JP2683075B2

JP2683075B2 - 半導体製造装置及び方法

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Publication number: JP2683075B2
Application number: JP63326512A
Authority: JP
Inventors: 雅夫小杉
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1988-12-23
Publication date: 1997-11-26
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: US5120134A; JPH02170515A; DE3942678C2; DE3942678A1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体素子（デバイス）の製造工程で使用
される半導体製造装置及び方法、特にはレチクルに形成
されているパターンをウエハ上の複数パターンにステツ
プアンドリピートで順に重ね合わせながら焼付けるため
の半導体製造装置及び方法に関する。

〔従来の技術〕

現在、半導体デバイス製造に於けるホトリソ工程の中
核になる装置は、広義にはアライナと呼ばれている。現
在はデバイスの微細化の要求を満たすため、ステツパが
主として使用されている。

アライナに要求される性能は、第１に原版（フオトマ
スクあるいはレチクル、以降レチクルと称す）上の微細
な回路パターンを半導体基板（以降ウエハと称す）上に
塗布された感光剤層（以降レジストと称す）に転写する
ことであり、第２にはすでにウエハ上に形成されている
回路パターンに対し、レチクルの転写パターンを正確に
位置合せすることである。この第２の行為を以降アライ
メントと称す。半導体デバイスの微細化、高集積化傾向
に伴い、上記２項目の主性能はより高度なレベルを要求
されてきている。例えば、現在製品化されている１メガ
ビツトDRAMでは最少解像力1.0μｍ、アライメント精度
0.15μｍ程度であるが、現在開発途上にある16メガビツ
トDRAMでは解像性能0.5μｍ、アライメント精度0.1μｍ
以下が要求される。

従来、これらのアライメント露光の工程はアライナと
いう一つの独立した装置の中で処理されてきた。例え
ば、ステツパでは投影レンズを介してレチクルのパター
ンがウエハに転写され、投影レンズを介してレチクルと
ウエハを観察できる顕微鏡で相互位置関係のアライメン
トを行っている。

〔発明が解決しようとしている課題〕

本発明の背景となる問題点は、上記の様な従来方式の
ステツパ（アライナ）では、将来要求されるアライメン
ト精度を達成することが困難であろうという事である。
以下その説明をする。アライメントに於ける一番の問題
はウエハの検出精度である。それはウエハのパターンと
称するものが製造工程毎に様々な態様を示すことにあ
る。さらに言えば、ウエハのパターンとは微細な凹凸で
形成されており、その材料、段差量、形状、表面状態は
まちまちであり、さらに、その上にレジストが塗布され
ており、レジストは下地の段差にならって曲面的な表面
形状を成し、それは光に対して（光学的には）レンズあ
るいはミラーの効果を持っており、さらに問題なのは、
それら下地の段差及びレジストが本来あるべき姿に対し
て非対称に形成されることもあるという事である。

石英基板に薄いCr層を形成し、これをエツチングによ
りパターン形成したレチクルの場合、良好な光のコント
ラストが得られ、検出精度0.02μｍ程度を達成している
のに対し、ある種のウエハパターンに対して0.2〜0.3μ
ｍ程度の精度しか得られないのは、上記の様な事情によ
るものと考えられる。

この様なウエハのパターン態様を製造工程上で体系化
すると下記の様になる。

工程による差：例えば、酸化工程を経たウエハは、光を透過するSiO₂
が表層に存在するし、メタル工程ではAlが表層に来る。
これらは断面形状も異なるし、光学特性も全く異なる。

ロツト差：デバイス製造に於いては各々の工程のパラメータを計
測しており、その結果を次の工程の設定条件に反映させ
る。従って、ウエハの態様はロツトにより異なってい
る。

ロツト内ウエハ差：本来、製造工程に於いては、枚葉処理であれ、バツチ
処置であれ、ロット内のウエハ差を出さない様に処理さ
れるはずで、実際上もこの差は判別できないレベルにあ
る。

ウエハ内SHOT（CHIP）差：ウエハ内の位置によって、パターン形状、レジストの
塗布状態が異なる場合がある。これはアルミのスパツタ
リング、あるいはレジストの回転塗布などによって、現
実に生じている事が確認されている。この様なウエハを
ステツパでダイバイダイアライメント露光をした場合な
ど、第11図に示す様にウエハ中心から放射状にアライメ
ント誤差が発生する現象が見られる。

パターン欠損：上記〜によらず時々生じる。

さて以上の様々の態様をなすウエハパターンに対して
は、本来、それぞれに最適化された検出光学系及び信号
処理系を準備するのが妥当な考え方である。例えば、光
学系のパラメータとしては、波長、波長幅、対物系NA、
照明法、その他種々載げられるし、信号処理系について
も同様に載げられるが、要約すれば光学系としては真の
信号である段差部からの信号を強調し、レジストの表面
反射や膜厚干渉によるニセ信号やノイズ成分を除去すべ
く最適化することであり、信号処理系でいえば、真偽混
在した信号に対し真を強調し、偽を軽減すべく最適化す
ることである。

しかし、現実問題としては、ステツパ（アライナ）側
でこれらの自由度を用意できるかという事が第１の問題
となる。例えば、ステツパに於いては、投影レンズを介
したT.T.L（Through the Lens）方式がシステム誤差
上有利とされているが、この場合、投影レンズの制約に
よりアライメント波長と、その波長幅は極端に制限され
てしまう。第２の問題は時間の制約である。ステツパ
（アライナ）はデバイスの製造装置である以上、その処
理時間が問われ、例えば現状のステツパに於ける１回の
シヨツトあたりのアライメント処理に許される時間は0.
5秒以下、0.3秒前後である。この時間内に初対面のウエ
ハターンに対し、どの様な光学系、信号処理系で対応す
るかを判断し、ハード、ソフトを切り換え、アライメン
トを実行するのは不可能に近い。

第３の問題として、仮に時間の制約が無いとしても、
第１の問題として載げた自由度の少ない光学系、信号処
理系だけでは、与えられたウエハパターンに対してどの
様な処理法で応ずれば良いのかの判断は困難であるとい
う事である。

現状でステツパに与えられる事前情報は、前述の体系
の内、何工程のウエハが投入されるかという事だけであ
る。

以上説明した様に、現状の延長上では多種多様のウエ
ハパターンに対し、常に安定して0.1μｍ以下のアライ
メント精度を達成しようとすることは困難であると考え
られる。

従って、本発明の目的は前述の多種多様な変化に富ん
だウエハパターンに対して、安定して高いアライメント
精度を達成できる半導体製造装置及び方法を提供するこ
とである。

〔課題を解決するための手段及び作用〕

本発明はアライナ（ステツパ）にウエハパターン解析
装置を付加して半導体製造装置を構成することにより、
前述の問題を解決しようとするものである。ウエハパタ
ーン解析装置は、（ａ）ステツパよりも自由度の大きな
光学検出系と光電変換機能（手段）、（ｂ）ウエハの観
察位置を変えるためのステージ（手段）、（ｃ）信号処
理を行い、あるいはその結果を基にシユミレーシヨンを
実行する演算手段、（ｄ）信号処理の結果として、ステ
ツパ側での最適処理法を判断し、ステツパ側に必要な情
報を伝達する制御手段を基本構成とする。さらに、ウエ
ハパターン解析装置は、アライナ（ステツパ）は当然な
がら、コーターデイベロツパとインラインを組むことに
より、よりフレキシブルでインテリジエントなシステム
となり、より高いアライメント精度達成能力を持つシス
テムとなる。

これらの各構成要素の働きを簡単に説明する。まず、
前述のウエハパターンの態様の体系化の中で、の工程
差については、次にどの工程のウエハが来るかは事前情
報として得られるから、解析装置とステツパはその工程
への対応が事前に可能である。次に、のロツト差につ
いては、ロツト内の最低１枚のウエハをサンプルとして
抜き取り、これを分析すればロツト全体の特徴を抽出す
ることができる。のウエハ差はあまり無いということ
で除いて、のシヨツト等については、同一ロツト内は
同一工程を経ていることを考えれば、ロツト内の傾向は
同一であり、やはり最低１枚のサンプルでこと足りる。

つまり、解析装置は最低ロツト内１枚のウエハを分析
すれば、最低限の役割ははたしており、これにより前述
の第２の問題点の時間の自由度を得ることができる。具
体的にはロツトの最初の１枚のウエハを解析装置に取り
込んでから２枚目のウエハがステツパ側ステージに載せ
られるまでの20秒前後の時間を使えば生産性を損なうこ
とはない。また、解析装置とステツパが１対１でシステ
ム化されていれば、解析装置は連続的あるいは間欠的に
ウエハを処理することにより、のウエハ差を検定し、
ステツパへの情報の確度を上げていくことが出来る。

次に、解析装置の光学検出系については、ステツパの
投影レンズのように光学的、スペース的な制約がないた
め、波長NA、その他のパラメータについて自由度の高い
設計が出来、の問題を解消することができる。さらに
その結果、与えられたサンプルに対しパラメータを振っ
て、サンプルの態様に関するデータを得ることができ、
サンプルをステツパ側の検出系で処理した場合の信号が
どうなるかをシユミレーシヨンすることにより、ステツ
パ側にハード、ソフトの最適解を伝えることが出来る。
ステツパ側はこれを受けて、指示された方法でこのウエ
ハを処理することにより、最適のアライメント精度を達
成することが出来る。

〔実施例〕

第１図には、本発明の基本構成をステツパと組合せた
状態で概念的に示してある。ステツパ本体１は、下から
基礎定盤２、XYステージ３、ウエハチツク４とと積み上
げられ、ウエハチヤツク４の上にウエハ５が保持され
る。XYステージ３上にはミラー６が配置され、レーザー
干渉計７により、ステージ３の位置を計測することがで
きる。レチクル８とウエハ５の間には投影レンズ10が配
置され、XYステージ３によってウエハ５をX,Y方向にス
テツプ送りするごとに、照明光学系11より露光光を照射
することにより、レチクル８のパターンをウエハ５上の
各シヨツトに投影焼付けする。レチクル８の上部に位置
するTTL顕微鏡12は、レチクルパターンとウエハパター
ンの投影レンズ10を介した逆投影像を同時に観察可能で
ある。TTL顕微鏡12に付属した光電変換素子、CCD13は光
信号を電子信号に変換して制御回路14に送りこむ。ステ
ツパについては既知技術なので、制御回路、メモリ演算
回路等すべてをまとめて制御回路14で表現している。

ステツパ本体１に臨接してウエハ解析装置本体20が配
置される。本体20の下半分は、ステツパ本体１と同様
に、定盤22、XYステージ23、ウエハチヤツク24、ミラー
25で構成され、ステツパ１と同様にウエハ５をX,Yの各
方向にステツプ送り可能となっている。ウエハチヤツク
24にはウエハ５が保持され、ステージ位置はレーザー干
渉計27と干渉計信号処理回路28によりモニターされる。

ウエハはステツパと解析装置の間を不図示のウエハ搬
送手段によって流される。ウエハ５の上部には顕微鏡30
が配置される。顕微鏡30に付属する光電変換素子31は、
ウエハパターンから得られた光信号を電気信号に変換し
てウエハ信号処理回路32に送る。ウエハ信号処理回路32
を出た信号は制御回路35の判断により、場合によっては
シユミレータ34のシユミレーシヨンにかけられる。これ
ら解析機制御部36により処理されたデータ、情報、指令
は制御回路35からステツパ側の制御回路14に送られる。
もちろん、この様なステツパと解析装置の1:1構成に於
いては、制御部36はステツパ側の制御回路14の中に含ま
れても支障のないことは言うまでもない。

次に、ウエハパターン解析装置をより具体的に述べ
る。まず、顕微鏡30の具体例としては、既知技術で商品
化もされているレーザー走査顕微鏡が好適である。レー
ザー走査顕微鏡は単なる平面像情報を得るのみでなく、
試料の凹凸プロフアイルをトレースすることも出来る
し、パターン寸法の計測をすることも可能である。ま
た、レーザー光源もHeNeレーザー、Arレーザー等を用い
て、RGB（Red,Blue,Green）３色を単独あるいは組合せ
ての観察も可能である。

本実施例では、この機能のうち断面形状プロフアイル
情報を用いた例について述べる。ウエハ５のアライメン
トマーク部分の段差構造のプロフアイルと、レジスト表
面のプロフアイルを信号として検出する。下地の段差プ
ロフアイルは、レジストが存在する為、その屈折率分だ
けだまされるが、屈折率が既知であれば補正できるし、
あるいはR,G,B波長それぞれのデータから屈折率を算定
して補正することもできる。これらの計算は処理回路32
を用いて行う。

この結果、第３図（ａ）に例示する様にウエハ５のア
ライメントマーク部分の断面形状が得られる。これを、
第１図のシユミレータ34で、ステツパ側の光学系で検出
した場合を想定してシユミレーシヨンをかけると、第３
図（ｂ）の破線で示す様なシユミレーシヨン信号47が得
られる。

この過程をもうすこし詳細に説明する。

第２図には第１図で示したステツパ１の光学系をすこ
し詳細に描いてある。この実施例では、アライメント系
はTTL ON AXISであり、従ってアライメント光は露光
光とほゞ同一波長で、波長幅もせいぜい十数mmである。
第５図の光源59はこの様な照明光を発する光源である。
照明光は照明レンズ58、照明絞り57を経て、ビームスプ
リツタ56で下方に屈折し、対物レンズ55によりいったん
レチクル８上に集光し、投影レンズ10で最結像されてウ
エハ50のアライメントマーク51近傍を照明する。ウエハ
５にはレジスト52が塗布されている。

アライメントマーク近傍で反射した光は、逆の経路を
たどり、投影レンズ10、レチクル８、対物レンズ55を経
て、ビームスプリツタ56を透過し、この後、瞳フイルタ
ー60を通過し、リレーレンズ61によりCCD13の受光面に
結像する。この様な光学系で条件を変え得るのは、照明
絞り57と瞳フイルター60だけである。従って、シユミレ
ータ34ではこれらの条件を振ってシユミレーシヨンを行
い、最も信号光を強調し、ノイズ成分を除去できる組合
せ（条件）を探り出し、制御回路35を介してステツパ側
にその最適設定条件を伝え、ステツパ１はこの指令に基
づいて照明絞り57、瞳フイルター60の設定変更を行う。

第４図，第５図を用いてシユミレータ34の作用を詳細
に説明する。201は第４図（ａ）に示す様に、中心に半
径r₁の開口部202を持つフイルタであり、第２図の照明
絞り57に相当する。また、203は第４図（ｂ）に示す様
な内径r₂、外径r₃のドーナツ状の開口部204を持つフイ
ルタで、第２図の受光側絞り60に相当する。フイルタ20
1,203は光学系10の瞳位置と共役に配置されているか
ら、結像面（第２図の場合に於いてはウエハ５の表面
や、レチクル８の面や、CCD13の管面に相当する）に於
いては、光の入射，反射の角度情報を制限するフイルタ
になる。

第４図（ｃ）に於いて、先述のレーザ顕微鏡30（第１
図参照）により計測したウエハマークの段差プロフアイ
ル205とレジスト表面でプロフアイル206を想定したと
き、照明絞り201を透過してくる光は光軸207に対しθ_１
以下の角度でウエハを照明することになり、ウエハから
反射した光は光軸207に対し角度θ_２以上、θ_３以上の
光のみを通して、CCD13に伝えることになる。なお、瞳
フイルタ201,203は光軸207に対して円形であるから、例
えばθ_１は紙面の垂直方向にも適用され、θ_１以下とい
う表現は円錐形であるが、ここではウエハの段差部208
は紙面に垂直方向に伸びた棒状の構造であるとして２次
元的に説明する。

さて、シユミレータ34は照明絞り201を通った光束を
解析に必要十分な本数のビームの集まりとみなし、ウエ
ハ段差部208の近傍についてそれら１本,1本についての
光線追跡を行う。例えば、第４図（ｃ）の左側に示す様
に、１本のサンプル入射ビーム210に対し、レジスト表
面で反射する光ビーム211、レジストを透過（212）し、
ウエハ表面205で反射（213）し、レジストを透過してゆ
く光ビーム214、あるいはウエハ表面で１回反射したビ
ーム213が再度レジスト表面で反射（215）して、つま
り、レジストとウエハの間を多重反射（216）したの
ち、レジストを透過していく光ビーム217等を追跡して
ゆく。そして、再び顕微鏡30に向って戻って行く光ビー
ム211,214,217の内で、フイルタ203の開口部204を通過
し得ないビーム（第４図（ｃ）では211,217）は除外
し、通過し得るビーム（第４図（ｃ）では214）につい
ては、レジスト表面反射率、レジスト透過率、ウエハの
反射率を勘案して、単位入射強度に対する射出光ビーム
の強度を算出する。なお、より高度なシユミレーシヨン
のためには、光の位相も考慮に入れる必要がある。

要約すると、シユミレータ34は１本のサンプル入射ビ
ームに対しフイルタ203を通過し得る反射ビームだけを
判別し、その反射ビームの射出位置、射出角度、強度、
位相等のシユミレーシヨン結果をメモリーに逐一記憶さ
せてゆく。これら各々のサンプルビームのシユミレーシ
ヨン結果を集合すると、例えば第４図（ｃ）の右側に示
す様に、ビームの集合として表現することができる。こ
の結果によれば、本来のアライメントターゲツトである
ウエハの段差部208の上側エツジ225で反射する光ビーム
の１群222、下側エツジ226で反射する光ビームの１群22
3に対し、本来信号とはいえないレジスト表面からの反
射ビームの１群220と221が存在し、本来の信号光222と2
23と混在して第２図のCCD13に到ることが分る。

シユミレータ34は、さらに、これらの光ビームがCCD
受光面上でどの様な光強度分布（＝電気信号分布）を示
すかを計算することができる。この計算は単純には各位
置に対する光強度の和であるが、正確には光の位相、つ
まり干渉効果も加味して計算される。その結果を第４図
（ｄ）に230で示す。第４図（ｃ）で明らかな様に、ウ
エハエツジからの信号とレジスト表面反射信号がほゞ同
じ位置から出ているために、光ビーム222,223だけの信
号231に対して信号230が大きく歪んでいることが分る。
従って、このサンプルウエハの検出に於いては、フイル
タ201,203の組合せは不適切であると判断できる。

従って、パターン解析装置20の制御回路35あるいはシ
ユミレータ34は、ステツパ１のアライメント光学系12に
おける第２図の照明絞り57と瞳フイルタ60の別の組合せ
に於けるシユミレーシヨンを試みる。次の組合せの例を
第５図により説明する。ここでは第５図（ａ），（ｂ）
に示すように、照明絞り250、受光側絞り253が同様にド
ーナツ状の開口部251,254を持っている。

第５図（ｃ）に於いては、照明光はθ_２以上、θ_３以
下の角度をもってウエハを照射し、受光側絞りは同様に
θ_２以上、θ_３以下の反射光のみを透過してそれ以外の
光は遮光する。ウエハのプロフアイル205とレジストの
プロフアイル206は第４図（ｃ）と同様である。

この絞りの組合せに於いては、レジスト表面とウエハ
下地面が光軸に対し垂直な平面である場所に於いては、
レジスト表面反射光、ウエハ面反射光はすべて受光側絞
り253の開口部254を通ってCCD13に投影される。これら
の光束は、図中、光束260,261,262として示されてい
る。これに対しレジスト表面だけ傾斜している部分に入
射する光ビーム、例えば263に対しては、レジスト表面
反射光264はほゞ光軸な光（角度θ_１以下）となり、ウ
エハ面で反射して（265〜266）レジストからぬけた時の
ビーム267の角度はθ_２より大きくなり、いずれも受光
側絞り253でカツトされる。また、ウエハの段差部（22
5,226等）により散乱した光の一部は、光束270〜273と
して信号光となる。これらをCCD13が受け光強度信号で
表すと第５図（ｄ）になる。ここでは、外乱光と真の信
号光が混在しているものの位置（Ｘ方向）的に分離され
ているために、ａ以上ｂ以下の領域だけに限定して信号
処理すれば、正しい位置検出ができることが理解されよ
う。

さて、第３図に戻るが、上記の最適設定の結果として
得られるシユミレーシヨン信号は例えば第３図（ｂ）の
破線で示される。しかし、この信号自体には未だ外乱成
分、ノイズ成分が残っている。つまり、光学系の対応だ
けでは、例えば、レジスト表面での反射光43や、レジス
ト表面と下地面との反射による膜厚干渉44などの影響を
完全には除去することはできない。本来アライメントの
為に必要な信号は、45,46などアライメントマーク42の
エツジ部で回析してくる光であり、43,44は本来の信号
とはいえない。

従って、シユミレータ34では光線追跡により第３図
（ｂ）のシユミレーシヨン信号を演算するだけでなく、
真の信号はどの部分に多く含まれ、さらにその部分には
どの程度表面反射や膜厚干渉の影響を受けているかを解
析し、その解析の結果、ステツパ１の信号処理系がどの
様な処理アルゴリズムで応ずれば良いかを判断し、制御
回路35を通してその情報と指令をステツパ１側に伝える
ことになる。

例えば、第３図（ｂ）に於いては、ハツチングをほど
こした部分に真のエツジ情報が多いとか、左の領域に対
し右側の領域は何パーセント信号レベルが上がっている
という様な情報である。ステツパ１側では、CCD13から
の画像情報信号をアライメントのために処理する際、こ
の様な画像情報信号は、対称度法、あるいはモーメント
法等で信号の中心値を求める方法が一般的であるが、例
えば対称度法の場合、設定中心に対し±（Ａ）から±
（Ａ＋Ｂ）の領域のデータだけを（あるいはこの領域の
重みを増して）、さらに、左右の領域の重みを変えて信
号処理して中心を求めることになる。例えば、この様な
信号の歪みがレジスト回転塗布時におけるレジスト塗布
特性によるものであり、それがウエハを中心とする放射
状の誤差を発生する恐れのある場合などは、ウエハパタ
ーン解析装置側でサンプルウエハの中心シヨツトと周辺
の数シヨツトについて上記解析を行い、これをステツパ
１側に伝えてやればよい。ステツパ１側はこれを受け
て、ウエハの各位置のシヨツトに応じてこの重みを変え
て信号処理することが出来る。

なお、対称度法とはCCD13の受光面上で所定方向、例
えばＸ方向に配列されている複数の画素のｋ番目の画素
の出力をｆ（ｋ）とする時、ｊ番目の画素を中心とし
て、正負の各方向のI₀個の画素の出力を用いて、を計算し、ｊを所定量のブラシフトしながら計算した各
Ｍ（ｊ）の中で最小となるｊの位置をCCD13からの画像
信号のＸ方向における中心と判定する方法である。ま
た、モーメント法はＭ（ｊ）をで計算し、同様に中心を求める方法である。

〔他の実施例〕

前記実施例では、解析装置20側は、解析、シユミレー
シヨンの結果をステツパ１側に伝える方法を採っている
が、解析装置20側にステツパ１と同じ検出光学系、例え
ば、照射光の波長、ウエハに対する照明光の照明角とウ
エハからの反射光の受光角（第５図（ｃ）ではθ_２以上
θ_３以下）が同じ検出光学系と、信号処理系を持つこと
によりこのシステムをより有効にすることができる。な
お、信号処理系はステツパ１側の処理系を兼用しても良
い。そうすることにより解析装置20に於いて、シユミレ
ーシヨンの結果（信号）と実際のステツパ１側の検出系
の信号を容易に突き合わすことが出来、事前に結果を知
ることができる。これによる利点は述べるまでもないで
あろう。

また、前記実施例に於いては、ウエハパターン解析装
置20は、すでにレジストが塗布されたウエハを解析して
いるが、これにレジストコータとデイベロツパを組合せ
て、インライン化あるいはシステム化すれば、より有効
でよりフレキシブルな対応が可能となる。

第６図にインライン化の一実施例の平面配置図を示
す。図面上、パターン解析装置20（中央上側）を中心と
して、右側がステツパー本体１、左側下方がコータ72、
その上側がデイベロツパ73である。この４つのシステム
の間のウエハのやりとりの為に、ウエハ搬送系74が中央
部に配置される。図中、75,76はステツパ１側とコータ
デイベロツパ70側とのウエハ搬送の高さを調整するため
のブアツフア部であるが、この上部にウエハを収納する
ウエハカセツトが配置される。ハンド77、ハンド78は伸
縮、回転、上下自在のウエハハンドで、各システムから
ウエハの着脱可能に設計されている。ハンド77,78の機
構部を含むスライダ79、スライダ80はＹ軸81に沿って移
動可能で、これらの動作によりウエハカセツトとのウエ
ハの供給、回収、及び解析装置20、ステツパ１、コータ
72、デイベロツパ73のそれぞれに対しウエハの供給、回
収が可能となる。

この第６図に示したシステムを用いた場合の本発明に
もとづくウエハの流れをフローチヤートとして、第７図
に示す。第７図はコータデイベロツパ70、ウエハ解析装
置20、ステツパ１をそれぞれ縦列でブロツク化してあ
り、それぞれの作業をその下方に示す矩形ブロツクで、
分岐を菱形で、ウエハの流れを実線矢印で示してある。
破線の矢印はウエハ解析装置20からステツパ１への指
令、情報、データを示している。各分岐の判断は、オペ
レータの事前の選択によりステツパ１の制御回路14ある
いは解析装置20の制御回路35が行う。

第７図のフローチヤートはいくつかの実施例を混合し
て示してあるので、以下、各々の実施例を第８図（ａ）
〜（ｆ）を用いて説明する。第７図の各ステツプにおい
て、ステツプ100,103,104,111,112,116,117はコータデ
ベロツパ70の各動作を示し、ステツプ102,106,107,109,
114はウエハパターン解析装置20の動作を示し、更にス
テツプ110はステツパ１の動作を示している。また、ス
テツプ101はステツプ100でカセツトから供給されたウエ
ハに対してステツプ102でレジスト無しの状態で検定を
行うかどうかを判定するステツプ、ステツプ105はステ
ツプ104でプリベークされたウエハをそのまま露光のた
めのステツプ110に送るか、レジストを塗布したウエハ
を検定するためのステツプ106、またはマーク部分のレ
ジスト窓ヌキのためのステツプ108へ送るかを判定する
ステツプ、ステツプ108はステツプ107からのウエハをそ
のままステツプ110に送るか、窓ヌキ部分のマーク検定
のためのステツプ109に送るかを判定するステツプ、ス
テツプ113はステツ112で現像されたウエハをステツプ11
6で回収するか、露光結果読み取りのためのステツプ114
へ送るかを判定するステツプ、ステツプ115はステツプ1
14からのウエハをステツプ116で回収するか、レジスト
剥離のためのステツプ117に送るかを判定するステツプ
であり、これらの各判定ステツプは、前述の如く、オペ
レータの事前の設定により任意に選択される。なお、こ
れらの各判定ステツプは以降の第８図（ａ）〜（ｆ）の
各実施例の説明では説明の簡単のため省略する。

最初にあげた実施例をこのシステムで処理すると、第
８図（ａ）に示す如く、ステツプ100でのカセツトから
ウエハ供給、ステツプ103でのレジストコーテイング、
ステツプ104でのプリベーク、ステツプ106でのレジスト
塗布したウエハの検定、ステツプ110でのステツプアン
ドリピート露光、ステツプ111でのポストベーク、ステ
ツプ112での現像、ステツプ116でのウエハ回収という手
順になる。前述した通り、本発明の効果によりステツプ
110でステツプアンドリピート露光されたウエハは、従
来よりも卓越した精度で処理されることになる。

次の実施例として、第８図（ｂ）に示す露光済ウエハ
の検定について述べる。ステツプ110で露光処理された
ウエハは、デイベロツパ70に移され、ステツプ111のポ
ストベーク、ステツプ112の現像工程を経て、はじめて
レジストパターンという形で観察可能となる。ここでス
テツプ113の判断により、アライメント結果判定のため
に再度ウエハパターン解析装置20に戻される。そして、
ステツプ114でウエハ内複数箇所のサンプルシヨツトに
ついて精度判定を行う。この実施例に於いての精度分布
は、ランダム誤差成分よりはむしろ法則性のある誤差、
つまり、一様なXYのシフトとか、放射（倍率）度とかに
着目することになる。というのは、ランダム成分は多分
に検出系の実力で即時に改良するのは困難であるのに対
し、法則的な誤差は修正が容易と考えられるからであ
る。この結果は、ステツパ１の処理系14にフイードバツ
クするか、あるいはステツパ１側に定量オフセツトを与
える様な指示により、次のウエハからより精度の高いア
ライメント／露光処理（ステツプ110）につなげること
が出来る。サンプルウエハ自体は、ステツプ115の判断
により精度があ許容値内であればステツプ116でウエハ
カセツトに回収し、許容値を外れていればコータデイベ
ロツパ70に戻し、ステツプ117でのレジスト剥離後、再
びレジストコートのステツプ103に戻すことになる。

第８図（ｃ）の実施例は、第８図（ａ）の実施例の前
段階に於いて、レジスト塗布前のサンプルウエハを解析
しようとするもので、第８図（ａ）のフローにおいて、
ステツプ101と103の間にステツプ102のレジスト無しの
ウエハ検定という工程が追加されたものである。この工
程を加えるメリツトは２つ載げられる。１つは先述のレ
ーザー顕微鏡30を使って、ウエハアライメントマークの
断面形状をより正確に計測することができることであ
る。これは言うまでもなく、レジストが無いことによ
る。もう１つのメリツトは、レジスト無しの場合（ステ
ツプ102）とレジスト有りの場合（ステツプ106）のシヨ
ツト間距離を計測して、その差を知ることで、レジスト
騙され量を知ることが出来る点である。測距は顕微鏡30
とレーザー干渉測長器27によって成される。この例で
も、先例と同様に、ステツパ側の信号処理系14にフイー
ドバツクするか、あるいは定量オフセツトを与える指示
を出すことになる。

第８図（ｄ）〜（ｆ）に示す実施例は、いったんレジ
スト塗布されたウエハについて、ステツプ107でアライ
メントマーク近傍のレジストを除去し、この後ステツプ
109で窓ヌキ部分のマークを検定することにより成立す
るもので、そのために、解析装置20の顕微鏡30に露光光
学系を付加する必要がある。本実施例の目的からは、露
光時のウエハの位置決め精度は数ミクロンあれば十分で
あるから、アライメント光学系の横に露光光学系を併設
することで十分事足りるが、先の実施例で述べた様に、
ステツパ１と同じ、つまり露光光≒アライメント光の検
出光学系を解析装置20側にも設けるとすれば、例えば第
９図の様な光学系が考えられる。

光学系はこの場合ステツパそのものとごく似た構成に
なる。ただし、観察視野が小さいので、言あばミニステ
ツパとなる。光学系そのものは発明の主旨からはすこし
外れているのでごく簡略化して説明する。対物レンズ12
2の下方にはウエハ５が置かれ、光学系の途中にはレチ
クル８′が配置される。ステツパ１の露光光と同じ波長
（λ_Ｅ）を持つ光源124を含むλ_Ｅ照明系123からの照明
光は、ビームスプリツタ133,134を経てレチクル８′を
照射する。レチクル８′のパターンはビームスプリツタ
135とλ_Ｅ投影系140（ビームスプリツタ137）を経てウ
エハ５上に結像する。ウエハ５を反射した光は逆の経路
を通ってレチクル８′で面結像し、さらに、ビームスプ
リツタ134,133を経由して、λ_Ｅ検知系126のデイテクタ
125により電気信号に変換される。

λ_１照明系128は、その光源127からの光をビームスプ
リツタ136とλ_１投影系141（ミラー138,ビームスプリツ
タ137）を経てウエハ５に照射する。ウエハ５で反射し
た光は、逆に対物レンズ122、ビームスプリツタ137、ミ
ラー138、ビームスプリツタ136,135の順に経由して、レ
チクル８′上で結像し、さらにビームスプリツタ134を
経て、λ₁,λ_２検知系129のデイテクタ130により電気信
号に変換される。また、λ_２照明系131はレチクル照明
専用で、λ_２光源132を発した光はビームスプリツタ13
6,135の経路でレチクル８′を照明し、その影パターン
をλ₁,λ_２検知系129で受光する。

以上、第９図に例示する光学系は、ウエハパターン解
析装置であると同時に露光機としての機能を持っている
事が理解されよう。この中でレチクル８′はアライメン
ト解析の時は、顕微鏡の基準として働き、露光機として
使用する場合はパターン原板の役割を荷う。

ここで本題の第８図（ｄ）〜（ｆ）の実施例に戻る。
この実施例は、正確にはさらに２つの実施例に分離する
のが妥当である。つまり、（ａ）アライメントマーク領
域全体をレジスト剥離する方法と、（ｂ）アライメント
マーク領域にレチクルの転写パターン、つまりレジスト
像を残す方法である。また、レジストを部分除去する手
段も２種類考えられる。つまり、（イ）露光光が例えば
エキシマレーザーの強いパルス光であり照射によってレ
ジストをとばしてしまう方法と、（ロ）通常の露光を与
え、現像により選択除去する方法である。

（ａ）の目的は、（イ），（ロ）に関係なく、ステツ
パ側でアライメント行為をする際、アライメントマーク
にレジストが存在せず、従って、アライメント精度の向
上がはかれることが狙いであり、この方法自体は周知の
ものである。この場合、すべてのウエハについて、この
処理をほどこすことになり、そのフローは第７図で説明
すれば、（ａ）の（イ）の場合、ステツプ100、ステツ
プ101、ステツプ103、ステツプ104、ステツプ105、ステ
ツプ107、ステツプ110となり、（ａ）の（ロ）の場合ス
テツプ100、ステツプ101、ステツプ103、ステツプ104、
ステツプ105、ステツプ106、ステツプ107、ステツプ11
1、ステツプ112、ステツプ113、ステツプ108、ステツプ
110となるが、（ａ）の方法については、ここでは第６
図に示す様なシステム構成により実施し得ると言うにと
どめる。

（ｂ）の目的は解析である。第10図（ａ）はアライメ
ントマーク領域150内にあるＸ用マーク151、Ｙ用マーク
152に対しハツチングで示した部分153,154のみにレジス
トを残した状態を示している。第10図（ｂ）には第10図
（ａ）のAA断面を示してある。この様な状態のアライメ
ントマークを局部的なブロツクごとに解析することによ
り、レジストで被われた部分とレジスト無しの部分で信
号にどの様な差があり、例えば対称度による中心検出値
がレジストありなしでどの程度シフトするかを解析する
ことができる。

第８図（ｄ）〜（ｆ）の実施例はサンプル解析であ
り、全ウエハについて行う必要はない。サンプルとして
使用したウエハに関しては、その後（ｉ）レジストを全
部剥離して再塗布する場合と、（ii）解析に用いたアラ
イメントマークと異なる部分のマークを使用する前提で
そのままステツパ１に流す場合に分けられる。

第８図（ｄ）に示す（ｂ）の（イ）の（ｉ）の場合に
は、ステツプ100、ステツプ103、ステツプ104、ステツ
プ105、ステツプ107、ステツプ108、ステツプ109、ステ
ツプ117、ステツプ103、ステツプ104、ステツプ105、ス
テツプ110、ステツプ111、ステツプ112、ステツプ116の
順で、第８図（ｅ）に示す（ｂ）の（イ）の（ii）の場
合には、ステツプ100、ステツプ103、ステツプ104、ス
テツプ105、ステツプ107、ステツプ108、ステツプ109、
ステツプ110、ステツプ111、ステツプ112、ステツプ116
の順で、コータデベロツパ70、ウエハ解析装置20、ステ
ツパ１によるウエハの処理が実行される。また、第８図
（ｆ）に示す（ｂ）の（ロ）の場合には、ステツプ10
0、ステツプ103、ステツプ104、ステツプ107、ステツプ
111、ステツプ112、ステツプ113、ステツプ109、ステツ
プ110、ステツプ111、ステツプ112、ステツプ113、ステ
ツプ116の順となる。

これらの行為によって得られた解析結果は、もちろ
ん、先の実施例で述べた様に、ステツパ１側の検出光学
系のパラメータの設定、あるいはステツパ１側の信号処
理アルゴリズム設定に用いる。また、ごく簡易的には第
11図に示す様な放射状の誤差傾向が認められる場合など
には、このデータから放射度（中心からの距離ｒに比例
した誤差成分係数）として、ステツパ１に与え、ステツ
パ１側はこれに従いアライメント位置に対してこの量を
オフセツトして露光するという単純な方法ももちろん成
立する。

〔発明の効果〕

以上述べてきた様に、本発明によればウエハパターン
解析装置の導入により、アライメントマーク部の特徴を
きめ細かく解析し、その結果をステツパ側に伝えること
が可能になり、その結果、ステツパ側は自由度の少ない
アライメント検出系を持ちながらも、最適の検出光学系
と最適の信号処理アルゴリズムを用意してウエハを持つ
ことができ、その結果処理時間の短縮はもちろん、アラ
イメントの大幅な向上を達成することが可能となる。

さらに、コーターデイベロツパとインラインを組むこ
とにより、レジスト窓ヌキプロセスも実施でき、また、
アライメント／露光の結果を判定する検査機としても活
用できるなど、解析装置以外の用途にも応用できるフレ
キシブルなシステムを構築することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体製造装置の基本構成を概念的に
示す図、第２図は第１図のステツパの光学系を概念的に
示す図、第３図はウエハ上のアライメントマークの断面
とそのアライメント信号を示す図、第４図は第３図のマ
ーク断面とアライメント信号をより詳細に示す図、第５
図は第１図のウエハパターン解析装置のシユミレーシヨ
ンの状態を説明する図、第６図は第１図のシステムに更
にコータデイベロツパをインライン化して配置した実施
例を示す図、第７図は第６図の実施例の動作を示すフロ
ーチヤート、第８図は第７図の実施例をより詳細に示す
フローチヤート、第９図は本発明のウエハパターン解析
装置のアライメント／露光光学系の一例を示す図、第10
図はウエハ上のアライメントマークの部分レジスト除去
を説明する図、第11図はウエハ上のアライメント誤差
（放射状誤差）の発生状況を示す図である。１……ステツパ５……ウエハ８……レチクル 10……投影レンズ 14……制御回路 20……ウエハパターン解析装置 34……シユミレータ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】投影光学系を介して、レチクルに形成され
たパターンをウエハ上のレジストに露光する半導体製造
装置において、前記ウエハにレジストを塗布する塗布手段と；前記塗布手段により前記ウエハにレジストを塗布する前
に、前記ウエハ上に形成されたアライメントマークの断
面形状を検出する断面形状検出手段と；前記塗布手段により前記ウエハにレジストを塗布した後
に、投影光学系を介し前記アライメントマークからの光
を光電変換し信号を出力するアライメント信号検出手
段；前記断面形状に基づいて前記信号の処理アルゴリズムを
決定し、前記信号を前記決定された処理アルゴリズムで
信号処理し、前記アライメントマークの位置を求める処
理手段とを有することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】前記処理手段は、前記断面形状をモデルと
して、検出される信号をシュミレーションするシュミレ
ータを有することを特徴とする請求項１の半導体製造装
置。
【請求項３】前記断面形状検出手段は、レーザ走査顕微
鏡を有することを特徴とする請求項１の半導体製造装
置。
【請求項４】投影光学系を介して、レチクルに形成され
たパターンをウエハ上のレジストに露光する半導体製造
方法において、前記ウエハにレジストを塗布する前に、前記ウエハ上に
形成されたアライメントマークの断面形状を検出する段
階と；前記ウエハにレジストを塗布した後に、投影光学系を介
し前記アライメントマークからの光を光電変換し信号を
出力する段階と；前記断面形状に基づいて前記信号の処理アルゴリズムを
決定する段階と；前記信号を前記決定された処理アルゴリズムで信号処理
し、前記アライメントマークの位置を検出する段階とを有することを特徴とする半導体製造方法。
【請求項５】前記決定段階は、前記断面形状をモデルと
して、検出される信号をシュミレーションする段階を有
することを特徴とする請求項４の半導体製造方法。