JP3336505B2

JP3336505B2 - 位置合わせ方法及び装置ならびに露光方法及び装置

Info

Publication number: JP3336505B2
Application number: JP32890491A
Authority: JP
Inventors: 健爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-12-12
Filing date: 1991-12-12
Publication date: 2002-10-21
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: JPH05166697A

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製造用の露光
装置の位置合わせ装置に関するものであり、特にオリエ
ンテーションフラットやノッチ等の位置決め基準を備え
ていないウェハを所定の基準位置に対して位置合わせす
る装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の装置は、図８（ａ），
（ｂ）に示すようなオリエンテーションフラットやノッ
チ等の切り欠き部を備えた基板（ウェハ）を位置合わせ
するものであり、その構成は概ね図８（ｃ）に示すよう
なものであった。即ち、モータ８等の回転機構の回転軸
７によって回転可能に支持されたウェハホルダー６上
に、ウェハ１をその中心とモータ８の回転中心とがほぼ
一致するように載置し、ウェハ１の周辺部に複数の光源
２，３（光源は１つであってもよい）から光束を照射す
る。これらの光束は、通常はウェハ１の周辺部によって
遮光されるが、ウェハ１の切り欠き部分が光束の位置に
存在する場合にはウェハによって遮光されることなく、
ウェハ１を挟んで光源２，３と向かい合う位置に配置さ
れた受光器４，５によって受光される。受光器４，５で
検出された光量信号は、位置検出部３１に入力し、各光
量信号に基づいてウェハの切り欠き部の位置に関する情
報を制御部３３に出力する。制御部３３は、切り欠き部
の位置情報に基づいて、ウェハを所定量だけ回転するよ
うに回転制御部３２に信号を出力する。

【０００３】上記の構成の装置において、ウェハ１の周
辺部に光束を照射した状態でウェハを回転させ、受光器
４，５で検出される光束の光量変化を調べることによっ
てオリエンテーションフラットやノッチの位置を検出
し、ウェハのプリアライメントを行っていた。尚、モー
タ８等の回転機構、若しくはウェハホルダー６には、ロ
ータリーエンコーダ等の位置計測装置が設けられてお
り、ウェハの回転量（回転角）を計測することが可能と
なっている。

【０００４】図９（ａ），（ｂ）は、夫々オリエンテー
ションフラットを有するウェハの回転角θと、受光器
４，５で検出される光量信号の出力との関係を示す図で
ある。例えば図８において、ウェハ１がウェハホルダー
６上に載置、固定された時の回転角θを零とし、回転制
御部３２が回転角θをモニターしながらウェハ１を矢印
の方向に回転させる。その際、ウェハ１の周辺部に対し
て光源２，３から光束が照射されており、オリエンテー
ションフラットの移動に伴って、先ず受光器４が光束を
受光するようになる。オリエンテーションフラットが光
束の部分を通過する間（受光器４については回転角θ₁
からθ₂の間、受光器５については回転角θ₃からθ₄
の間）は、受光器４、乃至５から光量信号が得られる。
受光器４で出力が検出され始めてから、受光器５で出力
が検出されなくなる間のほぼ中間（回転角θ₁と回転角
θ₄とのほぼ中間）の回転角を求め、この位置をオリエ
ンテーションフラットの中心位置とする。求められた回
転角に基づいて、また光源２，３及び受光器４，５の位
置とオリエンテーションフラットを位置合わせすべき位
置との関係を考慮して、ロータリーエンコーダ等の位置
計測装置でモニターしながらウェハを回転して位置合わ
せする。

【０００５】図９（ｃ）は、ノッチを有するウェハの回
転角θと受光器４または５で検出される光量信号の出力
との関係を示す図である。この場合、信号のピーク位置
がノッチの位置となり、このノッチの位置合わせについ
てはオリエンテーションフラットを有するウェハの場合
と同様である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、ウェハ上に
回路素子を形成するためには幾つもの工程を経る必要が
あり、オリエンテーションフラットやノッチ等の切り欠
きが存在するウェハを使用した場合、工程が進むにつれ
てこの切り欠きのためにウェハが歪んでしまう（非線形
な歪みが生じる）という問題点が生じていた。また、ウ
ェハを露光するための装置（ステッパー）においては、
重ね合わせ露光する際にウェハ（各露光領域）を位置合
わせする方法として、任意の数カ所の露光領域の位置を
計測し、その位置に基づいて他の露光領域の位置を類推
してその結果に基づいて重ね合わせ露光を行うという方
法が用いられることもある。この方法においては、ウェ
ハ上の各露光領域の配列が線形であるという仮定を基に
重ね合わせ露光するので、切り欠きが原因で生じるウェ
ハの非線形歪みは直接位置合わせ精度の劣化につながる
ことになる。この非線形歪みによる誤差を避けるため、
切り欠きが存在しない円形のウェハを用いることが考え
られる。

【０００７】しかしながら上記の如き従来の技術は、オ
リエンテーションフラットやノッチ等の切り欠き部が設
けられているウェハに対してのみ適用できるものであ
る。つまり、周辺部に切り欠きの存在しないウェハの場
合は受光部で光束を受光することができないので、従来
の装置での位置合わせが不可能であった。本発明は、以
上のような問題点に鑑みて成されたものであり、オリエ
ンテーションフラットやノッチのないウェハ（円形ウェ
ハ）に対しても高精度にプリアライメントを行う装置、
及び方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題点解決のため請
求項１に記載の本発明では、マスクのパターン像を周辺
部に切り欠きが存在しない円形基板上に投影することに
よってその基板を露光し、その基板上に複数の区画領域
を順次形成する露光方法であって、その複数の区画領域
を形成する前に、その複数の区画領域を形成するための
マークをその基板上に形成し、そのマークを撮像するこ
とによりそのマークの位置情報を求め、該位置情報に応
じてその基板を位置合わせすることを特徴とするもので
ある。

【０００９】また、請求項６に記載の本発明は、マスク
のパターン像を周辺部に切り欠きが存在しない円形の基
板（１）上に投影することによってその基板を露光し、
その基板上に複数の区画領域（ＰＡ）を順次形成する露
光装置であって、その複数の区画領域を形成する前に形
成された基板上のマーク（２４，２５）を撮像する撮像
手段（１１）を有し、その撮像手段からの画像情報に基
づいてそのマークの位置情報を検出する検出手段（１
１，３５）と、そのマークの位置情報に基づいてその基
板を位置合わせすることによりその複数の区画領域をそ
の基板上に形成する制御手段（３７）とを有することを
特徴とするものである。

【００１０】さらに、請求項１１に記載の本発明は、周
辺部に切り欠きが存在しない円形基板を基板ホルダ上に
載置する前に、該円形基板を所定の基準位置に対して位
置合わせする方法において、その円形基板上に形成され
たマークを検出してその基準位置に対する回転ずれを検
出し、その回転ずれを補正した状態でその円形基板をそ
の基板ホルダ上に搬送することを特徴とするものであ
る。

【００１１】また、請求項１２に記載の本発明は、予め
定められた特徴的な配列でパターン領域を形成した基板
を、所定の基準点に対して位置合わせする方法におい
て、その特徴的な配列のパターン領域を形成する際に、
該パターン領域のうち少なくとも１つの領域をその特徴
的な配列と異なる設計上の配列条件でその基板上に形成
する工程と、その基準点と一義的な位置で、その異なる
配列条件で形成された領域の外周部が存在する位置を検
出することによって、該領域の存在位置を検出する工程
と、該検出された存在位置とその基準点との相対偏差が
予め定められた値となるような方向に、その基板を移動
する工程とを含むことを特徴とするものである。

【００１２】また、請求項１３に記載の本発明は、予め
定められた特徴的な配列でパターン領域（ＰＡ）を形成
した基板（１）を、所定の基準点（Ｏ’）に対して位置
合わせする装置において、その特徴的な配列のパターン
領域（ＰＡ）を形成する際に該パターン領域のうち少な
くとも１つの領域をその特徴的な配列と異なる設計上の
配列条件で形成した基板を保持するステージ（６）と、
その基準点と一義的な位置関係に配置され、その異なる
配列条件で形成された領域の外周部が存在する位置を検
出することによって該領域の存在位置を検出する検出手
段（１１，３５）と、該検出された存在位置とその基準
点との相対偏差が予め定められた値となるような方向に
そのステージを移動する駆動手段（８）とを備えたこと
を特徴とするものである。

【作用】本発明においては、基準点に対して位置合わせ
すべき基板上に予めパターン領域を形成する際に、位置
合わせの基準となるマークあるいはパターン領域を設
け、このマークあるいはパターン領域の存在位置と上記
基準点との相対偏差を求め、この相対偏差が所定の値と
なるような方向に基板を移動することとしたため、基板
にオリエンテーションフラットのような位置合わせのた
めの基準を特別に設けなくとも基板を位置合わせするこ
とが可能となる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の実施例による位置合わせ装置
の概略的な構成を示す図である。ウェハ１は不図示の収
納ケースからプリアライメント用のウェハホルダー６上
に搬送され、図２に示すようなプリアライメントピン２
１，２２，２３を矢印の方向に駆動することによって、
ウェハ１の中心Ｏとホルダー６の中心（回転軸）Ｏ′と
がほぼ一致するように位置合わせされ保持される。その
際ウェハ１には、位置合わせすべき所定の位置に対する
微小なオフセット（２次元方向の位置ずれ）と回転ずれ
とが残存している。ホルダー６はモータ８に軸支されて
おり、回転制御部３４によって回転可能となっている。
さらにＣＣＤ１１はレンズ９，１０を介してウェハ１の
表面と共役な位置に配置されており、ＣＣＤ１１からの
出力信号は位置検出部３５によって２次元的に解析され
るようになっている。ＣＣＤが一度にウェハ表面の全面
を観察するものであれば、ＣＣＤ１１に接続されたＩＴ
Ｖカメラ等では図３のように観察される。図３に示すウ
ェハ１上には、既に回路パターン領域ＰＡが所定の配列
で転写されており、さらに中心Ｏを原点として、このパ
ターン領域ＰＡの配列座標ＸＹを設定したとき、Ｘ軸に
対して非対称な位置（但し、Ｙ軸については線対称な位
置とする）に位置合わせ用のマーク２４，２５が配置さ
れている。このマーク２４，２５をＣＣＤ１１で検出
し、位置検出部３５によってマーク２４，２５の中心
Ｏ′に対する位置を解析する。ＣＣＤで検出されたウェ
ハ１上の画像情報は、ＣＣＤの画素の各々についてその
２次元的な位置とその位置における像の有無の情報とが
対応して位置検出部３５内のメモリに記憶されている。
そのため、検出した画像情報の中から任意のデータを選
んで処理することが可能である。このマークの位置に基
づいて、さらにパターン領域ＰＡの配列の外周部の存在
位置を求めるなどして正確な回転ずれ（回転角）とオフ
セットとを求める。ウェハ１は、回転制御部３４で回転
ずれが補正され、ウェハローダ１９によってウェハホル
ダー１５上に搬送される。ウェハローダ１９は駆動部２
０とウェハローダ制御部３６とによって正確にウェハホ
ルダー１５上にウェハ１を搬送する。オフセットについ
ては、オフセット量が位置検出部３５より主制御部３７
に伝達されており、露光に際しての精密な位置合わせ
は、ウェハホルダー１５上でオフセット量を補正するこ
とによって行われる。

【００１４】次に、マーク２４，２５の検出方法につい
て図４を参照して説明する。これはマーク２４，２５の
設計上の位置に基づいて、ホルダー中心Ｏ′に対してど
の位置にマーク２４，２５が存在しているかを調べるも
のである。因みに、マーク２４，２５のウェハ中心Ｏに
対する位置とホルダー中心Ｏ′に対する位置とが一致す
ればウェハの位置合わせが完了する。ウェハ１上に中心
Ｏを原点として座標軸Ｘ，Ｙを考えると、マーク２４，
２５の設計上の位置は夫々（−ｘ，ｙ）、（ｘ，ｙ）で
表される。上述のように、このマーク２４，２５はＹ軸
に対して線対称な位置にあり、Ｘ軸に対しては非対称な
配置となっている。この場合、位置検出部３５では、ホ
ルダー中心Ｏ′から半径｜ｙ｜の距離に円２６を考え、
この円２６に接する接線Ａ_nを設定する。この各接線Ａ
_n上で各接点から±ｘの距離だけ離れた位置近傍の領域
Ｂ_n，Ｂ_n′における画像情報を解析する。つまり、マ
ーク２４，２５の長手方向にＣＣＤの画素ｍ個分のデー
タを加算して１点のデータとし、また、Ｙ方向に画素ｌ
個分の範囲についてデータを処理してマークの座標位置
を求める。ＣＣＤが検出した画像情報を領域Ｂ₁，
Ｂ_i，Ｂ_j及びＢ₁′，Ｂ_i′，Ｂ_j′について処理し
た際に得られる信号の例を図５に示す。領域Ｂ₁，Ｂ_j
及びＢ₁′，Ｂ_j′ではマーク２４，２５が検出領域内
に存在しないので、信号の波形はほぼ平坦になるが、領
域Ｂ_i及びＢ_i′ではマーク２４，２５が検出領域内に
存在するので、ボトム信号となって検出される。

【００１５】以上の方法で求められたマークの中心Ｏ′
に対する位置と設計上のマーク位置（マークが中心Ｏ′
に対して存在する位置）とから、ウェハの回転ずれやＹ
方向のオフセットを求めることができる。尚、上記の添
字ｎは、ｎ＞２πｙ／ｌとし、さらにデータを加算する
画素数ｍは、マーク２４，２５の長手方向の画素数より
も少なくなるように設定してやればよい。尚、マーク２
４，２５の配置はウェハ内の結晶の格子方向と関連付け
られるので、ウェハ上にパターン領域を形成する前に予
めマークを形成しておく。

【００１６】上記の実施例では、ウェハの素材的な方向
性（結晶の格子方向）を考慮して、ウェハ上に配列され
たパターン領域以外の位置合わせ用マークを用いて位置
合わせする場合について述べた。しかしながらこの様な
制約がないときは、パターン領域の配列自体を配列座標
の特定の１つの座標軸に対して非対称にすれば上記のマ
ーク２４，２５は不要となる。例えば図６（ａ）に示す
ように、パターン領域の配列がＸ軸に対して非対称とな
るようにパターン領域２７を設ける。この場合は、上述
のような円２６を設定する必要はなく、ウェハ上に図６
（ｂ）に示すようなホルダーの中心Ｏ′を通る直線を設
定する。そしてこの直線の両端付近で、パターン領域２
７（特に外周部）に相当する位置近傍の領域について、
前述の領域Ｂ_nに対する検出範囲ｌの幅を広くするか、
若しくは図６（ｃ）に示すように夫々２つの領域Ｂ_i1，
Ｂ_i2、及びＢ_i1′，Ｂ_i2′に分けることによって、非対
称に配列されたパターン領域２７の外周の位置を検出す
ればよい。すると領域２７を検出した際に、例えば領域
Ｂ_i1，Ｂ_i2、及びＢ_i1′，Ｂ_i2′について得られる信号
の波形は図７に示すようになり、パターン領域２７の存
在位置を求めることができる。このパターン領域２７の
存在位置と設計上のパターン領域２７の位置（領域２７
が中心Ｏ′に対して存在すべき位置）とから、ウェハの
回転ずれ量やオフセットを求めることができる。さらに
パターン外周の直線部の位置を平均化することによっ
て、精度よく外周位置を知ることも可能となる。また上
記の場合、パターン部からは図７のように複数のボトム
信号が出るが、パターンが存在しない部分ではフラット
な信号しか出ないので、外周部は波形両端のボトム信号
の位置であると認識することができる。

【００１７】さらに、ウェハ上の像を検出するためにＣ
ＣＤを利用して全領域を観察する構成としたが、ライン
センサー等を利用してウェハ上の部分的な領域を観察
し、ウェハを所定の角度ずつ回転させて観察領域を逐次
移動していくことによってほぼ全領域を観察するような
構成にしても構わない。

【００１８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、基板の外
周にオリエンテーションフラットやノッチ等の位置合わ
せ用の基準を特別に設けなくとも、容易に基板を所定の
基準に対して位置合わせすることが可能となる。また基
板に切り欠きが存在しないので、熱処理等の工程による
基板の歪み等を最小限に抑えることができる。さらにオ
リエンテーションフラットやノッチのない基板は感光剤
の塗りむらが少ないことからも有効である。

【００１９】その他、基板上に形成する像の配列を非対
称にしてこれを利用するようにすれば、位置合わせ用の
マークを特別に設ける必要がなくなり、回路パターンの
領域を配列するスペースやスループットの面でも効率的
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による位置合わせ装置の概略的
な構成を示す図

【図２】３本ピンを用いたウェハの中心合わせの様子を
示す図

【図３】位置合わせすべきウェハ上の回路パターンの配
列を示す図

【図４】位置合わせすべきウェハ上の画像情報を検出す
る方法を示す図

【図５】図４に示す方法によって検出された画像情報の
信号を表す図

【図６】（ａ）は、位置合わせすべきウェハ上の回路パ
ターンの配列の他の例を示す図（ｂ），（ｃ）は、位置
合わせすべきウェハ上の画像情報を検出する他の方法を
示す図

【図７】図６に示す方法によって検出された画像情報の
信号を表す図

【図８】（ａ），（ｂ）は、従来の技術による位置合わ
せ装置に適応する基板の形状を示す図（ｃ）は従来の技術による位置合わせ装置の概略的な構
成を示す図

【図９】従来技術による位置合わせ装置を用いた場合の
ウェハの回転角と検出される信号の出力との関係を示す
図

【符号の説明】

１ウェハ６ウェハホルダー８モータ 11 ＣＣＤ 19 ウェハローダ 24,25 ウェハマークＰＡ，27 パターン領域 34 回転制御部 35 位置検出部 37 主制御部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクのパターン像を周辺部に切り欠き
が存在しない円形基板上に投影することによって前記基
板を露光し、前記基板上に複数の区画領域を順次形成す
る露光方法であって、前記複数の区画領域を形成する前に、前記複数の区画領
域を形成するためのマークを前記基板上に形成し、前記マークを撮像することにより前記マークの位置情報
を求め、該位置情報に応じて前記基板を位置合わせする
ことを特徴とする露光方法。
【請求項２】前記マークを検出することによって前記
複数の区画領域を形成する時の前記基板の位置合わせを
行うことを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
【請求項３】前記マークは、前記複数の区画領域が形
成されない領域に形成されることを特徴とする請求項１
又は２に記載の露光方法。
【請求項４】前記マークは、前記基板の結晶の格子方
向に関連付けて配置されていることを特徴とする請求項
１〜３のいずれか一項に記載の露光方法。
【請求項５】前記基板を回転させて前記マークを撮像
することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記
載の露光方法。
【請求項６】マスクのパターン像を周辺部に切り欠き
が存在しない円形の基板上に投影することによって前記
基板を露光し、前記基板上に複数の区画領域を順次形成
する露光装置であって、前記複数の区画領域を形成する前に形成された前記基板
上のマークを撮像する撮像手段を有し、前記撮像手段か
らの画像情報に基づいて前記マークの位置情報を検出す
る検出手段と、前記マークの位置情報に基づいて前記基板を位置合わせ
することにより前記複数の区画領域を前記基板上に形成
する制御手段とを有することを特徴とする露光装置。
【請求項７】前記検出手段で検出された位置情報に基
づいて、前記基板の回転量と前記基板のシフト量との少
なくとも一方を求める演算手段をさらに有することを特
徴とする請求項６に記載の露光装置。
【請求項８】前記マークは、前記複数の区画領域が形
成されない領域に形成されることを特徴とする請求項６
又は７に記載の露光装置。
【請求項９】前記マークは、前記基板の結晶の格子方
向に関連付けて配置されていることを特徴とする請求項
６〜８のいずれか一項に記載の露光装置。
【請求項１０】前記検出手段は、前記基板を回転させ
て前記マークを撮像することを特徴とする請求項６〜９
のいずれか一項に記載の露光装置。
【請求項１１】周辺部に切り欠きが存在しない円形基
板を基板ホルダ上に載置する前に、該円形基板を所定の
基準位置に対して位置合わせする方法において、前記円形基板上に形成されたマークを検出して前記基準
位置に対する回転ずれを検出し、前記回転ずれを補正した状態で前記円形基板を前記基板
ホルダ上に搬送することを特徴とする位置合わせ方法。
【請求項１２】予め定められた特徴的な配列でパター
ン領域を形成した基板を、所定の基準点に対して位置合
わせする方法において、前記特徴的な配列のパターン領域を形成する際に、該パ
ターン領域のうち少なくとも１つの領域を前記特徴的な
配列と異なる設計上の配列条件で前記基板上に形成する
工程と；前記基準点と一義的な位置で、前記異なる配列条件で形
成された領域の外周部が存在する位置を検出することに
よって、該領域の存在位置を検出する工程と；該検出された存在位置と前記基準点との相対偏差が予め
定められた値となるような方向に、前記基板を移動する
工程とを含むことを特徴とする位置合わせ方法。
【請求項１３】予め定められた特徴的な配列でパター
ン領域を形成した基板を、所定の基準点に対して位置合
わせする装置において、前記特徴的な配列のパターン領域を形成する際に該パタ
ーン領域のうち少なくとも１つの領域を前記特徴的な配
列と異なる設計上の配列条件で形成した基板を保持する
ステージと；前記基準点と一義的な位置関係に配置され、前記異なる
配列条件で形成された領域の外周部が存在する位置を検
出することによって該領域の存在位置を検出する検出手
段と；該検出された存在位置と前記基準点との相対偏差が予め
定められた値となるような方向に前記ステージを移動す
る駆動手段とを備えたことを特徴とする位置合わせ装
置。