticle are detected by an alignment optical system (not shown) equipped with a magnifying lens and an image pickup device, and the alignment amount is determined from the center position of both patterns. If required, the reticle and the wafer can be aligned with relatively good accuracy. Note that FIG. 2 shows an incident state of the illumination light 43 which is a parallel beam incident on the alignment pattern 48. By the way, the semitransparent mirror on which the illumination light is incident is a mirror in a broad sense, and has a transmittance of 0 as in the optical system shown in FIG.
The case of is also included. This semitransparent mirror can be provided outside the alignment pattern illumination light path on the wafer including the reduction projection lens, or can be provided inside the illumination light path as described later. Further, desirably, a wavefront correction optical system is provided in the optical path provided with the semitransparent mirror. Further, in this embodiment, the light from the coherent light source is coherent in time and space. Now, the above-mentioned interference pattern will be described in detail. In the optical system shown in FIG. 1, the intensity of the reflected light 49 from the surface of the photoresist 46 is I 1 , and the Si substrate 4 is
Assuming that the intensity of the reflected light 50 from the interface 47 between the step pattern of 5 and the photoresist 46 is I 2 and the intensity of the reflected light 52 from the semitransparent mirror 51 is Ir, the intensity of the interference pattern 53 by these three reflected lights. The distribution I (x) is approximately represented by the following mathematical formula. I (x) = (I 1 + I 2 + Ir) +2 (I 1 · I 2 ) 1/2 cos {4πn r d (x) / λ} +2 (I 1 · Ir) 1/2 cos {4πn a (l w (x) -lr) / λ} +2 (I 2 · Ir) 1/2 cos [4π {n a (l w (x) -lr) + n r d (x)} / λ] [0014 ] However, λ is the wavelength of the alignment illumination light,
n a represents the refractive index of air, and n r represents the refractive index of the photoresist. The first term in the equation gives the direct current component of the interference intensity, the second term is the modulation component of the interference intensity between the reflected light 49 and the reflected light 50, and the third term is the reflected light 49 and the reflected light. The modulation component of the interference intensity with 52 and the fourth term give the modulation component of the interference intensity between the reflected light 50 and the reflected light 52, respectively. Here, the intensity of the illumination light 41 is 1, the ratio of the reflectance and the transmittance at the beam splitter 42 is 1, n a = 1 and n.
When r = 1.6 (λ = 436 nm), the reflectance of the semitransparent mirror 51 is 95%, the reflectance of the photoresist 46 / air interface is 5.5%, and the reflectance of the step pattern / photoresist 46 interface 47 is 24%. The first term in FIG. 3 is shown as a straight line 60 in FIG. 3, the second term is shown as a curve 61, the third term is shown as a curve 62, and the fourth term is shown as a curve 63. From FIG. 3, the intensity distribution of the interference pattern 53 is affected by the fourth term in the mathematical expression, that is, the interference between the reflected light 50 from the step pattern / resist 46 interface 47 and the reflected light 52 from the semitransparent mirror 51. It is known that it appears most strongly. As a result, the interference pattern 53 is obtained as a signal having a large signal change due to the change in phase at the step portion of the alignment pattern 48 by the step depth e. This reflectance at the interface 47 is higher than the reflectivity at the photoresist 46 surface. As a result, the influence of the interference (the second term and the third term in the above equation) due to the film thickness d (x) of the photoresist 46 becomes relatively small. Therefore, as shown in FIG. 4A, when the film thickness distribution of the photoresist 46 is left-right asymmetric at the step portion of the alignment pattern 48, the conventional alignment method causes the interference shown in FIG. As is clear from the light intensity curve, the reflected light intensity distribution 64 from the alignment pattern 48 is asymmetrical as shown in FIG. 4B, and x d is regarded as the pattern center position with respect to the true pattern center position x w. However, the detection error e x is generated.
However, according to the present invention, as shown in FIG. 4 (c), the reflected light intensity distribution 65 has good symmetry without being significantly affected by the film thickness distribution of the photoresist 46, and has high contrast. It is possible to ideally detect the true pattern center position x w . As a result, the decrease in alignment accuracy due to the photoresist film thickness and coating unevenness can be eliminated. According to the present invention, as shown in FIG. 5, the alignment pattern is SiO 2 on the step pattern of the Si substrate 66.
It is also applicable to the case where each transparent layer of 67 and Si 3 N 4 68 is formed. This is because when the incident light 74 is received, the surface of the photoresist 69 and the interfaces 72 and 7 of the respective layers.
Of the reflected light 75, 76, 77, 78 from each of 1 and 70, the one with the highest intensity is the interface 7 between the underlying Si substrate 66 and SiO 2 67.
This is because it is the reflected light 78 from 0. Therefore, since the obtained interference intensity distribution greatly changes at the stepped portion of the Si substrate 66, the film thickness of the photoresist 69 is not so affected, and the same effect as the above case can be obtained. An embodiment in which the step pattern detection of the present invention is applied to the alignment pattern detection of the reduced projection exposure apparatus will be described with reference to FIGS. 6 to 9. FIG. 6 shows an optical system in this embodiment. The optical system comprises a step pattern illumination system, a step pattern detection optical system, a reference optical path and an interference pattern detection signal processing system. In this case, a laser beam from an Ar laser (wavelength 514.5 nm) 80 as a coherent light source
The beam splitter 82 is divided into two beams 86 and 87 by a beam splitter 84 via a beam splitter 82 and a relay lens 83. Of these, beam 87 is mirror 85b-8
5f, guided to the reference optical path consisting of the wavefront correction optical system 88 and the reflection mirror 89, and reflected by the reflection mirror 89. At the same time, the wavefront correction optical system 88 adjusts the beam diameter of the beam 87 and forms an image on the reduction projection lens. The wavefront phase is adjusted according to the characteristics. The other beam 86 is reflected by the mirror 85.
a, after being sequentially reflected by the surface of the mirror 1m on the reticle 1, it is incident on the center of the entrance pupil 2p of the reduction projection lens 2 and illuminates the alignment pattern (step pattern) 48 on the wafer 3. . FIG. 7 is an enlarged view of the illumination state in this case. The beam 86 is a parallel beam and functions as stepped pattern illumination light. Here, from the beam splitter 84 to the reflecting mirror 89
Up to the optical path length from the beam splitter 84 to the alignment pattern (step pattern) 48 on the wafer 3 by finely moving the reflecting mirror 89 in the optical axis direction. By setting within the interference distance, the reflected light from the reflecting mirror 89 and the reflected light from the alignment pattern (step pattern) 48 interfere with each other by the same principle as the Twyman-Green interferometer, and the beam splitter 84 The interference pattern can be obtained. This interference pattern is sequentially passed through the relay lens 83, the beam splitter 82, the mirror 85g, and the magnifying lens 90.
The two-dimensional solid-state image pickup device 91 takes an image, but the photoelectrically converted interference pattern from the two-dimensional solid-state image pickup device 91 is subsequently subjected to noise removal and AD conversion by the preprocessing circuit 92, and further, depending on the vertical direction compression circuit 93, a pattern. It is designed to be electrically compressed in a direction orthogonal to the detection direction. The computer 94 performs a predetermined process on the signal converted into the one-dimensional information by this compression, whereby the alignment pattern (step pattern) 48
The center position of is required. The processing by the computer 94 at that time will be described. FIGS. 8A and 8B show examples of interference patterns picked up by the solid-state image pickup device 91, respectively. The detection area 95 of the step pattern detection optical system for the alignment pattern (step pattern) 48 is as shown in the figure. First, referring to FIG. 8 (a), this shows the case where the reflecting mirror 89 and the alignment pattern (step pattern) 48 are relatively inclined in the direction of the arrow, and depending on the size and direction of the inclination. Thin interference fringes 96 are generated. In such a case, as shown in FIG.
The dimensional signal 98 is obtained as a low contrast signal.
Therefore, it is necessary to set in advance the reflecting mirror 89 and the alignment pattern (step pattern) 48, that is, the wafer to be completely parallel. By the way, if the size of one chip on the wafer is 20 mm × 20 mm, the tilt of the wafer within one chip is about 1 μm at most. Therefore, once the reflecting mirror 89 is finely adjusted, this is always No need to monitor. Next, referring to FIG. 8B, this shows an interference pattern in the case where the reflecting mirror 89 and the wafer are completely parallel to each other, and an alignment pattern (step pattern) is shown. An image 97 having a large change in intensity is obtained at the stepped portion of. The one-dimensional signal 99 shown in FIG. 9 (b) is also obtained with high contrast accordingly. The computer 94 obtains the center position x w (X-direction center position) of the alignment pattern (step pattern) on the wafer from the one-dimensional signal 99 using the symmetry of the waveform. The alignment amount Δ and the alignment direction can be obtained from the misalignment with the center position x r of the alignment pattern (not shown) on the reticle obtained separately. The stage 4 is finely moved in the x direction based on the alignment amount Δ and the alignment direction, and the situation is exactly the same for the alignment in the y direction. After the alignment in the x and y directions is completed in this way,
The circuit pattern on the reticle 1 is printed on the chips on the wafer 3 by being irradiated with exposure light from an exposure system (not shown). By repeating the above alignment and printing operations for each chip, reduction projection exposure is performed on the wafer 3. According to the embodiment described above, the alignment pattern (step pattern) detection signal can be obtained with good symmetry without being affected by the photoresist film thickness distribution as described above. It is possible to eliminate a decrease in alignment accuracy caused by uneven coating.
Further, in the case of the conventional alignment method, the contrast of the alignment pattern (step pattern) detection signal largely changes not only due to the coating unevenness but also due to the coating thickness of the photoresist itself. By slightly moving the mirror 89 in the optical axis direction, the interference intensity can always be set to the inclined portion of the curve 63 shown in FIG.
It is possible to keep the signal contrast high. Next, a second embodiment in which the step pattern detection of the present invention is applied to the alignment pattern detection of the reduced projection exposure apparatus will be described with reference to FIGS. FIG. 10 shows an optical system in the second embodiment. In this alignment optical system, the reference optical path is removed from the optical system shown in FIG. 6, and a semitransparent mirror 100 as a dichroic mirror is added to the lower end of the reduction projection lens 2,
The difference is that the stepped pattern illumination light path itself is used as a reference light path. As in the previous embodiment, first the beam 81 from the Ar laser 80 is reflected by the beam splitter 82, the relay lens 83.
After being sequentially reflected by the mirror 85a and the mirror 1m surface on the reticle 1 through the light, the light is incident on the center of the entrance pupil 2p of the reduction projection lens 2, and further passes through the semitransparent mirror 100. (Step pattern) 48 is incident as illumination light. In this case, on the upper surface of the semitransparent mirror 100, an antireflection film (wavelength 514.5n
m), and the lower surface 101 is coated with a thin film having the reflectance / transmittance spectral characteristics shown in FIG. 12, but the lower surface 101 and the alignment pattern (step pattern) 4
When the optical path length up to 8 is set within the coherence length of the Ar laser 80 by finely moving the semitransparent mirror 100 in the optical axis direction, from the lower surface 101 of the semitransparent mirror 100 by the same principle as the Fizeau interferometer. And the reflected light from the alignment pattern (step pattern) 48 interfere with each other to obtain an interference pattern. This interference pattern follows the same optical path in reverse through the reduction projection lens 2 and then the beam splitter
An image is picked up by the two-dimensional solid-state image pickup device 91 via the mirror 82, the mirror 85g, and the magnifying lens 90, and the subsequent signal processing and alignment procedures are performed in exactly the same manner as in the previous embodiment. Is. The bottom surface 1 of the semitransparent mirror 100
As shown in Fig. 12, the thin film coated with 01 has an extremely high transmittance for the exposure wavelength of 436 nm (g-line of a mercury lamp), and no particular problems occur during exposure. ing. Further, reference numeral 111 indicates an imaging position of the interference pattern. The fine movement mechanism of the semitransparent mirror 100 will be briefly described. FIGS. 11A and 11B show the fine movement mechanism of the semitransparent mirror 100. The semitransparent mirror 100 is supported by the reduction projection lens 2 by a leaf spring or the like (not shown), and the fine movement mechanism is, for example, three wedge-shaped bases 102a fixed to the upper surface of the semitransparent mirror 100. , 103a, 104a
On the other hand, the wedge-shaped movable spacers 102b, 103b, 104b are realized by finely moving the three piezo elements 102c, 103c, 104c independently. Piezo elements 102c, 103c,
One end of 104c is attached to the wedge-shaped movable spacers 102b, 103b, 104b, while the other end is fixed to the reduction projection lens 2. Therefore, the piezo elements 102c, 103c, 10
When a voltage signal is applied to 4c, they expand and contract according to the voltage signal, and as a result, the semitransparent mirror 100 can finely move in the vertical direction. Therefore, according to the present embodiment, not only the same effect as in the case of the previous embodiment can be obtained, but also by using the alignment optical path itself as the reference optical path, the disturbance in the reference optical path or the reduction projection lens The effect of the imaging characteristic itself on the interference pattern is removed, and at the same time, the alignment optical system is simplified. The present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described alignment pattern detection, and line width measurement of a step pattern such as a resist pattern formed on a semiconductor wafer can be performed. Obviously, it can be applied to detect geometric information. As described above, according to claims 1 and 2, it becomes possible to detect a fine step pattern formed on a sample such as a wafer with high contrast, and as a result, the position of the step pattern in the stable and can be detected with high accuracy.

【図面の簡単な説明】 【図1】図1は、本発明の段差パターン検出原理を説明
するための光学系を示す図 【図2】図2は、アライメントパターン(段差パター
ン)への照明光の入射状態を示す図 【図3】図3は、光路長差と干渉強度との関係を示す図 【図4】図4(a)は、ホトレジストの塗布むらの状態を
示すアライメントパターン(段差パターン)部の断面を
示す図、図4(b),(c)は、従来方式と本発明に係るアラ
イメント方式での反射光強度分布の違いを説明するため
の図 【図5】図5は、本発明が適用可とされた他のアライメ
ントパターン(段差パターン)部の断面を示す図 【図6】図6は、本発明に係る、第1の実施例でのアラ
イメント光学系を示す図 【図7】図7は、その場合でのアライメントパターン
(段差パターン)への照明光の入射状態を示す図 【図8】図8(a),(b)は、それぞれ撮像された干渉パタ
ーンの例を示す図 【図9】図9(a),(b)は、それぞれ図8(a),(b)に示す
干渉パターンの圧縮処理された1次元信号波形を示す図 【図10】図10は、本発明に係る、第2の実施例での
アライメント光学系を示す図 【図11】図11(a),(b)は、その光学系における半透
明鏡の微動機構とその一部を示す図 【図12】図12は、半透明鏡下面にコーティングされ
た薄膜の反射率・透過率分光特性を示す図 【図13】図13は、従来技術に係るTTLアライメン
ト方式の一例を示す図 【図14】図14は、ウエハへのホトレジストの塗付方
法を示す図 【図15】図15は、拡大されたウエハアライメントパ
ターン(段差パターン)を示す図 【図16】図16(a),(b)は、アライメントパターン
(段差パターン)の方向によるホトレジスト膜厚分布の
違いを示す図 【図17】図17(a),(b)は、その膜厚分布の違いによ
るアライメントパターン(段差パターン)からの反射光
強度分布の違いを示す図 【図18】図18は、ホトレジスト膜厚と干渉強度との
関係を示す図 【符号の説明】 1…レチクル、2…縮小投影レンズ、3…ウエハ、4…
ウエハステージ、40…可干渉性光源、42,82,84…ビー
ムスプリッタ、48…アライメントパターン(段差パター
ン)、51,100…半透明鏡、53…干渉パターン、80…Ar
レーザ、88…波面補正光学系、89…反射鏡、91…2次元
固体撮像素子
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing an optical system for explaining a step pattern detection principle of the present invention. FIG. 2 is an illumination light for an alignment pattern (step pattern). FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the optical path length difference and the interference intensity. FIG. 4 (a) is an alignment pattern (step pattern) showing the state of uneven photoresist coating. 4B and 4C are views for explaining a difference in reflected light intensity distribution between the conventional method and the alignment method according to the present invention. [FIG. 5] FIG. FIG. 6 is a diagram showing a cross section of another alignment pattern (step pattern) portion to which the present invention is applicable. FIG. 6 is a diagram showing an alignment optical system according to the first embodiment of the present invention. 7] FIG. 7 shows the illumination light to the alignment pattern (step pattern) in that case. FIG. 8A and FIG. 8B are diagrams showing an incident state, and FIG. 8A and FIG. 8B are diagrams showing examples of interference patterns captured respectively. FIG. 9A and FIG. FIG. 10 is a diagram showing a compressed one-dimensional signal waveform of the interference patterns shown in FIGS. 10A and 10B. FIG. 10 is a diagram showing an alignment optical system according to a second embodiment of the present invention. 11 (a) and 11 (b) are diagrams showing the fine movement mechanism of the semitransparent mirror and its part in the optical system. [FIG. 12] FIG. 12 is the reflectance of the thin film coated on the lower surface of the semitransparent mirror. FIG. 13 is a diagram showing a transmittance spectral characteristic. FIG. 13 is a diagram showing an example of a conventional TTL alignment method. FIG. 14 is a diagram showing a method of applying photoresist to a wafer. FIG. 15 is a diagram showing an enlarged wafer alignment pattern (step pattern). FIGS. 16A and 16B are alignment diagrams. FIG. 17A and FIG. 17B are diagrams showing the difference in photoresist film thickness distribution depending on the direction of the pattern (step pattern). FIGS. 17A and 17B show the intensity of reflected light from the alignment pattern (step pattern) due to the difference in film thickness distribution. FIG. 18 is a diagram showing the difference in distribution. FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the photoresist film thickness and the interference intensity. [Explanation of symbols] 1 ... Reticle, 2 ... Reduction projection lens, 3 ... Wafer, 4 ...
Wafer stage, 40 ... Coherent light source, 42, 82, 84 ... Beam splitter, 48 ... Alignment pattern (step pattern), 51, 100 ... Semi-transparent mirror, 53 ... Interference pattern, 80 ... Ar
Laser, 88 ... Wavefront correction optical system, 89 ... Reflector, 91 ... Two-dimensional solid-state imaging device

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/30 522B (72)発明者 芝 正孝 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社 日立製作所 生産技術研究所 内 (56)参考文献 特開 昭59−27527(JP,A) 特開 昭60−169703(JP,A)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display location H01L 21/30 522B (72) Inventor Masataka Shiba 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-59-27527 (JP, A) JP-A-60-169703 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.試料上に形成された段差パターンを可干渉性照明光
によって照明するとともに、該段差パターンの非近傍位
置としての可干渉性照明光光路途中位置から分岐された
可干渉性照明光より別途参照光を作成し、上記段差パタ
ーンからの反射可干渉性照明光と上記参照光との干渉に
より2次元干渉パターンを発生させた上、光電的に干渉
信号として検出し、該干渉信号から、上記段差パターン
での段差深さ対応位相変化に起因した信号レベル変化が
検出された上、該信号レベル変化にもとづき上記段差パ
ターンの位置が検出されるようにした段差パターン検出
方法。 2.段差パターンからの反射可干渉性照明光は、光路
長、傾き各々が可変設定可とされている参照光と干渉さ
れるようにした請求項1記載の段差パターン検出方法。 3.試料上に形成された段差パターンを照明する可干渉
性照明光源と、該段差パターンの非近傍位置としての可
干渉性照明光光路途中位置から分岐された可干渉性照明
光より、反射鏡により参照光を別途作成する参照光作成
手段と、上記段差パターンからの反射可干渉性照明光と
上記参照光とを干渉させる干渉手段と、該干渉手段から
の2次元干渉パターンを干渉信号として光電的に検出す
る干渉パターン検出手段と、該干渉パターン検出手段か
らの干渉信号を処理することによって、上記段差パター
ンでの段差深さ対応位相変化に起因した信号レベル変化
を検出した上、該信号レベル変化にもとづき該段差パタ
ーンの位置の位置を検出する処理手段と、を少なくとも
含む段差パターン検出装置。 4.参照光作成手段では、参照光光軸方向への反射鏡自
体の微移動、傾き各々が調整可として参照光が作成され
ている請求項3記載の段差パターン検出装置。
(57) [Claims] The step pattern formed on the sample is illuminated with coherent illumination light , and
The coherent illumination light as a stand is branched from the midway position of the optical path.
A reference beam is created separately from the coherent illumination light, and the step pattern
The interference between the coherent illumination light reflected from the lamp and the reference light
Generates a more two-dimensional interference pattern and photoelectrically interferes
Signal, and from the interference signal, the step pattern
The signal level change due to the phase change corresponding to the step depth at
After being detected, the step pattern is detected based on the signal level change.
A step pattern detection method that detects the position of a turn . 2. The coherent illumination light reflected from the step pattern is
Interfering with the reference light whose length and inclination can be set variably
The step pattern detection method according to claim 1, wherein 3. Interferable to illuminate the step pattern formed on the sample
Illuminating light source and the non-proximal position of the step pattern
Coherent illumination light Coherent illumination branched from the midway position of the optical path
Create a reference beam by creating a reference beam separately from light using a reflector
Means and reflected coherent illumination light from the step pattern
Interference means for interfering with the reference light, and from the interference means
Photoelectrically detects the two-dimensional interference pattern of
Interference pattern detecting means and the interference pattern detecting means
By processing the interference signal from
Signal level change due to phase change corresponding to step depth
Is detected, the step pattern is detected based on the signal level change.
Processing means for detecting the position of the
Step pattern detection device including. 4. In the reference light creating means, the reflection mirror itself in the direction of the reference light optical axis is used.
The reference light is created by adjusting the body movement and tilt.
The step pattern detection device according to claim 3.
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JPS5927527A (en) * 1982-08-06 1984-02-14 Nippon Seiko Kk Position matching pattern detection apparatus
EP0147481B1 (en) * 1983-12-27 1987-09-02 Ibm Deutschland Gmbh White-light interferometer

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