JP2802846B2

JP2802846B2 - アライメントシステム

Info

Publication number: JP2802846B2
Application number: JP29393491A
Authority: JP
Inventors: 史郎浜田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-10-15
Filing date: 1991-10-15
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: JPH05109605A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はステッパによる半導体ウ
ェハのアライメントシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアライメントシステムについて、
図１４〜図１６を参照して説明する。図１４において、
半導体ウェハ１００は格子状のスクライブライン１０１
により複数のフィールドＦ１１〜Ｆ３１に区分されてい
る。各フィールドには複数種類のマスクパターンを使用
して露光、エッチング、不純物注入等の処理を繰り返す
ことで所望の半導体デバイスが形成される。

【０００３】図１５を参照してあるフィールドＦｉに対
する最初の露光について説明すると、第１回目の露光用
マスクには、フィールドＦｉへの露光のための第１の回
路パターンの他に、フィールドＦｉの周囲のスクライブ
ラインにウェハアライメントマーク（以下、ウェハマー
クと呼ぶ）を形成するためのマーク用パターンが形成さ
れている。ウェハマークは次の露光の際に半導体ウェハ
の位置合わせ制御を行う時に不可欠であり、フィールド
Ｆｉに接したスクライブライン１０１上にはＸ方向調整
用の一対のウェハマークＭ_XとＹ方向調整用の一対のウ
ェハマークＭ_Yとが形成される。第２回目の露光用マス
クには、フィールドＦｉへの露光のための第２の回路パ
ターンの他に、ウェハマークＭ_X，Ｍ_Yと位置合わせを
行うための２つのマスクマークが形成されている。ステ
ッパは、露光用マスクにおけるＸ方向用のマスクマーク
ＭＳＸが一対のウェハマークＭ_Xの中間部に位置し、Ｙ
方向用のマスクマークＭＳＹが一対のウェハマークＭ_Y
の中間部に位置するように半導体ウェハを搭載している
ウェハ微動ステージ駆動系をＸ方向、Ｙ方向に関して微
調整する。この微調整は精密位置合わせ（ファインアラ
イメント）と呼ばれる。

【０００４】精密位置合わせを行うためには、ウェハマ
ークＭ_X，Ｍ_Yに対応した２つの光学系が必要である。
これらの光学系は、露光用マスクよりも上方に位置し、
Ｘ方向用のマスクマーク、Ｙ方向用のマスクマークの真
上から露光用マスクを透過して見ることのできるウェハ
マークＭ_X，Ｍ_Yとマスクマークとの間の位置ずれを検
出する。この位置ずれ検出信号はウェハ微動制御装置に
送られる。ウェハ微動制御装置は、位置ずれが零に近づ
くようにウェハ微動ステージ駆動系を制御する。

【発明が解決しようとする課題】

【０００５】ところで、光学系による位置ずれの検出は
露光処理中も行われており、光学系の像がフィールドに
転写されることの無いような工夫が必要である。第１の
方法は図１６に示すようにスクライブライン１０１の幅
を広げることである。通常、スクライブラインの幅は
０．２mm程度であるが、これを２．５mm程度にまで拡大
することで光学系ＯＰ_X，ＯＰ_Yの像がフィールドに影
響を及ぼすことを防止できる。しかしながら、スクライ
ブラインの幅を拡大することは、半導体ウェハの有効利
用領域が減少することを意味し、歩留まりが低下するの
で実用的でない。

【０００６】第２の方法としては、露光処理中は位置合
わせ制御動作を停止して光学系を露光マスク上方から露
光に影響の無い別の位置に退避させてしまうことが行わ
れている。しかしながら、精密位置合わせは１／１０μ
m 程度以下の精密さを要求されるものであり、位置合わ
せ制御動作を停止してしまうと、上記の如き精密さを維
持することが難しくなるという問題点がある。それ故、
本発明の課題は、露光処理中における位置合わせ制御動
作を停止することなく、しかもスクライブラインを拡大
することなくフィールドに対する光学系の影響を防止す
ることのできるアライメントシステムを提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によるアライメン
トシステムは、格子状のスクライブラインにより複数に
区分されたフィールドを有する半導体ウェハの前記スク
ライブライン上にウェハマークを露光し、該ウェハマー
クとマスク上のマスクマークとの位置をアライメント検
出部で検出して前記半導体ウェハの位置合わせ制御を行
うアライメントシステムにおいて、回路パターン露光用
のマスクとは別のアライメント用マスクにて前記ウェハ
マークのみをすべてのフィールドについて前記スクライ
ブラインの交差点近傍領域にあらかじめ形成するステッ
プと、あるフィールドへの回路パターン露光のために、
アライメントを行うに際し、前記あるフィールドのコー
ナ近傍領域であって前記あるフィールドに接しているス
クライブラインを除くスクライブラインに形成されたウ
ェハマークにもとづいて前記アライメント検出部による
位置合わせ制御を行う位置決めステップとを含むことを
特徴とする。

【０００８】本発明によるアライメントシステムはま
た、前記位置決めステップにおいて利用するウェハマー
クを、前記あるフィールドの４つのコーナ近傍領域に位
置するウェハマークのうちの２個以上とし、利用しない
ウェハマークに対応するマスク上のマスクマークに対す
る露光を遮光する手段を有することを特徴とする。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。
本発明においては半導体ウェハは図１４に示した従来と
同様のものを使用するが、ウェハマークは図１に示す専
用のマスクを使用してスクライブラインのすべての交差
部分に形成される。図１において、ウェハマーク用マス
ク１０はスクライブラインの交差点近傍領域、厳密に言
えばスクライブラインの交差領域からやや離れた４箇所
のスクライブライン上にそれぞれ一対のウェハマークが
形成されるように４つのマーク用パターン１０−１〜１
０−４がつくられている。

【００１０】図２を参照して、半導体ウェハ上のスクラ
イブラインのすべての交差部には上述したウェハマーク
用マスク１０により順に４つのウェハマークを１グルー
プとするウェハマークグループが形成される。図３を参
照して、ある１つのフィールドＦ_Kの４つのコーナに位
置する４つのウェハマークグループＭ₁〜Ｍ₄のうちの
３つ、例えばウェハマークグループＭ₁，Ｍ₃，Ｍ₄を
利用する。厳密に言えば、精密位置合わせに利用するウ
ェハマークの条件は、各ウェハマークグループＭ₁，Ｍ
₃，Ｍ₄についてそれぞれ１つのウェハマークであり、
しかもフィールドＦ_Kに接している周囲のスクイブライ
ン上のウェハマークを除いたものとする。

【００１１】ここでは、Ｘ方向の位置合わせのためにウ
ェハマークグループＭ₁のうちの縦並びのウェハマーク
（上）Ｍ_1Xを利用し、Ｙ方向の位置合わせのためにウェ
ハグループＭ₃，Ｍ₄のうちの横並びのウェハマーク
（左横）Ｍ_3Yとウェハマーク（右横）Ｍ_4Yを利用するも
のとする。Ｙ方向について２つのウェハマークを利用す
るのは、位置ずれ検出情報として、Ｘ方向、Ｙ方向の位
置ずれのみならず、半導体ウェハの回転（ウェハ面に平
行な）による位置ずれをも検出して修正できるようにす
るためである。それ故、利用するウェハマークの組合わ
せは、前述した条件を満足する組合わせであれば、Ｘ方
向についてはウェハマークＭ_1x，Ｍ_2X，Ｍ_3X，Ｍ_4Xのい
ずれを用いても良いし、Ｙ方向についてはウェハマーク
Ｍ_1Y，Ｍ_2Y，Ｍ_3Y，Ｍ_4Yのいずれを用いても良い。ま
た、Ｘ方向について２つ、Ｙ方向について１つの組合わ
せであっても良い。

【００１２】図４を参照して本発明が適用されるＳＲ用
たて形ステッパについてその概略を説明する。本ステッ
パは、シンクロトロン放射光（以下、ＳＲ光と呼ぶ）の
Ｘ線を利用した露光装置であり、マスクステージ２１、
粗動ステージ２２、ウェハ微動ステージ２３、２重焦点
光学系を用いた精密位置合わせのための３つのアライメ
ント検出部２４ａ〜２４ｃ（ここでは、２４ａ，２４ｂ
のみを図示）を備えている。ＳＲ光は電子軌道接線方向
（水平方向）へ放出され、振動ミラーにより２５mm角に
振幅され、ＳＲ光照射系２５より本ステッパに導かれ
る。このため、ステージとしては、露光用マスク２６に
対して半導体ウェハ２７を、一定ギャップに保ちながら
鉛直平面に沿って位置決めを行うたて形ステージの構成
となっている。

【００１３】マスクステージ２１は６自由度タイプであ
る。一方、粗動ステージ２２はボールネジを用いた３自
由度タイプであり、ウェハ微動ステージ２３は圧電素子
を用いた６自由度タイプである。ウェハ微動ステージ２
３上には半導体ウェハ２７のローディング時の粗調整を
行う粗動ユニット（図示せず）が搭載されている。露光
用マスク２６と半導体ウェハ２７との間の重ね合わせ誤
差（マスクマークとウェハマークとの間の位置ずれ量）
は、アライメント検出部２４ａ〜２４ｃにより計測され
る。アライメント検出部２４ａ〜２４ｃはマスクマーク
とウェハマークの画像を得るためのもので、得られた画
像は後述する画像処理装置で処理され、正あるいは負の
位置ずれ量を示す位置ずれ検出信号に変換される。露光
処理時にはアライメント検出部２４ａ〜２４ｃからの画
像にもとづく位置ずれ検出信号をウェハ微動制御装置に
フィードバックすることにより位置合わせ制御が行われ
る。この他に、本ステッパは粗動位置合わせのためにレ
ーザ干渉計によるアライメント検出部（図示せず）を備
えている。

【００１４】図５を参照して、本発明における精密位置
合わせに必要な構成について説明する。ここで、アライ
メント検出部２４ａ〜２４ｃはそれぞれ、図３に示した
Ｘ方向用のウェハマークＭ_1X、Ｙ方向用のウェハマーク
Ｍ_3Y，Ｍ_4Yに関して位置ずれの検出を行うものとする。
アライメント検出部２４ａはウェハマークＭ_1Xとこれに
対応するマスクマークとの画像を画像処理装置３１ａに
送出する。画像処理装置３１ａは入力した画像からＸ方
向に関する正あるいは負の位置ずれ量を算出し位置ずれ
検出信号をウェハ微動制御装置３２に送出する。同様
に、アライメント検出部２４ａ，２４ｃからの画像信号
はそれぞれ、画像処理装置３１ｂ，３１ｃで処理され、
Ｙ方向に関する２つの位置ずれ検出信号がウェハ微動制
御装置３２に送出される。ウェハ微動制御装置３２はＸ
方向、Ｙ方向に関する３種類の位置ずれ検出信号にもと
づいてウェハ微動ステージ駆動系３３を制御して位置ず
れが０に近づくようにする。

【００１５】なお、ホストコンピュータ３４では、現在
行われている露光処理がどの半導体ウェハのどのフィー
ルドであり、しかもどのウェハマークを利用して位置合
わせ制御を行なっているかを把握している必要がある。
このために、メモリ３５には半導体ウェハの番号とフィ
ールドの番号及び利用したウェハマークの番号との対応
テーブルが記憶されている。

【００１６】図６はメモリ３５の記憶内容の一例を示
し、図２に示されたフィールドＦ₁〜Ｆ₃のウェハマー
クに図示の如き番号が付されている場合を想定してい
る。ウェハ微動制御装置３２は、ホストコンピュータ３
４から送られてくるフィールド番号とウェハマーク番号
とにより制御すべきフィールド及び方向を知り、画像処
理装置３１ａ〜３１ｃから送出されてくる位置ずれ検出
信号によって位置合わせ制御を行う。

【００１７】なお、アライメント検出部２４ａ〜２４ｃ
はＸ方向、Ｙ方向に可動であり、半導体ウェハにおける
フィールドの位置関係により位置が変更される。図７は
露光用マスク２６がポジ用の場合のアライメント検出部
２４ａ〜２４ｃの位置の組み合わせを示している。例え
ば、図１４におけるフィールドＦ₁₁においては図中左上
のウェハマークグループは利用できないので、図７
（ａ）に示すようなアライメント検出部２４ａ〜２４ｃ
の配置とすることにより、図中右上のウェハマークグル
ープの１つをＹ方向（Ｙ₁）用、左下のウェハマークグ
ループの１つをＹ方向（Ｙ₂）用、右下のウェハマーク
グループの１つをＸ方向用としてそれぞれ利用すること
ができる。

【００１８】次に、図１４におけるフィールドＦ₁₃にお
いては図中右上のウェハマークグループは利用できな
い。この場合、図７（ｂ）に示すようにアライメント検
出部２４ａ〜２４ｃをＸ方向あるいはＹ方向に移動させ
ることにより、図中右下のウェハマークグループの１つ
をＹ方向（Ｙ₁）用、左上のウェハマークグループの１
つをＹ方向（Ｙ₂）用、左下のウェハマークグループの
１つをＸ方向用としてそれぞれ利用することができる。
同様にして、図７（ｃ）の配置は図１４におけるフィー
ルドＦ₂₄に適用される配置であり、図７（ｄ）の配置は
図１４におけるフィールドＦ₂₈に適した配置である。

【００１９】ところで、図８に示すように、露光用マス
ク２６にはフィールドの４つのコーナ部に対応した箇所
に６つのマスクマークが形成されている。４つのマスク
マークＭＳＹ１〜ＭＳＹ４はＹ方向用であり、２つのマ
スクマークＭＳＸ１、ＭＳＸ２はＸ方向用である。これ
らのマスクマークは、図９に示すように、あるフィール
ドに接したスクライブラインから外れて隣接フィールド
に接しているスクライブライン上にあるウェハマークと
位置合わせされるように形成されていることは言うまで
も無い。

【００２０】図７（ａ）の配置について言えば、６つの
マスクマークのうちアライメント検出部２４ａ〜２４ｃ
に対応した箇所のマスクマークに対するＳＲ光はそれぞ
れのマスクマークの上方に位置したアライメント検出部
２４ａ〜２４ｃで遮光される。しかし、図中左上のマス
クマークＭＳＹ１については遮光するものが無いのでス
クライブライン上に露光されることとなる。これは、以
後の露光処理において不都合であるので露光を防止する
のが望ましい。

【００２１】図１０，図１１を参照して、本発明ではア
ライメント検出部よりも上方に遮光用のブレードを配置
することで不必要なマスクマークの露光を防止するよう
にしている。ここでは、Ｙ方向に可動の２枚のブレード
４１，４２を用い、ブレード４１により露光マスク２６
における図中右上、左上のマスクマークに対するＳＲ光
を遮光するようにし、ブレード４２により図中右下、左
下のマスクマークに対するＳＲ光を遮光するようにして
いる。図１０ではブレード４１により露光マスク２６の
右上、左上のマスクマークに対して遮光を行なった状態
を示している。

【００２２】図１２，図１３はネガティブ用の露光マス
ク２６′の場合のＳＲ光透過域及びマスクマークの位置
を示している。マスクマークの位置はポジティブ用の露
光マスク２６（図８）と変らないが、ＳＲ光透過域がフ
ィールドに接したスクライブラインの領域分だけ広くな
っている。位置合わせの原理はポジティブの場合と同じ
であるが、ネガティブレジストであるからブレードによ
る遮光は不要である。

【００２３】次に、ポジレジストの場合の露光処理動作
について順を追って説明する。（１）図１のウェハマーク用マスク１０を使用して、ウ
ェハマークのみを半導体ウェハのスクライブライン（幅
０．２mm程度）上に図２のように露光してゆき、エッチ
ングパターンとして作成する。これらのウェハマークは
以後のすべての露光処理に際して位置合わせのための基
準として使用されることになる。

【００２４】（２）第１回目の回路パターンを露光する
時には、図８の如き露光マスク２６を使用する。この
時、ホストコンピュータ３４は、メモリ３５の記憶内容
（図６参照）にもとづいて露光すべき半導体ウェハの番
号、フィールドの番号からアライメント検出部２４ａ〜
２４ｃの配置があらかじめ決定されている配置となるよ
うに各アライメント検出部２４ａ〜２４ｃを移動させ
る。次に、アライメント検出部２４ａ〜２４ｃによる位
置ずれ検出に利用されないマスクマークを図１０で説明
した如く遮光するようにブレードを移動させる。それか
ら、図２に示すように既に形成されているウェハマーク
と図８におけるマスクマークとによるアライメントが行
われる（図９参照）。

【００２５】（３）アライメント動作においては、図５
に示すアライメント検出部２４ａ〜２４ｃからの画像が
画像処理装置３１ａ〜３１ｃで処理され、Ｘ方向、Ｙ方
向（Ｙ₁，Ｙ₂）の位置ずれ検出信号がウェハ微動制御
装置３２に送られる。ウェハ微動制御装置３２は位置ず
れ検出信号にもとづいてウェハ微動ステージ駆動系３３
を制御することでＸ方向、Ｙ方向の位置ずれが０に近づ
くようにする。Ｘ方向、Ｙ方向（Ｙ₁，Ｙ₂）の位置ず
れ量が許容値内まで修正されるとＳＲ光による露光が行
なわれる。（４）２回目以降の露光処理においてもポジレジストを
使用する場合には、上記（１）〜（３）のステップが繰
り返される。

【００２６】（５）途中から露光をネガティブレジスト
に変更する場合には、図１２に示された露光マスク２
６′により半導体ウェハに露光を行う。この時、図２に
示されたウェハマークと図１２の露光マスク２６′にお
けるマスクマークとにより、図１３に示すようなアライ
メントを行う。ウェハ微動制御装置３２による位置合わ
せ制御はポジレジストの場合と同じである。

【００２７】なお、実施例の説明ではアライメント検出
部がＸ方向、Ｙ方向（Ｙ₁，Ｙ₂）の３台の場合につい
て説明したが、Ｘ方向が２つ（Ｘ₁，Ｘ₂）、Ｙ方向が
１つの組み合わせでも良いことは前述した通りである。
また、Ｘ方向あるいはＹ方向について２つとするのは、
これも前述したように面方向の回転ずれθを考慮したも
のであり、このような回転ずれθの検出手段を備えれば
アライメント検出部は２台でも良い。また、本発明はＳ
Ｒ光によるステッパに限られるものでもない。

【００２８】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば露光中でもアライメント検出部による位置ずれ検出を
停止することなく、しかもスクライブラインの拡幅無し
で位置ずれ検出信号のフィードバックにより半導体ウェ
ハの位置合わせ制御を行うことができるので、位置合わ
せを高精度で行うことができる。また、半導体ウェハへ
のウェハマーク形成は１度だけであるので、ウェハマー
クを露光毎に形成する場合に比べて位置ずれの累積が無
く、露光処理を繰り返して行った時のトータル位置合わ
せ精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明において使用されるウェハマーク専用の
露光マスクを示した図。

【図２】図１に示された露光マスクにより形成されたウ
ェハマークを半導体ウェハの一部について示した図。

【図３】図２の一部を１つのフィールドについて拡大し
て示した図。

【図４】本発明が適用されるステッパ装置の概略構成を
示した図。

【図５】図４のステッパ装置に適用される位置合わせ制
御系の構成図。

【図６】図５のメモリに記憶内容の一例を示した図。

【図７】本発明におけるアライメント検出部の配置の組
み合わせを示した図。

【図８】ポジレジスト用の露光用マスクの一例を示した
図。

【図９】図８の露光用マスクを使用したアライメントを
説明するための図。

【図１０】本発明における遮光用ブレードと露光用マス
クとの位置関係を示した図。

【図１１】図１０の位置関係を矢印Ａ方向から見た図。

【図１２】ネガティブレジスト用の露光用マスクの一例
を示した図。

【図１３】図１２の露光用マスクを使用したアライメン
トを説明するための図。

【図１４】半導体ウェハにおけるフィールドとスクライ
ブラインとの関係を示した図。

【図１５】従来のアライメントを説明するためにフィー
ルドとウェハマークとの位置関係を示した図。

【図１６】従来のアライメントにおけるフィールドと光
学系との位置関係を示した図。

【符号の説明】

１０ウェハマーク用マスク２６，２６′ 露光用マスク２４ａ〜２４ｃアライメント検出部４１，４２ブレード

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】格子状のスクライブラインにより複数に
区分されたフィールドを有する半導体ウェハの前記スク
ライブライン上にウェハアライメントマーク（以下、ウ
ェハマークと呼ぶ）を露光し、該ウェハマークとマスク
上のマスクマークとの位置をアライメント検出部で検出
して前記半導体ウェハの位置合わせ制御を行うアライメ
ントシステムにおいて、回路パターン露光用のマスクと
は別のアライメント用マスクにて前記ウェハマークのみ
をすべてのフィールドについて前記スクライブラインの
交差点近傍領域にあらかじめ形成するステップと、ある
フィールドへの回路パターン露光のために、アライメン
トを行うに際し、前記あるフィールドのコーナ近傍領域
であってしかも前記あるフィールドに接しているスクラ
イブラインを除くスクライブラインに形成されたウェハ
マークにもとづいてアライメント検出部による位置合わ
せ制御を行う位置決めステップとを含むことを特徴とす
るアライメントシステム。
【請求項２】請求項１記載のアライメントシステムに
おいて、前記位置決めステップにおいて利用するウェハ
マークを、前記あるフィールドの４つのコーナ近傍領域
に位置するウェハマークのうちの２個以上とし、利用し
ないウェハマークに対応するマスク上のマスクマークに
対する露光を遮光する手段を有することを特徴とするア
ライメントシステム。