JP2955668B2

JP2955668B2 - 近接露光に適用される位置検出方法及びウエハと露光マスク

Info

Publication number: JP2955668B2
Application number: JP7121659A
Authority: JP
Inventors: 勤宮武
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1995-05-19
Publication date: 1999-10-04
Anticipated expiration: 2014-10-04
Also published as: JPH08316126A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アライメント時の位置
検出方法に関し、特に、近接露光のスループット向上に
適した位置検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レンズ系と画像処理系とを組み合わせた
アライメント装置において、アライメント時のウエハと
マスクの位置合わせ方法として、垂直検出法と斜方検出
法が知られている。垂直検出法は、アライメントマーク
をマスク面に垂直な方向から観測する方法であり、斜方
検出法は、斜めから観測する方法である。

【０００３】垂直検出法で用いられる合焦方法として、
色収差二重焦点法が知られている。色収差二重焦点法
は、マスクに形成されたマスクマークとウエハに形成さ
れたアライメントマークとを異なる波長の光で観測し、
色収差を利用して同一平面に結像させる方法である。色
収差二重焦点法は、原理的にレンズの光学的な分解能を
高く設定できるため、絶対的な位置検出精度を高めるこ
とができる。

【０００４】一方、アライメントマークを垂直方向から
観測するために、観測のための光学系が露光領域に入り
込む。このままで露光すると、光学系が露光光を遮るこ
とになるため、露光時には光学系を露光領域から退避さ
せる必要がある。退避させるための移動時間が必要にな
るため、スループットが低下する。また、露光時にアラ
イメントマークを観測できないため位置検出ができなく
なる。これは、露光中のアライメント精度低下の原因に
なる。

【０００５】斜方検出法は、光軸がマスク面に対して斜
めになるように光学系を配置するため、露光光を遮らな
いように配置することができる。このため、露光中に光
学系を退避させる必要がなく、露光中でもアライメント
マークを観測することができる。従って、スループット
を低下させることなく、かつ露光中の位置ずれを防止す
ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】斜方検出法は、アライ
メントマークとマスクマークを斜方から観測して結像さ
せるため、像歪により位置検出の絶対精度が低下する。
また、照明光の光軸と観測光の光軸が一致していないた
め、照明光の光軸を観測光の光軸と同軸に配置すること
ができない。従って、照明光軸が理想的な光軸からずれ
易くなる。照明光軸が理想的な光軸からずれると、像が
変化し正確な位置検出を行うことが困難になる。

【０００７】本発明の目的は、スループットを落とすこ
となく高精度なアライメントを行うことができる位置検
出方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用ウ
エハマークが形成された露光面を有するウエハと、入射
光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用のマスクマ
ークが形成された露光マスクとを、前記露光面が前記露
光マスクに対向するように間隙を挟んで配置する工程
と、前記ウエハマーク及びマスクマークに照明光を斜入
射し、ウエハマーク及びマスクマークのエッジからの散
乱光を観測して、前記ウエハと前記露光マスクとの相対
位置を検出する工程とを含み、前記ウエハマークのエッ
ジ及びマスクマークのエッジが、前記照明光の入射面に
対して垂直な方向に沿って複数個配置されており、前記
相対位置を検出する工程が、前記照明光の入射面に対し
て垂直な方向に沿って複数個配置されたウエハマーク及
びマスクマークのエッジからの散乱光を観測する工程を
含む位置検出方法が提供される。

【０００９】本発明の他の観点によると、前記ウエハマ
ークのエッジと前記マスクマークのエッジとが、位置合
わせが完了した状態では一方を平行移動して他方に重ね
ることができるように配置されている位置検出方法が提
供される。

【００１０】本発明の他の観点によると、前記ウエハマ
ークのエッジ及びマスクマークのエッジが、前記ウエハ
マーク及びマスクマークごとに前記照明光の入射面に対
して垂直な方向に沿って少なくとも３個配置され、その
間隔が均一でない位置検出方法が提供される。

【００１１】本発明の他の観点によると、前記ウエハマ
ークの複数のエッジの長さが相互に均一ではなく、前記
マスクマークの複数のエッジの長さが相互に均一ではな
い位置検出方法が提供される。

【００１２】本発明の他の観点によると、前記相対位置
を検出する工程が、対物レンズを有する光学系で前記散
乱光を観測し、前記ウエハマークのエッジのうち少なく
とも１つ、及び前記マスクマークのエッジのうち少なく
とも１つは、その長さが前記対物レンズの分解能以下で
ある位置検出方法が提供される。

【００１３】本発明の他の観点によると、前記ウエハマ
ークのエッジ及び前記マスクマークのエッジが、前記照
明光の入射面に対して平行な方向に複数個配列されてい
る位置検出方法が提供される。

【００１４】本発明の他の観点によると、入射光を散乱
させるエッジを有する位置合わせ用ウエハマークが形成
された露光面を有し、前記エッジが、前記入射光の入射
面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されている半
導体基板が提供される。

【００１５】本発明の他の観点によると、入射光を散乱
させるエッジを有する位置合わせ用マスクマークが形成
され、前記エッジが、前記入射光の入射面に対して垂直
な方向に沿って複数個配置されている露光マスクが提供
される。

【００１６】

【作用】一般に、照明光軸と観測光軸とを同軸とし、光
軸を露光面に対して斜めに配置すると、通常ウエハマー
ク及びマスクマークからの反射光が観測光軸の方向に戻
ってこないため、これらマークを観測することができな
い。ウエハマーク及びマスクマークに入射光を散乱させ
るエッジを設けておくと、散乱光の一部が観測光軸の方
向に戻ってくるため、このエッジを観測することができ
る。

【００１７】ウエハマーク及びマスクマークのエッジ
を、入射面に対して垂直な方向に複数個配置すれば、複
数個のエッジを同時に結像させることができる。複数の
エッジの像を同時に観測して位置検出を行えば、製造工
程における各エッジの形状のばらつきによる位置検出誤
差を吸収することができる。

【００１８】ウエハマークを平行移動してマスクマーク
に重ね合わせることができるように、ウエハマーク及び
マスクマークを構成することにより、ウエハマーク及び
マスクマークの画像信号の自己相関関数を求めて相対位
置を検出することができる。

【００１９】マスクマークのエッジの長さ及びウエハマ
ークのエッジの長さを不均一にしておけば、相似性パタ
ーンマッチングにおいてウエハマークとマスクマークの
エッジのうち対応しないエッジの像は完全には重ならな
い。ウエハマーク及びマスクマークのエッジの像が完全
に重なったときに相関値が大きなピークを示すが、対応
しないエッジの像が一部重なっても、相関値はそれほど
大きくならない。完全に重なったときと一部重なったと
きの相関値のピークの高さの比が大きくなるため、一部
重なった状態を完全に重なった状態と誤認することを防
止できる。

【００２０】また、ウエハマーク及びマスクマークのエ
ッジ列のピッチを不均一にしても同様の作用を奏する。
ウエハマークもしくはマスクマークのエッジの長さをレ
ンズの分解能以下にすると、このエッジからの散乱光に
よる像は、レンズの点像強度分布に近似される。また、
エッジの長さがレンズの分解能以上であると、このエッ
ジからの散乱光による像はレンズの線像強度分布に近似
される。

【００２１】線像強度分布及び点像強度分布にそれぞれ
近似される線像及び点像に含まれる位置検出誤差要因は
異なるものと予想される。従って、線像及び点像の２種
類の像を用いて位置検出を行うことにより、高精度に位
置検出を行うことができると考えられる。

【００２２】ウエハマーク及びマスクマークのエッジを
照明光の入射面に対して平行に複数個配列し、照明光軸
方向からエッジを観測すると、複数のエッジのうちいず
れかのエッジに焦点が合う。従って、ウエハとマスクと
の間隔が目標とする間隔からずれても、いずれかのエッ
ジを鮮明に観測することができる。

【００２３】

【実施例】図１（Ａ）は、本発明の実施例で使用する位
置検出装置の概略断面図を示す。位置検出装置はウエハ
／マスク保持部１０、光学系２０、及び制御装置３０を
含んで構成されている。

【００２４】ウエハ／マスク保持部１０は、ウエハ保持
台１５、マスク保持台１６、及び駆動機構１７から構成
されている。位置合わせ時には、ウエハ保持台１５の上
面にウエハ１１を保持し、マスク保持台１６の下面にマ
スク１２を保持する。ウエハ１１とマスク１２とは、ウ
エハ１１の露光面とマスク１２との間に一定の間隙が形
成されるように平行に配置される。ウエハ１１の露光面
には、位置合わせ用のウエハマーク１３が形成され、マ
スク１４の下面（マスク面）には位置合わせ用のマスク
マーク１４が形成されている。以下、ウエハマークとマ
スクマークとを総称してアライメントマークと呼ぶ。

【００２５】ウエハマーク１３及びマスクマーク１４に
は、入射光を散乱させるエッジが形成されている。これ
らのマークに光が入射すると、エッジに当たった入射光
は散乱し、その他の領域に当たった入射光は正反射す
る。ここで、正反射とは、入射光のうちほとんどの成分
が、同一の反射方向に反射することをいう。

【００２６】駆動機構１７は、ウエハ保持台１５及びマ
スク保持台１６を相対的に移動することができる。図の
左から右にｘ軸、紙面に垂直な方向に表面から裏面に向
かってｙ軸、露光面の法線方向にｚ軸をとると、ウエハ
１１とマスク１２は相対的に、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ
軸方向、及びｚ軸の回りの回転方向（θ方向）に移動可
能である。

【００２７】光学系２０は、像検出装置２１、レンズ２
２、ハーフミラー２３、及び光源２４を含んで構成され
ている。光学系２０は、その光軸２５が露光面に対して
斜めになるように配置されている。光源２４から放射さ
れた照明光はハーフミラー２３で反射して光軸２５に沿
った光束とされ、レンズ２２を通して露光面に斜入射さ
れる。光源２４はレンズ２２の像側の焦点に配置されて
おり、光源２４から放射された照明光はレンズ２２でコ
リメートされて平行光束になる。なお、光源２４は、照
射光の強度を調整することができる。

【００２８】ウエハマーク１３及びマスクマーク１４の
エッジで散乱された散乱光のうちレンズ２２に入射する
光は、レンズ２２で収束されて像検出装置２１の受光面
上に結像する。このように、光学系２０による照明はテ
レセン照明とされ、照明光軸と観測光軸は同一光軸とさ
れている。

【００２９】像検出装置２１は、受光面に結像したウエ
ハマーク及びマスクマークの像を光電変換し画像信号に
変換する。画像信号は制御装置３０に入力される。制御
装置３０は、像検出装置２１から入力された画像信号を
処理して、ウエハマーク１３とマスクマーク１４の相対
位置を検出する。さらに、ウエハマーク１３とマスクマ
ーク１４が所定の相対位置関係になるように、駆動機構
１７に対して制御信号を送出する。駆動機構１７は、こ
の制御信号に基づいて、ウエハ保持台１５もしくはマス
ク保持台１６を移動させる。

【００３０】図１（Ｂ）は、ウエハマーク１３及びマス
クマーク１４の相対位置関係を示す平面図である。四辺
がｘ軸もしくはｙ軸に平行に配置された長方形パターン
をｘ軸方向に３個配列して、１個のマークが構成されて
いる。なお、後述するように３個以上の長方形パターン
を配列してもよい。ウエハマーク１３は一対で構成され
ており、マスクマーク１４が一対のウエハマーク１３の
間に配置されている。

【００３１】図１（Ａ）のウエハマーク１３及びマスク
マーク１４は、図１（Ｂ）の一点鎖線Ａ１−Ａ１におけ
る断面を示している。ウエハマーク１３及びマスクマー
ク１４に入射した照明光は、図１（Ｂ）の各長方形パタ
ーンの光軸に向かって突き出したエッジで散乱される。
エッジ以外の領域に照射された光は正反射し、レンズ２
２には入射しない。従って、像検出装置２１でエッジか
らの散乱光のみを検出することができる。

【００３２】次に、エッジ散乱光による像の性質につい
て説明する。インコヒーレントな単色光による像の光強
度分布Ｉは、

【００３３】

【数１】と表される。ここで、Ｏ（ｘ，ｙ）は観測物体表面から
の反射光の強度分布、ＰＳＦ（ｘ，ｙ）はレンズの点像
強度分布（point spread function ）、積分は観測物体
の表面全域における積分を表す。

【００３４】図１（Ｂ）の各長方形パターンの１つのエ
ッジに着目すると、光を反射する微小な点がｙ軸に平行
に配列したものと考えることができる。この微小な１点
からの反射光強度分布をディラックのデルタ関数δと仮
定する。実際に、微小な１点からの散乱光の強度分布は
デルタ関数に近似することができるであろう。レンズの
アイソプラナティズムが成立する範囲で、エッジがｙ軸
方向に延びているとすると、Ｏ（ｘ，ｙ）＝δ（ｘ）と
おくことができる。

【００３５】式（１）は、

【００３６】

【数２】と変形できる。このＩ（ｘ）はレンズの線像強度分布
（line spred function ）であり、

【００３７】

【数３】Ｉ（ｘ）＝ＬＳＦ（ｘ） …（３）と書くことができる。ここで、ＬＳＦ（ｘ）はレンズの
線像強度分布を表す。

【００３８】照明光が連続スペクトルを有する場合に
は、

【００３９】

【数４】と表される。ここで、λは光の波長、ＬＳＦλは波長λ
の線像強度分布、Δｘλは波長λの光に対するレンズの
色収差による線像の横ずれ量、積分は全波長領域におけ
る積分を表す。

【００４０】式（４）から、エッジからの散乱光を観測
することはレンズの線像強度分布を観測していることと
等価になることがわかる。従って、エッジからの散乱光
を観測することにより、観測物体からの反射光の面内強
度分布に左右されることなく、常に安定した像を得るこ
とができる。

【００４１】図１（Ｃ）の左図は、図１（Ａ）の像検出
装置２１の受光面に結像した像の形状を示す。観測光軸
を含む入射面と受光面との交線方向をｘ軸、受光面内の
ｘ軸に直交する方向をｙ軸とすると、１つのエッジによ
る像はｙ軸に平行な直線状形状になる。従って、各マー
クの像は、ｙ軸に平行な直線状の像がｘ軸方向に３個配
列した形状になる。

【００４２】ウエハマーク１３のエッジ散乱光による一
対の像１３Ａの間に、マスクマーク１４のエッジ散乱光
による像１４Ａが形成されている。また、観測光軸が露
光面に対して斜めであるため、マスクマークの像１４Ａ
とウエハマークの像１３Ａとは、ｘ軸方向に関して異な
る位置に検出される。

【００４３】図１（Ｃ）の右図は、ウエハマークの像１
３Ａ及びマスクマークの像１４Ａのｙ軸方向の光強度分
布を示す。一方のウエハマークの像１３Ａとマスクマー
クの像１４Ａとのｙ軸方向の距離をｙ１、他方のウエハ
マークの像１３Ａとマスクマークの像１４Ａとのｙ軸方
向の距離をｙ２とする。ｙ１とｙ２を測定することによ
り、図１（Ｂ）におけるウエハマーク１３とマスクマー
ク１４のｙ軸方向の相対位置関係を知ることができる。

【００４４】例えば、マスクマークがｙ軸方向に関して
一対のウエハマークの中央にくるように位置決めしたい
場合には、ｙ１とｙ２とが等しくなるように、ウエハも
しくはマスクのうち一方を他方に対して相対的に移動さ
せればよい。このようにして、図１（Ｂ）におけるｙ軸
方向に関して位置合わせすることができる。図１
（Ａ）、（Ｂ）に示すような位置合わせ用のマークと光
学系とを３組配置することにより、ｘ軸、ｙ軸及びθ方
向に関して位置合わせすることができる。なお、図１
（Ａ）では、照明光軸と観測光軸とが同軸である場合を
説明したが、必ずしも同軸である必要はない。正反射光
が観測光学系の対物レンズに入射せず、散乱光のみが入
射する条件であればよい。

【００４５】次に、露光面とマスク面との間隔を測定す
る方法について説明する。像検出装置２１の受光面に結
像している物点は、光学系２０の物空間において光軸に
垂直な平面上にある。以下、この平面を「被結像面」と
よぶ。

【００４６】ウエハマーク及びマスクマークの各エッジ
のうち、被結像面上にあるエッジは受光面上に合焦する
が、被結像面上にないエッジは合焦せず被結像面から遠
ざかるに従ってピントがぼける。従って、各マークのエ
ッジのうち被結像面に最も近い位置にあるエッジの像が
最も鮮明になり、そのエッジからｘ軸方向に離れるに従
って像がぼける。

【００４７】図１（Ｃ）において、距離ｘ₁は、ウエハ
マークの像１３Ａとマスクマークの像１４Ａのそれぞれ
最もピントが合っている点のｘ軸方向の距離を表す。す
なわち、距離ｘ₁は、ウエハマークの合焦点とマスクマ
ークの合焦点とを入射面へ垂直投影した点の距離にほぼ
等しい。

【００４８】図１（Ｄ）は、ウエハ面１１及びマスク面
１２の被結像面近傍の入射面における断面図を示す。点
Ｑ₂はウエハ面１１と被結像面との交線上の点、点Ｑ₁
はマスク面１２と被結像面との交線上の点である。線分
Ｑ₁Ｑ₂の長さが図１（Ｃ）における距離ｘ₁に対応す
る。

【００４９】線分Ｑ₁Ｑ₂の長さをＬ（Ｑ₁Ｑ₂）で表
すと、露光面１１とマスク面１２との間隔δは、

【００５０】

【数５】 δ＝Ｌ（Ｑ₁Ｑ₂）×ｓｉｎ（α） …（５）と表される。ここで、αはウエハ面１１の法線方向と光
軸２５とのなす角である。従って、図１（Ｃ）における
距離ｘ₁を測定して線分Ｑ₁Ｑ₂の長さを求めることに
より、間隔δを知ることができる。間隔δをより正確に
知るためには、距離ｘ₁を正確に測定することが好まし
い。このためには、レンズの焦点深度が浅いほうがよ
い。

【００５１】制御装置３０に、予め距離ｘ₁の目標値を
記憶させておき、測定された距離ｘ ₁が目標値に近づく
ように駆動機構１７を制御することにより、ウエハ面１
１とマスク面１２との間隔を所望の間隔に設定すること
ができる。

【００５２】次に、ウエハマークからの散乱光を観察し
た実験結果について説明する。図２（Ａ）は、観察実験
に用いたウエハマークの平面図を示す。３本の長方形の
パターンが平行に配置されて１つのウエハマークを構成
している。長方形パターンの幅は６μｍ、長さは１００
μｍである。各長方形パターンは、入射光を散乱させる
エッジを有する。以下、この長方形パターンのように、
入射光を散乱させるエッジを有するパターンをエッジパ
ターンと呼ぶ。

【００５３】図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、共に図２
（Ａ）の一点鎖線Ｂ２−Ｂ２における断面図を示す。図
２（Ｂ）に示すウエハにおいては、シリコン基板４０の
表面上に、レジストパターン４１（シプレー社製のマイ
クロポジット２４００）が形成されている。レジストパ
ターン４１の厚さＨ１は１．２μｍ、幅Ｗは６μｍであ
る。

【００５４】中央のエッジパターンの中心線と両側のエ
ッジパターンの中心線との距離を、それぞれｙ３、ｙ４
とする。実験に使用したウエハには、ｙ３−ｙ４が０ｎ
ｍ、２０ｎｍ、４０ｎｍ、６０ｎｍ、・・・１８０ｎｍ
の１０種類のウエハマークが形成されている。以下、ｙ
３−ｙ４を中央のエッジパターンの変位量と呼ぶ。な
お、各マークともｙ３＋ｙ４は２６μｍである。

【００５５】図２（Ｃ）に示すウエハにおいては、シリ
コン基板４０の表面上にシリコンの凸部４４が形成され
ている。凸部４４の高さＨ２は０．５μｍである。シリ
コン基板４０の表面を覆うように厚さ０．７μｍのフォ
スフォシリケートガラス（ＰＳＧ）膜４２、厚さ１．４
５μｍのレジスト膜４３がこの順番に積層されている。
凸部４４の幅及び間隔は図２（Ｂ）に示すそれと同様で
ある。

【００５６】図３（Ａ）は、図２（Ｂ）に示すレジスト
パターンで形成されたウエハマークを、図１（Ａ）に示
すように斜方から観察したときの像を示す。観察に用い
た顕微鏡は、対物レンズの開口数ＮＡが０．４、検出倍
率が１００倍のものである。照明光軸の入射面が図２
（Ａ）の各エッジパターンの長手方向に平行で、露光面
の法線とのなす角が３０°であり、照明光軸と同軸の観
測光軸を有する光学系で観察した。図３（Ａ）では、３
つのウエハマークに対応する像が観察される。各ウエハ
マークごとに３つ並んだ長円状の像が現れている。これ
らは、図２（Ａ）のエッジパターンの短辺からの散乱光
による像である。

【００５７】なお、図中、３つ並んだ長円状の像の下方
に現れている像は、各マークの下方に形成された通し番
号マークからのエッジ散乱光によるものである。ただ
し、像検出装置で図３（Ａ）の横方向に走査し、３つ並
んだ長円状の像に掛かる走査線の画像信号のみを基に位
置検出を行えば、下方の像による影響を回避することが
できる。

【００５８】図３（Ｂ）は、図２（Ｂ）に示すレジスト
パターンで形成されたウエハマークを、露光面の法線方
向から観察したときの像を示す。図３（Ｂ）には、３つ
のウエハマークに対応する像が現れている。各マークの
下方に形成された数字マークは、ウエハマークの通し番
号を示す数字である。

【００５９】図４は、図３（Ａ）の長円状の像に掛かる
走査線に対応する画像信号のうち、１つのウエハマーク
に相当する部分を示す。横軸は露光面上の位置を表し、
縦軸は光強度を表す。３つ並んだ長円状の像に対応して
３つの矩形状のピークが現れている。このように、エッ
ジ散乱光を検出することにより、エッジ部分に対応して
ピークを示す画像信号を得ることができる。

【００６０】図３、図４では、図２（Ｂ）に示すレジス
トパターンで形成したウエハマークを観察した場合の像
及び画像信号を示したが、図２（Ｃ）に示す積層構造を
有するウエハマークについても、同様の像及び画像信号
を得ることができた。

【００６１】図５は、画像信号を信号処理して、中央の
エッジパターンの変位量ｙ３−ｙ４を測定した結果を示
す。図５（Ａ）は、図２（Ｂ）に示すレジストパターン
で形成したウエハマークの場合、図５（Ｂ）は、図２
（Ｃ）に示す積層構造のウエハマークの場合である。横
軸は、ウエハマークの通し番号を表す。ここで、通し番
号ｎのウエハマークの変位量ｙ３−ｙ４はｎ×２０ｎｍ
である。縦軸は、観測により求めた変位量ｙ３−ｙ４を
単位ｎｍで表す。

【００６２】図中の記号◆は、垂直検出により観測した
変位量を示し、記号■は、エッジ散乱光により観測した
変位量を示す。エッジ散乱光により観測した変位量は、
相似性パターンマッチング（特開平２−９１５０２号公
報の第４頁左下欄１４行目〜第７頁左上欄３行目）によ
り求めた。

【００６３】以下に、相似性パターンマッチングによる
変位量の測定方法を簡単に説明する。まず、図４に示す
画像信号を微分した微分画像信号を得る。この微分画像
信号の自己相関関数を計算する。図４の中央のピークと
左側のピーク、及び中央のピークと右側のピークが重な
るときに自己相関関数が極大値を示す。従って、自己相
関関数が極大値をとるときの移動量を求めることによ
り、距離ｙ３及びｙ４を求めることができる。このよう
にして求めた距離ｙ３及びｙ４から変位量ｙ３−ｙ４を
計算する。

【００６４】距離ｙ３及びｙ４をより正確に求めるため
には、ウエハマークに対応する微分画像信号のピークを
平行移動したときに、マスクマークに対応する微分画像
信号のピークにほぼ重なるように、相似性を保った形状
とすることが好ましい。

【００６５】図５（Ａ）に示すように、レジストパター
ンでウエハマークを形成した場合には、エッジ散乱光を
観測して求めた変位量ｙ３−ｙ４が、ウエハマークの通
し番号０〜９のすべてについて従来の垂直検出により求
めたそれとほぼ等しい。

【００６６】図５（Ｂ）に示すように、シリコンの凸部
でウエハマークを形成した場合には、エッジ散乱光を観
測して求めた変位量ｙ３−ｙ４が、マークの通し番号０
〜９のすべてについて従来の垂直検出により求めたそれ
よりもやや大きくなった。観測された変位量の増分は、
約１３ｎｍであった。１３ｎｍ程度の差は、例えばＸ線
露光におけるアライメントで大きな問題になる量ではな
い。また、後に実施例で説明するようなウエハマーク形
状とすることにより、この差は小さくなるであろう。

【００６７】上述の方法では、ウエハマーク及びマスク
マークの１つのエッジからの散乱光により位置検出を行
っている。マスク製造工程もしくはウエハ製造工程のば
らつきにより、各マークのエッジ形状が理想的な形状か
らずれると、正確な位置検出ができなくなる。次に、ウ
エハマーク及びマスクマークの形状を、製造工程のばら
つきによる影響を受けにくい形状とした第１の実施例に
ついて説明する。

【００６８】図６（Ａ）は、本発明の第１の実施例によ
るアライメントマークの平面図を示す。露光面をｘｙ平
面とし、その法線方向をｚ軸とする座標系を考える。一
対のウエハマーク５２Ａ及び５２Ｂがｙ軸に沿って配置
され、その間にマスクマーク６２が配置されている。な
お、後述する他の実施例についても同様の座標系を用い
て説明する。

【００６９】ウエハマーク５２Ａ、５２Ｂは、共に入射
光を散乱させるエッジを有する長方形状のパターン（エ
ッジパターン）５１がｘ軸及びｙ軸に沿って格子状に配
置された構成とされている。図６（Ａ）では、ｙ軸に沿
って３個、ｘ軸に沿って５個のエッジパターン５１が配
置されている場合を示している。マスクマーク６２も同
様に、エッジパターン６１が格子状に配置された構成と
されている。

【００７０】図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｂ６
−Ｂ６における断面図を示す。ウエハ５０の表面上にエ
ッジパターン５１が形成されている。マスク６０の下面
にエッジパターン６１が形成されている。

【００７１】図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の一点鎖線Ｃ６
−Ｃ６における断面図を示す。各アライメントマーク内
において、ｙ軸方向の長さがＷのエッジパターン５１も
しくは６１が、ｙ軸に沿ってピッチＰで配置されてい
る。ウエハマーク５２Ａとマスクマーク６２との中心間
距離をｙ５、ウエハマーク５２Ｂとマスクマーク６２と
の中心間距離をｙ６とする。

【００７２】図６（Ｄ）は、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示す
アライメントマークからのエッジ散乱光を、ｘｚ面に含
まれる斜光軸から観測した場合の画像信号を示す。横軸
はｙ軸方向の位置、縦軸は信号強度を表す。各アライメ
ントマークにおいてｙ軸方向に並んだ３つのエッジパタ
ーンは、斜光軸に対して垂直な平面上にある。このた
め、ｙ軸方向に並んだ３つのエッジパターンが同時に観
測光学系の被結像面上に並ぶことができ、各エッジパタ
ーンからのエッジ散乱光はいずれも鮮明な像を結ぶ。ウ
エハマーク５２Ａ、５２Ｂ、及びマスクマーク６２に対
応する位置に、それぞれ３個のピークが観測される。ピ
ークの幅は、エッジパターンのｙ軸方向の長さＷに等し
く、ピーク列のピッチは、エッジパターンのｙ軸方向の
ピッチＰに等しい。

【００７３】図６（Ｅ）は、図６（Ｄ）に示す画像信号
を微分した微分画像信号の自己相関関数を示す。横軸は
ｙ軸方向の移動量Δｙを表し、縦軸は相関値を表す。図
６（Ｄ）において、ウエハマーク５２Ａに対応するピー
クをｙ軸の正の向きに平行移動する。ウエハマーク５２
Ａの右端のピークがマスクマーク６２の左端のピークに
重なったところで相関値が大きくなり、図６（Ｅ）に示
すようにピークａ１が現れる。

【００７４】さらにｙ軸の正の向きにピッチＰだけ移動
すると、ウエハマーク５２Ａの右端と中央のピークが、
それぞれマスクマーク６２の中央と左端のピークに重な
る。このとき、画像信号の２つのピークが重なっている
ため、１つのピークが重なっているときよりも相関値が
大きくなり、ピークａ１よりも高いピークａ２が現れ
る。

【００７５】さらにｙ軸の正の向きにピッチＰだけ移動
すると、ウエハマーク５２Ａの３つのピークがマスクマ
ーク６２の３つのピークに重なる。このとき相関値が最
大になり、最も高いピークａ３が現れる。さらに移動す
ると、ピークａ２及びａ１とほぼ同じ高さのピークが順
番に現れる。最も高いピークａ３を与える移動量Δｙ
が、ウエハマーク５２Ａとマスクマーク６２との中心間
距離ｙ５に相当する。ウエハマーク５２Ｂとマスクマー
ク６２との中心間距離ｙ６も、同様に求めることができ
る。

【００７６】このように、ｙ軸方向に３つのエッジパタ
ーンを配置すると、同時に３つのエッジパターンからの
エッジ散乱光を観測することができる。このため、製造
工程のばらつき等によって１つのエッジ部分の形状が理
想的な形状からずれても、他のエッジ部分のエッジ散乱
光も同時に観測しているため高精度に位置検出すること
ができる。なお、ｙ軸方向に沿って配置するエッジパタ
ーンの数は３個に限らず、２個以上のパターンを配置す
ることにより、同様の効果を得ることができるであろ
う。

【００７７】図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すアライメントマ
ークを用いた場合には、図６（Ｅ）に示すように、最大
のピークａ３の両側にやや高さの低いピークａ２が現れ
る。ピークａ２を最大のピークと誤認した場合には、正
確な位置検出ができなくなる。この誤認は、ｙ軸に沿っ
て配置されたエッジパターンの数が増加した場合や、画
像信号のＳ／Ｎ比が低下した場合に起こりやすくなる。
以下、アライメントマークを、ピークの誤認が生じにく
い形状とした第２の実施例について説明する。

【００７８】図７（Ａ）は、第２の実施例によるアライ
メントマークの断面図を示す。なお、アライメントマー
クの平面配置は図６（Ａ）に示す第１の実施例の場合と
同様である。各アライメントマーク５２Ａ、５２Ｂ、及
び６２は、ｙ軸に沿って配置された３個のエッジパター
ンを含んで構成されている。各アライメントマークにお
いて、エッジパターンのｙ軸に沿ったエッジの長さは均
一ではない。各エッジパターンは、１つのアライメント
マークをｙ軸に沿って平行移動して他のアライメントマ
ークに重ね合わせたとき、対応するエッジパターンのエ
ッジの長さが等しくなるように形成されている。

【００７９】図７（Ａ）に示す各アライメントマークの
中央のエッジパターンのエッジの長さはＷ２、両側のエ
ッジパターンのエッジの長さはＷ１である。各アライメ
ントマーク内において、エッジパターンのｙ軸方向のピ
ッチはＰである。ウエハマーク５２Ａとマスクマーク６
２との中心間距離はｙ５、ウエハマーク５２Ｂとマスク
マーク６２との中心間距離はｙ６である。

【００８０】図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すアライメ
ントマークからのエッジ散乱光を、ｘｚ面内の斜光軸か
ら観測した場合の画像信号を示す。ウエハマーク５２
Ａ、５２Ｂ、及びマスクマーク６２に対応する位置に、
それぞれ３個のピークが観測される。各アライメントマ
ークの中央のピークの幅はＷ２、両側のピークの幅はＷ
１になる。１つのアライメントマーク内において、ピー
ク列のピッチは、エッジパターンのｙ軸方向のピッチＰ
に等しい。

【００８１】図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）に示す画像信号
を微分した微分画像信号の自己相関関数を示す。図６
（Ｅ）の場合と同様に５個のピークが現れている。ピー
クｂ１はウエハマーク５２Ａの右端のピークとマスクマ
ーク６２の左端のピークが重なったときに対応し、ピー
クｂ２は、ウエハマーク５２Ａの右端及び中央のピーク
がそれぞれマスクマーク６２の中央及び左端のピークに
重なったときに対応している。ピークｂ３は、ウエハマ
ーク５２Ａとマスクマーク６２の３つのピークがそれぞ
れ重なったときに対応している。

【００８２】ピークｂ２を示す状態において、相互に重
なっている信号強度のピーク幅が異なるため、ピーク幅
が等しい場合に比べて相関値が小さい。このため、ピー
クｂ２の高さは、図６（Ｅ）におけるピークａ２の高さ
よりも低くなる。最大のピークｂ３とその両側のピーク
ｂ２との高さの比が大きくなるため、最大ピークの誤認
が生じにくくなる。

【００８３】なお、図７（Ａ）では、各アライメントマ
ーク内のエッジパターンのエッジの長さを不均一にした
場合を示したが、エッジの長さを均一にしエッジパター
ンのピッチを不均一にしてもよい。また、エッジの長さ
とピッチの双方を不均一にしてもよい。なお、ミスアラ
イメントの発生を抑制するためには、エッジの長さもし
くはピッチの不均一の程度を±１０％以上とすることが
好ましい。

【００８４】次に、図８、図９を参照して第３の実施例
について説明する。図８（Ａ）は、ウエハマークの１つ
のエッジパターンの斜視図を示す。図のｘｚ平面内の斜
光軸に沿って照明光を斜入射させ、ｙ軸に沿って延在す
るエッジからの散乱光を観測する。この場合、散乱光に
よる像は、前述の式（４）で示す強度分布になるため、
図８（Ｂ）に示すようなレンズの線像強度分布に相当す
る像が得られる。

【００８５】図８（Ｃ）に示すように、ｙ軸に沿って延
在するエッジの長さを短くする。エッジの長さがレンズ
の解像度よりも短くなると、式（１）における反射光の
強度分布Ｏ（ｘ，ｙ）はδ（ｘ，ｙ）とおくことができ
るであろう。従って、式（１）は、

【００８６】

【数６】と変形することができる。ここで、ＰＳＦ（ｘ，ｙ）
は、レンズの点像強度分布を表す。

【００８７】照明光が連続スペクトルを有する場合に
は、

【００８８】

【数７】と表すことができる。ここで、λは光の波長、ＰＳＦλ
は波長λの点像強度分布、Δｘλは波長λの光に対する
レンズの色収差による点像の横ずれ量、積分は全波長領
域における積分を表す。

【００８９】このように、エッジの長さをレンズの分解
能以下にすることにより、図８（Ｄ）に示すようにレン
ズの点像強度分布に近似される点像を得ることができ
る。線像強度分布及び点像強度分布にそれぞれ近似され
る線像及び点像に含まれる位置検出誤差要因は異なるも
のと予想される。エッジ散乱光による像をエッジの長さ
方向に積分したとき、誤差成分が累積されるような誤差
要因は、線像に大きく影響を与えるが点像には大きな影
響を与えないと考えられる。逆に誤差成分が打ち消し合
うような誤差要因は、点像に大きく影響を与えるが線像
には大きな影響を与えないと考えられる。

【００９０】アライメントマークに、線像を結ぶエッジ
と点像を結ぶエッジとを形成することにより、総合的に
位置検出誤差が小さくなるものと考えられる。図９
（Ａ）は、第３の実施例によるアライメントマークの断
面図を示す。ウエハ５０の表面上にウエハマーク５２Ａ
及び５２Ｂが形成されている。マスク６０の下面にマス
クマーク６２が形成されている。各アライメントマーク
は、ｙ軸に沿って配置された５個のエッジパターンを含
んで構成されている。５個のエッジパターンのうち両端
のものは、ｙ方向に延在するエッジの長さがレンズの解
像度よりも短い。

【００９１】図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のアライメント
マークからのエッジ散乱光を、ｘｚ面内の斜光軸から観
測した場合の画像信号を示す。ウエハマーク５２Ａ、５
２Ｂ及びマスクマーク６２に対応する位置に、それぞれ
５本のピークが現れている。５本のピークのうち両端の
ピーク幅は狭く、レンズの点像強度分布に近似できる。
この画像信号を微分した微分画像信号を用いて相似性パ
ターンマッチングを行うことにより、点像及び線像の両
方を用いて位置検出を行うことができる。

【００９２】上記第１〜第３の実施例では、エッジパタ
ーンを入射面の法線方向に沿って配置し、位置検出誤差
を低減する方法を説明した。次に、エッジパターンを入
射面に平行な方向に配列し、ウエハとマスクとの間隔の
ばらつきに影響を受けないで位置検出を行う方法を説明
する。

【００９３】図１０（Ａ）は、第４の実施例によるウエ
ハマークの平面図を示す。２１個の長方形状のエッジパ
ターン７０がｘ軸に沿って４μｍピッチで配列してい
る。このエッジパターン７０の列がｙ軸方向に３列配置
されている。

【００９４】図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のウエハマ
ークをｘｚ面に含まれる入射角３０°の光軸方向から観
測する場合の、ウエハマーク及び光学系の概略断面図を
示す。ウエハ７１の表面上にエッジパターン７０が形成
されている。斜光軸７３に平行な照明光を斜入射し、エ
ッジパターン７０のエッジからの散乱光を観測する。図
中の破線７２は観測光学系の被結像面を表している。

【００９５】ウエハ７１が図のｕ１の位置にあるとき、
図の左から５番目のエッジパターンが被結像面７２上に
位置する。ウエハ７１を光軸７３に沿って平行移動し、
ウエハ７１が図のｕ２及びｕ３の位置に来ると、それぞ
れ図の左から３番目及び左端のエッジパターンが被結像
面７２上に位置することになる。

【００９６】エッジパターン７０のｘ軸方向のピッチが
４μｍのとき、ウエハ７１を光軸方向に２μｍ移動させ
れば、被結像面７２上に位置するエッジパターンが１つ
ずれることになる。従って、レンズの焦点深度を１μｍ
にすれば、常にいずれかのエッジパターンに焦点を合わ
せることができる。

【００９７】図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）に示すウエ
ハマークを図１０（Ｂ）に示す方法で観測して、エッジ
パターンの位置検出を行ったときの検出位置のウエハ位
置依存性を示す。横軸は焦点が合っているエッジパター
ンの通し番号を表し、縦軸は検出値を単位ｎｍで表す。
ここで、検出値は、ｙ軸方向に関して中央にあるエッジ
パターンとその両側にあるそれぞれのエッジパターンと
の間隔の相互の差分の半分と定義した。

【００９８】１番目のエッジパターンを観測している状
態から２１番目のエッジパターンを観測している状態ま
での、ウエハの光軸方向の移動距離は４０μｍである。
図１０（Ｃ）に示すように、ウエハを４０μｍ移動して
も、検出値は−１７ｎｍ〜＋２５ｎｍの範囲に納まる。

【００９９】このように、ウエハを光軸方向に移動させ
ても比較的高精度にエッジパターンの位置を検出するこ
とができる。また、検出値のばらつきの主な要因はエッ
ジパターンの形状のばらつきによるものと思われる。従
って、第１の実施例で説明したように、エッジパターン
をｙ軸方向に複数配置し、複数のエッジパターンを同時
に観測して位置検出を行えば、より高精度の位置検出を
行うことができるであろう。

【０１００】図１１は、入射面に平行な方向に複数のエ
ッジパターンを配列したウエハマーク及びマスクマーク
の断面図を示す。図中の破線７２は、観測光学系の被結
像面を示す。

【０１０１】ウエハ７１が図のｖ１もしくはｖ２で表さ
れる位置にあるとき、いずれかのエッジパターンが被結
像面７２上に位置するため、ウエハ７１がｖ１もしくは
ｖ２のいずれの位置にあっても、ウエハマーク及びマス
クマークからの散乱光によるエッジの像を鮮明に検出す
ることができる。また、マスクマークもｘ軸方向に複数
のエッジパターンを配列して構成されているため、マス
クのｚ軸方向の位置がずれてもマスクマークからの散乱
光によるエッジの像を鮮明に検出することができる。な
お、いずれかのエッジパターンがレンズの焦点深度内に
納まるようにエッジパターン列のピッチを選んでおけ
ば、エッジが丁度被結像面上になくてもエッジの像を鮮
明に検出することができる。

【０１０２】従って、ウエハ及びマスクのｚ軸方向の位
置が一定の範囲内で変動しても安定して位置検出を行う
ことができる。また、図１（Ｃ）、（Ｄ）で説明したの
と同様の方法で、ウエハとマスクとの間隔を求めること
ができる。

【０１０３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【０１０４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
斜方からウエハマーク及びマスクマークを観察して、高
精度に位置検出することができる。位置合わせを行った
後にウエハを露光する場合、露光範囲に光学系を配置す
る必要がないため、露光期間中も常時位置検出を行うこ
とができる。このため、高精度な露光が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ）は、本発明の実施例で使用する位置
検出装置の概略断面図、図１（Ｂ）は、ウエハマーク及
びマスクマークの平面図、図１（Ｃ）は、ウエハマーク
及びマスクマークからのエッジ散乱光による像及び像面
内の光強度分布を示す図、図１（Ｄ）は、ウエハ面及び
マスク面の被結像面近傍の断面図である。

【図２】エッジ散乱光の観測実験に使用したウエハマー
クの平面図及び断面図である。

【図３】図３（Ａ）は、図２（Ｂ）に示すウエハマーク
からのエッジ散乱光による像の写真をスケッチした図、
図３（Ｂ）は、図２（Ｂ）に示すウエハマークを垂直検
出した像の写真をスケッチした図である。

【図４】図２（Ｂ）に示すウエハマークからのエッジ散
乱光による像の画像信号を示す図である。

【図５】画像信号を信号処理して、変位量を測定した結
果を示すグラフである。

【図６】図６（Ａ）は、第１の実施例によるアライメン
トマークの平面図、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の一点鎖
線Ｂ６−Ｂ６における断面図、図６（Ｃ）は、図６
（Ａ）の一点鎖線Ｃ６−Ｃ６における断面図、図６
（Ｄ）は、エッジ散乱光による像の画像信号を表す図、
図６（Ｅ）は、図６（Ｄ）に示す画像信号の自己相関関
数を示すグラフである。

【図７】図７（Ａ）は、第２の実施例によるアライメン
トマークの断面図、図７（Ｂ）は、エッジ散乱光による
像の画像信号を表す図、図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）に示
す画像信号の自己相関関数を示すグラフである。

【図８】図８（Ａ）及び（Ｃ）は、ウエハマークを構成
する１つのエッジパターンの斜視図、図８（Ｂ）及び
（Ｄ）は、それぞれ図８（Ａ）及び（Ｃ）に示すエッジ
パターンからのエッジ散乱光による像を表す図である。

【図９】図９（Ａ）は、第３の実施例によるアライメン
トマークの断面図、図９（Ｂ）は、エッジ散乱光による
像の画像信号を表す図である。

【図１０】図１０（Ａ）は、第４の実施例によるウエハ
マークの平面図、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のウエ
ハマークを斜め方向から観測する場合のウエハマーク及
び観測光学系の概略断面図、図１０（Ｃ）は、図１０
（Ａ）に示すウエハマークを図１０（Ｂ）に示す方法で
観測してエッジパターンの位置検出を行ったときの検出
位置のウエハ位置依存性を示すグラフである。

【図１１】第４の実施例によるウエハマーク及びマスク
マークの断面図である。

【符号の説明】

１０ウエハ／マスク保持部１１ウエハ１２マスク１３ウエハマーク１４マスクマーク１５ウエハ保持台１６マスク保持台１７駆動機構２０光学系２１像検出装置２２レンズ２３ハーフミラー２４光源２５光軸３０制御装置４０、５０、７１ウエハ４１、４４、５２Ａ、５２Ｂウエハマーク４２ＰＳＧ膜４３レジスト膜５１、６１、７０、７５エッジパターン６０、７４マスク６２マスクマーク７２被結像面７３光軸

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光を散乱させるエッジを有する位置
合わせ用ウエハマークが形成された露光面を有するウエ
ハと、入射光を散乱させるエッジを有する位置合わせ用
のマスクマークが形成された露光マスクとを、前記露光
面が前記露光マスクに対向するように間隙を挟んで配置
する工程と、前記ウエハマーク及びマスクマークに照明光を斜入射
し、ウエハマーク及びマスクマークのエッジからの散乱
光を観測して、前記ウエハと前記露光マスクとの相対位
置を検出する工程とを含み、前記ウエハマークのエッジ及びマスクマークのエッジ
が、前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って複
数個配置されており、前記相対位置を検出する工程が、前記照明光の入射面に
対して垂直な方向に沿って複数個配置されたウエハマー
ク及びマスクマークのエッジからの散乱光を観測する工
程を含む位置検出方法。
【請求項２】前記ウエハマークのエッジと前記マスク
マークのエッジとは、位置合わせが完了した状態では一
方を平行移動して他方に重ねることができるように配置
されている請求項１に記載の位置検出方法。
【請求項３】前記ウエハマークのエッジ及びマスクマ
ークのエッジは、前記ウエハマーク及びマスクマークご
とに前記照明光の入射面に対して垂直な方向に沿って少
なくとも３個配置され、その間隔が均一でない請求項１
または２に記載の位置検出方法。
【請求項４】前記ウエハマークの複数のエッジの長さ
が相互に均一ではなく、前記マスクマークの複数のエッ
ジの長さが相互に均一ではない請求項１〜３のいずれか
に記載の位置検出方法。
【請求項５】前記相対位置を検出する工程は、対物レ
ンズを有する光学系で前記散乱光を観測し、前記ウエハマークのエッジのうち少なくとも１つ、及び
前記マスクマークのエッジのうち少なくとも１つは、そ
の長さが前記対物レンズの分解能以下である請求項１〜
４のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項６】前記ウエハマークのエッジ及び前記マス
クマークのエッジが、前記照明光の入射面に対して平行
な方向に複数個配列されている請求項１〜５のいずれか
に記載の位置検出方法。
【請求項７】表面に対して斜めに入射する入射光を散
乱させるエッジを有する位置合わせ用ウエハマークが形
成された露光面を有し、前記エッジが、前記入射光の入
射面に対して垂直な方向に沿って複数個配置されている
半導体基板。
【請求項８】前記複数のエッジの長さが均一ではない
請求項７に記載の半導体基板。
【請求項９】前記エッジが、前記入射光の入射面に対
して垂直な方向に沿って少なくとも３個配置されてお
り、その間隔が均一ではない請求項７または８に記載の
半導体基板。
【請求項１０】前記エッジが、前記入射光の入射面に
対して平行な方向に沿って複数個配列されている請求項
７〜９のいずれかに記載の半導体基板。
【請求項１１】表面に対して斜めに入射する入射光を
散乱させるエッジを有する位置合わせ用マスクマークが
形成され、前記エッジが、前記入射光の入射面に対して
垂直な方向に沿って複数個配置されている露光マスク。
【請求項１２】前記複数のエッジの長さが均一ではな
い請求項１１に記載の露光マスク。
【請求項１３】前記エッジが、前記入射光の入射面に
対して垂直な方向に沿って少なくとも３個配置されてお
り、その間隔が均一ではない請求項１１または１２に記
載の露光マスク。
【請求項１４】前記エッジが、前記入射光の入射面に
対して平行な方向に沿って複数個配列されている請求項
１１〜１３のいずれかに記載の露光マスク。
【請求項１５】前記相対位置を検出する工程が、前記
ウエハマーク及びマスクマークのエッジの長手方向に関
する相対位置を検出する請求項１〜６のいずれかに記載
の位置検出方法。