JP3189451B2

JP3189451B2 - 基板位置合わせ方法

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Publication number: JP3189451B2
Application number: JP36047292A
Authority: JP
Inventors: 守一小西
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Priority date: 1992-12-29
Filing date: 1992-12-29
Publication date: 2001-07-16
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Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板位置合わせ方法に
関し、特に半導体装置等の製造を目的としたフォトリソ
グラフィの分野において、露光装置上で半導体ウェハ若
しくはフォトマスク基板の位置合わせ精度をナノメータ
（ｎｍ）のオーダーまで向上させる基板位置合わせ方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】フォトマスク基板上の回路パターンを半
導体ウェハ上に転写するフォトリソグラフィの工程で
は、ステッパ若しくはアライナーと呼ばれる縮小投影露
光装置が広く用いられている。この露光装置において
は、半導体ウェハやフォトマスク基板の位置合わせに極
めて高い精度が要求される。

【０００３】上記位置合わせには様々な方法が知られて
いるが、代表的なものとしては、半導体ウェハ上の回路
パターンの非形成領域において適当な凹凸パターンを有
する位置合わせマークを形成しておき、この位置合わせ
マークをＨｅ−Ｎｅレーザ等のレーザ光で走査する方法
がある。この場合、位置合わせマークに由来する反射光
を検出したり、あるいは回折光や散乱光の最大強度位置
を検出することにより、半導体ウェハの向きや中心部の
座標をＣＲＴ画面上でモニタし、半導体ウェハを載置す
るＸーＹステージを駆動してその位置を微調整してい
る。

【０００４】ところで、半導体装置のデザイン・ルール
の微細化に伴い、位置合わせ精度に対する要求水準も高
くなっている。例えば、２５６ＭＤＲＡＭや６４ＭＳＲ
ＡＭのメモリ素子では、最小線幅０．２５μｍの微細加
工が要求され、これに応じて位置合わせにも０．１μｍ
以下の精度が必要となる。従来用いられているレーザ光
による検出では、波長に応じて決まるビーム・スポット
径で光学的分解能が制限される。また、この方法では、
位置合わせマークの凹凸を直接検知するものではなく、
反射光、散乱光、回折光等の強度に応じて電気信号を生
成し、これに基づいて位置合わせマークのエッジを検出
しているため、誤差の発生が避けられない。しかも、半
導体プロセスでは、幾種類もの材料層がウェハ上に積層
されるが、このとき各材料層は、成膜方法や材料自身の
特性により必ずしもコンフォーマルに積層されるわけで
はない。このため、位置合わせマークのエッジが次第に
不明瞭となったり段差が減少する等の現象が生じ、検出
精度が必然的に低下してしまう。

【０００５】この問題を解決する技術として、特開平３
−４６２１８号公報に、ウェハ上の凹凸を走査型トンネ
ル電子顕微鏡で検出する方法が開示されている。走査型
トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ) は、導電性の試料と金属
性の微小な探針との間にバイアス電圧を加えて極微小距
離まで近づけた場合に、量子効果により両者の間に流れ
るトンネル電流に基づいて試料の表面構造を画像化する
装置である。この方法によれば、垂直分解能をオングス
トロームのオーダーまで高めることが可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＳＴＭでは電流を利用
するために、導電性の試料しか観察することかできな
い。そこで、誘電体や半導体を観察するには試料に導電
性物質を付着させる等の処理が必要であり、上述の公知
技術においても表面に金属系の薄膜を有する複合膜でＳ
ｉ基板の表面を処理している。

【０００７】また、上記公知技術では、位置合わせマー
クのエッジの鈍化の問題を克服するために、露光パター
ンに応じて凹凸の形状変化を起こす非晶質カルコゲナイ
ド膜を上記複合膜の下層側の膜として用い、この複合膜
で基板上の位置合わせマークを被覆して露光を行うこと
により、位置合わせマークのエッジを強調している。こ
の方法では位置合わせマークと複合膜に形成された凹凸
の位置とが一致していることをその都度確認しなければ
ならず、スループットの低下が避けられない。また、本
来のデバイス形成とは無関係な材料膜をウェハ上に被覆
することは工程数の増加につながり、しかも位置合わせ
マークの近傍にのみを非晶質カルコゲナイド膜で被覆し
ようとすれば、より一層の工程の複雑化を招く。

【０００８】本発明は、プロセスの種類や工程数の影響
を受けることなく、また不要な工程の増加や複雑化を招
くことなく、高精度、高信頼性、高スループットをもっ
て基板の位置合わせを行う方法を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、回路パターン
の非形成面側に凹凸マークが形成された基板の非形成面
を探針機構を用いて走査し、凹凸マークのパターンに応
じた基板と探針機構との間の相互作用の変化に基づいて
基板の位置を検出する基板の位置合わせ方法であり、探
針機構が共通の駆動ステージに支持される第１の探針と
この第１の探針より長い第２の探針とを備え、駆動ステ
ージを基板に相対的に速い速度で接近させて第２の探針
を非形成面に接触若しくは近接させた後、駆動ステージ
を相対的に遅い速度で接近させて第１の探針を非形成面
に接触若しくは近接させ、第１の探針を用いて非形成面
を走査するようにしたものである。

【００１０】また、本発明は、探針機構が第１の駆動ス
テージに支持される第１の探針と、第２の駆動ステージ
に支持され第１の探針よりも常に先行しながら基板に接
近する第２の探針とを備え、第２の探針が非形成面に接
触若しくは近接した後、直ちに第２の駆動ステージを後
退させると共に、第１の駆動ステージを相対的に遅い速
度で接近させて第１の探針を非形成面に接触若しくは近
接させ、第１の探針を用いて非形成面を走査する。

【００１１】さらに、本発明は、上述の基板の位置合わ
せ方法において、凹凸マークが外縁部から対称中心に向
けて漸次密となるパターンを有し、前記走査をこの対称
中心を通過する如く行うことにより、前記相互作用の変
化の周期を前記対称中心近傍において短縮するようにし
たものである。

【００１２】さらにまた、本発明は、回路パターンの非
形成領域に外縁部から対称中心に向けて漸次密となる遮
光膜パターンが設けられたフォトマスク基板を探針機構
を用いて走査し、遮光膜パターンに応じたフォトマスク
基板と探針機構との間の相互作用の変化に基づいてフォ
トマスク基板の位置を検出し、この位置を回路パターン
の非形成面側に凹凸マークが形成された基板の前記非形
成面を探針機構を用いて走査し、凹凸マークのパターン
に応じた基板と探針機構との間の相互作用の変化に基づ
いて基板の位置と比較することにより、基板とフォトマ
スク基板との相対位置を補正するようにしたものであ
る。

【００１３】さらにまた、本発明は、回路パターンの非
形成面側に凹凸パターンが形成された基板の前記非形成
面を探針機構を用いて走査し、前記凹凸パターンに応じ
た前記基板と前記探針機構との間の相互作用の変化に基
づいて前記基板の位置を検出する基板位置合わせ方法に
おいて、前記相互作用の変化として原子間変化を利用す
るものである。

【００１４】

【作用】本発明では、位置合わせ用の凹凸マークが基板
面のうち回路パターンの非形成面側（以下、裏側と称す
る。）に形成される。したがって、回路パターンの形成
面側（以下、表側と称する。）でいかなる数と種類の材
料層が積層されたとしても、凹凸マークの位置や形状に
は何ら変化が生じない。すなわち、本発明の基板位置合
わせ方法の精度は、プロセスの影響を受けない。しか
も、この凹凸マークを探針機構を用いて走査（スキャ
ン）し、探針機構と基板との間の相互作用の変化を直接
的に観察するため、極めて誤差が生じにくい。

【００１５】かかる探針機構を用いる観察方法では、微
小な探針に損傷を与えることなくこれを試料の表面に接
触若しくは近接させることが必要である。例えば、原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）では、光学顕微鏡でモニタしなが
ら探針を試料表面から約１０μｍ程度の距離まで機械的
手段を用いて接近させ、その後、電気的手段を用いて探
針を試料表面に接触させている。このような方法を高ス
ループットの要求されるステッパの位置合わせにそのま
ま応用しようとすると、位置合わせの所要時間が膨大と
なり、実用性が著しく損なわれる。

【００１６】本発明では、探針を２系統用意してこの問
題を解決する。すなわち、基板に高速で接近してガイド
の役割を果たす第２の探針と、この第２の探針に遅れて
低速で接近し、実際の凹凸マークの観察に用いられる第
１の探針を用いる。これら２系統の探針が共通の駆動ス
テージに支持されている場合、ガイド役の第２の探針を
第１の探針よりもわずかに長くしておき、第２の探針が
基板の裏面に接触若しくは十分に近接した時点で接近速
度を大幅に低下させ、第１の探針を基板の裏面に接触若
しくは十分に近接させる。この場合、スキャン中には第
１の探針と第２の探針の双方が基板に接触若しくは近接
していることになる。

【００１７】これら２系統の探針が別々の駆動ステージ
に支持されている場合には、第２の探針が基板の裏面に
接触若しくは十分に近接したときには、直ちにこれを後
退させ、第１の探針をゆっくりと基板に接近させる。こ
の場合、スキャン中に基板に接触若しくは近接するのは
第１の探針のみである。いずれにしても、第２の探針が
基板の裏面に接触若しくは近接するまでの時間を十分に
短縮しておけば、全体として大幅なスループットの改善
が期待できるわけである。これと同時に、観察用の第１
の探針を損傷から保護することができる。

【００１８】本発明では、さらに凹凸マークの精密かつ
容易な判定を可能とする方法も提案する。すなわち、凹
凸マークのパターンを外縁部から対称中心に向けて漸次
密となるように形成し、この凹凸マークを対称中心を通
過するごとくスキャンするのである。かかるスキャンを
行った場合、対称中心に近づくにつれて原子間力の変化
の周期が短くなるため、凹凸マークの中心を容易に検出
し、基板の最適位置を精密に決定することができる。

【００１９】本発明は、半導体ウェハのみならず、フォ
トマスク基板の位置合わせにも適用できる。フォトマス
ク基板上では、回路パターンがＣｒ膜等の遮光膜で形成
されているため、位置合わせ用の遮光膜パターンは回路
パターンの形成領域外においてこの遮光膜の一部を加工
することにより形成される。この遮光膜パターンも上述
のごとく対称中心に向かって密に形成すれば、探針を用
いてフォトマスク基板の位置を容易に決定することがで
きる。このフォトマスク基板の位置を前述のようにして
検出された基板の位置と比較することにより、マスク合
わせを精密に行うことができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００２１】実施例１本実施例は、ステッパのウェハ・ステージ上にセットさ
れた半導体ウェハについて、その裏面に形成された凹凸
マークをＡＦＭ又はＳＴＭを用いて検出する方法であ
る。この方法を図１を参照して説明する。

【００２２】図１（ａ）にはＡＦＭ、図１（ｂ）にはＳ
ＴＭを用いた場合の検出原理をそれぞれ示す。ウェハ１
は、その表（おもて）面１ａ、すなわち回路パターンの
形成面がステッパの投影光学系の縮小投影レンズ４に対
面するごとくウェハ・ステージ３上にセットされてい
る。ウェハの裏面１ｂ、すなわち回路パターンの非形成
面には、所定の合わせマーク領域２において凹凸マーク
３０が形成されている。この合わせマーク領域２では、
ウェハ１の裏面１ｂをエッチングすることにより形成さ
れた例えば深さ１０μｍ程度の凹部の中に、例えば高さ
１００ｎｍ程度の凹凸マーク３０が形成されている。こ
のように凹部を設けるのは、ドライエッチングやＣＶＤ
等のようにウェハ・ステージにウェハ１の裏面１ｂを密
着させた状態で処理を行うプロセスを経る場合にも、ウ
ェハ・ステージとの接触による凹凸マーク３０の損傷を
防止するためである。この凹凸マーク３０の具体的な形
状については、実施例４及び実施例５を用いて説明す
る。

【００２３】ＡＦＭの場合は、図１（ａ）に示されるよ
うに、ウェハ１の裏面１ｂにカンチレバー５上に固定さ
れた微小な探針６を接触させる。このとき、ファンデル
ワールス力や斥力に起因して探針６と裏面１ｂとの間に
働く力が、原子間力である。カンチレバー５は、ピエゾ
素子等を備えた図示されない駆動ステージに支持されて
おり、微小距離の駆動が可能とされている。

【００２４】この状態で探針６を裏面１ｂに沿ってスキ
ャンすると、凹凸マーク３０上を通過する際に原子間力
が変化し、カンチレバー５が図１（ａ）中矢印Ａ方向に
撓む。カンチレバー５には図示されないミラーが取り付
けられており、ここにレーザ素子（Ｌ）７からレーザ光
が照射されているため、撓みに応じて反射光の位置が変
化する。この反射光をフォトダイオード（ＰＤ）８で検
出してカンチレバー５の変位を求め、この変位、すなわ
ち原子間力を一定に維持するようなフィードバック制御
を上記駆動ステージに対して行う。この駆動ステージは
Ｘ−Ｙ方向にもラスタスキャンされており、フィードバ
ック制御における制御量とＸ−Ｙ座標に基づいて裏面１
ｂのプロファイルが立体画像化される。

【００２５】一方、ＳＴＭの場合は、図１（ｂ）に示さ
れるように、ウェハ１の裏面１ｂに対して１ｎｍ程度の
極微小距離を隔てた位置に探針９を近接させる。探針９
も、やはりピエゾ素子等を備えた駆動ステージ上に支持
されている。このとき、裏面１ｂが導電性物質に被覆さ
れており、探針９に数１０ｍＶ程度のバイアス電圧が印
加されていれば、探針９から裏面１ｂに向けて量子効果
によりトンネル電流が流れる。

【００２６】この状態で探針９を裏面１ｂに沿ってスキ
ャンすると、凹凸マーク３０上を通過する際にトンネル
電流の大きさが変化する。このときの変化量は指数関数
的であり、０．１ｎｍの距離変化により１桁増減するほ
ど敏感である。トンネル電流を電流計（ＡＭ）１０によ
りモニタし、この電流値を一定に維持するようなフィー
ドバック制御を駆動ステージに対して行う。このときの
制御量とＸ−Ｙ座標に基づいて、裏面１ｂのプロファイ
ルが立体画像化される。

【００２７】いずれにしても、従来のレーザ光を用いた
位置合わせ方法よりもはるかに高い精度で凹凸マーク３
０を検出することができる。しかも、この凹凸マーク３
０はウェハ１の裏面１ｂに形成されているため、表面１
ａ側でいかなるプロセスが行われたとしても、その位置
や形状が変化しない。したがって、常に高い精度で位置
合わせを行うことができる。

【００２８】実施例２本実施例は、特にＡＦＭを用いたものであり、ウェハの
裏面に探針を接近させるための所要時間を短縮すると共
に、探針の損傷を防止する方法について、図２を参照し
ながら説明する。なお、図２において図１と共通する要
素については共通の符号を付している。

【００２９】本実施例で用いられる探針機構は、図２に
示すように、ピエゾ素子１４を内蔵する駆動ステージ１
３上に２系統の探針、すなわち第１のカンチレバー１２
ａに固定された第１の探針１１ａと、第２のカンチレバ
ー１２ｂに固定された第２の探針１１ｂを備えている。
上記第２の探針１１ｂは、第１の探針１１ａに比べて例
えば０．５μｍ程度長く形成されている。第２の探針１
１ｂは、実際のスキャンに用いられるものではないの
で、先端がそれほど鋭利に加工する必要はない。本実施
例では、この第２の探針１１ｂとして、円柱状のダミー
探針を用いた。

【００３０】また、図２においては、これら２系統の探
針がバネ様の部材を介して駆動ステージ１３に接続され
ているように示されているが、これは、原子間力が一定
に制御されている状態を便宜上このように表現している
のである。

【００３１】図２（ａ）は、駆動ステージ１３をウェハ
１の裏面１ｂに向けて矢印Ｚ方向に接近させ、長い第２
の探針１１ｂを裏面１ｂに接触させた状態を示してい
る。この時点を第１接触と定義する。また、図２（ｂ）
は、駆動ステージ１３をさらに接近させ、短い第１の探
針１１ａも裏面１ｂに接触した状態を示している。この
時点を第２接触と定義する。

【００３２】以上の接近過程において、Ｚ方向のステー
ジ移動距離とピエゾ素子１４に加わる力の関係を示す
と、図２（ｃ）のとおりとなる。ピエゾ素子１４に何の
力も加わらない第１接触以前の領域Ｉは、第２の探針１
１ｂがウェハの裏面１ｂに接触するまでの移動に対応す
る領域である。第１接触によりピエゾ素子１４に加わる
力は急激に上昇し、以後、第１の探針１１ａが接触する
までこの力は一定に保たれる。この間の領域が領域IIで
ある。第１の探針１１ａが接触する第２接触では、これ
までの力に第１の探針１１ａによる力が加わり、ピエゾ
素子１４に加わる力はここでまた急激に増大し、以後一
定に保たれる。

【００３３】上述の過程の所要時間を短縮しようとする
場合、短縮可能な部分は領域Ｉの所要時間である。つま
り、ダミーの探針である第２の探針１１ｂを裏面１ｂに
接触させるまでの時間である。これに対し、実際の凹凸
マーク３０の検出に用いられる第１の探針１１ａについ
ては、損傷防止の観点からその接近速度を従来以上に速
めることは好ましくなく、したがって領域IIの所要時間
を短縮することは事実上不可能である。

【００３４】本実施例では、上述のように探針を２系統
化し、ダミーの探針をウェハに高速接近させてウェハ面
の位置を検出し、観察用の探針をこれに追従させること
により、観察用の探針に損傷を与えることなく、その接
近時間を従来よりも大幅に短縮することができた。

【００３５】実施例３本実施例は、実施例２の変形例として、２系統の探針を
それぞれ独立の駆動ステージ上に支持したものであり、
図３を参照しながら説明する。なお、図３において図１
と共通する要素については共通の符号を付している。

【００３６】本実施例で用いられる探針機構は、互いに
独立に駆動可能な第１の探針ユニット２５ａと第２の探
針ユニット２５ｂからなる。この両ユニットの構成はほ
ぼ同じであり、それぞれピエゾ素子２４を内蔵する駆動
ステージ２３上にカンチレバー２２に固定された第１の
探針２１ａ若しくは第２の探針２１ｂを備えたものであ
る。ここで、上記第１の探針２１ａは凹凸マーク３０の
観察用である。第２の探針２１ｂとしては、第１の探針
２１ａと同じものを用いても良いが、ここではダミーの
探針を用いた。また、第１の探針２１ａと第２の探針２
１ｂとは、実施例２のように互いに長さが異なっている
必要はない。

【００３７】本実施例における接近過程では、まず第１
の探針ユニット２５ａに対して第２の探針ユニット２５
ｂを先行させた状態で、かつ両者の相対位置を一定に保
持しながらこれをウェハ１の裏面１ｂへ向けて矢印Ｚ方
向に接近させる。図３（ａ）は、先行する第２の探針ユ
ニット２５ｂの第２の探針２１ｂが裏面１ｂに接触した
状態を示している。この時点を第１接触と定義する。

【００３９】この後、第２の探針ユニット２５ｂは直ち
に後退させ、第１の探針ユニット２５ａのみを接近させ
る。図３（ｂ）は、こうして第１の探針ユニット２５ａ
の第１の探針２１ａが裏面１ｂに接触した状態を示して
いる。この時点を第２接触と定義する。

【００３８】以上の接近過程において、Ｚ方向のステー
ジ移動距離とピエゾ素子２４に加わる力の関係を示す
と、図３（ｃ）のようになる。ただし、本実施例におけ
るＺ方向のステージ移動距離のうち、第１接触までは第
２の探針ユニット２５ｂの駆動ステージ２３の移動距
離、第１接触から第２接触までは第１の探針ユニット２
５ａの駆動ステージ２３の移動距離を意味する。

【００３９】ここで、領域III は第１接触以前の領域で
あるから、ピエゾ素子２４には力が加わらない。第１接
触時には、第２の探針ユニット２５ｂのピエゾ素子２４
に加わる力が急激に上昇するが、その後のユニットの後
退に伴いこの力は直ちに消滅する。以後、第１の探針２
１ａが接触する第２接触までの領域IVでは、ピエゾ素子
２４に加わる力はゼロである。第２接触では、第１の探
針ユニット２５ａのピエゾ素子２４に第１接触時とほぼ
同等の力が加わり、以後この力は一定に保たれる。

【００４０】本実施例では、領域III における第２の探
針ユニット２５ｂの接近速度を上げ、接近の所要時間を
短縮することにより、従来よりも大幅にスループットを
向上させることができた。しかも、本実施例では先行す
るダミーの探針を接触後直ちに後退させているため、ウ
ェハ面に余分な力が加わらず、検出感度も向上するとい
うメリットが得られた。

【００４１】実施例４本実施例では、前述の凹凸マーク３０の具体的な構成
と、これに基づく最適位置の判定方法について、図４を
参照しながら説明する。

【００４２】図４（ａ）に、ウェハ１の裏面１ｂの合わ
せマーク領域２において形成された凹凸マーク３０の拡
大斜視図を、また図４（ｂ）にはそのＸ−Ｘ線断面図を
示す。この凹凸マーク３０は、同心円状に配列された高
さ約１００ｎｍの４個の凸部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，
３０ｄから構成されている。ここで、中心に位置する凸
部３０ａは円柱状をなし、その外周側の凸部３０ｂ，３
０ｃ，３０ｄはリング状をなす。これら凸部３０ａ，３
０ｂ，３０ｃ，３０ｄは例えばＳｉＯ2 層をパターニン
グすることにより形成されており、その配列間隔は外周
側から中心に向かって密とされている。例えば、凸部３
０ｄとそのすぐ内側の溝の幅は各１００ｎｍ、凸部３０
ｃとそのすぐ内側の溝の幅は各５０ｎｍ、凸部３０ｂと
そのすぐ内側の溝の幅は各２０ｎｍ、中央の凸部３０ａ
の直径は１０ｎｍとされている。

【００４３】いま、ＡＦＭ若しくはＳＴＭの探針を用
い、かかる凹凸マーク３０をＸ−Ｘ線に沿って定速でス
キャンすると、この凹凸パターンに応じて、図４（ｃ）
に示されるような電気信号波形が得られる。図中、横軸
はスキャン方向を表し、縦軸はＡＦＭにおける変位制御
量、あるいはＳＴＭにおけるトンネル電流を表す。この
波形は、凹凸マーク３０のパターンを直接的に反映した
ものであり、凸部の間隔が密となる中央部近傍では信号
強度の増減の周期が短くなる。したがって、信号強度を
モニタしながら上記周期が最短となるようにウェハ・ス
テージ３を駆動し、ウェハ１を移動させれば、このウェ
ハを極めて容易かつ高精度に最適位置へセットすること
が可能となる。本実施例の場合、凹凸マーク３０の中心
に凸部３０ａが位置しているため、最適位置は電気信号
波形の中央のピーク位置により判定すれば良い。

【００４４】実施例５本実施例では、実施例４の変形例として、凹凸マークの
中心に溝部が存在する場合の最適位置の判定方法につい
て図５を参照しながら説明する。

【００４５】図５（ａ）に、ウェハ１の裏面１ｂの合わ
せマーク領域２において形成された凹凸マーク４０の断
面図を、また図４（ｂ）にはこの凹凸マーク４０をスキ
ャンして得られる電気信号波形を示す。この凹凸マーク
４０の斜視図は省略するが、３個のリング状の凸部４０
ａ，４０ｂ，４０ｃが同心円状に配列された構成を有す
る。これらの凸部４０ａ，４０ｂ，４０ｃの幅および配
列間隔も、外周側から中心部に向かって密とされてい
る。

【００４６】この凹凸パターン４０は、実施例４の凹凸
パターン３０と異なり中央が溝部であるため、定速スキ
ャンの電気信号波形にもとづく最適位置は、中央の谷の
位置で判定する。

【００４７】実施例６本実施例では、フォトマスク基板の位置合わせ用に、Ｃ
ｒ遮光膜の一部を利用して凹凸マークを形成した例につ
いて説明する。

【００４８】図６に、本実施例で形成した凹凸マーク５
２を示す。この凹凸マーク５２は、ガラス基板５１上に
Ｃｒ遮光膜５０が被着された通常のマスク・ブランクス
上で電子ビーム描画により回路パターンを形成する際
に、回路パターンの非形成領域において同時に形成され
たものである。つまり、この凹凸マーク５２は回路パタ
ーンの形成面側にあり、その凸部５２ａ，５２ｂは同心
円状に配置されたリング状のＣｒ遮光膜で構成され、凹
部の底面はガラス基板５１の露出面となる。上記凹凸マ
ーク５２の凸部５２ａ，５２ｂも、外周側から中央部に
向かって密に形成されている。さらに、上記凹凸マーク
５２は、中央部の凸部５２ａから凸部５２ｂを経て周囲
のＣｒ遮光膜５０につながるブリッジ部５２ｃを有し、
蓄積電荷をリークできるようになされている。

【００４９】かかる凹凸マーク５２のスキャンは、ＡＦ
Ｍ若しくはＳＴＭを用いてウェハの場合と同様に行うこ
とができる。ただし、このスキャンは上記ブリッジ部５
２ｃを通過しないような線、例えば図中のＷ−Ｗ線に沿
って行う。また、このようにして求められたフォトマス
ク基板の最適位置を前述のようにして求められたウェハ
の最適位置と比較し、両者の相対位置を補正することに
より、極めて精密なマスク合わせを行うことができる。

【００５０】以上、本発明をいくつかの実施例に基づい
て説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定され
るものではない。例えば、凹凸マークとしては上述のよ
うな同心円状パターンの他、対称中心を有するあらゆる
パターンを持つものが可能である。また、２系統の探針
を用いて接近過程の所要時間を短縮する場合、先行する
第２の探針の接近過程で従来のような光学顕微鏡による
非接触モニタを併用することにより、より一層のスルー
プットの向上を図ることもできる。

【００５１】また、上記接近過程の短縮はＡＦＭを例と
して説明したが、ＳＴＭを用いた場合にも基本的には同
じ考え方が適用できる。ただし、ＳＴＭの場合は探針を
試料の表面に接触させないので、上記の説明文中の「接
触」を「近接」と読み替えれば良い。

【００５２】

【発明の効果】上述したように、本発明は、位置合わせ
用の凹凸マークをウェハの裏側に形成するため、表側で
いかなる半導体プロセスが行われたとしても、これらプ
ロセスの影響を受けることなく、常に高い精度で凹凸マ
ークを検出することができる。しかも、本発明では凹凸
マークの検出手段として、その凹凸パターンを直接的に
検知するＡＦＭ又はＳＴＭを用いているため、誤差も極
めて少ない。フォトマスク基板上でも、同じ手段で凹凸
マークを検出することができる。また、本発明で形成さ
れる凹凸マークは、パターンの粗密に工夫が施されてお
り、容易かつ精密に最適位置を決定することを可能とす
る。さらに、ＡＦＭやＳＴＭの探針を２系統化すること
により、試料面への探針の接近所要時間を短縮し、スル
ープットを大幅に改善することが可能となる。

【００５３】本発明は、例えば微細なデザイン・ルール
にしたがって製造され、高集積度、高性能、高信頼性を
要求される半導体装置の製造等において極めて有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基板位置合わせ方法を説明するための
模式的断面図であり、（ａ）は凹凸マークの検出にＡＦ
Ｍを用いる場合、（ｂ）はＳＴＭを用いる場合をそれぞ
れ表す。

【図２】本発明における共通の駆動ステージ上に固定さ
れた２系統のＡＦＭ探針をウェハ面へ接近させる方法を
説明するための図であり、（ａ）は第２の探針がウェハ
の裏面に接触した状態を示す模式的断面図、（ｂ）は第
１の探針も裏面に接触した状態を示す模式的断面図、
（ｃ）はこれらの過程においてピエゾ素子に加わる力の
変化を示すグラフである。

【図３】本発明における別々の駆動ステージ上に固定さ
れた２系統のＡＦＭ探針をウェハ面へ接近させる方法を
説明するための図であり、（ａ）は第２の探針がウェハ
の裏面に接触した状態を示す模式的断面図、（ｂ）は第
２の探針が後退し第１の探針が裏面に接触した状態を示
す模式的断面図、（ｃ）はこれらの過程においてピエゾ
素子に加わる力の変化を示すグラフである。

【図４】本発明において形成される凹凸マークに関する
説明図であり、（ａ）はその一構成例の拡大斜視図、
（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）はこの凹凸マ
ークをＡＦＭまたはＳＴＭの探針でスキャンした場合の
電気信号変化を示すグラフである。

【図５】本発明において形成される他の凹凸マークに関
する説明図であり、（ａ）はその構成例の拡大断面図、
（ｂ）はこの凹凸マークをＡＦＭまたはＳＴＭの探針で
スキャンした場合の電気信号変化を示すグラフである。

【図６】フォトマスク基板上に形成される凹凸マークの
一構成例を示す要部拡大平面図である。

【符号の説明】

１ウェハ、１ａ表面（回路パターンの形成面）、
１ｂ裏面（回路パターンの非形成面）、２合わ
せマーク領域、３ウェハ・ステージ、５カンチレ
バー、６ＡＦＭの）探針、７レーザ素子、８
フォトダイオード、９（ＳＴＭの）探針、１０
電流計、１１ａ，２１ａ第１の探針、１１ｂ，
２１ｂ第２の探針、１３，２３駆動ステージ、
１４，２４ピエゾ素子、２５ａ第１の探針ユニッ
ト、２５ｂ第２の探針ユニット、３０，４０
（ウェハ裏面の）凹凸マーク、５０ガラス基板、
５１Ｃｒ遮光膜、５２（フォトマスク基板上の）
凹凸マーク

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回路パターンの非形成面側に凹凸マーク
が形成された基板の前記非形成面を探針機構を用いて走
査し、前記凹凸マークのパターンに応じた前記基板と前
記探針機構との間の相互作用の変化に基づいて前記基板
の位置を検出する基板の位置合わせ方法において、前記探針機構が共通の駆動ステージに支持される第１の
探針と該第１の探針より長い第２の探針とを備え、前記
駆動ステージを前記基板に相対的に速い速度で接近させ
て前記第２の探針を前記非形成面に接触若しくは近接さ
せた後、前記駆動ステージを相対的に遅い速度で接近さ
せて前記第１の探針を前記非形成面に接触若しくは近接
させ、前記第１の探針を用いて前記非形成面を走査する
ことを特徴とする基板位置合わせ方法。
【請求項２】回路パターンの非形成面側に凹凸マーク
が形成された基板の前記非形成面を探針機構を用いて走
査し、前記凹凸マークのパターンに応じた前記基板と前
記探針機構との間の相互作用の変化に基づいて前記基板
の位置を検出する基板の位置合わせ方法において、前記探針機構が第１の駆動ステージに支持される第１の
探針と、第２の駆動ステージに支持され前記第１の探針
よりも常に先行しながら前記基板に接近する第２の探針
とを備え、前記第２の探針が前記非形成面に接触若しく
は近接した後、直ちに前記第２の駆動ステージを後退さ
せると共に、前記第１の駆動ステージを相対的に遅い速
度で接近させて前記第１の探針を前記非形成面に接触若
しくは近接させ、前記第１の探針を用いて前記非形成面
を走査することを特徴とする基板位置合わせ方法。
【請求項３】前記凹凸マークが外縁部から対称中心に
向けて漸次密となるパターンを有し、前記走査をこの対
称中心を通過する如く行うことにより、前記相互作用の
変化の周期を前記対称中心近傍において短縮することを
特徴とする請求項１又は請求項２記載の基板位置合わせ
方法。
【請求項４】回路パターンの非形成面側に凹凸マーク
が形成された基板の前記非形成面を探針機構を用いて走
査し、前記凹凸マークのパターンに応じた前記基板と前
記探針機構との間の相互作用の変化に基づいて前記基板
の位置を検出する基板の位置合わせ方法において、前記凹凸マークが外縁部から対称中心に向けて漸次密と
なるパターンを有し、前記走査をこの対称中心を通過す
る如く行うことにより、前記相互作用の変化の周期を前
記対称中心近傍において短縮することを特徴とする基板
位置合わせ方法。
【請求項５】回路パターンの非形成領域に外縁部から
対称中心に向けて漸次密となる遮光膜パターンが設けら
れたフォトマスク基板を探針機構を用いて走査し、前記
遮光膜パターンに応じた前記フォトマスク基板と前記探
針機構との間の相互作用の変化に基づいて前記フォトマ
スク基板の位置を検出し、この位置を回路パターンの非
形成面側に凹凸マークが形成された基板の前記非形成面
を探針機構を用いて走査し、前記凹凸マークのパターン
に応じた前記基板と前記探針機構との間の相互作用の変
化に基づいて前記基板の位置と比較することにより、前
記基板と前記フォトマスク基板との相対位置を補正する
ことを特徴とする基板の位置合わせ方法。
【請求項６】回路パターンの非形成領域に外縁部から
対称中心に向けて漸次密となる遮光膜パターンが設けら
れたフォトマスク基板を探針機構を用いて走査し、前記
遮光膜パターンに応じた前記フォトマスク基板と前記探
針機構との間の相互作用の変化に基づいて前記フォトマ
スク基板の位置を検出し、この位置を請求項１乃至請求
項４のいずれか１に記載の方法に基づいて検出された前
記基板の位置と比較することにより前記基板と前記フォ
トマスク基板との相対位置を補正することを特徴とする
基板位置合わせ方法。
【請求項７】前記相互作用の変化が原子間力の変化若
しくはトンネル電流の変化であることを特徴とする請求
項１乃至請求項６のいずれか１に記載の基板位置合わせ
方法。
【請求項８】回路パターンの非形成面側に凹凸パター
ンが形成された基板の前記非形成面を探針機構を用いて
走査し、前記凹凸パターンに応じた前記基板と前記探針
機構との間の相互作用の変化に基づいて前記基板の位置
を検出する基板位置合わせ方法において、前記相互作用の変化が原子間変化であることを特徴とす
る基板位置合わせ方法。