JP3118839B2

JP3118839B2 - 位置合わせ方法、投影露光方法、位置合わせ装置、投影露光装置

Info

Publication number: JP3118839B2
Application number: JP02403695A
Authority: JP
Inventors: 寿彦辻
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-12-19
Filing date: 1990-12-19
Publication date: 2000-12-18
Anticipated expiration: 2015-12-18
Also published as: JPH04217260A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体メモリ、液晶用
大型基板等の高密度集積回路チップの製造に用いられる
投影露光装置に関し、特に露光すべき原画パターンが描
画されたマスクを装置にアライメントする装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の投影露光装置では、原画
パターンを有するマスク（レチクルとも言う）とパター
ン露光される感光基板とを投影光学系を挟んで所定の位
置関係に精密に相対位置決めしている。この場合の相対
位置決めとは、例えば一括投影方式ではマスクの中心と
感光基板（ウェハ、プレート等）の中心とを整合するこ
とであり、ステップアンドリピート方式では、マスクの
中心と感光基板上にすでに形成された複数のチップパタ
ーン領域の夫々の中心との相対位置関係を精密に規定す
る（対応付ける）ことである。

【０００３】すなわち、投影露光装置においては、投影
光学系によって結像された原画パターン像と、基板上に
形成されたパターンとをいかに精密に重合わせるかが極
めて重要な問題となっている。同時に、いかに高速に重
合わせ作業が完了するかも大きな問題となっている。こ
のような装置上の要求から、まず第１に考えなければな
らないことは、マスク（レチクル）を装置に対して高精
度に位置合わせ（アライメント）することである。

【０００４】従来のマスクのアライメントとしては、例
えば、次にようなものが知られている。特開昭５６−１３４７３７号公報特開昭５９−７４６２５号公報特開昭６１−１２１４３７号公報特開昭６３−８１８１８号公報上記の従来例は、ステップアンドリピート方式のウェ
ハステージ上に基準マークを設け、この基準マークとマ
スクのマークとを投影光学系を介して同時に検出するこ
とで、マスクの装置に対する位置ずれを補正するもので
ある。

【０００５】また上記の従来例は、ウェハステージ上
に微小スリット形の光電センサーを設け、マスクマーク
の投影像を、この光電センサーで走査するようにウェハ
ステージを移動させ、マークの投影像を検出したときの
ウェハステージ位置を制御することで、マスクの位置合
わせを行なうものである。また上記の従来例は、マス
クの３ヵ所にマスク単体の専用のアライメントマークを
設け、このマークを３つのアライメント顕微鏡（対物レ
ンズ）を介して基準となる固定スリット上に拡大結像さ
せ、顕微鏡の光路中に設けられた振動ミラーによってマ
ーク拡大像を固定スリットに対して微小振動させ、固定
スリットを透過した光量を光電検出して同期検波するこ
とによって３ヶ所のマークの夫々を顕微鏡に対して位置
合わせするものである。

【０００６】さらに上記の従来例は、ウェハステージ
上に微小スリット形の発光マークを設け、この発光マー
クを投影光学系を介してマスク側に結像させ、ウェハス
テージの走査によってマスク上のマークを光電検出する
ものである。また、近年エキシマレーザを用いた投影露
光装置が実用化されたが、エキシマレーザ光源の発振周
波数は１００〜５００Ｈｚと比較的低いのが現状であ
る。このようなエキシマレーザの露光装置におけるマス
クアライメントの一例として、特開昭６４−１０１０
５号公報に開示されたような方式が知られている。この
従来例では、ウェハステージ上にエキシマレーザで発光
するスリット状マークが設けられ、上記の従来例と同
様の構成によって、マスクマークを検出している。ただ
し、発光マークの発光は、ウェハステージの位置計測用
のレーザ干渉計からの計測パルス（アップダウンパル
ス）を、エキシマレーザ光源のトリガパルスとして印加
することで行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記、従来のいくつか
のマスク位置合わせ方式のうち、の同期検波方式では
検出出力であるＳカーブ信号がリニアになる範囲が極め
て狭い。このため、Ｓカーブ信号のリニア領域内にマー
クを入れるまで、マスクステージを予備的に遅い速度で
移動させていかなければならない。

【０００８】すなわち、機械的なプリアライメントの後
にマスクをマスクステージに載置させただけでは、同期
検波のＳカーブ信号のリニア領域に常にマークが位置す
るという保証はなく、マスク（マスクステージ）のサー
チ動作が必要となる。また、上記、の従来方式で
は、いずれもマスクマークを検出するためにウェハステ
ージの走査が伴うことになる。

【０００９】さらに上記の従来方式でも、ウェハステ
ージ上の基準位置マークを投影光学系の投影視野内に位
置決めした後でなければ、マスクマークの検出、及びア
ライメントができなかった。このように、従来のマスク
アライメント方式では、いずれもマスクステージのサー
チ移動やウェハステージの走査、又は移動を必然的に伴
っていた。

【００１０】このため、一枚のウェハを露光するのに複
数枚のマスクを順次交換しなければならないような露光
シーケンスを組む場合には、時間的な効率が低くなると
いった問題点が生じる。特に、マスクアライメントのた
めにウェハステージを走査、又は移動させる方式では、
本来のウェハステージの動作、すなわちウェハアライメ
ント、ウェハローディング等のための移動が、マスクア
ライメントの間はできないことになり、装置上のスルー
プットの低下につながる。

【００１１】また、マスクマークを照明する光が投影光
学系を介してウェハステージにまで達するような場合に
は、照明光がウェハを感光させないように、ウェハステ
ージを一時的に退避させなければならず、これもスルー
プット低下の一因になることは明らかである。また、上
記のエキシマレーザの露光装置では、レーザ光源の発
振周波数の応答性よりも低い周波数でレーザ干渉計から
の計測パルスが発生するように、ウェハステージの移動
速度を低くしなければならず、このことは必然的にマス
クマークの検出に時間がかかることを意味する。

【００１２】さらに、マスクマーク検出時には発光マー
クを一回走査するたびに数百パルス以上のトリガがレー
ザ発振に必要になるため、エキシマレーザ光源のガス寿
命（本来の露光に必要なガス寿命）を短くすることにな
る。本発明は、以上のような従来の技術の問題点を解決
し、装置全体としてのスループットを低下させることな
く高精度にマスクを位置合わせすることが可能な投影露
光装置を得ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明で
は、マスク上（１）に形成された位置合わせ用のマーク
（９）を光電検出することによって、所定の基準位置か
らの該マークのずれを検出してマスクを位置合わせする
位置合わせ方法に、該所定の基準位置の像（１０の像）
をイメージセンサ（２５）で受光して第１撮像信号を出
力する第１工程（Ｓ１０６，Ｓ１０８）と、該第１撮像
信号に基づき、該イメージセンサ上での該所定の基準位
置（ＰＸｃ）を決定し記憶する第２工程（Ｓ１１２）
と、該第１、第２工程後に、該マスクに形成されたマー
クの像（９の像）を該イメージセンサで受光して第２撮
像信号を出力する第３工程（Ｓ１０６，Ｓ１０８）と、
該第２工程で記憶した該基準位置と、該第２撮像信号に
基づき求められた該マークの像の該イメージセンサ上で
の位置（ＰＸｍ）との差（ΔＰ）を演算して、該マーク
の該基準位置からの位置ずれ量を算出する第４工程（Ｓ
１１８）とをもうけることとした。また請求項６に記載
の発明では、位置合わせ用のマーク（９）を備えたマス
ク（１）を位置合わせする位置合わせ装置に、該マーク
を検出するための照明光を射出する光源（３０）と、該
照明光を、該マークを含む該マスク上の局所領域に照射
する照明光学系（１１，２１−２３）と、該マークから
の反射光もしくは透過光を入射して該マークの像を形成
する結像光学系（２１−２４）と、該結像光学系を介し
た該マークの像を受光するイメージセンサ（２５）と、
該イメージセンサからの撮像信号を解析して該マークの
像の位置情報を検出するマーク位置検出回路（５０）
と、該イメージセンサが該マークの像を受光するよりも
前に、該イメージセンサ上の特定の位置情報（ＰＸｃ）
を表す値を記憶する記憶回路（６０）と、該マーク位置
検出回路で検出された該マーク像の位置情報（ＰＸｍ）
と、該記憶回路に記憶された特定位置情報との差（Δ
Ｐ）を演算し、該マークの前記特定位置からの位置ずれ
量を算出する演算回路（５０）とを構成した。また請求
項１０に記載の発明では、感光基板（４）が載置される
ステージ（５）とマスク（１）との相対位置関係を検出
するアライメント検出系（１１、２１−２５、３０、５
０）を用いた位置合わせ方法であって、該アライメント
検出系は、エキシマレーザ光源（３０）からのレーザ光
を使用し、且つ投影光学系（３）を介して、該感光基板
が載置されるステージと該マスクとの相対位置関係を検
出し、該エキシマレーザ光源からのレーザ光の波長特性
をモニターし、該モニターの結果、該レーザ光の絶対波
長値のずれを表すディスエーブルが出力されると、該ア
ライメント検出系を使った検出処理を停止することとし
た。

【００１４】

【作用】請求項１に係る位置合わせ方法は、イメージセ
ンサ上での所定の基準位置を決定し記憶し、かかるイメ
ージセンサにより基板のマークの像を受光して撮像信号
を出力するため、イメージセンサ上のマークの位置が基
準画素からのずれとして求まる。請求項２に係る位置合
わせ方法は、読み出しに同期して１画素１パルスの制御
パルスを出力するので、記憶される所定の基準位置及び
マークの像位置の撮像信号から、容易に対応付けること
ができる。請求項３に係る位置合わせ方法は、特にエキ
シマレーザ光を使用した位置合わせに適用されるもの
で、該エキシマレーザ光の発光用のトリガ信号と、前記
イメージセンサの読み出し信号とを同期させることで、
格段に少ないパルス数によって位置検出が可能となる。
請求項４に係る位置合わせ方法は、イメージセンサ上の
基準位置を、基板ステージ上の基準マーク（１０）に照
射してその反射光又は透過光を使用して求めている。そ
のため、基準マークを使う他の作業（例えばアライメン
ト光学系のベースライン量の測定）にも活用することが
できる。請求項５に係る位置合わせ方法は、基準マーク
の座標系をも入力するので基板を装置に対してアライメ
ントできる。

【００１５】請求項６に係る位置合わせ装置は、イメー
ジセンサがマークの像を受光するよりも前に、イメージ
センサ上の特定の位置情報を表す値を記憶する記憶回路
と、マーク像の位置情報と記憶回路に記憶された特定位
置情報との差を演算し、マークの特定位置からの位置ず
れ量を算出する演算回路とを有するため、イメージセン
サ上でのマークの位置をイメージセンサ上の基準画素
からのずれとして求めることができる。請求項１０に係
る発明では、エキシマレーザ光源からのレーザ光の波長
特性をモニターし、レーザ光の絶対波長値のずれを表す
ディスエーブルが出力されると、アライメント検出処理
を停止することができる。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の実施例である投影露光装
置の構成を示す。ここではレチクル（マスクと同義）１
の装置に対する相対位置の計測は、予めウェハステージ
５に対する位置が求められているマーク位置検出光学系
（アライメント系）２２〜２４に対する相対位置を一次
元イメージセンサ（アレイセンサ）２５で求めることに
よって行われる。

【００１７】本露光装置においては、所定の露光すべき
回路パターンと位置決め用のレチクルマーク９とを有す
るレチクル１が、レチクルステージ２に取り付けられ、
両側テレセントリック（片側テレセントリックでも良
い）な投影レンズ３を介してウェハステージ５と対向す
る。レチクル１は、レチクルステージ２上で駆動モータ
１４によりＸ方向、Ｙ方向に二次元移動可能であり、こ
の移動量はレーザ干渉計１５により計測される。レチク
ルステージ２の移動は、後述するレチクル１の位置決め
に用いられる。レチクルステージ２の移動幅は数ミリメ
ートル以下で、干渉計１５はレチクルステージ２に固定
されたミラー６の基準ミラー（不図示）からの距離変化
を検出分解能０．０１μｍ程度で検出する。

【００１８】実際には、干渉計（レーザ光波干渉式測長
器）１５とミラー６とは、Ｘ方向、Ｙ方向、回転θ方向
の位置をそれぞれ独立に検出するため３組設置されてい
るが、ここでは説明を簡単にするために図示を一部省略
してある。また駆動モータ１４も各方向に対して計３個
設置されているが、同様に図示を一部省略してある。ウ
ェハステージ５は、レチクル１の投影レンズ３に関する
結像面に沿って駆動モータ１７により自由に二次元移動
可能である。ウェハステージ５の露光装置本体に対する
位置座標は、ウェハステージ５に固定されたミラー７の
移動量をレーザ干渉計１６により計測し、所定の基準点
からの距離として算出される。実際には、干渉計（レー
ザ光波干渉式測長器）１６とミラー７とは、Ｘ方向、Ｙ
方向の位置を独立に検出するため２組設置されている
が、ここでは説明を簡単にするために図示を一部省略し
てある。また駆動モータ１７も各方向に対応して計２組
設置されているが、同様に図示を一部省略してある。露
光用照明光学系は光源（水銀ランプ、あるいはエキシマ
レーザ）３０，入力レンズ群３１（エキシマレーザの場
合はズームエキスパンダ）、オプチカルインテグレータ
（フライアイレンズ）３２，ミラー３３，３５，リレー
レンズ３４，メインコンデンサーレンズ３６、及びレチ
クルブラインド３７等より構成される。光源３０から射
出された露光波長域の照明光は入力レンズ群３１，オプ
チカルインテグレータ３２，メインコンデンサレンズ３
６等によりレチクル１の照射面上で均一な強度分布を持
つように調整されてビームスプリッタ２１を透過してレ
チクル１の所定領域を照明する。ビームスプリッタ２１
は露光用照明光の波長に対して９０％の透過率と１０％
の反射率を持つ。

【００１９】レチクル１の位置検出用光学系への照明光
は、光源３０からの照明光を移動可能な全反射ミラー１
１、又は一部反射するミラー１１を介して導かれる。位
置検出用光学系（アライメント系）は、シャッタ１２，
ビームスプリッタ２３，対物レンズ２２，結像光学系２
４，一次元イメージセンサ２５により構成される。この
位置検出を行う場合、光源３０から射出された照明光を
ミラー１１で反射させ計測光として用いる。この計測光
はシャッタ１２をオープンさせた後、ビームスプリッタ
２３，対物レンズ２２，ビームスプリッタ２１を経てレ
チクル１のレチクルマーク９を含む局所領域内を照明す
る。レチクルマーク９から反射した光は再びビームスプ
リッタ２１，対物レンズ２２を通って結像光学系２４に
よってイメージセンサ２５上にレチクルマーク９の拡大
像を結像させる。図１に示したマーク位置検出光学系は
レチクルマーク９がレチクル１上の適当な範囲内にあれ
ばモータ等の駆動系２６によって位置変更が可能であ
り、イメージセンサ２５上に結像できる。また、位置セ
ンサによってマーク位置検出光学系の光軸（正確には検
出中心）がモニタされており、さらに、その位置センサ
の原点が予めウェハステージ５のレーザ干渉計１６で規
定される座標系上での位置として求められている。

【００２０】さて、レチクルマーク９と投影レンズ３と
の間にはシャッタ１３が設けられ、レチクルマーク９を
照明した計測光が投影レンズ３を介してウェハステージ
５上のウェハ４を感光させるのを防いでいる。このシャ
ッタ１３は送光用シャッタ１２をオープンにする前にク
ローズしてウェハ４の感光を防止する。このシャッタ１
３はレチクルマーク９を通った計測光だけを遮光すれば
よいので小型にでき、高速で駆動できる。このことによ
りウェハステージ５上のウェハ４を退避させることなく
高速でレチクル交換、レチクルアライメントが可能とな
る。

【００２１】図２は、図１中に示した制御系４７の構成
を具体的に示したブロック図である。一次元イメージセ
ンサ２５は、１画素毎のサイズが予め定められていて、
コントローラ４０によって各画素毎の光電信号がシリア
ルに読み出される。このイメージセンサ２５は、例えば
１０２４画素で構成され、読み出された画素毎の光電信
号は、ＡＧＣ回路４１を介してアナログ−デジタル変換
器（ＡＤＣ）４２に入力する。ＡＤＣ４２は、画素毎の
光電信号の大きさをデジタル値に変換して、ＲＡＭ４３
は画素順に変換されたデジタル値を記憶する。コントロ
ーラ４０はＡＤＣ４２とカウンタ（ＣＮＴ）４４に、イ
メージセンサ２５の読み出しに同期して１画素１パルス
の制御パルスを出力する。ＡＤＣ４２はこの制御パルス
に応答して１画素毎に信号レベルをデジタル値に変換
し、ＣＮＴ４４はこの制御パルスを計数してＲＡＭ４３
のアドレス値を発生する。

【００２２】ＣＰＵ（中央処理部）５０はＲＡＭ４３内
のデジタル波形情報を解析して、レチクルマーク９、基
準マーク１０、又はウェハ４上のアライメントマーク等
の位置を検出する。さらにＣＰＵ５０は、駆動系２６へ
の制御信号の出力と、駆動系２６によって移動するマー
ク位置検出用光学系の対物レンズ２２の位置を検出する
エンコーダ等の位置センサ５２からの情報の入力とを行
う。またＣＰＵ５０は、駆動系５３を介してシャッター
１３のモータ５４の駆動を制御する。ここでは、シャッ
ター１３を４枚の羽根を持つロータリーシャッターとし
た。

【００２３】さて、メモリ６０は、イメージセンサ２５
で検出されるレチクルマーク９の位置を検出するため
に、イメージセンサ２５上のどの画素位置を基準とする
かを表す値（小数を含む）を記憶する。この基準値は、
基準マーク１０を使ってマーク位置検出光学系のキャリ
ブレーションを行うとき等に更新される。メモリ６１
は、基準マーク１０を使ったマーク位置検出光学系のキ
ャリブレーション時に、ウェハステージ５の位置やレチ
クルステージ２の位置を干渉計１５，１６から読み取っ
て記憶する。この記憶値は、イメージセンサ２５の基準
画素位置（小数を含む）をウェハステージ５の座標系に
対応付けるために使われる。ところでシャッター１３
は、図３（ａ）に示すように、レチクル１と対向する面
側が４枚の羽根のうち２枚の羽根１３Ａは低反射率と
し、他の２枚の羽根１３Ｂは高反射率としておく。この
ように、羽根１３Ａ，１３Ｂの反射率を変えておくと、
レチクルマーク９の反射率の変化（５０％〜１０％）に
対応して切り替えることによって、マーク９の検出コン
トラストを最良のものにできる。さらにシャッター１３
には切り欠き部（透過部）１３Ｃが羽根と交互に設けら
れ、レチクルマーク９を透過した計測光を、投影レンズ
３を介してウェハステージ５へ導くことができる。尚、
シャッター１３は図３（ｂ）に示すようにスライドシャ
ッター方式にしても同様の効果が得られる。

【００２４】次に本実施例の投影露光装置を用いたレチ
クル１の位置計測およびレチクル１のアライメントを説
明する。第４図（ａ）は、レチクル１の転写領域（回路
パターン領域）ＰＥの周囲の透明部分の３ヶ所に設定さ
れたレチクルマーク９の配置を示す。レチクルマーク９
は、Ｘ，Ｙ方向に伸びたバーマークを組み合わせた反射
性の十字マークであり、９Ａ，９Ｂ，９Ｃと３ヵ所に設
定されている。従って、図１中のマーク位置検出光学系
も、各マークに対応して３ヶ所に配置されている。

【００２５】さて、レチクル１をレチクルステージ２上
にプリアライメントして載置した後、レチクルマーク９
Ａ，９Ｂ，９Ｃの位置検出、及びレチクルアライメント
が開始される。このときマーク位置検出光学系の倍率
（レチクル１からイメージセンサ２５までの倍率）は、
第４図（ｂ）に示すように、プリアライメントした位置
でレチクルマーク９Ａ，９Ｂ，９Ｃの全てが各々のマー
ク位置検出光学系のイメージセンサ上に結像するように
しておく。

【００２６】ここで、３つのマーク位置検出光学系の各
イメージセンサ２５を２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃとする
と、イメージセンサ２５Ａはレチクルマーク９Ａのうち
Ｘ方向に伸びたバーマーク部をＹ方向に計測するように
配置され、イメージセンサ２５Ｂはレチクルマーク９Ｂ
のうちＹ方向に伸びたバーマーク部をＸ方向に計測する
ように配置され、そしてイメージセンサ２５Ｃはレチク
ルマーク９ＣのうちＸ方向に伸びたバーマーク部をＹ方
向に計測するように配置される。即ち、イメージセンサ
２５Ａ，２５Ｃの画素配列はＹ方向に定められ、イメー
ジセンサ２５Ｂの画素配列はＸ方向に定められる。

【００２７】次に、シャッタ１３をクローズした状態か
らシャッタ１２をオープンした後、シャッタ１３を背景
としてレチクルマーク９Ａ，９Ｂ，９Ｃの夫々を照明す
る。この際、シャッタ１３はレチクルマークのクロム層
の反射率が低い場合は高反射率の羽根１３Ｂが選択さ
れ、レチクルマークのクロム層の反射率が高い場合は低
反射率の羽根１３Ａが選択されてレチクルマークの下に
くるように制御される。図５（ａ）は、低反射率のレチ
クルマーク９がレチクル１の透明部分に形成されている
場合を示し、このときレチクルマーク９の周辺領域の下
方には高反射率の羽根１３Ｂが位置するため、イメージ
センサ２５から出力されるシリアルな画素信号は図５
（ｃ）のようにマーク９の部分でボトムとなるような波
形になる。図５（ｂ）は、高反射率のレチクルマーク９
がレチクル１の透明部分に形成されている場合を示し、
このときレチクルマーク９の周辺領域の下方には低反射
率の羽根１３Ａが位置するため、イメージセンサ２５か
ら出力されるシリアルな画素信号は図５（ｄ）のように
マーク９の部分でピークとなるような波形になる。以下
の説明においては、図５（ｃ）の波形を処理することに
ついてのみ考えるが、図５（ｄ）の波形であっても全く
同様の処理でよい。

【００２８】次に図６、図７を参照して、ＣＰＵ５０に
よる波形処理の様子を説明する。図６は、レチクルマー
クのアライメント時と基準マーク１０を使ったキャリブ
レーション時とのシーケンスを１つのフローチャートで
表したものである。先ず、図６のステップ１００におい
て、ＣＰＵ５０はイメージセンサ２５の基準画素を決定
するキャリブレーション動作か否かを判断する。通常、
レチクル１がレチクルステージ２にプリアライメント状
態で載置された後、駆動系２６によって対物レンズ２２
がレチクルマーク９を観察できるような位置にセットさ
れる。但し、ステップ１００でキャリブレーションを行
うときは、レチクルマーク９がイメージセンサ２５の検
出エリア（直線）から退避するようにレチクルステージ
２をシフトさせておく。次にＣＰＵ５０は、ステップ１
０２でウェハステージ５を移動させて、基準マーク１０
が対物レンズ２２の検出範囲内に入るように位置決めす
る。そしてＣＰＵ５０はステップ１０４で、そのときの
ウェハステージ５の座標値を干渉計１６から読み取って
メモリ６１内に記憶する。このとき、同時にレチクルス
テージ２の座標値と回転量の値とを干渉計１５から読み
取ってメモリ６１内に記憶する。

【００２９】次にＣＰＵ５０はステップ１０６におい
て、イメージセンサ２５からの一次元画素信号の波形デ
ータをＲＡＭ４３に読み込むように制御する。この場
合、ＲＡＭ４３内には基準マーク１０に対応した波形デ
ータが記憶される。そしてＣＰＵ５０はステップ１０８
で、ＲＡＭ４３内の波形データを解析して、基準マーク
１０の中心を表す波形データ上での画素位置を実数値
（小数を含む）として求める。この波形解析には、いく
つかのアルゴリズムが考えられるが、最も簡単で精度の
高い方法は、ボトム（又はピーク）状の波形部分を所定
のスライスレベルで２値化した波形部分の立上がりと立
下がりとの画素位置の中点を求める方法である。また、
ボトム（ピーク）波形部分の走査方向に関する対称性が
良好であるときは、微分法によって求まる零クロス点を
見つける方法、積分法を使って波形の重心点を見つける
方法等も適用できる。

【００３０】さて、ＣＰＵ５０はステップ１１０におい
て、ステップ１０８で処理したマークが基準マーク１０
か否かを判断する。ここでは、基準マーク１０を検出し
たから、ＣＰＵ５０はステップ１１２を実行し、ステッ
プ１０８で求めたマーク中心の画素位置を基準画素位置
（実数値）ＰＸ_Cとして、メモリ６０に記憶する。ＣＰ
Ｕ５０は、以上のキャリブレーション動作のとき、他の
２ヶ所のマーク位置検出光学系の各イメージセンサ２５
に対して、ステップ１０２〜１１２を繰り返し実行し、
３つのイメージセンサ２５の夫々について基準画素位置
ＰＸ_Cと、ウェハステージ５の座標値等を夫々メモリ６
０，６１に記憶していく。尚、３つのマーク位置検出光
学系の各対物レンズ２２の位置は、位置センサ５２によ
って検出され、その値もメモリ６０に記憶される。この
値はマーク位置検出光学系を動かすときの基準となるも
のである。

【００３１】以上の動作によってキャリブレーション動
作が終了するが、この動作は、レチクルマーク９の配置
が異なる別のレチクルを装着しない限り、原則として再
度実行する必要はない。従って、レチクルマークの配置
が変わらない複数レチクルを交換しながら１日中、多数
枚のウェハを露光処理している間は、１枚目のレチクル
の装着時にのみキャリブレーションを行えば十分であ
り、以後のレチクルのアライメント時にはキャリブレー
ションは不要である。

【００３２】次に、実際のレチクルマーク９を検出する
が、キャリブレーション動作時のレチクルに対しては、
退避していた位置を元に戻して、レチクルマーク９を各
イメージセンサ２５の検出範囲内に入れる。このとき、
どれくらいレチクルステージ２を戻すかは、メモリ６１
内に記憶されたレチクルステージの座標値から容易に求
められる。ＣＰＵ５０は、再び図６のシーケンスを実行
するが、このときはキャリブレーション動作ではないの
で、ステップ１００，１０６，１０８の順に実行する。
ステップ１０６でＲＡＭ４３内には、例えば図７のよう
な波形データが記憶される。図７で横軸はイメージセン
サ２５の画素位置（ＰＸ₁〜ＰＸ_n）を表し、縦軸は各
画素の信号レベルを表す。レチクルマーク９に対応した
ボトム波形は画素位置ＰＸ_mに表れ、ＣＰＵ５０はステ
ップ１０８でその画素位置ＰＸ_mを実数値として正確に
求める。

【００３３】次にＣＰＵ５０は、ステップ１１０からス
テップ１１４へ実行を移し、メモリ６０，６１の記憶内
容（基準画素位置ＰＸ_c，キャリブレーション時のウェ
ハステージの座標値等）を読み出し、次のステップ１１
６で位置センサ５２の検出値を読み込む。位置センサ５
２の検出値がキャリブレーション時に記憶した値と一致
していれば、その検出値は以降の演算では使われない。

【００３４】次にＣＰＵ５０はステップ１１８で、３ヶ
所のレチクルマーク９の各中心画素位置ＰＸ_mの基準画
素位置ＰＸ_cからのずれ量ΔＰを算出し、そのずれ量Δ
Ｐに対応したレチクルマーク９のＸ方向、又はＹ方向の
位置ずれ量（μｍ）を求める。このときの状態を図８に
示す。図８において、ＰＸＣＹ，ＰＸＣθ，ＰＸＣＸは
３つのイメージセンサ２５上の夫々で定められた基準画
素位置（実数値）を表す。この基準画素位置は、基準マ
ーク１０をウェハステージ５の移動座標系上で精密に位
置決めして定めたため、ウェハステージ５の座標系ＸＹ
の各座標軸と平行な軸上にのっている。ここでは、Ｙ方
向の位置ＰＸＣＹ，ＰＸＣθを通る直線をＸ座標軸と
し、Ｘ方向の位置ＰＸＣＸを通る直線をＹ座標軸とし、
両軸の交点Ｏ₁の近傍を投影レンズ３の光軸が通るもの
とする。

【００３５】さて、レチクルマーク９ＡのＸ方向に伸び
たバーマーク９Ａｙは、イメージセンサ２５上で画素位
置（実数値）ＰＸ_maとして検出され、基準画素位置ＰＸ
ＣＹとのＹ方向のずれ量ΔＰｙは変換定数をｋとして次
式により求められる。 ΔＰｙ＝ｋ（ＰＸＣＹ−ＰＸ_ma） ……（１）同様に、レチクルマーク９ＣのＸ方向に伸びたバーマー
ク９Ｃｙは、イメージセンサ２５上で画素位置（実数
値）ＰＸ_mcとして検出され、基準画素位置ＰＸＣθとの
Ｙ方向のずれ量ΔＰθは次式によって求められる。

【００３６】 ΔＰθ＝ｋ（ＰＸＣθ−ＰＸ_mc） ……（２）さらに、レチクルマーク９ＢのＹ方向に伸びたバーマー
ク９Ｂｘは画素位置（実数値）ＰＸ_mbとして検出され、
Ｘ方向のずれ量ΔＰｘは次式によって求められる。 ΔＰｘ＝ｋ（ＰＸＣＸ−ＰＸ_mb） ……（３）尚、図８中の原点Ｏ₂はレチクル１のパターン領域の中
心と一致しているものとする。ここでＣＰＵ５０が求め
るものは、レチクル１の座標系ＸＹに対する回転量Δθ
と、Ｘ，Ｙ方向の平行ずれ量である。回転量Δθは、バ
ーマーク９Ａｙ，９ＣｙのＸ方向のスパンをＬ_xとする
と、次式によって求まる。

【００３７】 Δθ＝ｓｉｎ^-1｛（ΔＰｙ−ΔＰθ）／Ｌ_x｝ ……（４）ただし、Δθが極めて小さな量（１°以下）になるのが
一般的であるから、式（４）は近似によって次式で求め
てもよい。 Δθ≒（ΔＰｙ−ΔＰθ）／Ｌ_x ……（５）さらに、原点Ｏ₂の交点Ｏ₁に対する平行ずれ量ΔＸ，
ΔＹは夫々次式によって求まる。

【００３８】 ΔＹ＝（ΔＰｙ＋ΔＰθ）／２ ……（６） ΔＸ≒ΔＰｘ−Δθ／２ ……（７）以上、式（５），（６），（７）が補正すべきレチクル
ステージ２の回転量とシフト量であり、ＣＰＵ５０はレ
チクルステージ２の駆動モータ１４を干渉計１５の計測
値を頼りにサーボ制御することによって、一度にレチク
ルステージ２の位置補正を行う。尚、レチクルステージ
２の回転駆動は、レチクル中心Ｏ₂近傍が極力回転中心
になるように制御される。

【００３９】また、より高速なシーケンスを採用するこ
ともできる。それは、レチクルステージ２の位置決め
（レチクルアライメント）は、回転量Δθのみの補正に
とどめ、原点Ｏ₁と交点Ｏ₂の平行ずれ量ΔＸ，ΔＹの
補正は、ウェハ露光時にウェハステージ５のステッピン
グ位置で補正するのである。この場合、レチクルステー
ジ２のΔθの回転補正後、３ヶ所のバーマーク９Ａｙ，
９Ｂｘ，９Ｃｙについて、図６のステップ１０６，１０
８，１１４，１１８を実行して、Ｘ，Ｙ方向の平行ずれ
量ΔＸ，ΔＹを再計測しておくとよい。

【００４０】もし、このとき、イメージセンサ２５の分
解能が足りない場合は前記シーケンスを粗調としてレチ
クル１のラフアライメントを行った後、位置検出光学系
の光学倍率をより高い倍率に切り換えてイメージセンサ
２５のマーク像に対する検出分解能を高いものにしてか
ら、同じようなシーケンスでファインアライメントを行
えばよい。

【００４１】以上の手順によりレチクル１の装置に対す
る位置合わせが完了する。また、この位置合わせ終了後
の各レチクルマーク９Ａ，９Ｂ，９Ｃの位置を再度検出
し、その検出結果に対応するウェハステージ５の位置座
標値から、レチクル１上の回路パターン領域ＰＥの投影
像の中心（原点Ｏ₂）の位置がウェハステージ５の座標
系Ｘ，Ｙ上での値として求められ記憶される。さらに、
レチクルマーク９Ａ，９Ｃの座標値から、レチクル１の
残留ローテーション（回転量）誤差が検出される。ま
た、マーク位置検出光学系（１１、２２、２３、２４、
２５、３０）、あるいは投影レンズ３の周囲に別設した
不図示のオフ・アクシス・アライメント系等により測定
したウェハステージ５上の基準マーク１０とウェハ４上
のアライメントマークとの距離に基づいて、回路パター
ン領域ＰＥの投影像とウェハ上の被転写領域（ショット
領域）とを重合わせるために必要なウェハステージ５の
移動量が算出される。図１中の制御系４７（又は図２中
のＣＰＵ５０）は、この移動量に従って駆動モータ１７
によりウェハステージ５の位置調整を行う。これによ
り、ウェハ４とレチクル１の相対位置決め動作（アライ
メント）が行われる。

【００４２】また、レチクル位置検出光学系の倍率切り
換えが困難な場合には、レチクル位置検出光学系の倍率
をファインアライメントに必要な倍率としておき、該光
学系の対物レンズ２２等をモータ等の駆動系２６で３軸
同時に駆動して、レチクルマーク９Ａ，９Ｂ，９Ｃを見
つけ、そのときの該光学系の位置座標の変化、即ち位置
センサ５２の検出値を考慮して、イメージセンサ２５上
のマーク中心画素位置をウェハステージ５側の座標位置
に変換すれば同じことができる。

【００４３】また、本実施例と同じ構成で、レチクルマ
ーク９の形状を、例えば図９（ａ）のような透明窓状の
マークにしてもよい。この場合、ウェハにも図９（ｂ）
のようなマルチバーマークを投影倍率比で作れば、シャ
ッタ１３の透過部１３Ｃがレチクルマーク９の窓部の下
にくるように制御することによって、ウェハ４とレチク
ル１のダイ・バイ・ダイアライメントも可能となる。そ
の際のイメージセンサからの波形を図１０に示す。装置
に対するレチクルのアライメント時のイメージセンサ２
５の出力で、レチクルマーク９の反射率が低い場合を図
１０（ａ）、高い場合を図１０（ｂ）に示す。さらに、
本実施例の構成で基準マーク１０の一部に図９（ｂ）に
示すウェハマークと同じマルチバーマークを入れておく
と、レチクルの装置に対するアライメントの際に、シャ
ッタ１３の透過部１３Ｃがレチクルマーク９の下にくる
ように制御し、投影光学系３を介してレチクルマーク９
の結像面に、基準マーク１０としてのマルチバーマーク
がくるようにウェハステージ５を動かすことによって、
ショット中心とアライメント光学系の光軸との相対距離
（所謂ベースライン）の計測をレチクルアライメントと
同時に計測できる利点がある。

【００４４】ところで、光源３０としてエキシマレーザ
を使った露光装置においても、図１，図２，図６の構成
がそのまま適用できるが、エキシマレーザの場合はパル
ス発光なので、イメージセンサ２５の画像検出、信号読
み出しとパルス発光とを同期させる必要がある。そのた
めに、図２に示すようにイメージセンサ２５のコントロ
ーラ４０は、エキシマレーザへパルス発光のためのトリ
ガ信号（パルス）を出力するように構成されるととも
に、そのトリガ信号に応じて画像蓄積時間や信号読み出
しのタイミングを制御するようにする。蓄積型のイメー
ジセンサを使用した場合は、エキシマレーザの複数パル
スの発光で得られるマーク像の画像信号を読み出すこと
ができる。もちろん蓄積型でない場合は、各トリガ信号
の出力の度に読み出しを行って、ＲＡＭ４３に波形デー
タを記憶していく。何れの場合も、エキシマレーザの発
振トリガはコントローラ４０側から制御することが望ま
しく、マーク像の検出時に何パルスの発光（最低１回）
が必要かに応じて、適宜発振トリガとそのタイミングが
制御される。従って、従来の方式に比べて格段に少ない
パルス数によってマーク位置検出が可能となる。またエ
キシマレーザは通常、エタロン、グレーティング、又は
プリズム等の波長選択素子を用いてバンド幅の狭帯化や
絶対波長の安定化を行っている。このためエキシマレー
ザの内部には、狭帯化されたレーザが所定の絶対波長値
に入っているか否かを検出する波長モニターが設けられ
ている。そこで、波長モニターによって絶対波長値がわ
ずか（例えば０．００３ｎｍ程度）にずれているとの検
知結果（ディスエーブル状態）を出力している場合は、
そのときに投影レンズ３を介してイメージセンサ２５で
検出される基準マーク１０、又はウェハ４上のマークの
像に対応した画像信号は使わないようにする。

【００４５】即ち、絶対波長値が狂っているときは、波
長選択素子による修正動作が働くが、１パルスの発光の
みでは修正動作が完了していないことがあり、そのため
投影レンズ３での色収差による各種結像誤差が無視でき
ない状態にあるからである。従って、コントローラ４０
からエキシマレーザにマーク像検出のためのトリガ要求
を出したとき、エキシマレーザ側の波長モニターがディ
スエーブル（波長修正中）を出力していれば、そのディ
スエーブルが解除されるまで待つようにする。ただし、
レチクルマーク９のみをイメージセンサ２５で検出する
場合は、投影レンズ３を介した像検出ではないので、こ
のような中心波長の絶対値のわずかなシフトとは無関係
に、直ちにエキシマレーザのトリガ発振をかけることが
できる。さらにエキシマレーザによっては、内部のレー
ザ媒体（フロン，Ｈｅ，Ｋｒ等のガス）を少しずつ交換
していく部分ガス交換（ＰＧＩ）や、レーザ媒体そのも
のを全部交換することが行われる。このうち部分ガス交
換の場合は、十分にトリガ発振が可能であるが、波長モ
ニターがディスエーブル状態を検知することもある。そ
のため部分ガス交換のタイミングであっても、投影レン
ズ３を介してマーク像をイメージセンサ２５で検出する
際は、先の絶対波長制御と同様のシーケンスが可能とな
る。

【００４６】ところで、マーク位置検出光学系の対物レ
ンズ２２の移動位置は、位置センサ５２によって常にモ
ニターされているから、この対物レンズ２２を介してレ
チクルマーク９と別設されたＴＴＲアライメント用のレ
チクルマーク（ステップマーク）とウェハ４上のショッ
ト領域毎のマークとを同時に検出するために任意の位置
に動かすことができる。

【００４７】また、図１に示したマーク位置検出光学系
の照明系（１１，３０）はレチクル１の上方から、対物
レンズ２２を介して照明光を落射照明しているが、照明
系はレチクル１のマーク９の下方に設けて、マーク９の
透過光を上方の対物レンズ２２で検出しても同様の効果
が得られる。さらに、光源３０はパターン露光用とレチ
クルマーク検出用に共用したが、夫々別の光源にしても
よい。その場合は、露光用光源からの照明光波長とマー
ク検出用光源からの照明光波長とをほぼ等しくすれば、
ＴＴＲアライメント、及びキャリブレーション動作は上
記実施例と全く同様に実行可能である。ただし、レチク
ルマーク９のみのアライメント時には、マーク検出用光
源からの照明光波長を露光用照明光と異ならせてウェハ
４に対して非感光性に切り替えるようにすればよい。そ
の場合、ウェハへの不要な感光を防止する意味でのシャ
ッタ１３はことさら設ける必要はないが、イメージセン
サ２５からの画像信号のコントラストを最適化するため
に設けた異なる反射率の複数の羽根（１３Ａ，１３Ｂ）
と同等の機能を持った部材は設けておくことが望まし
い。

【００４８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、マスク、
又はレチクルの装置に対するアライメントがウェハ等の
基板ステージと無関係に高速、高精度に実行できるの
で、露光準備時間等が短縮されて装置の稼働効率が向上
する。このことはＡＳＩＣなど、一枚のウェハ露光に対
して複数枚のレチクルを使用する場合など特に有効であ
る。また投影光学系とマスクマークとの間に、反射特性
の異なる可動遮光部材を設けることによって、反射率の
異なるマスクマークに対してもコントラストのよい像が
得られ、その遮光部材を開放することによって基板とマ
スクのアライメント、あるいはアライメント光学系のベ
ースライン量の測定などもできる。

【００４９】さらにエキシマレーザ等のパルス光を光源
とする露光装置では、パルス光源の発光周波数の制限を
受けず、計測に費やす発光回数も格段に少なくて済み、
光源のガス寿命が伸びるといった効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による投影露光装置の構成を示
す模式図である。

【図２】図１の装置の信号処理回路と制御回路の一部の
構成を示すブロック図である。

【図３】（ａ），（ｂ）レチクルの装置に対するアライ
メント時にウェハの感光防止、及びレチクルマーク像の
コントラストを最適化するシャッタの構成を示す図であ
る。

【図４】（ａ），（ｂ）レチクルマークの配置及びレチ
クルプリアライメント時のイメージセンサとの関係を表
す図である。

【図５】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）レチクルマー
クの反射率の高い場合と低い場合のレチクルマーク像
と、イメージセンサの出力波形を表す図である。

【図６】本発明の実施例におけるシーケンスを説明する
フローチャート図である。

【図７】レチクルマーク検出時のイメージセンサの出力
波形を模式的に表した図である。

【図８】３ヶ所のマーク位置検出光学系（イメージセン
サ）によって検出されるレチクルマークの配置を説明す
る図である。

【図９】（ａ），（ｂ）図１の構成でレチクルとウェハ
のアライメント、及びベースライン量の計測を行う場合
のレチクルマーク及びウェハマークの例を示す図であ
る。

【図１０】（ａ），（ｂ）図９のマークを用いた場合の
イメージセンサ出力波形を示し、レチクルマークの反射
率の低い場合と高い場合の例を示す図である。

【主要部分の符号の説明】

１レチクル２レチクルステージ３投影レンズ４ウェハ５ウェハステージ９レチクルマーク１０基準マーク１２，１３シャッタ１４，１７駆動モータ２２対物レンズ２５イメージセンサ５０ＣＰＵ６０，６１メモリ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上に形成された位置合わせ用のマ
ークを光電検出することによって、所定の基準位置から
の前記マークのずれを検出して前記マスクを位置合わせ
する位置合わせ方法において、前記所定の基準位置の像をイメージセンサで受光して第
１撮像信号を出力する第１工程と、前記第１撮像信号に基づき、前記イメージセンサ上での
前記所定の基準位置を決定し記憶する第２工程と、前記第１、第２工程後に、前記マスク上に形成されたマ
ークの像を前記イメージセンサで受光して第２撮像信号
を出力する第３工程と、前記第２工程で記憶した前記基準位置と、前記第２撮像
信号に基づき求められた前記マークの像の前記イメージ
センサ上での位置との差を演算して、前記マークの前記
基準位置からの位置ずれ量を算出する第４工程とを備え
たことを特徴とする位置合わせ方法。
【請求項２】前記イメージセンサの読み出しに同期し
て１画素１パルスの制御信号を出力し、該制御信号によ
って前記撮像信号を記憶することを特徴とする請求項１
に記載の位置合わせ方法。
【請求項３】前記光はエキシマレーザ光であり、該エ
キシマレーザ光の発光用のトリガ信号と、前記イメージ
センサの読み出し信号とを同期させることを特徴とする
請求項１に記載の位置合わせ方法。
【請求項４】前記所定の基準位置は、基準マークを照
射して得られる反射光又は透過光を前記イメージセンサ
で受光することにより決定されることを特徴とする請求
項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の位置合わせ方
法。
【請求項５】干渉計により前記基準マークの座標値を
計測し記憶する工程を更に有することを特徴とする請求
項４に記載の位置合わせ方法。
【請求項６】位置合わせ用のマークを備えたマスクを
位置合わせする位置合わせ装置において、前記マークを検出するための照明光を射出する光源と、前記照明光を、前記マークを含む前記マスク上の局所領
域に照射する照明光学系と、前記マークからの反射光もしくは透過光を入射して前記
マークの像を形成する結像光学系と、前記結像光学系を介した前記マークの像を受光するイメ
ージセンサと、前記イメージセンサからの撮像信号を解析して前記マー
クの像の位置情報を検出するマーク位置検出回路と、前記イメージセンサが前記マークの像を受光するよりも
前に、前記イメージセンサ上の特定の位置情報を表す値
を記憶する記憶回路と、前記マーク位置検出回路で検出された前記マーク像の位
置情報と、前記記憶回路に記憶された特定位置情報との
差を演算し、前記マークの前記特定位置からの位置ずれ
量を算出する演算回路と、を備えたことを特徴とする位
置合わせ装置。
【請求項７】前記記憶回路は、基板を保持するステー
ジ上の基準マークを撮像して得られた撮像信号に基づき
求められた前記特定の位置情報を記憶することを特徴と
する請求項６に記載の位置合わせ装置。
【請求項８】前記基準マークが撮像された時の前記ス
テージの座標位置情報を測定する干渉計を更に有するこ
とを特徴とする請求項７に記載の位置合わせ装置。
【請求項９】請求項６乃至請求項８のいずれか１項に
記載の位置合わせ装置を有し、該位置合わせ装置により
位置合わせされたマスク上のパターンを、投影光学系を
介して基板上に転写することを特徴とする投影露光装
置。
【請求項１０】感光基板が載置されるステージとマス
クとの相対位置関係を検出するアライメント検出系を用
いた位置合わせ方法であって、前記アライメント検出系は、エキシマレーザ光源からの
レーザ光を使用し、且つ投影光学系を介して、前記感光
基板が載置されるステージと前記マスクとの相対位置関
係を検出し、前記エキシマレーザ光源からのレーザ光の波長特性をモ
ニターし、前記モニターの結果、前記レーザ光の絶対波長値のずれ
を表すディスエーブルが出力されると、前記アライメン
ト検出系を使った検出処理を停止することを特徴とする
位置合わせ方法。
【請求項１１】前記ディスエーブルが解除されるま
で、前記アライメント検出系を用いた検出処理を停止す
ることを特徴とする位置合わせ方法。
【請求項１２】前記投影光学系を介さずに前記レーザ
光を使用して前記マスク上のマークを検出する場合に
は、前記波長特性とは無関係に検出処理を行うことを特
徴とする請求項１０または請求項１１に記載の位置合わ
せ方法。
【請求項１３】請求項１乃至請求項５または請求項１
０乃至請求項１２のいずれか１項に記載の位置合わせ方
法により位置合わせされた前記マスク上に形成されたパ
ターンを、投影光学系を介して感光基板上に投影するこ
とを特徴とする投影露光方法。