JP3127718B2

JP3127718B2 - 位置合わせ方法及びｘ線露光用マスク

Info

Publication number: JP3127718B2
Application number: JP13898994A
Authority: JP
Inventors: 啓介古賀; 十郎安井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-07-19
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 2001-01-29
Anticipated expiration: 2016-01-29
Also published as: JPH07161631A

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ICやLSIを製造
するための露光装置に応用して高性能な位置合わせ方法
およびその実施に使用される露光装置およびＸ線マスク
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの微細化・高集積
化が著しく進行する中で、微細パターン形成技術の開発
が製造装置および製造プロセスの両面で精力的に行われ
ている。リソグラフィ分野では、微細パターン形成技術
と共にマスクとウェハを互いに高精度に位置合わせする
技術の進展が不可欠のものになっている。特に、従来の
光リソグラフィ技術における微細化技術は、要求される
解像性能が光源波長の回折限界レベルに近付いており、
位相シフト技術等の新規な技術開発が要求されている。
更に、このようなレベルの微細パターンをデバイスへ適
用するためには、パタン寸法に見合った重ね合わせ性能
が要求される。0.25μｍレベルでは一般に、重ね合わせ
精度として0.05μｍ以下の精度が要求される。このレベ
ルの高精度な位置合わせを実現するために、従来光ヘテ
ロダイン干渉を利用して微小変位測定を行う方法が用い
られてきた。（特開昭62-58638等）に代表例が示される
この方法は、図４に示すようにマスク上の回折格子とウ
ェハ上の回折格子を隣接させて配置し、同時にアライメ
ント光を照射してそれぞれの回折格子から生じる回折光
を用いてマスクとウェハ間の相対的位置検出を行う方法
である。図４において141はｘ線マスク、142はウェハ、
143は位置検出用の回折格子、144は位置検出用の二波長
成分を有するアライメント光、145および146は回折格子
からの一次反射回折光、147は反射ミラー、148は結像レ
ンズ、149は信号切り分け用のナイフエッジミラー、150
は信号検出器である。この時、回折格子143の周期をP、
アライメント光144の波長をλ、アライメント光144の入
射角度をθとすると θ＝sin-1(m*λ/P) (m=0, ±1, ±2, ±3・・・) の条件を満足する角度を選択すると、反射回折光145お
よび146はマスク面に対して鉛直方向にに回折される。
この回折光は、反射ミラー147および結像レンズ148を通
してナイフエッジミラー149により信号分離された後、
信号検出器150に導かれる。信号検出器150により得られ
る光ヘテロダイン干渉信号は、そのビート信号の位相に
回折格子の相対的位置ずれ情報を有しており、これらの
位相情報を検出することによりマスクとウェハ間の相対
位置検出を行うことができる。マスクとウェハの相対位
置（δｘ）は δｘ＝（δφ/ ２π）（Ｐ/２）の式で表せる。ここで、δφは相対位相であり、Ｐは回
折格子の周期である。回折格子の周期と検出分解能は直
線的な関係があり、周期を短くすればする程検出分解能
は向上する。一方、周期が短くなると検出範囲が狭くな
ったり、ウェハプロセスの影響を受けやすくなる傾向が
あり、一般に周期４μｍ程度の設計設計で用いられてい
る。この時の検出分解能は約0.006μｍであり、また検
出範囲は0.5μｍとなる。0.05μｍ程度のアライメント
精度の要求に対し、検出分解能としては十分性能を満足
している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
方法では、位置検出光学系の取り付け角度に設計値から
のわずかな誤差が発生した場合や、取り付け後の経時変
化により光学系の角度に変化が生じた場合に、下記の問
題が発生していた。光学系の光学軸が図５のように傾斜
（角度誤差θ）するとマスクとウェハ間の位置検出に誤
差が発生する。この誤差の発生原理を図５を用いて説明
する。図５において、131はＸ線マスク、132はウェハ、
134は位置検出用回折格子マークである。ここで、光学
系の角度誤差をθ、マスク、ウェハ間ギャップをＧ１お
よびＧ２とすると、位置検出誤差δＸは以下の式で表せ
る。

【０００４】δＸ＝Ｇ * tanθ 角度誤差θあるいはマスク、ウェハ間ギャップＧが変化
すると、その変化に応じて位置検出誤差が発生すること
になる。実際の露光装置においては、位置検出光学系の
取り付け精度は、周囲環境の温度変化や機械的な強度の
経年劣化等の原因により角度誤差が発生する可能性が十
分にある。また、露光を行う際のマスク、ウェハ間ギャ
ップもプロセス的な要因により変化することが予想され
る。例えば、角度誤差θ＝0.1度、マスク、ウェハ間ギ
ャップ20μｍという条件で、位置検出誤差を計算すると
約35nmに相当する。この誤差は、0.15μｍレベル露光技
術に求められる露光装置の誤差20nm以下をはるかに越え
ており、位置合わせの高精度化にとって重大な問題とな
る。

【０００５】また更に、従来の方法ではマスク信号光と
ウェハ信号光の信号分離に際し下記の問題が発生してい
た。マスクおよびウェハ上に形成される位置検出用の回
折格子の大きさは、LSI設計の集積化を考慮すると可能
な限り小さいことが必要とされる一方、信号検出に十分
な強度を得られる条件も考慮して、通常100μｍ角程度
の大きさの回折格子が用いられている。また、マスク用
の回折格子とウェハ用の回折格子も同一のアライメント
光で同時に検出する必要があるため、空間的に近接して
設置される必要があり、通常数十μｍ程度の間隔で隣接
して配置されている。回折格子の形状が微小であり、か
つマスク用の回折格子とウェハ用の回折格子が空間的に
近接しているために、マスクおよびウェハ回折格子から
の信号光にお互いの信号光の一部が混入して、信号の分
離が不十分になったり、ウェハからの散乱光がマスク信
号に混入する等して位置検出信号の性能に著しい影響を
与えていた。この信号の混入（クロストーク）は、ヘテ
ロダイン検出系の場合数％でも存在すると、位置検出信
号の誤差が数十nm程度発生してしまい、位置検出精度に
重大な問題を与えていた。このクロストークを抑制する
ためには、マスクとウェハ用の回折格子の間隔を十分離
すことが有効であるが、上述の様にLSI設計上の集積化
を考慮すると困難であり、またアライメント光の照射面
積を拡大する必要もあり、信号強度の低下を招く等の理
由により困難であった。また、信号分離用に用いている
ナイフエッジミラーも機械的分離方式のため、長時間に
わたる使用に際し、ミラーの位置ずれが発生してしま
い、結果として精度低下を招くなど問題が発生してい
た。

【０００６】また更に、従来の方法ではアライメントシ
ステムとしての検出分解能は十分に高いものの、検出範
囲が比較的狭いためにプロセスウェハを用いた場合の位
置検出に下記の問題が発生していた。近年のデバイス密
度の高密度化およびプロセス技術の複雑化に伴い、ウェ
ハプロセス中ににストレスが発生し、Siウェハに歪を発
生させる現象が顕在化してきた。特に、多層配線工程や
メモリのフィールド酸化膜の段差低減プロセスの採用等
により、比較的厚い絶縁膜の堆積や高温熱処理工程が必
要となっている。その結果、堆積膜による応力の発生や
ウェハの伸縮が発生してウェハの歪を引き起こし、その
歪量は無視できないレベルに増加してきている。この歪
量は、プロセス条件によっては6ppm程度に達しているこ
とも報告されている。この場合、ウェハの伸縮量（スケ
ーリング量）は６inchサイズのウェハの場合ウェハ周辺
部で１μｍレベルに達する。代表的な例で示した上記の
仕様のヘテロダイン位置検出方式を用いて位置検出を行
う場合、検出範囲が0.5μｍであるために周辺部のチッ
プでは検出範囲を越えてウェハマークが歪んでいるため
に、正確な位置合わせが行うことができずにアライメン
ト精度向上の点で大きな問題となっていた。また、この
様なプロセス歪は、デバイス構造の複雑化が益々進行す
るため、今後のプロセス開発においても避けて通れない
本質的な問題となり、位置検出方式の改良が必要となっ
ていた。仮に、検出範囲を拡大する目的で回折格子の周
期を拡大すれば、同時に位置検出分解能の低下を招き本
質的な解決策にはなっていなかった。

【０００７】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、その第一の目的とするところは、位置合わせ光学
系の誤差を高精度に検査・修正することにより、位置合
わせ精度を向上させる位置合わせ方法およびその方法を
実施するために使用される露光装置を提供することにあ
る。

【０００８】更に、本発明は上記の事情に鑑みてなされ
たもので、その第二の目的とするところは、マスクとウ
ェハ間の位置検出信号の分離性をＸ線マスク上の一部に
形成した波長板を用いて光学的に行うことによって著し
く向上させることにより、位置合わせ精度を向上させる
Ｘ線露光用マスクおよび位置合わせ方法を提供すること
にある。

【０００９】更に、本発明は上記の事情に鑑みてなされ
たものでその第三の目的とするところは、位置合わせを
行う際にウェハの歪を光学的に検査し、誤差データとし
て活用することにより位置合わせ精度を向上させる位置
合わせ方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の第一の位置合わ
せ方法は、マスクとウェハの位置合わせを行う前にウェ
ハステージ上に設けられた基準マークを用いて位置合わ
せ光学系の信号を検出し、その結果より予め設定された
計算式により位置合わせ光学系の角度誤差を算出してオ
フセットデータとして登録し、実際に位置合わせを行う
際は、マスク、ウェハ間ギャップ量によりオフセットデ
ータを算出して誤差補正を行って位置合わせを行うよう
にした方法である。また、基準マークは、複数の段差を
有する基板上に形成された複数の回折格子の組合せから
成っており、複数の段差のマークを用いて光学系の信号
を検出することにより、光学系の角度誤差を測定するこ
とが可能となる。

【００１１】また、本発明の露光装置は、マスクとウェ
ハの相対位置合わせを行う位置合わせ光学系とウェハス
テージ上に設けられた基準マークと基準マークからの信
号光を検出する手段と所定の計算式により光学系の誤差
を算出し露光時のギャップ条件に応じて位置合わせ誤差
を自動補正する信号処理制御手段とを具備したものであ
る。

【００１２】更に、本発明のＸ線露光用マスクは、マス
クとウェハ間の位置検出を行う位置検出用マーク領域の
一部に位置検出用アライメント光の偏光位相角度を変化
させる波長板を形成している。この時の波長板の位置
は、ウェハ上に設けた位置検出用回折格子に対向する位
置の信号取り出し用窓上に形成する。また、この時の波
長板の条件は、位置検出用のアライメント光に対し位相
差として1/4波長変化させる条件に設定する。

【００１３】更に、本発明の第二の位置合わせ方法は、
ウェハ上に設けた位置検出用回折格子に対向するＸ線マ
スク上の信号取り出し窓に波長板が形成してあるＸ線マ
スクと回折光を検出する検出器の光路に信号分離用の偏
光ビームスプリッタとを備え、Ｘ線マスク上の検出窓を
通してウェハの位置検出用回折光を取り出し、信号検出
器の前に設置してある偏光ビームスプリッタを用いてマ
スク信号トウェハ信号の分離を行って位置合わせを行う
ようにした方法である。

【００１４】更に、本発明の第三の位置合わせ方法は、
上記目的を達成するためにマスクとウェハの相対位置を
検出し位置合わせを行う方法において、ウェハ上に予め
形成された回折格子マーク上に単色光を光源とする二光
束干渉縞をウェハ面上に一括して光学的に投影する。ウ
ェハ上に投影された干渉縞とウェハ上の回折格子が光学
的に干渉することによって生成される光学干渉像（モア
レ像）を撮像手段で検出してウェハ面内の画像処理を行
う。予め設定された方法を用いて計算処理することによ
って、回折格子マークのウェハ面内における伸縮量を求
めて前記ウェハの歪を知ることができる。この歪量を位
置合わせを行う際の位置検出信号情報に反映して、ウェ
ハ側の歪に伴う誤差を補正して位置合わせを行うことを
特徴とした位置合わせ方法である。また、前記光学干渉
像（モアレ像）のかわりに回折光の位相を検出し、位相
情報に含まれる干渉縞と回折格子との相対的位置ずれ情
報によりウエハの歪を求めて、この歪量を位置合わせを
行う際の位置検出信号情報に反映して、ウェハ側の歪に
伴う誤差を補正して位置合わせを行うことを特徴とした
位置合わせ方法である。

【００１５】また、予めウェハ上には、二光束干渉露光
法を用いて所望の周期を有する回折格子をウェハ面の全
域に渡って均一にかつ高精度に形成することを特徴とし
ている。

【００１６】

【作用】本発明の第一の方法によれば、ステージ上に光
学系の誤差を検出する基準マークを設けて、露光を行う
際に光学系の誤差を自動検出し位置検出制御系に登録す
る。この誤差によって発生するオフセット誤差は、マス
ク、ウェハ間のギャップによって変化するため、実際に
位置合わせを行う際は、ギャップ値によって位置合わせ
誤差補正量を算出し、位置検出制御系へフィードバック
することによって、この誤差を自動補正し高精度の位置
検出が可能となる。また、光学系の角度誤差を正確に検
出するために、基準マークには、予め設定された段差を
有する複数の回折格子の組合せからなるマークを有す
る。この基準マークを用いて位置検出光学系の信号を検
出し、マーク段差に伴う位置検出信号のオフセットを測
定し、光学系の角度誤差を測定することができる。

【００１７】本発明のマスクを用いた第二の位置合わせ
方法によれば、波長板の位置は、Ｘ線マスク上のウェハ
上に設けた位置検出用回折格子に対向する位置の信号取
り出し用窓上に形成する。この波長板は、波長板を構成
する材料の屈折率および膜厚からなる光学条件を最適に
設定することにより、この波長板を通過するアライメン
ト光の偏光状態の位相角度を1/4波長変化させることが
できる。アライメント光の入射時の偏光状態を直線偏光
に設定すれば、この波長板を通過すると円偏光に変化す
ることになる。最初にP偏光状態のアライメント光が、
マスクおよびウェハ上の位置検出回折格子に照射される
と、マスク上の回折格子からの回折光は、そのままの偏
光状態（P）で回折される。一方、マスク上の波長板を
通過したアライメント光は、波長板により円偏光状態に
変化してウェハ上の回折格子上に照射される。この回折
格子により、回折された信号光は再度波長板を通過す
る。この時、偏光状態は更に1/4波長分変化し、直線偏
光（S）となる。従って、マスク上の回折格子からの回
折光とウェハ上の回折格子からの回折格子は、直線偏光
の状態がそれぞれ、PとSとなることになる。従って、信
号検出用の光検出器の前に偏光ビームスプリッタを設置
することによって、マスク信号とウェハ信号を光学的に
簡単にかつ高精度分離することが可能となる。回折格
子を形成する方法としては、光学式の縮小投影露光法や
電子ビーム露光法などが考えられるが、本方式の回折格
子にはウェハ全面に渡って周期およびパターン位置とも
に高精度な仕様が求められる。前記の方法は、6inchウ
ェハ大面積に渡って均一な回折格子を形成することが困
難である。

【００１８】本発明の第三の位置合わせ方法では、二光
束干渉露光法を用いて所望の周期を有する回折格子をウ
エハ面上に均一にかつ高精度に形成することが可能であ
る。例えば、干渉光源としてヘリウムカドミウムレーザ
を使用することによって、最小0.2μｍピッチの回折格
子まで比較的容易に形成可能である。ウエハ上に形成し
た回折格子上に、この回折格子と同じ周期の光学的干渉
縞を投影する。この時、ウエハ上の回折格子と投影され
た干渉縞が光学的に再干渉し、それぞれの領域の相対的
位置ずれに相当する位相差を反映した光学干渉像（モア
レ像）が形成される。投影する干渉光として波長633nm
のHe-Neレーザ光を用いれば、この位相がπ/2ずれる毎
に干渉縞の明暗のコントラストが反転することになる。
この干渉縞の周期は0.633μｍであり、干渉縞の本数を
検出することによって相対的な位置ずれを検出できる。
投影している干渉縞は光学的にほとんど歪がなく形成で
きるため、この干渉縞を基準にしてウエハ上の回折格子
の歪を検出することができる。ウエハの回路パターン領
域以外の一部あるいは全面に回折格子を予め形成してお
くことによって、ウエハ全面に渡って0.633μｍの分解
能でウエハの歪量を検出できる。

【００１９】また、前記モアレ像のかわりに回折光の位
相情報を検出することによっても、ウエハ上の回折格子
の歪を検出することができる。位相分解能が１度で回折
格子の周期として４μｍの条件を用いれば、回折格子の
ウエハ内における歪量を約10nmの精度で検出可能とな
る。ウエハ面内の複数の場所における回折格子の情報を
検出することによって、ウエハ全体の伸縮量を計算によ
り高精度に求めることが可能となる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を図面を用いて説明する。

【００２１】（実施例１）図１は、本発明の第一の方法
に依る露光装置の一実施例、すなわち、半導体ICやLSI
を製造するためのＸ線露光装置の概略構成図を示すもの
である。図１において、101はＸ線マスク、102はウェ
ハ、103は基準マーク、104はウェハステージ、105は単
色光の光源を有する位置検出光学系、106は位置検出用
単色光、107は回折格子からの回折光、108は光検出器、
109は位置検出制御手段である。図１において、単色光
の光源を有する位置検出光学系として、高い位置検出性
能を有するヘテロダイン位置検出方法がよく用いられて
いる。この場合、マスク101およびウェハ102上に設けら
れた位置検出用の回折格子上に±一次の方向から単色光
106が照射される。位置合わせを行う前に、図２に示す
様な構成を持つ基準マーク103を用いて位置検出光学系
の信号検出を行い、その結果を位置検出制御手段109に
登録する。実際に位置検出を行う際は、マスク101、ウ
ェハ102の相対位置の検出結果に加えて、基準マーク103
を用いて位置検出制御手段109上に登録を行った補正値
を考慮して位置検出を行う。ここで、基準マーク103の
構成について説明を行う。図２において、111は基準マ
ークを作製する基板、112はそれぞれ所望の段差（Ｇ
１、Ｇ２等）を有し、対向して配置された回折格子の組
合せである。この時、回折格子112のマークピッチは、
位置検出光学系の格子周期条件と同じに設定する。ま
た、段差の種類については後で述べるが、位置検出光学
系の信号を検出して、角度誤差を線形近似してもとめる
ため、最低でも二種類、可能であれば五種類程度用意で
きれば測定精度がそれだけ向上できる。回折格子の段差
は、接触式の段差測定装置等を用いて正確に測定してお
く必要がある。また、それぞれの回折格子の組合せは、
相対的位置ずれがない状態で作製する必要がある。二光
束干渉露光法を用いて、同時に回折格子の組合せをマー
ク形成すれば、お互いの回折格子の位相ズレが発生しな
いで高精度の基準マークを作製できる。位置検出光学系
の単色光を基準格子の回折格子に対し、それぞれ±一次
の方向から照射する。この時、複数の段差の組合せから
なる基準マークに対し、それぞれ独立に信号Ｓ１および
Ｓ２を検出する。仮に、位置検出光学系の角度誤差がな
い場合は、段差の条件に依存せずに一定の位置検出信号
を得ることになる。ところが、角度誤差が存在すると、
図３の様に角度誤差の応じて検出信号が変化することに
なる。この時、角度誤差δθと検出誤差δＸは以下の式
で表せる。

【００２２】δＸ＝Ｇ * Tanδθ ここで、Ｇは基準マーク上の予め設定された段差である
ため、それぞれの段差に応じた位置検出誤差を測定する
ことによって角度誤差を測定することができることにな
る。位置検出を行う前に、ステージ上に設けられた基準
マークを用いて光学系の角度誤差δθを測定し、位置検
出制御手段109の中にシステム登録しておく。位置検出
制御手段109は光学系の誤差δθによる位置検出のオフ
セット誤差を補正するため、予め以下のの補正式が設定
されている。

【００２３】Ｘ＝Ｘ₀ーg*Tanδθ ここで、Ｘ₀位置検出光学系によるマスク、ウェハ間の
相対的位置検出信号、ｇは位置検出を行う際のマスク、
ウェハ間ギャップ、δθは上記式より算出される値であ
る。この式により、位置検出光学系によるオフセット誤
差がマスク、ウェハ間ギャップ条件に応じて自動的に補
正され、高精度な位置検出が可能となる。特に、位置検
出光学系の設定誤差や光学系の経時変化に伴う角度誤差
の発生等あらゆる誤差に対しても、位置合わせを行う前
にこれらの誤差を検出し、自動補正を行うことができる
ため実際の露光装置に対して極めて有用である。

【００２４】（実施例２）図６は、本発明の第二の方法
によるＸ線露光用マスクの構成およびそれを用いた位置
検出方法の概略構成図を示すものである。位置検出方式
として、高い検出感度を有するヘテロダイン干渉を利用
した方式を採用している。図２において、201はＸ線マ
スク、202はＸ線マスク上に形成された位置検出用の回
折格子、203はウェハ、204はウェハ上に形成された位置
検出用の回折格子、205はＸ線マスク上にあって上記ウ
ェハ上の回折格子と対向する位置に形成された波長板、
206および207は単色光で直線偏光成分を有する位置検出
用アライメント光、208は反射回折光、209は反射ミラ
ー、210は信号分離用偏光ビームスプリッタ、211は信号
検出用光検出器である。ここで、205の波長板は入射す
る直線偏光を円偏光に変換させる条件に設定しておく。
波長板として、屈折率が結晶の方向により異なる水晶等
の異方性結晶体材料がよく用いられている。この場合、
アライメント光の波長によってきまる異方性屈折率の差
の条件が、波長板の膜を通過する際、1/4波長ずれるよ
うに膜厚を最適に設定する必要がある。まず、P偏光を
有する直線偏光のアライメント光206および207が、マス
クおよびウェハ上の回折格子202および204上にそれぞれ
±一次の方向から入射される。この時の入射角度をθと
アライメント光の波長λおよび回折格子の周期Ｐは下記
の条件を満足する条件に設定する。

【００２５】θ＝sin-1(λ/P) マスク上の回折格子202からは、回折光208が垂直に回折
される。この回折光の偏光状態は変化せずP偏光のまま
である。また、波長板205を通過したアライメント光
は、位相角度が1/4λ分だけ変化するため右回りの円偏
光になり、ウェハ上の回折格子204に入射される。この
回折格子により、垂直方向に回折される回折光は、反射
時に偏光状態が左回りの円偏光に変化する。更に、再度
波長板を通過することによってS偏光の直線偏光に変化
する。従って、マスクの位置検出用の回折光はP偏光状
態を、ウェハの位置検出用の回折光はS偏光状態を有
し、マスク面から鉛直方向に取り出せることになる。こ
の後、反射ミラー９を通してこれらの回折光を偏光ビー
ムスプリッタ210に導く。この偏光ビームスプリッタ部
では、S偏光ウェハ信号のみ反射させて分離することが
可能であり、P偏光のマスク回折光とS偏光のウェハ回折
光を光学的に精密に分離し、別々の信号検出器211によ
ってそれぞれの信号の検出が可能となる。従来例のナイ
フエッジミラーを用いた機械的な信号分離法では、回折
光の散乱などによる信号の混入等が発生した場合、マス
ク信号とウェハ信号の完全な分離が困難となり、信号混
入（クロストーク）により位置合わせ精度を低下させて
いたが、本方法では信号の分離を光学的に光精密に実現
できるため上記の問題を大幅に改善し、位置合わせ精度
の大幅な改善を行うことができる。

【００２６】（実施例３）図７は、本発明の第三の方法
に依る位置検出方法の一実施例を説明するための概略構
成図を示すものである。図７において、301はウエハ、3
02はウエハ上に形成された回折格子、303は単色光源か
ら所望の角度でウエハ上に投影される位置検出光、304
および305はミラー、306は結像レンズ、307はCCD素子等
の画像検出器である。303の位置検出光は、ウエハ全域
の回折格子を一括して照明するため、それぞれの光束の
径は拡大光学系でウエハのサイズに合わせて十分なサイ
ズに拡大しておく必要がある。光学系が大型化して一括
照明が困難な場合は、複数の領域に分割してより小さい
領域での照明を行い、それぞれの領域内での結果を全体
で合成してウエハ全体の結果を求めることも可能であ
る。まず、波長がλのコヒーレントな位置検出光303を
ウエハ上の回折格子302上に入射角度θで照射する。こ
の時回折格子302の周期をＰとすると、Ｐ＝λ/２*SINθ の条件を満足すれば、ウエハ上に回折格子と同じ周期の
干渉縞を形成することができる。次に、ステッパに登載
された位置合わせ方法等を用いて、ウエハの１次元回折
格子の縞の方向と投影された干渉縞の方向を高精度に合
わせる。ウエハ上の回折格子がプロセス時の高温熱処理
等の影響を受けてウエハの径方向に伸縮して歪が発生し
ていると、投影された干渉縞と回折格子の周期がウエハ
面内でわずかにずれてしまい、そのズレに応じた光学的
干渉像（モアレ像）が発生する。この様子を図８に示
す。図８において、321はウエハ、3322はウエハ上に形
成された一次元回折格子、323はウエハ全面に投影され
た位置検出用の干渉縞、324は回折格子上に生成したモ
アレ像である。モアレ像は、回折格子と投影された干渉
縞の相互干渉により回折格子上にのみ発生する。このモ
アレ像324をミラー305および結像レンズ306を用いて画
像検出器307上に導いて予め設定された方法により画像
処理を行うことによって、ウエハ全面で発生しているモ
アレ干渉縞の場所と量を特定することができる。位置検
出光として、例えばHe-Neレーザ光を用いた場合、この
モアレ干渉縞１本は0.633μｍのウエハ回折格子の径方
向の位置ずれに相当し、基準点からの干渉縞の本数と場
所を画像処理することによってウエハ面内で発生してい
る歪量を正確に知ることが可能である。このウエハ歪の
情報をマスクとウエハの位置合わせを行う際のウエハ歪
補正データとして活用することに依って、高精度な位置
合わせを実現することができる。

【００２７】ウエハ上の回折格子は、位置合わせを行う
前にウエハ全面にわたって高精度にかつ均一に作製する
必要がある。コヒーレントなレーザ光を用いた二光束干
渉露光法を用いる方法が上記目的を達成するために有望
である。まず、ウエハ全面に露光用光源としてHe-Cdレ
ーザを用いれば、回折格子の周期として0.2μｍまでの
干渉縞を形成することが可能である。ウエハ上に、この
方法を用いて全面に所望の周期を有する１次元回折格子
をレジストパターンで形成する。この時、回路パターン
領域には回折格子を形成できないため、回路パターン領
域以外の一部、例えばスクライブライン上に回折格子を
形成しておく。更に、上記で形成した１次元回折格子と
直交する方向にも同様の方法で回折格子を形成する。こ
のことによって、ウエハの直交する２方向（ｘ方向およ
びｙ方向）の径方向の歪検出が可能になる。

【００２８】（実施例４）図９を用いて本発明の第四の
方法による一実施例を説明する。図９は本発明に依る位
置検出方法の一実施例を説明するための概略構成図を示
すものである。図９において、331はSiウエハ、332は回
路チップ、は位置検出用回折格子。更に拡大図におい
て、およびは周波数がわずかに異なる成分を有するレー
ザ光からなる位置検出光、336はウエハからの信号光で
ある。ウエハ上の特定のチップに形成された回折格子33
3に対して、回折光336がウエハに対して鉛直方向に回折
されるように、±一次の角度で位置検出光334,335を照
射する。鉛直方向に回折された信号光336を信号検出器
に導いた後、信号光に含まれる位相情報を検出（ヘテロ
ダイン検出）することによって、高精度に回折格子の位
置情報を検出できる。検出光としてHe-Neレーザ光、回
折格子の周期として４μｍの条件で使用すれば、5nm程
度の精度での位置検出が可能となる。ウエハ上の特定の
チップにおける位置検出を行い、更に、ウエハステージ
を高精度に駆動して、次のチップへステップ移動して同
様な位置検出を行う。これらの動作をウエハの径方向に
複数チップ繰り返して、位置検出を行うことによって、
ウエハの歪によるウエハの伸縮量を統計計算により高精
度に求めることが可能となる。このウエハ歪の情報をマ
スクとウエハの位置合わせを行う際のウエハ歪補正デー
タとして活用することに依って、高精度な位置合わせを
実現することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第一の位
置合わせ方法によれば、位置合わせ光学系の誤差を予め
システム登録して位置検出を行うため、位置検出光学系
の誤差によって発生するオフセット誤差を測定結果から
自動的に補正することができるため、マスクとウェハの
高精度な位置合わせを行う露光装置等に極めて有効であ
る。また、本発明の方法は、露光装置のみならず、ある
物体の微小変位を測定する装置、座標位置検出装置にも
適用することができる。

【００３０】また、本発明の露光装置によれば、位置検
出を行う前にその都度極めて簡易に位置検出光学系の誤
差を測定し、システム登録を行って誤差の自動補正が可
能なため、高精度の位置合わせを行うことができる。

【００３１】更に、本発明のＸ線露光用マスクによれ
ば、ヘテロダイン干渉を用いた位置合わせ装置におい
て、位置検出用の回折格子からの信号検出をマスク上の
一部に形成した波長板を通して行うために、検出信号光
の偏光状態を変化させることが可能となり、マスクとウ
ェハ間の信号の分離を高精度に行うことができるため、
マスクとウェハの高精度な位置合わせを行う露光装置等
に極めて有効である。

【００３２】また、本発明の第二の位置合わせ方法によ
れば、安価な光学部品を使用するだけでマスクとウェハ
間の高精度な位置検出信号の分離が可能となり、高性能
かつ実用的な露光装置を実現する上で産業上の効果は大
である。また、本発明の方法は、露光装置のみならず、
ある物体の微小変位を測定する装置、座標位置検出装置
にも適用することができる。

【００３３】更に、本発明の第三の位置合わせ方法によ
れば、位置合わせを行う際に予めウエハのプロセス起因
伸縮誤差を高精度に検出し、位置合わせを行う際のオフ
セットデータとして活用することから、マスク、ウェハ
間の位置合わせが容易になり、かつ検出エラーが低減で
きるために、高精度位置合わせを実現するために有効で
ある。また、本発明の方法は、露光装置のみならず、物
体の微小変位を測定する装置等にも適用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す概略構成図

【図２】本発明の基準マークの部分を示す概略図

【図３】本発明の基準格子を用いた場合の位置検出信号
と基準格子の段差の関係を示す原理図

【図４】従来の位置検出方法を示す概略図

【図５】従来例の光学系の角度誤差と検出誤差の関係を
示す概略図

【図６】本発明のＸ線マスクおよび第二の位置合わせ方
法の実施例を示す概略構成図

【図７】本発明の第三の実施例を示す概略構成図

【図８】本発明の光学干渉像の様子を示す概略図

【図９】本発明の第四の実施例を示す概略構成図

【符号の説明】

101 Ｘ線マスク 102 ウェハ 103 基準マーク 104 ウェハステージ 105 位置検出光学系 106 位置検出用単色光 107 回折光 108 光検出器 109 位置検出制御手段 201 Ｘ線マスク 202 マスク回折格子 203 ウェハ 204 ウェハ回折格子 205 波長板 206 アライメント光 207 アライメント光 208 反射回折光 209 反射ミラー 210 偏光ビームスプリッタ 211 信号検出器 301 ウエハ 302 回折格子 303 位置検出光 304,05 ミラー 306 結像レンズ 307 画像検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/30 ５３１Ａ５３１Ｍ (56)参考文献特開平３−272406（ＪＰ，Ａ) 特開平７−174517（ＪＰ，Ａ) 特開平５−90126（ＪＰ，Ａ) 特開平５−87529（ＪＰ，Ａ) 特開平５−241324（ＪＰ，Ａ) 特開平７−92656（ＪＰ，Ａ) 特開平３−85717（ＪＰ，Ａ) 特開平３−105911（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−55041（ＪＰ，Ａ) 特開平５−62880（ＪＰ，Ａ) 特開平２−293748（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 1/00 - 1/16 G03F 7/20 503 G03F 7/20 521 G03F 9/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上に設けた第一の回折格子とウェハ
上に設けた第二の回折格子とを一定の間隔を隔てて対向
させて配置し、これらの回折格子に単色光を光源とする
位置合わせ光学系から位置合わせ光を入射させ、両回折
格子から生じる回折光を用いてマスクとウェハの相対位
置を検出し位置合わせを行う方法において、位置合わせ
を行う前にウェハステージ上に設けた基準マークを用い
て前記位置合わせ光学系の信号を検出し、その結果を予
め設定された計算式により前記位置合わせ光学系の誤差
として算出してオフセットデータとして登録を行い、露
光を行う際に前記登録したオフセットデータに基づきマ
スクとウェハ間隔の条件によって発生する誤差を計算
し、位置合わせ結果の補正を行ってマスクとウェハの位
置合わせを行うことを特徴とする位置合わせ方法。
【請求項２】基準マークとして、複数の段差を有する基
板上に形成させた複数の回折格子の組合せからなること
を特徴とする請求項１記載の位置合わせ方法。
【請求項３】Ｘ線源を有するＸ線露光装置に用いられる
Ｘ線露光用マスクであって、マスクとウェハ間の位置検
出を行う位置検出用マーク領域の一部に、位置検出用ア
ライメント光の偏光位相角度を変化させる波長板を形成
したことを特徴とするＸ線露光用マスク。
【請求項４】波長板として、位置検出用アライメント光
に対し位相差として1/4波長変化させる機能を有するこ
とを特徴とする請求項３記載のＸ線露光用マスク。
【請求項５】マスク上に設けた第一の回折格子とウェハ
上に設けた第二の回折格子とを一定の間隔を隔てて対向
させて配置し、これらの回折格子に単色光を光源とする
位置合わせ光学系から位置合わせ光を入射させ、両回折
格子から生じる回折光を用いてマスクとウェハの相対的
位置を検出し位置合わせを行う方法において、ウェハ上
に設けた前記第二の回折格子に対向するＸ線マスク上の
信号取り出し窓に波長板が形成してあるＸ線マスクと回
折光を検出する検出器の光路に信号分離用の偏光ビーム
スプリッタとを備え、前記Ｘ線マスク上の検出窓を通し
てウェハの位置検出用回折光をとりだし、信号検出器の
前に設置してある前記偏光ビームスプリッタを用いてマ
スク信号とウェハ信号の分離を行ってマスクとウェハ間
の相対的位置を検出することを特徴とする位置合わせ方
法。
【請求項６】マスク上のパターンをマスクに対し一定の
間隔を隔てて対向させて配置したウェハ上に露光転写す
る際、マスクとウェハの相対位置を検出し位置合わせを
行う方法において、ウェハ上に予め形成された回折格子
マーク上に単色光を光源とする二光束干渉縞を光学的に
投影し、前記回折格子マーク上に形成される光学干渉像
（モアレ像）を撮像手段で検出して画像処理を行い、前
記回折格子マークのウェハ面内における伸縮量を検出し
て前記ウェハの歪を求めることを特徴とする位置合わせ
方法。
【請求項７】マスク上のパターンをマスクに対し一定の
間隔を隔てて対向させて配置したウェハ上に露光転写す
る際、マスクとウェハの相対位置を検出し位置合わせを
行う方法において、ウェハ上に予め形成された回折格子
マーク上に単色光を光源とし波長がわずかに異なる成分
を有する位置検出光を±１次の角度で投影し、上記回折
格子マークからの回折光の位相を検出して前記回折格子
マークのウェハ面内における伸縮量を検出して前記ウェ
ハの歪を求めることを特徴とする位置合わせ方法。
【請求項８】回折格子マークは、回路パターン領域以外
のウェハ面上の一部あるいは全域に、所望の周期を有す
る一次元回折格子あるいは二次元回折格子を二光束干渉
露光法により形成されていることを特徴とする請求項６
記載の位置合わせ方法。