JP2692965B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は位置検出装置に関し、例えば半導体露光装置
のマスクあるいはレチクル等（以後マスクで総称する）
の第一物体上に形成されている微細電子回路パターンを
ウエハ、感光基板等（以後ウエハで総称する）の第２物
体面上に露光転写する際に両物体を位置合わせ（アライ
メント）するのに好適な位置検出装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

従来より半導体製造用の露光装置においては、マスク
とウエハの相対的な位置合わせは性能向上を図る為の重
要な一要素となっている。特に最近の露光位置における
位置合わせにおいては、半導体素子の高集積化の為に、
例えばサブミクロン以下の位置合わせ精度を有するもの
が要求されている。

多くの位置合わせ装置においては、マスク及びウエハ
面上に位置合わせ用の所謂アライメントパターンを設
け、それらより得られる位置情報を利用して、双方のア
ライメントを行っている。このときのアライメント方法
としては、例えば双方のアライメントパターンのずれ量
を画像処理を行うことにより検出したり、又は米国特許
第4037969号公報や特開昭56−157033号公報で提案され
ているようにアライメントパターンとしてゾーンプレー
トを用い該ゾーンプレートに光束を照射し、このときゾ
ーンプレートから射出した光束の所定面上における集光
点位置を検出すること等により行っている。

一般にゾーンプレートを利用したアライメント方法
は、単なるアライメントパターンを用いた方法に比べて
アライメントパターンの欠損に影響されずに比較的高精
度のアライメントが出来る特長がある。

フレネルゾーンプレート等の物理光学素子を用いたマ
スクとウエハの相対位置検出方法としては他に米国特許
第4311389号公報に示すものがある。以下にこの方法を
説明する。

第７図は同方向を説明する為のマスクとウエハとの物
理光学素子の関係を示した説明図である。同図において
68bはｘ方向にのみ集光作用を有する様に、線状の不透
明部と透明部が交互に形成されたマスク68上の線状フレ
ネルゾーンプレート、60bはウエハ60上に、ｙ方向に並
べて設けられた回折格子である。線状フレネルゾーンプ
レート68bは入射した光束をｘ方向に集光し、ウエハ60
面上でｙ方向に長手方向を有するスリツト状に焦点を結
ぶ。このスリツト状焦点がウエハ60上の焦点に重なると
回折光69が発生し、この回折光が不図示のデイテクタに
より検出される。不図示の照明系によつてフレネルゾー
ンプレート68b上を光走査し、焦点が回折格子60bと重な
る時にデイテクタが検出する光強度変化により、回折格
子68bのフレネルゾーンプレート68bに対する位置、即ち
マスク68とウエハ60との相対位置関係を検出する。

第８図は本方法における物理光学素子と入射光出射光
との関係を説明する為に素子を側面から見た説明図であ
る。線状フレネルゾーンプレート68bに斜方向から図面
下向きの矢印の様に入射する光束70aはゾーンプレート6
8bにより実線矢印の如くウエハ60上に集光する。集光位
置に回折格子60bが配置されている場合、集光光束は回
折されて飛散し、再びゾーンプレート68bに入射し、ゾ
ーンプレート68bによって、図で斜線で示す様に、デイ
テクタの存在する方向Ｄに偏向される。この斜線で示し
た出射光束70bを不図示のデイテクタで光強度検出して
相対位置検出が実行される。

〔発明が解決しようとしている問題点〕

しかしながら、この様な従来例においては、第８図に
示す様に、出射光束は70bの他に図に破線で示した様な
マスクやウエハ面上での正反射光束や、その他の回折光
等が光束70bとは異なる方向、具体的にはマスク面上へ
の斜影成分が（不図示の）光束を照射する手段のある方
向と対向する様な方向に出射する。この為、例えばより
多くの位置情報を得る為に、この様な光束照射手段及び
デイテクタを複数設けた場合には、特にマスク面上への
斜影成分が一つの光束照射手段の光束照射方向と略方向
する方向に存在する他の光束照射手段からの光束用デイ
テクタに、対向する光束照射手段のこれら正反射光束等
の不要光が入射し、デイテクタからの信号にノイズが含
まれる事になり、位置検出手段の位置検出情報の精度は
悪化し半導体露光装置の位置合わせ精度が悪化しプロセ
ス上の問題となる。

本発明は前述従来例の欠点に鑑み、複数の位置検出情
報を得る為に複数の光束照射手段と受光手段とを設けた
場合にも常に高精度な位置検出を可能にする位置検出装
置を提供する事を目的とする。

〔問題点を解決する為の手段及び作用〕

本願発明は、位置検出すべき物体上に第一の光束を照
射する第一照射手段と、第一照射手段で照射された物体
からの第一の光束を受光することによって前記物体の位
置を検出する第一検出手段と、物体上に第二の光束を照
射する第二照射手段と、第二照射手段によって照射され
た物体からの第二光束を受光することによって物体の位
置を検出する第二検出手段と、第一及び第二検出手段に
よる物体の位置検出時に第二照射手段による物体照射光
束の物体による正反射方向に第一検出手段が位置しない
ように第二照射手段あるいは第一検出手段の位置を制御
する制御手段とを設ける事により、受光すべき光束を照
射する光源以外の光源からの光を検出しにくくし、高精
度な位置検出を実現するものである。

〔実施例〕

第１図（Ａ），（Ｂ）に本発明の第１実施例を含む半
導体露光装置の外観の、それぞれ部分斜視図、上面図を
示す。図中、１は照射手段及び検出手段であるピツクア
ツプ、２はピツクアツプ１を保持する支持部材、３はピ
ツクアツプ１をマスクに形成されているマスクアライメ
ントマーク及びウエハに形成されているウエハアライメ
ントマーク上にアライメントを行う光束を移動させるた
めのステージである。４はステージ３を移動させピツク
アツプの位置を移動する駆動部である。５はステージ３
を移動させピツクアツプの位置を移動する駆動部４はピ
ツクアツプ１の位置を指定するピツクアツプ位置制御部
である。

104はアライメントを行う光束,105は例えばポリイミ
ド等の材質のフイルムに金等で半導体パターン及びアラ
イメントマークが形成されているマスクであり、105aは
マスクに形成されているマスクアライメントマークであ
る。105bは転写用パターン形成部である。

尚、パターン形成部105bのＺ方向には、不図示の、パ
ターンをウエハ上に転写する為の線源、例えばｘ線源、
エキシマレーザ光源等が配置されている。

第１図（Ａ）（Ｂ）に示す様に、この半導体露光装置
に使用されるピツクアツプ１は、パターン形成部105bに
対して、検出方向と光束照射方向が互いに90゜異なる様
な位置に４つ配置されている。この４つの位置を図の様
にPU−U,PU−R,PU−D,PU−Ｌとする。４つのピツクアツ
プ１はすべて同一構成のものである。

第２図はピツクアツプ１とその周辺部の構成を示す説
明図である。ここではPU−Ｕの位置のピツクアツプで代
表しつ説明する。

第２図において、101は発光素子である半導体レー
ザ、102はコリメータレンズであり半導体レーザ101から
出力される光束を平行光にしている。

103はハーフミラーであり、半導体レーザ101からの光
束をマスク、ウエハ方向へ反射させ、さらにマスク、ウ
エハからの光束を透過させている。106は半導体パター
ン及びアライメントマークが形成されているシリコン等
のウエハであり、106aはウエハアライメントマークであ
りウエハ106に形成されている。マスクアライメントマ
ーク105a及び、ウエハアライメントマーク106aは、フレ
ネルゾーンプレートで形成されている。

107はマスク105に形成されているマスクアライメント
マーク105aとウエハ106に形成されているウエアアライ
メントマーク106aにより回折したアライメント（マスク
ウエハずれ）情報を持つ光束である。108は光電変換素
子（ラインセンサとも記す）であり例えばCCD等のライ
ンセンサである。そしてマスクアライメントマーク105a
とウエハアライメントマーク106aにより回折したアライ
メント（マスクウエハずれ）情報を持つ光束107を受光
する。109は半導体レーザ101を駆動するLDドライバ、11
0はラインセンサ108を駆動するラインセンサドライバで
あり、111はラインセンサ108の出力である位置情報を持
つ光束107の位置を計算する信号処理部である。

第２図において、マスク105のマスクアライメントマ
ーク105a（あるいはマスク）とウエハ106のウエハアラ
イメントマーク106a（あるいはウエハ）の相対位置（マ
スクウエハずれ）は、各々のピツクアツプで以下のよう
に求めることができる。

半導体レーザ101を出射した光束104はコリメータレン
ズ102により平行光になり、ハーフミラー103でウエハ方
向で反射し、マスク105を透過する。透過した光束はウ
エハアライメントマーク106aのレンズ作用で、マスクア
ライメントマーク105aの方向へ集光（あるいは発散）さ
せる様に反射回折される。更に入射したマスクアライメ
ントマーク105aのレンズ作用でラインセンサ108の方向
に発散（あるいは集光）させる様に透過回折される。そ
の後ハーフミラー103を透過した光束107はラインセンサ
108上にスポツトを形成する。ラインセンサ108の素子配
列方向はここではｘ方向に一致する。今ここで装置に固
定されているマスク105に対し、ウエハ106がｘ方向に位
置変動を起こした場合マスクとウエハのアライメントマ
ーク105a,106aはレンズ系内でレンズ同士がいわゆる軸
ずれを起こしたのと同じ状態になり、出射光束の出射角
が変動する。この為ラインセンサ108上のスポツトはマ
スクとウエハとのｘ方向相対ずれ量に応じた量だけライ
ンセンサ108の素子配列方向に移動する。マスクとウエ
ハとの相対ずれ量がそれ程大きくない範囲ではスポツト
の移動量はマスクとウエハとの相対ずれ量に比例する。
マスクとウエハのアライメントマーク105a,106aは、ラ
インセンサ108上でのスポツトのｘ方向移動量がマスク
とウエハとのｘ方向相対位置変動量の、１より大きな所
定倍（例えば100倍）になる様にｘ方向のレンズパワー
を設定されている。従ってマスク設定時に、マスクとウ
エハとのｘ方向相対位置ずれがない状態でのラインセン
サ108上のスポツトの重心位置をためし焼で求め、これ
を基準位置として記憶しておき、マスクとウエハとの相
対位置検出時にラインセンサ108上に形成されたスポツ
トの重心位置の基準位置からのずれ量をラインセンサ10
8を用いて計測すれば、このずれ量がマスクとウエハと
のｘ方向相対位置ずれ量の既知の所定倍になっているの
で、計算によりｘ方向相対位置ずれ量を求める事ができ
る。ここでスポツトの重心位置とはラインセンサ108の
受光面上において、受光面内各点のこの点からの位置ベ
クトルにその点の光強度を乗算したものを受光面全面で
積分した時に積分値が０ベクトルになる点のことであ
る。

次にピツクアツプ位置制御部５によるピツクアツプ位
置制御について説明する。

第３図はピツクアツプの位置と出射光束との関係を説
明する為の上面図である。図中801は照射光束104のマス
クあるいはウエハにおける正反射方向を示す。正反射方
向とはここではマスクあるいはウエハの法線とマスクあ
るいはウエハ上での正反射光の光路とを含む面の中に含
まれる方向を言うものとする。この方向にはマスク、ウ
エハ上での正反射光や大強度の不要回折光、大強度散乱
光が含まれる。ピツクアツプ位置制御手段はあらかじめ
位置検出すべきマスクとウエハのアライメントマークの
位置が入力されており、位置検出時には、互いに各ピツ
クアツプからの光束の正反射方向に位置しない様に各ピ
ツクアツプ（特にラインセンサ）の位置あるいは姿勢を
調整する。

本実施例の場合、各マスクアライメントマーク105aと
ウエハアライメントマーク106aの位置は第３図に示すよ
うにパターン形成部105bを中心として互いにピツクアツ
プからの光束の正反射方向にならないように配置されて
いる。

この様な配置なので各ピツクアツプの姿勢は変化させ
ず、それぞれ横方向に移動させる様にステージを移動す
るだけで図に示す様に、各ピツクアツプ（特にラインセ
ンサ）が互いの出射光束の反射位置に来ない様にする事
ができる。即ちPU−U,PU−D,PU−L,PU−Ｒ全てのピツク
アツプにおいて、対向するピツクアツプ（すなわちPU−
ＵとPU−D,PU−ＬとPU−Ｒ）の発光素子の光束104のマ
スクやウエハによる強度が特に強い不要回折光や散乱光
等をラインセンサ108は受光しにくい。

そのためラインセンサ108上のアライメント情報を持
つ光束107の形状は変化しにくい。従ってアライメント
情報を持つ光束107の位置例えば重心位置は変化しにく
く、高精度な検出が維持される。

上述した様に各アライメントマークの位置関係があら
かじめ調整されていれば、姿勢を変える必要なく、ピツ
クアツプを横方向（図の各両矢印方向）に所定量移動さ
せるだけで互いの照射光束の反射方向に互いが位置しな
い様に調整できる。制御手段にはこの所定量を入力して
おくだけでもよい。

この時各ピツクアツプ内のラインセンサにアライメン
トマークからの信号光束が、入射する様に各アライメン
トマークのパワー、偏向方向をあらかじめ調整してお
く。

第４図に、各アライメントマークの他の位置関係の例
を示す。この場合も各ピツクアツプを横に移動させて前
述の位置調整可能である。

つぎに第２の実施例を説明する。

通常、本発明に使用する位置合わせ装置は、半導体露
光装置等のマスクに形成されている微細な電子回路パタ
ーンをウエハに露光転写する際にマスクとウエハとの位
置決め（アライメント）をおこなうために使用される。

集積回路等の半導体のプロセスは、例えばプロセス毎
にマスクに形成された電子回路パターンの位置合わせを
行い、電子回路パターンの露光を繰り返すことによっ
て、シリコン等のウエハに半導体回路を形成する。

そのため通常、アライメントマークは、プロセス毎に
マスクに形成された電子回路パターンに対応して特定の
場所に形成されている。例えば８種類のマスクを使うプ
ロセスでは半導体パターンに隣接して形成されるアライ
メントマークは、８個必要になる。

第２の実施例において、この点を鑑みアライメントマ
ークの配置すなわちピツクアツプの配置について説明す
る。

本実施例ではアライメントマークの数が８個の例につ
いて説明する。

第５図は第２図の実施例で用いるアライメントマーク
の配置を示す図である。

第２の実施例の構成は、第１の実施例と同一図面で説
明するので、各番号と名称の説明は省略する。

第５図に示すように、不図示のウエハアライメントマ
ーク106aとマスクアライメントマーク105aは、アライメ
ントマーク内の番号で示す順番でプロセス毎に特定の場
所に形成される。

そして第１回目のプロセスの位置合わせにおいて、ピ
ツクアツプ位置制御部５は、各ピツクアツプ１（PU−U,
PU−D,PU−L,PU−Ｒ）を１番目のマスクアライメントマ
ーク105aに対応した位置にステージ３を横移動して配置
する。そして各ピツクアツプ１は、第１実施例と同様に
アライメント情報を求める。

同様に第２回目以降のプロセスの位置合わせにおいて
も、ピツクアツプ位置制御部５は、各ピツクアツプ１
（PU−U,PU−D,PU−L,PU−Ｒ）をプロセスに応じた番号
のマスクアライメントマーク105aに対応した位置にステ
ージ３を移動し配置する。そして各ピツクアツプ１は、
１回目のプロセスと同様にアライメント情報を求める。

第２の実施例において第１の実施例同様、対向するピ
ツクアツプ（PU−ＵとPU−D,PU−ＬとPU−Ｒ）の位置は
互いにピツクアツプの発光素子の光束104の正反射方向8
01にない配置である。そのため、PU−U,PU−D,PU−L,PU
−Ｒ全てのピツクアツプにおいて、対向するピツクアツ
プの発光素子の光束104のマスクやウエハによる強度が
特に強い不要回折光や散乱光等をラインセンサ108は受
光しにくい。

さらに、互いに隣接するピツクアツプ（例えばPU−Ｕ
に対してPU−ＬとPU−Ｒ）間の距離がプロセス毎で常に
等しく、そして第１の実施例で示した第４図の様に互い
に隣接するピツクアツプ間の距離が短くならないため、
PU−U,PU−D,PU−L,PU−Ｒ全てのピツクアツプにおい
て、互いに隣接するピツクアツプの発光素子の光束104
のマスクやウエハによる不要回折光や散乱光等をライン
センサ108は受光しにくい。

そのためラインセンサ108上のアライメント情報を持
つ光束107の形状は第１の実施例に比較してさらに変化
しにくい。そしてアライメント情報を持つ光束107の位
置例えば重心位置は、さらに変化しにくい。

以上の実施例では第１物体（マスク）と第２物体（ウ
エハ）との対向方向に垂直な方向に沿った位置ずれを検
出する装置について述べたが、第２物体の高さを検出あ
るいは第１物体と第２物体との対向方向に沿った位置関
係即ち間隔を測定する装置についても本発明は適用でき
る。以下その実施例を説明する。

第６図は本発明の第３実施例の位置PU−Ｕにおけるマ
スク、ウエハ部概略図である。第６図（ａ），（ｂ），
（ｃ）はそれぞれマスク、ウエハ部の正面図、側面図、
上面図である。ピツクアツプ部の構成は第１図（Ａ），
（Ｂ）及び第２図と同様である。

同図において1101は半導体レーザ101からの光束であ
る。半導体レーザーは例えばHe−Neレーザー等に換えて
もよい。1102は第１物体で例えばマスク、1103は第２物
体で例えばウエハである。1104,1105は各々マスク1102
面上の一部に設けた第1,第２物理光学素子で、これらの
物理光学素子1104,1105は例えば回折格子やゾーンプレ
ート等から成っている。

ラインセンサ108は第１の実施例と同様素子配列方向
はｘ方向であり入射光束のスポツトの重心位置を検出し
ている。信号処理部111はここでは受光手段108からの信
号を用いて受光手段108面上に入射した光束のスポツト
の重心位置を求め、後述するようにマスク1102とウエハ
1103との間隔を演算し求めている。

本実施例においては半導体レーザー101からの光束110
1（波長λ＝830nm）をマスク1102面上の第１フレネルゾ
ーンプレート（以下FZPと略記する）1104面上の点に斜
めに入射させている。そして第１のFZP1104からの角度
θ１で回折する所定次数の回折光をウエハ1103面上の点
Ｂ（Ｃ）で反射させている。このうち反射光1131はウエ
ハ1103がマスク1102との間隔d_Oの位置P1に位置している
ときの反射光、反射光1132はウエハ1103が位置P1から距
離d_Gだけ変位して、位置P2にあるときの反射光である。

次いでウエハ1103からの反射光を第１物体1102面上の
第２のFZP1105面上の点Ｄ（ウエハがP2にある時はＥ）
に入射させている。

尚、第２のFZP1105は集光レンズの様に入射光束の入
射位置に応じて出射回折光の射出角を変化させる光学作
用を有している。この時のFZP1105の焦点距離をf_Mとす
る。

そして第２のFZP1105から回折した所定次数の回折光1
161（ウエハがP2にある時は1162）を受光手段1108面上
に導光している。

そして、このときの受光手段1108面上における入射光
束1161（ウエハがP2にある時は1162）の重心位置を用い
てマスク1102とウエハ1103との間隔を演算し求めてい
る。

ここで、本実施例においては、第１のFZP1104は単に
入射光を折り曲げる作用をしているが、この他収束、又
は発散作用を持たせるようにしても良い。

演算の方法を以下に述べる。FZP1105の焦点位置から
受光手段までの距離をl_S、ウエハがP1からP2までギヤツ
プ変化した時の受光手段108上での光束の移動量をＳと
すると以下の式が成り立つ。

ここで AD＝2d_Otanθ１ AE＝２（d_O＋d_G）tanθ１ ∴dM＝DE＝AE−AD＝2d_Gtanθ１ 従って、 となる。l_S,f_M,θ，は前もって求めておく事が可能であ
る。よって受光手段で光束の移動量Ｓを求めれば、この
式よりd_Gが求まり、これによりマスクとウエハの間隔が
検出される。この時l_Sの値を大きくとる事でd_Gの値に対
するＳの値を大きくし、微細なギャップ変化量を拡大し
た光束移動量に変換して検出する事ができる。

マスク1102とウエハ1103は最初に図に示す様に基準と
なる間隔d_Oを隔てて対向配置されている。この時のd_Oの
値は例えばTM−230N（商品名：キヤノン株式会社製）等
の装置を用いて測定可能である。

以上の様な構成において、ピツクアツプ位置制御部５
は第１実施例同様、間隔測定時に互いに各ピツクアツプ
からの光束の反射方向に位置しない様に各ピツクアツプ
（特にラインセンサ）の位置（あるいは姿勢）を調整す
る。例えばFZP1104が第３図の様に配置されれば各ピツ
クアツプを第３図の様に移動させ、第４図の様に配置さ
れれば第４図の様に移動させる。第２実施例同様各プロ
セス毎に第５図に示す様に移動させても良い。

上述実施例では、光電変換素子としてCCDラインセン
サの実施例を示したがCCDラインセンサに限るものでは
無い。例えば光電変換素子としてCCDエリアセンサであ
っても構わない。

さらに上述実施例では４個のピツクアツプの例を示し
たが、ピツクアツプの数は４個に限るものでなく複数個
であればどんな数であっても構わない。例えば互いに向
きが60゜異なるように６つ配置されたピツクアツプであ
っても構わない。

〔発明の効果〕

以上述べた様に本発明によれば複数個の照射手段と検
出手段によって物体の位置検出を行う際にも互いの照射
光束の悪影響を受けにくい高精度な位置検出が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）（Ｂ）は本発明の第１実施例の位置検出装
置の要部斜視図及び上面図、 第２図は同装置のピツクアツプ周辺部説明図、 第３図、第４図はピツクアツプと照射光束との関係説明
図、 第５図は本発明の第２実施例の位置検出装置における各
プロセスピツクアツプ配置説明図、 第６図は本発明の第３実施例の間隔測定装置の原理説明
図、 第７図、第８図は従来例の説明図、である。 図中、 1:ピツクアツプ 3:ステージ 4:駆動部 5:ピツクアツプ位置制御部 101:光源 105a:マスクアライメントマーク 106a:ウエハアライメントマーク 108:ラインセンサ 111:信号処理部 である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野瀬 哲志 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−131008（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−48703（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】位置検出すべき物体上に第一の光束を照射
   する第一照射手段と、前記第一照射手段で照射された物
   体からの第一の光束を受光することによって前記物体の
   位置を検出する第一検出手段と、物体上に第二の光束を
   照射する第二照射手段と、前記第二照射手段によって照
   射された物体からの第二光束を受光することによって前
   記物体の位置を検出する第二検出手段と、第一及び第二
   検出手段による物体の位置検出時に前記第二照射手段に
   よる物体照射光束の物体による正反射方向に第一検出手
   段が位置しないように第二照射手段あるいは第一検出手
   段の位置を制御する制御手段とを有することを特徴とす
   る位置検出装置。
2. 【請求項２】相対位置検出すべき第一および第二物体上
   に第一の光束を照射する第一照射手段と、前記第一照射
   手段で照射された第一または第二物体からの第一の光束
   を受光することによって前記第一および第二物体の相対
   位置を検出する第一検出手段と、第一および第二物体上
   に第二の光束を照射する第二照射手段と、前記第二照射
   手段によって照射された第一または第二物体からの第二
   光束を受光することによって前記第一および第二物体の
   相対位置を検出する第二検出手段と、第一及び第二検出
   手段による第一および第二物体の相対位置検出時に前記
   第二照射手段による物体照射光束の第一または第二物体
   による正反射方向に第一検出手段が位置しないように第
   二照射手段あるいは第一検出手段の位置を制御する制御
   手段とを有することを特徴とする位置検出装置。