JP2816716B2

JP2816716B2 - 露光装置

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Publication number: JP2816716B2
Application number: JP1221539A
Authority: JP
Inventors: 博史黒沢; 幸二宇田; 邦貴小澤; 俊一鵜澤; 伸俊水澤; 卓夫刈谷; 哲志野瀬
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-08-30
Filing date: 1989-08-30
Publication date: 1998-10-27
Anticipated expiration: 2013-10-27
Also published as: JPH0385717A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はマスク等の原版とウエハ等の基板を位置合わ
せするための位置検出を行うアライメント検出機構（位
置合わせ機構）を備えた露光装置に関するものである。

［従来の技術］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はかる為の重要な一
要素である。特に最近の露光装置における位置合わせに
おいては、半導体素子の高集積度化の為にサブミクロン
以下の位置合わせ精度を有するものが要求されている。
そして、従来、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所謂アライメントパターンを設け、
これによって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。第４図はその一例として、アライ
メントパターンとして回折格子を用いた反射光重心検知
方式のアライメント検出機構を示す。図中、401は発光
素子である半導体レーザ、402はコリメーターレンズで
あり半導体レーザ401から出力される光束を平行光にし
ている。403はハーフミラーであり半導体レーザからの
光束（アライメント計測ビーム）をマスク、ウエハ方向
へ反射させ、又マスク、ウエハからの光束を透過させて
いる。404は第１物体で例えばボリイミド等の材質のフ
ィルムに金等の半導体パターン及びアライメントマーク
が書かれているマスクである。404aはアライメントマー
クであり、マスク404面上に形成されており、ハーフミ
ラー403からの反射光束を受けている。405は第２物体で
半導体パターン及びアライメントマークが形成されるシ
リコン等のウエハである。405aはアライメントマークで
あり、ウエハ405に形成されている。406は蓄積型光電変
換素子でありマスク404に形成されているアライメント
マーク404aとウエハ405に形成されたアライメントマー
ク405aを介したアライメント情報を持つ光束を受光する
CCD等から成っている。407はLDドライバであり、半導体
レーザ401を外部から設定される光量で駆動している。4
08はセンサドライバであり、光電変換素子406を外部か
ら設定される蓄積時間で駆動制御している。409は信号
処理部であり、光電変換素子406の出力を処理し例えば
位置情報を持つ光束の重心等を計算している。410は変
位計でありマスク404とウエハ405の相対振動を測定する
例えば静電容量変位計等である。411はマイクロコンピ
ューターであり、変位計410の出力を受けマスク404とウ
エハ405の相対振動から半導体レーザ401の光量を設定し
さらに光電変換素子406の蓄積時間を設定して、LDドラ
イバ407やセンサドライバ408にその旨の信号を送出して
いる。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、この様な検出機構において、光源から
マスク404およびウエハ405上に照射されるビームスポッ
トの位置及び入射角が正確に位置決めできなかった場
合、CCD406上に結像する反射光束の照度が減少する事
によってS/N比が低下する、投光ビームの中心がずれ
るのでCCD406上に結像するビームスポットの重心が移動
する、などの原因により検出機構より得られるアライメ
ント計測データの絶対精度が損なわれるという欠点があ
った。

サブミクロン以下の位置合わせ精度を実現するために
は上記従来例に見る様にアライメント計測光学系より投
下されるアライメント計測ビームの投光位置及び入射角
を正確に所定のアライメントマークに合わせる事が必要
とされるようになった。

そこで、本発明は、露光装置において、アライメント
計測ビームのアライメントマークへの入射角のずれによ
るアライメント計測データの発生誤差を抑制する事を目
的としている。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するため、本発明の露光装置は、原版
の転写パターンを基板上に露光転写する露光部、転写パ
ターンと基板にビームを投光して両者間の位置ずれを光
学的に検出するための投光手段と受光手段を含む移動可
能な複数のアライメント検出機構、および該複数のアラ
イメント検出機構での検出に基づいて転写パターンと基
板間の位置合せを行う位置合せ機構を備えた露光装置で
あって、前記複数の各アライメント検出機構の姿勢を計
測する手段と、該姿勢の計測に基づいて各アライメント
検出機構での検出を補正する手段を設けている。

前記アライメント検出機構は原版の周りに４つ配置さ
れているのが好ましい。

［作用］検出機構による姿勢計測は、例えば、位置合わせ機構
におけるアライメント用光学系の鏡筒にコリメーション
検出用のミラーを固定し、その反射光を検出して鏡筒す
なわちアライメント光軸の傾斜を計測することにより行
なう。そして、この計測データに基づいてアライメント
ビームの入射角の制御やアライメント計測データの補正
が行なわれる。これにより、位置合わせ機構におけるア
ライメント用光学系の鏡筒位置が変動しても、アライメ
ント光軸の位置（投光ビームの中心位置）は正確な位置
を保持し、あるいはアライメント光軸位置のずれによる
位置合わせ誤差が補正されるため、位置合わせ後の露光
が正確に行なわれる。

［実施例］以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

第２図は本発明の一実施例に係る露光装置の主要部を
示す概略図である。

同図において、３はウエハであり、ウエハステージ24
上のウエハチャック（不図示）にチャッキングされる。
５は粗θステージであり、Ｚ軸のまわりに回動可能でチ
ルトステージ６上に保持されている。Ｚチルトステージ
６はＺ方向に傾斜されて移動可能で微θステージ７の上
に保持されている。微θステージ７はＺ軸のまわりに回
転可能で微Ｘステージ８の上に保持されている。微Ｘス
テージ８はＸ軸方向に移動可能で微Ｙステージ９の上に
保持されている。微Ｙステージ９はＹ軸方向に移動可能
で粗Ｘステージ10の上に保持されている。粗Ｘステージ
10はＸ軸方向に移動可能で粗Ｙステージ11の上に保持さ
れている。粗Ｙステージ11はＹ軸方向に移動可能でフレ
ーム18に保持されている。

ステージ24の位置X,Y及び姿勢θ，ω_x,ω_ｙは装置の
固定位置から投光されるレーザ干渉計ビーム17をＺチル
トステージ６上に固定されているミラー16で反射して干
渉計で測長することによって測定され制御される。２は
マスクであり、マスクθステージ４上のマスクチャック
（不図示）にチャッキングされている。マスクθステー
ジ４は、露光光１を法線とする平面内において回転可能
であり、フレーム18に保持されている。

12は複数の検出光学計（以下ピックアップと呼ぶ）で
あり、マスク〜ウエハ間のギャップ（間隔）計測及びマ
スク〜ウエハ間のアライメントずれ計測をおこなう。特
に本実施例では４基のピックアップが装備されている。
各ピックアップ12はそれぞれX,Y方向に移動可能なピッ
クアップステージ13の上に保持されている。

23はピックアップ12からの投光ビームを示している。
投光ビームは斜めに投光されているので露光の際ピック
アップが露光光１を遮ることはない。したがって、露光
時にピックアップ12を退避させる必要がない。

露光光１によりマスク２上に形成された転写パターン
を、前レイヤーまで転写されているウエハ上の転写済パ
ターンの上に焼き付ける。27はギャップセンサで、Ｚチ
ルトステージ６の上に設置されており、ウエハチャック
（不図示）の下面を相対的に計測する。

14はＺチルトステージ６上に設置された受光素子、26
はフレーム上に固定された投光素子でありウエハステー
ジ24と対向する位置にある。受光素子14はピックアップ
12から投下されるアライメント検出用の投光ビーム23及
び投光素子26より投下される投光ビームを検出する事が
できる。受光素子14で受けた投光ビームは重心検知等の
方法でビームの中心位置が算出され、この算出値にウエ
ハステージ24の位置データを加味した上で精度良くビー
ム中心の位置計測をする事が可能である。

第３図は第２図の装置を制御する部分のハードウエア
構成を示す。本実施例の露光装置は最上位に位置するメ
インプロセッサ301のもとにすべての機能が管理されて
いる。メインプロセッサ301は通信路302及び通信I/F303
を介して各ハードウエアユニットに接続されており、第
３図はその中でアライメント機能や、ステージ制御機
能、ピックアップステージ制御機能を含んだハードウエ
アユニットを抽出して示したものである。このハードウ
エアユニットの呼称をここでは本体制御ブロックと呼ぶ
ものとする。

本体制御ブロックはアライメント系に関して、４つの
ピックアップ12（第２図参照）を２軸方向（α軸、β
軸）に位置決め制御するピックアップステージ制御部30
5、ウエハ３とマスク２の平面上の位置ずれおよび平行
出しを行うためのファインAA.AF制御部309a〜309d、ウ
エハX,Y粗動ステージ10,11（第２図参照）、およびウエ
ハ微動ステージ６〜９を位置決め制御するためのステー
ジ制御部313を備えている。

本体コントロールユニット304は所定のシーケンスを
行うプログラムがストアされており、このシーケンスに
従って上記各制御部を動作させるコントロール部分であ
る。また、本体コントロールユニット304は上位のメイ
ンプロセッサユニット301と、通信路302および通信I/F3
03を介してデータの授受を行う。さらに前述の各制御部
のうち、ファインAA.AF制御部309a〜309d及びステージ
制御部313は各々通信I/F306、308、310、312を介して通
信路307、311を通じ本体コントロールユニット304とデ
ータの授受を行う。これら通信路を以って本体コントロ
ールユニット304と接続されている各制御部は内部にCPU
が搭載され、ハードウエア的な信号処理はすべてこの中
で完結されている。本構成により各制御部を独立して動
作させ、かつ階層化される事が可能である。本体コント
ロールユニット304とのデータの授受に関しては、ピッ
クアップステージ制御部305では４つのピックアップス
テージ13の各々の駆動量がダウンロードされる。

次に、第３図におけるファインAA.AF制御部309a〜309
dを詳細に説明する。なお、４ブロックあるファインAA.
AF制御部309a〜309dは、同一構成を採るので、以下の説
明ではひとつのブロックについて説明する。

第１図はファインAA.AF制御部309a〜309dの構成を示
す図である。同図において、307は第３図における本体
コントロールユニット304と通信する通信線、308は通信
線307から送られる命令を受け、アライメント情報やギ
ャップ情報を送る通信I/F、101は通信I/Fから命令を受
けアライメント計測やギャップ計測を行う信号を作り、
そしてアライメント情報やギャップ情報を通信I/F308に
送るファインAA.AFインターフェイス部、105はファイン
AA.AFインターフェイス部101が決定する光出力で半導体
レーザ106を駆動するファインAA.AFレーザダイオード駆
動部、106は発光素子である半導体レーザ、111は半導体
レーザ106から出力される光束を平行光にするコリメー
タレンズ、113は半導体レーザ106から出力される投光ビ
ーム、114はマスク２上に金等で半導体回路パターンと
共に書かれているAFオートフォーカスマーク、116はマ
スク２上に金等で半導体回路パターンと共に書かれてい
るマスク上のAA（オートアライメント）マーク、115は
ウエハ３上に前露光ショットで半導体回路パターンと共
に半導体プロセスで焼かれているウエハ上のAAマーク、
112はマスク上のAAマーク116とウエハ上のAAマーク115
そしてAFマーク114とウエハ３により構成される光学系
によって、アライメント情報及びギャップの情報をもっ
た受光ビーム、107はマスク上AAマーク116とウエハ上AA
マーク115により構成される光学系によって得られるア
ライメント情報を持った光束であるAAスポット、110は
マスク上AFマーク114とウエハ３により構成される光学
系によって得られるギャップ情報を持った光束であるAF
スポット、108はAAスポット107を受光し電気信号に変換
する例えばCCD等のラインセンサであるAAセンサ、109は
AFスポット110を受光し電気信号に変換する例えばCCD等
のラインセンサであるAFセンサ、103はAAセンサ108の出
力を増幅するプリアンプ、104はAFセンサ109の出力を増
幅するプリアンプ、102はプリアンプ103の出力を処理し
てアライメント情報を計算し、そしてさらにプリアンプ
104の出力を処理してギャップ情報を計算するファインA
A.AF信号処理部である。

この構成において、アライメント情報（マスクとウエ
ハずれ）は以下のように求めることができる。すなわ
ち、ファインAA.AFレーザダイオード駆動部105は、ファ
インAA.AFインターフェイス部101により設定される光出
力で半導体レーザ106をAAセンサ108が飽和しない範囲の
十分大きな光出力で駆動する。そして、半導体レーザ10
6を出射した光束は、コリメータレンズ111を透過した
後、投光ビーム113となり、マスク上AAマーク116を透過
しウエハ上AAマーク115で反射され受光ビーム112となり
AAスポット107としてAAセンサ108に入射する。このと
き、ダブルグレーティング物理光学素子となるマスクAA
マーク116とウエハAAマーク115はマスク２とウエハ３の
間のずれを、例えば100倍に拡大してAAスポット107のず
れ（位置）とする事ができる。AAスポット107を受光し
たAAセンサ108の出力は、プリアンプ103で増幅されファ
インAA.AF信号処理部102に入力される。ファインAA.AF
信号処理部102は、AAセンサ108に入射したAAスポット10
7の位置をその重心を利用して求める。そして、AAスポ
ットの重心のずれ（位置）を例えば1/100倍することに
よりマスクAAマーク116とウエハAAマーク115すなわちマ
スク２とウエハ３とのずれを求める。

他方、ギャップ情報は、以下のようにして求めること
ができる。すなわち、ファインAA.AFレーザダイオード
駆動部105は、ファインAA.AFインターフェイス部101に
より設定される光出力で半導体レーザ106をAFセンサ109
が飽和しない範囲の十分大きな光出力で駆動する。そし
て半導体レーザ106を出射した光束は、コリメータレン
ズ111を透過した後、投光ビーム113となりAFマーク114
を透過しウエハ３で反射され受光ビーム112となりAFス
ポット110としてAFセンサ109に入射する。このとき、マ
スク上に２種類のグレーティングレンズとして構成され
たマスクAFマーク114は、マスク２とウエハ３との面間
隔を、例えば15倍に拡大してAFスポット110のずれ（位
置）とする。AFセンサ109の出力はプリアンプ104で増幅
されファインAA.AF信号処理部102に入力される。ファイ
ンAA.AF信号処理部102は、AFセンサ109に入射したAFス
ポット110の位置をその重心を利用して求める。そし
て、AFスポット110の重心の位置を例えば1/15倍するこ
とによりマスクAFマーク114とウエハ３すなわちマスク
２とウエハ３の面間隔を求める。

ファインAA.AF信号処理部102は、アナログ回路で実現
しても良いし、プリアンプ103と104の出力をアナログデ
ィジタル変換器（図示せず）でディジタル化した後でマ
イクロコンピュータ等でディジタル処理しても構わな
い。また、ファインAA.AFインターフェイス部101は、本
体コントロールユニット304の指示により、上述のよう
にしてアライメント情報やギャップ情報を求め、必要に
応じて通信I/F306,308と通信線311を通じて本体コント
ロールユニット304に送信する事ができる。

次に、投光ビーム113の入射角度および入射位置の検
出機能について説明する。

第１図において、118はピックアップ12の筐体117に固
定されたミラーであり、コリメータ120から射出される
計測光を反射する。この機構はAA計測時のピックアップ
12からの投光ビーム113のマスク２への入射角度と位置
をピックアップ12の筐体117の姿勢より検出する機能を
持つ。コリメータ120の制御・検出機能は次に詳述する
ピックアップステージ制御部305の中に含まれている。
コリメータ120には、第７図に示すように、レーザーダ
イオード701とラインセンサ702が内蔵され、レーザーダ
イオード701から光軸119がほぼ垂直にピックアップ12の
鏡筒壁に取り付けられた反射鏡118に投光されている。
ここで、反射鏡118の角度がコリメータ120に対して変わ
ると、反射鏡118から返って来る投光ビームスポット703
の位置がラインセンサ702上で変化する。本実施例にお
いて、ピックアップ12のピッチングとローリングによる
姿勢誤差はピックアップ12を位置決めした後に超平面に
押し付け固定する（後述）事により、抑圧されている。
従って、本実施例では残るヨーイングによる姿勢誤差を
コリメータ120に対して計測している。

第８図はラインセンサ702の詳細図である。図中、801
はシリコン素子であり、検出方向に2lの長さを持つ。80
3aおよび803bはシリコン素子801の両端に取り付けられ
た電極である。反射ビームスポットの位置P_xは次に示す
関係式より求める事ができる。

但し、 l;中心電極802から各電極までの距離 X₁,X₂;電極803a,803bと中心電極間に流れる光電流従って、ヨーイング角度Δθ_ｙは中心電極の位置を０
とすると次の様にあらわす事ができる。

但し、 L;コリメータから反射鏡118までの距離第５図は、第２図にて掲載のピックアップステージ13
のα方向アクチュエータユニット及びβ方向アクチュエ
ータユニットをコントロールする電気ブロックと、ピッ
クアップ12のメカクランプを制御する電気ブロック及び
ピックアップ12の姿勢計測を行なう計測ユニットを示し
ている。

第３図にて掲載のピックアップステージ制御部305
は、ピックアップステージコントロールユニット501〜5
04（４基分）と、ピックアップヘッドクランプ制御部50
5及びピックアップヘッド姿勢計測部506より成ってい
る。ピックアップステージコントロールユニット501〜5
04は、α方向およびβ方向アクチュエータユニットのド
ライバであるα軸駆動部507a〜507d、及びβ軸駆動部50
8a〜508dに対して、駆動距離に相当するパルス数を出力
する機能、及び同パルスの払い出しのタイミングを、本
体コントロールユニット304から転送された目標位置か
らピックアップ12に衝撃を与えないような台型駆動パタ
ーンとして作成する機能を有している。

α軸駆動部507a〜507d及びβ軸駆動部508a〜508dは、
DCモーター用のドライバであって、本体コントロールユ
ニット304からの指令によりサーボループのゲインを０
にする事も可能である。ピックアップヘッドクランプ制
御部505は、ピックアップ12のピッチングとローリング
による位置制御誤差を抑制する目的で超平面であるピッ
クアップ基準面（不図示）に押しつける為に用いるアク
チュエータの駆動部509、及びこの状態の確認を行うた
めのセンサ部510により成っている。状態確認のための
センサ（不図示）は、ピックアップステージ各基につい
て装備されているので、センサ部510は合計４チャンネ
ルの入力を有している。

ピックアップヘッド姿勢計測部506は、各ピックアッ
プ12毎に装備されたコリメータ511a〜511dから得られる
データをもとにピックアップのヨーイングを計算して投
光ビーム113の入射位置ずれを計算し、その結果を本体
コントロールユニット304に送っている。この値に基づ
いてマスク２とウエハ３間のAA計測を行なった場合に所
望の位置に所望の角度で投光ビーム113が当たっていな
い事による発生誤差を打ち消す処理を行う事ができる。

第６図はマスク・ウエハ間のアライメントの動作手順
を示すフローチャートである。同図に従ってアライメン
ト手順を説明すれば、マスクアライメントマーク114,11
6とウエハアライメントマーク115とを対峙させてアライ
メントを開始すると、まず、ステップ601と602が同期し
て行なわれ、ステップ601ではピックアップ12よりアラ
イメント計測用投光ビーム113が投下され、ファインAA.
AF信号処理部102にアライメント計測信号が取り込まれ
る。また、ピックアップヘッド姿勢制御部506における
コリメータ511a〜511dでは常にピックアップ12の鏡筒の
姿勢を計測しており、その計測データがステップ602に
おいてステップ601で行われるアライメント計測信号の
取り込みと同時にラッチされ本体コントロールユニット
304内に取り込まれる。ステップ603においては、この姿
勢計測データに基づいてアライメント計測ずれ（誤差デ
ータ）を得る計算処理が行なわれる。この誤差データと
ステップ601で得られたアライメント計測データが一対
となって保管され、ステップ604において、両データに
基づき、姿勢による原因で生じたアライメント計測誤差
を除いたアライメント計測データを求める。ステップ60
5では、この補正されたアライメント計測データがマス
ク・ウエハ間のずれの許容値であるか否かを判断し、許
容値を超える場合はアライメントずれ相当に値する距離
だけをウエハステージを駆動し（ステップ606）、ステ
ップ601に戻って再度アライメント計測に臨む。もし、
マスク・ウエハ間のずれが許容値内であれば、ステップ
607へ進んで露光を開始する。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、露光装置におい
て、転写パターンと基板間の位置ずれを検出する複数の
各アライメント検出機構の姿勢を計測し、これに基づい
て複数の各アライメント検出機構での検出を補正するよ
うにしたため、複数の各アライメント検出機構の姿勢変
動によって生じるアライメント計測誤差を補正して、あ
るいは複数の各アライメント検出機構の姿勢を正確に保
持して、正確なアライメント計測値を得、これに基づい
て正確なアライメントを行なって正確な露光を行なうこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係るファインAA.AF制御
部の詳細図、第２図は、第１図のファインAA.AF制御部を備えた露光
装置のメカニカルな部分の構成図、第３図は、第２図に示した構成部分を駆動制御する為の
電気的ハードウエア構成を示すブロック図、第４図は、従来例に係る、回折格子を応用したマスク及
びウエハアライメント計測光学系の概略図、第５図は、第３図に示した構成要素のひとつであるピッ
クアップステージ制御部の詳細なブロック図、第６図は、第１図のファインAA.AF制御部を備えた露光
装置のソフトウエアシーケンスを示すフローチャート、第７図は、第１図に示したコリメータの詳細説明図、そ
して第８図は、コリメータ内に搭載されているラインセンサ
の詳細説明図である。 12:ピックアップ、 13:ピックアップステージ、 113:投光ビーム、 117:ピックアップ筐体壁面、 118:ミラー、 119:コリメータの計測光軸、 120:コリメータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鵜澤俊一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 (72)発明者水澤伸俊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 (72)発明者刈谷卓夫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 (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)参考文献特開平１−209305（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−111910（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/027 G01B 11/00 G03F 9/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】原版の転写パターンを基板上に露光転写す
る露光部、転写パターンと基板にビームを投光して両者
間の位置ずれを光学的に検出するための投光手段と受光
手段を含む移動可能な複数のアライメント検出機構、お
よび該複数のアライメント検出機構での検出に基づいて
転写パターンと基板間の位置合せを行う位置合せ機構を
備えた露光装置であって、前記複数の各アライメント検
出機構の姿勢を計測する手段と、該姿勢の計測に基づい
て各アライメント検出機構での検出を補正する手段を設
けたことを特徴とする露光装置。
【請求項２】前記アライメント検出機構は原版の周りに
４つ配置されていることを特徴とする請求項１記載の露
光装置。