JP2897355B2

JP2897355B2 - アライメント方法，露光装置，並びに位置検出方法及び装置

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Publication number: JP2897355B2
Application number: JP17822890A
Authority: JP
Inventors: 健爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-07-05
Filing date: 1990-07-05
Publication date: 1999-05-31
Anticipated expiration: 2014-05-31
Also published as: US5657129A; JPH0465603A; US5995234A; US5493403A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体ウェハや液晶ディスプレー用のプレ
ート等に形成されたアライメントマークを光電検出して
アライメントする方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、ウェハやプレート等の位置合わせ（アライメン
ト）においては、それら基板上の所定位置に形成された
アライメントマークを顕微鏡対物レンズを介して光電検
出する方式が一般的であった。

光電検出方式にも大別して２種類があり、レーザビー
ム等のスポットでマークを相対走査し、マークで生じる
散乱光や回折光をフォトマルチプライヤやフォトダイオ
ード等で受光する光ビーム走査方式と、一様照明された
マークの拡大像をテレビカメラ（ビジコン管やCCD）で
撮像して、その画像信号を利用する方式とがある。

いずれの場合にも、得られる光電信号は、波形処理さ
れ、マークの中心位置が求められる。

光ビーム走査方式と撮像方式とは、その個々の走査系
において全く異なる構成を取るが、ここでは両者とも電
気光学的走査装置（以下、Electrical−Optical Csanne
r＝E.O.Sとする）であるとして考える。

この様なE.O.Sのうち、レーザビームのスポットに対
してウェハステージを一次元移動させて、マーク位置を
検出する方式としては、USP.4,655,598、USP.4,677,30
1、USP.4,702,606等に開示された技術が知られている。

又、ウェハステージを設計値で位置決めした後、一次
元走査ビームの走査範囲内でマーク位置を検出する方式
としては、USP.4,390,270、USP.4,566,795等に開示され
た技術が知られている。

又、撮像方式のE.O.Sとしては、USP.4,402,596、USP.
4,679,942、USP.4,860,374等に開示された技術が知られ
ている。

これらの従来技術では、主に以下の２つの理由で走査
ビーム、又はマーク照明光として単色光を使っている。

投影型露光装置（ステッパー）において、投影光学系
を介してウェハマークを検出する形式では、投影光学系
の大きい色収差を避けるために単一波長の照明光、又は
レーザビームを使う。

高輝度、高分解能の検出を行うべく微小スポットに集
光するために単色のレーザビームを使う。

このように単色照明光（又はビーム）を使うと、比較
的S/N比が大きくとれるが、露光装置で扱うウェハで
は、通常ウェハ全面に0.5μｍ〜２μｍ程度の厚みでフ
ォトレジスト層が形成されているため、単色性による干
渉現象が生じ、これが、マーク位置検出時に誤検出され
たり、不鮮明な画像となったりしていた。

そこで近年、レジストによる干渉現象を低減させるた
めに、照明光の多波長化、あるいは広帯域化が提案され
るようになった。

例えば撮像方式のE.O.Sで照明光をハロゲンランプ等
から作り、その波長帯域幅を300nm程度（レジストへの
感光域を除く）にすると、レジストの表面とウェハの表
面とで反射した光同志の干渉性がほとんどなくなり、鮮
明な画像検出が可能になる。従って、撮像方式では照明
光を白色化（広帯域化）するとともに、結像光学系を色
消ししておくだけで、レジストに影響されない極めて高
精度なアライメントセンサーが得られることになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の通り、照明光の多色化、又は白色化で干渉縞の
発生が押さえられ、鮮明な画像検出が出来るようになる
と、いままで埋もれていた微小な誤差要因がクローズア
ップされるようになった。

すなわち、アライメントマークの段差構造がより鮮明
に捕らえられることから、マークエッジのプロフィール
のわずかな差異が検出精度やアライメント精度を左右す
るようになった。

従来、画像信号の処理アルゴリズムには様々なものが
考えられていたが、いずれの方式でも、マークエッジの
プロフィールのわずかな変化を考慮したものはなく、総
合的なアライメント精度の向上には自ずと限界があっ
た。

本発明はこのような問題点に鑑みて成され、アライメ
ント精度の向上を目指すことを目的とする。

〔課題を解決する為の手段〕

本発明は、ウェハ等の基板上のアライメントマークか
ら生じる光情報をテレビカメラやスキャニング・レーザ
等の電気光学走査装置によって、光電検出し、アライメ
ントマークの相対走査方向に関して強度変化する時系列
的な光電信号（画像信号）を処理することによってアラ
イメントマークの位置を決定する方法に関するものであ
る。

そして本発明では、マーク幅を規定する一対のマーク
エッジ部の夫々の位置で極値となる光電信号波形を得る
工程と、光電信号波形中の２つの極値波形の内側に存在
する一対のスロープ波形部部に基づいてマークの位置を
決定する第１決定工程と、２つの極値波形の外側に存在
する一対のスロープ波形部分に基づいてマークの位置を
決定する第２決定工程と、２つの極値波形の内側と外側
の両方に存在するスロープ波形部分に基づいてマークの
位置を決定する第３決定工程と、第１決定工程、第２決定工程、第３決定工程のうちい
ずれか１の工程を、基板の目標とするアライメント精度
に応じて選択する工程とを設けるにようにした。

〔作用〕

本発明では、基本的に第２図に従って信号の波形処理
を行う。

第２図（Ａ）はウェハＷ上に形成された凸状のマーク
MKの断面構造を示し、表面にはレジスト層PRが一様に塗
布されている。

第２図（Ｂ）は、マークMKの両端のエッジE1,E2を横
切る様な走査線に沿ってマークMKの像をテレビカメラで
撮像したときのビデオ信号VSの波形を示す。このビデオ
信号VSは、マークMKの両端のエッジE1,E2の位置で極小
値となるようなボトム波形部分BW1,BW2になる。ボトム
波形部分BW1とBW2の間の波形レベルはマークMK自体の反
射率によって変化し、ボトム波形部分BW1の左側の波形
レベルと、ボトム波形部分BW2の右側の波形レベルと
は、ウェハ下地の反射率によって変化する。

第２図（Ｃ）は２つのボトム波形部分BW1,BW2を拡大
して示したもので、ボトム波形部分BW1は、走査が進行
するにつれて、ボトムレベルBT1まで落ち込むダウンス
ロープ部DSL1と、ボトムレベルBT1から立ち上がるアッ
プスロープ部USL1とを有する。同様にボトム波形部分BW
2もボトムレベルBT2まで落ち込むダウンスロープ部DSL2
と、ボトムレベルBT2から立ち上がるアップスロープ部U
SL2とを有する。本発明では、マークMKの両エッジE1,E2
の夫々に対応したボトム波形部分BW1,BW2のスロープ部D
SL1,USL1,DSL2,USL2を選択的に使用することでマークMK
の走査方向に関する中心位置を決定するようにした。

これら各スロープ部において、内側に存在するスロー
プ部とはアップスロープ部USL1とダウンスロープ部DSL2
であり、外側に存在するスロープ部とはダウンスロープ
部DSL1とアップスロープ部USL2である。

実際の処理においては、一方のボトム波形部分BW1
で、ダウンスロープ部DSL1の肩の部分のピーク値とボト
ムレベルBT1との間を所定の比で（例えば50％）で分割
するスライスレベルS1とスロープ部DSL1とが一致する走
査位置P1、及びアップスロープ部USL1の肩の部分のピー
ク値とボトムレベルBT1との間を所定の比で分割するス
ライスレベルS2とスロープ部USL1とが一致する走査位置
P2を求める。

同様に他方のボトム波形部分BW2に対しても、ダウン
スロープ部DSL2をスライスレベルS3で比較して求めた位
置P3と、アップスロープ部USL2をスライスレベルS4で比
較して求めた位置P4とを決定する。

従って、マークMKの中心位置Pmの算出は、基本的に以
下の３つの式のいずれか１つに従って行われる。

Pm＝（P2＋P3）/2 …（１） Pm＝（P1＋P4）/2 …（２） Pm＝（P1＋P2＋P3＋P4）/4 …（３）式（１）は内スロープ決定法、式（２）は外スロープ
決定法、そして式（３）は両スロープ決定法の基本式で
ある。

そして本発明においては、例えば実際のウェハをアラ
イメントしたときの精度が最もよくなる決定法を選ん
で、ウェハのアライメントを実行する。

〔実施例〕

次に本発明の実施例による方法を実施するのに好適な
投影露光装置の構成を第１図を参照して説明する。

第１図において、レチクルＲ上のパターン領域PAの像
は投影レンズPLを介してウェハＷ上に結像投影される。
ウェハＷはX,Y方向にステップアンドリピート法で移動
するステージST上に載置され、ステージSTの座標位置は
干渉計IFX,IFYで計測される。レチクスＲは、パターン
領域PAの両脇に設けられたレチクルアライメントマーク
RM1,RM2をレチクルアライメント顕微鏡RAS1,RAS2に対し
て位置決めすることで、装置（投影レンズPLの光軸）に
対してアライメントされる。又パターン領域PAの周囲の
ストリートライン相当領域内には、ダイ・バイ・ダイア
ライメント用のマーク（窓）が形成されており、各マー
ク（窓）は、ウェハＷ上の１つのショット領域に付随し
たダイ・バイ・ダイ用のウェハマークとともに、TTR
（スルーザレチクル）方式のアライメント顕微鏡DAS1,D
AS2,DAS3,DAS4によって検出される。

さて、本実施例による方法は、ここではウェハＷ上の
マークのみをオフ・アクシス方式で検出するウェハアラ
イメントセンサーに対して適用される。このウェハアラ
イメントセンサーは、投影レンズPLの下部直近に配置し
たミラー10、対物レンズ12、ビームスプリッタ14、結像
レンズ16、共役指標板18、撮像レンズ20、及びCCD2次元
撮像素子22によって構成される。さらにウェハＷ上のマ
ーク領域を照明するために、ハロゲンランプ、光輝度多
色LED等からの広帯域波長の光を導くオプチカルファイ
バー24、コンデンサーレンズ26、照明視野絞り28、レン
ズ系30、及び先のビームスプリッタ14とで構成された照
明光学系が設けられる。

以上の構成において、ウェハＷは対物レンズ12と結像
レンズ12と結像レンズ16との合成系に関して指標板18と
光学的に共役に配置され、指標板18とCCD22の受光面と
は撮像用レンズ20に関して共役に配置される。

従ってCCD22は、ウェハＷ上のマークの拡大像と指標
板18上の固定（参照）マークの拡大像とを同時に撮像す
る。また照明光学系のファイバー24の射出端面は２次光
源像として、対物レンズ12とレンズ系30との間の瞳面
（開口絞り位置）にリレーされ、ウェハＷに対してケー
ラ照明を行う。更に視野絞り28は対物レンズ12とレンズ
系30との合成系によってウェハＷと共役になっており、
視野絞り28のアパーチャ像がウェハＷと共役になってお
り、視野絞り28のアパーチャ像がウェハＷ上に投影され
ることになる。本実施例では、少なくとも対物レンズ1
2、結像レンズ16、撮像用レンズ20の夫々に対して色消
しがなされており、色収差による結像特性の劣化を押え
ている。

又、本実施例の装置では、ステージST上に基準マーク
FMが設けられ、ウェハアライメントセンサー内の指標板
18上の指標マークのウェハＷへの投影点と、レチクルＲ
上のレチクルアライメントマークRM1,RM2あるいはダイ
・バイ・ダイ用のマークの投影点との間の距離（ベース
ライン）を計測するのに使われる。

次に第３図を参照して、第１図中のCCD22からのビデ
オ信号の処理回路について説明する。CCD22は２次元撮
像素子であり、水平走査方向と垂直走査方向とに画素
（ピクセル）が配列されるが、本実施例のCCD22では、
ウェハＷ上のマークのエッジを横切る方向を水平走査方
向に一致させるものとする。

さて、CCD22からは水平同期信号と垂直同期信号とが
混合したコンポジットビデオ信号が得られる。このビデ
オ信号は、周波数フィルターやAGC等の前処理回路40を
介してアナログ−デジタル変換器（ADC）42に送られ
る。一方、CCD22からのビデオ信号は、同期信号分離回
路やクロック発生回路等を含む制御回路44に送られる。
この制御回路44はCCD22の水平同期信号に基づいて、１
画素の電気走査（読み出し走査）あたり１つのクロック
パルスとなるようなクロック信号SCLを出力する。この
クロック信号SCLは、CCD22の電気的走査が１フレーム中
でのサンプリング範囲（水平走査線の垂直方向の本数）
になったか否かを検出する比較部46と、ADC42の出力デ
ータを記憶するためのメモリ（RAM）43に対してアドレ
ス値を出力するアドレスカウンタ48とに送られる。従っ
て、RAM43内には、CCD22の所定の水平走査線から指定さ
れた本数分だけのデジタル波形データが記憶される。RA
M43内の波形データは、プロセッサー50によって管理さ
れるアドレスバスＡ−BUSとデータバスＤ−BUSとによっ
てプロセッサー50に読み込まれ、所定の波形処理演算が
行われる。プロセッサー50のアドレスバスＡ−BUSとデ
ータバスＤ−BUSには、ステージSTを制御するためのス
テージコントローラ52がつながれ、このコントローラ52
は干渉計IFX,IFYの座標計測値を入力してステージSTの
駆動モータ54を制御する。

次に、本実施例に好適なマーク形状や配置を第４図、
第５図、第６図を参照にして説明する。

第４図はウェハＷ上のショット配列を示し、レチクル
Ｒのパターン領域PAの投影像はショット領域SAの夫々と
アライメントされる。そして露光時には、各ショット領
域SAの中心CCがレチクルＲのパターン領域PAの中心と一
致する中心CCで直行する中心線はウェハステージSTの干
渉計で規定される直行座標系のＸ軸、Ｙ軸と平行にな
る。

さて、各ショット領域SAにはダイ・バイ・ダイ用のウ
ェハマークMD1,MD2,MD3,MD4が形成されている。本実施
例では、このマークMD1〜MD4をオフ・アクシス方式のウ
ェハアライメントセンサー（10〜30）で検出するものと
する。各マークMDnは、第６図（Ａ）に示すように、４
本のバーマークBPM1,BPM2,BPM3,BPM4が同一間隔で平行
に並んだマルチマークとする。また、第６図（Ｂ）に示
すようにバーマークBPMnはウェハ下地に対して凸状に形
成されているものとする。このマークMDnの中心Clは、
バーマークBPM2とBPM3との間に存在する。

また、第５図は共役指標板18上の指標マークTL,TRの
配置を示し、指標マークTL,TRの夫々は透明ガラス板の
上にクロム層で形成された２本の細線からなる。アライ
メントの際は、２つの指標マークTL,TRの間にマークMDn
を挟み込むようにステージSTを位置決めする。こうして
得られるビデオ信号波形の一例を第７図に示す。

第７図（Ａ）は指標マークTL,TRにウェハマークMDnを
挟み込んだ様子を示し、ウェハマークMDnの中心Clと指
標マークTL,TRの中心Ctとがわずかにずれている。この
ずれ量を精密に算出するのが、第３図に示したプロセッ
サー50である。第７図（Ｂ）に示すように、CCD22の水
平走査線SLに沿って得られるビデオ信号波形は、広帯域
照明光を使ってレジスト層での干渉現象を低減させてい
るため、各マークのエッジ位置でのみボトム（極小値）
になる。第７図（Ｂ）で、指標マークTL,TRはそれぞれ
微細な２本のバーマークであるため、そのバーマーク１
本について１つのボトム波形BL1,BL2,BR1,BR2になる。
またウェハマークMDnの４本のバーマークBPM1〜BPM4の
各エッジ位置で、計８つのボトム波形WL1,WR1,WL2,WR2,
WL3,WR3,WL4,WR4が得られる。

ところが、指標マークTL,TRの位置で現れるボトム波
形と、ウェハマークMDnの各エッジ位置で現れるボトム
波形とでは、光学的な現象が全く異なっている。即ち指
標マークTL,TRは，ウェハ表面で反射した照明光によっ
て透過照明されるために、CCD22上では暗部として撮像
される。これに対してウェハマークの各エッジは、照明
光が対物レンズ12等の開口数（N.A.）よりも大きな角度
で散乱されて、CCD22への結像光路内に戻ってこないた
めに暗部（暗線）として撮像されるのである。

尚、第７図（Ｂ）の信号波形は、第７図（Ａ）に示す
ように、Ｎ本の走査線SLに沿って得られた信号波形を垂
直方向の画素列で加算平均したものである。この加算平
均はプロセッサー50がRAM43からＮ本分の波形データを
読み出して実行する。

次に本実施例のアライメント方法を説明するが、その
前提として、いくつかのパラメータが予めプロセッサー
50内に設定されているものとする。そのパラメータの代
表的なものは以下の通りである。

指標マークTLとTRの中心アドレス値ACC 指標マークTLとTRのウェハ上での間隔Lt（μｍ）指標マークTL,TRの夫々の本数Kt ウェハマークMDnの本数Km 指標マークTL,TRの中心アドレス値ACCからのポイント
（番地）数HL,HR 指標マークTL,TRの各処理幅のポイント（番地）数Pt ウェハマークMDnの中心アドレス値ACCからの処理幅の
ポイント（番地）数Pm これらのパラメータのうち、ポイント数HL,HR,Pt,Pmの
意味については第７図（Ａ）中に図示してある。

また、本実施例では、ウェハＷのグローバルアライメ
ントが完了した後に、ウェハアライメントセンサーを用
いてよりファインな位置検出を行うことを前提としてい
る。従ってグローバルアライメント後にウェハＷ上のシ
ョット配列の設計値のみに基づいてステージSTを位置決
めして指標マークTL,TRとウェハマークMDnとを検出する
と、グローバルアライメント時の残留誤差（±１μｍ以
下）分、ショット配列の僅かな不規則性、又はウェハＷ
の伸縮分等を含んだアライメント誤差ΔＸが存在する。
このアライメント誤差ΔＸは第７図中に示した中心位置
ClとCtの差である。

さて、プロセッサー50はCCD22で撮像された走査線Ｎ
本分の波形データがRAM43に取り込まれると、第８図に
示した手順で波形処理を実行する。そこで以下、第８図
の各ステップに沿って説明する。

〔ステップ100〕ここでは、RAM43に取り込まれたＮ本分の原波形デー
タから任意の本数を選んで垂直方向に画素毎の加算平均
を行い、１本の平均波形データを作る。作られた平均波
形データはRAM43内に一時的に記憶される。

尚、加算平均すべき走査線は垂直方向に連続している
必要はなく、１本おき、又は２本おきでもよい。

〔ステップ102〕次にプロセッサー50は、平均波形データをスムージン
グする。このスムージングは平均波形データを数値フィ
ルターに通すことによって行われる。

第９図（Ａ）は、RAM43内の平均波形データの一例を
示したもので、横軸はRAM43のアドレスポイント、縦軸
はレベルを表す。この波形に対して第９図（Ｂ）のよう
な数値フィルターFNaをかける。これによって平均波形
データ中に存在する高周波成分が除去されスムージング
波形データＲ（ｎ）が得られる。この波形データＲ
（ｎ）もRAM43内に一時的に記憶される。

〔ステップ104〕次にプロセッサー50は平均波形データを微分する。こ
の微分は第９図（Ｃ）に示したように傾きが一定の数値
フィルターFNbに平均波形データを通すことによって行
われる。これによって第９図（Ａ）のようなボトム波形
は第９図（Ｄ）のような微分波形データＰ（ｎ）にな
る。この微分波形データ上でボトム点となるアドレスポ
イントPXDは、平均波形データ（又はスムージング波形
データ）上のダウンスロープ部DWSの中点位置と一致
し、微分波形データ上でピーク点となるアドレスポイン
トPXUは、平均波形データ上でのアップスロープ部UPSの
中点位置と一致している。

従って、微分処理を行うことによって、スムージング
波形データ上での全てのスロープ位置が特定できること
になる。尚、第９図（Ｄ）においてアドレスポイントPX
DとPXUの間で微分波形が零クロスする点は、第９図
（Ａ）の波形中でのボトム点に一致している。

〔ステップ106〕次にプロセッサー50は、この微分波形データＰ（ｎ）
中の全てのピーク点とボトム点、及びそれらの位置を抽
出する。この場合、第９図（Ｄ）に示すように、本来の
ボトム，ピーク以外の小さなボトム，ピークDup,Dubも
抽出され得る。

〔ステップ108〕そこでプロセッサー50は、これら小さなボトム，ピー
クDup,Dubは小さい順に切り捨てて、指標マークの本数K
tとウェハマークの本数Kmとに対応した数のボトム点と
ピーク点を選ぶ。

先の第７図に示したように、左右の指標マークTL,TR
に対応した波形処理幅Pt内では、スムージング波形デー
タＲ（ｎ）上で２つのボトム波形が得られることが分か
っている（指標マーク本数Kt＝２）。従って、処理幅Pt
内では、微分波形データＰ（ｎ）上で２つのピーク点と
２つのボトム点とが得られることになる。

一方、ウェハマークMDnに対応した処理幅2Pm内ではス
ムージング波形データＲ（ｎ）上で８つ（2Km）のボト
ム波形が得られることが分かっている。従って処理幅2P
m内では微分波形データＰ（ｎ）上で８つのピーク点と
８つのボトム点とが得られることになる。

以上の処理によって、スムージング波形データ上の各
マークに対応したダウンスロープ部とアップスロープ部
とが特定されたことになる。

第10図はその様子を表し、第10図（Ａ）はスムージン
グ波形データを表し、第10図（Ｂ）は微分波形データを
表す。ここで第10図の横軸は、スムージング波形データ
のアドレスポイントを表し、微分波形データ上のピーク
点、ボトム点に対応して、スムージング波形データ中の
各スロープの中心位置が求められる。

左側の指標マークTLに対応したスムージング波形（BL
1,BL2）上の各スロープ中心位置は、ダウンスロープRD
（１）、RD（２）の２つと、アップスロープRU（１）、
RU（２）の２つである。また右側の指標マークTRに対応
したスムージング波形（BR1,BR2）上の各スロープ中心
位置は、ダウンスロープRD（３）、RD（４）の２つと、
アップスロープRU（３）、RU（４）の２つである。

同様に、４本のバーマークBPM1〜BPM2の各エッジで生
じたスムージング波形上の各スロープの中心位置は、ダ
ウンスロープWD（１）〜WD（８）とアップスロープWU
（１）〜WU（８）である。

ところで、ダウンスロープやアップスロープを特定す
る手法として、実際にはスムージング波形と微分波形と
の各コントラスト値（レベル）を用いてコントラストリ
ミットを定め、そのリミット値に基づいてスムージング
波形中の各スロープ位置を特定するのがよい。

第11図（Ａ）は第10図（Ａ）中のボトム波形WL1のみ
を拡大して示し、第11図（Ｂ）は第11図（Ａ）の微分波
形のみを拡大して示したものである。

まず微分波形データ中のボトム位置WD（１）に対応し
た微分レベル（コントラスト値）CWD（１）の絶対値を
求め、位置WD（１）に対応するスムージング波形中のレ
ベルCDS（１）を求める。このレベルCDS（１）は位置CW
D（１）で決まるダウンスロープ中のレベルよりも少し
小さな値として取り込まれる。

次にプロセッサーは、次式によってコントラスト値CV
W（１）を算出する。

CVWd（１）＝Ａ・CDS（１）＋Ｂ・CWD（１）同様に、微分波形データ中のピーク位置WU（１）に対
応した微分レベルCWU（１）の絶対値を求め、さらに位
置WU（１）に対するスムージング波形中のレベルCUS
（１）を求める。

そして次式によってコントラスト値CVWu（１）を求め
る。

CVWu（１）＝Ａ・CUS（１）＋Ｂ・CWU（１）ここでA,Bは定数であるが、ノイズを区別する場合に
はＡ＝1,B＝0.5程度に設定する。

以上の動作を、ウェハマークの信号処理範囲内で行う
とともに、指標マークの信号波形に対しても全く同様に
行う。

指標マークについては、第10図（Ａ）中のボトム波形
BL1を例にとると、その微分波形中のボトム位置はRD
（１）、ピーク位置はRU（１）である。

そこで、位置RD（１）での微分波形中のレベル（ボト
ム）をCFD（１）、位置RU（１）での微分波形中のレベ
ル（ピーク）をCFU（１）、そしてスムージング波形中
のボトム波形BL1でのダウンスロープの中心付近のレベ
ルをCDR（１）、アップスロープの中心付近のレベルをC
UR（１）とすると、指標マークのコントラスト値CVRd
（１）、CVRu（１）はそれぞれ以下のようにして求めら
れる。

CVRd（１）＝Ａ・CDR（１）＋Ｂ・CFD（１） CVRu（１）＝Ａ・CUR（１）＋Ｂ・CFU（１）そしてプロセッサーは指標マークに対するウェハマーク
のコントラスト比GGを次式によって求める。

GG＝CVWd（１）/CVRd（１）×100（％）又は、 GG＝CVWu（１）/CVRu（１）×100（％）そしてこのコントラスト比GGが所定の比以下になって
いる場合は、ウェハマークのエッジに対応したボトム波
形ではないと判断していく。

〔ステップ110〕次にプロセッサー50はスムージング波形中の各スロー
プ部を所定のスライスレベルと比較してその交点を求め
る。このステップ110は、場合によっては省略してもよ
い。それは、第10図のようにして求まったスムージング
波形上の各スロープの中心位置をそのまま以後の処理に
使えることもあるからである。

さて、このステップ110では先の第２図（Ｃ）で説明
したように、各スロープ毎に最適なスライスレベルを決
める。このスライスレベルの決定にあたっては、先の第
10図で求めた指標マークのアップスロープ位置RU（１）
〜RU（４）、ダウンスロープ位置RD（１）〜RD（４）、
ウェハマークのアップスロープ位置WU（１）〜WU
（８）、ダウンスロープ位置WD（１）〜WD（８）の夫々
を使う。そこで具体的な一例を第12図によって説明す
る。先ず第12図（Ａ）のようにスムージング波形上の１
つのボトム波形WL1のダウンスロープ位置WD（１）から
一定のポイント数（アドレス）分だけ波形データを前後
にサーチする。そしてダウンスロープ下部の最小値BTと
ダウンスロープの肩の部分の最大値SPdとを求め、第12
図（Ｂ）に示すように最小値BTと最大値SPdとの間を所
定の比率で分割するところにスライスレベルS1を決定す
る。

ここでその比率をα（％）とすると、スライスレベル
S1は次式で演算される。

S1＝（SPd−BT）×（α/100）＋BT 次にこのスライスレベルS1と一致するダウンスロープ
部のレベルの位置を求める。この際、スライスレベルS1
と一致するレベルがサンプリング点の間に介在する場合
は、直線補間等の手法で、交点位置SWD（１）を求め
る。この位置SWD（１）は、例えばアドレスポイントの
間を1/10で補間した実数で表すものとする。

以上と同様にして、スムージング波形上のボトム波形
WL1のアップスロープについても、位置WU（１）から前
後にサーチ（ここでは最小値BTが分かっているので、サ
ーチは一方向のみでもよい）を行い、次式によってスラ
イスレベルS2を決定する。

S2＝（SPu−BT）×（α/100）＋BT そして、このスライスレベルS2と一致するアップスロ
ープ部の位置SWU（１）を実数で算出する。

以下、同様にしてスムージング波形中の各ボトム波形
について最適なスライスレベルを決めて、その交点位置
SRU（１）〜SRU（４）、SRD（１）〜SRD（４）、SWU
（１）〜SWU（８）、SWD（１）〜SWD（８）を求める。

〔ステップ112〕次にプロセッサー50は、ウェハアライメントセンサー
の光学系の倍率誤差等をキャンセルするために、CCD22
の１画素（スムージング波形データのサンプリング間
隔）がウェハ面上で何μｍに相当するのかを算出して、
その換算値UNT（μm/ポイント）を実数で求めておく。
ここでは、安定性の良い指標マークTL,TRの設計上の間
隔Lt（μｍ）を用いるものとする。間隔Ltはウェハ面上
の値として登録されているので、次式によって換算値UN
Tを演算する。尚、指標マークTL,TRはともにLt本（本実
施例ではKt＝２）とする。

〔ステップ114〕次にプロセッサー50は指標マークTLとTRの間の中心位
置Ct（μｍ）を次式に基づいて実数で求める。

〔ステップ116〕ここでは予め指定された処理モードに従ってウェハマ
ークの中心位置Clの演算アルゴリズムを選択する。この
ステップ116から次にどのステップ（118,120,122のいず
れか）に進むかはオペレータによって指定されたり、或
いはオートセットアップシステムによって自動的に切り
換えられる。

〔ステップ118〕ここでは内スロープ検出法によってウェハマークの中
心位置Cl（μｍ）を実数で算出する。

ここで先の第10図を参照すると、ウェハマークの波形
上の内スロープ位置は、SWU（１）、SWD（２）、SWU
（３）、SWD（４）、SWU（５）、SWD（６）、SWU
（７）、SWD（８）である。

従って、ここではウェハマークの本数をKm（本実施例
ではKm＝４）として、次式に基づいて中心位置Clを算出
する。

〔ステップ120〕ここでは外スロープ検出法によってウェハマークの中
心位置Cl（μｍ）を実数で算出する。

ここで先の第10図を参照すると、ウェハマークの波形
上の外スロープ位置は、SWD（１）、SWU（２）、SWD
（３）、SWU（４）、SWD（５）、SWU（６）、SWD
（７）、SWU（８）である。

従ってここでは次式に基づいて中心位置Clを算出す
る。

〔ステップ122〕ここでは両スロープ検出法によってウェハマークの中
心位置Cl（μｍ）を実数で算出する。

先の第10図から明らかなように、ウェハマークの波形
上のダウンスロープ，アップスロープの全ての加算平均
位置が中心Clになるので、次式に基づいて演算される。

〔ステップ124〕次にプロセッサー50は、指標マークの中心位置Ctとウ
ェハマークの中心位置Clとの差を算出してアライメント
誤差ΔＡ（μｍ）を決定する。

このアライメント誤差ΔＡは、RAM43にビデオ信号波
形を取り込んだ時のウェハステージSTの残留アライメン
ト誤差であり、以後のステージSTの位置決めにあたって
は、グローバルアライメントによって決定されたステー
ジ位置決め座標の設計値をΔＡだけオフセットさせれば
よい。

以上、本実施例の基本的なアライメント手順について
説明したが、次に本実施例のステップ116でどの処理モ
ードを選択するかの決め方についての一例を説明する。

通常、半導体ウェハ上にデバイスを形成する工程に
は，素子間の配線等の為のためにアルミニウム層を一様
に蒸着する工程があり、ウェハ上の凹凸のアライメント
マークはアルミ層で被覆された状態でアライメントセン
サーで検出される。すなわちアルミ層そのものでできた
マークを検出することになる。

従ってマーク上にアルミ層がきれいに蒸着されずに非
対称になった場合、マークの両端のエッジ部に対応した
ビデオ信号波形（ボトム波形）も非対称になる。第13図
（Ａ）はアルミ層Alで被覆されたアライメントマークWM
の断面構造を示し、CCD22で撮像され、テレビモニター
上に映し出されたマーク像は第13図（Ｂ）に示すよう
に、左右のエッジ部に生じる暗線の幅が互いに異なって
いる。

これは、第13図（Ａ）に示すように、マークWMの左右
のエッジ部でアルミ層Alが非対称に蒸着しているからで
ある。可視域の照明光を用いてこのマークWMを観察する
と、通常はアルミ層Alの表面しか見えない。そのためCC
D22から出力されるビデオ信号波形は第13図（Ｃ）のよ
うになり、左右のエッジ部に対応したボトム波形は互い
に異なったものになる。

このような波形に対して本実施例の信号波形処理アル
ゴリズムを適用して、外スロープ位置SWD（１）、SWU
（２）と内スロープ位置SWU（１）、SWD（２）を求め、
第８図のステップ122で両スロープ検出法を選ぶと、第1
3図のマークWMの中心位置Clは次式で得られる。

Cl＝｛SWD（１）＋SWD（２）＋SWU（１）＋SWD（２）｝
/4 ところが、このような非対称性の強いマークを両スロー
プ検出法で検出してアライメントしても、その精度が必
ずしも十分に得られないことが実験により確かめられ
た。

この原因は、１つにはアライメント（重ね合わせ）精
度を調べるバーニアに問題がある。

バーニアによる重ね合わせ精度の検査には、予めウェ
ハ上に形成されたバーニア主尺に対してレチクル上のバ
ーニア副尺を、アライメントセンサーを使って位置決め
して、重ね焼きするものであり、その重ね焼きによって
作られたバーニアのずれ量を読むことで、アライメント
精度が判定できる。

従来、この検査はステッパーを用いて重ね焼きされた
ウェハを現像した後、レジストで形成されたバーニア副
尺と下地のバーニア主尺とを別の光学顕微鏡等で観察し
てバーニアのずれ量を目視で読み取っている。

第14図（Ａ）、（Ｂ）と第15図（Ａ）、（Ｂ）はアル
ミ層におけるバーニアの一例を示し、第14図（Ａ）、
（Ｂ）はバーニア主尺WBMの上のレジスト層PRにバーニ
ア副尺WBSをぬきで形成する場合であり、第15図
（Ａ）、（Ｂ）はバーニア主尺WBMの両脇のレジスト層P
Rに２本のバーニア副尺WBSをぬきで形成する場合であ
る。

ここではバーニア主尺WBMが非対称になっているもの
とする。

目視でこれらバーニアを計測する場合、レジストによ
る副尺WBSのエッジ部と、それに隣接した主尺のエッジ
部の距離a,bを読み取り、その距離が目測で等しくなっ
ている位置をアライメント精度としている。

具体的には、第16図に示すように主尺WBMを計測方向
に一定ピッチで作っておき、これに重ね焼きされる副尺
WBSは主尺WBMのピッチに対して例えば0.02μｍだけ大き
なピッチにしておく。理想的にアライメントされていれ
ば、バーニアに付随して表示された数値の０のところで
主尺WBMと副尺WBSとが中心同志で重なる。第16図の場
合、主尺WBMと副尺WBSとが中心同志で重なっているの
は、数値−02の位置であるので、アライメント精度とし
ては−0.02μｍが得られていることになる。尚、第16図
は第14図に示した方式のバーニアパターンであるが、第
15図に示した方式でも同様である。

さて、第14図のバーニア形式の場合、距離a,bを規定
する主尺WBM上のエッジ位置は、第13図（Ｃ）の波形上
に対応させると内スロープ位置SWU（１）、SWD（２）に
なる。

一方、第15図のバーニア形式の場合は、距離a,bを規
定する主尺WBM上のエッジ位置は第13図（Ｃ）の波形上
に対応させると外スロープ位置SWD（１）、SWU（２）に
なる。

即ち、アライメント精度をチェックしたときのバーニ
アの形式によって、実際のアライメント時には内スロー
プ検出法を使うか外スロープ検出法を使うかを選択しな
ければならないことになる。

従って、第14図（第16図）のバーニア形状でアライメ
ントチェックする場合は内スロープ検出法（第８図のス
テップ118）を選択し、第15図のバーニア形式では外ス
ロープ検出法（第８図のステップ120）を選択すればよ
い。

このようにすると、目視でバーニア計測したアライメ
ント精度と、ウェハアライメントセンサーで検出したア
ライメント誤差との対応付けが正確になる。

ところで、プロセスによってはアルミ層Alの下のマー
クWMに対してアライメントを行うこともある。この場
合、マークWMの上のアルミ層Alがどの程度非対称に形成
されているかが特定し難い。そこでマーク断面構造を調
べることによって、その非対称性を確認したら、非対称
性の程度に応じて内スロープ検出法に重み付けするか、
外スロープ検出法に重み付けするかを自動的に選ぶよう
にする。例えば第13図（Ｃ）のようなシングルマークの
波形に対しては次式によってマーク中心位置Clを決定す
る。

この式は両スロープ検出法の演算式を変更して重み付
けの定数A,Bを入れたものであり、定数A,Bは次の条件を
同時に満たしていればよい。

０＜Ａ＜2,0＜Ｂ＜2,A＋Ｂ＝２ここで重み付け定数A,Bをともに１にしたときが両ス
ロープ検出法である。

尚、マーク断面構造を調べる方法としては、走査型電
子顕微鏡（SEM）測長器、超音波顕微鏡を使う方法、赤
外域のレーザスポットや照明光等のアルミ層Alを透過し
得る光を使って光学的に計測する方法等が考えられる。

ところで、アルミ層Alを蒸着したときの非対称は、ウ
ェハ中心から当方的に広がっていく傾向があり、ウェハ
上の周辺に位置するショット（チップ）のマークをウェ
ハアライメントセンサーを介して目視観察すると、その
位置での非対称性が例えば第17図のように認識できる。

第17図はウェハ中心をほぼ原点としたショット配列座
標XY上の周囲４ヵ所のショットの位置を示したもので、
各ショットには、Ｘ方向アライメント用とＹ方向アライ
メント用の各マークが設けられている。座標系XY上でＹ
軸方向に離れて位置する２つのショットについては、Ｙ
方向アライメント用のマークMDyを観察し、Ｘ軸方向に
離れた２つのショットについては、Ｘ方向のアライメン
ト用のマークMDxを観察する。

この際、各マークをCCD22で撮像した信号波形を処理
して、マークエッジ部でのボトム波形の幅、すなわち、
第13図（Ｃ）で示した位置SWD（１）とSWU（１）との
差、及び位置SWD（２）とSWU（２）との差を求める。こ
れによって、その差の大きい方のエッジに非対称性が強
く生じていることがわかる。この非対称性の量ΔＵは次
式によって定量的に求めることができる。

このことから、ウェハの周辺のいくつかのショットの
マークを検出して、その位置での非対称量ΔＵを求める
と、アルミ層蒸着時における非対称性をウェハ全面でお
おむね特定することができる。

そこで第１図に示したように、レチクルＲ上のダイ・
バイ・ダイマークとウェハＷ上の１ショット分のマーク
とをTTRアライメント系DAS1〜DAS4で検出するシステム
を備えたステッパーにおいては、TTRアライメント系で
アライメントされるウェハマークの位置を、マークの非
対称性に応じて補正することが可能となる。

ここで、TTRアライメント系の１つの例として特開昭6
3−283129号公報に開示された干渉アライメント方式を
考えてみる。

第18図は、特開昭63−283129号公報に開示された系と
は若干異なるが、原理的には同じ干渉アライメント方式
を説明する概略図である。

レチクルＲ上には、ダイ・バイ・ダイマークとして透
明窓内の２ヵ所に回折格子Gr1,Gr2が格子ピッチ方向に
離れて設けられ、露光光と異なる波長の２本のレーザビ
ームLf1,Lf2の夫々が、格子Gr1,Gr2を斜めに照射する。
ビームLf1,Lf2の主光線はレチクルＲの上方空間で交差
しており、その交点とレチクルＲとの光軸方向の間隔
は、ビームLf1,Lf2の波長における投影レンズの軸上色
収差量に対応している。レチクルＲ上の格子Gr1,Gr2の
横の透明部を透過したビームLf1,Lf2は投影レンズを介
してウェハＷ上で交差する。その交差領域には、ウェハ
Ｗ上の回折格子Gwと平行に一次元の干渉縞が作られる。
ウェハＷの格子Gwからは±１次回折光が干渉した干渉光
BTLが垂直に発生し、この干渉光BTLは投影レンズを逆進
して、レチクルＲの透明窓内の中央を通って光電変換さ
れる。ここで２本のビームLF1,Lf2にわずかな周波数差
Δｆを与えると、ウェハＷの格子Gw上に形成される干渉
縞はその周波数差Δｆに応じた速度で流れ、干渉光BTL
の光電検出信号（計測信号）は周波数Δｆで正弦波状に
変化する交流信号となる。

一方、レチクルＲの格子Gr1,Gr2からは送光ビームLf
1.Lf2と逆向きに±１次回折光DL1,DL2を発生させるよう
にし、これら±１次回折光DL1,DL2を干渉させた干渉光
を光電検出して、参照信号を作る。

この参照信号も周波数Δｆで正弦波状に変化する交流
信号となり、参照信号と計測信号との位相差Δφ（±18
0°以内）が、レチクルＲの格子Gr1、Gr2とウェハＷの
格子Gwとのピッチ方向のずれ量になる。このように２本
のビームLf1,Lf2に周波数差Δｆを与える方式は特にヘ
テロダイン干渉アライメント方式と呼ばれ、格子Gwのピ
ッチを４μｍ程度（２μｍ幅のライン・アンドスペー
ス）にすると、最大位相差±180°が±１μｍに対応す
ることから、位相差計測分解能として±２°が得られる
ものとして、約±0.01μｍの位置ずれ検出能力が得られ
る。

さて、このような高精度、高分解能のTTRアライメン
トセンサーを用いた場合、ウェハＷ上の格子マークGwの
各格子要素に非対称性が生じていると、当然のことなが
らマーク位置検出結果に誤差（オフセット）が含まれて
しまう。そこで、次に、この種のTTRアライメント系で
問題となるマークの非対称性を、広帯域照明光を用いた
ウェハアライメントセンサーによって推定してオフセッ
ト補正する方法を説明する。

第19図（Ａ）はウェハＷ上の格子マークGwの断面形状
を示し、各格子要素の右側のエッジがだれている。この
ため、第18図に示したTTRアライメント方式を使い、干
渉縞IFを流してヘテロダイン検出で格子マークGwを検出
し、レチクルＲの格子Gr1,Gr2とのアライメントを行っ
ても、個々の格子要素の非対称性の量を平均化したよう
なオフセットが残留する。

そこで先の実施例と同様にして、CCD22で格子マークG
wを撮像する。このときCCDの水平走査方向を格子マーク
Gwのピッチ方向と平行にする。これによって、CCD22か
らのビデオ信号波形は第19図（Ｂ）に示すように、各格
子要素の両側のエッジ部で非対称なボトム波形となる。
そして、第13図で説明したように、各ボトム波形からダ
ウンスロープ位置SWD（ｎ）とアップスロープ位置SWU
（ｎ）とを求め、さらに各格子要素毎に非対称性量ΔＵ
（ｎ）を算出して平均化すると、格子マークGw全体とし
ての非対称性量がわかる。従って、ダイ・バイ・ダイア
ライメント時には、この算出量に基づいて、TTRアライ
メント系でのマーク位置検出結果にオフセットをのせて
アライメントを行うと、単一波長の照明ビームを用いた
TTRアライメント系であっても、マーク非対称性による
誤差を低減させることができる。

次に、信号処理のアルゴリズム上、アライメントマー
クのエッジ部から明確なボトム波形がでない場合につい
て、第20図を参照にして説明する。

第20図（Ａ）はウェハ上のマルチマークMD（凸部）の
反射率が周囲の反射率と比べて極端に異なる場合を示
し、このときの信号波形はマークと下地とのコントラス
ト差に応じた波形形状になる。

第20図（Ｂ）はマルチマークMDのライン・アンド・ス
ペースのデューティを50％以外の値にした場合で、隣接
する凸状のバーマークのライン幅が狭いと、左右のエッ
ジでのボトム波形が分離せずに単一のボトム波形になっ
てしまう。

また第20図（Ｃ）はマルチマークMDの各バーマークを
正方形のドットで構成して格子にした場合を示し、この
場合もエッジ部では明確なボトム波形が得られず、短形
波状になる。

これら第20図の場合は何れも内スロープ検出法が利用
できず、外スロープ検出法のみを利用することになる。
先の実施例で説明した通り、アルゴリズム上の動作とし
て、ウェハマーク本数Kmが予め設定されていて、信号波
形上で一定のコントラストを持ったボトム波形が2Km個
だけ得られるものとしているから、マークエッジ部で明
確なボトム波形が発生しない場合は、アルゴリズム（演
算）上でエラーを起こし易くなる。

そこで第８図に示したフローチャート上に、コントラ
スト判定ルーチンを付加して、第20図のような信号波形
になったときには自動的に第８図中のステップ120を選
択するようにする。

第21図は、そのコントラスト判定ルーチンの一例を示
すフローチャートであって、第８図中のステップ116の
代わりに実行される。

以下、第21図の各ステップを説明する。

〔ステップ200〕ここではプロセッサーの内部カウンタ（ソフトウェア
カウンタ）FNに零をセットする。このカウンタFNは第20
図のような波形と第10図のような正常な波形とを区別す
るためのものである。

〔ステップ202〕ここでは、例えば第22図のような波形が得られたもの
として説明する。

先ず、第22図の波形で、ダウンスロープ位置SWD
（ｎ）、又はWD（ｎ）が求まっているので、そこから左
右に一定距離の位置でのコントラスト値（レベル）CVl
とCVrを求める。この一定距離はエッジでの正常なボト
ム波形の幅と同程度、若しくはそれよりも少し長めにし
ておく。

〔ステップ204〕次にプロセッサーはコントラスト値CVlとCVrとの差を
計算し、その差値が一定の値GC以上であるか否かを判断
する。

第22図中の最初のボトム波形はマークエッジ部のみに
対応した正常なものであるため、コントラスト値CVlとC
Vrの差値はそれ程大きくならず、ステップ206に進む。

〔ステップ206〕ここではカウンタFNの内容をインクリメント（＋１）
する。

〔ステップ208〕プロセッサーは全てのダウンスロープ位置SWD（ｎ）
についてチェックしたかどうかを判断し、チェックが終
わっていなければ、次のダウンスロープに対して同様の
処理をすべくステップ202へ飛ぶ。

〔ステップ210〕ここでプロセッサーはカウンタFNの内容が零のままだ
ったか否かを判断する。カウンタFNは、第22図中のダウ
ンスロープ位置SWD（２）のような状態、即ち位置SWD
（２）の前後のコントラスト値CVl,CVrの差が値GCより
も大きくなるときには、インクリメントされない。この
ためカウンタFNが零であることは、信号波形が第20図の
場合を意味し、プロセッサーは自動的（強制的）に外ス
ロープ検出のためのステップ120を実行する。

〔ステップ212〕またカウンタFNが零でないときは、そのカウント値と
ウェハマーク本数Kmとを比較し、一致していないとき
は、その信号波形が第22図の場合であると判断して内ス
ロープ検出のためのステップ118を実行する。

さらにカウンタFNの値がマーク本数Kmと等しいときに
は、全てのマークエッジ部に対応して正常にボトム波形
が発生したものと判断し、予めユーザ（オペレータ）か
ら指定された処理モード（３つのスロープ検出方法のう
ち何れか１つ）を実行する。

以上により、第20図のような信号波形が得られる場合
にも、アルゴリズム上でエラーなく処理することができ
る。しかしながら第20図のマークのときは、外スロープ
検出法でのみ処理されるので、先の第14図、第15図で説
明したように、バーニア形状に基づいて非対称性を考慮
すると内スロープ検出法が最適であることが分かったと
しても、それに対応することができないことになる。例
えば、第20図（Ｃ）又は（Ｂ）に示したように、１本の
凸状バーマークの幅が狭いマルチマークの場合、バーニ
ア形状による非対称性の影響の違いは顕著に現れる。

従ってこのような場合には、凸状バーマークを凹状バ
ーマークに変えることによって、バーニア形状に基づい
て決定される最適なスロープ検出法を利用することがで
きる。

尚、先の第20図（Ｂ）に示すようなライン・アンド・
スペースのマルチマークの場合、１本のバーマークに対
して１つのボトム波形しか生じないので、ライン・アン
ド・スペースのデューティ比を変えていって、１本のバ
ーマークの両側のエッジで分離したボトム波形が得られ
るようにしてもよい。この手法は、第19図で示した干渉
アライメント方式用のウェハ格子マークGwに対して実施
すると効果的である。干渉アライメント方式では、格子
マークGwのピッチを小さくするとそれだけ高分解能にな
る。ところが、CCD22を用いたウェハアライメントセン
サーでは格子マークGwのピッチが小さくなると、ビデオ
信号の波形が第20図（Ａ）のようになって、さらにコン
トラストが悪くなってくる。そこで格子マークGwのピッ
チは変えずにデューティ比を変えることで、ビデオ信号
の波形を極力第19図（Ｂ）、又は第20図（Ｂ）のように
することができる。

本実施例の装置では、ウェハマークの観察用の照明光
が広帯域であることから、レジスト層による干渉現象が
皆無となる。従って、解像力（倍率）を上げるためにCC
D22までの光学系（対物レンズ12）の開口数（N.A.）を
大きくすることも可能であるが，そうすると実用的な焦
点深度が得られなくなる。そこで対物レンズ12を投影レ
ンズPLの開口数の半分程度、例えばN.A.＝0.2〜0.3程度
にする。さらにウェハ面から共役指標板18までの光学系
（12,16）と指標板18からCCD22までの光学系（20）とに
よって決まるトータルの結像倍率を30〜50倍程度にす
る。このようにすると、実用的なマルチマークのライン
・アンド・スペースを４μｍ（ピッチ８μｍ）にした
時、マークエッジ部に対応したビデオ信号波形上のボト
ム波形に山割れが生じない。山割れとは、第23図（Ａ）
に示すような凸状バーマークの断面を考えたとき、ボト
ムエッジ（外エッジ）BE1、BE2とトップエッジ（内エッ
ジ）TE1、TE2の夫々が第23図（Ｂ）のようにボトム波形
BWB1、BWB2、BWT1、BWT2となって分離してしまう現象で
ある。これは、ボトムエッジBE1（BE2）とトップエッジ
TE1（TE2）との間のエッジテーパ部に、照明光ILが垂直
方向から照射されたとしても、対物レンズ12の開口数が
大きくて倍率が高いと、そのテーパ部からの散乱光DFL
がCCD22まで戻ってくるからである。

従って、第23図（Ｂ）のビデオ信号をテレビモニター
に供給して画面上で観察すると、バーマークのエッジ部
が２本の細い黒線になって見える。

このように山割れを起こした信号波形を処理すると、
分離したボトム波形BWB1とBWT1とを２つのエッジと誤認
識することもある。

本実施例の装置では、このような山割れが生じないよ
うに、プロセス上のウェハマークの形状変化を経験的に
考慮して、対物レンズ12の開口数を0.2〜0.3、CCD22ま
での倍率を30〜50と比較的小さく定めている。さらにCC
D22のセルサイズ（セルピッチ）はウェハ面換算で0.2μ
ｍ〜0.3μｍ程度である。

次に、本発明の第２の実施例による装置構成を第24
図、第25図を参照して説明する。本実施例では共役指標
板18、CCD22の構成、及びウェハマークのアライメント
の仕方が先の実施例と異なる。第24図はウェハＷ上のＸ
方向マークとＹ方向マークとを共通の光学系を介して検
出する場合の系を示し、第１図と異なる点は、指標板18
上にＸ方向用とＹ方向用の２組の指標マーク群が形成さ
れ、結像レンズ系20の後にビームスプリッタ21を設けて
結像光速を２つに分岐し、その分割された結像光速の夫
々を受光する２つのCCD22X,22Yを設けることである。た
だし２つのCCD22X,22Yは矢印で示したように水平走査方
向が互いに90°になるように設定されている。

さらに共役指標板18は、第25図に示すようにＸ方向用
には、指標マーク群TLA,TRA,TLB,TRBを含む領域VPBx
と、その上方の透明領域VPAxと、目視用マークVCMxとを
有し、Ｙ方向用には同様に指標マーク群TLA,TRA,TLB,TR
Bと目視用マークVCMyとを有する。

CCD22Xは、領域VPAxとVPBx、及びマークVCMxをカバー
するとともに、Ｙ方向用の指標マークTRA,TLAが写り込
まないような撮像範囲を有する。CCD22Yについても同様
である。本実施例では、共役指標板18、結像レンズ系20
までの系がX,Y用に共用されているために、ウェハ面を
観察するミラー10、対物レンズ12も１ヵ所に配置するだ
けでよい。

尚、Ｘ方向用とＹ方向用のアライメント光学系を対物
レンズから別個に配置する場合は、当然のことながら共
役指標板18もＸ方向用とＹ方向用とで別体になる。

さて、第25図に示した共役指標マーク群のうち内側の
指標マークTLAとTRAは、一例として４μｍ幅のバーマー
クを４μｍのスペースで７本配置したマルチマークを挟
み込めるように作られている。このため、マルチマーク
でないシングルマークを検出する場合等は、各指標マー
クTRA,TLAの下にくるウェハ面はマークやパターンの禁
止領域にならざるを得ない。すなわち、ウェハマークの
形成領域をストリートライン上で広く定めておかねばな
らず、デバイス製造上に制約を与えることになる。

そこで本実施例では、Ｘ方向用のシングルマークの検
出時には、第25図の右側の指標マークTRAとTRBの間にシ
ングルマークを挟み込むようにして、指標マークTRAとT
RBを含むビデオ信号波形部分のみを処理する。

また幅の広いマークに対しては指標マークTLBとTRBを
用いてもよい。

具体的には第26図に示すように、シングルマークWDに
対しては指標マークTRA、TRBで挟み込み、ｎ本の走査線
のビデオ信号を加算平均した波形から、予めパラメータ
として与えられている指標マーク処理範囲Ｒ−L,R−Ｒ
の波形部分と、その間のウェハマーク処理範囲Ｗ−Ａの
波形部分とを選び、先の第１の実施例と同様に信号波形
すればよい。また全体として幅が広くなるマルチマーク
については、第27図に示すように外側の指標マークTLB,
TRBを用いるように指標マーク処理範囲Ｒ−L,R−Ｒを設
定し、内側の指標マークTLA,TRAに重なっているウェハ
マークの波形部分は除外されるようにウェハマーク処理
範囲Ｗ−Ａを設定する。これら処理範囲の設定は使用す
るマーク形状寸法等を事前に登録することによって自動
的に行われる。

また、登録したマーク形状によっては、使用すべき指
標マークと重なることもあるので、ウェハグローバルア
ライメント後に特定されたウェハマーク位置を故意にX,
Y方向（計測方向）にシフトさせて、指標マークと重な
らないようにすることもできる。

次に第３の実施例について説明するが、ここでは第１
図に示したオフ・アクシス方式のウェハアライメントセ
ンサーを、ウェハのグローバルアライメントに利用する
場合について説明する。

一般に、この種のステッパーでは、ウェハのオリエン
テーションフラットを検出して機械的にウェハを位置決
めして（プリアライメント）してステージST上に載置す
るが、その状態では20μｍ〜100μｍ程度のプリアライ
メント誤差が存在する。グローバルアライメントは、そ
のプリアライメント誤差を見込んでウェハ上のグローバ
ルアライメント用のマークをサーチし、ウェハ上の実際
のショット配列と設計上のショット配列とを±１μｍ程
度の誤差範囲内に対応付ける作業である。従ってCCDカ
メラを用いてグローバルアライメントする場合、設計値
でステージSTを位置決めしても、プリアライメント誤差
が大きいとCCDカメラの撮像範囲内にグローバルマーク
が存在しないことも起こり得る。

そこで、CCDカメラでウェハ面を撮像して、ウェハＷ
をグローバルアライメントする場合には、ウェハ面をCC
Dで観察してはウェハを一定量ずらしていくグローバル
・サーチが必要となる。そのために、第25図に示した指
標板18の透明領域VPAx（又はVPAy）を用いる。この領域
VPAxはCCD2Xの撮像面上の予め定められた位置に存在す
るから、領域VPAxを走査する走査線の位置や本数も予め
わかっている。またウェハ上のグローバルマークWGMが
第28図のようにストリートラインSAL内に形成されてい
るものとする。

このグローバルマークWGMはストリートラインSALの伸
びるＹ方向に沿って平行に並べられた３本の格子状マー
クから成り、ストリートラインSALの左側のチップ領域C
PAから１本目の格子状マークまでの距離はａ、右側のチ
ップ領域CPAから３本目の格子状マークまでの距離はｄ
である。さらに３本の格子状マークの間隔はそれぞれb,
cである。

ここで設計値に従ってウェハステージSTを最初に位置
決めしたとき、指標板18の透明領域VPAxが第28図のよう
に主に左側のチップ領域CPAにかかり、グローバルマー
クWGMの１本目と２本目までを取り込んでいるものとす
る。このとき、領域VPAx内の走査線の複数本に対応した
ビデオ信号を加算平均すると、第29図（Ａ）のような波
形データがメモリ上に記憶される。

次にこの最初に取り込んだ波形データを解析して、グ
ローバルマークWGAかどうかを認識する。認識のアルゴ
リズムとしては、例えば特開昭60−114914号公報に開示
された手法が応用できる。

すなわち、第28図中に示したマークWGMの設計上の配
置関係（間隔a,b,c,d）に最も近い状態の波形位置を捜
し出す。

通常は、第29図（Ａ）の最初に取り込んだ波形データ
中にマークWGMの３本が同時に入ってくるが、プリアラ
イメント誤差が極端に大きくなってくると、第28図のよ
うに領域VPAxがマークWGMの３本目までをカバーしなく
なる。

そこで、プロセッサーは、ウェハステージSTをＸ方向
に一定量だけシフトさせた後、CCDカメラからのビデオ
信号波形をメモリ上に取り込む。このとき領域VPAxは第
28図中の右側に最初の部分と一部重複するようにシフト
する。右側にシフトした領域VPAxから得られるビデオ信
号の加算平均した波形は第29図（Ｂ）のようになる。こ
の第29図で領域VPAxのＸ方向の重複範囲はDBAであり、
この長さはステージSTの干渉計IFXによって正確に設定
され得るが、範囲DBAはマークWGAのＸ方向の幅（約ｂ＋
ｃ）よりも少し大きくなるように定めるとよい。

次に、プロセッサーは、１回目に取り込んだビデオ信
号波形の重複範囲DBAのコントラスト値CVaと、２回目に
取り込んだビデオ信号波形の重複範囲DBAのコントラス
ト値CVbとを比較する。

一般にCCDカメラでは、画面内の平均輝度が変化する
とAGC（オートゲインコントロール）が働き，そのため
重複範囲DBAでは２つの波形部分のコントラスト値CVa,C
Vbが変化することもある。

そこで２つのコントラスト値CVaとCVbが大きく異なる
ときは、それらがほぼ等しくなるように、１回目と２回
目のビデオ信号波形のうちいずれか一方のゲインを演算
により補償した後、２つのビデオ信号波形を重複範囲DB
Aでは平均化して継ぎ合わせる。この動作はメモリ上の
データをプロセッサーが演算することで行われる。

このように領域VPAxを相対的にＸ方向にシフトさせて
ビデオ信号波形の継ぎ合わせを行っていけば、CCDカメ
ラの１画面よりもはるかに広い領域からの連続したビデ
オ信号波形データがメモリ上に記憶される。このため、
ストリートラインSAL内のグローバルマークWGMをデザイ
ンルール（間隔a,b,c,d）に基づいて捜し出すことがで
きる。

以上グローバルマークWGMのサーチは、３本のマーク
が認識されればそれで終了し、引き続いてグローバルフ
ァインアライメントに移行する。このグローバルファイ
ンにはいくつかの変形例があり、大別すると本実施例で
用いたCCDカメラによるウェハアライメントセンサーを
そのまま利用する方式と、ファインアライメント用に別
設されたアライメントセンサーを利用する方式とがあ
る。

CCDカメラによるウェハアライメントセンサーを利用
する場合は、ウェハステージSTを移動させて、指標板18
中の領域VPBx（第25図）内にグローバルマークWGMを配
置してビデオ信号波形を取り込む。そして指標マークTL
AとTRAとの挟み込み、或いはマークWGMの２本目（シン
グルマーク）を指標マークTRAとTRBに挟み込むことによ
って精密にアライメントを行う。

また、別設したファイングローバルセンサーを使う場
合は、マークWGMの２本目のみをただちに検出し、その
センサーの検出中心と２本目のマーク中心とが一致する
ステージSTの座標値を計測すればよい。

次に第４の実施例について説明する。ここでは第１図
に示したオフ・アクシス方式のウェハアライメントセン
サーをE.G.A（エンハンスト・グローバル・アライメン
ト）に利用する場合について説明する。

E.D.Aについては、詳しくは特開昭61−44429号公報、
又は、特開昭62−84516号公報に開示されているので、
ここでは詳細な演算方法についての説明は省略する。

第30図はウェハ上のショット配列のうち、E.G.A方式
でサンプルアライメントされるショットS1〜S8のみを示
したものである。従来、E.G.A方式は前提としてウェハ
のX,Y,θ方向のグローバルアライメントが完了した後に
ショットS1〜S8のサンプルアライメントが完了した後に
ショットS1〜S8のサンプルアライメントを実行してい
た。

本実施例では、θ方向のグローバルアライメント機能
をE.G.Aのシーケンス中に取り込むようにして、スルー
プットの向上を計るようにした。通常のE.G.Aでは、シ
ョットS1〜S8の順に次々に、各ショットのＸ方向マーク
とＹ方向マークとを検出して、各ショットの中心座標値
を計測しているが、本実施例では、最初の２ショットに
ついては、ウェハ上でほぼ点対称の関係にあるもの同志
をサンプルアライメントする。具体的には第30図中でＸ
方向に並んだショットS3とS7の２つ、あるいはＹ方向に
並んだショットS1とS5の２つである。

そして２つのショットについてサンプルアライメント
が完了した時点で、ウェハ（ショット配列）全体のXY座
標系に対する回転量Δθを算出する。そしてこの回転量
Δθが、E.G.A方式での総合アライメント精度を低下さ
せる程に大きいときは、ウェハステージST上のウェハホ
ルダーをΔθだけ逆方向に微小回転させる。

その後、再び２つのショットをサンプルアライメント
して、回転量Δθが十分小さくなったことを確認した
ら、残りのショットをサンプルアライメントしてE.G.A
の演算に入る。

以上のサンプルアライメントには、第１図等に示した
ウェハアライメントセンサーが使われ、広帯域照明光の
もとでマルチマークを撮像するため、レジスト層による
干渉現象がなく、安定したマーク位置計測が可能とな
る。マーク位置計測にあたっては、指標マークTL,TRの
中心Ctとウェハマークの中心Clとのずれ量Δx,Δｙを求
めるとともに、そのときのステージSTの停止座標値を干
渉計IFX,IFYから読み取って記憶すればよい。

以上、本発明の各実施例では、ウェハ上のレジスト層
の影響を考えて、広帯域照明光を用いたマーク像検出の
アライメントセンサーを利用することに主眼をおいて説
明してきた。ところが近年、ウェハのマーク部分のレジ
スト層のみを予め剥離しておく手法が提案されている。
この場合は、マーク照明光が広帯域である必要性はな
く、レーザ光のような単一波長の照明光を用いたアライ
メントセンサーでもよいことになる。本発明は、そのよ
うな単一波長の照明光を使ったアライメントセンサーか
ら得られたビデオ信号や光電信号の波形を解析する場合
にも全く同様に適用できる。その際、マーク部分のレジ
スト層が除去されているなら、信号波形は各実施例で示
したように、マークエッジでボトム（又はピーク）とな
るようなシンプルな波形となり、マークの非対称性の影
響についても同様に対応することができる。

〔発明の効果〕

以上本発明によるアライメント方法によれば、マーク
信号波形中のボトム部分のアップスロープ位置とダウン
スロープ位置とを使い分けるようにしたため、マーク中
心位置の計測精度を実際のデバイス製造時の重ね合わせ
精度に近似させることができる。さらにマーク波形中の
ボトム波形の非対称性をチェックすることができるの
で、ウェハプロセスによってマークの変形を受け易い層
（アルミ層等）の重合わせ精度をより向上させることが
できる。

また本発明は近年開発が進められているSORX線露光装
置用のアライメント方式としても同様に利用できるが、
Ｘ線露光ではマスクとウェハとが所定のギャップで近接
するため、マスクのマークとウェハのマークとを同時に
検出できるように２焦点化素子を加えた対物レンズ系等
を用意するとよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による方法を実施するのに好適
なステッパーの構成を示す斜視図、第２図（Ａ）、
（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の原理を説明するためのマーク
断面と信号波形を示す図、第３図はCCDカメラの信号処
理系の構成を示すブロック図、第４図はウェハ上のショ
ット配列とマーク配置を示す平面図、第５図は指標板上
のマーク配置を示す平面図、第６図（Ａ）、（Ｂ）はウ
ェハマークの形状と断面構造とを示す図、第７図
（Ａ）、（Ｂ）は指標マークとウェハマークとのアライ
メント時の配置とCCDカメラからのビデオ信号の波形と
を示す図、第８図は本発明の実施例による方法に従った
アライメント処理の手順を示すフローチャート図、第９
図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、第10図（Ａ）、
（Ｂ）、第11図（Ａ）、（Ｂ）、第12図（Ａ）、（Ｂ）
は、第８図の処理の過程で演算される信号波形データの
様子を示す波形図、第13図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は非
対称なマークの構造とその信号波形とを示す図、第14
図、第15図はそれぞれバーニア形状の違いを説明する
図、第16図はバーニアの読み方を説明する図、第17図は
周辺のショットで非対称になるマークの様子を示すウェ
ハ平面図、第18図はTTRアライメントセンサーの一例を
説明する図、第19図（Ａ）、（Ｂ）は干渉アライメント
方式に使用される格子マークの断面構造とその信号波形
とを示す図、第20図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ
ウェハマーク形状の変形を示す図、第21図はウェハマー
ク本数とエッジボトム波形の数とを自動的に照合して最
適なモードを選択する手順を示すフローチャート図、第
22図は第21図の工程における信号波形処理の一例を示す
波形図、第23図（Ａ）、（Ｂ）はエッボトム波の山割れ
現象を説明するマーク構造と信号波形とを示す図、第24
図は第１図に示したウェハアライメントセンサーの他の
実施例による構成を示す斜視図、第25図は第24図の系に
好適な共役指標板上のマーク配置を示す平面図、第26
図、第27図はそれぞれ第25図中の指標マークの使い方と
信号処理の方法とを示す図、第28図はウェハ上のグロー
バルアライメントマーク配置とサーチアライメント時の
撮像範囲との関係を示す平面図、第29図（Ａ）、（Ｂ）
は第28図に示したウェハを撮像したときのビデオ信号波
形の一例を示す図、第30図はE.G.A方式でサンプルアラ
イメントされるショット配置例を示す平面図である。〔主要部分の符号の説明〕Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、PL…投影レンズ、MK,MD1,M
D2,MD3,MD4,MDn,WM,GW,WGM…ウェハマーク、TL,TR…指
標マーク、ST…ウェハステージ、12…対物レンズ、18…
共役指標板、22…CCD、24…広帯域照明光用のファイバ
ー、42…アナログ−デジタル変換器、43…メモリ（RA
M）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に幾何学的、又は光学的な差異を伴
って形成されたアライメントマークから生じる光情報を
電気光学的走査装置によって光電検出し、前記アライメ
ントマークの相対走査方向に関して強度変化する時系列
的な光電信号を処理して、前記アライメントマークの相
対走査方向の位置を決定するアライメント方法におい
て、前記アライメントマークの相対走査方向の幅を規定する
一対のマークエッジ部でそれぞれ極値となる前記光電信
号を前記電気光学的走査装置から得る工程と、前記２つの極値波形の内側に存在する一対のスロープ波
形部分に基づいて前記アライメントマークの位置を決定
する第１決定工程と、前記２つの極値波形の外側に存在する一対のスロープ波
形部分に基づいて前記アライメントマークの位置を決定
する第２決定工程と、前記２つの極値波形の内側と外側の両方に存在するスロ
ープ波形部分に基づいて前記アライメントマークの位置
を決定する第３決定工程と、前記第１決定工程、第２決定工程、及び第３決定工程の
うちいずれか１つの工程を、前記基板の目標とするアラ
イメント精度に応じて選択する工程と、を含むことを特
徴とするアライメント方法。
【請求項２】基板上に形成されたアライメントマークか
ら生じる光情報を光電検出し、前記アライメントマーク
の相対走査方向に関して強度変化する時系列的な光電信
号を出力する電気光学的走査装置を有し、前記光電信号
を処理して得られる前記アライメントマークの相対走査
方向の位置情報を利用してマスクのパターンを前記基板
上に転写する露光装置において、前記アライメントマークの相対走査方向の幅を規定する
一対のマークエッジ部でそれぞれ極値となる前記光電信
号の極値波形の内側に存在する一対のスロープ波形部分
に基づいて、前記アライメントマークの位置情報を検出
する第１モードと、前記極値波形の外側に存在する一対
のスロープ波形部分に基づいて前記アライメントマーク
の位置情報を検出する第２モードと、前記極値波形の内
側と外側の両方に存在するスロープ波形部分に基づいて
前記アライメントマークの位置情報を検出する第３モー
ドとから選択される１つのモードを用いて前記アライメ
ントマークの位置情報を検出するアライメントコントロ
ーラを備え、前記検出された位置情報に基づいて前記マスクと前記基
板との相対位置を調整することを特徴とする露光装置。
【請求項３】基板上のマークから生じる光情報を光電検
出する電気光学的走査装置を有し、マスクのパターンを
前記基板上に転写する露光装置において、前記マークの相対走査方向の幅を規定する一対のマーク
エッジ部でそれぞれ極値となる前記電気光学的走査装置
の出力信号の極値波形の内側に存在する一対のスロープ
波形部分に基づいて、前記マークの位置情報を検出する
第１モードと、前記極値波形の外側に存在する一対のス
ロープ波形部分に基づいて前記マークの位置情報を検出
する第２モードと、前記極値波形の内側と外側の両方に
存在するスロープ波形部分に基づいて前記マークの位置
情報を検出する第３モードとの少なくとも２つを有し、
前記少なくとも２つのモードの１つを用いて前記マーク
の位置情報を検出するコントローラを備えたことを特徴
とする露光装置。
【請求項４】基板上のマークから生じる光情報を電気光
学的走査装置によって光電検出し、前記マークの相対走
査方向に関して強度変化する時系列的な光電信号を処理
して前記マークの位置情報を検出する方法において、前記マークの相対走査方向の幅を規定する一対のマーク
エッジ部でそれぞれ極値となる前記光電信号の極値波形
の内側に存在する一対のスロープ波形部分に基づいて、
前記マークの位置情報を検出する第１モードと、前記極
値波形の外側に存在する一対のスロープ波形部分に基づ
いて前記マークの位置情報を検出する第２モードとのい
ずれか一方を用いて前記マークの位置情報を検出するこ
とを特徴とする位置検出方法。
【請求項５】基板上のマークから生じる光情報を電気光
学的走査装置によって光電検出し、前記マークの相対走
査方向に関して強度変化する時系列的な光電信号を処理
して前記マークの位置情報を検出する方法において、前記マークの相対走査方向の幅を規定する一対のマーク
エッジ部でそれぞれ極値となる前記光電信号の極値波形
の内側と外側の両方に存在するスロープ波形部分に基づ
いて前記マークの位置情報を検出することを特徴とする
位置検出方法。
【請求項６】基板上のマークから生じる光情報を光電検
出し、前記マークの相対走査方向に関して強度変化する
時系列的な光電信号を出力する電気光学的走査装置を備
えた位置検出装置において、前記マークの相対走査方向の幅を規定する一対のマーク
エッジ部でそれぞれ極値となる前記光電信号の極値波形
の内側に存在する一対のスロープ波形部分に基づいて、
前記マークの位置情報を検出する第１モードと、前記極
値波形の外側に存在する一対のスロープ波形部分に基づ
いて前記マークの位置情報を検出する第２モードとのい
ずれか一方を用いて前記マークの位置情報を検出するコ
ントローラを備えたことを特徴とする位置検出装置。