JP3216240B2 - 位置合わせ方法及びそれを用いた投影露光装置 - Google Patents

位置合わせ方法及びそれを用いた投影露光装置

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JP3216240B2
JP3216240B2 JP17172292A JP17172292A JP3216240B2 JP 3216240 B2 JP3216240 B2 JP 3216240B2 JP 17172292 A JP17172292 A JP 17172292A JP 17172292 A JP17172292 A JP 17172292A JP 3216240 B2 JP3216240 B2 JP 3216240B2
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    • G03F9/7049Technique, e.g. interferometric

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子の製造用に好
適な位置合わせ方法及びそれを用いた投影露光装置に関
し、特にウエハと共役関係にあるレチクルと同期(位置
合わせ)をとった撮像手段との相対的位置合わせをウエ
ハ面上に設けた周期性の格子状マーク(ウエハマーク、
アライメントマーク)から発生する反射回折光に基づく
干渉像を利用することにより、高精度に行い、高集積性
の半導体素子を製造する際に好適なものである。

【0002】

【従来の技術】最近の半導体素子の製造技術の進展は目
覚ましく、又それに伴う微細加工技術の進展も著しい。
特に光加工技術は1MDRAMの半導体素子の製造を境
にサブミクロンの解像力を有する微細加工技術まで達し
ている。解像力を向上させる手段としてこれまで多くの
場合、露光波長を固定して、光学系のNA(開口数)を
大きくしていく方法を用いていた。しかし最近では露光
波長をg線からi線に変えて、超高圧水銀灯を用いた露
光法により解像力を向上させる試みも種々と行われてい
る。

【0003】一般に投影光学系(ステッパー)の焦点深
度はNAの2乗に反比例することが知られている。この
為サブミクロンの解像力を得ようとすると、それと共に
焦点進度が浅くなってくるという問題点が生じてくる。

【0004】これに対してエキシマレーザーに代表され
る更に短い波長の光を用いることにより解像力の向上を
図る方法が種々と提案されている。短波長の光を用いる
効果は一般に波長に反比例する効果を持っていることが
知られており、波長を短くした分だけ焦点深度は深くな
る。

【0005】一方、従来より投影露光装置におけるウエ
ハとレチクルの相対位置合わせ、いわゆるアライメント
に関しては、ウエハ面に形成したアライメントマークを
投影レンズを介して又は介さないで撮像手段面に形成
し、該撮像手段面上のアライメントマークを観察し、ウ
エハの位置情報を得て行われている。

【0006】このときの、ウエハの位置情報を得るため
のウエハ面上のアライメントマークの観察方式として、
主に次の3通りの方式が用いられている。 (イ)露光光とは波長の異なる非露光光を用い、かつ投
影レンズを通さない方式(OFF−AXIS方式) (ロ)露光光と同じ波長の光を用い、かつ投影レンズを
通す方式(露光光TTL方式) (ハ)露光光とは波長の異なる非露光光を用い、かつ投
影レンズを通す方式(非露光光TTL方式) 図16は(イ)のOFF−AXIS方式の光学系の要部
概略図である。同図では光源501からの非露光光でハ
ーフミラー502と検出レンズ系503を介してウエハ
W面上のアライメントマークAMを照明している。そし
て該アライメントマークAMを検出レンズ系503によ
りハーフミラー502を介して撮像手段504面上に結
像している。

【0007】図17は(ロ)の露光光TTL方式の光学
系の要部概略図である。

【0008】同図では光源601からの露光光と同じ波
長の光束で順にハーフミラー602、検出レンズ系60
3、ミラー604、投影レンズ1を介してウエハW面上
のアライメントマークAMを照明している。そしてアラ
イメントマークAMを順に投影レンズ1、ミラー60
4、検出レンズ系603を介して撮像手段605面上に
結像している。

【0009】図18は(ハ)の非露光光TTL方式の光
学系の要部概略図である。同図では光源701からの非
露光光で順にハーフミラー702、補正レンズ系703
(露光光の波長との違いにより発生する収差を補正する
レンズ系)、ミラー704投影レンズ1を介してウエハ
W面上のアライメントマークAMを照明している。そし
てアライメントマークAMを順に投影レンズ1、ミラー
704、補正レンズ系703、ハーフミラー702を介
して撮像手段705面上に結像している。

【0010】このように図16〜図18に示す従来の方
式では撮像手段に結像させたアライメントマークAMの
位置を検出することによりウエハWの位置情報を得てい
る。

【0011】又、上記の各観察方式より得られた画像情
報から具体的にアライメントマークの位置を検出する手
段としては、例えば特開昭62−232504号公報に
開示されたパターンマッチング検出法や特開平3−28
2715号公報に開示されたFFTによる位相検出法な
どがある。

【0012】

【発明が解決しようとする課題】最近半導体素子の微細
化が進み、これら半導体素子の集積度を上げるために投
影露光装置の露光波長の短波長化が進んできている。こ
のため、従来、高圧水銀ランプのg線 (436nm) を露光
波長として使用してきたが、次第にi線(365nm)やエキ
シマレーザー、例えば、KrFレーザー(248nm) が露光
光として用いられるようになってきている。この様な露
光波長の短波長化が進んでくると、同時に、アライメン
ト方式をどの様な方式とするかが重要な課題となってく
る。これは、投影レンズが一般に露光波長についてのみ
収差補正されていることに起因する。

【0013】前記(イ)のOFF−AXIS方式は、ア
ライメント光を投影レンズを通さないで行う方式であ
り、投影レンズの露光波長に左右されない。従って、観
察光学系の設計が比較的容易という特徴がある。

【0014】しかしながら、OFF−AXIS方式は、
観察光学系と投影レンズとの幾何学的な制約のため、一
般的に、アライメント位置と露光位置が大きく異なり、
アライメント終了後露光位置までXYステージを駆動す
る必要がある。

【0015】このアライメント位置と露光位置までの距
離(以下ベースライン)が、常時安定していれば問題は
ないが、装置の置かれている環境(温度や気圧、あるい
は装置自体の振動に伴うメカの安定性等)の影響で、経
時変化が起きるという問題点がある。

【0016】そのためOFF−AXIS方式では一般
に、ある一定の時間間隔でベースラインを計測し補正し
ている。このように、OFF−AXIS方式は、「ベー
スラインの経時的変動」という誤差要因を抱えているた
め、この計測、補正に時間がかかり、スループットが低
下するという問題点がある。

【0017】更に、OFF−AXIS方式では、投影レ
ンズを通さない方式であることから、投影レンズの挙動
(例えば露光による倍率・焦点位置変化、気圧による倍
率・焦点位置変化など)に追従しないという欠点があ
る。

【0018】一方、アライメント光を投影レンズを通し
てアライメントするTTL方式は前記した投影レンズの
挙動に追従するという点からも有利であるし、又ベース
ラインの問題も発生しない。又発生してもOFF−AX
IS方式と比較して、一般に、一桁以上短く、環境変動
の影響を受けにくい、という特長を有する。

【0019】しかしながら投影レンズは、露光波長に対
して投影露光が最適となるよう収差補正してありアライ
メント光として露光波長以外の波長の光束を用いた場
合、投影レンズで発生する収差は非常に大きいものにな
ってくる。

【0020】前述(ロ)の露光光TTL方式によれば、
アライメント光として露光光を用いるために、投影レン
ズの収差は良好に補正してあり、良好な観察光学系が得
られる。

【0021】ところが、多くの場合、ウエハ面上には電
子回路パターンを転写される感光材(レジスト)が塗布
されている。この為、ウエハ面に形成したアライメント
マークを観察する際、レジストは通常短波長で吸収が多
い。この為、前述のように露光波長の短波長化が進んで
来ると、露光波長でウエハー上のアライメントマークを
レジスト膜を通して検出することが困難になってくる。

【0022】更に、露光光でアライメントマークを観察
すると、露光光によりレジストが感光してアライメント
マークの検出が不安定になったり、検出できなくなった
りするという問題点がある。

【0023】前述(ハ)の非露光光TTL方式は、前記
したように、アライメント光として露光波長以外の波長
の光束を用いるため、投影レンズで収差が多く発生す
る。この為、従来から、この非露光光TTL方式を用い
る場合は、例えば特開平3−61802号公報に開示さ
れているように、投影レンズで発生した収差を補正する
補正光学系を介して、アライメントマークの検出をする
ように構成している。

【0024】ところが、エキシマレーザー、例えば、K
rFレーザー(248nm) を露光光として用いると、投影レ
ンズを構成する実用的な硝材は、透過率などの関係から
石英や蛍石等に限られいる為、その結果、投影レンズで
発生する非露光光に対する収差が非常に大きくなってく
る。この為、補正光学系を用いて投影レンズで発生した
収差を良好に補正するのが難しく十分なNAがとれなく
なったり、さらには現実的な補正系が構成できなくな
る、という問題点があった。

【0025】又、上記観察方式により得られた画像情報
から具体的にアライメントマークの位置を検出する手段
としてのパターンマッチング検出法などは、撮像手段に
よって得られた電気信号を処理するためのA/D変換に
より、信号は離散系列となり、検出されるアライメント
マークの位置も離散値を取る。

【0026】このため、目的の精度を達成するために
は、なんらかの補間手段をとる必要があり、その際の近
似による誤差が検出誤差の要因となる。更にアライメン
トマークの像は上に塗られたレジストの塗布むらや、照
明むらなどのノイズの影響を受け歪むことがあり、S/
N比の悪化により検出精度を低下させるという問題点が
ある。

【0027】これに対して本出願人は先の特開平3−2
82715号公報に開示したFFTによる位相検出法を
提案し、この問題点を解決している。

【0028】しかし、ウエハ上に構成されるアライメン
トマ−ク(以下ウエハマ−ク)の明視野検出像は、図1
9(c)のような断面形状のウエハマ−クをレジストで
塗布している構成においては、基板の反射率や干渉条件
等のプロセス条件により、図19(A)に示すようなウ
エハマ−ク像がCCDより検出されることもあれば、図
19(B)に示すようなウエハマ−ク像がCCDより検
出されることもある。

【0029】従って、FFTによる位相検出法を用いた
場合、プロセス条件により処理する空間周波数が異なる
事となり、処理系として広い範囲の空間周波数に対して
精度よく、かつオフセット(空間周波数毎の計測値の
差)のない処理が求められる。この事は、処理系に対し
て大きな負荷であり、ある固定空間周波数に対する高精
度処理を妨げる要因となっていた。

【0030】更に、このような明視野検出法において
は、特に低段差プロセスにおいてS/N比が悪く検出不
能となる場合があった。

【0031】又、検出光学系を暗視野観察化する事によ
り、プロセス条件に関わらずエッジを光らせることで、
図19(B)に示すようなウエハマ−ク像を安定して検
出する事が可能である。

【0032】しかしながら暗視野観察は散乱効率に問題
があり明視野観察に比べ大きな光量を必要としてしま
い、前記明視野検出と同様に、特に低段差プロセスでは
S/N比が悪く検出不能となる場合が多く発生するとい
う問題点があった。

【0033】本発明は各要素を適切に設定した構成によ
りウエハ面上に設けた位置合わせ用(アライメント用)
の格子状マークを露光光の波長と異なる波長の単色光で
照明し、このとき発生する反射回折光に基づいた干渉像
を撮像手段面上に形成し、該撮像手段で得られる映像信
号を利用することによりレチクルとウエハとの位置合わ
せを高速でしかも高精度に行い、高解像度の投影露光が
可能な位置合わせ方法及びそれを用いた投影露光装置の
提供を目的とする。

【0034】

【課題を解決するための手段】請求項1の発明の位置合
わせ方法は物体上に設けた格子状マークを単色光で照明
し、該格子状マークからの反射回折光のうち±n次光
(n=1,2,3・・・)を用いて形成される干渉像の
撮像信号から得られる、2次元座標の一つの方向に電気
的あるいは光学的に投影積算された1次元の投影積算信
号を、直交変換により空間周波数領域に変換し、該空間
周波数領域上で該1次元投影積算信号より該格子状マー
クの周期性に基づく干渉像より固有に現われる空間周波
数成分を選択し、該格子状マークの位置を検出すること
により、該物体を所定位置に位置合わせを行う際、検出
手段により該物体からの反射光の反射角度情報を検出
し、該検出手段からの信号に基づいて該格子状マークの
位置の検出を補正したことを特徴としている。

【0035】請求項2の発明の投影露光装置は露光光で
照明されたレチクルに形成されたパターンを投影レンズ
を介してウエハ面上に投影露光する投影露光装置におい
て、該ウエハ面に設けた格子状マークを照明手段からの
単色光で該投影レンズを介して照明し、該格子状マーク
からの反射回折光を該投影レンズを通過させた後、反射
部材で露光光路外に導光し、該反射回折光のうち±n次
光(n=1,2,3・・・)をストッパーにより選択的
に取り出し、該取り出したn次光を用いて投影光学手段
により該レチクルと同期のとれた撮像手段面上に干渉像
を形成し、該撮像手段からの映像信号を用いて位置合わ
せ手段により該撮像手段で得られる映像信号に対して設
けた所定の大きさの2次元ウィンドウ内で該撮像手段で
得られた映像信号を2次元座標の1つの方向に積算して
1次元投影積算信号を得て、次いで該1次元投影積算信
号を形成される干渉像の撮像信号から得られる、2次元
座標の一つの方向に電気的あるいは光学的に投影積算さ
れた1次元の投影積算信号を、直交変換により空間周波
数領域に変換し、該空間周波数領域上で該1次元投影積
算信号より該格子状マークの周期性に基づく干渉像より
固有に現われる空間周波数成分を選択し、該格子状マー
クの位置を検出することにより、該ウエハを所定位置に
位置合わせを行う際、検出手段により該ウエハ面からの
反射光の反射角度情報を検出し、該検出手段からの信号
に基づいて該格子状マークの位置の検出を補正している
ことを特徴としている。

【0036】

【0037】

【0038】

【0039】

【0040】

【0041】

【0042】

【実施例】図1は本発明を説明する為の例としての投影
露光装置の要部概略図である。

【0043】同図においては照明装置ILからの露光光
により照明されたレチクルR面上の電子回路パターンを
投影レンズ1によりウエハステージST上に載置したウ
エハW面上に縮小投影し、電子回路パターンの露光転写
を行っている。

【0044】次に図1の位置合わせ手段の各要素につい
て説明する。

【0045】53は基準マークGSを有する検出光学
系、101は固体撮像素子14を有する撮像装置、GW
はウエハ面に設けたウエハマーク(格子状マーク、アラ
イメントマークともいう。)である。

【0046】図1では予め適当な検出系で投影レンズ
1、検出光学系53、そして撮像装置101に対するレ
チクルRの相対位置を求めている。そして検出光学系5
3内の基準マークGSとウエハWのウエハマークGWの
投影像の撮像装置101の撮像面での位置を検出するこ
とにより間接的にレチクルRとウエハWとの相対位置合
わせを行っている。

【0047】次に位置合わせにおいてウエハW面上のウ
エハマークGWの位置を検出し、ウエハWを所定位置に
位置合わせする方法について説明する。

【0048】直線偏光のHe−Neレ−ザ−2から放射
される露光光の波長とは異った波長λの光束を音響光学
素子(AO素子)3に入射させ、このAO素子3により
レンズ4へ向う光の光量を制御し、例えばある状態で完
全に光を遮断するようにしている。

【0049】AO素子3を通過した光束はレンズ4で集
光し、その後、ウエハWと光学的に共役な面上に配置し
た視野絞りSILにより空間的に照明範囲を制限した後
に偏光ビームスプリッター5に入射させている。そして
偏光ビームスプリッター5に入射させている。そして偏
光ビームスプリッター5で反射させ、λ/4板6、レン
ズ7、ミラ−8、レンズ19、そして投影レンズ1によ
りウエハW面上のウエハマ−クGWを垂直方向から照明
している。

【0050】この時の照明光は、投影レンズ1、レンズ
7、そしてレンズ19で構成される光学系の瞳面(ウエ
ハW面である像面のフ−リエ変換面)上で図4(A)に
示すような光束41であり、ウエハW面にほぼ垂直に入
射している。(図4(A)におけるv,wは瞳面の座標
であり、照明光のウエハW面に対する入射角の分布を表
わしている)。ウエハW面上のウエハマ−クGWは、図
4(B)に示すようなピッチPの回折格子より成る所謂
格子状マークより成っている。図4(B)の斜線領域と
その他の領域はウエハW面上で段差が異なるか、反射率
が異なるか、位相が異なるかなどしており、それにより
回折格子をなしている。

【0051】ウエハマ−クGWから反射した光束は投影
レンズ1を通過した後、順次レンズ19、ミラ−8、レ
ンズ7、λ/4板6、偏光ビ−ムスプリッタ5を介し、
レンズ9、そしてビ−ムスプリッタ10を通して、位置
Fにウエハマ−クGWの空中像を形成している。

【0052】位置Fに形成したウエハマークGWの空中
像は更にフ−リエ変換レンズ11を介しストッパ−12
によってウエハマ−クGWからの反射回折光のうち、例
えばウエハW上の角度が±sin-1(λ/P)に相当す
る反射回折光束のみを透過させ、フ−リエ変換レンズ1
3を介し撮像手段としての固体撮像素子14にウエハマ
−クGWの干渉像を形成している。

【0053】この干渉像は、単色光で照明したピッチP
の回折格子を形成するウエハマ−クGWの像であるか
ら、単なる散乱光を用いた暗視野像より信号光量及びコ
ントラストは充分高く安定している。

【0054】ここでレンズ19、レンズ7及びレンズ9
は補正光学系51を構成し、ウエハマ−クGWの照明光
の波長に対して投影レンズ1で発生する収差、主には軸
上色収差、球面収差等を補正している。

【0055】補正光学系51は取込み開口光束すべてに
対して収差補正を実行する必要はなくストッパー12を
通過する反射回折光束のみに対して限定して収差補正を
すればよいので、光学系は非常に簡素な構成となってい
る。

【0056】これは露光光としてエキシマレーザーから
の光を利用する所謂エキシマステッパーを用いる場合に
は、照明光に対して発生する収差量がg線やi線の光を
用いた投影露光装置に比べて大幅に大きいために大変有
効となっている。

【0057】一方、ウエハマ−クGWの照明光の波長と
異なる波長を放射するLED等の光源15からの光束を
コンデンサ−レンズ16により集光し、基準マスク17
面上に形成されている基準マ−クGSを照明している。
この基準マ−クGSは例えば図5に示すようにウエハマ
−クGWと同様の格子状マ−クより成り、同図では斜線
部が透明領域でその他が不透明領域と成っている。

【0058】基準マ−クGSを透過した光束はレンズ1
8によって集光し、その後LED15からの光束を反射
し、He−Neレ−ザ2からの光束を透過させる光学特
性を持つビ−ムスプリッタ10を介しF面上に基準マ−
クGSの空中像を形成している。

【0059】その後、F面上の基準マークGSの空中像
はウエハマ−クGWと同様にフーリエ変換レンズ11、
13により固体撮像素子14上に結像される。フ−リエ
変換レンズ11、及び13で構成される光学系52は基
準マ−クGS及びウエハマ−クGWへの照明光の2波長
で良好に収差補正されている。

【0060】尚、光源15からの光束の波長をウエハマ
−クGWの照明光の波長と同じとし、ビ−ムスプリッタ
10を偏光ビ−ムスプリッタ化する事により光路合成し
ても良い。その際、光学系52はウエハマ−クGWの照
明波長に対してのみ収差補正を行っておけば良い。

【0061】照明光がウエハW面上に入射したときのウ
エハマ−クGWからの反射光の強度分布に対し、ストッ
パ−12は瞳面フィルタ−として作用する。この結果固
体撮像素子14に入射する光束は、ウエハマ−クGWか
らの±n次回折光のみとなる。但しn=1,2,3・・
・である。

【0062】ここでは±1次回折光のみとし、固体撮像
素子14上には図2(A)で示すようなウエハマ−クG
Wの干渉像Mが形成される。この干渉像Mの強度分布は T=β・P/2 (βは結像倍率) で示される周期Tを持つCOS関数で、ウエハW上のウ
エハマ−クGWの光軸からの位置ずれに対応した位置ず
れ量を持つ強度分布を示す。

【0063】この干渉像Mは、ウエハマ−クGWの段差
や表面を覆うレジストの膜厚がいかように変化しようと
も、周期Tを持つCOS関数としての所望の強度分布を
形成する。

【0064】ストッパー12で選択する回折光は±1次
回折光のみに限定する必要はなく±n次回折光(N=
1,2,3・・・)のみを透過する瞳面フィルターを用
いても良い。

【0065】種々の次数を選択出来ることは波長を変え
ることにも対応しており、ウエハマークGWの検出率を
向上させることができる。例えば±1次回折光が少なけ
れば±2次回折光を用いればウエハマークGWの検出率
を向上させることができる。

【0066】この際、瞳面フィルタ−の座標位置はウエ
ハW上の角度が±sin-1(nλ/P)に相当する位置
となり、固体撮像素子14上に結像するのは周期T=β
・P/(2n)のCOS関数となる。

【0067】又、固体撮像素子14上に結像された基準
マ−クGSの像とウエハマ−クGWの像は、あらかじめ
基準マ−クGSとウエハマ−クGWのピッチQ,Pを各
々の結像倍率に対応させて決定する事により、同一ピッ
チTとなるようにしている。これにより次に述べるFF
T処理における位相差検出において常に固定周波数での
解析を可能としている。

【0068】本装置では、予め適当な検出手段によって
投影レンズ1、検出光学系53、及び固体撮像素子14
を含む撮像装置101に対するレチクルRの相対位置を
求めている。

【0069】そこで、位置合わせは、基準マ−クGSと
ウエハマ−クGWの像の固体撮像素子14を含む撮像装
置101の撮像面での位置を検出することにより行って
いる。

【0070】即ち、ウエハW面上のウエハマークGW
と、基準マスク17面上の基準マークGSとの相対的位
置を検出し、この時の検出データと予め検出しておいた
基準マークGSとレチクルRとの相対的位置のデータを
利用してレチクルRとウエハWとの位置合わせを行って
いる。

【0071】固体撮像素子14上に結像された検出マー
ク像としての基準マ−クGSの像とウエハマ−クGWの
像は、2次元の電気信号に変換される。図2は、撮像装
置101に結像した検出マ−ク像を含む撮像面上の説明
図である。

【0072】図2において干渉像Mは検出マ−クであ
り、パターンの位置検出をする方向を図2に於てx方向
とするとき、検出マ−クMは、x方向に周期Tを有する
COS関数となる強度分布パターンとなっている。この
ような検出マ−クMを形成することにより、求めようと
するパターン中心xc に対しパターンのx方向の断面形
状は対称性を有するものとなる。

【0073】撮像装置101によって2次元の電気信号
に変換されたパターン像は、図1の102のA/D変換
装置によって、投影レンズ1と検出光学系53の光学倍
率及び撮像面の画素ピッチにより定まるサンプリングピ
ッチPs により2次元の装置上の画素のXY方向のアド
レスに対応した二次元離散電気信号列に変換される。

【0074】図1の103は積算装置であり、図2
(A)にしめす検出マ−クMを含むような所定の2次元
のウィンドウを設定した後に図2(A)でしめすy方向
にウィンドウ20内で画素積算を行い、図2(B)に示
すx方向に離散的な電気信号列s( x) を出力する。

【0075】図1の104はFFT演算装置であり、入
力した電気信号列s( x) を離散フーリエ変換し、電気
信号列s(x) を空間周波数領域に変換しそのフーリエ
係数を高速に演算するものである。その手法は公知の
(例えば、科学技術出版社『高速フーリエ変換』、E.
ORAN BRIGHAM著、第10章高速フーリエ変
換、に説明されている。)N点(N=2r )の高速フー
リエ変換(FFT)によるものであり、サンプリング周
波数をfs =1としたときに周波数f(k)=k/Nの
複素フーリエ係数X(k)は、

【0076】

【数1】 となる。

【0077】又、このとき空間周波数f(k)の強度E
(k),Θ(k)はそれぞれ、 E(k)=((Re(X(k)))2 +(Im(X(k))2 ))1/2 (2) Θ(k)=tan-1(Im(X(k))/Re(X(k)))} (3) (但し Re(X(k)),Im(X(k))は複素数
X(k)の実部および虚部を表す。)と表わすことがで
きる。

【0078】図3(A)は,予め適当な検出手段により
求められた検出マークMの中心近傍xs を基準点として
検出マ−ク全体を含むようにFFTを施した際の空間周
波数強度E(k)の分布を表している。

【0079】パターンの周期性によって、該パターンの
一次元離散信号S(x)に出現するパターン固有の空間
周波数f(h)=(Ps /T)・Nの強度は大となり、
図3(A)のグラフ上でピークを生じる。

【0080】図1の105は周波数強度検出装置であ
り、式(4)によってパターン固有の空間周波数f(h)
の近傍αの範囲において、ピーク位置Piおよびピーク
周波数f(Pi)の検出を行っている. Pi={ k | max ( E(k),f(h)・N-α < k < f(h)・N+α ,k=0,1,2,・・・,N-1 } (4) ここで、αは正の整数で、パターンのピッチ変動に対し
てPiが有意になるように決める。

【0081】一方、αの範囲であれば光学系の調整状態
等、何等かの原因で光学倍率が所定の値から変動した場
合でもこのピークを示す周波数f(Pi)を検出すること
で、パターン固有の空間周波数から光学倍率の変動を補
正することが可能となっている。ピーク検出に際して
は、必要に応じて空間周波数領域で補間手段(例えば、
最小二乗近似、重み付き平均処理)などを用いて周波数
分解能を高めてもよい。

【0082】図1の106は位相検出装置であり、空間
周波数強度のピークf(Pi)とその近傍の周波数成分の基
準点xs での位相を式(3)にしたがって検出する。

【0083】図1の107は、ずれ量検出装置であり,
位相から式(5) ΔK =(1/2π)・(N/K)・PS ・ΘK (5) により実空間でのずれ量Δk を算出する。

【0084】図3(B)は、パターン固有の周波数領域
近傍でのずれ量Δk をプロットしたものである。一般
に、図3(B)に示すごとく、マーク固有の周波数近傍
でのずれ量Δk は、一定の安定した値を示すため、算出
した各々のずれ量Δk に対して周波数強度による重み付
け平均処理を行い、パターン中心の基準点xs からのず
れ量Δc を重み付け平均処理(式(6))にしたがって
検出している。

【0085】 図3(C)はこの重み付き平均処理の結果を表わす図で
ある。この様にすることにより、ずれ量Δcを検出パタ
ーンの信号のみに着目することによるS/N比の向上と
計算量の減少、重み付き平均処理による検出の安定化を
図りつつ検出している。

【0086】これまでフーリエ係数の計算にFFTを利
用したが、パターン固有の空間周波数は大きく変動しな
いことを利用して、必要とされる周波数成分のフーリエ
係数のみを式(1)より直接に計算するようにしても良
い。

【0087】この場合サンプリング点数を任意に選ぶこ
とができるため、離散フーリエ変換による周波数成分は
k/Nで表されることを考慮して、k/Nが求めようと
する周波数成分に最も近くなるようにサンプリング点数
Nを最適に選ぶことにより、パターン固有の空間周波数
をより正確に求めることが可能となる。又、検出に利用
する周波数成分を少なくすることで、計算量の減少も可
能となる。

【0088】この様にして、ウエハW面上のウエハマ−
クGWと、基準マスク17面上の基準マ−クGSとの相
対的位置を検出し、この時の検出デ−タと予め検出して
おいた基準マ−クGSとレチクルRとの相対的位置のデ
−タを利用してレチクルRとウエハWとの位置合わせを
行っている。

【0089】尚、ウエハマ−クGWと基準マ−クGSの
位置ずれを検出したが、基準マ−クGSの代わりにレチ
クルR上のレチクルマ−クを光学系を介して固体撮像素
子14に結像させレチクルマ−クとウエハマ−クGWの
位置ずれを直接検出する様にしても良い。

【0090】更に基準マ−クGSを固体撮像素子14に
結像させる代わりに固体撮像素子14の信号を記録させ
る画像メモリ上に基準マ−クを仮想して設定し基準マ−
クGSの代用として用いても良い。

【0091】又、位置合わせすべき物体上に設けた格子
状マークをX,Y方向に各々設けて、別々の光学系によ
りX,Y方向それぞれの位置を検出したり、格子状マー
クを市松状に形成して、X,Y方向を同時、又は切換え
により一つの光学系で検出するようにしても良い。この
ようなことは以下説明する各例において同様に適用可能
である。

【0092】次に本発明を説明する為の例としての他の
投影露光装置について説明する。ここではストッパー1
2の取り込みNAを特定している。

【0093】図1に示す構成においてストッパー12の
取り込みNA(開口形状)を例えば図6に示すような開
口12bのようにすると、即ち撮像手段14面上に形成
した干渉縞を評価し位置合わせを行う方向に対して直交
する方向には比較的大きいNAを有するようにすると、
ウエハW(物体)上に設けた格子状マークGW内あるい
は周辺の不要な像情報が撮像手段14上に伝達され、S
/N比を低下させる場合がある。

【0094】具体的には、表面荒れの激しいプロセスに
おける位置合わせの際にランダムな検出誤差が発生した
り、格子状マークGW内あるいは周辺にゴミや欠陥があ
った場合には計測誤差が発生してくる場合がる。

【0095】又、単色光源を照明光として用いることに
より発生するスペックルノイズの影響を少なくするため
に、拡散板に代表されるような、なんらかの揺動手段の
設定により、一般に光量を大きく損失する場合が多く、
検出信号のS/N比を低下させたり、特に低段差プロセ
スや基板反射率が低いなど条件が悪い場合には照明光量
が不足して検出が不能になったりする場合がある。

【0096】更に、反射回折光に対する取り込みNAが
大きくなると、非露光TTL方式の非露光光の照明波長
に対して投影レンズで発生する収差は、特にエキシマレ
ーザーを露光光として用いた場合には、非常に大きいも
のになってしまい投影レンズで発生した収差を補正する
光学系が複雑なものとなったり、場合によっては現実的
な補正光学系が構成できなくなる場合がある。

【0097】ここではストッパー12の開口条件を次の
如く適切に設定することにより前記の諸問題を解決し、
高精度な位置合わせを実現している。

【0098】一般にストッパーの各反射回折光に対する
ウエハ側での取り込み角をNA、照明光の波長をλ、光
学系の遮断周波数(伝達可能な限界周波数)をNC とす
ると、NC は NC =2・NA/λ で表わされる。

【0099】一方、検出すべき撮像手段上14に形成さ
れた干渉縞の空間周波数をT、ウエハWから撮像手段1
4間の光学倍率の絶対値をβとし、この空間周波数Tを
ウエハW上での空間周波数TW に換算すると、 TW =T・β で表わされる。

【0100】従って、遮断周波数NC を空間周波数TW
より小さくなるようにNAを設定してやれば、物体上に
設けた格子状マーク内あるいは周辺の不要な像情報が撮
像手段上に伝達されないという形態を得ることができ
る。

【0101】そこでストッパー12の取り込みNAを 0<NA<T・β・λ/2 の如く設定している。

【0102】図7はストッパ−12の要部平面図、図8
はストッパー12を用いたときの図1の光路を模式的に
展開した要部説明図である。図7において12aはスト
ッパー12の開口部を示している。

【0103】位置合わせすべきウエハW(物体)上に設
けた格子状マークGWを単色光で照明する照明光の波長
λを、λ=633nm、ウエハWから撮像手段14間の
光学倍率の絶対値βを、β=100x、撮像手段14上
に形成された干渉縞の空間周波数TをT=2として前出
の関係式から導かれる取り込みNAをNA<0.063
を満たし、同時にストッパー12で選択される±1次の
反射回折光を十分通過させるように、前記反射回折光を
選択的に取出すストッパー12の各反射回折光に対する
ウエハW側での取り込みNAを、NA=0.03に設定
している。

【0104】ストッパー12の取り込みNAを前述の条
件式を満足するように構成することによりウエハW(物
体)上に設けた格子状マークGW内あるいは周辺の不要
な像情報が撮像手段14上に伝達されS/N比を低下さ
せるのを防止すると同時に、スペックルノイズの影響を
なくすための拡散板に代表されるなんらかの揺動手段を
不要とし、光量の損失を防止している。

【0105】更に投影レンズで発生した収差を補正する
領域が信号光の取り込みNA部のみに限定されること
で、補正光学系が不要であったり、単レンズのような非
常に簡単な構成で実現できるようにし、その結果、高S
/N比で常に安定した位置計測を可能としている。特に
エキシマレーザーを露光光として用いた投影露光装置に
おいて非露光TTL方式による高精度の位置合わせ方法
を実現可能としている。

【0106】次に本発明を説明する為の更に他の例とし
ての投影露光装置について説明する。

【0107】ここでは投影レンズ1を通過したウエハマ
ークGWからの反射回折光を露光光路外に取り出す反射
部材8の配置を特定したことを特徴としている。

【0108】位置合わせをすべきウエハW(物体)上に
設けた格子状マークGWで反射回折した反射回折光を投
影レンズ1を通過後、反射部材8で露光光路外に取り出
している。このときの反射部材8として例えば図9
(A),(B)に示すようなミラー又はプリズムを用い
ると、その姿勢が格子状マークGWの位置を検出し位置
合わせを行う方向の傾き成分に関して、装置の置かれて
いる環境(温度や気圧、あるいは装置自体の振動に伴う
メカの安定性等)の影響で経時変化が起きると、位置計
測値が変化してしまう。

【0109】その影響度は図10に示すように、ミラー
8の傾きをε,ミラー8から位置合わせすべきウエハW
上に設けた格子状マークGWの共役面CSまでの距離を
d、位置合わせすべきウエハから共役面CSまでの光学
倍率の絶対値をβとすると、位置検出誤差量Δst は、 Δst =d・tanε/β となる。

【0110】例えばd=100mm,β=5x,Δst
の許容値を0.02μmと設定した場合には、ミラー8
の姿勢保持精度を0.2秒以下という大変厳しい値に設
定する必要がある。

【0111】そこで前記反射回折光を前記投影レンズ1
の露光光路外に取り出すための反射部材8の反射面の位
置を前記格子状マークGWの位置と投影レンズ1を介し
た共役な位置の近傍に設定し、これにより装置の置かれ
ている環境(温度や気圧、あるいは装置自体の振動に伴
うメカの安定性等)の影響で、経時変化が起きたときの
影響を最少限に留めるようにしている。

【0112】ここで共役な位置近傍とは反射部材8が多
少傾いても検出精度に大きな影響を与えない範囲をい
う。

【0113】図11はこのときの光学作用を示す説明図
である。

【0114】同図は反射部材8の反射面の位置を前記格
子状マークGWの位置と共役な位置の近傍に設定した場
合の動作を示している。図中の破線で示されるように、
反射部材8が傾いて光路のずれが生じても、撮像手段1
4面では干渉像の位置のずれが生じないことを示してい
る。

【0115】この結果、環境の影響を受けにくい、常に
安定した位置計測が可能となり、特に、エキシマレーザ
ーを露光光として用いた投影露光装置において非露光T
TL方式による高精度の位置合わせを可能としている。

【0116】図12は本発明の投影露光装置の実施例1
の要部概略図である。図中、図1で示した要素と同一要
素には同符番を付している。

【0117】本実施例では図1に比べてウエハWからの
反射光(0次光)の反射角度(dθ)を検出し、該反射
角度(dθ)に基づいてウエハW上の格子状マークGW
の位置検出を補正している点が異なっており、その他の
構成は実質的に同じである。

【0118】一般にウエハW上のアライメントマーク
(格子上マーク)GWは上層に塗布されているレジスト
によって光学的に変化して特に非対称などの塗布ムラは
ウエハアライメント信号を歪ませて検出誤差の要因とな
る。この検出誤差は明視野観察法と比して回折格子を用
いた干渉アライメントにおいて特に顕著に影響を及ぼ
す。

【0119】そこで本実施例では格子状マーク位置を検
出し位置合わせを行う際に、ウエハからの反射光の反射
角度を検知することにより、レジスト塗布ムラより生じ
る格子状マークGWの位置検出誤差を補正して位置合わ
せを行っている。

【0120】具体的にはウエハ面である像面のフーリエ
変換面となる検出光学系の瞳面に固体撮像素子を配置
し、ウエハからの反射光の結像位置よりレジスト塗布ム
ラより生じる格子状マークの位置検出のズレ量及び方向
を検知し、像面に配置された固体撮像素子上にできた干
渉像より求められた位置検出量に補正をかける事により
高精度な位置合わせを実現している。

【0121】次に図12の実施例1において図1と異な
る点を中心に説明する。

【0122】20はビームスプリッタであり、ずれ量を
補正する為の光束を得る為にウエハマークGWの照明光
の波長に対してハーフミラーとして機能しており、ウエ
ハ反射光の何割かはこのビームスプリッタ20で反射さ
れフーリエ変換レンズ21へ導かれる。フーリエ変換レ
ンズ21によって集光されたウエハ反射光はストッパー
12と共役な固体撮像素子22に入射される。

【0123】この時、固体撮像素子22面上は検出光学
系の瞳面(ウエハW面である像面のフーリエ変換面)と
なるよう構成しており、図4(A)に示す様なウエハマ
ークGWからの回折光分布を表す情報を検知している。

【0124】本実施例では固体撮像素子22と撮像装置
109は検出手段の一要素を構成している。

【0125】本実施例では、固体撮像素子22に投影さ
れたウエハマ−クGWの回折光分布を用いて以下のよう
にしてずれ量検出装置107で求められたずれ量を補正
する量を算出している。

【0126】本実施例においてはウエハマ−クGWの回
折光のうちウエハからの正反射光である0次光I0 の変
動を用いている。固体撮像素子22までの検出光学系5
3は、照明光がウエハWに垂直に入射するように構成さ
れており、その時、平面度、平行度が確認されている基
準ウエハかステ−ジST上に配置した水平反射面を照明
領域下に置き固体撮像素子22で0次光I0 が集光する
位置X0 を撮像装置109、補正量検出装置110を用
いて計測、記憶する。この位置X0 が基準位置となり、
通常の計測状態では変動することはない。しかしウエハ
W上のレジストが非対称に塗布されるとこの位置がずれ
てしまう。

【0127】図13はレジストがウエハマ−クGWの計
測方向に(x方向)に角度θ傾斜して塗布されている摸
式図である。レジストの屈折率をN、平均レジスト厚を
dとすると、0次反射光I0 の垂直入射光からの角度ず
れ量dθは dθ=sin-1(N*(sin(2θ−sin-1(sinθ/N))))−θ (7) で表される。

【0128】この角度変化は固体撮像素子22を含む撮
像装置109で検知され、w軸方向に位置X0 よりdx
(ウエハW上での角度ずれ量dθからの結像倍率を含
む)ずれる事となる。

【0129】この時、式(6)より算出されるずれ量Δ
c に生じる計測誤差Δeは次の通りである。位置ずれ検
出に用いる±1次反射光I+1、I-1も0次反射光I0
同じくレジスト傾斜により角度変化が生じており、その
回折角度β(+1)、β(-1)は β(+1)=sin-1(λ/P)+dθ (8) β(-1)=sin-1(λ/P)−dθ (9) であり、ウエハマ−クGW上での垂線に対する角度α
(+1)、α(-1)は α(+1)=sin-1((sin(β(+1)+θ))/N)−θ (10) α(-1)=sin-1((sin(β(-1)−θ))/N)+θ (11) となる。

【0130】この±1次反射光I+1,I-1のレジスト傾
斜に起因する光路長差ΔLが計測誤差Δeを生むのであ
るから、照明光の波長をλとすると ΔL=t*(cosα(-1)−N*cosα(+1)) /(N*cosα(-1)*cosα(+1)) (12) t=2*d*(tanα(-1)+tanα(+1)) /(tanα(-1)−tanα(+1)+2/tanθ) Δe=P*ΔL/λ (13) となる。

【0131】(13)式より求められる計測誤差Δeが
この時式(6)より算出されるずれ量Δc を補正する値
である。固体撮像素子22を含む撮像装置109で検出
される0次光の位置X0 よりのずれ量dxは、補正量検
出装置110へ伝えられ検出光学系53の結像倍率等よ
り、0次反射光I0 の垂直入射光からの角度ずれ量dθ
が求められる。

【0132】この角度ずれ量dθと既知のレジストの屈
折率Nより(7)式からレジスト傾斜角θが算出され、
平均レジスト厚dを既知とすれば(8)〜(13)式よ
り計測誤差Δeが導かれる。計測誤差Δeは位置合わせ
制御装置108へ伝達され、ずれ量検出装置107より
伝達されたずれ量Δc に補正をかけることにより正確な
位置ずれ量を求めている。

【0133】この様にして、ウエハW面上のウエハマ−
クGWと、基準マスク17面上の基準マ−クGSとの相
対的位置を検出し、この時の検出デ−タと予め検出して
おいた基準マ−クGSとレチクルRとの相対的位置のデ
−タを利用してレチクルRとウエハWとの位置合わせを
行っている。次に本発明の実施例2について説明する。

【0134】前述した実施例1では、位置ずれ補正量Δ
eを算出するために正反射光である0次回折光を用いた
が、固体撮像素子14上に干渉縞を生じせしめる±n次
反射光の角度変化を検出する事によっても同様の効果を
あげる事ができる。

【0135】例えば、±1次反射光を用いる場合、図4
(A)で示される様な固体撮像素子22上のウエハマー
クGWからの回折光の瞳面分布のうち、±1次反射光I
+1,I−1をモニターし基準ウエハ等を観察している
ときの位置から、実ウエハを観察する際にどれだけ変化
するかによって垂直入射光からの角度ずれ量dθを求
め、(7)〜(13)式より計測誤差Δeを求めても良
い。

【0136】このようにすると図12で示した構成のま
まで実施できるので撮像装置109でモニターする光束
を選択するだけで、図1の装置との共用が可能であると
いう特長がある。

【0137】又、図14に示すようにずれ量を補正する
為の光束を得る為のビームスプリッター20を光学系5
2と固体撮像素子14との間に配置した構成によりスト
ッパー12で干渉縞を生じせしめる光束と位置ずれ補正
量Δeを算出するための光束を同時に選択するようにし
ても良い。この場合、固体撮像素子22に入射する光束
はモニターする光束のみであるから位置ずれ補正量Δe
を算出するうえでS/N比の向上が期待できる。

【0138】図15は本発明の投影露光装置の実施例3
の要部概略図である。

【0139】本実施例の特徴はストッパー12の0次光
を遮光する部分に角度を持たせたミラー面としウエハマ
ークGWを照明する波長に対して反射させ、その反射光
を位置ずれ補正量Δeを算出する光学系へ導光した事で
ある。この為、位置ずれ補正量Δeを算出する光学系を
ハーフミラーを挿入する事なく構成できるようになり、
光量の損失を防ぎ、迷光の発生要因を減らす効果をもた
らす。

【0140】

【0141】

【0142】

【0143】

【0144】

【0145】

【0146】

【0147】

【0148】

【0149】

【0150】

【0151】

【0152】又、本発明においては撮像手段はすべて2
次元の映像信号を検出し、電気的に1つの方向に積算し
て1次元の投影積算信号を得ているが、例えば撮像手段
の前にシリンドリカルレンズを構成して光学的に1つの
方向に積算して1次元の撮像手段により1次元の投影積
算信号を得るように構成することも容易に可能である。

【0153】

【発明の効果】本発明によれば以上のように各要素を適
切に設定した構成によりウエハ面上に設けた位置合わせ
用(アライメント用)の格子状マークを露光光の波長と
異なる波長の単色光で照明し、このとき発生する反射回
折光に基づいた干渉像を撮像手段面上に形成し、該撮像
手段で得られる映像信号を利用することによりレチクル
とウエハとの位置合わせを高速でしかも高精度に行い、
高解像度の投影露光が可能な位置合わせ方法及びそれを
用いた投影露光装置を達成することができる。

【0154】

【0155】

【0156】

【0157】特に本発明によれば、検出手段によりウエ
ハ面からの反射光の反射角度情報を検出し、検出手段か
らの信号に基づいて格子状マークの位置の検出を補正し
ているので、レジスト塗布ムラなどのウエハプロセス条
件に影響されない高精度な位置合わせを実現している。

【0158】

【図面の簡単な説明】

【図1】 本発明を説明する為の例としての投影露光
装置の要部概略図

【図2】 図1の撮像手段面上の格子状マークの干渉
像に関する説明図

【図3】 干渉像の信号処理に関する説明図

【図4】 投影露光装置の瞳面と格子状マークの説明

【図5】 基準マークの説明図

【図6】 ストッパーの開口を示す説明図

【図7】 ストッパーの説明図

【図8】 本発明を説明する為の他の例としての投影
露光装置の光学系の一部分の展開模式図

【図9】 反射部材の説明図

【図10】 反射部材の説明図

【図11】 反射部材の説明図

【図12】 本発明の投影露光装置の実施例1の要部概
略図

【図13】 図12の一部分の説明図

【図14】 図12の一部分を変更したときの説明図

【図15】 本発明の投影露光装置の実施例3の要部概
略図

【図16】 従来のOFF−AXIS方式の位置合わせ
装置の説明図

【図17】 従来の露光光TTL方式の位置合わせ装置
の説明図

【図18】 従来の非露光光TTL方式の位置合わせ装
置の説明図

【図19】 ウエハマーク像とウエハマーク断面形状の
説明図

【符号の説明】 IL 照明装置 R レチクル W ウエハ GW ウエハマーク(格子状マーク) GS 基準マーク 1 投影レンズ 2 レーザー 3 AO素子 4 レンズ 5 ビームスプリッター 6 λ/4板 7 レンズ 8 反射部材 10 ビームスプリッター 11,13,21 フーリエ変換レンズ 12 ストッパー 14,22 団体撮像素子 51 補正光学系 52 光学系 53 検出光学系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−206706(JP,A) 特開 平3−282715(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/027

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 物体上に設けた格子状マークを単色光で
    照明し、該格子状マークからの反射回折光のうち±n次
    光(n=1,2,3・・・)を用いて形成される干渉像
    の撮像信号から得られる、2次元座標の一つの方向に電
    気的あるいは光学的に投影積算された1次元の投影積算
    信号を、直交変換により空間周波数領域に変換し、該空
    間周波数領域上で該1次元投影積算信号より該格子状マ
    ークの周期性に基づく干渉像より固有に現われる空間周
    波数成分を選択し、該格子状マークの位置を検出するこ
    とにより、該物体を所定位置に位置合わせを行う際、検
    出手段により該物体からの反射光の反射角度情報を検出
    し、該検出手段からの信号に基づいて該格子状マークの
    位置の検出を補正したことを特徴とする位置合わせ方
    法。
  2. 【請求項2】 露光光で照明されたレチクルに形成され
    たパターンを投影レンズを介してウエハ面上に投影露光
    する投影露光装置において、該ウエハ面に設けた格子状
    マークを照明手段からの単色光で該投影レンズを介して
    照明し、該格子状マークからの反射回折光を該投影レン
    ズを通過させた後、反射部材で露光光路外に導光し、該
    反射回折光のうち±n次光(n=1,2,3・・・)を
    ストッパーにより選択的に取り出し、該取り出したn次
    光を用いて形成される干渉像の撮像信号から得られる、
    2次元座標の一つの方向に電気的あるいは光学的に投影
    積算された1次元の投影積算信号を、直交変換により空
    間周波数領域に変換し、該空間周波数領域上で該1次元
    投影積算信号より該格子状マークの周期性に基づく干渉
    像より固有に現われる空間周波数成分を選択し、該格子
    状マークの位置を検出することにより、該ウエハを所定
    位置に位置合わせを行う際、検出手段により該ウエハ面
    からの反射光の反射角度情報を検出し、該検出手段から
    の信号に基づいて該格子状マークの位置の検出を補正し
    ていることを特徴とする投影露光装置。
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